JP2019215324A - 光電センサ及び距離測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】監視領域内の物体の検出及び距離測定のための光電センサを提供する。【解決手段】光電センサ１０は、変調された発射光１８を送出するための発光器１２と、監視領域１６内の物体により反射された発射光２０から少なくとも１つの受光信号を生成するための多数のＳＰＡＤ受光素子２６ａを有する受光器２６と、受光器２６の前に配置された、絞り２４を有する受光光学系２２と、受光信号及び変調信号１８の特性から光伝播時間を測定し、光伝播時間から距離値を算定するように構成された制御及び評価ユニット２８とを備える。絞り２４は互いに間隔を空けた複数のアパーチャ２４ａを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１又は１１のプレアンブルに記載の監視領域内にある物体の検出及び距離測定のための光電センサに関する。

レーザスキャナや３次元カメラといった光電センサには、深度情報も得られるものがいくつかある。これにより３次元画像データが得られる（これは距離画像や深度図とも呼ばれる）。追加的な距離の次元は、捕らえられた前景にある物体に関するより多くの情報を取得して様々な課題を解決するために数多くの用途で利用できる。

深度情報を求める方法には様々なものが知られている。本願で考慮される光伝播時間測定法（飛行時間：ＴＯＦ）ではパルス化又は振幅変調された光で前景が照らされる。センサは複数の測定点に対応する複数の箇所で反射光の伝播時間を測定する。パルス法ではそのために光パルスが送出され、発光時点から受光時点までの時間が測定される。位相法では周期的な振幅変調が行われ、発射光と受信光の間の位相差が測定される。

３次元カメラでは伝播時間が画素毎又は画素グループ毎に測定される。例えばパルス法では、光伝播測定用のＴＤＣ（時間デジタル変換器）が画素に接続されるか、場合によっては画素と一緒にウエハ上に統合される。位相法で３次元画像データを取得するための技術としてはフォトミキシング検出法（Photomischdetektion：ＰＭＤ）がある。

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を介して周期的に監視領域を掃引する。測定される距離情報に加えて、偏向ユニットの回転位置から物体の角度位置が推定され、以て距離値を含む画像データが極座標の形で走査周期の完了毎に得られる。追加的に仰角を変化させたり仰角方向に多光線走査を行ったりすれば、空間領域から３次元画像データが得られる。大部分のレーザスキャナでは走査運動が回転鏡で達成される。ただし、回転鏡を用いる代わりに、一又は複数の発光器及び受光器を有する測定ヘッド全体を回転させることも知られている。これは例えば特許文献１に記載されている。

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。その際、アバランシェフォトダイオード内では既に１０^５〜１０^６もの増幅率が達せられる。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（シングルフォトンアバランシェダイオード）とも呼ばれる。

このように、ガイガーモードのＡＰＤ又はＳＰＡＤは半導体をベースとする非常に高速且つ高感度なフォトダイオードである。しかし、感度が高いため、有効光の光子だけでなく、外部光や光学的な混信又は暗騒音による弱い妨害事象でもアバランシェ降伏を誘発し得るという欠点がある。そうすると、外部光がＳＰＡＤにとって最も不利である。なぜなら、外部光は大きな電流を生じさせるため多大な電力消費と多量の発熱につながるからである。更に、受信された有効光に匹敵する比較的強い信号を持つ妨害事象が測定結果に寄与し、受光信号からはそれを有効光と完全に区別することができない。そのため信号雑音比が悪化し、測定精度が低下したり射程が短くなったりする。

更に、ＳＰＡＤセルはアバランシェの後、５〜１００ナノ秒程度のむだ時間の間、不感状態となるため、その間は更なる測定値が得られない、という特殊性がある。これを補うべく、多数のＳＰＡＤ事象を一緒に統計的に評価するためにアレイ配列が構成される。この場合、まず、ＳＰＡＤセルの多数の信号を全てまとめて又は少なくとも大きなグループにして部品から引き出し、アナログ電流又はアナログ電圧として更に処理するというアプローチがある。あるいは、個々のＳＰＡＤセルの信号を、各ＳＰＡＤセルが発動したか否かという二値的な事象として（大抵はデジタル的に）読み出すようなＳＰＡＤ検出器がある。これはアナログ信号をまとめる場合に比べて高コストの接続構造を必要とする。

