JP2015178981A - Distance metering device and distance metering method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To correct a fluctuation of a phase due to a CEO on software, unlike the conventional art that corrects the fluctuation of the phase due to the CEO on hardware.SOLUTION: One embodiment according to the present invention provides a distance metering device (100) that comprises: a storage unit (131) that preliminarily stores a change direction matrix about a direction of a change of a fluctuation component of a phase due to a CEO included in interference light; and a CEO correction unit (133) that estimates the fluctuation component from a coefficient matrix adjusted so that a phase on a model matches an actual phase within a prescribed threshold on the basis of the model in which the phase on the model of the interference light is expressed by a sum of a prescribed phase and the fluctuation component and the fluctuation component is expressed by a product of the change direction matrix and the coefficient matrix of the change direction matrix, and corrects the fluctuation component by subtracting the estimated fluctuation component from the actual phase.

Description

本発明は、レーザ光、詳細には光周波数コムを用いた距離測定技術に関する。   The present invention relates to a distance measurement technique using a laser beam, and in particular, an optical frequency comb.

従来より、対象物までの距離の測定装置として、レーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光の位相を基に測定対象物までの距離を測定する技術が知られている。特許文献1は、モードホップを抑制する機構と、縦モードの一本の絶対周波数と繰り返し周波数とをそれぞれ独立に安定化する二重の周波数安定化負帰還機構とを設け、それらを同時に作用させることで、全ての縦モードの絶対周波数を安定化させるモード同期パルスレーザを開示する。特許文献2は、モードロックレーザのキャリア・エンベロープ・オフセット(Carrier Envelope Offset:CEO)周波数を測定する装置の制御部が、モードロックレーザの共振器長やポンプ光強度を調整することによりその繰り返し周波数を制御し、CEO周波数を制御する技術を開示する。   Conventionally, as a device for measuring the distance to an object, a technique for irradiating a measurement object with laser light and measuring the distance to the object based on the phase of reflected light from the object is known. . Patent Document 1 provides a mechanism that suppresses mode hopping, and a double frequency stabilization negative feedback mechanism that stabilizes one absolute frequency and repetition frequency of a longitudinal mode independently, and causes them to act simultaneously. Thus, a mode-locked pulse laser is disclosed that stabilizes the absolute frequency of all longitudinal modes. In Patent Document 2, the control unit of a device that measures the carrier envelope offset (CEO) frequency of a mode-locked laser adjusts the resonator length of the mode-locked laser and the pump light intensity to adjust the repetition frequency. And a technology for controlling the CEO frequency is disclosed.

特開2008−251723号公報JP 2008-251723 A 特開2014−13935号公報JP 2014-13935 A

特許文献1、2に開示されているように、従来では、レーザの周波数スペクトルからキャリア・エンベロープ・オフセット(CEO)による位相のゆらぎ成分を検出し、それをフィードバックすることにより共振器長を制御し、位相のゆらぎ成分を一定の値にする機器が用いられる。特許文献1では、縦モード周波数が突然他の周波数に変化するモードホップ減少を抑制する機構と、ある縦モード一本の絶対周波数と繰り返し周波数とをそれぞれ独立に安定化する二重の周波数安定化負荷帰還機構とを設け、それらを同時に動作させて全ての縦モードの絶対周波数を安定化させている。   As disclosed in Patent Documents 1 and 2, conventionally, the resonator length is controlled by detecting the phase fluctuation component due to carrier envelope offset (CEO) from the frequency spectrum of the laser and feeding it back. A device that makes the phase fluctuation component a constant value is used. In Patent Document 1, a mechanism that suppresses mode hop reduction in which a longitudinal mode frequency suddenly changes to another frequency, and double frequency stabilization that stabilizes an absolute frequency and a repetition frequency of a certain longitudinal mode independently. A load feedback mechanism is provided and operated simultaneously to stabilize the absolute frequency of all longitudinal modes.

従来のようにハードウェア上で位相のゆらぎ成分を補正するためには、周囲の温度や振動等が適切な管理された状況下で、高精度なゆらぎ成分の検出装置と高精度な共振器長の制御装置を稼働させる必要があり、工場等の製造ラインにおいて実際に使用することが難しいという問題がある。   In order to correct the phase fluctuation component on hardware as in the past, a highly accurate fluctuation component detection device and a high-accuracy resonator length can be obtained under circumstances where the ambient temperature and vibration are properly controlled. Therefore, there is a problem that it is difficult to actually use it in a production line such as a factory.

そこで、本発明の目的は、従来のようにハードウェア上でCEOによる位相のゆらぎ成分を補正するのではなく、ソフトウェア上で該ゆらぎ成分を補正するための距離測定装置及び距離測定方法を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide a distance measuring device and a distance measuring method for correcting the fluctuation component by software instead of correcting the fluctuation component of the phase by CEO as in the prior art. That is.

本発明の一実施形態は、第1の繰り返し周波数のモードを有する第1の光を発生する第1の光発生器と、第1の繰り返し周波数と異なる第2の繰り返し周波数のモードを有する第2の光を発生する第2の光発生器と、第1及び第2の光発生器から基準点を介して照射された第1の光と第2の光との第1の干渉光を検出する第1の検出器と、基準点を介して照射された、測定対象物から反射されてきた第1の光と参照面から反射されてきた第2の光との第2の干渉光を検出する第2の検出器と、第1及び第2の干渉光に含まれるキャリア・エンベロープ・オフセット(CEO)による位相のゆらぎ成分(θCEO)の変化の方向を示す変化方向行列(W)を記憶している記憶部と、第1及び第2の干渉光のモデル上の位相(θ)が所定の位相((Δθ/Δf)F)とゆらぎ成分(θCEO)との和で表され、ゆらぎ成分(θCEO)が変化方向行列(W)とその係数行列(Q)との積で表されるモデル(θ=(Δθ/Δf)F+WQ)に基づき、モデル上の位相(θ)が実際の位相(θ’)に所定のしきい値内で一致するように調整された係数行列(Q)からゆらぎ成分(θCEO)を推定し、推定したゆらぎ成分(θCEO)を実際の位相(θ’)から差し引くことにより、ゆらぎ成分(θCEO)を補正するCEO補正部と、ゆらぎ成分(θCEO)が補正された第2の干渉光の位相(θ)とゆらぎ成分(θCEO)が補正された第1の干渉光の位相(θ)との位相差(Δθb−a)における各モード間の位相差(Δθk+1 b−a−Δθ b−a)に基づき、基準点から測定対象物までの距離を算出する距離算出部とを具備する距離測定装置を提供する。 In one embodiment of the present invention, a first light generator that generates first light having a first repetition frequency mode, and a second light generation mode that has a second repetition frequency mode different from the first repetition frequency. A second light generator that generates the first light, and a first interference light between the first light and the second light emitted from the first and second light generators via the reference point. Detecting a second interference light between the first detector and the first light reflected from the measurement object and the second light reflected from the reference surface, which is irradiated through the reference point. A change direction matrix (W) indicating a change direction of a phase fluctuation component (θ CEO ) due to a carrier envelope offset (CEO) included in the first detector and the second interference light is stored. And the phase (θ) on the model of the first and second interference lights is a predetermined phase ((Δθ / Δf) F) and is represented by the sum of the fluctuation component (theta CEO), model represented by the product of the fluctuation component (theta CEO) changes orientation matrix (W) and its coefficient matrix (Q) (θ = Based on (Δθ / Δf) F + WQ), the fluctuation component (θ) from the coefficient matrix (Q) adjusted so that the phase (θ) on the model matches the actual phase (θ ′) within a predetermined threshold value. CEO) estimates the, by subtracting from the estimated fluctuation component (theta CEO) the actual phase (theta '), and CEO correcting unit for correcting the fluctuation component (theta CEO), the fluctuation component (theta CEO) is corrected The phase between the modes in the phase difference (Δθ b−a ) between the phase (θ b ) of the second interference light and the phase (θ a ) of the first interference light with the fluctuation component (θ CEO ) corrected. based on the phase difference (Δθ k + 1 b-a -Δθ k b-a), the distance calculation unit that calculates a distance from the reference point to the object of measurement A distance measuring device is provided.

また、本発明の一実施形態は、所定の繰り返し周波数のモードを有する干渉光を複数回検出し、干渉光の位相(θ,θ,…θ)を、所定の位相空間上に分布させるステップと、分布の重心(θG1,θG2,…)を求めるステップと、重心を通り互いに直交する複数の主成分軸を形成し、複数の主成分軸の固有ベクトル(w,w,…)からなる変化方向行列(W)を生成するステップであって、変化方向行列(W)は、干渉光に含まれるキャリア・エンベロープ・オフセット(CEO)による位相のゆらぎ成分(θCEO)の変化の方向を示す、ステップと、干渉光のモデル上の位相(θ)が所定の位相((Δθ/Δf)F)とゆらぎ成分(θCEO)との和で表され、ゆらぎ成分(θCEO)が変化方向行列(W)とその係数行列(Q)との積で表されるモデル(θ=(Δθ/Δf)F+WQ)において、モデル上の位相(θ)が検出した干渉光の実際の位相(θ’)に所定のしきい値内で一致するように調整された係数行列(Q)からゆらぎ成分(θCEO)を推定するステップと、推定したゆらぎ成分(θCEO)を実際の位相(θ’)から差し引くことにより、ゆらぎ成分(θCEO)を補正するステップと、補正された実際の位相(θ’)を基に、基準点から測定対象物までの距離を算出するステップとを具備する距離測定方法を提供する。 Further, according to an embodiment of the present invention, interference light having a mode with a predetermined repetition frequency is detected a plurality of times, and the phases (θ 0 , θ 1 ,... Θ n ) of the interference light are distributed in a predetermined phase space. A step of calculating a distribution center of gravity (θ G1 , θ G2 ,...), A plurality of principal component axes passing through the center of gravity and orthogonal to each other, and a plurality of principal component axis eigenvectors (w 1 , w 2 , Is a step of generating a change direction matrix (W) including the change of the phase fluctuation component (θ CEO ) due to the carrier envelope offset (CEO) included in the interference light. And the phase (θ) on the model of the interference light is represented by the sum of a predetermined phase ((Δθ / Δf) F) and a fluctuation component (θ CEO ), and the fluctuation component (θ CEO ) Is the change direction matrix (W) and its coefficient matrix (Q) In the model (θ = (Δθ / Δf) F + WQ) represented by the product of the above, the phase (θ) on the model matches the actual phase (θ ′) of the detected interference light within a predetermined threshold value. estimating an adjusted coefficient matrix (Q) from the fluctuation component (theta CEO) in by subtracting estimated fluctuation component (theta CEO) from the actual phase (theta '), a fluctuation component (theta CEO) Provided is a distance measuring method including a step of correcting, and a step of calculating a distance from a reference point to a measurement object based on the corrected actual phase (θ ′).

