JP2628171B2 - Optical spectrum analyzer - Google Patents
Optical spectrum analyzerInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は光の波長に関するパワースペクトル曲線を
求めるための光スペクトルアナライザに関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical spectrum analyzer for obtaining a power spectrum curve relating to the wavelength of light.
「従来の技術」 光スペクトルアナライザは試料から来た光を光干渉計
で干渉させ、その干渉光を観測することにより試料から
の光の波長に関するパワースペクトルを得るものであ
る。2. Description of the Related Art An optical spectrum analyzer is a device that causes light coming from a sample to interfere with an optical interferometer and observes the interference light to obtain a power spectrum related to the wavelength of the light from the sample.
第5図は従来の光スペクトルアナライザの構成例を示
すブロック図である。光源11から出射された光は試料12
に照射され、試料12を透過した光を光干渉計13で観測す
る。光干渉計13に入射した光は集光レンズ14により集光
され、ほゞ平行光となってビームスプリッタ15に入射
し、ビームスプリッタ15でそのまま直進する光と直角方
向に反射される2つの光とに分けられる。これら2つの
分光は第1,第2反射鏡16A,16Bで反射され、再びビーム
スプリッタ15に入射し、そこで直角方向に反射された
り、またそのまま直進することにより1つの光に合わさ
れて干渉光となる。その干渉光は集光レンズ17で集束さ
れ、検波器18に入射する。FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a conventional optical spectrum analyzer. The light emitted from the light source 11 is the sample 12
And the light transmitted through the sample 12 is observed by the optical interferometer 13. The light incident on the optical interferometer 13 is condensed by a condenser lens 14, becomes almost parallel light, enters the beam splitter 15, and is directly reflected by the beam splitter 15 and two lights reflected at right angles. And divided into These two light beams are reflected by the first and second reflecting mirrors 16A and 16B and re-enter the beam splitter 15, where they are reflected in a right angle direction, or travel straight as they are so that they are combined into one light beam and interfered with. Become. The interference light is focused by the condenser lens 17 and enters the detector 18.
この光干渉計13では第1反射鏡16Aは可動鏡とされ、
第2反射鏡16Bは固定鏡とされる。即ち、第1反射鏡16A
は光が入射する方向に対して駆動装置19により、基準位
置を中心とする周期的な微小振動が与えられ、この微小
振動によりビームスプリッタ15から第1反射鏡16Aまで
の光路長が第1反射鏡16Aの振動に応じて、つまり時間
的に変化する。このために2つの分光が辿る光路長に差
ができ、しかも時間と共に2つの分光の辿る光路差が変
化する。従って、これ等の分光が1つに合成された干渉
光は干渉状態が時間と共に変化する。検波器18は干渉光
をその強度に応じた電気信号に変換して出力する。検波
器18が出力する電気信号はAD変換器21によりデジタル信
号に変換され、更にこのデジタル信号はズーム回路22に
供給される。ズーム回路22は周波数変換器23A,23Bと、
デジタルフィルタ24A,24Bと、リサンプリング手段25A,2
5Bとで構成される。周波数変換器23A,23Bにはそれぞれ
局部発振信号cos(2πfcnΔt),sin(2πfcnΔt)
が供給され、この局部発振信号によりデジタル信号,つ
まりデジタル変換された干渉信号の周波数領域の中心周
波数を任意の周波数fcにシフトさせることができる。デ
ジタルフィルタ24A,24Bは周波数変換器23A,23Bで干渉信
号の中心周波数が所望の周波数へシフトするように操作
された際に付随された不用な高調波成分を干渉信号から
除去する。In this optical interferometer 13, the first reflecting mirror 16A is a movable mirror,
The second reflecting mirror 16B is a fixed mirror. That is, the first reflecting mirror 16A
In the direction of incidence of light, a periodic minute vibration centering on the reference position is given by the driving device 19 in the direction in which the light is incident. It changes according to the vibration of the mirror 16A, that is, over time. For this reason, there is a difference in the optical path length traced by the two light beams, and the optical path difference traced by the two light beams changes with time. Therefore, the interference state of the interference light obtained by combining these spectral components into one changes with time. The detector 18 converts the interference light into an electric signal corresponding to the intensity and outputs the electric signal. The electric signal output from the detector 18 is converted into a digital signal by an AD converter 21, and this digital signal is supplied to a zoom circuit 22. The zoom circuit 22 includes frequency converters 23A and 23B,
Digital filters 24A, 24B and resampling means 25A, 2
5B. The local oscillator signals cos (2πf c nΔt) and sin (2πf c nΔt) are supplied to the frequency converters 23A and 23B, respectively.
There is provided a digital signal by the local oscillation signal, that it is possible to shift the center frequency of the frequency range of the digital converted interference signal to an arbitrary frequency f c. The digital filters 24A and 24B remove unnecessary harmonic components attached when the frequency converters 23A and 23B are operated so that the center frequency of the interference signal is shifted to a desired frequency from the interference signal.
