JP2014025721A - 投影装置、投影方法、及び投影プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】温度測定の対象物の温度分布を当該対象物に直接投影することで、温度分布の直観的な知覚を支援することが可能な投影装置を提供する。
【解決手段】対象物Ｏｂｊから入射する光に含まれる赤外線の強度分布を検出する赤外線検出手段１１と、赤外線検出手段１１によって検出された赤外線の強度分布を色の変化により示した強度分布画像を生成する画像生成手段１２と、対象物Ｏｂｊに対して強度分布画像を光学的に投影する画像投影部（プロジェクタ）１３と、を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、測定対象物の表面温度を可視化して対象物に光学的に投影する投影装置、投影方法、投影プログラムに関する。

測定対象物の表面温度を測定する装置として、赤外線サーモグラフィ装置が従来知られている（例えば、特許文献１乃至３を参照）。
赤外線サーモグラフィ装置は、対象物が放射する赤外線エネルギーを二次元的に配列された赤外線検出素子により検出し、各赤外線検出素子が検出した赤外線エネルギーのレベル（強度）に応じて、各赤外線検出素子の位置に対応する表示部上の各領域を色分けして、画像表示する装置である。
一般に、赤外線エネルギーは物体の温度と比例するため、赤外線サーモグラフィ装置を用いて対象物を測定することで、対象物表面の温度分布を知ることができる。

しかしながら、従来の赤外線サーモグラフィ装置は、対象物から離れた位置にある表示装置に温度分布を可視化するものであり、直接的に対象物の位置の温度を知ることができなかった。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、測定対象物表面の温度分布を示す画像を対象物に投影することにより、温度分布の直観的な知覚を支援することが可能な投影装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、対象物から入射する光に含まれる赤外線の強度分布を検出する検出手段と、該検出手段によって検出された赤外線の強度分布を色の変化により示した強度分布画像を生成する画像生成手段と、前記対象物に対して前記強度分布画像を光学的に投影する投影手段と、を、備えることを特徴とする。

上記のように構成したので、本発明によれば、赤外線強度に応じた色画像を対象物に投影することで、人間（利用者）が対象物の温度分布を直観的に知覚することが可能な投影装置を実現することが出来る。

本実施例の概略構成を示す図。 本発明の第１の実施例に係る投影装置の概略構成の一例を示す図。 画像投影部の構成の一例を示す図。 赤外線検出部の構成の一例を示す図。 第１の実施例の投影装置において、赤外線検出部によって赤外線（強度分布）を検出してから、画像投影部によって画像を投影するまでの処理を示すフローチャート。 赤外線強度を輝度値に変換して強度分布画像を生成する例を示す図。 赤外線強度と色の対応関係を示すルックアップテーブルを示す図。 赤外線強度と色の対応関係を示す数式を示す図。 本発明の第２の実施例に係る投影装置の概略構成の一例を示す図。 第２の実施例の投影装置において、赤外線検出部により赤外線（強度分布）を検出してから、画像投影部により画像を投影するまでの処理を示すフローチャート。 本発明の第３の実施例に係る投影装置の概略構成の一例を示す図。 ３の実施例において、赤外線検出部により赤外線（強度分布）を検出してから、画像投影部によって画像を投影するまでの処理を示すフローチャート。 赤外線検出位置と投影位置の対応関係を示す図。

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る投影装置の概略構成を示す図である。
図１に示す投影装置１００、２００、３００は、測定対象物Ｏｂｊから放射されて入射する赤外線を検知可能な赤外線検出部１１、２１、３１を備え、検知された赤外線の強度情報（すなわち、測定対象物Ｏｂｊの温度分布）に基づく強度分布画像を、画像投影部１３、２２、３２から測定対象物Ｏｂｊに投影する。
このように構成することで、人間（使用者）が測定対象物Ｏｂｊの温度分布を直観的に知覚することが可能な投影装置を実現することが出来る。

［第１の実施例］
図２は、本発明の第１の実施例に係る投影装置の概略構成の一例を示す図である。
図２に示すように、本実施例に係る投影装置１００は、測定対象物Ｏｂｊ（図１）から放射される赤外線の強度を検出する赤外線検出部１１と、検出された赤外線強度に基づく強度分布画像を生成する画像生成部１２と、生成された強度分布画像を測定対象物に対して投影する画像投影部１３と、投影装置全体を制御する制御部１４と、赤外線強度に対応する色を記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）等からなる記憶部１５と、を備えている。
制御部１４は、制御プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、制御プログラムを格納する記憶手段としてのＲＯＭ（Read Only Memory）と、制御プログラム及び処理に伴う一時的なデータを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）と、を含む。
なお、制御部１４による投影装置１００の制御は、ＣＰＵによるソフトウェア処理のみならず、ＡＳＩＣなどのハードウェア回路によって実現されてもよい。
また、画像生成部１２の処理は、制御部１４によるソフトウェア処理によって実現されてもよい。

