ライダー技術の発展と産業応用
平野 嘉仁
三菱電機株式会社（〒100‒0031 東京都千代田区丸の内 2‒7‒3）

Progress of LIDAR technology and its industrial application
Yoshihito HIRANO
Mitsubishi Electric Corporation, 2‒7‒3, Marunouchi Chiyoda-ku, Tokyo 100‒8310（Received February 20, 2021）
Regarding the progress of LIDAR technology and its industrial application, I describe my experiences forthe last 30 years and the latest technical progress of newly commercialized＂LiDAR＂. With the maturityof LIDAR technology and the clarification of social needs, I hope that LIDAR will make a leap forward
as a＂remote sensing technology that makes invisible things visible＂and that our traditional Laser Radar
Society of Japan will be activated.

最近，世間で＂LiDAR＂という名前が広く知られから反射や散乱で戻ってきた光の情報を取得するラるようになった．高速・高精度に立体空間を撮影す

イダー計測も，測距や大気観測を中心に広範囲の応るカメラとして，車の自動運転，ロボットの目，拡用に向けて開発が進んできた．本学会の前身である張現実（AR）生成などの用途で注目を集めている．

レーザセンシング（レーザ・レーダ）シンポジウム

最初は，2013 年頃，マイクロソフトがゲームなどの 1972 年の第 1 回報告をホームページで眺めてみに用いるモーションセンサ Kinect に，強度変調しると，稲場文男先生や山中千代衛先生などの日本のた反射光の位相から反射点までの距離を取得する

レーザ界の生みの親を筆頭に，現理事の小林先生やiToF（indirect Time of Flight）方式を導入したことに内野氏の名前も拝見できる．高度成長期における大遡る．イメージセンサの素子毎に位相差を検出する

気汚染の計測や，超高層の計測，超長距離（人工衛方式は，CMOS カメラとの整合性が高く，高分解星）の距離計測など多様な報告がなされており，黎能な距離画像を得られるとともに，比較的安価であ明期における熱気がうかがえる．また，企業からのることから，その後，深度測定，暗所でのオート発表も多く，産業応用への期待感もあったように思フォーカス，顔認証といった用途でスマートフォンわれる．さて，その後 50 年間のシンポジウムの変に搭載されるようになってきた．更に，昨年，光パ

遷をみると，発表件数は 3 倍程度に増えてはいる

ル ス の 往 復 時 間 か ら 距 離 画 像 を 取 得 す る dToF

が，企業からの発表件数はスペースライダーなど一（direct Time of Flight）方式の＂LiDAR＂スキャナが時的なトピックスを除いて増えていないことは残念

iPhone に搭載され登場した．長距離，屋外での使である．ただ，この間，産業応用への努力が無かっ用に優れるとして注目にされており，ここにきて，たわけではない．手前味噌ではあるが，少し，30

まさに 1 人に 1 台の＂LiDAR＂時代が到来した．

年にわたって私と仲間たちで行った挑戦について述

さて，メイマンがルビーレーザを発振させてからべさせていただく．

60 年が経過した．レーザは，人類がレーザ応用技

本学会での私の最初の発表は 1989 年の福岡で開術に新天地を求め開発を進めた結果，通信，加工，かれた第 13 回である．もともと光通信用デバイス

ストレージ，計測，医療，照明といった産業分野の開発をしていた私は，当時の上長である伊東尚氏で，社会に欠かせないものとなっている．この中から固体レーザの開発を命じられ，スタンフォード

で，レーザ光をターゲットに照射して，ターゲット大の Byer 教授等により提案された半導体レーザ©2021 Laser Radar Society of Japan1

ライダー技術の発展と産業応用（平野 嘉仁）（LD）励起固体レーザの研究を始めた．LD 励起は，使用している高速信号処理装置と組み合わせること

固体レーザの電気効率をランプ励起に比べ 10 倍近で，半径 10 km，360 度周回データを 1 分程度で測く向上し，熱による出力限界を緩和する．これによ定できる設置型 CDL が完成した．当時，本ライり高ビーム品質の高繰返しレーザが実現可能になる

ダーの最初のユーザである北大の藤吉先生から，リため，高い空間分解能で高速 2 次元測距を必要とす

アルタイムで変化する細かい風の動きを可視化してるヘリコプタの電線検知などへの応用に向けた LD

見せて頂いた時には本当に感激した．また，この結端面励起 Nd:YLF レーザの開発結果を発表した．今果を，当時，小林先生の推薦で CLEO（サンフラン

では平凡な結果だったが，空冷を含め手に載るサイシスコ），浅井先生の推薦で CLRC（アスペン），そズのレーザを設計から製作まで 1 人で行ったのは良れぞれで招待講演させて頂いている．ただ，OPAい経験となった．その後，LD 励起固体レーザは，は励起光源として 1 μm 帯の大型の固体レーザが別

