JP2021018810A - 光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】発射光を送出するための少なくとも１つの発光源と、発光素子に割り当てられた発光路と、直反射又は拡散反射された発射光を受光するための少なくとも１つの受光器と、受光器に割り当てられた受光路とを備える光電センサを提供する。【解決手段】光電センサ１は、制御及び評価ユニット１２と、発光路２ａ、２ｂ、２ｃ及び／又は受光路３ａ、３ｂ、３ｃを共通の光路６に統合するための少なくとも１つの反射器２３とを備えている。反射器２３は、共通の光路６に垂直になった反射器面に対して傾きを有する多数の反射面２４ａ、２４ｂ、２４ｃを備えており、反射器２３により統合された発光路２ａ、２ｂ、２ｃ及び／又は受光路３ａ、３ｂ、３ｃのそれぞれに反射器の反射面２４ａ、２４ｂ、２４ｃの所定部分が割り当てられている。【選択図】図６

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、特に色センサ又はコントラストセンサに関する。

色センサ又はコントラストセンサは、例えば自動化技術において物体に取り付けられたコントラストマーク又は符号の認識や読み取りを行うために用いられる。コントラストマーク又は符号を確実に検出できるように、センサは様々な波長で光線を発する発信器を備えている。典型的には、異なる波長領域で可視光を発する３つの発光源が用いられる。その場合、好ましくは、１つの発光源が赤色光を発し、別の発光源が青色光を発し、更に別の発光源が緑色光を発する。これらの発光源から発せられる異なる色の光線は共通の発射光線を形成するための光学素子内で混合される。こうして生成された発射光線がビームスプリッタと光線形成用の光学系を通じて検査対象物へと向けられる。対象物により拡散反射された受信光線が今度は光線形成用の光学系とビームスプリッタを通じて受光器へ導かれ、その信号が評価ユニットにおいて処理される。

このような構成は例えば特許文献１から知られている。そこでは、色を混合するための光学素子が二色性ミラーを有するミラー階段から成る。

別のコントラストセンサが特許文献２から知られている。このコントラストセンサは、複数の異なる波長領域の発射光を送出するための空間的に隣接した発光源（特に発光ダイオード）を有する発光器を含んでいる。発射光の異なる色成分を混合するための光学素子は光ファイバから成る。

特許文献３からマーク認識用のコントラストセンサが知られている。発光器は複数の異なる検査波長領域の発射光を送出するように構成されている。異なる色は円柱レンズで共通の発射光線に集められる又は混合される。

しかし、ここまで挙げたセンサには発射光の異なる色を混合するための光学素子に関して重大な欠点がある。例えば、円柱光学系は所要スペースが大きく、また製造の際に高い調整コストが必要である。後者の問題は光ファイバを用いる場合やミラー階段の二色性ミラーを調整する場合でも同様である。更に、発光路と受光路を分離するための追加のビームスプリッタがあると光電センサの光学的構成がより複雑になる。

特許文献４から異なる色の電灯の光を混合するための装置が知られている。特許文献５は自動車用照明装置の複数の光機能を実現するための反射器を開示している。

EP 0 735 501 B1 EP 1 715 313 B1 DE 198 46 002 A1 DE 60 032 576 T2 DE 10 2013 202 957 B4

本発明の課題は、光学的な構成の複雑さが公知のセンサよりも軽減された光電センサを提供することである。

この課題は請求項１に記載の光電センサによりより解決される。
そのために、本発明に係るセンサは発射光を送出するための少なくとも１つの発光源を備えている。各発光源には光軸を有する発光路が割り当てられており、前記発射光はこの発光路上で発光源から出射する。
更に本センサは拡散反射又は直反射された発射光を検出するための少なくとも１つの受光器を備えている。拡散反射又は直反射された発射光を受信光とも呼ぶ。各受光器には光軸を有する受光路が割り当てられており、前記拡散反射又は直反射された発射光はこの受光路上で受光器に達する。発光源及び受光器は制御及び評価ユニットと接続されている。

光電センサ内で発光路及び／又は受光路を共通の光路に統合するために、多数の反射面を備える反射器が提案される。共通の光路は（仮想的な）反射器面に垂直になった光軸を備えている。反射器の各反射面は前記反射器面に対して傾きを有している。そして、反射器が発光路及び／又は受光路を共通の光路に統合するように、各発光路及び／又は受光路に対して反射器の反射面の所定の部分が割り当てられている。一つの光路の光軸に沿って反射器に入射する発射光が、該発射光の光路に対して割り当てられた反射面の部分の表面で、共通の光路の光軸に沿って反射される。共通の光路の光軸に沿って反射器に入射する受信光が、反射面の各部分の表面で、該部分を割り当てられた受光路の光軸に沿って反射される。

