光声/光热光谱技术已经广泛应用于痕量危险化学品和爆炸物的探测，并显示出高效的探测能力。然而，该技术通常需要在光声池中进行分析，并使用高灵敏度麦克风或压电传感器记录振动信号，因此不适用于在安全距离外的开放环境中探测泄漏的危险物质或爆炸物。为此，利用强度调制的量子级联激光器（QCL）激发微量固体（聚四氟乙烯）和气体（丙酮）的光声效应，借助自主研发的远距离激光多普勒测振仪（LDV）对QCL产生的光振动信号进行检测。通过扫描QCL的波长，测量振动信号的幅值并获取光声光谱，其结果与傅里叶变换红外光谱的结果高度一致。实验结果表明，自制的远距离LDV可以在距离达200 m的开放环境下有效地检测痕量固态和气态化学品的光声信号。

标定是成像系统执行精准视觉测量的基础，其目的在于确立三维空间物点与传感平面像点的映射关系。区别于传统的小孔透视模型，主要介绍一种光线模型用于对成像系统的标定与测量。该模型以成像系统聚焦状态下每个像素点均对应空间一条虚拟主光线为前提假设，通过确定所有像素点所对应光线方程的参数即可实现标定与成像表征，从而可避免对复杂成像系统的结构分析与建模，复杂成像系统包括光场相机、大畸变镜头与远心镜头等特殊成像系统。综述了光线模型的基本原理及其标定方法发展，并介绍本课题组基于光线模型的条纹结构光三维测量所取得的部分进展，实验结果表明光线模型可通用于对各类复杂结构成像系统的高精度测量，是校准非针孔透视成像系统的有效模型。

在显微成像中,基于光强传输方程的双相机动态相位成像是定量观测活细胞运动的一种有效方法。但是相机安装带来的误差使得两个相机的视场之间存在一定差异,导致利用光强传输方程求解获取的相位不准确。为此,提出了一种基于棋盘格标定的双相机图像校正方法,以消除相机间视场的不匹配问题,校正后的匹配精度可达到亚像素级,大大提高了相位成像的正确率。首先对标准微透镜阵列进行定量成像测量,验证所提方法的准确性和可行性,再对游动的雨生红球藻细胞进行动态相位成像,成像结果表明该方法在动态生物成像领域具有一定的应用前景。

提出一种精确、稳健的主动光场深度成像方法。利用结构光照明为场景提供编码信息,光场成像同时记录光线的方向信息和受深度调制的相位信息,相位编码信息可为构建光场深度线索提供强度不敏感的匹配特征,进而精确计算场景深度。实验结果表明,相比于被动方法,所提的主动方法能够获得更高质量的深度效果,实现精确、稳健的光场深度计算。

详细介绍了基于数字散斑相关技术的三维重建方法, 包括双目立体视觉基本原理以及散斑三维重建基本流程。重点分析了整像素对应点查找方法以及基于牛顿-拉弗逊迭代的亚像素插值算法, 实现了散斑亚像素级三维重建。针对数字散斑相关计算模型, 分析了影响相关系数的因素, 并围绕相关系数计算和亚像素同名点插值精度两方面重点分析了二值随机散斑和灰度随机散斑的三维重建效果。通过设计不同尺寸颗粒的散斑图案和采用不同大小的相关计算窗口, 分别对平面陶瓷板和陶瓷标准球进行了三维重建精度分析。实验结果表明, 二值散斑能获得更高的重建精度。

在三维数字散斑整像素相关搜索中, 先利用极线约束和投影校正原理将相关搜索范围从整个图像约束到投影校正后的同一水平极线上, 再利用视差约束缩小搜索范围, 该相关搜索过程非常耗时。在投影校正和视差约束的基础上, 提出了基于灰度约束的三维数字散斑整像素相关搜索方法, 该方法可进一步滤除视差范围内大部分的待匹配点。当有效点个数为85783、相关窗口大小为9 pixel×9 pixel时, 相关搜索时间由7.24 s缩短为2.15 s。实验结果表明, 所提方法能有效提高三维数字散斑整像素相关搜索效率。

研究了一套投影正弦光栅条纹,测量表面有大梯度或非连续结构等复杂形貌微小物体的三维测量系统。针对所测量物体大小,通过将体视显微镜、相机和投影仪组合,研制了具有较小视场的条纹投影系统。软件产生具有最佳条纹个数的三组正弦条纹图,每组包含四个彼此间有90°相位移动的条纹。根据所测量物体表面颜色和纹理特性,选择投影系统的合适颜色通道投射软件所产生的正弦条纹序列到被测物表面。相机从另一角度获取经被测表面调制的变形条纹图。通过四步相移和最佳条纹选择方法分别计算得到折叠相位图和展开相位图。利用水平精密移动台定位一水平白板到几个已知位置,建立绝对相位和深度之间的关系,获得系统深度方向的数据。微小物体的三维形貌测量实验证明了所研制成像系统的可行性和准确性。