JP4663661B2 - 物体の光電子工学的監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の上位概念に係る物体の光電子工学的監視装置に関する。

光電子工学的監視は、多くの分野にて、特に安全と制御の目的で導入されている。例えば、ある空間領域に関して、出入り口の安全や危険な機械からの安全のために人間又は物体の存在を監視することもあれば、同じく、そうした物体の除去や動きを監視するために物体を制御することもある。

スキャナ原理に沿って動作する光電子工学的監視装置は既知である（例えば、DE 43 45 446 C2）。この装置では、コリメートされた照射光線が監視すべき領域を走査し、監視すべき物体から拡散して散乱する光線が受信ユニットによって監視される。こうした装置では回転する光学システムが使われており、このシステムには高額の機械製造費用と調整費用が必要である。又、機械的に回転するこのシステムの寿命にも限界がある。

この他にも、こうした類の光電子工学的監視装置は既知であり（例えば、DE 299 11 390 U1）、それによると、送信ユニットは照射光線を構造的な照射パターンで送出し、この照射パターンで照射された物体が受信ユニットの画像検出器に写され、監視される。

このような既知の装置は、物体の監視だけでなく空間領域の監視にも導入されることがある。物体の監視の場合には物体の存在が監視され、空間領域の監視の場合には監視すべき領域への物体の進入が検知される。「物体の監視」という表現には、両方の可能性が含まれる。

送信ユニットと受信ユニットを１つの共通のケースに収めることで、コンパクトな構造と装置の簡単な取り付けが可能となる。このケースの前面はガラス板で覆われており、この前面ガラス板を照射光線は通り、前面ガラス板を通して受信ユニットは物体から出てきた光を受ける。前面ガラス板に汚れがあると、送出された照射光線と照射された物体からの光が弱くなるため、装置の機能が損なわれることがある。操作を監視することも可能であり、その場合、前面ガラス板は多少とも厚く覆われる。

DE 43 45 446 C2に記載の装置では、前面ガラス板の汚れは、補助光源の光線を前面ガラス板のある領域を通して送り、通過した光線の強度を補助受信器で測定することにより監視される。このように、汚れの監視には送信器と受信器の補助的光学システムが必要となる。加えて、汚れの監視は、必ずしも、物体を監視するための照射に使われる前面ガラス板の全領域でなされるわけではない。
DE 43 45 446 C2 DE 299 11 390 U1

本発明の課題は、簡単で頑丈な構造を有し、かつ不断の機能制御を可能にする、物体の光電子工学的監視のための装置を提供することである。

この課題は、次のような装置によって発明的に解決される。即ち、構造的な照射パターンの照射光線を送り出す送信ユニットと、構造的な照射パターンで照らされた物体が写される画像検出器を含む受信ユニットと、前記送信ユニット及び前記受信ユニットが中に収められ、かつ前記送信ユニット及び前記受信ユニットのための前面ガラス板が取り付けられたケースと、を備えた、物体を光電子工学的に監視するための装置であって、前記送信ユニット、前記受信ユニット、及び前記前面ガラス板が、前記前面ガラス板で直接反射した照射光線が前記受信ユニットの前記画像検出器に到達しないように、かつ、前記前面ガラス板で拡散して散乱した前記送信ユニットの光線が物体の画像とは別に前記受信ユニットで検出されるように、前記ケースに配置されること、を特徴とする物体の光電子工学的監視装置である。

本発明の有利な実施形態と発展形態については、下位請求項に記載されている。

本発明の装置は構造的照射の原理を利用する。送信ユニットは照射光線を構造的照射パターンで送り出し、その構造的照射パターンで監視すべき物体を照射する。構造的照射パターンは一次元又は二次元で作られるが、非連続の照射点又は連続的な照射パターンで構成され、最も簡単な場合には線状の照射でもよい。物体は、物体の照射パターンを受信する受信ユニットで観察され、画像検出器に写される。受信ユニットは、特にはデジタルカメラである。画像検出器に受信された画像パターンは幾何学的な条件に応じて、例えば三角測量を用いて画像パターンから判定され、監視される物体が監視される空間領域にあるか否か、動いたか否か、又は取り除かれたか否か、或いは望ましくない物体が監視される空間領域にあるか否か、が明確に判定できる。

