(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022173993
(43)【公開日】2022-11-22
(54)【発明の名称】干渉時間光検出および測距装置
(51)【国際特許分類】
G01S 17/89 20200101AFI20221115BHJP
【ＦＩ】
G01S17/89
【審査請求】未請求
【請求項の数】23
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022044452
(22)【出願日】2022-03-18
(31)【優先権主張番号】17/315,678
(32)【優先日】2021-05-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】522111493
【氏名又は名称】オプトウェイヴス インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｏｐｔｏｗａｖｅｓ， Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】６８３０ Ｖｉａ Ｄｅｌ Ｏｒｏ， Ｓｕｉｔｅ ２００， Ｓａｎ Ｊｏｓｅ， ＣＡ ９５１１９ ＵＳＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100134636
【弁理士】
【氏名又は名称】金高 寿裕
(74)【代理人】
【識別番号】100114904
【弁理士】
【氏名又は名称】小磯 貴子
(72)【発明者】
【氏名】ツァイ，ツン－ハン
(72)【発明者】
【氏名】ホウ，ジー ジェンセン
(72)【発明者】
【氏名】ウー，ハオ
(72)【発明者】
【氏名】スー，シャンシン
【テーマコード（参考）】
5J084
【Ｆターム（参考）】
5J084AA05
5J084AD01
5J084BA04
5J084BA23
5J084BA52
5J084BB28
5J084BB31
5J084BB32
5J084CA10
5J084CA65
(57)【要約】 （修正有）
【課題】対象物までの様々なポイントの測定距離に基づいて対象物の画像を生成する、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムを提供する。
【解決手段】ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムは、干渉光信号から生成された電気信号の包絡線を検出する。この干渉光信号は、対象物へのサンプルアーム発光による後方反射光と参照発光とが合成されて生成される。参照発光は、パルス変調されたコヒーレント光源の発光信号を分割し、参照アームに参照発光を通過させることで作成する。光干渉信号は、平衡光検出器に転送され、電気信号に変換され、デジタルデータに変換される。デジタルデータを評価して、デジタル電気干渉信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジを求め、距離の計算に使用する参照発光と後方反射光の間の時間遅延を求める。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムは、干渉光信号から生成された電気信号の包絡線を検出する。この干渉光信号は、対象物へのサンプルアーム発光による後方反射光と参照発光とが合成されて生成される。参照発光は、パルス変調されたコヒーレント光源の発光信号を分割し、参照アームに参照発光を通過させることで作成する。光干渉信号は、平衡光検出器に転送され、電気信号に変換され、デジタルデータに変換される。デジタルデータを評価して、デジタル電気干渉信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジを求め、距離の計算に使用する参照発光と後方反射光の間の時間遅延を求める。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
干渉時間（ＴｏＩ）検出および測距（ＬｉＤＡＲ）の干渉時間ＬｉＤＡＲシステムであって、時間－周波数領域反射法に基づいて前記ＴｏＩ ＬｉＤＡＲシステムから対象物までの距離を測定するシステムであり、
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源に接続する変調制御装置であって、パルス波長変調コヒーレント発光を生成するよう前記コヒーレント光源を変調するために前記コヒーレント光源に転送されるパルス波長制御信号を生成するよう構成した変調制御装置と、
前記パルス波長変調コヒーレント発光を受信するよう前記コヒーレント光源に接続された干渉計であって、前記パルス波長変調コヒーレント発光をサンプル部分と参照部分とに分割するように構成し、前記パルス波長変調コヒーレント発光の前記サンプル部分は、測定対象の前記対象物に入射するように配置され、前記パルス波長変調コヒーレント発光の前記参照部分は、前記ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムから前記対象物までの距離を求めるための基礎を提供するよう配置された干渉計と、
前記パルス波長変調コヒーレント光の前記サンプル部分を受信するために前記干渉計に接続したスキャナであって、当該スキャナは、前記パルス波長変調コヒーレント光のサンプル部分を前記対象物に物理的に転送し、前記パルス波長変調コヒーレント光で前記対象物の表面を走査するよう構成され、さらに前記パルス波長変調コヒーレント光の後方反射部分を受信して前記後方反射部分を前記スキャナから前記干渉計に転送するよう構成され、前記パルス波長変調コヒーレント光の後方反射部分と前記パルス波長変調コヒーレント光の参照部分とが結合されて光干渉光信号が形成される、前記スキャナと、
前記光干渉光信号を受信し、前記光干渉信号を電気干渉信号に変換するよう構成した光検出器アレイと、
前記光検出器アレイと連通して前記電気干渉信号を受信し、前記電気干渉信号をデジタル電気干渉信号に変換する信号処理装置と、
前記光干渉信号によって求められる時間遅延を計算し、前記対象物からの距離に基づいて表示される撮像範囲を生成するようにプログラムされたコンピュータシステムと、を備えるシステム。
コヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源に接続する変調制御装置であって、パルス波長変調コヒーレント発光を生成するよう前記コヒーレント光源を変調するために前記コヒーレント光源に転送されるパルス波長制御信号を生成するよう構成した変調制御装置と、
前記パルス波長変調コヒーレント発光を受信するよう前記コヒーレント光源に接続された干渉計であって、前記パルス波長変調コヒーレント発光をサンプル部分と参照部分とに分割するように構成し、前記パルス波長変調コヒーレント発光の前記サンプル部分は、測定対象の前記対象物に入射するように配置され、前記パルス波長変調コヒーレント発光の前記参照部分は、前記ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムから前記対象物までの距離を求めるための基礎を提供するよう配置された干渉計と、
前記パルス波長変調コヒーレント光の前記サンプル部分を受信するために前記干渉計に接続したスキャナであって、当該スキャナは、前記パルス波長変調コヒーレント光のサンプル部分を前記対象物に物理的に転送し、前記パルス波長変調コヒーレント光で前記対象物の表面を走査するよう構成され、さらに前記パルス波長変調コヒーレント光の後方反射部分を受信して前記後方反射部分を前記スキャナから前記干渉計に転送するよう構成され、前記パルス波長変調コヒーレント光の後方反射部分と前記パルス波長変調コヒーレント光の参照部分とが結合されて光干渉光信号が形成される、前記スキャナと、
前記光干渉光信号を受信し、前記光干渉信号を電気干渉信号に変換するよう構成した光検出器アレイと、
前記光検出器アレイと連通して前記電気干渉信号を受信し、前記電気干渉信号をデジタル電気干渉信号に変換する信号処理装置と、
前記光干渉信号によって求められる時間遅延を計算し、前記対象物からの距離に基づいて表示される撮像範囲を生成するようにプログラムされたコンピュータシステムと、を備えるシステム。
【請求項2】
前記変調制御装置は、前記コヒーレント光源の駆動電流の制御、前記狭帯域光源の温度の調整、または前記光源から出射される光の位相の調整によって、前記コヒーレント光源を変調するよう構成する、請求項１に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項3】
前記干渉計は、
前記コヒーレント光源から前記パルス波長変調コヒーレント光を受信するよう構成し、前記パルス波長変調コヒーレント光を前記パルス波長変調コヒーレント光の第１部分と前記パルス波長変調コヒーレント光の第２部分とに分割するように構成した第１カプラと、
前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分を受信するように接続したサーキュレータであって、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分が前記サーキュレータの第１ポートに入って後続のポートから出るように構成され、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分を前記スキャナに向かわせるサーキュレータと、
