KR100404743B1 - 적외선 센서와 공간필터를 이용한 미세 동작 감지장치 - Google Patents

적외선 센서와 공간필터를 이용한 미세 동작 감지장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공간필터를 이용한 미세동작 감지장치에 관한 것으로, 초전형 적외선 센서부와, 센서부 전방에 배치되고 이형상의 다수의 구멍이 형성되어 있는 판형상의 공간필터와, 센서로부터의 전기신호를 처리하여 적외선 발산물체의 움직임을 판별하는 감지제어부와, 감지제어부의 제어신호에 따라 감지결과를 출력하기 위한 출력부와, 각 부분에 전원을 공급하기 위한 전원부로 이루어져 있으며, 선택적으로 입사 적외선을 집광하기 위하여 상기 공간필터 전방에 배치되는 집광렌즈부를 추가로 구비할 수 있다.
본 발명에 의한 장치를 이용하면 간단한 구조의 공간필터(spatial filter)를 부가함으로써, 초퍼/광셔터와 같은 단속장치 또는 추가적인 온도감지부를 구비하지 않고서도 인체 또는 적외선 발산물체의 미세한 동작을 감지할 수 있다.

Description

적외선 센서와 공간필터를 이용한 미세 동작 감지장치 {Apparatus for detecting minute movement using infrared sensor and spatial filter}
본 발명은 공간필터를 이용한 미세동작 감지장치, 더 상세하게는 다수의 구멍이 형성되어 있는 판 형상의 공간필터를 초전형 적외선 센서 전방에 배치함으로써 인체 또는 적외선 방출물체의 미세이동을 감지할 수 있는 장치에 관한 것이다.
인체의 존재여부를 감지하여 사람이 있는 경우에만 조명을 점등시키거나, 특수한 가전기기를 동작시키는 등의 시스템이 널리 이용되고 있다.
이러한 인체감지장치는 크게 적외선 센서를 이용하는 방법과, 초음파를 이용하는 방법으로 구분된다.
적외선을 이용한 장치는 인체가 발산하는 적위선의 파장범위를 동작범위로 하는 적외선센서(적외선 감지소자)를 이용하며, 초음파를 이용하는 방법에서는 초음파를 조사(照射)하고 반사되는 초음파를 감지함으로써 센서주위에 이동체가 있는지 확인하는 초음파 센서를 이용한다. 그러나, 감지성능, 노이즈 내구성, 가격 등의 여러 요인을 비교할 때 패시브 적외선 방식(Passive Infrared Ray) 방식이 가장 일반적으로 이용되고 있다. 이러한 패시브 적외선 방식은 집전(集電)특성을 가지는 비접촉식 적외선 감지 소자를 이용한다.
비접촉식 적외선 감지용 소자는 강유전체의 온도 변화에 따른 자발분극의 변화 때문에 발생하는 초전효과 (pyroelectric effect)를 이용한 초전형 외에도 반도체를 이용한 양자형이 있는데, 양자형 적외선 센서는 감도특성과 응답속도가 매우빨라서 군사용과 의학용으로 이용되고 있으나 감도의 파장의존성과 고가격, 센서 자체의 냉각등의 단점을 가지고 있다.
그러나, 초전형 적외선 센서는 감도 및 응답속도가 양자형에 비해 다소 떨어지지만 실온에서 동작이 가능하고 감도의 파장 의존성이 없으며 가격이 저렴하고 조작이 간편하며, 특히 발광소자가 필요 없이 온도를 갖는 모든 물체를 감지할 수 있고, 높은 신뢰성, 저가격화, 저잡음 및 전원전압을 필요로 하지 않는다는 장점을 가지고 있어 점차 사무자동화와 HA(Home Automation) 의 분야에서부터 산업용, 의료용, 군사용, 우주용에 이르기까지 그 활용범위가 확산되어 가고 있다.
이러한 초전형 적외선 감지소자는 적외선을 방출하는 물체 또는 인체의 적외선(파장 6.5㎛~15㎛) 강도에 비례하는 출력신호를 발생한다. 그러나. 이러한 적외선 감지소자는 주위온도 또는 작동온도에 의한 영향을 쉽게 받는다. 즉, 출력신호가 작동온도에 따라 유동적일 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이 초전형 적외선 센서는 입력되는 적외선의 절대량을 나타내는 값을 출력하는 것이 아니라, 입사 적외선의 변화량에 따라 반응한다. 즉, 동일한 양의 적외선이 입사되더라도 최초 입사시에만 반응하여 출력값이 증가하였다가, 다시 감쇄한다. 따라서, 적외선 대상물이 센서의 작동영역내에 있더라도 일정시간이 경과하면 센서의 출력이 0으로 떨어진다.
