干渉法

ホモダイン検出では、同じ波長（または搬送周波数）の2つのビーム間で干渉が発生します。2つのビーム間の位相差により、検出器上の光の強度が変化します。これら2つのビームを混合した後の光の強度を測定するか、干渉縞のパターンを観察または記録します。^{[ 9 ]}この記事で説明する干渉計のほとんどはこのカテゴリに属します。

ヘテロダイン方式は、（1）入力信号を新しい周波数範囲にシフトすること、および（2）弱い入力信号を増幅すること（アクティブミキサーの使用を前提とする）に使用されます。周波数 f _{1の弱い入力信号は}、局部発振器（LO）からの強い基準周波数 f _2と混合されます。入力信号の非線形結合により、2 つの新しい信号が生成されます。1 つは 2 つの周波数の和 f ₁ + f ₂であり、もう 1 つは差 f ₁ − f _{2です。これらの新しい周波数は}ヘテロダインと呼ばれます。通常、新しい周波数のうち 1 つだけが必要であり、もう 1 つの信号はミキサーの出力からフィルタリングされます。出力信号の強度は、入力信号の振幅の積に比例します。^{[ 9 ]}    

ヘテロダイン方式の最も重要で広く使われている応用例は、1917年から1918年にかけてアメリカのエンジニア、エドウィン・ハワード・アームストロングとフランスのエンジニア、リュシアン・レヴィによって発明されたスーパーヘテロダイン受信機（スーパーヘテロ）です。この回路では、アンテナからの入力無線周波数信号が局部発振器（LO）からの信号と混合され、ヘテロダイン方式によって中間周波数（IF）と呼ばれるより低い固定周波数信号に変換されます。このIFは増幅およびフィルタリングされた後、音声信号を抽出する検出器に入力され、スピーカーに送られます。^{[ 10 ]}

光ヘテロダイン検出は、ヘテロダイン技術をより高い（可視）周波数に拡張したものです。^{[ 9 ]} 光ヘテロダイン干渉法は通常1点で行われますが、広視野で行うことも可能です。^{[ 11 ]}

二重経路干渉計とは、参照光と試料光が発散経路をたどる干渉計のことである。例としては、マイケルソン干渉計、トワイマン・グリーン干渉計、マッハ・ツェンダー干渉計などが挙げられる。試料光は、被測定試料との相互作用によって摂動を受けた後、参照光と再結合され、干渉パターンが生成される。この干渉パターンを解析することができる。^{[ 2 ]： 13-22}

共通光路干渉計は、参照光と試料光が同じ経路を伝搬する干渉計の一種です。図 4は、サニャック干渉計、光ファイバージャイロスコープ、点回折干渉計、横方向せん断干渉計を示しています。共通光路干渉計の他の例としては、ゼルニケ位相差顕微鏡、フレネルのバイプリズム、ゼロ面積サニャック、散乱板干渉計などがあります。^{[ 12 ]}

物理学において、19世紀後半の最も重要な実験の一つは、特殊相対性理論の証拠を提供したマイケルソンとモーリーの有名な「失敗した実験」である。マイケルソン・モーリー実験の最近の再現実験では、交差する極低温光共振器のビート周波数のヘテロダイン測定が行われている。図7は、2003年にMüllerらが行った共振器実験を示している。^{[ 30 ]}結晶サファイアで作られた2つの光共振器が、2つのレーザーの周波数を制御するために、ヘリウムクライオスタット内で直角に配置された。周波数比較器は、2つの共振器の合成出力のビート周波数を測定した。2009年現在 共振器実験において光速の異方性を排除できる精度は10⁻¹⁷レベルで^ある。^{[ 31 ] [ 32 ]}

マイケルソン干渉計は、波長可変狭帯域光フィルター^{[ 33 ]}やフーリエ変換分光計のコアハードウェアコンポーネントとして使用されています^{[ 34 ]}。

可変狭帯域フィルタとして使用する場合、マイケルソン干渉計は、ファブリ・ペロー干渉計やリオフィルタなどの競合技術と比較して、多くの利点と欠点があります。マイケルソン干渉計は、特定の波長に対して最も広い視野を持ち、ファブリ・ペローシステムで使用される圧電結晶やニオブ酸リチウム光変調器の高電圧制御ではなく、波長板の機械的回転によって調整されるため、操作が比較的簡単です。複屈折素子を使用するリオフィルタと比較すると、マイケルソン干渉計は温度感度が比較的低くなっています。一方、マイケルソン干渉計は波長範囲が比較的制限されており、透過率を制限するプリフィルタの使用が必要です。^{[ 35 ]}

