JP2005315585A - 光センシングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】物体などの検出システムにおいて安定した動作を得るために、太陽光による外乱を受けない光センシングシステムを提供する。
【解決手段】太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源を具備した投光器１と、
該波長の光線のみを選択的に通過させる光フィルター９を具備した受光器５とを有する、太陽光の外乱を受けない光センシングシステム。
また、投光器１の前面に光フィルター９ａを具備して、太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長をのみを発光させることも可能である。
さらに、太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源を具備した投光器を用いて対象物へ投光し、前記対象物からの反射光又は透過光のうちで該波長の光線のみを選択的に通過させる光フィルターを具備するカメラにより、
該対象物を検出する光センシングシステムを提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、投光器と受光器による光センシングシステムに関し、詳しくは太陽光の外乱を受けない対象物光センシングシステムに関する。

近年は省力化、自動化の社会といわれ、物体や人体などの検出や認識が、工場、オフィス、デパート、スーパー、学校などの公共施設を主として広く用いられている。これらの検出や認識においては、光を利用したセンシングシステムが多くの場所で利用されているが、これらの検出や認識システムはその安全性・防犯・警報に関わることが多く、誤動作がないことが要求されている。ところが、これらの光を利用するセンシングシステムにおいては誤動作があり、特に太陽光の強度は、昼夜で大きく変動することが外乱となり光センシングシステムの確実な動作を妨げていた。

図１を用いて、従来の投光器と受光器を用いた光センシングシステムを説明すると、投光器からの光線が検出対象物の遮断により、受光器に届かなくなることで検出対象物の存在を判定するものである。
図１（ａ）は、検出対象物（図１の例では走行自動車）が投光器１の光源２からの光線３を遮断する前の状態である。光線３は受光器５の中のフォトセル（受光素子）４で受光され、自動車がいまだ検出位置上にないと判定されている。このフォトセル４は、光線３の太陽７からの太陽光線８も受光している。したがって、フォトセル４は強度の定まった光源２からの光線３と、昼夜により強度が変化する太陽光線８を受けていることになるから、検出閾値は光線３と変動が避けられない太陽光線８の強度を加えたものとなる。

図１（ｂ）は、検出対象物６が光線３を遮断した状態である。フォトセル４は光線の強度が小さくなったことから、検出対象物６の位置が検出位置に到達したと判定する。ところが、太陽光線８は、検出対象物６の位置に関係なくフォトセル４で受光されている。したがって、フォトセル４の検出閾値は、常に変動する太陽光線８の強度を考慮して設定することになる。このように発光機と受光器で構成される光センシングシステムにおいては、受光フォトセル４の検出閾値に、太陽光線などの外乱光が影響する問題を抱えていた。

さらに、図２に示すように、屋外にある特定の物を、CCDカメラ１１で撮像し監視する場合においても、太陽光線は昼夜で変動するから閾値に影響する外乱要因となる。また、投光器により光線を照射しながら撮像する場合においても、図２に示すように投光器１からの光線３は撮像監視対象物１０に反射された反射光３ａはＣＣＤカメラ１１に入光する。それと同時に、太陽光８も対象物に反射され反射光８ａとなってＣＣＤカメラ１１に入光する。同時に、太陽光８ｂとして直接ＣＣＤカメラに入光する。このように、ＣＣＤカメラで撮像する場合も、変動が避けられない太陽光線が撮像に影響するから画像は明暗が変化し安定しないという問題を抱えていた。

そこで、特許文献１では、この外乱としての太陽光の影響を排除するために、光センサーへ外乱光が到達しないように遮蔽板を設けることが提案している。
また、特許文献２では、太陽光線のような外部光の影響を小さくする目的で、特定波長の発光素子と該波長の分光感度を有する受光素子からなる光半導体装置を提案している。
特開平１−２３７８９０号公報 特開昭５４−５７９８３号公報

しかし、特許文献１に記載の遮蔽板を設ける方法では、特定の方向からの外乱光しか効果的に遮蔽できないという問題を抱えている。また、特許文献２においても、発光素子と受光素子に設定される特定波長を同じに設定したとしても太陽光の波長と共通するためその影響を完全に排除することは難しい。
本発明は、光センシングシステムにおいて太陽光による外乱を完全に排除しようとしてなされたものであり、投光器と受光器からなる太陽光の外乱を受けない光センシングシステムを提供することを目的とし、さらに、カメラによる対象物の検出などにおいて、太陽光による外乱を受けず安定した検出システムを提供することを目的とする。