前記第１カプラに接続され、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分を受信して前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分を前記スキャナへ転送するサンプルアームと、
前記第１カプラに接続され、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第２部分を受信する参照アームと、
前記パルス波長変調コヒーレント光の後方反射部分を受信するよう構成し、前記参照アームから前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第２部分を受信するように構成し、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記後方反射部分と前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第２部分とを結合して光干渉光信号を形成するよう構成した第２カプラと、を備える、請求項１に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
前記コヒーレント光源から前記パルス波長変調コヒーレント光を受信するよう構成し、前記パルス波長変調コヒーレント光を前記パルス波長変調コヒーレント光の第１部分と前記パルス波長変調コヒーレント光の第２部分とに分割するように構成した第１カプラと、
前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分を受信するように接続したサーキュレータであって、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分が前記サーキュレータの第１ポートに入って後続のポートから出るように構成され、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分を前記スキャナに向かわせるサーキュレータと、
前記第１カプラに接続され、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分を受信して前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第１部分を前記スキャナへ転送するサンプルアームと、
前記第１カプラに接続され、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第２部分を受信する参照アームと、
前記パルス波長変調コヒーレント光の後方反射部分を受信するよう構成し、前記参照アームから前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第２部分を受信するように構成し、前記パルス波長変調コヒーレント光の前記後方反射部分と前記パルス波長変調コヒーレント光の前記第２部分とを結合して光干渉光信号を形成するよう構成した第２カプラと、を備える、請求項１に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項4】
前記干渉計がさらに、
前記パルス波長変調コヒーレント発光を受信し、前記パルス波長変調コヒーレント発光を前記第１カプラに転送し、前記光源からのコヒーレント発光の偏光状態を調整して前記光干渉信号または干渉電気信号の振幅を最大にするよう構成した偏光制御装置を備える、請求項３に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
前記パルス波長変調コヒーレント発光を受信し、前記パルス波長変調コヒーレント発光を前記第１カプラに転送し、前記光源からのコヒーレント発光の偏光状態を調整して前記光干渉信号または干渉電気信号の振幅を最大にするよう構成した偏光制御装置を備える、請求項３に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項5】
前記光検出器アレイは、偏光ダイバーシティ平衡増幅検出器として構成され、前記光検出器アレイへの入力パワーレベルを測定する少なくとも１つのパワーモニタを備え、前記パワーモニタは、前記対象物の距離と関連する時間遅延を有するよう変調したパワーレベルを出力する、請求項１に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項6】
前記参照アームの長さは、前記サンプルアームの長さよりも長く、前記参照アームの光路長は、前記システムの最大測距深度の２倍を超える、請求項３に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項7】
前記光干渉信号の最大周波数が前記システムの最小測距深度に相当する、請求項１に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項8】
前記信号処理装置は、デジタル化された電気干渉信号の包絡線を求めるよう構成する、請求項１に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項9】
前記信号処理装置は、前記デジタル化電気干渉信号の包絡線の立ち下がりエッジで前記デジタル化電気干渉信号の時間遅延を測定するよう構成する、請求項８に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項10】
スキャン同期信号を生成するスキャンパターンを作成するよう構成したスキャン制御装置をさらに備え、前記スキャン制御装置は、前記スキャン同期信号を前記スキャナに印加して、前記対象物を表す測定情報の収集を実現する複数のスキャンパターンを生成する、請求項１に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項11】
前記干渉時間ＬｉＤＡＲシステムが、光ファイバ、バルク光学系、集積光回路、または光学素子の任意の組み合わせとして実装される、請求項１に記載の干渉時間ＬｉＤＡＲシステム。
【請求項12】
対象物の距離を求めるための方法であって、
コヒーレント光ビームを生成する工程と、
前記コヒーレント光ビームを波長変調または周波数変調信号で変調する工程と、
前記コヒーレント光ビームの第１部分をサンプルアームに結合する工程と、
前記コヒーレント光ビームの第２部分を参照アームに結合する工程と、
前記波長変調されたコヒーレント光ビームの光源からの距離を測定すべき対象物の場所で前記レーザ光ビームの前記第１部分を走査する工程と、
前記測定対象物から前記波長変調されたコヒーレント光ビームの前記第１部分の一部を後方反射する工程と、
前記測定対象物からの前記波長変調されたコヒーレント光ビームの後方反射部分を受光する工程と、
前記コヒーレント光ビームの後方反射部分と前記コヒーレント光ビームの第２部分とを結合して、光干渉コヒーレント光信号を形成する工程と、
前記光干渉波長変調コヒーレント光信号を光検出して、振動する電気干渉信号を形成する工程と、
前記振動する電気干渉信号をデジタル化する工程と、
前記デジタル化した電気干渉信号の包絡線を検出して、前記デジタル化電気干渉信号の前記包絡線を求める工程と、
前記デジタル化した電気干渉信号の前記包絡線の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの時間を求める工程と、
前記デジタル化した電気干渉信号の前記包絡線の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジ間の時間差を求める工程と、
前記測定対象物までの距離を計算する工程と、を備える方法。
コヒーレント光ビームを生成する工程と、
前記コヒーレント光ビームを波長変調または周波数変調信号で変調する工程と、
前記コヒーレント光ビームの第１部分をサンプルアームに結合する工程と、
前記コヒーレント光ビームの第２部分を参照アームに結合する工程と、
前記波長変調されたコヒーレント光ビームの光源からの距離を測定すべき対象物の場所で前記レーザ光ビームの前記第１部分を走査する工程と、
前記測定対象物から前記波長変調されたコヒーレント光ビームの前記第１部分の一部を後方反射する工程と、
前記測定対象物からの前記波長変調されたコヒーレント光ビームの後方反射部分を受光する工程と、
前記コヒーレント光ビームの後方反射部分と前記コヒーレント光ビームの第２部分とを結合して、光干渉コヒーレント光信号を形成する工程と、
前記光干渉波長変調コヒーレント光信号を光検出して、振動する電気干渉信号を形成する工程と、
前記振動する電気干渉信号をデジタル化する工程と、
前記デジタル化した電気干渉信号の包絡線を検出して、前記デジタル化電気干渉信号の前記包絡線を求める工程と、
前記デジタル化した電気干渉信号の前記包絡線の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの時間を求める工程と、
前記デジタル化した電気干渉信号の前記包絡線の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジ間の時間差を求める工程と、
前記測定対象物までの距離を計算する工程と、を備える方法。
【請求項13】
請求項１１の各工程を繰り返し実行することにより、前記対象物のドップラー速度を求める工程と、
