WO2022219911A1 - 対象物の距離および／または速度を計測する装置および方法 - Google Patents

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弓子 加藤
和也 久田
安寿 稲田
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    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present disclosure relates to an apparatus and method for measuring distance and/or velocity of an object.
  • a rangefinder based on the FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) method sends out frequency-modulated electromagnetic waves and measures the distance based on the difference in frequency between the transmitted wave and the reflected wave.
  • the FMCW rangefinder is called an FMCW radar.
  • FMCW radar uses, for example, a voltage controlled oscillator (VCO) as a radio wave oscillation source.
  • VCO voltage controlled oscillator
  • the FMCW rangefinder is called an FMCW lidar (LiDAR).
  • the FMCW lidar uses, for example, a laser light source as a light source.
  • An FMCW lidar emits light whose frequency is periodically modulated from a light source toward an object, and the reflected light from the object interferes with the reference light from the light source to obtain interference light.
  • the interfering light is detected by a photodetector and converted into an electrical signal.
  • This electrical signal contains a signal component with a frequency corresponding to the difference between the frequency of the reflected light and the frequency of the reference light.
  • This signal component is called the "beat signal”.
  • the frequency of the beat signal is called the "beat frequency”.
  • the distance to the object can be calculated based on the beat frequency.
  • the velocity of the object can also be calculated using the Doppler shift of the reflected light from the moving object. For example, the velocity of the object can be calculated based on the frequency difference of the beat signal in the up-chirp period during which the frequency of the light emitted from the light source increases and the down-chirp period during which the frequency decreases.
  • the FMCW lidar detects the frequency of the electrical signal output from the photodetector, so the distance measurement result is less susceptible to disturbance light.
  • the range finding accuracy of FMCW lidar depends on how linearly the frequency of the light can be modulated with respect to time.
  • Patent Literature 1 describes that even if the voltage controlled oscillator of the FMCW radar sweeps the voltage linearly with respect to time, the frequency changes nonlinearly, resulting in deterioration of the ranging performance. .
  • Patent Document 1 discloses a method of dynamically changing the sampling timing of the interference signal based on the sweep signal obtained from the artificial target. It is described that this can compensate for the nonlinearity of the frequency sweep.
  • Patent Document 2 discloses an FMCW radar device that corrects the frequency of an interference signal using correction data corresponding to multiple distances and multiple ambient temperatures. It is described that this improves the detection accuracy.
  • Patent Document 3 discloses an example of an FMCW lidar device that continuously measures the frequency of beat signals and calculates the distance to an object based on the average value of the measured frequencies. It is described that this eliminates the effects of laser nonlinear chirp and enables accurate distance measurement.
  • Patent Document 4 discloses an ophthalmic device used to identify the position of a measurement target site inside the human eye.
  • This ophthalmologic apparatus includes a measurement optical system, a reference optical system, a calibration optical system, a light receiving element, and an arithmetic device.
  • the measurement optical system irradiates the interior of the subject's eye with light from the light source and guides the reflected light.
  • the reference optical system guides the light from the light source as reference light.
  • Calibration optics guide the light from the light source.
  • the light-receiving element emits measurement interference light obtained by synthesizing the reflected light guided by the measurement optical system and the reference light guided by the reference optical system, the calibration light guided by the calibration optical system, and the reference light guided by the reference optical system.
  • the interference light for calibration combined with the reference light is received.
  • the computing device identifies the position of the measurement target site inside the subject's eye based on the interference light for measurement and the interference light for calibration received by the light receiving element. It is described that with such a configuration, even if the characteristics of the interference light change with the passage of time, the position of the measurement target site inside the subject's eye can be specified accurately.
  • the present disclosure provides a measurement device that utilizes FMCW technology, even if the output characteristics of the light source change due to the passage of time, changes in the usage environment, changes in the operating state of the light source, etc.
  • a technique capable of suppressing deterioration in measurement accuracy is provided.
  • a measuring device includes a light source, a calibration optical system, an interference optical system, a light receiving device, a storage device, and a processing circuit.
  • the light source emits frequency-modulated light.
  • the calibration optics have at least one reflective surface.
  • the interference optical system separates the light emitted from the light source into reference light and output light, and is interference light between the reflected light generated when the output light is reflected by an object and the reference light.
  • First interference light and second interference light which is interference light between the reflected light generated by reflecting the output light from the calibration optical system and the reference light, are generated.
  • the light receiving device has at least one photodetector and outputs a first detection signal corresponding to the intensity of the first interference light and a second detection signal corresponding to the intensity of the second interference light.
  • the storage device stores correction data used for correcting the first detection signal.
  • the processing circuit sends to the light source a control signal for sweeping the frequency of the light emitted from the light source, updates the correction data based on the second detection signal, and updates the correction data. and generating and outputting measurement data relating to the distance and/or velocity of the object based on the corrected first detection signal.
  • the present disclosure may be realized by a system, apparatus, method, integrated circuit, computer program, or recording medium such as a computer-readable recording disk. It may be realized by any combination of computer program and recording medium.
  • the computer-readable recording medium may include a volatile recording medium, or may include a non-volatile recording medium such as a CD-ROM (Compact Disc-Read Only Memory).
  • a device may consist of one or more devices. When the device is composed of two or more devices, the two or more devices may be arranged in one device, or may be divided and arranged in two or more separate devices. As used herein and in the claims, a "device" can mean not only one device, but also a system of multiple devices.
  • the accuracy of distance and/or velocity measurement decreases. can be suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram showing data obtained from experiments conducted by the present inventors.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of a measuring device according to an exemplary embodiment;
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a light source and an interference optical system.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the control signal output from the processing circuit and the drive current signal output from the drive circuit.
  • FIG. 5A is a diagram showing an example of a calibration optical system.
  • FIG. 5B is a diagram showing another example of the calibration optical system.
  • FIG. 5C is a diagram showing still another example of the calibration optical system.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of a measuring device whose interference optical system is a fiber optical system.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an example of a measuring device having an optical deflector.
  • FIG. 8A is a diagram schematically showing an example of temporal changes in frequencies of reference light and reflected light when the object is stationary.
  • FIG. 8B is a diagram schematically showing temporal changes in the frequencies of reference light and reflected light when an object approaches measuring apparatus 100 .
  • FIG. 9 is a flowchart showing an example of calibration operation.
  • FIG. 10A is a graph showing an example of analysis results of the period of the detection signal.
  • FIG. 10B is a diagram showing an example of the relationship between control signal voltage and period.
  • FIG. 11A shows an example of a correction table associated with the first operating state of the light source.
  • FIG. 11B shows an example of a correction table associated with the second operating state of the light source.
  • FIG. 12 is a diagram showing examples of waveforms of detection signals before and after correction.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of a conversion table that defines the relationship between beat signal frequency and distance.
  • FIG. 14A is a diagram showing an example of a conversion table that defines the relationship between the frequency of the beat signal and the distance corresponding to the first operating state.
  • FIG. 14B is a diagram showing an example of a conversion table that defines the relationship between the frequency of the beat signal and the distance corresponding to the second operating state.
  • FIG. 15 is a flow chart showing an example of the distance measurement operation.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a schematic configuration of a measuring device according to another embodiment.
  • FIG. 17 is a block diagram showing a schematic configuration of a measuring device according to still another embodiment.
  • FIG. 16 is a block diagram showing a schematic configuration of a measuring device according to another embodiment.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a schematic configuration of a measuring device according to still another embodiment.
  • FIG. 19A is a diagram showing an example of a correction table that defines the relationship between the voltage of the control signal and the sampling interval.
  • FIG. 19B is a diagram showing an example of a correction table that defines the relationship between the phase of frequency modulation and the period ratio.
  • FIG. 19C is a diagram showing an example of a correction table that defines the relationship between the phase of frequency modulation and the sampling interval.
  • FIG. 20 is a block diagram showing a schematic configuration of a measuring device according to another embodiment.
  • FIG. 21 is a block diagram showing a schematic configuration of a measuring device according to a first modified example of the embodiment of the present disclosure; FIG.
  • FIG. 22 is a block diagram showing a schematic configuration of a measuring device according to a second modified example of the embodiment of the present disclosure
  • FIG. 23 is a flow chart showing calibration operation of the measuring device according to the third modification of the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 24 is a flow chart showing calibration operation of the measuring device according to the fourth modification of the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 shows an example of data obtained from experiments conducted by the present inventors.
  • a laser beam was emitted from a semiconductor laser light source placed at a stationary point toward a reflecting plate, which is a stationary object.
  • control voltage the voltage of the control signal input to the light source
  • Vm a predetermined voltage range
  • modulation voltage amplitude a predetermined voltage range
  • the light source A laser beam whose frequency was periodically modulated was emitted from the laser beam.
  • the reflected light from the reflector and the emitted light from the light source were caused to interfere, the interference light was detected by a photodetector, and the acquired signal was recorded.
  • Graph (a) in FIG. 1 shows an example of the change over time of the voltage of the control signal input to the light source.
  • the control signal is swept linearly with time over the voltage range Vm1 .
  • the median value of the voltage range (hereinafter also referred to as "bias voltage") is Vb .
  • Graph (b) of FIG. 1 shows an example of the time change of the control voltage when the same laser light source is controlled under the same temperature condition with different control signals.
  • the bias voltage is Vb as in example (a), but the modulation voltage amplitude is Vm2 .
  • V m2 is 1.5 times V m1 .
  • Graphs (c) and (d) in FIG. 1 show the reflected light generated when the laser light is emitted from the light source toward a stationary reflector and the reference light that travels from the light source to the photodetector via the optical system.
  • An example of a waveform of an electrical signal (hereinafter also referred to as a "detection signal") obtained by detecting interference light is shown.
  • Graphs (c) and (d) show the waveforms of the detection signal when the modulation voltage amplitudes are Vm1 and Vm2 , respectively.
  • the time axes in these graphs are the same as those in graphs (a) and (b).
  • Graphs (a) to (d) represent changes in the signal for one cycle of the control voltage.
  • the cycle of the control voltage may be referred to as "modulation cycle”.
  • Graphs (e) and (f) in FIG. 1 show temporal changes in the instantaneous frequency of the beat signal obtained by frequency analysis of the signal waveforms of graphs (c) and (d), respectively.
  • the waveforms of graphs (e) and (f) were obtained based on the signal voltage ranging from time t1 to t2 in graphs (c) and (d), respectively .
  • Graph (g) in FIG. 1 plots the instantaneous frequencies corresponding to the two modulation voltage amplitudes Vm1 and Vm2 in relation to the voltage of the control signal.
  • the stationary object was illuminated with light, so if the frequency of the light was also linearly swept in response to the linear sweep of the control voltage, the frequency of the beat signal would be constant regardless of time.
  • the frequency of the beat signal fluctuates over time.
  • the nonlinearity of the frequency of the beat signal with respect to time differs between when the modulation voltage amplitude is Vm1 and when it is Vm2 . This indicates that the nonlinearity of the frequency change of light with respect to time differs depending on the magnitude of the modulation voltage amplitude.
  • the nonlinearity of the fluctuation of the frequency of the beat signal is It is different between the case and the case of V m2 .
  • the frequency of the beat signal tends to increase relatively with increasing control voltage on the high voltage side
  • the modulation current amplitude of Vm2 the frequency is the same.
  • a saturation tendency is seen at the control voltage on the high voltage side.
  • a similar phenomenon may also occur when the characteristics of the light source change due to various factors such as changes in usage environment such as temperature or humidity, passage of time, or vibration. Even if the characteristics of the light source change, it is required to suppress deterioration in measurement accuracy.
  • a measuring device includes a light source, a calibration optical system, an interference optical system, a light receiving device, a storage device, and a processing circuit.
  • the light source emits frequency-modulated light.
  • the calibration optics have at least one reflective surface.
  • the interference optical system separates the light emitted from the light source into reference light and output light, and is interference light between the reflected light generated when the output light is reflected by an object and the reference light.
  • First interference light and second interference light which is interference light between the reflected light generated by reflecting the output light from the calibration optical system and the reference light, are generated.
  • the light receiving device has at least one photodetector and outputs a first detection signal corresponding to the intensity of the first interference light and a second detection signal corresponding to the intensity of the second interference light.
  • the storage device stores correction data used for correcting the first detection signal.
  • the processing circuit sends to the light source a control signal for sweeping the frequency of the light emitted from the light source, updates the correction data based on the second detection signal, and updates the correction data. and generating and outputting measurement data relating to the distance and/or velocity of the object based on the corrected first detection signal.
  • the processing circuit updates the correction data based on the measurement result of the second interference light using the calibration optical system, and generates the first detection signal based on the updated correction data. can be corrected appropriately.
  • distance and/or velocity can be measured with high accuracy even if the output characteristics of the light source change due to, for example, deterioration over time, changes in usage environment, or changes in operating conditions of the light source.
  • the correction data can be created, for example, by calibration performed before shipment by the manufacturer of the measuring device, and recorded in the storage device.
  • the operation of updating the correction data is performed by the user of the measuring device. The user can cause the measuring device to perform an operation for updating the correction data at any timing before or during the measurement.
  • the updating of the correction data may be an operation of correcting and overwriting the existing correction data, an operation of rewriting the existing correction data to new correction data, or an operation of rewriting the existing correction data. It may be an operation of recording new correction data while leaving the correction data. If there is no existing correction data in the storage device, the correction data may be updated by creating new correction data.
  • the operation of creating new correction data may be performed at the time of calibration performed by the manufacturer of the measuring device before shipment. In the present disclosure, for the sake of convenience, such an operation of newly creating correction data is also referred to as "updating" correction data.
  • the interference optical system may include an optical switch that switches between a first state in which the output light is emitted to the object and a second state in which the output light is emitted to the calibration optical system.
  • the processing circuitry may operate in a measurement mode for measuring the distance and/or speed of the object and a calibration mode for updating the correction data.
  • the processing circuit sets the optical switch to the first state, corrects the first detection signal based on the correction data, and corrects the measurement data based on the corrected first detection signal. may be generated.
  • the processing circuit may set the optical switch to the second state and update the correction data based on the second detection signal.
  • the measuring device may further include a time counter that measures the usage time of the light source.
  • the processing circuit may switch between the measurement mode and the calibration mode based on the usage time of the light source. For example, the processing circuitry may switch from the measurement mode to the calibration mode when the usage time of the light source since the correction data was last updated exceeds a certain threshold.
  • the processing circuitry may switch from the measurement mode to the calibration mode when the usage time of the light source since the correction data was last updated exceeds a certain threshold.
  • the measuring device may further include a temperature sensor that measures the temperature of the light source.
  • the processing circuitry may switch between the measurement mode and the calibration mode based on the temperature of the light source. For example, the processing circuitry may switch from a measurement mode to a calibration mode if the measured temperature of the light source is outside a predetermined range.
  • the predetermined range can be set to include, for example, the temperature when the correction data was created or last updated.
  • the processing circuitry may switch from the measurement mode to the calibration mode when the measured temperature of the light source is below or above a threshold.
  • the processing circuit may switch between the measurement mode and the calibration mode in response to an input from a user. For example, the processing circuit may switch from the measurement mode to the calibration mode when the user performs an operation to instruct the start of the calibration mode using an input device built in or connected to the measurement device. This allows the user to update the correction data at any timing.
  • the processing circuit may switch to the calibration mode when the operation state of the light source is changed by changing the control signal in the measurement mode.
  • the processing circuitry may switch to a calibration mode when changing the amplitude of the control voltage applied to the light source to change the range of measurable distances. This makes it possible to mitigate the effects of non-linear frequency modulation, which occurs differently depending on the operating state of the light source, and enables more precise measurement of distance and/or velocity.
  • the storage device may further store a reference distance according to the optical path length of the calibration optical system.
  • the processing circuit may update the correction data based on the second detection signal and the reference distance.
  • a reference distance can be, for example, the optical distance from the light source to a particular reflective surface of the calibration optics.
  • the processing circuit generates, as updated correction data, correction data for correcting the second detection signal so that the distance theoretically derived from the frequency of the second detection signal matches the reference distance, for example. can do.
  • a measurable distance range can be set in the measuring device.
  • the reference distance may be included in the distance range. For example, if the measurable distance range is from 0m to 100m, the reference distance may be set to a distance within that range, such as 50m. Thus, by using a distance close to the actually measured distance as the reference distance, it is possible to correct the correction data more appropriately.
  • the interference optical system may include optical fibers, mirrors, or multipass cells. By using an interference optical system including these optical elements, it becomes easier to secure a relatively long optical path length, and the quality of calibration can be improved.
