数字光弹性应力分析中常用相移法确定等倾线和等差线，最广泛应用的是十步相移法，针对单色光入射引起的等倾线耦合等差线的问题，增加采集白光入射4幅图像，使用不同光弹图像集分别计算等倾线和等差线，测量精度更高但操作复杂、效率较低。本文提出一种优化的六步混合相移方法，将十步相移法的6+4测量方法缩减为3+3的六步测量方法。用仿真模拟实验对本文方法进行误差分析，验证了其具有良好的抗噪性能和相移误差抗干扰能力。真实实验结果表明：与传统六步相移法相比，本文方法有效解决了等倾线耦合等差线以及波片失配误差的问题；与十步相移法相比，本文方法与其等倾线平均偏差约为0.01 rad，等差线平均偏差约为0.09 rad，在提高40%采集效率的同时保证了测量精度。

传统的光栅条纹相移法提取相位时至少需要3幅光栅图像，使得测量系统的工作频率较高，图像预处理工作量大。针对这些问题，将希尔伯特变换引入二步相移法。希尔伯特变换具有90°相移和滤除直流分量的特性，对光栅条纹图像进行希尔伯特变换处理后，利用推导的相位提取公式计算相位。测量系统的非线性效应会引起条纹图像的失真，计算出的相位不准确，导致最后的三维复原精度低。推导了二步相移法中系统非线性效应引起的相位误差的公式，并对相位进行迭代补偿，削弱了非线性效应的影响。通过计算机仿真验证了所提方法的可行性，并将所提方法用于钢轨表面的三维面形复原，为钢轨磨耗和表面缺陷的测量提供了有效方法。

温度场的精密测量对机械、航空航天、生物医学、食品化工、电力、能源和环境等诸多行业都有重要意义。提出了一种基于多步相移法和偏振干涉光学层析光路的三维温度场测量方法。首先,结合马赫-曾德尔干涉光路结构与光学层析技术设计偏振干涉光学层析测量系统,并利用偏振器件的旋转实现多步相移以实现高精度信号检测。然后,通过指数型滤波反投影算法还原得到被测介质的三维折射率分布,进而获得三维温度场分布。最后,推导了测量公式并搭建了实验系统。误差分析表明,现有实验条件下的系统测量不确定度约为0.8 ℃。测量实验和比对结果表明,所测得的温度场与实际情况吻合,与铂电阻温度计的标定温度比对结果小于2 ℃。

随着三维测量技术的成熟，非接触式三维（3D）掌纹采集系统为掌纹识别的研究提供了新的途径。为了提高3D掌纹信息的采集精度，提出一种融合双目立体视觉与结构光的便携式非接触3D掌纹采集系统。首先将编码图案投影到目标手掌表面，使用双目相机获取左右视图后，采用格雷码-相移法获取目标的绝对相位信息，然后引入波义耳摩尔投票算法进行最大概率校正以降低视差图中的跳变噪声，经过亚像素级立体匹配和双目相机的立体标定后，得到3D掌纹信息。最后在自行搭建的一套便携式3D掌纹采集系统上进行实验，实验结果表明，该方法相比于传统基于双目立体视觉的3D掌纹采集系统，能提高掌纹的采集精度，获得更好的三维掌纹重建效果。

针对N步相移法无法克服测量系统中投影设备的非线性响应以及抑制三频外差解相存在的跳跃性误差, 提出基于双N步相移与全频解相的三维测量方法。首先, 通过标准双4步相移法求解初始包裹相位与融合包裹相位, 依据条纹调制度确定组合包裹相位; 然后利用三频外差法对部分条纹解包裹获得一级条纹级数, 再基于全频解相算法中条纹级数与相位的关系, 获得二级条纹的展开相位。最终的实验结果表明: 所提方法实现简单, 展开相位平滑无跳跃性误差, 相比现有方法解相效果更好。

首先从理论上推导准相干或宽带光照明下空间光干涉光场的分布,由此可得准相干或宽带光照明下的四步相移法。其次,通过搭建绿光空间光干涉显微镜(SLIM)系统,以直径为6 μm的聚苯乙烯微球分散于显微镜物镜用油模拟细胞的微环境。最后,利用4幅SLIM图像成功重建出油浸微球的相位分布,平均半径相对误差为6.5%,光程差体积相对误差为8.4%。由于相干光的四步相移法和宽带光的四步相移法重建结果相差较小,因此,在追求成像速度的场合且细胞厚度较小时,可不对四步相移法进行修正,以加快相位重建的速度。

设计了基于调制相移法的色散测量样机,提高了色散测量的精度,降低了色散测量成本。设计了基于幅相检测芯片AD8302的双鉴相电路,实现了相位差的准确测量。应用最小二乘法对接收的数据进行拟合,得到了可靠的色散系数曲线。整体采用模块化的设计思想,使用基于芯片F2812的数字信号处理,实现了对各模块插板的控制,完成了数据的采集和处理,并在实验室虚拟仪器工程工作台(LabVIEW)开发平台完成界面设计。对样机的性能进行了实验验证,结果表明,对于不同长度的G.652光纤,在波长1550 nm处,累积色散测量的不确定度小于10 ps/nm。

结合结构光投影三维扫描的原理,设计了数字微镜器件(DMD)作为结构光的发生装置,主控芯片为FPGA,实现了高速的DMD的控制和相机的同步采集。搭建了一个嵌入式三维扫描光学平台,并应用四步相移法完成实验。首先指定不同方向和周期的正弦条纹结构光,同步采集图像;然后通过软件设计完成对采集图像的预处理、相位的解调、相位的展开、相位-高度映射还原得到三维的深度信息并建模;最终获得最高464.8帧/s不同方向和周期的正弦条纹结构光显示,达到194帧/s的相机触发采集,三维扫描效果图清晰,还原和重建效果理想。

针对磁头飞行导致液体润滑膜的转移研究以及润滑膜在磁头上的动态变化特性观测问题, 基于改进的垂直物镜的椭圆偏振显微镜, 提出起偏器相移方法的磁头表面润滑膜厚度计算模型, 实现了润滑膜厚度的测量。实验以非极性润滑剂Z03覆盖的磁头为样品对椭圆偏振显微镜进行标定, 以极性润滑剂Zdol4000作为样品, 对其在磁头表面的去湿现象进行观察。该方法测量精度可达0.37 nm, 分辨力约0.36 μm, 可为其他纳米级薄膜观测提供一定的技术参考。