JP2523948B2 - 焦電型赤外線検知装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は物体の位置や赤外線の強度分布の検知に用い
る焦電型赤外線検知装置に関する。

従来の技術 近年、焦電型赤外線検知装置は侵入者が検知や火災の
発見などの防犯・防災の目的のために、人体や炎などか
らの赤外線を検知するのに使われている。赤外線センサ
としては化合物半導体を用いた量子型のものと焦電素子
やサーミスタなどを用いた熱型のものがある。量子型の
赤外線センサは液体窒素などで冷却する必要があるた
め、防犯・防災などの目的には熱型の赤外線センサが用
いられる。特に焦電型の赤外線センサは他の熱型の赤外
線センサに比べて感度が高く、赤外線源の位置検知装置
に最適である。

以下に従来の焦電型赤外線検知装置について説明す
る。第６図に示すように、焦電型のポイントセンサを用
いた方式では、入射する赤外線１をレンズ２を通してポ
イントセンサ13上に集光し、その光軸を２軸駆動できる
可動ミラー14によって縦横２次元に走査している。

第７図に示すように、１次元に配列した焦電型のアレ
イセンサを用いた方式では、入射する赤外線１をレンズ
２を通して１次元アレイセンサ15上に集光し、その光軸
を１軸駆動の可動ミラー14によって１次元アレイセンサ
15の配列に対して垂直方向に走査している。１次元アレ
イセンサ15の出力は、順次電気的に走査される。

第８図に示すように、縦横２次元に配列した焦電型の
アレイセンサを用いた方式では、入射する赤外線１をレ
ンズ２を通して２次元アレイセンサ16上に集光し、縦横
とも電気的に走査している。

いずれの場合も、赤外線分布の絶縁強度を得る場合は
光路中にチョッパ17を設け、赤外線１を断続したときに
発生する交流信号の振幅として出力を得ている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記の従来の構成では、ポイントセンサ
を用いた方式では、可動ミラーを２軸駆動させる機構が
複雑であるので、大型で高価な装置になるという問題点
や焦電センサの感度は、赤外線の照明時間に比例するた
め、１素子で全エリアを走査する方式では１エリアあた
りの感度が小さくなってしまうのである程度の感度を得
ようとすれば、全エリアの走査に長時間を要するという
問題点を有していた。

１次元アレイセンサを用いた方式では、レンズの前面
に可動ミラーを設けるので、大型の装置になるという問
題点やレンズと１次元アレイセンサの間に可動ミラーを
設ける構成も考えられるが、可動ミラーを設けるスペー
スが限られ、１枚のレンズでは視野角が制限されるとい
う問題点を有していた。

２次元アレイセンサを用いた方式では、１枚のレンズ
では視野角が制限されるという問題点や焦電素子の数が
増えるほど各焦電素子から信号を取り出すための配線が
煩雑になり、信号処理回路が比例して増加し煩雑になる
という問題点を有していた。

また、焦電型の赤外線センサで赤外線の強度を正確に
求めるためには、チョッパによって赤外線を断続し、チ
ョッパ開のときとチョッパ閉のときの差を求めなければ
ならない。チョッパと、それを回転させるための機構が
必要なのでさらに大型の装置になるという問題点を有し
ていた。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、簡単な
機構で広視野角の小形の焦電型赤外線検知装置を提供す
ることを目的とする。