送信ユニット、受信ユニット、及び前面ガラス板は装置の共通のケースに収められるため、送信ユニットから送られる照射光線は直接反射され、受信ユニットには届かない。送信ユニットの光線が前面ガラス板で拡散して散乱するならば、受信ユニットは前面ガラス板での散乱光を物体から来る光とは別の光であるとみなす。それ故、受信ユニットが判定する際、送信ユニットから送られる照射光線の拡散した散乱が前面ガラス板にあるか否かを確定することができる。前面ガラス板で拡散して散乱することは、前面ガラス板に積もった汚れの１つの指標である。同様に、前面ガラス板での拡散した散乱は、前面ガラス板が操作の目的で覆われることによっても引き起こされることがある。「前面ガラス板の拡散した散乱」という表現には、両方の場合が含まれる。つまり、前面ガラス板に直接積もった汚れによる散乱と、前面ガラス板が覆われることによる散乱である。

送信ユニットから送られる照射光線が当たるような前面ガラス板の領域は、受信ユニットに関しては、監視すべき空間領域以外の、別の視角内にある。このため、前面ガラス板で散乱される照射光線を、受信ユニットの画像検出器に、監視すべき領域の画像とは別に写すことができると有利である。

１つの有利な実施形態は、特に簡単な構造にして図示している。その実施形態では、照射光線は走査面に扇状に広がる個別の光線である。物体は、この走査面で一列に並ぶ点によって照らされる。それに応じ、物体の画像は画像検出器に画像点の列として示される。

受信ユニットはこの走査面の反対側に置かれるため、受信ユニットは物体から出る光を走査面に対し傾いている視角で受信する。場合によっては、前面ガラス板で拡散した散乱光から来る光は別の視角で受信され、画像検出器に画像点の列として写され、その画像点の列は物体の画像点の列と平行になる。これにより、画像検出器の判定に関して、簡単で信頼できる信号処理がなされる。送信ユニットは、特に簡単な実施形態では、光線束をもつ光源と、回折光学要素とを備えることができる。光源は、点状の光源（例えば、切り替え可能なコリメータレンズ付レーザーダイオード）とすることもできる。回折光学要素は、光源の収束した光線を扇状の個別の光線に分ける。

受信ユニットには、特に物体の画像を画像検出器に写す受信レンズを設ける。画像検出器は、マトリックス状に配置された光電子工学の要素、例えば、フォトダイオード、CCD、又はCIDを有するデジタルカメラとして作製されると有利である。

本発明の装置では、物体監視のために使われる受信ユニットを、同時に、前面ガラス板の汚れ又は操作を監視するためにも使う。こうした汚れ又は操作の監視のために、装置の製造に関する追加の費用は不要である。汚れ又は操作の監視は、とりわけ信頼性が高い。なぜなら、前面ガラス板の物体監視のための光が通過する領域と同じ領域が、監視されるからである。

本発明の１つの発展形態では、簡単な方法でかつ追加費用なしに、装置の機能の点検と制御ができる。送信ユニットの光線の一部（部分光線）は曲げられるため、その部分光線は監視すべき物体の走査のためには使われず、前面ガラス板の走査領域外にある場所に当たる。この場所は拡散して散乱するようになり、例えば拡散して散乱した要素が前面ガラス板に現れるか、透明な前面ガラス板が曇りガラスになる。この場所に当たる部分光線は常に拡散して散乱され、受信ユニットの一定の制御画像点で画像検出器に写される。このようにすると有利である。画像検出器のこのような制御画像点が、規定された場所にあり、かつ規定された強度を有していることは、送信ユニットと受信ユニットは故障なく機能しており、前面ガラス板も規定の状態で設置されていることを示す。

装置のフェイルセーフを更に向上させるため、更に、画像検出器の全てのピクセルが故障なく動作しているか否かを制御することも可能である。本発明の１つの発展形態では、画像検出器全体をブラインド光源によって、例えば発光ダイオードによって隈無く照らすことができる。画像検出器全体をこのように照射すると、各ピクセルないし各ピクセル群が対応する信号を出しているか否かを検査できる。しかし、画像検出器全体の照射によるこのような検査は、運転中に同時に継続して行うことはできない。なぜなら、物体監視はそうした完全な照射があると機能し得ないからである。

機能を監視するために、受信ユニットの画像検出器を汚れ監視のためにも使う必要はない。受信ユニットには、画像検出器とは別の補助的な受信要素、例えばフォトダイオードを用いることもできる。その場合、様々なバリエーションが可能である。補助的な受信要素は、先に述べた方法で、汚れ又は操作のために前面ガラス板で拡散した照射光線の散乱光を受信できる。ブラインド光源を使う場合は、このブラインド光源の拡散した散乱光も汚れ監視のために利用できる。構造的な照射パターンの照射光線を使う必要なく、完全な照射パターンを物体監視のために使えることは、利点となり得る。照射光線の数量、角度間隔、及びケースの寸法によっては、前面ガラス板で照射光線が十分に分離されない場合もある。この場合、そうした照射光線を機能制御のために別に使用できるようになる。

