JP4376436B2 - 像の検出方法及び検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射検出器のアレイを用いて物体の位置及び／又は移動を検出する方法及び装置に関する。本発明はピロ電気検出器のアレイにより以下に説明されるが、放射検出器を幾つかの他のアレイに同等に適用できる。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
ピロ電気センサは、上面および下面に電極を持つ一つの薄いピロ電気材料からなっている。ピロ電気材料には、入射（熱）エネルギーの変化を、信号処理用の適切な増幅器を介して、電極から取り出し得る電気信号に変える特性がある。
【０００３】
人の動きを検出する最も一般的な検出器の一つは、侵入者検出器および移動に触発される自動投光器に使用される受動赤外線（ＰＩＲ）検出器である。従来のＰＩＲ検出器では、以下に詳述するように、視界を定義し移動する人による変調信号を送る光学装置とともに少数のピロ電気センサが使用される。この装置では、検出器の視界内の物体の位置を決定することができない結果となり、またその検出方法を適用する全視界内に隙間が生じて、盲点となる。
【０００４】
これらの欠点は、従来のピロ電気センサをピロ電気検出器のアレイと一体型光学システムに交換することにより解決される。アレイの近接する検出器間の物体の移動を追跡することにより、検出器に対する物体の角度位置が分かる。この検出方法もまた以下に概説される。アレイを使用することによりまた、視界全体を通して連続的な有効範囲を提供する。
【０００５】
本発明は、主に検出器アレイ中の１個の検出器の視界内の物体の移動の検出を可能にすることにより、アレイを基礎とする検出器の機能を高めるための手段を提供する。
【０００６】
従来のＰＩＲ検出器では、１個、２個、または４個の高感度検出器を持つピロ電気センサ、これらの検出器の視界を定義する光学装置、増幅器及び信号処理回路から構成されるのが普通である。
【０００７】
光学装置は通常、図１（ａ）に示されるような幾つかの指状の検出区域にセンサの視界を向けるように配置されたレンズセグメントのアレイである。ピロ電気センサに信号検出器がたった１個しかない場合、各レンズセグメントは一つの検出区域を投影するが、ピロ電気検出器が２個以上ある場合、各レンズセグメントはセンサ内の各検出器の検出区域を投影する。図１（ａ）は最も一般的な配置を示し、センサ１内に検出器が２個あり、各レンズセグメントＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅは１対の検出区域を投影する。有効範囲パターンの隙間は、これらの検出区域間に見受けられる。
【０００８】
ピロ電気検出器は、物体からの熱が一方に集束されると正の信号を送り、熱が他方に集束されると負の信号を送るように配置される。図１（ａ）に示されたように、各レンズセグメントは１対の検出区域を投影し、一つは正の検出、もう一つは負の検出である。ピロ電気センサの性質は、入射放射の変化を検出するが固定状態の放射を無視する。
【０００９】
人が図１（ａ）に記載された配置の視界を矢印Ｘの方向に横切るとき、一つの検出区域内にいれば、人からの放射（熱）が検出され、またこれらの区域間の隙間に移動すると失われる。この過程では、人の固定熱出力を、人が検出区域間にいる際に発生し、隙間で無くなり、正および負の信号の変調列に変換する。この変調信号が人と一致する大きさおよび時間特性を示す場合、警報信号が検出器により発生される。レンズセグメントの全ての検出区域が同一検出器に投影されるため、どのレンズセグメントを通してエネルギーが集束されているかを識別することができず、物体の位置は識別されない。人が検出区域の一つまたは隙間の一つ内で移動する場合、例えば検出器に向かって移動する場合、変調は放射エネルギーに適用されず、人の移動は検出されない。
【００１０】
高機能検出器では、レンズのアレイがミラーのアレイと交換されることが多いが、これらは光学的に同等であるため、検出方法は本質的に同じである。
【００１１】
アレイを基礎とする検出器では、適切なレンズの焦点面にアレイを配置することにより、視界全体が通常のカメラの場合と同様に決定される。５×５の正方形に配置された２５個の検出器のアレイを使用するセンサを考慮すると、視界が球面レンズを通ってこのアレイに集束されると、正方形パターンの２５個の「画素」に分割され、このアレイに合致する（図２（ｂ）参照）。それはあたかも視界全体が正方形の格子状に細分された板（ｇｒｉｄ：以下、グリッドと略称する）にかぶせるように見え、アレイの各検出器はグリッドＡ１、Ａ２．．．Ｂ１、Ｂ２などの一つの正方形を観察する。従来のピロ電気センサとは反対に、アレイ（画素）の各検出器の視界は隣接するものと接触し、視界全体を通して連続的に有効範囲を提供する。
