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。

相位测量偏折术（PMD）面形检测中常使用液晶显示屏（LCD）作为投影设备。由于LCD的多层透明结构会对条纹投影光路产生折射而导致投影条纹位置偏离，继而影响最终检测精度，因此需要对这种误差进行点对点的校正。本文将LCD的多层透明结构简化建模为一个整体的等效透明层，建立相应的PMD模型进行透明层的误差分析和补偿。将补偿算法应用到PMD中测量标准平面镜及球面镜，与未进行补偿的情况相比，测量面形均方根误差（RMS）均减少了20%~40%。该补偿方法能显著减小单屏PMD中由LCD透明层折射效应带来的误差，补偿后的面形RMS有显著减小，检测结果更接近于实际面形误差。

提出了一种基于远心镜头与曲面屏的非连续镜面三维形貌测量新方法，在增加大曲率镜面成像范围的同时，提高了三维数据的测量精度。首先，在显示屏上显示标准正弦条纹图，相机分别记录经由平面参考镜和被测镜面反射的正弦条纹图像。然后，利用四步相移法和最佳三条纹选择法得到对应的相位分布值。接着，与平面参考镜比较，得到经由被测镜面物体表面调制后的相位变化。根据所建立的数学模型，推导相位与深度间对应关系，并对其系统参数进行标定。最后，对大曲率镜面和非连续镜面标准台阶进行了测量，验证了该方法的精度和有效性。

为了解决相位测量偏折术测量小曲率半径凸球面时相机所采集到的条纹图案边缘模糊、对比度低的问题，提出了基于逆光线追迹的预畸变条纹偏折术。该方法通过预设待测球面元件的曲率半径建立逆光线追迹模型来获得预畸变条纹图案。利用N步相移算法和迭代优化算法获得待测元件坐标和高度，再结合微分几何方法计算待测元件各点的平均曲率半径。在数值模拟中对曲率半径为8 mm的球面的测量精度约为11 μm。最后，在实验中对曲率半径均值为8.26 mm凸球面上的各点进行测量得到的平均曲率半径为8.28 mm，测量区域的直径由原来的4 mm增加到5 mm。结果表明，相比于传统偏折术，本文方法不仅解决了偏折术测量曲率半径较小凸球面时条纹图案边缘模糊、对比度低的问题，还提高了测量精度、增大了有效测量面积。

对于传统的相位测量偏折术, 基于反射定理的测量原理导致其难以完成具有大陡度的大曲率元件曲率半径全口径测量。因此, 传统单目偏折术与平面反射镜相结合的测量方法被提出。然而, 现有的测量方法中需将安装于显示器上的平面反射镜严格处于45°倾斜状态, 并在水平方向与相机光轴的夹角为45°, 这无疑使实验装置的调整难度大大增加。提出了一种基于成像透镜入瞳中心标定的测量方法, 该方法只需要利用显示器的平移来获得成像相机的入瞳中心即相机的投影中心, 而无需精确调整相机和平面反射镜的姿态, 操作简单, 易于实现。实验中测量了曲率半径均值为8.262 mm的凸球面光学元件, 测量得到其每点的平均曲率半径均值为8.321 mm, PV为0.212 mm, 相对误差约为0.71%。相比于现有的正入射光路, 所提方法不仅实验装置调整难度低, 而且还能保证较高的实验测量精度, 验证了该方法的可行性。Phase Measureing Deflectometry Based onEntrance Pupil Center Calibration

本文提出了一种利用透射偏折术测量球面透镜结构参数的方法。该方法以本文推导的附加姿态参量的球面表达式构建透镜表面模型，同时结合系统标定数据在计算机中建立理想的光线追迹模型，最后利用非线性最优化算法计算得到透镜结构参数。在实验过程中，透镜出射光线的偏折量是两表面的累加和，难以确定单面的影响，因此采用双相机从不同位置观测待测透镜。文中详细介绍了测量原理以及算法，数值模拟结果验证了本方法的正确性。最后将双凸透镜结构参数的测量结果与标称值进行对比，对比结果进一步证明了所提方法的可行性。本方法具有测量参数齐全、无需精细装调过程、装置简单等优点，为透镜全参数同时测量提供了实现途径。

提出了一种测量成像透镜轴外点波像差的方法。基于逆哈特曼原理建立了逆光线追迹模型，通过标定的系统参数，测量了透镜轴外视场点的波像差。通过模拟和实验，对该方法进行了验证，并对实验误差进行了分析。实验测量了有效孔径为60 mm的平凸透镜在不同视场下的波像差，将实验结果和模拟结果进行了对比分析，并且分析了轴外点初级像散和初级彗差随视场和入瞳孔径的变化规律。该方法具有测量动态范围大、测量系统结构简单、实验设备成本低廉、测量环境易实现等优点，并且无需复杂的相机标定过程，为透镜的轴外点波像差测量提供了一个可行方案。

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。

针对传统机器视觉难以检测类镜面零件表面缺陷的问题，结合相位测量偏折术原理，将缺陷检测问题转换成基于绝对相位差提取突变区域的问题。首先，采用灰度投影法得到图像待测曲面的坐标及尺寸，分割出待测曲面区域。然后，对待测曲面进行相位提取和相位展开，用绝对相位分布图与参考面的绝对相位分布作差，得到绝对相位差图。最后，对相位差图进行频域处理，以滤除周期性成分，同时采用Sobel滤波器提取相位差图的突变区域，得到表面缺陷。实验结果表明，基于相位测量偏折术的缺陷检测方法能实现类镜面物体表面的缺陷检测，检测精度可达到0.180 mm。

提出了一种将有像差透镜当作理想薄透镜与棱镜阵列组合的模型，该模型可用于验证透射式相位测量偏折术测量透镜波前像差的可行性。ZEMAX和Matlab软件的仿真结果表明，该棱镜模型中正向光线追迹和逆向光线追迹得到的透镜波前像差近似相等。基于该结论搭建实验装置并测量了口径为75 mm的单透镜波前像差，实验结果表明，该方法仅需一台CCD相机和一台LCD显示器就能完成测量，具有设备简单、易于操作的特点，且不需要复杂的标定过程，为透镜波前像差的测量提供了一种在线检测方法。