受信ユニットが画像検出器とは別の受信要素を有する場合、その受信要素で、前面ガラス板での送信ユニットの光の直接反射をも監視することができる。送信ユニットの光線の直接反射は、機能が損なわれていなければ、一定の光強度を示す。前面ガラス板の汚れ又は操作があると、直接の光反射の強度に応じて拡散した散乱光が生じるため、光強度は増す。送信ユニットの機能が損なわれていると、直接反射する光の強度は低下する。直接反射光を受信し処理することにより、汚れと操作の監視も、送信ユニットの機能の制御も共に行うことができる。

以下、図示した実施形態を用いて詳しく説明する。

図１から図６では、それぞれ、ａが側面図であり、ｂが平面図であり、ｃが画像検出器を示す。

図示した装置の１つがケース１０であり、この中に送信ユニット１２と受信ユニット１４が収められている。ケース１０は、透明で完全な光通過性のある前面ガラス板１６で閉ざされている。

送信ユニット１２には特別の光源１８、例えばレーザーダイオードが設けられ、光は光学線束２０によりコリメートされる。コリメートされた光線は回折的な光学要素２２によって扇状に広がる。これによって照射光線２４は構造的なパターンになり、その照射光線が前面ガラス板１６を通過する。図示した実施形態では、構造的な照射パターンは、１つの面で扇状に広がる照射光線２４によって構成される。照射光線２４は監視すべき物体２６に当たり、その物体は構造的な照射パターンになった照射光線２４で照らされる。

受信ユニット１４には画像検出器２８があり、この画像検出器に、受信レンズ３０によって物体２６の照射パターンが写される。受信ユニット１４が、光電子工学要素のピクセル・マトリックス配列のデジタルカメラとして設計されていると有利である。

送信ユニット１２と受信ユニット１４は、送信ユニット１２と受信ユニット１４と物体２６との間にいわゆる三角網が設けられるよう、ケース１０に収められている。このような配置にすると、送信ユニット１２の反射光は、前面ガラス板１６又は物体２６に直接当たり、受信ユニット１４には当たらない。これにより、受信ユニット１４は、物体２６のところで拡散して散乱した照射パターンの光だけを受信する。

図１は、正常な運転状態における装置の機能を示す。送信ユニット１２は、構造的に扇状に広がる照射光線２４を送信する。照射光線２４は前面ガラス板１６を通ると弱まり、一部は監視すべき物体２６に当たり、物体は、照射光線の特徴的な構造的照射パターン（例えば、一列の照射点）で照らされる。この照射点で拡散して散乱した物体光３２は前面ガラス板１６を通り、受信ユニット１４において画像検出器２８に写される。図１ｃが示すように、画像検出器２８には例えば３つの物体画像点３４が生じ、これらは物体２６の照射パターンを示す。物体画像点３４が画像検出器２８の同じ位置にあるならば、監視すべき物体２６は監視される空間領域で同じ位置にあることになる。

受信ユニット１４は画像検出器２８に視野領域を写すが、その上側と下側の視角制限線３６を図１ａにおいて破線で示す。この視角には、物体２６が存在する監視すべき空間領域だけでなく、照射光線２４が通過する前面ガラス板１６の面領域も含まれる。照射光線２４は、前面ガラス板１６に対して略垂直な面を成しつつ、前面ガラス板１６に当たる。受信ユニット１４を送信ユニット１２から移動して配置すると、図１ａに示すように、受信ユニット１４の受信面は、照射光線２４のこのような面に対して傾く。前面ガラス板１６にて直接反射した照射光線２４の光は、受信ユニット１４には達しない。

前面ガラス板１６に汚れがあると、前面ガラス板１６を通って出る照射光線２４の強度は弱まり、物体２６の監視に誤動作が生じることがある。図２はそうした汚れ３８の影響を示す。

照射光線２４が前面ガラス板１６に積もった汚れ３８に当たると、照射光線２４の光は汚れ粒子のところで拡散して散乱する。このように拡散した散乱は前面ガラス板１６に明るい照射点を作り出し、これを受信ユニット１４が画像検出器２８に写す。照射光線２４が受信ユニット１４の方の前面ガラス板１６に当たる場所は、監視すべき物体２６とは別の視角内にあるので、図１ｃが示すように、画像検出器２８での汚れ画像点４０は、物体画像点３４の向い側に移される。扇状に広がった照射光線２４に対応して、汚れ画像点４０が一列に生じ、これが様々な視角に応じて、一列の物体画像点３４へと平行に移動する。汚れ画像点４０の発生とその強度は、前面ガラス板１６の汚れを指摘し、その程度を表す。

