JP2008519965A - 粒子検出器、システムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、画像捕捉手段（１４）、例えば、屋外空間（１２）に存在する粒子（３０）、例えば、煙粒子を検出するための１つ又はそれ以上のビデオカメラ及び／又は光学素子、との組合せによる、１つ又はそれ以上の発射ビームの放射（１６）、例えば、レーザビームの使用を提供する。

Description

本出願は、オーストラリア仮(Provisional)特許出願番号第２００４９０６４８８号、２００４年１１月１２日出願、名称「粒子検出器、システムおよび方法」の優先権を主張するものであり、その明細書は参照により全体がここに組み込まれる。
本発明は、改良したセンサ装置および改良したセンシング方法に関する。特に、本発明は、改良した粒子検出器および粒子検出方法に関する。ここでは、屋外空間（１２）に存在する粒子を検出するために、１つ又はそれ以上の発射ビームの放射（１６）、例えば、レーザビームの使用に関連付けて本発明を説明することのが好都合であるが、本発明はその使用のみに限定されないと理解すべきである。
本明細書を通じて、用語「発明者」の単数形の使用は、本発明の１人（単数）または全て（複数）の発明者を参照することがある。発明者は、下記の先行技術を確認している。例えば、室内、建物、囲い地または屋外空間(open space)などの領域にある粒子を検出する方法は幾つかある。幾つかの方法は、その領域から空気をサンプリングし、サンプリングした空気を検出器チャンバに通過させることを要し、粒子を検出して、対象となる領域での、例えば、煙の量を推定する。こうした装置は、本出願人が販売している、ＶＥＳＤＡ（登録商標）ＬａｓｅｒＰＬＵＳ（登録商標）煙検出器などのような、吸引煙検出器が例示される。
他の検出器は、対象領域に設置され、センサに隣接した粒子を検出するセンサを使用する。こうした検出器の例は、ポイント検出器であり、空気が発光器(emitter)とセンサとの間を通過し、対象領域において粒子が直接検出される。
もし粒子が、サンプリング地点（吸引検出器の）に入らない場合やポイント検出器のセンサおよび発光器の間を通過しない場合は、粒子は検出されない。多くの建物は、ある領域から空気を取り出すための空気操作手段、例えば、空調(air-conditioning)などを採用しているため、浮遊した粒子は、検出される保証は無く、むしろ空気操作ダクトを経由してその領域から出て行くようになる。
ポイント検出器またはサンプル地点および連結チューブを配置するのに適した場所でないような、室外エリアまたは大規模の室内エリアで粒子を検出する上記方法を使用することは極めて困難になる。
煙などを検出するために用いられる他のデバイスは、例えば、米国特許第３９２４２５２号（ダストン(Duston)）で開示された検出器を含み、これは、レーザおよびフォトダイオードを使用して、粒子から散乱した光を検出する。このデバイスは、コーナーリフレクタを使用し、光を発光器に戻り反射される。ダストン(Duston)は、ビームが発射されているか、阻止されているかを検出するフィードバック回路を必要とする。
他のタイプの検出器は、「ビーム検出器」として知られており、これは投射光の中に浮遊する煙粒子によって生じた投射光源からの信号の強度の減衰を測定する。ダストンにおいて開示された、これらの検出器、即ち、ビーム検出器および検出器は、比較的低い感度を有し、照射領域内での全体の減衰を測定可能なだけである。
上記の検出器は、例えば、室内部屋、大型室内アリーナ、室外エリアなどを有する監視エリアで発射された放射の使用により粒子を検出しようとする場合、直面する多くの困難さに言及する必要がある。これらの困難さの幾つかは、下記のものを含む。
発射された放射および、発射された放射及び／又は散乱した放射を検出するための手段を用意するために設備の設置および運転が煩雑である。特に、こうした設備が、監視される環境に邪魔になり、例えば、設備へ制御、通信および電力を供給するための配線などのために複雑な接続が必要になるであろう。さらに、設備の設置及び／又は運転のために、特定の技能を持つ多くの技術者が必要になる。
いったん設置及び／又は運転すると、こうした設備は、測定の不正確さを引き起こすドリフトやミスアラインメントなどをもたらす監視される環境の一部を形成する環境条件に対して敏感になる。さらに、監視される環境で普通に発生し得るアラーム条件に関連しない環境条件およびイベントが存在し、粒子を検出する際、誤りアラームをもたらす。
大きな部屋やエリアで粒子を検出することが望ましく、必要とする物理的距離は、粒子を検出する効率に影響を持つ上記の環境条件およびイベントの可能性の増加をもたらし、必要とする距離は、放射が進行する経路長さに関連しており、それ自体、高い感度および許容誤差を持つ設備を必要とする。
例えば、浮遊ダスト(airborne dust)など、不要な(nuisance)粒子が、監視される環境に存在して、火災発生の脅威が実際に無い場合でも、誤りアラームを生じさせるかもしれない。例えば、煙粒子は、例えば、いぶり燃焼(smouldering)火災では、熱分解の結果として発生するものである。一方、不要粒子は、例えば、機械的または生物学プロセスによって、潜在的な火災の脅威が無くても発生し得る。
光散乱特性は、粒子サイズ分布に関係している。多くのタイプの煙および多くのタイプの不要粒子が存在しており、これらの粒子サイズ分布はしばしばオーバーラップしている。材料の回収および化学分析を行わずに、エアロゾル(aerosols)中に見つかるような、個々の粒子物質または複数の粒子物質を化学的に識別するための光散乱セルを用いる光散乱方法および装置が、米国特許第３９０１６０２号（グラバット(Gravatt Jr)）に開示されている。
グラバットによれば、単一粒子分析の場合、平面偏光した光が粒子に衝突して、特定の角度範囲の偏光面に散乱した光の強度が測定される。強度は、粒子の吸収係数およびそのサイズに関係している。複数粒子分析では、偏光面に対して垂直な面に散乱した光の強度も測定され、粒子物質の合計数を決定する。この情報は、最初の散乱光ビームの強度測定を正規化するために使用できる。煙検出器は、複数粒子分析技術を実用化した装置としてグラバットによって提示され、同様な密度の非火災生成のエアロゾルからの干渉なしで、火災生成のエアロゾルが検出可能になる。
本明細書において、文献、デバイス、振る舞いまたは知識の何れの議論も、本発明の内容を説明するために包含される。
何れの資料も、オーストラリアまたは他の場所において、ここでの開示またはクレームの優先日以前に、先行技術の基礎または関連した先行技術における普通の一般的知識の一部を形成するものと容認すべきである。
本発明の目的は、先行技術の配置の少なくとも１つの不具合を解消するための方法および装置を提供することである。
一態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に放射ビームを発射することと、
画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものであり、
発射ステップおよび検出ステップは、発射ビームのパワーレベルと間接的に比例した関係に従って、放射ビームのオン期間および画像捕捉手段の露出期間を決定することを含む。
他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に放射ビームを発射することと、
画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものであり、
該方法は、対象粒子の存在以外のイベントに対応した、検出画像における１つ又はそれ以上の変動および変動の原因を軽減するステップをさらに含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に放射ビームを発射することと、
画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものであり、
該方法は、検出ステップを行うためのプローブを用いて、発射ビームを探査(probing)するステップをさらに含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に放射ビームを発射することと、
画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものであり、
該方法は、ビームを複数のセグメントに分割するステップと、
各ビームセグメントについて画像変動を決定するステップと、
各セグメントについて決定した画像変動を制御ポイントへ提供して、複数のポイント粒子検出器をシミュレーションするステップとをさらに含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に放射ビームを発射することと、
画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものであり、
該方法は、監視される領域内の空間での予め定めた幾何学ポイントの位置を決定するステップをさらに含む。
さらに他の態様において、本発明は、光源と画像捕捉手段の間で同期をとるための方法を提供するものであり、これは、
光源を、所定のレートでオンオフさせることと、
光源を、画像捕捉手段によって捕捉された１つ又はそれ以上のビデオ画像において識別することと、
画像捕捉手段のフレームレートを連続的に変更して、同期をとることとを含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に第１の放射ビームを発射することと、
第１の画像捕捉デバイスを用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものであり、画像変動は、後方散乱放射に対応している。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に第１の放射ビームを発射することと、
画像捕捉デバイスを用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものであり、
該方法は、ビーム中への切迫した侵入を検出するために、少なくとも１つの追加ビームを第１のビームに近接するように設けることをさらに含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、
放射ビームおよび画像変動を検出する手段のうち少なくとも１つは、データ通信するようにしている。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
検出した画像での歪みを補正することとを含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
画像部分を選択的に分解するために、検出した画像に対して重み関数を適用することとを含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に、複数の放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
ビームについて動作の順序付けを行うこととを含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に、放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
放射源および画像検出手段のうち少なくとも１つを、制御により位置決めされるよう適合させることとを含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に、放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、
画像は、少なくとも２つの位置に配置された画像検出器によって検出される。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に、放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
放射ビームを管理することとを含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に、放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
検出されたビームの中心部をマスクして、画像変動の検出を向上させることとを含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に、放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
監視される領域の画像を捕捉するための画像捕捉手段の動作を検査することとを含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
監視される領域に、放射ビームを発射することと、
粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
検出した画像を評価して、検出した画像変動との干渉を補正することとを含む。
さらに他の態様において、本発明は、粒子検出装置を提供するものであり、これは、
所定の命令セットに従って動作するようにしたプロセッサ手段を備え、
該装置は、前記命令セットに関連して、ここで開示したような１つ又はそれ以上の方法を実行するようにした。
本発明の他の態様、好ましい特徴および利点は、明細書で開示され、及び／又は添付の請求項で定義されており、本発明の説明の一部を形成する。
さらに、本発明の適用可能性の範囲は、以下の詳細な説明から明らかとなろう。
しかしながら、詳細な説明および具体的な例は、本発明の好ましい実施形態を示すとともに、例示のためだけに提供されたと理解すべきである。本発明の精神および範囲内の種々の変化および変更は、この詳細な説明から当業者にとって明らかとなろう。
本発明の更なる開示、改良、利点、特徴および態様は、添付した図面に関連した好ましい実施形態の下記説明を参照することで、当業者により良く理解されるであろう。図面は、例示のためだけに提供され、本発明の範囲を制限するものではない。
本発明の好ましい実施形態において、粒子を検出するための方法および装置が提供され、これは、監視される領域に放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含む。特に、本発明の実施形態は、粒子の場所の指示を提供する。本質的には、本発明の実施形態は、粒子検出システムを提供するものであり、これは、検出した粒子のアドレス指定可能性(addressability)、即ち、監視される環境をサンプリングしたり、粒子検出のために環境内で便利な場所に検出器を設置する必要性なしで、直接検出によってこれらの位置を提供する。
放射ビームは、１つ又はそれ以上の光源から発射される１つ又はそれ以上の光ビームでもよく、監視される領域またはゾーンの画像変動が、カメラ等の１つ又はそれ以上の画像捕捉デバイスによって検出可能である。
本発明のより好ましい実施形態において、コンピュータプログラム製品が提供され、これは、コンピュータ読み取り可能なプログラムコードを有するコンピュータ利用可能な媒体と、データ処理システム内で、粒子検出用の前記媒体に組み込まれたコンピュータ読み取り可能なシステムコードとを備え、前記コンピュータプログラム製品は、ここで開示するような方法ステップを実行するために、前記コンピュータ利用可能な媒体内にコンピュータ読み取り可能なコードを備えている。
特定の形態において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、監視される領域に放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、該方法は、放射ビームを変調するステップをさらに含む。
好ましい実施形態の方法および特徴を具体化する更なるステップは、監視される領域の対応したゾーンを表現する、画像内で対象エリアを識別することを含んでもよい。
ゾーン内での散乱した放射は、対応する画像の１つ又はそれ以上のセグメント内で表現してもよく、領域における粒子の場所の識別を可能にする。粒子の場所は、発射した放射源の場所、発射した放射の方向、および画像検出ポイントの間の幾何学的関係に従って決定することができ、幾何学的関係は画像から決定される。
検出した変動は、散乱した放射強度での増加でもよい。散乱した放射強度での増加は、閾値を参照して評価できる。散乱した放射強度での増加は、画像から統合した強度値を平均化することによって計算できる。
該方法は、領域内での異なる空間位置について異なる閾値を割り当てることを含んでもよい。該方法は、放射をある経路に沿って方向付けすることと、画像内でターゲットを識別することとを含んでもよく、ターゲットは、放射が、領域内の物体表面でどの位置に入射しているかを表現するものである。
画像内のターゲットの場所は、監視してもよく、放射の発射は、ターゲットの場所の変化に応じて停止してもよい。
該方法は、画像内で発光器の場所を識別することをさらに含んでもよい。さらに、該方法は、識別した発光器の場所での放射強度に基づいて、発光器の動作条件を決定することを含んでもよい。画像は、フレームとして処理してもよく、これは複数のセクションに分割され、監視される領域内での空間位置を表現する。さらに、該方法は、画像の関連したセクションでの強度レベルを監視することと、領域内での異なる空間位置について異なる閾値を割り当てることとを含んでもよく、これは、関連したセクションに対応している。
他の具体化した形態において、本発明は、領域を監視するための装置を提供することができ、これは、少なくとも１つの所定の特性を有する放射ビームを領域に方向付けるための発光器と、
少なくとも１つの領域の画像を取得するための画像捕捉デバイスと、
少なくとも１つの画像を解析して、領域内での粒子の存在を示すような、画像間での少なくとも１つの特性の存在または変動を検出するためのプロセッサとを備える。
プロセッサは、発光器、方向付けた放射ビームおよび画像捕捉デバイスの場所間の幾何学的関係に従って、粒子の場所を決定するようにすることができ、幾何学的関係は、解析した画像から決定される。
該装置は、個々の異なるビーム経路に沿って放射を方向付けるように配置された、複数の発光器を備えてもよい。該装置は、画像捕捉デバイスが、他の光源からの放射より優先して、発光器からの放射を捕捉するようにするための１つ又はそれ以上のフィルタをさらに備えてもよい。
フィルタは、１つ又はそれ以上でもよく、下記の組合せでもよい。
時間(temporal)フィルタ。
空間フィルタ。
バンドパスフィルタ。
偏光フィルタ。
画像捕捉デバイスは、好ましくは、アッテネータを備える。アッテネータは、可変アパーチャデバイスを備えてもよい。複数の画像捕捉デバイスを使用してもよい。好ましくは、画像捕捉デバイスはカメラを備える。発光器がレーザを備えることも好ましい。
さらに好ましい形態において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、放射源および放射ビームの経路の少なくとも一部が見えるように、第１の画像捕捉デバイスを設置することを含み、放射ビームの経路を決定するステップと、
放射源の位置をプロセッサへ伝達するステップと、
放射ビームの衝突ポイントが見えるように、第２の画像捕捉デバイスを設置するステップと、
衝突ポイントの関連した位置情報をプロセッサへ伝達するステップと、
放射源の位置および衝突ポイントの位置情報の間の幾何学的関係に従って、ビームの経路を決定するステップとを含む。
他の好ましい形態において、本発明は、粒子検出方法を提供するものであり、これは、
ビーム源の位置である第１のポイントを配置することを含み、画像捕捉デバイスを用いて、放射ビームの経路を含む対象となる領域を決定するステップと、
画像捕捉デバイスの視野と放射ビームの交差部である第２のポイントを配置して、第１および第２のポイントに従って、ビームの経路を決定するステップと、
決定したビーム経路を含む対象となる領域を計算するステップとを含む。
第２のポイントを配置するステップは、少なくとも１つの実質的または部分的に透明なプローブを用いて実行してもよく、該プローブは、いったん配置すると、ビーム経路から除去されることが好ましい。
さらに他の好ましい形態において、本発明は、粒子のレベル、特に、対象となる領域において１つ又はそれ以上の部分領域での煙粒子を検出する方法を提供するものであり、
領域内で放射ビームを方向付けることと、
画像捕捉デバイスを用いて、ビーム経路の少なくとも一部の視野を選択することと、
画像捕捉デバイスに対して、放射源の場所を決定することと、
画像捕捉デバイスに対して、ビームの方向を決定することと、
放射ビームを複数のセグメントに分割することと、
セグメントと画像捕捉デバイスの間の幾何学的関係を決定することと、
幾何学的関係を考慮するように、各セグメントについて、画像捕捉デバイスで受けた光のレベルを調整することと、を含む。
セグメントは、少なくとも１つの画素を備えてもよく、セグメントは、好ましくは、粒子検出用の部分領域を形成するようにグループ化されている。
好ましい形態において、本発明は、粒子を検出するようにした装置を提供するものであり、前記装置は、所定の命令セットに従って動作するようにしたプロセッサ手段を備え、前記装置は、前記所定の命令セットと関連して、ここで開示するような方法ステップを実行するように適合している。
本発明の実施形態において、コンピュータプログラム製品が提供され、これは、コンピュータ読み取り可能なプログラムコードを有するコンピュータ利用可能な媒体と、データ処理システム内で、粒子検出用の前記媒体に組み込まれたコンピュータ読み取り可能なシステムコードとを備え、前記コンピュータプログラム製品は、ここで開示するような方法ステップを実行するために、前記コンピュータ利用可能な媒体内にコンピュータ読み取り可能なコードを備えている。
図１において、粒子検出器１０の一実施形態を示している。検出器１０は、監視すべき領域１２内に配置される。この領域は、部屋、スタジアム、通路または他のエリアである。この領域は、必ずしも、囲まれていたり、室内である必要はない。
