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WO2023017765A1 - 測定装置 - Google Patents

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Publication number
WO2023017765A1
WO2023017765A1 PCT/JP2022/029842 JP2022029842W WO2023017765A1 WO 2023017765 A1 WO2023017765 A1 WO 2023017765A1 JP 2022029842 W JP2022029842 W JP 2022029842W WO 2023017765 A1 WO2023017765 A1 WO 2023017765A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
signal
optical
measuring device
light beam
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/029842
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
旬 後藤
Original Assignee
株式会社小糸製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社小糸製作所 filed Critical 株式会社小糸製作所
Publication of WO2023017765A1 publication Critical patent/WO2023017765A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/34—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal

Definitions

  • This disclosure relates to a measuring device.
  • Japanese Patent Application Publication No. 2020-502503 discloses a measuring device using LiDAR (Light Detection and Ranging) technology that acquires distance information to surrounding objects by measuring light.
  • LiDAR Light Detection and Ranging
  • the above measuring device measures the relative speed and distance of the object with respect to the measuring device by detecting the interference wave between the light from the light source and the light reflected by the object (signal light).
  • the light reflected inside the measuring device becomes noise, making it difficult to detect the interference wave, and there is a risk that the measuring ability of the measuring device will decrease.
  • An example aspect that may be provided by the present disclosure is a measurement device comprising: a light beam generator for generating a frequency modulated light beam; an optical device that irradiates an object with the light beam and receives light reflected by the object as signal light; a light receiving unit that receives the signal light that has passed through the optical device and that receives the light reflected by the optical device as reference light; a calculation unit that calculates at least one of a distance to the object and a relative velocity of the object based on the frequency of the interference wave between the signal light and the reference light; It has
  • FIG. 1 is a block diagram of a measuring device according to a first embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing a case where backward reflected light is generated from the rear end face of the light projecting and receiving optical system in the first embodiment
  • FIG. 4 is a diagram showing a case where back-reflected light is generated from the scanner in the first embodiment
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a mechanism for obtaining the distance to an object and the relative velocity of the object with respect to the measuring device
  • It is a block diagram of a measuring device in a second embodiment.
  • It is a figure explaining the measuring device in a prior art. 1 is a graph showing the frequencies and intensities of two interference waves observed in a prior art measuring device;
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a measuring device 100 shown as the first embodiment.
  • the measurement device 100 is a device that irradiates a light beam toward the object 50, and includes, for example, a photodetector (LiDAR (Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging), an optical radar device, a light detection rangefinder, etc.). Also called.) is used as a component of The measuring apparatus 100 comprises an optical device 10 and a light beam generating device 11 for generating a frequency modulated light beam (hereinafter also referred to as "frequency modulated light").
  • a frequency modulated light hereinafter also referred to as "frequency modulated light”
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of the measuring device 100.
  • the measuring apparatus 100 includes an optical device 10, a light beam generator 11 that generates a frequency-modulated light beam (hereinafter also referred to as "frequency-modulated light"), a circulator 14, optical fibers 111 and 112 , 113 , a photoelectric converter 116 , an amplifier 117 , and an arithmetic unit 15 .
  • the optical device 10 includes a scanner 12 and a light projecting/receiving optical system 13 .
  • the measuring apparatus 100 may be further provided with various optical path adjustment mechanisms.
  • the light beam generator 11 includes a signal generator 101 , a current source 102 , a laser light source 103 and a temperature controller 104 .
  • the signal generator 101 is a waveform generator (function generator) and generates a voltage signal for controlling the current output from the current source 102 .
  • the signal generator 101 generates a triangular wave voltage signal and inputs it to the current source 102 .
  • a current source 102 generates a current signal for controlling the frequency of laser light generated by the laser light source 103 .
  • the current source 102 generates a current signal having a waveform corresponding to the voltage signal input from the signal generator 101 as the current signal.
  • the current source 102 generates a triangular wave current signal controlled by a triangular wave voltage signal and inputs it to the laser light source 103 .
  • the laser light source 103 is configured using a laser oscillation element capable of controlling the frequency of oscillation (controlling the wavelength) by current.
  • the laser light source 103 is configured using a distributed feedback (DFB) laser element.
  • the laser light source 103 generates laser light (light beam) frequency-modulated according to the current signal input from the current source 102 .
  • the laser light source 103 generates laser light that is frequency-modulated (directly modulated) by a triangular current signal.
  • the generated laser light enters the optical fiber 111 .
  • the temperature control device 104 maintains the laser oscillation element forming the laser light source 103 at a predetermined temperature.
  • the temperature control device 104 is configured using, for example, a temperature sensor or a thermoelectric cooling element (Peltier element). maintain.
  • the scanner 12 has a function of scanning the light beam by changing the irradiation angle of the light beam.
