(57)【要約】      （修正有）【課題】監視領域内の物体を検出する光電センサにおいて、固体スキャナの信頼性を高める技術を提供する。【解決手段】発射光線１６を送出するための発光器１２と、監視領域１８を走査するために機械的な可動部分なしで又はたかだかマイクロメカニカルな可動部分を用いて発射光線１６を偏向するための偏向ユニット２０と、物体により反射された光線２４から受光信号を生成するための受光器２８と、受光信号に基づいて物体に関する情報を特定するように構成された制御及び評価ユニット３０とを備えた光電センサ１０において、参照信号を生成するために、偏向された発射光線１６、３６の少なくとも一部を偏向ユニットの少なくとも１つの偏向角において受光する又は受光器へ送り返す少なくとも１つの参照目標３２を備え、また制御及び評価ユニットは参照信号に基づいて偏向ユニットの機能を検査する。【選択図】図１
2020064059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視領域（１８）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（１６）を送出するための発光器（１２）と、前記監視領域（１８）を走査するために、機械的な可動部分なしで又はたかだかマイクロメカニカルな可動部分を用いて前記発射光線（１６）を偏向するための偏向ユニット（２０）と、前記物体により反射された光線（２４）から受光信号を生成するための受光器（２８）と、前記受光信号に基づいて前記物体に関する情報を特定するように構成された制御及び評価ユニット（３０）とを備える光電センサ（１０）において、
前記センサ（１０）が、参照信号を生成するために、偏向された前記発射光線（１６、３６）の少なくとも一部を前記偏向ユニット（２０）の少なくとも１つの偏向角において受光する又は前記受光器（２８）へ送り返す少なくとも１つの参照目標（３２）を備えていること、及び、前記制御及び評価ユニット（３０）が前記参照信号に基づいて前記偏向ユニット（２０）の機能を検査するように構成されていること
を特徴とする光電センサ（１０）。
【請求項２】
前記参照目標（３２）が光方向転換器又は反射器として構成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
【請求項３】
前記参照目標（３２）が前記発射光線（１６）を既知の度合いで送り返すこと、特にその度合いが異なる複数の参照目標（３２）があることを特徴とする請求項２に記載のセンセ（１０）。
【請求項４】
前記参照目標（３２）が、前記参照信号を生成する参照光受光器を備えていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
前記参照目標（１０）が、走査される前記監視領域（１８）の外にある偏向角に配置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）。
【請求項６】
前記制御及び評価ユニット（３０）が、前記偏向ユニット（２０）を用いて周期的に行及び／又は２次元的なパターンを走査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）。
【請求項７】
前記参照目標（３２）がセンサ（１０）の前面パネル（３４）上に配置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）。
【請求項８】
前記参照目標（３２）が、一部反射性の要素から成るパターンを前記発射光線（１６）の光路内で様々な偏向角に備え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）。
【請求項９】
前記発射光線（１６）に対してずれを持ち、該発射光線（１６）と一緒に前記偏向ユニット（２０）により偏向される参照光線（３６）を生成するために、参照光発光器（４０）を備え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）。
【請求項１０】
前記制御及び評価ユニット（３０）が、検査時点に前記偏向ユニット（３０）を用いて前記発射光線（１６）を前記参照目標（３２）に対応する偏向角へ偏向させるように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（１０）。
【請求項１１】
前記制御及び評価ユニット（３０）が、前記参照信号に基づいて前記偏向角の角度原点を検査する及び／又は確定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１２】
前記受光器（２８）が、それぞれ異なる偏向角に割り当てられた多数の受光素子、特にＳＰＡＤを備えており、特に前記制御及び評価ユニット（３０）が、各時点における前記発射光線（１６）の現在の偏向角に対応する受光素子のみをその都度作動状態にす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１〜１１のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１３】
前記偏向角から来る前記反射された発射光線（２４）を前記受光器（２８）へ案内するために第２の偏向ユニット（３８）を備え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）。
【請求項１４】
前記制御及び評価ユニット（３０）が、前記反射された発射光線（２４）の受光までにかかる前記発射光線（１６）の光伝播時間を測定し、特に前記参照目標（３２）までの距離を検査するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１５】
