JP2020034547A - 光電センサ及び物体検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】監視領域内の物体を検出するための光電センサにおいて、光学フィルタを用いた外部光の抑制を改善した光電センサを提供する。【解決手段】ある波長域の発射光１６を送出するための発光器１２と、物体２０の表面で反射された発射光２２から受光信号を生成するための受光器３２と、該受光器３２の前に配置された受光光学系であって、前記反射された発射光２２を収束させるための少なくとも第１の光学素子２６、入射角を小さくするための第２の光学素子２８及び前記波長域に適合した外部光抑制用の光学フィルタ３０を有する受光光学系２４と、前記受光信号から物体情報を生成するように構成された評価ユニット３４とを備える光電センサを提案する。第２の光学素子２８は光を発散させる特性を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１又は１４のプレアンブルに記載の光電センサ及び監視領域内の物体の検出方法に関する。

多くの光電センサは、監視領域内へ光線を送出し、物体により反射された光線を再び受光して、受光信号を電子的に評価する、という検知原理により作動する。また、公知の位相法又はパルス法で光伝播時間を測定することで、検知された物体の距離を特定することも多い。この種の距離測定はＴｏＦ（Time of Flight）又はＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）とも呼ばれる。

測定領域を広げるために、例えばレーザスキャナで行われるように走査光線を動かすことが可能である。この場合、レーザから発せら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。測定された距離情報に加えて、偏向ユニットの角度位置から物体の位置が推定され、以て監視領域内での物体の位置が２次元極座標で検出される。ほとんどのレーザスキャナでは走査運動が回転鏡によって達成される。もっとも、例えば特許文献１に記載されているように、代わりに発光器と受光器を有する測定ヘッド全体を回転させるという方法も知られている。

低い受光強度でも検出できるようにするため、従来より多くの光電センサでアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が用いられている。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駆動されるアバランシェフォトダイオード（シングルフォトンアバランシェフォトダイオード：ＳＰＡＤ）を用いればより高い感度が達成される。この場合、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、もはや制御されない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。ＳＰＡＤは感度が高いだけでなく比較的安価でもある。しかも僅かなコストで回路基板上に統合できる。ＳＰＡＤは１ｍｍ以上という比較的大きな横寸法を持つものも入手可能であり、多数のＳＰＡＤを持つ画像センサの場合はそれより更に大きいが、それにも関わらず広いアナログ帯域幅を備えている。

殆どの場合、特に距離測定の場合、センサは有効光（例えば専用の光源又は割り当てられた光源の光）と、周辺光又は他の光源からの外乱光とを区別できなければならない。周囲が非常に明るい場合、目標物の反射性が低い場合、測定距離が大きい場合等、用途によっては、有効光の区別はそのレベルが極めて低ければ非常に要求の高い課題となり得る。

公知の対策として、横から入射する外部光を抑制する絞りを用いて視野を狭くするというものがある。例えば特許文献２から、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを有する受光器の前で受光レンズの遠焦点面内に絞りを位置させるとともに、絞りと受光器の間に光学的な漏斗状素子を配置することが知られている。これには、外部光が空間的に制限されるとともに、受光器上での光分布が均一になるという利点がある。特許文献３は、機械的な絞りの代わりに、所定の空間的なパターンに従って狙いをつけて特定のＳＰＡＤを不感状態にするという、一種の電子的な絞りを提案している。

外部光は分光的に抑制することもできる。そのためには、発射光の波長に合わされた光学的な帯域通過フィルタを使用する。これにより、太陽光のような広帯域の外部光の場合の信号雑音比が明らかに改善する。有効光を弱めることなく帯域通過フィルタをより狭帯域にできれば、前述の利点はそれだけ大きくなる。

図１０は、受光レンズ１０２、光学的帯域通過フィルタ１０４、絞り１０６及び受光器１０８を備える受光路という公知の解決策を示している。帯域通過フィルタ１０４は平らなガラス基板上に誘電体層を設けて成るものが典型的である。しかしこの場合、スペクトル上のフィルタのエッジが入射角に依存する。６６０ｎｍ付近の赤色光の場合、前述のような構造の商慣習上の帯域通過フィルタでは、入射角が０度から４０度まで増大するとフィルタのエッジが例えば約５５ｎｍだけずれてしまう。

