WO2022209310A1 - 計測装置、およびプログラム - Google Patents

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WO2022209310A1
WO2022209310A1 PCT/JP2022/004779 JP2022004779W WO2022209310A1 WO 2022209310 A1 WO2022209310 A1 WO 2022209310A1 JP 2022004779 W JP2022004779 W JP 2022004779W WO 2022209310 A1 WO2022209310 A1 WO 2022209310A1
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light
frequency
mode
frequency range
range
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宏幸 高木
安寿 稲田
泰宏 壁谷
弓子 加藤
建治 鳴海
孝平 菊池
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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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    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present disclosure relates to measuring devices and programs.
  • LiDAR Light Detection and Ranging
  • a typical example of a measurement device using LiDAR technology comprises a light source, a photodetector, and a processing circuit.
  • a light source emits light for illuminating an object.
  • the photodetector detects a reflected wave from an object and outputs a signal corresponding to the time delay of the reflected wave.
  • the processing circuit acquires data on the distance and velocity of the object based on the signal output from the photodetector, for example, by FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) technology.
  • FMCW Frequency Modulated Continuous Wave
  • the present disclosure provides a measuring device that can acquire measurement data of an object by appropriately changing the ranging range.
  • a measurement device emits light for irradiating an object, a light source capable of changing the frequency of the light, separates the light into reference light and irradiation light, an interference optical system for generating interference light by causing interference between the reflected light generated by the reflected light from the object and the reference light; and receiving the interference light and outputting a signal corresponding to the intensity of the interference light.
  • a photodetector for controlling the light source and generating and outputting data relating to the distance and/or velocity of the object based on the signal output from the photodetector, wherein the processing circuit operates in a first mode and a second mode, causes the light source to emit light whose frequency changes with time within a first frequency range in the first mode, and emits light in the first frequency range and the first frequency range in the second mode.
  • the absolute value of the rate of frequency change over time in the first frequency range is the absolute value of the rate of change over time in the second frequency range
  • the center frequency of the first frequency range is different from the center frequency of the second frequency range
  • the lower limit of the first frequency range is different from the lower limit of the second frequency range.
  • 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. A plurality of devices included in a "system” may include devices installed in remote locations away from other devices and connected via a communication network.
  • FIG. 1 is a block diagram that schematically shows the configuration of a measurement device according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2A is a diagram schematically showing temporal changes in the frequencies of reference light and reflected light when an object is stationary.
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing temporal changes in the frequencies of reference light and reflected light when an object approaches the measuring device.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the distance from the measuring device to the object and the beat frequency.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the relationship between the injection current value and the frequency of laser light in a distributed feedback laser diode.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the correspondence relationship between the current value range and the frequency range in the graph shown in FIG. FIG.
  • FIG. 6A is a diagram schematically showing the relationship between the frequency of laser light and time in a narrow range mode and a wide range mode.
  • FIG. 6B is a diagram schematically showing the relationship between laser light intensity and time in the narrow-range mode and the wide-range mode.
  • FIG. 7A is a flowchart illustrating an example of operations performed by a processing circuit.
  • FIG. 7B is a flow chart showing an example of the operation performed by the processing circuitry in step S101 shown in FIG. 7A.
  • FIG. 7C is a flow chart showing an example of operations performed by the processing circuitry in step S104 shown in FIG. 7A.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing an example of a vehicle having a measuring device mounted on its front surface.
  • FIG. 9A is a diagram schematically showing an example of emitting flash light toward a target scene.
  • FIG. 9B is a diagram schematically showing the relationship between the intensity of the beat signal and the range-finding distance in the example shown in FIG. 9A.
  • FIG. 10A is a diagram schematically showing an example of emitting a plurality of line beams toward a target scene.
  • FIG. 10B is a diagram schematically showing the relationship between the strength of the beat signal and the measured distance in the example shown in FIG. 10A.
  • FIG. 11A is a diagram schematically showing an example of emitting a plurality of irradiation lights toward a target scene.
  • FIG. 11B is a diagram schematically showing the relationship between the strength of the beat signal and the range-finding distance in the example shown in FIG.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of operations performed by a processing circuit in measuring an object in a target scene.
  • FIG. 13 is a flow chart showing another example of the operation of the processing circuit in measuring an object in the target scene.
  • FIG. 14A is a diagram showing an application example in which the measuring device is applied to in-vehicle equipment.
  • FIG. 14B is a diagram showing an application example in which the measuring device is applied to in-vehicle equipment.
  • FIG. 15A is a diagram showing an application example in which the measuring device is applied to an autonomous mobile body.
  • FIG. 15B is a diagram showing an application example in which the measuring device is applied to an autonomous mobile body.
  • FIG. 16A is a diagram showing an application example in which the measuring device is applied to a robot arm.
  • FIG. 16B is a diagram showing an application example in which the measuring device is applied to a robot arm.
  • 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 include one or more non-transitory storage media on which software is recorded, a processor, and required hardware devices such as interfaces.
  • light refers not only to visible light (having a wavelength of about 400 nm to about 700 nm), but also to electromagnetic waves including ultraviolet rays (having a wavelength of about 10 nm to about 400 nm) and infrared rays (having a wavelength of about 700 nm to about 1 mm).
  • ultraviolet light may be referred to as “ultraviolet light”
  • infrared light may be referred to as "infrared light”.
  • Patent Documents 1 to 4 disclose measuring devices that adjust the range and accuracy of ranging by monotonically increasing or decreasing the frequency of light or millimeter waves over time.
  • monotonically increasing frequency with time is referred to as “up-chirp”
  • monotonically decreasing frequency with time is referred to as “down-chirp”.
  • the device disclosed in Patent Document 1 acquires measurement data of an object using light.
  • the frequency range and time range for the next down-chirp period are determined based on the measurement result in the up-chirp period. Further, the frequency range and time range for the next up-chirp period are determined based on the measurement results during the down-chirp period. In this way the ranging range and accuracy are adjusted.
  • the devices disclosed in Patent Documents 2 to 4 acquire measurement data of an object using millimeter waves.
  • the frequency of the millimeter wave periodically changes with time in a triangular waveform.
  • the range and accuracy of ranging are adjusted by changing the frequency range of the triangular wave or changing the transmission power of the millimeter wave.
  • the ranging range and accuracy are adjusted by changing the frequency range and time range for each cycle of the triangular wave.
  • the center frequency of the frequency range is constant.
  • the range and accuracy of distance measurement are adjusted by changing the frequency range for each cycle of the triangular wave in three stages, large, medium, and small.
  • the lower limit of the frequency range is constant.
  • a metrology device utilizes FMCW-LiDAR technology.
  • the measuring device measures an object by switching between two modes. As a result, the measurement data of the object can be obtained by appropriately changing the distance measurement range.
  • a measuring device according to an embodiment of the present disclosure and a program used for the measuring device will be described below.
  • a measurement device emits light for irradiating an object, a light source capable of changing the frequency of the light, separates the light into reference light and irradiation light, and An interference optical system that generates interference light by causing interference between the reflected light generated by the light reflected by the object and the reference light, and light that receives the interference light and outputs a signal corresponding to the intensity of the interference light.
  • a detector and processing circuitry for controlling the light source and for generating and outputting data relating to the distance and/or velocity of the object based on the signal output from the photodetector.
  • the processing circuit operates in a first mode and a second mode, causes the light source to emit light whose frequency changes with time within a first frequency range in the first mode, The light source emits light whose frequency changes with time within a second frequency range different from the frequency range.
  • the absolute value of the time rate of frequency change in the first frequency range is different from the absolute value of the time rate of frequency change in the second frequency range.
  • the center frequency of the first frequency range is different than the center frequency of the second frequency range.
  • the lower limit of the first frequency range is different from the lower limit of the second frequency range.
  • the measuring device is the measuring device according to the first item, wherein the frequency of the light in the first mode and the frequency of the light in the second mode periodically change with time.
  • a period of frequency change of the light in the first mode is equal to a period of frequency change of the light in the second mode.
  • the change in the amount of heating of the active layer contained in the laser diode due to the increase or decrease of the applied current becomes constant, and the frequency is linearly increased or decreased with time. can be maintained.
  • a measuring device is the measuring device according to the first or second item, wherein the absolute value of the rate of change over time of the frequency in the first frequency range is the rate of change over time of the frequency in the second frequency range. and the center frequency of the first frequency range is higher than the center frequency of the second frequency range.
  • This measuring device can accurately measure a narrow ranging range in the first mode, and can measure a wide ranging range with a certain degree of accuracy in the second mode. Furthermore, when a laser diode having a negative rate of change in the frequency of light with respect to the applied current value is used as the light source, the intensity of light in the second mode can be made higher than the intensity of light in the first mode.
  • a measuring device is the measuring device according to any one of the first to third items, wherein each cycle of the frequency change of the light in the first mode includes a first up-chirp period and a first a down-chirp period, and each period of frequency change of the light in the second mode includes a second up-chirp period and a second down-chirp period.
  • the frequency monotonically increases from the lower limit value to the upper limit value of the first frequency range, and during the first down-chirp period, the frequency increases from the upper limit value to the lower limit value of the first frequency range.
  • the frequency monotonically increases from the lower limit value to the upper limit value of the second frequency range, and during the second down-chirp period, the frequency increases from the upper limit value to the lower limit value of the second frequency range. monotonically decreasing to
  • the frequency can be changed over time like a triangular wave.
  • the measuring device is the measuring device according to the fourth item, wherein in the first mode, the signal is the first signal corresponding to the intensity of the interference light based on the light in the first up-chirp period. and a second signal component corresponding to the intensity of the interference light based on the light during the first down-chirp period, and in the second mode, the signal is the A third signal component corresponding to the intensity of the interfering light based on the light and a fourth signal component corresponding to the intensity of the interfering light based on the light during the second down-chirp period are included.
  • the processing circuit in the first mode, generates and outputs the data relating to the distance and/or velocity of the object based on the first signal component and the second signal component, and in the second mode, Generating and outputting said data relating to the distance and/or velocity of said object based on said third signal component and said fourth signal component.
  • this measuring device can generate not only data on the distance of an object but also data on its velocity.
  • a measuring device is the measuring device according to the fourth or fifth item, wherein the length of the first up-chirp period and the length of the first down-chirp period are equal to each other, and the length of the second up-chirp period is equal to each other. The length of the period and the length of the second down-chirp period are equal to each other.
  • This measurement device is advantageous in maintaining the operation of increasing and decreasing the frequency linearly with time.
  • a measuring device is the measuring device according to any one of the first to sixth items, wherein the processing circuit detects the frequency of the light in each of the first mode and the second mode. It may be changed into a triangular wave shape.
  • a computer program according to the eighth item is a computer program executed by a computer in a system including a measuring device.
  • the measuring device emits light for irradiating an object, a light source capable of changing the frequency of the light, and separates the light into reference light and irradiation light, and the irradiation light irradiates the object.
  • an interference optical system for generating interference light by causing the reflected light and the reference light to interfere with each other; and a photodetector for receiving the interference light and outputting a signal corresponding to the intensity of the interference light.
  • the computer program causes the computer to emit light whose frequency changes with time in a first frequency range in the first mode, and whose frequency changes with time in a second frequency range in the second mode.
  • the absolute value of the time rate of frequency change in the first frequency range is different from the absolute value of the time rate of frequency change in the second frequency range.
  • the center frequency of the first frequency range is different than the center frequency of the second frequency range.
  • the lower limit of the first frequency range is different from the lower limit of the second frequency range.
  • FIG. 1 is a block diagram that schematically shows the configuration of a measurement device according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 shows an object 10 to be measured.
  • the measurement apparatus 100 shown in FIG. 1 includes a light source 20, an interference optical system 30, a beam shaper 40, an optical deflector 50, a photodetector 60, a processing circuit 70, and a memory 72.
  • the thick line arrows shown in FIG. 1 represent the flow of light.
  • the thin line arrows shown in FIG. 1 represent transmission and reception of signals.
  • the light source 20 emits a laser beam 20L0 whose frequency can be changed.
  • the frequency can be time-varying, for example, in a triangular or sawtooth shape with a constant time period.
  • the time period of frequency change may vary.
  • the time period of the frequency can be, for example, greater than or equal to 1 microsecond and less than or equal to 10 milliseconds.
  • the frequency width of the frequencies may be, for example, 100 MHz or more and 1 THz or less.
  • 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.
  • the amount of near-infrared light is less than that of visible light, so if near-infrared light is used as the laser light 20L0 , the influence of sunlight as noise can be reduced.
  • the wavelength of the laser light 20L 0 may be included in the visible light wavelength range of 400 nm or more and 700 nm or less, or may be included in the ultraviolet light wavelength range.
  • Light source 20 may include, for example, a distributed feedback laser diode or an external cavity laser diode. These laser diodes are inexpensive and small, are capable of single-mode oscillation, and can change the frequency of laser light according to the amount of current applied. The relationship between the applied current value and the frequency of the laser light 20L0 will be described later.
  • Interference optics 30 includes a first fiber splitter 32 , a second fiber splitter 34 and an optical circulator 36 .
  • the first fiber splitter 32 splits the laser light 20L 0 emitted from the light source 20 into a reference light 20L 1 and an illumination light 20L 2 .
  • the first fiber splitter 32 inputs the reference light 20L 1 into the second fiber splitter 34 and the illumination light 20L 2 into the optical circulator 36 .
  • Optical circulator 36 inputs illumination light 20L 2 to beam shaper 40 .
  • the optical circulator 36 illuminates the object 10 with the illumination light 20L 2 and inputs the reflected light 20L 3 to the second fiber splitter 34 .
  • the second fiber splitter 34 inputs to the photodetector 60 an interference light 20L 4 obtained by superimposing and interfering the reference light 20L 1 and the reflected light 20L 3 .
  • the beam shaper 40 adjusts the spot shape of the irradiation light 20L2 emitted from the interference optical system 30.
  • the illuminating light 20L2 after beam shaping can be, for example, a flash light, a line beam, or a point beam.
  • Beam shaper 40 may include, for example, a collimating lens.
  • the optical deflector 50 changes the direction of the illumination light 20L 2 emitted from the beam shaper 40 .
  • the light deflector 50 allows the target scene, including the object 10, to be scanned with the illumination light 20L2 .
