JP2009257986A - Spectrum measuring device - Google Patents

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Takahisa Mitsui
隆久 三井
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Keio University
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Keio University
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spectrum measuring device for measuring the spectrum of a random signal extremely smaller than the instrument noise, in measuring random phenomena. <P>SOLUTION: This spectrum measuring device comprises first and second detectors 11 and 12 for detecting the waves or material coming out of a measuring object, correlators 13, 14 and 15 for calculating the correlation spectrum of signals output from the first and second detectors, and an integrator 16 for integrating the signals output from the correlators. At this time, random signals are the same in two measurement systems, and the instrument noises are statistically independent (uncorrelated), so that the random signal and the instrument noise are distinguished from each other by statistical processings. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ランダム信号から計測器雑音であるランダム雑音を除去することができるスペクトル測定装置に関する。   The present invention relates to a spectrum measuring apparatus that can remove random noise that is instrument noise from a random signal.

波を用いた計測の中でも、レーザ光を用いた光計測は、現在利用できる最も高精度な計測方法の一つであり、原子間力顕微鏡や重力波検出などに利用されている。しかしながら、光計測には散射雑音(shot noise)と呼ばれる不可避な雑音があり、感度の理論限界を決めている。散射雑音は、光電効果に伴う光電子放出がランダムであることに起因した雑音であり、特殊な場合を除き、フォトダイオードや光電子増倍管などを用いた光電変換を行う検出法には必ず付随する。幸いなことに、散射雑音は無相関白色雑音なので、積算などの統計的手法を用いて低減することができる。   Among the measurements using waves, optical measurement using laser light is one of the most accurate measurement methods available at present, and is used for atomic force microscopes and gravity wave detection. However, optical measurement has inevitable noise called shot noise, which determines the theoretical limit of sensitivity. Scattering noise is noise caused by random photoemission due to the photoelectric effect, and is always accompanied by detection methods that perform photoelectric conversion using photodiodes or photomultiplier tubes, except in special cases. . Fortunately, the scattered noise is uncorrelated white noise and can be reduced using statistical techniques such as integration.

したがって、計測対象となる信号が繰り返し信号の場合、積算は効果的な統計処理である。積算回数nに対して雑音は1/√nに従い減少し、積算回数を無制限に増やすことができる状況では理論的な計測限界はない。(例えば、特許文献1参照。)
特願2007−218941
Therefore, when the signal to be measured is a repetitive signal, integration is an effective statistical process. Noise decreases with respect to the number of integrations n according to 1 / √n, and there is no theoretical measurement limit in a situation where the number of integrations can be increased without limit. (For example, refer to Patent Document 1.)
Japanese Patent Application No. 2007-218941

一方、計測対象となる信号がランダム信号の場合には、状況は異なる。ランダム信号は、原子や分子の熱運動や量子効果の計測、天体からの放射の計測など基礎物理学において重要であるばかりではなく、超音波エコー法などに見られるように、ランダムに動いている物体からの反射波の検出などでも重要である。これらのランダム信号は、散射雑音など計測に付随する雑音(計測器雑音)と統計的な違いが無いため、区別することは困難である。たとえば単純な積算では、雑音だけでなくランダム信号も同時に低減するため、ランダム信号と雑音とを区別することはできない。計測器雑音より小さなランダム信号の検出は困難である。   On the other hand, when the signal to be measured is a random signal, the situation is different. Random signals are not only important in basic physics such as measurement of thermal motion and quantum effects of atoms and molecules, and measurement of radiation from celestial bodies, but also move randomly as seen in ultrasonic echo methods. It is also important for detecting reflected waves from objects. These random signals are difficult to distinguish because there is no statistical difference from noise (instrument noise) associated with measurement such as scattered noise. For example, in simple integration, not only noise but also random signals are reduced at the same time, so that random signals and noise cannot be distinguished. It is difficult to detect a random signal smaller than instrument noise.

