905nm 対 1535nm レーザー測距儀の波長選択

はじめに

レーザー技術の世界では、905nm と 1535nm という2つの強力な波長がしのぎを削っています。この対決は勝敗を決めるためのものではなく、それぞれの波長に秘められた可能性を解き明かすことを目的としています。この探求の旅を通じて、両者の特徴、利点、そして応用分野を掘り下げていきます。

レーザー測距儀にどちらの波長が最適かを結論づけることは、本記事の主な目的ではありません。考慮すべき不確定要素が多岐にわたるため、それらについては本記事では扱いません。しかし本記事は、905nm と 1535nm レーザーのトレンドについて理解を深めるための、簡潔でわかりやすいガイドとなることを目指しています。

レーザー 波長の評価：

波 長はレーザー測距モジュールにおいて重要な役割を果たし、その性能と機能に直接影響を与えます。レーザーは紫外線、可視光線、赤外線など、さまざまな波長範囲で動作します。測距の分野では、905nm と 1535nm という2つの波長に焦点を当てます。両者にはそれぞれ異なる特徴があり、慎重な検討が必要です。

  • 905nm
    905nm の近赤外線レーザーは半導体レーザーダイオード技術を採用しており、シリコン検出器で効果的に検出できる範囲に収まっています。この技術は確立され成熟しており、コスト効率にも優れています。
  • 1535nm
    1535nm レーザーは優れた大気透過性を備えており、晴天時には長距離測定を実現します。

検討 すべきトレードオフ：

1. 大気透過性

1535nm は 905nm 波長と比較して 大気による吸収と散乱が少ない ため長距離測定が可能ですが、潜在的な制約 についても考慮する必要があります。例えば、1535nm レーザーは水分に高度に吸収されるため、雨天や降雪時には性能が低下する可能性があります。さらに、対象物の表面が濡れている場合は、その反射率についても考慮する必要があります。

下 の図1をご覧いただくと、1535nm 波長における水の吸収係数は、905nm 波長のおよそ 253倍 であることがわかります。つまり、905nm 波長は 1535nm 波長よりも 耐候性に優れていると言えます。


図 1. 波長ごとに異なる水の消光特性 [1]

業 界ではこのような過酷な環境下での性能劣化に、どのように対処しているのでしょうか？

  • 信 号ノイズ除去アルゴリズム：
  • レ ーザー出力の向上：出力を高めることでレーザービームの光強度が増し、悪天候下でもより強く明瞭な信号を維持しやすくなります。ただし、レーザー出力の向上には実用上の限界がある点に注意が必要です。出力を高めるとより多くの熱が発生するため、性能劣化を防ぎレーザーの長期的な信頼性を確保するには、より優れた冷却機構が必要になる場合があります。

2. サプライチェーンの成熟度

1535nm レーザーの実装には、より複雑な技術が必要となることが多く、これがコスト、サイズ、サプライチェーンの成熟度に影響を及ぼします。1535nm レーザーは消費電力が高いため、効率的な放熱設計もより重要になります。

905nm と 1535nm レーザーで一般的に使用されるフォトダイオード

InGaAs 対 Si

化 合物 利 点 欠 点
InGaAs 暗 電流が低い 製 造コストが高い

高 感度（900～1700 nm）
Si コ スト効率が良い 感 度範囲が限定的（1100nm 以下）

大 量生産が可能

シ リコンフォトダイオードは、バンドギャップエネルギーが比較的高い（約 1.1eV）ため、1535nm 波長に対する 感度が低くなります。しかしこの制約は、以下の方法で克服できます：

  • シ リコンフォトダイオードのハイパードーピング（バンドギャップエンジニアリング） シリコンにセレンをドーピングすることで、シリコンのバンドギャップエネルギーを効果的に低下させ、フォトダイオードが 1535nm 波長のレーザーを検出できるようになります（現時点ではまだ開発段階にあり、市場での入手は容易ではありません）。

そ の他、開発中の SWIR（短波赤外線）センサー：InP、PbS、GeS

セ ンサー技術の成熟度


3. アイセーフティ（眼の安全性）に関する考慮事項

レ ーザーモジュールに適した波長を選定する際には、人の眼の安全性への潜在的な影響を考慮することが不可欠です。研究によると、905nm 波長は「網膜危険領域」に該当し、眼に対する安全性が比較的低いとされています。



905nm レーザーは眼に浸透し、高エネルギーを網膜に集中させることで、不可逆的な網膜損傷を引き起こす可能性があります。一方、1535nm 波長は網膜に到達する前に角膜に表層で吸収されるため、損傷の可能性が大幅に低減され、より安全な選択肢となります。これは角膜の上皮層および内皮層に含まれる水分によるものです。

