トランジットタイム原理に基づいて動作する光学センサ
【課題】仕切りスクリーンの徹底的な検査を可能にする光センサを提供する。
【解決手段】光学センサは、発光パルスを観察領域に放射するための光源と、前記発光パルスのビーム方向を、前記ビーム方向に対して横方向に向けられた回転軸を中心として回転させるための回転装置と、前記観察領域における対象物により反射された光パルスを検知するための検知器と、前記センサの内部を周囲環境から離隔しておくための、前記発光パルス及び前記反射光パルスに対して透明な仕切りスクリーンを含むハウジングと、前記仕切りスクリーンの透光性をテストするためのテスト装置と、前記光源を制御し、且つ、前記検知器により検知された前記光パルスを評価し、且つ、対象物からの距離を決定するための、前記テスト装置と協働する制御及び評価ユニットとを含む。
【解決手段】光学センサは、発光パルスを観察領域に放射するための光源と、前記発光パルスのビーム方向を、前記ビーム方向に対して横方向に向けられた回転軸を中心として回転させるための回転装置と、前記観察領域における対象物により反射された光パルスを検知するための検知器と、前記センサの内部を周囲環境から離隔しておくための、前記発光パルス及び前記反射光パルスに対して透明な仕切りスクリーンを含むハウジングと、前記仕切りスクリーンの透光性をテストするためのテスト装置と、前記光源を制御し、且つ、前記検知器により検知された前記光パルスを評価し、且つ、対象物からの距離を決定するための、前記テスト装置と協働する制御及び評価ユニットとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジットタイム原理に基づいて動作する光学センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な光学センサが、例えば特許文献１に記載されており、この光学センサは以下の部品を含む。すなわち、観察される領域に発光パルス(emergent light pulse)を放射するための光源と、発光パルスのビーム路を、前記ビームの方向に対して横方向に向けられている回転軸を中心として回転させるための回転装置と、観察領域における対象物により反射された光パルスを検知するための検知器と、センサ内部を周囲環境から、前記発光パルス及び反射光パルスに対して透明な仕切りスクリーン(partitioning screen)を用いて離隔しておくためのハウジングと、前記仕切りスクリーンの透光性をテスト（検査）するためのテスト装置と、前記光源を制御し、且つ、前記検知器により検知される光パルスを評価し、且つ、対象物からの距離を、前記光パルスの前記測定されたトランジットタイムに基づいて決定するための、前記テスト装置と協働する制御及び評価ユニットとである。
【０００３】
このような装置は、発光ビームが回転し、また、光源として一般的にレーザが用いられるため、レーザスキャナ、レーザレーダ、又は、２次元レーザ測定装置とも称される。このタイプのセンサは、これまで、主に工業用途において複数の異なる作業のために用いられてきた。この目的のための基本的前提条件は、比較的清潔な環境である。なぜなら、過度に高レベルの汚染若しくは汚れ、又は、雨や雪などの気象条件により、センサが測定を行うことが不可能になるからである。
【０００４】
一般的装置が、例えばフォークリフトトラックのナビゲーションのために用いられており、前記ナビゲーションは、しばしば、周囲環境内の決められた位置に取り付けられた反射器を補助として行われる。ナビゲーションは、基本的に反射器を用いずに行われることも可能であるが、その場合も、周囲環境のそれぞれの状況が評価ユニットにティーチイン段階にて読み込まれなければならない。
【０００５】
この装置のさらなる可能な用途が、障害物検知、建物の安全性、個人の保護、対象物の容積測定の分野における作業に関して、従って、基本的には、対象物の輪郭の検知にある程度関係する課題の全てに関して存在する。
【０００６】
このタイプの光学センサの基本的なタスクは、発光パルス（通常、レーザにより供給される）の強度が、検知されることが要求されている対象物に到達するように十分に高いことを保証することである。レーザビームが何らかの理由で過度に減衰され、又は完全に無効になる可能性がある場合、これらは必ず検知されなければならない。なぜなら、これらの検知が行われなければ、センサは、観察領域に実際には１以上の対象物が存在するにも関わらず、「観察領域に対象物が存在しない」ことを示す信号を送るであろうからである。
【０００７】
レーザ自体の機能効果は効率的に監視されることができる。主な問題は、発光パルスが光学ウィンドウ（例えば、この場合は仕切りスクリーン）を通過しなければならず、この仕切りスクリーンが必要な特性を有さず、且つ、透光性に関する必要条件を満たさない場合に生じる。これは、例えば仕切りスクリーンが汚れているか又は損傷されており、すなわち、特には割れやひびが入っている場合に生じる。光学センサの適切な機能を保証するために、仕切りスクリーンの透光性(translucence)は可能な限り徹底的にテストされなければならない。このような検査（透光性監視とも称する）が、信頼性の高い測定のために絶対に必要である。なぜなら、このような検査をしなければ、光学センサは、検知されるべき対象物が実際には存在しないのかどうか、或いは、光が仕切りスクリーン上の汚れにより完全に吸収され、それにより、実際には存在するいずれの対象物も検知不能であるのかどうかを決定できないであろうからである。
【０００８】
従来技術においては、例えばカーブ形状の仕切りスクリーンが用いられており、このカーブ形状の仕切りスクリーンを通して、テスト光が、仕切りスクリーンの異なる２つの領域を通過するように発光ダイオードにより放射される。これが仕切りスクリーンの複数の領域にて実行され、それにより、仕切りスクリーンのテストが可能な限り徹底的に行われる。それでもなお、完全なテスト、特には、３６０度センサの円形領域全体に対応するテストは可能でない。
【０００９】
特許文献１に記載されている光センサにおいて、光学素子、例えば回折格子が、仕切りスクリーン又は前方スクリーンの内面に取り付けられており、発光パルスの一部が、前記光学素子により、ハウジングの外部に配置された検知器まで到達させられる。前方スクリーン上の汚れ又はスクリーンの損傷は、この装置を補助として、前記光学素子の位置にてのみ決定されることができる。しかしこの場合も、仕切りスクリーンの完全なテストを実行することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１３７８７６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、仕切りスクリーンの徹底的な検査を可能にする上記のタイプの光センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、請求項１に記載されている特徴を有する光学センサにより達成される。
【００１３】
以下に、本発明の光学センサの好ましい実施形態を、特に従属請求項及び図面に関連して記載する。
【００１４】
本発明に従って、上記のタイプの光学センサが、以下の点において展開される。すなわち、少なくとも１つのテスト検知器が前記テスト装置の一部としてセンサ内部に設けられ、前記テスト検知器は、回転軸を中心として回転するように適合されたロータ上に配置されている。前記テスト検知器は、前記仕切りスクリーンの、発光パルス及び／又は反射光パルスが通過するスループット領域(throughput region)に向けられている。テスト光を供給するためのテスト光源も、前記テスト装置のさらなる部品として同様に前記ロータ上に配置される。また、前記テスト光が向けられる少なくとも１つのリフレクタ要素が前記ハウジングの外側に配置される。そして、前記テスト検知器は、前記リフレクタ要素により反射されたテスト光を検知するために適切に配置される。
【００１５】
本発明の第１の中心的な概念は、テスト検知器が、もはや従来技術におけるように不動であるようには配置されず、その代わりにセンサ内部の回転ロータ上に取り付けられることであるとみなされ得る。
【００１６】
そして、前記センサ内部の前記テスト検知器は、前記仕切りスクリーンの、前記発光パルス及び／又は前記反射光パルスが通過する領域に向けられることができる。
【００１７】
前記テスト光を供給するために、前記ロータ上に同様に取り付けられるテスト光源が設けられる。こうして、比較的簡単な透光性測定が、前記テスト光源により供給される前記テスト光を補助として実行されることができる。
【００１８】
本発明の更なる基本的な概念に従えば、前記テスト光が向けられる少なくとも１つのリフレクタ要素が前記ハウジングの外側に配置され、前記テスト検知器は、前記リフレクタ要素により反射される前記テスト光を検知するように配置されている。
【００１９】
前記仕切りスクリーンの前記スループット領域の、連続的な、特には回転式の制御及び監視が前記回転式テスト検知器を補助として可能であることが、本発明の重要な利点とみなされ得る。
【００２０】
詳細には、前記仕切りスクリーンは周囲に延在する形態(surrounding form)を有する。すなわち、仕切りスクリーンは３６０度の完全な走査範囲に延在する。
