(57)【要約】      （修正有）【課題】レンジ、分解能、及び／又は構造の奥行きに関して改良を施した、対象物を検知するための方法及び装置を提供する。【解決手段】光電子装置を用いて対象物を検知する方法に関する。この方法では、光源で生成された光線が光スポットとして対象物に照射され、対象物により逆向き散光及び／又は反射された光線が三角測量理論に従って受信器によって検知され、前記装置と対象物との間の走査距離に関する情報を含む対象物検知信号が出力される。この光線は受信器における光検出器から成るピクセルアレーの結像素子を介して作用する。本方法は前記結像素子が前記ピクセルアレーの前方に配置された個別結像素子の配列のみであり、前記配列が、複数の互いに離れた光スポットの像に対応したピクセルアレー上で受信信号パターンを生成し、前記走査距離に関する情報が前記受信信号パターンから決定される。【選択図】図１
2008241693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電子装置(10)を用いて対象物(26, 26a, 26b, 26c)を検知する方法であって、光源(14)で生成された光線(18)が対象物(26, 26a, 26b, 26c)に光スポットとして照射され、対象物(26, 26a, 26b, 26c)から逆向き散光及び／又は反射された該光線(28, 28a, 28b, 28c)が三角測量理論に従って受光器により検知され、前記装置(10)及び前記対象物(26, 26a, 26b, 26c)の間の走査距離に関する情報を含んだ対象物検知信号が出力され、前記光線(28, 28a, 28b, 28c)は受光器において結像素子(20)を介して複数の光検知器から成るピクセルアレー(24)に作用するものにおいて、
前記結像素子が前記ピクセルアレー(24)の前方に配置された個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22d)の配列(20)のみであり、前記配列が、複数の互いに離れた光スポットの像に対応したピクセルアレー上で受信信号パターン(30, 30a, 30b, 30c)を生成すること、及び
前記走査距離に関する情報が前記受信信号パターン(30, 30a, 30b, 30c)から決定されること、
を特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記光スポットの少なくとも一つの像の位置が前記受信信号パターン(30, 30a, 30b, 30c)において決定され、該像の位置が前記個々の像を生成したその個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22d)と関連しており、前記走査距離が前記個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22d)と関連した少なくとも一つの位置と基準点との間隔から決定されることを特徴とするもの。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、基準信号パターンが少なくとも一つの基準走査距離について生成され、前記光スポットの少なくとも一つの像の位置が該基準信号パターンの基準点として定められ、該走査距離が前記受信信号パターン(30, 30a, 30b, 30c)によって定められる位置と基準信号パターン及び前記基準走査距離によって定められる基準点との間の少なくとも一つの間隔によって決定されることを特徴とするもの。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記光スポットの少なくとも二つの像の位置が受信信号パターン(30, 30a, 30b, 30c)によって決定されるとともに、前記像の個々の位置が、その個々の像を生成した個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22d)と関連しており、該走査距離が、異なる個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22d)によって生成された光スポットの個々の像の位置の間の少なくとも一つの距離によって決定されることを特徴とするもの。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、個々の基準信号パターンが複数の異なる基準走査距離について生成されるとともに、関連した基準走査距離と共に記憶され、前記受信信号パターン(30, 30a, 30b, 30c)と最もよく一致する基準信号パターンが特に相関関係によって決定され、該決定された基準信号パターンに関連した前記基準走査距離が走査距離値として出力されることを特徴とするもの。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、複数の光スポットの像に対応する複数の極大を有する受信信号パターンが基準走査間隔にて取得され、それより正の値及び負の値を取ることができる変調関数(42)が計算され、負の値から正の値への変化は前記基準信号パターンが極大となる箇所で生じ、正の値から負の値への変化はこの極大と隣接する極大の間に位置し、この二つの極大の間隔の比によって決定される箇所で生じるとともに、該受信信号パターン(30, 30a, 30b, 30c)が該変調関数(42)用いて計算され、その和または積分が予め設定可能な位置間隔に亘って計算され、走査距離値が走査距離の情報として走査距離閾値の合計から計算されるか、又は特に前記基準走査距離によってプリセットされた前記間隔の不足及び／又は過剰が前記和又は積分の符号から決定されることを特徴とするもの。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記変調関数(42)の正の値及び負の値が合計において等しいことを特徴とするもの。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において、前記変調関数(42)の正の値及び／又は負の値が、異なる区間によって相異していることを特徴とするもの。
