JP5096126B2 - エチルアルコール検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、飲酒により血液中に溶け込んでいるエチルアルコールを人体から放射する赤外線に基づいて検知して酒気帯び運転などを判定するエチルアルコール検知装置に関する。

従来、酒気帯び運転を防止するための装置にあっては、運転者の呼気に含まれるエチルアルコールをガスセンサにより検知し、自動車を始動させないように構成している。（特許文献１）。

一般に、呼気中に含まれるアルコールの濃度は血液中のアルコール濃度と比例関係にある。法規上定められた酒気帯び運転の基準は、呼気中のアルコール濃度０．１５ｍｇ／Ｌであり、これは血中アルコール濃度で０．０３％に相当する。このため呼気中のアルコール濃度を測定することで、酒気帯び状態を検知して運転を防止することができる。
特開平８−１５０８５３号公報

しかしながら、このような従来の酒気帯び防止装置にあっては、運転者の位置する頭上近辺の空間の空気をファンにより吸引してガスセンサでアルコールを間接的に検知するようにしているため、呼気を直接採取してアルコール濃度を測定する場合に比べ、測定値が実際の呼気中のアルコール濃度に対し低めの値となり、確実に酒気帯び運転を防止できない恐れがある。

またアルコールを検知するガスセンサは使用中に異物の付着や酸化などにより感度が変化するため、自動的に感度を調整する校正処理が必要であり、更に、定期的に清掃点検などのメンテナンスをしなければ検出精度を維持することができないという問題がある。

本発明は、運転者の放射する赤外線から血中のエチルアルコールを検知して酒気帯び防止などに利用可能で且つメンテナンスフリーなエチルアルコール検知装置を提供することを目的とする。

（赤外線撮像素子を用いた装置）
本発明は赤外線撮像素子を用いたエチルアルコール検知装置を提供する。本発明のエチルアルコール検知装置は、
赤外線波長帯域に感度を有する撮像素子と、
被写体像を撮像素子に結像させる光学系と、
被写体からのエチルアルコールの吸収波長（λ１）を含む第１波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第１フィルタと、
被写体からの第１波長帯域の近傍となるエチルアルコールによる吸収率の小さな波長（λ２）を含む第２波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第２フィルタと、
被写体からのエチルアルコールと同じ第１波長帯域に吸収波長を持つ外乱物質の他の吸収波長（λ３）であり、かつエチルアルコールの吸収波長ではない波長を含む第３波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第３フィルタと、
第１のフィルタを透過して結像された第１被写体画像、第２フィルタを透過して結像された第２被写体画像、及び第３フィルタを透過して結像された第３被写体画像を、撮像素子により撮像してメモリに格納する撮像制御部と、
メモリに格納された第１被写体画像と第２被写体画像に基づいてエチルアルコール濃度に対応したエチルアルコール含有度を算出するエチルアルコール検出部と、
メモリに格納された第２被写体画像と第３被写体画像に基づいて外乱物質の濃度に対応した外乱度を算出する外乱物質検出部と、
エチルアルコール含有度と外乱度に基づいてエチルアルコールの検出又は非検出を判定する判定部と、
を備えたことを特徴とするエチルアルコール検知装置。

ここで、第１フィルタは第１波長帯域として２．７７μｍ又は３．３７μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、
第２フィルタは第1波長帯域を含まない第２波長帯域として３．００μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、
第３フィルタは、外乱物質がメントールの場合、第３波長帯域として３．２８μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、外乱物質がステアリン酸の場合、第３波長帯域として５．８８μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させる。

エチルアルコール検出部は、第１被写体画像と第２被写体画像の同一位置の画素間の相関値の総和又は平均値からエチルアルコール濃度に対応したエチルアルール含有度を算出し、
外乱物質検出部は、第２被写体画像と第３被写体画像の同一位置の画素間の相関値の総和又は平均値から外乱度を算出する。

エチルアルコール検出部及び外乱物質検出部は、相関値として、画素間の減算値又は除算値、画素値に所定係数を乗じた画素値の減算値又は除算値、若しくは画素間の二乗誤差値の各々の総和又は平均値を算出する。

判定部は、エチルアルコール含有度が所定の閾値以下で外乱度が所定値を超えている場合にエチルアルコールの検出を判定し、エチルアルコール含有度が所定の閾値以下で外乱度が所定の閾値以下の場合にエチルアルコールの非検出を判定する。
（赤外線検出素子を用いた装置）
本発明は１又は複数の赤外線受光素子を用いたエチルアルコール検知装置を提供する。本発明のエチルアルコール検知装置は、
１又は複数の赤外線受光素子を備えた赤外線センサと、
被写体像を記赤外線受光センサに結像させる光学系と、
被写体からのエチルアルコールの吸収波長（λ１）を含む第１波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第１フィルタと、
被写体からの第１波長体域の近傍となるエチルアルコールによる吸収率の小さな波長（λ２）を含む第２波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第２フィルタと、
被写体からのエチルアルコールと同じ第１波長体域に吸収波長を持つ外乱物質の他の吸収波長（λ３）であり、かつエチルアルコールの吸収波長ではない波長を含む第３波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第３フィルタと、
赤外線センサにより、第１フィルタを透過して受光された被写体の第１受光信号、第２フィルタを透過して受光された被写体の第２受光信号、及び第３フィルタを透過して受光された被写体の第３受光信号を検出してメモリに格納する受光制御部と、
メモリに格納された第１受光信号と第２受光信号に基づいてエチルアルコール濃度に対応したエチルアルコール含有度を算出するエチルアルコール検出部と、
メモリに格納された第２受光信号と第３受光信号に基づいて外乱物質の濃度に対応した外乱度を算出する外乱物質検出部と、
エチルアルコール含有度と外乱度に基づいてエチルアルコールの検出又は非検出を判定する判定部と、
を備えたことを特徴とする。

