JP2012068242A - 光格子及び物体認識方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光格子において、頑強且つ簡単な光学的同期を実現する。
【解決手段】多数の発光素子（１４）及び該発光素子（１４）を作動させるための発光コントローラ（２４）を含む発光ユニット（１２）、並びに、発光素子（１４）に対応する多数の受光素子（１８）及び該受光素子（１８）に接続された解析ユニット（２６）を含む受光ユニット（１６）を備え、１つの発光素子（１４）から出力された光線（２０）の遮断を解析ユニット（２６）により認識することが可能であり、前記光線（２０）を利用して解析ユニット（２６）と発光コントローラ（２４）との光学的な同期が行われる光格子（１０）を提供する。本発明では、発光コントローラ（２４）が、複数の発光素子（１４）、特に全ての発光素子（１４）から並列的に同期信号を送出するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の光格子、及び請求項１０のプレアンブルに記載の光格子による物体検出方法に関する。

光格子は多数の発光素子及びそれらに対向する多数の受光素子を備える。これらの素子は、１つの発光素子と１つの受光素子からなるペアがそれぞれ光学的な遮断器を構成するように配置され、その遮断器により、発光素子から受光素子へと発射される光線が物体によって遮断されているか否かが認識される。これら多数の発光素子及び受光素子はそれぞれ発光ユニット及び受光ユニットとして構成され、この２つのユニットが対向して配置される。

光格子の重要な応用分野の１つが安全技術の分野である。この場合、平行に発射される複数の光線が一種の仮想的な壁を形成し、この壁が物体により破られたときに、例えば危険の原因となるものを安全に停止する等の措置が取られる。また、自動化技術の分野においては、遮断される光線の数に基づいて物体の広がりを測定するために光格子が用いられる。この方法により、例えばベルトコンベアに乗って移動する物体の高さを測定することができる。その精度は複数の光線の間隔によって決まる。

個々の発光素子が線状の光を出すと考えるのはあくまで理想的な話である。実際には、発光素子の出す光も、また受信素子による受光範囲も、光線を生成する光学系の開口部の角度に応じて徐々に広がる形状を成す。発光ユニットと受光ユニットを通常の間隔で配置した場合、発射光の広がりにより、受光素子が、それに対向する発光素子からの光だけでなく、隣接する発光素子からの光も受けてしまうことが多い。そこで、誤検出を避けるために、各発光素子を循環的に作動させる。このようにして、各発光素子から順番に光パルス又は光パケットを発射させるとともに、特定の時間窓にはそれに対応する受光素子だけを作動させることにより、各々の光路上に物体が存在するか否かを確認する。

そのためには、受光素子側において、いずれかの発光素子が作動している時間窓を認識し、さらにその時間窓にどの発光素子が発光しているかを知らなければならない。そのために、発光素子と受光素子が互いに同期される。その際、回路による同期と光学的な同期を区別する必要がある。

回路による同期（Leitungssynchronisation）とは、発光ユニットと受光ユニットの間に常に存在する接続を利用して、光線の発射とは無関係に同期を行うあらゆる方法を指す。この方法では、例えば解析サイクルの開始が直接的な回線接続あるいは無線接続を通じて通知される。このような動作は、いつ、どの光路で遮断が発生しても常に光路の状態を認識できることが重要となる自動測定型の光格子で採用される。ただし、そのようにすると、ユーザ側での組み立てや配線に費用がかかったり、製造コストが高くなったりするという問題がある。

光学的な同期（Optische Synchronisation）は、発光素子と受光素子の間に必然的に存在する接続、つまり光線を利用する。この場合、データ送信は通常、一方向的であり、発光素子がそのマスタの役割を果たす。光学的な同期には様々な方法が知られているが、そのほとんどは１つの光路を同期専用の特別な光路として利用する。従って、この光路に物体が存在すると同期が取れなくなり、測定型の光格子が正しく機能しなくなる。

