JP2007225613A - 光電子装置及び該装置を機能させるための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物により反射された光束が光軸部分で受光レンズに当たらない場合に、間違った検知となることがある。
【解決手段】光源が発光して対象物が逆向きに散光及び／又は反射する光線を、三角測量原理に従って受光配置で検知して、評価ユニットが対象物検知信号を出す光電子装置を使って対象物を検知するための装置では、光線が受光配置の中で受光レンズ及びミクロレンズアレーを介して、フォトディテクターから成るピクセルアレーに当たり、そのときに各ミクロレンズが、複数のサブピクセルを有するマクロピクセルに対応して配置されている。評価ユニットは、マクロピクセル内のサブピクセルを介して受光信号分布を調べ、マクロピクセルを介した受光信号分布に従い、そして／又は少なくとも一つのマクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布に従い、そして／又はメタピクセルを介した受光信号分布に従い、対象物検知信号を作る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光キー配列体を使って対象物を検知するための光電子装置に関するものである。その光キー配列体では、光源が発光し対象物により逆向き散光及び／又は反射された光線を三角測量理論に従い受光配置により検知して、対象物検知信号を出す。

本発明は、更に、そのような装置を機能させるための方法に関する。

三角測量光キー配列体の機能原理は、光源から発光された光線が、光線経路内で到達した対象物により受光体に逆向き散光され、そのとき逆向き散光された光線が受光体に当たる角度は、光キー配列体と対象物の間の距離に対する尺度となるということに基づいている。切り替えに使用する三角測量光キー配列体は、対象物が規定の検知範囲にある時に対象物確認信号を作り出す。距離を測定する三角測量光キー配列体は、光キー配列体と対象物間の距離を測定し、距離に比例した出力信号を出すことができる。

発光レンズを備えていることがある光源が理想的な平行光束を発光し、それが対象物の表面に当たった時に光点を作り、その光点が対象物から逆向きに散光する。この光点が、光源とは側方にずれて配置された受光レンズを介して受光体の面で結像するが、そのとき受光体の面は一般的に結像面にないので、結像は通常シャープではない。対象物から受光レンズまでの距離と関係して、対象物から逆向き散光した光線は種々の角度で受光レンズを通過して、それにより受光体の面における異なった横方向位置に当たる。参照ポイントからの受光体上に写った光点の距離から、受光レンズと受光体の面間の距離及び光源が発光する光束の状態と方向が分かっているときに、光キー配列体から対象物までの距離を三角測量を使って調べることができる。

理想的な三角測量光キー配列体では、受光体レンズを無限に小さい絞り孔で形成しており、それによってのみ距離の検知を阻害要因とは関係なく保証している。実際の三角測量光キー配列体では開口（アパーチャ）のある受光レンズを使用しており、その最小の大きさは、受光体の感度制限及び全体システムの信号対雑音割合により決まる。

しかしながら、実際のこの種の光キー配列体は、非対称で受光レンズの一部のみに光が当たると測定誤差に間違いの出ることがある。これは例えば、対象物の表面にあるコントラスト境界が、非常に高い及び非常に低い逆向き散光能力の範囲を互いに分けているときに、光源から発光された光束がコントラスト境界に当たることにより起きる。それにより予期せずに、測定した光点中心が受光体の面で想定される光点中心からずれる。

更に三角測量光キー配列体によれば、本当に信頼性を有して検知できるのは、理想的に散光する表面を有する対象物のみである、即ち対象物は、入射した光線を対称的に拡散して特定の三次元角度で逆向き散光する必要がある。しかしながら実際の表面は、散光のみ行うことは稀であり、通常は少なくとも入射した光の一部が反射される。

対象物により反射された光線は、逆向き散光された光線と比べると、通常は部分的にのみ照射する。反射された光束が光軸部分で受光レンズに当たらない場合に、反射された光線により光点が生まれ、その位置は、逆向き散光した光線によりできた光点の位置とは異なっている。反射された光線は通常、逆向き散光した光線より高い輝度を有するので、光源から発光された光線の光線方向に対する対象物表面の角度に関係して、間違った検知となることがある。

よって本発明の課題は、信頼性を有して対象物を検知するための装置、及びそのような装置を機能させるための方法を得ることである。

本発明の課題を、光源、対象物により逆向き散光及び／又は反射された光線を検知するための受光配置、及び評価ユニットを使って、三角測量原理により対象物を検知するための光電子装置により解決するもので、前記受光配置が、前記対象物により逆向き散光及び／又は反射された光線を偏光するための受光レンズ、前記受光レンズの後に配置したミクロレンズアレー、及びフォトディテクターから成るピクセルアレーを有し、かつ、各ミクロレンズには複数のサブピクセルを有するマクロピクセルが関連配置されること、及び前記評価ユニットが、前記マクロピクセル内の前記サブピクセルを介して受光信号分布を調べるためのユニットを備えていることを特徴とする。

従来の三角測量光キー配列体と違って、本発明による配置では検知した対象物が作る光点の位置からだけで対象物検知信号を受光体上で決めるのではない。一つ又は複数のマクロピクセル内での受光信号分布から、距離情報を得ることが可能である。即ち、三角測量を行うための情報をミクロレンズアレーにより、受光体上における光点像の絶対位置からのみではなく、受光配置に対する受光光線の入射角度及び／又は受光レンズに対する照射での非対称性についての、それぞれの照射されたマクロピクセルにある追加情報からも得ることができ、以下において更に詳細に説明する。

以上により本発明に従う装置では、対象物検知の結果を間違って処理するという最初に述べた種類の欠陥を回避し、かつ／又はそれを定量化して、場合により結果を修正するために使用する可能性が得られる。

利点ある実施形態では、ピクセルアレーをライン形状とすることがある。必要とする検知精度又は検知感度が低いときには、この配置がコスト的に有利な解決手段である。

同様に好ましい実施形態では、ピクセルアレーが二次元アレーの形態を有していることがある。ライン形状のピクセルアレーと比べて二次元アレーでは、第二横方向での非対称性も分かる。

