DE69328397T2

DE69328397T2 - Thermische Bilddetektierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69328397T2
Application number: DE69328397T
Authority: DE
Inventors: Takahito Chinomi; Takashi Deguchi; Yasuhito Mukai; Makoto Shimizu
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1993-09-16
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: KR940007333A; JPH0694535A; KR0135402B1; DE69328397D1; EP0588645B1; EP0588645A1; JP2677128B2; US5585631A

Description

Hintergrund der Erfindung:

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen einer Strahlungstemperatur oder eines menschlichen Verhaltens, und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Erfassen einer Temperaturverteilung oder eines menschlichen Verhaltens in einem privaten Wohnzimmer, und zwar unter Verwendung eines Wärmebildes.
Konventionellerweise sind Quanteninfrarotsensoren und thermische Infrarotsensoren verwendet worden, um Temperaturen berührungslos zu erfassen. Die Quanteninfrarotsensoren sind sehr empfindlich und damit sehr leicht ansprechend, erfordern jedoch eine Kühlung (bis etwa minus 200ºC) und sind daher von begrenzter Einsetzbarkeit. Die thermischen Infrarotsensoren sind weniger empfindlich und sprechen daher weniger leicht an, erfordern jedoch keine Kühlung und sind daher kommerziell verfügbar.
Unter den verschiedenen thermischen Infrarotsensoren sind die pyroelektrischen Infrarotsensoren häufig verwendet worden.
Ein solcher pyroelektrischer Infrarotsensor hat eine differenzielle Ausgangscharakteristik, d. h. er liefert ein Ausgangssignal nur bei einer Veränderung der Eingangstemperatur. Diese pyroelektrischen Infrarotsensoren beinhalten normalerweise eine Netzaugen-Linse (compound eye type lens) und einen Verschluß, der periodisch geöffnet und geschlossen werden kann, und erfassen dementsprechend einen zeitveränderlichen Eingang aufgrund der Strahlungstemperatur eines menschlichen Körpers in periodischen Signalen. Dementsprechend liefert ein pyroelektrischer Infrarotsensor sein Ausgangssignal synchron zu dem beschriebenen zeitveränderlichen Eingangssignal.
Ferner ist vorgeschlagen worden, daß solche pyroelektrischen Infrarotsensoren zweidimensional angeordnet werden, um eine Vorrichtung zum Halten eines zweidimensionalen Bildes zu ergeben.
Ein zweidimensionales Feld von pyroelektrischen Infrarotsensoren führt jedoch zu einem komplizierten Systemaufbau.
Die EP-A-0 501 253 beschreibt eine Feuererfassungsvorrichtung zum Überwachen eines ausgedehnten Bereichs von einem erhöhten Standpunkt aus mit einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine Vorrichtung zum Erfassen eines hochpräzisen thermischen Bildes mit einem relativ einfachen Systemaufbau wäre wünschenswert.
Erfindungsgemäß ist hierzu eine Wärmebilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 vorgesehen.
Nach einer bevorzugten Form der Erfindung unterscheiden sich die Größen der pyroelektrischen Wärmeerfassungselemente in dem Feld voneinander, um unterschiedliche von den Elementen überspannte Gesichtswinkel zu liefern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unterscheiden sich die Breiten der Wärmeerfassungselemente in dem Feld voneinander, um die optischen Aberrationen des optischen Systems zu kompensieren und breitenweise konstante Gesichtswinkel der Elemente durch das optische System hindurch zu erhalten.
Bei dem obigen erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem das optische System und die pyroelektrischen Wärmeerfassungselemente entlang einer in einem vorbestimmten Winkel zur vertikalen Achse geneigten geraden Linie angeordnet sind, sind die im wesentlichen horizontalen Längen der Elemente kurz, die im wesentlichen vertikalen Längen der Elemente jedoch lang.
Ferner sind gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Abstände zwischen den Elementen gleichmäßig.
Alternativ können die Abstände zwischen den Elementen verschieden sein. Die Drehgeschwindigkeit, mit der sich das Feld pyroelektrischer Wärmeerfassungselemente um die Drehachse bei der Temperaturmessung dreht, ist größer eingestellt als der horizontale Gesichtswinkel, den jedes der Elemente bei jeder Messung überspannt, dividiert durch die für die Messung erforderliche Zeit.
Die Drehgeschwindigkeit kann doppelt so hoch gewählt sein wie der von jedem der Elemente bei jeder Messung überspannte horizontale Gesichtswinkel dividiert durch die für die Messung erforderliche Zeit.
Mit der obigen Anordnung, bei der das Feld pyroelektrische Wärmeerfassungselemente und das optische System zusammen miteinander gedreht werden, ist es möglich, eine Vorrichtung zum Erfassen eines zweidimensionalen Wärmebildes mit einfacher Struktur, jedoch hoher Genauigkeit und hoher Leistung anzugeben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen:
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung ist, in der ein Feld pyroelektrische Wärmeerfassungselemente und eine Linse integral miteinander zusammengefaßt sind;
Fig. 2 eine Ansicht eines Feldes pyroelektrischer Wärmeerfassungselemente mit unterschiedlichen Größen ist;
Fig. 3 eine Darstellung zur Erklärung der optischen Aberration einer Weitwinkellinse ist;
Fig. 4 eine Darstellung eines Feldes pyroelektrischer Wärmeerfassungselemente mit verschiedenen Breiten ist;
Fig. 5 eine Ansicht der vertikalen Lichtverteilung im Fall einer Neigung des Feldes der pyroelektrischen Wärmeerfassungselemente ist;
Fig. 6a-6b die vertikale Lichtverteilung und das Feld pyroelektrische Wärmeerfassungselemente darstellende Ansichten sind, wobei die Elemente in gleichmäßigen Intervallen angeordnet sind;
Fig. 7a-7b die vertikale Lichtverteilung und das Feld pyroelektrische Wärmeerfassungselemente darstellende Ansichten sind, wobei der Anteil der toten Bereiche, konstant eingestellt ist;
Fig. 8a-8b Darstellungen von horizontalen Bilddaten sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:

