JP5314260B2 - 検出システム、被検出物推定システム、障害物推定システム、安全運転システムおよび物理量検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、遠赤外線撮像装置及び物理量検出方法並びに障害物推定装置及び方法に関する。

従来、被検出対象から放射されるエネルギー量を電気信号に変換する熱電変換器又は光電変換器を使用し、この変換器出力を利用して放射率と放射温度を推定する技術が開示されている（特許文献１参照）。

特許文献１によると、従来、放射率測定方法として、おわん型表面温度計、２色温度計方式、光ファイバー式放射温度計が知られている。しかし、おわん型表面温度計の場合、被測定物に接触させて測定対象を停止させる必要があるため、連続測定ができない問題がある。また、２色温度計方式の場合、大気中の水蒸気などにより一方の波長のエネルギーが吸収されると、放射率比が変化して灰色条件が崩れた場合には誤差が大きくなる問題がある。さらに、光ファイバー式放射温度計の場合、放射率の近似関数の精度により測定精度が決まるため、物体の表面性状の変化などによる近似関数からのずれ量がそのまま誤差になる問題がある。

そこで、特許文献１では、このような問題に対応するために、放射率と放射温度の推定方法が開示されている。この特許文献１の技術は、実行放射率に差が出るように測定波長帯域を選定した複数代の放射温度計を用いて被測定物の温度測定を行い、該温度計からの温度信号を予め設定されている放射率の係数で温度補正し、補正後の該温度信号により各々温度変換を行い、各々の間の温度差が極小となるなで該放射率の係数を修正する演算を行い、該演算で得られた各々の温度差が極小となる該放射率の係数を測定対象の真の放射率とし該真の放射率で補正後の温度信号より求められる温度を測定対象の温度とするものである。
特開６２−９２３８号公報

ところで、特許文献１の技術は、温度補正や各々の間の温度差が極小となるまで該放射率の係数を修正する演算を行う必要があるため演算負荷が大きい問題があった。

また、比較的精度良く輻射率を測定できるものとして、物体のサンプルを試料台にセットし、測定したい波長の光を当てて、透過や反射強度を測定し、それらの結果により輻射率を算出する分析装置がある。しかし、このような分析装置は、測定可能な試料のサイズや形状、温度範囲等が限られるため、可動物体を連続に測ることができず、汎用性・有用性が低いという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、簡便かつ高精度に、障害物の輻射率、温度の少なくとも１つの物理量を検出する遠赤外線撮像装置及び物理量検出方法、並びに検出された輻射率を用いて障害物を推定する障害物推定装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明に係る検出システムは、外界温度の影響を受けないように真空状態に封止され且つ被検出物からの遠赤外線に応じた画像を生成する撮像素子と、前記撮像素子を時間的に異なる温度に制御する温度制御手段と、前記温度制御手段により異なる温度に制御された各々の状態で、前記撮像素子により生成された画像の出力に基づいて前記被検出物の輻射率、温度の少なくとも１つを検出する検出手段と、を備えている。

上記発明によれば、温度制御手段により異なる温度に制御された各々の状態で、撮像素子により生成された画像の出力に基づいて前記障害物の輻射率、温度の少なくとも１つを検出することにより、非接触で簡便かつ高精度に、障害物の輻射率、温度の少なくとも１つの物理量を検出することができる。

なお、撮像素子の数は１つに限らず、各々異なる温度に設定された複数の撮像素子を用いてもよい。

また、本発明に係る被検出物推定システムは、請求項１または２に記載の検出システムと、前記検出システムにより検出された前記被検出物の輻射率と、前記撮像素子により生成された画像に現れる前記被検出物の形状と、に基づいて、前記被検出物を推定する被検出物推定手段と、を備えている。

上記発明によれば、障害物の輻射率を検出し、検出された障害物の輻射率と、撮像素子により生成された画像に現れる前記障害物の形状と、に基づいて障害物を推定することにより、簡便かつ高精度に、障害物を推定することができる。