【００２１】
本発明の光学センサの特に好ましい変型例において、前記仕切りスクリーンの特に大きい領域を透光性に関してテストすることができる。このテストにおいて、前記テスト光が前記センサ内部から前記仕切りスクリーンの第１の領域を通って外部に放射され、次いで、前記リフレクタ要素により反射された前記テスト光が、前記仕切りスクリーンの、前記第１の領域とは異なる第２の領域を通過して前記センサ内部に戻る。こうして、前記仕切りスクリーンの前記第１の領域の特性と、前記仕切りスクリーンの前記第２の領域の特性との両方が、前記テスト検知器により実際に測定される信号に含まれ、従って、この測定方法は前記両方の領域に対して反応可能である。例えば、前記第１領域の高さと前記第２領域の高さとは、それぞれのビームが前記回転軸（すなわち回転の中心）から異なる距離を有するように互いにずらされることができる。これは「中心ずれ」(centric offset)とも称される。
【００２２】
これらの測定が本発明の光学センサの動作信頼性を著しく高めることができる。
【００２３】
簡単な変型例において、円形の環状ミラー又はそのセグメントを前記リフレクタ要素として用いることができる。
【００２４】
すなわち、前記変型例（この変型例において、前記仕切りスクリーンの光出射領域は、前記テスト光が前記センサ内部に戻る領域と異なる）は、上記の中心ずれを、リフレクタ要素を用いることにより特に安価で簡単な方法で実現することができ、このリフレクタ要素は、特には、透明なプラスチック材料からつくられた、三角形の断面を有する円形の環状外形部又はそのセグメントから成る。前記テスト光ビームは、このようなリフレクタの外形により、光学分野にて公知のビーム偏向器の場合と同様に二重内部反射により偏向される。前記入射ビームと前記出射ビームとは互いにずれている。
【００２５】
前記仕切りスクリーンの最大限の透光性を達成するために、前記テスト光源から出射されるビームを拡大するための手段を設けることが有利である。前記テスト光源及前記びテスト検知器の両方が回転するため、前記ビームは、回転方向にて拡大又は拡張される必要はなく、回転方向に対して直角に延在する方向にのみ拡大される。従って、この目的のために、非対称の、又は円筒状のレンズを用いることが有利であろう。
【００２６】
前記テスト光の、前記リフレクタ要素により反射された部分を外部光の一部と区別するために、前記テスト光源は、好ましくはパルス状である。
【００２７】
原理上、前記仕切りスクリーンの透光性の最も徹底的な検査を達成するために、多数のテスト光源及び／又は、前記テスト光源に割り当てられた多数のテスト検知器を、例えば、前記ロータの直径方向に対向する領域に設けることもできる。
【００２８】
本発明の光学センサのさらなる好ましい変型例において、前記リフレクタ要素が前記ハウジングの張り出し部の下に取り付けられ、これにより、前記リフレクタ要素は、機械的損傷及び／又は汚れによる汚染から特に効果的に保護される。
【００２９】
上記のタイプのセンサ自体は公知であり、これらのセンサは、主に、動作範囲、走査範囲、及び、測定されたデータ処理に用いられるそれぞれの方法に関して互いに異なる。特に重要な違いは、公知の装置における走査範囲が、約１８０度、約２７０度、又は約３６０度であることである。
【００３０】
特許文献１に記載されているタイプの２次元光学センサにおいて、レーザビームを測定面に反射させるために回転ミラーが用いられている。この場合、レーザが回転軸にて放射され、レシーバは、対象物により反射されたレーザ光を同一軸にて受光する。理想的な場合、光は、４５度傾斜されたミラーにより観察領域（すなわち測定面）に向って正確に直角に反射され、次いで、前記観察領域からレシーバに向って反射される。
【００３１】
しかし、これらの装置は、常にわずかな機械的ミスアライメント（光学的残差(residual optical error)と称される）を示すため、ミラーへのレーザ光の入射角度は、ミラーの全ての回転位置に関して同一ではない。従って、回転レーザビームは、ミラーの回転軸に対して直角に延在する面を中心として旋回する。そのときビームが旋回誤差を生じると考えられる。一般に、ミラーの取付けは、この問題の解決に対する最大の障害である。機械的組立体の底部にミラーを取り付ける場合、レーザ光を、前記回転軸にてミラーに向けて照射させることがさらに困難である。一方、ミラーを上部に取り付けて吊り下げる場合、これは一般的にブーム状の組立体を用いて実行されなければならないため、概して、駆動システムの取付け及び配置に関する問題が生じる。こうすると、ブーム状システムの、モータのための電気供給ライン及び機械的保持手段が上方に延在する位置にて死角が生じ、この設計によるセンサは全周測定が可能でない。すなわち、周囲環境を３６０度の全範囲にわたって走査することができない。
【００３２】
本発明の光学センサの特に好ましい例示的な実施形態において、前記光源、前記検知器、前記制御及び評価ユニットの一部を形成する電子組立体、及び、前記検知器への反射光パルスを偏向させるためのミラーが、前記ロータ上での共同回転(joint rotation)のために取り付けられる。従って、簡単な技術手段を用いて、トランジットタイム原理に基づいて動作し、且つ、３６０度の走査範囲を達成させることができる光学センサを提供することが可能である。
【００３３】
この変型例の基本的概念は、前記光源と前記検知器とが、従来技術とは異なり、互いに固定された関係で且つ一緒に回転することができるように配置されることであるとみなされ得る。前記光源と前記検知器とが固定されたシステムで同時に回転するため、旋回が生じることはない。これが本発明の第１の重要な利点を構成している。
【００３４】
別の重要な利点は、駆動に関してこれまでに存在していた問題がもはや存在しないことである。前記ロータが駆動される場所に関係なく、前記ロータが測定システムを妨害することは全くなく、死角が生じる可能性も排除される。なぜなら、電気的又は機械的部品が測定システムの上に取り付けられる必要が全くないからである。
【００３５】
これに加え、さらなる重要な改良点は、前記光源及び前記検知器の両方が前記ロータ上に配置されるため、非常にコンパクトな上部構造が得られ、詳細には、長い光路を用いる必要がなくなることにある。光路は、既知のシステム、すなわち、別々に回転するミラーと、空間的に固定されたトランスミッタ及びレシーバとを含むシステムと比較して著しく短縮されることができる。さらに、装置の設置に必要なスペース全体が非常に小さくなり、装置全体をより小さい寸法で製造することができる。
【００３６】
このようなコンパクトな構造により、回転中の乱気流がさらに低減され、従って、より高速の回転が可能である。
【００３７】
基本的に、前記観察領域から反射される前記光パルスは、レンズを補助としてガイドされて前記検知器上に集束されることができる。本発明のセンサの特に好ましい変型例において、同様に前記ロータ上に取り付けられるミラーが、前記観察領域における対象物により反射された光パルスを前記検知器にガイドするための光学手段として実装される。
【００３８】
一方では、非常に軽量の部品を用いることにより可能にされる、他方では、ミラーを用いることにより、高開口数による十分な光強度が、軽量化を維持しつつ達成される。
【００３９】
用いられるミラーは、好ましくは凹面鏡であるが、放物面鏡を用いる場合に、特に良好な集束特性が得られる。この場合、前記凹面鏡が、コーティングが施されたプラスチック成形品であれば部品が軽量になる。
【００４０】
概して、本発明の光学センサは、好ましくは、可能な限り軽量であるように形成された部品を有し、これらの部品は、さらには、可能であれば、回転軸の可能な限り近くに配置され、すなわち、生じる慣性モーメントを最小限にする。こうして、より高速の回転速度と、従って、周囲環境のより高速の走査速度とが、より容易に達成されることができる。
【００４１】
本文中に記載される光学センサを用いることにより、５０Ｈｚよりも著しく高い回転周波数、すなわち、３０００ｒｐｍ（回転／分）よりも高速の速度を達成することができる。
【００４２】
有利には、回転駆動手段のために前記ロータ上に永久磁石が配置され、この永久磁石はステータ上に配置されたコイルにより駆動されることができる。前記ロータ上の前記永久磁石は電動モータのロータのように動作する。
【００４３】
原理上、電気エネルギーをスライド接触を介して前記ステータから前記ロータに伝達することが可能である。しかし、より好ましくは、前記光源、前記検知器及び前記制御及び評価ユニットを動作させるために必要なエネルギーは、前記ステータから前記ロータに非接触方式で伝達される。これは、本発明の光学センサの別の好ましい変型例において、前記ステータと前記ロータとの間に、前記ステータから前記ロータにエネルギーを伝達するための変圧器（トランスフォーマ）リンク(transformer link)を設けることにより特に有利に実現されることができる。原理上、この変圧器リンクは、情報の伝送のために実装されることもできる。例えば、構造データ及び／又は制御データを、固定部、すなわち前記ステータから、移動部、すなわち前記ロータ（前記制御及び評価ユニットの部品がこのロータ上に既に存在している）に伝送する。基本的に、この目的のためには低速のデータ伝送速度で十分である。
