JP7343657B2 - 光電センサ及び物体検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１又は１５のプレアンブルに記載の光電センサ、特にレーザスキャナ、及び監視領域内の物体の検出方法に関する。

光電式のシステム、特にレーザスキャナは、水平方向に広い角度範囲を有する測定システムが必要となるような検出及び距離測定に適している。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を用いて監視領域を塗りつぶすように周期的に掃引される。この光が監視領域内の物体の表面で反射され、レーザ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、更に位相法又はパルス法においては光速を用いて光伝播時間からレーザスキャナと物体の間の距離も推定される。前記角度及び距離の情報を用いて監視領域内での物体の場所が２次元極座標で検出される。これにより各物体の位置を算出したり、その輪郭を特定したりすることができる。

このような測定での利用の他、レーザスキャナは危険の発生源（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が入っ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、レーザスキャナが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。

単純なフォトダイオードの検出感度は多くの用途で不十分である。アバランシェフォトダイオード（APD）では、入射光が、制御されたアバランシェ降伏（アバランシェ効果）を誘発する。そして、入射光子により生成された電荷担体が増倍され、光電流が生じる。この電流は受光強度に比例するが、単純なＰＩＮダイオードの場合に比べればはるかに大きい。いわゆるガイガーモードでは、アバランシェフォトダイオードに降伏電圧より高いバイアス電圧が印加され、その結果、１個の光子により解放されるわずか１個の電荷担体でもアバランシェを誘発し得る。電界強度が高いため、このアバランシェは利用可能な全ての電荷担体を取り込む。このアバランシェフォトダイオードは、その名前の由来であるガイガーカウンターと同様、一つ一つの事象を計数する。ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードはＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode, Einzelphotonlawinendiode）とも呼ばれ、対応する受光器はマルチピクセルフォトンカウンタ（MPCC）又はシリコンフォトマルチプライヤ（SiPM）と呼ばれる。

ＡＰＤでは電子系の温度依存性がより高いため、前記高電圧の追跡を行う必要がある。内在的なノイズ源がより多く存在し、帯域幅に対する平坦部の比が限られており、一般により高価である。これらは全てＳＰＡＤに基づく受光器又はＳｉＰＭに有利に作用する。ところが、単独光子を検出する場合、有効光の光子だけでなく、外部光、光学的な混信又は暗雑音による弱い妨害事象でもアバランシェ降伏が誘発されてしまう。そしてその妨害事象は受信された有効光と同等の比較的強い信号で以て測定結果に寄与してしまい、しかもその信号からそれを有効光と区別することはできない。その後、ガイガーモードで駆動されるアバランシェフォトダイオードは、５～１００ｎｓ程度のむだ時間の間、不感状態となり、その間は更なる測定値が得られない。これに対し、ＡＰＤ又はＰＩＮダイオードでは外部光により生じる横方向電流を電子的に他の方向へ導くことが可能である。

これらの理由から、まさに単独光子の検出の際には有効光に対する外部光の低減を特に効果的に行うよう努める必要があるが、それらの対策は他の技術による受光器にも同様に役立つ。１つの方略はそもそも外部光を受光器まで一切通り抜けさせないということである。これは、光学的な帯域フィルタを用いてスペクトルを分離したり、センサ内の不所望な迷光又は反射の光路を減らしたり、受光角を、好ましくは受光器の手前の絞りで狙いを定めて狭めたりすればうまくいく。

受光角は視野絞りの面積と受光光学系の焦点距離の商に比例する。一方、焦点距離はセンサの指定の温度範囲にわたって典型的には数パーセント点ほど変化する。この変化は普通、一連の公差に更に加えられ、最終的には視野絞りの直径を増大させ、以て系の受光角を大きくする。しかしそうするとより多くの外部光が検出されることを受け入れなければならない。

特許文献２に周囲を光学的に走査及び測定するための装置が記載されている。この装置は、集光レンズと、その後段に配置された、受光器までの多重的な方向転換装置とを用いている。また、受光レンズの光軸上にカラーカメラが配置されており、これがレーザスキャナの周囲のカラー画像を撮影する。

光線を送出するための多重ビーム型の光源を有する特許文献３に記載のＬｉＤＡＲセンサは、方向フィルタ、集光型の第１の鏡素子及び拡散型の第２の鏡素子を受光路に用いている。

特許文献４に記載のレーザスキャナでは、受光光学系と光線折畳みの機能とを１つにまとめた集光鏡が光学系として用いられている。受光側でこのように光線を案内することは特許文献５の実施形態でも提案されている。