画像捕捉デバイス１４は、発光器１６からの電磁放射を包含する部分を含む、領域１２の少なくとも一部を観察している。画像捕捉デバイス１４は、カメラ、または、例えば、フォトダイオードやＣＣＤなどの指向性感度の電磁受光器を形成するような１つ又はそれ以上のデバイスでもよい。
好ましい実施形態では、画像捕捉デバイス１４は、カメラである。本実施形態では、カメラ１４が、全フレームキャプチャを用いて、画像を取り込み、アナログビデオ情報を通信リンク１８に沿ってプロセッサ２０へ送信する。
必ずしも全フレームキャプチャを用いる必要はない。しかし、画像を取得する際の技術上の簡単さ、性能、および設置制限の最小化の点で全フレームキャプチャを使用することが好ましい。
当業者は理解できるように、ライン伝送カメラなどの他の画像捕捉デバイス１４を使用してもよく、ライン伝送カメラでは利用できない全フレームキャプチャの効率を補償するための方法を採用してもよい。他の通信リンク２２は、発光器１６とプロセッサ２０の間の接続を提供する。プロセッサ２０は、発光器１６の出力を制御したり、及び／又は、通信リンク２２を介して発光器１６の出力に関する情報を受信する。
代替として、発光器１６の状態は、カメラ１４によって検知してもよく、あるいは後述するように自動的に決定してもよく、これにより通信リンク２２が不要になる。好ましい実施形態では、発光器１６は、可視、赤外または他の適切な放射を発生するレーザである。レーザ１６は、レンズ２１と、視野絞り２３などの空間フィルタを組み込んでも構わない。
光ビームが均質な媒質を通過する場合、散乱は生じない。不規則なものが存在するば合いにのみ、ビームは散乱する。従って、煙粒子などの粒子の存在下では、レーザビームは散乱することになる。
さらに、好ましい実施形態によれば、レーザ１６は、例えば、レーザオンとレーザオフを所定の順序で変調してもよい。煙が存在しない場合、レーザビームを含む捕捉画像での画素の強度は、レーザの状態に関係なく同じである。煙が存在する場合、レーザ１６がオンしているときの捕捉画像の強度と、レーザ１６がオフになっているときの強度とは相違する。
光学フィルタは、図１において偏光フィルタ２４とバンドパスフィルタ２６の形態で示している。偏光フィルタ２４は、発光器１６から発射された電磁放射が通過できるように適合しており、背景光の一部がカメラ１４に入るのを防止している。これは、発光器１６が偏光した光を発射するレーザである場合に有用であり、偏光フィルタ２４は、レーザ光の最大透過を実現にするように、レーザビームの偏光角度で整列可能であり、典型的にはランダムまたは非偏光の光源である背景光の一部を除去する。これを達成するために、光源はレーザである必要はないことに留意する。
第２のフィルタ２６は、所定の周波数範囲（即ち、発光器１６からの電磁放射の周波数）内にある光のみを許容するバンドパスフィルタである。例えば、干渉フィルタまたは着色ゲルがバンドパスフィルタ２６として使用できる。バンドパスフィルタ（例えば、ほぼ６４０ｎｍ付近の光だけを許容する。その周波数の赤色レーザを用いる場合。）を用いることによって、かなりの背景光が除去されるようになり、領域１２中の空気に浮遊する粒子から散乱した光の相対強度を増加させる。
他のフィルタリング方法は、後述するように、レーザの変調と、システム構成要素に関する位置情報の利用を含む。
画像捕捉デバイスは、受光した放射を制御するためのアッテネータを使用してもよい。制御可能な減光フィルタ(neutral density filter)配置が使用できる。代替として、アッテネータは、可変アバーチャを用いて強度を制御する形態にできる。任意の調整可能な絞り(iris)２４ａが、露出レベルを制御するために使用できる。それは、設置の際に手動で設定可能であり、あるいは、システムは、入射光レベルに応じて露出を自動的に設定できる。この理由は、後続の処理で使用される視野の少なくとも一部分において、カメラの飽和を最小化または回避するためである。絞り２４ａは、機械的な絞り、またはＬＣＤ絞り、または他の何れの手段でもよく、カメラに入る光量を減少させる。ある種のカメラは、電子シャッタを組み込んでおり、この場合、シャッタ時間は、絞り２４ａの代わりに露出を制御するために使用できる。
空間フィルタ２４ｂも図示しており、これは、例えば、カメラ１４への入射光を効率的にマスキングするためのスリットを備えてもよい。例えば、スリットは、カメラ１４に入射し受光した光をマスクして、カメラ１４のレンズ面に投影される際、レーザビームの形状にほぼ一致するようにできる。部材２６，２４ａ，２４ｂ，２４は、いろいろな順番または組合せで物理的に配置してもよい。
使用の際、発光器１６からの赤色レーザ光などの電磁放射は、領域１２を通過し、壁または吸収体２８に衝突する。カメラ１４の視野は、レーザの経路の少なくとも一部を含み、任意には、壁または領域１２内で永久構造である他の物体でのレーザの衝突ポイントを含み、この場合、吸収体２８に衝突する。
レーザと交差する領域での空気中の粒子は、ここでは粒子雲３０で表現しており、レーザ光を散乱させるようになる。粒子から散乱した光の一部は、カメラ１４のセンサに入り込んで、検出されることになる。
図１に示した実施形態では、カメラ１４は、アナログ情報をプロセッサ２０のビデオキャプチャカード３２に出力する。ビデオキャプチャカード３２は、アナログ情報をデジタル情報に変換し、さらにコンピュータ３４によって処理される。処理は、コンピュータ３４上で実行するソフトウエア３６によって行われる。
好ましい実施形態では、処理は、捕捉画像を解釈するために実行され、画像面が、レーザビーム上の対応した位置に対応または写像されるようにしている。これは、いったんシステム構成要素の所定の場所または位置の情報が取得できれば、比較的明解な幾何学および三角法(trigonometry)によって達成できる。
他の実施形態では、ビデオキャプチャカード３２を必要とせず、データを取り込んで、デジタルでプロセッサ２０へ伝送するようなカメラ１４を使用することができる。さらに、カメラ１４、フィルタ２４，２６、プロセッサ２０および光源１６は、単一のユニットまたは複数のユニットに一体化しても構わない。さらに、少なくともプロセッサ２０の機能を提供するために、組み込みシステムを使用してもよい。
本実施形態では、データの形態で画像情報がプロセッサ２０に供給される場合には、多数のカメラ１４配置を使用してもよい。
図１に示す例では、発光器１６のパワーを変化させるために、レーザ変調器３８を使用している。パワーレベルは、照明条件に適合し、眼の安全性要求を満たし、オンオフ変調を提供するように、変化させてもよい。好ましい実施形態では、周囲の照明を克服すべく高出力レーザを、眼の安全性要求を満足するように短いパルスで使用してもよい。特に、より高いパワーのパルスレーザと、カメラにおいて相応に短縮化したシャッタ時間との組合せによって、周囲照明の影響を減少させることができる。
例えば、１ｍＷのレーザパワーで、４０ｍｓｅｃがオンで４０ｍｓｅｃがオフとなる通常のレーザパルスレートの場合、Ｆ５．６のＦ値は、４０ｍｓｅｃのフレーム当りのカメラ露出時間で必要な室内感度を与えるのに充分であると推定できる。
困難さは、室内輝度のＮ倍の輝度を持つ明るい太陽光は、感度を低下させる飽和を回避するために、カメラを絞る必要がある点である。一形態では、本発明は、カメラ露出時間をＮの倍数だけ減少させ、レーザオン時間を同じＮの倍数だけ減少させ、レーザパワーを同じＮの倍数だけ増加させる手法の実施形態を提供する。
レーザは、例えば、１２．５Ｈｚの同じ周波数でパルス動作し、平均レーザパワーが同じになるようにしても構わない。カメラフレームレートも、２５フレーム／秒としても構わない。同様に、ビームは、約５０Ｈｚまでパルス動作し、フレームレートは約１００フレーム／秒まで変化させても構わない。
その結果、カメラの露出時間が減少して、アパーチャを室内設定のままで維持しつつ、太陽光の周囲照明の強度を室内照明と同じレベルに戻すことができる。減少した露出時間中でより高いレーザパワーは、粒子検出感度が室内と同じになることを意味する。
眼の安全性基準に関して、より高いパワーのパルスレーザが受け入れ可能であるかが問題となる。これに回答するには、本発明の１つの好ましい態様が、通常のカメラフレーム時間より短い期間だけ、カメラのシャッタ開放時間と同期して、主たる光ビームが都合よくパルスオンするものを提供している。
これは、より高い出力光パワーレベルが使用できる点と、増加したカメラアパーチャを提供し、高い周囲照明によるカメラの飽和を回避している。これにより、システムは、高い周囲照明条件で満足に機能することができ、世界の様々な領域で立法化されている眼の安全性基準に適合できる。眼の安全性基準は、ピークレーザパワーが、減少したデューティサイクルでは増えるようにして、人の居るオープンエリアで使用できるレーザパワーを規定している。例えば、工業規格は、４０ｍｓのオン期間で、１２．５Ｈｚ（標準的な２５Ｈｚカメラフレームレートの半分）で動作するクラス２の可視レーザを許可しており、１．１８ｍＷのピーク出力パワーを有する。
一実施形態では、同じレーザが、０．１ｍｓの減少したオン期間で動作すると、５．２６ｍＷで動作しても構わない。これらの状況下で、システムの感度は、増加した周囲照明に対して４倍以上の許容範囲で維持できる。
同様に、オン期間が１００ｍｓまで延びたり、実際に、かなり低いピークパワーについて約数秒の期間まで延びてもよい。代替として、ピーク出力パワーは５００ｍＷまで上げて、相応により短いオン期間とすることができ、代わりの形態では、ビームのオン期間は、カメラの露出時間より大きいか、これに等しくしてもよい。
図１に示すカメラ１４は、毎秒３０フレームを取り込むことができね、発光器１６は、１フレームでオンし、次のフレームでオフとなるように繰り返す。ある領域での光量は、各フレームごとに検知され、ある領域での光合計は、レーザがオフになると、レーザがオンのときに受光した光合計から引き算される。その合計は、幾つかのフレームについて行ってもよい。
レーザがオンのときに受光した光合計と、レーザがオフのときに受光した光との差分が、この領域での散乱量の測定値として採用される。アラームとして動作するには、閾値の差分が設定され、この差分が超えた場合に、アラームを起動してもよい。こうして検出器１０は、粒子検出器として動作することができる。粒子からの散乱光の測定は、ある領域で煙が存在するかを決定する方法としても知られており、検出器１０は、煙検出器として使用できる。
検出器１０は、アラームまたは予備アラームの状態を示す前に、測定した散乱が所定の閾値を超えるまで、予め定めた期間だけ待機するように設定してもよい。検出器１０についてアラームまたは予備アラームの状態を決定する手法は、チャンバ内でレーザを用いた吸引煙検出器、例えば、ビジョン・ファイア・アンド・セキュリティ・プティ社(Vision Fire and Security Pty Ltd)が販売するＶＥＳＤＡ（登録商標）ＬａｓｅｒＰＬＵＳ（登録商標）の煙検出器などで用いる方法と類似してもよい。
図２は、図１の実施形態の平面図を示す。カメラ１４は視野θを有し、この場合、領域１２のほぼ全てをカバーしており、これは建物内の部屋でも構わない。発光器１６からの光は、おおよそカメラ１４に向けて方向付けされているが、直接にレンズには向いていない。従って、カメラ１４と発光器１６の間の仮想ラインおよびレーザビームの方向によって定まる角度が存在する。この角度は、図２中で角度ｚで示すような水平面内、及び／又は、図１中の角度ｘで示すような垂直面内にある。
レーザビームは、カメラレンズに直接に衝突しない。にもかかわらず、図３に示すように、レーザビームの経路はカメラ１４の視野内にあることになる。
（物理システムの変形）
幾つかの状況では、多数の発光をシステム内で使用することが望ましい。これは、規則に適合し、バックアップを用意し、あるいは単一発光器でカバーできるより大きなエリアをカバーするのを支援する。
大きなエリアの対象範囲が必要になる場合、多数の発光器を使用することが可能であり、ある領域内で多くの異なる場所で煙が検出できるようになる。
図９は、カメラ５０が、部屋５２などの領域内に設置された配置を示す。大きなエリアを横断して検出が必要である場合、複数のレーザ５４，５５が部屋の周囲に広がって、対象範囲を提供している。図９は、ポイント５６を狙ったグループ５４からの発光器と、ポイント５７を狙ったグループ５５からの発光器に２つのグループにグループ分けした発光器を示す。
カメラ５０は、視野にポイント５６，５７を有してもよく、ポイント５６，５７は見えなくてもよい。ポイント５６，５７の画像をカメラ５０の視野、例えば、カメラ５０の前方に配置された後方確認(rear view)ミラー（図９は不図示）に投影するような光学配置によって、カメラ５０は、視野にポイント５６，５７を有してもよい。同様に、プリズムまたは他の光学システムも、この結果を達成できる。
さらに、発光器５４，５５は、全て同時にオンになってもよく、あるいは周期的でもよく、カメラ５０が、放射の到達するポイントを検出可能である場合、カメラで検出される放射は、発光器が動作して妨害されていないことを確認するために使用できる。
個々の発光器の検出は、これらが、順番にあるいは線形従属でない任意の順番のパターンで、オンとオフに切り替わった場合に可能であり、タイミング情報を用いて、何れの時点でどの発光器がオンであるかを検出することができる。
さらに、どの発光器が点灯したかを知ることにより、検出器は、保護すべきエリア内で部分領域を局所化して、何れか検出される粒子が部分領域に対してどこに配置されたかを確認することができる。実際、粒子によって散乱されたビームが決定できる。
発光器５４，５５は、ターゲット５６，５７に対して全て交差する必要はなく、多数のターゲットに沿って分布してもよく、他のターゲットに対して相互に交錯してもよい。
代替例を図１０に示しおり、レーザ５８，５９がカメラ６０から遠ざかるように向いている。カメラ６０は、壁にポイント６１，６２で衝突するレーザ光からの光を検出できる。これらのポイントのいずれかが消失した場合、検出器システムは、いずれかのレーザが故障したり、何かがレーザ光の経路を妨害していることを認識する。もしレーザが妨害されている場合、一般には、レーザ光を妨害する物体が光を反射するようになり、レーザスポットが既知のターゲットエリア、即ち、元のポイント６１，６２からシフトすることになる。
カメラは、スポットのシフトを検出可能であり、アラームを発生したり、レーザを停止する。これは、特に、レーザが眼の安全を考慮していない場合に重要になる。不具合を検出できる他の手段は、クモの巣などの擬似物体がビームと交差した場合、発射した放射の散乱を発生する場合である。天井から床面へ降下するときに、通常、クモがぶら下がっているクモの糸は、不要な物体の例であり、これは、通常の照明条件ではしばしば人間の眼に見えないが、本発明のシステムによって容易に検出でき、アラーム応答を必要とする粒子密度と同等な信号を容易に発生することができる。
ビーム中に浮遊し得る他の不要材料は、小売やクリスマス装飾などの装飾などの応用で、天井から標識および警告掲示を吊り下げるためにしばしば用いられるナイロンラインを含む。もし標識または装飾自体がビームの高さで吊り下がっていれば、必然的にアラームまたは不具合を識別して報告するが、単なる支持する糸だけではアラームを報告することは望しくない。
クモの巣などの物体や他の同様な材料から散乱される何れの信号は、煙などの対象粒子より鋭い空間的変化(transitions)を受ける。クモの巣などの細かい物体は、偏光回転に対して感度があることに留意する。動作の際、少量の固体がレーザビームに進入して、実際に停止したままになと、かなりの量の光散乱を発生し、煙に起因したものとして誤って識別され、誤アラームを生じさせることがある。
この問題を処理するために、幾つかの方法が用いられる。
一実施形態では、レーザビーム直径を広くして、細かい繊維がビーム断面積の小さい部分とだけ交差するようにし、アラーム閾値を下回る小さな信号だけを発生する。この小さな信号がある期間（例えば、２時間またはそれ以上の時定数）一定のままであれば、それをその場所から得られる読み取り信号から引き算し、長期の較正精度を維持することができる。
他の実施形態では、発射ビームの時々の移動、例えば、発光器を横方向に並進させることによって、散乱した放射の誤り検出を予防することができる。発射ビームは、ビーム伝搬方向に垂直な方向に並進させることができる。特に、レーザビームは、瞬間的に移動(pan)して、不要信号の場所で、例えば、５０ｍｍの横変位を付与できる。もし散乱が煙によって生じていれば、信号は、ビームの移動とともに殆ど変化しないであろう。もし吊り下げ糸などが信号を発生していれば、信号は鋭く変化することになる。
図１０において、第２のカメラ６３を示しており、これはシステムに接続可能であり、追加の視野を提供する。２つのカメラを用いると、単一のカメラを使用したたときより正確な、煙エリア位置決め手段を実現できる。追加の視野は、同じ微粒子材料について異なる散乱角に関する散乱情報を提供する。このデータは、異なる粒子サイズ分布または散乱特性を持つ材料間を区別するために使用できる。これは、続いて、例えば、ダストなど、誤アラームを発生し得る不要粒子に対するシステム感度を減少させるために使用可能である。
１つ又はそれ以上の発光器の使用の場合、散乱角の変化、発射した放射の波長、偏光回転、観測した散乱の偏光面、発射および検出のタイミングの変化の全ては、異なるタイプの粒子を区別するための手段を提供する。
より大きい粒子（しばしばダストと関連する）は、より小さい粒子（通常、火災で発生）より、よく前方散乱すると仮定すると、粒子タイプの決定が可能である。発射した放射経路の特定のセグメントについて側方散乱より大きい前方散乱がある場合、その特定のセグメントでの粒子密度は大きい粒子の割合からなると解釈でき、これを他のセグメントまたは他の時間と比較して、粒子を第１の場所に存在させるイベントの特性を推定するのに有用となる。
特定の実施形態では、散乱角を利用することによって、ダスト除去が可能である。この態様では、レーザビーム当り２つのカメラを使用でき、一方は極めて浅い角度（例えば、１度）で、他方はより大きい角度（例えば、３０度）にする。第１のカメラは、大きな粒子（ダスト）に対してより大きい感度を有することになる。その読み取りの割合は、他方のカメラから引き算することで、ダストに対する感度を減少されることができる。浮遊粒子から散乱した光の特性を解析し、煙タイプの範囲および不要粒子に関する既知の散乱特性と比較すれば、誤アラームの発生率は巧みに低減できる。
本発明は、これらの特性を決定する方法を提供するものであり、角度を変化させながら散乱光信号の強度、偏光面および波長の測定を含む。
図１１ａにおいて、カメラ６４は、部屋を横断する２つのレーザ６５，６６を観察している。図１１ｂは、カメラ６７に向けて再反射するレーザを使用して、より良好な部屋の対象範囲を提供し、前方および後方の散乱光の両方を捕捉する。
本実施形態では、プロセッサ１０は、ペンティアム４チップ、ウインドウズ２０００オペレーティングシステムが動くパーソナルコンピュータを備える。
本実施形態の一態様は、データフロー図である図４を参照して詳しく後述する信号処理であり、そのレイアウトは、当業者にとって理解されよう。
参照容易のため、本実施形態での信号処理は、一般にソフトウエアと称される、検出器１０用のソフトウエアを用いて実施される。図４を参照して、データフローラインは、処理の異なる段階における、画像データフロー（２次元アレイデータ）、アレイデータフロー（１次元アレイデータ）、および簡単な数値や構造化データフローを示すことに留意する。説明した処理機能の幾つかは、より集約的な画像データを取り扱ってもよく、必要に応じて、例えば、集約的でない数値データを取り扱ってもよい。
当業者にとって理解できるように、エンジニアリング効率は、個々の段階における処理機能を実行するために使用されるコンポーネントおよびソフトウエア全体の選択によって達成し得る。
（レーザ状態決定）
図４のステップ４０１において、レーザ状態の決定が実行される。本実施形態でのソフトウエアは、カメラの視野内にレーザ源を有することに依拠しており、特定のフレームについてレーザの状態を決定する。
対象となる小さな領域が、レーザ源の放射を含むように割り当てられる。領域の中心は、レーザ源スポットの初期位置に設定される。この領域での平均画素値が計算され、そして閾値と比較して、画像がレーザのオンまたはオフを記録しているかを決定する。
閾値は、ピーク検出器および、平均が送り込まれるスルー検出器の出力の平均である。各検出器は、新しいピークまたはスルーが作られていない場合、現在の平均に対して指数関数の減衰を再実行する。時定数は、フレーム換算で設定され、好ましくは、約１０の値である。
この技術は、かなり頑丈(robust)であると証明されている。代替の方法は、固定した閾値による矩形状の平均を超える１つ又はそれ以上の画素を探すことである。
レーザのオン／オフのスイッチングが、フレーム取得とより密接に連結している実施例の場合、この機能は必要でない。しかし、レーザ源が覆い隠されておらず、正しい強度であることの二重チェックとして機能する。
（レーザ位置）
図４のステップ４０１において、重心アルゴリズムは、監視されるエリア内でレーザ源の画素座標を推定する。この位置情報は、必要に応じて「レーザオン」画像ごとに更新され、マウント及び／又は建物の時間移動に起因したレーザ源やカメラ位置でのドリフトを考慮している。安定性に影響を及ぼす因子は、建物内の壁の移動、搭載位置の剛性などがある。
より正確には、前回ステップ（レーザ状態決定）で設定した閾値は、画像から引き算されて、負の値はゼロに揃える。状態決定で使用した同一矩形の重心は、レーザスポットの（ｘ，ｙ）座標を生成する。この計算において、画素の値は重み付け処理される。
代替の技術は、前述したエリアを画像として処理し、多数（〜５０）の既知の「発光器オフ状態」画像の平均を計算し、そして、この平均を、発光器オンで捕捉したことが判明している最新画像から引き算することである。そして、前述した重心アルゴリズムを画像データに適用して、スポット位置を推定する。
（対象領域の計算およびバックグランド消去）
