JP2015132599A - 光電センサ及び監視領域内の物体の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な手段で光電センサの監視領域を拡大する方法を提供する。【解決手段】２以上の走査平面を有する監視領域２０内の物体を検出するための光電センサ１０であって、光線１６を発射するための発光器１２、光線１６を走査平面へ周期的に偏向させるための偏向ユニット１８を有する可動式の走査ユニット４０、監視領域２０において拡散反射又は直反射された光線２２から受光信号を生成するための受光器２６、及び、受光信号に基づいて物体を検出するように構成された評価ユニット４８ａ−ｂを備え、偏向ユニット１８が走査平面を変化させるために傾動可能になっている。走査ユニット４０は、偏向ユニット１８を傾動させるための自立的な傾動ユニット３０ａ−ｂ、３２を備えている。【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電センサ及び請求項１０のプレアンブルに記載の監視領域内の物体の検出方法に関する。

スキャナは様々な監視及び測定の仕事を行うために用いられる。そのために、走査光線（スキャン光線）が領域を走査し、そこで拡散反射又は直反射された光が評価される。物体の距離、輪郭又は側面像に関する情報を得るために、通例、物体の有無の特定だけでなくその距離の測定も同時に行われる。このような測距用レーザスキャナは光通過時間の原理に従って作動する。この方法では、スキャナから監視対象空間へ発射された光が戻ってくるまでの所要時間が測定され、光速を用いて距離データが算出される。

光通過時間法としては、位相ベースの方法（位相法）とパルスベースの方法（パルス法）という、２種類の方法が広く用いられている。位相法では、発光器により走査光線が変調され、受光された走査光線の位相と基準位相との間の差が算出される。パルス法では、特徴的なパターン（例えば、数ナノ秒という狭い幅のパルス）が走査光線に刻印され、そのパターンの受信時点が特定される。一般にパルス平均法と呼ばれる方法では、複数のパルス又はパルス列が送出され、受信されたパルスが統計的に評価される。

公知のレーザスキャナは、１つの監視平面又は２次元的な監視平面の一部を周期的に走査するために、回転鏡又はポリゴンホイールを備えている。しかし、多くの用途では、単なる平面の走査ではなく３次元的な空間領域の走査が必要である。従来の解決策の１つは、例えば特許文献１にあるように、レーザスキャナと物体との間に相対運動を生じさせるというものである。しかし、この方法は多大なコストを要するし、このように制御された相対運動を行うのに全く適していない用途も多い。

測定対象に対してレーザスキャナを相対運動させずに済むように、レーザスキャナを更に改良して３次元レーザスキャナとしたものがある。この方向に進んだ一例として、傾斜の異なる複数のカット面を有する格子状ミラーホイールを偏向ユニットとして用いることにより複数の平面の走査を達成できるようにした装置がある。この構成では、それぞれ１つのカット面に付随した複数の走査平面の間に角度の違いが生じる。その一方で、各走査平面の走査角度範囲はカット面の角度部分（典型的には１００度未満）に制限される。更に、個々の走査平面が歪んで非対称になる。特許文献２に記載の装置は、それとよく似た原理に従って、前方の角度範囲内において約１８０度にわたる主走査平面を監視するとともに、後方の角度範囲内において微小角度で互いに傾いた２つの鏡を介して、それぞれ４０度の角度範囲に制限された別の２つの走査平面を監視する。

別の解決の手掛かりとして、追加の偏向ユニットを用いることが知られている。多くの場合揺動鏡として構成されるこのユニットは、走査光線を第２の方向へ偏向させるものである。これにより走査平面の方向が変わる。しかし、２つの偏向ユニットを使用すると、コストが増大するとともに、より大きな組み立て空間が必要となる。それゆえ光学的及び機械的なコストが増大し、加えて発光信号及び受光信号の更なる損失が生じる。特許文献３に記載の追加的な揺動鏡を用いた特殊な解決策では、回転鏡の３６０度の走査範囲が分割される。前方の角度範囲では従来の方法で１つの平面が走査される。後方の角度範囲では、走査光線が何度か方向転換された後、揺動鏡に入射する。揺動鏡は回転鏡の偏向方向に交差する方向に揺動する。こうして、後方の角度範囲においては平面ではなく３次元空間の一部が走査される。