監視領域（１８）内の物体を検出する方法であって、前記監視領域（１８）を走査するために、発射光線（１６）が送出されて偏向ユニット（２０）によってある偏向角へ偏向され、その偏向が機械的な部分の動きなしで、せいぜいマイクロメカニカルな部分の動きによって生じ、前記物体により反射された発射光線（２４）が再び受光され、該光線から生成される受光信号が評価されることで前記物体に関する情報を特定するという方法において、
参照信号を生成するために、偏向された発射光線（１６、３６）の少なくとも一部が前記偏向ユニット（２０）の少なくとも１つの偏向角において参照目標（３２）により受光又は送り返され、該参照信号に基づいて前記偏向ユニット（２０）の機能が検査されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１又は１５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。
【背景技術】
【０００２】
光学的な走査が既に長い間レーザスキャナに用いられている。その場合、レーザにより生成された光線が偏向ユニットの助けを借りて周期的に監視領域を掃引し、その都度、検知された物体までの距離を光伝播時間法で測定する。パルス法ではそのために光パルスが送出され、発光時点と受光時点の間の時間が測定される。位相法では、周期的な振幅変調と、発光時点と受光時点の間の位相のずれの測定とが行われる。測定された距離情報の他、偏向ユニットの角度位置、ひいては物体の角度位置が特定され、１回の走査周期が完了すると距離値と角度値を持つ測定点が極座標で得られる。加えて仰角を変化させたり、仰角方向に複数の光線で走査を行ったりすれば空間領域から３次元的な測定点が生成される。この走査は、特に３次元検出の場合、カメラに比べてある程度の測定時間を要するが、その代わり測定が１点に集中するため、長い射程とより信頼性の高い測定値が得られる。
【０００３】
ほとんどのレーザスキャナでは回転ミラー又は複数の切り子面を有するミラーホイールを用いて走査運動が達成される。またその代わりに、例えば特許文献１に記載されているよう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。更に他のシステムでは、偏向ユニットを正反方向に揺動させる。しかし、どの機械的な運動でも装置がある程度大きくなり、また衝撃に対して弱くなる。更に摩耗によりメンテナンスで引っかかりやすくなる。
【０００４】
これを避けるために、いわゆる固体スキャナ、即ち回転式の偏向ユニット又はそれに相当する可動の機械的な部分を持たない走査システムを作る努力が従来よりなされている。例えば特許文献２では、ＭＥＭＳミラーを有する光源が発するパルス化された光線が走査対象面に沿ってＸ方向とＹ方向に案内される。反射された光パルスは多数の画素を持つ画像センサにより受光されるが、そのうち現在発射光線により照らされている領域を観察する画素だけがその都度作動状態にされる。特許文献２に記載の装置の別の特徴は画像センサの画素にＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）を使用していることである。ＳＰＡＤは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である。そのためにＳＰＡＤには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。ＳＰＡＤは高感度であるだけでなく高度に集積可能でもある。
【０００５】
ＭＥＭＳミラーは可動の機械的な部分なしで光線の偏向を実現する幾つかの可能な手段の一つに過ぎない。他の可能な手段として例えば光学フェイズドアレイ、音響光学変調器又は電気光学変調器が挙げられるが、これらに限られない。これらの光線偏向に共通するのは、マイクロミラーの場合のようにせいぜいマイクロメカニカルなレベルで運動を生じさせること、そして偏向角を調整するためにその都度例えば電圧の印加によりその光学的な特性を変化させることである。モータや、回転ミラー、ポリゴンミラーホイール又は揺動機構のように機械的に動かされる部分はない。
【０００６】
古典的なレーザスキャナについて、例えば特許文献３に記載のような自己監視が知られている。内部の参照目標システムを用いて、距離測定に誤差がないこと及び感度に損失がないことが点検される。偏向ユニットの１回転毎に参照目標が光学的に検知され、そのエコー信号が信号強度及び距離値に関して評価される。そのために、スキャン領域の外にあるケーシング後部の死角領域が利用される。これは固体スキャナには転用できない。なぜなら後部の死角領域がないからである。
【０００７】
自己監視には、強い光源（特に、普通に用いられるレーザ光源）を用いる際の目の保護という要求を満たすという一面がある。可動式の光源には静止式の照明システムの場合より高い制限値を設定してもよい。なぜなら、光エネルギーが短時間しか目に作用し得ないからである。しかしそれは、実際に光線が誤作動によって１箇所に留まることがないということが保証される場合にのみ許される。古典的なレーザスキャナではそのために単に回転ミラー又は駆動モータの動きが監視されるに過ぎず、またいずれにせよ測定値の割り当てのために現在の回転位置が必要になる。しかし、これに相当する動きの監視は、機械的に動かされる部分がない固体スキャナにおいては不可能である。
【０００８】
