JP2023154587A - 光源装置及び測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の品質に影響を与えることなく十分な周波数シフトが得られる光源装置、及びこれを用いた測距装置を提供する。【解決手段】光源装置２１は、連続的な光を生成するレーザ光源２２と、レーザ光源２２からの光ビームＬａを再帰反射する再帰反射材２３と、レーザ光源２２からの光ビームＬａを再帰反射材２３に導光し、再帰反射材２３から再帰反射した光ビームＬａを外部に出力する光学系２４と、光学系２４に配置され、レーザ光源２２と再帰反射材２３との間の光路長を時間的に変化させ、ドップラ効果により光ビームＬａの波長を時間的に変化させる変調部２５と、を備える。【選択図】図５

Description

本開示は、光源装置及び測距装置に関する。

従来、光を利用した測距装置として、例えば特許文献１に記載の測距装置が挙げられる。この従来の測距装置は、複数の測距信号を用いて測距を行う装置であり、光搬送波に対して直交変調等を行うことで送信光を生成する。測距装置は、送信光が被測定物で反射した反射光を受信し、反射光に対して直交復調等を施すことで得た複数の信号に基づいて、対象物までの距離を算出する。

国際公開第２０１９／１１６９８０号

「KTN結晶を用いた２００ｋＨｚ高速波長掃引光源とＳＳ－ＯＣＴシステム」、小林潤也ほか著、NTT技術ジャーナル、２０１４年２月

光を用いた測距方式としては、例えば周波数連続変調（ＦＭＣＷ：Frequency Modulated Continuous Wave）方式が知られている。ＦＭＣＷ方式では、時間に対して周波数が線形にシフトするように変調した計測光を対象物に照射し、計測光と反射光との干渉光に基づく信号をフーリエ変換することで、対象物までの距離などを算出できる。

計測光の周波数を変調する方法としては、時間的に光の波長を変化させる波長掃引光源（例えば非特許文献１参照）を用いた方法や、位相変調器或いは強度変調器を用いて生成したサイドバンドの周波数を走査する方法などが挙げられる。しかしながら、ＦＭＣＷ方式では、計測光に対して極めて狭小な波長幅が要求され、また、計測距離の確保のために十分な強度も要求される。そのため、波長幅や強度波形といった光源の品質に影響を与えることなく十分な周波数シフトが得られる光源装置の開発が望まれている。

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、光源の品質に影響を与えることなく十分な周波数シフトが得られる光源装置、及びこれを用いた測距装置を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る光源装置は、連続的な光を生成する光源と、光源からの光を再帰反射する再帰反射材と、光源からの光を再帰反射材に導光し、再帰反射材から再帰反射した光を外部に出力する光学系と、光学系に配置され、光源と再帰反射材との間の光路長を時間的に変化させ、ドップラ効果により光の波長を時間的に変化させる変調部と、を備える。

この光源装置では、光源と再帰反射材との間の光路長を時間的に変化させることで、ドップラ効果により光の波長を時間的に変化させる。このような光の変調方式を採用することで、波長幅や強度波形といった光源の品質に影響を与えることなく、十分な周波数シフトを得ることができる。

変調部は、再帰反射材への光の照射位置を時間的に変化させる走査部によって構成されていてもよい。この場合、簡単な構成で光源と再帰反射材との間の光路長を時間的に変化させることができる。また、走査部による走査速度の調整により、周波数シフトの線形性を容易に確保できる。

変調部は、再帰反射材を回転させることで再帰反射材への光の照射位置を時間的に変化させる回転体によって構成されていてもよい。この場合、簡単な構成で光源と再帰反射材との間の光路長を時間的に変化させることができる。また、回転体による回転速度の調整により、周波数シフトの線形性を容易に確保できる。

回転体は、外面及び内面を有し、再帰反射材は、回転体の外面に設けられていてもよい。この場合、簡単な構成で光源と再帰反射材との間の光路長を時間的に変化させることができる。また、回転体の外面の形状の調整により、再帰反射材の面形状を容易に調整することができる。

回転体は、外面及び内面を有し、再帰反射材は、回転体の内面に設けられていてもよい。この場合、簡単な構成で光源と再帰反射材との間の光路長を時間的に変化させることができる。また、回転体の外面の形状の調整により、再帰反射材の面形状を容易に調整することができる。

回転体における再帰反射材の配置面は、回転体の回転によって光の波長が時間的に線形に変化するような曲面形状を有していてもよい。この場合、回転体の回転速度を一定としつつ、周波数シフトの線形性を容易に確保できる。

