目前接觸式測量方法主要用于高反射曲面的粗糙度及部分參數的高精度測量，較少用于對整體形貌進行三維檢測。
光學探針法:依據采用的光學原理不同，可分為幾何光學探針法和物理光學探針法。幾何光學探針法基于成像原理進行測量，有離焦誤差檢測和共焦顯微鏡兩種方法。離焦誤差檢測法的基本原理是將被測表面偏離聚焦物鏡焦點的微小偏移量轉換為光電探測器上光斑強度或大小及形狀的變化，進而轉換為輸出電量的變化，偏移量的線性測量值反映了被測表面的形貌[11]，包括差分法[12]、光強法[13]、偏心光束法[14]、像散法[15]、傅科刀口法[16]、臨界角法[17]等.
傅里葉變換相位偏折輪廓術通過采用多角度彩色條紋編碼[67]的方法可解決陰影問題，對于傅里葉變換所產生的頻譜泄露、混疊和柵欄效應產生的誤差，可通過采用窗口傅里葉變換[68]、二維連續(xù)小波變換[69]來代替常規(guī)傅里葉變換，采用經驗模態(tài)分解算法[70]來消除零級頻譜的影響.
相移測量方法有兩個主要誤差源：光柵顯示設備的移相誤差和 CCD 攝像機的非線性響應誤差，各種相位提取算法對這兩種誤差的敏感程度基本上決定了相移干涉技術的相位提取精度[84]。當采取等間隔相移時，衡量方程性態(tài)的系數矩陣的條件數最少，引入的誤差最小，具有最強的抗噪聲能力。相移次數 N 的選擇取決于算法對噪聲的敏感程度，通常相移次數 N 越大，相位測量誤差越小。實際測量中需綜合考慮測量時間、數據量和數據處理速度等因素來決定 N 的大小。
時間相移法中 CCD 攝像機接收到的是同一空間位置不同時刻探測到的相移光柵像，因此該方法多用于靜態(tài)相位的測量。空間相移法指多幅相移條紋圖在同一時刻不同空間位置獲得，如圖 1-13 所示。
空間相移法的關鍵在于如何分光和如何引入相移，由于空間相移法的多幅條紋圖是在同一時刻、不同空間位置獲得的，因此可用于動態(tài)測量，但測量系統(tǒng)較復雜，對各探測器的光電性能的一致性要求很高，且不同空間位置的干涉圖像之間需進行良好的位置匹配[85]。
該方法假設原圖像中相鄰 N 點的相位相等，因此要求相位變化緩慢，否則在測量物體斜率較大的部分時誤差較大，精度也不如時間相移法高。
該方法光柵顯示設備移動方向和 CCD 攝像機探測方向一致，不需要相位展開，可以測量物體表面高度劇烈變化或不連續(xù)的區(qū)域，且對陰影、遮擋、相位截斷并無限制，設備簡單，易于實現。
掃描顯微鏡測量方法可分為電子顯微鏡和掃描探針顯微鏡兩類[100]，前者包括掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描投射電子顯微鏡（STEM）等，后者包括掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等。
非光學掃描顯微鏡測量法主要用于微觀表面納米級精度檢測，其中，STM/AFM 在所有測量方法中的水平和垂直分辨率最高，但其測量范圍很小，在工程表面的測量中受到限制。
光學探針法垂直方向的測量范圍不受入射光波長的限制，一般可達毫米級，但由于存在衍射受限以及系統(tǒng)的水平分辨率由物鏡的數值孔徑決定等因素，其垂直分辨率和水平分辨率均低于接觸式測量儀器。該方法對被測表面清潔度要求較高，在測量復雜面形的三維形貌時，會夸大測量信號，造成數據失真。
