(57)【要約】【課題】ＦＭＣＷライダにおいて、レーザの非線形チャープの影響を除去して、正確な距離と速度の測定を可能とする光学的測定装置及び測定方法を提供する。【解決手段】光学的測定装置は、周波数変調したレーザと、光検出器と、レーザの出力光を２分し、一方をプローブ光、他方を参照光とし、プローブ光又は参照光のいずれか一方に周波数シフトを与え、プローブ光を対象物に照射して、対象物からの散乱光と、参照光を合波して光検出器に入射するヘテロダイン光学系と、ＩＱ検出部と、演算処理部とを備える。ＩＱ検出部は、光検出器から発生するビート信号の、同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、演算処理部は、同相成分Ｉと直交成分Ｑから、ビート信号の位相と周波数を求め、周波数から対象物の速度を算出する演算、又は、位相から対象物までの距離を算出する演算の少なくともいずれかを実行する。【選択図】図１
2020085723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調したレーザと、
光検出器と、
前記レーザの出力光を２分し、一方をプローブ光、他方を参照光とし、前記プローブ光又は前記参照光のいずれか一方に周波数シフトを与え、前記プローブ光を対象物に照射して、前記対象物からの散乱光と、前記参照光を合波して前記光検出器に入射するヘテロダイン光学系と、
前記光検出器から発生するビート信号の、同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出するＩＱ検出部と、
前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑから、前記ビート信号の位相と周波数を求め、前記周波数から前記対象物の速度を算出する演算、又は、前記位相から前記対象物までの距離を算出する演算の少なくともいずれかを実行する演算処理部とを、
備えることを特徴とする光学的測定装置。
【請求項２】
前記演算処理部は、前記周波数の平均値から、前記対象物の運動に起因するドップラーシフトと速度を求めることを特徴とする、請求項１記載の光学的測定装置。
【請求項３】
前記演算処理部は、前記位相から前記ドップラーシフトの成分を除外した後、絶対値の平均値を求め、事前に校正した距離と位相の絶対値の平均値との比例関係を基に、前記対象物までの距離を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の光学的測定装置。
【請求項４】
前記ＩＱ検出部により検出した前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑを、デジタルＩＱ信号として取得する２チャンネルＡＤ変換器を備え、
前記デジタルＩＱ信号を前記演算処理部に入力して、前記デジタルＩＱ信号から前記ビート信号の位相と周波数を求めることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学的測定装置。
【請求項５】
前記光検出器から発生する前記ビート信号をデジタルＲＦ信号として取得する１チャンネルＡＤ変換器を備え、
前記ＩＱ検出部は、前記デジタルＲＦ信号から、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑを検出し、
前記演算処理部により、該同相成分Ｉと該直交成分Ｑから前記ビート信号の位相と周波数を求めることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項記載の光学的測定装置。
【請求項６】
前記周波数シフトは、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑに含まれる周波数よりも大きいことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項記載の光学的測定装置。
【請求項７】
前記レーザの周波数変調信号は正弦波であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の光学的測定装置。
【請求項８】
周波数変調したレーザの出力光を２分し、一方をプローブ光、他方を参照光とし、前記プローブ光又は前記参照光のいずれか一方に周波数シフトを与え、前記プローブ光を対象物に照射して、前記対象物からの散乱光と、前記参照光を合波して光検出器に入射し、
前記光検出器から発生するビート信号の同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑから、ビート信号の位相と周波数を求めた後、前記周波数から前記対象物の速度を算出する演算、又は前記位相から前記対象物までの距離を算出する演算の少なくともいずれかを実行することを特徴とする光学的測定方法。
【請求項９】
前記周波数から前記対象物の速度を算出する前記演算は、前記周波数の平均値から、前記対象物の運動に起因するドップラーシフトと速度を算出することである、請求項８記載の光学的測定方法。
【請求項１０】
前記位相から前記対象物までの距離を算出する演算は、前記位相から前記ドップラーシフトの成分を除外した後、絶対値の平均値を求め、事前に校正した距離と位相の絶対値の平均値との比例関係を基に、前記対象物までの距離を算出することである、請求項８又は９記載の光学的測定方法。
【請求項１１】
前記光検出器から発生するビート信号の同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑから、ビート信号の位相と周波数を求める際に、
前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑを、デジタルＩＱ信号に変換して、該デジタルＩＱ信号から、前記ビート信号の位相と周波数を求めることを特徴とする、請求項８乃至１０のいずれか１項記載の光学的測定方法。
【請求項１２】
前記光検出器から発生するビート信号の同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑから、ビート信号の位相と周波数を求める際に、
前記ビート信号をデジタルＲＦ信号に変換して、該デジタルＲＦ信号から、前記同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、該同相成分Ｉと該直交成分Ｑから、前記ビート信号の位相と周波数を求めることを特徴とする、請求項８乃至１０のいずれか１項記載の光学的測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車や自律ロボット等に用いられる環境認識センサ等に適する、光学的測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車や自律ロボットの環境認識センサや、建設・土木現場における形状計測などへの応用を目的として、ライダ（ＬｉＤＡＲ：Ｌａｓｅｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）の開発が進展している。すでに実用化されているＴｏＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式のライダは、対象物に光パルスを照射して、散乱されて戻ってくるまでの時間から距離を測定し、照射する光パルスを空間的に走査して、３次元距離データを生成するものである。
