(57)【要約】      （修正有）【課題】広いダイナミック・レンジにわたって、受信信号を可能な限り信号に忠実に増幅できる光電センサを提供する。【解決手段】光電センサは、発光器と、物体からの拡散反射光２２を光電流に変換する受光器２６と、光電流から導出される受信信号から物体の特性を測定する評価部３２とを備えている。受光器２６と評価部３２との間には、拡散反射光２２をより大きいダイナミック・レンジで検出するために、高感度の増幅器４８ａを有する高感度受信経路４２ａと、低感度の増幅器４８ｂを有する低感度受信経路４２ｂとが設けられ、拡散反射光２２の強度に応じて、高感度受信経路４２ａまたは低感度受信経路４２ｂにおいて、受信経路４２ａ〜ｂに分割された光電流から受信信号が生成される。低感度受信経路４２ｂがダイオード・アレイ５４の順方向電圧により拡散反射光２２の強度閾値が規定され、この値を上回った場合のみ光電流が低感度受信経路４２ｂに流れる。【選択図】図２
2014142340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視領域（２０）内の物体を検出するための光電センサ（１０）であって、
光（１６）を発信するための発光器（１２）と、物体に当たって拡散反射された光（２２）を光電流に変換するための受光器（２６）と、前記光電流から導出される受信信号から物体の特性を測定するための評価部（３２）とを備え、
前記受光器（２６）と前記評価部（３２）との間には、前記拡散反射光（２２）をより大きいダイナミック・レンジで検出するために、より高感度の増幅器（４８ａ）を有する高感度受信経路（４２ａ）と、より低感度の増幅器（４８ｂ）を有する低感度受信経路（４２ｂ）とが設けられており、前記拡散反射光（２２）の強度に応じて、前記高感度受信経路（４２ａ）または前記低感度受信経路（４２ｂ）において、前記受信経路（４２ａ〜ｂ）に分割された光電流から前記受信信号を生成する、光電センサ（１０）において、
少なくとも前記低感度受信経路（４２ｂ）がダイオード・アレイ（５４）を備えており、該ダイオード・アレイ（５４）の順方向電圧を用いて前記拡散反射光（２２）の強度の閾値が規定され、前記閾値を上回った場合のみ光電流が前記低感度受信経路（４２ｂ）を流れることを特徴とする、光電センサ（１０）。
【請求項２】
前記より高感度の増幅器（４８ａ）が、前記より低感度の増幅器（４８ｂ）と比べて、より高感度のダイナミック・レンジおよび／またはより高い増幅率を有している、請求項１に記載のセンサ（１０）。
【請求項３】
独自の感度範囲を有する第３のおよび／またはさらなる受信経路（４２ａ〜ｄ）が設けられている、請求項１または２に記載のセンサ（１０）。
【請求項４】
前記ダイオード・アレイ（５４）が、直列接続されたダイオードを備えており、前記ダイオードの個々の順方向電圧の合計が、前記光電流が流れるために必要な順方向電圧である、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
前記受信経路（４２）に結合コンデンサ（４６）が設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項６】
前記受信経路（４２）に、並行にアースにつながれた追加のダイオード（５２）が設けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項７】
前記受信経路（４２）に抵抗器（４４）が設けられている、請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項８】
前記高感度受信経路（４２ａ）が、抵抗器（４４ａ）と、結合コンデンサ（４６ａ）と、前記より高感度の増幅器（４８ａ）とをこの順に備えており、前記低感度受信経路（４２ｂ）が、抵抗器（４４ｂ）と、前記ダイオード・アレイ（５４）と、結合コンデンサ（４６ｂ）と、前記より低感度の増幅器（４８ｂ）とをこの順に備えている、請求項１から７のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項９】
前記発光器（１２）が、前記光（１６）を符号化されたパルス列として発信するように構成されており、
前記評価部（３２）が、前記受信信号内の前記符号化されたパルス列を評価するように構成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１０】
