JP6828062B2 - Rider device - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、リモートセンシング及び距離測定の分野に関し、特に、自律運転システムにおける3次元の空間マッピング、物体検出、物体追跡、物体特定をリアルタイムで行うためのライダー(LiDAR、Light Detection and Ranging)装置に関する。 The present invention generally relates to the fields of remote sensing and distance measurement, and in particular, lidar (LiDAR, Light Detection and Ranking) for performing three-dimensional spatial mapping, object detection, object tracking, and object identification in an autonomous driving system in real time. Regarding the device.
ライダー装置は、探索光を空間に送出して当該空間をスキャンし、当該探索光が空間内の物体に反射することで発生する反射戻り光を受信して、空間内の物体の方向と距離を検知する。このようなライダー装置を構成するデバイスとして、光フェーズドアレイ(OPA、Optical Phased Array)が知られている。OPAを用いるライダー装置は、機械式ビームスキャンニング機器を用いたライダー装置に比べて高速且つ小型に構成され得る。 The lidar device sends the search light to the space, scans the space, receives the reflected return light generated by the search light reflected on the object in the space, and determines the direction and distance of the object in the space. Detect. An optical phased array (OPA, Optical Phased Array) is known as a device that constitutes such a rider device. A rider device using OPA can be configured to be faster and smaller than a rider device using a mechanical beam scanning device.
ライダー装置に用いることのできるOPAとして、従来、光カプラと、位相シフタと、アンテナエレメントと、でそれぞれ構成される複数のユニットセルを配列して構成されるOPAが知られている(特許文献1)。しかしながら、このOPAは、それぞれのユニットセルが上記光カプラ等の多くの要素で構成されるため、ユニットセルは相応のサイズを有することとなる。このため、ユニットセルの配置間隔、従ってアンテナエレメントの配置間隔を小さくすることには限界があり、当該配置間隔の大きさに起因して探索光のビームステアリングの角度範囲が狭く制限される。 As an OPA that can be used in a rider device, conventionally, an OPA that is configured by arranging a plurality of unit cells each consisting of an optical coupler, a phase shifter, and an antenna element is known (Patent Document 1). ). However, in this OPA, since each unit cell is composed of many elements such as the above-mentioned optical coupler, the unit cell has an appropriate size. Therefore, there is a limit to reducing the arrangement interval of the unit cells, and therefore the arrangement interval of the antenna elements, and the angle range of the beam steering of the search light is narrowly limited due to the size of the arrangement interval.
また、ライダー装置に用いることのできる他のOPAとして、従来、光集積回路(photonic integrated circuit (PIC))をベースとするOPAが知られている(非特許文献1)。このOPAは、光を入力するバス導波路と、それぞれが熱位相シフタ及びエバネセントカプラで構成される複数の分岐部分であってバス導波路上に設けられた複数の分岐部分と、上記エバネセントカプラのそれぞれにより分岐された複数の光のそれぞれを空間へ送出する複数のグレーティングベースのアンテナエレメントと、で構成される。このOPAでは、入力光の波長を変化させることにより、上記アンテナエレメントの延在方向に沿ったビームステアリングが行われる。 Further, as another OPA that can be used in the lidar device, an OPA based on an optical integrated circuit (PIC) is conventionally known (Non-Patent Document 1). This OPA includes a bus waveguide for inputting light, a plurality of branch portions each composed of a thermal phase shifter and an evanescent coupler, and a plurality of branch portions provided on the bus waveguide, and the evanescent coupler. It is composed of a plurality of grating-based antenna elements that transmit each of the plurality of lights branched by each to the space. In this OPA, beam steering is performed along the extending direction of the antenna element by changing the wavelength of the input light.
しかしながら、このOPAでは、実用上十分なビームステアリング角度範囲を確保しようとすると、極めて広い波長可変範囲を持った波長可変レーザが必要となり、ライダー装置全体としてのコストが増大する。 However, in this OPA, in order to secure a practically sufficient beam steering angle range, a tunable laser having an extremely wide wavelength tunable range is required, and the cost of the rider device as a whole increases.
上記背景より、光フェーズドアレイ(OPA)を用いたライダー装置において、コストの増大を招くことなく、アンテナエレメントの配列ピッチによるビームステアリング角度範囲の制限を克服して、より広いビームステアリング角度範囲を実現することが求められている。 From the above background, in a rider device using an optical phased array (OPA), a wider beam steering angle range is realized by overcoming the limitation of the beam steering angle range due to the arrangement pitch of the antenna elements without causing an increase in cost. Is required to do.
本発明の一の態様は、第1の光フェーズドアレイにより構成され、当該第1の光フェーズドアレイを構成する複数の第1のアンテナエレメントから出力される光により生成された回折光を空間へ送出する光送信器と、第2の光フェーズドアレイにより構成され、前記空間から到来する光を前記第2の光フェーズドアレイを構成する複数の第2のアンテナエレメントにより受信する光受信器と、を備え、前記光受信器は、前記空間から到来する光の方向に関し、当該光の受信感度が極大となる極大感度方向を複数有し、前記光送信器が前記空間へ送出する隣接する前記回折光の方向が互いに成す第1の角度と、前記光受信器における隣接する前記極大感度方向が互いに成す第2の角度と、が互いに異なっており、且つ、前記光送信器は、前記複数の第1のアンテナエレメントから出力される光により生成された前記回折光を第1の光学部品を介して前記空間へ送出し、前記第1の角度は、前記第1の光学部品を介して前記空間へ送出された隣接する前記回折光の間の角度で定義され、
前記第1の光学部品が構成する光学系は、当該光学系の光出力側から見た前記第1のアンテナエレメントの配列ピッチを、当該第1のアンテナエレメントの実際の配列ピッチに対して縮小し又は拡大するものである、ライダー装置である。
本発明の他の態様によると、前記第1の光フェーズドアレイが備える第1の位相シフタと、前記第2の光フェーズドアレイが備える第2の位相シフタと、を制御する位相シフト制御部を備え、位相シフト制御部は、前記第1の位相シフタの位相シフト量を制御して前記光送信器が前記空間へ送出する回折光のメインローブの送出方向を変化させると共に、前記極大感度方向のうち最大感度を有する前記極大感度方向が前記メインローブの送出方向と一致するように前記第2の位相シフタの位相シフト量を制御する。
本発明の他の態様によると、前記第1のアンテナエレメントの配列ピッチと前記第2のアンテナエレメントの配列ピッチとが互いに異なる値に設定されている。
本発明の他の態様によると、前記第1の角度と前記第2の角度との比は、互いに素な自然数の比で表されるよう設定される。
本発明の他の態様によると、前記第1の光学部品が構成する光学系により実際の配列ピッチに対して縮小し又は拡大された前記第1のアンテナエレメントの配列ピッチと、前記第2のアンテナエレメントの配列ピッチと、の比が互いに素な自然数の比で表されるよう設定されている。
本発明の他の態様によると、前記第1の光学部品は、2つの凸レンズで構成されるアフォーカル光学系の光学部品である。
本発明の他の態様によると、前記第1の光学部品は、アナモルフィックプリズムペアを構成する2つのプリズムで構成される。
本発明の他の態様によると、前記光受信器は、前記空間から到来する光を第2の光学部品を介して前記複数の第2のアンテナエレメントにより受信し、前記第2の角度は、前記第2の光学部品を介して受信される前記空間から到来する光についての、前記空間において規定される隣接する前記極大感度方向が互いに成す角度で定義され、前記第2の光学部品が構成する光学系は、当該光学系の光入力側から見た前記第2のアンテナエレメントの配列ピッチを、当該第2のアンテナエレメントの実際の配列ピッチに対して縮小し又は拡大するものである。
本発明の他の態様は、第1の光フェーズドアレイにより構成され、当該第1の光フェーズドアレイを構成する複数の第1のアンテナエレメントから出力される光により生成された回折光を空間へ送出する光送信器と、第2の光フェーズドアレイにより構成され、前記空間から到来する光を前記第2の光フェーズドアレイを構成する複数の第2のアンテナエレメントにより受信する光受信器と、を備え、前記光受信器は、前記空間から到来する光の方向に関し、当該光の受信感度が極大となる極大感度方向を複数有し、前記光送信器が前記空間へ送出する隣接する前記回折光の方向が互いに成す第1の角度と、前記光受信器における隣接する前記極大感度方向が互いに成す第2の角度と、が互いに異なっており、且つ、前記光受信器は、前記空間から到来する光を第2の光学部品を介して前記複数の第2のアンテナエレメントにより受信し、前記第2の角度は、前記第2の光学部品を介して受信される前記空間から到来する光についての、前記空間において規定される隣接する前記極大感度方向が互いに成す角度で定義され、前記第2の光学部品が構成する光学系は、当該光学系の光入力側から見た前記第2のアンテナエレメントの配列ピッチを、当該第2のアンテナエレメントの実際の配列ピッチに対して縮小し又は拡大するものである。
One aspect of the present invention is configured by a first optical phased array and sends diffracted light generated by light output from a plurality of first antenna elements constituting the first optical phased array to space. The optical transmitter is composed of a second optical phased array, and an optical receiver that receives light coming from the space by a plurality of second antenna elements constituting the second optical phased array. The optical receiver has a plurality of maximum sensitivity directions in which the reception sensitivity of the light is maximized with respect to the direction of the light arriving from the space, and the optical transmitter transmits the diffracted light adjacent to the space. The first angle formed by the directions and the second angle formed by the adjacent maximum sensitivity directions in the optical receiver are different from each other, and the optical transmitter is the plurality of first angles. The diffracted light generated by the light output from the antenna element is sent to the space via the first optical component, and the first angle is sent to the space via the first optical component. Defined by the angle between the adjacent diffracted lights
Light Science system that make up the first optical component is an array pitch of the first antenna element viewed from the light output side of this optical system, the actual arrangement pitch of the first antenna element On the other hand, it is a rider device that shrinks or expands.
According to another aspect of the present invention, the phase shift control unit for controlling the first phase shifter included in the first optical phased array and the second phase shifter included in the second optical phased array is provided. The phase shift control unit controls the phase shift amount of the first phase shifter to change the transmission direction of the main lobe of the diffracted light transmitted by the optical transmitter to the space, and among the maximum sensitivity directions. The phase shift amount of the second phase shifter is controlled so that the maximum sensitivity direction having the maximum sensitivity coincides with the transmission direction of the main lobe.
According to another aspect of the present invention, the arrangement pitch of the said the arrangement pitch of the first antenna element the second antenna element is set to different values.
According to another aspect of the present invention, the ratio of the first angle to the second angle is set to be represented by the ratio of relatively prime natural numbers.
According to another aspect of the present invention, the first and the array pitch of the first antenna element is reduced or enlarged relative to the actual arrangement pitch by an optical system optical components constituting the second antenna the arrangement pitch of the elements, the ratio of which is set as represented by the ratio of relatively prime natural numbers.
