(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】P2023152632
(43)【公開日】2023-10-17
(54)【発明の名称】高速干渉時間光検出および測距装置
(51)【国際特許分類】
G01S 17/34 20200101AFI20231005BHJP
G01S 17/89 20200101ALI20231005BHJP
【ＦＩ】
G01S17/34
G01S17/89
【審査請求】未請求
【請求項の数】30
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022185627
(22)【出願日】2022-11-21
(31)【優先権主張番号】17/708,728
(32)【優先日】2022-03-30
(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
5J084AA07
5J084AA10
5J084AD01
5J084BA04
5J084BA49
5J084BA50
5J084BB08
5J084BB14
5J084BB19
5J084BB28
5J084BB31
5J084BB40
5J084CA03
5J084CA31
5J084DA01
5J084DA08
(57)【要約】 （修正有）
【課題】時間－周波数領域反射率測定およびコヒーレント光源の小波長過渡変調に基づく高速干渉時間（ＴＯＩ）光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムを提供する。
【解決手段】ＴＯＩ ＬＩＤＡＲシステムは、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。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、デジタルデータに変換された電気信号に変換される。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、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。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、デジタルデータに変換された電気信号に変換される。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】
時間－周波数領域反射法に基づいて、ＴｏＩ ＬＩＤＡＲシステムから対象物までの距離を測定するための、高速干渉時間（ＴｏＩ）検出および測距（ＬＩＤＡＲ）システムであって、
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するパルス波長制御信号のパルス幅を生成および制御するよう構成した変調制御装置であって、正の過渡電圧スパイクと負の過渡電圧スパイクとを生成する過渡発生器を備え、過渡変調信号を制御して前記正の過渡電圧スパイクと負の過渡電圧スパイクとを融合して、前記２つのスパイク間での電圧のリンギングと整定時間を確保する、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した干渉計と、
発光用の低開口数と受光用の高開口数とを有する加工面を持つ屈折率分布型ファイバロッドを備え、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、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したスキャナであって、
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を結合して光干渉光信号を形成するスキャナと、
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、干渉時間ＬＩＤＡＲ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するパルス波長制御信号のパルス幅を生成および制御するよう構成した変調制御装置であって、正の過渡電圧スパイクと負の過渡電圧スパイクとを生成する過渡発生器を備え、過渡変調信号を制御して前記正の過渡電圧スパイクと負の過渡電圧スパイクとを融合して、前記２つのスパイク間での電圧のリンギングと整定時間を確保する、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した干渉計と、
発光用の低開口数と受光用の高開口数とを有する加工面を持つ屈折率分布型ファイバロッドを備え、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、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したスキャナであって、
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を結合して光干渉光信号を形成するスキャナと、
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、干渉時間ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項2】
前記過渡発生器を備える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し、前記過渡発生器は、前記正の過渡電圧スパイクおよび負の過渡電圧スパイクを生成するよう構成したインダクタンス、キャパシタンス、および抵抗を備える、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のカプラと、
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のカプラと、
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ように構成する、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】
