JP2005308617A

JP2005308617A - 表示信号処理装置

Info

Publication number: JP2005308617A
Application number: JP2004128021A
Authority: JP
Inventors: Hirotsugu Takei; 洋次竹井; Masao Tsukisawa; 正雄月澤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-11-04

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】複数の受光ユニットから検出される検出信号を少なくとも過去３フレームを記憶する。過去３フレームのうち、中央のデータを、１つ新しいデータと１つ古い１データと比較する。中央のデータが他の２つのデータと比較して差が大きい場合には、中央のデータの代わりに１つ新しいデータもしくは１つ古い１データを置き換えて出力する。
【選択図】図３

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と、前記検出信号を少なくとも過去３フレームを記憶する第１メモリと、前記過去３フレームのうち、最新のデータを第１データとし、最新のデータより１つ古い第２データとし、最新のデータより２つ古い第３データとし、前記第１データと前記第２データと前記第３データを比較する比較器とを備え、前記比較器は前記第２データを前記第１データ及び前記第３データを比較し、前記第２データが前記第１データ及び前記第３データと比較して差が大きい場合には、前記第２データの代わりに前記第１データもしくは前記第３データを置き換えて出力することを特徴とする。

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、複数の受光ユニットから検出される検出信号を少なくとも過去３フレームを記憶する。過去３フレームのうち、中央のデータを、１つ新しいデータと１つ古い１データと比較する。中央のデータが他の２つのデータと比較して差が大きい場合には、中央のデータの代わりに１つ新しいデータもしくは１つ古い１データを置き換えて出力することで、ノイズ混入した場合には、ノイズの影響を除外することができるといった利点があげられる。

また、熱線探知器に用いることにより、精度の良い火災報知器や人体検出のセキュリティ装置を作成できると共に、目ざわりなノイズや輪郭のザラつきを抑え込み、クッキリとした映像を映し出す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、ＳＲＡＭ１（１４）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、ＳＲＡＭ１（１４）には、過去３回の測定結果が記憶されている。ＳＲＡＭ１（１４）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。

ＳＲＡＭ１（１４）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。

更にＣＰＵ１２は、ＳＲＡＭ１（１４）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。ＰＲＯＭ１３に記憶されたプログラムは、図２のフローチャートに示される。

ＰＲＯＭ１３に記憶されたフローチャートの詳細を図２に従って説明する。ＣＰＵ１２は、２次元サーモパイルアレイ２からの１フレーム（３２×３２）のデータをＳＲＡＭ１（１４）に記憶させる。（Ｓ１００）
ＳＲＡＭ１（１４）では、過去３回分（３フレーム）のデータを記憶することが出来る。最新のフレームを記憶すると共に、１番古いフレームを消去する（Ｓ２００）
ＣＰＵ１２は、ＳＲＡＭ１（１４）に記憶した過去３回分（３フレーム）のデータより、同じ位置の画素データ３個をＣＰＵ１２内部のレジスタに取得する。
（Ｓ３００）
ＣＰＵ１２内部に取得した３画素のデータのうち、中央の画素を他の２つの画素と比較し、変動が大きい場合は１つの前のデータに置き換えてＳＲＡＭ２（１５）に出力する。（Ｓ４００）
全画素が終了したか、判別する。（Ｓ５００）
全画素が終了していない場合（Ｓ５００：ＮＯ）、次の３画素を選択する。（Ｓ６００）
全画素が終了した場合（Ｓ５００：ＹＥＳ）、処理は終了する。

Ｓ３００とＳ４００の動作については、具体的に図３を用いて説明する。図３のＳＲＡＭ１（１４）の記載した様に、過去３回分（３フレーム）のデータを記憶することができる。ＣＰＵバスを通じて、被検知領域５の温度情報を、ＳＲＡＭ１（１４）に書き込むことが出来る。被検知領域５の温度情報は、１秒間に３回測定される。つまり、３００ｍｓ毎に一番古い温度情報に最新の温度情報が上書き更新される。

過去３回分（３フレーム）のデータから、同じ位置の画素データ３個をＣＰＵ１２内部の第１レジスタ１２１、第２レジスタ１２２、第３レジスタ１２３に記憶する。最新のデータは第１レジスタ１２１に記憶し、最新より１つ古いデータは第２レジスタ１２２に記憶し、最新より２つ古いデータは第３レジスタ１２３に記憶される。

