多くの光電センサは、監視領域内へ光線を送出し、物体により反射された光線を再び受光して、受光信号を電子的に評価する、という検知原理によって作動する。その際、検出された物体の距離を測定するために、公知の位相法又はパルス法を用いて光伝播時間を測定することがよくある。
測定範囲を広げるために、レーザスキャナで行われるように走査光線を動かすことができる。この場合、レーザにより生成された光線が偏向ユニットを介して周期的に監視領域を掃引する。測定された距離情報に加えて、偏向ユニットの角度位置から物体の角度位置が推定され、以て監視領域における物体の位置が2次元極座標で検出される。
測定範囲を広げる別の可能性として、複数の走査光線で複数の測定点を同時に検出することが挙げられる。これをレーザスキャナと組み合わせることも可能であり、その場合、単一の監視平面だけではなく、多数の監視平面を通じて3次元的な空間領域が捕らえられる。大抵のレーザスキャナでは回転鏡によって走査運動が生み出される。一方、その代わりに、例えば特許文献1に記載されているように発光器と受光器を含む測定ヘッド全体を回転させることが、まさに複数の走査光線を用いる場合の従来技術として知られている。
複数の走査光線の戻り光を評価するためには、受光器が各光線を別々に検出できなければならない。そのために、各走査光線をそれぞれ所定の受光素子へ収束させる受光光学系が設けられる。簡単な解決策として、受光光学系を非球面の単式レンズとして構成することが挙げられる。しかし、互いに角度のついた複数の走査光線を検出する必要がある場合、全体として画像野がかなり広くなり、共通の単式レンズでは軸から外れた画像領域に大きな結像誤差が生じる。
原理的には、この問題は各受光素子に専用のレンズを持たせることで解決できる。その場合、各レンズでごく小さな画像野が結像できさえればよく、それは単式レンズで容易に達成される。しかし、多数の単式レンズを有する装置全体はやはり非常にコスト高となる。
広い画像野で結像させるために複数のレンズから成る対物レンズを用いることも古くから知られている。これによれば高い結像品質が得られるものの、光電センサの場合、とりわけ可動部分をできるだけ軽量化する必要があるレーザスキャナ用の場合、製造及び調整の費用が高くなり過ぎる。むしろ求められているのは、できれば単一のレンズだけで済む解決策である。
公知の単式レンズのなかではいわゆる「ウォラストン・ランドスケープレンズ(Wollaston landscape lens)」が今でも広い画像野に対して最も良い結像特性を有している。これは、凹凸レンズ、つまり内側に曲がったメニスカス形状のレンズの前に間隔をあけて絞りを配置したものである。一般的な傾向として、この種のレンズは単式非球面レンズの低い製造コストと対物レンズの高い結像品質の間の妥協点をうまく見出せる。写真技術では、k=10〜16のF値(焦点距離を入射瞳の直径で割った商)で±12°〜±25°の画像野において十分に結像誤差の小さな像点が結ばれる。しかし、このように大きなF値(つまり小さな開口)は伝播時間測定では利用できない。なぜなら光の損失が大き過ぎるからである。一方、絞りを大きくすると結像誤差が大きくなってしまう。
従って、本発明の課題は、前述した種類のセンサのために良好な結像品質を有する簡素な受光光学系を提供することである。
この課題は、請求項1又は12に記載の光電センサ及び監視領域内の物体を検出する方法により解決される。本発明に係るセンサは、少なくとも1つの発光器を用いて複数の発射光線を送出する多重センサである。つまり、複数の発光器が設けられるか、1つの発光器の光が複数の発射光線に分割されるか、あるいは両者の混合型である。ここでいう発射光線とは、光線光学の意味でいう大きな光束の内部の光線ではなく、互いに分かれた光束であって、監視領域内で物体に当たったときにそれぞれ互いに分かれた個別の光スポットを形成するような、個別化された走査光線と理解すべきものである。これに付属する受光器は複数の受光素子を備えており、異なる方向から到来する複数の反射光線から複数の受光信号を生成することができる。つまり、例えば1本の発射光線に対して1つのフォトダイオードが設けられているか、あるいは位置分解型の発光器上において画像センサの個別の受光素子又は画素が適宜グループ化されている。これらの受光信号を評価することで物体に関する情報を得る。