図４のステップ４０３において、対象領域が計算される。図４のステップ４０４において、バックグランド消去が行われる。バックグランド消去の際に、補間およびフレーム引き算の組合せが用いられ、画像から、干渉している一時的に変化する情報および不変の情報を減少させる。画像は、図５に示すように、３つの対象領域に区分される。
バックグランドは、バックグランド領域１０１，１０３に区分され、そして、積分(integration)領域１０２がある。３つの領域は、定期的に更新され、検出されたレーザ源の場所変化を反映する。対象領域の形状の選択は、散乱放射の画像での正確な位置の不確実性を反映する。図５において、カメラは、発射した放射が壁に当たるポイント（図５の左側エッジを過ぎて発生している）を見ることができず、発射した放射の正確な経路は判らない。
これは、発光器からの距離が増加するにつれて拡大する対象領域１０２を生成する。発射した放射の経路を手動で決定する方法は、放射を一時的に阻止し、その位置をチェックし、データをプロセッサに手動で入力することによって、発射した放射の場所をテストすることである。
代替として、１つ又はそれ以上のほぼ透明なプローブ（プレートなどの物品形状でもよい）を、ビーム中に挿入してもよい。プレートの出入りのときに、ある散乱が発生するして、画像内に参照ポイントを提供し、これにより必要な積分エリアおよびバックグランドエリアが計算できる。
この検出器が、例えば、クリーンルームや危険な環境で粒子を検出するために使用できる応用では、こうした囲いの窓は、ほぼ透明なプレートとして機能することができ、検出器システム構成要素を設置するためにこの環境に立ち入る必要なしで、ビームの経路を確立することができる。
一般に、検出器を作動させる際に有用なプローブは、光散乱性で半透明な本体を使用して、ビームに沿った１つ又はそれ以上のポイントで、レーザビーム経路をシステムに提示する。上述のように、これは、ビームが意図した場所を通過したか、そして、ビームに沿った場所が正しく地図作成されているかを確認することである。
しばしば非常に望まれていないエリア内での煙発生の必要なしで、システムの正しい応答を示すことも有用である。
ポール（伸縮自在(telescopic)または複数部品のもの）を用いて、ビームの位置をグランドレベルから評価可能である応用では、半透明材料のシート（好ましくは硬い）をこうしたポールに取り付けるのが便利である。例えば、ビームを簡単に遮って、システムが正しい遮断場所を識別する目的のために、ワイヤフレーム上に支持された無地白色紙、例えば、Ａ４サイズやレターサイズ等で足りる。
好ましい実施形態では、より洗練され有用な手法は、既知の密度で、煙とほぼ一致する光散乱特性を持つ材料ピースを使用することである。例えば、酸化アルミニウムの小さな粒子が充填された薄いガラスシートを使用して、入射光の約１％を散乱させることができる。これは、そのポイント、および、推定によってビーム中の他の全てのポイントでの検出器の有効感度の測定を可能にする。
平坦なシートではなく３次元物体も使用でき、配向を維持することは問題でないことから、ある状況ではより好ましい。例えば、適当な壁色および厚さを持つガラス球(bulb)や膨張した風船であろう。後者は、ヘリウム充填のものでもよく、下方から係留ロープでビームに導入される。
レーザビームが、グランドレベルから容易に評価できないスペース（例えば、スポーツスタジアムや建物中庭、それらはグランドレベルから５０メートル以上）を通過する場合、散乱媒体をビーム中に設置するための他の方法が必要になる。例えば、小型の無線制御の飛行デバイスを使用してもよく、好ましくは、室内用途では再充電可能な電気ヘリコプタでもよい。
このデバイスは、かなりの時間（例えば、＞５０ｍｓｅｃ）、ビーム中で静止させる必要はないが、レーザがオンしているとき、少なくとも１回は交差すればよい。適切な例のヘリコプタは、スカイホーク(Sky Hawk)Ｒ／Ｃミニ・ヘリコプタ型番HP4034、トーイ・ヤード社、中国・汕頭市で製造、である。
狭い積分エリアの目的は、散乱信号に関与しない画素からのノイズ寄与分を低減することであり、バックグランド領域を積分領域に近接させて、レーザオフ画像での照明レベルを補正するために用いられる補正係数のより良好な推定を可能にする。
積分領域１０２は、発射した放射経路を含み、両側のエリア、バックグランド領域１０１，１０３が、バックグランド消去の際に用いられる。領域は、一般に、三角形であり、レーザ源から遠ざかるほど幅広になる。これは、必要である。理由は、放射スポットの正確な場所が既知であるが、その経路の正確な角度がそうでなく、放射がどこで終端しているかをカメラが見ることができない場合、経路の他端でより大きな許容範囲が必要になることからである。
積分領域のより太いセクションでは、より多くの画素に起因して、より多くのノイズがある。幸いにも、各画素は、経路のより短い長さを表現しており、長さ当りのサンプルの数が多くなるほど、より平均化される。カメラが放射終端ポイントを見ることができる場合は、その位置の不確実性が小さくなり、対象領域は、図５に示した程度に発散する必要はないであろう。
２つのバックグランド領域１０１，１０３は、レーザオフ画像における放射経路の両側にあるバックグランド照明での一時的変動を補正するための輝度補正係数の補間のために選ばれる。例えば、放射経路の両側にある２つの異なる独立した一時的に変動する光源に起因した照明変化。この原理は、経路に沿った変動を考慮するために、経路の両側だけでなく、３つのエリア１０１，１０２，１０３を放射経路の長さに沿ってセグメントに再分割し、各再分割ごとに計算を実行することによって、より拡張可能である。
バックグランド消去アルゴリズムは、ｎ個の「オンフレーム」と、ｍ個の「オフフレーム」を合計する−これらのフレームの順番は任意である。「発光器オフ」フレームを「発光器オン」フレームから引き算する前に、「発光器オフ」フレームが係数ｆで調整され、画像の照明レベルでの変動を補正する。
これは、その強度が素早く変化する人工照明の場合に有用となる。得られた画像は、ｎ個の「発光器オン」画像とｍ個の「発光器オフ」画像の間の差分を含む。これは、図６にグラフ表示している。
調整係数ｆは、レーザオンフレームとレーザオフフレームの間のバックグランド変動の比率を用いて、補間によって決定される。
Figure 2008519965
ここで、μは、下付き文字によって指定される、レーザオンフレームまたはレーザオフフレームでの所定のバックグランド領域での画素強度の平均値である。
プロセッサが、全フレームレートに追いつくほど高速でない場合は、フレームのランダム選択が処理できる機構を必要とする。
ｎ個のレーザオンフレームとｍ個のレーザオフフレームが、バックグランド消去のために使用されるため、このフレーム数を蓄積するのを待って、何れか余分なレーザオンフレームまたはレーザオフフレームを廃棄することができる。
代替として、ロックステップ同期化技術が使用でき、コンピュータには、捕捉した画像に関してレーザの状態についての情報が送られる。いずれの場合も、この技術が動作するには、１個のオンフレームと１個のオフフレームの最小のものが必要である。
上述した消去手法の代替は、レーザオンフレームとレーザオフフレームを単に引き算することである。多くのオンフレームとオフフレームは、合計したり、平均化したり、ローパスフィルタにかけることができ、引き算の前及び／又は後に、合計、平均化またはフィルタリングを実行する。
バックグランド消去の結果は、主として発光器からの散乱光で構成された画像であり、そして、少し残った背景光およびノイズである。
（フレーム積分）
図４のステップ４０５において、フレーム積分を実行する。複数のバックグランド消去したフレームが合計され、平均化され、あるいはローパスフィルタにかけられて、ノイズが減少した散乱光画像を取得できる。複数のフレームを平均化することによって、レーザのオン／オフスイッチングと相関しない干渉が減少して、欲しい（相関のある）散乱情報が保持される。典型的には、バックグランド消去およびフレーム積分で使用するフレームの合計数は、約１００個（即ち、約３秒のビデオ）である。より長い積分期間またはローパスフィルタのより低いカットオフ周波数は、改善した信号対ノイズ比を生成でき、応答時間を犠牲にして、より高い感度のシステムを実現できる。
図７ａ〜図７ｃを参照して、画像の順番は、散乱光の検出でのバックグランド消去および積分の効果を示している。画像の強度は、眼により良い視認性を考慮するために調整している。全体ビームに関する粒子掩蔽(obscuration)レベルは、本出願人が販売しているＶＥＳＤＡ（登録商標）ＬａｓｅｒＰＬＵＳ（登録商標）検出器で測定したとき、約０．１５％／メートルであった。
図７ａは生ビデオを示し、図７ｂは積分の領域を強調しており、図７ｃはバックグランド消去および積分の後で、煙の存在下での散乱光を示している。
（散乱−半径の計算）
図４のステップ４０６において、発光器からの半径の関数として散乱の計算を実行している。システム幾何学に起因したビームに沿った強度変動および散乱は、この方法を用いて救済できる。データアレイが、レーザ源からの、積分領域での散乱光レベル対半径（例えば、捕捉した画像での画素で測定される）を含むように、計算される。
ある半径の弧は、積分内側に多数の画素を含むことから、所定の半径間隔内にある各画素の強度は、一緒に合計される。
図８は、積分領域が、発光器に関して中心となる弧によってどのように区分されるを示すグラフィック表現である。図８において、三角形８０は、予想される積分エリアを表し、弧は、レーザ源からの異なる半径を表している。
一対の弧の間にある積分エリアの各位置は、合計される画素を有し、その合計は、散乱光データアレイに入る。明らかに２つの弧の間に無い画素については、こうした画素に対応する計算した半径の丸めや切り捨てを使用して、曖昧さを解消できる。
こうした画素の関与は、隣接エリアに対応した合計に配分してもよく、一方または他方へ一括して組み込むのではない。
（幾何の計算）
図４のステップ４０８において、システムの要素／コンポーネントの幾何が決定される。後述するような各画素（または画像ポイント）は、散乱体積に関する特定の幾何構成に対応しており、こうした画像ポイントの一般的なケースは図１２に示される。こうしたポイントまたは画素の各々において、下記パラメータが決定できる。
１． θ 散乱角
２． ｒ レーザ源からの距離（メートル）
３． Ｄ カメラからレーザ源までの距離
４． Ｌ ビームに沿った所定のポイントにおいて、１画素が見る物理長さ
所定の半径ｒに対応した、補正した画素の強度は、実世界のシステムについて決定され、画素の強度は、散乱角補正の箇所で後述するような、無損失の等方散乱計算に関する所定の半径および所定の散乱角に対応した予め定めた散乱利得値で乗算される。得られる散乱データアレイが形成される。
（散乱角補正）
散乱角の補正は、図４のステップ４０９に従って、論理的に決定される。入力として、プログラムは、所定の材料に関して散乱角および対応する利得のセットを含む散乱データファイルを必要とする。このファイル中のデータは、経験上の較正プロセスによって生成され、種々の煙タイプに関する平均値を含むようにしている。
上記幾何計算の際に決定されるような各散乱角において、散乱角ごとの利得が導かれる。入力散乱データファイルからのデータは、線形的に補間されて、散乱角ごとに前方利得の近似値が計算可能である。
（煙−半径の計算）
所定のビーム半径について煙の決定は、図４のステップ４０７において実行される。散乱したデータアレイを画素当りベースの煙レベルに変換することは、図１２に示すような、データＤ，ｄおよびθｉの入力を必要とする。幾何を制限する長さまたは角度の何れの組合せも使用できる。
Ｄは、カメラ８２から発光器８４までの距離であり、θｉは、カメラ８２と発光器８４のラインと、発光器８４からの放射の経路に対応したラインとの間の角度であり、ｄは、カメラ入射瞳と交差する発射した放射に対して垂直なラインの長さである。
この情報から、他の全ての必要な情報は、三角法および幾何学によって決定可能である。幾何は、図１２において見ることができる。
上述した散乱−半径アレイでの各要素について、図１２に示すようなＬ，θｒ，ｒの値が計算される。Ｌは、１つのカメラ画素に見えるビームの長さである。
（ビームに沿って積分し、掩蔽を取得）
図４のステップ４１０において、ビーム画像セクタに渡る積分が実行され、検出した掩蔽(obscuration)を取得する。ビーム長さは、多くのセクタに分割されて、ビームに沿ったアドレス可能性(addressability)を提供し、レーザ源とレーザビームの散乱との間を区別する。レーザ源の場所の回りの画素は、散乱によって生じた強度が解析できなくなるため、セクタの一部として含まれない。特に、コリメートされていない光源は、フレアが発生して、光源の周囲にある画素で余分な強度を生じさせるからである。
カメラ側でも同様に、設定の幾何に起因して、カメラの視野は、ビームがカメラの数メートルの範囲で見られるようにできる。
セクタ境界の間の円滑な変化を提供するために、簡単な移動平均フィルタが実施される。実際、ビームは、ｎ＋１個のセグメントに分割され、移動平均が適用されて（２つのセグメントの長さについて）、その結果、ｎ個のセクタが得られる。
ビーム捕捉画像に沿った各画素は、ビームに沿った物理長さに対応している。図８と図１２を参照。この物理長さは、ビームがカメラに接近するにつれて、より小さくなる。レーザ側でスタートし、エンド境界の外側にある画素を無視して、特定セクタについての掩蔽は、上述した補正の適用後の全ての画素強度の合計であり、これは、そのセクタによって記述されるような物理長さおよび位置になる。
例えば、ビーム全体に渡って掩蔽Ｏを決定するために、画素半径ｒでのセクタサイズが与えられ、ｎからｍについて、
Figure 2008519965
ここで、Ｓは散乱光であり、Ｌは上記で与えられる。
上述のように、ビーム長さは、多くのセグメントに分割されて、各セグメントについて個々の煙レベルを決定し、多数のポイント検出器を有効にシミュレートする。これらの観念的なポイント検出器の出力は、火災パネルに提供でき、通常のポイントタイプの検出器の場合のように、煙または火災の場所を表示することができる。
上記数式は、発射した放射の各セグメントから発生する散乱光が、放射経路からカメラへの角度およびセグメント当りの画素数に基づく所定の粒子密度について、異なる光出力を提供するという理論に基づいている。
発射した放射の経路がカメラに接近すると、即ち、図１２においてｒが増加すると、角度θｒが増加する。カメラ８２に向いた方向で明らかなビーム拡がりに起因して、散乱光を含む画素数も増加する。この幅の増加は、図８と図１３に示している。
図１３は、発光器８４からの発射した放射を示す。放射拡がり角度は、明解のため強調している。発射した放射が、発光器からさらに進行すると（即ち、ｒが増加する）、潜在的な散乱放射の場所と一致する画素数が増加する。
半径８６では、発光器と接近しており、２つの画素だけが、検出器によってカバーされる対象領域内にあると判断されて、これらの画素からの光が合計され、散乱光scattered_light(r)としてアレイ９０の中に置かれる。これは、ｎ×１のアレイの情報を構成する。但し、ｎは、スクリーンを横切る画素数である。
半径８８では、より多くの画素が、検出器によってカバーされる対象エリア内にあり、これらは全て合計されて、カバーされた対象領域内で得られる散乱量が得られる。アレイ９２で計算されるのは散乱放射角θｒであり、これは各画素ごとで異なる。即ち、ｒが小さいときはθｒは小さく、ｒが増加するとθｒも増加する。この情報は、重要である。一定のイベントを検出する際に、対象の粒子が、サイズに基づいて異なる散乱特性を有することがあるからである。
極めて小さい粒子（発射した放射の波長に対して）は、θｒ（散乱角）に関わらず、より均一に散乱させる。一方、より大きい粒子は、前方方向により多く散乱させ、角度θｒの増加とともに強度を減少させる。
多くの場合、対象の粒子（本例では、煙粒子）は比較的小さい粒子であるため、所定の散乱角θｒについての光の出力の有効調整係数のテーブルを採用することが有用になる。こうしたテーブルは、レーザチャンバを用いて粒子を検出する煙検出器の使用において知られている。
アレイ９４は、画素によって捕捉された光実際の半径を含む。アレイ９６は、この場合、カメラのフレーム中の捕捉画像での１つの水平画素によって囲まれた、発射した放射のセグメントの長さを含む。この情報は、発射した放射の体積を推定するために使用され、放射強度の計算で支援するために使用される。さらに、アレイ９６は、各ポイントｒにおいて煙smoke[r]として定義される煙強度のデータを含む。
（アラーム状態）
最後に、図４を参照して、アラーム状態が計算される。各セクタについてのアラーム状態は、標準の吸引煙検出器のような閾値、遅延、優先エンコード機構、そして、使用者によて決定される他のパラメータに基づいて決定される。
同じ方法は、最終のゾーン出力が、最高のセクタまたは、いずれかがより高いゾーンレベルである点を除いて、ゾーンアラームレベルのために用いられる。
（誤アラーム）
システムは、本質的には、画像内でレーザスポットの不在である誤り条件の検出のために用意してもよい。レーザのオンオフ信号のデューティサイクルは、１つのバックグランド消去サイクルで使用したフレーム数について、３３％〜６６％の範囲内になるようチェックしてもよい。
（代替実施形態）
多くの代替的実施形態が、応用および所望の特徴に応じて利用可能である。例えば、誤り検出は、多くの方法で実行され得る。
他の応用では、上述したシステムは、掩蔽測定が重要である応用、例えば、霧が発生し、視界が一定レベル以下になれば、飛行機を迂回させるような空港において使用可能である。システムは、動作に周囲光を必要とせず、追加の照明なしで、夜間でも動作可能である。赤外カメラも、赤外光源とともに使用可能であり、検出する光に類似した周波数の光源が点滅すれば、プロセッサは、安全目的のために照明されたフレームを無視する。
典型的な監視カメラは、２５個の画像またはフレーム／秒を撮影できる。煙検出器は、
１フレーム／秒またはそれ以下の検出を必要とするのみである。従って、残りの画像は、監視目的のために使用可能である。
感度を増加させるために、検出サブシステム（６，７）で動作するビデオ処理ソフトウエアが、光ビームが占めることが既知である場所にない、ビデオ信号での不要な変化の関与を排除するために使用できる。ビデオ画像の別個のエリアを処理する類似の機能を実行するソフトウエアベースのシステムは知られており、例えば、ビジョン・ファイア・アンド・セキュリティ・プティ社(Vision Fire and Security Pty Ltd)のＡＤＰＲＯ（登録商標）製品などのビデオベースの監視システムである。
発光器は、偏光した放射を発射するレーザでもよい。レーザは、可視放射、赤外放射または紫外放射を発射してもよい。放射波長の選択は、検出すべき粒子の特性に依存し、粒子検出で使用する装置および方法の特性にも依存する。他のタイプの放射発光器は、キセノン・フラッシュ管、他のガス放電管、またはレーザダイオードまた発光ダイオードを含んでもよい。
光は、好ましくは、少なくともある程度まで平行化(collimated)されるが、対象領域を用いて選択的なエリア分離(segregation)を採用した場合、より広がった放射ビームを発射できる。
更なる実施形態は、図１１ｃに示され、２つのカメラ１０２，１０４と単一のレーザ１０６を使用している。この実施形態では、一方のカメラが発光器を観察し、他方のカメラは、放射が壁１０８に当たる位置またはターゲットを観察する。こうした構成において、カメラ１０２，１０４は、同じプロセッサに接続されたり、少なくとも相互に通信する。
このシステムは、放射が妨害されていないことの確認などの、多くの利点を提供するものであり、光の前方散乱を検出するカメラ１０４に対して発光器の放射位置をより正確に決定するために使用可能である。こうして発射した放射の経路の位置の不確実さの程度が減少して、対象領域のサイズが減少し、検出器システムの感度を増加させる。
一態様では、本発明は、粒子検出装置および方法を提供するものであり、これは、監視される領域に少なくとも１つの放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は、少なくとも１つ又はそれ以上の画像捕捉デバイスによって検出される。特に、対向するカメラを使用してもよい。特に、互いに向き合ったカメラ＋レーザ対を使用してもよい。
・健全性（正しい動作）およびアライメントのためにレーザ源を相互に監視する。
・赤外（ＩＲ）レーザの場合、アライメントをより容易に行う（カメラを使用してＩＲドットを見る）。
・感度およびアドレス可能性の観点から、より均一な対象範囲を得る。
・後方散乱放射を得る。
図１４に示す実施形態では、第１のカメラ３１および第２のカメラ３９が、ほぼ対向して、相互に視野３２０，３１０で向かい合うように、それぞれ搭載される。レーザ源３３は、カメラ３９と同じ側に搭載される。一実施形態では、同一マウント上または同一囲いの中に搭載してもよく、コスト面で有利となる。ここでは、レーザ源３３およびカメラ３９は「レーザ／カメラ対」３３＆３９と称することがある。
同様に、第２のレーザ源３１１が、カメラ３１と同じ側に配置されており、これも同一マウント上または同一囲いの中に搭載してもよく、コスト面で有利となる。そして、レーザ源３１１およびカメラ３１も「レーザ／カメラ対」３１１＆３１を構成する。レーザ源３３，３１１は、レーザビーム３４，３１２をそれぞれ供給する。
対（３３＆３９または３１１＆３１）での各レーザおよびカメラは、レーザビームがそのカメラの視野中心に対して固定した角度で発射するように、製造段階で予備調整できる。これは、設置の際、各カメラの搭載およびアライメントが、単にレーザビームを、対向するカメラからほぼ予め定めた距離にあるポイントへ向けるだけで済み、設置時間およびコストを低減できるという利益をもたらす。
選択したプリセット角度がθ度である場合、レーザ／カメラ対の間の間隔がＤメートルで、必要なターゲット−スポット対カメラ間隔Ｓは、下記の式で与えられる。
Figure 2008519965
