JP6424801B2 - レーザレーダ装置およびレーザレーダ装置の光受信方法 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザレーダ装置およびレーザレーダ装置の光受信方法に関する。
レーザレーダ装置とは、光を用いたリモートセンシング技術のひとつであり、パルス状に発光する投光部からの光を遠距離にある対象物に対して照射し、対象物で反射した散乱光を受光部で受光し測定することにより、対象物までの距離やその対象物の性質等を分析する装置である。
このようなレーザレーダ装置の一例として、特許文献１に開示されたものが挙げられる。特許文献１に開示されたレーザレーダ装置は、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：連続波）レーザからのレーザ光を変調する光変調器と、変調されたレーザ光を送信光としてターゲット（目標）に向けて照射し、ターゲットからの散乱光を受光する光アンテナと、分岐手段により分岐されたＣＷレーザからのレーザ光をローカル光として光アンテナからの受信光と混合する混合手段と、混合された光を光ヘテロダイン検波する光検出器とを有する。
また、特許文献２には、２次元状で光ヘテロダイン走査検出を行うシステムが開示されている。特許文献２に開示された２次元光ヘテロダイン走査検出システムは、半導体基板上に作製されたアレイ状フォトダイオードの画素配列と、この画素配列の信号電荷を順次読み出すＭＯＳトランジスタを画素配列した２次元のアレイ状光検出器と、この２次元光検出器を走査する走査部と、２次元光検出器からの出力信号を処理する検波回路とを備えている。
そして、光周波数がｆだけ異なる２つの２次元の光波が２次元光検出器に入射すると、ヘテロダインビート信号に基づき、２次元光検出器上に周波数ｆで時間的に変化する２次元光強度分布が生じ、この強度分布の振幅の大きさを検波回路で検出する。
ところで、特許文献１に開示されたような従来技術に係るレーザレーダ装置では、一般的に、投光光あるいは受光光をスキャンするための装置が必要となる。本発明において特に対象としている受光側についても、ミラーやプリズムなどでスキャンするのが一般的である。この場合、ミラーやプリズムは可動部品を含むため、信頼性上の問題を生じやすい。また、ミラーやプリズムを介した構成では、光学的な損失が発生し、受信感度の低下につながるという問題もある。
特許文献２に開示された２次元光ヘテロダイン走査検出システムは、低コヒーレント光源を用いて空間的なビート信号を検出するものであり、２次元光検出器に発生する入射光量に応じた電荷を高速に読み取ることを課題としている。したがって、レーザレーダ装置において要求される特性のひとつである受信感度の向上に、直接資するものではない。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高感度の計測が可能であり、かつ信頼性が高いレーザレーダ装置およびレーザレーダ装置の光受信方法を実現することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１に記載のレーザレーダ装置は、光源と、前記光源の出射光を分岐した一方の光を走査し対象物に照射する送信光を生成する投光走査部と、前記送信光が前記対象物の各部位で各々反射した複数の受信光を複数の結像点として同一平面上に結像する結像部と、前記複数の結像点に配置されるとともに、前記複数の受信光の各々を参照光と混合して光ヘテロダイン検波する複数の単位受光部を含む受光部と、前記光源の出射光を分岐した他方の光を走査又は分配し前記複数の単位受光部の各々に照射する前記参照光を生成する参照光走査部と、を備え、前記参照光走査部は、前記光源と前記複数の単位受光部との間に設けられた複数の光スイッチにより前記他方の光の導通、非導通を切り替えて走査し前記複数の単位受光部の各々に照射する前記参照光を生成するものである。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数の光スイッチが前記複数の単位受光部ごとに設けられたものである。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記受光部には前記複数の単位受光部がアレイ状に配置されており、前記複数の光スイッチが前記アレイの行ごとにまたは列ごとに設けられたものである。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記参照光走査部は、前記他方の光が分配された分配光の各々を前記複数の単位受光部の各々に対応させて出射する光出射部を複数含み、前記他方の光を分配し前記複数の単位受光部の各々に照射する前記参照光を生成するものである。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記複数の単位受光部の各々は、前記受信光を入射する光入射部、前記光入射部からの前記受信光と前記参照光とを合波する光合波器、および前記光合波器で合波された光を受光する光検出素子を含んで構成されたものである。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記参照光走査部は、外部からの信号に応じて前記他方の光の位相をシフトさせる可変移相器、および前記可変移相器で位相がシフトされた光を出射する光出射部を含む単位参照光生成部を複数含む参照光生成部を備え、複数の前記可変移相器の各々の位相シフト量を制御することにより複数の前記光出射部から出射し合波された出射光の波面の方向を制御して前記出射光を前記複数の単位受光部のいずれに照射するか切り替えて走査するものである。