本発明は、上記問題点に鑑み、ランダム現象を対象とする計測において、計測器雑音よりも遙かに小さいランダム信号のスペクトルを測定することができるスペクトル測定装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a spectrum measuring apparatus capable of measuring a spectrum of a random signal much smaller than instrument noise in measurement targeting a random phenomenon.

本発明の請求項1のスペクトル測定装置は、被測定物から到来する波又は物質を検出する第1及び第2検出器と、該第1及び第2検出器から出力される信号の相互相関スペクトルを算出する相関器と、該相関器から出力される信号を積算する積算器とを備えることを特徴とする。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a spectrum measuring apparatus including first and second detectors for detecting a wave or a substance arriving from a measured object, and a cross-correlation spectrum of signals output from the first and second detectors. And a multiplier for integrating signals output from the correlator.

また、請求項2のスペクトル測定装置は、前記被測定物に前記波を投射する投射手段を備え、前記第1及び第2検出器が該投射波の前記被測定物からの反射波又は透過波を検出するものであることを特徴とする。これにより波を放射しない被測定物のスペクトルを測定することができる。   Further, the spectrum measuring apparatus according to claim 2 includes a projecting unit that projects the wave onto the object to be measured, and the first and second detectors reflect a reflected wave or a transmitted wave from the object to be measured. It is a thing which detects this. Thus, the spectrum of the object to be measured that does not emit waves can be measured.

また、請求項3のスペクトル測定装置は、前記波が光であることを特徴とする。これにより、高い精度で光スペクトルや被測定物の振動のスペクトルを測定することができる。   The spectrum measuring apparatus according to claim 3 is characterized in that the wave is light. Thereby, the optical spectrum and the vibration spectrum of the object to be measured can be measured with high accuracy.

また、請求項4のスペクトル測定装置は、前記積算器は、時間軸において信号を積算するものであることを特徴とする。これにより長時間の計測データに基づいた積算が可能となり、スペクトル計測において計測器雑音の大幅な低減を行うことができる。   The spectrum measuring apparatus according to a fourth aspect is characterized in that the integrator integrates signals on a time axis. As a result, integration based on long-time measurement data can be performed, and instrument noise can be greatly reduced in spectrum measurement.

また、請求項5のスペクトル測定装置は、前記積算器は、周波数軸において信号を積算するものであることを特徴とする。これにより請求項4に付け加えてさらなる計測器雑音の低減が可能になるばかりでなく、短時間の計測でもスペクトル計測において計測器雑音の低減を行うことができる。   The spectrum measuring apparatus according to claim 5 is characterized in that the integrator integrates signals on the frequency axis. Thus, in addition to the fourth aspect, it is possible not only to further reduce the instrument noise, but also to reduce the instrument noise in the spectrum measurement even in a short time measurement.

本発明によれば、ランダム現象を対象とする計測において、計測器雑音よりも遙かに小さいランダム信号のスペクトルを測定することができる。特に、目の治療においては、目の所定の部位の熱振動のスペクトルを測定することにより、目の内部を含めた各部位の弾性の程度を非侵襲的に診断することができる。   According to the present invention, it is possible to measure a spectrum of a random signal that is much smaller than instrument noise in measurement targeting a random phenomenon. In particular, in the treatment of the eye, the degree of elasticity of each part including the inside of the eye can be diagnosed noninvasively by measuring the thermal vibration spectrum of a predetermined part of the eye.

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

本発明は、計測系を2系統用い、独立に同一物体の計測を同時に行う。このとき、2系統の計測系においてランダム信号は互いに同一であり、計測器雑音は互いに統計的に独立(無相関)なので、統計処理によりランダム信号と計測器雑音とを区別することができる。   The present invention uses two measurement systems and simultaneously measures the same object independently. At this time, since the random signals are the same in the two measurement systems and the instrument noise is statistically independent (non-correlated), the random signal and the instrument noise can be distinguished by statistical processing.