本発明の一実施形態に係る距離測定装置は、CEOによる位相のゆらぎ成分が補正された位相情報を用いて測定対象物までの距離をより正確に測定することが可能となる。また、本発明の一実施形態に係る距離測定装置は、従来のようにCEOによる位相のゆらぎ成分を補正するための追加の機器(ハードウェア)を必要とせず、実際の製造現場等で使用することができ、ひいては製造コストの低減につながる。   The distance measuring apparatus according to an embodiment of the present invention can more accurately measure the distance to the measurement object using the phase information in which the phase fluctuation component by the CEO is corrected. In addition, the distance measuring apparatus according to the embodiment of the present invention does not require an additional device (hardware) for correcting a phase fluctuation component caused by the CEO as in the prior art, and is used at an actual manufacturing site or the like. This leads to a reduction in manufacturing cost.

一実施形態に係る距離測定装置のブロック図である。It is a block diagram of the distance measuring device concerning one embodiment. 光周波数コムのモードの概念図である。It is a conceptual diagram of the mode of an optical frequency comb. 光周波数コムのパルスの概念図である。It is a conceptual diagram of the pulse of an optical frequency comb. 光周波数コムの位相スペクトルの概念図である。It is a conceptual diagram of the phase spectrum of an optical frequency comb. 本発明の一実施形態に係る統計分析手法の概念図である。It is a conceptual diagram of the statistical analysis method which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る統計分析手法の概念図である。It is a conceptual diagram of the statistical analysis method which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る距離測定方法のフローチャートである。It is a flowchart of the distance measurement method which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る距離測定方法のフローチャートである。It is a flowchart of the distance measurement method which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る位相スペクトルの例である。It is an example of the phase spectrum which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下の実施形態で説明される寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は任意であり、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更される。また、特別な記載がない限り、本発明の範囲は、以下に説明される実施形態で具体的に記載された形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, dimensions, materials, shapes, relative positions of components, and the like described in the following embodiments are arbitrary, and are changed according to the structure of the apparatus to which the present invention is applied or various conditions. Further, unless otherwise specified, the scope of the present invention is not limited to the form specifically described in the embodiments described below. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.

<距離測定装置の構成>
図1は、本発明の一実施形態に係る距離測定装置100のブロック図である。
<Configuration of distance measuring device>
FIG. 1 is a block diagram of a distance measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.

距離測定装置100は、光周波数コムレーザ装置110、レンズ120及び演算処理装置130を備える。距離測定装置100は、光周波数コムレーザ装置110からレンズ120を通じて測定対象物であるワーク140に光周波数コムを照射し、その反射光を基にワーク140までの距離を測定する。ここで、光周波数コムは、レーザ光源の周波数νを中心に所定の周波数(発振器の変調周波数)間隔を有する複数の離散的な周波数成分(「周波数モード」又は単に「モード」)を有するパルス光である。なお、距離測定装置100は、レンズ120を備えていなくてもよい。 The distance measuring device 100 includes an optical frequency comb laser device 110, a lens 120, and an arithmetic processing device 130. The distance measuring device 100 irradiates the work 140, which is a measurement object, from the optical frequency comb laser device 110 through the lens 120 with the optical frequency comb, and measures the distance to the work 140 based on the reflected light. Here, the optical frequency comb is a pulse having a plurality of discrete frequency components ("frequency mode" or simply "mode") having a predetermined frequency (oscillator modulation frequency) interval around the frequency ν 0 of the laser light source. Light. The distance measuring device 100 may not include the lens 120.

光周波数コムレーザ装置110は、レーザ光源111、ビームスプリッタ112a、112c、偏光ビームスプリッタ112b、112d、第1及び第2の光周波数コム発生器(OFCG)113a、113b、周波数シフタ114、波長板115、参照面116、偏光子117a、117b、第1及び第2の検出器118a、118b、及び高速フーリエ変換(FFT)部119a、119bを備える。   The optical frequency comb laser device 110 includes a laser light source 111, beam splitters 112a and 112c, polarization beam splitters 112b and 112d, first and second optical frequency comb generators (OFCG) 113a and 113b, a frequency shifter 114, a wave plate 115, A reference surface 116, polarizers 117a and 117b, first and second detectors 118a and 118b, and a fast Fourier transform (FFT) unit 119a and 119b are provided.

レーザ光源111は、単一の周波数νのレーザ光をビームスプリッタ112aに向けて出射する。例えば、周波数νは2.5THzである。レーザ光源111からのレーザ光は、ビームスプリッタ112aにより第1のOFCG113aと周波数シフタ114に向けて分離される。 The laser light source 111 emits laser light having a single frequency ν 0 toward the beam splitter 112a. For example, the frequency ν 0 is 2.5 THz. Laser light from the laser light source 111 is separated toward the first OFCG 113a and the frequency shifter 114 by the beam splitter 112a.

第1の光発生器としてのOFCG113aは、電気光学変換器(EOM)及び該EOMを挟むように対向して配置された反射鏡等から構成され、外部の発振器113cから変調周波数fm1の変調信号を受けて、第1の繰り返し周波数fm1のモードを有する光周波数コム(第1の光としての「測定光Ps」)を発生する。発振器113cの変調周波数fm1を調整することにより、第1のOFCG113aから出射される測定光Psのモード間の周波数間隔fm1を調整することができる。例えば、fm1は25GHzである。 The OFCG 113a as the first light generator is composed of an electro-optic converter (EOM) and a reflecting mirror disposed so as to sandwich the EOM, and a modulation signal having a modulation frequency f m1 from an external oscillator 113c. In response, an optical frequency comb (“measurement light Ps” as the first light) having a mode with the first repetition frequency f m1 is generated. By adjusting the modulation frequency f m1 of the oscillator 113c, the frequency interval f m1 between the modes of the measurement light Ps emitted from the first OFCG 113a can be adjusted. For example, f m1 is 25 GHz.

同様に、第2の光発生器としてのOFCG113bは、EOM及び該EOMを挟むように対向して配置された反射鏡等から構成され、外部の発振器113dから変調周波数fm2の変調信号を受けて、第2の繰り返し周波数fm2のモードを有する光周波数コム(第2の光としての「参照光Pr」)を発生する。fm2は、fm2=fm1+Δfであり、Δfはfm1及びfm2に比べて十分に小さい値であり、例えば500kHzである。また、発振器113c、113dは共通の基準発振器(不図示)により位相同期されており、変調周波数fm1とfm2との間の相対周波数は安定している。これにより、互いに測定光Psと参照光Psとの干渉性が良くなり、繰り返し周波数が安定し、短いパルス幅の生成等を可能にする。 Similarly, the OFCG 113b as the second light generator is configured by an EOM and a reflecting mirror disposed so as to face the EOM, and receives a modulation signal having a modulation frequency f m2 from an external oscillator 113d. Then, an optical frequency comb having a mode of the second repetition frequency fm2 ("reference light Pr" as the second light) is generated. f m2 is f m2 = f m1 + Δf, and Δf is a sufficiently smaller value than f m1 and f m2 , for example, 500 kHz. The oscillators 113c and 113d are phase-synchronized by a common reference oscillator (not shown), and the relative frequency between the modulation frequencies f m1 and f m2 is stable. Thereby, the coherence between the measurement light Ps and the reference light Ps is improved, the repetition frequency is stabilized, and a short pulse width can be generated.

なお、第1及び第2のOFCG113a、113bは、LiNbO、ADP(リン酸二水素アンモニウム)、KDP(リン酸二水素カリウム)等の非線形結晶を用いた位相変調器、強度変調器、半導体の吸収や位相の変化を利用する変調器等であってもよい。 The first and second OFCGs 113a and 113b include phase modulators, intensity modulators, and semiconductors using nonlinear crystals such as LiNbO 3 , ADP (ammonium dihydrogen phosphate), and KDP (potassium dihydrogen phosphate). It may be a modulator that utilizes absorption or phase change.

周波数シフタ114は、例えば音響光学変調器(Acousto-Optic modulator)であり、発振器114aからの変調信号で動作し、レーザ光源111からのレーザ光の周波数を変調周波数fαだけシフトさせて第2のOFCG113bに出射する。周波数シフタ114で第2のOFCG113bに入射される光の周波数をシフトさせることにより、検出器118a、118bにおける測定光Ps及び参照光Pr間の干渉光Piのビート周波数が、直流信号ではなく周波数fαの交流信号となり、位相比較を容易にする。 Frequency shifter 114, for example, acousto-optic modulator (Acousto-Optic modulator) and is, operating in the modulation signal from the oscillator 114a, the second shifts the frequency of the laser light by the modulation frequency f alpha from the laser light source 111 Output to the OFCG 113b. By shifting the frequency of the light incident on the second OFCG 113b by the frequency shifter 114, the beat frequency of the interference light Pi between the measurement light Ps and the reference light Pr in the detectors 118a and 118b is not a DC signal but a frequency f. It becomes an AC signal of α , facilitating phase comparison.

波長板115は、1/2波長板であり、第2のOFCG113bからの参照光Prの偏光方向を調整する。偏光ビームスプリッタ112bは、測定光Psと参照光Prとを直交する偏光で重ね合わせた混合光Piとしてビームスプリッタ112cに出射する。ビームスプリッタ112cは、混合光Piを偏光子117a及び偏光ビームスプリッタ112dに向けて分離する。 The wave plate 115 is a half-wave plate and adjusts the polarization direction of the reference light Pr from the second OFCG 113b. Polarizing beam splitter 112b is emitted to the beam splitter 112c as mixed light Pi 1 superimposed with polarized light orthogonal to the reference optical power Pr and the measurement light Ps. The beam splitter 112c separates the mixed light Pi 1 toward the polarizer 117a and the polarization beam splitter 112d.

偏光ビームスプリッタ112dは、ビームスプリッタ112cからの混合光Piを偏光に応じて測定光Psと参照光Prとに分離し、測定光Psをワーク140に出射し、参照光Prを参照面116に出射する。また、偏光ビームスプリッタ112dは、ワーク140から反射された測定光Psと参照面116から反射された参照光Prとを混合した混合光Piをビームスプリッタ112cに戻す。参照面116は、光を反射する面であり、例えば鏡面である。 Polarization beam splitter 112d is a mixed light Pi 1 from the beam splitter 112c is separated into a reference beam Pr and the measurement light Ps according to the polarization, the measurement light Ps emitted to the work 140, the reference light beam Pr to the reference surface 116 Exit. Further, the polarization beam splitter 112d returns the mixed light Pi 2 obtained by mixing the reference beam Pr reflected from the reference surface 116 and the measurement light Ps reflected from the workpiece 140 to the beam splitter 112c. The reference surface 116 is a surface that reflects light, for example, a mirror surface.

偏光ビームスプリッタ112cからの混合光Pi中の測定光Psの偏光と参照光Prの偏光とが互いに直交しているため、偏光子117aは、両偏光に対して斜めになるように向きを調整して配置される。そのため、検出器118aは、測定光Psと参照光Prとの干渉光を検出する。 Since the polarization of the reference beam Pr the polarization of the measuring light Ps in the mixed light Pi 1 from the polarization beam splitter 112c are orthogonal to each other, a polarizer 117a is adjusting the direction to be oblique to both polarizations Arranged. Therefore, the detector 118a detects the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr.

