一种结合了频率分割压缩感知和数字全息技术的新型图像加密方案

《Optics and Lasers in Engineering》：A novel image encryption scheme combining frequency division compressed sensing and digital holography

针对线结构光系统在近显微成像下因自干涉散斑噪声导致测量精度下降的问题，提出基于自干涉散斑模式的新型位移传感机制。通过建立表面微地形与远场强度分布的空间卷积模型，揭示位移矢量与散斑模式演化的准线性映射关系，实现参考-free的位移测量。创新性双模态架构结合空间域亚像素条纹中心定位和频域散斑光学流追踪，在Ra1.6μm铝表面实验中达到0.05μm分辨率和0.999线性度，突破传统光栅/磁感器单轴测量局限，为微型化光学传感器多维位移检测提供新范式。

　　近年来，随着工业自动化和智能制造的发展，高精度的三维测量技术在多个领域中扮演着至关重要的角色。其中，线结构光测量因其非接触、高分辨率、适用于复杂环境等优势，成为研究的热点。然而，在近微观尺度的测量条件下，线结构光系统面临着来自自干涉斑点噪声的显著挑战。传统的测量方法往往将斑点视为干扰源，试图通过滤波或调制手段来抑制其影响，但这通常会导致部分有用信息的丢失，限制了测量精度和系统性能。本文提出了一种全新的位移传感机制，该机制基于线结构光系统中自干涉斑点模式的变化，旨在突破传统方法的局限性。

线结构光测量的基本原理是通过投影激光线束至目标表面，利用光线平面与物体轮廓的交集形成特征性的激光条纹。随后，通过图像采集和处理算法，提取出几何特征信息。这种技术在机械制造、电子检测和工业自动化等场景中具有广泛的应用价值。然而，当测量需求扩展至近微观尺度时，高分辨率的成像系统能够揭示激光光束与表面微地形之间更为细微的相互作用。这些相互作用在图像中表现为显著的自干涉斑点模式，传统上被认为是干扰噪声，导致条纹对比度下降和轮廓定位误差增大。

当前的研究主要依赖于频域滤波或时空调制技术来抑制结构光测量中的斑点干扰。然而，这些方法在消除随机强度波动的同时，往往牺牲了部分测量信息，增加了系统的复杂性或引入了成像延迟。因此，如何在不牺牲系统紧凑性和测量灵敏度的前提下，有效利用斑点模式中的结构信息，成为线结构光技术在微尺度应用中的关键挑战。

值得注意的是，斑点物理研究揭示了一个重要的现象：随机干涉场在本质上能够编码表面微结构的频域响应。这一特性已经被用于诸如电子斑点图案干涉术（ESPI）等技术中，以实现位移和应变的测量。然而，这类方法通常依赖于外源干涉系统，例如参考光束或波前分割装置，需要精确的光学路径来构建稳定的相位敏感场。尽管能够达到纳米级的灵敏度，但这些方法在实现系统微型化和集成化方面存在障碍，难以适应线结构光传感器的发展趋势。

本文提出了一种新的位移测量方法，该方法利用线结构光系统中的自干涉斑点模式，突破了传统干涉测量技术的框架。通过建立表面微地形与远场强度分布之间的空间卷积模型，揭示了位移向量与斑点模式演变之间的近似线性映射关系。这一机制的核心在于，斑点模式的形成并非依赖于外部干涉源，而是由粗糙表面自发干涉效应所决定，其内部嵌入了独特的位移敏感信息。通过这一发现，本文构建了一种基于二维斑点编码的参考数据库，为实现绝对位移测量提供了理论支持。

为了实现这一目标，本文设计了一种双模态的检测架构，该架构结合了两个关键部分：（1）在空间域中通过条纹中心的子像素定位实现轴向距离测量；（2）在频域中利用斑点光流跟踪算法对平面位移分量进行分析。这种方法的优势在于，它不需要依赖外部参考光束或合作目标，从而简化了系统结构，提高了测量的灵活性和适应性。此外，这种方法能够实现平面位移和轴向距离的协同检测，特别适用于线结构光测量的约束条件。

实验结果表明，该方法在Ra1.6 μm的铝表面测量中，实现了0.05 μm的位移分辨率和0.999的线性度。这不仅验证了理论模型的可行性，也为线结构光系统在微尺度位移检测中的应用提供了实际依据。同时，该方法为多维结构光测量的发展和工业应用开辟了新的路径，特别是在复杂工业环境中，能够实现高鲁棒性的位移测量。

与传统的斑点干涉术相比，本文提出的方法在测量原理、系统依赖性和应用场景方面存在显著差异。传统的斑点干涉术依赖于外部干涉系统，如参考光束或波前分割装置，需要精确的光学路径来构建稳定的相位场。而本文的方法则基于自发干涉效应，通过表面粗糙度对干涉场的调制，直接从斑点模式中提取位移信息。这种自干涉机制不需要额外的光学组件，减少了系统的复杂性和成本，同时提高了系统的适应性。

此外，本文提出的位移测量方法具有良好的可扩展性，可以应用于三维位移场的重构。通过进一步优化算法和系统设计，这种方法有望在更多工业场景中发挥作用，包括高精度的在线检测和自动化控制。在实际应用中，该方法能够提高测量系统的稳定性和可靠性，为智能制造和工业自动化提供更高质量的检测数据。

在研究过程中，本文的作者团队发挥了各自的专业优势。Zhimin Zhang负责原始撰写、可视化、验证、软件开发、方法论设计、调查分析和数据管理。Pengyang Li则在项目监督、资源协调、项目管理、资金获取和概念设计方面提供了关键支持。Jingyu Gu和Chaoyue Cao在数据验证和数据管理方面做出了贡献，而Qiuhong Huang则参与了论文的审阅与编辑、验证和概念设计。这些作者的共同努力，使得本文提出的位移测量方法在理论和实验层面都得到了充分验证。

本文的研究成果也得到了相关资助的支持。具体而言，本研究得到了陕西省区域创新能力建设指导计划（智能制造工艺研究——智能制造工艺质量在线检测技术）的资助。这一资助为研究的深入开展提供了必要的资源和保障，也体现了科研机构对高精度测量技术的重视。

综上所述，本文提出了一种基于线结构光系统自干涉斑点模式的位移测量方法，突破了传统方法的局限性。通过建立表面微地形与远场强度分布之间的空间卷积模型，揭示了位移向量与斑点模式演变之间的近似线性映射关系。该方法在空间域和频域中分别实现了轴向距离测量和平面位移分量分析，从而实现了对位移的全面检测。实验结果表明，该方法在Ra1.6 μm的铝表面测量中，实现了0.05 μm的位移分辨率和0.999的线性度，为线结构光系统的应用提供了新的思路和解决方案。这一研究不仅推动了非接触测量技术的发展，也为工业自动化和智能制造提供了重要的技术支撑。