【請求項９】
先行する何れかの請求項に記載の方法において、前記光スポットの像の位置が、その極大から、及び／又は該光スポットの像の強度分布の焦点から決定されることを特徴とするもの。
【請求項１０】
先行する何れかの請求項に記載の方法において、前記ピクセルアレー(24)が二次元配列であり、個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22d)のそれぞれがプリズムを含み、該プリズムの偏向方向は送信および受信された光線によって定義される三角測量平面に垂直であり、その偏向の量は個別結像素子(22a)によって異なっており、像が前記偏向方向の位置(y)に基づいて個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22d)と関連していることを特徴とするもの。
【請求項１１】
先行する何れかの請求項に記載の方法において、強度分布がプリセットパターンと異なっている前記光スポットの像が決定されることを特徴とするもの。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、前記パターンと異なる前記光スポットの像は走査距離の情報を決定する際に考慮されない、又は重みを減少して考慮されることを特徴とするもの。
【請求項１３】
請求項１１又は請求項１２に記載の方法において、前記パターンと異なる光スポットの像の許容度に対するプリセット限界値を超えるとエラーメッセージが出力される、及び／又は対象物検出信号の出力が該パターンと異なる像の許容度が再び低下するまで保留されることを特徴とするもの。
【請求項１４】
三角測量理論に沿って対象物(26, 26a, 26b, 26c)を検知するための光電子装置(10)であって、前記対象物上に光スポットを生成するための光源(14)と、対象物から逆向き散光及び／又は反射された光線(28, 28a, 28b, 28c)を検知するための受信器と、評価部と、を備え、該受信器が複数の光検知器から成るピクセルアレー(24)とともに前記光線を結像させる素子(20)を備えているものにおいて、
前記結像素子(20)が前記ピクセルアレー(24)の前方に配置された個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22c)の配列(20)のみであって、前記配列が複数の互いに離れた光スポットの像に対応した前記ピクセルアレー上で受信信号パターン(30, 30a, 30b, 30c)を生成するために構成されること、及び
前記評価部が、前記受信信号パターン(30, 30a, 30b, 30c)に基づいて、該装置と前記対象物(26, 26a, 26b, 26c)との走査距離に関する情報を決定するために設けられていること、
を特徴とする光電子装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置において、個別結像素子の配列(20)が、複数の個別レンズ(22a, 22b, 22c, 22d)を含むマイクロレンズアレー(20)を含むことを特徴とするもの。
【請求項１６】
請求項１４に記載の装置において、個別結像素子の配列(20)が、特に膜として構成される、回折を生じる個別素子の配列を含むことを特徴とするもの。
【請求項１７】
請求項１４乃至１６のうち何れか一に記載の装置において、前記個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22d)が異なる焦点距離を有することを特徴とするもの。
【請求項１８】
請求項１４乃至１７のうち何れか一に記載の装置において、個別結像素子(22a, 22b, 22c, 22c)のそれぞれがプリズムを含んでいることを特徴とするもの。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置において、前記プリズムの偏向方向が、送信光および受信光(18, 28, 28a, 28b, 28c)によって定義される三角測量平面に垂直であることを特徴とするもの。
【請求項２０】
請求項１８又は請求項１９に記載の装置において、異なるプリズムでは偏向の度合いが相異しており、好ましくは三角測量方向(T)に変化することを特徴とするもの。
【請求項２１】
請求項１４乃至２０の何れか一に記載の装置において、個別結像素子の配列(20)が一次元配列であり、三角測量方向(T)に伸びていることを特徴とするもの。
【請求項２２】
請求項１４乃至２１の何れか一に記載の装置において、前記ピクセルアレー(24)が一次元配列であることを特徴とするもの。
【請求項２３】
請求項１４乃至２１の何れか一に記載の装置において、前記ピクセルアレー(24)が二次元配列であることを特徴とするもの。
【請求項２４】
請求項１４乃至２３の何れか一に記載の装置において、前記ピクセルアレー(24)がフォトダイオードアレー、ＣＣＤセンサ、又はＣＭＯＳセンサであることを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電子装置を用いて対象物を検知する方法に関するものである。この方法では、光源で生成された光線が光スポットとして対象物に照射され、対象物により逆向き散光及び／又は反射された光線が三角測量理論に従って受信器によって検知され、前記装置と対象物との間の走査距離に関する情報を含む対象物検知信号が出力される。この光線は受信器における光検出器から成るピクセルアレーの結像素子を介して作用する。
【０００２】
本発明は、更に、三角測量理論に従って対象物を検知するための光電子装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