【０００３】
ＴｏＦ方式ライダでは、直接検波により対象物からの散乱光を検出する。一方、コヒーレント検波を用いるＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）方式は、より高感度の散乱光検出が可能であり、対象物までの距離に加えて、ドップラーシフトから運動速度も測定できる特徴を有している。ミリ波領域のＦＭＣＷレーダは、車載用の衝突防止センサとして実用化されている。光波領域でＦＭＣＷライダを実現できれば、空間分解能の格段の向上が期待できる。現状のＦＭＣＷライダは、装置の構成が複雑であり、高コヒーレンスのレーザ光源が要求されるため、応用分野は限定されている。
【０００４】
図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、従来技術におけるＦＭＣＷライダの動作原理を説明する図である。図１４（ａ）のＦＭＣＷライダ装置は、三角波信号発生器２７と、注入電流源２と、半導体レーザ３と、ビームスプリッタ６ａ、６ｂと、光サーキュレータ７と、反射鏡９と、光検出器１４を備える。三角波を発生する三角波信号発生器２７の出力を、注入電流源２に入力し、半導体レーザ３の注入電流を変調する。半導体レーザ３の出力光を２分し、一方をプローブ光１１、他方を参照光１０とする。参照光とは、プローブ光と位相が同期し、光学的遅延の基準となる光をいう。ビームスプリッタ６ａ、６ｂと、光サーキュレータ７と、反射鏡９とにより、ホモダイン光学系３０を構成する。プローブ光１１を対象物１３に照射し、対象物１３からの散乱光１２と参照光１０を合波し、光検出器１４に入力してビート信号１５を生成する。
【０００５】
図１４（ｂ）は、参照光１０、散乱光１２、ビート信号１５の各周波数の波形を表す図である。半導体レーザ３の光周波数は、三角波信号発生器２７から出力される三角波に対応して、アップ、ダウンチャープを周期的に繰り返す。参照光１０に対して、散乱光１２には対象物１３までの距離に応じた時間遅れを生じ、光検出器１４の出力には、時間遅れに比例した周波数を有するビート信号１５が発生する。参照光１０と散乱光１２の周波数が交差する三角波の頂点近傍以外では、ビート信号１５の周波数は一定値になるので、スペクトル解析等によりビート周波数を求めて、時間遅れ、すなわち、対象物１３までの距離を算出することができる。
【０００６】
ＦＭＣＷライダにより測定されるビート周波数ｆＢは、次式により表すことができる。
【０００７】
【数１】
2020085723.tif 000003
【０００８】
ここで、Δνはチャープ帯域幅、Ｔｍ＝１／ｆｍは変調周期、ｆｍは変調周波数、Ｌは対象物１３までの距離、ｃは光速度である。（１）式において、Δν／（Ｔｍ／２）は単位時間当たりの周波数変化、すなわち、チャープ率を表す。ビート周波数ｆＢから距離Ｌを算出するためには、チャープ率を事前に求めておく必要がある。
【０００９】
ここまでの説明は、対象物１３が静止している場合であるが、次に、対象物１３が速度Ｖで運動している場合について説明する。半導体レーザ３から見て、対象物１３が遠ざかる方向をＶ＞０とする。対象物１３の運動により、散乱光１２はドップラーシフトを受け、ビート周波数が変化する。図１４（ｃ）は速度Ｖが正の場合、図１４（ｄ）は速度Ｖが負の場合について、参照光１０、散乱光１２、ビート信号１５の各周波数の波形を表す図である。対象物１３が静止している場合、アップ、ダウンチャープの時間域で発生するビート周波数は等しいが、運動している場合は、両者の間に速度Ｖに応じた差を生じる。
【００１０】
アップ、ダウンチャープの時間域で発生するビート周波数ｆｕｐ、ｆｄｏｗｎは、それぞれ次式により表すことができる。
【００１１】
【数２】
2020085723.tif 000004
【００１２】
【数３】
2020085723.tif 000005
【００１３】
ここで、ν０は光周波数である。（２）、（３）式において、第１項は対象物１３までの距離に応じた時間遅れの成分、第２項は対象物１３の運動に伴うドップラーシフトΔｆＤである。
【００１４】
ビート周波数ｆｕｐとｆｄｏｗｎの値をそれぞれ測定して、対象物の距離Ｌと速度Ｖを次式により算出することができる。
【００１５】
【数４】
2020085723.tif 000006
【００１６】
【数５】
2020085723.tif 000007
【００１７】
（４）、（５）式は、ビート周波数ｆｕｐとｆｄｏｗｎの和が距離に、差が速度に対応することを示している。
【００１８】
（４）、（５）式による距離と速度の算出においては、ビート周波数ｆｕｐとｆｄｏｗｎが正領域にあること、すなわち、対象物１３までの距離に起因するビート周波数ｆＢが、ドップラーシフトΔｆＤよりも大きいことを前提としている。（４）式、または（５）式の値が負になる条件においても、その絶対値がビート周波数として検出されるので、距離Ｌと速度Ｖを正しく計算できなくなる。このため、以下の条件が課せられる。
【００１９】
【数６】
2020085723.tif 000008
【００２０】
（６）式は、対象物１３の運動速度Ｖに応じて、測定できる距離に制限が課せられることを意味している。すなわち、次式で表される距離Ｌｍｉｎよりも近傍の測定はできない。
【００２１】
【数７】
2020085723.tif 000009
【００２２】
近傍の距離を測定可能とするためには、ビート周波数ｆＢを増大すること、すなわち、変調周波数ｆｍやチャープ帯域幅Δνを増大することが必要になる。以上の説明においては、対象物１３が運動している場合を想定したが、測定装置自体が運動している場合、また、対象物１３と測定装置の両方が運動している場合も同様であり、両者の間の相対的な速度により、ドップラーシフトを生じる。したがって、（５）式により算出する値は相対速度になる。
【００２３】
次に、ＦＭＣＷライダにおける距離分解能について説明する。距離分解能δＬは、次式により表すことができる。
【００２４】
【数８】
2020085723.tif 000010
【００２５】
（８）式における分解能の意味は、近接する２つの散乱点を分離して検出する能力である。散乱点が１つの場合は、さらに高い精度で距離を測定することができる。距離分解能δＬはチャープ帯域幅Δνに反比例するので、高い分解能を得るためには、チャープ帯域幅が増大することが必要である。例えば、分解能１０ｃｍ、１ｃｍを得るのに必要なチャープ帯域幅は、それぞれ１．５ＧＨｚ、１５ＧＨｚである。散乱点が１つの場合においても、精度はチャープ帯域幅に反比例する。
【００２６】