時間の経過に伴う距離の変化として、前記対象物のドップラー速度の速度を計算する工程とを更に備える、請求項１２に記載の方法。
時間の経過に伴う距離の変化として、前記対象物のドップラー速度の速度を計算する工程とを更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記コヒーレント光ビームの偏光状態を調整し、前記光干渉信号または干渉電気信号の振幅を最大化する工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項15】
前記干渉電気信号の最大周波数は、前記対象物までの距離測定の最小測距深度に相当し、前記干渉電気信号をデジタル化する前記工程のナイキストサンプリング周波数より大きい、請求項１２に記載の方法。
【請求項16】
前記干渉電気信号の最小周波数は、前記対象物の距離測定の最大測距深度に相当する、請求項１４に記載の方法。
【請求項17】
光ファイバ、バルク光学系、集積光回路、または光学素子の任意の組み合わせを用いて前記方法を実施する工程をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項18】
対象物の距離を求めるための装置であって、
コヒーレント光ビームを生成する手段と、
前記コヒーレント光ビームを振幅変調または周波数変調信号で変調して、前記コヒーレント光ビームの振幅を調整する手段と、
前記コヒーレント光ビームの第１部分をサンプル光ファイバケーブルに結合する手段と、
前記コヒーレント光ビームの第２部分を参照アームに結合する手段と、
前記変調されたコヒーレント光ビームの光源からの距離を測定すべき対象物の場所で前記レーザ光ビームの前記第１部分を走査する手段と、
前記測定対象物から前記コヒーレント光ビームの第１部分の一部を後方反射する手段と、
前記測定対象物からの前記コヒーレント光ビームの後方反射部分を受光する手段と、
前記コヒーレント光ビームの後方反射部分と前記コヒーレント光ビームの第２部分とを結合して、光干渉コヒーレント光信号を形成する手段と、
前記光干渉コヒーレント光信号を光検出して、振動する電気干渉信号を形成する手段と、
前記振動する電気干渉信号をデジタル化する手段と、
前記デジタル化した電気干渉信号の包絡線を検出して、前記デジタル化電気干渉信号の前記包絡線を求める手段と、
前記デジタル化した電気干渉信号の前記包絡線の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの時間を求める手段と、
前記デジタル化した電気干渉信号の前記包絡線の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジ間の時間差を求める手段と、
前記測定対象物までの距離を計算する手段と、を備える装置。
コヒーレント光ビームを生成する手段と、
前記コヒーレント光ビームを振幅変調または周波数変調信号で変調して、前記コヒーレント光ビームの振幅を調整する手段と、
前記コヒーレント光ビームの第１部分をサンプル光ファイバケーブルに結合する手段と、
前記コヒーレント光ビームの第２部分を参照アームに結合する手段と、
前記変調されたコヒーレント光ビームの光源からの距離を測定すべき対象物の場所で前記レーザ光ビームの前記第１部分を走査する手段と、
前記測定対象物から前記コヒーレント光ビームの第１部分の一部を後方反射する手段と、
前記測定対象物からの前記コヒーレント光ビームの後方反射部分を受光する手段と、
前記コヒーレント光ビームの後方反射部分と前記コヒーレント光ビームの第２部分とを結合して、光干渉コヒーレント光信号を形成する手段と、
前記光干渉コヒーレント光信号を光検出して、振動する電気干渉信号を形成する手段と、
前記振動する電気干渉信号をデジタル化する手段と、
前記デジタル化した電気干渉信号の包絡線を検出して、前記デジタル化電気干渉信号の前記包絡線を求める手段と、
前記デジタル化した電気干渉信号の前記包絡線の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの時間を求める手段と、
前記デジタル化した電気干渉信号の前記包絡線の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジ間の時間差を求める手段と、
前記測定対象物までの距離を計算する手段と、を備える装置。
【請求項19】
請求項１８の手段を繰り返し作動させることにより、前記対象物のドップラー速度を求める手段と、
時間の経過に伴う距離の変化として、前記対象物のドップラー速度の速度を計算する手段とを更に備える、請求項１８に記載の装置。
時間の経過に伴う距離の変化として、前記対象物のドップラー速度の速度を計算する手段とを更に備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項20】
前記コヒーレント光ビームの偏光状態を調整し、前記光干渉信号または干渉電気信号の振幅を最大化する手段をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項21】
前記干渉電気信号の最大周波数は、前記対象物までの距離測定の最小測距深度に相当し、前記干渉電気信号をデジタル化する前記手段のナイキストサンプリング周波数より大きい、請求項１８に記載の装置。
【請求項22】
前記干渉電気信号の最小周波数は、前記対象物までの距離測定の最大測距深度に相当する、請求項２１に記載の装置。
【請求項23】
光ファイバ、バルク光学系、集積光回路、または光学素子の任意の組み合わせを用いて前記装置を実施する工程をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光による検出（以降、光検出と呼ぶ）及び測距システムに関し、特に、距離および速度を測定するために光干渉装置およびその方法を利用する光検出および測距システムに関する。
【背景技術】
【0002】
ＬｉＤＡＲ（光検出および測距）は、光波を使用して対象物の距離、角度、および速度を求めるという点で、レーダー（電波検出および測距）に類似する。ＬｉＤＡＲは、レーザ光の戻り時間や波長の違いを利用して、対象物をデジタル３次元で表現でき、地上・空中・モバイルと幅広い用途で利用されている。ＬｉＤＡＲ機器は、一以上のレーザ発振器、光学系、スキャナ、光検出器、信号処理装置で構成される。一以上のレーザ発振器から発生したコヒーレント光ビームは、一連の光学系を介してスキャナに転送され、対象物までの距離または対象物の速度を求めるために対象物に送信される。３次元（３Ｄ）スキャンの場合、その物理的特性を求める。光検出器は、対象物が反射したコヒーレント光を受け、このコヒーレント光を電気信号に変換する。この信号を処理して対象物の距離を求める。発振器は、パルス状のコヒーレント光を生成する。信号処理装置は、パルス光を送信した時間を記録し、さらにコヒーレント光の反射光を受信した時間を記録する。対象物の距離は、送信時間と受信時間との差を２で割って、光速を掛けたものとなる。
【0003】
振幅変調連続波（ＡＭＣＷ）ＬｉＤＡＲは、位相差方式のＬｉＤＡＲの一種である。直接パルスを検出するのとは異なり、位相差方式のＬｉＤＡＲは、連続レーザ信号を発する。レーザ出射振幅を高速の無線周波数（ＲＦ）信号で変調し、出力光信号を符号化する。出射信号と反射信号の位相差を検出し、測距を行う。正弦波で変調した連続レーザ波形の位相シフトを利用して、対象物までの距離を推測することができる。
【0004】
周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）ＬｉＤＡＲは、ＡＭＣＷ ＬｉＤＡＲに似ているが、変調と復調を電気的にではなく光学的に行う。ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲは、波長可変光源と干渉計を用いて、対象物の距離を高感度で測定する。 “Comb-Calibrated Frequency-Modulated Continuous-wave Lidar, Y. Xie et al., 2020 IEEE 7th International Workshop on Metrology for AeroSpace (MetroAeroSpace), Pisa, Italy, 2020, pp. 372-376, URL: https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp? tp=&arnumber=9160234&isnumber=9159966に2/15/2021に掲載”は、ＦＭＣＷ ＬｉＤＡＲを絶対距離の測定に非常に適したものと記載している。ＦＭＣＷレーザの周波数は、キャリア信号によって線形変調され、レーザの往復飛行時間を正確に測定する。戻ってきたレーザと出射したレーザの間のうなり周波数信号を検出することにより、飛行時間を高精度に計算することができ、高精度な距離測定が可能である。
【発明の概要】
【0005】
本開示の目的は、時間－周波数領域反射率測定に基づく干渉時間（ＴＯＩ）光検出及び測距（ＬｉＤＡＲ）システムを提供することである。本ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムは、時間－デジタル変換器またはデータ取得システムを使用して、干渉信号の時間遅延または干渉時間（ＴＯＩ）を記録する。
【0006】