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記参照光生成部には複数の前記単位参照光生成部がアレイ状に配置されており、複数の前記可変移相器は、前記アレイの行ごとにまたは列ごとに定められた量だけ位相をシフトさせるものである。
また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の発明において、前記受光部で光ヘテロダイン検波された信号に基づき前記複数の受信光ごとに前記受信光の振幅および位相の少なくとも一方を検出する検出部をさらに備えたものである。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の発明において、前記結像部と前記受光部の組を複数有するものである。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記複数の単位受光部の各々は、前記複数の受信光の各々に対応させて参照光と混合させ光ヘテロダイン検波するものである。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記複数の単位受光部の各々は、前記複数の受信光の所定数の受信光ごとに参照光と混合して光ヘテロダイン検波するものである。
一方、上記目的を達成するために、請求項１２に記載のレーザレーダ装置の光受信方法は、光源と、前記光源の出射光を分岐した一方の光を走査し対象物に照射する送信光を生成する投光走査部と、前記光源の出射光を分岐した他方の光を走査し複数の単位受光部の各々に照射する参照光を生成する参照光走査部と、を備え、前記参照光走査部は、前記光源と前記複数の単位受光部との間に設けられた複数の光スイッチにより前記他方の光の導通、非導通を切り替えて走査し前記複数の単位受光部の各々に照射する前記参照光を生成するレーザレーダ装置の光受信方法であって、前記送信光が前記対象物の各部位で各々反射した複数の受信光を複数の結像点として同一平面上に結像させ、前記複数の結像点に配置された前記複数の単位受光部によって、前記複数の受信光の各々を前記参照光と混合して光ヘテロダイン検波するものである。
本発明によれば、高感度の計測が可能であり、かつ信頼性が高いレーザレーダ装置およびレーザレーダ装置の光受信方法を実現することができるという効果を奏する。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明するが、まず、図１を参照して、本発明に係るレーザレーダ装置１０の基本的な構成について説明する。
レーザレーダ装置１０は、送信部１００、受信部２００、狭線幅光源１２、および光分岐器２２０を備えている。送信部１００は、参照光走査部１０２、変調器１０６、および投光走査部１０４を含んで構成されている。また、受信部２００は、結像レンズ２０４、受光部２０２、プリアンプ２０６、および信号処理部２０８を含んで構成されている。
狭線幅光源１２は、一例としてＣＷ光を発生するレーザであり、送信部１００から出射される送信光Ｐｏｕｔおよび光ヘテロダイン検波における参照光Ｐｒｅｆを生成する光源である。
送信部１００は、対象物Ｏに向けて照射する送信光Ｐｏｕｔを生成する。送信部１００の変調器１０６は、狭線幅光源１２の光出力を光分岐器２２０で分岐した一方の光を変調して投光走査部１０４に供給する。変調器１０６における変調は、対象物Ｏで反射（散乱）され、受信部２００に入射する受信光Ｐｉｎと送信光Ｐｏｕｔとの相関をとるための変調であり、たとえば、擬似ランダムパターン（ＰＮ（Ｐｓｅｕｄｏｒａｎｄｏｍ Ｎｕｍｂｅｒｓ）パターン）を用いた変調、あるいは正弦波を用いた変調等が用いられる。送信部１００の投光走査部１０４は、変調器１０６で変調された光を対象物Ｏに向けて照射するように走査する。
受信部２００は、送信部１００から送信光Ｐｏｕｔとして出射され、対象物Ｏで反射（散乱）した光を受信光Ｐｉｎとして受信する。受信部２００の結像レンズ２０４は、受信光Ｐｉｎによる対象物Ｏの像を受光部２０２に結像する。受光部２０２は、各々フォトダイオード２１２を含む複数の単位受光部２１０（図２等参照）をアレイ状に備えた受光素子であり、対象物Ｏの像は、該受光素子の面上に対象物Ｏの各部が対応するように結像される。そのような意味において、各々の単位受光部２１０（フォトダイオード２１２）の受光面を「結像点」、単位受光部２１０で構成された受光素子の面を「フォーカルプレーンアレイ」と称する場合がある。
レーザレーダ装置１０では、各々の単位受光部２１０（フォトダイオード２１２）に、対象物Ｏの各部に対応する受信光Ｐｉｎとともに、参照光走査部１０２によって切替制御された参照光Ｐｒｅｆが入射される。レーザレーダ装置１０の参照光走査部１０２は、参照光Ｐｒｅｆを複数の単位受光部２１０の各々に入射させるか否かを切替制御する。つまり、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０では、受信光Ｐｉｎをスキャンするのではなく、フォーカルプレーンアレイ上に対象物Ｏの各部に対応する受信光Ｐｉｎを結像させ、各結像点に対して参照光Ｐｒｅｆを切替えながら（スキャンしながら）入射させる。
レーザレーダ装置１０では、単位受光部２１０の各々において（つまり、フォーカルプレーンアレイ上において）、受信光Ｐｉｎと参照光Ｐｒｅｆとを干渉させて中間周波数を発生させ、光ヘテロダイン検波を行う。すなわち、単位受光部２１０の各々から受信光Ｐｉｎと参照光Ｐｒｅｆとのビート信号が電気信号として出力される。受光部２０２から出力された電気信号は、プリアンプ２０６を介して信号処理部２０８に送られる。信号処理部２０８では、ビート信号に対して所定の演算処理を行い、対象物Ｏの各部に対応する受信光Ｐｉｎの振幅および位相の少なくとも一方を検出する。検出された受信光Ｐｉｎの振幅および位相の少なくとも一方の情報から、対象物Ｏまでの距離、あるいは対象物Ｏの移動速度等を算出する。