ところで、帯域通過フィルタ１０４は平行な光路内で受光レンズ１０２の近くに置くことができる。その場合、関係する入射角がそれに応じて小さくなり、フィルタのエッジを非常に狭くすることができる。しかし、その代わりに帯域通過フィルタ１０４が大きな機械的寸法を持つ必要があり、故に非常に高価になる。あるいは、帯域通過フィルタ１０４を受光器１０８の近くに置くこともできる。そこでは光束が既に幾何学的に非常に小さくなっているため、それだけ小さくて安価な帯域通過フィルタ１０４を用いることができる。しかし、その代わりに帯域通過フィルタ１０４への入射角が大きくなる。それは受光レンズ１０２の口径比が大きいためである。即ち、このレンズは、受光路を短く保ってセンサの構造方式を小さくできるように、意図的にできるだけ大きな受光面をできるだけ短い距離で受光器１０８上に結像させる。光線の発散角は優に±３０度あるいは±４０度にも達する。従って、フィルタのエッジのずれの数値例として先に出した５５ｎｍという値は現実的である。

原理的には、誘電体層を用いて帯域通過フィルタ１０４を実現するのではなく着色ガラスを用いるという代替策もある。その場合、スペクトル上のフィルタのエッジは入射角に依存しない。しかし、重金属を含有するこのような着色ガラスは環境維持の点からできるだけ避けるべきである。

特許文献４は、光センサの前に長域通過フィルタとして構成された集光レンズを有する距離測定用のセンサ素子が開示されている。具体的にはそれは集光レンズの着色により達成されているが、既に挙げた欠点への言及はない。また、外部光のうち波長の長い成分は相変わらず通過できるため、帯域通過フィルタに比べてフィルタ作用に劣る。

特許文献５には狭帯域の帯域通過フィルタが統合された球面状の表面を有するレンズ素子を備える光学系が記載されている。このレンズ素子自体も、その他の光学系の配置も、冒頭で述べた種類の光検知器で受光光学系として用いるにはあまりに複雑である。

特許文献６には距離情報を取得するための光学系が記載されている。共通の受光レンズが複数の機械的な絞りへ光を集める。各絞りの背後にはそれぞれ小さな集光レンズがあり、これが光を平行化する。その平行光が光学的な帯域通過フィルタを通って受光器の各画素に当たる。小さな集光レンズが確かに入射角を小さくするため、光学的な帯域通過フィルタは所望の波長域内で作動することができる。しかし、前記集光レンズは画素までの距離が近いため比較的広い画像野を持つ必要がある。そうすると画像が必然的に不鮮明になる。なぜなら、単独の集光レンズでは広い画像野にわたって鮮明な像を結ぶことができないからである。

特許文献７は球面状のレンズ素子と、同心である弓状のレンズ素子とから成る装置を開示している。弓状のレンズ素子はその外側に、同じく同心である弓状の狭帯域の帯域通過フィルタを備えている。この装置の役割は、広い視野から光を捕らえて発散させることで、光線が同心のレンズ素子から放射方向に出射し、以て弓状の帯域通過フィルタを垂直に貫通するようにすることである。この帯域通過フィルタを備えるレンズ素子を実現するには、肉眼で見えるほど湾曲した板を高いコストをかけて重ねなければならないため、競争力のある製造コストを達成できない。また、同装置は大きな画像面のみ、従って大きな受光器のみのために考えられている。同装置は冒頭で述べた種類の光検知器の通常の受光器又は画素のためには設計されておらず、それには適していないと思われる。

DE 197 57 849 B4 EP 2 910 969 EP 3 339 887 A1 DE 10 2015 224 715 A1 US 4 106 855 US 2017/0289524 A1 US 4 184 749

故に、本発明の課題は光学フィルタを用いた外部光の抑制を改善することである。

この課題は、請求項１又は１４に記載の光電センサ（特に光検知器）及び監視領域内の物体の検出方法により解決される。発光器が特定の波長域、好ましくは狭い波長域において発射光を生成する。発射光は、監視領域内で物体により少なくとも部分的に跳ね返された後、反射された発射光（以下、単に「反射光」とも呼ぶ）として再び受光される。それに対応する受光器の受光信号が評価され、物体に関する光学的に取得可能な情報（物体の有無の情報、位置又は色など）が得られる。

受光器の手前における反射光の受光路には集光用の第１の光学素子を備える受光光学系が配置されている。第１の光学素子は例えば主レンズ又は受光レンズであり、場合によっては複数のレンズを有する対物レンズや、反射型の装置でもよい。第２の光学素子が入射角を制限する、つまり入射光線を互いに調整してそれら入射光線がどちらかと言えば互いに平行に進むようにする。光学フィルタが、なるべく反射光だけを通過させ、そのスペクトルの外側にある外部光を制限するために、発光器の波長域に合わされている。第２の光学素子は光学フィルタへと反射される発射光を限られた光線発散角で入射させる。第１の光学素子、第２の光学素子及び光学フィルタは、反射光の入射方向においてこの順番で配置されていることが好ましい。