図1は、本発明の原理を説明する図である。本実施例のスペクトル測定装置は、検出器11、12、FFT13、14、乗算器15、及び平均化器16を備える。被測定物である試料Sからは、ランダム信号S(t) が放射されているとする。このランダム信号S(t) は熱放射のように自発的に試料Sから放射される場合でもよいし、レーダやレーザ計測のように、電波又は光などの波を試料Sに照射し、試料と相互作用した後の波、すなわち、反射波又は透過波でも良い。ランダム信号S(t) は2個の検出器11、12により独立に計測される。計測された信号D1(t),D2(t) にはランダム信号S(t) の他に、計測器雑音N1(t),N2(t) が含まれ、
D1(t)=S(t)+N1(t) (1)
D2(t)=S(t)+N2(t) (2)
と表すことができる。時間領域で検出された信号をFFT(Fast Fourier Transformation)13、14によりスペクトル解析すると、周波数領域での信号が得られる。
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention. The spectrum measuring apparatus of this embodiment includes detectors 11 and 12, FFTs 13 and 14, a multiplier 15, and an averager 16. It is assumed that a random signal S (t) is radiated from the sample S that is the object to be measured. This random signal S (t) may be emitted from the sample S spontaneously like thermal radiation, or the sample S is irradiated with waves such as radio waves or light as in the case of radar or laser measurement. It may be a wave after interaction, that is, a reflected wave or a transmitted wave. The random signal S (t) is independently measured by the two detectors 11 and 12. The measured signals D1 (t) and D2 (t) include instrument noise N1 (t) and N2 (t) in addition to the random signal S (t).
D1 (t) = S (t) + N1 (t) (1)
D2 (t) = S (t) + N2 (t) (2)
It can be expressed as. When a spectrum analysis is performed on signals detected in the time domain by FFT (Fast Fourier Transformation) 13 and 14, a signal in the frequency domain is obtained.

cD1(f)=cS(f)+cN1(f) (3)
cD2(f)=cS(f)+cN2(f) (4)
ここで、fは解析周波数、cは複素数であることを示す。乗算器15によって、cD1(f) とcD2(f) の複素共役(*)との積を演算し、平均化器16によってそれらの平均値をとると、
<cD1(f)cD2*(f)>
=<|cS(f)|2>+<cN1(f)c*(f)>+<cS(f)cN2*(f)>+<cN1(f)cN2*(f)>
(5)
となる。ここで、<>は平均を表し、具体的な平均方法は以下で述べる。信号cS(f) と計測器雑音cN1(f),cN2(f) は互いに統計的に独立なので、十分に長時間積算を行うと、
<cD1(f)cD2*(f)>=<|cS(f)|2> (6)
となり、周波数スペクトルが得られる。一方、従来から行われている検出器11のみを用いた周波数スペクトルの計測方法では、
<|cD1(f)|2>
=<|cS(f)|2>+<cN1(f)c*(f)>+<cS(f)cN1*(f)>+<|cN1(f)|2>
(7)
≒<|cS(f)|2>+<|cN1(f)|2> (8)
となる。このことから、<|cN1(f)|2>よりも小さい信号の周波数スペクトルを精度良く計測するためには、<|cN1(f)|2>を別な方法で精度良く測定し、引き算する必要がある。計測器雑音は温度などの環境で変化するため、この方法では、信頼性の高い計測結果を得ることは困難である。
c D1 (f) = c S (f) + c N1 (f) (3)
c D2 (f) = c S (f) + c N2 (f) (4)
Here, f indicates an analysis frequency, and c indicates a complex number. When a product of the complex conjugate ( * ) of c D1 (f) and c D2 (f) is calculated by the multiplier 15, and an average value thereof is obtained by the averager 16,
< c D1 (f) c D2 * (f)>
= <| C S (f) | 2> + <c N1 (f) c S * (f)> + <c S (f) c N2 * (f)> + <c N1 (f) c N2 * ( f)>
(5)
It becomes. Here, <> represents an average, and a specific averaging method will be described below. Since the signal c S (f) and the instrument noise c N1 (f), c N2 (f) are statistically independent from each other,
<C D1 (f) c D2 * (f)> = <| c S (f) | 2> (6)
Thus, a frequency spectrum is obtained. On the other hand, in the conventional frequency spectrum measurement method using only the detector 11,
<| C D1 (f) | 2 >
= <| C S (f) | 2> + <c N1 (f) c S * (f)> + <c S (f) c N1 * (f)> + <| c N1 (f) | 2>
(7)
≒ <| c S (f) | 2 > + <| c N1 (f) | 2 > (8)
It becomes. Therefore, <| c N1 (f) | 2> in order to measure accurately the frequency spectrum of the smaller signal than is, <| c N1 (f) | 2> and accurately measured in a different manner, It is necessary to subtract. Since the instrument noise changes in an environment such as temperature, it is difficult to obtain a reliable measurement result with this method.

