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JP7575119B2 - Optical comb distance measurement device - Google Patents

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JP7575119B2
JP7575119B2 JP2022181589A JP2022181589A JP7575119B2 JP 7575119 B2 JP7575119 B2 JP 7575119B2 JP 2022181589 A JP2022181589 A JP 2022181589A JP 2022181589 A JP2022181589 A JP 2022181589A JP 7575119 B2 JP7575119 B2 JP 7575119B2
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Description

本発明は、測定対象物の奥行き方向に存在する複数の反射面までの各距離を測定する光コム距離計測装置に関する。 The present invention relates to an optical comb distance measurement device that measures the distances to multiple reflecting surfaces that exist in the depth direction of a measurement object.

従来より、ガラス板、レンズなどの透明乃至半透明な被測定物について、その板厚寸法や面形状を光学的に非接触で測定する装置では、光ビームを被測定物に照射して、上記被測定物の表面と裏面により反射された表面反射光と裏面反射光を個別の光検出器により検出することにより、各光検出器における検出光の時間差として計測することによりガラス板厚を測定するようにしていた(例えば、特許文献1,2参照)。 Conventionally, in devices for optically and non-contactly measuring the thickness and surface shape of transparent or semi-transparent objects such as glass plates and lenses, a light beam is irradiated onto the object, and the surface reflected light and back reflected light reflected by the front and back surfaces of the object are detected by separate photodetectors, and the glass thickness is measured by measuring the time difference between the detected light at each photodetector (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特許文献1の開示技術では、被測定物に光ビームを投射して、上記被測定物の表面で反射した表面反射光の光路を検出する手段と、上記被測定物の裏面で反射した裏面反射光の光路を検出する手段とが設けられている。 The technology disclosed in Patent Document 1 includes a means for projecting a light beam onto an object to be measured and detecting the optical path of the surface reflected light reflected from the surface of the object to be measured, and a means for detecting the optical path of the back surface reflected light reflected from the back surface of the object to be measured.

また、特許文献2の開示技術では、照射光学系の光軸に平行にかつ実質的に一定速度で移動するレーザー光を被測定ガラス板に照射し、その表面反射光と裏面反射光を受光光軸上の少なくとも2つの異なる位置に設けた受光器における検出光の時間差として検出し、該時間差並びに測定光学系とガラス板の距離とから、ガラス板の厚さを算出している。 In addition, in the technology disclosed in Patent Document 2, a laser beam that moves parallel to the optical axis of the irradiation optical system and at a substantially constant speed is irradiated onto the glass plate to be measured, and the surface reflected light and the back reflected light are detected as the time difference of the detected light in a receiver installed at at least two different positions on the receiving optical axis, and the thickness of the glass plate is calculated from the time difference and the distance between the measurement optical system and the glass plate.

本件発明者等は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある参照光と測定光をパルス出射する2つの光コム発生器を備え、基準面に照射される参照光パルスと測定面に照射される測定光パルスとの干渉光を参照光検出器により検出するとともに、上記基準面により反射された参照光パルスと上記測定面により反射された測定光パルスとの干渉光を測定光検出器により検出して、上記参照光検出器と測定光検出器により得られる2つ干渉信号の時間差から、上記基準面までの距離と上記測定面までの距離の差を求めることにより、高精度で、しかも短時間に測距測定を行うことの可能な光コム距離計を先に提案している(例えば、特許文献3参照)。 The inventors of the present invention have previously proposed an optical comb rangefinder that is capable of performing distance measurements with high accuracy and in a short time by having two optical comb generators that emit pulses of coherent reference light and measurement light, each of which is periodically modulated in intensity or phase and has a different modulation period, detecting the interference light between the reference light pulse irradiated to the reference surface and the measurement light pulse irradiated to the measurement surface with a reference light detector, and detecting the interference light between the reference light pulse reflected by the reference surface and the measurement light pulse reflected by the measurement surface with a measurement light detector, and determining the difference between the distance to the reference surface and the distance to the measurement surface from the time difference between the two interference signals obtained by the reference light detector and the measurement light detector (see, for example, Patent Document 3).

また、測定面までの距離の基準点位置を基準光路により規定して、長距離測定を高精度で、しかも短時間に行うことができるようにした光コム距離計を先に提案している(例えば、特許文献4参照)。 We have also previously proposed an optical comb distance meter that determines the reference point position of the distance to the measurement surface using a reference optical path, enabling long distance measurements to be performed with high accuracy and in a short time (see, for example, Patent Document 4).

特開昭59-54910号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-54910 特開平6-174432号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-174432 特許第5231883号公報Patent No. 5231883 特開2020-12641号公報JP 2020-12641 A

ところで、上記特許文献1や特許文献2によれば、透明乃至半透明な被測定物の板厚を光学的に非接触で測定することができるが、被測定物の表面と裏面により反射された表面反射光と裏面反射光を個別の光検出器により検出する測定光学系を備える必要がある。 According to the above-mentioned Patent Documents 1 and 2, the thickness of a transparent or semi-transparent object can be optically measured without contact, but it is necessary to provide a measurement optical system that detects the surface reflected light and back reflected light reflected by the front and back surfaces of the object using separate photodetectors.

また、本件発明者等が先に提案している光コム距離計では、測定面までの距離を高精度で、しかも短時間に測距測定を行うことができるのであるが、1つの測定点は1つ反射面からの反射であることを仮定した信号処理を行うことにより、測定対象物により反射される表面反射光に基づいて測定面までの距離を計算していたので、多重反射があると正しく距離を計算することができず、透明乃至半透明な被測定物の板厚を測定することはできない。 In addition, the optical comb distance meter previously proposed by the inventors of this invention can measure the distance to the measurement surface with high accuracy and in a short time, but it performs signal processing under the assumption that one measurement point is a reflection from one reflecting surface, and calculates the distance to the measurement surface based on the surface reflected light reflected by the measurement object. Therefore, if there are multiple reflections, the distance cannot be calculated correctly, and it is not possible to measure the thickness of a transparent or translucent object.

本発明の目的は、上述のごとき従来の実情に鑑み、光コム距離計を改良して、測定対象物の奥行き方向に存在する複数の反射面までの距離を高精度で、しかも短時間に測定することができるようにしたコム距離計測装置を提供することにある。 In view of the above-mentioned conventional situation, the object of the present invention is to provide a comb distance measurement device that improves the optical comb distance meter and is capable of measuring the distance to multiple reflecting surfaces present in the depth direction of the measurement object with high accuracy and in a short time.

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。 Other objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become more apparent from the description of the embodiments described below.

本発明では、光コム干渉計の信号処理アルゴリズムを奥行き方向に存在する複数の反射面に対応するように拡張することによって、複数の反射面までの距離を算出する信号処理を行う。 In the present invention, the signal processing algorithm of the optical comb interferometer is expanded to accommodate multiple reflecting surfaces present in the depth direction, thereby performing signal processing to calculate the distances to multiple reflecting surfaces.