図 8はフーリエ変換分光計の動作を示しています。これは基本的に、ミラーが1枚可動するマイケルソン干渉計です。（実際のフーリエ変換分光計では、従来のマイケルソン干渉計の平面ミラーの代わりにコーナーキューブ反射鏡を使用しますが、簡略化のため、この図では省略しています。）干渉縞は、可動ミラーの多くの離散的な位置で信号を測定することによって生成されます。フーリエ変換は、干渉縞を実際のスペクトルに変換します。^{[ 36 ]}

図 9は、可変波長ファブリ・ペロー干渉計を用いてFeXIVグリーンライン付近の複数の波長で太陽コロナのスキャン画像を取得した、太陽コロナのドップラー画像である。この画像は、グリーンラインのドップラーシフトを色分けしたものであり、衛星カメラに向かう、あるいは衛星カメラから遠ざかるコロナプラズマの速度と関連している可能性がある。

ファブリ・ペロー薄膜エタロンは、イメージング用に単一のスペクトル線を選択できる狭帯域通過フィルターで使用されます。たとえば、太陽や恒星のHα線やCa-K 線などです。図10 は、多重イオン化鉄原子のスペクトル線に対応する195 Ångströms (19.5 nm)での太陽の極端紫外線イメージング望遠鏡(EIT) 画像を示しています。 ^{[ 37 ]} EIT は、軽い「スペーサー」元素 (シリコンなど) と重い「散乱体」元素 (モリブデンなど) の層を交互にコーティングした多層コーティング反射鏡を使用しました。各ミラーには、それぞれ約 10 nm の厚さで、各タイプの層が約 100 層配置されました。各層の厚さは、目的の波長で各層からの反射光子が建設的に干渉するように厳密に制御されました。   

レーザー干渉計重力波観測所（LIGO）は、重力波の検出に2つの4kmマイケルソン・ファブリ・ペロー干渉計を使用しています。^{[ 38 ]}このアプリケーションでは、ファブリ・ペロー共振器を使用して、光子がミラー間で上下に反射する間、ほぼ1ミリ秒間光子を蓄積します。これにより、重力波が光と相互作用できる時間が長くなり、低周波数での感度が向上します。通常モードクリーナーと呼ばれる小型の共振器は、メインレーザーの空間フィルタリングと周波数安定化に使用されます。重力波の最初の観測は2015年9月14日に行われました。^{[ 39 ]}

マッハ・ツェンダー干渉計は、比較的広く自由にアクセスできる作業空間と、干渉縞の位置を柔軟に調整できることから、風洞内の流れの可視化^{[ 40 ] [ 41 ]や、一般的な流れの可視化研究において最適な干渉計となっています。空気力学、プラズマ物理学、熱伝達の分野では、}気体の圧力、密度、温度変化を測定するために頻繁に使用されています。^{[ 2 ]： 18、93-95}

マッハ・ツェンダー干渉計は、量子力学の最も直感に反する予測の1つである量子もつれとして知られる現象を研究するためにも使用されます。^{[ 42 ] [ 43 ]}

天文干渉計は、非常に高価な単一のモノリシック望遠鏡ではなく、比較的小型の望遠鏡群からの信号を混合する開口合成技術を使用して高解像度の観測を実現します。 ^{[ 44 ]}

初期の電波望遠鏡干渉計は、測定に単一の基線を使用していた。図 11 に示すような超大型電波望遠鏡群 (VLA) などの後の天文干渉計は、地上にパターン状に配置された望遠鏡のアレイを使用している。基線の数が多いほど、干渉計は観測におけるより多様な構造に感度を持つことができる。基線の数が限られていると、十分な範囲をカバーできない。これは、地球の自転を利用してアレイを空に対して回転させることで緩和された。このようにして、繰り返し測定を行うことで、単一の基線で複数の方向の情報を測定することが可能になった。この技術は地球自転合成と呼ばれている。数千キロメートルにも及ぶ基線は、超長基線干渉法によって実現された。^{[ 44 ]}

