JP2013117454A

JP2013117454A - 対象物検出装置

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Publication number: JP2013117454A
Application number: JP2011265416A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kosugi; 幸夫小杉; Ariaki Uto; 有昭宇都; Haruyuki Seki; 晴之関; Shigenori Takagishi; 成典高岸; Toru Murase; 亨村瀬
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-05
Also published as: JP5845071B2

Abstract

【課題】対象物からの反射光から背景光を正確かつ簡便に除去することのできる対象物検出装置１を提供する。
【解決手段】対象物に応じて予め定められた波長の光源１０１，１０２の点灯・非点灯が所定パターンで繰り返される場合の前記光源１０１，１０２の点灯期間および非点灯期間における受光信号に対して、当該光源１０１，１０２の点灯・非点灯パターンと同じ周波数および一定の位相関係を有する参照信号を用いて位相同期検波を行う位相同期検波部２１０と、前記位相同期検波部２１０の出力信号に基づいて前記対象物の有無を検出する対象物検出部２６０と、を備えることを特徴とする対象物検出装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物検出装置に関し、特に、対象物に照射される光に対する反射光の反射率または透過光の透過率から算出した指標値に基づいて対象物の属性を判定する対象物検出装置に関する。

対象物を光学的に検出してその材質や状態などの属性を判定する装置が知られている（以下に例示の特許文献１〜４参照）。例えば、特許文献１に記載の対象識別装置は、測定空間へ向けて複数の波長の光を照射したときに測定される各波長の反射光の反射率または透過光の透過率から正規化指標を算出し、当該正規化指標と予め設定した識別条件とにより測定空間内に存在する対象の種類を識別することができる。

また、このような装置では、照射した複数の波長の光を波長毎に検出するために、検出器の前面に分光機構を設置するなどの方法が採られている。

特開２０１０−２１７１４９号特開２０１１−００２３０４号特開２００８−２７５４７７号特開２００９−３００１３１号

ところで、上記のような装置は、日中の野外や水中など様々な環境下での観測に用いることが期待されている。しかしながら、日中の野外での観測に用いるには、外光（背景光）による測定精度への影響が避けられず、また、透明度の低い水中での測定では照射光に対する測定対象からの反射光を十分な強度で検出することが困難であることから高精度の測定が難しかった。

また、水中での測定などを想定した場合、測定装置の検出器は、より小型かつ簡易な構成であることが求められるが、上記のように検出器に分光機構などを設けると検出器の小型化が難しかった。

本発明の目的は、対象物に照射される光に対する反射光の反射率または透過光の透過率から算出した指標値に基づいて対象物の属性を判定する対象物検出装置であって、上記反射光または透過光に含まれる背景光成分を除去することのできる対象物検出装置を提供することにある。

本発明に係る上記目的は、下記の（１）〜（９）のいずれかの特徴を備える対象物検出装置により達成される。

（１）
対象物に応じて予め定められた波長の光源の点灯・非点灯が所定パターンで繰り返される場合の前記光源の点灯期間および非点灯期間における受光信号に対して、当該光源の点灯・非点灯パターンと同じ周波数および一定の位相関係を有する参照信号を用いて位相同期検波を行う位相同期検波部と、
前記位相同期検波部の出力信号に基づいて前記対象物の有無を検出する対象物検出部と、
を備えることを特徴とする対象物検出装置。

（２）
前記位相同期検波部は、前記対象物に応じて予め定められた異なる波長の複数光源の点灯・非点灯が互いに直交関係を有し且つ排他的なパターンで繰り返される場合の各光源の前記点灯期間および前記非点灯期間における受光信号に対して、当該光源の点灯・非点灯パターンと同じ周波数および一定の位相関係を有する前記参照信号を用いて位相同期検波を行うことにより、各光源からの光に対する反射光または透過光に対応する信号を前記受光信号より抽出して出力することを特徴とする上記（１）に記載の対象物検出装置。