本発明の出発点となる基本思想は、第２の光学素子を、光を発散させるように構成することにある。第２の光学素子としてレンズを用いる場合、それは負の焦点距離、しかも好ましくは短い焦点距離を持つ発散レンズである。もっとも、以下に記載する好ましい実施形態では、第２の光学素子は本来のレンズでは全くなく、非結像性である。光を発散させる特性は特に、第２の光学素子は中心よりも縁部の方が厚い、と表現することができる。例えば凹レンズもこれに当たる。

思考上で第２の光学素子を通じて受光器を観察したとすると、光を発散させる特性により、受光器は実際より小さく見える。例えば、その虚像はわずか半分の大きさ又はもっと小さくなる。なお、第２の光学素子は特に非結像性であるが、ここでは凹レンズにならって虚像という概念を用いている。大きな受光レンズの光線はこの明らかに小さくなった虚像に通じているから、視野はより小さな受光器を用いていると考えた場合と同程度の大きさしかない。同時に、光線は集光性の第１の光学素子を通過した後もまだ収束しているが、第２の光学素子を通過した後は明らかに角度が小さくなった状態で受光器へと進む。

本発明には、光学フィルタをより狭い帯域で発光器の波長域に合わせることができるため、外部光の抑制を明らかに改善することができるという利点がある。第２の光学素子の特性と、該素子のより強力な入射角縮小作用により、光学フィルタの角度依存性の効果がより少なくなる又は全くなくなる。第２の光学素子は仮想的な絞りとして、より正確に言えば仮想的な視野絞りとして作用する。追加の機械的な絞り部品はもはや必要ない。こうして外部光が空間的及び分光的に低減される。これにより信号雑音比が改善され、最終的に射程の増大や測定値の精度向上を通じてセンサの性能が高まる。

受光器は多数の受光素子、特にガイガーモードのアバランシェフォトダイオード素子乃至はＳＰＡＤを備えていることが好ましい。多数の受光素子は互いに分離して又は統合型の画素として実現することができ、位置分解のため又は組み合わせ評価のために任意選択で利用することができる。まさにＳＰＡＤの場合、複数のＳＰＡＤの受光信号をまとめて考慮又は合計するという、統計的にまとめる評価が有利である。

第２の光学素子は非結像性の特性を有することが好ましい。既に示唆したが、この好ましい実施形態では第２の光学素子は従来型の発散レンズではなく、像を結ばないように形成されている。アキシコンのような形状が考えられるため、このような第２の光学素子を発散型アキシコンレンズと呼ぶことができる。このような種類の第２の光学素子は、受光器のエッジ部、より正確にはその受光面のエッジ部乃至は各画素のエッジ部を鮮明に結像するに過ぎない。エッジ部とエッジ部の間の内側領域では像を結ばずに光が再配分される。このような歪みと不鮮明化を受け入れることにより、わずか１つの第２の光学素子を受光路に配置するだけで済ませることに成功している。そうでなければ、鮮明な結像には対物レンズのような多重式の装置が必要になる。

好ましくは、第２の光学素子を通る直径に沿った輪郭線が、少なくとも１つの折れ目状の傾きの変化を、特に中心部に備えている。これにより、第２の光学素子は、前記輪郭線の傾きが滑らかに且つ緩やかにしか変化しない凹レンズとは明らかに異なるものとなる。この第２の光学素子にとって、微分不可能な箇所という意味での折れ目という極端な事例は必ずしも必須ではないが、傾きが非常に唐突且つ急激に変化することで明瞭なエッジ又は頂点を成すことが必要である。第２の光学素子を好ましい回転対称の形態にする場合、折れ目状の傾きの変化は中心部に位置するものとすることができる。

第２の光学素子はネガの円錐の形状を有することが好ましい。円錐は模範的な幾何形状であり、その頂点には実際に微分不可能な箇所がある。もっとも、製造を簡単にするために一定の丸みを付けることは許容される。この円錐を「ネガの」と称するのは、第２の光学素子そのものは円錐状ではなく、むしろそれに対応する凹部を有しているからである。従って、第２の光学素子は、例えば同じ底面を持つ円柱からくり抜かれた円錐の補足物である。円錐面を半径方向に湾曲させて二段腹のような形状にすることも同様に考えられる。

第２の光学素子は曲率半径１／ｃと円錐係数ｋを用いたパラメータ表現においてｋ＜−２という円錐係数の値を有することが好ましい。このパラメータ表現については図の説明において詳しく説明する。なお、球面レンズではｋ＝０、非球面レンズでは｜ｋ｜＜２である。

第２の光学素子は「奇数次非球面」としてのパラメータ表現においてゼロとは異なる線形成分を有することが好ましい。このパラメータ表現についても後でより詳しく検討する。「奇数次非球面」では、ｚ方向の輪郭が半径ｒの多項式として展開され、「偶数次非球面」と違って多項式の奇数次の寄与分が考慮される。ここで、第２の光学素子については線形成分ｒ^１＝ｒの係数β_１がゼロにならないようにする必要がある。これは、公差等の意味でゼロに非常に近い単なる重要度の低い分量を意味するのではなく、β_１が第２の光学素子の光学特性に重要な影響を及ぼす真の有意な寄与を成すことを意味する。

