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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Establishment of the Scientific Foundation of An Innovative 3D Imaging Platform

Research Project

Project/Area Number 22H00209
Research InstitutionThe 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)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 金 磊  東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教 (10825748)
山下 真司  東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40239968)
張 超  島根大学, 学術研究院理工学系, 助教 (20881668)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
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 / 非機械式
Outline of Annual Research Achievements

まず、チャープ型強度変調位相シフト法について、実際の形状測定に応用するために波長分散による1次元の非機械式スキャニングに加えて自動の機械式スキャニングシステムを追加することで全自動の2次元スキャニングシステムを実装した。これにより物体の表面形状データを高速にスキャンすることが可能となった。そして、測定した様々な物体形状に対して解析を行い、3次元データのノイズを低減するためのディジタル信号処理アルゴリズムの検討と原理検証を行った。本アルゴリズムは一般的な画像処理におけるノイズ低減アルゴリズムとは異なり、本手法の測定原理と光学測定の知見に基づいた新奇なアイデアを応用したものであり、一般的な手法よりも確度の高い3次元表面形状計測が期待できる。この原理検証においては機械部品や鍵など数種類のサンプル物体の表面形状を測定し、本アルゴリズムの適用によって既存の信号処理技術と比較して正確に形状を再現できることが確認された。
次に、ピコ秒光サンプリング飛行時間法について、基盤技術である短パルスレーザの研究開発を行った。3次元形状計測の実応用化に向けては高性能で環境安定性の高い短パルスレーザが必須であり、これに資するファイバレーザ技術として光ファイバ中における非線形偏波回転や光ファイバに対する応力付与による可変フィルタリング効果、2波長発振などによる新規発振原理に基づく技術を複数開発し、発表を行った。
上記成果に加えて、FMCW方式とToF方式のLiDARの開発にも取り組んだ。FMCW方式に関しては、光周波数コムを導入して、LiDAR受光器帯域による測定距離の制限を克服し、長距離LiDARを実現した。ToF方式に関しては、2コム干渉法を導入して、150μmの奥行空間分解能を有するLiDARを構築した。ここでは一対のCWを参照光として用いることで、2台の自走パルス光源で2コム干渉の安定化に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

昨年度の主な取り組みとしてはチャープ型強度変調位相シフト法については取得した3次元計測に関するノイズ低減などソフトウェアによる信号処理に関するテーマであり、ピコ秒光サンプリング飛行時間法については基礎技術である光ファイバレーザの開発等ハードウェアに関するテーマにおいて進捗があった。
チャープ型強度変調位相シフト法では未だ完全な非機械式ではないものの、全自動2次元光スキャニングシステムを構築したことにより想定よりも多くの3次元形状計測データを取得することができ、国内学会発表への1件の採択に加えてさらなる新奇なアイデアや信号処理に関する改善案が生まれる等の進展があった。
また、光サンプリング飛行時間法ではサンプリングアルゴリズムに関する学術発表は実現できなかったものの上述の通り光ファイバレーザ技術において複数の新規技術が生まれ、7本の国際査読付き学術論文誌への掲載に加えて国内外の学術会議において27件(うち国際会議17件、招待講演2件)の発表が行われ、特許2件を出願済み、1件を出願中である。
本研究課題では光ファイバレーザや光スキャニング技術等のハードウェア的な要素とサンプリングアルゴリズムやディジタル信号処理技術などのソフトウェア的な要素を高度に掛け合わせることが求められる。その点において昨年度の両技術における進捗はハードウェア、ソフトウェアの両側面について今年度以降の発展に大きく貢献する想定以上の進捗であったと考える。
また派生研究として、光周波数コムを利用した長距離FMCW LiDAR、CW参照光を用いた2コム干渉によるToF LiDARの原理確認実験に成功した。これらの成果は、国際査読付き学術論文誌への掲載が1件、国内外の学術会議において10件の発表が行われた(うち国際会議2件、国内会議7件、招待講演1件)。このうち学生論文賞5件を勝ち取った。また、特許1件を出願済である。

