(57)【要約】      （修正有）【課題】監視領域へ光を送出する発光器と、監視領域内の物体の表面で直反射又は拡散反射された光を受光するための第１の多数の受光素子を備える受光器と、受光素子の受光信号からスイッチ信号を生成するためのスイッチ信号部とを備える光電センサを提供する。【解決手段】該センサには、スイッチ信号の生成と並行して、受光素子（２８）の受光信号から、該受光素子（２８）上で位置分解された光分布信号を生成するための光分布測定部（３６）が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視領域（１８）へ光（１６）を送出する発光器（１２）と、前記監視領域（１８）内の物体（２０）の表面で直反射又は拡散反射された光（２２）を受光するための第１の多数の受光素子（２８）を備える受光器（２６）と、前記受光素子（２８）の受光信号からスイッチ信号を生成するためのスイッチ信号部（３２）とを備える光電センサ（１０）において、
前記スイッチ信号の生成と並行して、前記受光素子（２８）の受光信号から、該受光素子（２８）のうちの少なくとも数個にわたって位置分解された光分布信号を生成するための光分布測定部（３６）
を備えることを特徴とするセンサ（１０）。
【請求項２】
前記発光器（１２）と前記受光器（２６）が三角測量の配置を成し、特に前記スイッチ信号部（３２）が背景隠蔽型センサの原理に従ってスイッチ信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のセンサ（１）。
【請求項３】
前記光分布測定部（３６）が、距離測定部として、前記光分布信号から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２に記載のセンサ（１０）。
【請求項４】
前記スイッチ信号部（３２）が、前記光分布信号に基づいて、特に該光分布信号から測定される距離に基づいて、近くの物体用の受光素子（２８）と遠くの物体用の受光素子（２８）との間に分離帯（４０）を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２又は３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記スイッチ信号部（３２）に少なくとも、近距離にある物体（２０）から光（２２）を受けた受光素子（２８）の受光信号を統合して成る近接領域信号と、遠距離にある物体から光（２２）を受けた受光素子の（２８）受光信号を統合して成る遠隔領域信号とが供給され、該スイッチ信号部（３２）が、前記スイッチ信号の生成のために、閾値を用いて近接領域信号と遠隔領域信号との間の差を評価するように構成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項６】
前記受光素子（２８）の受光信号のための第２の多数の処理チャネル（５０１〜５０ｎ、５０ｍ）を備え、該第２の多数が前記第１の多数よりも少ない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】
前記近接領域信号が少なくとも１つの近接用処理チャネル（５０１〜５０ｎ）を通過し、前記遠隔領域信号が少なくとも１つの遠隔用処理チャネル（５０１〜５０ｎ）を通過し、特に、近接領域信号用の受光素子（２８）と遠隔領域信号用の受光素子（２８）との間の前記分離帯（４０）上にある受光素子（２８）の受光信号がサブ処理チャネル（５０ｉ）を通過し、前記スイッチ信号部（３２）が前記サブ処理チャネル（５０ｉ）の信号をサブピクセル分解のために前記近接領域信号及び前記遠隔領域信号に比例的に付加することを特徴とする請求項５及び６に記載のセンサ（１０）。
【請求項８】
少なくとも１つの受光素子（２８、２８ａ）の受光信号が測定用処理チャネル（５０ｍ）を通過し、前記光分布測定部（３６）が前記測定用処理チャネル（５０ｍ）の信号から前記光分布信号を生成することを特徴とする請求項６又は７に記載のセンサ（１０）。
【請求項９】
前記光分布信号を次々に積み上げるために、前記測定用処理チャネル（５０ｍ）を通過する前記少なくとも１つの受光素子が巡回的に切り換えられ、その際、特に前記測定用処理チャネル（５０ｍ）の信号が前記スイッチ信号を生成するための１つの処理チャネル（５０１〜５０ｎ）に付加されることを特徴とする請求項８に記載のセンサ（１０）。
【請求項１０】
前記処理チャネル（５０１〜５０ｎ、５０ｍ）が前記受光信号のアナログ及び／又はデジタル信号処理を行うように構成されていること、特に増幅器、均一光成分用のフィルタ、Ａ／Ｄ変換器、平滑フィルタ、及び／又は、周波数フィルタを備えていることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１１】
前記平滑フィルタ及び／又は周波数フィルタが少なくとも二次のＦＩＲフィルタであることを特徴とする請求項１０に記載のセンサ（１０）。
【請求項１２】
前記受光素子（２８）をそれぞれ１つの処理チャネル（５０１〜５０ｎ、５０ｍ）に接続する多重化部（４８）を備えていることを特徴とする請求項６〜１１のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１３】
前記スイッチ信号を出力するためのスイッチ出力（３４）と、前記光分布信号及び／又は該信号から導出された測定量、特にレベル、拡散反射値及び／又は光スポット幅を出力するためのインターフェイス（３８）とを備え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）。
