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せぴあおまた
4 years ago
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1 インフライノベーション研究会 2017 年 10 月 19 日東京大学ダイワユビキタス学術研究館トンネル内壁表面精査のための遠隔的レーザー計測システム国立研究開発法人理化学研究所光量子工学研究領域斎藤徳人村上武晴小町祐一道川隆士木暮繁加瀬究和田智之緑川克美

2 研究開発の内容高度経済成長期に建設されたトンネルなどのインフラの老朽化に伴う崩壊事故などが発生している日本の重要なインフラの安全性を担保するための構造物の変形き裂などの計測判定には人手に頼ることが多くその効率化高速化あるいは目視以上の科学的データによる事実捕捉が高く望まれてきた本研究開発はインフラの中のトンネルを対象として次のテーマを提案し研究開発を推進し社会実装の部分実証実験を行う周波数シフト帰還型レーザーを利用した表面計測システム (( 国研 ) 理化学研究所 ) レーザー誘起振動波診断技術 (( 国研 ) 量子機構 ( 公財 ) レーザー総研 ) レーザーを用いた脆弱部除去に向けたレーザー照射技術の確立 (( 国研 ) 原子力機構 ) トンネル保守支援連携システムの開発 (( 国研 ) 理化学研究所 )

3 従来のトンネル内壁検査方法現在のトンネルの表面検査近接目視従来の診断法の問題点現在遠隔計測は目視またはカメラ撮影によって行われているが識別が難しい状態のコンクリートがある明瞭なひび割れひび割れの有無は? ひび割れか汚れか? 今後の課題ひび割れか汚れか? ひび割れか汚れか? ひび割れか汚れか? 作業効率の向上費用削減客観性再現性の向上記録履歴管理の効率化遠隔計測技術の導入

4 研究開発目標観測対象までの距離を5mとし実験室及び実験用トンネルにおいて stop-and-goの運行条件で計測速度 4000 点 /s 0.2 mm 幅のひび割れ検出とそのマッピング縦方向分解能 0.1 mmでの凹凸計測レーザー遠隔的分光イメージング計測法を基礎とした水分子の検出を実現する

5 レーザーを用いたトンネル内壁の遠隔計測レーザー照射点 200 µm Absorption ひび割れ Intensity 計測の基本的方法表面劣化 Laser Wavelength ライダー LIDAR: LIght Detection And Ranging 計測原理と計測対象波長同調システム 1 散乱光強度の変化 0.2 mm 幅のひび割れ計測検出系ビームスキャナーレーザーシステム 2 3 散乱光ー参照光の干渉分析 0.1 mm の凹凸計測波長掃引散乱光の分光学的強度比水の検出

6 遠隔的計測のためのレーザー周波数シフト帰還型レーザー (FSFレーザー) 音響光学シフターコンピュータ f+ν S f レーザー媒質出力特徴 Radio Frequency (RF): ν S f+ν S f+2ν S f+2nν S 1 高いビーム品質レーザーの構成光ファイバーを用いたビームの高品質化 ν i : Frequency ν s : Round trip frequency shift τ RT : Round trip time 2 特徴的なスペクトル 3 レーザー発振が完了するまで周波数がシフトしつづける i (t) S RT t i 1 RT 特徴的なスペクトル構造高速波長掃引 RF を変更 RF 1 RF 2 RF 3 RF 4 波長がシフト λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 1 ms/div 1 ms/div

7 レーザー遠隔的計測の 3 方法レーザーの特性高いビーム品質特徴的なスペクトル構造 + 干渉計検出散乱光を検出高い集光ビームの利用ビームをスキャン各点の散乱光強度を検出散乱光強度マッピング干渉計測ビート周波数が発生観測目標の実現ひび割れ計測 0.2 mm 幅 FSF レーザー干渉光スペクトルアナライザー参照光深さ変化コンクリート表面からの散乱光 Bm S RT nl c 0 m 1 RT 特徴高分解距離計測高速距離計測遠隔的検出凹凸計測 0.1 mm 分解高速波長スイッチング分光計測に応用散乱検出と同じ動作 + 波長をスイッチング分光計測漏水検知など

