JP5806764B2 - 光電センサ及び物体検出方法 - Google Patents

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における物体の検出方法に関する。

水平方向に広い角度範囲を測定できるシステムが必要な距離測定には光電式のシステム、特にレーザスキャナが好適である。レーザスキャナでは、レーザにより生成された光線が偏向ユニットの作用により周期的に監視領域を塗りつぶすように掃引される。この光は監視領域内の物体により拡散反射され、スキャナ内で評価される。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、更に光の通過時間と光速から、レーザスキャナから物体までの距離が推定される。

これら角度位置と距離の情報から、監視領域における物体の場所が二次元極座標で検出される。これにより、各物体の位置を求めたり、また複数の位置で同一の物体を検知する場合にはその物体の輪郭を求めたりすることができる。更にまた、レーザスキャナ内で偏向ユニットに更なる運動の自由度を与えたり、レーザスキャナに対して物体を相対移動させたりする等の方法により、走査方向に交差する方向の相対移動を行うことで、第３の空間座標を検出することも可能である。このようにすれば三次元的な輪郭も計測できる。

このような測定への応用の他、レーザスキャナは、例えば危険な機械に代表されるような、危険の発生源を監視するための安全技術にも用いられる。このような安全用レーザスキャナは特許文献１から知られている。そのレーザスキャナでは、機械の稼働中に操作者の進入が禁止された防護領域が監視される。例えば操作者の脚等、許可されない物の該領域への侵入を認識すると、レーザスキャナは機械の緊急停止を作動させる。安全技術用のセンサは特に確実に機能しなければならず、そのため、例えば、欧州規格ＥＮ１３８４９（機械の安全に関する規格）やＥＮ６１４９６（非接触動作型防護装置（beruehrungslos wirkende Schutzeinrichtungen；BWS）に関する装置規格）等の高い安全要件を満たさなければならない。

レーザスキャナにおける監視平面の走査は通常、発射光線を回転鏡に当てることにより行われる。このように回転鏡を用いる場合、その回転軸に対して発光器と受光器の向きを非常に高い精度で決める必要がある。その向きがずれると監視平面が曲がってしまう。また、そのような光学ユニットはサイズが大きくなる。なぜなら、物体距離のうち鏡を介して受光光学系へと至る部分が必ず機器の内部まで延びるからである。また、前面ガラスやその汚れに起因して該前面ガラス上に生じる迷光の効果によりセンサ機能が損なわれることになる。

回転鏡を用いる代わりに、発光器及び受光器を含む測定ヘッド全体を回転させることも知られている。このようなスキャナは特許文献２に開示されている。また、特許文献３にも同様に回転可能な発光・受光ユニットが記載されている。このユニットには、センサのうち回転しない領域から、例えば変圧の原理により電力が供給される一方、データ転送は電波又は光学的な通信路により無線で行われる。このように回転可能な測定ヘッドを備えるレーザスキャナは光学系の組み立てが特に難しく、従来技術ではその問題が十分に解決されていない。

特許文献４に記載のレーザスキャナは、異なる距離からの光を受けるために焦点距離の異なる複数の領域に分割された凹面鏡を備える偏向ユニットを備えている。しかし、このレーザスキャナは基本的に回転鏡の原理に従って構成されているため、やはり前述の欠点を有している。

特許文献５から知られている別のレーザスキャナは、鏡面状の凹部（欠損部）を有する回転可能な球形のレンズから成る偏向ユニットを有している。固定式のレーザダイオードからの発射光線が球形レンズの内部へ至る導光路に結合されている。それに対応して、受光光線が別の導光路を通じて固定式のフォトダイオードへと導かれる。球形のレンズはサイズが比較的大きく、またその製造及び駆動にかかるコストが高い。更に、導光路の結合に別の手段が必要である。

DE 43 40 756 A1 DE 197 57 849 B4 EP 2 388 619 A1 EP 2 378 309 A1 DE 199 28 958 A1

故に、本発明の課題は、周期的に動かされる走査光を用いる光学センサの構造を改良することにある。

この課題は、請求項１に記載の光電センサ及び請求項１０に記載の監視領域における物体の検出方法により解決される。本発明は、一体駆動型の光学ユニット、特に連続的に回転する光学ユニットを設けることを基本とする。その上で、光学系の構造を最適化するために、反射屈折式の受光光学系、つまり、受信光を屈折により収束させる受光レンズと反射により収束させる反射素子を少なくとも有する受光光学系が設けられ、前記受光レンズ及び前記反射素子が前記発光器及び受光器とともに前記光学ユニット内に格納される。この構造によれば、回転鏡や導光路を用いた通常の偏向を行うことなく、光を直接出射させたり受光したりすることができる。光線の形成が起きるのは、光学ユニットと一緒に動かされ、発光器及び受光器に対して静止している各光学素子上においてのみである。

