(57)【要約】      （修正有）【課題】多光線システムを簡素化し改良した、監視領域内の物体を検出するための光電センサを提供する。【解決手段】監視領域２０内の物体を検出するための光電センサ１０は、それぞれ１つの発光点から発する複数の互いに分離した光線２６を送出するための少なくとも１つの発光器２２と、送出光線２６のための共通の光学系２４と、物体により反射されてそれぞれ１つの受光点に入射する反射光線２８からそれぞれの受光信号を生成するための少なくとも１つの受光器３２と、反射光線２８のための共通の受光光学系３０と、受光信号から物体に関する情報を得るための評価ユニット４０とを備える。そして、発光点が第１の円周上に配置されている、及び／又は、受光点が第２の円周上に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視領域（２０）内の物体を検出するための光電センサ（１０）であって、それぞれ１つの発光点（２２ｂ）から発する複数の互いに分離した光線（２６）を送出するための少なくとも１つの発光器（２２）と、前記送出光線（２６）のための共通の光学系（２４）と、物体により反射されてそれぞれ１つの受光点（３２ｂ）に入射する反射光線（２８）からそれぞれの受光信号を生成するための少なくとも１つの受光器（３２）と、前記反射光線（２８）のための共通の受光光学系（３０）と、前記受光信号から前記物体に関する情報を得るための評価ユニット（４０）とを備えるセンサ（１０）において、
前記発光点（２２ｂ）が第１の円周（４４ａ）上に配置されていること、及び／又は、前記受光点（３２ｂ）が第２の円周（４４ｂ）上に配置されていることを特徴とするセンサ（１０）。
【請求項２】
前記第１の円周（４４ａ）が前記発光光学系（２４）の光学的な中軸を中心としている、及び／又は、前記第２の円周（４４ｂ）が前記受光光学系（３０）の光学的な中軸を中心とし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】
前記第１の円周（４４ａ）の平面（４６）が前記発光光学系（２４）の光学的な中軸に垂直である、及び／又は、前記第２の円周（４４ｂ）の平面（４６）が前記受光光学系（３０）の光学的な中軸に垂直であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ（１０）。
【請求項４】
前記発光点（２２ｂ）が前記第１の円周（４４ａ）上に均等に配分されている、及び／又は、前記受光点（３２ｂ）が前記第２の円周（４４ｂ）上に均等に配分されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの発光器（２２）が、３本、５本、又はそれより多くの光線（２６）を生成すること、又は、前記少なくとも１つの発光器（２２）が４本の光線を生成し、前記発光点（２２ｂ）及び／又は前記受光点（３２ｂ）が正方形又は長方形ではない配置になっ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】
多数の発光器（２２ａ）、特に発光点（２２ｂ）毎に１つの発光器（２２ａ）を備えている、及び／又は、多数の受光器（３２ａ）、特に受光点（３２ｂ）毎に１つの受光器（３２ａ）を備えていること特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項７】
前記発光器（２２）及び／又は前記受光器（３２）が、底面、特に長方形又は正方形の底面を有する部品であり、該底面が少なくとも部分的に円周（４４ａ〜ｂ）の１つの直径に対して又は互いに対して捻転した位置にあることを特徴とする請求項６に記載のセンサ（１０）。
【請求項８】
前記発光器（２２）に、その光を複数の送出光線に分割するために光線分割素子が割り当てら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）。
【請求項９】
前記発光器（２２）が、１本の光線を運動させることにより、複数の互いに分離した光線（２６）を複数の発光点（２２ｂ）、特に全ての発光点に向けて次々に生成するように構成され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】
前記受光器（３２）が位置分解されており、前記受光点（３２ｂ）に複数の活性領域を備えていること、又は、
前記受光器（３２）が複数又は全ての受光点（３２ｂ）をカバーする感光素子（３２ａ）を１つだけ備えており、前記発光器（２２）が、各時点において複数の送出光線（２６）のうち１本だけが作動状態であるような多重化を行うように、又は符号化を行う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】
