JPH03146803A - Method and instrument for measuring distance - Google Patents
Method and instrument for measuring distanceInfo
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- JPH03146803A JPH03146803A JP1284696A JP28469689A JPH03146803A JP H03146803 A JPH03146803 A JP H03146803A JP 1284696 A JP1284696 A JP 1284696A JP 28469689 A JP28469689 A JP 28469689A JP H03146803 A JPH03146803 A JP H03146803A
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- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野1
本発明は距離測定方法及び装置、特に半導体レーザを光
源として得られる干渉縞を観測して測長を行なう光干渉
を利用した距離測定方法及び装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application 1] The present invention relates to a distance measuring method and apparatus, particularly a distance measuring method and apparatus using optical interference in which length is measured by observing interference fringes obtained using a semiconductor laser as a light source. It is related to the device.
[従来の技術]
半導体レーザは、ガスレーザなどに比べて装置の構成が
筒中安価かつ小型軽量であり、光通信、音響用、ないし
映像用光ディスクなどの光源として広く用いられている
。また、光学干渉計用の光源への応用も最近では盛んに
研究されている。[Prior Art] Semiconductor lasers are inexpensive, small and lightweight compared to gas lasers and the like, and are widely used as light sources for optical communications, audio, and video optical discs. In addition, applications to light sources for optical interferometers have recently been actively researched.
特に、2つの反射部材への光路長を干渉縞の観測を介し
て測定する干渉測長装置では、半導体レーザ素子の注入
電流あるいは素子温度に依存する発振波長特性を利用す
るものが知られている。In particular, interferometric length measurement devices that measure the optical path length to two reflecting members through observation of interference fringes are known, which utilize the oscillation wavelength characteristics that depend on the injection current or device temperature of a semiconductor laser device. .
この種の装置では、半導体レーザの発振光を一定の光路
差を有する干渉計に入射して干渉縞を形成し、注入電流
または素子温度を制御して波長走査を行ない、これにと
もなう干渉縞の時間変化信号(以下干渉縞変化信号とい
う)を検出し、この信号の位相変化量から干渉計の光路
差を求める方法である。In this type of device, the oscillation light of a semiconductor laser is incident on an interferometer with a certain optical path difference to form interference fringes, and wavelength scanning is performed by controlling the injection current or element temperature. This is a method of detecting a time change signal (hereinafter referred to as an interference fringe change signal) and determining the optical path difference of an interferometer from the amount of phase change of this signal.
このような装置において、距離を求めるために必要なパ
ラメータとして半導体レーザの発振波長と波長走査幅が
あるが、これらは半導体レーザの個体毎にかなりのばら
つきがあり、また環境温度によっても変わってしまうた
め、正確な測長を行うためには毎回これらのパラメータ
を測定しなければならない。しかしながらこのためには
分光器を装置に組み込まねばならず、装置が高価で大型
なものになってしまい実用的でない。In such devices, the parameters necessary to determine distance are the oscillation wavelength and wavelength scanning width of the semiconductor laser, but these vary considerably between individual semiconductor lasers and also change depending on the environmental temperature. Therefore, in order to perform accurate length measurements, these parameters must be measured every time. However, for this purpose, a spectroscope must be incorporated into the device, which makes the device expensive and large, which is impractical.
このため最近では参照用干渉計をもう1つ設けて、これ
との比較により測長を行う方法が研究されている。例と
しては特開昭62−251686号公報、64−353
04号公報などがある。これらの方法は測定用干渉計の
ほかに、光路差が既知の参照用干渉計を設け、同じ光源
からの光を2つに分割して両干渉計に入射し、レーザ光
の波長変化に伴う干渉縞の時間変化をフリンジカウンテ
ィングまたはゼロクロス周期測定によりそれぞれ検出し
、その結果を比較することにより測長を行なっているも
のである。For this reason, research has recently been conducted on a method of providing another reference interferometer and measuring the length by comparing it with this interferometer. For example, Japanese Patent Application Laid-open No. 62-251686, 64-353
There are publications such as Publication No. 04. In these methods, in addition to the measurement interferometer, a reference interferometer with a known optical path difference is installed, and the light from the same light source is split into two and incident on both interferometers, and the light is detected as the wavelength of the laser light changes. The length is measured by detecting temporal changes in interference fringes by fringe counting or zero-cross period measurement, and comparing the results.
[発明が解決しようとする課題]
上記のような従来構造で得られる正弦波状の干渉縞変化
信号の周期の数は少なすぎ、フリンジカウンティング法
を用いる場合充分な測定精度を得るのが困難であった。[Problems to be Solved by the Invention] The number of periods of the sinusoidal interference fringe change signal obtained with the conventional structure as described above is too small, and it is difficult to obtain sufficient measurement accuracy when using the fringe counting method. Ta.