本発明の一実施形態では、前記反射器が２つの光路を統合するように構成され、前記反射面が例えば鋸歯状又は屋根の縁状の構造を成している。この実施形態の好ましい態様では２つの発光路が統合される。また、同実施形態の別の態様では１つの発光路と１つの受光路が統合される。同実施形態の更に別の態様では２つの受光路が統合される。

本発明の一実施形態では、反射器面に対する各反射面の傾きが０度より大きく、４５度より小さい。好ましくは３０度より大きく、４０度より小さい。

本発明の別の実施形態では、反射面の第１の部分が反射器面に対して第１の角度で傾いており、反射面の第２の部分が反射器面に対して第１の角度とは異なる第２の角度で傾いている。

本発明の好ましい一実施形態では、発光路及び／又は受光路を統合するための反射器が３つの光路を統合するように構成されている。この実施形態の一態様では３つの発光路が統合される。同実施形態の別の態様では２つの発光路と１つの受光路が統合される。同実施形態の更に別の態様では１つの発光路と２つの受光路が統合される。更に同実施形態は３つの受光路の統合に利用することができる。

３つの光路を統合する場合、再帰反射器を元にした三つ組構造体を利用することが有利である。その場合、三つ組の反射面は再帰反射器の場合と違って互いに９０度の角度ではなく互いに９０度より大きな角度を成すように配置されている。これにより、反射器へ規定の角度で入射する光線が、再帰反射器の場合のように入射方向へ反射されて戻るのではなく、入射方向から外れる方向へ逸らされる。

特に三つ組構造を持つ反射器を用いる場合、最大３つの光路を同時に共通の光路に統合することができる。まず２つの光路を統合し、それを第２のステップでようやく第３の光路と統合するというように順番に統合する必要はない。

３つの光路の統合の一実装では、反射器面に対する反射面の傾きが３５．２６度より大きく、４５度より小さい。好ましくは３７度以上、４２度以下である。

３つの光路の統合の一実装では、反射器面に対する反射面の第１の部分の傾きが第２の部分の傾きと異なっている。別の実施形態では、反射面の第１の部分、第２の部分及び第３の部分が反射器面に対して異なる傾きを有している。

本発明の一実施形態において、光電センサはマークの検出又は評価を行うためのコントラストセンサ、又は色を検出するための色センサであることが好ましい。もっとも、他の光電センサ、特に、例えば物体検出用のレーザスキャナや危険領域の安全確保のための安全用レーザスキャナ等、発光路及び／又は受光路を効果的に統合することが有利である自動コリメーションシステムも考えられる。

本発明の別の実施形態では発光路及び／又は受光路を統合するための２つの反射器が設けられ、その結果、計５つの発光路及び／又は受光路を統合することができる。

本センサは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模範的に記載されているが、それらに限られるものではない。

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。

従来技術に係るビームスプリッタ階段を有する光電センサの概略図。 ２つの発光路を統合するための反射器を有する本発明に係るセンサの実施形態の概略図。 図２に記載の本発明の実施形態に係る発光路及び／又は受光路を統合するための反射器の概略図。 図３に記載の反射器の一部の断面図。 １つの発光路と１つの受光路を統合するための反射器を有する本発明に係るセンサの一実施形態の概略図。 ３つの発光路を統合するための反射器を有する本発明に係るセンサの別の実施形態の概略図。 図６に記載の本発明の実施形態に係る発光路及び／又は受光路を統合するための反射器の概略図。 図７の反射器の部分図。 図８の断面図。 ２つの発光路と１つの受光路を統合するための反射器を有する本発明に係るセンサの一実施形態の概略図。 １つの発光路と２つの受光路を統合するための反射器を有する本発明に係るセンサの別の実施形態の概略図。 発光路及び／又は受光路を統合するための反射器としてのＴＩＲモジュールの概略図。 図１２の断面図。 ３つの発光路と２つの受光路を統合するための２つの反射器を有するセンサの一実施形態の概略図。 ３つの発光路を統合するための反射器と、それとは別の発光及び受光光学系とを有する本発明に係るセンサの別の実施形態の概略図。 ３組の発光源と発射光束の光線形成用の放物面鏡とを備える、３つの発光路を統合するための反射器の配置の概略斜視図。

全ての図において同じ符号は対応する構成要素を示している。

図１は従来技術によるコントラストマーク又は符号の認識又は読み取りのためのコントラストセンサとして構成された光電センサ１０１を示している。発光源１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが発光路１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃに沿って発射光を発する。発射光は１つのミラー１０４と２つの二色性ミラー１０５ａ、１０５ｂで共通の光路１０６に統合され、ビームスプリッタ１０７と光線形成用の光学系１０８により物体１０９へ導かれる。物体１０９により直反射又は拡散反射された光が受信光としてセンサ１０１まで戻り、光線形成用の光学系１０８とビームスプリッタ１０７により受光路１１０を通って受光器１１１上に結像される。発光源１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと受光器１１１は制御及び評価ユニット１１２に接続されている。

