WO2022209309A1 - 対象物の距離および／または速度を計測する装置および方法 - Google Patents

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建治 鳴海
弓子 加藤
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating

Definitions

  • the present disclosure relates to an apparatus and method for measuring distance and/or velocity of an object.
  • a rangefinder based on the FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) method sends out frequency-modulated electromagnetic waves and measures the distance based on the difference in frequency between the transmitted wave and the reflected wave.
  • the FMCW rangefinder is called an FMCW radar.
  • FMCW radar uses, for example, a voltage controlled oscillator (VCO) as a radio wave oscillation source.
  • VCO voltage controlled oscillator
  • the FMCW rangefinder is called an FMCW lidar (LiDAR).
  • the FMCW lidar uses, for example, a laser light source as a light source.
  • An FMCW lidar emits light whose frequency is periodically modulated from a light source toward an object, and the reflected light from the object interferes with the reference light from the light source to obtain interference light.
  • the interfering light is detected by a photodetector and converted into an electrical signal.
  • This electrical signal contains a signal component with a frequency corresponding to the difference between the frequency of the reflected light and the frequency of the reference light.
  • This signal component is called the "beat signal”.
  • the frequency of the beat signal is called the "beat frequency”.
  • the FMCW lidar detects the frequency of the electrical signal output from the photodetector, so the distance measurement result is less susceptible to disturbance light.
  • the range finding accuracy of FMCW lidar depends on how linearly the frequency of the light can be modulated with respect to time.
  • Patent Literature 1 describes that even if the voltage controlled oscillator of the FMCW radar sweeps the voltage linearly with respect to time, the frequency changes nonlinearly, resulting in deterioration of the ranging performance. .
  • Patent Document 1 discloses a method of dynamically changing the sampling timing of the interference signal based on the sweep signal obtained from the artificial target. It is described that this can compensate for the nonlinearity of the frequency sweep.
  • Patent Document 2 discloses an FMCW radar device that corrects the frequency of an interference signal using correction data corresponding to multiple distances and multiple ambient temperatures. It is described that this improves the detection accuracy.
  • Patent Document 3 discloses an example of an FMCW lidar device that continuously measures the frequency of beat signals and calculates the distance to an object based on the average value of the measured frequencies. It is described that this eliminates the effects of laser nonlinear chirp and enables accurate distance measurement.
  • the present disclosure provides a novel technique that can more precisely measure distance and/or velocity regardless of the operating state of the light source in the FMCW lidar.
  • a measurement device includes a light source that emits frequency-modulated light, separates the light emitted from the light source into reference light and output light, and the output light is reflected by an object.
  • an interference optical system that generates interference light between the reflected light and the reference light, a photodetector that receives the interference light and outputs a detection signal corresponding to the intensity of the interference light, and correction of the detection signal wherein each of the plurality of correction data is associated with a corresponding one of a plurality of different operating states of the light source;
  • a control signal for sweeping the frequency of the light emitted from the light source is sent to the light source, based on one or more correction data selected from the plurality of correction data according to the operating state of the light source.
  • a processing circuit for correcting the detection signal by using the detection signal, and generating and outputting measurement data regarding the distance and/or speed of the object based on the corrected detection signal.
  • the present disclosure may be realized by a system, apparatus, method, integrated circuit, computer program, or recording medium such as a computer-readable recording disk. It may be realized by any combination of computer program and recording medium.
  • the computer-readable recording medium may include a volatile recording medium, or may include a non-volatile recording medium such as a CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory).
  • a device may consist of one or more devices. When the device is composed of two or more devices, the two or more devices may be arranged in one device, or may be divided and arranged in two or more separate devices. As used herein and in the claims, a "device" can mean not only one device, but also a system of multiple devices.
  • the effect of nonlinear frequency modulation that occurs differently depending on the operating state is mitigated. be able to. Therefore, it becomes possible to measure the distance and/or velocity of the object more precisely.
  • FIG. 1 is a diagram showing data obtained from experiments conducted by the present inventors.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the measuring device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a light source and an interference optical system.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the control signal output from the processing circuit and the drive current signal output from the drive circuit.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of a measuring device whose interference optical system is a fiber optical system.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of a measuring device having an optical deflector.
  • FIG. 7A is a diagram schematically showing an example of temporal changes in frequencies of reference light and reflected light when the object is stationary.
  • FIG. 7A is a diagram schematically showing an example of temporal changes in frequencies of reference light and reflected light when the object is stationary.
  • FIG. 7B is a diagram schematically showing temporal changes in the frequencies of reference light and reflected light when an object approaches measuring apparatus 100 .
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of calibration operation.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of analysis results of the period of the detection signal.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the relationship between control signal voltage and period.
  • FIG. 11A shows an example of a correction table associated with the first operating state of the light source.
  • FIG. 11B shows an example of a correction table associated with the second operating state of the light source.
  • FIG. 12 is a diagram showing examples of waveforms of detection signals before and after correction.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a conversion table that defines the relationship between beat signal frequency and distance.
  • FIG. 14A is a diagram showing an example of a conversion table that defines the relationship between the frequency of the beat signal and the distance corresponding to the first operating state.
  • FIG. 14B is a diagram showing an example of a conversion table that defines the relationship between the frequency of the beat signal and the distance corresponding to the second operating state.
  • FIG. 15 is a flow chart showing an example of the ranging operation.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a schematic configuration of the measuring device according to the second embodiment.
  • FIG. 17 is a flow chart showing the operation of calibration in the second embodiment.
  • FIG. 18 is a flow chart showing an example of ranging operation in the second embodiment.
  • FIG. 19A is a diagram showing an example of a correction table that defines the relationship between the voltage of the control signal and the sampling interval.
  • FIG. 19A is a diagram showing an example of a correction table that defines the relationship between the voltage of the control signal and the sampling interval.
  • FIG. 19B is a diagram showing an example of a correction table that defines the relationship between the phase of frequency modulation and the period ratio.
  • FIG. 19C is a diagram showing an example of a correction table that defines the relationship between the phase of frequency modulation and the sampling interval.
  • FIG. 20 is a graph showing the results of creating a correction table when performing calibration with two types of modulation voltage amplitudes.
  • FIG. 22 is a graph showing an example of the result of creating a correction table when performing calibration with two kinds of bias voltages.
  • FIG. 23 is a graph showing an example of the result of creating a correction table when performing calibration at two types of temperature.
  • FIG. 24 is a diagram showing an example of creating a new correction table from two existing correction tables.
  • FIG. 25 is a diagram showing an example of creating a new table from two existing correction tables.
  • FIG. 26 is a block diagram showing the configuration of a measuring device in an experimental example for verifying the effect of the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 shows data obtained from experiments conducted by the inventors.
  • a semiconductor laser light source was used as the light source.
  • control voltage the voltage of the control signal input to the light source
  • the control signal is linearly swept over a predetermined voltage range V m (hereinafter also referred to as “modulation voltage amplitude”) and at a predetermined period.
  • V m a predetermined voltage range
  • modulation voltage amplitude a laser beam whose frequency is periodically modulated is emitted from the light source.
  • Graph (a) in FIG. 1 shows an example of the change over time of the voltage of the control signal input to the light source.
  • the control signal is swept linearly with time over the voltage range Vm1 .
  • the median value of the voltage range (hereinafter also referred to as "bias voltage") is Vb .
  • Graph (b) of FIG. 1 shows an example of the time change of the control voltage when the same laser light source is controlled under the same temperature condition with different control signals.
  • the bias voltage is Vb as in example (a), but the modulation voltage amplitude is Vm2 .
  • V m2 is 1.5 times V m1 .
  • Graphs (c) and (d) in FIG. 1 show reflected light generated when a laser beam is emitted from a light source toward a stationary reference reflector, and reference light directed from the light source to a photodetector via an optical system.
  • 1 shows an example of a waveform of an electrical signal (hereinafter also referred to as “detection signal”) obtained by detecting the interference light of .
  • Graphs (c) and (d) show the waveforms of the detection signal when the modulation voltage amplitudes are Vm1 and Vm2 , respectively.
  • the time axes in these graphs are the same as those in graphs (a) and (b).
  • Graphs (e) and (f) in FIG. 1 show temporal changes in the instantaneous frequency of the beat signal obtained by frequency analysis of the signal waveforms of graphs (c) and (d), respectively.
  • the waveforms of graphs (e) and (f) were obtained based on the signal voltage ranging from time t1 to t2 in graphs (c) and (d), respectively .
  • Graph (g) in FIG. 1 plots the instantaneous frequencies corresponding to the two modulation voltage amplitudes Vm1 and Vm2 in relation to the voltage of the control signal.
  • the stationary object was irradiated with light, so if the frequency of the light was also linearly swept in response to the linear sweep of the control voltage, the frequency of the beat signal would be constant regardless of time. should be.
  • the frequency of the beat signal fluctuates over time.
  • the nonlinearity of the frequency of the beat signal with respect to time differs between when the modulation voltage amplitude is Vm1 and when it is Vm2 . This indicates that the nonlinearity of the frequency change of light with respect to time differs depending on the magnitude of the modulation voltage amplitude.
  • the nonlinearity of the fluctuation of the frequency of the beat signal is It is different between the case and the case of V m2 .
  • the frequency of the beat signal tends to increase relatively with increasing control voltage on the high voltage side
  • the modulation current amplitude of Vm2 the frequency is the same.
  • a saturation tendency is seen at the control voltage on the high voltage side.
  • the distance to the object cannot be uniquely determined. It is also conceivable to integrate (i.e. average) the spectrum obtained by frequency analysis with respect to control voltage or time in order to stabilize beat frequency fluctuations. However, when such integration is performed, the spectral line width of the beat signal becomes thicker, making it difficult to determine the peak frequency of the beat signal, thereby degrading the distance measurement accuracy. Unlike FMCW radar that uses radio waves, it is not possible to directly detect optical frequency signals, so it is not possible to directly feedback-control the control voltage so as to linearly change the oscillation frequency of the laser.
  • a measurement device includes a light source, an interference optical system, a photodetector, a storage device, and a processing circuit.
  • the light source emits frequency-modulated light.
  • the interference optical system separates the light emitted from the light source into reference light and output light, and generates interference light between the reflected light generated when the output light is reflected by an object and the reference light. .
  • the photodetector receives the interference light and outputs a detection signal corresponding to the intensity of the interference light.
  • the storage device stores a plurality of correction data used for correcting the detection signal. Each of the plurality of correction data is associated with a corresponding one of a plurality of different operating states of the light source.
  • the processing circuitry sends a control signal to the light source that sweeps the frequency of the light emitted from the light source.
  • the processing circuit corrects the detection signal based on one or more correction data selected from the plurality of correction data according to the operating state of the light source, and corrects the detection signal after correction based on the corrected detection signal. Generating and outputting measurement data relating to the distance and/or velocity of the object.
  • the processing circuit can appropriately correct the detection signal based on one or more correction data selected from a plurality of correction data according to the operating state of the light source.
  • the influence of non-linear frequency modulation that occurs differently depending on the operating state can be mitigated, and the distance and/or velocity of the object can be measured more precisely.
  • the measuring device may further include a temperature sensor that measures the temperature of the light source.
  • the plurality of correction data includes two or more first correction data, and each of the two or more first correction data corresponds to two or more operation states in which the temperature of the light source is different. may be associated with one that
  • the processing circuit generates the detection signal based on one or more first correction data selected from the two or more first correction data according to the temperature of the light source measured by the temperature sensor. may be corrected.
  • the processing circuit can appropriately correct the detection signal based on one or more pieces of first correction data selected according to the temperature of the light source. As a result, the influence of nonlinear frequency modulation that occurs differently depending on the temperature of the light source can be mitigated, and the distance and/or velocity of the object can be measured more precisely.
  • the control signal may be a signal that inputs a periodically fluctuating voltage or current to the light source.
  • the plurality of correction data includes two or more second correction data, and each of the two or more second correction data has two or more different amplitudes of the voltage or the current of the control signal. may be associated with a corresponding one of the operating states of
  • the processing circuit corrects the detection signal based on one or more second correction data selected from the two or more second correction data according to the amplitude of the current voltage or current. You may According to this configuration, the processing circuit can appropriately correct the detection signal based on one or more second correction data selected according to the current amplitude of the voltage or current of the control signal. This mitigates the effects of non-linear frequency modulation that occurs differently depending on the voltage or current amplitude of the control signal, allowing for more precise measurement of object distance and/or velocity. Become.
  • the control signal may be a signal for inputting a voltage that periodically fluctuates around a certain bias voltage or a current that periodically fluctuates around a certain bias current to the light source.
  • the plurality of correction data includes two or more third correction data, and each of the two or more third correction data includes two or more different bias voltages or bias currents of the control signal. may be associated with a corresponding one of the operating states of
  • the processing circuit generates the detection signal based on one or more third correction data selected from the two or more third correction data according to the current bias voltage or the current bias current. may be corrected.
  • the processing circuit can appropriately correct the detection signal based on one or more pieces of third correction data selected according to the current bias voltage or bias current of the control signal. This mitigates the effects of non-linear frequency modulation that occurs differently depending on the bias voltage or bias current of the control signal, allowing more precise measurement of object distance and/or velocity. Become.
  • the processing circuit performs correction based on at least one of the plurality of correction data stored in the storage device.
  • Correction data corresponding to the current operating state may be generated, and the detection signal may be corrected based on the generated correction data.
  • one or more correction data close to the current operating state may be selected from a plurality of correction data, and the detection signal may be corrected based on the selected correction data.
  • the detection signal can be corrected even if the correction data corresponding to the current operating state is not stored in the storage device, and the distance and/or velocity of the object can be measured more precisely. be able to.
  • the processing circuit selects the current operating state from among the plurality of correction data stored in the storage device. Two correction data associated with two operating states closest to the operating state are selected, and correction data corresponding to the current operating state is generated by interpolation processing using the selected two correction data. , the detection signal may be corrected based on the generated correction data.
  • the two operating states closest to the current operating state mean the operating state closest to the current operating state and the operating state second closest to the current operating state. An interpolation process using two pieces of correction data respectively corresponding to these two operation states can generate suitable correction data corresponding to the current operation state.
  • Each of the plurality of correction data may include correction value information corresponding to each of the plurality of voltage values or the plurality of current values in the control signal.
  • the correction value can be, for example, a coefficient for correcting the period of the detection signal.
  • the processing circuitry may correct the detected signal by determining the period from the detected signal and multiplying the period by the correction value.