Strategy for Future Research Activity

前述の通りチャープ型強度変調位相シフト法とピコ秒光サンプリング飛行時間法においてハードウェアとソフトウェアの各側面から進捗があった本研究であったが、それに応じて両手法で今後注力すべき課題も明らかになった。
まずチャープ型強度変調位相シフト法については3次元表面形状のノイズ低減アルゴリズムで一定の成果を挙げた。これに続いて今後はより多様な形状において考案したアルゴリズムの適応可能性を模索する必要がある。さらに実応用化に際しての十分な計算速度や精度について調査を進める。またハードウェアについてであるが、本技術の重要な要素である非機械式光スキャニングについて2次元の光スキャニングを完全に非機械式で実現することが今後の研究における重要な指標となる。これについてはすでに先行研究をもとにした実現計画がありこれらを本研究に応用することにより完全に非機械式で高速な2次元光スキャニングシステムの実現を目指す。
次にピコ秒光サンプリング飛行時間法についてはこれまでに集積してきた光ファイバレーザ技術における知見を活用することにより成果を挙げた。今後はこれらの技術を実際の測距及び形状計測に組み込んでいく方法について具体的に考える必要がある。さらに、より長距離での測距動作実現に際してディジタルコヒーレント検波技術等を応用したリニア光サンプリング技術を可能にするディジタル信号処理ソフトウェア技術の実装を行う。
上記を踏まえた研究開発体制を迅速に整備し、チーム内での活発な議論や知見の共有を通じて次年度以降も積極的に学術論文誌への投稿や学術会議における研究発表を行っていく予定である。

  • Research Products

    (40 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 5 results) Presentation (27 results) (of which Int'l Joint Research: 14 results,  Invited: 2 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Rochester University(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Rochester University
  • [Int'l Joint Research] National Taiwan University(その他の国・地域)

    • Country Name
      その他の国・地域
    • Counterpart Institution
      National Taiwan University
  • [Journal Article] Fast wavelength-swept polarization maintaining all-fiber mode-locked laser based on a piezo-stretched fiber Lyot filter2023

    • Author(s)
      Sun Xiangnan、Yamashita Shinji、Set SzeYun
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 31 Pages: 12837~12837

    • DOI

      10.1364/OE.485613

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Strong optomechanical interactions with long-lived fundamental acoustic waves2023

    • Author(s)
      Xu Wendao、Iyer Arjun、Jin Lei、Set Sze Y.、Renninger William H.
    • Journal Title

      Optica

      Volume: 10 Pages: 206~206

    • DOI

      10.1364/OPTICA.476764

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Bandwidth-Decomposed Analysis of Spatial-Mode Dispersion of Coupled 2-Core Fiber Employing Linear Optical Sampling2023

    • Author(s)
      Uyama Masafumi、Okamura Shuki、Zhang Chao、Ito Fumihiko、Nakamura Atsushi、Okamoto Tatsuya、Koshikiya Yusuke
    • Journal Title

      Journal of Lightwave Technology

      Volume: 41 Pages: 3153~3163

    • DOI

      10.1109/JLT.2023.3238769

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Polarization-maintaining all-fiber tunable mode-locked laser based on a thermally controlled Lyot filter2022

    • Author(s)
      Sun Xiangnan、Zhu Yuanjun、Jin Lei、Yamashita Shinji、Set Sze Yun
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 47 Pages: 4913~4913

    • DOI

      10.1364/OL.470682

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Optical single-sideband modulation for a coherent Doppler lidar2022

    • Author(s)
      Wolfe Sean、Shirahata Takuma、Set Sze Yun、Yamashita Shinji
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 47 Pages: 4520~4520

    • DOI

      10.1364/OL.469026

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Low-Temperature PECVD Growth of Germanium for Mode-Locking of Er-Doped Fiber Laser2022

    • Author(s)
      Lin Chun-Yen、Cheng Chih-Hsien、Chi Yu-Chieh、Set Sze Yun、Yamashita Shinji、Lin Gong-Ru
    • Journal Title

      Nanomaterials

      Volume: 12 Pages: 1197~1197

    • DOI

      10.3390/nano12071197

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Review on optical nonlinearity of group-IV semiconducting materials for all-optical processing2022

    • Author(s)
      Cheng Chih-Hsien、Fu Cai-Syuan、Wang Huai-Yung、Set Sze Yun、Yamashita Shinji、Lin Gong-Ru
    • Journal Title