図２に本発明の一実施形態に係る光電センサ１を示す。これは例えばコントラストマーク又は符号の認識又は読み取りのためのコントラストセンサ、又は色を検出するための色センサとして構成されている。発光源２ａ及び２ｂが発光路３ａ及び３ｂに発射光を発する。これらの発光路は光路統合用の反射器１３により共通の光路６に統合される。反射器１３の機能の仕方については図４及び５を参照して詳しく説明する。反射器１３は図１に示した従来のミラー１０４、１０５ａ、１０５ｂに実質的に置き換わるものである。共通の光路６には、該共通の光路６の直径を制限する絞り１７を、反射器１３より後段で光の伝播方向に設けることができる。加えて、発射光束の混合を良好にするために絞りの領域に拡散器（図示せず）を配置することもできる。ビームスプリッタ７と光線形成用の光学系８により発射光が物体９へ導かれる。物体９により直反射又は拡散反射された光が受信光としてセンサ１まで戻り、光線形成用の光学系８とビームスプリッタ７により受光路１０を通じて受光器１１上に結像され、該受光器１１により検出される。発光源２ａ及び２ｂと受光器１１は制御及び評価ユニット１２と接続されている。制御及び評価ユニット１２は通常、発光源及び受光器を制御するための制御電子回路系、並びに、受光器の受光信号の評価及び検出された受信光に応じたスイッチ信号の生成のための一又は複数のマイクロプロセッサを含んでいる。

図３に本発明の別の実施形態に係る光電センサ１を示す。図２に示したセンサと異なり、ここでは発光路と受光路が反射器により統合される。この場合、光源が１つだけの簡素で安価な実装のセンサとすることができる。

発光源２ｂからの発射光が発光路３ｂを通って反射器１３に達し、該反射器１３の反射面１４ｂ、共通の光路６及び光線形成用の光学系８を経て物体９へ導かれる。物体９により直反射又は拡散反射された光が受信光としてセンサ１まで戻り、光線形成用の光学系８と共通の光路６を通って反射器１３に達する。受信光のうち反射器１３の反射面１４ａに入射する部分は受光路１０を通って受光器１１上に結像される。発光源２ｂと受光器１１は制御及び評価ユニット１２と接続されている。

つまりこの場合、反射器１３は発光路３ｂと受光路１０を共通の光路６に統合する役割を果たしている。

図４は、発光路及び／又は受光路を統合するための反射器１３を図２及び３で示した本発明の実施形態において用いたときの様子を示している。反射器１３は多数の反射面１４を備えており、それらは第１の反射面１４ａの部分と第２の反射面１４ｂの部分に分かれている。第１の反射面１４ａと第２の反射面１４ｂは、発光源２ａ、２ｂから発光路３ａ、３ｂに沿って発せられた発射光を共通の光路６へ反射する。そのために、第１の面１４ａは第２の面１４ｂと平行且つ交互に配置され、一緒に鋸歯状又は屋根の縁状の構造を成している。両方の反射面が互いに接する頂点の間隔（これを反射器１３の格子寸法とも呼ぶ）は好ましくは５μｍ〜５００μｍ、特に好ましくは２０μｍ〜２００μｍである。

反射面１４ａ、１４ｂ、発光源２ａ、２ｂ及び発光路３ａ、３ｂは、第１の発光源２ａからの第１の発射光が第１の発光路３ａに沿って第１の反射面１４ａだけに当たり、該第１の反射面１４ａにより多数の互いに間隔を置いた第１の部分光線として共通の光路６に沿って方向転換されるように、且つ、第２の発光源２ａからの第２の発射光が第２の発光路３ｂに沿って第２の反射面１４ｂだけに当たり、該第２の反射面１４ｂにより多数の互いに間隔を置いた第２の部分光線として共通の光路６に沿って方向転換されるように配置されている。第１の部分光線は第２の部分光線と交互に現れる。また、発光源２ａ、２ｂから出射される発射光がコリメートされた光、つまり平行光線であれば、全ての部分光線も同様に互いに平行である。もっとも、発光源２ａ、２ｂからの発射光はコリメート光である必要はなく、発散又は収束する光束として反射器１３に当たってもよい。

発光源２ａ、２ｂからの発射光が共通の光路６に沿って方向転換されるようにするため、好ましくは特定の形状的な条件を満たすべきである。

図５は図２中の切断線１６に沿った反射器１３の断面図である。（仮想的な）反射器面１５が共通の光路６の光軸に垂直になっている。第１の反射面１４ａは反射器面１５に対して角度αだけ傾き、第２の反射面１４ｂは角度βだけ傾いている。従って、二つの面１４ａ及び１４ｂが囲む角度をτとすると、τ＝１８０°−α−βという関係が成り立つ。発射光（ここでは例として発光源２ｂからの発射光）は発光路３ｂに沿って反射器面１５に対して入射角δで第２の反射面１４ｂに当たり、共通の光路６に沿って反射される。φは第２の反射面１４ｂへの垂線１９に対する発射光の入射角又は出射角である。

