JP2023025364A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い測定能力を持つ測定装置を提供する。【解決手段】周波数変調した光ビームを生成する光ビーム生成部と、前記光ビームを対象物に照射するとともに、対象物に反射された光を信号光として受光する光学装置と、前記光学装置を通過した前記信号光を受光するとともに、前記光学装置に反射された光を参照光として受光する受光部と、前記信号光と前記参照光との干渉波の周波数に基づき、前記対象物までの距離及び前記対象物の相対速度の少なくとも１つを求める演算部と、を備える測定装置を提供する。【選択図】図２

Description

本発明は、測定装置に関する。

光を測定することによって周囲の物体までの距離情報を取得するＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）などの測定装置が従来技術として知られている（例えば、特許文献１）。

特表２０２０－５０２５０３号公報

従来の測定装置では、光源の光と対象物に反射された光（信号光）との干渉波を検出することによって、測定装置に対する対象物の相対速度及び距離を測定する。

しかし測定の際、測定装置内部で反射された光がノイズとなって干渉波の検出を困難とし、測定装置の測定能力を低下させる虞があった。

本発明は、上記点に鑑み、高い測定能力を持つ測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、一つの態様として、周波数変調した光ビームを生成する光ビーム生成部と、前記光ビームを対象物に照射するとともに、対象物に反射された光を信号光として受光する光学装置と、前記光学装置を通過した前記信号光を受光するとともに、前記光学装置に反射された光を参照光として受光する受光部と、前記信号光と前記参照光との干渉波の周波数に基づき、前記対象物までの距離及び前記対象物の相対速度の少なくとも１つを求める演算部と、を備える測定装置を提示する。

本発明によれば、高い測定能力を持つ測定装置を提供することができる。

第１実施形態における測定装置の概略的な構成を説明する図である。 第１実施形態における測定装置のブロック図である。 第１実施形態における後方反射光の発生源を示すものであり、（ａ）投受光光学系の後端面から後方反射光を生成する場合と、（ｂ）スキャナから後方反射光を生成する場合を示す。 対象物までの距離と測定装置に対する対象物の相対速度とを求める仕組みを説明する図である。 第２実施形態における測定装置のブロック図である。 従来技術における測定装置を説明する図である。 従来技術の測定装置において、観測される２つの干渉波の周波数及び強度を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。尚、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。

＜第１実施形態＞
図１に、第１実施形態として示す測定装置１００の概略的な構成を示している。測定装置１００は、対象物５０に向けて光ビームを照射する装置であり、例えば、光探知機（ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）、光レーダ装置、光検出測距装置等とも称される。）の構成要素として用いられる。測定装置１００は、光学装置１０、周波数変調した光ビーム（以下、「周波数変調光」とも称する。）を生成する光ビーム生成装置１１を主に備える。以下の説明において、測定装置１００が対象物５０に向けて光ビームを照射する方向を前方、その反対を後方とする。

図２は、測定装置１００の一例を示すブロック図である。同図に示すように、測定装置１００は、光学装置１０、周波数変調した光ビーム（以下、「周波数変調光」とも称する。）を生成する光ビーム生成装置１１、サーキュレータ１４、光ファイバ１１１、１１２、１１３、光電変換器１１６、増幅器１１７、及び演算装置１５を備える。光学装置１０は、スキャナ１２及び投受光光学系１３を備える。尚、以上の構成に加えて、測定装置１００には、更に各種の光路調節機構が設けられてもよい。

光ビーム生成装置１１は、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ（Ddistributed FeedBack））レーザ素子を電流制御することにより、近赤外線波長領域（λ＝780～2500nm）の光ビームを生成する。光ビーム生成装置１１は、信号発生装置１０１、電流源１０２、レーザ光源１０３、温度制御装置１０４を備える。

信号発生装置１０１は、波形発生器（ファンクションジェネレータ）であり、電流源１０２から出力される電流を制御するための電圧信号を生成する。本例では、信号発生装置１０１は、三角波の電圧信号を生成して電流源１０２に入力する。

電流源１０２は、レーザ光源１０３によって生成されるレーザ光の周波数を制御するための電流信号を生成する。電流源１０２は、上記電流信号として、信号発生装置１０１から入力される電圧信号に応じた波形の電流信号を生成する。本例では、電流源１０２は、三角波の電圧信号によって制御された三角波の電流信号を生成してレーザ光源１０３に入力する。