      APL Photonics

      Volume: 7 Pages: 081101~081101

    • DOI

      10.1063/5.0102342

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Coherent Doppler LiDAR using Novel MEMS-based Optical Phased Array Scanner2022

    • Author(s)
      Sean Wolfe, Naoki Yamaguchi, Yuki Ashida, Sze Yun Set, Shinji Yamashita
    • Organizer
      IEEE Photonics Conference (IPC)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Coherent Doppler Lidar using Optical Single Sideband Modulation2022

    • Author(s)
      Sean Wolfe, Takuma Shirahata, Shinji Yamashita, Sze Yun Set
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mode-locking state switchable Er-doped fiber laser based on a hybrid scheme of graphene oxide and nonlinear polarization rotation2022

    • Author(s)
      Wei Cai, Chih-Hsien Cheng, Guanyu Ye, Lei Jin, Li Li, Sze Y Set, Shinji Yamashita
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Numerical Analysis on the Effects of Spectral Ripple for Saturable Absorber Based Mode-Locking2022

    • Author(s)
      Bowen Liu, Shinji Yamashita, Sze Yun Set
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics/Pacific Rim
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Nonlinear Saturable Absorption Threshold for Stable Mode-Locking in Different Dispersion Regions2022

    • Author(s)
      Bowen Liu, Shinji Yamashita, Sze Yun Set
    • Organizer
      Nonlinear Photonics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Reduction of Noise in a Passively Harmonic Mode-locked Fiber Laser by Optimizing Cavity Length2022

    • Author(s)
      Zihao Zhao, Guanyu Ye, Takuma Shirahata, Sean Wolfe, Lei Jin, Sze Yun Set, Shinji Yamashita
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Novel Data-Processing Method for High-Resolution Spectrally Steered LiDAR using Dispersion-Tuned Swept Laser2022

    • Author(s)
      Zheyuan Zhang, Chao Zhang, Takuma Shirahata, Shinji Yamashita, Sze Y Set
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Coherent Doppler Lidar for Improved Object Velocomitry using Dual Measurement Fusion2022

    • Author(s)
      Sean Wolfe, Takuma Shirahata, Shinji Yamashita, Sze Yun Set
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] All Polarization-Maintaining Wavelength-Tunable Femtosecond Pulse Mode-Locked Fiber Laser Based on Strain Controlled Lyot-Filter2022

    • Author(s)
      Xiangnan Sun, Shinji Yamashita, Sze Yun Set
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stimulated Forward Brillouin Scattering from a Fundamental Acoustic Mode in a Fiber Taper2022

    • Author(s)
      Wendao Xu, Arjun Iyer, Lei Jin, Sze Y Set, William H Renninger
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] All-Optical 25-Gbps Silicon Carbide Kerr Switching Intensity Modulator On Silicon Platform2022

    • Author(s)
      Chih-Hsien Cheng, Cai-Syuan Fu, Sze Yun Set, Shinji Yamashita, Gong-Ru Lin
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Orthogonally-polarized bi-directional dual-comb fiber laser2022

    • Author(s)
      Kota Uyama, Takuma Shirahata, Sze Yun Set, Shinji Yamashita
    • Organizer
      Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 回折格子型光変調素子を用いた周波数変調連続波型測距2022

    • Author(s)
      山口尚紀, ション ウルフ, 蘆田雄樹. 白畑卓磨, 山下真司, セットジイヨン
    • Organizer
      応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Noise-like pulse generated in an all-PM NPR mode-locked fiber laser2022

    • Author(s)
      Guanyu YE, Xiangnan Sun, Bowen Liu, Takuma Shirahata, Shinji Yamashita, Sze Yun Set
    • Organizer
      レーザー学会第 570 回研究会「次世代ファイバレーザー技術」
  • [Presentation] Thermal Drift Characteristics of All-Polarization-Maintaining Fiberized Lyot FIlter and Its Application for Tunable Laser2022

    • Author(s)
      Bowen Liu, Takuma Shirahata, Shinji Yamashita, Sze Yun Set
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Tapered Fiber Designed by Gene Algorithm for Wavelength Conversion2022

    • Author(s)
      Yifan Ma, Sze Yun Set, Shinji Yamashita
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Performance Improvement of Chirped Amplitude Modulation Phase Shift Method Based on Total Variation Regularization and Application to its 3D Scanner2022