According to another aspect of the present invention, the first optical component is an optical component of an afocal optical system composed of two convex lenses.
According to another aspect of the present invention, the first optical component is composed of two prisms constituting an anamorphic prism pair.
According to another aspect of the present invention, the optical receiver receives light coming from the space by the plurality of second antenna elements via the second optical component, and the second angle is the said. for light coming from the space to be received through the second optical component, wherein the maximum sensitivity direction adjacent defined in space is defined by the angle formed with each other, said second optical component that make up light Science system, the array pitch of the second antenna element viewed from the light input side of this optical system is intended to reduce or expand the actual arrangement pitch of the second antenna element ..
Another aspect of the present invention is configured by a first optical phased array and sends diffracted light generated by light output from a plurality of first antenna elements constituting the first optical phased array into space. The optical transmitter is composed of a second optical phased array, and an optical receiver that receives light coming from the space by a plurality of second antenna elements constituting the second optical phased array. The optical receiver has a plurality of maximum sensitivity directions in which the reception sensitivity of the light is maximized with respect to the direction of the light arriving from the space, and the optical transmitter transmits the diffracted light adjacent to the space. The first angle formed by the directions and the second angle formed by the adjacent maximum sensitivity directions in the optical receiver are different from each other, and the optical receiver is the light coming from the space. Is received by the plurality of second antenna elements via the second optical component, and the second angle is the light arriving from the space received via the second optical component. The optical system defined by the angle between the adjacent maximum sensitivity directions defined in space and formed by the second optical component is an arrangement of the second antenna elements viewed from the optical input side of the optical system. The pitch is reduced or expanded with respect to the actual arrangement pitch of the second antenna element.
本発明によれば、OPAを用いたライダー装置において、コストの増大を招くことなく、アンテナエレメントの配列ピッチによるビームステアリング角度範囲の制限を克服して、より広いビームステアリング角度範囲を実現することができる。 According to the present invention, in a rider device using OPA, it is possible to overcome the limitation of the beam steering angle range due to the arrangement pitch of the antenna elements and realize a wider beam steering angle range without increasing the cost. it can.
一般に、OPAは、入力された光を複数の光に分岐する光分岐器と、分岐された複数の光のそれぞれを伝搬する複数の導波ラインと、複数の導波ラインに設けられて当該導波ラインを伝搬する光の位相を変化させる位相シフタと、各導波ラインに接続されて当該導波ラインを伝搬する光を出力するアンテナエレメントと、で構成される。また、OPAは、一般的に相反的であり、探索光である光ビームを送出する光送信器に用いられるほか、当該光ビームの反射戻り光を受信する受信器にも用いられ得る。 In general, an OPA is provided in an optical branching device that branches an input light into a plurality of lights, a plurality of waveguide lines propagating each of the plurality of branched lights, and a plurality of waveguide lines. It is composed of a phase shifter that changes the phase of light propagating in a wave line and an antenna element that is connected to each waveguide and outputs light propagating in the waveguide. In addition, OPA is generally reciprocal and can be used in an optical transmitter that emits a light beam that is search light, and can also be used in a receiver that receives the reflected return light of the light beam.
例えば、OPAのアンテナエレメントのそれぞれで受信した光を各導波ラインに伝搬させ、上記位相シフタにより位相を変化させた後、上記光分岐器を光結合器(合波器)として用いて、各導波ラインを伝搬した光を一つの光に合波して出力させることで、光受信器を構成するものとすることができる。 For example, the light received by each of the antenna elements of the OPA is propagated to each waveguide line, the phase is changed by the phase shifter, and then the optical branching device is used as an optical coupler (combiner). An optical receiver can be configured by combining the light propagating through the waveguide line with one light and outputting it.
ここで、OPAを光送信器として用い、当該OPAのアンテナエレメントから空間に向かって回折光を送出するように位相シフタにおける位相シフト量を調整したとする。そして、この状態において、位相シフタの位相シフト量を保持したまま、上記OPAを光受信器として用いて上記アンテナエレメントから光を受信したとする。そうすると、上記回折光の送出方向と同じ方向から到来する光は、アンテナエレメントのそれぞれで受信された後、位相シフタにより同位相に位相シフトされることとなり、光結合器内で強め合って出力されることとなる。また、逆に、上記回折光の送出方向と異なる方向から到来する光は、アンテナエレメントのそれぞれで受信された後、位相シフタにより位相シフトを受けても同位相とはならず、光結合器内で強め合うことなく出力されることとなる。このため上記光受信器は、上記回折光の送出方向から到来する光に対してその受信感度が極大となる。また、当該光受信器は、上記回折光のうち最大の強度を持つメインローブの送出方向から到来する光に対して最大の受信感度を有することとなる。 Here, it is assumed that the OPA is used as an optical transmitter and the phase shift amount in the phase shifter is adjusted so as to transmit diffracted light from the antenna element of the OPA toward space. Then, in this state, it is assumed that the OPA is used as an optical receiver to receive light from the antenna element while maintaining the phase shift amount of the phase shifter. Then, the light arriving from the same direction as the transmission direction of the diffracted light is received by each of the antenna elements and then phase-shifted to the same phase by the phase shifter, and is strongly output in the optical coupler. The Rukoto. On the contrary, the light arriving from a direction different from the transmission direction of the diffracted light does not become the same phase even if it undergoes a phase shift by the phase shifter after being received by each of the antenna elements, and is inside the optical coupler. It will be output without strengthening each other. Therefore, the optical receiver has a maximum receiving sensitivity with respect to the light coming from the transmitting direction of the diffracted light. Further, the optical receiver has the maximum reception sensitivity with respect to the light coming from the transmission direction of the main lobe, which has the maximum intensity of the diffracted light.
以下、本明細書において、ビームを送出する送信器として機能させたOPAにより構成される光送信器をTxOPA、光を受信する受信器として機能させたOPAにより構成される光受信器をRxOPAと称する。また、本明細書においては、RxOPAを構成するアンテナエレメントから光を送出したとしたならば当該アンテナエレメントから送出された光により発生することとなる回折光、メインローブ、及びサイドローブを、便宜上、それぞれ「RxOPAの回折光」、「RxOPAのメインローブ」、及び「RxOPAのサイドローブ」というものとする。また、本明細書において「RxOPAの遠視野像」とは、当該RxOPA104を構成するアンテナエレメントから光を送出したとしたときの、当該アンテナエレメントから送出される光の遠視野像をいうものとする。
Hereinafter, in the present specification, an optical transmitter composed of OPA functioning as a transmitter for transmitting a beam is referred to as TxOPA, and an optical receiver composed of OPA functioning as a receiver for receiving light is referred to as RxOPA. .. Further, in the present specification, for convenience, the diffracted light, the main lobe, and the side lobe, which would be generated by the light transmitted from the antenna element that constitutes RxOPA, are referred to as light. They are referred to as "diffracted light of RxOPA", "main lobe of RxOPA", and "side lobe of RxOPA", respectively. Further, in the present specification, the "far-field image of RxOPA" means a far-field image of light transmitted from the antenna element when light is transmitted from the antenna element constituting the
また、本明細書において、RxOPAの受信感度とは、当該RxOPAのアンテナエレメントにより受信された光が、当該RxOPAの位相シフタ及び光結合器を経て当該光結合器から出力されるまでに受ける損失の逆数(すなわち、同一方向からアンテナエレメントに到達する光の総光量に対する、光結合器から出力される光の光量の比の逆数)をいうものとする。 Further, in the present specification, the reception sensitivity of RxOPA means the loss received by the light received by the antenna element of the RxOPA before being output from the optical coupler via the phase shifter and the optical coupler of the RxOPA. The reciprocal (that is, the reciprocal of the ratio of the amount of light output from the optical coupler to the total amount of light reaching the antenna element from the same direction).
