提出了一种基于相位测量偏折术波前检测的三维流场流动显示方法。光线经过流场后的方向偏转反映流场内部折射率变化, 根据逆哈特曼波前检测模型, 通过同时记录多个视角的光线偏折量, 利用迭代反演重建技术对流场进行三维重构。详细介绍了测量原理以及算法, 通过数值模拟验证了高速流场瞬态流动结构的三维重建, 密度场重建误差的均方根误差(rms)约为 0.19kg/m-3, 验证了本方法的正确性。结果表明, 该方法具有非接触式定量测量、精度高、装置简单、成本低等优点, 为实现大视场定量的复杂三维流场密度测量提供理论基础。

透射显示双屏偏折系统解决了传统方法无法测量非连续镜面三维形貌的难题,其使用透明显示屏,既增大了测量视场又减小了系统结构的复杂性。但透明显示屏的折射效应会导致三维测量结果产生误差。在分析透射显示双屏系统中折射光路的基础上,提出一种透明显示屏折射误差补偿方法。首先分析透射显示双屏系统测量原理及折射误差产生原因。在参数标定过程中,从相位角度对透明显示屏引入的折射误差进行补偿。在所研制的测量系统上验证所提出的折射误差补偿方法。实验结果表明,该方法消除了折射效应带来的误差,提高了镜面物体三维形貌测量的精度。

为了提高获取角膜地形图的测量精度，将相位测量偏折术和传统Placido盘法相结合，研究了一种新型的人眼角膜地形图获取方法。将人眼顶点处的法线与相机光轴共线，且与显示器的法线平行。显示器上显示的二维正交条纹图经人眼反射后，被相机接收。利用相位提取算法和迭代算法得到显示器和人眼角膜的坐标，再根据两者的几何关系，进而得到人眼角膜地形图。数值模拟表明模型眼的曲率半径和屈光度的测量精度理论上可达±14.7 μm和±0.07D。最后实验上对曲率半径与人眼接近的球面元件进行了测量验证，结果表明，本方法具有测量精度高、装置简单、成本低等优点。

针对相位测量偏折术(PMD)检测平面光学元件面形的光路结构,系统地分析了各部件因各自由度的不确定度变化对重建面形的影响,并且提出了一种高精度的平面元件调整方法。通过对相移算法得到的显示器坐标与通过光线追迹得出的参考面显示器坐标进行比较,能够将被测镜调节至理想测试状态,从而能准确求出被测面上各点斜率,再采用波前重建算法,实现了光学元件面形重建。实验结果显示,有效口径为Ф140 mm的平面元件在去掉Zernike多项式前6项的面形数据与干涉仪的测量结果差值在RMS=5 nm以内,结果远优于未经过该方法调整的结果。因此,该调整方法可行,能够有效完成对平面元件的精密调整,具有很大的应用价值。

非球面可以由其法线汇来表征，即可以由法线距和法线角的关系来描述。提出了一种基于相位测量偏折术(PMD)的非球面反射镜法线向量检测方法。在PMD测量系统中，将待测镜沿光轴方向作相对移动。在移动过程中，由CCD相机扫描待测镜，观察并记录下随待测镜移动而发生变化的条纹图，通过相位分布计算得到非球面法线距和法线角的关系，即非球面的法线汇，再由法线汇计算得到非球面面形直角坐标分布。在该方法中，可以用法线汇来描述非球面的面形，同时也可以通过几何计算转换到直角坐标系进行评价。