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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6866048
(24)【登録日】2021年4月9日
(45)【発行日】2021年4月28日
(54)【発明の名称】光電センサ及び監視領域内の物体の検出方法
(51)【国際特許分類】
G01S 7/481 20060101AFI20210419BHJP
G02B 26/10 20060101ALI20210419BHJP
【ＦＩ】
G01S7/481 A
G02B26/10 G
【請求項の数】9
【外国語出願】
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2019-17779(P2019-17779)
(22)【出願日】2019年2月4日
(65)【公開番号】特開2019-191149(P2019-191149A)
(43)【公開日】2019年10月31日
【審査請求日】2019年5月27日
(31)【優先権主張番号】10 2018 102 601.3
(32)【優先日】2018年2月6日
(33)【優先権主張国】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】591005615
【氏名又は名称】ジック アーゲー
(74)【代理人】
【識別番号】110001069
【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】サッシャ スタインコグラー
(72)【発明者】
【氏名】ローランド ゲーリング
(72)【発明者】
【氏名】コンラート ヴィンターアー
【審査官】
山下 雅人
(56)【参考文献】
【文献】
特表２０１５−５３５４００（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１７−１２２６７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１９／０２３５０８２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開昭６３−０９４３１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−０１２１９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００９−１９２２４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０２−１７６８０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１７−１３８２９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０１−２８２６１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１０−５２７０２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０７−１６０９５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第６１５８６５９（ＵＳ，Ａ）
【文献】
特開２０１５−０８１９２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１４／０１１１８１２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２０１６−１０９６７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１８−５１０３４５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｓ ５／１６
Ｇ０１Ｓ ７／４８− ７／５１
Ｇ０１Ｓ１７／００−１７／９５
Ｇ０１Ｃ ３／０６− ３／０８
Ｇ０１Ｂ１１／００−１１／３０
Ｇ０２Ｂ２６／１０−２６／１２
Ｇ０１Ｖ ９／０４
Ｇ０５Ｄ １／０２
Ｇ０８Ｇ １／１６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
監視領域（１２）内の物体（１１０）を検出するための光電センサ（１０）、特にレーザスキャナであって、前記監視領域（１２）を周期的に走査するため及び適宜の受光信号を生成するために内部に複数の走査モジュール（１００）を収納した、回転軸（１６）を中心として運動可能な走査ユニット（２０）と、前記受光信号から前記物体（１１０）に関する情報を取得するための制御及び評価ユニット（２８）とを備え、前記走査モジュール（１００）がそれぞれ、光線（１０８）を送出するための発光器（１０４）と、前記物体（１１０）により反射された光線（１１２）から各時点での受光信号を生成するための受光器（１１６）とを含むセンサ（１０）において、