光伝播時間法に関して、参照目標を全く別の目的のため、つまり内部の信号伝播時間と温度変化及び経年変化等の影響によるドリフトとを補償するために用いることも知られている。そのために、十分に定義された内部の参照区間上での参照伝播時間を直接又は間接的に測定し、それを用いて、測定された光伝播時間を補正する。それにより光源の出力パワーも特定できる。しかし、それらから、センサの周囲に局所的に分布した光負荷について、ひいては目の保護という問題について何かの判定が可能なわけではない。
【０００９】
特許文献４はマイクロメカニカルに動かされ、変調される赤色、青色及び緑色のレーザ光線を用いて画像を生成する走査型の投影装置を開示している。画像領域の縁部付近の暗い領域にセンサが配置されており、これがフレーム毎に１回走査線を検出することで、制御上の光線位置と実際の光線位置の間の位相差による歪みを除去したり、安全上の理由から水平及び垂直方向の走査を監視したりする。この種の投影システムは画像を生成するものであって物体に関する情報の光学的な検出には利用できない。
【００１０】
特許文献５に記載の投影及び照明システムではレーザ光線がまず走査ミラーに当たった後、いわゆる安全材料を経て外へと導かれる。安全材料はレーザ出力が集中するとその光学的特性が変わる。そのため、レーザ光線があまりに長く一点に留まると安全材料は反射特性を失い、レーザ光線はもはや装置の外へ出て行かなくなる。しかしこれは非常に特殊な解決策であり、そのような安全材料やそれに合わせた構造空間及び光線ガイドなしで済ませることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】DE 197 57 849 B4
【特許文献２】EP 2 708 914 A1
【特許文献３】DE 43 40 756 A1
【特許文献４】US 7972014 B2
【特許文献５】US 2011/0211243 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
故に、本発明の課題は、固体スキャナの信頼性を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この課題は、請求項１又は１５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より解決される。発射光線が送出され、物体により反射された発射光線が再び受光されて、その都度検知された物体に関する測定情報を取得する。監視領域を走査するために、偏向ユニットが発射光線を様々な偏向角に方向転換させる。この偏向ユニットは従来の回転ミラーに相当するものだが、機械的に動かされる部分なしで済み、ＭＥＭＳミラーの場合のようなマイクロメカニカルな動きでも十分に許容される。従って本センサは固体スキャナとして構成されている。監視領域の走査はまずは任意のパターンに従って行われる。それは一様でもよいが、特定の部分領域（ＲＯＩ、関心領域）をより高い頻度で走査し、他の領域は全く走査しないというようにしてもよい。
【００１４】
本発明の出発点となる基本思想は、発射光線の偏向を能動型及び／又は受動型の参照目標を用いて監視するということである。参照目標はセンサの一部であり、故にそのケーシング内にあるか、いずれにせよ、例えば外側でセンサの前面パネルや枠体の上で該センサと結合している。参照目標は、発射光線又はその一部を分離したものの光路内、しかも該光路内のうち偏向が既に行われた箇所にある。従って、参照目標を用いて生成された信号を通じて偏向が本当に機能しているかどうか検査することで、場合によっては発光器をオフにしたり誤作動を報知したりすることができる。参照目標はこの検査の他、いわば偏光部を凍結させた状態で別の機能検査を行うために利用できる。
【００１５】
本発明には、発射光線を非常に高速に動かすことができ、それにより回転ミラーを用いる古典的なレーザスキャナよりも２次元及び３次元の走査の自由度が高くなるという利点がある。また、本センサは非常にコンパクトな構成と安価なセンサ設計が可能である。発射光線の動きを監視することにより、発光器の動きがあまりに遅かったり静止してしまったりした場合に適時にスイッチを切ることで人的な健康被害を回避し、目の安全を保証することができる。その他、自動的なエラー検知により、より複雑な上位システムへの組み込みの際に扱いが非常に容易になる。
【００１６】
参照目標は光方向転換器又は反射器として構成されていることが好ましい。光方向転換器とは例えばプリズム、光ファイバ路等、発射光線を別の方向へ、つまり受光器まで導くものである。反射器も同様に発射光線を直接又は間接的に受光器へと送り返す。従って、監視領域の走査と測定値の取得のためにほとんどの偏向角において用いられる本来の受光器が、参照信号も生成することができる。この参照目標そのものは受動型である。
【００１７】
参照目標は発射光線を既知の度合いで送り返すことが好ましい。これは、光方向転換器の場合は例えば減衰又は黒化により、反射器の場合は特定の反射率により達成することができる。このようにすれば、参照目標に当たったか否かという二値的な判定だけでなく、期待されるレベルに基づく段階的な評価も可能になる。また、発光器のパワーを監視することができる。特に好ましくは、発射光線を送り返す反射度が異なる複数の参照目標を設ける。そうすれば、それに対応する参照信号のレベルパターンが期待されるため、より正確な監視が可能になる。
【００１８】
参照目標は参照信号を生成する参照光受光器を備えていることが好ましい。この場合、参照目標は能動型であり、参照信号は測定値を取得するための受光器内では生成されない。参照光受光器は発射光線内に直接配置することが好ましいが、その間で光線の方向転換を行うことも考えられる。測定を行う受光器へ光線を送り返す少なくとも１つの受動型の参照目標と、参照信号自体を生成する少なくとも１つの能動型の参照目標との混成形も考えられる。