第２の光学素子はマイクロ素子として構成されていることが好ましい。このようにすれば非常に小さな光学フィルタしか必要とされない。マイクロ素子は、多数の受光素子又は画素があり、その各々に第２の光学素子が割り当てられるという場合に特に適している。

受光器と第２の光学素子との間の距離は受光器の感光面の大きさのオーダーにあることが好ましい。これは、受光器の感光面のエッジ長がｄの場合に、第２の光学素子の距離ｎ＊ｄが最大でもｎ≦１０、あるいはｎ≦５又はｎ≦１であり、このうちｎ≦１の場合は、第２の光学素子から受光器の一つのエッジ部までの距離が反対側のエッジ部からの距離より小さいことを意味する。つまり第２の光学素子は受光器の前で非常に近接して配置されている。多数の受光素子がある場合、前記の距離は受光器ではなく個々の受光素子の大きさのオーダーにある。好ましくは、第２の光学素子が受光器とマイクロメカニカルに結合され、それにより正しく調整される。

光学フィルタは帯域通過フィルタであることが好ましい。つまり、このフィルタは短波長域と長波長域の両方で外部光をカットする。本発明によれば、帯域通過フィルタの帯域幅を例えば最大５０ｎｍから、最大８０ｎｍ又は１００ｎｍまでというように非常に狭くできる。斜めの入射光のための許容波長域を前に設ける必要はない、又は少なくとも従来よりも明らかに小さくすることができる。

光学フィルタは、第２の光学素子の裏面上又は受光器上に、特に層として配置されていることが好ましい。このようにすれば非常に低コスト且つ省スペースな光学フィルタを製造できる。誘電体層を用いて光学フィルタを作り出す場合の波長依存性が第２の光学素子の特性により大幅に低減されるため、問題の多い重金属を用いる着色ガラスのような角度非依存性のフィルタは必要ない（ただし、これは技術的には十分に可能であり、層との組み合わせもできる）。第２の光学素子の裏面は好ましくは平面であるが、表側の面の光学的な作用を維持するために一定の湾曲はなお可能であり、また層の形成もなお可能である。第２の光学素子の裏面の層の代わりに、又はそれに加えて、受光器又はその受光素子若しくは画素に層を形成することも考えられる。

評価ユニットは、発射光の送出と反射された発射光の受光との間の光伝播時間から物体の距離を特定するように構成されていることが好ましい。これにより距離測定型のセンサが得られる。まさに射程が長い場合、周辺光が多い場合及び／又は反射性の低い黒っぽい物体の場合、有効光の分量がしばしば非常に少なくなるため、外部光の抑制の改善は光伝播時間法にとって非常に有利である。

本センサは、レーザスキャナとして構成され、そのために、監視領域内に発射光を周期的に偏向させるための可動式の偏向ユニットを備えていることが好ましい。このようにすれば、一次元の光検知器に比べて監視領域が大幅に、つまり最大で３６０度の角度範囲を持つ走査平面にまで拡大され、更に仰角方向に追加の偏向を行うこと及び／又は仰角方向にずれた複数の走査光線を用いることで３次元的な空間領域にまでも拡大される。レーザスキャナは、距離測定のために光伝播時間法を用い、発射光が送出される角度をその都度考慮して、走査平面内又は空間内における３次元測定点を生成することが好ましい。

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。

光電センサの概略図。 光電センサの受光路の概略図。 （ａ）受光器の前の受光路にある二段腹状の発散型光学素子での光線の模範的な進み方、及び（ｂ）（ａ）に示した光線の進み方における受光器上での光スポットを示す図。 （ａ）図３（ａ）と同様の光線の模範的な進み方であって、受光器の前の受光路にある円錐状の発散型光学素子での光線の進み方、及び（ｂ）（ａ）に示した光線の進み方における受光器上での光スポットを示す図。 （ａ）基準として、発散型光学素子がないときの光学フィルタ上での受信光の角度分布を示す図、及び（ｂ）発散型光学素子を有する光学フィルタ上で改善された受信光の角度分布。 （ａ）それぞれ発散型光学素子を備える分離した受光素子の多重配列、及び（ｂ）それぞれ発散型光学素子を備える統合型の受光素子の多重配列。 マイクロメカニカルに受光器と結合された発散型光学素子の配置。 丸められたエッジを持つ発散型光学素子を示す図。 （ａ）受光器から明らかに離れた発散型光学素子での光線の模範的な進み方、及び（ｂ）受光器に近接した発散型光学素子での光線の模範的な進み方。 従来技術による光電センサの受光路の概略図。