（３）
前記複数光源からの光を受光可能な受光部をさらに備え、
前記位相同期検波部は、
前記受光部から出力される前記受光信号から、前記複数光源の点灯・非点灯パターンの各位相に対する信号を抽出する抽出部と、
前記抽出部により抽出された信号が入力され、前記複数光源の各々の点灯・非点灯パターンの周波数成分を出力するバンドパスフィルタ部と、
前記バンドパスフィルタ部の出力信号に対して、前記点灯・非点灯パターンと同じ周波数および一定の位相関係を有する前記参照信号を用いて位相同期検波を行うロックインアンプ部と、
を有することを特徴とする上記（２）に記載の対象物検出装置。

（４）
前記光源と、
前記点灯・非点灯パターンで前記光源を駆動する光源駆動部と、
をさらに備えることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載の対象物検出装置。

（５）
所定の周波数のクロック信号を前記光源駆動部および前記抽出部へ出力するクロック信号出力部をさらに備え、
前記光源駆動部は、前記クロック信号の周波数に応じた周波数の前記点灯・非点灯パターンで前記光源を駆動し、前記抽出部は、前記受光部から出力される前記受光信号から、前記クロック信号における１クロック幅を単位として前記信号を抽出することを特徴とする上記（４）に記載の対象物検出装置。

（６）
前記光源は、１０７０ｎｍおよび１５５０ｎｍの２波長を中心とする２つの光源であり、
前記対象物は、人肌であることを特徴とする上記（５）に記載の対象物検出装置。

（７）
２つの前記光源の点灯・非点灯パターンの繰り返し周期は、前記１クロック幅の１６倍に相当し、
２つの前記光源の一方は、前記繰り返し周期における時系列順で１、３、４、および６番目の前記１クロック幅において点灯し、２つの前記光源の他方は、５、７、８、および１０番目の前記１クロック幅において点灯することを特徴とする上記（６）に記載の対象物検出装置。

（８）
前記抽出部は、
前記１、３、４、および６番目の前記１クロック幅において前記受光部から出力される前記受光信号と、前記９、１１、１２、および１４番目の前記１クロック幅において前記受光部から出力される前記受光信号とを一方の前記光源の前記点灯・非点灯パターンに対応する前記信号として抽出し、前記５、７、８、および１０番目の前記１クロック幅において前記受光部から出力される前記受光信号と、前記２、１３、１５、および１６番目の前記１クロック幅において前記受光部から出力される前記受光信号とを他方の前記光源の点灯・非点灯パターンに対応する前記信号として抽出することを特徴とする上記（７）に記載の対象物検出装置。

（９）
前記対象物検出部は、
前記位相同期検波部から出力された各光源からの光に対する反射光または透過光に対応する信号に基づいて前記対象物の属性を判定するための指標値を算出する指標算出部と、
前記指標値に基づいて前記対象物の属性を判定する属性判定部と、
を有することを特徴とする上記（１）から（５）のいずれかに記載の対象物検出装置。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明は、かかる特徴を備えることにより、対象物に照射される光に対して検出される反射光または透過光から背景光成分を除去することができるので、昼間や夜間など背景光の強度が大きく異なる環境下でも照射光に対する反射率をより正確に測定することができる。ゆえに、上記反射率に基づいて算出した指標値から対象物の属性を判定する際の判定精度が向上する。

本発明の実施形態に係る対象物検出装置の機能ブロック図を示す。本発明の実施形態に係る対象物検出装置が備える検出器の先端部の拡大正面図および当該先端部の筐体のみを断面とした部分断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係る対象物検出装置による発光パターン、フォトダイオードでの受光パターン、および波長毎の受光パターンの一例である。（ａ）〜（ｄ）は、波長毎に抽出した受光信号をサンプル・ホールドして得られる信号の波形およびバンドパスフィルタ部を通過した後の当該信号の波形の一例である。（ａ）〜（ｄ）は、波長毎の受光信号に対して位相同期検波を行うために用いる参照信号の波形、および位相同期検波された受光信号の波形の一例である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態の他の例に係る対象物検出装置による発光パターン、フォトダイオードでの受光パターン、および波長毎の受光パターンの一例である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態の他の例に係る対象物検出装置において、受光信号をサンプル・ホールドして得られる信号の波形の一例である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態の他の例に係る対象物検出装置において、バンドパスフィルタ部を通過した信号波形の一例である。