【００１９】
参照目標は走査される監視領域の外にある偏向角に配置されていることが好ましい。このような配置にすれば測定が妨害されない。好ましい配置は監視領域の走査の偏向角度範囲より向こう側である。測定値取得のための走査は隙間を挟んだ部分領域又はＲＯＩに制限されていることがあるから、そのような隙間に参照目標を配置することも考えられる。あるいは、監視領域に対応する偏向角に参照目標を配置する。そうすると、小さなむだ領域が追加的に生じるか、走査及び測定値取得が少なくとも局所的に妨害されることになる。後で詳述するように、特別な評価によってこの負の作用を制限又はほぼ除去することができる。
【００２０】
制御及び評価ユニットは、偏向ユニットを用いて周期的に行を走査するように構成されていることが好ましい。このセンサは行スキャナである。参照目標は行の初め又は終わりにあることが好ましい。
【００２１】
別の形態では、制御及び評価ユニットは偏向ユニットを用いて２次元的なパターンを走査するように構成されている。これにより面的な、より広い範囲の走査が可能になる。もちろん、２次元的なパターンは行にまで意図的に限定することが可能であり、その場合は行スキャナになる。典型的なパターンでは、若干ずれた行又は列を順番に、つまり体系的にＸ−Ｙ方向に面を走査する。もっとも、原理的にはいかなる周期的又は非周期的なパターンも考えられる。それは例えば、ある特定の部分領域を別の部分領域よりも頻繁に走査するパターンから、ランダムなパターンまである。２次元走査の場合、参照目標は角部に設けたり、少なくとも１本のストライプ又は点の形で縁部に設けたりすることが好ましい。
【００２２】
参照目標はセンサの前面パネル上に配置されていることが好ましい。前面パネルはその目的に従って全ての関係する偏向角を包含しているため、縁部であるか監視領域の走査のための偏向角の内側であるかを問わず、参照目標に適した場所がそこでは全て利用できる。参照目標は例えば反射性又は一部反射性の層又は構造として前面パネルに統合されていることが特に好ましい。
【００２３】
参照目標は、一部反射性の要素から成るパターンを発射光線の光路内で様々な偏向角に備えていることが好ましい。このパターンは一種の透かし模様であり、例えば前面パネル上や発光器と前面パネルとの間の光学素子上に取り付けられて、測定値に重なる。場合により、受光及び評価用電子機器がこれを実行できるときは、受光信号に含まれる前面パネル表面での部分的な反射を、後から戻ってくる反射された発射光線から時間的に分離することができる。別の可能な評価方法では、個々の測定が部分的な反射により著しく妨害されないよう、部分反射を十分に弱く作り出す。それでも多数の測定を平均化すればパターンは認識可能になる。このような平均化の前提となるのは、特に自走式車両等の上での移動式の用途のように、前景が十分に動的であることである。
【００２４】
本センサは、発射光線に対してずれを持ち、該発射光線と一緒に偏向ユニットにより偏向される参照光線を生成するために、参照光発光器を備えていることが好ましい。ここでは発射光線が追加の参照光発光器で広げられる。ずれがあるため、参照光線は監視領域ではなく参照目標に達する。光路が短かいため、そして光学的な混信を最小にするために、参照光発光器は大幅に弱い光を出すように設計することができる。光学的な混信は光線の符号化や異なる波長の使用等により光線を分割することによって防ぐこともできる。一実施例では、参照光線が非常に明らかなずれを持っているため、発射光線のための出射領域から大幅に又は完全に離れた参照目標でも検知することができる。別の実施例では、スリット状の出射窓を有する行スキャナにおいて、出射窓と平行に延在する反射ストライプが参照目標として設けられ、発射光線は行状の監視領域、また参照光線は反射ストライプを平行に走査する。後者の例では、専用の参照光発光器の代わりに、発射光線の大部分が出射窓を通りながらも、かすめるように反射ストライプにも当たるように発射光線の光線断面を選んでもよい。
【００２５】
制御及び評価ユニットは、検査時点に偏向ユニットを用いて発射光線を参照目標に対応する偏向角へ偏向させるように構成されていることが好ましい。すなわちここでは、発射光線を参照測定のために狙いを定めて利用するために、本来の測定が繰り返し中断される。それは不規則に、又は数フレーム、数行若しくは数個の測定点毎に周期的に起きる。ここでは参照目標が原理的は完全に任意の場所にあるが、好ましくは本来の監視領域の偏向角の外側とし、可能ならそこから明らかに離れた場所にする。というのは、参照目標の場所に光線を当てることができる限り、偏向ユニットがその他の場所で誤作動している可能性は明らかに低いからである。
【００２６】
制御及び評価ユニットは、参照信号に基づいて偏向角の角度原点を検査する及び／又は確定するように構成されていることが好ましい。参照目標は既知の位置又は既知の偏向角にあり、それはＸ位置又は（Ｘ，Ｙ）位置にも対応している。それ故、参照目標の検知をゼロ点調整に利用し、それを用いて、仮定された座標系及び実際に偏向ユニットにより光線が当てられる座標系を検査、較正又は更新することができる。
【００２７】
受光器は、それぞれ異なる偏向角に割り当てられた多数の受光素子又は画素を備えていることが好ましい。このようなセンサでは、受光側では本来のスキャン原理が用いられるのではなく監視領域全体が同時に捕らえられ、そのうち特定の領域だけが発射光線によりその都度照らされる。受光素子としては、特に高感度で、高度に集積可能であるという冒頭で挙げた利点を持つＳＰＡＤが好ましい。
【００２８】