簡単な回転鏡で済ませつつも３次元空間領域を認識するために、回転鏡をそのシャフト以外の別の軸を中心として傾けることも可能である。例えば、特許文献４に記載の装置では、発光器、受光器及び回転鏡を含む走査ユニット全体が偏向用円盤の上に設置されている。この円盤の向きを変えることで走査平面を変化させ、その結果全体として３次元空間領域の監視が行われる。しかし、この方向可変な偏向用円盤並びにそのデータ交換及び通信のための接続部を備える機械的な構造は非常にコストがかかる。確かに、原理的には、データ及びエネルギーの無線伝送により、機械的に頑強な接続を実現できる。しかし、データパケットの複雑さを考慮すると、無線伝送は雑音に弱いし、少なくとも非常にコストがかかる。

特許文献５に記載されている別のレーザスキャナには、３次元的な周囲空間をレーザ光線で走査するために、回転可能で更に傾動も可能な偏向ユニットが設けられている。偏向ユニットを傾動させるための多数の機構が様々な実施形態で提案されている。それらの形態ではいずれも傾動機構が集中制御されている。そのため、静止した要素と、偏向ユニットと一体駆動される要素とを適切に接続することが不可欠である。これは、例えば中空のシャフトを通した配線を通じて、あるいは傾動を生じさせる機械的な接続を通じて成される。

DE 197 41 730 B4 EP 1 286 178 A2 DE 20 2009 012 114 U1 DE 10 2008 032 216 A1 EP 1 965 225 A2

このような背景に鑑みて成された本発明の課題は、簡単な手段で光電センサの監視領域を拡大することである。

この課題は、請求項１に記載の光電センサ及び請求項１０に記載の監視領域内の物体の検出方法により解決される。本発明では、周期的な偏向により平面を走査するために用いられる偏向ユニット（例えば回転鏡）が設けられる。該偏向ユニットは更に、走査平面を変化させて３次元空間領域を認識できるようにするために、第２の軸を中心として前記平面に垂直に傾動可能になっている。本発明の基礎を成す技術思想は、このような偏向ユニットを自立的な傾動ユニットと共に可動式の走査ユニットの内部に収納するということにある。従来とは異なり、シャフトを有する鏡だけでなく、偏向ユニットと傾動ユニットとを有する走査ユニットをその電子装置まで含めて回転させる。これにより自立的な３次元走査ヘッドが出来上がる。ここで「自立的」とは、傾動ユニットが、センサの要素のうち周期的な運動を行わない静止した要素により、電子的に制御されることもなければ、走査ユニットの外部からの強制的な操作等により機械的に傾き動作を事前設定されることもない、ということを特に意味する。そうではなく、傾動パターン（傾動の時間的な経過）が走査ユニットの内部で独立して決められる。そのため、可動式の走査ユニットとセンサの他の部分との間に制御やデータ伝送のための接続を一切設ける必要がない。

本発明には、センサの視野を簡単な方法で拡大できるという利点がある。本発明では、二重円錐状の３次元空間領域を形成したり、走査平面の形状変化を自由に設定したりすることができる。駆動対象の偏向ユニットに作用する固定式のアクチュエータを備える傾動機構を偏向ユニットの外部に設けた場合、該機構が長時間にわたり大きな負荷を受けるが、本発明ではそれが無いため、傾動部の調整が不要になる。傾動ユニットが自立しているため、データパケットの伝送も必要ない。無線通信にすればコストがかかる上に雑音に弱くなり、有線通信にすれば可動式のケーブル又は中空のシャフトが必要となるが、本発明は中実のシャフトでも機能する。

