基于同步相移显微数字全息的实时三维变形测量方法研究

The dynamic measurement for the mechanical properties and behavior of thin film materials has important academic significance and practical value in engineering. In this application, the experimental testing method and platform based on synchronous phase-shifting digital holographic microscopy (SPDHM) will be studied and developed for measuring the mechanical properties and behavior of thin film materials, which has the advantages of high resolution, high vibration resistance and real-time. Considering the constraint relationship between the depth of field, the focal depth, the resolution and the field of view, the three dimensional (3D) interference measurement scheme and optical path for SPDHM are designed. The project focuses on the calibration and error compensation of a polarization camera, sparse recovery from holography picture by compressive sensing, the phase demodulation of hologram sequences, eliminating the phase aberration, establishing the reconstruction theory of the complex amplitude for object light field with a high resolution, building the 3D topography and deformation field test theory and algorithms after simultaneous record of the object fields with different sensitivity, separation the corresponding components from coupling fields ,the establishment of real-time in-situ measurement system based on SPDHM. The quantitative observation and analysis of the 3D topography and deformation evolutions of the thin film materials are helpful to discuss their mechanical properties and behavior. A powerful tool will be provided for detection and evaluation of the mechanical properties and behavior of the thin film materials.

低维薄膜材料的力学性能和行为的实时动态检测具有重要的学术意义和工程实用价值。本项目拟研究高分辨率、高抗振性、实时动态测量微尺度薄膜材料力学性能和行为的同步相移显微数字全息测试方法和装置。利用景深、焦深、分辨率、视场之间的内在制约关系，设计三维干涉测量方案和同步相移显微数字全息光路；研究偏振相机标定和误差补偿、全息图压缩感知稀疏恢复、序列全息图相位解调和相位畸变校正方法，发展高精度物光场相位重建理论和算法；构建不同灵敏度物光场同步记录、耦合物场分离技术及三维形貌和变形场测试理论和算法；开发基于同步相移显微数字全息的实时三维形貌和变形测量系统，定量观测和分析薄膜材料的三维形貌和变形场动态演化，为检测和评定薄膜材料的力学性能和行为提供有力的研究手段。

材料的力学性能和行为的实时动态检测具有重要的学术意义和工程实用价值。本项目提出并实现高分辨率、高抗振性、原位、实时三维测量的同步相移测试方法。构建高分辨、高精度物光场相位数字重构、耦合物光场同步记录和解耦分离技术及三维形貌和三维变形场提取理论和计算方法。实现三维形貌和三维变形场的定量观测和分析技术。开展的工作和取得的结果如下：.（1）针对数字全息重构时，噪声对重构像影响问题，提出基于菲涅尔衍射核平移高分辨数字全息噪声抑制算法。针对离轴数字全息倾斜相位畸变消除问题，研究了基于数字全息图旋转和直接相位差法相结合离轴数字全息倾斜相位畸变消除方法。.（2）针对同轴全息干涉测量时，空间和时间分辨率矛盾的问题，提出了基于大剪切Wollaston棱镜和偏振相机的共路相移数字全息光路，开发共路、瞬时相移复合数字全息图再现算法，并进行了实验研究。.(3)针对双波长干涉时的相位去包裹问题，提出扩展的广义相移双波长全息干涉算法，采用广义相移相位解调方法，消除双波长5步相移时相移量限于特定相移值的局限性。针对双波长干涉时的景深限制等问题提出了一种扩展深度范围的双波长干涉计量方法，将迭代的两步时域相位去包裹算法和广义相移算法结合，提出了一种扩展深度范围的双波长干涉计量法。.(4)针对空域相位去包裹时存在的不足，分别提出了基于最小二乘法鲁棒免相位去包裹算法和基于参考面的包裹次数减少的最小不连续法加速算法。针对条纹法三维形貌测量时，条纹非线性误差的问题，提出双相移条纹的非线性误差补偿的新算法。.(5)针对投影条纹法需要拍摄许多幅条纹图，不适应动态测量问题，将复合条纹投影和迭代两步时域去包裹算法相结合，提出了一种基于复合条纹投影迭代两步时域算法，将数字云纹处理技术与投影光栅三维形貌法结合，提出了基于条纹云纹技术的动态三维形貌测量技术。.(6)针对待测物体表面反射起伏变化大时，条纹图像中的饱和或暗像素将导致相位波动和误差的问题，提出了一种基于广义相移算法的高动态范围（大反射率变化）三维形貌测量方法，高动态三维测量方法的适用范围广，测量精度高。.(7)针对频域减少相位包裹时频移限于整像素的问题，提出了一种基于迭代局部离散傅里叶变换的快速、精确两步降阶方法，极大地减少了残余相位包裹数。.本项目开发的三维形貌和三维变形场的测量理论和方法，将为检测和评定材料的力学性能和行为的动态观测提供有力的研究手段。