JPH1038696A

JPH1038696A - 赤外線検出装置

Info

Publication number: JPH1038696A
Application number: JP20797996A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Yokoyama; 栄一横山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1996-07-18
Filing date: 1996-07-18
Publication date: 1998-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】検出対象以外からの赤外線放射の影響を排除
して誤検出を回避することができる赤外線検出装置を実
現する。【解決手段】波長感度特性が互いに異なる第１の赤外
検出手段の出力Ｖ（λ１）と、第２の赤外検出手段の出
力Ｖ（λ２）との比をＶ（λ１）／Ｖ（λ２）を算出
し、このＶ（λ１）／Ｖ（λ２）の変化に応じて検出し
た赤外線が特定物体からの放射であることを同定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、夜間監視
を行う防犯システム等に用いて好適な赤外線検出装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、夜間監視には、監視ＴＶカメ
ラと、この監視ＴＶカメラが撮像した画像を記録再生す
るタイムラプスＶＴＲとからなる防犯システムが広く使
用されている。この種のシステムは、住宅の玄関やオフ
ィスビルのエントランス等の屋外に設置され、不法侵入
者等の有無をモニタするが、ＣＣＤ等の固体撮像素子か
らなる監視ＴＶカメラでは撮像にある程度の照度が要求
され、照明のない夜間監視には不適となる。

【０００３】夜間監視に使用する高感度カメラとして
は、本件と同一の出願人により出願された特公昭６１−
６１３１３号公報に開示の技術がある。同公報に開示の
技術によれば、電荷を蓄積した後で撮像信号を取り出す
ので、ＳＮ比を蓄積時間に応じて大幅に改善できるもの
の、こうした技術は本質的に画像蓄積するものであるか
ら、撮像対象の動きが速いと画像がぼけてしまうという
弊害がある。

【０００４】そのため、夜間監視には赤外線を使う場合
が多い。赤外線を使って侵入者等を検出する手法として
は、アクティブセンサ方式を使用するものが知られてい
る。このアクティブセンサ方式とは、投光器および受光
器からなり、投光器側から所定エリアへビーム状の赤外
線をパルス的に放射し、これを受光器で検出するもので
あり、受光器側で赤外線を検出できない時、すなわち、
投光器が放射する赤外線を妨げるものが存在した時、何
等かの物体が監視エリアに侵入したことを検出する。

【０００５】一方、これに対してパッシブセンサ方式で
は、物体が放射する赤外線を感知する。赤外線を検出す
るセンサとしては、量子効果を利用する量子型や、赤外
線の変化を検出する焦電型がある。焦電型の赤外線セン
サは、量子型のように冷却使用する必要がないうえ、応
答性が高いため民生機器に多用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】さて、上述したパッシ
ブ方式で屋外の監視目的のために赤外線センサを使用す
る場合、風雨などの自然環境変化の他、自動車のヘッド
ライト等の監視エリア以外からの妨害に晒され、検出対
象とは異なる物体からの赤外線放射の影響を受けてしま
い、誤検出することがある。

【０００７】こうした点は、特に焦電型の赤外線センサ
で影響が大きい。例えば、垣根や樹木からの赤外線放射
は、それが風で煽られた時に赤外線センサに入射する赤
外線強度が変化するので、この変化を検出してしまうこ
とも起こり得る。

【０００８】そこで、本発明の第１の目的は、検出対象
以外からの赤外線放射の影響を排除して誤検出を回避す
ることができる赤外線検出装置を提供することにある。

【０００９】ところで、赤外線センサを用いて非接触で
温度計測するには、黒体放射率を基に計測対象の放射率
を推定しており、計測対象とされる物体の真の放射率を
求めることができないという欠点がある。そこで、本発
明の第２の目的は、計測対象とされる物体の真の放射率
を求めて正確な温度計測を行うことができる赤外線検出
装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、波長感度特性がそれぞ
れ異なる複数の赤外線検出手段と、これら赤外線検出手
段がそれぞれ赤外線を検出した時に発生する出力同士の
比を算出すると共に、この出力比の変化に応じて検出し
た赤外線が特定物体からの放射であることを同定する同
定手段とを具備することを特徴とする。