【請求項１４】
前記光分布測定部（３６）が、スイッチ信号に従って、前景に対応する第１の光分布信号又は背景に対応する第２の光分布信号を測定するように構成されていること、及び／又は、
拡散性の第２の光源を備え、前記光分布測定部（３６）が拡散性の照明の下で背景の光分布信号を記録し、それを用いてその後の測定を補償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（２０）を検出する方法であって、前記監視領域（１８）へ光（１６）が送出され、物体（２０）の表面で直反射又は拡散反射された後、多数の受光素子（２８）で再び受光され、該受光素子（２８）の受光信号からスイッチ信号が生成される方法において、
前記スイッチ信号の生成と並行して、前記受光素子（２８）の受光信号から、前記受光素子（２８）上で位置分解された光分布信号が生成されること
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検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電センサには、結像光学系又は受光レンズを備える受光路と、多数の受信素子又は画素から成る列状又は行列状の受光器とを有するものが多い。その場合、まず、位置分解された信号が生成されることで、受光スポットの特徴を調べたり、光スポットの位置から較正情報又は測定情報を取得したりすることができる。また、画素を１つのグループに結びつけたり、パラメータ化等を通じて少数のグループに一緒に結びつけたりして、それら全ての信号、特に総和信号を処理して物体確認信号を生成することも可能である。
【０００３】
これらのセンサのうち特別なクラスでは光学的な三角測量の測定原理を利用する。この場合、受信素子上での光スポットの位置が物体の距離の尺度となる。更にそれは、実際に距離測定を行うためのセンサと、背景隠蔽機能を持つ反射型センサ又は背景隠蔽型の光センサ（HGA-Taster）とに区別できる。前者は位置分解された信号の評価の例、後者はグループ化処理により物体確認信号を生成する例である。
【０００４】
背景隠蔽型光センサは物体の存在を認識し、それを通常は二値的なスイッチ信号の形で出力する。その際、三角測量の原理を利用して、少なくとも近接領域及び遠隔領域への位置分解が可能な受光器で２つの受光信号を生成する。それらの差をほぼゼロ又はちょうどゼロのスイッチング閾値で評価することで、物体の検出を特定の距離範囲に制限し、該距離範囲の外にある物体からの受光信号を背景信号として隠蔽する。背景隠蔽型光センサは例えば特許文献１に開示されている。そのセンサでは、位置分解型受光器の個々の素子を近接領域又は遠隔領域に対して可変的に割り当てるためにスイッチが設けられている。
【０００５】
簡単な実装では受光器として差分ダイオードがあれば十分である。スイッチング点はダイオードの近接用素子と遠隔用素子の間の境界によって定まる。受光レンズ又は受光部品の位置を機械的にずらすことによりスイッチング点を調節することができる。スイッチング点が電子的に変更される場合は、微小な受光素子又は画素を多数備える受信素子、つまり受光器アレイが用いられ、機械的な位置変更の代わりに、近接領域用及び遠隔領域用の各受光素子グループの構成の変更が行われる。
【０００６】
受光信号は生の信号としては処理されない。むしろ、産業的な環境における十分な頑強性を得るためにコストをかけてアナログ的及びデジタル的に処理される。経済的な理由から、そのコストは受光信号の数を制限することでのみ実現可能であり、全ての個々の画素を対象とすることはできない。そのため、まず受光素子の個々の信号が少数の受信チャネルに統合され、これらのチャネルが要求された信頼性及び非常に高い時間分解能で作動する。この構成の短所は、このような測定方法では物体までの距離が測定量として一緒に低減しないことである。分かるのは、調整されたスイッチング点より前又は後ろのいずれに物体があるかということだけである。
【０００７】
これに対し、距離測定用の三角測量センサは画素ベースで信号処理の動作を行う。受光器アレイの個々のフォトダイオードが別々に受光信号を蓄積する。信号の取り込み後、全ての画素から信号が順次読み出されてデジタル化される。前述したように、このように多くの個別信号に対し、背景隠蔽型光センサにおいて従来実施されているような信号処理に相当する処理を行うことは不可能である。距離測定用の三角測量センサは、各画素が有効光及び迷光から成る受信光全体を常に蓄積するため、均一光の安定性が低く、またダイナミックレンジが狭い。加えて、画素上でのサンプリングレートが高いと迷光の時間的フィルタリングができないため、迷光があまり抑制されない。最後に、測定の度に非常に多くの画素の受光信号に対して読み出し、デジタル化及び評価を行う必要があるため、応答時間も当然長くなる。つまり、背景隠蔽型光センサは、スイッチング周波数を高くし、ノイズを十分に抑制して高い時間的な測定分解能を得る代わりに、高い幾何学的な分解能を犠牲にしていると言える。
【０００８】
また、背景隠蔽型光センサにおいて全画素の個々の受光信号を検出すること、つまり受光器アレイをいわば走査することも従来技術で公知である。それはスイッチ信号の生成と交代で実行され、信号の生成を止めてしまうため、例えば診断モードのように本来の駆動以外の状況でのみ可能である。従って、このような従来のセンサは、最大限のスイッチング周波数での物体の存在の検出と受光器アレイの走査を択一的にしか実行できない。何故なら、この二つは相容れない異なる方法で受光信号を観察するものだからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】DE 197 21 105 C2
