JP2012251828A - Wavelength scanning interferometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波長走査干渉計に関する。 The present invention relates to a wavelength scanning interferometer.
絶対距離を計測する光波干渉計測装置として、波長走査型の光波干渉計測装置や固定波長型の光波干渉計測装置が知られている。波長走査干渉計では、光源が発生する光の波長を時間的に走査することによって得られる干渉強度や干渉位相の時間変化に基づいて絶対距離を求める。波長走査干渉方式は、ヘテロダインやホモダインに代表される固定波長型の干渉方式と比較して構成が単純で低コストである。しかし、波長走査干渉方式は、移動する被検体については、干渉信号の周波数が絶対距離と被検体速度（ドップラーシフト）に依存するため、被検体距離の測長ができない。特許文献１には、２つの光源を用いて、それぞれに逆の周波数変調を行って測長することにより被検体速度による測長誤差を補正する波長走査干渉計が開示されている。 As a light wave interference measuring apparatus for measuring an absolute distance, a wavelength scanning type light wave interference measuring apparatus or a fixed wavelength type light wave interference measuring apparatus is known. In the wavelength scanning interferometer, the absolute distance is obtained based on the interference intensity obtained by temporally scanning the wavelength of the light generated by the light source and the temporal change of the interference phase. The wavelength scanning interference method is simple and low-cost compared to a fixed wavelength interference method represented by heterodyne or homodyne. However, the wavelength scanning interference method cannot measure the distance of a moving subject because the frequency of the interference signal depends on the absolute distance and the subject velocity (Doppler shift). Patent Document 1 discloses a wavelength scanning interferometer that corrects a length measurement error due to a subject velocity by performing length measurement using two light sources by performing reverse frequency modulation on each.
しかしながら、特許文献１に記載された波長走査干渉計では、被検体速度（ドップラーシフト）を補正しているが、正負チャープの平均値から補正を行っておりその補正精度は１／２０と低い。 However, the wavelength scanning interferometer described in Patent Document 1 corrects the subject velocity (Doppler shift), but the correction is performed from the average value of the positive and negative chirps, and the correction accuracy is as low as 1/20.
本発明は、移動する被検体までの絶対距離を高精度に計測するために有利な波長走査干渉計を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a wavelength scanning interferometer that is advantageous for measuring an absolute distance to a moving subject with high accuracy.
本発明の１つの側面は、被検体までの絶対距離を計測する波長走査干渉計に係り、前記波長走査干渉計は、第１光源から射出される第１光束によって形成される前記被検体の位置情報を含む干渉光を検出し第１干渉信号として出力する第１検出部と、第２光源から射出される第２光束によって形成される前記被検体の位置情報を含む干渉光を検出し第２干渉信号として出力する第２検出部と、前記第１光束の波長を走査しながら前記第１検出部に検出動作を実行させて得られる前記第１干渉信号と前記第２光束の波長を走査しながら前記第２検出部に検出動作を実行させて得られる前記第２干渉信号とに基づいて前記被検体までの絶対距離を算出する処理部と、を備え、前記処理部は、第１時刻から第２時刻までの時間間隔における前記第１干渉信号の位相と前記第２干渉信号の位相との差分の変化量によって得られる前記被検体の速度によって、前記第１干渉信号および前記第２干渉信号の少なくとも一方に基づいて算出される、誤差を有する絶対距離を補正し、これにより、誤差が補正された絶対距離を算出し、前記第１時刻および前記第２時刻は、前記第１光束の波長と前記第２光束の波長との差分が互いに等しい時刻である。 One aspect of the present invention relates to a wavelength scanning interferometer that measures an absolute distance to a subject. The wavelength scanning interferometer is a position of the subject formed by a first light beam emitted from a first light source. A first detector for detecting interference light including information and outputting it as a first interference signal; and detecting interference light including position information of the subject formed by the second light beam emitted from the second light source, A second detector that outputs an interference signal, and scans the wavelength of the first interference signal and the second light beam obtained by causing the first detector to perform a detection operation while scanning the wavelength of the first light beam. A processing unit that calculates an absolute distance to the subject based on the second interference signal obtained by causing the second detection unit to perform a detection operation, and the processing unit starts from a first time. The first in the time interval until the second time An error calculated based on at least one of the first interference signal and the second interference signal based on the velocity of the subject obtained by the amount of change in the difference between the phase of the interference signal and the phase of the second interference signal The absolute distance having the error is corrected, thereby calculating the absolute distance in which the error is corrected. The difference between the wavelength of the first light flux and the wavelength of the second light flux is calculated at the first time and the second time. The times are equal to each other.
本発明によれば、移動する被検体までの絶対距離を高精度に計測するために有利な波長走査干渉計が提供される。 According to the present invention, a wavelength scanning interferometer advantageous for measuring an absolute distance to a moving subject with high accuracy is provided.