また、ゼロクロスによる周期測定法においても、ゼロレ
ベルを横切る部分のデータしか使わないため大部分のデ
ータが無駄に捨てられており、さらに、使われるゼロレ
ベルを横切るデータについても2つの信号の周期の違い
により取り込まれた時間にずれがあるため、重畳されて
いるノイズが異なり、この分の補正は参照法だけでは補
正できないので、ゼロクロス間隔を大量に測定して平均
することにより補正していた。In addition, even in the period measurement method using zero crossing, most of the data is wasted because only the data that crosses the zero level is used, and furthermore, the data that crosses the zero level that is used is also a Since there is a difference in the captured time due to the difference, the superimposed noise is different, and this cannot be corrected using only the reference method, so it was corrected by measuring a large number of zero-crossing intervals and averaging them.
本発明の課題は以上の問題を解決し、干渉縞変化信号の
データを全て有効に利用して、少ない測定回数でも精度
良く測長を行なうことを可能にした距離測定方法及び装
置を提供することである。An object of the present invention is to solve the above problems and provide a distance measuring method and device that makes it possible to effectively utilize all the data of the interference fringe change signal and perform accurate length measurements even with a small number of measurements. It is.
[課題を解決するための手段J
以上の課題を解決するために、本発明においては、レー
ザ光を反射物体に照射し、反射物体からの反射光を干渉
、させて干渉縞を形成し、その干渉縞から距離を測定す
る距離測定方法において、レーザ光を固定した2つの反
射物体に照射して各反射物体からの反射光による第1の
干渉縞を形成し、レーザ光を一方が固定、他方が可動な
2つの反射物体に照射して各反射物体からの反射光によ
る第2の干渉縞を形成し、レーザ光の波長を変化させて
前記第1と第2の干渉縞を時間的に変化させJ前記干渉
縞の時間変化信号から第1と第2の干渉縞の位相あるい
は位相変化率を求め、前記第2の干渉縞を形成した2つ
の反射物体の光路差を第1の干渉縞を形成した2つの反
射物体間の光路差を基準にして両干渉縞の位相あるいは
位相変化率を比較することにより求める構成を採用した
。[Means for Solving the Problems J] In order to solve the above problems, the present invention irradiates a reflective object with a laser beam, causes the reflected light from the reflective object to interfere, and forms interference fringes. In a distance measurement method that measures distance from interference fringes, a laser beam is irradiated onto two fixed reflective objects to form a first interference fringe by the reflected light from each reflective object, and the laser beam is fixed on one side and the other is fixed. is irradiated onto two movable reflective objects to form second interference fringes by the light reflected from each reflective object, and the wavelength of the laser beam is changed to temporally change the first and second interference fringes. The phase or phase change rate of the first and second interference fringes is determined from the time-varying signal of the interference fringes, and the optical path difference between the two reflecting objects that formed the second interference fringes is calculated from the first interference fringe. A configuration was adopted in which the phase or phase change rate of both interference fringes is determined based on the optical path difference between the two reflective objects formed.
更に本発明では、レーザ光を反射物体に照射し、反射物
体からの反射光を干渉させて干渉縞を形成し、その干渉
縞から距離を測定する距離測定装置において、レーザ光
を発生するレーザ光源ヒ、レーザ光を固定した2つの反
射物体に照射して各反射物体からの反射光による干渉縞
を形成する参照用干渉計と、レーザ光を一方が固定、他
方が可動な2つの反射物体に照射して各反射物体からの
反射光による干渉縞を形成する測定用干渉計と、レーザ
光の波長を変化させて前記干渉縞を時間的に変化させる
手段と、前記参照用干渉計からの干渉縞を受光し干渉縞
変化信号を形成する手段と、前記測定用干渉計からの干
渉縞を受光し干渉縞変化信号を形成する手段と、前記干
渉縞の時間変化信号から両干渉計で形成される干渉縞の
位相あるいは位相変化率を演算する手段と、前記測定用
干渉計の2つの反射物体の光路差を参照用干渉計の2つ
の反射物体の光路差を基準にして両干渉縞の位相あるい
は位相変化率を比較することにより求める構成も採用し
た。Furthermore, the present invention provides a distance measuring device that irradiates a reflective object with a laser beam, causes the reflected light from the reflective object to interfere with each other to form interference fringes, and measures distance from the interference fringes. H. A reference interferometer that irradiates a laser beam onto two fixed reflecting objects to form interference fringes with the reflected light from each reflecting object, and a reference interferometer that irradiates a laser beam onto two fixed reflecting objects, one of which is fixed and the other movable. a measurement interferometer that irradiates the laser beam to form interference fringes by reflected light from each reflecting object; a means for temporally changing the interference fringes by changing the wavelength of the laser beam; and interference from the reference interferometer. means for receiving the fringes and forming an interference fringe change signal; means for receiving the interference fringes from the measurement interferometer and forming an interference fringe change signal; and a means for receiving the interference fringes from the measurement interferometer to form an interference fringe change signal; means for calculating the phase or phase change rate of the interference fringes in the measurement interferometer; Alternatively, a configuration in which the phase change rate is calculated by comparing the rate of change was also adopted.