制御及び評価ユニットは、各時点における発射光線の現在の偏向角に対応する受光素子のみをその都度作動状態にする又は読み出すように構成されていることが好ましい。これにより、受光側でも一種のスキャン原理が実現される。この選択的な作動化又は選択的な読み出しによれば、有効信号に寄与する可能性がない受光素子の受光信号は生成又は評価されない。ＳＰＡＤマトリックスを受光器とする場合、バイアス電圧を降伏電圧よりも低くすることによりＳＰＡＤを非作動状態に切り替えることができる。そうするとＳＰＡＤは数桁のオーダーで感度を失うため電源が切れたものとみなすことができる。非作動状態への切り替えには、電流の消費や発熱に寄与するばかりの余計なアバランシェが誘発されなくなるという利点がある。もっとも、この技術に依存せず、不必要な受光素子も作動状態のままにしておき、単にその受光信号を読み出さない又は評価の際に考慮しないようにすることもできる。受光器のレベルではなくそれより前に光学的に、例えば電気光学的なシャッター等を用いて、不必要な受光素子が光を受けないようにしてもよい。しかしこれでは暗騒音はなくならない。そしてまさにＳＰＡＤの場合に暗騒音の関与が顕著になり得る。
【００２９】
本センサは、偏向角から来る反射された発射光線を受光器へ案内するために第２の偏向ユニットを備えていることが好ましい。このようにすれば受光側もスキャン原理によるものとなる。故に受光器は単独の受光器で十分であり、マトリックス配置の画素に比べて非常に高価な受光器又はコストのかかる電子回路をその制御又は処理に用いることができる。また、例えばＳＰＡＤの場合に外部光及び暗事象に対する頑強性を高めるための何らかの統計処理を行うために、少数の高価な又はコストをかけて配線された受光素子をまとめて単独の検出器にすることも可能である。受光側の偏向には発光側の偏向のための技術と同じものが利用できる。偏向ユニットが発射光の偏向と反射された発射光の偏向という両方の機能を持つようにすれば特に好ましい。
【００３０】
制御及び評価ユニットは、反射された発射光線の受光までにかかる発射光線の光伝播時間（ＴＯＦ、飛行時間）を測定するように構成されていることが好ましい。このようにすれば、本センサが、回転ミラーを有する古典的なレーザスキャナのように全く普通のやり方で距離測定を行うものになる。従って、少なくとも幾つかの応用領域においてそのレーザスキャナを固体スキャナ、又は、ここではより正確に固体ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）で置き換えることができる。
【００３１】
制御及び評価ユニットは参照目標までの距離を検査するように構成されていることが好ましい。つまり、参照目標はもはや偏向ユニットの機能の監視だけでなく、測定路全体の検査にも用いられる。既に述べたように、期待される所定の参照信号のレベルを通じて発光器を監視することもできる。本センサが距離ではなく他の物体特性、例えばコントラストや色を測定する場合、参照目標のそのような特性も一緒に監視することができる。このような自己監視は特に人的安全の分野や自走式車両のような移動式の用途の場合に重要である。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】可動の機械的な部分がない発射光線の偏向部と内部の参照目標とを有する光電センサの概略図。
【図２】多数の光源からの選択により光線を偏向させる別の実施形態の光電センサの概略図。
【図３】可動の機械的な部分がない発光及び受光側の光線偏向部を有する別の実施形態の光電センサの概略図。
【図４】能動型の参照目標を有する別の実施形態の光電センサの概略図。
【図５】追加的な参照光線を用いる別の実施形態の光電センサの概略図。
【図６ａ】１次元的な走査領域の一端に参照目標がある模範的な配置。
【図６ｂ】１次元的な走査領域の両端に参照目標がある模範的な配置。
【図６ｃ】１次元的な走査領域の内部に参照目標がある模範的な配置。
【図６ｄ】１次元的な走査領域上に、異なる強度の参照信号を生成する複数の参照目標がある模範的な配置。
【図７ａ】２次元的な走査領域の１つのエッジ上に参照目標がある模範的な配置。
【図７ｂ】２次元的な走査領域の両側のエッジ上に参照目標がある模範的な配置。
【図７ｃ】２次元的な走査領域の上下のエッジ上に参照目標がある模範的な配置。
【図７ｄ】２次元的な走査領域の各エッジ上で外周を囲むように参照目標がある模範的な配置。
【図７ｅ】２次元的な走査領域の各角部に参照目標がある模範的な配置。
【図７ｆ】任意の、特別に光線が当てられる場所に参照目標がある模範的な配置。
【図７ｇ】図７ｃと同様に２次元的な走査領域の上下のエッジ上に参照目標がある模範的な配置であって、更にそれらの参照目標が異なる強度の参照信号を生成するもの。
【図７ｈ】図７ｂと同様に２次元的な走査領域の両側のエッジ上に参照目標がある模範的な配置であって、それらの参照目標がその延在方向に沿って強度の異なる参照信号を生成するもの。
【図７ｉ】２次元的な走査領域内のどこかに参照目標がある模範的な配置。
【図７ｊ】パターンを形成する部分的に透明な参照目標が２次元的な走査領域内にある模範的な配置。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は光電センサ１０又は固体スキャナの概略図である。発光器１２（これは通常、光が強く、特にレーザ光源を備えている）を用いて発射光線１６が発光光学系１４を通じて監視領域１８内へ送出される。偏向ユニット２０を用いて発射光線１６を所望の可変な測定点２２に向けることができる。これにより適宜の走査パターンで行状又は平面状の監視領域１８が連続して走査される。なお、他にもほぼ任意の走査パターンが考えられる。
【００３６】