天体光学干渉法は、電波望遠鏡干渉法にはない多くの技術的問題を克服しなければなりませんでした。光の波長が短いため、構造の極めて高い精度と安定性が求められます。たとえば、1ミリ秒角の空間分解能には、 100mの基線 で0.5μmの安定性が必要です 。光学干渉測定には、1990年代後半まで利用できなかった高感度で低ノイズの検出器が必要です。星が瞬く原因となる天体「シーイング」は、入射光に急速でランダムな位相変化をもたらすため、データ収集速度は乱流の速度よりも速くする必要があります。^{[ 46 ] [ 47 ]}これらの技術的な困難にもかかわらず、現在では3つの主要な施設が稼働しており、ミリ秒角の数分の1の範囲までの分解能を提供しています。

物質の波動性を利用して干渉計を構築することができる。物質干渉計の最初の例は電子干渉計であり、その後中性子干渉計が続いた。1990 年頃に最初の原子干渉計が実証され、その後分子を用いた干渉計が続いた。^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}

電子ホログラフィーは、物体の電子干渉パターンを写真に記録し、それを再構成して元の物体を大きく拡大した画像を得るイメージング技術です。^{[ 51 ]}この技術は、従来のイメージング技術では不可能な、より高い解像度を電子顕微鏡で実現するために開発されました。従来の電子顕微鏡の解像度は、電子の波長ではなく、電子レンズの大きな収差によって制限されます。^{[ 52 ]}

中性子干渉法は、アハロノフ・ボーム効果の研究、素粒子に作用する重力の影響の調査、そしてパウリの排他原理の基礎となるフェルミオンの奇妙な振る舞いの実証に用いられてきた。すなわち、巨視的な物体とは異なり、フェルミオンは任意の軸を中心に360°回転しても元の状態に戻らず、波動関数にマイナス符号が生じる。言い換えれば、フェルミオンは元の状態に戻るまでに720°回転する必要がある。^{[ 53 ]}

原子干渉法は、一般相対性理論の実験室規模での検証を可能にするのに十分な精度に達しつつある。^{[ 54 ]}

干渉計は、大気物理学において、大気の遠隔観測による微量ガスの高精度測定に用いられる。微量ガスの吸収特性または放出特性を利用する干渉計の例はいくつかある。典型的な用途としては、装置上部のオゾンや一酸化炭素などの微量ガスの柱濃度を連続的に監視することが挙げられる。^{[ 55 ]}

ニュートン（テストプレート）干渉法は、光学業界では、表面の成形や加工中の表面品質を検査するためによく用いられます。図 13は、異なる完成段階にある2枚のテストプレートを検査するために使用されている基準プレートの写真を示しており、干渉縞の異なるパターンが示されています。基準プレートは、底面がテストプレートに接触した状態で置かれ、単色光源によって照射されます。両方の表面から反射された光波が干渉し、明暗の縞模様が生じます。右側の写真の表面は凹凸があり、湾曲した縞模様が生じています。隣接する縞のペアは、使用する光の半波長分の表面高低差を表しているため、縞の数を数えることで高低差を測定できます。この方法により、表面の平坦度を100万分の1インチ単位で測定できます。検査対象の表面が基準光学プレートに対して凹面か凸面かを判断するには、いくつかの手順のいずれかを採用できます。上面を軽く押すと、縞がどのようにずれるかを観察できます。白色光で干渉縞を観察すると、色の順序は経験によって馴染み、解釈に役立ちます。最後に、頭を通常の視位から斜めの視位に動かしたときの干渉縞の外観を比較することができます。^{[ 56 ]}こうした操作は光学ショップでは一般的ですが、正式なテスト環境には適していません。フラットが販売準備が整うと、通常は正式なテストと認証のためにフィゾー干渉計に取り付けられます。

ファブリ・ペローエタロンは、光の波長を制御・測定するために、電気通信、レーザー、分光法において広く用いられています。ダイクロイックフィルターは、多層薄膜エタロンです。電気通信分野では、単一の光ファイバーを通して複数の波長の光を利用することを可能にする波長分割多重（WDM）技術は、薄膜エタロンであるフィルタリングデバイスに依存しています。シングルモードレーザーは、目的とする単一のモード以外のすべての光共振器モードを抑制するためにエタロンを使用します。^{[ 2 ]： 42}