이러한 출력신호의 유동성 및 감쇄성을 제거하기 위하여, 일반적으로 라이트 초퍼(light chopper) 또는 광셔터가 적외선 감지소자와 결합되어 사용된다.
라이트 초퍼는 적외선을 차단함으로써, 단속적으로 적외선 감지소자로 공급되도록 한다. 따라서, 적외선 감지소자는 적외선의 강도를 나타내는 진폭을 가지는 교류신호(alternating signal)를 발생하게 된다. 그러나, 이러한 라이트 초퍼는 신뢰도가 높지 않을 뿐 아니라, 모터를 필요로 하기 때문에 전력을 소비하게 된다.
이러한 단점을 극복하기 위하여, 하나는 적외선에 민감하고, 다른 하나는 적외선에 덜 민감한 한 쌍의 적외선 감지소자(픽셀)를 구비하는 장치가 제안되었다. 적외선 감지소자는 민감성 및 비민감성 소자의 전기적 특성간의 차이를 이용함으로써 이론적으로는 유동성이 없는 출력신호를 발생하게 된다. 그러나, 이러한 장치는 제작하기 어렵고, 실제적으로 출력신호의 유동성을 충분히 제거하지 못할 뿐 아니라 만족할만 할 정도로 적외선에 민감하지 못하다는 단점을 가진다.
한편, 렌즈없이 초전형 적외선 센서를 사용하면 검출거리가 약 1~2m 정도 밖에 되지 않고 바람 등의 영향을 받기 쉬운 결점이 있으나, 집광용 렌즈인 프레넬렌즈를 사용하면 적외선을 좋은 효율로 모아서 초전센서에 전달시켜 주므로 감지거리가 크게 늘어나고 또한 외부의 영향을 크게 경감시켜준다. 이러한 이유로, 프레넬 렌즈를 적외선 센서 전방에 배치하여 적외선의 집적도를 높인 장치들이 다수 제안되고 있다.
종래의 인체 감지장치는 주로 사람의 이동을 감지하는 라운드 형태의 감지방법을 이용하였다. 즉, 환형의 외부 감지영역과, 내부 감지영역 및 직하(直下)감지영역을 형성하고, 감지대상이 하나의 영역에서 다른 영역으로 이동하는 경우에만 감지할 수 있었다. 따라서, 약 0.3내지 2.0m/s 정도의 속도로 이동하는 대상물만 감지가 가능하고, 그보다 늦게 이동하는 대상체 또는 정지하고 있는 인체는 감지할수 없었다.
요약하면, 종래에는 초전형 적외선 센서와 프레넬렌즈(fresnel lens)를 결합한 형태의 인체감지 장치가 다수 사용되고 있으나, 이러한 장치는 모두 인체의 움직임을 초전형 적외선 센서가 감지하는 구조로 되어 있다. 또한, 센서의 작동범위내에 있는 사람이 정지해있거나 미세한 움직임만을 보이는 경우에는, 이를 감지하기 위하여 부가적으로 초퍼나 광셔터와 같은 추가장비를 이용하여야 한다. 그러나, 전술한 바와 같이 초퍼 또는 광셔터의 이용에 단점이 존재하며, 이러한 추가장비를 이용하더라도 미세한 적외선 입사량의 변화를 측정하기 어렵다.
초퍼나 광셔터를 이용하더라도 이는 단지 초전형 적외선 센서의 신호를 교류형태로 변환함으로써 센서의 감쇄성(출력신호가 감쇄하는 현상)을 극복할 수 있을 뿐이며, 인체의 미세동작등으로 유발되는 적외선의 미세변화를 측정하기는 용이하지 않다. 실제로 초전형 적외선 센서 또는 써머파일은 출력전압이 아주 약하기 때문에 증폭회로의 오프셋, 노이즈 등이 최종 출력값에 미치는영향이 매우 크고, 따라서 측정하고자 하는 적외선 입사량의 미세변화량을 이러한 오차성분과 분리하여 검출하는 것이 용이하지 않다.