距離測定センサであって、その前記評価部（３２）が、光（１６）の発信と前記物体に当たって拡散反射された光（２２）の受信との間の光伝播時間から、前記物体の距離を測定するように構成されている、請求項１から９のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１１】
レーザ・スキャナであって、前記発射光（１６）を前記監視領域（２０）内へ周期的に偏向させるための可動偏向部（１８）を備えている、請求項１から１０のいずれか一項に記載のセンサ（１０）。
【請求項１２】
監視領域（２０）内の物体の検出方法であって、
光（１６）が発信され、物体に当たって拡散反射された光（２２）が光電流に変換され、前記光電流から導出される受信信号から前記物体の特性が測定され、
前記拡散反射光（２２）をより大きいダイナミック・レンジで検出するために、前記拡散反射光（２２）の強度に応じて、より高感度の増幅器（４８ａ）を有する高感度受信経路（４２ａ）またはより低感度の増幅器（４８ｂ）を有する低感度受信経路（４２ｂ）において、前記受信経路（４２ａ〜ｂ）に分割された前記光電流から前記受信信号が生成される、検出方法において、
少なくとも前記低感度受信経路（４２ｂ）では、順方向電圧を有するダイオード・アレイ（５４）が前記拡散反射光（２２）の強度の閾値を規定し、前記閾値を下回った場合には光電流が前記高感度受信経路（４２ａ）のみを流れ、前記閾値を上回った場合のみ光電流が前記低感度受信経路（４２ｂ）にも流れることを特徴とする、検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１あるいは１２のプリアンブルに記載の、光電センサおよび監視領域内の物体の検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
このようなセンサは、単一光線の検出器として知られており、光伝播時間法により、標的までの距離または物体までの距離を監視区間の縦方向に測定するために用いられる。物体距離をより広い角度範囲で検出する、または物体輪郭を測定するためには、レーザ・スキャナが使用される。その際、通常はレーザである強力な光源によって生成された光線が、偏向部を用いて監視領域を周期的に走査する。光は監視領域内の物体に当たって拡散反射され、スキャナにおいて評価される。偏向部の角度位置から物体の角度位置が、および光伝播時間から光の速度を用いて、レーザ・スキャナから物体までの距離が加えて推測される。角度情報および距離情報を用いて、監視領域内の物体の位置または物体の輪郭が二次元極座標で検出される。
【０００３】
レーザ・スキャナは、測定用途の他にも安全技術において、例えば危険性のある機械に代表されるような危険源の監視に使用される。この種の安全レーザ・スキャナが、特許文献１より知られている。この発明では、機械稼働中に操作者の立ち入りが禁止された防護領域が監視される。レーザ・スキャナは、操作者の脚等による防護領域内への許容されていない侵入を検知すると、機械の緊急停止を作動させる。安全技術に使用されるセンサは特に確実に機能しなければならず、そのため、例えば、欧州規格ＥＮ１３８４９（機械の安全に関する規格）やＥＮ６１４９６（非接触動作型防護装置（beruehrungslos wirkende Schutzeinrichtungen、ＢＷＳ）に関する装置規格）等の高い安全要件を満たさなければならない。これらの安全規格に適合するには、例えば、冗長かつ多様な電子機器による確実な電子的評価、光学的構成部品、特に前面ガラスの機能監視もしくは特に汚染の監視、および／または対応する走査角度で検知しなければならない、反射率が定義された個々の検査標的を設ける、といった一連の措置を取らなければならない。
【０００４】
距離測定のために、監視領域内の表面によって拡散反射または直反射される光信号の発信と受信との間の光伝播時間が測定される。従来、２つの方法、つまりパルス伝播時間法と位相法とが区別されている。パルス伝播時間法では、個別の短光パルスが発信され、パルス特性、例えばパルスの最大値（ピーク）に基づいて、このパルスの伝播時間が測定される。位相法では光が振幅変調され、受光に対する発光の位相シフトが評価される。位相法では、使用される光の変調周波数によって差し当たりは一意性領域が制限されているが、追加的な措置によってこの領域を拡大することができる。
【０００５】