【００４４】
原理上、前記検知器により測定される測定データは電気手段により外部にも伝送されることが可能であろう。しかし、このようにすると大量のデータが蓄積するため、データを前記ロータから前記ステータに伝送するために前記ロータと前記ステータとの間に光伝送路が形成されることが特に有利である。この場合、原理上、前記伝送路は、データ伝送を一方向に（すなわち、前記ロータから前記ステータに）のみ可能にする伝送路であってよい。このために、少なくとも１つの適切な光源、例えば発光ダイオードが前記ステータ上に設けられ、この発光ダイオードからの変調された信号が、前記ステータ上に適切に配置された１以上のフォトダイオードにより検知される。原理上、この光伝送路は、２方向データ交換のために形成されることもでき、この場合、前記光路の両端に、少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの光検知器が設けられなければならない。
【００４５】
このような光伝送路を、前記ロータの回転軸上に、特に簡潔で安価な方法で実現することができる。
【００４６】
本発明のさらなる好ましい実施形態において、前記光源、前記検知器、前記テスト光源、前記テスト検知器、及び／又は前記制御及び評価ユニットの前記電子アセンブリを保持する収容手段が、前記ミラーがその内部に形成されている前記プラスチック成形品内に形成されている場合、特にコンパクトな構造、及び、異なる部品の非常に良好な近軸配置が可能にされる。
【００４７】
本発明の光学センサのさらなる特徴及び利点を、添付図面を参照しつつ以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の光学センサの例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１を参照し、本発明の光学センサ１００の例示的な実施形態を詳細に説明する。図１に概略的に示されている本発明の光学センサ１００の必須部品は、光源２０、検知器５０、及び、制御及び評価ユニット９０の一部である電子アセンブリ９２である。さらに、コーティング２９により形成された凹面鏡２８がプラスチック成形品２７上に設けられている。光源２０、検知器５０、及び、電子アセンブリ９２も、このプラスチック成形品２７内に、適切な保持手段（図１に詳細に示さず）を補助として収容されている。
【００５０】
部品がその上に配置されたプラスチック成形品２７は、ステータ３０に対して回転するように適合されたロータ４０の上に取り付けられている。構造物の全体が、ボトル状の外形を有するハウジング６０内に収容されており、ロータ４０が、回転軸４６に対してボールベアリング４２，４４上で回転することができる。ロータ４０には永久磁石４８も固定されており、永久磁石４８は、ステータ３０上に配置されたコイル３８を用いて電気モータのように駆動されることができる。ステータ３０からロータ４０にエネルギーを伝達するために、コイル７２，７４により変圧器（トランス）リンク(transformer link)が形成されている。原理上、この変圧器リンクを用いて、構造データ及び／又は制御データを、光源２０、検知器５０、及び／又は電子アセンブリ９２に、データ伝送速度(data rate)は遅いが伝送することができる。
【００５１】
ハウジング６０（フードとも称され得る）が、第１にセンサ内部６８を周囲から離隔しておくために、特には、センサ内部６８を、汚染及び機械的損傷から防護するために用いられる。ハウジング６０のさらなる目的は、操作者を、高速（例えば、３０００回転／分より速い回転速度）で回転しているロータ４０によりもたらされる危険から保護することである。
【００５２】
軸方向に、すなわち回転軸４６に沿って配置された光伝送路が、発光ダイオード又はレーザーダイオード７８及びフォトダイオード７６により、データを回転部からステータに伝送するために形成されている。ロータからステータまでの光伝送路におけるデータ伝送速度は、例えば、１００ＭＢａｕｄである。
【００５３】
ハウジング６０は、仕切りスクリーン(partitioning screen)６６（透明領域とも称され得る）を含む。仕切りスクリーン６６は独立した部品である必要はなく、図示されている例に見られるように、ハウジング６０の一体的部分として形成されることができる。このために必須の条件は、用いられる波長に対して、ハウジング６０が、光源２０からの光パルス２２が外部に向かって通過しなければならない少なくとも出口領域６１にて、またさらに、対象物１０により反射される光パルス２６がセンサ内部６８に戻るときに通過しなければならない領域６２，６４にて透明であることだけである。図示されている例において、６６０ｎｍで、すなわち暗赤色領域で発光するレーザーダイオードが用いられる。仕切りスクリーン６６が十分にクリーンであること、すなわち仕切りスクリーン６６が十分な光透過性をもたらすことを保証するために、テスト光源５４（図示されている例においては発光ダイオード）及びテスト検知器５２が、ローター４０上にさらに取り付けられている。テスト光源５４及びテスト検知器５２も同様に、プラスチック成形品２７内に形成された保持手段内に収容されることができる。原理上、テスト光をテスト検知器５２上に集光するための適切な光学手段、例えばレンズを設けることができる。
【００５４】
テスト光源５４は、放射されたテスト光５３が仕切りスクリーン６６の第１の領域６４を通過し、次いでリフレクタ（反射器）要素８０に衝突するように配置される。このリフレクタ要素８０によりテスト光５３は反射され、ハウジング６０へと戻るように放射される。図示されている例において、リフレクタ要素は、三角形の断面を有する円形の環状外形部８２であり、透明なプラスチック材料からつくられている。図１に概略的に示されているように、テスト光５３は、リフレクタ要素８０による二重内部反射により１８０度偏向され、この場合、反射されたテスト光５５はリフレクタ要素８０の幾何学的形状に従って、中心から外側にわずかにずらされる。反射されたテスト光５５は、第２の領域６２にてセンサ内部６８に再び入射し、次いで、前記テスト光５５を検知するために適切に配置されたテスト検知器５２まで通過する。仕切りスクリーン６６の表面が汚れているか、又は、仕切りスクリーン６６が損傷されている（例えば、割れやひびが入っている）場合、この状態は、テスト光の強度が低減することによってテスト検知器５２により検知される。テスト検知器５２により測定されるテスト光５３，５５の強度は制御及び評価ユニット９０にて評価され、測定された強度が特定の閾値よりも低い場合、得られる測定データは、もはや評価において考慮されない。
【００５５】
本文中に記載される光学センサ１００の重要な利点は、仕切りスクリーン６６が全方位にわたって、また、原理上、３６０度の全角度範囲にわたって監視されることができることである。なぜなら、テスト光源５４がテスト検知器５２と同様にロータ４０上に配置され、テスト光源５４とテスト検知器５２との両方がセンサ１００の動作中に同時に回転するからである。従って、第１の領域６４及び第２の領域６２は、各々、ロータ４０の角度位置に応じた前方スクリーン６６上の異なる領域に合致する。別の重要な利点は、第１の領域６４と第２の領域６２とが一致せず、従って、仕切りスクリーン６６の特に大きい領域が、汚れによる生じ得る汚染に関する評価の対象となることである。
【００５６】
本発明のさらなる利点は、仕切りスクリーン６６がカーブ形状を有して設計される必要がもはやないことである。光源２０がハウジング６０の出口領域６１の実質的に非常に近くに配置されることができるため、発光パルス２２からの内部反射が前記出口領域６１に生じることは実質的にない。従って、バックグレア(back glare)の可能性が排除される。詳細には、仕切りスクリーン６６を簡単な円筒形状で設計することができる。
【００５７】
発光パルス２２の検知器５０への衝突が、対象物１０からの反射による以外のいかなる方法によっても行われないように、光源２０は、同様にプラスチック成形品２７上に成形された管２１内で座ぐり状にされる(coutersunk)ことができる。
【００５８】
図１に示されている光学センサのさらなる詳細は、リフレクタ要素８０により形成された円形の環状外形部８２が、ハウジング６０の張り出し部６３の下に取り付けられており、環状外形部８２が、機械的衝撃から、従って、外部で生じる損傷から特に効果的に保護されることである。
【００５９】
原理上、本文中に記載される透光性監視プロセスにおいて、テスト光ビームが、底部から、すなわちロータの上面から、ほぼ円筒状の外側仕切りスクリーン（透明領域とも称される）を通して斜めに伝送される。このビームは、反射手段（例えば、円形の環状ミラー又は円形の環状外形部）の上部又は下部に衝突し、平行なずれを有して反射される。こうして、仕切りスクリーンは、汚れによりもたらされ得る汚染に関して２つの位置にてテストされる。これは、測定された距離データが、テスト光が通過する領域の両方が十分にクリーンである場合にのみ有効なものとして評価されることを意味する。
【００６０】