【００１２】
アレイを使用して移動と位置を検出するための明らかな方法は、一つの検出器の視界から別の検出器の視界への物体（または物体端部）の移動を検出することである。これにより、アレイの各検出器により範囲が定められた視界サイズに検出プロセスの解像度が制限される。９０°の視界で球面レンズの焦点に配置された１５×１５のアレイの場合、各検出器の視界は検出器から１０ｍ離れたところで、約１ｍ幅の円弧に対する。この画素内の物体移動はどれも検出されないため、物体の指定移動量を検出する必要があるとき、これは要求される有効レンジに制限される。検出器が人の０．５ｍ未満の移動で警報を発生するよう要求された場合、上記の検出器は５ｍ未満に制限された有効レンジを持つ。この課題はある応用領域の規定要件を満たす際に重要である。
【００１３】
本発明は、検出器アレイ中の１個の検出器の視界内の物体の位置及び／又は移動を検出するのに使用され、アレイの明らかな解像度を増加させる。本発明はまた、変調出力エネルギーを持つ静止物体と、中間位置で振動する物体を区別するための機構を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この提案の方法は一つの適切な材料から構成されたアレイに適用され、アレイを構成するのに使用する材料本体を通して近接検出器に拡散される、アレイの１個の検出器に集束されたエネルギーを利用する。このエネルギー拡散では、以前から像の鮮明度を低減するような検出器の負の特性が考慮されてきた。本発明は、この負の特性をこの検出器アレイの機能を拡大する利点に変えるものである。
【００１５】
本発明は、一つの材料から構成され、アレイに物体像を作るための光学システムを持つ、ピロ電気検出器アレイ中の１個の検出器の視界内の像の位置及び移動の少なくとも一方を決定する方法であって、
（ａ）サブ画素サイズの像を含む第１検出器の位置を検出し、
（ｂ）前記第１検出器を中にして互いに反対側に位置する他の１対の検出器を選択し、
（ｃ）選択された各１対の検出器の各々からの信号の大きさを比較し、
（ｄ）その比較結果を使用して前記第１検出器内の像の位置及び移動の少なくとも一方を決定する、
像の検出方法を提供する。
【００１６】
検出器アレイ中の１個の検出器より大きくない像を位置付けるための従来技術で公知の方法、例えば米国特許第５，２２９，５９４号のｖｉｌａｉｒｅらによる方法などが多くあるため、上記（ａ）を達成するための方法はここに記載されない。以下の説明で、像は特記しない限りサブ画素サイズとする。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態では、比較（ステップ（ｃ））は、第１検出器のいずれか一方の面で互いに反対側に位置付けられた２個の検出器からの信号の割合を決定することから成る。像がこれらの検出器の間の中間にある場合、割合は等しく、また像が１個の検出器に近づく場合、割合はその検出器に有利になるように増大し、もう一方の検出器ではこれに対応して減少する。
【００１８】
この方法はまた、ある周期にわたって信号の割合を平均することにより、第１検出器を中にして互いに反対側に位置する１対の検出器の信号を比較することにより、第１検出器の視界内の物体の正味移動を決定するのに使用される。第１検出器の視界の中間位置で振動する物体は、信号を物体の振動周期より著しく長い周期にわたって平均する場合、近接した１対の検出器からの信号の等しい割合を生じる。
【００１９】
本発明はまた、上記方法を実行するための手段を持つ検出器を提供する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図２は一つのピロ電気材料１０から構成され、電極は適切な電極材料の配置により形成された、簡単なピロ電気検出器アレイを示す。共通電極１１は上面に形成され、アレイの個々の検出器は下面に分割された個別電極１２により形成される。使用時、アレイは一般的な場面を観察し、その場面からのエネルギーは適切な光学部品によりアレイに集束される。１個の検出器に集束されたエネルギー１３は、材料の横方向に拡散し、近接検出器に信号を発生する。