所望の中心周波数に偏移されたデジタル化複素干渉信
号はリサンプリング手段25A,25Bにそれぞれ供給され、
リサンプリング周期tごとにサンプリングされ、第1周
波数変換器23Aの出力データを実数部データとし、また
第2周波数変換器23Bの出力データを虚数部データとし
て複素メモリ26に格納される。複素メモリ26に1フレー
ム分のデータ、例えば実数部データと虚数部データをそ
れぞれ1つずつを対とする1024対のデータが読み込まれ
ると、これら一組のデータはFFT変換器或いはDFT変換器
27に供給されフーリエ変換され、そのフーリエ変換の結
果がメモリ28に格納される。The digitized complex interference signal shifted to the desired center frequency is supplied to resampling means 25A and 25B, respectively.
The data is sampled at each resampling period t, and the output data of the first frequency converter 23A is stored in the complex memory 26 as real part data, and the output data of the second frequency converter 23B is stored as imaginary part data. When one frame of data, for example, 1024 pairs of data, one pair each of real part data and imaginary part data, is read into the complex memory 26, these sets of data are read by an FFT converter or a DFT converter.
The Fourier transform is supplied to 27 and the result of the Fourier transform is stored in the memory 28.
繰り返し供給される干渉信号からサンプリングされた
1フレーム分,1024対の複素データは、各フレームごと
にそれぞれフーリエ変換され周波数を横軸とするパワー
スペクトル曲線が得られる。各フレームごとに多数のス
ペクトル曲線が得られると、それらのスペクトル曲線の
平均をとることにより、光スペクトル曲線の精度を上げ
ることができる。One frame of 1024 pairs of complex data sampled from the repeatedly supplied interference signal is Fourier-transformed for each frame, and a power spectrum curve having a frequency on the horizontal axis is obtained. When a large number of spectral curves are obtained for each frame, the accuracy of the optical spectral curve can be improved by averaging the spectral curves.
「発明が解決しようとする問題点」 干渉信号を幾度も測定して得られた多数のスペクトル
曲線を単に平均しただけでは十分に満足できる分解能を
有するスペクトル曲線を得ることはできない。また、観
測する各フレームごとにフーリエ変換するので演算処理
に要する時間が長い。更に、スペクトル曲線の所望の部
分を取り出して観測することができないなど実用上で不
満足な点が多い。"Problems to be Solved by the Invention" Simply averaging a large number of spectral curves obtained by measuring an interference signal many times cannot obtain a spectral curve having a sufficiently satisfactory resolution. Further, since the Fourier transform is performed for each frame to be observed, the time required for the arithmetic processing is long. Furthermore, there are many points that are not practically satisfactory, for example, a desired part of the spectrum curve cannot be extracted and observed.
「問題点を解決するための手段」 この発明は以上のような諸問題を解決するものであ
る。即ち、この発明では、光干渉計の干渉信号は検波器
で電気信号に変換され、更にその電気信号はデジタル信
号に変換される。このデジタル信号は第1デジタル周波
数変換器により正弦波局部信号で周波数変換され、また
第2デジタル周波数変換器により余弦波局部信号で周波
数変換される。"Means for Solving the Problems" The present invention solves the above problems. That is, in the present invention, the interference signal of the optical interferometer is converted into an electric signal by the detector, and the electric signal is further converted into a digital signal. This digital signal is frequency-converted by a first digital frequency converter with a sine wave local signal, and frequency-converted by a second digital frequency converter with a cosine wave local signal.
これら周波数変換器で直交変換された出力,即ち、複
素データは第1,第2デジタルフィルタをそれぞれ介し
て、所定帯域の信号とされ、第1,第2リサンプリング手
段に供給される。第1,第2リサンプリング手段は供給さ
れたデジタル複素データを所定周期で繰り返しサンプリ
ングし、干渉信号が光路差ゼロの時の複素データをほゞ
中心として予め定められた数の複素データを1フレーム
分の信号として複素メモリに記憶される。The outputs orthogonally transformed by these frequency converters, that is, complex data, are converted into signals of a predetermined band via first and second digital filters, respectively, and supplied to first and second resampling means. The first and second resampling means repeatedly sample the supplied digital complex data at a predetermined cycle, and divide a predetermined number of complex data in one frame around the complex data when the interference signal has zero optical path difference. The minute signal is stored in the complex memory.
この発明では更に、所定の光路差での干渉信号と局部
発振信号との瞬時位相が求められ、各測定フレームごと
の複素データは所定の位相とそれぞれの瞬時位相との差
分だけ位相回転させられることにより所定の位相に統一
された後に各複素データの平均がとられる。In the present invention, the instantaneous phase between the interference signal and the local oscillation signal at a predetermined optical path difference is obtained, and the complex data for each measurement frame is rotated by the difference between the predetermined phase and each instantaneous phase. , The average of each complex data is taken.