ここで、第１フィルタは第１波長帯域として２．７７μｍ又は３．３７μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、
第２フィルタは第1波長帯域を含まない第２波長帯域として３．００μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、
第３フィルタは、外乱物質がメントールの場合、第３波長帯域として３．２８μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、外乱物質がステアリン酸の場合、第３波長帯域として５．８８μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させる。

赤外線センサは、第１フィルタ、第２フィルタ、１又は複数の第３フィルタの各々と赤外線受光素子を組み合わせてセンサ筐体に組込み配置する。

赤外線センサは、複数の赤外線受光素子を２次元配置し、
受光制御部は、第１フィルタを透過して複数の赤外線受光素子により受光された被写体の第１受光信号群、第２フィルタを透過して複数の赤外線受光素子により受光された被写体の第２受光信号群、及び第３フィルタを透過して複数の赤外線受光素子により受光された被写体の第３受光信号群を検出してメモリに格納し、
エチルアルコール検出部は、第１受光信号群と第２受光信号群における同一位置の赤外線受光素子間の相関値の総和又は平均値からエチルアルコール濃度に対応したエチルアルール検出値を算出し、
外乱物質検出部は、第２受光信号群と第３受光信号群における同一位置の赤外線受光素子間の相関値の総和又は平均値から外乱度を算出する。

エチルアルコール検出部及び外乱物質検出部は、相関値として、受光信号間の減算値又は除算値、受光信号に所定係数を乗じた受光信号間の減算値又は除算値、若しくは受光信号間の二乗誤差値を算出する。

判定部は、エチルアルコール含有度が所定の閾値以下で外乱度が所定値を超えている場合にエチルアルコールの検出を判定し、エチルアルコール含有度が所定の閾値以下で外乱度が所定の閾値以下の場合にエチルアルコールの非検出を判定する。

本発明によれば、運転者の体温による人体からの赤外線放射光、特に、皮膚が露出している顔からの赤外線放射光から毛細血管中のエチルアルコールによる特徴的な吸収スペクトルを検知して、血中アルコール濃度に対応したエチルアルコール含有度を得ることができ、このエチルアルコール含有度から運転者の酒気帯び運転などを正確に判定して注意喚起や運転防止などの適切な措置をとることができる。

また化粧品に含まれるメントールは、エチルアルコールと同じ波長にも吸収スペクトルをもつことで外乱要因となるが、エチルアルコールにはないメントール固有波長の吸収スペクトルを外乱度として検知することで、化粧品などによるエチルアルコールの誤検出を確実に防止することができる。

またエチルアルコール含有度を、エチルアルコール固有波長の吸収スペクトルの受光量と吸収スペクトルのない別波長の受光量との比率、差分などの値として検出しているため、赤外線放射量の強弱の影響を受けることなく、高いＳ／Ｎ比により毛細血管中のエチルアルコールを正確に検知することができる。

更に、被写体からの赤外光におけるエチルアルコール吸収スペクトルからエチルアルコール含有度を検知しているため、従来のガスセンサによるアルコール検知のような感度調整や清掃点検などのメンテナンスが不要であり、長期間に亘り安定した高い精度で酒気帯び運転の原因である人体のエチルアルコール含有度を検知することができる。

図１は本発明によるエチルアルコール検知装置の実施形態を示した説明図である。図１において、エチルアルコール検知装置１０はコンピュータのハードウェア環境で実現されており、エチルアルコール検知装置１０に対しては赤外線カメラ１２とフィルタ切替ユニット１４が設けられている。

赤外線カメラ１２は例えば車両のダッシュボードなどに内蔵されており、フィルタ切替ユニット１４を介して、被写体となる運転者１８の顔から放射される赤外線放射光による画像を撮像する。

フィルタ切替ユニット１４は、図２に取り出して示すように、赤外線カメラ１２の前に配置された回転円盤の例えば３箇所に帯域の異なるフィルタとして、本実施形態にあってはλ１フィルタ２０−１、λ２フィルタ２０−２及びλ３フィルタ２０−３を装着し、これらのフィルタを順次切り替えながら、運転者１８の顏の赤外線放射光による画像を撮像する。

再び図１を参照するに、赤外線カメラ１２には光学系２２と赤外線波長帯域に感度を持つ撮像素子（ＣＣＤ）２４が設けられている。フィルタ切替ユニット１４は、モータなどを備えた駆動部１６により円盤を回転してフィルタ切替えを行うことができる。

エチルアルコール検知装置１０にはＣＰＵ２６が設けられ、ＣＰＵ２６のバス２８に対し、ＡＤ変換器３０、出力インタフェース３２，３４，３５、及びメモリ３６を接続している。

ＡＤ変換器３０には赤外線カメラ１２が接続され、撮像素子２４で撮像された運転者１８の画像をデジタル画像データに変換し、メモリ３６にλ１画像４６−１、λ２画像４６−２、λ３画像４６−３として格納する。この赤外線カメラ１２を用いた画像撮影の制御動作は、ＣＰＵ２６に設けた撮像制御部３８により行われる。

出力インタフェース３２には駆動部１６が接続され、エチルアルコール検知装置１０からの制御信号で駆動部１６を切り替えて、赤外線カメラ１２の撮像動作に連動してフィルタ切替ユニット１４のフィルタ切替えを行う。

出力インタフェース３４には表示部５２が接続され、また出力インタフェース３５には制御部５４が接続されている。表示部５２には、エチルアルコール検知装置１０で処理された検出結果、例えば運転者１８の酒気帯びの有無などが表示される。制御部５４は、エチルアルコール検知装置１０で運転者１８の酒気帯び運転が判別された際に、例えばエンジンの始動をできないようにするような酒気帯び運転防止制御などを行う。

ＣＰＵ２６には、プログラムの実行により実現される機能として、撮像制御部３８、エチルアルコール検出部４０、外乱物質検出部４２及び判定部４４が設けられている。本実施形態のエチルアルコール検知装置１０にあっては、運転者１８の酒気帯び状態を顔面などの皮膚直下の毛細血管に表れる含有エチルアルコールにより検出する。