3次元の空間マッピング等を行うライダー装置は、一般的には、図5に示すような構成により実現することができる。図5に示すライダー装置500は、OPAにより構成されるTxOPA502及びRxOPA504と、光源506と、を備える。TxOPA502は、光源506からの光を分岐する光分岐器510と、光分岐器510により分岐された各光の位相をそれぞれシフトさせる複数の位相シフタ512を備えた位相シフトユニット514と、位相シフトユニット514から出力される各光を空間へ放出する複数のアンテナエレメント516が配列されたアンテナユニット518と、を有する。
A rider device that performs three-dimensional spatial mapping or the like can generally be realized by the configuration shown in FIG. The
また、RxOPA504は、空間を伝搬する光を受信するアンテナエレメント526が配列されたアンテナユニット528と、各アンテナエレメント526が受信した光の位相をそれぞれシフトさせる複数の位相シフタ522を備える位相シフトユニット524と、位相シフトユニット524が出力する光を一つに結合して出力する光結合器520と、を有する。
Further, the RxOPA504 includes a
ライダー装置500は、また、RxOPA504が出力する光を受信する光検出器530と、TxOPA502及びRxOPA504の位相シフトユニット514、524の位相シフタ512、522の動作を制御するステアリング制御ユニット532と、光源506及びステアリング制御ユニット532を制御すると共に光検出器530の出力を受信して例えば空間マッピング等のためのデータ生成処理を行う制御デバイス536と、を備える。
The
光源506は、例えばパルスレーザであり、制御デバイス536は、空間内の物体までの距離を例えば飛行時間(TOF)法により測定する。
The
光源506からの光信号は、TxOPA502に入射される。ステアリング制御ユニット532は、位相シフトユニット514の位相シフタ512を動作させ、TxOPA502のアンテナユニット518を構成する配列された複数のアンテナエレメント516から空間に向かって回折光を送出させると共に、それらの回折光の空間への送出方向を変化させてビームステアリングを行う。
The optical signal from the
また、ステアリング制御ユニット532は、TxOPA502が現在送出している回折光に対応して、それらの回折光と同じ方向にRxOPA504の回折光が向くように、RxOPA504の位相シフトユニット524の位相シフタ522を動作させる。これにより、RxOPA504は、TxOPA502のメインローブの送出方向から到来する光に対して最大受信感度を持ち、TxOPA502のサイドローブの送出方向から到来する光に対して極大受信感度を持つこととなる。
Further, the
ここで、従来のライダー装置500では、一般に、回折光の収束度を上げて物体検出における空間分解能を上げるべく、アンテナエレメント516、526の数として数千程度の数が求められる。また、一般に、探索光として用いるメインローブのステアリング角度範囲をできる限り広く確保するため、メインローブのステアリング角度範囲に隣接する回折光が進入しないよう、アンテナエレメント516、526のそれぞれの配置間隔は、共にできる限り狭く設計され、結果として互いに同じ配置間隔pを持つよう設計される。
Here, in the
その結果、TxOPA502とRxOPA504の回折光は、共に同じ方向を持つこととなる。図6は、図5に示すTxOPA502及びRxOPA504の例示的な特性を示す図である。図6の上段は、TxOPA502について、光分岐器510の光入力端からアンテナエレメント516のそれぞれの光出力端に至るまでの各光経路(各チャネル)で発生する光位相差がゼロであるときの、アンテナユニット518から送出される光の遠視野像である。また、図6の中段は、RxOPA504について、アンテナエレメント526のそれぞれの光入力端から光結合器520の光出力端に至るまでの各光経路(各チャネル)で発生する光位相差がゼロであるときの、空間から到来する光の方向に対するRxOPA504の受信感度の分布を示す図である。また、図6の下段は、図6の上段に示す光強度分布を持つ回折光を空間に送出し、図6の中段に示す受信感度分布を持つRxOPA504により空間からの反射戻り光を受信したときの、ライダー装置500から見た空間内の各方向に対する、当該ライダー装置500としての総感度の分布を示した図である。
As a result, the diffracted light of TxOPA502 and RxOPA504 both have the same direction. FIG. 6 is a diagram showing exemplary characteristics of TxOPA502 and RxOPA504 shown in FIG. The upper part of FIG. 6 shows the TxOPA502 when the optical phase difference generated in each optical path (each channel) from the optical input end of the
図6において、上段、中段、及び下段の横軸は、いずれも、XZ平面内の各方角(図5の図示上下方向の方角)を、Z軸に対する角度θの正弦値で示した軸である。また、図6の上段の縦軸は、TxOPA502から送出される光の強度を、メインローブの最大強度で正規化した正規化光強度である。また、図6の中段の縦軸は、RxOPA504の受信感度を、その最大受信感度値で正規化した正規化受信感度である。さらに、図6の下段の縦軸は、ライダー装置500の総感度を、その最大値で正規化した正規化総感度である。
In FIG. 6, the upper, middle, and lower horizontal axes are all axes in which each direction in the XZ plane (the vertical direction shown in FIG. 5) is indicated by a sine value of an angle θ with respect to the Z axis. .. The vertical axis in the upper part of FIG. 6 is the normalized light intensity obtained by normalizing the intensity of the light transmitted from the TxOPA502 with the maximum intensity of the main lobe. The vertical axis in the middle of FIG. 6 is the normalized reception sensitivity obtained by normalizing the reception sensitivity of RxOPA504 with its maximum reception sensitivity value. Further, the lower vertical axis of FIG. 6 is the normalized total sensitivity obtained by normalizing the total sensitivity of the
図6上段において、sinθ=0の位置に最大強度を有する光強度部分600は、TxOPA502から出力される回折光のメインローブ(回折次数がゼロの主極大ビーム)に相当し、当該最大の光強度部分以外の光強度部分602、604、606、608、610、612は、サイドローブ(回折次数がゼロ以外の回折光ビーム)に相当する。このうち、光強度部分602、604は、メインローブに隣接するサイドローブ(回折次数が±1)に相当し、sinθ=±λ0/pの位置に発生する。ここで、λ0は、光源506が出力する光の中心波長、pは、アンテナエレメント516の配列ピッチである。In the upper part of FIG. 6, the
RxOPA504のアンテナエレメント526は、TxOPA502のアンテナエレメント516と同じ配列ピッチpで配列されていることから、RxOPA504の回折光はTxOPA502とそれぞれ同じ方向を向く。このため、図6中段に示すRxOPA504の受信感度は、図6上段におけるTxOPA502の回折光に相当する光強度部分600、602、604、606、608、610、612と同じ位置にそれぞれ極大部分620、622、624、626、628、630、632を持ち、TxOPA502のメインローブに相当する光強度部分600と同じ位置に、受信感度が最大となる極大部分620を有する。
Since the
また、ライダー装置500としての総感度は、TxOPA502が送出する光強度分布(すなわち、図6上段に示す正規化光強度の値)と、RxOPA504における受信感度分布(すなわち、図6中段に示す正規化受信感度の値)と、の積に比例する。したがって、ライダー装置500としての総感度は、図6下段に示すように、TxOPA502の光強度の極大部分とRxOPA504の受信感度の極大部分とが一致する位置(mλ0/p、m=0、±1、±2、±3)において、極大部分640、642、644、646、648、650、652を持ち、メインローブに対応する位置(sinθ=0)において最大の総感度を示す極大部分640を持つ。The total sensitivity of the
このライダー装置500において、TxOPA502の各チャネルと、RxOPA504の各チャネルと、においてそれぞれ同様の位相シフトを発生させつつ、TxOPA502及びRxOPA504の回折光の方向を同じように変化させると、図6上段の光強度部分600等及び図6中段の極大部分620等は、それぞれ同じ方向へ同じ量だけシフトする。また、これに応じて、図6下段の極大部分640等も、これと同じ方向へ同じ量だけシフトする。
In this
したがって、例えば、TxOPA502のメインローブを探索光として用いてビームステアリングを行う場合には、図6下段において、当該メインローブを用いた場合の総感度の極大部分640の図示左右方向のシフト範囲内に、隣接するサイドローブについての総感度の極大部分642、644が入り込まないように、当該ビームステアリングの範囲は、式(1)の範囲に制限される。
すなわち、αmax≡λ0/2pとすれば、ステアリング角度αの許容範囲は、−αmax〜+αmaxであり、結果として、ステアリング角度αの最大許容範囲は、アンテナエレメント516、526の配列ピッチpの大きさにより制限される。That is, if α max ≡ λ 0 / 2p, the allowable range of the steering angle α is −α max to + α max , and as a result, the maximum allowable range of the steering angle α is the arrangement pitch of the
なお、上記の説明においてはXZ平面におけるビームステアリングについて説明したが、YZ平面においても、上記と同様に、アンテナエレメント516、526のY軸方向における配列ピッチの大きさに依存して、ビームステアリングのステアリング角度範囲が制限される。
In the above description, the beam steering in the XZ plane has been described. However, in the YZ plane as well, the beam steering of the
一方、ライダー装置に用いることのできるOPAとしては、上述したように、それぞれが光を放出する複数のユニットセルを配列して構成されるOPAが知られている(特許文献1)。図7は、そのようなOPA700の構成の一部を示す図、図8は、OPA700を構成するユニットセル710の構成を示す図である。
On the other hand, as an OPA that can be used in a rider device, as described above, an OPA that is configured by arranging a plurality of unit cells, each of which emits light, is known (Patent Document 1). FIG. 7 is a diagram showing a part of the configuration of such OPA700, and FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the
図7を参照し、光ファイバ702から入力された光は列方向バス導波路704を伝搬する。列方向バス導波路704を伝搬する光は、当該列方向バス導波路704に所定の間隔で設けられた複数のエバネセントカプラ706により分岐されて複数の行方向バス導波路708を伝搬する。各ユニットセル710(図示点線楕円で示す16個の部分のそれぞれ)は、近接する行方向バス導波路708から、当該行方向バス導波路708を伝搬する光の一部を、エバネセントカプラ800(後述)を介して受信する。また、各ユニットセル710には、電流経路である列方向制御ワイヤ712と行方向制御ワイヤ714が接続され、各ユニットセル710が有する位相シフタ806(後述)が選択的に通電される。
With reference to FIG. 7, the light input from the
図8を参照し、各ユニットセル710は、上記行方向バス導波路708に結合されたエバネセントカプラ800、アンテナエレメント802、当該エバネセントカプラ800とアンテナエレメント802とをつなぐ導波路804、当該導波路804のS字部分に設けられたヒータである位相シフタ806、及び位相シフタ806であるヒータに通電するための2つの電極である列方向電極808と行方向電極810とを備える。列方向電極808及び行方向電極810は、上記列方向制御ワイヤ712と行方向制御ワイヤ714にそれぞれ接続される。
With reference to FIG. 8, each
図7に示すOPA700は、行方向及び又は列方向に沿って制御可能な線形位相傾斜を発生させることができ、XZ平面及びYZ平面での制御可能なビームステアリングを行うOPAとして動作することができる。
The
しかしながら、特許文献1に従う図7のOPA700では、各ユニットセル710は、アンテナエレメント802に加えて多くの追加のエレメント(位相シフタ806、導波路804、エバネセントカプラ800)を有するので、そのサイズを十分小さくすることができない。その結果、特許文献1のOPA700は、ユニットセル710(具体的には、ユニットセル710が備えるアンテナエレメント802)を、X方向及びY方向の双方において十分小さなピッチpを持って配列することができない。
However, in the
例えば、OPA700において実現されるユニットセル710の配列ピッチは9μm程度であり、中心波長1550nmの光を用いてビームステアリングを行う場合には、当該ビームステアリングに用いることのできるステアリング角度αの許容範囲は、式(1)より、±5°に制限される。
For example, the arrangement pitch of the
ライダー装置に用いることのできる他のOPAとして、上述したように、非特許文献1に開示された光集積回路をベースとするOPAが知られている。図9は、非特許文献1に従うOPA900の構成を示す図である。このOPA900は、光を入力するためのバス導波路902と、バス導波路902上に設けられて交互にカスケード接続された熱位相シフタ及びエバネセントカプラで構成される部分904と、を備える。上記エバネセントカプラにより分岐された光は、それぞれ導波ライン部906を介して、グレーティングベースのアンテナエレメントが配列されたアンテナ部908に接続される。このOPA900では、上記熱位相シフタにより、上記配列されたアンテナエレメントに順次入力される光の位相増分を制御すると共に、バス導波路902に入力する光の波長を制御することにより、2次元のビームステアリング機能が提供される。
As another OPA that can be used in the lidar device, as described above, an OPA based on the optical integrated circuit disclosed in
図5に示すTxOPA502及びRxOPA504は、例えば、OPA900のアンテナ部908を構成するグレーティングベースの複数のアンテナエレメントをそれぞれ図5の図示Y方向に延在させ、それら複数のアンテナエレメントをX方向に配列することで構成することができる。
In the TxOPA502 and RxOPA504 shown in FIG. 5, for example, a plurality of grating-based antenna elements constituting the
しかしながら、アンテナ部908を構成する複数のアンテナエレメントは、基板上に形成された導波路として構成されており、当該アンテナエレメントの配列ピッチ(上記X方向の配列ピッチ)は、上記形成される導波路の配列ピッチに等しい。この導波路の配列ピッチの許容最小値は、当該導波路の光閉じ込め強度により制限され、基板と導波路との屈折率差を大きくして光の閉じ込め強度を高めれば、アンテナエレメントの配列ピッチを狭めることができる。しかしながら、基板素材等に応じて、実現し得る上記屈折率差には限界があり、上記配列ピッチを数μmから大幅に小さくすることには困難を伴う。このため、OPA900のX方向におけるビームステアリングにおいては、上述したOPA700と同様に、ステアリング角度範囲が数度程度に制限されてしまうという問題が生じ得る。
However, the plurality of antenna elements constituting the
また、OPA900では、Y方向において実用上十分なビームステアリング範囲を確保しようとすると、以下に示すように、波長可変範囲の極めて広い波長可変レーザが必要となり、ライダー装置全体としてのコストが大幅に増加することとなり得る。逆にいえば、OPA900においては、コストの大幅な増加を伴うことなくY方向における実用的なビームステアリング範囲を実現することは困難であり得る。 Further, in the OPA900, in order to secure a practically sufficient beam steering range in the Y direction, as shown below, a tunable laser having an extremely wide tunable range is required, and the cost of the rider device as a whole increases significantly. Can be done. Conversely, in the OPA900, it may be difficult to achieve a practical beam steering range in the Y direction without a significant increase in cost.
