(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の空間を照明する光源と、
信号をアナログ微分する微分処理手段を含み、水平方向の走査線に沿って前記空間に存在する物体を撮影して得られた信号をアナログ微分した映像信号を出力する撮影手段と、
前記走査線の水平方向の同期信号と垂直方向の同期信号および雑音信号のそれぞれを前記映像信号からマスクするマスク回路と、
前記マスク回路を通した後の前記映像信号の信号レベルの変化を増幅して音声信号に変換する映像・音声変換手段と、
を備えることを特徴とする物体監視装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記撮影手段は、アバランシェ撮像管を用いて構成されることを特徴とする物体監視装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記映像・音声変換手段は、前記撮影手段から出力される映像信号の信号レベルの最大値を所定時間間隔毎に検出して保持することを特徴とする物体監視装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記光源から入射される光を前記空間に向けて反射させる反射部材と、
前記反射部材によって反射された前記光源から照射された光によって照明される前記空間を挟んで前記撮影手段と対向配置される無反射背景板と、
をさらに備えることを特徴とする物体監視装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記光源は、点光源であって、
前記反射部材は、前記点光源から放射状に照射される光を反射する放物面鏡と、前記空間を挟んで前記放物面鏡に対向配置された反射鏡とを有することを特徴とする物体監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間内に浮遊する微粒子等を検出する物体監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体産業の分野では、クリーンルーム内の空気中に存在する微粒子が諸々のトラブルの原因となっている。また、日常の身の回りにおいても、自動車や工場などから日々膨大な量の様々な物質の微粒子が大気中に排出されており、人体に蓄積するこれらの微粒子が人の健康に害を与えている。
【０００３】
このようなことから、特に最近、空気中に浮遊する微粒子の管理が必要になっており、目に見えない空気中の微粒子を管理するために可視化する数々の手法が提案されている。例えば、所定の空間に光を照射してその空間内に浮遊する微粒子の可視化を行ってモニター装置の画面等に表示させることにより、微粒子を監視する技術が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の微粒子監視システムでは、空間内を浮遊する微粒子はモニター装置の画面等に表示されるため、その監視を行うために常に画面を注視していなければならなかった。しかし、例えば作業者が作業をしながら常に画面を注視することは現実には不可能であり、ときどき画面を見て監視するというのが実状であった。したがって、画面を見るタイミングによっては浮遊する微粒子の存在を見逃してしまうことがあり、視覚による微粒子の監視には一定の限界があった。
【０００５】
また、微粒子の監視に限らず、例えば、不審者の侵入を監視する場合等の一般的な物体等の監視の場合も同様であり、画面に映し出された映像だけで監視する場合には、画面を見るタイミングによっては不審者の進入を見落とすことがある。
【０００６】
このように、撮影した映像を見て物体の存在や侵入を監視する方法では、他の作業と並行して行う場合に適しておらず、このような場合であっても効率よく物体の存在や侵入を監視することができる物体監視方式が望まれていた。
【０００７】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、物体の存在や侵入を効率よく監視することができる物体監視装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の物体監視装置は、光源によって照射された空間の全部または一部の空間（以下、「撮影空間」と称する）を撮影手段によって撮影し、撮影手段から出力される映像信号の変化の様子を映像・音声変換手段によって音声信号に変換して出力する。撮影空間に微粒子等の物体が存在すれば、照射された光がこの物体によって反射されるため撮影手段から出力される映像信号の信号レベルが変化する。この映像信号の変化は、映像の１フレームを構成する走査線の数や毎秒当たりのフレーム数に応じて所定周波数の信号となるため、映像・音声変換手段によって増幅等の簡単な処理を行うだけで音声信号に変換することができる。したがって、撮影空間の様子を撮影した映像を見る代わりに、出力される音声を聞くだけで、撮影空間内の物体の存在や外部から撮影空間内への物体の侵入を効率よく監視することができる。