光學干涉法垂直分辨率可達亞納米級，但水平分辨率較低。受入射光波長限制，干涉顯微鏡的垂直測量范圍很小，只能用于納米或亞微米級精細表面的測量，不適合大尺寸或曲率較大的高反射曲面的高精度檢測。
白光掃描干涉測量具有納米級甚至亞納米級的測量分辨力[124]，測量精度達到納米級，重復性好，完全可以用于超精密加工非接觸三維形貌測量。然而，受到光學系統(tǒng)數值孔徑和視場范圍的限制，它不適合進行具有大曲率面形的高反射曲面的測量。且在無輔助掃描裝置的條件下，測量范圍遠不能達到毫米級。
多傳感器測量及信息融合技術已成為提升計量測試系統(tǒng)整體性能的關鍵技術之一，它的最大特點就是“增效作用”和“協同作用”，即增加空間和時間的覆蓋度和分辨力，提高系統(tǒng)測量精度并增加系統(tǒng)的魯棒性。該系統(tǒng)的不足在于雖然在同一框架下融合了多種不同測量原理和測量精度的異類傳感器，但在具體測量過程中傳感器組合的選取不能自動進行，還是要憑借根據待測樣品的規(guī)格和公差結合 CAD 模型來選取滿足測量精度的傳感器進行測量。并且在測量過程中，只是先用測量范圍較大的傳感器進行粗測，然后用高精度傳感器進行小范圍精密測量，暫未涉及圖像融合技術。
對于尺寸為幾十毫米到上百毫米的零件的非接觸高精度測量，光柵相位偏折測量方法可以被用來獲得大視場的全局輪廓數據，但其測量精度只能達到微米級。白光掃描干涉測量技術具有納米甚至亞納米級的測量分辨力，測量精度達到納米級，重復性好，完全可以用于超精密加工高反射曲面非接觸三維形貌測量。然而，由于受到光學系統(tǒng)的數值孔徑和視場范圍的限制，這種方法不適合進行具有大曲率面形的高反射曲面的測量。而且在無輔助掃描裝置的條件下，其測量范圍遠不能達到毫米量級。
對光柵相位偏折測量子系統(tǒng)和白光掃描干涉測量子系統(tǒng)分別測量得到的數據，進行異類光學傳感器的數據融合操作，實現超精密加工高反射曲面三維形貌的高精度測量。
由于投影儀中像元分布為均勻的和離散的，而被測物體表面反射的光柵條紋是連續(xù)的，存在一個由離散信號變?yōu)檫B續(xù)信號的過程，這直接導致了投影儀設置的光柵模式和實際得到的光柵圖案的差異[129-130]。
選擇 LCD 時需要考慮的顯示性能指標主要有：
（1）響應時間。響應時間指液晶顯示屏對輸入信號的反應速度，即液晶屏幕由暗轉亮（上升時間）或由亮變暗（下降時間）的反應時間。響應時間越小越好，若響應時間過大，會出現運動圖像的遲滯現象。在測量過程中，LCD 用于顯示編碼產生的方向、幅度、周期均可調整的多幅光柵條紋，顯示過程與圖像采集設備的采集過程交替進行，為提高測量速度，實現實時動態(tài)檢測，應保證 LCD液晶屏有較小的響應時間。
（2）對比度。對比度指在規(guī)定的照明條件和觀察條件下，顯示屏亮區(qū)與暗區(qū)的亮度對比，對比度越高，還原畫面的層次感越好。測量過程中，顯示的為灰度級在 0~255 之間的灰度編碼光柵條紋，則對比度越大，相鄰灰度級間的區(qū)分能力越強，有利于提高測量精度。
（3）亮度。液晶顯示屏的亮度一般以 cd/m2（流明/每平方米）為單位，亮度越高，顯示屏對周圍環(huán)境的抗干擾能力越強，顯示效果越好。考慮到本測量系統(tǒng)中檢測對象為具有高反射性質的超精密加工曲面零件，為減少環(huán)境光的影響，希望顯示屏的亮度越大越好。