ピクセルアレーがＣＣＤセンサー、ＣＭＯＳセンサー、或いはＰＩＮダイオード配置であると好ましい。

光源がレーザー又はＬＥＤであると利点がある。レーザーを使用すると、通常は発光レンズを追加して設ける必要がない。更に赤外線域で発光するレーザー又はＬＥＤを使用できるので、場合により起き得る阻害可視光と比べて遙かに鈍感な光キー配置体を具現化することができる。

本発明の好ましい実施例によれば、受光レンズ及びミクロレンズの焦点距離及び／又は開口を、少なくとも検知範囲内に配置された対象物により逆向きに散光されるもので受光レンズを完全に照射する光線が、隣接した複数のミクロレンズにより偏光可能であり、そしてこのミクロレンズに関連配置されたマクロピクセル内で、各マクロピクセルの特に複数の個別サブピクセルを備えた部分範囲に、焦点を合わせられる又は偏光されるように選択する。本発明でいう用語“焦点を合わせる”では基本的に、一点に正確に焦点を合わせることなく、光線を純粋に偏光することも含まれる。

即ち、この実施形態では焦点距離及び／又は開口は、光源により対象物上に作られた光点が、理想的には１〜３個のサブピクセルを備えた該当マクロピクセルの部分範囲にのみほぼ結像するような寸法になっているので、受光配置に対する受光光線の入射角度についての情報が、焦点を合わせた受光光線が当たるサブピクセルの位置でも、或いは当該マクロピクセル内で受光信号分布の特徴位置でも得られる。

加えて述べることは、マクロピクセルの個別サブピクセルへの正確な結像は、対象物が受光配置から特定距離にあることに対してのみ得られることである。焦点深度の制限があることにより距離が大きすぎる又は小さすぎると、光点の結像がある程度シャープでなくなることになるが、光点又はその中心の結像位置をマクロピクセル内で決めることができる。

規定の距離に配置した対象物が逆方向に散光及び／又は反射した光線が当たることができる、サブピクセル又はマクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布の特徴位置のそれぞれに、対応する距離の値を関連付けていると好ましい。それにより、特定のサブピクセルに光が当たることから、又は前記の受光信号分布の特徴位置から、関連付けられた距離にある対象物を推定することが可能である。

同じ距離の値で関連付けられているピクセルアレーの複数のサブピクセルが、一つのメタピクセルにまとめられていると、そして／又は同じ距離範囲を関連付けたピクセルアレーの複数のサブピクセルが、一つのメタピクセルにまとめられていると利点がある。

それによりこのようなメタピクセルは、対応する距離又は距離範囲にある対象物からの光が受光配置に当たると常に励起される。そして又、このメタピクセルに関連配置されたサブピクセルの一部に当たると、即ち例えば対象物が逆向きに散光するための理想的な表面を有していないときにも、メタピクセルは励起される。

更に、それぞれ異なった距離の値及び／又は距離範囲を関連付けた複数のメタピクセルを設けていると利点がある。それにより、異なった範囲にある対象物もメタピクセルの評価により検知できる。

好ましい実施形態によれば、サブピクセルは固定して接続されている。

これとは別に、変更できるようにサブピクセルを接続していることがある。例えば、変更可能な接続では、具体的な使用状況に対応して距離範囲の寸法を決めることが可能である。

本発明の課題は更に、第一変形方法例となるもので、請求項１〜９のいずれかに記載の装置を機能させるための方法により解決され、マクロピクセルを介した受光信号分布と関連して、及び／又は少なくとも一つのマクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布と関連して、及び／又はメタピクセルを介した受光信号分布と関連して、対象物検知信号を作ることを特徴としている。

本発明によれば対象物検知のために又、原理的に従来の三角測量光キー配列体に対応するものであるマクロピクセルを介した信号分布を使用するだけでなく、マクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布、及び／又はメタピクセルを介した受光信号分布を考慮することも可能である。即ち利点は、種々の受光信号分布を必要に応じて、個別に又は互いに組み合わせて評価することにある。

本発明の利点ある変形実施例によれば、マクロピクセルを介した受光信号分布に関連して決めた対象物検知信号を、少なくとも一つのマクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布に基づいて修正する。

この変形例では、まずマクロピクセルを介した受光信号分布を決め、それから対象物の距離を調べる。加えて行うのは、一つ又は複数のマクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布の決定であり、それから同様に距離値を、場合により複数の距離値を平均して調べる。サブピクセルを介した距離の決定では特に、最大光度を有するマクロピクセルのみを、又はウエイトの高いマクロピクセルを対象とすることがある。二つの評価が同じ距離の値にならない場合には、マクロピクセルを介した受光信号分布から決めた距離の値を、少なくとも一つマクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布から決めた距離の値でありこの場合に正しい確率の高い値により、置き換えることができる。

本発明による別の変形実施例では、マクロピクセルを介した受光信号分布に関連して決まる対象物検知信号を、メタピクセルを介した受光信号分布に基づいて修正する。

この変形例においても、まずマクロピクセルを介した受光信号分布を決めて、それから対象物の距離を調べる。加えてメタピクセルを介した受光信号分布の決定を行い、それから別の距離の値を調べる。前記で説明した変形例と同様に、両方の評価が同じ距離の値にならない場合には、マクロピクセルを介した受光信号分布から決めた距離の値を、メタピクセルを介した受光信号分布から決めた距離の値により置き換えることができる。

前記で挙げた二つの変形例では、即ち、まず対象物検知信号をマクロピクセルを介した受光信号分布に基づいて決め、それからサブピクセル及び／又はメタピクセルを介した受光信号分布を考慮して場合により修正する。これにより、例えば受光レンズの非対称照射により起きる間違った決定を、サブピクセル及び／又はメタピクセルを介した受光信号分布を使って均すことにより回避することができる。