【０００９】
また、上述した撮影手段は、アバランシェ撮像管を含んで構成し、アナログ微分処理を行う微分処理手段を備えることが好ましい。アバランシェ増倍動作形撮像管は、アバランシェ効果によってゲインが高くダイナミックレンジが広いため、微細で輝度変化の少ない被写体の撮影に適しており、空間に浮遊した微粒子の撮影を高感度で行うことができる。特に、上述した微分処理手段と組み合わせることにより、出力振幅の飽和がなくなって撮像管のダイナミックレンジを１００％利用することが可能となり、空間に浮遊した素粒子の撮影に有利なＳ／Ｎ特性が得られる。
【００１０】
また、上述した映像・音声変換手段は、撮影手段から出力される映像信号の信号レベルの最大値を所定時間間隔毎に検出して保持することが好ましい。例えば、走査線単位で信号レベルの最大値を検出して保持することにより、走査の周波数を上限周波数とするほぼ音声に近い周波数帯域の信号を容易に得ることができる。
【００１１】
また、光源から入射される光を撮影空間に向けて反射させる反射部材と、撮影空間の裏側に配置される無反射背景板とを備えることが好ましい。反射部材によって反射された光が照射された撮影空間を無反射背景板を背景として撮影することにより、撮影空間内の微粒子等の物体による反射光を鮮明に撮影することができる。特に、点光源を用いるとともに、反射部材として放物面鏡と反射鏡を組み合わせて用いる場合には、点光源から発せられた放射状の光を放物面鏡によって平行光線に変換して、撮影空間を均一に照明することができ、この撮影空間に含まれる微粒子等の物体を均一な条件で検出することができる。
【００１２】
また、光源から照射された光は放物面鏡により平行な光に変換され、対向した反射鏡により折り返されるため、周辺に強力な光を漏らすことがなく、安全光で管理されているクリーンルームなどで周辺に影響を与えることがない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明を適用した一実施形態の微粒子監視システムは、光源によって照射された空間に存在する微粒子の散乱光をカメラで撮影し、この撮影した映像を音に変換して出力することに特徴がある。以下、本発明を適用した一実施形態の微粒子監視システムについて、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態の微粒子監視システムの構成を示す図である。同図に示す監視システムは、光源１０、放物面鏡１２、反射鏡１４、遮光リング１６、１８、無反射背景板２０、アナログ微分カメラ３０、音声出力装置４０を含んで構成されている。
【００１５】
光源１０は、例えばストロボ光源であり、放物面鏡１２の焦点位置（放物面鏡１２の放物線軸に平行な光線を入射した場合に放物面鏡１２から反射した光線が集まる点）に配置されている。放物面鏡１２の焦点位置に光源１０を配置することによって、光源１０から発せられた光線は放物面鏡１２によって反射されて撮影空間を平行に進む。反射鏡１４は、放物面鏡１２によって反射されて撮影空間を平行に進んできた複数の光線を反射して、再度撮影空間に光を照射するためのものである。
【００１６】
遮光リング１６および１８は、それぞれ放物面鏡１２および反射鏡１４の外縁に取り付けられており、これらの外縁における乱反射を防止するとともに光を外部に漏らさない役割を有している。
【００１７】
無反射背景板２０は、アナログ微分カメラ３０から見て撮影空間の後方に配置されており、入射する光を反射せずに吸収する性質を有する。例えば、黒色板が用いられる。
【００１８】
アナログ微分カメラ３０は、撮影空間を照射する光線の方向と垂直方向に配置されて、撮影空間を撮影して映像信号に変換するためのものであり、その受光部には例えばアバランシェ増倍動作形撮像管が用いられる。上述した無反射背景板２０を備えることによって撮影空間の後方からは光が反射されないため、アナログ微分カメラ３０は、撮影空間に浮遊する微粒子によって散乱される光だけを受光することが可能となる。
【００１９】
図２は、アナログ微分カメラ３０の全体構成を示す図である。同図に示すように、アナログ微分カメラ３０は、アバランシェ増倍形撮像管３１、増幅器３２、微分回路３３、輝度情報圧縮回路３４、加算回路３５、増幅器３６を備えている。
【００２０】