[作用1
以上の構成によれば、フーリエ変換法によって干渉縞変
化信号データの全ての点の位相変化率を求めることがで
きるので、1回の測定でも大量のデータの比較を行うこ
とができ、さらに同じ時間に取り込まれたデータ間で比
較できるので、光源の発振波長のゆらぎ等の両方の信号
に同じ影響を与えるノイズをキャンセルすることができ
るため少ない測定回数で精度の良い測長を行うことが可
能となる。[Operation 1] According to the above configuration, the phase change rate of all points of the interference fringe change signal data can be determined by the Fourier transform method, so a large amount of data can be compared even in one measurement. Furthermore, since data captured at the same time can be compared, it is possible to cancel out noise that has the same effect on both signals, such as fluctuations in the oscillation wavelength of the light source, making it possible to perform accurate length measurements with fewer measurements. becomes possible.
[実施例1
以下、図面に示す実施例に基づき、本発明の詳細な説明
する。[Example 1] Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an example shown in the drawings.
第1図は本発明を採用した干渉測定装置の構成を示して
いる。第1図において、レーザ光源は単一縦モード発振
の半導体レーザ素子3で、ATM (i度調節回路)2
で温度制御を受ける。ATM2は半導体レーザ素子3の
温度を所望の一定値に制御する。制御温度値はコンピュ
ータ21により決定される。FIG. 1 shows the configuration of an interference measuring device employing the present invention. In FIG. 1, the laser light source is a single longitudinal mode oscillation semiconductor laser device 3, and an ATM (i degree adjustment circuit) 2.
temperature control. The ATM 2 controls the temperature of the semiconductor laser element 3 to a desired constant value. The control temperature value is determined by computer 21.
また、半導体レーザ素子3の駆動電流は、半導体レーザ
駆動回路lにより制御され、この駆動電流を変化させて
半導体レーザ素子3の発振波長を調節する。半導体レー
ザ素子3は注入電流の変化によって導波路の屈折率が変
化して発振波長が変化する。半導体レーザ素子3から出
射される発散光は、コリメートレンズ4で平行光にされ
、ビームスプリッタ5に入射し、2つの光に分割される
。ビームスプリッタ5で反射される光は、参照用干渉計
lO内に導かれる。この実施例では、参照用干渉計lO
として、例えばマイケルソン型の干渉計を用いる。Further, the drive current of the semiconductor laser device 3 is controlled by a semiconductor laser drive circuit 1, and the oscillation wavelength of the semiconductor laser device 3 is adjusted by changing this drive current. In the semiconductor laser element 3, the refractive index of the waveguide changes due to a change in the injection current, and the oscillation wavelength changes. The diverging light emitted from the semiconductor laser element 3 is made into parallel light by the collimator lens 4, enters the beam splitter 5, and is split into two lights. The light reflected by beam splitter 5 is guided into reference interferometer IO. In this example, the reference interferometer lO
For example, a Michelson type interferometer is used.
参照用干渉計lOに入射したレーザ光はビームスプリッ
タ6で2つの光束に分割される。2つの光束はそれぞれ
固定鏡7と固定鏡8によって光路差をつけて反射され、
ビームスプリッタ6によって再び1つになって干渉し、
入射方向と直交した方向に出射される。The laser beam incident on the reference interferometer IO is split into two beams by the beam splitter 6. The two beams of light are reflected by fixed mirrors 7 and 8, respectively, with optical path differences.
They become one again by the beam splitter 6 and interfere,
The light is emitted in a direction perpendicular to the direction of incidence.
参照用干渉計で出射したレーザ光を受光素子11で受光
し、増幅器12で信号を増幅して、固定鏡7.8の所定
の光路差に応じて形成される干渉縞の強度変化信号(干
渉縞変化信号)13を得る。The laser beam emitted by the reference interferometer is received by the light receiving element 11, the signal is amplified by the amplifier 12, and the intensity change signal (interference A fringe change signal) 13 is obtained.
一方、ビームスプリッタ5を透過した光は、測 0
走用干渉計17内に導かれる。この実施例では、測定用
干渉計17として同様にマイケルソン型の干渉計を用い
る。測定用干渉計17に入射したレーザ光はビームスプ
リッタ14で2つの光束に分割される62つの光束はそ
れぞれ固定鏡15と可動鏡16によって光路差をつけて
反射され、ビームスプリッタ14によって再び1つにな
って干渉し、入射方向と直交した方向に出射される。On the other hand, the light transmitted through the beam splitter 5 is guided into the measuring interferometer 17. In this embodiment, a Michelson type interferometer is similarly used as the measurement interferometer 17. The laser beam incident on the measurement interferometer 17 is split into two beams by the beam splitter 14. The 62 beams are each reflected by a fixed mirror 15 and a movable mirror 16 with optical path differences, and are again combined into one beam by the beam splitter 14. They interfere with each other and are emitted in a direction perpendicular to the direction of incidence.
測定用干渉計を出射したレーザ光を受光素子18で受光
し、増幅器19で信号を増幅して、固定鏡15、可動鏡
16の所定の光路差に応じて形成される干渉縞の強度変
化信号(干渉縞変化信号)20を得る。The laser beam emitted from the measurement interferometer is received by the light receiving element 18, and the signal is amplified by the amplifier 19 to generate an intensity change signal of interference fringes formed according to a predetermined optical path difference between the fixed mirror 15 and the movable mirror 16. (Interference fringe change signal) 20 is obtained.