こういった三角測量光センサや方法は、三角測量光センサのモニタ領域に進入してゆく対象物の間隔に関する情報を得るために用いられる。光源より送信された光束によって、該光路上に配置された対象物上に、限定された径の光スポットが生成される。光スポットから三角測量光センサの方向に逆向き散光された光線はそこで、通常は該光源に隣接して配置される受光器に入射し、下流にあるセンサにおける前記受光器によって、程度の差はあれはっきりと結像される。これに関連して、反射もしくは送達された光線が受光器に入射する角度は、従ってその光線が受光器に入射する横の位置も、前記三角測量光センサから前記対象物までの間隔に依存している。この三角測量光センサから該対象物までの間隔は、前記光源によって送信された前記光束の位置及び方向の情報だけでなく受光器と受信面との間隔の情報にも基づいた三角測量を用いて、基準点から前記受光器上に結像された光スポットまでの間隔から決定され得る。
【０００４】
米国特許第5,076,687号には、収束レンズによって、及び、該収束レンズの画像フィールドに配置されたレンズアレーによって、ある対象物より受信した光が光検知器上で結像するという装置が開示されている。
【特許文献１】米国特許第5,076,687号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の構成における三角測量光センサでは、レンジ及び距離分解能は焦点距離によって、そして受光器の強度によって制限される。このことは、三角測量光センサに高いレンジ分解能及び優れた距離分解能を与えるために大きな焦点距離及び大きな直径を有する受光器を用いなければならないことを意味する。
【０００６】
このため、同様の三角測量センサは構造が、特に奥行きが大きくなる。しかしながら、光センサを設置するためのスペースは、各用途に依存するものの、特に奥行きにおいて限りがあることが多い。
【０００７】
さらに、距離分解能を制限しない、像欠陥が少なくて大きな直径即ち広い口径を有する光学系を作成することには、複雑であって費用がかかるという問題もある。
【０００８】
従って、本発明の目的とするところは、レンジ、分解能、及び／又は構造の奥行きに関して改良を施した、対象物を検知するための方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は請求項１の構成によって達成される。特に、前記結像素子が、ピクセルアレーの前方に配置された個別結像素子の配列のみであって、前記配列が、複数の互いに離れた光スポットの像に対応したピクセルアレー上で受信信号パターンを生成し、前記走査距離に関する情報が前記受信信号パターンから決定されることを特徴とする、最初に述べる種類の方法によって達成される。
【００１０】
このような方法においては、装置からの対象物の走査距離に関する情報は、ピクセルアレー上の個々の光スポットの位置から得られるのではなく、光スポットの複数の個々の像から得られる。ここで指摘しなければならないのは、「位置」という語句は通常、三角測量方向における位置、すなわち光スポット像が走査距離において変化しながら動く方向のことを意味するということである。従って、光電子装置から対象物への走査距離に関する情報は個々の光スポットの絶対位置に含まれるのではなく、ピクセルアレーのより広い範囲に分配されている。このため、これに関して、ピクセルアレーの半導体欠陥のような局所欠陥の与える影響は小さくなる。
【００１１】
さらなる効果は、受信信号パターンである。これは個別結像素子の配列によって生成され、光源の光路の外部の受動的もしくは能動的な光源から生じる。そして、モニタされる領域内の物体によって生成され得るあの受信信号パターンとは異なっている。この効果については後で更に詳細に説明する。
【００１２】
更に他の効果は、前記三角測量光センサの非常に近くに配置された対象物から発生する光スポット像のうち幾つかのみだけが、個別結像素子の配列に斜めに入射することにより、前記ピクセルアレーに影響を及ぼすということに起因する。いわゆる近距離領域に配置されるこのような対象物の光スポット像の強度は通常、より離れた場所すなわちいわゆる遠距離領域にある対象物の強度よりも大きくなるため、入射する総光量は、ピクセルアレー上に入射する光スポット像の数が減少することによってさらに減少する。間隔が狭くなることによって該光スポット像の強度が高くなることはその結果補われ、故に該ピクセルアレーの及び下流評価回路の動的需要は減少する。
【００１３】
本方法の好適な変形例によれば、個々の像を生成したあの個別結像素子に関連した像の位置を用いて、光スポットの少なくとも一つの像の位置が受信信号パターンによって決定される。前記走査距離は、少なくとも一つの位置とそれぞれの個別結像素子に関連する基準点との間隔に基づいて決定される。ピクセルアレー上のもしくは受信信号パターンにおける関連した基準点と光スポットの像との間隔は、その都度計算される。このようにして、それぞれ別個の走査距離の計算は、複数の個別結像素子のため又は全ての個別結像素子のために、三角測量光センサの幾何学的形態即ち構成要素の互いの間隔を考慮しつつ行われる。次いで、平均値が走査距離の上に形成され得る。
【００１４】
本方法の好適なさらなる発展によれば、基準信号パターンが少なくとも一つの基準走査距離のために生成され、少なくとも一つの光スポットの像の位置が基準信号パターンにおいて決定され、その像の位置が各像を生成したそれぞれの個別結像素子に基準点として関連している。走査距離は、受信信号パターンから定められると共に個別結像素子に関連した光スポットの位置と、同個別撮像素子に関連すると共に基準信号パターン及び基準走査距離から定められる基準点との間の少なくとも一つの間隔によって決定される。この方法の変形例は、上述した変形例と類似しているが、一又は複数の基準点が完全に固定されているのではなく、特定の走査距離、即ち基準走査距離で生成された基準信号パターンを介するという点で異なっている。
【００１５】
従って、上述の二つの方法の変形例によれば、各個別結像素子のために、この結像素子によって生成された光スポットの像の動作を、基準信号パターンにおける対応する像に関して、またはピクセルアレーについて決定された基準点に関して決定することができる。よって、従来の光センサと比較すると、単なる位置の差だけでなく、最高条件においては個別結像素子の数に対応した数の複数の間隔も走査距離の決定に用いられる。
