JP2005274295A - 表示信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サーモパイルの起電力は非常に小さな電力であり、アンプ（増幅器）により、増幅する必要がある。サーモパイルの起電力には、サーモパイルを読み出す為のシステムクロックから、ノイズが混入することがある。微小な起電力にノイズが含まれた場合には、増幅率が大きいこともあって、測定結果に大きな誤差を与えると言った問題点があった。
【解決手段】行方向と列方向に配置された複数の受光ユニットを備える受光部と、前記複数の受光ユニットから検出される検出信号を記憶する記憶手段とを有し、前記複数の受光ユニット中の第１ユニットから検出される第１の検出信号と、前記第１ユニットに隣接する複数の受光ユニットから検出される複数の検出信号とから中央値を求め、前記記憶手段に記憶された前記第１の検出信号に置き換えて前記中央値を記憶する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体から放射される熱、例えば遠赤外線などにより、熱線画像検出を行い、火災や人の存在などや物体の温度を検知する表示信号処理装置に関する。

熱電対は、微小な人体が発する遠赤外線であっても、入射する遠赤外線を熱に変換し、熱を直接電気に変換するゼーベック効果を用いて、直流電圧を発生する装置である。

上記のゼーベック効果とは、異種金属線の両端を接続し、その接点間の温度差を与えると熱起電力を生じる特性を言う。多数の熱電対を接続して出力電圧を高くしたものを熱電堆（サーモパイル）と言う。

上記のサーモパイルを縦横に組み合わせて、一定領域エリアの熱の変化量を測定できる様にしたものを２次元サーモパイルアレイと言う。

また、従来、２次元サーモパイルアレイは、電子レンジなどの天井面に装備され、温めたい被測定物の温度を、直接触れずに測定する装置として用いられている。

具体的には、電子レンジは、ターンテーブルを２次元サーモパイルアレイの測定エリアとし、ターンテーブルに乗せられた被測定物の温度分布を測定することが出来る。上記の技術は、参考文献１に記載されている。

また、上記の２次元サーモパイルアレイの技術は、人体検知の手法として取り入れられ、２次元サーモパイルアレイを内蔵した照明灯が提案されている。

サーモパイルは熱の変化量で火災や人の存在を検出することが出来、表示信号処理装置として有用である。近年、サーモパイルは火災報知器や人体検出のセキュリティ装置としても、大変期待されている。人体検出の技術は、参考文献２に記載されている。
特開２００１−３５５８５３号公報 特開２０００−２２３２８２号公報

サーモパイルは、シリコン基板上にＰ型とＮ型を対にしたポリシリコンからなる薄膜熱電対を多数直列に接続している。そして、サーモパイルは、基板中央部真下に空洞部を形成することにより、温接点部の熱容量を非常に小さくした構造となっている。

サーモパイルの動作原理は、赤外線を受光することにより発生した温接部の温度変化を、熱電対の起電力としている。上記の発生した起電力は非常に小さな電力であり、後段のアンプ（増幅器）により、数千倍程度に増幅する必要がある。

サーモパイルで発生する起電力には、サーモパイルを読み出す為のシステムクロックから、ノイズが混入することがある。微小な熱電対の起電力にノイズが含まれた場合には、増幅率が大きいこともあって、測定結果に大きな誤差を与える。その結果、微小な熱電対の起電力の測定結果を基に動作する測定器は、悪影響を受け、誤作動すると言った問題点があった。

本発明に係る主たる発明は、行方向と列方向に配置された複数の受光ユニットを備える受光部と、前記複数の受光ユニットから検出される検出信号を記憶する記憶手段とを有し、前記複数の受光ユニット中の第１ユニットから検出される第１の検出信号と、前記第１ユニットに隣接する複数の受光ユニットから検出される複数の検出信号とから中央値を求め、前記記憶手段に記憶された前記第１の検出信号に置き換えて前記中央値を記憶する。

また、本発明の他の特徴は、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、行方向と列方向に配置された複数の受光ユニットを備える受光部と、前記複数の受光ユニットから検出される検出信号を記憶する記憶手段とを有し、前記複数の受光ユニット中の第１ユニットから検出される第１の検出信号と、前記第１ユニットに隣接する複数の受光ユニットから検出される複数の検出信号とから中央値を求め、前記記憶手段に記憶された前記第１の検出信号に置き換えて前記中央値を記憶することにより、周囲の値と大きく異なる前記ユニット毎に測定されたノイズを除去することができるといった利点があげられる。