アバランシェ増倍動作形撮像管３１は、非晶質半導体における電荷のアバランシェ増倍を行う光導電性ターゲットの動作原理を利用したものであり、感度および解像度が高く、特に紫外光の波長に対して良好な受光感度を有する。例えば、６４〜１００倍程度のゲインを容易に得ることができ、試験的には１０００倍のゲインを得ることも可能である。
【００２１】
このアバランシェ増倍動作形撮像管３１から取り出された信号は、低雑音の増幅器３２で増幅された後、情報損失のないアナログの微分回路３３と輝度情報圧縮回路３４に分かれる。微分回路３３は、微粒子等の周波数成分の高い情報を増幅して取り出すためのものであり、輝度情報圧縮回路３４は、映像信号の振幅が所定の電圧（例えば１ＶP-P ）に収まるように調整を行う。このような２系統の回路で処理された信号は、加算回路３５で合成され、増幅器３６によってゲイン調整やフォーマット処理を行った後に、アナログ微分カメラ３０から映像信号として音声出力装置４０に出力される。
【００２２】
図３は、アナログ微分カメラ３０によって撮影した被写体と出力される映像信号との関係を示す図である。図３（ａ）に示すような微粒子の散乱光が撮影される場合には、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示す映像信号が出力される。図３（ｂ）に示すように、映像信号は、微粒子の散乱光の信号をアナログ微分した映像信号（以下、「微分後の微粒子映像信号」と称する）の他に雑音信号と、水平帰線期間に対応した走査線の水平方向の同期信号（以下、「走査線の水平同期信号」と称する）とを含んでいる。また、図３（ｃ）に示すように、映像信号は、垂直帰線期間（走査線の約２１本分に相当する時間）には走査線の垂直方向の同期信号（以下、「走査線の垂直同期信号」と称する）をも含んでいる。
【００２３】
図４は、音声出力装置４０の全体構成を示す図である。同図に示すように、音声出力装置４０は、マスク回路４１、波形処理部４２、出力部４３を備えている。
【００２４】
マスク回路４１は、アナログ微分カメラ３０から出力される映像信号から出力音声に影響を与える雑音信号と走査線の垂直同期信号とをマスクするためのものである。図５は、マスク回路４１による映像信号のマスクの一例を示す図である。
【００２５】
マスク回路４１によって、例えば図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように所定レベル（図５（ａ）および図５（ｂ）の点線）以下の垂直帰線期間の影響や雑音信号がマスクされ、図５（ｃ）に示すように微分後の微粒子映像信号のみが波形処理部４２に出力される。
【００２６】
波形処理部４２は、走査線毎の粒子映像信号の最大レベルを保持・出力するためのものである。図６は、波形処理部４２の詳細な構成を示す図である。同図に示すように、波形処理部４２は、ピークホールド回路５１とサンプルホールド回路５２を備えている。
【００２７】
図７は、ピークホールド回路５１に入力される微分後の微粒子映像信号とピークホールド回路５１およびサンプルホールド回路５２の出力レベルとの関係を示す図である。図７（ａ）に示すような▲１▼〜▲４▼の４つのピーク（それぞれの信号レベルをｖ１〜ｖ４とする）を有する信号がピークホールド回路５１に入力された場合には、ピークホールド回路５１およびサンプルホールド回路５２の出力波形は、それぞれ図７（ｂ）、図７（ｃ）のようになる。
【００２８】
まず、図７（ｂ）に示すピークホールド回路５１の出力波形について考える。ピークホールド回路５１は、リセットタイミングＲ１に達すると、スイッチＳＷ１がオンされてコンデンサＣ１が放電されるため、その出力レベルは０になる。スイッチＳＷ１をオフした後、ダイオードＤ１を介して映像信号▲１▼が入力されると、コンデンサＣ１が充電され、出力レベルはｖ１となる。ダイオードＤ１があるため、その後入力レベルが０になっても、コンデンサＣ１は放電されずに出力レベルｖ１は保持される。また、映像信号▲２▼が入力されても、映像信号▲２▼のレベルは映像信号▲１▼のレベルより低いため、同様に出力レベルｖ１が維持される。
【００２９】
次に、リセットタイミングＲ２に達すると、スイッチＳＷ１が再びオンされて、出力レベルは０になり、その後、映像信号▲３▼が入力されると、出力レベルはｖ３になる。さらに、リセットタイミングＲ３、Ｒ４で出力レベルが０になり、映像信号▲４▼が入力されると、出力レベルはｖ４となる。このように、ピークホールド回路５１は、リセットタイミングからその時点までの間における微分後の微粒子映像信号の最大レベルを出力する。
【００３０】
