鏡面反射表面的三維測量一直是光學(xué)檢測領(lǐng)域的技術(shù)難點(diǎn)，傳統(tǒng)激光掃描因鏡面反射導(dǎo)致的光斑畸變、相位模糊等問題，常需依賴噴粉處理以改善漫反射特性，這對精密器件或文物保護(hù)等場景構(gòu)成限制。本文提出一種融合相位偏折術(shù)、多角度偏振編碼與結(jié)構(gòu)光動態(tài)調(diào)制的無噴粉測量方案，通過光學(xué)原理創(chuàng)新與算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)鏡面表面的高精度三維重建。

測量原理與技術(shù)挑戰(zhàn)

非接觸式激光三維掃描的核心基于三角測距原理，當(dāng)激光束投射到鏡面表面時，規(guī)則反射導(dǎo)致接收端無法捕獲散射光，形成測量盲區(qū)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光方法采用正弦條紋投影，但鏡面反射引起的光強(qiáng)飽和會破壞條紋相位信息，導(dǎo)致三維坐標(biāo)解算誤差。研究表明，鏡面反射產(chǎn)生的二次反射光會使相機(jī)成像平面出現(xiàn)偽影，造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)偏差可達(dá) 0.28mm 以上。

相位偏折術(shù)（Phase Measuring Deflectometry, PMD）為解決這一問題提供了新思路。該技術(shù)通過顯示屏投射編碼條紋，經(jīng)鏡面反射后由相機(jī)捕獲變形條紋，利用反射定律建立相位偏移與表面斜率的數(shù)學(xué)關(guān)系。具體而言，當(dāng)波長為 λ 的條紋以入射角 θ 投射到鏡面，表面高度變化 Δh 會導(dǎo)致反射光相位偏移 Δφ，滿足 Δφ = (4π/λ)?Δh?sinθ。這種方法突破了傳統(tǒng)激光掃描對漫反射表面的依賴，但單一 PMD 技術(shù)在復(fù)雜曲率鏡面的相位展開中仍存在邊界模糊問題。

多技術(shù)融合的無噴粉方案設(shè)計

偏振濾波與結(jié)構(gòu)光動態(tài)編碼

為抑制鏡面反射噪聲，方案引入多角度偏振光遙感技術(shù)，通過半波片與偏振分光棱鏡構(gòu)建 P 波 / S 波雙光路系統(tǒng)。當(dāng)激光束經(jīng)偏振調(diào)制后，鏡面反射光的偏振態(tài)保持一致，而漫反射成分呈現(xiàn)隨機(jī)偏振特性，利用這一差異可通過偏振相機(jī)分離有效信號。實(shí)驗表明，采用 658nm 波長的線偏振光時，鏡面反射光的偏振度可達(dá) 92% 以上，顯著提升信號噪比。

在結(jié)構(gòu)光編碼層面，采用二值漂移帶（Binary Shift Stripes）替代傳統(tǒng)正弦模式，通過四步相移（0, π/2, π, 3π/2）生成抗高光條紋序列。這種編碼方式將光強(qiáng)動態(tài)范圍壓縮至梯度域，即使在鏡面反射導(dǎo)致的過曝區(qū)域，仍能通過邊緣檢測提取條紋特征。配合高動態(tài)范圍（HDR）圖像融合技術(shù)，將不同曝光參數(shù)下的條紋圖像合成為全動態(tài)范圍輻射圖，使鏡面邊緣的灰度變化梯度保留率提升 40%。

多鏡面協(xié)同與相位解包裹優(yōu)化

針對深腔或復(fù)雜曲面的測量盲區(qū)，方案借鑒敦煌莫高窟數(shù)字化中的鏡面輔助技術(shù)，通過布設(shè)曲率可調(diào)的反射鏡陣列，構(gòu)建多路徑激光反射網(wǎng)絡(luò)。每個鏡面的位置參數(shù)通過局部切面投影法實(shí)時解算，確保反射光束與被測表面的通視性。在航天發(fā)動機(jī)渦輪葉片的測量實(shí)驗中，三鏡面協(xié)同方案使數(shù)據(jù)采集盲區(qū)率從 35% 降至 8% 以下。

