(57)【要約】【課題】高フレームレートの距離画像を生成する光測距システムの実現。【解決手段】複数の異なる波長の光パルスを発生し、波長を順次変えながら光パルスを発生するサイクルを繰り返す複数波長パルス光源21と、光パルスを走査するスキャン装置22と、複数の異なる波長の光パルスのターゲットからの反射光を受光し、複数の異なる波長に対応する受光信号を発生する波長選択受光部23と、複数波長パルス光源における複数の異なる波長の光パルスの発生から所定時間内に発生する対応した波長の受光信号の発生までの時間を検出し、検出した時間から走査方向におけるターゲットまでの距離を算出する制御演算部24と、を有する光測距システム。【選択図】図３
2017161292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なる波長の光パルスを発生し、波長を順次変えながら前記光パルスを発生するサイクルを繰り返す複数波長パルス光源と、
前記光パルスを走査するスキャン装置と、
前記複数の異なる波長の光パルスのターゲットからの反射光を受光し、前記複数の異なる波長に対応する受光信号を発生する波長選択受光部と、
前記複数波長パルス光源における複数の異なる波長の光パルスの発生から所定時間内に発生する対応した波長の前記受光信号の発生までの時間を検出し、検出した時間から走査方向におけるターゲットまでの距離を算出する制御演算部と、を備えることを特徴とする光測距システム。
【請求項２】
前記複数波長パルス光源は、波長可変レーザを有する請求項１に記載の光測距システム。
【請求項３】
前記波長選択受光部は、
複数の受光素子と、
前記複数の受光素子の入射部に配置され、前記複数の異なる波長を選択的に透過する複数の薄膜フィルタと、を有する請求項１または２に記載の光測距システム。
【請求項４】
前記スキャン装置は、ＭＥＭＳスキャナである請求項１から３のいずれか１項に記載の光測距システム。
【請求項５】
当該光測距システムの最大計測距離がDmaxであり、前記複数波長パルス光源がＮ種の異なる波長の光パルスを発生する場合、
前記複数波長パルス光源は、2*Dmax/(N*c)以上、2*Dmax/c以下（ここで、c：光速）の一定の時間間隔にて前記光パルスを発生することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光測距システム。
【請求項６】
異なる波長の光パルスを順次発生するサイクルを繰り返し、
前記光パルスを走査し、
前記光パルスのターゲットからの反射光を受光し、異なる波長に対応する受光信号を発生し、
前記光パルスの発生から所定時間内に発生する対応した波長の前記受光信号の発生までの時間を検出し、
検出した時間から走査方向におけるターゲットまでの距離を算出する、ことを特徴とする光測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光測距システムおよび光測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特定の方位に出射したビーム状の光パルスが、対象物に散乱されて戻ってくるまでの時間(Time of Flight: TOF)を計測することで、その方位における対象物までの距離を計測できる。以下、ビーム状の光パルスビームと称する。光パルスビームを出射する方向を連続して変化させる走査（スキャン）を行う、すなわち計測する方位を変えながら、このような距離測定を繰り返すことで、3次元の距離画像(Depth image)を得ることができる。この場合の光源としてレーザを使用するのが一般的であるため、このような三次元の距離画像を得るシステムを、一般にレーザ測距システムと称する。このようなレーザ測距システムは、レーザレーダ装置にも使用される。
【０００３】
図１は、一般的なレーザ測距システムを説明する図である。
光パルス光源１１は、ビーム１２状の光パルスを出射する。光パルス光源１１は、例えば半導体レーザ等の高速で変調可能な光源であり、以下光パルスをレーザパルスまたはレーザパルスビームと称する場合がある。光パルスは、スキャン手段１３により出射方向を変化させるように走査される。スキャン手段１３は、例えばスキャンミラー等で実現される。走査は、一次元または二次元で行われる。スキャンミラーは、例えばＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーで実現される。
【０００４】
光パルスは、スキャン手段１３からの出射方向が一定の角度間隔ごとに発生され、その時点の出射方向に出射される。図１では、光パルスは出射方向がφ１、φ２、φ３に出射される。言い換えれば、光パルスはスキャン手段１３により走査される。スキャン手段１３は、光パルスを一定方向（図１では水平方向）に一次元走査するだけでなく、さらに別の方向に二次元走査する場合もある。