本発明の光学センサは以下のように動作する。すなわち、光源２０が、基本的に、周知のレーザポインタのように動作し、１秒間に、例えば２５０，０００個の発光パルス２２を６６０ｎｍの波長で、すなわち暗赤色スペクトル領域にて放射する。発光パルス２２は、コリメータ光学素子（詳細に示さず）を補助としてコリメートされて平行な光線束を形成する。図示されている例において、発光パルス２２は、光学センサ１００の回転軸４６に対して直角に向いたビーム方向２４に放射される。発光パルス２２が観察領域１２における対象物１０に衝突すると、発光パルス２２はこの対象物１０により光パルス２６の形態で反射され、この反射光は、仕切りスクリーン６６を通ってセンサ内部６８に戻され、センサ内部６８に配置された凹面鏡２８に到達する。検知器５０が、好ましくは反射光パルス２６の全てを検知できるように凹面鏡２８に対して配置されている。
【００６１】
制御及び評価ユニット９０（図１にさらに詳細には示さず）及びユニット９０の部品はハウジング６０の外部に配置されることもでき、光源２０を制御し、検知器５０により検知された光パルス２６を評価し、次いで、測定されたトランジットタイムから、検知された対象物１０との距離を算出する。発光パルス２２のビーム方向２４を回転させることにより、ビーム方向２４が面にて移動され、このようにして、本発明の光学センサ１００は、その周囲環境のプロファイルを記録することができる。
【００６２】
本文中に記載されている本発明の光学センサの変型例の別の重要な利点は、小型であり、特には、光源、ミラー、検知器及び評価電子素子がロータ上に共同的に(jointly)配置されることにより近軸配置を設定することができることである。トランスミッタ（伝送器）、ミラー、レシーバ、及び電子アセンブリから成るこのユニットにより、達成可能な最大回転速度の制限要因となる乱気流を著しく低減することができる。
【００６３】
このようにして、より高速の回転速度が可能にされ、従って、ナビゲーションの用途において、それぞれの周囲環境が、より速い走査速度で検知されることができる。これは、ナビゲート又は制御されるべき装置又は車両が比較的迅速に移動する用途において特に重要である。周囲環境から得られる測定データが低速でのみ供給される場合、ナビゲートされるべき車両の位置が２つの測定間で既に著しく変化するであろう。この結果生じる影響は、空間歪みとも称される。理論上、後者を計算し直すこと（back compute）ができるが、これは、追加のセンサ、例えば、速度センサ、又は、コンパス式の角度測定センサを必要とするであろう。
【００６４】
本発明の光学センサを用いれば、多くの用途において回転速度を増大させるためにこれらの追加のセンサを用いる必要がなく、その結果、かなりのコスト節減が可能である。
【００６５】
本発明のセンサのさらなる可能な用途は、交通監視分野における通行料金の計算である。本発明の光学センサは、例えば、橋梁上に、橋梁の下を通行する車両の外形又は輪郭を判断するために取り付けられ得る。異なる車両タイプにおいて、車両の外形は多くの場合個々に異なるため、対象となる特定の車両タイプが橋梁下を通過した時を決定することが可能である。
【００６６】
本発明は、トランジットタイム原理に基づいて動作する新規の２次元光学測定センサを記載し、この光学測定センサにおいては、仕切りスクリーンにおけるスループット領域の透過性の、連続的な、特には回転式の制御及び監視が、特に簡潔な方法で実現されることができる。これは、テスト検知器及びテスト光源を備えた回転式テスト装置を用いることにより可能にされる。本文中に記載された光学センサのさらなる本質的な特徴は、独立に回転するミラーが設けられていないことである。このようなミラーがあれば、そのための保持手段が死角を生じるであろう。本文中に記載された光学センサにおいて、完全な測定ユニット、すなわち、光源、検知器、ミラー、及び電子測定装置の部品を含むユニットの回転が存在する。これは、３６０度にわたる全回転範囲を簡単な手段により監視することを可能にする。光源、検知器及び電子装置のために必要なエネルギーはステータからロータ（測定ヘッドとも称される）に非接触式に伝達される。同様に、データが、ロータからセンサの不動部分（ステータとも称される）に、非接触式に、詳細には光伝送路を用いて伝送される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジットタイム原理に基づいて動作する光学センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な光学センサが、例えば特許文献１に記載されており、この光学センサは以下の部品を含む。すなわち、観察される領域に発光パルス(emergent light pulse)を放射するための光源と、発光パルスのビーム路を、前記ビームの方向に対して横方向に向けられている回転軸を中心として回転させるための回転装置と、観察領域における対象物により反射された光パルスを検知するための検知器と、センサ内部を周囲環境から、前記発光パルス及び反射光パルスに対して透明な仕切りスクリーン(partitioning screen)を用いて離隔しておくためのハウジングと、前記仕切りスクリーンの透光性をテスト（検査）するためのテスト装置と、前記光源を制御し、且つ、前記検知器により検知される光パルスを評価し、且つ、対象物からの距離を、前記光パルスの前記測定されたトランジットタイムに基づいて決定するための、前記テスト装置と協働する制御及び評価ユニットとである。
【０００３】
このような装置は、発光ビームが回転し、また、光源として一般的にレーザが用いられるため、レーザスキャナ、レーザレーダ、又は、２次元レーザ測定装置とも称される。このタイプのセンサは、これまで、主に工業用途において複数の異なる作業のために用いられてきた。この目的のための基本的前提条件は、比較的清潔な環境である。なぜなら、過度に高レベルの汚染若しくは汚れ、又は、雨や雪などの気象条件により、センサが測定を行うことが不可能になるからである。
【０００４】
一般的装置が、例えばフォークリフトトラックのナビゲーションのために用いられており、前記ナビゲーションは、しばしば、周囲環境内の決められた位置に取り付けられた反射器を補助として行われる。ナビゲーションは、基本的に反射器を用いずに行われることも可能であるが、その場合も、周囲環境のそれぞれの状況が評価ユニットにティーチイン段階にて読み込まれなければならない。
【０００５】
この装置のさらなる可能な用途が、障害物検知、建物の安全性、個人の保護、対象物の容積測定の分野における作業に関して、従って、基本的には、対象物の輪郭の検知にある程度関係する課題の全てに関して存在する。
【０００６】
このタイプの光学センサの基本的なタスクは、発光パルス（通常、レーザにより供給される）の強度が、検知されることが要求されている対象物に到達するように十分に高いことを保証することである。レーザビームが何らかの理由で過度に減衰され、又は完全に無効になる可能性がある場合、これらは必ず検知されなければならない。なぜなら、これらの検知が行われなければ、センサは、観察領域に実際には１以上の対象物が存在するにも関わらず、「観察領域に対象物が存在しない」ことを示す信号を送るであろうからである。
【０００７】
レーザ自体の機能効果は効率的に監視されることができる。主な問題は、発光パルスが光学ウィンドウ（例えば、この場合は仕切りスクリーン）を通過しなければならず、この仕切りスクリーンが必要な特性を有さず、且つ、透光性に関する必要条件を満たさない場合に生じる。これは、例えば仕切りスクリーンが汚れているか又は損傷されており、すなわち、特には割れやひびが入っている場合に生じる。光学センサの適切な機能を保証するために、仕切りスクリーンの透光性(translucence)は可能な限り徹底的にテストされなければならない。このような検査（透光性監視とも称する）が、信頼性の高い測定のために絶対に必要である。なぜなら、このような検査をしなければ、光学センサは、検知されるべき対象物が実際には存在しないのかどうか、或いは、光が仕切りスクリーン上の汚れにより完全に吸収され、それにより、実際には存在するいずれの対象物も検知不能であるのかどうかを決定できないであろうからである。
【０００８】
従来技術においては、例えばカーブ形状の仕切りスクリーンが用いられており、このカーブ形状の仕切りスクリーンを通して、テスト光が、仕切りスクリーンの異なる２つの領域を通過するように発光ダイオードにより放射される。これが仕切りスクリーンの複数の領域にて実行され、それにより、仕切りスクリーンのテストが可能な限り徹底的に行われる。それでもなお、完全なテスト、特には、３６０度センサの円形領域全体に対応するテストは可能でない。
【０００９】
特許文献１に記載されている光センサにおいて、光学素子、例えば回折格子が、仕切りスクリーン又は前方スクリーンの内面に取り付けられており、発光パルスの一部が、前記光学素子により、ハウジングの外部に配置された検知器まで到達させられる。前方スクリーン上の汚れ又はスクリーンの損傷は、この装置を補助として、前記光学素子の位置にてのみ決定されることができる。しかしこの場合も、仕切りスクリーンの完全なテストを実行することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１３７８７６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、仕切りスクリーンの徹底的な検査を可能にする上記のタイプの光センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、請求項１に記載されている特徴を有する光学センサにより達成される。