単に光格子の監視領域における物体の有無を認識するだけのスイッチ型の装置の場合、上記の問題は発生しない。即ち、同期用の光路が遮断されたとしても、そのことから物体の存在が正しく認識されるため、単なる二値的な物体検出信号を出力する上で、他の光路の遮断状態が分からなくても問題はない。しかし、どの光線が遮断されたかを確認する必要がある場合は、同期用の光路を常に開放しておかなければならない。

光学的な同期の試みは従来より数多く成されているが、長いサイクルにわたる高コストの符号化が必要だったり、同期に複数のサイクルを要するために時間がかかったりするという問題がある。

光遮断器の発光素子を識別するための装置が特許文献１に開示されている。この装置では、受光素子が、特定のデータパターンを循環的に出射する発光素子だけに反応する。これにより、受光素子がそれに対応する発光素子とは別の発光素子に反応することが防止されている。しかし、特許文献１にはその同期を達成する方法についての説明はない。

特許文献２には、光格子の受光ユニットにおいて、受信した光のパターンを基本パターンと相関させることが記載されている。この方法では、２つのパターンの相互のずれの大きさを位相位置として同期に利用する。しかし、物体が存在しているときに、信頼性の高い相関を行うために十分な数の光路が開放されていなければ、そのような同期方法は機能しない。

特許文献３に記載されている光格子の駆動方法では、各光線が光学的な同期のために一意に識別される。この方法では、１つの受光素子にそれに対応する識別情報が登録されればすぐに同期が行われる。しかし、個々の光線を識別するには、光路中に発射する信号にそれだけ長大な符号を与える必要がある。そうすると発光時間がかなり長くなり、その結果、サイクルの周期が長くなり、発光素子の電流消費量が増大する。光軸毎に光線を識別することは特許文献４に記載の技術でも行われている。

DE 100 46 136 A1 DE 10 2006 059 370 A1 DE 10 2005 047 776 B4 DE 43 38 978 C2

本発明の課題は、光格子において、頑強且つ簡単な光学的同期を実現することである。

この課題は、請求項１に記載の光格子及び請求項１０に記載の光格子による物体検出方法により解決される。その解決策の基礎を成す技術思想は、光格子に設けられた複数の光路（場合によっては全ての光路）を同期に利用することにある。従来技術とは異なり、本発明では、各発光素子を順番に排他的に作動させるのではなく、発光コントローラにより複数の発光素子を並列的に（すなわち時間的に部分的に重なった形で、あるいは同時に）作動させて同期信号を送出する。この同期信号は、それが同期信号であることを解析ユニットが認識できるような任意のパルス又はパルス列である。ただし、同期信号の中に光路の識別情報を符号化して埋め込むことはせず、全ての光路に同一の同期信号を用いることが好ましい。このようにすれば、非常に簡単な符号を利用できるようになり、単一のパルスですら十分である。

本発明には、監視領域において物体により何本の光路が遮断されようとも光学的な同期が行われるという利点がある。たとえ全ての光路が遮断されても、それが意味する状態、すなわち、全ての光線を遮断するような物体が明らかに存在しているということが、明確に認識される。この場合、同期はもはや不可能であるが、それでも正しい検出結果が出力される。この方法では、同期信号により各サイクルの開始時点を符号化するだけでよいため、個々の光路の光線を識別する複雑な符号化を行う必要がない。従って、いずれの光線が遮断されても、光線の状態が明確に且つ短い周期で認識される。同期は１サイクルの中で行われる。

発光コントローラは、各発光素子から物体認識信号が前記同期信号に対して発光素子毎に異なる時間のずれをもってそれぞれ送出されるように、各発光素子を制御するような構成にすることが好ましい。この物体認識信号は光格子の本来の駆動信号であり、これにより光路内の物体が認識される。その際、個々の発光素子と受光素子の対応関係を間違えないようにするため、各物体認識信号は時間多重化法により互いに時間的なずれをもって送出される。物体認識信号は同期信号とは符号のパターンが異なる。その一方、同一の物体認識信号を全ての光路に用いることにより、個々の光路の識別を不要にすることが好ましい。これにより、非常に簡単で短い符号を利用することが可能になる。

