傳統(tǒng)的接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自1956年問(wèn)世以來(lái)庶诡，已經(jīng)經(jīng)過(guò)了50多年的發(fā)展唬血。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)車間及科研部門當(dāng)中。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步绒窑，對(duì)測(cè)量設(shè)備的各方面要求也不斷提高棕孙，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在此過(guò)程中也經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的技術(shù)創(chuàng)新以適應(yīng)更高的測(cè)量要求。盡管如此些膨，當(dāng)今三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)依然在某些方面遇到了一定的技術(shù)瓶頸椅洗。這些瓶頸的產(chǎn)生不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)于技術(shù)創(chuàng)新的不足，其主因在于接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理上的限制捅冈。

傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配備最多的是觸發(fā)式測(cè)頭耍缩，用觸發(fā)式測(cè)頭測(cè)量物體時(shí)，測(cè)針以一定速度接觸物體表面舌多，從而使測(cè)針的位置產(chǎn)生偏離交印，產(chǎn)生的電信號(hào)觸發(fā)測(cè)頭記錄一個(gè)物體表面測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)。由此帶來(lái)的第一個(gè)問(wèn)題就是測(cè)量速度較慢盘秕。其原因在于辙肿，首先觸發(fā)式測(cè)頭的采點(diǎn)方式是非連續(xù)的秘挥，測(cè)頭在一次采點(diǎn)完成后需退回一段距離，讓測(cè)針歸位后才能進(jìn)行第二次采點(diǎn)诀甫。而且采點(diǎn)時(shí)接觸物體表面的速度不能太快功缤，若測(cè)針接觸物體速度過(guò)快使得測(cè)針的位置偏離過(guò)大，則信號(hào)會(huì)被認(rèn)為是發(fā)生了碰撞而采點(diǎn)失敗哪蒙。出于這個(gè)原因可以用掃描式測(cè)頭代替觸發(fā)式測(cè)頭斜劳，掃描式測(cè)頭采用的是連續(xù)采點(diǎn)方式，因此采點(diǎn)速度得到較大提升较幌。限制測(cè)量速度的第二個(gè)原因在于揍瑟，如果被測(cè)物體具有比較復(fù)雜的幾何形狀，那么測(cè)針需要變換若干次指向才能完成整個(gè)測(cè)量乍炉，并且測(cè)針的每個(gè)指向需進(jìn)行標(biāo)定绢片。如果要克服這一不足，從而進(jìn)一步提高測(cè)量速度的話岛琼，需要給三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配備高端的多軸旋轉(zhuǎn)掃描測(cè)頭底循，該項(xiàng)新技術(shù)能夠以連續(xù)方式高速掃描物體進(jìn)行采點(diǎn)。

接觸式測(cè)量所用的測(cè)針尖端一般為紅寶石球槐瑞，測(cè)頭采點(diǎn)所得的空間坐標(biāo)為紅寶石球的球心位置熙涤。而測(cè)針與物體表面的實(shí)際接觸位置并非球心，所以物點(diǎn)的坐標(biāo)必須根據(jù)紅寶石球的半徑進(jìn)行補(bǔ)償困檩。由此帶來(lái)了接觸式測(cè)量的第二個(gè)問(wèn)題祠挫，即紅寶石球的半徑補(bǔ)償方向錯(cuò)誤。當(dāng)被測(cè)幾何特征較械垦亍（直徑 < 1mm）且采點(diǎn)密度較大時(shí)等舔，采得點(diǎn)的順序會(huì)發(fā)生混亂，從而使球半徑補(bǔ)償方向產(chǎn)生錯(cuò)誤摊咨，造成獲得的幾何特征與實(shí)際不符恤诀。此外，由于物體表面存在一定不平度预蒜，同時(shí)紅寶石球的直徑要遠(yuǎn)大于表面不平度禀瓜，導(dǎo)致測(cè)針無(wú)法測(cè)得物體表面的微小凹陷。

接觸式測(cè)量的第三個(gè)問(wèn)題在于被測(cè)物體的表面特性论燎。如果被測(cè)物體表面比較柔軟丹仅，或精細(xì)易損，則不適合使用接觸式測(cè)頭褥甜。當(dāng)測(cè)針接觸物體表面后贺壮，輕則使之發(fā)生形變，產(chǎn)生較大誤差拯骤；重則損壞物體表面大愁。

