(57)【要約】      （修正有）【課題】物体検出用光電センサのために良好な結像品質を有する簡素な受光光学系を提供する。【解決手段】監視領域２０内にある物体を検出するための光電センサ１０であって、互いに分かれた複数の光線２６を送出するための発光器２２と、物体上で反射された光線３０からそれぞれ受光信号を生成するための複数の受光素子３４ａを有する受光器３４と、受光器３４の手前に配置された受光光学系３２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４６とを備える光電センサとする。受光素子３４ａのうち少なくとも数個が受光素子３４ａの受光面に垂直な方向に相互のずれを有している。【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）内にある物体を検出するための光電センサ（１０）であって、互いに分かれた複数の光線（２６）を送出するための発光器（２２）と、前記物体上で反射された光線（３０）からそれぞれ受光信号を生成するための複数の受光素子（３４ａ）を有する受光器（３４）と、前記受光器（３４）の手前に配置された受光光学系（３２）と、前記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（４６）とを備える光電センサにおいて、
前記受光素子（３４ａ）のうち少なくとも数個が該受光素子の受光面に垂直な方向に相互のずれを有していること
を特徴とする光電センサ。
【請求項２】
前記受光素子（３４ａ）がその相互のずれで以て弓の形を成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】
前記受光光学系（３２）がレンズ（３２ａ）を備えてい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】
前記レンズ（３２ａ）に絞り（３２ｂ）及び／または少なくとも１つの別のレンズが割り当てられていることを特徴とする請求項３に記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
複数の受光素子（３４ａ）が共通の回路基板（３６、５２）上に配置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】
前記回路基板（３６、５２）が高さの異なる領域（５４ａ〜ｂ）を有し、該領域（５４ａ〜ｂ）内に前記受光素子（３４ａ）が配置され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】
前記回路基板（３６、５２）上に高さの異なる領域（５４ａ〜ｂ）を有する担持要素（５６）が配置され、前記受光素子（３４ａ）が該領域（５４ａ〜ｂ）に配置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】
前記受光素子（３４ａ）の手前に光路長の異なる領域（６２ａ〜ｂ）を有する透明な光学素子（６２）が配置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】
前記受光素子（３４ａ）の手前に複数の絞り要素（５８）が異なる距離に配置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】
可動式の偏向ユニット（１２）を備えるレーザスキャナとして構成され、前記送出された光線（２６）が前記偏向ユニット（１２）により周期的に監視領域（２０）を通過するように導かれ、特に前記偏向ユニット（１２）が、前記発光器（２２）及び／又は前記受光器（３４）が収納された回転可能な走査ユニット（１２）の形で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】
前記評価ユニット（４６）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までの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１〜１０のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１２】
監視領域（２０）内の物体を検出する方法であって、互いに分かれた複数の光線（２６）が前記監視領域（２０）内へ送出され、前記物体により反射された光線（３０）が、受光素子（３４ａ）を用いたそれぞれの受光信号の生成のために受光され、該受光信号から前記物体に関する情報を得る方法において、
前記受光素子（３４ａ）のうち少なくとも数個が該受光素子の受光面に垂直な方向に相互のずれを有していること
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１２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を検出する方法に関する。
【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って作動する。その際、検出された物体の距離を測定するために、公知の位相法又はパルス法を用いて光伝播時間を測定することがよくある。
