JP2014137374A - 距離測定光電センサおよび物体の距離測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パルス平均法を用いた改善された距離測定方法を提供すること。
【解決手段】 投光ビーム（１６）を投光するための投光器（１２）と、監視領域（２０）内の物体によって拡散反射または反射された投光ビーム（２２）から受光信号を生成するための受光器（２６）と、受光信号をサンプリングするためのＡＤ変換器（３４）と、評価部（３２）とを備えた、監視領域（２０）内の物体の距離測定のための距離測定光電センサ（１０）が提示される。投光ビーム（１６）は互いに連続する多数の投光パルスを有し、評価部（３２）は、投光パルスから生じる、サンプリングされた受光信号内の多数の受光パルスを和信号において加算し、和信号から受光時点を決定し、それにより光伝播時間法を用いて物体距離を測定する。評価部（３２）は受光時点の決定のために和信号をフィルタリングするためのデジタル・フィルタを備え、該フィルタは受光パルスに適合した最適フィルタである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１あるいは９のプリアンブルに記載の、距離測定光電センサおよび監視領域内の物体の距離測定方法に関する。

光電子式距離測定センサは、単一ビームのセンサとして知られており、光伝播時間法により、標的までの距離または物体までの距離を監視区間の縦方向に測定するために用いられる。より広い角度領域内の物体距離を検出する、または物体輪郭を測定するためには、レーザ・スキャナが使用される。レーザ・スキャナでは、強力な光源、通例はレーザによって生成されたビームが、偏向部を用いて監視領域を周期的に走査する。光は監視領域内の物体に当たって拡散反射され、スキャナにおいて評価される。偏向部の角度位置から物体の角度位置が、および光伝播時間から光の速度を用いてレーザ・スキャナから物体までの距離が加えて推測される。角度情報および距離情報を用いて、監視領域内の物体の位置または物体の輪郭が二次元の極座標において検出される。

このような測定用途の他にも、レーザ・スキャナは安全技術において、例えば危険性のある機械に代表されるような危険源の監視に使用される。この種の安全レーザ・スキャナが、特許文献１より知られている。この発明では、機械稼働中に操作者の立ち入りが禁止された保護区域が監視される。レーザ・スキャナは、操作者の脚等による保護区域内への許容されない侵入を検知すると、機械の緊急停止を作動させる。安全技術に使用されるセンサは特に確実に機能しなければならず、そのため、例えば、機械安全性の基準ＥＮ１３８４９および非接触式保護装置（ＢＷＳ、Beruehrungslos wirkende Schutzeinrichtungen）の設備基準ＥＮ６１４９６等の、高い安全要件を満たさなければならない。これらの安全基準を満たすには、例えば、冗長かつ多様な電子機器による確実な電子的評価、光学的構成部品、特にフロントガラスの機能監視または特に汚染の監視、および／または対応する走査角度で検知しなければならない、反射率が定義された個々の検査標的を設ける、といった一連の措置を取らなければならない。

距離測定のために、監視領域内の表面によって拡散反射または反射される光信号の投光と受光との間の光伝播時間が測定される。従来、２つの方法、つまりパルス伝播時間法と位相法とが区別されている。パルス伝播時間法では、個別の短光パルスが投光され、パルス特性、例えばパルスの最大値に基づいてパルスの伝播時間が測定される。位相法では、光が振幅変調され、受光に対する投光の位相シフトが評価される。位相法は元々、用いられる光の変調周波数によって一意性領域が制限されているが、追加的な措置によってこの領域を拡大することができる。

通常、パルス法は個別パルス法として理解される。個別パルスの後方散乱信号の評価は、非常に効率がよく、極めて高いＳＮ比を示す。しかし、この手法は、相応に高性能で高価なレーザ光源を必要とし、また、目の安全を保証するための規定によって制限されることもある。そのため、個別パルス法がある一面では技術的に優れた性能を有しているにもかかわらず、とりわけより低コストな代替法が必要とされている。

これに関して、例えば特許文献２が採用している手法は、個別パルス法と比較してより弱い光パルスを繰り返し投光し、該光パルスの後方散乱された受光パルスを加算するというものである。ノイズ事象は偶発的に、しかし受光パルスは体系的に和信号に寄与するので、和信号では繰り返しの回数とともに有効信号が増大する一方、ノイズは平均化される。したがって、個々のパルスについては個別パルス法よりもＳＮ比が劣るが、パルス平均法では多数回の繰り返しを経て同様に良好な、また、より良好で効果的なＳＮ比が得られる。

