JP2009109508A - 人体検知センサ - Google Patents

Abstract

【課題】誤検出を防止して検知エリア内の人を確実に検出できるようにした人体検知センサを提供する。
【解決手段】人体検知センサ１は、対象空間に強度が周期的に変化する強度変調光を照射する発光源５、および、受光光量に応じた電気出力を発生する複数個の感光部が配列されて対象空間を撮像する光検出素子３を具備し、画素値が距離値である距離画像を生成する距離画像センサ部２と、距離画像センサ部２の距離画像をもとに検知エリアにおける人の存否を検出する信号処理回路１０とを備える。信号処理回路１０は、水平面内を距離画像センサ部２の設置位置を中心とする同心円状の境界で複数のエリアに分割し、各々のエリア毎に各エリアに対応する画素の画素値の上限値を、設置位置から遠いエリアほど上限値が大きくなるように段階的に設定することで、略一定の高さまでの範囲を検知エリアから外している。
【選択図】図１

Description

本発明は、人体検知センサに関するものである。

この種の人体検知センサとしては、例えば建物の無目壁面や天井などに設置されて自動ドアへの進入路において人の存否を検出するために用いられるものが従来より提供されている（例えば特許文献１参照）。
特許第３４５８７３８号公報

ところで、自動ドアの開閉用途に用いられる人体検知センサとしては、人やカートなどを検知する必要があるため赤外線反射方式のセンサを用いるものが主流であるが、使用環境によっては自動ドアの前方の通路を通過しているだけの人を検知して、自動ドアが誤動作してしまうという問題がった。また、焦電素子のような赤外線検出素子を用いる人体検知センサでは、静止している人物を検出できないため、自動ドアの開閉用途で用いる場合には挟まれ防止用のセンサを補助的に設置する必要があった。

また人体検知センサでは、検知エリア内を犬や猫などの小動物が移動したり、検知エリア内で急激な温度変化が発生すると、誤検出が発生する可能性があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、誤検出を防止して検知エリア内の人を確実に検出できるようにした人体検知センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、対象空間を撮像して距離値を画素値とする距離画像を生成する距離画像センサ部と、距離画像センサ部の設置高さおよび距離画像の各画素毎の視線方向の情報を用いて略一定の高さまでの範囲を検知エリアから外すエリア設定手段と、距離画像センサ部から入力される距離画像をもとに、エリア設定手段により設定された検知エリア内で人の存否を検出する人体検出部とを備え、エリア設定手段は、水平面内を距離画像センサ部の設置位置を中心とする同心円状の境界で複数のエリアに分割し、各々のエリア毎に各エリアに対応する画素の画素値の上限値を、設置位置から遠いエリアほど上限値が大きくなるように段階的に設定することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、エリア設定手段が、距離画像センサ部の設置高さおよび距離画像の各画素毎の視線方向の情報を用いて略一定の高さまでの範囲を検知エリアから外しているので、犬や猫などの小動物の背丈よりも高い略一定の高さまでの範囲を検知エリアから外すことによって、小動物を誤検出してしまうのを防止でき、且つ、人体検出部は、距離画像センサ部から入力される距離画像をもとに検知エリア内で人の存否を検出しているので、周囲の急激な温度変化による誤検出を防止できるという効果もある。さらに、エリア設定手段は、水平面内を距離画像センサ部の設置位置を中心とする同心円状の境界で分割した複数のエリア毎に、対応する画素の画素値の上限値を、センサの設置位置から遠いエリアほど上限値が大きくなるように段階的に設定しているので、略一定の高さまでの範囲を検知エリアから外すことができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は人体検知センサの一実施形態のブロック図であり、この人体検知センサ１は距離画像センサ部２と、信号処理回路１０とを主要な構成として備え、信号処理回路１０から負荷１２の動作を制御する負荷制御回路１１に対して人体の検知信号が出力される。本実施形態の人体検知センサ１は、例えば建物の無目壁や天井や軒天井などに設置されて自動ドアへの進入路や窓などの開口部の周辺において人の存否を検出するためのものであり、図３は建物３０の屋外側の無目壁面３１に設置されて、下方にある窓３２への不審者１００の接近を検出する場合の施工例を示している。

先ず本実施形態で用いる距離画像センサ部２の構成を説明する。図１および図２に示すように、距離画像センサ部２は窓３２の外側に設定した対象空間３３に光を照射する発光源５を備えるとともに、対象空間３３からの光を受光し受光光量を反映した出力値の電気出力が得られる光検出素子３を備えており、対象空間３３に存在する対象物（人体１００など）までの距離は、発光源５から対象空間３３に光が照射されてから対象物での反射光が光検出素子３に入射するまでの時間（「飛行時間」と呼ぶ）によって求められる。ただし、飛行時間は非常に短いから、対象空間３３に照射する光の強度が一定周期で周期的に変化するように変調した強度変調光を用い、強度変調光を受光したときの位相を用いて飛行時間を求めている。