偏向ユニット２０は単に概略的に描かれている。それには極めて多様な実装の可能性がある。例えば発光光学系１４又は発光器１２の横方向の位置（重要なのは両者の間の相対位置である）を変えるピエゾアクチュエータがある。他にも、ＭＥＭＳミラー、スイッチング可能な液晶素子、光学フェイズドアレイ、音響光学変調器、電気光学変調器、あるいは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といった追加の光学素子が挙げられるが、例はこれらに限られない。いずれにせよ、偏向ユニット２０は回転ミラー等の巨視的な可動部分なしで済んでいる。
【００３７】
発射光線１６が監視領域１８内で物体に当たると、該光線は反射された発射光線２４としてセンサ１０へ送り返される。反射された発射光線２４は受光光学系２６を通って受光器２８に達する。既出の発光光学系１４と同様に受光光学系２６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、絞り、その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。また、発光器１２と受光器２８が二軸型で並んでいる基本構造も必須ではなく、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。
【００３８】
受光器２８は多数の受光素子を備えており、好ましくはＳＰＡＤアレイとして構成されている。ＳＰＡＤは高感度で、高度に集積可能である。また、ＳＰＡＤはバイアス電圧を降伏電圧より下げることで実質的に非作動状態にできる。これにより、所望の測定点２２、即ち、反射された発射光線２４の入射が期待される箇所に対応するＳＰＡＤだけをその都度、作動状態に切り替えることができる。ＳＰＡＤアレイの代わりに、フォトダイオードやアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の多重配置や、例えばＣＣＤ又はＣＭＯＳの技術における他のマトリックス型受光器も考えられる。その場合は必要に応じて所望の測定点に対応する特定の画素又は画素グループだけを読み出す。こうして、その都度ちょうど照明されている測定点２２に視野を有利に制限することにより、出力損失が低減し、外部光に対する耐性が高まる。あるいは、照明されない領域を暗くするために、例えば電気光学式シャッターを用いて光学的に視野を制限してもよい。
【００３９】
制御及び評価ユニット３０は発光器１２及び受光器２８と接続されている。これにより偏向ユニット２０が駆動され、発射光線１６がその都度所望の測定点２２へ向けられる。好ましくは、反射された発射光線２４により実際に照らされている受光素子又はＳＰＡＤの受光信号だけを評価することで、監視領域１８内でその都度検知された物体の測定点２２の光伝播時間を測定し、その時間から物体の距離を測定する。他の実施形態では、物体の有無を確認したりその反射性又は色を特定したりする等、他の特性を特定することもできる。制御及び評価ユニット３０の少なくとも一部、例えば偏向順序のパターンの生成、画素に関連付けた評価、あるいは前処理ステップ等は、発光器１２又は受光器２８と一緒に共通の部品上に統合することができる。
【００４０】
センサ１０の機能を監視するため、特に偏向ユニット２０が発射光線１６を実際に所望の測定点２２へ向けて偏向しているかを監視するために、センサ１０は参照目標３２を備えている。参照目標３２はここでは模範的に、発射光線１６が出射し、反射された発射光線２４が入射する際に通過するセンサ１０の前面パネル３４上に配置されている。あるいは、参照目標３２を内部で発射光路内に、又は外部で前面パネル３４の表面に配置したり、前面パネル３４に統合したりすることもできる。横方向の位置決め（つまりどの偏向角において参照目標３２が発射光線１６を受けるか）及び参照目標３２の形態については、後で図６ａ〜７ｊを参照しながら、単一又は複数の大小様々な参照目標３２を用いた多数の実施例を更に提示する。
【００４１】
図１の場合、参照目標３２は受動型、即ち、対応する偏向角の発射光線１６を受光器２８へと方向転換させる。そしてその受光器で測定信号の代わりに参照信号が生成される。そのために様々な光の案内方法が考えられるが、特に光ファイバと反射器が挙げられる。参照信号自体を生成する能動型の参照目標３２についても図４を参照して後で説明する。
【００４２】
発射光線１６は、対応する偏向角においてその全てが参照目標３２に当たる。あるいは、発射光線１６の一部だけを分離することや、例えば測定の際にかすめるように一緒に参照目標３２に当たるようにすることもできる。いずれにせよそれは偏向の後で初めて行われ。それは参照信号により実際に偏向ユニット２０を監視できるようにするためである。内部の信号伝送時間及びドリフトの補償に利用される従来の参照目標の場合はそうではない。逆に参照信号３２はこれらの機能を一緒に担うこともできる。
【００４３】
参照目標３２には、発射光線１６を用いた監視領域１８の走査の進行中、特に所要のテストサイクルに対応する時間間隔で光線が当たる。すると、参照光線３６から参照信号が生じ、それが制御及び評価ユニット３０により評価される。簡単な評価では、そもそも参照信号が生成されるかどうかを単に確認する。もっとも、参照信号のレベルに関して期待値との比較を行うこともできる。その比較から発光路内の汚染や発光器１２の出力低下等をも含むより選択的な判定が可能である。まさに異なる所定の減衰又は反射性を有する複数の参照目標３２や複数の部分領域がある場合、非常に明確な一義的な刺激パターンを生成することができる。
【００４４】
参照目標３２の位置は既知であるため、参照目標３２をゼロ点調整に利用することもできる。つまりその場合、送出方向と交差するＸ又はＸＹ座標系の検査、較正又は定期的な更新が行われる。更に、参照目標３２の距離を光伝播時間に基づいて測定し、期待値を用いて検査することができる。これにより測定チャンネル全体が監視される。これは特に保安関連の用途で有利である。