【００１３】
以下に、本発明の光学センサの好ましい実施形態を、特に従属請求項及び図面に関連して記載する。
【００１４】
本発明に従って、上記のタイプの光学センサが、以下の点において展開される。すなわち、少なくとも１つのテスト検知器が前記テスト装置の一部としてセンサ内部に設けられ、前記テスト検知器は、回転軸を中心として回転するように適合されたロータ上に配置されている。前記テスト検知器は、前記仕切りスクリーンの、発光パルス及び／又は反射光パルスが通過するスループット領域(throughput region)に向けられている。テスト光を供給するためのテスト光源も、前記テスト装置のさらなる部品として同様に前記ロータ上に配置される。また、前記テスト光が向けられる少なくとも１つのリフレクタ要素が前記ハウジングの外側に配置される。そして、前記テスト検知器は、前記リフレクタ要素により反射されたテスト光を検知するために適切に配置される。
【００１５】
本発明の第１の中心的な概念は、テスト検知器が、もはや従来技術におけるように不動であるようには配置されず、その代わりにセンサ内部の回転ロータ上に取り付けられることであるとみなされ得る。
【００１６】
そして、前記センサ内部の前記テスト検知器は、前記仕切りスクリーンの、前記発光パルス及び／又は前記反射光パルスが通過する領域に向けられることができる。
【００１７】
前記テスト光を供給するために、前記ロータ上に同様に取り付けられるテスト光源が設けられる。こうして、比較的簡単な透光性測定が、前記テスト光源により供給される前記テスト光を補助として実行されることができる。
【００１８】
本発明の更なる基本的な概念に従えば、前記テスト光が向けられる少なくとも１つのリフレクタ要素が前記ハウジングの外側に配置され、前記テスト検知器は、前記リフレクタ要素により反射される前記テスト光を検知するように配置されている。
【００１９】
前記仕切りスクリーンの前記スループット領域の、連続的な、特には回転式の制御及び監視が前記回転式テスト検知器を補助として可能であることが、本発明の重要な利点とみなされ得る。
【００２０】
詳細には、前記仕切りスクリーンは周囲に延在する形態(surrounding form)を有する。すなわち、仕切りスクリーンは３６０度の完全な走査範囲に延在する。
【００２１】
本発明の光学センサの特に好ましい変型例において、前記仕切りスクリーンの特に大きい領域を透光性に関してテストすることができる。このテストにおいて、前記テスト光が前記センサ内部から前記仕切りスクリーンの第１の領域を通って外部に放射され、次いで、前記リフレクタ要素により反射された前記テスト光が、前記仕切りスクリーンの、前記第１の領域とは異なる第２の領域を通過して前記センサ内部に戻る。こうして、前記仕切りスクリーンの前記第１の領域の特性と、前記仕切りスクリーンの前記第２の領域の特性との両方が、前記テスト検知器により実際に測定される信号に含まれ、従って、この測定方法は前記両方の領域に対して反応可能である。例えば、前記第１領域の高さと前記第２領域の高さとは、それぞれのビームが前記回転軸（すなわち回転の中心）から異なる距離を有するように互いにずらされることができる。これは「中心ずれ」(centric offset)とも称される。
【００２２】
これらの測定が本発明の光学センサの動作信頼性を著しく高めることができる。
【００２３】
簡単な変型例において、円形の環状ミラー又はそのセグメントを前記リフレクタ要素として用いることができる。
【００２４】
すなわち、前記変型例（この変型例において、前記仕切りスクリーンの光出射領域は、前記テスト光が前記センサ内部に戻る領域と異なる）は、上記の中心ずれを、リフレクタ要素を用いることにより特に安価で簡単な方法で実現することができ、このリフレクタ要素は、特には、透明なプラスチック材料からつくられた、三角形の断面を有する円形の環状外形部又はそのセグメントから成る。前記テスト光ビームは、このようなリフレクタの外形により、光学分野にて公知のビーム偏向器の場合と同様に二重内部反射により偏向される。前記入射ビームと前記出射ビームとは互いにずれている。
【００２５】
前記仕切りスクリーンの最大限の透光性を達成するために、前記テスト光源から出射されるビームを拡大するための手段を設けることが有利である。前記テスト光源及前記びテスト検知器の両方が回転するため、前記ビームは、回転方向にて拡大又は拡張される必要はなく、回転方向に対して直角に延在する方向にのみ拡大される。従って、この目的のために、非対称の、又は円筒状のレンズを用いることが有利であろう。
【００２６】
前記テスト光の、前記リフレクタ要素により反射された部分を外部光の一部と区別するために、前記テスト光源は、好ましくはパルス状である。
【００２７】
原理上、前記仕切りスクリーンの透光性の最も徹底的な検査を達成するために、多数のテスト光源及び／又は、前記テスト光源に割り当てられた多数のテスト検知器を、例えば、前記ロータの直径方向に対向する領域に設けることもできる。
【００２８】
本発明の光学センサのさらなる好ましい変型例において、前記リフレクタ要素が前記ハウジングの張り出し部の下に取り付けられ、これにより、前記リフレクタ要素は、機械的損傷及び／又は汚れによる汚染から特に効果的に保護される。
【００２９】
上記のタイプのセンサ自体は公知であり、これらのセンサは、主に、動作範囲、走査範囲、及び、測定されたデータ処理に用いられるそれぞれの方法に関して互いに異なる。特に重要な違いは、公知の装置における走査範囲が、約１８０度、約２７０度、又は約３６０度であることである。
【００３０】
特許文献１に記載されているタイプの２次元光学センサにおいて、レーザビームを測定面に反射させるために回転ミラーが用いられている。この場合、レーザが回転軸にて放射され、レシーバは、対象物により反射されたレーザ光を同一軸にて受光する。理想的な場合、光は、４５度傾斜されたミラーにより観察領域（すなわち測定面）に向って正確に直角に反射され、次いで、前記観察領域からレシーバに向って反射される。
【００３１】
しかし、これらの装置は、常にわずかな機械的ミスアライメント（光学的残差(residual optical error)と称される）を示すため、ミラーへのレーザ光の入射角度は、ミラーの全ての回転位置に関して同一ではない。従って、回転レーザビームは、ミラーの回転軸に対して直角に延在する面を中心として旋回する。そのときビームが旋回誤差を生じると考えられる。一般に、ミラーの取付けは、この問題の解決に対する最大の障害である。機械的組立体の底部にミラーを取り付ける場合、レーザ光を、前記回転軸にてミラーに向けて照射させることがさらに困難である。一方、ミラーを上部に取り付けて吊り下げる場合、これは一般的にブーム状の組立体を用いて実行されなければならないため、概して、駆動システムの取付け及び配置に関する問題が生じる。こうすると、ブーム状システムの、モータのための電気供給ライン及び機械的保持手段が上方に延在する位置にて死角が生じ、この設計によるセンサは全周測定が可能でない。すなわち、周囲環境を３６０度の全範囲にわたって走査することができない。
【００３２】
本発明の光学センサの特に好ましい例示的な実施形態において、前記光源、前記検知器、前記制御及び評価ユニットの一部を形成する電子組立体、及び、前記検知器への反射光パルスを偏向させるためのミラーが、前記ロータ上での共同回転(joint rotation)のために取り付けられる。従って、簡単な技術手段を用いて、トランジットタイム原理に基づいて動作し、且つ、３６０度の走査範囲を達成させることができる光学センサを提供することが可能である。
【００３３】
この変型例の基本的概念は、前記光源と前記検知器とが、従来技術とは異なり、互いに固定された関係で且つ一緒に回転することができるように配置されることであるとみなされ得る。前記光源と前記検知器とが固定されたシステムで同時に回転するため、旋回が生じることはない。これが本発明の第１の重要な利点を構成している。
【００３４】
別の重要な利点は、駆動に関してこれまでに存在していた問題がもはや存在しないことである。前記ロータが駆動される場所に関係なく、前記ロータが測定システムを妨害することは全くなく、死角が生じる可能性も排除される。なぜなら、電気的又は機械的部品が測定システムの上に取り付けられる必要が全くないからである。
【００３５】
これに加え、さらなる重要な改良点は、前記光源及び前記検知器の両方が前記ロータ上に配置されるため、非常にコンパクトな上部構造が得られ、詳細には、長い光路を用いる必要がなくなることにある。光路は、既知のシステム、すなわち、別々に回転するミラーと、空間的に固定されたトランスミッタ及びレシーバとを含むシステムと比較して著しく短縮されることができる。さらに、装置の設置に必要なスペース全体が非常に小さくなり、装置全体をより小さい寸法で製造することができる。
【００３６】