レーザ光源１０３は、電流により発振する周波数の制御（波長の制御）が可能なレーザ発振素子を用いて構成される。本例では、レーザ光源１０３は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子を用いて構成されるものとする。レーザ光源１０３は、電流源１０２から入力される電流信号に応じて周波数変調したレーザ光（光ビーム）を生成する。本例では、レーザ光源１０３は、三角波の電流信号により周波数変調（直接変調）したレーザ光を生成する。レーザ光源１０３は、例えば、193.4024～193.4266[THz]（λ＝1549.903～1550.097[nm]）の範囲で周波数変調したレーザ光（周波数変調光）を生成する。生成されたレーザ光は、に入射する。

温度制御装置１０４は、レーザ光源１０３を構成するレーザ発振素子を所定の温度に維持する。温度制御装置１０４は、例えば、温度センサや熱電冷却素子（ペルチェ素子）を用いて構成され、例えば、レーザ発振素子の温度に基づき熱電冷却素子をフィードバック制御することによりレーザ光源１０３を所定の温度に維持する。

スキャナ１２は、光ビームの照射される角度を変化させることにより、光ビームを走査させる機能を有する。走査方法は、フォトニック結晶、液晶などさまざまなものが採用され得る。例えば、スキャナ１２が、ガルバノスキャナやＭＥＭＳミラー等のように、回転または移動する鏡またはレンズを備え、光ビームを反射または屈折させて光ビームを走査させる構成とすることができる。あるいは、スキャナ１２がモータ等の駆動装置を備え、投受光光学系１３をＸＹ方向に移動させることによって光ビームを走査させてもよい。

投受光光学系１３は、コリメートレンズ等のレンズで構成され、光ファイバ１１２から出射した光の広がりを調整（走査光が平行状態になるように調整）する。投受光光学系１３によって調整された光ビームは、スキャナ１２に入射し、所定の走査パターンを持つ走査光として対象物５０に向けて照射される。

投受光光学系１３は、走査光が対象物５０に照射されることにより反射して戻ってくる光（以下、信号光と称する）を集光する機能も有する。投受光光学系１３は受光した信号光を光ファイバ１１２の端部（後述する端部１１２Ｅ）に集光する。集光された信号光は、光ファイバ１１２に入射し、サーキュレータ１４へ伝送される。

光ファイバ１１１、１１２、１１３は、いずれもサーキュレータ１４と接続される。光ファイバ１１１はレーザ光源１０３とサーキュレータ１４とを接続し、レーザ光源から光を伝送する。光ファイバ１１３は、サーキュレータ１４と光電変換器１１６とを接続し、サーキュレータ１４から光電変換器１１６へ光を伝送する。

光ファイバ１１２は、サーキュレータ１４から光ビームを伝送し、その端部１１２Ｅから投受光光学系１３へ光ビームを照射する機能を有する。加えて、光ファイバ１１２は、投受光光学系１３から集光された信号光と後方反射光とを端部１１２Ｅで受光し、受光した光をサーキュレータ１４へ伝送する機能も有する。

ここで後方反射光とは、レーザ光源１０３から出射した光ビームが測定装置１００内で反射されることによって生成された、走査光とは異なる光を指す。

後方反射光の発生源としては、投受光光学系１３の最後部に配置されたレンズの後端面（後端面１３Ｅとする）が挙げられる（図３（ａ））。光ファイバ１１２から出射した光の大部分は、上述の通り投受光光学系１３及びスキャナ１２を通過して対象物５０へ向けて照射される。同時に、光ファイバ１１２から出射した光の一部は、レンズの後端面１３Ｅに反射され光ファイバ１１２に入射する。

後方反射光の発生源としてスキャナ１２が用いられてもよい（図３（ｂ））。光ファイバ１１２から出射した光の一部はスキャナ１２に反射され、後方反射光として光ファイバ１１２に受光される。

後方反射光の強度、エネルギー量、または進行方向などは、端部１１２Ｅの形状や角度によって調整される。加えて、スキャナ１２や光学系を構成する各レンズの形状、光学膜などによっても、後方反射光の強度、エネルギー量、または進行方向を調整することができる。