図３では、第１レジスタ１２１に温度情報である「１」、第２レジスタ１２２に温度情報である「１８」、第３レジスタ１２３に温度情報である「１」が記憶された状態である。第２レジスタ１２２に記憶された「１８」が、第１レジスタ１２１の「１」及び第３レジスタ１２３の「１」に比べて、大幅に大きいことが分かる。温度の変化を測定する今回の熱線探知器の場合、短い時間に大きな数値が入り、短い時間に大きな数値が消えるというのは、ノイズが混入したと考えるのが一般的である。

ノイズを除去するため、図３に示された第１レジスタ１２１と第３レジスタ１２３に記憶された値から、ある一定以上離れた地点に、しきい値を設ける。第２レジスタ１２２に記憶された値が、しきい値を超えた場合、第２レジスタ１２２に記憶された値を出力せず、代わりに、１つ前のデータである第３レジスタ１２３に記憶された値を出力する。

第２レジスタ１２２に記憶された代わりに、出力された第３レジスタ１２３の値は、ＳＲＡＭ２（１５）に出力される。

ＳＲＡＭ２（１５）に蓄えられたデータは、１フレームの単位で、ＵＳＢ１６、ＵＡＲＴ１７を用いて、マイコン９から出力する。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、ＳＲＡＭ２（１５）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。

図４、図５、図６を用いて、２次元サーモパイルアレイ２から出力されたに含まれるノイズを除去する方法について、詳細を図示する。図４、図５、図６において、第１レジスタ１２１、第２レジスタ１２２、第３レジスタ１２３に記憶された値に応じて、ＳＲＡＭ２（１５）に出力されるレジスタは変化する。

図４では、第２レジスタ１２２の値が第１レジスタ１２１と第３レジスタ１２３の間にある場合を示している。第２レジスタ１２２の値が第１レジスタ１２１と第３レジスタ１２３の間にあれば、正常な値であり、ノイズの影響ではないと考えられる。

図４の（１）では、時間的な変化として、第３レジスタ１２３、第２レジスタ１２２、第１レジスタ１２１の順になっている。時間の経過ともに、徐々に温度情報の絶対値が下がっているので、被探知領域５から、熱量を持った物体が無くなった場合を示している。

また、図４の（２）では、図４の（１）とは逆に、第３レジスタ１２３、第２レジスタ１２２、第１レジスタ１２１と徐々に上がっているので、被探知領域５に熱量を持った物体が被探知領域５に移動してきた場合を示している。

図４の（１）及び（２）の両ケースともに、正常な範囲の変化であり、第２レジスタ１２２に記憶された値は、そのまま、ＳＲＡＭ２（１５）へ出力される。

図５では、第２レジスタ１２２の値がしきい値を超えない場合である。第１レジスタ１２１と第３レジスタ１２３の値が同等であるのに対して、第２レジスタ１２２の値が異なっている場合である。

図５の（１）では、第２レジスタ１２２の値が、第１レジスタ１２１と第３レジスタ１２３に比べて、大きくなっている。しかし、第２レジスタ１２２の値は、第１レジスタ１２１と第３レジスタ１２３の値から一定の範囲に設けたしきい値より小さい。この場合はノイズの影響では無く、正常の測定数値と判断し、第２レジスタ１２２の値をそのまま出力する。

本実施例では、しきい値は、第１レジスタ１２１と第３レジスタ１２３の値の平均値から、上下に１０度程度の範囲に設定している。非常に短い時間に、１０度を超える温度変化があった場合には、ノイズによる影響と判断している。

また、図５の（２）では、第２レジスタ１２２の値が、第１レジスタ１２１と第３レジスタ１２３に比べて、小さくなっている。しかし、第２レジスタ１２２の値は、第１レジスタ１２１と第３レジスタ１２３の値から一定の範囲に設けたしきい値より大きい。この場合はノイズの影響では無く、正常の測定数値と判断し、第２レジスタ１２２の値をそのまま出力する。

第２レジスタ１２２に記憶された値が、第１レジスタ１２１及び第３レジスタ１２３の値と比較して、設定されたしきい値を超える場合がある。第２レジスタ１２２の値が設定されたしきい値を超える場合には、短時間での急激的な変化を示しており、正常な測定結果を反映した値とは考え難い。