従来技術にはＳＰＡＤ受光器の外部光感度に対処するための様々な提案がある。少数のＳＰＡＤセルしか持たない小型のＳＰＡＤ受光器を用いて、その狭い受光面により受光視角を制限することで、横からの外部光があまり捕らえられないようにすることも当然可能である。しかし、ＳＰＡＤセルの数が少ないと、多数の統計処理により妨害事象やむだ時間を解消することが難しくなる。

焦点距離の長い受光光学系又は機械的な絞りを用いて受光視角を光学的に制限することもできる。しかし、焦点距離の長い受光光学系は大きな設置長さを要する。絞りの場合はそれに覆われたＳＰＡＤセルが利用されないままになる。特許文献２では非常に幅の狭い絞りを漏斗状素子で補っている。この素子は絞りの背後で光を均等に分散させてＳＰＡＤ受光面に配分する。しかし、追加の部品は製造コストを増大させる上に調整も必要である。均等化を諦めれば、絞りとＳＰＡＤ受光器の間に若干の間隔を設けるだけでもＳＰＡＤ受光面をよりよく利用できる。いずれにせよ、受光視角を制限すれば外部光の大部分を確かに排除できるが、これは正確に所定の方向にある単一の測定光にしか適していない。

原理的には、全視野を面的に照明した上で、位置の割り当てを行った各ＳＰＡＤセルを絞りとみなすことが考えられる。しかし、面的な照明ではそもそもあまり良好な信号雑音比は期待できない。特許文献３では光源が発するパルス化された発射光線がＭＥＭＳミラーで走査対象の面に沿ってＸ方向及びＹ方向に導かれる。反射された光パルスはＳＰＡＤマトリックスで受光される。該マトリックスでは発射光線で現在照らされている領域を観察しているＳＰＡＤだけがその都度オン状態にされる。少なくとも、高い分解能で高速撮影を行うにはスキャン行程に時間がかかりすぎる。

その上、このような電子的な受光視角の制限にはＳＰＡＤセル用の複雑なスイッチング構造が必要である。極端な場合、完全な柔軟性を得るべく、例えば降伏電圧を超える又は下回るバイアス電圧を個別に選択することによって各ＳＰＡＤセルをオン状態又はオフ状態にするために、ＳＰＡＤセル毎に少なくとも１本の専用の配線を設ける必要がある。一方、画像センサでよく行われるように単に行毎及び列毎にスイッチングを行うと長方形状のグループしか選択できない。これはその都度の受信光線を検出する上で望まれる形状と決して完璧には一致しない。

ＳＰＡＤセルの選択を後で画像評価の際に初めて行うこともできる。しかしこれでは発動されながらも結局全く利用されないＳＰＡＤセルが多数出るため、外部光の負荷の下でＳＰＡＤ受光器が無駄に多くの電流を消費し、大量の熱を発する。

特許文献４は別々にオン状態にできる受光面を備える光学的な距離測定用の装置を開示している。その受光面は近接領域からの光よりも遠方領域からの光の方がより大きなオン状態の面に入射するような形状になっており、以て距離依存性のエネルギー損失を部分的に補っている。しかしこれは従来型の受光器に関するものである。特許文献５ではＳＰＡＤのグループ化により同様の結果が達成されている。しかし、既に述べたように、それには狙いを定めて所望のグループをオン状態にできるスイッチング構造を設ける必要がある。

DE 197 57 849 B4 EP 2 910 969 B1 EP 2 708 914 A1 DE 10 2006 013 290 A1 EP 2 475 957 B1

故に、本発明の課題はＳＰＡＤ受光器を備えるセンサを改良することである。

この課題は、請求項１又は１１に記載の監視領域内の物体の検出及び距離測定のための光電センサにより解決される。本センサは、実際に用いられる距離測定方法に適合した照明光を生成する発光器を備えている。監視領域内の物体の表面で反射された後、そのように変調された発射光は多数のＳＰＡＤ受光素子を有する受光器において受光され、既知の変調を考慮して例えばパルス法又は位相法で光伝播時間が測定され、該時間を用いて距離が測定される。受光器の前には絞りを有する受光光学系が配置されている。