한편, 초퍼를 이용하지 않고 정지 인체의 미세동작을 검출하기 위한 장치가 평01-119486호 일본특허출원에 개시되어 있다. 이 장치는 감지영역의 적외선을 집광하기 위한 광학계와, 집광된 적외선을 수광하는 다수의 적외선 감지소자와, 적외선 감지소자의 출력을 증폭하는 증폭부, 증폭된 신호를 기초로 대상을 감지하는 처리판별부, 및 출력부로 이루어져 있으며, 대상의 미세동작을 검출하기 위하여 적외선 감지소자의 배치간격을 소자크기의 1 내지 1.5배로 설정하고 있다. 적외선 감지소자의 배치를 이러한 형태로 함으로써 감지영역이 세분화되고, 따라서 대상체의 미세동작을 감지할 수 있게 된다. 광학계는 감지영역을 작게 조정하기 위하여 초점거리가 적절하게 조정되며, 여러 감지영역의 적외선을 집속하기 위하여 프레넬 렌즈와 같은 다분할 렌즈 광학계가 사용된다. 이러한 장치는, 센서를 구성하는 다수 소자의 센싱 영역을 작게 분리하고, 각 소자의 감지여부에 따라 미세동작을 검출하는 원리를 이용한다.
그러나, 이러한 장치는 반드시 소자를 4개 이상 구비하는 쿼드로(Quadrature) 이상 타입의 센서를 이용하여야 하고, 싱글 또는 듀얼 타입의 센서를 이용하는 경우에는 목적을 충분하게 달성할 수 없었다. 또한, 미세한 동작을 감지하기 위하여 광학계의 배율등을 조정함으로써 각 소자의 감지영역을 작게 하는 경우에는 전체의 감지영역이 작아지고, 반대로 전체 감지영역을 크게 하는 경우에는 감지할 수 있는 미세동작에 제한이 있다.
또한, 초퍼나 광셔터를 이용하지 않고 대상체의 미세동작을 감지할 수 있는 장치가 제258415호 한국특허에 개시되어 있는 바, 이 장치는 물체로부터 방사된 적외선을 인가받아 온도에 비례하는 전압을 출력하는 온도감지부와, 물체로부터 방사된 적외선을 인가받아 물체의 이동을 감지하는 움직임 감지부와, 움직임 감지부에 의하여 인체의 움직임이 감지된 경우에 제어신호를 발생한 다음 온도 감지부의 출력전압이 있는 동안 그 제어신호를 유지하는 제어부와, 제어부의 제어신호가 종료되면 인에이블되어 제어 대상물의 구동을 소정시간동안 유지시키는 타이머, 및 감광센서로 이루어져 있다.
상기 장치에서 움직임 감지부에서는 초전형 적외선 소자를 이용하고, 온도 감지부에서는 써모파일(thermopile)을 이용하고 있으며, 제어부는 움직임 감지부에 의하여 인체 이동이 감지되면 일단 타이머를 구동하기 위한 제어신호를 발생하고, 온도감지기의 신호가 있는 동안(즉, 대상 인체가 동작범위내에 있는 동안)에는 제어신호를 유지한다. 이렇게 함으로써, 종래의 자동 점등장치의 경우 사람이 센서 아래에 소정시간 이상 정지해 있는 경우에 이를 감지하지 못하여 소등되는 단점을 보완하고자 한 것이다.
그러나, 이러한 장치에서는 비록 기계적으로 적외선을 단속하는 초퍼나 광셔터는 구비하고 있지 않지만, 초전형 센서 이외에 인체의 방출 적외선에 비례하는 전압을 출력하는 온도감지부, 즉 써모파일부분을 추가적으로 구비하고 있다. 이러한 써모파일은 주위온도에 대한 대상체의 상대온도를 감지할 수 있는 소자로서, 주위온도가 인체의 체온과 유사한 경우에는 적절하게 동작하지 못한다. 따라서 상기 특허에서는 센서부를 냉각 또는 가열하기 위한 냉각/가열부를 추가로 구비하여야 하므로 장비가 복잡해지고 비싸진다는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 점에 착안한 것으로, 초퍼/광셔터와 같은 단속장치 또는 추가적인 온도감지부를 구비하지 않고, 종래의 싱글 또는 듀얼타입의 간단한 초전형 적외선 센서를 이용한 감지장치에 간단한 구조의 공간필터(spatial filter)를 부가함으로써, 인체 또는 적외선 발산물체의 미세한 동작(이동)을 감지할 수 있게 하였다.
