JP5272060B2 - 光電センサ - Google Patents

Description

本発明は、それぞれ、請求項１及び１３の前文に記載の光電センサ及び対象物の高さ及び／又は厚さを決定するための方法に関する。

時として光幕とも称される光格子は、複数の送信要素と、対応する受信要素とを含み、送信要素とそれぞれの受信要素との各対が、送信要素と受信要素との間に形成される光ビームが遮断されているかどうかを検出する光バリアを形成する。送信要素及び受信要素は、互いに対向して装着された送信ユニット及び受信ユニット内でそれぞれ組み合わされている。送信要素と受信要素の両方が、対向する２つの混合型送信及び受信ユニット内に収容されている光格子もある。

単純な光線としての個々の送信要素の光ビームの概念は理想化される。実際に、ビーム成形光学系の開口角に依存して、有限断面を有する光ビームが生成される。管理できるレベルでの調整の要件を守るために、受信要素は、送信ユニットと受信ユニットとの間が通常の距離であれば、対応する送信要素からだけでなく、送信ビーム発散に起因して、それに隣接する送信要素からも送信光を受信する。従って、評価誤差を回避するために、送信要素は周期的に作動される。各送信要素により個々の光パルス又は光パケットが連続して送信され、或る時間窓の間、対応する受信要素のみが、それぞれの光ビーム中に対象物があるかどうかを決定するように作動される。この文脈において、光ビームはチャネルとも称される。

そのため、受信ユニットは、それぞれの送信要素がアクティブである時間窓を知っている必要があり、この時間窓の間、どの送信要素がアクティブであるかをも知る必要がある。従って、送信ユニットと受信ユニットとは互いに同期される。好ましくは、送信ユニットと受信ユニットとの間のケーブル接続を回避するために、光同期が使用される。

光格子の重要な応用分野として安全技術がある。そこでは、仮想壁の種類として平行な光ビームが使用され、対象物により遮断される場合、例えば危険の源が保護される。自動化技術では、対象物の計測用に、対象物の位置及び位置からの寸法、ならびに遮断されるビームの数を計測する光格子が使用される。このやり方で、例えば、コンベヤベルト上を移動される対象物の高さを決定することができる。

このような計測タスクにおける光格子の１つの利点として、他の光電センサ、例えばスキャナ又は光ストライプセンサと比較すれば、全てのビームが平行であり、従って対象物のシャドーイング、及び幾何学的に生じる歪みがないことがある。欠点は、隣接する２つのビームの相互距離により小さな対象物に対する光格子の検出性能が限定されるため、解像度が限定されることである。同じように、より大きな対象物の対象物縁部の位置を決定する精度が限定される。このような対象物は、検出されはするが、ビーム間隔同然の解像度で計測される。対象物が２つのビーム間の隙間に位置決めされている場合、この対象物は検出することができない。検出されるべき対象物が小さくなればなるほど、ビーム間隔は小さくなければならない。

故に、小さな対象物に対する光格子の解像度及びその検出性能をそれぞれ増す明らかな可能性として、ビーム間隔を狭くして、隣接するビーム間の隙間を減少することがある。それ故に、同一の計測場について付加的な送信要素及び受信要素が必要である。このことにより、曖昧な受信信号を回避するようにビームが連続して作動される評価周期が拡張されるため、費用が増加し、応答時間も増加する。

別の手法は交差ビーム技術と呼ばれる。そこでは、受信要素が、対応している対向する送信要素のビームだけでなく、隣接する送信ビームをも評価する。これによって、付加的な傾斜ビームが使用されて、元の真っ直ぐに整列しているビーム間の対象物が検出される。ところが、対象物から送信要素及び受信要素までの距離それぞれへの依存に起因して、監視領域全体について解像度を増加することは不可能であり異例でもある。同じ理由で、交差ビームにより対象物を検出することにより対象物を監視高さまで幾何学的にマッピングすることはできない。従って、元の真っ直ぐに整列しているビーム間の隙間では、二成分対象物存在検出は可能であるが、計測は不可能である。更に、交差ビームの活動時間窓により評価周期が拡張されるため、応答時間が増加される。