前記屈折率分布型ファイバロッドはその遠位端に形成した加工面を有し、前記屈折率分布型ファイバロッドと長距離照明用の加工屈折率分布型レンズとに必要な低開口数と、前記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を受け取るために必要なより高い開口数とを提供する、請求項２に記載の干渉時間ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項13】
前記屈折率分布型ファイバロッドには、前記屈折率分布型ファイバロッドと接する別個のレンズが形成され、前記屈折率分布型ファイバロッドと長距離照明用の加工屈折率分布型レンズとに必要な低開口数と、前記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を受け取るために必要なより高い開口数とを提供する、請求項１に記載の干渉時間ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項14】
前記過渡発生器によって、過渡光源変調器の実効インダクタンス値を変更して、レーザドライバ５１０の応答時間を大きく短縮するためにスパイク状の過渡状態を生成し、これによって速度制限を克服する、請求項１に記載の干渉時間ＬＩＤＡＲシステム。
【請求項15】
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、
正の過渡電圧スパイクおよび負の過渡電圧スパイクを生成して、前記コヒーレント光ビームを制御する工程と、
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、加工面を有する屈折率分布型ファイバロッドの低開口数の部分を介して前記コヒーレント光ビームの前記第１部分を走査する工程と、
加工面を有する屈折率分布型ファイバロッドの高開口数を介して、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前記第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された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、
正の過渡電圧スパイクおよび負の過渡電圧スパイクを生成して、前記コヒーレント光ビームを制御する工程と、
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、加工面を有する屈折率分布型ファイバロッドの低開口数の部分を介して前記コヒーレント光ビームの前記第１部分を走査する工程と、
加工面を有する屈折率分布型ファイバロッドの高開口数を介して、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前記第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された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16】
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を計算する工程とを更に備える、請求項１５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を計算する工程とを更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
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１５に記載の方法。
【請求項18】
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、前記干渉電気信号の最大周波数は、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１５に記載の方法。
【請求項19】
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１８に記載の方法。
【請求項20】
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１５に記載の方法。
【請求項21】
加工屈折率分布型レンズを有する屈折率分布型ファイバロッドを提供する工程と、
加工面を有する前記屈折率分布型ファイバロッドを実装して、前記屈折率分布型ファイバロッドと長距離照明用の加工屈折率分布型レンズとに必要な低開口数と、前記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を受け取るために必要なより高い開口数とを提供する工程と、をさらに備える請求項１５に記載の方法。
加工面を有する前記屈折率分布型ファイバロッドを実装して、前記屈折率分布型ファイバロッドと長距離照明用の加工屈折率分布型レンズとに必要な低開口数と、前記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を受け取るために必要なより高い開口数とを提供する工程と、をさらに備える請求項１５に記載の方法。
【請求項22】
前記屈折率分布型ファイバロッドを実装する工程と、
前記屈折率分布型ファイバロッドと接する別個のレンズを提供し、前記屈折率分布型ファイバロッドと長距離照明用の加工屈折率分布型レンズとに必要な低開口数と、前記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を受け取るために必要なより高い開口数とを提供する工程と、をさらに備える請求項２１に記載の方法。
前記屈折率分布型ファイバロッドと接する別個のレンズを提供し、前記屈折率分布型ファイバロッドと長距離照明用の加工屈折率分布型レンズとに必要な低開口数と、前記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を受け取るために必要なより高い開口数とを提供する工程と、をさらに備える請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
過渡光源変調器の実効インダクタンス値を変更して、レーザドライバの応答時間を大きく短縮するためにスパイク状の過渡状態を生成し、これによって速度制限を克服するよう構成した過渡発生器を提供する工程をさらに備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項24】