본 발명의 목적은 대상물의 미세동작을 감지할 수 있는 초전형 적외선 감지장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 구조의 공간필터를 이용함으로써, 초퍼등의 다른 수단 없이도 적외선 발산물체의 미세한 동작까지 감지할 수 있는 적외선 감지장치를 제공하는 것이다.
도 1은 일반적인 초전형 적외선 센서의 입·출력 특성을 도시한다.
도 2는 본 발명에 의한 공간필터를 이용한 미세감지장치의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 의한 장치에 대한 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 공간필터의 여러 실시형태를 도시한다.
도 5는 본 발명에 이용되는 적외선 집속 광학계의 실시예를 도시한다.
도 6은 본 발명에 의한 감지제어부의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것으로, 도 7은 종래의 적외선 감지기의 경우이고, 도 8은 본 발명에 의한 것이다.
도 9a는 본 테스트에 사용된 단면 프레넬렌즈의 형상 및 시야각을 도시한다.
도 10은 동일한 프레넬렌즈를 사용한 경우에 있어서, 본 발명과 종래의 적외선 감지기의 감지민감도를 설명하기 위하여, 감지영역과 감지 스펙트럼을 도시한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 적외선 미세 감지장치는, 초전형 적외선 센서부와, 센서부 전방에 배치되고 이형상의 다수의 구멍이 형성되어 있는 판형상의 공간필터와, 센서로부터의 전기신호를 처리하여 적외선 발산물체의 움직임을 판별하는 감지제어부와, 감지제어부의 제어신호에 따라 감지결과를 출력하기 위한 출력부와, 각 부분에 전원을 공급하기 위한 전원부로 이루어져 있다.
또한, 입사 적외선을 집광하기 위하여 상기 공간필터 전방에 배치되는 집광렌즈부를 추가로 구비할 수 있으며, 이러한 집광 렌즈부는 다면 프레넬렌즈, 다면 단면(볼록)렌즈 중 하나 이상일 수 있다.
상기 공간필터는 다수의 이형상(異形狀)의 구멍을 구비하는 얇은 금속판 또는 플라스틱판으로 이루어지며, 상기 구멍은 교차적으로 배치되는 삼각형, 라운드된 삼각형, 타원형, 랜덤한 형태 중 하나 이상의 형상인 것이 바람직하다.
센서부를 구성하는 적외선 센서는 단소자(싱글형), 복소자(듀얼형), 또는 다소자형(쿼트형 이상)의 초전형(pyroelectric) 적외선 센서인 것이 바람직하다.
감지제어부는 센서부로부터의 신호를 증폭하는 증폭부, 증폭신호를 디지털화하는 아날로그-디지털 변환부(Analog-Digital Converter; ADC), 변환된 디지털 신호로부터 대상체의 미세동작을 판별하는 마이크로프로세서로 이루어지는 것이 바람직하다.
출력부는 감제제어부로부터의 제어신호를 입력받아 소정시간동안 본 발명에 의한 장치와 연결되어 있는 외부 응용기기(자동조명기기, 가전제품 등)의 작동을 유지시켜주는 타이머이거나, 음향, 화면 등의 형태로 직접 감지결과를 통보하기 위한 다른 수단일 수 있다.
이하에서는 첨부되는 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 공간필터를 이용한 미세감지장치의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 장치는 크게 적외선 센서부(100), 공간필터(200), 감지제어부(300), 전원부(400), 및 출력부(500)로 이루어져 있다. 또한, 선택적으로 공간필터 전방에 배치되는 프레넬(fresnel)렌즈와 같은 적외선 집속광학계(600)가 추가로 구비될 수 있다.
적외선 센서부(100)는 단소자, 복소자 또는 다소자 형태의 초전형 적외선 센서(pyroelectric Infrared sensor)를 이용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 써모파일이나 양자형 적외선 센서 등일 수도 있다.