前記傾動ユニットは能動的な調整素子を備えることが好ましい。これは、走査ユニットと一体駆動され、偏向ユニットに結合されて同ユニットを傾けるアクチュエータである。特に、軽量であるピエゾ素子が好適であり、逆方向に傾動を生じさせるために２つのピエゾ素子を設けることが好適である。調整範囲を大きくするために、複数のピエゾ素子、特に積層ピエゾ素子を用いてもよい。他の種類のアクチュエータ、例えばボイスコイル、カム板等の使用も同様に考えられる。

周期的な偏向動作と傾動とを相互に同期させるために、前記光電センサは、前記走査ユニットに対して静止したマークであって、該走査ユニットが既知の位置にあるときに、該走査ユニット上に設けられた同期用センサによって検出可能な同期用マークを備えることが好ましい。そのためには、ホールセンサや光センサ等、様々なセンサ原理が考えられる。それに対応する磁気的又は光学的な同期用マークは、例えば光電センサのケーシング又は前面ガラスの内面に固定的に取り付けられ、周期的な走査運動の特定の位置において検出される。従って、傾動ユニットは、周期毎又は回転毎に１回又は複数回、実際の走査位置の情報を取得し、時間公差に起因して徐々にずれる走査位置を所望の傾動動作に合うように再配置することができる。

前記傾動ユニットは、少なくとも１つの傾き変化パターンを保存するための記憶素子並びに傾き制御部を備え、保存された傾き変化パターンに従って傾動を制御することが好ましい。保存された傾き変化パターンにより、所望の３次元走査パターンが確定する。この場合、簡単なものから複雑なものまで事実上任意の傾き変化パターンが考えられる。例えば、偏向ユニットの傾きを各周期の後で１度又は１周期の間に何度か変化させる際の角度ずれの大きさを記憶させておくことができる。また、１周期又は部分周期毎に順次適用される傾き角を記憶させておくこともできる。ただし、傾き角は区間毎に一定にする必要はなく、線形関数又は他の関数に従って連続的に変化させることもできる。傾き変化パターンは周期的に繰り返すことが好ましい。記憶素子に保存された傾き変化パターンの情報はセンサの静止部分においても利用可能にし、それを用いて測定データを正しく整理することが好ましい。ただし、走査ユニットの完全な自立性を維持するために、傾き変化パターンはセンサの稼働中ではなく事前に確定しておくことが有利である。

前記傾動ユニットは、周期的な偏向動作の開始と共に前記偏向ユニットを傾動させるように構成されていることが好ましい。つまり、偏向ユニットが周期的な走査のために動き始めると直ちに、好ましくは事前にセンサの静止部分と傾動ユニットとの間で決めておいた傾き角で、傾動が開始するのである。こうして粗めに同期させた後、同期用マークを用いて同期精度を高める。

前記光電センサは走査ユニット用の無線給電部を備えることが好ましい。この給電は、例えば固定された磁石と一体回転するコイルとを用いた発電の原理により行うことができる。無線給電部の代わりに、あるいは少なくともその緩衝装置として、蓄電部を設けてもよい。傾動ユニットは、周期的な偏向動作の開始と共に偏向ユニットを傾動させるために、発電の開始をトリガーとして利用することができる。

前記光電センサは、偏向ユニットの傾き角を測定するための少なくとも１つのフィードバックセンサを備えることが好ましい。ここでもまた、特定の走査平面において出射光を受光したり、その光の当たる箇所において走査平面を検出したりするために、光電センサの静止部分にそれぞれ取り付けられた、フォトダイオードや発光素子アレイといった光学センサが好適である。このフィードバックセンサを用いて、期待された傾き角と実際の傾き角の間の同期を修正することができる。更には、傾動ユニットが、光電センサの静止部分に用意された傾き変化パターンではなく、フィードバックセンサにより測定された傾き変化の情報を用いることも可能である。そのほか、傾動ユニットにより制御される傾き角と実際の傾き角の間の調整を行うために、光電センサの静止部分内のフィードバックセンサの代わりに偏向ユニットの内部にフィードバックセンサを設けることも考えられる。フィードバックセンサは回転位置の同期にも利用可能である。

