(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三角測量の原理により監視領域（１８）内の物体（３６）を検出するための光電センサ（１０）であって、光線（１６）を送出するための発光器（１２）と、前記物体（３６）からの反射光線（２０）を検出するための空間分解能を有する受光器であって前記発光器（１２）に対して基線間隔だけずらして配置された受光器（２６）とを有し、該受光器（２６）の手前に受光光学系（２２）及び光学素子（２４）が配置されているセンサにおいて、
前記光学素子（２４）は収束性の部分領域（２４ａ）と発散性の部分領域（２４ｃ）を備え、更に該光学素子（２４）は、前記監視領域（１８）の近接領域にある物体（３６）からの反射光線（２０）が前記収束性の部分領域（２４ａ）を通過し、前記監視領域（１８）の遠方領域にある物体（３６）からの反射光線（２０）が前記発散性の部分領域（２４ｃ）を通過するように配置され、
前記光学素子（２４）が、前記収束性の部分領域（２４ａ）と前記発散性の部分領域（２４ｃ）を有する自由形状面（３４ａ〜ｂ）を備え、
前記自由形状面（３４ａ〜ｂ）が、前記受光器（２６）上での受光スポットの移動方向と該移動方向に垂直な方向の双方において局所的な湾曲部及び／又は曲率の局所的な勾配を有し、それにより前記反射光線（２０）の部分瞳孔光線（２０ａ）を収束させる及び／又は混合すること
を特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記光学素子（２４）が前記収束性の部分領域（２４ａ）と前記発散性の部分領域（２４ｃ）の間に中性の部分領域（２４ｂ）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３】
前記光学素子（２４）が前記基線間隔に沿った断面上において単一の波の基本形状を有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４】
前記光学素子（２４）がプリズム的な作用による前記反射光線（２０）の傾斜を追加的に生じさせ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】
前記光学素子（２４）が長方形状又は台形状の枠に合わせて切断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】
前記発散性の部分領域（２４ｃ）が前記反射光線（２０）に対する減衰特性を有し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】
前記光学素子（２４）が同時に光学フィルタとして構成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】
前記受光器（２６）が近接領域（２６ａ）及び遠方領域（２６ｂ）並びにその間の分離帯（３２）を備え、且つ、近接領域において物体（３６）が検出されたか否かに応じてスイッチ状態が変わるスイッチ出力（３０）を備える、背景隠蔽型光センサとして構成さ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】
三角測量の原理により監視領域（１８）内の物体（３６）を検出するための方法であって、光線（１６）が送出され、前記物体（３６）上で反射された光線（２０）の受光位置が特定され、前記反射光線（２０）がまず受光光学系（２２）内で束ねられた後、光学素子（２４）内で追加的に光線成形される方法において、
前記監視領域（１８）の近接領域内にある物体（３６）からの反射光線（２０）は前記光学素子（２４）の収束性の部分領域（２４ａ）において光線成形され、前記監視領域（１８）の遠方領域内にある物体（３６）からの反射光線（２０）は前記光学素子（２４）の発散性の部分領域（２４ｃ）において光線成形され、
前記光学素子（２４）の自由形状面（３４ａ〜ｂ）が、前記受光器（２６）上での受光スポットの移動方向と該移動方向に垂直な方向の双方において局所的な湾曲部及び／又は曲率の局所的な勾配を有することで、前記自由形状面（３４ａ〜ｂ）により前記反射光線（２０）の部分瞳孔光線（２０ａ）が収束する及び／又は混合されること
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１４のプレアンブルに記載の光電センサ並びに三角測量の原理による物体検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学的な三角測量の原理は、発光器と、空間分解能を有する受光器を、相互に既知の基線間隔だけ離して配置することを基本とする。そうすると発射光線及び受信光線はある角度を成すから、受光器上の受光スポットは検出された物体までの距離に従属して移動することになる。従って、空間分解能を有する受光器上の受光スポットの位置が物体の距離の尺度となる。