すなわち、図１１（ａ）に示すように、発光源５から空間に放射する光の強度が曲線イのように変化し、光検出素子３で受光した受光光量が曲線ロのように変化するとすれば、位相差ψは飛行時間に相当するから、位相差ψを求めることにより対象物までの距離を求めることができる。また、位相差ψは、曲線イの複数のタイミングで求めた曲線ロの受光光量を用いて計算することができる。たとえば、曲線イにおける位相が０度、９０度、１８０度、２７０度の位相で求めた曲線ロの受光光量がそれぞれＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３であるとする。ただし、各位相における受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３は、瞬時値ではなく所定の時間Ｔｗで積算した受光光量を用いる。いま、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を求める間に、位相差ψが変化せず（つまり、対象物までの距離が変化せず）、かつ対象物の反射率にも変化がないものとする。また、発光源５から放射する光の強度を正弦波で変調し、時刻ｔにおいて光検出素子３で受光される光の強度がＡ・ｓｉｎ（ωｔ＋δ）＋Ｂで表されるものとする。ここに、Ａは振幅、Ｂは外光成分、ωは角振動数、δは位相である。光検出素子３で受光する受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を時間Ｔｗの積算値ではなく瞬時値とすれば、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３は、次のように表すことができる。

Ａ０＝Ａ・ｓｉｎ（δ）＋Ｂ
Ａ１＝Ａ・ｓｉｎ（π／２＋δ）＋Ｂ
Ａ２＝Ａ・ｓｉｎ（π＋δ）＋Ｂ
Ａ３＝Ａ・ｓｉｎ（３π／２＋δ）＋Ｂ
ここに、δ＝−ψであるから、Ａ０＝−Ａ・ｓｉｎ（ψ）＋Ｂ、Ａ１＝Ａ・ｃｏｓ（ψ）＋Ｂ、Ａ２＝Ａ・ｓｉｎ（ψ）＋Ｂ、Ａ３＝−Ａ・ｃｏｓ（ψ）＋Ｂであり、結果的に、各受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３と位相差ψとの関係は、次式のようになる。

ψ＝ｔａｎ^−１｛（Ａ２−Ａ０）／（Ａ１−Ａ３）｝ …（１）
なお、上記の式（１）では受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の瞬時値を用いているが、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３として時間Ｔｗにおける積算値を用いても、式（１）より位相差ψを求めることができる。

ところで、対象空間３３に照射する光の強度を変調するために、発光源５としては、たとえば多数個の発光ダイオードを一平面上に配列したものや半導体レーザと発散レンズとを組み合わせたものなどを用いる。また、発光源５は、制御回路部７から出力される所定の変調周波数である変調信号によって駆動され、発光源５から放射される光は変調信号により強度が変調される。制御回路部７では、たとえば２０ＭＨｚの正弦波で発光源５から放射する光の強度を変調する。なお、発光源５から放射する光の強度は正弦波で変調する以外に、三角波、鋸歯状波などで変調してもよく、要するに、一定周期で強度を変調するのであれば、どのような構成を採用してもよい。

光検出素子３は、規則的に配列された複数個の感光部３ａを備える。また、感光部３ａへの光の入射経路には受光光学系４が配置される。感光部３ａは光検出素子３において対象空間３３からの光が受光光学系４を通して入射する部位であって、感光部３ａにおいて受光光量に応じた量の電荷を生成する。また、感光部３ａは、平面格子の格子点上に配置され、たとえば垂直方向（つまり、縦方向）と水平方向（つまり、横方向）とにそれぞれ等間隔で複数個ずつ並べたマトリクス状に配列される。

受光光学系４は、光検出素子３から対象空間３３を見るときの視線方向と各感光部３ａとを対応付ける。すなわち、受光光学系４を通して各感光部３ａに光が入射する範囲を、受光光学系４の中心を頂点とし各感光部３ａごとに設定された頂角の小さい円錐状の視野内とみなすことができる。したがって、発光源５から放射され対象空間３３に存在する対象物で反射された反射光が感光部３ａに入射すれば、反射光を受光した感光部３ａの位置によって、受光光学系４の光軸を基準方向として対象物の存在する方向を知ることができる。

受光光学系４は一般に感光部３ａを配列した平面に光軸を直交させるように配置されるから、受光光学系４の中心を原点とし、感光部３ａを配列した平面の垂直方向と水平方向と受光光学系４の光軸とを３軸の方向とする直交座標系を設定すれば、対象空間３３に存在する対象物の位置を球座標で表したときの角度（いわゆる方位角と仰角）が各感光部３ａに対応する。なお、受光光学系４は、感光部３ａを配列した平面に対して光軸が９０度以外の角度で交差するように配置することも可能である。

本実施形態では、上述のように、対象物までの距離を求めるために、発光源５から対象空間３３に照射される光の強度変化に同期する４点のタイミングで受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を求めている。したがって、目的の受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を得るためのタイミングの制御が必要である。また、発光源５から対象空間３３に照射される光の強度変化の１周期において感光部３ａで発生する電荷の量は少ないから、複数周期に亘って電荷を集積することが望ましい。そこで、図２に示すように各感光部３ａで発生した電荷をそれぞれ集積する複数個の電荷集積部３ｃを設けるとともに、各感光部３ａにおいて利用できる電荷を生成する領域の面積を変化させることにより各感光部３ａの感度をそれぞれ調節する複数個の感度制御部３ｂを設けている。

各感度制御部３ｂでは、感度制御部３ｂに対応する感光部３ａの感度を上述した４点のうちのいずれかのタイミングで高め、感度が高められた感光部３ａでは当該タイミングの受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を主として生成するから、当該受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を当該感光部３ａに対応する電荷集積部３ｃに集積させることができる。