角度α及びβの値の好ましい範囲は以下の境界条件で与えられる。
・光は上から反射面１４ａ及び１４ｂに入射するため、δ≧０°である。これより、α及びβ＜４５°となる。
・入射角δが大きくなると光源２ａに付属する反射面１４ａまで照明されてしまうため、α≦βである。
αとβがこのような関係にあるとして、
・共通の光路６は反射器面１５に垂直であるため、β＝φである。
・入射角と出射角は等しく、且つ発射光線は反射器面１５に垂直に反射されるため、δ＝９０°−２φである。
これらの境界条件から所定の傾き角αに対してβを求めると、β＝（９０°−α）／２という関係になる。

αとβが同じ大きさであれば、第１及び第２の反射面１４ａ、１４ｂが共通の光路６と重なる面積も同じである。αとβを適切に選ぶことにより、第１及び第２の反射面１４ａ、１４ｂが共通の光路６と重なる面積を変えることができる。これは、図３に示した実施形態のように反射器１３を発射光線と受信光線との統合に用いる場合に特に関係があり得る。

別の実施形態では、発射光が第１及び第２の反射面１４ａ、１４ｂのうち共通の光路６との重なり面積がより小さい反射面を経て光路に結合されるように、αとβを選ぶことができる。その場合、受信光は、第１又は第２の反射面１４ａ、１４ｂのうち共通の光路６との重なり面積がより大きい反射面を経て受光器１１へと向けられる。従って、この装置を用いれば、例えば従来の５０／５０ビームスプリッタを用いる場合よりも受光器１１のためにより高い光収率を実現できる。

発射光が反射器１３に斜めに入射したとすると、円形の光線断面で発光源２ａ、２ｂから出射する発射光線は反射器１３で反射された後、楕円形の断面を持つ。反射器１３より後段で円形の光線断面が望まれる場合は、発射光線の断面を反射器１３での反射より前に例えばアナモルフィック・レンズで楕円形に変形することができる。この場合、楕円率は入射角δに依存する。

以下の図６〜８では、ここまでの実施形態とは異なり、１つの反射器で３つの光路を共通の光路に統合する実施形態を示す。

図６に本発明の別の実施形態に係る光電センサ１を示す。発光源２ａ、２ｂ及び２ｃが発光路３ａ、３ｂ及び３ｃに発射光を発する。これらの発光路は光路統合用の反射器２３で共通の光路６に統合される。反射器２３の機能の仕方については図９〜１１を参照して詳しく説明する。共通の光路６には、該共通の光路６の直径を制限する絞り２７を、反射器２３より後段で光の伝播方向に設けることができる。加えて、発射光束の混合を良好にするために絞りの領域に拡散器（図示せず）を配置することもできる。ビームスプリッタ７と光線形成用の光学系８により発射光が物体９へ導かれる。物体９により直反射又は拡散反射された光が受信光としてセンサ１まで戻り、光線形成用の光学系８とビームスプリッタ７により受光路１０を通じて受光器１１上に結像される。発光源２ａ、２ｂ及び２ｃと受光器１１は制御及び評価ユニット１２と接続されている。制御及び評価ユニット１２は通常、発光源及び受光器を制御するための制御電子回路系、並びに、受光器の受光信号の評価及び検出された受信光に応じたスイッチ信号の生成のための一又は複数のマイクロプロセッサを含んでいる。

図７に本発明の別の実施形態に係る光電センサ１を示す。図６に示したセンサと違って、２つの発光路と１つの受光路が共通の光路に統合される。発光源２ｂ及び２ｃからの発射光が発光路３ｂ、３ｃを通って反射器２３に達し、反射器２３の反射面２４ｂ及び２４ｃ並びに共通の光路６を経て、光線形成用の光学系８により物体９へ導かれる。物体９により直反射又は拡散反射された光が受信光としてセンサ１まで戻り、光線形成用の光学系８と共通の光路６を通って反射器２３に達する。受信光のうち反射器２３の反射面２４ａに入射する部分が受光路１０を通って受光器１１上に結像される。発光源２ｂ及び２ｃと受光器１１は制御及び評価ユニット１２と接続されている。つまりこの場合は反射器２３が２つの発光路３ｂ、３ｃと１つの受光路１０を共通の光路６に統合する働きをする。