（4）可視角度。由于高反射曲面的面形數據依賴于物面的法向信息，對曲率較大的被測表面，其入射光線與屏幕法線夾角可能很大，為減少圖像采集設備
采集到的光柵條紋圖像的失真程度，希望 LCD 的可視角度越大越好。
（5）點距和可視面積。點距指 LCD 液晶面板上相鄰兩像元之間的距離，記為 L：
若 LCD 液晶屏的分辨率為 H×V，則屏幕的可視面積為（H×L）×（V×L）。與可視角度的選擇出于同樣的考慮，希望 LCD 的可視面積越大越好。在可視面積不變的情況下，點距越小，所顯示的編碼光柵條紋的平滑性越好。
CCD 攝像機的選取主要考慮兩個方面：一是分辨率，二是鏡頭。攝像機的分辨率指的是水平分辨率，其單位是線對，即成像后可以分辨的黑白線對的數目。常用的黑白攝像機的分辨率一般為 380~600 線，數值越大，成像越清晰。在保證分辨率的同時，要求 CCD 具有較高的信噪比，以降低圖像采集過程中噪聲和暗電流的影響。
鏡頭的焦距直接關系到視場角的大小，一般短焦距鏡頭視場角大，長焦距鏡頭視場角小。而景深指在能夠聚焦的情況下可觀察清晰圖像的視場區(qū)域，與鏡頭的焦距和光圈成反比，與拍攝距離成正比，可根據測量場景的大小而確定。
2.3 白光掃描干涉測量子系統(tǒng)設計
目前的光學成像系統(tǒng)可分為有限遠光學系統(tǒng)和無限遠光學系統(tǒng)兩種:
無限遠光學系統(tǒng)中，顯微鏡中的各種光學附件都可以放置在物鏡與鏡筒之間平行光束的空間內，而圖像質量不會降低，簡化了物鏡設計中色差和像差的校正。由于前置物鏡輸出平行光，其放大倍率由前置物鏡和光學成像系統(tǒng)共同決定。
白光光源為包含了整個可見光譜成分的連續(xù)光譜，相干長度短，在測量光路和參考光路光程差為零的位置光強出現極大值，可據此重建被測工件表面三維形貌。目前，用于白光干涉測量的低相干光源主要有石英鹵素燈和 LED 兩種。
（1）CCD 的視場范圍大于 LCD 液晶屏的可視范圍:
LCD 液晶屏的尺寸 Ll越大，或者 LCD 液晶屏的高度與 CCD 攝像機的高度的比值越小，則測量范圍越大。
（2）CCD 的視場范圍小于 LCD 液晶屏的可視范圍:
增加 CCD 攝像機相對于高反射平面的高度或者增大視場角均可以增大測量范圍。
系統(tǒng)的分辨率指 CCD 芯片上相鄰兩像素所對應的入射光線與 LCD 液晶屏幕交點的距離:
當 CCD 攝像機鏡頭選定后，其分辨率與 CCD 攝像機和 LCD 液晶屏幕到被測物體的距離成反比，且 CCD 攝像機相對于垂直方向的角度θ越大，分辨率越低。
2.5.2 白光掃描干涉測量系統(tǒng)測量精度分析
系統(tǒng)的垂直分辨率指系統(tǒng)在測量過程中所能反映出的被測工件表面高度變化的最小值。
系統(tǒng)的橫向測量范圍與顯微干涉物鏡的放大倍率和 CCD 攝像機的芯片尺寸有直接關系。
白光垂直掃描干涉測量系統(tǒng)的垂直測量范圍主要受兩個因素制約：測量系統(tǒng)光學成像系統(tǒng)的景深范圍和干涉系統(tǒng)的相干長度，垂直測量范圍由系統(tǒng)的景深和相干長度兩者中最小值確定。