特許文献２は、まず単極性の受光パルスを両極性信号に変換するために、狭帯域バンドパス・フィルタを使用している。これにより、両極性信号のゼロ交差に基づいて、非常に正確に受光時点を決定することができる。言い換えれば、狭帯域バンドパス・フィルタによって、いわゆる「ウォーク誤差（walk error）」が最小化される。「ウォーク誤差」は、パルスの強度に応じ、ひいては射程距離にも応じた受光パルスの形状の歪みによって生じる、受光時点の決定における誤差として理解される。ただし、「ウォーク誤差」は、強度に応じた補正表によって、少なくとも部分的に補償することができる。狭帯域バンドパス・フィルタが無くても、この補正表はデシメートル範囲内の補正値を完全に含んでいるが、特許文献２で追求されている少なくともセンチメートル範囲の距離測定の精度では、前記フィルタがなければ妥当な結果には至らないであろう。しかし、狭帯域の制限によって「ウォーク誤差」を最小化すると、有効信号の減少が避けられない。つまり、結局のところ特許文献２の方法では、バンドパスのフィルタ応答の最初の部分しか評価されない。具体的には、評価のために線形回帰を用いて最初のゼロ交差が特定される。

光伝播時間法を用いたセンサの多くは物体距離のみを測定し、そのために閾値演算により受光信号を評価する。例えば特許文献３によるレーザ・スキャナのようないくつかの装置は、この枠を超えて、サンプリングされた受光信号を保存する。続いて、デジタル信号処理において、受光信号のピークが求められ、これらのピークから、走査ビーム内に互いに前後に配置された物体の距離が算出される。それにより、例えばガラス窓までの距離と同様にその後方に配置された物体までの距離も検知される。このセンサ特性は、多重エコー対応型とも呼ばれる。しかし、特許文献２に記載されているような、狭帯域バンドパス・フィルタを用いたパルス平均法では、フィルタ応答の残振動をそれ以外の測定事象から区別することができない。したがって、このようなシステムは多重エコー対応型ではない。

DE 43 40 756 A1 EP 2 315 045 B1 EP 2 182 378 A1

このような背景の下、本発明は、パルス平均法を用いた距離測定を改善することを課題とする。

この課題は、請求項１あるいは９に記載の、距離測定光電センサおよび監視領域内の物体の距離測定方法によって解決される。その際、本発明は、多数の個別パルスが繰り返し投光されるパルス平均法に基づいている。受信信号中で各個別パルスにそれぞれ続く信号部分が加算される。その際、その都度の投光時点が、該当する信号部分を特定するための時間基準となるので、コヒーレントに、つまりその都度の受光パルスが強め合うように重畳されるような加算を行うことができる。ここで本発明の基本思想は、和信号を受光パルスに適合したフィルタ（最適フィルタ、整合フィルタ、相関フィルタ）を用いて評価するということにある。つまり、フィルタ応答として狭パルスがもたらされ、この狭パルスの位置が求められている光伝播時間にちょうど対応する。

本発明は、従来のアナログ・フィルタのフィルタ応答におけるゼロ交差の特定に比べて、距離測定の射程距離が著しく長くなるという利点を有している。評価されない信号部分、例えば残振動において、エネルギーが失われることが無いか、または少なくとも失われるエネルギーが著しく減少する。

フィルタは好ましくは、受光パルスの波形および長さに適合している。受光パルスの理想的な推移、つまり干渉の影響が無い場合の推移は、受光パスにある部品からの影響を受けた投光パルスに対応することから、原理的に分かる。代替として、評価対象の信号の典型的な推移を、多数回の繰り返しの測定によって決定してもよい。ここではフィルタの適合が重要であり、スピードが重視される測定ではないので、事実上、任意の回数の繰り返しを用いることができる。波形と長さに適合したフィルタの例は、理想化された受光パルスのスケーリングである。しかし、理想化された受光パルスの推移の典型的特性、つまり、最大値、立ち上がり・立ち下がり、ゼロ交差等を再現することで足りる場合もある。これは相関フィルタに関する例である。最適フィルタを適合させるための他の既知の方法も同様に考えられる。