後方反射光は、信号光と干渉して干渉波（以下、「光ビート信号」と称する。）を生じさせる参照光として機能する。光ビート信号を含んだ光は、光ファイバ１１２に伝送される。

サーキュレータ１４は、光ファイバ１１１によって伝送された光ビームを光ファイバ１１２へ伝送し、光ファイバ１１２によって伝送された光を、光ファイバ１１３を介して光電変換器１１６へ伝送する機能を有する。

光電変換器１１６は、光ファイバ１１３を介して入射する光を光電変換し、入射する光の強度に応じた電流信号（光電流）を生成する。光電変換器１１６は、例えば、光検出器（フォトダイオード、バランス型光検出器等）を用いて構成される。光電変換器１１６によって生成された電流信号は増幅器１１７に入力される。

増幅器１１７は、光電変換器１１６から入力される電流信号（光電流）を電圧信号に変換して演算装置１５に入力する。増幅器１１７は、例えば、トランスインピーダンス増幅器を用いて構成される。

演算装置１５は、例えば、プロセッサ（ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等）、記憶装置（主記憶装置、補助記憶装置）、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換ボード等）、通信装置（ネットワークカード等）等を備えた情報処理装置（コンピュータ）を用いて構成される。演算装置１５は、Ａ／Ｄ変換器により、増幅器１１７から入力される電圧信号をデジタル信号として取り込み、取り込んだデジタル信号についてフーリエ変換（ＦＦＴ）等の信号解析処理を行い、周波数変調された光信号の解析手法により、対象物５０までの距離や対象物５０との間の相対速度を求める。

より具体的には、演算装置１５は、時間分割された区間（以下、「単位時間区間」と称する。）毎の干渉波（光ビート信号）について、参照光に対する信号光の時間遅れを求め、求めた時間遅れに基づき、対象物５０までの距離と、測定装置１００に対する対象物５０の相対速度を求める。

ここで参照光の電界Ｅ_ｌ及び信号光の電界Ｅ_ｒは次式で表わすことができる。

ここでＡ_ｌは電界Ｅ_ｌの振幅、αは変調周期Ｔ_ｍに対する変調の変化率、τは反射光の参照光に対する時間遅れ、ω_０は中心角速度、φ_０は位相の調整値である。

式１及び式２から、参照光と信号光とが干渉することにより得られる干渉波の電界強度ｌは次式のようになる。

上式において、最終項の余弦の位相を表わす項のうち、時刻ｔに依存する項はατｔのみである。従って、光ビート信号の角速度（周波数）として観測されるのはατである。

図４は、対象物５０までの距離又は相対速度を求める原理を説明する図であり、周波数変調波（三角変調波）の時刻ｔと角速度ωとの関係、及び、時刻ｔと周波数ｆとの関係を示すグラフである。ここで対象物５０までの距離をＲとした場合、光速をｃとして、距離Ｒと時間遅れτとの間には次の関係がある。

前述のように、角速度（周波数）として観測されるのはατであるので、対象物５０との間に相対速度が無いとした場合、光ビート信号の信号解析処理により得られる２つの周波数を夫々、ｆ_１，ｆ_２とすれば、次式から距離に対応する周波数ｆ_Ｒを求めることができる。

ここで変調周期Ｔ_ｍに対する変調の変化率αとΔｆとの間には次の関係がある。

また、相対速度に対応する周波数ｆ_Ｄは、ドップラー効果の理論式に基づき次式で表わすことができる。

尚、νは対象物５０との間の相対速度、λ_０は周波数変調光の中心波長（中心周波数ｆ_０の逆数）である。

＜第２実施形態＞
第２実施形態による測定装置２００について図５を用いて説明する。第１実施形態における測定装置１００は、投光と受光とが同一の光学系（投受光光学系１３）によって行われていた。一方、第２実施形態における測定装置２００では、投受光光学系１３に代わり、光の照射を行う投光光学系１３１及び受光を行う受光光学系１３２の２つの光学系が備えられている。また、測定装置２００はサーキュレータ１４を備えていない。

