JP5458052B2 - 赤外線検知方法及び赤外線センサ - Google Patents
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Description
本実施形態において用いられる、赤外線検出素子は、いずれも光子がPN接合又はPIN接合に入射したときに生じる電荷を検出する量子型の赤外線検出素子である。以下の実施形態においては、赤外線が入射する受光部としてInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)を用いた赤外線検出素子を用いたが、本発明は、これに限定されるものではない。赤外線が入射する受光部としてInAsxSb(1-x)(0≦x≦1)が用いられた赤外線検出素子は、高感度、低ノイズ、高速応答といった特徴を有し、本発明に適用される赤外線検出素子として好ましい。また、本実施形態においては、検出対象として人体を例にとって説明するが、本発明はこれに限られず、環境温度とは異なる温度を有するものであればよい。
図1(a),(b)は、本発明に係る赤外線検知方法の実施形態1の動作原理を説明するための図で、図1(a)は本発明の赤外線センサを用いてエアコン運転中の室内で椅子に着席した人体を検知したときのセンサ出力波形の一例を示す図で、縦軸は赤外線センサの出力値、横軸は時間を示している。図1(b)の縦軸は赤外線センサ出力値を微分した微分値を示す図で、横軸は時間を示している。
区間P1は、人体非検知状態で、かつ微分出力も正の微分閾値及び負の微分閾値の間、すなわち、−Vth_diff以上+Vth_diff以下の場合である。また、本実施形態1においては、所定の更新時間が設定されたサンプリング周期を有しており、各周期時点における信号(例えば、赤外線検出素子からの出力Vout等)を取得することが可能になっている。
区間P2は、人体非検知中に微分値が正の微分閾値+Vth_diffより大きな値が観測されている区間である。微分値が微分閾値+Vth_diffより大きくなった時刻をt1、再び微分閾値以下にもどった時刻をt2としたとき、区間P2、すなわち、時刻t1から時刻t2の間における判定基準値Vrefの値は、時刻t1における赤外線検出素子の出力Vout(t1)に固定される。すなわち、区間P2においてVref=Vout(t1)とされる。
区間P3は、人体が検知エリアに完全に侵入し、微分値が再度正の微分閾値及び負の微分閾値の間にもどっている区間である。区間P3での判定基準値Vrefは、上述した方法で設定された第1基準値Vref1及び第2基準値Vref2、及びそのときの赤外線検出素子からの出力値Vout(i)を用いてVref=Vref1−Vref2+Vout(i)に設定される。人体検知中の赤外線検出素子出力Voutの値を判定基準値Vrefの設定のパラメータに用いることで、最終的な信号処理結果から空調などの影響による出力の揺らぎを除去することができる。
区間P4は、人体検知中に微分値が負の微分閾値−Vth_diffを越えた場合である。この区間における判定基準値Vrefの値は、微分値が負の微分閾値−Vth_diffを越えた瞬間の時刻t3における赤外線検出素子の出力Vout(t3)に固定される。すなわち、Vref=Vout(t3)とされる。
そして本実施形態1の赤外線検知方法及び赤外線センサは、各区間に応じて判定基準値Vrefを以上のように設定し、各区間及び各時間周期における赤外線検出素子の出力Voutと判定基準値Vrefの差分(Vout−Vref)を計算し、あらかじめ設定された第2閾値である人体判定閾値Vthとの大小関係を比較することで人体の有無を判定する。
図4は、本発明に係る赤外線センサの実施形態1を説明するための構成図である。図中符号401は赤外線検出素子、402は微分回路(微分手段)、403は第1判定回路(第1比較手段)、404は記憶回路(記憶手段)、405は基準値設定回路(基準値設定手段)、406は第2判定回路(第2比較手段)、407は出力回路を示している。
実施形態1の赤外線センサは、量子型の赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段として、赤外線検出素子の出力値を入力して微分値を得る微分回路402を備えている。
本実施形態1の赤外線センサは、微分回路402による微分値に基づく信号と、あらかじめ定められた第1閾値とを比較する第1比較手段として、微分回路402によって得られた微分値を微分信号に基づく信号とし、微分閾値Vth_diffを前記第1閾値として両者を比較し、微分値の絶対値が微分閾値Vth_diffより大きい場合、この微分値に対応する出力値の出力タイミングに基づいた所定のタイミングの赤外線センサの検出信号を第1基準値Vref1及び第2基準値Vref2に設定する第1判定回路403とを備えている。