本発明の詳細を図面に従って具体的に説明する。図１は本発明の表示信号処理装置を示すブロック図である。同図に示す表示信号処理装置において、サーモパイル型遠赤外線エリアセンサ１は、内部に２次元サーモパイルアレイ２、スキャン回路３、温度センサデバイス４を有している。

被探知領域５は、温度測定を行いターゲットとなる領域を示している。
被探知領域５はレンズ６を通じて、サーモパイル型遠赤外線エリアセンサ１の内部に縮小して取り込まれる。２次元サーモパイルアレイ２は、レンズ６によって縮小された被探知領域５を３２（縦）×３２（横）に分割されたエリア毎に、遠赤外線の量を比例した微弱の起電力を得る。

上記微弱の起電力を基に、２次元サーモパイルアレイ２は、被探知領域５のエリア毎の温度情報を取得することが出来る。

実際に２次元サーモパイルアレイ２が得た被探知領域５のエリア毎の温度情報は、被探知領域５との２次元サーモパイルアレイ２自身との温度差である。２次元サーモパイルアレイ２は、各分割された被探知領域５のエリア毎に、自身との温度差のみを知ることが出来る。

２次元サーモパイルアレイ２自身の温度は、温度センサデバイス４によって、測定することが出来る。

従って、マイコン９は、温度センサデバイス４からの温度情報に２次元サーモパイルアレイ２で得た被探知領域５のエリア毎の温度情報を演算することで、被探知領域５の３２（縦）×３２（横）に分割されたエリア毎の絶対温度情報を得ることが出来る。

サーモパイル型遠赤外線エリアセンサ１に内蔵されたスキャン回路３は、外部からクロック信号とリセット信号が入力されている。スキャン回路３は、リセット信号が来る毎に、スキャン回路３の内部に搭載されたカウンタの値を初期化し、ゼロに戻す。

上記スキャン回路３の内部に搭載されたカウンタは、入力されるクロック信号の立ち上がりに同期して、カウンタの値は一つづつ増加して行く。

２次元サーモパイルアレイ２の３２（縦）×３２（横）で分割されたエリアは、上部左隅から順番にアドレスを所有している。スキャン回路３は、上記の一つづつ増加して行くカウントの値を利用して、２次元サーモパイルアレイ２に振られたアドレス値を２次元サーモパイルアレイ２に順番に出力して行く。

上記のアドレスを受けた２次元サーモパイルアレイ２は、順次対応するエリア毎に取得された温度差の情報を電位差（電圧）として出力する。

上記の電位差は、サーモパイル型遠赤外線エリアセンサ１の出力端子であるＰ端子、Ｎ端子から出力される。Ｐ端子はＰチャネル端子で極性はプラスを意味し、Ｎ端子はＮチャンネル端子で極性はマイナスを意味している。

サーモパイル型遠赤外線エリアセンサ１から出力されたＰ端子、Ｎ端子は、アンプ７に入力される。アンプ７は差分増幅回路となっており、Ｐ端子とＮ端子の電位差に応じて、
電位差を増幅してアンプ７から出力信号として出力する。

２次元サーモパイルアレイ２で発生する起電力は微弱のため、アンプ７では高倍率で増幅する必要がある。

本実施例のアンプ７は、Ｐ端子のＮ端子の電位差を約数千倍に増幅し、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）８へ出力される。

ＬＰＦ８は、抵抗とコンデンサから構成されるローパスフィルタである。ＬＰＦ８は、アンプ７で増幅された電位差に含まれる信号のうち、急激に高くなるノイズ成分を平滑化し、マイコン９内部の１２ビットＡ／Ｄコンバータ１０に出力する。

１２ビットＡ／Ｄコンバータ１０は、ＬＰＦ８から入力されたアナログ信号を、１２ビットのデジタルデータに変換する。

また、温度センサデバイス４は、２次元サーモパイルアレイ２自身の温度情報を電位差として出力する。

２次元サーモパイルアレイ２自身の温度情報は、１２ビットＡ／Ｄコンバータ１１に入力され、１２ビットＡ／Ｄコンバータ１１により、１２ビットのデジタルデータに変換される。

