JP2016090571A - 光電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の走査領域を有する３次元監視領域内の物体を検出するための光電センサを提供する。
【解決手段】発射光線を生成するための発光器と、発射光線を複数の空間的に互いに分離した部分発射光線に分けるための光線分割器とを含み、発射光線を監視領域へ発射するための発光ユニットと、監視領域から拡散反射又は直反射された発射光線から受光信号を生成するための複数の受光領域を備える空間分解能を有する受光ユニットであって、各受光領域がそれぞれ一つの走査領域に対して、走査領域内で拡散反射又は直反射された発射光線のみが受光領域によって受光されるように配置された発光ユニットと、回転軸を中心として回転可能なスキャン装置であって、発射光線の放射方向を周期的に変化させるため及びそれに同期して受光ユニットの受光方向を変化させるためのスキャン装置と、受光信号に基づいて物体を検出するための評価ユニットとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の、複数の走査領域を有する３次元監視領域内の物体を検出するための光電センサに関する。

このような光電センサを用いて監視領域における物体の有無を判定することができる。そのために、走査光線乃至は発射光線により監視領域が走査され、物体乃至は背景により拡散反射又は直反射された光が評価される。その変形として距離測定レーザスキャナもある。レーザスキャナは、物体の有無の判定だけでなく、各物体の距離を測定し、その間隔、輪郭又は側面像に関する情報を得ることもできる。

前述のセンサでは、スキャン装置を用いて発射光線を回転軸の回りに周期的に回転させることにより、発射光線と回転軸の間の角度に応じて円形又は円錐状の走査領域乃至はその切片が走査される。発射光線の回転は例えば回転鏡を用いて実現される。

空間内の異なる方向に延びる複数の走査領域を捕捉する必要がある場合、公知の解決策では、例えば、回転軸に対してそれぞれ異なる傾斜角を有し、時間的に前後して発射光線を異なる走査領域へ偏向させる複数の鏡面を有する、いわゆるカット面ミラーホイールが用いられる。拡散反射又は直反射された発射光線の捕捉は単一の受光器で行うことができる。その場合、各時点における走査中の領域から受光器へ光を偏向させる必要があるが、それには前記と同じ又はそれとは別のカット面ミラーホイールが用いられる。また、複数の受光器を使用し、それぞれ一つの特定の走査領域に割り当てることも考えられる。

単一の光線で複数の走査領域を相前後して走査する代わりに、それぞれ一つの走査領域に固定的に割り当てられた複数の発光器を用いることもできる。

更に、適宜の光学部品（例えば単一の円柱レンズ）を用いて単一の発射光線を広げて全ての走査領域に同時に送出することも考えられる。

しかし、高い空間分解能を得るために監視領域を多数の走査領域に分割する必要がある場合、以上の解決策には様々な特有の欠点がある。

カット面ミラーホイールを用いる実施形態では、複数の走査領域が常に相前後して又は連続的に走査される。それゆえ、多数の走査領域がある場合、全監視領域の走査にかかる測定時間がそれに比例して長くなる。しかし、測定時間が長いことは、特に安全性が重視される用途の場合に望ましくない。

単一の発射光線を適宜の光学部品で連続的に広げる実施形態では、空間内の比較的狭い角度範囲しか走査できない。なぜなら、光を大きな角度範囲に広げると、個々の走査領域に割り当てられる光の強度が大きく低下するからである。更に、複数の走査領域は通例、互いに隣接してはおらず、受光器によって検出されない中間領域で互いに分離されているため、この中間領域へ発射される光が無駄になる。

強度に関する前述の問題を避けるため、走査領域毎に専用の発光器を割り当てることが考えられる。しかし、この解決策では通常、発光器毎に専用の発光光学系が必要となるため、器材、組み立て及び調整にかかるコストが大きくなる。

従って、本発明の課題は、前述のような従来技術の欠点をできるだけ回避した光電センサを作り出すことにある。

前記課題は請求項１に記載の特徴を有する光電センサにより解決される。本発明の光電センサでは、発光ユニットが、発射光線を生成するための発光器と、発射光線を空間的に互いに分離した複数の部分発射光線に分けるための光線分割器とを含む。発射光線を連続的に広げる場合に比べて、部分発射光線にはより高い密度で光が集まる。これにより、空間内の無駄な領域への発射光線の放射が大幅に避けられる。従って、例えばレーザやレーザダイオードのような単一の発光器だけでも間に合うため、器材のコスト並びに組み立てや調整に係る時間的なコストが低減するという利点がある。それゆえ、好ましい実施形態では光源が１つしか含まれない。