そして本発明の元となる基本思想は、複数又は全ての反射光線のための1つの共通の受光光学系を受光器の手前に配置して、その受光光学系の設計のために追加の自由度、つまり曲がった形状の像面を得る、ということにある。そのために、少なくとも数個の受光素子に対して、受光面に垂直な方向に相互のずれが導入される。以下、時に「高さ方向」と呼ばれるこの方向は、同時に受光光学系に達してその光軸の方向と一致していることが好ましい。もっとも、受光路が例えば鏡で折り曲げられていてもよい。
前記ずれは物理的及び/又は光学的なずれとすることができる。物理的なずれとは、少なくとも数個の受光素子が、従来の一般的な共通の平面から押し出されているという意味である。受光光学系の良し悪しは詰まるところ物理的な距離ではなく光路次第であるため、前記ずれは、少なくとも数個の受光素子に対する光路を長く又は短くすることで実質的な距離の差を導入するような光学素子を受光光学系と受光器の間に置くことによって形成することもできる。
受光素子を互いにずらすと受光素子の間に受光不能な箇所ができる。互いに分離された個別の画像領域しか撮影されないため、このように構成された受光器は通常の画像センサとしては利用できない。ところが、複数の発射光線により検知される互いに分離された複数の測定点の検出にとっては、本発明に係る検出法がまさに適している。なぜなら、いずれにせよ2つの測定点の間には観察されない領域があり、受光器がその領域を原理的に検出できるか否かは問題ではないからである。
本発明には、結像品質を最適するための追加の設計自由度が得られ、それを利用して受光光学系の結像誤差をより小さくすることが可能であり、しかも当該設計自由度のない簡単な受光光学系だけでは達成できないほどその誤差が小さくなる、という利点がある。それゆえ、本センサは従来よりも簡単な受光光学系で間に合い、そのため部品や調整にかかる製造コストが、特に複数のレンズから成る対物レンズに比べて大幅に安くなる。
受光素子はその相互のずれで以て弓の形を成すことが好ましい。そして、受光器がその弓から成ること、つまり前記受光素子が弓に対して高さ方向に引き上げられた線状の配置を成していることが更に好ましい。当然ながらこの弓は、受光素子の広がりが有限であるため不連続である。弓はレンズ表面の凸状又は凹状の形に対応しているため、同様の設計自由度をもたらす。
受光光学系はレンズを備えていることが好ましい。これはまず受光光学系が屈折に基づいていることを意味する。好ましくは、受光光学系を非常に安価で取り付け簡単なものにするため、実際にレンズを1つだけにすべきである。代替として、鏡つまり反射に基づく受光光学系や回折光学素子の使用も考えられる。
前記レンズには絞り及び/又は少なくとも1つの別のレンズを割り当てることが好ましい。絞りはレンズの手前又は背後に多少の間隔をあけて配置することがより好ましい(ランドスケープレンズ/リヤ型ランドスケープレンズ)。これにより、簡単な受光光学系を用いながらも、より広い視野角に対してより良好な結像特性を達成できる。複数のレンズを用いたものは受光用対物レンズになる。また、複数のレンズの効果を1つにまとめるように個々に適合化された自由形状レンズも考えられる。対物レンズや自由形状レンズのような費用のかかる対策は、必要な費用を考えると、本来なら本発明では避けるべきである。それでも、曲がった像面という本発明の考え方とそれらを組み合わせることは可能であり、受光素子のずれの最適化によらなければ達し得ない要求品質に達した結像特性を有する比較的簡素な対物レンズ又は自由形状レンズを用いることが可能になる。
複数の受光素子が共通の回路基板上に配置されていることが好ましい。より好ましくは、全ての受光素子が共通の回路基板上にあるか、グループ分けされて複数の共通の回路基板上にあるようにする。共通の回路基板上に配置すれば製造時のコストが大幅に安くなるし、発光器に対する給電、接続及び制御の点で電子工学的にも有利である。受光素子は共通の回路基板上に直接配置する必要はなく、例えば、前記相互のずれを作り出す中間要素を用いて間接的に配置してもよい。