  • Each of the plurality of correction data may include correction value information corresponding to each of a plurality of phases or a plurality of timings in frequency modulation by the control signal. Based on the correction data including information on such correction values, the processing circuit can appropriately correct the detection signal.
  • Each of the plurality of correction data may include correction value information for changing sampling timing when the processing circuit samples the detection signal.
  • the processing circuit can correct the detection signal by determining the sampling timing of the detection signal according to the correction value.
  • Each of the plurality of correction data may be data representing a correction table or a correction function for determining correction values used to correct the detection signal.
  • the processing circuit can appropriately correct the detection signal based on the correction value indicated by the correction data corresponding to the current operating state.
  • the processing circuit may create the plurality of correction data, and store each of the plurality of correction data in the storage device in association with the corresponding operating state of the light source. With such an operation, it is possible to realize the above-described operation of selecting correction data according to the operating state and correcting the detection signal during measurement.
  • a method is performed by a computer in a system including a measurement device.
  • the measuring device includes a light source that emits frequency-modulated light, separates the light emitted from the light source into reference light and output light, and reflects light generated by the output light being reflected by an object.
  • an interference optical system that generates interference light between and the reference light; a photodetector that receives the interference light and outputs a detection signal corresponding to the intensity of the interference light; and a plurality of a storage device for storing correction data, each of the plurality of correction data being associated with a corresponding one of a plurality of different operating states of the light source.
  • the method comprises: sending to the light source a control signal for sweeping the frequency of the light emitted from the light source; and generating and outputting measurement data relating to the distance and/or speed of the object based on the corrected detection signal.
  • a computer program is executed by a computer in a system including a measuring device.
  • the measuring device includes a light source that emits frequency-modulated light, separates the light emitted from the light source into reference light and output light, and reflects light generated by the output light being reflected by an object.
  • an interference optical system that generates interference light between and the reference light; a photodetector that receives the interference light and outputs a detection signal corresponding to the intensity of the interference light; and a plurality of a storage device for storing correction data, each of the plurality of correction data being associated with a corresponding one of a plurality of different operating states of the light source.
  • the computer program causes the computer to correct the detection signal based on one or more correction data selected from the plurality of correction data according to the operating state of the light source; and generating and outputting measurement data regarding the distance and/or speed of the object based on the detection signal.
  • all or part of a circuit, unit, device, member or section, or all or part of a functional block in a block diagram is, for example, a semiconductor device, a semiconductor integrated circuit (IC), or an LSI (large scale integration). ) may be performed by one or more electronic circuits.
  • An LSI or IC may be integrated on one chip, or may be configured by combining a plurality of chips.
  • functional blocks other than memory elements may be integrated into one chip.
  • LSIs or ICs may be called system LSIs, VLSIs (very large scale integration), or ULSIs (ultra large scale integration) depending on the degree of integration.
  • a Field Programmable Gate Array (FPGA), which is programmed after the LSI is manufactured, or a reconfigurable logic device that can reconfigure the connection relationships inside the LSI or set up the circuit partitions inside the LSI can also be used for the same purpose.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • circuits, units, devices, members or parts can be executed by software processing.
  • the software is recorded on one or more non-transitory storage media, such as ROMs, optical discs, hard disk drives, etc., such that when the software is executed by a processor, the functions specified in the software are performed. It is executed by processors and peripherals.
  • a system or apparatus may comprise one or more non-transitory storage media on which software is recorded, a processor, and required hardware devices such as interfaces.
  • the measuring device of this embodiment is a distance measuring device that measures the distance to an object using FMCW-LiDAR technology.
  • the measuring device may measure the velocity of the object in addition to the distance or instead of the distance.
  • the measurement device may be mounted on a mobile object, such as an autonomous vehicle, an automated guided vehicle (AGV), an unmanned aerial vehicle (UAV), or a mobile robot.
  • a mobile object such as an autonomous vehicle, an automated guided vehicle (AGV), an unmanned aerial vehicle (UAV), or a mobile robot.
  • a mobile object such as an autonomous vehicle, an automated guided vehicle (AGV), an unmanned aerial vehicle (UAV), or a mobile robot.
  • AAV automated guided vehicle
  • UAV unmanned aerial vehicle
  • the measuring device is not limited to mobile objects, and can be used by being mounted on any device.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the measuring device 100 according to this embodiment.
  • thick arrows represent the flow of light
  • thin arrows represent the flow of signals or data.
  • object 300 for which distance and/or velocity is to be measured is any object such as, for example, an obstacle, a person, or a mobile object (eg, an automobile, a two-wheeled vehicle, a mobile robot, or a drone).
  • the measuring device 100 shown in FIG. 2 includes a light source 110, an interference optical system 120, a photodetector 130, a processing circuit 140, and a storage device 150.
  • Light source 110 can change the frequency of emitted light in response to a control signal output from processing circuitry 140 .
  • the interference optical system 120 separates the light emitted from the light source 110 into reference light and output light, and generates interference light by causing interference between the reflected light generated when the output light is reflected by the object 300 and the reference light. .
  • the interfering light is incident on photodetector 130 . Detailed configurations of the light source 110 and the interference optical system 120 will be described later.
  • the photodetector 130 receives the interference light, generates and outputs an electrical signal corresponding to the intensity of the interference light. This electrical signal is hereinafter referred to as a "detection signal".
  • Photodetector 130 includes one or more light receiving elements.
  • the light receiving element includes, for example, a photoelectric conversion element such as a photodiode.
  • the photodetector 130 may be a sensor with multiple light receiving elements, such as an image sensor.
  • the processing circuit 140 is an electronic circuit that controls the light source 110 and performs processing based on the detection signal output from the photodetector 130 .
  • Processing circuitry 140 may include control circuitry for controlling light source 110 and signal processing circuitry for performing signal processing based on the detection signals.
  • the processing circuit 140 may be configured as one circuit, or may be an aggregate of a plurality of separate circuits.
  • Processing circuitry 140 sends control signals to light source 110 .
  • the control signal causes the light source 110 to periodically change the frequency of the emitted light within a predetermined range. In other words, the control signal is a signal that sweeps the frequency of light emitted from light source 110 .
  • the control signal is a signal that inputs a voltage or current that periodically fluctuates with a certain amplitude to the light source 110 .
  • the processing circuit 140 acquires the detection signal output from the photodetector 130 while the light source 110 is emitting frequency-modulated light, and corrects the detection signal according to the operating state of the light source 110 .
  • the processing circuit 140 corrects the detection signal based on correction data stored in the storage device 150 .
  • Processing circuitry 140 determines the distance to object 300 and/or the velocity of object 300 based on the corrected detection signal.
  • Processing circuitry 140 generates and outputs data indicative of the distance and/or velocity. This data is hereinafter referred to as "measurement data".
  • the storage device 150 includes arbitrary storage media such as semiconductor memory, magnetic disk, and optical disk.
  • the storage device 150 stores correction data used for correction processing executed by the processing circuit 140 .
  • the correction data in this embodiment includes a plurality of correction tables. Each of the plurality of correction tables is associated and recorded with a corresponding one of a plurality of different operating states of light source 110 .
  • FIG. 2 illustrates a correction table corresponding to the first operating state of light source 110 and a correction table corresponding to the second operating state of light source 110 . Details of these correction tables will be described later.
  • Each correction table is an example of correction data.
  • the correction data is not limited to the correction table, and may be data in any format such as a function that defines the correspondence between the operating state and the correction value of the detection signal.
  • Storage device 150 also stores computer programs that are executed by processing circuitry 140 .
  • the processing circuit 140 and the storage device 150 may be integrated on one circuit board, or may be provided on separate circuit boards.
  • the functionality of processing circuitry 140 may be distributed over multiple circuits. At least part of the functions of the processing circuitry 140 may be implemented by an external computer installed at a location remote from other components. Such an external computer controls the operation of light source 110 and photodetector 130 and/or performs signal processing based on the detection signal output from photodetector 130 via a wired or wireless communication network.
  • the processing circuitry 140 performs the following operations when ranging the object 300 .
  • the output destination of the measurement data is, for example, the display device 210.
  • the measurement data may be output to a control device 220 that controls the motion of the mobile body (eg, steering, speed, etc.).
  • the measurement data can be recorded in storage device 150 or an external storage device.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the light source 110 and the interference optical system 120.
  • the light source 110 in this example comprises a driving circuit 111 and a light emitting element 112 .
  • the drive circuit 111 receives the control signal output from the processing circuit 140 , generates a drive current signal according to the control signal, and inputs the drive current signal to the light emitting element 112 .
  • the light emitting element 112 may be an element that emits highly coherent laser light, such as a semiconductor laser element.
  • the light emitting element 112 emits frequency-modulated laser light in response to the drive current signal.
  • the frequency of the laser light emitted from the light emitting element 112 is modulated at a constant cycle.
  • the frequency modulation period can be, for example, 1 microsecond ( ⁇ s) or more and 10 milliseconds (ms) or less.
  • the frequency modulation amplitude can be, for example, greater than or equal to 100 MHz and less than or equal to 1 THz.
  • the wavelength of the laser light can be included in the near-infrared wavelength range of 700 nm or more and 2000 nm or less, for example. In sunlight, the amount of near-infrared light is smaller than the amount of visible light. Therefore, by using near-infrared light as the laser light, the influence of sunlight can be reduced.
  • the wavelength of the laser light may be included in the visible light wavelength range of 400 nm or more and 700 nm or less or the ultraviolet light wavelength range.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the control signal output from the processing circuit 140 and the drive current signal output from the drive circuit 111.
  • FIG. Parts (a) and (b) of FIG. 4 show examples of waveforms of the control signal and the drive current signal, respectively.
  • the control signal applies a voltage that fluctuates with a predetermined period and a predetermined amplitude to the driving circuit 111 of the light source 110 .
  • the voltage of the control signal may be modulated in a sawtooth waveform.
  • the voltage of the control signal is not limited to a sawtooth waveform, and may be modulated in a triangular waveform.
  • the frequency of the light emitted from the light emitting element 112 can be swept in a near-linear form by a control signal in which the voltage repeats a linear change such as a sawtooth wave or a triangular wave.
  • a control signal in which the voltage repeats a linear change such as a sawtooth wave or a triangular wave.
  • frequency sweeps are not perfectly linear.
  • the amplitude of the modulation waveform of such a control signal is called modulation voltage amplitude, and the voltage at the center of the modulation range is called bias voltage.
  • the control signal applies a voltage that fluctuates around the bias voltage to the driving circuit 111 of the light source 110 .
  • the drive circuit 111 converts the control signal into a drive current signal and drives the light emitting element 112 with the drive current signal.
  • the drive current signal changes with a waveform corresponding to the control signal.
  • the modulation range or amplitude of the drive current signal is called the modulation current amplitude, and the current in the center of the modulation range is called the bias current.
  • the driving current signal increases and the frequency of the laser light emitted from the light emitting element 112 increases (that is, the wavelength shortens).
  • the drive current signal decreases and the frequency of the laser light emitted from the light emitting element 112 decreases (that is, the wavelength lengthens).
  • the interference optical system 120 in the example shown in FIG. 3 includes a splitter 121, a mirror 122, and a collimator 123.
  • the splitter 121 splits the laser light emitted from the light emitting element 112 of the light source 110 into reference light and output light, and combines the reflected light from the object 300 and the reference light to generate interference light.
  • Mirror 122 reflects the reference light back to splitter 121 .
  • the collimator 123 includes a collimating lens, and irradiates the object 300 with the output light with a nearly parallel spread angle.
  • the interference optical system 120 is not limited to the configuration shown in FIG. 3, and may be, for example, a fiber optical system. In that case, a fiber coupler can be used as the splitter 121 .
  • the reference light does not necessarily need to be reflected by the mirror 122 , and may be returned to the splitter 121 by routing an optical fiber, for example.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of the measuring device 100 in which the interference optical system 120 is a fiber optical system.
  • the interference optical system 120 includes a first fiber splitter 125, a second fiber splitter 126, and an optical circulator 127.
  • the first fiber splitter 125 splits the laser light 20 emitted from the light source 110 into reference light 21 and output light 22 .
  • the first fiber splitter 125 causes the reference light 21 to enter the second fiber splitter 126 and the output light 22 to enter the optical circulator 127 .
  • the optical circulator 127 causes the output light 22 to enter the collimator 123 .
  • the optical circulator 127 also causes the reflected light 23 generated by irradiating the object 300 with the output light 22 to enter the second fiber splitter 126 .
  • the second fiber splitter 126 causes the interference light 24 between the reference light 21 and the reflected light 23 to enter the photodetector 130 .
  • the collimator 123 shapes the beam shape of the output light 22 and emits the output light 22 toward the object 300 .
  • the measuring device 100 may further include an optical deflector that changes the direction of emitted light.
  • FIG. 6 is a block diagram showing an example of the measuring device 100 including the optical deflector 170.
  • the optical deflector 170 may include, for example, a MEMS (Micromechanical Electrosystem) mirror or a galvanomirror.
  • the optical deflector 170 can change the emission direction of the output light 22 by changing the angle of the mirror according to the instruction from the processing circuit 140 . Thereby, beam scanning can be realized.
  • the optical deflector 170 is not limited to the above configuration, and may be, for example, a beam scanning device using an optical phased array and a slow light waveguide as described in WO2019/130720.
  • FIG. 7A is a diagram schematically showing an example of temporal changes in the frequencies of the reference light and the reflected light when the object 300 is stationary.
  • the frequency changes like a triangular wave will be described.
  • the solid line represents the reference light
  • the dashed line represents the reflected light.
  • the frequency of the reference light shown in FIG. 7A linearly increases during one cycle and then linearly decreases by the increased amount.
  • the frequency of the reflected light is shifted along the time axis by the amount of time it takes for the output light to exit from the measurement device 100 and be reflected back by the object 300 as compared to the frequency of the reference light.
  • interference light between the reference light and the reflected light has a frequency corresponding to the difference between the frequency of the reflected light and the frequency of the reference light.
  • a double arrow shown in FIG. 7A represents the difference between the two frequencies.
  • Photodetector 130 outputs a signal indicating the intensity of the interference light.
  • the signal is called a beat signal.
  • the frequency of the beat signal, ie the beat frequency, is equal to the above frequency difference.
  • the processing circuit 140 can calculate the distance from the measurement device 100 to the object 300 based on the beat frequency.
  • FIG. 7B is a diagram schematically showing temporal changes in the frequencies of the reference light and the reflected light when the object 300 approaches the measuring device 100.