そして、本発明の出発点となる基本思想は、前記絞りとして互いに間隔を空けた複数のアパーチャを有する複式絞りを用いることにある。これにより、それぞれ外部光に対する頑強性が改善された複数の受光領域が互いに間隔を空けてＳＰＡＤ受光器上に生じる。

本発明には、外部光感度を低下させることにより測定精度の向上と測定射程の増大を達成できるという利点がある。複数のアパーチャを設けることで、複数の測定光線を利用し、それにより追加的な測定情報をより広い視野から得ることができる。アパーチャの形状については、スイッチング構造の複雑さを考慮せずにほぼ自由な設計ができるため、それを近接領域における測定の改善に利用することができる。従って、非常に多数のＳＰＡＤセルを有する大きな空間的広がりを持ちながらも、周波数帯域が高く、しかも固有の増幅が極めて大きいという、ＳＰＡＤ受光器に特有の利点を得ながら、他方で複式絞りを用いた簡単な構造的対策により外部光感度を補償することができる。

アパーチャは列状又はマトリックス状の配置を成していることが好ましい。このような絞り列又は絞りマトリックスは、規則的に配置された測定光を用いて監視領域内の測定点のラスタを捕らえる場合に特に適している。

絞りは受光器に対して、最大でＳＰＡＤ受光素子又はＳＰＡＤ受光素子のグループの大きさの５倍に相当する距離に配置されている。つまり、絞りはＳＰＡＤ受光器の前面にほぼ接しているため、設置スペースを小さくできる。ＳＰＡＤ受光素子又はそのグループの大きさとしては、その高さ、幅又は対角線といった寸法や、２つのＳＰＡＤ受光素子又はグループ間の画素間隔（画素ピッチ）を基準とすることができる。原理的には、最大でＳＰＡＤ受光素子の大きさの１０倍程度といったやや大きめの距離や、製造技術的に可能であればもっと短めの距離も考えられる。

アパーチャは先細りの形状を有していることが好ましい。これにより、設計の自由度を十分に利用し、アパーチャを矩形又は円形から意図的に逸脱させる。例として、水滴状のアパーチャ、徐々に小さくなるように並んだ複数の円、あるいは主たる開口とその横に長く延びる末端部（特にくさび状に又は弓状に幅が狭くなったもの）が挙げられる。こうしたアパーチャの特殊な形状により近接領域の感度が向上する。なぜなら、特に二軸構造の場合、つまり発光器と受光器が並んで配置されている場合、物体の距離に応じて照明光が横へ移動するからである。前記特殊な形状のアパーチャによれば、光スポットが有感領域から外れることがなく、近接領域では幅の狭い絞りで、遠隔領域では幅の広い絞りで受光される。

好ましくは、同じアパーチャの背後にあるＳＰＡＤ受光素子の個別信号が一つの受光信号に統合される。これは、冒頭で説明した複数のＳＰＡＤセルをまとめて評価する場合に相当するものであり、アナログの形で統合してもよいし、デジタル的に共通の評価を行う形でもよい。統合は単に行又は列に沿って行ってもよい。つまり、スイッチング技術上の理由で統合を矩形領域に制限してもよい。その場合でもアパーチャにより他の幾何学形状を選択することで、該アパーチャを囲む長方形内で光が当たらず実質的に利用されないままとなるＳＰＡＤ受光素子がごく少数しか出ないようにすることができる。

制御及び評価ユニットは、各アパーチャにより生成される光スポットを用いて監視領域内の複数の測定点までの複数の距離を測定するように構成されていることが好ましい。このような多光線システムにおいては、各アパーチャの背後にあるＳＰＡＤ受光素子上の光スポットをそれぞれ評価することで、アパーチャ毎に距離値を得る。これは照明及び測定の順番に応じて順々に又は同時に行うことができる。