すなわち、波長可変レーザの発振波長が中心波長λ0に対しΔλ変化した場合、アンテナ部908から放出されるメインローブのステアリング角度αy(YZ平面におけるメインローブの、Z軸に対する偏向角)は、式(2)から算出される。
ここで、nEは上記アンテナエレメントを構成する導波路の実効屈折率、pgは各アンテナエレメントに設けられたグレーティングピッチである。波長可変レーザの中心波長λ0は、通常、波長シフトがゼロ(Δλ=0)であるときにステアリング角度αyがゼロ(αy=0)となるように、式(3)を満たすように選択される。
そして、波長可変レーザの最大波長変化範囲がλ0±ΔλmaxであるときにOPA900により実現され得るY方向におけるステアリング角度αyの変化範囲−αymax〜+αymaxのαymaxは、式(4)の関係から導かれる。
ここで、グレーティングピッチpgは、通常、半波長λ0/2に近い値で作製される。pg=λ0/2とすれば、式(4)は、式(5)となる。
すなわち、最大ステアリング角度αymax=30°とする場合、中心波長λ0が1550nmであれば、2Δλmaxは775nmとなり、1550±387.5nmもの広い範囲にわたって発振波長を制御し得る波長可変レーザが必要となる。そして、このような条件を満たす市販の波長可変レーザを探し出すことは極めて困難であるか、又は探し出せたとしても極めて高価である。That is, when the maximum steering angle α ymax = 30 °, if the center wavelength λ 0 is 1550 nm, 2Δλ max is 775 nm, and a tunable laser capable of controlling the oscillation wavelength over a wide range of 1550 ± 387.5 nm is required. It becomes. It is extremely difficult to find a commercially available tunable laser that satisfies such conditions, or even if it can be found, it is extremely expensive.
以下、本発明の実施形態に係るライダー装置について説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係るライダー装置の構成を示す図である。このライダー装置100は、光源106と、光源106の出力光を空間へ送出するTxOPA102と、TxOPA102から送出された光のうち空間内の物体から反射して戻って来る反射戻り光を受信するRxOPA104と、RxOPA104から出力される光を検出する光検出器130と、を備える。光源106は、例えばパルスレーザである。Hereinafter, the rider device according to the embodiment of the present invention will be described.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a lidar device according to a first embodiment of the present invention. The
TxOPA102は、光源106の出力光を分岐する光分岐器110と、光分岐器110により分岐された各光の位相をそれぞれシフトさせる複数の位相シフタ112を備えた位相シフトユニット114と、位相シフトユニット114から出力される各光を空間へ放出する複数のアンテナエレメント116が配列されたアンテナユニット118と、を有する。アンテナエレメント116は、例えば図示X軸及びY軸に沿って、当該X軸及びY軸で規定されるXY平面内に、互いの間隔が配列ピッチ(配列間隔)pTを持つように二次元配列されている。The
RxOPA104は、上記反射戻り光を受信するアンテナエレメント126が配列されたアンテナユニット128と、各アンテナエレメント126が受信した光の位相をそれぞれシフトさせる複数の位相シフタ122を備える位相シフトユニット124と、位相シフトユニット124が出力する光を一つに結合して出力する光結合器120と、を有する。アンテナエレメント126は、例えば図示X軸及びY軸に沿って、当該X軸及びY軸で規定されるXY平面内に、互いの間隔が配列ピッチ(配列間隔)pRを持つように二次元配列されている。これにより、RxOPA104は、RxOPA104の複数の回折光の方向が、それぞれ受信感度が極大となる極大感度方向となる。すなわち、RxOPA104は、空間から到来する光の方向に関し、当該光の受信感度が極大となる複数の極大感度方向を有するよう構成されている。The
ここで、TxOPA102は、第1の光フェーズドアレイにより構成される光送信器であって、当該第1の光フェーズドアレイを構成する複数の第1のアンテナエレメントから出力される光により生成された回折光を空間へ送出する光送出器に相当する。上記第1の光フェーズドアレイは、光分岐器110と、第1の位相シフタである位相シフタ112を備える位相シフトユニット114と、第1のアンテナエレメントであるアンテナエレメント116を備えるアンテナユニット118と、を含む部分に相当する。
Here, the TxOPA102 is an optical transmitter composed of a first optical phased array, and is a diffraction generated by light output from a plurality of first antenna elements constituting the first optical phased array. It corresponds to an optical transmitter that sends light to space. The first optical phased array includes an
また、RxOPA104は、第2の光フェーズドアレイにより構成される光受信器であって、空間から到来する光を当該第2の光フェーズドアレイを構成する複数の第2のアンテナエレメントにより受信する光受信器に相当する。上記第2の光フェーズドアレイは、光結合器120と、第2の位相シフタである位相シフタ122を備える位相シフトユニット124と、第2のアンテナエレメントであるアンテナエレメント126を備えるアンテナユニット128と、を含む部分に相当する。
Further, the RxOPA104 is an optical receiver composed of a second optical phased array, and receives light arriving from space by a plurality of second antenna elements constituting the second optical phased array. Corresponds to a vessel. The second optical phased array includes an
TxOPA102及びRxOPA104は、例えば特許文献1に記載のOPAを用いて構成され得る。すなわち、TxOPA102は、アンテナエレメント116として例えば図8に示すアンテナエレメント802が図1の図示X方向及びY方向に間隔(配列ピッチ)pTをもってXY平面内に2次元配列されて構成される。同様に、RxOPA104は、アンテナエレメント126として例えば図8に示すアンテナエレメント802が図1の図示X方向及びY方向に間隔(配列ピッチ)pRをもってXY平面内に2次元配列されて構成される。TxOPA102 and RxOPA104 can be configured using, for example, the OPA described in
また、TxOPA102の位相シフタ112は、例えば図8に示すような、導波路804上に設けられたヒータで構成される熱位相シフタである位相シフタ806で構成されている。同様に、RxOPA104の位相シフタ122は、例えば図8に示すような、導波路804上に設けられたヒータで構成される位相シフタ806で構成されている。
Further, the
さらに、TxOPA102の光分岐器110及びRxOPA104の光結合器120は、共に、例えば図7、図8に示すような、光源106からの光を伝搬する列方向バス導波路704及び行方向バス導波路708と、エバネセントカプラ706及び800と、により構成され得る。
Further, the
ただし、上記のTxOPA102及びRxOPA104の構成は一例であって、これには限られない。例えば、TxOPA102及びRxOPA104のアンテナユニット118及び128は、それぞれ、光を送出及び受信するアンテナエレメント116及び126が共に図示XY平面においてそれぞれ配列ピッチpT及びpRをもって二次元配列される限りにおいて、任意の構成を有するものとすることができる。However, the above configurations of TxOPA102 and RxOPA104 are examples, and the present invention is not limited to this. For example, the
また、位相シフトユニット114及び124は、上記に限らず、それぞれ、光分岐器110により分岐された光を伝搬する各光経路、及びアンテナエレメント126により受信された光を伝搬する各光経路に設けられた任意の構成の位相シフタにより構成されるものとすることができる。同様に、光分岐器110及び光結合器120は、上記に限らず、それぞれ、入力された光を分岐する機能、及び入力された光を合波して一つの光に結合する機能を有する限りにおいて、任意の構成又は原理により動作する光分岐器及び光結合器であるものとすることができる。
Further, the
ライダー装置100は、また、制御デバイス134と、位相シフト制御部であるステアリング制御ユニット132と、を有する。ステアリング制御ユニット132は、制御デバイス134の制御の下にTxOPA102及びRxOPA104の位相シフタ112、122の動作を制御する。制御デバイス134は、光源106の光パルス出力動作と、TxOPA102の位相シフタ112及びRxOPA104の位相シフタ122の動作と、の同期を行うと共に、光検出器130からの信号に基づいて空間マッピング等のためのデータ生成処理等を行う。
The
すなわち、上記構成によりライダー装置100は、制御デバイス134による制御の下に、ステアリング制御ユニット132により位相シフタ112、122に所望の位相シフトを発生させ、TxOPA102のメインローブの出射方向とRxOPA104の最大受信感度方向とが同じ方向を向いた状態を維持しつつ、それらの方向を図示X方向及び又はY方向に変化させてビームステアリングを行う。これにより、ライダー装置100は、TxOPA102のメインローブによりビームステアリングを行うと共に、TxOPA102のメインローブ照射方向からの反射戻り光をRxOPA104により受信する。
That is, according to the above configuration, the
また、ライダー装置100は、制御デバイス134により、光源106が光パルスを発出してから当該光パルスの反射戻り光をRxOPA104を介して受信するまでの時間を計測することにより、TxOPA102のメインローブ照射方向に存在する物体までの距離を飛行時間法により算出する。そして、ライダー装置100は、上記ビームステアリング動作に応じて逐次変化するTxOPA102のメインローブの出射方向から到来する反射戻り光を逐次検知し、上記逐次変化する方向における物体までの距離を検出することで、例えば空間マッピング等のためのデータ等を生成する。
Further, the
特に、本実施形態に係るライダー装置100は、TxOPA102のアンテナエレメント116の配列ピッチpTと、RxOPA104のアンテナエレメント126の配列ピッチpRとが、互いに異なる値を有し、例えば式(6)の関係を有するように設定されている。ここで、N1/M1は既約関数であり、M1及びN1は互いに素な自然数である。
これにより、ライダー装置100は、アンテナエレメントの配列ピッチが同じ値pであるTxOPA及びRxOPAを用いて構成される従来のライダー装置(例えばライダー装置500)に比べて、TxOPA102のアンテナエレメント116の配列ピッチpTを上記pに対して低減することなく、TxOPA102のメインローブのステアリング角αをより広い範囲で変化させてビームステアリングを行うことが可能となる。これについて、以下、説明する。As a result, the
なお、以下の説明においては、簡単のため、X軸方向におけるビームステアリング動作を例にとって説明する。当該説明は、当業者にとり明らかなように、X軸に直交するY軸方向においても同様に成り立つ。 In the following description, for the sake of simplicity, a beam steering operation in the X-axis direction will be described as an example. As will be apparent to those skilled in the art, the description holds true in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis.