本発明は、受光器及びCCDカメラの動作において太陽光の影響を完全に排除するために、太陽光線には含まれない波長の光線を利用することにより解決できることを見出したものであり、以下の特徴を有するものである。
本発明の請求項１に記載の光センシングシステムは、
太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源を具備した投光器と、
該波長の光線のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備した受光器とを有する、太陽光の外乱を受けないものであることを特徴とする。
請求項２に記載の光センシングシステムは、
太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源と該波長のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備した投光器と、
該波長の光線のみを選択的に通過させる光フィルターを具備した受光器とを有することを特徴とする。
請求項３に記載の光センシングシステムは、
太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源を具備した投光器を用いて対象物へ投光し、
前記対象物からの反射光又は透過光のうちで該波長の光線のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備するカメラにより、
該対象物を検出することを特徴とする。
請求項４に記載の光センシングシステムは、
太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源と該波長のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備した投光器を用いて対象物へ投光し、
前記対象物からの反射光又は透過光のうちで該波長の光線のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備するカメラにより、該対象物を検出することを特徴とする。
請求項５に記載の光センシングシステムは、請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記暗線に相当する波長がフラウンホーファー線の波長であることを特徴とする。

本発明の光センシングシステムによれば、投光器と受光器による物体検出において、太陽光線にはない波長の光線を用いることにより太陽光の外乱による誤動作を完全に排除できる。特にＣＣＤカメラなどを用いた撮像において、昼夜で強度の変動が避けられない太陽光線の影響を受けることなく対象物を撮像でき、常に一定の精度をもつ安定した画像を得ることが出来る。

太陽光線は、地球に到達するまでに色々なガス体を通過する。このときガスの種類に応じて、特定の波長を吸収するため太陽光線をプリズム（回折格子）に通すと連続したスペクトル帯の中に暗線群があらわれる。これに相当する波長の光は、存在しないか極めて強度が小さいことがわかっている。これらの暗線を発見者にちなんでフラウンホーファー線と呼んでいる。図３は太陽光線を、プリズム２１で分光したときに出現する暗線２３すなわちフラウンホーファー線の内、ナトリウム原子の吸収による２つの波長を例示したものである。
太陽光線には、主なものに、Ｈ（６５６ｎｍおよび４８６ｎｍ）、Ｎａ(５８９ｎｍおよび５９０ｎｍ)、Ｃａ（４２３ｎｍ）、Ｆｅ（４９６ｎｍ）などの吸収線があり、本発明ではこれらの波長の光線を太陽光線の外乱を受けない光線として光センシングシステムに利用するものである。
これらの暗線に相当する波長の光線のみで作動する光センシングシステムは、太陽光線の外乱に全く影響されない。

フラウンホーファー線の中で赤色、緑色、青色に相当する波長光のみをＣＣＤ受光面させる為に、それぞれの波長光のみを選択透過する３枚の光フィルターからの３色の透過光を、合成することにより太陽光線の外乱をなくしたカラー画像を得ることが出来る。この場合、投光器に用いる光源は３色の波長を発光する必要があるため、連続スペクトルをもつ白熱灯が好適に用いられる。

図４は、太陽光スペクトルの暗線に相当する波長として５８９ｎｍを利用した場合の本発明の光センシングシステム構成例である。
光源２には、ナトリウムランプを使用する。ナトリウムランプはアルゴンガスと共に金属ナトリウムが封じ込められている。放電とともに気化し、ナトリウム原子となって５８９ｎｍ（Ｄ線と呼ばれている）の波長光を放出する。この光は可視光線の黄色光に相当するが、黄色に見える光のうち５８９ｎｍの波長しか含まないということに特徴をもっている。一方、受光器５の前面には５８９ｎｍの波長のみを選択透過する光フィルター９が配設さているから、受光器５には太陽光線が入光することはなく光源２からの波長５８９ｎｍの光線３のみ入光する。

したがって、受光器５内のフォトセル４への入射光は投光器からの波長５８９ｎｍの光線のみに限定されるから、受光器の閾値設定において太陽光線の変動によるの影響を考慮する必要はなく、検出対象物６の位置判定は受光器５における波長５８９ｎｍの光線の検出有無と確実に連動させることが出来る。