【０００３】
測定範囲を広げるために、レーザスキャナで行われるように走査光線を動かすことができる。この場合、レーザにより生成さ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物体の角度位置が推定され、以て監視領域における物体の位置が２次元極座標で検出される。
【０００４】
測定範囲を広げる別の可能性として、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可能であり、その場合、単一の監視平面だけではなく、多数の監視平面を通じて３次元的な空間領域が捕らえられる。大抵のレーザスキャナでは回転鏡によって走査運動が生み出される。一方、その代わりに、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含む測定ヘッド全体を回転させることが、まさに複数の走査光線を用いる場合の従来技術として知られている。
【０００５】
複数の走査光線の戻り光を評価するためには、受光器が各光線を別々に検出できなければならない。そのために、各走査光線をそれぞれ所定の受光素子へ収束させる受光光学系が設けられる。簡単な解決策として、受光光学系を非球面の単式レンズとして構成することが挙げられる。しかし、互いに角度のついた複数の走査光線を検出する必要がある場合、全体として画像野がかなり広くなり、共通の単式レンズでは軸から外れた画像領域に大きな結像誤差が生じる。
【０００６】
原理的には、この問題は各受光素子に専用のレンズを持たせることで解決できる。その場合、各レンズでごく小さな画像野が結像できさえればよく、それは単式レンズで容易に達成される。しかし、多数の単式レンズを有する装置全体はやはり非常にコスト高となる。
【０００７】
広い画像野で結像させるために複数のレンズから成る対物レンズを用いることも古くから知られている。これによれば高い結像品質が得られるものの、光電センサの場合、とりわけ可動部分をできるだけ軽量化する必要があるレーザスキャナ用の場合、製造及び調整の費用が高くなり過ぎる。むしろ求められているのは、できれば単一のレンズだけで済む解決策である。
【０００８】
公知の単式レンズのなかではいわゆる「ウォラストン・ランドスケープレンズ（Wollaston landscape lens）」が今でも広い画像野に対して最も良い結像特性を有している。これは、凹凸レンズ、つまり内側に曲がったメニスカス形状のレンズの前に間隔をあけて絞りを配置したものである。一般的な傾向として、この種のレンズは単式非球面レンズの低い製造コストと対物レンズの高い結像品質の間の妥協点をうまく見出せる。写真技術では、ｋ＝１０〜１６のＦ値（焦点距離を入射瞳の直径で割った商）で±１２°〜±２５°の画像野において十分に結像誤差の小さな像点が結ばれる。しかし、このように大きなＦ値（つまり小さな開口）は伝播時間測定では利用できない。なぜなら光の損失が大き過ぎるからである。一方、絞りを大きくすると結像誤差が大きくなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】DE 197 57 849 B4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の課題は、前述した種類のセンサのために良好な結像品質を有する簡素な受光光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、請求項１又は１２に記載の光電センサ及び監視領域内の物体を検出する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発射光線を送出する多重センサである。つまり、複数の発光器が設けられるか、１つの発光器の光が複数の発射光線に分割されるか、あるいは両者の混合型である。ここでいう発射光線とは、光線光学の意味でいう大きな光束の内部の光線ではなく、互いに分かれた光束であって、監視領域内で物体に当たったときにそれぞれ互いに分かれた個別の光スポットを形成するような、個別化された走査光線と理解すべきものである。これに付属する受光器は複数の受光素子を備えており、異なる方向から到来する複数の反射光線から複数の受光信号を生成することができる。つまり、例えば１本の発射光線に対して１つのフォトダイオードが設けられているか、あるいは位置分解型の発光器上において画像センサの個別の受光素子又は画素が適宜グループ化されている。これらの受光信号を評価することで物体に関する情報を得る。
【００１２】
そして本発明の元となる基本思想は、複数又は全ての反射光線のための１つの共通の受光光学系を受光器の手前に配置して、その受光光学系の設計のために追加の自由度、つまり曲がった形状の像面を得る、ということにある。そのために、少なくとも数個の受光素子に対して、受光面に垂直な方向に相互のずれが導入される。以下、時に「高さ方向」と呼ばれるこの方向は、同時に受光光学系に達してその光軸の方向と一致していることが好ましい。もっとも、受光路が例えば鏡で折り曲げられていてもよい。
【００１３】