ビーム直径が十分大きく、２つのビームが所与の格子パターンで接している場合、エネルギーに基づく評価が適用可能である。その場合、閾値比較によるビーム遮断の通常の二成分評価とは対照的に、それぞれのビームの対象物範囲の定量的程度が決定される。従って、ビーム直径よりも小さな対象物も検出される。交差ビーム技術でのように、監視高さに対して対象物を幾何学的にマッピングすることは不可能である。光格子は、小さな対象物を検出して、覆われた程度から厚さ情報を導くこともできるが、対象物がビーム直径内で位置決めされている場合はいかなる情報をも持たない。よって、位置解像度が改良されない。更に、光格子は、一方で、対象物又は部分的に透明な対象物による部分的な覆いに起因する信号低減と、他方で、ビーム成形光学系の汚染のような環境条件とを区別することができない。

従って、光格子の解像度を改良することが本発明の目的である。

この目的は、請求項１に記載の光電センサ、及び、請求項１３に記載の対象物の高さ及び／又は厚さを決定するための方法により満たされる。本発明は、隣接するビームの隙間における信号情報を活用する基本思想から始まっている。充分な信号情報を生成するために、前記ビームは事実上絡み合い、解像度増加のため、差分信号評価を可能にするようになっている。このことは、前記光学系が監視場に対して斜め方向に相互に重複するような、前記光送信器及び前記受光器のための特別なビーム成形光学系により達成される。この文脈において、重複とは、レンズが物理的に互いの上に位置決めされることではなく、ちょうど規定された方向から見て重複が生じることを意味する。この重複により、関連する前記光ビームの対応する重複が生じる。

前記重複は、好ましくは、前記監視場に対して単に斜めにではなく、基本的に垂直に設けられる。本段落及び後続の段落において、好ましくは、この用語は、本発明にとって必ずしも必要はない、好適ではあるが任意の特性を記述する。正確に整列された垂直な重複は必要でない。例えば、前記光学系が、ビーム方向で互いにずれることが考えられる。つまり、従来の光格子とは対照的に、を可能にするために、対象物が全く同一の高さで多数のビームの受信レベルに影響を与えるという効果のみが重要である。

本発明は、ビーム数の増加が必要とされず、故に、解像度の増加が事実上費用なしにもたらされるという利点を有する。前記監視領域における幾何学的なマッピングを許容する解像度の実際の増加が達成される。解像度の増加に関係なく、評価されるべき個々のビームの数、従って応答時間は一定のままである。小さな対象物を位置決めするサブピクセル解像度が達成される。

検出されるべき前記対象物が前記受光器のすぐ前にあることが確実であるならば、受信側の前記光学系のみを重複するように設計すれば充分である。しかしながら、一般的に、本発明による光学系は、前記光送信器と前記受光器の双方に割り当てられる。

前記光学系は、好ましくは、前記場に対して垂直であって且つ前記場の縁部に配置されていない監視ビームと交差する任意の仮想線が前記重複に起因して少なくとも１つの更なる監視ビームと交差するような幾何学形状及び配置を含む。この仮想線は特定の幅の広がりを有する。というのも、物理的であって非数学的な対象物が検出されるべきであるからである。従って、上記条件を満たすように対象物が充分に重複していない薄い区域は無関係である。従って、前記重複は十分大きく、あらゆる監視高さの対象物が少なくとも２つの受信要素の受信レベルに影響するため、差分信号が常に利用可能となる。この条件の唯一の例外は、前記監視場の前記縁部にある２つの前記ビームである。規定されているような前記監視ビームの前記重複が生じる、前記監視領域の少なくとも１つの部分領域のみを設けておくことも考えられる。このセンサは、監視高さ全体に亘ってはでなく前記部分領域のみにおいて、増加した解像度を有する。

前記光学系は、好ましくは、楕円形、三角形、又は四角形の幾何学形状を含む。これらの幾何学形状により、必要な絡み合いを達成するビームを成形することができる。丸いビーム断面は、光学的観点からは比較的容易かつ均一に実施されるのに対し、有角のビーム断面は隙間のない重複を許容する。