上述したように、本実施形態に係るライダー装置100は、TxOPA102のアンテナエレメント116の配列ピッチpTと、RxOPA104のアンテナエレメント126の配列ピッチpRとが、互いに異なる値を有するように構成されている。このため、TxOPA102が空間に送出する隣接する回折光の方向が互いに成す第1の角度と、RxOPA104の隣接する回折光の方向、すなわち隣接する極大感度方向が互いに成す第2の角度と、が互いに異なるものとなっている。As described above, the
このため、TxOPA102及びRxOPA104を、TxOPA102及びRxOPAのメインローブの方向が一致するように制御すれば、当該メインローブに隣接するサイドローブの方向は、TxOPA102とRxOPA104とで異なるものとなる。すなわち、TxOPA102から送出される上記隣接するサイドローブの方向におけるRxOPA104の受信感度は極大値を持たないため、当該隣接するサイドローブの方向から到来する光の受信が抑制される。その結果、TxOPA102のメインローブのステアリング角度範囲は、当該メインローブとこれに隣接するサイドローブとの間の角度によっては制限されず、より広いステアリング角度範囲を利用することが可能となる。
Therefore, if the TxOPA102 and RxOPA104 are controlled so that the directions of the main lobes of the TxOPA102 and RxOPA match, the directions of the side lobes adjacent to the main lobes will be different between the TxOPA102 and the RxOPA104. That is, since the reception sensitivity of RxOPA104 in the direction of the adjacent sidelobes transmitted from the TxOPA102 does not have a maximum value, reception of light arriving from the direction of the adjacent sidelobes is suppressed. As a result, the steering angle range of the main lobe of the
より詳細には、TxOPA102の隣接する回折光の偏向角(図示Z軸に対する角度)の正弦値の差ΔωT、及びRxOPA104の隣接する回折光の偏向角の正弦値の差ΔωRは、それぞれ式(7)及び式(8)で表される。
また、式(6)(7)(8)より、式(9)が成り立つ。
すなわち、ライダー装置100では、TxOPA102が空間に送出する隣接する回折光の方向が互いに成す第1の角度と、RxOPA104の隣接する極大感度方向が互いに成す第2の角度と、の比が互いに素な自然数の比で表されるよう設定されている。
That is, in the
式(9)は、式(10)のように表すことができる。
すなわち、TxOPA102及びRxOPA104のメインローブの方向が同じであるとすると、TxOPA102におけるメインローブから数えてM1番目のサイドローブの方向と、RxOPA104におけるメインローブから数えてN1番目のサイドローブの方向とが、初めて一致することとなる。言い換えれば、TxOPA102における1〜M1−1番目のサイドローブの反射光については、RxOPA104における受信が抑制される。That is, when the direction of the main lobe of TxOPA102 and RxOPA104 are the same, the direction of the M 1 th sidelobe counted from a main lobe in TxOPA102, the direction of the N 1 -th sidelobe counted from a main lobe in RxOPA104 However, it will be the first match. In other words, for the reflected light of the 1st to M1-1st side lobes in TxOPA102, reception in RxOPA104 is suppressed.
その結果、TxOPA102のメインローブのステアリング角度αの許容変化範囲−αmax〜+αmaxのαmaxは、式(11)で定まることとなる。
すなわち、式(1)と式(11)との比較からわかるように、ライダー装置100を構成するTxOPA102のアンテナエレメント116の配列ピッチpTを、従来のライダー装置500のTxOPA502の配列ピッチpに設定したとしても(すなわち、配列ピッチpTをpより小さい値に設定することなく)、ライダー装置100のビームステアリングの許容角度範囲は、従来のライダー装置500の許容角度範囲のM倍に向上する。That is, as can be seen from the comparison between the equation (1) and the equation (11), the arrangement pitch p T of the
図2は、式(6)においてN=5、M=6としたときの、ライダー装置100の動作を説明するための図である。図2の上段は、TxOPA102のアンテナユニット118から送出される光の遠視野像の一例を示す図、図2の中段は、RxOPA104における光の受信感度分布を示す図である。また、図2の下段は、図2の上段及び中段にそれぞれ示す光強度と受信感度との積として得られる、ライダー装置100における総感度の分布を示す図である。図2の横軸は、いずれも、XZ平面におけるZ軸方向に対する角度θの正弦値sinθである。また、図2上段の縦軸は最大光強度により正規化した正規化光強度、図2中段の縦軸は最大受信感度により正規化した正規化受信感度、図2下段の縦軸は、総感度の最大値で正規化した正規化総感度である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the
図2上段に示すTxOPA102の光強度分布においてsinθ=0の位置に存在するTxOPA102のメインローブ200から数えてM番目である6番目のサイドローブ202、204の位置と、図2中段に示すRxOPA104の受信感度分布おいてsinθ=0の位置に存在するRxOPA104のメインローブに相当する最大強度部分210から数えてM番目である5番目のサイドローブに相当する極大感度部分212、214の位置とが一致している。
In the light intensity distribution of TxOPA102 shown in the upper part of FIG. 2, the positions of the
このため、図2下段に示すように、ライダー装置100における総感度の分布は、TxOPA102及びRxOPA104のメインローブに対応するsinθ=0の位置にある最大感度を持つ極大部分220に対し、これに隣接する総感度の極大部分222、224は、大きく離れてsinθ=±6λ0/pT(=±5λ0/pR)の位置に現れる。その結果、ライダー装置100においては、TxOPA102のメインローブの方向とRxOPA104のメインローブの方向が一致するように位相シフタ112及び122を制御することで、TxOPA102のアンテナエレメント116の配置ピッチpTを縮小することなく、式(11)に示すように、TxOPA102のメインローブのビームステリング角αの変化範囲を、従来のライダー装置に比べてM倍、すなわち6倍に拡大することができる。Therefore, as shown in the lower part of FIG. 2, the distribution of the total sensitivity in the
具体的には、本実施形態に係るライダー装置100は、以下のように動作する。なお、以下の説明においては、簡単のため、図示X軸方向にビームステアリングが行われるものとする。ただし、当業者において理解されるように、以下に示すX軸方向のビームステアリング動作に合わせて、当該X軸方向のビームステアリング動作と同様の図示Y軸方向のビームステアリング動作を行うことにより、2次元のビームステアリング動作を行うことができる。
Specifically, the
まず、ライダー装置100の制御デバイス134は、光源106を制御して、一定の時間間隔で光パルスを発生させる。また、制御デバイス134は、ステアリング制御ユニット132に指示して、TxOPA102から空間へ送出するメインローブのX方向の偏向角α(ステアリング角α)を変化させてビームステアリングを行う。より具体的には、ステアリング制御ユニット132は、各アンテナエレメント116から出射される光の位相がX軸に沿って上記偏向角αに応じた線形位相傾斜をもつように、且つ、当該偏向角αが所定のステアリング角度範囲内において所定のパターンで時間的に変化するように、位相シフタ112を制御する。ここで、上記偏向角αに応じた線形位相傾斜は、光分岐器110の光入力端から各アンテナエレメント116の出力端までの各光経路(各チャネル)に発生する位相シフト量が式(12)に従うように各位相シフタ122を設定することで実現され得る。
ここで、qは、各チャネルに対応するアンテナエレメント116のそれぞれに対し、当該アンテナエレメント116のX軸における位置に沿って端から順に付したインデックスであり、q=−Q、…、−1、0、1、…、Qである。
Here, q is an index assigned to each of the
また、制御デバイス134は、ステアリング制御ユニット132に指示して、RxOPA104のメインローブがTxOPA102のメインローブと同じ偏向角αを有するように、位相シフタ122を制御する。具体的には、ステアリング制御ユニット132は、各アンテナエレメント126の光受信端から光結合器120の光出力端までの各光経路(各チャネル)に発生する位相シフト量が式(13)に従うように各位相シフタ122を設定する。
ここで、sは、各チャネルに対応するアンテナエレメント126のそれぞれに対し、当該アンテナエレメント126のX軸における位置に沿って端から順に付したインデックスであり、q=−S、…、−1、0、1、…、Sである。式(12)、(13)より、同じインデックス値uを持つアンテナエレメント116及び126のそれぞれに対応する各チャネルにおいて発生させるべき位相φT(u)及びφR(u)は、式(14)を満たす。
すなわち、RxOPA104の各チャネルに発生させる位相シフトは、TxOPA102の各チャネルに発生させる位相シフトのpR/pT倍とする必要がある。That is, the phase shift generated in each channel of RxOPA104 needs to be p R / p T times the phase shift generated in each channel of TxOPA102.