ＣＰＵ１２は、１２ビットＡ／Ｄコンバータ１１からの２次元サーモパイルアレイ２自身の温度情報と、１２ビットＡ／Ｄコンバータ１０からの各分割されたエリア毎の２次元サーモパイルアレイ２との温度差を示す電圧出力を演算して、３２（縦）×３２（横）に分割されたエリア毎の温度情報の絶対値を得る。

更に、ＣＰＵ１２はエリア毎の温度情報の絶対値を、ＣＰＵバスを介して、ＳＲＡＭ１９に記憶させる。

被検知領域５の温度測定は１秒間に３回程測定され、ＳＲＡＭ１９には、過去３回の測定結果が記憶されている。ＳＲＡＭ１９は、随時、新しく温度測定される毎に、一番古い測定結果が消去され、更新され続けている。

また、１回に測定される３２×３２のエリア毎の温度情報は、１フレームと呼ばれており、１つの情報単位として、まとめて処理される。

ＳＲＡＭ１９に記憶されたエリア毎の温度情報の絶対値は、ＬＰＦ８により非常に大きなノイズ成分は除去されているが、まだ多くのノイズ成分を含んでいることがある。

ＣＰＵ１２では、ＳＲＡＭ１９に含まれたノイズ成分を除去するため、ＰＲＯＭ１３に記憶されたプログラムに基づき、ノイズ成分を除去する。

プログラムに基づきノイズ成分を除去する手法は、一般的にデジタルフィルタと呼ばれており、ＰＲＯＭ１３に記憶された内容を変更するだけで、フィルタ特性を調整できると言った利便性を有している。

図１のシステムでは、ＳＲＡＭ１９に記憶されたエリア毎の温度情報の絶対値は、測定されたエリア情報と、補正されたエリア情報の一元的に処理している。従って、測定されたエリア情報を補正し、補正したエリア情報を用いて、次のエリア情報を補正することになる。

図２には、ＰＲＯＭ１３に記憶されたプログラムのフローチャートと、対象となる画面位置を図示した。

ＣＰＵ１２は、ＳＲＡＭ１９から、ＣＰＵバスを介して１フレームの情報を取り込む。（Ｓ１００）
画面全体３２×３２のエリア情報（１フレーム）から、画面の４隅のうち、右上、左上の制御を行い、画面４隅のエリア情報を周囲のエリア情報を基に、中央値に補正する。（Ｓ２００）
画面全体３２×３２のエリア情報（１フレーム）から、画面の縁のうち、４隅を除く上端部の制御を行い、画面上端のエリア情報を周囲のエリア情報を基に、中央値に補正する。（Ｓ３００）
画面全体３２×３２のエリア情報（１フレーム）から、画面の縁のうち、左端の１つの制御を行い、周囲のエリア情報を基に、中央値に補正する。（Ｓ４００）
画面全体３２×３２のエリア情報（１フレーム）の先頭の３×３の９画素を選択し、９画素のエリア情報を大きい順に並べて中央値を算出する。（Ｓ５００）
３×３の９画素の真中のエリア情報をＳ５００で求めた中央値に上書きする。（Ｓ６００）
１列が終了したか、判別する。（Ｓ７００）
１列が終了していない場合（Ｓ７００：ＮＯ）、次の３×３の９画素を選択する。（Ｓ８００）
１列が終了した場合（Ｓ７００：ＹＥＳ）、画面の縁のうち、右端の１つの制御を行い、周囲のエリア情報を基に、中央値に補正する。（Ｓ９００）
１つ下の段へ、移動する。（Ｓ１０００）
最終段か、判別する。（Ｓ１１００）
最終段が終了していない場合（Ｓ１１００：ＮＯ）、Ｓ４００に戻る。

最終段が終了した場合（Ｓ１１００：ＹＥＳ）、画面の４隅のうち、右下、左下の制御を行い、画面４隅のエリア情報を周囲のエリア情報を基に、中央値に補正する。（Ｓ１２００）
画面全体３２×３２のエリア情報（１フレーム）から、画面の縁のうち、４隅を除く下端部の制御を行い、画面上端のエリア情報を周囲のエリア情報を基に、中央値に補正する。（Ｓ１３００）
Ｓ２００の動作について、詳細に図３を用いて説明する。対象となるエリア情報は、図２の画面、４隅（右上、左上）の２箇所である。