前記発光器（２２）と前記受光器（３２）が同軸配置であり、前記発光光学系（２４）と前記受光光学系（３０）が共通の光学系に統合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】
前記発光光学系（２４）及び／又は前記受光光学系（３０）がレンズ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１３】
レーザスキャナとして構成され、可動式の偏向ユニット（１２）を備え、該偏向ユニットを介して前記送出光線（２６）が周期的に監視領域（２０）を通過するように導かれ、特に前記偏向ユニット（１２）が回転可能な走査ユニット（１２）の形で構成され、該走査ユニットに少なくとも前記発光器（２２）が収納され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）。
【請求項１４】
前記評価ユニット（４０）が前記光線（２６）の送出から前記反射光線（２８）の受光まで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（２０）内の物体の検出方法であって、複数の互いに分離した光線（２６）がそれぞれ１つの発光点（２２ｂ）から発して共通の発光光学系（２４）を通じて送出され、物体により反射されて受光光学系（３０）を通過した後にそれぞれ受光点（３２ｂ）に入射する反射光線（２８）からそれぞれの受光信号が生成され、前記物体に関する情報を得るために前記受光信号が評価される方法において、
前記発光点（２２ｂ）が第１の円周（４４ａ）上に配置されていること、及び／又は、前記受光点（３２ｂ）が第２の円周（４４ｂ）上に配置されてい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】
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。
【０００３】
単一光線式の光検知器の測定領域を広げるために、まず、レーザスキャナで行われるように光線を動かすことが考えられる。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監視領域内での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。
【０００４】
測定範囲の拡大と追加の距離データの取得を行う別の可能性として、複数の走査光線で複数の測定点を同時に検出することが挙げられる。これをレーザスキャナと組み合わせることもできる。そうすれば、単一の監視平面だけでなく、多数の監視平面を通じて３次元空間領域が捕らえられる。大抵のレーザスキャナでは走査運動が回転ミラーによって達成される。ただし、まさに複数の走査光線を用いる場合については、例えば特許文献１に記載されているように、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従来技術で知られている。
【０００５】
原理的には、単一光線式の装置の部品を重複させることで複数の走査光線を生じさせることができる。しかしそれは不必要にコストがかかり、また複雑である。そこで、従来技術として、同じ部品を多重的に利用するというアプローチがある。例えば特許文献２では、複数の発光器の走査光線が１つの共通の発光光学系を通じて生成され、所望の方向へ偏向される。しかしそうすると別の問題が生じる。なぜならその場合、その発光光学系は光軸と正確に位置が合っていない物体点の像も鮮明に結ばなければならないからである。言い換えると、発光光学系が０度より大きい画角にも対応できなければならない。これは、光学系を簡素に保ち、好ましくは単独レンズだけで済ませるという要求に反する。なぜなら、単独レンズには不可避的に結像誤差があるからであり、ここでは特にその画像フィールドの湾曲が重要である。
【０００６】
打開策として、画像フィールドの湾曲を小さく維持するために画角を０度に近い値に制限することが考えられる。しかしそうすると、同じ光学系では複数の走査光線を密に配置することしか実現できない。数度という有意義な角度間隔で画角を５度未満にした場合、共通の光学系では高々２本又は３本の走査光線しか利用できない。より多くの走査光線で、例えば３０度というより広い測定領域を得るにはやはり複数の光学系が必要である。
【０００７】
一方、簡素な光学系を諦めて、結像誤差を軽減する複数のレンズから成る対物系を利用することも考えられる。これは明らかに高価になる上、それ自体の調整が必要である。また、達成可能な口径比がより小さくなることがほとんどである。なぜなら、対物系を用いて２未満のＦ値を達成することはとにかく難しく、せいぜい３程度のＦ値にしか達しないからである。ところがそうなると受光開口が小さくならざるを得ず、よって装置の射程が短くなる。これに対し、典型的な単独レンズのＦ値は１にもなり得る。