前記光学系の各々は、好ましくは、同一の面積を有する。このことは、前記ビーム断面に起因するレベル差を考慮する必要性を排除する。一方、面積の差に起因するこれらのレベル差を計算又は教示することも考えられる。好適な実施形態において、前記光学系の各々は同一の幾何学形状さえも有する。これにより、評価が簡素化されることに加え、製造及び処理が簡素化される。

前記光学系は、好ましくは、前記場の２つの対向する縁部に１列に規則的に配置される。これにより、監視高さ全体にわたる一様な解像度が達成される。

好ましくは、前記場における対象物の高さ及び／又は厚さを、互いに隣接する受光器の受信レベルに基づいて、隣接する２つの監視ビームの間の距離よりも良好な解像度で決定するように構成される評価ユニットが設けられる。対象物の高さは、前記対象物の位置又は前記対象物の高さ方向における縁部である。一方、厚さに関しては、前記対象物自身の、高さ方向での寸法が参照される。故に、前記センサ及び前記対象物が底部にて同一平面上にある場合、対象物の高さ及び厚さは同一である。もっとも、前記監視場の真ん中にある小さな対象物を考えると、例えば、高さ及び厚さは２つの異なる計測値である。前記光学系が重複していることに起因して、両方の計測値のサブピクセル評価が可能であり、即ち、前記ビーム間隔よりも正確な計測になる。

前記評価ユニットは、好ましくは、隣接する受光器の前記受信レベルの商及び／又は差に基づいて前記高さ及び／又は厚さを決定するように構成される。前記受信レベルの前記差分評価から、２つの従来のチャネル間の隙間における厚さ又は高さについての、サブピクセル解像度による計測がもたらされる。より大きな対象物を計測するため、対象物の両縁部からのこのようなサブピクセル計測が、従来の計測におけるような、完全に覆われているビームの数に対応する計測に付加される。

付加的に又は別法として、前記評価ユニットは、好ましくは、前記受光器の最大受信レベルと比較した該受光器の受信レベルに基づいて前記高さ及び／又は厚さを決定するように構成される。このエネルギーに基づく評価は、前記対象物の前記厚さ又は高さについての付加的な計測情報を与える。そのため、最大を参照する相対的な受信レベル、即ち、自由光路の前記受信レベルが決定される。

前記高さ及び／又は厚さに対する、前記受光器の前記受信レベルの予想される依存性が、好ましくは、前記評価ユニットに予め教示又は保存される。教示とは、規定の条件下に前記センサを操作し、これにより前記依存性についての知識を決定又は改良することを意味する。一方、保存された依存性は、工場で又はその後に、データ記憶媒体からパラメータ化又は転送される。固定された既知の厚さ及び変化する高さについて、前記受信レベルの関数依存性を特に教示又は保存することができる。より好ましくは、小さい厚さ、例えばビーム間隔の１／３、１／１０、又はそれよりも更に小さい厚さの対象物が使用される。このやり方では、現在の信号レベルと、計測されるべき変数、即ち前記高さとの必要な関係を前記評価ユニットが直接読み出すことのできる、各受光器の一次元曲線が得られる。少なくともビームが均一であるという仮定の下に積分することにより、他の固定された厚さへの変換が可能であり、あらゆる厚さについての高さ計測を可能にする。前記厚さ自体は、例えば、エネルギーに基づく計測により決定することができる。前記依存性が、教示されるのであって前記光学的パラメータ及び前記幾何学形状から計算されるのではなければ、前記ビームの不均一が補償される。

前記受光器の前記受信レベルは減少しているが、隣接する受光器の前記受信レベルが減少していない場合、前記評価ユニットは、好ましくは、光学系を汚染されたものと診断するように構成される。前記光学系が重複しているため、対象物が１つの受光器のみの前記受信レベルに影響を与えるということは妥当でない。従って、この状況において、前記センサは汚染を導き出すことができる。その際、前記汚染が重大であるかどうかの評価がなされ、場合によって保守要請が出力される。一方、前記センサは、影響を受けた前記光送信器の送信電力の増加や、受信感度の増加や、コンピュータでの汚染効果の考慮により、引き続きの操作において前記汚染を補償することもできる。