이러한 초전형 적외선 센서는 입사되는 적외선에 기인하는 온도변화에 비례하여 전압을 발생하는 강유전체를 이용하여 벌크(bulk) 또는 박막(thin film) 형태로 제작되고, 포함된 기본소자의 수에 따라 싱글형(Single), 듀얼형(Dual), 쿼드형(Quad)으로 구분이 되는바, 소자의 수가 많을수록 감도가 좋고 정확한 인체 감지가 되나 가격이 비싸기 때문에 일반적으로 듀얼형을 사용한다.
적외선 센서부(100)는 1 이상의 초전형 적외선 센서가 인쇄기판(PCB)상에 배치되는 형태로 구현될 수 있으며, 각 초전형 센서의 출력이 전술한 감지제어부의 입력으로 인가된다. 초전형 적외선 센서는 소자에서 발생한 미세전류를 높은 저항을 이용하여 전위차를 높게한 후 FET(Field-Effect Transistor)를 통하여 출력신호를 출력하도록 소정의 회로를 포함하는 개념이다. 이러한 초전형 적외선 센서의 회로는 프린트 기판상에 저항소자를 마운트하거나, 저항성분을 스크린 프린트함으로써 형성할 수 있으며, 이와 관련된 기술은 제237556호 한국특허출원 명세서에 개시되어 있다.
초전형 센서를 이루는 강유전체의 재료로는 단결정(single crystal)형의 TGS (Triglycine Sulphate), DTGS (Deuterated TGS), LiTiO3, (Sr,Ba)Nb2O6, (세라믹) PZT 등이 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태의 초전형 적외선 센서가 상용화되어 있으므로 그 상세한 설명은 생략한다.
공간필터(200)는 도 4에 도시되는 바와 같이, 예를 들면 삼각형, 라운드된 삼각형, 타원형 등의 형상을 가지는 구멍이 교차적으로 다수 형성되어 있는 얇은 금속판 또는 플라스틱판으로 이루어져 있다. 필터의 구멍의 형상은 반드시 전술한 예에 한정되는 것은 아니며, 균일 또는 불균일하게 판의 전체에 걸쳐 다수의 구멍이 형성되어 있으면 된다. 또한, 구멍의 크기에도 제한이 없으나, 필터에 작은 구멍이 다수 형성되어 있고, 적외선 센서의 수가 많은 경우 감지 민감도가 증가할 수 있을 것이다.
공간필터(200)의 재료에는 특별한 한정이 있는 것은 아니지만, 알루미늄, SUS, 구리(Cu) 등과 같이 적외선에 대하여 불투명한 재료가 바람직하다. 또한, 공간필터에 형성된 구멍(또는 셀)의 크기가 작을수록, 또한 구멍간의 간격이 좁을수록 더 민감해진다.
감지제어부(300)는 센서부로부터의 신호를 입력받아 적외선 방출대상의 존재여부 및 미세동작을 판별하고, 그 감지결과를 출력하거나 감지결과에 따른 제어신호를 외부 응용 기기 구동회로로 송출하기 위한 것으로 그 상세한 구성은 아래에서 도 6과 관련하여 설명한다.
출력부(500)는 전술한 바와 같이, 응용되는 분야에 따라 타이머, 디스플레이 패널, 알람, 무선 송신기 등의 형태를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
적외선 집속 광학계(600)는 대상으로부터 방출되는 적외선을 센서부에 집중시키기 위하여 사용되며, 그 실시예에 대해서는 도 5와 관련하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 장치에 대한 개략적인 단면도로서, 적외선 센서부(100) 및 감지제어부(300)가 PCB(Printed Circuit Board; 10) 상에 마운트되어 있으며, 센서부의 상부측에는 본 발명에 의한 공간필터(200)가 배치되어 있다. 또한, 선택적으로 공간필터 상부에는 적외선 집속 광학계(600)가 배치되어 있을 수있다. 공간필터는 적외선 집속 광학계와 센서부 사이의 어떠한 곳에 배치되어도 무방하지만, 광학계측에 가까이 배치되는 것이 더 바람직하다.
도 4는 본 발명에 의한 공간필터(200)의 여러 실시형태를 도시하는 것으로, 판에 형성되어 있는 구멍의 형상에 따라 세가지 형태로 구분하였다.