これらの方法の一種の中間形式では、個別パルスではなくパルス列が発信される。というのも、個別パルスの発信出力は、目の安全や光源の光出力のような要因によって制限されているからである。個別にはもはやノイズから区別されないほど低い発信出力を有するパルスを用いても、なお良好なＳＮ比を達成するための方法として、１つには統計的平均法が知られている。この方法では、測定値ごとに多数のパルスが発信され、その結果としてその都度測定される受信信号が重畳される。このようにすると、ランダムなノイズの効果が平均化されるのに対して、有効信号はその体系的な性質により平均化の際にも維持される。この種のパルス平均法が、例えば特許文献２または特許文献３に記載されている。
【０００６】
さらに大きいＳＮ比が、パルス符号、つまり符号化された発信パルス列を使用することによって得られる。例えば、特許文献４では、スペクトラム拡散法に従って疑似ランダム・ノイズ符号を用いて変調された出力信号によって、発信される光信号が生成される。そして、受信側でこの信号と既知の疑似ランダム・ノイズ符号とが相関付けられる。このようにして発信される符号と、受信側のフィルタリングの際に使用される符号とが互いに一致するので、求める光伝播時間とちょうど一致する時間オフセットを有する自己相関が生じる。
【０００７】
光電センサおよび、特に走査動作によって高速に切り替わる標的を用いるレーザ・スキャナが作動する範囲である、受信信号出力のダイナミック・レンジは非常に高く、８０ｄＢになり得る。この原因として、表面特性が様々であることと、それに伴い、一方では黒いビロードおよび他方では反射器というような両極端の間で拡散反射の挙動が様々に変動することが挙げられる。また、受信信号が距離の二乗に反比例して低減し、例えば物体の縁部でその減損量が非常に不意に変化し得るということも原因に挙げられる。センサの受信システムは、このダイナミック・レンジ全体にわたって受信信号の評価が行えるように設計しなければならない。
【０００８】
従来、大きい受信信号に対してオーバードライブ駆動されるトランスインピーダンス増幅器を、受光器に接続して使用する場合が多い。しかし、このようにすると、オーバードライブによって失われた信号情報を、以降の評価段階にもはや供することができなくなり、この損失が測定誤差の増大につながる。さらに、信号波形が大きく歪められると、受信信号が拡大され、評価が困難になるかまたは評価が不可能になる。これは、パルス法において、受信パルスがエッジ照射などによって非常に密接して連続する場合に特に当てはまる。ダイナミック・レンジを強い受信信号に合わせて調節することによってオーバードライブを回避するという逆の手法は、弱い受信信号が良好に検知されなくなることから、さらに重大な欠点を伴う。
【０００９】
そのため、従来技術では、受信経路を少なくとも２つの部分経路に分割し、これらの部分経路にそれぞれダイナミック・レンジ全体の一部のみの増幅を担わせることが提案されている。このアプローチは、例えば特許文献５で採られている。ただし、この発明では、スプリッタにおいて光電流が分割される。具体的に言えば、このスプリッタは、変圧器を用いてより低感度の部分経路への光電流をデカップリングするものである。受信信号が非常に小さい場合にもなお、変圧器を通じて光電流の一部がより低感度の部分経路で失われるので、システム全体の感度が低下する。その上、変圧器は受信信号の恒明成分あるいは光電流の直流成分を抑制する。ところが、この恒明成分はパルス符号の評価に必要とされるので、特許文献５の解決法はパルス符号法には適用できない。
【００１０】
特許文献６では、直列接続された負荷抵抗器を設けることにより、到来する受信パルスを連続的な減衰した子パルスに細分化し、これらの子パルスをそれぞれ個別の増幅器に供給している。この場合もやはり、受信信号が弱い際に、光電流の一部がより低感度の増幅器で失われる。
【００１１】
特許文献７は、カスケード状に直列につながれた複数の増幅段と信号セレクタ・モジュールを使用し、これを用いて、そのレベルが基準レベルと一致する増幅段の出力信号をさらに処理することができる。しかし、カスケード接続によって複数の増幅器の歪みが蓄積されるため、発生する信号波形で受信時点を特定する際の精度が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】DE 43 40 756 A1
【特許文献２】EP 1 972 961 A1
【特許文献３】EP 2 469 296 A1
【特許文献４】DE 10 2008 009 180 A1
【特許文献５】EP 2 182 377 A2