本発明に係る遠赤外線撮像装置及び物理量検出装置は、非接触で簡便かつ高精度に、障害物の輻射率、温度の少なくとも１つを算出することができる。

本発明に係る障害物推定装置及び方法は、簡便かつ高精度に、障害物を推定することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［発明の原理］
絶対ゼロ度以上の物体は、すべてシュテファンボルツマンの法則に従い、遠赤外線を放出する。輻射率１．０の黒体は以下の（１）式の放射エネルギーを放出し、それ以外の物体は（２）式のように物体表面の輻射率を乗じた放射エネルギーを放出する。
Ｅ＝σＴ^４［Ｗ／ｍ^２］ ・・・（１）
Ｅ＝εσＴ^４［Ｗ／ｍ^２］ ・・・（２）

なお、
σ：シュテファンボルツマン定数 ５．６７ｅ−８［Ｗ／ｍ^２Ｋ］
ε：輻射率（０〜１．０）
Ｔ：温度［Ｋ］
である。

熱型遠赤外線カメラは、この物体からの放射エネルギー吸収による微量な温度変化を電気信号に変換し、映像化する。ここで、物体はそれぞれ材料、色、表面状態などにより、異なる輻射率をもつ。

図１は、輻射率の一例を示す図である。例えば、皮膚は０．９８、アスファルトは０．９５、繊維は０．９、レンガは０．８などの値をもつ。また、同一材料であっても、色や表面の凹凸・平坦性や吸収率は異なる値になる。

一般に、非接触温度計測が可能な遠赤外線カメラは、撮像素子をペルチェ素子にて２７℃（３００Ｋ）程度に恒温制御を行っている。これは、物体からの遠赤外線によるセンサ受光部の温度変化が１ｍＫ程度と非常に小さく、遠赤外線吸収によって発生した熱の逃げ道となる基板の温度が安定していないと、安定な測定、温度情報を出力できないからである。

遠赤外線カメラでは、被写体とセンサ間で、次の（３）式で与えられる熱交換が行われ、この輻射交換量に対応した電気信号により熱画像が生成される。

ｑ_１２＝ψ_１２ε_１ε_２σ（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４）［Ｗ／ｍ_２］ ・・・（３）

ここで、
ｑ_１２：全体の輻射交換量［Ｗ／ｍ_２］
ψ_１２：微小面ｄＳ_１からみた面Ｓ_２の形態係数
ε_１：物体１（被写体）の輻射率０〜１．０
ε_２：物体２（センサ）の輻射率
Ｔ_１：物体１（被写体）の温度
Ｔ_２：物体２（センサ）の温度
である。

（３）式から分かるように、次の（４）式のように、輻射率と温度が異なる物体でも、輻射交換量が同じになることがある。

ｑ_１２＝ψ_１２ε_１ａε_２σ（Ｔ_１ａ ^４−Ｔ_２ ^４）
＝ψ_１２ε_１ｂε_２σ（Ｔ_１ｂ ^４−Ｔ_２ ^４）
∴
ε_１ａ（Ｔ_１ａ ^４−Ｔ_２ ^４）＝ε_１ｂ（Ｔ_１ｂ ^４−Ｔ_２ ^４） ・・・（４）

なお、
ε_１ａ：物体Ａの輻射率
Ｔ_１ａ：物体Ａの温度
ε_１ｂ：物体Ｂの輻射率
Ｔ_１ｂ：物体Ｂの温度
である。つまり、輻射率と温度が異なる物体でも、熱画像上で同一の輝度になってしまうことがある。

逆に、（５）式のように、同一温度であても輻射率が異なる物体は、遠赤外線カメラでは異なる温度とみなされ、異なる輝度に映ってしまう。

ｑ_１２＝ψ_１２ε_１ａε_２σ（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４）
≠ψ_１２ε_１ｂε_２σ（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４）
∴
ε_１ａ（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４）≠ε_１ｂ（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４） ・・・（５）

このように、非接触で温度計測できる遠赤外線センサ、および遠赤外線カメラは、物体の正確な輻射率が分からないと、正確な温度計測ができない。

高精度な非接触温度計測を行うには、物体に黒色スプレーを吹いて黒くし、遠赤外線カメラの輻射率を黒色スプレーによる輻射率（例えば０．９７など）に設定することで、高精度な非接触温度計測を行っていた。この場合、測定のために物体を黒く塗る必要があり、測定後に元の状態に戻せないという問題があった。

また、物体はそれぞれ輻射率が違うが、従来の遠赤外線カメラでは全ての物体を一定の輻射率とみなして熱画像を生成し、温度の算出を行っていたので、正確な温度情報を提供できないという問題があった。