  • Various scanning methods such as photonic crystals and liquid crystals can be employed.
  • the scanner 12 may have a mirror or lens that rotates or moves, such as a galvanometer scanner or a MEMS mirror, to reflect or refract a light beam to scan the light beam.
  • the scanner 12 may be provided with a driving device such as a motor, and the light beam may be scanned by two-dimensionally moving the light projecting/receiving optical system 13 .
  • the light projecting/receiving optical system 13 is composed of a lens such as a collimator lens, and adjusts the spread of the light emitted from the optical fiber 112 (adjusts so that the scanning light becomes parallel).
  • the light beam adjusted by the light projecting/receiving optical system 13 enters the scanner 12 and is irradiated toward the object 50 as scanning light having a predetermined scanning pattern.
  • the light projecting/receiving optical system 13 also has a function of condensing light (hereinafter referred to as signal light) that is reflected and returned when the object 50 is irradiated with the scanning light.
  • the light projecting/receiving optical system 13 converges the received signal light on the end of the optical fiber 112 (end 112E to be described later).
  • the condensed signal light enters the optical fiber 112 and is transmitted to the circulator 14 .
  • the optical fibers 111, 112, and 113 are all connected to the circulator 14.
  • An optical fiber 111 connects the laser light source 103 and the circulator 14 and transmits light from the laser light source.
  • the optical fiber 113 connects the circulator 14 and the photoelectric converter 116 and transmits light from the circulator 14 to the photoelectric converter 116 .
  • the optical fiber 112 has a function of transmitting a light beam from the circulator 14 and irradiating the light beam from its end 112E to the light projecting/receiving optical system 13.
  • the optical fiber 112 also has a function of receiving the signal light and the backward reflected light condensed from the light projecting/receiving optical system 13 at the end 112 E and transmitting the received light to the circulator 14 .
  • the backward reflected light refers to light different from the scanning light, which is generated by reflecting the light beam emitted from the laser light source 103 inside the measuring device 100 .
  • a rear end surface (referred to as a rear end surface 13E) of a lens arranged at the rearmost part of the light projecting/receiving optical system 13 can be cited as a source of the rear reflected light.
  • Most of the light emitted from the optical fiber 112 passes through the light projecting/receiving optical system 13 and the scanner 12 and is irradiated toward the object 50 as described above. At the same time, part of the light emitted from the optical fiber 112 is reflected by the rear end surface 13E of the lens and enters the optical fiber 112 .
  • a scanner 12 may be used as a source of back-reflected light, as shown in FIG. Part of the light emitted from the optical fiber 112 is reflected by the scanner 12 and received by the optical fiber 112 as back-reflected light.
  • the intensity, energy amount, traveling direction, etc. of the backward reflected light are adjusted by the shape and angle of the end 112E.
  • the intensity, amount of energy, or traveling direction of the back-reflected light can be adjusted by the scanner 12, the shape of each lens that constitutes the optical system, the optical film, and the like.
  • the back-reflected light functions as reference light that interferes with the signal light to generate an interference wave (hereinafter referred to as "optical beat signal").
  • optical beat signal an interference wave
  • the light containing the optical beat signal is transmitted to the optical fiber 112 .
  • the circulator 14 has the function of transmitting the light beam transmitted by the optical fiber 111 to the optical fiber 112 and transmitting the light transmitted by the optical fiber 112 to the photoelectric converter 116 via the optical fiber 113 .
  • the photoelectric converter 116 photoelectrically converts light incident through the optical fiber 113 and generates a current signal (photocurrent) according to the intensity of the incident light.
  • the photoelectric converter 116 is configured using, for example, a photodetector (photodiode, balanced photodetector, etc.).
  • the current signal generated by photoelectric converter 116 is input to amplifier 117 .
  • the amplifier 117 converts the current signal (photocurrent) input from the photoelectric converter 116 into a voltage signal and inputs it to the arithmetic device 15 .
  • Amplifier 117 is configured using, for example, a transimpedance amplifier.
  • the arithmetic unit 15 includes, for example, a processor (CPU (Central Processing Unit), MPU (Micro Processing Unit), etc.), a storage device (main storage device, auxiliary storage device), an analog/digital converter (A/D conversion board, etc.) , an information processing device (computer) including a communication device (network card, etc.).
  • the arithmetic unit 15 uses an A/D converter to capture the voltage signal input from the amplifier 117 as a digital signal, performs signal analysis processing such as Fourier transform (FFT) on the captured digital signal, and converts it into a frequency-modulated optical signal.
  • FFT Fourier transform
  • the computing device 15 obtains the time delay of the signal light with respect to the reference light with respect to the interference wave (optical beat signal) for each time-divided section (hereinafter referred to as "unit time section"), Based on the obtained time delay, the distance to the object 50 and the relative speed of the object 50 with respect to the measuring device 100 are obtained.