本発明による前記方法は、付加的な特徴により同様のやり方で更に発展させることができ、同様の利点を示す。このような有利な特徴が、例示的はあるが限定的でないやり方で、独立請求項に続く従属請求項において記載されている。

以下、本発明を、更なる利点及び特性に関し、例示的な実施形態及び添付の図面を参照しつつ説明する。

光格子の略断面図。 生成された監視ビームへの効果を説明するための、幾つかの補助線を備えた、重複している光学系の例示的な実施形態の正面図。 移動する検査対象物をビームが遮断している、図２ａによる正面図。 図２ｂの検査対象物の位置に依存する、個々の受光器の相対的な受信レベルの図。 本発明による重複している光学系の他の実施形態の正面図。 本発明による重複している光学系の他の実施形態の正面図。

図１は、光格子１の略断面図を示す。送信ユニット１２が、１列に配置された複数の光送信器１４、例えばＬＥＤ、あるいは、赤外スペクトル又はその他のスペクトルのレーザを含む。光送信器１４の光は、それぞれの送信光学系１６内でコリメートされ、監視領域２０を通り受信ユニット２２まで光ビーム１８として送信される。光ビーム１８は、各光送信器１４に対応する受光器２６に、受信光学系２４を介して衝突する。受光器２６は通常フォトダイオードとして作成されるが、位置敏感型ＣＣＤ又はＣＭＯＳ画像センサとすることもできる。

送信光学系１６及び受信光学系２４は、図に反して、付加的なレンズ、アパーチャ等の他の要素を含むことができ、光ビーム１８が所望のビーム輪郭を有するように設計される。評価ユニット２８が受光器２６には接続され、個々の受光器２６の受信レベルに対応する電気受信信号を受信する。その目的で、光送信器１４及び受光器２６は、周期的かつ連続的に、時分割多重方式で作動される。受信レベルから、評価ユニット２８は監視領域内に対象物があるかどうかを決定する。対象物がある場合、評価ユニット２８は対象物の高さ及び／又は厚さを決定する。センサは、実施形態、応用例、及びパラメータ化に応じ、二成分対象物存在信号としての評価の結果、つまり対象物の高さ及び厚さをそれぞれ出力部３０に与える。

次に、図２及び図３を参照して、この光学系により可能となる、光格子１０における差分評価によるビーム成形光学系及びサブピクセル解像度の設計をより詳細に説明する。図２ａは、受信ユニット２２のビーム成形光学系２４を示す。これは斜視図ではなく正面図であるということに留意すべきである。従って、個々のレンズ２４ａ〜２４ｄの断面は平行四辺形である。送信側のビーム成形光学系１６は全く同じに設計される。従って、送信される光ビーム１８も図示するような断面を有する。実際には、一方では光送信器１４の発散に起因する物理的光ビーム自体、及び、他方では受信側の大きめの開口角に起因する受信領域自体が、この形状から逸脱することができる。もっとも、対象物侵入について監視される各光ビーム１８の検出領域は、真っ直ぐな照準線により形成され、従って、図示するような断面に依然として対応する。

本発明は、図示するような個々のレンズ１６、２４の特定の形状に依存しない。基本的な特徴は監視高さでの重複であり、高さは図１の例において垂直軸である。従って、個々の光ビーム１８は互いに絡み合わされる。このことは、平行な光ビーム１８により形成される監視領域２０に対して斜めである、即ち傾いたないし傾斜した、好ましくは垂直でさえある仮想線又は補助線３２ａ〜３２ｅによっても説明することができる。これらの線３２ａ〜３２ｅは、図１の平面に対してそれぞれ斜め又は垂直であり、図２の正面図では水平である。線３２ａ〜３２ｅは、少なくとも部分領域において、好ましくは監視場２０全体において、少なくとも２つの光学系１６、２４又は光ビーム１８にそれぞれ交差するようになっている。この条件は、当然ながら、監視場２０の縁部の線３２ａ、３２ｅについては満たすことができない。重複により、監視場２０内の対象物は、少なくとも部分的に、少なくとも２つの光ビーム１８を同時に遮断する。