Ｓ２００は、４隅の制御であり、図３で示す様に２×２の４画素を選択する。２×２の４画素のうち、１段目左隅から１エリア、２エリアとなり、２段目左隅から、３エリア、４エリアとなる。エリア情報を修正するターゲットは、１エリアであり、１エリアのエリア情報を、２エリア、３エリア、４エリアのエリア情報を基に、補正を行う。

１エリアから４エリアまでのエリア毎の温度を示す電圧データを大きい順に並べて、大きさの中央値を求める。

今回は、エリア情報は偶数であり、ちょうど中央値は存在しない。中央付近という事で、２番目、３番目の値が中央値となる。ノイズが混入した場合は、極端に大きな値が混入するケースが多いため、中央値が２つある場合には、小さい値を選択する方が望ましいことが多い。

従って、今回は、大きさが２番目の値を、１エリアのエリア情報に補正する。図３からも分かる様に、１エリアに混入した９０というノイズを除去することが出来る。

Ｓ３００の動作について、詳細に図３を用いて説明する。対象となるエリア情報は、図２の画面、外側の縁（上端）の３０箇所である。３２列のうち、４隅にあたる２箇所が除かれるので、３０箇所となる。

画面外側の縁の制御であり、図３で示す様に２×３の６画素を選択する。２×３の６画素のうち、１段目左隅から１エリア、２エリア、３エリアとなり、２段目左隅から、４エリア、５エリア、６エリアとなる。エリア情報を修正するターゲットは、２エリアであり、２エリアのエリア情報を、１エリア、３エリア、４エリア、５エリア、６エリアのエリア情報を基に、補正を行う。

１エリアから６エリアまでのエリア毎の温度を示す電圧データを大きい順に並べて、大きさの中央値を求める。

画面外側の縁の制御も同様も、エリア情報は偶数であり、ちょうど中央値は存在しない。中央付近という事で、３番目、４番目の値が中央値となる。中央値が２つある場合には、小さい値を選択する方が望ましいことから、大きさが３番目の値を、２エリアのエリア情報に補正する。図３からも分かる様に、２エリアに混入した９０というノイズを除去することが出来る。

Ｓ４００の動作について、詳細に説明する。対象となるエリア情報は、図２の画面、外側の縁（左端）の１箇所である。

外側の縁の制御は、上端では、図３に図示された様に２（縦）×３（横）の６画素になる。左端では３（縦）×２（横）の６画素になる。左端、右端の３×２の６画素の制御は、上端の場合と等しく、選択される６画素の縦と横のサイズが異なるだけである。

Ｓ５００とＳ６００の動作について、詳細に図４を用いて説明する。
３２×３２のエリア情報（１フレーム）から、先頭の３×３の９画素を選択する。

３×３の９画素のうち、１段目左隅から１エリア、２エリア、３エリアとなり、２段目左隅から、４エリア、５エリア、６エリアとなり、３段目左隅から、７エリア、８エリア、９エリアとなる。

従って、真中は５エリアとなる。５エリアのエリア情報は、１エリアから４エリア及び、６エリアから９エリアのエリア情報を基に補正されることになる。図３の例では、エリア情報は、エリア毎の温度を示す電圧データであり、５エリアのエリア情報は、８０と他のエリアのエリア情報と比較して、ずば抜けて高いことが分かる。

温度の変化を測定する今回の熱線探知器の場合は、隣り合う周囲のエリアと、極端に異なる値を取ることは考え難い。従って、隣り合うエリア毎の温度を示す電圧データが極端に異なる場合は、ノイズが混入としたと考えるのが一般的である。

５エリアの情報を中央値に変更することで、５エリアに混入した８０というノイズを除去することが出来る。

９個の数値から、中央値を求める方法は、先ず、９個の中から１番小さい値を求め、１番小さい値を除く。次に、８個の中から１番小さい値を求め、１番小さい値を除く。この動作を繰り返すことで、５個の中から１番小さい値を求めることが出来る。９個中の５番目に小さい値は、中央値となる。