以下、本発明の実施形態について説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また、以下の実施形態の構成の全てが本発明に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る対象物検出装置１の機能ブロック図を示す。対象物検出装置１は、複数の光源を所定の発光パターンで間歇的に点灯させて対象物に照射した光に対する反射光を検出して反射率を測定するとともに当該反射率から算出した指標値に基づいて対象物が人肌であるか否かを判定することのできる装置であって、検出器１０と、装置本体２０とを備える。

図２は、検出器１０の先端部の拡大正面図および当該先端部の筐体のみを断面とした部分断面図である。図１および図２に示すように、検出器１０は、ＬＥＤ１０１，１０２、光源駆動部１１０、フォトダイオード１２０、およびプリアンプ１３０を有する。また、装置本体２０は、クロック信号出力部２００、位相同期検波部２１０、分周・遅延回路部２５０、および対象物検出部２６０を有する。

ＬＥＤ１０１，１０２は、所定の大きさの電圧を印加することによりそれぞれ異なる波長（λ_１，λ_２）の光を発光する光源であり、本例ではともに近赤外域の光を発光する。より具体的には、ＬＥＤ１０１の発光波長λ_１は１０７０ｎｍであり、ＬＥＤ１０２の発光波長λ_２は１５５０ｎｍである。ＬＥＤ１０１，１０２の発光波長を上記の２波長とするのは、対象物検出装置１の判定対象が人肌であることに因る。すなわち、１０７０ｎｍ帯の光は人肌に対する反射率が他の帯域よりも特に高く、１５５０ｎｍ帯の光は人肌に対する反射率が他の帯域よりも特に低いことから、対象物検出装置１の光源にはこれら２波長を発光波長とするＬＥＤ１０１，１０２が用いられている。なお、対象物検出装置１の判定対象が異なる場合は、その判定対象に応じて適切な発光波長のＬＥＤが用いられる。

また、図２に示すように、ＬＥＤ１０１を点灯させたときの光量とＬＥＤ１０２を点灯させたときの光量が等しくなるように、検出器１０にはＬＥＤ１０１およびＬＥＤ１０２がそれぞれ同数（本例では各３灯）設けられている。また、同図に示すように、本例の検出器１０では、各３灯のＬＥＤ１０１およびＬＥＤ１０２は、正面から見て中央に配されたフォトダイオード１２０の周囲を取り囲むように交互に配置されている。したがって、本例の検出器１０では、ＬＥＤ１０１を点灯させたときの配光とＬＥＤ１０２を点灯させたときの配光とに差が生じないようになっている。

光源駆動部１１０は、装置本体２０に設けられたクロック信号出力部２００から入力されるクロック信号に応じた周波数の点灯・非点灯パターンでＬＥＤ１０１，１０２を駆動する。より具体的には、光源駆動部１１０は、クロック信号出力部２００から入力されるクロック信号の１クロック幅（単位周期）を単位時間幅とすると、図３（ａ）に示すように、単位時間幅の１６倍に相当する周期で繰り返される点灯・非点灯パターンでＬＥＤ１０１，１０２を駆動する。

図３において単位時間幅毎に１〜３２の番号を付して示す点灯・非点灯パターンにおいては、繰り返し周期は、１〜１６番までの時間幅および１７〜３２番までの時間幅である。すなわち、図３では、ＬＥＤ１０１，１０２の点灯・非点灯パターンを繰り返し周期の２周期分（単位時間幅×３２）示している。また、本例では、クロック信号出力部２００から入力されるクロック信号の周波数は１６ｋＨｚである。したがって、上記単位時間幅は、６２．５μｓｅｃ．であり、ＬＥＤ１０１，１０２の点灯・非点灯パターンの繰り返し周期は、１０００μｓｅｃ．（繰り返し周波数は１ｋＨｚ）である。

ＬＥＤ１０１は、図３（ａ）に示す点灯・非点灯パターンの１〜１６番までの繰り返し周期における時系列順で１、３、４、および６番目の単位時間幅において点灯し、ＬＥＤ１０２は、５、７、８、および１０番目の単位時間幅において点灯する。すなわち、ＬＥＤ１０１，１０２は、何れか一方が点灯しているときは他方が点灯していない排他的なパターンで点灯する。なお、図３（ａ）に示す点灯・非点灯パターンの１〜１６番までの繰り返し周期における２、９、および１１〜１６番目の単位時間幅では、ＬＥＤ１０１，１０２は、いずれも点灯しない。

