3. 非接触测量物理原理总览
非接触轮廓与三维高度测量并不是一种“万能传感器”，而是多条物理原理路线在不同量程、分辨率、材料与节拍约束下的分工。理解这些方法的物理基础，核心是回答三个问题：用什么信号去“触碰”表面、信号如何被表面高度调制、又如何从调制量反解出 Z 高度。本节按这三条线索梳理六类主流方法，并给出适用边界的判断依据。
一、六类方法的物理基础
光学三角法是最基础的一类。激光束以一定角度投射到表面，漫反射光斑由偏离投射轴的相机成像。表面高度变化 ΔZ 会使光斑在相机像面上产生位移 Δx，二者近似满足 ΔZ = Δx / (M·sinθ)，其中 M 为成像放大倍率，θ 为投射光轴与观察光轴夹角。三角法的关键物理量是“光斑质心位置”，因此对表面粗糙度、颜色、倾角都敏感：镜面会丢失光斑，深色会削弱信号，陡坡会造成遮挡阴影。
激光共聚焦利用“只有焦平面附近的光才能通过共聚焦针孔”这一空间滤波特性。当被测面正好位于物镜焦面时，返回光最强；离焦时，光斑在针孔处被大量阻挡，探测器信号迅速下降。沿 Z 扫描并记录信号峰值位置，即可得到高度。其 Z 向分辨能力来自轴向响应曲线的半高宽，典型可达亚微米甚至纳米级，但单点测量需要 Z 扫描，速度受限于扫描机构或可调焦透镜。
白光干涉利用宽谱光的低相干特性：只有当参考臂与测量臂的光程差接近零时，才会出现高对比度干涉条纹。因此干涉条纹的包络峰值对应零光程差位置，扫描 Z 并寻找包络峰值即可得到高度。由于使用波长量级的相位信息，Z 向分辨率可达纳米级，但要求表面具有一定的反射能力，且单次测量范围受相干长度限制，通常需要垂直扫描拼接。
结构光把已知图案（条纹、格雷码、相移条纹）投射到表面，相机观察图案因表面高度而产生的形变。相位解调后，相位差与高度近似成线性关系，再通过系统标定矩阵转换为三维坐标。结构光的核心是“全场并行”，一次拍摄可获得数十万至数百万点，适合快速三维重建，但对环境光、表面反射率和遮挡敏感。
飞行时间（ToF）直接测量光脉冲或调制光往返时间，Z = c·t/2。连续波 ToF 通常测量调制信号的相位差，再换算距离。其优势是量程大、结构简单，适合米级到数十米级场景，但时间或相位测量精度有限，典型 Z 向分辨率在毫米到厘米量级，难以满足精密轮廓测量。
相移法严格说是一种相位解调技术，而非独立传感原理。它通过多步相位移动（如四步法，每次移动 π/2）采集多幅条纹图，利用 arctan 运算解出包裹相位，再展开为连续相位。相移法常与结构光、干涉术结合使用，其精度取决于相移步距准确性、条纹对比度和相位展开算法。
二、适用边界的判断逻辑
选择方法时，不应先问“哪种最先进”，而应先明确四个约束：Z 向分辨率要求、单次测量范围、被测表面光学特性、允许的测量节拍。例如，测量 MEMS 台阶高度（要求 nm 级、量程几十 μm、表面为硅或金属反射面），白光干涉或共聚焦是合理选择；测量汽车白车身间隙面差（要求 0.1 mm 级、量程几十 mm、表面为涂装金属），线激光三角法或结构光更合适；测量大型料堆体积（要求 cm 级、量程数米），ToF 或双目结构光更具性价比。
表面特性是常被低估的边界条件。三角法依赖漫反射光斑，镜面会因镜面反射把光斑“打飞”到相机视场外；结构光依赖图案对比度，高反光区域会局部过曝，黑色吸光区域则信噪比不足；白光干涉要求表面能返回足够相干光，粗糙表面会降低条纹对比度。工程上常见的处理是喷涂显影剂、调整投射角度、使用偏振片或采用多曝光融合，但这些措施会引入额外工序和节拍成本，必须在方案阶段计入。
三、相移法的定位与常见组合
相移法本身不产生新的物理“探针”，而是把条纹相位测量精度提升到亚像素级。以四步相移为例，采集四幅条纹图 I₁～I₄，每步相移 π/2，则包裹相位 φ = arctan[(I₄−I₂)/(I₁−I₃)]。由于 arctan 只给出 (−π, π] 区间，必须通过多频外差、格雷码或质量引导展开为连续相位。相移法的误差主要来自相移步距不准、条纹非正弦、相机非线性以及测量过程中的振动。因此，在结构光系统中，相移法常与格雷码结合：格雷码负责粗定位周期，相移负责周期内精细相位，二者共同决定绝对高度。
四、典型参数对照与选型示例
| 方法 | Z 向分辨率（典型） | 单次量程（典型） | 速度 | 表面要求 |
|---|---|---|---|---|
| 光学三角法 | 1～10 μm | 几 mm～几百 mm | 高（线扫描） | 漫反射，避免镜面 |
| 激光共聚焦 | 1～100 nm | 几十 μm～几 mm | 中（需 Z 扫描） | 可测部分镜面 |
| 白光干涉 | 0.1～1 nm | 几 μm～几 mm | 中低（垂直扫描） | 需一定反射率 |
| 结构光 | 1～100 μm | 几 mm～几 m | 高（全场单次） | 需图案对比度 |
| 飞行时间 | 1 mm～1 cm | 0.1～几十 m | 高 | 对反射率不敏感 |
| 相移法 | 取决于载体 | 取决于载体 | 取决于步数 | 需稳定条纹 |
以一个教学示例说明选型过程：假设需要测量手机玻璃盖板边缘的台阶高度，要求 Z 分辨率优于 0.5 μm，量程约 2 mm，表面为透明玻璃和抛光金属。三角法在透明玻璃上会因透射和镜面反射丢失光斑，不适合；ToF 分辨率不足；结构光在透明表面图案对比度差。此时可优先考虑共聚焦或白光干涉，若玻璃透明导致干涉信号弱，可局部喷涂或改用共聚焦配合低数值孔径物镜。该示例中的参数为合理假设，用于说明判断路径，不代表实测结果。
综上，六类方法的物理基础决定了它们各自的分辨率、量程和表面适应性边界。工程选型的正确顺序是：先由 Z 分辨率和量程筛掉不满足的方法，再由表面光学特性筛掉信号不可靠的方法，最后由节拍和成本确定最终方案。相移法作为相位解调工具，通常不单独使用，而是嵌入结构光或干涉系统中提升精度。理解这条“物理基础—信号调制—边界条件”的链条，才能在具体测量任务中做出可解释、可验证的选择。