1 西安工业大学 光电工程学院， 陕西西安70032
2 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室， 陕西西安710049
为满足点衍射干涉测量对解包算法高精度、高效以及抗干扰的检测需求。提出一种基于空洞空间卷积的相移点衍射干涉图像的相位解包方法，通过将自编码器结构和空洞空间卷积结合获得更高的相位解包精度，实现对包裹相位图像可控的多尺度特征提取。根据点衍射图像特点制作的大量多样化数据集对其进行训练和优化，从而实现准确识别包裹相位所在阶次，最终可以快速处理包裹图像得到高精度的解包结果。利用所提方法对实际点衍射干涉图像进行处理，并与ESDI专业干涉图像处理软件以及其他解包算法处理结果进行比对，结果表明：本文解包结果与软件枝切法解包处理结果均方根误差值为0.022 2 rad，面形拟合结果与软件面形拟合结果峰谷差值仅为0.012 1λ、均方根差值仅为0.004 2λ；时间效率上，完成一幅图像的处理平均仅需0.035 s，而传统方法均大于1 s。与其他方法相比，所提方法在处理包裹相位方面具有快速、高精度的特性，为点衍射干涉图像处理的高精度相位解包提供了新的可行方案。
干涉测量 面形检测 干涉成像 神经网络 相位解包 interferometry surface measurement interference fringe neural networks phase unwrapping
东南大学生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096
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。
成像系统 光场 结构光 相位调制 三维成像 表面测量 轮廓 激光与光电子学进展
2023, 60(8): 0811025
1 河北工业大学机械工程学院，天津 300130
2 哈德斯菲尔德大学精密技术中心，英国 西约克郡 HD1 3DH
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。
测量 远心镜头 曲面屏 相位测量偏折术 光学面形测量 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0724001
1 中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 苏州科技大学材料科学与工程学院，苏州市微纳光电材料与传感器重点实验室，江苏 苏州 215009
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。
测量 表面测量 运动平行度 光斑图像法 图像处理 光学系统 光学学报
2022, 42(19): 1912005
在基于条纹投影的三维测量方法中，圆形正弦条纹比线性条纹具有更高的相位灵敏度。提出一种基于发散投影光线几何关系的圆形条纹投影共轴三维测量方法。沿光轴方向移动投影仪使得物面上的条纹发生变化，利用电荷耦合器件（CCD）采集对应的条纹图，并从中解算出不同的相位场。利用投影仪位移带来的投影光线变化建立起相位信息和物体高度间的约束，不需要获取复杂的系统参数就能重建物面的高度信息，减少测量中存在的阴影和遮挡问题。仿真和实验结果均表明了所提方法的有效性和实用性。
测量 三维面形测量 圆形条纹投影 发散投影 共轴系统 光学学报
2022, 42(19): 1912004
圆形正弦条纹在条纹圆心处具有恒定相位（常编码为零相位），其圆心可以作为相位展开的参考点，据此得到的绝对相位用于计算被测物体的高度信息。由于圆形条纹的载波相位为非线性函数，已有的圆形条纹投影傅里叶变换法需要求解一元二次方程，进行判根操作，再使用拟合来得到对应物面高度信息的像素位移量，鲁棒性差。提出并研究了一种基于傅里叶变换的改进圆形条纹投影轮廓术，该技术通过多投影一帧具有水平移动量的条纹，简化了圆形条纹投影方式的像素位移量的计算，将像素位移量的计算从解一元二次方程降维为解一元一次方程，提高了基于傅里叶变换圆形条纹投影轮廓术的鲁棒性和面形重建精度。计算机仿真和实验验证了所提方法重建物体三维面形的有效性，特别适合全平面离面测量。
测量 三维面形测量 圆形条纹投影 傅里叶变换轮廓术 坐标变换 Gerchberg迭代 光学学报
2022, 42(13): 1312003
1 福建省光传输与变换重点实验室，华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门 361021
2 华侨大学工学院，福建 泉州 362021
白光扫描干涉测量中，频域分析(FDA)方法通过波数域的相位解包裹和线性拟合得到斜率来计算物体表面形貌，干涉仪中的振动噪声和背景噪声会给斜率测量带来误差，从而影响FDA方法的测量精度。研究发现，波数域相位线性拟合后的常数项能够有效补偿噪声对FDA方法的影响，波数域相位补偿(PCWD)方法通过对波数域的线性相位作傅里叶逆变换，得到空域的振幅和相位分布，以距离振幅最高点最近的相位零点测量光滑反射镜表面形貌。仿真结果表明：存在振动噪声时，PCWD方法有90%的概率补偿FDA测量结果中平均8.9 nm的误差，也有10%的概率给FDA测量结果额外引入平均1.9 nm的误差；存在背景噪声时，FDA与PCWD方法的平均测量误差分别为4.5 nm和0.6 nm。实验结果表明：FDA方法测量的反射镜表面结构的起伏小于25 nm，重复率为7.4 nm；PCWD方法测量的反射镜表面结构的起伏小于4 nm，重复率为1.1 nm。综上所述，PCWD方法在FDA方法的基础上进一步提升了测量精度。
测量 白光干涉 表面检测 相位补偿 噪声抑制 中国激光
2022, 49(11): 1104002
1 中车南京浦镇车辆有限公司, 江苏 南京 210031
2 武汉大学电子信息学院, 湖北 武汉430072
为了抵抗满载时的负载, 轨道车辆制造时车体底座会保留一定向上的挠曲变形, 这就要求在进行铝蜂窝板和地板胶铺设前对车体底座表面面型进行测量。提出了一种基于点状目标图像测量原理的车体底座面型测量方法, 该方法用CMOS相机对车体底座上的4个LED目标进行图像测量, 这4个LED形成关联多目标点。先对CMOS相机采集到的LED目标图像用均值滤波、动态阈值二值化处理和轮廓提取的方法进行预处理, 再通过灰度质心法, 提取出多个光斑的位置。通过判断各光斑的位置和大小, 排除可能存在的伪目标点或遮拦, 根据提取到的光斑数量的不同, 采用不同的参考点进行比较。在任意一个LED目标被遮挡时, 算法仍能有效地解出被测LED目标中心位置。实验结果表明, LED靶标中心提取的最大偏差小于0.06 mm, 完全能满足车体底座面型测量的需求。
车辆底座面型测量 LED目标 关联多目标点 光斑位置 灰度质心法 伪目标 surface measurement of vehicle base LED targets associated multiple target points spot position gray-scale centroid method false target