しかしこれらの文書では、温度に起因する受光光学系の焦点距離の変化を補償するという試みは追求されていない。そもそも特許文献４だけがこの点に踏み込み、受光レンズについてその温度効果も含めて報告している。それは考えられる措置であるが、しかし受光レンズには完全にその正当性と利点があり、従ってそれを無くしてしまうことは本来の問題に取り組むことにならない。

特許文献６は、前面パネルを通り抜ける発射光又は受信光に対する該前面パネルの屈折作用の影響を、とりわけ回転鏡の適切な造形により補償するレーザスキャナに関するものである。前述の温度変化の影響はこれでは低減されない。

特許文献７には一緒に回転する発射光用遮蔽装置を有するレーザスキャナが記載されている。受光路は全く従来どおり、平坦な回転鏡と受光レンズを経て、それ以外の方向転換なしで案内される。

DE 43 40 756 A1 DE 10 2009 055 988 B3 DE 10 2017 209 294 A1 EP 3 246 729 B1 US 7 544 945 B2 EP 3 699 637 B1 EP 3 699 638 B1

故に本発明の課題は冒頭で述べた種類のセンサでより良い測定を可能にすることである。

この課題は請求項１又は１５に記載の光電センサ、特にレーザスキャナ、及び監視領域内の物体の検出方法により解決される。発光器が発射光を生成して監視領域内へ送出する。この発射光が、少なくとも部分的に監視領域内で物体により反射された後、反射された発射光として再び受光される。こうして、反射された発射光に外部光が重なった受信光が生じる。物体が検知されていなければ外部光だけが受信光となる。可動の偏向ユニットを用いてスキャン運動（好ましくは回転運動）が作り出され、その運動により発射光と受信光が周期的に様々な偏向角へ送出され又は様々な偏向角から検出される。

その都度の受信信号を評価することで、二値的な存在情報、距離、位置又は色若しくは反射率等、物体に関する光学的に取得可能な情報を得る。制御及び評価ユニットは、好ましくは、発射光の送出と受信光の受光との間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。これにより距離測定型センサが得られ、物体に関する測定情報としてその距離が測定される。

受信光の光路には光学的な方向転換素子、特に鏡素子が配置されており、この素子により受信光が方向転換される。実施形態によってはこの方向転換を前記周期的な偏向に関与させること又はそれ自身を周期的な偏向とすることができる。若しくはそれは周期的な偏向には関係がなく、好ましくはその偏向より後段にある、追加の方向転換である。

本発明の出発点となる基本思想は前記方向転換素子を用いて温度補償を行うということである。そのために方向転換素子は温度に依存して光線を形成する特性を備えている。特に方向転換素子は湾曲しており、従って該方向転換素子に焦点距離を割り当てることができる。この湾曲及びそれに伴う焦点距離が、狙いを定めた変形により既知の温度範囲にわたって変化する。可能な湾曲状態には、ある特定の温度に対応する平坦で湾曲していない状態を含めることができる。本発明により狙いを定めた熱的な適合化が達成され、その結果、光線形成特性が温度に依存した所望の変化を示す。これはあらゆる物体が受ける不可避の温度効果だけを意味するものではない。そのような不可避の温度効果は、例えば平坦な鏡を集光型又は拡散型の鏡にするものではなく、いずれにせよその変化は明確に決まっておらず、ランダムであり、故に妨害的且つ非補償的な余計な作用を及ぼすであろう。

本発明には、例えば１００℃の温度推移に対して視立体角が小さく保たれるという利点がある。方向転換素子を用いた好ましくは受動的な補償により、あるいは能動的な補償によっても、温度による受光レンズの焦点距離の内在的な変化等、受光路における熱的な影響が完全に又は部分的に低減される。これにより小さな光スポットが得られ、以て高い位置分解能が達成されるとともに外部光の妨害が低減される。温度許容差の補償のために予め受光立体角を大きくしておく必要はない。これは、外部光により誤って発動され、その後のむだ時間の間はもはや有効光のために利用できないガイガーモードの高感度のアバランシェフォトダイオード（SPAD: Single Photon Avalanche Diode、又は、SiPM: Silicon Photomultiplier）を使用するための条件を改善する。この頑強な外部光の考え方は低コストで実現でき、且つ既存のシステムに追加装備できる。

方向転換素子は鏡面を１つだけ備えていることが好ましいが、その代わりに、同一平面内で一枚鏡として一緒に作用する複数の別個の鏡素子、特に非常に近接して配置された鏡素子も考えられる。更に、例えば１～２ｍｍの間隔を空けた一枚鏡の表側と裏側を利用するという変形も考えられる。