毛細血管中の含有エチルアルコールの検出は、運転者１８の体温による人体からの赤外線放射光におけるエチルアルコールによる特定波長の吸収スペクトルによる減衰を検知することを基本としている。

図３は本実施形態で検知するエチルアルコールの波長スペクトル分布を示した説明図である。エチルアルコールＣ₂Ｈ₅ＯＨは、その分子構造に由来する吸収スペクトルを２．７７μｍ、３．３７μｍ及び９．５μｍなどの特定波長に持っている。例えば波長２．７７μｍの吸収スペクトルは、エチルアルコール中の−ＣＨ₃の結合伸縮に伴い、エチルアルコール分子が吸光する波長帯である。

そこで運転者からの赤外光のうち、エチルアルコールの吸収波長λ１として、λ１＝２．７７μｍを含む第１波長帯域を選択的に透過させる第１フィルタとしてλ１フィルタ２０−１を介して赤外光を監視すると、エチルアルコールが毛細血管中に含まれている状態即ち酒気帯び状態では、λ１＝２．７７μｍを含む第１波長帯域の赤外光は毛細血管中のエチルアルコール濃度に応じた吸光度を示し、このときの撮像素子２４で撮像されたλ１画像４６−１における各画素から求められた受光量Ｉ１は小さくなる。

次に本実施形態にあっては、エチルアルコールの吸収スペクトルを与える波長λ１＝２．７７μｍの近傍にエチルアルコールによる吸収率の小さな波長λ２として、例えばλ２＝３．０μｍを含む第２波長帯域を選択的に透過させる第２フィルタとしてλ２フィルタ２０−２を設け、λ２フィルタ２０−２により運転者１８からの赤外光を監視する。λ２フィルタ２０−２を透過して得られる運転者１８からの赤外光の撮像画像であるλ２画像の画素から求められた受光量Ｉ２は、エチルアルコールの有無に関係なく、人体よりの赤外線放射量に相当する受光量が得られる。

ここで正常状態での人体よりの赤外線放射量をＩ₀とすると、エチルアルコール吸収スペクトルとなる波長λ１＝２．７７μｍを含む第１波長帯域における吸光度ａは
ａ＝Ｉｎ（Ｉ₁／Ｉ₀）
となる。またエチルアルコールによる吸収率の小さな波長λ２＝３．００μｍを含む第２波長帯域における吸光度ｂは
ｂ＝Ｉｎ（Ｉ₂／Ｉ₀）
となる。

そして、第１波長帯域の吸光度ａと第２波長帯域の吸光度ｂとの間には
Ｉｎ（Ｉ₁／Ｉ₀）＜Ｉｎ（Ｉ₂／Ｉ₀）＜０
の関係が成り立つ。

ここでエチルアルコールの含有度Ａ１を
Ａ１＝Ｉｎ（Ｉ₁／Ｉ₀）−Ｉｎ（Ｉ₂／Ｉ₀）
と表わし、これを変形すると、
Ｉｎ（Ｉ₁／Ｉ₀）−Ｉｎ（Ｉ₂／Ｉ₀）＝Ｉｎ｛Ｉｎ（Ｉ₁／Ｉ₀）／Ｉｎ（Ｉ₂／Ｉ₀）｝
＝Ｉｎ（Ｉ₁／Ｉ₂）
となる。

即ち、特性値として単に（Ｉ₁／Ｉ₂）を求めることで、エチルアルコール含有度Ａを表わすことができる。即ち本実施形態にあっては、エチルアルコール含有度Ａを
Ａ＝Ｉ₁／Ｉ₂ （１）
として算出する。この（１）式で与えられるエチルアルコール含有度Ａが、予め定めた所定値以下であれば、酒気帯びの度合が大きいと判断することができる。このような本実施形態におけるエチルアルコール含有度Ａの算出は、図１のＣＰＵ２６に設けた撮像制御部２８及びエチルアルコール検出部４０により行われる。

撮像制御部３８は、運転者１８が運転を開始するためにイグニッションキーをオンとしたような所定の検出タイミングで動作し、フィルタ切替ユニット１４の駆動部１６による切替動作で、λ１フィルタ２０−１、λ２フィルタ２０−２、更に後の説明で明らかにするλ３フィルタ２０−３を切り替えながら、運転者１８の顔の画像を赤外線カメラ１２により撮像し、λ１フィルタ２０−１を透過して結像された第１被写体画像であるλ１画像４６−１、λ２フィルタ２０−２を透過して結像された第２被写体画像であるλ２画像４６−２、更にλ３フィルタ２０−３を透過して結像された第３被写体画像であるλ３画像４６−３のそれぞれを、ＡＤ変換器３０でデジタル画像データに変換し、メモリ３６に格納する。

エチルアルコール検出部４０は、メモリ３６に格納されたλ１画像４６−１とλ２画像４６−２に基づいて、エチルアルコール濃度に対応した前記（１）式で与えられるエチルアルコール含有度Ａを算出する。

図４は図１のエチルアルコール検出部４０でエチルアルコール含有度Ａを計算する際に用いられる運転者１８の特徴領域の抽出画像を示している。運転者１８の毛細血管中のエチルアルコールの濃度を赤外線受光量から検出するためには、運転者の顔の毛細血管が皮膚表面に表われていてエチルアルコールによる吸収スペクトルの減衰が十分に得られる場所を特定して、エチルアルコール含有度Ａを算出する必要がある。

図４の場合にあっては、エチルアルコールの有無に関係ない人体よりの赤外線放射量に相当する受光量が得られるλ２フィルタ２０−２を透過して得られたλ２画像４６−２を対象に、毛細血管からの体温による赤外線放射が出易い例えば唇などの皮膚の薄い特徴抽出領域５０−１や、両目の周囲に設定した特徴抽出領域５０−２，５０−３を使用して、エチルアルコール含有度Ａを算出する。

前記（１）式におけるエチルアルコール含有度Ａを算出するためのλ１画像４６−１の受光量Ｉ１及びλ２画像４６−２の受光量Ｉ２の計算は、特徴抽出領域に含まれる画素値の総和または平均値を求め、これをＩ１，Ｉ２として前記（１）式からエチルアルコール含有度Ａを算出する。