【０００８】
特許文献３では、発光器又は受光器を有する面を効果的に湾曲させることが提案されている。これは本来の光学素子から独立した追加的な最適化の自由度を生み出すが、追加の部品又は追加的な加工が必要である。
【０００９】
特許文献４は、レーザスキャンシステムを開示している。一実施形態では、プリクラッシュ情報を取得するために４つの追加的なレーザ発光器が設けられている。しかし、これらのレーザ発光器はそれぞれ専用の光学系を用いている。
【００１０】
特許文献５に記載のレーザスキャナでは４つのＶＣＳＥＬレーザダイオードが発光器として用いられている。ところがそれは多光線システムに関するものではない。というのも、４つのＶＣＳＥＬレーザダイオードは実際には共通の走査光線を１本しか生成せず、それに応じて受光器も１つしかないからである。また、共通の発光光学系も設けられていない。
【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】DE 10 2015 121 839 A1
【特許文献３】EP 3 182 153 A1
【特許文献４】DE 101 143 62 C2
【特許文献５】EP 2 381 268 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、前述した種類の多光線システムを簡素化すること及び改良することである。
【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。本発明に係るセンサは、少なくとも１つの発光器を用いて複数の光線をそれぞれ１つの発光点から送出する多重式センサである。各発光点は実質的に発光器であり、そこから各々の送出光線が出て行くが、これらの発光点に物理的な発光器が存在することは差し当たり絶対に必要というわけではない。代わりに、いくつかの実施形態では、後でまた説明するように、１つの物理的な発光器でも複数の送出光線を複数又は全ての発光点で生成することができる。また、送出光線は、より大きな光束の内部にある光線という光線光学的な意味での光線と理解すべきではなく、互いに分離した光束、つまり、監視領域内で物体に当たったときに互いに間隔を空けた別々の光スポットをそれぞれ生成する個別化された走査光線と理解すべきものである。
【００１４】
少なくとも１つの受光器が、物体の表面で反射されてそれぞれの受光点に当たる様々な方向からの反射光線から、それぞれの受光信号を生成することができる。発光点について述べたのと同様、各受光点は実質的に受光器であるが、各受光点にそれぞれ１つの受光器が物理的に存在している必要はない。こうして生成された受光信号が、物体に関する情報を得るために評価される。
【００１５】
送出光線は共通の発光光学系を通過する。この光学系は、例えば、各送出光線が所望の形状になるように、互いに明確に分かれるように、又は特定の放射方向を向くようにするものである。複数の反射光線及びそれらの共通の受光光学系についても同様である。
【００１６】
本発明の出発点となる基本的な考え方は、発光点を第１の円周上に配置すること及び／又は受光点を第２の円周上に配置することである。これは、特にレーザスキャナにとっては一見すると不合理に思われる。なぜなら、そこでは単純な線上の一次元的な配置で十分であり、それを回転運動させれば多数の平面が走査されるからである。しかし、円周にすることで、冒頭で述べた結像誤差を小さくして画像フィールドの湾曲を事実上消すことができる。なお、円周は全ての光線をカバーしている必要はなく、むしろ、多数の光線を用いるモジュール式の構成になったセンサにおいては、同じくモジュール式に複数のグループを形成し、各グループが別々に少なくとも部分的に発光点又は受光点から成る円周を形成する、というようにしてもよい。
【００１７】
本発明には、光学系が非常に簡素であるにも関わらず、広い範囲で画像フィールドの湾曲による制約なしで画角を大きくし、光線の間隔を大きくできるという利点がある。例えば、単独レンズでも、高品質であれば±１０度以上の画角領域が利用可能になり、その分だけ光線の数を増やしたり、間隔を大きくしたりできる。より大きな角度範囲（例えば３０度）をカバーするには、ごく少数の発光モジュール又は受光モジュールがあれば足りる。光線同士の間の角度が同じであれば、はるかに小さい発光スポット及び受光スポットが生成される。これにより、調整の精度と光の損失に関する要求が緩和されるため、射程の延長、検出器の小型化、周波数帯域幅の拡大が可能になる。個別の光学系に比べて、共通の光学系は大型でもあるため、公差をより良好に補償することが可能である。例えば、温度感受性を持つＶＣＳＥＬ型光源の場合、発散角の揺らぎや出力の揺らぎを小さくすることができる。