ｉ番目の発光素子の発光信号は、同期信号と、該同期信号から時間単位ｉ個分だけ遅れた物体認識信号を含むことが好ましい。このようにすると、同期信号に続いて物体認識信号が一定の時間間隔で出力され、各光路は、例えば光格子内での配置の順に上から下へと作動する。この作動方式は簡単であり、後で論理的に正しく動作を追跡することできる。ただし、光路に付与する番号は前記のような簡単な連番とは異なっていてもよい。更に、光路間の時間間隔を不規則にすることも考えられる。

同期信号及び／又は物体認識信号の信号形態は全ての発光素子に対して同一であることが好ましい。信号形態、すなわち発光信号の振幅変化は、符号化に利用できる。ただし、本発明では個々の光路毎に符号を定めるのではなく、単に同期信号と、全ての光路に共通に用いられる物体認識信号とを区別できるようにするだけである。原理的には、同期信号に単一のパルスを使い、物体認識信号にはそれより長いパルス又は二重パルスを用いれば十分である。当然のことながら、他の符号化法も利用可能である。

発光コントローラは、共通の同期信号及び相互に時間的なずれを持つ複数の物体認識信号から成る発光パターンが循環的に繰り返され、その際、特に同期信号が各サイクルの開始時点に送出されるように構成されることが好ましい。この場合、発光ユニットは、例えば、まず同期信号を全ての光路に同時に送出した後、各光路に時間のずれをもって物体認識信号を送出する、というサイクルを繰り返し実行する。

解析ユニットは、同期の確立前には複数の受光素子、特に全ての受光素子で光線を同時に受信するように構成されることが好ましい。この場合、同期が確立されるまで、受光ユニットは複数又は全ての受光素子で光を待ち受ける。

解析ユニットは、発光コントローラと同期し、いずれかの受光素子上で受信された同期信号の受信時点に基づいて認識サイクルの開始時点を決定することが好ましい。少なくとも１つの光路上で同期信号が受信されれば、すぐに同期が行われる。合わせて、同期信号を受信した時点がサイクルの開始時点に設定されるが、もし同期信号がサイクルの開始時点にない場合は、一定の時間的オフセットを計算に入れればよい。

解析ユニットは、同期の確立後、各時間区間において物体認識信号を送出している発光素子に対応する受光素子だけを選択的に作動させるように構成されることが好ましい。この場合、各光路が循環的に走査され、その間、その時点で信号を出すことになっている発光素子に対応する受光素子だけが時間多重化により個別に作動する。これにより、ある受光素子がそれに対応する発光素子とは別の発光素子を誤って登録してしまい、その結果、自己の光路上の物体を見落としてしまう、ということが回避される。このような処理のためにはサイクル自体を同期させるだけで十分である。なぜなら、本発明の光格子では１サイクル内での動作スケジュールを予め決めておくことができるため、どの時間窓に発光ユニットのどの発光素子が作動するか、解析ユニット側で事前に知ることができるからである。

本発明の光格子は、遮断状態にあると認識された光線に基づいて物体の広がりを測定し、その広がりを示す測定信号を解析ユニットから出力することができる、測定型の光格子として構成することが有利である。単なるスイッチ型の光格子の場合とは異なり、測定型の光格子では、どの光線が遮断されているか、あるいは、例えば遮断された光線のうち最も高い位置にあるのはどれかを判定することができる。これにより、物体の広がりの一次元的な測定が可能となり、更に、光格子を適切に組み立てれば、物体の高さや、さらに一般的に、光線が出射される平面内において個々の光線に垂直な方向の物体の広がりを測定することが可能になる。

本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような効果をもたらす特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に記載されているが、それらに限定されるものではない。

以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照ながら詳しく説明する。図面の内容は以下の通りである。