このようにして得られた2つの干渉縞変化信号をコンピ
ュータ21に取り入れて信号の解析を行う。コンピュー
タ21はマイクロプロセッサ、メモリなどからなるコン
ピュータシステムにより構成される。The two interference fringe change signals thus obtained are input into the computer 21 and the signals are analyzed. The computer 21 is constituted by a computer system including a microprocessor, memory, and the like.
次に以上の構成における動作につき詳細に説明する。Next, the operation of the above configuration will be explained in detail.
1
波長尤0のレーザ光を測定用干渉計17に入射して得ら
れる干渉縞の位相は、光路差をLsとすると
φ 5=2xLs/1.0 −(1)で表わされ
る。今、レーザの波長をItoから几0+八尤まで変え
た時、得られる干渉縞の位相は
φ °s= 2 π Ls/(ル ロ + Δ ん )
・・−(2)で表わされる。1. The phase of interference fringes obtained by entering the measurement interferometer 17 with a laser beam having a wavelength of zero is expressed as φ 5 = 2xLs/1.0 - (1), where Ls is the optical path difference. Now, when the laser wavelength is changed from Ito to 几0+八应, the phase of the interference fringe obtained is φ °s = 2 π Ls/(Ro + Δn)
...-(2) is expressed.
本発明では、可変波長のコヒーレント光源として単一縦
モード発振の半導体レーザを用いている。単一縦モード
発振の半導体レーザの典型的な注入電流−発振波長特性
は第2図のようなものである。直線的な波長可変範囲は
モードホップによって制限されるが、モードホップから
モードホップのあいだの区間では、注入電流と発振波長
とは直線関係にある。以下に示す処理では、この直線部
分を使用するものとする。In the present invention, a single longitudinal mode oscillation semiconductor laser is used as a variable wavelength coherent light source. A typical injection current-oscillation wavelength characteristic of a single longitudinal mode oscillation semiconductor laser is shown in FIG. Although the linear wavelength tuning range is limited by mode hops, there is a linear relationship between the injection current and the oscillation wavelength in the section between mode hops. This straight line portion is assumed to be used in the processing shown below.
第3図に、半導体レーザに注入する注入電流の波形を示
す。注入電流を一定の割合で時間変化さ 2
せて、一定の割合で波長の走査を行う。半導体レーザの
波長変化率をK[nm/sec] とすると波長の変化
量へ几はΔλ=Ktである。また、半導体レーザの波長
変化はわずかなので九〇)△尤である。FIG. 3 shows the waveform of the injection current injected into the semiconductor laser. The wavelength is scanned at a constant rate by changing the injection current over time at a constant rate. If the wavelength change rate of the semiconductor laser is K [nm/sec], then the amount of wavelength change is Δλ=Kt. In addition, since the wavelength change of a semiconductor laser is small, it is 90)△y.
式(2)を変形すると
φ゛s=2πLs/(几0+八尤)=
(2xLs/九〇)(1+(Δλ/)、、0))となる
。′)、、0)へルなので近似することによりφ’5=
(2xLs/尤20)(几0−八え)= (2x L
s / I O) −(2x L s /λ20)Δえ
= (2xLs、/LO) (2iKLs/
几20) t・・・(3)
が得られる。When formula (2) is transformed, φ゛s=2πLs/(几0+八尤)=(2xLs/90)(1+(Δλ/),,0)). '),,0), so by approximation, φ'5=
(2xLs/尤20)(几0-八え)=(2xLs
s / IO) − (2x L s /λ20) Δe = (2xLs, /LO) (2iKLs/
几20) t...(3) is obtained.
式(3)よりレーザ光の波長が′A、0+八尤のときに
測定用干渉計17により得られる干渉縞の位 3
φ’5=(2π/a、0)
(1−(Δλ/11.0) ) Ls
= (2π/LO)
(1−(Kt/λ0)) Ls =i4)となる
。同様に参照用干渉計10によって得られる干渉縞の位
相は、
φ’r=(2π/LO)
(l−(Δん/え0))Lr
= (2T、/丸0)
(1−(Kt/′A、0) ) Lr =151であ
る。但し、L rは、参照用干渉計17における光路差
である。From equation (3), when the wavelength of the laser beam is 'A, 0 + eight-fold, the position of the interference fringe obtained by the measurement interferometer 17 is 3 φ'5=(2π/a, 0) (1-(Δλ/11 .0) ) Ls = (2π/LO) (1-(Kt/λ0)) Ls = i4). Similarly, the phase of the interference fringes obtained by the reference interferometer 10 is as follows: φ'r=(2π/LO) (l-(Δn/E0))Lr=(2T,/circle 0) (1-(Kt /'A, 0) ) Lr =151. However, Lr is the optical path difference in the reference interferometer 17.
