相移干涉技术由于其测量精度高的特点被广泛应用于波面检测干涉仪中。相移误差为测量过程中主要误差来源。基于一种自调谐相移干涉算法, 研究在标定误差和随机相移误差下, 算法的波前相位还原精度。对于标定误差, 算法能精确地求解出实际相移步长, 从而极大地提高了相位还原精度。与经典五步Hariharan算法对比, 仿真结果表明, 该算法的相位还原PV(峰谷)、RMS(均方根)误差响应更低, 其PV误差响应远低于10-3λ(λ为光源中心波长),而Hariharan算法在10-3λ量级。基于自调谐算法在标定误差时的相位求解过程, 扩展该算法以更适用于随机相移误差。在相同20%随机相移误差范围内, 与Hariharan算法计算结果偏差的绝对值接近10-9λ, 能达到较高还原精度。将该自调谐算法运用在干涉仪测量光学元件表面形貌实验中, 实验结果表明, 与Hariharan算法相比, 自调谐算法在仅存在标定误差时, 能较明显地抑制纹波误差, 两者计算面形PV存在偏差。在较小振动环境下, 两种算法计算得到的相位面形分布高度一致。

传统的2+1相移算法在抑制运动误差方面具有良好的性能。针对在展开传统2+1相移算法的截断相位时常有相位展开错误的问题, 提出了一种可同步结合时间相位展开的2+1相移算法。该算法中, 在传统2+1相移算法的基础上增加了一帧低频辅助正弦光栅条纹, 然后结合希尔伯特变换计算出该低频变形条纹的截断相位, 之后利用几何约束法对该截断相位进行相位展开, 最后利用上述的展开相位指导2+1算法中截断相位的展开。实验结果表明, 该算法能够成功地恢复出具有大尺寸深度和复杂面形物体的相位信息, 同时, 具有较高的测量精度和较快的测量速度。

为了快速、准确地重建复杂场景的三维面形,提出了一种利用散斑嵌入相移条纹图案和截断相位-高度查找表的三维面形测量方法。将散斑作为辅助信号嵌入到四步相移条纹图案的相位分布中,得到待投影的复合条纹图案。利用相移算法解调出被测物体的截断相位和额外的散斑信息。利用查找表得到截断相位对应的多个候选高度,再利用散斑对条纹周期进行标记以解决高度歧义问题,唯一确定截断相位所对应的正确高度,以实现被测物体三维面形的快速重建。该方法直接从截断相位信息中重建三维面形,无需投影任何附加图案,也无需进行相位展开。理论分析和实验结果表明,该方法可以实现动、静态复杂场景三维形貌的高精度测量且鲁棒性好。

在相移干涉测量中,为了在较短时间内实现较高的精度,提出了一系列基于快速最小二乘法的两步随机相移算法。以双滤波和差归一化算法、单滤波和差归一化算法和格兰-施密特正交化算法计算出来的相位作为迭代初始值,利用没有滤波的两幅相移干涉图进行最小二乘法运算以获取最终的相位,为了节省时间,只选取有限数量的像素来参与迭代运算。通过比较发现,基于单滤波和差归一化算法和快速最小二乘法的两步相移算法的综合性能最好,该算法在较短时间内能获得较高的准确度。

为了实现多表面干涉测量, 提出了一种基于最小二乘原理的迭代移相算法。通过将二次反射信号纳入最小二乘求解方程中, 进一步提高干涉测量精度。根据最小二乘原理将理论值与实际干涉信息相联系从而构建最小二乘方程, 该方程分为两部分: 初始相位的迭代计算和每两帧之间的移相值的迭代, 通过 21帧干涉图的迭代结果, 求解得到较为准确的初始相位分布。仿真结果表明, 不考虑二次反射信号的求解精度为 10 nm, 将该信号纳入计算以后可将求解精度提高到 0. 3 nm。通过实测数据的实验结果可知, 该算法可以求解出较为精确的相位分布, 并且求解结果中没有杂波干扰和谐波信号残余, 能够实现多表面透明透镜的高精度测量。

提出了一种采用ORB算法匹配运动物体的特征点,实现目标物体在线三维测量的方法。仅将一固定的正弦光栅投影到匀速运动待测量物体,使用CCD等时间间隔拍照,获取物体的五帧变形条纹图并提取出背景光场。借助ORB算法对物体的背景光场进行特征点匹配,得到后四帧图像中的物体相对于第一帧的位移量。从而利用图像裁剪的方法获得一组等相移量的变形条纹图,即可采用等步相移算法重构出物体的三维面形。实验验证了该方法的可行性,适用于在线三维测量。

双N步相移轮廓术虽然可以大大降低由于光栅条纹的非正弦性所导致的相位误差, 但增加了一倍的投影条纹数量, 降低了测量效率。针对此问题, 本文提出一种基于彩色编码光栅投影的双N步相移轮廓术, 它将原相移条纹和附加相移条纹编码成双色条纹, 融合到一幅彩色光栅条纹中投影, 然后从采集的彩色条纹中提取两套条纹的相位信息, 分别解包裹相位后, 融合两包裹相位以减小相位误差。为验证所提方法的有效性, 将该方法与两种典型的相位展开算法结合进行实验。实验结果证明, 所提方法能有效降低相位误差, 且不需要增加任何额外的光栅条纹, 测量效率提高了46%。