制御デバイス134は、さらに、上記のようにTxOPA102及びRxOPA104のメインローブを同じ方向に制御しつつ、光源106から出力されTxOPA102からメインローブとして送出された光パルスが、RxOPA104のメインローブ方向から受信されるまでの時間を計測し、当該メインローブ方向に存在する物体までの距離を算出する。これにより、制御デバイス134は、例えばTxOPA102のメインローブのビームステアリング範囲内の空間マッピング用データを生成し得る。
Further, the
なお、本実施形態では、TxOPA102のアンテナユニット118の配列ピッチpTと、RxOPA104のアンテナユニット128の配列ピッチpRとが、式(6)の関係を有するよう構成されるものとしたが、これには限られない。例えば、配列ピッチpTとpRとが単に互いに異なる値を有するものとしても、上記と同様に、TxOPA102とRxOPA104とでサイドローブの方向を異ならせて、TxOPA102のメインローブのステアリング角の許容範囲を拡大することができる。In the present embodiment, the arrangement pitch p T of the
また、アンテナユニット118の実際の配列ピッチpT及び又はアンテナユニット128の実際の配列ピッチpRが式(6)を見たさなくても、例えばTxOPA102のアンテナエレメント116のビーム出射部分及び又はRxOPA104のアンテナエレメント126のビーム到来部分にレンズ等の像変換光学系を構成する光学部品を配置することで、それら光学部品を介してTxOPA102から出射される回折光から換算される実質的な配列ピッチpTe、及び又はそれら光学部品を介してRxOPA104が受信する光の受信感度から換算される実質的な配列ピッチpReが、互いに異なっていれば(例えば式(6)を満たしていれば)、上記と同様に、TxOPA102のメインローブのステアリング角の許容範囲を拡大することができる。Further, even if the actual array pitch p T of the
言い換えれば、TxOPA102が空間に送出する隣接する回折光の方向が互いに成す第1の角度は、TxOPA102の回折光が像変換光学系を構成する光学部品を介して空間へ送出される場合には、当該光学部品を介して空間へ送出された隣接する回折光の間の角度で定義される。また、RxOPA104における隣接する極大感度方向が互いに成す第2の角度は、RxOPA104が像変換光学系を構成する光学部品を介して空間から光を受信する場合には、当該光学部品を通過する前の上記空間における隣接する極大感度方向が互いに成す角度として定義される。そして、上述したのと同様に、上記第1の角度と上記第2の角度とが互いに異なる値となるように(例えば、上記第1の角度と上記第2の角度との比が互いに素な自然数の比となるように)設定されていれば、上述したのと同様の原理によりTxOPA102のメインローブのステアリング角の許容範囲を拡大することができる。
In other words, the first angle formed by the directions of the adjacent diffracted lights transmitted by the TxOPA102 into the space is such that the diffracted light of the TxOPA102 is transmitted to the space via the optical components constituting the image conversion optical system. It is defined by the angle between adjacent diffracted lights sent into space via the optics. Further, the second angle formed by the adjacent maximum sensitivity directions in the RxOPA104 is before passing through the optical component when the RxOPA104 receives light from the space via the optical component constituting the image conversion optical system. It is defined as the angle between adjacent maximum sensitivity directions in the space. Then, as described above, the ratio between the first angle and the second angle is relatively prime so that the first angle and the second angle have different values (for example, the ratio between the first angle and the second angle is relatively prime. If it is set (to be a ratio of natural numbers), the allowable range of the steering angle of the main lobe of the
<第2実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態に係るライダー装置について説明する。
図3は、本発明の第2の実施形態に係るライダー装置300の構成を示す図である。図3において、図1に示す第1の実施形態に係るライダー装置100と同じ構成要素については、図1に示す符号と同じ符号を用いるものとし、上述したライダー装置100についての説明を援用するものとする。<Second Embodiment>
Next, the rider device according to the second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a
ライダー装置300は、ライダー装置100と同様の構成を有するが、TxOPA102のアンテナユニット118の光送出側に、像変換光学系を構成する光学ユニット346が配されている点が異なる。本実施形態における光学ユニット346が構成する像変換光学系は、例えば焦点距離f1及びf2をそれぞれ有する2つの凸レンズであるレンズ342及び344で構成された像倍率K1をもつ2枚レンズ系で構成されている。The
上記の構成を有するライダー装置300は、TxOPA102の光送出側に像倍率K1を有する光学ユニット346を備えるため、TxOPA102は、実質的には、レンズ344から図示右側へ距離f2の位置にK1倍の配列ピッチK1・pTで配列されたアンテナエレメント316を備えたOPAとして機能する。このため、光学ユニット346、TxOPA102、及びRxOPA104を、K1・pT≠pRとなるように構成することで、第1の実施形態に係るライダー装置100と同様に、TxOPA102が空間に送出する隣接する回折光が互いに成す第1の角度と、RxOPA104における当該空間での隣接する極大感度方向が互いに成す第2の角度とを異ならせて、pTを縮小することなく、TxOPA102のメインローブのステアリング角度の許容範囲を拡大することができる。Since the
例えば、本実施形態では、像倍率K1、及び配列ピッチpT、pRが式(15)を満たすように、光学ユニット346、TxOPA102、及びRxOPA104が構成されている。
ここで、式(6)と同様に、N2/M2は既約関数であり、M2、N2は互いに素な自然数である。像倍率K1は、光学ユニット346を構成する2つのレンズ342、344の焦点距離f1、f2を用いて、式(16)により与えられる。
このとき、TxOPA102から光学ユニット346を通って空間へ送出される隣接する回折光の偏向角の正弦値の差ΔωT2は、式(17)により与えられる。
なお、RxOPA104にはレンズ光学系は配されていないので、RxOPA104における隣接する回折光(すなわち、隣接する受信感度極大方向)の偏向角の正弦値の差ΔωRは、ライダー装置100と同様に式(8)で与えられる。Since the lens optical system is not arranged in the RxOPA104, the difference Δω R of the sine values of the deflection angles of the adjacent diffracted light (that is, the adjacent reception sensitivity maximum direction) in the RxOPA104 is the same as that of the
上記の式(15)、(17)、及び式(8)より、式(18)を得る。
すなわち、光学ユニット346から空間に送出されるTxOPA102の回折光のうち、TxOPA102のメインローブから数えてM2番目のサイドローブの方向と、RxOPA104におけるメインローブから数えてN2番目のサイドローブの方向と、が一致することがわかる。That is, of the diffracted light TxOPA102 sent into space from the
したがって、光学ユニット346から空間へ送出するメインローブのステアリング角αの許容可変範囲−αmax〜αmaxのαmaxは、式(19)で与えられる。
すなわち、ライダー装置300においても、ライダー装置100と同様に、TxOPA102のアンテナエレメント116の配列ピッチpTを縮小させることなく、TxOPA102から出力され空間に送出されるメインローブのステアリング角度の許容範囲を拡大することができる。特に、ライダー装置300においては、TxOPA102のアンテナエレメント116の、光学ユニット346の光出力側から見た実質的な配列ピッチは、TxOPA102そのものの配列ピッチpTと、光学ユニット346の像倍率K1と、の積K1pTで与えられるので、ライダー装置100に比べて更に設計自由度を向上することができる。That is, expanded in the
具体的には、本実施形態に係るライダー装置300は、以下のように動作する。なお、以下の説明においては、簡単のため、図示X軸方向にビームステアリングが行われるものとする。ただし、当業者において理解されるように、以下に示すX軸方向のビームステアリング動作に合わせて、当該X軸方向のビームステアリング動作と同様の図示Y軸方向のビームステアリング動作を行うことにより、2次元のビームステアリング動作を行うことができる。
Specifically, the
本実施形態に係るライダー装置300は、上述したライダー装置100と同様に動作するが、ステアリング制御ユニット332の動作が、ステアリング制御ユニット132と若干異なる。ステアリング制御ユニット332は、X方向について、TxOPA102から空間へ送出するメインローブの偏向角α(ステアリング角α)を変化させてビームステアリングを行う。より具体的には、ステアリング制御ユニット332は、像変換により形成された仮想的なアンテナエレメント316から出射される光の位相がX軸に沿って上記偏向角αに応じた線形位相傾斜をもつように、且つ、当該偏向角αが所定のステアリング角度範囲内において所定のパターンで時間的に変化するように、位相シフタ112を制御する。ここで、上記偏向角αに応じた線形位相傾斜は、光分岐器110の光入力端から各アンテナエレメント116の出力端までの各光経路(各チャネル)に発生する位相シフト量が式(20)に従うように各位相シフタ122を設定することで実現される。
ここで、qは、各チャネルに対応するアンテナエレメント116のそれぞれに対し、当該アンテナエレメント116のX軸における位置に沿って端から順に付したインデックスであり、q=−Q、…、−1、0、1、…、Qである。
Here, q is an index assigned to each of the
なお、RxOPA104のメインローブが上記と同様の偏向角αを有するように位相シフタ122によりRxOPA104の各チャネルに発生させる位相シフト量は、ライダー装置100の場合と同様に、式(13)で与えられる。
The phase shift amount generated in each channel of the
式(14)と同様に、式(13)、(20)より、同じインデックス値uを持つアンテナエレメント116及び126のそれぞれに対応する各チャネルにおいて発生させるべき位相φT2(u)及びφR(u)は、式(21)を満たす。
すなわち、RxOPA104の各チャネルに発生させる位相シフトは、TxOPA102の各チャネルに発生させる位相シフトのpR/(K1・pT)倍とする必要がある。That is, the phase shift generated in each channel of RxOPA104 needs to be p R / (K 1 · p T ) times the phase shift generated in each channel of TxOPA102.
なお、本実施形態においては、ライダー装置300は、互いに異なる配列ピッチpT及びpRを有するTxOPA102及びRxOPA104を用いて構成されるものとしたが、これには限られない。ライダー装置300においては、式(15)が満たされる限りにおいて、配列ピッチpT及びpRが同じ値であってもよい。すなわち、ライダー装置300は、TxOPA102及びRxOPA104に代えて、それぞれのアンテナエレメントの配列間隔が同じであるTxOPA及びRxOPAを用いて構成することもできる。In the present embodiment, the
<第3実施形態>
次に、本発明の第3の実施形態に係るライダー装置について説明する。
上述した第2の実施形態に係るライダー装置300では、2枚レンズ系で構成される像変換光学系である光学ユニット346によりTxOPA102のアンテナエレメント116の実質的な配列ピッチを拡大している。これに対し、第3の実施形態では、像変換光学系としてアナモルフィックプリズムペアを用いてアンテナエレメント116の実質的な配列ピッチを一次元方向に拡大する。<Third Embodiment>
Next, the rider device according to the third embodiment of the present invention will be described.