本発明による利点ある別の形態では対象物検知信号を、対象物検知のために使う複数のメタピクセルを介した受光信号分布のみに従って作る。即ちこの変形方法では、マクロピクセルを介して、そして少なくとも一つのマクロピクセルのサブピクセルを介して受光信号分布を決定することを止め、メタピクセルを介した受光信号分布のみを考慮する。

対象物検知信号を同様に、マクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布のみに従って作ることも可能である。即ち、この変形方法では、マクロピクセルを介して、そしてメタピクセルを介して受光信号分布を決定することを止め、サブピクセルを介した受光信号分布のみを考慮する。

対象物検知信号を、受光信号分布の特徴位置に従って作る、及び／又は修正すると好ましい。

この発明でいう受光信号分布は、発明変形例全てにおいて全般的に、また既に使っているように、メタピクセル、マクロピクセル、又はマクロピクセルのサブピクセル内で受光信号の最大値又は中心の位置を純粋に調べることと解釈されたい。

利点ある方法変形例では、与えられた検知距離内にある対象物に基づいて、二元出力信号として対象物検知信号を作る。これにより、切り替えに使用する三角測量光キー配列体が実現される。

この方法変形例で利点ある別の形態では、二元出力信号がメタピクセルを介した受光信号分布の特徴位置の関数である。即ち、まずメタピクセルについての受光信号分布を決め、引き続いてこの分布の特徴位置に基づいて、二元出力信号の二つの出力信号状態のどちらを出すかの決定を行う。

これとは別に、互いに反対の二つの距離及び／又は距離範囲を、二つのメタピクセルの一つに対応配置していることがあり、その時には二元出力信号だけが、その時に最も強く当たるメタピクセルに従った状態を受け入れる。切り替えに使用する光キー配列体のこの変形例では、切り替え時間の短い出力信号を簡単に作ることが可能である。

本発明の利点ある更に進めた形態では、対象物検知信号をアナログ及び／又はデジタルの距離信号として作り出すが、それは受光配置及び／又は光源からの対象物の距離に対する量であり、そして受光信号分布の特徴位置の関数である。この配置は測定に使用する三角測量光キー配列体を示している。

更に本発明の課題は、第二方法変形例となるもので請求項１〜９のいずれかに記載の装置を機能させるための方法により解決され、マクロピクセルのサブピクセルが基本的に対称的な信号分布を有するとき、マクロピクセルから送られた受光信号を対象物検知のために使用すること、そしてマクロピクセルのサブピクセルが基本的に非対称な信号分布を有する時には、マクロピクセルから送られた受光信号を対象物検知のために使用しない、又は修正ステップを行った後にのみ使用することを特徴としている。

対称的な信号分布とは、対称軸に関して対称的な受光信号分布と解釈されたいが、そのとき対象軸は中心だけでなく、そのときのマクロピクセルに関して中心を外れて延伸することもある。

即ち挙げている方法では、受光配置ないしその開口が基本的に均一に照射され、それが少なくともマクロピクセルの延長部を有するピクセルアレーの範囲を照明することになる時に、マクロピクセル内のサブピクセルは対称的な信号分布を有しているので、例えば反射された光線の検知により発生する非対称性が識別される。

例えば、受光配置の開口の縁範囲のみが照射されると、又はこの縁範囲が他の開口より強く照射されると、マクロピクセル内の信号分布は非対称性を有する、即ちマクロピクセルの特定の縁範囲は、例えば他の縁範囲と比べて強く照射されたことになる。

即ち、本発明によれば、それに対応して、マクロピクセルの個別サブピクセルを介した基本的に対称的な信号分布を有するマクロピクセルのみを使用する。例えば必要としない反射の結果によりサブピクセルを介した非対称な信号分布を確認したマクロピクセルの信号は、評価のときに全く考慮しない又は確認した非対称性の大きさに対応する修正を行った後に考慮する。以上のようにして、逆向き散光する対象物表面の非常に本質的な部分に対して照射される、又はその信号が適切な方法で修正された「有効な」マクロピクセルのみを、受光した光信号の評価の範囲において考慮する。以下においてこの種の修正方法を更に詳細に説明する。

「有効な」マクロピクセルの確認は又、マクロピクセルのサブピクセルを介して調べた受光信号分布を、このマクロピクセルサブピクセルを介した事前に規定距離で作成した参照信号分布と比較することにより行うことができる。参照信号分布は、計算でもできるだけでなくティーチング時に調べることもできる。

そして無効なマクロピクセルとするのは、このマクロピクセルに対応する参照信号分布と比較するときに、非常に大きな偏差、例えば規定の閾値以上の偏差を確認するときである。

本方法の好ましい変形例では、対象物検知のために使用した複数の「有効な」マクロピクセルを介して信号分布に基づいて、対象物検知信号を決めることがあり、そのとき「有効な」マクロピクセルの信号をそのサブピクセルについての合計により調べる。即ち、考慮すべき、そしてそれにより「有効な」マクロピクセルについての判断を行った後に、このマクロピクセルの合計信号についての信号分布を調べる。

対象物検知信号を、ピクセルアレー内の信号分布の特徴位置から作ると好ましいことがあり、そのとき信号分布を、対象物を検知するために使用した複数の「有効な」マクロピクセルから調べる。参照ポイントまでの信号分布の特徴点の間隔から、本発明に従う装置からの対象物の距離を決めることができる。

対象物検知信号を、信号分布の最大値又は形状的な中心の位置に従って作り出すと好ましい。

マクロピクセル内の非対称信号分布を検知するとき、この種のマクロピクセルを考慮しないことの代わりに修正を、例えばマクロピクセルを介した信号分布の中心を修正して決めることにより行うことができる。

修正した中心を計算するために、非対称信号分布を有するマクロピクセルを、修正した位置座標を使って重要性を判断するが、そのときオリジナルの位置座標と修正した位置座標間の差異は、このマクロピクセルのサブピクセルを介した信号分布中心の非対称なずれ量比例している。比例係数は、各ピクセルに対して実験的に決める、又は光キー配置体の形状的な割合から計算する。調べた値を表に書き出して置くことがあり、光キー配列体を使用するときに、修正した位置座標を計算するために使用することができる。