  • FIG. 7B When the object 300 approaches, due to the Doppler shift, the frequency of the reflected light shifts in an increasing direction along the frequency axis compared to when the object 300 is stationary. The amount by which the frequency of the reflected light is shifted depends on the magnitude of the component obtained by projecting the velocity vector at a certain portion of the object 300 in the direction of the reflected light.
  • the beat frequency is different when the frequencies of the reference light and the reflected light linearly increase and when they linearly decrease. In the example shown in FIG. 7B, the beat frequency when both frequencies decrease linearly is higher than the beat frequency when both frequencies increase linearly.
  • Processing circuitry 140 can calculate the velocity of object 300 based on the difference in these beat frequencies.
  • the frequency of the reflected light shifts in a decreasing direction along the frequency axis compared to when the object 300 is stationary.
  • the velocity of the object 300 can be calculated based on the difference in beat frequency between when the frequencies of the reference light and the reflected light linearly increase and when they linearly decrease.
  • the operation of the measuring device 100 of this embodiment can be broadly divided into two processes: (1) calibration and (2) distance measurement.
  • Calibration is performed, for example, by a person in charge of the manufacturer (hereinafter referred to as “operator”) before shipment of the measuring device 100 .
  • Distance measurement is mainly performed by the user of the measuring device 100 .
  • FIG. 8 is a flowchart showing an example of calibration operation.
  • the calibration operation includes operations from steps S401 to S409 shown in FIG. The operation of each step will be described below.
  • the operating state of the light source 110 is determined by the modulated voltage amplitude of the control signal.
  • Step S401 The operator places a stationary reference object at a position separated from the measuring device 100 by a specific distance while the measuring device 100 is stationary.
  • a reference object for example, a mirror, a diffuse reflector, or an object to be actually ranged can be used.
  • Step S402 Processing circuitry 140 determines the modulation voltage amplitude of the control signal.
  • the value of this amplitude may be determined by the operator and set by the processing circuit 140 according to the operator's operation.
  • the amplitude value can be determined, for example, by listing a plurality of values that may actually be used by the user of the measuring device 100 and selecting one value from the list. If the measuring device 100 can operate by switching between a plurality of distance ranges (that is, distance ranges in which distance measurement is possible), different modulation voltage amplitudes can be set according to the distance measurement ranges.
  • Step S403 The processing circuit 140 sends control signals to the light source 110 to cause the light source 110 to emit frequency modulated light. This operation is executed according to an operator's instruction.
  • Processing circuitry 140 obtains the detection signal from photodetector 130 .
  • the photodetector 130 outputs a detection signal according to the intensity of the interference light while light is emitted from the light source 110 .
  • the temporal length of the detection signal acquired by the processing circuit 140 can be, for example, about 1 to 50 times the modulation period.
  • the processing circuitry 140 acquires the detected signal for a relatively long time period and captures the detected signal for a predetermined period of time substantially shorter than the modulation period. Repeat the averaging process.
  • Processing circuitry 140 includes, for example, an analog-to-digital (A/D) converter and memory. The processing circuit 140 digitizes the detected signal waveform by, for example, an A/D converter and stores it in memory.
  • A/D analog-to-digital
  • Step S405 The processing circuit 140 stops the emission of light from the light source 110 by stopping the transmission of the control signal. This step may be performed according to instructions from the operator. Alternatively, the processing circuitry 140 may automatically stop irradiation according to a predetermined program. It should be noted that when the calibration operation is continuously repeated, the light may remain irradiated.
  • Processing circuitry 140 analyzes the period of the detected signal.
  • the period analysis method is, for example, to extract the maximum value of the upwardly convex portion or the minimum value of the downwardly convex portion in the waveform of the detection signal, and determine the period from the point at which the maximum value is obtained to the point at which the next maximum value is obtained. , or the period from the point at which the minimum value is obtained to the next point at which the minimum value is obtained can be set as one cycle.
  • the period analysis method extracts the zero-crossing point (that is, the point at which the value of the detected signal changes from positive to negative or negative to positive), and from a positive to negative zero-crossing point or a period from a negative to positive zero crossing point to the next negative to positive zero crossing point may be set as one cycle.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of analysis results of the period of the detection signal.
  • waveforms are plotted showing the relationship between the voltage of the control signal and the voltage of the detection signal.
  • the periods when the control signal voltages are V i , V i + 1 , V i+2 , . , . . .
  • the length of time from when the control signal voltage is V i to when it is V i+1 is defined as period P i .
  • the processing circuit 140 outputs voltages V i , V i + 1 , V i+2 , . ⁇ Plot the relationship between and find an approximation formula for the plotted points.
  • the approximation formula is, for example, a polynomial of degree 2 or higher, and can be obtained using, for example, the method of least squares.
  • Step S407 The processing circuit 140 creates a correction table showing the relationship between the voltage of the control signal and the period ratio based on the generated approximate expression, and writes it to the storage device 150 .
  • 11A and 11B are diagrams showing examples of correction tables.
  • the correction table can be recorded in a form showing the relationship between the control signal and the period ratio for different operating states of the light source (modulation voltage amplitude in this example).
  • 11A and 11B show examples of correction tables associated with different first and second operating states of the light source, respectively. Although two correction tables are recorded in this example, three or more correction tables may be recorded. Further, the correction data indicating the relationship between the control signal and the correction value such as the cycle ratio may be recorded in another format such as a function, without being limited to the format of the correction table.
  • the period ratio is set so that the beat frequency after correcting the waveform of the detection signal becomes a value theoretically derived from the distance of the reference object, the modulation period, the modulation frequency range, and the speed of light. It can be a value normalized by a constant.
  • FIG. 12 is a diagram showing examples of waveforms of detection signals before and after correction.
  • the constant can be set to a value such that the beat frequency of the waveform of the detected signal after correction is a constant value 1/Pm.
  • the relationship between the beat frequency and the distance can be stored in the memory in the processing circuit 140 or in the storage device 150 in the form of a conversion table as shown in FIG. 13, for example.
  • a conversion table is used when the processing circuit 140 calculates a distance value in the process of ranging operation.
  • the period ratio may be determined by normalizing with an appropriate constant for each operating state.
  • the relationship between the beat frequency and the distance in each operating state can be recorded in the memory within the processing circuit 140 as correction data such as a conversion table or function. .
  • Step S408 and Step S409) The processing circuit 140 determines whether or not all the calibrations for the modulation voltage amplitude values required for the actual use of the measurement device 100 have been performed. Since the modulation voltage amplitude value is a continuous quantity, it is determined whether or not all calibrations for voltage values (for example, 0.1 V) at regular intervals within a predetermined amplitude value range have been performed. If all have been done, the calibration process ends. If not, processing circuitry 140 updates the modulation voltage amplitude and repeats steps S403 through S407.
  • the processing circuit 140 can cause the storage device 150 to store correction tables corresponding to a plurality of different operating states.
  • the operating state of the light source 110 depends not only on the modulation voltage amplitude of the control signal, but also on other parameters such as the bias voltage of the control signal or the temperature of the light source 110 . If the operating state of light source 110 is determined based on a parameter other than modulation voltage amplitude, steps S402 and S409 are performed for that parameter.
  • FIG. 15 is a flow chart showing an example of ranging operation.
  • the processing circuit 140 in this embodiment executes the operations from steps S1001 to S1011 shown in FIG. 15 when performing the ranging operation. The operation of each step will be described below.
  • Step S1001 Processing circuitry 140 first determines the modulation voltage amplitude of the control signal. This amplitude value may be determined, for example, by a user of the measurement device 100 and set by the processing circuit 140 according to user manipulation.
  • the measuring device 100 can be configured to operate by switching between a plurality of range-finding ranges (that is, distance ranges in which range-finding is possible). In that case, the user sets an appropriate ranging range according to the environment in which the object exists.
  • Step S1002 The processing circuit 140 sends control signals to the light source 110 to cause the light source 110 to emit frequency modulated light. This operation is performed according to the user's instructions.
  • Step S1003 The processing circuit 140 acquires the detection signal output from the photodetector 130 . Similar to step S404 in the calibration operation shown in FIG. 8, when averaging the signal in order to improve the S/N ratio of the signal, the detection signal is acquired for a relatively long time and is sufficiently shorter than the modulation period. Repeat the process of averaging the detected signals over a predetermined period of time.
  • Step S1004 The processing circuit 140 stops the emission of light from the light source 110 by stopping the transmission of the control signal. This step may be performed according to instructions from the user. Alternatively, the processing circuitry 140 may automatically stop irradiation according to a predetermined program. When the distance measuring operation is continuously repeated, the light may be left on.
  • Processing circuitry 140 searches storage device 150 for a correction table corresponding to the determined modulation voltage amplitude.
  • the correction table is data that defines the relationship between the control signal voltage and the period ratio (that is, the correction value) as shown in FIGS. 11A and 11B, for example. If a corresponding correction table exists in storage device 150 , processing circuitry 140 reads the correction table from storage device 150 .
  • processing circuitry 140 creates a correction table.
  • Processing circuit 140 can create a correction table, for example, by the following method. First, the processing circuit 140 selects two correction tables respectively corresponding to the two modulation voltage amplitudes closest to the determined modulation voltage amplitude from among the plurality of correction tables stored in the storage device 150 . The processing circuit 140 can generate a correction table corresponding to the determined modulation voltage amplitude by performing interpolation processing based on those correction tables.
  • the current modulation voltage amplitude is A 0
  • the modulation voltage amplitudes corresponding to the two selected correction tables are A 1 and A 2
  • the correction values corresponding to amplitudes A 1 and A 2 are R 1 and A 2 respectively.
  • Step S1008 The processing circuit 140 corrects the waveform of the detection signal based on the correction table. This correction suppresses fluctuations in the cycle of the beat signal, as shown in FIG. 12, for example.
  • Step S1009 The processing circuit 140 performs frequency analysis of the waveform of the detected signal after correction.
  • the processing circuitry 140 Fourier transforms the waveform of the detected signal to generate a frequency spectrum. After that, the frequency at which the maximum peak of the frequency spectrum is obtained is obtained, and this frequency is set as the beat frequency.
  • Step S1010 The processing circuit 140 converts the beat frequency into a distance value and calculates it.
  • the processing circuit 140 reads out a conversion table such as that illustrated in FIG. 13A, FIG. 14A, or FIG. 14B from the memory in the processing circuit 140 and uses it.
  • Step S1011 The processing circuit 140 outputs measurement data including information on the calculated distance value to an external device such as the display device 210, for example.
  • the processing circuit 140 can generate distance data of the target object 300 . Note that when the distance measurement is continuously performed, the operations of steps S1001 to S1011 are continuously repeated.
  • a triangular control signal is used instead of the sawtooth control signal shown in FIG. Velocity can be calculated in the manner described.
  • the processing circuit 140 corrects the detection signal using the correction table corresponding to the modulation voltage amplitude of the control signal as correction data, and performs frequency analysis based on the corrected detection signal. conduct. Therefore, it is possible to obtain the distance value by reducing the variation in the frequency of the beat signal included in the detection signal, and it is possible to measure the distance of the object more precisely.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a schematic configuration of the measuring device 100 according to the second embodiment.
  • the measuring device 100 further includes a temperature sensor 160 .
  • Temperature sensor 160 measures the temperature of light source 110 and sends data of the temperature value to processing circuitry 140 .
  • temperature sensor 160 may be positioned to measure the temperature of light emitting element 112 as directly as possible.
  • the temperature of the light emitting element 112 may be indirectly estimated by a method of attaching the temperature sensor 160 to the measuring device 100 and measuring the ambient temperature.
  • the temperature sensor 160 can be arranged such that its temperature detection portion is fixed to the light emitting element 112 itself or to the heat sink to which the light emitting element 112 is fixed.
  • step S1201 the temperature of the light source 110 is set.
  • the temperature value can be set, for example, to any value within the temperature range in which the measurement device 100 is expected to operate.
  • the temperature of the light source 110 can be controlled, for example, by driving a Peltier element fixed to the light emitting element 112 .
  • step S1202 it is determined whether or not all calibrations for the operating temperature range of the measuring device 100 have been performed. Since the operating temperature is a continuous quantity, for example, it is determined whether or not the calibration has been completed for all the temperatures at intervals of 10° C. within the operating temperature range. If calibration for all temperatures has not been completed, the processing circuit 140 advances to step S1203, updates the temperature setting of the light source 110, and repeats the operations from steps S403 to S407.
  • FIG. 18 is a flow chart showing an example of ranging operation in the second embodiment. 15 in that step S1001 is omitted, step S1301 is added between steps S1003 and S1004, and the correction table referred to in step S1302 is different. be. The operation of these steps will be described below.
  • step S1301 the temperature sensor 160 measures the temperature of the light source 110, and the processing circuit 140 acquires the temperature value.
  • the temperature is acquired, for example, at intervals of about 0.1 seconds to 1 second. Temperature values measured multiple times may be averaged in order to suppress variation in measured values.
  • step S1302 processing circuitry 140 searches storage device 150 for a correction table corresponding to the measured temperature. If there is a corresponding correction table in the storage device 150, that correction table is used (step S1006), and if there is no corresponding correction table, a correction table is created (step S1007).
  • the processing in step S1007 is the same as in the first embodiment.
  • the processing circuit 140 in this embodiment corrects the detection signal using the correction table corresponding to the temperature of the light source 110 as correction data, and performs frequency analysis based on the corrected detection signal. I do. Therefore, it is possible to obtain the distance value by reducing the variation in the frequency of the beat signal included in the detection signal, and it is possible to measure the distance of the object more precisely.
  • the correction table is not limited to the above-described format, as long as it corrects nonlinear fluctuations in the period of the detection signal.
  • the sampling timing of A/D conversion which is normally equal in time interval
  • the sampling time interval is specified for the control voltage (that is, sampling at non-uniform time intervals).
  • the detection signal reconstructed by changing the sampling timing in this way may be used as the detection signal after correction.
  • a correction table may be used that specifies the period ratio for the phase of frequency modulation.
  • a correction table may be used that specifies the sampling time interval with respect to the phase of frequency modulation.
  • a correction table may be used that defines the relationship between the frequency modulation timing (that is, time) and correction values such as sampling intervals or period ratios.
  • a correction table that defines the relationship between the drive current and the period ratio or sampling interval may be used instead of the control voltage.
  • the approximation formula itself is stored in a storage device such as a memory as a correction function, and the processing circuit 140 is configured to correct the detection signal based on the correction function corresponding to the operating state. good too.