ところで、感度制御部３ｂは感光部３ａにおいて利用できる電荷を生成する領域の面積（実質的な受光面積）を変化させることにより各期間の電荷の生成量を変化させるものであるから、電荷集積部３ｃに集積された電荷は必ずしも受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３が得られる期間に生成された電荷だけではなく、他の期間に生成された電荷も混入することになる。いま、感度制御部３ｂにおいて、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応した電荷を生成する期間の感度をα、それ以外の期間の感度をβとし、感光部３ａは受光光量に比例する電荷を生成するものとする。この条件では、受光光量Ａ０に対応した電荷を集積する電荷集積部３ｃには、αＡ０＋β（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３）＋βＡｘ（Ａｘは受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３が得られる期間以外の受光光量）に比例する電荷が蓄積され、受光光量Ａ２に対応した電荷を集積する電荷集積部３ｃには、αＡ２＋β（Ａ０＋Ａ１＋Ａ３）＋βＡｘに比例する電荷が蓄積される。上述したように、位相差ψを求める際には（Ａ２−Ａ０）を求めており、Ａ２−Ａ０＝（α−β）（Ａ２−Ａ０）になり、同様にしてＡ１−Ａ３＝（α−β）（Ａ１−Ａ３）になるから、（Ａ２−Ａ０）／（Ａ１−Ａ３）は電荷の混入の有無によらず理論上は同じ値になるのであって、電荷が混入しても求める位相差ψは同じ値になる。

なお感光部３ａと感度制御部３ｂと電荷集積部３ｃとを備える光検出素子３は１つの半導体装置として構成され、光検出素子３には電荷集積部３ｃに集積された電荷を半導体装置の外部に取り出すために電荷取出部３ｄが設けられる。電荷取出部３ｄはＣＣＤイメージセンサにおける垂直転送部および水平転送部と同様の構成を有する。

上述のように各感光部３ａでは受光光量に応じた量の電荷を生成するから、各受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３は対象物の明るさを反映している。つまり、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の加算値あるいは平均値は濃淡画像における濃度値に相当する。換言すれば、各感光部３ａでの受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３から対象物までの距離を求めるほか、対象物の濃度値も得ることが可能になる。しかも、同じ位置の感光部３ａを用いて対象物の距離と濃度値とを求めるから、同じ位置について濃度値と距離との両方の情報を得ることができる。

このようにして電荷取出部３ｄから取り出された電荷はＡ／Ｄ変換部９によりデジタル量に変換された後、ＤＳＰよりなる画像生成部８に画像信号として与えられ、画像生成部８において対象空間３３内の対象物までの距離が上述の数式を用いて受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３から算出される。すなわち、画像生成部８では各感光部３ａに対応した各方向における対象物までの距離が算出され、対象空間３３の三次元情報が算出される。この三次元情報を用いると、対象空間３３の各方向に一致する画素の画素値が距離値である距離画像を生成することができる。また、画像生成部８では各感光部３ａで得られた濃度値に基づいて必要に応じて対象空間３３の濃淡画像を生成する。なお本実施形態では制御回路部７と画像生成部８とを１チップのＡＳＩＣ６で構成している。

そして、距離画像センサ部２の画像生成部８で得られた対象空間３３の距離画像は信号処理回路１０に入力され、信号処理回路１０によって対象空間３３内で人の存否を検出する処理が行われる。

ここで、信号処理回路１０では、各画素の画素値（距離値）の入力範囲を所定の上限値以下に制限することで、センサの検知エリアを所定の上限値以下に制限しており、例えば図３（ｂ）に示すように人体検知センサ１の設置位置Ｐ０を中心とする半径Ｒの球を四角錐形状に切り出したような検知エリア３４に制限されている。なお、人体検知センサ１の検知エリアを上記の領域に限定する趣旨のものではなく、各画素の視線方向に応じて画素値の上限値を変化させることで、センサの検知エリアを図３（ａ）に示すように設置位置Ｐ０を頂点とし、斜辺の長さがＬとなるような四角錐形状のエリア３３に設定しても良い。

さらに、信号処理回路１０では、人体検知センサ１の設置高さや各画素毎の視線方向のデータなどを用いて、略一定の高さＨまでの範囲（不感帯領域）を検知エリア３４から外している（図４参照）。信号処理回路１０は、例えば図５（ａ）に示すように水平面内を人体検知センサ１の設置位置を中心とする同心円状の境界Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３で複数のエリアＳ１，Ｓ２，Ｓ３に分割し、各エリアＳ１，Ｓ２，Ｓ３毎に、各エリアＳ１，Ｓ２，Ｓ３に対応する画素の視線方向と人体検知センサ１の設置高さＨ０とをもとに、地面（床面）から高さＨまでの範囲が検知エリアから外れるように各エリアＳ１，Ｓ２，Ｓ３に対応する画素の画素値を一定距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３以下に制限している。この場合、鉛直平面内で各エリアＳ１，Ｓ２，Ｓ３を見ると、各々のエリアＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、人体検知センサ１の設置位置Ｐ０を中心とする半径がＬ１，Ｌ２，Ｌ３の扇形の領域になるが、各エリアＳ１，Ｓ２，Ｓ３は図５（ｂ）に示すように水平面内における幅が略一定値Ｗとなるように分割しても良いし、図５（ｃ）に示すように鉛直平面内で見たときの中心角θ１，θ２，θ３が略等角度となるように分割しても良い。なお、不感帯領域の高さのばらつきを小さくするには、各エリアＳ１…を細かく区分することが望ましい。また、各エリアＳ１，Ｓ２，Ｓ３を分ける同心円状の境界Ｃ１…とは、人体検知センサ１の設置位置を中心とする円形の境界でも良いし、人体検知センサ１の設置位置を１つの定点とする楕円形状状の境界でも良い。