このようなコンパクトな構造により、回転中の乱気流がさらに低減され、従って、より高速の回転が可能である。
【００３７】
基本的に、前記観察領域から反射される前記光パルスは、レンズを補助としてガイドされて前記検知器上に集束されることができる。本発明のセンサの特に好ましい変型例において、同様に前記ロータ上に取り付けられるミラーが、前記観察領域における対象物により反射された光パルスを前記検知器にガイドするための光学手段として実装される。
【００３８】
一方では、非常に軽量の部品を用いることにより可能にされる、他方では、ミラーを用いることにより、高開口数による十分な光強度が、軽量化を維持しつつ達成される。
【００３９】
用いられるミラーは、好ましくは凹面鏡であるが、放物面鏡を用いる場合に、特に良好な集束特性が得られる。この場合、前記凹面鏡が、コーティングが施されたプラスチック成形品であれば部品が軽量になる。
【００４０】
概して、本発明の光学センサは、好ましくは、可能な限り軽量であるように形成された部品を有し、これらの部品は、さらには、可能であれば、回転軸の可能な限り近くに配置され、すなわち、生じる慣性モーメントを最小限にする。こうして、より高速の回転速度と、従って、周囲環境のより高速の走査速度とが、より容易に達成されることができる。
【００４１】
本文中に記載される光学センサを用いることにより、５０Ｈｚよりも著しく高い回転周波数、すなわち、３０００ｒｐｍ（回転／分）よりも高速の速度を達成することができる。
【００４２】
有利には、回転駆動手段のために前記ロータ上に永久磁石が配置され、この永久磁石はステータ上に配置されたコイルにより駆動されることができる。前記ロータ上の前記永久磁石は電動モータのロータのように動作する。
【００４３】
原理上、電気エネルギーをスライド接触を介して前記ステータから前記ロータに伝達することが可能である。しかし、より好ましくは、前記光源、前記検知器及び前記制御及び評価ユニットを動作させるために必要なエネルギーは、前記ステータから前記ロータに非接触方式で伝達される。これは、本発明の光学センサの別の好ましい変型例において、前記ステータと前記ロータとの間に、前記ステータから前記ロータにエネルギーを伝達するための変圧器（トランスフォーマ）リンク(transformer link)を設けることにより特に有利に実現されることができる。原理上、この変圧器リンクは、情報の伝送のために実装されることもできる。例えば、構造データ及び／又は制御データを、固定部、すなわち前記ステータから、移動部、すなわち前記ロータ（前記制御及び評価ユニットの部品がこのロータ上に既に存在している）に伝送する。基本的に、この目的のためには低速のデータ伝送速度で十分である。
【００４４】
原理上、前記検知器により測定される測定データは電気手段により外部にも伝送されることが可能であろう。しかし、このようにすると大量のデータが蓄積するため、データを前記ロータから前記ステータに伝送するために前記ロータと前記ステータとの間に光伝送路が形成されることが特に有利である。この場合、原理上、前記伝送路は、データ伝送を一方向に（すなわち、前記ロータから前記ステータに）のみ可能にする伝送路であってよい。このために、少なくとも１つの適切な光源、例えば発光ダイオードが前記ステータ上に設けられ、この発光ダイオードからの変調された信号が、前記ステータ上に適切に配置された１以上のフォトダイオードにより検知される。原理上、この光伝送路は、２方向データ交換のために形成されることもでき、この場合、前記光路の両端に、少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの光検知器が設けられなければならない。
【００４５】
このような光伝送路を、前記ロータの回転軸上に、特に簡潔で安価な方法で実現することができる。
【００４６】
本発明のさらなる好ましい実施形態において、前記光源、前記検知器、前記テスト光源、前記テスト検知器、及び／又は前記制御及び評価ユニットの前記電子アセンブリを保持する収容手段が、前記ミラーがその内部に形成されている前記プラスチック成形品内に形成されている場合、特にコンパクトな構造、及び、異なる部品の非常に良好な近軸配置が可能にされる。
【００４７】
本発明の光学センサのさらなる特徴及び利点を、添付図面を参照しつつ以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の光学センサの例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
図１を参照し、本発明の光学センサ１００の例示的な実施形態を詳細に説明する。図１に概略的に示されている本発明の光学センサ１００の必須部品は、光源２０、検知器５０、及び、制御及び評価ユニット９０の一部である電子アセンブリ９２である。さらに、コーティング２９により形成された凹面鏡２８がプラスチック成形品２７上に設けられている。光源２０、検知器５０、及び、電子アセンブリ９２も、このプラスチック成形品２７内に、適切な保持手段（図１に詳細に示さず）を補助として収容されている。
【００５０】
部品がその上に配置されたプラスチック成形品２７は、ステータ３０に対して回転するように適合されたロータ４０の上に取り付けられている。構造物の全体が、ボトル状の外形を有するハウジング６０内に収容されており、ロータ４０が、回転軸４６に対してボールベアリング４２，４４上で回転することができる。ロータ４０には永久磁石４８も固定されており、永久磁石４８は、ステータ３０上に配置されたコイル３８を用いて電気モータのように駆動されることができる。ステータ３０からロータ４０にエネルギーを伝達するために、コイル７２，７４により変圧器（トランス）リンク(transformer link)が形成されている。原理上、この変圧器リンクを用いて、構造データ及び／又は制御データを、光源２０、検知器５０、及び／又は電子アセンブリ９２に、データ伝送速度(data rate)は遅いが伝送することができる。
【００５１】
ハウジング６０（フードとも称され得る）が、第１にセンサ内部６８を周囲から離隔しておくために、特には、センサ内部６８を、汚染及び機械的損傷から防護するために用いられる。ハウジング６０のさらなる目的は、操作者を、高速（例えば、３０００回転／分より速い回転速度）で回転しているロータ４０によりもたらされる危険から保護することである。
【００５２】
軸方向に、すなわち回転軸４６に沿って配置された光伝送路が、発光ダイオード又はレーザーダイオード７８及びフォトダイオード７６により、データを回転部からステータに伝送するために形成されている。ロータからステータまでの光伝送路におけるデータ伝送速度は、例えば、１００ＭＢａｕｄである。
【００５３】
ハウジング６０は、仕切りスクリーン(partitioning screen)６６（透明領域とも称され得る）を含む。仕切りスクリーン６６は独立した部品である必要はなく、図示されている例に見られるように、ハウジング６０の一体的部分として形成されることができる。このために必須の条件は、用いられる波長に対して、ハウジング６０が、光源２０からの光パルス２２が外部に向かって通過しなければならない少なくとも出口領域６１にて、またさらに、対象物１０により反射される光パルス２６がセンサ内部６８に戻るときに通過しなければならない領域６２，６４にて透明であることだけである。図示されている例において、６６０ｎｍで、すなわち暗赤色領域で発光するレーザーダイオードが用いられる。仕切りスクリーン６６が十分にクリーンであること、すなわち仕切りスクリーン６６が十分な光透過性をもたらすことを保証するために、テスト光源５４（図示されている例においては発光ダイオード）及びテスト検知器５２が、ローター４０上にさらに取り付けられている。テスト光源５４及びテスト検知器５２も同様に、プラスチック成形品２７内に形成された保持手段内に収容されることができる。原理上、テスト光をテスト検知器５２上に集光するための適切な光学手段、例えばレンズを設けることができる。
【００５４】
テスト光源５４は、放射されたテスト光５３が仕切りスクリーン６６の第１の領域６４を通過し、次いでリフレクタ（反射器）要素８０に衝突するように配置される。このリフレクタ要素８０によりテスト光５３は反射され、ハウジング６０へと戻るように放射される。図示されている例において、リフレクタ要素は、三角形の断面を有する円形の環状外形部８２であり、透明なプラスチック材料からつくられている。図１に概略的に示されているように、テスト光５３は、リフレクタ要素８０による二重内部反射により１８０度偏向され、この場合、反射されたテスト光５５はリフレクタ要素８０の幾何学的形状に従って、中心から外側にわずかにずらされる。反射されたテスト光５５は、第２の領域６２にてセンサ内部６８に再び入射し、次いで、前記テスト光５５を検知するために適切に配置されたテスト検知器５２まで通過する。仕切りスクリーン６６の表面が汚れているか、又は、仕切りスクリーン６６が損傷されている（例えば、割れやひびが入っている）場合、この状態は、テスト光の強度が低減することによってテスト検知器５２により検知される。テスト検知器５２により測定されるテスト光５３，５５の強度は制御及び評価ユニット９０にて評価され、測定された強度が特定の閾値よりも低い場合、得られる測定データは、もはや評価において考慮されない。
