用什么设备测量3D形貌微结构比较好?
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发布时间：2022-04-23 15:31
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时间：2023-01-25 09:15
言者无意，听者有心。若想严谨的回答这个问题，必须认真定义和考虑问题中所述微结构中“微”的程度。
在学术界，所谈及的微结构也往往更加“微观”，这些尺寸在微米甚至纳米量级的器件（如AAO、光栅栅矩）才可以称得上具备微结构。对于学术界的这些微纳米结构，除上述的光学测量设备之外，还有各种各样的其他测量设备，如电子显微镜、原子力显微镜等（见下图），然而，这些设备动则造价昂贵，不为日常民众所见，介绍起来也没有太大的意义。
同时，相比于学术界，工业界中所涉及的结构尺寸往往在毫米量级以上，所以在本文中，将只针对工业界以及日常生活中看得见摸得着的3D形貌微结构测量手段进行总结概述。
扫描式隧穿电子显微镜测量得到的量子围栏（quantum corral）影像。图尺寸为25nm宽、16nm高。
工业界中常用的3D形貌微结构测量手段宏观上，3D扫描是一个数据收集的过程。其目的是分析现实物理世界中存在的对象或环境进而收集其形状甚至可能的外观（例如颜色）数据等。对于可以进行这一类3D形貌微结构测量或者3D扫描的设备，我们笼统地称之为三维扫描仪或3D扫描仪（3D scanner）。
现今活跃在工业界的各种3D扫描仪大多依赖于光学手段和原理，并已经在实际应用中显现了诸多优点，例如，工业计算机断层扫描和结构光3D扫描仪利用光学探测手段，可实现无伤探测，并能够构建数字3D模型。收集到的这些3D数据除了用在建筑领域外，还有各种各样的其他应用。
例如，这些数据被娱乐业广泛用于电影和视频游戏的制作，包括虚拟现实技术、增强现实技术，人体动作捕捉，防伪手势识别，工业设计，残疾人矫形和假肢，逆向工程和原型设计，工业质量控制、工程检查以及名贵古董字画等文化艺术品的数字化等。
下面将进行具体叙述。
- 手持式激光扫描仪
手持式激光扫描仪通过三角测量机制创建3D图像，其原理如下图所示：激光点或线从手持设备投射到待测物体上，传感器（通常是电荷耦合器件或位置敏感器件）测量光源到物体表面的距离。
手持式激光扫描仪收集与内部坐标系相关的数据，因此为了收集扫描仪处于运动状态的数据，必须确定好扫描仪的位置。常见的方法是通过扫描仪使用被扫描表面上的参考特征（通常是黏性反射片）或通过使用外部跟踪方法来确定位置。
图 激光三角测量传感器的原理。
- 结构光三维扫描仪
结构光技术无疑是当下最火的光学技术之一，其在工业界做最好的案例便是苹果公司生产的iPhone系列手机的面部识别技术。
结构光的原理为：将窄带光投射到三维形状的表面上产生一条照明线，该照明线与投影仪的其他视角相比是扭曲的，并且可以用于表面形状的几何重建（光部分）。在结构光领域中更快速和更通用的方法是一次使用多个条纹组成的图案投影，因为这样允许同时并行采集多个样本，如下图所示。
图 带2个摄像头的条纹图案记录系统
结构光系统中观察到的条纹图案包含几个深度线索。任何单个条带的位移都可以直接转换为3D坐标。这就是结构光三维扫描仪可以实现三维结构测量的直观理解。
图 结构光扫描汽车座椅
- 3D扫描雷达
雷达（lidar，LIght Detection And Ranging的缩写），或称3D激光扫描仪，是一种常见于土木现场的测量设备，可用于扫描土木建筑、地表岩层（rock formations）等，并加以制作3D模型。
雷达的激光光束可扫描相当大的范围：如图中此款的仪器头部可水平旋转360度，而反射激光光束的镜面则可以在垂直方向快速转动。仪器所发出的激光光束，可量测仪器中心到激光光所打到第一个目标物之间的距离。
结论上述介绍了一些日常生活中常用的3D扫描仪及其原理，除此之外，3D扫描仪还具备很多有意思的实际应用，如下图所示。
- 古文物数字化存储与复现
图 斯洛文尼亚自然历史博物馆中鳍鲸骨架的3D扫描（2013年8月）
- 工业加工
图 使用手持式VIUscan 3D激光扫描仪制作维京皮带扣的3D模型。
除此之外，在国内来说，哈尔滨工业大学的超精密研究所，长春光机所以及上海光机所等都是三维测量领域的领先者，如果题主想跟进这一领域的最新成果可以搜寻上述科研院所的相关文章等。
热心网友
时间：2023-01-25 10:33
