JP4740022B2 - 光センサ及び物体検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、光センサ及び物体検出方法に関し、特に、背輻射を原因とする誤作動を防止できるようにした技術に関する。

微小のエネルギーをもつ１０μｍ付近の長波長の赤外線、例えば人体からの輻射を検知して、人体の接近を判別する装置として、受動型の赤外線センサが一般的に用いられている。代表的な例としては焦電体を利用した赤外線センサがある。このようなセンサは紫外線から可視光、赤外線領域の幅広い波長帯域で高感度を持つ。そのため、特定の波長のみを検出する場合、光学フィルタを利用する必要がある。人体からの輻射を検出する赤外線センサは、人体以外からの輻射、例えば紫外線や可視光など背景の光（以下、このような被検出物体以外から輻射される光を「背輻射」と総称する。）の影響を防ぐために、５〜７μｍ以下の波長をカットするロングパスフィルタが一般的に用いられている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平６−２０１４７７号公報

一般に、赤外線センサは、背輻射のエネルギーが小さい場合はほとんど誤動作することはない。しかしながら、白熱灯または室外で赤外線センサを用いた場合は、太陽が１０μｍ付近の波長帯域に、人体からの輻射と同じ強度、もしくは人体からの輻射より高い強度の輻射を放出する。このため、たとえ５〜７μｍロングパスフィルタを利用したとしても、赤外線センサがこの光を検知して誤動作してしまうおそれがあった。

また、動作環境からの背輻射の変動が激しい携帯電子機器では、従来の長波長の受動型赤外線センサを利用するのが困難だった。特に、人体の接近を判別しようとした場合、背輻射の変動が激しく、又は、背輻射の方が被検出物体となる人体からの輻射と同程度のレベルとなる。このため、センサが誤動作する可能性はさらに高くなり、長波長受動型の赤外線センサの用途は限られていた。
そこで、この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、背輻射を原因とする誤作動を防止できるようにした光センサ及び物体検出方法の提供を目的とする。

〔発明１、２〕 このような目的を達成するために、発明１の光センサは、所定の物体から放射される光の最短波長λ１よりもさらに短波長の光のみを検出する短波長検出手段と、前記短波長検出手段と少なくとも視野の一部を共有し、前記最短波長λ１よりも長波長で、且つ前記物体から放射される光と波長領域が重なる光を検出する長波長検出手段と、前記短波長検出手段から得られる第１の検出信号と、前記長波長検出手段から得られる第２の検出信号とに基づいて、共有される前記視野に前記物体が存在するか否かを判定する判定手段と、を有することを特徴とするものである。

発明２の光センサは、発明１の光センサにおいて、前記判定手段は、前記短波長検出手段が検出した光のエネルギーレベルが一定のレベル以上か否かを前記第１の検出信号に基づいて判定し、当該判定の結果を第１のデジタル信号で出力する短波長検出判定手段と、
前記長波長検出手段が検出した光のエネルギーレベルが一定のレベル以上か否かを前記第２の検出信号に基づいて判定し、当該判定の結果を第２のデジタル信号で出力する長波長検出判定手段と、前記短波長検出判定手段から出力された前記第１のデジタル信号と、前記長波長検出判定手段から出力された前記第２のデジタル信号との組み合わせに基づいて、共有される前記視野に前記物体が存在するか否かを判定するデジタル信号解析手段と、を有することを特徴とするものである。

発明１、２の光センサによれば、所定の物体から放射される光と、それ以外の物体から放射される光又は背景の光（即ち、背輻射）とをより明確に区別することができるので、共有される視野（即ち、共通視野）での物体の有無をより正確に判定することができる。これにより、背輻射を原因とするセンサの誤作動を防止することができ、その動作信頼性を向上させることができる。

〔発明３〕 発明３の光センサは、発明１又は発明２の光センサにおいて、前記長波長検出手段は、その受光面にＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦１）を含むことを特徴とするものである。
このような構成であれば、長波長の光を効率良く光電変換することが可能である。