「発明の作用」 この発明の構成によれば、光干渉計から出力される干
渉信号は、各回の測定データ相互間の位相を合わせて平
均化され、その位相を合わせて平均化されたデータがフ
ーリエ変換される。According to the configuration of the present invention, the interference signal output from the optical interferometer is averaged by adjusting the phase between the measurement data of each time, and the averaged data is adjusted by adjusting the phase. Fourier transformed.
「実施例」 第1図はこの発明による光スペクトルアナライザの実
施例を示すブロック図である。第5図と対応する部分に
は同じ符号を付して重複する説明は簡単にする。Embodiment FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an optical spectrum analyzer according to the present invention. Parts corresponding to those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be simplified.
マイケルソン干渉計13には、例えば白色光源11の光が
試料12を透過したものが供給される。その透過光をビー
ムスプリッタ15で2分し、第1,第2反射鏡16A,16Bで反
射させて再びビームスプリッタ15で1つの光にして干渉
させる。第1反射鏡16Aが駆動装置19により光の進行方
向に前後に駆動されると、この反射鏡16Aの動きに応じ
て光の干渉状態が変化する。この干渉光は検波器18に与
えられ、干渉状態の変化に応じた電気信号,つまり干渉
信号が検波器18から出力される。The Michelson interferometer 13 is supplied with, for example, light from the white light source 11 transmitted through the sample 12. The transmitted light is split into two by the beam splitter 15, reflected by the first and second reflecting mirrors 16A and 16B, and made into one light again by the beam splitter 15 and interfered. When the first reflecting mirror 16A is driven back and forth in the light traveling direction by the driving device 19, the interference state of light changes according to the movement of the reflecting mirror 16A. The interference light is provided to the detector 18, and an electrical signal corresponding to the change in the interference state, that is, an interference signal is output from the detector 18.
今、x軸方向に進む電場を複素表示すると、 E=Re〔a exp(j2π ν(t−x/v))〕 =Re〔a exp(−j2π νx/v)・exp(2π ν
t)〕 =Re〔Aexp(j2π νt)〕 ……(1) 但し、Aは複素振幅(complex amplitude)であっ
て、 A=a exp(−jΦ)=a exp(−j2π νx/v) ここで、a:振幅,ν:周波数,v:速度である。Now, when the electric field traveling in the x-axis direction is expressed in a complex form, E = Re [a exp (j2πν (t−x / v))] = Re [aexp (−j2πνx / v) · exp (2πν)
t)] = Re [Aexp (j2πνt)] (1) where A is a complex amplitude, and A = aexp (−jΦ) = aexp (−j2πνx / v) where Where, a: amplitude, ν: frequency, and v: velocity.
マイケルソン干渉計13の可動鏡16Aが光路差ゼロの基
準位置から距離dだけ移動していると、2つの分光間の
光路差は2dであり、この光路差2dに対応する干渉が生ず
る。この干渉によって、検波器18に入射する光の強度
は、 <E2>=<(E1+E2)(E1+E2)*> =<A1 2>+<A2 2> +(<A1A2 *>+<A1 *A2>) から Id=I1+I2+2(I1 I2)1/2cos(Φ1−Φ2) ……(2) と表すことができる。If the movable mirror 16A of the Michelson interferometer 13 is moved by the distance d from the reference position where the optical path difference is zero, the optical path difference between the two light beams is 2d, and interference corresponding to the optical path difference 2d occurs. This interference, the intensity of light incident on the detector 18, <E 2> = <( E 1 + E 2) (E 1 + E 2) *> = <A 1 2> + <A 2 2> + (< a 1 a 2 *> + <A 1 * a 2>) from the I d = I 1 + I 2 +2 (I 1 I 2) 1/2 cos (Φ 1 -Φ 2) be expressed as ... (2) it can.
この光干渉計13では2つに分岐された光の位相差ΔΦ
=Φ1−Φ2は光路差2dに対応する。単色光の波長をλ
とすると、 Φ1−Φ2=2π(2d)/λ=2π ν2d/C =2π ν τ=2π ν(nΔt) 但し、nΔt:サンプリング点,光路差ゼロはn=0に
対応し、n=−m,……,0,……m+1である。In this optical interferometer 13, the phase difference ΔΦ between the two branched lights
= Φ 1 -Φ 2 corresponds to the optical path difference 2d. The wavelength of monochromatic light is λ
Then, Φ 1 −Φ 2 = 2π (2d) / λ = 2π ν2d / C = 2π ν τ = 2π ν (nΔt) where nΔt: sampling point and zero optical path difference correspond to n = 0, and n = −m,..., 0,.