【００１１】また、請求項２に記載の発明では、波長感
度特性がそれぞれ異なる複数の赤外線検出手段と、これ
ら赤外線検出手段が同一被測定体の温度を個々に検出し
た時に発生する各出力に従って前記被測定体の放射率ε
を同定し、当該被測定体の温度を計測する計測手段とを
具備することを特徴とする。

【００１２】本発明の第１の態様では、波長感度特性が
それぞれ異なる複数の赤外線検出手段が各々赤外線を検
出すると、同定手段が各赤外線検出手段の出力同士の比
を算出し、この出力比の変化に応じて検出した赤外線が
特定物体からの放射であることを同定する。したがっ
て、検出対象以外からの赤外線放射の影響を排除して誤
検出を回避することが可能になる。

【００１３】また、本発明の第２の態様では、波長感度
特性がそれぞれ異なる複数の赤外線検出手段が各々赤外
線を検出すると、計測手段が各赤外線検出手段の出力値
に基づき被測定体の放射率εを同定し、当該被測定体の
温度を計測する。これにより、計測対象とされる物体の
真の放射率を求めて正確な温度計測を行うことが可能に
なる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明による赤外線検出装置は、
夜間監視する防犯システムや放射温度計などに適用され
得る。以下では、本発明の実施の形態である赤外線検出
装置を実施例として図面を参照して説明する。

【００１５】Ａ．発明の原理実施例の説明に入る前に本発明の原理について説明して
おく。赤外線を検出するセンサには、幾つもの感度特性
および検出範囲に異なるものが知られている。本発明で
は、検出対象である放射物体の特有の温度範囲を勘案
し、その波長帯で感度の高いものを２つ以上使用する。
つまり、感度特性が異なる少なくとも２つ以上の赤外線
センサを用いる。後述する実施例では、３〜５μｍの第
１の波長帯と８〜１２μｍの第２の波長帯とを使用す
る。

【００１６】第１の波長帯（３〜５μｍ）を検出するセ
ンサとしては、ＩｎＳｂ素子があり、第２の波長帯（８
〜１２μｍ）を検出するセンサとしては、ＭＣＴ素子が
知られている。これら両センサＩｎＳｂ素子，ＭＣＴ素
子の感度特性を図１の（２），（３）に図示する。な
お、図１に示す比検出率Ｄ^*は、次式（１）で表わされ
るものである。

【００１７】

【数１】

【００１８】なお、（１）式におけるＡｄは受光面積、
ΔＦはアンプ帯域、ＲｖはエネルギーＥの放射に対して
出力Ｖ₀がどれだけあるかを示す値である。また、図１
の（３）で示すＭＣＴ素子の感度特性は７７Ｋに冷却し
た場合の特性である。

【００１９】上述した２素子はいずれも量子型であり、
冷却して使用するタイプである。これに対し、常温で使
用できる焦電型の代表例としては、パイロエレクトリッ
クセンサや、サーミスタボロメータが知られている。こ
れら両センサの感度は上述の量子型センサに比べて感度
が一桁低い。しかしながら、その一方で検出温度範囲が
広く、図１の（１）の特性として示すように、１μｍか
ら３０μｍにわたってほぼフラットな感度特性を有す
る。

【００２０】常温（３００Ｋ）付近の物体は、３〜５０
μｍの赤外線を放射しているので、この波長帯を検出す
るには焦電型が有利である。このフラットな特性は、光
学的バンドパスフィルターと組合せれば、任意波長に限
定した２つ以上の異なった波長感度を持つセンサを実現
できる。

【００２１】さて、図１に重ねて表示した各センサの比
検出率Ｄ^*から判るように、４μｍ帯域および１２μｍ
帯域を過る赤外線放射エネルギーは異なり、それらは次
式（２），（３）から求められる。

【００２２】赤外線の分光放射エネルギーは周知のプラ
ンクの法則（１）式で求められ、それをセンサが持つ波
長感度特性とのコンボリューション（２）式の値に、フ
ィルターの光学係数（透過特性）を掛け合わせた値が出
力される。

【００２３】

【数２】

【００２４】

【数３】

【００２５】つまり、赤外線センサの感度をＲ（λ）と
し、放射エネルギーをＥ（λ）とすれば、Ｒ（λ）とＥ
（λ）とのコンボリューションを取れば良い。即ち、そ
の両方を掛け合わせて個々の波長帯で積分した値が上記
（３）式の出力Ｗ（Ｔ）となる。なお、（３）式におけ
る放射率εは、物体表面の状態や物質材料によって異な
る値をとる。