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過渡波長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、
正の過渡電圧スパイクおよび負の過渡電圧スパイクを生成して、前記コヒーレント光ビームを制御する手段と、
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、加工面を有する屈折率分布型ファイバロッドの低開口数の部分を介して前記コヒーレント光ビームの前記第１部分を走査する手段と、
加工面を有する屈折率分布型ファイバロッドの高開口数を介して、前記測定対象物から前記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高開口数を有する手段と、
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前記第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過渡波長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、
正の過渡電圧スパイクおよび負の過渡電圧スパイクを生成して、前記コヒーレント光ビームを制御する手段と、
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、加工面を有する屈折率分布型ファイバロッドの低開口数の部分を介して前記コヒーレント光ビームの前記第１部分を走査する手段と、
加工面を有する屈折率分布型ファイバロッドの高開口数を介して、前記測定対象物から前記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高開口数を有する手段と、
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前記第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25】
前記対象物の距離を求めるための請求項１８の手段を繰り返し作動させることにより、前記対象物の速度を決定する手段と、
時間の経過に伴う距離の変化として、前記対象物の速度を計算する手段とをさらに備える、請求項２４に記載の装置。
時間の経過に伴う距離の変化として、前記対象物の速度を計算する手段とをさらに備える、請求項２４に記載の装置。
【請求項26】
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２４に記載の装置。
【請求項27】
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２４に記載の装置。
【請求項28】
前記屈折率分布型ファイバロッドの表面を加工して、前記屈折率分布型ファイバロッドと長距離照明用の加工屈折率分布型レンズとに必要な低開口数と、前記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を受け取るために必要なより高い開口数とを提供する手段をさらに備える請求項２４に記載の装置。
【請求項29】
前記屈折率分布型ファイバロッドを実装する手段と、
前記屈折率分布型ファイバロッドと接する別個のレンズを提供し、前記屈折率分布型ファイバロッドと長距離照明用の加工屈折率分布型レンズとに必要な低開口数と、前記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を受け取るために必要なより高い開口数とを提供する手段と、をさらに備える請求項２４に記載の装置。
前記屈折率分布型ファイバロッドと接する別個のレンズを提供し、前記屈折率分布型ファイバロッドと長距離照明用の加工屈折率分布型レンズとに必要な低開口数と、前記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を受け取るために必要なより高い開口数とを提供する手段と、をさらに備える請求項２４に記載の装置。
【請求項30】
過渡光源変調器の実効インダクタンス値を変更して、レーザドライバの応答時間を大きく短縮するためにスパイク状の過渡状態を生成し、これによって速度制限を克服するよう構成した過渡発生器を提供する手段をさらに備える、請求項２４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、２０２１年５月１０日出願の米国特許出願第１７／３１５，６７８の一部継続出願であり、その全体を参照により引用し、共通の譲受人に譲渡される。
【0002】
本開示は、光検出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】
【0003】
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。
【0004】
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高周波（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。
【0005】
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、波長可変光源または位相変調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。
【0006】
干渉時間（ＴＯＩ）ＬＩＤＡＲ技術は、飛行時間（ＴｏＦ）や周波数変調連続波（ＦＷＣＷ）などの従来のＬＩＤＡＲ技術の限界を克服する新しい測距方法であり、次の特徴を有する。（１）長距離からの弱い干渉信号を高感度に検出できる平衡検出器を備えた干渉計を利用、（２）信号周波数が高い場合でも干渉信号の時間遅延を測定できるため、対象物からの距離を正確に測定でき、高速データ収集システムが不要、（３）光源の位相変調または波長変調の要件が低いため、光源の駆動回路設計の複雑さを簡略化できる。ＴＯＩ ＬＩＤＡＲシステムの動作速度は、主に光源の変調速度と光受信機の効率とによって制限される。
【発明の概要】
【0007】
本開示の目的は、時間－周波数領域反射率測定およびコヒーレント光源の小波長過渡変調に基づく高速干渉時間（ＴＯＩ）光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）システムを提供することである。高速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。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。