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
故に、本発明の課題は、位置分解型の受光器を備え且つスイッチ信号を生成するセンサを更に改良することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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検出方法により解決される。本センサは発光器及び受光器を含み、該受光器は多数の受光素子又は画素を備える。これらは好ましくは一列に配置されるが、複数の列や行列等、他の配置でもよい。物体が検出されると、これらの受光素子の受光信号からスイッチ信号が生成される。あるいは受光器の複数の画素グループから複数のスイッチ信号が生成される。
【００１２】
本発明の出発点となる基本思想は、スイッチ信号を生成する機能を光分布の検出と組み合わせることにある。そのために光分布測定部が、少なくとも数個、好ましくは全ての受光素子の受光信号から、位置分解された光分布信号を生成する。つまり、光分布信号は、受光器上での位置に応じた強度又は受光レベル、特に受光素子又は画素毎の受光レベルの関数である。その信号から、別の評価ステップにおいて、とりわけ光スポットの位置、その幅、平均強度等の測定情報を算出することができる。スイッチ信号の評価と光分布信号の評価は並行して又は同時に進行する。特に、光分布信号が並行して生成されているにも関わらず、レート又は速度の低下なしで常に最新のスイッチ信号が供給される。
【００１３】
本発明には、高速のスイッチングセンサの利点と光分布の頑強な測定とが単一の装置において組み合わされるという利点がある。換言すれば、高いスイッチング周波数を低下させずに物体又はエッジを検出しながら、同時に規則的且つ比較的低速で光分布が測定される。単なるスイッチングセンサと異なり、頑強且つ高速に供給されるスイッチ信号に同期して、受光器上のエネルギー分布に関する情報が測定、調整及び診断のために得られる。その際、ごく僅かな追加のコストしか必要とされない。同じ光学部品及び信号生成部品を利用し、単に評価機能を拡張するだけでよい。
【００１４】
好ましくは、発光器及び受光器が三角測量の配置を成す。すなわち、送出され、監視領域内で直反射又は拡散反射されて再び受光された光が、受光器上で、その時に検知された物体の距離に依存するずれ量を持つように、発光器及び受光器が三角測量の原理に従って互いに配置され且つ調整される。その際、好ましくは、スイッチ信号部が背景隠蔽型センサの原理に従ってスイッチ信号を生成する。これは、物体の存在に応じてスイッチングを行いつつも、特定の距離範囲の外にある物体からの受光信号を背景信号として隠蔽することでそのスイッチングを当該距離範囲内に限定する、ということを意味する。背景隠蔽若しくは背景隠蔽型センサの原理については冒頭で説明した。こうして、背景隠蔽を伴うスイッチ信号生成の機能に三角測量に基づく距離測定（変位）が追加され、機能が拡張される。言い換えれば、背景隠蔽機能を備える反射型光センサと距離又は変位の測定センサとが同一のセンサにおいて実現される。
【００１５】
好ましくは、光分布測定部が、距離測定部として、光分布信号から距離を測定するように構成される。この場合、光分布信号から光スポットのずれ量が検出され、そのずれ量から被検知物体の距離に対応する正確な測定値が三角測量の原理により算出される。前記距離は、受光スポットの位置を特定するための量（重心や中央値等）を求めた後、三角測量に基づいて受光器上の位置を物体の距離に変換することで特定できる。光分布測定部への割り当ては何より純粋に機能的なものであって、場所的又は論理的に直接結びつけられた物的な実装は有利ではあるが必須ではない。つまり、前記評価が具体的にどの場所で行われるかは本センサにとって重要ではない。
【００１６】
スイッチ信号部は、光分布信号に基づいて、特に光分布信号から測定される距離に基づいて、近くの物体用の受光素子と遠くの物体用の受光素子との間に分離帯を確定するように構成されていることが好ましい。近くの物体とは、それが検出されたときにスイッチが入るような物体であり、遠くの物体は単なる隠蔽対象の背景となるに過ぎない。本センサは自ら距離を測定できるため、所望の距離に物体を提示して分離帯を教え込むことは非常に容易である。その他、センサが背景及び物体までの距離をそれぞれ測定し、両者の間に分離帯を設けてもよい。それを駆動中に更新することさえ考えられる。
【００１７】
好ましくは、スイッチ信号部に少なくとも、近距離にある物体から光を受けた受光素子の受光信号を統合して成る近接領域信号と、遠距離にある物体から光を受けた受光素子の受光信号を統合して成る遠隔領域信号とが供給され、該スイッチ信号部が、スイッチ信号の生成のために、閾値を用いて近接領域信号と遠隔領域信号との間の差を評価するように構成される。これは背景隠蔽型光センサの原理によりスイッチ信号を生成する具体的な方法である。「近接」及び「遠隔」という呼称は単に相対的なものと理解すべきであって、特定の絶対的な距離が、ある用途では近く、別の用途では遠いということがあり得る。三角測量の原理により、受光スポットは距離の変化とともに受光器上で移動するため、監視領域内における近接領域と遠隔領域の間の移行部は受光器上における１つの点に対応する。この移行部は分離帯とも呼ばれる。既に冒頭で述べたように、分離帯の位置は機械的又は電子的に変更できる。その際、分離帯は２つの物理的な画素（ピクセル）間の境界上に位置していてもよいが、それをサブピクセルの精度で定義することも考えられる。