【００２２】
アレイの視界を横切る物体の検出は、図３により簡単な構成で説明され、長方形グリッドは５×５アレイを示し、縦列は１〜５、横列はＡ〜Ｅと表示されている。
【００２３】
入射エネルギーが１個の検出器（例えばＣ３）に集束される場合、エネルギーは近接検出器（Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ２、Ｃ４、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４）に拡散する。エネルギーがＣ３の中心に集束される場合、互いに反対側に位置する１対の近接検出器（Ｃ２／Ｃ４、Ｂ２／Ｄ４、Ｂ３／Ｄ３、およびＢ４／Ｄ２）の各検出器は等しい信号を持つ。対角対（Ｂ２／Ｄ４およびＢ４／Ｄ２）の信号の大きさは、Ｃ３からの異なる経路長のため、垂直および水平対（Ｃ２／Ｃ４およびＢ３／Ｄ３）のものと異なるが、これらの信号の割合は同じである。検出器Ｃ３に入射するエネルギーの焦点はその検出器の１端部に対して、例えば検出器Ｃ２に向けて偏位させる場合、エネルギーがその面で検出器にさらに拡散する。従って、検出器Ｃ２とＣ４から発生した信号はもはや等しくなく、検出器Ｃ２からの信号は検出器Ｃ４からの信号よりも大きい。もう一方の１対の近接検出器の割合で一致して変化が生じる。これらの１対の検出器からの信号の割合を比較することにより、検出器Ｃ内の入射エネルギーの焦点位置が計算される。
【００２４】
（１個の検出器視界内の移動検出）
アレイの視界を横切る物体検出は、図３により簡単な構成で説明される。ピロ電気材料内の熱拡散長さが、検出器ピッチとほとんど同じであるとする。物体がＣ３の視界を通過する時の３個の検出器Ｃ２、Ｃ３およびＣ４からの出力信号変化は、アレイ下に示される。
【００２５】
横列Ｃに沿って左から右に移動する小さい像を考慮する。像が検出器の視界内に入った時、出力信号が発生する。拡散効果が無い場合、信号は像が検出器の境界を横切ったとき突然発生し、像が検出器を横断する際固定レベルに留まり、像が検出器の視界から出るとき、再び突然初期値に戻る。
【００２６】
しかし、拡散効果があると、像が検出器Ｃ２を横切る間、図３の縦列２の下のセクションのＣ３の出力プロットに見られるように、拡散効果のため、効果的に像より先に起こる信号は検出器Ｃ３から現れ始める。この信号は、像がこれらの検出器間の境界を横切る際最大値に達するまで、像がＣ２とＣ３間の境界に近づく際固定的に発生する。この信号レベルは像がＣ３の視界を横切る際維持され、再び信号拡散効果により、信号がＣ３を離れてＣ４を横切る際降下する。
【００２７】
像が検出器Ｃ３を横切る場合を考慮する。位置「ａ」にて、Ｃ３からの信号は最大値にちょうど達したばかりで、Ｃ２からの信号は降下し始めて、Ｃ４からの信号は上昇し始める。像が位置「ｂ」と「ｃ」を移動する際、Ｃ３からの信号値に変化は無いが、Ｃ２とＣ４からの信号はそれぞれ降下、上昇し続ける。像が視界の中心位置「ｂ」にあるとき、Ｃ２とＣ４からの信号は等しく、位置「ｃ」ではＣ２とＣ４からの信号により位置「ａ」と比較してこれらの値は逆になる。この表現では、像がＣ３の視界に入ったとき、割合Ｃ２：Ｃ４は約９：１となり、中間位置では１：１という直線状になり、像が視界を出るとき１：９となる。対向する１対の検出器Ｃ２とＣ４からの信号の割合を比較することにより、物体がＣ３の視界を横切る間、Ｃ３の視界内の物体位置が計算されるということがわかる。このプロセスが物体検出器Ｃ２／Ｃ４、Ｂ２／Ｄ４、Ｂ３／Ｄ３、およびＢ４／Ｄ２に近接した対向する四対の検出器の全てに等しく適用されるため、どの方向でも移動が検出される。
【００２８】
（静止および移動物体の区別）
本発明の方法はまた、エネルギー出力が変動しピロ電気検出器に対して可視的になる静止物体と、移動物体を区別するための手段を提供する。上記したように、アレイ中の１個の検出器の視界から出入りする移動物体は、その検出器に入射されたエネルギー変化を発生する。しかし、変動エネルギー出力を持つ静止物体はまた、その検出器に入射したエネルギー変化を発生する。本発明の方法を適用することにより、変動放射で移動物体と静止物体とを区別することができる。移動物体の場合、入射エネルギーを受ける検出器を中にして互いに反対側に位置する１対の検出器の少なくとも一つからの信号の割合が、検出器の視界を移動することにより前記したように変化する。第１検出器の視界内に静止する変動エネルギー出力を持つ物体の場合、第１検出器からの信号は変動とともに変化するが、第１検出器を中にして互いに反対側に位置する１対の検出器からの信号の全ての割合は一定のままとなる。これは第１検出器の入射エネルギーの焦点が定位置に留まり、近接検出器に拡散するこのエネルギーの割合が一定のままであるからである。