図１は光電センサ１０の概略断面図である。発光器１２（例えばレーザ又はＬＥＤ）が発光光学系１４を通じて監視領域１８内へ発射光１６を送出する。発光器１２は好ましくはレーザ光源を備えている。これは特にＶＣＳＥＬレーザ又は端面放射型発光器の形をした半導体レーザであるが、ファイバレーザ等、他のレーザでもよい。これにより、発射光１６の波長域を非常に狭く限定することができる。用いられる波長は典型的には２００ｎｍと２０００ｎｍの間にあり、特に６６０ｎｍ、８５０ｎｍ、９００ｎｍ及び１５５０ｎｍの付近である。

発射光１６が監視領域１８内で物体２０に当たると、その光の一部が「反射された発射光（以下「反射光」と呼ぶ）」２２としてセンサ１０に戻り、受光レンズ２６、発散型光学素子２８及び光学フィルタ３０を有する受光光学系２４によって受光器３２に収束される。受光光学系２４の構造及び機能については後で図２〜９を参照しながらより詳しく説明する。受光器３２は例えばＰＩＮダイオード、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）若しくはシングルフォトンアバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ、シングルフォトンＡＰＤ、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオード）又はその多重的な配列である。

評価ユニット３４が発光器１２を操作し、受光器３２の受光信号を評価して、物体の有無の確認、物体の位置又は色等、物体２０の光学的に取得可能な情報を得る。好ましくは評価ユニット３４が三角測量又は光伝播時間法で物体２０の距離を特定するようにする。ここで用いる光伝播時間測定法は単一パルス法又は多重パルス法でよいが、位相法でもよく、それ自体は公知である。

図１に示したセンサ１０の基本構造は単なる模範例と理解すべきである。例えば二軸型の代わりに同軸型の構造にする等、他の配置も考えられる。センサの種類についても、一次元の光検知器、特にレーザスキャナ等、他のものでもよい。

図２は図１に示した受光路及び受光光学系２４を改めて拡大して示している。センサ１０の構造を小型化できるようにするため、受光レンズ２６はできるだけ大きな開口と短い焦点距離を有する集光レンズにしている。単一レンズの代わりに多重レンズ又は対物レンズでもよく、あるいは反射型の構造も考えられる。

発散型光学素子２８はここでは負の焦点距離を有する発散レンズとして構成されており、好ましくはマイクロレンズである。発散型光学素子２８はガラス又はプラスチックで製作することができる。なぜなら、受光器３２のすぐ近くに配置すればプラスチックの熱的な膨張及び屈折率の変化はもはや重要ではないからである。

発散型光学素子２８の裏面は平らであるか、少なくとも若干湾曲しており、ここに光学フィルタ３０が誘電体の帯域通過層として設けられている。あるいは独立したフィルタ素子を設けたり受光器３２上に層を設けたりすることも考えられる。レーザ光源を有する発光器１２については、光学的な帯域が狭ければ、光学フィルタ３０のフィルタ帯域幅は該レーザの波長に対応する波長のところで例えば５０ｎｍ又は８０ｎｍにまで狭めることができる。

発散型光学素子２８は受光器３２の縮小された仮想的な中間像を生成する。そしてこの縮小された仮想的な中間像が今度は受光レンズ２６により監視領域１８内に写し取られることで、有利に縮小された視野（ＦＯＶ）が達成される。その上、発散型光学素子２８により受光器３２上での入射角が小さくなる。故に、発散型光学素子２８の裏面上でも入射角は一層小さくなる。そうなると、そこに取り付けられた光学フィルタ３０の通過帯域が角度に依存してずれることを考慮する必要は全く又はあまりなくなるため、通過帯域をより狭く有利に設計できる。

ここで、発散型光学素子２８自身を小さく構成できるようにするため、そして光学フィルタ３０に層を形成するために被覆すべき裏面が小さくなるようにするために、該素子をできるだけ受光器３２の近くに配置したとする。このように近接させると、相対的に広い画像野を鮮明に結像させることが必要になる。言い換えれば、発散型光学素子２８の位置からは受光器の両側のエッジ部の角度距離が大きくなって見える。ＳＰＡＤとして構成された受光器ではエッジ長が０．５ｍｍ又は１ｍｍにさえ容易に達する。広い画像野を鮮明に結像させることは単一レンズでは荷が重く、代わりに複数のレンズ乃至は対物レンズが必須になるが、それはコスト面からすると問題にならない。従って、大きな結像誤差がとりわけ画像の縁部に生じる。つまり、とりわけ受光器３２のエッジ部が非常に不鮮明に結像される。古典的なレンズを、内側領域が不鮮明になることを受け入れてとりわけエッジ部を鮮明に結像するように設計しようと試みても、状況はほとんど改善しない。