同様に、偏光ビームスプリッタ112cからの混合光Pi中の測定光Psの偏光と参照光Prの偏光とが互いに直交しているため、偏光子117bは、両偏光に対して斜めになるように向きを調整して配置される。そのため、検出器118bは、ワーク140から反射されてくる測定光Psと参照面116から反射されてくる参照光Prとの干渉光を検出する。 Similarly, since the polarization of the reference beam Pr the polarization of the measuring light Ps in the mixed light Pi 2 from the polarization beam splitter 112c are orthogonal to each other, a polarizer 117b is to be oblique to both polarizations Arrange the orientation. Therefore, the detector 118b detects interference light between the measurement light Ps reflected from the workpiece 140 and the reference light Pr reflected from the reference surface 116.

検出器118aは、偏光子117aから測定光Psと参照光Prとの干渉光を入射し、それに応じた干渉信号を出力する。検出器118aは、第1のOFCG113aで発生する測定光Ps及びOFCG113bで発生する参照光Prの発生過程における基準位相を求めるための検出器である。   The detector 118a receives the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr from the polarizer 117a, and outputs an interference signal corresponding to the interference light. The detector 118a is a detector for obtaining a reference phase in the generation process of the measurement light Ps generated by the first OFCG 113a and the reference light Pr generated by the OFCG 113b.

ここで、図2Bに示すように、検出器118a(又は検出器118b)における測定光Psと参照光Prとは互いに繰り返し周波数が異なるので、必ずどこかで測定光Psのパルスと参照光Prのパルスとが重なる瞬間(時刻t、t)が現れる。そして、その重なる瞬間(時刻t、t)は、測定光Psの繰り返し周波数と参照光Prの繰り返し周波数との差に相当する繰り返し周波数(即ちΔf)で周期的に現れる。Δfは光の振動数に比べ十分に小さいため、検出器(電子回路)による位相情報の検出を可能にする。 Here, as shown in FIG. 2B, the measurement light Ps and the reference light Pr in the detector 118a (or the detector 118b) have different repetition frequencies, so the pulse of the measurement light Ps and the reference light Pr are always somewhere. An instant (time t 1 , t 2 ) where the pulse overlaps appears. The overlapping moments (time t 1 , t 2 ) appear periodically at a repetition frequency (that is, Δf) corresponding to the difference between the repetition frequency of the measurement light Ps and the repetition frequency of the reference light Pr. Since Δf is sufficiently smaller than the light frequency, phase information can be detected by a detector (electronic circuit).

他方、検出器118bは、偏光子117bから測定光Psと参照光Prとの干渉光を入射し、それに応じた干渉信号を出力する。検出器118bは、ビームスプリッタ112c(基準点:RP)に対する参照面116までの距離とワーク140までの距離との差に応じた遅延時間を求めるための検出器である。   On the other hand, the detector 118b receives the interference light of the measurement light Ps and the reference light Pr from the polarizer 117b, and outputs an interference signal corresponding thereto. The detector 118b is a detector for obtaining a delay time corresponding to the difference between the distance to the reference surface 116 and the distance to the workpiece 140 with respect to the beam splitter 112c (reference point: RP).

FFT部119a、119bは、それぞれ検出器118a、118bで検出された干渉光に基づく干渉信号を入力し、高速フーリエ変換(FFT)等の所定の信号処理を行い、干渉光の各モードごとの周波数情報、位相情報及び振幅情報等を演算処理装置130に出力する。   The FFT units 119a and 119b input interference signals based on the interference light detected by the detectors 118a and 118b, respectively, perform predetermined signal processing such as fast Fourier transform (FFT), and the frequency of each mode of the interference light. Information, phase information, amplitude information, and the like are output to the arithmetic processing unit 130.

レンズ120は、光周波数コムレーザ装置110からの測定光Psをワーク140に照射するためのレンズであり、該レンズを通じてワーク140からの反射光を光周波数コムレーザ装置110に戻す。なお、レンズ120は、操作者の手動により又は演算処理装置130からの制御信号に応じてレンズを所定の位置に移動させるための移動機構に取り付けられていてもよい。   The lens 120 is a lens for irradiating the workpiece 140 with the measurement light Ps from the optical frequency comb laser device 110, and returns the reflected light from the workpiece 140 to the optical frequency comb laser device 110 through the lens. The lens 120 may be attached to a moving mechanism for moving the lens to a predetermined position manually by an operator or in response to a control signal from the arithmetic processing unit 130.

演算処理装置130は、入出力インターフェース(不図示)、CPU(Central Processing Unit)(不図示)、及びROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)の記憶部131等を備えたコンピュータである。演算処理装置130のCPUは、記憶部131に記憶された所定のプログラムに則り、統計分析部132、CEO補正部133、及び距離算出部134の各機能を発揮させる。各機能部132〜134についての説明は後述する。   The arithmetic processing unit 130 is a computer including an input / output interface (not shown), a CPU (Central Processing Unit) (not shown), and a storage unit 131 such as a ROM (Read Only Memory) or a RAM (Random Access Memory). . The CPU of the arithmetic processing device 130 causes each function of the statistical analysis unit 132, the CEO correction unit 133, and the distance calculation unit 134 to be performed in accordance with a predetermined program stored in the storage unit 131. The description about each function part 132-134 is mentioned later.

<位相と測定距離との関係>
測定光Ps(位相φ)と参照光Pr(位相φ)との間の位相差(θ=φ−φ)と、基準点RPからワーク140までの距離との関係について説明する。
<Relationship between phase and measurement distance>
The relationship between the phase difference (θ = φ s −φ r ) between the measurement light Ps (phase φ s ) and the reference light Pr (phase φ r ) and the distance from the reference point RP to the workpiece 140 will be described.

図2Aに示すように、第1のOFCG113aで発生する測定光Psは、発振器113cの変調周波数fm1に一致する周波数間隔(繰り返し周波数fm1)を有する複数の周波数モードを有する。ここで、レーザ光源111のレーザ光の周波数νを0次モードとし、nは0、±1、±2…の整数である。また、第2のOFCG113bで発生する参照光Prは、発振器113dの変調信号の周波数fm2(=fm1+Δf)に相当する周波数間隔(繰り返し周波数fm2)を有する複数の周波数モードを有する。ここで、周波数シフタ114により周波数シフトされた光の周波数ν+fαを0次のモードとしている。 As shown in FIG. 2A, the measurement light Ps generated by the first OFCG 113a has a plurality of frequency modes having a frequency interval (repetition frequency f m1 ) that matches the modulation frequency f m1 of the oscillator 113c. Here, the frequency ν 0 of the laser light from the laser light source 111 is set to the 0th order mode, and n is an integer of 0, ± 1, ± 2,. The reference light Pr generated by the second OFCG 113b has a plurality of frequency modes having a frequency interval (repetition frequency f m2 ) corresponding to the frequency f m2 (= f m1 + Δf) of the modulation signal of the oscillator 113d. Here, the frequency ν 0 + f α of the light frequency-shifted by the frequency shifter 114 is set to the 0th order mode.

参照光Prの各モードは、測定光Psの各モードに対して、0次モードにおいてfαだけ相違し、1次モードにおいてfα+Δfだけ相違し、n次モードにおいてfα+nΔfだけ相違する。そのため、測定光Psと参照光Prとの干渉光のk次モードのビート周波数は、(ν+fα+kfm1+kΔf)−(ν+kfm1)=fα+kΔfとなる(kは0〜nの整数)。 Each mode of the reference light Pr, for each mode of the measurement light Ps, only f alpha differ in 0-order mode, only f alpha + Delta] f in the primary mode differs, differ in the n-th order mode only f α + nΔf. Therefore, the beat frequency of the kth-order mode of the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr is (ν 0 + f α + kf m1 + kΔf) − (ν 0 + kf m1 ) = f α + kΔf (k is 0 to n). Integer).

検出器118a(又は検出器118b)における測定光Psと参照光Prとの干渉光のk次モードの電界の振幅E(t)は、式1:
で表される。ここで、Aは測定光Psの電界であり、Bは参照光Prの電界であり、そして、θは、k次モードにおける測定光Psの位相φsと参照光Prの位相φrとの間の位相差である。言い換えると、参照光Prのk次モードの位相φrを基準にした測定光Psのk次モードの相対位相(即ち、θ=φs−φ)である。
The amplitude E k (t) of the electric field of the k-th mode of the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr in the detector 118a (or the detector 118b) is expressed by Equation 1:
It is represented by Here, A k is the electric field of the measurement light Ps, B k is the electric field of the reference light Pr, and θ k is the phase φ s of the measurement light Ps and the phase φ r of the reference light Pr in the k-order mode. The phase difference between and. In other words, it is the relative phase (that is, θ k = φ s −φ r ) of the k -th mode of the measurement light Ps based on the phase φ r of the k-th mode of the reference light Pr.

次数の異なるモード間の干渉信号は、変調周波数fとその周辺に現れるため、検出器118aの帯域をfαやΔfに比べて十分に広いがfより小さくとることにより、又はフィルタ等を用いて高周波成分を取り除くことにより、同じ次数のモード間のビート周波数のみが残ることになる。そのため、次数の異なるモード間の干渉は考慮しない。 Interference signal between the following numbers of different modes, to appear on and around the modulation frequency f m, by although the bandwidth of the detector 118a sufficiently wide as compared with f alpha and Δf takes less than f m, or filter etc. By using it to remove high frequency components, only the beat frequency between modes of the same order remains. Therefore, interference between modes of different orders is not considered.

検出器118a(又は検出器118b)のk次モードに関する出力電流I(t)は、aを定数として、式2:
で表される。測定光Psと参照光Prとの間の周波数差(fα+kΔf)はビート周波数Fである。
The output current I k (t) for the k-th order mode of the detector 118a (or detector 118b) is expressed by Equation 2:
It is represented by The frequency difference (f α + kΔf) between the measurement light Ps and the reference light Pr is the beat frequency F.

式2におけるk次モードの位相θ(=φ−φ)を与える時間遅延は、検出器118a、118bで意味合いが異なる。つまり、検出器118aで検出される位相θは、ビームスプリッタ112aで光を分離してから偏光ビームスプリッタ112bで混合されるまでの光路長の長さに起因するものである。そして、この時間遅延は、検出器118aと検出器118bとで共通であるため、検出器118bで検出される位相θ(「θ 」)から検出器118aで検出される位相θ(「θ 」)を引くことにより取り除かれる。そうすると、検出器118aで検出される干渉信号と検出器118bで検出される干渉信号の時間差は、周波数領域における測定光Psと参照光Prのモード間の位相差(θ −θ )の次数kに対する変化率(傾き)である。 The meaning of the time delay that gives the phase θ k (= φ s −φ r ) of the k-th mode in Equation 2 differs between the detectors 118a and 118b. That is, the phase θ k detected by the detector 118a is caused by the length of the optical path length from when the light is separated by the beam splitter 112a until it is mixed by the polarization beam splitter 112b. Then, this time delay are the common to the detectors 118a and detector 118b, the detector phase that is detected by 118b theta k ( "theta k b") phase theta k detected by the detector 118a from ( It is removed by subtracting “θ k a ”). Then, the time difference of the interference signal detected by the interference signal detector 118b detected by the detector 118a, the phase difference between the modes of the reference beam Pr and the measurement light Ps in the frequency domain (θ k bk a) The rate of change (gradient) with respect to the order k.

