光学投影式 3D轮廓测量专利技术综述

光学投影式 3D轮廓测量专利技术综述

杜智慧 1 蒋莉 1 （等同第一作者）

国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心 河南 郑州 450018

摘要：本文立足于专利文献，从专利的角度对光学投影式3D轮廓测量技术进行了介绍和分析，对该领域全球专利文献数据进行统计、筛选、定量、定性分析，借助计算机分析软件实现专利分析图表的绘制，为相关领域的审查工作提供技术支持，并对光学投影式3D轮廓测量技术的技术发展趋势提供参考。

关键词：光学投影 3D轮廓测量 叠相还原 专利技术分析

一、光学投影式3D轮廓测量技术概述

光学投影式3D轮廓测量是光学式三维测量领域中基于结构光法中重要分支，光学投影式3D轮廓测量是通过向被测物表面投射能量，由图像传感器接收并记录投射的光斑位置，由于物体高度起伏产生了变形成像，通过系统间的几何关系，恢复被测物体的面形轮廓。由于其具有非接触、自扫描、高精度的特点规避了传统机械扫描方式（例如扫坐标测量）设备冗余、数据处理慢、接触式测量的缺陷，已成为信息光学研究的前沿技术，因此，对其进行专利技术分析具有重要意义。

光学投影式3D轮廓测量技术总体分为两大类，基于光学三角法的轮廓测量和基于相位测量的轮廓测量^[1][2]。光学三角法轮廓测量可以用“像点位移”的概念解释，坐标系OXYZ中空间一点P射出的光线PB与参考平面XOY交于B点，并成像于探测器平面XOY上的B＇点，当放入被测物时，光线PB交物面于H点，H点像点A＇。从探测器像面上看，由于被测物体的存在，像点由B＇移动到A＇，对应于参考面上的距离为AB，该距离AB与H点高度符合三角关系，因此，可通过测量像点位移得到物体的高度信息。

而相位轮廓测量也是基于光学三角法，但它不是直接寻找和判断位置变动后的像点，而是通过测量相位间接实现。通过将规则的光栅图像投射到被测物表面，通过CCD探测器从另一角度观察由于受物体高度影响而产生的条纹变形，该种变形可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号，对变形条纹进行解调，恢复相位信息，通过相位确定高度，进而得出轮廓信息。

工程应用中光学投影3D轮廓测量涉及的技术分支较多，必须考虑其所涉及的多个技术分支，通过采用对宏观数据进行定量分析及对重点技术进行定性分析相结合的研究方式，发现目前申请人最关注的技术为：投影方式、叠相还原、误差分析补偿三个一级分支，而投影方式涉及投影采用的仪器设备和投影的条纹调制方式两个二级分支；叠相还原分为基于一幅干涉图像解调相位信息的空域叠相还原和基于多幅图像的时域叠相还原二级技术分支；而误差分析补偿常见的为基于对硬件或软件补偿两个二级技术分支。

二、光学投影式3D轮廓测量专利技术分析

本文以国家知识产权局专利检索与服务系统（S系统）为检索数据库，选择光学方法的轮廓测量对应的国际专利分类号（IPC）G01B211/24、G01B11/25为检索范围，通过对1975—2020年光学式投影3D轮廓测量领域中国专利申请分布及全球专利申请分布进行统计分析^[3]，研究光学投影式3D轮廓测量技术发展脉络及研究热点。

1、专利申请情况分析

（一）全球专利申请量情况

截止到2020年，光学投影式3D轮廓测量技术领域的全球专利申请量已达到2971件，其中向中国提出申请的专利申请达到923件，图1给出了1975年—2020年的具体专利申请量走势情况。

图1 专利申请量分析图

三维测量是二十世纪光学技术飞速发展的重要一员，光学投影式3D轮廓测量起步于上世纪70年代，从图1中专利申请量走势可以得出该领域的专利申请经历了缓慢发展期（1975年—1996年）、快速发展期（1997年—2013年）、以及稳固发展期（2013年至今）。

1996年之前的二十一年的申请总量仅有426件，平均年申请量20件左右，该时期主要是由于光学式三维测量技术刚步入飞速发展的舞台，其依赖于激光技术、干涉理论以及精密图像传感器等学科的发展，期间的三维测量技术主要是传统的接触式测量。

1997年—2013年全球专利申请量1511件，申请量急剧增加，由于该领域在中国起步较晚，国内申请量在2005年之前寥寥无几，然而由于国外在华公司为了快速占有中国市场而积极进行专利布局以及重点高校和科研单位积极进行技术跟进和产品研制，为后期中国专利申请奠定了基础，中国专利申请在2005年—2013年总量超过280件。

2013年至今，全球专利申请量1169件，稳定在每年146件左右，同时，中国成为全球专利申请量大国，年申请量81件左右，光学技术在三维测量领域越来越得到重视。由于发明专利申请在申请日起18个月进行公布，2020年存在部分申请并未公开，此处仅供参考。