本センサは、受信光を受光器へ収束させるための受光光学系、特に少なくとも１つの屈折素子又は受光レンズを有する受光光学系を備えていることが好ましい。受光光学系は受信光を好ましくは収束又は集光させつつ受光器へ導く。簡単な構造にするため、単一の受光レンズだけを用いることが特に好ましい。受光光学系又は受光レンズは合成物質から成ることが好ましい。このようにすれば、固定等の追加機能も含めて有利な製造と任意の造形が可能になる。代わりにガラスレンズにすればより頑強な温度推移になるものの、構成の自由度が低くなる上、特に大型の非球面レンズの場合に価格がはるかに高くなる。

方向転換素子の温度依存性の光線形成特性は、受光光学系の温度依存性の光線形成特性の変化に対抗するように補償的に作用することが好ましい。特に好ましくは、方向転換素子と受光光学系の焦点距離が温度変化の下で互いに逆方向に変化する。言い換えれば、方向転換素子が受光光学系と逆の温度推移を有する。該素子の光線形成特性（特に焦点距離）に受光光学系の光線形成特性とは逆方向の変化が生じる。その目的は、温度が変化したときに焦点位置を少なくともほぼ同じ位置に保つことである。

受光器の手前には絞りが、特に受光光学系の焦点距離に対応する距離に配置されていること、即ち、受光光学系が受信光を絞り開口へ集光することが好ましい。方向転換素子の温度推移が補償作用を持つため、受光光学系の焦点距離が温度に起因して変化しても前記焦点位置は保たれる。そのため、受光角又は絞り開口は、温度変化を考慮せずに又はそれに備えた公差を設けずに小さいままにしておくことができる。受信光の外側断面において、有効光を損なうことなく可能な限り多くの外部光が遮断される。

方向転換素子は所期温度、特に室温において平坦であり、該所期温度からの乖離がある場合にはその乖離の符号に応じて凸面状又は凹面状の湾曲を呈することが好ましい。これによれば、受光光学系の焦点距離が温度とともに変化すると、それが方向転換素子の焦点距離の補償的な変化により相殺される。相殺される方向に応じて方向転換素子は集光作用と正の焦点距離、又は拡散作用と負の焦点距離を適切な大きさで獲得する。所期温度における安静状態では方向転換素子は平坦になり、この状況に対して最適化された受光光学系の光線形成特性（特に、受光器の手前の絞り開口に焦点位置を持つような焦点距離）がそのまま保たれる。平坦な方向転換素子、例えば平らなガラス鏡の形をしたものを用いれば、非常に低コストで価値の高い光学設計が達成できる。

方向転換素子は本センサのために指定された温度範囲にわたって凸面状の湾曲のみ又は凹面状の湾曲のみを呈し、特に前記温度範囲の周縁部において方向転換素子が平坦になるという境界事例を含むことが好ましい。この代案では、方向転換素子が平坦な出発形状を中心として凸面状と凹面状の間で変化するのではなく、実施形態に応じて常に凸面状又は凹面状になっている。温度の変化とともに凸面状又は凹面状の変形の大きさが変わり、方向転換素子が様々な曲率半径をとる。指定された最低温度又は最高温度において方向転換素子が平坦になるという境界事例を更に含めてもよい。即ち、その場合、形状の変化は平面状と凸面状の間、若しくは平面状と凹面状の間、又はそれらの逆になる。

方向転換素子は温度膨張の異なる少なくとも２つの材料を備えていることが好ましい。それが正確に２つの材料であれば特に好ましい。これにより温度に自動的に適応する受動型の方向転換素子を設計することができる。そのために制御装置又は回路は必要ない。

方向転換素子は前記材料の少なくとも２層を備えていることが好ましい。層の厚さと材料及びその熱膨張率が方向転換素子の実現の自由なパラメータである。これらを用いて温度変化に対する感度を調節することで、所望の補償作用と温度依存性を持つ光線形成特性を有する方向転換素子を実現することができる。３番目若しくはそれ以降の材料又は３番目若しくはそれ以降の層は、特に追加的な防護層を設ける場合や一又は複数の担持層上に積層系を設ける場合に関係がある。

方向転換素子は、前記材料の一方から成り、他方の材料で囲まれた芯、特に合成物質で囲まれた金属芯を備えることが好ましい。周囲の材料は温度変化があった場合に芯から逃げなければならない。芯は、金属の場合のように、熱膨張係数が小さく、故に温度変化に対して比較的反応が小さいことが好ましい。このようにすれば、基本形状は芯により所定の形状に保たれる一方、所望の様々な湾曲は周囲の材料により作り出される。