すなわち、本発明は、光コム距離計測装置であって、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光と参照光を出射する光源部と、上記光源部から出射された測定光と参照光を重ね合わせる基準干渉計と、上記測定光を測定対象物に照射して、該測定対象物により反射されて戻ってきた測定光と上記参照光を重ね合わせる測定干渉計と、上記基準干渉計により測定光と参照光を重ね合わせて得られる干渉光を受光する基準光検出器と、上記測定干渉計により上記測定光と参照光を重ね合わせて得られる干渉光を受光する測定光検出器と、上記測定光検出器による干渉光の検出出力として得られる測定干渉信号に含まれる上記測定対象物の奥行き方向に存在する複数の反射面による各反射信号の上記基準光検出器による干渉光の検出出力として得られる基準干渉信号に対する遅れ時間から上記複数の反射面までの距離を算出する信号処理部とを備え、上記信号処理部は、上記測定干渉信号から、反射由来の信号部分を反射信号として抽出する反射信号抽出処理と、抽出した各反射信号と上記基準干渉信号を高速フーリエ変換して、各反射信号と上記基準干渉信号間の同じ次数の周波数成分の位相差を求める位相計算処理を行うことを特徴とする。 That is, the present invention is an optical comb distance measurement device, comprising: a light source unit that emits measurement light and reference light, each of which is periodically modulated in intensity or phase and has a different modulation period from each other; a reference interferometer that superimposes the measurement light and reference light emitted from the light source unit; a measurement interferometer that irradiates a measurement object with the measurement light and superimposes the measurement light and the reference light that are reflected and returned by the measurement object; a reference photodetector that receives interference light obtained by superimposing the measurement light and the reference light by the reference interferometer; a measurement photodetector that receives interference light obtained by superimposing the measurement light and the reference light by the measurement interferometer; and a signal processing unit that calculates distances to the multiple reflecting surfaces from delay times of each reflected signal by a multiple reflecting surfaces present in the depth direction of the object to be measured, the delay times being included in a measurement interference signal obtained as a detection output of interference light by the reference photodetector, relative to a reference interference signal obtained as a detection output of interference light by the reference photodetector, wherein the signal processing unit performs a reflection signal extraction process that extracts a signal portion derived from reflection as a reflection signal from the measurement interference signal, and a phase calculation process that performs a fast Fourier transform on each extracted reflection signal and the reference interference signal to obtain a phase difference of the same order frequency component between each reflection signal and the reference interference signal .

また、本発明に係る光コム距離計測装置において、上記信号処理部は、上記反射信号抽出処理において、上記基準干渉信号と上記測定干渉信号の相互相関関数を計算して得られる相関信号包絡線のピーク検出により各反射信号を抽出するものとすることができる。 In addition, in the optical comb distance measurement device according to the present invention, the signal processing unit can extract each reflected signal by detecting the peak of a correlation signal envelope obtained by calculating the cross-correlation function between the reference interference signal and the measurement interference signal in the reflected signal extraction process.

また、本発明に係る光コム距離計測装置において、上記信号処理部は、上記反射信号抽出処理において、予め設定された反射信号波形を抽出するための時間窓関数を移動させて、上記測定干渉信号波形から反射信号波形を抽出し、抽出された反射信号波形のピーク検出により各反射信号を抽出するものとすることができる。 In addition, in the optical comb distance measurement device according to the present invention, the signal processing unit can be configured to move a time window function for extracting a predetermined reflected signal waveform in the reflected signal extraction process, extract the reflected signal waveform from the measured interference signal waveform, and extract each reflected signal by detecting the peak of the extracted reflected signal waveform.

さらに、本発明に係る光コム距離計測装置において、上記信号処理部は、上記反射信号抽出処理において、上記基準干渉信号と上記測定干渉信号の相互相関関数を計算して得られる相関信号包絡線のピーク検出により反射信号の大まかな位置を検出し、検出された位置近傍の測定干渉信号波形から、予め設定された反射信号波形を抽出するための時間窓関数を用いて反射信号波形を抽出し、抽出された反射信号波形のピーク検出により各反射信号を抽出するものとすることができる。 Furthermore, in the optical comb distance measurement device according to the present invention, the signal processing unit, in the reflected signal extraction process, can detect the rough position of the reflected signal by detecting the peak of the correlation signal envelope obtained by calculating the cross-correlation function between the reference interference signal and the measured interference signal, extract the reflected signal waveform from the measured interference signal waveform near the detected position using a time window function for extracting a predetermined reflected signal waveform, and extract each reflected signal by detecting the peak of the extracted reflected signal waveform.

本発明に係る光コム距離計測装置では、信号処理部において、測定干渉信号に含まれる測定対象物の奥行き方向に存在する複数の反射面による各反射信号を抽出し、抽出した各反射信号の基準干渉信号に対する遅れ時間から上記複数の反射面までの距離を算出することができる。
In the optical comb distance measurement device of the present invention, the signal processing unit extracts each reflection signal caused by multiple reflection surfaces present in the depth direction of the object to be measured, which is included in the measurement interference signal, and can calculate the distance to the multiple reflection surfaces from the delay time of each extracted reflection signal relative to a reference interference signal .

したがって、本発明では、測定対象物の奥行き方向に存在する複数の反射面までの距離を高精度で、しかも短時間に測定することができる光コム距離計測装置を提供することができる。 Therefore, the present invention provides an optical comb distance measurement device that can measure the distance to multiple reflecting surfaces present in the depth direction of the measurement object with high accuracy and in a short time.

図1は、本発明を適用した光コム距離計測装置の構成例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of an optical comb distance measurement device to which the present invention is applied. 図2は、上記光コム距離計測装置において、信号処理部により実行される距離算出処理の手順を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing the procedure of the distance calculation process executed by the signal processing unit in the optical comb distance measurement device. 図3は、測定対象物が半透明の基板とした場合に、上記測定対象物により反射されて戻ってくる測定光による測定信号波形に含まれる上記測定対象物による表面反射光信号波形と裏面反射光信号波形と参照光による基準信号波形を示す波形図である。FIG. 3 is a waveform diagram showing a surface reflected light signal waveform and a back surface reflected light signal waveform from the measurement object, and a reference signal waveform from the reference light, which are included in a measurement signal waveform due to measurement light reflected and returned by the measurement object when the measurement object is a translucent substrate. 図4は、上記信号処理部により実行される距離算出処理における相互相関関数による反射信号抽出処理の手順を示すフローチャートである。FIG. 4 is a flowchart showing the procedure of the reflected signal extraction process using a cross-correlation function in the distance calculation process executed by the signal processing unit. 図5、は上記相互相関関数による反射信号抽出処理の説明に供する表面反射光信号波形と裏面反射光信号波形と基準信号波形を示す波形図である。FIG. 5 is a waveform diagram showing a front surface reflected light signal waveform, a rear surface reflected light signal waveform, and a reference signal waveform, which are provided for explaining the reflected signal extraction process using the cross-correlation function. 図6は、上記信号処理部により実行される距離算出処理における時間窓関数を用いた反射信号抽出処理の手順を示すフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the reflected signal extraction process using a time window function in the distance calculation process executed by the signal processing unit. 図7は、上記時間窓関数を用いた反射信号抽出処理の説明に供する表面反射光信号波形と裏面反射光信号波形と基準信号波形を示す波形図である。FIG. 7 is a waveform diagram showing a front surface reflected light signal waveform, a rear surface reflected light signal waveform, and a reference signal waveform, which are provided for explaining the reflected signal extraction process using the above-mentioned time window function. 図8は、上記信号処理部により実行される距離算出処理における位相計算処理の手順を示すフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart showing a procedure of the phase calculation process in the distance calculation process executed by the signal processing unit. 図9は、測定対象物による反射光の説明に供する波形図であり、(A)は不透明な測定対象物による表面反射光の信号波形を示し、(B)は半透明な測定対象物による表面反射光や裏面反射光成分を含む反射光の信号波形を示す。FIG. 9 is a waveform diagram explaining the reflected light from the object to be measured, in which (A) shows the signal waveform of the surface reflected light from an opaque object to be measured, and (B) shows the signal waveform of the reflected light including the surface reflected light and the back surface reflected light components from a translucent object to be measured. 図10は、上記光コム距離計測装置において、光源部の2つ光コム発生器に供給される駆動信号の状態遷移を示す状態遷移図である。FIG. 10 is a state transition diagram showing state transitions of the drive signals supplied to the two optical comb generators of the light source unit in the optical comb distance measurement device. 図11は、上記信号処理部により実行される距離算出処理における絶対距離算出処理の手順を示すフローチャートである。FIG. 11 is a flowchart showing a procedure of the absolute distance calculation process in the distance calculation process executed by the signal processing unit.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention with reference to the drawings. Common components are described with common reference numerals in the drawings. Furthermore, the present invention is not limited to the following examples, and can be modified as desired without departing from the spirit of the present invention.