光格子の概略断面図。 本発明の実施形態における、図１に示した光格子の光路に送出される光線のパターンの時間的な推移を示すチャート。 図２に示した発光パターンに対する受光パターンの時間的な推移の模範例を示すチャート。

図１は光格子１０の概略的なブロック図である。多数の発光素子１４を有する発光ユニット１２と多数の受光素子１８を有する受光ユニット１６が対向して配置されている。各発光素子１４から、それに対応する受光素子１８に向けて、それぞれ光線２０が発射される。このように光格子１０には、発光ユニット１２と受光ユニット１６の間の監視領域２２内の物体を認識するために、多数の光線１０の出射により多数の光路が形成される。なお、図示していないが、光線２０を形成するための、あるいは、徐々に広がる特定の受光範囲の内側だけに的を絞って光線２０を受光素子１８に導入するための絞り又はそれに類する素子を備える光学系を、発光素子１４及び受光素子１８に対して配置してもよい。

発光ユニット１２内では、発光素子１４の動作を制御するとともに、発光素子１４に特定の形状の信号を送出させるために、発光コントローラ２４が全ての発光素子１４に直接又は間接的に接続されている。一方、受光ユニット１６には、受信信号の解析及び評価を行うために、全ての受光素子１８に直接又は間接的に接続された解析ユニット２６が設けられている。解析ユニット２６は、前記受信信号に基づいて、遮断された光線２０とそれ以外の光線２０とを識別する。

本明細書の冒頭で説明した従来の物体認識方法の場合、発光素子１４は連続的に発光するのではなく、受光ユニット１６における受信信号の識別に曖昧さが生じないようにするために、循環的に順番に発光する。そのため、図１の破線で示したように、発光コントローラ２４及び解析ユニット２６の間で光学的な同期が行われる。

本発明に係る光学的な同期について、図２及び図３に基づき以下に説明する。図２は各光路における発光パターンＳ１〜ＳＮの時間的推移を示し、図３は各光路における受光パターンＥ１〜ＥＮの時間的推移の模範例を示している。

本発明の模範的な一実施形態においては、発光素子１４が図２に描いたようなパターンで連続的に光を発する。サイクル開始の合図は、「Ｃｏｄｅ１」というラベルを付した一意のパルス列から成る同期信号（サイクル開始信号）により行われる。この同期信号は全ての発光素子１４から同時に送出される。それに続いて、各発光素子１４は、それぞれに応じた時間的なずれをもって物体認識信号「Ｃｏｄｅ２」を送出する。例えば、図２に示したように、まず１番目の光路に物体認識信号を送出した後、時間をずらして２番目〜Ｎ番目の光路にも物体認識信号を順次送出する。物体認識信号と同期信号はそのパルス形状によって区別することができる。以上のようなもの以外に、同期信号及び物体認識信号に対する要求事項はない。

解析ユニット２６が同期していない段階では、全ての受光素子１８が同時に受信動作を行うように制御が行われる。図３は、最も外側の光路Ｋ１及びＫＮを除く全ての光路が物体により遮断されたときの受光パターンＥ１〜ＥＮの模範例を示している。解析ユニット２６は、少なくとも１つの光路Ｋｉにおいて同期信号を受信できたかどうかを調べる。受信できた場合、受光素子１６側でサイクルの開始時点を認識できるから、同期が成功したことになる。

その際、強い光の照射により、１つの受光素子１８が複数の発光素子１４から光を受け取るということが簡単に起こり得るが、これは上記の同期処理にとって好都合である。なぜなら、そもそも同期のために重要なのは特定の発光素子１４からの同期信号を受信することではなく、いずれかの同期信号を記録してその受信時点を確定することだからである。

同期が確立されたら、解析ユニット２６は運転段階へ移行する。この段階に入ると、各受光素子１８は、それに対応する発光素子１４がそれ自身の光路に実際に物体認識信号を送出している時間にのみ、作動又は解析の対象として選択される。解析ユニット２６側では、その時間窓が同期信号に基づいて予め分かっている。それゆえ、光格子１０は正しい動作スケジュールで循環的に解析を行うことができる。