図１を参照しながら本発明の例示的な実施形態の波長走査干渉計１００について説明する。波長走査干渉計１００は、参照面と被検体との光路長差から絶対距離を算出する。波長走査干渉計１００は、第１光源１ａ、第２光源１ｂとして波長可変レーザーを備えていて、第１光源１ａ、第２光源１ｂから射出される光束の波長を時間的にある範囲で変化させる。光源１ａから射出された光束（以下、第１光束）は、ビームスプリッタ２ａにより、波長計測ユニット８に向かう光束と干渉計ユニット９に向かう光束とに分割される。同様に、光源１ｂから射出された光束（以下、第２光束）は、ビームスプリッタ２ａ、２ｂにより、波長計測ユニット８に向かう光束と干渉計ユニット９に向かう光束とに分割される。 A wavelength scanning interferometer 100 according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The wavelength scanning interferometer 100 calculates the absolute distance from the optical path length difference between the reference surface and the subject. The wavelength scanning interferometer 100 includes wavelength tunable lasers as the first light source 1a and the second light source 1b, and changes the wavelengths of the light beams emitted from the first light source 1a and the second light source 1b within a certain time range. . A light beam emitted from the light source 1a (hereinafter, referred to as a first light beam) is divided into a light beam traveling toward the wavelength measurement unit 8 and a light beam traveling toward the interferometer unit 9 by the beam splitter 2a. Similarly, a light beam emitted from the light source 1b (hereinafter referred to as a second light beam) is split into a light beam directed to the wavelength measuring unit 8 and a light beam directed to the interferometer unit 9 by the beam splitters 2a and 2b.
波長計測ユニット８に入射した光束（第１光束から分割された光束および第２光束から分割された光束を含む）は、ファブリペローエタロン４を透過した後、ビームスプリッタ２ｅにより２つの光束に分割される。ビームスプリッタ２ｅにより分割された光束は、検出器３ｃ、３ｄにそれぞれ入射する。検出器３ｃ、３ｄは、入射した光束の強度を検出する。処理部５は、検出器３ｃで検出された強度に基づいて、第１光源１ａから射出される第１光束の波長を制御する。処理部５は、検出器３ｄで検出された強度に基づいて、第２光源１ｂから射出される第２光束の波長を制御する。 The light beam incident on the wavelength measuring unit 8 (including the light beam divided from the first light beam and the light beam split from the second light beam) is transmitted through the Fabry-Perot etalon 4 and then split into two light beams by the beam splitter 2e. The The light beams split by the beam splitter 2e enter the detectors 3c and 3d, respectively. The detectors 3c and 3d detect the intensity of the incident light beam. The processing unit 5 controls the wavelength of the first light beam emitted from the first light source 1a based on the intensity detected by the detector 3c. The processing unit 5 controls the wavelength of the second light beam emitted from the second light source 1b based on the intensity detected by the detector 3d.
ファブリペローエタロン４は、透過スペクトルのそれぞれのピークの相対値が保証されている。ファブリペローエタロン４として、例えば、透過スペクトル間隔が保証された真空媒質のエタロンが用いられうる。真空媒質のエタロンは、内部媒質の屈折率及び分散がないため、波長の相対値を容易に保証することができる。更に、エタロンの材質として低熱膨張ガラスなどを用いれば、温度に対する膨張率を低減して、長期的に安定した波長基準素子を実現することができる。但し、ファブリペローエタロン４は、真空媒質のエタロンに限定されるものではなく、エアギャップのエタロンやソリッドエタロンなどを用いてもよい。この場合、エタロンの温度を計測するなどして内部屈折率及び分散を保証する必要がある。また、波長走査時の各時刻の波長を保証するため、ファブリベローエタロン４は光源１の波長走査範囲のなかに、少なくとも２本以上の透過スペクトルを持つことが好ましい。 In the Fabry-Perot etalon 4, the relative value of each peak in the transmission spectrum is guaranteed. As the Fabry-Perot etalon 4, for example, an etalon of a vacuum medium with a guaranteed transmission spectrum interval can be used. Since the etalon of the vacuum medium does not have the refractive index and dispersion of the internal medium, the relative value of the wavelength can be easily guaranteed. Furthermore, if a low thermal expansion glass or the like is used as the material of the etalon, it is possible to realize a wavelength reference element that is stable for a long period of time by reducing the expansion coefficient with respect to temperature. However, the Fabry-Perot etalon 4 is not limited to a vacuum medium etalon, and an air gap etalon or a solid etalon may be used. In this case, it is necessary to guarantee the internal refractive index and dispersion by measuring the temperature of the etalon. In order to guarantee the wavelength at each time during wavelength scanning, the Fabry Bellow etalon 4 preferably has at least two transmission spectra in the wavelength scanning range of the light source 1.
干渉計ユニット９に入射した光束（第１光束から分割された光束および第２光束から分割された光束を含む）は、ビームスプリッタ２ｃにより、参照面６に入射する光束と被検体７に入射する光束とに分割される。参照面６に入射し参照面６で反射された光束（参照光束）と被検体７に入射し被検体７で反射された光束（被検光束）とは、ビームスプリッタ２ｃにより合波される。ビームスプリッタ２ｃにより合波された光束は、ビームスプリッタ２ｄにより２つの光束に分割され、それぞれ第１検出部３ａ、第２検出部３ｂに入射する。 A light beam (including a light beam split from the first light beam and a light beam split from the second light beam) incident on the interferometer unit 9 enters the subject 7 and the light beam incident on the reference surface 6 by the beam splitter 2c. Divided into luminous flux. The light beam (reference light beam) incident on the reference surface 6 and reflected by the reference surface 6 and the light beam (test light beam) incident on the subject 7 and reflected by the subject 7 are combined by the beam splitter 2c. The light beam combined by the beam splitter 2c is divided into two light beams by the beam splitter 2d, and enters the first detection unit 3a and the second detection unit 3b, respectively.