【００１８】
本センサは、受光素子の受光信号のための第２の多数の処理チャネルを備え、該第２の多数が受光素子の数（第１の多数）よりも少ないことが好ましい。このようにすれば、１つのアナログ及びデジタル信号評価部が数個の受光素子により共用されるため、コストと所要スペースが削減される。特に、高価な信号処理を画素毎に別々に行うことは経済的にとにかく困難である。前記第２の多数は第１の多数よりも明らかに少ないことが好ましい。この場合、１００個程度又はそれよりはるかに多数の受光素子に対し、処理チャネルは数個かせいぜい１０個である。好ましい実施形態では３つ又は４つの処理チャネルで間に合う。
【００１９】
好ましくは、近接領域信号が少なくとも１つの近接用処理チャネルを通過し、遠隔領域信号が少なくとも１つの遠隔用処理チャネルを通過する。この形態では、２つの処理チャネルが近接領域及び遠隔領域に対して背景隠蔽のために特別に割り当てられる。もっとも、近接領域信号又は遠隔領域信号をそれぞれ複数の処理チャネルに配分することも考えられる。これにより、より好都合な制御やＡ／Ｄ変換時のノイズ特性の改善が可能となる。ただし以下ではこれを言葉の上では区別せず、代わりにそれぞれを常に近接用及び遠隔用処理チャネルとだけ呼ぶ。
【００２０】
近接領域信号用の受光素子と遠隔領域信号用の受光素子との間の分離帯上にある受光素子の受光信号がサブ処理チャネルを通過し、スイッチ信号部がサブ処理チャネルの信号をサブピクセル分解のために近接領域信号及び遠隔領域信号に比例的に付加することが好ましい。これは先に言及したサブピクセル分解を達成する１つの可能な方法である。分離帯はもはや受光素子間の物理的な境界には依存しない。その割り当て分は例えば、教え込みステップ等におけるスイッチング距離乃至は分離帯の位置の調整の際に確定される係数である。そして、近接領域乃至遠隔領域に対してサブ処理チャネルの適切な割り当て分が付加される。こうして、近接領域と遠隔領域の間の境界上にある画素がサブピクセルの精度で所望の分離帯位置において実質的に分割される。
【００２１】
少なくとも１つの受光素子の受光信号が測定用処理チャネルを通過し、光分布測定部が測定用処理チャネルの信号から光分布信号を生成することが好ましい。このようにすれば、距離測定用の独自の処理チャネルが得られる。
【００２２】
光分布信号を次々に積み上げるために、測定用処理チャネルを通過する前記少なくとも１つの受光素子が巡回的に切り換えられることが好ましい。このようにすれば、受光素子の一種の走査によって所望の位置分解能が達成される。切り換えは、例えば発光パルスが一定の測定繰り返し周波数で送出される際、その測定の繰り返しの枠内で行われることが好ましい。このように測定を高速で繰り返すことは、多くの実施形態において、高いスイッチング周波数を得るために元々行われている。各時点での結果、つまり測定用処理チャネルの信号は、バッファメモリ又はレジスタに格納され、そこでサイクルの進行とともに最新の光分布信号が生成されるようにすることができる。好ましくは、各時点で１つの受光素子の受光信号だけが測定用処理チャネルに供給されるようにする。なぜなら、そのようにすれば位置分解能が最大となり、サイクルが全ての受光素子を通過するからである。もっとも、両方の条件から外れてもよい。例えば、位置分解能が損なわれるものの、ｊ＞１個の受光素子を同時に測定用処理チャネルに供給したり、入れ子処理のように切り換えの際に受光素子をｊ＞１個ではなく１＜ｋ＜ｊ個ずつ先に進めたりするのである。受光素子の一部を飛ばして巡回してもよい。このようにすれば、可能性のある距離を含む一定の部分領域に測定が実質的に限定される。
【００２３】
より好ましくは、測定用処理チャネルがスイッチ信号部とも接続される。この場合、測定用処理チャネルを通過する受光信号を出力する前記少なくとも１つの受光素子は、該測定用処理チャネルにおいて、あたかも遠隔、近接又はサブ処理チャネルをも通過するかのようにみなすことができる。これにより、測定用処理チャネルが無いかのようにスイッチ信号を生成することができる。なぜなら、スイッチ信号部では引き続き全ての受光素子の受光信号が正しい割り当てで利用可能だからである。スイッチ信号部から見ると、測定用処理チャネルは、近接、遠隔又はサブ処理チャネルのうち、動的に切り替わる、つまり異なる受光素子に接続されるサブチャネルのような働きをする。
【００２４】
処理チャネルが、受光信号のアナログ及び／又はデジタル信号処理を行うように構成されていること、特に増幅器、均一光成分用のフィルタ、Ａ／Ｄ変換器、平滑フィルタ、及び／又は、周波数フィルタを備えていることが好ましい。このようにすれば、非常に頑強な検出が可能となる。処理チャネルの数は比較的少ないため、過大なコストをかけずに、より複雑な部品で処理を行うことができる。模範的な信号処理としては、アナログ部分では増幅や均一光成分（ＤＣ）の除去を行い、Ａ／Ｄ変換後ではＦＩＲフィルタ等の別のデジタルフィルタを設ける。これにより、スイッチ信号の生成の高速性が高い頑強性と結合される。
【００２５】