【０００３】
三角測量センサは、先に概略的に述べたように距離を測定して出力する測定用のものだけではない。三角測量の原理によるスイッチング装置であって、そのスイッチングの挙動が物体の距離に依存したものもある。この種のセンサの１つに背景隠蔽型光センサがある。このセンサはスイッチング動作を行う、すなわち単に２値的な物体検出信号を出力する。しかし、少なくとも近接領域及び遠方領域に空間を分解する受光器を用いて２種類の受光信号を生成するために、三角測量センサの構成も同時に利用している。物体検出を一定の距離範囲に制限し、該距離範囲の外にある物体を背景信号として隠蔽するために、スイッチング閾値を用いて両信号の差が評価される。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。このセンサには、空間分解能を有する受光器の個々の要素を近接領域と遠方領域に可変的に割り当てるためにスイッチが設けられている。特許文献２には仮想的な分離帯を備える光センサが記載されている。
【０００４】
物体の距離と受光器上での受光スポットの移動量との関係は非線形的である。近接領域で距離が変化すると受光スポットが大きく移動する一方、遠方領域では僅かな移動に留まる。また、受光スポットは数学的な点という理想的なものではなく、しかも受光光学系は全距離範囲で鮮明な像を結ぶことはできないので、スポットの広がりもまた物体の距離によって変わる。これらの効果により、測定が不正確になったり、背景隠蔽型光センサの場合にはスイッチング点がずれて少なくとも時折スイッチング誤りに至ったりする。
【０００５】
これらの問題は光沢のある物体の場合に特に重大である。なぜなら、その場合受光器の瞳孔の一部しか照らされない可能性があるからである。光沢の認識と特別に関係したセンサも確かにある。しかし、それらのセンサは光沢のある物体を主として検出する又はその光沢度を測定するためのものである。三角測量式の距離測定や背景隠蔽は想定されておらず、特別に光沢認識のために採用された手段ではそれらを解決できない。
【０００６】
従来技術として、線形性を改善したり、あるいは特に近くの物体に対する測定領域を広げたりするために、受光光学系を改良するためのアタッチメントがある。例えば、特許文献３では、物体が近付くに従って発光器方向の受信光がより強くなるような追加の近接領域用レンズが用いられている。しかしこれでは近接領域における挙動しか改善されない。
【０００７】
特許文献４では、受光レンズと受光器の間に追加の補正レンズが配置される。これは、受光レンズにより束ねられた光線の方向を意図的に変えることで、受光器上での各入射光線の離間距離が大きくなり且つ鮮明な結像が生じるようにするものである。しかし実際には、全ての受信光線の光路に影響を及ぼす補正レンズではそれは全く不可能であり、ある特定の距離範囲に対する部分的な改善が達成されるのがせいぜいである。
【０００８】
三角法によるもの以外に、例えば光伝播時間測定による同軸式の装置でも光学的な距離を測定することができる。この場合、受光光学系が異なる距離に対応できるようにするために、例えば特許文献５で提案されているように、それぞれ異なる距離範囲を担当する複数の同心円状のリングを有するいわゆる多焦点レンズが用いられる。このような多焦点レンズはその対称性ゆえに三角測量センサには適していない。近接領域で何か利益があれば、それに応じた余分な誤差が遠方領域で生じるし、その逆もまた然りだからである。
【０００９】
光沢のある物体の場合に部分的な照明が生じるという点については、公知の解決策は全く役に立たない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】DE 197 21 105 C2
【特許文献２】DE 199 62 701 A1
【特許文献３】DE 102 20 037 C5
【特許文献４】DE 10 2008 014 912 A1
【特許文献５】US 5 347 137
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の課題は、光学的な三角測量の精度を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は請求項１又は請求項１４に記載の光電センサ及び三角測量の原理による物体検出方法により解決される。そのために、光学的な三角測量で通常に行われているように、光線が監視領域へ送出され、該領域において物体により反射された光線が受光器において感知される。反射光線は拡散反射によっても、また方向性のある反射によっても生じ得る。発光器と受光器は互いに基線間隔だけ離間して配置される。この三角測量の基線があるため、反射光線が受光器上で形成する受光スポットの位置は物体の距離（走査距離とも呼ばれる）に従属する。それゆえ、物体の距離を三角測量で求めることができる。
