2020 Fiscal Year Annual Research Report
Versatile High-Performance 3D Imaging Platform
| Project/Area Number |
19H02149
|
|---|
| Research Institution | The University of Tokyo |
|---|
Principal Investigator |
セット ジ・イヨン 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (20530827)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 三次元計測 / レーザ形状計測 / ビームスキャナ / LIDAR / 3Dイメージング / 光計測 / 距離計 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
まず、AMCWレーザスキャナの点群の測距誤り点の合成手法を確立し、測距不確定性を緩和した。また、点群の空間的連続性及び強度連続性の相関を利用して位相接続を行うことで、最大測定範囲を広げた。次に、APD、PIN PD、PIN PD+EDFAを光検出に用いた場合の感度を比較し、PIN PD+EDFAがSNRはAPDに比べ15dB高いことを計算により示した。ここで用いたEDFAはEDFの中間地点に光アイソレータを挿入し、逆行するASEを遮断することでSNRの向上を図った。この結果、一般的なEDFAを前置増幅に用いた場合より8dB SNRが高いことを実験的に確認した。次に、レーザスキャナの受光ダイナミックレンジの向上に取り組んだ。ここでは，光電気的AGCを導入し、ダイナミックレンジを10dB以上拡大した。また、ベッセルガウスベームを用いたAMCWレーザスキャナの測距データを充実させ、ビーム形成に用いたアキシコンの素材や先端丸みによる影響を計算して評価した。この他に、非機械式スキャン方式の測定データを充実させた。
一方、FMCWレーザスキャナの開発に取り組んだ。ここでは、波長掃引非線形性補償機構を形成し、アルゴリズムを設計した。これにより、波長掃引非線形性による空間分解能の劣化を改善した。この他に、FMCW方式の応用であるOCTに取り組んだ。ここでは、デジタルコヒーレント方式を導入して取得した干渉信号をデータ処理し、位相不確定性に起因する画像縮退と波長掃引非線形性を補償し、測定深度と奥行分解能を向上させた。
最後に、ToFレーザスキャナに取り組んだ。申請者らはfs幅の短パルス及び光サンプリングの導入による空間分解能の向上を検討した。特に短パルス測定の際のアルゴリズムの改良により計算量を削減した。また光パルス列を符号化することで、相互干渉除去に有用であることを示唆し、その基礎実験を行った。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
昨年度は主にレーザスキャナの3大方式AMCW、FMCW、ToFに取り組んだ。AMCW方式においては実用性を高める上で必要なことを一つ一つクリアした。測距不確定性問題の解決、各検波方式の感度に関する理論的理解、低雑音光増幅器による感度改善の実験的検証、受光ダイナミックレンジの拡大、ベッセルガウスビームによる焦点深度の拡大及びその理論的理解、そして非機械式ビーム掃引等の要素技術の導入も完了した。研究開発は計画通りに進んでおり、上述の昨年度の成果は学術雑誌に2本、国際会議に2本、国内会議・研究会に2本論文が採択された。
FMCW方式に関しては、ソフトウェア方面からアプローチした。具体的には、波長掃引光源の掃引非線形性補償のソフトウェアによるリニアライズを実施した。また、FMCW方式の他の応用例であるOCTにおいて、位相不確定性に起因する画像縮退と波長掃引非線形性を補償し、測定深度と奥行分解能を改善した。これらは当初の計画外の成果であり、学術雑誌に1本、国内会議に1本論文が採択された。
さらに、当初計画外のToF方式にも取り組んだ。こちらに関してもソフトウェア方面からアプローチし、奥行分解能の向上、レーザスキャナの重要課題である相互干渉の除去を示唆する基礎実験データを取得することができた。本成果は国際会議に1本論文が採択された。
それから、他分野である自由空間光(FSO)通信に関する調査研究を実施した。レーザスキャナは空間系光学に属し、構成としてはFSO通信システムと同じである。したがって、FSO通信に関する知識を深めることはレーザスキャナの研究においても関係がある。また、6G通信では、通信器がセンシング機能を持つことが重視されており、FSO通信の送受信器に測距機能を備えることも考えたい。本調査研究に関しては、国際会議に1本招待論文が採択された。
|
| Strategy for Future Research Activity |
昨年度はレーザスキャナについて広範的に研究開発し、今後の研究方向を見極めた。今年度は、当初予定していた3D計測デモや3Dデータ分析と並列して、より重要な測距手法の研究に力を入れたいと考えている。
まず、AMCW方式に関しては、これまで行ってきた強度変調に周波数チャープを追加することで、更なる空間分解能の向上を目指す。
続いて、FMCW方式の光源開発に取り組む。本方式の奥行分解能は波長掃引帯域で決まるが、数十～百nmの波長掃引帯域を持つ光源は高価で、価格は自動車1台分に相当する。そこで申請者らは、低価格化が進んでいるVCSELに着目し、安価な波長掃引光源の開発を計画している。VCSEL単体では、注入電流により数nmしか波長掃引できないが、本光源を多数並列展開することで波長掃引帯域の拡大が見込まれる。ここでは、VCSELの温度特性や掃引特性を評価し、複数台VCSELの中心波長をずらして並列展開する。そして、各掃引波長域の接続するためのアルゴリズム設計を行う。最終的に、並列展開した光源をFMCWレーザスキャナに導入して測距特性を評価する。
続いて、レーザスキャナにおけるもう一つの重要課題は相互干渉問題である。申請者らは、符号化により相互干渉を回避できることを示唆し、その基礎実験を実施したが、今年度は相互干渉機能を開発してレーザスキャナに実装したいと考えている。そして、相互干渉下の測距パフォーマンスを評価する。
最後に、新規ビームスキャン法の導入を予定している。これまで進めてきた非機械式ビームスキャン方式の研究開発を継続すると同時に、Grating Light Valve (GLV)と呼ばれるプログラマブル可能なMEMS型回折格子デバイスをビームスキャン部に導入することを考えている。具体的には、波長掃引光源とGLVでFMCWレーザスキャナを構築することを計画している。
|
Research Products
(14 results)
