JP2016090584A

JP2016090584A - センサ

Info

Publication number: JP2016090584A
Application number: JP2015216344A
Authority: JP
Inventors: イェーゲルマティアス; Jaegel Matthias
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2016-05-23
Also published as: EP3018495A2; DE102014116254A1; EP3018495B1; EP3018495A3

Abstract

【課題】近くの物体でも検出できるセンサの提供。
【解決手段】光を送出するための発光素子２と、近接領域１０及び遠方領域１２の光を受光するための受光素子４と、該受光素子４の前に配置された受光レンズ１４とを備えるセンサにおいて、受光レンズ１４は近接領域１０からの光を受光素子４へと偏向させる周縁切片部１６を有し、該周縁切片部１６は滑らかな表面を有し、また該周縁切片部１６は近接領域１０の光を全反射により受光素子４へ導く。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を送出する発光素子と、近接領域及び遠方領域の光を受光するための受光素子と、該受光素子の前に配置された受光レンズとを備えるセンサに関する。

光学センサ、特に距離センサ、なかでも三角測量式センサは、できるだけ広い測定領域をカバーすることが要求される。遠距離の対象物からは物理的な制約により低い強度の光しか受光アパーチャに届かないから、受光アパーチャはできるだけ大きいものを選択し、所与のケーシング寸法の範囲内で最適に使用すべきである。センサの非常に近くにある目標物の場合は十分な強度の光が利用できるものの、その光は必ず受光素子に結像するわけではない。そのため従来技術では追加の光学素子が配置されるが、この素子は遠方領域用の受光アパーチャの利用可能な領域を制限してしまう。

また従来技術では多焦点の受光レンズが用いられる。その場合、短い焦点距離を有する及び／又は別の場所を占める１又は複数の追加の受光レンズが用いられる。

追加の近接領域つまり近距離レンズを設けると、遠方領域のために利用できる領域が狭まり、ほとんどの場合、遠距離の信号には不利になる。というのも、こうした遠距離の物体が受光素子上に全く結像しないか、不鮮明な像しか結ばなくなるからである。

特許文献１は近距離用受光素子の傍に配置された静止型ミラー素子を備える反射式光センサを開示している。

特許文献２は近接領域において光線を受光素子へ導くミラー素子を備える距離測定用光学センサを開示している。

特許文献３は近接領域用の凹面鏡と反射素子を備える光学センサを開示している。

特許文献４は主たる受光レンズに加えて近接領域用の追加のレンズを備える三角測量式センサを開示している。

DE 41 25 479 C2 EP 2 685 278 A1 EP 2 101 189 A1 DE 102 20 037 B4

本発明の課題は、受光レンズを備えるセンサであって、近くの物体でも検出できるセンサを提供することにある。本発明の別の課題は、受光レンズの受光領域をできるだけ制限しないようにすることにある。

前記課題は請求項１に記載のセンサにより解決される。該センサは、光を送出するための発光素子と、近接領域及び遠方領域の光を受光するための受光素子と、該受光素子の前に配置された受光レンズとを備え、該受光レンズは近接領域からの光を受光素子へと偏向させる周縁切片部を有し、該周縁切片部は滑らかな表面を有し、また該周縁切片部は近接領域の光を全反射により受光素子へ導く。

本発明に係るセンサは、該センサの捕捉領域乃至は監視領域にある物体の検出に用いられる。多少なりとも拡散的に光を散乱させる物体乃至は標的を捕らえる場合、それが近距離にあれば、受光アパーチャ乃至は受光レンズへの光の入射角は明らかに大きく変化する。受光レンズの表面に光線が当たった後、近接領域にある物体からの光線は受光レンズの周縁切片部に当たる。この周縁切片部には近接領域からの光線しか到達せず、遠方領域からの光線はそこに到達しない。

受光レンズの周縁切片部は、該受光レンズの一方の側部を平らにしたような構成である。この周縁切片部全体を覆うように、近接領域において検出された物体からの拡散反射光又は直反射光が該周縁切片部に達する。受光された光は、周縁切片部により直反射又は拡散反射された後、受光素子に入射する。

本発明によれば、物体により直反射又は拡散反射された光線が周縁切片部で偏向され、該偏向の後に受光素子に入射する。従って、周縁切片部は光に対して偏向面として作用する。

これにより、追加の構成要素を要することなく、センサに非常に近い位置にある物体を捕らえることができる。

受光された光は例えば評価ユニットにより評価され、該受光された光に応じて物体確認信号が生成される。

本発明によれば、周縁切片部は滑らかな表面を有しており、該周縁切片部は近接領域の光を全反射により受光素子へ導く。この実施形態によれば、近接領域にある物体からの光が周縁切片部の表面で全反射された後、受光素子に入射するような角度に、該周縁切片部を配置するだけでよい。従って、追加の器材や、受光レンズの製造に関する追加のステップは不要である。必要なのは受光レンズの表面に偏向面乃至は周縁切片部として全反射面を形成することだけである。周縁切片部の偏向面を全反射面にするため、該周縁切片部の表面が光学的に滑らかに形成される。

