JP2020085545A - Optical space measuring device - Google Patents

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雄貴 石田
Yuki Ishida
雄貴 石田
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Abstract

To provide an optical space measuring device which achieves measurement of the surface, a three-dimensional shape, the shape in a space, air flow and the like with high accuracy by imaging reflection light generated from a measurement object.SOLUTION: An optical space measuring device includes: a light source part for irradiating an optical frequency comb, or a light source part for irradiating super continuum light; a spectroscopic part which consists of a prism or a diffraction grating and separates the irradiation light irradiated from the light source part; and a detection part consisting of a hyperspectral camera for detecting the reflected light generated by reflection of spectroscopy generated via the spectroscopic part by the measurement object.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光空間計測装置に関し、特に光周波数コムまたはスーパーコンティニューム光を利用して計測対象の検出感度を高めた光空間計測装置に関する。 The present invention relates to an optical space measuring device, and more particularly, to an optical space measuring device in which an optical frequency comb or supercontinuum light is used to enhance the detection sensitivity of a measurement target.

空間における物体位置の検出において、光飛行時間計測(ToF:Time of Flight)、ステレオカメラによる計測の手法がある。しかしながら、ToF、ステレオカメラによる計測では、高精度の検出に際し、カメラの精度向上が求められる。また、他の物体位置の検出方法としては、光を投影して、その投影パターンから位置を測定するアクティブステレオ法等も行われている。同法においては、計測対象に向けた複雑なパターンの投影が必要であった。加えて、投影パターンが平面上に一定の大きさで投影されなければ3次元測定(位置検出)はできない。アクティブステレオ法の場合においてもカメラの解像度が要求される。 In detecting the position of an object in space, there are methods of measuring time of flight (ToF: Time of Flight) and a stereo camera. However, in the measurement by the ToF or stereo camera, it is required to improve the accuracy of the camera when detecting with high accuracy. Further, as another method of detecting the position of an object, an active stereo method or the like in which light is projected and the position is measured from the projected pattern is also used. In this method, it was necessary to project a complicated pattern toward the measurement target. In addition, three-dimensional measurement (position detection) cannot be performed unless the projection pattern is projected on the plane with a certain size. The resolution of the camera is required even in the case of the active stereo method.

そこで、計測対象に向けて照射する光の波長を選択することにより、検出精度を高めた技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1によると、第1の回折格子を設けた第1の物体と第2の回折格子を設けた第2の物体とを一定の間隔を隔てて対向配置させ、これらの回折格子に単色光を入射させて両回折格子から生じる回折光を用いて両物体の相対位置を検出し、これらの位置合せを行なう位置合せ方法であって、所望の波長を有する2以上の単色光を同一光路軸上に合成し、波長毎に独立して両物体の相対位置を検出し、そのうちの1または2以上の検出信号に基づいて位置合せを行なう位置合せ方法が開示されている。ここでは、複数の横ゼーマンレーザーの光源が用いられ、各光は偏光ビームスプリッタにより分離される。 Therefore, a technique has been disclosed in which the detection accuracy is improved by selecting the wavelength of the light that is irradiated toward the measurement target (see, for example, Patent Document 1). According to Patent Document 1, a first object provided with a first diffraction grating and a second object provided with a second diffraction grating are arranged so as to face each other at a constant interval, and monochromatic light is applied to these diffraction gratings. Is a method for detecting the relative positions of both objects using diffracted light generated by both diffraction gratings and aligning them, and two or more monochromatic light beams having a desired wavelength are provided on the same optical path axis. There is disclosed a positioning method which is combined with the above, detects the relative positions of both objects independently for each wavelength, and performs the positioning based on one or more detection signals of them. Here, a plurality of lateral Zeeman laser light sources are used, and each light is separated by a polarization beam splitter.

特開平6−42918号公報JP-A-6-42918

上記の特許文献1等に開示の技術は、ウェハ等の表面の計測を対象としている。そのため、物体の三次元測定、気流の可視化等の計測対象の拡張には不向きであった。 The technique disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 or the like is intended for measurement of the surface of a wafer or the like. Therefore, it is not suitable for three-dimensional measurement of an object, expansion of measurement objects such as visualization of air flow.

そこで、発明者は、物体の三次元測定、気流の可視化等の計測対象の拡張を実現するべく鋭意検討した結果、効果的な計測を実現するに至った。 Therefore, as a result of earnest studies to realize the expansion of the measurement target such as three-dimensional measurement of the object and visualization of the air flow, the inventor has achieved effective measurement.