フォトダイオード１２０は、入射する光の受光強度に応じた大きさの電気信号（受光信号）をプリアンプ１３０へ出力する。ＬＥＤ１０１，１０２が上記点灯・非点灯パターンで点灯しているときにフォトダイオード１２０で受光される信号は、図３（ｂ）に示すように、上記点灯・非点灯パターンに対応するパターン（受光パターン）を形成する。なお、フォトダイオード１２０は、本発明における受光部の一例であり、検出環境などに応じて適切な方式のフォトダイオードあるいは他の方式の受光素子が受光部として用いられる。プリアンプ１３０は、フォトダイオード１２０からの受光信号の信号レベルを増幅して装置本体２０の位相同期検波部２１０へ出力する。

位相同期検波部２１０は、抽出部２１１，２１２、サンプル・ホールド部２２１，２２２、バンドパスフィルタ部２３１，２３２、およびロックインアンプ部２４１，２４２を有する。これらのうち、抽出部２１１，２１２、サンプル・ホールド部２２１，２２２、およびロックインアンプ部２４１，２４２は、クロック信号出力部２００から供給されるクロック信号のタイミングに基づいて駆動する。

抽出部２１１，２１２は、本例ではチョッパ回路であり、フォトダイオード１２０から入力される上記受光信号からＬＥＤ１０１，１０２のそれぞれの点灯・非点灯パターンの信号をサンプリングして対応するサンプル・ホールド部２２１，２２２へ出力する。例えば、抽出部２１１は、フォトダイオード１２０から入力される上記受光信号からＬＥＤ１０１の点灯期間における受光信号を抽出するとともに、当該点灯期間の繰り返し周期に対して位相が半周期ずれた期間における受光信号を非点灯期間の受光信号として抽出する。

より具体的には、抽出部２１１は、上記点灯・非点灯パターンの繰り返し周期における時系列順で、ＬＥＤ１０１が点灯している１、３、４、および６番目の単位時間幅においてフォトダイオード１２０から出力される受光信号をＬＥＤ１０１の点灯期間における受光信号として抽出し、ＬＥＤ１０１，１０２のいずれもが点灯していない９、１１、１２、および１４番目の単位時間幅においてフォトダイオード１２０から出力される受光信号を非点灯期間の受光信号として抽出する（図３（ｃ）参照）。

そして、抽出部２１１は、抽出した上記の各単位時間幅の受光信号をＬＥＤ１０１の点灯・非点灯パターンの信号（以下、この信号を「第１の抽出信号」と称する）としてサンプル・ホールド部２２１へ出力する。この第１の抽出信号には、図３（ｃ）に示すように、ＬＥＤ１０１の点灯時の受光信号と、ＬＥＤ１０１，１０２の非点灯時の受光信号とが同じ繰り返し周期かつ互いに半周期分位相の異なる成分として含まれている。

一方、抽出部２１２は、フォトダイオード１２０から入力される上記受光信号からＬＥＤ１０２の点灯期間における受光信号を抽出するとともに、当該点灯期間の繰り返し周期に対して位相が半周期ずれた期間における受光信号を非点灯期間の受光信号として抽出する。より具体的には、抽出部２１２は、上記点灯・非点灯パターンの繰り返し周期における時系列順で、ＬＥＤ１０２が点灯している５、７、８、および１０番目の単位時間幅においてフォトダイオード１２０から出力される受光信号をＬＥＤ１０２の点灯期間における受光信号として抽出し、ＬＥＤ１０１，１０２のいずれもが点灯していない２、１３、１５、および１６番目の単位時間幅においてフォトダイオード１２０から出力される受光信号を非点灯期間の受光信号として抽出する（図３（ｄ）参照）。