【０００５】
図１に示すように、スキャン手段１３から方向φ１に出射されたビーム１４の光パルス１８は、その方向に存在する物体（ターゲット）１００で散乱されて、散乱光パルス１５が生じる。散乱光パルス１５の一部（エコー）１９は、スキャン手段１３の近傍に設けられた集光レンズ１６に入射し、集光されて受光素子１７に入射する。受光素子１７は、入射したエコー１９に対応したパルス状の受光信号を発生する。以下、光パルス光源１１、スキャン手段１３、集光レンズ１６および受光素子１７は、１個の光学測距システム（装置）内に収容され、装置内の距離は、装置からターゲットまでの距離に比べて無視できるほど小さいとする。
【０００６】
光パルスが発生されてから受光信号が発生するまでの時間は、光パルス光源１１および受光素子１７を含む光学測距装置からターゲット１００までの距離Dの２倍を光速で除した値である。そこで、光パルスが出射されてから帰ってきて受光されるまでの時間(Time of flight: TOF)T1を計測し、次の式にしたがって方位φ１にあるターゲット１００までの距離Dを計測する。
【０００７】
D=(T1*c)/2
ただし、cは光速である。
【０００８】
次に、別の方位φ２にあるターゲットの距離を測定するため、ミラーをスキャンして方位φ２に光パルスを出射し、同様に方位φ２のターゲットまでの距離をＴＯＦT2から測定する。このように、ミラーをスキャンしながら方位ごとにパルス光のTOFを測定することで、最終的にミラー振れ幅に対応した画角の距離画像を得る。したがって、集光レンズ１６および受光素子１７からなる受光部は、スキャン範囲内のターゲットで反射された光パルスを受光可能な広角の受光範囲を有する。
【０００９】
図２は、図１に示した一般的な光測距システムにおけるパルス光出射、受光のタイミングを示すタイムチャートである。
図２に示すように、スキャン手段１３による出射方向がφ１、φ２、φ３の時に、光パルス１、光パルス２、光パルス３が発生される。方向φ１の時にはTOF=T1で光パルス１のエコーが受光され、方向φ２の時にはTOF=T2で光パルス２のエコーが受光され、方向φ３の時にはTOF=T3で光パルス３のエコーが受光される。T1,T2,T3の値から、方向φ１、φ２、φ３におけるターゲットまでの距離が算出される。
【００１０】
光測距システムでは、検出するターゲットまでの最大計測距離があらかじめ決められており、検出距離範囲Dmaxと称する。ターゲットが光測距装置から距離Dmaxに位置する場合のTOFは2Dmax/cであり、受光部で続けて出射された隣接する２つの光パルス（エコー）を区別するためには、少なくともこのTOFより長い時間待って次の光パルスを出射する必要がある。したがって、図２のタイムチャートにおいて、光パルス出射タイミングに関し光パルス間隔Tに対して、次の条件が課せられる。
【００１１】
T>2*Dmax/c
言い換えると一方位当たりの距離計測に最低でも時間Tが必要になる。例えばDmax=30mの場合、このTは200nsになる。この場合、VGAの解像度(640x480点)の距離画像を得ようとすると、1フレームの取得に61msecの時間が必要になり、フレームレートとしては16.3fps(flames/sec)になる。このフレームレートは動きの速い物体の距離画像を滑らかに得るためには、十分に大きいとは言えない。したがって、上記の光測距システムは、レーザレーダのような二次元距離画像を生成する場合には、一方位当たりのTOFと1フレーム当たりの測定点数で決まる限界値よりも大きいフレームレートの距離画像を得られなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−２９２３０８号公報
【特許文献２】特開２０００−３５４７９号公報
【特許文献３】特開２００３−１４９３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、高フレームレートの距離画像を生成する光測距システムを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
１つの態様では、光測距システムは、複数波長パルス光源と、スキャン装置と、波長選択受光部と、制御演算部と、を有する。複数波長パルス光源は、複数の異なる波長の光パルスを発生し、波長を順次変えながら光パルスを発生するサイクルを繰り返す。スキャン装置は、光パルスを走査する。波長選択受光部は、複数の異なる波長の光パルスのターゲットからの反射光を受光し、複数の異なる波長に対応する受光信号を発生する。制御演算部は、波長を順次変えながら光パルスを発生するサイクルを繰り返すように複数波長パルス光源を制御する。さらに、制御演算部は、複数波長パルス光源における複数の異なる波長の光パルスの発生から所定時間内に発生する対応した波長の受光信号の発生までの時間を検出し、検出した時間から走査方向におけるターゲットまでの距離を算出する。