【００１３】
そして本発明は、光線が収束している面内、つまり反射光線が既に受光光学系の作用によって収束している場所に配置された光学素子を、三角測量のために近接領域及び遠方領域の両方において最適化するという基本思想から出発している。そのために該光学素子は収束性の部分領域と発散性の部分領域を備え、更に該光学素子は、近接領域からの反射光線が収束性の部分領域を通って入射し、遠方領域からの反射光線が発散性の部分領域を通って入射するように配置されている。これは、受光光学系そのものは一定の走査距離範囲以外では鮮明な結像ができないからである。近接領域と遠方領域における前記光学素子の作用を異ならせることにより、線形性の改善とより鮮明な受光スポットの結像を領域毎に達成できる。加えて、前記光学素子は部分瞳孔光線の効果的な集中乃至混合を生じさせることで、特に光沢のある物体の場合に受光スポット内の均一な光分布を生み出す。
【００１４】
即ち、本発明には、受光路内にある改良された光学系により光スポットの位置をより鮮明に画定し、より正確に求めることができるという利点がある。これにより、背景隠蔽型光センサのようなスイッチング装置の場合に正確なスイッチング点を維持し、スイッチング誤りを防ぐことができる。加えて、光沢のある物体の場合、該物体により反射される光線が受光器の瞳孔全体のうち一部しか照らさない可能性があるが、それでも確実に物体を認識できる。
【００１５】
以下では、Ｙ軸が発光器と受光器を結び、従ってこの軸が受光器上での受光スポットの移動方向を示し、Ｚ軸が発光器の光軸であり、従ってＺ軸に沿って物体の距離が測定され、Ｘ軸がＹ軸及びＺ軸に垂直な残りの第３の軸であるという、一般性を一切損なわない座標系を時折参照して、より簡単に説明を行う。
【００１６】
前記光学素子は収束性の部分領域と発散性の部分領域の間に中性の部分領域を備えていることが好ましい。近接領域と遠方領域の間の中間的な物体距離に対しては受光光学系そのものが受光器上へ光を集める。この場合、追加の光線成形は不要である。中性の部分領域は収束性の部分領域と発散性の部分領域の間に連続的な移行を作り出す。これにより光学素子の製造及び配置も容易にすることができる。
【００１７】
前記光学素子は前記収束性の部分領域と前記発散性の部分領域を有する自由形状面を備えていることが好ましい。この光学素子は屈折に基づくものとすることができる。その場合、通常の集光レンズや分散レンズとは作用が異なるが、簡略化してそれをレンズと呼ぶ。自由形状面により、特に近接領域及び遠方領域における異なる要求に合うように、光線形成作用を局所的に適合させることができる。レンズの場合、入射面及び／又は出射面を自由形状面としてもよいし、二面の一方を平らにしておくか、その幾何形状の複雑さや顕著性の程度を大幅に低くしてもよい。レンズの代わりに反射素子つまり適宜の自由形状面を有する鏡を用いてもよい。幾何学的に形成された光学素子の代替物として、所望の回折作用を有するように設計された回折素子がある。
【００１８】
自由形状面が局所的な湾曲部及び／又は曲率の局所的な勾配を有し、それにより反射光線の部分瞳孔光線を収束させる及び／又は混合することが好ましい。つまり、近軸収束用の局所的な湾曲部と、部分光線混合用の曲率の局所的な勾配とにより自由形状を決めることができる。
【００１９】
部分瞳孔光線とは、入射瞳孔の一部のみを照らす部分光線である。説明の都合上、ここでは入射光の光軸を取り囲む無限小の近軸部分光線を最小の部分光線とみなす。この光線の収束は自由形状部の両面における複数の局所的な湾曲部の組み合わせにより行われる。つまり、受光器の平面内にある共通の焦点面に焦点が合うように、自由形状部の凸状乃至凹状の局所的な湾曲部を選ぶことができる。これとの関連で、「焦点が合う」とは一般に１つの共通の焦点面に到達することと理解すべきであり、これは焦点距離の延長を意味することもある。
【００２０】
混合は以下のように生じる。部分光線は最終的に広がるため、理想的な近軸光線にはならず、様々な局所的湾曲部を持つ自由形状の領域を通過するが、それらの領域は近軸の部分光線を収束させるためだけに設計されている。故に、この非近軸である現実の部分光線は自由形状部を通過する際にあまり収束されず、従って広がりを持つ。局所的な曲率勾配があるため、広がりの大きさや当たる場所は自由形状部のどの領域を通過したかによって変わる。それゆえ、部分光線が混ざり合う。局所的な曲率勾配は自由形状部上で見分けがつく。例えば、１つの凹凸形状から成る波は外面上に局所的な曲率勾配を持つ一方、互いに接する２つの円柱は一定の局所的な湾曲部を有する。