各走査モジュール（１００）によりそれぞれ捕らえられる走査平面（１４）の仰角を前記回転軸（１６）に垂直な中心の走査平面（１４ａ）を基準として調整するために、各走査モジュール（１００）が前記走査ユニット（２０）のベース板（１８）のうち傾きを変更できる可変部分（１８ａ）上に配置されており、前記可変部分（１８ａ）を前記ベース板（１８）の表面から突出させて傾けるために、該可変部分（１８ａ）が可動式に又は曲げ可能になっていること、及び、前記ベース板（１８）が回路基板であることを特徴とするセンサ（１０）。
各走査モジュール（１００）によりそれぞれ捕らえられる走査平面（１４）の仰角を前記回転軸（１６）に垂直な中心の走査平面（１４ａ）を基準として調整するために、各走査モジュール（１００）が前記走査ユニット（２０）のベース板（１８）のうち傾きを変更できる可変部分（１８ａ）上に配置されており、前記可変部分（１８ａ）を前記ベース板（１８）の表面から突出させて傾けるために、該可変部分（１８ａ）が可動式に又は曲げ可能になっていること、及び、前記ベース板（１８）が回路基板であることを特徴とするセンサ（１０）。
【請求項2】
前記走査モジュール（１００）が互いに同じ構造であ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】
前記走査モジュール（１００）が前記回転軸（１６）を中心として円周方向に互いにずれて配置され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】
前記走査モジュール（１００）が前記回転式の回路基板（１８）上にリング状に装着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】
前記回路基板（１８）の上方に前記走査モジュール（１００）の光線（１０８、１１２）を互いに分ける角度分割部を備えるリング状の分割環（３４）が配置されており、特に該分割環（３４）の形状が、前記可変部分（１８ａ）が該分割環による造形によって定まる傾きで固定されるような形状であ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】
２個から１０個の走査モジュール（１００）を備えていること、及び／又は、前記走査モジュール（１００）の仰角が−３０度と＋３０度の間で調整可能であ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】
各走査モジュール（１００）が発光器（１０４）と受光器（１１６）を正確に１つずつ備え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】
前記制御及び走査ユニット（２８）が前記光線（１０８）の送出から前記反射光線（１１２）の受光までの光伝播時間から前記物体（１１０）の距離を特定するように構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項9】
内部に複数の走査モジュール（１００）を収納した、回転軸（１６）を中心として運動可能な走査ユニット（２０）を用いて周期的に走査される監視領域（１２）内の物体を検出する方法であって、前記走査モジュール（１００）がそれぞれ光線（１０８）を送出し、前記物体（１１０）の表面で反射されて戻ってくる反射光線（１１２）を再び受光してそれぞれの受光信号を生成し、前記受光信号が前記物体（１１０）に関する情報を得るために評価される方法において、
各走査モジュール（１００）により捕らえられる走査平面（１４）の仰角を前記回転軸（１６）に垂直な中心の走査平面（１４ａ）を基準として調整する工程が、前記走査ユニット（２０）のベース板（１８）のうち傾きを変更できる可変部分であってその上にそれぞれ１つの走査モジュール（１００）が配置された可変部分（１８ａ）を、前記仰角に応じて傾けることによって行われ、可動式に又は曲げ可能になっている前記可変部分（１８ａ）を前記ベース板（１８）の表面から突出させて傾けること、及び、前記ベース板（１８）が回路基板であることを特徴とする方法。
各走査モジュール（１００）により捕らえられる走査平面（１４）の仰角を前記回転軸（１６）に垂直な中心の走査平面（１４ａ）を基準として調整する工程が、前記走査ユニット（２０）のベース板（１８）のうち傾きを変更できる可変部分であってその上にそれぞれ１つの走査モジュール（１００）が配置された可変部分（１８ａ）を、前記仰角に応じて傾けることによって行われ、可動式に又は曲げ可能になっている前記可変部分（１８ａ）を前記ベース板（１８）の表面から突出させて傾けること、及び、前記ベース板（１８）が回路基板であ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】