  • the operating state of light source 110 may be determined by any combination of two or more of control voltage or drive current, temperature, and bias voltage or bias current. In that case, correction data can be created and recorded for each combination.
  • FIG. 20 is a graph showing the result of creating a correction table when performing calibration with two types of modulation voltage amplitude based on the configuration and operation of the first embodiment.
  • the bias voltage Vb of the control signal was 1.7V
  • the temperature of the light source was 27°C
  • the modulation voltage amplitude Vm was 0.7V and 1.0V.
  • the approximation formula was created with a cubic function.
  • a normalization constant for obtaining the period ratio was determined to be an appropriate value. In this example, the sum of the period ratios over the analysis period was determined to be equal for each operating state. Therefore, the absolute value of the beat frequency will not be the same for each operating state. As shown in FIG. 20, it was confirmed that the shape of the graph of the correction table differs between the two operating states.
  • 21A to 21C are graphs showing the results of applying different correction tables to three detection signals respectively corresponding to three operating states with different modulation voltage amplitudes, and performing frequency analysis to obtain frequency spectra. .
  • a beat signal appears in the portion indicated by the arrow in the figure.
  • the correction table is created using the modulation voltage amplitude as a parameter.
  • the control signal and the drive current are in correspondence as described above, the amplitude of the drive current may be used instead of the modulation voltage amplitude. good.
  • FIG. 22 is a graph showing an example of the result of creating a correction table when performing calibration with two kinds of bias voltages.
  • the modulation voltage amplitude Vm of the control signal was 1.3V
  • the temperature of the light source was 27°C
  • the bias voltage Vb was 1.3V and 2.0V. From the results of FIG. 22, it was confirmed that the shape of the graph of the correction table differs between the two operating states.
  • the correction table was created using the bias voltage as a parameter, but since the control signal and the drive current are in correspondence as described above, the bias current may be used instead of the bias voltage.
  • FIG. 23 is a graph showing an example of the result of creating a correction table when performing calibration at two types of temperature.
  • the modulation voltage amplitude Vm of the control signal was 1.3 V
  • the bias voltage Vb was 2.0 V
  • the temperature of the light source was 15°C and 40°C. From the results of FIG. 23, it was confirmed that the shape of the graph of the correction table differs between the two operating states.
  • FIG. 25 is a diagram showing an example in which a new correction table for a temperature of 25°C is created from two existing correction tables (temperatures of 15°C and 40°C in this example). For clarity, FIG. 25 is partially enlarged. The period ratio of the correction table for the temperature of 25°C was calculated by interpolating from the period ratios for the temperatures of 15°C and 40°C.
  • FIG. 26 is a diagram showing a measuring device 2601 in another experimental example for verifying the effect of the embodiment of the present disclosure.
  • the dummy detection signal is a sine wave, and its amplitude and frequency are set close to those of the original detection signal (eg, 1 Vpp and 50 MHz).
  • the storage device 150 in this experimental example also stores different correction tables according to the operation state of the light source 110 as in the above-described embodiment.
  • the display device 210 displays a constant distance value corresponding to the frequency of the dummy detection signal.
  • the variation in the values obtained when the distance value is obtained multiple times is constant as long as the amount of frequency fluctuation of the dummy detection signal does not fluctuate.
  • the measurement operation of the measuring device 2601 is executed with a different correction table applied according to the operating state of the light source 110 .
  • the modulation voltage amplitude of the light source 110 is changed to two types, Vma and Vmb, and the measurement operation of the measuring device 2601 is performed while applying the correction table corresponding to each modulation voltage amplitude.
  • the values of Vma and Vmb are, for example, 0.7V and 1.0V, respectively.
  • the variation in distance values should be ⁇ a ⁇ b .
  • the reason is that when different correction tables are applied to the same dummy detection signal, the spectral linewidth of the corrected detection signal changes, and the dispersion of the distance values also changes according to the change in the linewidth. .
  • the measurement apparatus controls variations in distance values by applying different correction tables according to the operation state of the light source 110 to the detection signal before frequency analysis. It is understood that
  • the measuring device can be used for applications such as mobile objects such as automatic guided vehicles (AGV), automobiles, unmanned aircraft, or industrial robots, or FMCW lidar systems mounted on monitoring devices.
  • mobile objects such as automatic guided vehicles (AGV), automobiles, unmanned aircraft, or industrial robots, or FMCW lidar systems mounted on monitoring devices.
  • AGV automatic guided vehicles
  • unmanned aircraft unmanned aircraft
  • industrial robots or FMCW lidar systems mounted on monitoring devices.
  • FMCW lidar systems mounted on monitoring devices.

Abstract

計測装置は、周波数が変調された光を出射する光源と、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物によって反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受け、前記干渉光の強度に応じた検出信号を出力する光検出器と、前記検出信号の補正に用いられる複数の補正用データを記憶する記憶装置であって、前記複数の補正用データの各々は、前記光源の異なる複数の動作状態の対応する１つに関連付けられている、記憶装置と、前記光源から出射される前記光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出し、前記光源の動作状態に応じて前記複数の補正用データの中から選択した１つ以上の補正用データに基づいて前記検出信号を補正し、補正後の前記検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力する処理回路と、を備える。

Description

対象物の距離および／または速度を計測する装置および方法
　本開示は、対象物の距離および／または速度を計測する装置および方法に関する。
　ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ）方式による測距装置は、周波数変調された電磁波を送出し、送信波と反射波との周波数の差に基づいて距離を計測する。使用される電磁波がミリ波等の電波である場合、ＦＭＣＷ方式の測距装置はＦＭＣＷレーダーと呼ばれる。ＦＭＣＷレーダーでは、電波の発振源として、例えば電圧制御発振器（ＶＣＯ）が用いられる。電磁波が可視光または赤外光などの光である場合、ＦＭＣＷ方式の測距装置はＦＭＣＷライダー（ＬｉＤＡＲ）と呼ばれる。ＦＭＣＷライダーでは、光源として、例えばレーザ光源が用いられる。
　ＦＭＣＷライダーは、周波数が周期的に変調された光を光源から対象物に向けて出射し、対象物からの反射光と、光源からの参照光とを干渉させて干渉光を得る。干渉光は、光検出器によって検出され、電気信号に変換される。この電気信号には、反射光の周波数と参照光の周波数との差に相当する周波数の信号成分が含まれる。この信号成分は「ビート信号」と呼ばれる。ビート信号の周波数は「ビート周波数」と呼ばれる。ビート周波数と対象物までの距離との間には相関がある。したがって、ビート周波数に基づいて対象物の距離を算出することができる。さらに、移動する対象物からの反射光のドップラーシフトを利用して対象物の速度を算出することもできる。ＦＭＣＷライダーは、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）方式のライダーとは異なり、光検出器から出力された電気信号の周波数を検出するので、測距結果が外乱光の影響を受けにくいという特徴がある。その一方で、ＦＭＣＷライダーの距離計測の精度は、光の周波数を時間に対して如何に線形的に変調できるかに依存すると考えられてきた。
　特許文献１は、ＦＭＣＷレーダーの電圧制御発信器が電圧を時間に対して線形的に掃引した場合でも、周波数が非線形的に変化してしまうことから測距性能が低下することを記載している。これを解決するために、特許文献１は、人工ターゲットから得られる掃引信号に基づいて、干渉信号のサンプリングのタイミングを動的に変化させる方法を開示している。これにより、周波数掃引の非線形性を補償できることが記載されている。
　特許文献２は、複数の距離および複数の周囲温度に対応する補正データを用いて、干渉信号の周波数を補正するＦＭＣＷレーダー装置を開示している。これにより、検出精度を向上させることが記載されている。
　特許文献３は、ビート信号の周波数を連続的に計測し、計測された周波数の平均値に基づいて対象物までの距離を算出するＦＭＣＷライダー装置の例を開示している。これにより、レーザの非線形チャープの影響を除去して、正確な距離測定が可能になることが記載されている。
国際公開第２００６／０３５１９９号 特開２０１４－１８５９７３号公報 特開２０１９－４５２００号公報
　本開示は、ＦＭＣＷライダーにおいて光源の動作状態にかかわらず、より精密に距離および／または速度を計測できる新規な技術を提供する。
