JP2008032707A - 測距計 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、光源（２）の光をそれと並べられた発光光学系を使って測定領域（５）に向ける発光照射ユニット（１）と、測定領域（５）内にある対象物の像を検知アレー（１２）上に作り出す受光光学系（１１）から成る受像装置（１０）とを有する光電式測距計に関する。
【解決手段】 発光照射ユニット（１）に使用される発光光学系が、測定距離の違いに応じて異なる照射光線形を対象物に作り出す光束形成光学系（４．２）を備える。対象物での照射光線形の結像から、測距計までの対象物距離に対する距離情報を信号処理ユニットにおいて作り出す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源の光をそれと並べられた発光光学系を使って測定領域に向ける発光照射ユニットと、測定領域内にある対象物の像を検知アレー上に作り出す受光光学系及び検知アレーによる受光信号を評価する信号処理ユニットから成る受像装置とを有する光電式測離計に関する。

この種の光電式測距計は、例えば、所定の測定領域内における測距計までの対象物の距離を、光電式方法で測定するために使用される。この方法により、例えば、コンベアベルト上にある対象物を大きさに従って分類し、或いは容器の充填状態を検知してセンターに通報することができる。

この目的に対して、公知の光電式測距計は使用される技術により大きく２つのグループに分類することができる。その測定器グループの１つは、三角測量方法により距離を測定する（例：DE 35 13 671 C2）。三角測量方法では、測距計から光束が対象物の方向に発光される。光束が対象物に当たった後、この光束の一部がある分散角度範囲で反射される。分散角度範囲内からの一部が、発光装置から規定の間隔で設けられた受光装置により受光される。ここで、三角測量測定器に使用される受光装置は、対象物で反射された光がどの角度で受光装置に入光したかを確認する。

この場合、発光装置、対象物、受光装置が三角形を形成しており、そこではベース（即ち、発光装置と受光装置との間の距離）が既知である。

従って、受光装置を使って測定した発光・受光光線間の角度から、対象物までの距離を決定することができる。

第二のグループは、距離測定のために光線移動時間を利用する。例えばDE 40 02 356 C1に記載されているように、光源から光線が測定領域に発光される。この光線が対象物に当たると、一定の部分量が再び来た方向に反射される。光源のすぐ近くに受光装置が配置されており、この受光装置が対象物で反射された光を受光して電気信号に変換する。そして、発光と反射光の受光との間の時間から、光の速度を考慮して、測距計までの対象物の距離を測定することができる。この光線移動時間方法により距離を測定するために、DE 40 02 356 C1に記載の位相測定方法だけでなく、例えばDE 43 40 756 C2に記載されているパルス移動時間方法も使用される。

ここでいう用語「光」は、可視光線に制限されるものではない。通常用いられる光電式センサーに使用可能な一般の電磁的な光線（即ち、紫外線、赤外線、及び可視光線）を「光」として考える。

三角測量方法により測定を行う公知の測距計の欠点は、測定器において特に発光装置と受光装置との間のベースとなる距離が小さい場合、測定精度が非常に低くなる、ということである。しかし、測定精度を上げるためにベースの間隔を大きくすると、測距計の構造が著しく大きなものになる。光線移動時間を使って対象物距離を測定（パルス移動時間又は位相測定）する測距計では、非常に短い時間を高精度で測定しなければならず、製造コストが非常に高価なものとなるため、この種の測距計はコスト的理由から余り使用されない。
DE 35 13 671 C2 DE 40 02 356 C1 DE 43 40 756 C2

本発明に課せられた課題は、広い測定領域内にある対象物の距離を測定できるもので、構造的に小さくかつコスト的に有利な測距計を達成することである。

この課題は、冒頭で述べた光電式測離計において、発光光学系が、測定距離の違いに応じて異なる照射光線形を対象物に作り出す光束形成光学系を備えること、及び、測離計までの対象物距離に対する距離情報を前記照射光線形の結像から作り出すための手段が、信号処理ユニットに設けられること、により解決される。ここでは、光電式測距計の発光照射ユニット内にある発光光学系に、光束形成光学系が設けられる。これにより、測定領域にある対象物に、測定距離に応じて異なる照射光線形が作り出される。この場合、好ましくは隣接して配置した受像装置内で、照射された対象物からの像を受光光学系を介して結像する。受光光学系の焦点面には検知アレーがあり、これを使って光学的な結像を対応する電気信号に変換する。この検知アレーによる受光信号を信号処理ユニットに送るが、そのユニットには、測距計までの対象物距離に対する距離信号を照射光線形の結像に基づき発生する手段が設けられる。

