用于三维轮廓测量的高速LED阵列灰度调制方法，采用散焦投影技术

《Optics & Laser Technology》：High-speed LED array grayscale modulation method for three-dimensional profilometry with defocused projection

本研究采用自主研发的128×128高速LED阵列（最大刷新率25MHz），解决传统DMD投影器在灰度级与投影速度间的平衡难题。提出新型LED阵列适用灰度调制方法，显著提升近焦区测量精度73.2%，扩展有效深度范围，实现高速高精度三维测量。

　　在三维测量技术领域，近年来高精度与高速度的结合成为研究的热点。传统的三维测量方法通常依赖于投影系统将特定的光栅图案投射到被测物体表面，并通过相机捕捉变形后的图像，从而提取物体的三维信息。其中，相位移光栅投影技术（Phase-Shifting Fringe Projection Profilometry, PSFPP）因其高精度和像素级相位测量能力而备受关注。该技术通过在目标物体上投射具有预设相位偏移的正弦光栅图案，再结合相位提取与解缠算法，实现对物体表面高度的精确重建。

然而，传统投影系统在实现高精度和高速度之间存在一定的矛盾。以数字微镜器件（Digital Micromirror Device, DMD）为基础的投影设备虽然能够提供高亮度和高分辨率的投影能力，但在调节灰度等级与投影速度之间存在内在的限制。灰度投影虽然能够生成理想的正弦光栅，但受限于DMD的硬件特性，其投影速度往往较低，通常低于100 Hz。而二值投影则能够在较高速度下运行，例如DMD可以实现高达20 kHz的刷新率，这使得二值投影成为实现高速测量的首选方案。然而，二值投影在近焦区域会产生显著的高阶谐波，这会降低测量精度，尤其是在高度重建过程中，这些谐波可能造成较大的误差。

为了解决这一问题，研究者们提出了多种调制方法，以优化二值投影的光栅特性。例如，Sinusoidal Pulse Width Modulation（SPWM）方法通过在频谱中将高阶谐波移出基频，从而提高正弦光栅的质量。Optimized Pulse-Width Modulation（OPWM）技术则通过预定义断点，选择性地消除特定的高阶谐波，进一步提升正弦光栅的保真度。Tripolar Pulse-Width Modulation（TPWM）方法则通过将正弦波与两个高频三角波进行比较，生成PWM波形。此外，Bayer抖动技术也被应用于二值光栅图案的优化中，以减少高阶谐波的影响。尽管这些调制方法在一定程度上提高了测量精度，但它们仍然无法突破DMD设备的硬件和显示机制所设定的速度限制，因此实现高精度与高速度的同步测量仍面临挑战。

针对上述问题，本文提出了一种基于自研128×128高速LED阵列的新型三维测量方案。该LED阵列具备高达25 MHz的二值光栅刷新率，相较于DMD设备，其速度提升达到了1000倍。同时，考虑到LED阵列的分辨率相对较低，传统的灰度调制方法并不适用。因此，本文设计了一种适用于高速LED阵列的灰度调制方法，以有效抑制高阶谐波的产生。该方法的最大刷新率可以达到6.25 MHz，相比二值方法，显著提升了测量精度，特别是在近焦区域，精度提高了73.2%。此外，该灰度调制方法还扩展了测量的有效深度范围，使得前焦区域的测量成为可能，从而提升了系统的实用性。

本文所提出的高精度与高速度结合的三维测量方案，为实现高效率、高准确性的三维测量提供了一种新的思路。通过采用高速LED阵列作为投影光源，不仅克服了传统DMD设备在速度与灰度之间的矛盾，还通过优化灰度调制方法，进一步提升了测量精度。这种技术的突破对于工业检测、面部识别、自动驾驶、运动感应交互等应用领域具有重要意义。尤其是在需要快速捕捉动态物体或进行高精度表面分析的场景下，本文的方法展现出了显著的优势。

在实验部分，我们构建了一个基于自研高速LED阵列的三维测量系统，并对其进行了系统测试。该LED阵列的尺寸为88 mm × 88 mm，中心波长为630 nm，距离投影相机镜头（JARAY, J-85, f/1.4）300 mm。被测物体放置在距离投影镜头120 mm的位置。系统采用了一款工业相机（MER-133-54U3M，分辨率为1280 × 960，像素尺寸为3.75 μm × 3.75 μm），并配备了16 mm焦距的镜头。实验结果表明，该系统在高精度和高速度之间实现了良好的平衡，能够有效处理复杂表面结构的测量需求。

此外，本文还通过仿真验证了所提出的灰度调制方法的有效性。仿真结果显示，与二值方法相比，灰度调制方法在不同焦距下的波形误差和高度误差均得到了显著降低。这表明，灰度调制方法能够更准确地模拟正弦光栅的特性，从而提高测量精度。同时，仿真还揭示了光学失焦过程与灰度调制方法之间的关系，为后续实验设计提供了理论依据。

在讨论部分，我们进一步分析了LED阵列在三维测量中的应用潜力。LED具有高亮度、长寿命和超快响应速度等优势，这使其成为一种理想的投影光源。近年来，高速LED阵列逐渐被引入到结构光投影系统中，成为实现高精度、高速度测量的新工具。然而，目前关于LED阵列在三维成像系统中的应用研究仍较为有限，主要原因是现有LED阵列在性能和调制能力方面存在一定的不足。本文提出的灰度调制方法则克服了这一限制，为LED阵列在三维测量中的应用提供了新的可能性。

本文的研究成果不仅拓展了三维测量技术的边界，也为相关应用领域提供了更加高效和精确的解决方案。通过结合高速LED阵列与优化的灰度调制方法，我们成功实现了高精度与高速度的同步测量，为未来三维测量系统的开发奠定了基础。同时，本文的研究也为后续的算法优化和硬件改进提供了参考，有助于推动三维测量技术的进一步发展。