次に、式(5)における平均<>、すなわち、図1における平均化器16について述べる。検出器11、12から出力されるアナログ信号は、サンプリング間隔Δtで離散的なディジタル信号に変換される。J個のデータをひとまとまりとして、FFT処理を行い、スペクトルを求める。このような計測をM回繰り返すとする。したがって、この計測により得られるデータはcD1m(fj),cD2m(fj) のように表すことができる。ここで、m=1,2,...,M−1,Mである。fj(j=0,...,J/2) はFFT処理により得られる解析周波数であり、サンプリング定理から、f0=0,f1=1/(ΔtJ),...,fj=j/(ΔtJ),...,fJ/2=1/(2Δt) である。これらのデータの繰り返しに対する積算は、
<cD1(fj)cD2*(fj)>=(1/M)ΣM m=1 cD1m(fj)cD2m*(fj) (9)
となる。
Next, the average <> in Equation (5), that is, the averager 16 in FIG. 1 will be described. The analog signals output from the detectors 11 and 12 are converted into discrete digital signals at a sampling interval Δt. A spectrum is obtained by performing FFT processing with J data as a group. It is assumed that such measurement is repeated M times. Accordingly, the data obtained by this measurement can be expressed as c D1m (fj), c D2m (fj). Here, m = 1, 2,..., M−1, M. fj (j = 0,..., J / 2) is an analysis frequency obtained by FFT processing. From the sampling theorem, f0 = 0, f1 = 1 / (ΔtJ),..., fj = j / ( ΔtJ),..., FJ / 2 = 1 / (2Δt). The total for the repetition of these data is
<C D1 (fj) c D2 * (fj)> = (1 / M) Σ M m = 1 c D1m (fj) c D2m * (fj) (9)
It becomes.

一方、計測に際して必要としている周波数分解能Δfがサンプリング定理で決まる周波数分解能1/(ΔtJ)よりも大きい場合には、周波数軸上でも積算を行うことができる。両者の比をQ=ΔfΔtJとすれば、最終的な積算結果は、
<cD1(fj)cD2*(fj)>={1/(Q+1)}ΣQ/2 q=-Q/2<cD1(fj+q)cD2*(fj+q)> (10)
となる。
On the other hand, when the frequency resolution Δf required for measurement is larger than the frequency resolution 1 / (ΔtJ) determined by the sampling theorem, integration can be performed on the frequency axis. If the ratio of both is Q = ΔfΔtJ, the final integration result is
<C D1 (fj) c D2 * (fj)> = {1 / (Q + 1)} Σ Q / 2 q = -Q / 2 <c D1 (fj + q) c D2 * (fj + q)> (10 )
It becomes.

この方法を用いて、固体(弾性体)表面の熱運動の計測を行った結果について以下に述べる。物体を構成する原子や分子は熱エネルギーにより乱雑に運動をしている。このため、物体表面も乱雑に波打っている。この現象は、液体の表面では顕著であり、リプロンと呼ばれている。液体表面のリプロンは、振幅が0.5nm程度あり、通常のレーザ計測で散射雑音よりも十分に大きな信号強度が得られるため、容易に計測が可能である。同様な熱運動は固体表面でも生じているはずであるが、固体表面のリプロンは振幅が小さく、光計測による検出が困難であった。   The results of measuring the thermal motion of the solid (elastic body) surface using this method will be described below. The atoms and molecules that make up the object move randomly due to thermal energy. For this reason, the object surface is also randomly undulating. This phenomenon is conspicuous on the surface of the liquid and is called lipron. The reprons on the surface of the liquid have an amplitude of about 0.5 nm, and a signal intensity sufficiently larger than the scattered noise can be obtained by ordinary laser measurement, so that the measurement can be easily performed. Similar thermal motion should have occurred on the surface of the solid, but the reprons on the surface of the solid had a small amplitude and were difficult to detect by optical measurement.