【００１６】
しかし、いくらか像のみを考慮するということも可能である。とりわけ、ピクセルアレーの欠陥のために欠点のある像や干渉光によって生じた像、または他の理由に基づき考慮されない像は、特にそのために走査距離の決定から排除することができる。
【００１７】
光スポットの少なくとも二つの像の位置が受信信号パターンから決定され、どちらの場合も像の位置がそれぞれの像を生成した個別結像素子と関連していることが好ましい。また、走査距離が、それぞれ異なった個別結像素子により生成された光スポットの像の位置の間隔の少なくとも一つによって決定されることが好ましい。従って、走査距離をピクセルアレー上の絶対的な光スポット像の位置からだけでなく、近接した光スポット像の位置の差からも決定することができる。
【００１８】
さらに、それぞれの基準信号パターンが複数の異なった基準走査距離のために生成されて関連した基準走査距離と共に保存されること、そして受信信号パターンと最もよく一致している基準信号パターンが特に相関によって決定されることが好ましい。決定された参照パターンと関連した基準走査距離は、走査距離値として出力される。
【００１９】
この変形例によれば、一連の基準信号パターンが三角測量光センサから異なった走査距離に配置された対象物のために適宜に生成され、ティーチングフェーズの間に実際に測定された間隔値と共にいわばルックアップテーブルとして保存される。次に、受信信号パターンは、その受信信号パターンと最もよく一致する基準信号パターンを決定するために、作業中に適切な画像処理方法によって保存されている参照信号パターンと比較される。これに関連して、非常に早く実行可能な相関法等の既知の画像処理方法を用いることができる。
【００２０】
予め取得されている参照信号パターンの数が少ない場合、二つの近接した基準走査距離が概ね一致するように補間して出力されるものを走査距離値として決定することも可能である。
【００２１】
複数の光スポットの像と最もよく一致する基準信号パターンは更に好適には参照走査間隔に取得され、正の値と負の値をとり得る変調関数がそれから計算される。ここで、負の値から正の値への変化は基準信号パターンが極大を持つ位置で生じ、正の値から負の値への変化はこの極大と隣接する極大との間であって、この二つの極大の間隔の比によって決定される位置で生じる。そして、受信信号パターンの積は前記変調関数を用いて計算することができ、これに対して和または積分は予め設定可能な位置の間隔の積を介して計算される。そして、走査距離値はこの和から、又はこの積分から計算される。または、基準走査距離による特定のプリセットにおける走査距離閾値が不足していること及び／または過剰であることが前記和または積分の符号によって決定される。この変形例については、下記において図４の記載から更に詳述する。
【００２２】
強度分布がプリセットパターンと異なる光スポットの像が決定されることは好適である。従って、ある像が強度分布において強度分布プリセットに対応するかどうかが、例えば参照パターンによって決定される。それで、パターンと異なる光スポットの像は走査距離の情報を決定する上で考慮には入れられない、または、より少ない重みでしか考慮されない。よって、外部光や送信光源の光路外に配置された対象物、または表面にコントラスト差があるもしくは反射面を有する対象物のように、理想的に送達しない対象物による干渉光の影響が特定される。これによって、人為的影響によって走査距離の計算が間違ってしまうことが回避されるか少なくとも軽減される。
【００２３】
本発明の好適な変形例によれば、前記パターンと異なる光スポットの像の許容度に対するプリセット限界値を超えるとエラーメッセージが出力される、及び／又は対象物検出信号の出力が該パターンと異なる像の許容度が再び低下するまで保留される。従って、この示された措置は、ちょうどまだ許容できると見なされる人為的影響の程度に基づいて講じられる。これにより、それぞれの用途に対してや環境条件に対して、及び／又は検知される対象物の表面特性に対して前記干渉許容値を適用することができる。
【００２４】
本方法の更なる好ましい側面においては、ピクセルアレーが二次元配列であって、個別結像素子がそれぞれプリズムを含み、そのプリズムの偏向方向が送信光線及び受信光線によって規定される三角測量平面に対して垂直であり、その偏向量が個別結像素子によって異なっている。それで一つの像は三角測量方向に対して垂直な位置に基いて個別結像素子と関連し得る。加えて、生成された光スポットをよりよく分離することができる。それらの相互間隔が三角測量方向に対して垂直な偏向によって拡げられるからである。
【００２５】
本発明の目的は更に、請求項１４の特徴を有する光電子装置によって達成される。特に、本目的は、三角測量理論に沿って対象物を検知するための光電子装置であって、前記対象物上に光スポットを生成するための光源と、対象物から逆向き散光及び／又は反射された光線を検知するための受信器と、評価部と、を備え、該受信器が、前記光線を結像させる素子と複数の光検知器から成るピクセルアレーとを備える光電子装置によって達成される。この装置は、前記結像素子が前記ピクセルアレーの前方に配置された個別結像素子の配列のみであって、前記配列が複数の互いに離れた光スポットの像に対応した前記ピクセルアレー上で受信信号パターンを生成するために構成され、前記評価部が、前記受信信号パターンに基づいて、該装置と前記対象物との走査距離に関する情報を決定するために設けられていることを特徴としている。
【００２６】
このような装置は、既に上で説明したような機能原理に沿って動作する。
【００２７】
個別結像素子の配列は、好ましくは複数の個々のレンズを含んだマイクロレンズアレーである。このようなマイクレンズアレーを用いることにより、個別結像素子は多数の小さくて薄いレンズによって形成され、個々のレンズの光路を互いに遮る必要がない。個々のレンズの間にウェブ等を設ける必要もない。