この関係を用いると、干渉光の強度Idの交流成分IdAC
は次の式で表される。Using this relationship, the AC component I dAC of the interference light intensity I d
Is represented by the following equation.
IdAC=2I0 cos(2π ν nΔt) =I0(exp(j2π ν・nΔt) +exp(−j2π ν・nΔf)) ……(3) 検波器18が出力する干渉信号は、図には示してないが
必要に応じて増幅器を介してAD変換器21に供給されデジ
タル信号に変換され、このデジタル信号は更に第1デジ
タル周波数変換器23A及び第2デジタル周波数変換器23B
に供給され、これらの周波数変換器23A,23Bにより直交
変調される。I dAC = 2I 0 cos (2πν nΔt) = I 0 (exp (j2πν · nΔt) + exp (−j2πν · nΔf)) (3) The interference signal output from the detector 18 is shown in the figure. However, if necessary, it is supplied to an AD converter 21 via an amplifier and converted into a digital signal, and this digital signal is further converted into a first digital frequency converter 23A and a second digital frequency converter 23B.
And are quadrature-modulated by these frequency converters 23A and 23B.
即ち、第1デジタル周波数変換器23Aには余弦波局部
信号cos(2πfcnΔt)が与えられており、デジタル信
号はこの余弦波局部信号により周波数変換される。ま
た、第2デジタル周波数変換器23Bには正弦波局部信号
−sin(2πfcnΔt)が与えられており、デジタル信号
はこの正弦波局部信号により周波数変換され、従って、
第1周波数変換器23Aの出力が実数部データとされ、第
2周波数変換器23Bの出力が虚数部データとされる複素
データが出力される。周波数変換された第1,第2周波数
変換器23A,23Bの出力は第1,第2デジタルフィルタ24A,2
4Bにそれぞれ供給される。これら第1,第2デジタルフィ
ルタ24A,24Bはローパスフィルタの機能を有し、デジタ
ル干渉信号が周波数変換される際に生じた高周波領域の
信号成分がカットされる。即ち、 〔I0{exp(j2π ν nΔt)+exp(−j2π ν nΔt)} ×exp(−j2πfcnΔt+ψ)〕LPF =I0exp(j2π(ν−fc)nΔt)・exp(−jψ) ……(4) で表される複素干渉信号が得られる。但し、fcは局部発
振信号の発振周波数である。That is, the first digital frequency converter 23A is given cosine local signal cos (2πf c nΔt) is a digital signal is frequency-converted by the cosine wave local signal. Further, the second digital frequency converter 23B is given a sinusoidal local signal -sin (2πf c nΔt), the digital signal is frequency-converted by the sine wave local signal, therefore,
Complex data in which the output of the first frequency converter 23A is real part data and the output of the second frequency converter 23B is imaginary part data is output. The output of the frequency-converted first and second frequency converters 23A and 23B is output to the first and second digital filters 24A and 24A.
4B respectively. These first and second digital filters 24A and 24B have a function of a low-pass filter, and cut a signal component in a high-frequency region generated when the frequency of the digital interference signal is converted. That is, [I 0 {exp (j2π ν nΔt ) + exp (-j2π ν nΔt)} × exp (-j2πf c nΔt + ψ) ] LPF = I 0 exp (j2π ( ν-f c) nΔt) · exp (-jψ) ... A complex interference signal represented by (4) is obtained. However, f c is the oscillation frequency of the local oscillation signal.
第1,第2デジタルフィルタ24A,24Bから出力された複
素干渉信号は第1,第2リサンプリング手段25A,25Bにそ
れぞれ供給され、サンプリング信号に同期してその時の
デジタル値が順次サンプリングして出力される。第1,第
2リサンプリング手段25A,25Bのサンプリング出力は複
素メモリ26にそれぞれ供給され、複素メモリ26内に循環
的に順次記憶される。複素メモリ26は実数部記憶領域26
Aと虚数部記憶領域26Bとに別れ、第1,第2サンプリング
手段25A,25Bから供給されるサンプリグデータはそれぞ
れ実数部記憶領域26A,虚数部記憶領域26Bに記憶され
る。例えば、サンプリングデータは複素メモリ26の実数
部記憶領域26A,虚数部記憶領域26Bのそれぞれの0番地
から1番地,2番地……と順次格納されてゆき、複素メモ
リ26の最後の番地,例えば1023番地にデータが格納され
ると、次にリサンプリング手段25A,25Bから供給される
データは、0番地に前から格納されているデータを更新
して格納され、続いて1番地,2番地……と順次更新して
格納されていく。つまり、複素メモリ26には常に最新の
1024対のデータが格納されている。The complex interference signals output from the first and second digital filters 24A and 24B are supplied to first and second resampling means 25A and 25B, respectively, and the digital values at that time are sequentially sampled and output in synchronization with the sampling signals. Is done. The sampling outputs of the first and second resampling means 25A and 25B are respectively supplied to the complex memory 26 and are sequentially stored in the complex memory 26 in a cyclic manner. The complex memory 26 is a real part storage area 26
A and the imaginary part storage area 26B are separated, and the sampling data supplied from the first and second sampling means 25A and 25B are stored in the real part storage area 26A and the imaginary part storage area 26B, respectively. For example, the sampling data is sequentially stored from address 0 to address 1, address 2,... Of the real part storage area 26A and the imaginary part storage area 26B of the complex memory 26, and the last address of the complex memory 26, for example, 1023 When the data is stored in the address, the data supplied from the resampling means 25A and 25B is stored by updating the data previously stored in the address 0, and then the addresses 1 and 2 are stored. Are sequentially updated and stored. In other words, the complex memory 26 always has the latest
1024 pairs of data are stored.
