長距離の高精度絶対距離計測を可能にする光共振による計測空間変換手法の提案

Research Project

Project/Area Number	23KJ0749
Research Category	Grant-in-Aid for JSPS Fellows
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	国内
Review Section	Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	合田周平東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2023-04-25 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥3,000,000 (Direct Cost: ¥3,000,000) Fiscal Year 2025: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000) Fiscal Year 2024: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000) Fiscal Year 2023: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords	絶対距離計測 / 長距離計測 / 光共振 / 光周波数コム
Outline of Research at the Start	工作機器，測定器の作成，検査には数m単位の高精度な距離計測が必要であり，空気揺らぎ，温度揺らぎ，機械振動等の環境擾乱の影響に強く，高精度な絶対距離計測手法でトレーサブル，かつ，実用的に高速計測可能な手法が求められている．本研究では，光の共振現象とその光周波数モードのビート計測を用い，上記の件を満たしつつ，従来計測できなかったレンジ１~数m程度の距離を100 nmの精度で高精度絶対距離計測できる手法の実現を目指す．
Outline of Annual Research Achievements	近年，高精度な大型工作機器,測定器が増加し，それらの作成,検査には数m単位の高精度な距離計測が必要になっている．本研究では，光共振現象を用いることで高精度に長距離を絶対計測することを目的としている．従来手法である干渉計や光周波数コムを用いた手法と比較して，高速かつ環境擾乱の影響を受けにくく長距離に対しても高精度な計測が可能になることが期待される．本年度は本提案手法の実現に向けて前段階として20~100 mmの短距離に対して光共振現象を用いて外部共振器の共振器長を計測する実験を行った．絶対距離計測の精度向上に向けて，本手法において，光共振の励起光である半導体レーザの媒質の屈折率を補正する必要があることを示した．二重の共振器で光共振現象用いることによって半導体レーザの媒質の屈折率を補正する手法を提案し学会で発表を行った．実際に，二重共振器を構成し共振波長を計測することにより半導体レーザ媒質の屈折率を補正できることを確認した．また，新たなプロジェクトとして同様に高精度に長距離を絶対計測することを目的として光周波数コムを用いたパルスピーク間の位相差検出による絶対距離計測手法に対して，光周波数コムのパルス間隔を高速にまた正確に制御することによって高精度かつ高速な絶対距離計測を目指す．光周波数コムのパルス間隔の高速制御に関して光周波数コムの周波数モードを2Dに配置することで周波数モードを高速に自由に制御する概念と達成するための光学系の設計指針の提案を学会で行なった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は，高精度な大型工作機器や測定器の需要が増加する中，その製造や検査に不可欠な数m単位の高精度な距離計測技術の開発を目指している．具体的には，光共振現象を活用し、従来の手法に比べて高速かつ環境擾乱の影響を受けにくく，長距離に対しても高精度な計測が可能となることを目指す．本年度の成果として、まずは20~100 mmの短距離において光共振現象を用いて外部共振器の共振器長を計測する実験を行いました．また，絶対距離計測の精度向上を図るために，光共振の励起光である半導体レーザの媒質の屈折率を補正する必要性を示し，二重の共振器を用いる手法を提案しました。この提案手法により，半導体レーザ媒質の屈折率を補正し，共振波長を計測することで精度の向上を確認した．さらに，新たなプロジェクトとして光周波数コムを用いたパルスピーク間の位相差検出による絶対距離計測の精度向上手法の開発に取り組んだ．この手法において，光周波数コムのパルス間隔を高速かつ正確に制御するための光学系の設計指針を提案した．これらに対して光周波数コムの周波数モードの2D配置に重要な光学素子のパラメータと配置を解析した．
Strategy for Future Research Activity	本年度の研究計画では，光共振現象を用いることで高精度に長距離を絶対計測する手法の継続的な実験として目標とする計測レンジ1mより1/10 程度の距離で提案手法の実験検証を行う．この段階では，気温，空気の揺らぎ等の環境擾乱の影響，距離計測の精度を実験での値と理論値をすり合わせる．また新たなプロジェクトとして開始した光周波数コムを用いたパルスピーク間の位相差検出による絶対距離計測のパルス間隔の高速制御による精度向上手法において，光周波数コムのパルス間隔を高速かつ正確に制御することで高精度に長距離を絶対計測を可能にする提案手法の検証実験を主に行う．具体的には，光周波数コムを用いたパルスピーク間の位相差検出による絶対距離計測手法をさらに詳細に検討し，実験を通じてその有効性や限界を明らかにする．この実験では，非常に安定した制御可能な周波数を持った光周波数コムが必要になる．よって光周波数コムの設計，自作を行う予定である．また，光周波数コムのパルス間隔を高速かつ正確に制御するための光学系の設計と実装を行う．また，光周波数コムのパルス間隔を高速かつ高精度に制御する手法の一部分を担う光周波数コムの周波数モードの2D配置後において周波数モード位相同期の継続の有無やパルス幅の増加などが想定されるため，本提案手法に対する影響を実験を通して検証する．