産業用の自動搬送車両（AGV、Automated Guided Vehicles）では、空間的な方向付けと狙いを定めた走行のためにコンパクトな３次元周辺領域検出装置が必要である。そのために、高速且つ広い画角で空間的な情報を出力する走査型のセンサシステムが開発されている。撮像型のシステムの他、レーザスキャナもしばしば用いられる。
【0003】
レーザスキャナには、回転軸を中心として最大３６０度までの周辺領域において３次元周辺データを直ちに且つ高い走査速度で出力するという利点がある。その際、高性能のコンピュータを要する画像処理アルゴリズムも周辺領域を広く照らす照明も必要ない。その上、評価すべきデータの量及び密度が最小限に抑えられるため、電子的な処理を高速に行うことができる。
【0004】
レーザスキャナでは、レーザにより生成された光線が可動式（大部分は回転式）の方向転換ユニットを用いて監視領域を周期的に掃引する。監視領域内で物体により反射された光線は再び捕らえられ、その受光信号が電子的に評価される。光伝播時間が位相法又はパルス法により測定されることで、検知された物体の距離が特定される。更に、方向転換ユニットの角度位置から物体の角度位置が推定され、以て監視領域内での物体の位置が２次元極座標で検出される。
【0005】
たいていのレーザスキャナでは回転ミラーにより走査運動が達成される。一方、その代わりに、発光器と受光器を備える測定ヘッド全体を回転させることも知られている。これは例えば特許文献１又は２に記載されている。
【0006】
更に、走査光線を、回転軸に垂直な中心の走査平面を基準として、つまり仰角方向に変化させれば、３次元測定データが得られる。そのために、例えば特許文献３から公知のように、動的に傾けることがまず考えられる。しかしそれには相応の傾動機構が必要であり、実効的な走査速度を著しく低下させてしまう。
【0007】
２番目の可能性として、各周期において複数の走査平面を捕らえる多光線型のレーザスキャナがある。仰角方向の走査光線の数と方向が、画角と空間的な解像度を決定する。ここで用途に応じて非常に異なる要求が生じる。装置のコストを抑えるには、具体的な用途にとって重要な周辺データを失うことなく、必要な数の走査光線だけを用いる必要がある。そのためには走査光線の方向を適切に調整しなければならない。
【0008】
従来の多光線型のレーザスキャナのなかには発光器又は受光器のモノリシックな配列を用いるものがある。しかしその場合、走査平面が一定の等間隔に固定され、且つ高い密度で配置される。これは発光素子及び受光素子の半導体素材上のスペースを最適に利用する必要があるからである。従って、ある特定の用途において利用されない走査平面から得られるデータが破棄されることがまだあり得る。しかしこれでは装置の最適化とは言えず、逆にその性能の一部しか活用していない。
【0009】
特許文献４ではレーザ配列と一列のフォトダイオードとを用いたレーザスキャナのやり方で障害物を認識するためのセンサシステムが検討されている。このような列状の配置にも走査平面が等間隔で緊密に定まるという前述の欠点がある。特許文献４に記載の一実施形態では、それぞれレーザ配列を持つ前述のような走査システムが３つ、回転方向に１２０度ずつ互いに角度をずらして配置されている。その仰角はホイストモータにより変更できる。このモータにより各走査システムの捕捉する視野を調整することで、これらの走査システムが協同してできるだけ広く空間的につながった仰角範囲をカバーするようにする。これらの走査システムはホイストモータがあるため非常に高価であり、このようなレーザスキャナはコスト的に不利である。コストが高いにも関わらず、用途に合わせて走査光線を最適化するための柔軟性は比較的低いものに留まる。
【0010】
特許文献５に、様々な検出モジュールを搭載して回転することができる回転式のプラットフォームが開示されている。一実施形態では、二重チャンネルの冗長な測定値を得るため、回転軸に垂直で回転方向に１８０度だけ角度のずれた２本の走査光線が生成される。この方法では３次元測定データは得られない。別の実施形態では複数の距離測定用検出モジュールがほぼ回転軸の方向に並べられるとともに互いに傾けられている。いかにすればそれが構造上可能であるかは説明されていない。また、他の用途に合わせた柔軟な適合化については記載されていない。
【0011】
特許文献６、そして特許文献７にも記載された技術では、走査平面毎に専用の発光器及び受光器が１枚の回路基板上に設けられる。回路基板はそれぞれわずかな傾き角を持って回転軸上に上下に重ねられており、これにより多数の走査平面が互いに同じ角度間隔で捕らえられる。これらの部品とその調整のコストは高い。この従来のアプローチは、コストをかけて高い要求を満たすという考えに基づいている。非常に多くの測定データが得られるため、たいていの用途に対して重要な測定データがそこに含まれている。しかし、多くの産業上の利用ではそのようなコストや大量の測定データは全く必要なく、むしろその一部を選ぶだけでよい。ところが、走査平面が固定されているため、個々の用途に合わせて予めハードウエア側でコスト節約のための適合化を行うことはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】DE 197 57 849 B4