課題を解決するための手段 この目的を達成するために本発明の焦電型赤外線検知
装置は、複数の焦電素子からなるアレイセンサと、少な
くとも一枚以上のレンズと、レンズを固定した円筒と、
信号処理手段からなる焦電型赤外線検知装置において、
前記アレイセンサは、前記円筒内の中心軸近傍に少なく
とも一列以上中心軸方向に配列した複数の画素からな
り、前記レンズは、前記円筒の円周上に設けられた窓に
配設され、且つ、円筒外からの赤外線像を前記アレイセ
ンサ上に結像し、前記円筒が中心軸を軸として前記レン
ズと共に一定速度で回転することにより前記アレイセン
サの受像する視野を順次周方向に走査し、前記アレイセ
ンサに発生する電圧が、前記信号処理手段により、イン
ピーダンス変換およびバンドパスフィルタ処理が施さ
れ、前記アレイセンサの視野が熱源を通過する際に発生
するパルス状の信号と、前記パルス状信号を受けた時点
の円筒の回転角から熱源の位置を二次元で検出する構
成、あるいは前記円筒と実質的に同一温度に保たれた前
記赤外線遮蔽板が、前記円筒の直近且つ、前記アレイセ
ンサの視野を一定期間遮蔽する位置に配設され、前記ア
レイセンサに発生する電圧が、前記信号処理手段によ
り、インピーダンス変換および微分処理が施され、前記
赤外線遮蔽板を視野とした時の電圧を基準として、周方
向の赤外線強度分布を時系列信号として得る構成、ある
いは遮蔽板にかわって第１のスリット群と、第２のスリ
ット群を設け、第１のスリット群は、前記円筒に隣接し
た外側または内側に、走査する視野全面にわたって前記
円筒に沿った曲面上に等間隔に配設され、第２のスリッ
ト群は、前記円筒の前記レンズを設けた窓部に第１のス
リット群と等間隔に配設され、前記円筒と共に回転し、
第１のスリット群との重ね合わせにより入射する赤外線
を断続し、前記アレイセンサに発生する電圧が前記信号
処理手段によりインピーダンス変換され、前記第１およ
び第２のスリット群により赤外線が遮蔽された時の電圧
を基準として、周方向の赤外線強度分布を時系列信号と
して得る構成を有している。

作用 円筒と共にレンズを回転し、焦電型アレイセンサの視
野の周方向に一定速度で順次走査する構成によって、ひ
とつの固定レンズの視野角ではカバーできない極めて周
方向に広い視野において、連続的に赤外線の検出を行う
ことが可能である。また、円筒を回転する単純な機構の
みで、上述の視野の走査が実現でき、装置をレンズの焦
点を半径とする円筒のサイズという極めて小型にするこ
とができる。また、一定速度で順次視野の走査を行い、
バンドパスフィルタ処理などの信号処理を施すことで、
周囲から外乱を除去し、高精度に赤外線源の位置検出を
行うとが可能となる。

また、レンズを複数枚設け、縦方向の視野を時間分割
することによって、必要なアレイセンサの焦電素子の数
を少なくすることができる。さらにレンズとともに回転
する円筒型のスリットと、これに隣接した同じピッチの
スリットによって赤外線を断続し、従来、機構が複数で
大型であったチョッパの機能を、レンズの焦点を半径と
する円筒のサイズに納めることができ、極めて小型化を
図ると共に、赤外線の強度分布測定も可能となる。

さらに標準温度物質となる赤外線遮蔽板を、円筒の直
近の曲面上に配置することで、ほぼレンズの焦点を半径
とする円筒のサイズの極めて小型の装置において、赤外
線遮蔽板からの赤外線が温度時定数よりも短い時間で定
期的に入射する構成とすることによって、標準温度物質
を測定してから、標準温度物質を基準として、赤外線強
度分布を得ることができる。

実施例 （実施例１） 以下本発明の第１の実施例について図面を参照しなが
ら説明する。第１図に示すように入射してくる赤外線１
をレンズ2a,2bを通して焦電型の赤外線センサを縦方向
に１行以上配列したアレイセンサ３上に集光している。
レンズ2a,2bは、アレイセンサ３の縦方向の中心線を軸
として回転する円筒４の外周面に配設されており、円筒
４が回転することによって、レンズ2a,2bが回転し、ア
レイセンサ３の周方向の視野を順次走査して行く。この
ときにアレイセンサ３に発生する起電力の時間変化か
ら、熱源の位置情報や、温度情報を得ることができる。
レンズ2a,2bを１軸回転させる単純な機構、すなわち光
学系と機構系が占める容積がレンズ2a,2bの焦点距離を
半径とした円筒４とそれを回転させる機構だけで済み、
従来のポイントセンサや、可動ミラーを用いた方式に比
べ、より簡単で小型な装置とすることができる。また、
レンズ2a,2bに視野角の狭いレンズを用いたとしても、
レンズ2a,2b自体を回転しているため、両方向の視野角
は充分に得ることができる。

