格雷码辅助实现的相位测量轮廓术具有较好的鲁棒性和抗噪能力,是三维测量领域的一个研究热点。在已有测量方法的基础上,提出了一种把格雷码嵌入相移条纹进行复合图案投影的三维面形测量方法,通过将传统的3幅格雷码图案整体向右移动半个条纹周期,共得到6幅格雷码图,将其交替嵌入三组相同的四步相移条纹中并结合二值离焦技术依次进行投影。通过拍摄得到一系列变形复合条纹图案后,沿时序综合前后三组变形复合图案信息并进行解码,从而获得两组错位的条纹级次,这可从源头上避免格雷码级次边沿的错误;同时采用传统相移算法计算得到对应的截断相位分布,时序上的综合解码结果可用于指导截断相位产生并重建被测物体的三维面形信息。静态和动态场景的三维测量实验结果验证了该方法的可靠性、高效性和鲁棒性。该方法每多记录5幅图案就可以对应新重建出一个三维面形,在高速动态三维测量中具有较好的实用性。

相位测量系统中投影仪输出与CCD输入变形条纹光强之间的非线性导致频谱混叠,影响测量精度,为了消除他们之间的非线性关系,提高相位测量精度,分析了系统非线性产生的基本原因,提出了一种基于系统非线性校正与滤波的相位测量方法.首先校正由投影仪中伽马畸变产生的系统非线性,然后采用低通滤波器对校正后输出的频谱进行滤波,只保留频谱中的基频成份,最后采用四步相移法对变形条纹进行相位测量.MATLAB仿真与实际实验结果表明,所提方法的系统非线性校正与滤波效果较好,有助于提高相位测量精度.

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测，一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射，选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜，双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹，被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹，不需要轴向扫描装置记录条纹变化，相位调节精确，成像直观。此外，该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化，不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路，系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度，以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验，实验结果显示，所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm（2σ）。

针对投影仪标定方法中存在畸变及倾斜投影引起条纹周期、条纹级数变化的问题, 提出一种单周期条纹双四步相移投影仪的标定方法.设计生成横向和纵向各两组单周期条纹图像, 经投影仪投影到带有圆形标识的标定板上, 相机同步采集标定板图像, 叠加由双四步相移获得的两幅相位主值图, 对叠加相位主值图相位展开, 利用展开的绝对相位值计算投影仪像素坐标值, 最终将投影仪标定转换为成熟的相机标定.实验结果表明: 仿真投影仪标定实验准确度的最大重投影误差约为0.4 pixel, 均方根误差为0.132 96 pixel; 实际投影仪标定实验准确度的最大反投影误差约为0.46 pixel, 均方根误差为0.143 12 pixel; 实验结果与仿真结果的最大反投影误差相差15%, 均方根误差相差7.6%.与现有的采用三频相位展开进行投影仪标定的方法相比, 投影光栅图像数可减少8幅.该方法改善了现有投影仪标定方法的不足, 标定准确度和标定效率均得到提高.

在对散射介质散射特性进行分析的基础上，提出了一种对散射介质中物体进行单像素成像的方法，基于数字微镜阵列和单点探测器，设计并搭建了相应的单像素成像系统。通过对数字微镜阵列加载一系列具有不同相位的条纹图案，采集对应的光强信息，结合图像恢复算法，实现了对位于散射介质中的物体成像。为了去除噪声，分析了噪声的来源，设计了滤波器对所拍摄的物体图像进行滤波处理，图像质量得到了显著提高。与传统散射介质成像系统相比，该系统结构简单，无需复杂的标定过程，在多个领域具有应用前景。

为了实现对具有明显跳变面物体的轮廓测量, 建立了四步相移光栅投影的三维形貌测量系统, 并对所采用的四步相移测量算法进行研究。在介绍四步相移原理的基础上以有明显跳变面的三棱锥橡皮块为例, 建立针对明显跳变面的测量算法。通过对4幅相移图算术求和并除以4得到平均灰度图; 将平均灰度图二值化处理定位明显跳变面或阴影部分; 将二值化图像与包裹相位图卷积, 而后对包裹相位图进行解包裹, 从而得到正确的连续相位, 最终获取物体三维形貌。根据上述算法测量三棱锥的三维形貌并计算其体积, 测量实验表明: 被测物的体积平均相对精度为0.47%。

提出一种基于圆偏振光干涉的相移数字全息术，该技术利用1/4波片产生左旋圆偏振的参考光和右旋圆偏振的物光，通过精确旋转放置在CCD前的偏振片，依次改变物光与参考光间的相位差，获得四幅相移数字全息图。数值模拟分析和光学实验结果表明该技术能够有效地去除数字全息图再现像中的零级和共轭像，再现图像质量好。

有效去除数字散斑条纹图中的噪声是散斑干涉测量技术中的关键问题。提出了一种基于Goldstein滤波的数字散斑条纹图平滑方法。该方法需要将散斑条纹图中的干涉相位转换为矢量空间中的单位矢量，并进行快速傅里叶变换(FFT), 得到其频谱，然后对频谱进行加权处理，从而抑制噪声的频率成分，再将加权处理后的频谱变换到空间域，计算干涉相位，得到原始散斑条纹图的滤波结果。将该滤波方法运用于四步相移数字散斑干涉条纹图像处理。实验结果表明，该方法在滤除散斑噪声的同时能够有效地保护散斑条纹图的轮廓和细节信息，增强了散斑干涉条纹的对比度。

针对相移式反射数字全息显微成像技术，在分析、比较现有的几种相移式反射数字全息装置的基础上，提出了一种基于改进型的Linnik干涉仪的相移式反射数字全息显微装置。这种改进型的Linnik干涉仪装置可以实现更高相移精度，能大大改善显微再现像的质量。为了证明该装置的可行性，利用该装置，在实验上实现了USAF-1951分辨率板的表面结构的三维显微成像，获得了清晰、放大的物光波振幅和相位分布。