2026年2月17日，国际光学领域知名期刊《IEEE Photonics Technology Letters》刊发精密仪器研究中心团队在三维成像与测量领域最新成果，题为“Single-snapshot focus variation microscopy for high-speed topographic optical imaging（基于快照变焦技术的高速三维测量）”。博士生赵翔宇为论文第一作者，刘世元教授，朱金龙教授和王健教授为通讯作者。

非接触式高速三维光学测量在精密工程、工业检测以及微纳制造领域至关重要。变焦三维测量技术因具备测量速度快、垂直测量范围广、结构简单易实现等优势而被广泛应用。然而对于三维尺寸变化显著的测量对象，精确的三维信息重建需采集大量垂直方向的切片图像，考虑到位移台移动速度和相机帧率的限制，此过程极为耗时。因此开发高速的三维光学测量方法至关重要。

针对上述问题，研究团队创新性地将快照压缩成像技术应用到变焦三维测量采集过程中，提出了快照变焦高速三维测量方法。该方法通过压缩图像采集显著提升了采集速度，同时降低了数据带宽需求。相较于传统的每帧仅捕获单张变焦图像，本方案可在单帧内执行n次编码。该架构实现n倍采集速度提升，同时将图像采集次数降至1/n（n代表掩模数量）。掩模数量n主要受限于掩模切换频率及系统误差累积。

图1 快照变焦高速三维测量技术原理：(a)实验架构；(b)快照压缩过程；(c)三维重建过程

本方法采用结构互补掩码，相较传统的随机掩码方案展现出更优异的解调稳定性与图像保真度。随机掩码获取的压缩图像因多重随机调制叠加而导致光学信息失真。而结构互补掩码具有周期性排列特征。采用此类掩模获得的压缩图像能保留移动物体的光学信息，显著提升采集过程的可视化效果与可解读性。

图2 仿真结果：(a)展示了随机掩码和结构互补掩码的压缩图像；(b)在压缩图像中重建的多张变焦图像

通过台阶高度试件的实验验证表明，提出的方法的测量速度达到传统变焦三维测量方法的16倍，同时在多种掩模配置下保持相对尺寸误差<1.93%。该实验验证证实了本方法在高速三维光学测量中的潜力，证明其在高速采集过程中仍能维持测量精度。

图3 不同掩码数量下三维测量实验结果

论文信息：

X. Zhao, X. Huang, D. Qiu, Z. Dong, L. Nie, J. Wang, J. Zhu, and S. Liu, "Single-snapshot Focus Variation Microscopy for High-Speed Topographic Optical Imaging," IEEE Photon. Tech. Lett. 38, 711-714 (2026).