ビート周波数の値から距離と速度を算出する上で、チャープの直線性は極めて重要な特性である。（１）、（２）、（３）式のビート周波数は、半導体レーザ３の周波数が時間に比例して増加（アップチャープ）、または減少（ダウンチャープ）することを前提にしている。光周波数が時間に対して非線形に変化する場合は、一定値であるべきビート周波数が変化して、距離と速度を一意的に決定できなくなる。
【００２７】
アイセーフ波長域で動作する半導体レーザは、注入電流変調により周波数を直接変調できることから、小型で低価格のＦＭＣＷライダ用の光源として期待されている。ところが、半導体レーザの周波数変調は熱効果に起因し、周波数応答特性が平坦ではないため、非線形チャープが顕著に現れることが知られている。三角波による周波数変調では、非線形チャープに起因して、変調信号に含まれない周波数成分が現れることが報告されている（非特許文献１参照）。
【００２８】
ＦＭＣＷライダにおいて、このような非線形チャープの影響を抑圧または低減する手法は、２つに大別できる。一つは、半導体レーザの変調を制御して、所望の線形チャープを得る方法である。もう一つは、検出したビート信号を処理して、非線形チャープの影響を除去する方法である。
【００２９】
レーザの周波数変化を光学的に検出して、基準となる三角波との誤差をレーザに負帰還して制御する装置、及び方法が、次のように報告されている（特許文献１乃至３参照）。距離測定用の光学系とは別のホモダイン、またはヘテロダイン干渉計を用意し、レーザの周波数変化を検出する。検出したレーザの周波数と基準信号との差を誤差信号として、レーザの注入電流を負帰還制御することにより、非線形チャープを抑圧することができる。
【００３０】
周波数変調信号、またはレーザ出力をモニタして、変調信号発生器を制御するとともに、検出したビート信号を補正して、距離を算出する方法が次のように報告されている（特許文献４参照）。レーザ出力光の位相を数学的にモデル化し、モニタ結果からモデルに含まれるパラメータを推定し、制御と信号処理を行い、距離を算出する。
【００３１】
ミリ波ＦＭＣＷレーダにおいて、光学的にミリ波周波数を検出し、信号処理により、非線形チャープの影響を抑圧する装置が、以下のように報告されている（特許文献５参照）。送出するミリ波信号を光信号に変換し、ホモダイン干渉計によりビート信号を検出して、パルス信号に変換する。パルス信号には非線形チャープの情報が含まれており、このパルス信号をクロックとして、ビート信号をＡＤ変換することにより、非線形チャープの影響を抑圧できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】特開２０００−１１１３１２号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／００８５９９２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１２／０１０６５７９号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００９／０１３５４０３号明細書
【特許文献５】特表２００８−５１４９１０号公報
【非特許文献】
【００３３】
【非特許文献１】Ｈ．Ｔｓｕｃｈｉｄａ、“Ｗａｖｅｆｏｒｍ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｆｏｒ  ｐｈａｓｅ／ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｌｉｇｈｔｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ、”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、ｖｏｌ．２５，ｎｏ．５、ｐｐ．４７９３−４７９９（２０１７年３月）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
半導体レーザを光源として用いるＦＭＣＷライダにおいては、光周波数変化が時間に対して非線形に変化することが原因で、本来は一定値であるべきビート周波数が変化して、距離と速度を一意的に算出できなくなる問題がある。
【００３５】
前述した、非線形チャープの影響を抑圧または低減する方法（特許文献１乃至３参照）では、レーザの負帰還制御により非線形チャープを抑圧するため、誤差信号を実時間で生成する必要がある。このため、ホモダインまたはヘテロダイン干渉計を備える必要がある。また、変調信号発生器の制御と検出信号の補正を行う方法（特許文献４参照）では、干渉計などの光学装置が必要である。また、特許文献５はミリ波レーダ装置に関する技術であるが、光領域のＦＭＣＷライダにも適用できる。しかし、ＡＤ変換器のクロックを実時間で生成する必要があるため、ホモダイン干渉計が必要である。
【００３６】
また、従来技術のＦＭＣＷライダにおいては、測定装置と対象物が相対的に運動している場合、ドップラーシフトにより、近傍の距離と速度が正しく測定できない問題がある。
【００３７】
発明者は、非線形チャープの影響を除去することを目的として、ホモダイン光学系を用いて、ビート信号の周波数の平均値から距離を算出する装置、及び方法を出願している（特願２０１７−１６５９４０）。この出願では、ホモダイン光学系を用いるため、速度の測定は困難であり、対象物が運動している場合は、ドップラーシフトの影響を受けて、距離を正しく求めることができない問題がある。
【００３８】
このように、従来技術においては、距離と速度測定用の光学系とは別に、周波数変調を検出して制御するための装置が必要であり、装置の構成が複雑になる。また、測定装置と対象物の相対的な運動に起因して、近傍の測定が正しく行われない問題がある。光学的な距離、速度、または距離と速度の測定装置として、装置構成が複雑化せず、小型で低価格のライダシステムが実現できれば、車載用の衝突防止、歩行者検知センサなど、民生分野への展開が期待できる。
【００３９】
本発明は、ＦＭＣＷライダにおける上述の問題を解決しようとするものであり、干渉計などの付加的な装置を用いることなく、レーザの非線形チャープの影響を除去して、距離と速度のうちの少なくともいずれかの正確な測定を可能とする、光学的測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。
【００４１】
（１）  周波数変調したレーザと、光検出器と、前記レーザの出力光を２分し、一方をプローブ光、他方を参照光とし、前記プローブ光又は前記参照光のいずれか一方に周波数シフトを与え、前記プローブ光を対象物に照射して、前記対象物からの散乱光と、前記参照光を合波して前記光検出器に入射するヘテロダイン光学系と、前記光検出器から発生するビート信号の、同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出するＩＱ検出部と、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑから、前記ビート信号の位相と周波数を求め、前記周波数から前記対象物の速度を算出する演算、又は、前記位相から前記対象物までの距離を算出する演算の少なくともいずれかを実行する演算処理部とを、備えることを特徴とする光学的測定装置。