図2Aから分かるように、k次モードに関する測定光Psの角周波数ωと参照光Prの周波数ωの関係は、
ω=ω+ωα+kΔω
で表される。ここで、ω=2πfm1、ω=2πfm2、ωα=2πfα、Δω=2πΔfである。
As can be seen from FIG. 2A, the relationship between the angular frequency ω s of the measurement light Ps and the frequency ω r of the reference light Pr regarding the k-th mode is
ω r = ω s + ω α + kΔω
It is represented by Here, ω s = 2πf m1 , ω r = 2πf m2 , ω α = 2πf α , and Δω = 2πΔf.

次に、ビームスプリッタ112c(基準点RP)から検出器118aに向かうk次モードについての測定光Psの位相φ 及び参照光Prの位相φ は、時刻tにおいて、それぞれ、
φ =ω
φ =ω
である。
Next, the phase phi r a phase phi s a and the reference light Pr of the measuring light Ps for the k-order mode towards the detector 118a from the beam splitter 112c (reference point RP) at time t, respectively,
φ s a = ω s t
φ r a = ω r t
It is.

他方、基準点RPからワーク140及び参照面116を介して検出器118bに向かうk次モードについての測定光Psの位相φ 及び参照光Prの位相φ は、時刻tにおいて、それぞれ、
φ =ω{t−2(L+L)/V}
φ =ω{t−2(L+L)/V}
である。ここで、Vは光速、Lは基準点RPから偏光ビームスプリッタ112dまでの距離(光路長)、そして、L及びLはそれぞれ基準点RPからワーク140及び参照面116までの距離(光路長)である。
On the other hand, the phase φ s b of the measurement light Ps and the phase φ r b of the reference light Pr for the k-th mode from the reference point RP to the detector 118b through the workpiece 140 and the reference surface 116 are respectively at time t.
φ s b = ω s {t−2 (L 0 + L s ) / V c }
φ r b = ω r {t -2 (L 0 + L r) / V c}
It is. Here, V c is the speed of light, L 0 is the distance (optical path length) from the reference point RP to the polarization beam splitter 112d, and L s and L r are the distances from the reference point RP to the workpiece 140 and the reference surface 116, respectively ( Optical path length).

そうすると、k次モードに関して、検出器118bから出力される干渉信号の位相θ (=φ −φ )と、検出器118aから出力される干渉信号の位相θ (=φ −φ )との差Δθ b-aは、式3:
となる。式3において、第1項がワーク140までの距離|L−L|に応じて変化する位相であり、第2項が固定距離L、Lに依存する位相のオフセットである。
Then, with respect to the k-th mode, the phase θ k b (= φ s b −φ r b ) of the interference signal output from the detector 118b and the phase θ k a (= φ of the interference signal output from the detector 118a). s a −φ r a ), Δθ k b−a ,
It becomes. In Equation 3, the first term is a phase that changes according to the distance | L s −L r | to the workpiece 140, and the second term is a phase offset that depends on the fixed distances L 0 and L r .

測定すべき距離|L−L|は、位相の各モード間の変化率から求まる。前述のように測定光Psのk+1次モードとk次モードとの周波数間隔はfm1であることから、k+1次モードのΔθk+1 b−aとk次モードのΔθ b−aとの差は、式4:
である。ここで、ωm1=2πfm1である。式4からわかるように、k+1次モードとk次モードとの間の正確な位相差(Δθk+1 b−a−Δθ b−a)から正確な距離|L−L|を求めるためには、式4の第2項の影響を受けないΔω=0ときの該位相差の値を用いるのがよい。Δω=0のときの該位相差の値を求めるためには、Δωの値を数回変えて該位相差を測定し、得られた結果を外挿することにより該位相差の値を求め、その値から距離|L−L|を求めるようにしてもよい。なお、Δω=±(所定値)として得られた該位相差の値を平均することによりΔω=0のときの該位相差の値を求めてもよい。
The distance | L s −L r | to be measured is obtained from the rate of change between the modes of the phase. Since the frequency interval between the k + 1-order mode and the k-th mode of the measuring light Ps as described above is f m1, the difference between [Delta] [theta] k b-a of the [Delta] [theta] of the k + 1-order mode k + 1 b-a and k-th order mode , Formula 4:
It is. Here, ω m1 = 2πf m1 . As can be seen from Equation 4, in order to obtain an accurate distance | L r −L s | from an accurate phase difference (Δθ k + 1 b−a −Δθ k b−a ) between the k + 1 order mode and the kth order mode. Is preferably the value of the phase difference when Δω = 0 that is not affected by the second term of Equation 4. In order to obtain the value of the phase difference when Δω = 0, measure the phase difference by changing the value of Δω several times, and obtain the value of the phase difference by extrapolating the obtained results. The distance | L r −L s | may be obtained from the value. The phase difference value when Δω = 0 may be obtained by averaging the phase difference values obtained as Δω = ± (predetermined value).

このようにして、検出器118bで検出される干渉光の位相θ (=φ −φ )と検出器118aで検出される干渉光の位相θ (=φ −φ )との差Δθ b−aのモード間の位相差(即ち、Δθk+1 b−a−Δθ b−a)を基に、ワーク140までの距離|L−L|を求めることができる。 In this way, the interference light detected by the detector 118b phase θ k b (= φ s b -φ r b) and the interference light of the phase detected by the detector 118a θ k a (= φ s a - phase difference between the modes of the difference Δθ k b-a and φ r a) (i.e., based on Δθ k + 1 b-a -Δθ k b-a), the distance to the workpiece 140 | L r -L s | a Can be sought.

<CEOによる位相のゆらぎ成分>
続いて、光周波数コムに生じるキャリア・エンベロープ・オフセット(CEO)の影響について、検出器により検出される干渉光のビート周波数F(=fα+Δf)と位相θ(=φ−φ)を基に考える。なお、以下では検出器118aで検出される干渉光について考えているが、検出器118bで検出される干渉光についても同様である。
<Phase fluctuation component by CEO>
Subsequently, regarding the influence of the carrier envelope offset (CEO) generated in the optical frequency comb, the beat frequency F (= f α + Δf) and the phase θ (= φ s −φ r ) of the interference light detected by the detector are set. Think based. In the following, the interference light detected by the detector 118a is considered, but the same applies to the interference light detected by the detector 118b.

光周波数コムは、理想的には図3(a)に示すように、検出器118aで検出される干渉光の各モード間の周波数間隔Δfと位相差Δθ(=θk+1 −θ )が一定となる性質を有し、各モードの位相θは理想直線301上にある。しかしながら、実際には、光周波数コムの発生装置におけるわずかな温度変化や振動、レーザ自信の電界による共振器長の変化等により、CEOが発生する。そして、CEOは位相のゆらぎ成分θCEO=[θ CEO θ CEO … θ CEO]として光周波数コムの各モードの位相に影響するため、実際には図3(b)に示すように、光周波数コムの各モードにおける位相θは理想直線301上から外れる。 Ideally, as shown in FIG. 3A, the optical frequency comb has a frequency interval Δf and a phase difference Δθ a (= θ k + 1 a −θ k a) between the modes of the interference light detected by the detector 118a. ) Is constant, and the phase θ a of each mode is on the ideal straight line 301. However, in reality, CEO is generated due to slight temperature changes and vibrations in the optical frequency comb generator, changes in the resonator length due to the electric field of laser confidence, and the like. Since the CEO affects the phase of each mode of the optical frequency comb as the phase fluctuation component θ CEO = [θ 0 CEO θ 1 CEO ... θ n CEO ], as shown in FIG. The phase θ in each mode of the optical frequency comb deviates from the ideal straight line 301.

さらに、図3(b)の位相スペクトルと図3(c)の位相スペクトルの形状が異なるように、光周波数コムごとに各モードのCEOによる位相のゆらぎ成分θ CEOは異なるその理由として、例えば、図2Bの例では、時刻t2に検出器で検出される干渉光203は、左から4番目の測定光Psのパルス201と、左から5番目の参照光Prのパルス202からなる。そのため、測定光Psのパルス201のCEOによる位相のゆらぎ成分φ CEOと、参照光Prのパルス202の該ゆらぎ成分φ CEOとは異なるため、その影響が検出される干渉光にも影響する。 Further, the phase fluctuation component θ k CEO by the CEO of each mode is different for each optical frequency comb so that the shape of the phase spectrum of FIG. 3B is different from that of FIG. 3C . As the reason, for example, in the example of FIG. 2B, the interference light 203 detected by the detector at time t2 is the pulse 201 of the fourth measurement light Ps from the left and the pulse 202 of the fifth reference light Pr from the left. Consists of. Therefore, the fluctuation component phi s CEO phase by CEO pulse 201 of the measuring light Ps, because different from the fluctuation component phi r CEO of the pulse 202 of the reference beam Pr, also affect the interference light resulting effects are detected .

よって、距離測定装置100からワーク140までの正確な距離を測定するためには、演算処理装置130において、検出器から出力される干渉光の位相情報に対してCEOによる位相のゆらぎ成分をソフトウェア上で補正した後に、式3及び4を用いて距離を算出するのが望ましい。   Therefore, in order to measure the exact distance from the distance measuring device 100 to the workpiece 140, the arithmetic processing device 130 uses the software to set the phase fluctuation component by CEO on the phase information of the interference light output from the detector. It is desirable to calculate the distance using Equations 3 and 4 after the correction.

そこで、本発明の発明者は、CEOによる位相のゆらぎ成分の影響を受ける光周波数コムの各モードの位相に傾向があるのではと考え、実際に検出される干渉光の位相情報を複数回調べてみると、CEOに起因する位相の変化に傾向があることが分かった。そこで、CEOに起因する位相の変化の傾向を統計分析手法を用いて調べ、そこから経験的に得られる知見を蓄えておき、工場等の現場における実際の距離測定の際にその知見を基にCEOに起因する位相の変化をソフトウェア上で補正することより、正確な距離測定に役立てることができることがわかった。以下その方法について説明する。   Therefore, the inventor of the present invention considers that there is a tendency in the phase of each mode of the optical frequency comb affected by the phase fluctuation component due to the CEO, and examines the phase information of the actually detected interference light multiple times. As a result, it was found that there is a tendency in the phase change caused by the CEO. Therefore, the tendency of phase change caused by CEO is investigated using statistical analysis techniques, and knowledge gained empirically is accumulated, and based on that knowledge when measuring the actual distance in the field such as factories. It was found that by correcting the phase change caused by CEO on the software, it can be used for accurate distance measurement. The method will be described below.