〔発明４〕 発明４の光センサは、発明１から発明３の何れか一の光センサにおいて、前記物体は人体であることを特徴とするものである。
このような構成であれば、人体から放射される光と、それ以外の物体から放射される光又は背景の光（即ち、背輻射）とをより明確に区別することができるので、短波長検出手段と長波長検出手段とによって共有される視野での人体の有無をより正確に判定することができる。これにより、人体を検出対象とするセンサの誤作動を防止することができ、その動作信頼性を向上させることができる。

〔発明５〕 発明５の物体検出方法は、所定の物体から放射される光の最短波長λ１よりもさらに短波長の光のみを検出する短波長検出手段と、前記短波長検出手段と少なくとも視野の一部を共有し、前記最短波長λ１よりも長波長で、且つ前記物体から放射される光と波長領域が重なる光を検出する長波長検出手段と、を用意しておき、前記短波長検出手段から得られる第１の検出信号と、前記長波長検出手段から得られる第２の検出信号とに基づいて、共有される前記視野に前記物体が存在するか否かを判定する、ことを特徴とするものである。
このような構成であれば、所定の物体から放射される光と、背輻射とをより明確に区別することができるので、共通視野での物体の有無をより正確に判定することができる。

本発明によれば、従来に比べ、背輻射の影響による誤動作を抑制し、被検出物体がセンサに接近したかどうかをより正確に検出することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る光センサ１０の概略構成例を示す図である。図１に示すように、光センサ１０は、短波長受光部１及び長波長受光部２を含む受光素子９と、信号処理回路３とで構成されている。
図２は、受光部の分光感度波長の一例を示す図である。図２において、横軸は光の波長を示し、縦軸は光量（又は、受光部の感度）を示す。図２に示すように、本実施の形態では、短波長受光部１は短波長領域Ｒ１に対する感度を持ち、長波長受光部２は波長領域Ｒ２に対する感度を持つ。短波長領域Ｒ１は、被検出物体からの輻射の最小波長λ１よりも短波長の波長領域である。

被検出物体が人体である場合、人体が放出する輻射のピーク波長は１０μｍ付近にあるので、λ１を例えば３μｍに設定すると良い。これにより、短波長受光部１を、短波長領域Ｒ１（即ち、人体からの輻射よりも短波長の領域）の輻射を検出でき、且つ人体からの輻射は検出できないようにすることができる。
また、被検出物体が人体である場合、短波長受光部１には例えばＳｉ、ＧａＡｓまたは、ＩｎＡｓを利用したフォトダイオード、もしくはフォトトランジスターを利用すると良い。このようなデバイスを利用することによって、波長領域が５〜７μｍ以下の輻射（例えば、太陽光や、白熱灯の背輻射）を光電変換によりエネルギーとして検出し、且つ、人体が放出する波長１０μｍ付近の輻射は検出しないようにすることができる。

一方、長波長領域Ｒ２は、少なくとも被検出物体からの輻射の波長領域と重なり、且つその最大値が波長λ２以下である波長領域である。つまり、図２に示すように、波長λ１と波長λ２との大小関係はλ１＜λ２であり、長波長受光部２は被検出物体からの輻射を検出できるようになっている。
被検出物体が人体である場合、人体が放出する輻射のピーク波長は１０μｍ付近にあるので、λ２を例えば３０μｍに設定し、長波長領域Ｒ２を波長１０μｍ付近の領域を含むように、例えば５〜７μｍ以上、且つ３０μｍ以下に設定すると良い。これにより、長波長受光部２を、人体からの輻射を検出できるようにすることができる。

長波長受光部２には、その感度が波長に依存しないタイプのデバイスを用いても良い。このようなデバイスとして、例えばボロメータ型、熱起電力型、量子型の受光部が挙げられる。ボロメータ型、又は、熱型の受光部を用いた場合、高感度を得るために光（輻射）を吸収する部分の熱容量を小さくするように、光吸収部を機械的に浮かせる必要がある。さらに外乱ノイズを抑制するために、中空のパッケージを利用する必要がある。量子型の受光部を用いた場合、中空パッケージは不必要となり、最も小さい光センサを実現することができる。