この輻射率を正確に検出できれば、正確な非接触温度計測、正確な熱画像表示が可能になる。更に、物体は材質固有の輻射率を持つので、輻射率から物体の材質を推定することが可能になる。

［第１の実施形態］
図２は、本発明の第１の実施形態に係る遠赤外線撮像装置の構成を示す図である。遠赤外線撮像装置は、遠赤外光を集光する遠赤外線レンズ１０と、撮像対象物の温度に対応した熱画像を生成する遠赤外線イメージセンサ２０と、遠赤外画像に基づいて画像処理を行い、温度を検出する画像処理部３０と、を備えている。

遠赤外線イメージセンサ２０は、被写体からの光線に応じて熱画像を生成する遠赤外線イメージセンサ基板２１と、遠赤外線イメージセンサ基板２１に貼り付けられた状態で当該遠赤外線イメージセンサ基板２１の温度を制御する温度制御装置２２と、を備えている。

温度制御装置２２は、遠赤外線イメージセンサ基板２１の基板温度を制御できるものであり、例えばペルチェ素子で構成されている。なお、温度制御装置２２は、ペルチェ素子に限定されるものではなく、スターリングクーラー、ヒーター等であってもよい。本実施の形態では、温度制御装置２２は、最初に遠赤外線イメージセンサ基板２１の基板温度をＴ_２ａに制御し、次にＴ_２ｂに制御する。

遠赤外線イメージセンサ２０は、更に、外界温度の影響を受けないように遠赤外線イメージセンサ基板２１の周囲を真空状態にして封止する真空封止パッケージ２３と、真空封止パッケージ２３の開口部に設けられ被写体からの遠赤外線を透過して遠赤外線イメージセンサ基板２１の受光面に入射させる遠赤外線透過窓２４と、を備えている。

画像処理部３０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、所定の基板温度になった状態で遠赤外線イメージセンサ２０により生成された熱画像に基づいて温度を検出する。

以上のように構成された遠赤外線撮像装置は、次のようにして、物体から放射される遠赤外線による温度変化から物体の温度を算出する。まず、物体とセンサ間では、次の（６）式で与えられる輻射熱交換量から物体の温度が算出される。

ｑ_１２＝ψ_１２ε_１ε_２σ（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４）［Ｗ／ｍ^２］ ・・・（６）

ここで、
ｑ_１２：全体の輻射交換量［Ｗ／ｍ_２］
ψ_１２：微小面ｄＳ_１からみた面Ｓ_２の形態係数
ε_１：物体１（被写体）の輻射率０〜１．０
ε_２：物体２（センサ）の輻射率
Ｔ_１：物体１（被写体）の温度
Ｔ_２：物体２（センサ）の温度
である。つまり、物体の温度を算出するためには、形態係数、物体の輻射率、センサの輻射率、センサの温度が必要になる。

（６）式において、ψ_１２は物体とセンサの位置関係で決まる形態係数、つまり定数である。ε_２はセンサの輻射率、つまり定数である。σはシュテファンボルツマン定数、つまり定数である。ゆえに、輻射熱交換量は次の（７）式になる。

ｑ_１２∝ε_１（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４）＝Ａ・ε_１（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ ^４） ・・・（７）

（７）式のｑ_１２より、輻射率ε_１として物体の温度Ｔ_１が算出される。また、正しい輻射率でないと、正しい温度を算出できない。ここで、物体の輻射率ε_１と温度Ｔ_１が不明の場合を考える。センサ温度Ｔ_２ａのとき、輻射熱交換量は（８）式になる。

ｑ_１２ａ＝Ａ・ε_１（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ａ ^４） ・・・（８）

同様に、センサ温度Ｔ_２ｂのとき、輻射熱交換量は（９）式になる。

ｑ_１２ｂ＝Ａ・ε_１（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ｂ ^４） ・・・（９）

なお、ｑ_１２ａ、ｑ_１２ｂは、センサ温度がＴ_２ａ、Ｔ_２ｂのときに、遠赤外線イメージセンサ２０により生成された熱画像を構成する各画素の出力である。そこで、画像処理部３０は、センサ温度がＴ_２ａ、Ｔ_２ｂのときの遠赤外線イメージセンサ２０の出力ｑ_１２ａ、ｑ_１２ｂを用いて、（８）、（９）式の連立方程式を解くことで、物体の正確な輻射率ε_１と温度Ｔ_１を算出することができる。この輻射率ε_１と温度Ｔ_１は、遠赤外線イメージセンサ２０で生成された熱画像の画素毎に算出される。また、物体の輻射率ε_１は（１０）式により求められる。