投光光学系１３１及び受光光学系１３２は、スキャナ１２とともに光学装置２１０を構成する。投光光学系１３１はレーザ光源１０３と光ファイバ１１２によって接続される。また、受光光学系１３２は、光電変換器１１６と光ファイバ１１４によって接続される。測定装置２００におけるその他の構成については、測定装置１００と同様であるため、測定装置１００と同一の参照符号を付して説明を省略する。

投光光学系１３１は、コリメートレンズ等のレンズを用いて構成され、光ファイバ１１２から出射した光の広がりを調整（走査光が平行状態になるように調整）する。投光光学系１３１によって調整された光は、スキャナ１２に入射し、所定の走査パターンを持つ走査光として対象物５０に向けて照射される。

受光光学系１３２は、信号光を受光する機能を有する。投受光光学系１３は受光した信号光を光ファイバ１１４の端部に集光する。集光された信号光は、光ファイバ１１４に入射して、伝送される。

受光光学系１３２は、さらに後方反射光も受光する。後方反射光の発生源は、投光光学系１３１及びスキャナ１２のいずれかであり、特に、投光光学系１３１を構成するレンズの後端面で生成された後方反射光を用いることが好適である。受光光学系１３２が集光した後方反射光は、光ファイバ１１４によって受光される。このとき後方反射光は、信号光と干渉して干渉波（光ビート信号）を生じさせる参照光として機能する。光ビート信号を含んだ光は、光ファイバ１１４によって光電変換器１１６へ伝送される。

上述のように２つの光学系を備えた測定装置２００においても、測定装置１００と同様、後方反射光を参照光として用いて対象物５０までの距離及び相対速度を計測することができる。

＜従来技術との比較＞
上記実施形態による測定装置１００、２００の持つ技術的効果について、特許文献１などの従来技術による測定装置３００（図６）と比較することによって説明を行う。

測定装置３００は、レーザ光源が生成した周波数変調光を光分岐器によって分岐し、分岐した周波数変調光の一方を、光学系及びスキャナを介して対象物５０へ照射する。対象物５０に反射された光は光学系によって信号光として受光され、光カプラへ伝送される。

測定装置３００の光分岐器で分岐したもう一方の周波数変調光は、参照光として光カプラへと伝送される。光カプラにおいて干渉波（光ビート信号）が生成され、演算装置において解析される。なお、信号光と参照光の光路長を等しいものとするために光導波路が用いられる場合がある。

測定装置３００の光カプラでは、本来解析されるべき信号光と参照光との干渉波に加え、光学系などで発生した後方反射光と信号光との干渉波もノイズとして生成されてしまう。装置内で発生する後方反射光は、対象物５０に照射されて戻ってきた信号光よりも強いエネルギーを持つ光として受光される。そのため、図７に示すように、ノイズの大きさが、信号光と参照光による干渉波の大きさを上回ってしまう。これは、信号光と参照光による干渉波をノイズに埋没させ、解析されるべき干渉波の検出を困難なものとしてしまう。この課題は、単純に走査光のエネルギーを増大させることによっては解決しない。レーザ光源の出射エネルギーを増やすと、後方反射光のエネルギーも増大してしまうためである。

一方、測定装置１００、２００では、後方反射光自体を参照光とするため、従来のように干渉波が２つ観測されてしまう虞がない。そのため、干渉波の解析を確実に実行することが可能である。加えて、測定装置１００、２００では、光分岐器、光導波路、光カプラ、及び参照光を伝送するための光ファイバなど、従来必要であった素子、部品を省略し、簡素で小型化した装置構成とすることができる。

＜効果＞
測定装置１００、２００は、周波数変調した光ビームを生成する光ビーム生成装置１１（本発明の光ビーム生成部に相当する）と、光ビームを対象物５０に照射するとともに、対象物に反射された光を信号光として受光する光学装置１０、２１０を備える。また、光ファイバ１１２、１１４（受光部に相当する）は、光学装置１０、２１０を通過した信号光を受光するとともに、光学装置１０、２１０に反射された光を参照光として受光する。演算装置１５（演算部に相当）は、信号光と参照光との干渉波の周波数に基づき、対象物５０までの距離及び対象物５０の相対速度の少なくとも１つを求める。

