两步相移数字全息物光重建误差分析与校正

系统研究了两步相移数字全息干涉术中相移误差引起的波前再现误差的计算和校正方法. 基于衍射物光相位分布的随机性和振幅相位的相互独立性原理,介绍了相移数字全息中物光波前再现误差的表达形式,推导出步长为π/2的两步算法中物光重建误差的表达式. 通过进一步分析这一重建误差的结构和特点,结合物光表达式,给出了自动校正相移误差引起的波前重建误差的校正方法. 该方法无需增加测量,在未知相移误差大小的情况下,只对标准两步相移算法恢复的物光复振幅进行处理就可以实现对物光振幅和相位的同时校正. 计算机模拟结果表明,校正后可将 关键词： 相移干涉术 数字全息 物光重建 误差校正     

基于主元分析的干涉仪相移器校准方法

利用主元分析从一组干涉图中提取相位和相移量,得到相移量与驱动电压之间的对应关系,从而实现压电陶瓷相移器的非线性校准.模拟结果表明:主元分析法计算相移量的误差随着干涉图中条纹根数的增多而减小;当干涉图中条纹根数多于0.25时,相移量计算误差小于0.1664rad.实验结果表明:相移量计算误差是周期分布,对相移器校准准确度影响小.该方法无需迭代计算,且对干涉图中条纹根数没有严格要求,因此是一种高效且实用的校准方法.     

倾斜相移闭合干涉图的非迭代相位提取方法

针对带倾斜相移误差的闭合干涉图,提出一种非迭代的高精度相位提取方法.该方法用傅里叶变换估计闭合条纹的相位,并用图像分割校正相位的符号,然后利用Zernike多项式拟合确定倾斜相移量,最后用最小二乘拟舍得到高精度相位.数值模拟结果表明:该方法的相位提取误差随着干涉图中条纹根数的增多而减小;当干涉图中条纹根数为4.5时,倾斜相移的估计误差为0.37％.实验结果表明该方法的残余误差均方根值为0.121 7rad.该方法精度高,且无需迭代计算,可应用于相移干涉测量.     

倾斜相移闭合干涉图的非迭代相位提取方法（英文）

针对带倾斜相移误差的闭合干涉图,提出一种非迭代的高精度相位提取方法.该方法用傅里叶变换估计闭合条纹的相位,并用图像分割校正相位的符号,然后利用Zernike多项式拟合确定倾斜相移量,最后用最小二乘拟合得到高精度相位.数值模拟结果表明:该方法的相位提取误差随着干涉图中条纹根数的增多而减小;当干涉图中条纹根数为4.5时,倾斜相移的估计误差为0.37%.实验结果表明该方法的残余误差均方根值为0.121 7rad.该方法精度高,且无需迭代计算,可应用于相移干涉测量.     

投影条纹相移法中图像饱和误差抑制算法研究

针对投影条纹相移法三维形貌测量中的图像饱和误差进行了深入研究,分析了基于条纹相移技术的图像饱和误差抑制算法的适用范围,推导了基于六步相移的饱和误差抑制算法公式.理论分析表明,相移条纹图的帧数越多,饱和误差抑制算法的适用范围越广.并通过数值模拟和实验进行了验证,基于六步相移的饱和误差抑制算法可以更加有效地抑制图像饱和引起的相位误差.     

基于选择采样的高效迭代相位提取算法

在光学精密测量中,相移干涉法应用广泛。常用的相移器件容易出现相移误差,采用等步距相位提取算法会产生测量误差。基于最小二乘的迭代相位提取算法可以有效消除该类相位提取误差,提高测量精度,但是其迭代过程运行时间长,效率低。提出了一种基于选择采样的迭代相位提取算法,先对干涉图像进行等间隔抽样,降低计算量;再根据对比度滤除干涉图像中低质量像素点,防止误差增大,进行最小二乘迭代求解相位。仿真实验对算法进行了分析和验证,在抽样间隔为2时的选择采样方法与所有像素点全部代入计算相比,运行时间从6.687 s降为0.725 s,均方根误差仅为0.032 9。实验结果证明:选择采样的迭代相位提取算法运算时间短、误差小,非常适合高速相移干涉测量应用。     

投影条纹相移法中图像饱和误差抑制算法研究

针对投影条纹相移法三维形貌测量中的图像饱和误差进行了深入研究,分析了基于条纹相移技术的图像饱和误差抑制算法的适用范围,推导了基于六步相移的饱和误差抑制算法公式.理论分析表明,相移条纹图的帧数越多,饱和误差抑制算法的适用范围越广.并通过数值模拟和实验进行了验证,基于六步相移的饱和误差抑制算法可以更加有效地抑制图像饱和引起的相位误差.     

