切手サイズライダの実現に向けてToward the Realization of Stamp‑size LiDAR

馬場俊彦

自動運転やロボット・ドローンの話題とともに，周囲環境の三次元情報を取得するセンサであるライダが注目を浴びている．しかし従来のライダはメカ式の光偏向器を利用する等の理由から，大形，高コストであり，幅広い応用は困難と考えられる．そこで最近，フラッシュ方式，光フェーズドアレー方式，スローライト方式など，非メカ式のライダが活発に研究開発されている．本稿ではライダの方式，性能と原理的な制約，ライダを構成する各要素への要求などを解説し，非メカ式による切手サイズライダを実現するためのチャレンジを紹介する．
キーワード：ライダ，シリコンフォトニクス，光フェーズドアレー，スローライト

1．はじめにラ イ ダ（LiDAR : Light Detection and Ranging）は，測距を行うための光送受信機と光ビームを走査するため

本稿ではライダの性能や制約を概観するとともに，シリコン（Si）フォトニクス，光フェーズドアレー，スローライトなど，近年，開発が活発な新しい技術による
切手サイズライダの試みを紹介する．の光偏向器を組み合わせて，周囲環境を三次元映像化するセンサ装置であり，光レーダとも呼ばれる．ミリ波帯

2．ライダの性能と制約のレーダと同様に，測距の原理として，光パルスの往復時間を計測する飛行時間（TOF : Time of Flight）方式，ここでは，ライダの特徴，競合技術との関係，性能項

信号光と参照光の間のビート周波数から測距する周波数

目と原理的な制約，車載等へ応用する上での要求などを変調連続波（FM‑CW : Frequency Modulation Continu-まとめる．それらは相互に関連しており，一部，トレー(1)ous Wave）方式などがある ．ミリ波を光波に替えてドオフの関係にあることを述べる．

解像度を上げ，物体認識を可能にする点が大きな特長である．

（） 観測できる距離

近年，自動車の運転支援や自動運転の話題とともに，ライダは光を物体に向けて送信し，反射戻り光を受信その開発が世界的な注目を集めている (2)〜(4)．しかし現して，その時間や周波数の情報から測距を行う．車載に行のライダは大形で高価なため，そのままで車載部品と注目すると，高速走行時を想定して 100〜200 m までのして普及させるのは容易ではない．もし性能を維持しつ対応が求められる．遠方の測距では，既にミリ波レーダつ，小形で廉価なライダが実現されれば，この状況を打が搭載されているが，物体認識までが必要となると，依破できるほか，ロボットやドローン，セキュリティ監然としてライダが必須となる．数 m 以内の近距離につ視，三次元地図作成，建造物の測量，更には記録，認いては，複眼カメラなどと競合するが，二次元画像から証，仮想現実，エンターテイメントなどのツールとしての推測ではなく距離を実測する安心安全という点でライ幅広く利用されると期待されている．

ダはやはり重要である．
ただし物体表面の光の反射率は必ずしも高くなく，ま馬場俊彦 正員 横浜国立大学大学院工学研究院知的構造の創生部門
E‑mail baba‑toshihiko‑zm@ynu ac jp
Toshihiko BABA Member (Faculty of Engineering Yokohama National
University Yokohama‑shi 240‑8501 Japan)

電子情報通信学会誌

Vol 102 No 7 pp 649‑653 2019 年 7 月©電子情報通信学会 2019

解説

切手サイズライダの実現に向けてた反射光は様々な方角に散乱されるので，ライダに戻るまでには距離の二乗に反比例してパワー密度が低下する．例えば 100〜200 m の距離にある反射率 10% の物
体，並びに小さめの受光開口径 3 cmϕ を仮定したとき，649

光の減衰は 80〜90 dB に及ぶ．これに対応するためにどのメカを利用する．近年，話題となっているライダでは，アイセーフ条件を満たす最大出力のレーザ光源と，は，非メカ式がキーワードとなっている（Solid State

