单像素探测技术可实现对物体反射率或透射率的二维成像,但成像结果受照明光入射角度、物体表面形状和探测器面元空间方位等因素的调制影响。研究表明,空间非均匀照度的设计可消除这些因素的调制效应,因此,提出了一种新的单像素成像方法。该方法依靠投射振幅空间调制的二维余弦灰度条纹重构成像物体的频谱,以增强成像对比度并改善成像质量。对物体表面反射率进行成像,实验结果与理论分析完全一致,验证了本方法的有效性和可行性。

为了检测出规范化质量控制下品质异常的平整表面,提出一种关于平整表面反射率异常的单像素检测理论,该方法使用单像素探测器并且只需投影单幅结构光图像。推导关于平整表面反射率异常的单像素检测的辐射通量分布,结果分析表明:在均匀照度条件下,面对探测器的辐射通量空间分布呈现不均匀性,因此采用特别的照度设计可以实现辐射通量分布的均匀化,并将平整表面反射率的异常分布转化为反射率累积异常(或者总辐射通量异常)。实验上,设计了相应的检测装置;数值计算了均匀照度下平整表面面向探测器的辐射通量分布,实现了辐射通量分布均匀化的照度设计,并分别与实际结果进行比较,两者吻合得很好。在满足辐射通量分布均匀化的照明条件下,研究了7种不同类型合格瓷砖各自的总辐射通量和两种表面缺陷——裂痕和划痕引起的总辐射通量异常,结果显示这两种表面缺陷会导致总辐射通量明显改变。初步验证了理论的有效性和技术的可行性。

自干涉非相干数字全息可记录和再现非相干光源照明下物光场信息。但基于目前理论的重建算法对待测光场的不同纵向深度层面进行聚焦重构时，聚焦面信息会受到离焦层面光场信息的干扰。基于压缩感知理论，根据自干涉非相干数字全息的光学记录与再现过程，建立与该物理过程相适应的传感矩阵，从理论上构建实现光场分层重构的数值重建算法框架。基于自干涉非相干数字全息光路，以多个不同纵向深度的LED 点光源构建物光场，分别进行计算机数值模拟及实验研究，并且深入讨论光场层面再现距离与各实验参数之间的关系，指出增大各光场层面再现距离间差距的方法。理论及实验研究结果表明该方法可重构不同纵向深度层面的三维物光场，并有效抑制离焦层面光场信息的干扰。

基于弱相干光源的数字全息，由于参考光和物光夹角在非常小的范围内才能观察到干涉条纹，因此该技术一般限制在同轴全息的范围之内，即采用相移法对多幅同轴全息图采集，不利于动态物体的观测与记录。引入压缩感知理论，结合数字全息重构算法，实现对单幅弱相干光数字全息图的数值重建，能有效抑制孪生像及相干噪声的干扰。给出详细的基于压缩感知的数值重建算法框架，并以发光二极管作为弱相干光源，基于数字全息实验光路，以分辨率测试标板为样品展开实验研究，说明该方法的有效性和可行性。

为了把压缩传感技术应用到变换域非稀疏信号中，提出了一种能够改善信号非稀疏表达稀疏性的新方法。该方法采用可移动窗口函数把信号在变换域中的非稀疏表达截取成多个窗截表达，只要控制每个窗口函数宽度远小于信号的长度，则每个窗截表达具有较好的稀疏性。通过稀疏的窗截表达实现对非稀疏表达的压缩传感。结合高斯和矩形窗口函数给出了详细的理论分析，无噪和加噪信号的实验结果证明了该方法的有效性。

针对基于传统数字全息重建算法对待测物体的不同纵向深度截面进行聚焦重构时，聚焦面物体会受到共轭像及背景离焦物体的干扰，本文提出基于压缩感知理论，构建单幅离轴菲涅耳数字全息图层析成像的算法框架。该方法通过自适应空间滤波技术对全息图进行处理，基于压缩感知理论重构不同纵向深度截面图像，并有效抑制背景离焦物体的干扰，最终达到层析成像的目标。计算机数值模拟以及三维待测物体实验结果表明该方法的有效性和可行性。

为了测量光学成像系统的径向畸变, 采用载频条纹模板, 应用瞬时频率积分法提取因径向畸变而产生的径向调制相位; 推导了条纹径向调制相位与瞬时频率的关系式, 并导出径向调制相位和径向畸变位移关系; 采用小波频率估计提取畸变条纹径向瞬时频率, 并对其进行积分获得畸变条纹的径向调制相位; 应用径向调制相位和立方卷积插值算法对畸变图像进行了校正,得出了详细的理论分析和实验结果。结果表明, 上述方法是可行的。

提出了一种基于统一准则的自适应滤波器的设计算法, 并结合空间滤波处理技术及数字图像处理分析技术, 根据每一幅光学条纹图像的频谱分布状况, 自动提取 +1级频谱信息, 实现对载频条纹图像的自适应滤波, 最终达到自动化数值分析的目标。文中以三维形貌测量为例, 首先通过计算机数值模拟, 指出分析位相质量与滤波窗口的选择是紧密相关的。而光学条纹图像的频谱分布则因待测物体而异, 因此在空间滤波过程中, 要针对不同的待测物体对滤波窗口的形状以及大小进行精确选取。文章给出了自适应滤波器精确选取的法则与步骤。最后以三维石膏像为测量物体, 给出实验验证, 证明该方法的可行性与有效性。

相位解调是条纹相位分析的关键问题.本文提出一种应用小波频率估计联合频率导数对变形条纹进行瞬时频率分析,从中提取参考基频, 从而依靠单一变形条纹实现相位解调的方法.首先, 理论上证明了当变形条纹瞬时频率空间导数等于零, 该空间点的瞬时频率等于参考基频频率; 其次, 引入Gabor小波提取变形条纹的瞬时频率空间分布, 利用变形条纹瞬时频率的空间导数分布识别提取参考基频, 从而实现相位解调.利用该方法进行了三维形貌测量的实验, 结果表明该方法在实现相位解调中效果良好.

为了测量光学成像像面各个像素的径向畸变大小，提出将小波变换载频条纹相位分析应用于径向畸变测量。采用正弦载波条纹作为测量模板，把径向畸变转化为径向调制相位。应用条纹相位分析导出径向调制相位和径向畸变的转化关系。采用小波频率估计和相位估计提取变形条纹的相位，由于变形条纹中心点是零畸变，中心点的瞬时频率和相位可以计算参考条纹的基频相位。两种基频相位之差就是与所有像素径向位置畸变分布对应的三维调制相位称为径向畸变分布。利用校正公式和立方卷积插值算法对彩色畸变图像进行校正，给出详细的理论分析和实验结果。