ここで、式(4)を式(5)で割算すると、φ’s/φ
’r=Ls/Lr、すなわち1、、s=(φ°s/$’
r)Lr −16)となり、Kやλ0がわからなくて
も、L「、φ°S、φ゛rを測定すれば、測定距離Ls
を求めることができる。Here, dividing equation (4) by equation (5), φ's/φ
'r=Ls/Lr, i.e. 1, s=(φ°s/$'
r) Lr -16), and even if K and λ0 are not known, if L', φ°S, and φ゛r are measured, the measured distance Ls
can be found.
本実施例では、コンピュータ21によるフーリエ変換法
によって位相解析を行う。In this embodiment, the computer 21 performs phase analysis using the Fourier transform method.
4
フーリエ変換法はFFT(高速フーリエ変換)を用いて
正弦波状の信号の位相分布を求める方法で、モアレ・ト
ポグラフィ−や干渉計による面形状計測における縞模様
の解析に用いられている。4. The Fourier transform method is a method of determining the phase distribution of a sinusoidal signal using FFT (fast Fourier transform), and is used for moire topography and analysis of fringe patterns in surface shape measurement using an interferometer.
参考文献としては Journal of the 0
pticalSociety of America/
Vo1.72、No、 1/January1982
rFourier−transform method
of fringepattern analysi
s for computer−based topo
graphy and interferometry
J 等がある。References include Journal of the 0
pticalSociety of America/
Vo1.72, No. 1/January1982
rFourier-transform method
of fringe pattern analysis
s for computer-based topo
graphy and interferometry
There are J etc.
以下にフーリエ変換法による位相解析方法について説明
する。The phase analysis method using the Fourier transform method will be explained below.
第1ステツプとして、第4図、第5図に図示されたよう
な干渉縞変化信号の半周期(T/2)の波形をサンプリ
ング・データとしてコンピュータ21に取り込む(第6
図)。この信号は次のようI (t)
=a (t) +
b (t)cos (2ifct+φ0)=a
(t)+ (1/2)b ’ (t)exp [
i (2xfct+φ0)]+ (1/2)b
(t)
exp [−i (2xfct+$0)]・・−(
7)
但し、a(t)はバイアスの変化、b (t)は振幅の
変化、fcは信号周波数、φ0は初期位相、*は複素共
役である。As a first step, the half-cycle (T/2) waveform of the interference fringe change signal as shown in FIGS. 4 and 5 is taken into the computer 21 as sampling data (6th step).
figure). This signal is as follows: I (t) = a (t) + b (t) cos (2ifct+φ0) = a
(t)+ (1/2)b' (t)exp [
i (2xfct+φ0)]+ (1/2)b
(t) exp [-i (2xfct+$0)]...-(
7) However, a(t) is a change in bias, b (t) is a change in amplitude, fc is a signal frequency, φ0 is an initial phase, and * is a complex conjugate.
次に第2ステツプとして、この信号データに適当な窓関
数(レクタンギュラー、ハミング、ハミング、ガウス等
)を重畳して、公知のFFT演算処理により周波数解析
してフーリエ・スペクトルを求める(第7図)。第7図
ではパワースペクトルを表示しているが、これは説明を
し易くするためで、実際にはフーリエ・スペクトルに対
してこの後の処理は行なっている。この図でスペクトル
成分は3つあるが、真ん中の零周波数のところに 6
ある直流成分は式(7)のa (t)のフーリエ変換に
相当し、その右側の正の信号成分は第2項、左側の負の
信号成分は第3項に相当する。Next, as a second step, an appropriate window function (rectangular, Hamming, Hamming, Gaussian, etc.) is superimposed on this signal data, and the frequency is analyzed using known FFT calculation processing to obtain the Fourier spectrum (Figure 7). . Although the power spectrum is shown in FIG. 7, this is for ease of explanation, and in reality, the subsequent processing is performed on the Fourier spectrum. There are three spectral components in this figure, and the DC component at the zero frequency in the middle corresponds to the Fourier transform of a (t) in equation (7), and the positive signal component on the right side is the second term. , the negative signal component on the left corresponds to the third term.
次の第3ステツプとして、これらのスペクトル成分のう
ち一番右側のものだけ残すように重み関数(レクタンギ
ュラー、ハミング、ハミング、ガウス等)でフーリエ・
スペクトルにフィルタをかけIFFT(逆フーリエ変換
)演算処理を行う。As the third step, we perform Fourier analysis using a weighting function (rectangular, Hamming, Hamming, Gaussian, etc.) to leave only the rightmost of these spectral components.
A filter is applied to the spectrum and IFFT (inverse Fourier transform) calculation processing is performed.
これにより式(7)の第2項である r’(t) = (1/2)b (t) exp [i (2−ftfct+φ0)1−(8) が得られる。As a result, the second term of equation (7) is r'(t) = (1/2) b (t) exp [i (2-ftfct+φ0)1-(8) is obtained.