例えば、θ＝２度でＤ＝５０ｍの場合、Ｓは１．７５メートルである。こうした例では、例えば、±１００ｍｍの位置決め誤差は、粒子密度測定精度にとって許容できる小さな影響を与えるであろう。
この配置の更なる利点は、図１４で符号３１３，３５に示す各レーザビームの到着スポットが、対向するカメラの視野に入って、レーザ源が正しく機能し、レーザビームが妨害されていないことを確かめるのを容易に監視できる点である。これは、他で説明したような「後方確認」機構への代替の形態である。
この配置の更なる利点は、単一のレーザビームおよび１つのカメラを使用する場合に経験することがある、低減した位置分解能を緩和する点である。その場合、カメラから遠くにある粒子雲の正確な位置は、カメラに接近したもののように正確に測定できない。その画像がより小さな角度をなし、カメラ画像での画素が少なくなるからである。
２つのカメラの場合、保護領域の両側で位置分解能は最も正確であり、中心では、かなり少ない量しか減少しない。
この配置の更なる利点は、濃い煙柱からの後方散乱が容易に測定可能である点である。
この配置の更なる利点は、赤外光の使用を容易にする点である。アライメントを実行するとき、カメラは別の不可視目標スポットを撮像するために使用できるからである。
他の態様において、本発明は、粒子検出装置および方法を提供するものであり、これは、監視される領域に少なくとも１つの放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、監視される領域内のスペースにある所定の幾何ポイントの位置を決定するための手段をさらに備える。
システムが「眩惑(dazzle)」せずに、光源の位置を特定したり見つけることが有用である。これに関して、レーザアパーチャから散乱する光を、他で説明したような受光カメラから遮蔽する目的で、コリメータや同様な構成を用いて、レーザ源を平行化することが好ましく、そして、レーザ源に搭載したＬＥＤを用いて、対向するカメラは光源の位置を特定できる。ＬＥＤは、レーザと同期して点滅してもよく、その強度は、光源での光検出器によって、あるいは１つのカメラからのフィードバックによって、周囲の照明に従って調整される。
システムにとって、光学的幾何の完全チェックが自律的に可能であることも望ましい。これは、レーザ源および、レーザ源がカメラの場所に対して到達する目標スポットの両方の３Ｄ位置を決定することを要する。カメラを用いてスペース内のポイント位置を決定するための最小要件は、問題となるポイントのうち既知の見晴らしの良い地点からの２つの視野を有すること、あるいは、１つのポイント視野および他の何らかの距離決定手段、例えば、角距離(angular separation)などを有することであろう。当業者によって認識されるように、物理的距離を、設置者によって何とかしてシステムのソフトウエアに提供してもよい。
光源でのＬＥＤに対して知られた位置で、他のＬＥＤの位置を特定することによって、画像内の角距離が測定可能であり、カメラからＬＥＤ（即ち、光源）までの距離が計算可能である。
さらに、２つの「後方確認」を設けることによって、目標スポット位置は決定できる。こうしてシステムは、目標スポット距離またはビーム／カメラ距離の不適切な設定に依存しなくなる。完全な自動アライメントが可能になる。
代替の形態において、カメラは、２つのガラス片、または部分銀メッキミラーまたは１つの厚い片を通した視野を捕捉してもよい。結果として、３つの画像が重なり合う。第１画像は、主要なビーム画像である。第２画像および第３画像は、カメラに隣接した壁での目標スポットを含む。
第２画像および第３画像の２つのスポットは、完全には一致しなくてもよい。画像での各スポット位置と組み合わせた、スポット間の中心間距離、既知のミラー角度および間隔は、３Ｄスペース内のレーザスポットまでの実際の距離を計算するのに充分となる。
主要画像は、幾つかの多重反射を含むことがあり、例えば、光源スポットが１つより多く見えることがある。これらのポイントを含むラインは、軸回転の意味でのミラーの配向に関する情報を提供する。こうして回転を示す何れか他の機構を必要とせずに、目標スポットがカメラの左方、右方、上方または下方になるように、ミラーを設置者により回転（軸回りのみ）しても構わない。
さらに、図１５を参照しつつ説明する。保護エリア内で何れかの散乱ポイントの場所を正確に決定するためには、システムは、図１５に示すようなレーザ源４３、カメラ４１およびレーザビーム経路４４など、重要な光学要素の３次元での相対的な位置および向きをいつでも内部的にモデル化することが必要である。
レーザビーム経路４４は、光源４３の場所、およびビームに沿った何れか他のポイント、例えば、図１５においてスポット４５で示すビームの到達ポイントを決定することによって、解析できる。
これらのポイントは、設置者により手動で決定してもよく、予め定義した任意の座標系を用いて、人−機械インタフェースを通じてシステムに提供してもよい。
しかし、設置の都合のため、およびシステムの要素が適切に位置決めされ整列していることの実行中の自動確認のために、システムは、光学的幾何を完全に決定することが自律的に可能であることが好ましい。
明瞭のため、この方法は、単一の光源４３および単一のカメラ４１に関する図１５を参照して説明しているが、複数の光源およびカメラについて同じように使用してもよい。
最も簡単な実施において、カメラ４１に対する光源４３の角度位置を決定するために、光源４３は、カメラの直接視野（図１５の角度４２で示す）の中にあり、そして、アパーチャの形態を取り得る光源の出力、レンズまたは透明窓は、軸外光を発射して、カメラ４１が、その位置を、カメラ４１によって捕捉された画像内で識別することができる。
この識別は、好ましくは、光源４３の変調によって容易になり、画像処理ソフトウエアは、この特性を持たない不要周囲光源から光源４３を区別できる。
しかし、実際には、光源４３は良好に平行化され、これを可能にするほどの軸外光が存在しないことが望ましい。この軸外光の最小化は、視野マスクなどを用いて、故意に配置してもよく、この領域でのカメラ画像の飽和を防止するのが好都合である。
結果として、レーザ源４３の位置をカメラ画像内で区別可能にするためには、あまり制限されてない発光パータンを持つ追加の光源４６を、光源４３とともに、あるいはそれに近接するように配置してもよい。
好ましくは、レーザ源４３とほぼ同じ発光波長のＬＥＤ４６を使用する。ＬＥＤ４６は、変調可能であり、画像処理ソフトウエアは、この特性を持たない不要周囲光源からＬＥＤ発光を区別できる。例えば、最も簡単な実施では、レーザと同期して点滅してもよい。
さらに、画像でのＬＥＤ光の影響を最小化するために、そして、部屋に居る人間に対する潜在的な迷惑を最小化するために、ＬＥＤ４６の強度は、必要な最小レベルまで調整可能である。これは、例えば、光源４３での光検出器で測定するようにして、周囲照明に従って可変とすることができる。代替として、必要なＬＥＤ輝度は、１つ又はそれ以上のカメラ４１からの画像データのソフトウエア処理を用いて、調整してもよい。
光源４３に、第１ＬＥＤ４６から既知の間隔で追加のＬＥＤ４７を設けることによって、これらのポイント間の角度がカメラ画像内でのこれらの個々の位置から決定でき、簡単な幾何を用いてカメラ４１と光源４３の間の距離を決定できる。
さらに、２つのＬＥＤ４６，４７は既知の垂直位置で位置決めされ、例えば、好ましくは、各ＬＥＤ４６，４７が同じ高さで設置され、これらの間をつなぐラインが水平になり、カメラ４１の角度傾斜（ヨー角）も決定される。カメラ４１に対するビーム源４３の相対的場所を確立すると、ビーム経路４４を決定する必要がある。
１つ又はそれ以上の下記方法が、これを達成できる。
ａ）目標スポット４５を、カメラ４１の直接視野内に入れる。
ｂ）手動または自動で、必要ならば永久的に、部分散乱媒体をビーム４４の経路に配置して、ビーム位置をチェックする。
ｃ）ビーム４４内に時々入り込む浮遊粉塵（小さな粒子）によって生ずる散乱を検出して記録する。
ｄ）反射素子または屈折素子を用いて、カメラ４１は、直接視野の外にある目標スポット４５を観測できる。
ｅ）追加の撮像デバイスを用いて、目標スポット４５の位置を監視する。
上述の代替として、２つの「後方確認」ミラーを設けることによって、目標スポット４５の位置が決定できる。
ここで説明する好ましい形態では、本発明は、光源とカメラの間の同期のための方法および装置を提供するものであり、光源を予め定めたレートでオンオフさせることと、カメラにおいて光源のビデオ画像を識別することと、カメラフレームレートを連続的に変更して同期を保つこととを含む。
これは、例えば、光源とカメラの間の有線通信または無線通信のコストを削減する利点を有する。これはまた、低コストのシステム用電力手段を可能にし、カメラから離れたレーザでの内部電池バックアップを用いて、コンポーネントの遠隔位置決めが可能になる。レーザ用の通常の電力は、プラグパックまたは他の低コスト電源から供給できる。
換言すると、一対のＡＡ ＮｉＣａｄ電池で充分である。電池バックアップ電源は、火災安全システム、即ち、火災用ＵＬ認証電源の要件に適合すべきである。
１つの特定の実施形態では、光源は、広い放射角を持つ２次光源、例えば、図１５を参照して説明するようなＬＥＤなどを取り付けてもよい。ＬＥＤは、レーザ光源と同期して点滅してもよく、カメラ画像での光源の位置特定を容易にする。同様に、ＬＥＤは自動的にオンオフして、これとカメラが同期してもよい。バックアップ電力の場合、レーザはデューティサイクルを低下させて、その状態を示し、節電してもよい。
好ましい実施形態では、カメラフレームレートは、初期では、光源での自励発振器とほぼ同じレートで自励となるように制御してもよい。続いて、点滅する光源またはＬＥＤの画像が識別されると、２つの発振器の間の位相変化レートが識別され、従来の位相ロックループのフィードバック方法を用いて、カメラフレームレートを調整し、固定した位相を維持し、必要な同期で保たれる。他の状態情報も、レーザ変調または追加のＬＥＤによって伝送してもよい。
他の実施形態では、光源は、簡単な周期的オンオフパターンではなく、より複雑かつ予測可能なパターン、例えば、疑似乱数などで点滅するように配置してもよい。これは、他の迷惑な光源、例えば、光源の変調と相関しない周期で変化する蛍光灯から光源を容易に区別できるようにする。
これは、ビデオ画像での光源の初期位置特定を容易にして、周囲光の存在下で煙に対する感度を改善するという利点をもたらす。
さらに他の実施形態では、光源発振器の１次周波数は、ＡＣ幹線電力周波数（通常は、地域に応じて５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の倍数または約数になるように変更してもよく、それと位相を同期させる。
幹線周波数は、主電源から有線入力によって直接に検知してもよく、あるいは誘導結合や容量結合によって検知してもよく、このエリアでの人工照明からの光を受光する光電検出器によって検知してもよい。人工照明が無い場合、利点を失うことなく、発振器はその既定の周波数で自走してもよい。
更なる実施形態では、１次周波数は、ＡＣ幹線電力周波数または倍数または約数に極めて接近した周波数に設定されるが、同期手段は設けていない。
他の好ましい態様では、本発明は、粒子を検出するための方法および装置を提供し、これは、監視される領域に放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動が後方散乱した放射に対応している。
特に、この領域の画像を検出するために、発射ビームがカメラの視野を横切るような角度で第２のレーザ光源をカメラに搭載してもよく、ビーム方向に対して１８０度より僅かに小さい角度での後方散乱を探す。
これに関して、後方散乱した放射を検出して、遠くの第１のレーザ光源から来るビームを全体に暗くする粒子レベルを測定することも可能である。高い煙レベルの場合、ビームは、煙イベントの反対側での視野から全体に暗くなることがある。この態様は、他でより詳細に説明している。
（後方散乱の幾何学）
この説明目的のため、「後方散乱の幾何学」は、散乱角が９０度より大きい配置であってもよい。従って、散乱光は、光源の一般的な方向に逆行しても構わない。後方散乱システムの実施形態は、カメラと同じハウジングの中に組み込んだ、あるいはカメラの近くに搭載した、レーザ（または他の電磁源）を有してもよい。
後方散乱システムでは、カメラは、一般には、他の同様な前方散乱配置よりもかなり少ない散乱光を受光することがある。こうしたシステムは、高い感度のためには、一般には好ましくない。前方散乱検出と同じ性能レベルを達成するのに、追加の対策が必要になるからである。しかし、後方散乱の配置は、単独および前方散乱システムの補佐役として使用する場合に、一定の利点を提供する。
図１６を参照して、レーザ１６２と、カメラ１６１と、レーザビームが目標スポット１６３を形成するレーザターゲット１６４と、マーカとして追加の光源１６５とを備えた一般的な物理配置を示している。図１６は、後述する特定の利点または機能を得るために、多くの要素を示しており、これらの要素全てが存在する必要はないことに留意する。
カメラ１６１およびレーザ１６２は、同じハウジング内または少なくとも近接して搭載できる。これは、容易な設置を可能にする。監視される空間１６７の端部を連結するために、光ビーム自体から遠くで配線、電源または信号の必要がないからである。
前方散乱システムは、カメラ１６１から離れた光源１６２に電力供給して、光源１６２をカメラシャッタに同期させる幾つかの手段を必要とする（ここでは、相関技術が用いられる）。
前方散乱システムは、遠い端部でミラーを使用して、レーザをカメラの近くに置くことが可能であるが、この場合、アライメントはかなり厳しくなる。
レーザ１６２およびカメラ１６１は、同じフレームまたはハウジングに一緒に搭載される場合、これらは工場でのアライメントが可能になる。これは、設置を容易にし、設置者は、レーザ可視スポット１６３を所望の目標エリア１６４に設定する必要があるだけであり、カメラ１６１は正しく整列されることになる。不可視放射を使用した場合、カメラ１６１からの画像を示すモニタを使用して、アライメントを支援することができる。モニタは、デジタルデータまたはネットワーク接続を介して接続されたモニタスクリーンを持つコンピュータでも構わない。
工場アライメントを行ったカメラ１６１およびレーザ１６２の場合、空間を横切る距離を知る必要がない。レーザビデオシステムは、煙粒子の位置を決定するために使用したのと同じ幾何学的技術を用いて、それ自体を測定できるからである。
本質的には、その手法は、既に説明した技術を用いて画像内でレーザ目標スポット１６３を見つけ、既に説明した幾何学モデルを用いて、この画像座標を空間座標へ変換することである。ここでの利点は、設置者が行うべきタスクが１つ少なくなり、設置者が入力したデータがシステムにより確認可能である点である。
何れの煙検出システムにおいて、誤り状態についての全ての機能を監視することが望ましく、システムは適切に維持可能になる。後方散乱システムは、カメラ１６１の視野での光源目標スポット１６３を有してもよい。従って、光源１６２のその動作および外部妨害の意味での完全性(integrity)の監視は、低コストで達成できる。スポット１６３の存在および位置を決定するためのソフトウエアは、先に言及した理由のために存在することになる。
後方散乱システムは、ミスアライメントやアライメントのドリフトに極めて寛容である。これは、カメラ１６１および光源１６２が同じハウジング内に搭載されている場合、特にそうである。実際、それは非常に寛容であり、カメラ／レーザ１６１，１６２のユニットが揺れて完全に異なる方向に向いてしまい、意図したエリアをカバーしなくなったことを検出しなくてもよい。この状態を検出するために幾つかのテクニックがある。
これらは、
１）エッジ検出および相関を使用して、景色が最初に設置したものと実質的に同じであるかを決定する。もしそうでなければ、故障を知らせる。
２）画像処理技術を用いて容易に認識されるターゲット１６４、例えば、十字形(cross)を使用して、ターゲットマーカ１６４の位置（画像内）が、設置時から閾値量より多く動いていれば、故障を知らせる。
３）追加の光源または光源１６５を視野内で使用し、マーカを用意する。１つより多いマーカ１６４の使用は、カメラ回転の積極的な検出を可能にする。これらの光源１６５は、主たる光源１６２と同期して、処理を簡単にする。画像内での光源の位置が、設置時から閾値量より多く動いていれば、故障を知らせる。
これらの追加の光源１６５は、同じ一般エリアに搭載された他のカメラ／レーザ１６１，１６２のユニットに搭載でき、特別の配線の必要性を排除できる。光源１６５は、対象となるカメラや他の何れかのカメラと関連した、主として粒子検出のために存在する光源でもよい。
何れの散乱ベースの検出システムにおいて、散乱光は、介在する粒子による更なる散乱と吸収によって減衰する。浅い散乱角を用いた前方散乱システムの場合、経路長さは、散乱が発生した場所と実質的に同じである。そのため、粒子の濃度が一定レベルを超えた場合、カメラ１６１で受光される散乱光の量が低下し始める。
前方散乱システムは、高い濃度がある場合に使用する、粒子濃度を測定する代替手段を必要としてもよい。後方散乱システムは、経路長さがカメラ１６１とレーザ１６２の間の距離にほぼ比例することから、この目的のために使用してもよい。粒子濃度が極めて高い場合、カメラ１６１の近くで生ずる散乱が受光できる。
上記に加えて、画像内の目標スポット１６３の強度を設置時に記録した値と比較して観測することによって、経路損失測定が可能である。このデータは、平均粒子密度を推定するために単独で使用できる。ここからのデータは、散乱情報および何らかの補正に関連して使用してもよく、粒子密度が上述した反転ポイントを超えていたとしても、ビーム１６６のセグメント内の平均密度を推定できる。
これらの測定からのデータは、散乱情報に関連して使用してもよく、煙タイプと不要粒子を区別できる。この技術は、散乱と減衰の比率を計算することと、既知の材料についての比率と比較することを含む、これは、ビーム全体１６６およびビーム１６６のセグメントについて行うことができる。
２つのカメラ／レーザ対からなるシステムでは、前方散乱の感度の利点を維持しつつ、上記利点の大部分を獲得できる。
他の好ましい態様において、本発明は、粒子検出装置および方法を提供するものであり、これは、監視される領域に放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、さらに、ビームへの急迫した侵入を検出するために、ビームに近接して少なくとも１つの追加ビームを含む。
充分なパワーのレーザは、眼の損傷および皮膚の損傷を生じさせることがある。本発明のシステムにとって、安全性欠陥を提供することは望ましくない。安全なシステムを有することへの最も簡単な手法は、レーザパワーを充分に低く保つことであるが、システムの感度を損なうことがある。
代替手段は、人間の組織などに曝すリスクがある場合はいつでも、レーザをオフまたは安全なパワーレベルに切り替える機構を有することである。こうしたシステムは、必ずしもレーザをオフに切り替えないことも重要である。煙検出器の動作の継続も重要であるからである。
図１７は、レーザインターロック(interlock)システムの説明を示しており、高パワーレーザ１７１が、リング状の眼に安全な低パワーレーザ１７２の内側にある。外側のビームは、充分な間隔（例えば、１００ｍｍ離れ）で接近しており、最初に１つ又はそれ以上の外側ビームを妨害することなく、人間の眼が主レーザ１７１からのレーザビームに曝されることがない。
カメラ１７３は、ターゲット１７５から散乱したレーザ光を検知する。処理ハードウエアおよびソフトウエア１７４が画像を処理して、外側のレーザに対応した目標スポット１７６の存在または不在を決定する。これらの目標スポットの１つ又はそれ以上が存在していなければ、処理ハードウエアおよびソフトウエアは、高パワーレーザをオフにする。高パワーレーザは、全ての目標スポットが画像内に存在するまで、再び動作することが許可されない。
外側ビームの間隔は、カメラおよび処理システムが侵入を検出して、主ビームをオフにする前に、人間の頭部の最高予想速度で、眼が主ビームに到達するには不充分な時間となるように選ばれる。
（バックグランド消去）
既に説明したように、背景光の影響を低減するための技術が、目標スポット１７６の画像を強調するために使用できる。外側ビームは、これらの技術のために、オンとオフに切り替える必要になることがある。カメラ、画像獲得および処理システムでの遅延に応じて、主ビームとは逆位相で外側ビームを動作させることによって、応答時間を減少させることが可能である。
代替として、外側ビームは、ほとんどの時間、残ってしていてもよく、バックグランド消去処理での使用のため、時々の画像フレームだけが外側レーザをオフにした状態で撮られる。これらのオフフレームが取得される時間にインターロック応答時間が長すぎる場合も、主レーザ１７１は、これらの期間において動作不可となる。
（アクティブ・ターゲット）
ターゲット画像を収集するためにカメラを使用する代わりに、ターゲットは、その上に搭載した光検出器を有してもよい。こうした検出器は、システムのアライメントを維持したり監視する目的で既に存在していてもよい。この配置の場合、カメラフレームレート制限が除かれるため、より短いインターロック応答遅延が可能である。
（ケージ伝搬方向）
外側のレーザビームは、主レーザと同じ方向に伝搬する必要がない。これらのレーザ源は、主レーザのターゲットの周りに搭載可能であり、そして、主レーザ源に向かって伝搬し、主レーザ源の周りのターゲットポイントに着地してもよい。
この配置の利点は、主ビーム中の粒子からの前方散乱を検出するために使用する同じカメラが使用でき、外側レーザビームの目標スポットの画像を捕捉する。
（カメラ・レーザ対の構成）
カメラとレーザの対は、他で説明するように、相互監視を提供するために配置できる。この場合、これらはまたインターロック機能のために、画像収集、処理、および主レーザ制御を実行できる。
（チューブ）
保護ビームは、分離したビームではなく、チューブ状の光であってもよい。こうしたチューブ状の光は、例えば、ターゲットにおいて円形または楕円形のように見えるであろう。画像処理ソフトウエアは、予想される楕円内の割り込みまたは影を検出することになる。当業者に理解されるように、使用可能な幾つかの画像処理技術がある。