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、計測対象から生じる反射光を撮像して表面、三次元、さらには、空間内の形状、気流等の計測を高精度により実現する光空間計測装置を提供する。 The present invention has been made in view of the above points, and an optical space measurement that captures reflected light generated from a measurement target and realizes measurement of the surface, three-dimensional, further, shape in space, air flow, etc. with high accuracy. Provide the device.

すなわち、本発明の第1の形態の光空間計測装置は、光周波数コムを照射する光源部と、光源部から照射された照射光を分光する分光部と、分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備えることを特徴とする。 That is, the optical space measuring apparatus according to the first aspect of the present invention includes a light source unit that emits an optical frequency comb, a spectroscopic unit that disperses the irradiation light emitted from the light source unit, and a spectroscopic unit that is generated via the spectroscopic unit. And a detection unit that detects reflected light generated by being reflected by the measurement target.

第2の形態の光空間計測装置は、スーパーコンティニューム光を照射する光源部と、光源部から照射された照射光を分光する分光部と、分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備えることを特徴とする。 The optical space measuring device according to the second embodiment is configured such that a light source unit that irradiates the supercontinuum light, a spectroscopic unit that disperses the irradiation light emitted from the light source unit, and a spectroscopic light generated through the spectroscopic unit is measured. And a detection unit that detects reflected light generated by reflection.

第3の形態の光空間計測装置は、分光部がプリズムまたは回折格子であることを特徴とする。 The optical space measuring apparatus according to the third aspect is characterized in that the spectroscopic unit is a prism or a diffraction grating.

第4の形態の光空間計測装置は、光源部からの照射光がシート状照射光であることを特徴とする。 The optical space measuring apparatus according to the fourth mode is characterized in that the irradiation light from the light source unit is sheet-like irradiation light.

第5の形態の光空間計測装置は、検出部がハイパースペクトルカメラであることを特徴とする。 The optical space measuring apparatus according to the fifth mode is characterized in that the detecting unit is a hyperspectral camera.

本発明の光空間計測装置によると、光周波数コムを照射する光源部またはスーパーコンティニューム光を照射する光源部と、光源部から照射された照射光を分光する分光部と、分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備えるため、光周波数コムまたはスーパーコンティニューム光の特性を利用して計測対象から生じる反射光を撮像して計測対象の表面、三次元及び空間内の計測を高精度により実現することができる。 According to the optical space measuring apparatus of the present invention, a light source unit that irradiates an optical frequency comb or a light source unit that irradiates supercontinuum light, a spectroscopic unit that disperses the irradiation light emitted from the light source unit, and a spectroscopic unit are used. Since the spectroscopically generated spectrum is provided with a detection unit that detects the reflected light generated by being reflected by the measurement target, the reflected light generated from the measurement target is imaged and measured using the characteristics of the optical frequency comb or supercontinuum light. Measurements on the surface of the object, in three dimensions and in space can be realized with high accuracy.

光空間計測装置の全体模式図である。It is the whole optical space measuring device schematic diagram. 光周波数コムの特性を示す模式グラフである。It is a schematic graph which shows the characteristic of an optical frequency comb. スーパーコンティニューム光の特性を示す模式グラフである。It is a schematic graph which shows the characteristic of supercontinuum light. 分光部にプリズムを使用した際の分光の様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of spectroscopy when a prism is used for a spectroscopy part. 分光部に回折格子を使用した際の分光の様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of spectroscopy when a diffraction grating is used for a spectroscopy part. シート状照射光の分光の様子を示す第1模式図である。It is a 1st schematic diagram which shows the mode of spectroscopy of a sheet-like irradiation light. シート状照射光の分光の様子を示す第2模式図である。It is a 2nd schematic diagram which shows the mode of spectroscopy of a sheet-like irradiation light.

図1の模式図に表されるとおり、本発明の光空間計測装置1には、光源部10と、分光部20と、検出部30が備えられる。そして、処理部40が、光源部10と検出部30に信号線5により接続される。分光部20を経由して生じた分光は計測対象90に照射され、当該計測対象90の表面において当該分光は反射される。反射された個々の反射光は検出部30により検出される。反射光の波長の計測から処理部40において計測対象90の位置(距離)、計測対象90の表面91の形状等が求められる。計測対象90は図示の便宜状、立体物、物品とした。これらに限られず、所定の空間内を漂う煙の粒子等も含まれる。 As shown in the schematic view of FIG. 1, the optical space measuring apparatus 1 of the present invention includes a light source unit 10, a spectroscopic unit 20, and a detection unit 30. Then, the processing unit 40 is connected to the light source unit 10 and the detection unit 30 by the signal line 5. The spectrum generated via the spectroscopic unit 20 is applied to the measurement target 90, and the spectrum is reflected on the surface of the measurement target 90. The individual reflected light reflected is detected by the detection unit 30. From the measurement of the wavelength of the reflected light, the position (distance) of the measurement target 90, the shape of the surface 91 of the measurement target 90, and the like are obtained by the processing unit 40. The measurement target 90 is a convenience letter, a three-dimensional object, or an article as illustrated. It is not limited to these, and includes particles of smoke floating in a predetermined space.

