LiDAR(レーザーレーダー)には、TOF(Time of Flight)と呼ばれる、光源から発せられた光が物体に反射し戻ってくる時間を測定することで、物体までの距離を計算する技術が使われます。本記事では、LiDARの設計において簡単にTOFのシミュレーションをすることができる解析ソフトウェアとその事例 … 【初心者向け】カメラ、ミリ波レーダー、lidar（ライダー）の違いと自動運転レベルの定義 punhundon 2018年3月14日 / 2019年7月15日 距離をつかむ技術には「カメラ」「ミリ波レーダー」「LiDAR（ライダー）」の3つがあります。 ここでLiDARとToF法、三角法について簡単に説明する。自動運転車やロボットではToF法のLiDARが一般的に使われている。これは、投光したレーザー光が壁などの対象物に反射して戻るまでの往復飛行時間から、対象物までの距離を算出する方式である。 自動運転において、LiDARを不要と論ずる技術者や経営者もいる。有名どころでは、米テスラ社CEOのイーロン・マスク氏が「レーダーとカメラだけで完全な自律走行車をつくれる」と豪語している。また、日本国内ではAI（人工知能）ソリューションを手がけるRevatron株式会社が、3DカメラにAIの技術を活用したスマートカメラ「View LiDAR」を2018年6月に発表している。自動運転車に欠かせない「目」の役割を担うセンサー類。その中でも近年開発競争が激化しているのがLiDAR（ライダー）だ。当初は自動運転開発用が主流で高価だったが、市販車への実用化を模索する中でさまざまな技術が導入され、低価格化も進んでいる。AIを駆使した新発想により、シンプルな視差計算で3次元認識し、カメラのみで自動車から物体までの距離を計測できるほか、その物体がどういったものか識別することも可能な技術を確立した。引き続き新技術の研究開発が進められ、高機能化や低価格化も進行していくものと思われるが、LiDAR不要論にあるようにカメラなどのセンサーもまた進化している。株式会社矢野経済研究所の調査によると、自動運転用センサーの市場は今後も伸び続け、LiDARやレーザーの市場規模は、2017年の約25億円から約4959億円まで約200倍に急拡大するという。このデメリットを克服するため駆動部をなくすメカレス化が進んでおり、中でも半導体技術や光学技術で機構部を置き換える「ソリッドステート式」が増加している。現在主流になりつつあるのが「Solid State（ソリッドステート）」式と呼ばれるタイプで、その中でも「MEMS（メムス）」式という技法を目にすることが多い。今回はこのソリッドステート式、メムス式に焦点を当てながら、LiDAR市場の動向を探ってみよう。通常のレーダーのようにアンテナを回転させてレーダー波を照射・受信するのではなく、位相変換素子を平面に多数並べ、各素子からほんのわずかに位相の異なったレーダー波を照射し、反射してきたレーダー波を重ね合わせることで周囲の物体の位置や3次元形状を計測する技術のようだ。ソリッドステート式におけるスキャン方式の一つがMEMS方式だ。MEMSとは、「Micro Electro Mechanical Systems」の頭文字をとったもので、「微小電気機械システム」を指す。従来の3D-LiDARは筒状で、その中でレーザーと検出器を回転させることで360度全方位を観測する機械的回転方式が主流だったが、駆動部にモーターが必要なため小型化・軽量化が難しく、コストも高いなど量産する上でのデメリットが多かった。LiDAR市場を長らくけん引している米VelodyneLiDAR社もソリッドステート型の安価モデルの開発にめどを付けており、変化する需要に柔軟に対応していく構えだ。回転機構を持たないため、全方位ではなくレーザーの照射角の範囲でのみセンシング可能で検知領域は小さくなるが、小型で壊れにくく、設置場所の自由度が広がるため、複数のセンサーを利用して水平方向360度をカバーする場合が多い。米Quanergy Systems社は、ソリッドステート式3D-LiDARにフェーズドアレイ方式を採用した。送信電波の波面制御を電子走査的に行なう静的な掃引方式で、光の位相をコントロールしてビームを配向するという。