  • the correction data may include correction value information corresponding to each of the plurality of voltage values or the plurality of current values in the control signal.
  • the correction value can be, for example, a coefficient for correcting the period of the detection signal.
  • the processing circuitry may correct the detected signal by determining the period from the detected signal and multiplying the period by the correction value.
  • the correction data may include correction value information corresponding to each of a plurality of phases or a plurality of timings in frequency modulation by the control signal. Based on the correction data including information on such correction values, the processing circuit can appropriately correct the detection signal.
  • the correction data may include correction value information for changing sampling timing when the processing circuit samples the detection signal.
  • the processing circuit can correct the detection signal by determining the sampling timing of the detection signal according to the correction value.
  • the correction data may be data indicating a correction table or a correction function for determining correction values used to correct the detection signal.
  • the processing circuitry can appropriately correct the detected signal based on the correction values determined based on the correction table or correction function.
  • a method according to another embodiment of the present disclosure is performed by a computer in a system including a measurement device.
  • the measuring device comprises a light source emitting light whose frequency is periodically modulated, a calibration optical system having at least one reflecting surface, and separating the light emitted from the light source into reference light and output light.
  • a first interference light that is interference light between the output light reflected by the object and the reference light and the output light reflected by the calibration optical system
  • An interference optical system that generates a second interference light that is interference light with the reference light, and at least one photodetector, a first detection signal according to the intensity of the first interference light, and the second interference
  • a light-receiving device that outputs a second detection signal according to the intensity of light, and a storage device that stores correction data used for correcting the first detection signal.
  • the method includes updating the correction data based on the second detection signal, correcting the first detection signal based on the updated correction data, and correcting the first detection. generating and outputting measurement data regarding the distance and/or velocity of the object based on the signal.
  • a computer program according to still another embodiment of the present disclosure is executed by a computer in a system including a measuring device.
  • the computer program is stored in a computer-readable non-transitory recording medium.
  • the measuring device comprises a light source emitting light whose frequency is periodically modulated, a calibration optical system having at least one reflecting surface, and separating the light emitted from the light source into reference light and output light.
  • a first interference light that is interference light between the output light reflected by the object and the reference light and the output light reflected by the calibration optical system
  • An interference optical system that generates a second interference light that is interference light with the reference light, and at least one photodetector, a first detection signal according to the intensity of the first interference light, and the second interference
  • a light-receiving device that outputs a second detection signal according to the intensity of light, and a storage device that stores correction data used for correcting the first detection signal.
  • the computer program causes the computer to update the correction data based on the second detection signal, correct the first detection signal based on the updated correction data, and correct the and generating and outputting measurement data relating to the distance and/or speed of the object based on the first detection signal.
  • all or part of a circuit, unit, device, member or section, or all or part of a functional block in a block diagram is, for example, a semiconductor device, a semiconductor integrated circuit (IC), or an LSI (large scale integration). ) may be performed by one or more electronic circuits.
  • An LSI or IC may be integrated on one chip, or may be configured by combining a plurality of chips.
  • functional blocks other than memory elements may be integrated into one chip.
  • LSIs or ICs may be called system LSIs, VLSIs (very large scale integration), or ULSIs (ultra large scale integration) depending on the degree of integration.
  • a Field Programmable Gate Array (FPGA), which is programmed after the LSI is manufactured, or a reconfigurable logic device that can reconfigure the connection relationships inside the LSI or set up the circuit partitions inside the LSI can also be used for the same purpose.
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • circuits, units, devices, members or parts can be executed by software processing.
  • the software is recorded on one or more non-transitory storage media, such as ROMs, optical discs, hard disk drives, etc., such that when the software is executed by a processor, the functions specified in the software are performed. It is executed by processors and peripherals.
  • a system or apparatus may comprise one or more non-transitory storage media on which software is recorded, a processor, and required hardware devices such as interfaces.
  • the measuring device of this embodiment is a distance measuring device that measures the distance to an object using FMCW-LiDAR technology.
  • the measuring device may measure the velocity of the object in addition to the distance or instead of the distance.
  • the measurement device may be mounted on a mobile object, such as an autonomous vehicle, an automated guided vehicle (AGV), an unmanned aerial vehicle (UAV), or a mobile robot.
  • a mobile object such as an autonomous vehicle, an automated guided vehicle (AGV), an unmanned aerial vehicle (UAV), or a mobile robot.
  • a mobile object such as an autonomous vehicle, an automated guided vehicle (AGV), an unmanned aerial vehicle (UAV), or a mobile robot.
  • AGV automated guided vehicle
  • UAV unmanned aerial vehicle
  • the measuring device is not limited to mobile objects, and can be used by being mounted on any device.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the measuring device 100 according to this embodiment.
  • thick arrows represent the flow of light
  • thin arrows represent the flow of signals or data.
  • object 300 whose distance and/or velocity is to be measured, and a display device 210 and a control device 220 connected to the measurement device 100 .
  • Object 300 is any object such as, for example, an obstacle, a person, or a mobile object (eg, an automobile, a two-wheeled vehicle, a mobile robot, or a drone).
  • the measuring device 100 shown in FIG. 2 includes a light source 110, an interference optical system 120, a photodetector 130, a processing circuit 140, a storage device 150, and a calibration optical system 180.
  • Light source 110 can change the frequency of emitted light in response to a control signal output from processing circuitry 140 .
  • the interference optical system 120 separates the light emitted from the light source 110 into reference light and output light, and causes the reflected light generated by the output light to be reflected by the object 300 or the calibration optical system 180 to interfere with the reference light. to generate interference light. Interference light between the reflected light reflected by the object 300 and the reference light is referred to as "first interference light".
  • Interference light between the reflected light reflected by the calibration optical system 180 and the reference light is referred to as "second interference light". These interfering lights are incident on photodetector 130 .
  • the calibration optical system 180 is used in a calibration operation for updating correction data stored in the storage device 150 .
  • Calibration optics 180 includes one or more optical elements having at least one reflective surface. Detailed configurations of the light source 110, the interference optical system 120, and the calibration optical system 180 will be described later.
  • the photodetector 130 receives the interference light, generates and outputs an electrical signal corresponding to the intensity of the interference light. This electrical signal is called a "detection signal”.
  • a detection signal based on the first interference light is referred to as a "first detection signal”
  • a detection signal based on the second interference light is referred to as a "second detection signal”.
  • Photodetector 130 includes one or more light receiving elements.
  • the light receiving element includes, for example, a photoelectric conversion element such as a photodiode.
  • the photodetector 130 may be a sensor with multiple light receiving elements, such as an image sensor. In this embodiment, one photodetector 130 detects both the first interference light and the second interference light.
  • a photodetector for detecting the first interference light and a photodetector for detecting the second interference light may be separately provided as in another embodiment described later. In that case, an interference optical system that generates the first interference light and an interference optical system that generates the second interference light can be provided separately.
  • a device comprising at least one photodetector is referred to herein as a receiver device. The light receiving device generates and outputs a first detection signal corresponding to the intensity of the first interference light and a second detection signal corresponding to the intensity of the second interference light.
  • the processing circuit 140 is an electronic circuit that controls the light source 110 and performs processing based on the detection signal output from the photodetector 130 .
  • Processing circuitry 140 may include control circuitry for controlling light source 110 and signal processing circuitry for performing signal processing based on the detection signals.
  • the processing circuit 140 may be configured as one circuit, or may be an aggregate of a plurality of separate circuits.
  • Processing circuitry 140 sends control signals to light source 110 .
  • the control signal causes the light source 110 to periodically change the frequency of the emitted light within a predetermined range. In other words, the control signal is a signal that sweeps the frequency of light emitted from light source 110 .
  • the control signal is a signal that inputs a voltage or current that periodically fluctuates with a certain amplitude to the light source 110 .
  • the processing circuit 140 in this embodiment operates by switching between a measurement mode for measuring the distance and/or speed of the object 300 and a calibration mode for updating correction data.
  • the processing circuit 140 acquires the first detection signal output from the photodetector 130 while the light source 110 is emitting frequency-modulated light, and stores the first detection signal in the storage device 150. Correction is performed based on the stored correction data.
  • the correction data may be, for example, data defining a correspondence relationship between the voltage of the control signal and a correction value for correcting the period or frequency of the detection signal. Details of the correction data will be described later.
  • Processing circuitry 140 determines the distance to object 300 and/or the velocity of object 300 based on the corrected first detection signal using the correction data.
  • Processing circuitry 140 generates and outputs data indicative of the distance and/or velocity. This data is hereinafter referred to as "measurement data".
  • the processing circuit 140 obtains the second detection signal output from the photodetector 130 while the light source 110 is emitting frequency-modulated light, The correction data is corrected based on the reference distance set according to the optical path length of the optical system 180 for correction.
  • Processing circuitry 140 updates the existing correction data with the corrected correction data. In subsequent measurements, the processing circuit 140 corrects the first detection signal using the updated correction data to generate measurement data.
  • the storage device 150 includes arbitrary storage media such as semiconductor memory, magnetic disk, and optical disk.
  • the storage device 150 stores correction data used in correction processing executed by the processing circuit 140 and reference distance data corresponding to the optical path length of the calibration optical system 180 .
  • Correction data may include, for example, one or more correction tables.
  • the correction data may contain multiple correction tables.
  • Each of the plurality of correction tables may be associated and recorded with a corresponding one of a plurality of different operating states of light source 110 .
  • the operating state of the light source 110 may be, for example, a state characterized by the aforementioned modulation voltage amplitude, bias voltage, or temperature of the light source 110 .
  • the correction data is not limited to the correction table, and may be data in any format such as a function.
  • Storage device 150 also stores computer programs that are executed by processing circuitry 140 .
  • the processing circuit 140 and the storage device 150 may be integrated on one circuit board, or may be provided on separate circuit boards.
  • the functionality of processing circuitry 140 may be distributed over multiple circuits. At least part of the functions of the processing circuitry 140 may be implemented by an external computer installed at a location remote from other components. Such an external computer controls the operation of light source 110 and photodetector 130 and/or performs signal processing based on the detection signal output from photodetector 130 via a wired or wireless communication network.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of the light source 110 and the interference optical system 120.
  • the light source 110 in this example comprises a driving circuit 111 and a light emitting element 112 .
  • the drive circuit 111 receives the control signal output from the processing circuit 140 , generates a drive current signal according to the control signal, and inputs the drive current signal to the light emitting element 112 .
  • the light emitting element 112 may be an element that emits highly coherent laser light, such as a semiconductor laser element.
  • the light emitting element 112 emits frequency-modulated laser light in response to the drive current signal.
  • the frequency of the laser light emitted from the light emitting element 112 is modulated at a constant cycle.
  • the frequency modulation period can be, for example, 1 microsecond ( ⁇ s) or more and 10 milliseconds (ms) or less.
  • the frequency modulation amplitude can be, for example, greater than or equal to 100 MHz and less than or equal to 1 THz.
  • the wavelength of the laser light can be included in the near-infrared wavelength range of 700 nm or more and 2000 nm or less, for example. In sunlight, the amount of near-infrared light is smaller than the amount of visible light. Therefore, by using near-infrared light as the laser light, the influence of sunlight can be reduced.
  • the wavelength of the laser light may be included in the visible light wavelength range of 400 nm or more and 700 nm or less or the ultraviolet light wavelength range.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the control signal output from the processing circuit 140 and the drive current signal output from the drive circuit 111.
  • FIG. Parts (a) and (b) of FIG. 4 show examples of waveforms of the control signal and the drive current signal, respectively.
  • the control signal applies a voltage that fluctuates with a predetermined period and a predetermined amplitude to the driving circuit 111 of the light source 110 .
  • the voltage of the control signal may be modulated in a sawtooth waveform.
  • the voltage of the control signal is not limited to a sawtooth waveform, and may be modulated in a triangular waveform.
  • the frequency of the light emitted from the light emitting element 112 can be swept in a near-linear form by a control signal in which the voltage repeats a linear change such as a sawtooth wave or a triangular wave.
  • a control signal in which the voltage repeats a linear change such as a sawtooth wave or a triangular wave.
  • frequency sweeps are not perfectly linear.
  • the amplitude of the modulation waveform of such a control signal is called modulation voltage amplitude, and the voltage at the center of the modulation range is called bias voltage.
  • the control signal applies a voltage that fluctuates around the bias voltage to the driving circuit 111 of the light source 110 .
  • the drive circuit 111 converts the control signal into a drive current signal and drives the light emitting element 112 with the drive current signal.
  • the drive current signal changes with a waveform corresponding to the control signal.
  • the modulation range or amplitude of the drive current signal is called the modulation current amplitude, and the current in the center of the modulation range is called the bias current.
  • the driving current signal increases and the frequency of the laser light emitted from the light emitting element 112 increases (that is, the wavelength shortens).
  • the drive current signal decreases and the frequency of the laser light emitted from the light emitting element 112 decreases (that is, the wavelength lengthens).
  • the interference optical system 120 in the example shown in FIG. 3 includes a splitter 121, a mirror 122, an optical switch 128, and a collimator 123.
  • the branching device 121 splits the laser light emitted from the light emitting element 112 of the light source 110 into reference light and output light, and combines the reflected light from the object 300 or the calibration optical system 180 with the reference light to produce interference light.
  • to generate Mirror 122 reflects the reference light back to splitter 121 .
  • the optical switch 128 switches the output destination of output light between the collimator 123 and the calibration optical system 180 .
  • the optical switch 128 can switch between a first state in which the output light is emitted to the object 300 and a second state in which the output light is emitted to the calibration optical system 180 .
  • the operation of optical switch 128 is controlled by processing circuitry 140 .
  • the processing circuit 140 puts the optical switch 128 in the first state and causes the output light 22 to enter the collimator 123 .
  • the processing circuitry 140 places the optical switch 128 in the second state and directs the output light 22 into the calibration optics 180 .
  • the collimator 123 includes a collimating lens, and irradiates the object 300 with the output light output from the optical switch 128 with a spread angle close to parallel.
  • Calibration optics 180 has at least one reflective surface. The calibration optical system 180 reflects the output light output from the optical switch 128 on the reflecting surface and returns the reflected light to the optical switch 128 .
  • FIG. 5A to 5C are diagrams schematically showing examples of the calibration optical system 180.
  • FIG. FIG. 5A shows an example of calibration optics 180 including optical fiber 180A. In this example, output light from optical switch 128 is reflected back to optical switch 128 by reflecting surface 181 at the end of optical fiber 180A.
  • FIG. 5B shows an example of calibration optics 180 including mirror 180B. In this example, the output light from optical switch 128 is reflected by the reflective surface of mirror 180B and returns to optical switch 128.
  • FIG. FIG. 5C shows an example of calibration optics 180 including a multipass cell 180C. In this example, the output light from the optical switch 128 is multiple-reflected by the reflective surfaces of the mirrors included in the multipass cell and returns to the optical switch 128 .
  • a measurable distance range (for example, 0 m to 50 m) is set for the measuring device 100 .
  • a reference distance determined according to the optical path length is set in the calibration optical system 180 and recorded in the storage device 150 .
  • Calibration optical system 180 can be designed such that its reference distance is included in the measurable distance range of measuring apparatus 100 .
  • the optical path length from the optical switch 128 to the reflecting surface 181 at the end of the optical fiber 180A can be set as the reference distance.
  • the optical path length from optical switch 128 to the reflecting surface of mirror 180B can be set as the reference distance.
  • FIG. 5A the optical path length from optical switch 128 to the reflecting surface of mirror 180B can be set as the reference distance.
  • the optical path length from optical switch 128 through multipass cell 180C and back to optical switch 128 may be set as the reference distance.
  • Calibration optical system 180 can be designed such that these reference distances are within the range of distances that can be measured by measuring apparatus 100 . With such a configuration, the optical path length of light from the optical switch 128 through the calibration optical system 180 and back to the optical switch 128 becomes close to the optical path length assumed at the time of measurement. This makes it possible to reduce the influence of reflection noise at a short distance inside the apparatus, and avoid problems such as the beat frequency being too low to be measured when the distance is too short. As an example, consider a case where the range of distances measurable by the measuring device 100 is from 0 m to 20 m.
  • the length of optical fiber 180A in the example of FIG. 5A, the optical path length from optical switch 128 to mirror 180B in the example of FIG. Half of the optical path length to the return can be designed to a value within the range of several tens of centimeters to several tens of meters, for example.