【0008】
この目的を達成するために、高速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。
【0009】
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。
【0010】
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。このパワーモニタの出力により、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が得られる。
【0011】
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。
【0012】
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低デューティ比の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。
【0013】
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、光干渉信号又は電気干渉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。
【0014】
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。
【0015】
参照アームの光路長は、サンプルアームの光路長よりもシステムの最大測距深度の２倍を超えて長い。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。
【0016】
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】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【発明を実施するための形態】
【0032】
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。
【0033】
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、パルス波長変調された狭帯域幅光源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、光を反射する鏡面の壁があり、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。それ以外の波長は全て相殺的な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コヒーレント光源１０５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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
干渉計１１９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に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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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のサーキュレータ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。
【0046】
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。
【0047】
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、光経路１５５ａおよび１５５ｂに印加した光干渉信号は、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。
【0048】
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。
【0049】
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の参照アーム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。
【0050】
掃引線形較正装置３１５は、コヒーレント光源の波長掃引の線形性１０５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。
【0051】
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に導かれる。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。
【0052】
図１Ｄは、本開示の原理を具現化した図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃの光ファイバケーブルを有するサンプルアーム１２２を受け入れるよう構成したスキャナ１３０の概略図である。サンプルアーム１２２は、スキャナ１３０に挿入され、固定される。サンプルアーム１２２の遠位端は、屈折率分布型ファイバロッド１２２ａに接続または接触している。屈折率分布型ファイバロッド１２２ａは、高速動作のために全体的な効率を高めるために、屈折率分布型ファイバロッド１２１ａの遠位面に形成された加工（ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ）屈折率分布型レンズ１２２ｂを有する。別の実施形態では、この加工屈折率分布型レンズ１２２ｂを、屈折率分布型ファイバロッド１２１ａと接触する別個のレンズとして形成する。遠距離照明のための加工屈折率分布型レンズ１２２ｂを備えた屈折率分布型ファイバロッド１２１ａには低い開口数が要求されるが、対象物からの後方反射パルス波長変調コヒーレント光を受信するためには高い開口数が要求される。