以上のようにして、高さＨまでの不感帯領域を外した検知エリア３４’が設定されるのであるが、信号処理回路１０では検知エリア３４’内の距離画像をもとに以下の判定処理を行う。先ず信号処理回路１０は、図１０（ａ）（ｂ）に示すように電源投入時や警戒セット時において距離画像センサ部２から入力された距離画像をもとに、検知エリアを上記のエリア３４’に制限した画像を作成し、背景画像として登録してあり、この背景画像と、距離画像センサ部２から入力される距離画像を上記の検知エリア３４’に制限した画像との差分演算を行い、差分画像と予め登録してあるテンプレート画像とのテンプレートマッチングを行うことによって、検知エリアにおける人の存否を判断する。そして、信号処理回路１０は検知エリアにおける人の存在を検知すると、負荷制御回路１１に発報信号を送出し、負荷制御回路１１により負荷１２を制御させる。ここで、自動ドアの制御用に用いる場合には、負荷制御回路１１が信号処理回路１０からの発報信号に基づいてモータのような負荷１２を駆動して、自動ドアを開閉させる。また窓３２周辺の警戒用に用いる場合には、負荷制御回路１１が信号処理回路１０からの発報信号に基づいてスピーカやランプなどの負荷１２を駆動することで、音や光で侵入者を検知したこと報知したり侵入者を威嚇するのである。

このように、信号処理回路１０では、検知エリア３４から略一定の高さＨまでの範囲を外したエリア内で人の存否を判定しており、不感帯領域の高さＨを犬や猫などの小動物１１０の背丈よりも高めに設定することで、小動物１１０の誤検出を防止することができ、また距離画像を用いて人の存否を判定しているので、ＰＩＲセンサを用いる場合のように周囲環境の急激な温度変化を誤検出することはなく、静止している人物も検出することが可能である。ここに、信号処理回路１０は、略一定の高さまでの範囲を検知エリアから外すエリア設定手段、距離画像をもとに検知エリア内で人の存否を検出する人体検出部、および、距離画像センサ部２から入力された距離画像を背景画像として登録する背景画像登録手段として機能する。

なお、本実施形態では信号処理回路１０が、検知エリア３４から高さＨまでの範囲を外すことで小動物１１０の誤検出を防止しているが、図６（ａ）（ｂ）に示すように水平面内において人体検知センサ１の設置位置Ｐ０を中心とする半径Ｒ１の範囲Ｓ１０内に検知エリア３４を制限しても良く、この範囲Ｓ１０の外側にいて窓３２や自動ドアの近くに来ていない無関係の人まで検出してしまうのを防止できる。

また信号検出回路１０は、距離画像センサ部２から入力される距離画像と背景画像との背景差分をとることで、検知エリア３４内における人の存否を判定しているが、人の存在を検出した場合にはフレーム間差分を行うことによって検出した人の移動方向を求め、その移動方向が検知エリア内の特定地点（例えば自動ドアや窓などの開口部）に近付く向きであれば、人の検知情報を負荷制御回路１１に出力するようにしても良い。一般的に人体検知センサ１は自動ドアあるいは窓などの開口部の上方に設置されているので、人の移動方向が人体検知センサ１の設置位置に近付く向きであれば、人の検知情報を負荷制御回路１１に出力するようにしても良い。

ここで、図７は検知エリア内を移動する人物を示しており、信号処理回路１０では、上述の判定処理を行うことによって検知エリア内の２人の人１００ａ，１００ｂを検出するとともに、距離画像のフレーム間差分を行うことによって２人の人１００ａ，１００ｂの移動方向Ｄ１，Ｄ２を検出しており、その移動方向Ｄ１，Ｄ２が検知エリア内の特定地点（例えば自動ドアや窓などの開口部、すなわち人体検知センサ１の直下の地点）に近付く向きであれば、人の検知情報を負荷制御回路１１に出力する。例えば人１００ａの移動方向Ｄ１は、無目壁面３１側に向かって無目壁面３１と垂直な方向に対して角度αで交差する方向であり、人体検知センサ１の設置位置に向かって近付く方向となっているので、人１００ａの検知情報が信号処理回路１０から負荷制御回路１１に出力される。一方、人１００ｂの移動方向Ｄ２は無地壁面３１と略平行であり、人体検知センサ１の設置位置に近付く向きとはなっていないので、人１００ｂの検知情報は信号処理回路１０から負荷制御回路１１へ出力されない。したがって、負荷制御回路１１には、人の移動方向が検知エリア内の特定地点（例えば自動ドア或いは窓などの開口部）に近付く方向の場合のみ検知信号が入力されるから、自動ドア或いは窓などの開口部に向かってこない無関係な人を検知して自動ドアを開けたり、警報を発したりするのを防止できる。