（２）  前記演算処理部は、前記周波数の平均値から、前記対象物の運動に起因するドップラーシフトと速度を求めることを特徴とする、前記（１）記載の光学的測定装置。
（３）  前記演算処理部は、前記位相から前記ドップラーシフトの成分を除外した後、絶対値の平均値を求め、事前に校正した距離と位相の絶対値の平均値との比例関係を基に、前記対象物までの距離を算出することを特徴とする前記（１）又は（２）記載の光学的測定装置。
（４）  前記ＩＱ検出部により検出した前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑを、デジタルＩＱ信号として取得する２チャンネルＡＤ変換器を備え、前記デジタルＩＱ信号を前記演算処理部に入力して、前記デジタルＩＱ信号から前記ビート信号の位相と周波数を求めることを特徴とする、前記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の光学的測定装置。
（５）  前記光検出器から発生する前記ビート信号をデジタルＲＦ信号として取得する１チャンネルＡＤ変換器を備え、前記ＩＱ検出部は、前記デジタルＲＦ信号から、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑを検出し、前記演算処理部により、該同相成分Ｉと該直交成分Ｑから前記ビート信号の位相と周波数を求めることを特徴とする、前記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の光学的測定装置。
（６）  前記周波数シフトは、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑに含まれる周波数よりも大きいことを特徴とする、前記（１）乃至（５）のいずれか１項記載の光学的測定装置。
（７）  前記レーザの周波数変調信号は正弦波であることを特徴とする前記（１）乃至（６）のいずれか１項記載の光学的測定装置。
（８）  周波数変調したレーザの出力光を２分し、一方をプローブ光、他方を参照光とし、前記プローブ光又は前記参照光のいずれか一方に周波数シフトを与え、前記プローブ光を対象物に照射して、前記対象物からの散乱光と、前記参照光を合波して光検出器に入射し、前記光検出器から発生するビート信号の同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑから、ビート信号の位相と周波数を求めた後、前記周波数から前記対象物の速度を算出する演算、又は前記位相から前記対象物までの距離を算出する演算の少なくともいずれかを実行することを特徴とする光学的測定方法。
（９）  前記周波数から前記対象物の速度を算出する前記演算は、前記周波数の平均値から、前記対象物の運動に起因するドップラーシフトと速度を算出することである、前記（８）記載の光学的測定方法。
（１０）  前記位相から前記対象物までの距離を算出する演算は、前記位相から前記ドップラーシフトの成分を除外した後、絶対値の平均値を求め、事前に校正した距離と位相の絶対値の平均値との比例関係を基に、前記対象物までの距離を算出することである、前記（８）又は（９）記載の光学的測定方法。
（１１）  前記光検出器から発生するビート信号の同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑから、ビート信号の位相と周波数を求める際に、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑを、デジタルＩＱ信号に変換して、該デジタルＩＱ信号から、前記ビート信号の位相と周波数を求めることを特徴とする、前記（８）乃至（１０）のいずれか１項記載の光学的測定方法。
（１２）  前記光検出器から発生するビート信号の同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑから、ビート信号の位相と周波数を求める際に、前記ビート信号をデジタルＲＦ信号に変換して、該デジタルＲＦ信号から、前記同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、該同相成分Ｉと該直交成分Ｑから、前記ビート信号の位相と周波数を求めることを特徴とする、前記（８）乃至（１０）のいずれか１項記載の光学的測定方法。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の光学的測定装置及び測定方法によれば、測定装置と対象物が相対的に運動している場合を含めて、距離と速度を正確に測定できる。本発明の光学的測定装置及び測定方法によれば、距離と速度とを一意的に算出できる。即ち、距離変化の影響を受けることなく、速度の測定ができ、また、速度の影響を受けずに高精度の距離測定ができる。本発明では、レーザ光を用い、光波領域でＦＭＣＷライダを実現できるので、空間分解能が格段に向上できる。
【００４３】
従来のＦＭＣＷライダでは、測定できる距離に制限があり、近傍の測定が不可能であったが、本発明では、周波数シフトを適切に設定することにより、測定距離の制限がないという効果もある。
【００４４】
本発明の光学的測定装置及び測定方法においては、三角波ではなく正弦波により周波数変調した半導体レーザを用いた場合でも、速度及び距離の正確な測定ができる。本発明では、ヘテロダイン光学系を用いて、ＦＭＣＷライダを構成し、ＩＱ検出部及び演算処理部を用いて、ビート信号の位相と周波数を検出し、周波数から速度を、位相から距離を算出することを可能とする。これらの構成により、本発明では、干渉計などの付加的な装置を用いることなく、レーザの非線型チャープを除去可能であり、速度や距離の正確な測定が可能となる。また、このため、レーザの周波数変化をモニタする光学系と、周波数変調を制御する電子回路等が不要である。その結果、装置構成を格段に簡素化することができて、小型化と低価格化を実現できる。よって、本発明の光学的測定装置及び測定方法によれば、距離及び速度の少なくともいずれかを、小型化した装置で高精度の測定が可能となる。
【００４５】
また、変調信号として三角波や鋸波ではなく、正弦波を用いることにより、レーザや駆動回路の周波数応答特性の影響を低減して、高速動作が可能になる。
【００４６】
光検出器から発生するビート信号をデジタルＲＦ信号として取得する１チャンネルＡＤ変換器を備え、ＩＱ検出部と演算処理部の機能を演算処理装置で実行する場合は、信号処理だけで非線形チャープの影響を抑制できるため、より小型化で高精度の装置が実現できる
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る光学的測定装置の第１の実施形態を説明する図である。