【特許文献2】EP 2 933 655 A1
【特許文献3】DE 10 2014 100 245 B3
【特許文献4】DE 10 2004 014 041 A1
【特許文献5】EP 2 863 176 A2
【特許文献6】US 8 767 190 B2
【特許文献7】US 2017/0219695 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
それ故、本発明の課題は、複数の走査平面を有する柔軟性のあるセンサを作り出すことである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
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。回転軸を中心として回転又は少なくとも揺動することで周期的に運動する測定ヘッドとなる走査ユニットに、複数の走査モジュールが収納されている。各走査モジュールはそれぞれ走査光線を生成し、周期的な運動の進行中に該光線により走査平面を捕らえる。そのために走査モジュールはそれぞれ発光器と受光器を含む。それらの走査モジュールの受光信号から、制御及び評価ユニットが各時点での被検知点における物体に関する情報を取得する。
【0015】
本発明の出発点となる基本思想は、各走査モジュールの走査光線の仰角つまりは視線方向と、センサにより捕らえられる走査平面の角度間隔とを用途に合わせて適切に調整するということである。仰角は回転軸に垂直な中心の走査平面を基準として測定される。仰角を適切に調整するために、走査モジュールの各々に対し、適宜傾けられたミラー要素が割り当てられている。その代わりに、又はそれに加えて、各走査モジュールそのものがベース板の断片部分の上に傾けられて配置されている。そして、そのベース板の断片部分を該ベース板の表面から突出させて傾けるために、ベース板の該断片部分が可動式に、特に曲げ可能になっている。
【0016】
本発明には、走査光線乃至は走査平面の数及び配置を用途特異的に適合させたセンサ、特にレーザスキャナを製造することが極めて容易になるという利点がある。これにより、センサがよりスリムになるだけでなく、データの量も少なくなる。なぜなら、まさに用途にとって重要な測定データだけが得られるからである。モジュール式の構造によりセンサと製造工程の複雑さが軽減される。適合化はこのモジュールの設計において行われるため、構造に大幅に手を加えたり、ましてやセンサを新たに開発したりする必要はない。低い製造コストと小型の構造形態を併せ持つ本センサは特に自走式の車両に適している。
【0017】
走査モジュールは互いに同じ構造であることが好ましい。このようにすれば、詳細設計と検証を一度だけ行えばよい共通の突出部グループが出来上がる。個数が増大するに従って製造コストはより低くなる。末端機器の新たな変形版においても走査モジュールの形になった主要な構成要素に変わりはないため、製品の開発と変形版の創出が明らかに容易になる。
【0018】
走査モジュールは回転軸を中心として円周方向に互いにずれて配置されていることが好ましい。このようにすれば、走査モジュールが回転軸を中心としたリング又は円を成すため、ベース板上に容易にスペースを見出すことができる。リングは走査モジュールに完全に利用されていなくてもよく、またリングのうち利用されている部分に走査モジュールが均等に配置されていなくてもよい。レーザスキャナで普通に用いられる高い回転数では回転方向の角度ずれは重要ではない。なぜなら、ある走査モジュールから次の走査モジュールへの運動に対応する短い時間間隔において前景はほぼ静止しているとみなすことができるからである。
【0019】
ミラー要素はリング状のミラー環の表面に配置されていることが好ましい。各ミラー要素はミラー環の円周に沿って、走査モジュールの配置に対応して配置される。このようにすれば、多数のミラー要素が１つの共通の保持体を備えているため、必要な単独要素の数が少なくなる。
【0020】
ミラー環は各走査モジュールの光線を互いに分ける角度分割部を備えていることが好ましい。このようにすれば、走査モジュールを密に隣接させた場合でも光学的な混信が生じない。各走査モジュールは自らが担当する角度領域からの光だけを受光する。
【0021】
好ましくは、各走査モジュールが二軸型の構造であり、走査モジュール毎に発光ミラー要素と受光ミラー要素が設けられている。この場合、発光路及び受光路の間にチャンネル分離部を例えば隔壁として又は発光鏡胴及び受光鏡胴の形で設けることができる。あるいは同軸型の構造も考えられる。
【0022】