図1は、本発明を適用した光コム距離計測装置100の構成例を示すブロック図である。 Figure 1 is a block diagram showing an example configuration of an optical comb distance measurement device 100 to which the present invention is applied.

この光コム距離計測装置100は、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光S1と参照光S2を出射する光源部10と、上記光源部10から出射された測定光S1と参照光S2を重ね合わせる基準干渉計21と、上記測定光S1を測定対象物1に照射して、該測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光S1’と上記参照光S2を重ね合わせる測定干渉計22と、上記基準干渉計21により測定光S1と参照光S2を重ね合わせて得られる干渉光を受光する基準光検出器31と、上記測定準干渉計22により上記測定光S1’と参照光S2を重ね合わせて得られる干渉光を受光する測定光検出器32と、上記基準光検出器31による干渉光の検出出力として得られる基準干渉信号と上記測定光検出器32による干渉光の検出出力として得られる測定干渉信号との時間差から上記測定対象物1までの距離を算出する信号処理部40とを備える。 This optical comb distance measurement device 100 includes a light source unit 10 that emits measurement light S1 and reference light S2, each of which is periodically modulated in intensity or phase and has a different modulation period, a reference interferometer 21 that superimposes the measurement light S1 and reference light S2 emitted from the light source unit 10, a measurement interferometer 22 that irradiates the measurement light S1 to the measurement object 1 and superimposes the measurement light S1' reflected and returned by the measurement object 1 and the reference light S2, a reference light detector 31 that receives interference light obtained by superimposing the measurement light S1 and the reference light S2 by the reference interferometer 21, a measurement light detector 32 that receives interference light obtained by superimposing the measurement light S1' and the reference light S2 by the measurement quasi-interferometer 22, and a signal processing unit 40 that calculates the distance to the measurement object 1 from the time difference between a reference interference signal obtained as the detection output of the interference light by the reference light detector 31 and a measurement interference signal obtained as the detection output of the interference light by the measurement light detector 32.

この光コム距離計測装置100における光コム発生部10は、1つのレーザー光源11と、このレーザー光源11から出射されたレーザー光がビームスプリッタ12により2つのレーザー光に分岐されて、一方のレーザー光が入射される第1の光コム発生器13と、他方のレーザー光が周波数シフタ14を介して入射される第2の光コム発生器15からなる。 The optical comb generator 10 in this optical comb distance measurement device 100 consists of one laser light source 11, the laser light emitted from this laser light source 11 being split into two laser lights by a beam splitter 12, one of the laser lights being incident on a first optical comb generator 13, and the other laser light being incident via a frequency shifter 14 on a second optical comb generator 15.

上記第1の光コム発生器13と第2の光コム発生器15は、互いに位相同期され異なる周波数fm+Δfmと周波数fmで発振する図示しない発振器により駆動され、それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光S1と参照光S2を出射する。 The first optical comb generator 13 and the second optical comb generator 15 are driven by oscillators (not shown) that are phase-synchronized with each other and oscillate at different frequencies fm+Δfm and fm, respectively, and emit measurement light S1 and reference light S2 whose intensities or phases are periodically modulated and whose modulation periods are different from each other.

ここで、上記周波数シフタ14により所定の光周波数シフトが与えられたレーザー光が上記第2の光コム発生器15に入射されることにより、上記第1の光コム発生器13と第2の光コム発生器15から出射される測定光S1と参照光S2は、キャリア周波数間のビート周波数が直流信号ではなく、上記所定の光周波数の交流信号になる結果、キャリア周波数の高周波側サイドバンドのビート信号と低周波側サイドバンドのビート信号がビート信号のキャリア周波数間のビート周波数を挟んで相対する周波数領域に発生するため位相比較に都合が良い。 When the laser light to which a predetermined optical frequency shift has been given by the frequency shifter 14 is input to the second optical comb generator 15, the measurement light S1 and reference light S2 output from the first optical comb generator 13 and the second optical comb generator 15 have a beat frequency between the carrier frequencies that is not a DC signal but an AC signal of the predetermined optical frequency. As a result, the beat signal of the high-frequency sideband of the carrier frequency and the beat signal of the low-frequency sideband of the carrier frequency are generated in opposite frequency domains across the beat frequency between the carrier frequencies of the beat signals, which is convenient for phase comparison.

上記基準干渉計21は、上記第1の光コム発生器13から出射された測定光S1が入射される第1のビームスプリッタ21Aと、上記第2の光コム発生器15出射された参照光S2が入射される第2のビームスプリッタ21Bを備え、上記第1のビームスプリッタ21Aにより測定光S1が反射されて上記第2のビームスプリッタ21Bに入射されることにより、上記測定光S1と参照光S2を重ね合わせて得られる干渉光を基準光検出器31に入射させる。 The reference interferometer 21 includes a first beam splitter 21A on which the measurement light S1 emitted from the first optical comb generator 13 is incident, and a second beam splitter 21B on which the reference light S2 emitted from the second optical comb generator 15 is incident. The measurement light S1 is reflected by the first beam splitter 21A and incident on the second beam splitter 21B, and the interference light obtained by superimposing the measurement light S1 and the reference light S2 is incident on the reference photodetector 31.

また、上記測定干渉計22は、上記第1の光コム発生器13から出射された測定光S1が上記基準干渉計21の第1のビームスプリッタ21Aを通過して入射される第1のビームスプリッタ22Aと、上記第2の光コム発生器15出射された参照光S2が上記基準干渉計21の第2のビームスプリッタ21Bを通過して入射される第2のビームスプリッタ22Bを備え、上記第1のビームスプリッタ22Aを通過した測定光S1を測定対象物1に照射し、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光S1’が上記第1のビームスプリッタ22Aにより反射されて上記第2のビームスプリッタ22Bに入射されることにより、上記測定光S1’と参照光S2を重ね合わせて得られる干渉光を測定光検出器32に入射させる。 The measurement interferometer 22 includes a first beam splitter 22A through which the measurement light S1 emitted from the first optical comb generator 13 passes through the first beam splitter 21A of the reference interferometer 21 and is incident thereon, and a second beam splitter 22B through which the reference light S2 emitted from the second optical comb generator 15 passes through the second beam splitter 21B of the reference interferometer 21 and is incident thereon. The measurement light S1 that passes through the first beam splitter 22A is irradiated onto the measurement object 1, and the measurement light S1' reflected and returned by the measurement object 1 is reflected by the first beam splitter 22A and incident on the second beam splitter 22B, thereby causing the interference light obtained by superimposing the measurement light S1' and the reference light S2 to be incident on the measurement light detector 32.

上記基準光検出器31は、上記基準干渉計21を介して入射される上記測定光S1と参照光S2を重ね合わせた干渉光を受光することにより、上記干渉光の検出出力として得られる基準干渉信号を上記信号処理部40に供給する。 The reference light detector 31 receives interference light obtained by superimposing the measurement light S1 and the reference light S2 incident via the reference interferometer 21, and supplies a reference interference signal obtained as a detection output of the interference light to the signal processing unit 40.

また、上記測定光検出器32は、上記測定干渉計22を介して入射される上記測定光S1’と参照光S2を重ね合わせた干渉光を受光することにより、上記干渉光の検出出力として得られる測定干渉信号を上記信号処理部40に供給する。 The measurement light detector 32 receives interference light obtained by superimposing the measurement light S1' and the reference light S2 incident via the measurement interferometer 22, and supplies a measurement interference signal obtained as a detection output of the interference light to the signal processing unit 40.