【図２】ＩＱ信号演算処理装置における信号処理を説明する図である。
【図３】本発明に係る光学的測定装置の第２の実施形態を説明する図である。
【図４】本発明に係る光学的測定装置の測定精度を評価するための装置を説明する図である。
【図５】評価例１に係る、光位相シフタにより正の速度を与えた場合のビート信号位相を表す図である。（ｂ）は（ａ）の一部（点線で囲んだ部分）の拡大図である。
【図６】評価例１に係る、光位相シフタにより負の速度を与えた場合のビート信号位相を表す図である。（ｂ）は（ａ）の一部（点線で囲んだ部分）の拡大図である。
【図７】評価例１に係る、速度の算出結果と誤差を表す図である。
【図８】評価例１に係る、ドップラーシフト除去前と後の位相絶対平均値の算出結果を表す図である。
【図９】評価例２に係る、可変光遅延線により距離を変化させた場合のビート信号位相を表す図である。
【図１０】評価例２に係る、可変光遅延線により距離を変化させた場合のビート信号位相を表す図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の一部（点線で囲んだ部分）の拡大図である。
【図１１】評価例２に係る、算出した速度と誤差を表す図である。
【図１２】評価例２に係る、半導体レーザの周波数変調波形を表す図である。
【図１３】評価例２に係る、算出した距離を表す図である。（ａ）は絶対距離と速度０に対する偏差、（ｂ）は相対距離と誤差を表す。
【図１４】従来技術におけるＦＭＣＷライダの原理を説明する図である。（ａ）にＦＭＣＷライダ装置、（ｂ）に対象物が静止している場合の参照光、散乱光、ビート信号の周波数、（ｃ）と（ｄ）に対象物が運動している場合の参照光、散乱光、ビート信号の周波数を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
本発明の実施形態について以下説明する。
【００４９】
本発明の実施形態の光学的測定方法では、周波数変調したレーザの出力光を２分し、一方をプローブ光、他方を参照光とし、前記プローブ光又は前記参照光のいずれか一方に周波数シフトｆＳを与え、前記プローブ光を対象物に照射して、前記対象物からの散乱光と、前記参照光を合波して光検出器に入射し、前記光検出器から発生するビート信号の同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出し、前記同相成分Ｉと前記直交成分Ｑから、ビート信号の位相と周波数を求めた後、前記周波数から前記対象物の速度を算出する演算、又は前記位相から前記対象物までの距離を算出する演算の少なくともいずれかを実行する。
【００５０】
本発明の実施形態の光学的測定方法を実施するために、次のような光学的測定装置を用いる。速度の測定のためのみ、距離の測定のためのみ、又は、速度及び距離の両方の測定のために、用いることができる。
【００５１】
本発明の実施形態の光学的測定装置は、周波数変調したレーザと、光検出器と、ヘテロダイン光学系と、ＩＱ検出部と、演算処理部とを少なくとも備える。本実施形態におけるヘテロダイン光学系は、前記レーザの出力光を２分し、一方をプローブ光、他方を参照光とし、前記プローブ光又は前記参照光のいずれか一方に周波数シフトｆＳを与え、前記プローブ光を対象物に照射して、前記対象物からの散乱光と、前記参照光を合波して前記光検出器に入射する光学系である。ヘテロダイン光学系と対象物とでヘテロダイン干渉計を構成する。ＩＱ検出部では、光検出器から発生するビート信号の、同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出する。演算処理部では、同相成分Ｉと直交成分Ｑから、ビート信号の位相と周波数を求め、該周波数から対象物の速度を算出する演算、又は、該位相から対象物までの距離を算出する演算の少なくともいずれかを実行する。
【００５２】
（第１の実施形態）
本実施形態について、図１を参照して説明する。本実施形態では、周波数変調したレーザと、ヘテロダイン光学系と、光検出器と、ＩＱ検出部の例であるＩＱ復調器と、２チャンネルＡＤ変換器と、演算処理部の例であるＩＱ信号演算処理装置とを具備する装置を用いて、対象物までの距離と速度を測定する。
【００５３】
図１は、本実施形態に係る光学的測定装置の基本構成を説明する図である。図１の光学的測定装置は、変調信号発生器１と、注入電流源２と、半導体レーザ３と、ヘテロダイン光学系５と、光検出器１４と、ＩＱ復調器１６と、２チャンネルＡＤ変換器１９と、ＩＱ信号演算処理装置２０とを備える。図１では、周波数変調したレーザとして、直接変調半導体レーザを例に示している。ヘテロダイン光学系５は、信号発生器４と、ビームスプリッタ６ａと光サーキュレータ７と光周波数シフタ８と反射鏡９とビームスプリッタ６ｂとで、主に構成する。光周波数シフタ８は信号発生器４により駆動する。図１に示すように、変調信号発生器１の出力を、注入電流源２を介して、半導体レーザ３に入力し、出力光の周波数を変調する。半導体レーザ３の出力光をビームスプリッタ６ａにより２分し、一方は光周波数シフタ８により周波数シフトを与えて参照光１０とし、他方をプローブ光１１とする。プローブ光１１は光サーキュレータ７を介して、対象物１３に照射する。対象物１３からの散乱光１２を、光サーキュレータ７を介して、ビームスプリッタ６ｂに導き、該散乱光１２と参照光１０とを合波して、光検出器１４により受光する。周波数変調された参照光１０と散乱光１２との間には、対象物１３までの距離に応じた時間差が存在するため、周波数差を生じる。光検出器１４の出力には、周波数差に対応したビート信号１５が発生する。
【００５４】
光検出器１４の出力と、信号発生器４の出力をＩＱ復調器１６に入力して、ビート信号１５の同相成分１７と直交成分１８を検出して、２チャンネルＡＤ変換器１９に入力する。２チャンネルＡＤ変換器１９においては、ビート信号の同相成分１７と直交成分１８をデジタルＩＱ信号に変換して、ＩＱ信号演算処理装置２０へ出力する。ＩＱ信号演算処理装置２０においては、デジタルＩＱ信号から、ビート信号の位相と周波数を計算した後、周波数の平均値を計算してドップラーシフトを求め、対象物１３の速度を算出する。次に、位相から、先に求めたドップラーシフトの成分を除去して、絶対値の平均値（以下、位相絶対平均値と呼ぶ。）を計算する。ＩＱ信号演算処理装置２０には、半導体レーザ３を用いて、事前に校正した距離と位相絶対平均値との関係が記録されており、対象物１３までの距離を算出する。
【００５５】
図１においては、ビームスプリッタ６ａにより２分した光のうち、一方をプローブ光１１、他方に周波数シフトを与えて参照光１０とする構成を示した。ヘテロダイン光学系においては、参照光とプローブ光との間に周波数差があれば良いので、参照光とプローブ光を入れ替えた構成としても動作可能である。
【００５６】
数式を用いて、以下詳しく説明する。図１において、光検出器１４から出力されるビート信号１５は、次式により表すことができる。
【００５７】
【数９】