そして、抽出部２１２は、抽出した上記の各単位時間幅の受光信号をＬＥＤ１０２の点灯・非点灯パターンの信号（以下、この信号を「第２の抽出信号」と称する）としてサンプル・ホールド部２２２へ出力する。この第２の抽出信号には、図３（ｄ）に示すように、ＬＥＤ１０２の点灯時の受光信号と、ＬＥＤ１０１，１０２の非点灯時の受光信号とが同じ繰り返し周期かつ互いに半周期分位相の異なる成分として含まれている。

サンプル・ホールド部２２１，２２２は、抽出部２１１，２１２から入力される第１の抽出信号および第２の抽出信号を、単位時間幅毎の信号レベルが変化するまで直前の信号レベルを維持した信号に変換してバンドパスフィルタ部２３１，２３２へと出力する。例えば、サンプル・ホールド部２２１は、第１の抽出信号（図３（ｃ）参照）の繰り返し周期において、１番目の単位時間幅においてＬＥＤ１０１の点灯時の受光信号のレベルまで立ち上がった後、ＬＥＤ１０１の非点灯時の受光信号が存在する９番目の単位時間幅まではそのレベルを維持し、９番目の単位時間幅からは次にＬＥＤ１０１の点灯時の受光信号が存在する単位時間幅までＬＥＤ１０１の非点灯時の受光信号のレベルを維持する。

これにより、サンプル・ホールド部２２１は、第１の抽出信号を図４（ａ）に示す矩形波の信号に変換してバンドパスフィルタ部２３１へと出力する。また、同様に、サンプル・ホールド部２２２は、第２の抽出信号を図４（ｂ）に示す矩形波の信号に変換してバンドパスフィルタ部２３２へと出力する。また、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、第１の抽出信号と第２の抽出信号の元になる受光パターンは、同じ繰り返し周期であるとともに、互いに繰り返し周期の１／４に相当する位相差を有する（互いに直交関係を有する）パターンであることが分かる。

バンドパスフィルタ部２３１，２３２は、サンプル・ホールド部２２１，２２２から入力される第１の抽出信号および第２の抽出信号に対応する上記矩形波の信号のうち、ＬＥＤ１０１，１０２の点灯・非点灯パターンの周波数（繰り返し周期）に相当する周波数成分を透過する。すなわち、本例では、上記単位時間幅の１６倍に相当する周期で繰り返される成分を透過し、他の成分を遮断する。これにより、第１の抽出信号および第２の抽出信号に対応する信号は、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように、互いに直交するサイン波形の信号となる。

これらのサイン波は、ＬＥＤ１０１，１０２の点灯タイミングにおいてピークを持ち、ＬＥＤ１０１，１０２の非点灯時のサンプルタイミング（背景光サンプル時）においてボトムとなる。すなわち、バンドパスフィルタ部２３１からの出力信号は、ＬＥＤ１０１の点灯タイミングである３番目と４番目の単位時間幅の間においてピークを持ち、ＬＥＤ１０１の非点灯時のサンプルタイミングである１１番目と１２番目の単位時間幅の間においてボトムとなる（図３（ｃ）および図４（ｃ）参照）。また、同様に、バンドパスフィルタ部２３２からの出力信号は、ＬＥＤ１０２の点灯タイミングである７番目と８番目の単位時間幅の間においてピークを持ち、ＬＥＤ１０２の非点灯時のサンプルタイミングである１５番目と１６番目の単位時間幅の間においてボトムとなる（図３（ｄ）および図４（ｄ）参照）。

ロックインアンプ部２４１，２４２は、バンドパスフィルタ部２３１，２３２から入力される上記信号に対して、ＬＥＤ１０１，１０２の点灯・非点灯パターンと同じ周波数（繰り返し周期）を有し、ＬＥＤ１０１，１０２の点灯期間とピークの位相が同じである（または一定の位相関係を有する）参照信号を用いて位相同期検波を行う。本例では、ロックインアンプ部２４１，２４２には、クロック信号出力部２００から出力されるクロック信号を分周・遅延回路部２５０で１６分周した第１の参照信号（図５（ａ）参照）と、上記クロック信号を分周・遅延回路部２５０で１６分周して点灯・非点灯パターンの繰り返し周期の１／４だけ遅延させた第２の参照信号（図５（ｂ）参照）とが入力される。