そして、上記信号処理部40は、上記基準光検出器31による干渉光の検出出力として得られる基準干渉信号と上記測定光検出器32による干渉光の検出出力として得られる測定干渉信号について、図2のフローチャートに示す手順に従って、上記測定対象物1までの距離を算出する処理を行う。 Then, the signal processing unit 40 performs a process of calculating the distance to the measurement object 1 according to the procedure shown in the flowchart of FIG. 2, using the reference interference signal obtained as the detection output of the interference light by the reference light detector 31 and the measurement interference signal obtained as the detection output of the interference light by the measurement light detector 32.

すなわち、上記信号処理部40は、先ず最初の入力処理工程ST1において、上記基準光検出器31による干渉光の検出出力として得られる基準干渉信号と上記測定光検出器32による干渉光の検出出力として得られる測定干渉信号から、上記参照光S2による測定信号波形データと、上記測定対象物1により反射されて戻ってきた測定光S1’による測定信号波形データと、上記第1の光コム発生器13と第2の光コム発生器15におけるレーザー光の変調周波数Fmデータを取り込む。 That is, in the first input processing step ST1, the signal processing unit 40 first acquires measurement signal waveform data by the reference light S2, measurement signal waveform data by the measurement light S1' reflected and returned by the measurement object 1, and modulation frequency Fm data of the laser light in the first optical comb generator 13 and the second optical comb generator 15 from the reference interference signal obtained as the detection output of the interference light by the reference light detector 31 and the measurement interference signal obtained as the detection output of the interference light by the measurement light detector 32.

次の反射信号抽出処理工程ST2では、上記入力処理工程ST1において取り込まれた各波形データに基づいて、図4や図6のフローチャートに示す手順に従って、上記測定対象物1による反射信号を抽出する。 In the next reflected signal extraction process ST2, the reflected signal from the object to be measured 1 is extracted based on the waveform data captured in the input process ST1, following the procedures shown in the flowcharts of Figures 4 and 6.

次の位相計算処理工程ST3では、上記反射信号抽出処理工程ST2において取り込まれた反射信号について、図8のフローチャートに示す手順に従って、位相計算を行う。 In the next phase calculation process ST3, phase calculation is performed on the reflected signal captured in the reflected signal extraction process ST2 according to the procedure shown in the flowchart in Figure 8.

次の判定工程ST4では、上記反射信号抽出処理工程ST2に戻って次の反射信号を抽出するか否かの判定を行い、抽出する場合すなわち判定結果が「YES」の場合には反射信号抽出処理工程ST2に戻り、抽出しない場合すなわち判定結果が「NO」の場合には次の判定工程ST5に移って、この光コム距離計測装置100に設定されている出力モードの判定処理を行う。 In the next determination step ST4, the process returns to the reflected signal extraction processing step ST2 to determine whether or not to extract the next reflected signal. If the next reflected signal is to be extracted, i.e., if the determination result is "YES", the process returns to the reflected signal extraction processing step ST2. If the next reflected signal is not to be extracted, i.e., if the determination result is "NO", the process moves to the next determination step ST5, where the output mode set in the optical comb distance measurement device 100 is determined.

そして、この光コム距離計測装置100に設定されている出力モードが相対距離モードである場合には、次の相対距離出力工程ST6に移って、上記位相計算処理工程ST3において計算された位相情報に基づいて、上記測定対象物1の奥行き方向に存在する複数の反射面までの相対距離データを出力する。 If the output mode set in this optical comb distance measurement device 100 is the relative distance mode, the process proceeds to the next relative distance output step ST6, in which relative distance data to multiple reflecting surfaces present in the depth direction of the measurement object 1 is output based on the phase information calculated in the phase calculation processing step ST3.

また、この光コム距離計測装置100に設定されている出力モードが絶対距離モードである場合には、次の絶対距離算出処理工程ST7に移って、上記測定対象物1の奥行き方向に存在する複数の反射面までの絶対距離を算出する。 If the output mode set in this optical comb distance measurement device 100 is the absolute distance mode, the process proceeds to the next absolute distance calculation process ST7, where the absolute distances to the multiple reflecting surfaces present in the depth direction of the measurement object 1 are calculated.

次の絶対距離出力工程ST8では、上記絶対距離算出処理工程ST7による計算結果として得られる上記測定対象物1の各反射面までの絶対距離を示す絶対距離データを出力する。 In the next absolute distance output step ST8, absolute distance data indicating the absolute distance to each reflecting surface of the measurement object 1 obtained as a result of the calculation in the absolute distance calculation processing step ST7 is output.

ここで、上記測定対象物1が例えば半透明の基板とした場合、上記測定対象物1により反射されて戻ってくる測定光S1’による測定信号波形は、上記測定対象物1による表面反射光信号波形Aと裏面反射光信号波形Bを含み、図3に示すように、表面反射光信号波形と裏面反射光信号波形は、参照光S2による基準信号波形Cに対して、時間遅れT1、T2を持ったものになっている。 Here, if the measurement object 1 is, for example, a translucent substrate, the measurement signal waveform due to the measurement light S1' reflected and returned by the measurement object 1 includes a surface reflected light signal waveform A and a back surface reflected light signal waveform B due to the measurement object 1, and as shown in Figure 3, the surface reflected light signal waveform and the back surface reflected light signal waveform have time delays T1 and T2 with respect to the reference signal waveform C due to the reference light S2.

図4のフローチャートは、上記反射信号抽出処理工程S2において実行される、 相互相関関数による反射信号抽出処理の手順を示している。 The flowchart in Figure 4 shows the steps of the reflected signal extraction process using the cross-correlation function, which is executed in the reflected signal extraction process step S2.

上記信号処理部40は、上記反射信号抽出処理工程S2において、上記基準干渉信号と上記測定干渉信号の相互相関関数を計算して得られる相関信号包絡線のピーク検出により各反射信号を抽出する。 In the reflected signal extraction processing step S2, the signal processing unit 40 extracts each reflected signal by detecting the peak of the correlation signal envelope obtained by calculating the cross-correlation function between the reference interference signal and the measured interference signal.

すなわち、この相互相関関数による反射信号抽出処理では、先ず参照信号と測定信号の相互相関関数を計算する(処理工程ST21)。 That is, in this reflected signal extraction process using the cross-correlation function, the cross-correlation function between the reference signal and the measurement signal is first calculated (processing step ST21).

次に、反射信号の存在を確認するために、上記処理工程ST21により計算された相互相関関数で示される相関信号の包絡線のピークを検出する(処理工程ST22)。 Next, to confirm the presence of a reflected signal, the peak of the envelope of the correlation signal represented by the cross-correlation function calculated in the above process step ST21 is detected (process step ST22).

そして、上記処理工程ST22により検出された相関信号の包絡線のピークが規定値を超えている場合には、反射信号が存在していると見なして(処理工程ST23)、相関信号のピークから反射信号の発生時刻を計算することにより、図5に示すように、反射信号を検出する(処理工程ST24)。上記規定値は、雑音レベル、鏡面反射の信号レベルなどから決定される。 If the peak of the envelope of the correlation signal detected by the processing step ST22 exceeds a specified value, it is assumed that a reflected signal is present (processing step ST23), and the reflected signal is detected as shown in FIG. 5 by calculating the occurrence time of the reflected signal from the peak of the correlation signal (processing step ST24). The specified value is determined from the noise level, the signal level of the specular reflection, etc.