本発明には、一体駆動型の光学ユニットの採用により、残余の機能に対する光学的な有効面積の比率が高められ、構造を非常に小さくできるという利点がある。更に、反射屈折式の受光光学系の採用により、光学ユニット内における構造空間が最大限に利用できるため、センサの更なる小型化が可能となる。前面ガラスと光学ユニットとの間の光路長を極めて短くすることができるため、本発明に係るセンサは迷光（特に前面ガラスの反射や該ガラスの汚れ）に大きく反応することがない。このセンサは、開口角が大きければ、最大３６０度にわたる監視領域を認識することができる。

前記受光レンズは凸レンズであること、及び／又は、前記反射素子は凹面鏡であることが好ましい。これにより所望の光線収束が達成される。特に、反射屈折式の受光光学系において両方の素子をこのように構成すればその効果が高まる。

前記受光光学系には発光光学系が統合されていることが好ましい。発光光学系は、実質的に点状の公知の光源から発せられる光を平行化するだけでよいため、受光光学系よりもかなり小さいのが普通である。そのため、前記のような統合に必要な組み込み空間と調整作業はわずかである。

前記発光光学系は前記受光光学系の中央に配置された発光レンズとして構成されることが更に好ましい。この構成では、同心の二重レンズを用いて小型の一体回転型光学系が作り出される。別の構成として、二軸型の配置、特に、並べられた受光レンズ及び発光レンズを有する二重レンズを備える配置も考えられる。

発光器と発光光学系の間に光を通さない管が設けられていることが好ましい。これにより、光の重畳が抑制される、つまり、発射光が監視領域を経由せずにセンサ内部でノイズ光となって受光器に達することが防止される。発光器及び発光光学系が光学ユニット内部に配置されているため、前記管は問題なく正しい位置に配置することができ、稼働中にも正しい調整位置に維持される。

前記光学ユニットには、前記発光器及び前記受光器が配置された共通の電子回路カードが設けられていることが好ましい。これによりセンサが一層小型化される。この共通の電子回路カードは、更に制御及び評価機能、特に、信号の供給元や供給先の近くで行われる処理に必要又は有用な機能（例えば受光信号の増幅やアナログ前処理又はデジタル化）を含んでいてもよい。

前記発光器は前記共通の電子回路カードの前面に設けられ、前記受光器はその背面に設けられていることが好ましい。この構造によれば、反射屈折式の受光光学系に配分される空間を最も有効に活用することができる。なお、共通の電子回路カードのどの側を前面又は背面と理解すべきかは、純粋な取り決めの問題である。

前記共通の電子回路カードは回転軸上に配置されていることが好ましい。このようにすれば、光学ユニットが動く際にバランスが崩れることを回避できる。また、この配置は光学系の構造に支障を来さない。実用上は、少なくとも全体としては長方形状である電子回路カードを用いる事例が非常に重要であるが、この場合、その長方形の長辺に平行な対称軸と回転軸が一致していることが好ましい。

前記共通の電子回路カードは無線データ伝送用及び／又は無線給電用のインターフェイスを備えていることが好ましい。この無線インターフェイスを通じて、例えば発光器の動作を所望の発光パターンで制御したり、反射光から生成された受光信号を伝送したりする。このインターフェイスと対を成す部分を、センサのうち前記光学ユニットと一緒には動かない部分（これをベースと呼ぶ）に設ける。このベース内に、制御及び評価機能のうち前記発光器及び受光器にあまり近接させる必要がない部分を配置することが好ましい。このようにすれば、より少数又はより小型の要素のみを光学ユニットと一緒に動かすだけで済むため、データや電力の伝送量が少なくなる。なお、電子機器のうち光学ユニットと一緒に動く部分と動かない部分の分配は各種の実施形態に応じて変えることができる。例えば、一緒に回転する電子回路カード上で予め評価処理の一部と前処理を行うことが有利である。その理由は、例えば、生データに比べて伝送すべきデータの量を大幅に減らせることや、前処理無しでは無線伝送されるデータの質が低下することである。

前記評価ユニットは、発射光線の射出から拡散反射光の受光までの光通過時間を算出し、さらに該光通過時間から物体の距離を算出するように構成されていることが好ましい。更に、発射光線を方向転換したときの角度及び拡散反射光を受光したときの角度を測定する角度測定ユニットを設けることも可能である。

本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で、更に別の特徴的な構成を通じて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。そのような別の特徴的な構成は、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、更なる利点及び特徴的な構成も考慮しつつ、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。