【００１８】
好ましくは、第１の円周が発光光学系の光学的な中軸を中心としている、及び／又は、第２の円周が受光光学系の光学的な中軸を中心としている。言い換えると、各光学系の光学的な中軸が円周の円の中心を通っている。そうすれば、光学系が通常の回転対称的な特性を持っている場合に各光線がそれぞれ同じ光線形成作用及び偏向作用を受ける。従って本発明では、画像フィールドの湾曲作用が非常に小さい光学系を作り出すことを目標とする必要は全くないし、まさに単独レンズの場合にはそれはいずれにせよ物理的に不可能である。むしろ、環状の配置の効果は、各光線が同じ結像誤差を基礎としているということ、乃至は、円周に応じて、まさに１つの重要な画角だけのために光学系を最適化できるということである。
【００１９】
好ましくは、第１の円周の平面が発光光学系の光学的な中軸に垂直である、及び／又は、第２の円周の平面が受光光学系の光学的な中軸に垂直である。原理的には前記平面を傾けることも考えられる。シャインプルーフの条件により、それは発光側と受光側で同じように行う必要がある。その場合、発光点乃至は受光点の配置を光学的な中軸に沿って見ると、実際には必ずしも円にはならず、場合によっては楕円になる。これも基本的には本発明でいうところの円周上の配置である。なぜなら、物理的な位置は依然として円の上にあるからである。しかし、平面を垂直にする場合に比べて、光学的な特性の点では全体的に不利である。
【００２０】
好ましくは、発光点が第１の円周上に均等に配分されている、及び／又は、受光点が第２の円周上に均等に配分されている。発光点又は受光点が正ｎ角形を成すこのような均等な配置は、特に走査光線の間の角度間隔を同一にする上でより扱いやすい。ただし、円周上での配分を不均等にすることもなお可能であり、それでもなお走査光線の間に同じ角度間隔を設定することが決して排除されるわけではない。
【００２１】
前記少なくとも１つの発光器は、３本、５本、又はそれより多くの光線を生成することが好ましい。それに応じて３つ、５つ、又はそれより多くの発光点、反射光線及び受光点がある。否定的な言い方をすれば、前記の数は２又は４ではない。５より大きい有利な数のなかでは、６、８又は１６が特に有利な数として挙げられる。繰り返しになるが、この数は、複数の発光モジュール／受光モジュールを１つのセンサの組み立てに利用できる場合の当該モジュールの数を指すものであってもよい。その場合、走査光線の総数は組み立てに利用されたモジュールの数から積算されるため、より多くの数になり得る。
【００２２】
好ましくは、前記少なくとも１つの発光器が４本の光線を生成し、発光点及び／又は受光点が正方形又は長方形ではない配置になっている。ここでは正確に４という数を意味しており、最小値のことではない。前の段落と合わせて、光線の数つまり発光点又は受光点の数は４以外であること又は４であれば正方形でも長方形でもない配置であることが好ましい、というように条件を組み合わせて表現することができる。
【００２３】
好ましくは、本センサが多数の発光器又は光源、特に発光点毎に１つの発光器を備えている、及び／又は、多数の受光器又は受光素子、特に受光点毎に１つの受光器を備えている。つまり、送出光線は、仮に全てではなくでも、少なくとも部分的に、発光点にある専用の発光器により生成される。反射光線、受光点及び受光器についても同様である。
【００２４】
好ましくは、発光器及び／又は受光器が、底面、特に長方形又は正方形の底面を有する部品であり、該底面が少なくとも部分的に円周の１つの直径に対して又は互いに対して捻転した位置にある。物理的な発光器乃至は受光器は点状の発光面又は受光面のみから成るのではなく、それを越えてはみ出す広がりを持つ半導体素子である。この底面は典型的には長方形又は正方形であり、その場合、円周上で所望の配置にする際に底面が邪魔になる可能性がある。その場合、うまく捻転させた配置にすることでそれに再び対処することができる。底面を互いに対して捻転させてもよいが、円周のその他の基準、例えばレーザスキャナの回転軸に沿う直径に対して捻転させてもよい。そうすると、底面は走査平面に対して水平又は垂直ではなく、それに対して捻転した状態となる。
【００２５】
好ましくは、発光器に、その光を複数の送出光線に分割するために光線分割素子が割り当てられている。そうすると、単一の物理的な発光器が複数の発光点又は全ての発光点さえも担当することになる。また、複数の物理的な発光器の光を分割すること、例えば２つの発光器の光線をそれぞれ３分割して６つの発光点を得ることも考えられる。
【００２６】