発光ミラー要素はリング状の発光ミラー環の表面に配置され、受光ミラー要素はリング状の受光ミラー環の表面に配置されていることが好ましい。このようにすれば、発光路及び受光路の各々に対応してミラー環という形の共通の保持体を備えるミラー要素が、各走査モジュールの二軸配置の発光器及び受光器に適切に割り当てられる。２つのミラー環を特に一体的に結合させる組み合わせ部品も考えられる。
【0023】
走査ユニットのベース板は回転式の回路基板であることが好ましい。この回路基板は特に、台座ユニット内にある静止した別の回路基板に対して回転する。２枚の回路基板は、適宜のコイルと磁石の構造により、回転軸を中心として走査ユニットを駆動するモータの役割を果たすことができる。また、走査ユニットへの給電、乃至は可動式の走査ユニットと静止した台座ユニットとの間のデータ通信を各回路基板に統合することも可能である。これについては特に冒頭で挙げた特許文献２に記載されている。これにより構造が非常にコンパクトになる。
【0024】
走査モジュールは前記回転式の回路基板上にリング状に装着されていることが好ましい。このようにすれば、簡単な方法で、各走査モジュールが電子的に接続されると同時に、特に回転軸上に中心を持つ円の上で回転方向に互いに角度をずらして正しい位置に配置される。
【0025】
回転式の回路基板は傾きを変更できる可変部分を備えていることが好ましい。すなわち、走査モジュールのための前記傾けられた部分が、傾きに応じて曲げられる回路基板舌状部から成る。あるいは、回路基板は平坦であり、ミラー要素のみにより傾きが達成される。
【0026】
回路基板の上方には、各走査モジュールの光線を互いに分ける角度分割部を備えるリング状の分割環が配置されていることが好ましい。この分割環は、それに対応するミラー環の代わりに走査モジュール同士を光学的に分離する働きをする。
【0027】
前記分割環の形状は、前記可変部分が該分割環による造形によって定まる傾きで固定されるような形状であることが好ましい。ここでは分割環が光学的な仕切りの他に第２の役割を果たす。その適宜の造形により、走査モジュールが搭載された前記可変部分が適切な傾きになる乃至は適切な傾きで固定される。その後、異なる走査平面を有するセンサの様々な変形版を作り出すには、適切な分割環を製造して組み付けるだけでよい。
【0028】
本センサは２個から１０個の走査モジュールを備えていることが好ましい。より多くの走査モジュールの使用を妨げる厳格な制限はないが、走査モジュールが１０個を超えると全体の構造がかなり複雑になる。それでも、例えば１２個の走査平面を有するセンサはまだ十分に想像できる。
【0029】
走査モジュールの仰角は−３０度と＋３０度の間で調整可能であることが好ましい。これにより、回転軸に垂直な中心の走査平面の周辺領域がおおまかに捕らえられる。この周辺領域は多くの用途で非常に関心を引く領域であり、まさに自走式の車両の場合もそうである。仰角の１つを０度に設定することでとりわけ中心の走査平面を捕らえることもしばしば有効である。
【0030】
前記仰角は固定的に調整されていること、つまり静的なものであることが好ましく、予め製造工程において調整されていることがより好ましい。即ち、このセンサは特定の用途に適合される又はそのために製造される。ミラー要素又はベース板の可変部分を通じて調整ができるモジュール式のプラットフォームが、基となる同じ機器から多数の変形版を派生させることを可能にする。センサを簡素なものに維持するため、取り付け後又は駆動中でもなお仰角を変更できるような調整機構は設けないほうがよい。
【0031】
各走査モジュールは発光器と受光器を正確に１つずつ備えていることが好ましい。このようにすると、いずれの走査モジュールもちょうど１本の走査光線を担当する。これにより、いずれの走査平面の仰角も個別に調整できる。更に、走査モジュールそのものも簡単な構造になる。代替の構成では個々の走査モジュールが複数の走査光線を持つ。この場合、走査モジュール内では光線の角度間隔が固定されるため、構成はさほど自由ではなくなる。その代わり走査モジュールの総数が少なくて済む。
【0032】
制御及び走査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の距離を特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。制御及び走査ユニットは実施形態に応じてセンサ内の様々な場所に配置すること、そしてまた複数の部品に分配して実装することができる。制御及び走査ユニット又はその一部の配置先としては、走査モジュール、走査ユニット、又は、回転軸を中心とする走査ユニットの運動の基準となる台座ユニットが考えられる。
【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(a)】レーザスキャナの走査平面の模範的な構成。
【図1(b)】レーザスキャナの走査平面の模範的な構成。