そのため、図２のように発散型光学素子２８として古典的な発散レンズを用いることが確かに可能である。この場合、受光器３２のエッジ部が不鮮明に結像されることはとにかく黙認する。もっとも、このようにすると既に有効光が失われてしまい、同時に外部光の検出が増加する。

代わりに発散型光学素子２８として非結像性のアキシコンのようなレンズを用いればより良好な結果が得られる。これを用いる場合、全体の画像野、つまり受光器３２の全面を鮮明に結像することはもはや試みられない。なぜなら、単一のレンズでは全体を満足に結像できないからである。言い換えると、点像が全て一緒に非常に小さくなるという意味での鮮明な結像は試みられない。むしろ目標は、全ての視野点（実際には最も外側の視野点のみ）に対応する点像が完全に受光器３２の予定された検出面上にとどまることである。その結果、古典的な鮮明な結像とは異なり基礎構造は失われてしまうが、それでもなお全ての光量が集められ、できるだけ少ない損失で受光器３２へ導かれる。関係する光量は言わば受光器３２のエッジ部により形成される縁の内側に限定され、その結果、可能であれば、受光器３２における反射光２２の光エネルギーの損失がなくなる。この外周の縁部より内側では結像は確かに不鮮明である。しかし、この一見すると不利な挙動は、所望の仮想的な絞りの作用を得るため、つまり、できるだけ有効光のみ、そしてできるだけ全ての有効光を受光器３２の縁部の内側へ導くために、意図的に受け入れられている。

非結像性の発散型光学素子２８の様々な構成及び挙動についてより詳しく説明する。図３（ａ）は反射光２２ａ〜ｂの光路のうち発散型光学素子２８の周囲のみを拡大した図である。なお、その裏面にある光学フィルタ３０は見やすさのためこの図及び他の幾つかの図において省略されている。画角の異なる２本の反射光２２ａ〜ｂの光束が実線乃至は破線で描かれている。図３（ｂ）はそれに付随する受光器３２上の像面内の受光スポット３６ａ〜ｂを示している。

発散型光学素子２８はネガの又は発散型のアキシコンに似た輪郭を持つ表側の面を備えている。ネガの又は発散性の輪郭を具体的に説明すると、古典的な凸型の発散レンズの場合と同様に周縁領域の方が中心部よりも厚いということである。この輪郭は、例えば鋭い傾きの変化を持つ箇所（極端な場合、微分不可能な折れ目）により非結像性になる。図３（ａ）の例では中心に折れ目又は頂点のような部分を持つ二段腹のような輪郭になっている。

典型的な用途の例に対する具体的な数値例として、図３（ａ）の反射光２２ａ〜ｂの光路と図３（ｂ）の受光スポット３６ａ〜ｂについて、受光レンズ２６の焦点距離をｆ＝５０ｍｍ、受光口径を直径φ＝８０ｍｍと仮定すると、受光レンズ２６の背後で集まる反射光２２ａ〜ｂの光線の角度はａｒｃｔａｎ（４０／５０）≒３８．７度となる。受光レンズ２６は無限遠にある軸方向の単一の物点の結像のために最適化されているため、光軸に沿った平行光に対する受光スポットは回折が制限されてサイズが小さくなる。破線で描かれた反射光２２ａは画角０．２３度に、また実線で描かれた反射光２２ｂは画角０度に対応している。±０．２３度という画角は、例えば受光器３２の０．８ｍｍから１ｍｍの大きさのＳＰＡＤ上で大きさが０．４ｍｍの受光スポットに相当する。

発散型光学素子２８の形状は、ＳＰＡＤ上に０．４ｍｍではなく０．８ｍｍの大きさの受光スポットが生じるように、つまり倍率が２倍になるように設計されている。後でより詳しく考察する「奇数次非球面」としてのパラメータ表現では、パラメータβ_１＝−０．９、β_２＝０．５、中心厚０．５ｍｍ、素子の裏面からＳＰＡＤまでの距離が約０．１４ｍｍとなる。一方、発散型光学素子２８と受光レンズ２６との間の距離は、ＳＰＡＤの互いに対向するエッジ部に対応する光線がこの像断面においてまだ完全に分かれてしまわないように選ばれている。これは、破線で示された反射光２２ａの光線の幾つかがまだ発散型光学素子２８の下半分を通過していることからよく分かる。