第4ステツプとして、こうして得られたI’(t)の複
素対数を計算すると
log [I ’ (t)]
=1 og [(1/2)b (t)] +1(2xf
ct+$0) =19)
となり、その虚部に干渉縞変化信号の位相成分が 7
得られる。As the fourth step, we calculate the complex logarithm of I'(t) obtained in this way: log [I'(t)] =1 og [(1/2)b(t)] +1(2xf
ct+$0) = 19), and the phase component of the interference fringe change signal is obtained in its imaginary part.
このようにしてフーリエ変換法により縞変化信号の位相
が求められるが、コンピュータで複素対数の虚部を計算
すると、−πからπまでの範囲でしかその答えは求まら
ない。従って位相の中で2πの整数倍の部分は求められ
ないので、位相の絶対的な値はわからない。このため式
(6)をこのまま適用することはできない。しかし、こ
の際、相対的な値は求められるので位相の変化率はわか
る。(4)、(5)式を時間微分すると、dφ’s/d
t= (2xK/λ20) L s −(10)dφ
’r/dt= (2iK/え20) L r −(1
1)となるので、式(i o)を式(11)で割算する
と。In this way, the phase of the fringe change signal can be found using the Fourier transform method, but when the imaginary part of the complex logarithm is calculated using a computer, the answer can only be found in the range from -π to π. Therefore, since parts of the phase that are integral multiples of 2π cannot be determined, the absolute value of the phase cannot be determined. Therefore, equation (6) cannot be applied as is. However, at this time, since a relative value is obtained, the rate of change in phase can be known. If we differentiate equations (4) and (5) with respect to time, we get dφ's/d
t= (2xK/λ20) L s - (10)dφ
'r/dt= (2iK/e20) L r - (1
1), so when formula (i o) is divided by formula (11).
(dφ’s/dt)/ (dφ’r/dt)=L s
/ L r、すなわち
Ls=
[(d * ’s/d t) / (d #’r/
d t) ] Lr−(121
となる。これらより、位相の変化率dφ’s/ 8
dt、dφ’r/djから、測定距離Lsを求めること
ができる。例として第10図に測定用と参照用の2つの
干渉計から得られた干渉縞変化信号をフーリエ変換法で
解析して求めた位相の線図を示し、第11図には同し信
号の位相変化率の線図を示す。(dφ's/dt)/(dφ'r/dt)=L s
/ L r, that is, Ls = [(d * 's/d t) / (d #'r/
d t)] Lr-(121) From these, the measurement distance Ls can be determined from the phase change rate dφ's/8 dt and dφ'r/dj. As an example, the measurement distance Ls is shown in FIG. A diagram of the phase obtained by analyzing the interference fringe change signals obtained from two reference interferometers using the Fourier transform method is shown, and FIG. 11 shows a diagram of the phase change rate of the same signal.
以上に示したように光路差が既知である参照用干渉計で
得られノ::干渉縞変化信号の位相又は位相変化率を、
測定用干渉計のものと比較しその割合から測定距離を求
めるので、半導体レーザの発振波長、波長走査幅等のパ
ラメータを測定することなしに、正確な測長を行うこと
ができる。As shown above, the phase or phase change rate of the interference fringe change signal can be obtained using a reference interferometer with a known optical path difference.
Since the measurement distance is determined from the ratio of the comparison with that of the measurement interferometer, accurate length measurement can be performed without measuring parameters such as the oscillation wavelength and wavelength scanning width of the semiconductor laser.
なお、以上ではマイケルソン型の干渉計で説明したが、
フィゾー型トワイマン・グリーン型、マツハ・ツエンダ
−型など、他の干渉計でも適用できる。In addition, although the explanation above was made using a Michelson type interferometer,
It can also be applied to other interferometers such as the Fizeau type, Twyman-Green type, and Matsuha-Zehnder type.
また、第1図に示すビームスプリッタ5.6.14には
キューブ・ビームスプリッタ、ウェッジ付ハーフミラ−
などを用いる。ビームスプリッタ5.6.14に偏光ビ
ームスプリッタを用いても 9
よく、その場合には各反射鏡との間に尤/4板を挿入す
る。これにより、光源側への戻り光がなくなり、半導体
レーザ素子3の発振波長が安定化され、正確な測定が可
能である。In addition, the beam splitter 5.6.14 shown in Figure 1 includes a cube beam splitter, a wedged half mirror
etc. A polarizing beam splitter may be used as the beam splitter 5.6.14, and in that case, a quarter-wave plate is inserted between each reflecting mirror. This eliminates the return light to the light source side, stabilizes the oscillation wavelength of the semiconductor laser element 3, and enables accurate measurement.
以上では、干渉縞を形成する可動鏡および固定鏡の光路
長を測定する構造を示したが、これらの反射部材を種々
の被測定部材、たとえば粗面に置き換えることにより、
各種の測長を行なえるのはいうまでもない。例として、
眼科測定装置において、角膜および眼底での光路差の異
なる反射光により形成される干渉縞の観測を介して眼軸
長を測定する場合にも同様の技術を実施できる。Although the structure for measuring the optical path length of the movable mirror and the fixed mirror that form interference fringes has been described above, by replacing these reflecting members with various members to be measured, such as rough surfaces,
Needless to say, it can perform various length measurements. As an example,
In an ophthalmological measuring device, a similar technique can be implemented when measuring the axial length of the eye through observation of interference fringes formed by reflected light having different optical path differences at the cornea and the fundus.
