基于偏振传感器时空相移法的高精度透明物体动态相位测量技术

本研究针对透明物体动态密度变化与折射率测量的关键难题，开发了一种基于Mach-Zehnder干涉仪与高分辨率偏振相机（VCXU.2-50MP）的创新系统。通过单次曝光捕获四组π/2相位差偏振图像，结合团队原创的时空相移法（ST-PSM），首次实现了运动透明物体相位梯度分布的极高精度测量。该方法克服了传统schlieren成像定量不足和全息干涉术中相位误差的局限，成功应用于喷嘴气体喷射产生的羽流、层流/湍流密度梯度动态分析，为生物成像（细胞折射率分布）和透明材料检测（厚度/应力分布）提供了新工具。

　　

透明气体流动的密度变化如同隐形的舞者，其动态轨迹难以捕捉却深刻影响着航空航天、生物医学等领域的核心技术。传统schlieren成像虽能"看见"气流，却像模糊的速写画无法精确量化；全息干涉术虽具备毫米级精度，但多帧拍摄的"慢动作"模式注定错过转瞬即逝的湍流细节。更棘手的是，偏振相机固有的制造误差和光学元件偏差，常导致相位测量出现"指纹式"个体差异，使得单次曝光的四步相移法（PSM）精度受限。

日本的研究团队在《Optics》发表的研究中，构建了波长473nm的Mach-Zehnder干涉仪系统，搭载2448×2048像素的偏振相机，创新性地将时空相移法（ST-PSM）应用于动态测量。该方法通过单次曝光获取四组原始偏振图像后，先进行线性插值生成标准π/2相移条纹，再结合空域/时域联合算法消除随机噪声和振幅波动干扰。关键技术包括：高精度偏振态控制（使用λ/2波片）、基于傅里叶变换的频域滤波、以及针对非理想圆偏振光的相位补偿算法。实验样本涵盖喷嘴喷射形成的羽流、层流/湍流混合气体。

测量系统
采用偏振相机特有的2×2微偏振阵列，同步记录0°、45°、90°、135°四个偏振方向的干涉条纹。通过调节反射镜M1使条纹呈50°倾斜，优化了条纹对比度。系统实测相位灵敏度达λ/100（约4.7nm），较传统PSM提升5倍。

模拟验证
数值仿真显示，当引入10%振幅噪声和λ/15初始相位误差时，ST-PSM的相位梯度测量误差仅为0.82rad/mm，而常规方法高达4.37rad/mm。该方法对高阶振动干扰的抑制能力尤为突出。

实验结果
在气体喷射实验中，系统成功捕捉到羽流中心区0.05rad/mm的微弱密度梯度变化（对应约0.3kg/m³
密度差）。相位梯度分布图清晰显示出湍流涡旋的"指纹状"结构，时间分辨率达毫秒级。

该研究突破了动态相位测量的三大瓶颈：首次实现单帧曝光下的亚纳米级相位灵敏度、建立抗振幅波动的普适性算法、消除周期性误差以检测微小梯度变化。不仅为空气动力学研究提供了"动态CT扫描仪"，更开辟了活细胞折射率成像的新途径。文中提及的相位补偿框架，为所有基于偏振相移的技术（如数字全息、椭偏仪）提供了误差校正范本。日本学术振兴会（JSPS）资助项目20H02038的支持，凸显了该成果的战略价值。