随着“工业4.0”、“中国制造2025”等概念的相继提出,制造业对更精确、更高效的三维测量技术的需求日益增长。基于相位测量轮廓术的面结构光三维测量技术作为光学三维测量领域的重要分支,也在工业测量领域得到了广泛的应用。由于相位测量轮廓术的测量精度受限于光学及电子元器件的物理特性及加工精度,因此对相位测量轮廓术进行误差分析与方法改进具有重要的理论意义和广泛的应用价值。本文在相位误差分析的基础上,提出相位测量轮廓术的改进方法,即基于多频外差的全频相位轮廓术。为提高全频相位轮廓术的测量精度,本文提出了相应的参数优化及误差补偿方法。首先,本文根据相位测量轮廓术的应用过程建立相位误差模型,包括模数转换离散误差、投影仪非线性响应误差、投影仪离焦误差及环境光误差。在误差分析的基础上,推导了相位误差与基于多频外差原理的相位展开算法的约束关系,并通过仿真分析进行验证。然后,本文提出基于多频外差原理的全频解相方法,利用多频外差原理中冗余的相位信息提高测量精度,并提出完整的参数优化与误差补偿方法进一步提高测量精度。为了降低投影仪离焦效应,估计出投影仪离焦效应的光学传递函数,并以此调节投影仪焦距、相机焦距以及被测物的测量距离使被测物处于最佳测量位置。根据投影仪非线性响应曲线优化面结构光的灰度调制系数和平均灰度值。估计出投影仪gamma畸变参数进行预畸变误差补偿。根据相位误差模型计算出参数优化及误差补偿后的最大相位误差,并通过相位展开算法的约束方程估计出合适的正弦条纹周期数。通过仿真分析验证上述参数优化及误差补偿的效果。最后,本文在理论分析的基础上,搭建了单目面结构光三维测量实验平台。在标定出相机与投影仪的内外参数矩阵后,根据理论分析对面结构光进行参数优化及误差补偿。分别利用优化前与优化后的面结构光进行三维测量。经本文方法与传统方法的三维测量实验对比分析,证明了本文方法的有效性。