【００５５】
本文中に記載される光学センサ１００の重要な利点は、仕切りスクリーン６６が全方位にわたって、また、原理上、３６０度の全角度範囲にわたって監視されることができることである。なぜなら、テスト光源５４がテスト検知器５２と同様にロータ４０上に配置され、テスト光源５４とテスト検知器５２との両方がセンサ１００の動作中に同時に回転するからである。従って、第１の領域６４及び第２の領域６２は、各々、ロータ４０の角度位置に応じた前方スクリーン６６上の異なる領域に合致する。別の重要な利点は、第１の領域６４と第２の領域６２とが一致せず、従って、仕切りスクリーン６６の特に大きい領域が、汚れによる生じ得る汚染に関する評価の対象となることである。
【００５６】
本発明のさらなる利点は、仕切りスクリーン６６がカーブ形状を有して設計される必要がもはやないことである。光源２０がハウジング６０の出口領域６１の実質的に非常に近くに配置されることができるため、発光パルス２２からの内部反射が前記出口領域６１に生じることは実質的にない。従って、バックグレア(back glare)の可能性が排除される。詳細には、仕切りスクリーン６６を簡単な円筒形状で設計することができる。
【００５７】
発光パルス２２の検知器５０への衝突が、対象物１０からの反射による以外のいかなる方法によっても行われないように、光源２０は、同様にプラスチック成形品２７上に成形された管２１内で座ぐり状にされる(coutersunk)ことができる。
【００５８】
図１に示されている光学センサのさらなる詳細は、リフレクタ要素８０により形成された円形の環状外形部８２が、ハウジング６０の張り出し部６３の下に取り付けられており、環状外形部８２が、機械的衝撃から、従って、外部で生じる損傷から特に効果的に保護されることである。
【００５９】
原理上、本文中に記載される透光性監視プロセスにおいて、テスト光ビームが、底部から、すなわちロータの上面から、ほぼ円筒状の外側仕切りスクリーン（透明領域とも称される）を通して斜めに伝送される。このビームは、反射手段（例えば、円形の環状ミラー又は円形の環状外形部）の上部又は下部に衝突し、平行なずれを有して反射される。こうして、仕切りスクリーンは、汚れによりもたらされ得る汚染に関して２つの位置にてテストされる。これは、測定された距離データが、テスト光が通過する領域の両方が十分にクリーンである場合にのみ有効なものとして評価されることを意味する。
【００６０】
本発明の光学センサは以下のように動作する。すなわち、光源２０が、基本的に、周知のレーザポインタのように動作し、１秒間に、例えば２５０，０００個の発光パルス２２を６６０ｎｍの波長で、すなわち暗赤色スペクトル領域にて放射する。発光パルス２２は、コリメータ光学素子（詳細に示さず）を補助としてコリメートされて平行な光線束を形成する。図示されている例において、発光パルス２２は、光学センサ１００の回転軸４６に対して直角に向いたビーム方向２４に放射される。発光パルス２２が観察領域１２における対象物１０に衝突すると、発光パルス２２はこの対象物１０により光パルス２６の形態で反射され、この反射光は、仕切りスクリーン６６を通ってセンサ内部６８に戻され、センサ内部６８に配置された凹面鏡２８に到達する。検知器５０が、好ましくは反射光パルス２６の全てを検知できるように凹面鏡２８に対して配置されている。
【００６１】
制御及び評価ユニット９０（図１にさらに詳細には示さず）及びユニット９０の部品はハウジング６０の外部に配置されることもでき、光源２０を制御し、検知器５０により検知された光パルス２６を評価し、次いで、測定されたトランジットタイムから、検知された対象物１０との距離を算出する。発光パルス２２のビーム方向２４を回転させることにより、ビーム方向２４が面にて移動され、このようにして、本発明の光学センサ１００は、その周囲環境のプロファイルを記録することができる。
【００６２】
本文中に記載されている本発明の光学センサの変型例の別の重要な利点は、小型であり、特には、光源、ミラー、検知器及び評価電子素子がロータ上に共同的に(jointly)配置されることにより近軸配置を設定することができることである。トランスミッタ（伝送器）、ミラー、レシーバ、及び電子アセンブリから成るこのユニットにより、達成可能な最大回転速度の制限要因となる乱気流を著しく低減することができる。
【００６３】
このようにして、より高速の回転速度が可能にされ、従って、ナビゲーションの用途において、それぞれの周囲環境が、より速い走査速度で検知されることができる。これは、ナビゲート又は制御されるべき装置又は車両が比較的迅速に移動する用途において特に重要である。周囲環境から得られる測定データが低速でのみ供給される場合、ナビゲートされるべき車両の位置が２つの測定間で既に著しく変化するであろう。この結果生じる影響は、空間歪みとも称される。理論上、後者を計算し直すこと（back compute）ができるが、これは、追加のセンサ、例えば、速度センサ、又は、コンパス式の角度測定センサを必要とするであろう。
【００６４】
本発明の光学センサを用いれば、多くの用途において回転速度を増大させるためにこれらの追加のセンサを用いる必要がなく、その結果、かなりのコスト節減が可能である。
【００６５】
本発明のセンサのさらなる可能な用途は、交通監視分野における通行料金の計算である。本発明の光学センサは、例えば、橋梁上に、橋梁の下を通行する車両の外形又は輪郭を判断するために取り付けられ得る。異なる車両タイプにおいて、車両の外形は多くの場合個々に異なるため、対象となる特定の車両タイプが橋梁下を通過した時を決定することが可能である。
【００６６】
本発明は、トランジットタイム原理に基づいて動作する新規の２次元光学測定センサを記載し、この光学測定センサにおいては、仕切りスクリーンにおけるスループット領域の透過性の、連続的な、特には回転式の制御及び監視が、特に簡潔な方法で実現されることができる。これは、テスト検知器及びテスト光源を備えた回転式テスト装置を用いることにより可能にされる。本文中に記載された光学センサのさらなる本質的な特徴は、独立に回転するミラーが設けられていないことである。このようなミラーがあれば、そのための保持手段が死角を生じるであろう。本文中に記載された光学センサにおいて、完全な測定ユニット、すなわち、光源、検知器、ミラー、及び電子測定装置の部品を含むユニットの回転が存在する。これは、３６０度にわたる全回転範囲を簡単な手段により監視することを可能にする。光源、検知器及び電子装置のために必要なエネルギーはステータからロータ（測定ヘッドとも称される）に非接触式に伝達される。同様に、データが、ロータからセンサの不動部分（ステータとも称される）に、非接触式に、詳細には光伝送路を用いて伝送される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジットタイム原理に基づいた光学センサであって、
発光パルスを観察領域に放射するための光源と、
前記発光パルスのビーム方向を、前記ビーム方向に対して垂直に向けられている回転軸を中心として回転させるための回転装置と、
前記観察領域における対象物により反射された光パルスを検知するための検知器と、
前記発光パルス及び前記反射光パルスに対して透明な仕切りスクリーンを含む、前記センサの内部を周囲環境から離隔しておくためのハウジングと、
前記仕切りスクリーンの透光性をテストするためのテスト装置と、
前記光源を制御し、且つ、前記検知器により検知された前記光パルスを評価し、且つ、対象物からの距離を、前記光パルスの測定されたトランジットタイムに基づいて決定するための、前記テスト装置と協働する制御及び評価ユニットとを含む光学センサにおいて、
少なくとも１つのテスト検知器が前記センサ内部に設けられて前記テスト装置の一部を形成し、前記テスト検知器が、前記回転軸を中心として回転するように適合されたロータ上に取り付けられており、
前記テスト検知器が、前記仕切りスクリーンの、前記発光パルス及び前記反射光パルスの少なくとも一方が通過するスループット領域に向けられており、
前記テスト光を供給するためのテスト光源が前記テスト装置のさらなる部分として設けられ、前記テスト光源も同様に前記ロータ上に取り付けられ、
前記ハウジングの外側に、前記テスト光が向けられる少なくとも１つのリフレクタ要素が配置され、且つ、
前記テスト検知器が、前記リフレクタ要素により反射された前記テスト光を検知することができるように配置され、
前記テスト光が、前記センサ内部から、前記仕切りスクリーンの第１の領域を通って外部に出射され、且つ、
前記リフレクタ要素により反射された前記テスト光が、外部から前記センサ内部に、前記仕切りスクリーンの、前記第１の領域とは異なる第２の領域を通って入射する