1916 年に Twyman と Green によって発明された Twyman–Green 干渉計は、光学部品のテストに広く使用されている Michelson 干渉計の変種です。^{[ 57 ]} Michelson 構成と区別される基本的な特徴は、単色点光源とコリメータの使用です。Michelson (1918) は、当時利用可能な光源のコヒーレンス長が限られていたため、Twyman–Green 構成は大型光学部品のテストには不向きであると批判しました。Michelson は、コヒーレンス長の制限によって課される幾何学的制約により、テストミラーと同じサイズの参照ミラーを使用する必要があり、Twyman–Green は多くの用途で実用的ではないと指摘しました。^{[ 58 ]}数十年後、レーザー光源の出現により、Michelson の異議が解消されました。 （レーザー光源と不等光路長を用いたトワイマン・グリーン干渉計は、レーザー不等光路干渉計、またはLUPIとして知られています。^{[ 59 ]}）図 14は、レンズをテストするためにセットアップされたトワイマン・グリーン干渉計を示しています。単色点光源からの光は、発散レンズ（図示せず）によって拡大され、平行光線にコリメートされます。凸面球面鏡は、その曲率中心がテスト対象のレンズの焦点と一致するように配置されます。出射光線は、解析のためにイメージングシステムによって記録されます。^{[ 60 ]}

マッハ・ツェンダー干渉計は集積光回路で使用されており、そこでは光は導波路の2つの分岐間で干渉し、それらの相対位相は外部から変調されて変化します。ビームスプリッターの1つをわずかに傾けると、経路差が生じ、干渉パターンが変化します。マッハ・ツェンダー干渉計は、 RF変調器からセンサー^{[ 61 ] [ 62 ]}、光スイッチ^{[ 63 ]}まで、さまざまなデバイスの基礎となっています。

提案されている、あるいは将来的に建設される超大型天体望遠鏡の中には、 30メートル望遠鏡や超大型望遠鏡のように、セグメント構造を採用するものもある。これらの望遠鏡の主鏡は、数百個の六角形の鏡セグメントから構成される。このような高度に非球面かつ非回転対称な鏡セグメントを研磨し、形状を整えることは、大きな課題となる。従来の光学試験では、ヌルコレクターを用いて表面を球面基準と比較する。 複雑な非球面の試験設定では、ヌルコレクターをコンピュータ生成ホログラム で補完する。図15は、この方法を示している。（図とは異なり、実際のCGHの線間隔は1～10μm程度である 。）レーザー光がホログラムを通過すると、ゼロ次回折光は波面変化を受けない。しかし、一次回折光の波面は、試験対象表面の所望の形状に一致するように変化する。図示されたフィゾー干渉計のテストセットアップでは、ゼロ次回折光は球面基準面に向かって照射され、一次回折光はテスト面に向かって照射され、2つの反射光が組み合わさって干渉縞を形成します。^{[ 64 ]}

リングレーザージャイロスコープ（RLG）と光ファイバージャイロスコープ（FOG）は、航法システムで使用される干渉計です。これらはサニャック効果の原理に基づいて動作します。RLGとFOGの違いは、RLGではリング全体がレーザーの一部であるのに対し、FOGでは外部レーザーが光ファイバーリングに逆方向に伝搬するビームを注入し、システムの回転によってこれらのビーム間に相対的な位相シフトが生じる点です。RLGでは、観測される位相シフトは累積回転に比例しますが、FOGでは、観測される位相シフトは角速度に比例します。^{[ 65 ]}

電気通信ネットワークでは、ヘテロダインを使用して個々の信号の周波数を、単一の物理伝送線を共有する可能性のある異なるチャネルに移動させます。これは周波数分割多重（FDM）と呼ばれます。たとえば、ケーブルテレビシステムで使用される同軸ケーブルは、それぞれに異なる周波数が割り当てられるため互いに干渉しないため、500のテレビチャンネルを同時に伝送できます。連続波（CW）ドップラーレーダー検出器は、基本的に送信ビームと反射ビームを比較するヘテロダイン検出デバイスです。^{[ 66 ]}

光ヘテロダイン検出は、大気中で散乱された非常に微弱な光を検出して風速を高精度で監視できるコヒーレントドップラーライダー測定に使用されます。光ファイバー通信、さまざまな高解像度分光技術に応用されており、自己ヘテロダイン法はレーザーの線幅を測定するために使用できます。^{[ 9 ] [ 67 ]}