本開示の他の目的は、コヒーレント光源の小波長変調に基づくＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムを提供することである。出力波長は、コヒーレント光源の動作電流または動作温度によって決まる。
【0007】
これらの目的の少なくとも１つを達成するために、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムは、変調制御装置に接続されたコヒーレント光源を有する。変調制御装置は、コヒーレント光源に転送されるパルス波長制御信号を生成するよう構成する。パルス波長制御信号は、電流変調信号でもよいし、レーザ周囲温度調整信号でもよい。パルス波長制御信号は、コヒーレント光源を変調し、パルス波長変調コヒーレント発光を発生させる。
【0008】
パルス波長変調コヒーレント発光は、干渉計への入力となる。干渉計は、パルス波長変調コヒーレント発光をサンプリング部分と参照部分とに分割するよう構成する。パルス波長変調コヒーレント発光のサンプリング部分は、測定対象物に入射するように配置する。パルス波長変調コヒーレント発光の参照部分は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムから対象物までの距離を求めるための参照基礎となるように配置する。干渉計はさらに、パルス波長変調されたコヒーレント光をスキャナに転送するよう構成する。スキャナは、パルス波長変調コヒーレント光の第１部分を対象物に物理的に転送して、パルス変調コヒーレント光で対象物の表面を走査するよう構成する。スキャナはさらに、対象物から後方反射されたパルス波長変調コヒーレント光の一部を受光するよう構成する。後方反射されたパルス波長変調コヒーレント光をスキャナから干渉計に転送し、その後パルス波長変調コヒーレント光の参照部分と結合して光干渉光信号を形成する。
【0009】
ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムは、光干渉信号を電気干渉信号に変換するよう構成した光検出器アレイを有する。様々な実施形態において、光検出器は、偏光ダイバーシティ平衡増幅検出器（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｂａｌａｎｃｅｄ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）として構成する。光検出器は、光検出器への入力パワーレベルを測定する少なくとも１つのパワーモニタを有する。このパワーモニタは、対象物の距離と関連する時間遅延を有するよう変調したパワーレベルを出力する。
【0010】
ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムは、電気干渉信号を受信し、デジタルデータとして電気干渉信号の振幅を表すデジタルデータにこの電気干渉信号を変換する信号処理装置を有する。この信号処理装置は、対象物からの距離に基づいて表示される撮像範囲を生成するよう構成する。表示される撮像範囲は、光干渉信号によって求められる時間遅延を計算するようにプログラムされたコンピュータシステムによって計算される。
【0011】
変調制御装置は、狭帯域コヒーレント光源の駆動電流、狭帯域光源の温度の制御、または光源から出射される光の位相の調整によって、コヒーレント光源を変調する波長変調制御信号を生成するよう構成する。他の実施形態では、変調制御装置は、干渉計のサンプルアームと参照アームとの光の間に時間遅延がある場合に、干渉を発生させるパルス位相制御信号を生成する。
【0012】
様々な実施形態において、干渉計は、光源からのコヒーレント発光の偏光状態を調整し、光干渉信号又は干渉電気信号の振幅を最大化するために用いられる偏光制御装置を備える。干渉計は、偏光制御装置からパルス波長変調コヒーレント光を受光する第１カプラを有する。このカプラは、パルス波長変調されたコヒーレント光を分割する。パルス波長変調コヒーレント光の第１部分は、少なくとも１つのサンプルアームに供給される。パルス波長変調コヒーレント光の第２部分は、参照アームに供給される。干渉計は、少なくとも一つのサンプルアームからのパルス波長変調コヒーレント光の第１部分を受光するよう接続されたサーキュレータを有する。このサーキュレータは、サンプルアームからのパルス波長変調コヒーレント光がサーキュレータに入って、次のポートから出るように構成する。通常、次のポートは、時計回りの方向にパルス波長変調コヒーレント光をスキャナへと向かわせる。スキャナは、サンプルパルス波長変調コヒーレント光を物理的に転送して対象物を走査するよう構成する。サンプリングされたパルス波長変調コヒーレント光は、測距測定を行う対象物からスキャナへと後方反射され、干渉計内のサーキュレータに転送される。その後、後方反射されたパルス波長変調コヒーレント光は、サーキュレータから第２カプラに送られる。
【0013】
干渉計の参照アームは、サンプリングアームの長さの２倍以上の長さを有する。参照アーム内のパルス波長変調コヒーレント光の第２部分は、第２カプラに印加される。参照アームで移動するパルス波長変調コヒーレント光の第２部分を、回収した後方反射パルス波長変調光と結合し、光干渉光信号を形成する。この光干渉光信号は、第２のカプラを出て、光検出器アレイに入る。
【0014】
参照アームの光路長は、システムの最大測距深度の２倍を超えて、サンプルアームの光路長よりも長い。光干渉信号の最大周波数は、システムの最小測距深度に相当する。
【0015】
光干渉信号の最大周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムの最小測距深度に相当し、データ取得および信号処理装置におけるデジタイザのナイキストサンプリング周波数よりも大きい。光干渉信号の最小周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムの最大測距深度に相当する。検出された光干渉の時間遅延は、光干渉信号の包絡線の立ち下がりエッジで測定する。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1A】本開示の原理を具現化したＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムの概略図である。
【図1B】本開示の原理を具現化したＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムの概略図である。
【図1C】本開示の原理を具現化したＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムの概略図である。
【0017】
【図2A】本開示の原理を具現化した電気的ＴＯＩ測定回路のブロック図である。
【0018】
【図2B】本開示の原理を具現化した、電気的ＴＯＩ測定を行うよう構成した信号処理装置のプログラム構造を示すブロック図である。
【0019】
【図2C】本開示の原理を具現化した参照アームのパルス入力フリンジと包絡線をプロットした図である。
【0020】
【図2D】本開示の原理を具現化したサンプルアームの後方反射パルスフリンジと包絡線をプロットした図である。
【0021】
【図3】本開示の原理を具現化したＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムのフレームベースの速度測定方法を示す図である。
【0022】
【図4A】本開示の原理を具現化した小信号変調器のブロック図である。
【0023】
【図4B】本開示の原理を具現化した、小信号コヒーレント光源の概略図である。
【0024】
【図5A】本開示の原理を具現化したＳＳＭ－ＴＯＩ電気測定回路を示すブロック図である。
【0025】
【図5B】本開示の原理を具現化した、ＳＳＭ－ＴＯＩ電気測定を行うよう構成する信号処理装置のプログラム構造を示すブロック図である。
【0026】
【図6】本開示の原理を具現化した、ＳＳＭ－ＴＯＩドップラー速度測定を実行するよう構成したデジタル信号処理装置のブロック図である。
【0027】
【図7】本開示の原理を具現化した、ＴＯＩおよび飛行時間集積回路のブロック図である。
【0028】
【図8A】本開示の原理を具現化した、ＳＳＭ－ＴＯＩ電気計測を採用する対象物の距離を求める方法のフローチャートである。
【0029】
【図8B】本開示の原理を具現化した、ＳＳＭ－ＴＯＩ電気計測を採用する対象物のドップラー速度を求める方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0030】
対象物までの様々なポイントの測定距離に基づいて対象物の画像を生成するようＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムを構成する。このＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムは、干渉光信号から生成した電気信号の包絡線を検出する。この干渉光信号は、対象物へのサンプルアーム発光による後方反射光と、参照発光とから生成される。参照発光は、パルス波長変調されたコヒーレント光源の発光信号を分割し、参照アームに参照発光を通過させることで作成する。光干渉信号は、光検出器に転送されて電気信号に変換されデジタルデータに変換される。このデジタルデータを評価して参照発光と後方反射光の立ち下がりエッジを求め、参照発光と後方反射光との間の時間遅延を求める。その後、この時間遅延から距離を計算する。