次に、サンプルホールド回路５２の出力波形について考える。サンプルホールド回路５２は、サンプルホールドタイミングに達すると、ＳＷ２がオンされてピークホールド回路５１の出力を取り込んで、コンデンサＣ２にその出力値を保持する。例えば、サンプルホールドタイミングＳ２におけるサンプルホールド回路５２の出力レベルは、その時点におけるピークホールド回路５１の出力レベルｖ１となる。この出力レベルｖ１は、スイッチＳＷ２がオフされた後も次のサンプルホールドタイミングＳ２に達するまで保持される。サンプルホールドタイミングＳ３に達すると、再びスイッチＳＷ２がオンされて、出力レベルはその時点におけるピークホールド回路５１の出力レベルｖ３となる。さらに、サンプルホールドタイミングＳ４、Ｓ５においては、それぞれ、その時点でのピークホールド回路５１の出力レベル０、ｖ４となる。
【００３１】
なお、サンプルホールド、リセットは水平帰線期間内に相互に干渉しない時間差を持って行われる。したがって、サンプリング周波数は水平走査周波数で行われ、走査線ごとに粒子の存在を確認することが可能となる。
【００３２】
なお、サンプリングタイミングは、リセットタイミングの直前に設定することが好ましい。リセットタイミングの直前に設定することによって、サンプルホールド回路５２は、一のリセットタイミングから次のリセットタイミングまでの間における微分後の微粒子映像信号の最大レベルを取り込んで出力することが可能となる。
【００３３】
このように、サンプルホールド回路５２は、サンプリングタイミングにおけるピークホールド回路５１の出力を次のサンプリングタイミングまで保持・出力しており、音声出力装置４０は、この出力信号を音声に変換する。この音声出力装置４０は、例えば低周波増幅器とスピーカを組み合わせただけの簡単な回路構成で実現することができる。上述したリセットタイミングとサンプリングタイミングを走査間隔に同期させた場合には、最高で走査線毎にピークが現れる信号が音声出力装置４０に入力される。例えば走査線の周波数が１７．７５ＫＨｚの場合には、周波数の最大値が１７．７５ＫＨｚとなるような可聴範囲の周波数成分を有する信号が音声出力装置４０に入力され、この信号を増幅するだけで可聴範囲の音声に変換することができる。なお、映像信号の垂直解像度が高くて走査線の周波数が可聴範囲を越える場合には、上述したリセットタイミングとサンプリングタイミングの周波数を走査線の周波数よりも低く設定することが好ましい。
【００３４】
上述したアナログ微分カメラ３０が撮影手段に、音声出力装置４０が映像・音声変換手段に、微分回路３３が微分処理手段にそれぞれ対応している。
【００３５】
このように、本実施形態の微粒子監視システムは、光源１０によって照射された空間に存在する微粒子の散乱光をアナログ微分カメラ３０で撮影して、その映像信号の変化に応じた音声を音声出力装置４０から出力する。したがって、監視者は、聴覚によって浮遊する微粒子の存在を確認することが可能となり、従来のようにモニタ装置の画面等を注視して監視するという必要がなくなるため、微粒子の存在や侵入を効率よく、しかも確実に監視することが可能となる。
【００３６】
特に、音声出力装置４０にマスク回路４１を備えることによって、雑音信号や走査線の水平同期信号を除去して、微分後の微粒子映像信号のみを抽出するため、微粒子が存在するときにだけ音声を出力することができる。また、空間に浮遊する微粒子の量が多い場合には音声出力装置４０に入力される微分後の微粒子映像信号の周波数が高くなり、空間に浮遊する微粒子の大きさが大きい場合には散乱光の強度が大きくなって信号レベルのピークが大きくなる。したがって、空間に存在するあるいは侵入した微粒子の量や大きさに応じて、音声出力装置４０から出力される音声の周波数や音圧レベルが変化し、これを聞いた監視者は、音を聞いただけで空間内の微粒子の状態を知ることができる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、光源１０、放物面鏡１２、反射鏡１４を用いて撮影空間を照射したが、撮影空間を照射する方法は他にも様々なものが考えられる。
【００３８】
図８は、本発明を適用した他の実施形態の微粒子監視システムの構成を示す図である。同図に示す微粒子監視システムは、反射鏡１４、アナログ微分カメラ３０、音声出力装置４０、光源１１０、ビームエクスパンダ１１２、ガイドミラー１１３、ビームトラップ１２２を含んで構成されている。
【００３９】