  • the electric field E l of the reference light and the electric field E r of the signal light can be expressed by the following equations.
  • a l is the amplitude of the electric field E l
  • ⁇ is the modulation change rate with respect to the modulation period Tm
  • ⁇ is the time delay of the reflected light with respect to the reference light
  • ⁇ 0 is the central angular velocity
  • ⁇ 0 is the phase adjustment value.
  • Equation 1 the electric field strength l of the interference wave obtained by the interference between the reference light and the signal light is given by the following equation.
  • ⁇ t is the only term dependent on time t among the terms representing the cosine phase of the final term. Therefore, ⁇ is observed as the angular velocity (frequency) of the optical beat signal.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of determining the distance or relative velocity to the object 50, and shows the relationship between the time t and the angular velocity ⁇ of the frequency modulated wave (triangular modulated wave), and the relationship between the time t and the frequency f. It is a graph showing the relationship. Assuming that the distance to the object 50 is R and the speed of light is c, the following relationship exists between the distance R and the time delay ⁇ .
  • ⁇ is observed as the angular velocity (frequency), so if there is no relative velocity between the object 50 and the object 50, the two frequencies obtained by the signal analysis processing of the optical beat signal are , f 1 and f 2 , the frequency f R corresponding to the distance can be obtained from the following equation.
  • the frequency fD corresponding to the relative velocity can be expressed by the following formula based on the theoretical formula of the Doppler effect.
  • ⁇ is the relative velocity with respect to the object 50, and ⁇ 0 is the center wavelength of the frequency-modulated light (reciprocal of the center frequency f 0 ).
  • a measuring device 200 according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • light projection and light reception are performed by the same optical system (projection/reception optical system 13).
  • the measuring apparatus 200 of the second embodiment instead of the light projecting/receiving optical system 13, two optical systems, a light projecting optical system 131 for emitting light and a light receiving optical system 132 for receiving light, are provided.
  • the measuring device 200 does not include the circulator 14 .
  • the light projecting optical system 131 and the light receiving optical system 132 constitute an optical device 210 together with the scanner 12 .
  • the projection optical system 131 is connected to the laser light source 103 by an optical fiber 112 .
  • the light receiving optical system 132 is connected to the photoelectric converter 116 by the optical fiber 114 .
  • Other configurations of the measuring device 200 are the same as those of the measuring device 100, so the same reference numerals as those of the measuring device 100 are used, and description thereof is omitted.
  • the light projecting optical system 131 is configured using a lens such as a collimating lens, and adjusts the spread of the light emitted from the optical fiber 112 (adjusts so that the scanning light becomes parallel).
  • the light adjusted by the projection optical system 131 enters the scanner 12 and is irradiated toward the object 50 as scanning light having a predetermined scanning pattern.
  • the light receiving optical system 132 has a function of receiving signal light.
  • the light projecting/receiving optical system 13 converges the received signal light on the end of the optical fiber 114 .
  • the condensed signal light enters the optical fiber 114 and is transmitted.
  • the light receiving optical system 132 also receives the backward reflected light.
  • the source of the back-reflected light is either the projection optical system 131 or the scanner 12. In particular, it is preferable to use the back-reflected light generated by the rear end surface of the lens that constitutes the projection optical system 131. .
  • the back-reflected light collected by the light receiving optical system 132 is received by the optical fiber 114 . At this time, the backward reflected light functions as reference light that interferes with the signal light to generate an interference wave (optical beat signal).
  • the light containing the optical beat signal is transmitted to photoelectric converter 116 by optical fiber 114 .
  • the measuring apparatus 200 having two optical systems as described above can also measure the distance and relative velocity to the object 50 using the backward reflected light as the reference light.
  • the measurement device 300 splits the frequency-modulated light generated by the laser light source 301 by the light splitter 302 and irradiates the object 50 with one of the split frequency-modulated lights via the optical system 303 and the scanner 304 .
  • the light reflected by the object 50 is received as signal light by the optical system 303 and transmitted to the optical coupler 305 .
  • the other frequency-modulated light split by the optical splitter 302 of the measuring device 300 is transmitted to the optical coupler 305 as reference light.
  • An interference wave (optical beat signal) is generated by the optical coupler 305 and analyzed by the arithmetic device.
  • An optical waveguide 306 may be used to equalize the optical path lengths of the signal light and the reference light.
  • the interference wave between the back-reflected light and the signal light generated in the optical system is also generated as noise.
  • the back-reflected light generated within the apparatus is received as light having stronger energy than the signal light that has been irradiated to the object 50 and returned. Therefore, as shown in FIG. 8, the magnitude of the interference wave N associated with noise exceeds the magnitude of the interference wave S due to the signal light and the reference light. This causes the interference wave due to the signal light and the reference light to be buried in noise, making it difficult to detect the interference wave to be analyzed.
