JP4546047B2 - 光学距離測定デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放出光学部品を備え、その軸に沿って、測定すべき目標に光ビームを投射するための光源と、放出軸と同じ基準平面に含まれた受光軸を画定する第１の検出器とを備えた光学距離検出または測定デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
背景抑制機能を有する光反射センサを備えた従来のデバイス、すなわち距離測定デバイスは、通常、図１に示す三角測量の原理を利用している。角感度は距離と共に低下するため、最大距離を超えると、センサの動作は、その有用性が損なわれる。最大距離を長くするための試行には、常に、センサ近辺での動作を不能にする不感帯の拡大を伴っている。
【０００３】
この制限された測定レンジを様々な情況に適合させるために、製造者の中には、測定レンジに対する最良の適合を可能にする調整可能ミラーを使用している製造者もある。例えば米国特許第３，７５９，６１４号に、このような解決法について記載されている。
【０００４】
他の解決法についても知られており、例えばＧＢ−Ａ−２ ０６９ ２８６およびＤＥ−Ａ−１９６ １９ ３０８などの様々な関連文献で、パルス放出および２つのレシーバ・チャネルの解析が提案されている。ＤＥ−Ａ−２４ ５５ ７３３では、同一平面に配置された２つの採光光学部品が交互に使用されている。ＤＥ−Ｃ−４０ ０４ ５３０、ＤＥ−Ｃ−４０ ４０ ２２５、ＤＥ−Ｃ−４１ ４０ ６１４およびＤＥ−Ｃ−１９８ ０８ ２１５では、同一光チャネル内に設けられた複数の交番放出光源が提案されている。レシーバ・チャネルは、複数の検出器によって、あるいは位置感応検出器、例えばＰＳＤによって形成されており、電子回路は、目標までの距離に関する情報を得るべく、光源の各々に対応する信号を処理することができる。目標までの距離に関する情報を、高度に複雑に処理することにより、測定システムのレンジを若干延長させている。
【０００５】
しかしながら、放出系および受光系の光学軸によって画定される同一平面内に配置されるエレメント間の三角測量の原理の固有限界により、距離、直線性および不感帯に関する性能の本質的な改善はなされていない。したがって測定センサすなわち背景抑制三角測量センサの場合、測定レンジの最大検出距離と最小距離との間の比率を計算した場合、品質番号が５より大きくなることは極めて希である。一方、このようなセンサは、目標のテクスチャおよびカラーによって決まる、目標で反射する光の量に極めて敏感であることがしばしばである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この従来技術の背景に対して、本発明の第１の目的は、複雑な解析回路を必要とすることなく、三角測量による測定の結果を実質的に改善することである。
第２の目的は、寸法の小さい効率的な測定センサすなわち背景抑制センサの実現を可能にすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の目的は、光学距離検出または測定デバイスによって達成される。前記デバイスは、基準平面に対して１０°と１７０°の間の一定の角度で傾斜した平面に含まれた軸上の第１の検出器と整列した、少なくとも１つの第２の検出器を備えている。
【０００８】
第２の目的は、光源およびレシーバを備えた光学距離検出または測定デバイスによって達成される。上記光源は、前記レシーバの各々を交番するように意図された、強度の異なる光パルスを放出し、放出される光パルスの強度は、同じ振幅を有する信号、あるいはレシーバの所定の機能に対応する信号を生成するように調整されている。また、光学距離検出または測定デバイスは、別個の放出セクタおよび受光セクタを備えた単一レンズを有するセンサを備えている。セクタの各々には、それぞれ放出エレメントおよび受光エレメントに光ビームを集束させるためのプリズムが設けられている。
【０００９】