　本開示の一態様による計測装置は、周波数が変調された光を出射する光源と、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物によって反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受け、前記干渉光の強度に応じた検出信号を出力する光検出器と、前記検出信号の補正に用いられる複数の補正用データを記憶する記憶装置であって、前記複数の補正用データの各々は、前記光源の異なる複数の動作状態の対応する１つに関連付けられている、記憶装置と、前記光源から出射される前記光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出し、前記光源の動作状態に応じて前記複数の補正用データの中から選択した１つ以上の補正用データに基づいて前記検出信号を補正し、補正後の前記検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力する処理回路と、を備える。
　本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能な記録ディスク等の記録媒体によって実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意の組み合わせによって実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、揮発性の記録媒体を含んでいてもよいし、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ‐Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性の記録媒体を含んでいてもよい。装置は、１つ以上の装置で構成されてもよい。装置が２つ以上の装置で構成される場合、当該２つ以上の装置は、１つの機器内に配置されてもよく、分離した２つ以上の機器内に分かれて配置されてもよい。本明細書および特許請求の範囲では、「装置」とは、１つの装置を意味し得るだけでなく、複数の装置からなるシステムも意味し得る。
　本開示の実施形態によれば、光検出器から出力される検出信号を光源の動作状態に応じて補正することにより、動作状態に応じて生じ方が異なる非線形的な周波数変調の影響を緩和することができる。このため、対象物の距離および／または速度をより精密に計測することが可能になる。
図１は、本発明者らが行った実験によって得られたデータを示す図である。 図２は、第１の実施形態による計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図３は、光源および干渉光学系の構成例を示すブロック図である。 図４は、処理回路から出力される制御信号と、駆動回路から出力される駆動電流信号の例を示す図である。 図５は、干渉光学系がファイバ光学系である計測装置の構成例を示すブロック図である。 図６は、光偏向器を備える計測装置の一例を示すブロック図である。 図７Ａは、対象物が静止している場合における参照光および反射光の周波数の時間変化の例を模式的に示す図である。 図７Ｂは、対象物が計測装置１００に近づく場合における参照光および反射光の周波数の時間変化を模式的に示す図である。 図８は、キャリブレーションの動作の一例を示すフローチャートである。 図９は、検出信号の周期の分析結果の例を示すグラフである。 図１０は、制御信号電圧と周期との関係の一例を示す図である。 図１１Ａは、光源の第１の動作状態に関連付けられた補正テーブルの例を示している。 図１１Ｂは、光源の第２の動作状態に関連付けられた補正テーブルの例を示している。 図１２は、補正前後の検出信号の波形の例を示す図である。 図１３は、ビート信号の周波数と距離との関係を規定する変換テーブルの例を示す図である。 図１４Ａは、第１の動作状態に対応するビート信号の周波数と距離との関係を規定する変換テーブルの例を示す図である。 図１４Ｂは、第２の動作状態に対応するビート信号の周波数と距離との関係を規定する変換テーブルの例を示す図である。 図１５は、測距動作の例を示すフローチャートである。 図１６は、第２の実施形態による計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図１７は、第２の実施形態におけるキャリブレーションの動作を示すフローチャートである。 図１８は、第２の実施形態における測距動作の例を示すフローチャートである。 図１９Ａは、制御信号の電圧とサンプリング間隔との関係を規定する補正テーブルの例を示す図である。 図１９Ｂは、周波数変調の位相と周期比率との関係を規定する補正テーブルの例を示す図である。 図１９Ｃは、周波数変調の位相とサンプリング間隔との関係を規定する補正テーブルの例を示す図である。 図２０は、２種類の変調電圧振幅でキャリブレーションしたときの、補正テーブルの作成結果を示すグラフである。 図２１Ａは、Ｖｍ＝０．７Ｖの場合に得られた検出信号に、Ｖｍ＝０．７Ｖに対応する補正テーブルを適用した結果を示すグラフである。 図２１Ｂは、Ｖｍ＝１．０Ｖの場合に得られた検出信号に、Ｖｍ＝０．７Ｖに対応する補正テーブルを適用した結果を示すグラフである。 図２１Ｃは、Ｖｍ＝１．０Ｖの場合に得られた検出信号に、Ｖｍ＝１．０Ｖに対応する補正テーブルを適用した結果を示すグラフである。 図２２は、２種類のバイアス電圧でキャリブレーションした場合の補正テーブルの作成結果の例を示すグラフである。 図２３は、２種類の温度でキャリブレーションした場合の補正テーブルの作成結果の例を示すグラフである。 図２４は、すでに存在する２つの補正テーブルから、新たな補正テーブルを作成した例を示す図である。 図２５は、すでに存在する２つの補正テーブルから、新たなテーブルを作成した例を示す図である。 図２６は、本開示の実施形態の効果を検証するための実験例における計測装置の構成を示すブロック図である。
　（本開示の基礎となった知見）
　発明者らは、ＦＭＣＷライダーにおいて、干渉光を検出することによって得られる検出信号の波形について、以下の現象を発見した。光の周波数を線形的に変調するために光源の制御電圧を線形的に掃引したとしても、周波数は非線形的に変化するが、その非線形性は光源の動作状態によって異なる。以下、図１を参照しながら、この現象を説明する。
　図１は、本発明者らが行った実験によって得られたデータを示している。実験では、光源として半導体レーザ光源が用いられた。光源に入力される制御信号の電圧（以下、「制御電圧」とも呼ぶ）を変化させることにより、光源から出射されるレーザ光の周波数が変化する。制御信号は、所定の電圧範囲Ｖｍ（以下、「変調電圧振幅」とも呼ぶ）かつ所定の周期で線形的に掃引される。これにより、光源から、周波数が周期的に変調されたレーザ光が出射される。
　図１におけるグラフ（ａ）は、光源に入力される制御信号の電圧の時間変化の例を示している。この例では、制御信号は、電圧範囲Ｖｍ１で時間に対して線形的に掃引されている。電圧範囲の中央値（以下、「バイアス電圧」とも呼ぶ）はＶｂである。図１のグラフ（ｂ）は、同一のレーザ光源を同一の温度条件かつ異なる制御信号で制御したときの制御電圧の時間変化の例を示している。この例では、バイアス電圧は（ａ）の例と同じくＶｂであるが、変調電圧振幅はＶｍ２である。Ｖｍ２はＶｍ１の１．５倍である。
　図１におけるグラフ（ｃ）および（ｄ）は、静止した基準反射板に向けて光源からレーザ光を出射した場合に生じる反射光と、光源から光学系を介して光検出器に向かう参照光との干渉光を検出することによって得られた電気信号（以下、「検出信号」とも呼ぶ）の波形の例を示している。グラフ（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、変調電圧振幅がＶｍ１およびＶｍ２の場合の検出信号の波形を示している。これらのグラフにおける時間軸は、グラフ（ａ）および（ｂ）における時間軸と同一である。
　図１におけるグラフ（ｅ）および（ｆ）は、それぞれ、グラフ（ｃ）および（ｄ）の信号波形を周波数分析することによって得られた、ビート信号の瞬時周波数の時間変化を示している。グラフ（ｅ）および（ｆ）の波形は、それぞれ、（ｃ）および（ｄ）のグラフにおける時刻ｔ１からｔ２までの範囲の信号電圧に基づいて得られた。
　図１におけるグラフ（ｇ）は、上記２つの変調電圧振幅Ｖｍ１およびＶｍ２に対応する瞬時周波数を制御信号の電圧に対応させてプロットしたものである。
　本実験では静止した対象物に光を照射したので、制御電圧の線形的な掃引に対応して光の周波数も線形的に掃引されたのであれば、ビート信号の周波数は時間にかかわらず一定になるはずである。しかしながら、図１のグラフ（ｅ）および（ｆ）に示すように、ビート信号の周波数は時間的に変動している。また、変調電圧振幅がＶｍ１の場合とＶｍ２の場合とで、ビート信号の周波数の時間に対する非線形性が異なっている。このことは、光の周波数変化の時間に対する非線形性が、変調電圧振幅の大きさによって異なることを示している。
　さらに、図１のグラフ（ｇ）からわかるように、制御信号の電圧に対応させてビート信号の周波数をプロットした場合でも、ビート信号の周波数の変動の非線形性が、変調電流振幅がＶｍ１の場合とＶｍ２の場合とで異なっている。例えば、変調電流振幅がＶｍ１の例では、高電圧側で制御電圧の増加に対してビート信号の周波数が比較的増加傾向にあるのに対して、変調電流振幅がＶｍ２の例では、同じ高電圧側の制御電圧で飽和傾向がみられる。このことは、ある瞬間にレーザ光源に特定の制御電圧を与えても、レーザ光源から出射される光の周波数は必ずしも一定にはならず、制御信号の変調電圧振幅に依存して変動することを示している。このような現象が生じるのは、以下の理由によるものと考えられる。変調電圧振幅の大きさによって、レーザ素子を駆動する電流がレーザ素子に与える熱の時間的な変化の仕方が異なる。この変化の仕方の違いは、レーザ素子の共振器長、利得曲線、および発振モードの時間的変化に影響し、レーザの発振周波数の変動に違いをもたらしていると考えられる。
　このように制御電圧または時間に対してビート周波数が変動すると、対象物までの距離が一意に定まらない。ビート周波数の変動を安定化させる目的で、周波数分析によって得られたスペクトルを制御電圧または時間について積分（すなわち平均化）することも考えられる。しかし、そのような積分を行った場合、ビート信号のスペクトル線幅が太くなるためにビート信号のピーク周波数を決定しにくくなり、距離の計測精度が低下する。電波を用いるＦＭＣＷレーダーとは異なり、光の周波数の信号を直接検出することはできないので、レーザの発振周波数を線形的に変化させるように制御電圧を直接的にフィードバック制御することもできない。
　以上のように、ＦＭＣＷライダーにおいて、光源の動作状態が異なると、上記のような課題が生じることがわかった。本発明者らは、上記の課題を解決するために、以下に説明する本開示の実施形態の構成に想到した。以下、本開示の例示的な実施形態を説明する。
　本開示の一実施形態による計測装置は、光源と、干渉光学系と、光検出器と、記憶装置と、処理回路とを備える。前記光源は、周波数が変調された光を出射する。前記干渉光学系は、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物によって反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光を生成する。前記光検出器は、前記干渉光を受け、前記干渉光の強度に応じた検出信号を出力する。前記記憶装置は、前記検出信号の補正に用いられる複数の補正用データを記憶する。前記複数の補正用データの各々は、前記光源の異なる複数の動作状態の対応する１つに関連付けられている。前記処理回路は、前記光源から出射される前記光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出する。前記処理回路は、前記光源の動作状態に応じて前記複数の補正用データの中から選択した１つ以上の補正用データに基づいて前記検出信号を補正し、補正後の前記検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力する。
　上記の構成によれば、処理回路は、光源の動作状態に応じて複数の補正用データの中から選択した１つ以上の補正用データに基づいて検出信号を適切に補正することができる。これにより、動作状態に応じて生じ方が異なる非線形的な周波数変調の影響を緩和することができ、対象物の距離および／または速度をより精密に計測することが可能になる。
　前記計測装置は、前記光源の温度を計測する温度センサをさらに備えていてもよい。前記複数の補正用データは、２つ以上の第１補正用データを含み、前記２つ以上の第１補正用データの各々は、前記光源の温度が異なる２つ以上の動作状態のうちの対応する１つに関連付けられていてもよい。前記処理回路は、前記２つ以上の第１補正用データの中から、前記温度センサによって計測された前記光源の温度に応じて選択した１つ以上の第１補正用データに基づいて前記検出信号を補正してもよい。この構成によれば、処理回路は、光源の温度に応じて選択した１つ以上の第１補正用データに基づいて検出信号を適切に補正することができる。これにより、光源の温度に応じて生じ方が異なる非線形的な周波数変調の影響を緩和することができ、対象物の距離および／または速度をより精密に計測することが可能になる。
　前記制御信号は、周期的に変動する電圧または電流を前記光源に入力する信号であり得る。前記複数の補正用データは、２つ以上の第２補正用データを含み、前記２つ以上の第２補正用データの各々は、前記制御信号の前記電圧または前記電流の振幅が異なる２つ以上の動作状態のうちの対応する１つに関連付けられていてもよい。前記処理回路は、前記２つ以上の第２補正用データの中から、現在の前記電圧または前記電流の振幅に応じて選択した１つ以上の第２補正用データに基づいて前記検出信号を補正してもよい。この構成によれば、処理回路は、制御信号の現在の電圧または電流の振幅に応じて選択した１つ以上の第２補正用データに基づいて検出信号を適切に補正することができる。これにより、制御信号の電圧または電流の振幅に応じて生じ方が異なる非線形的な周波数変調の影響を緩和することができ、対象物の距離および／または速度をより精密に計測することが可能になる。
　前記制御信号は、あるバイアス電圧を中心に周期的に変動する電圧、またはあるバイアス電流を中心に周期的に変動する電流を前記光源に入力する信号であり得る。前記複数の補正用データは、２つ以上の第３補正用データを含み、前記２つ以上の第３補正用データの各々は、前記制御信号の前記バイアス電圧または前記バイアス電流が異なる２つ以上の動作状態のうちの対応する１つに関連付けられていてもよい。前記処理回路は、前記２つ以上の第３補正用データの中から、現在の前記バイアス電圧または現在の前記バイアス電流に応じて選択した１つ以上の第３補正用データに基づいて前記検出信号を補正してもよい。この構成によれば、処理回路は、制御信号の現在のバイアス電圧またはバイアス電流に応じて選択した１つ以上の第３補正用データに基づいて検出信号を適切に補正することができる。これにより、制御信号のバイアス電圧またはバイアス電流に応じて生じ方が異なる非線形的な周波数変調の影響を緩和することができ、対象物の距離および／または速度をより精密に計測することが可能になる。
　前記処理回路は、現在の前記光源の動作状態に対応する補正用データが前記記憶装置に格納されていない場合、前記記憶装置に格納されている前記複数の補正用データの少なくとも１つに基づいて現在の前記動作状態に対応する補正用データを生成し、生成した前記補正用データに基づいて前記検出信号を補正してもよい。例えば、複数の補正用データの中から、現在の動作状態に近い１つ以上の補正用データを選択し、選択した補正用データに基づいて検出信号を補正してもよい。そのような動作により、現在の動作状態に対応する補正用データが記憶装置に格納されていない場合でも、検出信号を補正することができ、対象物の距離および／または速度をより精密に計測することができる。
　前記処理回路は、現在の前記光源の動作状態に対応する補正用データが前記記憶装置に格納されていない場合、前記記憶装置に格納されている前記複数の補正用データの中から、現在の前記動作状態に最も近い２つの動作状態に関連付けられた２つの補正用データを選択し、選択した前記２つの補正用データを用いた補間処理によって現在の前記動作状態に対応する補正用データを生成し、生成した前記補正用データに基づいて前記検出信号を補正してもよい。現在の動作状態に最も近い２つの動作状態とは、現在の動作状態に最も近い動作状態と、現在の動作状態に２番目に近い動作状態を意味する。それらの２つの動作状態にそれぞれ対応する２つの補正用データを用いた補間処理により、現在の動作状態に対応する好適な補正用データを生成することができる。そのようにして生成した補正用データに基づいて検出信号を補正することにより、現在の動作状態に対応する補正用データが記憶装置に格納されていない場合でも、対象物の距離および／または速度をより精密に計測することができる。
　前記複数の補正用データの各々は、前記制御信号における複数の電圧値または複数の電流値の各々に対応する補正値の情報を含んでいてもよい。補正値は、例えば、検出信号の周期を補正するための係数であり得る。処理回路は、検出信号から周期を決定し、その周期に補正値を掛けることにより、検出信号を補正することができる。