【００２６】例えば、自動車のヘッドライトから放射さ
れる赤外線は、図１の（４）の特性で示されるように、
１０００Ｋの黒体放射特性と見做され、そのスペクトル
は０．６μｍ〜３０μｍに分布する。実際に放射される
赤外線は、この理想黒体による特性とは異なり、放射率
に依存するファクターを考慮する必要がある。

【００２７】そこで、本発明では、少なくとも２つの異
なった感度特性の赤外線センサを具備し、これら赤外線
センサによって同一物体からの赤外線放射を検出する。
例えば、４μｍ帯の中心波長λ１と、１２μｍ帯の中心
波長λ２とで赤外線放射エネルギーを独立して検出す
る。この場合、検出出力は個々の赤外線センサの感度
と、放射エネルギーとのコンボリューション演算で得ら
れるので、それぞれ出力差が生じる。

【００２８】ここで、各赤外線センサの出力比は、人の
侵入や自動車のヘッドライト等の外乱を受けなければ一
定を保つが、外乱を受けた場合にはその程度に応じてそ
の値が変化する。したがって、特定の監視エリアを設置
する際に、予め人が侵入する時の出力比変化、つまり、
単位時間（ｔ１）当りに変化する出力比（λ１（ｔ１）
／λ２（ｔ１））を定めておけば、そうした出力比変化
以外は侵入者以外の物体からの赤外線放射であると判断
し得るので、検出対象以外からの赤外線放射の影響を排
除して誤検出を回避することが可能になる訳である。

【００２９】次に、本発明の第２の目的、つまり、計測
対象とされる物体の真の放射率を求めて正確な温度計測
を行う点についての原理を説明する。赤外線温度計測
は、周知のように次式（４）で示されるステファン・ボ
ルツマンの法則を測定原理としている。

【００３０】

【数４】

【００３１】ステファン・ボルツマンの法則によれば、
放射率εと絶対温度Ｔの４乗とに比例した出力は得られ
るものの、実際には放射率εが未知数である故、所定の
係数を乗算して計測温度を推定している。

【００３２】本発明では、上述したように、感度特性が
異なる少なくとも２種類の赤外線センサによって計測対
象の赤外線放射を測定する。例えば、１０μｍに最大感
度を持つＨｇＣｄＴｅ素子は、３μｍでは約１／１０に
相対感度が低下する。ここで、相対感度を予め測定して
おけば、２回の測定から得られる連立方程式により真の
放射率εが既知となり、正確な温度計測を実現可能にす
る。

【００３３】Ｂ．実施例次に、上述した本発明の原理に基づく実施例について図
２を参照して説明する。図２において、１，２は互いに
異なる通過帯域を有するバンドパスフィルターであり、
ＧａＦ２等の赤外透過材料で形成される。３，４はそれ
ぞれ集光レンズ（エマージョンレンズ）であり、焦電型
の赤外線センサであるパイロエレクトロリック素子５，
６上に配置される。

【００３４】これら集光レンズ３，４は、赤外光を透過
するゲルマニウムで形成され、パイロエレクトロリック
素子５，６上に赤外光を集光させる。パイロエレクトロ
リック素子５，６は、集光された赤外光の変化に対応し
た微分波形信号を、高抵抗素子を介して出力する。つま
り、温度変化があった場合のみ、その変化に応じた微分
波形信号を発生する。

【００３５】ここで、パイロエレクトロリック素子５，
６をハーメチックシールした一構造例について図３を参
照して説明する。この図において、図２に示した各部と
共通する要素には同一の番号を付し、その説明を省略す
るものとする。図３において、２０は感光性ガラスで形
成されるサブストレート、２１，２２はケース、２３は
電極である。一般に、デュラビリティおよびリライアビ
リティを確保する為、パイロエレクトリックセンサ薄膜
結晶は、真空蒸着で成膜された後、ハーメチックシール
されて使われる。