加工屈折率分布型レンズ１２２ｂを有する屈折率分布型ファイバロッド１２２ａにおいて、加工先端部の中心部分を通って出てくる軸上のサンプルパルス波長変調コヒーレント光１３５光は平行光である。加工屈折率分布型レンズ１２２ｂの環状部分１２２ｃを通過する物体からの軸外後方反射パルス波長変調コヒーレント光１３６を、サンプルアーム１２２へと戻るよう結合する。加工屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ１２２ｂを有する屈折率分布型ファイバロッド１２２ａは、単一モードファイバを備えた屈折率分布型（ＧＲＩＮ）光ファイバレンズ、Ｆｅｗモード（ｆｅｗ－ｍｏｄｅ）ファイバを備えたＧＲＩＮ光ファイバレンズ、光ファイバボールレンズ、ＧＲＩＮレンズアセンブリ、または自由空間コリメータとして実装される。加工屈折率分布型レンズ１２２ｂを備える屈折率分布型ファイバロッド１２２ａを実装する場合、これら列挙したもののいずれかを組み合わせてもよい。加工屈折率分布型レンズ１２２ｂは、先細先端部、フレネル面、メタサーフェス（ｍｅｔａ－ｓｕｒｆａｃｅ）、またはそれらの組み合わせで形成される。
【0053】
サンプルアーム１２２は、スキャナ１３０に挿入され、固定される。サンプルアーム１２２によって、パルス状波長変調コヒーレント光１３５を第１ミラー１３２に放射する。第１ミラー１３２は、水平方向に回転１３４ａして、パルス波長変調コヒーレント光１３５を水平走査パターンで反射する。水平走査パターンにより、所望の視野をカバーする。反射されたパルス波長変調コヒーレント光１３５は、第２ミラー１３３に入射する。第２ミラー１３３は垂直に回転１３４ｂし、垂直走査パターンを生成する。垂直走査パターンにより、垂直視野をカバーする。
【0054】
軸外後方反射パルス波長変調コヒーレント光１３６は、所望の測定対象物によって反射され、スキャナ１３０へひいては第２ミラー１３３へ、さらには第１ミラー１３２へと後方反射し、軸外後方反射パルス波長変調コヒーレント光１３６は反射してサンプルアーム１２２の加工屈折率分布型レンズ１２２ｂを有する屈折率分布型ファイバロッド１２２ａへと伝達される。軸外後方反射パルス波長変調コヒーレント光１３６は、加工屈折率分布型レンズ１２２ｂを備えた屈折率分布型ファイバロッド１２２ａを有するサンプル１２２に軸外で伝達される。光は、屈折率分布型ファイバロッド１２２ａを通って伝達され、サンプルアーム１２２に運ばれてさらに処理される。
【0055】
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、高周波（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。高周波（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。高周波（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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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する。干渉電気信号１６２の最大周波数は、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。
【0059】
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によって処理されて、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する。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。
【0060】
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。
【0061】
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、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。したがって、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４９５ｎ＋１間の時間差が得られる。次に、データ４９５ｎと４９５ｎ＋１間の距離を、データ４９５ｎと４９５ｎ＋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。
【0062】
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過渡変調器のブロック図である。過渡光源変調器は、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する。変調信号５０５は、方形波、三角波、正弦波、鋸歯状波、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。過渡発生器５０７は、変調信号５０５に電圧スパイクを導入することによって、スパイク状過渡変調信号５０８を生成する。スパイク状過渡変調信号５０８は、レーザドライバ５１０に印加される。スパイク状過渡変調信号５０８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。過渡発生器５０７の機能は、過渡光源変調器の実効インダクタンス値を変更して、レーザドライバ５１０の応答時間を短縮するために非常に大きなスパイク状の過渡電流を生成することであり、これによって従来のレーザ駆動方法の速度制限を克服する。過渡発生器５０７の概略については、図４Ｂで後述する。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おり、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。
【0063】
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。
【0064】