この発明によれば、光干渉計13の光路差がゼロの時の
干渉データを中心として複素メモリ26に所定のデータ量
を記憶する。そのために干渉光の強さが最も強くなった
時点が光干渉計13から出力され、データ量を制御する手
段31に供給され、以降所定の量のデータが複素メモリ26
に記憶されると、それからのデータの書き込みが禁止さ
れる。即ち、第1反射鏡16Aの駆動により第1,第2反射
鏡16A,16Bによる光路差2dがゼロになる時が最も干渉光
の強さは大きくなり、この光路差がゼロになったことが
光干渉計13から出力され、その時点から複素メモリ26の
ほゞ半分の量,この場合は例えば512個のデータが更新
して記憶されるように構成される。従って、複素メモリ
26には1フレーム分1024対の複素データが、干渉光の強
さが最大になった時点を中心として、その前後に511対
或いは512対になるように記憶される。According to the present invention, a predetermined amount of data is stored in the complex memory 26 centering on the interference data when the optical path difference of the optical interferometer 13 is zero. For this reason, the point in time when the intensity of the interference light becomes the strongest is output from the optical interferometer 13 and supplied to the means 31 for controlling the amount of data.
, The writing of data therefrom is prohibited. That is, when the optical path difference 2d by the first and second reflecting mirrors 16A and 16B becomes zero due to the driving of the first reflecting mirror 16A, the intensity of the interference light becomes the largest, and this optical path difference becomes zero. The data is output from the optical interferometer 13, and is configured so that approximately half the amount of the complex memory 26, in this case, for example, 512 data is updated and stored from that time. Therefore, complex memory
26, 1024 pairs of complex data for one frame are stored so as to be 511 pairs or 512 pairs before and after the time when the intensity of the interference light becomes maximum.
ところで、式(4)に見られるように、複素干渉信号
は検波器18からの干渉信号の位相と局部発振信号の位相
との位相差分ψだけ位相が回転している。然るに、例え
ばマイケルソン干渉計13で光路差がゼロである場合に得
られる干渉信号と局部発振信号との間にはなんら特別な
相関があるわけではなく、従って、測定を繰り返すごと
に干渉信号と局部発振信号との位相差ψはランダムな値
をとる。従って、このようにして得られた互いに位相の
ずれた各フレームの複素干渉信号を表す複素データを単
純に加算・平均しても、精度の良いデータを得ることは
できない。By the way, as can be seen from equation (4), the phase of the complex interference signal is rotated by the phase difference ψ between the phase of the interference signal from the detector 18 and the phase of the local oscillation signal. However, for example, there is no special correlation between the interference signal obtained when the optical path difference is zero in the Michelson interferometer 13 and the local oscillation signal. The phase difference ψ from the local oscillation signal takes a random value. Therefore, simply adding and averaging the complex data representing the complex interference signals of the respective frames having the phases shifted from each other as described above does not result in obtaining accurate data.
このような点に鑑みて、この発明では、各測定フレー
ムごとに得られた複素干渉信号相互の位相を合わせて加
算・平均が取られるように構成される。そのために、各
フレームの複素干渉信号に含まれる位相が調べられる。
即ち、複素メモリ26内に記憶された1フレーム,1024対
のデータの中から所定のデータ,例えば光路差がゼロで
あるときに得られた複素データ(R+jY)が読出され、
瞬時位相へ演算する手段32に与えられその複素データ
(R+jY)によって定義される瞬時位相が求められる。
光路差がゼロの場合には必ず干渉信号として最大のデー
タがある筈であり、従って、最もノイズ成分が少ない複
素データが複素メモリ26に貯えられている。この良質の
複素データ,つまりR+jYなる複素数から定義される位
相を調べることにより瞬時位相ψが求められる。In view of such a point, the present invention is configured so that the phases of the complex interference signals obtained for each measurement frame are matched and the addition / average is obtained. For this purpose, the phase included in the complex interference signal of each frame is examined.
That is, predetermined data, for example, complex data (R + jY) obtained when the optical path difference is zero is read from 1024 pairs of data stored in the complex memory 26 for one frame,
The instantaneous phase defined by the complex data (R + jY) is given to the means 32 for calculating the instantaneous phase.
