随着精密制造技术的发展,复杂零件表面及其微小结构特征的精密三维检测已成为工业界的共性需求。这些零件表面结构特征复杂,制造精度高,对其进行高效高精度的三维形貌测量是当前面临的重大挑战。国内外学者针对这一难题,提出了多种非接触式光学测量方法,如共聚焦显微、白光相移干涉、相移显微条纹法、被动视觉法、时空立体视觉法和结构光技术等,但仍然存在测量精度与效率的问题。结构光测量技术具有结构简单、视场大及速度快的特点,但如果要提高测量精度,往往要投射大量的条纹图案,使整体测量速度降低等问题,限制了其在自动化生产线的在线测量应用。针对该技术存在的相关问题,本文在结构光图案编码、条纹投影加速、系统标定算法等关键技术研究的基础上,提出一种快速高精度的三维测量新方法,包括一种新的变倍率多波长相位展开算法、基于可编程投影仪的条纹投影加速方法、一种改进的标定板图案及特征点查找算法和基于特征点映射的系统标定算法,在保证系统测量精度的同时提高三维测量的效率,解决微小结构特征的精密测量问题。本文的主要内容概括如下:(1)深入调研国内外非接触式三维形貌测量方法,对现有的方法从原理、结构和适用对象三个方面进比较,分析,同时指出该领域仍然存在的难点问题,明确本文的研究内容。(2)针对高精度测量时需要增加投影条纹而影响测量速度的问题,深入研究相移法及相位展开算法,分析三频外差算法和多波长算法的编解码原理及相位误差补偿方法,提出一种变倍率多波长相位展开新算法,在保证测量精度的同时大幅减少投影条纹数量,提高测量效率,并通过实验验证其有效性。(3)采用商用投影仪进行高精度测量时,若投影8位相移图案,其测量速率很低(仅1Hz)。本研究基于可编程投影仪,实现投影与相机的同步触发与测量,可大幅提高其速率(达10Hz);并在此基础上提出一种灰度条纹投影加速方法,进一步将投影速率提高至20Hz,实现三维测量速度的大幅度提高。(4)研究相机与投影仪的小孔成像模型,详细推导其标定原理,提出一种改进的标定板图案,保证其特征点坐标的精确获得和特征点上绝对相位值的准确。基于特征点映射的系统标定算法及多波长相位编码方法,将相机采集回来的编码图像的码值转换到DLP投影仪图像平面,从而将DLP投影仪标定转化为成熟的相机标定,完成结构光三维测量系统的标定。(5)开发实现上述各项算法,建立一套快速、高精度的结构光三维形貌测量系统,该系统测量范围为51.6×32.2×1mm,测量精度可达10um/15um,扫描时间为0.9s/1.8s。通过对实例零件的测量实验,验证所开发的小视场三维测量系统的各项功能,实现精密零件及其结构特征的三维精密测量。