平滑フィルタ及び／又は周波数フィルタは、少なくとも二次、つまり次数ｍが２以上であるＦＩＲフィルタであることが好ましい。これは、該ＦＩＲフィルタが少なくとも３つ（２＋１＝３）のサンプリング点を持つことを意味する。例えば、最も簡単な場合、それはＯ−Ｓ−Ｏ（背景−信号−背景）方式となる。より次数を高くしてＯ−Ｓ−Ｏ−Ｓ−Ｏ…の交替を続けることも可能である。信号部分のサンプリング点は特に光パルスを繰り返し送出してそれに対応する受光信号をサンプリングすることにより、また背景部分のサンプリング点はその中間でサンプリングすることにより得られる。信号を異なる方法でフィルタリングする２つ以上のフィルタを互いに並行して作動させてもよい。
【００２６】
本センサは受光素子をそれぞれ１つの処理チャネルに接続する多重化部を備えていることが好ましい。これにより、どの受光素子がどの処理チャネルに所属するかを割り当てることができる。そして、受光素子を１つの近接又は遠隔用処理チャネル、また該当する場合にはサブ処理チャネルに接続することにより、分離帯の調整及び変更を行うことができる。割り当てを容易に変更できるように、多重化部がプログラム可能であればより好ましい。
【００２７】
本センサは、スイッチ信号を出力するためのスイッチ出力と、光分布信号及び／又は該信号から導出された測定量を出力するためのインターフェイスとを備えていることが好ましい。スイッチ出力は物体又はエッジ検出の二値的な結果を高いスイッチング周波数で出力することができる。同時に、アナログ式又はデジタル式のインターフェイスを通じて、多くの場合はより低速で光分布信号又は該信号からの導出量を伝送することができる。その際、光分布信号のためのより低速な測定プロセスと並行して、最新のスイッチ信号が、特に測定の繰り返し毎に用意される。
【００２８】
光分布測定部は、光分布信号から、レベル、拡散反射値及び／又は光スポット幅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、好ましくは連続的な評価により、元々は受光器上での強度分布を表すだけである光分布信号から、大抵は該信号よりもユーザにとって興味深い測定量が得られる。光分布信号の総和又は積分が全体のレベルの尺度となる。そして、三角測量の配置の場合にはそれが既知又は特定可能な距離での物体の拡散反射の尺度となる。光スポット幅は、反射に指向性がある光沢性の物体の場合に非常に小さくなるため、その幅から光沢特性に関する有意な情報を導き出すことができる。光分布の対称性は物体のコントラストに関する情報を含んでいる。
【００２９】
光分布測定部は、スイッチ信号に従って、前景に対応する第１の光分布信号又は背景に対応する第２の光分布信号を測定するように構成されていることが好ましい。具体的には、受光素子の受光信号、特に測定用処理チャネルの受光信号が、最新のスイッチ状態に従って、それに対応する光分布信号のためにのみ利用される。そのためには、２つの光分布信号に対して２つの異なるバッファメモリ又はレジスタを設ければよい。その結果、光分布信号又は位置分解された光分布が、物体のある場合乃至は前景に対応する場合と、物体の無い場合乃至は背景に対応する場合とで区別される。
【００３０】
特に好ましくは、前記２つの光分布信号がそれぞれ作動中の光分布信号と非作動中の光分布信号とに更に区別される。というのも、作動中の光分布信号を測定している間にスイッチ信号の状態が切り換わると、前景と背景の測定結果が混ざって出力されるが、この結果は十分に信頼できない。そこで、この実施形態ではその結果が破棄され、更に、それより前の完全な検出結果から該当する非作動中の光分布信号が取得され、後段での評価及び出力のために利用される。作動中の光分布信号が完全に検出されたら、それがその後の非作動中の光分布信号としても利用される。
【００３１】
本センサが拡散性の第２の光源を備え、光分布測定部が拡散性の照明の下で背景の光分布信号を記録し、それを用いてその後の測定を補償するように構成されていることが好ましい。これにより、特に背景にある光沢性の物体又は平面を見つけ出すことができる。駆動中にもその物体又は平面から妨害的な反射が到来する恐れがある受光素子については、評価の際にその信号を適宜抑制して計算に入れることができる。
【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。そのような有利な特徴は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、それらに限定されるものではない。
【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】三角測量の配置である光電センサの概略断面図。
【図２】画素分解された受光器の概略図であって、背景隠蔽のための処理チャネルへの分割を説明するための図。
【図３】図３に示した画素分解された受光器の概略図であって、距離測定のための測定用処理チャネルへの割り当てを説明するための図。
【図４】スイッチ信号の生成と距離の測定を並行して行うための評価部のブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は三角測量の配置である光電センサ１０の概略断面図である。典型的な応用例はベルトコンベア等に載って横から入ってくる物体に対する高速な物体及びエッジ検出であるが、これに限られない。以下、まず三角測量の配置であるセンサ１０を対象として本発明を説明し、その後に別の実施形態を対象として説明する。
【００３６】
発光器１２が光線形成用の発光光学系１４を通じて監視領域１８へ光線１６を送出する。光線１６が物体２０に当たると、発射光線の一部が拡散反射又は直反射された光線２２としてセンサ１０へ戻ってくる。受光光学系２４がこの拡散反射された光線２２を受光し、受光器２６上へ導く。この受光器で入射光が電気的な受光信号に変換される。受光器２６は多数の画素（ピクセル）又は受光素子２８、特にフォトダイオードを有している。この受光素子２８は列状の配置を成しているが、別の実施形態では行列状又は他の形状の配置にしてもよい。