Im folgenden wird eine zweidimensionale Wärmebilderfassungsvorrichtung gemäß einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 1-8b erklärt.
In den Fig. 1 und 2 sind gezeigt ein Feld 1 von pyroelektrischen Wärmeerfassungselementen 1a-1h (die im folgenden einfach als "Elemente" bezeichnet werden) und ein Baukörper 3, in dem die Elemente 1a-1h und eine Linse 2 integral miteinander zusammengefaßt sind. Anzumerken ist, daß das Feld 1 der Elemente in einer im wesentlichen senkrecht zu der optischen Achse 4 der Linse 2 verlaufenden Ebene liegt. Der Baukörper 3 wird um eine Drehachse 5 gedreht. Die Wärmebilderfassungsvorrichtung mit den Komponenten 1-5 ist insgesamt mit der Bezugsziffer 6 bezeichnet.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines Feldes, bei dem die Elemente verschiedene Größen haben. Bei diesem Aufbau ist das Element 1h in Längsrichtung länger als das Element 1a, wobei die Elemente 1a-1h eindimensional angeordnet sind. Die unterschiedlichen Größen der Elemente verursachen zusammen mit der Linse 2 verschiedene auf die Elemente projizierte räumliche Gesichtsfelder. Diese Tatsache wird im folgenden erklärt.
Fig. 3 ist eine Darstellung zur Erklärung der optischen Aberration, die entsteht, wenn ein Gittermuster durch die Linse 2 beobachtet wird. D. h., daß, wenn das Gittermuster a durch die Weitwinkellinse beobachtet wird, ein Projektionsmuster b mit verformtem Rand zu sehen ist.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Breiten der Elemente verändert sind, um die optische Breitenaberration zu kompensieren. Daher haben die Elemente bei dieser Konfiguration in Kombination mit der Linse 2 ein Bild mit gleichmäßigem Gesichtswinkel.
Fig. 5 zeigt die vertikale Lichtverteilung, die mit dem Feld 1 der Elemente entsteht, die entlang einer geraden Linie in einem vorbestimmten Winkel θ gegenüber der vertikalen Achse angeordnet sind. In Kombination mit der Linse 2 überspannen die Elemente 1a-1h die Zonen 1-8, die in einer vertikalen Ebene dargestellt sind. In der in Fig. 5 dargestellten Anordnung, bei der die Wärmebilderfassungsvorrichtung 6 einen Wohnraum überwacht, erscheint ein zu überwachender menschlicher Körper um so größer, um so näher er zu der Vorrichtung 6 ist, und um so weiter er von der Vorrichtung 6 ist, um so kleiner erscheint der menschliche Körper. Dementsprechend sind, wenn den Zonen 1-8 gleichmäßige vertikale Gesichtswinkel zugeordnet werden, die Zonen im Vergleich zu dem menschlichen Körper groß, wenn der menschliche Körper von der Vorrichtung weit entfernt ist, d. h. die Zahl der Zonen, aus denen das Bild des menschlichen Körpers erhalten werden kann, klein ist. Wenn der menschliche Körper andererseits der Vorrichtung nahe ist, ist die Zahl der Zonen, aus denen das Bild des menschlichen Körpers erhalten werden kann, groß. Im allgemeinen wird die Auflösung des Bildes schlecht, wenn der menschliche Körper von der Vorrichtung weit entfernt ist, wird jedoch gut, wenn der menschliche Körper der Vorrichtung nahe ist. Um dieses Problem zu lösen, ist der Gesichtswinkel der Zone 1 kleiner eingestellt als der der Zone 8. Daher ist es möglich, die Auflösung des Bildes zwischen einem der Vorrichtung nahen menschlichen Körper und einem der Vorrichtung fernen menschlichen Körper auszugleichen. Da das Feld 1 der Elemente integral mit der Linse 2 zusammengefaßt ist, können die vertikalen Gesichtswinkel der Zonen gegeneinander verändert werden, indem die Längen der Elemente verändert werden. Also wird die Länge des der Zone 1 mit kleinem Gesichtswinkel entsprechenden Elements 1a klein gewählt und die Länge des der Zone 1 mit kleinem Gesichtswinkel entsprechenden Elements 1a klein gewählt und die Länge der Zone 8 mit großem Gesichtswinkel entsprechenden Elements 1h groß gewählt.