すなわち、参照信号、測定信号は反射が一点の場合、同一の包絡線波形を持っており、測定する距離に応じた時間だけ遅延した波形となる。参照信号、測定信号が、交流信号である場合、相互相関波形には、交流成分に由来する振動波形が含まれる。ここで、精度よく遅延時間を求めるには、交流成分由来の振動に影響されず干渉信号包絡線波形のピークや重心を求める必要がある。交流信号である場合、ヒルベルト変換により搬送波の位相がπ/2だけずれた波形を求めておいて元の波形との二乗和を計算して包絡線の振幅を求めるなどAM信号の復調方法と同様の手法を取ることができる。また相互相関関数から相関の大きさの絶対値が極値を持つ時刻をAM信号の復調方法と同様の手法により算出してもよい。 In other words, when the reference signal and the measurement signal are reflected at one point, they have the same envelope waveform, and the waveform is delayed by a time corresponding to the distance to be measured. When the reference signal and the measurement signal are AC signals, the cross-correlation waveform contains a vibration waveform derived from the AC component. Here, to accurately determine the delay time, it is necessary to determine the peak and center of gravity of the interference signal envelope waveform without being affected by the vibration derived from the AC component. In the case of an AC signal, a method similar to the AM signal demodulation method can be used, such as using the Hilbert transform to determine a waveform in which the phase of the carrier wave is shifted by π/2, and then calculating the square sum with the original waveform to determine the envelope amplitude. In addition, the time when the absolute value of the correlation magnitude has an extreme value from the cross-correlation function can be calculated using a method similar to the AM signal demodulation method.

なお、反射点が複数あれば複数のピークが発生する。それぞれそれで十分な精度の時刻が得られればそれでよい。精度が足りない場合は、さらに信号発生時刻を中心とした後述する窓関数を適用して狭い範囲の解析を行ってもよい。 If there are multiple reflection points, multiple peaks will occur. It is sufficient if a time can be obtained with sufficient accuracy from each of them. If the accuracy is insufficient, a window function (described later) centered on the signal generation time can be applied to analyze a narrower range.

また、図6のフローチャートは、上記反射信号抽出処理工程S2において実行される、時間窓関数を用いた反射信号抽出処理の手順を示している。 The flowchart in Figure 6 shows the steps of the reflected signal extraction process using a time window function, which is executed in the reflected signal extraction process step S2.

上記信号処理部40は、上記反射信号抽出処理工程S2において、予め設定された反射信号波形を抽出するための時間窓関数を移動させて、上記測定干渉信号波形から反射信号波形を抽出し、抽出された反射信号波形のピーク検出により各反射信号を抽出する。 In the reflected signal extraction process S2, the signal processing unit 40 extracts the reflected signal waveform from the measured interference signal waveform by moving a time window function for extracting a predetermined reflected signal waveform, and extracts each reflected signal by detecting the peak of the extracted reflected signal waveform.

すなわち、この時間窓関数を用いた反射信号抽出処理では、波形全体の長さと比較して短い時間の波形のみ取り出すような窓関数を適用して、時間窓関数を移動させて、上記測定干渉信号波形から反射信号波形を抽出する(処理工程ST21A)。 In other words, in the reflected signal extraction process using this time window function, a window function is applied that extracts only a waveform that is short compared to the overall length of the waveform, and the time window function is moved to extract the reflected signal waveform from the measured interference signal waveform (processing step ST21A).

時間窓関数には、特定の時間帯のみ100%透過、そのほかの時間帯は振幅が0となるような矩形窓関数のほか、ガウス窓、ハン窓、ハミング窓など、信号の形状に応じて適切な窓関数を選択することができる。矩形窓関数は計算区間の端部で波形が不連続に打ち切られることがあるため、周波数成分にサイドローブが生じて、距離計算の誤差を生む場合がある。 Time window functions include rectangular window functions that are 100% transparent only during a specific time period and have an amplitude of 0 during other times, as well as Gaussian, Hann, and Hamming windows, and other window functions can be selected according to the shape of the signal. Rectangular window functions can cause the waveform to be cut off discontinuously at the ends of the calculation interval, which can cause side lobes in the frequency components and lead to errors in the distance calculation.

次に、反射信号の存在を確認するために、時間窓関数の範囲内で測定光S1’による測定信号波形の包絡線のピークを検出する(処理工程ST22A)。 Next, to confirm the presence of a reflected signal, the peak of the envelope of the measurement signal waveform generated by the measurement light S1' is detected within the range of the time window function (processing step ST22A).

そして、上記処理工程ST22Aにより検出された測定信号波形の包絡線のピークが規定値を超えている場合には、反射信号が存在していると見なして(処理工程ST23A)、測定信号波形の包絡線のピークから反射信号の発生時刻を計算することにより、図7に示すように、反射信号を検出する(処理工程ST24A)。上記規定値は、雑音レベル、鏡面反射の信号レベルなどから決定される。 If the peak of the envelope of the measurement signal waveform detected by the above process ST22A exceeds a specified value, it is assumed that a reflected signal is present (process ST23A), and the reflected signal is detected as shown in FIG. 7 by calculating the occurrence time of the reflected signal from the peak of the envelope of the measurement signal waveform (process ST24A). The above specified value is determined from the noise level, the signal level of the specular reflection, etc.

ここで、上記信号処理部40は、上記相互相関関数による反射信号抽出処理と時間窓関数を用いた反射信号抽出処理を組み合わせて、上記反射信号抽出処理工程ST2において、上記基準干渉信号と上記測定干渉信号の相互相関関数を計算して得られる相関信号包絡線のピーク検出により反射信号の大まかな位置を検出し、検出された位置近傍の測定干渉信号波形から、予め設定された反射信号波形を抽出するための時間窓関数を用いて反射信号波形を抽出し、抽出された反射信号波形のピーク検出により各反射信号を抽出するようにしてもよい。 Here, the signal processing unit 40 may combine the reflected signal extraction process using the cross-correlation function and the reflected signal extraction process using a time window function, and in the reflected signal extraction process step ST2, detect the approximate position of the reflected signal by detecting the peak of the correlation signal envelope obtained by calculating the cross-correlation function between the reference interference signal and the measured interference signal, extract the reflected signal waveform from the measured interference signal waveform near the detected position using a time window function for extracting a predetermined reflected signal waveform, and extract each reflected signal by detecting the peak of the extracted reflected signal waveform.

また、図8は、位相計算処理工程ST3において実行される位相計算処理の手順を示すフローチャートである。 Figure 8 is a flowchart showing the steps of the phase calculation process executed in phase calculation process ST3.

上記信号処理部40は、位相計算処理工程ST3において、上記反射信号抽出処理工程ST2で抽出した各反射信号と上記基準干渉信号を高速フーリエ変換して、各反射信号と上記基準干渉信号間の同じ次数の周波数成分の位相差を求める位相計算を行う。 In the phase calculation process ST3, the signal processing unit 40 performs a fast Fourier transform on each of the reflected signals extracted in the reflected signal extraction process ST2 and the reference interference signal, and performs a phase calculation to determine the phase difference between the frequency components of the same order between each reflected signal and the reference interference signal.

すなわち、位相計算処理では、先ず、各反射信号と基準干渉信号を高速フーリエ変換する(処理工程ST31)。 That is, in the phase calculation process, first, each reflected signal and the reference interference signal are subjected to a fast Fourier transform (processing step ST31).

ここで、データポイント数が2の累乗以外の場合は、一般的に、離散フーリエ変換(DFT)と呼ばれる。ここでは、データ数によらず、サンプリングされた有限時間のデータを時間領域から周波数領域に変換する信号処理をFFTとしている。FFTの前処理として信号ピーク移動が行われる場合がある。計算区間をわずかにずらしてパルス状の信号の中央部を計算区間の中央に持ってくる。ピーク移動を行うと、計算区間の端部で波形が不連続に打ち切られることによって周波数成分にサイドローブが生じて、距離計算の誤差を生むことを最小限にできる。 When the number of data points is not a power of two, it is generally called a discrete Fourier transform (DFT). Here, FFT refers to signal processing that converts sampled data of a finite time from the time domain to the frequency domain, regardless of the number of data points. Signal peak shifting may be performed as pre-processing for FFT. The calculation interval is shifted slightly to bring the center of the pulse-like signal to the center of the calculation interval. When peak shifting is performed, the waveform is discontinuously cut off at the ends of the calculation interval, which creates side lobes in the frequency components and minimizes errors in distance calculation.

次に、信号波形、FFT後のスペクトル波形分布から波形データの有効、無効を判断する処理を行う(処理工程ST32)。 Next, a process is performed to determine whether the waveform data is valid or invalid based on the signal waveform and the spectral waveform distribution after FFT (processing step ST32).