  • This problem cannot be solved simply by increasing the energy of the scanning light. This is because increasing the emitted energy of the laser light source also increases the energy of the back-reflected light.
  • the measurement devices 100 and 200 are simple and compact devices that omit conventionally required elements and parts such as an optical splitter, an optical waveguide, an optical coupler, and an optical fiber for transmitting reference light. can be configured.
  • the measurement apparatuses 100 and 200 include a light beam generator 11 (an example of a light beam generator) that generates a frequency-modulated light beam, and a light beam that irradiates an object 50, and outputs the light reflected by the object as a signal.
  • An optical device 10, 210 is provided for receiving light as light.
  • the optical fibers 112 and 114 (an example of light receiving units) receive signal light that has passed through the optical devices 10 and 210, and receive light reflected by the optical devices 10 and 210 as reference light.
  • a computing device 15 (an example of a computing unit) obtains at least one of the distance to the object 50 and the relative velocity of the object 50 based on the frequency of the interference wave between the signal light and the reference light.
  • the backward-reflected light itself is used as the reference light, there is no possibility that two interference waves are generated as in the conventional case, and it is possible to reliably detect and analyze the interference waves. .
  • the measurement capability of the measurement devices 100 and 200 can be enhanced.
  • the measuring devices 100 and 200 have a simple configuration with a small number of parts.
  • the light projecting/receiving optical system 13 or the light projecting optical system 131 that irradiates the object 50 with the light beam is composed of a lens.
  • the optical fibers 112 and 114 respectively receive the light reflected by the rear end surface 13E of the light projecting/receiving optical system 13 and the rear end surface of the light projecting/receiving optical system 131 as reference light.
  • the light having large energy is used as the reference light. Since the interference wave itself also becomes large, it becomes easy to detect the interference wave.
  • the light projecting/receiving optical system 13 not only emits scanning light, but also receives signal light, and has a function of condensing the signal light onto the optical fiber 112 .
  • the optical fiber 112 also emits a light beam toward the optical device 10 .
