システム主要構成部品のひとつである赤外線センサについてその基本性能及び特性を調査、理解し、ＭＩＲＳにおける利用方法を検討する。
- 肉眼で直接観測できない。
- 低い温度の物体から放射される。
- 波長が長い。
- 物体に対する吸収係数が大きい。
今回利用する赤外線について
・赤外線波長：940(950)nm (可視光線400〜750nm)
・キャリア信号：37.9kHz (キャリア信号：赤外線を出しているベースの信号)
・発光パターン
- 周期 39ms ＝発信時間(20ms)＋休止時間(19ms)
- 符号化信号
ノイズ対策(符号化信号の利用)
過去のMIRSの実績では、外部光(日射、撮影用ライト)によるノイズにより赤外線を誤認識する場合があった。
符号化信号を利用することにより、発信器からのノイズを確実に処理することが可能である。
信号処理の方法としては、
・符号化信号を平滑化する前の信号をFPGA内のメモリに記憶させて、RT‐taskにより定期的にそのデータを取り出し、規定のパターンと一致しているかを確認する。
・符号化信号を平滑する段階で、信号パターンが規定のコードと一致しているかをハードウェア的に認識させ、一致していた場合のも、その後の処理を行うようにさせる。
などが考えられる。
赤外線センサの種類
量子型
フォトンを吸収しキャリアを励起することによって直接赤外線を検出するセンサである。このセンサは後に述べる熱型センサより100〜1000倍の検出能力を持つが、動作温度が低いため通常は液体窒素などで冷却の必要があるため、ＭＩＲＳでの利用は望めない。
熱型
エネルギー吸収による温度変化を利用するもの。素子としては、熱電対サーミスタ・ボロメータ、焦電型素子などがある。特に焦電型素子は比較的感度が高く、構造が簡単なのでよく用いられる。
◎赤外線センサの利点は、主に”赤外線は可視光線に比べて空気中の透過率が高い”ということ。（しかし、波長によっては透過率が低い赤外線もある)
赤外線ＬＥＤ ＴＬＮ１０５Ｂ
◎特徴 ・放射強度が大きい。
・指向特性が広い。
・光出力の直線性が良く、パルス動作、高周波による変調が可能。
1,赤外線送信機の指向特性について
理論値による指向特性
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2,赤外線受信機の指向特性について
性能
赤外線受信機は、受信した光の強度を測定できないため、送信機と受信機の間の距離を知ることは出来ない、つまり、得られる情報は少ないのである。 図１に示す送信機を用いて、図２の光学系においてリモコンセンサの出力信号が下記の各項目を満足すること。
直線受信距離特性
図２において、Ｌ＝0.2〜5ｍ、Ee＜10lx(※3)、φ＝0°のとき、出力信号が１ー４項の電気的特性を満足すること。
指向角受信距離特性
図２において、Ｌ＝0.2〜3ｍ、Ee＜10lx、Ｘ方向φ≦30°、Ｙ方向θ＝0°のとき１ー４項の電気的特性を満足すること。
又、Ｌ＝0.2〜3ｍ、Ee＜10lx、Ｘ方向φ＝0°、Ｙ方向θ≦15°のとき１ー４項の電気的特性を満足すること。
※3) 受光面照度を示す。
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| 図１ 送信機 |
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| 図２ 光学系 |
理論値による赤外線受信機の指向特性
１−６ 指向角特性
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| X方向特性 |
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| Y方向特性 |
送信機
| 項 目 | 記号 | 定格 | 単位 |
| 直流順電流 | IF | 100 | mA |
| 直流順電流低減率（Ｔa>25℃） | ΔIF/℃ | -1.33 | mA/℃ |
| パルス順電流 | IFP(注） | 1 | A |
| 直流逆電圧 | VR | 5 | V |
| 許容損失 | PD | 150 | mW |
| 動作温度 | Topr | -20〜75 | ℃ |
| 保存温度 | Tstg | -30〜100 | ℃ |
| 項目 | 記号 | 測定条件 | 最小 | 標準 | 最大 | 単位 |
| 順電圧 | VF | IF=100mA | --- | 1.35 | 1.5 | V |
| 逆電圧 | IR | VR=5V | --- | --- | 10 | μA |
| 放射強度 | IE | IF=50mA | 12 | 20 | --- | mW/sr |
| 光出力 | PO | IF=50mA | --- | 11 | --- | mW |
| 端子間容量 | CT | VR=0,f=1MHz | --- | 20 | --- | pF |
| ピーク発光波長 | λP | IF=50mA | --- | 950 | --- | nm |
| スペクトル半値幅 | Δλ | IF=50mA | --- | 50 | --- | nm |
| 半値角 | θ1/2 | IF=50mA | --- | ±23.5 | --- | ° |
 波長特性（標準値）(IF=50mA,Ta=25℃) |
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センサ
定格及び特性
構成図 |
| 項目 | 記号 | 定格値 | 単位 |
| 電源電圧 | Vcc | 0〜6.0 | V |
| 動作温度 | Topr | -10〜+60 ※1 | ℃ |
| 保存温度 | Tstg | -20〜+70 | ℃ |
| 保存温度 | Tsol | 260 ※2 | ℃ |
| 項目 | 記号 | 動作条件 | 単位 |
| 電源電圧 | Vcc | 4.7〜5.3 | V |
| 項目 | 記号 | MIN | TYP | MAX | 単位 | 備考 |
| 消費電流 | Icc | --- | 2.8 | 4.5 | mA | 入力光なし、出力端子OPEN |
| ハイレベル出力電圧 | VOH | Vcc-0.2 | --- | --- | V | ※2,出力端子OPEN |
| ローレベル出力電圧 | VOL | --- | 0.45 | 0.6 | V | ※2,ﾌﾟﾙｱｯﾌﾟ抵抗ｋΩ |
| ハイレベルパルス幅 | T1 | 400 | --- | 800 | μS | ※2 |
| ローレベルパルス幅 | T2 | 400 | --- | 800 | μS | ※2 |
| B.P.F.中心周波数 | f0 | --- | 38 | --- | kHz |
バースト波 |
符号化信号を使って、それぞれのポストから出される赤外線の波長を変えることにより、ポストの区別をする。
ノイズ対策(符号化信号の利用)
過去のMIRSでは、外部光(日射、ライト)によるノイズにより赤外線の誤認識する場合があった。符号化信号を利用すれば、そのようなノイズを確実に処理することが可能である。
信号処理の方法
・符号化信号を平滑化するまえの信号をFPGA内のメモリに記憶させて、RT-taskにより定期的にそのデータを取り出し、
規定のパターンと一致してるかを確認する。
・符号化信号を平滑する段階で、信号パターンが規定のコードと一致してるかを
ハードウェア的に認識させ、一致していた場合のも、その後の処理を行うようにさせる。