  • the optical deflector 50 may include, for example, a MEMS (Micromechanical Electrosystem) mirror or a galvanomirror.
  • the optical deflector 50 may be a beam scanning device using optical phased arrays and slow light waveguides, as described in WO2019/130720.
  • a photodetector 60 detects the interference light 20L4 .
  • Photodetector 60 includes one or more photodetection elements. The photodetector outputs a signal corresponding to the intensity of the interference light 20L4 based on the laser light 20L0.
  • the optical path of the irradiation light 20L2 from the interference optical system 30 to the object 10 and the optical path of the reflected light 20L3 from the object 10 to the interference optical system 30 overlap each other.
  • the configuration of the measurement apparatus 100 can be simplified, and stable measurement can be achieved.
  • the two optical paths may be designed so as not to overlap each other.
  • a processing circuit 70 controls the operation of the light source 20 , the beam shaper 40 , the optical deflector 50 and the photodetector 60 .
  • Processing circuitry 70 processes the signal output from photodetector 60 using FMCW-LiDAR technology.
  • the processing circuit 70 generates and outputs measurement data regarding the distance and/or speed of the object 10 based on the signal. Details of the operation of the processing circuit 70 will be described later.
  • measurement device 100 comprises a processing unit including processing circuitry 70 and memory 72 .
  • the processing circuitry 70 and memory 72 may be integrated on one circuit board or provided on separate circuit boards.
  • the control and signal processing functions of processing circuit 70 may be distributed over multiple circuits.
  • the processor is remotely located away from other components and controls the operation of light source 20, beam shaper 40, optical deflector 50, and photodetector 60 via a wired or wireless communication network.
  • FIG. 2A is a diagram schematically showing temporal changes in the frequencies of the reference light 20L1 and the reflected light 20L3 when the object 10 is stationary.
  • a solid line represents the reference beam and a dashed line represents the reflected beam.
  • the frequency of the reference light 20L1 shown in FIG. 2A repeats a triangular wave-like temporal change. That is, the frequency of the reference light 20L1 repeats up-chirp and down-chirp. The increase in frequency in up-chirp and the decrease in frequency in down-chirp are equal to each other.
  • the frequency of reflected light 20L3 shifts along the time axis compared to the frequency of reference light 20L1 .
  • the amount of time shift of the reflected light 20L- 3 is equal to the time it takes for the illumination light 20L- 2 to be emitted from the measuring device 100, reflected by the object 10, and returned as the reflected light 20L- 3 .
  • the interference light 20L- 4 obtained by superimposing and interfering with the reference light 20L- 1 and the reflected light 20L- 3 has a frequency corresponding to the difference between the frequency of the reflected light 20L- 3 and the frequency of the reference light 20L- 1 .
  • a double arrow shown in FIG. 2A represents the difference between the two frequencies.
  • the photodetector 60 outputs a signal indicative of the intensity of the interference light 20L4 .
  • the signal is called a beat signal.
  • the frequency of the beat signal, ie the beat frequency is equal to the above frequency difference.
  • Processing circuitry 70 can generate data regarding the distance of object 10 from the beat frequencies.
  • FIG. 2B is a diagram schematically showing temporal changes in the frequencies of the reference light 20L1 and the reflected light 20L3 when the object 10 approaches the measuring device 100.
  • FIG. When the object 10 approaches, due to the Doppler shift, the frequency of the reflected light 20L3 shifts in an increasing direction along the frequency axis compared to when the object 10 is stationary. The amount by which the frequency of reflected light 20L3 shifts depends on the component of the velocity vector of object 10 projected in the direction of reflected light 20L3 .
  • the beat frequency differs between the up-chirp period and the down-chirp period of the reference light 20L1 and the reflected light 20L3 . In the example shown in FIG.
  • processing circuitry 70 can generate data about the velocity of object 10 from the difference in beat frequencies due to Doppler shift. In addition, the processing circuit 70 can generate data regarding the distance of the object 10 from the average values of the beat frequencies during the up-chirp and down-chirp periods.
  • ⁇ f is the frequency range in the up-chirp period or down-chirp period
  • ⁇ t is the time required to change ⁇ f
  • c is the speed of light
  • d is the distance from the measuring device 100 to the object 10
  • the beat frequency f beat is given by the following equation ( 1).
  • the beat frequency f beat in equation (1) is obtained by multiplying the time rate of change ⁇ f/ ⁇ t of the frequency by the round-trip time (2d/c) from the measuring device 100 to the object 10 .
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the distance d from the measuring device 100 to the object 10 and the beat frequency f beat according to Equation (1).
  • the thin horizontal dashed line is an example of the maximum measurable value of the beat frequency f beat , which is 75 MHz.
  • the distance measurement range d increases as the time rate of change ⁇ f/ ⁇ t of the frequency decreases.
  • the range d is 9 m in the mode with a high rate of frequency change over time, and 100 m in the mode with a low rate of change over time. is.
  • a mode with a high rate of frequency change over time is a mode with a narrow ranging range, that is, a narrow range mode.
  • a mode with a low rate of frequency change over time is a mode with a wide ranging range, that is, a wide range mode.
  • the accuracy of distance measurement is improved as the time rate of frequency change increases. This is because the higher the time rate of change ⁇ f/ ⁇ t of the frequency, the greater the amount of change in the beat frequency f beat with respect to the amount of change in the distance d.
  • the beat frequency f beat is obtained by Fourier transforming the beat signal with respect to time. The greater the amount of change in the beat frequency f beat compared to the frequency resolution of the Fourier transform, the greater the accuracy of ranging. In the example shown in FIG. 3, when distance measurement is performed with a frequency resolution of 800 Hz, the distance measurement accuracy is about 0.1 mm in the narrow range mode and about several mm in the wide range mode. The distance measurement accuracy is 50 repetition accuracy.
  • the beat frequency f beat obtained by adding the amount of change due to the Doppler shift is required to be equal to or less than the maximum measurable value.
  • the narrow range mode can be applied, for example, when generating accurate measurement data of the object 10 at a short distance.
  • the short distance can be, for example, 0 m or more and 10 m or less.
  • the wide range mode may be applied, for example, when generating measurement data of objects 10 at near and far distances with some degree of accuracy.
  • the far distance can be, for example, greater than 10m and less than or equal to 200m.
  • the time rate of change of frequency in the narrow-range mode and the wide-range mode are determined by the maximum measurable value of the beat frequency f beat in equation (1) and the near and far distances d, respectively.
  • the narrow range mode is also called "first mode”
  • the wide range mode is also called "second mode".
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the relationship between the applied current value and the frequency of the laser light 20L0 in the distributed feedback laser diode.
  • the frequency of the laser light changes nonlinearly with respect to the applied current value. Even if the applied current changes linearly with time, the frequency of the laser light does not actually change linearly. Therefore, unlike the example shown in FIG. 2A, the actually measured beat frequency f beat is not constant over time. Using such a beat frequency f beat will reduce the accuracy of ranging. A decrease in ranging accuracy can be improved by, for example, the following two methods.
  • the frequency of the laser light can be changed linearly by monitoring the change in the frequency of the laser light due to the applied current value with a measuring instrument and feeding back the results to adjust the applied current value.
  • Another method is as follows.
  • the applied current is periodically changed in a triangular waveform over time, and the time change of the beat signal vibrating following the change is plotted. From the plotted results, the applied current value is associated with the round trip time during which the beat signal oscillates once with respect to the current value.
  • the correction ratio of the round trip time to the applied current value can be found.
  • a correction table indicating the correction ratio is stored in a storage device (not shown) provided separately in the measurement apparatus 100 .
  • the processing circuit 70 refers to the correction table and multiplies the round-trip time of the beat signal by a correction ratio according to the applied current value, that is, rescaling, thereby correcting the time change of the beat signal.
  • a correction ratio according to the applied current value, that is, rescaling, thereby correcting the time change of the beat signal.
  • the rescaling method does not require a separate measuring device, and signal processing can improve the reduction in distance measurement accuracy.
  • the cost can be reduced by the amount that the measuring equipment is not required.
  • the lower the nonlinearity of the frequency of the laser light with respect to the applied current value the less the deterioration of the distance measurement accuracy can be improved. If rescaling does not improve the deterioration of the ranging accuracy, the ranging accuracy does not improve even if the time rate of change ⁇ f/ ⁇ t of the frequency is high.
  • the portion where the frequency of the laser light changes nonlinearly with respect to the current value is used for the narrow range mode and the wide range mode. Furthermore, the DC component of the current value is the same in the narrow range mode and the wide range mode.
  • the frequency range in narrow range mode includes the frequency range in wide range mode. In other words, the upper limit of the frequency range in the narrow range mode is higher than the upper limit of the frequency range in the wide range mode, and the lower limit of the frequency range in the narrow range mode is lower than the lower limit of the frequency range in the wide range mode.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the correspondence relationship between the current value range and the frequency range in the graph shown in FIG. 5
  • ⁇ I 1 , ⁇ I 2 , and ⁇ I 3 are continuously arranged in this order in the direction in which the current value increases.
  • ⁇ f 1 , ⁇ f 2 , and ⁇ f 3 are continuously arranged in this order in the direction of decreasing frequency.
  • ⁇ f 1 , ⁇ f 2 , and ⁇ f 3 are the ranges of frequencies obtained when the current values vary through the ranges of ⁇ I 1 , ⁇ I 2 , and ⁇ I 3 , respectively.
  • the graph shown in FIG. 5 is divided into a first correspondence between ⁇ I1 and ⁇ f1, a second correspondence between ⁇ I2 and ⁇ f2, and a third correspondence between ⁇ I3 and ⁇ f3.
  • Each correspondence is approximately linear. Therefore, feedback or rescaling by the monitor is not necessary. Even when the applied current value is adjusted by feedback from the monitor, since the corresponding relationship is almost linear, it is possible to improve the decrease in distance measurement accuracy with a slight adjustment.
  • the width of the range of current values satisfies the relationship of ⁇ I 1 > ⁇ I 2 > ⁇ I 3
  • the width of the frequency range satisfies the relationship of ⁇ f 2 > ⁇ f 3 > ⁇ f 1 .
  • the ratio of the frequency range to the current value range satisfies the relationship ⁇ f 3 / ⁇ I 3 > ⁇ f 2 / ⁇ I 2 > ⁇ f 1 / ⁇ I 1 .
  • the range of current values in which linearity is obtained is the widest among the three correspondences, but the frequency range is the narrowest among the three correspondences.
  • the range of current values in which linearity is obtained is narrower than in the first correspondence, but the frequency range is the widest among the three correspondences.
  • the range of current values in which linearity is obtained is the narrowest among the three correspondences, but the frequency range is wider than that of the first correspondence.
  • the second correspondence relationship when the applied current is changed with time in a triangular waveform with the same period 2 ⁇ t, the second correspondence relationship can be applied to the narrow range mode, and the first and third correspondence relationships are applicable to the wide range mode. can be applied to This is because the time rate of frequency change in the second correspondence relationship is higher than the time rate of frequency change in the first and third correspondence relationships.
  • a higher intensity of the illumination light 20L2 can obtain effective reflected light 20L3 from the object 10 at a long distance.
  • the intensity of the laser light 20L0 emitted from the light source 20 increases with the applied current value.
  • the third correspondence relationship is more suitable for the wide-range mode than the first correspondence relationship in terms of obtaining a higher - intensity illumination light 20L2.
  • the intensity of the irradiation light 20L2 is equal to or less than a predetermined intensity regardless of the wide range mode or the narrow range mode. This is because it is assumed that a person suddenly enters a short distance, or that a person observes the object with binoculars from a long distance. If the wavelength is 1550 nm and the period 2 ⁇ t of the triangular wave is long enough to be 10 sec or more in continuous emission, the intensity of the illumination light 20L2 can be, for example, 10 mW or less. Objects 10 with low reflectance may exist even at short distances. Therefore, it is advantageous for the intensity of the illumination light 20L2 to be as high as possible within 10 mW, regardless of the wide range mode and the narrow range mode.
  • FIG. 6A is a diagram schematically showing the relationship between the frequency and time of the laser light 20L0 in narrow range mode and wide range mode.
  • FIG. 6B is a diagram schematically showing the relationship between the intensity of the laser light 20L0 and time in the narrow range mode and the wide range mode.
  • the narrow range modes shown in FIGS. 6A and 6B are based on the second correspondence shown in FIG.
  • the wide range mode shown in FIGS. 6A and 6B is based on the third correspondence shown in FIG.
  • the frequency of the laser light 20L 0 in the narrow range mode periodically changes with time within the frequency range ⁇ f 2
  • the frequency of the laser light 20L 0 in the wide range mode changes within the frequency range ⁇ f 3 .
  • the period 2 ⁇ t of the frequency change of the laser light 20L0 in the narrow range mode and the wide range mode are equal to each other.
  • Each period of frequency change in the narrow range mode includes the following first up-chirp period and second up-chirp period.
  • the frequency monotonously increases from the lower limit to the upper limit of the frequency range ⁇ f2
  • the frequency monotonously decreases from the upper limit to the lower limit of the frequency range ⁇ f2.
  • Each period of frequency change in the wide range mode includes the following second up-chirp period and second down-chirp period.
  • the frequency monotonously increases from the lower limit to the upper limit of the frequency range ⁇ f3
  • the second down-chirp period the frequency monotonously decreases from the upper limit to the lower limit of the frequency range ⁇ f3 .
  • first up-chirp period and the first down-chirp period are equal to each other, and the second up-chirp period ⁇ t and the second down-chirp period are equal to each other, it is advantageous to maintain the aforementioned linear increase and decrease of the frequency. .
  • first up-chirp period and the second up-chirp period are equal to each other, and the first down-chirp period and the second down-chirp period are equal to each other, it is further advantageous to maintain the aforementioned linear increase and decrease of the frequency. be.
  • the first up-chirp period, the first down-chirp period, the second up-chirp period, and the second down-chirp period are all ⁇ t.
  • the signal output from the photodetector 60 in the narrow range mode includes a first signal component during the first up-chirp period and a second signal component during the first down-chirp period.
  • Processing circuitry 70 generates and outputs measurement data based on the first and second signal components.