本発明の発展形態においては、周縁切片部が平面から成る。偏向面として平面を用いると、物体がセンサ前方の領域つまり受光レンズの真正面にある場合にのみ、近接領域の光が受光素子の方へ偏向される。このようにすれば、物体は、まさにセンサ前方の領域にある場合にのみ検出される。これにより高精度で的確な検出が行われる。近接領域において前記センサ前方の領域が有効となる距離は、前記平面の角度を通じて調節することができる。

本発明の発展形態においては、周縁切片部が曲がった面から成る。ここで「曲がった」とは、その面が平らではないという意味である。この面は凹状又は凸状に形成することができる。また部分円筒状の面や球面でもよい。曲がった面の形にすれば、偏向された光線を収束又は拡散させることができるという利点がある。

周縁切片部の表面を凸状にすれば、偏向された光が収束されるという利点がある。これは、近接領域にある物体をより厳密にセンサの真正面で検出する必要がある場合に有利である。

周縁切片部の表面を凹状にすれば、受光されて偏向された光が拡散されるという利点がある。これは、近接領域にある物体をセンサの前方の光学軸に沿ってより広い範囲内で検出する必要がある場合に有利である。例えば、物体が光学軸に沿ってセンサの方へずらされたとしても、その物体はなお検出される。これにより、センサの近接領域において、より広い捕捉領域が得られる。

本発明の発展形態においては、周縁切片部が滑らかな鏡面状の表面を有し、該周縁切片部が直反射により近接領域の光を受光素子へ導く。この構成によれば、周縁切片部乃至は偏向面によって光線をより一層狭い角度内で偏向させることができる。これにより、受光レンズの前でより一層近くにある物体を検出することができる。周縁切片部の鏡面状の表面は例えば被覆層（コーティング）により形成される。被覆層は例えば蒸着により形成ことができる。例えば被覆層は蒸着された金属膜から成る。

特別な実施形態においては、周縁切片部が粗い表面構造を有し、該周縁切片部が近接領域の光を散乱により受光素子へ導く。周縁切片部乃至は偏向面の表面で光が散乱されることにより、近接領域にある物体が光学軸に沿ってずれていても該物体を検出することができる。近接領域の受光のエネルギー量が低下するものの、散乱効果により、近接領域内の様々な位置において物体を検出することができる。

本発明の発展形態においては、前記センサが距離センサである。距離センサは発光素子及び受光素子を有する。発光素子から送出された光は、物体の表面で直反射又は拡散反射された後、受光素子により受光される。そして、使用されるセンサ原理に応じて物体の距離が算出される。本発明を距離センサに応用すれば、近接領域にある物体をより良好に且つ確実に検出することができる。本発明によれば、近接領域における距離センサの検出能力が高まる。

本発明の発展形態においては、受光素子が、遠方領域及び近接領域の光をそれぞれ受光するための近接領域用素子及び遠方領域用素子を有し、周縁切片部によって近接領域の光を近接領域用素子へ導くことにより三角測量式センサが構成される。三角測量式センサは特にコスト的に有利な距離センサである。というのも、面的な受光素子さえあればよく、しかも評価ユニットを簡単に構成できるからである。三角測量式センサを用いれば特定の位置にある物体を非常に簡単に捕らえることができる。また三角測量式センサは数ミリメートルから数メートルまでの距離測定に特に適している。

本発明の発展形態においては、前記センサが光伝播時間法によるセンサである。光伝播時間法による距離センサは発光素子及び受光素子を有する。発光素子から送出された光は、物体の表面で直反射又は拡散反射された後、受光素子により受光される。そして、光伝播時間法のセンサ原理により、光が発光器を出てから物体に当たって受光素子へ戻ってくるまでの所要時間が測定され、その時間が評価ユニットにより評価され、物体の距離が算出される。光伝播時間法によるセンサは数十センチメートルから数メートル以上の距離範囲に特に適している。

本発明の発展形態においては、前記センサがレーザスキャナである。レーザスキャナは発光素子及び受光素子を有する。発光素子から送出された光は、物体の表面で直反射又は拡散反射された後、受光素子により受光される。そして、例えば光伝播時間法のセンサ原理により、光が発光器を出てから物体に当たって受光素子へ戻ってくるまでの所要時間が測定され、その時間が評価ユニットにより評価され、物体の距離が算出される。光は連続的に、例えば回転鏡を介して角度を変えながら送出されるため、面的な監視領域を監視することができる。レーザスキャナは特に、数十センチメートルから数メートル以上の距離範囲に適し、且つ２次元又は３次元空間の監視に適している。