光源部10は、光周波数コム(L1)を照射する第1光源部11である。また、光源部10は、スーパーコンティニューム光(L11)を照射する第2光源部12である。互いの光線の性質は異なるため、光源部10には、第1光源部11または第2光源部12のいずれかが設置される。図示では、紙面の都合上、同一図内に、光周波数コム(L1)と第1光源部11、及びスーパーコンティニューム光(L11)と第2光源部12が表されている。 The light source unit 10 is the first light source unit 11 that emits the optical frequency comb (L1). The light source unit 10 is the second light source unit 12 that emits supercontinuum light (L11). Since the light rays have different properties, either the first light source unit 11 or the second light source unit 12 is installed in the light source unit 10. In the figure, the optical frequency comb (L1) and the first light source unit 11, and the supercontinuum light (L11) and the second light source unit 12 are shown in the same drawing for the sake of space.

光周波数コム(L1)及びスーパーコンティニューム光(L11)は、極めて性質の揃った複数の波長をもつレーザー光が組み合わされて生成された光線である。そのため、これら(L1及びL11)は、基となる各波長(各色)の混合により、いわゆる白色化した光線であり、白色レーザー光と称されることもある。それゆえ、光周波数コム(L1)及びスーパーコンティニューム光(L11)は、太陽光の自然光、白熱灯または蛍光灯等の人工白色光と本質的に性質が相違する。光周波数コム(L1)及びスーパーコンティニューム光(L11)の性質は、さらに、次のとおりである。 The optical frequency comb (L1) and the supercontinuum light (L11) are light beams generated by combining laser lights having a plurality of wavelengths having extremely uniform properties. Therefore, these (L1 and L11) are so-called white light rays obtained by mixing respective wavelengths (each color) as a base, and are sometimes referred to as white laser light. Therefore, the optical frequency comb (L1) and the supercontinuum light (L11) have essentially different properties from the natural light of sunlight and artificial white light such as incandescent lamps or fluorescent lamps. The properties of the optical frequency comb (L1) and the supercontinuum light (L11) are as follows.

第1光源部11から照射される光周波数コム(L1)は、周波数軸上に等間隔にならんだ成分から成る櫛(くし,コム)の歯列状のスペクトルを有する光信号であり、可干渉性(コヒーレンス)の良い光やフェムト(1000兆分の1)秒の安定した短いレーザーパルスである。繰り返し波で変調された光波の周波数スペクトルを求めると、光周波数の前後に小さい一定間隔の並列した櫛の歯状のスペクトルが得られる。得られたスペクトル線(光コムの歯)は変調周波数の整数倍の位置に並ぶ。 The optical frequency comb (L1) emitted from the first light source unit 11 is an optical signal having a comb-shaped spectrum of components arranged at equal intervals on the frequency axis and has coherent interference. Light with good coherence and stable short laser pulse of femto (1/1000 trillion) second. When the frequency spectrum of the light wave modulated by the repetitive wave is obtained, a comb-shaped spectrum of parallel combs with small regular intervals before and after the optical frequency is obtained. The obtained spectral lines (tooth of the optical comb) are arranged at positions of integral multiples of the modulation frequency.

図2は光周波数コム(L1)の特性を示す模式図である。同模式図において、横軸は周波数であり、縦軸は光強度である。光周波数コム(L1)は複数のスペクトルを有する直進性の良い光源であると同時に、その周波数の間隔(図中の矢印参照)は一定で並ぶ。そのため、個々の周波数域は明確に分離している。この様子から櫛状(コム)と称される。そこで、安定した強度を有する光が、特定の波長毎に揃って一定の間隔毎に出現する。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the characteristics of the optical frequency comb (L1). In the schematic diagram, the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents light intensity. The optical frequency comb (L1) is a light source having a plurality of spectra and having good straightness, and at the same time, the frequency intervals (see arrows in the figure) are arranged in a row. Therefore, the individual frequency bands are clearly separated. From this state, it is called a comb. Therefore, light having a stable intensity appears for each specific wavelength at regular intervals.