前記（１）式にあっては、λ１画像の受光量Ｉ１とλ２画像４６−２の受光量Ｉ２の減算値（Ｉ１／Ｉ２）を計算しているが、この代わりに減算値（Ｉ１−Ｉ２）を計算しても良いし、二乗誤差（Ｉ１−Ｉ２）²を計算しても良い。

また、ログアンプなどを使用することにより直接的に吸光度
Ｉｎ（Ｉ₁／Ｉ₂）＝Ｉｎ（Ｉ₁）−Ｉｎ（Ｉ₂）
を計算してもよい。

更に本実施形態にあっては、フィルタ切替ユニット１４に図２に示すように更にλ３フィルタ２０−３を設け、ＣＰＵ２６に設けた外乱物質検出部４２で外乱度Ｂを算出し、エチルアルコール検出部４０で算出されたエチルアルコール含有度Ａの適否を判定部４４で判定するようにしている。

これは被写体となる運転者１８が例えば女性であった場合には、撮影対象とする顔には化粧が施されており、この化粧品に含まれる物質として例えばメントールＣ₁₀Ｈ₂₀Ｏが存在した場合には、エチルアルコールが存在しないにも関わらず、メントールについてλ１フィルタ２０−１画像４６−１にλ１＝２．７７μｍの吸収スペクトルが存在し、エチルアルコール含有度Ａを誤検出する場合がある。

即ち、化粧品などに含まれるメントールＣ₁₀Ｈ₂₀Ｏはエチルアルコールと同様、２．７７μｍと３．３７μｍに吸収スペクトルを持っている。これに加え、メントールのベンゼン殻に由来する波長λ３＝３．２８μｍにも固有の吸収スペクトルを持っている。

そこで本実施形態にあっては、化粧品などに含まれるメントールをエチルアルコール検出に対する外乱物質と見なし、エチルアルコールと同じ吸収波長λ１＝２．７７μｍ及び３．３７μｍ以外の固有の吸収波長λ３＝３．２８μｍを選択的に透過させる第３フィルタとしてλ３フィルタ２０−３を設け、λ３フィルタ２０−３を透過した赤外線放射光の撮像画像、即ちλ３画像４６−３から受光量Ｉ３を測定し、人体よりの赤外線放射量に相当する受光量が得られるλ２画像４６−２から得られた受光量Ｉ２を使用してメントールを判定するための外乱度Ｂとして
Ｂ＝Ｉ₃／Ｉ₂ ・・・（２）
を設定する。

この（２）式で与えられる外乱度Ｂが予め定めた所定値以下であれば、それはメントールであり、エチルアルコールではないと判断することができる。

即ち、図１のＣＰＵ２６に設けた外乱物質検出部４２は、メモリ３６に格納されたλ２フィルタ２０−２を透過して得られたλ２画像４６−２の受光量Ｉ２と、λ３フィルタ２０−３を透過して得られたλ３画像４６−３から得られた受光量Ｉ３に基づき、前記（２）式に従って外乱度Ｂを算出する。

判定部４４は、エチルアルコール検出部４０で検出されたエチルアルコール含有度Ａと、外乱物質検出部４２で検出された外乱度Ｂに基づいて、エチルアルコールの検出と非検出を判定する。

具体的には、判定部４４はエチルアルコール含有度Ａが所定値以下で外乱度Ｂが所定値を超えている場合にエチルアルコールの検出を判定し、一方、エチルアルコール含有度Ａが所定値以下で外乱度Ｂが所定値以下の場合には、エチルアルコールではなく、外乱物質である例えば化粧品などに含まれるメントールであると判断し、エチルアルコールの非検出を判定する。

本実施形態における外乱物質は、メントール以外に、同じく化粧品などに多く使用されているステアリン酸Ｃ₁₇Ｈ₃₅ＣＯＯＨが対象となる。ステアリン酸はエチルアルコールと同じ波長２．７７μｍと３．３７μｍに吸収スペクトルを持つが、エチルアルコールにはない−Ｃ００Ｈに起因した波長５．８８μｍに吸収スペクトルが表れる。

したがって、ステアリン酸については更に波長λ４＝５．８８μｍを選択的に透過する別の第３フィルタとしてλ４フィルタを準備し、図２に示すフィルタ切替ユニット１４の回転円盤にλ４フィルタを追加して、図１のエチルアルコール検出装置１０の動作の際に切り替えて、メモリ３６にλ４画像を取得するようにする。

このステアリン酸の吸収スペクトルに対応したλ4画像についての外乱物質検出部４２の処理は、λ４画像から受光量Ｉ４を算出し、λ３画像の場合と同様、前記（２）式からステアリン酸についての外乱度Ｂを算出し、判定部４４で外乱度Ｂが所定値以下であればステアリン酸であり、エチルアルコールではないと判断できる。

更に、エチルアルコールに対する外乱物質としてグリセリンＣ₃Ｈ₅（ＯＨ）₃の場合には−ＣＨ₃に由来する吸収スペクトルの波長２．７７μｍが表れないため、グリセリンについてはλ１フィルタ２０−１のλ１画像４６−１につき、その受光量Ｉ１に減衰が起きず、前記（１）式で算出されるアルコール含有度Ａが所定値を超えていることでエチルアルコールでないことが確認でき、したがってグリセリンについては外乱物質として考慮する必要はない。

本実施形態は外乱物質として化粧品などに多く含まれるメントールとステアリン酸を例に取っているが、これ以外のエチルアルコールと同じ波長にスペクトル吸収を持つ物質が存在する場合には、それぞれの物質につきエチルアルコールの吸収波長以外の固有の波長につき、その波長固有のフィルタによる画像を取得して外乱度を求めることで、外乱物質によるエチルアルコールの誤検出を確実に回避することができる。