以下、本発明について、添付の図面を参照して、より詳細に説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、知られている、三角測量による測定原理を示したもので、光源２１および放出光学部品２２が示されている。放出光学部品２２は、測定すべき目標Ｃにビームを投射し、それにより光学放出軸ｅを画定している。目標Ｃで拡散反射した光は、レンズ２４によってレシーバ２３に集束する。この２つのエレメントは、受光系の基準軸ｒを画定している。放出光学部品の軸ｅおよび受光光学部品の軸ｒは、この三角測量測定システムのすべてのエレメントが配置される平面を画定している。したがって追加レシーバ２５は、基準レシーバの近傍に配置されている。追加レシーバ２５は、同じく同一平面内にある新しい受光軸ｒ１を決定し、測定レンジをＣ１まで延長している。
【００１１】
したがって検出システムは、複数の検出器のアセンブリで構成されており、ＰＳＤなどの位置感応検出器によって、同じ検出機能を実現することも可能である。検出器によって引き渡される信号を処理する電子回路は、発光衝撃の位置を決定し、決定した位置から測定距離情報を引き出している。
【００１２】
このような構造の性能は、検出器の数とそれらの間の間隔、および放出光学部品に対する検出器の位置によって決まる。放出光学部品と受光光学部品の間の距離を画定している基準Ｘに関していえば、測定レンジＭが制限されており、また、不感帯Ｚが広いように思われる。直線性は、入射するビームの角度変化に対する検出器の感度に影響されており、目標からの距離が遠くなるにつれて低下している。
【００１３】
本発明により、様々な検出器構造が提供される。図２は、新規な構造を示したもので、光源１および放出系の光学軸Ｏｅを画定している放出チャネルのレンズ２が示されている。基準検出器３およびレンズ４は、受光系の基準軸Ｏｒを画定している。放出系および受光系のこれらの２つの軸は、基準平面Ａを決定している。平面Ｃは、検出すべき目標、すなわちその距離を測定すべき目標を表している。
【００１４】
新しい受光軸Ｏｒ１を画定する追加検出器５を、基準平面Ａに対して一定の角度αで傾斜した平面Ｂに配置すると、追加検出器５が測定する強度によって、距離を関数とした優れた直線情報が、広い測定レンジで得られることが分かる。傾角αの最適値は９０°であるが、１０°と１７０°の間の他の任意の傾角も有利である。角度αは、本テキストにおいては９０°が参照されているが、９０°以外の角度にすることができることは理解されよう。
【００１５】
図３は、提案構造におけるビームの包絡線を略図で示したものである。図には、放出源１およびレンズ２の焦点距離が長い場合の理想化放出ビームの包絡線Ｅが示されている。レンズ２を通過した後の包絡線は円筒状をなしている。受光ビームＲおよびＲ１の包絡線も円筒形状であることが示されている。放出源１および基準レシーバ３は、主平面に配置され、かつ、軸ａ上で整列している。一方、２つのレシーバ３および５は、軸ａに対して直角をなしている軸ｂ上で整列している。
【００１６】
図３Ａないし３Ｃは、３つの目標位置に対する３つのビームの交点を示したもので、面積を計算することにより、２つのレシーバが測定する発光強度の比率を決定することができる。
【００１７】
主受光ビームｉの強度と二次ビームｉ１の強度の間の比率を計算し、かつ、この比率を検出器と目標の間の測定距離ｄの関数で表すと、図４のグラフが得られる。この比率ｉ１／ｉの変化は、測定レンジの大部分で直線をなしているように思われる。前述の説明の中で定義したように、最大距離と不感帯の間の比率を計算すると、最大１０の品質番号が得られる。図４に示すグラフは、明らかに本発明の第１の目標、すなわち三角測量による測定結果の改善が達成されていることを示している。つまり広い測定レンジ、極めて狭い不感帯および優れた直線性が得られている。
【００１８】
このような結果を得るためには、ビームの包絡曲線が可能な限り円筒状であることが重要である。測定レンジに対応する一定の距離を超える場合、特に重要である。このような結果を得るためには、放出源および検出器の点寸法ではなく、実寸法を考慮しなければならない。これらのコンポーネントとレンズの間の距離は、ビームの形状が可能な限り円筒形状に近くなるようなやり方で、焦点距離に適合させなければならない。
【００１９】