チューブは、円形である必要はなく、中空である必要もないことに留意する。中実の円柱も機能する。予想されるターゲット形状は、詰まった円形、楕円形または他の形状になることになる。そして、画像処理ソフトウエアは、予想される楕円内の割り込みまたは影を検出することになる。
（ホログラム）
干渉格子またはホログラムが、単一のレーザ源から外側ビームを作成するために、使用できる。単一のレーザ源は、主レーザ１７１でもよく、他の独立したレーザでもよい。
（仮想ケージ）
レーザの実際のケージの代替として、主レーザの周りにリング状のレーザ源（これらは必ずしも正確に平行化されていなくてもよい）を使用することである。主ビーム軸の近くの主ビームターゲットに搭載されたカメラは、レーザ源を観察する。主ビームに入る侵入物に関して、それは最初に外側光源のカメラ視野を妨害する。前回の配置で必要とされるのと同様な処理が、インターロック機能を提供できる。
（ビデオモーション検出）
他の実施形態では、ビジョン・ファイア・アンド・セキュリティ・プティ社が販売する監視製品で用いられるビデオモーション検出などの画像処理技術が、危険なレーザビームにごく接近してくる人間などの物体を検出するために使用できる。
ここからの信号は、ビームをオフに切り替えたり、レーザパワーを眼の安全レベルまで低下させるために用いられる。この技術は、暗闇では応用できないが、周囲照明が低い場合、高出力レーザは一般に必要ではないため、それでもなお有用である。
他の好ましい態様において、本発明は、粒子検出装置および方法を提供するものであり、これは、監視される領域に放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、放射ビームおよび画像変動を検出する手段のうち少なくとも１つは、データ通信するようにしている。
多くの火災保護システムにおいて、配線の設置が全体システムコストに大きく関与する。データ通信専用の無線通信設備をベースとしたワイヤレスシステムは、システムに追加コストをもたらす。
下記のものは、本発明の実施形態に係る検出器システムの別々の部品間で通信する必要があるデータの幾つかのリストである。
１．カメラ／レーザの同期またはタイミング情報
２．システム構成データ
３．レーザ強度、デューティサイクル、カメラ露出コマンド
４．カメラとレーザのアライメントデータ（アクティブ・アライメント及び／又は故障の監視）
５．マルチレーザシステムにおけるレーザ許可／禁止(enable/disable)コマンド
６．レーザマーカの起動／停止／デューティサイクル／強度の制御コマンド
７．レーザの偏光または波長切り替えコマンド
８．火災パネルまたは他の外部システムへ報告するための火災アラーム状態
無線ベースの通信に関連して、光通信を使用してもよく、全体の通信信頼性を改善できる。
本発明の好ましい形態によれば、発射した放射源の光学伝送は、保護すべきエリア内での全てのデータプロセッサ間のデータ通信を提供できる。プロセッサの１つは、火災アラームパネルなどの外部システムとの接続用のポイントとして動作してもよい。必要ならば、火災アラームへの独立したデータ経路を有する２つ又はそれ以上のこうしたポイントを使用してもよく、耐故障性のある報告経路を提供する。
特定のシステムの確かなニーズは、システム構成の複雑性およびタイプに大きく依存することになる。しかし、一般に、利用可能なバンド幅は、通信手法のクラスおよびこれらの実用性を区別するために用いられる尺度とすべきである。カメラを使用する手法は、ある場合には、カメラのフレームレートによってバンド幅制限されるが、他の光センサを用いる手法は、この制限を有することがなく、原則としてより高いバンド幅のものが可能である。
図１８において、２つのカメラ１８１ａ，１８１ｂおよび２つのレーザ１８２ａ，１８２ｂが、レーザビームの完全性の相互監視を可能にするように配置されたシステムの例を示している。
この概念は、他でより詳しく検討している。２つの光検出器１８３ａ，１８３ｂは、入射したレーザ信号の一部を電気信号に変換する。受光した信号は、カメラ１８１の内部またはこれに取り付けられた処理電子回路に渡されて、続いて、レーザ１８２へ送られる制御信号を発生する。
背景光の影響を低減するために、光検出器１８３は、干渉フィルタまたは色付き染料フィルタなどの光学バンドパスフィルタを使用できる。レーザが偏光している場合、偏光フィルタも使用できる。直線偏光または円偏光も使用できる。
主要な干渉源は、太陽光または人工光源からのＤＣまたは低周波の性質のものと予想できる。この種の干渉に対処する手法は、データを、干渉が存在する場所の周波数から離れるように周波数シフトを行うことであり、この場合、上側にシフトさせる。
図１９は、プロセッサ１９１がデータを変調器１９２へ送り、続いて、変調器１９２が周波数シフトしたデータをレーザ１９３へ送るようにした配置を示す。レーザ１９３は、変調器１９２からの信号に従って、振幅変調したレーザ光１９４を発生する。光検出器１９５は、受光した光を電気信号に再び変換して、電気信号は復調器１９６に送られて、プロセッサ１９７へ渡される。
本発明に従って、多くの変調技術が採用できる。幾つかの例を下記に示す。１つの手法は、シリアルデータの流れ(stream)を用いてレーザを振幅変調することである。背景光レベルが充分に低い場合、これは動作する。データの流れの統計は、平均レーザパワーで幾らか変動を生じさせることがある。
次に、これはシステムの感度に影響を及ぼすことになる。しかし、この影響は計算可能であるため、補正できる。データは、平均パワーでの変動を低減または除去するように、符号化が可能である。例えば、データは、疑似乱数シーケンスを用いた「排他的論理和」動作により乱数化できる。データ圧縮技術も使用でき、これらは、伝送データの流れを乱数化する傾向があるためである。
他の機構は、マンチェスター符号化である。一定の平均パワーが得られ、ＤＣデータ成分が無いためである。
パルス位置変調が使用できる。この場合、パルスは、レーザがオフまたはより低いパワーに切り替わる短い時間とし、途中のより長い間隔ではフルパワーになる。こうした機構は、ほぼ一定の平均パワーを提供し、マンチェスター符号化よりもピークパワー比率に対して高い平均パワーを提供する。
パルス幅変調も使用できる。この場合も、パルスは、レーザがオフまたはより低いパワーに切り替わる短い時間とするが、時間位置を変化させるのではなく、時間または幅が変化する。パルスは途中の時間と比べて短いと仮定すると、ピークパワー比率に対する平均パワーは高くなり、平均の変動は低くなる。データは、平均パワーの変動を低減または除去するように符号化できる。
例えば、データは、排他的または疑似乱数シーケンスによって乱数化でき、あるいはパルス幅変調器に先立ってマンチェスター符号化できる。パルス幅変調での変動は、非ゼロ幅ではなく不在のパルスを使用する。この場合、特定の幅のパルスは特定の異なるデータシンボルを表現するのと同様に、予期した時間でのパルスの不在は、特定のデータシンボルを表現する。
さらに、上記技術の多くは、組合せ可能である。採用可能な幾つかの他の技術は、周波数シフトキーイングを用いたサブキャリア、位相シフトキーイングを用いたサブキャリア、振幅シフトキーイングを用いたサブキャリア、およびスペクトラム拡散技術である。
カメラは、フレーム当り１回、画素に入る光レベルの更新を提供するだけであり、データレートはフレームレートによって制限される。これは、３０Ｈｚのフレームレートで３０ビット／秒だけのレートを意味する。
しかしながら、フレーム当り１ビットを上回るデータレートを増加させるように使用できる技術がある。周囲の照明は、データ通信を妨げることがあるノイズ源である。上述したような光学フィルタリングが採用できる。カメラは、主として煙検出の目的で存在しているため、フィルタは既に存在していることになる。
煙検出動作への背景光の影響を最小化するための上記方法は、一般に、データ受信にも応用可能であり、ここでは議論しない。
前セクションで検討した変調または符号化の機構の多くは、受信機がカメラである場合にも使用可能である。フレームレートで課せられた制限を緩和するために、データ圧縮が特に望ましい。
多くのカメラは、所定の露出時間に受光したフォトンを積分しているため、露出時間中の発光器デューティサイクルは、実際の強度を変化させたのと同じ結果を得るように変化可能である。幾つかの場合、これは、低コストの動作になる。
図１８の例に存在するハードウエアを利用する方法は、データを用いてレーザ強度を変調することである。レーザは、カメラの視野内で見える必要があり、背景照明変動を克服するためには、カメラに向け充分な出力を有する必要がある。これらの条件は、レーザビーム完全性の監視の部分として、本発明の多くの実施形態において既に出会っているはずである。
データを符号化するために多くの方法があり、幾つかの例を示す。説明のため、レーザを介してデータを送信しない本発明のシステムでは、レーザは、交互フレームにおいて単にオンとオフに駆動される。データ伝送は、オンとオフの期間またはフレームのパターンを変化させ、及び／又は強度を変化させることと、そして、受信側のカメラおよびプロセッサでの変化を識別することである。
同期シーケンスに続いて、規則的なレーザのオンオフ駆動は、レーザ変調器に印加される前に、データの流れを用いて排他的論理和をとることが可能である。この方法では、２つのフレーム当り１ビットが伝送される。この方法は、マンチェスター符号化の形態とみなすことができる。
この方法の主な利点は、簡単さと頑丈さであり、レーザの平均デューティサイクルは、データによって変化しない。しかし、データレートは極めて低い。データ圧縮方法は、バンド幅をいくらか回復させるの役立つであろう。
より高いデータレートは、データの流れを直接レーザ変調器へ印加することによって、フレーム当り１ビットを伝送することにより達成できる。平均レーザデューティサイクルを、煙検出動作についての許容できる制限内に維持するためには、同じシンボルの長いラン(run)を制限する幾つかの手段が必要になる。再び、乱数化及び／又は圧縮の技術が使用できる。
マルチレベル符号化を用いることによって、データレートをさらに増加させることも可能である。例えば、フルパワーの０％，３３％，６６％，１００％など、異なるレーザ強度に関して、フレーム当り２ビットを符号化するために使用できる。外部の光学ノイズ、カメラ内部ノイズおよび全体システム利得安定性は、使用可能なレベルの数を制限することになる。
データ送信機としてだけレーザを使用する代わりに、図１８中の要素１８４ａ，１８４ｂによって表すように、変調可能な追加の光源が使用できる。光学フィルタリングをカメラで使用した場合、選ばれた光源は、対応する波長および偏光で、あるいはフィルタ損失を克服するのに充分な強度で発光する必要がある。発光ダイオード（ＬＥＤ）はこの目的にうまく適している。
例えば、４個のＬＥＤアレイは、１個の光源だけより４倍多くのデータを伝送できる。データ符号化のために前述の方法の何れも適用可能である。ＬＥＤは、カメラで別々の光源として区別可能なように、充分に間隔をあける必要がある。
カラーカメラを使用した場合、画像内で同じポイントに見える場合でも、カメラは３つまでの異なるカラーＬＥＤの強度を測定できる。３個の分離したＬＥＤが使用でき、またはＲＧＢのＬＥＤが使用できる。こうしてＲＧＢのＬＥＤでフレーム当り３ビットのデータが伝送可能である。再び、データ符号化のために前述の方法の何れも適用可能である。例えば、１つのＲＧＢのＬＥＤを用いた４レベル符号化機構は、フレーム当り６ビットを伝送するために使用できる。
他の好ましい態様において、本発明は、粒子検出装置および方法を提供するものであり、これは、監視される領域に少なくとも１つの放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、さらに、検出した画像内の歪みを補正するための手段を含む。
画像検出に関して、多くのレンズは、ピンホールレンズと比べて、ある程度の画像歪みを生成するようになる。典型的には、歪みは、光学中心ラインに接近しているが、必ずしもその上になくてもよい歪み中心の回りの半径倍率である。歪みは、倍率が歪み中心からの半径とともに増加または減少するのに応じて、しばしば「針差し(pincushion)」または「樽(barrel)」歪みと称される。
狭い視野、例えば、２０度未満、を持つレンズは、一般に、粒子検出用の画像捕捉デバイスの動作に著しい影響を与えるほどの歪みを生成しない。しかし、広い視野のレンズは、歪みを無くすために幾つかの対策を取らなければ、粒子検出システムが正しく動作しない大きな歪みを生成することがある。
（レンズ歪み対策）
本発明に係る発射した放射および画像検出を用いた粒子検出システムでのレンズ歪みを補正するために何もしなければ、下記の影響が生ずることがある。
１．積分領域： 積分領域が、画像内の実際のビーム位置と適切に一致しない。ビームは直線と考えられるが、実際には湾曲して見えることがあるからである。
２．空間精度： 特定の画素に対応した空間内での計算した位置に誤差が生ずることがある。
３．利得誤差： 特定の画素に対応したビーム長さに誤差が生じて、システム利得誤差が生ずることがある。
本発明の好ましい形態によれば、上記影響の幾つかまたは全てを無くすために、下記の技術が使用できる。
（低歪みレンズ）
所定の視野に関して、複合レンズ設計が、低歪みを与えるように最適化が可能である。適切なレンズの場合、狭い視野だけを必要とするシステムは、低歪みの補正を必要としないことがある。
（経験的な空間較正）
画像内ポイントと空間内ポイントの間の関係の経験的な較正が実行可能である。これは、ビーム中で少し散乱を生じさせる物体を置いて、そして、空間内での物体位置および画像内で見える位置を記録することによって行うことができる。この処理は、ビームに沿った多くのポイントに関して繰り返す。
この経験的な較正は、「通信デバイス」として他で説明したデバイスを用いて実行できる。こうしたデバイスは、正しいアライメントのために、設置したシステムを検査する目的のために、おそらく必要になる。最も簡単な形態では、それは、衝突する放射のある部分を散乱させる材料片（例えば、透明なプラスチックやガラスからなる小片）が棒に搭載されたもので構成され、オペレータまたは設置者は、それをビーム中に容易に置くことができる。
必要なポイントの最小の数は、歪みの程度および後で用いる補間のタイプに依存することになる。ビームの活動部分の両端またはその近くのポイントは、理想的には包含されるべきである。オプションは、意図した各セクタの境界にあるポイントを記録することである。各セクタは、それ自体のアラーム論理などとともに、別々の「仮想」検出器として振る舞うことができる。
記録したデータは、下記の方法で使用できる。
１．積分エリアは、記録したポイントを含むように選ばれる。補間または曲線近似(fitting)は、ポイント間の必要な積分エリアを推定するために用られる。積分エリアは、各ポイントで充分に広くして、ビーム拡がりおよび２つのポイントの位置での不確実性を考慮する。
２．記録したポイントは、所定の画素または画素グループに対応した実際の空間位置を決定するために、ルックアップテーブルとして使用できる。記録したポイント間に入る値を推定するために、補間が用いられる。あるいは、記録したポイントが各セクタの境界である場合、次の受光した散乱光積分動作での使用のため、各画素がどのセクタに属しているかを決定するために、このデータを用いることで足りる。
これらの方法は、言及した最初の２つの影響を取り扱う。
第３の利得誤差の影響は、多くの場合には比較的小さい誤差であり、または、例えば、均一照明された風景を用いてカメラを較正することによって、無視できる。較正または補正のタイプは、例えば、カメラ周辺減光(vignetting)など、利得誤差の他の原因を補正するためにも必要になる。
このタイプの補正は、レーザビームが、幅の少なくとも１つの画素で作る画像部分にとって適正になる点に留意すべきである。しかし、ビームがとても狭い場合は、補正が正確でなくなる。ビームが、補正の基礎になる表面ではなく、線状光源(line source)であるからである。
（レーザビーム方向）
レーザビームおよびカメラは、ビーム画像が画像中心の近くを通過するように、整列可能である。歪みは、大部分が半径のものであるため、その結果、ビームは依然としてラインとして見える。これは、ポイント間の直線を引くことによって、ビームに沿った２つのポイントだけの知識から積分エリアが計算可能である手法であり、そして、充分な幅は、ビーム拡がりおよび２つのポイント位置の不確実性を考慮する。
（モデルベースの歪み補正）
（モデリング）
数学的モデルが、レンズ歪みを表現するために使用できる。多くの場合、半径歪みモデルが充分に正確である。こうしたモデルの例は、下記の式である。
Figure 2008519965
ここで、ｒは、画素の真の位置を表現するベクトルであり、ｒ’は、画素の歪んだ位置であり、Ｍは、歪み中心からの画素の距離の関数であるスカラー倍率係数であり、Ｍ（０）＝１である。
ベクトル距離は、レンズ系の歪み中心を表すポイントＰ＝（Ｐｘ，Ｐｙ）に関して全て測定される。
このモデルは、歪んだ像面と歪まない像面との間の写像(mapping)を表現する。所定のレンズについて関数Ｍに到達する種々の方法は、当業者に入手可能な論文において議論されている。
１つの手法は、
Ｍ（ｒ）＝１＋ａｒ＋ｂｒ２ （または、改善／減少した精度について、より高次／低次の多項式を使用する）とすること。
白の背景上に均一なアレイの黒ドットからなる風景の画像を記録すること。
１つ又はそれ以上のドット列を選択すること。
画像内（歪んだ像面）で、これらの見かけ中心の座標を決定すること。
最小自乗最適化を使用して、歪まない像面への写像を行う際、直線ライン（または１つより多くの列を選択した場合は、複数ライン）に対して可能な限り接近したポイントを作る、最もフィットする係数ａ，ｂ，Ｐｘ，Ｐｙを決定すること。
このモデル化は、本発明の好ましい形態に係るシステムで用いられる、少なくとも各タイプのレンズで実行してもよく、あるいは、好ましくは、カメラユニットの製造時に個々のレンズごとに実行してもよい。そして、モデル係数は、関連する処理ユニットまたはカメラに物理的に取り付けられた不揮発性メモリの中に永久的に保存される。
他のカメラ関連の較正は、同様にして対処でき、例えば、固定パターンノイズ補正データおよび画素単位の感度データが工場測定され、カメラユニットや関連するプロセッサの中に保存できる。
（補正）
歪みモデルは、幾つかの方法で用いられる。概念的には、１つの方法は、カメラから捕捉した後、最初の処理ステップとして、完全「歪み無し」の全体画像に対するものである。
１つの方法は、座標を変換するために既知のモデルを使用することによって、得られた「歪み無し画像」での各画素値（グレーレベル）を、元の歪んだ画像で最も近い対応するポイントの値に設定することである。
歪んだ像面への写像後の画素座標は、しばしば分数となるため、より正確な方法は、補間を用いて、画素値の近似値を得ることである。双線形(bi-linear)補間は良好な結果をもたらすが、完全ｓｉｎｃ（ｘ）補間がより有用であろう。
全体画像を補正することは、コンピュータ上で集約され、全体画像の補正を回避する方法を用いることのが好都合である。
好ましい方法は、前述したような処理の全てを行い、処理シーケンスにおいて下記ポイントで補正を適用することである。
１．積分エリアを計算する場合、既知のポイント（例えば、レーザ源スポット、見える場合は目標スポット、作動デバイスを用いて得られる記憶した画像ポイント）の座標について、歪み無しにする。
２．ビーム拡がりおよびポイント位置の不確実性を考慮する（レンズ歪みが無い場合に行われるのと同じ）閉じた多角形の内部にある画素セットを計算する。
３．各画素の座標を、歪んだ像面で最も近い画素位置に対して写像を行う。
４．バックグランド消去エリアについて、上記ステップを繰り返す
５．「画素半径」（画像内の光源の見かけ位置からの画素の距離）を計算する際に用いる全ての座標は、歪まない像面に対して最初に写像すべきである。
６．同様に、全ての幾何関連量（散乱角、レーザビーム上の対応する位置など）を計算する際に用いた座標は、歪まない像面に対して最初に写像すべきである。
こうして積分エリアはレンズ歪みの正しい量を採用して、適切な補正が粒子の散乱角および空間位置についても行われ、全体画像を完全に補正する処理をコンピュータ上で極端に集約して行うことはない。
本発明のシステムにとって、下記の場合には全体画像を補正可能であることが望ましいことに留意する。
１．歪みモデルの視覚的確認
２．外部システムへの監視画像の配給
他の好ましい態様において、本発明は、粒子検出装置および方法を提供するものであり、これは、監視される領域に少なくとも１つの放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、さらに、画像部分を選択的に分解するために、検出した画像に対して重み関数を提供するための手段を含む。
カメラの分解能は、検出粒子の測定した位置の分解能または精度を制限する。前方散乱の配置を用いたシステムにおいて、カメラの近くにあるビーム中の粒子の位置は、高い精度で分解できる。しかし、より遠くにある粒子については、分解能はいっそう劣化する。
図２０において、光源２０１は、ビーム光をカメラの方向に向けており、カメラはレンズ２０２と受光面２０３とで構成され、ビーム中の粒子からの前方散乱はカメラに進入できる。２つのカメラ画素の視野は、角度θ１，θ２で表される。これらの角度は、普通のレンズについてはほぼ同じである。
２つの画素の視野で見えるビームの位置は、ΔＬ１，ΔＬ２で表される。何れの計算無しでも、単一の画素に対応したビーム長さは、カメラからの距離が増加するにつれて、劇的に増加することが明らかである。最初の近似では、長さΔＬは、ビーム位置からカメラまでの距離の自乗に比例する
実際には、これは、システムについての最小必要カメラ分解能が、ビーム遠端で粒子の位置を決定するための所望の性能によって設定されることを意味している。結果として、近端で必要とされるものよりかなり良好な性能のものでもよい。
より低い分解能のカメラを使用し、ビームの近い部分を観察する画素にとって画素視野をより広くし、遠い部分を観察するものにとってはより狭くするレンズ系を用いて、所定のシステム性能を達成することができる。