【００２１】
計算機に支えられた現代の光学設計では普通であるが、最適化処理により得られる自由形状は簡単な言葉で幾何学的に説明することはできない。そうするには形状が複雑過ぎる上に、少なくともほぼ同様に作用する別々の最適化が幾何学的に非常に異なる結果を生むこともある。一般に、Ｙ方向つまり発光器と受光器を結ぶ線上の基線間隔に沿う方向とそれに垂直なＸ方向においてそれぞれ達成すべき光線成形作用は、異なるやり方で、十分に独立して、それぞれの湾曲部又は曲率勾配を介して、前記２方向に、光線方向と交差して調節することができる。三角測量の効果は最初の考察ではＹ方向のみに沿って生じ、これが最適化対象の自由形状面に当然影響する。
【００２２】
前記光学素子は基線間隔に沿った断面上において単一の波の基本形状を有していることが好ましい。この波は基線間隔に沿って、つまりＹ方向に走っており、凹状の曲線と凸状の曲線から成る。これにより、収束性と発散性の部分領域が出来上がり、その湾曲は、屈折式の光学素子及び反射式の光学素子の場合は当然ながら相補的である。ここ及び以下において基本形状とは、追加的な最適化のためにずれが生じることはあり得るが、その出発点（つまりここでは波）がなおも明瞭に認識できる形状、という意味である。
【００２３】
前記光学素子は前記波から横方向に押し出し成形された物体の基本形状を有していることが好ましい。まずは２次元的に観察した形が波状になるようにする。そして、その波に対する横方向の押し出し成形により、いずれの断面にも波の形が現れるレンズ又は鏡の３次元的な本体が得られる。
【００２４】
前記光学素子は、前記波に対して横方向に収束性の湾曲を追加的に呈していることが好ましい。単なる押し出し成形であれば、その成形体はＸ方向に平らになる。しかし、当然ながら、この方向にも自由形状面を成形することは更なる改良に寄与する。収束作用があれば受光スポットが小さくなり、エネルギー密度が高まる。Ｘ方向のこの効果は、Ｙ方向の波とは違って、近接領域と同様に遠方領域でも生じる。それでも、その湾曲を近接領域と遠方領域において異なる度合いで設計する方が有利である場合もあり、特に、発散性の部分領域乃至凹状の遠方領域では曲がりを小さめに、収束性の部分領域乃至凸状の近接領域では大きめにする。
【００２５】
自由形状面は、斜めに入射する光線を考慮に入れるために、基本形状から更に最適化されることが好ましい。これまでの考察はＸ軸とＹ軸にそれぞれ限定されていた。これでは空間的な効果がまだ考慮されていない。なぜならそれらの軸に対して斜めに入射する光成分も当然存在するからである。基本形状から出発して自由形状面をより細かく適合化することは、そのような斜めの光線が所望の光線成形を妨げないようにする上で役立つ。
【００２６】
前記光学素子はプリズム的な作用による反射光線の傾斜を追加的に生じさせることが好ましい。これは光学素子の成形及び／又は傾いた配置により達成できる。プリズム的な作用による傾斜は、反射光線の入射点に従属していること、つまり物体の距離に応じてその顕著性の度合いが異なることが更に好ましい。そうすれば、プリズム的な作用による傾斜が特に三角測量の線形化に役立つ。
【００２７】
前記光学素子は長方形状又は台形状の枠に合わせて切断されていることが好ましい。つまり、光学素子が上面から見て長方形又は台形を成しており、反射光線が光学素子を突き抜ける前面及び／又は背面の自由形状部を除き、全体として大まかに平行六面体状である。この切断によれば、光学的には損失が無いに等しい一方、取り扱い、収納及び保持が非常に容易になる。
【００２８】
発散性の部分領域は反射光線に対する減衰特性を有していることが好ましい。これは、光学素子の表面又は材料内部において、粗面化、膜被覆、反射除去、吸収等により達成できる。近接領域では過大なエネルギーを受け取ることが典型的である。従って、光学素子内で減衰させることで、近接領域における検出特性を損なわずに受光のダイナミックレンジを小さくすることができる。
【００２９】
前記光学素子は同時に光学フィルタとして構成されていることが好ましい。これもまた特に被膜又は材料により達成できるが、ここでは単に減衰を意味するのではなく、その効果は近接領域に限らず全ての受診光に関わるものであることが好ましい。例として、発光器の波長域に合わせた光学的なバンドパス効果や、偏光フィルタ、又は一般の回折光学的な特性が挙げられる。
【００３０】
本発明のセンサは、前記受光器が近接領域及び遠方領域並びにその間の分離帯を備え、且つ、近接領域において物体が検出されたか否かに応じてスイッチ状態が変わるスイッチ出力を備える、背景隠蔽型光センサとして構成されることが好ましい。
【００３１】