この原理に従って実現された、１つのエミッタＬＥＤおよび２つの受光フォトダイオードを備えたデバイスを提案する。図５は、そのデバイスの単純な実施形態の一例を略図で示したものである。光パルスは、ＬＥＤ１によって、フォトダイオード３および５の各々に交互に放出される。この例示的実施形態では、フォトダイオードは、放出軸および基準受光軸によって画定される平面に対して直角をなす軸上に整列している。交番する放出強度Ｅ３およびＥ５は、レシーバの各々が測定した信号Ｒ３およびＲ５の個々の振幅が同一になるように、すなわち所定の機能に対応するように調整されている。距離に関する情報は、放出される光の強度Ｅ３およびＥ５の比率から得られる。この手順により、このデバイスの目標のカラーに対する感度が極めて鈍い、という利点が付加されている。
【００２０】
上で説明した原理によれば、交番する放出強度Ｅ３およびＥ５は、レシーバの各々が測定した信号Ｒ３およびＲ５の個々の振幅が同一になるように、すなわち所定の機能に対応するように調整され、いずれもフォトダイオードがエミッタ・ダイオードと同じ平面または傾斜平面に配置された光デバイスに印加される。
【００２１】
しかしながらこの原理の利点は、傾斜平面の利点と共に、とりわけ有利なデバイスをもたらしている。
【００２２】
図６は、図５に示すデバイスを実現するべく適合されたコンパクト・センサの実施例を示したものである。センサ１０は、光コンポーネントおよび電子回路Ｅを備えた小型エンクロージャＤを備えている。また、図には、エミッタＬＥＤ１、直角をなす軸上に配列された２つのフォトダイオード３および５、および同一レンズ８を使用した放出光学部品および受光光学部品の原理が示されている。レンズの後側に配列された２つのプリズム９がこの構造を可能にし、放出ビームおよび受光ビームの空間分離を可能にしている。後者の原理は、フォトダイオードがエミッタ・ダイオードと同じ平面または傾斜平面に配置された光デバイスに適用される。このようなコンパクト・センサは、従来技術による１つまたは複数のエミッタおよび１つまたは複数のレシーバを備えた他の距離測定デバイスの中で実現し、適用することもできる。
【００２３】
図５および６による解決法は、本発明の第２の目的、すなわち動作に必要な光学アセンブリおよび電子アセンブリが統合された、寸法の小さいセンサの実現が達成されていることを示している。したがって本発明により、現在のセンサの性能を、そのサイズを維持しつつ改善することができ、また、より小型かつより高性能のセンサを実現することができる。
【００２４】
上で例証した、１つのエミッタおよび２つの検出器をベースとした測定システムの性能は、さらに多数の検出器に拡張することができ、また、感度の軸が、放出軸および基準レシーバ軸によって画定される平面Ａ、あるいは平面Ａに対して、好ましくは９０°である一定の角度αで傾斜した平面のいずれかに配置された、ＰＳＤなどの位置感応検出器にも拡張することができる。
【００２５】
上で説明した原理は、図２で説明したシステムに対して、放出エレメントと受光エレメントが反転した図７に示す測定システムの場合にも適用することができる。このシステムは、基準放出軸Ｏｅおよびレシーバ３と光学部品４の間を延びた、拡散光をレシーバに集束させるための受光軸Ｏｒによって画定される平面Ａに対して、好ましくは９０°である一定の角度αで傾斜した平面Ｂ内で整列した複数の放出源１および７を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】知られている、三角測量による測定原理を示す略図である。
【図２】本発明による測定エレメントの配置を示す図である。
【図３】距離を関数として測定した値を示す図である。
【図３Ａ】図３のＣ−Ｃに沿った断面図である。
【図３Ｂ】図３のＣ１−Ｃ１に沿った断面図である。
【図３Ｃ】図３のＣ２−Ｃ２に沿った断面図である。
【図４】本発明の性能を示すグラフである。
【図５】本発明のデバイスの単純な実施形態を示す略図である。
【図６】コンパクト・センサを実現した図である。
【図６Ａ】図６に示すセンサの線Ｆ−Ｆに沿った断面図である。
【図７】図２に示す実施形態の変形態様を示す図である。
【符号の説明】
Ａ 基準平面
ａ、ｂ 軸
Ｂ 基準平面に対して一定の角度αで傾斜した平面
Ｃ 測定すべき目標（平面）
Ｃ１ 測定レンジの延長
Ｄ 小型エンクロージャ
Ｅ、Ｒ、Ｒ１ ビームの包絡線
Ｅ 電子回路
Ｅ３、Ｅ５ 放出強度
ｅ 光学放出軸
ｉ 主受光ビーム