受光器とＡＤ変換器との間には、好ましくは、下限周波数が５〜１０ＭＨｚであり上限周波数が２００〜２５０ＭＨｚであるバンドパス・フィルタが接続される。基本的に下限周波数は、恒明成分を除去できる程度の高さであればよい。前記の上限設定によって周波数帯が十分に広くなるので、従来技術におけるような振動が生じない。受光パルスに続くのはアンダーシュートのみであり、それが最適フィルタの適合の際に考慮される。したがって、本実施形態で使用されるバンドパス・フィルタは、「ウォーク誤差」を最小化するために狭帯域に選択されるのではなく、可能な限り受光パルスの全エネルギーが最適フィルタによって評価され得るように、十分な広帯域に選択されている。これにより、距離測定の射程距離を著しく長くすることができる。

ＡＤ変換器は、好ましくはバイナライザ（二値化器）である。代替的に、受光信号が数ビットのみでサンプリングされる。これにより、非常に低コストな構成部品を使用することが可能になる。個々の受光パルスはこのようにわずか１ビットまたは数ビットで分解されるが、繰り返しによって、事実上和信号では任意の所望の分解能となる。

投光パルスは好ましくは、一定の繰り返し率に対して様々な遅延を有する。その場合でも、コヒーレント加算は一定の繰り返し率に基づいて行われる。したがって、各回の繰り返しはある程度のジッターを有するか、あるいは時間軸上で幾分不鮮明になる。その結果、元々三角形状のパルスが、最適フィルタの応答では、基本的に位置をより健全かつ正確に決定することができるガウス形状の最大値（ピーク）となる。

評価部は好ましくは、対称な比較関数をフィルタリング後の和信号のピークに適合させることによって、特に放物線フィッティングを用いて、受光時点を特定するように構成されている。これは光伝播時間を非常に正確に測定するための特に確実な手段である。

評価部は好ましくは、相関系列の複数の相関ピークを識別し、これに基づいて複数の物体までの距離を投光ビームの縦方向に測定するように構成されている。これにより、センサは多重エコー対応型となる。狭帯域バンドパス・フィルタを用いずに最適フィルタを用いる本発明による評価では、和信号には余分な対象物のピークとの混同を招き得る残振動が無いので、多重エコー対応型が可能になる。

センサは好ましくは、監視平面または監視空間を走査するために、監視領域内へ投光ビームを周期的に偏向させるための偏向部を有するレーザ・スキャナとして構成されている。これにより、ビームに沿った測定のみならず、二次元または三次元の領域内の測定も可能になる。

本発明による方法は、同様にさらなる特徴によって構成することができ、その際も同様の利点を発揮する。この種のさらなる特徴は、限定的ではなく例示的に、独立請求項に続く従属請求項に記載されている。

以下では本発明を、さらなる利点および特徴を含めて、添付図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。

レーザ・スキャナの概略断面図である。 従来技術によるセンサにおいて加算された受光パルスの例示的な和信号の図である。 本発明によるセンサにおいて加算された受光パルスの例示的な和信号の図である。

図１は、レーザ・スキャナ１０としての一実施形態における光電センサの概略断面図である。代わりに単一ビーム・センサとしての実施形態も同様に可能であるが、ここでは距離測定がそれと同等に機能するので、その図示および説明を省略する。

例えばレーザ光源を有する投光器１２は、投光光学系１４を用いて投光ビーム１６を生成する。投光ビーム１６は、偏向部１８を用いて監視領域２０内に投光され、監視領域において場合によっては存在する物体によって拡散反射される。拡散反射光２２は、再びレーザ・スキャナ１０に到達し、レーザ・スキャナにおいて偏向部１８を介し、受光光学系２４を用いて、受光器２６（例えばフォト・ダイオード、またはより高感度向けにはアバランシェ・フォト・ダイオード（ＡＰＤ））により検出される。図示のレーザ・スキャナ１０では、投光器１２とその投光光学系１４とが受光光学系２４の中央開口部に位置している。これは配置の例示的な可能性にすぎない。本発明はこの他にも、投光ビーム１６専用のミラー領域またはスプリッタ・ミラーを用いるといった代替の解決法も含んでいる。

偏向部１８は、モータ２８によって、走査周波数で連続的に回転動作させられる。これにより、投光ビーム１６は、各走査周期、つまり走査周波数で完全に一回転する間に、ある平面を走査する。偏向部１８のその都度の角度位置を検出するために、偏向部１８の外周には角度測定部３０が配置されている。角度測定部３０は、ここでは例示的に、角度測定基準としての目盛円板、および走査部としてのフォークライトバリアによって形成されている。