【図2】ミラー要素を有する走査モジュールの断面図。
【図3】回転方向にずらして配置された走査モジュールを搭載したレーザスキャナの走査ユニットのベース板の平面図。
【図6】ベース板の傾いた部分に搭載された走査モジュールの断面図。
【発明を実施するための形態】
【0036】
図１（ａ）及び（ｂ）は複数の走査平面１４（ここでは矢印で記号的に表されている）において監視領域１２を捕らえるレーザスキャナ１０に対する２つの模範的な要求を示している。
【0037】
図１（ａ）は、レーザスキャナ１０の回転軸１６に垂直な中心の主平面１４ａの他に、±３０度という大きな画角を持つ２つの側方の走査平面１４を捕らえる３位置型スキャナを示している。角度の記載はいずれも中心の主平面１４ａを基準として測定される仰角である。中心の主平面１４ａにより例えば自走式の車両の走行路が監視される。これにはできるだけ長い射程（ここでは例として１０ｍ）が必要である。一方、側方の走査平面１４は地面や車両の上方の領域に関する補足的な情報をもたらす。これにはより短い射程（ここでは３ｍ）で十分な場合もある。
【0038】
図１（ｂ）は、３度の角度間隔で均等に配置され、全体で１５度の角度領域をカバーする６つの走査平面１４を有する多位置型スキャナ１０の例である。角度領域のこの均等な走査はそれぞれ同じ射程（純粋な模範例として８ｍ）で行われる。
【0039】
個々の走査平面１４における射程はコスト増の要因である。外部光の負荷が一定とすると、射程は発光器や受光器の特性並びに光学系のパラメータ（焦点距離、口径等）により決まる。従って、射程が長くなると、より高出力の発光器、より高感度の受光器、より高品質の光学系及び／又はよりコストのかかる評価方法が必要になる。屋内ではせいぜい１０ｍの射程があれば通常は十分であり、また屋根があるため、屋外に比べて外部光に対する頑強性も低くできる。これは直ちにコスト削減となって現れ得る。走査平面のなかには、図１（ａ）の側方平面１４のように、より短い射程でも十分なものもある。
【0040】
本明細書の枠内におけるレーザスキャナ１０の走査平面１４の構成は、走査平面１４の数、それらの仰角及びそれに伴う相互の角度間隔、並びに射程により決まる。まさに自走式の車両にとって有意義な枠組みを定めるとすれば、最大±３０度までの任意の仰角で配置された１〜１０個の走査平面を有するタイプのレーザスキャナ、となる。走査平面が１つしかない形を選ぶと従来の簡単な解決策になってしまうが、この選択肢もあり得る。射程は適宜のハードウエア又はパラメータ設定により例えば１ｍから１０ｍまでの間で選択できるが、必要に応じてより長い射程を選ぶことも考えられる。走査平面１４を実際の用途上の要求に可能な限り適合させれば、必要な測定データだけが生じるため、処理すべきデータ量が大幅に少なくなる。それゆえ、コストを削減したければより性能の低いコンピュータで十分であり、あるいは空いたリソースを利用してスキャン速度を高めることができる。
【0041】
各走査光線により捕らえられる面を以下では簡単に走査平面１４と呼ぶ。厳密にはこれは仰角が０度である中心の走査平面１４ａだけに当てはまる。他の仰角では、その仰角に応じた異なる鋭さで形成される円錐の側面になる。複数のこのような円錐側面による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が、簡単のため、本明細書では走査平面１４ａと円錐側面１４を区別しない。
【0042】
図２はレーザスキャナ１０用の走査モジュール１００の断面図である。モジュール回路基板１０２上に、例えばＬＥＤ又は端面放射型発光器若しくはＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laserdiode）の形をしたレーザを有する発光器１０４が配置されている。発光器は発光光学系１０６を用いて発射光線１０８を生成する。この光線は監視領域１２内へ送出される。
【0043】
発射光線１０８が監視領域１２内で物体１１０に当たると、それに対応する反射光線１１２が走査モジュール１００へ戻ってくる。発射光線１０８と反射光線１１２が正反対の方向ではなく若干斜めに進んでいるのは、物体１１０が極めて近接しているという縮尺のせいである。通常の測定距離ではこの斜めの位置関係は事実上存在しない。反射光線１１２は受光光学系１１４により受光器１１６へ導かれる。受光器１１６は例えばフォトダイオード又はＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）、好ましくはＳＰＡＤ検出器（シングルフォトンアバランシェフォトダイオード）である。ＳＰＡＤ検出器はＳｉＰＭ（シリコンフォトマルチプライヤ）とも呼ばれる。この受光器１１６により生成された受光信号が評価される。この評価は走査モジュール１１０の外部で行うことが好ましいが、少なくとも受光信号自体の処理は走査モジュール１００の内部で行ってもよく、場合によっては光伝播時間法による物体１１０の距離の特定といった評価まで全て行ってもよい。