一般的にマクロピクセルを介した信号分布の中心ｐは、全信号合計Ｓ_ｉについての合計で除された、該当するマクロピクセル座標ｘ_ｉを乗じた各マクロピクセルの合計信号Ｓ_ｉ全てについての合計（マクロピクセルの全サブピクセルの信号の合計）として計算され、そのとき信号合計Ｓｉは、マクロピクセルｉに所属するサブピクセル全ての信号についての合計として形成される。修正は以下の方法により行う。

マクロピクセルｉ内の信号分布の中心ｑ_ｉを、該当する方法で計算する。マクロピクセル内のサブピクセル数ｍに指定することによりずれ係数ｖ_ｉを決めるが、その値を−１〜＋１とすることができる。それによりマクロピクセルで対称的な信号分布を示す時にはｖ_ｉが０に等しくなる。

更に各マクロピクセルｉに対する修正値ＤＸ_ｉを決めるが、それにより得られるのは、反射された光線がつくった光点の位置が、逆向きに散光された光線がつくった光点の位置から、二つの光線が同じ位置から出ているときに最大どれ位のピクセル位置だけずれているかである。

修正値ＤＸ_ｉは例えば実験的に調べることができるが、その方法は、まず逆向き散光する対象物により作られた光点の位置ｐ_ｉを調べ、引き続いて逆向き散光する対象物を、同じ位置に配置した反射する対象物に置き換える。反射した光線が受光開口を縁範囲で通過するように、その角度方向調節を変える。関連する光点中心の新しい位置ｐｕ_ｉを対応して決める。

そして、新しい位置ｐｕ_ｉに当て嵌まるマクロピクセル内の信号分布から、ずれ係数ｖ_ｉの決定と同様にして関連するずれ係数ｖ（ｐｕ）_ｉを調べる。修正係数ＤＸ_１は、ｐｕ_ｉとｐ_ｉの差異をｖ（ｐｕ）_ｉで除することにより計算される。

修正係数ＤＸ_ｉを全てのマクロピクセルｉに対して作表する。三角測量光キー配列体の結像形状が非対称であることにより、ＤＸ_ｉをそれぞれ受光開口の縁範囲及びこれに対向する縁範囲用に、即ちｖ_ｉの＋記号と−記号用に分けて調べると意味がある。

ここで記載した方法の他に、形状に関する光学規則に従って、又はコンピューターを使ったシミュレーションによるＤＸ_ｉの計算も可能である。

使用時には、非対称信号分布があるときに修正中心ｐ’を調べるために、上記で説明した計算と同様に、ピクセル座標ｘ_ｉの代わりに、表から読み取った修正値ＤＸ_ｉ及び修正係数ｖ_ｉからの数値を加えたｘ_ｉから得られる修正ピクセル座標ｘ_ｉを使用する。

更に対象物検知信号を、規定の検知距離内にある対象物に基づいた二次元出力信号として作ると好ましく、そのとき出力信号はピクセルアレー内の信号分布の特徴位置の関数である。そこで例えば、対象物が光キー配列体まで特定の距離或いは規定の距離範囲内にあると、特定の信号状態が出される。規定の間隔内に対象物がないと、これとは反対の信号状態が出される。

利点ある変形例では検知した対象物に基づいて、対象物検知信号をアナログ及び／又はデジタルの距離信号として作ることができ、そのとき距離信号の大きさは、受光配置及び／又は光源からの対象物の距離に対する量であり、ピクセルアレー内信号分布の特徴位置の関数である。即ち、出力される検知信号が距離についての情報を含んでいるので、この種の方法は距離測定に適している。

対象物検知信号が、サブピクセルを介した基本的に非対称の信号分布を有する少なくとも一つのマクロピクセル検知時に、この検知の直前にその最終値を含んでいると好ましく、それによりこの場合には対象物検知信号を使えるようにしない。これにより、反射された光線を短時間に検知することが間違った対象物検知信号に至らない。

本発明による好ましい別の実施形態は、従属請求項、明細書、及び図面から分かる。

以下、本発明について、図面を参照しながら実施例を使って説明する。

まず図１及び２を使い、請求項１９〜２４による方法（本方法の第二変形例）を説明するが、そこで示した基本的な機器配置は、請求項１０〜１８による方法（本方法の第一変形例）にも用いられる。

図１は、三角測量光キー配列体１０を概略的に示す。機能方法を理解し易くするために、その個々の構成要素は比例尺としておらず、又、部分的に抜粋して示している。構成要素を分離して配置することもあれば、図示していない共通のケーシングにまとめることもある。

光源１２は拡散光線を発光し、その光線が発光レンズ１４により概ね平行な光束１６に偏光される。

光線は第一対象物１８ａに当たり、これにより逆向き散光される。図１において例として破線で示しているものであって対象物１８ａの表面上にある一点から三次元角度で逆向き散光された光線２０ａは、光源１２と横方向にずれて配置された受光レンズ２２に束となって当たり、ここでは部分的にのみ図示しているが、受光レンズ２２から図示している光線経路に付属する焦点より、更に幾分遠くにあるミクロレンズアレー２４に束となって入射する。

そこでできた結像点は、ほぼ等しくミクロレンズアレー２４の第一ミクロレンズ２６ａを照射し、そのレンズが逆向き散光した光線２０ａを更に、ミクロレンズアレー２４の直ぐ背後に配置され同様に部分的にのみ図示している受光体２８に向ける。受光体２８は、複数のサブピクセル３０を有するピクセルアレーでできており、そこで隣接する３つのサブピクセル３０それぞれが、一つのマクロピクセル３２ａ，３２ｂにまとめられている。

そのときマクロピクセル３２ａはミクロレンズ２６ａに対応した位置にあり、レンズにより偏光された光線を受光することができる。同様にマクロピクセル３２ｂが、隣接するミクロレンズ２６ｂに対応して配置されている。逆向き散光された光線２０ａが、マクロピクセル３２ａのサブピクセル３０内で信号を作り出す。その強度は、サブピクセル３０内でハッチングした面の大きさにより決められる。