第１図の実施例では、円筒４の表と裏にそれぞれレン
ズ2aとレンズ2bを設け、レンズ2aは上向きの視野、レン
ズ2bは下向きの視野となるようレンズの縦方向の角度を
設定し、円筒４が１周するうちの半周ずつを上下それぞ
れの視野に分割している。こうすることによって、１枚
のレンズに要求される縦方向の視野角が半分で済み、ア
レイセンサ３の焦電素子の数も半分で済む。第１図の場
合アレイセンサ３が３素子、レンズ2a,2bが２個である
ので、縦方向を６エリアに分割することになり、１エリ
ア当り10度の視野としても60度の視野が得られることに
なる。さらに配設するレンズの数を増やして、縦３分割
以上にすれば、より効果が得られる。

アレイセンサ３を構成する角焦電素子の起電力は、FE
Tによってインピーダンス変換された後、信号処理が行
なわれる。人体などの熱源の位置を検出する場合は、バ
ンドパスフィルターによって信号処理を行って周囲から
の外乱を除去した後、レンズ2a,2bの光軸が熱源を通過
する時に発生するパルス状の信号を検出する。パルスが
発生した時間から、熱源の周方向の位置を求める。

（実施例２） アレイセンサの１画素よりも小さな面積の熱源の位置
を検出する場合は、１画素の面積のうちの熱源の像が占
める割合が小さくなるため、熱源の検出感度が減少して
しまう。一方、面積の大きな熱源に対してはこの問題が
生じないため、小さな熱源のみを検出するということが
困難となる。この問題に対応する本発明の第２の実施例
について以下に図面を参照しながら説明する。

第２図に示すように、第１図の構成と異なるのはアレ
イセンサ３の各焦電素子を焦電体板５の両面に設けた表
電極６と裏電極７とにより構成し、その１画素を横に２
例で形成した複数の焦電素子を両面の電極6,7により直
列に配線した構成とする点である。焦電素子の配線は、
左右交互に行なわれ、左の列の焦電電子と、右の列の焦
電素子が逆起電力になっている。ここで、検出しようと
する熱源の結像後のサイズが、焦電素子のサイズにほぼ
等しい場合を考えてみる。レンズ走査により熱源の像が
左から右に移動した場合、まず正の極性の焦電素子に赤
外線１が照射し、正の電荷が蓄積されて行く。次に負の
極性の焦電素子に赤外線１が入射し、信号が減衰し、元
の信号レベルに戻る。また、横幅の大きな熱源の場合
は、左の列と右の列の両方に熱源からの赤外線１が入射
している時間があり、この間の信号は打ち消されるた
め、前述した小さな熱源の場合に発生するパルスとほと
んど変わらない起電力で、横幅の広いパルス信号が得ら
れる。このように、パルスの高さは、あまり熱源の大き
さに依存しなくなるため、小さな熱源を検出する場合に
有利である。さらに、パルス幅の情報から、熱源のサイ
ズの情報をも、得ることができる。

従来の２次元のアレイセンサとしてＮ×Ｎ素子を用い
た場合、Ｎ×Ｎ個の信号処理回路と、Ｎ×Ｎ本の実装配
線が必要であるが、１列のアレイセンサを用いることに
よって、Ｎ個の回路とＮ本の配線で済み、信号処理回路
を小型化でき、センサとの実装を容易に実現することが
できる。

（実施例３） 赤外線の分布情報を得る方法として、従来例ではチョ
ッパによって赤外線を断続し、出力される交流信号の振
幅から赤外線の強度を求めているので装置が大型にな
る。

この問題に対応する本発明の第３の実施例について以
下に図面を参照しながら説明する。

第３図に示すように、第１図の構成と異なるところ
は、アレイセンサ３の視野を制限する遮蔽板８をアレイ
センサ３の左右両側に設け、円筒４と遮蔽板８が同じ温
度になるようにし、これを標準温度とする点である。レ
ンズ２が完全に横を向いたときには、標準温度物質から
の赤外線のみがアレイセンサ３に入射する。インピーダ
ンス変換11後のアレイセンサ３の信号を増幅し、CR回路
12により疑似的に微分処理を行っている。CR回路12のカ
ットオフ周波数よりも低周波側では、周波数に対して１
次で信号が減衰するため、疑似的な微分となる。

温度時定数より短い時間内において、焦電型の赤外線
センサの出力は、入射赤外線エネルギーに対して積分型
で得られるため、微分型の信号処理回路を用いることに
よって、相対的な赤外線強度分布が得られる。しかし、
得られる出力は、センサの温度時定数程度の時間が経過
すると減衰してしまうため、長時間にわたり正確に赤外
線強度分布を求めることは難しい。そこで、標準温度物
質からの赤外線が温度時定数よりも短い時間で定期的に
入謝する構成とすることによって、標準温度物質を測定
してから、標準温度物質を基準として、赤外線強度分布
を得ることができる。