공간필터(200)는 알루미늄, 철 등으로 이루어지는 금속판 또는 플라스틱 판(210)에 이형상(異形狀)의 구멍(220a, 220b, 220c)을 형성함으로써 제작되며, 구멍의 형상은 도 4a와 같은 긴 삼각형, 도 4b와 같은 정삼각형 및 도 4c와 같은 라운드된 삼각형(또는 삼각 타원형) 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 전술한 형태의 구멍이 형성된 금속박판은 제작 또는 입수하기 용이하기 때문에 장점을 가지는 것이며, 반드시 그러한 형태가 아니더라도, 예를 들어, 랜덤한 형태의 구멍을 다수 형성하여도 무방하다. 그러나, 구멍이 정방형인 것보다는 비대칭 타원형, 비대칭 삼각형, 임의의 형상 등이 배열된 것이 더 바람직하다.
도면에서는 각 형상의 구멍이 정립상과 역립상으로 교차 배치되어 있으나, 반드시 이러한 배치에 한정되는 것은 아니며, 구멍이나 공간필터의 크기도 응용되는 분야에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
공간필터를 이용함으로써 적외선 감지 민감도를 높일 수 있는 원리에 대해서는 도 7 및 8을 참고로 아래에서 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명에 이용되는 적외선 집속 광학계의 실시예를 도시하는 것이다.
도 5a는 다면체의 볼록렌즈로 이루어진 광학계를 도시하며, 도 5b는 다면체의 프레넬렌즈(fresnel lens)의 단면을 도시한다. 적외선 센서 전방에 배치되어 대상으로부터의 적외선을 센서부에 집속하기 위한 광학계 또는 렌즈는 종래의 자동감지장치에서도 일반적으로 이용되는 것으로서, 감지 영역을 세분하기 위하여 주로 다면체로 이루어져 있다. 본 발명에서는 종래의 여하한 형태의 광학계를 이용하여도 무방하며, 그 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시예에 사용된 광학계는 다면 프레넬렌즈로서 그에 대해서는 도 9를 참고로 아래에서 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명에 의한 감지제어부의 구성을 도시하는 블록도이다.
본 발명에 사용되는 감지제어부(300)는 크게 적외선 센서부(100)로부터의 신호를 증폭하기 위한 증폭부(310)와, 증폭된 아날로그 신호를 마이크로프로세서가 처리가능한 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환부(A/D 변환부; 320)와, 입력된 신호의 크기 변화를 기초로 인체의 미세동작 또는 대상의 존재여부를 판별하고 적절한 제어신호를 송출하는 마이크로프로세서(330)로 이루어져 있다. 마이크로프로세서는 내부 타이머 또는 인터럽트 기능 등을 이용하여 소정 시간 간격마다 신호를 입력받아 인체의 존재여부를 감지한다.
또한, 선택적으로 신호에 존재하는 노이즈를 제거하기 위한 필터부(350)를 추가로 구비할 수 있다. 적외선 센서로부터의 출력에는 60Hz 이상의 화이트 노이즈가 포함되어 있으며, 이러한 노이즈는 적외선에 의한 본 신호에 비하여 무시할 수 없을 정도로 큰 값이기 때문에 증폭 이전 또는 이후에 제거되어야 한다. 이를 위하여 전술한 필터부는 예를 들면, 수십 Hz미만의 차단주파수(cutoff frequency)를 가지는 저주파수 대역 필터(Low Pass Filter)로 구현될 수 있다.
출력부(500)가 타이머인 경우에는 마이크로프로세서(330)로부터의 제어신호가 타이머(500)로 송출되고, 타이머는 필요한 시간만큼 외부 응용기기, 즉 조명기기, 가전제품 등의 작동을 유지한다.
예를 들면, 자동점등 조명기구의 경우라면 인체의 미세동작 등으로 대상이 존재한다고 판별된 경우에 약 10초 내지 60초 정도 조명이 점등되어 있도록 조절하는 경우와 같다.
또한, 본 발명에 의한 감지장치가 방범용 또는 의료용(예를 들면, 이동불가능한 환자의 이동상태 감지) 등으로 이용되는 경우에는 인체의 미세동작을 감지한 즉시, 출력부로 결과를 출력할 수 있다. 출력부가 스피커인 경우에는 알람 형태로 출력하고, 디스플레이 패널형태인 경우에는 감지결과를 화면형태로 출력하며, 무선 송수신기 형식을 이용하는 경우에는 출력부인 송신기를 통하여 수신기로 결과를 송출한다.