本実施形態1の赤外線センサは、第1判定回路403による比較の結果に基づいて、検知対象の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段として、第1判定回路403及び第2判定回路406の判定結果と、赤外線検出素子401の出力及び記憶回路404に記憶されている第1基準値Vref1及び第2基準値Vref2に基づいて、基準値Vrefを設定する基準値設定回路405を備えている。
本実施形態1の赤外線センサは、検出信号と基準値設定回路405で設定された基準値の差分をあらかじめ定められた第2閾値と比較する検知対象の有無を判定する第2比較手段として、赤外線検出素子401の出力(Vout)と、基準値設定回路405において設定された判定基準値(Vref)との差分信号の絶対値(|Vout−Vref|)を計算し、人体判定用の第2閾値と比較し、その結果に基づいて検知対象の有無を判定する第2判定回路406とを備えている。
また、本実施形態1の赤外線センサは、第2判定回路406によって出力される判定結果を示す信号を入力し、判定結果を外部に知らせるための出力する出力回路407を備えている。出力回路407によって出力される信号は、ブザー等の音声信号であってもよいし、テキストや画像データであっても良い。更に照明器具やパソコン画面を消灯させるための制御信号であっても良い。
本発明に係る赤外線検知方法は、赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線検知方法である。まず、赤外線検出素子から出力される検出信号を微分して微分値を得る微分ステップと、この微分ステップによる微分値に基づく信号と第1閾値とを比較する第1比較ステップと、この第1比較ステップによる比較の結果に基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップと、検出信号と基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、第2閾値と比較することで検知対象物の有無を判定する第2比較ステップとを有している。この場合、赤外線検出素子は、量子型の赤外線検出素子であることが望ましい。
図6は、図4に示した基準値設定回路の動作を説明するためのフローチャートを示す図である。基準値設定回路406において、1周期前の人体判定結果が「人体あり」だった場合、判定基準値Vrefの値は、記憶回路に格納されている第1基準値Vref1、第2基準値Vref2及びそのときの赤外線検出素子からの出力値Vout(i)を用いてVref=Vref1−Vref2+Vout(i)で計算される値に書き換えられる(ステップS601)。
図7(a),(b)は、図6に示した第1基準値Vref1及び第2基準値Vref2の設定方法について説明するためのフローチャートを示す図である。まず、第1基準値Vref1の設定について図7(a)を用いて説明する。
ある時間周期iにおいて微分回路402で計算された微分値が正負の微分閾値の範囲(−Vth_diff〜+Vth_diff)の範囲内にあり、それより1つ前の時間周期i−1における微分値が正負の微分閾値の範囲(−Vth_diff〜+Vth_diff)の範囲外にある場合(ステップS704:True)、第2閾値Vref2は1つ前の時間周期における赤外線検出素子401の出力Vo(i−1)に書き換えられ、そうでない場合(ステップS704:False)は、第2基準値Vref2の値はそのまま保持される(ステップS706)。
図8は、本発明に係る赤外線センサの実施形態2を説明するための構成図で、上述した実施形態1の赤外線センサに平均化回路を更に備えた赤外線センサの構成図である。図中符号801は平均化回路を示している。なお、図4と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
図9は、本発明に係る赤外線センサの実施形態3を説明するための構成図で、上述した実施形態1の赤外線センサに温度検出素子と温度補正回路を更に備えた赤外線センサの構成図である。図中符号901は温度検出素子、902は温度補正回路を示している。なお、図4と同じ機能を有する構成要素には同一の符号を付してある。
従来技術である特許文献1に開示されている赤外線検知方法では、赤外線検出素子の出力の微分値の変化をもとに、着席の瞬間(図10(b)中の時刻t1における赤外線検出素子の出力Vout(t1)を基準値Vrefと設定するため、時刻t1からt3の間は正確に人体の存在を検知することができるが、時刻t3以降の時間においては赤外線検出素子の出力Voutが基準値より小さくなってしまうため、離席したと誤検知してしまう。