このように、本発明に係るレーザレーダ装置１０では、受信光Ｐｉｎが極力直接（スキャナー等を介さずに）受光部２０２に入力されるように構成されている。そのため、レーザレーダ装置１０では、対象物Ｏの各部で反射された受信光Ｐｉｎを受光部２０２にフォーカルプレーンアレイとして結像させ、各結像点に対し、参照光Ｐｒｅｆをスキャンし入射させている。受信光Ｐｉｎの光強度が一般に微弱なのに対し、参照光Ｐｒｅｆの光強度は、必要に応じて増大させることが可能であり、しかも常に一定にすることができる。このことにより、本発明に係るレーザレーダ装置１０では、高感度の計測が可能となっている。
なお、レーザレーダ装置１０では参照光走査部１０２が、参照光Ｐｒｅｆを単位受光部２１０の各々に順次入射するように（たとえば、行ごとに順番に入射するように）切替制御する（スキャンする）形態を例示して説明するが、これに限られず、どのような順序で入射するように切替制御してもよい。また、必ずしも単位受光部２１０の１個ずつに入射するように切替制御する必要もなく、複数個ずつに入射するように切替制御してもよい。
また、本実施の形態では、受信光Ｐｉｎと参照光Ｐｒｅｆとが変調等の性質において異なる信号であり、受信部において光ヘテロダイン検波する形態を例示して説明するが、これに限られず、受信光Ｐｉｎと参照光Ｐｒｅｆとを同じ性質の信号とし、ホモダイン検波する形態としてもよい。
［第１の実施の形態］
図２ないし図４を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ａについて説明する。
図２ないし図４を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ａについて説明する。
まず、図２を参照して、本実施の形態に係る受光部２０２ａについて説明する。図２（ａ）に示すように、受光部２０２ａは、アレイ状に配置された複数の単位受光部２１０を備えている。受光部２０２ａを構成する単位受光部２１０の個数は、一例として、５０×５０＝２５００個である。ただし、図２（ａ）では、３×４＝１２個で例示している。
図２（ａ）に示すように、光導波路２２２の一端から入射された参照光Ｐｒｅｆは、図２（ｂ）に示す光スイッチ２１６によって導通、非導通を切替制御され、各単位受光部２１０に分配される。単位受光部２１０の各々のフォトダイオード２１２には、対象物Ｏの各部に対応する受信光Ｐｉｎが入射される。本実施の形態に係る受光部２０２ａで用いる光スイッチ２１６の形態は特に限定されず、熱光学スイッチ、機械的光スイッチ等、いずれの光スイッチを用いてもよい。
図２（ａ）に示すように、本実施の形態では、単位受光部２１０ごとに光スイッチ２１６が設けられており、単位受光部２１０ごとに参照光Ｐｒｅｆをフォトダイオード２１２に入射させるか否かを切り替えている。すなわち、本実施の形態では、複数の光スイッチ２１６が図１に示す参照光走査部１０２を構成している。
つぎに、図２（ｃ）を参照して、単位受光部２１０の詳細について説明する。本実施の形態に係る単位受光部２１０は、フォトダイオード２１２、グレーティングカプラ２１４、光スイッチ２１６、および光合波器２１８を備えている。
グレーティングカプラ２１４は、光導波路面に周期的な屈折率変調（光導波路グレーティング）を設けて構成されており、受信光Ｐｉｎを光導波路２２２に効率的に結合させる。また、逆に、光を光導波路２２２から効率的に放射させる場合にも用いる（図１２参照）。
フォトダイオード２１２は、光合波器２１８で合波された対象物Ｏの各部に対応する受信光Ｐｉｎと参照光Ｐｒｅｆとを受光し、両者を重ね合わせ、光ヘテロダイン検波した電気信号を出力する。
光スイッチ２１６は、参照光Ｐｒｅｆをフォトダイオード２１２に入射させるか否かを切り替える。
光スイッチ２１６は、参照光Ｐｒｅｆをフォトダイオード２１２に入射させるか否かを切り替える。
つぎに、図３を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ａについて説明する。レーザレーダ装置１０ａは、狭線幅光源１２、送信部１００、受信部２００ａを備えており、狭線幅光源１２および送信部１００は、図１に示したものと同様のものである。
本実施の形態に係る受信部２００ａは、同じ受光部２０２ａと同じ結像レンズ２０４との組み合わせである結像受光部２２４を３系統有するように構成されている。図中Ａ、Ｂ、Ｃは対象物Ｏ（図３では、「実空間」と表記）の各部を示しており、各部Ａ，Ｂ、Ｃから反射された光は、受信光Ｐｉｎとして、各結像受光部２２４−１、２２４−２、２２４−３に入射する。
受信部２００ａを３系統の結像受光部２２４で構成するのは、受信光Ｐｉｎの光量を増大させるためであり、より好ましくは、結像レンズ２０４としてマイクロレンズアレイを用い、アレイ状に配列された結像受光部２２４を用いるとよい。結像受光部２２４の配列数については３系統に限定されず適宜な数としてよいが、たとえば７×７程度とすることができる。むろん、受信光Ｐｉｎの光量を問題としない場合には、１個の結像受光部２２４を用いる形態としてもよい（たとえば、図８参照）。
図４に各結像受光部２２４の構成を示す。結像受光部は２２４の受光部２０２ａは図２に示したものであり、光スイッチ２１６によって、単位受光部２１０ごとに参照光Ｐｒｅｆを入射させるか否かが切り替えられる。
再び図３を参照して、３つの結像受光部２２４から出力された受信電気信号は、単位受光部２１０の各々ごとに合成された後、単位受光部２１０の各々ごとに３つの信号処理部２０８（図３では、「Ａグループ」、「Ｂグループ」、「Ｃグループ」と表記）に入力される。
信号処理部２０８における処理は、結像受光部２２４ごとに別々の受信回路２４０で処理する形態（図３では、「ＴｙｐｅＩ」と表記）としてもよいし、各結像受光部２２４の出力をまとめてから単一の受信回路２４０ａで処理する形態（図３では、「ＴｙｐｅＩＩ」と表記）してもよい。