好ましくは、発光器が、１本の光線を運動させることにより、複数の互いに分離した光線を複数の発光点、特に全ての発光点に向けて次々に生成するように構成されている。ここでは１つの可動式の発光器が、異なる発光点に設けられた複数の発光器のように機能する。前記運動は、例えば機械装置、ＭＥＭＳミラー、光フェーズドアレイ又は音響光学変調器を用いるなど、様々な方法で生じさせることができる。
【００２７】
好ましくは、受光器が位置分解されており、受光点に複数の活性領域を備えている。この実施形態では、同じ受光器が複数の受光点又は全ての受光点さえも担当する。そのために受光器は特に画素マトリックスを備えており、受光点にある一又は複数の画素だけが受光信号の取得のために利用される。他の画素も信号を生成するかも知れないが、それは無視されるか、その読み出しが行われない。また、そのような画素を完全に不活性化すること、例えばＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）のマトリックスの場合なら、受光点にある画素だけに狙いを定めて降伏電圧を超えるバイアス電圧を印加することも考えられる。
【００２８】
好ましくは、受光器が複数又は全ての受光点をカバーする感光素子を１つだけ備えており、発光器が、各時点において複数の送出光線のうち１本だけが作動状態であるような多重化を行うように、又は符号化を行うように構成されている。つまりここでは複数の受光点からの光又は全ての受光点からの光さえも同じ受光器に集められる。それゆえ、光を受けた受光点毎に反射光線を区別することはできない。むしろその区別は発光側での多重化又は区別可能な光線符号化（例えばパルス符号化）により成される。
【００２９】
好ましくは、発光器と受光器が同軸配置であり、発光光学系と受光光学系が共通の光学系に統合されている。これにより非常にコンパクトな構造となる。共通の光学系は発光及び受光光学系として二重の役割を果たす。
【００３０】
発光光学系及び／又は受光光学系はレンズを備えていることが好ましい。従って、該光学系は屈折式で動作するものであり、例えば反射式や回折式ではない。なお、反射式や回折式も原理的には考えられる。より好ましくは発光光学系又は受光光学系が１つのレンズから成る。これにより非常に簡単な構造となり、ここに本発明の利点が明らかに現れる。あるいは追加の光学素子、例えば、１枚のレンズとそれに割り当てられた絞りから成るいわゆるランドスケープレンズ、２枚のレンズからなる系、又は複数のレンズからなる結像光学系さえも考えられる。
【００３１】
好ましくは、本センサがレーザスキャナとして構成され、可動式の偏向ユニットを備え、該偏向ユニットを介して送出光線が周期的に監視領域を通過するように導かれる。冒頭で述べたように、レーザスキャナは可動式の偏向ユニットの運動で以て監視領域を複数の平面内で走査する。好ましくは、偏向ユニットが回転可能な走査ユニットの形で構成され、該走査ユニットに少なくとも発光器とその発光光学系、そして場合によっては受光器と少なくとも一部の評価ユニットまでもが収納されることで、該走査ユニットが実質的に可動式の測定ヘッドとなっている。
【００３２】
好ましくは、評価ユニットが光線の送出から反射光線の受光まで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。これにより本センサは距離測定型となる。あるいは、単に物体の存在を確認して、例えばスイッチ信号として出力する。
【００３３】
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。
【００３４】
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】
【００３５】
【図１】レーザスキャナとして構成された光電センサの断面図。
【図２ａ】円周上における複数の発光器又は受光器の模範的な配置の平面図。
【図２ｂ】図２ａの配置の側面図。
【図２ｃ】図２ａの配置の斜視図。
【図３ａ】長方形の底面を有する３つの発光器又は受光器の模範的な配置。
【図３ｂ】４つの発光器又は受光器の模範的な配置。
【図３ｃ】４つの発光器又は受光器の長方形でも正方形でもない別の配置。
【図３ｄ】６つの発光器又は受光器の模範的な配置。
【図３ｅ】図３ｄに似た配置であって、底面を捻転させたもの。
【図３ｆ】正方形の底面を持つ８つの発光器又は受光器の配置。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図１はレーザスキャナとしての実施形態における光電センサ１０の概略断面図である。本センサ１０は大きく分けて可動式の走査ユニット１２と台座ユニット１４を含む。走査ユニット１２は光学的な測定ヘッドである一方、台座ユニット１４には、給電部、評価用電子機器、接続部等、その他の要素が収納されている。稼働時には、監視領域２０を周期的に走査するために、台座ユニット１４の駆動装置１６を用いて走査ユニット１２が回転軸１８を中心として回転駆動される。
