(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物までの距離を三角測量式で測定する反射型の距離測定センサと、
上記被測定物から放射される赤外線を検出する赤外線センサと、
上記赤外線センサの出力信号に対して、予め設定された温度の上記被測定物の面積と放射率に比例する補正係数平均値を乗算することにより、上記被測定物までの距離を表す補正出力信号を生成して出力する信号補正部と、
上記反射型の距離測定センサからの出力信号と上記信号補正部からの上記補正出力信号とが入力されると共に上記出力信号と上記補正出力信号のうちの上記出力信号を出力する第１の切り替え状態と上記出力信号と上記補正出力信号のうちの上記補正出力信号を出力する第２の切り替え状態とに切り替え可能な出力切り替え部と、
上記信号補正部から上記補正出力信号が入力され、上記補正出力信号が表す上記被測定物との間の距離が予め定められた第１の距離よりも長いと判断したときに上記切り替え部を上記第２の切り替え状態にする一方、上記補正出力信号が表す上記被測定物との間の距離が上記第１の距離以下であると判断したときに上記切り替え部を上記第１の切り替え状態にする判断制御部と、
上記予め設定された温度の上記被測定物の面積と放射率に比例する補正係数平均値の元となる複数の補正係数を初期データとして記憶する補正係数記憶部と、
上記反射型の距離測定センサと上記赤外線センサとが起動しているとき、上記反射型の距離測定センサからの出力信号を上記赤外線センサからの出力信号で除算した値を上記補正係数記憶部に記憶した上記複数の補正係数のうちの１つと置き換えて新たな補正係数とする補正係数算出部と
を備え、
上記信号補正部は、
上記補正係数記憶部から得た上記複数の補正係数の平均値である上記補正係数平均値を上記赤外線センサからの出力信号に乗算して上記補正出力信号を生成することを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の距離測定装置において、
上記判断制御部は、
上記補正出力信号が表す上記被測定物との間の距離が上記第１の距離よりも長い第２の距離以下であると判断したときに上記反射型の距離測定センサを稼働状態にする一方、上記補正出力信号が表す上記被測定物との間の距離が上記第２の距離よりも長いと判断したときに上記反射型の距離測定センサを非稼働状態にすることを特徴とする距離測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の距離測定装置において、
上記補正係数記憶部は、
上記補正係数をＮ個(Ｎは２以上の自然数)記憶でき、初期データとして記憶するＮ個の補正係数として、上記被測定物の放射率に比例する同じ補正係数を記憶しており、
上記補正係数算出部は、
或る期間毎に、上記反射型の距離測定センサからの出力信号を上記赤外線センサからの出力信号で除算し、上記或る期間毎に得られる上記除算した値を、上記補正係数記憶部に記憶されている上記Ｎ個の補正係数のうちの１つの補正係数と順に置き換え、
上記信号補正部は、
上記補正係数記憶部に記憶されている上記Ｎ個の補正係数の平均値である上記補正係数平均値を上記赤外線センサからの出力信号に乗算して上記補正出力信号を生成することを特徴とする距離測定装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の距離測定装置と、
脈拍測定指示信号が入力される脈拍測定入力端子と、
上記判断制御部が、上記補正出力信号が表す上記被測定物としての人との間の距離が上記第１の距離以下であると判断し、かつ、上記脈拍測定入力端子から上記脈拍測定指示信号が入力されない場合に、上記反射型の距離測定センサによる赤外線発光光量を標準光量とする一方、上記判断制御部が、上記補正出力信号が表す上記被測定物としての人との間の距離が上記第１の距離以下であると判断し、かつ、上記脈拍測定入力端子から上記脈拍測定指示信号が入力された場合に上記反射型の距離測定センサによる赤外線発光光量を上記標準光量よりも増加させる脈拍測定モード制御部と、
複数の人の心拍データを参照データとして記憶した参照データ記憶部と、
上記反射型の距離測定センサからの出力信号と上記参照データ記憶部からの参照データとが入力されると共に上記参照データを用いて上記出力信号の周期的変化を脈拍出力信号として取り出す相関器とを備えたことを特徴とする非接触式脈拍測定装置。
【請求項５】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の距離測定装置と、
複数の人の心拍データを参照データとして記憶した参照データ記憶部と、
上記反射型の距離測定センサから出射されて上記被測定物で反射した赤外線反射光が入射するように設置されたと共に上記赤外線反射光による赤外反射光信号を出力する脈拍測定センサと、
上記脈拍測定センサからの赤外線反射光信号と上記反射型の距離測定センサからの出力信号と上記参照データ記憶部からの参照データとが入力され、上記反射型の距離測定センサからの出力信号を用いて上記被測定物としての人との間の距離の変動による上記赤外線反射光信号の変動を取り除くと共に上記参照データを用いて上記赤外線反射光信号の周期的変化を脈拍出力信号として取り出す相関器とを備えたことを特徴とする非接触式脈拍測定装置。
【請求項６】
請求項４に記載の非接触式脈拍測定装置において、
上記脈拍測定モード制御部は、
上記判断制御部が、上記補正出力信号が表す上記被測定物としての人との間の距離が上記第１の距離以下であると判断し、かつ、上記脈拍測定入力端子から上記脈拍測定指示信号が入力されたときに上記相関器に電源を供給する一方、上記判断制御部が、上記補正出力信号が表す上記被測定物としての人との間の距離が上記第１の距離を超えていると判断したときに上記相関器に電源を供給しないことを特徴とする非接触式脈拍測定装置。
【請求項７】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の距離測定装置もしくは請求項４から６のいずれか１つに記載の非接触式脈拍測定装置を、
表示画面に隣接するように配置したことを特徴とする電子機器。
【請求項８】
請求項７に記載の電子機器において、
上記距離測定装置の出力切り替え部から出力される信号が表す上記被測定物との間の距離に応じて、上記表示画面の照度または出力音の音量の少なくとも一方を調整することを特徴とする電子機器。
【請求項９】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の距離測定装置もしくは請求項４から６のいずれか１つに記載の非接触式脈拍測定装置を備えたことを特徴とする照明装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の照明装置において、
上記距離測定装置の出力切り替え部から出力される信号が表す上記被測定物との間の距離に応じて、照明の照度を調整することを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、長距離の測定が可能、かつ低消費電力である距離測定装置およびその距離測定装置を備えて非接触な脈拍測定を可能とする非接触脈拍測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人体や物の検出を目的にしたセンサとしては、熱型センサ、超音波センサ、反射型赤外線センサおよびＴＯＦ(Ｔime Ｏf Ｆlight)センサ、イメージ(画像)センサなどが使用されており、これらのセンサのうちの複数のセンサを組み合わせたものもある。
【０００３】