第一対象物１８ａが遠ざかると、光源１２により発光された光束１６は第二対象物１８ｂに当たり、実線で図示している逆向き散光された光線２０ｂを作り出し、同様に受光レンズ２２に当たる。しかしながら、二つの対象物１８ａ，１８ｂの距離が異なっていることにより、受光レンズ２２には異なった角度で、それにより第一ミクロレンズ２６ａに隣接する第二ミクロレンズ２６ｂに入射する。レンズは逆向き散光された光線２０ｂを、第一ミクロピクセル３２ａに隣接する第二マクロピクセル３２ｂに偏光する。

第一対象物１８ａだけでなく第二対象物１８ｂによる逆向き散光のときにも、対象物１８ａ，１８ｂの表面が光を散光する特性により、マクロピクセル３２ａないし３２ｂのサブピクセル３０が均等に照射される。このことは、図１により、該当するサブピクセル３０でハッチングされた面が互いに同じ大きさであることから分かる。

図２で示した配置は基本的に図１のものに対応するが、図１で示した対象物１８ｂの位置に対象物１８ｃがあり、その表面は光束１６を逆向き散光するだけでなく反射もする。

実線で図示した逆向き散光された光線２０ｃは、図１におけると同様に、受光レンズ２２とミクロレンズ２６ｂによりマクロピクセル３２ｂ上に偏光されて、マクロピクセル３２ｂのサブピクセル３０を均等に照射することになる。

対象物１８ｃにより反射された光線３６を、図２では破線で示している。対象物表面が十分に平坦であると仮定すると、逆向き散光された光線２０ｃとは対照的に平行な光束として進行しており、その直径は入射する光束１６の直径に対応する。

反射された光束３６の直径が小さいことにより、受光レンズ２２はその面全体に亘って照射されないので、反射された光線はマクロピクセル３２ｂの一個の個別サブピクセルによってのみ受光される。これに応じた合計として得られる非対称であり信号分布を、改めてハッチングを使って受光体２８のサブピクセル３０に図示している。

ここで注意すべきことは、反射された光線は対象物１８ｃの具体的な表面特性に関係して、通常、逆向き散光された光線より高い光線密度を有していることである。というのも、それは一般的に遙かに小さい三次元角度で偏光されるので、そのような反射された光線による検知されないトラブルが後に特に不利に影響する可能性があるからである。

本発明による三角測量光キー配列体１０では、受光体２８と接続する評価ユニット３４においてサブピクセル３０全体の信号を評価する。マクロピクセル３２ｂ（図２）内における非対称な信号分布の検知は、評価アルゴリズムにより種々の方法で検討することができる。
ａ）マクロピクセルを介した全信号分布を無効と評価する。非対称信号分布を検知する前に評価ユニット３４が既に出した対象物検知信号は、この場合には使用しない。個々のマクロピクセル３２内で非対称性を確認しなくなって初めて、使用するものとした対象物検知信号が出される。
ｂ）使用するものとした対象物検知信号を出すが、それぞれのサブピクセル３０が出す信号を介して非対称であることを検知した時のマクロピクセルを、受光体２８の光点中心位置を計算する時には考慮しない。
ｃ）該当のアルゴリズムを適用するときに、非対称であることを検知した時のマクロピクセルの信号を、非対称性に比例する修正係数により修正することができる。

図１の状態のとき、評価ユニット３４ではマクロピクセル３２のそれぞれに対する合計信号を形成するが、その際マクロピクセル３２全てを評価のために使用する。その理由は、そのサブピクセル３０それぞれがマクロピクセル内で対称的な信号分布を示しているからである。以上の結果であるマクロピクセル３２を介した信号分布は、光束１６が対象物１８ａ，１８ｂ上につくった光点を小さくした結像に対応する。受光体２８内における信号分布中心の横方向位置は、対象物１８ａ又は１８ｂと三角測量光キー配列体１０の距離に対する量である。

引き続いて、評価ユニットは、該当する対象物検知信号を出す。回路出力のある三角測量光キー配列体において、対象物が規定検知距離内にある時に、これが二元信号であることがある。測定している三角測量光キー配列体は、測定した距離に対応するデジタル又はアナログの信号を出す。

図２の状態のときは、マクロピクセル３２ｂで非対称な信号分布が確認されるので、対象物検知信号を使用せず、受光体２８のマクロピクセル３２全てが再び対称的な信号分布を出すまで待つ。

図３ａ及び３ｂは、請求項１０〜１８による評価方法を説明するために、概略的かつ抜粋して三角測量光キー配列体の受光要素を示している。そこで示す光線経路については、基本的に、受光レンズ２２’とミクロレンズアレー２４’の焦点位置及びマクロピクセル当たりのサブピクセル数が図１と２で示す光線経路のものとは異なっており、この配置により多数のミクロレンズないしマクロピクセルをも照射することができる。その他の構成は図１と２に対応する。

図示していない対象物により反射又は散光された受光光束３８は、受光レンズ２２’に当たり、レンズにより部分的にのみ図示しているミクロレンズアレー２４’上に束ねられるが、図１と２とは異なり、そのアレーは受光レンズ２２’の焦点距離の内側に配置されている。ミクロレンズ２６１〜２６５は、受光光束３８をミクロレンズアレー２４’の背後に直接配置され同様に部分的に図示している受光体２８’に向ける。

受光体２８’は、複数のサブピクセル３０’を有するピクセルアレーでできており、そのとき隣接する６つのサブピクセル３０’が一つのマクロピクセル３２１〜３２５にまとめられている。そこでマクロピクセル３２１は、ミクロレンズ２６１に対応する位置に配置されており、それにより偏光された光線を受光することができる。マクロピクセル３２２〜３２５は、その他のミクロレンズ２６２〜２６５に対応して関連配置されている。