光ヘテロダイン検出は、光源の周波数を高精度で測定したり、その周波数を安定化したりする際に用いられる重要な技術です。比較的最近まで、セシウム原子時間源などのマイクロ波周波数を光周波数に接続するには、長い周波数チェーンが必要でした。チェーンの各ステップでは、周波数逓倍器を使用してそのステップの周波数の高調波を生成し、それを次のステップ（マイクロ波光源、遠赤外線レーザー、赤外線レーザー、または可視レーザーの出力）とヘテロダイン検出で比較していました。単一のスペクトル線を測定するには、カスタム周波数チェーンの構築に数年の労力が必要でした。現在では、光周波数コムによって、光周波数を測定するはるかに簡単な方法が提供されています。モード同期レーザーを変調してパルス列を形成すると、そのスペクトルは、搬送波周波数を、パルス繰り返し周波数と同じ間隔で並んだ光側波帯周波数のコムで囲んだものになります（図 16）。パルス繰り返し周波数は周波数標準の周波数にロックされ、スペクトルの赤端のコム要素の周波数は2倍にされ、スペクトルの青端のコム要素の周波数とヘテロダインされるため、コムは自身の基準として機能する。このようにして、周波数コム出力の原子標準へのロックを1ステップで実行できる。未知の周波数を測定するには、周波数コム出力をスペクトルに分散させる。未知の周波数をコムの適切なスペクトルセグメントに重ね合わせ、結果として生じるヘテロダインビートの周波数を測定する。^{[ 68 ] [ 69 ]}

光干渉法の最も一般的な産業用途の 1 つは、表面形状の高精度検査のための汎用測定ツールとしてです。一般的な干渉測定技術には、位相シフト干渉法 (PSI) ^{[ 70 ]}および垂直走査干渉法 (VSI) ^{[ 71 ]}があり、これは走査白色光干渉法(SWLI) または ISO 用語のコヒーレンス走査干渉法(CSI) ^{[ 72 ]}としても知られています。CSIはコヒーレンスを利用して干渉顕微鏡の機能範囲を拡張します。^{[ 73 ] [ 74 ]}これらの技術は、マイクロエレクトロニクスおよびマイクロ光学製造で広く使用されています。PSI は単色光を使用し、非常に精密な測定を提供しますが、非常に滑らかな表面にのみ使用できます。CSI は多くの場合、白色光と高開口数を使用し、PSI のようにフリンジの位相を見るのではなく、フリンジのコントラストが最大になる最適な位置、またはフリンジパターン全体のその他の特徴を探します。最も単純な形式では、CSI は PSI よりも精度は低いものの、粗い表面にも使用できます。CSI の一部の構成は、拡張 VSI (EVSI)、高解像度 SWLI、または周波数領域分析 (FDA) などと呼ばれ、干渉位相と組み合わせてコヒーレンス効果を使用して精度を高めています。^{[ 75 ] [ 76 ]}

位相シフト干渉法は、静的干渉縞の古典的な解析に関連するいくつかの問題に対処します。従来の方法では、干渉縞の中心位置を測定します。図 13に示すように、干渉縞の直線性および等間隔からのずれは、収差の尺度となります。干渉縞の中心位置を決定する際の誤差は、古典的な解析の精度の限界となり、干渉縞全体にわたる強度の変動も誤差を引き起こします。精度とデータ点数の間にはトレードオフがあります。干渉縞の間隔が狭いと、精度が低いデータ点が多数得られますが、間隔が広いと、高精度のデータ点が少数しか得られません。古典的な解析では干渉縞の中心データのみを使用するため、理論的には干渉縞の強度変動の詳細な解析によって得られるはずの他のすべての情報は破棄されます。^{[ 77 ] [ 78 ]}最後に、静的干渉縞では、波面の極性を決定するために追加の情報が必要です。図 13 では、右側のテスト面が平面からずれていることがわかりますが、この単一の画像からは、この平面からのずれが凹面か凸面かを判断することはできません。従来、この情報は、基準面を押したときに干渉縞が移動する方向を観察するなど、非自動化された手段を使用して取得されていました。^{[ 79 ]}

