JP2760146B2 - Thermal image detector - Google Patents
Thermal image detectorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は家庭内の居室の温度分布及び人体の挙動検出
など熱画像による輻射温度検出及び人体挙動検出に関す
る。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to radiation temperature detection and human body behavior detection based on thermal images, such as temperature distribution in a living room in a home and human body behavior detection.
従来の技術 従来、非接触で温度を測定する方式としては量子形赤
外線センサによるもの、熱形赤外線センサによるものが
あった。量子形赤外線センサは感度は高く、応答速度は
速いが冷却が必要であり（−200℃程度）、民生用には
不向きである。一方、熱形赤外線センサは比較的感度が
低く、応答速度は遅いが冷却が不要なため民生市場では
実用化されている。2. Description of the Related Art Conventionally, methods for measuring temperature without contact include a method using a quantum infrared sensor and a method using a thermal infrared sensor. Quantum infrared sensors have high sensitivity and high response speed, but require cooling (about -200 ° C) and are not suitable for consumer use. On the other hand, a thermal infrared sensor has relatively low sensitivity and a slow response speed, but does not require cooling, so that it has been put to practical use in the consumer market.
熱赤外線センサの中で焦電効果を利用した焦電形赤外
線センサがよく使われている。第１図にその実施例を示
す。第５図（ａ）は人体検知に使われる焦電形赤外線セ
ンサユニットの構造図であり１は焦電形赤外線センサ２
はポリエチレン樹脂を使用したフレネルレンズである。Among thermal infrared sensors, pyroelectric infrared sensors utilizing the pyroelectric effect are often used. FIG. 1 shows the embodiment. FIG. 5 (a) is a structural view of a pyroelectric infrared sensor unit used for detecting a human body.
Is a Fresnel lens using a polyethylene resin.
フレネルレンズ２は視野角に配光特性を持たせてい
る。The Fresnel lens 2 has a light distribution characteristic at a viewing angle.
焦電形赤外線センサ１は微分変化出力特性を持ってお
り、入射温度が変化したときのみ出力を発生する。この
焦電形赤外線センサユニットの前を人体が横切ったと
き、フレネルレンズ２の配光特性により、焦電形赤外線
センサ１には人体の放射温度が出現→消滅→出現・・・
・という時間変化入力として入力される。したがって焦
電形赤外線センサの出力はこの時間変化入力に同期して
出力される。The pyroelectric infrared sensor 1 has a differential change output characteristic, and generates an output only when the incident temperature changes. When the human body crosses in front of the pyroelectric infrared sensor unit, the radiation temperature of the human body appears → disappears → appears in the pyroelectric infrared sensor 1 due to the light distribution characteristics of the Fresnel lens 2.
Is input as a time change input. Therefore, the output of the pyroelectric infrared sensor is output in synchronization with the time change input.
また温度分布を測定するための手段としては焦電形赤
外線センサを２次元に配置する方式も考えられていた。As a means for measuring the temperature distribution, a system in which pyroelectric infrared sensors are two-dimensionally arranged has been considered.
発明が解決しようとする課題 第５図に示す従来例では人体の存在検出は出来るが位
置及び温度分布の測定は不可能であり、焦電形赤外線セ
ンサを２次元に配置する方式ではシステム構成が複雑に
なるという問題があった。Problems to be Solved by the Invention In the conventional example shown in FIG. 5, the presence of a human body can be detected, but the position and temperature distribution cannot be measured. There was a problem that it became complicated.
本発明は比較的簡単なシステム構成で熱画像を検出す
るシステムを提供するものである。The present invention provides a system for detecting a thermal image with a relatively simple system configuration.
課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明は、直線軸上に一次
元に配置された複数の焦電形熱検出素子群と前記直線軸
に一定の角度だけ傾斜させた回転軸を持ち、前記回転軸
を中心として前記焦電形熱検出素子群を回転させて２次
元画像を得るものである。Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the present invention provides a plurality of pyroelectric heat detection element groups arranged one-dimensionally on a linear axis and a rotation inclined at a fixed angle to the linear axis. The pyroelectric heat detection element group is rotated about the rotation axis to obtain a two-dimensional image.
