(57)【要約】【課題】  光電センサにおける周期的走査を改善する。【解決手段】  監視領域（２０）内の対象物を検知するための光電センサ（１０）、特にレーザースキャナーであって、送出光線（１８）を送出する送光器（１２）と、前記監視領域（２０）内の対象物から戻された光（２２）から受光信号を発生させる受光器（２８）と、回転軸線（３４）のまわりで回転可能で、前記送出光線（１８）を前記監視領域（２０）に周期的に転向させるとともに、前記監視領域（２０）から戻された光（２２）を周期的に転向させる光学ユニット（３０）と、前記受光信号に基づいて前記監視領域（２０）内の対象物に関する情報を検出する評価ユニット（４０）とを備えた前記センサ（１０）。前記光学ユニット（３０）は、前記送出光線（１８）を前記送光器（１２）から前記監視領域（２０）へ転向させるための送光用導光体（１４）、および／または、前記監視領域（２０）から戻された光（２２）を前記受光器（２８）へ転向させるための受光用導光体（２６）を有している。【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）内の対象物を検知するための光電センサ（１０）、特にレーザースキャナーであって、送出光線（１８）を送出する送光器（１２）と、前記監視領域（２０）内の対象物から戻された光（２２）から受光信号を発生させる受光器（２８）と、回転軸線（３４）のまわりで回転可能で、前記送出光線（１８）を前記監視領域（２０）に周期的に転向させるとともに、前記監視領域（２０）から戻された光（２２）を周期的に転向させる光学ユニット（３０）と、前記受光信号に基づいて前記監視領域（２０）内の対象物に関する情報を検出する評価ユニット（４０）とを備えた前記センサ（１０）において、
前記光学ユニット（３０）が、前記送出光線（１８）を前記送光器（１２）から前記監視領域（２０）へ転向させるための送光用導光体（１４）、および／または、前記監視領域（２０）から戻された光（２２）を前記受光器（２８）へ転向させるための受光用導光体（２６）を有していることを特徴とする前記センサ（１０）。
【請求項２】
前記送光器（１２）が前記回転軸線（３４）上に配置され、特に前記送光器（１２）の光軸が前記回転軸線（３４）と一致している、請求項１に記載のセンサ（１０）。
【請求項３】
前記受光器（２８）が前記回転軸線（３４）上に配置され、特に前記受光器（２８）の光軸が前記回転軸線（３４）と一致している、請求項１または２に記載のセンサ（１０）。
【請求項４】
前記光学ユニット（３０）が、前記戻された光（２２）を前記受光用導光体（２６）に集める受光系（２４）を有している、請求項１〜３のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
前記受光系（２４）に送光系（１６）が一体に設けられている、請求項４に記載のセンサ（１０）。
【請求項６】
前記送光系（１６）が前記受光系（２４）の中央に設けた送光レンズとして形成されている、請求項５に記載のセンサ（１０）。
【請求項７】
前記送光用導光体（１４）の一端が送光系（１６）の付近に配置されている、請求項１〜６のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
【請求項８】
前記受光器（２８）の前に補助的な受光系（２４）が設けられている、請求項１〜７のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
【請求項９】
前記送光器（１２）の前に補助的な送光系（１６）が設けられている、請求項１〜８のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
【請求項１０】
前記送光用導光体（１４）が２つの端部を有し、これらの端部が互いに６０゜ないし９０゜、特にほぼ９０゜傾斜している、請求項１〜９のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
【請求項１１】
前記受光用導光体（２６）が２つの端部を有し、これらの端部が互いに６０゜ないし９０゜、特にほぼ９０゜傾斜している、請求項１〜１０のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
【請求項１２】
前記光学ユニット（３０）を回転運動させるために中空軸駆動部（３２）が設けられ、前記送光器（１２）または前記受光器（２８）が前記中空軸（３６）の内部空間内に配置されている、請求項１〜１１のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
