LIDAR – 遠距離測定におけるレーザー技術の優位性

自動運転車、軍事用測距、大気観測、交通監視などは、この汎用性の高い技術の応用例の一部に過ぎません。

2022年2月17日著者： Coherent

LIDAR（ライト・ディテクション・アンド・レンジング）とは、レーザーを用いて距離や速度、その他多くの物理量を遠隔測定する手法です。LIDARの基本原理は、実は非常に理解しやすいものです。レーザー光のパルスを対象物に向けて照射し、そのパルスが対象物に到達して反射して戻ってくるまでの時間を測定します。光の速度は既知であるため、この時間差から対象物までの正確な距離がわかります。

LIDAR - レーザーが遠方から距離などを計測する

当然のことながら、軍は1960年代初頭から、標的までの距離を測定するためにLIDARを利用してきました。当初、この技術にはこれ以外の用途はほとんどありませんでした。しかし、年月を経て、技術者や科学者たちは、LIDARを活用すれば実際にはもっと多くのことができると気づきました。その具体例をいくつか見てみましょう。

レーザーマッピング――地球の嵐から火星の山々まで

LIDARはレーダーと同様の仕組みで、静止している物体や動いている物体の両方をマッピングするために使用されます。この際、対象となる領域全体が照らされるまで、レーザビームが物体やその領域を繰り返し走査レーザビーム。これにより、物体の形状全体が把握されます。

しかし、レーザー光の特性上、LIDARは通常、精密るかに高い解像度と精密を実現します。つまり、物体の形状をより正確に捉えることができるのです。この技術により、対象物の位置、高さ、幅、奥行きが得られるため、スキャン型LIDARはしばしば「3DスキャンLIDAR」あるいは単に「3D LIDAR」と呼ばれます。

LIDARのスキャン・マッピング用途は多岐にわたります。軌道上の衛星から嵐や（火星などの）惑星の表面をマッピングするために使用されています。また、LIDARは他の車両や地形の位置に関する正確な情報を提供できるため、自動運転車や先進運転支援システム（ADAS）においても大きな可能性を秘めています。Coherent 、幅広いアクティブおよび光ファイバー、ならびにテーパード半導体レーザを駆使し、自動車用LIDARアプリケーション向けの「アイセーフ」レーザーの開発をCoherent 。

ドップラーLIDAR - 先にあるものを察知する

LIDARは、大きさ、形状、位置に加え、物体の速度も測定することができます。これはドップラーLIDARを用いて実現されます。これは、光が移動する物体で反射されると、戻ってくるパルスの周波数（色）にわずかな変化が生じるという事実に基づいています。したがって、この周波数のずれを測定すれば、速度がわかります。交通警察が使用するレーダーガンも、まさに同じ原理を利用しています。

ドップラーLIDARの一般的な用途の一つは、空港周辺の風速測定です。また、高性能レーシングヨットでは、最も有利な突風を特定するためにも利用されています。

ドップラーLIDARのターゲットが単一の固体ではなく、水蒸気の雲である場合、反射して戻ってくる光には単一の周波数シフトは見られません。実際には周波数の帯域となっており、その帯域の幅や形状から、雲の中の分子がどれほどの速さで動いているか、つまり温度がわかります。

ラマン・ライダーは、大気科学者にとって有望な技術となっている

レーザーパルスが気体分子に当たると、さらに微細な現象が起こります。ごくごくわずかな分子（10億分の1程度！）が、いわゆるラマン効果によって、反射光の周波数を変化させるのです。

あらゆる分子には、それ特有の周波数シフトという「指紋」があり、ラマンLIDARを用いることで、水、メタン、二酸化炭素などの特定の化学物質を特定することができます。これにより、ラマンLIDARシステムを大気中に向けて「温室効果ガス」を遠隔から検出することが可能になります。この方法では、これらのさまざまな化学物質の濃度を測定することさえ可能です。

この技術は、カールスルーエ工科大学（KIT、ドイツ・ガルミッシュ＝パルテンキルヒェン）の科学者グループによって活用された。彼らは、Coherent 高性能なCoherent LEAP エキシマレーザを用いて、この技術を活用しました。このシステムは、ドイツ最高峰（2964 m）であるツークシュピッツェ山の山頂付近にある研究ステーションに設置されました。このシステムを用いて、研究チームは高度20 kmをはるかに超える地点の水蒸気を測定し、大気中80 kmという驚異的な高度までの温度測定を行いました。これらすべてを、快適な研究ステーションを離れることなく実現したのです。

LIDARは、気象学、宇宙探査、自動車、研究、防衛など、多岐にわたる分野で活用されている、強力かつ柔軟性の高い技術です。Coherent 、光ファイバー、光学部品などは、これらの多くの分野を支えるために必要な性能、信頼性、そして経済性を兼ね備えています。