【００１５】
また、１つの態様では、光測距方法は、異なる波長の光パルスを順次発生するサイクルを繰り返し、光パルスを走査し、光パルスのターゲットからの反射光を受光し、異なる波長に対応する受光信号を発生する。光測距方法は、さらに、光パルスの発生から所定時間内に発生する対応した波長の受光信号の発生までの時間を検出し、検出した時間から走査方向におけるターゲットまでの距離を算出する。
【発明の効果】
【００１６】
１つの側面として、高フレームレートの距離画像を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一般的なレーザ測距システムを説明する図である。
【図２】図１に示した一般的な光測距システムにおけるパルス光出射、受光のタイミングを示すタイムチャートである。
【図３】第１実施形態の光測距システムの概略構成を示す図である。
【図４】第１実施形態の光測距システムにおけるパルス光出射、受光のタイミングを示すタイムチャートである。
【図５】第２実施形態のレーザ測距装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図３は、第１実施形態の光測距システムの概略構成を示す図である。
第１実施形態の光測距システムは、複数波長パルス光源２１と、スキャン装置２２と、波長選択受光部２３と、制御演算部２４と、を有する。
【００１９】
複数波長パルス光源２１は、ビーム状の複数の異なる波長の光パルスを発生し、波長を順次変えながら光パルスを発生するサイクルを繰り返す。第１実施形態の光測距システムでは、複数波長パルス光源２１は、数ns以下のパルス幅の光パルスを十数nsのサイクルで光パルス発生することが求められるので、半導体レーザで実現する。また、異なる波長の光パルスを発生するので、例えば波長可変レーザが使用される。ただし、これに限定されるものではなく、例えば、波長の異なる複数の半導体レーザを有し、複数の半導体レーザの出力を結合することで実現することも可能である。以下、複数波長パルス光源２１の出力する光パルスを光パルスビームと称する。また、ここでは、複数波長パルス光源２１は、λ１、λ２、λ３の３つの波長の光パルスビームをこのサイクルで発生するものとして説明する。
【００２０】
スキャン装置２２は、複数波長パルス光源２１から入射した光パルスビームを、出射方向を変化させながら出射、すなわち光パルスビームで走査を行う。スキャン装置２２は、例えばスキャンミラー等で実現され、ここでは二次元の走査が行われるが、一次元の走査でもよい。スキャンミラーは、距離画像のフレームレートを考慮すると、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーで実現することが望ましいが、例えば、多数面の高速回転ポリゴンミラーで実現することも可能である。
【００２１】
図３に示すように、光パルスビームは、スキャン装置２２による出射方向がφ１、φ２、φ３、φ４、…の時に発生される。言い換えれば、光パルスビームは、方向にφ１、φ２、φ３、φ４、…に出射される。上記のように、λ１、λ２、λ３の３つの波長の光パルスビームがサイクルで発生されるので、方向φ１の時には波長λ１の光パルスビームが、方向φ２の時には波長λ２の光パルスビームが、…、方向φ６の時には波長λ３の光パルスビームが出射される。図３では、出射された光パルスビームを実線で示し、ターゲットで散乱（乱反射）され、波長選択受光部２３に入射する光パルスビームのエコーを破線で示している。もちろん、ターゲットの位置により、散乱の発生する位置が異なる。
【００２２】
波長選択受光部２３は、入射した光パルスビームを受け、異なる波長ごとに受光信号を発生する。そのため、波長選択受光部２３は、波長（ここではλ１、λ２、λ３の３つの波長）ごとに光パルスビームを分離する波長分離機構と、分離した光パルスビームに応じて受光パルス信号を生成する複数の波長対応受光器と、を有する。波長分離機構は、例えば、多層薄膜フィルタにより行うが、光回折格子等を利用して分離することもできる。また、複数の波長対応受光器は、高速の応答速度を有する受光素子を利用して実現され、例えば、アバランシュホトダイオードを利用して実現される。しかし、これに限らず、高速の応答速度を有する受光素子であれば利用可能であり、ＰＩＮホトダイオード等を使用してもよい。
【００２３】