そして、参照信号、測定信号それぞれについて、有効であると判定された波形データを用いて、FFTされた周波数成分の位相を計算する。参照信号、測定信号の間で同じ次数の周波数成分の位相差を求める。位相差の差を隣接モード間で計算する。隣接モード間の差の平均値が測定信号と参照信号の包絡線波形の位相差に一致する。位相を変調波の繰り返し角周波数で割ると遅延時間が求められる。遅延時間に光速度(299,792,458m/s)をかけると光学距離が求められる。さらに空気の屈折率で割ると測定対象物までの距離が求められる(処理工程ST33)。 Then, for each of the reference signal and the measurement signal, the phase of the FFT-processed frequency components is calculated using the waveform data that is determined to be valid. The phase difference of frequency components of the same order between the reference signal and the measurement signal is found. The difference in phase difference is calculated between adjacent modes. The average value of the difference between adjacent modes corresponds to the phase difference between the envelope waveforms of the measurement signal and the reference signal. The delay time is found by dividing the phase by the repetition angular frequency of the modulated wave. The optical distance is found by multiplying the delay time by the speed of light (299,792,458 m/s). The distance to the measurement object is found by further dividing by the refractive index of air (processing step ST33).

この光コム距離計測装置100において、上記信号処理部40は、上記反射信号抽出処理工程ST2から判定工程ST4の各処理を繰り返し行うことにより、上記測定対象物1の奥行き方向に存在する複数の反射面による各反射信号を検出して上記複数の反射面までの距離を算出して、相対距離出力工程ST6おいて、上記測定対象物1の奥行き方向に存在する複数の反射面までの相対距離データを出力することができる。 In this optical comb distance measurement device 100, the signal processing unit 40 repeatedly performs each process from the reflected signal extraction process ST2 to the determination process ST4 to detect each reflected signal from multiple reflecting surfaces present in the depth direction of the measurement object 1, calculate the distance to the multiple reflecting surfaces, and output relative distance data to the multiple reflecting surfaces present in the depth direction of the measurement object 1 in the relative distance output process ST6.

ここで、 この光コム距離計測装置100では、図9の(A)に示すように、金属や鏡など不透明な測定対象物1による反射光には多重反射光成分が含まれないので、測定対象物1の表面反射光を検出して測定対象物1の表面反射面までの絶対距離を測定することができ、また、図9の(B)に示すように、ガラス板や半導体基板などの半透明な測定対象物1による反射光に含まれる表面反射光や裏面反射光成分を検出して測定対象物1の表面反射面や裏面反射面までの距離を分離して測定することができる。 In this optical comb distance measurement device 100, as shown in FIG. 9(A), the reflected light from an opaque measurement object 1 such as a metal or mirror does not contain multiple reflected light components, so the surface reflected light of the measurement object 1 can be detected to measure the absolute distance to the surface reflection surface of the measurement object 1. Also, as shown in FIG. 9(B), the surface reflected light and back reflection light components contained in the reflected light from a translucent measurement object 1 such as a glass plate or semiconductor substrate can be detected to measure the distance to the surface reflection surface and back reflection surface of the measurement object 1 separately.

そして、この光コム距離計測装置100に設定されている出力モードが相対距離モードである場合に、上記位相計算処理工程ST3において計算された位相情報に基づいて、上記測定対象物1の奥行き方向に存在する複数の反射面までの相対距離データを出力する。 When the output mode set in this optical comb distance measurement device 100 is the relative distance mode, the device outputs relative distance data to multiple reflecting surfaces present in the depth direction of the measurement object 1 based on the phase information calculated in the phase calculation process ST3.

ここで、この光コム距離計測装置100は、光コム発生部10に備えられた第1の光コム発生器13、第2の光コム発生器15から、それぞれ周期的に強度又は位相が変調された互いに変調状態の異なる測定光S1と参照光S2を出射することにより、原理的に測定対象物1までの距離を測定することができるのであるが、ここでは、基本周波数をf、距離判定に必要な基本周波数の偏移をΔf、光コム干渉を生成するための周波数差をΔfとし、第1の変調周波数Fm1=f=25000MHz、第2の変調周波数Fm2=f+Δf=25010MHz、第3の変調周波数Fm3=f+Δf=25000.5MHz、第4の変調周波数Fm4=f+Δf+Δf=25010.5MHzとして、次の表1に示すように、4種類の変調周波数Fm1~Fm4を巡回的に切り替えた、互いに変調状態が異なる2種類の変調周波数FmA,FmBの測定光S1と参照光S2を出力することにより、上記信号処理部40において、上記測定対象物1までの絶対距離を算出することができるようにしてある。 Here, the optical comb distance measurement device 100 can in principle measure the distance to the measurement object 1 by emitting measurement light S1 and reference light S2, which are modulated periodically in intensity or phase, from the first optical comb generator 13 and the second optical comb generator 15 provided in the optical comb generating unit 10. Here, the fundamental frequency is f m , the deviation of the fundamental frequency required for distance determination is Δf m , and the frequency difference for generating optical comb interference is Δf. As shown in Table 1 below, the first modulation frequency F m1 =f m =25000 MHz, the second modulation frequency F m2 =f+Δf m =25010 MHz, the third modulation frequency F m3 =f m +Δf=25000.5 MHz, and the fourth modulation frequency F m4 =f m +Δf m +Δf=25010.5 MHz , By outputting the measurement light S1 and the reference light S2 of two types of modulation frequencies FmA and FmB , which are cyclically switched between FmA to Fm4 and have mutually different modulation states, the signal processing unit 40 is able to calculate the absolute distance to the object to be measured 1.

表1は、#1~4の各選択状態における互いに変調状態が異なる2種類の光コムの変調周波数FmA,FmBと位相差を示している。 Table 1 shows the modulation frequencies F mA and F mB and phase differences of two types of optical combs having mutually different modulation states in each of the selection states #1 to #4.

図10は、光コム距離計測装置100において、光源部10の2つ光コム発生器13,15に供給される駆動信号の状態遷移を示す状態遷移図である。 Figure 10 is a state transition diagram showing the state transition of the drive signals supplied to the two optical comb generators 13 and 15 of the light source unit 10 in the optical comb distance measurement device 100.

ここで、光コム距離計測装置100において、信号処理部40では、基準光検出器31により得られる基準干渉信号(参照信号)と測定光検出器32により得られる測定干渉信号(測定信号)について周波数解析を行い、光コムの中心周波数から数えたモード番号をNとして、参照信号と測定信号のN次モード同士の位相差を計算して光コム発生器から基準点までの光コム生成、伝送過程の光位相差を相殺した後、周波数軸で次数1あたりの位相差の増分を計算して信号パルスの位相差を求めることにより、基準点から測定面までの距離を算出する。 Here, in the optical comb distance measurement device 100, the signal processing unit 40 performs frequency analysis on the reference interference signal (reference signal) obtained by the reference photodetector 31 and the measurement interference signal (measurement signal) obtained by the measurement photodetector 32, and calculates the phase difference between the Nth mode of the reference signal and the measurement signal, where N is the mode number counted from the center frequency of the optical comb, to cancel out the optical phase difference during the optical comb generation and transmission process from the optical comb generator to the reference point. After that, the increment of the phase difference per order on the frequency axis is calculated to determine the phase difference of the signal pulse, thereby calculating the distance from the reference point to the measurement surface.