本開示の一側面に係る測距装置は、上記光源装置と、光源装置から出力する光を計測光と参照光とに分割する分割部と、計測光を対象物に向けて照射する照射部と、計測光が対象物で反射した反射光と参照光との干渉光を検出する検出部と、検出部からの出力信号に基づいて対象物までの距離を算出する算出部と、を備える。

この測距装置では、光の変調方式を採用することで、波長幅や強度波形といった光源の品質に影響を与えることなく、計測光において十分な周波数シフトを得ることができる。したがって、対象物の位置を高い分解能で算出できる。

本開示によれば、光源の品質に影響を与えることなく十分な周波数シフトが得られる。

本開示の一実施形態に係る測距装置の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、信号生成部で生成される信号の波形の一例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す信号によって変調された光の波形を示す図である。 反射光と参照光との干渉光の波形の一例を示す図である。 差分周波数と干渉光の強度と関係を示す図である。 光源装置の構成を示すブロック図である。 再帰反射材の構成を示す模式図である。 変形例に係る変調部を示す概略図である。 ポリゴンミラーの外面の曲面形状の一例を示す図である。 図７の要部拡大図である。 ポリゴンミラーの外面の曲面形状の別例を示す要部拡大図である。 ポリゴンミラーの外面の曲面形状の更なる別例を示す要部拡大図である。 （ａ）は、別の変形例に係る変調を示す概略的な斜視図であり、（ｂ）は、その正面図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る光源装置及び測距装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、 本開示の一実施形態に係る測距装置の構成を示すブロック図である。図１に示す測距装置１は、周波数連続変調（ＦＭＣＷ：Frequency Modulated Continuous Wave）方式に基づき、対象物Ｋまでの距離を計測する装置として構成されている。測距装置１は、時間に対して周波数が線形にシフトするように変調した計測光Ｌ１を対象物Ｋに照射し、参照光Ｌ２と反射光Ｌ３との干渉光Ｌ４に基づく信号をフーリエ変換することで、対象物Ｋまでの距離を算出する。

測距装置１は、図１に示すように、信号生成部２と、光源部３と、カプラ（分割部）５と、コリメータ（照射部）６と、検出部７と、算出部８と、を含んで構成されている。光源部３から検出部７に至る光学的な構成要素は、例えば光ファイバによって光学的に接続されている。

信号生成部２は、計測光Ｌ１の変調に用いる信号を生成する部分である。信号生成部２は、信号生成部２は、例えばアナログ波形成形器によって構成されている。信号生成部２で生成された信号Ｓは、光源部３に入力される。光源部３は、本開示の一実施形態に係る光源装置２１によって構成されている。光源装置２１の詳細は、後述する。光源部３は、信号生成部２によって生成された信号Ｓに基づく変調によって時間的に波長が変調された光ビームＬ０を生成する。光源部３で生成された光ビームＬ０は、カプラ５に入力される。

図２（ａ）は、信号生成部で生成される信号の波形の一例を示す図であり、図２（ｂ）は、（ａ）に示す信号によって変調された光の波形を示す図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態では、信号生成部２において、比例定数が正である放物線を連続させた時間波形を有する信号Ｓを生成する。これにより、図２（ｂ）に示すように、光源部３から出力される光ビームＬ０の変調波形Ｗ１は、三角形状の時間波形となる。より詳細には、光ビームＬ０の変調波形Ｗ１は鋸波状となり、各周期において、時間と共に周波数がリニアに増加する部分と、周波数が瞬時に減少する部分とが形成される。

カプラ５は、光源部３から出力する光ビームＬ０を計測光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する部分である。計測光Ｌ１及び参照光Ｌ２は、いずれも図２（ｂ）に示した鋸波状の時間波形を有している。カプラ５から出力した計測光Ｌ１は、３ポート型のサーキュレータ１６の入力ポートに入力される。

計測光Ｌ１は、サーキュレータ１６の入出力ポートから出力し、コリメータ６を介して測距装置１の外部の対象物Ｋに照射される。計測光Ｌ１が対象物Ｋで反射した反射光Ｌ３は、測距装置１に戻り、サーキュレータ１６の入出力ポートから出力ポートを通ってカプラ５よりも後段のカプラ１７に入力される。カプラ５から出力した参照光Ｌ２は、後段のカプラ１７に直接入力される。後段のカプラ１７では、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉によって干渉光Ｌ４が生成される。干渉光Ｌ４は、検出部７に入力される。