上記において、発射光線の複数の部分発射光線への分割は、一つの広がり平面内に該複数の部分発射光線が存在するように、空間内の一方向のみに行うことが好ましく、更にその広がり平面は回転軸に平行に延在していることが有利である。この形態によれば、広がり平面は回転軸の周りを回転する。この場合、光線分割器は、各部分発射光線が広がり平面内で互いに異なる方向へ延びるように選択される。もっとも、各部分発射光線が互いに平行に且つ間隔を空けて延びるように光線分割器を構成することも考えられる。

有利な実施形態では、前記光線分割器が回折型の光学素子、特に回折格子、又は円柱レンズアレイを含む。これにより、発射光線を離散的な部分発射光線に簡単に分割することができる。

好ましい形態では、各部分発射光線がそれぞれ特定の走査領域に割り当てられ、且つ、該光線に割り当てられた発光路に沿って広がり、更に、各走査領域の発光路と該走査領域に割り当てられた受光領域の受光路とが互いにほぼ一致する。言い換えれば、発射光と、物体により直反射又は拡散反射された光とが、各走査領域内でほぼ同一の経路上で広がる。この共通の光路からの逸脱が生じるとしても、せいぜい、所与の構造的な要因により発光ユニットと受光ユニットの配置が完全な形にならず、その結果、発光路と受光路の広がりが完全には一致せず、視差角にわずかな誤差が生じる、という程度である。

別の有利な実施形態では、受光ユニットが全ての受光領域に共通の受光光学系を備えている。この形態では、１つの受光光学系だけを組み込んで調整すればよいため、器材及び調整にかかるコストが更に低減する。加えて、各受光領域に対する受光光学系の位置により各走査領域の空間的な位置も簡単に定まる。なぜなら、三角法により、各走査領域の位置は主として各受光領域の相互の距離とそれら受光領域から受光光学系までの距離で決まるからである。

前記受光光学系は集光レンズ、特に一方の面が凹、他方の面が凸に湾曲した、いわゆるメニスカスレンズとして構成されることが好ましい。単レンズ型又は複レンズ型のいずれの受光光学系も利用可能である。

更に別の有利な実施形態では、光線分割器が受光光学系に直接接するように配置され、更に好ましくは受光光学系に固定される。このようにすれば、発光路とそれに割り当てられた受光路が最大限に一致するため、視差角に誤差が生じても最小にとどまる。加えて、光線分割器と受光光学系を１つのグループにすれば、組み立てと調整が簡単になり、一層のコスト削減となる。

有利な形態では、光線分割器が受光光学系のアパーチャ内に、好ましくは偏心的に配置される。このようにすれば、場合により生じる視差角の誤差が更に小さくなる。加えて、受光光学系を発射光線乃至は部分発射光線用の発光光学系としても利用することで、調整にかかるコストを同様に低減させることができる。もっとも、原理的には、別体の発光光学系を設け、それを特に光線分割器に結合することも可能である。更に、受光光学系に凹部を設け、その領域内に光線分割器及び／又は発光光学系を配置してもよい。このようにすれば、受光光学系が光線を発生させて発射光線乃至は部分発射光線に影響を及ぼす恐れがなくなる。

別の好ましい実施形態では、スキャン装置が、送出された発射光線及び監視領域内で拡散反射又は直反射された発射光線の方向を変えるための偏向装置を含む。この場合、発光ユニット及び受光ユニットは固定的に配置され、偏向装置（例えば鏡やプリズムを含む）だけが回転する。このようにすれば、被駆動部の重量が減るため、回転に関して並びに不均衡による不都合な振動に関して有利な効果が得られる。

あるいはスキャン装置が一緒に回転するベース部を含み、その上に発光ユニットと受光ユニットが共に保持されているという構成も可能である。この構成では、発光ユニットと受光ユニットが共に回転するため、偏向ユニットの境界面で必然的に生じる散乱損失が発生せず、その結果センサの検出感度が高まる。

本発明の別の好ましい実施形態では、受光ユニットの受光領域が、空間的に互いに離れた複数の受光素子であって、好ましくは直線状に配置された受光素子から成る。受光領域乃至は受光素子の間隔は自由に選べるため、受光形状の適合化、特に様々な走査領域の空間的な位置の適合化をより簡単に行うことができる。受光素子の間隔の変更により、例えば監視領域内においてより高い又は低い空間分解能で領域を定義することができる。ＣＣＤ配列やフォトダイオード配列のような受光素子の配列を利用することも可能であるが、離散的な受光素子を用いればより良好な空間分解能が実現できる。