発光器は変調された発射光を少なくとも１本の発射光線として送出するように構成されていることが好ましい。信号雑音比に関して不利である面的な照明の場合とは違って、ここでは発光エネルギーが各測定点に集められる。あるいは、発射光線が複数ある場合には複数の測定点に集められる。

発光器は、少なくとも１本の発射光線をその方向を変えて送出することで、監視領域内において該発射光線で照らされる測定点が別のＳＰＡＤ受光素子により観察されるように構成されていることが好ましい。これによれば、前記少なくとも１本の発射光線の位置がスキャン中に変えられることで、より広い領域が走査される。それには、発射光線を個別に、グループ毎に又は全てまとめて１つ又は２つの横方向に偏向させるために、個別の又は結合された偏向部を複数又は全ての発射光線に対して設ければよい。スキャンの仕方は連続的ではなくアパーチャの配置に対応してラスタ化されていること、つまり、発射光線がアパーチャに対応して場所から場所へ不連続に切り替わることが好ましい。

制御及び評価ユニットは、特定のＳＰＡＤ受光素子だけ、特にその時点に発射光線で照らされている測定点を観察するＳＰＡＤ受光素子だけをその都度作動させる又は読み出すように構成されていることが好ましい。このようにすれば、その時々の有効信号に寄与し得ない受光素子の受光信号が生成又は評価されることがなくなる。先に簡単に触れたように、ＳＰＡＤ受光素子はバイアス電圧を降伏電圧より下げることによりオフ状態に切り替えることができる。そうなると該受光素子は数桁のオーダーで感度を失うため、切断されたものとみなすことができる。オフ状態への切り替えには、電力消費と発熱に寄与するだけの無駄なアバランシェが誘発されなくなるという利点もある。もっとも、不要なＳＰＡＤ受光素子をオン状態にしておき、単にその受光信号を読み出さない又は評価時に考慮しないようにすることも可能である。特定のＳＰＡＤ受光素子つまり受光器の領域の選択は、受光光学系の物理的又は光学的な絞りを補う電子的な絞りとみなすこともできる。電子的な絞りと機械的な絞りとの組み合わせにより両者が互いに補い合うようにすることができる。例えば、電子的な絞りが行毎及び列毎のスイッチングのために矩形状にならざるを得ないとしても、それはもはや障害とはならない。これにより各アパーチャの精確な位置決め又は更なる変形若しくは縮小が可能になる。

本センサはレーザスキャナとして構成され、監視領域を周期的に走査するための回転可能な偏向ユニットを備えていることが好ましい。回転可能な偏向ユニットとは、発光器と受光器が固定的に配置されている場合に周期的に光線を偏向させるための回転鏡、特に多面鏡ホイール、あるいは発光器及び受光器を備える一体回転式の偏向ユニットである。冒頭で言及した公知のレーザスキャナと違って、本発明のレーザスキャナはパルス列で符号化された複数の発射光線を用いる多光線スキャナである。

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。

距離測定型の光電センサの概略断面図。 （ａ）〜（ｃ）複式絞りのアパーチャの配置の様々な例を示す平面図。 （ａ）、（ｂ）近接領域のための適合化を行ったアパーチャの２つの例を示す平面図。 近接領域のために適合化されたアパーチャを有する複式絞りの平面図。 レーザスキャナの概略図。

図１は距離測定型の光電センサ１０の概略図である。発光器１２を用いて、変調された発射光が発光光学系１４を通じて監視領域１６内へ送出される。発光器１２は発射光を一又は複数の点状又は線状の発射光線１８に束ねることができる。従って、利用可能な光出力を実際の測定点に集中させることができる。これにより、単なる面的な照明に比べて信号雑音比が著しく改善される。

発射光線１８の変調は、センサ１０が距離を測定する際に用いる光伝播時間法に適合されている。例えば、位相法には周期的な変調（特に正弦変調）、個別パルス法又はパルス平均法には単一又は多重的なパルス変調、あるいはランダム符号列を用いるノイズ類似の変調が考えられる。