第１検出部３ａは、第１光源１ａから射出される第１光束によって形成される被検体７の位置情報を含む干渉光を検出し第１干渉信号として出力する。より具体的には、第１検出部３ａは、参照面６で反射された第１参照光束と被検体７で反射された第１被検光束とで形成される干渉光の信号を検出して第１干渉信号として出力する。ここで、第１参照光束および第１被検光束は、第１光束から生成された光束である。第２検出部３ｂは、第２光源１ｂから射出される第２光束によって形成される被検体７の位置情報を含む干渉光を検出し第２干渉信号として出力する。より具体的には、第２検出部３ａは、参照面６で反射された第２参照光束と被検体７で反射された第２被検光束とで形成される干渉光の信号を検出して第２干渉信号として出力する。ここで、第２参照光束および第２被検光束は、第２光束から生成された光束である。 The 1st detection part 3a detects the interference light containing the positional information on the subject 7 formed with the 1st light beam inject | emitted from the 1st light source 1a, and outputs it as a 1st interference signal. More specifically, the first detection unit 3a detects the interference light signal formed by the first reference light beam reflected by the reference surface 6 and the first test light beam reflected by the subject 7. Output as the first interference signal. Here, the first reference light beam and the first test light beam are light beams generated from the first light beam. The second detector 3b detects the interference light including the position information of the subject 7 formed by the second light beam emitted from the second light source 1b, and outputs it as a second interference signal. More specifically, the second detection unit 3a detects an interference light signal formed by the second reference light beam reflected by the reference surface 6 and the second test light beam reflected by the subject 7. Output as the second interference signal. Here, the second reference light beam and the second test light beam are light beams generated from the second light beam.
処理部５は、第１光源１ａ、第２光源１ｂがそれぞれ発生する第１光束、第２光束の波長をリニアに走査（掃引）しながら第１検出部３ａ、第２検出部３ｂに検出動作を実行させる。これによって得られる第１干渉信号および第２干渉信号は、その周期が一定の干渉信号となる。第１干渉信号および第２干渉信号は、式（１）で表すことができる。 The processing unit 5 performs a detection operation on the first detection unit 3a and the second detection unit 3b while linearly scanning (sweeping) the wavelengths of the first light beam and the second light beam generated by the first light source 1a and the second light source 1b, respectively. Is executed. The first interference signal and the second interference signal thus obtained are interference signals having a constant period. The first interference signal and the second interference signal can be expressed by Expression (1).
ここで、Ｉｓｉｇｎａｌは干渉信号、ＩＲは参照光束の強度、ＩＤは被検光束の強度、Ｃは光速（２９９７９２４５８［ｍ／ｓ］）、ｆ（ｔ）は第１光源１ａおよび第２光源１ｂが発生する光の波長、Ｌは被検体距離である。ここで、被検体距離Ｌは、被検体７までの絶対距離（参照光束と被検光束との光路長差）である。第１光源１ａ、第２光源１ｂが発生する光束の波長がリニアに走査されると、第１検出器３ａ、第２検出部３ｂで検出され出力される干渉信号の位相φは、式（２）で表すことができる。 Here, I Signal interference signal, I R is the intensity of the reference light beam, I D is the intensity of the test light beam, C is the speed of light (299792458 [m / s]) , f (t) the first light source 1a is, and the second The wavelength of light generated by the light source 1b, L, is the subject distance. Here, the subject distance L is the absolute distance to the subject 7 (the optical path length difference between the reference light beam and the test light beam). When the wavelengths of the light beams generated by the first light source 1a and the second light source 1b are linearly scanned, the phase φ of the interference signal detected and output by the first detector 3a and the second detector 3b is expressed by the equation (2). ).
干渉信号の位相の時間微分は、干渉信号の周波数ν（ｔ）であり、周波数ν（ｔ）は、式（３）で表すことができる。なお、ｆ’は、ｄｆ／ｄｔ、即ち、ｆの時間微分を表す。 The time derivative of the phase of the interference signal is the frequency ν (t) of the interference signal, and the frequency ν (t) can be expressed by Equation (3). Note that f ′ represents df / dt, that is, time differentiation of f.
被検体７が静止している状態では、干渉信号の周波数ν（ｔ）は、式（３）が示すように被検体距離Ｌのみに依存する。よって、検出された干渉信号にフーリエ変換等の処理を行って周波数解析を行うことによって干渉信号の周波数ν（ｔ）を決定し、ν（ｔ）に基づいて被検体距離Ｌを算出することができる。被検体距離Ｌは、式（４）で表わされる。 In a state where the subject 7 is stationary, the frequency ν (t) of the interference signal depends only on the subject distance L as shown in the equation (3). Accordingly, the frequency ν (t) of the interference signal is determined by performing processing such as Fourier transform on the detected interference signal and performing frequency analysis, and the subject distance L is calculated based on ν (t). it can. The subject distance L is expressed by equation (4).
