结构光三维面形检测技术具有高速率、高精度的优点,在消费电子等领域具有广泛的应用前景。条纹投影轮廓术是结构光三维面形检测技术的一个重要方法,通常采用正弦条纹作为结构光场,正弦条纹的质量直接关系到面形检测的精度。随着高速相机和计算机的发展,投影仪的速度已经成为制约结构光三维面形检测速度的主要因素。因此,如何快速获取高质量的正弦条纹,是条纹投影轮廓术的研究重点。本文采用一种填充二进制方法生成正弦条纹。其通过投影二进制图案,利用柱透镜扩展形成正弦光场,结合物理光栅,能够实现快速相移。同时,与传统二进制离焦方法相比,该方法生成的条纹具有更高的质量。本文的具体研究内容可概括为以下几个方面:1、研究了填充二进制方法和二进制离焦方法的相关理论,建立了两种方法的数学模型。从理论上证明了填充二进制方法能够快速生成高质量条纹。2、建立了填充二进制方法的投影模型,分析了该系统几何像差,及其对条纹质量的影响。优化了系统参数,将系统尺寸缩小了1/2、成像范围从140.0 mm×140.0mm扩大到200.0 mm×300.0 mm。依据光线追迹原理仿真了优化前后系统生成的正弦条纹,其正弦性提高了23.2%、对比度提高了28.6%。3、采用ZEMAX建立了投影系统的光路模型,仿真了成像结果,对比了条纹质量和相位恢复精度,填充二进制方法的相位恢复精度比二进制离焦方法提高49.7%。4、搭建了填充二进制方法和二进制离焦方法的实验系统,测量平面并解算得填充二进制法相位均方根误差为0.0158 rad,比离焦二值法减小了82.2%。实验测量了一个圆柱形物体和一个人脸面具模型,实验证明了填充二进制方法适用于中视场下的高精度快速三维面形检测。