【００３７】
三角測量の配置であることから、図１に示した本実施例では発光器１２及び発光光学系１４の位置が受光器２６及び受光光学系２８に対してずれており、更に受光素子２８の配置が発光器１２と受光器２６とを横に結ぶ方向に沿っている。このため、破線で示したような近くの物体２０から拡散反射された光線２２は、実線で示したような遠くの物体２０から拡散反射された光線２２とは別の（図１ではより上方の）受光素子２８に入射する。従って、一又は複数のどの受光素子２８が受光スポットを検出しているかによって該受光スポットの位置（ずれ量、オフセット又は変位ともいう）が表され、それが物体の距離の尺度となる。
【００３８】
評価部３０が発光器１２の制御ために該発光器と接続され、また受光素子２８の電気的な受光信号を更に評価するために受光器２６と接続されている。評価部では、スイッチ信号部３２において、背景隠蔽の下での物体２０の存在に応じて物体確認信号が算定され、スイッチ出力３４へ出力される。これと並行して、光分布測定部３６（本実施例では特に距離測定部として構成してもよい）において、受光素子２８上での強度分布を捕らえた光分布信号が測定される。光分布信号又は該信号から導出される測定量はインターフェイス３８に出力される。評価部の実施形態については後でより詳しく説明する。
【００３９】
図２は受光器２６の概略平面図である。図１とは異なり、受光器２６は紙面から外へ出ており、また紙面内で時計回りに９０度回転している。背景隠蔽のため、近接領域と遠隔領域との間に分離帯４０が定められている。分離帯より左側の受光素子２８は近接領域４２に、また右側の受光素子２８は遠隔領域４４に割り当てられている。分離帯４０がある移行部４６上の受光素子２８はサブピクセルの精度で分離帯４０を定めるために特別に扱うことができる。あるいは、単に分離帯４０を受光器２８の間の境界上に配置してもよい。
【００４０】
図３は受光器２６の別の概略平面図である。この図は同じ受光器２６を単に別の文脈において見たものである。特定のグループ又は領域への割り当ては、受光器２６そのものではなく、後段の信号処理部及び評価部に関係している。図２は背景隠蔽を説明するものであるのに対し、図３は距離測定を説明するものである。距離測定のために受光素子２８ａがそれぞれ選択され、信号が読み出される。あるいは、位置分解能は低下するものの、ｊ＞１個の受光素子から成るより大きなグループを選択してもよい。測定の繰り返し又は信号の読み出しの度に、矢印で示したように選択位置がずらされる。こうして、連続的に選択される全ての受光素子２８ａの位置分解された強度から成る光分布信号又は距離測定信号が次々に得られる。このようなサイクル１回で全ての受光素子２８を包含することが好ましいが、その一部を選択すること、つまり電子的に距離領域を選択することも考えられる。このように、光分布信号を得るにはいわば受光器２６の走査が必要であるが、これは比較的低速である。一方、図２に示したスイッチ信号の生成では読み出しステップ毎に最新のスイッチ信号が出力される。
【００４１】
図４は評価部３０の実施形態のブロック図である。この評価部は、既に言及したスイッチ信号部３２と光分布測定部３６の他に多重化部４８と複数の処理チャネル５０１〜５０ｎ、５０ｍを備えている。多重化部４８は入力側で受光素子２８に接続され、出力側で処理チャネル５０１〜５０ｎ、５０ｍに接続されている。処理チャネル５０１〜５０ｎのｎ個の出力信号はスイッチ信号部３２に供給される。少なくとも１つの別の処理チャネル５０ｍの出力信号は光分布測定部３６に供給され、好ましくはスイッチ信号部３２にも供給される。
【００４２】
多重化部４８は、例えばプログラム可能なスイッチの行列を備えており、受光素子２８の各グループを束ねて処理チャネル５０１〜５０ｎ、５０ｍのうちの１つに結合する。なお、１つのグループが１個の受光素子２８から成っていてもよく、特に前記別の処理チャネルに対してはむしろそれが好ましい。多重化部４８の柔軟性は、処理チャネル５０１〜５０ｎに関して分離帯を調整可能とする上で役立つ。分離帯を固定したり機械的に調整したりする場合、このような目的での多重化は絶対に必要というわけではない。
【００４３】
処理チャネル５０１〜５０ｎ及び５０ｍは図示せぬアナログ及び／又はデジタル信号処理部を備えていることが好ましい。これはとりわけ、日光及び人工光源により生じる周辺光を有効光からできるだけ完全に分離する上で役立つ。そのためには、異なる周波数成分を多段階で電子的に除去すればよい。例えば、電子的なスイッチング電源を備えるＬＥＤライトの光は数百ｋＨｚの周波数領域までノイズ信号を生じさせる。故に、それより高い、例えば１ＭＨｚというサンプリングレートで受光信号をデジタル化した後、デジタルフィルタでノイズ周波数を除去することが有効である。具体的な実施形態として、低周波数のフォトダイオード電流（DC-Loop）を除去するためのフィルタと、電流電圧変換器（トランスインピーダンス増幅器、TIA）と、Ａ／Ｄ変換器と、ＦＩＲフィルタ等のデジタルフィルタとを設けることができる。実施形態によってはこれらの素子の一部だけが設けられる。
【００４４】
以上のように、処理チャネル５０１〜５０ｎ、５０ｍはそれぞれ、割り当てられた受光素子から供給される受光信号に応じて、迷光に非常に強い出力信号を生成することができる。各受光素子に対してそれぞれ個別のＡ／Ｄ変換器を備える従来の距離測定システムはそれに匹敵する信号処理なしで対処しなければならず、ノイズへの耐性が低い。