次に、被検体７が速度Ｖで運動している場合、干渉信号の位相φ（ｔ）は、式（５）のように表される。 Next, when the subject 7 is moving at the velocity V, the phase φ (t) of the interference signal is expressed as in Equation (5).
ここで、ｆ０は基準波長（波長走査の中心波長）であり、Ｌ０は被検体７が静止している時の被検体距離である。位相φ（ｔ）を時間微分し、干渉信号Ｉｓｉｇｎａｌの周波数ν（ｔ）を算出すると、式（６）のようになる。なお、波長走査干渉計１００では、光源１ａ、１ｂから射出される光束の波長がリニアに走査され、したがって、ｆの時間ｔによる２回微分は０である。 Here, f 0 is a reference wavelength (center wavelength of wavelength scanning), and L 0 is an object distance when the object 7 is stationary. When the phase φ (t) is time-differentiated and the frequency ν (t) of the interference signal I signal is calculated, Equation (6) is obtained. In the wavelength scanning interferometer 100, the wavelength of the light beam emitted from the light sources 1a and 1b is linearly scanned, and therefore the second derivative of f with respect to time t is zero.
このように、被検体７が移動していると、干渉信号Ｉｓｉｇｎａｌの周波数ν（ｔ）は、被検体速度（被検体７の速度）Ｖにも依存する。そこで、静止している被検体と同様に干渉信号の周波数ν（ｔ）から被検体距離Ｌ０を算出するためには、被検体速度Ｖを知ることが必要となる。被検体速度Ｖを算出する方法として、被検体距離の時間的な変化を算出する方法が考えられる。この方法で式（４）により干渉信号の周波数ν（ｔ）から求めることができる被検体距離をＬ’とすると、Ｌ’は式（７）で表わされる。よって、この方法では、式（７）における第３項（（ｆ０／ｆ’）Ｖ）が一定である必要がある。 Thus, when the subject 7 is moving, the frequency ν (t) of the interference signal I signal also depends on the subject velocity (the velocity of the subject 7) V. Therefore, in order to calculate the subject distance L 0 from the frequency ν (t) of the interference signal as in the stationary subject, it is necessary to know the subject velocity V. As a method for calculating the subject velocity V, a method for calculating a temporal change in the subject distance can be considered. When the object distance that can be obtained from the interference signal frequency ν (t) by Equation (4) by this method is L ′, L ′ is expressed by Equation (7). Therefore, in this method, the third term ((f 0 / f ′) V) in Equation (7) needs to be constant.
一般的に、波長走査干渉計では、図２に例示するように、一定の波長走査幅をリニアに走査する動作を周期Δｔで周期的に行うように光源が制御される。そこで、第３項（（ｆ０／ｆ’）Ｖ）を一定に保つためには、被検体距離の時間的な変化を検出するために２回にわたってＬ’を検出する際の時間間隔は、波長走査周期Δｔの整数倍である必要がある。この時間間隔において被検体速度Ｖの変化が大きいと（即ち、被検体の加速度が大きいと）、被検体速度Ｖの計測精度が低下する。そこで、より加速度の影響を受けにくい被検体速度Ｖの検出方法として、この実施形態では、処理部５は、第１干渉信号の位相と第２干渉信号の位相との差の時間的な変化とに基づいて被検体速度Ｖを算出する。ここで、第１干渉信号の位相および第２干渉信号の位相は、被検物７までの相対的な距離を示す情報である。よって、この実施形態は、被検体７までの相対的な距離の時間的な変化に基づいて被検体速度Ｖの算出する方法であると考えることもできる。被検体７までの相対的な距離としての被検体距離Ｌは、式（８）で表すことができる。 In general, in the wavelength scanning interferometer, as illustrated in FIG. 2, the light source is controlled so that an operation of linearly scanning a certain wavelength scanning width is periodically performed with a period Δt. Therefore, in order to keep the third term ((f 0 / f ′) V) constant, the time interval when detecting L ′ twice in order to detect temporal changes in the subject distance is: It is necessary to be an integral multiple of the wavelength scanning period Δt. If the change in the subject velocity V is large in this time interval (that is, if the acceleration of the subject is large), the measurement accuracy of the subject velocity V is lowered. Therefore, as a method of detecting the subject velocity V that is less susceptible to acceleration, in this embodiment, the processing unit 5 performs a temporal change in the difference between the phase of the first interference signal and the phase of the second interference signal. The subject velocity V is calculated based on the above. Here, the phase of the first interference signal and the phase of the second interference signal are information indicating a relative distance to the test object 7. Therefore, this embodiment can be considered as a method of calculating the subject velocity V based on the temporal change in the relative distance to the subject 7. A subject distance L as a relative distance to the subject 7 can be expressed by Expression (8).
ここで、Ｎは干渉次数、φ’（ｔ）は時刻ｔにおける干渉信号Ｉｓｉｇｎａｌの端数位相である。被検体距離Ｌから被検体速度Ｖを算出するためには、被検体距離の検出結果が２つ必要である。当該２つの検出結果Ｌ１、Ｌ２は、式（９）、式（１０）のように表わされる。 Here, N is the interference order, and φ ′ (t) is the fractional phase of the interference signal I signal at time t. In order to calculate the subject velocity V from the subject distance L, two detection results of the subject distance are required. The two detection results L 1 and L 2 are expressed as in Expression (9) and Expression (10).