2020085723.tif 000011
【００５８】
ここで、ｆＳは光周波数シフタ８により与えられる周波数シフトである。Ｉ（ｔ）とＱ（ｔ）はそれぞれ、ＩＱ復調器１６から出力される同相成分１７と直交成分１８である。ＩＱ復調器１６は、ビート信号１５と信号発生器４の出力を入力することにより、周波数シフトｆＳの成分を取り除いて、同相成分１７と直交成分１８をそれぞれ出力する機能を有する。ＩＱ復調器１６により、同相成分１７と直交成分１８を正しく復調するためには、Ｉ（ｔ）とＱ（ｔ）に含まれる成分が、周波数シフトｆＳよりも低い周波数域にあることが必要である。このため、想定される対象物１３の距離と速度に応じて、周波数シフトｆＳを設定する必要がある。同相成分１７と直交成分１８は、それぞれ次式により表すことができる。
【００５９】
【数１０】
2020085723.tif 000012
【００６０】
【数１１】
2020085723.tif 000013
【００６１】
ここで、ａ（ｔ）は半導体レーザ３の強度変調に起因する振幅、φ（ｔ）は半導体レーザ３の周波数変調とドップラーシフトに起因する位相を表す。φ（ｔ）は次式により表すことができる。
【００６２】
【数１２】
2020085723.tif 000014
【００６３】
ここで、ν（ｔ）は半導体レーザ３の周波数変調、τｄは対象物１３までの光の往復時間を表す。
【００６４】
図２はＩＱ信号演算処理装置２０における信号処理を説明する図である。最初に、デジタル信号に変換した同相成分１７と直交成分１８から、次式を用いて折り返された位相θ（ｔ）を求める。
【００６５】
【数１３】
2020085723.tif 000015
【００６６】
（１３）式における逆正接は、−π〜＋πの範囲の値を算出するので、±πを越える位相は、±πの整数倍だけ差し引かれた値になる。
【００６７】
次に、次式で表される位相アンラップ処理を用いて、（１３）式の折り返された位相θ（ｔ）から、本来の位相φ（ｔ）を計算する。
【００６８】
【数１４】
2020085723.tif 000016
【００６９】
ここで、φ（ｔｋ）は位相の時系列データ、Ｎはデータ数を表す。（１４）式は、隣り合う時系列データ間の差がπを越える場合に、位相の折り返しが生じていると判断して、２πの整数倍を加算する処理である。（１４）式は、位相アンラップ処理の一例であり、他のアルゴリズムを用いても同様に実施することができる。
【００７０】
（１４）式の位相を時間微分して、２πで除することにより、ビート信号の周波数ｆＢ（ｔ）を求めることができる。
【００７１】
【数１５】
2020085723.tif 000017
【００７２】
周波数ｆＢ（ｔ）の変調１周期にわたる平均値は、次式により与えられる。
【００７３】
【数１６】
2020085723.tif 000018
【００７４】
（１６）式の計算において、半導体レーザ３の周波数変調に起因する成分は交流信号であるので、平均値は０になり、ドップラーシフトに起因するΔｆＤのみが残る。したがって、ドップラーシフトΔｆＤと次式を用いて、対象物１３の速度を求めることができる。
【００７５】
【数１７】
2020085723.tif 000019
【００７６】
従来技術のＦＭＣＷライダにおいては、三角波のアップ、ダウンチャープの時間域で発生するビート周波数の差から、対象物１３の速度を求めたが、本実施形態の光学的測定装置においては、ビート周波数の１周期にわたる平均値から、速度を算出する。
【００７７】
（１６）式により求めたドップラーシフトΔｆＤを用いて、（１２）式の瞬時位相からドップラーシフトの成分を除去した位相Ψ（ｔ）を求めることができる。
【００７８】
【数１８】
2020085723.tif 000020
【００７９】
半導体レーザ３の周波数変調の周期Ｔｍに比べて、対象物１３までの光の往復時間τｄが十分に小さい場合、（１８）式の被積分関数は次式により近似できる。
【００８０】
【数１９】
2020085723.tif 000021
【００８１】
（１９）式を（１８）式に代入して次式が得られる。
【００８２】
【数２０】
2020085723.tif 000022
【００８３】
ドップラーシフトの成分を除去した位相Ψ（ｔ）について、変調１周期にわたる位相の絶対値の平均値（以下、「位相絶対平均値」という。）Ψａｖｇは、次式で得られる。
【００８４】
【数２１】
2020085723.tif 000023
【００８５】
ここで、被積分関数中のν（ｔ）は半導体レーザ３の周波数変調を表し、積分値は、対象物１３の距離や速度に依存しない定数である。したがって、位相絶対平均値Ψａｖｇは、対象物１３までの距離Ｌに比例するので、事前に次式で表される比例係数γを求めておけば、距離Ｌを算出することができる。距離Ｌは、［位相絶対平均値Ψａｖｇ］／［比例係数γ］で与えられる。よって、距離Ｌは、位相からドップラーシフトの成分を除外した後、絶対値の平均値［位相絶対平均値Ψａｖｇ］を求め、事前に校正した距離と位相の絶対値の平均値との比例関係（比例係数γ）を基に、前記対象物までの距離を算出することができる。
【００８６】
【数２２】
2020085723.tif 000024
【００８７】
ＩＱ信号演算処理装置２０と、ビート信号演算処理装置２２には、比例係数γを予め記録しておく。比例係数γは、半導体レーザ３の周波数変調ν（ｔ）と、変調周期Ｔｍと、光速度ｃから計算できる。また、光路差が校正された干渉計を用いて、位相絶対平均値Ψａｖｇと光路差の関係を測定することにより求めることもできる。
【００８８】
ＩＱ復調器１６と、ＩＱ信号演算処理装置２０と、ビート信号演算処理装置２２が正しく機能するためには、対象物１３の距離と速度に応じて、周波数シフトｆＳを設定する必要がある。（１５）式で表されるビート信号の周波数と、周波数シフトｆＳの和が、負領域にある場合は、正の周波数として検出されるため、距離と速度の算出に誤差を生じる。したがって、（１５）のビート信号の周波数の絶対値に比べて、周波数シフトｆＳを大きく設定する必要がある。従来技術のＦＭＣＷライダにおいては、対象物１３の運動速度に応じて、測定できる距離に制限が課せられるが、本発明の光学的距離・速度検出装置においては、周波数シフトｆSを適切に設定することにより、測定できる距離に制限は生じない。
【００８９】
従来技術のＦＭＣＷライダにおいては、周波数変調信号として、三角波または鋸波を用いる。一方、本実施形態においては、比例係数γを事前に求めておけば、三角波または鋸波に限定されることなく、任意の周期関数信号を用いることができる。また、（２１）式は変調１周期にわたる平均値であるが、平均値を計算する区間を変調周期の整数倍に設定してもよい。
【００９０】
（第２の実施形態）