図４Ｂは、本開示の原理を具現化した、過渡光源変調器およびコヒーレント光源の概略図である。加算回路５００は、ＤＣ電圧源ＶＤＣと、デジタル変調信号ＶＤＭＯＤによって制御されるアナログ変調信号ＶＡＭＯＤとを結合するために使用する２×１マルチプレクサＭＵＸ１を有する。２×１マルチプレクサＭＵＸ１の第１入力はＤＣ電圧ＶＤＣであり、より低いベース電圧を提供する。２×１マルチプレクサＭＵＸ１への第２入力は、出力電圧を形成するためのより高い電圧である変調電圧ＶＭＯＤである。２×１マルチプレクサＭＵＸ１の出力ＶＯによって、過渡発生器５０７の入力である過渡変調信号５０５が得られる。過渡発生器５０７の出力は、レーザドライバ５１０の入力に印加される過渡変調信号５０８である。レーザドライバ５１０は、過渡変調信号５０８を電流に変換し、コヒーレント光源１０５を駆動する。
【0065】
マルチプレクサＭＸ１は、２つのトランスファゲートＴＧ１、ＴＧ２によって形成される。これら２つのトランスファゲートＴＧ１、ＴＧ２は並列に接続される。２つのトランスファゲートＴＧ１およびＴＧ２の各転送ゲートは、当技術分野で知られているように、接続された相補ＮＭＯＳトランジスタおよびＰＭＯＳトランジスタを有する。相補ＮＭＯＳおよびＰＭＯＳトランジスタのそれぞれのソースおよびドレインが接続される。直流電圧源ＶＤＣと変調電圧ＶＭＯＤとが、それぞれ転送ゲートＴＧ１、ＴＧ２のソースに接続される。デジタル変調信号ＶＤＭＯＤは、第１インバータＩＮＶ１の入力に接続される。第１インバータＩＮＶ１の出力は、第２インバータＩＮＶ２の入力に接続される。第１インバータＩＮＶ１の出力は、トランスファゲートＴＧ１の逆相ゲートとトランスファゲートＴＧ２の同相ゲートに接続される。第２インバータＩＮＶ２の出力は、トランスファゲートＴＧ２の逆相ゲートとトランスファゲートＴＧ１の同相ゲートに接続される。
【0066】
直流電圧源ＶＤＣは、トランスファゲートＴＧ１の入力ソース／ドレインに接続され、変調電圧ＶＭＯＤは、トランスファゲートＴＧ２の入力ソース／ドレインに接続される。トランスファゲートＴＧ１とトランスファゲートＴＧ２の出力ソース／ドレインは、コンパレータＣＯＭＰ１の逆相入力に接続される。コンパレータＣＯＭＰ１の同相入力は、制限電圧源ＶＬに接続される。コンパレータＣＯＭＰ１は、トランスファゲートＴＧ１、ＴＧ２の出力電圧ＶＯと制限電圧源ＶＬの電圧レベルとを比較する。制限電圧源ＶＬの電圧レベルがトランスファゲートＴＧ１およびＴＧ２の出力電圧ＶＯよりも大きい場合、コヒーレント光源１０５は、後述するように、安全のためにシャットダウンされる。
【0067】
２×１マルチプレクサＭＸ１は、加算回路５００の出力として、過渡発生器５０７の入力に印加される出力電圧Ｖｏを有する。過渡発生器５０７は、インダクタＬを有し、その第１端子は２×１マルチプレクサＭＸ１の出力Ｖｏに接続される。インダクタＬの第２端子は、コンデンサＣおよび抵抗器Ｒ１の第１端子に共通に接続される。コンデンサＣの第２端子は接地基準電源に接続され、この第２端子がレーザドライバ５１０に接続される。
【0068】
レーザドライバ５１０は、ゲートが過渡発生器５０７の出力に接続された第１ＮＭＯＳトランジスタＴＸ１を有する。ＭＯＳトランジスタＴＸ１のドレインは、コヒーレント光源ＬＤ１ １０５のアノードに接続される。第１ＭＯＳトランジスタＴＸ１のソースは、第２ＭＯＳトランジスタＴＸ２のドレインに接続される。第２ＭＯＳトランジスタＴＸ２のソースは、抵抗Ｒ２の第１端子に接続される。第２ＭＯＳトランジスタＴＸ２のゲートは、コヒーレント光源ＬＤ１ １０５のシャットダウン指令を受け入れるコンパレータＣＯＭＰ１の出力に接続される。抵抗器Ｒ２の第２端子は接地基準電源に接続される。抵抗Ｒ２により、コヒーレント光源ＬＤ１ １０５のシャットダウン電圧を設定する。ＮＭＯＳトランジスタＴＸ１のゲートは、レーザ電流を生成する電流源として構成する。
【0069】
本開示の親の実施形態では、過渡発生器５０７がなく、第１ＭＯＳトランジスタＴＸ１のゲート容量ならびに第１ＭＯＳトランジスタＴＸ１に接続する配線上の抵抗およびインダクタンスは、変調信号５０５の立ち上がりでオーバーシュートやスパイクが無視できるレベルである。２×１マルチプレクサＭＸ１の出力ＶＯのスイッチングの遷移時間により、インダクタンスＬ、第１ＮＭＯＳトランジスタＴＸ１の大きなゲートサイズ、配線上のコンデンサＣがオーバーシュートを押し上げ、電流スパイクや過渡信号を発生させる。過渡電流スパイクの程度は、変調信号５０５の立ち上がり時間、インダクタンスＬのパラメータ、および第１ＮＭＯＳトランジスタＴＸ１のゲートサイズに大きく依存する。第１ＮＭＯＳトランジスタＴＸ１と第１ＮＭＯＳトランジスタＴＸ１の立ち上がりエッジで正のスパイクが発生する。直流電圧源ＶＤＣのベース電圧レベルに切り替わって戻る際に、第１ＮＭＯＳトランジスタＴＸ１の立ち下がりエッジで負のスパイクが発生する。したがって、変調信号５０５の切り替えごとに２つのスパイクイベントが存在する。
【0070】
変調信号５０５のスイッチングパルス幅は、電流源トランジスタＴＸ１を駆動する上で重要な役割を果たす。立ち上がりエッジで、電流スパイクが直ちに発生し、リンギング（ｒｉｎｇｉｎｇ）が続く。その後、電流スパイクは、変調信号５０５の振幅に等しい電圧レベルまでコンデンサＣの充電電圧へと徐々に減少する。変調信号５０５の立ち下がりエッジで、２×１マルチプレクサＭＸ１が切り替えられてＤＣ電圧源ＶＤＣのベース電圧レベルに戻る電圧レベルに戻ると、負のスパイクが発生する。
【0071】
重要な点は、変調信号５０５のスイッチングパルス幅を制御して、過渡変調信号５０８の正と負の過渡電圧スパイクを融合させることである。正と負の過渡電圧スパイクの融合により、マルチプレクサＭＸ１のオンとオフの切り替えによる２つのスパイク間の電圧リンギングと整定（ｓｅｔｔｌｉｎｇ）の時間が確保される。正と負の過渡電圧スパイク間の時間が短いほど、ＴＯＩ ＬＩＤＡＲ用途に適している。正負の過渡電圧スパイクの時間差は、検出対象がＬＩＤＡＲ装置に非常に近い場合を考慮したＴＯＩ ＬＩＤＡＲの検出距離（エッジ検出）に寄与することとなる。
【0072】
コヒーレント光源１０５は、コヒーレントな光源１０５である。コヒーレント光源１０５は、レーザダイオード、量子カスケードレーザ、または光ファイバレーザの一種で、デバイスの活性領域が周期構造素子または回折格子を含むものである。電源電圧源ＶＣＣは、コヒーレント光源ＬＤ１ １０５に印加される。
【0073】