前記偏向ユニットは光線を生成する特性を有することが好ましい。普通は平面鏡が偏向ユニットとして用いられるが、偏向ユニットに凹面鏡や凸面鏡のような別の輪郭を持たせることで、特に発光光学系や受光光学系に代えたり、その補助としたりすることができる。

前記偏向ユニットは複数の鏡面を備えることが好ましい。このような鏡面（カット面）は、例えば並べて配置された複数の鏡やポリゴンミラーホイールにより実現される。この構成によれば、回転毎に監視領域が多重的に走査される。個々のカット面は平面状であることが特に多いが、凹面鏡や凸面鏡のような外形であってもよい。

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。

回転式の走査ユニットと偏向ユニット用の傾動ユニットを備えるレーザスキャナの断面図。

図１はレーザスキャナとして構成されたセンサ１０の断面図である。物体検出用光電センサの個々の要素の配置は他にも様々なものが考えられるが、それらも本発明に含まれる。特に、発光光学系及び受光光学系の配置やケーシングの形状が異なるレーザスキャナが知られている。従って図１は単に模範的なものと理解すべきである。

発光器１２（例えばＬＥＤ又はレーザダイオード）は発光光学系１４を介して発射光線（走査光線）１６を送出する。この光線は偏向ユニット１８においてその進行方向を変えた後、レーザスキャナ１０から監視領域２０へと出て行く。走査光線１６が物体に当たると、直反射光又は拡散反射光２２がレーザスキャナ１０へと戻ってくる。この光が偏向ユニット１８において再度その進行方向を変えた後、受光光学系２４により受光器２６上に収束される。使用可能な光の波長としては、可視光の他、紫外領域や赤外領域が含まれる。

偏向ユニット１８は回転台２８の上に配置されている。ピエゾ素子３０ａ−ｂによりこの偏向ユニット１８は傾動可能である。ピエゾ素子３０ａ−ｂは記憶装置３４を有する傾き制御部３２によって制御され、これらの要素が全体として傾動ユニットを構成している。更に傾動ユニットは少なくとも１つのコイル３６並びに１つの同期用センサ３８ａ（特にホールセンサ）を備えている。図１に破線の矩形で示したように、偏向ユニット１８と傾動ユニットは走査ユニット４０としてまとめられている。

図１では偏向ユニット１８が平面状の回転鏡として構成されているが、例えば光線を生成するような輪郭等、他の形状にすることも可能である。更には、２つ以上の鏡を並べて配置したり、平面鏡の代わりにポリゴンミラーホイールを用いたりすることも考えられる。

駆動装置４２は偏向ユニット４０に周期的な運動（特に、回転シャフト４４により決まる回転軸に対する回転運動）をさせる。各時点での回転位置は、図示せぬエンコーダにより特定される。偏向ユニット１８が回転軸に対して一定の傾き角にあるとき、走査光線１６は、前記回転運動につれて、図示したように回転軸に対して直交する走査平面を走査する。傾動ユニット３０ａ−ｂ及び３２を用いて傾き角を変化させると、この走査の状態も変化する。図では例として、考えられる２つの傾斜状態における走査光線１６ａ−ｂを示している。これにより、１つの単純な走査平面ではなく、各時点における傾きの時間的な変化パターンに応じた走査曲線を持つ空間領域が認識される。傾動ユニット３０ａ−ｂ及び３２は、一体駆動されるコイル３６ａ−ｂと固定されたリング状磁石４６とを通じて、発電機の原理により非接触で給電を受ける。あるいは別の作用原理に基づいてエネルギー伝送を行ってもよい。