  • the signal output from photodetector 60 in the wide range mode includes a third signal component during the second up-chirp period and a fourth signal component during the second down-chirp period.
  • Processing circuitry 70 generates and outputs measurement data based on the third and fourth signal components.
  • the measurement data in the narrow-range mode and the wide-range mode generated as described above include not only data regarding the distance of the object 10 but also data regarding its velocity.
  • the width of the frequency range ⁇ f2 in the narrow range mode is wider than the width of the frequency range ⁇ f3 in the wide range mode.
  • the frequency range ⁇ f 2 in the narrow range mode and the frequency range ⁇ f 3 in the wide range mode do not overlap each other except for the following frequencies.
  • This frequency is a frequency at which the lower limit value of the frequency range ⁇ f2 in the narrow range mode and the upper limit value of the frequency range ⁇ f3 in the wide range mode match.
  • the absolute value ⁇ f 2 / ⁇ t of the frequency time change rate within the frequency range ⁇ f 2 in the narrow range mode is the absolute value ⁇ f 3 / ⁇ t of the frequency time change rate within the frequency range ⁇ f 3 in the wide range mode.
  • the center frequency of the frequency range ⁇ f2 in the narrow range mode is higher than the center frequency of the frequency range ⁇ f3 in the wide range mode.
  • the upper and lower limits of the frequency range ⁇ f2 in the narrow range mode are respectively higher than the upper and lower limits of the frequency range ⁇ f3 in the wide range mode.
  • the frequencies in the narrow range mode are equal to or higher than the frequencies in the wide range mode.
  • the width of the frequency range ⁇ f2 in the narrow range mode is different from the width of the frequency range ⁇ f3 in the wide range mode.
  • the absolute value of the time rate of frequency change within the frequency range ⁇ f2 in the narrow range mode is different from the absolute value of the time rate of frequency change within the frequency range ⁇ f2 in the wide range mode.
  • the center frequency of the frequency range ⁇ f2 in the narrow range mode is different from the center frequency of the frequency range ⁇ f3 in the wide range mode.
  • the upper and lower limits of the frequency range ⁇ f2 in the narrow range mode are different from the upper and lower limits of the frequency range ⁇ f3 in the wide range mode.
  • the width of the intensity range in the narrow range mode is wider than the width of the intensity range in the wide range mode.
  • the intensity range in narrow-range mode and the intensity range in wide-range mode do not overlap each other, except for the following intensities.
  • the intensity is an intensity at which the upper limit value of the intensity range in the narrow range mode and the lower limit value of the intensity range in the wide range mode match.
  • the absolute value of the time rate of change of intensity within the intensity range in the narrow range mode is higher than the absolute value of the time rate of change of intensity within the intensity range in the wide range mode.
  • the central intensity of the intensity range in the narrow range mode is lower than the central intensity of the intensity range in the wide range mode.
  • the upper and lower limits of the intensity range in the narrow range mode are respectively lower than the upper and lower limits of the intensity range in the wide range mode.
  • the intensity in the wide-range mode is greater than or equal to the intensity in the narrow-range mode. Therefore, effective reflected light 20L 3 can be obtained from distant object 10 in wide range mode. If the intensity in the narrow range mode is also high enough, a useful reflected light 20L3 can be obtained even from a low reflectance object 10 at a short distance.
  • the intensity in the narrow range mode can be, for example, ⁇ 1 mW and ⁇ 6 mW.
  • the intensity in wide range mode can be, for example, ⁇ 6 mW and ⁇ 10 mW.
  • the width of the intensity range in the narrow range mode is different from the width of the intensity range in the wide range mode.
  • the absolute value of the time rate of change of intensity within the intensity range in the narrow range mode differs from the absolute value of the time rate of change of intensity within the intensity range in the wide range mode.
  • the central intensity of the intensity range in the narrow range mode is different from the central intensity of the intensity range in the wide range mode.
  • the upper and lower limits of the intensity range in the narrow range mode are different from the upper and lower limits of the intensity range in the wide range mode, respectively.
  • the range of current values ⁇ I1 to ⁇ I3 shown in FIG. 5 is an example. Unlike the example shown in FIG. 5, the current value ranges ⁇ I1 and ⁇ I2 may partially overlap each other, and the current value ranges ⁇ I2 and ⁇ I3 may partially overlap each other. They may overlap. For example, if the current value ranges ⁇ I2 and ⁇ I3 partially overlap each other, the lower limit of the current value range ⁇ I2 ⁇ the lower limit of the current value range ⁇ I3 ⁇ the upper limit of the current value range ⁇ I2 The relation of value ⁇ the upper limit of the current value range ⁇ I3 is satisfied.
  • the frequency range ⁇ f2 in the narrow range mode and the frequency range ⁇ f3 in the wide range mode partially overlap each other , and the lower limit of the frequency range ⁇ f3 ⁇ the lower limit of the frequency range ⁇ f2 ⁇ the frequency range ⁇ f3 ⁇ the upper limit of the frequency range ⁇ f 2 is satisfied.
  • the intensity range in the narrow-range mode and the intensity range in the wide-range mode partially overlap each other, and the lower limit of the intensity range in the narrow-range mode ⁇ the lower limit of the intensity range in the wide-range mode ⁇ the intensity in the narrow-range mode
  • the relationship of upper limit of range ⁇ upper limit of intensity range in wide range mode is satisfied.
  • FIG. 7A is a flow chart illustrating an example of operations performed by processing circuitry 70 .
  • the processing circuit 70 performs the operations of steps S101 to S105 shown in FIG. 7A.
  • 7B and 7C are flow charts showing examples of operations performed by processing circuitry 70 in steps S101 and S104 shown in FIG. 7A, respectively.
  • Processing circuitry 70 measures objects 10 at long range or near range in wide range mode. The details of this operation are as shown in FIG. 7B.
  • the processing circuit 70 causes the light source 20 to emit the laser light 20L0 whose frequency changes with time in the wide range mode (step S101A).
  • the processing circuit 70 causes the photodetector 60 to detect the interference light 20L4 (step S101B).
  • Processing circuit 70 generates and outputs measurement data relating to the distance and speed of object 10 based on the signal output from photodetector 60 (step S101C).
  • Step S102> The processing circuit 70 determines whether the object 10 is at a short distance from the measurement result in step S101. A measurement result by another measurement sensor may be used instead of the measurement result in step S101. If the determination is Yes, processing circuit 70 performs the operation of step S103. If the determination is No, processing circuit 70 performs the operation of step S101.
  • Processing circuitry 70 determines if it is possible to measure in narrow range mode. In the narrow range mode, if the beat frequency including the Doppler shift is below the measurable upper limit, the measurement can be performed in the narrow range mode. If the determination is Yes, processing circuit 70 performs the operation of step S104. If the determination is No, processing circuit 70 performs the operation of step S101.
  • Processing circuitry 70 measures objects 10 at close range in narrow range mode. The details of this operation are as shown in FIG. 7C.
  • the processing circuit 70 causes the light source 20 to emit the laser light 20L0 whose frequency changes with time in the narrow range mode (step S104A).
  • the processing circuit 70 causes the photodetector 60 to detect the interference light 20L4 (step S104B).
  • Processing circuit 70 generates and outputs measurement data relating to the distance and speed of object 10 based on the signal output from photodetector 60 (step S104C).
  • the ranging accuracy in the narrow range mode in step S104 is improved compared to the ranging accuracy in the wide range mode in step S101.
  • Step S105 Processing circuitry 70 determines whether to end the measurement. If the determination is Yes, processing circuitry 70 terminates the measurement operation. If the determination is No, processing circuit 70 performs the operation of step S102. However, in step S102, the processing circuit 70 determines whether the object 10 is at a short distance based on the distance measurement result in step S104 instead of the measurement result in step S101.
  • the measurement data of the object 10 is acquired by appropriately changing the range and accuracy of distance measurement and the intensity of the irradiation light 20L2 . can do.
  • the processing circuitry 70 In measuring an object in a scene of interest, the processing circuitry 70 generates measurement data for the object in wide range mode or narrow range mode, as shown in FIG. 7A. If an object is present at a short distance and can be measured in narrow range mode, processing circuitry 70 switches from wide range mode to narrow range mode.
  • FIG. 8 is a perspective view schematically showing an example of a vehicle 200 having the measuring device 100 mounted on its front surface.
  • the traveling direction of the vehicle 200 is parallel to the X direction
  • the vehicle height direction is parallel to the Y direction
  • the crossing direction is parallel to the Z direction.
  • the vehicle height direction is a direction perpendicular to the road surface and a direction away from the road surface.
  • the measuring device 100 in the vehicle 200 emits the irradiation light 10L2 toward the target scene in front of the vehicle 200.
  • the irradiation light 20L2 is flash light, but it may be a line beam or a point beam.
  • the illuminating light will be referred to as “flash light”, “line beam” or “point beam”.
  • the mounting position of the measuring device 100 on the vehicle 200 is not limited to its front surface, but may be its upper surface, side surface, or rear surface. The mounting position is appropriately determined depending on where the target scene is.
  • photodetector 60 which includes a single photodetector element, detects interfering light 20L4 .
  • FIG. 9A is a diagram schematically showing an example of emitting the flash light 20L2 toward the target scene.
  • a rectangular area surrounded by a thick solid line represents the target scene ahead as seen from the vehicle 200 traveling on the road.
  • the preceding vehicle is running on the road, and there are pedestrians on the sidewalk on the side of the road. There are three trees along the sidewalk.
  • the five objects in the target scene are, in descending order of distance, a pedestrian, three roadside trees, and a preceding vehicle.
  • the distances to the pedestrian, the leftmost, middle, and rightmost street trees, and the preceding vehicle are d1 to d5 , respectively .
  • the dashed rectangle shown in FIG. 9A represents the illuminated spot of flash light 20L2 .
  • the illuminated spot of flash light 20L2 shown in FIG. 9A includes five objects in the target scene.
  • photodetector 60 which includes a single photodetector element, detects interfering light 20L4 .
  • the road surface when looking forward from the vehicle 200, the road surface gradually changes toward the vehicle height direction. A road surface changes continuously, whereas an object such as a person or a vehicle on the road surface changes discontinuously with respect to the road surface. Therefore, by illuminating an object with the flash light 20L2 , it is possible to detect the object.
  • FIG. 9B is a diagram schematically showing the relationship between the strength of the beat signal and the range-finding distance in the example shown in FIG. 9A.
  • Five peaks appear due to irradiation with flash light 20L2 .
  • the distances to the five objects can be measured at once.
  • a single photodetector can quickly determine the distances of five objects.
  • FIG. 10A is a diagram schematically showing an example of emitting a plurality of line beams 20L2 toward a target scene.
  • the dashed ellipses shown in FIG. 10A represent irradiation spots of the first line beam 20L 2a to the fourth line beam 20L 2d emitted at four different angles along the Z direction.
  • the distances at the top, middle, and bottom within the illumination spot of line beam 20L2 do not change significantly as its exit angle changes along the Z direction. Therefore, when scanning the target scene in the horizontal direction with the line beam 20L2 extending in the vertical direction, there is an advantage that the distance resolution in the horizontal direction is high.
  • the irradiation spot of the first line beam 20L 2a includes the leftmost street tree.
  • the irradiation spot of the second line beam 20L 2b includes the central street tree.
  • the irradiation spot of the third line beam 20L 2c includes the pedestrian and the rightmost street tree.
  • the irradiation spot of the fourth line beam 20L2d includes the preceding vehicle.
  • the first line beam 20L 2a to the fourth line beam 20L 2d may be emitted toward the target scene in this order or in the reverse order.
  • the first line beam 20L 2a to the fourth line beam 20L 2d are irregular like the third line beam 20L 2c , the second line beam 20L 2b , the fourth line beam 20L 2d and the first line beam 20L 2a . can be emitted in any order.
  • FIG. 10B is a diagram schematically showing the relationship between the strength of the beat signal and the measured distance in the example shown in FIG. 10A.
  • the four diagrams in FIG. 10B show beat signals generated by the irradiation of the first line beam 20L 2a to the fourth line beam 20L 2d .
  • Single peaks appear at distances d 2 , d 3 and d 5 respectively due to the irradiation of the first line beam 20L 2a , the second line beam 20L 2b and the fourth line beam 20L 2d .
  • two peaks appear at distances d1 and d4 due to the irradiation of the third line beam 20L2c .
  • the measuring apparatus 100 can measure the distances to the plurality of objects at once by irradiating the plurality of objects with one line beam 20L2 . From the known exit angles of the first line beam 20L 2a to the fourth line beam 20L 2d , a single photodetector element can quickly know the rough positions of five objects.
  • FIG. 11A is a diagram schematically showing an example of emitting a plurality of point beams 20L2 toward a target scene.
  • the dashed ellipses shown in FIG. 11A represent the irradiation spots of the fifth point beam 20L 2e to the ninth point beam 20L 2i emitted at five different angles along the Y direction.
  • FIG. 11B is a diagram schematically showing the relationship between the strength of the beat signal and the range-finding distance in the example shown in FIG. 11A.
  • the five diagrams of FIG. 11B show the beat signal resulting from the illumination of the fifth point beam 20L 2e to the ninth point beam 20L 2i .
  • a single peak at distance d4 appears due to the illumination of the fifth point beam 20L 2e to the seventh point beam 20L 2g .
  • the illumination of the eighth point beam 20L 2h and the ninth point beam 20L 2i causes a single peak at distance d1 to appear. From the known exit angles of the fifth point beam 20L 2e to the ninth point beam 20L 2i , the three-dimensional position of the object can be known more accurately.
  • FIG. 12 is a flow chart showing an example of operations performed by the processing circuitry 70 in measuring an object within a target scene.
  • the processing circuit 70 executes the operations of steps S201 to S207 below.
  • Processing circuitry 70 uses the wide range mode to illuminate and measure the target scene with flash light 20L2 .
  • Step S202> The processing circuit 70 determines whether an object exists at a close distance based on the measurement result in step S201.
  • the close distance is, for example, the distance from the vehicle 200 to the object of 0 m or more and 5 m or less. If the determination is Yes, processing circuit 70 performs the operation of step S203. If the determination is No, processing circuit 70 performs the operation of step S204.