図２ｂにおいて、２つの光ビーム１８間の距離よりも薄い厚さの検査対象物３４が、高さを変化させつつ監視場２０を移動される。光学系１６、２４の重複、故に、上で説明した光ビーム１８の重複に起因して、検査対象物３４は、各高さで少なくとも２つの光ビーム１８に影響する。周期的評価のため、評価ユニット２８は、各受光器２６の受信光量を決定することができ、従って、個々のチャネルそれぞれにおいて個々のレンズ２４ａ〜２４ｄにより検出される光量を決定することができる。

検査対象物３４が一様に移動することで、各チャネルについて、高さに応じた相対的な受信レベルの関数を決定することができる。ここで、５つのチャネルの受信レベル３６ａ〜３６ｅが、例として異なる線の種類で示される。はっきりと見てとれるように、遮断されていないチャネルとは異なる、従って対象物検出に対応する少なくとも２つのチャネルにおいて、検査対象物３４の各高さには相対的な受信レベルがある。従来の光格子であれば、個々の受信レベル３６ａ〜３６ｅは高さ軸とは完全に無関係であろう。このことは、全く同一の高さについて、１つのチャネルのそれぞれの受信レベル３６ａ〜３６ｅのみが検査対象物３４に応答するであろうことを意味する。

次に、評価ユニット２８は、受信レベル３６ａ〜３６ｅから、検査対象物３４の高さを曖昧さを残すことなく推定する能力を有する。そのため、高さに対する、受信レベル３６ａ〜３６ｅの予想される依存性は、工場において初期の教示を設定すれば、評価ユニット２８にとって予め既知である。作動中、受信レベル３６ａ〜３６ｅの高さへの既知の依存性に基づき、隣接する受信レベル３６ａ〜３６ｅの比又は商、或いはそれらの差が考慮されて評価される。

検査対象物３４の固定された厚さにおける、高さへ依存した受信レベル３６ａ〜３６ｅから、より大きい厚さについて対応する校正曲線を積分により導くことができる。故に、検出されるべき最も薄い検査対象物３４の校正曲線が評価ユニット２８にとっていったん既知となれば、その校正曲線から計算により全ての更なる厚さを決定することができる。別法として、異なる厚さの校正曲線が計測されて教示される。このことは、実際に使用している光送信器１４及び光学系１６、２４の不均一を考慮できるという利点を有する。厚さがビーム間隔を超える対象物については、記載したような差分評価は、縁部についてのみ関係がある。更に、遮断されるビームの数に対応して、複数のビーム間隔が付加されるべきである。

エネルギー低減のおかげで、対象物の厚さを決定することもできる。このことは、隣接するビームの比較又は比を差分的に考慮することにより行われるのではなく、チャネル内部の受信レベル３６ａ〜３６ｅの減少を差分的に考慮することにより行われる。信頼できる計測を得るために、時として、幾つかのチャネルにおけるエネルギー低減が評価されねばならない。

図４は、光学系１６、２４の別の実施形態を、従って、別のビーム断面及びビーム配置を示す。この選択は、本発明が更なる配置、並びに、台形、六角形、及びその他のような断面の幾何学形状を含む例として理解されるべきである。

図４において、レンズ２４ａ〜２４ｆは、特に、二等辺三角形の形状を有する三角形である。図２ａを参照して説明したように、好ましくは、送信レンズ１６、故にビーム１８の断面は、同一の形状を有する。全ての有角の形状について、隅部は丸くすることができる。有角の断面により、領域全体の監視場２０の断面を覆うことができる。図４ｂにおけるような楕円レンズ２４ａ〜２４ｆでは、縁部領域に、計測に不確かさをもたらすことのある隙間が残される。もっとも、例えば直交方向における対象物の広がりが最小であるためにこれらの隙間が無関係であるような応用例、或いは、より管理可能は光学系１６、２４のおかげで不確かさが容認されるような応用例も可能である。