【００４５】
制限的なものと理解すべきではない説明的な数値例として、１２８個の受光素子２８とスイッチ信号生成用の３つの処理チャネル５０１〜５０ｎが設けられているとする。これにより、サブピクセルの精度で電子的に調整可能な分離帯４０を用いた背景隠蔽を、非常に高い分解能と、非常に良好な対ノイズ信号耐性と、高いスイッチング周波数とで実現できる。別の例では、処理チャネル５０１〜５０ｎの１つと、サブピクセルの精度での分離帯４０の調整とを放棄する。そして、処理チャネル５０１を近接領域に、処理チャネル５０２を遠隔領域にそれぞれ割り当てる。より多数の処理チャネル５０１〜５０ｎを用いて処理を行うことも有利である。そうすれば、拡散反射された発射光線のエネルギーがより高い強度で分配されるため、状況によっては、より好都合な制御やＡ／Ｄ変換器のノイズ特性の改善につながるからである。
【００４６】
スイッチ信号部３２は、処理チャネル５０１〜５０ｎからの出力信号を利用して、適宜の数学的演算と評価を行うことにより物体確認信号を生成し、スイッチ出力３４に供給する。そのために、例えばスイッチ信号がＱ：＝（（Ｎ−Ｆ）＞ｔｈｒｅｓｈ）で定義される。ここで、Ｎは近接領域に割り当てられた処理チャネル５０１〜５０ｋの総和、Ｆは遠隔領域に割り当てられた処理チャネル５０ｋ＋１〜５０ｎの総和、ｔｈｒｅｓｈは調整可能な閾値であって、通常はほぼゼロであるが、ヒステリシスを示すこともある。これは三角測量に基づく背景隠蔽型センサの典型的なスイッチ信号に相当する。
【００４７】
分離帯をサブピクセルの精度で設定可能にするため、言い換えれば、スイッチング点の幾何学的な分解能をより高めるために、追加の処理チャネル５０ｉが用いられる。このチャネルは、近接領域と遠隔領域の間の移行部４６上にある唯一の受光素子２８に接続されており、サブピクセルの補間に用いられる。この場合、スイッチの状態は、先の等式を修正した式、Ｑ：＝（Ｎ＋ａＶ−Ｆ＞ｔｈｒｅｓｈ）により与えられる。ここで、ａは１と−１の間の係数であって、スイッチング点の調整時に確定される。Ｖは追加の処理チャネル５０ｉの出力信号を表している。
【００４８】
前記少なくとも１つの別の処理チャネル５０ｍは多重化部４８を用いて受光素子２８の１つに可変的に割り当てられる。そのために、例えば、１サイクル中に受光素子２８を連続的に通過するカウンタ「ＰＤ  Ｉｎｄｅｘ」が設けられる。各時点での切り換えは測定の繰り返しと連動させることができる。そのために、特にパルス発生器、電源、発光器１２のＬＥＤ又はレーザダイオードを用いて、単一パルス又はパケット状の光パルス群が繰り返し生成される。好ましくは、ＰＤ  Ｉｎｄｅｘが、隣接する全ての受光素子２８を順次通り抜ける。ただし、順序の変更、受光素子２８の省略によるステップの拡大、別の処理チャネル５０ｍへの複数の受光素子２８の割り当て、及び／又は、受光素子２８の一部領域への限定を行うことも考えられる。
【００４９】
前記別の処理チャネル５０ｍの出力信号は光分布測定部３６においてレジスタ等に保存され、そこで光分布信号が連続的に積み上げられる。同時にその出力信号をスイッチ信号部３２にも供給することができる。これは、該当する受光素子２８の位置に応じて、その所属先であるいずれかの処理チャネル５０１〜５０ｎに、例えば加算によってそのまま上積みすればよい。このようにすれば、スイッチ信号の生成が、別の処理チャネル５０ｍを通じた追加的な検出及び光分布又は距離の測定による影響を全く受けずに済む。これは単に、各時点における受光素子２８のうちの１つの信号が、近接又は遠隔領域チャネル５０１〜５０ｎを通じた通常の経路ではなく、別の処理チャネル５０ｍを通じた特別な経路を通るに過ぎないからである。
【００５０】
こうして、頑強性の高いスイッチ信号が、同時に且つ高い繰り返しレートで、つまり測定の繰り返し毎又は発射パルス毎に１回ずつ生成される。背景隠蔽機能を備える従来の反射型センサに比べて頑強性やスイッチング周波数の点で何ら損失はなく、しかも、測定レートは低いにせよ、完全な光分布信号が同時に集積され、その信号を解析して更に別の測定量を得ることができる。特に、受光器２６上におけるこのデジタル化された光スポット分布から光スポットの位置を求め、物体２０の距離を算出することができる。別の実施形態では、スイッチ信号が各発射パルスからではなく複数の繰り返し測定の論理演算から導出される。前記別の処理チャネル５０ｍはそれと並行して、好ましくは測定の繰り返し毎に、別の受光素子２８を評価するが、これと異なるやり方にしてもよい。
【００５１】
好ましい実施形態では、多重化部４８のスイッチ行列に対応するデータがシフトレジスタを通じて利用できる。画素毎に２ビットの幅（近接、サブピクセル、遠隔又は「外部」を表す）を持つ第１のシフトレジスタがスイッチ信号の生成のためのスイッチ行列を決める。画素毎に１ビットの幅を持つ第２のシフトレジスタが、当該画素が測定用処理チャネルに接続されているか、第１のシフトレジスタによる設定通りに接続されているかを決める。第１のシフトレジスタが保持する値は「１」が１つのみで他は「０」であることが好ましい。第１のシフトレジスタはスイッチング点の調整時に１度だけ書き込まれ、第２のシフトレジスタは測定の繰り返しの度にカウンタ「ＰＤ  Ｉｎｄｅｘ」に合わせて先に進められる。
【００５２】