なお、測定距離が変調周波数fの半波長を超えると物体光の周期性によりその半波長の整数倍の距離が不明となって一義的に距離を求められないので、表1に示す4通りの変調周波数に設定した基準光パルスと測定光パルスを用いて4回測定して、信号処理部40において、同じ処理を行うことにより得られる各位相差を用いて、半波長相当の多義性距離(L=c/2f c:光速)を超える距離を算出する。 If the measured distance exceeds half the wavelength of the modulation frequency fm , the distance of an integer multiple of the half wavelength becomes unclear due to the periodicity of the object light, and the distance cannot be determined uniquely. Therefore, measurements are taken four times using reference light pulses and measurement light pulses set to the four modulation frequencies shown in Table 1, and the same processing is performed in the signal processing unit 40, and the phase differences obtained are used to calculate a distance that exceeds the ambiguity distance equivalent to half the wavelength (L a = c/2f m c: speed of light).

すなわち、表1に示す4通りの変調周波数が巡回的に選択設定される測定光S1と参照光S2により距離測定を行って得られる測定信号と参照信号の位相差は、変調周波数がfとf+Δfである設定#1の選択状態では-2πfTとなり、変調周波数がf+Δfとf+Δf+Δfである設定#2の選択状態では-2π(f+Δf)Tとなり、変調周波数がf+fとfである設定#3の選択状態では-2π(f+Δf)Tとなり、変調周波数がf+Δf+Δfとf+Δfである設定#4の選択状態では-2π(f+Δf+Δf)Tとなる。 In other words, the phase difference between the measurement signal and the reference signal obtained by performing distance measurement using the measurement light S1 and reference light S2 in which the four modulation frequencies shown in Table 1 are cyclically selected and set is -2πfmT when setting #1 is selected and the modulation frequencies are fm and fm + Δf , -2π( fm + Δfm)T when setting #2 is selected and the modulation frequencies are fm + Δfm and fm + Δfm + Δf , -2π( fm + Δfm )T when setting # 3 is selected and the modulation frequencies are fm + fm and fm , and -2π( fm + Δfm + Δf )T when setting #4 is selected and the modulation frequencies are fm + Δfm + Δf and fm + Δfm.

距離(L=c/2f c:光速)が長い場合、参照信号と測定信号の位相差(-2πfT)は、mを整数としてφ+2mπの形であり、計算によりφの部分だけが求められるが、整数値mは不明である。 When the distance (L a =c/2f m c: speed of light) is long, the phase difference (−2πf m T) between the reference signal and the measurement signal is in the form of φ+2mπ, where m is an integer, and only the φ part can be calculated, but the integer value m is unknown.

一方、設定#1の選択状態での参照信号と測定信号の位相差-2πfTと#2の設定での参照信号と測定信号の位相差-2π(f+Δf)Tの差は2πΔfTであり、また、設定#3の選択状態での参照信号と測定信号の位相差-2π(f+Δf)Tと設定#4の選択状態での参照信号と測定信号の位相差-2π(f+Δf+Δf)Tの差は2πΔfTであり、1/Δfの波長に相当する距離(Δf=10MHzであればLは15m)までならば、一義的に位相が決まる。 On the other hand, the difference between the phase difference between the reference signal and the measurement signal in the selected state of setting #1, -2πf m T, and the phase difference between the reference signal and the measurement signal in the selected state of setting #2, -2π(f m + Δf m )T, is 2πΔf m T; and the difference between the phase difference between the reference signal and the measurement signal in the selected state of setting #3, -2π(f m + Δf m + Δf )T, and the phase difference between the reference signal and the measurement signal in the selected state of setting #4, is 2πΔf m T, and the phase is uniquely determined up to a distance equivalent to the wavelength of 1/Δf m (if Δf m = 10 MHz, then La is 15 m).

そして、この位相をf/Δf倍して設定#1の選択状態での位相差との比較により整数mを判定することができる。 Then, this phase is multiplied by f m /Δf m and compared with the phase difference in the selected state of setting #1 to determine the integer m.

さらに、表1の設定#1の選択状態での位相差-2πfTと設定#3の選択状態での位相差-2π(f+Δf)Tの差から2πΔfが得られる。 Furthermore, 2πΔf is obtained from the difference between the phase difference −2πf m T in the selected state of setting #1 in Table 1 and the phase difference −2π(f m +Δf)T in the selected state of setting #3.

ここで、f=25GHz、Δf=500kHz、Δf=10MHzとした場合、Δf=500kHzであるからL=300mまでの距離計測を行うことができる。 Here, if f m =25 GHz, Δf=500 kHz, and Δf m =10 MHz, then since Δf=500 kHz, distance measurement can be performed up to L a =300 m.

ここで、f=2.5GHz、Δf=500kHz、Δf=10MHzとした場合、Δf=500kHzであるからL=300mまでの距離測定を行うことができる。 Here, if f m =2.5 GHz, Δf=500 kHz, and Δf m =10 MHz, then since Δf=500 kHz, distance measurement can be performed up to L a =300 m.

この光コム距離計測装置100では、表1に示す4通りの変調周波数に巡回的に選択設定される設定#1、設定#2、設定#3、設定#4の測定光S1と参照光S2により距離測定を行って得られる測定信号と参照信号を用いて絶対距離計測が行われる。 In this optical comb distance measurement device 100, absolute distance measurement is performed using the measurement signal and reference signal obtained by performing distance measurement using the measurement light S1 and reference light S2, which are cyclically selected and set to the four modulation frequencies shown in Table 1: setting #1, setting #2, setting #3, and setting #4.

この光コム距離計測装置100に設定されている出力モードが絶対距離モードである場合に、上記信号処理部40は、絶対距離算出処理工程ST7において、図11のフローチャートに示す手順に従って上記測定対象物1の奥行き方向に存在する複数の反射面までの絶対距離を算出する。 When the output mode set in this optical comb distance measurement device 100 is the absolute distance mode, in absolute distance calculation processing step ST7, the signal processing unit 40 calculates the absolute distance to multiple reflecting surfaces present in the depth direction of the measurement object 1 according to the procedure shown in the flowchart of Figure 11.

すなわち、絶対距離算出処理では、上記設定#1、設定#2、設定#3、設定#4の測定光S1と参照光S2により距離測定を行って得られる測定信号と参照信号について、先ず、各信号波形を示すデータを選択し(処理工程ST41)、選択された波形データが上記設定#1、設定#2、設定#3、設定#4の何れの設定状態の信号波形を示しているかの仕分けを行い(処理工程ST42)、仕分けされた波形データの次数計算を行い(処理工程ST43)、さらに、波形データの有効、無効を判断する処理を行い(処理工程ST44)、有効な波形データを用いて、参照信号、測定信号の間で同じ次数の周波数成分の位相差を求めて平均化する(処理工程ST45)ことにより、上記設定#1、設定#2、設定#3、設定#4の測定光S1と参照光S2により距離測定を行って得られる測定信号と参照信号の位相差から上記測定対象物1の表面反射面までの絶対距離を算出する。 That is, in the absolute distance calculation process, data showing each signal waveform is selected for the measurement signal and reference signal obtained by performing distance measurement using the measurement light S1 and reference light S2 in the above settings #1, #2, #3, and #4 (processing step ST41), the selected waveform data is sorted to determine which of the above settings #1, #2, #3, and #4 the signal waveform represents (processing step ST42), the order of the sorted waveform data is calculated (processing step ST43), and a process is performed to determine whether the waveform data is valid or invalid (processing step ST44). Using the valid waveform data, the phase difference of the frequency components of the same order between the reference signal and the measurement signal is calculated and averaged (processing step ST45), and the absolute distance to the surface reflection surface of the measurement object 1 is calculated from the phase difference between the measurement signal and the reference signal obtained by performing distance measurement using the measurement light S1 and reference light S2 in the above settings #1, #2, #3, and #4.

そして、この光コム距離計測装置100において、絶対距離出力工程ST8では、上記絶対距離算出処理工程ST7による計算結果として得られる上記測定対象物1の表面反射面までの絶対距離を示す絶対距離データを出力する。 Then, in this optical comb distance measurement device 100, in the absolute distance output step ST8, absolute distance data indicating the absolute distance to the surface reflection surface of the measurement object 1 obtained as a result of the calculation in the absolute distance calculation processing step ST7 is output.