以上詳述したように、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ａによれば、受信光Ｐｉｎと混合する参照光Ｐｒｅｆをスキャンして光ヘテロダイン検波しているので、高感度の計測が可能であり、かつ信頼性が高いレーザレーダ装置を実現することができる。
［第２の実施の形態］
図５を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０について説明する。本実施の形態は、図１に示すレーザレーダ装置１０の受光部２０２として、受光部２０２ｂを採用した形態である。
図５を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０について説明する。本実施の形態は、図１に示すレーザレーダ装置１０の受光部２０２として、受光部２０２ｂを採用した形態である。
図５に示すように、受光部２０２ｂは、図２（ａ）に示す受光部２０２ａにおける単位受光部２１０の代わりに、単位受光部２１０から光スイッチ２１６を除いた単位受光部２１０ａを用いている。
図２（ａ）に示す受光部２０２ａは、フォトダイオード２１２ごとに参照光Ｐｒｅｆを入射させるか否か切り替える形態であったが、受光部２０２ｂでは、左端に配置された光スイッチ２１６によって、アレイ状のフォトダイオード２１２の行ごとに参照光Ｐｒｅｆを入射させるか否かを切り替える形態である。すなわち、本実施の形態では、受光部２０２ｂの左端に配置された光スイッチ２１６が、図１における参照光走査部１０２を構成している。なお、本実施の形態では、アレイ状のフォトダイオード２１２の行単位で切り替える形態を例示して説明するが、これに限られず、列単位で切り替える形態としてもよい。
本実施の形態に係る受光部２０２ｂでは、プリアンプ２０６以降の電気回路で同一行のフォトダイオード２１２の信号を分離する必要があるが、光スイッチ２１６の数を削減することができる。
［第３の実施の形態］
図６ないし図８を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ｂについて説明する。本実施の形態は、図１に示すレーザレーダ装置１０の受信部２００として受信部２００ｂを用いることにより、受光部２０２として受光部２０２ｃを採用した形態である。
図６ないし図８を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ｂについて説明する。本実施の形態は、図１に示すレーザレーダ装置１０の受信部２００として受信部２００ｂを用いることにより、受光部２０２として受光部２０２ｃを採用した形態である。
図６（ａ）に示すように、受光部２０２ｃは、図５に示す受光部２０２ｂにおける単位受光部２１０ａの代わりに、フォトダイオード（ＰＤ）とプリアンプとしてのＴＩＡ（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）とが集積化された単位受光部２１０ｂを用いている。受光部２０２ｃの左端に配置された光スイッチ２１６によって、アレイ状に配置された単位受光部２１０ｂの行単位で、参照光ＰｒｅｆをフォトダイオードＰＤに入射させるか否かを切り替える構成は、図５に示す受光部２０２ｂと同様である。
図７を参照して、単位受光部２１０ｂの具体的な構成について説明する。図７（ａ）に示すように、単位受光部２１０ｂは、モノリシックに集積化されたフォトダイオード２５０およびＴＩＡ２５２を備えている。フォトダイオード２５０は、材料としてＧｅ（ゲルマニウム）を用いたフォトダイオードであり、図７（ａ）に示すように、受信光Ｐｉｎは裏面（基板側）から入射させる。図７（ｂ）に示すように、参照光Ｐｒｅｆは光導波路２２２を通して導き、光分岐器２２０で分岐した後、光導波路２２２の先端部に配置されたグレーティングカプラ２５４を介してフォトダイオード２５０の表面から入射させる。受信光Ｐｉｎと参照光Ｐｒｅｆとは、フォトダイオード２５０の光電変換部で混合され、光ヘテロダイン検波される。
図７（ｃ）を参照して、単位受光部２１０ｂの具体的な構成の一例について説明する。
フォトダイオード２５０は、Ｓｉ（シリコン）の基板２７４上に形成された、Ｐ−Ｓｉ領域２６２、Ｐ＋Ｓｉ領域２６０、Ｇｅ層２５８、Ｎ型Ｇｅ層２５６を含んで構成されている。ここで、Ｐ−Ｓｉ領域は、低濃度にＰ型不純物がドープされたＳｉの領域を示し、Ｐ＋Ｓｉ領域は、高濃度にＰ型不純物がドープされたＳｉの領域を示している。
フォトダイオード２５０は、Ｓｉ（シリコン）の基板２７４上に形成された、Ｐ−Ｓｉ領域２６２、Ｐ＋Ｓｉ領域２６０、Ｇｅ層２５８、Ｎ型Ｇｅ層２５６を含んで構成されている。ここで、Ｐ−Ｓｉ領域は、低濃度にＰ型不純物がドープされたＳｉの領域を示し、Ｐ＋Ｓｉ領域は、高濃度にＰ型不純物がドープされたＳｉの領域を示している。
一方、ＴＩＡ２５２は、Ｓｉ基板２７４上に形成されたＮ−Ｓｉ領域２６６、Ｎ−Ｓｉ領域２６６内に形成されたＰ−Ｓｉ領域２７０およびＮ＋Ｓｉ領域２６４、Ｐ−Ｓｉ領域２７０内に形成されたＰ＋Ｓｉ領域２６８およびＮ＋Ｓｉ領域２７２を含んで構成されている。
フォトダイオード２５０およびＴＩＡ２５２の上部にはＳｉＯ２層２７６が形成されており、ＳｉＯ２層２７６内には、光導波路２２２およびグレーティングカプラ２５４が形成されている。また、フォトダイオード２５０およびＴＩＡ２５２の各々には、たとえばＡｌ（アルミニウム）等で形成された電極２７８が接続されている。
図８は、受信部２００ｂ（受光部２０２ｃ）を用いたレーザレーダ装置１０ｂを示している。図８に示す受光部２０２ｃは、図６（ａ）に示す受光部２０２ｃを図６（ａ）に示す白抜き矢印Ｓ方向から見た場合の断面図を示しており、紙面奥行方向に単位受光部２１０ｂが４個ずつ配置されている。光スイッチ２１６は、この４個ずつの単位で参照光Ｐｒｅｆをフォトダイオード２５０に入射させるか否か切り替える。