  • the optical path length may be increased by bending or winding the optical fiber 180A.
  • other mirrors or other optical elements may be combined to increase the optical path length.
  • the interference optical system 120 is not limited to the configuration shown in FIG. 3, and may include, for example, a fiber optical system. In that case, a fiber coupler can be used as the splitter 121 .
  • the reference light does not necessarily need to be reflected by the mirror 122 , and may be returned to the splitter 121 by routing an optical fiber, for example.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of the measuring device 100 in which the interference optical system 120 includes a fiber optical system.
  • interference optical system 120 includes first fiber splitter 125 , second fiber splitter 126 and optical circulator 127 in addition to collimator 123 and optical switch 128 .
  • the first fiber splitter 125 splits the laser light 20 emitted from the light source 110 into reference light 21 and output light 22 .
  • the first fiber splitter 125 causes the reference light 21 to enter the second fiber splitter 126 and the output light 22 to enter the optical circulator 127 .
  • the optical circulator 127 causes the output light 22 to enter the optical switch 128 and causes the reflected light 23 from the optical switch 128 to enter the second fiber splitter 126 .
  • the second fiber splitter 126 causes the interference light 24 between the reference light 21 and the reflected light 23 to enter the photodetector 130 .
  • the optical switch 128 causes the output light 22 to enter one of the collimator 123 and the calibration optical system 180 according to a command from the processing circuit 140 .
  • the collimator 123 shapes the beam shape of the output light 22 and emits the output light 22 toward the object 300 .
  • the measuring device 100 may further include an optical deflector that changes the direction of emitted light.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an example of the measuring device 100 including the optical deflector 170.
  • the optical deflector 170 may include, for example, a MEMS (Micromechanical Electrosystem) mirror or a galvanomirror.
  • the optical deflector 170 can change the emission direction of the output light 22 by changing the angle of the mirror according to the instruction from the processing circuit 140 . Thereby, beam scanning can be realized.
  • the optical deflector 170 is not limited to the above configuration.
  • Optical deflector 170 may be, for example, a beam scanning device using an optical phased array and slow light waveguides, as described in WO2019/130720.
  • FIG. 8A is a diagram schematically showing an example of temporal changes in the frequencies of the reference light and the reflected light when the object 300 is stationary.
  • the frequency changes like a triangular wave will be described.
  • the solid line represents the reference light
  • the dashed line represents the reflected light.
  • the frequency of the reference light shown in FIG. 8A linearly increases during the modulation period and then linearly decreases by the increased amount.
  • the frequency of the reflected light is shifted along the time axis by the amount of time it takes for the light to exit the measurement device 100 and be reflected back by the object 300 compared to the frequency of the reference light.
  • interference light between the reference light and the reflected light has a frequency corresponding to the difference between the frequency of the reflected light and the frequency of the reference light.
  • a double arrow shown in FIG. 8A represents the difference between the two frequencies.
  • Photodetector 130 outputs a signal indicating the intensity of the interference light.
  • the signal is called a beat signal.
  • the frequency of the beat signal, ie the beat frequency, is equal to the above frequency difference.
  • the processing circuit 140 can calculate the distance from the measurement device 100 to the object 300 based on the beat frequency.
  • FIG. 8B is a diagram schematically showing an example of temporal changes in the frequencies of the reference light and the reflected light when the object 300 approaches the measuring device 100.
  • FIG. 8B When the object 300 approaches, due to the Doppler shift, the frequency of the reflected light shifts in an increasing direction along the frequency axis compared to when the object 300 is stationary. The amount by which the frequency of the reflected light is shifted depends on the magnitude of the component obtained by projecting the velocity vector at a certain portion of the object 300 in the direction of the reflected light.
  • the beat frequency is different when the frequencies of the reference light and the reflected light linearly increase and when they linearly decrease. In the example shown in FIG. 8B, the beat frequency when both frequencies decrease linearly is higher than the beat frequency when both frequencies increase linearly.
  • Processing circuitry 140 can calculate the velocity of object 300 based on the difference in these beat frequencies.
  • the frequency of the reflected light shifts in a decreasing direction along the frequency axis compared to when the object 300 is stationary.
  • the velocity of the object 300 can be calculated based on the difference in beat frequency between when the frequencies of the reference light and the reflected light linearly increase and when they linearly decrease.
  • the operation of the measuring device 100 of this embodiment can be broadly divided into two processes: (1) calibration and (2) measurement.
  • Calibration is an operation performed by the user of the measurement device 100 to update the correction table.
  • the correction table is generated in advance by the manufacturer and recorded in the storage device 150 before shipment of the measuring device 100 .
  • Measurement is an operation in which the user of measuring device 100 measures the distance and/or speed to target object 300 .
  • FIG. 9 is a flowchart showing an example of calibration operation.
  • the calibration operation includes operations from steps S310 to S350 shown in FIG. The operation of each step will be described below.
  • a calibration operation can be started, for example, according to an instruction from a user.
  • Step S310 The processing circuit 140 switches the output destination of the optical switch 128 so that the output light is incident on the calibration optical system 180 , and then sends a control signal to the light source 110 .
  • the modulation voltage amplitude, bias voltage, and modulation period of the control signal can be set to predetermined values or values specified by a user.
  • Light source 110 begins emitting frequency-modulated light in response to a control signal.
  • Processing circuitry 140 obtains the detection signal from photodetector 130 .
  • the photodetector 130 outputs a detection signal according to the intensity of the interference light while light is emitted from the light source 110 .
  • the temporal length of the detection signal acquired by the processing circuit 140 can be, for example, about 1 to 50 times the modulation period.
  • Processing circuitry 140 may average the detected signals to improve the signal-to-noise ratio of the detected signals. In that case, the processing circuit 140 repeats the process of acquiring the detection signal for a relatively long time and averaging the detection signal over a predetermined time sufficiently shorter than the modulation period.
  • Processing circuitry 140 includes, for example, an analog-to-digital (A/D) converter and memory. The processing circuit 140 digitizes the detected signal waveform by, for example, an A/D converter and stores it in memory.
  • A/D analog-to-digital
  • Step S330 The processing circuit 140 stops the emission of light from the light source 110 by stopping the transmission of the control signal. This step may be performed according to instructions from the operator. Alternatively, the processing circuitry 140 may automatically stop irradiation according to a predetermined program. It should be noted that when the calibration operation is repeated for a plurality of different operating conditions, or when the distance measurement is continuously performed after updating the correction table, the light may be left emitted.
  • Step S340 Processing circuitry 140 analyzes the period of the detected signal.
  • the period analysis method includes, for example, specifying the point that takes the maximum value of the upwardly convex portion or the minimum value of the downwardly convex portion in the waveform of the detection signal, There is a method in which the period up to the point at which the value is taken or the period from the point at which the minimum value is taken to the point at which the next minimum value is taken is defined as one cycle. Alternatively, if the values of the detection signal are uniformly distributed in positive and negative directions, the period may be determined based on the zero cross points. A zero-crossing point is a point at which the value of a signal changes from positive to negative or from negative to positive.
  • Processing circuitry 140 extracts the zero-crossing points from the detected signal and either the period from a positive-to-negative zero-crossing point to the next positive-to-negative zero-crossing point, or from a negative-to-positive zero-crossing point to the next negative-to-positive zero-crossing point. may be set as one cycle.
  • FIG. 10A is a graph showing an example of analysis results of the period of the detection signal.
  • waveforms showing the relationship between the voltage of the control signal and the voltage of the detection signal are plotted.
  • the periods when the control signal voltages are V i , V i + 1 , V i+2 , . , . . .
  • the length of time from when the control signal voltage is V i to when it is V i+1 is defined as period P i .
  • the processing circuit 140 outputs the voltages V i , V i+1 , V i+2 , . . . of the control signals and the periods P i , P i+1 , P i+2 , . ⁇ Plot the relationship between and find an approximation formula for the plotted points.
  • the approximation formula is, for example, a polynomial of degree 2 or higher, and can be obtained using, for example, the method of least squares.
  • Step S350 The processing circuit 140 creates a correction table showing the relationship between the voltage of the control signal and the period ratio based on the generated approximation formula, and converts the existing correction table recorded in the storage device 150 with the content of the correction table. Overwrite and update. Instead of overwriting, the existing correction table may be left and a new correction table may be recorded. At this time, a time stamp or information indicating the operating state at that time may be associated and recorded in the correction table.
  • 11A and 11B are diagrams showing examples of correction tables.
  • the correction table can be recorded in a form showing the relationship between the control signal and the period ratio for different operating states of the light source (modulation voltage amplitude in this example).
  • 11A and 11B show examples of correction tables associated with different first and second operating states of the light source, respectively. Although two correction tables are recorded in this example, one or more than three correction tables may be recorded. Further, the correction data indicating the relationship between the control signal and the correction value such as the cycle ratio may be recorded in another format such as a function, without being limited to the format of the correction table.
  • the period ratio is such that the beat frequency calculated from the waveform of the detected signal after correction becomes a value theoretically derived from the optical path length of the calibration optical system 180, the modulation period, the modulation frequency range, and the speed of light. can be a value normalized by a predetermined constant.
  • FIG. 12 is a diagram showing examples of waveforms of detection signals before and after correction.
  • the constant can be set to a value such that the beat frequency of the waveform of the detected signal after correction is a constant value 1/Pm.
  • the relationship between the beat frequency and the distance can be stored in the memory in the processing circuit 140 or in the storage device 150 in the form of a conversion table as shown in FIG. 13, for example.
  • a conversion table is used when the processing circuit 140 calculates a distance value in the process of ranging operation.
  • period ratio may be determined by normalizing with an appropriate constant for each operating state.
  • the relationship between beat frequency and distance in each operating state can be recorded as correction data such as a conversion table or function.
  • the processing circuit 140 can appropriately update the correction table according to the state at that time.
  • the correction table can be created by a method similar to the method shown in FIG.
  • FIG. 15 is a flowchart showing an example of measurement operation.
  • the processing circuit 140 in this example executes the operations of steps S900 to S990 shown in FIG. 15 when performing the measurement operation. The operation of each step will be described below.
  • a measurement operation is started according to an instruction from the user.
  • Step S900 Processing circuitry 140 first determines whether or not to perform a calibration operation for updating the correction table. If the calibration operation is to be performed, the process proceeds to step S910. If the calibration operation is not to be executed, the process proceeds to step S920.
  • a calibration operation may be performed, for example, when there is a high possibility that the characteristics of the light source 110 have changed.
  • the properties of light source 110 may change over time or depending on temperature, for example. Accordingly, processing circuitry 140 may determine whether to perform a calibration operation based on the usage time of light source 110 or the temperature of light source 110 . Alternatively, processing circuitry 140 may determine whether to perform the calibration operation according to instructions from the user.
  • FIG. 16 is a diagram showing a configuration example of the measurement device 100 that performs a calibration operation based on the usage time of the light source 110.
  • the measuring device 100 includes a time counter 190 that measures the usage time of the light source 110 .
  • the usage time may be the time from when the light source 110 was started to the present time, or the time from the last time the clock was reset to the present time.
  • the time counter 190 outputs the measured time to the processing circuit 140 .
  • Processing circuitry 140 may determine to perform calibration if the measured time exceeds some threshold (eg, 10 days, 3 months, 1 year, etc.). In this manner, the processing circuit 140 can switch between the measurement mode and the calibration mode based on the usage time of the light source 110 .
  • some threshold eg, 10 days, 3 months, 1 year, etc.
  • FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of the measuring device 100 that performs the calibration operation based on the temperature of the light source 110.
  • the measuring device 100 has a temperature sensor 160 that measures the temperature of the light source 110 .
  • the temperature sensor 160 can be arranged to measure the temperature of the light emitting element 112 as directly as possible.
  • the temperature sensor 160 can be arranged to be affixed to the light emitting element 112 itself or to a heat sink to which the light emitting element 112 is fixed.
  • Temperature sensor 160 outputs the measured temperature to processing circuit 140 .
  • Processing circuitry 140 may determine to perform calibration if the measured temperature exceeds a certain threshold or if the measured temperature is below a certain threshold. Thus, processing circuitry 140 can switch between measurement mode and calibration mode based on the temperature of light source 110 .
  • FIG. 18 is a diagram showing a configuration example of the measurement device 100 that executes calibration operations according to instructions from the user.
  • the measuring device 100 is connected to an input device 200 that receives input from the user.
  • the input device 200 can be any input means such as buttons, keyboard, or touch screen.
  • the input device 200 and the display device 210 may be configured as one device.
  • the processing circuit 140 is triggered by an input from the user using the input device 200 to perform the calibration operation.
  • processing circuitry 140 can switch between measurement mode and calibration mode in response to input from a user.
  • the characteristics of the light source 110 change due to various factors.
  • an impact may change the properties of light source 110 .
  • the measurement device 100 may include a sensor such as a gyroscope that measures the magnitude of the impact.
  • Processing circuitry 140 may determine to perform a calibration operation when the magnitude of the measured shock, or its cumulative value, exceeds a threshold.
  • the characteristics of the light source 110 also depend on the modulation voltage amplitude, modulation current amplitude, bias voltage, bias current, or input power of the control signal. Therefore, the processing circuit 140 may determine to perform the calibration operation when the modulation voltage amplitude, modulation current amplitude, bias voltage, bias current, or input power of the control signal changes by a threshold value or more. Note that the modulation voltage amplitude, modulation current amplitude, bias voltage, bias current, and input power can be changed by user operations. Thus, the processing circuitry 140 may switch to the calibration mode when the operating state of the light source 110 is changed by changing the control signal in the measurement mode.
  • Step S910 Processing circuitry 140 performs calibration operations to correct the correction table. This calibration operation is the same as the operation shown in FIG.
  • the processing circuit 140 updates the correction table according to the state at that time by executing the operations of steps S310 to S350 shown in FIG. After step S910, the process proceeds to step S920.
  • Step S920 The processing circuit 140 sends a control signal to the light source 110 to cause the light source 110 to emit frequency-modulated light while the output destination of the light from the optical switch 128 is the collimator 123 . As a result, the object 300 is irradiated with laser light.
  • Step S930 The processing circuit 140 acquires the detection signal output from the photodetector 130 .
  • the photodetector 130 outputs a detection signal according to the intensity of the interference light while light is emitted from the light source 110 .
  • the temporal length of the detection signal acquired by the processing circuit 140 can be, for example, about 1 to 50 times the modulation period.
  • Processing circuitry 140 may average the detected signals to improve the signal-to-noise ratio of the detected signals. In that case, the processing circuit 140 repeats the process of acquiring the detection signal for a relatively long time and averaging the detection signal over a predetermined time sufficiently shorter than the modulation period.
  • Step S940 The processing circuit 140 stops the emission of light from the light source 110 by stopping the transmission of the control signal. This step may be performed according to instructions from the user. Alternatively, the processing circuitry 140 may automatically stop irradiation according to a predetermined program. When the distance measurement is continuously repeated, the light may be left irradiated.
  • Step S950 Processing circuitry 140 obtains the correction table from storage device 150 . If the correction table is updated in step S910, processing circuit 140 acquires the updated correction table.
  • the correction table may be data that defines the relationship between the control signal voltage and the period ratio (that is, the correction value) as shown in FIG. 11A, for example.
  • Step S960 The processing circuit 140 corrects the period of the detection signal based on the correction table. This correction suppresses fluctuations in the cycle of the beat signal, as shown in FIG. 12, for example.
  • Step S970 The processing circuit 140 performs frequency analysis of the waveform of the detected signal after correction.
  • the processing circuitry 140 Fourier transforms the waveform of the detected signal to generate a frequency spectrum. After that, the frequency at which the maximum peak of the frequency spectrum is obtained is obtained, and this frequency is set as the beat frequency.
  • Step S980 The processing circuit 140 converts the beat frequency into a distance value and calculates it.
  • the processing circuit 140 reads a conversion table such as that illustrated in FIG. 13, FIG. 14A, or FIG. 14B from the memory in the processing circuit 140 and uses it.
  • Step S990 The processing circuit 140 outputs measurement data including information on the calculated distance value to an external device such as the display device 210, for example.
  • the processing circuit 140 can generate distance data of the target object 300 . It should be noted that the operation shown in FIG. 15 may be repeated continuously when ranging is continuously performed. Also, when measuring the velocity of the target object 300 in addition to the distance, a triangular control signal may be used instead of the sawtooth control signal as shown in FIG. Processing circuitry 140 may calculate velocity in the manner described with reference to FIGS. 8A and 8B.