相位解包裹算法是提升重建精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)時間相位展開法在鏡面邊界易出現(xiàn)跳變誤差，本方案引入基于極軸約束的區(qū)域生長算法，以中等曝光條紋圖像為參考，通過梯度域衰減函數(shù)平滑相位突變區(qū)域。實(shí)驗數(shù)據(jù)顯示，該算法使鏡面邊緣的相位解算誤差從 0.03π rad 降至 0.01π rad 以內(nèi)，對應(yīng)三維坐標(biāo)誤差優(yōu)于 0.025mm。

創(chuàng)新價值與應(yīng)用驗證

該方案的核心創(chuàng)新在于構(gòu)建了 “光學(xué)調(diào)制 - 多源數(shù)據(jù)融合 - 智能解算” 的全鏈路技術(shù)體系：在硬件層面，通過偏振分光與多鏡面協(xié)同實(shí)現(xiàn)光路重構(gòu)；在算法層面，結(jié)合 HDR 融合與梯度域相位優(yōu)化提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。與傳統(tǒng)噴粉測量相比，方案在手機(jī)玻璃殼檢測中實(shí)現(xiàn) 0.01mm 級精度，且測量效率提升 3 倍；在青銅器紋飾掃描中，避免了噴粉對文物表面的損傷，點(diǎn)云完整性達(dá) 98% 以上。

當(dāng)前該方案在極光滑曲面（如光學(xué)透鏡）的亞微米級測量中仍存在局限性，未來可通過雙波長數(shù)字全息技術(shù)與深度學(xué)習(xí)相位預(yù)測進(jìn)一步優(yōu)化，推動鏡面三維測量向更高精度發(fā)展。

新啟航半導(dǎo)體三維掃描測量產(chǎn)品介紹

在三維掃描測量技術(shù)與工程服務(wù)領(lǐng)域，新啟航半導(dǎo)體始終以創(chuàng)新為驅(qū)動，成為行業(yè)變革的引領(lǐng)者。公司專注于三維便攜式及自動化 3D 測量技術(shù)產(chǎn)品的全鏈條服務(wù)，同時提供涵蓋 3D 掃描、逆向工程、質(zhì)量控制等在內(nèi)的多元創(chuàng)新解決方案，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、制造業(yè)等多個領(lǐng)域，為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型注入強(qiáng)勁動力。

新啟航三維測量產(chǎn)品以卓越性能脫穎而出，五大核心特點(diǎn)重塑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：

微米級精準(zhǔn)把控：測量精度高達(dá) ±0.020mm，可滿足精密機(jī)械零件等對公差要求近乎苛刻的領(lǐng)域，為高精度制造提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

2，反光表面掃描突破：無需噴粉處理，即可實(shí)現(xiàn)對閃光、反光表面的精準(zhǔn)掃描，避免傳統(tǒng)工藝對工件表面的損傷，適用于金屬、鏡面等特殊材質(zhì)的檢測與建模。

3，自動規(guī)劃掃描路徑：采用六軸機(jī)械臂與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤的組合方案，無需人工翻轉(zhuǎn)樣品，即可實(shí)現(xiàn) 360° 無死角空間掃描，復(fù)雜幾何形狀的工件也能輕松應(yīng)對，確保數(shù)據(jù)采集完整、精準(zhǔn)。

4，超高速測量體驗：配備 14 線藍(lán)色激光，以 80 萬次 / 秒的超高測量速度，將 3D 掃描時間壓縮至 1 - 2 分鐘，大幅提升生產(chǎn)效率，尤其適合生產(chǎn)線批量檢測場景。

智能質(zhì)檢無縫銜接：搭載豐富智能軟件，支持一鍵導(dǎo)入 CAD 數(shù)模，自動完成數(shù)據(jù)對比與 OK/NG 判斷，無縫對接生產(chǎn)線批量自動化測量流程，顯著降低人工成本與誤差，加速企業(yè)智能化升級。

無論是航空航天零部件的無損檢測，還是汽車模具的逆向工程設(shè)計，新啟航三維測量產(chǎn)品憑借硬核技術(shù)實(shí)力，為客戶提供從數(shù)據(jù)采集到分析決策的全周期保障，是推動智能制造發(fā)展的理想之選。

審核編輯 黃宇