受光領域はアバランシェフォトダイオード、特に単一光子アバランシェフォトダイオードにより構成されることが好ましい。この種のフォトダイオードは非常に感度が高いため、光をあまり直反射又は拡散反射しない物体でも確実に検出できる。これは特に安全性が重視される用途で有利である。

本発明の別の好ましい実施形態では、前記光学センサが光伝播時間法の原理による距離測定レーザスキャナ（飛行時間レーザスキャナ、Time-Of-Flight Laserscanner）として構成される。パルス伝播時間法の場合は短い光パルスを発射してそのパルスの反射光が受光されるまでの時間を測定し、位相法の場合は発射光を振幅変調して発光と受光の位相差を特定する。後者の場合、位相差が同様に光伝播時間の尺度となる。この形態によれば、大まかに物体を検出するだけでなく、各物体の距離、輪郭又は側面像に関する情報も得られる。

本発明の他の好ましい実施形態は、従属請求項、明細書及び図面から分かる。

以下、本発明について、実施例に基づき、図面を参照しながら説明する。

本発明に係る光電センサの概略側面図。 図１の光電センサの、光線分割器と結合された受光光学系の平面図。 図２の受光光学系の側面図。

図１は３次元監視領域１１内の物体を検出するための光電センサ１０を示している。このセンサは距離測定レーザスキャナとしてだけでなく、距離測定機能のない複数ビーム式の光センサとしても構成できる。なお、図の寸法比率は実際とは異なる。

センサ１０は、回転軸Ａを中心として回転可能なベース部１４を備えるスキャン装置１２を含む。ベース部１４は回転軸Ａに対して傾いており、結合部材１５を介して駆動ユニット１６に結合されている。

ベース部１４は平らな面を有し、その上に発光器２４（例えばレーザダイオード）と受光ユニット２８が配置されている。本実施例では受光ユニット２８が４個の受光素子３０を含んでいる。受光素子３０は直線に沿って互いに間隔を空けて配置され、受光ユニット２８の受光領域を形成している。受光素子３０としてはアバランシェフォトダイオード、特に単一光子アバランシェフォトダイオードを設けることができる。このフォトダイオードは光に対する感度が非常に高いという特徴を有する。もっとも、原理的にはＣＣＤ配列やフォトダイオード配列のような集積型の受光器配列を用いることもできる。

本実施例では、先に述べたように、受光素子３０が４個しか設けられていないが、これは図を見やすくするためである。良好な空間分解能を得るには、例えば合計１５個の受光素子３０を設け、隣接する受光素子３０の間隔を０．５ｍｍとし、各素子の受光領域を例えば一辺０．５ｍｍとすることができる。

ベース部１４上には台形の支持体１８が保持され、これが、受光光学系２０と光線分割器２２（例えば回折光学素子、特に回折格子、又は円柱レンズアレイ）から成る構造ユニットをベース１４から離して支持している。

発光器２４から発せられる発射光線３４は発光管２６を通じて光線分割器２２へ導かれる。

受光素子３０の光感知領域と受光光学系２０により走査領域３２が定まる。この領域から、物体により拡散反射又は直反射された発射光を受光素子３０で受光することができる。

光線分割器２２は光の回折又は屈折により発射光線３４を４本の互いに異なる方向に分かれた部分発射光線３６に分割する。各部分発射光線３６はほぼ走査領域３２の内側で広がる。部分発射光線３６が物体に当たると、その物体はその光線の少なくとも一部をセンサ１０の方向へ直反射又は拡散反射する。従って、図１に示した走査領域３２は発光路とともに受光路も取り囲んでいる。

スキャン装置１２が発射光線３４乃至は部分発射光線３６の放射方向を周期的に変化させるため、図１で２次元的に描かれている各走査領域３２は、実際には一定の厚みを有する同軸の円錐側面（乃至は円錐台側面）となる。

支持体１８の領域（受光光学系２０と受光素子３０の間）に延在する受光路が陰になることを避けるために、発光器２４は受光素子３０同士を結ぶ直線に対して横にずれた位置にある。加えて光線分割器２２も受光光学系２０の光学軸から同じ方向に離れた位置にある（図２参照）ため、発光路を取り囲む発光管２６は受光路のはるか外側にある。