対象物Ｏの各部に対応する受信光Ｐｉｎは、結像レンズ２０４に導かれて単位受光部２１０ｂのフォトダイオード２５０に入射する。光スイッチ２１６による切替制御に応じて受信光Ｐｉｎと参照光Ｐｒｅｆが混合され、光ヘテロダイン検波される。
本実施の形態は、Ｇｅによるフォトダイオード２５０を採用しているので、特に、狭線幅光源１２（送信光Ｐｏｕｔ、参照光Ｐｒｅｆ）に、長波長帯（たとえば、１．５５μｍ）のレーザを用いる場合等に適した形態である。
［第４の実施の形態］
図９を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０について説明する。本実施の形態は、図８に示すレーザレーダ装置１０ｂの受光部２０２ｃの単位受光部２１０ｂを単位受光部２１０ｃに置き換えた形態である。単位受光部２１０ｃ以外の構成は図８と同様なので説明を省略し、ここでは、単位受光部２１０ｃの構成について説明する。
図９を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０について説明する。本実施の形態は、図８に示すレーザレーダ装置１０ｂの受光部２０２ｃの単位受光部２１０ｂを単位受光部２１０ｃに置き換えた形態である。単位受光部２１０ｃ以外の構成は図８と同様なので説明を省略し、ここでは、単位受光部２１０ｃの構成について説明する。
図９（ａ）に示すように、単位受光部２１０ｃは、図７に示す単位受光部２１０ｂのフォトダイオード２５０をフォトダイオード２５０ａに置き換えたものである。ＴＩＡ２５２は、図７に示すＴＩＡと同様の構成である。
図９（ｃ）は、単位受光部２１０ｃの具体的な構成の一例を示している。単位受光部２１０ｃのフォトダイオード２５０ａは、Ｓｉ基板２８６上に形成されたＮ−Ｓｉ領域２８２、Ｎ−Ｓｉ領域２８２内に形成されたＮ＋Ｓｉ領域２８０およびＰ＋Ｓｉ領域２８４を含んで構成されている。
フォトダイオード２５０ａおよびＴＩＡ２５２上にはＳｉＯ２層２８８が形成されている。ＳｉＯ２層２８８内には光導波路２２２が形成されており、光導波路２２２の先端部にはグレーティングカプラ２５４が形成されている。また、フォトダイオード２５０ａおよびＴＩＡ２５２の各々には、たとえばＡｌ（アルミニウム）等で形成された電極２７８が接続されている。
参照光Ｐｒｅｆは、光導波路２２２およびグレーティングカプラ２５４を介してフォトダイオード２５０ａに入射させる。一方、受信光Ｐｉｎは、フォトダイオード２５０ａの表面から入射させる点が図７に示す単位受光部２１０ｂとは異なる。
本実施の形態は、Ｓｉによるフォトダイオード２５０ａを採用しているので、特に、狭線幅光源１２（送信光Ｐｏｕｔ、参照光Ｐｒｅｆ）に、可視光帯のレーザを用いる場合に適した形態である。
［第５の実施の形態］
図１０を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ｃについて説明する。本実施の形態は、図８に示すレーザレーダ装置１０ｂの結像レンズ２０４を、広角レンズ２０４ａおよび結像レンズ２０４ｂに置き換えた形態である。受光部２０２ｃは図８に示すものと同じものなので説明を省略する。
図１０を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ｃについて説明する。本実施の形態は、図８に示すレーザレーダ装置１０ｂの結像レンズ２０４を、広角レンズ２０４ａおよび結像レンズ２０４ｂに置き換えた形態である。受光部２０２ｃは図８に示すものと同じものなので説明を省略する。
本実施の形態では、結像レンズの一部に広角レンズ２０４ａを採用している。図８に示すように、単一の結像レンズ２０４を用いた場合には、視野角（画角）に制限があり、広域の対象物Ｏからの受信光Ｐｉｎを捕らえきれない場合がある。本実施の形態は、広角レンズ２０４ａによって視野角を拡大しているので、広域の対象物Ｏからの反射光を捕らえるのに有効な形態である。
［第６の実施の形態］
図１１ないし図１３を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ｄについて説明する。図１１に示すように、本実施の形態は、図１に示す参照光走査部１０２として参照光生成部２９０を採用し、受信部２００として受信部２００ｄを採用した形態である。
図１１ないし図１３を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ｄについて説明する。図１１に示すように、本実施の形態は、図１に示す参照光走査部１０２として参照光生成部２９０を採用し、受信部２００として受信部２００ｄを採用した形態である。
図１２を参照して、本実施の形態に係る参照光生成部２９０の構成の一例について説明する。図１２（ａ）に示すように、参照光生成部２９０は、複数（図１２に示した例では、３×４＝１２個）の単位参照光生成部２３０を備えて構成されている。図１２（ｂ）に示す光分岐器２２０で分岐された狭線幅光源１２からの参照光Ｐｒｅｆが、光導波路２２２で分配されて、単位参照光生成部２３０の各々に導かれる。なお、参照光生成部２９０に配置する単位参照光生成部２３０の数は１２個に限られず、必要とされる参照光Ｐｒｅｆの光強度等に応じて適宜な数だけ配置してよい。
図１２（ｃ）に示すように、単位参照光生成部２３０は、グレーティングカプラ２１４および光移相器２３４を備えている。光移相器２３４は、参照光Ｐｒｅｆの位相を変化させるためのものであり、本実施の形態では、単位参照光生成部２３０ごとに入射される参照光Ｐｒｅｆの位相を変えられるように構成されている。グレーティングカプラ２１４は、光移相器２３４により位相を調整された参照光Ｐｒｅｆを受光部２０２ｄに向けて放射させる。