  • the circulator 14 (an example of a guiding unit) transmits the light beam generated by the light beam generating device 11 to the optical fiber 112, and photoelectrically converts the interference wave between the signal light and the reference light from the optical fiber 112. 116.
  • the optical fibers 111, 112, 113 can be arranged efficiently.
  • the measurement devices 100 and 200 can be configured simply by causing the optical fibers 112 and 114 to receive the signal light.
  • the back-reflected light generated at the end 112E of the optical fiber 112 may be used as the reference light.
  • the end 112E of the optical fiber 112 is taken to function as part of an optical device that emits a light beam.
  • the optical fiber 112 is interpreted as functioning as a light receiver.
  • a combination of a splitter and a coupler may be used as a substitute for the circulator 14 and function as a mechanism corresponding to the guide section in the present disclosure.
  • a light receiving element such as a photodiode may be used instead of the optical fibers 112 and 114 and the photoelectric converter 116 to receive the signal light.

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Abstract

光ビーム生成部は、周波数変調した光ビームを生成する。光学装置は、前記光ビームを対象物に照射するとともに、対象物に反射された光を信号光として受光する。受光部は、前記光学装置を通過した前記信号光を受光するとともに、前記光学装置に反射された光を参照光として受光する。演算部は、前記信号光と前記参照光との干渉波の周波数に基づき、前記対象物までの距離及び前記対象物の相対速度の少なくとも一つを求める。

Description

測定装置
　本開示は、測定装置に関する。
　日本国特許出願公表２０２０－５０２５０３号公報は、光を測定することによって周囲の物体までの距離情報を取得するＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）技術を用いた測定装置を開示している。
　上記の測定装置では、光源の光と対象物に反射された光（信号光）との干渉波を検出することによって、測定装置に対する対象物の相対速度及び距離を測定する。
　しかし測定の際、測定装置内部で反射された光がノイズとなって干渉波の検出を困難とし、測定装置の測定能力を低下させる虞があった。
　高い測定能力を持つ測定装置を提供することが求められている。
　本開示により提供されうる一態様例は、測定装置であって、
　周波数変調した光ビームを生成する光ビーム生成部と、
　前記光ビームを対象物に照射するとともに、対象物に反射された光を信号光として受光する光学装置と、
　前記光学装置を通過した前記信号光を受光するとともに、前記光学装置に反射された光を参照光として受光する受光部と、
　前記信号光と前記参照光との干渉波の周波数に基づき、前記対象物までの距離及び前記対象物の相対速度の少なくとも一つを求める演算部と、
を備えている。
第１実施形態における測定装置の概略的な構成を説明する図である。 第１実施形態における測定装置のブロック図である。 第１実施形態において投受光光学系の後端面から後方反射光を生成する場合を示す図である。 第１実施形態においてスキャナから後方反射光を生成する場合を示す図である。 対象物までの距離と測定装置に対する対象物の相対速度とを求める仕組みを説明する図である。 第２実施形態における測定装置のブロック図である。 従来技術における測定装置を説明する図である。 従来技術の測定装置において、観測される２つの干渉波の周波数及び強度を示すグラフである。
　以下、本開示に係る実施形態の例について図面を参照しつつ説明する。尚、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。
　＜第１実施形態＞
  図１に、第１実施形態として示す測定装置１００の概略的な構成を示している。測定装置１００は、対象物５０に向けて光ビームを照射する装置であり、例えば、光探知機（ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）、光レーダ装置、光検出測距装置等とも称される。）の構成要素として用いられる。測定装置１００は、光学装置１０、周波数変調した光ビーム（以下、「周波数変調光」とも称する。）を生成する光ビーム生成装置１１を備える。以下の説明において、測定装置１００が対象物５０に向けて光ビームを照射する方向を前方、その反対を後方とする。
　図２は、測定装置１００の一例を示すブロック図である。同図に示すように、測定装置１００は、光学装置１０、周波数変調した光ビーム（以下、「周波数変調光」とも称する。）を生成する光ビーム生成装置１１、サーキュレータ１４、光ファイバ１１１、１１２、１１３、光電変換器１１６、増幅器１１７、及び演算装置１５を備える。光学装置１０は、スキャナ１２及び投受光光学系１３を備える。尚、以上の構成に加えて、測定装置１００には、更に各種の光路調節機構が設けられてもよい。