この場合、ノイズの影響と考えるのが妥当であり、第２レジスタ１２２をそのまま、ＳＲＡＭ２（１５）に出力することは望ましくない。そこで、第２レジスタ１２２の値が、しきい値を超えた場合には、常に１つの前の値である第３レジスタ１２３を、第２レジスタ１２２の代わりに選択する方が望ましい。また、しきい値の値に応じて、第２レジスタ１２２の代わりに選ばれるレジスタを変化させても良い。

図６の（１）では、第２レジスタ１２２の値が第１レジスタ１２１及び第３レジスタ１２３に比べて、極端に大きい場合である。第２レジスタ１２２の値は設定されたしきい値を超えたので、第２レジスタ１２２の代わりに、第１レジスタ１２１の値を出力する。

ここで、第３レジスタ１２３でなく第１レジスタ１２１を選択した理由は、第１レジスタ１２１の方がしきい値に近かったためである。

図６の（２）では、第２レジスタ１２２の値が第１レジスタ１２１及び第３レジスタ１２３に比べて、極端に小さい場合である。図６の（１）と同様に、第１レジスタ１２１の値の方がしきい値に近いので、第２レジスタ１２２の代わりに、第１レジスタ１２１の値を出力する。

図６の（３）では、第２レジスタ１２２の値が第１レジスタ１２１及び第３レジスタ１２３に比べて、極端に大きい場合である。図６の（１）と違って、第３レジスタ１２３の値の方がしきい値に近いので、第２レジスタ１２２の代わりに、第３レジスタ１２３の値を出力する。

図６の（４）では、第２レジスタ１２２の値が第１レジスタ１２１及び第３レジスタ１２３に比べて、極端に小さい場合である。図６の（３）と同様に、第３レジスタ１２３の値の方がしきい値に近いので、第２レジスタ１２２の代わりに、第３レジスタ１２３の値を出力する。

また、図１に図示されたＳＲＡＭ１（１４）とＳＲＡＭ２（１５）は、個別に図示されている。ＣＰＵに用いられるメモリでは、一般的に全メモリをいくつかに区分して管理している。ＣＰＵからメモリへのアクセスが要求されると、メモリのアドレス情報などを基に、区分されたメモリの集合の中から対象の区分を1つ選び、読み出しあるいは書き込みを実行する。このときのメモリの区分をバンクと呼んでいる。

上記のバンクを用いて、メモリを２つのバンクに分け、各々をＳＲＡＭ１（１４）、ＳＲＡＭ２（１５）とし、１つのＳＲＡＭを２つ分けて使用しても良い。

このバンクを利用した場合には、ＳＲＡＭ１（１４）及びＳＲＡＭ２（１５）を個別に設けた場合と比較して、内蔵されているメモリアドレスデコーダの一部を共有することが出来るため、マイコン９のチップ面積を小さくすることが出来る。

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具体的な動作を示す図である。本発明の一実施例に係る具体的な動作を示す図である。本発明の一実施例に係る具体的な動作を示す図である。本発明の一実施例に係る具体的な動作を示す図である。

符号の説明

１サーモパイルアレイ、２２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

複数の受光ユニットを備える受光部と、
前記受光部の１つの受光ユニットから検出される検出信号の３回分のデータを記憶するメモリと、
前記３回のデータのうち、最新のデータを第１データとし、最新のデータより１つ古いデータを第２データとし、最新のデータより２つ古いデータを第３データとし、前記第１乃至第３データを比較する比較器とを備え、
前記比較器は前記第２データを前記第１データ及び前記第３データと比較し、前記第２データが前記第１データ及び前記第３データと比較して差がしきい値を超える場合には、前記第２データの代わりに前記第１データもしくは前記第３データを出力することを特徴とする表示信号処理装置。
前記３回のデータは連続したデータであることを特徴とする請求項１記載の表示信号処理装置。
複数の受光ユニットを備える受光部と、
前記受光部の１つの受光ユニットから検出される検出信号の３回分のデータを記憶するメモリと、
前記３回のデータのうち、最新のデータを第１データとし、最新のデータより１つ古いデータを第２データとし、最新のデータより２つ古いデータを第３データとし、前記第１乃至第３データを比較する比較器とを備え、
前記第１データ及び前記第３データから、しきい値を作成し、前記第２データが前記しきい値を超える場合には、前記第２データの代わりに、しきい値に値が近い第１データもしくは第３データを出力することを特徴とする表示信号処理装置。
熱線探知器に用いたことを特徴する請求項１乃至３記載の表示信号処理装置。