図１３を参照して、本実施の形態に係る参照光生成部２９０の動作原理について説明する。図１３に示すように、本実施の形態に係る参照光生成部２９０では、単位参照光生成部２３０の列ごとに位相を変化させる。すなわち、図１３に示す例では、単位参照光生成部２３０−１と同じ列の単位参照光生成部２３０は、位相Δφ＝０°に調整される。同様に、単位参照光生成部２３０−２と同じ列の単位参照光生成部２３０は、位相Δφ＝１０°に調整され、単位参照光生成部２３０−３と同じ列の単位参照光生成部２３０は、位相Δφ＝２０°に調整され、単位参照光生成部２３０−４と同じ列の単位参照光生成部２３０は、位相Δφ＝３０°に調整される。
このように位相調整された参照光生成部２９０においては、図１３に示すように、単位参照光生成部２３０−１の列、２３０−２の列、２３０−３の列、および２３０−４の列の各々から出射される参照光Ｐｒｅｆ１、Ｐｒｅｆ２、Ｐｒｅｆ３、およびＰｒｅｆ４は、時間差をもって伝搬される。この時間差をもった参照光Ｐｒｅｆ１、Ｐｒｅｆ２、Ｐｒｅｆ３、およびＰｒｅｆ４によって形成された波面が、ＷＰ１、ＷＰ２、ＷＰ３、・・・のように伝搬していく。
この波面ＷＰが伝搬する方向Ｘは、各単位参照光生成部２３０の位相Δφを調整することにより自由に調整することが可能である。したがって、各単位参照光生成部２３０の位相Δφを調整して参照光Ｐｒｅｆの出射方向Ｘを制御することにより、受光部２０２ｄの面上における参照光Ｐｒｅｆの位置をスキャンし、対象物Ｏの各部に対応する受信光Ｐｉｎと混合することが可能となる。
本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ｄでは、参照光Ｐｒｅｆのスキャンを参照光生成部２９０で行うので、受光部２０２ｄでは参照光Ｐｒｅｆのスキャンを行う必要がない。そのため、上記各実施の形態とは異なり、受光部２０２ｄに光スイッチを配置する必要がなく、受光部は２０２ｄは基本的にフォトダイオード２１２（あるいは、単位受光部２１０ｂまたは単位受光部２１０ｃ）により構成される。したがって、受光部２０２をより簡易な構成とすることができる。
なお、受光部２０２に含まれる単位受光部２１０の数が少なく、信号処理部２０８における演算処理上の負担が少ない等の場合には、必ずしも参照光Ｐｒｅｆを切替制御してスキャン（走査）する必要はない。この場合には、光移相器２３４を設ける必要はなく、光導波路２２２で分配された参照光Ｐｒｅｆをグレーティングカプラ２１４から出射させ、対応する単位受光部２１０に向けて放射させればよい。
［第７の実施の形態］
図１４を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ｅについて説明する。レーザレーダ装置１０ｅは、図１１に示すレーザレーダ装置１０ｄの受信部２００ｄを受信部２００ｅに置き換えることにより、受光部２０２ｄを受光部２０２ｅに置き換えたものである。したがって、参照光Ｐｒｅｆのスキャンは、参照光生成部２９０によって行われる。
図１４を参照して、本実施の形態に係るレーザレーダ装置１０ｅについて説明する。レーザレーダ装置１０ｅは、図１１に示すレーザレーダ装置１０ｄの受信部２００ｄを受信部２００ｅに置き換えることにより、受光部２０２ｄを受光部２０２ｅに置き換えたものである。したがって、参照光Ｐｒｅｆのスキャンは、参照光生成部２９０によって行われる。
受光部２０２ｅは、単位受光部２１０ｅを複数配列して構成されている。そして、１個の単位受光部２１０ｅのフォトダイオードには、対象物Ｏの各部に対応する受信光Ｐｉｎのうちの複数の受信光Ｐｉｎが入力される点が受光部２０２ｄと異なる。
本実施の形態に係る受光部２０２ｅでは、プリアンプ２０６以降の電気回路で単位受光部２１０ｅのフォトダイオードに入射された複数の入力信号を分離する必要があるが、単位受光部２１０ｅの数を削減することができる。
なお、１個の単位受光部２１０のフォトダイオードに、対象物Ｏの各部に対応する受信光Ｐｉｎのうちの複数の受信光Ｐｉｎを入力させる構成は、本実施の形態に限らず、上記各実施の形態に適用してもよい。
［第８の実施の形態］
図１５を参照して、本実施の形態に係る端末装置について説明する。本実施の形態は、上記各実施の形態に係るレーザレーダ装置を、端末装置の一例としてのタブレット端末装置およびウエアラブル端末装置に応用した形態である。
図１５を参照して、本実施の形態に係る端末装置について説明する。本実施の形態は、上記各実施の形態に係るレーザレーダ装置を、端末装置の一例としてのタブレット端末装置およびウエアラブル端末装置に応用した形態である。
上記各実施の形態に係るレーザレーダ装置は、対象物までの距離や対象物の性質等を高感度に計測することが可能であるが、この高感度計測という特徴を応用することにより、振動をマッピングする、すなわち、振動を可視化することも可能である。本実施の形態は、本発明に係るレーザレーダ装置を、そのような振動を可視化するための端末装置に応用した形態である。
図１５（ａ）は、本実施の形態に係るタブレット端末装置５００を示している。図１５（ａ）に示すように、タブレット端末装置５００は、センサ５０２、マイクロプロセッサ５０４、タッチセンサ５０６、表示部５０８、および音声再生・録音部５１０を備えている。
センサ５０２は、上記各実施の形態にかかるレーザレーダ装置により構成された、たとえば２０ｋＨｚまでの音、つまり人間の耳で知覚可能な音を検知するセンサである。タッチセンサ５０６および表示部５０８は、いわゆるタッチパネルを構成している。音声再生・録音部５１０は、検知した音を録音し、再生する。上記センサ５０２、タッチセンサ５０６、表示部５０８、および音声再生・録音部５１０の各々は、マイクロプロセッサ５０４に接続されている。