【００２９】
（正味移動の無い物体の区別）
検出器の視界を移動する物体と他の物体の区別は、振動移動し、視界を横切る正味移動を示さない物体、例えば揺れる電球を識別することにより、さらに高められる。区別はまず、入射放射を受ける検出器を識別し、軸が物体移動に本質的に平行な第１検出器付近の対向する１対の検出器を選択することにより達成される。対向する１対の要素からの信号の割合を、物体の振動周期よりも著しく長い周期にわたって平均する。一方向の揺れにより達成された移動が戻し揺れの移動によりほとんど相殺されるため、視界を移動する物体と比較して、振れる物体はある一定の周期にわたってごく少量の平均移動を示す。
【００３０】
（移動開始の検出）
この技術により提供される別の機能は、前記静止物体による移動開始の初期検出である。アレイのピロ電気検出器は静止物体に反応しないが、上記の同一機構により、近接して互いに反対側に位置する１対の検出器にて、物体が移動し始めるとすぐに信号が現れる。この手段により、物体移動開始は第１検出器の視界から離れる前に検出される。
【００３１】
（温度差に対する非感度）
ピロ電気検出器で発生した信号の大きさは、物体とその背景間の温度差に比例する。
【００３２】
この方法では、絶対値よりもむしろ、検出プロセスの入射放射を受ける検出器付近で互いに反対側に位置する１対の検出器からの信号の割合が使用されるため、このプロセスは従来の検出方法による通常よりも背景温度変化の効果に反応しない。入射放射を受ける検出器からの信号と、互いに反対側に位置する検出器からの信号の割合を決定することにより、物体位置についての一部の情報を得ることができる（割合が高ければ高いほど、物体は近接検出器に近づく）が、この計算は第１検出器の像の大きさと位置から生じるエラーに対して影響を受けない。
【図面の簡単な説明】
【図１】対検出器のピロ電気センサとそれに関連した検出区域の概略図と、これらの区域を横切る人の移動により発生した一般電気信号を示す図。
【図２】検出器の５×５アレイのアレイを基礎とする検出器の概略断面図と、大きな物体を観察する同一検出器の平面図。
【図３】アレイの下に示された３個の検出器からの出力とともに検出器の５×５アレイを示す図。
【符号の説明】
１ センサ
１０ ピロ電気材料
１１ 共通電極
１２ 個別電極
１３ エネルギー

Claims (7)

1. 一つの材料から構成され、アレイに物体像を作るための光学システムを持つ、ピロ電気検出器アレイ中の１個の検出器の視界内の像の位置及び移動の少なくとも一方を検出する方法であって、
   （ａ）サブ画素サイズの像を含む第１検出器の位置を検出し、
   （ｂ）前記第１検出器を中にして互いに反対側に位置する他の１対の検出器を選択し、
   （ｃ）選択された各１対の検出器の各々からの信号の大きさを比較し、
   （ｄ）比較の結果を使用して前記第１検出器内の像の位置及び移動の少なくとも一方を検出する、
   像の検出方法。
2. ステップ（ｃ）が比較されている信号の割合を決定する請求項１に記載の像の検出方法。
3. 請求項１のステップが繰り返して適用され、結果の連続が像移動の速度及び方向の少なくとも一方の計算に使用される請求項１又は２に記載の像の検出方法。
4. 前記比較結果が検出器の視界内で移動する物体と、強度が変化する静止物体の区別に使用される請求項３に記載の像の検出方法。
5. 前記比較結果が前記検出器対を結合する線方向に物体の正味移動を決定するのに使用される請求項３に記載の像り検出方法。
6. 前記比較結果が前記静止物体の移動開始を検出するのに使用される請求項３に記載の方法。
7. 一つの材料から構成されるピロ電気検出器のアレイと、
   前記アレイに物体像を作るための光学システムと、
   サブ画素サイズの像を含む第１検出器の位置を検出する手段、第１検出器を中にして互いに反対側に位置する他の１対の検出器を選択する手段、選択された各１対の検出器の各々からの信号の大きさを比較する手段及びこの比較結果から検出器内の像の位置を決定するための手段から成るサブ画素サイズの像の位置を決定する手段と、
   を備えた像の検出装置。

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