本発明の利点は、光束形成光学系を使用することにより、発光照射ユニットにより対象物にできた照射光線形が、距離の増加と共に変化することにある、ということがわかる。非常に高い分解能を有する受像装置により、この距離によって決まる照射光線形を検知して評価する。従って、簡単な形式及び方法により距離情報を得ることができる。

利点ある実施形態では、光束形成光学系が、空間的に分割された複数の、しかし１つの全体軸に収斂する複数ゾーン配置でできている。ここでは、このゾーンのそれぞれが他のゾーンとは異なる光束形成特性を有する。これにより、独自の光束断面形状を有する部分照射光束が各光束形成光学系に作り出される。光束形成光学系からの距離が進むにつれ、この部分照射光束又はこの異なる光束断面が、全体として照射方向において全く特徴的な光束断面を示す照射光束となるよう重ね合わされる。

光束形成光学系の個々のゾーンが、円弧又はリングのように回転方向で対称的な形状を有すると好ましい。これにより発生する発光照射光束が異なる照射光線形を、全距離に亘って対称的に変えることが保証される。

本発明の特別な実施形態では、光束形成光学系における各ゾーンに円筒レンズが配置されており、この円筒レンズの各々は、他の円筒レンズとは異なる焦点距離及び円筒レンズ軸を有する。これにより、例えば、平行光線が光束形成光学系の各ゾーンにより別の距離で細線形状を作り出す。この場合、光の各細線形状は、回転方向において別の方向を向いている。

本発明の別の変形例では、光束形成光学系に回折光学要素（ＤＯＥ）が使用される。回折光学要素は、例えば型成形方法により安価に製造できる。このため、光束形成光学系に回折光学要素を使用することにより、区分した距離ステップで異なる光線断面形状、延いては異なる照射光線形を有する照射光束を、安価に作り出すことができる。

本発明による別の構成では、光束形成光学系を使い、種々のバーコード形を種々の距離に結像するようにしている。バーコード形態を有する照射光線形を使用することにより、それぞれの距離情報を事前に照射光線形に盛り込むことが可能である。これにより、照射光線形の結像から距離情報を得る際の信号処理がかなり簡単になる。

本発明の実施例を図面に示しており、以下において図を使って詳細に説明する。

図１の概略断面図は、発光照射ユニット１及び受像装置１０を示す。ここで、発光照射ユニット１及び受像装置１０は互いに近接して配置されているため、発光照射ユニット１と受像装置１０との間で作られる光学軸の角度はごく小さい。但し、理論的には、光束分割ミラー又は幾何的脱着ミラーを使い、発光照射ユニット１と受像装置１０を互いに分離し、その光学軸を測距計の外で平行に走らせることも可能である。発光照射ユニット１は、光源２及びそれと並べられた投光光学系を備える。光源２は半導体光源（即ち、レーザー又はＬＥＤ）であると好ましいが、別の光源が使用できることを排除するものではない。図１に示す例における投光光学系は、コリメータレンズ３と、投光レンズ４．１及び複数ゾーンレンズ４．２を組み合わせた二部品構成の光束形成光学系とからできている。コリメータレンズ３及び光束形成光学系が、光源２から発光された光を測定領域５に照射する。

受像装置１０の基本的な構成部品は、受光光学系１１及び二次元の検知アレー１２である。検知アレー１２は、例えばＣＭＯＳ技術又はＣＣＤ技術でマトリックス状に構成した多数の光感応要素でできている。受光光学系１１が、光束形成光学系４の前にある測定領域５に存在する対象物を、検知アレー１２に結像する。受光光学系１１は、大きな分解能を有するように構成されている。即ち、全測定領域５内にあるいずれの対象物も、十分なシャープさで検知アレー１２上に結像される。これを達成するために、受光光学系１１は、例えば、小さい数値のアパーチャを有し、或いは、高い分解能を有する適合された光学系として構成される。

二部品構成である光束形成光学系における複数ゾーンレンズ４．２の平面図（図２）は、この例において、複数ゾーンレンズ４．２が幾何学的に同じ大きさの四分割円Ｚ１〜Ｚ４に分けられていることを示す。各四分割円Ｚ１〜Ｚ４が１つのゾーンに対応し、それぞれに円筒レンズが設けられる。この場合、４つの四分割円状ゾーンＺ１〜Ｚ４は、前記円筒レンズがそれぞれ異なる焦点距離及び異なる円筒レンズ軸を有することで互いに異なっている。従って、例えば、四分割円ゾーンＺ１の円筒レンズが最短の焦点距離を有し、この円筒レンズの軸が垂直方向に延伸するのに対し、四分割円ゾーンＺ４の円筒レンズは最長の焦点距離を有し、この円筒レンズの軸は水平方向に延伸する。