図３において、受光光束３８は３つの部分光束４０ａ，４０ｂ，４０ｃに区分されているが、ここでは境界となる光線の光線経路のみを示している。部分光束４０ａ〜４０ｃの中央光線をそれぞれ矢印で示している。図３ａにおいては、部分光束４０ａがミクロレンズ２６２に、部分光束４０ｂがミクロレンズ２６３に、そして部分光束４０ｃがミクロレンズ２６４に当たっている。

受光レンズ２２’とミクロレンズアレー２４’との焦点距離は、ミクロレンズに到達する光線がほぼ、このミクロレンズに関連配置されたマクロピクセルのサブピクセルに焦点が合うように選ばれている。その際、光学的要素により決まる焦点深度により、逆向き散光及び／又は反射する対象物の距離全てについて、正確に一つのサブピクセル上にシャープな結像を狙えないことは当然である。

図３ｂでは、受光レンズ２２’に対する受光光束３８’の入射角度即ち三角測量角度が、示していない対象物の距離が変わったことにより、図３ａにおける受光光束３８の入射角度と比べて変化している。よって、部分光束４０ａ’〜４０ｃ’は別のミクロレンズに当たる。部分光束４０ａ’はミクロレンズ２６３に、部分光束４０ｂ’はミクロレンズ２６４に、そして部分光束４０ｃ’はミクロレンズ２６５に当たることになる。

即ち、マクロピクセル３２１〜３２５が、ミクロレンズ２６１〜２６５に対応して配置されていることにより、対象物の距離が変わることによる受光光束３８，３８’の入射角度の変化が、マクロピクセルに関係する受光体２８’上での受光信号分布のずれに働くので、マクロピクセル３２１〜３２５ついて受光信号分布の最大値及び／又は中心位置を決めることにより、三角測量が可能である。

しかし、図３ａ及び３ｂを比較して分かるように、入射角度の変化は又、ある部分光束の関連位置にあるマクロピクセル内の受光信号分布の変化又はずれにもなる。

例えばマクロピクセル３２４に注視すると、図３ａでは部分光束４０ｃがこれに当たり、そのときミクロレンズ２６４は、部分光束４０ｃを基本的に第二サブピクセル３０４２に焦点を結んでいる。そして変化した入射角度により図３ｂでは、部分光束４０ｂ’がマクロピクセル３２４に向けられており、この場合に関連配置されているミクロレンズ２６４は、部分光束４０ｂ’をマクロピクセル３２４における５番目のミクロピクセル３０４５に焦点を結んでいる。

即ち受光光束３８，３８’の入射角度の変化が、マクロピクセル３２４においてはサブピクセル単位で３つ分だけ、受光信号分布の最大値がずれることに作用する。

例えば、マクロピクセル３２３に対してもずれを確認できる。図３ａにおけるサブピクセル３０３３に代って、図３ｂにおいては、サブピクセル単位二つだけ離れたサブピクセル３０３５に当たっている。

以上から分かることは、対象物と三角測量光キー配列体間の距離を、マクロピクセルを介した受光信号分布中心の横方向位置から決められるということだけでなく、個別マクロピクセルの中でもそのサブピクセルを介した受光信号分布から三角測量原理により、距離を決めることも可能である。

よって、いずれのサブピクセルにも対応する距離を対応して配置して、評価ユニットにメモリーしておくことがある。そのとき関連配置を、該当する比較測定だけでなく三角法計算を使っても行うことができる。

そして図３ａ及び３ｂによる配置を使って、どのようにして誤検知を回避できるかを以下において説明する。図１で示すように、理想的な逆向き散光対象物１８ａ，１８ｂは常に受光レンズ２２’を完全に照射するので、３つの部分光束４０ａ〜４０ｃ全てが検知される。図３ａによれば、受光信号分布の中心はマクロピクセル３２３上にある。

それに対して反射するだけの対象物１８ｃは、図２で示すように、光束１６により小さく作られた光点だけを受光レンズ２２’の部分範囲にのみ向けることになる。これにより、例えば光束４０ｃ（図３ａ）だけがミクロレンズアレー２４’、従ってマクロピクセル３２４だけに当たり、その他のマクロピクセルは暗いまま、或いはマクロピクセル３２４と比べて明らかに暗くなる。

即ち、中心の決定においては、マクロピクセル３２４を受光信号分布の中心として決めることになる。しかし、マクロピクセル３２４は、図３ｂにおける入射角度で、別の距離にあり逆向き散光する対象物が作る受光信号分布の中心に対応する。

このため、マクロピクセルを介した受光信号分布の中心だけに合わせた三角測量は、図３ａにおける部分光束４０ｃに、図３ｂにおける入射角度を間違って関連付け、それにより距離を誤って決定することになるであろう。

加えて、マクロピクセル内のサブピクセルを介した受光信号分布を考慮することにすれば、図３ａにおいて当たっているのはサブピクセル３０４２であることにより、反射する対象物１８ｃは、このサブピクセル３０４２に対応する距離になければならないことを、評価ユニットが検知できる。即ち、図３ｂにおける位置に対応して配置されるべき対象物は、サブピクセル３０４２の代わりにサブピクセル３０４５に当たらねばならなかったはずである。即ち、記述している本方法の変形例によれば、距離の決定を、まずマクロピクセルを介した受光信号分布の中心を決め、そしてその前に中心が関連配置されていたマクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布に従って距離を決めることにより行う。

上記で説明した方法は、マクロピクセルを介した受光信号分布を考慮することなく対象物検知信号を決定するために、直接個々のサブピクセルに着眼するように変えることができる。光線が当たる各サブピクセルに特定の距離値を関連付けられるので、又、一般的に多数のサブピクセルが、同時に、特定の距離にあり逆向き散光する対象物により光束を受けるので、これらのサブピクセルを一つのメタピクセルにまとめることができる。

図４は、測定に使う三角測量光キー配列体用のこの種の集合回路を概略的に示す。この種の回路を、固定した配線の形態だけでなく、例えばスイッチ配置を使って、或いは対応するソフトウエアコーディングにより実現できる可変の配置によって行うこともできる。