8 ひび割れ計測システム Fiber Laser, etc. PC DAQ 10 cm Pump Beam Single Mode Fiber 光ファイバー θo ビームの射出角 = 受光角 ( 視野はビームが伝搬する領域 ) A/D Converter Detector Lens Galvano Scanner Sample 照射点 Single Mode Fiber Beam Splitter 5 m ビームの伝搬特性上光学顕微鏡のようなイメージ転写が可能ビームの集光形の縮小空間分解能の向上

ビームウエストサイズと空間分解能の追求 Beam Spotsize (mm) 100 80 60 40 20 波長 : 1030 nm 計測対象までの距離 : 5 m コンフォーカルパラメーター 2w 0

9 ビームウエストサイズと空間分解能の追求 Beam Spotsize (mm) 波長 : 1030 nm 計測対象までの距離 : 5 m コンフォーカルパラメーター 2w 0 Beam Waist w0 Confocal Parameter exempli causa 25 mm (50 mm ) のビームを射出 5 m 先におけるビームの直径は 130 µm コンフォーカルパラメータは 2.5 cm 2w Confocal Parameter (cm) Beam Waistsize (µm) Beam Diameter Spatial Resolution (µm) ビームの直径程度のひび割れの計測が可能となるはずである 0

10 ひび割れ計測結果クラックスケールコンクリート ( 白色 ) コンクリート ( 黒色 ) 近接写真近接写真近接写真 0.6 mm レーザー光コンクリート検出器 (a) (b) レーザー計測レーザー計測レーザー計測 (a) レーザー計測 (b) レーザー計測 532nm 9mW 200μm/pixel 532 nm, 9 mw 200 µm/pixel 532 nm, 9 mw 200 µm/pixel レーザー照射軸と同軸計測レーザー照射軸と異軸計測幅 0.15 mmのひび割れ検出を実現検出器の配置変更によるひび割れと汚れの識別を実現

11 凹凸計測システム PC Spectrum Analyzer Fiber Bragg Grating ( 全反射 ) 凹凸計測システムビーム直径波長出力パワー 400 or 800 µm 1550 nm 10 mw DAQ Stepping Motor Sample FSF レーザー 5 m FSF レーザー参照光レーザー干渉系深さ変化干渉光スペクトルアナライザーコンクリート表面からの散乱光現行システム写真

12 アルミサンプルを用いた凹凸の試験計測 (a) Sample 350 µm 100 µm (b) (c) Depth (µm) Depth (µm) µm ビーム直径 : 800 µm Scan ビーム直径 : 400 µm -100 Scan 0.1 mm の凹凸を計測できることを実証済

13 コンクリートを用いた表面 3D 計測 12/18 近接写真レーザー遠隔計測 µm 350 µm 700 µm mm 500 µm 100 µm 凹凸計測を実施しながらのコンクリート内壁のマッピングが実現ビーム直径の縮小により空間分解能の向上が可能

14 3D ひび割れ同時計測結果 (a) Stepwise concrete Low High (a) Hand-made concrete sample Closeup photograph Laser measurement (b) Laser measurement Depth (mm) (c) Cross section 0.1 mm Distance (mm) (b) Concrete test piece Closeup photograph Laser measurement Crack width: 0.2 mm mm Crack width: 0.2 mm mm 計測速度 5000 点 / 秒で 0.1 mm の凹凸の計測を達成屋外模擬トンネルにおける性能試験で 0.2 mm 幅のひび割れの検出に成功

15 3D 形状計測 ( 供試体 : 湾曲計測の実現 ) (a) Concrete sample (b) Laser measurement (c) 3D imaging Size:350 mm 150 mm Aluminum flat plate Concrete surface Measurement time:150 s ( pixels) (d) Warp in concrete surface 320 μm 高空間分解能で3D 計測が実現 ( コンクリートの陥没部の形状 ) 目視や触診断でも認識できない湾曲を発見浮きの判定が可能

コンクリート表面の分光計測コンクリート表面の散乱分光計測結果 (1 点計測 ) Dry Scattering Intensity (arb. units) 1.0 0.8 0.6 0.4 0.

