JP2019211238A - レーザー距離計測装置および光変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価でシンプルでありながらレーザー光に高度な変調を加えることを可能とし、低コストと高精度とを両立させたレーザー距離計測装置、およびレーザー光源の駆動方法を提供する。【解決手段】レーザー光源と、このレーザー光源の出力光を強度変調する変調手段と、変調手段により変調信号が重畳されたレーザー光源の出力光を分岐する光分岐器と、光分岐器により分岐された一方の光を測定対象物に照射して得られる反射光を測定光とし、光分岐器により分岐された他方の光を参照光として、それらの光に重畳された変調信号の位相差から測定対象物までの距離を求める測定回路とを備え、半導体レーザーの発光周波数が２つの周波数間で周期的に切り替わるような駆動信号を供給する駆動制御回路と、半導体レーザーの出力光を分岐し、一方を半導体レーザーの発光周波数の切り替わり周期の半周期分だけ遅延させて他方と合波する光分合波手段とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー距離計測装置および光変調方法に関する。

測定対象物にレーザー光を照射し、その反射光を受光して距離を測定するレーザー距離計測技術は、様々な分野で活用されている。特に、ファクトリーオートメーション（ＦＡ）の分野では従来から広く利用されており、さらに、最近では自動車の衝突安全回避用のレーザーレーダーが実用化され、さらなる需要の拡大が期待されている。

また、建設市場においても、ＩＣＴ施工（情報化施工）の普及が促進され、工事現場の施工前、施工後の三次元データの計測が必要になり、建設用途向け三次元レーザースキャナーの需要が伸びている。三次元レーザースキャナーはまた、土木建築・建設分野に限らずその活用は多岐にわたり、工場やプラント、文化財調査保存、製品検査、リバースエンジニアリング、犯罪・事故現場捜査解析、森林調査、農業、バーチャルリアリティ等、様々な分野で利用されている。

レーザー距離計測技術のうち特に中長距離の距離計測には、大きく分類して２つの測距方式が用いられる。１つはＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式であり、測定対象物に対してレーザーパルスを照射し、そのパルスが戻ってくるまでの時間を測ることで、距離を算出する方式である。もう１つは、位相差方式であり、変調（一般的には振幅変調）をかけたレーザー光の送信光と受信光の位相差から、対象までの距離を算出する方式である。

ＴＯＦ方式と比較して、位相差方式のほうが、精度の面で優れていると言われている。しかし、単パルスで距離を求めることのできるＴＯＦ方式に対して、位相差方式では、レーザー照射時間を必要とする。このため、位相差方式では、長距離計測において高いパワーのレーザー出力を必要とする場合、精度と安全規格の両方を満たすことが難しくなる。ただし、現時点においては、光の到達時間を高精度で直接測定することが困難なため、高精度の測距においては、位相差法式が多く用いられている。

位相差方式も、大別すると２つの方式がある。１つはレーザー強度変調方式であり、もう１つはレーザー波長変調方式である。なかでもレーザー波長変調方式は、工業用途などでサブミクロンという非常に高い精度を実現している。しかし、強度変調と比較して高コストで、かつ、大型の装置になってしまう。

高精度を実現するうえでは、測距方式以外にも様々なパラメータが存在する。例えば、回路のＳ／Ｎ、照射光強度、戻り光強度とそれを実現するための光学系、照射レーザーのスポット系などである。そして、位相差方式においては、より高い周波数で変調をかけることと、より高いサンプリングレートのＡ／Ｄコンバーターを用いることが、高精度化を実現するうえの大きなパラメータになる。このように、より高サンプリングレートのＡ／Ｄを使用することは高精度化への近道であるが、その後処理も含めて、高コスト化の要因になる。しかしながら、多くのレーザー距離計測装置においては、ダウンコンバージョン（低い周波数への周波数変換）という手法が用いられ、比較的安価なＡ／Ｄで高精度化の実現を可能としている。

照射するレーザー光に対してより高い周波数の変調をかけることは、位相差方式における高精度化において、非常に重要な要素になる。しかしながら、強度変調を用いる位相差方式において、現在流通する比較的安価な半導体レーザー、およびそれを駆動するためのドライバ回路を構成する半導体部品を用いた場合、せいぜい１００ＭＨｚ台の変調が限界になっており、それであっても数百万円の製品価格になってしまう。そのため、低コストでありながら高変調を実現することは、レーザー距離計測技術において、高い優位性を獲得することを意味する。