ことを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記テスト光源がパルス動作に適応している請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記リフレクタ要素が円形の環状ミラーである請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記リフレクタ要素が三角形の断面を有する円形の環状外形部である請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記リフレクタ要素が透明なプラスチック材料からつくられている請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記リフレクタ要素が前記ハウジングの張り出し部の下に取り付けられている請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記テスト光源により放射されるビームを拡大するための手段が設けられている請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記光源、前記検知器、前記制御及び評価ユニットの一部を形成する電子アセンブリ、及び、前記反射光パルスを前記検知器にガイドするためのミラーが、前記ロータ上で共同回転するように配置されている請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記ミラーが凹面鏡であり、より詳細には放物面鏡である請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記ミラーが、コーティングが施されたプラスチック成形品である請求項８に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記プラスチック成形品に収容手段が形成されており、前記収容手段の内部に、前記光源、前記検知器、前記テスト光源、前記テスト検知器及び前記電子アセンブリの少なくとも１つが収容されている請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記ロータ上に、ステータ上に配置されたコイルにより駆動されることができる永久磁石が配置されている請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記ステータと前記ロータとの間に、前記ステータから前記ロータにエネルギーを伝達するための変圧器リンクが設けられている請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記ロータから前記ステータへのデータの伝送のために、前記ロータと前記ステータとの間に光伝送路が、特に前記回転軸に沿って設けられている請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１５】
複数のテスト検知器及び複数の割り当てられたテスト光源の少なくとも一方が設けられている請求項１に記載のセンサ。
【請求項１６】
複数の検知器及び複数の割り当てられたテスト光源の少なくとも一方が前記ロータの対向する部位に設けられている請求項１に記載のセンサ。
【請求項１】
トランジットタイム原理に基づいた光学センサであって、
発光パルスを観察領域に放射するための光源と、
前記発光パルスのビーム方向を、前記ビーム方向に対して垂直に向けられている回転軸を中心として回転させるための回転装置と、
前記観察領域における対象物により反射された光パルスを検知するための検知器と、
前記発光パルス及び前記反射光パルスに対して透明な仕切りスクリーンを含む、前記センサの内部を周囲環境から離隔しておくためのハウジングと、
前記仕切りスクリーンの透光性をテストするためのテスト装置と、
前記光源を制御し、且つ、前記検知器により検知された前記光パルスを評価し、且つ、対象物からの距離を、前記光パルスの測定されたトランジットタイムに基づいて決定するための、前記テスト装置と協働する制御及び評価ユニットとを含む光学センサにおいて、
少なくとも１つのテスト検知器が前記センサ内部に設けられて前記テスト装置の一部を形成し、前記テスト検知器が、前記回転軸を中心として回転するように適合されたロータ上に取り付けられており、
前記テスト検知器が、前記仕切りスクリーンの、前記発光パルス及び前記反射光パルスの少なくとも一方が通過するスループット領域に向けられており、
前記テスト光を供給するためのテスト光源が前記テスト装置のさらなる部分として設けられ、前記テスト光源も同様に前記ロータ上に取り付けられ、
前記ハウジングの外側に、前記テスト光が向けられる少なくとも１つのリフレクタ要素が配置され、且つ、
前記テスト検知器が、前記リフレクタ要素により反射された前記テスト光を検知することができるように配置され、
前記テスト光が、前記センサ内部から、前記仕切りスクリーンの第１の領域を通って外部に出射され、且つ、
前記リフレクタ要素により反射された前記テスト光が、外部から前記センサ内部に、前記仕切りスクリーンの、前記第１の領域とは異なる第２の領域を通って入射する
ことを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記テスト光源がパルス動作に適応している請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記リフレクタ要素が円形の環状ミラーである請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記リフレクタ要素が三角形の断面を有する円形の環状外形部である請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記リフレクタ要素が透明なプラスチック材料からつくられている請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記リフレクタ要素が前記ハウジングの張り出し部の下に取り付けられている請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記テスト光源により放射されるビームを拡大するための手段が設けられている請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記光源、前記検知器、前記制御及び評価ユニットの一部を形成する電子アセンブリ、及び、前記反射光パルスを前記検知器にガイドするためのミラーが、前記ロータ上で共同回転するように配置されている請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記ミラーが凹面鏡であり、より詳細には放物面鏡である請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記ミラーが、コーティングが施されたプラスチック成形品である請求項８に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記プラスチック成形品に収容手段が形成されており、前記収容手段の内部に、前記光源、前記検知器、前記テスト光源、前記テスト検知器及び前記電子アセンブリの少なくとも１つが収容されている請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記ロータ上に、ステータ上に配置されたコイルにより駆動されることができる永久磁石が配置されている請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記ステータと前記ロータとの間に、前記ステータから前記ロータにエネルギーを伝達するための変圧器リンクが設けられている請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記ロータから前記ステータへのデータの伝送のために、前記ロータと前記ステータとの間に光伝送路が、特に前記回転軸に沿って設けられている請求項１２に記載のセンサ。
【請求項１５】
複数のテスト検知器及び複数の割り当てられたテスト光源の少なくとも一方が設けられている請求項１に記載のセンサ。
【請求項１６】
複数の検知器及び複数の割り当てられたテスト光源の少なくとも一方が前記ロータの対向する部位に設けられている請求項１に記載のセンサ。
【図１】
【公開番号】特開２０１３−８３６６３（Ｐ２０１３−８３６６３Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−２２（Ｐ２０１３−２２）
【出願日】平成２５年１月４日（２０１３．１．４）
【分割の表示】特願２０１０−８０１７４（Ｐ２０１０−８０１７４）の分割
【原出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（３０００２４０４７）ペッパール ウント フュフス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月４日（２０１３．１．４）
【分割の表示】特願２０１０−８０１７４（Ｐ２０１０−８０１７４）の分割
【原出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（３０００２４０４７）ペッパール ウント フュフス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング (17)
【Ｆターム（参考）】
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