基于像素级校准的多焦点显微结构光三维成像系统优化方法及其在扩展景深中的应用

为解决多焦点显微结构光(MF-MSL)系统中电子可调透镜(ETL)连续变焦导致的校准难题，研究人员开发了一种像素级校准方法。该方法通过建立连续焦点设置与相位值的像素级映射，结合参考平面相位差与三维坐标的直接关联，将系统标定均方根误差(rmse)降低50%以上，显著提升了10×扩展景深(DoF)系统的测量精度，为微尺度物体三维表征提供了高精度解决方案。

　　

在精密制造和生物医学领域，三维成像技术如同"显微尺"般不可或缺。传统显微结构光(MSL)系统却面临着一个棘手的矛盾：高放大倍率下景深(DoF)急剧缩小，就像试图用极浅的焦点平面来捕捉立体物体。虽然采用远心镜头能部分缓解这个问题，但对于微机电系统(MEMS)检测等需要微米级精度的应用仍显不足。电子可调透镜(ETL)的引入如同给显微镜装上了"动态变焦眼"，但随之而来的校准难题却让研究人员头疼——传统多项式拟合方法难以处理透镜驱动时产生的局部非线性畸变。

普渡大学的研究团队在《Optics and Lasers in Engineering》发表的这项研究，开创性地将像素级校准理念引入多焦点系统。研究首先在选定焦点进行传统立体校准，随后利用白色参考平面建立连续焦点与相位的像素级关系，最终通过平面靶标位移实验构建相位差与三维坐标的直接映射。这种"三步走"策略如同为每个像素建立了专属的GPS坐标系统，使10×扩展景深系统的均方根误差(rmse)降低超50%。

关键技术包括：1)基于DLP投影仪和CMOS相机的MF-MSL系统搭建；2)采用四步相移法获取高精度相位图；3)通过参考平面平移实验获取像素级深度-相位映射；4)利用立体校准参数实现三维坐标重建。

【Principle部分】
研究提出三阶段校准框架：第一阶段完成固定焦点下的立体校准；第二阶段建立参考平面相位与连续焦点的像素级映射；第三阶段通过靶标位移实验，推导出相位差与三维坐标的转换关系。这种分层递进的方法有效规避了传统多项式模型的局限性。

【Experiments部分】
实验系统集成D4500投影仪(912×1140像素)和GS3-U3-23S6M相机(1920×1200像素)，配备35mm定光圈镜头和Optotune EL-10-30-Ci ETL。测试显示，相比传统方法，新方案在10×物镜下将rmse从0.052mm降至0.023mm，验证了其对透镜驱动非线性的补偿能力。

【Summary部分】
该研究实现了三大突破：1)首次将像素级校准应用于连续变焦系统；2)通过相位-深度直接映射规避了模型依赖；3)将扩展景深系统的校准精度提升50%以上。Yuchen Yang和Song Zhang的创新工作，不仅解决了ETL引入的校准难题，更开辟了微纳尺度三维测量的新途径。值得注意的是，该方法无需预设数学模型，通过实验数据驱动的像素级映射，有效补偿了透镜驱动过程中的局部畸变，为生物样本三维成像等对运动伪影敏感的领域提供了新思路。研究获得普渡大学数字林业研究所资助，相关技术已展示在表面纹理评估中的卓越性能。