背景隠蔽型光センサの機能原理は冒頭で簡単に説明した。どの信号が背景として隠蔽されるかは分離帯の位置による。それゆえ、物体の距離が変化する状況で正確な検出を行うには、できるだけ多量の光が分離帯を越えて移動するようにしなければならない。これは本発明の光学素子により達成される。分離帯は近距離用受光素子と遠距離用受光素子の間の物理的な分離線とすることができる。また、個々の受光器を単純な又は重みを付けた相互連結を通じて近距離用素子と遠距離用素子に接続することにより電子的に位置調節ができる仮想的な分離帯を指すことも多い。このような重み付けによれば分離帯をサブピクセルの分解能でずらすことさえ可能である。
【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】三角測量の原理による光電センサのブロック回路図。
【図２】発光光学系と受光器の間に配置される光学素子の３次元図。
【図３】発光光学系と受光器の間の光学素子の配置の拡大詳細図。
【図４】（ａ）近接領域に物体がある場合の従来の三角測量センサにおける光線の進路の模範例、（ｂ）（ａ）に示した状況における受光器上の受光スポットの概略図、（ｃ）発光光学系と受光器の間に光学素子を有する本発明に係るセンサにおける（ａ）と同様の光線の進路の模範例、及び（ｄ）（ｃ）に示した状況における受光器上の受光スポットの概略図。
【図５】図４（ａ）〜（ｄ）と同様の図であって、中間の距離領域に物体がある場合の図（ａ）〜（ｄ）。
【図６】図４（ａ）〜（ｄ）と同様の図であって、遠方領域に物体がある場合の図（ａ）〜（ｄ）。
【図７】（ａ）光沢のある物体を検出する場合であって、部分的瞳孔照明が生じてスイッチング誤りに至る場合の光線の進路の概略図、及び（ｂ）（ａ）と同様の図であるが、光沢のある物体がより近くにあるために誤って見落とされてしまう場合を示す図。
【図８】反射光線の部分光線束とそれにより生じる部分的瞳孔照明の図。
【図９】部分的瞳孔照明の様々な場合の光スポットの位置を、光学素子のない参照事例と光学素子を有する本発明とで比較した図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、背景隠蔽型光センサとしての実施例における三角測量の原理による光電センサ１０の概略断面図である。発光器１２が光線成形用の発光光学系１４を通じて光線１６を監視領域１８へ送出する。光線１６が監視領域１８内で物体に当たると、その一部が反射光線２０としてセンサ１０へ戻る。
【００３６】
受光光学系２２が反射光線２０を束ねる。続いて、反射光線２０が光学素子２４内で更に光線成形された後、受光器２６に入射し、該受光器がその光線から電気的な受光信号を生成する。図示した実施形態のセンサ１０は背景隠蔽処理を行うようになっている。それゆえ受光器２６は近接領域用素子２６ａと遠方領域用素子２６ｂに分割されている。センサ１０の内部は三角測量の配置になっているから、受光器２６上での反射光線２０の入射箇所乃至は該光線から生じる受光スポットの位置は、反射光線２０を送り返してきた被検知物体の距離によって決まる。Ｙ軸とここで呼ばれる方向に沿った発光器１２と受光器２６の間のずれが三角測量の基線となる。それゆえ、遠くの物体、つまりここでＺ軸と呼ばれる方向に沿った距離が大きい物体の受光スポットは遠方領域用素子２６ｂ上で感知され、近くの物体の受光スポットは近接領域用素子２６ａ上で感知されることになる。
【００３７】
前記電気的な受光信号から近接領域における物体の存在に応じて物体確認信号を決定してそれをスイッチ出力３０に供給するために、評価ユニット２８が受光器２６と接続されている。評価ユニット２８は背景隠蔽処理のために近接領域用素子２６ａの信号と遠方領域用素子２６ｂの信号の差を求め、閾値を用いてその差を評価する。それに応じてスイッチ出力３０ではスイッチ信号が生成される。この信号は、近接領域で物体が検出されたときには物体の確認を通知し、物体が全く検出されないときや、隠蔽すべき遠方領域の物体だけが検出されたときには物体の確認を通知しない。評価ユニット２８は発光器１２の制御も行う。
【００３８】
２素子型の受光器２６の代わりにＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｖｉｃｅ）又は受光器列を用いることができる。物体の距離に対する受光器２６上での光スポットの移動量の非線形的な依存性を少なくとも部分的に補償するために、受光器列の画素の幅を異ならせてもよい。背景隠蔽処理のために、装置の設置、パラメータ設定又は教え込みの度に、画素を２群に分けて受光器２６を近接領域用素子２６ａと遠方領域用素子２６ｂに分割する分離帯３２が定められる。分離帯３２の位置を電子的に変更できるようにしてもよい。
【００３９】