（二）全球专利申请国家分布情况

图2 全球专利申请国家分布图

光学投影式3D轮廓测量相关专利申请国家或地区分布如图2所示，其中日本申请量最多，一是由于日本光学技术发展起步早，另一方面是由于日本产业结构的积极刺激，中国虽然起步较晚，但在目前全球申请量占比中已经居于第二位，这跟近年来国内对光学技术的重视和应用有很大关系。

2、专利发展趋势分析

具有非接触性、高分辨率、高效、无破坏的优点，光学投影式轮廓测量是宏观三维光学轮廓测量中最有前途的一种，研制出一台灵活、具有更高“自适应”能力的轮廓测量仪是全球科研人员普遍追求的，解决自适应轮廓测量仪的自适应能力以及鲁棒性成为相关专利发展的导向标。

图3各级分支技术发展脉络

上图3展示了从1975—2020年来光学式投影3D轮廓测量领域中以围绕投影方式、叠相还原算法以及误差补偿模块的技术演进路线：

1、投影方式，初期为简单的幻灯仪投影光栅，该种投影方式的仪器灵活性存在很大弊端，之后发展到使用剪切仪、光纤干涉仪等来投影干涉条纹仪，由于干涉条纹的周期性和方向的非定性，因而带来了投影条纹的高清晰度和对比度，对于成像具有较高精度。然而干涉仪作为投影机构复杂度高，对机械的稳定性和精确性控制要求严格。干涉条纹收到大气扰动影响较大，在应用过程中存在一定限制。而近年来，出现了具有自适应投影功能的LCD（液晶显示器）投影仪，该中投影结构就有体积小、计算机控制度高，可自由变换投影图案、周期以及对比度等优点，可用于时间/空间相结合的二元编码图样投影，实现优化投影、集中处理复杂区域以及和高灵敏度的相位测量法配合使用，但是LCD存在着分辨率低下、对比度仍低下的问题。与之竞争激烈是一种采用反射式投影技术的DLP投影仪，该种投影仪可以做到体积更小，以数字微镜装置DMD芯片作为成像器件，由于其成像是通过成千上万微小镜片反射光线，通过控制反射光纤来实现更高对比度、清晰度以及更为出色的均匀性。

2、叠相还原技术一直是投影条纹分析研究的重要研究领域，从空域发展到时域叠相还原技术是自动化测量具有更优越的优势。传统叠相还原技术有割线法、延展树法、像素排序法、分布处理法、模拟退火法、神经网络法等，由于仅有一幅相位实现叠相还原是不能信的，因此，出现了在不同时刻线进行多幅相位图实现叠相还原的时域叠相还原技术，例如采用外差多频投影条纹莫尔特性的街包裹方法能够有效的将相位主值场恢复为真实的相位场，使相位还原更为可信，同时在该技术的基础上，结合小波技术、贝叶斯估计法以及傅里叶变换等综合技术可以实现三维光学轮廓测量的更高精度和速度。

3、误差补偿在光学轮廓测量领域中，并非是单一研究的技术领域，而是与投影的机械控制以及相位还原交叉的一种提高测量精度的方式，其能通过简单的技术改进较高性的提升测量性能，但基于误差补偿的方式并非是本领域中的研究热点，而是一种锦上添花的措施。

针对上述技术发展脉络，作者认为叠相还原技术是光学投影式3D轮廓测量技术的核心技术，而基于时域的相位法的测量具有测量速度快、全场测量、柔性好的特点，无论是投影方式的改进还是误差补偿均无法绕开相位还原技术进行轮廓成像，而且在系统精度、复杂度以及造价上往往要进行折中，而较优的相位展开算法则能够更高效的解决成像质量，然而较优的相位展开算法对图像处理速度的要求是关键，以及为了满足对工业需求的大范围、快速成像，多传感器的标定、布局优化以及信息融合上均进行深入研究。因此，未来的专利发展趋势势必围绕解决自适应投影、鲁棒性更好的相位展开算法方向发展和以及实现工业领域需要的更高精度和更高测量范围的展开。

三、总结

本文分析了1975—2020年的光学投影式3D轮廓测量技术专利申请发展脉络，从时间、地域和技术分支上对专利申请量、重要申请人分布进行了分析^[3]。通过对该技术相关专利申请状况的分析有助于把握该领域的技术发展脉络，关注重要申请人的专利布局方向，使相关技术人员快速提升该领域的技术储备，提高专利分析及检索效率，从而辅助专利审查与分析工作高效进行。

参考文献

[1] 牛小兵, 光栅投射式三维轮廓测量技术的研究[D], 天津大学, 第B022-B073页, 2004

[2] Lin C S, Lin C H, Lin C C, et al. Three-dimensional profile measurement of small lens using subpixel localization with color grating[J]. Optik-International Journal for light and Electron optics, 121(23): 2122-2127, 2010

[3] 杨铁军, 产业专利分析报告(第4册)[M].北京: 知识产权出版社, 2012

[4] 杨铁军, 专利分析实务手册[M] .北京: 知识产权出版社, 2012

注：1杜智慧和 蒋莉为本文做出同等贡献，为共同第一作者