検出部７は、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する部分である。検出部７は、例えばバランス検出器によって構成されている。バランス検出器は、２つの光入力を受信し、これらの光電流の差を検出する検出器である。検出部７は、検出結果を示す出力信号Ｒを算出部８に出力する。

算出部８は、検出部７からの出力信号に基づいて対象物Ｋまでの距離を算出する。算出部８は、物理的には、例えばプロセッサ、メモリ等を含むコンピュータシステムによって構成されている。コンピュータシステムとしては、例えばパーソナルコンピュータ、マイクロコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。算出部８は、ＰＬＤ（programmable logic device）によって構成されていてもよく、ＦＰＧＡ（Field-programmable gate array）等の集積回路によって構成されていてもよい。

図３は、反射光と参照光との干渉光の波形の一例を示す図である。同図に示す干渉光Ｌ４の時間波形Ｗ２において、反射光Ｌ３は、計測光Ｌ１が対象物Ｋで反射して戻った光であるため、対象物Ｋまでの距離に応じて参照光Ｌ２に対して時間的に遅延する。参照光Ｌ２に対して反射光Ｌ３が遅延することで、参照光Ｌ２と反射光Ｌ３との間には、周波数差が生じることとなる。

算出部８は、参照光Ｌ２に対する反射光Ｌ３の第１の差分周波数Δｆ１と、反射光Ｌ３に対する参照光Ｌ２の第２の差分周波数Δｆ２とを算出する。算出部８は、第１の差分周波数Δｆ１及び第１の差分周波数Δｆ１に対する干渉光Ｌ４の第１の強度Ｐ１と、第２の差分周波数Δｆ２及び第２の差分周波数Δｆ２に対する干渉光Ｌ４の第２の強度Ｐ２とに基づいて対象物Ｋまでの距離を算出する。第１の差分周波数Δｆ１と第１の強度Ｐ１との関係、及び第２の差分周波数Δｆ２と第２の強度Ｐ２との関係は、図４に示すように、干渉光Ｌ４の出力信号Ｒのフーリエ変換によって求めることができる。

計測光Ｌ１及び参照光Ｌ２のチャープ幅をＢ、繰り返し周波数をＦとすると、計測光Ｌ１及び参照光Ｌ２のチャープ速度は、Ｂ×Ｆで表される。対象物Ｋまでの距離をＸとすると、Ｘは、下記式（１）により算出できる。式（１）中、ｃは光速である。
Ｘ＝（ｃ／（２Ｆ））×｛（Ｐ１×Δｆ１＋Ｐ２×Δｆ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）｝／Ｂ …（１）

続いて、上述した光源装置２１について詳細に説明する。

図５は、光源装置の構成を示すブロック図である。同図に示すように、光源装置２１は、レーザ光源（光源）２２と、再帰反射材２３と、光学系２４と、変調部２５とを備えている。レーザ光源２２としては、例えばレーザダイオード（ＬＤ）等の安定的な光源が用いられる。レーザ光源２２は、ＣＷ（Continuous wave）光のような連続的な光ビームＬａを生成して出力する。

再帰反射材２３は、レーザ光源２２からの光ビームＬａを再帰反射する部材である。再帰反射材２３は、図６に示すように、入射した光ビームＬａを入射方向に反射する。再帰反射材２３は、微小なコーナキューブが形成された反射面、或いはマイクロビーズ等によって構成されている。図６の例では、再帰反射材２３の反射面２３ａには、断面三角形状の溝部２３ｂが形成されている。溝部２３ｂ，２３ｂ間の頂部２３ｃの角度θは、後述の走査部に２７による光ビームＬａの走査方向が一軸である場合には、９０°とすることができる。

光学系２４は、レーザ光源２２からの光ビームＬａを再帰反射材２３に導光し、再帰反射材２３から再帰反射した光を外部に出力する導光系である。光学系２４には、図５に示すように、サーキュレータ２６と、走査部２７とが配置されている。少なくともレーザ光源２２とサーキュレータ２６とは、光ファイバによって光学的に接続されていてもよい。レーザ光源２２からの光ビームＬａは、サーキュレータ２６の入力ポートに入力され、入出力ポートから走査部２７に出力される。

走査部２７は、本開示における変調部２５の一態様である。走査部２７は、レーザ光源２２と再帰反射材２３との間の光路長を時間的に変化させ、ドップラ効果により光ビームＬａの波長を時間的に変化させる。具体的には、走査部２７は、例えばＫＴＮ結晶などの電気光学結晶、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラーなどによって構成されている。