  • the correction table can be updated appropriately.
  • the processing circuit 140 corrects the detection signal based on the updated correction table, and performs frequency analysis based on the corrected detection signal. Therefore, the distance can be obtained by reducing the frequency error of the beat signal included in the detection signal, and the distance to the object can be measured more precisely.
  • the storage device 150 stores a plurality of correction tables according to the operating state or usage environment, the above calibration operation may be performed for each correction table.
  • the correction table is not limited to a format that defines the relationship between the control voltage and the cycle ratio.
  • a correction table specifying sampling time intervals for control voltages may be used. In this case, the sampling timing of A/D conversion, which should be equal time intervals, is changed.
  • the processing circuit 140 may use the detection signal reconstructed by changing the sampling timing in this way as the corrected detection signal.
  • a correction table may be used that specifies the period ratio for the phase of frequency modulation.
  • FIG. 19C a correction table may be used that specifies the sampling time interval with respect to the phase of frequency modulation. In each of the examples of FIGS.
  • a correction table may be used that defines the relationship between the frequency modulation timing (that is, time) and correction values such as sampling intervals or period ratios.
  • a correction table that defines the relationship between the drive current and the period ratio or sampling interval may be used instead of the control voltage.
  • the approximation formula itself is stored as a correction function in a storage device such as a memory, and the processing circuit 140 is configured to correct the detection signal based on the correction function corresponding to the operating state at that time.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of such a configuration.
  • the measurement apparatus 100 shown in FIG. 20 includes a first photodetector 130A for measurement and a second photodetector 130B for calibration.
  • a light receiving device is configured by the first photodetector 130A and the second photodetector 130B.
  • the interference optical system 120 includes an optical switch 129, a first measurement optical system 120a, and a second calibration optical system 120b.
  • the optical switch 129 switches the output destination of the light output from the light source 110 between the first optical system 120a and the second optical system 120b according to a command from the processing circuit 140.
  • the first optical system 120a separates the light input from the optical switch 129 into output light and reference light, makes the output light incident on the object 300, and produces interference light between the reflected light from the object 300 and the reference light. is made incident on the first photodetector 130A.
  • the second optical system 120b separates the light input from the optical switch 129 into output light and reference light, causes the output light to enter the calibration optical system 180, and outputs reflected light from the calibration optical system 180 and reference light.
  • the second interference light which is interference light with , is made incident on the second photodetector 130B.
  • the processing circuit 140 directs the output destination of light from the optical switch 129 to the first optical system 120a, and based on the correction data, the first photodetector 130A outputs light from the first photodetector 130A.
  • the first detection signal is corrected, and measurement data is generated based on the corrected first detection signal.
  • the processing circuit 140 changes the light output destination of the optical switch 129 to the second optical system 120b, and updates the correction data based on the second detection signal output from the second photodetector 130B. do. With such configuration and operation, it is possible to obtain effects similar to those of the above-described embodiment.
  • the processing circuit 140 may concurrently update the correction data based on the detection signal output from the second photodetector 130B while operating in the measurement mode. According to such an operation, it is possible to update the correction data while continuously measuring the distance or speed, so that the accuracy of the measurement can be further improved.
  • FIG. 21 is a block diagram showing the configuration of a measuring device 1001 according to this modified example. Differences of the measuring apparatus 1001 of this modified example from the measuring apparatus 100 shown in FIG. 7 will be described below.
  • the reflected light 23 reflected by the calibration optical system 180 is used to generate or update data for correcting the detection signal.
  • the correction data is obtained by using the internally reflected light 231 generated in a part of the interference optical system 120 without providing the calibration optical system 180 separate from the interference optical system 120 . generate or update the
  • Internal reflection occurs on the path of output light 22 in interference optics 120 . Internal reflection can occur, for example, at optical elements forming part of the interference optical system 120, connections between optical elements and optical fibers, and connections between optical fibers. For example, as shown in FIG. 21, some of the output light 22 incident on the collimator 123 may not be output toward the object 300 and may return as internally reflected light 231 . In this modified example, the internally reflected light 231 in the collimator 123 is used to correct the detection signal described above. In this case, it can be said that the collimator 123 also serves as the calibration optical system 180 .
  • FIG. 22 is a block diagram showing the configuration of a measuring device 1002 according to this modification.
  • part of the output light 22 is branched by part of the interference optical system 120 and input to the path of the reflected light 23 .
  • part of the output light 22 incident on the optical circulator 127 may not be output toward the collimator 123 and may leak into the path of the reflected light 23 .
  • processing similar to that of the above-described embodiment and modifications can be performed.
  • the optical circulator 127 also serves as the calibration optical system 180 .
  • a measuring device according to a third modification of the embodiment of the present disclosure will be described.
  • the configuration of the measuring device of this modified example is the same as that of the measuring device 100 of the embodiment described above.
  • the calibration operation differs from that of the embodiment described above.
  • FIG. 23 is a flow chart showing the calibration operation of the measuring device according to this modified example.
  • step S360 of determining the success or failure of periodic analysis is performed after step S340 of performing periodic analysis. If it is determined in step S360 that the periodic analysis has succeeded ("Yes" in S360), the process proceeds to step S350, and the correction table is updated.
  • step S360 determines whether the periodic analysis has failed ("No" in S360).
  • the process proceeds to step S370.
  • the periodic analysis has failed in step S360, for example, (1) the periods P i , P i+1 , P i+2 , . or (2) when the period analysis of a plurality of detection signals is performed in step S340, the correlation between the period obtained by analyzing each detection signal and the detection signal is below a predetermined value. , and so on.
  • the variation in the period of the detection signal that is, the interval between peaks
  • step S370 a signal indicating the content of the error is output to an external device such as display device 210.
  • the display device 210 displays, for example, "calibration error" or "analysis error”.
  • FIG. 24 is a flow chart showing the calibration operation of the measuring device according to this modified example. The point that the calibration operation of this modification differs from the operation shown in FIG. Step S380 for comparing the new correction table created based on is entered. Thereafter, in step S390, it is determined whether or not to select the new correction table based on the result of comparison between the old and new correction tables in step S380. If the new correction table is selected ("Yes" in S390), the process proceeds to step S350, and the old correction table is updated to the new correction table. If the new correction table is not selected ("No" in S390), the process proceeds to end without updating the correction table.
  • the comparison of the old and new correction tables in step S380 is performed, for example, by comparing the full widths at half maximum of the frequency spectra obtained by performing correction processing on the detection signal using each of the old and new correction tables.
  • step S390 for example, as a result of the comparison in step S380, the full width at half maximum of the frequency spectrum of the detection signal corrected by the new correction table is smaller than the full width at half maximum of the frequency spectrum of the detection signal corrected by the old correction table. If so, a new correction table is selected.
