结构光
结构光技术作为三维成像领域的核心方法，通过将编码的光学图案投射到物体表面并分析其形变，实现了高精度、非接触的三维形貌测量。
1.结构光技术的基本原理
结构光技术(Structured Light)的核心思想是通过主动投射特定的光学图案到被测物体表面，利用物体形貌对图案产生的空间调制效应，基于三角测量原理重建三维形貌。当投影的结构光图案照射到物体表面时，由于物体高度变化，观察视角下的图案会产生形变，这种形变携带了物体的三维信息。通过数学模型分析原始图案与变形图案的差异，可以精确计算出物体表面各点的空间坐标。激光以其高亮度、高准直性和单色性成为结构光系统的主要光源。
典型结构光工作原理
结构光系统通常由三个主要部分组成：激光投影单元、图像采集单元和数据处理单元。投影单元将编码的结构光图案(如正弦条纹、格雷码或散斑)投射到被测物体；图像采集单元(通常是CCD或CMOS相机)从不同视角记录被物体表面调制的变形图案；数据处理单元通过相位计算、解码算法或特征匹配，将二维图像坐标转换为三维点云。现代结构光系统还集成机械扫描装置或多相机阵列，实现大视场、高分辨率的三维重建。
结构光技术相比其他三维成像方法(如激光扫描、立体视觉)具有显著技术优势：
技术参数 | 结构光 | 激光扫描 | 立体视觉 | TOF |
测量原理 | 主动三角法 | 点扫描三角法 | 被动三角法 | 光飞行时间 |
测量速度 | 快(全场) | 慢(逐点) | 快(全场) | 快(全场) |
测量精度 | 高(μm-mm) | 高(μm-mm) | 中(mm-cm) | 低(cm) |
硬件复杂度 | 中 | 高 | 低 | 中 |
抗干扰性 | 中 | 高 | 低 | 中 |
典型应用 | 工业检测 | 精密测量 | 机器人导航 | 体感交互 |
2.结构光编码方法与系统分类
结构光技术的性能和应用效果在很大程度上取决于所采用的编码策略。根据编码维度和实现方式的不同，结构光技术可分为时间编码、空间编码和直接编码三大类，每种方法在测量速度、精度和适用场景方面各具特色。
时间编码方法
时间编码通过时序投射多幅图案实现对物体表面的编码，具有解码简单、精度高的特点。这类方法需要物体在测量过程中保持静止，适合高精度静态测量。
空间编码方法
空间编码仅需单次投射特殊设计的图案即可实现三维重建，适合动态场景测量。这类方法通过图案本身的局部特征或空间排列关系进行编码，牺牲部分精度换取时间分辨率。
直接编码方法
直接编码将深度信息直接嵌入投影图案中，无需复杂解码算法即可获取三维坐标。这类方法通常基于特殊光学设计或器件实现。
主要结构光编码方法性能比较
编码类型 | 所需图案数 | 测量速度 | 测量精度 | 抗干扰性 | 典型应用 |
格雷码 | log2N(通常8-10) | 慢(静态) | 高(1/1000视场) | 强 | 工业检测 |
PMP | 3-12 | 慢(静态) | 极高(1/100像素) | 中 | 精密测量 |
FTP | 1 | 快 | 中(1/50像素) | 弱 | 动态测量 |
伪随机阵列 | 1 | 极快(实时) | 低(1/100视场) | 中 | 体感交互 |
激光散斑 | 1 | 极快(实时) | 低(mm级) | 中 | 消费电子 |
偏振编码 | 3-4 | 中 | 高(法向) | 弱 | 镜面物体 |
混合编码方法
混合编码结合多种方法的优势，以适应复杂测量需求。编码方法的选择需综合考虑测量对象、环境条件和性能需求。
3.结构光技术的应用领域
结构光技术凭借其高精度、非接触和灵活性强等特点，已广泛应用于工业制造、生物医学、文化遗产保护等多个领域。随着硬件性能提升和算法优化，结构光三维测量的应用场景持续扩展，不断推动相关行业的技术革新。
3.1 工业检测与质量控制
精密零部件检测:
结构光技术在工业领域的核心应用，可以实现复杂曲面的高精度全检，广泛应用于航空发动机叶片、汽车发动机缸体、涡轮叶片等关键部件的检测。
焊接质量在线监测:
结构光技术通过实时三维形貌分析识别焊接缺陷。
逆向工程:
结构光扫描已成为产品数字化设计的关键工具。在汽车造型设计中，大型结构光扫描系统能在数小时内完成整车外形数字化，点云数据用于空气动力学分析和美学评估。
3.2 生物医学与健康监测
人体三维测量:
在定制化医疗、矫形康复等领域应用广泛。
牙齿三维成像:
牙龄三维成像是结构光技术在医疗领域的成功应用。可直接获取牙齿和牙龈的三维形貌，替代传统硅胶取模，精度达10μm，扫描时间<2分钟。
4.CNI典型的结构光激光器
CNI可调供多种结构光模式的激光器，包括一字线、多线、网格、十字等模式。这些激光器具备高稳定性和窄线宽，适用于高精度三维成像与测量场景。
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结构光输出模式 | 典型应用场景 |
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OEM结构光模组 | 低噪声科研级结构光模组 |
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高功率结构光激光器 | 一体化光纤输出结构光激光器 |
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