光周波数コム(L1)の発生器(第1光源部11)には、例えば、電気光学結晶(ニオブ酸リチウムLiNbO)の両面を鏡で挟んだファブリ・ペロー共振器等が搭載される。その共振器に安定なレーザー光が入射され、マイクロ波による位相変調が加えられる。そして、光周波数コム(L1)は第1光源部11から照射される。 The optical frequency comb (L1) generator (first light source unit 11) is equipped with, for example, a Fabry-Perot resonator in which both surfaces of an electro-optic crystal (lithium niobate LiNbO 3 ) are sandwiched by mirrors. Stable laser light is incident on the resonator and phase modulation by microwaves is applied. Then, the optical frequency comb (L1) is emitted from the first light source unit 11.

スーパーコンティニューム光(L11)は、パルスレーザーから発せられたパルスが高非線形ファイバ等の非線形媒質に入射され、当該非線形媒質内において生じる自己位相変調、相互位相変調、四光波混合、ラマン散乱等の非線形光学効果によりスペクトルが当初よりも超広帯域に拡張された光である。スーパーコンティニューム光(L11)は複数のスペクトルを有する直進性の良い光源であると同時に、良好な周波数連続性も有する広帯域なレーザー光である。スーパーコンティニューム光(L11)は第2光源部12において前述の処理により生成され、同第2光源部12より照射される。 In the supercontinuum light (L11), a pulse emitted from a pulse laser is incident on a nonlinear medium such as a highly nonlinear fiber, and self-phase modulation, mutual phase modulation, four-wave mixing, Raman scattering, etc. generated in the nonlinear medium. It is light whose spectrum has been expanded to an ultra-wide band from the beginning due to the nonlinear optical effect. The supercontinuum light (L11) is a wide-angle laser light having a plurality of spectra and good straightness, and also having good frequency continuity. The supercontinuum light (L11) is generated by the second light source unit 12 by the above-described processing and is emitted from the second light source unit 12.

図3はスーパーコンティニューム光(L11)の特性を示す模式図である。同模式図の横軸は波長であり、縦軸はスペクトル強度である。第2光源部12から照射されるスーパーコンティニューム光(L11)は、光ファイバの材質によるものの、400ないし2400nmの波長の範囲であり、短波長のレーザー光線と比較して明らかに広範囲の波長領域を有する。しかも、スーパーコンティニューム光(L11)は、上述の通り、安定したレーザー光を元に生成された光であるため、光強度も担保される。 FIG. 3 is a schematic diagram showing the characteristics of supercontinuum light (L11). In the schematic diagram, the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents spectral intensity. The supercontinuum light (L11) emitted from the second light source unit 12 has a wavelength range of 400 to 2400 nm, though it depends on the material of the optical fiber, and has a clearly wide wavelength range compared to the short wavelength laser beam. Have. Moreover, since the supercontinuum light (L11) is light generated based on the stable laser light as described above, the light intensity is also secured.

ここで、図1の模式図に戻る。光周波数コム(L1)及びスーパーコンティニューム光(L11)は、前述のとおり、両方とも複数種類(多領域)の波長を含む光線である。そこで、計測対象の大きさ、波長に基づく分解能を考慮して個別の波長毎(個別の波長領域毎)に分光する必要がある。このため、分光部20が備えられる。この分光部20として、プリズム21または回折格子22が用いられる。 Here, returning to the schematic view of FIG. As described above, both the optical frequency comb (L1) and the supercontinuum light (L11) are light beams including a plurality of types (multi-regions) of wavelengths. Therefore, it is necessary to perform spectral analysis for each individual wavelength (each individual wavelength region) in consideration of the size of the measurement target and the resolution based on the wavelength. Therefore, the spectroscopic unit 20 is provided. A prism 21 or a diffraction grating 22 is used as the spectroscopic unit 20.

図4の模式図は、分光部20にプリズム21を用いた例である。紙面右側から光周波数コム(L1)またはスーパーコンティニューム光(L11)がプリズム21に向けて照射されている。光周波数コム(L1)は、プリズム21を透過して分光され、分光(L2)としてプリズム21から照射(出光)する。同様に、スーパーコンティニューム光(L11)は、プリズム21を透過して分光され、分光(L12)としてプリズム21から照射される(出光する)。 The schematic diagram of FIG. 4 is an example in which a prism 21 is used in the spectroscopic unit 20. The optical frequency comb (L1) or the supercontinuum light (L11) is emitted toward the prism 21 from the right side of the paper. The optical frequency comb (L1) is transmitted through the prism 21 to be separated into spectra, and emitted (emits light) from the prism 21 as a spectrum (L2). Similarly, the supercontinuum light (L11) is transmitted through the prism 21 to be spectrally separated, and is radiated (emits light) from the prism 21 as spectral (L12).