故意に歪ませる光学系を使用した場合、他で説明したような画像処理補正が、一般に、補正システム動作を維持するために適用される必要があることに留意する。ここで説明した故意に歪ませる光学系は、普通のレンズについてしばしば行われるような簡単な半径歪みモデルを用いては、モデル化できない。しかし、使用すべき補正歪みモデルを決定することから離れて、レンズ歪みを扱う処理は、レンズ歪みについて前述したものと同じとすることができる。
複合モデルが使用でき、この場合、半径歪みモデルおよびプリズムモデルの組合せが使用できる。
（オフセットレンズ）
１つのテクニックは、オフセットレンズとして知られている。図２１において、レンズ２１２と受光面２１３からなるカメラは、光源２１１に由来する散乱光を検知する。レンズは、受光面の中心からオフセットしており、画像での収差を低減するように傾斜させてもよい。受光面は、光ビームに対してほぼ平行となるように配置される。
（プリズム）
同様な効果を達成する他の方法は、プリズムを使用することである。図２２に例を示しており、レンズ２２２と受光面２２３からなるカメラは、光源２２１に由来する散乱光を検知する。散乱光は、レンズに入る前にプリズム４を通過する。
プリズムの効果は、プリズムに入る角度に応じて変化するように、ビーム長さの角度の弦(subtense)を拡大または圧縮することである。湾曲した表面を持つプリズムも使用でき、平坦側面のプリズムより強調された効果を得ることができる。複数プリズムも使用でき、この効果を増強できる。
（湾曲ミラー）
更なる方法は、湾曲ミラーを使用する。図２３に例を示しており、レンズ２３２と受光面２３３からなるカメラは、光源２３１に由来する散乱光を検知する。散乱光は、レンズに入る前に最初に湾曲ミラー２３４によって反射される。
湾曲ミラーの効果は、ミラーへの入射角に応じて変化するように、ビーム長さの角度の弦(subtense)を拡大または圧縮することである。凸面ミラーを示しているが、凹面ミラーや凹部および凸部を持つミラーも使用できる。一般に、ミラーは、単一に湾曲しているが、二重に湾曲したミラーも使用できる。
他の好ましい態様において、本発明は、粒子検出装置および方法を提供するものであり、これは、監視される領域に複数の放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、ビームは、動作の順序付けがなされるようにしている。
好ましい形態において、本発明は、特別なレーザビームを追加することによって、より大きいエリアをカバーするようにできる。全てのビームおよびカメラがほぼ平面内に置かれる場合、ビームは、カメラの視野からほぼ重なり合うようになる。これは、システム感度の改善、そして、１つのカメラによってカバーされるエリアの増加の両方をもたらす。
複数レーザは、レーザパワーの増加と同様な感度の改善をもたらす。カメラおよび背景ノイズの関与は、１本ビームのものと実質的に同じであるためである。
幾つかの形態において、単一のレーザビームに対して下方に粒子の位置を分離する必要はないかもしれない。しかし、必要ならば、レーザビームを周期的にオンオフさせることによって、粒子がどこに配置されているかを教えることが可能である。
この結果を得るようにした機構は、単一レーザを用いた場合に行われるように、１つのフレームをオンとし、１つのフレームをオフとする全てのレーザを有するであろう。粒子が検出されると、システムは、ある時間で１本ビームだけがオンになる走査(scanning)モードに切り替わることができる。
より高い平均パワーを可能にし「走査」を行う、より精巧な機構は、次のようになる。第２フレームが全てのレーザをオフにし、他のフレームでは、１つのレーザを除いた全てが動作する。各「レーザオン」フレームでは、異なるレーザは動作しない。レーザ状態の何れか他の線形独立した組合せが使用できる。さらに、レーザを完全にオフにするのではなく、変化するレーザパワーが使用できる。一方、ここで説明した機構は、その簡単さおよび、達成される高いレーザデューティサイクルにとって好ましい。電力消費を低減してレーザ寿命を延ばす場合には、より低いデューティサイクルが好ましいことに留意する。
図２４において、カメラ２４１は、レーザＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４によって発生したレーザビームからの散乱光を受光する。カメラの視野はθである。画素に対応する視野は、Δθである。
図２４のタイミング図は、レーザの動作パターンを示す。前述したように、他のパターンも使用できる。
カメラ信号を、各ビームに関して分離した散乱読み取り信号に変換するための機構は、次のようになる。
Ｒを、カメラからの画像内の１つの画素での合計受光信号とする。
Ｓｎを、レーザｎがフルパワーである場合、レーザｎによって照射される粒子からの関与分とする。
Ｌｎを、ｎ番目のレーザのパワーとする。但し、１はフルパワーを表し、０はレーザオフ状態を表す（分数のレーザパワー０＜Ｌｎ＜０も許容される。）。
Ｎを、レーザの合計数とする。
そして、下記の式が得られる。
Figure 2008519965
ここで、Ｎ個のフレームが撮られたとして、それぞれＮ個の線形独立ベクトルレーザ状態［Ｌ１１…Ｌ１Ｎ］…［ＬＮ１…ＬＮＮ］を用いて、我々が求める散乱関与分［Ｓ１１…Ｓ１Ｎ］…［ＳＮ１…ＳＮＮ］が、データが収集される期間で一定であると仮定する（即ち、１≦ｍ≦Ｎについて［Ｓｍ１…ＳｍＮ］＝［Ｓ１…ＳＮ］）。すると、対応する受光信号Ｒｍは、次式のようになる。
Figure 2008519965
これは、マトリクスを用いて表現できる。
Figure 2008519965
ベクトル［Ｓ１…ＳＮ］は、連立方程式を解くための周知の方法の何れかを用いて、解くことができる。
これらの操作は、バックグランド消去を既に実行した画像を用いて行うべきである。さらに、積分も実行してしまってもよく、あるいは、積分は後で実行してもよい。
さらに、これらの操作は、選んだ積分エリア内での各画素または画素グループについて行う必要がある。続く処理は、Ｎ個のデータセットを処理する点を除いて、単一レーザシステムと同じである。ＳＮの添字は、特定のＳ値が属するセットを決定する。
典型的なシステムは、故障検出およびアライメントの監視やフィードバックのための、レーザ源スポットおよび目標スポットの監視を組み込んでもよい。これは、カメラが充分に線形的に動作して過剰な飽和がないと仮定して、関連する画素または画素グループについて上記計算を用いることによって、画像内のスポットの重なり合いが存在していても行うことができる。
飽和が、別々のレーザスポットからの関与の分離を不可能にしていれば、代替として、ある時間に、１つのレーザだけを時々オンに切り換えて、スポットの位置を確認することである。
他の好ましい態様において、本発明は、粒子検出装置および方法を提供するものであり、これは、監視される領域に、放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、放射源および画像検出手段のうち少なくとも１つを、制御するようにして位置決めすることとを含む。
好ましい実施形態において、光源および受光器の一方または両方が、位置制御機構の上に搭載され、受光器および光源ならびにこれらの視野の主軸を方向付けする。この利点は、手動または自動制御の下で、システムは、ある場面での対象エリアをより接近して診断して、重大なエリアをより良好に管理することが可能である。これは、パンニング(panning)機構、ティルティング(tilting)機構、ズーム(zoom)機構、あるいはこれらいずれか３つの組合せとして実施してもよい。例えば、パンニング機構は、低コストで広角のレンズの視野を超えて、広い対象エリアの監視を可能にする。
図２５は、システムの例を示しており、ここでは、このパン−ティルト−ズームまたはＰＴＺが動作して、通常の使用のために設定されている。このシステムは、ズームレンズ２５１と、パン−ティルト機構２５２と、搭載ブラケット２５３と、受光器２５４（好ましくは、カメラなどの画像捕捉デバイスの形態）と、光源２５５（好ましくは、レーザの形態）とを備える。各受光器は、視野２５７を有し、各光源２５５は、ビーム２５４を発生する。システムは、環境２５８を監視するために使用される。
図２６は、図２５のシステム例を示し、この例では煙柱２６１０を含む対象領域の近接診断のために、視野２６７がどのように調整されるかを示している。光源および受光器の一方または両方の主軸が変化した場合、システム較正が変化して、３Ｄ空間内の対象領域の物理的位置および光散乱測定の強度および特性の両方に関する測定プロセスで明らかにする必要がある。これは、直接的な較正、または同様にルックアップテーブルの使用によって容易に達成される。
ＰＴＺ機構は、受光器および光源の各々について３つの自由度を提供する。従って、全部で６つの自由度があり、６次元のルックアップテーブルとして表現可能である。これは達成可能であるが、サイズの点で扱いにくい。例えば、パン位置、ティルト位置およびズーム位置の各々で１０個の位置を考慮すると、可能な組合せは１０の６乗または１００万個の組合せである。
従って、好ましい実施は、低減した分解能のテーブルを使用できる。例えば、パン、ティルトおよびズームの各々で５個の位置については、組合せは、５の６乗または１５６２５個の可能な組合せに低減する。これが不充分な分解能であれば、追加的に補間を適用して、中間ポイントにある位置の値を決定することができる。
（空間較正）
システムによって感知される特別な場所を決定するためには、受光器および光源の内的および外的なパラメータを決定する必要がある。
（内的パラメータ）
受光器が、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどのエリアアレイセンサを用いたカメラである場合、重要な内的パラメータは、焦点距離、センサ素子のｘとｙのピッチ、レンズの主軸と画像アレイの一致ポイント、および半径レンズ歪み係数である。
レンズ主軸に対する画像センサ面のティルトなどの他のパラメータ、および接線(tangential)レンズ歪みなどの高次の影響は、明らかにできるが、測定結果への重要性が低いため、一般には無視される。
内的パラメータは、製造時に決定でき、現場で適用できる。
（外的パラメータ）
外的パラメータは、そのままで較正する必要がある。これらは、光源および受光器の搭載のモードに依存しているからである。空間場所の完全な決定のために測定する必要があるパラメータは、各光源および受光器に関して、光源の回転の実効中心、Ｘ，Ｙ，Ｚおよび各デカルト(Cartesian)軸回りの回転、α，β，γである。
これらが内的パラメータとともに既知である場合、光源光ビームが見えている画像内の任意の画素について、既知の限界内で決定することが可能であり、空間内のポイントのＸ，Ｙ，Ｚの場所が観測される。
他の好ましい態様において、本発明は、粒子検出装置および方法を提供するものであり、これは、監視される領域に、放射ビームを発射することと、粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、画像は、少なくとも２つの位置に配置された画像検出器によって検出される。
実際に生じ得る問題は、システムが、画像を誤って解釈して、誤差のある粒子測定を生じさせることがある点である。図２７に例を示しており、監視される環境は符号２７８で示している。
図２７に示す移動する人間は、散乱測定に影響を及ぼし得る画像アーチファクト(artifact)を生成することがある。受光器２７１は、ビームおよびバックグランドで歩く人間からの両方の散乱を観察する。画像引き算は、こうした妨害の影響を低減するが、得られる画像は、図２８に示すように見える。図２８の画像において、予想されるビーム位置のエリア内で強度変化がある。これは、そのポイントでの測定を妨害し、誤アラームをもたらすことがある。
図２９に示すように、同じ場面を、異なる見晴らしポイントから見る第２のカメラが、アラームを確認して、上述したタイプの妨害を破棄するために使用できる。第２の画像で見える妨害は、予想ビーム場所と明らかに一致していない。システムは、両方の画像でラインに沿った散乱活動を感知しないため、第１のカメラ２７１からの誤り情報を破棄でき、誤アラームを回避する。
更なる問題は、明るいバックグランドが、煙イベントからの光散乱を圧倒して、それを見失うことがある点である。
図３０は、環境３０８が監視される、この状況を示している。何れの処理に先立って、カメラ３０１が、窓３０２からビーム経路の一部に沿った明るい光によって目がくらみ、その領域についての散乱を拾い上げるのを無力にしている。何れの処理に先立って、カメラ３０１からの生画像は、図３１に示すように見える。
この画像では、ビーム３１１が窓ガラス３１２を通過して、受光器が飽和しているため、画像内で窓ガラス３１２を横切る場所でビームと一致する煙粒子によって生じ得る何れの追加の光散乱を検出できない。
同じ場面を、異なる見晴らしポイントから見る第２のカメラは、第１のカメラが見失ったエリアをカバーするために使用できる。例えば、第２のカメラ画像は、図３２に示すような画像からなる。この画像において、ビーム経路３２１は窓画像３２２と重なっておらず、カメラは、ビーム３２１の長さに沿って煙粒子イベントを拾い上げることができる。
上述したように、例えば、照明条件の局所変化などに起因した妨害の影響を最小化するために、画像処理を、光源ビームによって占められることが既知である画像内の領域および近くの領域に制限することが望ましい。これは、処理手段でのコンピュータ負荷を減少させるという利点も有する。
本発明の好ましい実施形態によれば、ビームが見えている画像領域が既知であるように、受光器および光源を較正することが可能である。
代替の手法は、ビーム経路での２つのポイントを知ることによって、ビームの位置を明示的に決定することである。一方のポイントは光源自体とし、他方のポイントは、空間内でビーム経路と交差しつつ、受光器の視野内に留まるように置かれる、反射性または半透明のターゲットまたはプローブとすることができる。この例は、図３３に示しており、領域３３８が監視されている。
図３３の受光器３４３によって捕捉された画像は、図３４に示している。プローブ３４６、本質的に、適切な散乱特性を持つシート状のプラスチックまたはガラスなどの散乱特徴部分と同等物は、光ビーム経路３４２の中に介在して、投影光スポット３４５からのビーム散乱が受光器３４３に見えるようにしている。光源アパーチャ３４１も画像内で見えている。
光源３４１からの光は、光源の射出瞳での散乱から、または特別に配置された光源、例えば、ＬＥＤなどから由来して眩しくなることがあることに留意する。散乱手段（プローブ）の吊り下げ手段は、投影スポット３４５が全時間でカメラ３４３の視野内に留まっている限り、重要ではないことに留意すべきである。
さらに、投影スポット３４５は、ビーム経路３４２を管理するために使用可能であることに留意すべきである。スポット３４５の不在または強度低下は、障害物の存在を示し、システムの検出性能を低下させることがあるからである。
ＬＥＤが、光源マーカとして使用される場合、更なる特徴は、ＬＥＤがオンオフで点滅して、高い周囲光の条件で、その検出を可能にすることである。例えば、ＬＥＤを含む画像の全体または一部での「オン」画像から「オフ」画像の引き算は、ＬＥＤの検出を改善するようになる。
光ビームの源および行き先をそれぞれ決定することによって、画像内の対象エリアは、線形補間により容易に見つけられる。受光器レンズが、極端なレンズ歪み、ごく普通には半径レンズ歪みを受けている場合、使用する補間は、直線ラインをベースにするのではなく、より高次（一般には２次）のものである必要がある。半径歪みは、上述したように、樽歪みまたは針差し歪みとなる。いずれの場合も、この値の測定、そして他の内的パラメータは、画像を通じてビーム経路を適切に決定するために必要になる。
半径レンズ歪みに適用される補正は、ｒ’＝ｒ＋ｎｒ２ の形式のものである。ここで、ｒは、未補正画像での主点の投影からの観測した半径であり、ｎは、実験で見つかる定数である。樽歪みの場合、ｎは負の定数であり、針差し歪みの場合、ｎは正の定数である。こうした補正方法は、画像処理および画像取得の分野の当業者に周知であろう。
受光した照射に基づいて煙レベルを計算可能であるためには、受光器に対する光源ビームの方向を監視することが必要になるであろう。光ビーム到達を監視して、それが妨害されていないことを確かめることも望ましい。光ビームを管理する手段は、一実施形態では、受光器近くの表面上のその投影を観測することである。これは上述しており、ここでは図３５に示す代替の実施形態の例を通じて詳説する。
光源３５１は、受光器３５２の近傍で直接に入らないように、光ビーム３５３を投影する。受光器に近接した壁の上に投影された光スポット３５４は、受光器３５２には見えない。従って、上記構成では、受光器３５２は、光ビームが妨害されていないことを確認するために使用できない。ビームの到達を管理できる多くの方法がある。
一実施形態は、図３６に示しており、後方確認ミラー３６５が受光器３６２の前方に配置され、その視野の一部が後方確認となるように転換している。前と同様に、光ビーム投影スポット３６４は、受光器３６２の後方に入って、ミラー３６５はその画像を受光器３６２へ反射して見えるようにしている。受光器３６２によって捕捉された画像は、図３７に示している。投影スポット３６４の反射は、光源３６１であるかのように、ミラー３６５の中で見える。
代替の実施形態では、スポット３６４は、特別に設計された光学素子、例えば、スポット像および主要な前方画像を観測できるレンズを用いて管理できる。こうしたレンズは、図３８に示している。図３８において、レンズハウジング３８１は、前方確認レンズ３８３と、後方確認レンズ３８４を含む。前方レンズ３８３を通過した光は、ビームスプリッタ３８６を通過して、画像センサ３８７に入る。後方確認レンズ３８４を通過した光は、ミラー３８５によって反射して、ビームスプリッタ３８６によって部分的に反射し、画像センサ３８７に入る。
結果として、受光器の後方にある壁でのスポットおよび前方の風景の両方を示す組合せ画像が得られる。ビームスプリッタ３８６は、例えば、プリズムなど、多くの周知の形態を取り得るが、好ましくは、平行側面のガラスの断面(section)である。こうしたガラスは、レンズ３８４からの光を良好に捕捉する必要があれば、部分的に銀メッキしてもよいが、これは必ずしも必要でない。
上記方法の不具合は、２つの画像の組合せが、視野の主要な方向での光散乱に対する受光器の感度を低減する幾らかの干渉を生じさせることがある点である。
従って、改善は、シャッタを、後方確認および前方確認のアパーチャの一方または両方
に適用して、これらが同じ受光器で交互に観察できるようにすることである。この例は、図３９に示している。
シャッタ３８８，３８９の追加は、前方風景および後方風景の独立した観察を可能にする。シャッタは、モータまたは他の物理駆動手段を用いて機械的に動作してもよく、あるいは、可動部品の無い固体状態のシャッタ、例えば、液晶シャッタや磁気光学シャッタなどでも構わない。
この原理の代替の実施形態では、前方確認シャッタ３８８は省略してもよい。後方確認レンズ３８４を通じてスポット３８２を観測することが望ましい場合、シャッタ３８９が開いて、スポットからの光が画像センサに入るようにする。通常、スポットは、前方確認風景での何れの特徴物よりかなり強くなって、区別するのが容易である。
他の実施形態では、ビームは、アクティブ画像捕捉システムを用いて管理してもよい。例えば、投影スポットの位置および強度を決定する目的だけのために、専用カメラを使用してもよい。これは、図４０に示している。受光器４０５は、投影スポット４０４の位置および強度を監視する。こうした実施形態では、後方確認受光器４０５は、カメラ、例えば、ＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイのカメラや同等品などでもよい。
この原理の他の実施形態では、受光器は、位置検知ダイオード（ＰＳＤ）でもよく、出力信号は、その表面上に投影されたスポットの強度および位置から導出される。
この原理のさらに他の実施形態では、受光器４０５は、反射スポットを観測し、スポットの強度に基づいて信号を供給するように整列した単一のフォトダイオードでもよい。スポットの不在または減衰は、簡単な処理手段の支援により、アラーム信号を生じさせる。
さらに他の実施形態では、受光器４０５は、２つ又はそれ以上のフォトダイオードのアレイでもよく、これらの比較信号は、所望の場所からのスポットからの偏差の程度を示すように使用していもよい。
上記実施形態の何れにおいて、後方確認受光器４０５および前方確認受光器４０２は、搭載およびアライメントの容易のため、１つの物理的構造の中に組合せてもよい。
（受光器によるビーム管理）
更なる実施形態では、散乱を検出するために用いられる同じ受光器は、ビームの到達を管理してもよい。これは、図４１に示している。ビーム管理システムのこの実施形態ではビーム４１３は、受光器４１２のレンズに対して直接または近くの位置４１５に周期的に操縦される。これは、極めて高い信号レベルを生じさせることがあり、光ビームの到達を確認するために使用される。確認の後、ビームは、通常の位置４１４まで操縦される。この手法の利点は、別個のビーム管理要素の必要性を排除することによって、コストを低減している点である。
ビームの到達を管理するさらに他の手段は、受光器の視野内の表面に対して周期的に方向付けることである。図４２において、２つのライン４２６は、受光器４２２の視野の限界を示し、通常の状態では、光源４２１はビーム４２３を第１のターゲット位置４２４に方向付ける。周期的に、ビームは、受光器４２２の視野内になるように選択された第２のターゲット位置４２５へ向けて操縦される。
４２５での投影スポットは、受光器によって検出され、ビームの到達を確認する。ビームは、その通常の位置４２４に戻る。
粒子雲を通過する光ビームは、上述したように、光スペクトル、粒子のサイズ分布および吸収特性に依存するように散乱することは、粒子散乱測定の分野の当業者によって理解されよう。