【請求項１３】
前記評価ユニット（４０）は、前記送出光線（１８）の送出と前記戻された光（２２）の受光との間の光伝播時間を算出し、これから対象物までの距離を算出するように構成されている、請求項１〜１２のいずれか一つに記載のセンサ（１０）。
【請求項１４】
監視領域（２０）内の対象物を検知する方法であって、送光器（１２）を用いて送出光線（１８）を送出して、回転軸線（３４）のまわりに回転可能な光学ユニット（３０）で周期的に前記監視領域（２０）へ転向させ、前記監視領域（２０）内の対象物から戻されて前記光学ユニット（３０）で周期的に受光器（２８）へ転向される光から受光信号を発生させ、該受光信号の情報に基づいて前記監視領域（２０）内の対象物を検知するようにした前記方法において、
前記送出光線（１８）を前記光学ユニット（３０）の送光用導光体（１４）において前記送光器（１２）から前記監視領域（２０）へ転向させ、および／または、前記戻された光（２２）を前記光学ユニット（３０）の受光用導光体（２６）において前記監視領域（２０）から前記受光器（２８）へ転向させることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記送光器（１２）が前記送出光線（１８）を前記回転軸（３４）上で送出し、前記送光用導光体（１４）が前記送出光線（１８）を６０゜ないし９０゜、特にほぼ９０゜前記監視領域（２０）へ転向させ、前記受光用導光体（２６）が前記監視領域（２０）から前記回転軸（３４）へ戻された前記光（２２）を６０゜ないし９０゜、特にほぼ９０゜前記受光器（２８）へ転向させる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に記載の光電センサ、および、請求項１４の前提部に記載の監視領域内の対象物を検知する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
測定システムの大きな水平方向角度範囲を必要とする距離測定に対しては、光電システムが適しており、特にレーザースキャナーが適している。レーザースキャナー内では、レーザーによって発生した光線が偏向ユニットにより周期的に監視領域を通過する。光は監視領域内の対象物によって戻されて、スキャナー内で評価される。偏向ユニットの角度位置から対象物の角度位置が推定され、加えて、光伝播時間から、光速を使用してレーザースキャナーからの対象物の距離が推定される。
【０００３】
こうして推定された角度および距離を用いて、監視領域内での対象物の場所が２次元極座標で検知される。これにより複数個の対象物の位置を求めることができ、或いは、同じ対象物を異なる位置で複数回走査することにより、対象物の輪郭を特定することができる。また、例えば偏向ユニットにレーザスキャナ内における更に別の移動の自由度を与えたり、レーザスキャナに対して物体を移動させたりするなど、横方向の相対移動を加えることにより、第３の空間座標も検出できる。このようにして３次元の輪郭も測定することができる。
【０００４】
このような測定適用例以外に、レーザースキャナーは安全技術においてたとえば危険な機械のような危険源を監視するためにも使用される。この種の安全装置用レーザースキャナーは特許文献１から知られている。この場合、機械の作動中に操作者が踏み入ってはならない保護域が監視される。レーザースキャナーが不当な保護域進入を検知すると、たとえば操作者の脚を検知すると、レーザースキャナーは機械の非常停止を発動する。安全技術において使用されるセンサは特に確実に作動せねばならず、それ故たとえば機械安全性に対する規格ＥＮ１３８４９および非接触型保護装置（ＢＷＳ）に対する機器規格ＥＮ６１４９６のような安全性に関する高度な要求を満たさねばならない。
【０００５】
レーザースキャナーでの監視平面の走査は、通常は、送出光線が回転する回転ミラーにぶつかることによって達成される。このミラーによって、回転軸線に対する送光器および受光器の位置合わせに非常に高度な要求が課せられる。これからずれると、歪んだ監視平面になる。さらに、物体距離は常に前記ミラーを経て受光系に至るまで装置内に延在しているので、このような光学ユニットは大型である。前面板自体による、または、その汚染による該前面板の散乱作用のために、センサ機能が損なわれる。
【０００６】