芯は円環状であることが好ましい。この場合、温度とともに変化する周囲の材料は膨張及び収縮の際に中心軸に対称な形状をとる。湾曲の変化が全面にわたり、外周を超えて比較可能な放射状の形で生じる。それがまさに所望の焦点距離変化に相当する。

方向転換素子を変形するためのアクチュエータ素子が該方向転換素子に割り当てられ、該アクチュエータ素子が温度依存性の光線形成特性を調節するために制御されることが好ましい。これは例えば圧電セラミックを基礎とする能動的な実施形態である。この方向転換素子はアクチュエータ素子によりその都度、温度に適した形状にされる。

本センサは受信光の光線断面を特定するための温度プローブ及び／又は感光性を持つ測定素子を備えていることが好ましい。センサの受信路が分かっていれば、測定された温度から受光路の変化を理論的なモデルで予測することができ、感光性を持つ測定素子を用いてその変化を実際に検測することができる。これは診断目的で用いることができる。例えば、アクチュエータ素子と共同させて、受光光学系と方向転換素子により生じる光線形成のための温度調節装置を構成することができる。感光性を持つ測定素子は例えば絞り開口の周りに円環状に配置することができる。

可動の偏向ユニットは鏡面を持つ回転鏡として構成されていることが好ましい。典型的には回転鏡は４５度の角度にあるため、発射光は回転軸に沿って生成され、受信光は回転軸に沿って受光され、回転鏡での９０度の方向転換により回転軸に垂直な平面が走査される。鏡面は回転鏡の唯一の鏡面であることが好ましい。つまりそれはポリゴンミラーホイールではない。代案として、発光器と受光器を備える測定ヘッド全体が回転するレーザスキャナが知られている。

方向転換素子は偏向ユニットと一緒に運動するように配置されていることが好ましい。偏向ユニットを回転鏡として構成する場合、方向転換素子が２重に機能してその回転鏡の鏡面も兼ねることが好ましい。従って温度補償は回転鏡の特別な形態により達成される。

方向転換素子は受信光の受光路において受光光学系の後段に配置された折畳み鏡として構成されていることが好ましい。この実施機能では方向転換素子は偏向ユニットの一部ではなく、特に回転鏡の後段に配置された別個の部品である。折畳み鏡で受光路が折り畳まれて新たな方向に誘導され、該受光路が特に少なくとも部分的にそれ自身において逆戻りする。これにより、より長い光路をより狭いスペースに収めることができる。折畳み鏡は特に好ましくは受光光学系の後段に配置されている。従って、受光光学系により既に光線形成又は集光された受信光が折畳み鏡に当たり、その折畳み鏡によって受光器へと方向転換される。折畳み鏡が本発明に係る方向転換素子として２重に機能することにより、折畳みに光線形成の温度補償が重畳される。

折畳み鏡の鏡面が受光路に適合化されていること、特に非鏡面の中心部と受光路内の投射影に相当する円環部分とを持つ円環状であることが好ましい。これにより外部光による妨害が低減され、以て信号雑音比が改善される。前記適合化により折畳み鏡は有効光が当たらない領域から受光器へ余計な外部光を反射しなくなる。円環形状は受光器が受光路の中央にある場合に適している。その場合、そこでは入射する受信光が暗くなるため、中央で反射される光は外部光だけである可能性がある。適宜の投射影を発光器と受光器用支持要素及び／又は受光器とによって発生させ、鏡面を造形する際に考慮することができる。

折畳み鏡は受信光が受光器の方向へ直接向けられるように構成され且つ配置されていることが好ましい。これは、折畳み鏡が１つしかなく、受信光を受光器に至る新たな方向へ導く前に複数の折畳み鏡で次々に方向転換を行う必要はない、ということを意味する。従って、監視領域からの受信光は一度に偏向ユニットから受光光学系を通って折畳み鏡へと向けられ、次に該折畳み鏡により受光器へと向けられるのであって、それ以外に受光路の方向の変化はない。折畳み鏡と受光器の間になおフィルタや絞り等の光学素子を配置することは可能であるが、新たな方向転換素子又は鏡は配置しない。

折畳み鏡はそれに当たる受信光の光路に垂直に向けられていることが好ましい。この場合、受光光学系が受光レンズとして構成されていれば、そのレンズ平面と折畳み鏡が互いに平行であることが好ましく、更に受光器の受光面も平行であればより好ましい。このようにすると、折畳み鏡に当たった受信光は反射される、又は公差等を別として１８０度だけ方向転換される。受光光学系には収束作用があるため受信光の個々の光線の反射角は１８０度ではないが、例えば真ん中の反射角等、その角度に当てはまるような、受信光の光束全体に共通の方向を定めることはできる。あるいは更なる代案として、受光光学系の光軸が折畳み鏡に垂直であることを以てそれを定義すれば好ましい。受光器は偏向ユニットと折畳み鏡の間に配置されていることが好ましい。そうすれば、折畳み鏡及び他の方向転換素子のいずれによる方向転換でも、受光器のための受信光が折畳み鏡の向こう側の面内へ導かれることがない。