光分布信号の検出の間に物体の距離が変わることがあり得る。そうすると異なる物体距離が平均されることになる。多くの使用状況、つまり物体が固定的な背景の手前で一定の距離で横から入ってきて通り過ぎる場合、物体距離は常に２通りしか生じない。そのため、有利な発展形態として、２つの光分布信号、つまり前景に対応する光分布信号と背景に対応する光分布信号を区別し、それらのために光分布測定部３６内に２つのメモリ又はレジスタを前置するようにしてもよい。
【００５３】
その場合、前記別の処理チャネル５０ｍの出力信号は、スイッチ状態に応じて前景又は背景に対応する光分布信号を検出するために利用される。物体が検出されていないとき、即ちＱ＝０のときは背景に対応する光分布信号が検出され、逆に物体が検出されているとき、即ちＱ＝１のときは前景に対応する光分布信号が検出される。このようにすると、背景に対応する光分布信号はまさにスイッチ状態「オフ」のときの光分布、つまり背景の様子を表し、前景に対応する光分布信号はスイッチ状態「オン」のときの光分布、つまり物体の様子を表す。
【００５４】
光分布信号の検出の間にスイッチ状態が変わることもあり得る。その場合、光分布信号は不完全なものとなり、その平均を取るとやはり不都合が生じる。故に、所定の時間窓の枠内でスイッチ出力の変化が生じたような光分布信号は一貫性のないものとして破棄することが好ましい。それでも少なくともほぼ最新の光分布信号を利用できるように、光分布信号用のメモリ又はレジスタを更に「作動中」と「非作動中」に二重化することが有意義である場合があり得る。その後の評価及び出力には非作動中のメモリから光分布信号をその都度読み出して利用する。スイッチ状態の変化がない新たな光分布信号が求められたら、それを非作動中のメモリに移すか、作動中と非作動中のメモリの役割を入れ替える。
【００５５】
光分布測定部３６は、各時点での光分布信号を更に、特に連続的に処理して、評価結果をインターフェイス３８に供給又は表示することができる。これに該当するのはまず距離の測定である。この測定では、光分布信号の中央値又は受光スポットの位置を示す他の量（例えば重心）を算出し、その量から三角測量法により物体の距離を導き出す。他の測定量が興味を引くこともあり得る。例えば、光分布信号の総和又は積分は物体の発光を表す尺度となる（特に距離情報と組み合わせた場合）。光分布信号内での光スポット分布の幅からは物体表面の光沢に関する有意な情報が得られる（これも、特に距離情報と組み合わせた場合）。分布の対称性は物体のコントラストの尺度として利用できる。
【００５６】
好ましい発展形態では、光分布測定部３６の出す結果がスイッチング閾値の調整のために利用される。また、分離帯４０を最適に調整するために、特に前景及び背景に対応する２つの光分布信号が参照される。これは教え込み段階（ティーチイン）に適用される他、駆動中に更新を行う場合にも適用される。
【００５７】
別の有利な実施形態では物体２０とその周囲が拡散性の第２の光源により照明される。この場合、光分布信号は背景に対応する角度分布の視界を含む。反射性の金属表面や板のように光沢の強い物体が背景にあると物体検出が妨害される恐れがあるが、このような物体は高レベルの信号を生じさせるため、後続の評価ステップ又は教え込みプロセスにおいて、例えば該当の受光素子２８の信号の抑制や完全な遮断を通じてそれを計算に入れることができる。
【００５８】
ここまで、多くの箇所で背景隠蔽型センサに立ち戻って本発明を説明してきたが、本発明はそれ以外の他のセンサでも広く利用できる。例として、列状の配置又は行列状の配置のいずれかを問わず多数の受光素子２８を備える受光器２６の使用に基づく、複数の評価領域を有する光断面センサ、帯状光センサ、又は、反射型光遮断機が挙げられる。また、三角測量の配置を選択してもよいが、本発明はそれに限定されない。
【００５９】
このようなセンサにおいて、スイッチ信号を補うために、光分布信号を利用して現前の検出状況を評価することができる。例えば、光沢性の物体は拡散反射特性に指向性があるため、受光器２６上に一又は複数の小さな光スポットを生じさせるが、それらは光分布信号内で極大として認識可能である。
【００６０】
冒頭で簡単に触れたように、センサのなかには受光器２６上に一又は複数の活性領域が定められたものがある。例えば、このようなセンサは、単に粗く機械に調整された後、受光スポットがどこにあるかが教え込まれる。そして、該当する受光素子２８が選択され、物体確認のためにまとめて評価される。これは、複数の活性領域と複数のスイッチ信号又は物体確認信号を持つ複数チャネル型の系でも同様に機能する。光分布信号は領域を確定するために必要不可欠な情報をもたらす。この情報は、例えば温度によるドリフトを補償するために、センサの駆動中に更新することさえできる。
【００６１】
測定対象の光スポットに活性領域を適合させるのとは逆に、隠蔽領域が存在していてもよい。この領域は、例えば搬送ベルトを隠蔽するために固定されていてもよいし、迷光等により動的に形成されてもよい。光分布信号を利用して、予め及び駆動中にそのような領域の確定、適合化及び更新を行うことができる。
【００６２】
光分布信号の評価の別の例として前面パネルの汚れに関する評価が考えられる。前面パネルは通常、センサケーシングのうち光が通過する領域を塞いでいる。その汚れが増すとセンサ内で反射される散乱光が増加し、全ての受光素子２８の信号レベルがある程度一様に上がる。これが言わばノイズレベルとなるため、それによって汚れを認識し、適宜の警告信号又はメンテナンス信号を出力することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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