走査光線１６を発生させるとともに、拡散反射光２２の受光により受光器２６内で生じる受光信号を評価するために、制御及び評価ユニット４８ａ−ｂが発光器１２及び受光器２６と接続されている。受光信号の評価により、物体が検出されたか否かが判定される。その他に制御及び評価ユニット４８ａ−ｂは、駆動部４２を制御し、エンコーダから角度信号を受け取る。図示した制御及び評価ユニット４８ａ−ｂは、センサ１０の右上部と右下部にそれぞれ配置されて互いに接続された２つのブロックに分かれている。しかし、該ユニットのために必要な電子装置は、センサ１０の内部において、各光学素子のために必要とされる領域以外のほぼ任意の場所に配置可能であり、図はその代表例を示しているに過ぎない。

制御及び評価ユニット４８ａ−ｂは物体の検出とともに位置の特定を行うことが好ましい。そのためには３つの球面座標を特定する。まず、距離は冒頭に述べた光通過時間法により測定される。物体検出のための回転運動に関係する第１の角度はエンコーダにより直接知ることができる。第２の角度は制御及び評価ユニット４８ａ−ｂが偏向ユニット１８の傾きの変化パターンから導き出す。傾き制御部３２は自立的に作動しており、制御及び評価ユニット４８ａ−ｂとの間にデータ接続は無いため、傾き変化パターンは予め決めておき、センサ１０の静止部分及び回転部分の両方に与えておくことが好ましい。あるいは、走査ユニット４０に対向する静止したフィードバックセンサ５０（例えばフォトダイオードや空間分解能を有するセンサ列）を走査領域の縁に取り付けて、各時点における偏向ユニット１８の実際の傾き角を測定して制御及び評価ユニット４８ａ−ｂに通知するようにしてもよい。また、このフィードバックセンサ５０により、偏向ユニット１８が特定の傾き（例えば射出姿勢）を取る時点を特定し、その情報を同期に利用してもよい。更に、フィードバックセンサ５０を回転位置又は回転運動の同期に利用することもできる。

運転中、傾き制御部３２は、走査ユニット４０が動き始めるとすぐに、傾き変化パターンに従った工程を自立的に（特に、制御及び評価ユニット４８ａ−ｂによる制御無しで）開始する。走査ユニット４０が動いているか否かは、例えばコイル３６ａ−ｂを通じた電力の発生により認識される。前記自立性のために、傾き制御部３２は、傾き変化パターンの所定の位置において必ずリセットのような処理を実行することにより、傾き制御部３２と制御及び評価ユニット４８ａ−ｂの動作経過をデータ交換無しで一致させる。

傾き変化パターンは記憶装置３４から読み出される。このパターンは、偏向ユニットが次々に取る傾き角の時間的な推移を記述したものである。この傾き変化パターンは制御及び評価ユニット４８ａ−ｂにも分かっているから、原理的には、このパターン自体により同期を取ることができる。しかし、実際には公差及び雑音のゆえに傾き変化パターンが十分に高い信頼性で再現されないのが通例であるから、センサ１０の静止部分に取り付けられた同期用マーク３８ｂが検出される度に同期用センサ３８ａが同期信号を発生させる。これにより、傾き制御部３２は、回転の度に１回又は複数回、実際の角度位置に合わせて同期をとることができる。

傾き変化パターンは、例えば、傾き制御部３２がまず傾き角を初期値に設定した後、各同期信号又はｉ番目の同期信号の発生の度に、それをトリガーとして、新しい傾き角を記憶装置３４から読み出して設定したり、特定の角度差だけ傾きをずらしたりする、というように決めておくことができる。傾き変化パターンが完全に終わったら、同じ工程が周期的に繰り返される。周囲に同期用マーク３８ｂが何個取り付けられているか、そして各同期信号がいずれもトリガーとなるか否かに従って、１回転の一部分毎、完全な１回転毎、又は複数回転毎に走査平面の傾きが変わる。もっとも、傾きが連続的に変化して直線的又は非直線的な挙動を示すように傾き変化パターンを記述しておくことも可能である。この場合、同期信号は何らかのドリフトの発見に役立つ。傾き制御部３２は、傾きを正しい値までジャンプさせたり、傾き変化パターンの適用を遅らせたり、早めたりすることによりそのドリフトを補償する。