本センサは、発射光を遮断するための、少なくとも部分的に偏向ユニットとともに運動する発光鏡胴を備えていることが好ましい。この発光鏡胴はいわば発光路を囲み、監視領域内への出射前にセンサ内で発射光から迷光が生じることを防止する。好ましくはこの発光鏡胴内に光線形成（特に発射光の平行化）のための発光器の発光光学系を配置する。

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。

レーザスキャナの概略図。 折畳み鏡を有するレーザスキャナの概略図。 図２のレーザスキャナにおける受光光学系より後ろの受光路を示す図。 温度の違いにより受光光学系の焦点距離が変化した場合の図３の受光路の部分図。 様々な温度における方向転換素子の様々な造形の概略図。 平坦な状態の方向転換素子の３次元図。 凹面状に湾曲した状態の方向転換素子の３次元図。 様々な温度における方向転換素子の様々な湾曲を示す図。

図１はレーザスキャナ１０としての実施形態における光電センサの概略断面図である。発光器１２（例えばレーザ光源を持つもの）が発光光学系１４の助けを借りて発射光線１６を生成する。発射光線１６は偏向ユニット１８により監視領域２０内へ送出される。光学的な混信を避けるため、発射光線１６を少なくとも部分的に発光鏡胴（図示せず）により囲むことができる。

監視領域２０内に物体があれば発射光線１６はその物体により反射される。それに対応する受信光２２が再びレーザスキャナ１０まで戻り、偏向ユニット１８を介して受光光学系２４を用いて受光器２６により検出される。受光光学系２４は好ましくは単独の集光レンズであるが、別のレンズや他の光学素子を追加することもできる。受光器２６は例えば少なくとも１つのフォトダイオードを備えており、より高感度の場合には、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）や、少なくとも１つのシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ、ＳｉＰＭ）を有する装置を備えている。

偏向ユニット１８はモータ２８によりスキャン周波数で連続的に回転駆動される。これにより発射光線１６は各スキャン周期の間、即ち前記スキャン周波数での完全な一回転の間に平面を走査する。偏向ユニット１８の外周部には該偏向ユニット１８の各時点での角度位置を検出するために角度測定ユニット３０が配置されている。角度測定ユニット３０はここでは模範例として角度基準形成体としての目盛付き円盤と走査部としてのフォーク状光遮断機とから構成されている。

制御及び評価ユニット３２が発光器１２、受光器２６、モータ２８及び角度測定ユニット３０と接続されている。発射光線１６の送出と反射された受信光２２の受光との間の光伝播時間を測定することにより、光速を用いてレーザスキャナ１０から検知された物体までの距離が推定される。その際、発射光線１６が送出されたその都度の角度位置は角度測定ユニット３０から評価ユニットに知らされている。

これにより、各スキャン周期の完了毎に前記角度及び距離を通じて監視領域２０内の物点の２次元極座標が利用可能になり、対応する測定データをインターフェイス３４経由で伝送することができる。インターフェイス３４は逆にレーザスキャナ１０と外部との間でのパラメータ設定又は他のデータ交換に利用することができる。インターフェイス３４は、ＩＯリンク、イーサネット、Ｐｒｏｆｉｂｕｓ、ＵＳＢ３、ブルートゥース、ＷＬＡＮ、ＬＴＥ、５Ｇ等、従来の数多くのプロトコルのうち一又は複数で通信を行うように設計することができる。安全技術に応用する場合はインターフェイス３４を安全に構成することができ、特に、防護区域への侵入を認識したときに安全確保に向けたスイッチ信号を出すための安全出力（OSSD, Output Signal Switching Device）とすることができる。レーザスキャナ１０は全周を囲む前面パネル３８を備えるケーシング３６に収納されている。

図示したレーザスキャナ１０では発光器１２とその発光光学系１４が受光光学系２４の中心開口内にある。これは単なる模範的な配置方法に過ぎない。本発明は他にも、発射光線１６のために専用の鏡面領域を備えるものや分割鏡を備えるもの等、同軸型の別の解決策や、二軸型の配置も含んでいる。

偏向ユニット１８は図１では平坦な回転鏡として見えている。しかし、本発明ではこの回転鏡が温度に応じて様々に湾曲され、その際、実施形態によって全ての温度で湾曲が存在したり、特定の温度で平坦な形状をとったりする。温度に応じて変形させる理由、その変形の形態、及びそれを達成するための考えられる措置については後で図３～８を参照して詳しく説明する。