【0031】
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃは、本開示の原理を具現化するＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムの概略図である。図１Ａを参照すると、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００は、パルス波長変調狭帯域幅光源１０５を備える。このパルス波長変調光源１０５は、単一または複数の縦モードで構成される出力スペクトルを有するパルス変調コヒーレント光を出射する。共振空洞の縦モードは、空洞内に閉じ込められた波が形成する特定の定在波パターンである。レーザでは、通常２枚以上のミラーで構成される空洞共振器で光が増幅される。空洞には、光を反射するミラー面の壁があり、定在波モードがほとんど損失なく空洞内に存在できるようになっている。縦モードは、空洞の反射面で何度も反射した後、建設的干渉によって強化された反射波の波長に相当する。それ以外の波長は相殺的干渉により抑制される。縦モードパターンでは、ノードが空洞の長さに沿って軸方向に配置される。パルス波長変調光源１０５は、当該技術分野で公知であり、固体レーザ、ガスレーザ、液体レーザ、または半導体レーザに分類される４種類のレーザのうちの１つとして実装される。本開示で述べる構成において、パルス波長変調光源１０５は、その波長または周波数が電流または温度のいずれかによって制御される半導体レーザとして示される。以下、パルス波長変調光源１０５の変調について説明する。
【0032】
パルス波長変調狭帯域光源１０５は、パルス波長変調コヒーレント光を干渉計１１０に出射する。パルス波長変調狭帯域幅光源１０５の出射光は、自由空間、光ファイバ、または光導波路を介して干渉計１１０に送られる。
【0033】
様々な実施形態において、干渉計１１０は、光ファイバ、バルク光学系、集積光回路、又はそれらのいくつかの組み合わせとして実装される。干渉計１１０は、パルス波長変調コヒーレント光を受光する偏光制御装置１１５を有する。偏光制御装置１１５は、光源１０５からのパルス波長変調コヒーレント光の偏光状態を調整し、光路１５５ａ、１５５ｂで転送される光干渉信号、または干渉電気信号１６２の振幅を最大化する。光源１０５からのパルス波長変調コヒーレント光、または偏光制御装置１１５を介して転送されたパルス波長変調コヒーレント光は、カプラ（ｃｏｕｐｌｅｒ）１２０に送られる。カプラ１２０は、コヒーレント光を、少なくとも１つのサンプルアーム１２２に供給されるサンプル部分と、干渉計１１０内の参照アーム１４０に供給されるパルス波長変調コヒーレント光の参照部分とに分割する。サンプルアーム１２２と参照アーム１４０は、自由空間経路、光ファイバ、または光導波路として実装される。
【0034】
干渉計は、サンプルアーム１２２からのパルス波長変調コヒーレント光のサンプル部分を受光するサーキュレータ１２５を有する。サーキュレータ１２５は、パルス波長変調コヒーレント光のサンプル部分がサーキュレータ１２５に入って、次のポートからサンプルアーム１２２の一セクションへと出るように構成する。次のポートによって、通常（ただし必須ではないが）時計回りの方向にコヒーレント光をサンプルアーム１２２を介してスキャナ１３０に向かわせる。スキャナ１３０は、サンプルパルス波長変調コヒーレント光１３５を物理的に転送して対象物を走査するよう構成する。サンプリングされたパルス波長変調コヒーレント光１３５は、測距測定を行うための対象物から後方反射される。後方反射されたパルス波長変調コヒーレント光は、スキャナ１３０が受光し、サーキュレータ１２５に転送される。その後、後方反射されたパルス波長変調コヒーレント光は、光路１４５を通って第２カプラ１５０に転送される。この光路は、自由空間経路、光ファイバ、または光導波路として実装される。
【0035】
自由空間経路、光ファイバ、または光導波路として実装される参照アーム１４０は、参照アーム１４０の経路長がＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最大測距深度と一致するように追加の経路長を提供する追加の光経路１４２を有する。少なくとも１つのサンプルアーム１２２および参照アーム１４０からの光パルス波長変調コヒーレント光信号同士は、カプラ１５０内で結合され、光干渉信号を生成する。
【0036】
少なくとも１つのサンプルアーム１２２と参照アーム１４０からの各パルス波長変調コヒーレント光信号をヘテロダイン検波し、ベース信号からうなり周波数を抽出する。うなり信号は、カプラからの２つの出力において１８０°の位相差を有する。平衡検出器１６０は、各入力チャネルからの信号を減算して、うなり信号である干渉信号を抽出する。
【0037】
この光干渉信号は、自由空間経路、光ファイバ、または光導波路として実装された光路１５５ａおよび１５５ｂに印加される。光干渉信号は、光経路１５５ａおよび１５５ｂに印加され、平衡光検出器１６０に転送されて、光経路１５５ａおよび１５５ｂからの光干渉信号が干渉電気信号１６２に変換される。
【0038】
干渉電気信号１６２は、平衡光検出器１６０によって生成され、信号処理装置１６５内のデータ取得回路に転送され、そこで干渉電気信号１６２がデジタルデータに変換される。光干渉信号の最大周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムの最小測距深度に相当する。光干渉信号の最大周波数は、データ取得または信号処理装置１６５におけるデジタイザのナイキストサンプリング周波数よりも大きい。
【0039】
光路１５５ａ、１５５ｂに印加される光干渉信号の最小周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最大測距深度に相当する。検出された光干渉の時間遅延は、光干渉信号の包絡線の立ち下がりエッジで測定する。
【0040】
その後、デジタルデータをコンピュータ１７０に転送し、さらに処理および表示する。いくつかの実施形態において、信号処理装置１６５は、単一のユニットとしてコンピュータ１７０と一体化してもよい。
【0041】
様々な実施形態では、コンピュータ１７０は、変調／走査制御装置１７５に接続される。他の実施形態では、コンピュータ１７０を変調／走査制御装置１７５と一体化する。変調／走査制御装置１７５は、コヒーレント光源１０５に印加する変調制御信号１７７の変調度、周波数、および形状を決める変調サブ回路を有する。変調／走査制御装置１７５はさらに、変調／走査同期信号１７９を信号処理装置１６５およびスキャナ１３０に提供する走査制御回路を有する。この走査制御回路は、スキャナ１３０に印加する適切な変調／走査同期信号１７９を生成するのに使用する所望の走査パターンを作成する。
【0042】
スキャナ１３０は、サンプルパルス波長変調コヒーレント光１３５を分散させて、ＴＯＩ測定に基づく画像を形成する１次元または２次元スキャナとして実装してもよい。一次元走査パターンは、時間的に線形または非線形であってもよく、一方向または双方向であってもよい。ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００のいくつかの実装では、２次元走査パターンは、時間的に線形であっても非線形であってもよい。ラスタースキャン、スパイラルスキャンなど、測定情報を収集するためのパターンであってもよい。スキャナ１３０は、機械的に検流計ミラー、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、圧電アクチュエータとして、または光学的に音響光学（ＡＯ）偏向器を備えて、またはソリッドステート式のスキャナとして実現してもよい。測定情報を収集するために必要な走査動作を提供するという本開示の原理に沿った他の方法があってもよい。
【0043】
図１Ｂを参照すると、このＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００は、図１Ａと同じ構造を有するが、パルス波長変調コヒーレント光の第２の部分が参照アーム２００に印加される。自由空間経路、光ファイバ、または光導波路として実装される参照アーム２００の光ファイバケーブルは、参照アーム２００の光路長がＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最大測距深度と一致するように追加の光路１４２を有する。参照アーム２００内のパルス波長変調コヒーレント光は、第２サーキュレータ２１０の入力ポートに印加される。パルス波長変調コヒーレント光は、第２サーキュレータ２１０の入出力ポートから参照アーム２００の追加セグメントに送信される。コヒーレント光は、ミラー２１５に入射する。ミラー２１５は、コヒーレント光に遅延を与えるが、いくつかの実施形態では、光遅延線で置き換えられる。ミラー２１５は、コヒーレント光を第２サーキュレータ２１０に直接反射して戻し、カプラ１５０に導く。ミラーが反射したコヒーレント光は、後方反射したパルス波長変調コヒーレント光と結合され、光干渉信号を形成する。ミラー２１５は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最大範囲に相当する参照像平面として機能する。ミラー２１５があれば、追加の経路長２０２が第２サーキュレータ２１０とミラー２１５との間に位置する場合、光の二重通過によって追加の経路長２０２の長さを半分にすることができる。ミラー２１５によって、コストダウンと省スペース化が可能になる。