受光器２６の空間分解能は必ずしも近接領域と遠方領域への分割のためだけに利用しなければならないわけではない。一例として追加の分離帯と距離領域を設けることが考えられる。また、背景隠蔽処理のためではなく距離測定のために三角測量を用いることも可能であり、その場合、センサ１０は距離測定用の三角測量センサとなる。
【００４０】
これらは図１に示したセンサ１０の構成において変更可能な側面の幾つかの例に過ぎない。本発明は何よりも光学素子２４に関するものであり、以下ではその特徴をより詳しく説明する。三角測量の原理によるセンサ１０の他の特徴は公知の方法で変形可能である。これについては、一般的な機能原理に加えて、例えば既に冒頭で言及した特許文献１や特許文献２を参照されたい。
【００４１】
図２は光学素子２４を３次元図で示し、図３は、受光光学系２２と受光器２６の間、つまり反射光線２０が受光光学系２２により束ねられた後で収束する光路における光学素子２４の模範的な配置例を拡大図で示している。本実施例の光学素子２４は自由形状レンズであり、従って屈折を基礎にしている。代わりに、反射作用、つまり適宜の輪郭を有する鏡や、回折光学素子を利用してもよい。
【００４２】
光学素子２４は前面３４ａと背面３４ｂを備え、その両方が自由形状面として構成されている。面３４ａ〜ｂの一方を平面にすることも考えられるが、そうすると最適化の自由度が低下してしまう。光学素子２４は、Ｙ方向、つまり発光器１２と受光器２６の離間方向であって、受光スポットが物体の距離に従属して移動する方向に、波状の輪郭を有している。これにより、収束性の部分領域２４ａと発散性の部分領域２４ｃが移行領域２４ｂとともに作り出されている。波状の輪郭は前面３４ａ上の方が背面３４ｂ上よりも顕著である。そのため全体では胴部が膨らんだ形状になっている。部分領域２４ａ〜ｃは明確な境界なしで相互に移行している。加えて、光学素子２４を近接領域用と遠方領域用の２つの素子に分割することも考えられる。そうすれば、２つの素子の一方を放棄することさえ可能となるが、その予測可能な帰結として、当該距離領域では追加の有利な光線成形が生じなくなる。
【００４３】
横方向つまりＸ方向において、光学素子２４は１次近似では押し出し成形体であり、波状の輪郭がいずれの断面でも繰り返される。ただしこれは基本形状に過ぎず、得ようとする後述の光線成形作用を考慮して更に最適化される。例えば、３次元空間内で各軸に対して斜めに入射する光線を考慮しなければならない。また、反射光線２０をＸ軸内で集光するために、Ｘ方向の輪郭を全体として収束性にすることが有利な場合もある。
【００４４】
光学素子２４は両側で切断されている。これにより、長方形状又は台形状の枠乃至は全体として平行六面体状の形が出来上がる。これは光線成形特性にはほとんど影響しないが、取り扱い、収納及び保持を容易にする。
【００４５】
図示した光学素子２４の形状は最適化の結果であり、その狙いは、Ｘ方向と同様にＹ方向においても、光学素子２４上における光線２０の入射断面及び入射位置つまりは物体の距離に従属した焦点合わせ又は焦点ぼかしを、部分瞳孔光線の有効な集中及び／又は混合を伴って達成することである。ただし、Ｙ方向の作用は一般にＸ方向と異なっている。更に、同様に物体の距離に従属して、中心光線を受光器２６の表面の法線方向へプリズム的な作用により傾斜させなければならない。これらの効果及びその利点について以下に図４〜図９を参照しながら説明する。
【００４６】
これらの最適化目標のために光学素子２４の形状にずれが生じてもよい。最適化の際、収束性の部分領域２４ａと発散性の部分領域２４ｃは維持される。しかし、詳細な成形は図示した光学素子２４に限定されない。
【００４７】
図４〜図６は、それぞれ走査距離が近接、中間及び遠方である場合、つまり被検知物体３６がそれらに対応する距離にある場合の光学素子２４における改善された光線の進路を示している。いずれも、最初に図４（ａ）、図５（ａ）又は図６（ａ）として、参照のために、光学素子２４のない従来のセンサにおける光線の進路を示し、次に図４（ｃ）、図５（ｃ）又は図６（ｃ）として本発明に係るセンサ１０における光線の進路を示している。他の図４（ｂ）、図５（ｂ）及び図６（ｂ）並びに図４（ｄ）、図５（ｄ）及び図６（ｄ）は、各進路に付随する受光器２６上の受光スポット３８を示している。
【００４８】
本例の受光光学系２２は単一の収束性受光レンズであり、中間の走査距離範囲にある物体３６の像を受光器２６上に鮮明に結ぶように焦点が合わされている。走査距離がより短い又はより長い場合は結像が不鮮明になり、受光器２６上での受光スポット３８のエネルギー分布の集中度が低くなる。走査距離の変化に対する受光器上での受光スポット３８の位置変化は近接領域では大きく、遠方領域では小さい。そのため、受光スポット３８の位置、つまり受光スポット３８のエネルギー分布の重み付け無しの重心又は中央値を特定することができる。