図２はレーザスキャナ１０の別の実施形態を示している。この形態では偏向ユニット１８の回転鏡の代わりに追加の折畳み鏡４０が温度に応じて様々に湾曲される。なお、同じ特徴部分には同じ符号を付し、改めて説明はしない。図２では、図１で既に触れた１つ又は２つの部分から成る任意選択の発光鏡胴４２ａ～ｂで発光路が遮蔽されている。発光鏡胴のうち少なくとも偏向ユニット１８から監視領域２０に向いた第２の部分４２ｂは偏向ユニット１８とともに運動する。

図１のレーザスキャナ１０とは違って、図２に描かれたレーザスキャナ１０の受信光２２では方向転換が追加されており、より良く区別できるようにするため、受光路の連続する各部分にそれぞれ異なる符号が付されている。偏向ユニット１８により方向転換された受信光２２ａが受光光学系２４に当たる。ここで光線形成又は収束された受信光２２ｂが折畳み鏡４０に当たる。そして、折畳み鏡４０により反射された受信光２２ｃが絞り４４を通り、発光器１２の波長に合わされた光学フィルタ４６を通過した後、受光器２６に当たる。絞り４４と光学フィルタ４６の順番は逆でもよい。

発光器１２と受光器２６は、図２に描いた実施形態では、受信光２２ａを通過させるための空所５０を備える共通の回路基板４８上に配置されている。代わりに、それぞれに専用の回路基板を用いることも考えられる。受光光学系２４は中心開口５２を備えており、そこに絞り４４、光学フィルタ４６及び受光器２６が収められている。別の実施形態では受光器２６を受光光学系２４の下に配置することが可能であり、その場合、受光光学系２４はなおも中心開口５２を備える必要はない。中心開口５２の代わりに受光光学系２４がその中央部に別の光線形成素子を備えていてもよい。特にその場合、図示した受光光学系２４は往路における受信光２２ａのための外側領域となり、前記別の光線形成素子は折畳み鏡４０の表面で反射した後の復路における受信光２２ｃのための内側領域となる。

折畳み鏡４０は発光器１２の波長に合わせた分光フィルタの特性を備えることができる。それはコーティング、構造化又はフィルタ素子のいずれによってもよく、そのようにして光学フィルタ４６に置き換わる又はそれを補うものとなる。光学フィルタ４６の利点は、該フィルタにおいて受信光２２ｃの断面とそこに入射する光線の角度範囲が狭く制限されることである。故に、狭い帯域幅を持つ小型の光学フィルタ４６にすることが可能であり、それにより発射光又は有効光の波長から外れた外部光が非常に低コストで効果的に除去される。

図１で偏向ユニット１８の回転鏡が簡略化して平坦に描かれているのと同様に、図２は平坦な折畳み鏡４０を簡略に示している。以下では、本発明に従って回転鏡又は折畳み鏡に温度依存性の変形をさせることで受光路（特に受光光学系２４）における温度推移を補償する方法を紹介する。該方法では温度及び実施形態に応じて回転鏡及び／又は折畳み鏡４０が様々な形状又は湾曲を呈するが、その際、実施形態によってそれが特定の温度において平坦な状態になることも考えられるし、全ての温度において湾曲した状態のままであることも考えられる。更に、図１又は図２の実施形態を補って別の方向転換素子を設けることも考えられる。その素子は温度依存性の変形によって補償にその都度寄与させてもよいし、そうでなくてもよい。回転鏡として構成された偏向ユニット１８を有するレーザスキャナ１０の代わりに、発光器及び／又は受光器と受光路内で温度依存的に変形する少なくとも１つの方向転換素子とが一緒に運動するような回転式の測定ヘッドを有するレーザスキャナも考えられる。

図３は図２のレーザスキャナ１０における折り畳まれた受光路２２ａ～ｃを改めて拡大してより詳しく示している。折畳み鏡４０のおかげで受光光学系２４と折畳み鏡４０の間の構造空間が２倍に利用されている結果、受光光学系２４の焦点距離が長くなっても受光路はそこに収まる。折り畳まれた受信光２２ｃは受光光学系２４の焦点距離が長くなったためその扇形がより小さくなっており、それにより寸法が小さくて通過帯域が狭い光学フィルタ４６を設計できる。焦点位置５４に絞り４４を配置すれば、より低い角度で入射する外部光を効果的に低減することができる。

