月から地球までの距離をどうやって測るのでしょうか？レーザー距離測定定規が必要かもしれません

1917年、アインシュタインはレーザー生成の理論を提唱し、43年後、マイマンが最初のレーザーを発明しました。レーザーは最も優れた人工光源として、「最も速いナイフ、最も正確な定規、そして最も明るい光」として知られています。

今日は、レーザーを「定規」として使うことについてお話します。

パート1

レーザー距離測定、無形の物差し

月からどれくらい離れているか知りたい場合はどうすればいいでしょうか?

従来の方法は、巻尺を地球から月まで伸ばすというものです。しかし、そんなに長い巻尺はどこで手に入るのでしょうか。また、その巻尺を月まで伸ばせるのは誰でしょうか。アイアンマン？

これは明らかに実現可能ではありませんが、もちろん、問題よりも解決策の方が常に多くあります。科学者たちは考え方を変え、「光」に注目しました。

光の速度は、v = 299792 キロメートル/秒です。地球から光線を発射し、その光が月の表面に到達して反射するまでに t 秒かかるとします。すると、光が移動する距離は S = v×t となり、月と地球の距離は S の半分になります。

今では巻尺を使わずに地球と月の間の距離を測定できますが、新たな問題が発生します。その作業を確実に完了するには、どのような光を選択すればよいのでしょうか?まず第一に、光は月まで届き、戻ってきて私たちに届くほど十分に明るく、指向性がある必要があります。この場合、懐中電灯を手に取るだけでは効果がありません。

レーザーは明るくて指向性が良いと聞きました。それなら選んでください！

レーザーがスムーズに月に到達し、地球に反射されるようにするために、宇宙飛行士は月面に着陸した際に意図的に複数のレーザー反射鏡を残しました。これにより、科学者がレーザーを使用して地球と月の距離を測定するときに、地球に返されるレーザー信号が強くなります。

人類が最後に月に着陸したのは50年前で、当時月に設置された鏡は今でも機能しています。また、レーザー測距を利用することで、月が地球から年間平均 3.8 センチメートルの速度で遠ざかっていることもわかっています。

オルドリン宇宙飛行士が地震計と鏡（鏡の正式名称：レーザー測距反射鏡）を設置している。

(画像出典: プロジェクトアポロアーカイブ)

パート2

LiDAR: 核となるのは360度を囲むレーザー測距です

人類の探究は決して止まらない。地球と月の距離が分かった後、科学者たちは月の表面がどのような様子かなど、月のさらなる秘密の探究に忙しくしています。人間の宇宙船をドッキングさせるために、月の起伏の多い表面上で比較的平坦な場所をどうやって選ぶのでしょうか?

明らかに、月面上の一点が私たちからどれだけ離れているかを知るだけでは十分ではありません。ではどうすればいいのでしょうか？

解決策としては、検出範囲を拡大し、一度に多くのポイントを測定し、各ポイントの方向と距離の情報を記録し、収集した情報に基づいて検出された表面の形状を計算することです。これがまさにLIDARの動作原理です。

レーザーは周囲の多くの点の距離を測定し、周囲の環境の形状を感知します

（出典：Wikipedia）

第一世代の機械式ライダーの構造は上記のモデルに似ています。レーザー距離計をベースに、素早く位置を変えられる反射板を追加し、レーザーを全方向に反射させることができます。

作動中、レーザーレーダーは回転しながら周囲の環境をスキャンします。これは、レーザー距離計を手に持った人が手を上下に動かしながら円を描くように回転するのと似ており、これにより周囲の環境の形態情報を測定できます。

車に搭載されたレーザーレーダーは、周囲環境の距離情報を毎秒数十万回測定します。距離測定ごとにデータポイントが生成され、多数のデータポイントが 3 次元環境を記述するポイントクラウドを構成します。

(画像出典: velodyne.inc)

パート3

大規模アプリケーション、コスト削減が鍵

第一世代のLIDARが登場した後、LIDARは非常に強力であると誰もが感じるようになりました。強力な検出機能を備えているだけでなく、人々の財布を空にする能力も備えています。