なお、-ＣＨ３と−ＯＨをもつ物質は無数にあり、その内、積極的に顔に付着させる可能性がある物質として、化粧品に含まれるメントールとステアリン酸を例示している。他にも、糖尿病患者の体内で生成されるアセト酢酸も、−ＣＨ３と−ＯＨを持ち、エタノールと同じスペクトル吸収帯を持つが、エタノールにはない５.８３μmの吸収帯を第３波長帯域として測定することにより、外乱物質であることを認識できる。

図５は図１の実施形態によるエチルアルコールの検出処理を示したフローチャートである。図５において、まずステップＳ１でエチルアルコールの検知要求の有無をチェックしている。この検知要求は、例えば運転者が座席に座ってイグニッションキーをオン位置に回した際に、検知要求信号がエチルアルコール検知装置１０に出力され、検知処理が開始される。

エチルアルコール検知処理は、まずステップＳ１でλ１フィルタ２０−１を赤外線カメラ１２にセットし、ステップＳ３で赤外線カメラ１２の撮像動作を行ってλ１画像４６−１を取得してメモリ３６に保存する。次にステップＳ４でλ２フィルタ２０−２を赤外線カメラ１２にセットし、ステップＳ５で赤外線カメラ１２によりλ２画像４６−２を取得してメモリ３６に保存する。

更にステップＳ６でλ３フィルタ２０−３を赤外線カメラ１２にセットし、ステップＳ７で撮像動作によりλ３画像４６−３をメモリ３６に保存する。このステップＳ２〜Ｓ７におけるλ１画像、λ２画像、λ３画像の撮像によるメモリ保存は、１回であってもよいし、必要に応じてｎ回連続的に撮像保存するようにしてもよい。

続いてステップＳ８で、図４に示したように、エチルアルコールの有無に関係なく、人体よりの赤外線放射量に相当する受光量が得られるλ２画像４６−２を対象に、唇及び目などの毛細血管からの熱が表れ易い場所につき特徴抽出領域５０−１〜５０−３を設定し、この領域の画素につき受光量の算出を行う。

まずステップＳ９でλ１画像から受光量Ｉ１を計算し、次にステップＳ１０でλ２画像から受光量Ｉ２を計算し、更にステップＳ１１でλ３画像から受光量Ｉ３を計算する。

次にステップＳ１２で、前記（１）式によりアルコール含有度Ａを計算する。続いてステップＳ１３で、算出したアルコール含有度Ａは予め定めた所定値以下か否か判断する。この場合の所定値は製造時に設計上定めた値であってもよいし、運転者の正常状態で取得したアルコール含有度Ａの初期値を予め登録して使用してもよい。

ステップＳ１３でアルコール含有度Ａが所定値以下であった場合には毛細血管中にエチルアルコールが含有していると判断されてステップＳ１４に進み、一方、エチルアルコール含有度Ａが所定値を超えている場合にはエチルアルコールによるスペクトル吸収はないことから、エチルアルコール非検出と判断され、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ１４にあっては、外乱度Ｂを前記（２）式から算出し、ステップＳ１５で、算出した外乱度Ｂが所定値以下であった場合には、これはエチルアルコール以外の外乱物質によるエチルアルコール含有度Ａの誤検知と判断し、ステップＳ１に戻る。

一方、ステップＳ１５で外乱度Ｂが所定値を超えていた場合には、外乱物質によるエチルアルコールの誤検出はないもとのと判定し、ステップＳ１６に進み、酒気帯びと判定して対応処理を実行する。酒気帯びと判定した場合の対応処理は、図１において表示部５２に酒気帯び運転をしないように促す警告表示を出力表示したり、制御部５４によりイグニッションキーをスタート位置に回してもエンジンを始動させないように禁止動作を掛けるなどして、酒気帯び運転を行わせないようにする。

図６は本実施形態で使用する波長可変フィルタを用いた赤外線カメラを示した説明図である。図６において、赤外線カメラ１２の対物レンズ２２ａと結像レンズ２２ｂの間には波長可変フィルタ２５が設けられ、波長可変フィルタ２５の透過波長は波長可変フィルタコントローラ４８により制御される。赤外線カメラ１２内には撮像素子２４が配置され、結像レンズ２２ｂにより結像された波長可変フィルタ２５を透過した波長帯域の赤外線画像を撮像する。

波長可変フィルタ２５はファブリペロー型干渉フィルタとして知られており、例えば２００〜３００オングストローム程度の厚みを有するＡｕなどの反射膜となる透過性の金属膜を対向する面に蒸着した一対のガラス基板を有し、一対のガラス基板を間に圧電素子を介して対向配置し、その間に微小間隔を設定している。ガラス基板の間の圧電素子は、波長可変フィルタコントローラ４８による直流電圧の印加を受けて、基板間隔を変化させることができる。

波長可変フィルタ２５は、一方のガラス基板側からの入射光に対し、透過性を持つ金属膜の間で多重反射によって生ずる干渉作用に起因して複数の透過スペクトルが分布して光を透過する。この透過スペクトルを本実施形態におけるエチルアルコールを検出するためのλ１＝２．７７μｍ、エチルアルコールの有無に依存しない波長λ２＝３．０μｍ、また外乱物質である例えばメントールのλ３＝３．２８μｍ、更に同じく外乱物質であるステアリン酸に固有なλ４＝５．８８μｍに制御し、それぞれの設定波長を透過した赤外線放射光による画像、即ちλ１画像、λ２画像、λ３画像、必要があればλ４画像を取得して、メモリに記憶させることができる。このような波長可変フィルタ２５としては、例えば特開平８−２８５６８８号のものが使用できる。

この図６の波長可変フィルタ２５を備えた赤外線カメラ１２については、図１に設けている赤外線カメラ１２、フィルタ切替ユニット１４及びその駆動部１６に代えて置き換えることで、そのまま適用できる。

図７は本発明によるエチルアルコール検知装置の他の実施形態を示したブロック図であり、この実施形態にあっては、赤外線撮像素子に代えて１または複数の赤外線受光素子を備えた赤外線センサを使用するようにしたことを特徴とする。図７において、エチルアルコール検知装置１０に対し設けられた赤外線カメラ１２は、図１の撮像素子２４に代えて赤外線センサ５６を設けている。

