单帧结构光图像的相位恢复、解相是三维成像领域的重要问题。理论上，在选择合适参数的条件下，短时傅里叶变换（STFT）可以有效地完成相位恢复，但“合适参数”这一前提条件往往因缺少先验信息而难以实现。在传统STFT的基础上，采用结构光场系统充分利用光场成像的特性，提出一种基于自适应STFT的结构光场单帧三维成像算法。所提算法将结构光场图像从纹理、瞬时频率和深度估计信息等3个角度进行融合，将光场图像分割为满足STFT约束的若干区域，对每个区域依据瞬时频率估计对应的STFT的参数，进而恢复相对相位。随后，采用结构光场的解相方法实现三维成像。实验结果表明，所提自适应STFT算法能够有效完成被测物体的三维成像。

运动平行度是运动台的核心参数之一，对运动台性能有直接影响。提出一种基于光斑图像的测量方法用于精确测量运动平行度。在理论推导和分析的基础上，搭建了一套精度优于50 nm的运动平行度测量系统。在此测量系统上对运动台进行运动平行度测量，运动平行度误差为11.66 μm。在根据上述结果对运动台进行优化后，最佳运动平行度误差可以达到6.22 μm。为了验证所提方法的可行性，使用位移传感器再次测量运动平行度。位移传感器测量结果与光斑图像法测量结果的均方根误差优于248 nm，即两种测量结果基本一致。

精密金属零件的表面质量会影响产品的性能与外观,为此需要对零件的表面纹理进行测量与评定。常用的接触式测量方法测量效率低,而光学测量方法易受表面高亮反射的影响,为此提出一种基于近场非朗伯光度立体视觉的高亮金属表面纹理重构方法。为了有效描述非朗伯反射,该方法采用基于共位光源的逆向反射模型,用来解耦表面法向量与非线性反射模型。该方法利用邻域信息提高逆向反射模型的鲁棒性,利用最大值融合策略克服阴影影响并渲染生成针对性的仿真数据集,从而提高对金属表面反射的适应性。结果表明,所提方法能够高精度地重构高亮金属表面纹理,测量相对误差小于15%。

在双波长干涉仪中，传统的等效波长法只是利用了单波长包裹相位之间的差值信息，忽略了它们的大小和正负信息。基于最小公倍数的有效波长法直接利用多个单波长包裹相位信息，可以实现比传统等效波长方法更大的无模糊测量范围，且没有误差放大效应。然而已有的最小公倍数有效波长解相位算法主要基于查表法，速度较慢，不适用于实际测量。提出了一种新的算法，可大幅提高最小公倍数有效波长法的计算速度，该方法可应用于双波长或多波长干涉仪中。

为提高对自由曲面对象细节的分辨能力,抑制解相产生的跳跃性误差,并减少正确解相的充分条件,提出基于多频外差的全频解相方法。首先,通过标准四步相移法求解包裹相位;然后,使用全频解相法,通过绝对相位与光栅节距之间的关系,转换不同节距的光栅包含的细节信息,从而提高解相相位细节的精度。相比现有方法,所提方法抑制解相产生的跳跃性误差的约束更少。仿真结果表明,所提方法解相后无跳跃性误差,且无需额外的误差校正。实验结果表明,所提方法的三维重构精度更高,且重构表面更平滑,细节更清晰。相比现有方法,所提方法的解相误差标准差减小44%。

结构光在三维形貌测量中应用十分广泛,但对于表面反射率较高的物体,对其投影一定强度的结构光,易在被测物表面形成局部亮度饱和,使得该区域在重建过程中出现较大误差甚至无法重建。为了提高表面高反射率物体的三维重建质量,提出了一种基于分区投射的结构光饱和区域主动补偿方法。首先通过投射区域格雷编码灰度图计算饱和区域在投影平面的位置。然后增加过渡补偿区域,平滑降低饱和区域的条纹光栅投射强度。最后,通过实验对饱和区域分区投射优化补偿方法进行了验证。结果表明,所提方法能够减少计算补偿区域所需投影图片的数量,实现饱和区域边界平滑过渡,提高计算效率,有效抑制亮度饱和引起的重建误差,提高三维重建精度。

光谱共焦三维形貌仪具有精度高、测量范围大、适应性强等特点，其关键部件是产生轴向色散的物镜，色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致系统整体性能下降。分析了共焦法检测表面形貌的工作原理，以及产生线性轴向色散的条件，根据共焦光学系统的基本设计原理，在预设的设计指标及要求下，完成一个超大色散线性物镜组设计。该色散物镜组采用四级串联结构，在400～700 nm光谱范围内达到30 mm的色散范围，波长离焦量和波长之间线性度通过线性回归拟合得出判定系数为1，满足色散的线性度要求。

为提高光学表面的功率谱密度检测精度, 研究了白光干涉仪仪器传递函数(ITF)的产生机理和标定方法。将白光干涉仪作为非相干成像系统, 对正弦表面干涉光强进行Bessel函数展开, 通过干涉光强的频谱强度变化研究白光干涉仪对正弦表面高度的作用机理, 利用数值仿真计算了白光干涉仪对正弦表面的衰减程度。采用30、80、120 nm高度的台阶标准板对商品白光干涉仪的传递函数进行标定, 并提出了一种可靠的ITF计算方法。理论分析、数值仿真和实验结果表明: ITF随表面高度的增加而增大, 此时白光干涉仪对表面高度的响应表现出明显的非线性; 表面高度小于λ/10得到的ITF曲线与白光干涉仪光学系统调制传递函数非常接近, 白光干涉仪对表面高度的响应接近线性。文中对于白光干涉仪频域传递特性研究和光学表面功率谱密度检测具有重要意义。

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。