迈克尔逊干涉仪的位移测量

迈克尔逊干涉仪是一种利用光的干涉现象来测量相对位移的高分辨率光学仪器。该仪器的最简单版本仅需几个基本组件：

一个相干光源；具有恒定相位的单色光，
一个用于分束的光束分束器，
以及两个镜面。

具体而言，相干光首先在光束分束器处被分成两束光。其中一部分被固定参考镜反射，另一部分则击中目标镜。随后，两束反射光束被引导回分光镜处发生干涉。干涉由两束光强度的叠加产生，形成周期性等于相干光源波长一半的正弦调制信号。当将此信号投射到屏幕上时，可观察到典型的环形干涉图案。

当干涉信号的振幅达到最大值时，就会发生建设性干涉，两束光同相；而当干涉信号的振幅为零时，就会发生破坏性干涉，两束光异相。干扰信号的固有编码相位信息取决于参考镜和目标镜反射光束之间的光路长度差。当路径长度差为零时，或者换句话说，当分光镜和两个反射镜之间的距离相同时，信号为同相，并产生建设性干涉。一旦目标镜移动，路径长度发生变化，就会产生连续的建设性和破坏性干涉。干扰信号的强度变化可以通过光电探测器观察到，光电探测器产生的电流与入射功率成正比。然后使用电子电路将光电二极管产生的电流变化过滤或处理为干净的信号。下面的动画展示了这一信号强度的简化版本，它随着镜子的移动而波动。

正交检测

上述设计存在两大缺陷。首先，无法从干扰信号中提取运动方向，因为向前和向后运动会产生相同的强度变化。其次，这种方法的灵敏度不一致。在零点交叉处，灵敏度最大，而在极值处灵敏度最小。微小的位移会引起极小的强度变化，这对电子电路的正确记录是一个挑战。

要克服这两个缺陷，就不能只有一个干扰信号，而是要有两个相位相差 90° 的干扰信号，或者说是正交信号。这些正交信号在相互绘制时可以表示为一个圆，或 Lissajous 图形，然后可以通过计算瞬时相位来检索位移。这种相位信号具有恒定的灵敏度，但更重要的是可以确定运动的方向。如果相位增加，参考镜和目标镜之间的路径长度差就会增加。如果相位减小，则路径长度差减小。

获得正交信号有多种方法。通常需要比前面介绍的更多的元件，这在紧凑性和成本方面都是不利的。在 SmarAct，我们采用了最先进的技术--光源电流调制。简单地说，激光光源的调制频率为 f，导致干扰信号包含调制频率的谐波：f、2f、3f、4f 等。一对谐波（如 f 和 2f）本质上是正交的，这意味着只需一个光电探测器和特定的信号处理，就能提取所需的成分。一旦提取出来，这些信号就会被数字化到现场可编程阵列 (FPGA)，该阵列可以计算出相应的相位，从而产生位移。