また本発明は、回転による熱画像検出時間を略１秒以
内としたものである。Further, in the present invention, the thermal image detection time due to the rotation is set to approximately one second or less.
また本発明は、焦電形熱検出素子群には焦電薄膜を用
いたものである。Further, in the present invention, a pyroelectric thin film is used for the pyroelectric heat detecting element group.
さらに本発明は、回転方向を略水平方向としたもので
ある。Further, in the present invention, the rotation direction is substantially horizontal.
また本発明は、前記焦電形熱検出素子群の各素子にそ
れぞれ独立した視野角を割り当てた１系統の光学系を有
するものである。Further, the present invention has one optical system in which each of the elements of the pyroelectric heat detection element group is assigned an independent viewing angle.
また本発明は、透過形の光学系を用いたものである。 Further, the present invention uses a transmission type optical system.
また本発明は、反射形の光学系を用いたものである。 The present invention uses a reflection type optical system.
作用 本発明は一次元に配置した焦電形熱検出素子群を、そ
の配置方向の直線軸に一定の角度だけ傾斜させて回転さ
せることにより、一定の角度の設定によって比較的単純
な構成で任意の視野の熱画像が検出でき、検出エリア内
の温度分布および人体の位置、動作等を幅広く検出する
ことができる。Function The present invention can rotate a pyroelectric heat detecting element group arranged one-dimensionally by inclining by a fixed angle with respect to a linear axis in the arrangement direction and rotating the pyroelectric heat detecting element group by a fixed angle so as to be arbitrary with a relatively simple configuration. The thermal image of the visual field can be detected, and the temperature distribution in the detection area and the position and operation of the human body can be detected widely.
実施例 本発明の実施例について第２図から第５図までを用い
て説明する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
第１図は本発明の実施例の構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention.
第１図において3a〜3eは焦電形熱検出素子（以後、素
子と呼ぶ）、４は焦電形熱検出素子群、５は回転軸であ
る。第１図（ａ）は回転軸５が焦電形熱検出素子群４に
平行の場合、第１図（ｂ）は回転軸５が焦電形熱検出素
子群４と一定の角度θだけ傾斜している場合を示す。角
度θは組み込まれる機器の内部構造と検出視野角の設定
により選択する。例えば、搭載される機器が室内高所に
設定される場合は、角度θを部屋の奥行方向の中心とな
るように設定し、この状態において角度θを適切に設定
することにより、部屋の奥行部と機器の直下を視野範囲
とすることができる。そしてここで、回転軸５を鉛直と
する（焦電形熱検出素子群４を鉛直に対し角度θ傾けて
回転する）と、視野は軸対象となり、回転走査によっ
て、焦電形熱検出素子群４より同一の距離が各素子3a〜
3eの受持視野となり、部屋のほとんどが視野に入るよう
になる。このため、焦電形燃検出素子群４に写り込んだ
人体の場合など機器からの距離を測定することができ
る。In FIG. 1, reference numerals 3a to 3e denote pyroelectric heat detecting elements (hereinafter, referred to as elements), 4 denotes a pyroelectric heat detecting element group, and 5 denotes a rotating shaft. FIG. 1 (a) shows the case where the rotating shaft 5 is parallel to the pyroelectric heat detecting element group 4, and FIG. 1 (b) shows that the rotating shaft 5 is inclined with respect to the pyroelectric heat detecting element group 4 by a certain angle θ. Indicates that The angle θ is selected depending on the internal structure of the device to be incorporated and the setting of the detection viewing angle. For example, when the device to be mounted is set at an indoor high place, the angle θ is set to be the center in the depth direction of the room, and in this state, the angle θ is appropriately set, so that the depth And the area immediately below the device can be set as the field of view. If the rotation axis 5 is vertical (the pyroelectric heat detection element group 4 is rotated at an angle θ with respect to the vertical), the visual field becomes axially symmetric, and the pyroelectric heat detection element group is rotated and scanned. The same distance from each of the elements 3a to 3
3e will be the field of view, and most of the room will be in view. Therefore, it is possible to measure a distance from a device such as a human body reflected on the pyroelectric fuel detection element group 4.