以下、本発明について、更なる利点及び特徴をも考慮しつつ、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。

周縁切片部を有する受光レンズを備えるセンサを示す図。受光レンズの正面図。センサの側面図。受光素子を示す図３の一部切り抜き図。周縁切片部により偏向されている光線を示すセンサの側面図。受光レンズの周縁切片部を示す図５の一部切り抜き図。受光素子を示す図５の一部切り抜き図。周縁切片部を有する受光レンズを備えるセンサを示す図。凸状の周縁切片部を有する受光レンズの正面図。凹状の周縁切片部を有する受光レンズの正面図。周縁切片部と粗い表面とを有する受光レンズを備えるセンサを示す図。距離センサを示す図。三角測量式センサを示す図。光伝播時間式センサを示す図。

以下の図では同一の構成要素に同一の符号が付されている。

図１は、光を送出するための発光素子２と、近接領域１０及び遠方領域１２における光を受光するための受光素子４と、受光素子４の前に配置された受光レンズ１４とを備えるセンサ１を示している。受光レンズ１４は周縁切片部１６を有しており、該周縁切片部１６は近接領域１０からの光を受光素子４へと偏向させる。

センサ１は、該センサ１の捕捉領域４０乃至は監視領域にある物体の検出に用いられる。多少なりとも拡散的に光を散乱させる物体４０乃至は標的を捕らえる場合、それが近距離にあれば受光アパーチャ乃至は受光レンズ１４への光の入射角は明らかに大きく変化する。受光レンズの表面に光線が当たった後、近接領域にある物体４０からの光線は受光レンズ１４の周縁切片部１６に当たる。この周縁切片部１６には近接領域からの光線３６しか到達せず、遠方領域からの光線３８はそこに到達しない。

受光レンズ１４の周縁切片部１６は、該受光レンズ１４の一方の側を平らにしたような構成である。この周縁切片部１６全体を覆うように、近接領域において検出された物体４０からの拡散反射光又は直反射光３６が該周縁切片部に達する。受光された光３６は、周縁切片部１６により直反射又は拡散反射された後、受光素子４に入射する。物体４０により直反射又は拡散反射された光線は周縁切片部１６で偏向され、該偏向の後に受光素子４に入射する。従って、周縁切片部１６は光３６に対して偏向面として作用する。

受光された光は評価ユニット（図示せず）により評価され、該受光された光に応じて物体確認信号が生成される。

図１の形態では、周縁切片部１６が平面１８から成る。偏向面として平面１８を用いれば、物体４０がセンサ１の前方の領域つまり受光レンズ１４の真正面にある場合にのみ、近接領域１０の光が受光素子４の方へ偏向される。近接領域において前記センサ前方の領域が有効となる距離は、前記平面の角度を通じて調節することができる。

図２は図１の受光レンズの正面図である。

図３はセンサ１の発光素子２と受光素子４を側面図で示している。近接領域１０にある物体４０が捕らえられている。この図に描かれた光線は、受光レンズ１４により収束されて受光素子４の隣の部分に当たってしまうため検出できない光線だけである。

図４は図３の受光素子を拡大した一部切り抜き図である。近接領域１０から到来し、収束されて受光された光線は受光素子４からわずかに外れる。

図５はセンサ１の発光素子２と受光素子４を側面図で示している。近接領域１０にある物体４０が捕らえられている。この図に描かれた光線は、周縁切片部１６により偏向されてから受光素子４に当たって検出される光線だけである。

図６は図５の受光レンズの周縁切片部１６を拡大して示す一部切り抜き図である。近接領域１０から到来した光線は周縁切片部１６の表面で偏向される。

図７は図５の受光素子４を拡大して示す一部切り抜き図である。近接領域１０から到来して受光された光線は、周縁切片部１６の表面で偏向された後、受光素子４に当たる。

図８の形態では、周縁切片部１６が曲がった面から成る。ここで「曲がった」とは、その面が平らではないという意味である。この面は凹状又は凸状に形成することができる。また部分円筒状の面や球面でもよい。曲がった面の形にすれば、偏向された光線が収束又は拡散される。

周縁切片部１６の表面を凸状にすれば、偏向された光が収束される。周縁切片部１６の表面を凹状にすれば、受光されて偏向された光が拡散される。

図９は周縁切片部１６の表面を凸状にした図８の受光レンズ１４の正面図である。

図１０は周縁切片部１６の表面を凹状にした受光レンズ１４の正面図である。

図１〜１０の形態では、周縁切片部１６が滑らかな表面を有しており、該周縁切片部１６は近接領域１０の光を全反射により受光素子４へ導く。この実施形態によれば、近接領域１０にある物体４０からの光が周縁切片部１６の表面で全反射された後、受光素子４に入射するような角度に、該周縁切片部１６を配置するだけでよい。必要なのは受光レンズ１４の表面に偏向面乃至は周縁切片部１６として全反射面を形成することだけである。周縁切片部１６の偏向面を全反射面にするため、該周縁切片部１６の表面が光学的に滑らかに形成される。