　前記複数の補正用データの各々は、前記制御信号による周波数変調における複数の位相または複数のタイミングの各々に対応する補正値の情報を含んでいてもよい。そのような補正値の情報を含む補正用データに基づいて、処理回路は検出信号を適切に補正することができる。
　前記複数の補正用データの各々は、前記処理回路が前記検出信号をサンプリングするときのサンプリングタイミングを変更するための補正値の情報を含んでいてもよい。処理回路は、検出信号のサンプリングタイミングを補正値に従って決定することにより、検出信号を補正することができる。
　前記複数の補正用データの各々は、前記検出信号の補正に用いられる補正値を決定するための補正テーブルまたは補正関数を示すデータであり得る。処理回路は、現在の動作状態に応じた補正用データが示す補正値に基づいて、検出信号を適切に補正することができる。
　前記処理回路は、前記複数の補正用データを作成し、前記複数の補正用データの各々を、対応する前記光源の動作状態に関連付けて前記記憶装置に記憶させてもよい。そのような動作により、計測時に、動作状態に応じた補正用データを選択して検出信号を補正する上記の動作を実現することができる。
　本開示の他の実施形態による方法は、計測装置を含むシステムにおけるコンピュータによって実行される。前記計測装置は、周波数が変調された光を出射する光源と、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物によって反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受け、前記干渉光の強度に応じた検出信号を出力する光検出器と、前記検出信号の補正に用いられる複数の補正用データを記憶する記憶装置であって、前記複数の補正用データの各々は、前記光源の異なる複数の動作状態の対応する１つに関連付けられている、記憶装置と、を備える。前記方法は、前記光源から出射される前記光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出することと、前記光源の動作状態に応じて前記複数の補正用データの中から選択した１つ以上の補正用データに基づいて前記検出信号を補正することと、補正後の前記検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力することと、を含む。
　本開示のさらに他の実施形態によるコンピュータプログラムは、計測装置を含むシステムにおけるコンピュータによって実行される。前記計測装置は、周波数が変調された光を出射する光源と、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物によって反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を受け、前記干渉光の強度に応じた検出信号を出力する光検出器と、前記検出信号の補正に用いられる複数の補正用データを記憶する記憶装置であって、前記複数の補正用データの各々は、前記光源の異なる複数の動作状態の対応する１つに関連付けられている、記憶装置と、を備える。前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータに、前記光源の動作状態に応じて前記複数の補正用データの中から選択した１つ以上の補正用データに基づいて前記検出信号を補正することと、補正後の前記検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力することと、を実行させる。
　本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
　さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインタフェースを備えていてもよい。
　以下、本開示の実施形態を、より詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。さらに、各図において、実質的に同一または類似の構成要素に対しては同一または類似の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化されることがある。
　（第１の実施形態）
　本開示の例示的な第１の実施形態による計測装置を説明する。本実施形態の計測装置は、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ技術を利用して対象物までの距離を計測する測距装置である。計測装置は、距離に加えて、または距離に代えて、対象物の速度を計測してもよい。計測装置は、例えば自動運転車、無人搬送車（ＡＧＶ）、無人航空機（ＵＡＶ）、または移動ロボットなどの移動体に搭載され得る。計測装置は、移動体に限らず、任意の機器に搭載されて使用され得る。
　＜構成＞
　図２は、本実施形態による計測装置１００の概略構成を示すブロック図である。図２において、太い矢印は光の流れを表し、細い矢印は信号またはデータの流れを表す。図２には、距離および／または速度の計測対象である対象物３００も示されている。対象物３００は、例えば、障害物、人、または移動体（例えば自動車、二輪車、移動ロボット、またはドローン）などの任意の物体である。
　図２に示す計測装置１００は、光源１１０と、干渉光学系１２０と、光検出器１３０と、処理回路１４０と、記憶装置１５０とを備える。光源１１０は、処理回路１４０から出力された制御信号に応答して、出射する光の周波数を変化させることができる。干渉光学系１２０は、光源１１０からの出射光を参照光と出力光とに分離し、出力光が対象物３００によって反射されて生じた反射光と参照光とを干渉させて干渉光を生成する。干渉光は、光検出器１３０に入射する。光源１１０および干渉光学系１２０の詳細な構成については後述する。
　光検出器１３０は、干渉光を受け、干渉光の強度に応じた電気信号を生成して出力する。この電気信号を以下、「検出信号」と呼ぶ。光検出器１３０は、１つ以上の受光素子を備える。受光素子は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子を含む。光検出器１３０は、例えばイメージセンサのような、複数の受光素子を備えるセンサであってもよい。
　処理回路１４０は、光源１１０を制御し、光検出器１３０から出力された検出信号に基づく処理を行う電子回路である。処理回路１４０は、光源１１０を制御する制御回路と、検出信号に基づく信号処理を行う信号処理回路とを含み得る。処理回路１４０は、１つの回路として構成されていてもよいし、分離した複数の回路の集合体であってもよい。処理回路１４０は、光源１１０に制御信号を送出する。制御信号は、光源１１０に出射光の周波数を所定の範囲内で周期的に変化させる。言い換えれば、制御信号は、光源１１０から出射される光の周波数を掃引する信号である。制御信号は、ある振幅で周期的に変動する電圧または電流を光源１１０に入力する信号である。処理回路１４０は、光源１１０が周波数変調された光を出射している状態で光検出器１３０から出力された検出信号を取得し、検出信号を光源１１０の動作状態に応じて補正する。処理回路１４０は、記憶装置１５０に格納されている補正用データに基づいて検出信号を補正する。処理回路１４０は、補正後の検出信号に基づいて、対象物３００までの距離および／または対象物３００の速度を決定する。処理回路１４０は、当該距離および／または速度を示すデータを生成して出力する。このデータを以下、「計測データ」と呼ぶ。
　記憶装置１５０は、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、光学ディスクなどの、任意の記憶媒体を含む。記憶装置１５０は、処理回路１４０によって実行される補正処理に用いられる補正用データを記憶する。本実施形態における補正用データは、複数の補正テーブルを含む。複数の補正テーブルの各々は、光源１１０の異なる複数の動作状態のうちの対応する１つに関連付けられて記録されている。図２には、光源１１０の第１の動作状態に対応する補正テーブルと、光源１１０の第２の動作状態に対応する補正テーブルとが例示されている。これらの補正テーブルの詳細については後述する。各補正テーブルは、補正用データの一例である。補正用データは、補正テーブルに限らず、動作状態と検出信号の補正値との対応関係を規定する関数などの任意の形式のデータであってよい。記憶装置１５０は、処理回路１４０によって実行されるコンピュータプログラムも記憶する。
　処理回路１４０および記憶装置１５０は、１つの回路基板に集積されていてもよいし、別々の回路基板に設けられていてもよい。処理回路１４０の機能が複数の回路に分散していてもよい。処理回路１４０の機能の少なくとも一部は、他の構成要素から離れた場所に設置された外部のコンピュータによって実現されていてもよい。そのような外部のコンピュータは、有線または無線の通信ネットワークを介して、光源１１０および光検出器１３０の動作の制御、および／または光検出器１３０から出力された検出信号に基づく信号処理を実行してもよい。
　処理回路１４０は、対象物３００の測距を行うとき、以下の動作を実行する。
・光源１１０に制御信号を送出し、周波数が所定の範囲で周期的に変化する光を光源１１０に出射させる。
・記憶装置１５０に格納されている複数の補正テーブルから、現在の光源１１０の動作状態に応じた１つ以上の補正テーブルを選択する。
・選択した補正テーブルに基づき、検出信号の波形を補正する。
・補正した波形に基づく周波数分析により、ビート信号の周波数を算出する。
・算出した周波数を距離値に変換し、その距離値を含む計測データを外部に出力する。
　計測データの出力先は、例えば表示装置２１０である。計測装置１００が移動体に搭載される場合、移動体の動作（例えばステアリングおよび速度等）を制御する制御装置２２０に計測データが出力されてもよい。計測データは、記憶装置１５０または外部の記憶装置に記録され得る。
　次に、光源１１０および干渉光学系１２０のより詳細な構成例を説明する。
　図３は、光源１１０および干渉光学系１２０の構成例を示すブロック図である。この例における光源１１０は、駆動回路１１１と、発光素子１１２とを備える。駆動回路１１１は、処理回路１４０から出力される制御信号を受け、制御信号に応じた駆動電流信号を生成して発光素子１１２に入力する。発光素子１１２は、例えば半導体レーザ素子などの、高いコヒーレント性を持つレーザ光を出射する素子であり得る。発光素子１１２は、駆動電流信号に応答して周波数が変調されたレーザ光を出射する。
　発光素子１１２から出射されるレーザ光の周波数は、一定の周期で変調される。周波数の変調周期は、例えば１マイクロ秒（μｓ）以上１０ミリ秒（ｍｓ）以下であり得る。周波数の変調振幅は、例えば１００ＭＨｚ以上１ＴＨｚ以下であり得る。レーザ光の波長は、例えば７００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の近赤外の波長域に含まれ得る。太陽光において、近赤外光の光量は可視光の光量よりも少ない。このため、レーザ光として近赤外光を使用することにより、太陽光の影響を低減することができる。用途によっては、レーザ光の波長は、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光の波長域、または紫外光の波長域に含まれていてもよい。
　図４は、処理回路１４０から出力される制御信号と、駆動回路１１１から出力される駆動電流信号の例を示す図である。図４の部分（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、制御信号および駆動電流信号の波形の例を示している。制御信号は、所定の周期および所定の振幅で変動する電圧を光源１１０の駆動回路１１１に印加する。例えば図４の部分（ａ）に示すように、制御信号の電圧はノコギリ波状に変調され得る。制御信号の電圧は、ノコギリ波状に限らず、三角波状に変調されてもよい。ノコギリ波または三角波のように、電圧が線形的な変化を繰り返す制御信号により、発光素子１１２から出射される光の周波数を線形に近い形態で掃引することができる。ただし、前述のとおり、周波数の掃引は完全に線形的にはならない。このような制御信号の変調波形の振幅を変調電圧振幅、変調範囲の中央の電圧をバイアス電圧と呼ぶ。制御信号は、光源１１０の駆動回路１１１に、バイアス電圧を中心に変動する電圧を印加する。
　駆動回路１１１は、制御信号を駆動電流信号に変換し、駆動電流信号で発光素子１１２を駆動する。図４の部分（ｂ）に示すように、駆動電流信号は、制御信号に対応する波形で変化する。駆動電流信号の変調範囲すなわち振幅を変調電流振幅、変調範囲の中央の電流をバイアス電流と呼ぶ。制御信号の電圧が増加すると、駆動電流信号が増加し、発光素子１１２から出射されるレーザ光の周波数が高くなる（すなわち波長が短くなる）。反対に、制御信号の電圧が減少すると、駆動電流信号が減少し、発光素子１１２から出射されるレーザ光の周波数が低くなる（すなわち波長が長くなる）。
　図３に示す例における干渉光学系１２０は、分岐器１２１、ミラー１２２、およびコリメータ１２３を含む。分岐器１２１は、光源１１０の発光素子１１２から出射されたレーザ光を参照光と出力光とに分け、対象物３００からの反射光と参照光とを結合させて干渉光を生成する。ミラー１２２は、参照光を反射して分岐器１２１に戻す。コリメータ１２３は、コリメートレンズを含み、出力光を平行に近い広がり角にして対象物３００に照射する。なお、干渉光学系１２０は、図３に示す構成に限定されず、例えばファイバ光学系であってもよい。その場合、分岐器１２１としてファイバカップラが用いられ得る。参照光は必ずしもミラー１２２で反射される必要はなく、例えば光ファイバの引き回しで参照光を分岐器１２１に戻してもよい。
　図５は、干渉光学系１２０がファイバ光学系である計測装置１００の構成例を示すブロック図である。図５に示す例では、干渉光学系１２０は、第１ファイバスプリッタ１２５と、第２ファイバスプリッタ１２６と、光サーキュレータ１２７とを含む。第１ファイバスプリッタ１２５は、光源１１０から出射されたレーザ光２０を参照光２１と出力光２２とに分離する。第１ファイバスプリッタ１２５は、参照光２１を第２ファイバスプリッタ１２６に入射し、出力光２２を光サーキュレータ１２７に入射させる。光サーキュレータ１２７は、出力光２２をコリメータ１２３に入射させる。光サーキュレータ１２７は、また、対象物３００を出力光２２で照射して生じた反射光２３を第２ファイバスプリッタ１２６に入射させる。第２ファイバスプリッタ１２６は、参照光２１と反射光２３との干渉光２４を光検出器１３０に入射させる。コリメータ１２３は、出力光２２のビーム形状を整形し、出力光２２を対象物３００に向けて出射する。
　計測装置１００は、出射光の方向を変化させる光偏向器をさらに備えていてもよい。図６は、光偏向器１７０を備える計測装置１００の一例を示すブロック図である。光偏向器１７０は、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｏｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｙｓｔｅｍ）ミラーまたはガルバノミラーを含み得る。光偏向器１７０は、処理回路１４０からの指令に従ってミラーの角度を変化させることにより、出力光２２の出射方向を変化させることができる。これにより、ビームスキャンを実現することができる。光偏向器１７０は、上記の構成に限定されず、例えば、国際公開第２０１９／１３０７２０号に記載されるような、光フェーズドアレイおよびスローライト導波路を用いたビームスキャンデバイスであってもよい。
　次に、図７Ａおよび図７Ｂを参照して、本実施形態において使用されるＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ技術を簡単に説明する。
　図７Ａは、対象物３００が静止している場合における参照光および反射光の周波数の時間変化の例を模式的に示す図である。ここでは、周波数が三角波状に変化する場合の例を説明する。図７Ａにおいて、実線は参照光を表し、破線は反射光を表す。図７Ａに示す参照光の周波数は、１周期の間に線形的に増加し、その後増加した分だけ線形的に減少する。反射光の周波数は、参照光の周波数と比較して、出力光が計測装置１００から出射されて対象物３００によって反射されて戻ってくる時間の分だけ、時間軸に沿ってシフトする。このため、参照光と反射光との干渉光は、反射光の周波数と参照光の周波数との差に相当する周波数を有する。図７Ａに示す両矢印は、両者の周波数の差を表す。光検出器１３０は、干渉光の強度を示す信号を出力する。当該信号はビート信号と呼ばれる。ビート信号の周波数、すなわちビート周波数は、上記の周波数の差に等しい。処理回路１４０は、ビート周波数に基づき、計測装置１００から対象物３００までの距離を算出することができる。