【特許文献６】EP 1 308 693 A1
【特許文献７】DE 102 36 486 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、本発明は、前述のような種類のセンサにおいて、広いダイナミック・レンジにわたって、受信信号を可能な限り信号に忠実に増幅することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題は、請求項１あるいは１２に記載の、光電センサおよび監視領域内の物体の検出方法によって解決される。その際、本発明は、受光器によって生成される光電流を低感度受信経路と高感度受信経路とに分割するという基本思想に基づいている。その上で、高感度受信経路でオーバードライブなしに処理することができる光電流は、可能な限り専らこの高感度受信経路に流入するようにする。高感度受信経路が過負荷状態になって初めて、低感度受信経路が利用される。このために、本発明は、ダイオード・アレイ（最も簡略な場合には単一のダイオードである）を低感度受信経路に設け、拡散反射光あるいは受光が最小強度以上の場合のみこのダイオードの順方向電圧が超えられる。これに対して、高感度受信経路へは弱い光電流が常に流入するので、高感度受信経路にはダイオード・アレイを設けなくてもよい。最小強度を上回った場合のみ、電流は低感度受信経路に流入することができる。
【００１５】
本発明は、受信信号が、各個々の受信経路のダイナミック・レンジより広いダイナミック・レンジ内で、ほとんど情報を失わずに増幅されるという利点を有している。順方向電圧を上回った場合のみ、電流が低感度受信経路の増幅器に流入する。受信出力が小さい場合は、光電流全体が高感度受信経路に導かれるので、感度損失が生じない。その際、従来技術とは異なり、変圧器が使用されないので、受信信号が直流成分を維持した状態で生成される。
【００１６】
より高感度の増幅器は、好ましくは、より低感度の増幅器と比べて、より高感度のダイナミック・レンジおよび／またはより高い増幅率を有している。その際、高感度増幅経路のオーバードライブが中強度の受信信号で既に発生することが、意図的に容認されている。より高感度の増幅器で全信号に対応しようという試みは全くなされない。高感度増幅経路では、弱い受信信号を処理する。逆に、低感度増幅経路ではオーバードライブを避けるべきであり、また、ダイオード・アレイがあるため弱い受信信号はいずれにしても低感度受信経路には到達しないので、低感度増幅経路の増幅率は低くなっている。増幅器は、特にトランスインピーダンス増幅器であり、これが光電流を電圧信号に変換し、この電圧信号がＡ／Ｄ変換器を介してデジタル評価部に供給される。
【００１７】
好適には、独自の感度範囲を有する第３のおよび／またはさらなる受信経路が設けられている。低感度受信経路および高感度受信経路が既にダイナミック・レンジを分割していたとしても、予測される高いダイナミックに関して、これらの受信経路が割り当てられたダイナミック・レンジではなお対処できないことが考えられる。とりわけ、それほど広くない独自のダイナミック・レンジを有する比較的安価な増幅器を使用する場合に、これが当てはまる。その場合、感度のさらなる段階付けが有利である。各受信経路には、該経路に配置されたダイオード・アレイの順方向電圧を介して、受光強度の閾値が割り当てられている。この閾値を上回った場合、その受信経路が担当となり、強度がさらに高まってより低感度の受信経路に引き継がれるまで、その受信経路が歪みの無い増幅を行う。高感度受信経路の閾値は好適にはゼロであり、その場合は高感度受信経路にダイオード・アレイが設けられない。代替的に、最も高感度の受信経路にもダイオード・アレイを設けて、これを介して、ある特定のノイズ閾値を規定してもよい。
【００１８】
ダイオード・アレイは好ましくは、直列接続されたダイオードを備えており、これらのダイオードの個々の順方向電圧の合計が、光電流が流れるために必要な順方向電圧である。これにより、受信経路において鎖状に接続されたダイオードの個々の順方向電圧の合計が受信経路の順方向電圧となり、これによって、受信経路の感度の段階付けが実現される。この場合、ある受信経路の感度は、その直列接続に関与する互いに同一のダイオードの個数によって容易に設定することができる。例えば、最も高感度の受信経路にはダイオードが無く、２番目に高感度の受信経路は１つのダイオードを備える、というようにして、ｎ−１個のダイオードを有する最も低感度のｎ番目の経路に至る。直列接続によって、ダイオード・アレイでは有効なダイオード容量が減少し、受信出力が小さい場合に僅かな容量損失が生じる。同種のダイオードの直列接続の代わりに、個々にまたは他のダイオードと直列接続したときに所望の順方向電圧を有する異なるダイオードを使用することもできる。