また信号検出回路１０が、上述の処理を行って検知エリア内の人の移動方向を検出した際に、その移動方向が検知エリア内の特定地点（例えば人体検知センサ１の設置位置）から離れる向きであれば、人の検知情報を負荷制御回路１１に出力しないようにしても良い。例えば図８（ａ）（ｂ）に示すように人体検知センサ１が自動ドア３５の上側の無目壁面３１に設置されて、自動ドア３５への進入路における人の存否を検出する場合、人体検知センサ１が進入路内を自動ドア３５に近付く向きに移動する人を検知すると、その検知信号に基づいて負荷制御回路１１が自動ドア３５を開けるのであるが、自動ドア３５から外側に出ていった人が自動ドア３５への進入路を人体検知センサ１から離れる向きに移動していると、信号検出回路１０から負荷制御回路１１へ人１００の検知信号が出力されないので、自動ドア３５から離れていく人を検知した信号によって自動ドア３５が開けられるのを防止できる。

また更に信号検出回路１０が、検知エリア３４内で人の存在を検知した場合に、検知した人の高さ情報を負荷制御回路１１に出力するようにしても良い。信号検出回路１０では、検知エリア３４の距離画像をもとに人の存否を判断しているので、図９に示すように人体検知センサ１の設置高さＨ０の情報と、人１００ａ，１００ｂに対応する画素の距離情報Ｌ１０，Ｌ１１およびその視線方向Ｄ４，Ｄ５の情報とを用いれば、検出した人１００ａ，１００ｂの高さ情報を求めることができる。この時、信号処理回路１０は、人の身長を複数の閾値レベルｈ１〜ｈ５（Ｈ＜ｈ１＜ｈ２＜ｈ３＜ｈ４＜ｈ５）で区分し、検出した人物１００ａ，１００ｂの身長がどの区分に含まれるかを示す高さ情報を検知信号と共に負荷制御回路１１へ出力しており、例えば負荷制御回路１１が自動ドア３５の開閉を制御する場合は、検出された人物１００ａ，１００ｂの高さ情報に基づいて、高さ情報が低いほど自動ドアの開閉速度を遅くするように負荷１２を制御しているので、身長の低い子供の場合には自動ドアの開閉速度を遅くすることができ、自動ドアの安全性が向上するという効果がある。

また本実施形態では、電源投入時や警戒セット時において信号処理回路１０が、距離画像センサ部２から入力された距離画像をもとに背景画像を作成して、新たな背景画像を登録しているので、電源投入時や警戒セット時のタイミングで背景画像を更新することで、鉢植え３６が置かれるなどして対象空間内の環境が変化した場合でもこの環境変化を誤検出してしまうのを防止できる。

次に本実施形態に用いる光検出素子３の具体的構造例を図１２〜図１５に基づいて説明する。図１２に示す光検出素子３は、複数個（たとえば、１００×１００個）の感光部３ａをマトリクス状に配列したものであって、たとえば１枚の半導体基板上に形成される。感光部３ａのうち垂直方向の各列では一体に連続する半導体層２１を共用するとともに半導体層２１を垂直方向への電荷（本実施形態では、電子を用いる）の転送経路として用い、さらに各列の半導体層２１の一端から電荷を受け取って水平方向に電荷を転送するＣＣＤである水平転送部Ｔｈを半導体基板に設ける構成を採用することができる。

すなわち、図１３に示すように、半導体層２１が感光部３ａと電荷の転送経路とに兼用された構造であって、フレーム・トランスファ（ＦＴ）方式のＣＣＤイメージセンサと類似した構造になる。また、ＦＴ方式のＣＣＤイメージセンサと同様に、感光部３ａを配列した撮像領域Ｄａに隣接して遮光された蓄積領域Ｄｂを設けてあり、蓄積領域Ｄｂに蓄積した電荷を水平転送部Ｔｈに転送する。撮像領域Ｄａから蓄積領域Ｄｂへの電荷の転送は垂直ブランキング期間に一気に行い、水平転送部Ｔｈでは１水平期間に１水平ライン分の電荷を転送する。図２に示した電荷取出部３ｄは、半導体層２１における垂直方向への電荷の転送経路としての機能とともに水平転送部Ｔｈを含む機能を表している。ただし、電荷集積部３ｃは蓄積領域Ｄｂを意味するのではなく、撮像領域Ｄａにおいて電荷を集積する機能を表している。言い換えると、蓄積領域Ｄｂは電荷取出部３ｄに含まれる。

半導体層２１は不純物が添加してあり、半導体層２１の主表面は酸化膜からなる絶縁膜２２により覆われ、半導体層２１に絶縁膜２２を介して複数個の制御電極２３を配置している。この光検出素子３はＭＩＳ素子として知られた構造であるが、１個の光検出素子３として機能する領域に複数個（図示例では５個）の制御電極２３を備える点が通常のＭＩＳ素子とは異なる。絶縁膜２２および制御電極２３は発光源５から対象空間に照射される光と同波長の光が透過するように材料が選択され、絶縁膜２２を通して半導体層２１に光が入射すると、半導体層２１の内部に電荷が生成される。図示例の半導体層２１の導電形はｎ形であり、光の照射により生成される電荷として電子ｅを利用する。図１２は１個の感光部３ａに対応する領域のみを示したものであり、半導体基板（図示せず）には上述したように図１２の構造を持つ領域が複数個配列されるとともに電荷取出部３ｄとなる構造が設けられる。電荷取出部３ｄとして設ける垂直転送部は、図１２の左右方向に電荷を転送することを想定しているが、図１２の面に直交する方向に電荷を転送する構成を採用することも可能である。また、電荷を図の左右方向に転送する場合には、制御電極２３の左右方向の幅寸法を１μｍ程度に設定するのが望ましい。