In the
図4は、本発明の第3の実施形態に係るライダー装置400の構成を示す図である。図4において、図1に示す第1の実施形態に係るライダー装置100と同じ構成要素については、図1に示す符号と同じ符号を用いるものとし、上述したライダー装置100についての説明を援用するものとする。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a
ライダー装置400は、ライダー装置100と同様の構成を有するが、TxOPA102のアンテナユニット118の光送出側に、2つのプリズム442、444から成るアナモルフィックプリズムペアで構成された光学ユニット446が配されている点が異なる。
The
本実施形態では、2つのプリズム442、444から成るアナモルフィックプリズムペアは、図示X方向において像を拡大するよう構成されている。したがって、図示Y方向におけるTxOPA102のメインローブのビームステアリングは、図1に示す第1の実施形態に係るライダー装置100と同様である。
In this embodiment, the anamorphic prism pair consisting of two
上記の構成を有するライダー装置400は、TxOPA102の光送出側に、図示X方向において像倍率K2を有する光学ユニット446を備えるため、TxOPA102は、実質的には、光出力側のプリズム444の光出力面(図示右側面)から図示左側へ距離Dの位置にK2倍の配列ピッチK2・pTで配列されたアンテナエレメント416を備えたOPAとして機能する。このため、光学ユニット446、TxOPA102、及びRxOPA104を、K2・pT≠pRとなるように構成することで、X方向に関して、第1の実施形態に係るライダー装置100と同様に、第1の実施形態に係るライダー装置100と同様に、TxOPA102が空間に送出する隣接する回折光が互いに成す第1の角度と、RxOPA104における当該空間での隣接する極大感度方向は互いに成す第2の角度とを異ならせて、pTを縮小することなく、TxOPA102のメインローブのステアリング角度の許容範囲を拡大することができる。なお、Y方向に関しては、ライダー装置400はライダー装置100と同様に動作し、ライダー装置100と同様にpTを縮小することなくTxOPA102のメインローブのステアリング角度の許容範囲が拡大される。Since the
例えば、本実施形態では、像倍率K2、配列ピッチpT、及びpRが式(22)を満たすように、光学ユニット446、TxOPA102、及びRxOPA104が構成されている。
ここで、上述したように、光学ユニット446はX方向においてのみ像を拡大することから、ライダー装置400においては、図示Y方向におけるTxOPA102のメインローブのビームステアリングは、図1に示す第1の実施形態に係るライダー装置100と同様である。したがって、以下では、図示X方向のビームステアリングについて説明するものとする。
Here, as described above, since the
上記の式(22)において、N3/M3は既約関数であり、M3、N3は互いに素な自然数である。このとき、TxOPA102から光学ユニット446を通って空間へ送出される隣接する回折光の偏向角の正弦値の差ΔωT3は、式(23)により与えられる。
なお、RxOPA104にはレンズ光学系は配されていないので、RxOPA104における隣接する回折光(すなわち、隣接する受信感度極大方向)の偏向角の正弦値の差でΔωRは、ライダー装置100と同様に式(8)で与えられる。Since the lens optical system is not arranged in the RxOPA104, Δω R is the same as that of the
上記の式(22)、(23)、及び式(8)より、式(24)を得る。
すなわち、光学ユニット446から空間に送出されるTxOPA102の回折光のうち、TxOPA102のメインローブから数えてM3番目のサイドローブの方向と、RxOPA104におけるメインローブから数えてN3番目のサイドローブの方向と、が一致することがわかる。That is, of the diffracted light TxOPA102 sent into space from the
したがって、光学ユニット446から空間へ送出するメインローブのステアリング角αの許容可変範囲−αmax〜αmaxのαmaxは、式(25)で与えられる。
すなわち、ライダー装置400のX方向のビームステアリング動作においても、ライダー装置100と同様に、TxOPA102のアンテナエレメント116の配列ピッチpTを縮小させることなく、TxOPA102から出力され空間に送出されるメインローブのステアリング角度の許容範囲を拡大することができる。特に、ライダー装置400においては、TxOPA102のアンテナエレメント116の、光学ユニット446の光出力側から見たX方向における実質的な配列ピッチは、TxOPA102そのものの配列ピッチpTと、光学ユニット446の像倍率K2と、の積K2pTで与えられるので、ライダー装置100に比べて更に設計自由度を向上することができる。That is, in the X direction of the beam steering operation of the
なお、像倍率K2は、従来技術に従い、光学ユニット446においてアナモルフィックプリズムペアを構成するプリズム442及び444の幾何形状及び配置から決定され得る。同様に、光学ユニット446があることにより形成される実質的なアンテナエレメント416の位置を規定する距離Dは、従来技術に従い、像倍率K2及びアンテナエレメント116からプリズム442までの距離等から決定され得る。The image magnification K 2 can be determined from the geometric shapes and arrangements of the
本実施形態に係るライダー装置400は、具体的には、以下のように動作する。
ライダー装置400は、上述したライダー装置100と同様に動作するが、ステアリング制御ユニット432の動作が、ステアリング制御ユニット132と異なる。ステアリング制御ユニット432は、X方向について、ステアリング制御ユニット132と同様に、TxOPA102から光学ユニット446を介して空間へ送出するメインローブのX方向の偏向角α(ステアリング角α)を変化させるため、各アンテナエレメント116から光学ユニット446を介して出射される光の位相がX軸に沿って上記偏向角αに応じた線形位相傾斜をもつように、且つ、当該偏向角αが所定のステアリング角度範囲内において所定のパターンで時間的に変化するように、位相シフタ112を制御する。ここで、上記偏向角αに応じた線形位相傾斜は、光分岐器110の光入力端から各アンテナエレメント116の出力端までの各光経路(各チャネル)に発生する位相シフト量が式(26)に従うように各位相シフタ122を設定することで実現される。
The
ここで、qは、アンテナユニット118を構成する各アンテナエレメント116に対し、当該アンテナエレメント116のX軸における位置に沿って端から順に付したインデックスであり、q=−Q、…、−1、0、1、…、Qである。
Here, q is an index assigned to each
なお、RxOPA104のメインローブが偏向角αを有するように位相シフタ122により発生させる線形位相傾斜は、ライダー装置100の場合と同様に、式(13)で与えられる。
The linear phase inclination generated by the
式(14)と同様に、式(13)、(26)より、同じインデックス値uを持つアンテナエレメント116及び126のそれぞれに対応する各チャネルに発生させるべき位相φT3(u)及びφR(u)は、式(27)を満たす。
すなわち、RxOPA104の各チャネルに発生させる位相シフトは、TxOPA102の各チャネルに発生させる位相シフトのpR/(K2・pT)倍とする必要がある。That is, the phase shift generated in each channel of RxOPA104 needs to be p R / (K 2 · p T ) times the phase shift generated in each channel of TxOPA102.
なお、本実施形態においては、ライダー装置400は、互いに異なる配列ピッチpT及びpRを有するTxOPA102及びRxOPA104を用いて構成されるものとしたが、これには限られない。ライダー装置400においては、式(22)が満たされる限りにおいて、配列ピッチpT及びpRが同じ値であってもよい。すなわち、ライダー装置300は、TxOPA102及びRxOPA104に代えて、それぞれのアンテナエレメントの配列間隔が同じであるTxOPA及びRxOPAを用いて構成することもできる。In the present embodiment, the
なお、本発明は上記各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。 The present invention is not limited to the configuration of each of the above embodiments, and can be implemented in various embodiments without departing from the gist thereof.
例えば、上記各実施形態では、TxOPA102のアンテナエレメント116及びRxOPA104のアンテナエレメント126は、XY平面内にX方向及びY方向に同じ配列ピッチpT及びpRで配列されるものとしたが、これには限られない。TxOPA102のアンテナエレメント116及びRxOPA104のアンテナエレメント126は、X方向とY方向の配列ピッチが異なるように構成されるものとしてもよい。For example, in each of the above embodiments, the
この場合には、X方向及びY方向のそれぞれについて、TxOPA102が空間に送出する隣接する回折光が互いに成す第1の角度と、RxOPA104における当該空間での隣接する極大感度方向は互いに成す第2の角度とを異ならせることで、上記X方向及びY方向の配列ピッチを縮小することなく、TxOPA102のメインローブのX方向及びY方向におけるステアリング角度の許容範囲を共に拡大することができる。
In this case, in each of the X and Y directions, the first angle formed by the adjacent diffracted lights transmitted by the
具体的には、TxOPA102の光出射部及びRxOPA104の光受信部に設けられ得る光学部品による像倍率を加味したTxOPA102及びRxOPA104の実質的なアンテナエレメントの配列ピッチが互いに異なるように(例えばそれらの比が互いに素な自然数で表されるように)設定することで、TxOPA102のメインローブのステアリング角度の許容範囲を拡大することができる。 Specifically, the arrangement pitches of the substantial antenna elements of TxOPA102 and RxOPA104 are different from each other (for example, their ratios) in consideration of the image magnification of the optical components that can be provided in the light emitting part of TxOPA102 and the light receiving part of RxOPA104. The permissible range of the steering angle of the main lobe of the TxOPA102 can be expanded by setting (so that is represented by a natural number that is relatively prime).
また、上記各実施形態では、TxOPA102及びRxOPA104が、簡単のため相反性を有するOPAを用いて構成されるものとして説明したが、これには限られない。例えば、RxOPA104は、アンテナエレメント126から光結合器120の光出力端まで一方向に光が伝搬するものであってもよい。この場合でも、各アンテナエレメント126から光結合器120の光出力端までの各チャネルについて、仮想的に逆方向に光を伝搬させた場合の仮想的な回折光を考慮して極大感度方向を定義し、上述した各実施形態と同様の構成を用いてビームステアリングの範囲を拡大することができる。
Further, in each of the above embodiments, TxOPA102 and RxOPA104 have been described as being configured by using OPA having reciprocity for the sake of simplicity, but the present invention is not limited to this. For example, the
また、上記各実施形態では、TxOPA102及びRxOPA104は、一例として特許文献1に示されるようなOPA700を用いて構成されるものとしたが、これには限られない。他の例として、例えば、非特許文献1に開示されているようなOPA900を用いてTxOPA102及びRxOPA104を構成することもできる。具体的には、例えば、グレンティングベースのアンテナエレメントの延在方向を図1におけるY方向に合わせ、各アンテナエレメントが図1のX方向に配列されるようにして、TxOPA102及びRxOPA104を構成するものとすることができる。この場合には、TxOPA102及びRxOPA104における上記アンテナエレメントの配列ピッチをそれぞれpT及びpRとして、X方向のビームステアリングについて、上述した各実施形態と同様の構成によりビームステアリングの許容角度範囲を拡大することができる。Further, in each of the above embodiments, TxOPA102 and RxOPA104 are configured by using OPA700 as shown in
また、第2及び第3の実施形態においては、像変換光学系を構成する光学ユニット346及び446は、それぞれ1より大きい像倍率K1、K2を持つものとして図3及び図4が描かれているが、これには限られない。像倍率K1、K2は1より小さい値を持つものとしてもよい。また、像変換光学系は、少なくとも一次元方向において像変換を行う機能を有する限り、任意の光学系であるものとすることができる。Further, in the second and third embodiments, FIGS. 3 and 4 are drawn assuming that the
以上、説明したように、本発明の実施形態に係るライダー装置100等は、光フェーズドアレイにより構成された光送信器であるTxOPA102を備える。TxOPA102は、当該光フェーズドアレイを構成する複数の第1のアンテナエレメントであるアンテナエレメント116から出力される光により生成された回折光を空間へ送出する。また、ライダー装置100等は、光フェーズドアレイにより構成された光受信器であるRxOPA104を備える。RxOPA104は、空間から到来する光を、当該光フェーズドアレイを構成する複数の第2のアンテナエレメントであるアンテナエレメント126により受信する。そして、ライダー装置100等では、光受信器であるRxOPA104は、空間から到来する光の方向に関し、当該光の受信感度が極大となる極大感度方向を複数有する。また、ライダー装置100等では、光送信器であるTxOPA102が空間へ送出する隣接する回折光の方向が互いに成す第1の角度と、光受信器であるRxOPA104における隣接する上記極大感度方向が互いに成す第2の角度と、が互いに異なっている。
As described above, the
この構成によれば、TxOPA102から空間に送出されるメインローブに隣接するサイドローブの反射戻り光は、RxOPA104においては抑圧されて出力されることとなる。このため、ライダー装置100等では、コストの増大を招くことなく、TxOPA102のアンテナエレメント116の配列ピッチpTで定まる隣接回折光間の角度間隔に起因するビームステアリング角度範囲の制限を克服して、より広いビームステアリング角度範囲を実現することができる。According to this configuration, the reflected return light of the side lobe adjacent to the main lobe transmitted from the
また、ライダー装置100等は、TxOPA102を構成する光フェーズドアレイが備える第1の位相シフタである位相シフタ112と、RxOPA104を構成する光フェーズドアレイが備える第2の位相シフタである位相シフタ122と、を制御する位相シフト制御部であるステアリング制御ユニット132等を備える。そして、位相シフト制御部であるステアリング制御ユニット132等は、第1の位相シフタである位相シフタ112の位相シフト量を制御して光送信器であるTxOPA102が空間へ送出する回折光のメインローブの送出方向を変化させる。また、位相シフト制御部であるステアリング制御ユニット132等は、上記極大感度方向のうち最大感度を有する極大感度方向がTxOPA102の上記メインローブの送出方向と一致するように、第2の位相シフタである位相シフタ122の位相シフト量を制御する。
Further, the
この構成によれば、TxOPA102のメインローブの送出方向から到来する反射戻り光に対するRxOPA104の受信感度を常に最大に維持することができる。
According to this configuration, the reception sensitivity of the
また、ライダー装置100等では、第1のアンテナエレメントであるアンテナエレメント116の配列間隔pTと、第2のアンテナエレメントであるアンテナエレメント126の配列間隔pRとが互いに異なる値に設定されている。この構成によれば、TxOPA102が空間へ送出する隣接する回折光の方向が互いに成す第1の角度と、RxOPA104における隣接する上記極大感度方向が互いに成す第2の角度と、を容易に異なるものとすることができる。Further, in the
また、ライダー装置100等では、上記第1の角度と上記第2の角度との比は、互いに素な自然数の比で表されるよう設定される。この構成によれば、TxOPA102のビームステアリングの許容角度範囲を、例えば式(11)で示されるように、上記自然数で定まる倍率で拡大することができる。
Further, in the