図４３の図解は、干渉粒子が存在していない場合の、画像およびビームに関するビームプロファイルを示す。図解において、光スポット４３１がターゲット４３２上に存在している。例えば、ライン４３３に沿った強度プロファイルが、グラフ４３４に相対強度として示している。
ビームが実質的に単色で、粒子分布が、ビーム波長に比べて大きな粒子を表す単一モードである場合、フリンジ(fringe)のパターンは容易に観測できる。実際には、観察距離の不一致および粒子サイズの広い分布に起因して、フリンジは融合して、見かけ上広がったビームを生じさせる。
ビームスポットが壁または他のターゲット上で観測される場合、その影響は、ビームを取り囲む領域での光強度を増加させて、スポット自体の強度を減少させる。これは、図４４に示している。
上述のように測定した観測強度分布と、ビーム方向に対して多くの角度で配置された受光器から導かれる強度情報を組み合わせることによって、粒子サイズ分布の推定を作成することが可能であり、同じ環境での標準の掩蔽計測器(obscurometer)から得られる読み取り信号について、より近いエミュレーションを行うことも可能である。
（隠蔽(suppression)ディスク）
ビーム広がり効果に対する感度を改善するために、光吸収性の構造または表面、またはマスキング構造に主ビームを集束して、大きい粒子の散乱によって生ずるビームの広がりを強調することが可能である。この特性を持つ適切なターゲットの例は、図４５に示すようなものであり、４５１は通常のターゲット表面であり、４５２は光吸収材料の円である。同様に、４５２は空洞構造でもよいことに留意し、こうしてアパーチャを通じた光の戻り反射を最小化する。
図４６において、グラフ４６４はライン４６３を交差した強度プロファイルを表す。ビーム広がり効果は、極めて明るい中心スポットの隠蔽４６５に起因して、受光器によってより容易に検出可能であり、減光テイル４６６の検出を可能にする。
（受光器を検査するためのテスト照明器）
受光器が正しく動作するのを確認することが必要であろう。受光器が、ＣＣＤやＣＭＯＳカメラなどのエリアアレイ検出器である場合、欠陥画像要素（画素）または、画像アレイ表面上に落ちた余分なダスト粒子により、システムは光散乱イベントを見失うことがある。
一実施形態では、各要素の動作を検査する手段は、照明光源を設けて、アレイを光で溢れさせることである。各要素は、許容標準および合格／不合格評価モードに対して検査可能である。このテストへの改善は、製造または設置の早期段階で活動する照明器を用いて、受光器からの参照画像を保存することと、次の照明テストフレームと比較するために、この保存したフレームを使用することであり、僅かな画素間変動またはテスト時の照明での統計的空間変動を特に補償する必要性を排除する。
アレイの動作を検査する１つの手段は、受光器の正面に周期的に配置され、平坦な輝き(glow)を放つ外部光源を設けることである。図４７において、照明手段４７４は、レンズハウジング４７１の前に一時的に配置される。照明光源４７６からの光は、前記照明光源からの光を散乱させるように機能する任意のスクリーン４７５を通過し、続いて、レンズ系４７２を通過して、画像センサ４７３の上に到達する。前記画像センサは、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳのアレイなどの表面に渡って、強度変動を空間的に分解することが可能である。
照明手段４７４は、例えば、エレクトロルミネセンスパネル、ＬＥＤなどの光源を用いたり、あるいは充分な環境照明が存在するというように、多くの方法で実現することができる。前記手段は、単一の研磨ガラススクリーンまたは同等品を備えてもよく、受光器を取り囲む環境内に既に存在する照明を散乱する。
テスト照明器を実現するさらに他の手段は、図４８に示している。図４８において、照明光源４８６は、受光器検出器アレイに近接して、レンズ系４８２と画像受光器４８３の間の空間に配置されている。この照明器は、周期的に起動してもよく、画像アレイの機能が検査される。
（厚い煙柱を検出する後方散乱）
非常に可燃性の材料が点火した場合に発生するような、突然の厚い煙柱が発生した場合、光ビームは大きく減衰して、前方散乱が検出されなくなる。これらの条件下では、本発明の更なる実施形態に従って、光源に向けて後方散乱した光を使用して、上述したような空気中の煙の場所および量を示すことが可能である。
この構成の例は、図４９に示している。図４９を参照して、光源４９１は、ビーム４９２を、空間を通じて受光器カメラ４９４の近くに配置されたポイント４９３へ投影する。煙柱４９５は光学的な掩蔽を有し、受光器カメラ４９４では、ビームからのかなりの光量が検出できない。
しかし、追加の受光器カメラ４９６が、濃い柱からの後方散乱として発散する光を受光できるように、光源４９１に近接して配置されている。これは、煙柱の検出を可能にし、続くアラームの起動を可能にする。
同じ方法の代替の実施は、図５０に示しており、光源５０１からの光ビーム５０２は、煙柱５０６によって全体的に掩蔽されている。受光器５０４に近い２次光源５０３は、柱に進入するビーム５０５を投影するように構成される。ビーム５０５からの後方散乱は、受光器５０４によって検出され、アラームを起動する。
画像内のバックグランドに対して低いレベルの散乱光に起因して、アルゴリズムを適用して、画像ノイズの影響を低減することが必要であり、システム検出能を改善できる。
この処理は、図５１を参照して説明できる。拡大縮小を用いない場合、第１の画像５１１が光源オフで捕捉される。第２の画像５１４では、光源５１４がオンで、理想的な周囲照明情景の下で画像が捕捉される。５１２から５１１を引き算することによって形成された差分画像５１３は、背景アーチファクトを示しておらず、光源散乱を容易に検出することができる。
受光システムの感度は、捕捉した画像がそのダイナミックレンジ内に入ることを確保するように、通常、調整可能である。干渉が発生した場合、全体のバックグランド強度がレーザオン画像とレーザオフ画像の間で異なることがある。画像引き算を実行した場合、バックグランドが完全に消去されないと、背景アーチファクトが差分画像に残る。
図５２において、例えば、蛍光フリッカなどに起因して、光源オフの画像５２１はより高い全体強度を有する。光源オフの画像５２１は、光源５２４がオンの画像５２２から引き算され、その結果、得られた画像５２３を出現させる。得られた画像５２３では、背景からの特徴物は、引き算処理によって消去されない。
これは、誤り検出イベントをもたらしたり、または、検出のためにより高い閾値を設定する必要性のため、煙イベントを識別するシステムの能力を低減することがある。
これを克服する手段は、１つの画像と次の画像で同等であることが判っている画像強度に基づいて補正を適用することである。背景画像（光源はオフ）と活動画像（光源はオン）で比較することによって、両方の画像内で、光ビームの照射によって変化しないエリアが存在することが明らかである。従って、これらのエリアでの変動は、蛍光フリッカなどの干渉効果に起因していることになる。
図５３において、影領域５３１は、ビーム経路５３２のエリアを除外していることが判っているエリアを表す。領域５３１は、バックグランド積分エリアと称し、領域５３２は、光ビーム積分エリアと称する。
ある画像での５３１内の照射を評価することによって、全体画像を調整することが可能であり、その強度は、参照領域５３１が所望の照射を有する必要に応じて増加または減少する。これは、自動利得制御の形態として認められる。従って、こうした処理画像を画像引き算のために使用した場合、得られる画像は、エリア５３３内の光ビームからの散乱をより容易に出現させる。
代替の実施では、画像は、最初に画像を修正せずに、引き算のときに調整してもよい。これは、算数処理において幾らか経済性をもたらす。この例は次のとおりである。
２つの画像Ｉ１，Ｉ２を用意する。Ｉ１は、光ビームがオフの画像であり、Ｉ２は、光ビームがオンの画像である。画像５３１の参照領域をＲ１とし、Ｉ２の参照画像をＲ２とする。さらに、Ｒ１での全画素の平均強度をＶ１とし、Ｒ２での全画素の平均強度をＶ２とする。そして、差分画像Ｉｄｉｆｆは、各画素（ｘ，ｙ）に関する下記の計算によって形成できる。
Figure 2008519965
このステップは、照射での全体変化を補正して、差分画像内の支配的な特徴物は、光源ビームからの散乱である。
この方法の更なる改良は、算数処理を光ビーム積分エリアに制限することである。これは、コンピュータ負荷を低減し、より経済的な実施を可能にする。
光ビーム位置の各側方にある参照領域を用いることによって、より良い変動測定が得られる。図５４において、ビーム領域５４３の各側方にある領域５４１，５４２を用いて、画像間の相対変化を追跡する。
検出アルゴリズムは、好ましくは、ビームオフの画像とビームオンの画像を比較することから、これは、外部光源に起因した干渉が存在している特定の応用を有し、こうした干渉は、画像捕捉時間に対して同期していない。こうした干渉の例は、蛍光光およびネオンサインである。
これらの干渉源が存在している場合、光源オンと光源オフとで撮られた画像を拡大縮小することが可能であり、画像の引き算は、より完全に画像の背景アーチファクトを除去するようになる。
検出する画像内でのビーム５４３の経路が既知である場合、その各側方にある領域５４１，５４２は、画像内の全体照射の測定として使用してもよい。補正式は、上記で与えられた補正式と同じである。
この方法の更なる改良は、干渉が、画像エリアに渡って一様でない場合の補正を考慮する。例えば、監視されるエリアの１つの領域を圧倒的に照射するように配置された干渉光源が存在する場合、全体的または包括的な調整が可能でなくなる。従って、局所化または領域単位の補正がより良好に適用される。
これは、図５５を参照して説明する。画像は、ビーム５３３の位置より上側にあるセクション５１１と下側にあるセクション５５２に分割される。ここでは上述したタイプの補正が領域単位ベースで適用され、各領域は、５５１タイプのセクションと、それより下側の５５２タイプのセクションからなる。
こうして、各領域［４］〜［１２］は、セクション５５１、セクション５５２、およびセクション５５１とセクション５５２の間でビーム経路が存在する領域の、三部構成(triplet)を含む。
そして、補正式は、計算され、領域単位ベースで適用され、適用可能な領域での画素にのみ適用される。
比例的(ratiometric)補正および次のバックグランド消去が適用される場合、必要な信号で同じように不要ノイズ成分をそれぞれ有する計算に対して４つの要素が存在する。要素は、最初に、光源オンの光ビーム積分エリア、光源オフの光ビーム積分エリア、光源オンのバックグランド積分エリア、最後は、光源オフのバックグランド積分エリアである。
システムでのノイズは、主として受光器画像ノイズから起こる。これは、多くの画像を捕捉し積分したり、積分領域のサイズを増加させたり、光源オン時間のデューティサイクルを増加させることによって低減できる。これらの測定は、個別または組合せで使用でき、受光器ノイズに対して信号を改善する。
最適なノイズ低減を達成するために、計算用に選択した領域が、過度の干渉とならないようにすることが重要である。
過度の干渉は、テレビジョン、コンピュータモニタ、アニメサインなどの視野内にある物体から生ずることがある。動く機械、規則的な歩行者の通行を伴う交通や通路を視野内に通過させる外部窓など、他の物体も現在の干渉となり得る。
設置または作動の際、処理から除外するエリアを手動で指名することが可能である。その後、システムは、除外した領域からのデータを無視してもよい。
好ましい実施において、除外領域の選択は自動化され、設置または作動の際、この種の手動設定の必要性を省いている。各画像要素は、あるパラメータによって特徴付けてもよく、それは、時間に関するそのレベル変化を測定する。こうした測定は、選択した期間について画素レベルの標準偏差を計算することによって得られる。所定の画素に関するこうした測定が、大部分の画素より著しく過剰である場合、その画素は、領域計算での使用に不適としてマークされる。
受光した画像でのビーム経路を予測できるように、受光器の視野内で光ビーム源の位置を監視することが望ましい。これは、図３３を参照して上述したように行ってもよく、光源ビームの位置およびビーム経路での少なくとも１つの他のポイントを把握すると、画像を通じてビーム経路に対応して、対象エリアが識別可能になる。
レーザ源を観察するときに生ずる重大な問題は、受光器が過負荷になり、捕捉画像が光源領域で飽和することである。この結果、大きな影響を受けた領域は散乱情報に対する感度がなく、煙を検出することができない。
図５６において、ビーム５６２を発生する光源５６１は、受光画像の大きな部分を過負荷にして、その領域での煙検出を事実上不可能にする。
問題は、光源アパーチャから直接散乱される光から受光器を遮蔽するようにして、光源をマスキングすることによって緩和できる。光源をマスキングする１つの方法は、光源アパーチャに合わせて一連の邪魔板(baffle)を適用することである。図５７を参照して、少なくとも１つの邪魔板５７２からなるシステムが、光ビーム源５７１のアパーチャに配置される。主たる光ビーム５７３は、妨害されずに通過する。軸外の緊密な散乱５７４は、邪魔板システム５７２によって吸収され、５７５で示す観察方向の受光器に対して見えなくなる。
こうした邪魔板システムの使用は、受光器によって捕捉される光源像を、大幅に低減し、または完全に除去する。
邪魔板システム以外のデバイスが、同等な結果を達成するために使用できる。例えば、簡単な不透明(opaque)または半不透明(semi-opaque)プレートを、受光器による光源アパーチャの直接観察を暗くして、主ビームの通過を妨害しないように、配置することができる。これは、図５８に示している。プレート５８２は、受光器の観察角度５８５に沿って受光される側方散乱５３４を遮断して吸収する。半不透明プレートの使用は、光が光源からプレートを通って受光器へ通過することにより、光源の場所が受光器画像で識別可能である点である。
本発明は、特定の実施形態に関連して説明したが、更なる変更が可能であることは理解されよう。本願は、本発明の原理に一般に従い、本発明に関する技術内の周知または慣用手段に入るもので、上述した本質的特徴に適用されるような本開示からの逸脱を含む、本発明の何れの変形使用または適合を網羅することを意図している。
本発明は、本発明の本質的特性の精神から逸脱することなく幾つかの形態で具体化してもよく、上述した実施形態は、他に特定していない限り本発明を限定するものでないと理解すべきであり、添付した請求項で規定されるような本発明の精神および範囲内で広く解釈すべきである。種々の変形および均等配置が、上述した本発明の精神および範囲内に含まれると意図している。従って、特定の実施形態は、本発明の原理が実践できる多くの方法の例示であると理解されることになる。
上述した説明では、手段プラス機能節は、所定の機能を実行するような構造、そして構造的な等価物だけでなく、等価な構造をも網羅することを意図している。例えば、釘およびねじが構造的な等価物ではないが、釘は、円筒面を採用して木製部品を固定し、一方、ねじは、ヘリカル面を採用して木製部品を固定しており、木製部品を固定する環境では、釘およびねじは等価な構造である。
「備える・含む」は、本明細書で使用した場合、記述した特徴、完全体(integer)、ステップまたは構成要素の存在を特定するために使用し、１つ又はそれ以上の他の特徴、完全体(integer)、ステップ、構成要素またはこれらのグループの存在や追加を排除するものでない。
検出器システムの一実施形態の概略側面図を示す。 図１の検出器システムの画像捕捉デバイスと発光器の位置の一実施形態の平面図を示す。 好ましい実施形態に従って、図２の画像捕捉デバイスで撮られた画像の概略斜視図を示す。 好ましい実施形態に従って、図１の検出器システムについて信号処理に関する概略的なシステムワークフローを示す。 図１の実施形態での画像捕捉デバイスによって捕捉されたデータのセグメントのグラフィック表現を示す。 図１の実施形態での画像捕捉デバイスによって捕捉されたデータ統合のグラフィック表現を示す。 好ましい実施形態に従って、図１の検出システムによって実行されるバックグランド消去を説明する画像を示す。 好ましい実施形態に従って、図１の検出システムによって実行されるバックグランド消去を説明する画像を示す。 好ましい実施形態に従って、図１の検出システムによって実行されるバックグランド消去を説明する画像を示す。 図１の検出器システムの動作に関連して用いられるソフトウエアの一実施形態において、画素半径を計算するために用いられる方法のグラフィック表現を示す。 本発明に係る検出器システムの更なる実施形態の概略平面図である。 本発明に係る検出器システムの他の実施形態の概略平面図である。 本発明に係る検出器システムの他の実施形態の概略平面図である。 本発明に係る検出器システムの他の実施形態の概略平面図である。 本発明に係る検出器システムの他の実施形態の概略平面図である。 図１の検出器システムの一部の概略図を示す。 図１の検出器システムの画像捕捉デバイスからの捕捉画像データの概略図を示す。 本発明に係る検出器システムの他の実施形態の平面図である。 本発明に係る検出器システムの更なる実施形態の平面図である。 本発明に係る検出器システムの更なる実施形態の平面図である。 本発明に係る検出器システムの更なる実施形態の斜視図である。 本発明に係る検出器システムの更なる実施形態の平面図である。 本発明に係る検出器システムの更なる実施形態のブロックシステム図である。 本発明の他の好ましい実施形態に係る光学的配置の説明図である。 本発明の他の好ましい実施形態に係る光学的配置の説明図である。 本発明の他の好ましい実施形態に係る光学的配置の説明図である。 本発明の他の好ましい実施形態に係る光学的配置の説明図である。 本発明の他の実施形態の平面図であり、複数のレーザの動作に従う信号を示すタイミング図を含む。 本発明の他の実施形態の斜視図である。 本発明の他の実施形態の斜視図である。 本発明の他の実施形態の斜視図である。 図２７に示す本発明の実施形態に従って撮られた画像である。 図２７に示す本発明の実施形態に従って撮られた他の画像である。 本発明の他の実施形態の斜視図と側面図である。 図３０に示す本発明の実施形態に従って撮られた画像である。 図３０に示す本発明の実施形態に従って撮られた他の画像である。 本発明の他の実施形態の斜視側面図である。 図３３に示す本発明の実施形態に従って撮られた画像である。 本発明の他の実施形態の斜視側面図である。 本発明の他の実施形態の斜視側面図である。 図３６に示す本発明の実施形態に従って撮られた画像である。 本発明の更なる実施形態に係る光学エレメントを示す。 本発明の更なる実施形態に係る光学エレメントを示す。 本発明の他の実施形態に係るビーム管理配置である。 本発明の更なる実施形態の斜視側面図である。 本発明の更なる実施形態の斜視側面図である。 本発明の実施形態に従って使用されるビームの画像およびビームプロファイルを示す。 本発明の実施形態に従って使用されるビームの画像およびビームプロファイルを示す。 本発明の他の実施形態に係るマスキング構造を示す。 本発明の他の実施形態に係るマスキング構造およびマスキング構造に関連したビームプロファイルを示す。 本発明の個々の実施形態に係る照明器手段を示す。 本発明の個々の実施形態に係る照明器手段を示す。 本発明の個々の更なる実施形態に係る斜視側面図を示す。 本発明の個々の更なる実施形態に係る斜視側面図を示す。 本発明の他の実施形態に従って撮られた画像を示す。 本発明の他の実施形態に従って撮られた画像を示す。 本発明の更なる実施形態に従って使用されるビーム領域の画像を示す。 本発明の更なる実施形態に従って使用されるビーム領域の画像を示す。 本発明の更なる実施形態に従って使用されるビーム領域の画像を示す。 本発明の他の実施形態に従って撮られた画像である。 本発明の個々の更なる実施形態に係る光源配置を示す。 本発明の個々の更なる実施形態に係る光源配置を示す。

Claims (95)

  1. 監視される領域に放射ビームを発射することと、
    画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものである粒子検出方法であって、
    発射ステップおよび検出ステップは、発射ビームのパワーレベルと間接的に比例した関係に従って、放射ビームのオン期間および画像捕捉手段の露出期間を決定することを含む粒子検出方法。
  2. 変調ステップは、さらにビームのオン期間と画像捕捉手段の露出期間を同期させることをさらに含む請求項１記載の方法。
  3. ビームのオン期間は、露出期間より大きいか、それより小さいか、またはそれと等しい請求項２記載の方法。
  4. ビームは、パルス動作するようにした請求項１，２または３記載の方法。
  5. ビームのオン期間を、約数秒から約０．１ｍｓｅｃまたはそれ以下の範囲に設定するステップと、
    対応するビームパワーレベルを、約１．１８ｍＷまたはそれ以下から約５００ｍＷの範囲に設定するステップ、の１つ又はそれ以上のステップをさらに含む請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  6. 画像捕捉手段は、約２５から１００フレーム／秒の範囲のフレームレートで動作し、
    ビームは、約１２．５Ｈｚから約５０Ｈｚの範囲の周波数でパルス動作するようにした請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
  7. 監視される領域に放射ビームを発射することと、
    画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものである粒子検出方法であって、
    対象粒子の存在以外のイベントに対応した、検出画像における１つ又はそれ以上の変動および変動の原因を軽減するステップをさらに含む粒子検出方法。
  8. 軽減ステップは、拡大ビーム幅を用意して、拡大ビームと比べて比較的小さい、少なくとも１つの寸法を含む第１の物品が、ビームに対して最小の相互作用を生じさせて、検出画像において相応に低減された変動を提供することと、
    発射ビームの予め定めた並進運動を用意して、第２の物品と相互作用するビームを回避することと、