この装置のレンズ２を回転したときに発生する各部分
の信号波形を表わしたのが第４図である。Ａはアレイセ
ンサ３に入射する赤外線１の強度を示しており、レンズ
２が完全に横を向いて、標準温度物質からの赤外線のみ
が入射している状態がａ、アレイセンサ３の視野に、あ
る熱源からの赤外線１が入射した状態がｂ、再び標準温
度物質からの赤外線のみの赤外線が入射した状態がｃ、
というパターンを繰り返している。Ｂはアレイセンサ３
の温度を示しており、入射した赤外線１を積分した波形
になるが、上昇するだけでなく、アレイセンサ３から周
囲への熱拡散によって決まる熱時定数をもって平衡状態
になる。平衡に達した状態におけるアレイセンサ３の温
度は、平均温度を中心として、赤外線の分布に従って周
期的に変化する。アレイセンサ３の起電力は、アレイセ
ンサの温度変化に比例して変化する。この信号に対し
て、CR回路12によって疑似的な微分を行なったときの出
力信号をＣに示す。出力信号Ｃの波形は入射した赤外線
分布と同じ波形になるが、アレイセンサ３の熱時定数に
従って、ベースラインが変化し、平衡状態に落ち着く。
１周期ごとに、標準温度物質からの赤外線のみが入射し
ている状態ａの出力電圧を基準にすることによって、各
々の方向からの赤外線分布を得ることができる。この方
式では、装置の構成をほとんど変えずに温度分布情報が
得られ、小型の装置が可能である。

（実施例４） 以下に本発明の第４の実施例について図面を参照しな
がら説明する。第５図に示すように第３図の構成と異な
るところは、円筒４の外周に縦方向に長いスリット９を
周方向に等間隔に複数個設け、円筒４と共に回転させ、
かつ円筒４と同心円上で僅かに外側に、スリット９と同
じ間隔の複数のスリットを設けたスリット板10を配設し
た点である。円筒４を回転することにより、スリット９
とスリット板10の組合せで、入射する赤外線１を断続
し、出力される交流信号の振幅から赤外線１の強度を求
める。この方法は、ひとつの回転機構で光軸の走査と赤
外線の断続を実現しており機構が極めて簡単である。ス
リット９およびスリット板10は、レンズの焦点距離を半
径とした円柱内、またはその近傍の外周に設けることが
できるため、装置が小型であるという特長を損ねずに赤
外線の断続を実現できる。

実施例では１列のアレイセンサを用いているが２列以
上のアレイセンサでも同様の効果が得られる。むしろ、
２列のアレイセンサを用いることによって、スリット９
が閉じている間に１列では見ることができなかった方
向、いわゆる死角を、もう１列で補うことができる。