機械要素部品、センサー、アクチュエーター、電子回路を一つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料などの上に微細加工技術によって集積化したデバイスで、プリンターヘッドや自動車のエアバッグ、加速度センサー、プロジェクターで光を制御するミラーデバイスなど、幅広い分野で使用されている。独Continental社は3DフラッシュLiDARの開発を進めている。走査型ではないためスキャン速度が速く解像度も高いという。走査型に比べ概して測定可能距離が短いが、データ取得の繰り返し周波数が速いため、市街地など密集した都市部において複雑な交通環境を把握するのに適している。LiDAR、カメラ、ミリ波レーダーなど、それぞれメリットデメリットがあり、複数を組み合わせて搭載するというのが現在における主流の考え方だが、デメリットの克服次第では、第4のセンサー登場の可能性も含めて将来センサー市場を独占する存在が現れるのかもしれない。MEMS方式のLiDARは、一般的にミラーやコイル、磁石などを用いた電磁式のMEMSミラーを用いてレーザー光を走査させる。独ボッシュやパイオニアなどがMEMS方式LiDARの開発に取り組んでおり、パイオニアはMEMS技術を応用した電磁式の小型ミラーとレンズを組み合わせ、遠距離のセンシングが可能なラスタースキャン方式、近距離・広範囲のセンシングが可能なウォブリングスキャン方式の2つのシングルレーザータイプを製品化し、高解像度スキャンを実現している。ソリッドステートはもともと固体状態を指す英語で、これが高じてトランジスタやダイオード、ICなど、固体の性質を利用した半導体素子の電気回路を指すようになった。 自動運転車に欠かせない「目」の役割を担うセンサー類。その中でも近年開発競争が激化しているのがlidar（ライダー）だ。当初は自動運転開発用が主流で高価だったが、市販車への実用化を模索する中でさまざまな技術が導入され、低価格化も進んでいる。 LiDAR LiDAR（ライダー）は「light detection and ranging」の略語で、Detectionは探知とか検出、Rangingは測距という意味で、レーザー光をパルス状に照射し、物体に反射されて帰ってくるまでの時間から対象物の距離や方向、属性などを測定するリモートセンシング技術（※1）の一つで LiDAR（Light Detection and Ranging）は、対象物にレーザ光を照射し、その反射光を光センサでとらえて距離を測定するリモートセンシング方式です。 自動車の自動運転化に向けた取り組みが進む近年、LiDARはADAS（高度運転支援システム）、自動誘導車両（AGV）、測距などの用途でますます重要に … LiDARやミリ波レーダーは距離に関わらず測距精度が高く、 ステレオカメラの精度は低いと言われる。しかし、ひと昔 前の30万画素のステレオカメラでも、10m先での距離精度は ±4㎝で、車載用LiDARの±5㎝（IBEO LUX社）に匹敵し、5mで は±1.5cmになる。 そこで、可動部のない小型・低価格のSolid State型と言われるLiDARの開発も行われています。アメリカのクアナジー・システムズ（Quanergy Systems）社が2017年に量産出荷するとしている「S３」もSolid State型で、１個の値段を250ドル未満まで下げることを計画しているようです。前述のベロダイン（Velodyne）社のLiDARの高性能タイプでは、一時期、７万5000ドルと言われていましたので、かなり思い切った価格と言えます。レーザーによる計測方法には、三角法方式、time-of-flight方式、位相差方式（フェイズ・シフト）の主な方式があります。LIDARではtime-of-flight方式が使われています。time-of-flight方式とは、測定したい対象物に向かってレーザーを照射し、反射して帰ってくるまでの時間を計測することで対象物までの距離を測定する方法です。時間と照射方向で三次元座標データを取得します。指向性とは、普通の光は光源から四方八方に広がるのに対して、レーザーはまっすぐに進みます。単色性とは、普通の光はいくつかの色が混ざっていますが、レーザーは一つの色の光です。可干渉性とは、レーザーでは位相と周波数が同じ波であれば，山と山，谷と谷を重ね合わせることができるということで、コヒーレンス (coherence)とも言います。