その寿命の長さから宇宙での利用が注目され始め途必要で，製品の小型化・高信頼化に苦労した．

た．私も，1990 年後半は，本学会の笹野氏，中島CDL 製品で先行していた競合のロッキード・マー氏，浅井先生，小林先生，内野氏，長澤先生等，多チン社も同様の苦労があったようで，2005 年頃に，くの皆様にお世話になりながら，＂ELISE＂等，衛使用するレーザを，波長 2.1 μm 帯の大型固体レー星搭載ライダー向けに，各種のレーザシステムを開ザから，光ファイバレーザ励起で小型化・高信頼化発させて頂いた．伝導冷却 Nd:YLF レーザや，横基に 向 く 波 長 1.6 μm 帯 の 固 体 レ ー ザ に 変 更 し た．

本モード Nd:YAG レーザでは，平均出力の世界記録

我々も，別のタイプの出力増幅器を模索した．当も達成し，ライダーのプロトタイプの製作まで行っ

初，光ファイバ増幅器の高出力化に向けて，非線形たが，残念ながら実用にはいたらなかった．

効果の影響を減じるファイバコア径の拡大やファイ1990 年台末になり，高出力の希土類添加光ファバ長の短尺化なども進めたが，抜本的な出力向上まイバが登場すると，ライダーの大きさ，価格，信頼でには至らなかった．最終的に，光ファイバ増幅器性などの改善に向けて，送受信の光学系以外は，光と同じエルビウム添加ガラスを用い，バルクと 2 次通信用の部品と光ファイバ増幅器で構成した全光元導波路（光ファイバ）の中間にあたる平面導波路

ファイバ型ライダーの検討をスタートした．光通信型増幅器を独自開発することで課題の解決を図っの 波 長 帯 1.5 μm が フ ィ ー ル ド で 使 い や す い ア イた．結果，高出力化により観測距離は半径 30 km

セーフ波長であることや，コヒーレント光通信用の近くまで拡大し，空港の乱気流監視向けに適用可能部品や技術も豊富であったことから，当時，研究所となった．また，小型化により航空機搭載が可能にでライダー事業化を模索していた我々は 1.5 μm のなり，JAXA（調布）殿に Boeing 747 での晴天乱気

コヒーレントドップラーライダー（CDL）の製品化

流検出試験を実施いただくに至っている．に梶をきった．なかでも風計測は，ヒートアイラン

その他，CDL 以外の用途で開発した全光ファイド現象や環境影響物質の拡散といった都市環境監

バ 型 ラ イ ダ ー に CO 2 観 測 LAS（Laser Absorption

視，晴天乱気流や後方乱気流といった航空機の脅威

Spectrometer）が あ る．CO 2 吸 収 線 上 の ON/OFF 2

監視，風況調査や到来風を予測しての制御といった波長に，異なる強度変調周波数を割り当てて 2 波同風力発電の効率化等，数多くの産業応用テーマが考時・同光路で送信し，変調周波数毎での受信光強度えられたからである．全光ファイバ型ライダーは，比から長距離パスでの吸収を高精度に測る方式を考思惑通り比較的簡単に製品化できたが，光ファイバ案した．開発品は，JAXA（筑波）殿の航空機搭載の弱点として，その細いコア径での非線形効果，特実証等で精度検証頂いており，将来の衛星搭載につに狭スペクトル幅の光伝搬時におこるブリルアン散ながることを期待したい．

乱のため，送信ピークパワーに限界があることもわ

この後，2010 年頃から始めた開発が，カメラ並かった．ライダーとして観測距離が数 100 m と短みのフレームレートで動作する 3D イメージングラ

く，広範囲の風況分布をリアルタイムに測定するよイダーである．長距離で高分解能なデータを取得すうな用途には使えないのである．その頃，丁度良いる場合，すべての点を順次スキャンする方法では，タイミングで，高効率な非線形素子である周期分極飛行時間のためフレームレートが制限される．解決

反転素子 PPLN（Periodic Poled: LiNbO 3）の大口径には，複数点同時の測距処理が必要で，1 次元の化が三菱電線の谷口氏等により成され，高出力な光APD アレイと，その出力を同時に測距データに変パ ラ メ ト リ ッ ク 増 幅 器（OPA: Optical Parametric

換 す る TDC（Time to Digital Converter）ア レ イ ICAmplifier）への応用を思い立った．最終的に，OPAを開発した．この受信モジュールで垂直方向のデーを全光ファイバ型ライダーに付加し，気象レーダでタを一括に取得し，水平方向はスキャナでビームを2レーザセンシング学会誌

第 2 巻第 1 号（2021）

掃 引 す る こ と で， 距 離 1.2 km の 3D 画 像 を 30 フするだろう．

レーム/秒で取得することに成功している．今後，一方，＂LiDAR＂とライダーで最も異なるのが送道路，鉄道，航空滑走路などの路面・路線監視，宇信パワーである．大気散乱を対象とした長距離計測