[発明の効果]
以上説明したように、本発明では、フーリエ変換法によ
る位相解析によれば1回の測定で得られる干渉縞変化信
号の多数のサンプル・データの1点毎に測定用干渉計と
参照用干渉計の位相変化率を比較することができるので
、平均することによって1回の測定でも精度の良い測定
を行なえる。また、干渉縞変化信号をサンプリングして
い 0
る時に、温度等の変化による半導体レーザ発振波長の変
動があっても、それをキャンセルすることができる。[Effects of the Invention] As explained above, in the present invention, a measurement interferometer is used for each point of a large number of sample data of interference fringe change signals obtained in one measurement by phase analysis using the Fourier transform method. Since it is possible to compare the phase change rate of the reference interferometer with that of the reference interferometer, highly accurate measurement can be performed even with a single measurement by averaging. Furthermore, even if the semiconductor laser oscillation wavelength fluctuates due to changes in temperature or the like when sampling the interference fringe change signal, it can be canceled.
第1図は本発明を採用した光干渉を用いた距離測定装置
の構成を示したブロック図、第2図は半導体レーザ素子
の注入電流に依存する波長特性を示した線図、第3図は
半導体レーザ素子の注入電流波形を示した波形図、第4
図は参照用干渉計から得られた干渉縞変化信号の波形図
、第5図は測定用干渉計から得られた干渉縞変化信号の
波形図、第6図は干渉縞変化信号の時間信号の波形を示
した線図、第7図は干渉縞変化信号のパワースペクトル
の線図、第8図はフィルタをかけた後のパワースペクト
ルの線図、第9図は干渉縞変化信号の位相の線図、第1
0図は2つの干渉計から得られた干渉縞変化信号の位相
の線図、第11図は2つの干渉計から得られた干渉縞変
化信号の位相変化率の線図である。
3・・・半導体レーザ素子
1
7.8.15・・・固定鏡
10−・参照用干渉計
16・・−可動鏡
17・・・測定用干渉計
21・・・コンピュータ
#l+女イヒイ艶ノ号nil象ぼり
第6図
稀安化イ占号の
ノぐフースペフ)+Lの磨釘2
第7図
第8図
手続補正
書(自発)
平成1年12月
1゜
2゜Figure 1 is a block diagram showing the configuration of a distance measuring device using optical interference that employs the present invention, Figure 2 is a diagram showing the wavelength characteristics depending on the injection current of a semiconductor laser element, and Figure 3 is a diagram showing the wavelength characteristics depending on the injection current of a semiconductor laser element. Waveform diagram showing the injection current waveform of the semiconductor laser device, No. 4
The figure shows the waveform of the interference fringe change signal obtained from the reference interferometer, Figure 5 shows the waveform of the interference fringe change signal obtained from the measurement interferometer, and Figure 6 shows the time signal of the interference fringe change signal. A diagram showing the waveform. Figure 7 is a diagram of the power spectrum of the interference fringe change signal. Figure 8 is a diagram of the power spectrum after filtering. Figure 9 is a diagram of the phase of the interference fringe change signal. Figure, 1st
0 is a diagram of the phase of the interference fringe change signals obtained from the two interferometers, and FIG. 11 is a diagram of the phase change rate of the interference fringe change signals obtained from the two interferometers. 3...Semiconductor laser element 1 7.8.15...Fixed mirror 10--Reference interferometer 16--Movable mirror 17...Measurement interferometer 21...Computer #l + Female Ihii Atsushi No. nil engraving Figure 6 Rare Anonymization I Divination Number Nogufusupef) + L Polished Nail 2 Figure 7 Figure 8 Procedural Amendment (Voluntary) December 1999 1゜2゜
Claims (1)
光を干渉させて干渉縞を形成し、その干渉縞から距離を
測定する距離測定方法において、レーザ光を固定した2
つの反射物体に照射して各反射物体からの反射光による
第1の干渉縞を形成し、 レーザ光を一方が固定、他方が可動な2つの反射物体に
照射して各反射物体からの反射光による第2の干渉縞を
形成し、 レーザ光の波長を変化させて前記第1と第2の干渉縞を
時間的に変化させ、 前記干渉縞の時間変化信号から第1と第2の干渉縞の位
相あるいは位相変化率を求め、 前記第2の干渉縞を形成した2つの反射物体の光路差を
第1の干渉縞を形成した2つの反射物体間の光路差を基
準にして両干渉縞の位相あるいは位相変化率を比較する
ことにより求めるようにしたことを特徴とする距離測定
方法。 2)干渉縞の時間変化信号をフーリエ交換し、位相解析
により各干渉縞の位相あるいは位相変化率を求めるよう
にしたことを特徴とする請求項第1項に記載の距離測定
方法。 3)前記位相解析の方法はフーリエ変換法であることを
特徴とする請求項第1項又は第2項に記載の距離測定方
法。 4)前記レーザ光は、半導体レーザにより形成され、注
入電流を所定振幅、所定周波数の周期信号で供給してレ
ーザ光の波長を変化させるようにしたことを特徴とする
請求項第1項、第2項又は第3項に記載の距離測定方法
。 5)レーザ光を反射物体に照射し、反射物体からの反射
光を干渉させて干渉縞を形成し、その干渉縞から距離を
測定する距離測定装置において、レーザ光を発生するレ
ーザ光源と、 レーザ光を固定した2つの反射物体に照射して各反射物
体からの反射光による干渉縞を形成する参照用干渉計と
、 レーザ光を一方が固定、他方が可動な2つの反射物体に
照射して各反射物体からの反射光による干渉縞を形成す
る測定用干渉計と、 レーザ光の波長を変化させて前記干渉縞を時間的に変化
させる手段と、 前記参照用干渉計からの干渉縞を受光し干渉縞変化信号
を形成する手段と、 前記測定用干渉計からの干渉縞を受光し干渉縞変化信号
を形成する手段と、 前記干渉縞の時間変化信号から両干渉計で形成される干
渉縞の位相あるいは位相変化率を演算する手段と、 前記測定用干渉計の2つの反射物体の光路差を参照用干
渉計の2つの反射物体の光路差を基準にして両干渉縞の
位相あるいは位相変化率を比較することにより求めるよ
うにしたことを特徴とする距離測定装置。[Claims] 1) In a distance measuring method in which a reflective object is irradiated with a laser beam, the reflected light from the reflective object is interfered with to form interference fringes, and a distance is measured from the interference fringes, the laser beam is fixed. I did 2