損傷の種類 原因 関連波長
光熱作用 照射された物質が光エネルギーを吸収し、温度上昇と化学結合の破壊を引き起こす 可視光線および赤外線
光化学作用 光 エネルギーが照射された物質の分子や原子と相互作用し、フリーラジカルや活性酸素種を生成することで細胞や組織を損傷させる 紫外線および可視光線、特に高エネルギーの青色光領域

警 告！：角膜はある程度のレーザー直接照射（1400nm～1000000nm）には耐えられますが、長時間または高強度の照射は角膜組織の熱損傷につながる可能性があります。安全ガイドラインを必ず遵守してください。

以 下、参考になる情報源をいくつかご紹介します：

短 パルス紫外線・赤外線レーザーによる角膜および水晶体の損傷に関する曝露限界と実験データのレビュー: https://lurl.cc/ovFfeG
車 載ライダー：1550nm ライダーの安全性に関する懸念： https://www.laserfocusworld.com/blogs/article/14040682/safety-questions-raised-about-1550-nm-lidar
APL におけるレーザー眼安全性研究： https://secwww.jhuapl.edu/techdigest/content/techdigest/pdf/V26-N01/26-01-McCally.pdf

4. 環境光による干渉 太陽は可視光線、紫外線、赤外線を含む幅広いスペクトルの光を放射しています。しかし観測によると、 1500nm 付近の太陽放射は比較的弱い ことがわかっています。特に可視光線範囲（400nm～700nm）と比較すると顕著です。この特性により 太陽光による干渉の可能性が低減され、その結果 信号対雑音比（SNR）が向上し、LiDAR（光検出と測距）などの用途に有利に働きます。

SNR とは、反射信号（この場合はレーザーパルス）の強度を背景ノイズと相対的に示す指標です。SNR が高いほど信号は強く明瞭であり、SNR が低いほど信号は微弱でノイズと区別しにくくなります。


環 境中のさまざまな光源による干渉

905nm 対 1535nm 波長比較表：

項 目 905nm 1535nm
ア イセーフティ 安 全性が低い 安 全性が高い
検 出距離 そ の波長範囲内では長い 高 出力により延長可能
大 気透過性 弱 い 強 い
雨 天・降雪時の性能 良 好 劣 る
コ スト、サイズ、サプライチェーンの成熟度 成 熟しておりコスト効率が良い 成 熟度が低くコストが高い

市 場での採用状況

  1. Apple の SWIR（短波赤外線）応用 https://www.patentlyapple.com/2022/07/details-behind-apples-skin-detect-sensor-introduced-with-their-3rd-gen-airpods-has-been-revealed-in-new-patent.html
  2. ド ライバーが危険な状態にある際の安全性向上を目的としたライダー活用
    • 危 険な状態の例：ドライバーの意識喪失、パニック、運転困難な状況など
  3. 複 数波長ライダーシステム
  4. 地 球科学における地表探査

今 後の展望

  1. 省 エネかつ低コストな 1535nm 実装ソリューション
  2. よ り高度なノイズ除去アルゴリズム
  3. 1350nm レーザーの応用

結 論： レーザー測距モジュールに適した波長を選定する際は、905nm と 1535nm それぞれの利点と欠点を慎重に評価する必要があります。最終的な選択は、用途固有の要件と許容可能なトレードオフによって決まります。905nm レーザーはシリコン検出器との互換性や検出距離の長さに優れる一方、1535nm レーザーは眼の安全性、大気透過性、測定距離の延長という点で優れています。これらの要素を総合的に考慮することで、設計者は用途に応じてレーザー測距モジュールを最適化し、さまざまなシナリオにおいて正確かつ信頼性の高い測距を実現できます。

参 考文献：

  1. Löfgren, Stefan & Thaung, Jörgen & Lopes, Cesar. (2013). Laser pointers and eye injuries. An analysis of reported cases.
  2. Wojtanowski, J., Zygmunt, M., Kaszczuk, M., Mierczyk, Z., & Muzal, M. (2014). Comparison of 905 nm and 1550 nm semiconductor laser rangefinders’ performance deterioration due to adverse environmental conditions. Opto-electronics Review, 22(3). https://doi.org/10.2478/s11772-014-0190-2
  3. Singh, C., John, J., Singh, Y., & Tripathi, K. N. (2004). Indoor Optical Wireless Systems: Design Challenges, Mitigating Techniques and future Prospects. IETE Technical Review. https://doi.org/10.1080/02564602.2004.11417136
  4. D. Jain, S. Alam, Y. Jung, P. Barua, M. N. Velazquez, and J. K. Sahu, "Highly efficient Yb-free Er-La-Al doped ultra-low NA large mode area single-trench fiber laser," Opt. Express 23, 28282-28287 (2015)
  5. Mccally, Russell & Bargeron, C. & Bonney-Ray, Jennifer & Green, W.. (2005). Laser eye safety research at APL. Johns Hopkins APL Technical Digest (Applied Physics Laboratory). 26.