随着电子、机械等器件和系统的精密化和微型化,厘米和毫米尺度的三维测量需求日益增长。本文简要回顾了主流的光学三维显微测量技术,在此基础上总结了将条纹投影技术应用于微小物体(毫米~厘米尺度)三维测量的研究现状。由相关研究工作可知,当测量目标尺度较小时,成像系统的有限景深和物体表面的部分反光成为制约测量质量的主要因素。针对这些挑战,本文设计并搭建了多视点条纹投影三维显微测量系统,并从系统建模和标定、数据合成与分析等多个角度进行研究,最终实现了对微小物体的高质量三维测量。本文的主要研究内容包括:(1)借助体视显微镜建立了基本的单目三维显微测量系统,初步验证了条纹投影应用于微小物体三维测量的可行性。为了减少有限景深对三维测量的制约,向成像单元引入了Scheimpflug结构。实验证明,该结构使得成像单元间的共同聚焦区域重合,将系统的有效测量空间最大化。为了提高对部分反光表面的测量精度和鲁棒性,采用长工作距物方远心镜头搭建了包含四个成像单元、一个投影单元的多视点三维测量系统。(2)由于采用了物方远心镜头以及Scheimpflug结构,多视点三维测量系统不再符合经典的透视投影相机成像模型。为此提出了一种基于广义成像模型的非参数化标定方法,将系统的特殊结构隐含在像面像素与入射主光线的对应关系中进行标定。充分利用光线自身带来的共线约束,实现了基于三个标靶姿态的系统标定。(3)针对本文中系统的特定结构提出了一种参数化标定方法。利用正射投影描述物方远心镜头的成像过程,推导Scheimpflug结构对镜头畸变模型的改变,从而建立了描述系统的参数化模型。然后通过求解参数初值并进行非线性优化来完成标定。标志点重投影误差和样品测量结果均验证了该标定方法的有效性。(4)为了克服离焦对标志点定位的影响,本文以微型有机发光二极管(OLED)显示器件作为主动型标靶,以正交二值条纹图的条纹边缘交点作为标靶标志点。通过互补二值条纹图使得条纹边缘的提取不受其聚焦程度的限制,大大增加了标靶使用时的灵活性。(5)充分利用多视点结构带来的信息冗余性和互补性,从多个方面实现了三维测量的性能提升,具体包括基于多视点光线交会提升三维重建精度,利用各视点聚焦位置的序列堆叠扩展了系统的可测量深度范围,对不同视点下获得的三维数据进行融合以及减少遮挡。分析影响相位重建质量的因素,针对性地采用强度归一化和平滑滤波对条纹图进行预处理,从而提升了相位重建以及后续三维重建的精度。