在振动条件下，通过近焦特征触发实现相位移动干涉图的精确且同步的校准与采集

《Optics and Lasers in Engineering》：Accurate and synchronous calibration-acquisition of phase-shifting interferograms under vibration with near-focal feature triggering

振动环境下时间域相位移干涉仪同步校准与采集方法研究，提出基于近焦光强信号特征提取的实时闭环控制系统，实现相位间隔的在线校准与毫秒级同步采集，有效抑制波前重建中的涟漪效应和相位反转问题，提升非稳态环境下的测量稳定性。

　　
本文针对时间域相位移位干涉仪（PSI）系统在振动环境下存在的相位误差问题，提出了一种同步校准-采集方法。研究团队通过南京大学电子工程与光电子技术学院的多位学者联合攻关，在光学振动抑制领域取得重要突破。

在技术原理方面，该方法创新性地将相位校准与图像采集过程进行同步控制。传统PSI系统采用分阶段处理模式：首先进行预采集获取参考干涉图（A阶段），然后计算相位偏移量（B阶段），通过压电陶瓷（PZT）调整相位（C阶段），最后进行正式采集（D阶段）。这种分离式流程容易因环境振动导致相位偏移累积，产生干涉图畸变。新方法通过在Fizeau干涉仪中集成电子数据处理模块，构建了闭环控制系统。系统实时监测近焦光场强度信号，运用功率阈值特征提取算法动态识别π/2相位间隔，并通过高速电子触发模块实现与CCD相机的毫秒级同步控制。这种实时反馈机制使相位校准与图像采集形成闭环联动，将传统61ms的四个干涉图采集周期压缩至同步完成。

实验装置采用自主研发的100mm口径时间域PSI系统，集成振动模拟器（图7a）和定制化半导体激光源（图7b）。该激光器具备频率稳定性和功率可调特性，波长覆盖紫外至近红外波段。振动模拟器可复现0.1-100Hz频段的多源复合振动，包含机械振动、热膨胀振动和环境扰动等典型干扰因素。实验对比显示，在30Hz随机振动环境下，传统方法产生的波前重建误差达到12.7nm RMS，而本方法将误差降低至3.2nm RMS，改善幅度超过70%。

研究团队通过对比分析发现，现有相位校准方法存在显著局限性。预校准方法（A类）依赖静态环境，当振动幅度超过3dB信噪比时，校准误差呈指数增长（文献[27-29]）。迭代校准方法（B类）虽然无需预采集，但需要至少10组连续干涉图才能收敛，这在高速振动环境下难以实现（文献[16-22]）。本文提出的同步控制方法通过实时监测近焦区的光强特征，特别是利用功率阈值分割技术提取相位跃变特征点，有效解决了动态环境下的相位同步难题。

关键技术突破体现在三个方面：首先，开发基于改进的快速傅里叶变换（FFT）的特征提取算法，可在5ms内完成相位特征锁定；其次，设计低延迟（<1ms）的电子触发系统，实现与CCD相机的精准时序同步；最后，建立动态补偿模型，通过实时调整压电陶瓷的驱动电压，将相位误差控制在±0.15°以内。这些创新使得系统在非稳态振动环境中仍能保持每秒16次的采样频率，满足纳米级面形检测需求。

实验验证部分展示了该方法在不同振动场景下的有效性。在模拟铁路轨道振动（0.5-5Hz，振幅0.2mm）条件下，传统系统采集的干涉图出现明显相位漂移（图3a），导致波前重建出现周期性畸变。而本方法通过实时相位校准，成功将相位偏移量控制在±0.3°范围内（图3b），对应的波前重建误差降低至3.5nm RMS。特别在高速振动测试中（>20Hz），本方法仍能保持95%以上的信噪比，而传统方法在相同条件下的信噪比下降至40%以下。

实际应用方面，研究团队将该方法成功应用于航空光学元件检测系统。在模拟机舱振动（1-10Hz，振幅0.1mm）环境下，传统PSI系统因相位校准失效导致检测失败，而本方法支持连续在线检测，检测精度保持在微米级。此外，通过优化电子触发模块的时序逻辑，系统已实现每秒30次的同步采集频率，满足超高速振动场景的需求。

该方法对工业检测领域具有重要价值。在某半导体晶圆检测项目中，应用本系统后检测效率提升3倍，误检率从12%降至1.5%。在激光加工设备的光学元件检测中，检测时间从45分钟缩短至8分钟，同时将表面粗糙度测量精度从λ/4提升至λ/6。

未来改进方向包括：1）开发多光谱同步采集模块，提升复杂背景下的抗干扰能力；2）研究基于深度学习的振动预测算法，实现前瞻性相位补偿；3）优化电子触发系统的带宽，目标达到50kHz同步触发能力。这些扩展应用将推动该方法在精密光学制造、航天器光学部件检测等高端制造领域的普及。

该研究得到国家自然科学基金（61875087）资助，研究过程中得到InterFero光电技术公司提供的设备支持。作者团队在方法验证、系统优化和工程化应用方面积累了丰富的工程经验，相关技术已申请发明专利3项，实用新型专利2项，具备产业化落地条件。

通过上述技术突破，本文提出的同步校准-采集方法显著提升了时间域PSI系统在非稳态环境中的可靠性。其实时闭环控制机制有效解决了相位漂移和采样不同步问题，为振动敏感型光学检测系统提供了新的技术范式。实验数据表明，在典型工业振动环境下，该方法可使波前重建精度提高2个数量级，满足亚纳米级光学元件检测需求。