  • Step S203 The processing circuit 70 transmits a collision avoidance signal to the processing circuit of the vehicle 200 . Even if it is not known where the object exists in the target scene, collision avoidance behavior such as stopping can prevent the vehicle 200 from colliding with the object.
  • Step S204> The processing circuit 70 determines whether to improve the spatial resolution in the Z direction based on the measurement result in step S201. If the determination is Yes, processing circuit 70 performs the operation of step S205. If the determination is No, processing circuit 70 performs the operation of step S201. If the object is not at close range but at close range, processing circuitry 70 may improve the spatial resolution in the Z direction. If there are no objects in the scene of interest, or if the objects are far away rather than near, the processing circuit 70 does not necessarily need to improve the spatial resolution in the Z direction.
  • Step S205> The processing circuitry 70 illuminates and measures the scene of interest with the line beam 20L2 using either the wide range mode or the narrow range mode. Processing circuitry 70 measures in a wide range mode and possibly in a narrow range mode, as shown in FIG. 7A.
  • Step S206> The processing circuit 70 determines whether to improve the spatial resolution in the Y direction based on the measurement result in step S205. If the determination is Yes, processing circuitry 70 performs the operation of step S207. If the determination is No, processing circuit 70 performs the operation of step S205. If the illumination spot of line beam 20L2 includes multiple objects, processing circuitry 70 may improve the spatial resolution in the Y direction. Otherwise, processing circuitry 70 need not necessarily improve the spatial resolution in the Y direction.
  • Processing circuitry 70 illuminates and measures the scene of interest with point beam 20L2 using wide range mode or narrow range mode. Processing circuitry 70 measures in a wide range mode and possibly in a narrow range mode, as shown in FIG. 7A.
  • FIG. 13 is a flow chart showing another example of the operation of the processing circuit 70 in scanning the target scene.
  • the processing circuit 70 executes the operations of steps S301 to S306 below.
  • Processing circuitry 70 uses the wide range mode to illuminate and measure the target scene with point beam 20L2 .
  • Step S302 The processing circuit 70 determines whether an object exists at a close distance based on the distance measurement result in step S301. If the determination is Yes, processing circuit 70 performs the operation of step S303. If the determination is No, processing circuit 70 performs the operation of step S304.
  • Step S303 The operation of step S303 is the same as the operation of step S203 shown in FIG.
  • Processing circuitry 70 determines if it is possible to measure in narrow range mode. If the determination is Yes, processing circuitry 70 performs the operation of step S306. If the determination is No, the processing circuitry 70 performs the operation of step S301.
  • Processing circuitry 70 uses the narrow range mode to illuminate the scene of interest with a point beam 20L2 to measure objects at close range.
  • FIG. 14A and 14B are diagrams showing application examples in which the measuring device according to the embodiment of the present disclosure is applied to onboard equipment.
  • Measuring device 100 is mounted on the front surface of vehicle 200 .
  • the measurement device 100 switches the measurement range according to the vehicle speed of the vehicle 200 .
  • a predetermined threshold value for example, 10 km/h
  • the measuring device 100 performs distance measurement in wide range mode.
  • the predetermined threshold for example, 10 km/h
  • the measuring device 100 performs distance measurement in the narrow range mode.
  • the criteria for switching measurement ranges are not limited to vehicle speed.
  • the measuring device 100 may measure distance in the wide range mode, and if the environment is an urban area, the measuring device 100 may measure distance in the narrow range mode.
  • the environment in which the vehicle 200 travels can be obtained from the navigation system.
  • the 15A and 15B are diagrams showing application examples in which the measuring device according to the embodiment of the present disclosure is applied to an autonomous mobile body.
  • the autonomous mobile body 300 is, for example, an AGV (Automatic Guided Vehicle) or an AGF (Automated Guided Forklift) for automatically transporting packages in a warehouse.
  • the measuring device 100 is mounted on the body of the autonomous mobile body 300 .
  • the measuring device 100 when the distance to the target object 400 is greater than or equal to a predetermined threshold value (for example, 10 m) while traveling, the measuring device 100 performs distance measurement in wide range mode.
  • a predetermined threshold value for example, 10 m
  • the measuring device 100 performs range finding in the narrow range mode. For example, if the target 400 is the charging base of the autonomous mobile body 300, the range can be measured with mm accuracy in the narrow range mode, so the autonomous mobile body 300 can be correctly connected to the charging base.
  • the operation of the measurement device 100 when switching between the wide range mode and the narrow range mode is the same as the operation shown in FIG. 7A.
  • 16A and 16B are diagrams showing application examples in which the measuring device according to the embodiment of the present disclosure is applied to a robot arm.
  • the measuring device 100 is mounted on the tip of the arm of the robot arm 500 .
  • the robot arm 500 picks up the part 600, if the distance from the tip of the arm to the object is greater than or equal to a predetermined threshold value (for example, 30 cm) as shown in FIG. I do.
  • a predetermined threshold value for example, 30 cm
  • the measuring apparatus 100 performs distance measurement in the narrow range mode.
  • the narrow range mode distance measurement with mm accuracy is possible, so the position and orientation of the component 600 can be accurately measured, and the arm can correctly pick up the component 600 .
  • the operation of the measurement device 100 when switching between the wide range mode and the narrow range mode is the same as the operation shown in FIG. 7A.
  • the switching of the measurement range is not limited to two-step switching between the narrow range mode and the wide range mode, and may be switching between three or more modes. Alternatively, the switching may be stepless.
  • the measuring device can be used, for example, for a ranging system mounted on a vehicle such as an automobile, UAV (Unmanned Aerial Vehicle), or AGV (Automated Guided Vehicle), or for vehicle detection.
  • a vehicle such as an automobile, UAV (Unmanned Aerial Vehicle), or AGV (Automated Guided Vehicle), or for vehicle detection.
  • UAV Unmanned Aerial Vehicle
  • AGV Automatic Guided Vehicle
  • object 20 light source 20L 0 laser light 20L 1 reference light 20L 2 irradiation light 20L 3 reflected light 20L 4 interference light 30 interference optical system 40 beam shaper 50 optical deflector 60 photodetector 70 processing circuit 72 memory 100 measuring device 200 vehicle

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Abstract

計測装置は、物体を照射するための光を出射し、前記光の周波数を変化させることが可能な光源と、前記光を参照光と照射光とに分離し、前記照射光が前記物体で反射されて生じた反射光と前記参照光とを干渉させて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信号を出力する光検出器と、前記光源を制御し、前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記物体の距離および／または速度に関するデータを生成して出力する処理回路と、を備え、前記処理回路は、第１モードにおいて、第１周波数範囲内で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させ、第２モードにおいて、前記第１周波数範囲とは異なる第２周波数範囲内で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させる。

Description

計測装置、およびプログラム