前記ずれは物理的及び／又は光学的なずれとすることができる。物理的なずれとは、少なくとも数個の受光素子が、従来の一般的な共通の平面から押し出されているという意味である。受光光学系の良し悪しは詰まるところ物理的な距離ではなく光路次第であるため、前記ずれは、少なくとも数個の受光素子に対する光路を長く又は短くすることで実質的な距離の差を導入するような光学素子を受光光学系と受光器の間に置くことによって形成することもできる。
【００１４】
受光素子を互いにずらすと受光素子の間に受光不能な箇所ができる。互いに分離された個別の画像領域しか撮影されないため、このように構成された受光器は通常の画像センサとしては利用できない。ところが、複数の発射光線により検知される互いに分離された複数の測定点の検出にとっては、本発明に係る検出法がまさに適している。なぜなら、いずれにせよ２つの測定点の間には観察されない領域があり、受光器がその領域を原理的に検出できるか否かは問題ではないからである。
【００１５】
本発明には、結像品質を最適するための追加の設計自由度が得られ、それを利用して受光光学系の結像誤差をより小さくすることが可能であり、しかも当該設計自由度のない簡単な受光光学系だけでは達成できないほどその誤差が小さくなる、という利点がある。それゆえ、本センサは従来よりも簡単な受光光学系で間に合い、そのため部品や調整にかかる製造コストが、特に複数のレンズから成る対物レンズに比べて大幅に安くなる。
【００１６】
受光素子はその相互のずれで以て弓の形を成すことが好ましい。そして、受光器がその弓から成ること、つまり前記受光素子が弓に対して高さ方向に引き上げられた線状の配置を成していることが更に好ましい。当然ながらこの弓は、受光素子の広がりが有限であるため不連続である。弓はレンズ表面の凸状又は凹状の形に対応しているため、同様の設計自由度をもたらす。
【００１７】
受光光学系はレンズを備えていることが好ましい。これはまず受光光学系が屈折に基づいていることを意味する。好ましくは、受光光学系を非常に安価で取り付け簡単なものにするため、実際にレンズを１つだけにすべきである。代替として、鏡つまり反射に基づく受光光学系や回折光学素子の使用も考えられる。
【００１８】
前記レンズには絞り及び／又は少なくとも１つの別のレンズを割り当てることが好ましい。絞りはレンズの手前又は背後に多少の間隔をあけて配置することがより好ましい（ランドスケープレンズ／リヤ型ランドスケープレンズ）。これにより、簡単な受光光学系を用いながらも、より広い視野角に対してより良好な結像特性を達成できる。複数のレンズを用いたものは受光用対物レンズになる。また、複数のレンズの効果を１つにまとめるように個々に適合化された自由形状レンズも考えられる。対物レンズや自由形状レンズのような費用のかかる対策は、必要な費用を考えると、本来なら本発明では避けるべきである。それでも、曲がった像面という本発明の考え方とそれらを組み合わせることは可能であり、受光素子のずれの最適化によらなければ達し得ない要求品質に達した結像特性を有する比較的簡素な対物レンズ又は自由形状レンズを用いることが可能になる。
【００１９】
複数の受光素子が共通の回路基板上に配置されていることが好ましい。より好ましくは、全ての受光素子が共通の回路基板上にあるか、グループ分けされて複数の共通の回路基板上にあるようにする。共通の回路基板上に配置すれば製造時のコストが大幅に安くなるし、発光器に対する給電、接続及び制御の点で電子工学的にも有利である。受光素子は共通の回路基板上に直接配置する必要はなく、例えば、前記相互のずれを作り出す中間要素を用いて間接的に配置してもよい。
【００２０】
前記回路基板が高さの異なる領域を有し、該領域内に前記受光素子が配置されていることが好ましい。この実施形態では回路基板自体が高さ方向に構造化されており、それが厚さの異なる回路基板領域となり得る。回路基板上の様々な高さの箇所が受光素子のずれに対応していることが好ましい。
【００２１】
前記回路基板上に高さの異なる領域を有する担持要素が配置され、前記受光素子が該領域に配置されていてもよい。この場合も高さ方向に構造が形成されるが、製造技術的には、担持要素を回路基板上に装備する方が基板自体を構造化するよりも容易である。また、回路基板の高さ方向の構造と担持要素の高さ方向の構造を互いに相補的なものにすることも考えられる。更に別の変形では、受光素子の複数のグループ又は個々の受光素子に対応する複数の担持要素が設けられる。
【００２２】
前記受光素子の手前に光路長の異なる領域を有する透明な光学素子を配置してもよい。これもまた高さ方向に構造化された素子であるが、この実施形態の素子は担持体となるものではなく手前に配置されており、少なくとも数個の受光素子に対して選択的に光路長を変化させる。受光素子自体は平面上にあってもよいが、それでも光路長に違いがあるため、像面は曲がった状態になる。
【００２３】
前記受光素子の手前に複数の絞り要素を異なる距離に配置してもよい。これは、物理的ではなく光学的に受光素子のずれを形成する別の方法である。複数の絞り要素が全体として曲がった像面を成す。受光素子と絞り要素の間の領域における光の損失や光学的な混信を防ぐために、各絞り要素とそれに対応した受光素子との間に導光体を設けてもよい。