宙や海底といった極限環境でのイメージングなどにとなれば格段に高い送信パワーが要求される．これ適用が広がることを期待している．

について最近のトピックスがあるので簡単にふれてさて，ここまで，我々の経験で紹介したように，

おく．一つは，京大の野田先生等の発明であるフォ

新しい技術の導入によりライダーは着実に進歩し，トニクス結晶面発光レーザ（PCSEL: Photonic Crys-産業への適用事例も増えつつある．さらに，近年，tal Surface Emitting Laser）である．PCSEL は，通常世界的な SDGs に基づく社会課題解決への意識の高の VCSEL と異なり，レーザ共振が活性層に平行でまりから，地球環境保全や気象予測に向けての社会ありながら垂直方向にビームを出射する．このたニーズも高まっているように思う．
＂遠隔からみえめ，広い共振領域の活性層内に蓄積された高いエネないものを見る技術＂として広視野の体積データをルギーが利用可能である．また，垂直方向に出射すリアルタイムで取得できるような高性能なライダー

るビーム形状が共振の光強度分布に比例するため，を小型・低コストで提供できるようになれば，ライ大口径（～mm）の横基本モードビーム形成が可能ダーの社会実装がより進むだろう．最後に，これかである．現在，低次横モードでのエミッタ出力としらのライダー技術の進展について考えたい．て 70 W と従来の VCSEL の数千倍が報告されてい冒頭で述べた＂LiDAR＂は，人が目をつかっておるが，理論的には更なる高出力化も期待でき，今後こなってきた認識の仕事を機械が受け持つためのの実証を待ちたい．面発光であるためアレイ化も容ツールとして開発されている．車やロボットの目易で，ビーム出射方向も設計で変えることができるや，人の視覚認識を AR/VR サイバー空間で共有すので，電気的に高出力ビームを掃引できるライダーるためのセンサとしての市場規模は膨大で，実用化向きの半導体レーザが実現できる日も近い．には多くの資金とエンジニアリングリソースが投入

二つ目は，高エネルギー発生に適した小型固体されている．多くの技術的イノベーション同様，レーザ技術である．一般に，高エネルギーを扱う固＂LiDAR＂における今回の非連続な技術進歩も，集体レーザでは，損傷を抑えるためにレーザビームの積化に優れ，量産化にも適する半導体技術の活用か大口径化が有効であり，レーザ素子としてディスク

ら 生 ま れ て い る． 例 え ば，iPhone に 搭 載 の形状が良く用いられる．しかし，ディスクは排熱の＂LiDAR＂では，送信にレーザプリンタなどの量産ために厚みを薄くとる必要があり，蓄積エネルギー実 績 を も つ 面 発 光 レ ー ザ（VCSEL: Vertical Cavity

が小さくなることから単一素子からの出力が制限さSurface Emitting Laser）が，受光に CMOS イメージれていた．これに対し理研の平等先生等は，複数枚センサで培われた高度な製造技術で作られた SPADの薄ディスク素子を熱伝導率の高いサファイア冷却（Single Photon Avalanche Diode）が用いられ，生産板でサンドイッチしながら独自技術で接合した性や信頼性を担保した上でスマートフォンに搭載可DFC（Distributed Face-Cooled）構造の素子を提案し能な低価格も実現している．方式は，機械駆動のなており，すでに体積数立方センチの超小型素子からい，所謂，フラッシュライダーであり，なんといっＪ級の高エネルギー発生を実証している．また，Ｊても，センサチップ上で 2 次元のフォトンカウン級の出力を波長変換可能な大口径の PPLN も同時にティングとデジタル演算を行い，距離・強度データ実現しており，各種波長のライダーに適用できそうを直接出力するのは，まさに半導体設計・製造技術である．アイセーフ波長で出力すれば，超小型で長の賜物である．フラッシュ方式以外にも，シリコン距離のフラッシュライダーも夢でなくなるかもしれフォトニクス技術で製作した光のフェーズドアレイ

ない．

ア ン テ ナ を 用 い， 電 子 的 に 高 速 ビ ー ム 掃 引 す る

これまで述べてきたように，ライダー技術は成熟

FM-CW 方式なども開発されているが，小型・高信を迎えつつあるとともに，社会ニーズも明確になり頼・低コストを実現するのに半導体プロセスを用いつつある．今こそ＂遠隔からみえないものを見る技ているのは共通である．現在，SPAD やシリコン術＂としてのライダーの産業応用での飛躍と，伝統フォトニクスの動作波長領域の拡大も進んでおり，あるレーザセンシング学会の更なる活性化に期待しこれらの技術導入でライダーの受信器は大きく進化たい．

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