【００３７】
走査ユニット１２において、複数の光源２２ａ（例えばＬＥＤ又は端面放射型発光器若しくはＶＣＳＥＬの形をしたレーザ）を有する発光器２２が、共通の発光光学系２４の助けを借りて、互いに対して角度のずれを持つ複数の発射光線２６を生成し、これらの光線が監視領域２０内へ送出される。発射光線２６が監視領域２０内で物体に当たると、それに対応する反射光線２８がセンサ１０まで戻ってくる。反射光線２８は共通の受光光学系３０により複数の受光素子３２ａを有する発光器３２へと導かれ、各受光素子３２ａがそれぞれ電気的な受光信号を生成する。受光素子３２ａは別々の部品でも、統合されたマトリクス配置の画素であってもよく、例えばフォトダイオード、ＡＰＤ（アバランシェダイオード）、又はＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）である。
【００３８】
全くの模範例として４つの光源２２ａと受光素子３２ａが簡略化して上下に描かれている。本発明に従い、これらのグループのうち少なくとも１つが実際には円形状又は乃至は円周上に配置されている。ただし、それは物理的な光源２２ａ及び受光素子３２ａに関わることではなく、発射光線２６の出発点としての実質的な発光点及び反射光線２８の終点としての受光点に関わるのみである（もっとも、今の例では発光点及び受光点は発光器及び受光器と一致している）。発光点、受光点並びにそれらの考え得る数、配置及び生成の仕方については、センサ１０の全体的な説明の後、多数の実施例において図２ａ〜２ｃ及び図３ａ〜３ｆを参照しながら詳しく説明する。
【００３９】
発光器２２と受光器３２は、本実施形態では共に回路基板３４上に配置されている。この基板は回転軸１８上にあり、駆動部１６のシャフト３６に結合されている。なお、これは単なる模範例と理解すべきであり、実際には任意の数及び配置の回路基板が考えられる。発光器２２と受光器３２が二軸型で隣接している光学的な基本構造も必須ではなく、単一光線式の光電センサ又はレーザスキャナに関係する公知のいかなる構造でも置き換え可能である。一例としてビームスプリッタを持つ又は持たない同軸配置が挙げられる。
【００４０】
非接触式の給電及びデータインターフェイス３８が可動式の走査ユニット１２と静止した台座ユニット１４とを接続している。台座ユニット１４内には制御及び評価ユニット４０があるが、少なくともその一部は走査ユニット１２内の回路基板３４上又は他の場所に収納されていてもよい。制御及び評価ユニット４０は発光器２２を制御し、受光器３２の受光信号を受け取って更に評価する。また、同ユニットは駆動部１６を制御し、レーザスキャナに関して公知である角度測定ユニット（図示せず）の信号を受け取る。角度測定ユニットは各時点における走査ユニット１２の角度位置を特定する。
【００４１】
前記評価のため、好ましくは、検知された物体までの距離が公知の光伝播時間法で測定される。これを角度測定ユニットから得られる角度位置に関する情報と合わせれば、走査平面内にある全ての対象点の２次元極座標が各走査周期の完了毎に角度と距離で利用可能となる。各時点の走査平面はその都度の反射光線２８の識別情報と受光素子３２ａのいずれかにおける該光線の検出とを通じて同様に分かるから、結果として全体で３次元的な空間領域が走査される。
【００４２】
これにより物体の位置又は輪郭が分かり、それをセンサインターフェイス４２経由で出力することができる。センサインターフェイス４２又は別の接続部（図示せず）は逆にパラメータ設定用インターフェイスとして機能する。また、センサ１０は危険の発生源（例えば危険な機械）を監視するための安全技術に用いられる安全センサとして構成することもできる。その場合、機械の稼働中に操作者の進入を許してはならない防護区域が監視される。操作者の脚等の防護区域への許可なき侵入を認識すると、センサ１０は機械の緊急停止を発動する。安全技術に用いられるセンサ１０は特に高い信頼性で作動しなければならないため、例えば機械の安全に関する規格ＥＮ１３８４９や非接触型防護装置（beruehrungslos wirkende Schutzeinrichtungen：ＢＷＳ）に関する機器規格ＥＮ６１４９６といった高い安全要求を満たさなければならない。その場合、防護区域への物体の侵入時に安全確保用の電源停止信号を出力するために、特にセンサインターフェイス４２を安全な出力インターフェイス（Output Signal Switching Device；ＯＳＳＤ）として構成することができる。
【００４３】