  • the comparison result in step S380 may be displayed on the display device 210, and the user may select it by interface input.
  • the measuring device can be used for applications such as mobile objects such as automatic guided vehicles (AGV), automobiles, unmanned aircraft, or industrial robots, or FMCW lidar systems mounted on monitoring devices.
  • mobile objects such as automatic guided vehicles (AGV), automobiles, unmanned aircraft, or industrial robots, or FMCW lidar systems mounted on monitoring devices.
  • AGV automatic guided vehicles
  • unmanned aircraft unmanned aircraft
  • industrial robots or FMCW lidar systems mounted on monitoring devices.
  • FMCW lidar systems mounted on monitoring devices.
  • Reference Signs List 100 rangefinder 110 light source 111 drive circuit 112 light emitting element 120 interference optical system 121 splitter 122 mirror 123 collimator 124 collimator lens 125 first fiber splitter 126 second fiber splitter 127 optical circulator 128 optical switch 129 splitter 130 photodetector 140 Processing Circuit 150 Storage Device 160 Temperature Sensor 170 Optical Deflector 180 Calibration Optical System 180A Optical Fiber 180B Mirror 180C Multipass Cell 190 Time Counter 200 Input Device 210 Display Device 220 Control Device 300 Object

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Abstract

計測装置は、光源と、校正用光学系と、干渉光学系と、受光装置と、記憶装置と、処理回路とを備える。干渉光学系は、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第１干渉光、および前記出力光が前記校正用光学系で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第２干渉光を生成する。前記受光装置は、前記第１干渉光の強度に応じた第１検出信号、および前記第２干渉光の強度に応じた第２検出信号を出力する。前記処理装置は、前記光源から出射される光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出し、前記第２検出信号に基づいて記憶装置に格納された補正用データを更新し、更新された前記補正用データと、前記第１検出信号とに基づいて計測データを生成する。

Description

対象物の距離および／または速度を計測する装置および方法
　本開示は、対象物の距離および／または速度を計測する装置および方法に関する。
　ＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　Ｗａｖｅ）方式による測距装置は、周波数変調された電磁波を送出し、送信波と反射波との周波数の差に基づいて距離を計測する。使用される電磁波がミリ波等の電波である場合、ＦＭＣＷ方式の測距装置はＦＭＣＷレーダーと呼ばれる。ＦＭＣＷレーダーでは、電波の発振源として、例えば電圧制御発振器（ＶＣＯ）が用いられる。電磁波が可視光または赤外光などの光である場合、ＦＭＣＷ方式の測距装置はＦＭＣＷライダー（ＬｉＤＡＲ）と呼ばれる。ＦＭＣＷライダーでは、光源として、例えばレーザ光源が用いられる。
　ＦＭＣＷライダーは、周波数が周期的に変調された光を光源から対象物に向けて出射し、対象物からの反射光と、光源からの参照光とを干渉させて干渉光を得る。干渉光は、光検出器によって検出され、電気信号に変換される。この電気信号には、反射光の周波数と参照光の周波数との差に相当する周波数の信号成分が含まれる。この信号成分は「ビート信号」と呼ばれる。ビート信号の周波数は「ビート周波数」と呼ばれる。ビート周波数と対象物までの距離との間には相関がある。したがって、ビート周波数に基づいて対象物までの距離を算出することができる。さらに、移動する対象物からの反射光のドップラーシフトを利用して対象物の速度を算出することもできる。例えば、光源から出射される光の周波数が増加するアップチャープ期間、および周波数が減少するダウンチャープ期間におけるビート信号の周波数の差に基づいて、対象物の速度を算出することができる。
　ＦＭＣＷライダーは、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ　ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）方式のライダーとは異なり、光検出器から出力された電気信号の周波数を検出するので、測距結果が外乱光の影響を受けにくいという特徴がある。その一方で、ＦＭＣＷライダーの距離計測の精度は、光の周波数を時間に対して如何に線形的に変調できるかに依存すると考えられてきた。
　特許文献１は、ＦＭＣＷレーダーの電圧制御発信器が電圧を時間に対して線形的に掃引した場合でも、周波数が非線形的に変化してしまうことから測距性能が低下することを記載している。これを解決するために、特許文献１は、人工ターゲットから得られる掃引信号に基づいて、干渉信号のサンプリングのタイミングを動的に変化させる方法を開示している。これにより、周波数掃引の非線形性を補償できることが記載されている。
　特許文献２は、複数の距離および複数の周囲温度に対応する補正データを用いて、干渉信号の周波数を補正するＦＭＣＷレーダー装置を開示している。これにより、検出精度を向上させることが記載されている。
　特許文献３は、ビート信号の周波数を連続的に計測し、計測された周波数の平均値に基づいて対象物までの距離を算出するＦＭＣＷライダー装置の例を開示している。これにより、レーザの非線形チャープの影響を除去して、正確な距離測定が可能になることが記載されている。
　特許文献４は、人の眼の内部の測定対象部位の位置を特定するために使用される眼科装置を開示している。この眼科装置は、測定光学系と、参照光学系と、較正光学系と、受光素子と、演算装置とを備える。測定光学系は、光源からの光を被検眼の内部に照射すると共にその反射光を導く。参照光学系は、光源からの光を案内して参照光とする。較正光学系は、光源からの光を案内する。受光素子は、測定光学系により導かれた反射光と参照光学系により案内された参照光とが合成された測定用干渉光と、較正光学系により案内された較正光と参照光学系により案内された参照光とが合成された較正用干渉光とを受光する。演算装置は、受光素子で受光された測定用干渉光と較正用干渉光から、被検眼内部の測定対象部位の位置を特定する。このような構成により、時間の経過に伴って干渉光の特性が変化しても、被検眼内部の測定対象部位の位置を正確に特定できることが記載されている。
国際公開第２００６／０３５１９９号 特開２０１４－１８５９７３号公報 特開２０１９－４５２００号公報 特開２０１３－１８０１１１号公報
　本開示は、ＦＭＣＷ技術を利用する計測装置において、時間の経過、使用環境の変化、または光源の動作状態の変化などに起因して光源の出力特性が変化したとしても、距離および／または速度の計測精度の低下を抑制することが可能な技術を提供する。
　本開示の一態様に係る計測装置は、光源と、校正用光学系と、干渉光学系と、受光装置と、記憶装置と、処理回路とを備える。前記光源は、周波数が変調された光を出射する。前記校正用光学系は、少なくとも１つの反射面を有する。前記干渉光学系は、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第１干渉光、および前記出力光が前記校正用光学系で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第２干渉光を生成する。前記受光装置は、少なくとも１つの光検出器を備え、前記第１干渉光の強度に応じた第１検出信号、および前記第２干渉光の強度に応じた第２検出信号を出力する。前記記憶装置は、前記第１検出信号の補正に用いられる補正用データを記憶する。前記処理回路は、前記光源から出射される前記光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出し、前記第２検出信号に基づいて前記補正用データを更新し、更新された前記補正用データに基づいて前記第１検出信号を補正し、補正された前記第１検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力する。
　本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたはコンピュータ読み取り可能な記録ディスク等の記録媒体によって実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意の組み合わせによって実現されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、揮発性の記録媒体を含んでいてもよいし、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ　Ｄｉｓｃ‐Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等の不揮発性の記録媒体を含んでいてもよい。装置は、１つ以上の装置で構成されてもよい。装置が２つ以上の装置で構成される場合、当該２つ以上の装置は、１つの機器内に配置されてもよく、分離した２つ以上の機器内に分かれて配置されてもよい。本明細書および特許請求の範囲では、「装置」とは、１つの装置を意味し得るだけでなく、複数の装置からなるシステムも意味し得る。
　本開示の実施形態によれば、時間の経過、使用環境の変化、または光源の動作状態の変化などに起因して光源の出力特性が変化したとしても、距離および／または速度の計測精度の低下を抑制することができる。
図１は、本発明者らが行った実験によって得られたデータを示す図である。 図２は、例示的な実施形態による計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図３は、光源および干渉光学系の構成例を示すブロック図である。 図４は、処理回路から出力される制御信号と、駆動回路から出力される駆動電流信号の例を示す図である。 図５Ａは、校正用光学系の一例を示す図である。 図５Ｂは、校正用光学系の他の例を示す図である。 図５Ｃは、校正用光学系のさらに他の例を示す図である。 図６は、干渉光学系がファイバ光学系である計測装置の構成例を示すブロック図である。 図７は、光偏向器を備える計測装置の一例を示すブロック図である。 図８Ａは、対象物が静止している場合における参照光および反射光の周波数の時間変化の例を模式的に示す図である。 図８Ｂは、対象物が計測装置１００に近づく場合における参照光および反射光の周波数の時間変化を模式的に示す図である。 図９は、キャリブレーションの動作の一例を示すフローチャートである。 図１０Ａは、検出信号の周期の分析結果の例を示すグラフである。 図１０Ｂは、制御信号電圧と周期との関係の一例を示す図である。 図１１Ａは、光源の第１の動作状態に関連付けられた補正テーブルの例を示している。 図１１Ｂは、光源の第２の動作状態に関連付けられた補正テーブルの例を示している。 図１２は、補正前後の検出信号の波形の例を示す図である。 図１３は、ビート信号の周波数と距離との関係を規定する変換テーブルの例を示す図である。 図１４Ａは、第１の動作状態に対応するビート信号の周波数と距離との関係を規定する変換テーブルの例を示す図である。 図１４Ｂは、第２の動作状態に対応するビート信号の周波数と距離との関係を規定する変換テーブルの例を示す図である。 図１５は、距離の計測動作の例を示すフローチャートである。 図１６は、他の実施形態における計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図１７は、さらに他の実施形態における計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図１８は、さらに他の実施形態における計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図１９Ａは、制御信号の電圧とサンプリング間隔との関係を規定する補正テーブルの例を示す図である。 図１９Ｂは、周波数変調の位相と周期比率との関係を規定する補正テーブルの例を示す図である。 図１９Ｃは、周波数変調の位相とサンプリング間隔との関係を規定する補正テーブルの例を示す図である。 図２０は、他の実施形態による計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図２１は、本開示の実施形態の第１の変形例による計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図２２は、本開示の実施形態の第２の変形例による計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図２３は、本開示の実施形態の第３の変形例による計測装置のキャリブレーション動作を示すフローチャートである。 図２４は、本開示の実施形態の第４の変形例による計測装置のキャリブレーション動作を示すフローチャートである。
　（本開示の基礎となった知見）
　発明者らは、ＦＭＣＷライダーにおいて、干渉光を検出することによって得られる検出信号の波形について、以下の現象を発見した。光の周波数を線形的に変調するために光源の制御電圧を線形的に掃引したとしても、周波数は非線形的に変化するが、その非線形性は、光源の動作状態の変化、使用環境の変化、および時間の経過などの種々の要因によって変化し得る。以下、図１を参照しながら、この現象を説明する。
　図１は、本発明者らが行った実験によって得られたデータの例を示している。この実験では、静止点に置かれた半導体レーザ光源から、静止した対象物である反射板に向けてレーザ光を出射した。光源に入力される制御信号の電圧（以下、「制御電圧」とも呼ぶ）を所定の電圧範囲Ｖｍ（以下、「変調電圧振幅」とも呼ぶ）かつ所定の周期で線形的に掃引することにより、光源から、周波数が周期的に変調されたレーザ光を出射させた。干渉光学系を用いて、反射板からの反射光と光源からの出射光とを干渉させ、干渉光を光検出器で検出し、取得された信号を記録した。
　図１におけるグラフ（ａ）は、光源に入力される制御信号の電圧の時間変化の例を示している。この例では、制御信号は、電圧範囲Ｖｍ１で時間に対して線形的に掃引されている。電圧範囲の中央値（以下、「バイアス電圧」とも呼ぶ）はＶｂである。図１のグラフ（ｂ）は、同一のレーザ光源を同一の温度条件かつ異なる制御信号で制御したときの制御電圧の時間変化の例を示している。この例では、バイアス電圧は（ａ）の例と同じくＶｂであるが、変調電圧振幅はＶｍ２である。Ｖｍ２はＶｍ１の１．５倍である。
　図１におけるグラフ（ｃ）および（ｄ）は、静止した反射板に向けて光源からレーザ光を出射した場合に生じる反射光と、光源から光学系を介して光検出器に向かう参照光との干渉光を検出することによって得られた電気信号（以下、「検出信号」とも呼ぶ）の波形の例を示している。グラフ（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、変調電圧振幅がＶｍ１およびＶｍ２の場合の検出信号の波形を示している。これらのグラフにおける時間軸は、グラフ（ａ）および（ｂ）における時間軸と同一である。グラフ（ａ）から（ｄ）は、制御電圧の１周期分の信号の変化を表している。以下、制御電圧の周期を「変調周期」と称することがある。
　図１におけるグラフ（ｅ）および（ｆ）は、それぞれ、グラフ（ｃ）および（ｄ）の信号波形を周波数分析することによって得られた、ビート信号の瞬時周波数の時間変化を示している。グラフ（ｅ）および（ｆ）の波形は、それぞれ、（ｃ）および（ｄ）のグラフにおける時刻ｔ１からｔ２までの範囲の信号電圧に基づいて得られた。
　図１におけるグラフ（ｇ）は、上記２つの変調電圧振幅Ｖｍ１およびＶｍ２に対応する瞬時周波数を制御信号の電圧に対応させてプロットしたものである。
　本実験では、静止した対象物に光を照射したので、制御電圧の線形的な掃引に対応して光の周波数も線形的に掃引されたのであれば、ビート信号の周波数は時間にかかわらず一定になるはずである。しかしながら、図１のグラフ（ｅ）および（ｆ）に示すように、ビート信号の周波数は時間的に変動している。また、変調電圧振幅がＶｍ１の場合とＶｍ２の場合とで、ビート信号の周波数の時間に対する非線形性が異なっている。このことは、光の周波数変化の時間に対する非線形性が、変調電圧振幅の大きさによって異なることを示している。
　さらに、図１のグラフ（ｇ）からわかるように、制御信号の電圧に対応させてビート信号の周波数をプロットした場合でも、ビート信号の周波数の変動の非線形性が、変調電流振幅がＶｍ１の場合とＶｍ２の場合とで異なっている。例えば、変調電流振幅がＶｍ１の例では、高電圧側で制御電圧の増加に対してビート信号の周波数が比較的増加傾向にあるのに対して、変調電流振幅がＶｍ２の例では、同じ高電圧側の制御電圧で飽和傾向がみられる。このことは、ある瞬間にレーザ光源に特定の制御電圧を与えても、レーザ光源から出射される光の周波数は必ずしも一定にはならず、制御信号の変調電圧振幅に依存して変動することを示している。このような現象が生じるのは、以下の理由によるものと考えられる。変調電圧振幅の大きさによって、レーザ素子を駆動する電流がレーザ素子に与える熱の時間的な変化の仕方が異なる。この変化の仕方の違いは、レーザ素子の共振器長、利得曲線、および発振モードの時間的変化に影響し、レーザの発振周波数の変動に違いをもたらしていると考えられる。
　このように制御電圧または時間に対してビート周波数が変動すると、対象物までの距離が一意に定まらない。同様の現象は、例えば温度または湿度等の使用環境の変化、時間の経過、または振動などの種々の要因によって光源の特性が変化した場合にも生じ得る。光源の特性が変化したとしても、計測精度の低下を抑制することが求められる。
　本発明者らは、上記の課題を解決するために、以下に説明する本開示の実施形態の構成に想到した。以下、本開示の例示的な実施形態を説明する。
　本開示の一実施形態による計測装置は、光源と、校正用光学系と、干渉光学系と、受光装置と、記憶装置と、処理回路とを備える。前記光源は、周波数が変調された光を出射する。前記校正用光学系は、少なくとも１つの反射面を有する。前記干渉光学系は、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第１干渉光、および前記出力光が前記校正用光学系で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第２干渉光を生成する。前記受光装置は、少なくとも１つの光検出器を備え、前記第１干渉光の強度に応じた第１検出信号、および前記第２干渉光の強度に応じた第２検出信号を出力する。前記記憶装置は、前記第１検出信号の補正に用いられる補正用データを記憶する。前記処理回路は、前記光源から出射される前記光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出し、前記第２検出信号に基づいて前記補正用データを更新し、更新された前記補正用データに基づいて前記第１検出信号を補正し、補正された前記第１検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力する。