図2は、計測系の具体的な構成を示す図である。図3は、より実際の計測系に近い構成を示す図である。ここでは、光テコ(optical lever)を用いて、試料表面の傾き角度の計測を行うことで固体表面のリプロンの計測を行った。光源は、波長638nmと658nmの半導体レーザ21、22を用い、両者から放射される光をアイソレータ23、24を介して、ダイクロイックミラー25で合成した。合成された光を、偏光ビーム分割器26、及び1/4波長板27を介して、対物レンズ28で集光した後、試料に照射した。試料からの反射光は、同じ対物レンズ28で集光したのち、ダイクロイックミラー29で、波長638nmと波長658nmの光を分離した。それぞれの光を、2分割光検出器(dual-element photodetector)30、31で検出し、試料表面の傾き角度に比例した信号を得た。2分割光検出器30、31からの出力は、AD変換器32でディジタル信号に変換した。AD変換器32のサンプリングレートは8Mサンプル/s (Δt=1/(8×106)s) であり、一度に4Mワード (J=222) の計測を行いフーリエ変換の後、積算した。なお、図3に示すピンホール41は、2本のレーザビームを正確に重ねる目的と、半導体レーザ光のビームパターンの歪みを補正するためのものであり、ダイクロイックミラー42を介して撮影するビデオカメラ43は、試料Sにレーザを照射する様子をモニタするためのものである。 FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of the measurement system. FIG. 3 is a diagram showing a configuration closer to an actual measurement system. Here, the reprons on the solid surface were measured by measuring the tilt angle of the sample surface using an optical lever. As the light source, semiconductor lasers 21 and 22 having wavelengths of 638 nm and 658 nm were used, and light emitted from both was synthesized by a dichroic mirror 25 via isolators 23 and 24. The synthesized light was condensed by the objective lens 28 via the polarization beam splitter 26 and the quarter wavelength plate 27 and then irradiated to the sample. The reflected light from the sample was collected by the same objective lens 28 and then separated by the dichroic mirror 29 into light having a wavelength of 638 nm and a wavelength of 658 nm. Each light was detected by dual-element detectors 30 and 31, and a signal proportional to the tilt angle of the sample surface was obtained. Outputs from the two-divided photodetectors 30 and 31 were converted into digital signals by the AD converter 32. The sampling rate of the AD converter 32 is 8 Msamples / s (Δt = 1 / (8 × 10 6 ) s), and 4 M words (J = 2 22 ) are measured at a time and integrated after Fourier transform. Note that the pinhole 41 shown in FIG. 3 is for the purpose of accurately superimposing two laser beams and for correcting distortion of the beam pattern of the semiconductor laser light, and is a video camera that shoots through the dichroic mirror 42. 43 is for monitoring the state in which the sample S is irradiated with the laser.