回転ミラーの代わりに、測定ヘッド全体を送光器および受光器とともに回転させることも知られている。このようなスキャナーは特許文献２に開示されている。特許文献３では、同様に回転可能な送光／受光ユニットが設けられている。この送光／受光ユニットは、たとえば変圧器の原理によりに従って、センサのうち回転しない領域からエネルギーの供給を受け、他方データ伝送は無線電信、または、光路上でワイヤレスに行われる。しかしこの種のインターフェースは比較的コスト高である。
【０００７】
特許文献４は他のレーザースキャナーを記載しており、ここでは受光系が一緒に回転するように構成されている。送光光路および受光光路内の光路が互いに干渉しないようにするため、送出光線は軸からずれた位置でカップリングされる。このため、回転運動中に光束が受光器上で揺動する。
【０００８】
特許文献５では、レーザースキャナーの受光ユニットを回転させるために中空軸駆動部が使用される。しかし、これと同時に、複数のミラーによって折りたたまれる非常に複雑な送出光路が必要である。
【０００９】
特許文献６では、横断面でルーフ状の中央のミラーシステムが走査運動の用を成す。光は側部でカップリング、デカップリングされ、その際、導光体による供給が行われる。従って実質的には回転ミラーを用いた古典的な解決手段である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】DE 43 40 756 A1
【特許文献２】DE 197 57 849 B4
【特許文献３】EP 2 388 619 A1
【特許文献４】EP 2 375 266 A1
【特許文献５】EP 1 503 221 A1
【特許文献６】WO 2005/050129 A2
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
それ故、本発明の課題は、この種のセンサにおける周期的走査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または請求項１４に記載の、光電センサおよび監視領域で対象物を検知する方法によって解決される。この場合本発明は、通常の回転ミラーの代わりに導光体を使用するという基本思想から出発している。導光体とは、特に、光が光入射用端部と光出射用端部との間で光学的全反射により実質的にロスなしに、該導光体によって設定される光路上で案内される光ファイバーである。通常のようにセンサから送出光線が送出され、周期的に偏向されるが、回転ミラーによって偏向されるのではなく、送光用導光体によって偏向され、或いは、戻された光は受光用導光体により受光器へ案内される。これらの導光体は光学ユニットと一緒に回転する。
【００１３】
本発明の利点は、残機能に対する光学的有効面積の比率を高くできることであり、従って小サイズの構成を達成できることである。ミラー光学系を使用しないので、種々の光学要素を位置調整する際の公差は著しく大きい。前面板と光学ユニットとの間の光路を極端に短くさせることができるので、本発明によるセンサは散乱光に反応せず、特に前面板反射光および前面板の汚れに反応せず、問題ない。本スキャナーは、開口角が大きければ３６０゜にわたって監視領域を検知することができる。
【００１４】
送光器は有利には回転軸線上に配置されている。受光器も有利には回転軸線上に配置されている。これにより、回転する光学ユニットとは異なり、送光器または受光器を固定したままにすることができる。特に、送光器または受光器の光軸は回転軸線と一致しており、その結果対称配置が得られる。特に有利なのは、送光器と受光器とが対向配置され、すなわち光学ユニットがいわば回転軸線によって形成される送光器から受光器への見通し線上にあるような配置構成である。
【００１５】
光学ユニットは、有利には、戻された光を受光用導光体に集める受光系を有している。この受光系も光学ユニットの一部として一緒に回転運動を行う。これにより、受光系と受光器との間に必要な光路を前方にずらすことができ、従って特に小サイズの構成を達成できる。
【００１６】
好ましくは、受光系に送光系が一体に設けられている。送光系は、実質的に点状の公知の光源のみをコリメートするので、通常のように受光系よりも著しく小さい。これにより、構成空間および位置調整の必要量を少なくしたこのような一体化が可能である。
【００１７】
送光系は、好ましくは、受光系の中央に設けた送光レンズとして形成されている。この場合、受光系もレンズであることが有利である。この場合、同心のダブルレンズにより、一緒に回転するコンパクトな送受光系が提供されている。これとは択一的に二軸配置も考えられ、特に互いに並設される受光レンズと送光レンズとを有するダブルレンズを備えた二軸配置も考えられる。
