在使用偏振相机进行散斑干涉测量时降低相位噪声的方法

《Optics and Lasers in Engineering》：Phase noise reduction when using a polarization camera for speckle interferometry

偏振相机通过单帧测量实现运动物体干涉分析，但像素亚采样和散斑特性差异导致噪声大、相位解缠困难。本文提出基于像素级散斑参数校准和归一化的数据预处理方法，有效降低噪声并提升插值质量，实验验证其生成的干涉条纹质量与传统相位步进法相当。

　　使用偏振相机进行散斑干涉测量是一种极具吸引力的方法，因为它能够在单张图像中完成测量任务。这一特性使得在对运动或不稳定物体进行测量时具有显著优势，因为在传统电子散斑图案干涉术（ESPI）中，需要依次采集多张相位步进图像才能获得完整的相位信息，而这种过程在物体运动的情况下可能会导致相位关系的失真。然而，偏振相机在干涉条纹测量中会引入大量的噪声，这使得相位图的解包裹变得极具挑战性。研究指出，这种噪声主要来源于偏振相机内部像素排列的马赛克模式，每个像素的散斑特性存在较大差异，导致无法从相邻像素推断出缺失的像素特性。因此，本文提出了一种数学方案，旨在通过像素数据的归一化处理，提升偏振相机采集的散斑干涉图像的质量。

散斑干涉测量技术的核心在于通过分析干涉图像中的强度变化来推断物体表面的形变或运动情况。当两束相干的圆偏振光在某一位置发生干涉时，它们的强度分布呈现出特定的模式。这一模式不仅反映了两束光的相对强度，还包含了关于相位差的重要信息。在传统ESPI技术中，通常需要通过相位步进法依次采集多组图像，然后通过对这些图像的数学处理，得到物体表面的完整相位图。这种方法虽然准确，但其时间成本较高，且对运动物体的测量能力有限。

相比之下，偏振相机的结构允许在单张图像中捕捉到相当于多个相位步进图像的信息。这种结构类似于彩色相机中的拜耳阵列，但其核心是使用偏振滤镜替代颜色滤镜。拜耳阵列通过在每个像素点上放置不同颜色的滤镜来捕捉全色图像，而偏振相机则是通过不同方向的偏振滤镜来获取不同相位步进下的强度信息。这种设计使得偏振相机能够在一个时间点内获取多组干涉图像的数据，从而大大提升了测量效率。然而，由于偏振滤镜的排列方式与拜耳阵列存在相似之处，即某些像素位置的强度信息缺失，因此需要对这些数据进行插值处理，即所谓的“去马赛克”操作。

去马赛克的目的是从有限的像素数据中重建出完整的干涉图像，以便进一步进行相位分析。在彩色相机中，已有多样的数值方案用于实现这一目标，例如基于颜色插值的算法。然而，在偏振相机中，由于每个像素所记录的散斑特性存在较大差异，传统的插值方法往往无法有效恢复图像信息。这种不一致性导致了显著的相位噪声，使得相位图的解包裹变得异常困难。因此，研究者们开始寻找更为有效的数据处理方法，以减少这种噪声对后续分析的影响。

为了应对这一问题，本文提出了一种基于像素归一化的数据处理方案。该方案首先对采集的图像进行初步校准，以识别每个像素点上的散斑特性，并利用这些特性对所有像素进行归一化处理，使其具有相同的散斑参数。归一化后的散斑值可以更一致地进行组合，从而提高干涉图像的整体质量。实验结果表明，通过这种归一化处理，可以生成与传统相位步进方法相当的高质量干涉条纹，并且这些条纹所对应的相位图可以通过常规方法成功解包裹。这一发现表明，该归一化方法是一种简单而有效的处理偏振相机散斑干涉数据的方式。

此外，研究还探讨了多种去马赛克方案对干涉图像质量的影响。在这些方案中，一种基于四个像素点的插值方法表现最佳。然而，即使采用这种方法，图像中仍然存在较高的噪声水平，这表明偏振相机的固有特性对干涉图像的质量有显著影响。因此，归一化处理被引入，以降低像素间散斑特性的不一致性。通过归一化，可以有效减少噪声，使得去马赛克后的图像更加清晰，从而提高相位解包裹的成功率。

实验部分展示了使用偏振相机进行散斑干涉测量的实际应用。研究者利用改进的迈克尔逊干涉仪设置，采集了多个实验数据集。其中，偏振相机型号为TRI050S，光源为单模激光器（波长为532纳米）。测试表面和参考表面均采用哑光白色涂装，以确保光的漫反射特性。这些表面通过独立的分束器立方体进行照明，以避免因光源特性影响而引入额外的误差。实验结果显示，经过归一化处理后的干涉图像能够呈现出与传统相位步进方法相似的高质量条纹，从而验证了该方法的可行性。

在讨论部分，研究者进一步分析了偏振相机在视频式测量中的应用前景。通常，视频式测量由一系列单帧偏振图像组成，这些图像在固定的时间间隔内采集，以捕捉物体的动态变化。在这种情况下，偏振相机的优势尤为明显，因为它可以在单帧图像中提供多组相位步进数据，从而实现快速、连续的测量。然而，研究也指出，尽管归一化处理能够显著降低噪声，但其效果仍需进一步优化。例如，当前的归一化方法在某些情况下可能无法完全消除像素间散斑特性的差异，因此需要探索更精细的数据处理策略。

综上所述，偏振相机在散斑干涉测量中的应用具有重要的潜力，尤其是在对运动物体进行测量时。然而，其固有的像素马赛克结构导致了干涉图像中的噪声问题，这成为影响测量精度的关键因素。本文提出的归一化处理方法为解决这一问题提供了一种新的思路，即通过调整像素数据，使其具有更一致的散斑特性，从而提升干涉图像的整体质量。实验结果表明，该方法能够有效减少噪声，使得相位解包裹成为可能。这一研究不仅为偏振相机在散斑干涉测量中的应用提供了技术支持，也为未来的测量技术发展提供了新的方向。