走査部２７は、信号生成部２から入力される信号Ｓに基づいて、再帰反射材２３への光ビームＬａの入射角度を変化させ、再帰反射材２３における溝部２３ｂの延在方向に直交する方向に光ビームＬａの照射位置Ｘを時間的に変化させる。走査部２７による光ビームＬａの走査により、レーザ光源２２と再帰反射材２３との間の光路長を時間的に変化する結果、光ビームＬａに対するドップラ効果が生じ得る。走査部２７によって変調を受けた光ビームＬａは、上述した光ビームＬ０に相当する。光ビームＬ０は、サーキュレータ１６の入出力ポートから出力ポートを通って外部（ここでは測距装置１のカプラ５）に出力される。

例えば光ビームＬａの波長が１．５μｍの場合、１／１０００秒で光路長を１５ｍｍ変化させることで、１秒当たり１０００万波長分の光路長の変化が得られる。この場合、光ビームＬａの波長は、ドップラ効果によって平均で１０ＭＨｚ変化することとなる。光路長の時間的な変化の速度を信号Ｓによって制御することで、光ビームＬａの波長をリニアに変化させることができる。

以上説明したように、光源装置２１では、レーザ光源２２と再帰反射材２３との間の光路長を時間的に変化させることで、ドップラ効果により光ビームＬａの波長を時間的に変化させる。このような再帰反射材２３を用いた光の変調方式を採用することで、波長幅や強度波形といったレーザ光源２２の品質に影響を与えることなく、十分な周波数シフトを得ることができる。

比較例として、レーザ共振器の外部に電気光学（ＥＯ）位相変調器を配置した光源装置を想定した場合、共振器の光路長の変化は、レーザ光源から生じる光の１波長分程度である。当該光源装置から出力される計測光の変調波形における周波数のシフト量は、繰り返し周波数の８倍程度と見積もられる。これに対し、再帰反射材２３を用いた光源装置２１では、光ビームＬａの光路長の変化を光ビームＬａの波長の数万倍程度に増大できる。光源装置２１から出力される計測光Ｌ１の変調波形Ｗ１における周波数のシフト量は、繰り返し周波数の８×数万倍程度まで増大させることができる。

光源装置２１では、変調部２５が再帰反射材２３への光ビームＬａの照射位置Ｘを時間的に変化させる走査部２７によって構成されている。これにより、簡単な構成でレーザ光源２２と再帰反射材２３との間の光路長を時間的に変化させることができる。また、走査部２７による走査速度の調整により、周波数シフトの線形性を容易に確保できる。

光源装置２１を用いた測距装置１では、再帰反射材２３を用いた光の変調方式を採用することで、波長幅や強度波形といった光源の品質に影響を与えることなく、計測光において十分な周波数シフトを得ることができる。したがって、対象物Ｋの位置を高い分解能で算出できる。

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、変調部２５が再帰反射材２３への光ビームＬａの照射位置Ｘを時間的に変化させる走査部２７によって構成されているが、変調部２５の構成は種々の変形を適用し得る。例えば変調部２５は、図７に示すように、再帰反射材２３を回転させることで再帰反射材２３への光ビームＬａの照射位置Ｘを時間的に変化させる回転体３１によって構成されていてもよい。このような構成においても、簡単な構成でレーザ光源２２と再帰反射材２３との間の光路長を時間的に変化させることができる。また、回転体３１による回転速度の調整により、周波数シフトの線形性を容易に確保できる。

図７の例では、回転体３１は、ポリゴンミラー３２によって構成されている。ポリゴンミラー３２は、中心軸３２ａ回りに回転する複数の外面３２ｂを有しており、各外面３２ｂに再帰反射材２３が設けられている。ポリゴンミラー３２の回転速度の調整によって光ビームＬａの周波数を線形にシフトさせることも可能であるが、外面３２ｂの形状を調整することで、回転速度を一定としつつ、光ビームＬａの周波数シフトの線形性を容易に確保することもできる。また、ポリゴンミラー３２の外面３２ｂの形状の調整により、再帰反射材２３の面形状を容易に調整することができる。

具体的には、ポリゴンミラー３２の回転速度を等速とし、レーザ光源２２とポリゴンミラー３２との距離をＤ０とし、光ビームＬａの出射位置を原点とする極座標系におけるポリゴンミラー３２の回転角度をθとすると、図８に示すように、ポリゴンミラー３２の外面３２ｂの曲面形状Ｒは、下記式（２）で表される螺旋形状の一部となる。式（２）中、ａは比例定数である。
Ｒ＝ａθ^２＋Ｄ０ …（２）