図８は図７の赤外線センサ５６を示している。赤外線センサ５６はケース６２の受光側にガラスなどのウィンドウ６４を有し、ウィンドウ６４の背後に、透視状態で示すように赤外線検出素子６５を備えており、赤外線検出素子６５は外部のリード６６に接続されている。

赤外線検出素子６５としては、焦電素子、サーモパイル、サーミスタ、ボロメータなどの非冷却型素子を使用できる。またＭＣＴ、Ｉｎｓｂなどの冷却型素子を用いてもよい。

図７の実施形態は、撮像素子２４の代わりに赤外線センサ５６を設けた以外の構成は、図１の実施形態と基本的に同じである。

一方、エチルアルコール検知装置１０に設けたＣＰＵ２６には、赤外線センサ５６に対応して受光制御部６０の機能が設けられている。受光制御部６０は、赤外線センサ５６によりλ１フィルタ２０−１を透過して受光された被写体の第１受光信号であるλ１受光量５８−１をメモリ３６に記憶し、またλ２フィルタ２０−２を透過して受光された被写体の第２受光信号であるλ２受光量５８−２をメモリ３６に記憶し、更に図示しないλ３フィルタを透過して受光された被写体の第３受光信号であるλ３受光量５８−３をメモリ３６に格納している。

即ち赤外線センサ５６を使用した場合には、受光制御部６０によるフィルタ切替えに伴う受光制御でメモリ３６に直接、λ１受光量５８−１としてＩ１、λ２受光量５８−２としてＩ２、更にλ３受光量５８−３としてＩ３のそれぞれが得られる。

このためエチルアルコール検出部４０にあっては、メモリ３６に格納されているλ１受光量Ｉ１とλ２受光量Ｉ２から前記（１）式によりエチルアルコール含有度Ａを算出し、また外乱物質検出部４２はメモリ３６に格納されているλ２受光量Ｉ２とλ３受光量Ｉ３から前記（２）式により外乱度Ｂを算出し、最終的に判定部４４でエチルアルコールの検出、非検出を判定する。

図９は図８の実施形態によるエチルアルコール検出処理を示したフローチャートである。図９において、ステップＳ１で検知要求を判別すると、ステップＳ２でλ１フィルタをセットし、ステップＳ３で赤外線検出素子によりλ１受光量Ｉ１を検出して、メモリ３６に保存する。

次にステップＳ４でλ２フィルタをセットし、ステップＳ５でλ２受光量Ｉ２を取得してメモリ３６に保存する。続いてステップＳ６でλ３フィルタをセットし、ステップＳ７でλ３受光量Ｉ３を取得してメモリ３６に保存する。

次にステップＳ８でアルコール含有度Ａを計算し、ステップＳ９でアルコール含有度Ａが所定値以下であればエチルアルコールの検出と判断し、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では外乱度Ｂを計算し、ステップＳ１１で外乱度Ｂが所定値を超えている場合には、外乱物質によるエチルアルコール含有度Ａではなく、エチルアルコールによるエチルアルコール検出度Ｂであると判断し、ステップＳ１２で酒気帯び運転と判定して対応処理を実行する。

図１０は本発明によるエチルアルコール検出処理の他の実施形態を示したブロック図であり、この実施形態にあっては、赤外線カメラ１２に設けた赤外線センサ６８として複数の赤外線受光素子を用いたことを特徴とし、それ以外の構成は図７の実施形態と基本的に同じである。

図１１は図１０の実施形態の赤外線センサ６８を示している。赤外線センサ６８は、受光側にウィンドウ６４を設けたケース６２を有し、内部に透過的に示すように、この実施形態にあっては４つの赤外線検出素子６５−１〜６５−４を配置している。

このため、赤外線センサ６８に運転者である被写体の像が結像されると、被写体の像即ち運転者の顔の像につき４つに分割した領域ごとに、赤外線検出素子６５−１〜６５−４に対応した受光量が得られる。この４分割された赤外線検出素子６５−１から得られた受光量につき、その総和あるいは平均値を算出することで、λ１受光量Ｉ１、λ２受光量Ｉ２及びλ３受光量Ｉ３を求めればよい。

図１２は図１０の実施形態によるエチルアルコール検出処理を示したフローチャートである。図１２において、ステップＳ１で検知要求があると、ステップＳ２でλ１フィルタをセットし、ステップＳ３で図１１に示した赤外線センサ６８の複数の赤外線検出素子についてのλ１受光量を取得してメモリに保存する。

続いて、ステップＳ４，Ｓ５において、λ２フィルタについて同様に複数のλ２受光量を取得してメモリに保存する。更にステップＳ６，Ｓ７で、λ３フィルタについて複数のλ３受光量を取得してメモリに保存する。

続いてステップＳ８〜Ｓ１０のそれぞれで複数のλ１受光量、λ２受光量、λ３受光量のそれぞれから、総和または平均値として受光量Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を計算する。続いてステップＳ１１でアルコール含有度Ａを計算し、ステップＳ１２で所定値以下であれば、ステップＳ１３に進み、外乱度Ｂを計算し、ステップＳ１４で所定値を超えていれば、ステップＳ１５で酒気帯び運転と判定して対応処理を実行する。

なお図１１の赤外線センサ６８については、縦横２×２の４素子を例にとるものであったが、必要に応じて縦×横＝４×４の１６素子、８×８の６４素子など、適宜の複数素子を用いるようにしてもよい。

図１３は本発明によるエチルアルコール検知装置の他の実施形態を示したブロック図であり、この実施形態にあっては赤外線カメラ１２にマルチ赤外線センサ７２を使用したことを特徴とする。

図１４は図１３のマルチ赤外線センサ７２を取り出し、内部構造を透視状態で示している。マルチ赤外線センサ７２は、受光側にウィンドウ６４を備えたケース６２内に、例えば４つの赤外線受光素子６５−１〜６５−４を配置し、その前方にλ１フィルタ７４−１、λ２フィルタ７４−２、λ３フィルタ７４−３及びλ４フィルタ７４−４を配置している。