図4は、原子間力顕微鏡用に製作されたカンチレバーの熱運動を測定した例である。積算回数Mは600回である。公称共振周波数26kHzであり、この周波数の振動が観測されている。図示の「従来」は<|cD1(f)|2>を示し、「本発明」は<cD1(f)cD2*(f)>を示す。「従来」では雑音に埋もれかけている信号が、「本発明」では、明瞭に観測されている。また、143kHzと365kHzにも別な共振があることがわかる。これらの共振周波数以外の周波数におけるカンチレバーの振動は極めて小さい。このため、式(5)において、M=600回の平均値では、
<|cS(f)|2>≪<cN1(f)cN2*(f)> (11)
となっており、図4に示された共振によるピーク以外の情報は、積算され残った雑音である。また、ここで示した計測例では、周波数分解能はΔf=f/100とした。一方、FFTにより得られたスペクトルの周波数分解能は2Hz(=1/ΔtJ)である。したがって、周波数軸上の積算回数はQ=f/(100×2Hz) となる。周波数軸上での積算回数が観測周波数に依存するため、計測器雑音の低減度も観測周波数に依存している。このことにより図4の「従来」のスペクトル(主として計測器雑音)は周波数にほとんど依存していないのに、「本発明」における残留雑音強度が周波数とともに減少している。
FIG. 4 shows an example in which the thermal motion of a cantilever manufactured for an atomic force microscope is measured. The cumulative number M is 600 times. The nominal resonance frequency is 26 kHz, and vibration at this frequency is observed. The “conventional” shown in the figure indicates <| c D1 (f) | 2 >, and the “present invention” indicates < c D1 (f) c D2 * (f)>. In the “conventional”, a signal buried in noise is clearly observed in the “present invention”. It can also be seen that there is another resonance at 143 kHz and 365 kHz. Cantilever vibrations at frequencies other than these resonance frequencies are extremely small. For this reason, in the equation (5), with an average value of M = 600 times,
<| C S (f) | 2>«<c N1 (f) c N2 * (f)> (11)
The information other than the peak due to resonance shown in FIG. 4 is accumulated noise. Further, in the measurement example shown here, the frequency resolution is Δf = f / 100. On the other hand, the frequency resolution of the spectrum obtained by FFT is 2 Hz (= 1 / ΔtJ). Therefore, the number of integrations on the frequency axis is Q = f / (100 × 2 Hz). Since the number of integrations on the frequency axis depends on the observation frequency, the degree of reduction in instrument noise also depends on the observation frequency. As a result, the “conventional” spectrum (mainly instrument noise) in FIG. 4 hardly depends on the frequency, but the residual noise intensity in the “present invention” decreases with the frequency.

図5は、透明なシリコン系接着剤表面を観測した例である。図5(a)は「従来」、図5(b)は「本発明」を示す。シリコン系接着剤表面は、初期にはゲル状であるが、時間の経過とともに硬化し、弾力のある固体になる。このような物性の変化は、表面の熱振動にも現れる。「本発明」のスペクトルは、t=0においてf-4/3に比例する。t=4日では、70Hz〜3kHzにおいてf-1,3kHz〜100kHzにおいてf-2/3,100kHz〜2.5MHzにおいてf-1に比例している。図5(a)と図5(b)を比較すると本発明により計測器雑音が効果的に低減していることが分かる。 FIG. 5 is an example of observing a transparent silicon adhesive surface. FIG. 5A shows “conventional” and FIG. 5B shows “present invention”. The surface of the silicon-based adhesive is initially gel-like, but hardens over time and becomes an elastic solid. Such a change in physical properties also appears in the surface thermal vibration. The spectrum of the “invention” is proportional to f −4/3 at t = 0. The t = 4 days, f -1, f -2/3, is proportional to f -1 in 100kHz~2.5MHz in 3kHz~100kHz in 70Hz~3kHz. Comparing FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b), it can be seen that the instrument noise is effectively reduced by the present invention.

図6は、エポキシ系接着剤表面を観測した例である。図6(a)は「従来」、図6(b)は「本発明」を示す。「本発明」の硬化前はf-2のスペクトルであり、硬化後はf-1のスペクトルになっている。このことはシリコン系の接着剤とは大きく異なっている。 FIG. 6 is an example of observing the epoxy adhesive surface. 6A shows “conventional” and FIG. 6B shows “present invention”. The “invention” has a spectrum of f −2 before curing and a spectrum of f −1 after curing. This is very different from silicon adhesives.

図7は、両面粘着テープ表面の熱運動を観測した例である。「本発明」において100Hzから300kHzの範囲でf-2のスペクトルになっている。 FIG. 7 is an example of observing the thermal motion of the double-sided pressure-sensitive adhesive tape surface. In the “present invention”, the spectrum is f −2 in the range of 100 Hz to 300 kHz.