機械式 LiDAR は動作時に高速回転する必要があり、また、素早くスイングできる反射鏡も必要となるため、LiDAR の製造には多くの困難が伴います。そのため、LiDAR 開発の初期段階では、LiDAR の価格は数十万にも達しました。

しかし、このような優れた技術の応用をコストで制限するわけにはいかないため、エンジニアたちはライダーの製造コストを削減する方法について考え始めました。

まず、機械式レーザーレーダーの反射鏡があります。反射板は大きくて重いです。ミラーを回転させるときは、まるで大ハンマーを振り回すようなもので、手間がかかるだけでなく、費用もかかります。そこで研究者たちは、鏡をもっと軽く小さくすることができれば、大ハンマーを小さな棒に置き換えるようなものになり、振り回すのがとても楽になるだろうと考えた。

そこで登場したのがMEMS（微小電気機械システム）ライダーです。このタイプのライダーのミラーは非常に小さくて軽く、より柔軟に移動できます。ミラーはチップ上に直接統合することもできるため、LIDAR の構造が大幅に簡素化され、製造コストが削減されます。

Mems LIDAR のミラーの幅はわずか 1.5 mm です。

（画像出典：参考1）

それだけでなく、エンジニアの中にはさらに大きなアイデアを持っている人もいます。ミラーを使わず、レーザー放射の方向を直接制御して、可動部品のない純粋なソリッドステートライダーを作成することは可能でしょうか?

こうして光フェーズドアレイ技術が誕生しました。レーザーは波動特性を持つ電磁波であり、干渉現象を生じます。これは、2 つのレーザービームが互いに出会って、2 つの水波が重なり合うのと同じような現象を生み出すようなものです。いくつかの方向ではまだ水の波が残っていますが、場所によっては水面が非常に穏やかです。

2つの水波が出会うときの干渉現象

(画像出典: youtube)

光フェーズアレイ技術は、さまざまな方向に電磁波を生成します。

(画像出典: Wikipedia)

干渉原理を利用すると、マルチビームレーザーアレイの放射時間やその他のパラメータを適切に制御すれば、複数のレーザービームの合成光ビームを特定の位置に向けることができます。

フェーズドアレイライダーのコアコンポーネントであるレーザーフェーズドアレイ（実際には小さなレーザーを並べたアレイ）は、半導体技術を使用して大規模に製造できるため、研究開発費と製造費を分散できます。

回路基板に統合された純粋なソリッドステートLiDAR

(画像提供: Quanergy.inc)

科学研究者の継続的な努力のおかげで、固体ライダーの価格は現在数千元まで下がっています。ますます多くのLIDARが実用的なシナリオに登場し、自動運転、測量と地図作成、考古学などの分野で重要な役割を果たしています。今後、LIDARの応用範囲はさらに広がることが期待されます。

参考文献およびウェブサイト:

[1] Wang D、Watkins C、Xie H. LiDAR用MEMSミラー：レビュー[J]。マイクロマシン、2020、11(5):456。

[2] Amzajerdian F、Pierrottet DF、Petway LB、et al.惑星への精密ナビゲーションと安全な着陸のためのLIDARシステム[C]// 2011年光電子検出およびイメージングに関する国際シンポジウム：レーザーセンシングおよびイメージング;フォトニクスセンシングおよびイメージングの生物学的および医学的応用。国際光学会、2011年。

[3] Goyer GG、Watson R. レーザーと気象学への応用[J]アメリカ気象学会誌、1963年、44(9):564-570。

[4] https://quanergy.com/products/s3/

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Phased-array_optics

[6]https://velodynelidar.com/products/puck-lite/

[7] https://www.hesaitech.com/zh/download

[8] https://www.zhihu.com/question/359079692/answer/920960280

[9] https://zhuanlan.zhihu.com/p/90852852

制作：中国科学普及協会

著者: 海の塩漬け魚

編集者：王婷婷

プロデューサー: 中国科学博覧会

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。