また、被検出物体が人体である場合、量子型の長波長受光部２の例として、ＩｎＡｓＳｂやＨｇＣｄＴｅの化合物半導体を用いたフォトダイオード・フォトトランジスターのデバイスを用いても良い。これにより、長波長の光を効率良く光電変換することが可能である。また、前述のように、各々の感度波長が前記短波長領域Ｒ１及びＲ２となるように、受光面を構成する化合物半導体の組成を調整し、短波長受光部１と長波長受光部２とを同じ材料を利用して形成しても良い。

なお、図２では、短波長領域Ｒ１が長波長領域Ｒ２に含まれている場合を示したが、本発明では、短波長領域Ｒ１が長波長領域Ｒ２に含まれていても良いし、含まれていなくても良い。
図１に戻って、この光センサ１０では、短波長受光部１及び長波長受光部２を、ある距離ｄだけ離れた位置で同じ視野（即ち、共通視野）Ｆを持つように、各受光部１、２の視野角及び固定位置をそれぞれ設計する必要がある。視野角及び固定位置がそれぞれ調整された短波長受光部１の出力信号及び、長波長受光部２の出力信号は、信号処理回路３に入力され、信号処理回路３は被検出物体が接近したかどうかを判定する。

即ち、信号処理回路３は、増幅器６ａ及び６ｂと、短波長検出判定回路７ａ及び長波長検出判定回路７ｂと、デジタル演算回路４と、を含んで構成されている。増幅器６ａは、短波長受光部１からの出力信号（即ち、短波長受光部１で光電変換によって得られた電気エネルギー）を増幅し、増幅器６ｂは長波長受光部２からの出力信号（即ち、長波長受光部２で光電変換によって得られた電気エネルギー）を増幅する。そして、増幅器６ａ、６ｂでそれぞれ増幅された出力信号は、短波長検出判定回路７ａ及び長波長検出判定回路７ｂにそれぞれ入力される。

短波長検出判定回路７ａ及び長波長検出判定回路７ｂは、増幅された短波長受光部１及び長波長受光部２からのそれぞれの出力信号が一定のレベル（即ち、一定の大きさ）以上という条件を満たした場合“１”を、この条件を満たさない場合は“０”という判定する。このように、“０”、“１”形式にデジタル変換された信号Ｓ１、Ｓ２はそれぞれデジタル演算回路４に入力される。そして、デジタル演算回路４はこれらの信号Ｓ１、Ｓ２から、被検出物体が当該光センサ１０に接近しているかどうかを判断し、その判定結果を判定出力信号Ｓ３として出力する。

ここで、被検出物体が接近している（又は、接近した）と判断する条件は、短波長受光部１のデジタル判定信号を示す短波長検出判定信号Ｓ１が“０”で、且つ、長波長受光部２のデジタル判定信号を示す長波長検出判定信号Ｓ２が“１”となることである。
被検出物体５は長波長領域Ｒ２の光しか放出しないので、視野Ｆに入るように光センサ１０に接近すると、長波長受光部２が物体を検出する。視野Ｆは短波長受光部１の視野ともなるので、短波長受光部１には同じ光が入ることになるが、短波長受光部１は長波長に対しては応答しない。この場合、被検出物体は接近したことが判定され、判定出力信号Ｓ３が“１”となる。

高エネルギーの背輻射が短波長領域Ｒ１及び長波長領域Ｒ２の両方を有する場合でも、被検出物体５が視野Ｆを覆うことにより受光素子９に背輻射の光が入らなくなるので、短波長受光部１は応答しない。被検出物体５が視野Ｆを完全に覆わず、背輻射の光が短波長受光部１に入射し、Ｓ１が“１”になるように十分なエネルギーをもつと、被検出物体が正確に接近していないと判断され、判定出力信号Ｓ３が“０”となる。