出于以上原因袖共，光學(xué)測(cè)量與之相比就有著本質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)。光學(xué)測(cè)量作為一種非接觸式測(cè)量方法乎壮，不使用接觸式測(cè)針進(jìn)行采點(diǎn)敷矫，而是利用了光的某方面特性來(lái)進(jìn)行測(cè)量。這樣就完全規(guī)避了紅寶石球的補(bǔ)償帶來(lái)的潛在問(wèn)題汉额，也使被測(cè)物體表面不再受到測(cè)針接觸帶來(lái)的影響曹仗。至于測(cè)量速度則取決于光學(xué)測(cè)頭的種類。但無(wú)論哪種測(cè)頭蠕搜，其采點(diǎn)方式都是連續(xù)的怎茫。而且在采點(diǎn)過(guò)程中，光學(xué)測(cè)頭區(qū)別于接觸式測(cè)頭妓灌，接觸式測(cè)頭會(huì)因?yàn)榻佑|物體表面時(shí)速度過(guò)快而被認(rèn)為發(fā)生了碰撞轨蛤，由于光學(xué)測(cè)頭完全不會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題，因此進(jìn)一步提高了采點(diǎn)速度虫埂。

光學(xué)測(cè)頭的分類方法有很多祥山，種類更是繁復(fù)。從測(cè)量原理上通掣娑可以分為共軸測(cè)量和三角測(cè)量枪蘑；從光源屬性上可以分為主動(dòng)光源和被動(dòng)光源损谦；從光源維度上可以分為點(diǎn)光源岖免、線光源和面光源；從光源色譜上又可以單色光源和白光源祝遗。共軸測(cè)量中常見(jiàn)的方法有兩種沉卷。其一是干涉法，它利用了光的波長(zhǎng)特性说拾，將一束光通過(guò)平面分光鏡（半透半反）分成兩束凰拇。一束由鏡面反射至參考平面，另一束則透射至被測(cè)物體表面蝗广。兩束光經(jīng)疊加后產(chǎn)生干涉條紋堡脱，干涉條紋的形式取決于物體的距離與物體表面的幾何特征。另一種是共焦法音族，從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)射的探測(cè)光通過(guò)透鏡聚焦到被測(cè)物體上光蜀，如果物體恰在焦點(diǎn)上，那么反射光通過(guò)原透鏡應(yīng)當(dāng)匯聚回到光源宇团，這就是所謂的共焦估态。在反射光的光路上加上了一塊半反半透鏡，將反射光折向帶有小孔的擋板纺倍，小孔位置相當(dāng)于光源嗡身。光度計(jì)測(cè)量小孔處的反射光強(qiáng)度倔撞，強(qiáng)度最大時(shí)物體即位于透鏡焦點(diǎn)平面，這樣即可測(cè)得物點(diǎn)的位置慕趴。三角測(cè)量則是利用了光源痪蝇、像點(diǎn)和物點(diǎn)之間的三角關(guān)系來(lái)求得物點(diǎn)的距離。我們以點(diǎn)光源舉例：光源向物體發(fā)射一個(gè)光點(diǎn)冕房，光點(diǎn)到達(dá)物體后經(jīng)過(guò)反射在傳感器上得到一個(gè)像點(diǎn)霹俺；光源、物點(diǎn)和像點(diǎn)形成了一定的三角關(guān)系毒费，其中光源和傳感器上的像點(diǎn)的位置是已知的丙唧，由此可以計(jì)算得出物點(diǎn)的位置所在。有的測(cè)頭以線光源來(lái)替代點(diǎn)光源觅玻，將一條由若干光點(diǎn)組成的光條紋投射到物體表面想际，傳感器上接收到的則是二維畸變光線圖像，光線的畸變形狀取決于每個(gè)物點(diǎn)的位置溪厘，這樣的線光源測(cè)頭可以大幅提高采點(diǎn)的速度胡本。更有測(cè)頭用光柵將一束光分散并編碼，形成一定模式的結(jié)構(gòu)光光源畸悬，這樣在傳感器上就可以得到一組畸變光線粮锻，從而進(jìn)一步提高采點(diǎn)的速度。