λ１フィルタ７４−１は、エチルアルコールのスペクトル吸収波長λ１＝２．７７μｍを透過するフィルタである。λ２フィルタ７４−２は、エチルアルコールのスペクトル吸収波長の近傍のエチルアルコールの有無の影響を受けない波長λ２＝３．００μｍを透過するフィルタである。

λ３フィルタ７４−３は、外乱物質であるメントールに固有な波長λ３＝３．２８μｍを透過するフィルタである。更にλ４フィルタ７４−４は、外乱物質であるステアリン酸に固有な波長λ４＝５．８８μｍを透過するフィルタである。

このようにフィルタと受光素子を１対１に対応して組み合わせたマルチ赤外線センサ７２によれば、図７及び図１０の実施形態に示すようなフィルタ切替ユニット１４によるフィルタ切替えが不要となり、マルチ赤外線センサ７２自体で固定的に波長λ１，λ２，λ３，λ４に対応した受光量を直接、検出でき、装置構成が簡単に出来ると共に、ＣＰＵ２６による処理も簡略化されて処理負荷が低減できる。

図１５は図１３の実施形態によるエチルアルコール検出処理を示したフローチャートである。図１５において、ステップＳ１で検知要求を判別すると、ステップＳ２〜Ｓ５のそれぞれにおいて順次、λ１，λ２，λ３，λ４の各受光量Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を取得してメモリに保存する。

続いてステップＳ６でアルコール含有度Ａを計算し、ステップＳ７でアルコール含有度Ａが所定値以下であれば、ステップＳ８で外乱度Ｂ１を計算する。外乱度Ｂ１はメントールの固有吸収スペクトルλ３＝３．２８μｍから求めた外乱度である。ステップＳ９で外乱度Ｂ１が所定値を超えている場合には、ステップＳ１０に進み、外乱度Ｂ２を計算する。外乱度Ｂ２は外乱物質としてλ４＝５．８８μｍに吸収スペクトルを持つステアリン酸についての計算である。

ステップＳ１１で外乱度Ｂ２が所定値を超えていた場合には、ステップＳ１２に進み、酒気帯び運転と判定して対応処理を実行する。

なお上記の実施形態にあっては、フィルタ切替ユニットによる機械的なフィルタ切替えや、波長可変フィルタによるフィルタ切替えを例にとるものであったが、これ以外に回析格子などを用いた分光器により、目的とするスペクトル帯域の画像もしくは受光量を測定するようにしてもよい。

また本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。

本発明によるエチルアルコール検知装置の実施形態を示したブロック図 本実施形態で使用するフィルタ切替えの赤外線カメラを示した説明図 エチルアルコールの波長スペクトラム分布を示した説明図 本実施形態における特徴領域の抽出を示した説明図 図１の実施形態によるエチルアルコールの検出処理を示したフローチャート 本実施形態で使用する波長可変フィルタを用いた赤外線カメラを示した説明図 本発明によるエチルアルコール検知装置の他の実施形態を示したブロック図 図９の赤外線センサを示した説明図 図８の実施形態によるエチルアルコールの検出処理を示したフローチャート 本発明によるエチルアルコール検知装置の他の実施形態を示したブロック図 図１０の赤外線センサを示した説明図 図１０の実施形態によるエチルアルコールの検出処理を示したフローチャート 本発明によるエチルアルコール検知装置の他の実施形態を示したブロック図 図１３の赤外線センサを示した説明図 図１３の実施形態によるエチルアルコールの検出処理を示したフローチャート

符号の説明

１０：エチルアルコール検知装置
１２：赤外線カメラ
１４：フィルタ切替ユニット
１６：駆動部
１８：被験者
２０−１：λ１フィルタ
２０−２：λ２フィルタ
２０−３：λ３フィルタ
２２：光学系
２２ａ：対物レンズ
２２ｂ：結像レンズ
２４：撮像素子
２５：波長可変フィルタ
２６：ＣＰＵ
２８：バス
３０：ＡＤ変換器
３２，３４，３５：出力ＩＦ
３６：メモリ
３８：撮像制御部
４０：エチルアルコール検出部
４２：外乱物質検出部
４４：判定部
４６：画像
４６−１：λ１画像
４６−２：λ２画像
４６−３：λ３画像
４８：波長可変フィルタコントローラ
５０−１〜５０−３：特徴抽出領域
５２：表示部
５４：制御部
５６，６８：赤外線センサ
６０：受光制御部
６２：ケース
６４：ウインドウ
６５，６５−１〜６５−４：赤外線検出素子
６６：リード
７２：マルチ赤外線センサ
７４−１：λ１フィルタ
７４−２：λ２フィルタ
７４−３：λ３フィルタ

Claims (11)

1. 赤外線波長帯域に感度を有する撮像素子と、
   被写体像を前記撮像素子に結像させる光学系と、
   前記被写体からのエチルアルコールの吸収波長を含む第１波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第１フィルタと、
   前記被写体からの前記第１波長帯域の近傍となる前記エチルアルコールによる吸収率の小さな波長を含む第２波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第２フィルタと、
   前記被写体からの前記エチルアルコールと同じ前記第１波長体域に吸収波長を持つ外乱物質の他の吸収波長であり、かつエチルアルコールの吸収波長ではない波長を含む第３波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第３フィルタと、
   前記第１のフィルタを透過して結像された第１被写体画像、前記第２フィルタを透過して結像された第２被写体画像、及び前記第３フィルタを透過して結像された第３被写体画像を、前記撮像素子により撮像してメモリに格納する撮像制御部と、
   前記メモリに格納された第１被写体画像と第２被写体画像に基づいて前記エチルアルコール濃度に対応したエチルアルコール含有度を算出するエチルアルコール検出部と、
   前記メモリに格納された第２被写体画像と第３被写体画像に基づいて前記外乱物質の濃度に対応した外乱度を算出する外乱物質検出部と、
   前記エチルアルコール含有度と外乱度に基づいて前記エチルアルコールの検出と非検出を判定する判定部と、
   を備えたことを特徴とするエチルアルコール検知装置。
   