【００４９】
光学素子２４は、少なくとも近接領域及び遠方領域でエネルギー集中を生じさせるとともに、その都度の中心光線に対する受光スポット３８の中央値の位置をずらす。詳しく言うと、近接領域では中心光線へ近づけて、遠方領域では中心光線から遠ざける。
【００５０】
図４に示した近接領域では、入射する反射光線２０は収束性の部分領域２４ａの凸状のレンズ面を通過することで更に収束され、その結果、受光器２６上でのエネルギーの集中度が高まる。収束性の部分領域２４ａの作用がなければ物体３６の像は受光器２６の背後に位置することになり、受光器２６上での受光スポット３８のエネルギーの集中度がそれに応じて低くなる。加えて、受光スポット３８が明らかにプリズム的な作用により上方へ傾けられる。
【００５１】
図５に示した中間領域では、入射する反射光線２０は光学素子２４による影響をあまり受けないため、受光光学系２２により既に収束された受光スポット２８の位置及び形状が十分に保たれる。このような反射光線２０は主に光学素子の中性的な移行領域２４ｂに入射する。
【００５２】
図６に示した遠方領域では、入射する反射光線２０は発散性の部分領域２４ｃの凹状のレンズ面によりその収束が弱められる。この場合も受光器２６上でエネルギーが集中することになる。なぜなら、発散性の部分領域２４ｃの作用がなければ、物体３６の像は受光器２６の手前に位置することになり、それに応じて受光スポット３８の集中度が低くなるからである。プリズム的な作用による受光スポット３８の上方への傾きは、遠方領域では近接領域よりも明らかに控えめである。
【００５３】
以上から光学素子２４の２つの効果が具体的に分かる。即ち、該素子は、光スポットサイズの走査距離依存性と、走査距離の変化に対する受光スポット３８の移動量の非線形性の明瞭な低減に大きく寄与する。一方、三角測量の原理によるセンサには、光沢のある物体３６の検出に際して生じる部分的瞳孔照明の問題もある。以下、図７に基づき、この問題を明らかにする。
【００５４】
背景隠蔽型光センサは、監視領域１８を、物体３６が検出されたときにスイッチを入れるべき前景と、隠蔽すべき背景とに分割する。その際、前景と背景の間の境界４０が分離帯３２に対応する。もっとも、実際にはこの境界４０は、図中にヒステリシス領域４２で示したように、スイッチングヒステリシスで以て評価される。これにより、境界４０付近に物体３６がある際に測定の揺らぎによる高速の往復スイッチングが防止される。
【００５５】
また、この種の光センサではいわゆる白黒シフト（Ｓｃｈｗａｒｚ−Ｗｅｉｓｓ−Ｖｅｒｓｃｈｉｅｂｕｎｇ）が生じる。白黒シフトとは物体３６の反射特性に基づく見かけの距離変化である。弱く反射する物体３６が、別の距離において、強く反射する物体又は鏡面状若しくは光沢のある物体３６として閾値より上又は下の受光信号を生じさせるのである。従って、検出すべき物体３６の反射特性が分かっていなければ測定が不正確になってしまう。これは別の許容差区間４４によって考慮される。
【００５６】
しかし、光沢のある物体３６はヒステリシス領域４２及び許容差区間４４の外側でもなおスイッチング誤りを生じさせる可能性がある。なぜなら、状況によっては受光器の瞳孔の一部のみが照らされ、それが走査距離の測定の大幅なずれを招くからである。光沢のある物体３６は空間の全方向にランベルト特性に従って光を返すわけではなく、むしろ物体３６の光沢のある又は鏡状の面の向きに応じた明らかに特定の方向へ光を返す。その結果、受光器の瞳孔の一部、例えばレンズの上半分、下半分、右半分、左半分又はより小さい部分だけが照らされる。いま、物体３６が受光光学系２２の結像距離、つまり中間的な距離範囲にない場合、光学素子２４が無ければ物体３６の結像が不鮮明になる。従って、受光器の瞳孔のどの部分が照らされるかに応じて受光器２６上での中央値の位置に違いが出て、走査距離の測定の際に誤りが生じる。
【００５７】
図７（ａ）は、光沢のある物体３６が遠すぎる位置にあり、本来なら隠蔽されるべきである場合に生じるスイッチング誤りを示している。反射光線２０の部分光線２０ａが受光光学系２２の下部のみを照らしている。それに応じて多くのエネルギーが近接領域用素子２６ａに入射し、センサ１０のスイッチが入る。一方、理想的な中心光線４６であれば、遠方領域用素子２６ｂに当たり、正しく隠蔽されるはずである。
【００５８】
図７（ｂ）は、光沢のある物体３６が近くにあり、誤って見落とされてしまうという誤り事例を示している。この配置では、反射光線２０の部分光線２０ａが受光光学系２２の上部のみを照らし、その結果、大きなエネルギーが遠方領域用素子２６ｂに入射して、誤った背景隠蔽を引き起こす。一方、理想的な中心光４６であれば、近接領域用素子２６ａに当たり、センサ１０のスイッチが入るはずである。
【００５９】