　上記の構成によれば、処理回路は、校正用光学系を用いた第２干渉光の計測の結果に基づいて補正用データを更新し、更新された補正用データに基づいて第１検出信号を適切に補正することができる。これにより、例えば経年劣化、使用環境の変化、または光源の動作状態の変化などに起因して光源の出力特性が変化したとしても、距離および／または速度を高い精度で計測することができる。
　補正用データは、例えば計測装置の製造メーカが、出荷前に行うキャリブレーションによって作成され、記憶装置に記録され得る。補正用データを更新する動作は、計測装置のユーザによって行われる。ユーザは、計測を行う前、または計測中の任意のタイミングで補正用データの更新のための動作を計測装置に実行させることができる。補正用データの更新は、既存の補正用データを修正して上書きする動作であってもよいし、既存の補正用データを新たな補正用データに書き変える動作であってもよいし、既存の補正用データを残しながら新たな補正用データを記録する動作であってもよい。また、記憶装置内に既存の補正用データが存在しない場合は、新たに補正用データを作成することによって補正用データを更新してもよい。新たに補正用データを作成する動作は、計測装置の製造メーカが出荷前に行うキャリブレーションの際に実行されても良い。本開示においては、便宜上、このように補正用データを新たに作成する動作のことも補正用データの「更新」と呼ぶ。
　前記干渉光学系は、前記出力光を前記対象物に出射する第１状態と、前記出力光を前記校正用光学系に出射する第２状態とを切り替える光スイッチを含んでいてもよい。前記処理回路は、前記対象物の距離および／または速度を計測する計測モードと、前記補正用データを更新するキャリブレーションモードとで動作してもよい。前記処理回路は、前記計測モードにおいて、前記光スイッチを前記第１状態にし、前記補正用データに基づいて前記第１検出信号を補正し、補正された前記第１検出信号に基づいて前記計測データを生成してもよい。前記処理回路は、前記キャリブレーションモードにおいて、前記光スイッチを前記第２状態にし、前記第２検出信号に基づいて前記補正用データを更新してもよい。
　上記の構成によれば、計測モードとキャリブレーションモードとを切り替えることにより、共通の光学系および共通の光検出器で、補正用データの更新と、距離および／または速度の計測とを行うことができる。このため、計測装置の小型化および製造コストの削減が可能である。
　前記計測装置は、前記光源の使用時間を計測するタイムカウンタをさらに備えていてもよい。前記処理回路は、前記光源の使用時間に基づいて、前記計測モードと前記キャリブレーションモードとを切り替えてもよい。例えば、補正用データが前回更新された時点からの光源の使用時間がある閾値を超えた場合に、処理回路は、計測モードからキャリブレーションモードに切り替えてもよい。これにより、光源の使用時間が長くなった場合に、適切なタイミングで自動でキャリブレーションモードに切り替え、補正用データを更新することができる。その結果、光源の使用時間が長くなることによる計測精度の低下を抑制することができる。
　前記計測装置は、前記光源の温度を計測する温度センサをさらに備えていてもよい。前記処理回路は、前記光源の温度に基づいて、前記計測モードと前記キャリブレーションモードとを切り替えてもよい。例えば、計測された光源の温度が、所定の範囲から外れている場合、処理回路は、計測モードからキャリブレーションモードに切り替えてもよい。所定の範囲は、例えば、補正用データが作成または前回更新されたときの温度を含む範囲に設定され得る。処理回路は、計測された光源の温度が、閾値を下回る場合、または閾値を超える場合に、計測モードからキャリブレーションモードに切り替えてもよい。このような構成により、光源の温度の変化によって光源の特性が変化した場合でも、補正用データを適切に修正して計測精度の低下を抑制することができる。
　前記処理回路は、ユーザからの入力に応答して、前記計測モードと前記キャリブレーションモードとを切り替えてもよい。例えば、計測装置に内蔵または接続された入力装置を用いてユーザがキャリブレーションモードの開始を指示する操作を行った場合に、処理回路は、計測モードからキャリブレーションモードに切り替えてもよい。これにより、ユーザが任意のタイミングで補正用データを更新することができる。
　前記処理回路は、前記計測モードにおいて、前記制御信号を変化させることによって前記光源の動作状態を変化させたとき、前記キャリブレーションモードに切り替えてもよい。例えば、処理回路は、測距可能な距離の範囲を変更するために光源に印加する制御電圧の振幅を変化させた場合に、キャリブレーションモードに切り替えてもよい。これにより、光源の動作状態に応じて生じ方が異なる非線形的な周波数変調の影響を緩和することができ、距離および／または速度をより精密に計測することが可能になる。
　前記記憶装置は、前記校正用光学系の光路長に応じた基準距離をさらに記憶していてもよい。前記処理回路は、前記第２検出信号と、前記基準距離とに基づいて、前記補正用データを更新してもよい。基準距離は、例えば、光源から校正用光学系の特定の反射面までの光学的距離であり得る。処理回路は、例えば、第２検出信号の周波数から理論的に導出される距離が、基準距離に一致するように第２検出信号を補正するための補正用データを更新後の補正用データとして生成することができる。
　前記計測装置には、計測可能な距離範囲が設定され得る。前記基準距離は、前記距離範囲に含まれていてもよい。例えば、計測可能な距離範囲が、０ｍから１００ｍである場合、基準距離は、その範囲内、例えば５０ｍなどの距離に設定され得る。このように、実際に計測される距離に近い距離を基準距離にすることにより、補正用データをより適切に修正することができる。
　前記干渉光学系は、光ファイバ、ミラー、またはマルチパスセルを含んでいてもよい。これらの光学素子を含む干渉光学系を用いることにより、比較的長い光路長を確保しやすくなり、キャリブレーションの品質を向上させることができる。
　前記補正用データは、前記制御信号における複数の電圧値または複数の電流値の各々に対応する補正値の情報を含んでいてもよい。補正値は、例えば、検出信号の周期を補正するための係数であり得る。処理回路は、検出信号から周期を決定し、その周期に補正値を掛けることにより、検出信号を補正することができる。
　前記補正用データは、前記制御信号による周波数変調における複数の位相または複数のタイミングの各々に対応する補正値の情報を含んでいてもよい。そのような補正値の情報を含む補正用データに基づいて、処理回路は検出信号を適切に補正することができる。
　前記補正用データは、前記処理回路が前記検出信号をサンプリングするときのサンプリングタイミングを変更するための補正値の情報を含んでいてもよい。処理回路は、検出信号のサンプリングタイミングを補正値に従って決定することにより、検出信号を補正することができる。
　前記補正用データは、前記検出信号の補正に用いられる補正値を決定するための補正テーブルまたは補正関数を示すデータであり得る。処理回路は、補正テーブルまたは補正関数に基づいて決定した補正値に基づいて、検出信号を適切に補正することができる。
　本開示の他の実施形態による方法は、計測装置を含むシステムにおけるコンピュータによって実行される。前記計測装置は、周波数が周期的に変調された光を出射する光源と、少なくとも１つの反射面を有する校正用光学系と、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第１干渉光、および前記出力光が前記校正用光学系で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第２干渉光を生成する干渉光学系と、少なくとも１つの光検出器を備え、前記第１干渉光の強度に応じた第１検出信号、および前記第２干渉光の強度に応じた第２検出信号を出力する受光装置と、前記第１検出信号の補正に用いられる補正用データを記憶する記憶装置と、を備える。前記方法は、前記第２検出信号に基づいて前記補正用データを更新することと、更新された前記補正用データに基づいて前記第１検出信号を補正することと、補正された前記第１検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力することと、を含む。
　本開示のさらに他の実施形態によるコンピュータプログラムは、計測装置を含むシステムにおけるコンピュータによって実行される。前記コンピュータプログラムは、コンピュータによって読み取り可能な非一時的な記録媒体に格納される。前記計測装置は、周波数が周期的に変調された光を出射する光源と、少なくとも１つの反射面を有する校正用光学系と、前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第１干渉光、および前記出力光が前記校正用光学系で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第２干渉光を生成する干渉光学系と、少なくとも１つの光検出器を備え、前記第１干渉光の強度に応じた第１検出信号、および前記第２干渉光の強度に応じた第２検出信号を出力する受光装置と、前記第１検出信号の補正に用いられる補正用データを記憶する記憶装置と、を備える。前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータに、前記第２検出信号に基づいて前記補正用データを更新することと、更新された前記補正用データに基づいて前記第１検出信号を補正することと、補正された前記第１検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力することと、を実行させる。
　本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ（ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を含む１つまたは複数の電子回路によって実行され得る。ＬＳＩまたはＩＣは、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、１つのチップに集積されてもよい。ここでは、ＬＳＩまたはＩＣと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムＬＳＩ、ＶＬＳＩ（ｖｅｒｙ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）、もしくはＵＬＳＩ（ｕｌｔｒａ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）と呼ばれるものであってもよい。ＬＳＩの製造後にプログラムされる、Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）、またはＬＳＩ内部の接合関係の再構成またはＬＳＩ内部の回路区画のセットアップができるｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｄｅｖｉｃｅも同じ目的で使うことができる。
　さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは１つまたは複数のＲＯＭ、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている１つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置（ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインタフェースを備えていてもよい。
　以下、本開示の実施形態を、より詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。さらに、各図において、実質的に同一または類似の構成要素に対しては同一または類似の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化されることがある。
　（実施形態）
　本開示の例示的な実施形態による計測装置を説明する。本実施形態の計測装置は、ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ技術を利用して対象物までの距離を計測する測距装置である。計測装置は、距離に加えて、または距離に代えて、対象物の速度を計測してもよい。計測装置は、例えば自動運転車、無人搬送車（ＡＧＶ）、無人航空機（ＵＡＶ）、または移動ロボットなどの移動体に搭載され得る。計測装置は、移動体に限らず、任意の機器に搭載されて使用され得る。
　＜構成＞
　図２は、本実施形態による計測装置１００の概略構成を示すブロック図である。図２において、太い矢印は光の流れを表し、細い矢印は信号またはデータの流れを表す。図２には、距離および／または速度の計測対象である対象物３００と、計測装置１００に接続される表示装置２１０および制御装置２２０も示されている。対象物３００は、例えば、障害物、人、または移動体（例えば自動車、二輪車、移動ロボット、またはドローン）などの任意の物体である。
　図２に示す計測装置１００は、光源１１０と、干渉光学系１２０と、光検出器１３０と、処理回路１４０と、記憶装置１５０と、校正用光学系１８０とを備える。光源１１０は、処理回路１４０から出力された制御信号に応答して、出射する光の周波数を変化させることができる。干渉光学系１２０は、光源１１０からの出射光を参照光と出力光とに分離し、出力光が対象物３００または校正用光学系１８０によって反射されて生じた反射光と参照光とを干渉させて干渉光を生成する。対象物３００によって反射されて生じた反射光と参照光との干渉光を「第１干渉光」と称する。校正用光学系１８０によって反射された生じた反射光と参照光との干渉光を「第２干渉光」と称する。これらの干渉光は、光検出器１３０に入射する。校正用光学系１８０は、記憶装置１５０に格納されている補正用データを更新するキャリブレーション動作において用いられる。校正用光学系１８０は、少なくとも１つの反射面を有する１つまたは複数の光学素子を含む。光源１１０、干渉光学系１２０、および校正用光学系１８０の詳細な構成については後述する。
　光検出器１３０は、干渉光を受け、干渉光の強度に応じた電気信号を生成して出力する。この電気信号を「検出信号」と称する。第１干渉光に基づく検出信号を「第１検出信号」と称し、第２干渉光に基づく検出信号を「第２検出信号」と称する。光検出器１３０は、１つ以上の受光素子を備える。受光素子は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子を含む。光検出器１３０は、例えばイメージセンサのような、複数の受光素子を備えるセンサであってもよい。本実施形態では、１つの光検出器１３０が、第１干渉光および第２干渉光の両方を検出する。後述する他の実施形態のように、第１干渉光を検出する光検出器と第２干渉光を検出する光検出器とを別々に設けてもよい。その場合、第１干渉光を生成する干渉光学系と第２干渉光を生成する干渉光学系とが別々に設けられ得る。本明細書において、少なくとも１つの光検出器を備える装置を受光装置と呼ぶ。受光装置は、第１干渉光の強度に応じた第１検出信号、および第２干渉光の強度に応じた第２検出信号を生成して出力する。
　処理回路１４０は、光源１１０を制御し、光検出器１３０から出力された検出信号に基づく処理を行う電子回路である。処理回路１４０は、光源１１０を制御する制御回路と、検出信号に基づく信号処理を行う信号処理回路とを含み得る。処理回路１４０は、１つの回路として構成されていてもよいし、分離した複数の回路の集合体であってもよい。処理回路１４０は、光源１１０に制御信号を送出する。制御信号は、光源１１０に出射光の周波数を所定の範囲内で周期的に変化させる。言い換えれば、制御信号は、光源１１０から出射される光の周波数を掃引する信号である。制御信号は、ある振幅で周期的に変動する電圧または電流を光源１１０に入力する信号である。
　本実施形態における処理回路１４０は、対象物３００の距離および／または速度を計測する計測モードと、補正用データを更新するキャリブレーションモードとを切り替えて動作する。計測モードにおいて、処理回路１４０は、光源１１０が周波数変調された光を出射している状態で光検出器１３０から出力された第１検出信号を取得し、第１検出信号を、記憶装置１５０に格納されている補正用データに基づいて補正する。補正用データは、例えば、制御信号の電圧と、検出信号の周期または周波数を補正するための補正値との対応関係を規定するデータであり得る。補正用データの詳細については後述する。処理回路１４０は、補正用データを用いて補正した第１検出信号に基づいて、対象物３００までの距離および／または対象物３００の速度を決定する。処理回路１４０は、当該距離および／または速度を示すデータを生成して出力する。このデータを以下、「計測データ」と呼ぶ。一方、キャリブレーションモードにおいて、処理回路１４０は、光源１１０が周波数変調された光を出射している状態で光検出器１３０から出力された第２検出信号を取得し、第２検出信号と、校正用光学系１８０の光路長に応じて設定された基準距離とに基づいて、補正用データを修正する。処理回路１４０は、修正した補正用データで既存の補正用データを更新する。以降の計測では、処理回路１４０は、更新された補正用データを用いて第１検出信号を補正して計測データを生成する。
　記憶装置１５０は、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、光学ディスクなどの、任意の記憶媒体を含む。記憶装置１５０は、処理回路１４０によって実行される補正処理に用いられる補正用データと、校正用光学系１８０の光路長に応じた基準距離のデータとを記憶する。補正用データは、例えば１つ以上の補正テーブルを含み得る。補正用データは複数の補正テーブルを含んでいてもよい。複数の補正テーブルの各々は、光源１１０の異なる複数の動作状態のうちの対応する１つに関連付けられて記録されていてもよい。ここで光源１１０の動作状態とは、例えば、前述の変調電圧振幅、バイアス電圧、または光源１１０の温度などによって特徴付けられる状態であり得る。補正用データは、補正テーブルに限らず、関数などの任意の形式のデータであってよい。記憶装置１５０は、処理回路１４０によって実行されるコンピュータプログラムも記憶する。
　処理回路１４０および記憶装置１５０は、１つの回路基板に集積されていてもよいし、別々の回路基板に設けられていてもよい。処理回路１４０の機能が複数の回路に分散していてもよい。処理回路１４０の機能の少なくとも一部は、他の構成要素から離れた場所に設置された外部のコンピュータによって実現されていてもよい。そのような外部のコンピュータは、有線または無線の通信ネットワークを介して、光源１１０および光検出器１３０の動作の制御、および／または光検出器１３０から出力された検出信号に基づく信号処理を実行してもよい。
　次に、光源１１０、干渉光学系１２０、および校正用光学系１８０の構成例を説明する。
　図３は、光源１１０および干渉光学系１２０の構成例を示すブロック図である。この例における光源１１０は、駆動回路１１１と、発光素子１１２とを備える。駆動回路１１１は、処理回路１４０から出力される制御信号を受け、制御信号に応じた駆動電流信号を生成して発光素子１１２に入力する。発光素子１１２は、例えば半導体レーザ素子などの、高いコヒーレント性を持つレーザ光を出射する素子であり得る。発光素子１１２は、駆動電流信号に応答して周波数が変調されたレーザ光を出射する。
　発光素子１１２から出射されるレーザ光の周波数は、一定の周期で変調される。周波数の変調周期は、例えば１マイクロ秒（μｓ）以上１０ミリ秒（ｍｓ）以下であり得る。周波数の変調振幅は、例えば１００ＭＨｚ以上１ＴＨｚ以下であり得る。レーザ光の波長は、例えば７００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の近赤外の波長域に含まれ得る。太陽光において、近赤外光の光量は可視光の光量よりも少ない。このため、レーザ光として近赤外光を使用することにより、太陽光の影響を低減することができる。用途によっては、レーザ光の波長は、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光の波長域、または紫外光の波長域に含まれていてもよい。
　図４は、処理回路１４０から出力される制御信号と、駆動回路１１１から出力される駆動電流信号の例を示す図である。図４の部分（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、制御信号および駆動電流信号の波形の例を示している。制御信号は、所定の周期および所定の振幅で変動する電圧を光源１１０の駆動回路１１１に印加する。例えば図４の部分（ａ）に示すように、制御信号の電圧はノコギリ波状に変調され得る。制御信号の電圧は、ノコギリ波状に限らず、三角波状に変調されてもよい。ノコギリ波または三角波のように、電圧が線形的な変化を繰り返す制御信号により、発光素子１１２から出射される光の周波数を線形に近い形態で掃引することができる。ただし、前述のとおり、周波数の掃引は完全に線形的にはならない。このような制御信号の変調波形の振幅を変調電圧振幅、変調範囲の中央の電圧をバイアス電圧と呼ぶ。制御信号は、光源１１０の駆動回路１１１に、バイアス電圧を中心に変動する電圧を印加する。