When the optical path difference is zero, there must always be the largest data as an interference signal. Therefore, complex data having the least noise component is stored in the complex memory 26. The instantaneous phase ψ is obtained by examining the phase defined by this high-quality complex data, that is, the complex number of R + jY.
求められた瞬時位相は、その回の観測フレームの干渉
信号と直交変調信号との間の位相差ψiを表している。
その位相差ψiは各観測フレームごとに異なる値となっ
ている。しかし、このようにして各フレームごとに求め
られた直交変調信号に対する位相差ψの分だけ、各フレ
ームの干渉信号をそれぞれ位相回転して補正すれば、各
フレームの信号位相を一致させることができる。The obtained instantaneous phase represents a phase difference Δi between the interference signal and the quadrature modulation signal of the current observation frame.
The phase difference Δi has a different value for each observation frame. However, if the interference signal of each frame is rotated and corrected by the phase difference に 対 す る with respect to the quadrature modulation signal obtained for each frame in this manner, the signal phase of each frame can be matched. .
つまり、この発明では、求められた各フレームごとの
それぞれの瞬時位相ψiに応じて、適当に定めた位相θ
となるように、各フレームは位相角(θ−ψi)だけ位
相回転手段33にて位相回転される。That is, in the present invention, the phase θ appropriately determined according to the obtained instantaneous phase ψi for each frame.
The phase of each frame is rotated by the phase rotation means 33 by the phase angle (θ−ψi).
即ち、位相回転手段33では複素数(R+jY)で表され
る複素干渉信号 I0exp(j2π(ν−fc)nΔt)・exp(−jψi) に対してexp j(ψi−θ)を乗算する演算が施され
る。: I0exp(j2π(ν−fc)nΔt)・exp(−jψi) ×exp j(ψi−θ) =I0exp(j2π(ν−fc)nΔt)・exp(−jθ) 所定の位相θ(通常はθ=0でよい)に合わされた各
フレームは各対応する標本化点ごとの複素データの平均
がとられる。つまり、複素干渉信号の光路差ゼロの時の
標本化点ばかりでなく、それ以外の各標本化点での複素
干渉信号は全て同じ位相θにあり、従って複素干渉信号
は複素平面上でベクトルとして表すと、それらベクトル
は同じ方向θを向いており、平均化手段34により各フレ
ームの各対応する標本化点ごとのベクトルが加算・平均
される。得られた1024対の複素データはFFT変換器或い
はDFT変換器27に供給され、通常の方法によりフーリエ
変換され周波数軸表現のパワースペクトラム曲線が求め
られる。That is multiplied by exp j (ψi-θ) with respect to the phase rotation unit 33 complex complex interference signal represented by (R + jY) I 0 exp (j2π (ν-f c) nΔt) · exp (-jψi) An operation is performed. : I 0 exp (j2π (ν -f c) nΔt) · exp (-jψi) × exp j (ψi-θ) = I 0 exp (j2π (ν-f c) nΔt) · exp (-jθ) given In each frame adjusted to the phase θ (usually, θ = 0), an average of complex data for each corresponding sampling point is obtained. That is, not only the sampling points when the optical path difference of the complex interference signal is zero, but also the complex interference signals at the other sampling points are all in the same phase θ, and thus the complex interference signal is represented as a vector on the complex plane. When expressed, the vectors point in the same direction θ, and the averaging means 34 adds and averages the vectors for each corresponding sampling point of each frame. The obtained 1024 pairs of complex data are supplied to the FFT converter or DFT converter 27, and are Fourier-transformed by an ordinary method to obtain a power spectrum curve expressed in a frequency axis.
第2図は供給される干渉信号に雑音が含まれている場
合に、その雑音の影響がこの発明により逓減されること
を説明するための図である。即ち、光干渉計13から供給
され、直交変調を受けた複素干渉信号は複素平面上にベ
クトル で表される。このベクトル は信号ベクトル と雑音ベクトル とが重畳されたものである。この発明では、ベクトル の位相,つまり複素平面においては、各ベクトル を所定の角度θになるように回転させてから加算して平
均がとられる。雑音ベクトル は規則性がなく、また、その平均の大きさを示す分散は
σ2/Nで表される。これは、例えば信号ベクトル の先端から半径σ/N1/2の円弧内に雑音ベクトル が在るように描くことができる。このように、平均回数
が多ければ多いほど互いに共役関係にある標本が出現す
る割合が増え、従って、雑音ベクトル は相殺されて小さくなる。FIG. 2 is a diagram for explaining that when the supplied interference signal contains noise, the effect of the noise is reduced by the present invention. That is, the complex interference signal supplied from the optical interferometer 13 and subjected to quadrature modulation has a vector on a complex plane. It is represented by This vector Is the signal vector And noise vector Are superimposed. In the present invention, the vector , That is, in the complex plane, each vector Are rotated to a predetermined angle θ and then added to obtain an average. Noise vector Has no regularity, and the variance indicating the average size is represented by σ 2 / N. This is, for example, the signal vector Noise vector within an arc of radius σ / N 1/2 from the tip of You can draw as if there is. In this way, the higher the average number is, the more the samples appearing in a conjugate relation to each other increase, and therefore the noise vector Are offset and become smaller.