図5の模式図は、分光部20に回折格子22,23を用いた例である。図5(a)は透過型回折格子22の模式図である。紙面右側から光周波数コム(L1)またはスーパーコンティニューム光(L11)が透過型回折格子22に向けて照射される。光周波数コム(L1)が透過型回折格子22を透過する際に個別の波長毎(個別の波長領域毎)に分光され、分光(L2)として透過型回折格子22から照射される(出光する)。スーパーコンティニューム光(L11)の場合には分光(L2)が透過型回折格子22から照射される(出光する)。 The schematic diagram of FIG. 5 is an example in which the diffraction gratings 22 and 23 are used in the spectroscopic unit 20. FIG. 5A is a schematic diagram of the transmission diffraction grating 22. An optical frequency comb (L1) or supercontinuum light (L11) is emitted toward the transmission type diffraction grating 22 from the right side of the paper. When the optical frequency comb (L1) is transmitted through the transmissive diffraction grating 22, it is separated into individual wavelengths (individual wavelength regions), and is radiated (emits light) from the transmissive diffraction grating 22 as spectrum (L2). .. In the case of supercontinuum light (L11), the spectrum (L2) is emitted (emits light) from the transmissive diffraction grating 22.

図5(b)は反射型回折格子23である。紙面右側から光周波数コム(L1)またはスーパーコンティニューム光(L11)が反射型回折格子23に向けて照射される。光周波数コム(L1)が反射型回折格子23の表面において反射される際、表面の微細な凹凸(図示せず)により、個別の波長毎(個別の波長領域毎)に分光され、分光(L2)が反射光として生じる。スーパーコンティニューム光(L11)の場合には分光(L12)が反射光として生じる。なお、反射型回折格子23の場合、分光(L2、L12)を適式に反射させるミラー(図示せず)も適式に設けられる。 FIG. 5B shows the reflection type diffraction grating 23. The optical frequency comb (L1) or the supercontinuum light (L11) is emitted toward the reflection type diffraction grating 23 from the right side of the paper. When the optical frequency comb (L1) is reflected on the surface of the reflection type diffraction grating 23, it is split into individual wavelengths (individual wavelength regions) by fine irregularities (not shown) on the surface, and is split into spectra (L2). ) Occurs as reflected light. In the case of supercontinuum light (L11), the spectrum (L12) is generated as reflected light. In the case of the reflection type diffraction grating 23, a mirror (not shown) for appropriately reflecting the spectrum (L2, L12) is also properly provided.

前述のとおり、光周波数コム(L1)及びスーパーコンティニューム光(L11)は、複数波長域を含む光線である。そこで、計測対象90の計測に際し、光の波長に応じて当初の光源の光線が分光されることにより、計測対象の大きさ、形状に応じた特定の波長の選択が可能となる。そこで、焦点の制御、解像度の向上に役立つ。 As described above, the optical frequency comb (L1) and the supercontinuum light (L11) are light rays including a plurality of wavelength bands. Therefore, when the measurement target 90 is measured, the light rays of the original light source are dispersed according to the wavelength of the light, so that a specific wavelength can be selected according to the size and shape of the measurement target. Therefore, it is useful for controlling focus and improving resolution.

さらに、第1光源部11から照射される光周波数コム(L1)及び第2光源部12から照射されるスーパーコンティニューム光(L11)は、いずれもシート状照射光の形態である。シート状照射光は、帯状に照射される光線とするほか、複数の照射装置(照射口)を横に並べ帯状を模した形態も含まれる。照射装置の数を多くすることにより、より多くの領域への光線照射が可能となる。シート状照射光とすることにより、計測対象への分光の照射領域が拡張され、計測対象の走査(スキャン)の効率が高まる。 Further, the optical frequency comb (L1) emitted from the first light source unit 11 and the supercontinuum light (L11) emitted from the second light source unit 12 are both in the form of sheet-like irradiation light. The sheet-shaped irradiation light is a light beam that is irradiated in a strip shape, and also includes a form in which a plurality of irradiation devices (irradiation ports) are arranged side by side to imitate a strip shape. By increasing the number of irradiation devices, it is possible to irradiate light rays to a larger area. By using the sheet-like irradiation light, the irradiation area of the spectrum of the measurement target is expanded, and the efficiency of scanning of the measurement target is increased.

図6の模式図から理解されるように、シート状照射光の光周波数コム(L1)またはスーパーコンティニューム光(L11)が長尺のプリズム21に照射され、シート状の分光(L2)または分光(L12)がプリズム21から照射される(出光する)。 As can be seen from the schematic diagram of FIG. 6, the sheet-like spectrum (L2) or spectrum is irradiated by irradiating the long prism 21 with the optical frequency comb (L1) or the supercontinuum light (L11) of the sheet-like irradiation light. (L12) is emitted (emits light) from the prism 21.