各種光學(xué)測(cè)頭采用的光源種類主要有激光和白光蒂拯。激光作為一種準(zhǔn)直刃拼、相干的單色光，廣泛地作為點(diǎn)測(cè)頭和線測(cè)頭的光源任肯。而白光則是由各種波長(zhǎng)的光組成额晶，因此顏色呈白色，目前較多地作為結(jié)構(gòu)光光源绿窿。由于白光的物理特性豌挫，白光點(diǎn)測(cè)頭也逐漸應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域中。激光和白光的最大區(qū)別在于纹轩，激光是一種單色光泄艘，因此擁有高度相干性，有些測(cè)頭正是利用了激光的相干性來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能缅科；而白光是由各種波長(zhǎng)的光組成宗商，所以相干性相當(dāng)微弱。如前所述甜奄，利用單色光的高度相干性可以根據(jù)某些原理進(jìn)行測(cè)量柠横，但事物的兩面性同時(shí)說(shuō)明，在有些地方相干性也會(huì)干擾測(cè)量课兄。舉例說(shuō)明牍氛，激光測(cè)頭利用物體表面的反射光進(jìn)行三角測(cè)量時(shí)晨继，照射到物體表面的激光會(huì)呈現(xiàn)顆粒狀的結(jié)構(gòu)，這種顆粒狀的結(jié)構(gòu)稱為“散斑”搬俊，而這種現(xiàn)象稱為“散斑效應(yīng)”紊扬。散斑效應(yīng)的產(chǎn)生，是由于激光照射在粗糙表面經(jīng)反射造成的唉擂。大多數(shù)物體的表面與激光的波長(zhǎng)相比都是粗糙的餐屎，因此當(dāng)光波從物體表面反射時(shí)，表面各點(diǎn)都發(fā)出一束高度相干的子波玩祟，子波疊加的結(jié)果就形成了物體表面呈隨機(jī)分布的散斑腹缩。而白光由于由各種波長(zhǎng)的光組成，因此相干性被大大削弱空扎，所以在物體表面反射時(shí)藏鹊，很難觀察到散斑效應(yīng)。這樣的區(qū)別對(duì)于三角測(cè)量來(lái)說(shuō)影響是十分巨大的碎师。原因在于仅莲，三角測(cè)量是依靠像點(diǎn)在傳感器上的位置來(lái)確定物點(diǎn)的空間位置的。而像點(diǎn)在傳感器上通常不會(huì)是簡(jiǎn)單的一個(gè)點(diǎn)批贴，反射光照射到傳感器上使得一部分像素感光辉茴，計(jì)算機(jī)可以通過(guò)像素分析來(lái)確定這一群像素的中心，從而得到像點(diǎn)的位置用噪。由于散斑效應(yīng)的存在女骗，使得要確定像點(diǎn)的位置變得非常困難，且誤差較大档葱。而分布均勻且對(duì)稱的光點(diǎn)對(duì)像點(diǎn)位置的確定非常有利卤诗。這就是三角測(cè)量當(dāng)中白光性能要優(yōu)于激光的根本原因棘扯。