つまり、分散σ2の雑音が加わると、 I0exp(j2π(ν−fc)nΔt)・exp(−jψ)+u…
…(5) となる。このベクトル を(ψ−θ)だけ位相回転し、N回平均すると、 I0exp(j2π(ν−fc)nΔt)・exp(−jθ)+<u>……
(6) を得る。平均により雑音の分散はσ2/Nとなる。即ち、
N回の測定を繰り返して平均すると、雑音のエネルギー
は −5log10Ndbm のように減少してゆく。つまり、測定回数を倍にする毎
に−1.505dbmずつ変化することになり、減少してゆくこ
とが判る。That is, if noise variance sigma 2 is applied, I 0 exp (j2π (ν -f c) nΔt) · exp (-jψ) + u ...
... (5) This vector The ([psi-theta) by phase rotation, on average N times, I 0 exp (j2π (ν -f c) nΔt) · exp (-jθ) + <u> ......
(6) is obtained. The variance of the noise is σ 2 / N by the average. That is,
When N measurements are repeated and averaged, the noise energy decreases as −5 log 10 Ndbm. That is, each time the number of times of measurement is doubled, it changes by -1.505 dbm, and it can be seen that the number decreases.
第3図はこの発明による光スペクトルアナライザでの
平均回数と平均結果に現れる雑音の大きさとの関係を示
す図である。実線は理論値を示し、点線は実験値を示
す。理論値では平均回数が2倍になる毎に−1.5dbの割
合で雑音の影響が小さくなる。しかし、この実験では12
8回位までは理論値とほゞ一致するが、それ以降は何ら
かの原因で理論値程には低下しなかったことが示され
る。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the number of averaging in the optical spectrum analyzer according to the present invention and the magnitude of noise appearing in the averaging result. The solid line indicates the theoretical value, and the dotted line indicates the experimental value. According to the theoretical value, the influence of noise is reduced at a rate of -1.5 db every time the average number is doubled. However, in this experiment 12
Up to the eighth, it is almost the same as the theoretical value, but after that, it is shown that it did not decrease to the theoretical value for some reason.
第4図は測定例を示す図である。第4図Aは多数の測
定データを単純に平均する従来の光スペクトルアナライ
ザによる測定例であり、第4図B及びCはこの発明によ
る光スペクトルアナライザによる測定例で位相を合わせ
て平均することにより得られたスペクトル曲線の例であ
る。第4図B及びCに示されるように、この発明の光ス
ペクトルアナライザによると、第4図Aでは得られなか
った微細な構造まで現れている。尚、B及びCは測定回
数がそれぞれ32回及び8192回の場合であり、回数が増え
るに従って雑音が減少してゆくことが示されている。FIG. 4 is a diagram showing a measurement example. FIG. 4A is a measurement example using a conventional optical spectrum analyzer that simply averages a large number of measurement data, and FIGS. 4B and 4C are measurement examples using an optical spectrum analyzer according to the present invention. It is an example of the obtained spectrum curve. As shown in FIGS. 4B and 4C, according to the optical spectrum analyzer of the present invention, even fine structures that cannot be obtained in FIG. 4A appear. Note that B and C are the cases where the number of measurements is 32 and 8192, respectively, and show that the noise decreases as the number of measurements increases.
「発明の効果」 以上に説明したように、この発明によれば、干渉信号
が位相を合わせて標本化点毎に平均化されるので、精度
の良いスペクトラム曲線が得られる。また、周波数軸表
現でのパワースペクトラム曲線への変換は1回だけなの
で、DFT変換或いはFFT変換に要する演算時間が短い。更
にまた、DFT或いはFFT変換は1回しか行わないので、DF
T或いはFFT変換を実行する段階で生ずるノイズも最低限
に抑えることができる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the interference signal is averaged for each sampling point with the same phase, so that an accurate spectrum curve can be obtained. Further, since the conversion to the power spectrum curve in the frequency axis expression is performed only once, the calculation time required for the DFT conversion or the FFT conversion is short. Furthermore, since DFT or FFT conversion is performed only once, DF
Noise generated at the stage of executing T or FFT conversion can be minimized.
