频移相移方法及其在静态和动态光学相位测量中的应用研究

光学相位测量属于基础性测量和计量方法，近年受数字全息研究的推进，成为光学研究领域的一个关注点。频移相移相位测量以超精密平移台和双声光调制器为频移器，在干涉光路中产生差频时域相位调制，用高速数字摄像机采集时间序列干涉条纹图，通过计算得到待测相位。用于静态相位测量时，可以抑制外部干扰因素影响，提高相位测量的精度和稳定性；用于单调变化的动态相位测量时，可以降低图像的时间采样率，获得更大的测量范围。项目将对精密平移台移动的线性性、双声光频移器频移稳定性的监测与控制，图像采样时间同步及时间间隔的准确性问题，静态相位测量中相位恢复算法的选择、不同算法结果之间比较以及算法中的误差机制问题，动态相位测量中需要满足的条件、测量方法及相关相位恢复等问题进行研究。通过研究解决频移调制光学相位测量方法及应用中的科学和技术问题，总结出一些新的静态和动态相位测量方法和技术，为光学相位测量技术的发展做出贡献。

相移干涉相位测量是一种快速、超高精度、非破坏、非干预、无接触、全场性的测量和计量方法，在精密测量与计量、工程科学、生命科学、显微术、材料科学、微小光学、微电子、微电子机械与微光机电系统、纳米技术等领域有着越来越广泛的应用。为避免环境干扰对测量的影响，实现动态过程的测量，动态和未知相移量相移干涉相位测量方法的研究一直是受到重视的研究领域。项目以实现动态相移干涉相位测量和研究新的相移干涉相位测量方法为目标，围绕新的静态和动态光学相位测量方法和技术，对两步相移干涉测量、从未知和任意相移量的相移干涉图中确定相移量和待测量相位、同时相移双（多）波长干涉测量、双通道动态相移干涉相位测量系统与应用、其他相移相位测量问题等方面的方法、技术和算法进行了系统深入的研究。在两步相移干涉测量方法研究中，以相移干涉图的矢量表达和正交关系为基础，提出了利用干涉条纹图的极值计算相移量和待测相位、通过棱形对角线矢量构建正交矢量和通过矢量内积确定相移量后再计算待测相位三种新的两步相移算法。这些研究成果不仅为两步相移干涉测量提供了新的方法，也为其他相移干涉测量方法的研究提供了新的思路。在从未知相移量相移干涉图中确定相移量和提取相位的相移干涉测量方法研究中，首先通过传统的思路研究出了两种逐像素反余弦函数相位恢复和相移量确定算法，接着利用干涉条纹的1-范数和2-范数性质，研究出了两种简单、快速、精准的确定相移量方法，为了克服前面四种方法中要求有足够多的相移干涉图的问题，提出了利用两步相移算法通过矢量内积方法确定相移量的方法，利用这种思想，用两步相移算法从三幅相移量未知的相移干涉图中快速精准地计算出了待测相位。在同时相移双（多）波长干涉测量方面，提出了时域傅里叶变换、基于两步相移算法和特定相移量、最小二乘迭代、空域载频相移、主成分分析等五种同时相移双（多）波长干涉测量方法。作为项目的最主要目标，设计并建立了一套基于正交偏振光的双通道时空混合相移干涉系统，解决了图像传感器的空间精确匹配、两个通道之间相移量校准、系统控制、图像传感器同步及干涉图采集、数据计算及分析等一系列问题，利用所建立的系统，进行了微小液滴蒸发过程和细胞生长过程的测量。项目达到了预定目标，取得了丰硕的成果：发表研究论文19篇，申请发明专利6件，软件著作登记1件。参加国际和国内学术会议3次，宣读口头报告6篇。培养博士和硕士研究生23人。