つぎに第２図により焦電形熱検出素子群４を用いて熱
画像を得る仕組みを説明する。第２図（ａ）は検出する
熱画像の立体視野角を表し、第２図（ｂ）は検出熱画像
を示す。Next, a mechanism for obtaining a thermal image using the pyroelectric heat detection element group 4 will be described with reference to FIG. FIG. 2A shows a stereoscopic viewing angle of a thermal image to be detected, and FIG. 2B shows a detected thermal image.
焦電形熱検出素子群４は５個の素子を持っており、垂
直方向に視野角を５分割し、受け持っている。The pyroelectric heat detection element group 4 has five elements, and divides the viewing angle into five parts in the vertical direction to take charge.
焦電形熱検出素子群４は水平方向には視野角を狭く設
定しており、回転軸５の回転と共に水平方向の視野角を
順次移動させる。順次移動させる毎に焦電形熱検出素子
群４が温度を計測することにより、第２図（ｂ）に示す
２次元の熱画像が得られる。The pyroelectric heat detection element group 4 has a narrow viewing angle in the horizontal direction, and sequentially moves the horizontal viewing angle with the rotation of the rotating shaft 5. The pyroelectric heat detection element group 4 measures the temperature each time the lens is sequentially moved, so that a two-dimensional thermal image shown in FIG. 2B is obtained.
ここで検出する立体視野角内の人体の位置および挙動
を検出するためには通常人体の動きは１〜2Hz、すなわ
ち、人間の動作は１挙動あたり0.5〜１秒と言われてい
る。このため焦電形熱検出素子群４の回転走査で２次元
熱画像を得ようとする場合、１回の２次元熱画像の走査
を１秒より大きく設定すると、人体が至近距離にあって
移動した場合、熱画像としてとらえられない可能性があ
る。また、走査をあまりにも早くすると、検出感度が低
くなり、解像度が低下する。したがって、人体を高感度
で検出するためには、検出時間を略１秒以内とすること
が有効である。In order to detect the position and behavior of the human body within the stereoscopic viewing angle detected here, it is generally said that the motion of the human body is 1 to 2 Hz, that is, the motion of the human is 0.5 to 1 second per behavior. Therefore, when trying to obtain a two-dimensional thermal image by rotational scanning of the pyroelectric heat detection element group 4, if one scan of the two-dimensional thermal image is set to be longer than one second, the human body moves at a close distance. In this case, the image may not be captured as a thermal image. On the other hand, if the scanning is performed too fast, the detection sensitivity decreases and the resolution decreases. Therefore, in order to detect a human body with high sensitivity, it is effective to set the detection time within approximately 1 second.
また、通常使われている焦電形赤外線センサは焦電厚
膜の焼結体を用いたいわゆるバルク形であるが、このバ
ルク形は熱時定数を小さくできず応答が追いつかないと
いう問題点を持っている。そこでPbTiO3などによる焦電
薄膜を用いた焦電形熱検出素子を用いることにより、素
子部の厚をバルク形より1/100程度にすることができ、
例えば、バルク形300μｍ、薄膜型３μｍとし、素子面
積を1/10としても下記の式より、時定数（応答速度）は
バルク形の約1/10とすることが可能になる。Also, the pyroelectric infrared sensor that is usually used is a so-called bulk type using a sintered body of a pyroelectric thick film, but this bulk type has the problem that the thermal time constant cannot be reduced and the response cannot catch up. have. Therefore, by using a pyroelectric heat detection element using a pyroelectric thin film of PbTiO 3 etc., the thickness of the element part can be reduced to about 1/100 compared to the bulk type,
For example, when the bulk type is 300 μm and the thin film type is 3 μm, and the element area is 1/10, the time constant (response speed) can be made about 1/10 of the bulk type according to the following equation.