【００４５】
図２はセンサ１０の別の実施形態の概略図である。図１とは違い、ここでは発光器１２として個々に又はグループ毎に駆動できる多数の個別発光器を有するアレイ（例えばＶＣＳＥＬアレイ、又はＬＥＤや端面発光型レーザダイオード等の他の光源を有するマトリックス配列）が用いられる。特定の個別発光器を選んで作動状態にすることにより発射光線１６を特定の方向に送出する。その結果、この発光器１２が同時に偏向ユニット２０の役割も担う。この実施形態については不正な個別光源が過って連続的に作動状態にならないようにする防護方法が他にもあり得るが、参照目標３２を用いた監視は少なくとも可能である。
【００４６】
図３はセンサ１０の別の実施形態の概略図である。図１とは違ってここでは、画素のマトリックス状配列により大面積で撮影してからその後段で初めて選択を行う代わりに、偏向ユニット３８が受光側にも設けられている。受光側の偏向ユニット３８は発光側の偏向ユニット２０に同等の技術を用いて構成可能であり、こちらも可動の機械的な部分を持たない。従って、発光側でも受光側でも正真正銘の走査が行われるという意味で言ってもこれは固体スキャナである。図示せぬ別の実施形態では発射光線１６と反射された発射光線２４に同一でしかも共通の偏向ユニット２０、３８が用いられる。
【００４７】
図４はセンサ１０の別の実施形態の概略図である。ここまでの実施形態とは違って、参照目標３２はもはや受動型、すなわち発射光線１６を受光器２８へ方向転換させるものではない。能動型であるこの参照目標３２は追加の参照光受光器を備えており、これが参照信号を生成して制御及び評価ユニット３０へ転送する。参照光線３６の光路内でまず受動的に光線を方向転換させ、それに応じて能動型の参照目標３２を別の箇所に配置することで間接的にのみ発射光線２０で照らすようにすることも考えられる。また、この能動型の参照目標３２は図３のような受光側の偏向ユニット３８とともに示されているが、図１及び２を参照して説明した実施形態において受動型の参照目標３２に代えてそれを用いることもできる。また、既に触れたように、全ての実施形態において複数の参照目標３２を設けることができ、しかも能動型と受動型の参照目標３２を混在させることもできる。
【００４８】
図５はセンサ１０の別の実施形態の概略図である。この実施形態では、発射光線１６に加えて参照光線３６を生成する追加の参照光発光器４０が任意選択の専用のコリメート光学系４２とともに設けられている。発射光線１６と参照光線３６は一緒に且つ同じように偏向ユニット２０により偏向される。これにより、位置分解能を持つ能動型の参照目標３２上で走査パターン全体を並行して追うことができる。あるいは、１つの位置のみ又は僅かな個数の参照位置だけがより簡素な参照目標３２を用いて監視される。全ての実施形態においてそうであるように、１方向にのみ偏向を行うようにしてもよい。つまり、本センサ１０が行スキャナであり、参照光線３６もそれに応じて行方向にのみ動く、というようにすることもできる。
【００４９】
追加の参照光発光器４０を有する実施形態も図１〜４を参照して説明した実施形態と任意に組み合わせることができる。追加の参照光発光器４０を用いる代わりに発射光線１６の一部を参照光線２６として分離させることや、発射光線１６の光線断面の一部をかすめるように参照光線３６として利用することもできる。
【００５０】
以下では、まず図６ａ〜６ｄを参照して行状に偏向を行う場合の参照目標３２の模範的な形態及び配置をいくつか説明し、次に図７ａ〜７ｊを参照して平面状に偏向を行う場合について説明する。これらの参照目標はいずれも能動型又は受動型のどちらでもよい。またそれぞれ模範的に示した配置及び形態を組み合わせることもできる。
【００５１】
図６ａは矢印で示した１次元的な走査領域４４の一端に参照目標３２がある模範的な配置を示している。当然ながら、参照目標３２は右側の他端に配置することも可能である。走査領域４４は行状の監視領域１８に対応している。行走査の初めにその都度周期的に参照目標３２に光線が当たること、即ち、いわば監視領域１８に対して左方に若干行き過ぎた市を指すような偏向角で走査を開始することが好ましい。もっとも、走査領域４４を連続的に左から右へ、右から左へ、又は往復して走行することは絶対に必須というわけではなく、原理的には走査領域４４内で及び参照目標３２へ任意に跳ぶことができる。こうしたことはいずれもその趣旨をくんで以下に説明する各構成にも該当する。
【００５２】
図６ｂは１次元的な走査領域４４の両端に参照目標３２がある模範的な配置を示している。このようにすれば、規則的な行スキャンの場合に偏向がやや高い頻度で２つの異なる位置で検査されるため、中間の各位置も全て正しいということをより高い信頼度で仮定することができる。また、走査の座標系を検査又は確認するために両方の参照目標３２の既知の縁位置を利用することができる。
【００５３】
図６ｃは１次元的な走査領域４４の内部に参照目標３２がある模範的な配置を示している。この参照目標３２は重要な測定領域の一部を隠してしまうが、これは場合によっては容認できる。例えば、偏向ユニット２０が取り得る偏向角が狭く制限されているため縁部が利用できない場合である。また、参照目標３２の左方及び右方の部分だけが測定にとって重要である場合、つまり分離したＲＯＩが走査され、参照目標３２がその間の隙間に配置されているという場合も考えられる。また、部分的に透明な参照目標３２を使用し、その参照信号（この信号は光路が最短であるから測定信号より時間的に前に発生する）を評価の際に分離したり平均化等によってフィルタリングしたりすることにより、参照目標３２の偏向角において測定と参照信号の生成の両方を行う、ということも考えられる。