制御演算部２４は、複数波長パルス光源２１から複数の異なる波長の光パルスビームの発生時刻に関する信号を受け、光パルスビームの発生から所定時間内に発生する対応した波長の受光信号の発生までの時間を検出する。そして、制御演算部２４は、検出した時間から走査方向におけるターゲットまでの距離を算出する。制御演算部２４は、例えば、ＣＰＵやＤＳＰを有する演算回路により実現される。
【００２４】
図４は、第１実施形態の光測距システムにおけるパルス光出射、受光のタイミングを示すタイムチャートである。
図４に示すように、スキャン装置２２による出射方向がφ１、φ２、φ３、φ４、φ５、…の時に、波長λ１の光パルス１、波長λ２の光パルス２、波長λ３の光パルス３、波長λ１の光パルス４、波長λ２の光パルス５、…が発生される。ここで、光パルス１、光パルス２、光パルス３、光パルス４、光パルス５は、等間隔のパルス間隔Tで発生される。パルス間隔Tは、光測距システムの最大計測距離がDmaxであり、３つの異なる波長の光パルスビームを発生する場合、間隔Tは、2*Dmax/(N*c)以上、2*Dmax/c以下（ここで、c：光速）に設定される。
【００２５】
方向φ１の時に出射された光パルス１のエコーはTOF=T1で受光され、このエコーは波長λ１であるので、波長λ１の受光器により受光（パルス）信号が発生されるが、波長λ２およびλ３の受光器は受光信号を発生しない。同様に、方向φ２の時に出射された光パルス２のエコーはTOF=T2で受光され、このエコーは波長λ２であるので、波長λ２の受光器により受光（パルス）信号が発生されるが、波長λ１およびλ３の受光器は受光信号を発生しない。同様に、方向φ３の時に出射された光パルス３のエコーはTOF=T1で受光され、このエコーは波長λ３であるので、波長λ３の受光器により受光（パルス）信号が発生されるが、波長λ１およびλ２の受光器は受光信号を発生しない。
【００２６】
図４において、波長λ１の受光器は、波長λ１の光パルスに対して受光信号を発生し、波長λ２およびλ３の光パルスに対して受光信号を発生しないため、波長λ１の受光器については波長λ２およびλ３の光パルスは発生しないとみなせる。言い換えれば、波長λ１の光パルスの発生と波長λ１の受光器による受光のみで計測が行われる。波長λ１の光パルスは3Tのパルス間隔で発生され、そのパルス間隔は2*Dmax/c以上であるから、前述の通り、最大計測距離がDmax以内のターゲットまでの距離を計測できる。これは波長λ２の光パルスと波長λ２の受光器の組および波長λ３の光パルスと波長λ３の受光器の組についても同様である。
【００２７】
これにより、連続するN個（ここでは3個）のパルスを波長で識別するため、これらの間でエコーが受光器に到達する順番が近くなってもまたは入れ替わっても、出射パルスと正しく対応付けて距離を測定することができる。したがって、図４に示すように、ある方位の距離を計測するためにパルス光を出射した後、時間2*Dmax/cまで待たずに、次の計測のためのパルス光を出射することができる。すなわち、一方位当たりの測定時間を短くすることができ、図１および図２に示したレーザ測距システムに比べてフレームレートをN倍に増大することができる。
【００２８】
制御演算部２４は、各方向について、対応する波長の光パルスの発生から受光信号の発生までの時間差を検出し、図１および図２で説明したように、検出した時間差から各方向におけるターゲットまでの距離を算出する。
【００２９】
図５は、第２実施形態のレーザ測距装置の構成を示す図である。なお、第２実施形態のレーザ測距装置は、距離画像を生成するので、レーザレーダ装置ともいえるものである。
第２実施形態のレーザ測距装置は、光パルスビームを出射する投光ユニット５０と、ターゲットからの光パルスビームの散乱光（エコー）を受光する受光ユニット６０と、を有する。投光ユニット５０は、波長可変レーザユニット５１と、シングルモード光ファイバ５２と、Erドープ光ファイバアンプ(EDFA)５３と、コリメートレンズ５４と、二次元ＭＥＭＳスキャナ５５と、投光レンズ５６と、制御・駆動回路５７と、を有する。受光ユニット６０は、レンズ６１−１〜６１−８、誘電体多層膜フィルタ６２−１〜６２−８およびアバランシェフォトダイオード(APD)６３−１〜６３−８から８組の受光部と、距離計測回路６９と、を有する。
【００３０】
第２実施形態では、最大計測距離Dmaxを30m、取得した距離画像の画素数をVGA相当の640x480とする。この場合、一方向のパルスのToFは最大で200nsとなる。そこで、上述の原理にしたがって、本実施例では、投光系が出射するパルス列の時間間隔を200/8=25nsより少しい大きい値である30nsに設定する。この場合、フレームレートは108.5fpsとなり、例えばスポーツなどをしている人の動きを捉えるには十分な速さになる。また、パルス幅を300psとする。
【００３１】
