2光子吸収を用いた距離変位計測 および光ファイバ給電センサ

2光子吸収を用いた距離変位計測
および光ファイバ給電センサ
国立大学法人 東京農工大学 大学院共生科学技術研究院
先端電気電子部門
講師
教授
田中 洋介
黒川 隆志
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内容
1) 2光子吸収を用いた距離変位計測
------Si フォトダイオード1個で高精度計測
2) 光ファイバ給電センサ
------光センサの耐雑音性と電気センサの多様性を
融合、低電力で汎用性の高いセンサ網
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1) 2光子吸収を用いた距離変位計測
研究背景
☆研究分野
レーザ測距---光波の位相、パルスの伝搬時間から距
離、変位を計測する技術
☆提案する距離変位計測の研究を手がける理由
簡素な構成で高精度な距離変位計測を実現する
ため。具体的には、~100m遠方の距離変位をサブ
mmの高精度で計測可能な変位計
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技術内容
二光子吸収を利用した距離変位計測装置
強度変調光
測定ターゲット
レーザ(近赤外)
反射点
①二光子吸収応答
hν
hν
赤外光
i ∝ P2
強度相関
②変調周波数掃引
Si-APD
③反射点ΔLの算出(フーリエ変換)
光電流(強度相関)
変調信号νm
c
(ΔL = 距離)
2nΔL
変調周波数 νm
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検証実験
レーザ
λ1
λ2
10 km
光ファイバ
~6m
反射点
デジボル
光増幅器 Si-APD
PC
スペクトル強度 [a.u.]
光ファイバを用いた長距離反射点計測
2000
約6m
1000
0
10.15
10.20
10.25
ファイバ長差 [km]
10.30
10km遠方で6mの距離差を確認
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空間距離計測
実験室内では、10m遠方の空間距離変位を10-5
オーダーの精度で検出
今までの実験から、100m遠方の距離変位でも計
測可能(実験施設が現在ない。)
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従来技術と問題点
既に実用化されている距離変位測定装置として、
「トータルステーション」が各社で販売されている。
しかし、
光源となるパルスレーザのジッター
強度相関測定部が高価で複雑
等の問題から、高精度の製品は非常に高価なも
のとなっている。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 従来技術では、距離変位測定の心臓部とな
る強度相関器に高価で複雑な高周波回路が
必要。パルスレーザのジッターも問題。
• 本技術では、強度相関器として受光素子の
二光子吸収を利用することで、測定精度を下
げることなく、システムの簡素化、小型化、コ
ストの低減が可能。CW光を用いるのでジッ
ターの問題もない。
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想定される用途
変位測定装置
反射鏡
パイプラインや鉄道のレール
反射鏡
変位測定装置
パイプライン、レール等の歪み監視
トンネルの歪み検知
様々な構造物の歪み検知の他、地殻変動の監視
などの応用が考えられる
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想定される業界
• 想定されるユーザー
計測機器メーカー
測量、計測専門会社
大型構造物を作製する建築業界
プラント関連
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実用化に向けた課題
• 現在、GPIB制御系での自動測定まで完成。
更なる高精度化に向け、専用の制御系によ
る測定の高速化が進行中であり、今後の課
題となっている。
• 現在10mの空間距離変位測定は実験室内で
検証しているが、100mの測定は施設の関係
で行っていない。今後、検証の必要あり。
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企業への期待
• 高速データ処理のための回路技術を有し装
置化が行えるメーカーや、市場のニーズを把
握していると共に、長距離での評価実験が可
能なレーザ測距関連メーカーとの共同研究を
希望
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本技術に関する知的財産
発明の名称
:距離計測装置
出願番号
:特願2006-026422、特願2007-205949
出願人
:国立大学法人東京農工大学
発明者
:黒川、田中、塩田
発明の名称
:距離測定システム
出願番号
:PCT/JP2007/054617
出願人
:国立大学法人東京農工大学
発明者
:黒川
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2) 光ファイバ給電センサ
研究背景
☆研究分野
センサネットワーク---無線、または有線を利用し、様々
な環境情報を取得するセンサ網
☆ファイバ給電によるセンサ網の研究を手がける理由
○バッテリ不要でメンテナンスフリー、
○電波の届かない場所でも使用可能、
○低電力、
○広範囲にわたり多数のセンサ配置が可能、
なセンサ網を実現するため。
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技術内容
光ファイバ給電
によるセンサ網
センサノード
インタフェース
光分岐 DC電力
マイクロ
プロセッサ
太陽電池
光信号
センサ多種
MEMS 反射鏡
光変調器
監視装置
レーザ
信号モニター
光ファイバ
センサ
ノード
センサ
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開発したセンサノード
Sensor node
60mm
m
80
m
50mm
Temp. Sensor
MEMS mod.
Optical power
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従来技術と問題点
既に実用化されている有線タイプのセンサ網は
センサノードに信号発生用の光源を有し
消費電力が高く、センサ台数が制限される。
また、バッテリーのメンテナンス
等の問題がある。また、開発が進んでいる無線
タイプのセンサ網は設置が容易な反面、
バッテリーのメンテナンス
多数のセンサの広域配置
等に問題がある。
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新技術の特徴・従来技術との比較
• 従来技術では、センサノードのメンテナンス、信
号発生光源の電力消費量の大きさ等が問題
• 本技術では、監視側からレーザ給電を行うため
バッテリ交換等のメンテナンスは不要。MEMS等
の低電力光変調器の使用により、ノードでの電
力消費が大幅に低減。 1台のレーザで~100台
のセンサを駆動。 μプロセッサ制御のノードによ
り汎用性拡大。
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想定される用途
プラント内
の安全管理
ビル内の
防災監視
光信号
光ファイバ
大気監視
NOx
光ファイバ
センサノード
監視側
給
電
光
ピピピ
A地区で光化学
スモッグ発
生!!
レーザ
下水増量による
都市洪水監視
水位センサ 水流センサ
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想定される業界
• 想定されるユーザー
センサー機器メーカー
計測機器メーカー
光製品関連企業
ビルディング、プラント、輸送システム、下水道等
の保守管理会社
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実用化に向けた課題
• 現在、250μWで動作するセンサノード3台を利
用したセンシングの動作確認まで行っている。
• 今後、更なる低電力化やIC化、大規模センサ
網に適用するための最適設計とセンサ網実験
のデータ取得が課題。
• 無線ノードは現在開発中
信号モニタ
レーザ
無線ノード
(無線センサ信号受信)
光ファイバ
太陽電池
フィルタ
識別器
増幅器
光変調器
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企業への期待
• センサノードのIC化により、更なる低電力、低
コスト化が可能となる。そのため、IC化を行え
る回路メーカーとの共同研究を希望。
• また、低電力光変調器の高性能化に向け、
MEMS技術を持つ光メカトロニクス関連企業
との共同研究を希望。
• 更に、大規模システム実験を行える企業との
共同研究を期待。
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本技術に関する知的財産
発明の名称
:センサ装置
出願番号
:特願2007-075683
発明者
:黒川、田中
出願人
:黒川
発明の名称
:センシングシステム
出願番号
:特願2008-121600
発明者
:黒川、田中
出願人
:黒川、田中
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お問い合わせ先
国立大学法人 東京農工大学
産官学連携・知的財産センター
島村 太郎
TEL 042-388 - 7283
FAX 042-388 - 7173
e-mail t-shima@cc.tuat.ac.jp
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