監視機能は、前面ガラス板１６の汚れによって損なわれるだけではなく、故意の操作によって損なわれることもある。装置と監視すべき物体２６との間の光の道を遮断するために、ガラス板の前にカバー４２が取り付けられる場合がある。図３は、前面ガラス板１６の前にカバー４２を取り付ける操作を示す。

このような操作を行うと、照射光線２４の物体２６への光の道が遮断されるため、物体２６は照らされず、画像検出器２８は物体画像点３４を示さない。

照射光線２４は、カバー４２に当たり、そこで拡散して散乱する。このため、照射光線２４がカバー４２で当たる場所は、画像検出器２８において、操作画像点４４として写される。カバー４２が前面ガラス板１６に直接取り付けられると、操作画像点４４は汚れ画像点４０に一致する。カバー４２が前面ガラス板１６から離して取り付けられると、視角と照射光線２４の広がりが変わるため、操作画像点４４の列は下方に移り、個々の操作画像点４４の間隔は広がる。従って、物体画像点３４が同時に消えた時に画像点４４が発生すれば、それは操作が行われようとしていることを意味する。

図４は装置の１つの発展形態を示しており、これにより、装置の機能を不断に制御することが可能となる。

完全に透光性のある前面ガラス板１６は、物体２６の照射のためには使われない照射光線２４の当たる領域４６では、拡散して散乱するようにされる。領域４６は、例えば表面が曇りガラスとされる場合もある。この拡散して散乱する領域４６は、前面ガラス板１６の規定された常に点状である汚れに一致する。これに従い、領域４６は、画像検出器２８における汚れ画像点４０が一列に並んだ位置に、画像点４８として写される。

拡散して散乱する領域４６の画像点４８を監視することで、送信ユニット１２と受信ユニット１４の機能を制御することができる。一定の強度を持つ画像点４８が現れ、受信ユニット１４の一定の信号が生じるなら、送信ユニット１２と受信ユニット１４は正常に機能している。この他、画像検出器２８における画像点４８の位置により、送信ユニット１２、受信ユニット１４、及び前面ガラス板１６が、ケース１０において互いに正しい配置で取り付けられているか否かを点検できる。最後に画像点４８を監視することによって、監視を始めるために送信ユニット１２がオンになることを確認できる。

更なるフェイルセーフを達成するために、装置を別の発展形態にすれば、画像検出器２８の各ピクセルの機能も検査できる。このためには、図５に示すように、追加のブラインド光源５０（例えば、光ダイオード）が使われる。このブラインド光源５０により、図５ｃに示すように、画像検出器２８全体が完全に照らされる。個々のピクセルないし個々のピクセル群が十分な信号を供給するなら、画像検出器２８と受信ユニット１４の機能の詳細が明示される。完全に照らされると、当然、他の画像化は不可能になるため、画像検出器２８のこうした点検は、装置が運転されていない場合に、テストとして行うことができるだけである。このような監視は、規定された間隔で自動的に行うこともできる。

図５の実施形態によれば、ブラインド光源５０は画像検出器２８を直接照らす。図６の実施形態では、ブラインド光源５０は前面ガラス板１６を照らすため、画像検出器２８はブラインド光源５０の反射光によって照らされる。図６の発展形態は、ケース１０内の位置関係と組み込み条件の点で有利な場合もある。

図１から図４の実施形態によれば、構造的な照射で物体監視をするために使われる画像検出器２８は、汚れ画像点４０、操作画像点４４、及び機能制御画像点４８を写し、判定するためにも使われる。なお、汚れ、操作、又は機能障害の監視を、必ずしも、物体画像点３４を把握するのと同じ画像検出器２８で行う必要のないことは明らかである。これに関し、補助的な別の受信要素を使うことが可能である。このような受信要素は、汚れ画像点４０、操作画像点４４、ないし制御画像点４８を判定する画像検出器２８の領域の機能を引き受ける。

別の受信要素を設けた場合、この要素は、前面ガラス板１６の汚れ又は操作カバー４２の拡散した散乱によってもたらされる照射光線２４の散乱光を受信し判定することができる。同様に、別の光源の光の、前面ガラス板１６又はカバーの汚れによる拡散した散乱を、別の受信要素によって受信し判定することができる。これは特に、そうした別の光源がブラインド光源５０として取り付けられる場合に可能である。