【００１９】
受信経路には、好ましくは結合コンデンサが設けられている。これによって、ダイオード・アレイから増幅器までの光電流のための容量結合が得られる。
【００２０】
好適には、受信経路には、並列にアースにつながれた追加のダイオードが設けられている。このさらなるリミッタ・ダイオードとして機能する追加のダイオードを介して、増幅器または下流の部品を損傷する恐れのある、過大な光電流を排出することができる。追加のダイオードは、好ましくは受信経路内の結合コンデンサの前に配置される。
【００２１】
受信経路には、好ましくは抵抗器が設けられている。この抵抗器は、ダイオード・アレイとともに、光電流を分割するための抵抗器・ダイオードのネットワークを形成する。その場合、抵抗値および順方向電圧によって、受信経路の感度を容易に設定することが可能になる。特に、直列接続として形成されたダイオード・アレイに関与しているダイオードの個数によって順方向電圧が選定される場合にそれが言える。
【００２２】
高感度受信経路は好ましくは、抵抗器と、結合コンデンサと、より高感度の増幅器とをこの順に備えており、低感度受信経路は、抵抗器と、ダイオード・アレイと、結合コンデンサと、より低感度の増幅器とをこの順に備えている。さらに別の段階に対応付けられた感度を有する受信経路が設けられる場合、該受信経路は、好適には低感度受信経路と同様に構成されている。ここでも、感度、つまりそれ以上の場合に光電流が特定の受信経路に流入する、拡散反射光の強度の閾値は、順方向電圧、特に直列接続内のダイオードの個数および抵抗値を介して設定される。
【００２３】
発光器あるいはその制御部は、好ましくは、光を符号化されたパルス列として発信するように構成されており、評価部は、受信信号内の符号化されたパルス列を評価するように構成されている。つまり、センサの光を外部光および他の妨害因子から確実に区別し得るために、符号化が行われる。複数の受信経路を用いる従来の増幅の構成では、直流成分が変圧器によって抑制されていた。しかし、パルス符号法のためには直流成分も伝送されなければならい。本発明によるダイオード・アレイによって、少なくとも結合コンデンサが十分に大きい場合にこれが保証される。本発明は、大きい受信信号に対しても、パルス符号列に生じるパルス広がりが可能な限り小さくなるようにしている。符号列の使用は、光伝播時間測定との関連で特に有用であるが、これに限るものではない。符号列の使用については導入部で手短に説明したが、さらにそこで挙げた特許文献４も参照されたい。
【００２４】
センサは、好適には距離測定センサであり、その評価部が、光の発信と、物体に当たって拡散反射された光の受信との間の光伝播時間から、物体の距離を測定するように構成されている。精密な距離測定には、受信時点の正確な特定と、そのため受信信号波形の忠実な増幅が要求される。そのため、本発明による増幅の構成はこの種の測定に特に適している。単なる有無の検出も同様に考えられるが、その場合、歪みやオーバードライブの点で要求水準は明らかに低い。
【００２５】
好ましい発展形態では、センサはレーザ・スキャナであり、発射光を監視領域内へ周期的に偏向させるための可動偏向部を備えている。このセンサはこのようにして、一次元光線を監視するだけでなく、二次元または三次元の領域さえも周期的に走査する。このために、発射された光線および拡散反射された光は、走査動作において監視領域を通して掃引される。偏向部としては、例えば、回転ミラー、ポリゴン・ミラー・ホイールを用いることができ、または発光器および受光器とともに光学部全体を回転させる。
【００２６】
本発明による方法は、さらなる特徴によって同様に構成することができ、その際も同様の利点を示す。このようなさらなる特徴は、独立請求項に続く従属請求項に例示的に記載されているが、これに限定されるものではない。
【００２７】
以下では本発明を、さらなる利点および特徴を含めて、添付図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】レーザ・スキャナの概略断面図。
【図２】図１によるレーザ・スキャナの２分割された受信経路のブロック図。