<CEOによる位相のゆらぎ成分の補正方法>
本実施形態では、統計分析手法として主成分分析(Principal Component Analysis:PCA)を使用する。
<Correction method of phase fluctuation component by CEO>
In the present embodiment, principal component analysis (PCA) is used as a statistical analysis method.

PCAを用いたモデルとして、検出器で検出される干渉光が0〜n次モードを有し、各モードの位相θの行列θ=[θ θ … θ]が式5:
で表されるモデルを考える。このモデルの調整すべきパラメータPは、P=[Δθ/Δf,Q]である。
As a model using PCA, interference light detected by a detector has 0 to n- order modes, and a matrix θ = [θ 0 θ 1 ... Θ n ] of each phase θ is expressed by Equation 5:
Consider the model represented by The parameter P to be adjusted in this model is P = [Δθ / Δf, Q].

ここで、Δθ/Δfは、理想直線301の傾きであり、理想的には光周波数コムレーザ装置110の構成(OFCGの変調周波数等)に応じて決まる定数であるが、実際には以下に説明するようにPCA処理することにより決定される。また、Fは0〜n次モードの周波数の行列F=[F … F]であり、θCEOは各モードのCEOによる位相のゆらぎ成分の行列θCEO=[θ CEO θ CEO … θ CEO]である。また、WはCEOによる位相のゆらぎにより各モードの位相θが変化しうる方向(即ち、CEOに起因する位相の変化方向)を並べた変化方向行列W=[w …]であり、Qは変化方向行列Wの各要素w、w、…の変化量を表す係数行列Q=[q …]である。なお、θCEO=WQであり、行列W及びQの次元は、互いに一致し、行列F及びθの次元(即ちn+1次元)に一致してもよいしそれより少ない次元を有するようにしてもよい。 Here, Δθ / Δf is the inclination of the ideal straight line 301 and is a constant that is ideally determined according to the configuration of the optical frequency comb laser device 110 (such as the modulation frequency of the OFCG). Thus, it is determined by performing PCA processing. Further, F is a matrix of frequency of 0th to n-th mode F = [F 0 F 1 ... F n ], and θ CEO is a matrix of phase fluctuation components due to CEO of each mode θ CEO = [θ 0 CEO θ 1 CEO ... θ n CEO ]. W is a change direction matrix W = [w 1 w 2 ...] In which directions in which the phase θ of each mode can change due to phase fluctuations caused by the CEO (that is, the phase change direction caused by the CEO) are arranged. Q is a coefficient matrix Q = [q 1 q 2 ...] Representing the amount of change of each element w 1 , w 2 ,. Note that θ CEO = WQ, and the dimensions of the matrices W and Q may coincide with each other and may coincide with the dimensions of the matrices F and θ (ie, n + 1 dimensions) or may have fewer dimensions. .

前述のように、光周波数コムのCEOによる位相のゆらぎ成分の変化にはある傾向があることがわかった。そこで、本実施形態のCEOによる位相のゆらぎ成分の補正方法では以下の方法をとる。   As described above, it has been found that there is a tendency in the change of the phase fluctuation component due to the CEO of the optical frequency comb. Therefore, the following method is used as the correction method of the phase fluctuation component by the CEO of the present embodiment.

まず、実際の工場等の現場で使用される距離測定装置100の構成及びその使用条件下で、検出器118a、118bにより光周波数コム(即ち、測定光Ps及び参照光Prの干渉光)を複数回検出することにより複数の位相スペクトルの情報を取得し、その情報を基に、検出器118a、118bそれぞれに関して変化方向行列Wを予め生成しておく。その後、該現場において実際に検出した干渉光の実際の位相(θ’)に、式5のモデル上の位相(θ)が所定のしきい値内で一致(又は一致若しくは略一致)するまで、最小二乗法等の回帰分析を用いてパラメータP=[Δθ/Δf,Q]を調整する。それらが該所定のしきい値内で一致する場合におけるパラメータP=[Δθ/Δf,Q]の値から、検出された干渉光のCEOによる位相のゆらぎ成分θCEO(=WQ)を推定することができる。そして、この推定したゆらぎ成分θCEOを実際に測定した位相スペクトルの実際の位相(θ’)から差し引くことにより、CEOによる位相のゆらぎ成分θCEOを補正することができる。以下簡単な例を挙げてさらに説明する。なお、該所定のしきい値は、測定精度に応じて経験的に求められる値である。例えば、測定精度を高くする場合には、モデル上の位相と実際の位相とが98〜100%一致するように所定のしきい値が設定される。 First, a plurality of optical frequency combs (that is, interference light beams of the measurement light Ps and the reference light Pr) are detected by the detectors 118a and 118b under the configuration of the distance measuring device 100 used in the actual site such as a factory and the use conditions thereof. The information of a plurality of phase spectra is acquired by performing detection once, and the change direction matrix W is generated in advance for each of the detectors 118a and 118b based on the information. Thereafter, until the phase (θ) on the model of Formula 5 matches (or matches or substantially matches) within a predetermined threshold with the actual phase (θ ′) of the interference light actually detected at the site. The parameter P = [Δθ / Δf, Q] is adjusted using a regression analysis such as a least square method. Estimating a phase fluctuation component θ CEO (= WQ) due to CEO of detected interference light from the value of the parameter P = [Δθ / Δf, Q] when they match within the predetermined threshold value Can do. Then, the phase fluctuation component θ CEO due to the CEO can be corrected by subtracting the estimated fluctuation component θ CEO from the actual phase (θ ′) of the actually measured phase spectrum. Further explanation will be given below with a simple example. The predetermined threshold value is a value empirically determined according to the measurement accuracy. For example, when the measurement accuracy is increased, the predetermined threshold value is set so that the phase on the model and the actual phase coincide with each other 98 to 100%.

まず最初に、変化方向行列Wの求め方について説明する。なお、PCAの具体的な計算手法は一般的に広く知られているため説明を省略する。また、実際の光周波数コムには数百以上のモードが含まれているが、説明を簡単にするために、ここでは、検出器118a(又は検出器118b)で検出される干渉光が、周波数Fの1次モード及び周波数F(>F)の2次モードのみを有すると仮定する。 First, how to obtain the change direction matrix W will be described. Note that a specific calculation method of PCA is generally well known, and thus the description thereof is omitted. In addition, although an actual optical frequency comb includes several hundred or more modes, in order to simplify the explanation, here, the interference light detected by the detector 118a (or the detector 118b) is the frequency. assumed to have only second order mode of F 1 of the first-order mode and the frequency F 2 (> F 1).

検出器118aが測定光Psと参照光Prとの干渉光を複数回(例えば1000回)検出することにより、該干渉光の各モードMode1、Mode2について表1に示すような位相θ、θの情報が得られたとする。なお、前述のように、位相θは、測定光Psの位相(φ)と参照光Prの位相(φ)との差であり、θ=φ−φである。
When the detector 118a detects the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr a plurality of times (for example, 1000 times), the phases θ 1 and θ 2 as shown in Table 1 for the modes Mode1 and Mode2 of the interference light. Is obtained. As described previously, the phase theta, the difference between the phase (phi r) of the reference beam Pr and phase (phi s) of the measuring light Ps, is θ = φ sr.

図4(a)に示すように、得られた位相θ、θをとる位相点(θ,θ)を2次元のθ−θ位相空間上に分布させる。次に、図4(b)に示すように、該分布の集合401の重心G(θG1,θG2)を求め、固有値の大きい順に、重心Gを通る第1主成分軸402、及び重心Gを通り第1主成分軸402に直交する第2主成分軸403を形成する。そして、図4(c)に示すように、第1及び第2主成分軸402、403の重心Gから伸びる固有ベクトルw、wを求め、該固有ベクトルw、wからなる変化方向行列W=[w]を求める。 As shown in FIG. 4 (a), the obtained phase theta 1, phase point taking θ 2 (θ 1, θ 2 ) to be distributed on a two-dimensional theta 1 - [theta] 2 phase space. Next, as shown in FIG. 4B, the centroid G (θ G1 , θ G2 ) of the distribution set 401 is obtained, and the first principal component axis 402 passing through the centroid G and the centroid G in descending order of eigenvalues. And a second principal component axis 403 that is orthogonal to the first principal component axis 402 is formed. Then, as shown in FIG. 4 (c), first and obtains eigenvectors w 1, w 2 extending from the center of gravity G of the second principal component axis 402, 403, changes direction matrix W consisting of eigenvectors w 1, w 2 = [W 1 w 2 ] is obtained.

ここで、重心Gの位置(θG1,θG2)は、位相点の分布の中心であり、CEOによる位相のゆらぎ成分θCEOの影響を最も受けていない位相の値を表しているとも考えられる。そのため、この時点で、重心Gの位置(θG1,θG2)からパラメータ(Δθ/Δf)のΔθを、Δθ=θG2−θG1と決定しておいてもよい。なお、Δfの値は、第2のOFCG113bの変調周波数fm2から第1のOFCG113aの変調周波数fm1を引くことにより予め定まっている定数である。 Here, the position of the center of gravity G (θ G1 , θ G2 ) is the center of the distribution of the phase points, and is considered to represent the phase value that is least affected by the phase fluctuation component θ CEO caused by the CEO. . Therefore, at this time, the Δθ of the parameter (Δθ / Δf) may be determined as Δθ = θ G2 −θ G1 from the position (θ G1 , θ G2 ) of the center of gravity G. Note that the value of Δf is a constant determined in advance by subtracting the modulation frequency f m1 of the first OFCG 113a from the modulation frequency f m2 of the second OFCG 113b.

このように変化方向行列W=[w]を予め求めておいた上で、図4(c)に示すように、検出器118aにおいて測定光Psと参照光Prとの干渉光を2回測定し、実際の位相404(θ11,θ12)と、実際の位相405(θ21,θ22)とが得られたとする。 After obtaining the change direction matrix W = [w 1 w 2 ] in this way, as shown in FIG. 4C, the detector 118a generates 2 interference lights between the measurement light Ps and the reference light Pr. It is assumed that the actual phase 404 (θ 11 , θ 12 ) and the actual phase 405 (θ 21 , θ 22 ) are obtained by performing the measurement once.

そして、式5から、θ=(Δθ/Δf)F+WQの値が位相404の位相成分θ11,θ12の値に所定のしきい値内で一致するように、パラメータP=[Δθ/Δf,Q]を調整する。所定のしきい値内で一致した場合の係数行列Q=[q]から、CEOによる位相のゆらぎ成分θCEO=WQを推定することができる。推定したCEOによる位相のゆらぎ成分θCEOを実際の位相404(θ11,θ12)から指し引くことにより、CEOによる位相のゆらぎ成分が補正された位相スペクトルを得ることができる。位相405についても同様である。 Then, from Equation 5, the parameter P = [Δθ / Δf, so that the value of θ = (Δθ / Δf) F + WQ matches the values of the phase components θ 11 and θ 12 of the phase 404 within a predetermined threshold value. Q] is adjusted. From the coefficient matrix Q = [q 1 q 2 ] when the values match within a predetermined threshold, the phase fluctuation component θ CEO = WQ caused by the CEO can be estimated. By subtracting the estimated phase fluctuation component θ CEO due to CEO from the actual phase 404 (θ 11 , θ 12 ), a phase spectrum in which the phase fluctuation component due to CEO is corrected can be obtained. The same applies to the phase 405.