この構造の光検出素子３では、制御電極２３に正の制御電圧＋Ｖを印加すると、半導体層２１には制御電極２３に対応する部位に電子ｅを集積するポテンシャル井戸（空乏層）２４が形成される。つまり、半導体層２１にポテンシャル井戸２４を形成するように制御電極２３に制御電圧を印加した状態で光が半導体層２１に照射されると、ポテンシャル井戸２４の近傍で生成された電子ｅの一部はポテンシャル井戸２４に捕獲されてポテンシャル井戸２４に集積され、残りの電子ｅは半導体層２１の深部での再結合により消滅する。また、ポテンシャル井戸２４から離れた場所で生成された電子ｅも半導体層２１の深部での再結合により消滅する。

ポテンシャル井戸２４は制御電圧を印加した制御電極２３に対応する部位に形成されるから、制御電圧を印加する制御電極２３の個数を変化させることによって、半導体層２１の主表面に沿ったポテンシャル井戸２４の面積（言い換えると、受光面において利用できる電荷を生成する領域の面積）を変化させることができる。つまり、制御電圧を印加する制御電極２３の個数を変化させることは感度制御部３ｂにおける感度の調節を意味する。たとえば、図１２（ａ）のように３個の制御電極２３に制御電圧＋Ｖを印加する場合と、同図（ｂ）のように１個の制御電極２３に制御電圧＋Ｖを印加する場合とでは、ポテンシャル井戸２４が受光面に占める面積が変化するのであって、同図（ａ）の状態のほうがポテンシャル井戸２４の面積が大きいから、同図（ｂ）の状態に比較して同光量に対して利用できる電荷の割合が多くなり、実質的に感光部３ａの感度を高めたことになる。このように、感光部３ａおよび感度制御部３ｂは半導体層２１と絶縁膜２２と制御電極２３とにより構成されていると言える。ポテンシャル井戸２４は光照射により生成された電荷を保持するから電荷集積部３ｃとして機能する。

ポテンシャル井戸２４から電荷を取り出すには、ＦＴ方式のＣＣＤと同様の技術を採用すればよく、ポテンシャル井戸２４に電子ｅが集積された後に、電荷の集積時とは異なる印加パターンの制御電圧を制御電極２３に印加することによってポテンシャル井戸２４に集積された電子ｅを一方向（たとえば、図の右方向）に転送することができる。つまり、半導体層２１をＣＣＤの垂直転送部と同様に電荷の転送経路に用いることができる。さらに、電荷は図１３に示した水平転送部Ｔｈを転送され、半導体基板に設けた図示しない電極から光検出素子３の外部に取り出される。要するに、制御電極２３への制御電圧の印加パターンを制御することにより、各感光部３ａごとの感度を制御するとともに、光照射により生成された電荷を集積し、さらに集積された電荷を転送することができる。

本実施形態における感度制御部３ｂは、利用できる電荷を生成する面積を大小２段階に切り換えることにより感光部３ａの感度を高低２段階に切り換えるのであって、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３のいずれかに対応する電荷を感光部３ａで生成しようとする期間にのみ高感度とし（電荷を生成する面積を大きくし）、他の期間には低感度にする。高感度にする期間と低感度にする期間とは、発光源５を駆動する変調信号に同期させて設定される。また、変調信号の複数周期に亘ってポテンシャル井戸２４に電荷を集積した後に電荷取出部３ｄを通して光検出素子３の外部に電荷を取り出すようにしている。変調信号の複数周期に亘って電荷を集積しているのは、変調信号の１周期内では感光部３ａが利用可能な電荷を生成する期間が短く（たとえば、変調信号の周波数を２０ＭＨｚとすれば５０ｎｓの４分の１以下）、生成される電荷が少ないからである。つまり、変調信号の複数周期分の電荷を集積することにより、信号電荷（発光源５から照射された光に対応する電荷）と雑音電荷（外光成分および光検出素子３の内部で発生するショットノイズに対応する電荷）との比を大きくとることができ、大きなＳＮ比が得られる。

ところで、位相差ψを求めるのに必要な４種類の受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を１個の感光部３ａで生成するとすれば、視線方向に関する分解能は高くなるが、各受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を求める時間差が大きくなるという問題が生じる。一方、各受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を４個の感光部３ａでそれぞれ生成するとすれば、各受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を求める時間差は小さくなるが、４種類の電荷を求める視線方向にずれが生じ視線方向に関する分解能は低下する。そこで、本実施形態では、２個の感光部３ａを用いることにより、変調信号の１周期内で受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を２種類ずつ生成する構成を採用している。つまり、２個の感光部３ａを組にして用い、組になる２個の感光部３ａに同じ視線方向からの光が入射するようにしている。

上述の構成を採用することにより、視線方向の分解能を比較的高くし、かつ受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を生成する時間差を少なくすることができる。つまり、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を生成する時間差を少なくしていることにより、対象空間の中で移動している対象物についても距離の検出精度を比較的高く保つことができる。なお、本実施形態の構成では、１個の感光部３ａで４種類の受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を生成する場合よりも視線方向の分解能が低下するが、視線方向の分解能については感光部３ａの小型化や受光光学系４の設計によって向上させることが可能である。