【００２４】
本センサが可動式の偏向ユニットを備えるレーザスキャナとして構成され、前記送出された光線が前記偏向ユニットにより周期的に監視領域を通過するように導かれることが好ましい。冒頭で説明したように、レーザスキャナは可動式の偏向ユニットの運動により複数の平面において監視領域を走査する。偏向ユニットは、発光器及び／又は受光器（各々光学系を含む）並びに評価ユニットの少なくとも一部が収納された事実上の可動式測定ヘッドとなる回転可能な走査ユニットの形で構成されていることが好ましい。
【００２５】
評価ユニットは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までの距離を測定するように構成されていることが好ましい。これにより本センサは距離測定装置となる。別の形態では、単に物体の存在が確認され、例えばスイッチ信号として出力される。
【００２６】
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、それにより同様の利点を示す。そのような有利な特徴は、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、それらに限定されるものではない。
【００２７】
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】
【００２８】
【図１】レーザスキャナとして構成された光電センサの概略断面図。
【図２】図１に示したセンサで用いられる複数の走査光線の模範的な説明図。
【図３】相互にずれを有する受光素子における受光器側の光路の概略図。
【図４】回路基板の高さ方向の構造化により受光素子の相互のずれが形成された実施形態の受光器。
【図５】高さ方向に構造化された担持要素により受光素子の相互のずれが形成された別の実施形態の受光器。
【図６】個別の担持要素により受光素子の相互のずれが形成された別の実施形態の受光器。
【図７】高さ方向にずれた複数の絞り要素を手前に配置することにより受光素子の相互のずれが形成された別の実施形態の受光器。
【図８】高さ方向に構造化された手前配置型の光学素子により受光素子の相互のずれが形成された別の実施形態の受光器。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１はレーザスキャナとしての実施形態で構成された光電センサ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にある駆動装置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。
【００３０】
走査ユニット１２において、例えばＬＥＤ、端面発光型レーザ、ＶＣＳＥＬ等を有する発光ユニット２２が発光光学系２４（図では単に機能ブロックとして描かれている）を用いて互いに角度のずれた複数の発射光線２６を生成し、該光線が監視領域２０へ送出される。センサ１０内部の迷光を避けるため、光を通さない鏡胴２８により発射光線２６の内部光路を遮蔽してもよい。
【００３１】
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３０がセンサ１０へ戻ってくる。反射光線３０は受光光学系３２により受光器３４へと案内される。受光器３４は複数の受光素子３４ａを備えており、それゆえ各反射光線３０からそれ専用の電気的な受光信号を生成することができる。それには複数のフォトダイオード又はＡＰＤ（アバランシェダイオード）の使用が考えられるが、適切に割り当てられた個々の画素又は画素グループを有する画像センサの使用も考えられる。別の実施形態として、多数のＳＰＡＤ（シングルフォトンアバランシェダイオード）を有するＳＰＡＤ受光器を設けることが考えられる。ＳＰＡＤは受光面が比較的広いため、個々の光線センサより大きく発散し得るような光線に好適である。
【００３２】
受光器３４の特徴は、受光面に垂直な方向（本願でいう高さ方向）、つまり図１における水平方向に、受光素子３４ａが相互にずれを有していることである。このずれは図示したような物理的なものでもよいが、光学的な手段でそれを形成してもよい。これについては後で図４〜図８を参照しながら幾つかの模範的な実施形態を紹介する。
【００３３】
本実施形態では、回転軸１８上にあり且つ駆動装置１６のシャフト３８に結合されている回路基板３６の上に受光器３４が配置されている。受光光学系３２は回路基板３６上の脚部４０により支えられ、発光ユニット２２用の別の回路基板４２を保持している。２枚の回路基板３６、４２は相互に結合されており、両者を共通のフレキシブル回路基板として構成することもできる。
【００３４】
重ねて配置された回路基板３６、４２又は回路基板領域と受光光学系３２の内部の中心に配置された発光光学系２４とを有する図１の光学的な構造は単に模範的なものと理解すべきである。例えば、二重眼配置や、偏向鏡又はビームスプリッタの使用など、一次元光電センサやレーザスキャナに関して公知である他のいかなる配置でも代替可能である。更に、発光ユニット２２と受光ユニット３４を共通の回路基板上に取り付けること、つまり図１と異なる配置にした上で１つの面内だけにある共通の回路基板上に取り付けることも考えられる。