図5を用いて再度別の観点から説明する。なお、図5では、説明を簡単にするために、位相スペクトルは連続的に結ばれた曲線又は直線で描かれている。   This will be described again from another point of view with reference to FIG. In FIG. 5, the phase spectrum is drawn as a continuous curve or straight line for the sake of simplicity.

まず、実際の工場等の現場で使用される距離測定装置100の構成及びその使用条件下で、検出器118a、118bそれぞれにより測定光Ps及び参照光Prの干渉光を複数回(例えば数千回)検出し、検出した干渉光の位相スペクトルの情報を記憶部131に記憶させておく。そして、演算処理装置130の統計分析部132により、記憶部131に記憶された位相スペクトルの情報を基に、検出器118a、118bそれぞれについて、CEOによる位相のゆらぎ成分の変化方向を示す変化方向行列W、Wを予め生成し、記憶部131に記憶させておく(S1)。 First, the interference light of the measurement light Ps and the reference light Pr is transmitted a plurality of times (for example, several thousand times) by the detectors 118a and 118b under the configuration of the distance measuring device 100 used in the actual site such as a factory and the use conditions thereof. ) The detected phase spectrum of the interference light is detected and stored in the storage unit 131. Then, based on the information of the phase spectrum stored in the storage unit 131 by the statistical analysis unit 132 of the arithmetic processing unit 130, the change direction matrix indicating the change direction of the phase fluctuation component by CEO for each of the detectors 118a and 118b. W 1 and W 2 are generated in advance and stored in the storage unit 131 (S1).

なお、前述のように、変形方向行列W=[w … ]を求める際に用いた重心G(θG1 θG2 θG3 …)を基に、Δθ/Δfの値を予め決定しておいてもよい。例えば、重心Gの隣接するモード間の位相差(θGk+1−θGk)の平均値をΔθ/ΔfのΔθとすることにより、Δθ/Δfの値を予め決定しておいてもよい。 As described above, the value of Δθ / Δf is determined in advance based on the center of gravity G (θ G1 θ G2 θ G3 ...) Used when obtaining the deformation direction matrix W = [w 1 w 2 w 3 . You may keep it. For example, the value of Δθ / Δf may be determined in advance by setting the average value of phase differences (θ Gk + 1 −θ Gk ) between adjacent modes of the center of gravity G as Δθ of Δθ / Δf.

その後、実際の距離測定装置100の稼働時において、検出器118a(又は検出器118b)により干渉光を検出し、検出した干渉光の実際の位相スペクトル501を取得する(S2)。   Thereafter, when the actual distance measuring apparatus 100 is in operation, the interference light is detected by the detector 118a (or the detector 118b), and the actual phase spectrum 501 of the detected interference light is acquired (S2).

そして、CEO補正部133により、記憶部131に記憶されている変化方向行列W、式5のモデル、並びに予め任意に設定しておいた初期パラメータP=[(Δθ/Δf),Q]を基に、モデル上の位相スペクトル502を構築し、モデル上の位相スペクトル502と実際の位相スペクトル501とを比較する(S3)。 Then, the change direction matrix W stored in the storage unit 131, the model of Expression 5, and the initial parameter P = [(Δθ / Δf) 0 , Q 0 ] arbitrarily set in advance by the CEO correction unit 133 are stored. Based on the above, the phase spectrum 502 on the model is constructed, and the phase spectrum 502 on the model is compared with the actual phase spectrum 501 (S3).

両者が所定のしきい値内で一致しない場合に、CEO補正部133により、パラメータPの値を調整して(PからP)、モデル上の位相スペクトル503を再度構築し、モデル上の位相スペクトル503と実際の位相スペクトル501とを比較する(S4)。 When the two values do not match within the predetermined threshold value, the value of the parameter P is adjusted by the CEO correction unit 133 (P 0 to P 1 ), and the phase spectrum 503 on the model is reconstructed. The phase spectrum 503 is compared with the actual phase spectrum 501 (S4).

CEO補正部133により、これらの作業を繰り返し、モデル上の位相スペクトル504と実際の位相スペクトル501とが所定のしきい値内で一致するときのパラメータPを決定する(S5)。すなわち、実際の位相スペクトル501の位相(θ’)とパラメータPを調整して構築されるモデル上の位相スペクトルの位相(θ)との差(θ’−θ)が各モードについて最小値をとるP=[Δθ/Δf,Q]の値を決定する(argmin|θ’−θ|処理)。 The CEO correction unit 133 repeats these operations, and determines the parameter P when the phase spectrum 504 on the model matches the actual phase spectrum 501 within a predetermined threshold (S5). That is, the difference (θ′−θ) between the phase (θ ′) of the actual phase spectrum 501 and the phase (θ) of the phase spectrum on the model constructed by adjusting the parameter P takes the minimum value for each mode. The value of P = [Δθ / Δf, Q] is determined (argmin | θ′−θ | 2 process).

その後、CEO補正部133により、決定した係数行列Qを基に、CEOによる位相のゆらぎ成分θCEO(=WQ)の位相スペクトル505を推定する(S6)。その後、CEO補正部133により、実際の位相スペクトル501から、推定したゆらぎ成分θCEOの位相スペクトル505を差し引くことにより、ゆらぎ成分θCEOを補正することができる。その結果、ゆらぎ成分θCEOが補正された位相スペクトル506を得ることができる。 Thereafter, the CEO correction unit 133 estimates the phase spectrum 505 of the phase fluctuation component θ CEO (= WQ) due to the CEO based on the determined coefficient matrix Q (S6). Thereafter, the CEO correction unit 133 can correct the fluctuation component θ CEO by subtracting the estimated phase spectrum 505 of the fluctuation component θ CEO from the actual phase spectrum 501. As a result, a phase spectrum 506 in which the fluctuation component θ CEO is corrected can be obtained.

このようにして、検出器118a、118bで検出される干渉光の位相スペクトルのCEOによる位相のゆらぎ成分を補正することにより、距離算出部133は、式4から、より正確な位相差Δθk+1 b−a−Δθ b−aを求めることができる。その結果、距離測定装置100は、ワーク140までのより正確な距離を測定することができる。 In this way, by correcting the phase fluctuation component due to the CEO of the phase spectrum of the interference light detected by the detectors 118a and 118b, the distance calculation unit 133 can obtain a more accurate phase difference Δθ k + 1 b from Equation 4. −a− Δθ k b−a can be obtained. As a result, the distance measuring device 100 can measure a more accurate distance to the workpiece 140.

図6A、6Bは、距離測定装置100を用いたワーク140までの距離測定のフローチャートである。   6A and 6B are flowcharts for measuring the distance to the workpiece 140 using the distance measuring apparatus 100. FIG.

ステップS601で、実際に測定対象物までの距離を測定する工場等の場所に距離測定装置100を配置し、距離測定装置100の各種機器の稼働条件等を設定する。例えば、レーザ光源111の出力の調整や、第1及び第2のOFCG113a、113bの変調周波数fm1、fm2の調整、周波数シフタ114の変調周波数fαの調整等である。 In step S601, the distance measuring device 100 is arranged at a place such as a factory where the distance to the measurement object is actually measured, and operating conditions of various devices of the distance measuring device 100 are set. For example, adjustment of the output of the laser light source 111, adjustment of the modulation frequencies f m1 and f m2 of the first and second OFCGs 113a and 113b, adjustment of the modulation frequency f α of the frequency shifter 114, and the like.

ステップS602で、ワーク140が配置されるべき位置に基準体を配置する。基準体は、変化方向行列Wを生成するために使用される物体であり、例えば鏡面等である。なお、基準体の代わりに実際の距離測定で使用するワーク140を配置してもよい。   In step S602, a reference body is placed at a position where the workpiece 140 is to be placed. The reference body is an object used to generate the change direction matrix W, and is, for example, a mirror surface. Note that a workpiece 140 used in actual distance measurement may be arranged instead of the reference body.

ステップS603で、光周波数コムレーザ装置110を稼働させて、検出器118a、118bそれぞれにおいて測定光Psと参照光Prとの干渉光を検出する。検出器118a、118bは、検出した干渉光に基づく干渉信号をそれぞれFFT119a、119bに出力する。   In step S603, the optical frequency comb laser device 110 is operated, and the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr is detected by the detectors 118a and 118b. Detectors 118a and 118b output interference signals based on the detected interference light to FFTs 119a and 119b, respectively.

ステップS604で、FFT119a、119bは、入力した干渉信号をFFT処理し、検出した干渉光のビート周波数(モード)の情報、及びモードごとの位相θの情報(θ−F位相スペクトル)等を演算処理装置130の記憶部131に出力する。記憶部131は、検出した干渉光の位相スペクトルを記憶し、蓄積する。なお、θは測定光Psの位相φと参照光Prの位相φとの差である。 In step S604, the FFTs 119a and 119b perform FFT processing on the input interference signal, and calculate the beat frequency (mode) information of the detected interference light, the phase θ information (θ-F phase spectrum) for each mode, and the like. The data is output to the storage unit 131 of the device 130. The storage unit 131 stores and accumulates the detected phase spectrum of the interference light. Θ is the difference between the phase φ s of the measurement light Ps and the phase φ r of the reference light Pr.

ステップS605で、演算処理装置130は、検出器118a、118bそれぞれについて、所定の回数の位相スペクトルの蓄積が行われたかどうかを判断する。ここで、所定の回数は、数百から数千回としてもよい。所定の回数行なわれていない場合(S605でNo)、ステップS603〜605が繰り返される。   In step S605, the arithmetic processing unit 130 determines whether or not the phase spectrum has been accumulated a predetermined number of times for each of the detectors 118a and 118b. Here, the predetermined number of times may be several hundred to several thousand. If the predetermined number of times has not been performed (No in S605), Steps S603 to S605 are repeated.

ステップS606で、統計分析部132は、蓄積した位相スペクトルの位相情報(θ,θ,…θ)を所定(n+1次元)の位相空間に分布させる。統計分析部132は、該分布の重心G(θG0,θG1,…θGn)を求め、重心Gを通り互いに直交する第1乃至第mの主成分軸を形成し、それぞれについての固有ベクトルw、w、…wを求める。ここで、位相スペクトルは0〜n次モードを有し、mはn+1以下の整数である。 In step S606, the statistical analysis unit 132 distributes the phase information (θ 0 , θ 1 ,... Θ n ) of the accumulated phase spectrum in a predetermined (n + 1 dimension) phase space. The statistical analysis unit 132 obtains the center of gravity G (θ G0 , θ G1 ,... Θ Gn ) of the distribution , forms first to m-th principal component axes that pass through the center of gravity G and are orthogonal to each other, and the eigenvector w for each of them. 1 , w 2 ,... W m are obtained. Here, the phase spectrum has 0 to n-order modes, and m is an integer of n + 1 or less.