図示したセンサ１０は回転式の測定ヘッドつまり走査ユニット１２を有するレーザスキャナである。別の形態として、回転ミラーや切り子面ミラーホイールを用いて周期的な偏向を行うことも考えられる。しかし、発射光線２６が複数ある場合にそのようにすると、該複数の発射光線２６の監視領域２０への入射の仕方がその都度の回転位置に依存してしまうという欠点がある。なぜなら、公知の幾何学で考えれば分かるように、回転ミラーを経由すると光線の配置が回転するからである。更に別の実施形態では、前述の回転の代わりに、又はそれに加えて、該回転の軸に垂直な第２の軸を中心として走査ユニット１２を上下に揺動させることで、仰角方向にも走査運動を生じさせる。更に、特に１つの光源から複数の発光点を生成する実施形態では、走査平面を生じさせるためのスキャン運動を前記方法の変わりに他の公知の方法で、例えばＭＥＭＳミラー、光フェーズドアレイ又は音響光学変調器を用いて生じさせてもよい。
【００４４】
レーザスキャナとしての実施形態もまた模範例である。周期運動のない一次元センサも考えられ、その場合、センサは事実上、台座ユニット１４を持たず、静止した走査ユニット１２とそれに対応する電子機器のみから成る。
【００４５】
センサ１０の回転中、各発射光線２６によりそれぞれ１つの面が走査される。偏向角が０°の場合、つまり図１にはない水平な発射光線によってのみ、監視領域２０の平面が走査される。他の発射光線は、偏向角に応じて異なる鋭さで形成される円錐の側面を走査する。上方及び下方に異なる角度で偏向される複数の発射光線２６の場合、全体的な走査構造は複数の砂時計を入れ子にしたようなものになる。本明細書ではこれらの面も単に走査平面と呼ぶこともある。
【００４６】
図２ａ〜２ｃは円周４４ａ上における発光点２２ｂの配置の模範例を平面図、側面図及び斜視図で示している。この例では発光点２２ｂが３つ、よって発射光線２６も同数である。後ほど、数及び配置が異なる別の実施形態を図３ａ〜３ｆに提示する。発光側に関連付けているのは任意である。なぜなら、それに対応する配置が発光側の代わりに又はそれに加えて受光側でも可能だからである。それには、発光器２２、光源２２ａ、発光点２２ｂ、発光光学系２４、発射光線２６及び発光面といった概念を、受光器３２、受光素子３２ａ、受光点３２ｂ、受光光学系３０、反射光線２６及び感光面に置き換えるだけでよい。このことを強調するため、図３ａ〜３ｆではこのような概念の置き換えを行い、受光側に関連付けている。このことから、図２ａ〜２ｃを受光側に基づいて、また図３ａ〜３ｆを発光側に基づいて同様に説明できることは明らかである。
【００４７】
図１との関係で、光源２２ａと発光点２２ｂの違いについて既に少し説明を行った。発光点２２ｂは発射光線２６の出発点である。これは同時に物理的な光源２２ａの場所であってもよい。しかし、半導体部品としての光源２２ａは発光面そのものより大きい一定の（ここでは長方形の）底面を備えている。その上、同一の物理的な光源２２ａを用いて複数の発光点２２ｂから発射光線を生じさせることも可能である。これについては図２ａ〜２ｃ及び図３ａ〜３ｆの説明に続いて更に例を挙げる。受光点３２ｂについても同様である。
【００４８】
好ましくは、図２ａ〜２ｃの例のように発光光学系２４の光学的な中軸が円周４４ａの中心を通過する。発光点２２ｂは円周４４ａの上に配置されているため、発射光線２６は全て同じ画角を持つ。画像フィールドの湾曲はほぼ解消されている。
【００４９】
図２ｃに示した円周４４ａの平面４６が発光光学系２４の光軸に垂直になるように配置されていれば有利である。平面４６を傾けることが除外されるわけではないが、そうすると実質的に、つまり発光光学系２４から見たときに、円周４４ａではなく楕円にしかならない可能性があり、そうなると、平面４６の傾きによっては光学的な特性が悪化してしまう。図２ｃにおいて発射光線２６に付した矢印はレーザスキャナのスキャン運動を示している。
【００５０】
厳密に言えば、発光点２２ｂは数学的な点ではなく有限の広がりを持つため、その一部、特に中心だけしか円周４４ａの上には配置できない。しかし、残りの発光面もその近傍にあるため、画像フィールドの湾曲による結像の不鮮明さが低減することによる特記すべき利点が得られる。
【００５１】
図３ａ〜３ｆは円周４４ｂ上の受光点３２ｂの配置の多様な例を示している。ただし、例はこれらで終わりではない。何度も指摘したように、同じような配置は発光側でも考えられる。少なくとも、図１に示した二軸配置では、受光点３２ｂは発光点２２ｂの円周４４ａとは別の円周４４ｂの上にあることが不可欠である。
【００５２】
図３ａは図２ａと同様に３つの受光点３２ｂを持つ例であるが、ここでは受光素子３２ａに長方形の底面がある。１つの受光素子３２ａを他の受光素子３２ａに対して９０度回転させることで、受光点３２ｂの底面積の低減と規則的な配置が達成できる。