前記回路基板が高さの異なる領域を有し、該領域内に前記受光素子が配置されていることが好ましい。この実施形態では回路基板自体が高さ方向に構造化されており、それが厚さの異なる回路基板領域となり得る。回路基板上の様々な高さの箇所が受光素子のずれに対応していることが好ましい。
前記回路基板上に高さの異なる領域を有する担持要素が配置され、前記受光素子が該領域に配置されていてもよい。この場合も高さ方向に構造が形成されるが、製造技術的には、担持要素を回路基板上に装備する方が基板自体を構造化するよりも容易である。また、回路基板の高さ方向の構造と担持要素の高さ方向の構造を互いに相補的なものにすることも考えられる。更に別の変形では、受光素子の複数のグループ又は個々の受光素子に対応する複数の担持要素が設けられる。
前記受光素子の手前に光路長の異なる領域を有する透明な光学素子を配置してもよい。これもまた高さ方向に構造化された素子であるが、この実施形態の素子は担持体となるものではなく手前に配置されており、少なくとも数個の受光素子に対して選択的に光路長を変化させる。受光素子自体は平面上にあってもよいが、それでも光路長に違いがあるため、像面は曲がった状態になる。
前記受光素子の手前に複数の絞り要素を異なる距離に配置してもよい。これは、物理的ではなく光学的に受光素子のずれを形成する別の方法である。複数の絞り要素が全体として曲がった像面を成す。受光素子と絞り要素の間の領域における光の損失や光学的な混信を防ぐために、各絞り要素とそれに対応した受光素子との間に導光体を設けてもよい。
本センサが可動式の偏向ユニットを備えるレーザスキャナとして構成され、前記送出された光線が前記偏向ユニットにより周期的に監視領域を通過するように導かれることが好ましい。冒頭で説明したように、レーザスキャナは可動式の偏向ユニットの運動により複数の平面において監視領域を走査する。偏向ユニットは、発光器及び/又は受光器(各々光学系を含む)並びに評価ユニットの少なくとも一部が収納された事実上の可動式測定ヘッドとなる回転可能な走査ユニットの形で構成されていることが好ましい。
評価ユニットは光線の送出から反射光線の受光までの光伝播時間から物体までの距離を測定するように構成されていることが好ましい。これにより本センサは距離測定装置となる。別の形態では、単に物体の存在が確認され、例えばスイッチ信号として出力される。
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、それにより同様の利点を示す。そのような有利な特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に模範的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、添付の図面を参照しながら詳しく説明する。
図1はレーザスキャナとしての実施形態で構成された光電センサ10の概略断面図である。本センサ10は大きく分けて可動式の走査ユニット12と台座ユニット14を含む。走査ユニット12は光学的な測定ヘッドである一方、台座ユニット14には、給電部、評価用電子機器、接続部等、その他の要素が収納されている。稼働時には、監視領域20を周期的に走査するために、台座ユニット14にある駆動装置16を用いて走査ユニット12が回転軸18を中心として回転駆動される。
走査ユニット12において、例えばLED、端面発光型レーザ、VCSEL等を有する発光ユニット22が発光光学系24(図では単に機能ブロックとして描かれている)を用いて互いに角度のずれた複数の発射光線26を生成し、該光線が監視領域20へ送出される。センサ10内部の迷光を避けるため、光を通さない鏡胴28により発射光線26の内部光路を遮蔽してもよい。
発射光線26が監視領域20内で物体に当たると、それに対応する反射光線30がセンサ10へ戻ってくる。反射光線30は受光光学系32により受光器34へと案内される。受光器34は複数の受光素子34aを備えており、それゆえ各反射光線30からそれ専用の電気的な受光信号を生成することができる。それには複数のフォトダイオード又はAPD(アバランシェダイオード)の使用が考えられるが、適切に割り当てられた個々の画素又は画素グループを有する画像センサの使用も考えられる。別の実施形態として、多数のSPAD(シングルフォトンアバランシェダイオード)を有するSPAD受光器を設けることが考えられる。SPADは受光面が比較的広いため、個々の光線センサより大きく発散し得るような光線に好適である。