ステップS607で、統計分析部132は、固有ベクトルw、w、…wを並べた変化方向行列W=[w、w、…w]を決定し、記憶部131に記憶させておく。なお、重心G(θG0,θG1,…θGn)の隣接するモード間の位相差(θGk+1−θGk)の平均をΔθ/ΔfのΔθの値とし、予めΔθ/Δfの値を決定し記憶部131に記憶させておいてもよい。この場合、後述するパラメータPは、係数行列Qのみとなる。なお、統計分析部132は、変化方向行列Wを検出器118a、118bそれぞれに対して生成しており、検出器118aに関する変化方向行列がW=[w 、w 、…w ]であり、検出器118bに関する変化方向行列がW=[w 、w 、…w ]であるとする。 In step S607, the statistical analysis unit 132, the eigenvectors w 1, w 2, ... w m Sorting changing direction matrix W = [w 1, w 2 , ... w m] is determined and be stored in the storage unit 131 deep. The average of the phase differences (θ Gk + 1 −θ Gk ) between adjacent modes of the center of gravity G (θ G0 , θ G1 ,... Θ Gn ) is set as the value of Δθ of Δθ / Δf, and the value of Δθ / Δf is determined in advance. However, it may be stored in the storage unit 131. In this case, the parameter P described later is only the coefficient matrix Q. Note that the statistical analysis unit 132 generates the change direction matrix W for each of the detectors 118a and 118b, and the change direction matrix for the detector 118a is W a = [w 1 a , w 2 a ,. a ] and the change direction matrix for the detector 118b is W b = [w 1 b , w 2 b ,... w m b ].

続いて図6Bに示すように、ステップS608で、操作者の手動により又は自動搬送装置(不図示)によりワーク140を所定の位置に配置する。この際、レンズ120のレンズ焦点の調整等を行う。ステップS609で、検出器118a、118bは、光周波数コムレーザ装置110から測定光Psと参照光Prとの干渉光を検出する。   Subsequently, as shown in FIG. 6B, in step S608, the work 140 is placed at a predetermined position manually by the operator or by an automatic transfer device (not shown). At this time, the lens focus of the lens 120 is adjusted. In step S609, the detectors 118a and 118b detect the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr from the optical frequency comb laser device 110.

ステップS610で、検出器118a、118bは、検出した干渉光に基づく干渉信号をそれぞれFFT119a、119bに出力する。FFT119a、119bは、入力した干渉信号をFFT処理し、検出した干渉光のビート周波数F(モード)の情報、及びモードごとの位相θの情報(θ−F位相スペクトル)等を演算処理装置130の記憶部131に出力し、記憶部131に記憶させる。ここで、検出器118aに関する実際の位相スペクトルを位相スペクトルsaとし、検出器118bに関する実際の位相スペクトルを位相スペクトルsbとする。   In step S610, detectors 118a and 118b output interference signals based on the detected interference light to FFTs 119a and 119b, respectively. The FFTs 119a and 119b perform FFT processing on the input interference signal, and the detected interference light beat frequency F (mode) information, phase θ information for each mode (θ-F phase spectrum), etc. The data is output to the storage unit 131 and stored in the storage unit 131. Here, an actual phase spectrum related to the detector 118a is a phase spectrum sa, and an actual phase spectrum related to the detector 118b is a phase spectrum sb.

ステップS611で、CEO補正部133は、記憶部131に予め記憶させておいたパラメータPの初期値P=[(Δθ/Δf),Q]と、予め生成しておいた変形方向行列W、Wとを基に、式5を用いてモデル上の位相スペクトルを構築する。ここで、検出器118aに関するモデル上の位相スペクトルを位相スペクトルmaとし、検出器118bに関するモデル上の位相スペクトルを位相スペクトルmbとする。 In step S611, the CEO correction unit 133 sets the initial value P 0 = [(Δθ / Δf) 0 , Q 0 ] of the parameter P stored in advance in the storage unit 131 and the deformation direction matrix generated in advance. Based on W a and W b , a phase spectrum on the model is constructed using Equation 5. Here, the phase spectrum on the model relating to the detector 118a is referred to as a phase spectrum ma, and the phase spectrum on the model relating to the detector 118b is referred to as a phase spectrum mb.

ステップS612で、CEO補正部133は、実際の位相スペクトルsaとモデル上の位相スペクトルmaとが所定のしきい値内で一致しているかどうかを判断する。同様に、CEO補正部133は、実際の位相スペクトルsbとモデル上の位相スペクトルmbとが所定のしきい値内で一致するかどうか判断する。   In step S612, the CEO correction unit 133 determines whether or not the actual phase spectrum sa matches the phase spectrum ma on the model within a predetermined threshold value. Similarly, the CEO correction unit 133 determines whether or not the actual phase spectrum sb and the phase spectrum mb on the model match within a predetermined threshold value.

所定のしきい値内で一致しない場合(ステップS612でNo)、ステップS613で、CEO補正部133は、argmin|θ’−θ|処理等によりパラメータPを調整する。なお、パラメータPの調整は、モデル上の位相スペクトルma及びモデル上の位相スペクトルmbそれぞれに対して別々に行うようにしてもよい。調整したパラメータPを用いてモデル上の位相スペクトルを再度構築し(ステップS611)、モデル上の位相スペクトルと実際の位相スペクトルとが所定のしきい値内で一致するまでステップS611〜S613が繰り返される。 If the values do not match within the predetermined threshold (No in step S612), in step S613, the CEO correction unit 133 adjusts the parameter P by argmin | θ′−θ | 2 processing or the like. The parameter P may be adjusted separately for each of the phase spectrum ma on the model and the phase spectrum mb on the model. The phase spectrum on the model is reconstructed using the adjusted parameter P (step S611), and steps S611 to S613 are repeated until the phase spectrum on the model matches the actual phase spectrum within a predetermined threshold. .

モデル上の位相スペクトルと実際の位相スペクトルとが所定のしきい値内で一致する場合(ステップS612でYes)、ステップS614で、CEO補正部133は、所定のしきい値内で一致した場合のパラメータPから係数行列Q及びΔθ/Δfの値を決定する。ここでは、検出器118aに関する係数行列をQとし、検出器118bに関する係数行列をQとする。なお、ステップS607で、検出器118a、118bそれぞれに対して予めΔθ/Δfの値が決定されていた場合には、Δθ/Δfの値の決定は行われない。 When the phase spectrum on the model and the actual phase spectrum match within the predetermined threshold (Yes in step S612), the CEO correction unit 133 determines in step S614 that the phase spectrum matches the predetermined threshold. From the parameter P, the values of the coefficient matrix Q and Δθ / Δf are determined. Here, the coefficient matrix for the detector 118a and Q a, the coefficient matrix for the detector 118b to Q b. Note that if the value of Δθ / Δf has been previously determined for each of the detectors 118a and 118b in step S607, the value of Δθ / Δf is not determined.

ステップS615で、CEO補正部133は、決定した係数行列Q、QからCEOによる位相のゆらぎ成分θCEO(=WQ)を推定し、実際の位相スペクトルから推定したCEOによる位相のゆらぎ成分θCEOを差し引くことにより、該ゆらぎ成分θCEOを補正する。実際の位相スペクトルsaに対してはθCEOa(=W)を差し引き、実際の位相スペクトルsbに対してはθCEOb(=W)を差し引く。これにより、実際の位相スペクトルからCEOによる位相のゆらぎ成分を補正することができる。 In step S615, the CEO correcting unit 133 estimates the phase fluctuation component θ CEO (= WQ) due to CEO from the determined coefficient matrices Q a and Q b, and the phase fluctuation component θ due to CEO estimated from the actual phase spectrum. The fluctuation component θ CEO is corrected by subtracting CEO . Actual subtracted theta CEOA is (= W a Q a) for the phase spectrum sa, for the actual phase spectrum sb subtracting θ CEOb (= W b Q b ). As a result, the phase fluctuation component due to the CEO can be corrected from the actual phase spectrum.

ステップS616で、距離算出部134は、検出器118aで検出される干渉光の補正されたk次モードの位相θ と、検出器118bで検出される干渉光の補正されたk次モード位相θ との差Δθ b−aを算出し(式3)、モード間の位相差Δθk+1 b−a−Δθ b−aを算出する(式4)。 In step S616, the distance calculation unit 134, a phase theta k a of the corrected k-order mode of the interference light detected by the detector 118a, the interference light detected by the detector 118b corrected k-order mode phase calculating the difference Δθ k b-a of the theta k b (equation 3), calculates the phase difference Δθ k + 1 b-a -Δθ k b-a between the modes (equation 4).

ステップS617で、距離算出部134は、ステップS616における算出結果を基に、ワーク140までの距離を算出し、記憶部131に記憶させ、ディスプレイ等の出力装置(不図示)に出力する。ステップS618で、測定すべき別のワーク140がある場合には、ステップS608〜S618が繰り返され、測定すべきワーク140が無い場合には、フローは終了する。   In step S617, the distance calculation unit 134 calculates the distance to the workpiece 140 based on the calculation result in step S616, stores the distance in the storage unit 131, and outputs it to an output device (not shown) such as a display. If there is another workpiece 140 to be measured in step S618, steps S608 to S618 are repeated, and if there is no workpiece 140 to be measured, the flow ends.

このように、距離測定装置100は、CEOによる位相のゆらぎ成分が補正された位相の情報を用いてワーク140までの距離をより正確に測定することができる。また、距離測定装置100は、ソフトウェア上でCEOによる位相のゆらぎ成分を補正することができ、距離測定装置100は、従来のようにCEOによる位相のゆらぎ成分を補正するための追加の機器(ハードウェア)を必要しない。それゆえ、距離測定装置100を実際の製造現場等で使用することができ、ひいてはコストの低減にもつながる。   As described above, the distance measuring apparatus 100 can more accurately measure the distance to the workpiece 140 using the phase information in which the phase fluctuation component by the CEO is corrected. Further, the distance measuring apparatus 100 can correct the phase fluctuation component caused by the CEO on the software, and the distance measuring apparatus 100 can add an additional device (hardware) for correcting the phase fluctuation component caused by the CEO as in the prior art. Wear) is not necessary. Therefore, the distance measuring device 100 can be used at an actual manufacturing site or the like, which leads to cost reduction.

(測定例)
図7は、本実施形態の実際の位相スペクトルとモデル上の位相スペクトルとの関係を示す例示的なグラフである。黒色点線701は、CEOによる位相のゆらぎ成分θCEOを考慮しないモデルでシミュレーションした位相スペクトルである。このモデルは、式5の第2項の無いモデルであって、θ=(Δθ/Δf)Fとしたモデルであり、パラメータとして(Δθ/Δf)のみを調整するモデルである。
(Measurement example)
FIG. 7 is an exemplary graph showing the relationship between the actual phase spectrum of this embodiment and the phase spectrum on the model. A black dotted line 701 is a phase spectrum that is simulated by a model that does not consider the phase fluctuation component θ CEO due to CEO . This model is a model that does not have the second term of Equation 5, and is a model in which θ = (Δθ / Δf) F, and is a model that adjusts only (Δθ / Δf) as a parameter.

