2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of highly accurate and high-speed three dimensional object profiling system by using optical frequency-swept laser light
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17K06457
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
飯山 宏一 金沢大学, フロンティア工学系, 教授 (90202837)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光計測 / 光距離計測 / レーザレーダ / 三次元光計測 / 光イメージング / FMCW |
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| Outline of Annual Research Achievements |
レーザ光源の光周波数掃引による光距離センサにおいて，測定精度の向上と高速化に関して研究を行った。本システムは，参照光と測定物体からの反射光の干渉信号を周波数解析することにより距離を求める方法である。本システムではレーザ光源の光周波数を時間的に線形掃引する必要があるが，実際には光周波数掃引に残存する非線形性のために，空間分解能および測定精度が大きく劣化する。そこで本研究では，補助干渉計を設けて，その干渉信号よりサンプリング信号を生成し，実際のセンシング信号をサンプルしFFT解析を行うとともに，FFT解析後の信号のピーク付近のデータ補間により，より高精度で距離を求めるアルゴリズムを開発した。
光源には注入電流変化による光周波数変化量が大きな面発光レーザ（VCSEL）を光源に用いた。光CTにも応用できる波長1.31μmのVCSELを用い，空間分解能460μm，距離測定精度の標準偏差2.7μｍを達成した。
形状計測の高速化には，光周波数掃引の繰り返し周波数を高くするとともに，レーザ光をスキャンするガルバノスキャナの高速化が必要であるが，本システムではガルバノスキャナの応答時間が350μsと遅く，高速化を阻害する主要因であることがわかった。そこで，データ取得タイミング，FFT演算のタイミングとガルバノスキャナの角度変化タイミングの最適化を行い，測定時間を40秒から22.6秒に短縮した。
また，空間分解能と測定精度向上のための別方法として，光周波数掃引を線形化するためのシステムを構築した。参照干渉計より生成したサンプリング信号を用いて注入電流変調波形をサンプリングして変調波形を再構築することで，最適な変調波形を得る。最適化された変調波形を用いることにより，空間分解能が100倍以上向上することを実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では，FMCW光距離計測システムを用いた物体形状計測において，測定精度の向上と高速化を目的としている。現在までの成果を従来と比較すると，以下となる。
・測定精度の向上：VCSELを光源に用いて光周波数掃引幅を大きくすることにより，測定精度として2.7μmを実現し，数10μmの物体形状計測を可能とした。
・高速化：VCSELを光源に用いて測定精度を向上させたことにより，測定結果の平均化が不要なり，高速化が可能となった。さらに，高速化を阻害する主要因がレーザ光をスキャンするガルバノスキャナであることを突き止め，データ取得タイミング，FFT演算タイミングおよびガルバノスキャナの角度変化タイミングの最適化により，前年度と比べて2倍の高速化を達成した。
・空間分解能と測定精度向上の別方法として，線形な光周波数掃引波形を得るためのレーザの変調波形の最適化を行い，100倍以上の空間分解能の向上を得た。
以上より，本研究の目的を着実に実現していることから，「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，測定精度の向上と高速化の実現に関して研究を行う。
測定精度向上に関しては，現在のサンプリング方法の検証と最適化を行い，更なる測定精度の向上を目指す。また，線形な光周波数掃引の実現のための変調波形の最適化について，現在はDFBレーザで実験を行っているが，VCSELや外部共振器レーザへの適用も検討し，汎用性を高める。
測定の高速化に関しては，現在はガルバノスキャナをステップ状に駆動しているため，その応答遅れの影響を受けている。そこで，ガルバノスキャナをアナログ的に駆動しながら形状計測を行うシステムの開発を行う。これにより，測定時間1秒を目指す。
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Research Products
(4 results)
