电子制造业的发展与表面组装技术（Surface Mounting Technology,SMT）的广泛运用,对印制电路板（Printed Circuit Board,PCB）的缺陷检测提出越来越高的要求。目前,基于3D结构光测量原理的三维自动光学检测（Automatic Optical Inspection,AOI）以其高精度、高稳定性等优点逐渐在SMT工艺中得到应用,对于整个产线的质量控制以及效率提升,都起到至关重要的作用。然而,由于目前的3DAOI技术大多基于传统结构光投影及成像识别等技术,在具体实施及应用中,仍存在以下问题:（1）受到光学系统景深的影响,仅在标定测量表面附近的测量精度可以得到保证。PCB上器件高低不等,无法保证所有被测特征都处于焦面附近。部分特征离焦,图像质量变差,测量精度也会随之大幅下降,从而导致保精度的测量范围小,难以满足日益增长的生产检测需求;（2）为保证全方位检测,目前的3D AOI结构光检测系统多采用多路投影结构,其结构光发生器件主要有液晶光阀和数字微镜器件（Digital Micromirror Device,DMD）。由于DMD芯片对比度较高、控制方式灵活且无色差,因此,成为3D AOI系统中的首选。但该芯片由德州仪器（Texas Instruments,TI）公司独家生产,供货渠道受限。（3）目前3D AOI系统中的照明光路存在光能利用率低、整体体积较大的问题,难以满足目前系统高集成度以及低功耗的发展需求。针对上述问题,本文设计一种四分光投影光路,仅采用一片投影芯片（DMD）即可实现四路不同方向结构光投影的检测光路。针对传统光学照明结构光能利用率低、体积较大的问题,本文采用衍射光学元件（Diffractive Optical Element,DOE）,通过对光源相位的调控,实现照明光场整形,在保证高均匀度匀光功能的前提下,大幅提升系统光能利用率。除此之外,本文在成像模块中加入相位编码元件,利用波前编码成像技术对成像景深进行延拓,并尝试将波前编码图像复原算法与结构光相移算法相结合,从而实现大景深的高精度测量。本文主要研究内容和结果如下:首先,对结构光3D AOI检测系统功能及构成进行分析。随后,重点介绍相位测量轮廓术的算法原理,同时,对照明、投影、成像等各个模块进行理论分析。为系统各模块设计及性能实现提供理论基础和方向。其次,根据实际检测需求,设计出一种基于单片DMD芯片的四投影结构光检测光路。该设计通过8个像素为周期的四组不同角度正弦条纹图片投影,可实现在高度方向10 mm检测范围内的清晰投影和成像。第三,对3D AOI系统照明模块进行详细的技术分析,分别对基于复眼以及DOE的匀光系统进行设计,并且对二者进行比对,从原理上说明在照明模块中使用DOE进行整形和匀光,可以使得系统光能利用率提升5倍以上。第四,为实现大范围的高精度检测,我们采用拼接成像的方式增大成像模块的景深。并尝试使用波前编码成像技术,解决分辨率和景深之间的矛盾,同时将波前编码图像复原技术与结构光图像处理、相移等算法相结合,并针对正弦结构光条纹图案进行成像效果的仿真,验证波前编码技术在3D结构光检测系统中增大系统检测范围的可行性。最后,搭建测试光路并测试DOE的光能利用率和均匀性,并验证波前编码成像技术在3D结构光检测系统中增大检测范围的效果。DOE的测试结果显示其光能利用率为65.63%,均匀性为84.69%,与设计指标相近。与此同时,本文搭建基于波前编码3D结构光测试平台,并进行样品测试实验。结果显示,与传统成像的检测效果相比,使用波前编码成像技术可以实现检测范围的提高,说明波前编码技术在结构光测试领域应用的可行性。但在图像重构以及相位解析算法方面,仍需开展进一步研究。