このように、本実施の形態に係る光センサ１０は、高エネルギーの背輻射の影響を受けにくく、誤動作することなく、正確に被検出物体５が光センサ１０の視野Ｆに入ったことを判断することができる。
ここで、被検出物体が人体である場合、従来の人体検出センサでは太陽光、もしくは、白熱灯の背輻射が人体からの輻射に対して同じレベルもしくは、人体からの輻射より大きいので、センサが誤動作をしがちであった。以下では、被検出物体が人体である場合の光センサ１０の動作例を、図３（ａ）〜（ｄ）を利用して説明する。

ここでは、短波長受光部１は人体からの輻射を含まない短波長領域Ｒ１の輻射を検出し、長波長受光部２は人体が放出する１０μｍ付近の輻射を検出する。図３（ａ）は、短波長受光部１にも長波長受光部２にも光が入射していない状態（状態１）を示している。この場合、入射光量（即ち、光電変換によって得られるエネルギー量）があるレベル以上を超えない限り、短波長検出判定回路７ａ及び長波長検出判定回路７ｂの出力信号Ｓ１及びＳ２は共に“０”となり、デジタル演算回路４は人体が接近していないと判断し、判定出力信号Ｓ３は“０”となる。

図３（ｂ）は、人体からの輻射が短波長受光部１と長波長受光部２とに入射している状態（状態２）を示している。ここでは、人体が視野Ｆを完全に覆った場合、短波長受光部１に入射する光は人体からの輻射のみとなる。短波長受光部１は人体からの輻射を検知しないように設計されているから、その出力信号が低く、短波長検出判定回路７ａの出力信号Ｓ１が“０”となる。長波長受光部２にも人体からの輻射が入射しているので、長波長検出判定回路７ｂの出力信号Ｓ２は“１”となる。出力信号Ｓ１が“０”、出力信号Ｓ２が“１”の組み合わせにより、デジタル演算回路４は人体が検知されたと判断し、判定出力信号Ｓ３として“１”を出力する。

図３（ｃ）は、人体が視野Ｆを完全に覆わず、太陽光（もしくは、白熱灯）からの輻射も、人体からの輻射も短波長受光部１及び長波長受光部２に入射している状態（状態３）を示している。ここではＳ２が“１”となり、且つ、短波長受光部１の出力信号も大きく、Ｓ１が“１”となった場合、デジタル演算回路４は人体が確実に視野に入ったとは言えないと判断し、判定出力信号Ｓ３として“０”を出力する。なお、状態３では、短波長の背輻射は短波長受光部１を応答させず（即ち、出力信号Ｓ１が“１”になるための十分なエネルギーをもたず）、Ｓ１＝“０”となった場合、デジタル演算回路４は人体が確実に視野に入ったと判断し、判定出力信号Ｓ３として“１”を出力する。

また、太陽の輻射エネルギーは短波長受光部１も、長波長受光部２も応答させることができるので、太陽光が光センサ１０に直入射した場合、Ｓ１＝Ｓ２＝“１”となる。しかし、蛍光灯のような短波長の光しか発光しない光源の光直入射した場合、Ｓ１＝“１”、Ｓ２＝“０”という、図３（ｄ）に示すような状態も考えられる。この状態４では、デジタル演算回路４は人体が接近していないと判断し、判定出力信号Ｓ３として“０”を出力する。

このように、本実施の形態に係る光センサ１０では、人体が視野Ｆを覆い、且つ、短波長である背輻射の光が短波長受光部１に入射できないような状態となったときだけ、デジタル演算回路４の判定出力信号Ｓ３が“１”となる。このような構成であれば、人体からの輻射と、人体以外の物体から放射される光又は背輻射とをより明確に区別することができるので、視野Ｆに人体が入ってきたか否かをより正確に判定することができる。従って、背輻射を原因とするセンサの誤作動を防止することができ、その動作信頼性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、人体が広い視野Ｆを覆う場合について説明をしたが、入射光をレンズで集光し、視野Ｆが小さくなるように設計しても良い。これにより、人体の一部、例えば手や顔のみを検出するということもできる。また、短波長検出判定回路７ａ及び長波長検出判定回路７ｂの閾値は固定されたレベルでも良いが、用途に応じて、センサの感度を調整可能にするように、この閾値を可変にしても良い。