Fig. 6a zeigt die Lichtverteilung bei gleichmäßigen Abständen zwischen benachbarten Elementen, und Fig. 6b zeigt das Feld 1 der Elemente. Wenn von den Elementen nicht überspannte vertikale Gesichtswinkel, d. h. vertikale tote Bereiche, so klein wie möglich eingestellt werden, werden die Intervalle der Elemente auf den gleichmäßigen Minimalwert eingestellt, mit dem das Feld der Elemente hergestellt werden kann, wodurch es möglich ist, die Auswirkungen der vertikalen toten Bereiche zu verringern. Ferner ist, wie in Fig. 6a gezeigt, das Ausmaß der den Abständen zwischen den benachbarten Elementen entsprechenden vertikalen toten Bereichen proportional zu dem Abstand von der Wärmebilderfassungsvorrichtung 6. Wenn dementsprechend die Abstände zwischen den Elementen gleichmäßig gewählt werden, werden die vertikalen toten Bereiche um so kleiner, je näher man der Wärmebilderfassungsvorrichtung 6 ist, und umgekehrt. Da das Ausmaß der Zonen in einer von der Wärmebilderfassungsvorrichtung 6 entfernten Position größer wird, wird der Anteil des Hintergrundbildes außerhalb des Bildes des menschlichen Körpers pro Zone größer. Wenn der menschliche Körper der Vorrichtung nahe ist, kann das Bild des menschlichen Körpers aus mehreren Zonen erhalten werden, und dementsprechend sind all diese Zonen im wesentlichen durch den menschlichen Körper belegt. Wenn der menschliche Körper von der Vorrichtung entfernt ist, wird dementsprechend das Bild des menschlichen Körpers durch das Hintergrundbild abgeschwächt, so daß die Nachweismöglichkeiten verringert sind.
Somit ist es notwendig, den menschlichen Körper durch geeignetes Einstellen der durch die Abstände zwischen den Elementen verursachten vertikalen toten Bereiche präzise zu erfassen. In Fig. 6a sind die Abstände zwischen den Elementen gleichmäßig eingestellt, jedoch ist Zone 8 größer als Zone 1 eingestellt. Das bedeutet, daß, da das Element 1h länger als das Element 1a ist, der Anteil des vertikalen toten Bereichs entlang der Zone 1 größer wird. Daher kann das in der Mitte des Bereichs 1 angeordnete Bild des menschlichen Körpers präzise erfaßt werden. Wenn jedoch der menschliche Körper innerhalb des vertikalen toten Bereichs ist, kann kaum ein Bild des menschlichen Körpers erfaßt werden. Da sich jedoch der menschliche Körper gewöhnlich bewegt, tritt bei kontinuierlicher Erfassung kein besonderes Problem auf. Ferner ist der Anteil des vertikalen toten Bereichs entlang dem Bereich 8 klein, und da dementsprechend ein großer Bereich gemessen werden kann, kann eine verbesserte Genauigkeit der Messung erwartet werden. Darüber hinaus können die vertikalen toten Bereiche soweit wie möglich verringert werden, indem die Abstände zwischen den Elementen auf einen unteren Grenzwert gesetzt werden, mit dem das Feld der Elemente hergestellt werden kann, wobei die obige Funktion aufrechterhalten bleibt.
Die Fig. 7a und 7b zeigen eine Ausführungsform, bei der die Anteile der vertikalen toten Bereiche entlang der Zonen gleichmäßig eingestellt sind. Insbesondere zeigt Fig. 7a die Lichtverteilung bei diesem Beispiel und Fig. 7b ein Elementfeld 1. Die Größen der Zonen 1-8 werden ähnlich, wie bei Fig. 6 dargestellt, verändert. Da der Anteil eines Bildes pro Zone gleichmäßig eingestellt ist, ist das Verhältnis zwischen dem vertikalen toten Bereich und dem vertikalen Erfassungsbereich pro Zone konstant eingestellt. Da der Anteil des jede Zone belegenden Bildes konstant eingestellt ist, kann präzise ein Bild eines in der Mitte der Zone 1 angeordneten menschlichen Körpers erfaßt werden, und ein wärmeabgebender kleinerer Körper als der menschliche Körper, etwa ein Haustier, z. B. eine Katze, in der Zone 8 präzise erfaßt werden.