図５のフローチャートは、詳細に９個の数値から中央値を求める方法を示す。

ｎ個のデータを配列にまとめる。この場合のｎは整数を表し、最初９で始まる。（Ｓ１０）
ｎ個のデータを小さい順に並べる。（Ｓ２０）
ｎ個のデータのうち、一番小さいデータを取り除く。（Ｓ３０）
データの数を５と比較する。（Ｓ４０）
５より大きい場合（Ｓ４０：ＮＯ）、Ｓ１０に戻る。

５と等しい場合（Ｓ４００：ＹＥＳ）、５個のデータを配列にまとめる。（Ｓ５０）。

５個のデータを小さい順に並べる。（Ｓ６０）
一番小さいデータを中央値とする。（Ｓ７０）、処理は終了する。

図５の処理では、先ず、１エリアから９エリアまでのエリア毎の温度から、大きさの中央値を求める。

また、図２に示されるＳ６００での動作は、図６に示される様に、Ａ面（３×３の９画素）で補正されたエリア情報は、次のＢ面（３×３の９画素）に用いられることになる。

図６に示されるＡ面の中央の補正は、Ａ面（３×３の９画素）のうち、補正される中央の画面を除く８画面に関して、４面は補正が処理済であり、残り４面は補正が未処理という事になる。

図６の３×３の９画素による補正では、補正に影響を与える周囲の８画面のうち、半分は補正処理済とし、残り半分は補正未処理となる。

上記の処理が可能にするためには、図２におけるＳ２００、Ｓ３００、Ｓ４００により、画面の４隅及び、外側の縁の制御を、３×３の９画素の補正の前に行う必要がある。

図２のＳ２００、Ｓ３００、Ｓ４００により、画面の４隅及び、外側の縁の制御を先に行うフローチャートを遵守することで、画面の４隅及び、外側の縁の制御を除く、３０×３０の９００画素のエリア情報の補正は、補正に影響を与える周囲の８画面のうち、半分は補正処理済とし、残り半分は補正未処理となる。

画面の４隅及び、外側の縁を除く、３０×３０の９００画素のエリア情報の補正は、全て補正処理済と補正未処理の比が一定ということになる。

仮に、画面の場所に応じて、補正処理済と補正未処理の比率が違う場合には、情報自体に偏った歪みを与えかねない恐れがある。

ＳＲＡＭ１９に記憶されたデータを、ＵＳＢ１６、ＵＡＲＴ１７を用いて、マイコン９から出力することが出来る。ＵＳＢやＵＡＲＴは、一般的なインターフェイスであり、パソコン１８において、ＳＲＡＭ１９に記憶されたデータを入手することが出来、得られたデータをパソコン画面に表示することにより、火災や人を検知することが出来る。

以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本発明の一実施例に係る表示信号処理装置を示すブロック図である。 本発明の一実施例に係る表示信号処理装置を示すフローチャート図である。 本発明の一実施例に係る画面外側の画素の補正を示す図である。 本発明の一実施例に係る３×３の９画素の補正を示す図である。 本発明の一実施例に係る９個の数値から中央値を求めるフローチャート図である。 本発明の一実施例に係る３×３の９画素の補正を示す図である。

符号の説明

１ サーモパイルアレイ、２ ２次元サーモパイルアレイ、３ スキャン回路、４ 温度センサデバイス。

Claims (14)