【００２８】
このようなマイクロレンズアレーは例えばホットスタンプのような簡単かつコスト的に優れた方法によって作成することができる。従来の光センサにおける相応して大きくて厚い個別レンズの製造に比べると厚みが要求されないので、この目的のために使用される射出成形機のスループットを高めることができる。広面積の個別レンズについて厚みが薄いので、必要な冷却時間が短くなるからである。一つの大きな個別レンズと総じて同じ光学口径を有する小さな個別レンズが複数集まって成るマイクロレンズアレーを製造することは、さらにコスト的に好ましい。
【００２９】
本発明の一つの好適な実施形態によれば、個々の結像素子の配列が、特に膜として構成される、回折を生じる個別素子の配列を含む。例えばフレネルゾーンプレートの原理に基づくこのような配列は、とりわけ良いコスト効率で作成することができ、厚みが薄いという特徴を持つ。これらは特に単色光源に用いることができる。
【００３０】
本発明の好適な実施形態によれば、複数の個別結像素子は異なる焦点距離を有する。これによって、受信面において光スポットの一つの像の焦点を鮮明かつ正確に合わせることができる。鮮明に焦点が合ったそれぞれの光スポットは強度分布の形状によって決定することができる。特定の走査距離においてぴったりと鮮明に焦点が合った光スポットは、他の光スポットよりも重みを一層重くするか、ぼやけている光スポットの像を隠してもよい。この結果、非理想的に送達する対象物、例えば表面や反射面にコントラスト差があるような対象物の検出が改善される。そのような光スポットを隠したり重み付けを変えるたりすることは、例えば上述したような変調関数を適用することによって実現できる。
【００３１】
個別結像素子のそれぞれがプリズムを含むことは好ましい。これによって、光スポットに焦点を合わせることに加えて、横偏向も達成される。例えば、これによって、光スポットの像の逆格子空間が拡大され、これによって光センサの解像度が改善される。
【００３２】
本発明の好適な実施形態によれば、個別結像素子の配列が一次元配列であり、三角測量方向に伸びる。しかしまた、個別結像素子の配列が二次元配列となるように構成することもできる。これによってより高い感度を実現することができる。二次元配列は特に、光スポットの横偏向に関係して作業が実行される場合に適切である。
【００３３】
しかし、ピクセルアレーは好ましくは一次元配列とする。これにより、例えばラインセンサのようなコスト的に非常に有利なピクセルアレーが可能となる。
【００３４】
あるいは、ピクセルアレーは二次元配列とすることができ、これによってより優れた装置の感度が確保される。好適な実施形態によれば、ピクセルアレーはフォトダイオードアレー又はＣＣＤセンサ又はＣＭＯＳセンサとすることができる。同様に、二次元配列ピクセルアレーは前記の光スポットの横偏向に関連して作業が実行される際に特にふさわしい。
【００３５】
本発明のさらに好ましい実施形態は、従属請求項、明細書、そして図面において説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、実施形態及び図面を参照しつつ本発明の詳細を説明する。次の通りである。
【００３７】
図１には、構成要素が共通のハウジング１２内に収納されている三角測量光センサ１０が概略的に示されている。光源１４は光送信器１６によって焦点が合わされた光線を生成し、送信光束１８を形成する。光束１８は好ましくは限定された断面を有する平行な光線であり、これにより、対象物に照射された際に略点状の光スポットが生成される。
【００３８】
光源１４としては、白熱ランプ、ＬＥＤ、そのほかの放射線源が好適である。とりわけ、非常に小さな発散を有する送信光束１８を生成し、光送信器１６を不要にできる光源１４としてレーザを用いることができる。送信光束１８の断面積を制限するために、更に隔壁（非図示）を設けることもできる。
【００３９】
マイクロレンズアレー２０は光送信器１６の真下に配置され、直線式に配列された四つの個別レンズ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを含む。図では簡潔にするために四つのレンズしか描いていないが、当然、実質上は個別レンズ２２ａから２２ｄの数を大きくすることができる。
【００４０】
ピクセルアレー２４は更にハウジング１２の内部に配置されており、マイクロレンズアレー２０によって生成された像を検知する。ここでは、ピクセルアレー２４は単に概略的にしか示されていない。これに関して、それは例えば、フォトダイオードの配列、ＣＣＤセンサ、又はＣＭＯＳセンサとすることができる。言い換えれば、一次元ラインセンサとして、又は二次元配列として構成することができる。個別結像素子の又はピクセルアレーの画素の数は、十分な解像度を確保するためにマイクロレンズアレー２０の個別レンズの数よりも倍数的に多い。
【００４１】
矢印によって示されている三角測量方向Ｔの方向、すなわち走査距離が変化すると像が移動する方向におけるピクセルアレー２４の寸法は、マイクロレンズアレー２０に対応する程度よりも大きい。これによって、マイクロレンズアレー２０を傾斜して通過する光もまた、少なくともいくらかが検知される。
【００４２】
三つの異なる位置に配置された対象物２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、送信光束１８の光路上に示されている。これらの対象物２６ａから２６ｃは理想的な後方散乱表面を有している、すなわち平行光線によって成る照射光束１８が対象物２６ａから２６ｃにおおよそスポット状の光スポットを生成する。
【００４３】
簡単に考えれば、平行な送信光線１８はまず、三角測量光センサ１０の方向において少なくとも特定の空間角内で均一に後方散乱すると仮定される。対象物２６ａ乃至２６ｃから後方散乱したそれぞれの光線２８ａ乃至２８ｃはマイクロレンズアレー２０に照射し、個別レンズ２２ａ乃至２２ｄによってピクセルアレー２４上に結像する。図１及び図２には、簡単のために、それぞれ個別レンズ２２ａ乃至２２ｄを通る中心光線のみを描いている。