図４は光線形成又は集光の温度効果を受光路の一部拡大図で示している。図３の好都合な状況は特定の温度（例えば２０℃の室温）でしか達成されない。温度が変化した場合（例えば７０℃まで上昇した場合）、受光光学系２４の焦点距離に狂いが生じる。温度が変化したときの受光路２２ｃ’に対しては焦点位置５４’にずれが生じ、それにより絞り面における受信光２２ｃ’の断面が広がる。そうなると、元の焦点位置５４に配置されている絞り４４は、絞り開口の設計（公差を許容する又はしない）によって、有効光を遮断してしまうか、余計な外部光を通してしまう。この温度効果は合成物質から成る受光光学系２４（特にプラスチックレンズ）の場合に特に顕著である。しかし合成物質は温度感受性がより低いガラスに比べて製造及び造形並びに価格の面で有利である。

図５は折畳み鏡４０が補償的に温度依存性の変形をすることを示している。図１のレーザスキャナ１０の実施形態における偏向ユニット１８の回転鏡も同様である。ここでは折畳み鏡又は回転鏡をまとめて方向転換素子と呼ぶ。方向転換素子は公称鏡面として所期温度（例えば室温）において平坦な形状５６をとる。温度が上昇すると徐々に凹面状に湾曲した形状５８になり、同様に温度が下降すると徐々に凸面状に湾曲した形状６０になる。従って、方向転換素子の焦点距離は温度に依存して受光素子２４とは逆方向に推移し、しかも可能な場合は量的にも同程度に推移する。受光路において生じる焦点距離はこれにより理想的には一定になり、少なくとも方向転換素子の変形による補償作用によって明らかに揺らぎが小さくなる。

温度による方向転換素子の変形又は曲率半径の変化は異なる材料をうまく組み合わせることにより達成される。好ましくは少なくとも２つの材料の層構造が選ばれる。基本的な考え方はバイメタル板に似ているが、それよりもはるかに精度の高い変形が達成される。そして、好ましくは金属だけでなく、例えば金属と合成物質の組み合わせや、複数の合成物質及び／又は金属から選ばれる他の組み合わせが用いられる。方向転換素子の変形が受光光学系２４の温度特性に完全に狙いをつけて対抗して作用するように、各層がその厚さ及び材料とその熱膨張率も含めて正確に設計されている。その際、レーザスキャナ１０の確実な動作環境に対応する、室温２０℃を中心とした指定の温度範囲（例えば全体で１００℃の温度区間）が考慮される。

図６及び７は、図５の概略図を補足して、最上面に鏡面層を有する方向転換素子の実施形態を３次元図で示している。そのうち図６は平坦な形状５６、即ち周囲温度における無変形の鏡表面を示し、図７は模範的な変形として５０℃という過熱温度で凹面状に湾曲した形状５８を示している。

図８は方向転換素子の模範的な温度推移である。鏡面に垂直なＺ方向における実効的な厚さ又は寸法が方向転換素子の半径ｒに対してプロットされている。ここでは単に簡単のため方向転換素子が円形であると仮定しているが、実際には方向転換素子は他の形状を呈していてもよい。各曲線は特定の温度における湾曲を表しており、上から下へ、凹面状に最も湾曲した最高温度から始まり、凹面状の湾曲の度合いが徐々に小さくなり、室温において平坦な形状になり、凸面状の湾曲が徐々に大きくなり、最後に最低温度において凸面状に最も湾曲した状態になる。模範的な組み合わせである厚さ１ｍｍのコーニングガラス９７４０と厚さ０．５ｍｍのアルミニウムの場合、最大±１ｍという曲率半径の変化が達成可能である。

図示した各実施形態では、方向転換素子が室温で平坦な形状をとり、言わばそれを中心として凸面状及び凹面状の変形を伴う温度推移が生じるものと仮定した。他の実施形態ではより高い又は低い温度で平坦な形状となり、最も極端な境界事例では最高温度又は最低温度において平坦な形状となる。そうなると形状の変化は小さい凸面と大きい凹面の間若しくは小さい凹面と大きい凸面の間、又は、平面と凸面の間若しくは平面と凹面の間で生じる。更に別の実施形態では方向転換素子が少なくとも指定の温度範囲内では全く平坦にならない。即ち、温度推移は小さい凸面から大きい凸面へ、又は小さい凹面から大きい凹面へ変化する。温度に依存した湾曲の変化の方向は受光光学系２４の焦点距離の変化に対抗する所望の補償作用により予め決まる。

２層から成る方向転換素子の代わりに、少なくとも１つの材料から成る芯を少なくとも１つの別の材料で囲むことが考えられる。その一例は合成物質で囲まれた金属製の円環である。金属よりも合成物質の膨張係数の方が大きい場合、温度が上昇すると合成物質のケースは横方向に逃げる。低い温度については、例えば予め定義した湾曲を鏡の非作用面に与えることによって所望の逆方向の湾曲が生じるように方向転換素子の寸法を定める。