　図７Ｂは、対象物３００が計測装置１００に近づく場合における参照光および反射光の周波数の時間変化を模式的に示す図である。対象物３００が近づく場合、ドップラーシフトにより、反射光の周波数は、対象物３００が静止している場合と比較して、周波数軸に沿って増加する方向にシフトする。反射光の周波数がシフトする量は、対象物３００のある部分における速度ベクトルを反射光の方向に射影した成分の大きさに依存する。ビート周波数は、参照光および反射光の周波数が線形的に増加する場合と線形的に減少する場合とで異なる。図７Ｂに示す例において、両者の周波数が線形的に減少する場合のビート周波数は、両者の周波数が線形的に増加する場合のビート周波数よりも高い。処理回路１４０は、これらのビート周波数の差に基づいて対象物３００の速度を算出することができる。対象物３００が計測装置１００から遠ざかる場合においては、反射光の周波数は、対象物３００が静止している場合と比較して、周波数軸に沿って減少する方向にシフトする。この場合も、参照光および反射光の周波数が線形的に増加する場合と線形的に減少する場合におけるビート周波数の差に基づいて対象物３００の速度を算出することができる。
　＜動作＞
　以下、本実施形態の計測装置１００の動作を説明する。
　本実施形態の計測装置１００の動作は、（１）キャリブレーション、および（２）測距の２つの工程に大きく分けることができる。キャリブレーションは、例えば計測装置１００の出荷前に製造メーカの担当者（以下、「操作者」と呼ぶ）が行う。測距は、主として計測装置１００の使用者が行う。
　＜キャリブレーションの動作＞
　図８は、キャリブレーションの動作の一例を示すフローチャートである。キャリブレーションの動作は、図８に示すステップＳ４０１からＳ４０９の動作を含む。以下、各ステップの動作を説明する。ここでは、光源１１０の動作状態が制御信号の変調電圧振幅によって判断される場合の例を説明する。
　（ステップＳ４０１）
　操作者は、計測装置１００を静止させた状態で、計測装置１００から特定の距離だけ離れた位置に、静止した基準対象物を配置する。基準対象物としては、例えばミラー、拡散反射板、または実際の測距対象となる物体が用いられ得る。
　（ステップＳ４０２）
　処理回路１４０は、制御信号の変調電圧振幅を決定する。この振幅の値は、操作者が決定し、操作者の操作に従って処理回路１４０が設定するようにしてもよい。振幅値は、例えば、計測装置１００の使用者によって実際に用いられる可能性のある値を複数個リストアップして、その中から一つの値を選定するという方法で決定され得る。計測装置１００が複数の距離レンジ（すなわち測距可能な距離範囲）を切り替えて動作することが可能な場合、測距レンジに応じて異なる変調電圧振幅がそれぞれ設定され得る。
　（ステップＳ４０３）
　処理回路１４０は、制御信号を光源１１０に送出し、周波数変調された光を光源１１０から出射させる。この動作は、操作者の指示に従って実行される。
　（ステップＳ４０４）
　処理回路１４０は、光検出器１３０から検出信号を取得する。光検出器１３０は、光源１１０から光が出射されている間、干渉光の強度に応じた検出信号を出力する。処理回路１４０が取得する検出信号の時間的長さは、例えば変調周期の１倍から５０倍程度であり得る。検出信号のＳ／Ｎ比を向上させるために検出信号を平均化する場合は、処理回路１４０は、検出信号を比較的長い時間取得し、変調周期よりも十分に短い所定の時間にわたって検出信号を平均化する処理を繰り返す。処理回路１４０は、例えばアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、メモリとを備える。処理回路１４０は、例えばＡ／Ｄ変換器で検出信号波形をディジタル化し、メモリに格納する。
　（ステップＳ４０５）
　処理回路１４０は、制御信号の送出を停止することにより、光源１１０からの光の照射を停止させる。このステップは、操作者からの指示に従って行われ得る。あるいは、予め定められたプログラムに従って、処理回路１４０が自動で照射を停止してもよい。なお、キャリブレーションの動作を連続的に繰り返す場合には、光は照射させたままでもあってもよい。
　（ステップＳ４０６）
　処理回路１４０は、検出信号の周期を分析する。周期の分析方法は、例えば、検出信号の波形における上に凸の部分の最大値または下に凸の部分の最小値を抽出し、最大値をとる点から次に最大値をとる点までの期間、または最小値をとる点から次に最小値を取る点までの期間を１周期とすることができる。あるいは、周期の分析方法は、ゼロクロス点（すなわち検出信号の値が正から負へ、または負から正へ変化する点）を抽出し、正から負のゼロクロス点から次の正から負のゼロクロス点までの期間、または負から正のゼロクロス点から次の負から正のゼロクロス点までの期間を１周期としてもよい。
　図９は、検出信号の周期の分析結果の例を示すグラフである。この例では、制御信号の電圧と検出信号の電圧との関係を示す波形がプロットされている。検出信号の電圧が上に凸の部分の頂点（すなわち最大値）となる、制御信号電圧がＶｉ、Ｖｉ＋１、Ｖｉ＋２、・・・のときの周期を、Ｐｉ、Ｐｉ＋１、Ｐｉ＋２、・・・と定義する。この例では、制御信号電圧がＶｉの時点からＶｉ＋１の時点までの時間長が、周期Ｐｉと定義される。
　次に、処理回路１４０は、図１０に示すように、制御信号の電圧Ｖｉ、Ｖｉ＋１、Ｖｉ＋２、・・・と、その電圧のときの周期Ｐｉ、Ｐｉ＋１、Ｐｉ＋２、・・・との関係をプロットし、プロットされた点に対する近似式を求める。近似式は、例えば２次以上の多項式であり、例えば最小二乗法を用いて求められ得る。
　（ステップＳ４０７）
　処理回路１４０は、生成した近似式に基づいて、制御信号の電圧と周期比率との関係を示す補正テーブルを作成して、記憶装置１５０に書き込む。図１１Ａおよび図１１Ｂは、補正テーブルの例を示す図である。補正テーブルは、光源の異なる動作状態（この例では変調電圧振幅）ごとに、制御信号と周期比率との関係を示す形式で記録され得る。図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、光源の異なる第１の動作状態および第２の動作状態に関連付けられた補正テーブルの例を示している。この例では２つの補正テーブルが記録されるが、３つ以上の補正テーブルが記録されてもよい。また、補正テーブルの形式に限らず、例えば関数などの他の形式で制御信号と周期比率などの補正値との関係を示す補正用データが記録されてもよい。
　周期比率は、例えば、検出信号の波形を補正した後のビート周波数が、基準対象物の距離、変調周期、変調周波数範囲、および光速から理論的に導かれる値になるように、周期を所定の定数で正規化した値であり得る。図１２は、補正前後の検出信号の波形の例を示す図である。定数は、補正後の検出信号の波形のビート周波数が一定値１／Ｐｍとなるような値に設定され得る。
　ビート周波数と距離との関係は、例えば図１３に示すような変換テーブルの形式で処理回路１４０内のメモリまたは記憶装置１５０に格納され得る。このような変換テーブルは、測距動作の工程で処理回路１４０が距離値を算出するときに用いられる。
　なお、動作状態ごとに適当な定数で正規化して周期比率を決定してもよい。その場合には、例えば図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、各々の動作状態におけるビート周波数と距離との関係が変換テーブルまたは関数などの補正用データとして、処理回路１４０内のメモリに記録され得る。
　（ステップＳ４０８およびステップＳ４０９）
　処理回路１４０は、計測装置１００の実際の使用時に必要となる変調電圧振幅値に対するキャリブレーションをすべて行ったか否かを判定する。変調電圧振幅値は連続量であるので、あらかじめ定められた振幅値範囲内の一定間隔の電圧値（例えば０．１Ｖ）に対するキャリブレーションをすべて行ったかどうかを判定する。すべて行った場合には、キャリブレーションの工程を終了する。まだすべて行っていない場合は、処理回路１４０は変調電圧振幅を更新してステップＳ４０３からステップＳ４０７までを繰り返す。
　以上のようなキャリブレーション動作を行うことにより、処理回路１４０は、異なる複数の動作状態に対応する補正テーブルを記憶装置１５０に記憶させることができる。
　なお、光源１１０の動作状態は、制御信号の変調電圧振幅に限らず、例えば制御信号のバイアス電圧、または光源１１０の温度などの、他のパラメータにも依存する。光源１１０の動作状態が、変調電圧振幅以外のパラメータに基づいて判断される場合、ステップＳ４０２およびステップＳ４０９は、そのパラメータについて実行される。
　＜測距動作＞
　次に、計測装置１００による測距動作の例を説明する。ここでも、光源１１０の動作状態が制御信号の変調電圧振幅によって判断される場合の例を説明する。
　図１５は、測距動作の例を示すフローチャートである。本実施形態における処理回路１４０は、測距動作を行うとき、図１５に示すステップＳ１００１からＳ１０１１の動作を実行する。以下、各ステップの動作を説明する。
　（ステップＳ１００１）
　処理回路１４０は、まず、制御信号の変調電圧振幅を決定する。この振幅の値は、例えば、計測装置１００の使用者によって決定され、使用者の操作に従って処理回路１４０によって設定され得る。計測装置１００は、複数の測距レンジ（すなわち測距可能な距離範囲）を切り替えて動作するように構成され得る。その場合、使用者は、対象物が存在する環境に合わせて、適当な測距レンジを設定する。
　（ステップＳ１００２）
　処理回路１４０は、制御信号を光源１１０に送出し、周波数変調された光を光源１１０から出射させる。この動作は、使用者の指示に従って実行される。
　（ステップＳ１００３）
　処理回路１４０は、光検出器１３０から出力された検出信号を取得する。図８に示すキャリブレーション動作におけるステップＳ４０４と同様に、信号のＳ／Ｎ比を向上させるために信号を平均化する場合は、検出信号を比較的長時間取得し、変調周期よりも十分に短い所定の時間にわたって検出信号を平均化する処理を繰り返す。
　（ステップＳ１００４）
　処理回路１４０は、制御信号の送出を停止することにより、光源１１０からの光の照射を停止させる。このステップは、使用者からの指示に従って行われ得る。あるいは、予め定められたプログラムに従って、処理回路１４０が自動で照射を停止してもよい。なお測距動作を連続的に繰り返す場合には、光は照射させたままでもあってもよい。
　（ステップＳ１００５およびステップＳ１００６）
　処理回路１４０は、決定した変調電圧振幅に対応する補正テーブルが記憶装置１５０に存在するか否かを検索する。補正テーブルは、例えば図１１Ａおよび図１１Ｂに示すような、制御信号電圧と周期比率（すなわち補正値）との関係を規定するデータである。対応する補正テーブルが記憶装置１５０に存在する場合には、処理回路１４０は、記憶装置１５０から補正テーブルを読み出す。
　（ステップＳ１００７）
　決定した変調電圧振幅に対応する補正テーブルが存在しない場合、処理回路１４０は、補正テーブルを作成する。処理回路１４０は、例えば以下の方法により、補正テーブルを作成することができる。まず、処理回路１４０は、記憶装置１５０に記憶されている複数の補正テーブルのうち、決定した変調電圧振幅に最も近い２つの変調電圧振幅にそれぞれ対応する２つの補正テーブルを選択する。処理回路１４０は、それらの補正テーブルに基づいて補間処理を行うことにより、決定した変調電圧振幅に対応する補正テーブルを生成することができる。例えば、現在の変調電圧振幅がＡ０であり、選択した２つの補正テーブルに対応する変調電圧振幅がＡ１およびＡ２であり、振幅Ａ１およびＡ２に対応する補正値がそれぞれＲ１およびＲ２であるとする。その場合、現在の変調電圧振幅Ａ０に対応する補正値Ｒ０は、例えばＲ０＝Ｒ１＋（Ａ０－Ａ１）×（Ｒ２－Ｒ１）／（Ａ２－Ａ１）の演算によって求めることができる。
　（ステップＳ１００８）
　処理回路１４０は、補正テーブルに基づいて、検出信号の波形を補正する。この補正により、例えば図１２に示されるように、ビート信号の周期の変動が抑制される。
　（ステップＳ１００９）
　処理回路１４０は、補正後の検出信号の波形の周波数分析を行う。このステップでは、例えば、処理回路１４０は、検出信号の波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを生成する。その後、周波数スペクトルの最大ピークが得られる周波数を求め、その周波数をビート周波数とする。
　（ステップＳ１０１０）
　処理回路１４０は、ビート周波数を距離値に変換して算出する。この変換処理では、処理回路１４０は、図１３Ａ、図１４Ａ、または図１４Ｂに例示されるような変換テーブルを処理回路１４０内のメモリから読み出して使用する。
　（ステップＳ１０１１）
　処理回路１４０は、算出した距離値の情報を含む計測データを、例えば表示装置２１０などの外部の装置に出力する。
　以上の動作により、処理回路１４０は、対象物３００の距離データを生成することができる。なお、測距を連続的に行う場合には、ステップＳ１００１からＳ１０１１の動作が連続的に繰り返される。また、距離に加えて対象物３００の速度を計測する場合は、図４に示すようなノコギリ波状の制御信号に代えて、三角波状の制御信号が用いられ、図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明した方法で速度が算出され得る。
　以上のように、本実施形態では、処理回路１４０が、制御信号の変調電圧振幅に対応する補正テーブルを補正用データとして用いて検出信号を補正し、補正後の検出信号に基づいて周波数分析を行う。このため、検出信号に含まれるビート信号の周波数の変動を低減して距離値を求めることができ、対象物の距離をより精密に計測することが可能となる。
　（第２の実施形態）
　次に、第２の実施形態による計測装置を説明する。
　＜構成＞
　図１６は、第２の実施形態による計測装置１００の概略構成を示すブロック図である。第１の実施形態と異なる点は、計測装置１００が温度センサ１６０をさらに備えていることである。温度センサ１６０は、光源１１０の温度を計測して処理回路１４０にその温度値のデータを送出する。
　制御信号の電圧を掃引したときの光源１１０から出射される光の周波数変調の非線形性は、発光素子１１２の温度変化の影響を受ける。したがって温度センサ１６０は、発光素子１１２の温度をできるだけ直接的に計測できるように配置され得る。計測装置１００に温度センサ１６０を取り付けて、その周囲の温度を計測する方法でも間接的に発光素子１１２の温度を推定してもよい。しかし、計測精度および時間的な追従性を高めるために、温度センサ１６０は、その温度検出部が発光素子１１２そのもの、または発光素子１１２が固定されているヒートシンクに固着するように配置され得る。
　＜動作＞
　図１７は、第２の実施形態におけるキャリブレーションの動作を示すフローチャートである。図８に示す第１の実施形態におけるキャリブレーション動作と異なる点は、ステップＳ４０２、Ｓ４０８、およびＳ４０９が、ステップＳ１２０１、Ｓ１２０２、およびＳ１２０３にそれぞれ置き換えられている点である。以下、これらのステップの動作を説明する。
　ステップＳ１２０１では、光源１１０の温度が設定される。温度値は、例えば計測装置１００の動作が想定されている温度範囲にあるいずれかの値に設定され得る。光源１１０の温度は、例えば発光素子１１２に固着されているペルチエ素子を駆動して制御することができる。
　ステップＳ１２０２では、計測装置１００の動作温度範囲に対するキャリブレーションをすべて行ったか否かが判定される。動作温度は連続量であるので、例えば動作温度範囲内の１０℃間隔の温度のすべてについてキャリブレーションが完了したか否かが判定される。すべての温度についてのキャリブレーションが完了していない場合は、ステップＳ１２０３に進み、処理回路１４０は、光源１１０の温度設定を更新してステップＳ４０３からステップＳ４０７までの動作を繰り返す。
　図１８は、第２の実施形態における測距動作の例を示すフローチャートである。図１５に示す第１の実施形態における測距操作と異なる点は、ステップＳ１００１が省略され、ステップＳ１００３とＳ１００４との間にステップＳ１３０１が追加され、ステップＳ１３０２において参照される補正テーブルが異なる点である。以下、これらのステップの動作を説明する。
　ステップＳ１３０１では、温度センサ１６０が光源１１０の温度を計測して、処理回路１４０は、その温度値を取得する。温度は、例えば０．１秒から１秒程度の間隔で取得される。計測値のばらつきを抑制するために、複数回測定された温度値を平均化してもよい。
　ステップＳ１３０２では、処理回路１４０は、計測された温度に対応する補正テーブルが記憶装置１５０内に存在するか否かを検索する。記憶装置１５０内に対応する補正テーブルあれば、その補正テーブルを使用し（ステップＳ１００６）、対応する補正テーブルがなければ、補正テーブルを作成する（ステップＳ１００７）。ステップＳ１００７の処理は、第１の実施形態と同様である。
　上記のような構成および動作により、本実施形態における処理回路１４０は、光源１１０の温度に対応する補正テーブルを補正用データとして用いて検出信号を補正し、補正後の検出信号に基づいて周波数分析を行う。このため、検出信号に含まれるビート信号の周波数の変動を低減して距離値を求めることができ、対象物の距離をより精密に計測することが可能となる。