高感度な検出系が必要になる．

LiDAR とも呼ばれる）．切手サイズの超小形化，量産による低コスト化，安定動作などが期待されるためであ（） 必要となる送受信機

TOF 方式では光パルスの受信に直接検波が使われるので，（る．これを説明するために，競合技術を含めた三次元センサ技術や光偏向器技術を表 1 にまとめる．

）で述べた光減衰に対応するために，とにか既に触れた複眼カメラは視差を利用するので，遠方でく高強度（ピーク強度が数十 W 以上）のパルスレーザ距離分解能を得るのが難しい．ミリ波レーダは超解像技が必要とされる．このようなハイパワーレーザが実現で術が話題であるが，高解像度で物体を認識する点では，きる半導体は(In)GaAs 系に限られ，その発光波長の範依然としてライダが有利である．メカ式ライダは大形囲で，太陽光スペクトル成分が小さな波長 900 nm 帯がで，高コストなほか，車の振動等に対する不安定性があ主に用いられる．これはアイセーフ波長ではないが，パる．メカ式と非メカ式の中間にあるのがマイクロマシン

ルスのデューティ比を抑制して時間平均パワーを 1 mW

（MEMS : Micro Electromechanical System）ミラーであ以下に下げ，実効的にアイセーフ条件を満足させる．受る．一種のメカ式ではあるが，Si プロセスを用いて製信 に は 単 一 光 子 計 測 ア バ ラ ン シ ダ イ オ ード（SPAD :作するので，純粋なメカ式に比べると小形化と量産に適Single Photon Avalanche Diode）等の特殊な高感度検出しており，一部は既に実用化されている．ただしミラー器が用いられる．

が小さ過ぎると光の広がり角が大きくなり，ミラーを大FM‑CW 方式は連続光を使うので，1 500 nm 帯周辺きくすると高速では動かないというトレードオフがあのアイセーフ波長が必須となる．許容されるパワーはる．そこで小さなミラーにビームを平行化する光学系を10〜100 mW（ビーム掃引の有無に依存）まで引き上げ加える方法が採られるが，そうすると偏向角や解像点数られる．受信には超高感度を実現するコヒーレント検波に制限が出てくる．

が用いられるが，光源には発振線幅 1 MHz 以下という以上の理由から，純粋な非メカ式への期待が高まってコヒーレンスが高い単一波長半導体レーザが必要とないる．しかし様々な技術的チャレンジがある．既に三次る．

元映像が得られているものにフラッシュライダがある．
ここでは送信時のパルス光をビーム状にせず，ストロボ（） 分解能・解像度・速度・視野角

ライトのように拡散させ，反射光を高速なイメージセン

車載で人や車を見分けるためには，人体の厚みや横幅サで撮像する．イメージセンサに映る物体の距離ごとにを認識するために，少なくとも 25 cm 以下が一つの解反射光が戻る時刻が変わるので，映像から距離ごとの画像点として求められる．150 m の遠方を考えたとき，こ像を生成し，三次元映像に変換する．光偏向自体がない

れは光ビームの広がり角 0 1 以下に対応する．また，ので，パルスレーザ，光学系，イメージセンサのみとい

この距離を光が往復するだけで 1 µs の時間が掛かるのう単純な構成が魅力である．一方で最初から光を拡散さで，測距にもこれと同じ時間を掛けると仮定し，ビデオせる分，反射光は一層微弱になる．太陽光のような環境

レート 25 fps 以上の速度を実現しようとすると，解像雑音が多い環境で遠方を観測するには桁違いに大出力の点数は 2 万以下に制限される．車の前方の物体を測距すレーザが要求される．近距離ではこの問題は軽減される

る場合，横方向に広角・高解像が求められ，縦方向にはが，近距離は上述のような既存のセンサが競合するほ

それらの要求は少ないので，一例として横方向に 400か，より細かい距離分解能が要求されるので，イメージ点，縦方向に 50 点を目安にしてみる．上記のビーム広センサの高速化が必要になる．

がり角を考慮すると，視野角は横 40 ×縦 5 となる．距

フラッシュライダ以外の方式は，非メカ式光偏向器を離が 50 m 以下となれば，同じ対象物を 0 3 以下のビー用いる．これを実現するために光の屈折，回折，干渉なム広がり角で解像できるので，同じ解像点数に対して視どと，材料屈折率や光の波長の変化を組み合わせる手法