更に別の実施形態ではアクチュエータ技術が用いられ、例えば方向転換素子の受動的な非鏡面層が能動的に制御可能な圧電セラミックにより置き換えられる。それを介して層結合体の曲率半径を制御することができる。例えば、方向転換素子の形状が温度プローブを用いて測定された温度に基づいて制御又は調節される。更に、適切な制御を決定するために、例えば絞り開口の周辺においてフォトダイオードを用いて受信光２２ｃの光線断面を測定することが考えられる。

Claims (17)

1. 監視領域（２０）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（１６）を送出するための発光器（１２）と、前記監視領域（２０）からの受信光（２２）から受信信号を生成するための受光器（２６）と、前記受信光（２２）を前記受光器（２６）へ収束させるための受光光学系（２４）と、前記発射光（１６）及び前記受信光（２２）を周期的に偏向させるための可動の偏向ユニット（１８）と、前記受信信号に基づいて前記監視領域（２０）内の物体に関する情報を取得するための制御及び評価ユニット（３２）と、前記受信光（２２）の光路内にある光学的な方向転換素子（１８、４０）とを備えるセンサ（１０）において、
   前記方向転換素子（１８、４０）が、前記受光光学系（２４）の温度依存性の光線形成特性の変化に補償的に作用して対抗する温度依存性の光線形成特性を呈することを特徴とするセンサ（１０）。
2. 前記方向転換素子（１８、４０）が温度依存性の湾曲を呈する、請求項１に記載のセン
   サ（１０）。
3. 前記受光光学系（２４）が受光レンズを有する、請求項１に記載のセンサ（１０）。
4. 前記方向転換素子（１８、４０）と前記受光光学系（２４）の焦点距離が温度変化の下で互いに逆方向に変化する、請求項１～３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
5. 前記受光器（２６）の手前に絞り（４４）が、前記受光光学系（２４）の焦点距離に対応する距離に配置されている、請求項１～３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
6. 前記方向転換素子（１８、４０）が所期温度において平坦であり、該所期温度からの乖離がある場合にはその乖離の符号に応じて凸面状又は凹面状の湾曲を呈する、請求項１～３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
7. 前記方向転換素子（１８、４０）がセンサ（１０）のために指定された温度範囲にわたって凸面状の湾曲のみ又は凹面状の湾曲のみを呈する、請求項１～３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
8. 前記温度範囲の周縁部において方向転換素子（１８、４０）が平坦になるという境界事例を含む、請求項７に記載のセンサ（１０）。
9. 前記方向転換素子（１８、４０）が温度膨張の異なる少なくとも２つの材料を備えている、請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
10. 前記方向転換素子（１８、４０）が前記材料の少なくとも２層を備えている、請求項９に記載のセンサ（１０）。
11. 前記方向転換素子（１８、４０）が、前記材料の一方から成り、他方の材料で囲まれた芯を備える、請求項９に記載のセンサ（１０）。
12. 前記芯が円環状である、請求項１１に記載のセンサ（１０）。
13. 前記方向転換素子（１８、４０）を変形するためのアクチュエータ素子が該方向転換素子（１８、４０）に割り当てられ、該アクチュエータ素子が温度依存性の光線形成特性を調節するために制御される、請求項１～３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
14. 前記受信光（２２）の光線断面を特定するための温度プローブ及び／又は感光性を持つ測定素子を備える、請求項１～３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
15. 前記方向転換素子（１８）が前記偏向ユニット（１８）と一緒に運動するように配置されている、請求項１～３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
16. 前記方向転換素子（４０）が前記受信光（２２）の受光路において前記受光光学系（２４）の後段に配置された折畳み鏡（４０）として構成されている、請求項１～３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
17. 監視領域（２０）内の物体を検出する方法であって、発射光（１６）を送出し、物体の表面での反射の後、受光光学系（２４）により受光器（２６）へ収束させて受信光（２２）として再び受光し、前記受光器（２６）により受信信号に変換することで、該受信信号から物体情報を生成し、発射光（１６）と受信光（２２）を可動の偏向ユニット（１８）を用いて周期的に偏向させ、前記受信光（２２）を方向転換素子（１８、４０）で方向転換させる方法において、
    前記方向転換素子（１８、４０）の光線形成特性が、前記受光光学系（２４）の温度依存性の光線形成特性の変化に補償的に作用して対抗するように、温度とともに変化することを特徴とする方法。

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