図８は光学素子２４がないときの部分的瞳孔照明の作用を再び示している。収束が不十分な場合、別々の部分光線が異なる高さで受光光学系２２へ入射し、それに応じてエネルギー密度が縞状に高められた受光スポットが生じるため、受光瞳孔が均質に照らされる場合に比べて実際の中央値の位置ひいては物体の測定距離にずれが生じる。
【００６０】
光学素子２４は、センサの他の性能を損なうことなく、部分的瞳孔照明によるこれらの不所望な効果も最小限に抑える。なぜなら、受光スポット３８が近接領域及び遠方領域においてもはるかに良好に収束されるからである。これにより、中央値のずれが測定に及ぼす影響がはるかに弱まる。
【００６１】
部分的瞳孔照明の際の光学素子２４によるこの改善が図９に系統立てて示されている。シミュレーションにおいて、受光光学系２２は、上下に重なった１０本の縞の１本のみの中でその都度、図８に描かれたように照らされる。これらの縞又は部分領域はＸ軸上にプロットされている。Ｙ軸はその都度の中央値の位置を表し、それも各曲線で異なる走査距離を表している。図９中の左図は光学素子２４のない参照例であり、右図は本発明による改善を示している。
【００６２】
全ての曲線がＸ軸に平行に走っているのが理想的な状況である。それは即ち、中央値の位置が、受光器の瞳孔のどの部分が照らされるかに全く依存しないということである。そうなると各曲線のＹ軸上の位置は走査距離だけで決まる。左側の参照例はこれに該当するとはとても言えない。これは既に図７に基づいて説明した問題の単なる概略的な描写にすぎない。
【００６３】
本発明では、図９の右図から分かるように、曲線が少なくとも広い範囲で水平に走っている。つまり、光学素子２４の使用により、とりわけ光沢のある物体３６を検出する場合に生じる受光器の瞳孔の部分的な照明に対してスイッチングの挙動が著しく頑強になる、乃至は距離の測定精度が大幅に高まる。
【００６４】
要するに、光学素子２４を用いた、走査距離に従属した光線成形により、部分瞳孔感度が効果的に均質化され、三角測量を行うエネルギー密度が改善され、三角測量曲線、つまり走査距離乃至物体距離に従属した受光スポット３８の中央値の位置が少なくともある程度狭い幅に収まり、線形化される。以上から、物体の反射特性に対するセンサ１０の走査距離依存性が弱まり、ユーザにとって有用な走査距離調整の容易化及び改善が成される。
【００６５】
図９と同様の参照例との比較により、三角測量の原理によるセンサ１０の他の特性を調べることができる。１つは、既に何度も触れた中央値、つまりＹ方向又は三角測量の方向におけるエネルギー分布の中央値の位置である。また、三角測量の変動幅は走査距離に従属したＹ方向の中央値の差分変化を意味し、エネルギー密度は中央値における受光器２６上の局所的なエネルギー密度を意味する。最後に、三角測量を行うエネルギー密度は三角測量の変動幅とエネルギー密度の積である。これらの特性の全てが少なくとも遠方領域で改善される。近接領域での僅かな損失はそれにより十分過ぎるほど補償される。なぜなら、近接領域ではいずれにせよ大きな蓄えがあるからである。
【００６６】
三角測量の原理によるセンサ１０では、背景に対する前景の区別は三角測量を行うのエネルギー密度に強く依存しており、これをできる限り高くする必要がある。調節の範囲は中央値の最大位置と最小位置の間隔で決まり、これはできる限り圧縮する必要がある。最後に、調節の精度は三角測量の変動幅の線形性に依存する。３つの効果の全てが光学素子２４により幅広い範囲で更に改善される。
【００６７】
前述の光線成形特性だけでなく、光学素子２４を光学フィルタとして利用することもできる。反射光線２０が近接領域にあり、それゆえ収束性の部分領域２４ａを通って粗面化、反射除去、吸収等により減衰されれば、近接領域における全体のエネルギーを低下させ、エネルギーの距離特性を適合化することができる。これにより受光器２６の後段の評価回路で必要とされるダイナミックレンジが狭められ、コスト、熱損失及び雑音が低くなるという利点が得られる。
【００６８】
更に光学素子２４に追加の機能を統合してもよい。透明な機能部品として自由形状レンズをプラスチック又はガラスで製造することにより、該レンズと前記材料又は追加の塗布層の機能的な表面特性又は表面下特性とを組み合わせることが原理的に可能である。例として、分光フィルタリング、空間フィルタリング（均質、非均質又は構造化されたもの）、表面下散乱又は表面散乱、蛍光又はルミネッセンス、偏光フィルタリング（例えばワイヤグリッド偏光子層と回折光学的な特性によるもの）が挙げられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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