为了实现微小角度的精密测量, 提出一种基于最小二乘拟合波矢估计实现角位移测量的方法, 利用全息理论和采样定理二次曝光记录两幅全息图, 通过角谱分析求解测量光相位信息的相关参数, 进行波矢估计并求解两次波矢存在的角位移关系, 使用计算机仿真验证了该方法的可行性和准确性并分析了像素尺寸、像素数和信噪比对测量精度的影响,用实验验证了理论计算结果与实验测定结果的一致性。实验表明,在CCD像素数不低于1000pixel,像素尺寸不小于4.6μm,信噪比不低于20dB的情况下,测量方法可实现3.9°范围内的准确测量, 测量的均值误差控制在2.5×10-7rad内, 测量的标准差控制在2.0×10-7rad内。

为解决薄玻璃等透明介质表面缺陷检测中上下表面检测区分困难的问题, 提出一种基于菲涅尔公式的玻璃表面单面成像方法。方法利用线偏振光经过反射和折射后偏振特性的变化规律, 优化入射光的入射角和偏振方向使上下表面成像光的偏振方向接近正交, 再利用偏振片的滤光特性选择所需光线成像。通过理论计算和仿真分析得出入射光的最佳入射角和振动方位角, 在分光计上进行实验验证, 并设置评价函数对不同入射角所成像进行评估。实验证明, 方法能够有效消除透明介质上下表面中其中任意一面的反射光线, 实现单面选择成像。经过评价函数评价分析认为入射角较小的情况下成像效果较好。该方法简单可靠, 不会损害检测样品, 容易投入实际生产。

传统的迈克尔逊干涉仪只能简单地呈现光的干涉图像，并不能生动体现光的波动特性及其形貌特征，且测量过程繁琐。针对这些问题，提出了一种基于数字全息技术的新型迈克尔逊干涉仪实验装置。该装置采用2个CCD相机代替传统迈克尔逊干涉仪中的平面反射镜，并引入与球面光相干的平面参考光与球面光发生干涉，利用数字全息技术直接获取2个CCD记录面上的球面光复振幅信息，然后通过最小二乘拟合获取球面波参数，并对球面光复振幅进行解调得到居中后的球面光复振幅，最后通过数字干涉的方法实现两球面光的干涉。实验结果表明，该装置能实时生动地显示入射球面光的三维图像和两球面光的干涉图像，同时根据拟合得到的参数能便捷地测量透明等厚介质的折射率，实验中测量了3种不同材料的折射率，其误差均能控制在±5%以内，有较高的测量精度。

提出了一种可根本消除各种光场畸变的横向剪切数字全息方法，采用三幅物面相互存在微小平移的数字全息图，通过波前差分来消除照明光和参考光引入的相位畸变，用横向剪切波前重构算法恢复待测物面三维数据。设计了一个反射式实验检测光路，光路中人为引进未知的波前畸变对该算法进行了实验验证。结果表明，在没有对物面和CCD 记录面做严格方位校准，横向平移精度为0.01 mm，平移量为0.02 mm 的条件下，标准相位的均方根误差约为λ 14 ，分析了其误差来源，可用于超精密光学三维测量，有望减小光场畸变提高测量精度。

通过两个不同波长的数字全息包裹相位差产生数字拍频，得到一个等效波长相位图以消除相位包裹，然后用该等效波长相位光程与任一记录波长做比较，确定单波长包裹相位中相位跳变的位置和跳变倍率，进而实现了单波长包裹相位展开，使相位噪声不随等效波长相位展开而放大，结果表明该方法可使相位噪声引入的误差减小2Λ/λm 倍。用650 nm 和632.8 nm 两个波长的激光对用快刀伺服加工的微结构光学元件表面进行了数字全息测量，得到了等效波长为0.024 mm 的加工纹理相位展开图，并用频谱滤波得到了元件微观形貌的低频和高频三维数据，各频段表面的粗糙度分别为33.2 nm，19.3 nm，23.4 nm，分析了各种微观结构产生的原因，并对快刀加工的切削参数进行了分析。

CCD像素数和动态范围的不足极大地限制了数字全息技术的发展与应用, 针对这一问题提出基于信息融合的双CCD镜像重叠布置方案。该方案首先给出了利用2个球面波干涉的方法来判断2个CCD的空间相对位置, 并证明了该方法的可行性。然后在实验中利用球面波与平面波进行离轴干涉并结合数字干涉技术来实时地调节2个CCD的位置, 使其相对位置初步达到镜像重叠。最后再利用计算机数字图像处理技术进行更加精确的标定, 得出2个CCD之间镜像重叠位置的标定参数。实验结果表明, 利用上述方法能够较精确地调节和标定2个CCD的相对镜像重叠位置, 其误差仅为14 μm。

提出了一种基于双波长干涉数字相位测量的钢球表面缺陷检测方法。采用波前匹配照明光路对钢球进行照明成像，理论分析表明当入射光波前曲率半径与钢球表面曲率半径相等时，钢球将获得最大空间角的有效照明，其照明空间角取决于物镜的数值孔径。用双波长干涉和数字相位处理得到等效波长包裹相位，从而增大包裹相位的测量量程，避免相位解包裹处理，用相位掩模标定法对等效波长中的倾斜因子和二次球面波相位畸变进行校正，得到了高精度的钢球表面三维数据。通过实验对钢球表面的缺陷和粗糙度进行了检测与分析，实验结果证实了该方法的有效性。

受目前电荷耦合器件(CCD)性能的限制，在数字全息技术中通常采用同轴数字全息记录光路来充分利用CCD的采样空间，以提高数字全息的测量性能，然而同轴数字全息存在再现像与直透光场及其共轭像重叠的问题。为实现同轴数字全息的实时高分辨记录测量，在单步相移倒频谱技术的基础上提出了基于双CCD的单曝光倒频谱相移同轴数字全息技术，并给出了该技术中两个CCD镜像重叠位置调节标定的方法和实现两个CCD并行π/2相移的光路结构方案这两个关键技术。实验结果表明基于双CCD的单曝光倒频谱相移同轴数字全息技术有效解决了再现像与直透光场及其共轭像分离的问题，初步实现了同轴数字全息的实时记录和再现。

为了在任意非平行斜面上重建数字全息像，提出了一种基于角谱旋转变换和插值的数字处理方法，用角谱衍射理论进行了分析，给出了正反旋转两种数字插值方法，基于旋转变换信息量不变的原则分析了倾斜面上的抽样间隔取值范围，其大小取决于斜面带宽和全息图空间带宽积大小。实现了在71°倾斜物面上的全息重建，消除了倾斜造成的局部离焦现象，同时验证了算法在斜面上抽样间隔取值范围。

在数字全息技术中无透镜傅里叶同轴数字全息具有高分辨, 再现速度快等优点, 因此有着广泛的应用前景, 但它也存在再现像与直透光场及其共轭像重叠, 较难分离的缺点。针对这一问题, 在分析了无透镜傅里叶同轴数字全息图记录和再现原理的基础上, 提出了单步相移倒频谱技术, 并在理论上分析了该技术对分离出清晰再现像的可能性和该技术适用的关键条件。通过仿真实验进行了验证, 结果表明: 单步相移倒频谱技术能够较好地解决无透镜傅里叶同轴数字全息技术中再现像与直透光场及其共轭像重合这一困难, 得到清晰的再现像; 同时给出了实际实验中单步相移倒频谱技术能够适用的条件参数, 这为后面的进一步实验提供了参考依据。