ここで、表1に示す4通りの変調周波数が巡回的に選択設定される測定光S1と参照光S2により距離測定を行って得られる測定信号と参照信号の位相差から上記測定対象物1の表面反射面までの絶対距離を算出する絶対距離算出処理は、1つの測定点は1つ反射面からの反射であることを仮定した信号処理を行うことにより、変調周波数の巡回的に選択設定による位相の変化分から半波長(25GHzであれば約6mm)の整数倍の次数および距離情報を得て、測定対象物1により反射される表面反射光に基づいて測定面までの絶対距離を計算するものであるが、同様な信号処理により、裏面反射光に基づいて裏面反射面までの絶対距離を計算することができ、上記測定対象物1の奥行き方向に複数の反射面が存在する場合、すなわち、反射点が多数存在する場合でも、原理的には、それぞれの周波数設定において反射信号の抽出から位相計算までを繰り返すことによって、複数の反射信号について、それぞれの位相を分離した状態で求めることができる。 Here, the absolute distance calculation process calculates the absolute distance to the surface reflection surface of the object 1 from the phase difference between the measurement signal and the reference signal obtained by performing distance measurement using the measurement light S1 and reference light S2, which are cyclically selected and set with the four modulation frequencies shown in Table 1. By performing signal processing assuming that one measurement point is reflected from one reflection surface, the order of an integer multiple of a half wavelength (about 6 mm for 25 GHz) and distance information are obtained from the phase change due to the cyclic selection and setting of the modulation frequency, and the absolute distance to the measurement surface is calculated based on the surface reflection light reflected by the object 1. By using a similar signal processing, the absolute distance to the back reflection surface can be calculated based on the back reflection light. Even if there are multiple reflection surfaces in the depth direction of the object 1, that is, if there are many reflection points, in principle, the phases of the multiple reflection signals can be determined in a separated state by repeating the process from extraction of the reflection signal to phase calculation at each frequency setting.

すなわち、この光コム距離計測装置100における信号処理部40は、上記絶対距離出力工程ST8により、複数の反射信号について、それぞれ独立に次数を求め多点の絶対距離を同時に算出することができる。 In other words, the signal processing unit 40 in this optical comb distance measurement device 100 can independently obtain the order of each of the multiple reflected signals and simultaneously calculate the absolute distances of multiple points by using the absolute distance output process ST8.

また、この光コム距離計測装置100は、測定対象物1に照射する測定光で上記測定対象物1を走査する光学走査手段を備えることにより形状測定装置として機能し、半透明基板の表面形状と板厚とを分離して検出することができる。 In addition, the optical comb distance measurement device 100 functions as a shape measurement device by being equipped with an optical scanning means that scans the measurement object 1 with the measurement light irradiated onto the measurement object 1, and can detect the surface shape and thickness of a semi-transparent substrate separately.

1 光源部、11 レーザー光源、12 ビームスプリッタ、13,15光コム発生器、14 周波数シフタ、22 基準干渉計、23 測定干渉計、31 基準干渉計、32 測定干渉計、40 信号処理部、100 光コム距離計測装置 1 Light source unit, 11 Laser light source, 12 Beam splitter, 13, 15 Optical comb generator, 14 Frequency shifter, 22 Reference interferometer, 23 Measurement interferometer, 31 Reference interferometer, 32 Measurement interferometer, 40 Signal processing unit, 100 Optical comb distance measurement device

Claims (4)

それぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる測定光と参照光を出射する光源部と、
上記光源部から出射された測定光と参照光を重ね合わせる基準干渉計と、
上記測定光を測定対象物に照射して、該測定対象物により反射されて戻ってきた測定光と上記参照光を重ね合わせる測定干渉計と、
上記基準干渉計により測定光と参照光を重ね合わせて得られる干渉光を受光する基準光検出器と、
上記測定干渉計により上記測定光と参照光を重ね合わせて得られる干渉光を受光する測定光検出器と、
上記測定光検出器による干渉光の検出出力として得られる測定干渉信号に含まれる上記測定対象物の奥行き方向に存在する複数の反射面による各反射信号の上記基準光検出器による干渉光の検出出力として得られる基準干渉信号に対する遅れ時間から上記複数の反射面までの距離を算出する信号処理部とを備え、
上記信号処理部は、上記測定干渉信号から、反射由来の信号部分を反射信号として抽出する反射信号抽出処理と、抽出した各反射信号と上記基準干渉信号を高速フーリエ変換して、各反射信号と上記基準干渉信号間の同じ次数の周波数成分の位相差を求める位相計算処理を行うことを特徴とする光コム距離計測装置
a light source unit for emitting a measurement light and a reference light, each of which has a periodically modulated intensity or phase and has a different modulation period;
a reference interferometer for superimposing the measurement light and the reference light emitted from the light source unit;
a measurement interferometer that irradiates a measurement object with the measurement light and superimposes the measurement light reflected by the measurement object and the reference light;
a reference photodetector that receives interference light obtained by superimposing the measurement light and the reference light by the reference interferometer;
a measurement light detector that receives interference light obtained by superimposing the measurement light and the reference light by the measurement interferometer;
a signal processing unit that calculates distances to the plurality of reflecting surfaces from delay times of reflected signals by the plurality of reflecting surfaces present in the depth direction of the measurement object, the delay times being included in a measurement interference signal obtained as a detection output of the interference light by the measurement light detector, relative to a reference interference signal obtained as a detection output of the interference light by the reference light detector;
The optical comb distance measurement device is characterized in that the signal processing unit performs a reflected signal extraction process to extract a signal portion due to reflection from the measurement interference signal as a reflected signal, and a phase calculation process to perform a fast Fourier transform on each extracted reflected signal and the reference interference signal to determine the phase difference of frequency components of the same order between each reflected signal and the reference interference signal.
上記信号処理部は、上記反射信号抽出処理において、上記基準干渉信号と上記測定干渉信号の相互相関関数を計算して得られる相関信号包絡線のピーク検出により各反射信号を抽出することを特徴とする請求項に記載の光コム距離計測装置。 2. The optical comb distance measurement device according to claim 1, wherein the signal processing unit extracts each reflected signal by detecting a peak of a correlation signal envelope obtained by calculating a cross-correlation function between the reference interference signal and the measurement interference signal in the reflected signal extraction process. 上記信号処理部は、上記反射信号抽出処理において、予め設定された反射信号波形を抽出するための時間窓関数を移動させて、上記測定干渉信号波形から反射信号波形を抽出し、抽出された反射信号波形のピーク検出により各反射信号を抽出することを特徴とする請求項に記載の光コム距離計測装置。 The optical comb distance measurement device according to claim 1, characterized in that, in the reflected signal extraction process, the signal processing unit moves a time window function for extracting a predetermined reflected signal waveform, extracts the reflected signal waveform from the measured interference signal waveform, and extracts each reflected signal by detecting peaks of the extracted reflected signal waveform. 上記信号処理部は、上記反射信号抽出処理において、上記基準干渉信号と上記測定干渉信号の相互相関関数を計算して得られる相関信号包絡線のピーク検出により反射信号の大まかな位置を検出し、検出された位置近傍の測定干渉信号波形から、予め設定された反射信号波形を抽出するための時間窓関数を用いて反射信号波形を抽出し、抽出された反射信号波形のピーク検出により各反射信号を抽出することを特徴とする請求項に記載の光コム距離計測装置。 2. The optical comb distance measurement device according to claim 1, wherein, in the reflected signal extraction process, the signal processing unit detects a rough position of the reflected signal by detecting a peak of a correlation signal envelope obtained by calculating a cross-correlation function between the reference interference signal and the measurement interference signal, extracts a reflected signal waveform from the measured interference signal waveform near the detected position using a time window function for extracting a predetermined reflected signal waveform, and extracts each reflected signal by detecting a peak of the extracted reflected signal waveform.
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