そして、ロックインアンプ部２４１は、上記第１の参照信号でバンドパスフィルタ部２３１から入力される上記信号に対して位相同期検波を行う。また、ロックインアンプ部２４２は、上記第２の参照信号でバンドパスフィルタ部２３２から入力される上記信号に対して位相同期検波を行う。ここで、図３（ｃ），（ｄ）に示すように、ＬＥＤ１０１，１０２の点灯タイミングと非点灯時のサンプルタイミング（背景光サンプル時）とは位相が異なることから、ロックインアンプ部２４１，２４２において上記位相同期検波を行うことにより、バンドパスフィルタ部２３１，２３２からの上記各信号に含まれる背景光の成分が取り除かれる。

これにより、ＬＥＤ１０１，１０２の点灯タイミングにおいて受光強度がピークとなる信号成分のみが残る（図５（ｃ）および図５（ｄ）参照）。そして、この位相同期検波された信号を不図示のローパスフィルタもしくはサンプル・ホールド回路を用いて直流成分の信号に変換して対象物検出部２６０へと出力する。すなわち、ロックインアンプ部２４１，２４２は、ＬＥＤ１０１，１０２のそれぞれの照射光に対する反射光の強度レベルを示す信号を対象物検出部２６０へと出力する。

対象物検出部２６０は、指標算出部２６１と、属性判定部２６２とを有する。指標算出部２６１は、ロックインアンプ部２４１，２４２から入力される上記信号に基づいて、ＬＥＤ１０１からの照射光（１０７０ｎｍ帯）およびＬＥＤ１０２からの照射光（１５５０ｎｍ帯）の（対象物における）反射率を算出する。本例では、指標算出部２６１には、クロック信号出力部２００からクロック信号が入力されており、指標算出部２６１は、このクロック信号の周期毎に、ロックインアンプ部２４１，２４２から入力される上記信号における同期成分に基づいて上記各光の反射率を算出する。

そして、指標算出部２６１は、算出した上記各光の反射率に基づいて、以下の式で示される正規化指標（ＮｏｒｍａｌｉｚｅｄＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＨｕｍａｎＩｎｄｅｘ；ＮＤＨＩ）を算出して属性判定部２６２へと出力する。

ＮＤＨＩ＝（Ｒ１０７０−Ｒ１５５０）／（Ｒ１０７０＋Ｒ１５５０）
Ｒ１０７０：ＬＥＤ１０１からの照射光（１０７０ｎｍ帯）の反射率
Ｒ１５５０：ＬＥＤ１０２からの照射光（１５５０ｎｍ帯）の反射率

属性判定部２６２は、指標算出部２６１において算出された上記正規化指標と予め設定した判定条件とに基づいて、検出器１０から上記２波長の光を照射した領域に人肌が存在するか否かを判定する。本例では、属性判定部２６２は、例えば上記正規化指標が０．５を越える場合に照射領域に人肌が存在するものと判定し、０．７以下である場合は人肌が存在しないものと判定する。なお、上記判定条件は本例に限られず、検出環境などに応じて最適な条件に設定されることが好ましい。

以上のように、本実施形態に係る対象物検出装置１は、人肌の特定に有効な赤外域の波長の光を照射してその反射率から上記正規化指標を算出することにより、照射領域内に人肌が存在するか否かを簡便に判定することができる。また、本例の装置では、反射光を検出する際に、光源の点灯期間と非点灯期間とにおいて検出される光を異なる位相で受光して位相同期検波をかけることにより、反射光から背景光を正確かつ簡便に除去することができる。

図６は、本発明の実施形態の他の例に係る対象物検出装置１による発光パターン、フォトダイオード１２０での受光パターン、および波長毎の受光パターンの一例である。図１〜５を参照して説明した対象物検出装置１は、赤外域の２波長の光の反射率から算出した正規化指標に基づいて対象物の属性を判定するものであったが、本例の対象物検出装置１は、４種類の異なる波長の光の反射率から算出した正規化指標に基づいて対象物の属性を判定することができる装置である。なお、本例の対象物検出装置１については、図１に示す対象物検出装置１の光源を４種類の発光波長（λ_１〜λ_４）のＬＥＤとするとともに、位相同期検波部２１０内の処理系統を４つに増やしたものであることから、図示を省略する。