図８に本発明の別の実施形態に係る光電センサ１を示す。図６及び７に示したセンサと違って、ここでは１つの発光路と２つの受光路が共通の光路に統合される。発光源２ｂからの発射光が発光路３ｂを通って反射器２３に達し、反射器１３の反射面１４ｂと共通の光路６、光線形成用の光学系８を通って物体９へ導かれる。物体９により直反射又は拡散反射された光が受信光としてセンサ１まで戻り、光線形成用の光学系８と共通の光路６を通って反射器２３に達する。受信光のうち反射器２３の反射面２４ａ及び２４ｃに入射する部分が受光路１０ａ、１０ｃを通って受光器１１ａ、１１ｃ上に結像される。発光源２ｂと受光器１１ａ、１１ｃは制御及び評価ユニット１２と接続されている。

図９に、図６〜８に記載の実施形態に係る発光路及び／又は受光路を統合するための反射器２３を示す。反射器２３は多数の反射面２４ａ、２４ｂ、２４ｃを備えており、第１の反射面２４ａ、第２の反射面２４ｂ及び第３の反射面２４ｃという部分に分かれている。

反射面２４ａ、２４ｂ、２４ｃの配置は再帰反射器を元にしている。再帰反射器は、よく用いられる鋳造では互いに直角に向けられた３つの反射面を基本としている。これらの反射面は三つ組（Tripel）とも呼ばれる。その幾何学的な配置は内側が鏡面になった壁を持つ中空の立方体角部に相当しており、通常は多数の立方体角部が三つ組アレイとして用いられる。これにより、再帰反射器に入射した光が鏡面状の壁で複数回反射した後、入射方向に戻るように反射される。

ただし、再帰反射器とは違って、図９に示した実施形態における個々の三つ組は互いに垂直になった正方形の壁を持つ中空の立方体角部として実装されてはいない。むしろ三つ組の壁は、発射光線６の光軸に垂直な（仮想的な）反射器面１９内に配置された、平行四辺形状である第１の反射面２４ａ、第２の反射面２４ｂ及び第３の反射面２４ｃから成る。反射面２４ａ、２４ｂ及び２４ｃは反射器面１９に対してそれぞれ角度α、β及びγだけ傾き（図示せず）、且つ互いに９０°より大きい角度で配置されている。平面から突出する三つ組の頂点には図中で黒い点２０を付している。前述の反射面２４ａ、２４ｂ、２４ｃの配置により、ある規定の角度で反射器２３に入射する各光線は、それぞれの入射方向に戻るように反射されるのではなく、入射角と出射角は等しいという関係に従って方向転換される。

三つ組の反射面が互いに接する三つ組頂点２０の間隔（これを反射器２３の格子寸法とも呼ぶ）は好ましくは５μｍ〜５００μｍ、特に好ましくは２０μｍ〜２００μｍであり、従って発射光束の直径よりもはるかに小さい。これにより反射器２３の使用の際に様々な波長の光を効果的に混合することができ、その結果、例えば赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれ発する発光源の光を照明対象の物体９上に重ねれば白色光が生成される。

反射面２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、発光源２ａ、２ｂ、２ｃ、及び発光路３ａ、３ｂ、３ｃは、第１の発光源２ａから出る第１の発射光が第１の発光路３ａに沿って第１の反射面２４ａだけに当たり、該第１の反射面２４ａにより多数の互いに間隔を置いた第１の部分光線として共通の光路６に沿って方向転換されるように、また、第２の発光源２ｂから出る第２の発射光が第２の発光路３ｂに沿って第２の反射面２４ｂだけに当たり、該第２の反射面２４ｂにより多数の互いに間隔を置いた第２の部分光線として共通の光路６に沿って方向転換されるように、そして、第３の発光源３ｃから出る第３の発射光が第３の発光路３ｃに沿って第３の反射面２４ｃｂだけに当たり、該第３の反射面２４ｃにより多数の互いに間隔を置いた第２の部分光線として共通の光路６に沿って方向転換されるように配置されている。これにより第１、第２及び第３の部分光線は部分光線の格子を形成する。

発光源２ａ、２ｂ、２ｃから出射される発射光がコリメートされた光、つまり平行光線であれば、全ての部分光線も同様に互いに平行である。もっとも、発光源２ａ、２ｂ、２ｃからの発射光はコリメート光である必要はなく、発散又は収束する光束として反射器２３に当たってもよい。

発光源２ａ、２ｂ、２ｃからの発射光が幾何学上の損失（例えば共通の光路６から逸れる方向への反射）なしで反射されるようにするため、特定の幾何学的な条件を満たすことが好ましい。これについて図１０及び１１を参照して説明する。なお、発光路及び／又は受光路の代表として発光路３ｂを考察する。

図１０において、（仮想的な）反射器面１９は共通の光路６に垂直になっており、反射器２３の三つ組を切断している。得られる立体は正三角形の底面１８を持つ四面体である。例えばここでは、発光源２ｂの発射光が発光路３ｂに沿って反射器２３の反射面２４ｂに入射する様子が描かれてる。この反射面２４ｂは反射器面１９に対して角度αだけ傾いている。発射光は共通の光路６の方向に反射される。