同様に、図7(a)では、長尺板上の透過型の回折格子22が用意される。シート状照射光の光周波数コム(L1)またはスーパーコンティニューム光(L11)が透過型回折格子22に向けて照射され、シート状の分光(L2)または分光(L12)が透過型回折格子22から照射される(出光する)。図7(b)では、長尺板上の反射型の回折格子23が用意される。シート状照射光の光周波数コム(L1)またはスーパーコンティニューム光(L11)が反射型回折格子23に向けて照射され、同反射型回折格子23表面における反射を通じてシート状の分光(L2)または分光(L12)が出光する。 Similarly, in FIG. 7A, a transmission type diffraction grating 22 on a long plate is prepared. The optical frequency comb (L1) or the supercontinuum light (L11) of the sheet-shaped irradiation light is emitted toward the transmission type diffraction grating 22, and the sheet-shaped spectrum (L2) or spectrum (L12) is emitted from the transmission type diffraction grating 22. It is illuminated (emits light). In FIG. 7B, a reflection type diffraction grating 23 on a long plate is prepared. The optical frequency comb (L1) or the supercontinuum light (L11) of the sheet-like irradiation light is emitted toward the reflection type diffraction grating 23, and the sheet-like spectrum (L2) or the spectrum is obtained through the reflection on the surface of the reflection type diffraction grating 23. (L12) emits light.

分光部20からの出光する分光(L2,L12)を計測対象90に対して漏れなく照射するため、前出のプリズム21、透過型回折格子22、反射型回折格子23には、サーボモータ等(図示せず)が備えられ、処理部40により角度、位置が制御される。 In order to irradiate the measurement target 90 with the spectrum (L2, L12) emitted from the spectroscopic unit 20 without leakage, the prism 21, the transmission type diffraction grating 22, and the reflection type diffraction grating 23 are provided with a servo motor ( (Not shown) is provided, and the angle and position are controlled by the processing unit 40.

前述のとおり、光周波数コム(L1)またはスーパーコンティニューム光(L11)は、それぞれに包含される波長毎(個別の波長領域毎)に分光され、生成された分光(L2)または(L12)は、計測対象90に照射される(図1参照)。そして、計測対象90の表面91において反射される。反射光は検出部30により検出される。光周波数コム(L1)の分光(L2)に基づく反射光(L3)は、第1検出部31により検出される。スーパーコンティニューム光(L11)の分光(L12)に基づく反射光(L13)は、第2検出部32により検出される。 As described above, the optical frequency comb (L1) or the supercontinuum light (L11) is dispersed into each wavelength included in each (each individual wavelength region), and the generated spectrum (L2) or (L12) is , Is irradiated to the measurement target 90 (see FIG. 1). Then, it is reflected on the surface 91 of the measurement target 90. The reflected light is detected by the detection unit 30. The reflected light (L3) based on the spectrum (L2) of the optical frequency comb (L1) is detected by the first detection unit 31. The reflected light (L13) based on the spectrum (L12) of the supercontinuum light (L11) is detected by the second detection unit 32.

検出部30(31,32)には、ハイパースペクトルカメラが好ましく使用される。ハイパースペクトルカメラは、計測対象により反射された個々の波長の反射光(L3,L13)について、非常に狭い波長域の光強度を個々に取得することができる。そのため、より正確に細かな色の情報が判別される。また、可視光領域だけではなく、近赤外線(750ないし1700nm)領域も撮影することができ、当該領域のスペクトル分析も可能である。 A hyper spectrum camera is preferably used for the detection unit 30 (31, 32). The hyperspectral camera can individually acquire the light intensity in a very narrow wavelength range for the reflected light (L3, L13) of each wavelength reflected by the measurement target. Therefore, finer color information is more accurately determined. Further, not only the visible light region but also the near-infrared (750 to 1700 nm) region can be photographed, and the spectrum analysis of the region is also possible.