本例の対象物検出装置１は、図６（ａ）に示すように、クロック信号出力部２００から入力されるクロック信号の１クロック幅（単位時間幅）の３２倍に相当する周期で繰り返される点灯・非点灯パターンで対象物へ光を照射する。ここで、本例でも４種類の各ＬＥＤの何れかが点灯しているときは他のＬＥＤは点灯しない排他的なパターンで点灯する。そして、フォトダイオード１２０では、上記各ＬＥＤの点灯・非点灯パターンに対応して図６（ｂ）に示す受光パターンで光源からの光に対する反射光または背景光が受光される。

そして、図１に示す対象物検出装置１と同様に、４つの抽出部において４種類の各ＬＥＤの点灯期間および非点灯期間の受光信号が抽出される。ここで、図６（ｃ）〜（ｆ）に示すように、４種類の各ＬＥＤの点灯期間および非点灯期間の受光信号のうち、λ_１およびλ_２の点灯・非点灯の受光信号の繰り返し周期は上記単位時間幅の３２倍に相当し、λ_３およびλ_４の点灯・非点灯の受光信号の繰り返し周期は上記単位時間幅の１６倍に相当する。また、λ_１およびλ_２の点灯・非点灯の受光信号は互いに直交し、λ_３およびλ_４の点灯・非点灯の受光信号は互いに直交する。さらには、（λ_１、λ_２）および（λ_３、λ_４）各グループの点灯周波数は調和関係にあるため、グループ間でも直交関係が保たれている。

そして、これらλ_１〜λ_４の点灯・非点灯の受光信号は、後段のサンプル・ホールド部において図７（ａ）〜（ｄ）に示す矩形波の信号に変換され、後段の対応するバンドパスフィルタ部を通る。このとき、λ_１〜λ_４の点灯・非点灯の受光信号は、図８（ａ）〜（ｄ）にλ_１〜λ_４の順に波形を示すように、各波長のＬＥＤの点灯タイミングにおいてピークを持ち、当該ＬＥＤの非点灯時のサンプルタイミング（背景光サンプル時）においてボトムとなるサイン波となる。

そして、これらの信号は、後段の対応するロックインアンプ部において各信号に対応するＬＥＤの点灯・非点灯パターンと同じ周波数（繰り返し周期）を有し、当該ＬＥＤの点灯期間とピークの位相が同じである（または一定の位相関係を有する）参照信号を用いて位相同期検波が行われる。これにより、上記各信号に含まれる背景光の成分が取り除かれて４種類の各ＬＥＤの点灯タイミングにおいて受光強度がピークとなる信号成分のみが残る。

そして、この信号成分が背景光を除いた対象物からの反射光の強度レベルに応じた大きさの直流信号に変換され、当該直流信号に基づいて対象物検出部において上記と同様に対象物の属性が判定される。なお、本例では、４種類の光の反射強度が得られるので、対象物検出部において算出可能な正規化指標は上記２波長の場合の指標に限られず、植物や金属などを識別するための指標を算出することができる。

また、本例の対象物検出装置１においても、反射光を検出する際に、光源の点灯期間と非点灯期間とにおいて検出される光を異なる位相で受光して位相同期検波をかけているので、反射光から背景光を正確かつ簡便に除去することができる。

なお、以上において図面を参照して説明した対象物検出装置１は、いずれも対象物に照射した光に対する反射光を検出して反射率を測定する装置であるが、本発明の対象物検出装置は、光源から照射した光を対象物に透過させてその透過光を検出して透過率を測定する装置にも適用可能である。具体的な構成は上記の対象物検出装置１と大半が同じであるので説明は省略するが、透過率を測定する装置とする場合、検出器１０の形状、とりわけＬＥＤ１０１，１０２とフォトダイオード１２０の位置関係が、測定対象を挟んで向かい合うように配置される点で上記の対象物検出装置１と異なる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記の実施形態に記載の範囲には限定されない。上記の実施形態に、多様な変更または改良を加えることができることは当業者に明らかである。