図５は、投光器１の光源２として白熱灯を用いた場合の本発明の実施形態である。白熱灯は、広範囲の波長を含む連続スペクトル光線を発光するから、光フィルター９ａを投光器前面に配設し、太陽光スペクトルの暗線に相当する波長の内の特定波長のみを選択透過させるようにする。このように投光器前面に光フィルター９ａを配設することにより、太陽光スペクトルの暗線に相当する任意の波長を選択して、本発明の光センシングシステムの光線として利用できる。

本発明において、特定の波長のみの光線を受光するために光フィルター（干渉フィルター）が使用される。この光フィルターとは、誘電体の多層薄膜で構成された光学素子で、プリズムや回折格子など分散素子を要することなく、数ｎｍもしくはそれ以下のバンド幅で波長を分離できる特徴を有しているものをいう。例えば、メレスグリオ社のバンドパスフィルターやエタロンなどを用いることができる。
このように、光線の中から唯１本のスペクトル線を純粋に抽出できる光学素子であれば、本発明で光フィルターとして用いることができる。例えば、回折格子、プリズムなどももちろん用いることができ、本発明の光学素子として排除するものではない。

また、図６に示すように、本発明の光センシングシステムは、屋外でＣＣＤセンサーなどを用いたカメラを使用して監視などの目的で物体を撮像する場合においても、太陽光線の物体からの反射光と波長５９０ｎｍの光線の物体からの反射光が混合した反射光線を、波長５９０ｎｍの光線以外は通さない光フィルターを通過させてカメラで撮像し、太陽光の影などを除去した撮像画像を得ることができる。
すなわち、時間的に変化する太陽光の外乱（この例では影）を除去した画像をカメラで一定時間間隔で撮像し、その変化を画像処理装置で演算することにより、監視・観察対象物の変化や動きを精密にとらえることができる。

本発明によれば、入手容易な通常の白熱灯、ナトリウムランプ、光フィルターなどを使用することにより投光器と受光器による物体検出や、ＣＣＤカメラによる撮像において、太陽光線にはない波長の光線を使用することにより太陽光の外乱による誤検出を完全に排除した監視・観察ができる。

投光器と受光器を用いた、光線が検出対象物による遮断により受光器に届かなくなることで検出対象物の存在を判定する従来の光センシングシステムの説明図である。 屋外にある特定の物を、ＣＣＤカメラで撮像し監視する場合においても、太陽光線は閾値に影響する外乱要因となることの説明図である。 地球に到達するまでに各種ガスにより吸収現象が起こり、太陽光線をプリズムにより分光すると連続スペクトルにおいて暗線と呼ばれる特定波長の欠落が生じることの説明図である。 投光器の光源として太陽光スペクトルの暗線に相当するナトリウムランプ光線（波長５８９ｎｍ）を利用した場合の本発明の実施形態を示した説明図である。 投光器の光源として白熱灯を用いた場合の本発明の実施形態を示した説明図である。 屋外でＣＣＤセンサーなどを用いたカメラを使用して監視などの目的で物体を撮像する場合の本発明の実施形態を示した説明図である。

符号の説明

１ 投光器
２ 光源
３ 光線
４ フォトセル
５ 受光器
６ 検出対象物（自動車）
７ 太陽
８ 太陽光線
８a 太陽光線の反射光
８b 太陽光線のＣＣＤカメラへの入射光
９ 光フィルター
９a 投光器前面の光フィルター
１０ 撮像対象物
１１ ＣＣＤカメラ
２０ ガス体
２１ プリズム
２２ スペクトル像
２３ 暗線（フラウンホーファー線）

Claims (5)

1. 太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源を具備した投光器と、
   該波長の光線のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備した受光器とを有する、太陽光の外乱を受けない光センシングシステム。
2. 太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源と該波長のみを具備した投光器と、
   該波長の光線のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備した受光器とを有する、太陽光の外乱を受けない光センシングシステム。
3. 太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源を具備した投光器を用いて対象物へ投光し、
   前記対象物からの反射光又は透過光のうちで該波長の光線のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備するカメラにより、
   該対象物を検出することを特徴とする太陽光の外乱を受けない光センシングシステム。
4. 太陽光スペクトルで観察される暗線に相当する波長を含む光線を発光する光源と該波長のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備した投光器を用いて対象物へ投光し、
   前記対象物からの反射光又は透過光のうちで該波長の光線のみを選択する光フィルター等の光学素子を具備するカメラにより、
   該対象物を検出することを特徴とする太陽光の外乱を受けない光センシングシステム。
5. 前記暗線に相当する波長がフラウンホーファー線の波長である請求項１〜４のいずれかに記載の光センシングシステム。