【図３】図１によるレーザ・スキャナの４つの部分経路に分割された受信経路のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、レーザ・スキャナ１０としての一実施形態における、光電センサの概略断面図である。代わりに、一次元の物体検出用の単一光線システムとしての実施形態も同様に本発明に含まれるが、このシステムでは増幅および物体検出がそれと同様に機能するので、その図示および説明を省略する。
【００３０】
発光器１２は、例えばレーザ光源を用いて、発光光学系１４によって発射光線１６を生成する。発射光線１６は、偏向部１８によって監視領域２０内に発射され、監視領域２０で場合によっては存在する物体によって拡散反射される。拡散反射光２２は、再びレーザ・スキャナ１０に到達し、レーザ・スキャナ１０では偏向部１８を介した後に、受光光学系２４を用いて、受光器２６（例えば、フォトダイオード、または、より高い感度が必要な場合はアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ））によって検出される。図示のレーザ・スキャナ１０では、発光器１２とその発光光学系１４とが受光光学系２４の中央の開口部に位置している。これは配置の例示的な方法に過ぎない。本発明は他にも、発射光線１６専用の鏡領域または分割鏡を用いる等の代替の解決法も含んでいる。
【００３１】
偏向部１８はモータ２８によって、ある走査周波数で連続的に回転動作させられる。これにより、発射光線１６は各走査周期の間、つまり走査周波数で完全に一回転する間に、１つの平面を走査する。偏向部１８の外周部には、偏向部１８のその都度の角度位置を検出する角度測定部３０が配置されている。角度測定部３０は、ここでは例示的に、角度単位形成体としての目盛り板と検知手段としてのフォーク状光遮断機とによって形成されている。
【００３２】
評価部３２は、同時にレーザ・スキャナ１０の制御部としても機能するが、発光器１２と、受光器２６と、モータ２８と、角度測定部３０とに接続されている。
【００３３】
評価部３２は、発光器１２に発射光線１６を変調させる。原理的には導入部で説明した位相法も考えられるが、その際、好適には、典型的に数ナノ秒のパルス幅を有する発射光パルスが発信される。個別パルス法では、発射光パルスの発信と、このパルスから監視領域２０内の物体に当たって拡散反射されることにより生じる受信パルスの受信との間の光伝播時間を測定することにより、物体距離が測定される。好ましい発展形態では、個別パルスだけでなく、符号化されたパルス列が発信される。このパルス列は受信後に、例えば受信信号と既知の発信パルス列との相関によって評価される。このように得られた相関信号において、評価部３２が、相関最大値の位置と、この位置からの光伝播時間とを測定する。
【００３４】
それにより、物体距離が測定される。その際、発射光線１６が発射されたその都度の角度位置は、角度測定部３０から評価部３２に通知されている。そのため、各走査周期後には、角度および距離を介して、監視領域２０内の全ての物点の二次元極座標が得られる。これにより、物体位置あるいは物体輪郭が知られ、これらをインターフェース３４を介して出力することができる。インターフェース３４を逆に、評価部３２にデータを入力し得るためのパラメータ設定インターフェースとして機能させてもよい。代替的に、専用のパラメータ設定インターフェースを設けてもよい。安全技術の分野で使用する際、つまりレーザ・スキャナ１０が安全スキャナである場合、インターフェース３４の安全性を高めてもよい。特に、防護領域への侵入を検知した際に安全目的の停止信号を出力するための、安全性の高い出力部（Output Signal Switching Device、ＯＳＳＤ）として構成してもよい。
【００３５】
レーザ・スキャナ１０は、外周に延在する前面ガラス３８を備えたハウジング３６に収容されている。ハウジング３６および前面ガラス３８の幾何学的形状は、発信チャネルおよび受信チャネルの構成と同様に、純粋に例示的なものとして解釈すべきである。本発明を同様に適用することができる、多数の代替の構成が知られている。
【００３６】
図２は、図１に破線４０で示されたレーザ・スキャナ１０の受信経路を、追加の詳細を含めてブロック図で示している。明細書全体において、同一の符号は同一の、または互いに対応する特徴を示している。ここでは、受光器２６と評価部３２との間の処理経路を受信経路と呼ぶ。受信経路は、高感度受信経路４２ａと低感度受信経路４２ｂとに分割されている。
【００３７】