図示していない受光レンズにより偏光された光束３８”は、ある距離で配置された同じく図示していない対象物が逆向き散光したものであり、ミクロレンズアレー２４’により受光体２８’に偏光される部分光束４０ａ”〜４０ｃ”を含む。

ミクロレンズ２６１〜２６５、マクロピクセル３２１〜３２５、サブピクセルに対する参照番号は、図３ａ及びｂに対応している。サブピクセル３０１５，３０２４，３０３３，３０４２，３０５１はメタピクセル４２１に、サブピクセル３０１６，３０２５，３０３４，３０５２はメタピクセル４２２に、そしてサブピクセル３０２６，３０３５，３０４４，３０５３はメタピクセル４２３に集合接続されており、そのとき、一つの共通メタピクセルそれぞれに集合接続されたサブピクセルには、同じ距離値が関連付けて設けられている。別のメタピクセル及び付属する集合回路の図示は、理解を優先するために行っていない。

ここでは光束３８”がサブピクセル３０２５，３０３４，３０４３に当たり、それはメタピクセル４２２に対応している。従ってメタピクセルを介して受光信号分布を決定するときには、メタピクセル中心がメタピクセル４２２のところにあるので、最終的にこのメタピクセルに対応する距離を調べるということが確認される。

逆向き散光された光束の代わりに反射された光線のみが対象物から発光される場合には、受光レンズの小さい部分のみが照射されるので、例えば部分光束４０ａ”〜４０ｃ”の一つのみが受光体２８’に当たる。しかしながら、サブピクセル３０２５，３０３４，３０４３全てがメタピクセル４２２に集合接続しているので、この部分光束４０ａ”〜４０ｃ”のいずれもが、メタピクセル４２２のところでメタピクセルを介した受光信号分布の中心を作ることになる。

更に、同じ距離に対応したサブピクセルを集合接続するだけでなく、一つの距離範囲内にある複数の距離に対応するサブピクセルを集合接続することも可能である。図４ｂでは、例として、図４ａにおける回路をこの種の変更を行って示している。

図４ａにおいてメタピクセル４２１と４２２に対応するサブピクセル及び別の斜め下方に現れる光線が当たる別のサブピクセルが、図４ｂではメタピクセル４２４に対応配置されており、他方でメタピクセル４２５には、本来メタピクセル４２３に対応配置されているサブピクセル及び別の斜め上方に現れる光線が当たる別のサブピクセルが対応配置されている。それにより、一つのメタピクセルに対応配置されている距離範囲にある対象物が、その表面特性とは関係なく、信頼できる対象物検知信号を作り出すことができる。

以上のことから、図４ｂに示す実施例では、設けているのは二つのメタピクセルのみであるので、切り替えに使う三角測量光キー配列体を実現するために、この種の配置を利用することができる。その際は、メタピクセル４２５に対応した距離範囲内にある対象物が“オン”の信号を作り出し、反対にメタピクセル４２４に対応した距離範囲内にある対象物が「オフ」の信号を作って、それが例えば機械のスイッチをオフすることになる。

図４ｂでは、図４ａで示すようにその他では同じミクロレンズ２６１〜２６３及びサブピクセル３０２５，３０３４，３０４３に当たる光束３８”が、信号をメタピクセル４２５に作り出すことになり、それにより「オン」の対象物検知信号となる。

上記で説明した配置により確実で信頼性のある対象物検知が、測定に使用する三角測量光キー配列体のときだけでなく切り替えに使用する時にも保証され、それは又、照射されるのが受光レンズの一部のみの場合でも同じである。

本方法の第二変形例により機能する三角測量光キー配列体で、二つの異なった間隔にあり専ら逆向き散光する対象物を有するものの概略図。 第二変形例により機能する三角測量光キー配列体で、逆向き散光するだけでなく反射する対象物を有するものの概略図。 本方法の第一変形例により機能する三角測量光キー配列体の部分概略図。 本方法の第一変形例により機能する三角測量光キー配列体の部分概略図。 本方法の第一変形例により機能する三角測量光キー配列体の回路概略図。 本方法の第一変形例により機能する三角測量光キー配列体の回路概略図。

符号の説明

１０…三角測量光キー配列体
１２…光源
１４…発光レンズ
１６…光束
１８ａ，ｂ，ｃ…対象物
２０ａ，ｂ…逆向き散光された光線
２２，２２’…受光レンズ
２４，２４’…ミクロレズアレー
２６ａ，ｂ，２６２〜２６５…ミクロレンズ
２８，２８’…受光体
３０，３０’…サブピクセル
３０１５〜３０５４…サブピクセル
３２ａ，ｂ，３２１〜３２５…マクロピクセル
３４…評価ユニット
３６…反射された光線
３８，３８’，３８”…受光光束
４０ａ，ｂ，ｃ…部分光束
４０ａ’，ｂ’，ｃ’…部分光束
４０ａ”，ｂ”，ｃ”…部分光束
４２１〜４２５…メタピクセル

Claims (25)