また、リサンプリング手段のリサンプリング周期や所
定量のデータを記憶させる手段の出力を制御するように
すれば、必要に応じて任意の部分を任意の倍率に拡大し
てサンプリングすることができる。従って、処理時間が
短く且つ高分解能のスペクトラム曲線を得ることができ
る。Further, if the resampling period of the resampling unit and the output of the unit for storing a predetermined amount of data are controlled, an arbitrary portion can be enlarged to an arbitrary magnification and sampled as necessary. Accordingly, a high-resolution spectrum curve with a short processing time can be obtained.
第1図はこの発明による光スペクトアナライザの実施例
を示すブロック図、第2図は各組の測定データが位相を
合わせて平均化されることにより、測定データに含まれ
る雑音の影響が小さくなることを説明するための図、第
3図は測定回数が増えるに従って、データに含まれる雑
音が減少していく様子を示す図、第4図Aは従来のスペ
クトルアナライザで得られた測定データ例を示す図、第
4図B,Cはこの発明によるスペクトルアナライザで得ら
れた測定データ例を示す図、第5図は従来の光スペクト
ルアナライザの構成例を示す図である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an optical spectrum analyzer according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram in which the effect of noise contained in the measured data is reduced by averaging the measured data of each set in phase. FIG. 3 is a diagram for explaining the fact that the noise contained in the data decreases as the number of measurements increases, and FIG. 4A shows an example of measurement data obtained by a conventional spectrum analyzer. FIGS. 4B and 4C are diagrams showing examples of measurement data obtained by the spectrum analyzer according to the present invention, and FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a conventional optical spectrum analyzer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 隆弘 東京都練馬区旭町1丁目32番1号 株式 会社アドバンテスト内 (72)発明者 中西 徹 東京都練馬区旭町1丁目32番1号 株式 会社アドバンテスト内 (72)発明者 荒川 則雄 東京都練馬区旭町1丁目32番1号 株式 会社アドバンテスト内 (56)参考文献 特開 昭62−180228(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Takahiro Yamaguchi 1-32-1 Asahicho, Nerima-ku, Tokyo Inside the Advantest Co., Ltd. (72) Inventor Toru Nakanishi 1-32-1 Asahicho, Nerima-ku, Tokyo Stock Advantest Co., Ltd. (72) Inventor Norio Arakawa 1-32-1 Asahicho, Nerima-ku, Tokyo Stock Company Advantest Co., Ltd. (56) References JP-A-62-180228 (JP, A)
Claims (1)
と、 そのデジタル信号を正弦波局部信号で周波数変換する第
1デジタル周波数変換器と、 上記デジタル信号を余弦波局部信号で周波数変換する第
2デジタル周波数変換器と、 これら第1,第2周波数変換器の出力が供給され、所定帯
域を通過帯域とする第1,第2デジタルフィルタと、 その第1,第2デジタルフィルタの出力をリサンプリング
する第1,第2リサンプリング手段と、 これら第1、第2リサンプリング手段の出力が記憶され
る複素メモリと、 その複素メモリに上記光干渉計の光路差ゼロを中心とし
て所定のデータ量を記憶する手段と、 予め決められた光路差における局部信号の瞬時位相を求
める手段と、 各測定データの位相を、所定位相と瞬時位相との差の量
だけ回転する位相回転手段と、 その位相回転された各データを複素数平均する平均手段
とを具備する光スペクトルアナライザ。An optical interferometer, a detector for converting output light of the optical interferometer into an electric signal, an AD converter for converting an output of the detector into a digital signal, and a sine wave localizer for converting the digital signal A first digital frequency converter that converts the frequency of the digital signal with a signal, a second digital frequency converter that converts the frequency of the digital signal with a cosine wave local signal, and outputs of the first and second frequency converters are supplied to a predetermined band. , A first and a second digital filter having a pass band, a first and a second resampling means for resampling the output of the first and the second digital filter, and an output of the first and the second resampling means. A complex memory to be stored; means for storing a predetermined amount of data centered on zero optical path difference of the optical interferometer in the complex memory; and means for determining an instantaneous phase of a local signal at a predetermined optical path difference An optical spectrum analyzer comprising: a stage; phase rotation means for rotating the phase of each measurement data by an amount of a difference between a predetermined phase and an instantaneous phase; and averaging means for complex-averaging each of the phase-rotated data.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32826387A JP2628171B2 (en) | 1987-12-23 | 1987-12-23 | Optical spectrum analyzer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32826387A JP2628171B2 (en) | 1987-12-23 | 1987-12-23 | Optical spectrum analyzer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01167621A JPH01167621A (en) | 1989-07-03 |
JP2628171B2 true JP2628171B2 (en) | 1997-07-09 |
Family
ID=18208269
Family Applications (1)
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CN111238644B (en) * | 2020-01-20 | 2022-02-22 | 西安工业大学 | White light interference removing method for interference spectrum of DFDI instrument |
-
1987
- 1987-12-23 JP JP32826387A patent/JP2628171B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH01167621A (en) | 1989-07-03 |
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