特許文献１(特開２００６-１０５０６号公報)では、アクティブ方式の反射型(例えば測定波長８５０ｎｍ)の三角測量式赤外線センサを備え、かつ、人体から発せられる遠赤外線(例えば体温３７℃だと波長約１０μｍ)を検知できるパッシブ型の熱型センサを有することで検出対象物が物か人かを区別することが可能な光学式測距センサ(以下、第１従来例と言う)が提案されている。
【０００４】
また、特許文献２(特開２０１０-５４３６３号公報)では、アクティブ方式の反射型赤外線センサと、この反射型赤外線センサよりも長い検出距離を持つ熱型センサ(焦電型センサ)とを有することで、検出対象物の存在の有無を焦電型センサで検知する光学式測距装置(以下、第２従来例と言う)が提案されている。この第２従来例の光学式測距装置によれば、検出対象物が反射型赤外線センサの検知距離外にあるときにアクティブ方式の反射型赤外線センサを待機させることが可能となり、待機消費電力を減少させることが可能になる。
【０００５】
さらに、特許文献３(特開２００９-３４３９８号公報)では、別の従来技術として、人が動いても脈拍を安定に測定するために、小指に繋がる掌の側面部に接触する脈拍測定器(以下、第３従来例と言う)が提案されている。
【０００６】
ところで、前述の第１従来例において、パッシブ型の熱型センサ(焦電型センサ)は、検出対象物が物か人かを区別するためだけに使われており、熱型センサは距離測定には使用されていない。このため、アクティブ方式の反射型の三角測量式赤外線センサは、距離測定のためには常に赤外線を発光する必要がある。よって、消費電力が大きくなるという課題がある。また、アクティブ方式の三角測量式赤外線センサで長距離測定を行う場合には発光光量を増やす必要があるので、消費電力がより一層増大する課題があった。
【０００７】
具体的に数値で説明すると、一般的な三角測量式の赤外線センサでは、５Ｖ駆動時に消費電流が３３ｍＡとなり、消費電力が１.６５Ｗと大きい。また、測定距離対出力特性は、出力電圧が０.６Ｖで距離５０ｃｍ、出力電圧が０.４Ｖで距離８０ｃｍとなる。つまり、少しの出力電圧の違いが測定距離の大きな違いとなるので、出力電圧を増加させないと、測定距離に大きな誤差が生じることが分かる。測定対象物からの反射光は測定対象物までの距離の二乗に反比例するので、例えば、最大測定距離を８０ｃｍから１６０ｃｍに延すためには、発光光量を４倍に増加させる必要があり、消費電力も約４倍増加することとなる。尚、発光光量を変えずに、受光レンズ径を２倍にする方法もあるが、この場合は、センサのサイズが大きくなるという課題がある。
【０００８】
また、前述の第２従来例においては、熱型センサ(焦電型センサ)を使って検出対象物の存在の有無を検出することが記載されているが、熱型センサ(焦電型センサ)を使って距離を測定することは具体的に述べられていない。第２従来例において、焦電型センサは主に、特定エリアに人が居るか居ないかを検知するものであり、第２従来例の明細書中(例えば[実施例１])に記載の如く、検出対象物が熱型センサの検知距離内に有るか無いかが分かるだけである。
【０００９】
従来から、上記熱型センサが連続した距離測定に用いられた例は無く、その理由は上記熱型センサで得られる出力信号が、被測定物との距離だけでなく,被測定物の大きさおよび放射率により変わることである。
【００１０】
一方、第３従来例の脈拍測定器では、人体に接触させて脈拍を測定する接触型の脈拍測定器であるため、人体の動きが脈拍の測定状態に与える影響を完全に回避するのは難しいという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−１０５０６号公報
【特許文献２】特開２０１０−５４３６３号公報
【特許文献３】特開２００９−３４３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、この発明の課題は、長距離の測定と消費電力の低減とが可能である距離測定装置を提供することにある。また、この発明のさらなる課題は、その距離測定装置を備えて非接触な脈拍測定を可能とする非接触脈拍測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、この発明の距離測定装置は、
被測定物までの距離を三角測量式で測定する反射型の距離測定センサと、
上記被測定物から放射される赤外線を検出する赤外線センサと、
上記赤外線センサの出力信号に対して、予め設定された温度の上記被測定物の面積と放射率に比例する補正係数平均値を乗算することにより、上記被測定物までの距離を表す補正出力信号を生成して出力する信号補正部と、
上記反射型の距離測定センサからの出力信号と上記信号補正部からの上記補正出力信号とが入力されると共に上記出力信号と上記補正出力信号のうちの上記出力信号を出力する第１の切り替え状態と上記出力信号と上記補正出力信号のうちの上記補正出力信号を出力する第２の切り替え状態とに切り替え可能な出力切り替え部と、
上記信号補正部から上記補正出力信号が入力され、上記補正出力信号が表す上記被測定物との間の距離が予め定められた第１の距離よりも長いと判断したときに上記切り替え部を上記第２の切り替え状態にする一方、上記補正出力信号が表す上記被測定物との間の距離が上記第１の距離以下であると判断したときに上記切り替え部を上記第１の切り替え状態にする判断制御部と、
上記予め設定された温度の上記被測定物の面積と放射率に比例する補正係数平均値の元となる複数の補正係数を初期データとして記憶する補正係数記憶部と、
上記反射型の距離測定センサと上記赤外線センサとが起動しているとき、上記反射型の距離測定センサからの出力信号を上記赤外線センサからの出力信号で除算した値を上記補正係数記憶部に記憶した上記複数の補正係数のうちの１つと置き換えて新たな補正係数とする補正係数算出部と
を備え、
上記信号補正部は、
上記補正係数記憶部から得た上記複数の補正係数の平均値である上記補正係数平均値を上記赤外線センサからの出力信号に乗算して上記補正出力信号を生成することを特徴としている。
【００１４】
この発明の距離測定装置によれば、上記赤外線センサの出力信号を上記被測定物の放射率に基づいて補正した補正出力信号を上記信号補正部が出力する。この信号補正部による補正により、従来は非接触温度計にしか使えなかった熱型(パッシブ型)の赤外線センサを、距離測定センサとして使用可能になる。このため、この発明によれば、被測定物までの距離が第１の距離(例えば８０ｃｍ)よりも長い長距離の測定には、上記赤外線センサの出力信号を補正した補正出力信号を上記出力切り替え部から出力して距離測定信号として用いる一方、被測定物までの距離が上記第１の距離以下の短距離の測定には、上記反射型の距離測定センサの出力信号を上記出力切り替え部から出力して距離測定信号として用いる。
【００１５】
したがって、この発明によれば、上記第１の距離を超える長距離測定では赤外線センサをパッシブ型の距離測定センサとして使用する一方、上記第１の距離以内の短距離測定ではアクティブ型の反射型の距離測定センサを使用することで、赤外線を常に発光する必要が無く、低い消費電力で短距離から長距離までの測定が可能となる。
また、上記補正係数算出部は、上記補正係数記憶部に記憶した複数の補正係数のうちの１つを、上記反射型の距離測定センサからの出力信号を用いて算出した新たな補正係数に置き換え、上記信号補正部は、上記複数の補正係数の平均値である補正係数平均値を用いて上記赤外線センサからの出力信号を補正する。これにより、上記補正係数記憶部に記憶している複数の補正係数の平均値である補正係数平均値を、実際の被測定物に合わせたものとすることができ、赤外線センサの出力信号をより精度よく補正した補正出力信号が得られる。よって、距離測定をより正確にすることができる。なお、上記補正係数記憶部には、例えば製造時に最初に上記被測定物の放射率に比例する補正係数が入力される。