【００３６】さて、図２に戻り、実施例の構成について
説明を進める。７，８は各々、上記パイロエレクトロリ
ック素子５，６から出力される微分波形信号を所定レベ
ルに増幅して出力するプリアンプである。９，１０はプ
リアンプ７，８の出力からノイズ等の高周波成分をカッ
トして次段へ供給するローパスフィルタである。このロ
ーパスフィルタ９，１０は、約１００Ｈｚの帯域を有
し、ＮＥＰ（Noise Equivalent Power）を改善する。

【００３７】このように、構成要素１，３，５，７およ
び９が、監視対象から放射される赤外光の内、第１の波
長帯を検出する第１の赤外検出手段となり、一方、構成
要素２，４，６，８および１０が第２の波長帯を検出す
る第２の赤外検出手段となる。１１は出力比検出器であ
る。この出力比検出器１１は、第１の赤外検出手段の出
力Ｖ（λ１）と、第２の赤外検出手段の出力Ｖ（λ２）
との比をＶ（λ１）／Ｖ（λ２）を発生する。

【００３８】１２は、上記出力比検出器１１が発生する
出力比Ｖ（λ１）／Ｖ（λ２）を所定タイミング毎にラ
ッチし、後述する制御部１３の指示に応じて出力する出
力回路である。制御部１３は、ＲＯＭおよびＲＡＭを内
蔵するマイクロプロセッサから構成される。制御部１３
は、上記出力回路１２から読み込んだ出力比Ｖ（λ１）
／Ｖ（λ２）をＲＡＭにストアし、ＲＯＭの所定エリア
に予め格納される参照テーブルと比較して、侵入者以外
の物体からの赤外線放射であるか否かを判断する。な
お、ここで言う参照テーブルとは、図４に示すように、
黒体温度と出力Ｖ（λ１）（あるいは出力Ｖ（λ２））
とを対応付けたデータテーブルである。

【００３９】このような構成によれば、特定の監視エリ
アを設置する際に、予め人が侵入する時の出力比変化を
定め、その変化以外は侵入者以外の物体からの赤外線放
射であると判断するので、検出対象以外からの赤外線放
射の影響を排除して誤検出を回避し得るようになってい
る。

【００４０】なお、本実施例では、検出対象以外からの
赤外線放射の影響を排除して誤検出を回避するが、これ
に替えて、例えば、特定の複数の赤外線波長を選択的に
同定することも可能だから、樹木の枯れや海水汚濁等の
自然環境汚染地域をリモートセンシングする態様にも適
用可能である。

【００４１】

【発明の効果】本発明の第１の態様によれば、波長感度
特性がそれぞれ異なる複数の赤外線検出手段が各々赤外
線を検出すると、同定手段が各赤外線検出手段の出力同
士の比を算出し、この出力比の変化に応じて検出した赤
外線が特定物体からの放射であることを同定するので、
検出対象以外からの赤外線放射の影響を排除して誤検出
を回避することができる。また、本発明の第２の態様に
よれば、長感度特性がそれぞれ異なる複数の赤外線検出
手段が各々赤外線を検出すると、計測手段が各赤外線検
出手段の出力値に基づき被測定体の放射率εを同定し、
当該被測定体の温度を計測するので、物体の真の放射率
を求めて正確な温度計測を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための図である。

【図２】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図３】同実施例におけるパイロエレクトリック素子
４，５の構造例を示す図である。

【図４】黒体温度と出力Ｖ（λ１）（あるいは出力Ｖ
（λ２））とを対応付けた参照テーブルを説明するため
の図である。

【符号の説明】

１，２……バンドパスフィルター、３，４……集光レン
ズ、５，６……パイロエレクトロリック素子、７，８…
…プリアンプ、９，１０……ローパスフィルタ、１１…
…出力比検出器、１２……出力回路、１３……制御部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】波長感度特性がそれぞれ異なる複数の赤
外線検出手段と、これら赤外線検出手段がそれぞれ赤外線を検出した時に
発生する出力同士の比を算出すると共に、この出力比の
変化に応じて検出した赤外線が特定物体からの放射であ
ることを同定する同定手段とを具備することを特徴とす
る赤外線検出装置。
【請求項２】波長感度特性がそれぞれ異なる複数の赤
外線検出手段と、これら赤外線検出手段が同一被測定体の温度を個々に検
出した時に発生する各出力に従って前記被測定体の放射
率εを同定し、当該被測定体の温度を計測する計測手段
とを具備することを特徴とする赤外線検出装置。