ここで、ｆ１、ｆ２は時刻ｔ１、ｔ２において光源が射出する光束の波長、φ’（ｔ１）、φ’（ｔ２）は時刻ｔ１、ｔ２における干渉信号の端数位相である。これより被検体速度Ｖを算出すると式（１１）で表される。 Here, f 1 and f 2 are the wavelengths of the light beams emitted from the light source at times t 1 and t 2 , and φ ′ (t 1 ) and φ ′ (t 2 ) are the fractional phases of the interference signals at times t 1 and t 2 . It is. If the subject velocity V is calculated from this, it is expressed by equation (11).
このとき、式（１１）の最右辺において干渉次数Ｎを有する項が残ってしまう。相対的な距離の測定においては、干渉次数Ｎが不定であるので、被検体速度Ｖを算出することができない。そこで、干渉次数Ｎの影響を無くすためには、ｆ１＝ｆ２とする必要がある。ただし、単一光源において波長走査周期よりも短い時間内で波長を等しくすることは不可能であるので、複数の光源１ａ、１ｂを用いて、別時刻において波長を等しくすることを考える。 At this time, a term having the interference order N remains on the rightmost side of the equation (11). In measuring the relative distance, since the interference order N is indefinite, the subject velocity V cannot be calculated. Therefore, in order to eliminate the influence of the interference order N, it is necessary to set f 1 = f 2 . However, since it is impossible to make the wavelengths equal within a time shorter than the wavelength scanning period in a single light source, it is considered that the wavelengths are made equal at different times using a plurality of light sources 1a and 1b.
この実施形態では、２つの波長の合成波長を用いる。合成波長は、式（１２）で表される。波長ｆ１の第１光束を使って得られる第１干渉信号の位相φ１と波長ｆ２の第２光束を使って得られる第２干渉信号の位相φ２との差φ１２は、合成波長Λ１２の光束を使って干渉計測を行った場合に得られる干渉信号の位相と等しい。 In this embodiment, a combined wavelength of two wavelengths is used. The combined wavelength is represented by the formula (12). Difference phi 12 and the phase phi 2 of the second interference signal obtained using the second light flux of the phase phi 1 and the wavelength f 2 of the first interference signal obtained using the first light flux with wavelength f 1 is the synthetic wavelength equal to the obtained interference signal phase when performing interference measurement using the light flux of lambda 12.
第１光源１ａから射出される第１光束を使って得られる第１干渉信号の位相φ１（ｔ）は、式（１４）で表わされる。光源１ｂから射出される第２光束を使って得られる第２干渉信号の位相φ２（ｔ）は、式（１５）で表わされる。 The phase φ 1 (t) of the first interference signal obtained by using the first light beam emitted from the first light source 1a is expressed by Expression (14). The phase φ 2 (t) of the second interference signal obtained by using the second light beam emitted from the light source 1b is expressed by Expression (15).
ここでｆ１、ｆ２は、第１光源１ａ、第２光源１ｂからそれぞれ射出される第１光束、第２光束の基準波長（波長走査の中心波長）である。ｆ’１、ｆ’２は、第１光源１ａ、第２光源１ｂの単位時間当たりの波長走査量である。合成波長による干渉信号の位相は、式（１６）で表される。 Here, f 1 and f 2 are reference wavelengths (center wavelengths of wavelength scanning) of the first light beam and the second light beam emitted from the first light source 1a and the second light source 1b, respectively. f ′ 1 and f ′ 2 are wavelength scanning amounts per unit time of the first light source 1a and the second light source 1b. The phase of the interference signal due to the combined wavelength is expressed by Expression (16).
ここで、式（１７）を満たすこと、即ち、第１光源１ａ、第２光源１ｂの単位時間当たりの波長走査幅を等しくすることが好ましい。 Here, it is preferable to satisfy Expression (17), that is, to equalize the wavelength scanning widths per unit time of the first light source 1a and the second light source 1b.
式（１７）を満たすと、式（１６）は、式（１８）のようになり、合成波長は、図３に示すように時刻ｔに依存せず一定となる。 When Expression (17) is satisfied, Expression (16) becomes Expression (18), and the combined wavelength is constant regardless of time t as shown in FIG.
式（１８）から被検体速度Ｖが算出でき、それは式（１９）で表される。 The subject velocity V can be calculated from the equation (18), and is represented by the equation (19).