【００１６】
また、一実施形態の距離測定装置では、上記判断制御部は、
上記補正出力信号が表す上記被測定物との間の距離が上記第１の距離よりも長い第２の距離以下であると判断したときに上記反射型の距離測定センサを稼働状態にする一方、上記補正出力信号が表す上記被測定物との間の距離が上記第２の距離よりも長いと判断したときに上記反射型の距離測定センサを非稼働状態にする。
【００１７】
この実施形態の距離測定装置によれば、上記被測定物が上記第１の距離よりも長い第２の距離まで近づいてきたときに上記反射型の距離測定センサを稼働状態にする。したがって、上記被測定物との間の距離が上記第１の距離になるまで上記被測定物が近づいたときに、上記反射型の距離測定センサは既に稼働している。よって、上記反射型の距離測定センサの立ち上がりに起因する出力信号の遅れがなく、上記出力切り替え部を上記第１の切り替え状態にすると上記反射型の距離測定センサによる出力信号を直ちに出力できる。
【００１８】
【００１９】
【００２０】
また、一実施形態の距離測定装置では、上記補正係数記憶部は、
上記補正係数をＮ個(Ｎは２以上の自然数)記憶でき、初期データとして記憶するＮ個の補正係数として、上記被測定物の放射率に比例する同じ補正係数を記憶しており、
上記補正係数算出部は、
或る期間毎に、上記反射型の距離測定センサからの出力信号を上記赤外線センサからの出力信号で除算し、上記或る期間毎に得られる上記除算した値を、上記補正係数記憶部に記憶されている上記Ｎ個の補正係数のうちの１つの補正係数と順に置き換え、
上記信号補正部は、
上記補正係数記憶部に記憶されている上記Ｎ個の補正係数の平均値である上記補正係数平均値を上記赤外線センサからの出力信号に乗算して上記補正出力信号を生成する。
【００２１】
この実施形態の距離測定装置によれば、上記赤外線センサの出力信号から補正出力信号を生成するための補正係数平均値を、上記反射型の距離測定センサからの出力信号により或る期間毎に更新するから、距離測定の精度を上げることができる。
【００２２】
また、この発明の非接触脈拍測定装置では、上記距離測定装置と、
脈拍測定指示信号が入力される脈拍測定入力端子と、
上記判断制御部が、上記補正出力信号が表す上記被測定物としての人との間の距離が上記第１の距離以下であると判断し、かつ、上記脈拍測定入力端子から上記脈拍測定指示信号が入力されない場合に、上記反射型の距離測定センサによる赤外線発光光量を標準光量とする一方、上記判断制御部が上記補正出力信号が表す上記被測定物としての人との間の距離が上記第１の距離以下であると判断し、かつ、上記脈拍測定入力端子から上記脈拍測定指示信号が入力された場合に上記反射型の距離測定センサによる赤外線発光光量を上記標準光量よりも増加させる脈拍測定モード制御部と、
複数の人の心拍データを参照データとして記憶した参照データ記憶部と、
上記反射型の距離測定センサからの出力信号と上記参照データ記憶部からの参照データとが入力されると共に上記参照データを用いて上記出力信号の周期的変化を脈拍出力信号として取り出す相関器とを備えた。
【００２３】
この発明の非接触脈拍測定装置によれば、脈拍測定入力端子から脈拍測定指示信号が入力され、上記被測定物としての人との間の距離が上記第１の距離以下である脈拍測定時には、上記脈拍測定モード制御部によって、上記反射型の距離測定センサによる赤外線発光光量を上記標準光量よりも増加させる。これにより、本発明は、非接触脈拍測定装置であることに起因して脈拍測定対象である人との間の距離により赤外線信号光が減衰する減衰分を補うことができる。また、上記相関器によって、上記反射型の距離測定センサからの出力信号の周期変化を複数の人の心拍データによる参照データを用いて脈拍出力信号として取り出すことで、上記赤外線信号光の減衰を補う。上記複数の人の心拍データによる参照データは、例えば、製造時に上記参照データ記憶部に入力される。また、この非接触式脈拍測定装置と脈拍測定対象である人体との間の距離が一定ではないことに起因して、上記反射型の距離測定センサの受光量が変動することを、距離データで補うこともできる。これにより、非接触式での脈拍測定を可能にできる。
【００２４】
また、一実施形態の非接触脈拍測定装置では、複数の人の心拍データを参照データとして記憶した参照データ記憶部と、
上記反射型の距離測定センサから出射されて上記被測定物で反射した赤外線反射光が入射するように設置されたと共に上記赤外線反射光による赤外反射光信号を出力する脈拍測定センサと、
上記脈拍測定センサからの赤外線反射光信号と上記反射型の距離測定センサからの出力信号と上記参照データ記憶部からの参照データとが入力され、上記反射型の距離測定センサからの出力信号を用いて上記被測定物としての人との間の距離の変動による上記赤外線反射光信号の変動を取り除くと共に上記参照データを用いて上記赤外線反射光信号の周期的変化を脈拍出力信号として取り出す相関器とを備えた。
【００２５】
この実施形態の非接触脈拍測定装置によれば、上記赤外線反射光による赤外反射光信号を出力する脈拍測定センサを備え、上記相関器は、上記反射型の距離測定センサからの出力信号を用いて上記被測定物としての人との間の距離の変動による上記赤外線反射光信号の変動を取り除く。したがって、上記相関器により、上記赤外線反射光信号の周期的変化をより大きな脈拍出力信号として取り出すことができる。
【００２６】
また、一実施形態の非接触脈拍測定装置では、上記脈拍測定モード制御部は、
上記判断制御部が、上記補正出力信号が表す上記被測定物としての人との間の距離が上記第１の距離以下であると判断し、かつ、上記脈拍測定入力端子から上記脈拍測定指示信号が入力されたときに上記相関器に電源を供給する一方、上記判断制御部が、上記補正出力信号が表す上記被測定物としての人との間の距離が上記第１の距離を超えていると判断したときに上記相関器に電源を供給しない。
【００２７】
この実施形態の非接触脈拍測定装置によれば、脈拍を測定する対象としての人が上記第１の距離を超えて離隔しているときには、上記相関器を非稼働として、消費電力を低減することが可能となる。
【００２８】
また、一実施形態の電子機器では、上記距離測定装置もしくは上記非接触脈拍測定装置を、表示画面に隣接するように配置した。
【００２９】
この実施形態の電子機器によれば、距離や脈拍の測定対象としての人は、上記表示画面に顔を向けるので、上記人の顔が上記表示画面に隣接配置された上記距離測定装置もしくは上記非接触脈拍測定装置の受光面,発光面に向き、距離や脈拍を測定し易くなる。
【００３０】
また、一実施形態の電子機器では、上記距離測定装置の出力切り替え部から出力される信号が表す上記被測定物との間の距離に応じて、上記表示画面の照度または出力音の音量の少なくとも一方を調整する。
【００３１】
この実施形態の電子機器によれば、表示画面の照度や出力音の音量を、上記被測定物との間の距離の長,短に応じて、増,減させることにより、消費電力を削減することが可能となる。
【００３２】
また、一実施形態の照明装置では、上記距離測定装置もしくは上記非接触脈拍測定装置を備えた。
【００３３】
この実施形態の照明装置によれば、上記距離測定装置で測定した被測定物までの距離や上記非接触脈拍測定装置で測定した脈拍に応じて、照明をオン,オフすることや照明の照度を調整することが可能になる。
【００３４】
また、一実施形態の照明装置では、上記距離測定装置の出力切り替え部から出力される信号が表す上記被測定物との間の距離に応じて、照明の照度を調整する。
【００３５】