Das horizontale Feld von Bilddaten wird sukzessive durch die Elemente erfaßt, wenn das Elementfeld 1 und die Linse 2 gemeinsam miteinander in horizontaler Richtung um die Drehachse 5 gedreht werden, während die Temperatur gemessen wird, um ein zweidimensionales Bild zu erhalten.
Insbesondere zeigt Fig. 8a ein Feld von Bilddaten, bei dem die Drehgeschwindigkeit im wesentlichen doppelt so hoch wie der durch die Breite der Elemente bestimmte horizontale Gesichtswinkel eingestellt ist, und Fig. 8b zeigt im Gegensatz dazu bei einer nicht unter die Erfindung fallenden Anordnung ein Feld von Bilddaten, bei dem die Drehgeschwindigkeit im wesentlichen zu dem horizontalen Gesichtswinkel, der durch die Breite der Elemente bestimmt ist, gleich eingestellt ist. Die in Fig. 8a gezeigten Daten können in einem doppelt so großen Bereich erhalten werden, wie der Bereich, in dem die in Fig. 8b gezeigten Daten erhalten werden, und zwar innerhalb der gleichen Erfassungszeitdauer. Ferner wird der horizontale tote Bereich halbiert, so daß eine für die Erfassung eines menschlichen Körpers geeignete Auflösung erzielt werden kann.
Ferner kann der horizontale Gesichtswinkel der Wärmebilderfassungsvorrichtung optional ohne Veränderung der Gesamtzahl von Bilddaten eingestellt werden, indem für den durch die Breite der Elemente bestimmten horizontalen Gesichtswinkel ein geeigneter Skalierungsfaktor gewählt wird.
Ferner ist es möglich, aus den Fig. 8a und 8b präzise Bilddaten zu erhalten. Unter Verwendung der in den Fig. 8a und 8b gezeigten Bilddaten in Kombination wird zunächst aus den Fig. 8a gezeigten Bilddaten ein ungefährer Ort des Aufenthaltes des menschlichen Körpers erfaßt, und dann können Daten wie die Temperatur und die Position des erfaßten menschlichen Körpers aus den in Fig. 8b gezeigten Bilddaten bestimmt werden.
Die Größen der Elemente können sich in der Längsrichtung voneinander unterscheiden, so daß die von den Elementen überspannten vertikalen Gesichtswinkel verändert sind.
Wenn die Abstände zwischen den Elementen gleichmäßig eingestellt werden, können die toten Bereiche so klein wie möglich gehalten werden und daher ihr Einfluß verringert werden.
Wenn alternativ die Abstände zwischen den Elementen voneinander verschieden sind, können die vertikalen toten Bereiche geeignet eingestellt werden und dementsprechend ein menschlicher Körper und ein kleiner wärmeabgebender Körper, etwa ein Haustier, präzise erfaßt werden.
Wenn die horizontalen Längen der Elemente kurz sind und die vertikalen Längen der Elemente lang sind und die Abstände zwischen den Elementen konstant eingestellt sind, kann ein in der Mitte einer Zone, die fast horizontal ist, angeordnetes Bild eines menschlichen Körpers präzise erfaßt werden, während die Genauigkeit der Messung in einer fast vertikalen Zone verstärkt werden kann.
Da die Geschwindigkeit, mit der sich das Feld der pyroelektrischen Wärmeerfassungselemente bei Temperaturerfassung dreht, höher als der horizontale Gesichtswinkel der Elemente bei jeder Messung eingestellt ist, kann der horizontale Gesichtswinkel der Wärmebilderfassungsvorrichtung optional ohne Veränderung der Gesamtbilddatenzahl eingestellt werden.
Wenn die Drehgeschwindigkeit im wesentlichen doppelt so hoch wie der von den Elementen überspannte horizontale Gesichtswinkel gewählt ist, werden die horizontalen toten Bereiche auf die Hälfte verringert, so daß eine für die Erfassung eines menschlichen Körpers geeignete Auflösung erzielt wird.