他方、黒色実線702は、本実施形態に係るCEOによる位相のゆらぎ成分θCEOを考慮したモデル(即ち式5)を用いてシミュレーションした位相スペクトルである。灰色実線703は、上記シミュレーションと同一条件下で実際に測定された位相スペクトルである。 On the other hand, the black solid line 702 is a phase spectrum that is simulated using a model (that is, Equation 5) that takes into account the phase fluctuation component θ CEO due to the CEO according to the present embodiment. A gray solid line 703 is a phase spectrum actually measured under the same conditions as in the simulation.

図7からわかるように、CEOによる位相のゆらぎ成分θCEOを考慮しないモデルの位相スペクトル701に比べ、本実施形態に係るモデルを用いた位相スペクトル702は、実際の位相スペクトル703により近い値をとることがわかった。それゆえ、本実施形態に係るモデルは、より正確に検出器で検出される干渉光の実際の位相スペクトルを推定するのに役に立つことが分かる。 As can be seen from FIG. 7, the phase spectrum 702 using the model according to the present embodiment is closer to the actual phase spectrum 703 than the phase spectrum 701 of the model that does not consider the phase fluctuation component θ CEO due to CEO. I understood it. Therefore, it can be seen that the model according to this embodiment is useful for estimating the actual phase spectrum of the interference light detected by the detector more accurately.

(その他の実施形態)
本発明に係る統計分析手法として、主成分分析(PCA)に限らず、重回帰分析、クラスター分析、因子分析、判別分析、及び回帰分析等の手法を用いてもよい。また、本発明は、図1に示す光周波数コムレーザ装置の構成に限らず、位相を正確に求めたい状況下で位相のCEOによる位相のゆらぎ成分を補正すべきどのような用途にも適用できる。
(Other embodiments)
The statistical analysis method according to the present invention is not limited to principal component analysis (PCA), and methods such as multiple regression analysis, cluster analysis, factor analysis, discriminant analysis, and regression analysis may be used. Further, the present invention is not limited to the configuration of the optical frequency comb laser apparatus shown in FIG. 1, and can be applied to any application in which a phase fluctuation component due to phase CEO is to be corrected under a situation where the phase is to be accurately obtained.

100:距離測定装置、
113a:第1の光周波数コム発生器(OFCG)(第1の光発生器)
113b:第2の光周波数コム発生器(OFCG)(第2の光発生器)
116:参照面
118a:第1の検出器
118b:第2の検出器
130:演算処理装置
131:記憶部
132:統計分析部
133:CEO補正部
134:距離算出部
140:ワーク(測定対象物)
100: Distance measuring device,
113a: first optical frequency comb generator (OFCG) (first optical generator)
113b: second optical frequency comb generator (OFCG) (second optical generator)
116: Reference plane 118a: First detector 118b: Second detector 130: Arithmetic processing device 131: Storage unit 132: Statistical analysis unit 133: CEO correction unit 134: Distance calculation unit 140: Workpiece (measurement object)

Claims (4)

第1の繰り返し周波数のモードを有する第1の光を発生する第1の光発生器と、
前記第1の繰り返し周波数と異なる第2の繰り返し周波数のモードを有する第2の光を発生する第2の光発生器と、
前記第1及び第2の光発生器から基準点を介して照射されてきた前記第1の光と前記第2の光との第1の干渉光を検出する第1の検出器と、
前記基準点を介して、測定対象物から反射されてきた前記第1の光と参照面から反射されてきた前記第2の光との第2の干渉光を検出する第2の検出器と、
前記第1及び第2の干渉光に含まれるキャリア・エンベロープ・オフセット(CEO)による位相のゆらぎ成分(θCEO)の変化の方向を示す変化方向行列(W)を記憶している記憶部と、
前記第1及び第2の干渉光のモデル上の位相(θ)が所定の位相((Δθ/Δf)F)と前記ゆらぎ成分(θCEO)との和で表され、前記ゆらぎ成分(θCEO)が前記変化方向行列(W)とその係数行列(Q)との積で表されるモデル(θ=(Δθ/Δf)F+WQ)に基づき、前記モデル上の位相(θ)が前記実際の位相(θ’)に所定のしきい値内で一致するように調整された前記係数行列(Q)から前記ゆらぎ成分(θCEO)を推定し、前記推定したゆらぎ成分(θCEO)を前記実際の位相(θ’)から差し引くことにより、前記ゆらぎ成分(θCEO)を補正するCEO補正部と、
前記ゆらぎ成分(θCEO)が補正された前記第2の干渉光の位相(θ)と前記ゆらぎ成分(θCEO)が補正された前記第1の干渉光の位相(θ)との位相差(Δθb−a)における各モード間の位相差(Δθk+1 b−a−Δθ b−a)に基づき、前記基準点から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部とを具備する、距離測定装置。
A first light generator for generating first light having a mode of a first repetition frequency;
A second light generator for generating a second light having a second repetition frequency mode different from the first repetition frequency;
A first detector for detecting a first interference light between the first light and the second light emitted from the first and second light generators via a reference point;
A second detector for detecting a second interference light between the first light reflected from the measurement object and the second light reflected from the reference surface via the reference point;
A storage unit storing a change direction matrix (W) indicating a change direction of a phase fluctuation component (θ CEO ) due to a carrier envelope offset (CEO) included in the first and second interference lights;
It said first and second interference light model on the phase of the (theta) is represented by the sum of the predetermined phase ((Δθ / Δf) F) and the fluctuation component (theta CEO), the fluctuation component (theta CEO ) Based on a model (θ = (Δθ / Δf) F + WQ) represented by the product of the change direction matrix (W) and its coefficient matrix (Q), the phase (θ) on the model is the actual phase. The fluctuation component (θ CEO ) is estimated from the coefficient matrix (Q) adjusted to match (θ ′) within a predetermined threshold, and the estimated fluctuation component (θ CEO ) is calculated as the actual fluctuation component (θ CEO ). A CEO correction unit that corrects the fluctuation component (θ CEO ) by subtracting from the phase (θ ′);
The fluctuation component (theta CEO) wherein is corrected second interference light phase (theta b) and the fluctuation component (theta CEO) wherein is corrected first interference light phase (theta a) and position of the based on the phase difference a phase difference between the modes in (Δθ b-a) (Δθ k + 1 b-a -Δθ k b-a), and a distance calculation unit that calculates a distance to the measurement object from the reference point A distance measuring device.
前記第1及び第2の検出器により複数回検出された前記第1及び第2の干渉光の位相(θ,θ,…θ)を、それぞれ所定の位相空間上に分布させ、その分布の重心(θG1,θG2,…)を求め、前記重心を通り互いに直交する複数の主成分軸を形成し、前記複数の主成分軸それぞれの固有ベクトル(w,w,…)を求めることにより、前記固有ベクトル(w,w,…)からなる前記変化方向行列(W)を生成する統計分析部をさらに具備する、請求項1に記載の距離測定装置。 The phases (θ 0 , θ 1 ,... Θ n ) of the first and second interference lights detected a plurality of times by the first and second detectors are distributed on a predetermined phase space, respectively, A center of gravity (θ G1 , θ G2 ,...) Of the distribution is obtained, a plurality of principal component axes passing through the center of gravity and orthogonal to each other are formed, and eigenvectors (w 1 , w 2 ,. The distance measuring device according to claim 1, further comprising a statistical analysis unit that generates the change direction matrix (W) including the eigenvectors (w 1 , w 2 ,...) By obtaining. 前記所定の位相((Δθ/Δf)F)は、前記重心の隣接する要素間の差(θGk+1−θGk)を基に決定される、請求項2に記載の距離測定装置。 The distance measuring device according to claim 2, wherein the predetermined phase ((Δθ / Δf) F) is determined based on a difference (θ Gk + 1 −θ Gk ) between adjacent elements of the center of gravity. 所定の繰り返し周波数のモードを有する干渉光を複数回検出し、前記干渉光の位相(θ,θ,…θ)を、所定の位相空間上に分布させるステップと、
前記分布の重心(θG1,θG2,…)を求めるステップと、
前記重心を通り互いに直交する複数の主成分軸を形成し、前記複数の主成分軸の固有ベクトル(w,w,…)からなる変化方向行列(W)を生成するステップであって、前記変化方向行列(W)は、前記干渉光に含まれるキャリア・エンベロープ・オフセット(CEO)による位相のゆらぎ成分(θCEO)の変化の方向を示す、ステップと、
前記干渉光のモデル上の位相(θ)が所定の位相((Δθ/Δf)F)と前記ゆらぎ成分(θCEO)との和で表され、前記ゆらぎ成分(θCEO)が前記変化方向行列(W)とその係数行列(Q)との積で表されるモデル(θ=(Δθ/Δf)F+WQ)において、前記モデル上の位相(θ)が検出した前記干渉光の実際の位相(θ’)に所定のしきい値内で一致するように調整された前記係数行列(Q)から前記ゆらぎ成分(θCEO)を推定するステップと、
前記推定したゆらぎ成分(θCEO)を前記実際の位相(θ’)から差し引くことにより、前記ゆらぎ成分(θCEO)を補正するステップと、
前記補正された前記実際の位相(θ’)を基に、基準点から測定対象物までの距離を算出するステップと、を具備する距離測定方法。
Detecting interference light having a mode of a predetermined repetition frequency a plurality of times, and distributing the phase (θ 0 , θ 1 ,... Θ n ) of the interference light in a predetermined phase space;
Obtaining a center of gravity (θ G1 , θ G2 ,...) Of the distribution;
Forming a plurality of principal component axes passing through the center of gravity and orthogonal to each other, and generating a change direction matrix (W) composed of eigenvectors (w 1 , w 2 ,...) Of the plurality of principal component axes, A change direction matrix (W) indicates a direction of change of a phase fluctuation component (θ CEO ) due to a carrier envelope offset (CEO) included in the interference light, and
The phase (θ) on the model of the interference light is represented by the sum of a predetermined phase ((Δθ / Δf) F) and the fluctuation component (θ CEO ), and the fluctuation component (θ CEO ) is the change direction matrix. In the model (θ = (Δθ / Δf) F + WQ) represented by the product of (W) and its coefficient matrix (Q), the actual phase (θ of the interference light detected by the phase (θ) on the model is displayed. ') Estimating the fluctuation component (θ CEO ) from the coefficient matrix (Q) adjusted to match within a predetermined threshold;
Correcting the fluctuation component (θ CEO ) by subtracting the estimated fluctuation component (θ CEO ) from the actual phase (θ ′);
Calculating a distance from a reference point to a measurement object based on the corrected actual phase (θ ′).
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