式（１９）より、第１干渉信号の位相φ１（ｔ）と第２干渉信号の位相φ２（ｔ）との差分（つまり、合成波長による干渉信号の位相）の時間的な変化に基づいて被検体速度Ｖを算出することができることが分かる。以下では、位相φ１（ｔ）と位相φ２（ｔ）との差分の時間的な変化量は、第１時刻から第２時刻までの時間間隔における当該差分の変化量として説明される。ここで、第１時刻と第２時刻とは、第１光源１ａから射出される第１光束の波長ｆ１と第２光源１ｂから射出される第２光束の波長ｆ２との差分（ｆ１−ｆ２）が互いに等しい時刻である。つまり、第１時刻における（ｆ１−ｆ２）と第２時刻における（ｆ１−ｆ２）とは互いに等しい。式（１７）が満たされる区間では、（ｆ１−ｆ２）は一定であり、当該区間では、第１時刻および第２時刻を自由に定めることができる。 From equation (19), based on the temporal change in the difference between the phase φ 1 (t) of the first interference signal and the phase φ 2 (t) of the second interference signal (that is, the phase of the interference signal due to the combined wavelength). It can be seen that the subject velocity V can be calculated. Hereinafter, the temporal change amount of the difference between the phase φ 1 (t) and the phase φ 2 (t) will be described as the change amount of the difference in the time interval from the first time to the second time. Here, the first time and the second time are the difference (f 1) between the wavelength f 1 of the first light beam emitted from the first light source 1 a and the wavelength f 2 of the second light beam emitted from the second light source 1 b. -f 2) are of equal time to each other. That is, at the first time and (f 1 -f 2) and (f 1 -f 2) at the second time are equal to each other. In the section where the expression (17) is satisfied, (f 1 −f 2 ) is constant, and the first time and the second time can be freely determined in the section.
図４には、合成波長が互いに等しい第１時刻および第２時刻のそれぞれにおける相対的な被検体距離に基づいて被検体移動速度を算出し、被検体移動速度と干渉信号周波数から被検体距離を算出するフローが例示されている。以下の手順は、処理部５によって実行または制御される。 In FIG. 4, the object movement speed is calculated based on the relative object distances at the first time and the second time where the synthetic wavelengths are equal to each other, and the object distance is calculated from the object movement speed and the interference signal frequency. The flow to calculate is illustrated. The following procedure is executed or controlled by the processing unit 5.
まず、工程Ｓ１０１が実行される。工程Ｓ１０１は、工程Ｓ１０１ａ、Ｓ１０１ｂを含む。工程Ｓ１０１ａ、Ｓ１０１ｂにおいて、処理部５は、第１光源１ａ、第２光源１ｂからの第１光束、第２光束を使って得られる第１干渉信号、第２干渉信号をそれぞれ取得する。 First, step S101 is performed. Step S101 includes steps S101a and S101b. In steps S101a and S101b, the processing unit 5 acquires a first interference signal and a second interference signal obtained by using the first light beam and the second light beam from the first light source 1a and the second light source 1b, respectively.
次に、工程Ｓ１０２が実行される。工程Ｓ１０２は、工程Ｓ１０２ａ、Ｓ１０２ｂを含む。工程Ｓ１０２ａでは、処理部５は、第１光源１ａからの第１光束を使って得られた第１干渉信号の時刻ｔｎにおける位相φ１（ｔｎ）を式（２０）に従って算出する。工程Ｓ１０２ｂでは、処理部５は、第２光源１ｂからの第１光束を使って得られた第２干渉信号の時刻ｔｎにおける位相φ２（ｔｎ）を式（２０）に従って算出する。 Next, step S102 is performed. Step S102 includes steps S102a and S102b. In step S102a, the processing unit 5 calculates the phase φ 1 (t n ) at the time t n of the first interference signal obtained using the first light flux from the first light source 1a according to the equation (20). In step S102b, the processing unit 5 calculates the phase φ 2 (t n ) at the time t n of the second interference signal obtained using the first light beam from the second light source 1b according to the equation (20).
ここで、Ｉｓｉｇｎａｌ（ｔｋ）は干渉信号、ｆ（ｔｋ）は第１光源１ａ、第２光源１ｂから射出される第１光束、第２光束の波長、Ｌｎは被検体距離である。被検体距離Ｌｎは、例えば、干渉信号にＦＦＴと重心検出を行って算出することができる。式（２０）は、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）の計算の一部を行い、特定の干渉信号周波数（ここでは被検体距離Ｌｎに対応する干渉信号周波数）の時刻ｔｎにおける位相のみを算出することを表す。これにより位相検出センサを用いなくても干渉信号から位相を検出することができる。また位相を算出する際に被検体速度が非常に高速で干渉信号の周波数変化も高速に発生しているならば干渉信号の強度から直接位相を算出しても良いし、またホモダイン干渉計の位相検出センサを用いても良い。位相φ１（ｔｎ）、φ２（ｔｎ）はそれぞれ式（２１）、式（２２）で表される。 Here, I signal (t k ) is an interference signal, f (t k ) is the first light beam emitted from the first light source 1a and the second light source 1b, the wavelength of the second light beam, and L n is the object distance. . The subject distance L n can be calculated by performing FFT and centroid detection on the interference signal, for example. Expression (20) performs a part of calculation of discrete Fourier transform (DFT), and calculates only the phase at a time t n of a specific interference signal frequency (here, the interference signal frequency corresponding to the object distance L n ). Represents that. Thus, the phase can be detected from the interference signal without using a phase detection sensor. When calculating the phase, if the subject velocity is very high and the frequency of the interference signal changes rapidly, the phase may be calculated directly from the intensity of the interference signal, or the phase of the homodyne interferometer. A detection sensor may be used. The phases φ 1 (t n ) and φ 2 (t n ) are expressed by equations (21) and (22), respectively.
次に工程Ｓ１０３において、処理部５は、合成波長による干渉信号の位相（これは、前述の（φ１（ｔ）−φ２（ｔ））に相当する）を算出する。合成波長による干渉信号の位相は式（２３）で表される。 Next, in step S103, the processing unit 5 calculates the phase of the interference signal based on the combined wavelength (this corresponds to (φ 1 (t) −φ 2 (t)) described above). The phase of the interference signal due to the combined wavelength is expressed by Equation (23).