上記処理における通信は通例、一方向である。というのも、もし逆方向の通信も可能であれば、ほとんどの場合、その通信路を同期に利用する方が簡単だからである。一方向通信の場合、発光コントローラ２４側では、同期が行われているかどうか、あるいはいつ同期が行われるかが分からない。その上、同期が確立されるまでに出力される互いに時間的にずれた物体認識信号、及び同期が確立された後に同時に出力される同期信号は、基本的に不必要である。しかし、発光コントローラ２４は同期に関する情報を一切持っていないため、図２に示した発光パターンで定常的に信号を出し続ける。

Claims (10)

1. 多数の発光素子（１４）及び該発光素子（１４）を作動させるための発光コントローラ（２４）を含む発光ユニット（１２）、並びに、前記発光素子（１４）に対応する多数の受光素子（１８）及び該受光素子（１８）に接続された解析ユニット（２６）を含む受光ユニット（１６）を備え、１つの発光素子（１４）から出力された光線（２０）の遮断を前記解析ユニット（２６）により認識することが可能であり、前記光線（２０）を利用して前記解析ユニット（２６）と前記発光コントローラ（２４）との光学的な同期が行われる光格子（１０）において、
   前記発光コントローラ（２４）が、複数の発光素子（１４）、特に全ての発光素子（１４）から並列的に同期信号を送出するように構成されていること
   を特徴とする光格子（１０）。
2. 前記発光コントローラ（１４）が、各発光素子（１４）から物体認識信号が前記同期信号に対して発光素子（１４）毎に異なる時間のずれをもってそれぞれ送出されるように、各発光素子（１４）を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光格子（１０）。
3. ｉ番目の発光素子（１４）の発光信号が、前記同期信号と、該同期信号から時間単位ｉ個分だけ遅れた物体認識信号を含むことを特徴とする、請求項２に記載の光格子（１０）。
4. 前記同期信号及び／又は前記物体認識信号の信号形態が全ての発光素子（１４）に対して同一であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の光格子（１０）。
5. 前記発光コントローラ（２４）が、共通の同期信号及び相互に時間的なずれを持つ複数の物体認識信号から成る発光パターンが循環的に繰り返され、その際、特に前記同期信号が各サイクルの開始時点に送出されるように構成されていることを特徴とする、請求項２〜４のいずれかに記載の光格子（１０）。
6. 前記解析ユニット（２６）が、同期の確立前には複数の受光素子（１８）、特に全ての受光素子（１８）で光線（２０）を同時に受信するように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の光格子（１０）。
7. 前記解析ユニット（２６）が前記発光コントローラ（２４）と同期し、いずれかの受光素子（１８）上で受信された同期信号の受信時点に基づいて認識サイクルの開始時点を決定することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の光格子（１０）。
8. 前記解析ユニット（２６）が、同期の確立後、各時間区間において物体認識信号を送出している発光素子（１４）に対応する受光素子（１８）だけを選択的に作動させるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の光格子（１０）。
9. 遮断状態にあると認識された光線（２０）に基づいて物体の広がりを測定し、その広がりを示す測定信号を前記解析ユニット（２６）から出力することができる、測定型の光格子として構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の光格子（１０）。
10. それぞれ１つの発光素子（１４）と１つの受光素子（１８）の間に発射される多数の光線（２０）のうち、どの光線（２０）が物体により遮断されているかを調べ、前記発光素子（１４）に対して設けられた発光コントローラ（２４）と前記受光素子（１８）に対して設けられた解析ユニット（２６）との光学的な同期を行うような、光格子（１０）を用いた物体検出方法において、
    複数の発光素子（１４）、特に全ての発光素子（１４）から並列的に同期信号を出力すること
    を特徴とする物体検出方法。

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