【００４４】
マイクロレンズアレー２０とピクセルアレー２４との間隔はここでは、マイクロレンズアレー２０から中距離に配置される対象物がくっきりと結像するように選択される。対象物２６ａ又は２６ｃのように、より近くの又はより遠い箇所に配置される対象物は、個々のレンズ２２ａ乃至２２ｄのフィールド領域の奥行き内のやはり一部に配置される。
【００４５】
しかし、上述したように、マイクロレンズアレー２０の個別レンズ２２ａ乃至２２ｄは異なる焦点距離を持っており、これによって対象物２６ａ乃至２６ｃは常に、少なくとも一つの個別レンズ２２ａ乃至２２ｄの焦点に略合うように任意の所望の間隔で配置できる。
【００４６】
異なる対象物の位置について、マイクロレンズアレー２０によってピクセルアレー２４上で生成された受信信号パターン３０ａ、３０ｂ、３０ｃを図４に示す。受信信号パターン３０ａ乃至３０ｃでは、位置ｘに関してピクセルアレー２４によって検知された強度Ｉが示されており、位置ｘは三角測量方向Ｔにおけるピクセルアレー２４の位置に対応している。受信信号パターン３０ａ乃至３０ｃのいずれに関しても最も左側に示されるピークは、送信光束１８に最も近い個別レンズ２２ａによって生成された光スポットの像に対応している。右側の隣接するピークは次の個別レンズ２２ｂ等によって生成されたものである。
【００４７】
図４において垂直に引かれた各点線は受信パターン３０ｂにおいてピークが存在する位置を示している。
【００４８】
対象物２６ｂに対して三角測量光センサ１０のより近くに配置された対象物２６ｃの後方散乱光２８ｃは受信信号パターン３０ｃを生成する。図１の光路から既に理解できる通り、受信信号パターン３０ｃのピークはｘが大きくなる方向である右側にずれる。この方向は図１において下方向への変位に対応している。つまり矢印で示される三角測量方向Ｔの方向にずれる。
【００４９】
逆に、もし更に遠い位置にある対象物２６ａによって生成された受信信号パターン３０ａを見れば、そのピークが受信信号パターン３０ｂと比較して左側にずれていることが明瞭である。
【００５０】
図１及び図４からは更に、受信信号パターン３０ｂに関する受信信号パターン３０ａ又は３０ｃにおけるピークのずれの量は、送信光束１８からより遠い個別レンズ即ち個別レンズ２２ｄに関しては、送信光束１８により近い個別レンズ即ち個別レンズ２２ａに関してよりも大きいことが明らかである。
【００５１】
ピクセルアレー２４は図１に示すように遠領域３２及び近領域３４に分けることができ、対象物２６ａのようなさらに離れた位置にある対象物から後方散乱した光線２８ａが遠領域３２を照射する。そして、対象物２６ｃのような三角測量光センサ１０に比較的近い位置に配置された対象物から後方散乱した光線２８ｂは近領域３４を照射する。
【００５２】
もし対象物２６ｃが三角測量光センサ１０に更に近づくように動かされたとすれば、外側の個別レンズ、即ち個別レンズ２２ｂによって生成された光スポットの像は最早ピクセルアレー２４によって検知されないであろう。走査距離が減少するにつれて増大する像の強度Ｉは、これは図４の受信信号パターン３０ａ乃至ｃのピークの高さからも認識でき、また、これは間隔が小さくなると次第に大きくなる空間角が検知されることも原因となるが、結果としてピクセルアレー２４によって検知される像の数が減ることによって補われる。
【００５３】
よって、三角測量光センサ１０の図示せぬ電子評価部の原動力の需要電力は、従来の光センサでは１０６よりも大きくなることがあるが、減少する。
【００５４】
本発明の有利な点は、受信信号パターンのピークの分布が検知される対象物の走査間隔のみに依存しているという事実にある。故に、受信信号パターンと走査間隔とに明確な関連付けを行うことが可能である。送信光束１８の外側に配置された干渉発光体は、通常の受信信号パターンと一致しない受信信号パターンをピクセルアレー２４上に生成する。
【００５５】
この環境について図２を参照しつつ説明する。そこでは、図１に係る三角測量光センサ１０が描かれている。送信光束１８は対象物２６に照射され、そしてマイクロレンズアレー２０を介してピクセルアレー２４上に後方散乱する。関連する後方散乱光２８は実線で示されている。
【００５６】
干渉光線３８が後方散乱光２８と同様の角度でマイクロレンズアレー２０に照射される干渉光源３６がさらに存在している。これらの干渉光線３８は点線で示されている。しかし、図２を見れば明らかなように、個別レンズ２２ｄに照射されるただ一つの個別の干渉光線３８だけが、対象物２６から後方散乱した対応する光線２８と同じ角度で以てマイクロレンズアレー２０に照射される。残りの干渉光線３８はマイクロレンズ２２ａ、２２ｂ、２２ｄに、後方散乱光２８に対してそれぞれ少しだけ異なる角度で入射し、それゆえ対象物２６によって生成される受信信号パターンとは異なる受信信号パターンが生成される。
【００５７】
送信光束１８の軸と干渉光源３６との間に間隔があることにより、送信光束１８によって決定される検知領域の中には、そこから対象物が干渉光源３６によって生成される受信信号パターンと同一である受信信号パターンを生成し得る位置は存在しない。従って、このような干渉光パターンをはっきりと認識することができ、そして、これらを評価から任意に排除することができる。
【００５８】
受信信号パターンを正確に評価するために必要な、光スポットの個別の像の分離について、図３に示す受信信号パターン３０を参照して説明する。光スポット像の強度Ｉは再び、図３に示されている受信信号パターン３０の位置ｘに関連して描かれており、合計で六つのピーク、即ち光スポット像３０１乃至３０６を含んでいる。
【００５９】