　光ビーム生成装置１１は、例えば、分布帰還型（ＤＦＢ（Distributed FeedBack））レーザ素子を電流制御することにより、近赤外線波長領域（λ＝780～2500nm）の光ビームを生成する。光ビーム生成装置１１は、信号発生装置１０１、電流源１０２、レーザ光源１０３、温度制御装置１０４を備える。
　信号発生装置１０１は、波形発生器（ファンクションジェネレータ）であり、電流源１０２から出力される電流を制御するための電圧信号を生成する。本例では、信号発生装置１０１は、三角波の電圧信号を生成して電流源１０２に入力する。
　電流源１０２は、レーザ光源１０３によって生成されるレーザ光の周波数を制御するための電流信号を生成する。電流源１０２は、上記電流信号として、信号発生装置１０１から入力される電圧信号に応じた波形の電流信号を生成する。本例では、電流源１０２は、三角波の電圧信号によって制御された三角波の電流信号を生成してレーザ光源１０３に入力する。
　レーザ光源１０３は、電流により発振する周波数の制御（波長の制御）が可能なレーザ発振素子を用いて構成される。本例では、レーザ光源１０３は、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子を用いて構成されるものとする。レーザ光源１０３は、電流源１０２から入力される電流信号に応じて周波数変調したレーザ光（光ビーム）を生成する。本例では、レーザ光源１０３は、三角波の電流信号により周波数変調（直接変調）したレーザ光を生成する。レーザ光源１０３は、例えば、193.4024～193.4266[THz]（λ＝1549.903～1550.097[nm]）の範囲で周波数変調したレーザ光（周波数変調光）を生成する。生成されたレーザ光は、光ファイバ１１１に入射する。
　温度制御装置１０４は、レーザ光源１０３を構成するレーザ発振素子を所定の温度に維持する。温度制御装置１０４は、例えば、温度センサや熱電冷却素子（ペルチェ素子）を用いて構成され、例えば、レーザ発振素子の温度に基づき熱電冷却素子をフィードバック制御することによりレーザ光源１０３を所定の温度に維持する。
　スキャナ１２は、光ビームの照射される角度を変化させることにより、光ビームを走査させる機能を有する。走査方法は、フォトニック結晶、液晶などさまざまなものが採用され得る。例えば、スキャナ１２が、ガルバノスキャナやＭＥＭＳミラー等のように、回転または移動する鏡またはレンズを備え、光ビームを反射または屈折させて光ビームを走査させる構成とすることができる。あるいは、スキャナ１２がモータ等の駆動装置を備え、投受光光学系１３を二次元的に移動させることによって光ビームを走査させてもよい。
　投受光光学系１３は、コリメートレンズ等のレンズで構成され、光ファイバ１１２から出射した光の広がりを調整（走査光が平行状態になるように調整）する。投受光光学系１３によって調整された光ビームは、スキャナ１２に入射し、所定の走査パターンを持つ走査光として対象物５０に向けて照射される。
　投受光光学系１３は、走査光が対象物５０に照射されることにより反射して戻ってくる光（以下、信号光と称する）を集光する機能も有する。投受光光学系１３は受光した信号光を光ファイバ１１２の端部（後述する端部１１２Ｅ）に集光する。集光された信号光は、光ファイバ１１２に入射し、サーキュレータ１４へ伝送される。
　光ファイバ１１１、１１２、１１３は、いずれもサーキュレータ１４と接続される。光ファイバ１１１はレーザ光源１０３とサーキュレータ１４とを接続し、レーザ光源から光を伝送する。光ファイバ１１３は、サーキュレータ１４と光電変換器１１６とを接続し、サーキュレータ１４から光電変換器１１６へ光を伝送する。
　図３に示されるように、光ファイバ１１２は、サーキュレータ１４から光ビームを伝送し、その端部１１２Ｅから投受光光学系１３へ光ビームを照射する機能を有する。加えて、光ファイバ１１２は、投受光光学系１３から集光された信号光と後方反射光とを端部１１２Ｅで受光し、受光した光をサーキュレータ１４へ伝送する機能も有する。
　ここで後方反射光とは、レーザ光源１０３から出射した光ビームが測定装置１００内で反射されることによって生成された、走査光とは異なる光を指す。
　後方反射光の発生源としては、投受光光学系１３の最後部に配置されたレンズの後端面（後端面１３Ｅとする）が挙げられる。光ファイバ１１２から出射した光の大部分は、上述の通り投受光光学系１３及びスキャナ１２を通過して対象物５０へ向けて照射される。同時に、光ファイバ１１２から出射した光の一部は、レンズの後端面１３Ｅに反射され光ファイバ１１２に入射する。
　図４に示されるように、後方反射光の発生源としてスキャナ１２が用いられてもよい。光ファイバ１１２から出射した光の一部はスキャナ１２に反射され、後方反射光として光ファイバ１１２に受光される。
　後方反射光の強度、エネルギー量、または進行方向などは、端部１１２Ｅの形状や角度によって調整される。加えて、スキャナ１２や光学系を構成する各レンズの形状、光学膜などによっても、後方反射光の強度、エネルギー量、または進行方向を調整することができる。
　後方反射光は、信号光と干渉して干渉波（以下、「光ビート信号」と称する）を生じさせる参照光として機能する。光ビート信号を含んだ光は、光ファイバ１１２に伝送される。
　サーキュレータ１４は、光ファイバ１１１によって伝送された光ビームを光ファイバ１１２へ伝送し、光ファイバ１１２によって伝送された光を、光ファイバ１１３を介して光電変換器１１６へ伝送する機能を有する。
　光電変換器１１６は、光ファイバ１１３を介して入射する光を光電変換し、入射する光の強度に応じた電流信号（光電流）を生成する。光電変換器１１６は、例えば、光検出器（フォトダイオード、バランス型光検出器等）を用いて構成される。光電変換器１１６によって生成された電流信号は増幅器１１７に入力される。
　増幅器１１７は、光電変換器１１６から入力される電流信号（光電流）を電圧信号に変換して演算装置１５に入力する。増幅器１１７は、例えば、トランスインピーダンス増幅器を用いて構成される。