光源部10(第1光源部11,第2光源部12)の出力等の制御、分光部20の位置制御、及び検出部30(第1検出部31,第2検出部32)の撮像データに基づく処理、解析のため、処理部40がそれぞれに接続される。処理部40は公知のパーソナルコンピュータ等である。計測対象90から生じた反射光(L3,L13)の解析、データ処理に際しては、同軸共焦点方式等の公知の反射光の色情報の解析手法が用いられる。同方式の場合、波長毎に異なる位置で焦点が結ばれる。そこで波長と焦点の関係から対象物との距離、対象物の表面形状が求まる。特に、シート状照射光を生成していることから、当然に反射光もシート状となり計測対象の走査(スキャン)の効率が高まり、計測対象である物品の表面、さらには、計測対象とする空間内の粒子に対しての三次元の計測も可能となる。 The output of the light source unit 10 (the first light source unit 11, the second light source unit 12) and the like are controlled, the position of the spectroscopic unit 20 is controlled, and the imaging data of the detection unit 30 (the first detection unit 31, the second detection unit 32) is used. The processing units 40 are connected to the respective units for the processing and the analysis based on them. The processing unit 40 is a known personal computer or the like. When analyzing the reflected light (L3, L13) generated from the measurement target 90 and processing the data, a known method for analyzing the color information of the reflected light such as the coaxial confocal method is used. In the case of the same system, the focal points are focused at different positions for each wavelength. Therefore, the distance to the object and the surface shape of the object can be obtained from the relationship between the wavelength and the focus. In particular, since the sheet-shaped irradiation light is generated, naturally the reflected light also becomes a sheet shape and the efficiency of scanning of the measurement target is improved, and the surface of the article as the measurement target, and further, the space as the measurement target. It also enables three-dimensional measurement of the particles inside.

本発明の光空間計測装置は、光周波数コム(L1)及びスーパーコンティニューム光(L11)を光源とすることに大きな特徴を有し、各光の特性は前述のとおりである。そこで、各光の特性に応じて、次のような使い分けが想定される。 The optical space measuring apparatus of the present invention has a great feature in that the light source is the optical frequency comb (L1) and the supercontinuum light (L11), and the characteristics of each light are as described above. Therefore, depending on the characteristics of each light, the following different usages are assumed.

光周波数コム(L1)の場合、図2の模式図のように、周波数毎(波長毎)に個別の光が明確に分離して存在する。光周波数コム(L1)の利用では、次の利点が挙げられる。(i)強力であり狭いスペクトル幅により明確に分離された分光(L2)が得られるため、特定位置の物体がより明瞭に分離される。(ii)光周波数コム(L1)自体が周波数毎に分離されているため、特定波長を光学フィルタにより抜き出す際に使用するフィルタの必要性能が下げられる。すなわち、光学フィルタに依存しなくても、高い分離性能が備わっており、焦点位置を合わせる際の効率が良い。(iii)光周波数コム(L1)では、周波数毎(複数の波長毎)に分離されて含まれているため、多数の移動物体の同時に三次元位置の特定が可能となる。例えば、380ないし760nmの波長領域を20nmの間隔とする光周波数コム(L1)を発生させる場合、三次元位置は20分割により特定可能となる。 In the case of the optical frequency comb (L1), individual lights are clearly separated for each frequency (each wavelength) as shown in the schematic diagram of FIG. The use of the optical frequency comb (L1) has the following advantages. (I) Since the spectrum (L2) that is strong and clearly separated by the narrow spectral width is obtained, the object at the specific position is more clearly separated. (Ii) Since the optical frequency comb (L1) itself is separated for each frequency, the required performance of the filter used when the specific wavelength is extracted by the optical filter is reduced. That is, even if it does not depend on the optical filter, it has high separation performance, and the efficiency in focusing is good. (Iii) Since the optical frequency comb (L1) is included separately for each frequency (for each of a plurality of wavelengths), it is possible to specify the three-dimensional position of many moving objects at the same time. For example, when an optical frequency comb (L1) having a wavelength range of 380 to 760 nm with an interval of 20 nm is generated, the three-dimensional position can be specified by 20 divisions.

スーパーコンティニューム光(L11)の場合、図3の模式図のように、広範囲の波長領域を有する。スーパーコンティニューム光(L11)の利用では、次の利点が挙げられる。(i)前述の光周波数コム(L1)と比較してスペクトル幅に欠損領域が存在しない。このことから、受光部(検出部30)側の分光性能に応じたより高い三次元位置の特定が可能となる。(ii)光源を制御するパラメータが少なく、計測機器側のみにより特定物体の位置を精度よく計測可能である。例えば、380ないし760nmの波長領域のスーパーコンティニューム光(L11)の場合、5nm幅のバンドパスフィルタを受光部(検出部30)側に取り付けることにより、80分割の分解能による三次元位置の特定が可能となる。また、バンドパスフィルタが高速で切り替えられ、計測領域は拡大可能となる。 In the case of the supercontinuum light (L11), it has a wide wavelength range as shown in the schematic view of FIG. The use of the supercontinuum light (L11) has the following advantages. (I) There is no defective region in the spectrum width as compared with the above-mentioned optical frequency comb (L1). From this, it becomes possible to specify a higher three-dimensional position according to the spectral performance of the light receiving unit (detection unit 30) side. (Ii) The number of parameters for controlling the light source is small, and the position of the specific object can be accurately measured only by the measuring device side. For example, in the case of supercontinuum light (L11) in the wavelength region of 380 to 760 nm, a bandpass filter with a width of 5 nm is attached to the light receiving unit (detection unit 30) side to specify the three-dimensional position by the resolution of 80 divisions. It will be possible. In addition, the bandpass filter is switched at high speed, and the measurement area can be expanded.