野角は 120 ×15 となる．

が研究されてきた．材料屈折率の変化には，光学結晶や速度と解像点数の制限は，並列化によって解消でき

液晶における電気光学効果，圧電材料における音響光学る．例えばライン状光ビームを走査し，検出器をアレー効果，半導体材料等による熱光学効果などが用いられる

化する，単純に複数の送受信機を用意する，といった方が，いずれも屈折率変化が 0 001〜0 01 と小さく，数度法があるが，装置は大形化する．

程度の偏向角しか得られない．このような状況を打破す
るには，同じ屈折率や波長の変化に対して，偏向角を増3．メカ式と非メカ式
従来の多くのライダは，光偏向のために回転ミラーな650幅する構造的な工夫が必要になる．液晶を多層に重ねて屈折回数を増したり，後述するスローライト効果 (5)を用いたりするのがこれに当たる．
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表1

様々な三次元センサと次世代ライダ用非メカ式光偏向器

もう一つの非メカ式光偏向器として，米国で開発が盛いは波長 λ と言い換えてもよい）の僅かな変化に対しん な の が 光 フ ェ ー ズ ド ア レ ー（OPA : Optical Phasedて光の波数Array）である (6)．OPA は整列された多数の光放射器

なスローライトは，半導体多層構造を有する導波路（多に光を分配し，各放射器の光の位相を調整して相互干渉層形）や，円孔の周期配列を含む薄膜スラブで構成されさせることで，所望の光ビームを合成する．理想的にはるフォトニック結晶導波路（薄膜形）により発生させる

鋭い光ビームと任意の偏向角や二次元偏向を実現することができる．これらの構造に，スローライトをゆっくが，これには膨大な数（一次元では必要な解像点数の半りと放射させる構造を加えると，角度広がりが 0 1 以分の数，二次元では 1/4）の光放射器と，全ての放射器下のビームが形成される．例えば多層形の場合，上側のに対する複雑かつ精密な位相調整が必要となる．既報告

多層膜の数を適度に減らして，光を上方向に漏らす (9)．の最大規模の OPA は光放射器の数が 32×32=1 024 個

薄膜形の場合は，円孔配列の 2 倍の周期を持つ回折格子(7)が大きく変わることを意味する．このようである ．これでも相当な数ではあるが，それでも解像を付加する (10)．光が放射されるとき，ビームの角度は点数の限界は 64×64 なので，様々な応用のためには不スローライトの波数足する．加えて，光を分配する際の累積損失や，熱光学記のスローライトの性質から，波長の変化に対する偏向効果を使った位相調整のための電力の低減も課題であ角が増幅される．同様の偏向角の増幅は，導波路の屈折る．これを避けるため，OPA は一次元方向にとどめて率変化に対しても生じる．このようなスローライト効果要求を軽減し，直交する方向には回折格子と波長掃引を

は導波路の設計や波長の設定で任意に大きくできるが，組み合わせる折衷案が検討され，三次元ライダ画像も示

構造揺らぎに対するビームの乱れも増幅してしまうといされている (8)．

う制限がある．つまり製作精度との兼ね合いになるが，により決定される．したがって前

現状，ビーム広がり角 0 1 以下が維持される範囲では，回折格子に比べて 7〜10 倍の偏向角が得られる．また，

4．スローライト光偏向器
光学理論によれば，光パルスの速度=群速度は(導波路への光の入射方向を切り換えることで，プラスの/角度からマイナスの角度まで偏向角を 2 倍に拡大できω) −1 で与えられる．つまり低群速度を示すスローライ

る．導波路に沿った一次元方向では既に偏向角 40 以

トは解説(5)/ ω が大きい ．これは，光の周波数 ω（ある切手サイズライダの実現に向けて上，解像点数 1 000 以上が実現される．
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このような特長に加え，多層形では，同様の半導体構造を持つ垂直共振器形面発光レーザ（VCSEL : Vertical化 (12) や，FM‑CW 方式のような複雑な検出系 (13) を簡単に実現することができる．

Cavity Surface Emitting Laser）と集積ができるので，

図 1 は 32 本の薄膜形スローライト導波路を光スイッ同レーザを可変波長タイプにすることで，光ビーム偏向チアレーとともに集積した例である (14)．この素子の上レーザとなる．また，スローライト導波路自体にも電流部にコリメートレンズを配置すると，1 本の導波路から注入を行って，光を増幅することもできる．エピタキ

放射された光はスポット状のビームになる．スイッチにシャル成長された(In)GaAs/AlGaAs 系半導体多層膜により導波路を切り換えると，レンズに対してオフセット