ｉ１ 二次ビーム
Ｍ 測定レンジ
Ｏｅ 放出部品の光学軸
Ｏｒ、Ｏｒ１、ｒ、ｒ１ 受光軸
Ｒ３、Ｒ５ 信号
Ｘ 放出光学部品と受光光学部品の間の距離
Ｚ 不感帯
１、７、２１ 光源（放出源、エミッタＬＥＤ）
２、４、８、２４ レンズ
３、５ 検出器（レシーバ、フォトダイオード）
９ プリズム
１０ センサ
２２ 放出光学部品
２３、２５ レシーバ

Claims (10)

1. 光学距離検出または測定デバイスであって、測定すべき目標に放射光学軸に沿って平行光ビームを放射するエミッタ光学部を備えた光源と、該放射軸と同じ基準平面に含まれる受光軸を画定する第１の検出器とを備え、該第１の検出器は該第１の検出器によって受光された平行反射光ビームの強度を測定するようになっており、また、少なくとも１つの第２の検出器を備え、該第２の検出器は該第２の検出器によって受光された平行反射光ビームの強度を測定するようになっており、前記第１及び第２の検出器は前記基準平面に対して角度をなして傾斜した平面に含まれる軸上で整列しており、この角度は１０°と１７０°との間にあり、また、少なくとも前記第１及び第２の検出器における前記平行反射光ビームの測定された強度の間の比率を決定する処理回路を備え、この比率が距離を表すことを特徴とするデバイス。
2. 光学距離検出または測定デバイスであって、測定すべき目標に放射光学軸に沿って平行光ビームを放射するエミッタ光学部を備えた少なくとも１つの第１の光源と、前記放射光学軸と同じ基準平面に含まれる受光軸を画定する第１の検出器と、前記基準平面に対して角度をなして傾斜する平面に含まれる軸上で前記第１の光源と整列され、平行光ビームを放射する少なくとも１つの第２の光源とを備え、前記角度は１０°と１７０°との間であり、また、処理回路を備え、前記第１の検出器は、少なくとも前記第１と第２の光源からの平行光ビームの平行反射光ビームを受光して各該平行反射光ビームの強度を測定するためのものであり、前記処理回路は各平行反射光ビームの測定された強度の間の比率を決定し、この比率が距離を表すことを特徴とするデバイス。
3. 前記光源（１）が、前記第１と第２検出器（３、５）の各々を交番するように意図された、強度の異なる光パルス（Ｅ３、Ｅ５）を放出し、放出される光パルスの強度が、同一の振幅すなわち前記第１と第２の検出器（３、５）に対する所定の機能に対応する信号を生成するように調整された請求項１に記載のデバイス。
4. 前記光源（１）が、前記第１と第２の検出器（３、５）の各々を交番するように意図された、強度の異なる光パルス（Ｅ３、Ｅ５）を放出し、放出される光パルスの強度が、同一の振幅すなわち前記第１と第２の検出器（３、５）に対する所定の機能に対応する信号（Ｒ３、Ｒ５）を生成するように調整された、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記検出器は、位置感応検出器（ＰＳＤ）である、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 別個の放出セクタおよび受光セクタを備えた単一レンズ（８）を有するセンサ（１０）を備え、該セクタの各々が、前記光源（１）または前記第１と第２の検出器（３、５）のいずれかに光ビームを集束させるためのプリズム（９）を備えた請求項１に記載のデバイス。
7. 別個の放出セクタおよび受光セクタを備えた単一レンズ（８）を有するセンサ（１０）を備え、セクタの各々が、前記光源（１）または前記第１および第２の検出器（３、５）のいずれかに光ビームを集束させるためのプリズム（９）を備えた、請求項１または請求項３に記載のデバイス。
8. ３つ以上の検出器を備えた、請求項１に記載のデバイス。
9. ３つ以上の光源を備えた、請求項２に記載のデバイス。
10. 複数の検出器のグループと１つの光源のグループ或いは１つの検出器のグループと複数の光源のグループとを備え、グループの各々が平面（Ｂ）に含まれた軸上で整列し、平面（Ｂ）の各々が、前記基準平面に対して一定の角度（α）だけ個々に傾斜した、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。

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