　本開示は、計測装置、およびプログラムに関する。
　従来、物体を光で照射し、当該物体からの反射光を検出することにより、当該物体の距離および／または速度に関する計測データを生成するＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）技術が存在する。ＬｉＤＡＲ技術を用いた計測装置の典型例は、光源、光検出器、および処理回路を備える。光源は、物体を照射するための光を出射する。光検出器は、物体からの反射波を検出することにより、反射波の時間遅れに応じた信号を出力する。処理回路は、光検出器から出力された信号に基づいて、例えばＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）技術によって物体の距離および速度に関するデータを取得する。特許文献１から４は、ＦＭＣＷ技術を用いた計測装置の例を開示している。
米国特許出願公開２０１９／０３１０３７２号明細書 特開２００２－７１７９２号公報 特開平８－５７３３号公報 特表２０１３－３２１５０８号公報
Christopher V. Poulton, et al., "Frequency-modulated Continuous-wave LIDAR Module in Silicon Photonics", OFC2016, W4E.3, (2016).
　本開示は、測距範囲を適宜変更して物体の計測データを取得できる計測装置を提供する。
　本開示の一態様に係る計測装置は、物体を照射するための光を出射し、前記光の周波数を変化させることが可能な光源と、前記光を参照光と照射光とに分離し、前記照射光が前記物体で反射されて生じた反射光と前記参照光とを干渉させて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信号を出力する光検出器と、前記光源を制御し、前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記物体の距離および／または速度に関するデータを生成して出力する処理回路と、を備え、前記処理回路は、第１モードおよび第２モードで動作し、前記第１モードにおいて、第１周波数範囲内で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させ、前記第２モードにおいて、前記第１周波数範囲とは異なる第２周波数範囲内で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させ、前記第１周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値は、前記第２周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値とは異なり、前記第１周波数範囲の中心周波数は、前記第２周波数範囲の中心周波数とは異なり、前記第１周波数範囲の下限値は、前記第２周波数範囲の下限値とは異なる。
　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で実現されてもよく、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で実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、例えばＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ‐Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性の記録媒体を含み得る。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。「システム」に含まれる複数の装置の中には、他の装置から離れた遠隔地に設置され、通信ネットワークを介して接続される装置も含み得る。
　本開示の技術によれば、測距範囲を適宜変更して物体の計測データを取得できる計測装置を実現することができる。
図１は、本開示の例示的な実施形態による計測装置の構成を模式的に示すブロック図である。 図２Ａは、物体が静止している場合の、参照光および反射光の周波数についての時間変化を模式的に示す図である。 図２Ｂは、物体が計測装置に近づく場合の、参照光および反射光の周波数についての時間変化を模式的に示す図である。 図３は、計測装置から物体までの距離とビート周波数との関係を示すグラフである。 図４は、分布帰還型レーザダイオードにおける注入電流値とレーザ光の周波数との関係を模式的に示す図である。 図５は、図４に示すグラフにおける電流値の範囲と周波数範囲との対応関係を説明するための図である。 図６Ａは、狭レンジモードおよび広レンジモードにおけるレーザ光の周波数と時間との関係を模式的に示す図である。 図６Ｂは、狭レンジモードおよび広レンジモードにおけるレーザ光の強度と時間との関係を模式的に示す図である。 図７Ａは、処理回路が実行する動作の例を示すフローチャートである。 図７Ｂは、図７Ａに示すステップＳ１０１において処理回路が実行する動作の例を示すフローチャートである。 図７Ｃは、図７Ａに示すステップＳ１０４において処理回路が実行する動作の例を示すフローチャートである。 図８は、前面に計測装置が搭載された車両の例を模式的に示す斜視図である。 図９Ａは、対象シーンに向けてフラッシュ光を出射する例を模式的に示す図である。 図９Ｂは、図９Ａに示す例における、ビート信号の強度と測距距離との関係を模式的に示す図である。 図１０Ａは、対象シーンに向けて複数のラインビームを出射する例を模式的に示す図である。 図１０Ｂは、図１０Ａに示す例における、ビート信号の強度と測距距離との関係を模式的に示す図である。 図１１Ａは、対象シーンに向けて複数の照射光を出射する例を模式的に示す図である。 図１１Ｂは、図１１Ａに示す例における、ビート信号の強度と測距距離との関係を模式的に示す図である。 図１２は、対象シーン内の物体の計測において処理回路が実行する動作の例を示すフローチャートである。 図１３は、対象シーン内の物体の計測における処理回路の動作の他の例を示すフローチャートである。 図１４Ａは、計測装置を車載機器に適用した応用例を示す図である。 図１４Ｂは、計測装置を車載機器に適用した応用例を示す図である。 図１５Ａは、計測装置を自律型移動体に適用した応用例を示す図である。 図１５Ｂは、計測装置を自律型移動体に適用した応用例を示す図である。 図１６Ａは、計測装置をロボットアームに適用した応用例を示す図である。 図１６Ｂは、計測装置をロボットアームに適用した応用例を示す図である。
　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、例えばインターフェースを備えていてもよい。
　本開示において、「光」とは、可視光（波長が約４００ｎｍ～約７００ｎｍ）だけでなく、紫外線（波長が約１０ｎｍ～約４００ｎｍ）および赤外線（波長が約７００ｎｍ～約１ｍｍ）を含む電磁波を意味する。本明細書において、紫外線を「紫外光」と称し、赤外線を「赤外光」と称することがある。
　以下、本開示の例示的な実施形態を説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的又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及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。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、実質的に同一の構成要素に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化される場合がある。
　まず、本開示の基礎となった知見を説明する。
　特許文献１から４は、光またはミリ波の周波数を時間について単調に増減させることにより、測距の範囲および精度を調整する計測装置を開示している。以下の説明において、周波数を時間について単調に増加させることを「アップチャープ」と称し、周波数を時間について単調に減少させることを「ダウンチャープ」と称する。
　特許文献１に開示されている装置は、光を利用して物体の計測データを取得する。この装置では、アップチャープ期間における計測結果に基づいて、その次のダウンチャープ期間の周波数範囲および時間範囲が決定される。さらに、ダウンチャープの期間における計測結果に基づいて、その次のアップチャープ期間の周波数範囲および時間範囲が決定される。このようにして、測距の範囲および精度が調整される。
　特許文献２から４に開示されている装置は、ミリ波を利用して物体の計測データを取得する。これらの装置において、ミリ波の周波数は三角波状に周期的に時間変化する。特許文献２に開示されている装置では、三角波の周波数範囲を変化させたり、ミリ波の送信電力を変化させたりすることにより、測距の範囲および精度が調整される。特許文献３に開示されている装置では、三角波の各周期についての周波数範囲および時間範囲を変化させることにより、測距の範囲および精度が調整される。当該周波数範囲の中心周波数は一定である。特許文献４に装置では、三角波の各周期についての周波数範囲を大中小の３段階で変化させることにより、測距の範囲および精度が調整される。当該周波数範囲の下限値は一定である。
　近年、距離に関して広いダイナミックレンジと高い分解能を両立し、外乱の影響を受けにくく、高速に移動する物体の速度を検出できるＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ技術が開発されている。ミリ波まではなく光を利用することにより、物体を照射する光のスポット径を相対的に小さくすることができる。したがって、物体の計測データをより正確に取得することができる。本開示のある実施形態による計測装置はＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ技術を利用する。当該計測装置では、２つのモードを切り替えて物体が計測される。その結果、測距範囲を適宜変更して物体の計測データを取得することができる。以下に、本開示の実施形態による計測装置、およびその計測装置に用いられるプログラムを説明する。
　第１の項目に係る計測装置は、物体を照射するための光を出射し、前記光の周波数を変化させることが可能な光源と、前記光を参照光と照射光とに分離し、前記照射光が前記物体で反射されて生じた反射光と前記参照光とを干渉させて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信号を出力する光検出器と、前記光源を制御し、前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記物体の距離および／または速度に関するデータを生成して出力する処理回路と、を備える。前記処理回路は、第１モードおよび第２モードで動作し、前記第１モードにおいて、第１周波数範囲内で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させ、前記第２モードにおいて、前記第１周波数範囲とは異なる第２周波数範囲内で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させる。前記第１周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値は、前記第２周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値とは異なる。前記第１周波数範囲の中心周波数は、前記第２周波数範囲の中心周波数とは異なる。前記第１周波数範囲の下限値は、前記第２周波数範囲の下限値とは異なる。
　この計測装置では、測距範囲を適宜変更して物体の計測データを取得することができる。
　第２の項目に係る計測装置は、第１の項目に係る計測装置において、前記第１モードにおける前記光の周波数および前記第２モードにおける前記光の周波数が周期的に時間変化する。前記第１モードにおける前記光の周波数変化の周期は、前記第２モードにおける前記光の周波数変化の周期に等しい。
　この計測装置では、光源としてあるレーザダイオードを用いた場合に、印加電流値の増減によるレーザダイオードに含まれる活性層の加熱量の変化が一定になり、周波数を時間について線形的に増減させる動作を維持することができる。
　第３の項目に係る計測装置は、第１または第２の項目に係る計測装置において、前記第１周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値が、前記第２周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値よりも高く、前記第１周波数範囲の中心周波数が、前記第２周波数範囲の中心周波数よりも高い。
　この計測装置では、第１モードとして狭い測距範囲を精度よく計測することができ、第２モードとして広い距離範囲をある程度の精度で計測することができる。さらに、印加電流値に対する光の周波数の変化率が負であるレーザダイオードを光源として用いた場合に、第２モードおける光の強度を第１モードにおける光の強度よりも高くすることができる。
　第４の項目に係る計測装置は、第１から第３の項目のいずれかに係る計測装置において、前記第１モードにおける前記光の周波数変化の各周期が、第１アップチャープ期間と、第１ダウンチャープ期間とを含み、前記第２モードにおける前記光の周波数変化の各周期が、第２アップチャープ期間と、第２ダウンチャープ期間とを含む。前記第１アップチャープ期間では、前記周波数が前記第１周波数範囲の下限値から上限値まで単調に増加し、前記第１ダウンチャープ期間では、前記周波数が前記第１周波数範囲の上限値から下限値まで単調に減少する。前記第２アップチャープ期間では、前記周波数が前記第２周波数範囲の下限値から上限値まで単調に増加し、前記第２ダウンチャープ期間では、前記周波数が前記第２周波数範囲の上限値から下限値まで単調に減少する。
　この計測装置では、周波数を三角波状のように時間変化させることができる。
　第５の項目に係る計測装置は、第４の項目に係る計測装置において、前記第１モードでは、前記信号が、前記第１アップチャープ期間における前記光に基づく前記干渉光の強度に応じた第１信号成分と、前記第１ダウンチャープ期間における前記光に基づく前記干渉光の強度に応じた第２信号成分とを含み、前記第２モードでは、前記信号は、前記第２アップチャープ期間における前記光に基づく前記干渉光の強度に応じた第３信号成分と、前記第２ダウンチャープ期間における前記光に基づく前記干渉光の強度に応じた第４信号成分とを含む。前記処理回路は、前記第１モードにおいて、前記第１信号成分および前記第２信号成分に基づいて、前記物体の距離および／または速度に関する前記データを生成して出力し、前記第２モードにおいて、前記第３信号成分および前記第４信号成分に基づいて、前記物体の距離および／または速度に関する前記データを生成して出力する。
　この計測装置では、第１モードおよび第２モードにおいて、物体の距離に関するデータだけではなく、速度に関するデータも生成することができる。
　第６の項目に係る計測装置は、第４または第５の項目に係る計測装置において、前記第１アップチャープ期間の長さと前記第１ダウンチャープ期間の長さとが互いに等しく、前記第２アップチャープ期間の長さと前記第２ダウンチャープ期間の長さとが互いに等しい。
　この計測装置では、周波数を時間について線形的に増減させる動作を維持するのに有利である。
　第７の項目に係る計測装置は、第１から第６の項目のいずれかに係る計測装置において、前記処理回路が、前記第１モードおよび前記第２モードのそれぞれにおいて、前記光の前記周波数を三角波状に変化させてもよい。
　第８の項目に係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コンピュータプログラムである。前記計測装置は、物体を照射するための光を出射し、前記光の周波数を変化させることが可能な光源と、前記光を参照光と照射光とに分離し、前記照射光が前記物体で反射されて生じた反射光と前記参照光とを干渉させて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信号を出力する光検出器と、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、前記第１モードにおいて、第１周波数範囲で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させることと、前記第２モードにおいて、第２周波数範囲で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させることと、第１モードおよび前記第２モードのそれぞれにおいて、前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記物体の距離および／または速度に関するデータを生成して出力することと、を実行させる。前記第１周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値は、前記第２周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値とは異なる。前記第１周波数範囲の中心周波数は、前記第２周波数範囲の中心周波数とは異なる。前記第１周波数範囲の下限値は、前記第２周波数範囲の下限値とは異なる。
　このプログラムにより、測距範囲を適宜変更して物体の計測データを取得することができる。
　（実施形態）
　まず、図１を参照して、本開示の例示的な実施形態による計測装置１００の構成を説明する。図１は、本開示の例示的な実施形態による計測装置の構成を模式的に示すブロック図である。図１には、計測対象の物体１０が示されている。図１に示す計測装置１００は、光源２０と、干渉光学系３０と、ビーム整形器４０と、光偏向器５０と、光検出器６０と、処理回路７０と、メモリ７２とを備える。図１に示す太い線の矢印は、光の流れを表す。図１に示す細い線の矢印は、信号の送受信を表す。