以下、図２及び３を参照して、受光光学系２０と光線分割器２２から成る構造ユニットについて詳しく説明する。本実施例の受光光学系２０は凹凸型集光レンズとして構成されている。受光光学系２０の周縁部には円形の凹部３８が設けられ、その中に円形の光線分割器２２が収容されている。光線分割器２２は集光レンズとして形成された発光光学系４０と結合されている。光線分割器２２の直径は発光光学系４０の直径に対応している。その代わりに又はそれに加えて、発光器２４（図１）の領域に発光光学系を設けてもよい。

受光光学系２０は、例えば焦点距離が７５ｍｍ、有効受光口径が１５ｍｍ、直径が２２ｍｍとすることができる。発光光学系４０は、例えば焦点距離が９ｍｍ、有効口径が５ｍｍ、有効直径が７ｍｍとすることができる。ベース距離（発光光学系４０と受光光学系２０の中心間の距離）は例えば１０ｍｍとすることができる。以上のような形状値を用いれば、受光路はほとんど陰にならずに済む。

発射光線３４を互いに間隔を空けた離散的な部分発射光線３２に広げることにより、ほぼ走査領域３２のみがくまなく照明され、走査領域３２の間の領域は除外されるため、走査領域３２の照明に用いられる光の強度が高まる。従って、単一の発光器３４でも、センサの感度が損なわれたり、走査サイクルが過度に長くなったりすることなく、広い監視領域１１を照明することができる。

１０…光電センサ
１１…監視領域
１２…スキャン装置
１４…ベース部
１５…結合部材
１６…駆動ユニット
１８…支持体
２０…受光光学系
２２…光線分割器
２４…発光器
２６…発光管
２８…受光ユニット
３０…受光素子
３２…走査領域
３４…発射光線
３６…部分発射光線
３８…凹部
４０…発光光学系
Ａ…回転軸

Claims (11)

1. 複数の走査領域を有する３次元監視領域（１１）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（３４）を前記監視領域（１１）へ発射するための発光ユニットと、
   前記監視領域（１１）から拡散反射又は直反射された発射光線から受光信号を生成するための複数の受光領域を備える空間分解能を有する受光ユニット（２８）であって、各受光領域に対してそれぞれ一つの走査領域（３２）が、該走査領域（３２）内で拡散反射又は直反射された発射光線のみが該受光領域によって受光されるように配置された発光ユニット（２８）と、
   回転軸（Ａ）を中心として回転可能なスキャン装置（１２）であって、前記発射光線（３４）の放射方向を周期的に変化させるため及びそれに同期して前記受光ユニット（２８）の受光方向を変化させるためのスキャン装置（１２）と、
   前記受光信号に基づいて物体を検出するための評価ユニットと
   を備える光電センサ（１０）において、
   前記発光ユニットが、前記発射光線（３４）を生成するための発光器（２４）と、前記発射光線（３４）を複数の空間的に互いに分離した部分発射光線（３６）に分けるための光線分割器（２２）とを含むことを特徴とする光電センサ（１０）。
2. 前記光線分割器（２２）が回折型の光学素子、特に回折格子、又は円柱レンズアレイを含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 各部分発射光線（３６）がそれぞれ特定の走査領域（３２）に割り当てられ、且つ、該光線に割り当てられた発光路に沿って広がり、更に、各走査領域（３２）の発光路と該走査領域（３２）に割り当てられた受光領域の受光路とが互いにほぼ一致し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。
4. 前記受光ユニット（２８）が全ての受光領域に共通の受光光学系（２０）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ。
5. 前記光線分割器（２２）が前記受光光学系（２０）に直接接するように配置され、更に好ましくは該受光光学系（２０）に固定さ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。
6. 前記光線分割器（２２）が前記受光光学系（２０）のアパーチャ内に、好ましくは偏心的に配置されていることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
7. 前記スキャン装置（１２）が、送出された前記発射光線（３４）及び前記監視領域（１１）内で拡散反射又は直反射された発射光線の方向を変えるための偏向装置を含む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。
8. 前記スキャン装置（１２）が一緒に回転するベース部（１４）を含み、その上に前記発光ユニットと前記受光ユニット（２８）が共に保持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。
9. 前記受光ユニット（２８）の受光領域が、空間的に互いに離れた複数の受光素子であって、好ましくは直線状に配置された受光素子（３０）から成ることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のセンサ。
10. 前記受光領域がアバランシェフォトダイオード、特に単一光子アバランシェフォトダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のセンサ。
11. 前記光学センサ（１０）が光伝播時間法の原理による距離測定レーザスキャナとして構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のセンサ。

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