この実施形態の照明装置によれば、照明の照度を上記被測定物との間の距離に応じて調整することにより、消費電力を削減することが可能になる。
【発明の効果】
【００３６】
この発明の距離測定装置によれば、赤外線センサの出力信号を被測定物の放射率に基づいて補正した補正出力信号を上記信号補正部が出力する。この信号補正部による補正により、従来は非接触温度計にしか使えなかった赤外線センサを、パッシブ型の距離測定センサとして使用可能になる。このため、この発明によれば、被測定物までの距離が第１の距離(例えば８０ｃｍ)よりも長い長距離の測定には、上記赤外線センサの出力信号を補正した補正出力信号を上記出力切り替え部から出力して距離測定信号として用いる一方、被測定物までの距離が上記第１の距離以下の短距離の測定には、上記反射型の距離測定センサの出力信号を上記出力切り替え部から出力して距離測定信号として用いる。
【００３７】
したがって、この発明によれば、長距離測定では赤外線センサをパッシブ型の距離測定センサとして使用する一方、短距離測定ではアクティブ型の反射型の距離測定センサを使用することで、赤外線を常に発光する必要が無く、低消費電力で短距離から長距離までの測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】この発明の距離測定装置の実施形態の光学系の構成を示す模式的な配置図である。
【図１Ｂ】上記実施形態のパッシブ型の距離測定センサの遠赤外線センサの視野角を模式的に説明する図である。
【図２Ａ】上記実施形態の信号処理系統を示すブロック図である。
【図２Ｂ】上記実施形態の不揮発性メモリに記憶されているＮ個の補正係数のうちの１つを置き換える様子を模式的に示す図である。
【図３Ａ】上記実施形態の三角測量式の距離測定センサの平面図である。
【図３Ｂ】上記三角測量式の距離測定センサの側面図である。
【図３Ｃ】上記三角測量式の距離測定センサの距離特性を示す図である。
【図４Ａ】上記熱型の距離測定センサの一例の外観図である。
【図４Ｂ】上記熱型の距離測定センサの一例の特性一覧を示す図である。
【図５Ａ】各温度(Ｋ,℃)で黒体が半球状に放射する単位面積当たりのエネルギーＷ(Ｗ/ｃｍ２)の一覧を示す図である。
【図５Ｂ】被測定物となる人の顔のサイズｘ,ｙを規定する様子を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ａの一覧のエネルギーＷ(Ｗ/ｃｍ２)に上記人の顔の面積を乗算したエネルギーＷ(Ｗ)の一覧を左側に示し、この左側の表の各エネルギーＷ(Ｗ)に人体の放射率０.９５を乗算したものを右側に示す図である。
【図５Ｄ】上記熱型の距離測定センサの一例が受けるエネルギーＷ(Ｗ)を左欄に示し、右欄に上記熱型の距離測定センサの一例の出力電圧を示す図である。
【図５Ｅ】上記熱型の距離測定センサにおける遠赤外センサの後段の増幅回路を１０倍対数増幅器とした場合の出力を右欄に示す図である。
【図６】黒体輻射における分光放射発散度特性を示す図である。
【図７Ａ】人の頭部の代表的な動脈を模式的に示す図である。
【図７Ｂ】人の目の回りの動脈および静脈を模式的に示す図である。
【図８】赤外線検出素子の分光感度特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４０】
図１Ａは、この発明の距離測定装置の実施形態の光学系の構成を示す模式的な配置図である。この実施形態は、三角測量式で被測定物５０までの距離を測定する反射型の距離測定センサ２１と、熱型赤外線センサである遠赤外センサ１４で構成したパッシブ型の距離測定センサ２２を備える。さらに、この実施形態では、脈拍測定センサ７７と脈拍信号処理部７８を備え、非接触式の脈拍測定装置でもある。
【００４１】
図１Ａでは、被測定物５０を、一例として、人の顔としている。上記三角測量式(アクティブ型)の反射型の距離測定センサ２１は、ＰＳＤ(光位置センサ)１１と、距離測定用の赤外ＬＥＤ１２と、ＰＳＤ用の赤外レンズ１５,赤外ＬＥＤ用の赤外レンズ１６とを有している。
【００４２】
上記三角測量式の距離測定センサ２１の外観形状を、図３Ａの平面図、および図３Ｂの側面図に示す。図３Ａには、発光側の赤外レンズ１６と受光側の赤外レンズ１５を示している。また、上記三角測量式の反射型の距離測定センサ２１は、図３Ｃに示す距離対出力特性を有する。上記三角測量式の反射型の距離測定センサ２１は、図３Ｃに示すような反射物(被測定物５０)までの距離(ｃｍ)とアナログ電圧出力との関係を示す距離特性を有する。なお、図３Ｃにおいて、実線で示す特性は上記反射物が白反射紙(反射率９０％)である場合の特性であり、破線で示す特性は上記反射物が灰反射紙(反射率１８％)である場合の特性である。
【００４３】
このような三角測量式の距離測定センサ２１は、市販されているものを採用可能である。図３Ｃに示す距離特性から分かるように、このアクティブ型の距離測定センサ２１の測定範囲は、１０ｃｍ〜８０ｃｍである。また、このアクティブ型の三角測量式の距離測定センサ２１のＰＳＤ出力は電流オーダーでｎＡである。このアクティブ型の距離測定センサ２１は、後段の増幅回路(図示せず)や演算回路５１(図２に示す)を有し、この後段の増幅回路や演算回路５１から電圧出力として距離信号が得られる。このアクティブ型の距離測定センサ２１においても、後述の熱型の赤外線センサとしての遠赤外センサ１４と同様、反射光が距離の二乗に反比例するため、或る距離を超えると、距離対出力特性は反比例のグラフとなる。通常、遠赤外センサの視野角は広いため、例えば或る距離とは、図１Ｂを参照して後述する視野角３０となる様に遠赤外レンズ１８の焦点距離、遠赤外レンズ１８と赤外線センサ１４の位置関係を調整していれば、４０ｃｍである。
【００４４】
なお、図１Ａにおいて、ＰＳＤ(光位置センサ)１１,距離測定用の赤外ＬＥＤ１２,後述する脈拍測定用の赤外ＰＤ(フォトダイオード)１３に関しては、三角測量式の原理を示すために、視野角ではなく光軸Ｊ１１,Ｊ１２,Ｊ１３を示している。
【００４５】
上記距離測定センサ２１の筐体(図示せず)に取り付けられた２つの赤外レンズ１５,１６の間隔は固定されており、ＰＳＤ１１と距離測定用の赤外ＬＥＤ１２との間の間隔も固定されている。そして、上記ＰＳＤ１１の電流出力からＰＳＤ１１上の被測定物５０のＰＳＤ位置情報が求まる。したがって、この三角測量式の距離測定センサ２１により、距離測定センサ２１から被測定物５０までの距離が三角測量により求まる。
【００４６】
図１Ａにおいて、上記赤外ＬＥＤ１２の下側に、後述する脈拍測定のための脈拍測定センサ７７を構成する受光素子である赤外ＰＤ(フォトダイオード)１３と赤外レンズ１７が配置されている。この脈拍測定センサ７７の赤外ＰＤ１３には、上記距離測定センサ２１の赤外ＬＥＤ１２から出射されて被測定物５０で反射した光が赤外レンズ１７を通して入射する。
【００４７】
一方、図１Ａにおいて、上記赤外ＰＤ１３,赤外レンズ１７の下方に示す、遠赤外線センサ１４と遠赤外レンズ１８とで熱型(パッシブ型)の距離測定センサ２２を構成している。
【００４８】
図４Ａに、この実施形態が備える熱型(パッシブ型)の距離測定センサ２２の一例の外観を示し、図４Ｂに上記一例の特性一覧を示す。なお、この一例は、浜松ホトニクス製ＩｎＳｂ光導電素子(Ｐ６６０６-１１０)とした。この特性一覧の如く、この距離測定センサ２２は電子冷却装置を内蔵している。なお、この特性一覧において、感度波長範囲は１〜６.７μｍであり、受光感度は10V/Ｗが重要である。また、上記遠赤外センサ１４は焦電型ではない常時出力タイプならば他の種類でもよい。また、浜松ホトニクスのホームページhttp://jp.hamamatsu.com/products/sensor-ssd/pd128/index_ja.htmlに遠赤外線センサ(赤外線検出素子)の一覧があるが、言うまでもなく、浜松ホトニクス社以外の製品を採用してもよい。