図１１は四面体の断面図である。断面は底面１８の中心垂線に沿い、且つ頂点２０を通っている。四面体の底面は正三角形であるから以下の関係が成り立つ。
ｔａｎα＝２ｔａｎε
また、傾き角αの値の好ましい範囲は以下の境界条件で与えられる。
光は上から第２の反射面２４ｂに入射するため、δ≧０°である。これより、α＜４５°となる。
入射角が大きくなると別の発光源２ａ、２ｃにそれぞれ付属する反射面２４ａ、２４ｃも照明されてしまうため、δ≦εである。
入射角と出射角が等しく、また共通の光路６の光軸が反射器面１９に垂直であるため、δ＝９０°−２φである。
共通の光路６の光軸が反射器面１９に垂直であるため、α＝φである。
以上から、反射器面１９に対する面２４ｂの傾き角αの値の好ましい範囲は
３５．２６°≦α＜４５°
となり、反射器面１９に対する発射光３ｂの入射角δの値の好ましい範囲は
０＜δ≦１９．４７°
となる。これらの条件は反射器２３の第１及び第３の反射面２４ａ、２４ｃについても同様に当てはまる。

許容差と光線の発散を考慮すると、好ましくはδ＝１４°とα＝３８°という角度のペアを選ぶことができる。このようにすれば、反射器２３はδ＝１４°±５°の非平行光線に対しても効率的な光線統合器として作用する。

故に、反射器への発光路及び／受光路の入射角δは反射器面に対して４５度より小さいことが好ましく、２０度より小さいことが有利である。

傾き角は第１から第３までの反射面２４ａ、２４ｂ、２４ｃに対して同じ角度を選ぶことができるが、個々に選ぶこと、つまり全ての第２の反射面２４ｂに対して角度α、全ての第１の反射面２４ａに対して角度β、そして全ての第３の反射面２４ｃに対して角度γを選んでもよい。その場合、全ての角度について前述の値範囲を守ること、すなわち、
３５．２６°≦α，β，γ＜４５°
であることが好ましい。

α、β及びγが同じ大きさであれば、反射面２４ａ、２４ｂ、２４ｃが共通の光路６と重なる面積も同じである。α、β及びγを適切に選ぶことにより、反射面２４ａ、２４ｂ及び２４ｃと共通の光路６との重なり面積を変えることができる。これは、図８のように反射器２３が１つ発光路と２つの受光路との統合に用いられる場合に特に関係があり得る。発射光には通常、十分な強度があるため、好ましい実装では、発光路３からの発射光を共通の光路６と結合させるための反射面２４ｂよりも、強度の低い反射光を受光路１０ａ、１０ｃを通じて受光器１１ａ、１１ｃ上に結像させるための反射面２４ａ、２４ｃの方が、それぞれ共通の光路６との重なり面積がより大きくなるように、α、β及びγを選択してもよい。これにより、１つの発光源と２つの受光器を持ち、各受光器において異なる方法で受信光を評価できるコンパクトなセンサを構成することができる。

発射光が反射器２３に斜めに入射したとすると、円形の光線断面で発光源２ａ、２ｂ、２ｃから出射する発射光線は反射器２３で反射された後、楕円形の断面を持つ。反射器２３より後段で円形の光線断面が望まれる場合は、発射光線の断面を反射器２３での反射より前に例えばアナモルフィック・レンズで楕円形に変形することができる。この場合、楕円率は入射角δに依存する。

発光源２ａ、２ｂ、２ｃとしては発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることが好ましい。また、例えばレーザ、スーパールミネセントダイオード若しくは面発光器（ＶＣＳＥＬ：垂直共振器面発光レーザ）等の他の光源や、ここまで挙げた光源の組み合わせを用いることもできる。

受光器１１ａ、１１ｂ、１１ｃとしてはフォトダイオード、ＡＰＤ、ＳＰＡＤ、ラインセンサ、ＣＣＤ又はこれらに比肩される受光器を用いることができる。

反射面の寸法は発射光束の直径に比べて小さい。好ましくは、１つの反射面の少なくとも１つの稜線の長さが発射光線の直径の１：１０より小さい。このようにすると、純粋な模範例として、図６又は図１２に記載の実施形態の場合、発射光束の混合が物体９の領域で生じる。例えば、赤色、緑色及び青色の光源を重ねると遠隔領域で白色が生じる。

反射面は反射特性を最適化するためのコーティングを備えることができる。この場合、本発明では広帯域コーティングを用いることができ、それにより、例えば光線統合器を階段状にする場合に必要となる波長特異的な鏡を使用せずに済む、という利点がある。従ってこの反射器は、広い波長範囲にわたり、特別な適合化をしなくても、極めて多様な波長の光源に対して用いることができる。コーティング材料としてはアルミニウム又は金を好適に用いることができる。

