基于结构光照明的3D测量系统以及数字全息术的方法在工业、医学和科学领域应用广泛。其中，结构光照明技术的优点在于快速准确地确定3D物体的绝对坐标，但这种3D测量技术的轴向分辨率有限。数字全息技术能够高精度地显示物体的细微偏差，但需要相干光作为照明源。
因此，数字全息术与结构照明的结合允许同时测量变形误差和物体的3D坐标。这两种技术的结合已经在立体相机系统中得到了证明。然而，这些立体摄影测量和数字全息术相结合的系统相对较大，成本也高，在大多数科学和技术应用场景下并不适用，这些应用场景通常需要系统尺寸小和紧凑的测量头。有些物体不容易接近或测量，因为它们内置于车辆或设备中，或者难以触及。有时候，不仅要知道物体的形状，还要了解由应力或温度变化引起的微小变化。因此，将系统减少到一个单相机(单目)的设置，减少空间占用和系统成本的研究是很有意义的。
鉴于此，近期，来自德国耶拿大学Andreas Walter Stark等人，以Miniaturization of a coherent monocular structured illumination system for future combination with digital holography为题在Light: Advanced Manufacturing发表了专题文章。
该文的作者们提出了一个小型化的单目3D测量系统，可以进入难以到达的区域，并允许测量内部物体的表面。在未来，该系统可以结合“全息”看到非常小的变化范围内的波长的光。
基于多投影机阵列的3D测量技术
作者首先介绍了基于多投影机阵列的 3D 测量技术，这种技术对高速测量、水下或者红外测量都适用，其中，专业相机是最昂贵的组件，因此，为了避免成本同时减少系统空间占用，只使用单个相机是十分有利的。为此，提出了基于多投影机阵列(MAAP)的单目相机 3D 测量系统，如下图1所示，其中，MAAP在每个平面的位置都分别捕获了投影的像，这样就可以在体素水平上进行校准。重建过程是将标定过程中得到的参考灰度值堆栈与被测物体的测量图像进行比较。
图1：基于MAAP的单目相机3D测量系统的校准示意图
可重复的散斑
当相干光束被统计散射时，产生了相生干涉和相消干涉的区域，称为散斑。这些图案可用作主动立体摄影测量的照度。此外，除了相干光束外，散斑投影本身只需要一个光束直径大小的散射元件或表面。将相干 LED 光通过光纤照射到扩散板上，并对各自的光纤进行定位，就可以重现相同的散斑分布。
通过一个光纤开关和多个光纤，每个光纤都固定在一个扩散板上，可以重复生成一些或一系列这样的图案。作者成功地将这一技术应用于 MAAP 结构的校准，得到尺寸 10 cm × 10 cm× 5 cm 的有效测量场。如图2所示，测试对象为德国物理学家恩斯特·阿贝的浮雕和它的 3D 重建像。
图2：德国物理学家恩斯特·阿贝的浮雕测量以及3D重建像
3D测量术与全息的结合
如前所述，3D 测量技术如主动立体摄影测量法可以提供精确的物体表面绝对位置值，而全息术，如离轴全息术，可以检测物体表面的微小相对变化。全息3D测量技术的要求是用于照亮物体的光的必须具有高相干性。来自同一光源的散射光和参考波必须重叠，从而产生干涉图样。与主全息图或应变、压力或温度变化引起的干涉条纹相比，干涉图案可以用来描述表面的高度变化。如下图3所示，随着相机的增加，也可以计算空间中的完全变形向量。
图3：结合立体摄影测量和全息变形测量的实验装置示意图
为了有效地结合这两种技术，对于狭窄的应用场景，并使温度变化和压力/应变变形可以同时测量，需要测量系统的小型化。为了实现这一目标，作者将光纤与一个比照明光斑大不了多少的扩散板结合起来，以产生可重复的激光散斑，并使用小型相机进行校准。
散斑投影技术的小型化
该小型化系统如图4所示，光纤耦合激光器产生的相干光通过光纤开关分布到不同的单模光纤上，所有光纤都连接到测量头上。为了照亮物体，一次只处理一根光纤，为了测量一组图像，每一组图像都必须有单独的模式。此外，测量头以稳定的方式连接光纤、扩散板和相机，以便相同的图案重复填充。
图4：基于散斑投影技术的单眼3D测量微型系统示意图
图5：探测头与硬币大小比较、系统实拍图以及用于校准的散斑图案之一
图6：微型石膏半身像、小型化散斑投影技术测量图像以及3D重建
总结与展望
作者们介绍了一种新颖的、小型化的单眼 3D 测量系统，介绍了测量物体的体素校准和散斑模式的可重复性。实验结果证明了该小型化系统的可行性。
与其他3D测量技术相比，其重建质量仍有提高空间，尤其是精度方面，目前只能在毫米范围内进行分类。该系统的优势在于可以应用于各种狭小的区域，并允许测量内部物体的表面。此外，相干光的使用也允许该系统与全息术有更多的结合，从而检测到非常小的变化波长范围内的光。如果使用其中一个照明通道或其中一根光纤来照亮相机芯片，同时物体被另一根光纤照亮，结合离轴全息术，全息图也可以通过这种设置被记录下来，如下图7所示。
图7：离轴全息术与3D测量技术的结合草图