あるいは、図１〜１０の形態において、周縁切片部１６が滑らかな鏡面状の表面を有し、該周縁切片部１６が直反射により近接領域１０の光を受光素子４へ導くようにしてもよい。周縁切片部１６の鏡面状の表面は例えば被覆層により形成される。被覆層は例えば蒸着により形成することができる。例えば被覆層は蒸着された金属膜から成る。

図１１の形態では、周縁切片部１６が粗い表面構造２６を有し、該周縁切片部１６が近接領域１０の光を散乱により受光素子４へ導く。近接領域１０からの受光のエネルギー量が低下するものの、散乱効果により、近接領域１０内の様々な位置において物体４０を検出することができる。

図１２の形態では、前記センサが距離センサ２８である。距離センサ２８は発光素子２及び受光素子４を有している。発光素子２から送出された光は、物体４０の表面で直反射又は拡散反射された後、受光素子４により受光される。そして、使用されるセンサ原理に応じて物体４０の距離が算出される。

図１３の形態では、受光素子４が、近接領域１０及び遠方領域１２の光をそれぞれ受光するための近接領域用素子６及び遠方領域用素子８を有し、周縁切片部によって近接領域１０の光を近接領域用素子４へ導くことにより三角測量式センサが構成される。三角測量式センサ３０は位置分解型の平らな受光素子４を備えている。

図１４の形態では、センサ１が光伝播時間法によるセンサ３２である。光伝播時間法による距離センサは発光素子２及び受光素子４を有する。発光素子２から送出された光は、物体４０の表面で直反射又は拡散反射された後、受光素子４により受光される。そして、光伝播時間法のセンサ原理により、光が発光器２を出てから物体４０に当たって受光素子４へ戻ってくるまでの所要時間が測定され、その時間が評価ユニットにより評価され、物体４０の距離が算出される。

図示せぬ実施例では、前記センサがレーザスキャナである。レーザスキャナは発光素子及び受光素子を有する。発光素子から送出された光は、物体の表面で直反射又は拡散反射された後、受光素子により受光される。そして、例えば光伝播時間法のセンサ原理により、光が発光器を出てから物体に当たって受光素子へ戻ってくるまでの所要時間が測定され、その時間が評価ユニットにより評価され、物体の距離が算出される。光は連続的に、例えば回転鏡を介して角度を変えながら送出されるため、面的な監視領域を監視することができる。

１…センサ
２…発光素子
４…受光素子
６…近接領域用素子
８…遠方領域用素子
１０…近接領域
１２…遠方領域
１４…受光レンズ
１６…周縁切片部
１８…平らな面
２０…曲がった面
２２…滑らかな表面
２４…鏡面状の表面
２６…粗い表面構造
２８…距離センサ
３０…三角測量式センサ
３２…光伝播時間式センサ
３６…近接領域からの光線
３８…遠方領域からの光線
４０…物体

Claims

光を送出するための発光素子（２）と、近接領域（１０）及び遠方領域（１２）の光を受光するための受光素子（４）と、該受光素子（４）の前に配置された受光レンズ（１４）とを備えるセンサにおいて、
前記受光レンズ（１４）は前記近接領域（１０）からの光を前記受光素子（４）へと偏向させる周縁切片部（１６）を有し、該周縁切片部（１６）は滑らかな表面（２２）を有し、また該周縁切片部（１６）は前記近接領域（１０）の光を全反射により前記受光素子（４）へ導くことを特徴とするセンサ。
前記周縁切片部（１６）が平面（１８）から成ることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
前記周縁切片部（１６）が曲がった面（２０）から成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
前記周縁切片部（１６）が滑らかな鏡面状の表面（２４）を有し、該周縁切片部（１６）が直反射により前記近接領域（１０）の光を前記受光素子（４）へ導く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。
前記周縁切片部（１６）が粗い表面構造（２６）を有し、該周縁切片部（１６）が前記近接領域（１０）の光を散乱により前記受光素子（４）へ導く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。
前記センサ（１）が距離センサ（２８）であ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。
前記受光素子（４）が、前記遠方領域（１２）及び前記近接領域（１０）の光をそれぞれ受光するための近接領域用素子（６）及び遠方領域用素子（８）を有し、前記周縁切片部（１６）によって前記近接領域（１０）の光を前記近接領域用素子（６）へ導くことにより三角測量式センサ（３０）が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。
前記センサ（１）が光伝播時間法によるセンサ（３２）であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ。
前記センサ（１）がレーザスキャナ（３４）であ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。