デジタル変調信号ＶＤＭＯＤがｈｉｇｈおよびｌｏｗであれば、コヒーレント光源１０５をそれぞれ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１０５に小信号変調を提供することができる。マルチプレクサの出力ＶＯが所定の制限電圧ＶＬよりも高く、第２のトランジスタＴＸ２による遷移時間が短い場合、光源ＬＤ１ １０５は非活性化される。保護電流制限の設定は、ＮＭＯＳゲートＴＸ２およびコヒーレント光源ＬＤ１ １０５の電流制限特性に基づく。本実施形態では、ＮＭＯＳゲートＴＸ２の耐圧は２０Ｖであり、保護には十分である。コヒーレント光源ＬＤ１ １０５の過渡電流は高いが、過渡電流の持続時間は約１ナノ秒なので、コヒーレント光源ＬＤ１（１０５）としては問題ないはずである。
【0074】
デジタル変調信号ＶＤＭＯＤがローからハイに遷移する間、過渡発生器５０７は、光源ＬＤ１内の電流を直ちに排出する第１トランジスタＴＸ１をスイッチオンする電圧スパイクを生成し、したがって、ＴＯＩ用途向けの短い遷移時間が生成される。
【0075】
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－電圧変換回路を備える。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。
【0076】
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でデジタル干渉信号に変換される。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する。干渉電気信号１６２は、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。
【0077】
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でその瞬間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。
【0078】
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する。干渉電気信号１６２は、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。
【0079】
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、瞬間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。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での瞬間周波数値は、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。
【0080】
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。
【0081】
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、高周波（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。
【0082】
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。
【0083】
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。マルチチャンネル時間－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。
【0084】
マルチチャン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。
【0085】
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（Ｂｏｘ８００）。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（Ｂｏｘ８０５）、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（Ｂｏｘ８１０）、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。
【0086】
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（Ｂｏｘ８１５）。レーザ光ビームの第２部分を、参照光路に結合する（Ｂｏｘ８２０）。変調レーザ光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（Ｂｏｘ８２５）。
【0087】
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（Ｂｏｘ８３０）。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（Ｂｏｘ８３５）、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（Ｂｏｘ８４０）、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（Ｂｏｘ８４５）。振動する電気干渉信号をデジタル化する（Ｂｏｘ８５０）。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。
【0088】
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（Ｂｏｘ８５５）。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（Ｂｏｘ８６０）。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（Ｂｏｘ８６５）、測定対象物までの距離を算出する（Ｂｏｘ８７０）。
【0089】
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速度を求める方法は、図８Ａの方法ステップを反復して実行すること（Ｂｏｘ８７５）から始まる。対象物の速度を、距離の時間に対する変化から求める（Ｂｏｘ８８０）。
【0090】
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1D】
【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】