【0044】
光学的な混信の回避と外部光の抑制のため、発光器１０４上の発光路が発光鏡胴１１８で遮蔽され、受光器１１６上の受光路が受光鏡胴１２０で遮蔽されている。発光鏡胴１１８には発光ミラー１２２ａを有する発光ミラー環１２２が上側に接続され、同様に受光鏡胴１２０には受光ミラー１２４ａを有する受光ミラー環１２４が接続されている。「ミラー環」という概念の意味は、後で走査モジュール１００のリング状の多重配置について説明すれば明らかになる。それは個々の走査モジュール１００にとっては単なる保持体であり、リング状又は環状にせずに走査モジュール１００毎に別体で設けてもよい。
【0045】
発射光線１０８は真っ直ぐに走査モジュール１００から出るのではなく、まず発光ミラー１２２ａの表面で方向転換される。同様に、反射光線１１２は真っ直ぐに受光器１１６に達するのではなく、まず受光ミラー１２４ａの表面で方向転換される。故に、発光ミラー１２２ａと受光ミラー１２４ａの各々の角度により、発射光線１０６が走査モジュール１００から出る角度乃至は反射光線１１２が再び受光される角度が決まる。従って、発光ミラー１２２ａと受光ミラー１２４ａの傾きが走査モジュール１００の仰角を確定する。
【0046】
図２に示したように発光路と受光路が横に並んでいる二軸型の配置の代わりに走査モジュール１００内を同軸型の配置にすることも考えられる。その場合、発光ミラー環１２２と受光ミラー環１２４を分けずに、共通の方向転換ミラーを有する共通のミラー環を設けるだけでよい。
【0047】
図３はレーザスキャナ１０の回転式のベース板（好ましくは回転式の回路基板）１８の平面図である。本実施形態又は装着形態では７つの走査モジュール１００が回転式の回路基板１８の回転方向に互いに角度をずらして設けられている。なお、図では各走査モジュールを代表して発光器と受光器だけが描かれている。
【0048】
走査モジュール１００は同じ部品であること、つまり互いに同じ構造であることが好ましい。これらの部品は、発光ミラー１２２ａ及び受光ミラー１２４ａの傾き、つまり各々の走査平面１４の仰角が異なるのみである。あるいは、例えば射程が異なる多種類の走査モジュール１００を用いることも考えられる。その差異はとりわけ、発光器１０４、受光器１１６、並びに受光光学系１４又は発光光学系１０６の特性（口径、焦点距離等の光学的な特性）にあるものとすることができる。
【0049】
走査モジュール１００が円周に沿って不均等に分配されていることから、走査平面１４の数が異なる変形版をいかに容易に作り出せるかが分かる。そのために、例えば最大で１０個の走査モジュール１００用の装着スペースがとにかく提供されるが、変形版によってはその全ては利用されない。
【0050】
走査モジュール１００は図２では専用のモジュール回路基板１０２とともに描かれており、専用の評価用電子機器を持つ又は持たない発光及び受光モジュールとして、その全体を回転式の回路基板１８の上に配置すること、例えばボールグリッドアレイを用いて（ＳＭＤ）半田付けすることができる。あるいは、回転式の回路基板１８の上に、走査モジュール１００の個々の要素をモジュール回路基板１０２なしで個別に配置したり、一部の要素だけそれぞれモジュール回路基板１０２を用いて配置したりしてもよい。
【0051】
図４はモジュール式の多光線型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。このセンサ１０は大きく分けて可動式の走査ユニット２０と台座ユニット２２を含む。走査ユニット２０は光学的な測定ヘッドである一方、台座ユニット２２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１２を周期的に走査するために、台座ユニット２２の駆動部２４を用いて走査ユニット２０が回転軸１６を中心として回転駆動又は揺動される。なお、図から離れるが、駆動部２４を別体にする必要はない。代わりに磁石とコイルの構造を、回転式の回路基板１８内、又は台座ユニット２２において前記基板と平行に配置された別の回路基板（図示せず）内に設けてもよい。これにより特にコンパクトな構造が得られる。
【0052】
走査ユニット２０内には複数の走査モジュール１００が設けられている。図４では、断面図のせいでもあるが、２つの走査モジュール１００しか描かれていないが、一般には前述のように最大で１０個、特殊なケースではより多くの走査モジュールがある。図を見やすくするため、図４では走査モジュール１００の個々の要素にはもう符号を付けていない。個々の走査モジュール１００の構造は既に図２を参照して説明した通りである。各走査モジュール１００の相互の違いはその仰角、つまり各々が捕らえられる走査平面１４にある。図４に描かれた２つの走査モジュール１００は、若干上方に傾いた走査平面１４と、それよりやや小さい角度で下方に傾いた走査平面１４とを捕らえる。別の実施形態では、特に図３で説明したように他の走査モジュール１００を追加したり、発光ミラー１２２ａ及び受光ミラー１２４ａの傾きを変えたりすることで、他の構成の走査平面１４を生じさせることができる。これは既に図１（ａ）及び（ｂ）を参照して紹介した通りである。