　駆動回路１１１は、制御信号を駆動電流信号に変換し、駆動電流信号で発光素子１１２を駆動する。図４の部分（ｂ）に示すように、駆動電流信号は、制御信号に対応する波形で変化する。駆動電流信号の変調範囲すなわち振幅を変調電流振幅、変調範囲の中央の電流をバイアス電流と呼ぶ。制御信号の電圧が増加すると、駆動電流信号が増加し、発光素子１１２から出射されるレーザ光の周波数が高くなる（すなわち波長が短くなる）。反対に、制御信号の電圧が減少すると、駆動電流信号が減少し、発光素子１１２から出射されるレーザ光の周波数が低くなる（すなわち波長が長くなる）。
　図３に示す例における干渉光学系１２０は、分岐器１２１、ミラー１２２、光スイッチ１２８、およびコリメータ１２３を含む。分岐器１２１は、光源１１０の発光素子１１２から出射されたレーザ光を参照光と出力光とに分け、対象物３００または校正用光学系１８０からの反射光と参照光とを結合させて干渉光を生成する。ミラー１２２は、参照光を反射して分岐器１２１に戻す。光スイッチ１２８は、出力光の出力先を、コリメータ１２３と校正用光学系１８０との間で切り替える。すなわち、光スイッチ１２８は、出力光を対象物３００に出射する第１状態と、出力光を校正用光学系１８０に出射する第２状態とを切り替えることができる。光スイッチ１２８の動作は、処理回路１４０によって制御される。計測モードにおいて、処理回路１４０は、光スイッチ１２８を第１状態にし、出力光２２をコリメータ１２３に入射させる。キャリブレーションモードにおいて、処理回路１４０は、光スイッチ１２８を第２状態にし、出力光２２を校正用光学系１８０に入射させる。コリメータ１２３は、コリメートレンズを含み、光スイッチ１２８から出力された出力光を平行に近い広がり角にして対象物３００に照射する。校正用光学系１８０は、少なくとも１つの反射面を有する。校正用光学系１８０は、光スイッチ１２８から出力された出力光を反射面で反射し、その反射光を光スイッチ１２８に戻す。
　図５Ａから図５Ｃは、校正用光学系１８０の例を模式的に示す図である。図５Ａは、光ファイバ１８０Ａを含む校正用光学系１８０の例を示している。この例では、光スイッチ１２８からの出力光は、光ファイバ１８０Ａの端部にある反射面１８１で反射され、光スイッチ１２８に戻る。図５Ｂは、ミラー１８０Ｂを含む校正用光学系１８０の例を示している。この例では、光スイッチ１２８からの出力光は、ミラー１８０Ｂの反射面で反射され、光スイッチ１２８に戻る。図５Ｃは、マルチパスセル１８０Ｃを含む校正用光学系１８０の例を示している。この例では、光スイッチ１２８からの出力光は、マルチパスセルに含まれる複数のミラーの反射面で多重反射され、光スイッチ１２８に戻る。
　計測装置１００には計測可能な距離範囲（例えば、０ｍから５０ｍなど）が設定されている。また、校正用光学系１８０には、その光路長に応じて定まる基準距離が設定され、記憶装置１５０に記録されている。校正用光学系１８０は、その基準距離が計測装置１００の計測可能な距離範囲に含まれるように設計され得る。例えば、図５Ａの例では、光スイッチ１２８から光ファイバ１８０Ａの端部にある反射面１８１までの光路長が基準距離として設定され得る。図５Ｂの例では、光スイッチ１２８からミラー１８０Ｂの反射面までの光路長が基準距離として設定され得る。図５Ｃの例においては、光スイッチ１２８からマルチパスセル１８０Ｃを経て光スイッチ１２８に戻るまでの光路長の半分が基準距離として設定され得る。これらの基準距離が、計測装置１００が計測可能な距離の範囲内になるように、校正用光学系１８０は設計され得る。そのような構成により、光スイッチ１２８から校正用光学系１８０を経て再び光スイッチ１２８に戻るまでの光の光路長が、計測時に想定される光路長に近くなる。これにより、装置内部の短い距離での反射ノイズの影響を小さくし、距離が短すぎることによってビート周波数が低すぎて計測できなくなるなどの問題を回避することができる。一例として、計測装置１００が計測可能な距離の範囲が０ｍから２０ｍである場合を考える。その場合、図５Ａの例における光ファイバ１８０Ａの長さ、図５Ｂの例における光スイッチ１２８からミラー１８０Ｂまでの光路長、図５Ｃの例における光スイッチ１２８からマルチパスセル１８０Ｃを経て光スイッチ１２８に戻るまでの光路長の半分は、例えば、数十ｃｍから数十ｍの範囲内の値に設計され得る。図５Ａの例においては、光ファイバ１８０Ａを曲げたり巻いたりすることによって光路長を長くしてもよい。図５Ｂの例においては、図示されているミラー１８０Ｂだけでなく、他のミラーまたはその他の光学素子を組み合わせて光路長を長くしてもよい。
　干渉光学系１２０は、図３に示す構成に限定されず、例えばファイバ光学系を含んでいてもよい。その場合、分岐器１２１としてファイバカップラが用いられ得る。参照光は必ずしもミラー１２２で反射される必要はなく、例えば光ファイバの引き回しで参照光を分岐器１２１に戻してもよい。
　図６は、干渉光学系１２０がファイバ光学系を含む計測装置１００の構成例を示すブロック図である。図６に示す例では、干渉光学系１２０は、コリメータ１２３および光スイッチ１２８に加えて、第１ファイバスプリッタ１２５と、第２ファイバスプリッタ１２６と、光サーキュレータ１２７とを含む。第１ファイバスプリッタ１２５は、光源１１０から出射されたレーザ光２０を参照光２１と出力光２２とに分離する。第１ファイバスプリッタ１２５は、参照光２１を第２ファイバスプリッタ１２６に入射し、出力光２２を光サーキュレータ１２７に入射させる。光サーキュレータ１２７は、出力光２２を光スイッチ１２８に入射させ、光スイッチ１２８からの反射光２３を第２ファイバスプリッタ１２６に入射させる。第２ファイバスプリッタ１２６は、参照光２１と反射光２３との干渉光２４を光検出器１３０に入射させる。光スイッチ１２８は、処理回路１４０からの指令に従って、出力光２２をコリメータ１２３および校正用光学系１８０の一方に入射させる。コリメータ１２３は、出力光２２のビーム形状を整形し、出力光２２を対象物３００に向けて出射する。
　計測装置１００は、出射光の方向を変化させる光偏向器をさらに備えていてもよい。図７は、光偏向器１７０を備える計測装置１００の一例を示すブロック図である。光偏向器１７０は、例えばＭＥＭＳ（Ｍｉｃｏｒｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｙｓｔｅｍ）ミラーまたはガルバノミラーを含み得る。光偏向器１７０は、処理回路１４０からの指令に従ってミラーの角度を変化させることにより、出力光２２の出射方向を変化させることができる。これにより、ビームスキャンを実現することができる。光偏向器１７０は、上記の構成に限定されない。光偏向器１７０は、例えば、国際公開第２０１９／１３０７２０号に記載されているような、光フェーズドアレイおよびスローライト導波路を用いたビームスキャンデバイスであってもよい。
　次に、図８Ａおよび図８Ｂを参照して、本実施形態において使用されるＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ技術を簡単に説明する。
　図８Ａは、対象物３００が静止している場合における参照光および反射光の周波数の時間変化の例を模式的に示す図である。ここでは、周波数が三角波状に変化する場合の例を説明する。図８Ａにおいて、実線は参照光を表し、破線は反射光を表す。図８Ａに示す参照光の周波数は、変調周期の間に線形的に増加し、その後増加した分だけ線形的に減少する。反射光の周波数は、参照光の周波数と比較して、光が計測装置１００から出射されて対象物３００によって反射されて戻ってくる時間の分だけ、時間軸に沿ってシフトする。このため、参照光と反射光との干渉光は、反射光の周波数と参照光の周波数との差に相当する周波数を有する。図８Ａに示す両矢印は、両者の周波数の差を表す。光検出器１３０は、干渉光の強度を示す信号を出力する。当該信号はビート信号と呼ばれる。ビート信号の周波数、すなわちビート周波数は、上記の周波数の差に等しい。処理回路１４０は、ビート周波数に基づき、計測装置１００から対象物３００までの距離を算出することができる。
　図８Ｂは、対象物３００が計測装置１００に近づく場合における参照光および反射光の周波数の時間変化の例を模式的に示す図である。対象物３００が近づく場合、ドップラーシフトにより、反射光の周波数は、対象物３００が静止している場合と比較して、周波数軸に沿って増加する方向にシフトする。反射光の周波数がシフトする量は、対象物３００のある部分における速度ベクトルを反射光の方向に射影した成分の大きさに依存する。ビート周波数は、参照光および反射光の周波数が線形的に増加する場合と線形的に減少する場合とで異なる。図８Ｂに示す例において、両者の周波数が線形的に減少する場合のビート周波数は、両者の周波数が線形的に増加する場合のビート周波数よりも高い。処理回路１４０は、これらのビート周波数の差に基づいて対象物３００の速度を算出することができる。対象物３００が計測装置１００から遠ざかる場合においては、反射光の周波数は、対象物３００が静止している場合と比較して、周波数軸に沿って減少する方向にシフトする。この場合も、参照光および反射光の周波数が線形的に増加する場合と線形的に減少する場合におけるビート周波数の差に基づいて対象物３００の速度を算出することができる。
　＜動作＞
　以下、本実施形態の計測装置１００の動作を説明する。
　本実施形態の計測装置１００の動作は、（１）キャリブレーション、および（２）計測の２つの工程に大きく分けることができる。キャリブレーションは、計測装置１００のユーザが、補正テーブルを更新するために行う動作である。なお、補正テーブルは、計測装置１００の出荷前に製造メーカによってあらかじめ生成され、記憶装置１５０に記録される。計測は、計測装置１００のユーザが、対象物３００までの距離および／または速度を計測する動作である。
　＜キャリブレーションの動作＞
　図９は、キャリブレーションの動作の一例を示すフローチャートである。キャリブレーションの動作は、図９に示すステップＳ３１０からＳ３５０の動作を含む。以下、各ステップの動作を説明する。キャリブレーションの動作は、例えばユーザからの指示に従って開始され得る。
　（ステップＳ３１０）
　処理回路１４０は、校正用光学系１８０に出力光が入射するように光スイッチ１２８の出力先を切り替えた上で、制御信号を光源１１０に送出する。制御信号の変調電圧振幅、バイアス電圧、および変調周期は、あらかじめ定められた値、またはユーザによって指定された値に設定され得る。光源１１０は、制御信号に応答して、周波数変調された光の出射を開始する。
　（ステップＳ３２０）
　処理回路１４０は、光検出器１３０から検出信号を取得する。光検出器１３０は、光源１１０から光が出射されている間、干渉光の強度に応じた検出信号を出力する。処理回路１４０が取得する検出信号の時間的長さは、例えば変調周期の１倍から５０倍程度であり得る。処理回路１４０は、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させるために検出信号を平均化してもよい。その場合、処理回路１４０は、検出信号を比較的長い時間取得し、変調周期よりも十分に短い所定の時間にわたって検出信号を平均化する処理を繰り返す。処理回路１４０は、例えばアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、メモリとを備える。処理回路１４０は、例えばＡ／Ｄ変換器で検出信号波形をディジタル化し、メモリに格納する。
　（ステップＳ３３０）
　処理回路１４０は、制御信号の送出を停止することにより、光源１１０からの光の照射を停止させる。このステップは、操作者からの指示に従って行われ得る。あるいは、予め定められたプログラムに従って、処理回路１４０が自動で照射を停止してもよい。なお、異なる複数の動作条件についてキャリブレーションの動作を繰り返す場合、または補正テーブルの更新後、続けて測距を行う場合には、光を出射させたままでもあってもよい。
　（ステップＳ３４０）
　処理回路１４０は、検出信号の周期を分析する。周期の分析方法には、例えば、検出信号の波形における上に凸の部分の最大値をとる点または下に凸の部分の最小値をとる点を特定し、最大値をとる点から次に最大値をとる点までの期間、または最小値をとる点から次に最小値を取る点までの期間を１周期とする方法がある。あるいは、検出信号の値が正と負に一様に分布する場合、ゼロクロス点に基づいて周期を決定してもよい。ゼロクロス点は、信号の値が正から負へ、または負から正へ変化する点である。処理回路１４０は、検出信号からゼロクロス点を抽出し、正から負のゼロクロス点から次の正から負のゼロクロス点までの期間、または負から正のゼロクロス点から次の負から正のゼロクロス点までの期間を１周期としてもよい。
　図１０Ａは、検出信号の周期の分析結果の例を示すグラフである。このグラフでは、制御信号の電圧と検出信号の電圧との関係を示す波形がプロットされている。検出信号の電圧が上に凸の部分の頂点（すなわち最大値）となる、制御信号電圧がＶｉ、Ｖｉ＋１、Ｖｉ＋２、・・・のときの周期を、Ｐｉ、Ｐｉ＋１、Ｐｉ＋２、・・・と定義する。この例では、制御信号電圧がＶｉの時点からＶｉ＋１の時点までの時間長が、周期Ｐｉと定義される。
　次に、処理回路１４０は、図１０Ｂに示すように、制御信号の電圧Ｖｉ、Ｖｉ＋１、Ｖｉ＋２、・・・と、その電圧のときの周期Ｐｉ、Ｐｉ＋１、Ｐｉ＋２、・・・との関係をプロットし、プロットされた点に対する近似式を求める。近似式は、例えば２次以上の多項式であり、例えば最小二乗法を用いて求められ得る。
　（ステップＳ３５０）
　処理回路１４０は、生成した近似式に基づいて、制御信号の電圧と周期比率との関係を示す補正テーブルを作成し、その補正テーブルの内容で記憶装置１５０に記録されている既存の補正テーブルを上書きして更新する。なお、上書きする代わりに、既存の補正テーブルを残した上で新たな補正テーブルを記録してもよい。このとき、補正テーブルにタイムスタンプまたはその時の動作状態を示す情報を関連付けて記録してもよい。
　図１１Ａおよび図１１Ｂは、補正テーブルの例を示す図である。補正テーブルは、光源の異なる動作状態（この例では変調電圧振幅）ごとに、制御信号と周期比率との関係を示す形式で記録され得る。図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、光源の異なる第１の動作状態および第２の動作状態に関連付けられた補正テーブルの例を示している。この例では２つの補正テーブルが記録されるが、１つ、または３つ以上の補正テーブルが記録されてもよい。また、補正テーブルの形式に限らず、例えば関数などの他の形式で制御信号と周期比率などの補正値との関係を示す補正用データが記録されてもよい。
　周期比率は、補正後の検出信号の波形から計算されるビート周波数が、校正用光学系１８０の光路長、変調周期、変調周波数範囲、および光速から理論的に導かれる値になるように、周期を所定の定数で正規化した値であり得る。図１２は、補正前後の検出信号の波形の例を示す図である。定数は、補正後の検出信号の波形のビート周波数が一定値１／Ｐｍとなるような値に設定され得る。
　ビート周波数と距離との関係は、例えば図１３に示すような変換テーブルの形式で処理回路１４０内のメモリまたは記憶装置１５０に格納され得る。このような変換テーブルは、測距動作の工程で処理回路１４０が距離値を算出するときに用いられる。
　なお、動作状態ごとに適当な定数で正規化して周期比率を決定してもよい。その場合には、例えば図１４Ａおよび図１４Ｂに示すように、各々の動作状態におけるビート周波数と距離との関係が変換テーブルまたは関数などの補正用データとして記録され得る。
　以上のようなキャリブレーション動作を行うことにより、処理回路１４０は、補正テーブルをそのときの状態に応じて適切に更新することができる。なお、製品出荷前に最初に補正テーブルが作成されるときも、図９に示す方法と同様の方法で補正テーブルを作成することができる。
　＜測距動作＞
　次に、計測装置１００による計測動作の例を説明する。
　図１５は、計測動作の例を示すフローチャートである。この例における処理回路１４０は、計測動作を行うとき、図１５に示すステップＳ９００からＳ９９０の動作を実行する。以下、各ステップの動作を説明する。計測動作は、ユーザからの指示に従って開始される。
　（ステップＳ９００）
　処理回路１４０は、まず、補正テーブルを更新するためのキャリブレーション動作を実行するか否かを判断する。キャリブレーション動作を実行する場合、ステップＳ９１０に進む。キャリブレーション動作を実行しない場合、ステップＳ９２０に進む。
　キャリブレーション動作は、例えば、光源１１０の特性に変化が生じた可能性が高い場合に実行され得る。光源１１０の特性は、例えば時間の経過または温度に依存して変化し得る。このため、処理回路１４０は、光源１１０の使用時間または光源１１０の温度に基づいてキャリブレーション動作を実行するか否かを判断してもよい。あるいは、処理回路１４０は、ユーザからの指示に従ってキャリブレーション動作を実行するか否かを判断してもよい。
　図１６は、光源１１０の使用時間に基づいてキャリブレーション動作を実行する計測装置１００の構成例を示す図である。この例では、計測装置１００は、光源１１０の使用時間を計測するタイムカウンタ１９０を備える。使用時間は、光源１１０の使用が開始されたときから現在までの時間、または前回計時がリセットされてから現在までの時間であり得る。タイムカウンタ１９０は、計測した時間を処理回路１４０に出力する。処理回路１４０は、計測された時間がある閾値（例えば、１０日、３ヶ月、１年など）を超えている場合に、キャリブレーションを実行すると判断してもよい。このように、処理回路１４０は、光源１１０の使用時間に基づいて、計測モードとキャリブレーションモードとを切り替えることができる。
　図１７は、光源１１０の温度に基づいてキャリブレーション動作を実行する計測装置１００の構成例を示す図である。この例では、計測装置１００は、光源１１０の温度を計測する温度センサ１６０を備える。温度センサ１６０は、発光素子１１２の温度をできるだけ直接的に計測できるように配置され得る。例えば、温度センサ１６０は、発光素子１１２そのもの、または発光素子１１２が固定されているヒートシンクに固着するように配置され得る。温度センサ１６０は、計測した温度を処理回路１４０に出力する。処理回路１４０は、計測された温度がある閾値を超えている場合、または、計測された温度がある閾値を下回っている場合に、キャリブレーションを実行すると判断してもよい。このように、処理回路１４０は、光源１１０の温度に基づいて、計測モードとキャリブレーションモードとを切り替えることができる。
　図１８は、ユーザからの指示に従ってキャリブレーション動作を実行する計測装置１００の構成例を示す図である。この例では、計測装置１００は、ユーザからの入力を受け付ける入力装置２００に接続されている。入力装置２００は、例えばボタン、キーボード、またはタッチスクリーンなどの、任意の入力手段であり得る。入力装置２００と表示装置２１０とが１つの装置として構成されていてもよい。この例では、処理回路１４０は、入力装置２００を用いたユーザからの入力をトリガーとして、キャリブレーション動作を実行する。このように、処理回路１４０は、ユーザからの入力に応答して、計測モードとキャリブレーションモードとを切り替えることができる。
　上記の他にも、光源１１０の特性は、様々な要因によって変化する。例えば、衝撃によって光源１１０の特性が変化し得る。このため、計測装置１００は、衝撃の大きさを計測するジャイロスコープなどのセンサを備えていてもよい。処理回路１４０は、計測された衝撃の大きさ、またはその累積値が閾値を超える場合に、キャリブレーション動作を実行すると判断してもよい。
　光源１１０の特性は、他にも、制御信号の変調電圧振幅、変調電流振幅、バイアス電圧、バイアス電流、または入力電力にも依存する。このため、処理回路１４０は、制御信号の変調電圧振幅、変調電流振幅、バイアス電圧、バイアス電流、または入力電力が閾値以上変化した場合に、キャリブレーション動作を実行すると判断してもよい。なお、変調電圧振幅、変調電流振幅、バイアス電圧、バイアス電流、および入力電力は、ユーザの操作によって変更され得る。このように、処理回路１４０は、計測モードにおいて、制御信号を変化させることによって光源１１０の動作状態を変化させたとき、キャリブレーションモードに切り替えてもよい。
　（ステップＳ９１０）
　処理回路１４０は、キャリブレーション動作を実行し、補正テーブルを補正する。このキャリブレーション動作は、図９に示す動作と同じである。処理回路１４０は、図９に示すステップＳ３１０からＳ３５０の動作を実行することにより、補正テーブルをそのときの状態に応じて更新する。ステップＳ９１０の後、ステップＳ９２０に進む。
　（ステップＳ９２０）
　処理回路１４０は、光スイッチ１２８からの光の出力先をコリメータ１２３にした状態で、制御信号を光源１１０に送出し、周波数変調された光を光源１１０から出射させる。これにより、対象物３００がレーザ光で照射される。
　（ステップＳ９３０）