さらに、図１及び図３では、短波長受光部１及び長波長受光部２を隣接して配置する場合について説明した。しかしながら、短波長受光部１及び長波長受光部２の配置例はこれに限られることはない。例えば、図４〜図６で示すような配置でも良い。
図４（ａ）、図５（ａ）及び図６（ａ）は、短波長受光部１及び長波長受光部２のその他の配置例を示す平面図である。また、図４（ｂ）、図５（ｂ）及び図６（ｂ）は、図４（ａ）、図５（ａ）及び図６（ａ）のそれぞれの断面図である。

図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明では、短波長受光部１の周囲に長波長受光部２を配置すると共に、長波長受光部２の受光面積を短波長受光部１の受光面積よりも大きくしても良い。人体を検出する場合、１０μｍ付近の長波長の輻射エネルギーは小さいため、受光部の受光面積を大きくすることで、長波長の輻射に対する検出能力を高めることができる。それゆえ、図４で示す配置は人体の検出に適した配置といえる。

また、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、短波長受光部１及び長波長受光部２をそれぞれ分割して、これらを交互にそれぞれが等間隔となるように配置しても良い。このように、分割後の短波長受光部１及び長波長受光部２を基板上に均一に配置することによって、短波長受光部１の視野ＦＯＶ１と長波長受光部２の視野ＦＯＶ２をより等しくする（即ち、ほぼ一致させる）ことができる。

さらに、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、高感度が必要な長波長受光部２の受光面積を短波長受光部１と比べてできるだけ大きくすると共に、複数の（小面積）短波長受光部１を長波長受光部２と平面視で重ね合わせた状態で等間隔に配置しても良い。このような構成であれば、短波長受光部１の視野ＦＯＶ１と長波長受光部２の視野ＦＯＶ２とをほぼ一致させることができると共に、長波長の輻射に対する検出能力を高めることができる。図６（ａ）及び（ｂ）に示す例では、短波長受光部１と長波長受光部２とを同じ基板上に形成しても良いが、必要に応じて別々の基板上にそれぞれ形成しても良い。

図１及び図３や、図４（ａ）〜図６（ｂ）で示した配置は、特に薄膜技術によって基板上に形成される薄膜状の受光部に適している。例えば、基板８としてＧａＡｓ基板を利用する。そして、ＧａＡｓ基板上に、短波長受光部１として、ＧａＡｓのフォトダイオードを形成する。また、薄膜成長技術を利用して、人体からの輻射を検知するための長波長受光部２に相当するフォトダイオードを同一のＧａＡｓ基板上形成する。図４（ａ）〜図６（ｂ）で示したように、短波長受光部１と長波長受光部２は、基板８上に平面視で隣接して形成しても良いし、重ね合わせて形成（即ち、積層）しても良い。

従来のセンサは、その組み立て部品の部品点数が多いため製造バラツキが発生しやすく、センサの小型化が困難であるという問題があった。しかしながら、本発明では、同一の基板に短波長受光部１と長波長受光部２とを形成することが可能であるため、センサの組み立て部品の部品点数を少なくすることができる。このため、従来の技術と比べて、センサの小型化が可能である。

また、ここでは、光センサ１０に含まれる受光素子９が１つだけ存在する場合について説明したが、用途に応じて、複数の受光素子９を用意しても良く、多数の受光素子９を２次元のアレイ配置にしても良い。光センサ１０に多数の受光素子９を設けておき、これら受光素子９から出力される信号をそれぞれ処理することによって、光センサ１０で人体の移動を検出することも可能となる。