LIDARでは、波長905nmの赤外線のレーザー光が一般的なようです。赤外線のレーザー光は段ボールや木材、発泡スチロールなども検出可能ですが、豪雨などの悪天候では検出性能が低下するようです。LIDARは、自動運転車では歩行者や障害物に関する様々な情報取得に欠かせない技術として盛んに研究されていますが、その活用範囲は自動運転に限らず、様々な分野で活用されています。例えば、大気汚染物質は球形なのに対して黄砂粒子は不整形であることから大気汚染物質や黄砂の判別や粒子径や濃度などを測定することにも活用されいます。その他にも、地殻変動の把握、森林生態の測定、海洋の水質調査、気象観測、古墳の調査などのその範囲は広範囲にわたっています。この車に搭載するLiDARで代表的なのは、グーグルも使用しているアメリカのベロダイン（Velodyne）社のLiDARです。ただ、値段がかなり高いようで普及価格帯には程遠いものとなっています。回転式のLIDARの場合、大きな集光レンズ、多数の高出力レーザ、回転/移動体の移動方向や移動量、角度を検出する電子部品のエンコーダなどでコストがかさむようです。ただ、Solid State型は、低コストで大量生産が可能、ロバスト性が高く、コンパクトな機構設計が可能であることや、搭載場所が回転式のようなルーフ上に限定されないので、車両のデザインにアメリ影響を与えないといった特徴がある一方で、FOV （Field of View）が回転式のような360°ではなく、120°以下に限定され２つ以上のユニットが必要になること、検知距離が短いことや対象オブジェクトの反射率の影響を受けやすいといった短所もあります。LiDARはレーザー（Laser）を使っているわけですが、レーザー（Laser）は、Light（光） Amplification（増幅） by Stimulated（誘導） Emission（放出） of Radiation（輻射）の略で、指向性、単色性、可緩衝性という特徴があります。LiDAR関連の企業への投資や買収なども盛んになってきています。ドイツでは、コンチネンタル社がアメリカのAdvanced Scientific Concepts（ASC）社のLiDAR事業を買収しています。Boschは超高解像度3Dデータおよび画像技術の開発をリードするTetraVueに、傘下のRobert Bosch Venture Capitalを通して投資を完了しています。Infineonは、LiDARセンサーを製造しているオランダのInnoluce BVを買収するとの発表行っています。LiDARではVelodyne社が圧倒的に有名です。日本でもリコー、パイオニア、日本信号などLiDARの製造を行っていますが、アメリカやイスラエルなどではいくつものLiDARを開発をする企業があります。自動運転車の映像を見ると、車の上部に昔のパトカーの回転灯のようなものがついていますが、これがLiDARで回転しながら360度にレーザー光は放っています。LiDAR（ライダー）は「light detection and ranging」の略語で、Detectionは探知とか検出、Rangingは測距という意味で、レーザー光をパルス状に照射し、物体に反射されて帰ってくるまでの時間から対象物の距離や方向、属性などを測定するリモートセンシング技術（※１）の一つです。「光による検知と測距」「光検出と測距」あるいは「レーザーレーダ」とも呼ばれることがあります。（※１）リモートセンシングとは、対象物を触らずに調べる技術、遠隔から測定する技術で「遠隔探査」とも呼ばれています。通常リモートセンシングというと、人工衛星などからセンサーを用いて地表表面を計測したり形状上や性質を観測したりする場合などを指すことが多いようです。。自動運転車でよく使われている前述のVelodyne社製の場合、約120m先まで3Dデータ化でき、測定誤差は5cm以下で、周囲360度の測定には66ミリ秒しかかからないとのことです。さらに、道路の白線と路面の反射率の違いを3Dデータに含めることが可能とのことです。こうして読み取った3Dデータと地図情報と重ね合わせで自車の位置（走行レーン）を特定します。
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