この四分割円状のゾーンＺ１〜Ｚ４における異なる円筒レンズの、測定領域５内に発光された光の光束断面に対する光学的作用について、図３を使って詳細に説明する。既に述べたように、四分割円ゾーンＺ１の円筒レンズは最短の焦点距離を有しており、この円筒レンズの軸は垂直方向に延伸する。これは次のことを意味する。即ち、円筒レンズにおいて最大で作用する主断面が水平方向に延伸するのに対し、円筒軸として表される最小で作用する主断面は垂直方向にある、ということである。このことから、光源２から出て光束形成光学系の四分割円ゾーンＺ１を通った部分光は、距離Ｓ１においては垂直方向で細線形状の照射光線となる。この時、四分割円ゾーンＺ２〜Ｚ４を通る部分光は、この垂直方向で細線形状の照射光線に重なる。なお、四分割円ゾーンＺ２〜Ｚ４から出た部分光の断面は距離Ｓ１において比較的大きく、垂直方向における細線形状の照射光線のコントラストは幾分弱まるが、重大な問題を引き起こすものではない。

この四分割円ゾーンＺ１の例で説明した状況に類似したことが、他の四分割円ゾーンでも起きる。ここで使用される円筒レンズの屈折率は順番に小さくなっており、それぞれ４５°ずつ円筒レンズ軸が回転して設けられている。従って、距離Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４においても、それぞれ異なる方を向いた細線形状の照射光線が現れる。中間領域（即ち、例えばＳ２とＳ３の間）では、シャープでない一定の範囲を有する照射光線形が、１つの照射光線の細線方向から別の細線方向に連続して変化する。

つまり、対象物が測定領域５内にある場合、この対象物に、測距計までの距離に応じて異なる照射光線形を作り出す。受光光学系１１がこの照射光線形を検知アレー１２に結像することにより、受像装置１０がこの照射光線形を検知する。全測定領域５に亘って十分な質で結像を行うことができるよう、受光光学系１１は大きな分解能を有する。

検知アレー１２に結像された、距離により決まる照射光線形は、図示しない信号処理ユニットに送られる。この信号処理ユニットでは、画像処理方法を使い、現在の照射光線形方向がいずれであるかを調べる。こうして、測距計は、事前に記憶した線のサンプルと比較して、測距計までの対象物の距離を調べる。

発光照射ユニットと受像装置とを有する光電式測距計の概略断面図。 ４ゾーン光学系の実施例における光束形成光学系の概略平面図。 測距計までの距離に従い変化する照射光線形の概略平面図。

Claims (7)

1. 光源の光をそれと並べられた発光光学系を使って測定領域に向ける発光照射ユニットと、
   測定領域内にある対象物の像を検知アレー上に作り出す受光光学系、及び検知アレーによる受光信号を評価する信号処理ユニットから成る受像装置と、
   を有する光電式測離計において、
   発光光学系が、測定距離の違いに応じて異なる照射光線形を対象物に作り出す光束形成光学系を備えること、及び
   測離計までの対象物距離に対する距離情報を前記照射光線形の結像から作り出すための手段が、信号処理ユニットに設けられること、
   を特徴とする光電式測離計。
2. 請求項１に記載の光電式測離計において、光束形成光学系が、空間的に分割された複数の、しかし１つの全体軸に収斂する複数ゾーン配置でできており、かつ、各ゾーンが他のゾーンとは異なる光束形成特性を有していることを特徴とする光電式測離計。
3. 請求項２に記載の光電式測離計において、個々のゾーンが、円弧又はリングの形状を有することを特徴とする光電式測離計。
4. 請求項２に記載の光電式測離計において、各ゾーンに、他の円筒レンズとは異なる焦点距離及び円筒レンズ軸の円筒レンズが関連配置されることを特徴とする光電式測離計。
5. 請求項４に記載の光電式測離計において、複数ゾーン光学系が対象物に、対象物距離に応じて異なる回転方向を有する細線形状の照射光線形を作り出すことを特徴とする光電式測離計。
6. 請求項１に記載の光電式測離計において、光束形成光学系が回折光学要素であることを特徴とする光電式測離計。
7. 前記請求項のいずれかに記載の光電式測離計において、光束形成光学系が、対象物に、対象物距離に応じて異なるバーコードの照射光線形を作り出すことを特徴とする光電式測距計。

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