【００４９】
被測定物５０から発せられる遠赤外線エネルギーは、上記パッシブ型の距離測定センサ２２を構成する熱型赤外線センサである遠赤外センサ１４の視野角３０内に入る。この被測定物５０から発せられる遠赤外線エネルギーは、黒体輻射の場合、図６に示すように、各温度２００Ｋ,３００Ｋ,５００Ｋ,１０００Ｋ,２０００Ｋ,４０００Ｋ,６０００Ｋにおける各分光放射発散度特性を有する。この遠赤外線エネルギーの空間積分値が黒体として放出されるエネルギーとなる。上記被測定物５０が、黒体輻射と違う普通の物体(放射率が１でない物体)は、灰色体(ＧrayＢodies)と呼ばれる。黒体による放射エネルギーに対する灰色体の放射エネルギーの比を放射率と呼び、人体では、上記放射率が０.９５程度である。
【００５０】
上記遠赤外線センサ１４の視野角３０は、図１Ｂに示すように、例えば、被測定物５０としての人の顔に対して配置すると共に上記人の顔からの距離が４０ｃｍである場合には、約９.８度となる。
【００５１】
遠赤外線センサ１４の視野角３０は円錐状であるので、この円錐状の視野角３０の範囲内の被測定物５０が遠赤外線センサ１４から離れる程、被測定物５０と遠赤外線センサ１４との間の距離の二乗に反比例して、遠赤外線センサ１４の出力信号が弱くなる。遠赤外線センサ１４の距離対出力特性は、遠赤外線光が距離の二乗に反比例して小さくなることから、反比例のグラフとなる。ここで、被測定物５０の温度、被測定物５０の大きさ、被測定物５０の放射率が異なると、遠赤外線センサ１４の距離対出力特性が異なることとなる。つまり、被測定物５０の温度,大きさ,放射率毎に遠赤外線センサ１４の距離対出力特性が異なることとなる。この遠赤外線センサ１４の距離対出力特性が、被測定物５０の温度,大きさ,放射率毎に異なるということが、従来において課題となっていた。このため、従来においては、熱型の遠赤外センサで被測定物までの距離を測定するということが行われていなかった。
【００５２】
図２Ａは、この発明の距離測定装置の実施形態の信号処理系統を示すブロック図である。このブロック図において、左下方に熱型の距離測定センサ２２を示している。この熱型の距離測定センサ２２としては、図４Ａ,図４Ｂを参照して説明したように、例えばＩｎＳｂ光導電素子(Ｐ６６０６-１１０)を採用でき、後段に増幅回路５５を配置している。また、上記熱型の距離測定センサ２２が有する遠赤外線レンズ１８は、一例として、市販されている遠赤外線用レンズとしてのフレネルレンズを採用できる。この遠赤外線レンズ１８により、遠赤外線センサ１４に適当な視野角を与える。また、人の顔を検知するためには、人の顔以外の背景から発せられる遠赤外線をカットしなくてはならない。この背景から発せられる遠赤外線をカットするために、遠赤外線レンズ１８の一例として、適当なフィルタとして機能する遠赤外線用レンズとしてのフレネルレンズを遠赤外センサ１４の前に配置している。また、この遠赤外センサ１４の近傍には、図示しない冷却装置を配置している。遠赤外線センサ１４は自身の温度変化に敏感であり、原理上、自身の温度以下の被対象物の温度を検知できない。
【００５３】
次に、図２Ａのブロック図を参照して、本実施形態の信号処理系統をより詳細に説明する。
【００５４】
上記三角測量式(アクティブ型)の距離測定センサ２１が有する上記ＰＳＤ(光位置センサ)１１の出力信号Ｉ１,Ｉ２は、電流電圧変換回路(ＩＶ変換回路)５６,５８とＡＤ変換回路５７,５９を経由して、デジタル化された出力信号Ｉ１,Ｉ２として、演算回路５１に入力される。この演算回路５１により|Ｉ２ |／|Ｉ２＋Ｉ１|が計算され、この計算された|Ｉ２ |／|Ｉ２＋Ｉ１|によって、距離測定信号Ｃが得られる。上記|Ｉ２ |／|Ｉ２＋Ｉ１|から距離測定信号Ｃを得る計算は、周知のＰＳＤによる計算を採用しているため詳細を省略する。
【００５５】
また、上記三角測量式(アクティブ型)の距離測定センサ２１は、上記距離測定用の赤外ＬＥＤ１２を駆動する駆動回路６０を有する。また、脈拍測定センサ７７は、赤外レンズ１７と脈拍測定用赤外ＰＤ(フォトダイオード)１３と電圧電流変換回路６１とＡＤ変換回路６２を有する。この脈拍測定用赤外ＰＤ１３の出力信号は、電流電圧変換回路(ＩＶ変換回路)６１,ＡＤ変換回路６２を経由してデジタル信号である赤外線反射光信号としてデジタル相関器７０に入力される。また、熱型の距離測定センサ２２を構成する遠赤外線センサ１４の出力信号は、増幅回路５５および電流電圧変換回路(ＩＶ変換回路)６３とＡＤ変換回路６４を通った後はデジタル信号となって演算回路６５に入力される。
【００５６】
また、補正係数記憶部としての不揮発性メモリ６８には、本実施形態の距離測定装置の製造時に、記憶位置ｉ＝１からＮ(Ｎは自然数)には、それぞれ、値０.９５が入力され、その平均値Ａaveは０.９５となっている。この平均値Ａaveは補正係数となる。この値０.９５は、人体の放射率に相当している。
【００５７】
ここで、被測定物５０としての人間が遠方より、本実施形態の距離測定装置に近づいてくるとする。このとき、上記熱型の距離測定センサ２２を構成する遠赤外センサ１４から増幅回路５５および電流電圧変換回路６３とＡＤ変換回路６４を経たデジタル出力信号Ｂは、信号補正部としての演算回路６５に入力される。この演算回路６５では、上記デジタル出力信号Ｂと上記不揮発性メモリ６８から入力される上記平均値Ａaveとを乗算し、この乗算した値(Ｂ×Ａave)を補正出力信号として、判断制御部としての判定回路８１へ入力する。
【００５８】
このように、この実施形態によれば、上記熱型の距離測定センサ２２の出力信号Ｂを上記被測定物５０の放射率に基づいて補正した補正出力信号(Ｂ×Ａave)を上記信号補正部としての演算回路６５が出力する。この演算回路６５による補正により、従来は非接触温度計にしか使えなかった熱型(パッシブ型)の遠赤外センサ１４を、熱型の距離測定センサ２２として使用可能になる。
【００５９】
そして、この判定回路８１は、上記補正出力信号としての乗算した値(Ｂ×Ａave)が第２の距離の一例としての９０ｃｍ以下か否かを判定し、上記乗算値(Ｂ×Ａave)が９０ｃｍ以下と判定した場合は、上記反射型のアクティブ型の距離測定センサ２１の電源回路(図示せず)をオンする。一方、上記判定回路８１が、上記乗算値(Ｂ×Ａave)が９０ｃｍを超えていると判定した場合は、上記アクティブ型の距離測定センサ２１の上記電源回路をオンしない。なお、判定回路８１は、上記被測定物５０までの距離が第１の距離としての８０ｃｍ以下になるまでは、出力切り替え部８５を図２Ａに破線で示す切り替え状態Ｓ２にし、熱型の距離測定センサ２２のデジタル出力信号Ｂを補正した補正出力信号(Ｂ×Ａave)を距離測定信号として距離出力端子９２へ出力させる。
【００６０】
したがって、上記アクティブ型の距離測定センサ２１の電源回路がオフの間、上記判定回路８１は、出力切り替え部８５を図２Ａに破線で示す切り替え状態Ｓ２にする。これにより、上記演算回路６５から出力切り替え部８５を通して、上記熱型の距離測定センサ２２による距離測定値である上記乗算値(Ｂ×Ａave)を距離測定信号(補正出力信号)として距離出力端子９２へ出力する。
【００６１】