本発明は、安価でシンプルでありながらレーザー光に高度な変調を加えることを可能とし、低コストと高精度とを両立させたレーザー距離計測装置、およびレーザー光に高度な変調を加えることの可能なレーザー光源の駆動方法を提供することを目的とする。

本発明の第一の側面によると、レーザー光源と、このレーザー光源の出力光を強度変調する変調手段と、変調手段により変調信号が重畳されたレーザー光源の出力光を分岐する光分岐器と、光分岐器により分岐された一方の光を測定対象物に照射して得られる反射光を測定光とし、光分岐器により分岐された他方の光を参照光として、それらの光に重畳された変調信号の位相差から測定対象物までの距離を求める測定回路とを備えるレーザー距離計測装置が提供される。レーザー光源は、注入される駆動電流値により発光周波数が変動する半導体レーザーであり、変調手段は、半導体レーザーの発光周波数が２つの周波数間で周期的に切り替わるような駆動信号を供給する駆動制御回路と、半導体レーザーの出力光を分岐し、一方を半導体レーザーの発光周波数の切り替わり周期の半周期分だけ遅延させて他方と合波する光分合波手段とを含む。

本発明の第二の側面によると、レーザー光源の出力光を強度変調する光変調方法が提供される。この方法では、レーザー光源は、注入される駆動電流値により発光周波数が変動する半導体レーザーであり、この半導体レーザーに、発光周波数が２つの周波数間で周期的に切り替わるような駆動信号を供給し、半導体レーザーの出力光を、２つに分岐し、一方を半導体レーザーの発光周波数の切り替わり周期の半周期分だけ遅延させて他方と合波する。

いずれの側面においても、駆動信号として、半導体レーザーを矩形波信号により駆動したときのチャープ波形の逆数となる波形の信号を用いることが望ましい。

図１は、本発明の一実施形態のレーザー距離計測装置を示すブロック構成図である。 図２は、半導体レーザーの発振周波数の望ましいチャープ波形を示す。 図３は、半導体レーザーを２レベルの矩形波信号で駆動した場合の発光周波数の変化を示す。 図４は、半導体レーザーの駆動波形の望ましい一例を示す。

図１は、本発明の一実施形態のレーザー距離計測装置を示すブロック構成図である。

このレーザー距離計測装置は、レーザー光源として半導体レーザー１を備え、この半導体レーザー１の出力光を強度変調する変調手段の一部として、光分岐器２、光ファイバー遅延線３、および光合分波器４を備える。光合分波器４は、変調信号が重畳されたレーザー光源の出力光を分岐する光分岐器を兼ねる。光合分波器４により分岐された一方の光は、光サーキュレーター５および光学走査装置６を経由して測定対象物７に照射され、その拡散反射光の一部が戻り光となって、光学走査装置６および光サーキュレーター５により、測定光として抽出される。光合分波器４により分岐された他方の光は、参照光となる。光分岐器２、光合分波器４としては、例えば光ファイバーカプラーが用いられる。

このレーザー距離計測装置はまた、参照光と測定光に重畳された変調信号の位相差から測定対象物７までの距離を求める測定回路として、光検出器１１、１２、増幅器１３、１４、ミキサー１５、１６、ローカル発振器１７、Ａ／Ｄコンバーター１８、１９および制御演算回路２０を備える。光検出器１１、１２としては、例えばアバランシェフォトダイオードが用いられ、それぞれ、参照光および測定光を検出する。光検出器１１、１２の検出出力は、ミキサー１５、１６によりローカル発振器１７からの信号が乗算され、マイクロ波帯の周波数から無線周波数（ＲＦ）に周波数変換される。周波数変換された信号は、それぞれＡ／Ｄコンバーター１８、１９によりディジタル信号に変換され、制御演算回路２０で処理される。制御演算回路２０は、２つの信号をＦＦＴ解析し、変調信号の位相差を計算して、測定対象物７までの距離を求める。例えば三次元レーザースキャナーとして用いる場合、制御演算回路２０としては、フィールドプログラマブルゲートアレイが用いられる。