レーザスキャナの概略断面図。

図１は本発明に係る光電センサの一実施例であるレーザスキャナ１０の概略断面図である。発光器１２（例えばレーザ光源を備えるもの）と発光光学系１４により発射光線１６が生成され、監視平面１８に射出される。レーザスキャナ１０内部の迷光を避けるために発射光線１６の内部光路は不透明な管１７により遮蔽されている。監視平面１８において発射光線１６が物体に当たると。それに対応する光線が拡散反射光２０としてレーザスキャナ１０へ戻ってくる。

拡散反射光２０を収束させるため、それぞれ屈折及び反射により光線を形成する二つの素子を有する反射屈折光学系が設けられている。図１に示した例では、まず受光用凸レンズ２２があり、その先の拡散反射光２０の光路上に凹面反射素子２４がある。この二段階の集光により、拡散反射光２０は受光器２６（例えばフォトダイオード）上に集められ、そこで電気的な受光信号に変換される。

発光器１２及び受光器２６は共通の電子回路カード２８の前面及び背面にそれぞれ設けられている。このカードはその中央で発光器１２及び受光器２６の光軸に直交するように配置されている。電子回路カード２８が拡散反射光２０の光路を遮断したり該光路に接触したりする箇所には全て、ほとんど影ができないような材料、つまり、細いブリッジ状の結合部や開口又は透明領域だけを可能な限り配置する。電子回路カード２８は更に、光学ユニット３２と一緒に動く無線のデータ伝送用又は給電用インターフェイス３０を備えているか、それに接続されている。

ここまでに挙げた各要素、特に発光器１２、発光光学系１４、受光レンズ２２及び反射素子２４を有する受光光学系、受光器２６、電子回路カード２８、並びに一体駆動側インターフェイス３０は、図示せぬモータにより周期的に駆動される（特に、回転軸３４を中心として連続的に回転駆動される）光学ユニット３２の一部である。これにより、監視平面１８が走査される。

光学ユニット３２は独自のケーシングに囲まれていてもよく、あるいはレーザスキャナ１０のケーシング内にあってもよい。ケーシングのうち、発射光線１６が射出され、拡散反射光２０が入射してくる領域は、該当する波長領域の光を通す前面ガラス３６により閉鎖されている。前面ガラス３６と受光レンズ２２の間の光路は非常に短いため、迷光（特に前面ガラス３６自身又はその汚れによるもの）による影響は少ない。

可動式の光学ユニット３２と対を成すものとして、レーザスキャナ１０はベース３８を備えている。ベース３８は図示せぬモータを含み、固定されている（つまり回転しない）。また、これも図示していないが、レーザスキャナの分野で公知の角度測定ユニットが設けられ、これにより光学ユニット３２の各時点での角度位置が測定される。

ベース３８内には固定式のインターフェイス４０が設けられ、これが一体駆動側のインターフェイス３０と無線で接続されている。ベース３８内に固定された制御及び評価ユニットは第二の電子回路カード４２として描かれており、これがインターフェイス３０及び４０を通じて一体駆動側の共通の電子回路カード２８と接続されている。実施形態によっては、制御及び評価機能を共通の電子回路カード２８と第二の電子回路カード４２に分配することもできる。

評価のために、検知された物体までの距離を光通過時間法で測定することが好ましい。そのために、例えば位相方式のシステムであれば発光器１２の発射光が変調され、受光器２６の受光信号に対する位相の関係が評価される。また、パルス方式のシステムであれば、ある発光時点に短い光パルスが発射光として射出され、受光信号から受光時点が算出される。発射光線１６が射出された各時点の角度位置は前述の通り角度測定ユニットにより求められる。こうして、各走査周期が完了するたびに、角度及び距離を通じて、監視平面１８における全ての対象点の二次元極座標が分かる。更に光学ユニット３２の傾きも変更可能にすれば、三次元的な空間領域の認識も可能である。

こうして物体の位置又は輪郭が判明したら、それをセンサの外部インターフェイス４４を通じて出力することができる。外部インターフェイス４４又はそれとは別の接続部（図示せず）は、逆にパラメータ設定インターフェイスとしても機能する。安全技術に応用する場合、監視平面１８内の防護区画（複数の区画を設定可能）において不許可の侵入が監視され、状況に応じて、安全確保に向けた遮断信号がインターフェイス４４から出力される。なお、この形態では、安全に構成されたインターフェイス４４（Output Signal Switching Device; OSSD）を用いる。

発光器１２は、半導体ダイオードのような簡単な光源でもよいが、例えば列状又は行列状に配列された多数の光源で構成されたものでもよい。それに対応して受光器も、例えばフォトダイオードのような簡単な受光面でもよいし、ＣＣＤやＣＭＯＳチップのように受光素子を列状又は行列状に配列したものでもよい。この場合、単独の走査光だけでなく、二次元画像データの取得や、光通過時間法を併用した三次元画像データの取得を行うための適宜の多数の走査光が発生する。