Claims (11)

1. 相互に平行な監視ビーム（１８）の場（２０）を互いの間に形成する複数の光送信器（１４）及び受光器（２６）を備えた光電センサ（１０）、特に光格子であって、
   前記光送信器（１４）及び前記受光器（２６）にビーム成形光学系（１６、２４）が割り当てられる、光電センサにおいて、
   前記光学系（１６、２４）が、前記場（２０）に対して斜め方向、特に垂直方向における前記光学系（１６、２４）の相互重複をもたらす幾何学形状及び配置を含むこと、
   前記光学系（１６、２４）が、前記場（２０）に対して垂直であって且つ前記場（２０）の縁部に配置されていない監視ビーム（１８）と交差する任意の仮想線（３２）が、前記重複に起因して少なくとも１つの更なる監視ビーム（１８）と交差するような幾何学形状及び配置を含むこと、及び
   前記場（２０）における対象物の高さ及び／又は厚さを、互いに隣接する受光器（２６）の受信レベル（３６）に基づいて、２つの隣接する監視ビーム（１８）の間の距離よりも良好な解像度で決定するように構成される評価ユニット（２８）が設けられたこと、
   を特徴とする光電センサ。
2. 請求項１に記載のセンサ（１０）であって、
   前記光学系（１６、２４）が楕円形、三角形、又は四角形の幾何学形状を含む、センサ。
3. 請求項１に記載のセンサ（１０）であって、
   前記光学系（１６、２４）の各々が同一の面積を有する、センサ。
4. 請求項１に記載のセンサ（１０）であって、
   前記光学系（１６、２４）の各々が同一の幾何学形状を有する、センサ。
5. 請求項１に記載のセンサ（１０）であって、
   前記光学系（１６、２４）が、前記場（２０）の２つの対向する縁部に１列に規則的に配置される、センサ。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、
   前記評価ユニット（２８）が、隣接する受光器（２６）の前記受信レベル（３６）の商に基づいて前記高さ及び／又は厚さを決定するように構成される、センサ。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、
   前記評価ユニット（２８）が、隣接する受光器（２６）の前記受信レベル（３６）の差に基づいて前記高さ及び／又は厚さを決定するように構成される、センサ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、
   前記評価ユニット（２８）が、前記受光器（２６）の最大受信レベルと比較した該受光器（２６）の受信レベル（３６）に基づいて前記高さ及び／又は厚さを決定するように構成される、センサ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、
   前記高さ及び／又は厚さに対する、前記受光器（２６）の前記受信レベル（３６）の予想される依存性が、前記評価ユニット（２８）に予め教示又は保存される、センサ。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載のセンサ（１０）であって、
    前記評価ユニット（２８）が、前記受光器（２６）の前記受信レベル（３６）は減少しているが、隣接する受光器（２６）の前記受信レベル（３６）が減少していない場合、光学系（１６、２４）を汚染されていると診断するように構成される、センサ。
11. 光電センサ（１０）、特に光格子により対象物の高さ及び／又は厚さを決定するための方法であって、
    複数の光送信器（１４）及び受光器（２６）が、相互に平行な監視ビーム（１８）の場（２０）を互いの間に形成する、方法において、
    前記場（２０）に対して斜めに相互に重複するビーム成形光学系（１６、２４）によって、前記場（２０）に対して垂直であって且つ前記場（２０）の縁部に配置されていない監視ビーム（１８）と交差する各仮想線（３２）が、少なくとも１つの更なる監視ビーム（１８）と交差するような断面形状を備えた監視ビーム（１８）が生成されること、及び
    前記場（２０）における前記対象物の高さ及び／又は厚さが、互いに隣接する受光器（２６）の受信レベル（３６）に基づいて、２つの隣接する監視ビーム（１８）の間の距離よりも良好な解像度で決定されること、
    を特徴とする方法。

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