The laser beam is irradiated onto two reflective objects, one of which is fixed, and the other is movable, to form a first interference fringe with the reflected light from each reflective object. forming a second interference fringe by changing the wavelength of the laser beam, temporally changing the first and second interference fringes, and determining the first and second interference fringes from the time-varying signal of the interference fringe. Find the phase or phase change rate of the two interference fringes, and calculate the optical path difference between the two reflective objects that formed the second interference fringe with reference to the optical path difference between the two reflective objects that formed the first interference fringe. A distance measuring method characterized in that the distance is determined by comparing phases or phase change rates. 2) The distance measuring method according to claim 1, characterized in that the time-varying signals of the interference fringes are subjected to Fourier exchange, and the phase or phase change rate of each interference fringe is determined by phase analysis. 3) The distance measuring method according to claim 1 or 2, wherein the phase analysis method is a Fourier transform method. 4) The laser beam is formed by a semiconductor laser, and the wavelength of the laser beam is changed by supplying an injection current as a periodic signal having a predetermined amplitude and a predetermined frequency. The distance measuring method according to item 2 or 3. 5) In a distance measuring device that irradiates a reflective object with a laser beam, causes interference of the reflected light from the reflective object to form interference fringes, and measures distance from the interference fringes, a laser light source that generates a laser beam; A reference interferometer that irradiates light onto two fixed reflective objects to form interference fringes with the light reflected from each reflective object, and a reference interferometer that irradiates laser light onto two reflective objects, one of which is fixed and the other movable. a measuring interferometer that forms interference fringes by reflected light from each reflecting object; a means for changing the wavelength of a laser beam to temporally change the interference fringes; and receiving interference fringes from the reference interferometer. means for receiving interference fringes from the measurement interferometer to form an interference fringe change signal; and means for receiving interference fringes from the measurement interferometer to form an interference fringe change signal; means for calculating the phase or phase change rate of the interference fringes; A distance measuring device characterized in that the distance is determined by comparing rates.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1284696A JPH03146803A (en) | 1989-11-02 | 1989-11-02 | Method and instrument for measuring distance |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1284696A JPH03146803A (en) | 1989-11-02 | 1989-11-02 | Method and instrument for measuring distance |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03146803A true JPH03146803A (en) | 1991-06-21 |
Family
ID=17681794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1284696A Pending JPH03146803A (en) | 1989-11-02 | 1989-11-02 | Method and instrument for measuring distance |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03146803A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008309653A (en) * | 2007-06-14 | 2008-12-25 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Dimension measuring apparatus and dimension measuring method |
| JP2013217937A (en) * | 2013-06-24 | 2013-10-24 | Azbil Corp | Counter, physical quantity sensor, counting method and physical quantity measurement method |
| KR20140040720A (en) * | 2011-05-16 | 2014-04-03 | 자리온 레이저 어쿠스틱스 게엠베하 | Optical sensor |
| JP2014149311A (en) * | 2005-06-01 | 2014-08-21 | General Hospital Corp | Device for performing phase resolution optical frequency region imaging, method, and system |
| JP2015145877A (en) * | 2015-03-31 | 2015-08-13 | アズビル株式会社 | Counter, physical quantity sensor, and counting method and physical quantity measuring method |
| JP2015230174A (en) * | 2014-06-03 | 2015-12-21 | 株式会社トプコン | Interferometer device |
-
1989
- 1989-11-02 JP JP1284696A patent/JPH03146803A/en active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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