　処理回路１４０は、光検出器１３０から出力された検出信号を取得する。光検出器１３０は、光源１１０から光が出射されている間、干渉光の強度に応じた検出信号を出力する。処理回路１４０が取得する検出信号の時間的長さは、例えば変調周期の１倍から５０倍程度であり得る。処理回路１４０は、検出信号のＳ／Ｎ比を向上させるために検出信号を平均化してもよい。その場合、処理回路１４０は、検出信号を比較的長時間取得し、変調周期よりも十分に短い所定の時間にわたって検出信号を平均化する処理を繰り返す。
　（ステップＳ９４０）
　処理回路１４０は、制御信号の送出を停止することにより、光源１１０からの光の照射を停止させる。このステップは、ユーザからの指示に従って行われ得る。あるいは、予め定められたプログラムに従って、処理回路１４０が自動で照射を停止してもよい。なお測距を連続的に繰り返す場合には、光を照射させたままでもあってもよい。
　（ステップＳ９５０）
　処理回路１４０は、補正テーブルを記憶装置１５０から取得する。ステップＳ９１０において補正テーブルが更新された場合には、処理回路１４０は、更新後の補正テーブルを取得する。補正テーブルは、例えば図１１Ａに示すような、制御信号電圧と周期比率（すなわち補正値）との関係を規定するデータであり得る。
　（ステップＳ９６０）
　処理回路１４０は、補正テーブルに基づいて、検出信号の周期を補正する。この補正により、例えば図１２に示されるように、ビート信号の周期の変動が抑制される。
　（ステップＳ９７０）
　処理回路１４０は、補正後の検出信号の波形の周波数分析を行う。このステップでは、例えば、処理回路１４０は、検出信号の波形をフーリエ変換して周波数スペクトルを生成する。その後、周波数スペクトルの最大ピークが得られる周波数を求め、その周波数をビート周波数とする。
　（ステップＳ９８０）
　処理回路１４０は、ビート周波数を距離値に変換して算出する。この変換処理では、処理回路１４０は、図１３、図１４Ａ、または図１４Ｂに例示されるような変換テーブルを処理回路１４０内のメモリから読み出して使用する。
　（ステップＳ９９０）
　処理回路１４０は、算出した距離値の情報を含む計測データを、例えば表示装置２１０などの外部の装置に出力する。
　以上の動作により、処理回路１４０は、対象物３００の距離データを生成することができる。なお、測距を連続的に行う場合には、図１５に示す動作を連続的に繰り返してもよい。また、距離に加えて対象物３００の速度を計測する場合は、図４に示すようなノコギリ波状の制御信号に代えて、三角波状の制御信号が用いられ得る。処理回路１４０は、図８Ａおよび図８Ｂを参照して説明した方法で速度を算出することができる。
　以上のように、本実施形態では、経年劣化または動作環境の変化などによって光源１１０の特性が変化した場合でも、補正テーブルを適切に更新することができる。処理回路１４０は、更新後の補正テーブルに基づいて検出信号を補正し、補正後の検出信号に基づいて周波数分析を行う。このため、検出信号に含まれるビート信号の周波数の誤差を低減して距離を求めることができ、対象物の距離をより精密に計測することが可能となる。
　なお、記憶装置１５０が動作状態または使用環境に応じて複数の補正テーブルを記憶している場合は、それぞれの補正テーブルについて、上記のキャリブレーション動作が行われてもよい。
　補正テーブルは、制御電圧を周期比率との関係を規定する形式には限定されない。例えば、図１９Ａに示すように、制御電圧に対してサンプリングの時間間隔を指定する補正テーブルが用いられてもよい。この場合、本来ならば等時間間隔であるＡ／Ｄ変換のサンプリングタイミングが変更される。処理回路１４０は、このようにサンプリングのタイミングを変更して再構成された検出信号を補正後の検出信号としてもよい。また、図１９Ｂに示すように、周波数変調の位相に対して周期比率を指定する補正テーブルが用いられてもよい。あるいは、図１９Ｃに示すように、周波数変調の位相に対してサンプリングの時間間隔を指定する補正テーブルが用いられてもよい。図１９Ｂおよび図１９Ｃの各例において、位相に代えて、周波数変調のタイミング（すなわち時間）とサンプリング間隔または周期比率などの補正値との関係を規定する補正テーブルが用いられてもよい。さらに、上記の各例において、制御電圧の代わりに駆動電流と、周期比率またはサンプリング間隔との関係が規定された補正テーブルが用いられてもよい。補正テーブルの代わりに、近似式そのものを補正関数としてメモリなどの記憶装置に記憶させ、処理回路１４０が、そのときの動作状態に対応する補正関数に基づいて検出信号を補正するように構成されていてもよい。
　以上の実施形態では、計測モードとキャリブレーションモードとで、共通の光学系および光検出器が用いられるが、モードごとに光学系と光検出器とを個別に設けてもよい。図２０は、そのような構成の例を示す図である。図２０に示す計測装置１００は、計測用の第１光検出器１３０Ａと、キャリブレーション用の第２光検出器１３０Ｂを備えている。第１光検出器１３０Ａと第２光検出器１３０Ｂとによって受光装置が構成されている。干渉光学系１２０は、光スイッチ１２９と、計測用の第１光学系１２０ａと、キャリブレーション用の第２光学系１２０ｂとを含む。光スイッチ１２９は、処理回路１４０からの指令に従って、光源１１０から出力された光の出力先を第１光学系１２０ａと第２光学系１２０ｂとの間で切り替える。第１光学系１２０ａは、光スイッチ１２９から入力された光を出力光と参照光とに分離し、出力光を対象物３００に入射させ、対象物３００からの反射光と参照光との干渉光である第１干渉光を第１光検出器１３０Ａに入射させる。第２光学系１２０ｂは、光スイッチ１２９から入力された光を出力光と参照光とに分離し、出力光を校正用光学系１８０に入射させ、校正用光学系１８０からの反射光と参照光との干渉光である第２干渉光を第２光検出器１３０Ｂに入射させる。
　図２０に示す実施形態では、計測モードにおいて、処理回路１４０は、光スイッチ１２９の光の出力先を第１光学系１２０ａにし、補正用データに基づいて第１光検出器１３０Ａから出力された第１検出信号を補正し、補正された第１検出信号に基づいて計測データを生成する。一方、キャリブレーションモードにおいて、処理回路１４０は、光スイッチ１２９の光の出力先を第２光学系１２０ｂにし、第２光検出器１３０Ｂから出力された第２検出信号に基づいて補正用データを更新する。このような構成および動作により、前述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
　図２０に示す実施形態では、計測モードとキャリブレーションモードとで、使用される光検出器が異なるので、光スイッチ１２９に代えて、ハーフミラーまたはビームスプリッタなどの光分岐器を用いてもよい。その場合、処理回路１４０は、計測モードによる動作を行いながら、第２光検出器１３０Ｂから出力される検出信号に基づく補正用データの更新を並行して行ってもよい。そのような動作によれば、距離または速度の計測を連続的に行いながら、補正用データを更新することができるので、計測の精度をより向上させることができる。
　（第１の変形例）
　本開示の実施形態の第１の変形例による計測装置について説明する。図２１は、本変形例による計測装置１００１の構成を示すブロック図である。以下、本変形例の計測装置１００１が図７に示す計測装置１００と異なる点を説明する。
　図７に示す計測装置１００では、校正用光学系１８０で反射される反射光２３を利用して、検出信号の補正用データの生成または更新を行っていた。一方、本変形例の計測装置１００１では、干渉光学系１２０とは別の校正用光学系１８０を設けずに、干渉光学系１２０の一部で発生する内部反射光２３１を利用して補正用データの生成または更新を実行する。
　内部反射は、干渉光学系１２０における出力光２２の経路上で発生する。内部反射は、例えば、干渉光学系１２０の一部を構成する光学素子、光学素子と光ファイバーとの接続部、および光ファイバー同士の接続部において発生し得る。例えば図２１に示すように、コリメータ１２３に入射する出力光２２の一部が、対象物３００に向けて出力されず、内部反射光２３１として戻る場合がある。本変形例では、このコリメータ１２３における内部反射光２３１を利用し、上述した検出信号の補正を実行する。この場合、コリメータ１２３が、校正用光学系１８０の役割を兼ねていると言える。コリメータ１２３による内部反射光２３１が通る経路の光路長は既知であるため、内部反射光２３１と参照光２１との干渉光を検出して得られる検出信号（即ち第２検出信号）を用いて、上述した実施形態と同様の処理を実行することができる。
　（第２の変形例）
　本開示の実施形態の第２の変形例による計測装置について説明する。図２２は、本変形例による計測装置１００２の構成を示すブロック図である。
　本変形例による計測装置１００２では、出力光２２の一部を干渉光学系１２０の一部で分岐させて、反射光２３の経路に入力している。例えば図２２に示すように、光サーキュレータ１２７に入射する出力光２２の一部が、コリメータ１２３に向けて出力されず、反射光２３の経路に漏れる場合ある。このような光サーキュレータ１２７の漏れ光２２１を利用して、上述した実施形態および変形例と同様の処理を実行することができる。本変形例では、光サーキュレータ１２７が校正用光学系１８０の役割を兼ねていると言える。
　（第３の変形例）
　本開示の実施形態の第３の変形例による計測装置について説明する。本変形例の計測装置の構成は、上述した実施形態の計測装置１００と同じである。一方、本変形例の計測装置では、キャリブレーション動作が上述した実施形態とは異なる。
　図２３は、本変形例による計測装置のキャリブレーション動作を示すフローチャートである。本変形例のキャリブレーション動作が図９に示す動作と異なる点は、周期分析を行うステップＳ３４０の後に、周期分析の成否を判定するステップＳ３６０が実行されることである。ステップＳ３６０において周期分析が成功したと判定された場合（Ｓ３６０で「Ｙｅｓ」の場合）はステップＳ３５０に進み、補正テーブルが更新される。
　一方、ステップＳ３６０において周期分析が失敗したと判定される場合（Ｓ３６０で「Ｎｏ」の場合）は、ステップＳ３７０に進む。ステップＳ３６０において周期分析が失敗したと判定される場合の具体例としては、例えば、（１）ステップＳ３４０で実行される周期分析の際、検出される周期Ｐｉ、Ｐｉ＋１、Ｐｉ＋２、・・・の分散が規定値を超える場合、あるいは（２）ステップＳ３４０において複数の検出信号の周期分析を実行した際、各検出信号の分析により得られる周期と検出信号との相関が規定値を下回る場合、などが挙げられる。（１）および（２）のような場合は、検出信号の周期（すなわちピーク間隔）のばらつきが大きく、周期変化の傾向を分析することが困難な状態である。ステップＳ３７０では、エラー内容を示す信号を表示装置２１０などの外部の装置に出力する。表示装置２１０は、例えば、「キャリブレーションエラー」または「分析エラー」などの表示を行う。
　本変形例のキャリブレーション動作によれば、補正テーブルが誤った内容に更新されることを防止できるため、計測装置の測定精度が低下すること防止できる。
　（第４の変形例）
　本開示の実施形態の第４の変形例による計測装置について説明する。本変形例の計測装置の構成は、上述した実施形態の計測装置１００と同じである。一方、本変形例の計測装置では、キャリブレーション動作が上述した実施形態とは異なる。
　図２４は、本変形例による計測装置のキャリブレーション動作を示すフローチャートである。本変形例のキャリブレーション動作が図９に示す動作と異なる点は、周期分析を行うステップＳ３４０の後に、前回の周期分析の結果を基に作成された旧補正テーブルと、今回の周期分析の結果を基に作成された新補正テーブルを比較するステップＳ３８０が入る事である。その後、ステップＳ３９０では、ステップＳ３８０における新旧補正テーブルの比較結果を基に、新補正テーブルを選択するかどうかの判定が行われる。新補正テーブルが選択される場合（Ｓ３９０で「Ｙｅｓ」の場合）はステップＳ３５０へと進み、旧補正テーブルが新補正テーブルへと更新される。新補正テーブルが選択されなかった場合（Ｓ３９０で「Ｎｏ」の場合）は、補正テーブルを更新せずに終了へ進む。
　ステップＳ３８０における新旧補正テーブルの比較は、例えば、検出信号に対し新旧補正テーブルの各々を用いて補正処理を行い得られた周波数スペクトルの半値全幅を比較することにより実行される。
　ステップＳ３９０においては、例えば、ステップＳ３８０における比較の結果、新補正テーブルにより補正処理した検出信号の周波数スペクトルの半値全幅の方が旧補正テーブルにより補正処理した検出信号の周波数スペクトルの半値全幅よりも小さい場合に、新補正テーブルが選択される。または、ステップＳ３８０の比較結果を表示装置２１０に表示し、ユーザがインターフェイス入力により選択しても良い。
　上述した本開示の実施形態および変形例においては、周波数分析の前の検出信号に対して補正を行うことにより、レーザ光の周波数変調における非線形性に起因する計測精度の低下を抑制することができる。同様の課題に対しては、レーザ光を周波数変調するための制御信号そのものを補正して非線形性を解消する手法もあり得る。しかしながら、そのような手法では、光源への制御信号を非線形に補正する必要がある。非線形な制御信号の生成と、当該制御信号による電流または電圧の制御は困難であるのに比べ、周波数分析の前の検出信号に対する補正は信号処理のレベルで実行されるため、簡易であり且つ精度が高い。従って、本開示の実施形態によれば、従来に比べて簡易で且つ精度の高い計測を行うことが可能となる。
　本開示における計測装置は、例えば無人搬送車（ＡＧＶ）、自動車、無人航空機、もしくは産業ロボットなどの移動体、または監視装置に搭載されるＦＭＣＷライダーシステムなどの用途に利用できる。
　１００　測距装置
　１１０　光源
　１１１　駆動回路
　１１２　発光素子
　１２０　干渉光学系
　１２１　分岐器
　１２２　ミラー
　１２３　コリメータ
　１２４　コリメートレンズ
　１２５　第１ファイバスプリッタ
　１２６　第２ファイバスプリッタ
　１２７　光サーキュレータ
　１２８　光スイッチ
　１２９　分岐器
　１３０　光検出器
　１４０　処理回路
　１５０　記憶装置
　１６０　温度センサ
　１７０　光偏向器
　１８０　校正用光学系
　１８０Ａ　光ファイバ
　１８０Ｂ　ミラー
　１８０Ｃ　マルチパスセル
　１９０　タイムカウンタ
　２００　入力装置
　２１０　表示装置
　２２０　制御装置
　３００　対象物

Claims (16)

  1. 　周波数が変調された光を出射する光源と、
    　少なくとも１つの反射面を有する校正用光学系と、
    　前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第１干渉光、および前記出力光が前記校正用光学系で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第２干渉光を生成する干渉光学系と、
    　少なくとも１つの光検出器を備え、前記第１干渉光の強度に応じた第１検出信号、および前記第２干渉光の強度に応じた第２検出信号を出力する受光装置と、
    　前記第１検出信号の補正に用いられる補正用データを記憶する記憶装置と、
    　前記光源から出射される前記光の周波数を掃引する制御信号を前記光源に送出し、前記第２検出信号に基づいて前記補正用データを更新し、更新された前記補正用データに基づいて前記第１検出信号を補正し、補正された前記第１検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力する処理回路と、
    を備える計測装置。
  2. 　前記干渉光学系は、前記出力光を前記対象物に出射する第１状態と、前記出力光を前記校正用光学系に出射する第２状態とを切り替える光スイッチを含み、
    　前記処理回路は、
    　前記対象物の距離および／または速度を計測する計測モードと、前記補正用データを更新するキャリブレーションモードとで動作し、
    　前記計測モードにおいて、前記光スイッチを前記第１状態にし、前記補正用データに基づいて前記第１検出信号を補正し、補正された前記第１検出信号に基づいて前記計測データを生成し、
    　前記キャリブレーションモードにおいて、前記光スイッチを前記第２状態にし、前記第２検出信号に基づいて前記補正用データを更新する、
    　請求項１に記載の計測装置。
  3. 　前記光源の使用時間を計測するタイムカウンタをさらに備え、
    　前記処理回路は、前記光源の使用時間に基づいて、前記計測モードと前記キャリブレーションモードとを切り替える、
    　請求項２に記載の計測装置。
  4. 　前記光源の温度を計測する温度センサをさらに備え、
    　前記処理回路は、前記光源の温度に基づいて、前記計測モードと前記キャリブレーションモードとを切り替える、請求項２または３に記載の計測装置。
  5. 　前記処理回路は、ユーザからの入力に応答して、前記計測モードと前記キャリブレーションモードとを切り替える、請求項２から４のいずれかに記載の計測装置。
  6. 　前記処理回路は、前記計測モードにおいて、前記制御信号を変化させることによって前記光源の動作状態を変化させたとき、前記キャリブレーションモードに切り替える、請求項２から５のいずれかに記載の計測装置。
  7. 　前記記憶装置は、前記校正用光学系の光路長に応じた基準距離をさらに記憶し、
    　前記処理回路は、前記第２検出信号と、前記基準距離とに基づいて、前記補正用データを更新する、
    　請求項１から６のいずれかに記載の計測装置。
  8. 　前記計測装置には、計測可能な距離範囲が設定されており、
    　前記基準距離は、前記距離範囲に含まれる、
    　請求項７に記載の計測装置。
  9. 　前記干渉光学系は、光ファイバ、ミラー、またはマルチパスセルを含む、請求項１から８のいずれかに記載の計測装置。
  10. 　前記補正用データは、前記制御信号における複数の電圧値または複数の電流値の各々に対応する補正値の情報を含む、請求項１から９のいずれかに記載の計測装置。
  11. 　前記補正用データは、前記制御信号による周波数変調における複数の位相または複数のタイミングの各々に対応する補正値の情報を含む、請求項１から９のいずれかに記載の計測装置。
  12. 　前記補正用データは、前記処理回路が前記検出信号をサンプリングするときのサンプリングタイミングを変更するための補正値の情報を含む、請求項１から９のいずれかに記載の計測装置。
  13. 　前記補正用データは、前記検出信号の補正に用いられる補正値を決定するための補正テーブルまたは補正関数を示す、請求項１から１２のいずれかに記載の計測装置。
  14. 　前記校正用光学系は、前記干渉光学系の一部である、請求項１に記載の計測装置。
  15. 　計測装置を含むシステムにおけるコンピュータによって実行される方法であって、
    　前記計測装置は、
    　周波数が周期的に変調された光を出射する光源と、
    　少なくとも１つの反射面を有する校正用光学系と、
    　前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第１干渉光、および前記出力光が前記校正用光学系で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第２干渉光を生成する干渉光学系と、
    　少なくとも１つの光検出器を備え、前記第１干渉光の強度に応じた第１検出信号、および前記第２干渉光の強度に応じた第２検出信号を出力する受光装置と、
    　前記第１検出信号の補正に用いられる補正用データを記憶する記憶装置と、
    を備え、
    　前記方法は、
    　前記第２検出信号に基づいて前記補正用データを更新することと、
    　更新された前記補正用データに基づいて前記第１検出信号を補正することと、
    　補正された前記第１検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力することと、
    を含む方法。
  16. 　計測装置を含むシステムにおけるコンピュータによって実行されるコンピュータプログラムであって、
    　前記計測装置は、
    　周波数が周期的に変調された光を出射する光源と、
    　少なくとも１つの反射面を有する校正用光学系と、
    　前記光源から出射された前記光を参照光と出力光とに分離し、前記出力光が対象物で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第１干渉光、および前記出力光が前記校正用光学系で反射されて生じた反射光と前記参照光との干渉光である第２干渉光を生成する干渉光学系と、
    　少なくとも１つの光検出器を備え、前記第１干渉光の強度に応じた第１検出信号、および前記第２干渉光の強度に応じた第２検出信号を出力する受光装置と、
    　前記第１検出信号の補正に用いられる補正用データを記憶する記憶装置と、
    を備え、
    　前記コンピュータプログラムは、前記コンピュータに、
    　前記第２検出信号に基づいて前記補正用データを更新することと、
    　更新された前記補正用データに基づいて前記第１検出信号を補正することと、
    　補正された前記第１検出信号に基づいて前記対象物の距離および／または速度に関する計測データを生成して出力することと、
    を実行させる、コンピュータプログラム。
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