位相シフト干渉法は、干渉縞の中心を探すことに頼らず、CCDイメージセンサーのすべての点から強度データを収集することによって、これらの制限を克服します。図 17 に示すように、圧電トランスデューサ (PZT)を使用して各露光の間に基準光学面を波長の正確な割合だけシフトさせて、複数の干渉図 (少なくとも 3 つ) を解析します。あるいは、レーザー周波数を変調することによって正確な位相シフトを導入することもできます。^{[ 80 ]}取得された画像は、コンピュータによって処理され、光学波面誤差が計算されます。PSI の精度と再現性は、静的干渉図解析で可能な範囲をはるかに超えており、波長の 100 分の 1 の測定再現性が日常的に実現されています。^{[ 77 ] [ 78 ]}位相シフト技術は、Twyman–Green、Mach–Zehnder、レーザー Fizeau などのさまざまなタイプの干渉計、さらには点回折や横方向せん断干渉計などの一般的な経路構成にも適用されています。^{[ 79 ] [ 81 ]}より一般的には、位相シフト技術は、ホログラフィック干渉法やスペックル干渉法など、測定に干渉縞を使用するほぼすべてのシステムに適用できます。^{[ 79 ]}

コヒーレンス走査干渉法では、^{[ 82 ]}干渉は、干渉計の光路長遅延が光源のコヒーレンス時間内に一致する場合にのみ発生します。CSI は、干渉縞の位相ではなく、干渉縞のコントラストを監視します。^{[ 2 ] : 105}図17 は、対物レンズにミロー干渉計 を使用した CSI 顕微鏡を示しています。白色光で使用される他の形式の干渉計には、マイケルソン干渉計 (低倍率の対物レンズ用。ミロー対物レンズの参照ミラーが開口部を過度に遮るため) と、リニック干渉計(作動距離が制限された高倍率の対物レンズ用) があります。^{[ 83 ]}サンプル (または、あるいは対物レンズ) は、サンプルの全高さ範囲にわたって垂直に移動され、各ピクセルについて最大の干渉縞コントラストの位置が見つかります。^{[ 73 ] [ 84 ]}コヒーレンス走査干渉法の主な利点は、コヒーレント干渉法の 2 π 曖昧さの影響を受けないシステムを設計できることです。^{[ 85 ] [ 86 ] [ 87 ]}図 18 に示すように、180μm x 140μm x 10μm のボリュームを走査するため、段差や粗い表面のプロファイル測定に適しています。システムの軸方向分解能は、光源のコヒーレンス長によって部分的に決定されます。^{[ 88 ] [ 89 ]}産業用途には、プロセス内表面計測、粗さ測定、アクセス困難な空間や過酷な環境における 3D 表面計測、高アスペクト比の特徴 (溝、チャネル、穴) を持つ表面のプロファイル測定、および膜厚測定 (半導体および光学産業など) が含まれます。^{[ 90 ] [ 91 ]}      

図 19は、マクロな物体を白色光で走査するためにセットアップされたトワイマン・グリーン干渉計を示しています。

ホログラフィック干渉法は、単一波長実装においてホログラフィーを用いて微小変形をモニタリングする技術である。多波長実装においては、大型部品やアセンブリの寸法計測、およびより大きな表面欠陥の検出に用いられる。^{[ 2 ]： 111-120}

ホログラフィック干渉法は、ホログラムの作成中に犯されたミスから偶然発見された。初期のレーザーは比較的弱く、写真乾板は感度が低かったため、長時間露光が必要となり、その間に光学系に振動やわずかなずれが生じる可能性があった。その結果、ホログラムの被写体が干渉縞で覆われたホログラムは、失敗作とみなされた。^{[ 92 ]}

最終的に、1960年代半ばに複数の独立した実験グループが、干渉縞が対象物で発生している次元変化に関する重要な情報を符号化していることに気づき、意図的にホログラフィック二重露光を生成し始めた。ホログラフィック干渉法の主要な記事では、この方法の特許発行中に発生した発見の優先権をめぐる論争について取り上げている。^{[ 93 ]}

二重露光および多重露光ホログラフィーは、ホログラフィック干渉図を作成するために使用される 3 つの方法の 1 つです。最初の露光では、物体が無応力状態にあることが記録されます。同じ写真乾板へのその後の露光は、物体に何らかの応力が加えられている間に行われます。合成画像は、応力が加えられた状態と応力が加えられていない状態の違いを示しています。^{[ 94 ]}