【００５３】
図３ｂは４つの受光点３２ｂを持つ例である。コンパクトな配置にできるように、この例でも受光素子３２ａが９０度捻転されている。受光素子３２ａの間に隙間を設けることで、例えば受光点３２ｂの高さ方向の位置が均等になるようにすることも考えられる。これにより、等間隔の走査光線が得られ、レーザスキャナの場合は等間隔の走査平面が得られる。
【００５４】
図３ｃは、４つの受光点３２ｂを持つ別の例によって、受光点３２ｂを長方形及び／又は正方形ではない配置にすることが可能であり且つ有利でさえあり得るということを示している。これにより、この場合は、図３ｂの配置に比べて、外接する長方形又は水平方向に沿って計測したときの全体的な広がりがより小さくなる。
【００５５】
図３ｄ及び３ｅは６つの受光点３２ｂを持つ例である。このうち図３ｅは部品、つまりここでは受光素子３２ａを捻転させる別の可能な形態を示している。まず、配置全体を円周４４ｂに対して、若しくはその中心又は例えば垂直方向の直径に対して捻転させている。加えて、各受光素子３２ａの場所を確保しつつ、それらが高さ方向に等間隔で配置されるように、個々の受光素子３２ａを互いに対して捻転させている。水平に引かれた線４８が、これにより得られるレーザスキャナの等間隔の走査平面を示している。
【００５６】
最後に図３ｆは８つの受光点３２ｂを持つ例である。なお、本発明が特定の底面に限定されるものではないことを強調するため、ここでは底面が正方形になっている。
【００５７】
これらの例から、部品を円周４４ｂ上で及び／又は高さ方向に等間隔で配置することができることが分かるが、これは必須ではない。また、数についても、３、４、５、６、７、８、…１６及びそれ以上と、様々な数が考えられる。
【００５８】
図１の実施形態では、各発光点２２ｂがそれぞれ専用の光源２２ａで、また各受光点３２ｂがそれぞれ専用の受光素子３２ａで実現されている。この構成から離れた様々な形の代案が考えられる。同一の光源２２ａが、光線分割素子等を通じて、発射光線２６を複数の発光点２２ｂから、又は全ての発光点２２ｂからさえも生じさせることができる。光源２２ａを機械的に動かすことで、発射光線２６を次々に複数の発光点２２ｂから、又は全ての発光点２２ｂからさえも生じさせることができる。光源２２ａの機械的な運動なしで、ＭＥＭＳミラー、光フェーズドアレイ又は音響光学変調器等を用いて、発射光線２６に円周４４ａ又はその一部を巡回させることもできる。
【００５９】
複数の受光点３２ｂの方も、別々の受光素子３２ａで実現してもよいし、受光素子３２ａを集積した多重配置の画素又は画素領域で実現してもよい。受光側でも、円周４４ｂ又はその一部に沿って受光素子３２ａを機械的に運動させたり、可動式のＭＥＭＳミラー等を用いて反射光線２６を適宜偏向させたりすることが考えられる。別の実施形態では複数又は全ての受光点３２ｂの受信光が共通の受光素子へと導かれる。それでも各反射光線２８を識別できるようにするために、発射光線２６を順次的に作動状態にすることや、発射光線の多重パルス列の時間符号化を通じて、多重化を行うことができる。
【００６０】
本発明では、円周４４ａ〜ｂ上での配置に関するこれら全ての実施形態が発光側、受光側又は両方の側で可能である。
【００６１】
本発明は発光光学系２４又は受光光学系３０が単一のレンズだけから成る場合に非常に有利である。これにより光学系が非常に簡素になり、Ｆ値を小さくできる。そして、特に画像フィールドの湾曲による大きな結像誤差というレンズの内在的な欠点が本発明により少なくとも大幅に補償される。もっとも、本発明による円形の配置は、離して配置された絞りを持つ単独レンズ（ランドスケープレンズ）や、２枚又は複数レンズの光学系又は結像光学系の場合でも有利である。
【００６２】
個別の光源２２ａ及び／又は受光素子３２ａは、その（表面実装デバイス用）ケーシングごと円形の配置で回路基板上に載置することができる。あるいは、むき出しの半導体チップを円形の配置で共通のケーシング内に収納する（サブマウント）。これにより、円の直径を小さくすること、又は同じ直径であれば発光点２２ｂ又は受光点３２ｂを多くして走査角又は走査平面を多くすることができる。また、円形に配置された発光器／受光器が共通の半導体チップの上にある、という構成も考えられる。この構成は受信撮像装置の構成に近くなる。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図３ｆ】
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【外国語明細書】
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