高感度受信経路４２ａには、抵抗器４４ａと、結合コンデンサ４６ａと、第１の増幅器４８ａと、Ａ／Ｄ変換器５０ａとがこの順に直列に接続されている。さらに、結合コンデンサ４６ａの前で、アースにつながれたリミッタ・ダイオード５２ａを有するさらなる並列経路が分岐している。同種の要素、つまり、抵抗器４４ｂと、結合コンデンサ４６ｂと、第２の増幅器４８ｂと、Ａ／Ｄ変換器５０ｂと、並列に接続されたリミタ・ダイオード５２ｂとが、低感度受信経路４２ｂにも設けられている。高感度受信経路４２ａとは異なり、ダイオード・アレイ５４（ここでは単一のダイオードから成る）が、抵抗器４４ｂと結合コンデンサ４６ｂとの間に接続されている。受信経路４２ａ〜ｂはともに評価部３２に通じており、評価部３２では、デジタル化された信号がさらに処理される。図示の構成の代替として、Ａ／Ｄ変換器を１つだけ設けてその前で信号を予めまとめてもよい。その場合、特定の値範囲またはビット範囲を受信経路４２ａ〜ｂに対して割り当てておく。これによって、評価部３２はデジタル化された信号を後で再び個々の信号に戻すことができる。
【００３８】
第１の増幅器４８ａは、第２の増幅器４８ｂと比べてより高い感度を有しており、つまり、より弱い信号をより高い増幅率で処理することができる。レーザ・スキャナ１０の運用において十分に予測される程度の、より強い信号の場合は、第１の増幅器４８ａがオーバードライブし、精密に評価可能な信号を出力しなくなる。より低感度の第２の増幅器は、この種のより強い信号向けに設計されており、この増幅器はその際オーバードライブしないが、弱い信号を十分には増幅しない。このようにして、増幅器４８ａ〜ｂは、個々に処理できるであろうダイナミック・レンジと比べて、より広いダイナミック・レンジを分担している。
【００３９】
拡散反射光２２が受光器２６に当たると、光電流が生成される。この光電流はいずれの場合も高感度受信経路４２ａに流入することができ、リミッタ・ダイオード５２ａが下流の構成部品を過電流から保護する。拡散反射光２２の強度が、ダイオード・アレイ５４の順方向電圧を上回る程十分に大きい場合のみ、光電流が低感度受信経路４２ｂにも流入する。このようにして、弱い信号が常に高感度受信経路４２ａで処理されることが確実になる。高感度受信経路の第１の増幅器４８ａがあまりに強くオーバードライブされて正確な測定ができなくなる恐れのあるようなレベルを拡散反射光２２の強度が超えた場合にのみ、光電流が低感度受信経路４２ｂに流入するように、受信経路４２ａ〜ｂにおける抵抗器４４ａ〜ｂの選定およびダイオード・アレイ５４の順方向電圧の設計が成されている。
【００４０】
図３は、受信経路の代替実施形態のブロック図である。図２の２分割された受信経路の代わりに、ここでは下方から上方へ感度が低下する、４つの受信経路４２ａ〜ｄが設けられている。４つの受信経路４２ａ〜ｄの数は、もちろん例示的に過ぎないものとして解釈すべきであり、本発明は３つ、５つ、またはより多くの受信経路４２を有する実施形態も含んでいる。
【００４１】
４つの受信経路４２ａ〜ｄの増幅器４８ａ〜ｄは、全体として処理すべきダイナミック・レンジを、図２による実施形態の第１の増幅器４８ａおよび第２の増幅器４８ｂと同様に分担している。ダイオード・アレイ５４ｂ〜ｄは、特定の強度を上回った場合にそれぞれ順方向電圧が超えられ、それにより、光電流が次に低感度である受信経路４２ｂ〜ｄに流入できるようにする。順方向電圧のこれに対応した均等な段階付けを達成するために、ダイオード・アレイ５４ｂ〜ｄは、ここでは同種のダイオードの直列接続として構成されており、直列接続で互いに接続されたダイオードの個数は、最も高感度の受信経路４２ａにおけるゼロから、最も低感度の受信経路４２ｄにおける３個まで増加する。
【００４２】
このようにして、光電流が、抵抗器・ダイオード・ネットワークを介して、複数の異なる感度の受信経路４２ａ〜ｄに分割される。それぞれのダイオード・アレイ５４ｂ〜ｄの順方向電圧を上回った場合のみ、電流はその経路に属する増幅器４８ｂ〜ｄに流入することができる。これが起こる閾値は、抵抗器４４ａ〜ｄの抵抗値およびダイオード・アレイ５４ｂ〜ｄの順方向電圧、特に、ダイオード・アレイ５４ｂ〜ｄ内の、直列に接続された同種のダイオードの個数を調節することによって設定することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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