【００１８】
送光用導光体の一端は、有利には、送光系の付近に配置されている。この端部から送出光線を出射する。これによってセンサ内での散乱光が回避される。有利な実施態様において送光系が受光系の中に一体に設けられていれば、受光路内への光の混信をさらに一層抑制するために、送光用導光体を、通常はより大きな受光系の中に部分的に挿入することができる。戻された光が集められる、受光用導光体の一端は、好ましくは送光用導光体の前記端部と同じ高さにあるが、光学ユニットのサイズの範囲内で可能な大きな間隔で位置している。すなわち受光用導光体の入射領域は受光系から引き離され、回転軸線を越えて、光学ユニットの、受光系に対向している周縁領域付近配置されている。これにより、戻された光を合焦させるために十分な空間が与えられている。この場合、送光用導光体によって覆われる小部分域は無視できる。
【００１９】
受光器の前に、有利には、補助的な受光系が設けられている。この補助的な受光系は静止しており、光学ユニット上で一緒に回転する受光系を補完するものである。これと全く同じように、送光器の前にも補助的な送光系が設けられていると有利である。
【００２０】
送光用導光体は、有利には２つの端部を有し、これらの端部は互いに６０゜ないし９０゜、特にほぼ９０゜傾斜している。これにより送光用導光体は送出光線用の転向ユニットとしての機能を果たす。９０゜の角度により、回転軸線に対し平行に送出された送出光線はこれに対し垂直に配向された監視平面へ転向される。これよりも小さな、たとえば７０゜の角度だと、適当な開口角を有し、頂点にセンサを備えた円錐面のような形状の監視領域が生じる。これはかなりの適用例で平坦な監視面よりも有利である。対応的に、受光用導光体も有利には２つの端部を有し、これらの端部は互いに６０゜ないし９０゜、特にほぼ９０゜傾斜している。好ましくは、送光用導光体と受光用導光体の傾斜は互いに等しい。両方の導光体は端部の間でほぼ任意の変形部をも有していてよい。ほとんどの場合、可能な限り真っ直ぐで短い導光体が有利であるが、光学ユニットにおける不均衡を避けるために質量分布をなるべく均一にするため、或いは、他の理由から、迂回部を備えたより長い導光体を用いることも考えられる。
【００２１】
好ましくは、光学ユニットを回転運動させるために中空軸駆動部が設けられ、送光器または受光器は中空軸の内部空間内に配置されている。これによって、光学ユニットの、駆動部に面した側においても送光器または受光器を回転軸線上にダイレクトに配置することが可能である。
【００２２】
評価ユニットは、送出光線の送出と戻された光の受光との間の光伝播時間を算出し、これから対象物までの距離を算出するように構成されている。これに加えて、送出光線が転向される角度または戻された光が受光される角度を特定する角度測定ユニットを設けてもよい。
【００２３】
本発明による方法は同じようにして更なる構成要件によって構成でき、同様な利点を示す。このような他の構成要件は一例であり、決定的なものではなく、独立請求項に続く従属請求項に記載されている。
【００２４】
次に、本発明を他の利点および構成要件に関し添付の図面を参照して実施形態を用いて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】レーザースキャナーの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１は、レーザースキャナー１０としての実施形態で示した光電センサの断面図である。たとえばレーザー光源を備えた送光器１２は送出光を発生させ、送出光は送光用導光体１４に入射する。図示していない補助的な送光系を送光器１２と送光用導光体１４の入射領域との間に設けて、送出光を送光用導光体１４へ集中的に案内するようにしてよい。送出光は入射領域とは反対の端部で送光用導光体１４から再び出るが、その際に送光器１２からの元々の出射方向に対してこの実施形態では９０゜の転向を受ける。送光系１６は送出光から送出光線１８を形成させ、送出光線は監視平面２０へ送出される。
【００２７】
監視平面内にある対象物で拡散反射した後、拡散反射光２２はレーザースキャナー１０へ戻り、受光系２４によって受光用導光体２６の入射領域に合焦する。拡散反射光２２は受光用導光体２６内で９０゜転向し、受光用導光体２６から出射した後、受光器２８、たとえばフォトダイオードに当たる。送光側と同様に、受光用導光体２６からの出射部と受光器２８との間に、図示していない補助的な受光系を設けてもよい。図示した実施形態では、例として、送光系１６が受光系２４に一体化されている。このため、たとえばより小さな集光レンズをより大きな集光レンズの中央に収納させる。