発射光線１８の方向及び監視領域１６内の測定点を定めるための方法、あるいは好ましい実施形態において該方向をスキャンのように変化させるための方法も数多く存在する。一例として、個々に又はグループ化して制御できる多数の個別発光器を有するアレイが挙げられる。これは例えば、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイや、ＬＥＤや端面放射型レーザダイオードといった他の光源の多重配置等である。方向の変化は、発光器１２及び／又は発光光学系１４の位置に作用するピエゾアクチュエータを通じて生じさせたり、光フェイズドアレイ、又は、ＭＥＭＳミラー、回転ミラー、回転プリズム若しくは音響光学変調器といった追加の光学素子を通じて生じさせたりできる。好ましい実施形態では、２種類の混合できない媒質間の境界層を電極配列の駆動により傾けることができる液体レンズが発光光学系１４として用いられる。一群の固定的な発射光線１８を生成するにはパターン生成素子、特に回折光学素子（ＤＯＥ）を用いることができる。あるいは、それを更に前述のいずれかの方法による運動と重ね合わせてスキャンを行う。発光器１２は２００ｎｍと２０００ｎｍの間の波長、特に９００ｎｍ又は１５５０ｎｍを用いることが好ましい。

発射光線１８が監視領域１６内で物体に当たると、それは反射された発射光線２０としてセンサ１０へ送り返される。反射された発射光線２０は受光光学系２２及び複式絞り２４を通り、ＳＰＡＤ受光素子２６ａの形をした多数の画素を有する受光器２６に達する。１つの画素はＳＰＡＤ受光素子のグループから成っていてもよい。既出の発光光学系１４と同様に受光光学系２２は単なるレンズで表されているが、これは複数レンズ型の対物レンズ、別の絞り、及び他の光学素子を有する任意の光学系を代表している。反射型又は回折型の光学系も考えられる。

複式絞り２４は複数のアパーチャ２４ａを備えている。複式絞り２４の機能原理は吸収型でも反射型でもよい。複式絞り２４は受光器２６の前に実質的に隙間なしで、又はいずれにせよ極めて微小な間隔で配置されている。微小な間隔を設けると、反射された発射光線２０が複式絞り２４と受光器２６の間でなおも若干広がるが、この間隔は好ましくは最大でＳＰＡＤ受光素子２６ａの大きさ乃至は受光素子２６ａのグループから成る画素の大きさの５倍、言い換えれば画素間隔（画素ピッチ）の５倍である。この機械的な絞りは、複数の反射光線２０を同時に受光器２６上で検出するために、そして外部光の入射を制限するために利用できる。他の可能な形態については後でまた図２〜４を参照して説明する。

受光器２６は面積が大きくてＳＰＡＤ受光素子２６ａの画素数が大きいものとすることができる。受光器２６の構成は、全てのＳＰＡＤ受光素子２６ａ若しくは特定のグループのＳＰＡＤ受光素子２６ａの個別信号をアナログ的に組み合わせる構成でも、個々のＳＰＡＤ受光素子２６ａの事象（つまり光子又は暗騒音により誘起されるアバランシェ）をデジタル的に出力する構成でもよい。特定の領域内にあるＳＰＡＤ受光素子２６ａだけを作動させる、読み出す又は評価することにより、電子的な絞りで複式絞り２４を補うことが考えられる。

制御及び評価ユニット２８が発光器１２と受光器２６に接続されている。これにより、その都度所望の変調を行った発射光線１８が生成される。全てのＳＰＡＤ受光素子２６ａの受光信号、又は特定のＳＰＡＤ受光素子２６ａ（例えば、現在照明されている測定点を観察しており、その測定点に適したアパーチャ２４ａの背後にあるもの）だけの受光信号を評価することで、監視領域１６内で検知された物体の測定点までの光伝播時間を測定し、その時間からその点の距離を測定する。アナログ式かデジタル式かを問わず、１つの共通のアパーチャ２４ａの背後にある全てのＳＰＡＤ受光素子２６ａを統合して一緒に評価することが好ましい。その際、スイッチングが列毎及び行毎に制限され、その結果、統合されるＳＰＡＤ受光素子２６ａのグループが矩形状になっても問題はない。なぜなら、アパーチャ２４ａが所望の形状を作り出すため、最悪の場合でも若干のＳＰＡＤ受光素子２６ａが照明されないままとなるに過ぎず、センサ１０の性能に大した影響はないからである。