上記構成によれば、後方反射光自体を参照光とするため、従来のように干渉波が２つ生成されてしまう虞がなく、干渉波の検出及び解析を確実に実行することが可能となる。測定装置１００、２００の測定能力を高いものとすることができる。また、測定装置１００、２００は、部品点数が少なく簡素な構成となる。

光ビームを対象物５０へ照射する投受光光学系１３または投光光学系１３１は、レンズで構成される。光ファイバ１１２、１１４は、それぞれ、投受光光学系１３の後端面１３Ｅ及び投光光学系１３１の後端面において反射された光を参照光として受光する。

上記構成では、後端面１３Ｅでの後方反射光を受光することにより、大きなエネルギーを持った光を参照光とする。干渉波自体も大きなものなるため、干渉波の検出が容易となる。

投受光光学系１３は、走査光を照射するだけでなく、信号光の受光も行い、光ファイバ１１２に信号光を集光する機能を有する。また、光ファイバ１１２は、光ビームを光学装置１０に向けて出射させる。

上記構成では、投光及び受光を１つの光学系で実行する。１光学系とした構成ででは、投受光の光学系を分けた場合と異なり、距離による視差が生じず、光ビームの屈折の影響も少ない。また、装置を小型化することができる。

測定装置１００において、サーキュレータ１４（誘導部に相当）は、光ビーム生成装置１１で生成された光ビームを光ファイバ１１２へ伝送し、信号光と参照光との干渉波を光ファイバ１１２から光電変換器１１６へ伝送する。

このような構成とすることにより、各装置への光ビームの伝送を簡易な構成によって実行することができる。特に、光ファイバ１１１、１１２、１１３を効率よく配置することができる。

測定装置１００、２００では、光ファイバ１１２、１１４に信号光を受光させることにより、簡易な構成とすることができる。

＜変形例＞
測定装置１００においては、光ファイバ１１２の端部１１２Ｅで発生した後方反射光が参照光として用いられてもよい。この場合、光ファイバ１１２の端部１１２Ｅは、光ビームを出射させる光学装置の一部として機能すると解釈される。同時に、光ファイバ１１２は受光部としても機能すると解釈される。

サーキュレータ１４の代わりとして、分岐器、結合器の組合せが用いられ、本発明における誘導部に相当する機構として機能してもよい。

光ファイバ１１２、１１４及び光電変換器１１６の代わりにフォトダイオードなどの受光素子が用いられ、信号光が受光される構成としてもよい。

１０ 光学装置、１１ 光ビーム生成装置、５０ 対象物、１００、２００ 測定装置、１０１ 信号発生装置、１０２ 電流源、１０３ レーザ光源、１０４ 温度制御装置、１１１、１１２、１１３、１１４ 光ファイバ、１１６ 光電変換器、１１７ 増幅器、１５ 演算装置

Claims (6)

1. 周波数変調した光ビームを生成する光ビーム生成部と、
   前記光ビームを対象物に照射するとともに、対象物に反射された光を信号光として受光する光学装置と、
   前記光学装置を通過した前記信号光を受光するとともに、前記光学装置に反射された光を参照光として受光する受光部と、
   前記信号光と前記参照光との干渉波の周波数に基づき、前記対象物までの距離及び前記対象物の相対速度の少なくとも１つを求める演算部と、
   を備える測定装置。
2. 前記光学装置は、前記光ビームを前記対象物に向けて照射する、レンズで構成された光学系を有し、
   前記受光部は、前記光学系の後端面に反射された光を前記参照光として受光する、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記光学系は、前記信号光を受光して前記受光部に集光する、請求項２に記載の測定装置。
4. 前記受光部は、前記光ビームを前記光学装置に向けて出射させる、請求項１から３のいずれか１項に記載の測定装置。
5. 前記演算部と接続され、光を電気信号に変える変換器と、
   前記光ビーム生成部、前記受光部、及び前記変換器のそれぞれに接続された誘導部と、をさらに備え、
   前記誘導部は、
   前記光ビーム生成部で生成された前記光ビームを前記受光部へ伝送し、
   前記受光部が受光した前記信号光と前記参照光とによって生成された前記干渉波を前記変換器へ伝送する、請求項４に記載の測定装置。
6. 前記受光部は光ファイバによって構成される、請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。

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