次に、被測定物５０が本実施形態の距離測定装置から第２の距離の一例としての９０ｃｍ以下のところにまで近づき、判定回路８１が上記距離測定信号(補正出力信号)としての乗算値(Ｂ×Ａave)が９０ｃｍ以下であると判定した場合は、上記アクティブ型の距離測定センサ２１の上記電源回路をオンし、上記アクティブ型の距離測定センサ２１に電源が入り、三角測量方式のアクティブ型の距離測定センサ２１のウォームアップが始まる。なお、上記被測定物５０までの距離が９０ｃｍ以下となっても上記距離が第１の距離としての８０ｃｍ以下になるまでは、判定回路８１は、出力切り替え部８５を図２Ａに破線で示す切り替え状態Ｓ２にし、熱型の距離測定センサ２２のデジタル出力信号Ｂを補正した補正出力信号(Ｂ×Ａave)を距離出力端子９２へ出力させる。
【００６２】
次に、判定回路８１による判定の結果、被測定物５０の上記熱型距離測定センサ２２による距離測定値である乗算値(Ｂ×Ａave)が第１の距離の一例としての８０ｃｍ以下と判定されると、判定回路８１は出力切り替え部８５を図２Ａに実線で示す切り替え状態Ｓ１にし、三角測量方式の距離測定センサ２１による距離信号である距離測定値Ｃを距離測定信号として出力切り替え部８５から距離出力端子９２へ出力させる。
【００６３】
このように、この実施形態によれば、第１の距離の一例としての８０ｃｍを超える長距離測定では、熱型(パッシブ型)の距離測定センサ２２を使用する一方、第１の距離の一例としての８０ｃｍ以下の短距離測定ではアクティブ型の三角測量式の距離測定センサ２１を使用する。これにより、三角測量式の距離測定センサ２１で赤外線を常に発光する必要が無く、低消費電力で短距離から長距離までの測定が可能となる。また、この実施形態によれば、上記被測定物５０が上記第１の距離の一例としての８０ｃｍよりも長い第２の距離の一例としての９０ｃｍまで近づいてきたときに上記三角測量式の距離測定センサ２１を稼働状態にする。したがって、上記被測定物５０との間の距離が上記第１の距離になるまで上記被測定物５０が近づいたときに、上記三角測量式の距離測定センサ２１は既に稼働している。よって、上記三角測量式の距離測定センサ２１の立ち上がりに起因する出力信号の遅れがなく、上記出力切り替え部８５を上記第１の切り替え状態Ｓ１にすると上記三角測量式の距離測定センサ２１による出力信号Ｃを直ちに出力できる。
【００６４】
また、この実施形態では、上記三角測量式の距離測定センサ２１からの出力信号である距離測定値Ｃと上記熱型の距離測定センサ２２からの出力信号である距離測定値Ｂとが入力されると共に上記距離測定値Ｃを上記距離測定値Ｂで除算した値(Ｃ/Ｂ)を新たな補正係数として不揮発性メモリ６８に入力する補正係数算出部としての演算回路８８を備える。
【００６５】
この演算回路８８は、上記値(Ｃ／Ｂ)を、不揮発性メモリ６８に記憶されているＮ個の補正係数Ａ(１)〜Ａ(Ｎ)のうちの１つの補正係数Ａ(ｉ)と置き換える。図２Ｂに示す一例では、不揮発性メモリ６８に記憶されているＮ個の補正係数０．９５のうちのｉ＝２の１つの補正係数を、上記除算した値０.８で置き換えた様子を示している。なお、上記演算回路８８による上記新たな補正係数(Ｃ/Ｂ)の算出と上記補正係数の置き換えは、三角測量方式の距離測定センサ２１および熱型の距離測定センサ２２(内部の２種類のセンサ)が起動している間、適当な時間間隔(例えば１秒)毎や、上記距離測定値Ｃを上記熱型の距離測定センサ２２の補正前の出力信号としての測定値Ｂを除算した値に変化があった毎に実行する。
【００６６】
図２Ｂに示すように、ｉ＝２の時に、演算回路８８から不揮発性メモリ６８へ補正係数Ａ(２)として０.８が入力され、その瞬間に、上記不揮発性メモリ６８に記憶されている補正係数の平均値Ａaveは、Ｎ＝８とすると０.９３１２５となる。上記補正係数算出部としての演算回路８８は、熱型距離測定センサ２２の出力信号Ｂを補正する補正係数として三角測量方式の距離測定センサ２１による距離測定値Ｃを用いる。これにより、熱型の距離測定センサ２２の距離測定範囲内に人が複数人いた場合に三角測量方式の距離測定センサ２１の測定範囲内に長く居る人に対して、熱型の距離測定センサ２２の出力信号Ｂを補正する補正係数Ａの平均値Ａaveの値が最適化されることになる。
【００６７】
この実施形態の距離測定装置における上記変換係数Ａaveは、たとえば、被測定物５０となる人の放射率と、その人の髪の毛や髭に覆われていない顔のサイズとの積を意味している。
【００６８】
したがって、この実施形態によれば、上記補正係数記憶部としての不揮発性メモリ６８に記憶している補正係数を、実際の被測定物に合わせたものとすることができ、熱型の距離測定センサ２２の出力信号Ｂをより正確に補正できて、距離測定をより正確にすることができる。
【００６９】
ここで、図５Ａ〜図５Ｅを参照して、本実施形態における上記変換係数Ａaveの意味を説明する。図５Ａは、各温度(Ｋ,℃)で黒体が半球状に放射する単位面積当たりのエネルギーＷ(Ｗ/ｃｍ２)の一覧を示している。この一覧は、ステファン−ボルツマンの法則に従うもので、放射エネルギーＷは波長に無関係で、かつ絶対温度の４乗で定まる。図５Ｂは、被測定物となる人の顔のサイズｘ,ｙを規定しており、一例としてｘの最小値を１０２ｍｍ、ｙの最小値を９８ｍｍとした。これにより、上記顔のサイズｘの最小値とサイズｙの最小値との積(１０２ｍｍ×９６ｍｍ)を上記被測定物５０としての人の顔の面積(９９.９６ｃｍ２)とする。図５Ｃの左側の表は、図５Ａの一覧のエネルギーＷ(Ｗ/ｃｍ２)に上記人の顔の面積(９９.９６ｃｍ２)を乗算したエネルギーＷ(Ｗ)の一覧を示している。この左側の表の各エネルギーＷ(Ｗ)に人体の放射率０.９５を乗算したものを図５Ｃの右側の表に示す。ここで、熱型の距離測定センサ２２の分光感度(図８参照)と図６に示す熱エネルギーの波長分布の積分により、例えば、熱型の距離測定センサ２２がＩｎＳｂ赤外線検出素子である場合、熱型の距離測定センサ２２が受けるエネルギーＷ(Ｗ)は、図５Ｄに示す表の左欄に示すように、図５Ｃの右側の表に示す値の１０分の１程度に減少する。そして、上記遠赤外センサ１４が、図４Ａに一例として示した浜松ホトニクス製ＩｎＳｂ光導電素子(Ｐ６６０６-１１０)である場合は、図５Ｄの右欄に示すような出力電圧が得られ、図１Ａ,図１Ｂに示すような視野角３０では被測定物５０としての人の顔までの距離４０ｃｍのときに十分に観測可能な値となる。さらに、上記熱型の距離測定センサ２２における遠赤外センサ１４の後段の増幅回路５５を１０倍対数増幅器とした場合、上記１０倍対数増幅器からは、図５Ｅに示す表の右欄に示す出力値が得られる。図５Ｅは、被測定物５０としての人の顔の温度が３６℃で被測定物５０としての人の顔までの距離が４０ｃｍ,８０ｃｍ,１６０ｃｍ,３２０ｃｍ,６４０ｃｍ,１２８０ｃｍであるときに、上記１０倍対数増幅器から得られる出力電圧(Ｖ)の値６.９Ｖ,０.９Ｖ,−５.１Ｖ,−１１.１Ｖ,−１７.２Ｖ,−２３.２Ｖを示している。
【００７０】
このように、増幅回路５５として１０倍対数増幅器を採用すれば、熱型の距離測定センサ２２によって被測定物５０までの距離を約１０ｍという長距離まで測定可能となる。
【００７１】
次に、図１Ａ,図２Ａを参照して、脈拍測定センサ７７および上記三角測量方式の距離測定センサ２１を用いた脈拍測定部でもって、脈拍測定を行う方法を下記に説明する。つまり、この実施形態は、非接触式脈拍測定装置でもある。
【００７２】
図１Ａ,図２Ａに示すように、この実施形態が有する脈拍測定センサ７７は、脈拍測定用の赤外ＰＤ(フォトダイオード)１３および赤外レンズ１７を備える。上記距離測定センサ２１の赤外ＬＥＤ１２から出射された赤外光が被測定物５０で反射され、赤外レンズ１７を通して上記赤外ＰＤ１３に赤外線が入射される。この赤外ＰＤ１３の出力信号は、電流電圧変換回路(ＩＶ変換回路)６１とＡＤ変換回路６２を経由して、デジタル化された赤外線反射光信号として、デジタル相関器７０に入力される。
【００７３】
