2012 Fiscal Year Research-status Report
レーザ光の光周波数掃引法による高精度で非接触な物体形状計測システムの開発
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24560517
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
飯山 宏一 金沢大学, 電子情報学系, 教授 (90202837)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 光計測 / FMCW / 光距離計測 / 三次元計測 / 光周波数掃引 |
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| Research Abstract |
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、空間分解能の向上と測定精度の向上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。本システムでは光周波数を時間に対して完全に線形に掃引することが不可欠であるが、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解析を行った。
サンプルした干渉信号のデータ点数は有限であるが、サンプル点にゼロ信号を追加することによって干渉信号の連続性を損なうことなくデータ数を増加することにより、測距間隔の高密度化を図った。また、ＦＦＴ解析後の信号は離散的であるために正しい距離が測定できないので、ＦＦＴ解析信号のピーク付近のデータを補間して、より高精度で距離を求めるアルゴリズムを開発した。その結果、約１ｍ遠方において１００μｍの距離変化を３０μｍの標準偏差で測定できることを示した。また、測定対象が粗面であった場合も、同等の測定精度で距離測定が可能であることを示した。空間分解能は１．５ｍｍ程度であった。
さらに、空間分解能および測定精度の向上を目指して、周波数解析に最大エントロピー法を適用したが、解析条件の最適化には至らず、ＦＦＴ解析と比べると空間分解能は向上したが、測定精度についてはＦＦＴ解析と同程度であった。
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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
平成２４年度の研究実施計画は、（１）光周波数掃引の非線形性の影響をキャンセルするサンプリング法を確立すること、（３）距離測定精度１００μｍを達成すること、（３）測定の高速化、の３点が目標であった。
（１）については、補助干渉計を設けてサンプリング信号を生成するシステムことにより、空間分解能１．５ｍｍを得ている。本システムを用いないときの空間分解能は５ｃｍ程度であるので１０倍以上の空間分解能向上を得ており、目標は十分達成している。なお、理論的な空間分解能より劣化しているが、これは、有限のサンプリング点数によるものである。現在は測定距離として数ｍを想定しているが、測定距離を数１０ｃｍ程度と短くすれば１ｍｍ以下の空間分解能が得られると考えられる。
（２）については、仮想的なデータ点数の増加やＦＦＴ解析のピーク補間法により、標準偏差で３０μｍの精度で距離測定が可能であることを示しており、目標は十分達成している。
（３）については研究は行っていないが、長い測定距離での測定の高速化は干渉信号の高周波化をもたらし、電子回路の動作範囲を超えてしまう。そこで、（１）と同様に測定距離を短くすることにより測定の高速化は可能である。実験的検証は行っていないが設計は終わっており、目標を達成している。
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| Strategy for Future Research Activity |
測定距離を５０ｃｍ以下に設定してシステムの最適化を行い、（１）空間分解能の向上、（２）測定精度の向上、（３）測定の高速化、（４）三次元形状測定、を行う。
（１）（２）（３）については、測定距離を短くすることにより同時達成が可能である。目標値として、空間分解能５００μｍ、測定精度（標準偏差）１０μｍ、高速化１００倍（現在の１０ｍｓを０．１ｍｓに高速化）である。平成２４年度に構築したＦＦＴ法による解析手法とともに、平成２４年度は最適条件が見つけられなかった最大エントロピー法についても検討する。
（４）については、レーザ光をビームスキャナにより空間的に走査し、物体の２次元形状計測を行う。測定対象として、工作機械により階段状に切削加工された金属板（段差は０．１ｍｍ～１ｍｍ）とし、ビームスキャナで測定対象へのレーザ光照射位置をスキャンし、物体の形状計測を行う。また、金属板の他にガラス板やプラスチック板など反射率の低い材料も測定対象とし、測定対象を選ばない、より実用的なシステムを構築する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
該当なし
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