この焦電薄膜を用いた焦電形熱検出素子を使用し、応答
時間の短縮を図ることにより精度よく人体の挙動を検出
することができる。さらに焦電薄膜を使用すれば素子を
さらに小型化することが可能である。 By using the pyroelectric heat detection element using the pyroelectric thin film and shortening the response time, the behavior of the human body can be accurately detected. If a pyroelectric thin film is used, the size of the device can be further reduced.
また居住空間などの温度分布および人体挙動を検出す
る場合一般に検出空間は垂直方向よりも水平方向の方が
視野角が広い場合が多い。この場合、焦電形熱検出素子
群４を一定の角度傾斜させた状態で水平方向に回転走査
し、垂直視野角と水平走査角を適切に設定することによ
り、室内のほぼ全域を視野範囲とすることができる。Further, when detecting a temperature distribution and a human body behavior in a living space or the like, the detection space generally has a wider viewing angle in the horizontal direction than in the vertical direction. In this case, by rotating and scanning the pyroelectric heat detection element group 4 in a horizontal direction in a state where the pyroelectric heat detection element group 4 is inclined at a fixed angle, and setting the vertical viewing angle and the horizontal scanning angle appropriately, almost the entire area of the room is defined as the viewing range. can do.
つぎに第３図及び第４図により光学系を用いた熱画像
検出装置の実施例について説明する。Next, an embodiment of a thermal image detecting apparatus using an optical system will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG.
第３図は透過形のレンズを用いた場合、第５図は反射
形のレンズを用いた場合を示す。いずれの場合も焦電形
熱検出素子群４に対して１系統の光学系とし、素子3a〜
3eにそれぞれ分割された視野角が割り当てられている。
光学系を１系統とすることによりシステムが小型化さ
れ、各素子の受持ち視野角の精度が簡単に得られる。FIG. 3 shows the case where a transmission type lens is used, and FIG. 5 shows the case where a reflection type lens is used. In any case, a single optical system is provided for the pyroelectric heat detection element group 4, and the elements 3a to
The divided viewing angles are assigned to 3e.
By using one optical system, the size of the system is reduced, and the accuracy of the viewing angle of each element can be easily obtained.
第３図の透過形レンズ６を使用すれば光学系が小型に
設計することができる。さらに素子に前述したように焦
電薄膜を使用すれば超小型のシステムが可能となる。If the transmission lens 6 shown in FIG. 3 is used, the optical system can be designed to be small. Furthermore, if a pyroelectric thin film is used for the element as described above, a very small system can be realized.
また透過形のレンズ６の場合赤外光を透過する材料が
きわめて限定されるのに対し、第４図に示す反射形レン
ズ７を使用すれば赤外光反射材料はアルミコーティング
などで簡単に得られるので容易に、しかも安価に光学系
が構成できる。In the case of the transmissive lens 6, the material that transmits infrared light is extremely limited, while if the reflective lens 7 shown in FIG. 4 is used, the infrared light reflective material can be easily obtained by aluminum coating or the like. Therefore, an optical system can be easily and inexpensively constructed.
発明の効果 本発明によれば１次元に配置された焦電形熱検出素子
群を一定の角度だけ傾斜させて回転させることにより、
比較的簡単なシステム構成で広範囲の熱画像が検出でき
る。Effects of the Invention According to the present invention, by rotating a group of pyroelectric heat detection elements arranged one-dimensionally at a certain angle,
A wide range of thermal images can be detected with a relatively simple system configuration.
また回転による熱画像検出時間を略１秒以内とするこ
とにより人体の位置、挙動を精度よく検出できる。In addition, the position and behavior of the human body can be detected with high accuracy by setting the thermal image detection time by rotation to within about 1 second.