    • Author(s)
      Ruiyan Chen, Zheyuan Zhang, Takuma Shirahata, Sze Yun Set, Shinji Yamashita
    • Organizer
      応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Long range, wide bandwidth, and rapid optical frequency domain reflectometry, employing concatenative referencing method2022

    • Author(s)
      D. Tanimura, D. Miyake, C. Zhang, F. Ito, Y. Yoshimura, H. Aoshika, and M. Imai
    • Organizer
      27th International Conference on Optical Fiber Sensors (OFS)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Long-range frequency-modulated continuous-wave LiDAR employing wavelength-swept optical frequency comb with ranging disambiguation2022

    • Author(s)
      M. S. B. A. Sharifuddin, T. Nagata, C. Zhang, F. Ito, A. Nakamura, and Y. Koshikiya
    • Organizer
      SPIE Smart Structure + Nondestructive Evaluation
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 線形光サンプリング法による結合型2コアファイバの空間モード分散の測定2022

    • Author(s)
      宇山将史、岡村柊希、張超、伊藤文彦、中村篤志、岡本達也、古敷谷優介
    • Organizer
      電子情報通信学会光ファイバ応用技術研究会
  • [Presentation] PNC-OFDR方式を用いた分布型光ファイバセンサによる静・動ひずみ計測2022

    • Author(s)
      吉村雄一、青鹿弘行、今井道男、川端淳一、三宅大樹、谷村大輝、張超、伊藤文彦
    • Organizer
      土木学会年次大会
  • [Presentation] 高速波長掃引レーザを用いたOFDRによる動的ひずみ計測2022

    • Author(s)
      小具亮太、谷村大輝、張超、伊藤文彦、吉村雄一、青鹿弘行、今井道男
    • Organizer
      電子情報通信学会光ファイバ応用技術研究会
  • [Presentation] 線形光サンプリング法を用いた結合型2コア・4コアファイバの空間モード分散の帯域ごと測定2022

    • Author(s)
      岡村柊希、宇山将史、張超、伊藤文彦、中村篤志、岡本達也、古敷谷優介
    • Organizer
      電子情報通信学会光ファイバ応用技術研究会
  • [Presentation] 波長掃引型光周波数コムを用いた周波数変調連続波型光距離計2022

    • Author(s)
      永田崇弘、Muhammad Suhail Bin Ahmad Sharifuddin、張超、伊藤文彦、中村篤志、古敷谷優介
    • Organizer
      第73回電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [Presentation] スペクトルパターンを有する光周波数コムを用いた長距離周波数変調連続波型LiDAR2022

    • Author(s)
      Muhammad Suhail Bin Ahmad Sharifuddin、永田崇弘、張超、伊藤文彦、中村篤志、古敷谷優介
    • Organizer
      電子情報通信学会フォトニックネットワーク研究会 (PN)学生ワークショップ(WS)
  • [Presentation] 線形光サンプリング法を用いたLP11モードの2次元測定2022

    • Author(s)
      岡村柊希、大澤京悟、張超、伊藤文彦、中村篤志、古敷谷優介
    • Organizer
      電子情報通信学会総合大会
  • [Presentation] インダストリー4.0におけるLiDARの可能性を探る2022

    • Author(s)
      張超
    • Organizer
      IEEE広島支部および電子情報通信学会中国支部主催講演会
    • Invited
  • [Remarks] Yamashita-Set Fiber Photonics Lab

    • URL

      http://www.cntp.t.u-tokyo.ac.jp

  • [Remarks] Eagle3D Photonics

    • URL

      https://www.cntp.t.u-tokyo.ac.jp/eagle-3d-photonics/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] フィルタ装置、波長可変レーザ、及び波長調整方法2022

    • Inventor(s)
      セットジイヨン,孫相楠,山下真司
    • Industrial Property Rights Holder
      セットジイヨン,孫相楠,山下真司
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2022-79706
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 偏光方向ディスクリミネータ、デュアル出力レーザ、及び偏光方向弁別方法2022

    • Inventor(s)
      セットジイヨン,宇山康太,山下真司
    • Industrial Property Rights Holder
      セットジイヨン,宇山康太,山下真司
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2022-070433

URL: 

Published: 2023-12-25  

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