基于二维多模干涉效应的N×N光开关模型

报道了由两个N×N三维多模干涉耦合器和一段阵列相移波导组成的三维光开关.首先利用导模传输法分析了三维多模干涉耦合器的一般成像原理,并推导出了其成像位置以及相位矩阵.在此基础上,通过场传输矩阵法建立了光开关的传输方程.利用该传输方程计算得到了光开关工作时,阵列相移波导的相位条件,并通过三维有限差分光束传输法进行仿真验证,给出了光开关工作时的插损、串扰指标,以及光开关输出功率随相移波导相位变化的关系.     

变形镜驱动器位置偏差对低频相位拟合能力的影响

基于最小二乘法,数值分析了变形镜驱动器位置偏差与驱动器排列方式、数量及交连值等对变形镜相位拟合效果的影响。研究结果表明:对于随机产生的低频相位,在变形镜驱动器中心位置引入位置偏差后,方形排列变形镜的抗扰动能力优于三角排列方式;驱动器单元数越多,变形镜抗扰动能力也越强;交连值在一定范围增加时,变形镜的抗扰动能力随之增强。     

基于二维多模干涉效应的N×N光开关模型

报道了由两个N×N三维多模干涉耦合器和一段阵列相移波导组成的三维光开关.首先利用导模传输法分析了三维多模干涉耦合器的一般成像原理,并推导出了其成像位置以及相位矩阵.在此基础上,通过场传输矩阵法建立了光开关的传输方程.利用该传输方程计算得到了光开关工作时,阵列相移波导的相位条件,并通过三维有限差分光束传输法进行仿真验证,...     

同轴相移数字全息中相移角的选取及相移误差的消除

基于两步同轴相移数字全息,首先从理论上分析了记录时不同相移角的选取及相移误差对再现像的影响,并给出了一种利用再现像所有抽样点的强度偏差之和作为评价标准,通过逐步改变理论设定相移角值来寻找实际相移角的相移误差消除新方法;其次对二步相移数字全息中记录时参考光波最佳相移角的选取作了计算机模拟,发现只有将参考光波的相移角选择在一定范围内,再现像的噪声较小;最后利用计算机模拟了相移误差消除,验证了所提方法的可行性.     

相移相位测量的全息再现算法及测量误差分析

用全息原理和方法研究相移相位测量,得到了N步整周期相移再现物光波复振幅同步叠加函数(N步相移函数),同时提出一种新的相移相位测量误差分析和最大误差估计方法。N步相移干涉图是以理想平行光为参考光的无衍射同轴全息图,将其与对应的相移参考光相乘后求和得到N步相移函数;在理想情况下,这是一种复振幅分离、测量和物光波复振幅函数同步叠加方法,存在误差时计算出的相位是最小二乘方法的最佳期望结果。利用N步相移函数得到的N 1步相移函数,说明非理想N步相移函数是理想N步相移函数与误差函数之和,可以把相位型误差转化为与振幅和强度相对误差同等的误差来对待,降低了相位测量中误差估计的难度,给出了N步相移算法最大误差的估计方法和公式。     

Further study of the phase-recovering algorithm for saturated fringe patterns with a larger saturation coefficient in the projection grating phase-shifting profilometry

The phase error will occur when captured fringe patterns are saturated in the projection grating phase-shifting profilometry. The phase-recovering algorithm corresponding to seven-frame phase-shifting method is deduced. The applicability ranges of phase-recovering algorithms corresponding to different phase-shifting methods are studied with different intensity saturation coefficients by a simulative method. Simulative results indicate that the phase error caused by the intensity saturation can be effectively decreased by the phase-recovering algorithm when the saturation coefficient of fringe patterns is within the applicability range of the corresponding phase-recovering algorithm. Furthermore, the applicability range of the phase-recovering algorithm will be extended with the increase of phase-shifting steps. An experimental result is presented to prove the availability of the phase-recovering algorithm.     