受光器34の特徴は、受光面に垂直な方向(本願でいう高さ方向)、つまり図1における水平方向に、受光素子34aが相互にずれを有していることである。このずれは図示したような物理的なものでもよいが、光学的な手段でそれを形成してもよい。これについては後で図4〜図8を参照しながら幾つかの模範的な実施形態を紹介する。
本実施形態では、回転軸18上にあり且つ駆動装置16のシャフト38に結合されている回路基板36の上に受光器34が配置されている。受光光学系32は回路基板36上の脚部40により支えられ、発光ユニット22用の別の回路基板42を保持している。2枚の回路基板36、42は相互に結合されており、両者を共通のフレキシブル回路基板として構成することもできる。
重ねて配置された回路基板36、42又は回路基板領域と受光光学系32の内部の中心に配置された発光光学系24とを有する図1の光学的な構造は単に模範的なものと理解すべきである。例えば、二重眼配置や、偏向鏡又はビームスプリッタの使用など、一次元光電センサやレーザスキャナに関して公知である他のいかなる配置でも代替可能である。更に、発光ユニット22と受光ユニット34を共通の回路基板上に取り付けること、つまり図1と異なる配置にした上で1つの面内だけにある共通の回路基板上に取り付けることも考えられる。
非接触式の給電及びデータインタフェイス44が可動式の走査ユニット12と静止した台座ユニット14を接続している。ここに制御及び評価ユニット46があるが、少なくともその一部は走査ユニット12内の回路基板36上又は他の箇所に入れてもよい。制御及び評価ユニット46は発光ユニット22を制御し、受光器34の受光信号を受け取って更にその評価を行う。また、同ユニットは駆動装置16を制御し、走査ユニット12の各時点における角度位置を特定する図示せぬ(レーザスキャナに関して公知の)角度測定ユニットから信号を受け取る。
評価のために、検出された物体までの距離を公知の光伝播時間法で測定することが好ましい。それを角度測定ユニットの角度位置に関する情報と合わせれば、各走査周期が終わるたびに1つの走査平面内における全ての対象点の2次元極座標が角度と距離で分かる。また、各時点の走査平面はその都度の反射光線30の識別子と該光線の受光器34上での検出箇所から同様に分かるから、全体として3次元の空間領域が走査される。
これにより物体の位置乃至輪郭が分かり、それをセンサインタフェイス48経由で出力することができる。センサインタフェイス48又は別の接続部(図示せず)は逆にパラメータ設定用インタフェイスとして機能する。また、センサ10は危険の発生源(例えば危険な機械)を監視するための安全技術に用いられる安全センサとして構成することもできる。その場合、機械の稼働中に操作者の進入を許してはならない防護区域が監視される。操作者の脚等の防護区域への許可なき侵入を認識すると、センサ10は機械の緊急停止を発動する。安全技術に用いられるセンサ10は特に高い信頼性で作動しなければならないため、例えば機械の安全に関する規格EN13849や非接触型防護装置(beruehrungslos wirkende Schutzeinrichtungen: BWS)に関する機器規格EN61496といった高い安全要求を満たさなければならない。その場合、防護区域への物体の侵入時に安全確保用の電源停止信号を出力するために、特にセンサインタフェイス48を安全な出力インタフェイス(Output Signal Switching Device; OSSD)として構成することができる。
図示したセンサ10は回転式の測定ヘッドつまり走査ユニット12を有するレーザスキャナである。別の形態として、回転鏡を用いて周期的な偏向を行うことも考えられる。しかし、発射光線26が複数ある場合にそのようにすると、該発射光線26の監視領域20への入射の仕方がその都度の回転位置に依存してしまうという欠点がある。なぜなら、公知の幾何学で考えれば分かるように、回転鏡を経由すると光線の配置が回転するからである。更に別の実施形態では、前述の回転の代わりに、又はそれに加えて、該回転の軸に垂直な第2の軸を中心として走査ユニット12を上下に揺動させることで、仰角方向にも走査運動を生じさせる。