最初の二つの光スポット像３０１、３０２は理想的な光スポット像に対応しており、明確に認識できる極小によって互いに分離される。光スポット像３０３も明確な最小値によって隣接する光スポット像３０２と分けて描かれているが、例えばピクセルアレーの位置が不完全であるといった理由により生じた極小を有しており、結果として光スポット像３０３は二つの第二極大３１３、３２３を有する。しかし、本発明に係る三角測量光センサ１０は、これらの第二極大３１３、３２３の間隔が狭すぎるということを認識し、光スポット像３０３を二つの個別光スポットに分離することはない。
【００６０】
光スポット像３０４は規則的に分布する。しかし、光スポット像３０５及び３０６はいくらか不均一な形状をしており、極小が少し明確ではないため、若干互いに結合している。しかし、この極小は二つの光スポット像３０５及び３０６を分離するのには十分である。
【００６１】
次の三つの方法の変形例は、通常、装置と物体との走査距離を決定するために用いることができる。
【００６２】
第一の変形例では、個別の基準信号パターンが、複数のプリセット基準走査距離のためのティーチングフェーズの枠組みの中で、可能な限り理想的に送達する表面を有する試験対象物を用いて生成される。これらの基準信号パターンは基準走査距離値に関連づけられて、共に保存される。この基準走査値はいわば対応する信号パターンの基準値を意味している。
【００６３】
基準信号パターンは、要求される記憶スペースを減少させるために圧縮したかたちで保存してもよい。保存される基準信号パターンの数は、三角測量光センサ１０の全体で要求される検知領域を包含しているべきであり、十分に小さな走査距離のステップで行われるべきである。
【００６４】
前記ティーチングフェーズに続き後に実際に作業を行う場合には、最適なパターンが、いま取得された受信信号パターンのための保存された基準信号パターンから決定される。このパターン比較は、画像処理において知られた方法に従って行うことができる。ここでは相関法を用いるのが特に適切である。
【００６５】
この方法によって決定されるパターンの基準走査距離値は評価部によって走査距離値として出力される。このとき、上述したように補間を行ってもよい。
【００６６】
第二の変形例では、光スポットの像の位置は部分的に又は完全に受信信号パターン内で決定され、極大の位置と焦点の位置との両方が選択的に決定され得る。この方法によって決定された光スポットの像の位置は、それぞれがピクセルアレー２４上のそれぞれの光スポットの像を生成した個別レンズ２２ａ乃至２２ｄと関連している。
【００６７】
同様にそれぞれの個別レンズ２２ａ乃至２２ｄに関連したそれぞれ特有の基準点からのそれぞれの間隔が今やこれらの位置から計算することができる。これらの基準点は、三角測量光センサ１０の幾何学的形態、即ち個別レンズ２２ａ乃至２２での焦点及び間隔を考慮することに加えて、光送信装置１６、ピクセルアレー２４、及びマイクロレンズアレー２２等の構成要素の互いの間隔を考慮しつつ決定される。従って、光スポットの像の位置、及び同一の個別レンズに関する基準点の位置は座標上のペアを形成する。同様に光センサの幾何学的形態を考慮しつつ、そのペアの差から走査距離が最終的に計算される。
【００６８】
従って、この方法では、走査距離のための複数の測定された値が計算され、そしてこの値から、出力される走査間隔が平均を取ることによって計算される。これに関して、続いて詳細が説明されるように、異なる測定値には異なった重み付けがなされてもよい。
【００６９】
本変形例の一つの改良によれば、前記基準点が、基準走査距離におけるティーチングプロセスの枠内で取得される基準信号パターンの像の位置によって固定され得る。走査距離はこれに関連して、基準走査距離を考慮することにより計算される。
【００７０】
比喩的に言えば、この変形例は複数の三角測量光センサによって決定される間隔値の平均化を表していて、各場合における個別の光センサは本発明に係る三角測量光センサ１０とともに特有の個別レンズによって形成される。この方法では、外部干渉の影響や、またピクセルアレー２４の欠陥により生じる人為的影響を走査距離の計算において抑制することができる。それ故に、例えば図３に示される光スポット３０３に対して定められる間隔を、例えば光スポット３０１、３０２、又は３０４よりも小さく重み付けすることもできる。既知のパターンからの相異がさらに大きかったとしたら、対応する光スポットの像もまた完全に退けられる。
【００７１】
こういった確からしさチェックに基づいて、もし相異が大きすぎる場合にはエラーメッセージを出力する、又は妥当と思われる信号が可能となるまでの間、評価部のスイッチ状態の変化が起こらないようにすることができる。ここでは、例えば、最大に可能な数の非標準光スポット像をプリセットし、これを超過するとエラーメッセージが出力されるようにすることができる。
【００７２】
上記において説明した方法の更なる変形によれば、決定されるのは基準点からの距離ではない。かわりに、受信信号パターン内における光スポットの個々の像の間隔から走査距離が決定される。ここでは再度、基準走査距離において生成される基準信号パターンも基礎として用いることができる。
【００７３】
一方で、決定された極大及び／又は焦点を数えることによって光スポットの像の、又は特有の個別レンズに関連した光スポットの像の個々の位置の関連が生じ得る。一方で、二次元ピクセルアレー２４を用いて、マイクロレンズアレー２０の個別レンズ２２ａ乃至２２ｄのそれぞれに、各個別レンズ２２ａ乃至２２ｄに関して異なる三角測量方向Ｔに垂直に偏向を生じさせる自身のプリズムを備えるようにすることができる。
【００７４】
対応する受信信号像４０ａ、４０ｂを、この測定を説明する図５に示す。図５の下段に示されており、二次元ピクセルアレー２４によって生成される受信信号像４０ａが、受信信号の分布を示している。ここではピクセルアレー２４の位置すなわち第一次元がｘによって指定されており、これは三角測量方向Ｔと同じである。ｙ軸ｙはピクセルアレー２４の第二次元を指定している。見れば理解できるように、光スポットの四つの像が図５の下段図においてｘ軸に平行に配置されている。
【００７５】