16 コンクリート表面の分光計測コンクリート表面の散乱分光計測結果 (1 点計測 ) Dry Scattering Intensity (arb. units) Concrete Dry Dry Concrete Wet Concrete Wet Wavelength (nm) コンクリート表面の散乱分光強度分布 Wet 吸収される波長吸収されない波長吸収及び非吸収波長を用いた散乱計測により分光イメージングが実現

17 ひび割れとすす埃識別への展開分光計測の応用としてコンクリート近接写真顔料塗布レーザー遠隔観察試験波長 : 808 nm 試験波長 : 1570 nm 近赤外レーザーの導入により顔料の影響を受けずにひび割れ計測が実現レーザー計測の導入が状態観察時の誤認識の解消につながる

18 各性能のまとめ観測対象までの距離を5mとし実験室及び実験用トンネルにおいて stop-and-goの運行条件で以下の項目を実現する計測速度 4000 点 /s 0.3 mm 幅のひび割れ検出とそのマッピング縦方向分解能 0.1 mmでの凹凸計測レーザー遠隔的分光イメージング計測法を基礎とした水分子の検出項目 H28 年度目標 H 達成状況計測速度 4000 点 / 秒点 / 秒 ( 実験室模擬トンネル ) 5000 点 / 秒 ( 実験室 ) 〇〇ひび割れ検出幅 0.3 mm 0.15 mm( 実験室 ) 0.2 mm ( 模擬トンネル ) 〇〇凹凸検出分解能 0.1 mm 0.1 mm ( 実験室 ) 0.2 mm ( 模擬トンネル ) 〇〇分光計測水分子の検出水膜検出 ( 実験室 ) 〇実トンネルにおける実地性能試験を重ね装置の安定化高度化へ展開

19 静岡県下田市大賀茂トンネル計測試験 2016 年 11 月 28 日実施車両通行止めは片側のみ計測チームの後方側を一般車両が通行している最中の計測を実施 11 月 22 日のステージゲート後レーザー計測システムの再調整をすることなしに実トンネルの計測が実現

20 実トンネルにおける評価 (3D ひび割れ計測 ) 静岡県道 119 号線大賀茂トンネルにおける評価 (a) 0.3 mm crack 0.2 mm crack Span: 10.5 m (b) (c) (d) 0.3 mm crack and 0.3 mm level difference (e) 400 lines 0.19 mm/pix Measurement time:10.8 s 637 nm 0.57 mm crack 78.6 mm (f) 200 lines 0.24 mm/pix Measurement time: 4.7 s 637 nm 0.2 mm crack 47.5 mm 幅 0.2 mm のひび割れ検出を実トンネルで確認幅 0.3 mm の3D 形状によるひび割れ検出を確認

21 実トンネルにおける評価 ( 分光計測 ) 静岡県道 119 号線大賀茂トンネルにおける評価近接写真漏水点汚れ赤外レーザー計測 1310 nm の分布マップ汚れを透過 Ratio I 1450 nm / I 1310 nm 近接写真 138 mm 1310 nm 漏水箇所の水分布を差分吸収分光法により計測赤外画像における苔点汚れの透過効果を確認

22 まとめ観測対象までの距離を5mとし実験室において計測速度 4000 点 /s 0.3 mm 幅のひび割れ検出とそのマッピング縦方向分解能 0.1 mmでの凹凸計測レーザー遠隔的分光イメージング計測法を基礎とした水分子の検出を実現するための原理実験を推進した ( 平成 28 年度まで ) 計測速度 : ひび割れ計測において 40,000 点 /s が実現ひび割れ検出 : コンクリート表面に生じた 0.2 mm 幅のひび割れの検出が実現さらに 0.2 mm 幅のひび割れ計測に向けて研究推進中凹凸計測 :0.1 mm の計測が実現多様なコンクリートサンプルの準備計測の高度化を推進中分光イメージング : コンクリートを用いた分光イメージングの原理実験が完了高度化を進める

液相レーザーアブレーションによるナノ粒子生成過程の基礎研究及び新規材料創成への応用北海道大学大学院工学工学院量子理工学専攻プラズマ応用工学研究室修士 2年竹内将人

液相レーザーアブレーションによるナノ粒子生成過程の基礎研究及び新規材料創成への応用北海道大学大学院工学工学院量子理工学専攻プラズマ応用工学研究室修士 2年竹内将人研究背景目的液相レーザーアブレーション液相に設置したターゲットに高強度レーザーパルスを照射するとターゲット表面がプラズマ化するターゲットを構成する原子分子が爆発的に放出され, ターゲット由来のナノ粒子ナノ粒子が生成されるレーザー照射