この実施形態では、脈拍信号処理部７８と、脈拍測定モード制御部９６とを備え、上記脈拍信号処理部７８は、脈拍測定指示信号が入力される脈拍測定入力端子９３と、上記デジタル相関器７０と参照データ記憶部としての不揮発性メモリ７１とカウンタ７３と脈拍数出力端子９１とで構成される。また、上記脈拍測定モード制御部９６は、上記演算回路６５からの補正出力信号(Ｂ×Ａave)が表す上記被測定物５０との間の距離が上記第１の距離の一例としての８０ｃｍ以下であると上記判定回路８１が判断し、かつ、上記脈拍測定入力端子９３から上記脈拍測定指示信号が入力されたときに上記脈拍信号処理部７８の電源をオンする。一方、上記脈拍測定モード制御部９６は、上記演算回路６５からの補正出力信号(Ｂ×Ａave)が表す上記被測定物５０との間の距離が上記第１の距離の一例としての８０ｃｍを超えていると上記判定回路８１が判断したときには、上記脈拍測定入力端子９３への上記脈拍測定指示信号の入力と非入力とにかかわらず、上記脈拍信号処理部７８の電源をオフにする。
【００７４】
このように、脈拍を測定する対象としての人が上記第１の距離の一例としての８０ｃｍを超えて離隔しているときには、上記デジタル相関器７０を含む脈拍信号処理部７８を非稼働として、消費電力を低減することが可能となる。なお、上記脈拍測定指示信号は、例えば、上記脈拍測定入力端子９３を設けた筐体等に取り付けられているボタン(図示せず)などを使用者が操作することによって上記脈拍測定入力端子９３に入力される。
【００７５】
上記脈拍測定センサ７７は、第３従来例(特許文献３(特開２００９-３４３９８号公報))で説明したような密着式脈拍センサと基本的な原理は同じであり、血液中のヘモグロビンに赤外線が吸収されることで、脈拍に応じたヘモグロビン密度の変化を反射光から得る。
【００７６】
ところで、本実施形態の脈拍センサは非接触式であるので、被測定物５０から脈拍測定センサ７７への反射信号光Ｓの強度が接触式の脈拍センサに比べて劣る。例えば、接触式の脈拍センサにおいて血管から受光素子までの距離が３ｍｍであっても、この実施形態の非接触式の脈拍センサでは、例えば血管から受光素子である赤外ＰＤ１３までの距離が８０３ｍｍとなる。反射信号光Ｓは、距離の二乗に反比例して減少するので、この実施形態の非接触式の脈拍センサでは、接触式の脈拍センサに比べて、(３／８０３)の二乗＝１.４×１０-５倍だけ小さくなる。
【００７７】
ここで、図７Ａに、人の頭部の代表的な動脈を、符号Ｚ１で示されるような網掛けされた部分で示す。また、図７Ｂに、人の目の回りの動脈を、符号Ｚ２で示されるような網掛けされた部分で示し、人の目の回りの静脈を、符号Ｚ３で示されるような網掛けされた部分で示す。
【００７８】
図７Ａ,図７Ｂに示すように、人の顔面は指や掌に比べて、動脈の数が多い点では脈拍測定に有利に働く。例えば、人の指の動脈は４本であるが、人の顔面の動脈の試算は困難である。このため、本実施形態では、ＰＳＤ(光位置センサ)１１の感度(０.５Ａ／Ｗ)よりも高い感度(０.６Ａ／Ｗ)を有し、受光面積を大きくとれる脈拍測定のための専用の受光素子として赤外ＰＤ(フォトダイオード)１３を配置した。接触式の脈拍センサでは、レンズが無いので、受光素子の直径φが３ｍｍであるが、本実施形態の赤外ＰＤ１３の前方に配置する赤外レンズ１７はレンズ直径φを３０ｍｍとした。
【００７９】
このサイズの赤外ＰＤ１３でも、遮断周波数は１０ＭＨｚあり、(６０秒間に３０回)〜(６０秒間に２５０回)すなわち０.５Ｈｚ〜４.２Ｈｚの脈拍に比べて、応答速度は十分であるが、実際は赤外レンズ１７の横倍率だけ受光素子としての赤外ＰＤ１３の直径を小さくできることは言うまでも無い。例えば、赤外レンズ１７の横倍率を１０倍とすれば、受光素子としての赤外ＰＤ１３の直径を３ｍｍにできる。これにより、赤外ＰＤの感度がＰＳＤ１１の感度と等しく、かつレンズ直径と赤外ＰＤ直径とが等しい場合に比べて、赤外ＰＤ１３への反射信号は、１２０倍(＝(レンズ直径３０ｍｍ÷赤外ＰＤ１３の直径３ｍｍ)２×(赤外ＰＤ感度０.６÷ＰＳＤ感度０.５))だけ増加する。さらに、発光素子としての赤外ＬＥＤ１２をパルス駆動とし、このパルス駆動の電流を連続駆動による駆動電流の１０倍に増加させる。これら積(１２０×１０)により、赤外ＰＤ１３の出力信号を１２００倍に増加させることができるが、接触式の脈拍センサから得られる信号レベルに達するには、さらに１０００倍は増加させることが必要である。
【００８０】
そこで、この実施形態では、上記非接触式の脈拍センサを採用したことで、接触式の脈拍センサに比べて弱くなった信号レベルを、接触式の脈拍センサ並にするために、デジタル相関器７０,不揮発性メモリ７１,カウンタ７３を有する脈拍信号処理部７８を備えた。
【００８１】
上記不揮発性メモリ７１には、複数の実際の人の脈拍データが参照データとして記憶されている。例えば、上記不揮発性メモリ７１には、１００人分の異なる人の脈拍データが参照データとして記憶されている。
【００８２】
また、上記デジタル相関器７０には、上記脈拍測定センサ７７からのデジタル化された赤外線反射光信号と、上記不揮発性メモリ７１からの参照データと、上記三角測量式の距離測定センサ２１からの距離信号Ｃとが入力される。ここでは、上記デジタル相関器７０の詳細な動作原理は割愛するが、このデジタル相関器７０の動作の概略の原理としては、弱くなった信号としての赤外線反射光信号を１０００回繰り返し処理することにより読み取る。このとき、上記デジタル相関器７０は、上記赤外線反射光信号と上記参照データとの相関をとる処理も行なう。
【００８３】
ここで、心拍数の範囲は３０回／分から２５０回／分なので、一番長い２秒当たり１拍の場合に上記繰り返し処理を１０００回とすると、この１０００回の繰り返し処理に要する時間は２０００秒つまり約３３分の測定時間が必要になることが分かる。よって、この１０００回の繰り返し処理により、応答性が犠牲となるが、この応答性は、後述する応用商品に影響しない程度である。
【００８４】
なお、本実施形態では、三角測量式の距離測定センサ２１の演算回路５１による計算された｜Ｉ２｜／｜Ｉ２＋Ｉ１｜から得た距離測定信号Ｃを相関器７０に入力している。上記測定時間の間に被測定物５０と脈拍測定部７７との間の距離が変わり、上記距離の変化速度として、脈拍と同じ位の時間(０.５秒〜４秒)での距離の変化である場合には、上記相関器７０は上記距離測定信号Ｃを用いて、上記距離の変化による上記脈拍測定センサ７７からの上記赤外線反射光信号の変動を取り除くようにしている。
【００８５】
上記デジタル相関器７０から出力される１拍の信号を、カウント７３により適当な閾値によりカウントして、脈拍数出力端子９１から脈拍数出力信号が得られる。
【００８６】
このように、この実施形態では、上記脈拍測定センサ７７が、上記三角測量式の距離測定センサ２１から出射されて上記被測定物５０としての人で反射した上記赤外線反射光を受光して、赤外反射光信号をデジタル相関器７０に入力する。そして、このデジタル相関器７０は、上記不揮発性メモリ７１から入力される上記参照データを用いて上記赤外反射光信号の周期的変化を脈拍出力信号として取り出す。また、上記デジタル相関器７０は、上記三角測量式の距離測定センサ２１からの距離信号Ｃを用いて上記被測定物としての人との間の距離の変動による上記赤外線反射光信号の変動を取り除く。したがって、上記デジタル相関器７０により、上記赤外線反射光信号の周期的変化をより大きな脈拍数出力信号として取り出すことができる。
【００８７】
