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解説
ビームスキャン形FMCWライダのワンチップ化
Beam-scanning-type One-chip FMCW LiDAR
A bstract
三次元イメージを取得するライダは．自動運転をはじめ様々な応用の重要なセンサとして期待され，世界的に開発が進んでいる．ビームスキャン形FMCWライダは，検知できる距離が長い，物体の形状だけでなく動きまでも検出できる，環境の雑音光に影響されず安定した動作が得られる，といった特長がある．他のライダと比べて複雑な構成や精密な調整が必要になるが，シリコンフォトニクスによる光集積技術を用いれば，これをワンチップ化することができ，開発が特に活発化している．本稿はこのような背景と開発の現状，並びに筆者による実例を紹介する．
キーワード：ライダ，シリコンフォトニクス，FMCW，スローライト
ライダ（LiDAR: Light Detection and Ranging）は，レーザ光を照射して周囲を測距し，三次元イメージを取得するセンサである．近年，自動運転技術が世界的な話題であるが，ライダはこれに使われる主要センサとしての期待が大きく，多くの企業が活発に研究開発している．
そのような中で，シリコン（Si）フォトニクス光集積技術により，ライダをワンチップ化する試みがある．超小形ライダと言えば，既に携帯端末などに搭載されているフラッシュ形がある．しかし，これは原理的に，距離10m以上への対応が難しい．一方，中距離や遠距離に適したビームスキャン形では機械式ビームスキャナが使われ，これがライダのサイズや重量，動作速度，安定性などに様々な制約を生んでいる．もし，これが機械部品を用いない形でワンチップ化できれば，画期的なセンサとなると考えられる．
本稿ではまず，ライダの方式とワンチップ化ライダの幾つかの試みを概説する．更に，筆者らが開発してきたスローライトを用いたライダについて詳しく述べる．
ライダは，レーザ光の照明方式と測距方式により分類分けされ，照明方式には左記のように，フラッシュ形とビームスキャン形がある．フラッシュ形はレーザ光を最初に拡散させて周囲を一気に照明するので，ビームスキャナが必要ない．しかし光を拡散させる分だけ光パワー密度は桁違いに下がり，反射戻り光は更に低下するので，遠方の物体検出が難しい．一方，ビームスキャン形は鋭いレーザビームを物体に照射するので，パワー密度が高く，100m級の距離でも検出できる．ただし機械式ビームスキャナが，その発展の制約となる．
測距方式として多くのライダに使われるのは，光信号の往復時間を計測するTOF（Time of Flight）である．ここでは，高強度の光パルスと高感度の光検出器が使われるが，直接検波のため，太陽光などの環境雑音に弱い．ライダを搭載した自動車が密集する状況では，ライダ間の相互干渉も懸念される．これに対して，周波数変調した光を往復させてローカル光と合波し，ビート周波数を計測するFMCW（Frequency-Modulated Continuous-Wave）が注目されている．これはTOFより構成が複雑ではあるが，ヘテロダイン検波なので高感度で，他の光との干渉も少ない．ドップラー計測による物体の動きも把握できる．
図1はFMCWライダに期待される様々な応用をまとめている．距離のイメージ化では，自動運転だけでなく，近距離から100m級の遠距離まで，様々な応用が検討されている．また速度や振動が取得できるようになれば，従来の高価なスキャンドップラー計測器の機能を手軽に扱えるようになり，距離イメージと組み合わせた四次元から五次元のイメージ化も可能になる．
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