以上のように構成された本実施の形態に係るタブレット端末装置５００によれば、表示部５０８のタッチした位置の音を高感度に検知し、また、検知した音を録音、再生することが可能となる。
図１５（ｂ）は、本実施の形態に係るウエアラブル端末装置５５０を示している。図１５（ｂ）に示すように、ウエアラブル端末装置５５０は、センサ５５２、マイクロプロセッサ５５４、および音声再生・重畳表示部５５６を備えている。ウエアラブル端末装置５５０は、たとえば、眼鏡型のウエアラブル端末装置として構成されている。
センサ５５２は、上記各実施の形態にかかるレーザレーダ装置により構成された、音、特に人間の耳で知覚できない音を検知するセンサである。音声再生・重畳表示部５５６は、検知した音を可視化し、ウエアラブル端末装置に備えられた表示部（図示省略）に対象物の映像とともに表示する。センサ５５２および音声再生・重畳表示部５５６の各々は、マイクロプロセッサ５５４に接続されている。
本実施の形態に係るウエアラブル端末装置５５０は、たとえば、工場などにおいて作業員が装着し、作業員に聞こえない異常音を検知する場合等において、特に有効な端末装置である。
ここで、上記各実施の形態においては、単位受光部２１０、あるいは単位参照光生成部２３０の集積形態については特に言及しなかったが、これらの構成については、個別の各光学部品により集積化してもよいし、各光学部品を光導波路技術により集積化することにより、光導波路型の受光部２０２、あるいは参照光生成部２９０として一体に構成してもよい。
つまり、たとえば、受光部２０２ａ（図２）を例にとると、個別部品のフォトダイオード２１２、グレーティングカプラ２１４、光スイッチ２１６、および光合波器２１８を組み合わせて受光部２０２ａを構成してもよいし、フォトダイオード２１２、グレーティングカプラ２１４、光スイッチ２１６、および光合波器２１８を光導波路技術により作り込んで光導波路型の受光部２０２ａとしてもよい。
また、上記各実施の形態に係るレーザレーダ装置の各構成は、当該レーザレーダ装置のみに限定されることなく、適宜に組み合わせることができる。たとえば、図６に示す受光部２０２ｃは、アレイ状に配置された単位受光部２１０ｂの行単位で参照光Ｐｒｅｆの導通、非導通を切り替える構成を例示しているが、単位受光部２１０ｂごとに光スイッチ２１６を設け、図２に示す受光部２０２ａのように、単位受光部２１０ｂごとに参照光Ｐｒｅｆを入射させるか否かを切り替える構成としてもよい。
また、上記実施の形態では、本実施の形態に係る送信部１００及び受光部２００の集積化の一例として、参照光走査部１０２の参照光Ｐｒｅｆ供給部（光導波路２２２及びグレーティングカプラ２５４）と、単位受光部２１０とを集積化する形態（図７、図９参照）を例示して説明したが、これに限られず、他の様々な集積化の形態を適用してよい。例えば、図１に示す、送信部１００に対応する集積回路と、受信部２００に対応する集積回路とに分割して集積化する形態としてもよい。すなわち、参照光走査部１０２の全体を含め送信部１００として集積化し、受光部２０２、プリアンプ２０６、及び信号処理部２０８を含め受信部２００として集積化する形態としてもよい。この場合の受信光Ｐｉｎと参照光Ｐｒｅｆとを混合する形態としては、例えば、図１２に示す参照光生成部２９０の光導波路２２２で分配された参照光Ｐｒｅｆを、光移相器２３４を介さずグレーティングカプラ２１４から出射させ、対応する単位受光部２１０に向けて放射させる形態を適用することができる。
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ レーザレーダ装置
１２ 狭線幅光源
１００ 送信部
１０２ 参照光走査部
１０４ 投光走査部
１０６ 変調器
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ 受信部
２０２、２０２ａ，２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ、２０２ｅ 受光部
２０４、２０４ｂ 結像レンズ
２０４ａ 広角レンズ
２０６ プリアンプ
２０８ 信号処理部
２１０、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ、２１０ｅ 単位受光部
２１２ フォトダイオード
２１４ グレーティングカプラ
２１６ 光スイッチ
２１８ 光合波器
２２０ 光分岐器
２２２ 光導波路
２２４ 結像受光部
２３０ 単位参照光生成部
２３４ 光移相器
２４０、２４０ａ 受信回路
２５０、２５０ａ フォトダイオード
２５２ ＴＩＡ
２５４ グレーティングカプラ
２５６ Ｎ型Ｇｅ層
２５８ Ｇｅ層
２６０ Ｐ＋Ｓｉ領域
２６２ Ｐ−Ｓｉ領域
２６４ Ｎ＋Ｓｉ領域
２６６ Ｎ−Ｓｉ領域
２６８ Ｐ＋Ｓｉ領域
２７０ Ｐ−Ｓｉ領域
２７２ Ｎ＋Ｓｉ領域
２７４ Ｓｉ基板
２７６ ＳｉＯ２層
２７８ 配線
２８０ Ｎ＋Ｓｉ領域
２８２ Ｎ−Ｓｉ領域
２８４ Ｐ＋Ｓｉ領域
２８６ Ｓｉ基板
２８８ ＳｉＯ２層
２９０ 参照光生成部
５００ タブレット端末装置
５０２ センサ
５０４ マイクロプロセッサ
５０６ タッチセンサ
５０８ 表示部
５１０ 音声再生・録音部
５５０ ウエアラブル端末装置
５５２ センサ
５５４ マイクロプロセッサ
５５６ 音声再生・重畳表示部
Ｏ 対象物
Ｐｉｎ 受信光
Ｐｏｕｔ 送信光
Ｐｒｅｆ 参照光
ＷＰ 波面
１２ 狭線幅光源
１００ 送信部
１０２ 参照光走査部
１０４ 投光走査部
１０６ 変調器
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ、２００ｅ 受信部
２０２、２０２ａ，２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ、２０２ｅ 受光部