【0044】
ミラー２１５を光遅延線に置き換える場合、参照アーム全経路長の微調整の自由度を高めることができる。遅延の調整可能な範囲は通常センチメートルのオーダーであるため、全体の撮像範囲を変更するというよりは、主にシステム変動の小さな変更に対応するためである。
【0045】
光干渉信号は、自由空間経路、光ファイバ、または光導波路として実装された光路１５５ａおよび１５５ｂに印加される。上述のように、光干渉信号は、光経路１５５ａおよび１５５ｂに送られ、平衡光検出器１６０に転送されて、光経路１５５ａおよび１５５ｂからの光干渉信号が干渉電気信号１６２に変換される。
【0046】
いくつかの実装では、図１Ａおよび図１Ｂの参照アーム１４０、２００が、サンプルアーム１０３より長い光路長を有してもよい。サンプルアーム１２２と参照アーム１４０、２００からのパルス波長変調コヒーレント光信号が干渉するタイミングは、干渉包絡線の立ち下がりエッジとなる。様々な実施形態において、参照アーム１４０及び２００は、サンプルアーム１２２よりも短い光路長を有してもよい。サンプルアーム１２２と参照アーム１４０および２００からのパルス波長変調コヒーレント光信号の干渉のタイミングの発生は、干渉包絡線の立ち上がりエッジとなる。
【0047】
図１Ｃを参照すると、このＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００は、図１Ａと同じ構造を有するが、参照アーム１４０のパルス波長変調コヒーレント光の第２部分は、第１カプラ１２０を出て第３カプラ３００に入射する。参照アーム１４０は、自由空間経路、光ファイバ、または光導波路として実装される。第３カプラ３００は、パルス波長変調コヒーレント光の第２部分を２つのパルス波長変調コヒーレント光ビームにさらに分割する。パルス波長変調コヒーレント光ビームの第２の部分のうち第１部分は、同様に自由空間経路、光ファイバ、または光導波路として実装される第２の参照アーム３０５に印加される。第２参照アーム３０５のパルス波長変調コヒーレント光ビームの第２の部分のうち第２部分は、掃引線形較正装置３１５に印加される。
【0048】
掃引線形較正装置３１５は、コヒーレント光源１０５の波長掃引の線形性を較正するための電気信号を発生するマッハツェンダー干渉計やファブリペローフィルタである。波長変調が光周波数領域で線形でない場合、掃引線形較正装置３１５が、マッハツェンダー干渉計またはファブリペローフィルタのいずれかからの固定経路長差から干渉信号を生成する。一般的には、光検出器や平衡検出器を用いて電気信号を発生させる。そのゼロ交差タイミングは、光周波数領域において等間隔に対応し、信号処理装置１６５内のデータ取得システムに光クロックを提供する。掃引線形較正装置３１５は、平衡検出器１６０で検出された干渉信号１６２を較正する。掃引線形較正装置３１５の出力は、信号処理装置１６５に転送される。
【0049】
参照アーム３０５の第２パルス波長変調コヒーレント光ビームは、第２カプラ１５０に印加される。上記のように、後方反射されたコヒーレント光は、カプラ１５０に誘導される。参照アーム３０５内の参照コヒーレント光は、後方反射したコヒーレント光と結合され、光干渉信号を形成する。光干渉信号は、自由空間経路、光ファイバ、または光導波路として実装された光路１５５ａおよび１５５ｂに印加される。上述のように、光干渉信号は、光経路１５５ａおよび１５５ｂを介して転送され、平衡光検出器１６０に転送されて、光経路１５５ａおよび１５５ｂからの光干渉信号が干渉電気信号１６２に変換される。
【0050】
図２Ａは、本開示の原理を具現化した電気ＴＯＩ測定回路のブロック図である。平衡検出器１６０が生成した図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃの干渉電気信号１６２は、包絡線検出器４００で受信され、干渉電気信号１６２の包絡線４０５に変換される。包絡線検出器４００は、無線周波数（ＲＦ）電力検出器、二乗平均平方根（ＲＭＳ）検出器、または周波数復調器として実装される。無線周波数（ＲＦ）電力検出器、二乗平均平方根（ＲＭＳ）検出器、または周波数復調器は、当技術分野で知られており、市販の装置である。無線周波数（ＲＦ）電力検出器、二乗平均平方根（ＲＭＳ）検出器、または周波数復調器は、干渉電気信号１６２中の高周波成分を除去することで干渉電気信号１６２の包絡線を識別する。
【0051】
包絡線信号４０５は、エッジ検出器４１０に転送される。エッジ検出器４１０があるパルスイベントを決定し、エッジ検出器の出力４１０にそのパルスイベントを配置する。パルスイベントとは、包絡線信号４０５の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジを示すものである。エッジ検出器４１０は、エッジ－グリッチ変換器、ＸＯＲゲート及び遅延回路、微分回路等として実現される。エッジ－グリッチ変換器、ＸＯＲゲートおよび遅延回路、微分回路も同様に当技術分野で知られており、市販されている。
【0052】
エッジ検出器の出力４１５は、時間－デジタル変換器４２０の入力と接続される。時間－デジタル変換器４２０は、時間差信号を生成し、これを時間－デジタル変換器４２０の出力４３０に転送する。この時間差信号は、パルスイベント４０５およびパルスイベント４２５間の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの時間を示す。パルスイベント４２５は、変調／走査制御装置１７５から転送された光源変調信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジに対応する。パルスイベント４２５は、時間間隔をカウントする際に、時間－デジタル変換器４２０を起動するためのトリガとなる。エッジ検出器４１０のパルス出力４１５によって、時間－デジタル変換器４２０による時間間隔のカウントを終了させるためのパルスイベントが得られる。時間－デジタル変換器４２０の出力４３０における一連の時間差信号は、コンピュータ１７０が表示する画像を形成するための深度測定値に変換される。
【0053】
図２Ｂは、本開示の原理を具現化した信号処理装置のプログラム構造を示すブロック図である。平衡検出器１６０が生成する図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃの干渉電気信号１６２は、データ取得モジュール４４０でデジタル化される。データ取得モジュール４４０は、変調／走査制御装置１７５からの変調／走査同期信号１７９によってトリガされる。干渉電気信号がデジタル信号４４２に変換され、データ取得モジュール４４０の出力に配置される。干渉電気信号１６２の最大周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最小測距深度に相当し、データ取得モジュール４４０のデジタイザのナイキストサンプリング周波数よりも大きい。干渉電気信号の最小周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最大測距深度に相当する。検出された干渉電気信号１６２の時間遅延は、干渉電気信号１６２の包絡線の立ち下がりエッジで測定される。
【0054】
デジタル信号４４２は、信号処理装置１６５によって実行される包絡線検出器プロセス４４５によって処理され、デジタル干渉電気信号４４２の包絡線信号４４７を求める。包絡線検出器プロセス４４５は、デジタル信号４４２のヒルベルト変換の絶対値をとることによって実行される。次に、エッジ検出プロセス４５０によって包絡線信号４４７を処理し、干渉電気信号の発生タイミングを識別し、包絡線信号４４７と変調／スキャン同期信号１７９の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの間の時間差４５７を計算することができる。
【0055】
図２Ｃは、本開示の原理を具現化した参照アームのパルス入力フリンジ（干渉縞）４６０と包絡線４６５をプロットした図である。図２Ｃは、ゼロ（０）メートル位置で対象物を検出するプロトタイプＴＯＩシステム１００の干渉電気信号の例である。図２Ｄは、本開示の原理を具現化したサンプルアームの後方反射パルスフリンジ４７０と包絡線４７５をプロットした図である。図２Ｄは、１８０メートル位置で対象物を検出するプロトタイプＴＯＩシステム１００の干渉電気信号の例である。図２Ａのエッジ検出器４１０または図２Ｂのエッジ検出器プロセス４５０は、参照アーム４６０の包絡線の立ち下がりエッジｔ０の時間と、サンプルアーム４７５の包絡線の立ち下がりエッジｔ１の時間とを求める。カウンタ４２０またはカウンタプロセス４５５は、参照アームの立ち下がりエッジ時間ｔ０とサンプルアームの立ち下がりエッジ時間ｔ１との間の時間間隔をカウントする。測定する対象物までの距離は、次の式で求める。
距離＝ｃ＊（ｔ０－ｔ１）
ただし、ｃは光速を、ｔ０は、参照アームの立ち下がりエッジ時間を、ｔ１は、サンプルアームの立ち下がりエッジ時間を示す。
一連の時間差４５７は、深度情報に変換され、コンピュータ１７０が表示する画像を形成することができる。
距離＝ｃ＊（ｔ０－ｔ１）