リアルタイムホログラフィーは、ホログラフィック干渉図を作成する2番目の方法です。応力がかかっていない物体のホログラムを作成します。このホログラムに参照光を照射して、物体に何らかの応力がかかっている間に、元の物体の上に直接重ね合わせた物体のホログラム画像を生成します。このホログラム画像からの物体波は、物体から来る新しい波と干渉します。この技術により、形状変化をリアルタイムで監視できます。^{[ 94 ]}

3つ目の方法である時間平均ホログラフィーは、対象物に周期的な応力や振動を与えながらホログラムを作成するものです。これにより、振動パターンの視覚的な画像が得られます。^{[ 94 ]}

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  図20．ハワイ州キラウエア火山のInSAR画像。6ヶ月間の地形変形によって生じた縁取りが写っている。
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  図21．固定された正方形プレートの振動モードを示すESPI干渉縞

干渉合成開口レーダー(InSAR) は、測地学やリモートセンシングで使用されるレーダー技術です。地理的特徴の衛星合成開口レーダー画像は別々の日に撮影され、別々の日に撮影されたレーダー画像間の変化は、ホログラフィック干渉法で得られるものと同様の干渉縞として記録されます。この技術は、地震、火山、地滑りによって生じるセンチメートルからミリメートル規模の変形を監視することができ、構造工学、特に地盤沈下や構造安定性の監視にも使用されます。図 20 は、ハワイの活火山であるキラウエアを示しています。1994 年 4 月 13 日と 1994 年 10 月 4 日にスペース シャトル エンデバーの X バンド合成開口レーダーを使用して取得されたデータを使用して干渉縞が生成され、それがキラウエアの X-SAR 画像に重ね合わされました。^{[ 95 ]}

電子スペックルパターン干渉法（ESPI）、別名TVホログラフィーは、ビデオ検出と記録を使用して物体の画像を作成し、その上に記録間の物体の変位を表す干渉縞パターンを重ね合わせます（図 21参照）。干渉縞はホログラフィック干渉法で得られるものと似ています。^{[ 2 ]： 111–120 [ 96 ]}

レーザーが最初に発明されたとき、レーザースペックルは、特にホログラフィックイメージングにおいて、生成される画像がざらつくため、物体を照射するためにレーザーを使用する際の重大な欠点と考えられていました。後に、スペックルパターンが物体の表面変形に関する情報を伝えることができることが認識されました。バタースとレーンダーツは1970年にスペックルパターン干渉法を開発し^{[ 97 ]}、それ以来、スペックルは他のさまざまなアプリケーションで利用されています。変形前のスペックルパターンの写真と、変形後のスペックルパターンの写真が撮影されます。2つの画像のデジタル減算により相関フリンジパターンが得られ、フリンジは等しい変形の線を表します。ナノ秒範囲の短いレーザーパルスを使用して、非常に高速な過渡現象を捉えることができます。位相の問題があります。他の情報がない場合、ピークを示す等高線とトラフを示す等高線を区別することはできません。位相の曖昧さの問題を解決するために、ESPIは位相シフト法と組み合わせることができます。^{[ 98 ] [ 99 ]}

Yrjö Väisäläが考案した、高精度な測地基準線を確立する方法は、白色光のコヒーレンス長が短いことを利用した。当初、白色光は2つに分割され、基準光は「折り返され」、正確に1m離れた2枚の鏡の間で6回往復した。テスト光路が基準光路の正確に6倍である場合にのみ、干渉縞が観測された。この手順を繰り返し適用することで、最大864メートルまでの距離を高精度に測定することができた。このようにして確立された基準線は、測地距離測定機器の校正に使用され、これらの機器で測定される測地網の計量的にトレーサブルな尺度につながった。^{[ 100 ]}（この方法はGPSに取って代わられた。）

干渉計の他の用途としては、物質の分散の研究、複素屈折率の測定、熱特性の測定などがあります。また、構造物の振動パターンのマッピングを含む三次元運動マッピングにも使用されます。^{[ 75 ]}

1964年時点で記録されているレーザー干渉法の潜在的な軍事用途には、「ミサイルのアライメントや砲塔の照準装置などの機器の研究、製造、および現場での使用における精密な位置決め、マイクロインチ単位の精度は必要ないが基線の正確な設定が不可欠な測地学および地図作成、光学的な視認能力に影響を与える大気中の温度変化の遠隔測定」などがあった。^{[ 101 ]}