制御演算回路２０はまた、半導体レーザー１の駆動波形を制御する駆動制御回路としても動作し、増幅器２１を介して、半導体レーザー１に駆動信号を供給する。ここで、半導体レーザー１は、注入される駆動電流の値により発光周波数が変動する特性をもつものとする。この半導体レーザー１に対し、制御演算回路２０は、変調手段の一部として、半導体レーザー１の発光周波数が２つの周波数間で周期的に切り替わるような駆動信号を供給する。半導体レーザー１の出力光を光分岐器２により分岐し、一方を半導体レーザー１の発光周波数の切り替わり周期の半周期分だけ光ファイバー遅延線３により遅延させて、光合分波器４により他方と合波する。

ここで、本発明の実施形態について説明する前に、その技術背景について説明する。

レーザー光にマイクロ波の周波数で変調をかける方法として、ビート信号を利用することが考えられる。すなわち、異なる光周波ｆ０，ｆ０＋δｆ０の２本のレーザー光を合波することで、周波数δｆ０のビート信号が重畳されたレーザー光を得ることができる。このビート信号が重畳されたレーザー光を２分岐し、一方は参照信号とし、他方を測定対象物に照射する。測定対象物で反射されて戻って来た光のビート信号の位相を、参照信号のビート信号の位相と比較することで、その位相差から測定対象物との距離を求めることができる。

異なる光周波ｆ０，ｆ０＋δｆ０の２本のレーザー光を得る１つの方法として、１つの半導体レーザーからの出力光に含まれる異なる周波数の光を抽出する方法が考えられる。一般に、半導体レーザーの線幅は、数ＭＨｚである。例えば、半導体レーザーの出力光から周波数が３ＭＨｚ異なる２本のレーザー光を取り出し、それらを合波すると、周波数３ＭＨｚのマイクロ波が重畳されたレーザー光が得られる。このマイクロ波の波長は、１００ｍである。レーザー光のコヒーレンス長を考慮すると、計測レンジは１００ｍ程度となる。位相検波の精度が１０^-６であれば、計測レンジ１００ｍ、計測精度０．１ｍｍの実現は可能である。ただ、そのような位相検波精度は、現実には難しい。

計測レンジ１００ｍ、計測精度０．１ｍｍの実現するために必要なマイクロ波の波長（周波数）の目安は、光フィルタおよびＲＦフィルタの線幅の精度に対する影響は無視して、
・位相検波の精度が１／１０λの場合
波長１ｍｍ：周波数３００ＧＨｚ
波長１０ｍｍ：周波数３０ＧＨｚ
波長１００ｍｍ：周波数３ＧＨｚ
波長１ｍ：周波数３００ＭＨｚ
波長１０ｍ：周波数３０ＭＨｚ
波長１００ｍ：周波数３ＭＨｚ
・位相検波の精度が１／１００λの場合
波長１０ｍｍ：周波数３０ＧＨｚ
波長１ｍ：周波数３００ＭＨｚ
波長１００ｍ：周波数３ＭＨｚ
・位相検波の精度が１／１０００λの場合
波長１００ｍｍ：周波数３ＧＨｚ
波長１ｍ：周波数３００ＭＨｚ
波長１００ｍ：周波数３ＭＨｚ
である。したがって、実用的な精度を得るには、半導体レーザーのスペクトルを少なくとも３ＧＨｚの帯域に広漠化する必要がある。これはそれほど容易なことではない。

異なる光周波ｆ０，ｆ０＋δｆ０の２本のレーザー光を得る別の方法として、半導体レーザーの発光波長の揺らぎを利用する方法が考えられる。半導体レーザーは、各瞬間には単一の周波数で発振しているが、時間的には、周波数が揺らぐことが知られている。そこで、１つの半導体レーザーの出力を２分岐し、一方に遅延を与えて再び合波することで、周波数揺らぎの範囲内でビートが生じる。揺らぎがランダムなものであれば、ビート周波数はランダムになってしまう。しかし、これを何らかの形で制御し、ｆ１，ｆ２，ｆ１，ｆ２と交互に変化するように制御できれば、ｆ２とｆ１の差分のビート信号を得ることができる。

このような背景において、本発明では、半導体レーザー、特に分布帰還（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）型半導体レーザーの発光波長が、駆動電流により変化することを利用する。