この光検出素子３の動作を以下に具体的に説明する。図１２に示した例では、１個の感光部３ａについて５個の制御電極２３を設けた例を示しているが、両側の２個の制御電極２３は、感光部３ａで電荷（電子ｅ）を生成している間に隣接する感光部３ａに電荷が流出するのを防止するための障壁を形成するものであって、２個の感光部３ａを組にして用いる場合には隣接する感光部３ａのポテンシャル井戸２４の間には、いずれかの感光部３ａで障壁が形成されるから、各感光部３ａには３個ずつの制御電極２３を設けるだけで足りることになる。この構成によって、感光部３ａの１個当たりの占有面積が小さくなり、２個の感光部３ａを組にして用いながらも視線方向の分解能の低下を抑制することが可能になる。

ここでは、図１４に示すように、組にした２個の感光部３ａにそれぞれ設けた３個ずつの制御電極２３を区別するために各制御電極２３に（１）〜（６）の数字を付す。（１）〜（６）の数字を付与した制御電極２３を有する２個の感光部３ａは、１つの視線方向に対応しておりイメージセンサにおける画素を構成する。なお、１画素ずつの感光部３ａに対応付けて、それぞれオーバフロードレインを設けるのが望ましい。

図１４（ａ）（ｂ）はそれぞれ制御電極２３に異なる印加パターンで制御電圧＋Ｖを印加した状態（半導体基板に設けた図示しない基板電極と制御電極２３との間に制御電圧＋Ｖを印加した状態）を示しており、ポテンシャル井戸２４の形状からわかるように、同図（ａ）では１画素となる２個の感光部３ａのうち制御電極（１）〜（３）に正の制御電圧＋Ｖを印加するとともに、残りの制御電極（４）〜（６）のうちの中央の制御電極（５）に正の制御電圧＋Ｖを印加している。また、同（ｂ）では制御電極（１）〜（３）のうちの中央の制御電極（２）に正の制御電圧＋Ｖを印加するとともに、残りの制御電極（４）〜（６）に正の制御電圧＋Ｖを印加している。つまり、１画素を構成する２個の感光部３ａに印加する制御電圧＋Ｖの印加パターンを交互に入れ換えている。２個の感光部３ａに印加する制御電圧＋Ｖの印加パターンを入れ換えるタイミングは、変調信号における逆位相の（位相が１８０度異なる）タイミングになる。なお、各感光部３ａに設けた３個の制御電極２３に同時に制御電圧＋Ｖを印加している期間以外は、各感光部３ａに設けた中央部の１個の制御電極２３（つまり、制御電極（２）（５））にのみ制御電圧＋Ｖを印加し、他の制御電極２３は０Ｖに保つ状態とする。

たとえば、１画素を構成する２個の感光部３ａにおいて受光光量Ａ０、Ａ２に対応する電荷を交互に生成する場合は、図１１に示すように、一方の感光部３ａで受光光量Ａ０に対応する電荷を生成するために３個の制御電極（１）〜（３）に制御電圧＋Ｖを印加している間に、他方の感光部３ａでは受光光量Ａ２に対応する電荷を保持するために１個の制御電極（５）にのみ制御電圧＋Ｖを印加する。同様にして、一方の感光部３ａで受光光量Ａ２に対応する電荷を生成するために３個の制御電極（４）〜（６）に制御電圧＋Ｖを印加している間には、他方の感光部３ａでは受光光量Ａ０に対応する電荷を保持するために１個の制御電極（２）にのみ制御電圧＋Ｖを印加する。また、受光光量Ａ０、Ａ２に対応する電荷を生成する期間以外では制御電極（２）（５）にのみ制御電圧＋Ｖを印加する。図３（ｂ）（ｃ）に受光光量Ａ０、Ａ２に対応する電荷を蓄積する際の各制御電極（１）〜（６）に制御電圧＋Ｖの印加のタイミングを示す。図において斜線部が制御電圧＋Ｖを印加している状態を示し、空白部が制御電極（１）〜（６）に電圧を印加していない状態を示している。

１画素を構成する２個の感光部３ａにおいて受光光量Ａ１、Ａ３に対応する電荷を生成する場合も同様であって、受光光量Ａ０、Ａ２に対応する電荷を生成する場合とは制御電極２３に制御電圧＋Ｖを印加するタイミングが、変調信号の位相における９０度異なる点が相違するだけである。また、受光光量Ａ０、Ａ１に対応する電荷を生成する期間と、受光光量Ａ１、Ａ３に対応する電荷を生成する期間との間で撮像領域から蓄積領域に電荷を転送する。つまり、受光光量Ａ０に対応する電荷が制御電極（１）〜（３）に対応するポテンシャル井戸２４に蓄積されるとともに、受光光量Ａ２に対応する電荷が制御電極（４）〜（６）に対応するポテンシャル井戸２４に蓄積されると、これらの受光光量Ａ０、Ａ２に対応する電荷を外部に取り出す。次に、受光光量Ａ１に対応する電荷が制御電極（１）〜（３）に対応するポテンシャル井戸２４に蓄積されるとともに、受光光量Ａ３に対応する電荷が制御電極（４）〜（６）に対応するポテンシャル井戸２４に蓄積されると、これらの受光光量Ａ１、Ａ３に対応する電荷を外部に取り出す。このような動作を繰り返すことによって、４区間の受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する電荷を２回の読出動作で光検出素子３の外部に取り出すことができ、取り出した電荷を用いて位相差ψを求めることが可能になる。なお、たとえば３０フレーム毎秒の画像を得るためには、受光光量Ａ０、Ａ１に対応する電荷を生成する期間と受光光量Ａ１、Ａ３に対応する電荷を生成する期間とは６０分の１秒よりも短い期間とする。