【００３５】
非接触式の給電及びデータインタフェイス４４が可動式の走査ユニット１２と静止した台座ユニット１４を接続している。ここに制御及び評価ユニット４６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３６上又は他の箇所に入れてもよい。制御及び評価ユニット４６は発光ユニット２２を制御し、受光器３４の受光信号を受け取って更にその評価を行う。また、同ユニットは駆動装置１６を制御し、走査ユニット１２の各時点における角度位置を特定する図示せぬ（レーザスキャナに関して公知の）角度測定ユニットから信号を受け取る。
【００３６】
評価のために、検出された物体までの距離を公知の光伝播時間法で測定することが好ましい。それを角度測定ユニットの角度位置に関する情報と合わせれば、各走査周期が終わるたびに１つの走査平面内における全ての対象点の２次元極座標が角度と距離で分かる。また、各時点の走査平面はその都度の反射光線３０の識別子と該光線の受光器３４上での検出箇所から同様に分かるから、全体として３次元の空間領域が走査される。
【００３７】
これにより物体の位置乃至輪郭が分かり、それをセンサインタフェイス４８経由で出力することができる。センサインタフェイス４８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、特にセンサインタフェイス４８を安全な出力インタフェイス（Output Signal Switching Device; OSSD）として構成することができる。
【００３８】
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、回転鏡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、回転鏡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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。本明細書では時折これらの面も単に走査平面と呼ぶ。
【００４１】
図２は再度複数の発射光線２６を示している。これらの光線は１つの平らな扇形を成し、それぞれ同じ角度間隔をあけている。垂直な断面５０において、これらの光線２６の横断面は均等に直線上に並んだ測定点を形成する。なお、図２のように光線が規則的に通る扇形は実際上、非常に重要な例ではあるが、本発明はこのような発射光線２６の配置に限定されるものではない。
【００４２】
異なる角度方向から到来する複数の反射光線３０を捕らえるために、受光光学系３２は比較的大きな画像領域をカバーしなければならない。それゆえ、できるだけ簡単な受光光学系３２にしたいという希望と十分な結像品質との間にトレードオフが生じる。できれば受光光学系３２としてレンズを１つだけ用いるべきである。そのためには、冒頭で既に説明した「ランドスケープレンズ」、つまり間隔をあけて配置された絞りを有するメニスカスレンズが好ましい出発点となる。この種のレンズでは、焦点距離ｆ、Ｆ値、絞りの位置（通常、非対称収差が最小となる自然な絞り位置に置かれる）、材料、中心厚さ、及び曲率半径といった設計自由度が利用可能である。もちろん、例えば絞りのない別のレンズや、複数のレンズから成る対物レンズを出発点として利用してもよく、その場合は相応に設計自由度やコストが変わる。
【００４３】
本発明では、像面、つまり受光素子３４ａのある面を実質的に曲がった形にしている。これにより追加の設計自由度が生じ、それを結像性能の改善のために利用する。像面の曲がりは、受光素子３４ａの物理的な位置を変えたり、手前配置型の光学素子により受光素子の実質的な位置を変えたり、両方を組み合わせたりする等、様々な手段で形成することができる。
【００４４】
図３は、多少の間隔をあけて配置された絞り３２ｂを有するメニスカスレンズ３２ａとして構成された受光光学系３２における反射光線３０の受光器側での進路を模範例で示している。この例では、有限の大きさを持つ不連続な受光素子３４ａを用いてできる範囲で、該受光素子３４ａにより凸状の弓形が形成されている。受光素子３４ａのそれぞれのずれは、既に何度も言及した追加の設計自由度であり、ゆえに単なる模範例である。実際には、具体的なずれは受光光学系３２の特性と一緒に最適化される。図３に示した例では、完全には最適化できない簡素な受光光学系３２の結像誤差があるため、光線３０が共通の平面上に収束されていない。この不利な効果を、受光素子３４ａの適切なずれにより少なくとも部分的に補償することで、個々の反射光線３０が鮮明に又は少なくともより鮮明に結像される。図３に示したものにほぼ対応する数値例として、Ｆ値がｋ＝２、画像野が±６°又は±９°、焦点距離がｆ＝８０の受光光学系３２でも、１００μｍ未満の幾何学的な直径を有する像点を生成する。
【００４５】