ただし、ｃは光速を、ｔ０は、参照アームの立ち下がりエッジ時間を、ｔ１は、サンプルアームの立ち下がりエッジ時間を示す。
一連の時間差４５７は、深度情報に変換され、コンピュータ１７０が表示する画像を形成することができる。
【0056】
図３は、本開示の原理を具現化したＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムのフレームベースの速度測定方法を示す図である。各フレーム４９０ａ、４９０ｂ、・・・、４９０ｍ、４９０ｍ＋１、・・・、４９０ｙ、４９０ｚは、図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃの平衡光検出器１６０が取り込んだものであり、データ４９５ｎおよび４９５ｍ＋１を表す。データ４９５ｎおよび４９５ｍ＋１は、信号処理装置１６５に転送され、図２Ａおよび図２Ｂに記載したように処理されて、データの立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジを求める。このように、データの立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの判定により、データ４９５ｎと４９５ｍ＋１間の時間差が得られる。次に、データ４９５ｎと４９５ｍ＋１間の距離を、データ４９５ｎと４９５ｍ＋１の間の時間差（ｔｍ＋１－ｔｍ）として求める。データ４９５ｎと４９５ｍ＋１の間の時間差（ｔｍ＋１－ｔｍ）に、光路１５５ａおよび１５５ｂに印加した光干渉信号のサンプリングのフレームレートを掛けて、測定対象物の速度を求める。
【0057】
図４Ａは、本開示の原理を具現化した図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃの変調ドライバに組み込まれた小信号変調器のブロック図である。小信号変調器は、ＤＣ電圧源ＶＤＣおよび変調電圧ＶＭＯＤを受信するよう接続された加算回路５００を有する。加算回路５００は、ＤＣ電圧源ＶＤＣと変調電圧ＶＭＯＤとを加算合成し、変調信号５０５を形成する。変調信号５０５は、電圧源のＶＤＣの電圧よりも小さい振幅を有し、方形波、三角波、正弦波、サメ歯状波、または任意の波形、さらにはこれらの波形の組み合わせを含む波形のグループから選択される。変調信号５０５は、レーザドライバ５１０に印加される。変調信号５０５の電圧は、コヒーレント光源１０５を駆動するために電流に変換される。あるいは、変調信号５０５を変換した電流は、コヒーレント光源１０５のレーザダイオードの温度を安定させるために用いられる熱電冷却装置に印加される。熱電冷却装置を介して変調電流を投入することにより、コヒーレント光源１０５のレーザダイオードの温度が変化する。コヒーレント光源１０５のレーザダイオードは、ダイオード温度を監視するためのサーミスタを内蔵している。これによって、熱電冷却装置とサーミスタとによって、温度監視と正確な温度変調とをもたらす制御ループを形成できる。
【0058】
コヒーレント光源１０５は、コヒーレント光信号５２０を干渉計に出射する。図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃの参照アーム１４０、２００、３０５とサンプルアーム１２２の間に光路長の差がある場合には、光干渉を導入するように波長／光周波数の波形変調を選択する。
【0059】
図４Ｂは、本開示の原理を具現化した、図４Ａに記載の小信号変調コヒーレント光源の概略図である。電源電圧源ＶＤＣは、第１ＰＭＯＳトランジスタＴＸ１のソースに印加される。第１トランジスタＴＸ１のドレインは、コヒーレント光源ＬＤ１（レーザダイオード１）（図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃの１０５）に接続する。第１トランジスタＴＸ１のゲートは、デジタル変調信号ＶＤＭＯＤによって制御される。コヒーレント光源ＬＤ１は、第２トランジスタＴＸ２のソースに接続され、そのゲートもデジタル変調信号ＶＤＭＯＤによって制御される。第２ＰＭＯＳトランジスタＴＸ２のドレインは、第１ＮＭＯＳトランジスタＴＸ３のソースに接続され、そのゲートはアナログ変調信号ＶＡＭＯＤによって制御され、そのドレインは抵抗Ｒに接続され、抵抗Ｒは共通グランドに接続される。デジタル変調信号ＶＤＭＯＤがｈｉｇｈおよびｌｏｗであれば、それぞれ光源４１０をオンおよびオフとすることができる。デジタル変調信号ＶＤＭＯＤがｈｉｇｈであると、アナログ変調信号ＶＡＭＯＤは、光源ＬＤ１に小信号変調を提供することができる。光源ＬＤ１は、インバータＩＮＶ１により短い遷移時間で停止させることができる。インバータＩＮＶ１は、デジタル変調信号ＶＤＭＯＤの反転と、第３ＰＭＯＳトランジスタＴＸ４と第２ＮＭＯＳトランジスタＴＸ５のゲートを制御するために使用する。第３ＰＭＯＳトランジスタＴＸ４のソースと第２ＮＭＯＳトランジスタＴＸ５のドレインは、光源ＬＤ１に接続される。第３ＰＭＯＳトランジスタＴＸ４のドレインと第２ＮＭＯＳトランジスタＴＸ５のソースはグランドに接続される。デジタル変調信号ＶＤＭＯＤがｈｉｇｈからｌｏｗに遷移する間、第３ＰＭＯＳトランジスタＴＸ４と第２ＮＭＯＳトランジスタＴＸ５がオンとなり、光源ＬＤ１内の電流を直ちに排出するので、ＴＯＩ用途向けの短い遷移時間が生成される。
【0060】
図５Ａは、本開示の原理を具現化したＳＳＭ－ＴＯＩ電気測定回路を示すブロック図である。平衡検出器１６０から発生した干渉電気信号１６２は、周波数－電圧変換器５２５で受信される。干渉電気信号１６２の周波数は、周波数－電圧変換器５２５の出力５３０で電圧に変換される。この電圧は、干渉電気信号１６２の周波数に比例する。周波数－電圧変換器５２５は、ＦＭ復調器、周波数検出器、または当技術分野で知られている任意の周波数－電圧変換回路で形成される。出力５３０の電圧レベルが、エッジ検出器５３５の出力５４０にパルスを発生させるエッジ検出器５３５への入力となる。このパルスは、立ち上がりエッジ、すなわち周波数－電圧変換器５２５の出力５３０における電圧レベルの立ち上がりエッジ、または立ち下がりエッジに相当する。エッジ検出器５３５は，エッジ－グリッチ変換器，ＸＯＲゲートと遅延回路，微分回路，または当技術分野で既知の任意のエッジ検出回路によって形成される。時間－デジタル変換器５５０は、時間－デジタル変換器５５０の出力５５５で時間差信号ΔＴＤを生成する。この時間差信号ΔＴＤは、エッジ検出器５３５の出力５４０における立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジのパルスと、変調／走査制御装置１７５からの変調／走査同期信号１７９との差分である。一連の時間差５０７は、深度に変換され、コンピュータ１７０が表示する画像を形成する。
【0061】
図５Ｂは、本開示の原理を具現化した、ＳＳＭ－ＴＯＩ電気測定を行うよう構成する信号処理装置１７５のプログラム構造を示すブロック図である。平衡検出器１６０が生成した干渉電気信号１６２は、変調／走査制御装置１７５からの変調／走査同期信号１７９によってトリガされたデータ取得モジュール６０５によってデジタル化される。干渉電気信号１６２は、出力５６５で干渉デジタル信号に変換される。干渉電気信号１６２の最大周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最小測距深度に相当し、データ取得モジュール６０５のデジタイザのナイキストサンプリング周波数よりも大きい。
【0062】
光路１５５ａ、１５５ｂに印加される光干渉信号の最小周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最大測距深度に相当する。検出された電気干渉１６２の時間遅延は、干渉電気信号１６２の包絡線の立ち下がりエッジで測定される。干渉デジタル信号は、周波数検出器プロセス５７０によって処理されて、周波数検出器プロセス５７０の出力５７５でその瞬時周波数値を識別する。周波数検出器プロセス５７０は、短時間フーリエ変換、ウェーブレット変換、または当技術分野で知られている別の周波数検出器プロセスなどの方法を実行する。次に、周波数検出器プロセス５７０の出力５７５での瞬時周波数値は、エッジ検出器プロセス５８５によって処理されて、エッジ検出器プロセスの出力５９０で、干渉電気信号１６２の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジのタイミングの発生および時間差ΔＴＤを識別する。時間差ΔＴＤは、出力５７５の瞬時周波数値の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジと変調／走査同期信号１７９との間の時間として求める。一連の時間差ΔＴＤは、深度に変換され、コンピュータ１７０が表示する画像を形成する。
【0063】
図６は、本開示の原理を具現化した、ＳＳＭ－ＴＯＩドップラー速度測定を実行するよう構成したデジタル信号処理装置のブロック図である。図６は、データ取得及び信号処理装置１６５が利用する、図１Ｃの掃引線形較正装置３１５によって実行される掃引線形化補正を示す図である。ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００がＳＳＭ－ＴＯＩモードで動作する場合、測定対象物の速度情報は、干渉電気信号１６２に符号化される。平衡光検出器１６０が生成した干渉電気信号１６２は、変調ドライバ１７５からの変調／走査同期信号１７９および光周波数較正クロック６００によってトリガされたデータ取得モジュール６０５によってデジタル化され、干渉電気信号１６２をデータ取得モジュール６０５の出力６０７でデジタル信号に変換する。このデジタル信号は、光周波数空間において線形である。干渉電気信号１６２の最大周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最小測距深度に相当し、データ取得モジュール６０５のナイキストサンプリング周波数よりも大きい。