別の受信要素は、図５に受信要素５２で示す通り、送信ユニットの直接反射光を受信するように配置することも可能である。直接反射された照射光線２４は、受信要素５２に当たる。その場合、２倍の監視可能性が生じる。一定の強度を有する、送信ユニットの前面ガラス板１６で直接反射した光線の光が受信要素５２に当たるならば、送信ユニット１２は規定どおりに機能しており、前面ガラス板１６は汚れていないし、操作もされていないことが判る。前面ガラス板１６に汚れのある場合又は操作がされた場合、受信要素５２には、直接反射光線に加えて、拡散した散乱光が当たる。このため、受信要素５２に記録される光強度は大きくなる。これに対し、送信ユニット１２に誤動作が起こると、その光強度、及び受信要素５２に直接反射する光の強度は小さくなる。受信要素５２の信号の増加は、汚れのあること又は操作がされたことを示す。一方、受信要素５２の信号の減少は、送信ユニット１２の誤動作を指摘する。

正常に稼働している装置の第１の実施形態の図。 前面ガラス板が汚れている場合の実施形態の図。 操作されている場合の実施形態の図。 送信ユニットが制御されている場合の第２の実施形態の図。 画像検出器が制御されている場合の第３の実施形態の図。 第３の実施形態の変形図。

符号の説明

１０ ケース
１２ 送信ユニット
１４ 受信ユニット
１６ 前面ガラス板
１８ 光源
２０ 光線束
２２ 回折光学要素
２４ 照射光線
２６ 物体
２８ 画像検出器
３０ 受信レンズ
３２ 物体光
３４ 物体画像点
３６ 視角限界
３８ 汚れ
４０ 汚れ画像点
４２ カバー
４４ 操作画像点
４６ 散乱した領域
４８ ４６の画像点
５０ ブラインド光源
５２ 受信要素

Claims (9)

1. 構造的な照射パターンの照射光線（２４）を送り出す送信ユニット（１２）と、
   構造的な照射パターンで照らされた物体（２６）が写される画像検出器（２８）を含む受信ユニット（１４）と、
   前記送信ユニット（１２）及び前記受信ユニット（１４）が中に収められ、かつ前記送信ユニット（１２）及び前記受信ユニット（１４）のための前面ガラス板（１６）が取り付けられたケース（１０）と、
   を備えた、物体を光電子工学的に監視するための装置であって、
   前記送信ユニット（１２）、前記受信ユニット（１４）、及び前記前面ガラス板（１６）が、前記前面ガラス板で直接反射した照射光線（２４）が前記受信ユニット（１４）の前記画像検出器（２８）に到達しないように、かつ、前記前面ガラス板（１６）で拡散して散乱した前記送信ユニット（１２）の光線が物体（２６）の画像とは別に前記受信ユニット（１４）で検出されるように、前記ケース（１０）に配置されること、
   上記照射光線（２４）が、走査面で扇状に広がる個別光線であること、及び
   上記受信ユニット（１４）が、走査面に対し傾いている視角内で上記物体（２６）を監視すること、
   を特徴とする物体の光電子工学的監視装置。
2. 請求項１に記載の装置において、上記送信ユニット（１２）が、光源（１８）と、光線束（２０）と、照射光線（２４）を作り出すための回折光学要素（２２）とを有することを特徴とするもの。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、上記画像検出器（２８）が、光電子工学要素のマトリックス配置を示すことを特徴とするもの。
4. 請求項３に記載の装置において、上記前面ガラス板（１６）で拡散して散乱する照射光線（２４）が、上記画像検出器（２８）において、物体（２６）の画像とは別に結像することを特徴とするもの。
5. 請求項４に記載の装置において、上記前面ガラス板（１６）に拡散して散乱する領域（４６）が作られ、かつ、その画像（４８）が上記画像検出器（２８）において機能監視のために使われることを特徴とするもの。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の装置において、上記受信ユニットが、上記画像検出器（２８）とは別の追加の受信要素（５２）を有することを特徴とするもの。
7. 請求項６に記載の装置において、上記受信要素が、上記前面ガラス板（１６）で拡散して散乱した上記送信ユニット（１２）の光線を受信することを特徴とするもの。
8. 請求項６に記載の装置において、上記受信要素（５２）が、上記前面ガラス板（１６）で直接反射された上記送信ユニット（１２）の光線を受信することを特徴とするもの。
9. 請求項３に記載の装置において、機能制御のために、上記画像検出器（２８）を完全に照らすブラインド光源（５０）が設けられることを特徴とするもの。

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