光伝播時間の測定のために、各受光信号とそれに付随する発射光線１８の既知の周期的な変調又はランダム系列との相関を取り、位相差を求める。あるいは、パルス法の場合は受光時点を特定して発光時点と比較する。制御及び評価ユニット２８の少なくとも一部、例えば発射光線１８を変調するための信号の生成部や、画素と関連付けて受光信号の評価及び相関計算を行う部分、特にＳＰＡＤ受光素子２６ａの受光時点を特定するためのＴＤＣ（時間デジタル変換器）は、発光器１２乃至は受光器２６と一緒に共通の部品上に統合することができる。

アパーチャ２４ａは、その都度の視線方向に対して不適切な角度からの外部光の入射を防止するだけでなく、ＳＰＡＤ受光素子２６ａのうち発射光線１８の方向に割り当てられていない領域における該発射光線１８の混信（特に多重反射後の混信）も少なくとも大幅に防止する。これにより測定が非常に頑強になり、また複数の測定点を同時に捕らえて測定速度を大きく向上させることができる。個々の発射光線１８同士をより確実に区別するため、発射光線１８を個別に符号化すること及び／又はその色を変えることも考えられる。そうすればレーザスキャナと３次元カメラの利点が組み合わされる。即ち、複数の測定点で距離値が得られ、しかもそれが発射光線を１本しか用いない順次検出に比べて明らかに高速であるにも関わらず、面的に照明及び撮像を行う場合と違って測定点に測定光を集中させることができる。

発光器１２と受光器２６が二軸型で並んでいる本センサ１０の光学的な基本構造は必須ではなく、単一光線式の光電センサに関するいかなる公知の構造にも置き換え可能である。その一例としてビームスプリッタを持つ又は持たない同軸型の配置が挙げられる。

発射光線の形態は前述のように変調においてのみならず、幾何学的にも測定原理に適合させることが好ましい。図１の例では空間的に分離された発射光線１８が送出され、監視領域１６内で点状の領域を照らす。これは受光器２６の前にあるほぼ点状の絞りを用いた観察に適合させたものである。別の例として、監視領域１６内で線状の領域を照らす細長い光線で照明を構成してもよいし、他の幾何学的な測定原理に対しては面的な照明を用いてもよい。

本センサ１０は、複数の光線を用いる光遮断機若しくは光検知器、光伝播時間カメラ又はレーザスキャナとしても利用できる。レーザスキャナについては後でまた図５を参照してより詳しく説明する。

図２（ａ）〜（ｃ）はアパーチャ２４ａの様々な模範的な配置を反射光線２０から見た絞り２４の平面図で示している。規則的な列状又はマトリックス状の配置が好ましい。なぜなら、それにより測定点の規則的なラスタを形成することができ、更にそのラスタの方向を変えることもできるからである。各アパーチャ２４ａの背後の領域は、作動又は評価される特定のＳＰＡＤ受光素子２６ａを選択することで測定のために順番に考慮することができる。しかもこれは好ましくは行及び列の選択により行われる。このような追加の電子的な絞りは、検出する領域を精確に位置決めしたり、この利用される領域の面積を更なる縮小したりするためにも利用できる。

走査する発射光線１８の場合はその走査運動をアパーチャ２４ａのラスタのパターンで飛び飛びに又は離散的に行うことが好ましい。これは、離散的な角度位置に立ち寄ることが殆どである光フェイズドアレイに特に適している。