　演算装置１５は、例えば、プロセッサ（ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等）、記憶装置（主記憶装置、補助記憶装置）、アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換ボード等）、通信装置（ネットワークカード等）等を備えた情報処理装置（コンピュータ）を用いて構成される。演算装置１５は、Ａ／Ｄ変換器により、増幅器１１７から入力される電圧信号をデジタル信号として取り込み、取り込んだデジタル信号についてフーリエ変換（ＦＦＴ）等の信号解析処理を行い、周波数変調された光信号の解析手法により、対象物５０までの距離や対象物５０との間の相対速度を求める。
　より具体的には、演算装置１５は、時間分割された区間（以下、「単位時間区間」と称する。）毎の干渉波（光ビート信号）について、参照光に対する信号光の時間遅れを求め、求めた時間遅れに基づき、対象物５０までの距離と、測定装置１００に対する対象物５０の相対速度を求める。
　ここで参照光の電界Ｅｌ及び信号光の電界Ｅｒは次式で表わすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここでＡlは電界Ｅlの振幅、αは変調周期Ｔｍに対する変調の変化率、τは反射光の参照光に対する時間遅れ、ω0は中心角速度、φ0は位相の調整値である。
　式１及び式２から、参照光と信号光とが干渉することにより得られる干渉波の電界強度ｌは次式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　上式において、最終項の余弦の位相を表わす項のうち、時刻ｔに依存する項はατｔのみである。従って、光ビート信号の角速度（周波数）として観測されるのはατである。　　　
　図４は、対象物５０までの距離又は相対速度を求める原理を説明する図であり、周波数変調波（三角変調波）の時刻ｔと角速度ωとの関係、及び、時刻ｔと周波数ｆとの関係を示すグラフである。ここで対象物５０までの距離をＲとした場合、光速をｃとして、距離Ｒと時間遅れτとの間には次の関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　前述のように、角速度（周波数）として観測されるのはατであるので、対象物５０との間に相対速度が無いとした場合、光ビート信号の信号解析処理により得られる２つの周波数を夫々、ｆ1，ｆ2とすれば、次式から距離に対応する周波数ｆRを求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで変調周期Ｔｍに対する変調の変化率αとΔｆとの間には次の関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　また、相対速度に対応する周波数ｆＤは、ドップラー効果の理論式に基づき次式で表わすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　尚、νは対象物５０との間の相対速度、λ0は周波数変調光の中心波長（中心周波数ｆ0の逆数）である。
　＜第２実施形態＞
  第２実施形態による測定装置２００について図６を用いて説明する。第１実施形態における測定装置１００は、投光と受光とが同一の光学系（投受光光学系１３）によって行われていた。一方、第２実施形態における測定装置２００では、投受光光学系１３に代わり、光の照射を行う投光光学系１３１及び受光を行う受光光学系１３２の２つの光学系が備えられている。また、測定装置２００はサーキュレータ１４を備えていない。
　投光光学系１３１及び受光光学系１３２は、スキャナ１２とともに光学装置２１０を構成する。投光光学系１３１はレーザ光源１０３と光ファイバ１１２によって接続される。また、受光光学系１３２は、光電変換器１１６と光ファイバ１１４によって接続される。測定装置２００におけるその他の構成については、測定装置１００と同様であるため、測定装置１００と同一の参照符号を付して説明を省略する。
　投光光学系１３１は、コリメートレンズ等のレンズを用いて構成され、光ファイバ１１２から出射した光の広がりを調整（走査光が平行状態になるように調整）する。投光光学系１３１によって調整された光は、スキャナ１２に入射し、所定の走査パターンを持つ走査光として対象物５０に向けて照射される。
　受光光学系１３２は、信号光を受光する機能を有する。投受光光学系１３は受光した信号光を光ファイバ１１４の端部に集光する。集光された信号光は、光ファイバ１１４に入射して、伝送される。
　受光光学系１３２は、さらに後方反射光も受光する。後方反射光の発生源は、投光光学系１３１及びスキャナ１２のいずれかであり、特に、投光光学系１３１を構成するレンズの後端面で生成された後方反射光を用いることが好適である。受光光学系１３２が集光した後方反射光は、光ファイバ１１４によって受光される。このとき後方反射光は、信号光と干渉して干渉波（光ビート信号）を生じさせる参照光として機能する。光ビート信号を含んだ光は、光ファイバ１１４によって光電変換器１１６へ伝送される。
　上述のように２つの光学系を備えた測定装置２００においても、測定装置１００と同様、後方反射光を参照光として用いて対象物５０までの距離及び相対速度を計測することができる。
　＜従来技術との比較＞
  上記実施形態による測定装置１００、２００の持つ技術的効果について、図７に示される比較例に係る測定装置３００を参照して説明を行う。
　測定装置３００は、レーザ光源３０１が生成した周波数変調光を光分岐器３０２によって分岐し、分岐した周波数変調光の一方を、光学系３０３及びスキャナ３０４を介して対象物５０へ照射する。対象物５０に反射された光は光学系３０３によって信号光として受光され、光カプラ３０５へ伝送される。
　測定装置３００の光分岐器３０２で分岐したもう一方の周波数変調光は、参照光として光カプラ３０５へと伝送される。光カプラ３０５において干渉波（光ビート信号）が生成され、演算装置において解析される。なお、信号光と参照光の光路長を等しいものとするために光導波路３０６が用いられる場合がある。