レーザスキャナとしての実施形態もまた模範例である。周期運動のない一次元センサも考えられ、その場合、センサは事実上、台座ユニット14を持たず、静止した走査ユニット12とそれに対応する電子機器のみから成る。
センサ10の回転中、各発射光線26によりそれぞれ1つの面が走査される。偏向角が0°の場合、つまり図1にはない水平な発射光線によってのみ、監視領域20の平面が走査される。他の発射光線は、偏向角に応じて異なる鋭さで形成される円錐の側面を走査する。上方及び下方に異なる角度で偏向される複数の発射光線26の場合、全体的な走査構造は複数の砂時計を入れ子にしたようなものになる。本明細書では時折これらの面も単に走査平面と呼ぶ。
図2は再度複数の発射光線26を示している。これらの光線は1つの平らな扇形を成し、それぞれ同じ角度間隔をあけている。垂直な断面50において、これらの光線26の横断面は均等に直線上に並んだ測定点を形成する。なお、図2のように光線が規則的に通る扇形は実際上、非常に重要な例ではあるが、本発明はこのような発射光線26の配置に限定されるものではない。
異なる角度方向から到来する複数の反射光線30を捕らえるために、受光光学系32は比較的大きな画像領域をカバーしなければならない。それゆえ、できるだけ簡単な受光光学系32にしたいという希望と十分な結像品質との間にトレードオフが生じる。できれば受光光学系32としてレンズを1つだけ用いるべきである。そのためには、冒頭で既に説明した「ランドスケープレンズ」、つまり間隔をあけて配置された絞りを有するメニスカスレンズが好ましい出発点となる。この種のレンズでは、焦点距離f、F値、絞りの位置(通常、非対称収差が最小となる自然な絞り位置に置かれる)、材料、中心厚さ、及び曲率半径といった設計自由度が利用可能である。もちろん、例えば絞りのない別のレンズや、複数のレンズから成る対物レンズを出発点として利用してもよく、その場合は相応に設計自由度やコストが変わる。
本発明では、像面、つまり受光素子34aのある面を実質的に曲がった形にしている。これにより追加の設計自由度が生じ、それを結像性能の改善のために利用する。像面の曲がりは、受光素子34aの物理的な位置を変えたり、手前配置型の光学素子により受光素子の実質的な位置を変えたり、両方を組み合わせたりする等、様々な手段で形成することができる。
図3は、多少の間隔をあけて配置された絞り32bを有するメニスカスレンズ32aとして構成された受光光学系32における反射光線30の受光器側での進路を模範例で示している。この例では、有限の大きさを持つ不連続な受光素子34aを用いてできる範囲で、該受光素子34aにより凸状の弓形が形成されている。受光素子34aのそれぞれのずれは、既に何度も言及した追加の設計自由度であり、ゆえに単なる模範例である。実際には、具体的なずれは受光光学系32の特性と一緒に最適化される。図3に示した例では、完全には最適化できない簡素な受光光学系32の結像誤差があるため、光線30が共通の平面上に収束されていない。この不利な効果を、受光素子34aの適切なずれにより少なくとも部分的に補償することで、個々の反射光線30が鮮明に又は少なくともより鮮明に結像される。図3に示したものにほぼ対応する数値例として、F値がk=2、画像野が±6°又は±9°、焦点距離がf=80の受光光学系32でも、100μm未満の幾何学的な直径を有する像点を生成する。
以下、図4〜図8を用いて、光学素子34aの物理的又は光学的なずれにより実質的に曲がった像面を形成することができる様々な技術的な変形を紹介する。実際にはこれらの変形のうち1つだけを選ぶことがほとんどであろうが、それらの組み合わせを排除するものではなく、その場合、ずれが適宜重ね合わされる。
図4は高さ方向に構造化された回路基板52上に受光素子34aが配置された受光器34の実施形態を示している。本実施例及び以下で言及する受光器34の回路基板52は、基本的には既に図1で言及した回路基板36であってもよいが、図では、該回路基板36に結合されるか、その上に配置される別の回路基板52として独自の符号を付している。