例えば、分布帰還型半導体レーザーに駆動信号として矩形波を印加した場合、矩形波の電圧あるいは電流レベルの高低がレーザー光の強弱の高低として変調される際に、高と低とでレーザー光の周波数が変化する。これは光通信の世界では以前より知られていたが、ノイズのような不安定要素として捉えられており、抑制なり除去なりの対象であると理解されていた。本発明は、この揺らぎを積極的に利用して、高精度かつ長距離でのレーザー測距を実現しようとするものである。

すなわち、図１に示す実施形態において、制御演算回路２０は、半導体レーザー１の発光周波数が２つの周波数間で周期的に切り替わるような駆動信号を、増幅器２１を介して半導体レーザー１に供給する。このときに得られる半導体レーザー１の出力光を光分岐器２、光ファイバー遅延線３および光合分波器４に通すことで、２つの周波数の差に相当するビート信号が発生し、ビート信号で変調された光ビームが得られる。

図２は、望ましい半導体レーザーの発振周波数のチャープ波形、すなわち時間変化に対する発光周波数変化の波形を示す。距離計測精度を向上させるためには、ビート信号の線幅をより細くすることが望ましく、そのためには、チャープ波形が、周波数がｆ１，ｆ２，ｆ１，ｆ２と交互に変化するような矩形波となることが望ましい。

一方、本発明者らの実験によると、半導体レーザー１を２レベルの矩形波信号で駆動した場合、図３に示すように、周波数の変化に遅れ（チャープ）が生じることがわかった。そこで、駆動信号としては、図４に示すように、半導体レーザー１を矩形波信号により駆動したときのチャープ波形の逆数となる波形の信号を用いることが望ましい。実験的にも、駆動信号としてこのような波形を用いたところ、チャープ波形を矩形波とすること、すなわち半導体レーザーの発光周波数を精度よく２段階に切り替えることができた。

１ 半導体レーザー
２ 光分岐器
３ 光ファイバー遅延線
４ 光合分波器
５ 光サーキュレーター
６ 光学走査装置
１１、１２ 光検出器
１３、１４、２１ 増幅器
１５、１６ ミキサー
１７ ローカル発振器
１８、１９ Ａ／Ｄコンバーター
２０ 制御演算回路

Claims (4)

1. レーザー光源と、
   このレーザー光源の出力光を強度変調する変調手段と、
   前記変調手段により変調信号が重畳された前記レーザー光源の出力光を分岐する光分岐器と、
   前記光分岐器により分岐された一方の光を測定対象物に照射して得られる反射光を測定光とし、前記光分岐器により分岐された他方の光を参照光として、それらの光に重畳された変調信号の位相差から前記測定対象物までの距離を求める測定回路と
   を備え、
   前記レーザー光源は、注入される駆動電流値により発光周波数が変動する半導体レーザーであり、
   前記変調手段は、
   前記半導体レーザーの発光周波数が２つの周波数間で周期的に切り替わるような駆動信号を供給する駆動制御回路と、
   前記半導体レーザーの出力光を分岐し、一方を前記半導体レーザーの発光周波数の切り替わり周期の半周期分だけ遅延させて他方と合波する光分合波手段と
   を含む
   ことを特徴とするレーザー距離計測装置。
2. 請求項１記載のレーザー距離計測装置において、
   前記駆動信号として、前記半導体レーザーを矩形波信号により駆動したときのチャープ波形の逆数となる波形の信号を用いる
   ことを特徴とするレーザー距離計測装置。
3. レーザー光源の出力光を強度変調する光変調方法において、
   前記レーザー光源は、注入される駆動電流値により発光周波数が変動する半導体レーザーであり、
   前記半導体レーザーに、発光周波数が２つの周波数間で周期的に切り替わるような駆動信号を供給し、
   前記半導体レーザーの出力光を、２つに分岐し、一方を前記半導体レーザーの発光周波数の切り替わり周期の半周期分だけ遅延させて他方と合波する
   ことを特徴とする光変調方法。
4. 請求項１記載の光変調方法において、
   前記駆動信号として、前記半導体レーザーを矩形波信号により駆動したときのチャープ波形の逆数となる波形の信号を用いる
   ことを特徴とする光変調方法。
   
   

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