図３（ｂ）を見れば分かるように、ＳＰＡＤ又は受光器３２のエッジ部を目指す視野周縁の光線も、±０．４ｍｍという目標領域の内側に留まるように偏向される。この意味では発散型光学素子２８はまだ鮮明に結像しているが、この点像も広がりが小さいとはとても言えない。その上、画角０度における点像の方が大きい。つまりここでは中心部の方がより不鮮明に結像される。しかし、大きな像点を持つ結像特性は一見すると不利に見えるに過ぎない。発散型光学素子２８は、所望の縁部（ここでは±０．４ｍｍ）を超えたもはや検出不能な箇所まで光線を偏向させることなく、反射光２２ａ〜ｂを受光器３２上に集め、受光器３２上で２倍の横寸法を持つ面を照らすのに極めて適している。

図４（ａ）及び（ｂ）は円錐状又は錐面状の発散型光学素子２８を持つ別の例を具体的な模範的数値を改めて記述せずに示している。断面においてはこの発散型光学素子２８は２つのプリズムのように見えるが、３次元的に見ると典型的には円錐状の凹部を持つ円柱又はそれに似た物体である。受光スポット３６ａにおける縁部の結像はもはやエッジ部に完全に限定されてはいない。つまり、受光器３２上の拡大された光スポットは縁部で若干ぼやける。それでも、発散型光学素子２８のこの設計もまだ非常に優れており、特に古典的な発散レンズよりも良好に利用可能である。説明及び結論については補足的に図３（ａ）及び（ｂ）を参照されたい。

この発散型光学素子２８の形状は、曲率半径が１／ｃ、円錐係数がｋのレンズの中心からの距離ｒに依存するサグ量ｚを求めるパラメータ表現で次のように表すことができる。

ここで、円錐形状の場合、ｋ＜−２が要求される。一方、球面レンズではｋ＝０、非球面ではほとんどの場合｜ｋ｜＜２である。即ち、この形状は数学的には双曲線である。

レンズ形状を「偶数次非球面」として拡張したパラメータ表現におけるｋに対しても同じ要求が当てはまる。

レンズ形状を「奇数次非球面」とした場合のパラメータ表現は次のようになる。

この場合もｋ＜−２とすることができるが、代わりにｋ＝０とし、β_１にゼロと大きく異なる値を選ぶこともできる。球面レンズ及び結像性の非球面の場合はそうならずにβ_１＝０となる。更に少なくともいくつかの好ましい実施形態ではβ_２もゼロと大きく異なる値であり、また好ましくは正の値である。

一般化して言えば、発散型光学素子２８は、その利用される面のうち少なくとも５０％、７５％、場合によっては８０％乃至は９０％という広い部分において、この外挿された面が鋭角的な頂点を目指して中心部へ至るように延在している。発散型光学素子２８は言わば中心点で折れ曲がっており、これにより、古典的な発散レンズと比べて、光線を分けて扱い、受光器３２の異なるエッジ部に至らせることを可能にする自由度が得られる。これにより、１つの光学素子だけで縁部全体の鮮明な結像が達成される。これは古典的な発散レンズや集光レンズでは不可能である。なお、発散型光学素子２８は回転対称であることが好ましいが、機能を著しく損なわない範囲でそれから逸脱することは可能である。

図５は発散型光学素子２８の効果を再度例示している。そのうち図５（ａ）は発散型光学素子２８がない場合、図５（ｂ）は図３及び図４と同様に発散型光学素子２８を前に配置した場合の角度分布を示している。発散型光学素子２８を用いた右図では入射角の分布が明らかにより小さな値になっていることがはっきり分かる。故に、図５（ｂ）の場合は、手前にある入射角が明らかに制限されているから、光の強度をあまり失うことなく、より狭い光学フィルタ３０を選ぶことができる。大まかに言えば入射角が半分になる。従って、光学フィルタ３０は例えば±４０度ではなく±２０度の範囲に対応できればよい。

図６（ａ）は受光路の別の実施形態を示している。先に述べたように受光器３２は複数の受光素子３２ａを備えることもできる。図６（ａ）ではこれが多数の分離した受光素子３２ａの配列である。受光素子は例えばＳＰＡＤ、あるいはフォトダイオード又はＡＰＤとすることもできる。そして、受光光学系２４は好ましくは相変わらず単一の共通の受光レンズ２６を含む一方、受光素子３２ａ毎に専用の発散型光学素子２８ａを備えている。

図６（ｂ）は、受光器３２上に統合された受光素子３２ａ又は画素の行列状の配列を有する代替物を示している。例えばこれは列状、行列状又は他の配列を有する画像センサである。この行列状の配列に対し、それに適合した複数の発散型光学素子２８ａのラスタが割り当てられ、それが複数の仮想的な絞りを作り出す。更にここでは受光レンズ２６が複数のレンズからなる対物レンズに置き換えられている。なお、既に述べた通り、対物レンズは全ての実施形態で利用可能な代替物である。