また、ライダー装置100等では、第1のアンテナエレメントであるアンテナエレメント116の配列間隔pTと第2のアンテナエレメントであるアンテナエレメント126の配列間隔pRとの比が互いに素な自然数の比で表されるよう設定されている。この構成によれば、上記第1の角度と上記第2の角度との比が互いに素な自然数の比で表されるように容易に設定することができる。Further, in the
また、ライダー装置300、400では、光送信器であるTxOPA102は、複数の第1のアンテナエレメントであるアンテナエレメント116から出力される光により生成された回折光を、像変換光学系を構成する第1の光学部品であるレンズ342、344あるいはプリズム442、444を介して空間へ送出する。そして、ライダー装置300、400では、上記第1の角度は、上記第1の光学部品を介して空間へ送出された隣接する回折光間の角度で定義される。
Further, in the
この構成によれば、TxOPA102のアンテナエレメント116の配列ピッチpT及びRxOPA104のアンテナエレメント126の配列ピッチpRに加えて、上記像変換光学系の像倍率を用いて、上記第1の角度を設定することができるので、設計自由度が向上する。According to this configuration, in addition to the arrangement pitch p T of the
また、ライダー装置300では、上記第1の光学部品は、2つの凸レンズであるレンズ342、344で構成される。この構成によれば、像変換光学系を容易に構成することができる。
Further, in the
また、ライダー装置400では、上記第1の光学部品は、アナモルフィックプリズムペアを構成する2つのプリズム442、444で構成される。この構成によれば、像変換光学系を容易に構成することができる。
Further, in the
また、ライダー装置100等では、光受信器であるRxOPA104は、空間から到来する光を、像変換光学系を構成する第2の光学部品を介して複数の第2のアンテナエレメントであるアンテナエレメント126により受信するものとすることができる。この場合、上記第2の角度は、上記第2の光学部品を介して受信される上記空間から到来する光についての、上記空間において規定される隣接する極大感度方向が互いに成す角度で定義される。 この構成によれば、ライダー装置100等の設計自由度を更に向上することができる。
Further, in the
100、300、400、500…ライダー装置、102、502…TxOPA、104、504…RxOPA、106、506…光源、110、510…光分岐器、112、122、512、522…位相シフタ、114、124、514、524…位相シフトユニット、116、126、516、526…アンテナエレメント、118、128、518、528…アンテナユニット、120、520…光結合器、130、530…光検出器、132、532…ステアリング制御ユニット、134、536…制御デバイス、346、446…光学ユニット、342、344…レンズ、442、444…プリズム、700、900…OPA。 100, 300, 400, 500 ... Rider device, 102, 502 ... TxOPA, 104, 504 ... RxOPA, 106, 506 ... Light source, 110, 510 ... Optical turnout, 112, 122, 512, 522 ... Phase shifter, 114, 124, 514, 524 ... Phase shift unit, 116, 126, 516, 526 ... Antenna element, 118, 128, 518, 528 ... Antenna unit, 120, 520 ... Optical coupler, 130, 530 ... Photodetector, 132, 532 ... Steering control unit, 134, 536 ... Control device, 346, 446 ... Optical unit, 342, 344 ... Lens, 442, 444 ... Prism, 700, 900 ... OPA.
Claims (9)
第2の光フェーズドアレイにより構成され、前記空間から到来する光を前記第2の光フェーズドアレイを構成する複数の第2のアンテナエレメントにより受信する光受信器と、
を備え、
前記光受信器は、前記空間から到来する光の方向に関し、当該光の受信感度が極大となる極大感度方向を複数有し、
前記光送信器が前記空間へ送出する隣接する前記回折光の方向が互いに成す第1の角度と、前記光受信器における隣接する前記極大感度方向が互いに成す第2の角度と、が互いに異なっており、且つ、
前記光送信器は、前記複数の第1のアンテナエレメントから出力される光により生成された前記回折光を第1の光学部品を介して前記空間へ送出し、
前記第1の角度は、前記第1の光学部品を介して前記空間へ送出された隣接する前記回折光の間の角度で定義され、
前記第1の光学部品が構成する光学系は、当該光学系の光出力側から見た前記第1のアンテナエレメントの配列ピッチを、当該第1のアンテナエレメントの実際の配列ピッチに対して縮小し又は拡大するものである、
ライダー装置。 An optical transmitter composed of a first optical phased array and transmitting diffracted light generated by light output from a plurality of first antenna elements constituting the first optical phased array to space.
An optical receiver composed of a second optical phased array and receiving light coming from the space by a plurality of second antenna elements constituting the second optical phased array.
With
The optical receiver has a plurality of maximum sensitivity directions in which the reception sensitivity of the light is maximized with respect to the direction of the light arriving from the space.
The first angle formed by the directions of the adjacent diffracted light transmitted by the optical transmitter to the space and the second angle formed by the adjacent maximum sensitivity directions in the optical receiver are different from each other. And
The optical transmitter transmits the diffracted light generated by the light output from the plurality of first antenna elements to the space via the first optical component.
The first angle is defined as the angle between the adjacent diffracted lights delivered into the space via the first optical component.
Light Science system that make up the first optical component is an array pitch of the first antenna element viewed from the light output side of this optical system, the actual arrangement pitch of the first antenna element On the other hand, it shrinks or expands,
Rider device.
位相シフト制御部は、前記第1の位相シフタの位相シフト量を制御して前記光送信器が前記空間へ送出する回折光のメインローブの送出方向を変化させると共に、前記極大感度方向のうち最大感度を有する前記極大感度方向が前記メインローブの送出方向と一致するように前記第2の位相シフタの位相シフト量を制御する、
請求項1に記載のライダー装置。 A phase shift control unit for controlling a first phase shifter included in the first optical phased array and a second phase shifter included in the second optical phased array is provided.
The phase shift control unit controls the phase shift amount of the first phase shifter to change the transmission direction of the main lobe of the diffracted light transmitted by the optical transmitter to the space, and the maximum of the maximum sensitivity directions. The phase shift amount of the second phase shifter is controlled so that the maximum sensitivity direction having sensitivity coincides with the transmission direction of the main lobe.
The rider device according to claim 1.
請求項1又は2に記載のライダー装置。 The first and the arrangement pitch of the antenna element and the array pitch of the second antenna element is set to different values,
The rider device according to claim 1 or 2.
請求項1ないし3のいずれか一項に記載のライダー装置。 The ratio of the first angle to the second angle is set to be represented by the ratio of relatively prime natural numbers.
The rider device according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載のライダー装置。 The arrangement pitch of the shrinking to the actual array pitch by the optical system or enlarged the first antenna element, wherein the first optical component is configured, the array pitch of the second antenna element, the ratio of It is set to be represented by the ratio of relatively prime natural numbers,
The rider device according to claim 4.
請求項1ないし5のいずれか一項に記載のライダー装置。 The first optical component is an optical component of an afocal optical system composed of two convex lenses.
The rider device according to any one of claims 1 to 5.
請求項1ないし5のいずれか一項に記載のライダー装置。 The first optical component is composed of two prisms constituting an anamorphic prism pair.
The rider device according to any one of claims 1 to 5.
前記第2の角度は、前記第2の光学部品を介して受信される前記空間から到来する光についての、前記空間において規定される隣接する前記極大感度方向が互いに成す角度で定義され、
前記第2の光学部品が構成する光学系は、当該光学系の光入力側から見た前記第2のアンテナエレメントの配列ピッチを、当該第2のアンテナエレメントの実際の配列ピッチに対して縮小し又は拡大するものである、
請求項1ないし7のいずれか一項に記載のライダー装置。 The optical receiver receives light coming from the space through the second optical component by the plurality of second antenna elements.
The second angle is defined as an angle formed by the adjacent maximal sensitivity directions defined in the space for light arriving from the space received via the second optical component.
Light Science system that make up the second optical component is an array pitch of the second antenna element viewed from the light input side of this optical system, the actual array pitch of the second antenna element On the other hand, it shrinks or expands,
The rider device according to any one of claims 1 to 7.
第2の光フェーズドアレイにより構成され、前記空間から到来する光を前記第2の光フェーズドアレイを構成する複数の第2のアンテナエレメントにより受信する光受信器と、 An optical receiver composed of a second optical phased array and receiving light coming from the space by a plurality of second antenna elements constituting the second optical phased array.
を備え、 With
前記光受信器は、前記空間から到来する光の方向に関し、当該光の受信感度が極大となる極大感度方向を複数有し、 The optical receiver has a plurality of maximum sensitivity directions in which the reception sensitivity of the light is maximized with respect to the direction of the light arriving from the space.
前記光送信器が前記空間へ送出する隣接する前記回折光の方向が互いに成す第1の角度と、前記光受信器における隣接する前記極大感度方向が互いに成す第2の角度と、が互いに異なっており、且つ、 The first angle formed by the directions of the adjacent diffracted light transmitted by the optical transmitter to the space and the second angle formed by the adjacent maximum sensitivity directions in the optical receiver are different from each other. And
前記光受信器は、前記空間から到来する光を第2の光学部品を介して前記複数の第2のアンテナエレメントにより受信し、 The optical receiver receives light coming from the space through the second optical component by the plurality of second antenna elements.
前記第2の角度は、前記第2の光学部品を介して受信される前記空間から到来する光についての、前記空間において規定される隣接する前記極大感度方向が互いに成す角度で定義され、 The second angle is defined as an angle formed by the adjacent maximal sensitivity directions defined in the space for light arriving from the space received via the second optical component.
前記第2の光学部品が構成する光学系は、当該光学系の光入力側から見た前記第2のアンテナエレメントの配列ピッチを、当該第2のアンテナエレメントの実際の配列ピッチに対して縮小し又は拡大するものである、 The optical system composed of the second optical component reduces the arrangement pitch of the second antenna element as seen from the optical input side of the optical system with respect to the actual arrangement pitch of the second antenna element. Or to expand,
ライダー装置。 Rider device.
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