同時にレーザ・スキャナ１０の制御機能も担う評価部３２は、投光器１２と、受光器２６と、モータ２８と、角度測定部３０とに接続されている。評価部３２は、投光ビーム１６として数ナノ秒の典型的なパルス幅を有する個別の投光パルスを繰り返し投光するように、投光器１２に指示する。受光パス上にはＡＤ変換器３４、特に、簡素な比較器またはバイナライザが配置されており、受光器２６の信号をデジタル化する。ＡＤ変換器３４の前方には、直接光を抑制するために下限周波数が数ＭＨｚであり、上限周波数が２００〜３５０ＭＨｚの範囲にある、比較的広帯域のバンドパス・フィルタ３６が配置されている。デジタル化された受光信号には、監視領域２０から拡散反射される各投光パルスとともに受光パルスが発生し、受光パルスがバンドパス・フィルタ３６を通過すると、ピークと後続のアンダーシュートが生じる。この受光パルスは、評価部３２で多数の投光パルスを介して、コヒーレントに和信号において加算される。

各回の繰り返しの受光パルスが強め合うように重畳される一方、ノイズ効果は平均化されるので、和信号では、繰り返しに伴ってますます理想的な、ノイズが無い受光パルスの波形が形成される。求められる光伝播時間を決定し、この光伝播時間から一定の光の速度を介して物体距離を直接導出できるように、評価部３２は、受光パルスの予測波形に適合した最適フィルタ（整合フィルタ）を用いて和信号を評価する。フィルタ適合が良好であれば、フィルタ応答には、求められる光伝播時間の付近に、明確に決定可能なピークが生じる。

評価用のデジタル・フィルタは、従来技術における狭帯域バンドパスとは異なり、その最初のゼロ交差が線形回帰によって僅かな「ウォーク誤差」を伴って算出されるような振動を発生させない。本発明では、射程距離を長くするためにアナログの受光パスにおける信号成分を可能な限り全て利用する従来のやり方ではなく、投光されるパルス波形を考慮したデジタルの適合フィルタが使用される。このデジタル・フィルタは、受光器２６および広帯域のバンドパス・フィルタ３６を通過した後の信号形状に適合している。というのは、投光パルスは受光パス内の素子の作用により少なくとも若干不明瞭になる上、バンドパス・フィルタ３６によって受光パルスが意図的に変化させられるので、フィルタを元々の投光パルス波形に適合させるのみでは通常十分ではないからである。

短い方形パルスを投光パルスとして使用した場合、受光パルスを理想的な方法で観測すれば、パルスとともに和信号も同様に方形になる。デジタル最適フィルタの適合したフィルタカーネルを用いた畳み込みの後、再び方形になるが、これはフィルタがより良好に適合するほど細くなる。しかし、方形の位置は、ＡＤ変換器３４のサンプリングレート程度の精度でしか決定することができない。そのため、好ましい実施形態では、個別のパルスの投光時点に独自の軽微な遅延が与えられる。つまり、投光時点は、ＡＤ変換器３４のサンプリングレートに関係なく、はるかに高い時間的精度で決定される。方形の代わりに、独自の遅延によりフィルタ応答において分布が起こるが、この分布は大抵、数回の繰り返しでガウス関数に非常に近くなる。このガウス関数の位置によって、関数フィッティング、例えば放物線のような簡素な関数による非常に正確な補間評価が可能になる。

このように決定された光伝播時間から、検知された物体の距離が分かる。バンドパス・フィルタ３６は「ウォーク誤差」をもはや最小化しないので、その後の処理で、例えば補正表を用いて、信号強度および場合によっては信号幅にも応じて距離補正が行われる。その際、投光ビーム１６が投光されたその都度の角度位置を、角度評価部３０が評価部３２に伝達する。したがって、各走査周期後には、角度および距離を介して監視領域２０内の全ての物点の二次元の極座標を得ることができる。これにより、物体位置あるいは物体輪郭が知られ、インターフェース３８を介して出力することができる。インターフェース３８は逆に、評価部３２にデータを入力するための構成インターフェースとしても機能する。代替的に、専用の構成インターフェースを設けてもよい。センサ１０が導入部で述べた基準の意味において安全スキャナとして構成されている場合、インターフェース３８も安全に、特に保護区域侵犯を検知した際の安全目的の停止信号用の安全な出力部（ＯＳＳＤ、Output Signal Switching Device）として構成されている。