次に、工程Ｓ１０４において、処理部５は、
（１）時刻ｔｎにおける合成波長による干渉信号の位相（φ１（ｔｎ）−φ２（ｔｎ））と、
（２）工程Ｓ１０２、１０３と同様にして算出された時刻ｔｎ−１における合成波長による干渉信号の位相（φ１（ｔｎ−１）−φ２（ｔｎ−１））と、
に基づいて被検体速度Ｖｎ−１，ｎを算出する。被検体速度Ｖｎ−１，ｎは、式（２４）で表される。式（２４）は、式（１９）と等価である。
Next, in step S104, the processing unit 5
(1) The phase (φ 1 (t n ) −φ 2 (t n )) of the interference signal due to the combined wavelength at time t n ,
(2) The phase (φ 1 (t n−1 ) −φ 2 (t n−1 )) of the interference signal due to the combined wavelength calculated at the time t n−1 calculated in the same manner as in steps S102 and S103,
Based on the above, the subject velocity V n−1, n is calculated. The subject velocity V n−1, n is expressed by Expression (24). Equation (24) is equivalent to Equation (19).
ここで、図４に示す手順は、工程Ｓ１０２ａ、Ｓ１０２ｂからＳ１０７までの処理を１サイクルの処理として繰り返して実行するものである。したがって、第（ｎ−１）サイクルの処理で得られた合成波長による干渉信号の位相をメモリＭに格納しておき、これを、第ｎサイクルの処理において、合成波長による干渉信号の位相φ０（ｔｎ−１）−φ１（ｔｎ−１）として使用することができる。時刻ｔｎ−１は第１時刻に相当し、時刻ｔｎは第２時刻に相当する。第１時刻と第２時刻との時間間隔は、第１光束および第２光束の波長走査周期より短いことが好ましい。 Here, the procedure shown in FIG. 4 is to repeatedly execute the processes from step S102a, S102b to S107 as one cycle process. Therefore, the phase of the interference signal based on the combined wavelength obtained in the (n−1) -th cycle processing is stored in the memory M, and this is the phase φ 0 of the interference signal based on the combined wavelength in the n-th cycle processing. It can be used as (t n-1 ) -φ 1 (t n-1 ). Time t n-1 corresponds to the first time, and time t n corresponds to the second time. The time interval between the first time and the second time is preferably shorter than the wavelength scanning period of the first light flux and the second light flux.
次に、工程Ｓ１０５において、処理部５は、被検体７までの絶対距離として被検体距離Ｌ’ｎを算出する。被検体距離Ｌ’ｎは、工程Ｓ１０１ａおよびＳ１０１ｂので得られた第１干渉信号および第２干渉信号の少なくとも一方に基づいて算出することができる。例えば、第１または第２干渉信号のフーリエ変換等の処理を行い時刻ｔｍ（ｔｎ−１＜ｔｍ＜ｔｎ）における第１または第２干渉信号の周波数ν（ｔｍ）から算出することができる。あるいは、第１干渉信号を使って得られる周波数ν（ｔｍ）と第２干渉信号を使って得られる周波数ν（ｔｍ）との平均値などを使ってもよい。被検体距離Ｌ’ｎは式（２５）で表される。 Next, in step S < b > 105, the processing unit 5 calculates a subject distance L′ n as an absolute distance to the subject 7. The subject distance L ′ n can be calculated based on at least one of the first interference signal and the second interference signal obtained in steps S101a and S101b. For example, processing such as Fourier transform of the first or second interference signal is performed, and calculation is performed from the frequency ν (t m ) of the first or second interference signal at time t m (t n−1 <t m <t n ). be able to. Alternatively, it may also be used such as the average value of the frequency obtained using a first interference signal ν (t m) and obtained using a second interference signal frequency ν (t m). The subject distance L ′ n is expressed by Expression (25).
次に、工程Ｓ１０６において、処理部５は、式（２６）に従って、被検体７が移動していることによる誤差を有する被検体距離Ｌ’ｎを被検体速度Ｖｎ−１，ｎを用いて補正し、被検体距離Ｌ’’ｎを算出する。 Next, in step S106, the processing unit 5 uses the subject velocity V n−1, n as the subject distance L ′ n having an error due to the movement of the subject 7 according to the equation (26). The subject distance L ″ n is corrected and calculated.
次に、任意的な工程として工程Ｓ１０７が実施されうる。工程Ｓ１０７では、処理部５は、光源１ａから射出された光束による第１干渉信号に基づいて任意の波長（第１波長）ｆａ１における該第１干渉信号の端数位相φａ１を求める。さらに、処理部５は、光源１ｂから射出された光束による第２干渉信号に基づいて任意の波長（第２波長）ｆａ２における該第２干渉信号の端数位相φａ２を求める。ここで、処理部５は、工程Ｓ１０６で算出した被検体距離Ｌ’’ｎに基づいて、波長ｆａ１における干渉次数と波長ｆａ２における干渉次数との差（干渉次数差）Ｍ１２を式（２７）により決定する。 Next, step S107 may be performed as an optional step. In step S107, the processing unit 5 obtains the fractional phase φ a1 of the first interference signal at an arbitrary wavelength (first wavelength) f a1 based on the first interference signal by the light beam emitted from the light source 1a. Further, the processing unit 5 obtains the fractional phase φ a2 of the second interference signal at an arbitrary wavelength (second wavelength) f a2 based on the second interference signal by the light beam emitted from the light source 1b. Here, the processing unit 5, based on the subject distance L''n calculated in step S106, the difference (interference order difference) between the interference order of the interference orders and wavelengths f a2 at the wavelength f a1 M 12 Equation ( 27).