　測定装置３００の光カプラ３０５では、本来解析されるべき信号光と参照光との干渉波に加え、光学系などで発生した後方反射光と信号光との干渉波もノイズとして生成されてしまう。装置内で発生する後方反射光は、対象物５０に照射されて戻ってきた信号光よりも強いエネルギーを持つ光として受光される。そのため、図８に示すように、ノイズに係る干渉波Ｎの大きさが、信号光と参照光による干渉波Ｓの大きさを上回ってしまう。これは、信号光と参照光による干渉波をノイズに埋没させ、解析されるべき干渉波の検出を困難なものとしてしまう。この課題は、単純に走査光のエネルギーを増大させることによっては解決しない。レーザ光源の出射エネルギーを増やすと、後方反射光のエネルギーも増大してしまうためである。
　一方、測定装置１００、２００では、後方反射光自体を参照光とするため、従来のように干渉波が２つ観測されてしまう虞がない。そのため、干渉波の解析を確実に実行することが可能である。加えて、測定装置１００、２００では、光分岐器、光導波路、光カプラ、及び参照光を伝送するための光ファイバなど、従来必要であった素子、部品を省略し、簡素で小型化した装置構成とすることができる。
　＜効果＞
  測定装置１００、２００は、周波数変調した光ビームを生成する光ビーム生成装置１１（光ビーム生成部の一例）と、光ビームを対象物５０に照射するとともに、対象物に反射された光を信号光として受光する光学装置１０、２１０を備える。また、光ファイバ１１２、１１４（受光部の一例）は、光学装置１０、２１０を通過した信号光を受光するとともに、光学装置１０、２１０に反射された光を参照光として受光する。演算装置１５（演算部の一例）は、信号光と参照光との干渉波の周波数に基づき、対象物５０までの距離及び対象物５０の相対速度の少なくとも一つを求める。
　上記構成によれば、後方反射光自体を参照光とするため、従来のように干渉波が２つ生成されてしまう虞がなく、干渉波の検出及び解析を確実に実行することが可能となる。測定装置１００、２００の測定能力を高いものとすることができる。また、測定装置１００、２００は、部品点数が少なく簡素な構成となる。
　光ビームを対象物５０へ照射する投受光光学系１３または投光光学系１３１は、レンズで構成される。光ファイバ１１２、１１４は、それぞれ、投受光光学系１３の後端面１３Ｅ及び投光光学系１３１の後端面において反射された光を参照光として受光する。
　上記構成では、後端面１３Ｅでの後方反射光を受光することにより、大きなエネルギーを持った光を参照光とする。干渉波自体も大きなものなるため、干渉波の検出が容易となる。
　投受光光学系１３は、走査光を照射するだけでなく、信号光の受光も行い、光ファイバ１１２に信号光を集光する機能を有する。また、光ファイバ１１２は、光ビームを光学装置１０に向けて出射させる。
　上記構成では、投光及び受光を一つの光学系で実行する。１光学系とした構成では、投受光の光学系を分けた場合と異なり、距離による視差が生じず、光ビームの屈折の影響も少ない。また、装置を小型化することができる。
　測定装置１００において、サーキュレータ１４（誘導部の一例）は、光ビーム生成装置１１で生成された光ビームを光ファイバ１１２へ伝送し、信号光と参照光との干渉波を光ファイバ１１２から光電変換器１１６へ伝送する。
　このような構成とすることにより、各装置への光ビームの伝送を簡易な構成によって実行することができる。特に、光ファイバ１１１、１１２、１１３を効率よく配置することができる。
　測定装置１００、２００では、光ファイバ１１２、１１４に信号光を受光させることにより、簡易な構成とすることができる。
　＜変形例＞
  測定装置１００においては、光ファイバ１１２の端部１１２Ｅで発生した後方反射光が参照光として用いられてもよい。この場合、光ファイバ１１２の端部１１２Ｅは、光ビームを出射させる光学装置の一部として機能すると解釈される。同時に、光ファイバ１１２は受光部としても機能すると解釈される。
　サーキュレータ１４の代わりとして、分岐器、結合器の組合せが用いられ、本開示における誘導部に相当する機構として機能してもよい。
　光ファイバ１１２、１１４及び光電変換器１１６の代わりにフォトダイオードなどの受光素子が用いられ、信号光が受光される構成としてもよい。
　本開示の一部を構成するものとして、２０２１年８月１０日に提出された日本国特許出願２０２１－１３０５４４号の内容が援用される。

Claims (6)

  1. 　周波数変調した光ビームを生成する光ビーム生成部と、
    　前記光ビームを対象物に照射するとともに、対象物に反射された光を信号光として受光する光学装置と、
    　前記光学装置を通過した前記信号光を受光するとともに、前記光学装置に反射された光を参照光として受光する受光部と、
    　前記信号光と前記参照光との干渉波の周波数に基づき、前記対象物までの距離及び前記対象物の相対速度の少なくとも一つを求める演算部と、
    を備えている、
    測定装置。
  2. 　前記光学装置は、前記光ビームを前記対象物に向けて照射する、レンズで構成された光学系を有し、
    　前記受光部は、前記光学系の後端面に反射された光を前記参照光として受光する、
    請求項１に記載の測定装置。
  3. 　前記光学系は、前記信号光を受光して前記受光部に集光する、
    請求項２に記載の測定装置。
  4. 　前記受光部は、前記光ビームを前記光学装置に向けて出射させる、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の測定装置。
  5. 　前記演算部と接続され、光を電気信号に変える変換器と、
    　前記光ビーム生成部、前記受光部、及び前記変換器のそれぞれに接続された誘導部と、をさらに備えており、
    　前記誘導部は、
    　　前記光ビーム生成部で生成された前記光ビームを前記受光部へ伝送し、
    　　前記受光部が受光した前記信号光と前記参照光とによって生成された前記干渉波を前記変換器へ伝送する、
    請求項４に記載の測定装置。
  6. 　前記受光部は光ファイバによって構成される、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
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