Multi-frequency inverse-phase fringe projection profilometry for nonlinear phase error compensation

A new multi-frequency inverse-phase method was proposed to compensate for nonlinear phase errors in fringe projection profilometry and to measure the three-dimensional shape of discontinuous objects. After introducing a phase offset of π/4 into the multi-frequency four-step phase-shifting method the corresponding nonlinear phase error reversed its sign, which allowed the addition of unwrapped phases before and after the phase-offset operation to compensate for the error. For the four-step phase-shifting method, simulation analysis showed that the nonlinear phase error had quadrupled the fringe frequency. Moreover, experimental results verified the feasibility and applicability of the proposed method.     

提高数字全息再现像像质的两步相移迭代算法

在两步相移数字全息术中,相移误差直接影响着零级像和共轭像的消除.为了消除相移误差,获得实际相移值,提出了一种基于相位统计特性的两步相移迭代算法.首先利用全息图的相位统计特性计算出初始相移值,然后用数字全息图再现像抽样点强度偏差之和作为评价标准,通过迭代计算寻找参考光的真正相移值.该算法能对任意未知相移量进行提取,从而有效地消除零级像和共轭像,提高了再现像质量.理论分析和光学实验结果证明了该方法的可行性和有效性.     

Generalized linear prediction method in phase-shifting interferometry in the presence of noise

The effectiveness of phase-shifting interferometry (PSI) techniques employing piezoelectric device PZT in the estimation of phase depends largely on the accuracy with which the phase shifts are imparted to the device and the noise influencing the measurement. Several effective algorithms have been proposed to compute the phase shifts imparted to the device and subsequently obtain the phase using least-squares estimation technique. In this paper, we propose a generalized approach, which accurately estimates the phase shifts in the presence of noise. The method is based on the idea of linear prediction and explores the fact that sampling more data frames yields a reliable phase step estimate in a least-squares sense. We also compare our method with a commonly used generalized phase-shifting method based on histogram analysis and show that our proposed approach is highly effective. We also present simulation and experimental validations of our proposed method.     

基于数值模拟的高准确度五步相移算法研究

传统五步算法具有很好的准确度,但必须满足测量中无法实现的等步长相移条件,这在实际测量中无法使用。为此在双光束干涉原理的基础上,提出了一种改进型的五步算法,实现了在10 nm范围内任意步长的算法高准确度。通过数值模拟,结果表明:对于1 nm的步长测量误差、0.1%的信号测量误差,改进型五步算法的算法准确度优于0.001个相位周期,而且不需要等步长相移控制。改进型五步算法不仅技术上更易于实现,其结果也更加可靠,对于指导精密测长的实验和研究工作具有十分重要的意义。     

通过相移条纹图差分测定相移量的方法

提出一种通过两幅相移条纹图相减来确定它们之间相移量的方法,进行了理论分析和实验验证。两幅相移条纹图相减并归一化后,得到的相移差分函数是振幅只与相移量有关的正弦函数,可以通过确定该函数最大极值的方法得到振幅,进而计算出相移量。介绍了极值直接查找法和平均法两种实现最大极值测量的方法。由于不使用傅里叶变换,减少了运算时间,既可以用于高空间频率条纹,也可以用于稀疏平行条纹,以及任意花样的条纹。在衬比度因子确定后,用这种方法就能够直接在空域内确定两幅条纹图之间的相移量,通过大量采样点进行统计计算,使结果达到很高的精度。将所得到的结果与用傅里叶变换方法得到的结果进行了比较,表明两种方法得到的结果具有完全相同的精度。     

Study on a novel phase-recovering algorithm for partial intensity saturation in digital projection grating phase-shifting profilometry

The phase error and its periodic behavior caused by the partial intensity saturation of fringe patterns in the digital projection grating phase-shifting profilometry are studied. A saturation coefficient K is defined to describe the saturation degree of the fringe patterns projected on a measured object. The distribution of the phase error is analyzed through a simulation method. Moreover, a novel phase-recovering algorithm is studied to resolve the phase error issue introduced by the partial saturated fringe patterns. The real phase can be recovered by the unsaturated intensity values. A series of results corresponding to different degrees of saturation defined by K are given to prove the validity of the proposed algorithm.     

二阶总广义变分图像放大

提出了一种在相移数字全息中提取相移角的方法.该方法通过在相移数字全息中引入随机相位板对物光波的相位进行调制,使得物光波在全息面上的相位分布成为近似理想的随机分布,进而根据这种随机分布的统计性质对相移角进行提取.计算机模拟结果表明,该方法提取出的相移角与设定的相移角之间的相对误差小于千分之一.同时,经过对比采用随机相位板和不采用随机相位板的计算结果发现,物体衍射光波在全息面上的相位分布具有一定的相关性.