上述の例では３個の制御電極２３（（１）〜（３）または（４）〜（６））に同時に印加する制御電圧と、１個の制御電極２３（（２）または（５））にのみ印加する制御電圧とを等しくしているから、ポテンシャル井戸２４の面積は変化するもののポテンシャル井戸２４の深さは等しくなっている。この場合、制御電圧を印加していない制御電極２３（（１）（３）または（４）（６））において生成された電荷は、同程度の確率でポテンシャル井戸２４に流れ込む。つまり、感光部３ａを構成する３個の制御電極２３のうちの１個にのみ制御電圧＋Ｖを印加することによって電荷集積部３ｃとして機能している領域と、３個の制御電極２３のすべてに制御電圧＋Ｖを印加している領域との両方に同程度の量の電荷が流れ込む。つまり、電荷を保持しているポテンシャル井戸２４に流れ込む雑音成分が比較的多いものであるから、ダイナミックレンジを低下させる原因になる。

そこで、図１５のように、組になる２個の感光部３ａに設けた各３個の制御電極（１）〜（３）または（４）〜（６）に同時に印加する制御電圧が、１個の制御電極（２）または（５）にのみ印加する制御電圧よりも低くなるように設定し、小面積のポテンシャル井戸２４の深さを大面積のポテンシャル井戸２４の深さよりも小さく設定するのが望ましい。このように、主として電荷（電子ｅ）を生成しているポテンシャル井戸２４を、主として電荷の保持を行っているポテンシャル井戸２４よりも深くすることにより、制御電圧を印加していない制御電極（１）（３）または（４）（６）に対応する部位で生じた電荷は、深いほうのポテンシャル井戸２４に流れ込みやすくなる。つまり、制御電極２３に一定の制御電圧＋Ｖを印加する場合に比較すると、電荷を保持するポテンシャル井戸２４に流れ込む雑音成分を低減することができる。

なお、上述した距離画像センサの構成例では、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する４期間を変調信号の１周期内で位相の間隔が９０度ずつになるように設定しているが、変調信号に対する位相が既知であれば４期間は９０度以外の適宜の間隔で設定することが可能である。ただし、間隔が異なれば位相差ψを求める算式は異なる。また、４期間の受光光量に対応した電荷を取り出す周期は、対象物の反射率および外光成分が変化せず、かつ位相差ψも変化しない時間内であれば、変調信号の１周期内で４個の信号電荷を取り出すことも必須ではない。さらに、太陽光や照明光のような外乱光の影響があるときには、発光源５から放射される光の波長のみを透過させる光学フィルタを感光部３ａの前に配置するのが望ましい。図１４、図１５を用いて説明した構成例では、感光部３ａごとに３個ずつの制御電極２３を対応付けているが、制御電極２３を４個以上設けるようにしてもよい。また、上述の例ではＦＴ方式のＣＣＤイメージセンサと同様の構成を採用しているが、インターライン・トランスファ（ＩＴ）方式、フレーム・インターライン・トランスファ（ＦＩＴ）方式と同様の構成を採用することも可能である。

本実施形態の人体検知センサのブロック図である。 同上の要部のブロック図である。 （ａ）（ｂ）は同上の検知エリアの説明図である。 同上の検知エリアの説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は不感帯の設定方法を説明する説明図である。 （ａ）（ｂ）は水平面内における不感帯を示した説明図である。 同上の動作説明図である。 （ａ）（ｂ）は同上の別の動作を説明する動作説明図である。 同上のまた別の動作を説明する動作説明図である。 （ａ）（ｂ）は同上の別の動作を説明する動作説明図である。 同上に用いる光検出素子の動作説明図である。 同上に用いる光検出素子の要部の動作説明図である。 同上に用いる光検出素子の平面図である。 同上に用いる光検出素子の要部の動作説明図である。 同上に用いる光検出素子の要部の動作説明図である。

符号の説明

１ 人体検知センサ
２ 距離画像センサ部
３ 光検出素子
５ 発光源
１０ 信号処理回路

Claims (1)

1. 対象空間を撮像して距離値を画素値とする距離画像を生成する距離画像センサ部と、前記距離画像センサ部の設置高さおよび前記距離画像の各画素毎の視線方向の情報を用いて略一定の高さまでの範囲を検知エリアから外すエリア設定手段と、前記距離画像センサ部から入力される距離画像をもとに、前記エリア設定手段により設定された検知エリア内で人の存否を検出する人体検出部とを備え、前記エリア設定手段は、水平面内を前記距離画像センサ部の設置位置を中心とする同心円状の境界で複数のエリアに分割し、各々のエリア毎に各エリアに対応する画素の画素値の上限値を、前記設置位置から遠いエリアほど上限値が大きくなるように段階的に設定することを特徴とする人体検知センサ。

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