本実施形態について、図３を参照して説明する。図３は、本実施形態に係る光学的測定装置の基本構成を説明する図である。本実施形態においては、第１の実施形態における、ＩＱ復調器１６と、２チャンネルＡＤ変換器１９と、ＩＱ信号演算処理装置２０の代わりに、１チャンネルＡＤ変換器２１と、ビート信号演算処理装置２２とを用いる。光検出器１４の出力を、１チャンネルＡＤ変換器２１に入力して、デジタルＲＦ信号として、ビート信号演算処理装置２２に入力する。ビート信号演算処理装置２２においては、デジタルＲＦ信号から、ビート信号の同相成分と直交成分を求めた後に、ビート信号の位相と周波数を計算する。位相と周波数から、対象物の速度と距離を算出する処理は、ＩＱ信号演算処理装置２０の場合と同様である。ここで、ビート信号演算処理装置は、デジタルＲＦ信号から、同相成分Ｉと直交成分Ｑを検出するＩＱ検出部と、同相成分Ｉと直交成分Ｑからビート信号の位相と周波数を求めて、対象物の速度と距離を算出する演算処理部との両方の機能を実行する。
【００９１】
［精度の評価］
図４は、本発明に係る光学的測定装置の測定の精度を評価するための装置を説明する図である。図４の精度評価装置は、変調信号発生器１と、注入電流源２と、半導体レーザ３と、ヘテロダイン光学系５と、光検出器１４と、ベクトル信号解析装置２８と、演算処理装置２９とを備える。変調信号発生器１の出力を、注入電流源２を介して、半導体レーザ３に入力し、出力光の周波数を変調する。半導体レーザ３の出力光を、光サーキュレータ７を介して、ヘテロダイン光学系５に入力する。
【００９２】
ヘテロダイン光学系５は、光ファイバを用いて構成し、光サーキュレータ７と、音響光学変調器２３と、信号発生器４と、可変光遅延線２４と、光位相シフタ２６と、三角波信号発生器２７と、ファラデー回転鏡２５ｂを備える。ヘテロダイン光学系５は、対象物１３（図１や図３参照）に相当するファラデー回転鏡２５ａと合わせて、ヘテロダイン干渉計を構成する。図１及び図３の光学的測定装置は、マッハ・ツェンダー型干渉計であるが、ここでは、光ファイバ中を伝搬する光の偏波面回転の影響を除去するため、偏波無依存型のマイケルソン型干渉計を用いた。
【００９３】
ヘテロダイン光学系５において、音響光学変調器２３は、図１や図３におけるビームスプリッタ６ａと６ｂと、光周波数シフタ８の機能を有する。音響光学変調器２３は、信号発生器４により駆動し、光周波数シフトを受けない０次回折光と、光周波数シフトを受けた１次回折光をそれぞれ出力する。ここでは、０次回折光をプローブ光１１とし、１次回折光を参照光１０とする。０次回折光は、可変光遅延線２４を透過した後、ファラデー回転鏡２５ａにより反射し、同じ光路を逆方向に伝搬して、光サーキュレータ７を介して、光検出器１４に入力する。プローブ光１１に距離変化を与えるため、可変光遅延線２４を用いて、光路長を精密に調整する。光検出器１４に到達するプローブ光１１は、音響光学変調器２３を２回通過するが、周波数シフトは生じない。
【００９４】
一方、１次回折光は、光位相シフタ２６を透過した後、ファラデー回転鏡２５ｂにより反射し、同じ光路を逆方向に伝搬して、光サーキュレータ７を介して、光検出器１４に入力する。運動を模擬するため、光位相シフタ２６を用いて光路長を変調し、参照光１０にドップラーシフトを与える。光位相シフタ２６は三角波信号発生器２７により駆動するので、正と負、両方の運動速度を模擬することができる。光検出器１４に到達する参照光１０は、音響光学変調器２３を２回通過するため、信号発生器４の周波数の２倍に相当する周波数シフトが与えられる。
【００９５】
図４では、プローブ光１１に距離変化、参照光１０に運動によるドップラーシフトを与える構成とした。この構成は、図１や図３の光学的測定装置において、観測者である測定装置が運動し、対象物１３までの距離が変化する場合に相当する。ドップラーシフトによる速度の算出は、測定装置と対象物との間の相対速度を測定するので、参照光、またはプローブ光のいずれかにドップラーシフトを与えても、測定結果は同じである。
【００９６】
光検出器１４に入力した参照光１０とプローブ光１１は、ヘテロダイン干渉によるビート信号１５を出力する。ビート信号の中心周波数は、信号発生器４の周波数の２倍である。光検出器１４から出力されるビート信号を、ベクトル信号解析装置２８に入力して、デジタル信号への変換（分解能１２ビット）と、（１０）、（１１）式でそれぞれ表される同相及び直交成分の検出と、（１３）式で表される折り返された位相の計算と、（１４）式で表される位相アンラップ処理を実行し、本来の位相を求める。ここでは、（１５）式から（２２）式に至る処理は、演算処理装置２９を用いて、オフラインで実行する。ここでは、図３の形態を用いて、ビート信号の処理を行うが、実際の距離や速度の測定においては、図１の形態であるアナログ電子回路のＩＱ復調器を用いれば、より高速に行うことができる。
【００９７】
次に、測定精度の評価結果について、具体的な評価例を説明する。変調信号発生器１の出力として、周波数５０ｋＨｚの正弦波を用い、半導体レーザ３の変調電流振幅は７６ｍＡｐｐ、出力光のチャープ帯域幅は１４．７ＧＨｚである。半導体レーザ３は正弦波で変調しているため、出力光は非線形チャープを有し、従来技術である（１）、（２）、（３）式を用いた距離と速度の算出はできない。信号発生器４の周波数は１００ＭＨｚ、ビート信号１５の中心周波数は２００ＭＨｚである。また、光位相シフタ２６を駆動する三角波信号発生器２７の周波数は１ｋＨｚであり、変調信号発生器１と同期している。ベクトル信号解析装置２８によるビート信号の取得は、三角波信号発生器２７と同期しているので、ビート信号取得のトリガ遅延を調整することにより、正と負の速度に対応する波形をそれぞれ取得することができる。
【００９８】
評価例１では、可変光遅延線２４を固定した距離一定の条件のもとで、光位相シフタ２６の変調振幅により速度変化を与えて、速度と位相絶対平均値の測定を行った。
【００９９】
図５は、光位相シフタ２６により正の速度を与えた場合のビート信号位相の波形を表す図である。（ｂ）は（ａ）の一部（点線で囲んだ部分）の拡大図である。図５（ａ）は、光位相シフタ２６の変調振幅を０Ｖから１５０Ｖｐｐまで、３０Ｖ単位で変化させた場合の波形を表示したものである。速度の増加とともに、波形全体が右上がりに傾き上昇していることがわかる。この傾きは（１２）式におけるドップラーシフトに対応する。図５（ｂ）の拡大図では、速度に対する位相の変化が明確に現れている。
【０１００】
図６は、光位相シフタ２６により負の速度を与えた場合のビート信号位相の波形を表す図である。（ｂ）は（ａ）の一部（点線で囲んだ部分）の拡大図である。図５と比較すると、波形全体の傾きが逆になっており、運動の方向が逆であることを示している。
【０１０１】
図５と図６に示したビート信号位相から、（１５）、（１６）、（１７）式を用いて、速度を算出することができる。図７は、時刻−１０μｓから＋１０μｓにわたる１周期分の波形について、算出した速度と誤差を表す図である。黒丸印が速度の算出結果であり、黒四角印がと誤差の算出結果を表す。横軸は、非特許文献１に記載されているヘテロダイン干渉計に、光位相シフタ２６を組み込んで、位相変調波形を測定し、位相を距離に変換して、速度を校正した値である。測定値は校正値と良く一致し、誤差は±２ｍｍ／ｓ以内である。なお、非特許文献１に記載されているヘテロダイン干渉計とは、光周波数シフタを含むマッハツェンダー干渉計により構成され、ビート信号から位相変調波形を測定する機能を有するものである。