さらに焦電薄膜の焦電形熱検出素子群を使用すること
により熱画像の応答速度を向上することができ、さらに
システムの小型化が図れる。Further, the use of a pyroelectric thin-film pyroelectric heat detection element group can improve the response speed of a thermal image, and can further reduce the size of the system.
また回転方向を水平方向とすることにより通常の場合
システムの小型化あるいは精度向上に寄与することがで
きる。Further, by setting the rotation direction to the horizontal direction, it is possible to contribute to miniaturization or improvement of accuracy of the system in a normal case.
また光学系を１系統とすることにより、システムの小
型化、各素子の受持ち視野角の精度向上が図れる。By using one optical system, the size of the system can be reduced, and the accuracy of the viewing angle of each element can be improved.
また透過形のレンズを使用することにより、さらに光
学系の小型化が図れる。Further, by using a transmission lens, the size of the optical system can be further reduced.
また反射形のレンズにより、容易にしかも安価に光学
系が構成できる。Further, the optical system can be easily and inexpensively constructed by the reflection type lens.
第１図（ａ），（ｂ）は本発明の実施例の構成図、第２
図（ａ），（ｂ）は熱画像を得る仕組みの説明図、第３
図は透過形レンズを用いた構成図、第４図は反射形レン
ズを用いた構成図、第５図（ａ），（ｂ）は従来の人体
検出用焦電形赤外線ユニットの構造図である。 １……焦電形赤外線センサ、２……フレネルレンズ、3a
〜3e……焦電形熱検出素子、４……焦電形熱検出素子
群、５……回転軸、６……透過形レンズ、７……反射形
レンズ。1 (a) and 1 (b) are diagrams showing the configuration of an embodiment of the present invention,
(A) and (b) are explanatory diagrams of a mechanism for obtaining a thermal image, and FIG.
FIG. 4 is a configuration diagram using a transmission lens, FIG. 4 is a configuration diagram using a reflection lens, and FIGS. 5A and 5B are configuration diagrams of a conventional pyroelectric infrared unit for human body detection. . 1. Pyroelectric infrared sensor 2. Fresnel lens 3a
3e: Pyroelectric heat detecting element, 4: Pyroelectric heat detecting element group, 5: Rotating axis, 6: Transmissive lens, 7: Reflective lens.
フロントページの続き (72)発明者 冨田 佳宏 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−124981（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01J 5/48Continuation of the front page (72) Inventor Yoshihiro Tomita 1006 Kazuma Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (56) References JP-A-57-124981 (JP, A) (58) .Cl. 6 , DB name) G01J 5/48
Claims (7)
形熱検出素子群と、前記直線軸に一定の角度だけ傾斜さ
せた回転軸とを持ち、前記回転軸を中心として前記焦電
形熱検出素子群を回転させて二次元画像を得る熱画像検
出装置。A plurality of pyroelectric heat detecting elements arranged one-dimensionally on a linear axis; and a rotation axis inclined by a predetermined angle with respect to the linear axis, wherein the rotation axis is a center. A thermal image detection device that obtains a two-dimensional image by rotating a group of pyroelectric heat detection elements.
した請求項１記載の熱画像検出装置。2. The thermal image detection device according to claim 1, wherein the thermal image detection time due to the rotation is within about 1 second.
請求項１記載の熱画像検出装置。3. The thermal image detecting device according to claim 1, wherein a pyroelectric thin film is used for the pyroelectric heat detecting element group.
の熱画像検出装置。4. The thermal image detection device according to claim 1, wherein the rotation direction is substantially horizontal.
立した視野角を割り当てた１系統の光学系を有する請求
項１記載の熱画像検出装置。5. The thermal image detection apparatus according to claim 1, further comprising one optical system in which each of the pyroelectric heat detection element groups is assigned an independent viewing angle.
画像検出装置。6. The thermal image detecting apparatus according to claim 5, wherein a transmission type optical system is used.
画像検出装置。7. The thermal image detection device according to claim 5, wherein a reflection type optical system is used.
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