図３（ａ）及び（ｂ）は矩形でも円形でもない幾何学形状を有する２つの模範的なアパーチャ２４ａをこれも絞り２４の平面図で示している。このような形状により近接領域に対するセンサ１０の検出性能が改善される。なぜなら、物体の距離が遠ければ受光器２６上での受光スポットは小さくなって設定位置に当たるのに対し、近くの物体の場合、受光スポットは大きくなり、図１のような二軸構造の場合はその位置がずれるからである。同軸構造の場合は受光スポットがリング状に外へずれるという全く同様の問題がある。いずれにせよ、単純な矩形又は円形のアパーチャ２４ａを用いると、物体の距離が近い場合に受光レベルが極端に低下する。なぜなら、遠方の物体だけに合わせて設計されたアパーチャ２４ａを用いると、近接領域ならもっと強いはずの受信光がほとんど遮られてしまうからである。

図３（ａ）及び（ｂ）に示した形状によりこの問題は大幅に軽減される。なお、これらの例は図１のような二軸構造のために設計されたものであり、同軸構造の場合はそれに合わせる必要がある。アパーチャ２４ａは、幅は狭いが長く延びた末端部を備えている。この末端部は物体の距離が近い場合に移動する受光スポットに従っている。これは先細りの形状と表現することもできる。物体の距離が遠い場合は可能な限り全ての有効光を通過させる。一方、物体の距離が近くなり、受光スポットがずれた場合、近接領域に入り全体として大幅に強くなった受信光のうち限られた少量の光だけを通過させる。念のために言えば、図３（ｂ）の例に示した複数の円は、製造技術的に有利な形態において同じアパーチャ２４ａの細長い末端部を成すものであって、複数のアパーチャ２４ａではない。

図４は、図３を参照して説明したこのような適合化された形状のアパーチャ２４ａを複式絞り２４にどのように用いることができるかを示している。このように、複数の測定光線に対する近接領域の最適化という利点が得られる。

図５は多光線レーザスキャナとしての別の実施形態における光電センサ１０の概略断面図である。本センサ１０は大きく分けて可動式の偏向ユニット３０と、台座ユニット３２とを含む。偏向ユニット３０は光学的な測定ヘッドである一方、台座ユニット３２には給電部、評価用電子機器、接続部等、その他の要素が収納されている。稼働時には、台座ユニット３２の駆動部３４により回転軸３６を中心として偏向ユニット３０を回転駆動することで、監視領域１６を周期的に走査する。

偏向ユニット３０は少なくとも１つの走査モジュールを備えている。このモジュールは原理的には図１を参照して説明したセンサのように構成されている。従って、このレーザスキャナはそのような多光線システムのための回転式プラットフォームとなっている。図５に具体的に示した一体回転式の走査モジュールの構造は単に模範的なものである。複数の走査モジュールを設けて、その走査角、仰角及び自らの視線方向を中心とする回転が非常に異なる配置にすることもできる。これにより極めて多様に光線を配置し、部分的には走査運動を重畳することも可能となり、その光線で監視領域１６内の測定点を捕らえる乃至は走査することができる。

この実施例の発光器１２と受光器２６は一緒に回路基板３８上に配置されている。この基板は回転軸３６上にあり、駆動部３４のシャフトに結合されている。これは単なる模範例と理解すべきであり、実際には任意の数及び配置の回路基板が考えられる。

非接触式の給電及びデータインターフェイス４０が可動式の偏向ユニット３０と静止した台座ユニット３２とを接続している。台座ユニット３２内には制御及び評価ユニット２８があるが、少なくともその一部は偏向ユニット３０内の回路基板３８上又は他の場所に収納してもよい。制御及び評価ユニット２８は前述の機能の他に駆動部３４も制御し、レーザスキャナに関して公知である角度測定ユニット（図示せず）の信号を受け取る。角度測定ユニットは各時点における偏向ユニット３０の角度位置を特定する。

これにより、１回転の間に各発射光線１８で１つの平面が走査され、偏向ユニット３０の角度位置と光伝播時間を用いて測定される距離から成る極座標の形で各測定点が得られる。厳密には仰角が０度の場合、つまり図５にはない水平な発射光線１８だけが実際に平面を走査する。有限の仰角を持つ他の発射光線１８は、その仰角に応じた異なる鋭さで形成される円錐の側面をそれぞれ走査する。上方及び下方に異なる角度で偏向される複数の発射光線１８を用いる場合、全体として複数の砂時計を入れ子にしたような走査構造になる。走査モジュールの内部で既に発射光線１８に別の運動をさせたり、偏向ユニット３０を仰角方向に動かしたりすることも考えられる。そうすれば走査構造がより複雑になり、所望の広がり及び局所的走査密度で空間的な監視領域１６を捕らえるためにその構造を適応させることができる。