以下、図４〜図８を用いて、光学素子３４ａの物理的又は光学的なずれにより実質的に曲がった像面を形成することができる様々な技術的な変形を紹介する。実際にはこれらの変形のうち１つだけを選ぶことがほとんどであろうが、それらの組み合わせを排除するものではなく、その場合、ずれが適宜重ね合わされる。
【００４６】
図４は高さ方向に構造化された回路基板５２上に受光素子３４ａが配置された受光器３４の実施形態を示している。本実施例及び以下で言及する受光器３４の回路基板５２は、基本的には既に図１で言及した回路基板３６であってもよいが、図では、該回路基板３６に結合されるか、その上に配置される別の回路基板５２として独自の符号を付している。
【００４７】
回路基板５２が高さ方向に構造化されているため、相互に高さのずれた領域５４ａ〜ｂが生じる。受光素子３４ａはこの領域に配置されているため、もはや平面上にはなく、互いに適宜ずれている。回路基板５２はこの領域５４ａ〜ｂ内で異なる厚さを呈していてもよい。
【００４８】
図５は受光器３４の別の実施形態を示している。この形態では回路基板５２自体は平らなままでよい。ずれは回路基板５２上に配置された、高さ方向の構造を有する担持要素５６により形成される。つまり、相互に高さ方向のずれを有する領域５４ａ〜ｂは回路基板５２自体ではなく担持要素５６の上に設けられている。この配置の利点は回路基板５２を構造化又は成形しなくてもよいということである。そうするよりも、担持要素５６を別途構造化して回路基板５２上に装備する方が、製造を容易にすることができる。
【００４９】
図６は、それ自体平らに形成された回路基板５２を有する受光器３４の別の実施形態を示している。該基板の上に厚さ又は高さの異なる複数の小型回路基板５６が配置され、それらがそれぞれ受光素子３４ａ（又は図と違って受光素子３４ａのグループでもよい）を異なる高さで支持している。変形として、小型回路基板５６を異なる深さで回路基板５２に押し込むことができるようにしたり、各受光素子３４を小型回路基板５６上で異なる高さに配置したりすることが考えられる。そうすれば、特に幾何形状又は他の形態が互いに同じである小型回路基板５６でも利用できる。
【００５０】
図４〜図６の実施形態は受光素子３４ａを高さ方向に物理的にずらすものであるが、以下では図７及び図８を参照して、実質的又は光学的に高さをずらす２つの実施形態を更に紹介する。
【００５１】
図７は受光器３４の別の実施形態を示している。この形態では、受光素子３４ａが物理的には回路基板５２の平面上に配置されている。曲がった像面は、各受光素子３４ａに対して異なる高さ方向の距離でそれぞれ割り当てられた複数の追加的な絞り要素５８により形成される。高さ方向の距離が個々に設定されているため、絞り要素５８の配置が全体として曲がった面を成している。
【００５２】
反射光線３０の光を光の損失又は光学的な混信なしで絞り要素５８から受光素子３４ａまで導くために、絞り要素５８と受光素子３４ａの間に導光要素６０を設けることができる。これは例えば、内側が鏡面加工され、両端において光が漏れないように装着された短い管である。
【００５３】
図８は回路基板５２上の平面内に配置された受光素子３４ａを有する受光器３４の別の実施形態を示している。この形態では、受光素子３４ａの手前に配置された、光路の実効長を個別に変化させる光学素子６２が高さ方向のずれを作り出している。図示した例の光学素子６２は透明な階段状の部品であり、異なる領域６２ａ〜ｂにおいて各受光素子３４ａに対して異なる実効厚さを有している。
【００５４】
図４〜図８の説明で個々のずれのことをいうとき、それは幾つかの受光素子３４ａのずれが同じであることを排除せず、それは各図の描画とも合致している。このずれは設計自由度であって、最初から制限されることはなく、差異の要求による制限もない。
【００５５】
図では受光素子３４ａの受光面が互いに平行に向けられている。別の実施形態においてそれを変更してもよく、例えば各受光面をそれに対応する反射光線３０の見込み入射方向と少なくともほぼ垂直にするために、各受光面を傾けてもよい。また、受光素子３４ａを横方向に追加的にずらすことも考えられる。この場合、受光素子はもはや規則的な配置を成さない。以上のような適合化により受光光学系３２の結像品質を更に高めることができる。
【００５６】
本発明は、受光素子３４ａを高さ方向にずらすことで追加的な設計自由度が作り出される受光光学系３２を記述している。同じ基本思想に従って、発光光学系２４についても、特にそれを発光ユニット２２の発光器の手前に配置される共通の簡素なレンズ又は絞り付きレンズとして構成すれば、個々の発光器を高さ方向にずらすことで追加の設計自由度が生じる。具体的には、図４〜図８と類似の構成で受光素子３４ａをそれぞれ１個の発光器に置き換えたものが考えられるが、その際、幾つかの実施形態（例えば絞り要素５８を有する図７の形態）は受光側に比べて発光側にはあまり適していないということに注意が必要である。
【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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【外国語明細書】
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