近日，上海交通大学自动化与感知学院杨佳苗团队联合动态光学成像与测量全国重点实验室，在抗扰动高精度激光干涉测量方向取得重要进展。研究提出了一种“扰动引入干涉术”，并开发了大扰动自适应的自然相位解码算法，大幅提升干涉测量的抗扰性能，实现抗震、免精密移相控制的纳米级面形测量。相关成果以“Disturbance-Introduced Interferometry: Surface Topography Metrology Beyond Vibration Isolation and Phase-Shifting Control”为题发表于国际光学领域权威期刊《Light: Advanced Manufacturing》。

此外，研究团队同步推进装备研发，将该方法研制为可在光学加工现场使用的原理样机，为精密光学加工检测一体化提供了装备基础。

研究背景

相移干涉测量被誉为面形测量的“金标准”，广泛应用于半导体制造、光学工程等精密测量领域。该技术通过精确控制干涉系统中的相位变化，从多幅干涉图中解算被测面的波前或面形信息，具有高精度、高灵敏度等优势。

然而，传统PSI对测量环境和移相控制条件要求极高。为了获得可靠结果，系统通常需要严格的隔振平台、稳定的测量腔以及纳米/亚纳米级精确可控的移相装置。一旦存在环境振动、机械漂移或移相误差，干涉条纹的相位关系就会受到破坏，从而影响面形重建精度。

这一局限在大口径光学元件检测等实际场景中尤为突出。随着被测面尺寸增大和测量腔变长，环境振动、结构形变和随机微位移的影响会被进一步放大，使得高精度隔振和精密移相控制变得异常困难，甚至难以实现。因此，如何突破传统 PSI 对稳定环境、精密移相控制高度依赖带来的局限，成为复杂条件下实现高精度面形测量的重要问题。这一局限同样制约了干涉测量技术向光学加工制造现场的延伸应用，使得在加工过程中实时获取面形数据、实现加工检测一体化面临严峻挑战。

亮点1 

提出以随机机械扰动为移相源的干涉测量新方法，自适应解码摆脱精密移相器

研究团队构建了“扰动编码—自适应解码”的干涉测量框架，将随机机械扰动作为获取面形信息的自然激励。在这一框架下，扰动驱动干涉条纹产生丰富的变化，使被测面形信息以不同的相位状态呈现在连续采集的干涉图中。原本由精密移相器设定的测量过程，由此交由自然扰动来驱动。

为解析这些看似无序的干涉图，团队提出自然相位解码算法，将扰动引起的动态变化与被测面形的空间特征关联起来，在未知扰动条件下自适应恢复相位信息。其核心是从随机变化中辨识规律，从动态干涉图中提取稳定的面形特征，使测量不必以预先精确控制每一次移相为前提。通过自然编码与计算解码的协同，研究团队将对移相过程的精密控制转化为对扰动信息的自适应求解，实现了无需专用移相器件的高精度面形测量。

图1 扰动引入干涉术的方法示意图

亮点2 

显著振动条件下实现高精度波前重建，摆脱严密隔振约束

DII最突出的优势在于其鲁棒性，而这种鲁棒性源于其原理本身：振动本就是DII的移相源——振动对干涉图的调制作用被直接纳入正向模型，并由算法自适应解算，因此DII对振动具有与生俱来的抗扰能力。数值仿真直接对比表明：在强扰动下（扰动相位幅度高达7π弧度），DII的重建均方根误差仅为0.0005λ，而传统四步相移算法完全失效，误差高达0.5λ；在扰动相位幅度从0.01π到12π弧度的宽广范围内，DII的解算成功率始终保持在90%以上。

实验进一步验证：在仅以一般办公桌面支撑、且伴有显著振动的条件下，DII的RMS波前重复性优于0.0018λ，其结果与采用气浮隔振、压电陶瓷移相器、且无振动的传统PSI高度一致——球面的RMS差异低至0.0002λ、平面为0.0007λ，PV值差异分别仅为0.0043λ和0.0038λ。相比之下，传统PSI在同样的动态扰动下根本无法给出可靠结果。这表明，即便在显著振动环境下，DII仍能取得与严格受控条件下相当的测量精度，从而大幅降低了高精度干涉测量对隔振与精密移相硬件的依赖。

图2 显著振动环境下DII的面形测量结果及其与传统PSI在理想条件下的测量结果对比

亮点3 

研究成果同步推进装备研发，为光学加工检测一体化奠定装备基础

DII方法不仅在理论与算法层面取得突破，研究团队还同步推进了装备研发工作。基于DII的核心思想，团队研制了可在复杂振动环境中稳定运行的干涉测量原理样机。该样机摆脱了传统干涉仪对精密隔振平台和精密移相控制的严苛依赖，能够贴近光学元件实际加工现场使用，与研磨、抛光等工序紧密协同，提供面形的实时测量与加工反馈，为精密光学元件加工检测一体化提供了装备基础，有望推动光学精密制造迈向加工与检测闭环一体化的新模式。

图3 基于DII方法的干涉测量原理样机应用于加工检测一体化场景

总结与展望

DII在不增加任何专用移相与隔振硬件的前提下，将相移干涉测量从严格隔振与精密移相控制的苛刻条件中解放出来，即便在显著振动等复杂环境下依然保持纳米级的高精度面形重建能力，展现出“以算法赋能传统精密光学测量”的重要潜力。该方法有望为大口径光学元件检测、振动频发的光学制造现场原位测量等应用提供新的技术支撑。未来，面向更复杂的测量对象与扰动环境，DII有望进一步降低高精度干涉测量对环境隔离与硬件控制的依赖，推动精密面形测量向更高适应性的应用场景拓展。

作者信息

上海交通大学自动化与感知学院博士生李林、动态光学成像与测量全国重点实验室研究员徐瑞为共同第一作者，杨佳苗副教授为通讯作者，该工作得到了国家自然科学基金委面上等项目的资助。

杨佳苗团队长期致力于光学检测/成像、光场调控、光计算等方面的科学研究，以及相关智能光电仪器设计、制造、集成等技术研发。杨佳苗以第一作者/通讯作者在Nature Communications、Science Advances、Light: Science & Applications、Optica、Laser & Photonics Reviews等国际著名期刊发表高水平学术论文60余篇，研究成果获中央电视台《新闻联播》、美国物理联合会科学之光栏目、世界科技研究新闻资讯网、科技探索网等报道。