また、スリット板10を円筒４の外周に設けているが内
周に設けることも可能である。

発明の効果 以上の実施例の説明からも明らかなように、本発明は
焦電型の赤外線センサを縦方向に１行以上配列したアレ
イセンサと、入射する赤外線を前記アレイセンサ上に結
像するためのレンズを備え、前記レンズを前記アレイセ
ンサの縦方向の中心線を軸として回転させる構成、アレ
イセンサの一画素を横２列で形成した複数の焦電素子を
両面電極により直列に配線した構成、視野を制限する遮
蔽板を両側に設け、円筒と遮蔽板が同じ温度になるよう
にした構成および円筒の外周に縦方向に長いスリットを
周方向に等間隔に複数個設け、スリットと同じ間隔の複
数のスリットを形成したスリット板を円筒に隣接した外
側か内側に円筒に沿った曲面上に配設して構成したこと
により広視野角で、正確に赤外線強度分布を測定でき、
機構が簡単で小形化することができる優れた焦電赤外線
検知装置を実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の焦電型赤外線検知装置
の概略構成を示す斜視図、第２図は本発明の第２の実施
例の焦電型赤外線検知装置のアレイセンサの電極構成を
示す概略構成図、第３図は本発明の実施例の焦電型赤外
線検知装置の概略構成を示す上面図、第４図は同実施例
の動作時の赤外線強度、アレイセンサの温度および出力
信号を示す波形図、第５図は本発明の第４の実施例の焦
電型赤外線検知装置の概略構成を示す上面図、第６図，
第７図、第８図は従来の焦電型赤外線検知装置の概略構
成を示す斜視図である。 １……赤外線、2,2a,2b……レンズ、３……アレイセン
サ、４……円筒、５……焦電体板、６……表電極、７…
…裏電極、８……遮蔽板、９……スリット、10……スリ
ット板。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の焦電素子からなるアレイセンサと、
   少なくとも一枚以上のレンズと、レンズを固定した円筒
   と、信号処理手段からなる焦電型赤外線検知装置におい
   て、前記アレイセンサは、前記円筒内の中心軸近傍に少
   なくとも一列以上中心軸方向に配列した複数の画素から
   なり、前記レンズは、前記円筒の円周上に設けられた窓
   に配設され、且つ、円筒外からの赤外線像を前記アレイ
   センサ上に結像し、前記円筒が中心軸を軸として前記レ
   ンズと共に一定速度で回転することにより前記アレイセ
   ンサの受像する視野を順次周方向に走査し、前記アレイ
   センサに発生する電圧が、前記信号処理手段により、イ
   ンピーダンス変換およびバンドパスフィルタ処理が施さ
   れ、前記アレイセンサの視野が熱源を通過する際に発生
   するパルス状の信号と、前記パルス状信号を受けた時点
   の円筒の回転角から熱源の位置を二次元で検出する焦電
   型赤外線検知装置。
2. 【請求項２】複数の焦電素子からなるアレイセンサと、
   少なくとも一枚以上のレンズと、レンズを固定した円筒
   と、赤外線遮蔽板と、信号処理手段からなる焦電型赤外
   線検知装置において、前記アレイセンサは、前記円筒内
   の中心軸近傍に少なくとも一列以上中心軸方向に配列し
   た複数の画素からなり、前記信号処理手段のうち少なく
   ともインピーダンス変換手段が前記アレイセンサと共に
   前記円筒内に配設され、前記レンズは、前記円筒の円周
   上に設けられた窓に配設され、且つ、円筒外からの赤外
   線像を前記アレイセンサ上に結像し、前記円筒が中心軸
   を軸として前記レンズと共に一定速度で回転することに
   より前記アレイセンサの受像する視野を順次周方向に走
   査し、前記円筒と実質的に同一温度に保たれた前記赤外
   線遮蔽板が、前記円筒の直近且つ、前記アレイセンサの
   視野を一定期間遮蔽する位置に配設され、前記アレイセ
   ンサに発生する電圧が、前記信号処理手段により、イン
   ピーダンス変換および微分処理が施され、前記赤外線遮
   蔽板を視野とした時の電圧を基準として、周方向の赤外
   線強度分布を時系列信号として得る焦電型赤外線検知装
   置。
3. 【請求項３】複数の焦電素子からなるアレイセンサと、
   少なくとも一枚以上のレンズと、レンズを固定した円筒
   と、第１のスリット群と、第２のスリット群と、信号処
   理手段からなる焦電型赤外線検知装置において、前記ア
   レイセンサは、前記円筒内の中心軸近傍に少なくとも一
   列以上中心軸方向に配列した複数の画素からなり、前記
   信号処理手段のうち少なくともインピーダンス変換手段
   が前記アレイセンサと共に前記円筒内に配設され、前記
   レンズは、前記円筒の円周上に設けられた窓に配設さ
   れ、且つ、円筒外からの赤外線像を前記アレイセンサ上
   に結像し、前記円筒が中心軸を軸として前記レンズと共
   に一定速度で回転することにより前記アレイセンサの受
   像する視野を順次周方向に走査し、第１のスリット群
   は、前記円筒に隣接した外側または内側に、走査する視
   野全面にわたって前記円筒に沿った曲面上に等間隔に配
   設され、第２のスリット群は、前記円筒の前記レンズを
   設けた窓部に第１のスリット群と等間隔に配設され、前
   記円筒と共に回転し、第１のスリット群との重ね合わせ
   により入射する赤外線を断続し、前記アレイセンサに発
   生する電圧が前記信号処理手段によりインピーダンス変
   換され、前記第１および第２のスリット群により赤外線
   が遮蔽された時の電圧を基準として、周方向の赤外線強
   度分布を時系列信号として得る焦電型赤外線検知装置。