    第３の物品によって生ずるビームの散乱特性を決定して、第３の物品を対象粒子から区別することとの１つ又はそれ以上を含む請求項７記載の方法。
  9. 第１の物品および第２の物品は、クモの巣、クモの糸、フィラメントの１つ又はそれ以上の物体を含む請求項８記載の方法。
  10. 第３の物品は、対象粒子より実質的に大きいサイズを持つ物体を含む請求項８または９記載の方法。
  11. 物体は、ダスト粒子を含む請求項１０記載の方法。
  12. 粒子は、煙粒子を含む請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
  13. 監視される領域に放射ビームを発射することと、
    画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものである粒子検出方法であって、
    検出ステップを行うためのプローブを用いて、発射ビームを探査するステップをさらに含む粒子検出方法。
  14. プローブは、半透明な物体を含むようにした請求項１３記載の方法。
  15. プローブは、検出される粒子の光散乱特性に近似した光散乱特性を備えるようにした請求項１３または１４記載の方法。
  16. プローブは、発射ビームと相互作用する際、実質的に２次元の物体と、
    発射ビームと相互作用する際、実質的に３次元の物体、の１つ又はそれ以上を含む請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
  17. プローブは、発射ビームへの移動が容易なように、グランドレベルに対して可動である請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
  18. 監視される領域に放射ビームを発射することと、
    画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示す粒子検出方法であって、
    ビームを複数のセグメントに分割するステップと、
    各ビームセグメントについて画像変動を決定するステップと、
    各セグメントについて決定した画像変動を制御ポイントへ提供して、複数のポイント粒子検出器をシミュレーションするステップとをさらに含む粒子検出方法。
  19. 画像捕捉手段は、１つ又はそれ以上の画像捕捉デバイスを備える請求項１〜１８のいずれかに記載の方法。
  20. 画像捕捉手段は、対向する画像捕捉デバイスを備える請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
  21. 第１の画像捕捉デバイスと対をなす第１のビーム発光器を用意するステップと、
    第２の画像捕捉デバイスと対をなす第２のビーム発光器を用意するステップと、
    第２の画像捕捉デバイスを用いて、第１の発光器の発射ビームを監視するステップと、
    第１の画像捕捉デバイスを用いて、第２の発光器の発射ビームを監視するステップと、をさらに含む請求項１〜２０のいずれかに記載の方法。
  22. 第１および第２の対をなす発光器および画像捕捉デバイスのうちの１つ又はそれ以上は、同一の搭載配置に設けられる請求項２１記載の方法。
  23. 第１および第２の対をなす発光器および画像捕捉デバイスのうちの１つ又はそれ以上を予備配列させるステップをさらに含む請求項２１または２２記載の方法。
  24. 予備配列ステップは、ビームが、対応する画像捕捉デバイスの視野中心に対して予め定めた角度で現われるように、個々の発光器のビーム方向を設定することを含む請求項２３記載の方法。
  25. 予め定めた角度をθ、個々の発光器／画像捕捉デバイスの対の間の距離をＤメートルとし、第１の発光器のビームの目標スポットと第２の画像捕捉デバイスとの間の距離が、
    Ｓ＝Ｄ・ｔａｎθ
    で与えられるようにした請求項２４記載の方法。
  26. 監視される領域に放射ビームを発射することと、
    画像捕捉手段を用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものである粒子検出方法であって、
    監視される領域内の空間での予め定めた幾何学ポイントの位置を決定するステップをさらに含む粒子検出方法。
  27. 決定ステップは、画像捕捉デバイスを光源で散乱した放射から遮蔽するように、その光源において、ビームを、平行化することと空間フィルタリングを行うことの１つ又はそれ以上を含む請求項２６記載の方法。
  28. 決定ステップは、画像捕捉デバイスが発射ビーム源の位置を特定できるように、少なくとも１つの２次光源を発射ビーム源に近接して設けるステップを含む請求項２６または２７記載の方法。
  29. 決定ステップは、ビーム源の場所を決定することを含み、目標スポットが、画像捕捉デバイスに近接したポイントにおける発射ビームの入射ポイントである請求項２６〜２８のいずれかに記載の方法。
  30. 目標スポットは、プローブを用いて投射される発射ビームと、
    ダスト粒子を用いて投射される発射ビームと、
    画像捕捉デバイスの視野内で監視される領域内にある構造用いて投射される発射ビームのうちの１つによって提供されるようにした請求項２９記載の方法。
  31. 画像捕捉手段は、画像捕捉デバイスと、少なくとも１つ又はそれ以上の目標スポット画像を提供するための少なくとも１つの光学素子と、を備える請求項２９記載の方法。
  32. 少なくとも１つの光学素子は、少なくとも１つのミラーと、少なくとも１つのガラス素子と、少なくとも１つのプリズムの１つ又はそれ以上を備える請求項３１記載の方法。
  33. 重なり合う、少なくとも２つの目標スポットの捕捉画像の間の中心間距離と、
    捕捉画像内の各目標スポットの位置と、
    少なくとも１つの光学素子の予め定めた角度と、
    少なくとも１つの光学素子の予め定めた場所、のうち１つ又はそれ以上を基礎として、
    目標スポットの場所を決定するステップをさらに含む請求項３１または３２記載の方法。
  34. 光源と画像捕捉手段の間で同期をとるための方法であって、
    光源を、所定のレートでオンオフさせることと、
    光源を、画像捕捉手段によって捕捉された１つ又はそれ以上のビデオ画像において識別することと、
    画像捕捉手段のフレームレートを連続的に変更して、同期をとることとを含む方法。
  35. 光源は、広い発光角度を有する２次光源が取り付けられる請求項３４記載の方法。
  36. 光源との所定のタイミング関係で２次光源を点滅させて、画像捕捉手段の画像において光源の位置特定を容易にするステップをさらに含む請求項３５記載の方法。
  37. ２次光源は、周期的パターンと疑似乱数シーケンスの１つ又はそれ以上で点滅するようにした請求項３６記載の方法。
  38. 光源の発振器レートに近似した、画像捕捉手段のフレームレートを用意するステップと、
    点滅する２次光源を識別するステップと、
    画像捕捉手段のフレームレートの位相を変化させて、画像捕捉手段の露出と光源の間のタイミング関係を維持するステップと、をさらに含む請求項３６または３７記載の方法。
  39. 光源の発振器の周波数が、ＡＣ幹線電力周波数と同じ、その倍数、またはその約数になるように変更するようにした請求項３４〜３８のいずれかに記載の方法。
  40. 監視される領域に第１の放射ビームを発射することと、
    第１の画像捕捉デバイスを用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものである粒子検出方法であって、
    画像変動は、後方散乱放射に対応している粒子検出方法。
  41. 第２の画像捕捉デバイスに対して近接し、ある角度にある光源を有する第２の発射ビームを用意して、第２のビームが第２の画像捕捉デバイスの視野を横切るようにするステップと、
    監視される領域からの後方散乱光を検出するステップとをさらに含む請求項４０記載の方法。
  42. 検出した後方散乱光は、発射ビーム方向に対して約１８０度またはそれ以下の散乱角を有する請求項４１記載の方法。
  43. 検出した後方散乱光は、発射ビーム方向に対して約９０度またはそれ以下の散乱角を有する請求項４１記載の方法。
  44. 捕捉画像のエッジ検出およびおよび補正を用意して、ビームと画像捕捉デバイスの対の物理的移動があったか否かを決定するステップと、
    画像処理を用意して、閾値アラームレベルを超える、捕捉画像での目標マーカの移動を決定し、これによりビームと画像捕捉デバイスの対の物理的移動があったか否かを決定するステップと、
    監視される領域へ発射される追加の放射源を用意して、画像捕捉デバイスのためのマーカを設けて、これによりビームと画像捕捉デバイスの対の物理的移動があったか否かを決定するステップと、の１つ又はそれ以上をさらに含む請求項４０〜４３のいずれかに記載の方法。
  45. 捕捉画像内で、発射ビームの入射ビームスポットの強度を記録することによって、経路損失測定値を決定するステップと、
    記録した強度を、前回記録した強度と比較するステップとをさらに含む請求項１〜４４のいずれかに記載の方法。
  46. 監視される領域に第１の放射ビームを発射することと、
    画像捕捉デバイスを用いて領域の画像変動を検出することとを含み、画像変動は粒子の存在を示すものである粒子検出方法であって、
    ビーム中への切迫した侵入を検出するために、少なくとも１つの追加ビームを第１のビームに近接するように設けることをさらに含む粒子検出方法。
  47. 少なくとも１つの追加ビームへの侵入を検出する際、第１のビームは、オフに切り替えるようにした請求項４６記載の方法。
  48. 予め定めた最大速度を持つ物体が第１のビームとの相互作用が可能になる前に、第１のビームは、オフに切り替えるようにした請求項４７記載の方法。
  49. 少なくとも１つの追加ビームは、第１のビームの回りに、間隔を持つリング状のビームを形成する複数のビームを備える請求項４６〜４８のいずれかに記載の方法。
  50. 請求項１〜６のいずれか１つまたはそれ以上のステップをさらに含む請求項４６〜４９のいずれかに記載の方法。
  51. 第１のビームおよび追加ビームは、実質的に同じ方向と実質的に反対の方向のうちの１つで進行するようにした請求項４６〜５０のいずれかに記載の方法。
  52. 請求項１８〜５１のいずれか１つまたはそれ以上のステップをさらに含む請求項４６〜５１のいずれかに記載の方法。
  53. 少なくとも１つの追加ビームの光源は、リング状の光源と、少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの光源および少なくとも１つのホログラムのうちの１つを備える請求項４６〜５２のいずれかに記載の方法。
  54. 監視される領域に放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含む粒子検出方法であって、
    放射ビームおよび画像変動を検出する手段のうち少なくとも１つは、データ通信するようにした粒子検出方法。
  55. 放射ビームは、レーザビームを含み、
    画像変動検出手段は、１つ又はそれ以上のカメラと、計算手段とを備え、
    粒子は、煙粒子を含む請求項５４記載の方法。
  56. 通信すべきデータは、カメラ／レーザの同期情報と、
    カメラ／レーザのタイミング情報と、
    カメラ／レーザのシステム構成データと、
    レーザ強度、デューティサイクルおよびカメラ露出コマンドと、
    レーザとカメラのアライメントデータと、
    マルチレーザシステムのためのレーザの許可／禁止コマンドと、
    レーザマーカの起動／停止／デューティサイクル／強度の制御コマンドと、
    レーザの偏光または波長切り替えコマンドと、
    火災パネルまたは他の外部システムへ報告するための火災アラーム状態、のうちの１つ又はそれ以上を含む請求項５５記載の方法。
  57. データは、光伝送手段と、無線伝送手段の１つ又はそれ以上の手段によって通信されるようにした請求項５４，５５または５６記載の方法。
  58. データを、火災アラームパネルと通信するステップをさらに含む請求項５４〜５７のいずれかに記載の方法。
  59. 干渉する信号周波数から離れた周波数シフト動作により、データを通信するステップをさらに含む請求項５４〜５８のいずれかに記載の方法。
  60. 下記の通信技術の１つ又はそれ以上に従ってデータを通信するステップをさらに含む請求項５４〜５９のいずれかに記載の方法。
    シリアルデータを用いた振幅変調
    ビームを変調するためのデータ符号化
  61. 変調技術および符号化技術の１つ又はそれ以上は、
    データと疑似乱数シーケンスとの排他的論理和をとり、データを乱数化すること、
    データをデータ圧縮すること、
    マンチェスター符号化、
    パルス位置変調、
    パルス幅変調、
    周波数シフトキーイング、
    位相シフトキーイング、
    振幅シフトキーイング、
    スペクトラム拡散技術、の１つ又はそれ以上を含む請求項６０記載の方法。
  62. 少なくとも１つの追加の放射源は、放射ビームおよび画像変動検出手段の１つ又はそれ以上との組合せで、データ通信を行うようにした請求項５４〜６１のいずれかに記載の方法。
  63. 少なくとも１つの追加の放射源は、ＬＥＤを備える請求項６２記載の方法。
  64. 検出手段は、少なくとも１つのカラー感度デバイスを備え、
    データ通信を行うようにしたビーム及び／又は追加の放射源は、３つの異なる波長のうちの１つの放射を発射するようにしている請求項５４〜６３のいずれかに記載の方法。
  65. 監視される領域に放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
    検出した画像での歪みを補正することとを含む粒子検出方法。
  66. 歪みは、画像変動を検出するための画像捕捉手段と動作上関連した少なくとも１つの光学素子から由来している請求項６５記載の方法。
  67. 光学素子は、レンズを備える請求項６６記載の方法。
  68. 補正ステップは、歪みを低減するようにした複合レンズを用意することと、
    捕捉画像内のポイントと、監視領域内で対応するポイントとの間の経験的な関係を決定することと、
    監視領域内で均等に照射された風景を用いて、画像変動を検出するため画像捕捉デバイスを較正することと、
    ビーム像が、捕捉画像の画像中心近傍を通過するように、放射ビームおよび画像変動を捕捉するため画像捕捉デバイスを配向させることと、
    歪んだ像面と歪まない像面との間の代表的な写像をモデル化すること、の１つ又はそれ以上を含む請求項６６または６７記載の方法。
  69. モデル化ステップは、下記の式に従う数学的モデルを含む請求項６８記載の方法。
    Figure 2008519965
     ここで、ｒは、画素の真の位置を表現するベクトルであり、ｒ’は、画素の歪んだ位置であり、Ｍは、歪み中心からの画素の距離の関数であるスカラー倍率係数であり、Ｍ（０）＝１という条件である。
  70. 監視される領域に放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
    画像部分を選択的に分解するために、検出した画像に対して重み関数を適用することとを含む粒子検出方法。
  71. 重み関数を適用するステップは、画像捕捉手段の近くのビームの一部を取り込んだ画素が、画像捕捉手段から遠くにあるビームの一部を取り込んだ、対応する画素の視野より広くなるようにして、検出した画像の画素の視野を操作することを含む請求項７０記載の方法。
  72. 操作ステップは、監視領域の画像を捕捉するための物理的な光学配置を適合させることと、
    画像処理補正を、少なくとも１つの監視領域の捕捉画像に適用することの１つを含む請求項７１記載の方法。
  73. 物理的な光学配置を適合させるステップは、請求項６５〜６９のいずれかに記載の方法ステップの１つをさらに含む請求項７２記載の方法。
  74. 物理的な光学配置は、レンズ、プリズム、および湾曲ミラーのうち１つ又はそれ以上を含む請求項７２または７３記載の方法。
  75. 監視される領域に、複数の放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
    ビームについて動作の順序付けを行うこととを含む粒子検出方法。
  76. 複数のビームおよび画像変動を捕捉するための画像捕捉手段は、１つの面内に配置される請求項７５記載の方法。
  77. ビームについて動作の順序付けを行うステップは、１つ又はそれ以上のビームを走査することを含む請求項７５または７６記載の方法。
  78. 領域の画像変動を検出するステップは、下記のようにして、監視領域の捕捉画像に適合した画像捕捉手段の信号を、各ビームについて別個の散乱読み取り信号へ変換することを含む請求項７５，７６または７７記載の方法。
    Ｒを、画像捕捉手段からの画像内の１つの画素での合計受光信号とし、
    Ｓｎを、ビームｎがフルパワーである場合、ビームｎによって照射される粒子からの関与分とし、
    Ｌｎを、ｎ番目のビームのパワーとし、ここで、１はフルパワーを表し、０はビームオフ状態を表すものであり、
    Ｎを、ビームの合計数とし、
    そして、下記の式が得られ、
    Figure 2008519965
     ここで、Ｎ個のフレームが撮られたとして、それぞれＮ個の線形独立ベクトルビーム状態［Ｌ１１…Ｌ１Ｎ］…［ＬＮ１…ＬＮＮ］を用いて、散乱関与分［Ｓ１１…Ｓ１Ｎ］…［ＳＮ１…ＳＮＮ］が、データが収集される期間で一定であると仮定し（即ち、１≦ｍ≦Ｎについて［Ｓｍ１…ＳｍＮ］＝［Ｓ１…ＳＮ］）、そして、対応する受光信号Ｒｍは、次式のようになり、
    Figure 2008519965
     これは、マトリクスを用いて表現でき、
    Figure 2008519965
     ベクトル［Ｓ１…ＳＮ］は、連立方程式を解くための周知の方法の何れかを用いて、解くことができる。
  79. 監視される領域に、放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
    放射源および画像検出手段のうち少なくとも１つを、制御により位置決めされるよう適合させることとを含む粒子検出方法。
  80. 適合ステップは、パンニング、ティルティング、ズーム、ローリングの１つ又はそれ以上を含み、４つ以下の自由度が各放射源および画像検出手段に適用されて、合計８つ以下の自由度を提供するようにした請求項７９記載の方法。
  81. パン、ティルト、ズームおよびロールの各場所での位置を決定するための多次元ルックアップテーブルにおいて、８つ以下の自由度を表現するステップをさらに含む請求項８０記載の方法。
  82. 画像検出手段およびビーム放射源の内的パラメータおよび外的パラメータの１つ又はそれ以上に従って、パン、ティルトおよびズームの各場所での位置を決定するステップをさらに含む請求項８１記載の方法。
  83. 監視される領域に、放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することとを含み、
    画像は、少なくとも２つの位置に配置された画像検出器によって検出されるようにした粒子検出方法。
  84. 変動が、少なくとも２つの位置で検出された画像にとって普通でない画像は、廃棄するステップをさらに含む請求項８３記載の方法。
  85. 監視される領域に、放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
    放射ビームを管理することとを含む粒子検出方法。
  86. 管理ステップは、監視領域の画像を捕捉するための画像捕捉手段によって行われる請求項８５記載の方法。
  87. 監視される領域に、放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
    検出されたビームの中心部をマスクして、画像変動の検出を向上させることとを含む粒子検出方法。
  88. 監視される領域に、放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
    監視される領域の画像を捕捉するための画像捕捉手段の動作を検査することとを含む粒子検出方法。
  89. 検査ステップは、画像捕捉手段のための参照照射を用意することと、
    予備作動状態での画像捕捉手段の参照画像を保存すること、の１つ又はそれ以上を含む請求項８８記載の方法。
  90. 監視される領域に、放射ビームを発射することと、
    粒子の存在を示す領域の画像変動を検出することと、
    検出した画像を評価して、検出した画像変動との干渉を補正することとを含む粒子検出方法。
  91. 評価ステップは、ビームがオフである背景画像を、ビームがオンである活動画像と比較することと、
    ビームの側方に配置された参照領域を用いて、画像間の相対変化を追跡すること、の１つ又はそれ以上を含む請求項９０記載の方法。
  92. 粒子を検出するように適合した装置であって、
    所定の命令セットに従って動作するようにしたプロセッサ手段を備え、
    前記命令セットに関連して、請求項１〜９１の１つ又はそれ以上に記載の方法を実行するようにした装置。
  93. コンピュータ読み取り可能なプログラムコードを有するコンピュータ利用可能な媒体と、
    データ処理システム内で、粒子検出用の前記媒体に組み込まれたコンピュータ読み取り可能なシステムコードとを備え、
    前記コンピュータプログラム製品は、請求項１〜９１の１つ又はそれ以上に記載の方法ステップを実行するために、前記コンピュータ利用可能な媒体内にコンピュータ読み取り可能なコードを備えているコンピュータプログラム製品。
  94. ここで記載したような方法またはプロトコル。
  95. ここで記載したような装置、デバイスまたはシステム。
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