このような素子が製作され，10 W 近い高出力が得られされた位置から光が出てくるようになるので，レンズで(11)．一方，薄膜形は光が屈曲し，導波路に直交する方向（図中の縦方向）に波長 1 500 nm 帯で動作する Si フォトニクス技術により光が偏向される．つまり，前述の導波路に沿った方向

製 作 さ れ る．Si フ ォ ト ニ ク ス は 電 子 回 路 と 同 様 の（横方向）の偏向と組み合わせた二次元光偏向が可能に

CMOS プ ロ セ ス を 用 い る の で，直 径 200〜300 mm のなる (15)．図 2 は導波路への光の入射方向も切り換えてウェーハに最小寸法 150 nm 以下で光部品を高密度集積光ビームを二次元偏向した様子である．横・縦両方向にし，大量生産することが可能である．これを用いれば，離散的なスポットを重ねて図示しているが，実際は横方多数のスローライト導波路や関連する光回路を組み合わ向に連続的な偏向が可能であり，多少のビーム変形を無せて，通常の光偏向だけでなく，波長多重による並列視すると，400×32 で，合計 12 800 の解像点が見積もるので，TOF ライダに最適であるられた．

5．FM‑CW 方式による測距
2．で述べたように，FM‑CW 方式では，特殊な検出器を使わなくても，極限的な高感度が得られる．ここでは，周波数変調した連続光を物体に当て，同様に変調した参照光と反射戻り光をライダ内部で光学的にミクシングした上で，バランス形フォトダイオードによりコヒーレント検波する．この際，参照光と反射光の間には距離に応じた周波数差があるので，ミクシングによって発生するビート周波数を計測すれば測距できる．フォトダイ
オードで発生する信号電流は，直接検波では光強度に比例するのに対し，コヒーレント検波では光強度の平方根
図 1 Si フォトニクスを用いて製作したスローライト光偏向器
中央が光放射部．に比例する．また参照光を強くすることで，信号を増幅することもできる．よってフォトダイオードや電子回路の熱雑音の影響を受けず，理想的にはショット雑音限界までの微弱光を検出できるという点で圧倒的に有利である．また，物体が近づいたり遠ざかったりすると，その速度に応じて反射光の周波数にドップラーシフトが加わるので，物体の位置だけでなく，速度も計測できるので，車など移動体の動きの予測に役立つ．また，このような機能は風の動きを検知する大形ライダとして研究開発されてきた経緯がある．空気の動きが手軽に可視化できれば，最初に述べた応用とは別の可能性も広がるかもしれない．
既に Si フォトニクス技術で集積化した周波数変調器と薄膜形スローライト導波路光偏向器を集積し，光偏向器からの 10 mW 以上の光出力，並びに同偏向器を介した光の送受信や，模擬的な遅延距離に応じたビート信号が確認されている (12)．

図 2 スローライト光偏向器により横方向（角度 θ），縦方向（角度 ϕ）に二次元偏向された光ビームレンズ位置を微調整している．

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6．むすび()()

非メカ式ライダについて，米国では，Si フォトニク
スに関する AIM Photonics プロジェクトや，光フェーズドアレーに関わる DARPA プロジェクトが主要テーマとして採り上げており，合わせて数百億円規模の資金を投入し，開発を推進している．また多くのベンチャー(10)が起業して，フラッシュライダや光フェーズドアレーの実用化にチャレンジしている．
（メカ式ライダも含めれば，40 社と言われる．
）スローライトライダはこれらの(11)競合技術が抱える課題を回避し，量産に適する形で，非メカ式ライダの実現を狙っている．今後，可能な限りのチップ集積とライダ動作を計画しており，実用化に向け(12)た産学連携にも期待したい．
なお，ここに紹介した 2 種類のスローライト導波路光偏向器とそのライダ応用については，科学技術振興機構(13)（JST）ACCEL プロジェクトにより開発が進められている．

(14)

文()

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（2019 年 1 月 31 日受付

2019 年 2 月 5 日最終受付）

馬場 俊彦（正員）昭 60 横浜国大・工・電気卒．平 2 同大学院博士課程了．同年東工大・助手．平 6 横浜国大・助教授，平 17 同教授．フォトニック結晶，シリコンフォトニクス，微小レーザ，スローライト等を研究．工博．平 18 日本学術振興会賞，
平 24 市村学術賞，平 28 文部科学大臣表彰科学技術賞など各受賞．

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