LiDARと光学薄膜
【１】LiDARとは?
LiDAR（Light Detection and Ranging）は、光を使用して距離を測定し、
環境を三次元的にマッピングするためのリモートセンシング技術です。
航空機、無人航空機（ドローン）、自動車、ロボット、測量など
さまざまな分野で利用されており、今回はLiDARの概要と光学薄膜の
かかわりを説明します。
【２】LiDARの原理と構成
（１）原理
LiDARは、レーザー光を対象に向けて発射し、対象物で反射した光を
検出することで距離を計測します。
一般的には、レーザービームを連続的またはパルス状に送信し、
その反射光の時間を計測して距離を算出します。
（２）センサーの構成:
LiDARセンサーは、レーザー発光源、受光器、計測および制御システムから
構成されます。様々な種類のLIDARがあり、それぞれの用途に適した特性を持っています。
例えば、一部のLIDARは高い精度で遠距離を測定できる一方、
他のものは近距離で高い分解能を提供します。
（３）応用事例
〇自動運転車:
LIDARは自動運転車において、周囲の環境をリアルタイムで把握し、
障害物の検知や車両の位置決定に使用されます。
〇航空測量:
航空機やドローンに搭載され、地形や建造物の精密な地図を作成するために使用されます。
〇環境モニタリング:
森林測定、洪水予測、地質学的調査など、環境モニタリングに広く応用されています。
（４）LiDARの種類
機械共焦点方式（Mechanical Scanning LiDAR）: レーザービームを機械的に方向転換する方式。
光子共鳴方式（Phased Array LiDAR）: レーザービームを電子的に制御する方式。
フラッシュ方式（Flash LiDAR）: 全方向に一度にレーザービームを放射し、画像全体を同時に取得する方式。
LiDARは、その高い精度とリアルタイム性から、
現代の技術と科学の様々な分野で広く活用されています。
【３】LiDARにおける光学フィルターの利用
LiDAR（Light Detection and Ranging）において光学フィルターは、特定の波長の光を選択的に
透過させるために使用されます。LiDARにおける光学フィルターの利用場面事例を紹介します。
（１）波長の選択
LiDARは通常、特定の波長の光を使用して距離を測定します。
光学フィルターは、特定の波長の光を選択して通過させ、不要な波長の光を阻止する機能があります。
これにより、精密な測定が可能となります。
（２）環境光の除去
LiDARシステムは、外部の自然光によるノイズを最小限に抑える必要があります。
特に日中や明るい環境での運用時には、太陽光や他の環境光の影響を受けやすい為、
光学フィルターは、LiDARにとって重要な信号となる波長の光を選択的に捉え、
不要な光をフィルタリングすることでノイズを低減します。
（３）多重波長LIDAR:
複数波長を同時に使用するLiDARシステムは、異なる物質や表面の反射特性に対応できます。
光学フィルターは、異なる波長の光を効果的に分離し、個別の光検出器に導くことが可能です。
（４）環境条件への対応:
環境によっては特定の波長が効果的でない場合があります。
例えば、霧や濃い雨の中では特定の波長の光が散乱されやすく、このような場合
適切な波長の選択や調整が必要となり、光学フィルターが有効に機能します。
利用場面により、適切な光学フィルターを選択することで
LiDARシステムの性能を最適化し、信頼性を向上させることが重要です。
【４】LiDARで使用される波長
LiDAR（Light Detection and Ranging）では、通常、可視光や近赤外線領域の波長が使用されます。
一般的には、レーザービームを対象に向けて発射し、その反射光を検出して距離を計測します。
①近赤外線領域（NIR）:
波長: 約700 nm ～ 1,400 nm
使用例: 多くの商用LiDARシステムは、近赤外線領域を利用しています。
この波長範囲は、大気中の散乱が比較的少なく、精密な測定が可能です。
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②可視光領域:
波長: 約400 nm ～ 700 nm
使用例: 一部のLiDARシステムは可視光領域を使用します。
特定の波長の可視光を利用することで、目視で確認できる範囲での物体検知が可能です。
③短波長赤外線（SWIR）:
波長: 約1,400 nm ～ 3,000 nm
使用例: SWIR領域は可視光に比べて大気中での散乱が少ないため、特定の気象条件下での使用に適しています。
一部のLiDARアプリケーションではSWIRを使用しています。
④多重波長LiDAR:
波長: 複数の波長を同時に使用
使用例: 複数の波長を組み合わせた多重波長LiDARは、異なる物質の反射特性に対応できるため、
より広範囲のアプリケーションで利用されています。
波長の選択は、特定のアプリケーションや環境に依存します。
一般に、可視光や近赤外線は一般的な使用範囲であり、これらの波長を使用したLiDARが広く普及しています。
将来的には、より効率的で特定の用途に特化した波長のLiDARが開発される可能性があります。
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近年では、スマートフォン用の顔認証用のセンサーや，主に車での採用が予想される距離計測用のLiDAR、
あるいは、生体認証などのウェアラブルデバイスにも光学薄膜が活用され、先端分野の光学系に利用されています。
【５】LiDAR技術の今後の発展
LiDAR技術は急速に進化しており、さまざまな分野でさらなる発展が期待されています。
将来の技術発展に関連するトピックを紹介します。
①小型・軽量化とコスト削減:
センサー自体の小型化、軽量化、およびコストの削減が進んでいます。
自動車や消費者向けデバイスなど、様々なアプリケーションでの普及が期待されています。
②高分解能化:
より詳細な地図作成や物体検知が可能になり、自動運転車やドローンなどの
分野での性能向上が期待されます。
③多重波長LiDAR:
異なる波長の光を利用することで、さまざまな物質や環境条件に対応でき、
センサーの柔軟性と汎用性が向上します。
④積層型LiDAR:
積層型LiDARは、垂直方向に複数のレーザー光を積層することで、
3Dデータをより効率的に取得する技術です。
これにより、高い精度で物体を検知できるようになります。
⑤光学系の改良:
光学系の技術も進化しており、より効率的で精密な光学素子や鏡、レンズの開発が行われています。
⑥インテグレーションとセンサーフュージョン:
他のセンサーデータと組み合わせて利用するセンサーフュージョン技術が進展しています。
複数のセンサーからの情報を統合し、より信頼性の高い環境認識が可能になります。
これらの発展により、LIDAR技術はますます多様なアプリケーションで利用され、例えば
自動運転、ロボティクス、測量、環境モニタリングなどの分野で革新的な進展が期待されています。