2. 請求項１記載のエチルアルコール検知装置に於いて、
   前記第１フィルタは第１波長帯域として２．７７μｍ又は３．３７μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、
   前記第２フィルタは前記第1波長帯域を含まない第２波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、
   前記第３フィルタは、前記外乱物質がメントールの場合、前記第３波長帯域として３．２８μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、前記外乱物質がステアリン酸の場合、前記第３波長帯域として５．８８μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させることを特徴とするエチルアルコール検知装置。
   
3. 請求項１記載のエチルアルコール検知装置に於いて、
   前記エチルアルコール検出部は、前記第１被写体画像と第２被写体画像の同一位置の画素間の相関値の総和又は平均値からエチルアルコール濃度に対応したエチルアルコール含有度を算出し、
   前記外乱物質検出部は、前記第２被写体画像と第３被写体画像の同一位置の画素間の相関値の総和又は平均値から外乱度を算出することを特徴とするエチルアルコール検知装置。
   
4. 請求項３記載のエチルアルコール検知装置に於いて、前記エチルアルコール検出部及び外乱物質検出部は、前記相関値として、画素間の減算値又は除算値、画素値に所定係数を乗じた画素値の減算値又は除算値、若しくは画素間の二乗誤差値の各々の総和又は平均値を算出することを特徴とするエチルアルコール検知装置。
   
5. 請求項３記載のエチルアルコール検知装置に於いて、前記判定部は、前記エチルアルコール含有度が所定の閾値以下で前記外乱度が所定値を超えている場合にエチルアルコールの検出を判定し、前記エチルアルコール含有度が所定の閾値以下で前記外乱度が所定の閾値以下の場合にエチルアルコールの非検出を判定することを特徴とするエチルアルコール検知装置。
   
6. １又は複数の赤外線受光素子を備えた赤外線センサと、
   被写体像を前記赤外線受光センサに結像させる光学系と、
   前記被写体からのエチルアルコールの吸収波長を含む第１波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第１フィルタと、
   前記被写体からの前記第１波長体域の近傍となる前記エチルアルコールによる吸収率の小さな波長を含む第２波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第２フィルタと、
   前記被写体からの前記エチルアルコールと同じ前記第１波長体域に吸収波長を持つ外乱物質の他の吸収波長であり、かつエチルアルコールの吸収波長ではない波長を含む第３波長帯域の赤外光を選択的に透過させる第３フィルタと、
   前記赤外線センサにより、前記第１フィルタを透過して受光された被写体の第１受光信号、前記第２フィルタを透過して受光された被写体の第２受光信号、及び前記第３フィルタを透過して受光された被写体の第３受光信号を検出してメモリに格納する受光制御部と、
   前記メモリに格納された第１受光信号と第２受光信号に基づいて前記エチルアルコール濃度に対応したエチルアルコール含有度を算出するエチルアルコール検出部と、
   前記メモリに格納された第２受光信号と第３受光信号に基づいて前記外乱物質の濃度に対応した外乱度を算出する外乱物質検出部と、
   前記エチルアルコール含有度と外乱度に基づいて前記エチルアルコールの検出と非検出を判定する判定部と、
   を備えたことを特徴とするエチルアルコール検知装置。
   
7. 請求項６記載のエチルアルコール検知装置に於いて、
   前記第１フィルタは第１波長帯域として２．７７μｍ又は３．３７μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、
   前記第２フィルタは前記第1波長帯域を含まない第２波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、
   前記第３フィルタは、前記外乱物質がメントールの場合、前記第３波長帯域として３．２８μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させ、前記外乱物質がステアリン酸の場合、前記第３波長帯域として５．８８μｍを含む波長帯域の赤外光を選択的に透過させることを特徴とするエチルアルコール検知装置。
   
8. 請求項６記載のエチルアルコール検知装置に於いて、前記赤外線センサは、第１フィルタ、第２フィルタ、１又は複数の第３フィルタの各々と赤外線受光素子を組み合わせてセンサ筐体に組込み配置したことを特徴とするエチルアルコール検知装置。
   
9. 請求項６記載のエチルアルコール検知装置に於いて、
   前記赤外線センサは、複数の赤外線受光素子を２次元配置し、
   前記受光制御部は、前記第１フィルタを透過して前記複数の赤外線受光素子により受光された被写体の第１受光信号群、前記第２フィルタを透過して前記複数の赤外線受光素子により受光された被写体の第２受光信号群、及び前記第３フィルタを透過して前記複数の赤外線受光素子により受光された被写体の第３受光信号群を検出してメモリに格納し、
   前記エチルアルコール検出部は、前記第１受光信号群と第２受光信号群における同一位置の赤外線受光素子間の相関値の総和又は平均値からエチルアルコール濃度に対応したエチルアルール含有度を算出し、
   前記外乱物質検出部は、前記第２受光信号群と第３受光信号群における同一位置の赤外線受光素子間の相関値の総和又は平均値から外乱度を算出することを特徴とするエチルアルコール検知装置。
   
10. 請求項９記載のエチルアルコール検知装置に於いて、前記エチルアルコール検出部及び外乱物質検出部は、前記相関値として、受光信号間の減算値又は除算値、受光信号に所定係数を乗じた受光信号間の減算値又は除算値、若しくは受光信号間の二乗誤差値を算出することを特徴とするエチルアルコール検知装置。
    
11. 請求項１０記載のエチルアルコール検知装置に於いて、前記判定部は、前記エチルアルコール含有度が所定の閾値以下で前記外乱度が所定値を超えている場合にエチルアルコールの検出を判定し、前記エチルアルコール含有度が所定の閾値以下で前記外乱度が所定の閾値以下の場合にエチルアルコールの非検出を判定することを特徴とするエチルアルコール検知装置。

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