１…対象物検出装置、１０…検出器、２０…装置本体、１０１，１０２…ＬＥＤ（光源）、１１０…光源駆動部、１２０…フォトダイオード（受光部）、１３０…プリアンプ、２００…クロック信号出力部、２１０…位相同期検波部、２１１，２１２…抽出部、２２１，２２２…サンプル・ホールド部、２３１，２３２…バンドパスフィルタ部、２４１，２４２…ロックインアンプ部、２５０…分周・遅延回路部、２６０…対象物検出部、２６１…指標算出部、２６２…属性判定部

Claims

対象物に応じて予め定められた波長の光源の点灯・非点灯が所定パターンで繰り返される場合の前記光源の点灯期間および非点灯期間における受光信号に対して、当該光源の点灯・非点灯パターンと同じ周波数および一定の位相関係を有する参照信号を用いて位相同期検波を行う位相同期検波部と、
前記位相同期検波部の出力信号に基づいて前記対象物の有無を検出する対象物検出部と、
を備えることを特徴とする対象物検出装置。
前記位相同期検波部は、前記対象物に応じて予め定められた異なる波長の複数光源の点灯・非点灯が互いに直交関係を有し且つ排他的なパターンで繰り返される場合の各光源の前記点灯期間および前記非点灯期間における受光信号に対して、当該光源の点灯・非点灯パターンと同じ周波数および一定の位相関係を有する前記参照信号を用いて位相同期検波を行うことにより、各光源からの光に対する反射光または透過光に対応する信号を前記受光信号より抽出して出力することを特徴とする請求項１に記載の対象物検出装置。
前記複数光源からの光を受光可能な受光部をさらに備え、
前記位相同期検波部は、
前記受光部から出力される前記受光信号から、前記複数光源の点灯・非点灯パターンの各位相に対する信号を抽出する抽出部と、
前記抽出部により抽出された信号が入力され、前記光源の点灯・非点灯パターンの周波数成分を出力するバンドパスフィルタ部と、
前記バンドパスフィルタ部の出力信号に対して、前記点灯・非点灯パターンと同じ周波数および一定の位相関係を有する前記参照信号を用いて位相同期検波を行うロックインアンプ部と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の対象物検出装置。
前記光源と、
前記点灯・非点灯パターンで前記光源を駆動する光源駆動部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の対象物検出装置。
所定の周波数のクロック信号を前記光源駆動部および前記抽出部へ出力するクロック信号出力部をさらに備え、
前記光源駆動部は、前記クロック信号の周波数に応じた周波数の前記点灯・非点灯パターンで前記光源を駆動し、前記抽出部は、前記受光部から出力される前記受光信号から、前記クロック信号における１クロック幅を単位として前記信号を抽出することを特徴とする請求項４に記載の対象物検出装置。
前記光源は、１０７０ｎｍおよび１５５０ｎｍの２波長を中心とする２つの光源であり、
前記対象物は、人肌であることを特徴とする請求項５に記載の対象物検出装置。
２つの前記光源の点灯・非点灯パターンの繰り返し周期は、前記１クロック幅の１６倍に相当し、
２つの前記光源の一方は、前記繰り返し周期における時系列順で１、３、４、および６番目の前記１クロック幅において点灯し、２つの前記光源の他方は、５、７、８、および１０番目の前記１クロック幅において点灯することを特徴とする請求項６に記載の対象物検出装置。
前記抽出部は、
前記１、３、４、および６番目の前記１クロック幅において前記受光部から出力される前記受光信号と、前記９、１１、１２、および１４番目の前記１クロック幅において前記受光部から出力される前記受光信号とを一方の前記光源の前記点灯・非点灯パターンに対応する前記信号として抽出し、前記５、７、８、および１０番目の前記１クロック幅において前記受光部から出力される前記受光信号と、前記２、１３、１５、および１６番目の前記１クロック幅において前記受光部から出力される前記受光信号とを他方の前記光源の前記点灯・非点灯パターンに対応する前記信号として抽出することを特徴とする請求項７に記載の対象物検出装置。
前記対象物検出部は、
前記位相同期検波部から出力された各光源からの光に対する反射光または透過光に対応する信号に基づいて前記対象物の属性を判定するための指標値を算出する指標算出部と、
前記指標値に基づいて前記対象物の属性を判定する属性判定部と、
を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の対象物検出装置。