なお、上記実施形態では、脈拍測定センサ７７を備えたが、この脈拍測定センサ７７を備えずに、上記三角測量式の距離測定センサ２１からデジタル相関器７０に入力される距離測定信号Ｃを用いて、脈拍数出力信号を得ることも可能である。この場合、脈拍測定モード制御部９６は、上記脈拍測定入力端子９３から上記脈拍測定指示信号が入力されて、上記判定回路８１が上記演算回路６５からの補正出力信号(Ｂ×Ａave)が表す上記被測定物５０との間の距離が上記第１の距離(８０ｃｍ)以下であると判断したときに上記脈拍信号処理部７８の電源をオンする。このとき、脈拍測定モード制御部９６は、駆動回路６０を制御して、三角測量式の距離測定センサ２１の赤外ＰＤ１２を駆動する電流を標準の値よりも増加させる。これにより、上記三角測量式の距離測定センサ２１による赤外線発光光量を標準光量よりも増加させる。そして、上記デジタル相関器７０は、上記三角測量式の距離測定センサ２１が出力する増強された距離測定信号Ｃと上記参照データとを用いて上記距離測定信号Ｃによる周期的変化の信号を取り出す。そして、この周期的変化の信号をカウント７３により適当な閾値によりカウントして、脈拍数出力信号として脈拍数出力端子９１から得ることができる。なお、この場合、上記脈拍測定モード制御部９６は、上記脈拍測定入力端子９３から上記脈拍測定指示信号が入力されず、かつ、上記判定回路８１が上記演算回路６５からの補正出力信号(Ｂ×Ａave)が表す上記被測定物５０との間の距離が上記第１の距離(８０ｃｍ)以下であると判断したときに上記脈拍信号処理部７８の電源をオフすると共に駆動回路６０を制御して脈拍測定用の赤外ＰＤ１３を駆動する電流を標準の値にする。
【００８８】
また、上記実施形態では、距離測定装置と非接触式の脈拍測定装置とを兼ねる実施形態としたが、上記脈拍測定センサ７７,脈拍信号処理部７８,脈拍数出力端子９１を備えずに非接触式の脈拍測定装置を兼ねない距離測定装置としてもよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、被測定物５０としての人の顔が、上記距離測定センサ２１,２２,脈拍測定センサ７７の方を向いている必要がある。このため、この実施形態を応用した装置では、表示画面を持つ電子機器の画面近傍に上記センサ２１,２２,７７を配置することが合理的である。
【００９０】
例えば、書籍を読む人の目と上記書籍との間の距離は３０ｃｍ離すのがよいとされているので、電子書籍と呼ばれるスレート型端末にこの実施形態を設置した場合、学童教育向け電子書籍では、被測定物５０としての人の顔が３０ｃｍ以内に近づいたことを示す出力信号がこの実施形態の距離出力端子９２から出力された場合に、警告信号を出すなどの応用が考えられる。
【００９１】
上記被測定物５０としての人の顔との間の距離は、パソコンモニターでは５０ｃｍ、ＴＶ受像機では２ｍが下限値の目安である。よって、この実施形態をパソコンモニターに設置した場合は、上記距離出力端子９２の出力信号が５０ｃｍ以内の距離を示している場合に、警報信号を出す応用が考えられる。また、この実施形態をＴＶ受像機に設置した場合は、上記距離出力端子９２の出力信号が２ｍ以内の距離を示している場合に、警報信号を出す応用が考えられる。
【００９２】
また、６畳の部屋に設置されたエアコンディショナ(以下エアコン)では、このエアコンと被測定物５０としての人との間の最大距離は１０ｍとなる。この実施形態の距離測定装置では、前述の補正係数Ａaveが製造段階で記憶部としての不揮発性メモリ６８に入力済みである。したがって、アクティブ型の距離測定センサ２１の距離測定値Ｃを用いた補正係数Ａ(ｉ)の更新を行わなくても、精度は劣るが被測定物５０までの距離測定が可能である。よって、エアコンに上記実施形態の距離測定装置を装着することにより、エアコンから被測定物５０としての人までの距離を示す距離信号が得られ、この距離信号に基づいてエアコンの送風量を調整する等の応用が考えられる。
【００９３】
また、上記エアコンに替えて扇風機などへ上記実施形態を装着することで上記距離信号による送風量制御等の応用も可能である。
【００９４】
同様に、照明装置に本実施形態を応用し、本実施形態から得られる距離信号で上記照明装置から被測定物５０までの距離を検出し、この距離に応じて上記照明装置の照度を可変制御することにより、この照明装置全体の省エネルギーを図ることが可能となる。
【００９５】
また、例えば、モニター画面を備えたフィットネスバイクでは、上記モニター画面に走行時の風景が画面に表示される。このため、その走行者は、上記モニター画面の方向に顔を向けることになる。ここで、有酸素運動として、運動時間は３０分から１時間が有効とされているので、そのような時間があれば本実施形態の脈拍測定センサ７７による脈拍測定が可能である。すなわち、上記フィットネスバイクのモニター画面の傍らに本実施形態を組み込んでおくことで、煩わしい脈拍センサを身体に付けることなく、脈拍を測定することが可能になる。
【００９６】
同様に、パソコンゲーム機に本実施形態を取り付ければ、ゲーム操作者の脈拍を非接触にて測定でき、この測定した脈拍値をゲーム機へフィードバックすることで、上記脈拍値に応じてゲームの効果音の大きさや、音楽の種類や画面を変えるといった応用が考えられる。
【００９７】
なお、上記実施形態の距離測定装置では、実現可能性を示すため具体的な数値を用いたが、それらは適宜、別の数値を用いてもよい。また、この距離測定装置が有する距離測定センサ２１が有する発光素子としての赤外ＬＥＤ１２に替えて赤外線レーザー素子を用いれば、光量はより大きくでき、三角測量方式の距離測定範囲が延びるだけで無く、脈拍測定に関しても非接触での測定可能距離が延びる。また、被測定物５０までの距離が近い場合には、脈拍測定の応答を速くすることができる。例えば、上記実施形態の数値でも、上記距離測定センサ２１と人の被測定物５０としての顔の距離が１０ｃｍに近づけば、脈拍検出のための相関器７０を不要にすることができ、相関器７０に替えてＦＦＴ(高速フーリエ変換)を用いて脈拍情報を検出することも可能になる。また、上記実施形態では、上記第１,第２の距離を８０ｃｍ,９０ｃｍとしたが、上記第１,第２の距離は８０ｃｍ,９０ｃｍに限らないことは言うまでもない。例えば、上記第１の距離を７０ｃｍとし上記第２の距離を８０ｃｍとしてもよく、上記第１の距離を６０ｃｍとし上記第２の距離を７０ｃｍとしてもよい。ただし、上記三角測量式(アクティブ型)の距離測定センサ２１の測定範囲を考慮すれば上記第１の距離は最大で８０ｃｍとすることが好ましい。また、上記第２の距離を９０ｃｍ以上に設定してもよい。ただし、上記第２の距離を長くするほど、上記アクティブ型の距離測定センサ２１の電源回路(図示せず)をオンさせる時間が長くなり消費電力が増えるので、上記第１の距離＋１０ｃｍ程度とすることが好ましい。
【符号の説明】
【００９８】
１１  ＰＳＤ(光位置センサ)
１２  赤外ＬＥＤ
１３  脈拍測定用の赤外ＰＤ(フォトダイオード)
１４  遠赤外線センサ
１５  ＰＳＤ用の赤外レンズ
１６  赤外ＬＥＤ用の赤外レンズ
１７  赤外ＰＤ用の赤外レンズ
１８  遠赤外レンズ
２１  三角測量式の距離測定センサ
２２  熱型の距離測定センサ
３０  視野角
５０  被測定物
５１,６５,８８  演算回路
５５  増幅回路
５６,５８,６１,６３  電流電圧変換回路
５７,５９,６２  ＡＤ変換回路
６８,７１  不揮発性メモリ
７０  デジタル相関器
７３  カウンタ
７７  脈拍測定センサ
７８  脈拍信号処理部
８１  判定回路
８５  出力切り替え部
９１  脈拍数出力端子
９２  距離出力端子
９３  脈拍測定入力端子
Ｊ１１,Ｊ１２,Ｊ１３  光軸
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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