마이크로프로세서(300)는 소정 시간 간격마다 신호를 입력받고, 이전의 신호와 크기를 비교하여 그 차이가 소정의 임계치를 초과하는 경우에 대상이 존재한다고 판단한다. 임계치는 증폭도, 응용분야, 실험치 등에 의하여 정하여 질 수 있으며, 임계치에 의하여 장치의 민감도(sensitivity)가 결정된다.
본 발명에 의한 공간필터를 이용함으로써 인체의 미세한 동작을 감지할 수 있는 원리는 다음과 같다.
적외선 집속 광학계를 구성하는 프레넬 렌즈의 일면의 시야범위는 전방에 있는 다수의 구멍이 형성된 박판인 공간필터로 인하여 다면의 범위로 나누어지게 되고, 결과적으로 그 시야범위가 세분화되기 때문에 인체의 호흡이나 미동의 동작에 의해서도 센서부에 입사되는 적외선의 세기가 변화된다.
즉, 공간필터로 인하여 센서가 감지할 수 있는 공간영역이 구멍의 개수에 비례하여 세분화되고, 센서의 출력은 세분화된 영역에서 입사되는 적외선 량의 총 합에 비례하기 때문에, 대상체의 미세한 동작이 있는 경우에도 각 세분화된 영역에서 입사되는 적외선 및 그 총합이 변화하는 것을 이용하는 것이다.
도 7 및 도 8은 이러한 원리를 설명하기 위한 것으로, 도 7은 종래의 적외선 감지기의 경우이고, 도 8은 본 발명에 의한 것이다.
종래의 적외선 감지기는 감지영역 내에 대상이 들어오고 나가는 경우에는 입사되는 적외선 크기가 변화하므로 감지할 수 있으나, 도 7a 및 도 7b에서와 같이 대상이 감지영역내에서 움직이는 경우에는 입사 적외선 크기는 동일하며, 이러한 경우 대상의 동작을 감지하지 못한다.
그러나, 도 8에서와 같이 본 발명에 의한 장치를 이용하면, 공간 필터의 구멍의 형상 및 개수에 따라 도면의 삼각형 구획과 같이 감지범위가 세분화된다. 따라서, 도 8a와 같이 대상이 위치하는 경우에 입사되는 적외선 총량은 (IR2+IR5+IR8)이며, 도 8b에서와 같이 대상이 약간 움직이는 경우 센서로 입사되는 적외선 총량은 (IR2+IR5+IR6+IR8)으로 변화한다. 따라서 두 경우에 입사 적외선 량은 IR6만큼 차이가 생기며 이러한 차이가 출력됨으로써 대상의 미세동작을 검출할 수 있게 된다.
따라서, 공간필터의 구멍의 크기, 개수, 배치밀도 등을 적절하게 변경함으로써 감지의 민감도를 조절할 수 있을 것이다. 다만, 구멍의 밀도가 너무 낮은 경우(즉, 전체 필터면적에 대한 구멍의 총면적이 너무 작은 경우)에는 입사 적외선량이 감소하므로 감도가 떨어질 것이다.
본 발명에 의한 테스트를 위하여 종래의 적외선 인체 감지기의 프레넬렌즈 후면 전체에 공간필터로서 철제의 그물망을 붙여 사용하였다. 공간필터로 사용된 그물망은 철실의 직경이 0.3mm이고 구멍의 크기는 1.5mm×1.5mm이었다.
도 9a는 본 테스트에 사용된 종래의 프레넬렌즈의 정면도로서, 총 3단으로 이루어져 있고, 전체크기가 38mm×22mm이고 두께가 0.7mm이었다. 적외선 감지기가 측벽에 설치된 경우에 인체의 머리부분을 주로 감지하게 되는 상단은 3면으로 이루어져 있으며, 인체의 중간 몸통부분을 주로 감지하는 중단은 총 6면, 인체의 다리부분을 감지하는 하단은 총 4면으로 이루어진 프레넬렌즈를 사용하였다.
도 9b는 프레넬렌즈의 시야각을 도시하기 위한 측면도로서, 중단을 기준으로 상단은 상측으로 10도, 하단은 하측으로 22도로 설정되어 있으며, 도 9c는 각단의 시야각을 나타내기 위한 평면도로서, 상단은 20도, 중단은 80도, 하단은 60도의 시야각을 가진다.