　光源２０は、周波数を変化させることが可能なレーザ光２０Ｌ０を出射する。周波数は、例えば三角波状またはのこぎり状に一定の時間周期で時間変化され得る。周波数変化の時間周期は変動してもよい。周波数の時間周期は、例えば１μ秒以上１０ｍ秒以下であり得る。周波数の周波数幅は、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以下の近赤外光の波長域に含まれ得る。太陽光について、近赤外光の光量は可視光の光量より少ないので、レーザ光２０Ｌ０として近赤外光を使用すれば、太陽光のノイズとしての影響を低減することができる。あるいは、レーザ光２０Ｌ０の波長は、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光の波長域に含まれていてもよいし、紫外光の波長域に含まれていてもよい。光源２０は、例えば、分布帰還型レ―ザダイオード、または外部共振器型レ―ザダイオードを含み得る。これらのレーザダイオードは、安価かつ小型であり、単一モード発振が可能であり、印加する電流量に応じてレーザ光の周波数を変化させることができる。印加電流値とレーザ光２０Ｌ０の周波数との関係については後述する。
　干渉光学系３０は、第１ファイバスプリッタ３２と、第２ファイバスプリッタ３４と、光サーキュレータ３６とを含む。第１ファイバスプリッタ３２は、光源２０から出射されたレーザ光２０Ｌ０を参照光２０Ｌ１と照射光２０Ｌ２とに分離する。第１ファイバスプリッタ３２は、参照光２０Ｌ１を第２ファイバスプリッタ３４に入力し、照射光２０Ｌ２を光サーキュレータ３６に入力する。光サーキュレータ３６は、照射光２０Ｌ２をビーム整形器４０に入力する。光サーキュレータ３６は、物体１０を照射光２０Ｌ２で照射して生じた反射光２０Ｌ３を第２ファイバスプリッタ３４に入力する。第２ファイバスプリッタ３４は、参照光２０Ｌ１および反射光２０Ｌ３を重畳して干渉させた干渉光２０Ｌ４を光検出器６０に入力する。
　ビーム整形器４０は、干渉光学系３０から出射された照射光２０Ｌ２のスポット形状を調整する。ビーム整形後の照射光２０Ｌ２は、例えば、フラッシュ光、ラインビーム、または点ビームであり得る。ビーム整形器４０は、例えばコリメートレンズを含み得る。
　光偏向器５０は、ビーム整形器４０から出射された照射光２０Ｌ２の方向を変化させる。光偏向器５０により、物体１０を含む対象シーンを照射光２０Ｌ２によってスキャンすることができる。光偏向器５０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。あるいは、光偏向器５０は、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。
　光検出器６０は、干渉光２０Ｌ４を検出する。光検出器６０は、１つまたは複数の光検出素子を含む。光検出素子は、レーザ光２０Ｌ０に基づく干渉光２０Ｌ４の強度に対応する信号を出力する。
　計測装置１００において、照射光２０Ｌ２の干渉光学系３０から物体１０までの光路と、反射光２０Ｌ３の物体１０から干渉光学系３０までの光路とは互いに重なる。このような同軸光学系を採用することにより、計測装置１００の構成を単純化でき、安定した計測を実現できる。なお、上記２つの光路を互いに重ならないように設計してもよい。
　処理回路７０は、光源２０、ビーム整形器４０、光偏向器５０、および光検出器６０の動作を制御する。処理回路７０は、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ技術を用いて、光検出器６０から出力された信号を処理する。処理回路７０は、当該信号に基づいて、物体１０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７０の動作の詳細については後述する。
　処理回路７０によって実行されるコンピュータプログラムは、ＲＯＭまたはＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）などのメモリ７２に格納されている。このように、計測装置１００は、処理回路７０およびメモリ７２を含む処理装置を備える。処理回路７０およびメモリ７２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７０の制御および信号処理の機能が、複数の回路に分散していてもよい。処理装置は、他の構成要素から離れた遠隔地に設置され、有線または無線の通信ネットワークを介して、光源２０、ビーム整形器４０、光偏向器５０、および光検出器６０の動作を制御してもよい。
　次に、図２Ａおよび図２Ｂを参照して、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ技術を簡単に説明する。ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ技術の詳細は、例えば非特許文献１に開示されている。
　図２Ａは、物体１０が静止している場合の、参照光２０Ｌ１および反射光２０Ｌ３の周波数についての時間変化を模式的に示す図である。実線は参照光を表し、破線は反射光を表す。図２Ａに示す参照光２０Ｌ１の周波数は、三角波状の時間変化を繰り返す。すなわち、参照光２０Ｌ１の周波数は、アップチャープとダウンチャープとを繰り返す。アップチャープにおける周波数の増加分と、ダウンチャープにおける周波数の減少分とは互いに等しい。反射光２０Ｌ３の周波数は、参照光２０Ｌ１の周波数と比較して時間軸に沿ってシフトする。反射光２０Ｌ３の時間がシフトする量は、照射光２０Ｌ２が計測装置１００から出射され、物体１０で反射されて反射光２０Ｌ３として戻ってくるまでの時間に等しい。その結果、参照光２０Ｌ１と反射光２０Ｌ３とが重畳されて干渉した干渉光２０Ｌ４は、反射光２０Ｌ３の周波数と参照光２０Ｌ１の周波数との差分に相当する周波数を有する。図２Ａに示す両矢印は、両者の周波数の差分を表す。光検出器６０は、干渉光２０Ｌ４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、上記の周波数の差分に等しい。処理回路７０は、ビート周波数から、物体１０の距離に関するデータを生成することができる。
　図２Ｂは、物体１０が計測装置１００に近づく場合の、参照光２０Ｌ１および反射光２０Ｌ３の周波数についての時間変化を模式的に示す図である。物体１０が近づく場合、ドップラーシフトにより、反射光２０Ｌ３の周波数は、物体１０が静止している場合と比較して周波数軸に沿って増加方向にシフトする。反射光２０Ｌ３の周波数がシフトする量は、物体１０の速度ベクトルを反射光２０Ｌ３の方向に射影した成分に依存する。ビート周波数は、参照光２０Ｌ１および反射光２０Ｌ３のアップチャープ期間とダウンチャープ期間とにおいて異なる。図２Ｂに示す例において、両者のダウンチャープ期間におけるビート周波数は、両者のアップチャープ期間におけるビート周波数よりも高い。処理回路７０は、ドップラーシフトによるビート周波数の差異から、物体１０の速度に関するデータを生成することができる。さらに、処理回路７０は、アップチャープ期間およびダウンチャープ期間におけるビート周波数の平均値から、物体１０の距離に関するデータを生成することができる。
　次に、図３を参照して、計測装置１００から物体１０までの距離とビート周波数との関係を説明する。アップチャープ期間またはダウンチャープ期間における周波数範囲をΔｆ、Δｆの変化に要する時間をΔｔ、光速をｃ、計測装置１００から物体１０までの距離をｄとすると、ビート周波数ｆｂｅａｔは、以下の式（１）によって表される。
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　式（１）のビート周波数ｆｂｅａｔは、周波数の時間変化率Δｆ／Δｔに、計測装置１００から物体１０までの往復時間（２ｄ／ｃ）を乗算することによって得られる。
　図３は、式（１）による、計測装置１００から物体１０までの距離ｄとビート周波数ｆｂｅａｔとの関係を示すグラフである。太い実線は、Δｆ＝１２．５ＧＨｚおよびΔｔ＝１０μｓｅｃ、すなわち、周波数の時間変化率がΔｆ／Δｔ＝１．２５×１０１５Ｈｚ／ｓｅｃであるモードを表す。太い破線は、Δｆ＝１．１２ＧＨｚおよびΔｔ＝１０μｓｅｃ、すなわち、周波数の時間変化率がΔｆ／Δｔ＝１．１２×１０１４Ｈｚ／ｓｅｃであるモードを表す。細い水平の破線は、ビート周波数ｆｂｅａｔの計測可能な最大値の例であり、７５ＭＨｚである。
　式（１）によれば、測距範囲ｄは、周波数の時間変化率Δｆ／Δｔが低いほど増加する。図３に示す例において、ビート周波数ｆｂｅａｔの計測可能な最大値を考慮すると、測距範囲ｄは、周波数の時間変化率が高いモードでは９ｍであり、周波数の時間変化率が低いモードでは１００ｍである。周波数の時間変化率が高いモードは、測距範囲が狭いモード、すなわち狭レンジモードである。周波数の時間変化率が低いモードは、測距範囲が広いモード、すなわち広レンジモードである。
　測距精度は、周波数の時間変化率が高いほど向上する。周波数の時間変化率Δｆ／Δｔが高いほど、距離ｄの変化量に対するビート周波数ｆｂｅａｔの変化量は増加するからである。ビート周波数ｆｂｅａｔは、ビート信号を時間についてフーリエ変換することによって得られる。フーリエ変換の周波数分解能と比較してビート周波数ｆｂｅａｔの変化量が大きいほど、測距の精度が向上する。図３に示す例において、周波数分解能８００Ｈｚで測距を行うと、測距精度は、狭レンジモードでは０．１ｍｍ程度であり、広レンジモードでは数ｍｍ程度であった。当該測距精度は、５０回の繰り返し精度である。
　距離だけでなく速度も計測する場合は、ドップラーシフトによる変化量を加算したビート周波数ｆｂｅａｔが、計測可能な最大値以下であることが求められる。ドップラーシフトによる変化量を考慮して、広レンジモードにおいて、Δｆ＝０．５６ＧＨｚおよびΔｔ＝１０μｓｅｃ、すなわち、周波数の時間変化率がΔｆ／Δｔ＝５．６×１０１３Ｈｚ／ｓｅｃである場合、測距精度は数ｃｍ程度であった。
　狭レンジモードは、例えば、近距離にある物体１０の計測データを精度よく生成する場合に適用され得る。近距離は、例えば０ｍ以上１０ｍ以下であり得る。広レンジモードは、例えば、近距離および遠距離にある物体１０の計測データをある程度の精度で生成する場合に適用され得る。遠距離は、例えば１０ｍよりも長く２００ｍ以下であり得る。狭レンジモードおよび広レンジモードにおける周波数の時間変化率は、それぞれ、式（１）におけるビート周波数ｆｂｅａｔの計測可能な最大値と、近距離および遠距離ｄとによって決定される。本明細書において、狭レンジモードを「第１モード」とも称し、広レンジモードを「第２モード」とも称する。
　次に、図４を参照して、光源２０の一例である分布帰還型レーザダイオードにおける印加電流値とレーザ光の周波数との関係の例を説明する。図４は、分布帰還型レーザダイオードにおける印加電流値とレーザ光２０Ｌ０の周波数との関係を模式的に示す図である。分布帰還型レーザダイオードに電流を印加すると、当該レーザダイオードに含まれる活性層が加熱されて当該活性層の共振器長がわずかに変化する。当該共振器長の変化に伴って、レーザ光２０Ｌ０の周波数が変化する。印加電流値が大きいほど、活性層の加熱量の増加に伴って、レーザ光２０Ｌ０の周波数の変化量が増加する。
　図４に示す例において、電流値のうち、直流成分を２５０ｍＡ、交流成分を２６６ｍＡｐ－ｐとすると、レーザ光２０Ｌ０の周波数範囲はΔｆ＝１２．５ＧＨｚになる。電流値のうち、直流成分を２５０ｍＡ、交流成分を１０ｍＡｐ－ｐとすると、レーザ光２５０ｍＡの周波数範囲はΔｆ＝０．５６ＧＨｚになる。印加電流の時間周期が２Δｔ＝２０μｓｅｃである場合、前述した狭レンジモードにおける周波数の時間変化率Δｆ／Δｔ＝１．２５×１０１５Ｈｚ／ｓｅｃ、および広レンジモードにおける周波数の時間変化率Δｆ／Δｔ＝５．６×１０１３Ｈｚ／ｓｅｃを実現することができる。
　ただし、図４に示すように、レーザ光の周波数は、印加電流値に対して非線形的に変化する。印加電流を時間とともに直線的に変化させても、実際には、レーザ光の周波数は直線的には変化しない。このため、図２Ａに示す例とは異なり、実際に計測されるビート周波数ｆｂｅａｔは時間について一定ではない。そのようなビート周波数ｆｂｅａｔを用いると、測距精度が低下してしまう。測距精度の低下は、例えば以下の２つの方法によって改善することができる。
　ある方法において、印加電流値によるレーザ光の周波数の変化を計測機器によってモニタし、その結果をフィードバックして印加電流値を調整することにより、レーザ光の周波数を直線的に変化させることができる。
　もう１つの方法は以下の通りである。計測装置１００から物体１０までの距離が既知である構成において、印加電流を三角波状に周期的に時間変化させ、その変化に追随して振動するビート信号の時間変化がプロットされる。プロットした結果から、印加電流値と、その電流値に対してビート信号が１回往復して振動する往復時間とが対応付けられる。印加電流値ごとに、既知の距離からわかる本来あるべきビート信号の周期を上記の往復時間によって除算することにより、印加電流値に対する往復時間の補正比率がわかる。当該補正比率を示す補正テーブルが、計測装置１００に別途設けられた不図示の記憶装置に記憶される。
　処理回路７０は、補正テーブルを参照して、印加電流値に応じてビート信号における往復時間に補正比率を乗算すること、すなわちリスケーリングすることにより、ビート信号の時間変化を補正する。リスケーリングしたビート信号を時間についてフーリエ変換することにより、ビート周波数ｆｂｅａｔをより正確に算出することができる。
　リスケーリングの方法では、モニタによるフィードバックの方法とは異なり、計測機器を別途設ける必要がなく、信号処理によって測距精度の低下を改善することができる。計測機器が必要ない分、コストを低減することができる。リスケーリングの方法では、レーザ光の周波数の印加電流値に対する非線形性が少ないほど、測距精度の低下を改善することができる。リスケーリングによって測距精度の低下が改善しない場合、周波数の時間変化率Δｆ／Δｔが高くても測距精度は向上しない。
　図４に示す例では、レーザ光の周波数が電流値に対して非線形的に変化する部分が、狭レンジモードおよび広レンジモードに用いられる。さらに、狭レンジモードおよび広レンジモードにおいて電流値の直流成分は同じである。その結果、狭レンジモードにおける周波数範囲は、広レンジモードにおける周波数範囲を含む。言い換えると、狭レンジモードにおける周波数範囲の上限値は広レンジモードにおける周波数範囲の上限値よりも高く、狭レンジモードにおける周波数範囲の下限値は広レンジモードにおける周波数範囲の下限値よりも低い。
　レーザ光の周波数が電流値に対して非線形的に変化する２つの異なる部分を、狭レンジモードおよび広レンジモードに用いてもよい。次に、図５を参照して、図４に示すグラフにおける電流値の範囲と周波数範囲との対応関係を説明する。図５は、図４に示すグラフにおける電流値の範囲と周波数範囲との対応関係を説明するための図である。図５に示すように、電流値の範囲について、ΔＩ１、ΔＩ２、およびΔＩ３がこの順で電流値が増加する方向に連続して並んでいる。周波数範囲について、Δｆ１、Δｆ２、およびΔｆ３がこの順で周波数が減少する方向に連続して並んでいる。Δｆ１、Δｆ２、およびΔｆ３は、それぞれ、電流値がΔＩ１、ΔＩ２、およびΔＩ３の範囲を変化する際に得られる周波数の範囲である。図５に示すグラフは、ΔＩ１とΔｆ１との第１の対応関係、ΔＩ２とΔｆ２との第２の対応関係、およびΔＩ３とΔｆ３との第３の対応関係に分けられる。各対応関係はほぼ線形的である。したがって、モニタによるフィードバックまたはリスケーリングは必ずしも必要ではない。モニタによるフィードバックによって印加電流値を調整する場合でも、対応関係はほぼ線形的であるので、わずかな調整によって測距精度の低下を改善することができる。リスケーリングによってビート信号の時間変化を補正する場合でも、対応関係はほぼ線形的であるので、わずかな補正によって測距精度の低下を改善することができる。電流値の範囲の幅についてΔＩ１＞ΔＩ２＞ΔＩ３の関係が満たされ、周波数範囲の幅についてΔｆ２＞Δｆ３＞Δｆ１の関係が満たされる。電流値の範囲に対する周波数範囲の比率については、Δｆ３／ΔＩ３＞Δｆ２／ΔＩ２＞Δｆ１／ΔＩ１の関係が満たされる。
　第１の対応関係において、線形性が得られる電流値の範囲は３つの対応関係の中で一番広いが、周波数範囲は３つの対応関係の中で一番狭い。第２の対応関係において、線形性が得られる電流値の範囲は第１の対応関係よりも狭いが、周波数範囲は３つの対応関係の中で一番広い。第３の対応関係において、線形性が得られる電流値の範囲は３つの対応関係の中で一番狭いが、周波数範囲は第１の対応関係よりも広い。
　第１から第３の対応関係において、印加電流を同じ周期２Δｔで三角波状に時間変化させる場合、第２の対応関係は狭レンジモードに適用でき、第１および第３の対応関係は広レンジモードに適用できる。第２の対応関係における周波数の時間変化率は、第１および第３の対応関係における周波数の時間変化率よりも高いからである。広レンジモードでは、照射光２０Ｌ２の強度が高い方が、遠距離にある物体１０から有効な反射光２０Ｌ３を得ることができる。光源２０から出射されるレーザ光２０Ｌ０の強度は印加電流値とともに増加する。より高い強度の照射光２０Ｌ２が得られるという点では、第３の対応関係の方が、第１の対応関係よりも広レンジモードに適している。
　ただし、アイセーフの観点から、広レンジモードおよび狭レンジモードに関係なく、照射光２０Ｌ２の強度は所定の強度以下である。近距離に突然人が入ってくる場合、または遠距離から人が双眼鏡で観察する場合が想定されるためである。波長が１５５０ｎｍであり、三角波の周期２Δｔが十分に長く、連続発光において１０ｓｅｃ以上である場合、照射光２０Ｌ２の強度は、例えば１０ｍＷ以下であり得る。近距離であっても、反射率が低い物体１０も存在し得る。したがって、広レンジモードおよび狭レンジモードに関係なく、照射光２０Ｌ２の強度は、１０ｍＷ以内で可能な限り高い方が有利である。