1. 行方向と列方向に配置された複数の受光ユニットを備える受光部と、
   前記複数の受光ユニットから検出される検出信号を記憶する記憶手段とを有し、
   前記複数の受光ユニット中の第１ユニットから検出される第１の検出信号と、前記第１ユニットに隣接する複数の受光ユニットから検出される複数の検出信号とから中央値を求め、前記記憶手段に記憶された前記第１の検出信号に置き換えて前記中央値を記憶することを特徴とする表示信号処理装置。
2. 前記複数の受光ユニット中の第１ユニットから検出される第１の検出信号と、前記第１ユニットに隣接する複数の受光ユニットから検出される複数の検出信号と、前記第１の検出信号及び前記複数の検出信号から中央値を求める中央値検出回路と、該中央値を前記第１ユニットの検出信号に置き換える制御を行う置き換え制御回路とを備え、
   前記中央値検出回路は、前記第１の検出信号と前記複数の検出信号の中からレベルが最も小さい検出信号を求め、前記最も小さい検出信号を前記第１の検出信号と前記複数の検出信号とから除く最小値削除動作を行なうことにより、前記中央値を求め、該中央値を前記第１の検出信号に置き換えることを特徴とする表示信号処理装置。
3. 前記最小値削除動作を繰り返すことで、前記中央値を求めることを特徴とする請求項２記載の表示信号処理装置。
4. 熱線探知器に用いたことを特徴する請求項１記載の表示信号処理装置。
5. 行方向と列方向に配置された複数の受光ユニットを備える受光部と、
   前記複数の受光ユニット中の第１ユニットから検出される第１の検出信号と前記第１ユニットに隣接する複数の受光ユニットから検出される複数の検出信号とを記憶するメモリと、
   該メモリから得られる前記第１検出信号と前記複数の検出信号から中央値を求める中央値検出回路と、前記メモリに記憶された前記第１の検出信号に置き換えて、前記中央値検出回路の出力中央値を記憶する置き換え制御回路とを備えることを特徴とする表示信号処理装置。
6. 前記中央値検出回路は、前記第１の検出信号と前記複数の検出信号の中からレベルが最も小さい検出信号を求め、前記最も小さい検出信号を前記第１の検出信号と前記複数の検出信号とから除く最小値削除動作を行わせることにより、前記中央値を求めることを特徴とする請求項５記載の表示信号処理装置。
7. 前記最小値削除動作を繰り返すことで、前記中央値を求めることを特徴とする請求項６記載の表示信号処理装置。
8. 熱線探知器に用いたことを特徴する請求項５記載の表示信号処理装置。
9. 前記中央値検出回路は、前記第１ユニットから検出される検出信号と前記第１ユニットを中心に、右上、右横、右下、真上、真下、左上、左横、左下に隣接する８ユニットとから検出される９個の検出信号の中から大きさが５番目となる値を求めることを特徴とする請求項２又は請求項５記載の表示信号処理装置。
10. 前記中央値検出回路は、前記第１ユニットから検出される検出信号と前記第１ユニットを中心に、右上、右横、右下、真上、真下、左上、左横、左下に隣接する８ユニットとから検出される９個の検出信号の中から大きさが５番目となる値を求め、
    前記置き換え制御回路は、前記第１ユニットから検出される検出信号を前記中央値検出回路からの前記５番目の値に置き換えることを特徴とする請求項２記載の表示信号処理装置。
11. 前記中央値検出回路は、前記４隅のユニットから検出される検出信号と、前記４隅のユニットに隣接する３つのユニットから検出される検出信号に応じて置き換えることを特徴とする請求項２又は請求項５記載の表示信号処理装置。
12. 前記中央値検出回路は、前記４隅のユニットから検出される検出信号と前記４隅のユニットを中心に隣接する上下、又は左右、又は斜め上、斜め下のいずれ３ユニットとから検出される４個の検出信号の中から大きさが２番目となる値を求め、
    前記置き換え制御回路は、前記４隅のユニットに検出される検出信号を前記中央値検出回路からの前記２番目の値に置き換えることを特徴とする請求項２記載の表示信号処理装置。
13. 前記中央値検出回路は、４隅以外の最も外側の縁に存在するユニットから検出される検出信号は、前記４隅以外の最も外側の縁に存在するユニットから検出される検出信号と、前記４隅以外の最も外側の縁に存在するユニットに隣接する５つのユニットから検出される検出信号に応じて置き換えられることを特徴とする請求項２又は請求項５記載の表示信号処理装置。
14. 前記中央値検出回路は、前記４隅以外の最も外側の縁に存在するユニットから検出される検出信号と前記４隅以外の最も外側の縁に存在するユニットを中心に隣接する上下、又は左右、又は斜め上、斜め下のいずれ５ユニットとから検出される６個の検出信号の中から大きさが３番目となる値を求め、
    前記置き換え制御回路は、前記４隅以外の最も外側の縁に存在するユニットに測定された値を前記中央値検出回路からの前記３番目の値に置き換えることを特徴とする請求項２記載の表示信号処理装置。
    

Images