レーザ・スキャナ１０は、周囲をぐるりと取り囲むフロントガラス４２を備えたケーシング４０に収納されている。ケーシング４０およびフロントガラス４２の形状は、投光経路および受光経路の構成と同様に、純粋に例示的なものとして理解すべきである。本発明を同様に使用することができる設計は他にも数多く知られている。

図２は、本発明によるセンサ１０の和信号を示している。ここでは、図２ａが、比較のために、狭帯域バンドパス・フィルタを用いた従来技術によるシステムにおける例示的な信号推移を示し、図２ｂが、本発明によるセンサ１０における例示的な信号推移を示している。

図２ａの従来技術による和信号では、受光パルスが、最初のゼロ交差を僅かな「ウォーク誤差」で測定することができる振動に隣接している。しかし、この方法では、さらなる振動のエネルギーが測定のために使用されない。加えて、このようなシステムは、別の受光パルスが残振動と区別できないので、多重エコー対応型ではないことが容易に見て取れる。

それに対して、図２ｂの本発明によるセンサ１０の和信号では、１つのアンダーシュートだけにとどまっている。受光信号のエネルギー全体を、受光信号の予測形状に最適に適合されたフィルタによって、より長い射程距離を持つ測定のために利用することができる。同時に図２ｂは、受光信号の予測形状および長さが予め知られているか、あるいは図２ｂの基礎を成しているような測定によって決定することができることを示している。それにより、非常に良好なフィルタ適合が可能となる。

Claims (9)

1. 監視領域（２０）内の物体の距離測定のための距離測定光電センサ（１０）であって、
   投光ビーム（１６）を投光するための投光器（１２）と、前記監視領域（２０）内の物体によって拡散反射または反射された投光ビーム（２２）から受光信号を生成するための受光器（２６）と、前記受光信号をサンプリングするためのＡＤ変換器（３４）と、評価部（３２）とを備えており、
   前記投光ビーム（１６）が、互いに連続する多数の投光パルスを有しており、
   前記評価部（３２）が、前記投光パルスから生じる、サンプリングされた前記受光信号内の多数の受光パルスを和信号において加算し、前記和信号から受光時点を決定し、それにより光伝播時間法を用いて物体距離を測定するように構成されている、距離測定光電センサ（１０）において、
   前記評価部（３２）が、受光時点の決定のために前記和信号をフィルタリングするためのデジタル・フィルタを備えており、
   前記フィルタが、前記受光パルスに適合した最適フィルタであることを特徴とする、距離測定光電センサ（１０）。
2. 前記フィルタが、前記受光パルスの波形および長さに適合している、請求項１に記載のセンサ（１０）。
3. 前記受光器（２６）と前記ＡＤ変換器（３４）との間に、下限周波数が５〜１０ＭＨｚであり上限周波数が２００〜２５０ＭＨｚであるバンドパス・フィルタ（３６）が接続されている、請求項１または２に記載のセンサ（１０）。
4. 前記ＡＤ変換器（３４）がバイナライザである、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
5. 前記投光パルスが、一定の繰り返し率に対して様々な遅延を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
6. 前記評価部（３２）が、対称な比較関数をフィルタリング後の前記和信号のピークに適合させることによって、特に放物線フィッティングを用いて、前記受光時点を特定するように構成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
7. 前記評価部（３２）が、相関系列の複数の相関ピークを識別し、前記複数の相関ピークから複数の物体の距離を前記投光ビーム（１６）の縦方向に測定するように構成されている、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
8. 監視平面または監視空間を走査するために、前記監視領域（２０）内へ前記投光ビーム（１６）を周期的に偏向させるための偏向部（１８）を備えたレーザ・スキャナとして構成されている、請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ（１０）。
9. 監視領域（２０）内の物体の距離測定方法であって、
   互いに連続する多数の投光パルスを有する投光ビーム（１６）が投光され、前記監視領域（２０）内の物体によって拡散反射または反射された投光ビーム（２２）から、投光パルスから生じる多数の受光パルスを有する受光信号が生成され、
   前記受光信号がデジタル化され、前記受光パルスが和信号において加算され、前記和信号から受光時点が決定され、それにより光伝播時間法を用いて物体距離が決定される、距離測定方法において、
   前記受光時点を決定するための前記和信号が、前記受光パルスに適合した最適フィルタを用いてデジタルにフィルタリングされることを特徴とする、距離測定方法。

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