上記式（２）においてθの単位をラジアンとするとき、ａ＝Ｄ０／２とすると、図９に示すように、曲面形状Ｒにほぼ平坦な面Ｒａを形成できる。したがって、面Ｒａをポリゴンミラー３２の外面３２ｂにおける再帰反射材２３の使用面（貼付範囲）とすることで、ポリゴンミラー３２の回転速度を一定とする場合であっても、光ビームＬａの周波数シフトの線形性を確保するにあたって外面３２ｂの形状の複雑化を回避できる。

ａ＝Ｄ０／４とした場合（図１０参照）及びａ＝Ｄ０とした場合（図１１参照）においても、曲面形状Ｒに比較的平坦な面Ｒａを形成できる。図９の場合と同様に、面Ｒａをポリゴンミラー３２の外面３２ｂにおける再帰反射材２３の使用面（貼付範囲）とすることで、ポリゴンミラー３２の回転速度を一定とする場合であっても、光ビームＬａの周波数シフトの線形性を確保するにあたって外面３２ｂの形状の複雑化を回避できる。

図１２（ａ）に示すように、再帰反射材２３をポリゴンミラー３２の複数の内面３２ｃに設けた構成としてもよい。内面３２ｃは、外面３２ｂの反対側に位置する面である。図１２（ａ）の例では、ポリゴンミラー３２の中心軸３２ａに例えば斜切円筒状の回転ミラー３３が配置されている。回転ミラー３３は、モータ３４によって中心軸３２ａ回りに回転可能となっている。

このような構成においても、回転ミラー３３がポリゴンミラー３２に対して回転することで、図１２（ｂ）に示すように、再帰反射材２３への光ビームＬａの照射位置Ｘを時間的に変化させることができる。したがって、簡単な構成でレーザ光源２２と再帰反射材２３との間の光路長を時間的に変化させることができる。内面３２ｃの形状は、外面３２ｂと同様の曲面形状Ｒとなっていてもよい。この場合、ポリゴンミラー３２の回転速度を一定とする場合であっても、光ビームＬａの周波数シフトの線形性を確保するにあたって内面３２ｃの形状の複雑化を回避できる。

１…光源装置、５…カプラ（分割部）、６…コリメータ（照射部）、７…検出部、８…算出部、２１…光源装置、２２…レーザ光源（光源）、２３…再帰反射材、２４…光学系、２５…変調部、２７…走査部、３１…回転体、３２ｂ…外面、３２ｃ…内面、Ｌａ，Ｌ０…光ビーム、Ｌ１…計測光、Ｌ２…参照光、Ｌ３…反射光、Ｌ４…干渉光、Ｋ…対象物、Ｘ…照射位置。

Claims (7)

1. 連続的な光を生成する光源と、
   前記光源からの光を再帰反射する再帰反射材と、
   前記光源からの光を前記再帰反射材に導光し、前記再帰反射材から再帰反射した光を外部に出力する光学系と、
   前記光学系に配置され、前記光源と前記再帰反射材との間の光路長を時間的に変化させ、ドップラ効果により前記光の波長を時間的に変化させる変調部と、を備える光源装置。
2. 前記変調部は、前記再帰反射材への前記光の照射位置を時間的に変化させる走査部によって構成されている請求項１記載の光源装置。
3. 前記変調部は、前記再帰反射材を回転させることで前記再帰反射材への前記光の照射位置を時間的に変化させる回転体によって構成されている請求項１記載の光源装置。
4. 前記回転体は、外面及び内面を有し、
   前記再帰反射材は、前記回転体の前記外面に設けられている請求項３記載の光源装置。
5. 前記回転体は、外面及び内面を有し、
   前記再帰反射材は、前記回転体の内面に設けられている請求項３記載の光源装置。
6. 前記回転体における前記再帰反射材の配置面は、前記回転体の回転によって前記光の波長が時間的に線形に変化するような曲面形状を有している請求項３～５のいずれか一項記載の光源装置。
7. 請求項１～６のいずれか一項記載の光源装置と、
   前記光源装置から出力する光を計測光と参照光とに分割する分割部と、
   前記計測光を対象物に向けて照射する照射部と、
   前記計測光が前記対象物で反射した反射光と前記参照光との干渉光を検出する検出部と、
   前記検出部からの出力信号に基づいて前記対象物までの距離を算出する算出部と、を備える測距装置。

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