ε_１＝ｑ_１２ａ／｛Ａ・（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ａ ^４）｝
＝ｑ_１２ｂ／｛Ａ・（Ｔ_１ ^４−Ｔ_２ｂ ^４）｝・・・（１０）

以上のように、第１の実施形態に係る遠赤外線撮像装置は、遠赤外線イメージセンサ２０の遠赤外線イメージセンサ２０の基板温度をＴ_２ａ、Ｔ_２ｂに設定し、そのときの遠赤外線イメージセンサ２０の各々の出力に基づいて、物体に接触することなく正確な輻射率を検出することができる。また、上記遠赤外線撮像装置は、検出された正確な輻射率を用いることにより、物体の正確な温度も検出可能になる。なお、遠赤外線撮像装置の構成は、図２に限定されるものではなく、次のような構成であってもよい。

図３は、２つの遠赤外線イメージセンサ２０を用いた遠赤外線撮像装置の構成を示す図である。なお、一方の遠赤外線イメージセンサ２０の基板温度はＴ_２ａに設定され、他方の遠赤外線イメージセンサ２０の基板温度はＴ_２ｂに設定されている。画像処理部３０は、２つの遠赤外線イメージセンサ２０の出力を用いて、（８）、（９）式の連立方程式を解くことで、物体の輻射率ε_１及び温度Ｔ_１を検出する。この結果、遠赤外線撮像装置は、２つの遠赤外線イメージセンサ２０を使うことで基板温度の変調を省くことができ、物体の輻射率ε_１及び温度Ｔ_１の検出を短時間で行うことができる。

［第２の実施形態］
つぎに、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一の部位には同一の符号を付し、第１の実施形態と異なる部分について主に説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る障害物推定装置の構成を示す図である。障害物推定装置は、遠赤外光を集光する遠赤外線レンズ１０と、撮像対象物の温度に対応した熱画像を生成する遠赤外線イメージセンサ２０と、遠赤外画像に基づいて画像処理を行い、障害物を推定する画像処理部４０と、を備えている。

画像処理部４０は、第１の実施形態の画像処理部３０と同様にして物体の輻射率ε_１及び温度Ｔ_１を検出することができ、更に、物体が何であるかを推定することができる。

ここで、画像処理部４０は、検出対象となる物体の形状を表す様々なテンプレートを記憶している。テンプレートとしては、検出対象とする物体、例えば、歩行者、２輪車、車両、あるいは段ボールや石・コンクリート等の落下物等がある。

そして、画像処理部４０は、第１の実施形態と同様にして物体の輻射率を算出し、更に遠赤外線イメージセンサ２０で生成された熱画像に現れている物体と様々なテンプレートとのマッチング処理を行う。その後、画像処理部４０は、マッチングしたテンプレート（物体の形状）と物体の輻射率とに基づいて、物体の材質が何であり、その物体は何であるかを推定することができる。具体的には、画像処理部４０は、物体の形状とその形状内の各画素の輻射率分布とを考慮することにより、物体の各部分の材質、さらに、その物体全体を推測できる。

特に、路面や外壁などは、材質、日の当たり具合、凹凸などの影響で、必ずしも均一の輝度には映らない。同様に、歩行者も衣服の影響や、重ね着の枚数、体からの熱の伝わり具体、日の当たり具合、風向きなどの影響で、均一の輝度には映らず、体の部位ごとに異なる輝度として映る。このように、背景も歩行者も必ずしも均一の輝度ではなく、むしろお互いがバラツキを持つことが多いため、輻射率だけでは物体の検出精度に問題がある。

そこで、上記障害物推定装置は、非接触で検出した物体の輻射率だけでなく、その物体の形状を考慮するとによって、正確に物体の材質を検出して、その物体が何であるかを確実に検出することができる。このため、上記障害物推定装置を搭載した安全運転システムは、検出された障害物に基づいて、適切な対策を施すことができる。例えば、安全運転システムは、エアバックの展開、ボンネットの浮上、シートベルトのプリテンション、ヘッドレストの移動、ブレーキ操作、ハンドル操作による衝突回避等、障害物に衝突すること・障害物を踏むことの要否、回避行動の要否を、障害物との衝突前に判断し、適切な対策を実現することができる。