【００２８】
送光用導光体１４と、送光系１６と、受光系２４と、受光用導光体２６とは、モータ３２によって回転軸線３４のまわりで連続的に回転運動せしめられる光学ユニット３０の一部である。これによって送出光線１８は完全に１回転するたびに監視平面２０を走査する。モータ３２は、図示した実施形態では、送光器１２を中空軸３６の内部にコンパクトに収納できるようにするために中空軸駆動部として形成されている。あるいは、これとは鏡面対称の配置にして、受光器２８を中空軸３６内に設けてもよい。いずれの場合も、送光器１２と受光器２８を互いに向き合うように回転軸線３４上に配置することが可能であり、好ましくは、それらの光軸が回転軸線３４と一致するように配置することが可能である。
【００２９】
一緒に回転する複数個の構成要素の一つ（図１の実施形態で中空軸３６）において、角度測定ユニット３８が光学ユニット３０のその都度の角度位置を測定する。角度測定ユニット３８は、たとえば角度量具体化手段としてのライン付きディスクと、走査手段としてのフォーク状光遮断器により構成することができる。
【００３０】
レーザースキャナー１０の制御機能をも有する評価ユニット４０は、送光器１２、受光器２８、モータ３２、角度測定ユニット３８と接続されている。評価ユニット４０は光伝播時間方式を用いて走査対象物までの距離を特定する。このため、位相をベースにしたシステムの場合は、送光器１２の送出光を変調し、受光器２８の受光信号に対する位相関係を評価する。これとは択一的に、パルスをベースにしたシステムの場合は、短い光パルスを送出時点で送出光として送出させ、受光信号からその受光時点を検出する。
【００３１】
送出光線１８が送出された各時点での角度位置は、角度測定ユニット３８により評価ユニット４０には同様に既知である。従って、各スキャン時間が終了した後に、監視平面２０内のすべての対象物点の２次元極座標が角度と距離とに関して提供される。回転軸線３４を補助的に周期的に傾動させることにより、３次元空間域も検知することができる。
【００３２】
従って対象物位置または対象物輪郭は既知であり、インターフェース４２を介して出力させることができる。インターフェース４２は、逆に、評価ユニット４０にデータを供給するためのパラメータ設定用インターフェースとしても用いられる。これとは択一的に、固有のパラメータ表示インターフェースを設けてもよい。安全技術での適用の場合には、評価ユニット４０は監視平面内で構成することのできる保護域を不当な介入に対して監視し、必要な場合には、このとき安全に構成されたインターフェース４２（OSSD, Output Signal Switching Device）を介して、安全確保に向けたスイッチオフ信号を出力する。
【００３３】
レーザースキャナー１０はケーシング４４内に収納され、該ケーシングは外周面に前面板４６を有している。受光系２４は光学ユニット３０内に一緒に回転するように収納されているので、前面板４６と受光系との間の光路は非常に短く、その結果特に前面板４６自体またはその汚染による散乱光作用の影響は少ない。
【００３４】
本発明によれば、一緒に回転する導光体１４，２６は、レーザースキャナー内で通常用いられる回転ミラーの代用となるものである。最終的に光路は入射領域と出射領域とに依存しているにすぎないので、導光体１４，２６の延在態様を変えることができる。入射領域を回転軸線３４上にして該回転軸線３４の方向に収納することができ、その結果送光器１２と送光用導光体１４との間の移行部、または、受光用導光体２６と受光器２８との間の移行部は、光学ユニット３０の回転運動の影響を受けない。送光用導光体１４の出射領域は、送光系１６に非常に近い位置まで引き込み、しかも受光系２４内部まで案内することができるので、光の混信が効果的に抑制される。受光用導光体２６の入射領域は、受光系２４に対し大きな間隔で該受光系２４に対向するように、回転軸線３４を越えた位置までずらして配置することができる。このようにして受光用導光体２６は、受光系２４によってビーム化されて戻された光２２を再び回転軸線３４に戻すことができ、その結果構成サイズを大きくすることなく、戻された光２２のための大きな光路を光学ユニット３０内に収納することができる。
【図１】
2013205414.tif 000003