図１には特に有利で均整の取れた構造を示している。共通の電子回路カード２８は回転軸３４上に取り付けられ、発光器１２及び受光器２６は、互いに逆向きであることを除いて、共通の電子回路カード２８の前面及び背面上の同じ位置に配置されている。それゆえ、発光器１２及び受光器２６の光軸は、互いに向きが逆であること以外は一致している。更にこれらの光軸は発光光学系１４、受光レンズ２２及び反射素子２４の光軸とも一致している。

以上のような構造は特に有利ではあるが、あくまで模範的なものに過ぎない。例えば、発光器１２と受光器２６のためにそれぞれ別の電子回路カードを用意したり、共通の電子回路カード２８上でこれら二つの素子をずらして配置したりすることが考えられる。発光光学系１４、受光レンズ２２又は反射素子２４は、それらの傾斜角が十分に補正され、発射光線１６が監視平面１８に射出され、拡散反射光２０が受光器２６に達することができさえすれば、互いに、あるいは発光器１２及び受光器２６に対して、ほぼ任意の組み合わせで傾斜させることができる。例えば、受光レンズ２２及び反射素子２４をある程度傾けることは、共通の電子回路カード２８の影を避ける上で有効である。

Claims (8)

1. 監視領域（１８）内の物体を検出するための光電センサ（１０）であって、発射光線（１６）を射出するための発光器（１２）、前記監視領域（１８）内の物体により拡散反射された光（２０）から受光信号を生成するための受光器（２６）、前記拡散反射光（２０）を前記受光器（２６）上に収束させるための受光レンズ（２２）を少なくとも有する受光光学系（２２、２４）、回転軸（３４）を中心として駆動可能であって、前記監視領域（１８）の周期的な走査のために前記発光器（１２）及び前記受光器（２６）が前記受光光学系（２２、２４）とともに格納された光学ユニット（３２）、並びに、前記受光信号に基づいて前記監視領域（１８）内の物体の位置及び／又は輪郭に関する情報を得るための評価ユニット（２８、４２）を備えるセンサ（１０）において、
   前記受光光学系（２２、２４）が、光線を形成する反射素子（２４）を更に備え、
   前記光学ユニット（３２）内に共通の電子回路カード（２８）が設けられ、該カード（２８）上に前記発光器（１２）及び前記受光器（２６）が配置されており、
   前記共通の電子回路カード（２８）が前記回転軸（３４）上に配置されている
   ことを特徴とするセンサ（１０）。
2. 前記受光レンズ（２２）が凸レンズであること、及び／又は、前記反射素子（２４）が凹面鏡であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
3. 前記発光器（１２）の前方に、前記受光レンズ（２２）に統合された発光光学系（１４）が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
4. 前記発光器（１２）と前記発光光学系（１４）の間に光を通さない管（１７）が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ（１０）。
5. 前記発光器（１２）が前記共通の電子回路カード（２８）の前面に設けられ、前記受光器（２６）がその背面に設けら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センサ（１０）。
6. 前記共通の電子回路カード（２８）が無線データ伝送用及び／又は無線給電用のインターフェイスを備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ（１０）。
7. 前記評価ユニット（２８、４２）が、前記発射光線（１６）の射出から前記拡散反射光（２０）の受光までの光通過時間を算出し、さらに該光通過時間から物体の距離を算出するように構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のセンサ（１０）。
8. 発光器（１２）を用いて発射光線（１６）を射出し、監視領域（１８）内の物体により拡散反射された光（２０）を、少なくとも受光レンズ（２２）を有する受光光学系（２２、２４）により受光器（２６）上に収束させて該受光器（２６）に受光信号を生成させ、該受光信号に基づいて前記監視領域（１８）内の物体の位置及び／又は輪郭に関する情報を得る、監視領域（１８）における物体の検出方法であって、前記発光器（１２）及び前記受光器（２６）が前記受光光学系（２２、２４）とともに格納された光学ユニット（３２）を回転軸（３４）を中心として回転させることにより前記監視領域（１８）を周期的に走査する方法において、
   前記光学ユニット（３２）内に共通の電子回路カード（２８）が設けられ、該電子回路カード（２８）上に前記発光器（１２）及び前記受光器（２６）が配置されており、
   前記共通の電子回路カード（２８）が前記回転軸（３４）上に配置されており、
   前記受光光学系（２２、２４）において、光線を形成する反射素子（２４）を用いて前記拡散反射光（２０）を追加的に収束させることを特徴とする方法。

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