前記とは別の又はそれを拡張した方法として、制御及び評価ユニット４８ａ−ｂがフィードバックセンサ５０を通じて実際の傾き角を測定することにより同期をとることも可能である。

いずれにせよ、制御及び評価ユニット４８ａ−ｂは前述のいずれかの方法により、偏向ユニット４０の回転位置を示す第１の角度と、光通過時間を用いて測定された距離に加えて、傾き角、つまり検出された物体の球面座標系の第２の角度を得る。こうして得られた物体の３次元的な輪郭又は他の所望の評価結果（例えば、安全技術等に応用される二値的な物体検出信号、検出された各物体とその座標を示すリスト、あるいは２次元又は３次元の生画像）は出力部５２から外部へ供給される。センサ１０は、光が出入りする領域に前面ガラス５６を備えるケーシング５４で防護されている。前面ガラス５６は全周にわたって延在し、傾斜していることが好ましい。

Claims (10)

1. ２以上の走査平面を有する監視領域（２０）内の物体を検出するための光電センサ（１０）、特にレーザスキャナであって、光線（１６）を発射するための発光器（１２）、前記光線（１６）を走査平面へ周期的に偏向させるための偏向ユニット（１８）を有する可動式の走査ユニット（４０）、前記監視領域（２０）において拡散反射又は直反射された光線（２２）から受光信号を生成するための受光器（２６）、及び、前記受光信号に基づいて前記物体を検出するように構成された評価ユニット（４８ａ−ｂ）を備え、前記偏向ユニット（１８）が前記走査平面を変化させるために傾動可能になっている光電センサ（１０）において、
   前記走査ユニット（４０）が、前記偏向ユニット（１８）を傾動させるための自立的な傾動ユニット（３０ａ−ｂ、３２）を備えていること
   を特徴とする光電センサ（１０）。
2. 前記傾動ユニット（３０ａ−ｂ、３２）が能動的な調整素子（３０ａ−ｂ）、特に少なくとも１つのピエゾ素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の光電センサ（１０）。
3. 周期的な偏向動作と傾動とを相互に同期させるために、前記走査ユニット（４０）に対して静止したマークであって、該走査ユニット（４０）が既知の位置にあるときに、該走査ユニット（４０）上に設けられた同期用センサ（３８ａ）によって検出可能な同期用マーク（３８ｂ）を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電センサ（１０）。
4. 前記傾動ユニット（３０ａ−ｂ、３２）が少なくとも１つの傾き変化パターンを保存するための記憶素子（３４）並びに傾き制御部（３２）を備え、保存された傾き変化パターンに従って傾動を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
5. 前記傾動ユニット（３０ａ−ｂ、３２）が周期的な偏向動作の開始と共に前記偏向ユニット（１８）を傾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１〜４のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
6. 前記走査ユニット（４０）用の無線給電部（３６ａ−ｂ、４６）を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
7. 前記偏向ユニット（１８）の傾き角を測定するための少なくとも１つのフィードバックセンサ（５０）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
8. 前記偏向ユニット（１８）が光線を生成する特性を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
9. 前記偏向ユニット（１８）が複数の鏡面を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光電センサ（１０）。
10. ２以上の走査平面を有する監視領域（２０）内の物体を検出するための方法であって、発光器（１２）が光線（１６）を発射し、偏向ユニット（１８）を有する可動式の走査ユニット（４０）により前記光線（１６）が走査平面へ周期的に偏向させられ、受光器（２６）が前記監視領域（２０）において拡散反射又は直反射された光線（２２）から受光信号を生成し、該受光信号に基づいて物体が検出され、前記偏向ユニット（１８）が前記走査平面を変化させるために傾動される、という方法において、
    前記偏向ユニット（１８）が、前記走査ユニット（４０）上において該ユニットと一体駆動される傾動ユニット（３０ａ−ｂ、３２）により自立的に傾動されること
    を特徴とする方法。

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