JP2019211239A - レーザー距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。【解決手段】変調レーザー光生成手段と、出力光を分岐する光分岐器と、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、分岐された他方の光を参照光とし、測定光と参照光との変調成分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、変調レーザー光生成手段は、駆動電流値により発光周波数が変動する２つの半導体レーザーと、半導体レーザーを互いに異なる駆動電流値で駆動する駆動手段と、半導体レーザーの出力光を結合し、発光周波数の差に応じた周波数のビート信号が重畳された光を、変調されたレーザー光として出力する光結合器と、を有し、駆動手段は、ビート信号の周波数を出力する基準発振子と、この基準発振子の出力と測定光または参照光に含まれる変調成分との位相差に基づいて、２つの半導体レーザーの駆動電流を調整する手段と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー距離計測装置に関する。

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（アナログ・ディジタル）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コンバーター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コンバーター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を提供することを目的とする。

本発明のレーザー距離計測装置は、変調されたレーザー光を生成する変調レーザー光生成手段と、変調レーザー光生成手段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、光分岐器により分岐された他方の光を参照光とし、測定光と参照光との変調成分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、変調レーザー光生成手段は、注入される駆動電流値により発光周波数が変動する２つの半導体レーザーと、この２つの半導体レーザーを互いに異なる駆動電流値で駆動する駆動手段と、２つの半導体レーザーの出力光を結合し、それらの出力光の発光周波数の差に応じた周波数のビート信号が重畳された光を、変調されたレーザー光として出力する光結合器と、を有し、駆動手段は、ビート信号の周波数として想定される周波数と同じ周波数を出力する基準発振子と、この基準発振子の出力と測定光または参照光に含まれる変調成分との位相差に基づいて、２つの半導体レーザーの駆動電流を調整する手段と、を有する、ことを特徴とする。

駆動手段は、２つの半導体レーザーを共通のパルス信号により駆動する構成であり、測定回路は、測定光と参照光とのパルスの時間差または位相差から、測定対象物までのおおよその距離を求める回路を有する構成とすることができる。

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、変調されたレーザー光を生成する変調レーザー光生成手段として、駆動回路１１、１２、半導体レーザー１３、１４および光結合器１５、基準発振子１６、位相周波数比較器１７、ループフィルター１８を備える。また、このレーザー距離計測装置は、変調レーザー光生成手段の出力光を分岐する光分岐器２１を備え、この光分岐器２１により分岐された一方の光を、光サーキュレーター２２および光学走査装置２３を経由して測定対象物２４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２３および光サーキュレーター２２により、測定光として抽出される。光分岐器２１により分岐された他方の光は、参照光となる。光結合器１５、光分岐器２１としては、例えば光ファイバーカッ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成分の位相差から測定対象物２４までの距離を求める測定回路として、光検出器３１、３２、増幅器３３、３４、Ａ／Ｄコンバーター３５、３６および制御演算回路２０を備える。光検出器３１、３２は、例えばアバランシェフォトダイオードであり、それぞれ、参照光および測定光を検出する。光検出器３１、３２の検出出力は、Ａ／Ｄコンバーター３５、３６によりディジタル信号に変換され、制御演算回路３７で処理される。制御演算回路３７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３４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３７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。

半導体レーザー１３、１４は、例えば分布帰還型半導体レーザー（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）であり、それぞれ、注入される駆動電流値により発光周波数が変動する。この２つの半導体レーザー１３、１４を互いに異なる駆動電流値で駆動し、それらの出力光を光結合器１５により結合（合波）することで、それらの出力光の発光周波数の差に応じた周波数のビート信号が重畳された光、すなわちビート信号で変調されたレーザー光が得られる。

基準発振子１６、位相周波数比較器１７、およびループフィルター１８は、２つの半導体レーザー１３、１４を互いに異なる駆動電流値で駆動する手段を構成する。すなわち、基準発振子１６は、ビート信号の周波数として想定される周波数と同じ周波数を出力する。位相周波数比較器１７は、基準発振子１６の出力と測定光または参照光（図１に示す零では参照光）に含まれる変調成分との位相差を求める。この位相差出力を、ループフィルター１８を介して駆動回路１１、１２の一方に供給し、その出力利得を制御する。駆動回路１１、１２は、制御演算回路３７から供給される共通の駆動信号を増幅して、それぞれ半導体レーザー１３、１４に駆動電流を供給している。駆動回路１１、１２の一方の出力利得を制御することで、２つの半導体レーザー１３、１４の一方の駆動電流が調整される。

また、図１に示す実施形態では、制御演算回路３７は、駆動回路１１、１２を介して、２つの半導体レーザー１３、１４を共通のパルス信号により駆動する構成であり、測定回路の一部として、測定光と参照光とのパルスの時間差または位相差から、測定対象物２４までのおおよその距離を求めるＴＯＦ回路３８を有する。

本発明では、半導体レーザー、特に分布帰還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、２つの半導体レーザー１３、１４の駆動電流に僅か差異を生じさせ、それにより生じる発振周波数の差異を利用する。この動作の詳細について、以下に説明する。

２つの半導体レーザー１３、１４のそれぞれの駆動回路１１、１２に対して、制御演算回路３７から、共通のパルス出力指令（パルス信号）を出力する。駆動回路１１、１２は、このパルス出力指令を増幅し、半導体レーザー１３、１４をパルス駆動する。このとき、駆動回路１１、１２の一方（図１の例では駆動回路１２）には、ループフィルター１８の出力が補正値として供給され、この補正値に応じて、出力利得が制御される。この結果、半導体レーザー１３、１４のそれぞれの駆動電流値に僅かな差異が生じ、出力されるレーザー光の波長（周波数）も僅かな差異を生じる。２つの半導体レーザー１３、１４の出力を光結合器１５で合成する。