在光學(xué)測(cè)量當(dāng)中經(jīng)常會(huì)對(duì)物體做一些表面處理凸脚，例如對(duì)物體表面噴涂白堊涂層以改善特性。這樣做的目的之一就是減輕散斑效應(yīng)肤币。在噴涂白堊涂層之后裂更，對(duì)激光而言散斑效應(yīng)會(huì)得到相當(dāng)大的改善，而白光的光斑品質(zhì)可以得到進(jìn)一步的提高夏哭。無(wú)論如何检柬，覆蓋物體表面的白都有一定厚度，使得物點(diǎn)的位置增加了一定的誤差竖配，這是測(cè)量過(guò)程中所不希望見(jiàn)到的何址。但有的時(shí)候，不對(duì)物體表面進(jìn)行噴涂處理帶來(lái)的問(wèn)題不僅僅是散斑效應(yīng)进胯，還有光的鏡面反射問(wèn)題用爪。有的物體表面經(jīng)過(guò)特定的機(jī)械加工后原押，例如鋼經(jīng)過(guò)磨削加工之后，表面會(huì)變得十分光亮偎血，這就給特定類型的測(cè)頭帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題诸衔。當(dāng)入射光與物體表面成一定夾角時(shí)，物體表面的反射光正好投射在傳感器上颇玷，此時(shí)傳感器上的信號(hào)強(qiáng)度太大笨农；而當(dāng)入射光與物體間的夾角稍微發(fā)生變化時(shí)，反射光又幾乎全部偏移出傳感器范圍帖渠，造成傳感器上信號(hào)強(qiáng)度過(guò)于微弱或根本沒(méi)有信號(hào)谒亦。一般來(lái)說(shuō)，測(cè)頭的光源強(qiáng)度和傳感器靈敏度都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)旬效，以使得信號(hào)的強(qiáng)弱達(dá)到一個(gè)最適合的水平瞪殖。但這樣的調(diào)節(jié)方法局限性在于，它不是對(duì)所有測(cè)頭都是行之有效的学岔。對(duì)于線光源和面光源來(lái)說(shuō)咪朴，它們實(shí)際上都是由若干個(gè)點(diǎn)光源組成，每個(gè)點(diǎn)光源發(fā)射的光線與物體成的夾角都是不相同的师赂，因此調(diào)節(jié)光源和傳感器的方法不可能使得所有的反射光點(diǎn)都達(dá)到期望的狀態(tài)蘑瓢。因此，對(duì)線光源和面光源來(lái)說(shuō)镶悟，物體表面的反射光太強(qiáng)或太弱的根本原因是不可調(diào)和的梦铭。這也是需要對(duì)物體進(jìn)行表面處理的第二個(gè)重要原因。與之相反辙哪，點(diǎn)光源測(cè)頭就不存在這樣的問(wèn)題垦祭，因?yàn)楣庠磸?qiáng)度和傳感器靈敏度只需對(duì)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行匹配，因此沽澜，總能找到合適的光源強(qiáng)度和傳感器靈敏度籍胯，讓傳感器上的像點(diǎn)足夠清晰。

光學(xué)測(cè)量中經(jīng)常會(huì)遇到的另一個(gè)問(wèn)題就是光線和物體表面成的夾角范圍离福。一般來(lái)說(shuō)杖狼，在測(cè)量過(guò)程中應(yīng)盡量保持入射光和反射光能夠與物體表面垂直，根據(jù)測(cè)頭類型的不同妖爷，允許的光線與物體表面夾角也不盡相同蝶涩。可以肯定的是絮识，相比線光源和面光源測(cè)頭绿聘，點(diǎn)光源測(cè)頭允許的夾角范圍肯定要大得多。原因如前所述，對(duì)于點(diǎn)光源來(lái)說(shuō)熄攘，調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度和傳感器靈敏度仍舊是一個(gè)有效的方法炸裆。因此有的點(diǎn)光源測(cè)頭甚至可以做到與物體表面。綜上所述鲜屏，雖然各種光學(xué)測(cè)頭采用的都是非接觸式測(cè)量烹看，但它們還是根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測(cè)量原理適用于不同的領(lǐng)域。對(duì)于三角測(cè)量法來(lái)說(shuō)洛史，由于散斑效應(yīng)的影響郭宪，白光的總體性能要高于激光。因此枕详，如果想要選擇光學(xué)測(cè)頭替代傳統(tǒng)接觸式測(cè)頭進(jìn)行較高精度的測(cè)量息扶，尤其是微小物體的測(cè)量，那么白光點(diǎn)光源測(cè)頭是個(gè)較為合適的選擇弹扩；如果想要選擇光學(xué)測(cè)頭來(lái)生成點(diǎn)云纫脚，以便進(jìn)一步與CAD模型做比對(duì)或者進(jìn)行逆向工程，那么激光線光源或者白光面光源測(cè)頭因其采點(diǎn)速度快眶逐，且精度要求相對(duì)較低而較為適合况颈。

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