讲解干涉测量法

激光干涉测量法是一种完善的高精度测距方法。

基本原理

“干涉测量法”是一种利用波的干涉现象进行测量的一种方法，常见的波有光波、无线电波或声波。测量可能涉及对波本身的某些特性以及与波相互作用的材料进行测量。此外，“干涉测量法”还用于描述通过光波研究位移变化的技术。在精密加工应用中，广泛采用这种位移干涉测量法进行校准和机械台的运动控制。

通过使用两束光（通常将一束光分为两束光），可在其叠加时形成干涉图。由于可见光的波长非常短，两束光的光路（传播距离）稍有不同就能被检测出来（因为这些差异会在干涉图上产生明显的变化）。因此，一个多世纪以来，光学干涉测量法一直是一项非常有价值的测量技术。随着激光的发明，干涉测量法的精度得以改进。

Albert A. Michelson于19世纪80年代发明了第一台干涉仪，成为使用光的干涉原理作为测量工具的首个代表人物。尽管多年来这项技术（及其测量精度）不断发展和改进，但麦克逊 (Michelson) 干涉仪的基本原理仍然是干涉测量法的核心。

麦克逊干涉仪包含一个分光镜（半镀银镜）和两个镜片。当光透过半镀银镜/分光镜（部分反射）时，分裂为具有不同光路的两束光（一束射向镜片1，另一束射向镜片2）。这两束光被两个镜片反射回来后，在分光镜上重新组合，然后到达探测器。两束光光路的不同导致相位差，从而形成干涉条纹图形。探测器则对该图形进行分析，以评估波的特性、材料属性或其中一个镜片的位移（取决于干涉仪正在执行什么测量）。

干涉测量法的应用

为了生成高清干涉图（清晰的干涉条纹），使用XL-80激光头产生一条波长高度稳定的光源非常重要。

根据麦克逊原理，激光干涉仪有不同的干涉光学镜组件，而线性组件是最容易解释的一种。

XL-80激光干涉仪的两个镜片（在麦克逊干涉仪上使用）为角锥反射镜（即棱镜，将入射光束以与入射光路平行的方向反射回去）。其中一个角锥反射镜连接在分光镜上，用于形成参考光束。另一个角锥反射镜用于形成长度可变的测量光束，因为它的距离可相对于分光镜进行调整。

从XL-80激光头发出的激光光束 (1) 被分成两束光，一束被反射出去 (2)，一束透过极化分光镜 (3)。这两条光束分别从两个角锥反射镜上反射回来，并在分光镜上重新组合，之后到达探测器。使用角锥反射镜可确保参考光束和测量光束在分光镜上重新组合时保持平行。重新组合的光束到达探测器后，以相长或相消的方式相互干涉。在相长干涉过程中，两束光同相，它们的波峰相互加强，产生明亮的干涉条纹；而在相消干涉过程中，两束光异相，其中一束光的波峰被另一束光的波谷抵消，形成灰暗的干涉条纹。

探测器中的光学信号处理功能允许用户观察这两束光的干涉情况。测量光束的位移使两束光的相对相位发生变化。这一相消和相长的干涉循环导致重新组合的光束的光强发生周期变化。每次测量光束/角锥反射镜移动316.5 nm时，光强都会出现一个明-暗-明的周期变化，这个长度是激光波长的一半（因为这样的移动会导致光路发生633 nm的变化，即激光波长）。因此，使用下列公式计算循环次数就可以测量出移动距离：

其中，d为位移（微米），λ为激光波长（0.633微米），N为测量的条纹数量。通过这些循环中的相位内插可实现1 nm的更高分辨率。

无论您的激光装置性能多么优异（即精度和稳定性多高），线性位置测量的精度始终取决于激光光束波长的精度。激光光束的工作波长取决于光透过空气的折射率，此波长会随着温度、气压和相对湿度发生变化。因此，需要改变（补偿）激光的波长，以便包含这些参数的任何变化。

环境补偿

当温度、湿度、气压与标称值之间的误差影响组合到一起时，如果没有可靠、精确的波长补偿，很容易导致线性测量读数出现20 ppm - 30 ppm的误差，即使测试条件保持稳定也不例外。使用环境补偿单元 (XC-80) 可以减少这些误差，以确保XL-80在各种不同的条件下保持测量精度。右图展示了未补偿的干涉仪的误差以及这些误差的来源。