図示したセンサ１０は回転式の測定ヘッドつまり偏向ユニット３０を有するレーザスキャナである。あるいは回転鏡や切り子面ミラーホイールを用いて周期的な偏向を行うことも考えられる。更に別の実施形態では、回転運動の代わりに、又はそれに加えて、該回転運動の軸に垂直な第２の軸を中心として偏向ユニット３０を揺動させることで、仰角方向にも走査運動を生じさせる。

Claims (11)

1. 監視領域（１６）内の物体の検出及び距離測定のための光電センサ（１０）であって、変調された発射光（１８）を送出するための発光器（１２）と、前記監視領域（１６）内の物体により反射された発射光（２０）から少なくとも１つの受光信号を生成するための多数のＳＰＡＤ受光素子（２６ａ）を有する受光器（２６）と、前記受光器（２６）の前に配置された、絞り（２４）を有する受光光学系（２２）と、前記受光信号及び前記変調信号（１８）の特性から光伝播時間を測定し、該時間から距離値を算定するように構成された制御及び評価ユニット（２８）とを備える光電センサ（１０）において、
   前記絞りが互いに間隔を空けた複数のアパーチャを備えていることを特徴とする光電センサ（１０）。
2. 前記アパーチャ（２４ａ）が列状又はマトリックス状の配置を成していることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
3. 前記絞り（２４）が前記受光器（２６）に対して最大でＳＰＡＤ受光素子（２６ａ）又はＳＰＡＤ受光素子（２６ａ）のグループの大きさの５倍に相当する距離に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. 前記アパーチャ（２４ａ）が先細りの形状を有し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（１０）。
5. 同じアパーチャ（２４ａ）の背後にあるＳＰＡＤ受光素子（２６ａ）の個別信号が一つの受光信号に統合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（１０）。
6. 前記制御及び評価ユニット（２８）が、各アパーチャ（２４ａ）により生成される光スポットを用いて前記監視領域（１６）内の複数の測定点までの複数の距離を測定するように構成され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. 前記発光器（１２）が、変調された発射光を少なくとも１本の発射光線（１８）として送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. 前記発光器（１２）が、少なくとも１本の発射光線（１８）をその方向を変えて送出することで、前記監視領域（１６）内において該発射光線（１８）で照らされる測定点が別のＳＰＡＤ受光素子（２６ａ）により観察されるように構成されてい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（１０）。
9. 前記制御及び評価ユニット（２８）が、特定のＳＰＡＤ受光素子（２６ａ）だけ、特にその時点に発射光線（１８）で照らされている測定点を観察するＳＰＡＤ受光素子だけをその都度作動させる又は読み出すように構成されてい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）。
10. レーザスキャナとして構成され、前記監視領域（１６）を周期的に走査するための回転可能な偏向ユニット（３０）を備え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（１０）。
11. 監視領域（１６）内の物体の検出及び距離測定のために、変調された発射光（１８）を前記監視領域（１６）内へ送出し、前記監視領域（１６）内の物体により反射された発射光（２０）から多数のＳＰＡＤ受光素子（２６ａ）によって少なくとも１つの受光信号を生成し、該受光信号及び前記変調された発射光（１８）の特性から光伝播時間を測定し、該時間から距離値を算定する方法であって、受光器（２６）の前に配置された、絞り（２４）を有する受光光学系を用いて前記反射された発射光線（２０）を前記ＳＰＡＤ受光素子（２６ａ）へ導く方法において、
    前記絞り（２４）が、互いに間隔を空けた複数のアパーチャ（２４ａ）を通じて、反射された受信光を前記受光器（２６）上の空間的に互いに分離した部分領域へ導くことを特徴とする方法。

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