ここで、「ｒｏｕｎｄ（）」は最も近い整数への丸めを行う関数である。処理部５は、得られた干渉次数差Ｍ１２、端数位相φ’１、φ’２、波長ｆａ１、ｆａ２を用いて、被検体距離Ｌ’’’ｎを得る。 Here, “round ()” is a function for rounding to the nearest integer. The processing unit 5 obtains the object distance L ′ ″ n using the obtained interference order difference M 12 , fractional phases φ ′ 1 and φ ′ 2 , wavelengths f a1 and f a2 .
以上のように、干渉次数差を用いることにより、より高精度に被検体距離を測定することが可能となる。 As described above, the object distance can be measured with higher accuracy by using the interference order difference.
この実施形態において、複数の光源からそれぞれ射出される光束のそれぞれの波長の合成波長から被検体速度を算出する場合、各波長による干渉信号の位相は、例えば図５に例示されるように変化しうる。被検体速度は、式（２４）から分かるように、合成波長による位相の時間変化率、つまり位相変化の傾きとして算出される。したがって、一回の波長走査で被検体速度が算出可能となり加速度等の影響を受けにくい。よって、被検体加速度が大きい場合においても高精度に被検体速度を検出することができる。 In this embodiment, when the subject velocity is calculated from the combined wavelength of the respective wavelengths of the light beams emitted from the plurality of light sources, the phase of the interference signal due to each wavelength changes as exemplified in FIG. sell. As can be seen from the equation (24), the subject velocity is calculated as the time change rate of the phase due to the combined wavelength, that is, the slope of the phase change. Therefore, the subject velocity can be calculated with a single wavelength scan and is not easily affected by acceleration or the like. Therefore, the subject velocity can be detected with high accuracy even when the subject acceleration is large.
Claims (4)
第１光源から射出される第１光束によって形成される前記被検体の位置情報を含む干渉光を検出し第１干渉信号として出力する第１検出部と、
第２光源から射出される第２光束によって形成される前記被検体の位置情報を含む干渉光を検出し第２干渉信号として出力する第２検出部と、
前記第１光束の波長を走査しながら前記第１検出部に検出動作を実行させて得られる前記第１干渉信号と前記第２光束の波長を走査しながら前記第２検出部に検出動作を実行させて得られる前記第２干渉信号とに基づいて前記被検体までの絶対距離を算出する処理部と、を備え、
前記処理部は、第１時刻から第２時刻までの時間間隔における前記第１干渉信号の位相と前記第２干渉信号の位相との差分の変化量によって得られる前記被検体の速度によって、前記第１干渉信号および前記第２干渉信号の少なくとも一方に基づいて算出される、誤差を有する絶対距離を補正し、これにより、誤差が補正された絶対距離を算出し、
前記第１時刻および前記第２時刻は、前記第１光束の波長と前記第２光束の波長との差分が互いに等しい時刻である、
ことを特徴とする波長走査干渉計。 A wavelength scanning interferometer that measures the absolute distance to the subject,
A first detector that detects interference light including position information of the subject formed by a first light beam emitted from a first light source and outputs the detected interference light as a first interference signal;
A second detector that detects interference light including position information of the subject formed by a second light beam emitted from a second light source and outputs the detected interference light as a second interference signal;
The detection operation is performed on the second detection unit while scanning the wavelength of the first interference signal and the second light beam obtained by causing the first detection unit to perform the detection operation while scanning the wavelength of the first light beam. A processing unit that calculates an absolute distance to the subject based on the second interference signal obtained by performing
The processing unit is configured to determine the first speed of the subject based on a change amount of a difference between a phase of the first interference signal and a phase of the second interference signal in a time interval from a first time to a second time. Correcting an absolute distance having an error calculated based on at least one of the first interference signal and the second interference signal, thereby calculating an absolute distance in which the error is corrected;
The first time and the second time are times when the difference between the wavelength of the first light flux and the wavelength of the second light flux is equal to each other.
A wavelength scanning interferometer.
ことを特徴とする請求項１に記載の波長走査干渉計。 The time interval is shorter than a wavelength scanning period of the first light flux and the second light flux,
The wavelength scanning interferometer according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の波長走査干渉計。 The time derivative of the wavelength of the first light flux is equal to the time derivative of the wavelength of the second light flux,
The wavelength scanning interferometer according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項３に記載の波長走査干渉計。 The processing unit obtains the absolute distance corrected by correcting the absolute distance having the error, the fractional phase at the first wavelength of the first interference signal, and the second phase of the second interference signal. Further correcting based on the fractional phase at two wavelengths and the difference between the interference order at the first wavelength and the interference order at the second wavelength;
The wavelength scanning interferometer according to claim 3.
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