光源として光周波数コム(L1)またはスーパーコンティニューム光(L11)の選択は、計測対象に応じて考慮される。例えば、加工精度の確認等、ある程度大きさ、深さ、形状の判明している表面構造を正確に計測しようとする場合、光線の強度が高く、波長域の揃った光周波数コム(L1)の使用が好ましい。また、運転席周り等の車内空間、その内部の気流の流れ等の広がりのある対象の場合、波長域の広いスーパーコンティニューム光(L11)の使用が好ましい。例えば、煙を含む気流を車内に通気させ、これにスーパーコンティニューム光の分光が照射されて三次元の奥行も踏まえて解析される。むろん、これらは例示であり、適宜利点を生かして組み合わせられる。 The selection of the optical frequency comb (L1) or the supercontinuum light (L11) as the light source is considered according to the measurement target. For example, in order to accurately measure a surface structure whose size, depth, and shape are known to some extent, such as confirmation of processing accuracy, the intensity of the light beam is high and the optical frequency comb (L1) with a uniform wavelength range is used. Use is preferred. Further, in the case of an object such as a driver's seat or the like, where there is a wide interior such as an air flow in the vehicle, it is preferable to use a supercontinuum light (L11) having a wide wavelength range. For example, an air flow containing smoke is ventilated into the vehicle, and the spectrum of supercontinuum light is applied to this to analyze the depth in three dimensions. Of course, these are examples, and they can be appropriately combined to take advantage.

本発明の光空間計測装置は、光周波数コムまたはスーパーコンティニューム光を光源として用いることにより、計測対象に応じた高精度の計測が可能となる。特に、既存の限られた種類のレーザー光のみを使用した計測装置よりも使用する波長域が広い。そこで、装置の代替として有望である。 The optical space measuring device of the present invention enables highly accurate measurement according to the measurement target by using the optical frequency comb or the supercontinuum light as the light source. In particular, the wavelength range used is wider than that of existing measuring devices using only limited types of laser light. Therefore, it is a promising alternative to the device.

1 光空間計測装置
10 光源部
11 第1光源部
12 第2光源部
20 分光部
21 プリズム
22,23 回折格子
30 検出部
31 第1検出部
32 第2検出部
40 処理部
90 計測対象
L1 光周波数コム
L11 スーパーコンティニューム光
L2,L12 分光
L3,L13 反射光
1 Optical Space Measuring Device 10 Light Source Section 11 First Light Source Section 12 Second Light Source Section 20 Spectroscopic Section 21 Prism 22, 23 Diffraction Grating 30 Detecting Section 31 First Detecting Section 32 Second Detecting Section 40 Processing Section 90 Measurement Target L1 Optical Frequency Com L11 Supercontinuum light L2, L12 Spectral L3, L13 Reflected light

Claims (5)

光周波数コムを照射する光源部と、
前記光源部から照射された照射光を分光する分光部と、
前記分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備える
ことを特徴とする光空間計測装置。
A light source unit for irradiating an optical frequency comb,
A spectroscopic unit that disperses the irradiation light emitted from the light source unit,
An optical space measurement device, comprising: a detection unit configured to detect reflected light generated by the measurement target reflecting the spectrum generated via the spectroscopic unit.
スーパーコンティニューム光を照射する光源部と、
前記光源部から照射された照射光を分光する分光部と、
前記分光部を経由して生じた分光が計測対象により反射されて生じた反射光を検出する検出部とを備える
ことを特徴とする光空間計測装置。
A light source unit that emits supercontinuum light,
A spectroscopic unit that disperses the irradiation light emitted from the light source unit,
An optical space measurement device, comprising: a detection unit configured to detect reflected light generated by the measurement target reflecting the spectrum generated via the spectroscopic unit.
前記分光部が、プリズムまたは回折格子である請求項1または2に記載の光空間計測装置。 The optical space measurement device according to claim 1, wherein the spectroscopic unit is a prism or a diffraction grating. 前記光源部からの照射光がシート状照射光である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の光空間計測装置。 The optical space measuring device according to claim 1, wherein the irradiation light from the light source unit is a sheet-shaped irradiation light. 前記検出部がハイパースペクトルカメラである請求項1ないし4のいずれか1項に記載の光空間計測装置。 The optical space measurement device according to claim 1, wherein the detection unit is a hyperspectral camera.
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