【００５４】
図６ｄは図６ｂと同様の参照目標３２の模範的な配置を示しているが、陰影線が示すようにここでは２つの参照目標３２が異なる強度の参照信号を生成する。これは減衰、黒化、反射性、増幅等の作用を異ならせることにより達成できる。参照信号の強度が異なることから、より正確な検査が可能になる。また、３つ以上の参照目標３２を強度が異なる参照目標として用意し、走査領域４４の隣の他に内側にも配置することもできる。
【００５５】
図７ａ〜ｄは２次元の走査領域４４の様々なエッジ上に参照目標３２がある模範的な配置を示している。ストライプ状の参照目標３２が左及び／又は右の縁にある図７ａ〜ｂの実施形態は特に行毎のスキャンに適しており、その場合、各行が図６ａ〜ｂに似たものとなる。ストライプ状の参照目標が上及び／又は下の縁にある図７ｃの配置はどちらかと言えば列毎の走査に適している。図７ｄのように外縁を取り囲む参照目標３２は行毎の走査にも列毎の走査にも適しており、また可変のパターンにも適している。なお、参照目標３２の配置が特定の走査パターンに強制的に固定されることはない。
【００５６】
図７ｅの実施形態では、参照目標３２が走査領域４４の少なくとも一つの角に配置されている。これらの位置はその他の走査角を内側に含んでいるため、それらの検査に成功すれば性能の良い偏向ユニット２０であると特に高い信頼性で結論づけることができる。
【００５７】
図７ｆの実施形態では参照目標３２が縁付近の任意の位置にある。それは図に具体的に示したように縁から離れているか、走査領域４４の内側にある。これまではこの位置を通常の走査パターンに統合することが好ましかったが、ここではそうではなく、特定の検査時点に急に光線が当たる。従って、特に検査の時間挙動を非常に厳密に予定しておくことができる。また、参照目標３２をどこに置くかという設計が完全に自由になる。
【００５８】
図７ｇは図７ｃと同様に２次元的な走査領域の上下のエッジ上に参照目標がある模範的な配置であって、更にそれらの参照目標が異なる強度の参照信号を生成するものを示している。これは言わば、図７ｄの実施形態の２次元的な類型であり、その利用可能性と利点も非常に似ている。異なる強度の参照信号を得るためのこのような参照目標３２は任意の位置、特に図６ａ〜７ｉに示した全ての位置に配置することができる。
【００５９】
図７ｈはこのように強度が異なる参照信号を持つ多数の他の変形の一つを示している。ここでは参照信号のレベルが２つの細長い参照目標３２に沿って互いに逆向きに変化しているが、図示した連続的な変化を離散的な参照目標３２と段階的変化で置き換えることもできる。また、側方に２つのストライプがあるという具体的な配置も模範例に過ぎない。
【００６０】
図７ｉは２次元的な走査領域４４の内部のどこかに参照目標３２がある別の模範的な配置を示している。更に別の参照目標３２を縁部に追加することもでき、また異なる強度の参照信号を生成するように参照目標３２を設計することもできる。図６ｃについて既に簡単に説明したように、走査領域４４の内側に参照目標３２を配置する場合、本来の測定との相互作用が生じるが、これは例えば一種の「むだな画素」として容認することができるし、そうでなくても、単にＲＯＩの間の隙間に該当したり、巧みな評価により補償されたりする。ここで、巧みな評価の一例は図６ｃで挙げたような時間的な分離である。別の例について最後に説明する。
【００６１】
図７ｊはパターンを形成する部分的に透明な参照目標３２が２次元の走査領域４４内にある配置の模範例を示している。これは図７ｉの実施形態を複雑にした変形例とみなすことができる。パターンは一種の透かし模様となる。参照信号は場合によっては時間的な分離により測定信号から分離することができる。これは常に可能であるわけではない。例えば、制御及び評価ユニット３０が低速過ぎたり複数の目標に対応できなかったりすること、つまり特に受光信号の時間的な推移を全く記録しないことがある。その場合に、全ての受光信号に参照目標３２のパターンが常に刻印又は重畳されているという事実を利用することができる。少なくとも前景が十分に動的である場合、例えば移動式の用途の場合は、監視領域１８からの物体反射の寄与は非常に多様であり、単純化すればランダムに分布している。従って、複数のスキャンを平均すれば前記パターンが認識可能になる。
【図１】
2020064059.tif 000003
【図２】
2020064059.tif 000004
【図３】
2020064059.tif 000005
【図４】
2020064059.tif 000006
【図５】
2020064059.tif 000007
【図６ａ】
2020064059.tif 000008
【図６ｂ】
2020064059.tif 000009
【図６ｃ】
2020064059.tif 000010
【図６ｄ】
2020064059.tif 000011
【図７ａ】
2020064059.tif 000012
【図７ｂ】
2020064059.tif 000013
【図７ｃ】
2020064059.tif 000014
【図７ｄ】
2020064059.tif 000015
【図７ｅ】
2020064059.tif 000016
【図７ｆ】
2020064059.tif 000017
【図７ｇ】
2020064059.tif 000018
【図７ｈ】
2020064059.tif 000019
【図７ｉ】
2020064059.tif 000020
【図７ｊ】
2020064059.tif 000021
【外国語明細書】
2020064059000001.pdf