도 10은 동일한 프레넬렌즈를 사용한 경우에 있어서, 본 발명과 종래의 적외선 감지기의 감지민감도를 설명하기 위하여, 감지기에서 2.5m 떨어진 곳에서의 감지영역과 감지 스펙트럼을 도시한다.
도 10a에서와 같이 종래의 적외선 감지기는 상단에서 크게 3부분으로 나누어져 있는 단면부분 각각의 셀의 적외선 입사량의 변화가 있는 경우에만 대상을 감지할 수 있기 때문에, 대상의 큰 동작변화만 감지할 수 있다. 이는 하단과 중단의 경우에도 동일하게 적용된다.
반면, 도 10b에서와 같이 본 발명에 의한 격자형 공간필터를 프레넬렌즈 후면에 배치시키면, 공간필터의 구멍이 프레넬렌즈 각각의 단면영역(셀)을 다시 세분화시켜 대상의 아주 작은 변화에도 적외선 입사량이 변화하게되며 감지성능이 향상되게 된다.
실제 실험결과, 종래의 자동점등장치 또는 가전제품(TV, 에어컨 등)에 사용된 적외선 감지장치는 감지범위 내에 있는 사람이 머리나 손을 약간(수 cm 정도) 흔드는 경우에 이를 감지하지 못하였으나, 본 발명에 의한 공간 필터를 구비한 장치에서는 1cm 미만의 미세동작이 있는 경우에도 이를 감지할 수 있었다.
따라서, 감지영역이 다른, 즉 단면의 개수나 배치등이 다른 프레넬렌즈를 선택함으로써 전체 감지영역을 조절할 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 공간필터를 이용한 적외선 감지장치를 이용하면, 종래의 기계식 초퍼나 광셔터 또는 부가적인 온도감지부 없이도, 감지영역내에 있는 대상의 미세한 동작도 감지할 수 있다.
이러한 장비는 종래의 인체감지기가 적용되던 자동점등조명장치, TV, 에어컨과 같은 가전제품, 방범용 제품 등에 장착되어, 인체의 존재여부를 더 정밀하게 감지함으로써 제품의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 장비는 움직일 수 없는 환자의 미세동작을 감지하는의료용 기기나, 미세한 동작까지 감지할 수 있는 감시장비 등에 응용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 적외선 센서부(100);
    센서부 전방에 배치되고 다수의 구멍이 형성되어 있는 판형상의 공간필터(200);
    센서부로부터의 전기신호를 처리하여 적외선 발산물체의 미세동작을 판별하는 감지제어부(300);
    감지제어부의 제어신호에 따라 감지결과를 출력하기 위한 출력부(500); 및,
    각 부분에 전원을 공급하기 위한 전원부(400);
    적외선 발산 물체로부터의 적외선을 센서부에 집속하기 위하여 상기 공간필터 상부에 배치되는 다면 볼록렌즈 또는 다면 프레스넬 렌즈로 이루어지는 집속광학계(600);를 포함하며
    상기 적외선 센서부는 단소자형, 복소자형, 다소자형 중 하나의 초전형 적외선 센서로 이루어지고,
    상기 공간필터(200)는 다수의 구멍이 형성되어 금속판 및 플라스틱판 중 하나로 이루어지고,
    상기 구멍의 형상은 삼각형, 라운드된 삼각형(삼각 타원체) 중 하나이고, 다수의 구멍이 서로 정·역립상이 교차적으로 배치되는 형태와;
    구멍의 형상 및 배치가 임의의 랜덤한 형상 및 배치인 형태 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적외선 센서 및 공간필터를 이용한 미세동작 감지장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지제어부(300)는,
    센서부로부터의 신호를 증폭하는 증폭부(310),
    증폭신호를 디지털화하는 아날로그-디지털 변환부(Analog-Digital Converter; 320),
    변환된 디지털 신호로부터 대상체의 미세동작을 판별하는 마이크로프로세서(330);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 공간필터를 이용한 미세동작 감지장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력부(500)는,
    감지제어부로부터의 제어신호를 입력받아 소정시간동안 소정의 외부 응용기기의 작동을 유지시켜주는 타이머;
    음향형태로 감지결과를 출력하는 음향출력수단;
    시각적인 결과를 출력하기 위한 디스플레이 수단;
    무선 수신기로 결과를 송출하기 위한 무선 송신 수단; 중 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적외선 센서와 공간필터를 이용한 미세동작 감지장치.
  7. 삭제
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