反射面は平面光学系として設計してもよいし、曲面状（凹面、凸面又は自由形状）でもよい。曲面状の反射面を用いれば、発光路及び／又は受光路の統合に加えて光線形成にも反射器を利用できる。

好ましくは、反射器はプラスチック射出成形部品として製造され、別の処理ステップで鏡面層が設けられる。ただし他にも、例えば構造体が直接作り出される高精度の付加製造法（例えば３次元印刷）、マイクロエッチング、機械加工等、極めて多様な製造方法及び材料が考えられる。

反射器がプラスチックで成形又は鋳造される場合、発光源及び／又は受光器を収める要素、並びに、鏡、放物面鏡又はレンズ等の光線案内用又は光線形成用の部品を同じ部品内に設けることで、光電センサ内に発光源及び／又は受光器を僅かな許容差で位置決めすることができる。

反射器への発光路及び／受光路の入射角δが反射器面に対して好ましくは４５度より小さく、より有利には２０度より小さいため、平らな発光及び／又は受光モジュールを実現できる。また、反射器のエッジ長又は直径が好ましくは２ｍｍ〜１０ｍｍ、特に好ましくは１ｍｍ〜５ｍｍであるため、所要スペースが少ないコンパクトな光電センサを実現することができる。

図１２に全反射（TIR: Total Internal Reflection）の原理に基づく反射器３３を示す。そのために反射器３３は例えばＰＭＭＡ、ＰＣ又はＺｅｏｎｅｘから成る透明な本体３０を備えている。発射光３ａ、３ｂ、３ｃは側壁３１ａ、３１ｂ、３１ｃを通って反射器３３の本体３０内へ入る。本体３０の下面には多数の傾斜面３４ａ、３４ｂ、３４ｃがある。所定の角度で面３４ａ、３４ｂ、３４ｃに入射する発射光３ａ、３ｂ、３ｃは本体３０とそれに接する媒質（例えば空気）との間の境界面で全反射により発射光線６の光軸に沿って反射される。その際、面３４ａ、３４ｂ、３４ｃの傾き角及び発射光３ａ、３ｂ、３ｃの入射角は発射光３ａ、３ｂ、３ｃの波長と本体３０の材料の屈折率に依存する。

図１３は反射器３３の本体３０の断面と、模範例として発射光３ｂの光線の進路を示している。この光は好ましくは側壁３１ｂに垂直に当たり、面３４ｂの表面で全反射により共通の光路に沿って反射される。発射光３ｂは反射器３３の上面を通って本体３０から出射する。この上面は好ましくは発射光線６の光軸に垂直になっている。

図１４は考えられる別の実施形態のセンサ１を示している。これは図６に示した実施形態を元にしているが、ビームスプリッタ７がもう一つの反射器４４で置き換えられている。反射器２３は図６と同様に３つの照明光路３ａ、３ｂ、３ｃを共通の光路６に統合する。他方の反射器４３はこの共通の光路６と２つの受光路１０ａ、１０ｂを別の光路４６に統合する。その結果、物体により直反射又は拡散反射された受信光を２つの受光器で検出し、分析することができる。ただし、この実施形態は任意の発展形であって、本発明は好ましくは、反射器１３が１つだけであり、もう一つの反射器４４はない場合に関係している。従って、図１４とは違って、反射は好ましくは共通の反射器面１５、１９において生じる。その際、反射面１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、４４ａ、４４ｂ、４４ｃそのものの面積が小さいことはここで述べたことにとって問題にはならない。

図１５は考えられる別の実施形態のセンサ１を示している。これは図６に示した実施形態を元にしているが、光線案内用の光学系８を発射光と受信光の瞳孔分割の原理に従って分離させた設計になっている。反射器２３が図６と同様に３つの発光路３ａ、３ｂ、３ｃを共通の光路６に統合する。光線形成用の発光光学系８ａにより発射光が物体９へ導かれる。物体９により直反射又は拡散反射された光が受信光としてセンサ１まで戻り、光線形成用の受光光学系８ｂにより受光路１０を通じて受光器１１上に結像される。

図１６は３つの発光路３ａ、３ｂ、３ｃを統合するための可能な配置を示している。発光源２ａ、２ｂ、２ｃから発せられる発射光（好ましくは赤色光、緑色光及び青色光）が放物面鏡４５ａ、４５ｂ、４５ｃにより光路統合用の反射器２３へと反射され、共通の光路６に統合される。放物面鏡４５ａ、４５ｂ、４５ｃは、統合された発射光が反射器２３より後段で円形の光線断面を持つように、湾曲していることが好ましい。共通の光路６には、該共通の光路６の直径を制限する絞り４７を、反射器２３より後段で光の伝播方向に設けることができる。加えて、発射光束の混合を良好にするために絞りの領域に拡散器（図示せず）を配置することもできる。