２０４、２０４ｂ 結像レンズ
２０４ａ 広角レンズ
２０６ プリアンプ
２０８ 信号処理部
２１０、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ、２１０ｅ 単位受光部
２１２ フォトダイオード
２１４ グレーティングカプラ
２１６ 光スイッチ
２１８ 光合波器
２２０ 光分岐器
２２２ 光導波路
２２４ 結像受光部
２３０ 単位参照光生成部
２３４ 光移相器
２４０、２４０ａ 受信回路
２５０、２５０ａ フォトダイオード
２５２ ＴＩＡ
２５４ グレーティングカプラ
２５６ Ｎ型Ｇｅ層
２５８ Ｇｅ層
２６０ Ｐ＋Ｓｉ領域
２６２ Ｐ−Ｓｉ領域
２６４ Ｎ＋Ｓｉ領域
２６６ Ｎ−Ｓｉ領域
２６８ Ｐ＋Ｓｉ領域
２７０ Ｐ−Ｓｉ領域
２７２ Ｎ＋Ｓｉ領域
２７４ Ｓｉ基板
２７６ ＳｉＯ２層
２７８ 配線
２８０ Ｎ＋Ｓｉ領域
２８２ Ｎ−Ｓｉ領域
２８４ Ｐ＋Ｓｉ領域
２８６ Ｓｉ基板
２８８ ＳｉＯ２層
２９０ 参照光生成部
５００ タブレット端末装置
５０２ センサ
５０４ マイクロプロセッサ
５０６ タッチセンサ
５０８ 表示部
５１０ 音声再生・録音部
５５０ ウエアラブル端末装置
５５２ センサ
５５４ マイクロプロセッサ
５５６ 音声再生・重畳表示部
Ｏ 対象物
Ｐｉｎ 受信光
Ｐｏｕｔ 送信光
Ｐｒｅｆ 参照光
ＷＰ 波面
Claims (12)
- 光源と、
前記光源の出射光を分岐した一方の光を走査し対象物に照射する送信光を生成する投光走査部と、
前記送信光が前記対象物の各部位で各々反射した複数の受信光を複数の結像点として同一平面上に結像する結像部と、
前記複数の結像点に配置されるとともに、前記複数の受信光の各々を参照光と混合して光ヘテロダイン検波する複数の単位受光部を含む受光部と、
前記光源の出射光を分岐した他方の光を走査又は分配し前記複数の単位受光部の各々に照射する前記参照光を生成する参照光走査部と、を備え、
前記参照光走査部は、前記光源と前記複数の単位受光部との間に設けられた複数の光スイッチにより前記他方の光の導通、非導通を切り替えて走査し前記複数の単位受光部の各々に照射する前記参照光を生成する
レーザレーダ装置。 - 前記複数の光スイッチが前記複数の単位受光部ごとに設けられた
請求項１に記載のレーザレーダ装置。 - 前記受光部には前記複数の単位受光部がアレイ状に配置されており、前記複数の光スイッチが前記アレイの行ごとにまたは列ごとに設けられた
請求項１に記載のレーザレーダ装置。 - 前記参照光走査部は、前記他方の光が分配された分配光の各々を前記複数の単位受光部の各々に対応させて出射する光出射部を複数含み、前記他方の光を分配し前記複数の単位受光部の各々に照射する前記参照光を生成する
請求項１に記載のレーザレーダ装置。 - 前記複数の単位受光部の各々は、前記受信光を入射する光入射部、前記光入射部からの前記受信光と前記参照光とを合波する光合波器、および前記光合波器で合波された光を受光する光検出素子を含んで構成された
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。 - 前記参照光走査部は、外部からの信号に応じて前記他方の光の位相をシフトさせる可変移相器、および前記可変移相器で位相がシフトされた光を出射する光出射部を含む単位参照光生成部を複数含む参照光生成部を備え、複数の前記可変移相器の各々の位相シフト量を制御することにより複数の前記光出射部から出射し合波された出射光の波面の方向を制御して前記出射光を前記複数の単位受光部のいずれに照射するか切り替えて走査する
請求項１に記載のレーザレーダ装置。 - 前記参照光生成部には複数の前記単位参照光生成部がアレイ状に配置されており、複数の前記可変移相器は、前記アレイの行ごとにまたは列ごとに定められた量だけ位相をシフトさせる
請求項６に記載のレーザレーダ装置。 - 前記受光部で光ヘテロダイン検波された信号に基づき前記複数の受信光ごとに前記受信光の振幅および位相の少なくとも一方を検出する検出部をさらに備えた
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。 - 前記結像部と前記受光部の組を複数有する
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。 - 前記複数の単位受光部の各々は、前記複数の受信光の各々に対応させて参照光と混合させ光ヘテロダイン検波する
請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。 - 前記複数の単位受光部の各々は、前記複数の受信光の所定数の受信光ごとに参照光と混合して光ヘテロダイン検波する
請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のレーザレーダ装置。 - 光源と、前記光源の出射光を分岐した一方の光を走査し対象物に照射する送信光を生成する投光走査部と、前記光源の出射光を分岐した他方の光を走査し複数の単位受光部の各々に照射する参照光を生成する参照光走査部と、を備え、前記参照光走査部は、前記光源と前記複数の単位受光部との間に設けられた複数の光スイッチにより前記他方の光の導通、非導通を切り替えて走査し前記複数の単位受光部の各々に照射する前記参照光を生成するレーザレーダ装置の光受信方法であって、
前記送信光が前記対象物の各部位で各々反射した複数の受信光を複数の結像点として同一平面上に結像させ、
前記複数の結像点に配置された前記複数の単位受光部によって、前記複数の受信光の各々を前記参照光と混合して光ヘテロダイン検波する
レーザレーダ装置の光受信方法。
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