この実施の形態では、短波長受光部１が本発明の「短波長検出手段」に対応し、長波長受光部２が本発明の「長波長検出手段」に対応し、信号処理回路３が本発明の「判定手段」に対応している。また、増幅器６ａ及び短波長検出判定回路７ａが本発明の「短波長検出判定手段」に対応し、増幅器６ｂ及び短波長検出判定回路７ｂが本発明の「長波長検出判定手段」に対応し、デジタル演算回路４が本発明の「デジタル信号解析手段」に対応している。さらに、出力信号Ｓ１が本発明の「第１のデジタル信号」に対応し、出力信号Ｓ２が本発明の「第２のデジタル信号」に対応している。

本発明の光センサは超小型で、背輻射の影響を受けにくく誤動作しにくいため、携帯電子機器等に応用することが可能である。

実施の形態に係る光センサ１０の概略構成例を示す図。 受光部の分光感度波長の一例を示す図。 人体の検出方法の一例を示す図。 受光部の配置例を示す図（その１）。 受光部の配置例を示す図（その２）。 受光部の配置例を示す図（その３）。

符号の説明

１ 短波長受光部
２ 長波長受光部
３ 信号処理回路
４ デジタル演算回路
５ 被検出物体（一例として、人体）
６ａ、６ｂ 増幅器
７ａ 短波長検出判定回路
７ｂ 長波長検出判定回路
８ 基板
９ 受光素子
１０ 光センサ
ｄ 距離
Ｆ （共通）視野
ＦＯＶ１ 短波長受光部１の視野
ＦＯＶ２ 長波長受光部２の視野
Ｒ１ 短波長領域
Ｒ２ 長波長領域
Ｓ１、Ｓ２ 出力信号
Ｓ３ 判定出力信号

Claims (4)

1. 所定の物体から放射される光の最短波長λ１よりもさらに短波長の光のみを検出する短波長検出手段と、
   前記短波長検出手段と少なくとも視野の一部を共有し、前記最短波長λ１よりも長波長で、且つ前記物体から放射される光と波長領域が重なる光を検出する長波長検出手段と、
   前記短波長検出手段から得られる第１の検出信号と、前記長波長検出手段から得られる第２の検出信号とに基づいて、共有される前記視野に前記物体が存在するか否かを判定する判定手段と、を有し、
   前記判定手段は、
   前記短波長検出手段が検出した光のエネルギーレベルが一定のレベル以上か否かを前記第１の検出信号に基づいて判定し、当該判定の結果を第１のデジタル信号で出力する短波長検出判定手段と、
   前記長波長検出手段が検出した光のエネルギーレベルが一定のレベル以上か否かを前記第２の検出信号に基づいて判定し、当該判定の結果を第２のデジタル信号で出力する長波長検出判定手段と、
   前記短波長検出判定手段から出力された前記第１のデジタル信号と、前記長波長検出判定手段から出力された前記第２のデジタル信号との組み合わせに基づいて、共有される前記視野に前記物体が存在するか否かを判定するデジタル信号解析手段と、を有することを特徴とする光センサ。
2. 前記長波長検出手段は、その受光部にＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ（０≦ｘ≦１）を含むことを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. 前記物体は人体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光センサ。
4. 所定の物体から放射される光の最短波長λ１よりもさらに短波長の光のみを検出する短波長検出手段と、
   前記短波長検出手段と少なくとも視野の一部を共有し、前記最短波長λ１よりも長波長で、且つ前記物体から放射される光と波長領域が重なる光を検出する長波長検出手段と、を用意しておき、
   前記短波長検出手段が検出した光のエネルギーレベルが一定のレベル以上か否かを前記短波長検出手段から得られる第１の検出信号に基づいて判定し、当該判定の結果を第１のデジタル信号で出力し、
   前記長波長検出手段が検出した光のエネルギーレベルが一定のレベル以上か否かを前記長波長検出手段から得られる第２の検出信号に基づいて判定し、当該判定の結果を第２のデジタル信号で出力し、
   前記第１のデジタル信号と前記第２のデジタル信号との組み合わせに基づいて、共有される前記視野に前記物体が存在するか否かを判定することを特徴とする物体検出方法。

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