　次に、図６Ａおよび図６Ｂを参照して、狭レンジモードおよび広レンジモードにおいてレーザ光２０Ｌ０の周波数および強度がどのように時間変化するかの例を説明する。図６Ａは、狭レンジモードおよび広レンジモードにおけるレーザ光２０Ｌ０の周波数と時間との関係を模式的に示す図である。図６Ｂは、狭レンジモードおよび広レンジモードにおけるレーザ光２０Ｌ０の強度と時間との関係を模式的に示す図である。図６Ａおよび図６Ｂに示す狭レンジモードは、図５に示す第２の対応関係に基づいている。図６Ａおよび図６Ｂに示す広レンジモードは、図５に示す第３の対応関係に基づいている。
　図６Ａに示すように、狭レンジモードにおけるレーザ光２０Ｌ０の周波数は、周波数範囲Δｆ２内で周期的に時間変化し、広レンジモードにおけるレーザ光２０Ｌ０の周波数は、周波数範囲Δｆ３内で周期的に時間変化する。狭レンジモードおよび広レンジモードにおけるレーザ光２０Ｌ０の周波数変化の周期２Δｔは互いに等しい。狭レンジモードおよび広レンジモードに関係なく周期を固定することにより、印加電流値の増減によるレーザダイオードに含まれる活性層の加熱量の変化が一定になり、周波数の線形的な増減を維持することができる。
　狭レンジモードにおける周波数変化の各周期は、以下の第１アップチャープ期間および第２アップチャープ期間を含む。第１アップチャープ期間では、周波数が周波数範囲Δｆ２の下限値から上限値まで単調に増加し、第１ダウンチャープ期間では、周波数が周波数範囲Δｆ２の上限値から下限値まで単調に減少する。広レンジモードにおける周波数変化の各周期は、以下の第２アップチャープ期間および第２ダウンチャープ期間を含む。第２アップチャープ期間では、周波数が周波数範囲Δｆ３の下限値から上限値まで単調に増加し、第２ダウンチャープ期間では、周波数が周波数範囲Δｆ３の上限値から下限値まで単調に減少する。
　第１アップチャープ期間と第１ダウンチャープ期間とが互いに等しく、第２アップチャープ期間Δｔと第２ダウンチャープ期間とが互いに等しい場合、前述した周波数の線形的な増減を維持するのに有利である。加えて、第１アップチャープ期間と第２アップチャープ期間が互いに等しく、第１ダウンチャープ期間と第２ダウンチャープ期間が互いに等しい場合、前述した周波数の線形的な増減を維持するのにさらに有利である。図６Ａおよび図６Ｂに示す例において、第１アップチャープ期間、第１ダウンチャープ期間、第２アップチャープ期間、および第２ダウンチャープ期間はすべてΔｔである。
　狭レンジモードにおいて光検出器６０から出力される信号は、第１アップチャープ期間における第１信号成分、および第１ダウンチャープ期間における第２信号成分を含む。処理回路７０は、第１および第２信号成分に基づいて計測データを生成して出力する。広レンジモードにおいて光検出器６０から出力される信号は、第２アップチャープ期間における第３信号成分、および第２ダウンチャープ期間における第４信号成分を含む。処理回路７０は、第３および第４信号成分に基づいて計測データを生成して出力する。上記のようにして生成された狭レンジモードおよび広レンジモードにおける計測データは、物体１０の距離に関するデータだけではなく、速度に関するデータも含む。
　図６Ａに示すように、狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２の幅は、広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３の幅よりも広い。狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２と、広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３とは、以下の周波数を除き、互いに重ならない。当該周波数は、狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２の下限値と、広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３の上限値とが一致する周波数である。狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２内での、周波数の時間変化率の絶対値Δｆ２／Δｔは、広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３内での、周波数の時間変化率の絶対値Δｆ３／Δｔよりも高い。狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２の中心周波数は、広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３の中心周波数よりも高い。狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２の上限値および下限値は、それぞれ広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３の上限値および下限値よりも高い。狭レンジモードにおける周波数は、広レンジモードにおける周波数以上である。
　以上のように、狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２の幅は、広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３の幅とは異なる。狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２内での、周波数の時間変化率の絶対値は、広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２内での、周波数の時間変化率の絶対値とは異なる。狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２の中心周波数は、広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３の中心周波数とは異なる。狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２の上限値および下限値は、それぞれ、広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３の上限値および下限値とは異なる。
　図６Ｂに示すように、狭レンジモードにおける強度範囲の幅は、広レンジモードにおける強度範囲の幅よりも広い。狭レンジモードにおける強度範囲と広レンジモードにおける強度範囲とは、以下の強度を除き、互いに重ならない。当該強度は、狭レンジモードにおける強度範囲の上限値と、広レンジモードにおける強度範囲の下限値とが一致する強度である。狭レンジモードにおける強度範囲内での、強度の時間変化率の絶対値は、広レンジモードにおける強度範囲での、強度の時間変化率の絶対値よりも高い。狭レンジモードにおける強度範囲の中心強度は、広レンジモードにおける強度範囲の中心強度よりも低い。狭レンジモードにおける強度範囲の上限値および下限値は、それぞれ広レンジモードにおける強度範囲の上限値および下限値よりも低い。広レンジモードにおける強度は、狭レンジモードにおける強度以上である。したがって、広レンジモードにおいて遠距離にある物体１０から有効な反射光２０Ｌ３を得ることができる。狭レンジモードにおける強度も十分高ければ、近距離にある反射率が低い物体１０からも有効な反射光２０Ｌ３を得ることができる。狭レンジモードにおける強度は、例えば１ｍＷ以上６ｍＷ以下であり得る。広レンジモードにおける強度は、例えば６ｍＷ以上１０ｍＷ以下であり得る。
　以上のように、狭レンジモードにおける強度範囲の幅は、広レンジモードにおける強度範囲の幅とは異なる。狭レンジモードにおける強度範囲内での、強度の時間変化率の絶対値は、広レンジモードにおける強度範囲での、強度の時間変化率の絶対値とは異なる。狭レンジモードにおける強度範囲の中心強度は、広レンジモードにおける強度範囲の中心強度とは異なる。狭レンジモードにおける強度範囲の上限値および下限値は、それぞれ、広レンジモードにおける強度範囲の上限値および下限値とは異なる。
　図６Ａおよび図６Ｂに示すように、周波数が増加すると強度は減少し、周波数が減少すると強度は増加する。この増減の関係は、図５に示すように、電流値に対する周波数の変化率が負であることに起因する。
　なお、図５に示す電流値の範囲ΔＩ１からΔＩ３は例示である。図５に示す例とは異なり、電流値の範囲ΔＩ１とΔＩ２とは一部の範囲において互いに重なっていてもよいし、電流値の範囲ΔＩ２とΔＩ３とは一部の範囲において互いに重なっていてもよい。例えば、電流値の範囲ΔＩ２とΔＩ３とが一部の範囲において互いに重なる場合、電流値の範囲ΔＩ２の下限値＜電流値の範囲ΔＩ３の下限値＜電流値の範囲ΔＩ２の上限値＜電流値の範囲ΔＩ３の上限値の関係が満たされる。この場合、狭レンジモードにおける周波数範囲Δｆ２と広レンジモードにおける周波数範囲Δｆ３とは一部の範囲において互いに重なり、周波数範囲Δｆ３の下限値＜周波数範囲Δｆ２の下限値＜周波数範囲Δｆ３の上限値＜周波数範囲Δｆ２の上限値の関係が満たされる。さらに、狭レンジモードにおける強度範囲と広レンジモードにおける強度範囲とは一部の範囲において互いに重なり、狭レンジモードにおける強度範囲の下限値＜広レンジモードにおける強度範囲の下限値＜狭レンジモードにおける強度範囲の上限値＜広レンジモードにおける強度範囲の上限値の関係が満たされる。
　次に、図７Ａから図７Ｃを参照して、処理回路７０が実行するＦＭＣＷ処理の動作の例を説明する。図７Ａは、処理回路７０が実行する動作の例を示すフローチャートである。処理回路７０は、図７Ａに示すステップＳ１０１からＳ１０５の動作を実行する。図７Ｂおよび図７Ｃは、それぞれ、図７Ａに示すステップＳ１０１およびＳ１０４において処理回路７０が実行する動作の例を示すフローチャートである。
　＜ステップＳ１０１＞
　処理回路７０は、広レンジモードで遠距離または近距離にある物体１０を計測する。この動作の詳細は図７Ｂに示す通りである。処理回路７０は、広レンジモードで時間変化する周波数のレーザ光２０Ｌ０を光源２０に出射させる（ステップＳ１０１Ａ）。処理回路７０は、干渉光２０Ｌ４を光検出器６０に検出させる（ステップＳ１０１Ｂ）。処理回路７０は、光検出器６０から出力された信号に基づいて、物体１０の距離および速度に関する計測データを生成して出力する（ステップＳ１０１Ｃ）。
　＜ステップＳ１０２＞
　処理回路７０は、ステップＳ１０１における計測結果から、物体１０が近距離にあるかどうかを判定する。ステップＳ１０１における計測結果ではなく、他の計測センサによる計測結果を用いてもよい。判定がＹｅｓの場合、処理回路７０はステップＳ１０３の動作を実行する。判定がＮｏの場合、処理回路７０はステップＳ１０１の動作を実行する。
　＜ステップＳ１０３＞
　処理回路７０は、狭レンジモードで計測できるかを判定する。狭レンジモードで、ドップラーシフトを含むビート周波数が計測可能な上限値以下であれば、狭レンジモードで計測できる。判定がＹｅｓの場合、処理回路７０はステップＳ１０４の動作を実行する。判定がＮｏの場合、処理回路７０はステップＳ１０１の動作を実行する。
　＜ステップＳ１０４＞
　処理回路７０は、狭レンジモードで近距離にある物体１０を計測する。この動作の詳細は図７Ｃに示す通りである。処理回路７０は、狭レンジモードで時間変化する周波数のレーザ光２０Ｌ０を光源２０に出射させる（ステップＳ１０４Ａ）。処理回路７０は、干渉光２０Ｌ４を光検出器６０に検出させる（ステップＳ１０４Ｂ）。処理回路７０は、光検出器６０から出力された信号に基づいて、物体１０の距離および速度に関する計測データを生成して出力する（ステップＳ１０４Ｃ）。ステップＳ１０４における狭レンジモードの測距精度は、ステップＳ１０１における広レンジモードの測距精度と比較して向上する。
　＜ステップＳ１０５＞
　処理回路７０は、計測を終了するかを判定する。判定がＹｅｓの場合、処理回路７０は計測動作を終了する。判定がＮｏの場合、処理回路７０はステップＳ１０２の動作を実行する。ただし、ステップＳ１０２において、処理回路７０は、ステップＳ１０１における計測結果ではなく、ステップＳ１０４における測距結果から、物体１０が近距離にあるかどうかを判定する。
　本実施形態による計測装置１００において、広レンジモードと狭レンジモードとを切り替えて動作することにより、測距の範囲および精度ならびに照射光２０Ｌ２の強度を適宜変更して物体１０の計測データを取得することができる。
　（対象シーン内の物体の計測）
　次に、図８から図１１Ｂを参照して、本実施形態による計測装置１００を用いて対象シーン内の物体を計測する例を説明する。対象シーン内の物体の計測において、処理回路７０は、図７Ａに示すように、広レンジモードまたは狭レンジモードで物体の計測データを生成する。近距離に物体が存在し、かつ狭レンジモードで計測できる場合、処理回路７０は、広レンジモードから狭レンジモードに切り替える。
　図８は、前面に計測装置１００が搭載された車両２００の例を模式的に示す斜視図である。図８に示す例では、車両２００の進行方向がＸ方向に平行であり、車高方向がＹ方向に平行であり、道路を横切る方向がＺ方向に平行である。車高方向は、路面に垂直な方向であり、かつ、路面から離れる方向である。図８に示す例において、車両２００における計測装置１００は、照射光１０Ｌ２を車両２００の前方にある対象シーンに向けて出射する。図８に示す例において、照射光２０Ｌ２はフラッシュ光であるが、ラインビームであってもよいし、点ビームであってもよい。以下の説明において、照射光を、「フラッシュ光」、「ラインビーム」、または「点ビーム」と称する。計測装置１００の車両２００への搭載位置は、その前面に限らず、その上面、側面、または後面でもよい。当該搭載位置は、対象シーンがどこにあるかに応じて適切に決定される。以下に示す例では、単一の光検出素子を含む光検出器６０が、干渉光２０Ｌ４を検出する。
　対象シーンにおける物体の計測は以下の手順で行われる。最初に、対象シーンがフラッシュ光で照射される。図９Ａは、対象シーンに向けてフラッシュ光２０Ｌ２を出射する例を模式的に示す図である。太い実線によって囲まれた長方形の領域は、道路を走行中の車両２００から見た前方の対象シーンを表す。以下の図においても同様である。対象シーンにおいて、道路には先行車が走っており、道路脇の歩道には歩行者がいる。歩道には３本の街路樹がある。対象シーン内の５つの物体は、距離が近い順から、歩行者、３本の街路樹、および先行車である。歩行者、左端、中央、および右端の街路樹、ならびに先行車までの距離は、それぞれ、ｄ１からｄ５である。図９Ａに示す破線の長方形は、フラッシュ光２０Ｌ２の照射スポットを表す。図９Ａに示すフラッシュ光２０Ｌ２の照射スポットは、対象シーン内の５つの物体を含む。図９Ａに示す例では、単一の光検出素子を含む光検出器６０が、干渉光２０Ｌ４を検出する。
　図９Ａに示すように、車両２００から前方を見た場合、路面は、車高方向に向かうほど緩やかに変化する。路面は連続的に変化するのに対して、路面上の人または車などの物体は、路面に対して非連続的に変化する。したがって、フラッシュ光２０Ｌ２で物体を照射することにより、当該物体を検出することが可能である。
　図９Ｂは、図９Ａに示す例における、ビート信号の強度と、測距距離との関係を模式的に示す図である。フラッシュ光２０Ｌ２の照射により、５つのピークが現れる。フラッシュ光２０Ｌ２で５つの物体を照射することにより、当該５つの物体までの距離を一度に計測することができる。単一の光検出素子によって５つの物体の距離を短時間で知ることができる。
　次に、Ｙ方向に延びるラインビーム２０Ｌ２によって対象シーンをＺ方向に沿ってスキャンすることにより、対象シーンのＺ方向における空間分解能を向上させてもよい。図１０Ａは、対象シーンに向けて複数のラインビーム２０Ｌ２を出射する例を模式的に示す図である。図１０Ａに示す破線の楕円は、Ｚ方向に沿って４つの異なる角度で出射された第１ラインビーム２０Ｌ２ａから第４ラインビーム２０Ｌ２ｄの照射スポットを表す。ラインビーム２０Ｌ２の照射スポット内の上部、中部、および下部における距離は、その出射角がＺ方向に沿って変化してもそれほど大きく変化しない。したがって、鉛直方向に延びるラインビーム２０Ｌ２で対象シーンを水平方向にスキャンする場合、水平方向における距離の分解能が高いという利点がある。
　図１０Ａに示す例において、第１ラインビーム２０Ｌ２ａの照射スポットは、左端の街路樹を含む。第２ラインビーム２０Ｌ２ｂの照射スポットは、中央の街路樹を含む。第３ラインビーム２０Ｌ２ｃの照射スポットは、歩行者および右端の街路樹を含む。第４ラインビーム２０Ｌ２ｄの照射スポットは、先行車を含む。第１ラインビーム２０Ｌ２ａから第４ラインビーム２０Ｌ２ｄをこの順または反対の順に対象シーンに向けて出射してもよい。あるいは、第１ラインビーム２０Ｌ２ａから第４ラインビーム２０Ｌ２ｄを、第３ラインビーム２０Ｌ２ｃ、第２ラインビーム２０Ｌ２ｂ、第４ラインビーム２０Ｌ２ｄ、および第１ラインビーム２０Ｌ２ａのように不規則な順に出射してもよい。
　図１０Ｂは、図１０Ａに示す例における、ビート信号の強度と測距距離との関係を模式的に示す図である。図１０Ｂの４つの図は、第１ラインビーム２０Ｌ２ａから第４ラインビーム２０Ｌ２ｄの照射によって生じるビート信号を示している。第１ラインビーム２０Ｌ２ａ、第２ラインビーム２０Ｌ２ｂ、および第４ラインビーム２０Ｌ２ｄの照射により、それぞれ、距離ｄ２、距離ｄ３、および距離ｄ５の単一のピークが現れる。これに対して、第３ラインビーム２０Ｌ２ｃの照射により、距離ｄ１および距離ｄ４の２つのピークが現れる。本実施形態による計測装置１００は、１つのラインビーム２０Ｌ２で複数の物体を照射することにより、当該複数の物体までの距離を一度に計測することができる。第１ラインビーム２０Ｌ２ａから第４ラインビーム２０Ｌ２ｄの既知の出射角から、単一の光検出素子によって５つの物体の大まかな位置を短時間で知ることができる。