　なお、補正テーブルは、検出信号の周期が非線形的に変動することを補正するものであれば良く、上述の形式には限定されない。例えば、図１９Ａに示すように、本来ならば等時間間隔であるＡ／Ｄ変換のサンプリングタイミングについて、制御電圧に対してサンプリングの時間間隔を指定する（すなわち、仮想的に非等時間間隔のサンプリングとする）補正テーブルが用いられてもよい。このようにサンプリングのタイミングを変更して再構成された検出信号を補正後の検出信号としてもよい。また、図１９Ｂに示すように、周波数変調の位相に対して周期比率を指定する補正テーブルが用いられてもよい。あるいは、図１９Ｃに示すように、周波数変調の位相に対してサンプリングの時間間隔を指定する補正テーブルが用いられてもよい。図１９Ｂおよび図１９Ｃの各例において、位相に代えて、周波数変調のタイミング（すなわち時間）とサンプリング間隔または周期比率などの補正値との関係を規定する補正テーブルが用いられてもよい。さらに、上記の各例において、制御電圧の代わりに駆動電流と、周期比率またはサンプリング間隔との関係が規定された補正テーブルが用いられてもよい。上述の補正テーブルの代わりに、近似式そのものを補正関数としてメモリなどの記憶装置に記憶させ、処理回路１４０が、動作状態に対応する補正関数に基づいて検出信号を補正するように構成されていてもよい。さらに、制御電圧または駆動電流と、温度と、バイアス電圧またはバイアス電流との任意の２つ以上の組み合わせによって光源１１０の動作状態を決定してもよい。その場合には、当該組み合わせごとに、補正用データが作成され、記録され得る。
　（実施例）
　次に、本開示の実施形態の効果を検証するために実施した実験の結果を説明する。
　＜異なる変調電圧振幅に対する補正テーブルの作成＞
　図２０は、第１の実施形態の構成および動作に基づき、２種類の変調電圧振幅でキャリブレーションしたときの、補正テーブルの作成結果を示すグラフである。制御信号のバイアス電圧Ｖｂは１．７Ｖ、光源の温度は２７℃で共通とし、変調電圧振幅Ｖｍは０．７Ｖおよび１．０Ｖとした。近似式は３次関数で作成した。周期比率を求めるための正規化の定数は適当な値に決定した。本実施例では、それぞれの動作状態について、分析期間にわたる周期比率の和が等しくなるように決定した。従って、ビート周波数の絶対値は各動作状態で同じにはならない。図２０に示すように、２つの動作状態で補正テーブルのグラフの形状が異なることが確認された。
　図２１Ａから図２１Ｃは、変調電圧振幅の異なる３つの動作状態にそれぞれ対応する３つの検出信号に対して、異なる補正テーブルを適用し、周波数分析して周波数スペクトルを求めた結果を示すグラフである。
　図２１Ａは、Ｖｍ＝０．７Ｖの場合に得られた検出信号に、Ｖｍ＝０．７Ｖに対応する補正テーブルを適用した結果を示している。図の矢印で示す部分にビート信号が現れている。
　図２１Ｂは、Ｖｍ＝１．０Ｖの場合に得られた検出信号に、Ｖｍ＝０．７Ｖに対応する（すなわち異なる動作状態に対応する）補正テーブルを適用した結果を示している。正規化の定数を適当な値に設定したのでビート信号の周波数の絶対値がずれているが、注目する点はビート信号の線幅が太くなっていることである。これは、異なる動作状態に対応する補正テーブルを適用したために、補正後の検出信号に周期の変動が残存したからであると考えられる。ビート信号の線幅が太いと、ピークとなる周波数を算出するときに誤差が発生し、距離値の精度が低下する。周波数分析した後にビート信号の周波数の絶対値を補正するだけでは、ビート信号の線幅を細くすることにはならないので、距離値の精度は改善できない。
　図２１Ｃは、Ｖｍ＝１．０Ｖの場合に得られた検出信号に、Ｖｍ＝１．０Ｖに対応する補正テーブルを適用した結果を示している。図２１Ｂの例と比べてビート信号の線幅が細くなっていることがわかる。このような状態になっていれば、周波数分析後にビート信号の周波数の絶対値を補正するだけで距離値を精度良く決定することができる。
　なお、本実施例では、変調電圧振幅をパラメータとして補正テーブルを作成したが、制御信号と駆動電流は上述のように対応関係にあるので、変調電圧振幅の代わりに駆動電流の振幅を用いてもよい。
　＜異なるバイアス電圧に対する補正テーブルの作成＞
　図２２は、２種類のバイアス電圧でキャリブレーションした場合の補正テーブルの作成結果の例を示すグラフである。この例では、制御信号の変調電圧振幅Ｖｍは１．３Ｖ、光源の温度は２７℃で共通とし、バイアス電圧Ｖｂは１．３Ｖおよび２．０Ｖとした。図２２の結果から、２つの動作状態で補正テーブルのグラフの形状が異なることが確認された。
　なお、本実施例ではバイアス電圧をパラメータとして補正テーブルを作成したが、制御信号と駆動電流は上述のように対応関係にあるので、バイアス電圧の代わりにバイアス電流を用いてもよい。
　＜異なる温度に対する補正テーブルの作成＞
　図２３は、２種類の温度でキャリブレーションした場合の補正テーブルの作成結果の例を示すグラフである。制御信号の変調電圧振幅Ｖｍは１．３Ｖ、バイアス電圧Ｖｂは２．０Ｖで共通とし、光源の温度を１５℃および４０℃とした。図２３の結果から、２つの動作状態で補正テーブルのグラフの形状が異なることが確認された。
　＜補間を用いた補正テーブルの作成＞
　図２４は、すでに存在する２つの補正テーブル（この例ではＶｍ＝０．７ＶおよびＶｍ＝１．０Ｖ）から、新たにＶｍ＝０．８５Ｖの補正テーブルを作成した例を示す図である。Ｖｍ＝０．７ＶおよびＶｍ＝１．０Ｖの両方で周期比率の値が存在する制御電圧の範囲では、両方のテーブルの周期比率から内挿してＶｍ＝０．８５Ｖの周期比率を算出した。この範囲の外側では、範囲の内側のプロットの傾向から外挿してＶｍ＝０．８５Ｖの周期比率を算出した。
　図２５は、すでに存在する２つの補正テーブル（この例では温度１５℃および温度４０℃）から、新たに温度２５℃の補正テーブルを作成した例を示す図である。わかりやすくするために、図２５は一部が拡大して示されている。温度２５℃の補正テーブルの周期比率は、温度１５℃および温度４０℃の周期比率から内挿して算出した。
　このように動作状態のパラメータが連続量であっても、離散的に作成された補正テーブルをもとにして、中間の値の（すなわち、記憶装置に記憶されていない動作状態に対応する）補正テーブルを作成することが可能である。このような中間の値の補正テーブルを作成して使用することにより、測距の精度をさらに向上させることができる。
　＜他の実験例＞
　図２６は、本開示の実施形態の効果を検証するための他の実験例における計測装置２６０１を示す図である。計測装置２６０１では、図２に示した計測装置１００の構成とは異なり、光検出器１３０からの検出信号の代わりに、外部の正弦波発振器２６０２から出力されるダミー検出信号が処理回路１４０に入力されている。ここで、ダミー検出信号は正弦波であり、その振幅および周波数は、それぞれ本来の検出信号の振幅および周波数に近いもの（例えば１Ｖｐｐと５０ＭＨｚ）に設定されている。また、本実験例における記憶装置１５０にも、上述の実施形態と同様に光源１１０の動作状態に応じて異なる補正テーブルが記憶されている。
　まず、補正テーブルを適用しない状態でこの計測装置２６０１の計測動作を実行させた場合を想定する。このとき、表示装置２１０はダミー検出信号の周波数に対応した一定の距離値を表示することが想定される。また、距離値を複数回取得したときの値のばらつきは、ダミー検出信号の周波数ゆらぎ量が変動しない限り一定であると想定される。
　次に、光源１１０の動作状態に応じて異なる補正テーブルを適用した状態で計測装置２６０１の計測動作を実行させた場合を想定する。ここでは、光源１１０の変調電圧振幅をＶｍａおよびＶｍｂの２通りに変化させ、各変調電圧振幅に対応する補正テーブルを適用しながら計測装置２６０１の計測動作を実行させる。ＶｍａおよびＶｍｂの値は、例えばそれぞれ０．７Ｖおよび１．０Ｖとする。変調電圧振幅がＶｍａに設定された状態で距離値を複数回取得したときの値のばらつきをσａとし、変調電圧振幅がＶｍｂに設定された状態で距離値を複数回取得したときの値のばらつきをσｂとする。
　このような実験を実施した場合、距離値のばらつきはσａ≠σｂとなるはずである。その理由は、同じダミー検出信号に対して異なる補正テーブルを適用すると、補正された検出信号のスペクトル線幅が変化し、その線幅の変化に応じて、距離値のばらつきも変化するからである。一方、従来のように周波数分析後のビート信号周波数に補正を適用する装置では、異なる変調電圧振幅に対して異なる補正を適用したとしても元々のビート信号のスペクトル線幅は変化しないため、距離値のばらつきはσａ＝σｂとなる。
　以上のような実験により、本開示の実施形態における計測装置では、周波数分析前の検出信号に対して光源１１０の動作状態に応じて異なる補正テーブルを適用することにより、距離値のばらつきが制御されていることが分かる。
　上述した本開示の実施形態においては、周波数分析の前の検出信号に対して補正を行うことにより、レーザ光の周波数変調における非線形性に起因する計測精度の低下を抑制することができる。同様の課題に対しては、レーザ光を周波数変調するための制御信号そのものを補正して非線形性を解消する手法もあり得る。しかしながら、そのような手法では、光源への制御信号を非線形に補正する必要がある。非線形な制御信号の生成と、当該制御信号による電流または電圧の制御は困難であるのに比べ、周波数分析の前の検出信号に対する補正は信号処理のレベルで実行されるため、簡易であり且つ精度が高い。従って、本開示の実施形態によれば、従来に比べて簡易で且つ精度の高い計測を行うことが可能となる。
　本開示における計測装置は、例えば無人搬送車（ＡＧＶ）、自動車、無人航空機、もしくは産業ロボットなどの移動体、または監視装置に搭載されるＦＭＣＷライダーシステムなどの用途に利用できる。
　１００　測距装置
　１１０　光源
　１１１　駆動回路
　１１２　発光素子
　１２０　干渉光学系
　１２１　分岐器
　１２２　ミラー
　１２３　コリメータ
　１２４　コリメートレンズ
　１２５　第１ファイバスプリッタ
　１２６　第２ファイバスプリッタ
　１２７　光サーキュレータ
　１３０　光検出器
　１４０　処理回路
　１５０　記憶装置
　１６０　温度センサ
　１７０　光偏向器
　２１０　表示装置
　２２０　制御装置
　３００　対象物

Claims (13)

  1. 　周波数が変調された光を出射する光源と、
    　前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物によって反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光を生成する干渉光学系と、
    　前記干渉光を受け、前記干渉光の強度に応じた検出信号を出力する光検出器と、
    　前記検出信号の補正に用いられる複数の補正用データを記憶する記憶装置であって、前記複数の補正用データの各々は、前記光源の異なる複数の動作状態の対応する１つに関連付けられている、記憶装置と、
    　前記光源から出射される前記光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出し、前記光源の動作状態に応じて前記複数の補正用データの中から選択した１つ以上の補正用データに基づいて前記検出信号を補正し、補正後の前記検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力する処理回路と、
    を備える計測装置。
  2. 　前記光源の温度を計測する温度センサをさらに備え、
    　前記複数の補正用データは、２つ以上の第１補正用データを含み、前記２つ以上の第１補正用データの各々は、前記光源の温度が異なる２つ以上の動作状態のうちの対応する１つに関連付けられており、
    　前記処理回路は、前記２つ以上の第１補正用データの中から、前記温度センサによって計測された前記光源の温度に応じて選択した１つ以上の第１補正用データに基づいて前記検出信号を補正する、
    　請求項１に記載の計測装置。
  3. 　前記制御信号は、周期的に変動する電圧または電流を前記光源に入力する信号であり、
    　前記複数の補正用データは、２つ以上の第２補正用データを含み、前記２つ以上の第２補正用データの各々は、前記制御信号の前記電圧または前記電流の振幅が異なる２つ以上の動作状態のうちの対応する１つに関連付けられており、
    　前記処理回路は、前記２つ以上の第２補正用データの中から、現在の前記電圧または前記電流の振幅に応じて選択した１つ以上の第２補正用データに基づいて前記検出信号を補正する、
    　請求項１に記載の計測装置。
  4. 　前記制御信号は、あるバイアス電圧を中心に周期的に変動する電圧、またはあるバイアス電流を中心に周期的に変動する電流を前記光源に入力する信号であり、
    　前記複数の補正用データは、２つ以上の第３補正用データを含み、前記２つ以上の第３補正用データの各々は、前記制御信号の前記バイアス電圧または前記バイアス電流が異なる２つ以上の動作状態のうちの対応する１つに関連付けられており、
    　前記処理回路は、前記２つ以上の第３補正用データの中から、現在の前記バイアス電圧または現在の前記バイアス電流に応じて選択した１つ以上の第３補正用データに基づいて前記検出信号を補正する、
    　請求項１に記載の計測装置。
  5. 　前記処理回路は、現在の前記光源の動作状態に対応する補正用データが前記記憶装置に格納されていない場合、前記記憶装置に格納されている前記複数の補正用データの少なくとも１つに基づいて現在の前記動作状態に対応する補正用データを生成し、生成した前記補正用データに基づいて前記検出信号を補正する、請求項１から４のいずれかに記載の計測装置。
  6. 　前記処理回路は、現在の前記前記光源の動作状態に対応する補正用データが前記記憶装置に格納されていない場合、前記記憶装置に格納されている前記複数の補正用データの中から、現在の前記動作状態に最も近い２つの動作状態に関連付けられた２つの補正用データを選択し、選択した前記２つの補正用データを用いた補間処理によって現在の前記動作状態に対応する補正用データを生成し、生成した前記補正用データに基づいて前記検出信号を補正する、請求項１から５のいずれかに記載の計測装置。
  7. 　前記複数の補正用データの各々は、前記制御信号における複数の電圧値または複数の電流値の各々に対応する補正値の情報を含む、請求項１から６のいずれかに記載の計測装置。
  8. 　前記複数の補正用データの各々は、前記制御信号による周波数変調における複数の位相または複数のタイミングの各々に対応する補正値の情報を含む、請求項１から６のいずれかに記載の計測装置。
  9. 　前記複数の補正用データの各々は、前記処理回路が前記検出信号をサンプリングするときのサンプリングタイミングを変更するための補正値の情報を含む、請求項１から８のいずれかに記載の計測装置。
  10. 　前記複数の補正用データの各々は、前記検出信号の補正に用いられる補正値を決定するための補正テーブルまたは補正関数を示すデータである、請求項１から９のいずれかに記載の計測装置。
  11. 　前記処理回路は、前記複数の補正用データを作成し、前記複数の補正用データの各々を、対応する前記光源の動作状態に関連付けて前記記憶装置に記憶させる、請求項１から１０のいずれかに記載の計測装置。
  12. 　計測装置を含むシステムにおけるコンピュータによって実行される方法であって、
    　前記計測装置は、
    　周波数が変調された光を出射する光源と、
    　前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物によって反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光を生成する干渉光学系と、
    　前記干渉光を受け、前記干渉光の強度に応じた検出信号を出力する光検出器と、
    　前記検出信号の補正に用いられる複数の補正用データを記憶する記憶装置であって、前記複数の補正用データの各々は、前記光源の異なる複数の動作状態の対応する１つに関連付けられている、記憶装置と、
    を備え、
    　前記方法は、
    　前記光源から出射される前記光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出することと、
    　前記光源の動作状態に応じて前記複数の補正用データの中から選択した１つ以上の補正用データに基づいて前記検出信号を補正することと、
    　補正後の前記検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力することと、
    を含む方法。
  13. 　計測装置を含むシステムにおけるコンピュータによって実行されるコンピュータプログラムであって、
    　前記計測装置は、
    　周波数が変調された光を出射する光源と、
    　前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物によって反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光を生成する干渉光学系と、
    　前記干渉光を受け、前記干渉光の強度に応じた検出信号を出力する光検出器と、
    　前記検出信号の補正に用いられる複数の補正用データを記憶する記憶装置であって、前記複数の補正用データの各々は、前記光源の異なる複数の動作状態の対応する１つに関連付けられている、記憶装置と、
    を備え、
    　前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータに、
    　前記光源の動作状態に応じて前記複数の補正用データの中から選択した１つ以上の補正用データに基づいて前記検出信号を補正することと、
    　補正後の前記検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力することと、
    を実行させる、コンピュータプログラム。
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