また、上記障害物推定装置は、図３と同様にして、２つ以上の遠赤外線イメージセンサ２０を用いてもよい。このとき、図３に示す画像処理部３０に代えて画像処理部４０を設ければよい。さらに、画像処理部４０は、ステレオカメラやミリ波レーダを用いて物体までの距離情報を検出し、この距離情報と形状情報から物体のサイズを考慮して障害物を推定してもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。

例えば、基板温度は自由に設定可能であり、基板温度はＴ_２ａ、Ｔ_２ｂの２段階に設定される場合に限らず、３段階以上に設定されてもよい。更に、遠赤外線イメージセンサ２０が２つの場合、基板温度は、Ｔ_２ａ、Ｔ_２ｂでそれぞれ固定させていたが、同位相で、サイン波、方形波、Δ波などの中心値が異なる２つ以上の値に変調させてもよい。

上述した実施形態では、障害物として物体を例に挙げて説明したが、歩行者や２輪乗員でもよいし、水たまり、雪、凍結路面などであってもよい。

また、上述した障害物推定装置は、テンプレートマッチング手法を用いて障害物を推定したが、その他、熱画像の濃度ヒストグラムを用いて障害物を推定してもよいし、それらを組み合わせた手法を用いてもよい。さらに、形状特徴に基づいて特定の大きさと縦横比をもつ障害物を推定したり、頭部、肩などの部分特徴から障害物の１つである歩行者を検出したりしてもよい。

輻射率の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る温度検出装置の構成を示す図である。 ２つの遠赤外線イメージセンサを用いた温度検出装置の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る障害物推定装置の構成を示す図である。

符号の説明

１０ 遠赤外線レンズ
２０ 遠赤外線イメージセンサ
３０，４０ 画像処理部

Claims (8)

1. 外界温度の影響を受けないように真空状態に封止され且つ被検出物からの遠赤外線に応じた画像を生成する撮像素子と、
   前記撮像素子を時間的に異なる温度に制御する温度制御手段と、
   前記温度制御手段により異なる温度に制御された各々の状態で、前記撮像素子により生成された画像の出力に基づいて前記被検出物の輻射率、温度の少なくとも１つを検出する検出手段と、
   を備えた検出システム。
2. 各々が外界温度の影響を受けないように真空状態に封止され且つ被検出物からの遠赤外線に応じた画像を生成する複数の撮像素子と、
   前記各撮像素子をそれぞれ異なる温度に制御する温度制御手段と、
   前記温度制御手段により各撮像素子が異なる温度に制御された状態で、前記各撮像素子により生成された画像の出力に基づいて前記被検出物の輻射率、温度の少なくとも１つを検出する検出手段と、
   を備えた検出システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の検出システムと、
   前記検出システムにより検出された前記被検出物の輻射率と、前記撮像素子により生成された画像に現れる前記被検出物の形状と、に基づいて、前記被検出物を推定する被検出物推定手段と、
   を備えた被検出物推定システム。
4. 前記被検出物までの距離を検出する距離検出手段を備え、
   前記被検出物推定手段は、前記距離検出手段により検出された距離を更に用いて前記被検出物を推定する
   請求項３に記載の被検出物推定システム。
5. 前記被検出物は、障害物である、
   請求項３又は４のいずれか記載の障害物推定システム。
6. 請求項５記載の障害物推定システムを備える、安全運転システム。
7. 外界温度の影響を受けないように真空状態に封止され且つ被検出物からの遠赤外線に応じた画像を生成する撮像素子を時間的に異なる温度に制御し、
   前記異なる温度に制御された各々の状態で、前記撮像素子により生成された画像の出力に基づいて前記被検出物の輻射率、温度の少なくとも１つの物理量を検出する
   物理量検出方法。
8. 各々が外界温度の影響を受けないように真空状態に封止され且つ被検出物からの遠赤外線に応じた画像を生成する複数の撮像素子をそれぞれ異なる温度に制御し、
   前記各撮像素子が異なる温度に制御された各々の状態で、前記各撮像素子により生成された画像の出力に基づいて前記被検出物の輻射率、温度の少なくとも１つの物理量を検出する
   物理量検出方法。

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