一方、実施形態1に示した赤外線検知方法を適用した例を図10(c)に示す。図10(c)は、赤外線検出素子の出力Voutと先に説明した実施形態1の信号処理方法に基づいて設定した判定基準値Vrefの差分Vout−Vrefの値を示したものである。図中に示した人体検知閾値との大小関係を比較することで、検知エリア内における背景温度が変動する環境下において長時間静止している人体を安定して検知することが可能となることが理解される。
402 微分回路
403 第1判定回路
404 記憶回路
405 基準値設定回路
406 第2判定回路
407 出力回路
901 温度検出素子
902 温度補正回路
Claims (7)
- 赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線検知方法において、
赤外線検出素子から出力される検出信号を微分して微分値を得る微分ステップと、
該微分ステップによる微分値に基づく信号と第1閾値とを比較して、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定する第1比較ステップと、
1周期前の第2比較ステップにおける検知対象物の有無の判定結果と、前記第1比較ステップの判定結果とに基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定ステップと、
前記検出信号と前記基準値設定ステップで設定された基準値の差分を、第2閾値と比較することで検知対象物の有無を判定する第2比較ステップと
を有することを特徴とする赤外線検知方法。 - 前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であり、かつ、1周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲内にあり、かつ、1周期前の第2比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合、そのときの検出信号を第1基準信号として記憶し、
前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であり、かつ、1周期前の微分値が正負の微分閾値の範囲外にある場合、そのときの検出信号を第2基準信号として記憶し、
前記基準値設定ステップが、
(1)1周期前の第2比較ステップにおいて検知対象物が存在すると判定していた場合は、検出信号に前記第1基準信号を加算し、かつ、前記第2基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換え、
(2)1周期前の第2比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲外であるときは、1周期前の判定基準値を保持し、
(3)1周期前の第2比較ステップにおいて検知対象物が存在しないと判定していた場合であって、前記微分値が正負の微分閾値の範囲内であるときは、1周期前の検出信号を判定基準値として書き換える
ことを特徴とする請求項1に記載の赤外線検知方法。 - 前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする請求項1又は2に記載の赤外線検知方法。
- 赤外線センサを用いて対象物を検出する赤外線センサにおいて、
赤外線検出素子から出力される検出信号を微分する微分手段と、
該微分手段による微分値に基づく信号と第1閾値とを比較することで、前記微分値に基づく信号が正負の微分閾値の範囲内であるか範囲外であるかを判定する第1比較手段と、
1周期前の第2比較手段におけるにおける検知対象物の有無の判定結果と、前記第1比較手段の判定結果とに基づいて、検知対象物の有無を判定するための判定基準値を書き換える基準値設定手段と、
前記検出信号と前記基準値設定手段で設定された基準値の差分を第2閾値と比較する検知対象の有無を判定する第2比較手段と
を備えていることを特徴とする赤外線センサ。 - 前記微分値が正負の第1閾値の範囲を超えたときの検出信号を第1基準信号として記憶し、前記微分値が正負の第1閾値の範囲内に入ったときの検出信号を第2基準信号として記憶することが可能な記憶手段を更に備えていることを特徴とする請求項4に記載の赤外線センサ。
- 前記基準値設定手段が、
(1)検出信号に前記第1基準信号を加算し、かつ、前記第2基準信号を減算した値を前記判定基準値として書き換える動作、
(2)1周期前の判定基準値を保持する動作、
(3)1周期前の検出信号を判定基準値として書き換える動作、
が可能な手段であることを特徴とする請求項5に記載の赤外線センサ。 - 前記赤外線検出素子が、量子型赤外線検出素子であることを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載の赤外線センサ。
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