光源１１０は、例えばアルゴンレーザであり、エネルギー密度の高い細い平行光線束を出力する。ビームエクスパンダ１１２は、この細い平行光線束を太い平行光線束に変換し、所定の幅を持ったレーザ光を出力する。ガイドミラー１１３は、ビームエクスパンダ１１２を通したレーザ光を反射させて、２枚の反射鏡１４Ａ、１４Ｂの対向領域に入射させるためのものである。レーザ光は、２枚の反射鏡１４Ａ、１４Ｂによって多重反射することにより、平面的な広がりを有するシート光が形成されて撮影空間が照射される。ビームトラップ１２２は、反射鏡１４を通過したレーザ光を吸収して、散乱光の発生を抑止する。また、このようにして形成されるシート光の裏側（アナログ微分カメラ３０による撮影を行った場合にその背景となる領域）は無反射背景とすることが好ましい。このように、他の方法によって撮影空間を照射するようにしてもよい。
【００４０】
また、上述した実施形態では、映像信号の変化に基づいて音声を出力して監視者に物体の存在や侵入を知らせたが、監視者に知らせる方法は他にも考えられる。例えば、波形処理部４２から出力される信号に基づいて振動を発生させて警告するようにしてもよい。
【００４１】
また、上述した実施形態では、空間内に存在する微粒子を監視する場合を例にとって説明したが、監視対象は微粒子に限定されず、その他の一般的な物体の存在や侵入を監視する場合に本発明を適用することができる。
【００４２】
また、上述した実施形態では、微粒子の散乱光を撮影するために、アナログ微分カメラ３０を用いたが、空間に照射する光強度が強い場合や微粒子の大きさが大きい場合等においては散乱光強度が大きくなるため、通常の高感度カメラを用いるようにしてもよい。また、一つの筐体に収納されたアナログ微分カメラ３０を用いる代わりに、通常の高感度カメラと外付けのアナログ微分処理回路と信号線で接続して用いるようにしてもよい。
【００４３】
また、上述した実施形態では、微粒子を撮影した信号をアナログ微分し、その微分出力に対してピークホールド処理およびサンプルホールド処理を行っているが、その他の手法を用いて映像を音声信号に変換するようにしてもよい。例えば、アナログ微分カメラ３０の代わりに通常の高感度カメラを用い、走査線毎に輝度信号を平滑化した信号を作成し、この信号を増幅して音声を出力するようにしてもよい。
【００４４】
また、上述した実施形態では、マスク回路４１を用いて、アナログ微分カメラ３０から出力される映像信号から雑音信号と走査線の査線の垂直同期信号をマスクしたが、雑音信号については、そのレベルがきわめて小さければ音声出力に与える影響はほとんどなく、また、走査線の垂直同期信号については、垂直帰線期間の間は信号を取り出さないようにすれば音声出力に影響を与えることはない。したがって、雑音信号のレベルがきわめて小さく、また、垂直帰線期間の間は波形処理部４２によるサンプルホールド処理を行わないようにすれば、マスク回路４１はなくてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、光源によって照射された空間の全部または一部の撮影空間を撮影手段によって撮影し、出力される映像信号の変化の様子を映像・音声変換手段によって音声信号に変換して出力しており、撮影空間の様子を撮影した映像を見る代わりに、出力される音声を聞くだけで、撮影空間内の物体の存在や外部から撮影空間内への物体の侵入を効率よく監視することができる。
【００４６】
特に、撮影手段から出力される映像信号の信号レベルの最大値を映像・音声変換手段によって所定時間間隔毎に検出して保持することにより、この所定時間間隔に対応した周波数を上限周波数とするほぼ音声に近い周波数帯域の信号を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した一実施形態の微粒子監視システムの構成を示す図である。
【図２】アナログ微分カメラの全体構成を示す図である。
【図３】アナログ微分カメラによって撮影した被写体とその映像信号との関係を示す図である。
【図４】音声出力装置の構成を示す図である。
【図５】マスク回路による映像信号のマスク動作の一例を示す図である。
【図６】波形処理部の詳細な構成を示す回路図である。
【図７】ピークホールド回路に入力される微分後の微粒子映像信号とピークホールド回路およびサンプルホールド回路の出力波形との関係を示す図である。
【図８】他の実施形態の微粒子監視システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  光源
１２  放物面鏡
１４  反射鏡
１６、１８  遮光リング
２０  無反射背景板
３０  アナログ微分カメラ
３１  アバランシェ増倍動作形撮像管
３２、３６  増幅器
３３  微分回路
３４  輝度情報圧縮回路
３５  加算回路
４０  音声出力装置
４１  マスク回路
４２  波形処理部
４３  出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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