波長可変レーザユニット５１は、光ファイバ通信のCバンド帯の中から1550nmを中心に1.6nm間隔で並んだ8波長のパルスを選択的に発生する。具体的には、λ１=1544.4nm、λ２=1546.0nm、λ３=1547.6nm、λ４=1549.2nm、λ５=1550.8nm、λ６=1552.4nm、λ７=1554.0nm、λ８=1555.6nmの8種類の波長にてサイクリックに変化させながら光パルス列を出力する。波長可変レーザユニット５１は、光パルス列の発生タイミングを示す信号を制御・駆動回路５７に出力する。波長可変レーザユニット５１の詳細な構成については後述する。
【００３２】
シングルモードの光ファイバ５２は、波長可変レーザユニット５１の出射する光パルスをErドープ光ファイバアンプ(EDFA)５３に伝送する。Erドープ光ファイバアンプ(EDFA)５３は、光パルスを増幅する。コリメートレンズ５４は、EDFA５３の出力する光パルスを平行な光パルスビームにする。二次元ＭＥＭＳスキャナ５５は、２軸で回転するＭＥＭＳミラーを有し、コリメートレンズ５４５４からの光パルスビームを二次元走査するように反射方向を変化させる。二次元MEMSスキャナ５５は、ＭＥＭＳスキャナ５５の回転位置、すなわち光パルスビームの出射（反射）方向を示す信号を制御・駆動回路５７に出力する。走査レンズ５６は、二次元MEMSスキャナ５５からの光パルスビームが、検出確度範囲内でビーム状に投光されるようにする。検出確度範囲は、例えば、±１５°である。
【００３３】
レンズ６１−１〜６１−８は、検出確度範囲内からの散乱光（エコー）を、誘電体多層膜フィルタ６２−１〜６２−８を介してアバランシェフォトダイオード(APD)６３−１〜６３−８の受光面に集光する。誘電体多層膜フィルタ６２−１〜６２−８は、上記のλ１〜λ８の８つの波長を中心として±0.4nmの透過波長帯を有し、λ１〜λ８の８つの波長の光パルスビームを分離する。アバランシェフォトダイオード(APD)６３−１〜６３−８は、高速の応答性能を有する受光素子であり、それぞれ誘電体多層膜フィルタ６２−１〜６２−８を透過したλ１〜λ８の８つの波長の光パルスビームに応じて受光パルスを生成する。具体的には、アバランシェフォトダイオード(APD)６３−１〜６３−８は、InGaAsを吸収層とするもので、10Gb/s以上と高速な光ファイバ通信で用いられており、パルス幅300psのパルスを容易に検知することができる。距離計測回路６９は、制御回路５７からの光パルス発生信号とアバランシェフォトダイオード(APD)６３−１〜６３−８の受光信号の時間差から、各方向におけるターゲットまでの距離を算出し、距離画像を生成する。
【００３４】
第２実施形態では、波長可変レーザユニット５１として、光ファイバ通信で用いられるInP基板上の波長可変レーザとマッハツェンダ型変調器を集積した素子を用いる。波長可変レーザは、キャリア注入により導波路の屈折率を変化させるタイプの素子を用いる。このような波長可変レーザは、高速での波長切り替えが可能であり、前述の30ns間隔での波長切り替えにも対応できる。また、この波長可変レーザに集積するInP系のマッハツェンダ変調器は、10Gb/s以上の高速動作が可能であり、前述の300psのパルスを容易に生成することができる。
【００３５】
以上、第２実施形態のレータ測距システムについて説明したが、各種の変形例が可能であるのは言うまでもない。例えば、第２実施形態では、単一の波長可変レーザを用いたが、予めλ１〜λ８の波長グリッドに発振波長を合わせた8個の固定波長の電界吸収型変調器集積DFBレーザ（EML）を用い、これらからの出力をカプラにより合成した後、EDFAに入力する構成としても良い。この場合は、各EMLは、幅300psのパルスを繰り返し周期1/240ns=4.1MHzにて出力する動作を行い、隣り合うEMLの間のパルス出射タイミングを30nsだけずらす制御を行う。
【００３６】
さらに計測速度を増大したい場合には、光ファイバ通信のCバンド波長帯の0.8nm間隔の波長グリッドを全て用いた構成としても良い。この場合、波長数は40個程度となり、40組の受光器が必要になり、システムの規模が大きくなるが、計測速度を向上できる。さらに、この場合、アレイ上のAPDを用いて、各APD上に互いに透過波長帯の異なる微小波長フィルタを貼りあわせた構成としても良い。
【００３７】
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００３８】
２１    複数波長パルス光源
２２    スキャン装置
２３    波長選択受光部
２４    制御演算部
【図１】
2017161292.tif 000003
【図２】
2017161292.tif 000004
【図３】
2017161292.tif 000005
【図４】
2017161292.tif 000006
【図５】
2017161292.tif 000007