図8は、爪表面の熱運動を観測した例である。「本発明」はf-3/2のスペクトルになっている。 FIG. 8 is an example of observing the thermal motion of the nail surface. “Invention” has a spectrum of f −3/2 .

本発明による方法を用いると、原理的には積算回数を増やすことで計測器雑音はいくらでも小さくすることができ、結果としてどのように小さなランダム信号でも検出することが可能である。しかしながら、製作した計測装置における計測器雑音の低減度は1/100が限界であった。これは、主としてAD変換器のクロストーク特性に起因している。使用したAD変換器は二つの信号を同時にAD変換できる装置であるが、チャネル1と2の間に10-4程度の結合がある。このため、雑音の低減度は1/100となる。クロストーク特性を改善するため、あらかじめ計測系のクロストークを測定して、数値補正を行った。このことにより多少改善された。 When the method according to the present invention is used, in principle, the instrument noise can be reduced by increasing the number of integrations, and as a result, any small random signal can be detected. However, the degree of reduction in instrument noise in the manufactured measuring apparatus is limited to 1/100. This is mainly due to the crosstalk characteristics of the AD converter. The AD converter used is a device that can AD convert two signals simultaneously, but there is a coupling of about 10 −4 between channels 1 and 2. For this reason, the degree of noise reduction is 1/100. In order to improve the crosstalk characteristics, the crosstalk of the measurement system was measured in advance and numerical correction was performed. This improved somewhat.

本計測では試料に1.05mWのレーザ光を対物レンズ(開口数NA=0.4)で集光して照射している。このため、試料は加熱され、表面温度は室温(23℃)よりも高いと思われる。しかし、試料が蒸発もしくは炭化するほど高温にはなっていない。   In this measurement, the sample is irradiated with 1.05 mW of laser light condensed by an objective lens (numerical aperture NA = 0.4). For this reason, the sample is heated and the surface temperature appears to be higher than room temperature (23 ° C.). However, the temperature is not high enough to evaporate or carbonize the sample.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。   In addition, this invention is not limited to the said Example.

観測する波は光に限定されず、音波や電磁波(レーダなど)を含む幅広い計測法に適用できる。また、原子又は電子などの物質の放射を計測する放射線計測にも同様の考え方で適用することができる。   Waves to be observed are not limited to light, and can be applied to a wide range of measurement methods including sound waves and electromagnetic waves (such as radar). In addition, the same concept can be applied to radiation measurement for measuring the radiation of a substance such as an atom or an electron.

上述の実施例では計測系を2系統としたが、3系統など多数にすることができる。レーダなど反射型で、対象物の運動に伴い位相が乱雑に変動する場合には、3ビームの方が良い場合がある。   In the above-described embodiment, the number of measurement systems is two, but a large number such as three is possible. In the case of a reflection type such as a radar and when the phase fluctuates randomly as the object moves, the three beams may be better.

特に光計測で、光源の強度雑音が極めて小さい(コヒーレント状態の)場合、関与する信号は被測定物の運動と計測器の散射雑音のみとなる。この場合、完全に独立した2系統の計測系を用いなくても、ほとんどの構成は一系統として、光検出器の直前で光を二つに分けて、互いに独立した光検出器で光電変換を行い、両信号の相互相関スペクトルを積算しても同様な雑音低減効果がある。   Particularly in optical measurement, when the intensity noise of the light source is extremely small (in a coherent state), the signals involved are only the movement of the object to be measured and the scattered noise of the measuring instrument. In this case, even if two completely independent measurement systems are not used, most of the configurations are one system, the light is divided into two immediately before the photodetector, and photoelectric conversion is performed by the independent photodetectors. Even if the cross correlation spectra of both signals are integrated, the same noise reduction effect can be obtained.