1. 光源（１２）、対象物（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）により逆向き散光及び／又は反射される光線（２０ａ，２０ｂ，３６，３８，３８’）を検知するための受光配置、及び対象物検知信号を出力するための評価ユニット（３４）を有する、三角測量理論に従って対象物を検知するための光電子装置において、
   前記受光配置が、前記対象物（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）により逆向き散光及び／又は反射される光線（２０ａ，２０ｂ，３６，３８，３８’）を偏光するための受光レンズ（２２）、前記受光レンズ（２２）の後に配置されたミクロレンズアレー（２４’，２４）、及びフォトディテクターから成るピクセルアレー（２８）を有し、かつ、各ミクロレンズ（２６ａ，２６ｂ，２６１〜２６５）が、複数のサブピクセル（３０，３０’）を有するマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）に対応して配置されること、及び
   前記評価ユニット（３４）が、前記マクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）内の前記サブピクセル（３０，３０’）を介した受光信号分布を調べるためのユニットを備えていること、
   を特徴とする光電子装置。
2. ピクセルアレー（２８，２８”）がライン形状であることを特徴とする、請求項１に記載の光電子装置。
3. ピクセルアレー（２８，２８”）が二次元アレーの形状を有していることを特徴とする、請求項１に記載の光電子装置。
4. 少なくとも検知範囲内に配置された対象物（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）が逆向き散光して受光レンズ（２２，２２’）を完全に照射する光線（２０ａ，２０ｂ，３８，３８’）を、隣接する複数のミクロレンズ（２６ａ，２６ｂ，２６１〜２６５）により偏光可能であり、これらのミクロレンズ（２６ａ，２６ｂ，２６１〜２６５）に対応して配置されたマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）内で、マクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）特に複数の個別サブピクセル（３０，３０’）を備えた部分範囲に、焦点を合わせる又は偏光できるように、受光レンズ（２２，２２’）及びミクロレンズ（２６ａ，２６ｂ，２６１〜２６５）の焦点距離及び／又は開口（アパーチャ）を選択していることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の光電子装置。
5. 規定の距離に配置した対象物（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）により逆方向に散光及び／又は反射され光線（２０ａ，２０ｂ，３６，３８”）が当たるサブピクセル（３０，３０’）又はマクロピクセルのサブピクセルを介した受光信号分布の特徴位置のそれぞれに、対応する距離の値を関連付けていることを特徴とする、前記請求項のいずれかに記載の光電子装置。
6. 同じ距離の値を関連付けているピクセルアレー（２８，２８’）の複数のサブピクセル（３０，３０’）それぞれを、一つのメタピクセル（４２１〜４２５）にまとめていること、及び／又は同じ距離範囲を関連付けているピクセルアレー（２８，２８’）の複数のサブピクセルそれぞれを、一つのメタピクセル（４２１〜４２５）にまとめていることを特徴とする、請求項５に記載の光電子装置。
7. 種々の距離の値及び／又は距離範囲を関連付けている複数のメタピクセル（４２１〜４２５）が設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の光電子装置。
8. サブピクセル（３０，３０’）を固定して接続していることを特徴とする、請求項６又は７に記載の光電子装置。
9. サブピクセル（３０，３０’）を可変状態で接続していることを特徴とする、請求項６又は７に記載の光電子装置。
10. 対象物検知信号を、マクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）を介した受光信号分布に従って、及び／又は少なくとも一つのマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）のサブピクセル（３０，３０’）を介した受光信号分布に従って、及び／又はメタピクセル（４２１〜４２５）を介した受光信号分布に従って作ることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の方法を機能させるための方法。
11. マクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）を介した受光信号分布に従って決めた対象物検知信号を、少なくとも一つのマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）のサブピクセル（３０，３０’）を介した受光信号分布に基づいて修正することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. マクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）を介した受光信号分布に従って決めた対象物検知信号を、メタピクセル（４２１〜４２５）を介した受光信号分布に基づいて修正することを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 対象物検知信号を、対象物検知のために使用する複数のメタピクセル（４２１〜４２５）を介した受光信号分布のみに従って作ることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 対象物検知信号を、受光信号分布の特徴位置に従って作る、及び／又は修正することを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれかに記載の方法。
15. 対象物検知信号を、規定の検知範囲内にある対象物（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）に基づいて、二元信号として作ることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 二元出力信号が、メタピクセル（４２１〜４２５）を介した受光信号分布の特徴位置の関数であることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
17. 互いに反対の二つの状態及び／又は状態範囲が、二つのメタピクセル（４２１〜４２５）のそれぞれ一つに関連配置されていること、及び二元信号が、そのときに照射されたメタピクセル（４２１〜４２５）に従った状態を取ることを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
18. 対象物検知信号を、アナログ及び／又はデジタルの距離信号として作り、その信号が対象物（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）の受光配置及び／又は光源（１２）からの距離に対する量であり、そして受光信号分布の特徴位置の関数であることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれかに記載の方法。
19. マクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）のサブピクセル（３０，３０’）が基本的に対称的な信号分布を有している時に、対象物検知のためにマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）から送られる受光信号を使用すること、及びマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）のサブピクセル（３０，３０’）が基本的に非対称的な信号分布を有している時に、対象物検知のためにマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）から送られる受光信号を使用しない、又は修正ステップを行った後にのみ使用することを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の装置を機能させるための方法。
20. 対象物検知信号を、対象物検知のために使用する複数のマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）を介した受光信号分布に基づいて決め、そのときマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）の信号それぞれを、そのサブピクセル（３０，３０’）について合計することにより調べることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
21. 対象物検知信号を、対象物検知のために使用する複数のマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）を介して調べたピクセルアレー（２８，２８’）内の受光信号分布の特徴位置に従って作ることを特徴とする、請求項１９又は２０に記載の方法。
22. 対象物検知信号を、規定の検知範囲内にある対象物（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）に基づいて、二元信号として作り、そのとき出力信号が、ピクセルアレー（２８，２８’）内の受光信号分布の特徴位置の関数であることを特徴とする、請求項２０又は２１に記載の方法。
23. 対象物検知信号を、検知した対象物に基づいたアナログ及び／又はデジタルの距離信号として作り、そのとき距離信号の大きさが対象物（１８ａ，１８ｂ，１８ｃ）の受光配置及び／又は光源（１２）からの距離に対する量であり、そしてピクセルアレー（２８，２８’）内の受光信号分布の特徴位置の関数であることを特徴とする、請求項２０又は２１に記載の方法。
24. 対象物検知信号が、サブピクセル（３０，３０’）を介した基本的に非対称的な受光信号分布を有する少なくとも一つのマクロピクセル（３２ａ，３２ｂ，３２１〜３２５）の検知の間に、その最終値を検知の直前に含んでいることを特徴とする、請求項１９〜２３のいずれかに記載の方法。
25. 受光信号分布の形状的な中心又は最大値を、受光信号分布の特徴位置として決めることを特徴とする、請求項１０〜２４のいずれかに記載の方法。

Images