図３は、画像投影部の構成の一例を示す図である。画像投影部１３としては、一般的なプロジェクタの構成を用いることが可能であるが、図３を用いて、その構成を説明する。
図３示すように、画像投影部１３では、高輝度ランプやＬＥＤなどを用いた光源１から発光された光が、反射鏡３でほぼ平行な光束に集光され、さらに集光レンズ５で収束されながら光変調ユニット７を照射し、投影レンズ９の中に集光される。
液晶パネルなどの光変調ユニット７には、画像生成部１２によって生成された強度分布画像が表示されており、投影レンズ９によって強度分布画像が測定対象物Ｏｂｊに投影される。
また、画像投影部１３としては、上記のような液晶プロジェクタのみならず、ＤＬＰプロジェクタも用いることが出来る。その場合、光変調ユニットは、多数のマイクロミラーより構成される。

図４は、赤外線検出部の構成の一例を示す図である。
赤外線検出部１１としては、従来周知の構成を用いることが可能であるが、図４を用いて、その構成を説明する。
図４に示すように、赤外線検出部１１は、測定対象物Ｏｂｊの物体面からの光の入射方向から順次配置された、走査ミラー５０と、ピント合わせを行う集光レンズ５１と、測定対象物からの光から赤外波長の成分を抽出する波長限定用光学フィルタ５２と、光学絞り５３と、結像レンズ５４と、赤外線検出素子５５と、を備えている。
赤外線検出素子５５は、２次元状（マトリックス状）に並べて配置され、測定対象物Ｏｂｊから放射される赤外線を素子毎に検出して、測定対象物Ｏｂｊ表面上の強度分布を検出ことが出来る。

図５は、第１の実施例の投影装置において、赤外線検出部１１によって赤外線（の強度分布）を検出してから、画像投影部１３によって画像を投影するまでの処理を示すフローチャートである。
以下の処理は、制御部１４によって制御される。
まず、赤外線検出部１１が、測定対象物Ｏｂｊから放射される赤外線エネルギーを２次元に配列された赤外線検出素子５５により検出する（ステップＳ１０１）。
次に、制御部１４が、記憶部１５に記録されている赤外線強度と色の対応データを読み出し、この対応データに従って、ステップＳ１０１で検出された赤外線強度を色情報に変換し、これに基づいて画像生成部１２によって強度分布画像を生成する（ステップＳ１０２）。

図６は赤外線強度を輝度値に変換して強度分布画像を生成する例を示す図である。
赤外線強度と色との対応データは、図７に示すようにルックアップテーブルで表現しても良いし、また、図８に示すように数式で表現しても良い。
図５のフローチャートに戻り、画像投影部１３により、投影画像（強度分布画像）を赤外線検出対象物（測定対象物）Ｏｂｊに対して投影する（ステップＳ１０３）。
赤外線エネルギーは物体の温度と比例するため、赤外線検出部を用いて測定対象物Ｏｂｊを測定することで、測定対象物Ｏｂｊの表面の温度分布を知ることができる。
この温度分布を画像に変換して、測定対象物Ｏｂｊに投影することで、人間（使用者）が直接的に測定対象物Ｏｂｊの温度を知覚することができる。

［第２の実施例］
なお、上記した第１の実施例では、測定対象物Ｏｂｊに赤外線強度に対応した画像を投影するが、測定対象物Ｏｂｊの分光反射率によっては所望の色に知覚できない場合がある（物体表面色の影響を受ける）。
そこで、第２の実施例では、予め測定対象物Ｏｂｊの分光反射率を測定し、所望の色が知覚されるように強度分布画像の色を修正するようにしている。
図９は、第２の実施例に係る投影装置の概略構成の一例を示す図である。
投影装置２００は、測定対象物Ｏｂｊから放射される赤外線（の強度分布）を検出する赤外線検出部２１と、検出された赤外線強度に基づく強度分布画像を生成する画像生成部２２と、測定対象物Ｏｂｊの分光反射率を検出する分光反射率検出部２３と、画像生成部２２により生成された強度分布画像を測定対象物Ｏｂｊに投影する画像投影部２４と、投影装置２００全体を制御する制御部２５と、赤外線強度に対応する色を記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）等からなる記憶部２６と、を備えている。

制御部２５は、制御プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、制御プログラムを格納する記憶手段としてのＲＯＭ（Read Only Memory）と、制御プログラム及び処理に伴う一時的なデータを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）と、を含む。
なお、制御部２５による投影装置２００の制御は、ＣＰＵによるソフトウェア処理のみならず、ＡＳＩＣなどのハードウェア回路によって実現されてもよい。
また、画像生成部２２の処理は、制御部１４によるソフトウェア処理によって実現されてもよい。
赤外線検出部２１、画像投影部２４の基本的な構成は、図３、図４で説明した［実施例１］の場合と同様である。