【０１０２】
図５と図６に示したビート信号位相から、（１８）式を用いてドップラーシフトを除去し、さらに、（２１）式を用いて位相絶対平均値を算出することができる。図８は、時刻−１０μｓから＋１０μｓにわたる１周期分の波形から算出した位相絶対平均値を表す図である。黒四角印がドップラーシフト除去前で、黒丸印が除去後の、位相絶対平均値の算出結果である。ドップラーシフトを除去しない波形から算出すると、一定値であるべき平均値が、速度に比例して減少する結果となる。一方、ドップラーシフト除去後の波形から算出した値は、ほぼ一定である。図８は、１００ｍｍ／ｓ以下の小さな速度でも、位相絶対平均値の算出に大きく影響することを示唆している。
【０１０３】
評価例２では、速度一定の条件のもとで、可変光遅延線２４により距離を変化させて、距離と速度の測定を行った。
【０１０４】
図９は、可変光遅延線２４を用いて、距離を４ｍｍ単位で変化させた場合のビート信号位相を表す図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、速度−５２．４、０、５２．５ｍｍ／ｓに対応する。図９（ｂ）の静止時の波形に対して、図９（ａ）、（ｃ）では、速度の符号に応じて、波形全体が右上（（ａ）参照）又は右下（（ｃ）参照）へ傾いていることがわかる。
【０１０５】
図１０は、図９の一部（点線で囲んだ部分）を拡大した波形である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、速度−５２．４、０、＋５２．５ｍｍ／ｓに対応する。４ｍｍ単位の距離変化による位相変化が明確に現れている。また、図１０（ｂ）の静止時の波形に対して、図１０（ａ）、（ｃ）では、速度の符号に応じて、波形全体が上下方向にシフトしていることがわかる。
【０１０６】
最初に、図９（ａ）、（ｃ）に示したビート信号位相のうち、時刻−１０μｓから＋１０μｓにわたる１周期分の波形と、（１６）、（１７）式を利用して、速度の算出を行った。図１１は、算出した速度と誤差を表す図である。黒三角印は速度−５２．４ｍｍ／ｓ、黒四角印は速度＋５２．５ｍｍ／ｓに対応する。速度の測定値は距離によらずほぼ一定であり、誤差は±２ｍｍ／ｓ程度である。図１１の結果は、距離変化の影響を受けることなく、速度の測定が可能であることを示している。
【０１０７】
次に、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示したビート信号位相のうち、時刻−１０μｓから＋１０μｓにわたる１周期分の波形と、（２０）、（２１）、（２２）式を利用して、距離の算出を行った。（２２）式の比例係数γは、半導体レーザ３の周波数変調から求めた。図１２は、非特許文献１に記載されているヘテロダイン干渉計を用いて測定した、半導体レーザ３の周波数変調波形を表す図である。図１２の波形から計算した比例係数は、γ＝１９６．１［ｒａｄ／ｍ］である。なお、非特許文献１に記載されているヘテロダイン干渉計とは、光周波数シフタを含むマッハツェンダー干渉計により構成され、ビート信号から周波数変調波形を測定する機能を有するものである。
【０１０８】
図１３は、算出した距離を表す図である。黒丸印は速度０ｍｍ／ｓ、黒四角印は速度＋５２．５ｍｍ／ｓ、黒三角印は速度−５２．４ｍｍ／ｓ、の場合に対応する。図１３（ａ）は絶対距離と、速度０の場合に対する偏差である。絶対距離は可変光遅延線の設定値に比例し、速度による距離測定値の偏差は±２ｍｍ程度である。図１３（ｂ）は相対距離と、可変光遅延線の設定値に対する誤差である。いずれの速度においても、相対誤差は±１ｍｍ程度であり、速度の影響を受けずに高精度の距離測定が可能であることを示している。
【０１０９】
半導体レーザ３のチャープ帯域幅は１４．７ＧＨｚであり、従来技術における（８）式により計算した分解能は、１ｃｍである。一方、評価例１と２では、非線形チャープが存在するにもかかわらず、１ｃｍを遥かに越える数ｍｍ程度の精度と分解能が得られている。このような性能の違いは、散乱点が一つであることに加えて、時間領域で信号処理を行っていることによるものである。従来技術では、周波数領域で信号処理を行うため、非線形チャープによりビート信号のスペクトルが広がり、中心を正確に求めることが困難になる。一方、本発明の光学的測定装置及び方法においては、時間領域で信号処理を行い、距離と速度による信号の変化を明確に識別できるため、高精度測定が可能になる。
【０１１０】
上記実施の形態においては、光源として半導体レーザを用いた場合について説明したが、周波数変調機能を有するレーザ、または周波数固定のレーザと周波数変調器を組み合わせた光源であれば、同様にして実施できる。
【０１１１】
上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明の光学的測定装置及び方法は、レーザの周波数変調を制御するための付加的な装置が不要であるので、小型でかつ高精度で低価格のＦＭＣＷライダシステムとして産業上有用である。自動車、自律ロボットなどの環境認識センサとしての利用を含め、民生機器へ利用可能性が大である。
【符号の説明】
【０１１３】
１    変調信号発生器
２    注入電流源
３    半導体レーザ
４    信号発生器
５    ヘテロダイン光学系
６ａ、６ｂ    ビームスプリッタ
７    光サーキュレータ
８    光周波数シフタ
９    反射鏡
１０  参照光
１１  プローブ光
１２  散乱光
１３  対象物
１４  光検出器
１５  ビート信号
１６  ＩＱ復調器
１７  同相成分
１８  直交成分
１９  ２チャンネルＡＤ変換器
２０  ＩＱ信号演算処理装置
２１  １チャンネルＡＤ変換器
２２  ビート信号演算処理装置
２３  音響光学変調器
２４  可変光遅延線
２５ａ、２５ｂ  ファラデー回転鏡
２６  光位相シフタ
２７  三角波信号発生器
２８  ベクトル信号解析装置
２９  演算処理装置
３０  ホモダイン光学系
【図１】
2020085723.tif 000025
【図２】
2020085723.tif 000026
【図３】
2020085723.tif 000027
【図４】
2020085723.tif 000028
【図５】
2020085723.tif 000029
【図６】
2020085723.tif 000030
【図７】
2020085723.tif 000031
【図８】
2020085723.tif 000032
【図９】
2020085723.tif 000033
【図１０】
2020085723.tif 000034
【図１１】
2020085723.tif 000035
【図１２】
2020085723.tif 000036
【図１３】
2020085723.tif 000037
【図１４】
2020085723.tif 000038