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光で物体形状計測～ナノからメートルまでを１台で～
金沢大学 理工研究域 電子情報学系
教授 飯山 宏一
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本発明について
• 内容
– 電磁波による測距装置
– FMCW 法を利用
• 特徴・新規ポイント
– 受信器アレイを用いる
• 測定対象までの距離分布を一度に測定する⇒ 高速な物体形状計測への応用
– 受信器アレイの各素子の信号間の位相差を測定
• 波長以下の形状測定が可能⇒ レーザ光を使えば，nm 領域での測定
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研究背景
電磁波を用いた距離計測技術の開発・発展
■特徴
・非接触測定・遠隔測定
・耐電磁無誘導
・高感度
・高精度
■応用例
・自動車レーダー
・物体形状測定
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応用例（自動車レーダー）
パルス法
・短パルスを照射・パルスが戻ってくる時間を測定
FMCW 法
・周波数チャープ波を照射・反射波と送信波のビートを測定・ビート周波数は距離に比例
・精度や分解能はパルス幅に依存・短パルスは受信が困難 ・精度や分解能はパルス法より高い
・周波数解析が必要
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FMCW 法
時間
振幅
周波
数
時間
送信波
反射波t
fB
t： 反射波の遅れ時間
fB： ビート周波数
DF：周波数変化幅
DF
ビート周波数：
距離分解能：
送信波の波形
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FMCW 測距システム
光検出器
参照光
信号光
光周波数掃引レーザ光源
測定対象
鏡
FFT 解析
BS
時間
光周
波数
t
fBDF
1 / fm
fB振幅
周波数
ビートスペクトル
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FMCW 法の応用
• 従来の適用範囲：１点の距離測定
• 新たな応用：距離分布の測定– レーザ光を空間的にスキャンする
– 距離分布を測定する
– 物体形状を計測する
光検出器
参照光
光周波数掃引レーザ光源
鏡
FFT 解析
BSビーム
スキャナ
測定対象
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物体形状計測の問題点・解決法
• 問題点：レーザ光スキャンにより測定時間が長い
• 解決法：距離分布を一度に測定する– レーザ光を大口径化し，測定範囲一面に照射する
– 多チャンネル（アレイ構造）の光検出器で受光する
– 各素子のビート周波数を測定して物体形状を測定する
光検出器アレイ
参照光
信号光
測定対象
鏡
光周波数掃引レーザ光源
FFT 解析
光検出器アレイの素子番号
ビー
ト周
波数
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測定例（3 mm 段差）
測定サンプル（段差 3 mm）
光検出器アレイ
20 mm
・ ・ ・ ・
16 素子
80 mm
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
測定対象までの距離 ( cm )
Ch0
Ch1
Ch2
Ch3
Ch4
Ch5
Ch6
Ch7
Ch8
Ch9
Ch10
Ch11
Ch12
Ch13
Ch14
Ch15
10
測定例（3 mm 段差）
3.00
3.05
3.10
3.15
3.20
3.25
3.30
3.35
3.40
0 2 4 6 8 10 12 14 16測
定さ
れた
距離
( cm
)光検出器アレイの素子番号
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
測定対象までの距離 ( cm )
Ch0
Ch1
Ch2
Ch3
Ch4
Ch5
Ch6
Ch7
Ch8
Ch9
Ch10
Ch11
Ch12
Ch13
Ch14
Ch15
光周波数掃引幅：150 GHz
11
測定例（1 mm 段差）
2.90
2.92
2.94
2.96
2.98
3.00
3.02
0 2 4 6 8 10 12 14 16測
定さ
れた
距離
( cm
)
光検出器アレイの素子番号
2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4
測定対象までの距離 ( cm )
Ch0
Ch1
Ch2
Ch3
Ch4
Ch5
Ch6
Ch7
Ch8
Ch9
Ch10
Ch11
Ch12
Ch13
Ch14
Ch15
光周波数掃引幅：500 GHz
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干渉信号の位相差を用いた測定