図７は受光器３２とマイクロメカニカルに結合された発散型光学素子２８の模範的な構成を示している。例としてこの発散型光学素子２８は受光器３２用の電子機器ケース３８のカバーガラスの代わりになっている。マイクロメカニカルな結合によれば、発散型光学素子２８と受光器３２との間で必要となる正確な位置決め精度も自ずと保証される。

図８は発散型光学素子２８の別の実施形態を示している。ここまで示してきた円錐状又はくさび状の凹部とは違って、ここでは中心の頂点又は折り目が丸められており、必要に応じて適宜外側のエッジ部も丸められる。このようにすると発散型光学素子２８の製造が容易になる。機能を大きく悪化させないようにするため、そして古典的な結像性の発散レンズとは明らかに異なる形状を維持するために、丸められた中心部分の面積が大きくなりすぎないように、例えば最大で２０％に止めるようにする。

図９は発散型光学素子２８を受光器３２の近傍に位置させることがなぜ有利であるかを説明する図である。そのために、例えばアキシコンの頂点から受光器の感光面までの距離を感光面又は個々の受光素子３２ａ若しくは画素の寸法の最大５倍にする。

図９（ａ）に示したように距離が大きすぎると、受光面３２の上側のエッジ部に対応する反射光２２ａの光線と受光面３２の下側のエッジ部に対応する反射光２２ｂの光線とがまだ発散型光学素子２８の同じ面素を通って出射するため、素子の機能が全く有効活用されない。光線の向きが区別無く同じ方向に変わっている。このようにすると入射角の範囲はずれるが、狭くはならない。なお、反射光２２ａ〜ｂの破線と実線の意味は図３（ａ）及び図４（ａ）と同様である。

図９（ｂ）に示したように発散型光学素子２８を受光器の近傍に配置すると所望の効果が得られ、入射角の範囲が明らかに狭くなる。

Claims (14)

1. 監視領域（１８）内の物体（２０）を検出するための光電センサ（１０）であって、ある波長域の発射光（１６）を送出するための発光器（１２）と、前記物体（２０）の表面で反射された発射光（２２）から受光信号を生成するための受光器（３２）と、前記受光器（３２）の前に配置された受光光学系であって、前記反射された発射光（２２）を収束させるための少なくとも１つの第１の光学素子（２６）、入射角を小さくするための第２の光学素子（２８）及び前記波長域に適合した外部光抑制用の光学フィルタ（３０）を有する受光光学系（２４）と、前記受光信号から物体情報を生成するように構成された評価ユニット（３４）とを備える光電センサにおいて、
   前記第２の光学素子（２８）が光を発散させる特性を有することを特徴とする光電センサ（１０）。
2. 前記受光器（３２）が多数の受光素子（３２ａ）、特にガイガーモードのアバランシェフォトダイオード素子を備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
3. 前記第２の光学素子（２８）が非結像性の特性を有す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. 前記第２の光学素子（２８）を通る直径に沿った輪郭線が、少なくとも１つの折れ目状の傾きの変化を、特に中心部に備えていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ（１０）。
5. 前記第２の光学素子（２８）がネガの円錐の形状を有す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. 前記第２の光学素子（２８）が曲率半径と円錐係数を用いたパラメータ表現において−２より小さい円錐係数の値を有す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. 前記第２の光学素子（２８）が奇数次非球面としてのパラメータ表現においてゼロとは異なる線形成分を有す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）。
8. 前記第２の光学素子（２８）がマイクロ素子として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. 前記受光器（３２）と前記第２の光学素子（２８）との間の距離が前記受光器（３２）の感光面の大きさのオーダーに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（１０）。
10. 前記光学フィルタ（３０）が帯域通過フィルタであ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. 前記光学フィルタ（３０）が、前記第２の光学素子（２８）の裏面上又は前記受光器（３２）上に、特に層として配置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（１０）。
12. 前記評価ユニット（３４）が前記発射光（１６）の送出と前記反射された発射光（２２）の受光との間の光伝播時間から前記物体（２０）の距離を特定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のセンサ（１０）。
13. レーザスキャナとして構成され、そのために、前記監視領域（１８）内に前記発射光（１６、２２）を周期的に偏向させるための可動式の偏向ユニットを備えていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のセンサ（１０）。
14. 監視領域（１８）内の物体（２０）を検出するための方法であって、発射光（１６）がある波長域において送出され、前記物体（２０）の表面で反射された後、反射された発射光（２２）として受光光学系（２４）を通って再び受光され、受光信号に変換されることで、該受光信号から物体情報が生成され、前記受光光学系（２４）が前記反射された発射光（２２）を第１の光学素子（２６）で収束させ、第２の光学素子（２８）で該反射された発射光（２２）の入射角を小さくし、前記波長域に適合した光学フィルタ（３０）で外部光を抑制するという方法において、
    前記第２の光学素子（２８）が、光を発散させる特性により前記入射角を小さくすることを特徴とする方法。