生物学や医学に応用されている光干渉法は、生体分子、細胞内成分、細胞、組織の測定に高感度な計測機能を提供する。^{[ 102 ]}多くのラベルフリーバイオセンサーは干渉法に依存している。これは、電磁場と局所的な分子分極率との直接的な相互作用により、蛍光タグやナノ粒子マーカー が不要になるためである。より大きなスケールでは、細胞干渉法は位相差顕微鏡と共通する側面を持つが、屈折と回折による細胞構成要素間の光干渉に依存する、はるかに大きなクラスの位相感応型光学構成を含む。組織スケールでは、組織構造の微小収差と不均一性を通過する部分的にコヒーレントな前方散乱光伝搬により、位相感応型ゲーティング（光コヒーレンストモグラフィー）や位相感応型ゆらぎ分光法を使用して微妙な構造的および動的特性を画像化する機会が得られる。

光コヒーレンストモグラフィー(OCT) は、低コヒーレンス干渉法を用いて組織内部の微細構造を断層撮影で可視化する医療画像技術です。図 22 に示すように、典型的な OCT システムの中核はマイケルソン干渉計です。干渉計の一方のアームは組織サンプルに焦点を合わせ、サンプルを XY 縦方向のラスターパターンでスキャンします。もう一方の干渉計のアームは参照ミラーで反射されます。組織サンプルからの反射光は、参照からの反射光と合成されます。光源のコヒーレンスが低いため、干渉信号はサンプルの限られた深さでのみ観測されます。したがって、XY スキャンでは、サンプルの薄い光学スライスを一度に 1 つ記録します。複数のスキャンを実行し、各スキャンの間に参照ミラーを移動することで、組織の 3 次元画像全体を再構成できます。^{[ 103 ] [ 104 ]}最近の進歩では、コヒーレント干渉法のナノメートル位相回復と低コヒーレンス干渉法の測距能力を組み合わせることに努めています。^{[ 75 ]}

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  図24．位相差顕微鏡下で観察したスピロギラ細胞（藻類フィラメントから分離したもの）
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  図25.トキソプラズマ・ゴンディの未胞子形成オーシスト、微分干渉コントラスト
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  図26．クモの高解像度位相差X線画像

位相差顕微鏡と微分干渉コントラスト（DIC）顕微鏡は、生物学と医学において重要なツールです。ほとんどの動物細胞と単細胞生物は色がほとんどなく、細胞内小器官は単純な明視野照明の下ではほとんど見えません。これらの構造は標本を染色することで可視化できますが、染色手順は時間がかかり、細胞を死滅させます。図 24と 25に示すように、位相差顕微鏡とDIC顕微鏡を使用すると、染色されていない生きた細胞を研究できます。^{[ 105 ]} DICには、平面シリコン半導体プロセスの分析など、生物学的以外の用途もあります。

角度分解低コヒーレンス干渉法（a/LCI）は、散乱光を用いて細胞核を含む細胞内小器官のサイズを測定します。これにより、干渉法による深さ測定と密度測定を組み合わせることが可能になります。組織の健康状態と細胞内小器官の測定値の間には、さまざまな相関関係が見つかっています。たとえば、組織が正常から癌に変化すると、平均細胞核サイズが増加することがわかっています。^{[ 106 ] [ 107 ]}

位相コントラスト X 線イメージング (図 26) は、コヒーレント X 線ビームの位相情報を使用して軟組織を画像化するさまざまな技術を指します。(基本的な説明については、「位相コントラスト X 線イメージング (概要)」を参照してください。より詳細なレビューについては、「位相コントラスト X 線イメージング」を参照してください。) これは、幅広い生物学的および医学的研究において、細胞および組織学的構造を可視化するための重要な方法となっています。 X 線位相コントラストイメージングにはいくつかの技術が使用されており、それぞれ異なる原理を使用して、物体から放出される X 線の位相変化を強度変化に変換します。[ ^{108 ] [ 109 ]これら}には、伝播ベースの位相コントラスト、^{[ 110 ]}タルボット干渉法、^{[ 109 ]}モアレベースの遠視野干渉法、^{[ 111 ]}屈折強調イメージング、^{[ 112 ]}および X 線干渉法が含まれます。^{[ 113 ]}これらの方法は、通常の吸収コントラストX線イメージングと比較してコントラストが高く、より細かい部分を見ることができます。欠点は、これらの方法には、シンクロトロンやマイクロフォーカスX線源、X線光学系、高解像度X線検出器などのより高度な装置が必要であることです。