図５の上段図は個別プリズムを備えたマイクロレンズアレー２０によって生成された受信信号像４０ｂを示しており、ここではピクセルアレー２４の第二次元、すなわちｙ方向が下段の受信信号像４０ａよりも幾分か大きい。個別レンズ２２ａ乃至２２ｄと関連したプリズムの偏向角度は個別レンズから個別レンズの個々で増加し、これによって、結像個別レンズに基づき、ｘ方向の位置が大きくなるにつれて、それぞれピクセルアレー２４のより大きなｙ方向の位置において光スポットの結像が生じる。
【００７６】
従って、ピクセルアレー２４上の特定の像のｙ方向の位置がわかっていれば、簡単な方法によってマイクロレンズアレー２０の特定の個別レンズ２２ａ乃至ｄと関連づけることができる。隣接する像をよりよく分離することができれば、これによって像の互いの間隔が増加されるため、このような個別プリズムを使用するメリットが大きくなる。
【００７７】
これより、走査距離の決定に関する第三の変形例が図４を参照しつつ説明される。この変形例は請求項６に対応している。図４では、既知の受信信号パターン３０ａ乃至３０ｃ、及びティーチングプロセス間の基準信号パターンから発生したものに加えて変調関数４２が示されている。そして、受信信号パターン３０ａ乃至３０ｃにおける次の利用が以下に記述される。
【００７８】
図４において参照番号４２によって示されている変調関数M(x)は、図４における受信信号パターン３０ｂと同一である受信信号パターンSref(x)に基づいており、以下の規定に則っている：
−  M(x)は−１及び＋１の値しかとらない。即ち矩形関数となる。
−  M(x = 0) = -1  とする。
−  Sref(x)が極小となる位置ｘにおいて、M(x)は−１から＋１に変化する。
−  二つの極大の間における位置ｘで＋１から−１に変化するM(x)は、一つ前の極大への間隔Ａと次の極大への間隔Ｂとの関係が特定の規定関係となるように決定される。図４に係る本例では、この関係はＡ：Ｂ＝５：２になる。
【００７９】
値Ｄはこの方法によって定義される変調関数Ｄから、そして受信信号パターンS(x)から、以下の式に従って計算される：
【数１】
2008241693.tif 000003
ここに、Ｎは三角測量方向Ｔ、即ちｘ方向におけるピクセルアレー２４のピクセルの数である。
【００８０】
比喩的に言えば、図４に関連したこの操作は、少なくとも間隔Ｂ内において、垂直にひかれた点線の左側に位置する受信信号パターン３０ａ乃至３０ｃのピークの位置が下向きに折れていることを意味している。もし前記操作が変調関数M(x)４２の生成のための基準Sref(x)の役割を果たす受信信号パターン３０ｂに適用されるならば、Ｄの値は０となる。
【００８１】
もし前記操作が前記参照信号パターン３０ｂに関するものよりも短い走査距離に対応した受信信号パターン３０ｂに対して適用されるならば、Ｄの値は正の値となる。これは、比喩的な意味において、各分布のより小さな箇所は負に重み付けされ、より大きな箇所は正に重み付けされると考えることができる。
【００８２】
反対に、もし前記操作がより長い走査距離に対応する受信信号パターン３０ａに関して実行されるとすれば、Ｄの値は負の値となる。もしそれぞれの点線の左側に配置された強度分布が下向きに折り畳まれていると考えられるとすれば、このことは図４からも明らかである。
【００８３】
一方、この変形例に関連して、前記基準関数Sref(x)に関連した基準走査距離に対応した走査距離閾値の不足又は過剰が決定され得る。一方、基準走査距離からの距離が増加すればＤの量も増加するため、走査距離値は前記値Ｄからも決定することができる。
【００８４】
さらに、変調関数M(x)が位置的に＋１又は−１以外の値を取ることも可能である。これによって、不自然な像の重みを減少させることができる。さらに、前記変調関数を異なる焦点距離を持つ個別レンズを使用する場合に当てはめることにより、ティーチングプロセス中に又はぼやけた像を隠すために用いられる基準走査距離において特にはっきりと結像される光スポットにより大きな重みを与えることもできる。これによって、理想的ではない後方散乱の表面を有する対象物の検知が改良される。
【００８５】
さらに、M(x)は必ずしも矩形関数である必要はなく、中間の値を取っても構わない。これは特に、ｘの位置のより小さな空間分解能において実用的である。
【００８６】
ここで開示した変形例は選択的に用いられるものではなく、同一の三角測量光センサにおいて互い同士で実現することができることを最後に述べておく。更に、特定の変形例で記載された構成は、他の変形例においても適宜に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明に係る、三つの異なる間隔で後方散光対象物が配置された三角測量光センサの概略説明図。
【図２】後方散光対象物及び干渉光源を有する図１の三角測量光センサの概略説明図。
【図３】個別結像素子の配列によって生成された受信信号パターン。
【図４】異なる走査距離において生成された三つの受信信号パターン、および一つの受信信号パターンから生成された変調関数。
【図５】個別結像素子の異なる配列によって生成された二次元配列受信信号パターン。
【符号の説明】
【００８８】
１０…三角測量光センサ
１２…ハウジング
１４…光源
１６…光送信機
１８…光束
２０…マイクロレンズアレー
２２…個別レンズ
２２ａ−２２ｄ…個別レンズ
２４…ピクセルアレー
２６…対象物
２６ａ，２６ｃ…対象物
２８…後方散乱光
２８ａ−２８ｃ…後方散乱光
３０…受信信号パターン
３０ａ−３０ｃ…受信信号パターン
３２…遠領域
３４…近領域
３６…干渉光源
３８…干渉光線
４０ａ，４０ｂ…受信信号像
４２…変調関数
３０１−３０６…光スポット像
３１３，３２３…第二極大
Ｔ…三角測量方向
Ｉ…強度
ｘ…位置
ｙ…ｙ軸
Ａ，Ｂ…間隔
【図１】
2008241693.tif 000004
【図２】
2008241693.tif 000005
【図３】
2008241693.tif 000006
【図４】
2008241693.tif 000007
【図５】
2008241693.tif 000008
【外国語明細書】
2008241693000001.pdf