要實現變形光柵像與編碼圖案對應點的匹配，需要獲得變形光柵像上的相位分布信息，在求得折疊相位后，可通過相應的相位展開算法實現。按照編碼策略的不同，可以將結構光編碼方法分為時間編碼方法、空間編碼方法和直接編碼方法。
目前已有多種時間相位展開算法，如線性投射法[161]、雙頻投射法[162]、指數投射法[163]、反指數投射法[164]、絕對相位測量法[165]和多頻傅里葉條紋分析法[166]等。
由于攝像機光學系統(tǒng)存在加工誤差和裝配誤差，物點在攝像機圖像平面上對應的實際像點位置與理想像點存在光學畸變誤差，主要包括徑向畸變和切向畸變：
徑向畸變主要由鏡頭形狀缺陷造成，沿鏡頭主光軸對稱分布，切向畸變由光學系統(tǒng)光學中心與幾何中心不一致造成，即鏡頭各器件的光學中心不能嚴格共線，切向畸變不沿攝像機主光軸對稱分布。
根據是否需要放置標定參照物，可將攝像機標定技術分為兩類：傳統(tǒng)的攝像機標定方法和自標定方法：
Tsai 攝像機標定算法：
一個基于徑向排列約束的兩步標定方法，首先采用最小二乘法計算超定線性方程組，得到外部參數的初始值；在此基礎上求解內部參數，結合非線性優(yōu)化的方法獲得全部參數。兩步法的優(yōu)點是迭代參數較少，第一步求得的外部參數能夠為內部參數的計算提供較好的初始值，求解速度快，精度較高，同時具有線性求解速度快和非線性優(yōu)化計算準確的優(yōu)點，因此獲得了廣泛應用。傳統(tǒng)的 Tsai 的方法只考慮了徑向畸變，沒有考慮切向畸變。實際標定過程中，同時考慮了徑向畸變和切向畸變的影響。
圓點代表 LED 光源在 CCD 攝像機視場范圍內的移動位置，測量時，將 LED 光源固定在坐標測量機的主軸上，由計算機設定坐標測量機主軸沿坐標軸移動的步長和間距，每移動一次，CCD 攝像機采集光斑圖像，通過相應的圖像處理算法獲取光斑的中心位置，同時記錄下光斑在世界坐標系中的三維坐標。由 Tsai 算法通過光斑中心在世界坐標系和圖像坐標系下坐標的對應關系，精確計算出攝像機模型中的理想透視變換參數和畸變參數。
CCD 攝像機采集到的光斑圖像，需要從中提取光斑的中心坐標，以用于求取攝像機模型的各參數值。要提取光斑的中心坐標，首先要采用合適的閾值分割算法將其從背景中分離出來，然后獲取光斑輪廓，并采用最小二乘橢圓擬合（受物像空間位置關系的影響，CCD 攝像機采集到的光斑圖像并不是規(guī)則的圓形，而是近似為橢圓形狀）算法計算光斑的中心位置。
4.1.2 基于運動靶標的攝像機內參數標定方法
基于虛擬參考面方法的參考相位的獲取
由于 LCD 液晶屏和參考相位的獲取均可通過編碼圖案完成，因此，本論文提出虛擬參考面的方法，在完成 LCD 液晶屏在攝像機坐標系下位置標定的同時，通過特殊標記點的設置，可一次性獲得水平和垂直方向的參考平面相位分布信息。該方法通過顯示一幅經特殊標記的棋盤格圖像，將其在平面鏡上的像平面作為虛擬參考面，因此，虛擬參考面并不是一個實際存在的平面，而是利用超精密加工平面鏡標定得到的相位信息建立的一個帶有參考相位信息的平面鏡虛像。CCD 攝像機接收反射的虛擬參考面上的標記棋盤格圖像，根據特殊標記點與編碼光柵條紋的對應關系，可計算得到標記點所對應的水平和垂直方向的真實相位值，然后根據虛擬參考面上其它各點與特殊標記點的相對位置關系，可計算得到 CCD 視場范圍內虛擬參考面上水平和垂直方向的參考相位分布，從而避免了在被測工件測量前對參考平面的測量需求。