好ましくは、反射器２３、放物面鏡４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、及び発光源２ａ、２ｂ、２ｃのホルダ（図示せず）を一体成形することで、許容差の少ないコンパクトな構造を実現できる。

Claims (15)

1. 発射光を送出するための少なくとも１つの発光源（２ａ、２ｂ、２ｃ）と、該発光源に割り当てられた発光路（３ａ、３ｂ、３ｃ）と、直反射又は拡散反射された発射光（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を受光するための少なくとも１つの受光器（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と、該受光器に割り当てられた受光路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）と、制御及び評価ユニット（１２）と、発光路及び／又は受光路を共通の光路（６）に統合するための少なくとも１つの反射器（１３、２３、３３、４３）とを備える光電センサ（１）において、
   前記反射器（１３、２３、３３、４３）が、前記共通の光路（６）に垂直になった反射器面（１５、１９）に対して傾きを有する多数の反射面（１４、２４、３４、４４）を備えており、前記反射器（１３、２３、３３、４３）により統合された発光路及び／又は受光路（３ａ、３ｂ、３ｃ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）のそれぞれに前記反射器の反射面の所定部分（１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ）が割り当てられていることを特徴とする光電センサ（１）。
2. 前記反射器（１３）が２つの発光路（３ａ、３ｂ）又は２つの受光路（１０ａ、１０ｂ）を統合することを特徴とする請求項１に記載の光電センサ（１）。
3. 前記反射器（１３）が１つの発光路（３ｂ）と１つの受光路（１０）を統合することを特徴とする請求項１に記載の光電センサ（１）。
4. 前記反射器面（１５）に対する前記反射面（１４）の傾きが０度より大きく、４５度より小さい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（１）。
5. 前記反射器面（１５）に対する前記反射面（１４）の傾きが３０度より大きく、４０度より小さい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（１）。
6. 前記反射面の第１の部分（１４ａ）が前記反射器面（１５）に対して第１の角度（α）で傾いており、前記反射面の第２の部分（１４ｂ）が前記反射器面（１５）に対して前記第１の角度（α）とは異なる第２の角度（β）で傾いていることを特徴とする請求項５に記載の光電センサ（１）。
7. 前記反射器（２３）が３つの発光路（３ａ、３ｂ、３ｃ）又は３つの受光路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）を統合することを特徴とする請求項１に記載の光電センサ（１）。
8. 前記反射器（２３）が２つの発光路（３ｂ、３ｃ）と１つの受光路（１０）を統合すること、又は１つの発光路（３ｂ）と２つの受光路（１０ａ、１０ｂ）を統合することを特徴とする請求項１に記載の光電センサ（１）。
9. 前記反射器面（１９）に対する前記反射面（２４）の傾きが３５．２６度より大きく、４５度より小さいことを特徴とする請求項７又は８に記載の光電センサ（１）。
10. 前記反射器面（１９）に対する前記反射面（２４）の傾きが３７度より大きく、４２度より小さいことを特徴とする請求項７又は８に記載の光電センサ（１）。
11. 前記反射面（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）の第１の部分（２４ａ）の傾きが前記反射面（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）の第２の部分（２４ｂ）の傾きと異なっていることを特徴とする請求項７又は８に記載の光電センサ（１）。
12. 前記反射面（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）の第１の部分（２４ａ）、前記反射面（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）の第２の部分（２４ｂ）及び前記反射面（２４ａ、２４ｂ、２４ｃ）の第３の部分（２４ｃ）が異なる傾きを有していることを特徴とする請求項７又は８に記載の光電センサ（１）。
13. 前記反射器（１３、２３、３３、４３）の格子寸法が最小で５μｍ、最大で５００μｍであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の光電センサ（１）。
14. コントラストセンサ又は色センサとして用いるための請求項１〜１３のいずれかに記載の光電センサ（１）。
15. 発光路及び／又は受光路を統合する方法であって、少なくとも１つの発光源（２ａ、２ｂ、２ｃ）が発光路（３ａ、３ｂ、３ｃ）に発射光を送出し、直反射又は拡散反射された発射光（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が受光路（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）において受光器（１１）で受光され、少なくとも２つの発光路及び／又は受光路が少なくとも１つの反射器（１３、２３、３３、４３）で共通の光路（６）に統合される方法において、
    前記反射器（１３、２３、３３、４３）が、前記発光路及び／又は受光路を、前記共通の光路（６）に垂直になった反射器面（１５、１９）に対して傾きを有する多数の反射面（１４、２４、３４、４４）により統合し、前記反射器（１３、２３、３３、４３）により統合された発光路及び／又は受光路（３ａ、３ｂ、３ｃ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）のそれぞれに前記反射器の反射面の所定部分（１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ）が割り当てられていることを特徴とする方法。

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