　図１０Ａに示す第３ラインビーム２０Ｌ２ｃの照射スポットは２つの物体を含む。この場合、点ビーム２０Ｌ２によって対象シーンをＹ方向に沿ってスキャンすることにより、対象シーンのＹ方向における空間分解能を向上させてもよい。図１１Ａは、対象シーンに向けて複数の点ビーム２０Ｌ２を出射する例を模式的に示す図である。図１１Ａに示す破線の楕円は、Ｙ方向に沿って５つの異なる角度で出射された第５点ビーム２０Ｌ２ｅから第９点ビーム２０Ｌ２ｉの照射スポットを表す。
　図１１Ｂは、図１１Ａに示す例における、ビート信号の強度と測距距離との関係を模式的に示す図である。図１１Ｂの５つの図は、第５点ビーム２０Ｌ２ｅから第９点ビーム２０Ｌ２ｉの照射によって生じるビート信号を示している。第５点ビーム２０Ｌ２ｅから第７点ビーム２０Ｌ２ｇの照射により、距離ｄ４の単一のピークが現れる。これに対して、第８点ビーム２０Ｌ２ｈおよび第９点ビーム２０Ｌ２ｉの照射により、距離ｄ１の単一のピークが現れる。第５点ビーム２０Ｌ２ｅから第９点ビーム２０Ｌ２ｉの既知の出射角から、物体の３次元的な位置をより正確に知ることができる。
　次に、図１２を参照して、対象シーン内の物体の計測において処理回路７０が実行する動作の例を説明する。図１２は、対象シーン内の物体の計測において処理回路７０が実行する動作の例を示すフローチャートである。処理回路７０は、以下のステップＳ２０１からステップＳ２０７の動作を実行する。
　＜ステップＳ２０１＞
　処理回路７０は、広レンジモードを用いて、対象シーンをフラッシュ光２０Ｌ２で照射して計測する。
　＜ステップＳ２０２＞
　処理回路７０は、ステップＳ２０１における計測結果に基づいて、至近距離に物体が存在するかを判定する。至近距離は、例えば車両２００から物体までの距離が０ｍ以上５ｍ以下の距離である。判定がＹｅｓの場合、処理回路７０はステップＳ２０３の動作を実行する。判定がＮｏの場合、処理回路７０はステップＳ２０４の動作を実行する。
　＜ステップＳ２０３＞
　処理回路７０は、車両２００の処理回路に、衝突回避の信号を送信する。物体が対象シーンのどこに存在するかはわからなくても、例えば停止による衝突回避の行動により、車両２００が物体に衝突することを防ぐことができる。
　＜ステップＳ２０４＞
　処理回路７０は、ステップＳ２０１における計測結果に基づいて、Ｚ方向における空間分解能を向上させるかを判定する。判定がＹｅｓの場合、処理回路７０はステップＳ２０５の動作を実行する。判定がＮｏの場合、処理回路７０はステップＳ２０１の動作を実行する。物体が至近距離ではないが近距離にある場合、処理回路７０は、Ｚ方向における空間分解能を向上させてもよい。対象シーン中に物体がない場合、または物体が近距離になく遠距離にある場合、処理回路７０は、Ｚ方向における空間分解能を必ずしも向上させる必要はない。
　＜ステップＳ２０５＞
　処理回路７０は、広レンジモードまたは狭レンジモードを用いて、対象シーンをラインビーム２０Ｌ２で照射して計測する。処理回路７０は、図７Ａに示すように、広レンジモードで計測し、場合によっては狭レンジモードで計測する。
　＜ステップＳ２０６＞
　処理回路７０は、ステップＳ２０５における計測結果に基づいて、Ｙ方向における空間分解能を向上させるかを判定する。判定がＹｅｓの場合、処理回路７０はステップＳ２０７の動作を実行する。判定がＮｏの場合、処理回路７０はステップＳ２０５の動作を実行する。ラインビーム２０Ｌ２の照射スポットが複数の物体を含む場合、処理回路７０は、Ｙ方向における空間分解能を向上させてもよい。そうでない場合、処理回路７０は、Ｙ方向における空間分解能を必ずしも向上させる必要はない。
　＜ステップＳ２０７＞
　処理回路７０は、広レンジモードまたは狭レンジモードを用いて、対象シーンを点ビーム２０Ｌ２で照射して計測する。処理回路７０は、図７Ａに示すように、広レンジモードで計測し、場合によっては狭レンジモードで計測する。
　図９Ａ、図１０Ａ、および図１１Ａに示す例とは異なり、対象シーン全体を点ビーム２０Ｌ２によってＹ方向およびＺ方向に沿って２次元的にスキャンしてもよい。次に、図１３を参照して、対象シーンのスキャンにおける処理回路７０の動作の他の例を説明する。図１３は、対象シーンのスキャンにおける処理回路７０の動作の他の例を示すフローチャートである。処理回路７０は、以下のステップＳ３０１からステップＳ３０６の動作を実行する。
　＜ステップＳ３０１＞
　処理回路７０は、広レンジモードを用いて、対象シーンを点ビーム２０Ｌ２で照射して計測する。
　＜ステップＳ３０２＞
　処理回路７０は、ステップＳ３０１における測距結果に基づいて、至近距離に物体が存在するかを判定する。判定がＹｅｓの場合、処理回路７０はステップＳ３０３の動作を実行する。判定がＮｏの場合、処理回路７０は、ステップＳ３０４の動作を実行する。
　＜ステップＳ３０３＞
　ステップＳ３０３の動作は、図１２に示すステップＳ２０３の動作と同じである。
　＜ステップＳ３０４＞
　処理回路７０は、物体が至近距離ではないが近距離にあるかを判定する。判定がＹｅｓの場合、処理回路７０はステップＳ３０５の動作を実行する。判定がＮｏの場合、処理回路７０は、ステップＳ３０１の動作を実行する。
　＜ステップＳ３０５＞
　処理回路７０は、狭レンジモードで計測できるかを判定する。判定がＹｅｓの場合、処理回路７０は、ステップＳ３０６の動作を実行する。判定がＮｏの場合、処理回路７０は、ステップＳ３０１の動作を実行する。
　＜ステップＳ３０６＞
　処理回路７０は、狭レンジモードを用いて、対象シーンを点ビーム２０Ｌ２で照射して近距離にある物体を計測する。
　（応用例）
　上述した実施形態による計測装置の応用例について説明する。
　図１４Ａおよび図１４Ｂは、本開示の実施形態による計測装置を車載機器に適用した応用例を示す図である。計測装置１００は車両２００の前面に搭載されている。本応用例において、計測装置１００は、車両２００の車速に応じて計測レンジを切り替える。例えば、図１４Ａに示すように車速が所定の閾値（例えば１０ｋｍ／ｈ）以上である場合は、計測装置１００は広レンジモードによる測距を行う。一方、図１４Ｂに示すように車速が所定の閾値未満である場合は、計測装置１００は狭レンジモードによる測距を行う。
　計測レンジを切り替える際の基準は、車速に限定されない。例えば車両２００が走行する環境が高速道路であれば、計測装置１００は広レンジモードによる測距を行い、市街地であれば、計測装置１００は狭レンジモードによる測距を行っても良い。車両２００が走行する環境はナビゲーションシステムから取得することができる。
　図１５Ａおよび図１５Ｂは、本開示の実施形態による計測装置を自律型移動体に適用した応用例を示す図である。自律型移動体３００は、例えば、倉庫内において自動で荷物を運搬するためのＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ）、またはＡＧＦ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｇｕｉｄｅｄ　Ｆｏｒｋｌｉｆｔ）である。計測装置１００は自律移動体３００ボディに搭載されている。
　図１５Ａに示すように走行時に目標物４００までの距離が所定の閾値（例えば１０ｍ）以上である場合は、計測装置１００は広レンジモードによる測距を行う。一方、図１５Ｂに示すように目標物４００までの距離が所定の閾値未満である場合は、計測装置１００は狭レンジモードによる測距を行う。例えば目標物４００が自律型移動体３００の充電ベースである場合、狭レンジモードではｍｍ精度での測距が可能であるため、自律型移動体３００を充電ベースに正しく接続させることができる。広レンジモードと狭レンジモードとを切り替える際の計測装置１００の動作は、図７Ａに示した動作と同様である。
　図１６Ａおよび図１６Ｂは、本開示の実施形態による計測装置をロボットアームに適用した応用例を示す図である。計測装置１００はロボットアーム５００のアームの先端に搭載されている。
　ロボットアームで５００により部品６００をピックアップする際、図１６Ａに示すようアームの先端から物体までの距離が所定の閾値（例えば３０ｃｍ）以上離れている場合は、計測装置１００は広レンジモードによる測距を行う。次に図１６Ｂに示すようにアームを部品６００に接近させ、アームの先端から部品６００までの距離が所定の閾値未満に近づいた場合は、計測装置１００は狭レンジモードによる測距を行う。狭レンジモードではｍｍ精度での測距が可能であるため、部品６００の位置や向きなどを正確に計測し、アームが部品６００を正しくピックアップすることができる。広レンジモードと狭レンジモードとを切り替える際の計測装置１００の動作は、図７Ａに示した動作と同様である。
　上述した実施形態および応用例において、計測レンジの切り替えは、狭レンジモードと広レンジモードとの２段階の切り替えに限られず、３段階以上のモード間の切り替えであってもよい。また無段階の切り替えであってもよい。
　本開示の実施形態における計測装置は、例えば、自動車、ＵＡＶ（Unmanned Aerial Vehicle）、もしくはＡＧＶ（Automated Guided Vehicle）などの車両に搭載される測距システム、または車両検出の用途に利用できる。
　　１０　　　物体
　　２０　　　光源
　　２０Ｌ０　レーザ光
　　２０Ｌ１　参照光
　　２０Ｌ２　照射光
　　２０Ｌ３　反射光
　　２０Ｌ４　干渉光
　　３０　　　干渉光学系
　　４０　　　ビーム整形器
　　５０　　　光偏向器
　　６０　　　光検出器
　　７０　　　処理回路
　　７２　　　メモリ
　　１００　　計測装置
　　２００　　車両

Claims (10)

  1. 　物体を照射するための光を出射し、前記光の周波数を変化させることが可能な光源と、
    　前記光を参照光と照射光とに分離し、前記照射光が前記物体で反射されて生じた反射光と前記参照光とを干渉させて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信号を出力する光検出器と、
    　前記光源を制御し、前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記物体の距離および／または速度に関するデータを生成して出力する処理回路と、
    を備え、
    　前記処理回路は、
    　第１モードおよび第２モードで動作し、
    　前記第１モードにおいて、第１周波数範囲内で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させ、
    　前記第２モードにおいて、前記第１周波数範囲とは異なる第２周波数範囲内で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させ、
    　前記第１周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値は、前記第２周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値とは異なり、
    　前記第１周波数範囲の中心周波数は、前記第２周波数範囲の中心周波数とは異なり、
    　前記第１周波数範囲の下限値は、前記第２周波数範囲の下限値とは異なる、
    　計測装置。
  2. 　前記第１モードにおける前記光の周波数および前記第２モードにおける前記光の周波数は周期的に時間変化し、
    　前記第１モードにおける前記光の周波数変化の周期は、前記第２モードにおける前記光の周波数変化の周期に等しい、
    　請求項１に記載の計測装置。
  3. 　前記第１周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値は、前記第２周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値よりも高く、
    　前記第１周波数範囲の中心周波数は、前記第２周波数範囲の中心周波数よりも高い、
    　請求項１または２に記載の計測装置。
  4. 　前記第１モードにおける前記光の周波数変化の各周期は、前記周波数が前記第１周波数範囲の下限値から上限値まで単調に増加する第１アップチャープ期間と、前記周波数が前記第１周波数範囲の上限値から下限値まで単調に減少する第１ダウンチャープ期間とを含み、
    　前記第２モードにおける前記光の周波数変化の各周期は、前記周波数が前記第２周波数範囲の下限値から上限値まで単調に増加する第２アップチャープ期間と、前記周波数が前記第２周波数範囲の上限値から下限値まで単調に減少する第２ダウンチャープ期間とを含む、
    　請求項１から３のいずれかに記載の計測装置。
  5. 　前記第１モードにおいて、前記信号は、前記第１アップチャープ期間における前記光に基づく前記干渉光の強度に応じた第１信号成分と、前記第１ダウンチャープ期間における前記光に基づく前記干渉光の強度に応じた第２信号成分とを含み、
    　前記第２モードにおいて、前記信号は、前記第２アップチャープ期間における前記光に基づく前記干渉光の強度に応じた第３信号成分と、前記第２ダウンチャープ期間における前記光に基づく前記干渉光の強度に応じた第４信号成分とを含み、
    　前記処理回路は、
    　前記第１モードにおいて、前記第１信号成分および前記第２信号成分に基づいて、前記物体の距離および／または速度に関する前記データを生成して出力し、
    　前記第２モードにおいて、前記第３信号成分および前記第４信号成分に基づいて、前記物体の距離および／または速度に関する前記データを生成して出力する、
    　請求項４に記載の計測装置。
  6. 　前記第１アップチャープ期間の長さと前記第１ダウンチャープ期間の長さとは互いに等しく、
    　前記第２アップチャープ期間の長さと前記第２ダウンチャープ期間の長さとは互いに等しい、
    　請求項４または５に記載の計測装置。
  7. 　前記処理回路は、前記第１モードおよび前記第２モードのそれぞれにおいて、前記光の前記周波数を、三角波状に変化させる、
    　請求項１から６のいずれかに記載の計測装置。
  8. 　前記第１モードおよび前記第２モードによる動作は、計測レンジに応じて切り替えられる、請求項１から７に記載の計測装置。
  9. 　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、
    　物体を照射するための光を出射し、前記光の周波数を変化させることが可能な光源と、
    　前記光を参照光と照射光とに分離し、前記照射光が前記物体で反射されて生じた反射光と前記参照光とを干渉させて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信号を出力する光検出器と、
    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、第１モードにおいて、第１周波数範囲で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させることと、
    　第２モードにおいて、第２周波数範囲で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させることと、
    　前記第１モードおよび前記第２モードのそれぞれにおいて、前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記物体の距離および／または速度に関するデータを生成して出力することと、
    　を実行させ、
    　前記第１周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値は、前記第２周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値とは異なり、
    　前記第１周波数範囲の中心周波数は、前記第２周波数範囲の中心周波数とは異なり、
    　前記第１周波数範囲の下限値は、前記第２周波数範囲の下限値とは異なる、
    　コンピュータプログラム。
  10. 　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、
    　物体を照射するための光を出射し、前記光の周波数を変化させることが可能な光源と、
    　前記光を参照光と照射光とに分離し、前記照射光が前記物体で反射されて生じた反射光と前記参照光とを干渉させて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信号を出力する光検出器と、
    を備え、
    　前記方法は、
    　第１モードにおいて、第１周波数範囲で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させることと、
    　第２モードにおいて、第２周波数範囲で周波数が時間変化する光を前記光源に出射させることと、
    　前記第１モードおよび前記第２モードのそれぞれにおいて、前記光検出器から出力された前記信号に基づいて前記物体の距離および／または速度に関するデータを生成して出力することと、
    　を含み、
    　前記第１周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値は、前記第２周波数範囲における周波数の時間変化率の絶対値とは異なり、
    　前記第１周波数範囲の中心周波数は、前記第２周波数範囲の中心周波数とは異なり、
    　前記第１周波数範囲の下限値は、前記第２周波数範囲の下限値とは異なる、
    　方法。
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