光計測の場合、図9に示すように、2分割光検出器30、31の前にピンホール51を設けて、共焦点光学系を採用することにより、光軸方向の反射位置を選択することができ、並進台STによって試料Sの位置を調整して、例えば目の内部における、水晶体や網膜表面の運動を計測することもできる。また、目の表面である角膜の表面はもちろん、目の内部にある水晶体、又は網膜表面などの目の各部位の熱振動を計測することで、それら部位の弾性の程度を計測することができる。そして、その結果はドライアイなど各種眼病の診断に役立てることもできる。   In the case of optical measurement, as shown in FIG. 9, a pinhole 51 is provided in front of the two-divided photodetectors 30, 31 and a confocal optical system is adopted to select a reflection position in the optical axis direction. It is also possible to adjust the position of the sample S by the translation table ST and measure the movement of the lens and the retina surface within the eye, for example. In addition to measuring the surface of the cornea, which is the surface of the eye, it is possible to measure the degree of elasticity of each part of the eye by measuring the thermal vibration of each part of the eye, such as the lens inside the eye or the surface of the retina. . The results can be used for diagnosis of various eye diseases such as dry eye.

本発明の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of this invention. 計測系の具体的な構成を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of a measurement system. より実際の計測系に近い構成を示す図である。It is a figure which shows the structure nearer to an actual measurement system. 原子間力顕微鏡用に製作されたカンチレバーの熱運動を測定した例である。This is an example of measuring the thermal motion of a cantilever manufactured for an atomic force microscope. 透明なシリコン系接着剤表面を観測した例である。It is an example of observing a transparent silicon adhesive surface. エポキシ系接着剤表面を観測した例である。It is the example which observed the epoxy-type adhesive agent surface. 両面粘着テープ表面の熱運動を観測した例である。It is the example which observed the thermal motion of the double-sided adhesive tape surface. 爪表面の熱運動を観測した例である。It is the example which observed the thermal motion of the nail | claw surface. 共焦点光学系を採用した構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which employ | adopted the confocal optical system.

符号の説明Explanation of symbols

11、12 検出器
13、14 FFT
15 乗算器
16 平均化器
21 半導体レーザ
23、24 アイソレータ
25、29、42 ダイクロイックミラー
26 偏光ビーム分割器
27 1/4波長板
28 対物レンズ
30 2分割光検出器
32 AD変換器
41、51 ピンホール
43 ビデオカメラ
S 試料
ST 並進台
11, 12 Detector 13, 14 FFT
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 Multiplier 16 Averager 21 Semiconductor laser 23, 24 Isolator 25, 29, 42 Dichroic mirror 26 Polarization beam splitter 27 1/4 wavelength plate 28 Objective lens 30 2 split photodetector 32 AD converter 41, 51 Pinhole 43 Video camera S Sample ST Translation table

Claims (5)

被測定物から到来する波又は物質を検出する第1及び第2検出器と、
該第1及び第2検出器から出力される信号の相互相関スペクトルを算出する相関器と、
該相関器から出力される信号を積算する積算器と
を備えることを特徴とするスペクトル測定装置。
First and second detectors for detecting waves or materials coming from the object to be measured;
A correlator for calculating a cross-correlation spectrum of signals output from the first and second detectors;
A spectrum measuring apparatus comprising: an integrator for integrating signals output from the correlator.
前記被測定物に前記波を投射する投射手段を備え、
前記第1及び第2検出器が該投射波の前記被測定物からの反射波又は透過波を検出するものであることを特徴とする請求項1記載のスペクトル測定装置。
A projection means for projecting the wave onto the object to be measured;
The spectrum measuring apparatus according to claim 1, wherein the first and second detectors detect a reflected wave or a transmitted wave of the projection wave from the object to be measured.
前記波が光であることを特徴とする請求項1又は2記載のスペクトル測定装置。   The spectrum measuring apparatus according to claim 1, wherein the wave is light. 前記積算器は、時間軸において信号を積算するものであることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載のスペクトル測定装置。   The spectrum measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the integrator integrates signals on a time axis. 前記積算器は、周波数軸において信号を積算するものであることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載のスペクトル測定装置。
The spectrum measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the integrator integrates signals on a frequency axis.
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