【0053】
非接触式の給電及びデータインターフェイス２６が可動式の走査ユニット２０と静止した台座ユニット２０とを接続している。給電及びデータインターフェイス２６は、モータと同様、回転式の回路基板１８及び台座ユニット２２内の非回転式の回路基板に統合することができる。
【0054】
台座ユニット２２内には制御及び評価ユニット２８がある。あるいは、制御及び評価ユニット２８を走査ユニット２０又は走査モジュール１００の部品上に実装したり、その機能を異なる場所にある複数の部品に分配したりしてもよい。制御及び評価ユニット２８は発光器１０４を制御し、各時点における受光器１１６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２４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２０の角度位置を特定する。
【0055】
前記評価のため、好ましくは、検知された物体１１０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１４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以て利用可能となる。仰角の異なる複数の走査モジュール１００の多数の走査平面１４を通じて、全体で３次元的な空間領域が走査される。
【0056】
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３０経由で出力することができる。センサインターフェイス３０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３０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。
【0058】
帽子状カバー又は前面パネル３２はセンサ１０の内部を保護するものであり、走査平面１４の具体的な構成とは関係がない。材料の選択によっては前面パネル３２が外部光低減用の光学的フィルタとして作用することもできる。
【0059】
受光ミラー環１２４は傾いた受光ミラー１２４ａを用いて個々の走査モジュール１００の仰角又は検出方向を規定する。この図ではミラー環という概念も理解できる。全ての受光ミラー１２４ａのためのこのような共通の保持体は特に有利であるが、走査モジュール１００毎又は走査モジュール１００のグループ毎に受光ミラー１２４ａ用の保持体を設けることも可能である。
【0060】
発光ミラー環１２２の発光ミラー１２２ａはそれに属する受光路に合わせて向きが調整されている。従って、各走査モジュール１００は特定の仰角で走査平面１４を捕らえる。ここでも、発光ミラー環１２２の代わりに多数の個別の保持体を用いてもよい。
【0061】
発光器１０４及び受光器１１６に対して光学素子を所定の距離に保持するため、そして発光路と受光路を互いに遮蔽するために、各走査モジュール１００には発光鏡胴１１８を有する発光光学系１０６と受光鏡胴１２０を持つ受光光学系１１４から成る光学系装置が属している。この光学系装置は標準化された突出部グループとして実現することが好ましい。
【0062】
回転式の回路基板１８には発光器１０４と受光器１１６が直接又はモジュール回路基板１０２を介して固定され、電気的に接触した状態にある。その配置又は装着は、その上の光学系装置に填まり且つ回転式の回路基板１８上でそれを固定できる所定の場所及び距離で行われる。これらが光学系装置と一緒になることで、作動可能な光センサ、特に光伝播時間法による距離センサが形成される。
【0063】
基部のケーシングとして機能する台座ユニット２４には制御及び評価ユニット２８、駆動部２４（回転式の回路基板１８に統合されていない場合）、並びに、下部構造群の相互の機械的に頑強な位置決めを保証する軸受け及びホルダが収納されている。
【0064】
走査平面１４の確定に用いるスキャン位置パラメータ、即ち画角と角度間隔は、仰角により、そして結局は発光ミラー環１２２と受光ミラー環１２４により決まる。走査平面の構成を特定の用途に適合させるには発光ミラー１２２ａ及び受光ミラー１２４ａの傾き角を変えるだけでよい。他の下部構造群には手を加えなくてもよい。
【0065】
図６は走査モジュール１００の別の実施形態の断面図である。図２の走査モジュールと違い、ここではミラー環１２２、１２４及びミラー１２２ａ、１２４ａが設けられていない。その他の要素には同じ符号が付されているため再度の説明は行わない。発光鏡胴１１８乃至は受光鏡胴１２０による遮蔽とチャンネルの分離はこの例でも補足的に行うことが可能である。