Claims

1. Wärmebilderfassungsvorrichtung zum Ermitteln eines zweidimensionalen Wärmebildes, die aufweist ein Feld von Wärmeerfassungselementen (1a-1h), die eindimensional entlang einer geraden Linie angeordnet sind, ein integral mit dem Feld Wärmeerfassungselemente zusammengefaßtes optisches System und eine Drehachse (5), die parallel zu der oder in einem vorbestimmten Winkel verkippt ist gegenüber der geraden Linie, wodurch das Feld Wärmeerfassungselemente (1a-1h) und das optische System dazu ausgelegt sind, um die Drehachse (5) gedreht zu werden, während das Feld Wärmeerfassungselemente (1a-1h) eine Temperaturerfassung durchführt, wobei die Größen der Wärmeerfassungselemente (1a-1h) voneinander unterschiedlich sind; dadurch gekennzeichnet, daß:

die Wärmeerfassungselemente (1a-1h) von pyroelektrischem Typ sind und das optische System eine optische Achse (4) aufweist, die mit dem Zentrum in Längsrichtung des Feldes Wärmeerfassungselemente (1a-1h) ausgerichtet ist; und daß

die Geschwindigkeit der Drehung um die Drehachse (5) bei Durchführung einer Messung, zu der das Feld pyroelektrische Wärmeerfassungselemente (1a- 1h) ausgelegt ist, größer eingestellt ist als der Quotient aus einem horizontalen Gesichtswinkel, den die Elemente (1a-1h) bei jeder Messung überspannen können, und der für die Messung erforderlichen Zeit.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Größen der Elemente (1a-1h) in der Längsrichtung, in der die Elemente (1a-1h) eindimensional angeordnet sind, voneinander verschieden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Größen der Elemente (1a-1h) zumindest in der Breitenrichtung voneinander verschieden sind, um eine optische Aberration des optischen Systems zum kompensieren, wodurch die Gesichtswinkel der Elemente (1a-1h) in Breitenrichtung durch das optische System hindurch konstant eingestellt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die gerade Linie gegenüber einer horizontalen Achse um einen vorbestimmten Winkel verkippt ist, die horizontalen Längen der Elemente (1a-1h) kurz, die vertikalen Längen der Elemente (1a-1h) jedoch lang sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Abstände zwischen den Elementen (1a-1h) im wesentlichen konstant sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, bei der die Abstände zwischen den Elementen (1a-1h) voneinander verschieden sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Drehgeschwindigkeit im wesentlichen doppelt so groß eingestellt ist wie der Quotient aus dem horizontalen Gesichtswinkel, den jedes der Elemente (1a- 1h) bei jeder Messung überspannen kann, und der für die Messung erforderlichen Zeit.