光結合器１５で合成した光を、再び光分岐器２１で２つに分岐し、その一方を、そのまま光検出器３１に入力する。このとき、光結合器１５で合成された２つのレーザー光の波長差に応じた周波数のビート信号が、光検出器３１から出力されることになる。光検出器３１から出力されたビート信号は、増幅器３３を経て３つに分岐され、その１つはＡ／Ｄコンバーター３５を経て制御演算回路３７に入力される。制御演算回路３７は、Ａ／Ｄコンバーター３５の出力するディジタル信号を高速フーリエ変換し、所定のビート信号の周波数の位相を求める。

ただし、このままでは、ビート信号が特定の単一周波数に定まらず、測定に必要となる十分な信号対雑音比を確保することはできない。そこで、光検出器３１から出力されたビート信号（増幅器３３を経て３つに分岐されたビート信号のひとつ）と、想定する変調周波数と同じ周波数を出力する基準発振子１６の出力信号との位相差を、位相周波数比較器１７を用いて差分出力し、ループフィルター１８を介して、駆動回路１２の出力利得にフィードバックする。その結果、半導体レーザー１３、１４から光結合器１５を介して出力される２波長混合レーザー光の波長差が安定し、２波長間に生じる周波数差も一定になり、光検出器３１から出力されるビート信号が特定単一周波数になることで、ビート信号に高い信号対雑音比を得ることができる。

光分岐器２１で分岐したもう一方の２波長混合レーザー光は、光サーキュレーター２２および光学走査装置２３を経由して、測定対象物２４に照射される。このレーザー光にも、その周波数差により、従来の強度変調では実現することが困難な高い変調が加えられていることになる。発明者らは、現在、２ＧＨｚ程度の変調周波数を想定しているが、これを従来の強度変調で実現できるレーザーダイオードは、現時点では存在しない。

測定対象物２４に照射されたレーザー光は、拡散反射し、その一部が光学走査装置２３および光サーキュレーター２２を通じて、光検出器３２で受光される。このとき、光検出器３２からは、上述した２波長混合レーザー光の波長差に応じた周波数のビート信号が出力される。光検出器３２から出力された電気信号は、増幅器３４を経て２つに分岐され、その１つはＡ／Ｄコンバーター３６にてディジタル信号に変換され、制御演算回路３７に入力される。制御演算回路３７は、Ａ／Ｄコンバーター３６からのディジタル信号を高速フーリエ変換し、ビート信号の周波数の位相を求める。制御演算回路３７はさらに、Ａ／Ｄコンバーター３５の出力の高速フーリエ変換から求めた特定ビート周波数の位相（すなわち参照光の位相）と、Ａ／Ｄコンバーター３６の出力の高速フーリエから求めた（同じく）特定ビート周波数の位相（すなわち測定光の位相）とから、その位相差情報を求め、測定対象物２４までの距離を求めることができる。

増幅器３３の出力を３分岐された３番目の信号、および増幅器３４の出力を分岐したもう１つの信号は、ＴＯＦ回路３８に入力される。本発明では、高精度の測定を念頭に、高いビート信号の発生を想定している。例えばビート信号の周波数が１ＧＨｚであるとすると、その波長は３０ｃｍにすぎない。この場合、位相差から求められる距離は、１５ｃｍの範囲に限られてしまう。そこで、それ以上の距離を計測するために、ＴＯＦ方式による測定を組み合わせる。ＴＯＦ方式で±５ｃｍ程度の精度が出せれば、ビート信号を利用した位相差方式を組み合わせることで、長距離の測定と高精度の測定とを両立することが可能になる。

以上の説明では、参照光の受光出力を増幅して位相周波数比較器１７に入力する構成とした。ビート信号の強度からはこの構成が望ましいが、増幅前の信号、あるいは測定光の受光出力またはそれを増幅した信号を位相周波数比較器１７に入力する構成とすることもできる。

１１、１２ 駆動回路
１３、１４ 半導体レーザー
１５ 光結合器
１６ 基準発振子
１７ 位相周波数比較器
１８ ループフィルター
２１ 光分岐器
２２ 光サーキュレーター
２３ 光学走査装置
３１、３２ 光検出器
３３、３４ 増幅器
３５、３６ Ａ／Ｄコンバーター
３７ 制御演算回路
３８ ＴＯＦ回路

Claims (2)

1. 変調されたレーザー光を生成する変調レーザー光生成手段と、
   前記変調レーザー光生成手段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、前記光分岐器により分岐された他方の光を参照光とし、前記測定光と前記参照光との変調成分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、
   前記変調レーザー光生成手段は、
   注入される駆動電流値により発光周波数が変動する２つの半導体レーザーと、
   この２つの半導体レーザーを互いに異なる駆動電流値で駆動する駆動手段と、
   前記２つの半導体レーザーの出力光を結合し、それらの出力光の発光周波数の差に応じた周波数のビート信号が重畳された光を、前記変調されたレーザー光として出力する光結合器と、
   を有し、
   前記駆動手段は、
   前記ビート信号の周波数として想定される周波数と同じ周波数を出力する基準発振子と、
   この基準発振子の出力と前記測定光または前記参照光に含まれる変調成分との位相差に基づいて、前記２つの半導体レーザーの駆動電流を調整する手段と、
   を有する、
   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、
   前記駆動手段は、前記２つの半導体レーザーを共通のパルス信号により駆動する構成であり、
   前記測定回路は、前記測定光と前記参照光とのパルスの時間差または位相差から、前記測定対象物までのおおよその距離を求める回路を有する、
   ことを特徴とするレーザー距離計測装置。

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