回路基板52が高さ方向に構造化されているため、相互に高さのずれた領域54a〜bが生じる。受光素子34aはこの領域に配置されているため、もはや平面上にはなく、互いに適宜ずれている。回路基板52はこの領域54a〜b内で異なる厚さを呈していてもよい。
図5は受光器34の別の実施形態を示している。この形態では回路基板52自体は平らなままでよい。ずれは回路基板52上に配置された、高さ方向の構造を有する担持要素56により形成される。つまり、相互に高さ方向のずれを有する領域54a〜bは回路基板52自体ではなく担持要素56の上に設けられている。この配置の利点は回路基板52を構造化又は成形しなくてもよいということである。そうするよりも、担持要素56を別途構造化して回路基板52上に装備する方が、製造を容易にすることができる。
図6は、それ自体平らに形成された回路基板52を有する受光器34の別の実施形態を示している。該基板の上に厚さ又は高さの異なる複数の小型回路基板56が配置され、それらがそれぞれ受光素子34a(又は図と違って受光素子34aのグループでもよい)を異なる高さで支持している。変形として、小型回路基板56を異なる深さで回路基板52に押し込むことができるようにしたり、各受光素子34を小型回路基板56上で異なる高さに配置したりすることが考えられる。そうすれば、特に幾何形状又は他の形態が互いに同じである小型回路基板56でも利用できる。
図4〜図6の実施形態は受光素子34aを高さ方向に物理的にずらすものであるが、以下では図7及び図8を参照して、実質的又は光学的に高さをずらす2つの実施形態を更に紹介する。
図7は受光器34の別の実施形態を示している。この形態では、受光素子34aが物理的には回路基板52の平面上に配置されている。曲がった像面は、各受光素子34aに対して異なる高さ方向の距離でそれぞれ割り当てられた複数の追加的な絞り要素58により形成される。高さ方向の距離が個々に設定されているため、絞り要素58の配置が全体として曲がった面を成している。
反射光線30の光を光の損失又は光学的な混信なしで絞り要素58から受光素子34aまで導くために、絞り要素58と受光素子34aの間に導光要素60を設けることができる。これは例えば、内側が鏡面加工され、両端において光が漏れないように装着された短い管である。
図8は回路基板52上の平面内に配置された受光素子34aを有する受光器34の別の実施形態を示している。この形態では、受光素子34aの手前に配置された、光路の実効長を個別に変化させる光学素子62が高さ方向のずれを作り出している。図示した例の光学素子62は透明な階段状の部品であり、異なる領域62a〜bにおいて各受光素子34aに対して異なる実効厚さを有している。
図4〜図8の説明で個々のずれのことをいうとき、それは幾つかの受光素子34aのずれが同じであることを排除せず、それは各図の描画とも合致している。このずれは設計自由度であって、最初から制限されることはなく、差異の要求による制限もない。
図では受光素子34aの受光面が互いに平行に向けられている。別の実施形態においてそれを変更してもよく、例えば各受光面をそれに対応する反射光線30の見込み入射方向と少なくともほぼ垂直にするために、各受光面を傾けてもよい。また、受光素子34aを横方向に追加的にずらすことも考えられる。この場合、受光素子はもはや規則的な配置を成さない。以上のような適合化により受光光学系32の結像品質を更に高めることができる。
本発明は、受光素子34aを高さ方向にずらすことで追加的な設計自由度が作り出される受光光学系32を記述している。同じ基本思想に従って、発光光学系24についても、特にそれを発光ユニット22の発光器の手前に配置される共通の簡素なレンズ又は絞り付きレンズとして構成すれば、個々の発光器を高さ方向にずらすことで追加の設計自由度が生じる。具体的には、図4〜図8と類似の構成で受光素子34aをそれぞれ1個の発光器に置き換えたものが考えられるが、その際、幾つかの実施形態(例えば絞り要素58を有する図7の形態)は受光側に比べて発光側にはあまり適していないということに注意が必要である。