• 光検出器アレイを用いた距離測定の特徴– 高速測定が可能（一度に距離分布を測定）
– 形状測定精度は 500 mm 程度
• 改良すべき点– 形状測定精度の向上
⇒ 空間分解能によるビート周波数測定の限界
• 解決法– ビート周波数を利用しない測定方法
⇒ 光検出器アレイの各素子の信号間の位相差を利用
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位相差測定法
光検出器アレイ
鏡
光周波数掃引レーザ光源
測定対象
平行光検出器アレイ
鏡
光周波数掃引レーザ光源
測定対象
傾き
同位相 位相ずれ
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位相差測定法
光検出器アレイ
鏡
光周波数掃引レーザ光源
測定対象
傾き
位相ずれ
測定対象の傾き
空間的に距離差が発生
位相差の発生
微小距離差を測定
位相差 360° ⇒ 距離差 l/2 に対応
（l：レーザ光の波長）
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位相差測定法
全位相変化 434°
傾きによる距離差 790 nm
（l = 1310 nm）
Ch0
Ch1
Ch2
Ch3
Ch4
Ch5
Ch6
Ch7
Ch8
Ch9
Ch10
Ch11
Ch12
Ch13
Ch14
Ch15
0
100
200
300
400
500
0 2 4 6 8 10 12 14 16
位相
差(
°)
光検出器アレイの素子番号
29°/ch
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まとめ
• 光検出器アレイを用いた FMCW 方式の測距装置を開発した。
• 各素子の受光信号のビート周波数測定より，物体形状計測を実現した。– 500 mm 程度の形状測定精度を達成
• 各素子の受光信号間の位相差測定により，物体形状を波長精度で測定する方法を実現した。– レーザ光を用いることにより，1 mm 以下の測定精度
を達成
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その他の特徴
• 1 つのシステムで 3 つの測定モードを持つ。
– 1 個の光検出器を用いる測定モード(光検出器アレイ全体の平均値を測定するモード)• リモート計測に最適（1 m 以上）
• ビームスキャンによる大型建造物・構造物の形状計測
– 光検出器アレイの各素子のビート周波数をそれぞれ測定するモード
• 比較的短距離（100 mm ~ 1 m）
• 部品の形状計測
– 光検出器アレイの各素子間の位相差を測定するモード• 高精度測定（nm の精度）
• 精密部品の表面精度の計測
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想定される用途
• 工業製品などの組み立て検査– 正しく実装されているか，の検査
– ビート周波数測定法が利用可能
• 精密部品・デバイスの表面精度– 十分な平坦度が得られているか，の検査
– 位相差測定法が利用可能
• 長い測定距離に着目すると，大型構造物の遠隔での検査にも利用可能と思われる。
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実用化に向けた課題
• 高精度の形状測定に関して– 現在は傾けた鏡で実験している
– ナノメートルの段差サンプルでの実証実験が必要
• 測定範囲の連続性について– ビート周波数測定での最小精度は，数 100 mm
– 位相差測定での測定範囲は，1 mm 程度
– 両者の隙間を埋めるための改良が必要
• 2 次元光検出器アレイを用いて，3 次元物体形状計測への適用も検討課題
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企業への期待
• 未解決の「測定範囲の連続性」については，波長可変幅の大きなレーザ光源を用いることにより，克服できると考えている。– 距離分解能の向上 ⇒ 測定精度の向上
– 連続波長可変レーザ光源の共同開発・貸与を期待
• 高速信号処理技術（FPGA, DSP, 並列演算など）を持つ企業との共同研究を希望。– アレイ化が進めば，データ数は膨大になる
• 測距装置・物体形状計測装置を開発している企業と協力して，開発を進めたい。
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ：測距装置、及び測距方法
• 出願番号 ：特願2016-048959
• 出願人 ：金沢大学
• 発明者 ：飯山 宏一，五十嵐 彬宏
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お問い合わせ先
有限会社 金沢大学ティ・エル・オー
ライセンシング・アソシエイト
山田 光俊
TEL: 076-264-6114
FAX: 076-234-4018
E-mail: [email protected]