【0064】
干渉電気信号１６２の最小周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最大測距深度に相当する。検出された干渉電気信号１６２の時間遅延は、干渉電気信号１６２の包絡線の立ち下がりエッジで測定される。光周波数較正クロック６００は、マッハツェンダー干渉計、ファブリペロー共振器、エタロン共振器、または光周波数較正クロック６００の生成に適した他の任意の干渉計または共振器から生成される。デジタル信号６０７は、瞬時周波数値を求めるための周波数検出器プロセス６１０への入力となる。瞬時周波数値は、周波数検出器プロセス６１０の出力６１１に配置される解（ｓｏｌｕｔｉｏｎ）である。様々な実施形態において、データ取得モジュール６０５の出力６０７におけるデジタル信号が光周波数空間においてそもそも線形である場合、光周波数較正クロック６００は必要ではない。いくつかの実装形態では、周波数検出器は、短時間フーリエ変換、ウェーブレット変換、または他の適切な周波数検出器プロセスとして実現され得る。次に、周波数検出器プロセス６１０の出力６１１での瞬時周波数値は、干渉の発生タイミングを識別するために、エッジ検出器プロセス６１５によって処理される。次に、エッジ検出器プロセス６１５は、瞬時周波数値の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジと変調／スキャン同期信号１７９との間の時間差ΔＴＤを計算し、その後、周波数検出器プロセス６１０の出力６２０として時間差ΔＴＤを配置する。
【0065】
ＳＳＭ－ＴＯＩドップラー速度測定の他の実施態様では、データ取得モジュール６０５の出力６０７におけるデジタル化された干渉電気信号が、対象物の移動速度を計算するためのドップラー速度計算プロセス６２５への入力となる。対象物の移動速度は、ドップラー速度算出プロセス６２５の出力６３０である。ドップラー速度計算プロセス６２５の１つの実施形態において、ドップラー速度計算プロセス６２５は、測定対象物の移動速度に比例する連続する前方掃引と後方掃引との干渉電気信号１６２の周波数の時間差ΔＴＤを測定することによって実現される。変調／走査同期信号１７９の対称性により、測定誤差を最小限に抑えることができる。エッジ検出器６２０の出力における一連の時間差ΔＴＤと測定対象物の移動速度とをそれぞれ深度と速度に変換し、コンピュータ１７０が表示する画像を形成することができる。ＳＳＭ－ＴＯＩドップラー速度測定のいくつかの実装形態では、干渉電気信号１６２においてドップラー周波数シフトにより導入される速度を少なくとも１つのローパスフィルタを用いて直接抽出してもよい。周波数シフトを検出し、デジタル信号処理を必要とせずに速度電気信号に変換することができる。
【0066】
図７は、本開示の原理を具現化する、干渉時間および飛行時間集積回路のブロック図である。平衡光検出器１６０から発生した干渉電気信号１６２は、包絡線検出器６５０に転送される。包絡線検出器６５０は、包絡線検出器６５０の出力６５２に印加される干渉電気信号１６２の包絡線信号を求める。包絡線検出器６５０は、無線周波数（ＲＦ）電力検出器、二乗平均平方根（ＲＭＳ）検出器、または周波数復調器として実装される。次に、干渉電気信号１６２の包絡線信号が第１エッジ検出器６５５を通過する。第１エッジ検出器６５５は、第１エッジ検出器６５５の出力６５７において、包絡線検出器６５０の出力６５７における干渉電気信号１６２の包絡線信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジに対応する第１パルス信号を生成する。エッジ検出器６５５は，エッジ－グリッチ変換器，ＸＯＲゲートと遅延回路，微分回路，または当技術分野で既知の任意のエッジ検出回路によって形成される。
【0067】
後方反射コヒーレント光１４５からの電気信号が平衡検出器１６０のモニタチャネルから抽出され、後方反射電気信号１４５を形成する。モニタチャネルからの後方反射電気信号１４５は、後方反射電気信号の１４５のパワースペクトルであり、包絡線信号とみなすことができる。後方反射電気信号１４５は、第２エッジ検出器６６０の入力である。第２エッジ検出器６６０は、第２エッジ検出器６６０の出力６６２に第２パルス信号を発生する。
【0068】
第１エッジ検出器６５５の出力６５７の第１パルス信号、第２エッジ検出器６６０の出力６６２の第２パルス信号、および変調／走査同期信号１７９が、マルチチャネル時間－デジタル変換器６６５に印加される。マルチチャネル時間－デジタル変換器６６５は、時間－デジタル変換器６６５の出力６７０に第１の時間差信号を生成する。第１時間差信号ΔＴＤ１は、第１のパルス信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジと、光源変調／スキャン同期信号１７９の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジに対応する変調／スキャン同期信号１７９との間の時間をデジタル化したものである。
【0069】
マルチチャネル時間デジタル変換器６６５は、第２エッジ検出器６６０の出力６６２における第２パルス信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジと、光源変調の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジに対応する変調／走査同期信号１７９との間の第２時間差信号ΔＴＤ２を生成する。第１時間差信号ΔＴＤ１と第２時間差信号ΔＴＤ２とを平均化または加重平均化する。平均化または加重平均化された第１時間差信号ΔＴＤ１と第２時間差信号ΔＴＤ２は深度に変換され、コンピュータ１７０が表示する画像を形成する。
【0070】
図８Ａは、本開示の原理を具現化する、ＳＳＭ－ＴＯＩ電気計測を採用した対象物の距離を求める方法のフローチャートである。レーザ光ビームを発生する（８００）。レーザ光ビームを波長変調信号または周波数変調信号で変調し（８０５）、レーザ光ビームの波長または周波数を調整する。次に、レーザ光ビームを偏光して（８１０）、レーザ光の偏光状態を調整し、光干渉信号または干渉電気信号の振幅を最大化する。
【0071】
レーザ光ビームの第１部分を、サンプリング光ファイバケーブルに結合する（８１５）。レーザ光ビームの第２部分を、参照光路に結合する（８２０）。変調レーザ光線源からの距離を求める対象物の場所でレーザ光ビームの第１部分を走査する（８２５）。
【0072】
レーザコヒーレント光ビームの第１部分の一部を、測定対象物から後方反射させて受光する（８３０）。レーザ光ビームの第１部分の後方反射部分を、レーザ光ビームの第２の部分と結合し（８３５）、光干渉コヒーレント光信号を形成する。光干渉コヒーレント光信号を平衡光検出器に送信し（８４０）、光干渉コヒーレント光信号を振動する電気干渉信号に変換する（８４５）。振動する電気干渉信号をデジタル化する（８５０）。干渉電気信号の最大周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステムの最小測距深度に相当し、デジタル化のナイキストサンプリング周波数よりも大きい。干渉電気信号１６２の最小周波数は、ＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００の最大測距深度に相当する。
【0073】
デジタル電気干渉信号の包絡線が包絡線検出プロセスを経て、デジタル電気干渉信号の包絡線を識別する（８５５）。デジタル電気干渉信号の包絡線の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジの時間を求める（８６０）。デジタル電気干渉信号の包絡線の立ち上がりまたは立ち下がりエッジと変調／走査同期信号の時間差を求め（８６５）、測定対象物までの距離を算出する（８７０）。
【0074】
図８Ｂは、本開示の原理を具現化する、ＳＳＭ－ＴＯＩ電気計測を採用した対象物のドップラー速度を求める方法のフローチャートである。ＳＳＭ－ＴＯＩ電気測定を利用して対象物のドップラー速度を求める方法は、図９Ａの方法ステップを反復して実行すること（８７５）から始まる。対象物のドップラー速度を、距離の時間変化として求める（８８０）。
【0075】
特に好ましい実施形態を参照して本開示を例示および説明してきたが、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細における様々な変更がなされ得ることを当業者であれば理解されるであろう。特に、図１Ａ、図１Ｂ、または図１ＣのＴＯＩ ＬｉＤＡＲシステム１００は、光ファイバ、バルク光学系、集積光回路、または当技術分野で知られている光学素子の任意の組み合わせとして実装することができる。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【外国語明細書】