図１０は、第２の実施例の投影装置において、赤外線検出部により赤外線（強度分布）を検出してから、画像投影部２４により画像を投影するまでの処理を示すフローチャートである。
以下の処理は、制御部２５によって制御される。
まず、赤外線検出部２１が測定対象物Ｏｂｊから放射される赤外線エネルギーを２次元に配列された赤外線検出素子５５により検出する（ステップＳ２０１）。
分光反射率検出部２３が測定対象物Ｏｂｊの分光反射率を測定する（ステップＳ２０２）。
これには従来技術を用いることができ、例えば「特開２０１２−１３４３７公報（株式会社リコー）」に開示の方法を使用できる。
次に、制御部２５は、記憶部２６に記録されている赤外線強度と色の対応データを読み出し、画像生成部２２により、対応データに従って検出された赤外線強度を色に変換して強度分布画像を生成する（ステップＳ２０３）。
次に、制御部２５は、強度分布画像を画像投影部２４により赤外線検出対象物（測定対象物）Ｏｂｊに対して投影する（ステップＳ２０４）。

この時、以下の方法で、強度分布画像のＲＧＢ値ＩＲ、ＩＧ、ＩＢを、画像投影部２４（図３の光変調ユニット７）におけるＲＧＢの投影強度値ｗＲ、ｗＧ、ｗＢに変換して投影する。
すなわち、画像投影部２４のＲＧＢに対応する分光特性をＰＲ（λ）、ＰＧ（λ）、ＰＢ（λ）、投影位置の分光反射率をＡ（λ）、人間の視覚系のＲＧＢの分光応答感度をＱＲ（λ）、ＱＧ（λ）、ＱＢ（λ）として、次式（１）〜（３）が満たされるようにｗＲ、ｗＧ、ｗＢを求める。
ｗＲ∫ＱＲ（λ）Ａ（λ）ＰＲ（λ）ｄλ＝ＩＲ・・・（１）
ｗＧ∫ＱＧ（λ）Ａ（λ）ＰＧ（λ）ｄλ＝ＩＧ・・・（２）
ｗＢ∫ＱＢ（λ）Ａ（λ）ＰＢ（λ）ｄλ＝ＩＢ・・・（３）
これにより、測定対象物Ｏｂｊの分光特性によらず、投影色を赤外線強度に対応した一定の色味で人間が知覚することを可能とする。
なお、分光特性によっては、投影部の投影強度の範囲を超えることがあるが、その場合は左辺と右辺の差が最も小さくなるように、ｗＲ、ｗＧ、ｗＢを決める。
このように、本実施例によれば、測定対象物Ｏｂｊの分光反射率を用いて投影する色を修正することで、測定対象物Ｏｂｊの分光特性によらず投影結果の色味を一定化することができる。

［第３の実施例］
ところで、第１、第２の実施例における投影装置において、赤外線検出部と画像投影部を完全に同じ位置に設置することはできないため、赤外線（強度分布）を検出した方向に画像を投影するだけでは、赤外線（強度分布）を検出した位置と画像の投影する位置にずれが生じるという問題がある。
従って、第３の実施例では、このずれを解消するために、測距センサを用いて測定対象物Ｏｂｊの三次元形状を測定し、その測定結果に基づいて強度分布画像を投影する位置を調整する。

図１１は、第３の実施例に係る投影装置の概略構成の一例を示す図である。
投影装置３００は、測定対象物Ｏｂｊから放射される赤外線強度を検出する赤外線検出部３１と、検出された赤外線強度に基づく強度分布画像を生成する画像生成部３２と、測定対象物Ｏｂｊの三次元形状を検出する形状検出部３３と、画像生成部３２により生成された強度分布画像を測定対象物Ｏｂｊに投影する画像投影部３４と、投影装置全体を制御する制御部３５と、赤外線強度に対応する色を記憶する記憶部３６と、を備えている。
制御部３５は、制御プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、制御プログラムを格納する記憶手段としてのＲＯＭ（Read Only Memory）と、制御プログラム及び処理に伴う一時的なデータを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）と、を含む。
なお、制御部３５による投影装置３００の制御は、ＣＰＵによるソフトウェア処理のみならず、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウェア回路によって実現されてもよい。
また、画像生成部３２の処理は、制御部１４によるソフトウェア処理によって実現されてもよい。
赤外線検出部３１、画像投影部３４の基本的な構成は、図３、図４で説明した［第１の実施例］の場合と同様である。

図１２は、第３の実施例において、赤外線検出部により赤外線（強度分布）を検出してから、画像投影部によって画像を投影するまでの処理を示すフローチャートである。
以下の処理は、制御部３５によって制御される。
まず、赤外線検出部３１が、測定対象物Ｏｂｊから放射される赤外線エネルギーを２次元に配列された赤外線検出素子５５により検出する（ステップＳ３０１）。
次に、形状検出部３３により測定対象物Ｏｂｊの三次元形状を測定する（ステップＳ３０２）。形状検出部３３としては、種々の測距センサを用いることができる。例えば、投影装置３００における測定対象物Ｏｂｊと対向する面の適所に搭載したステレオカメラを用いることができる。この場合、三角測量の原理によって三次元形状を測定する。
次に、制御部３５は、記憶部３６に記録されている赤外線強度と色の対応データを読み出し、画像生成部３２により、検出された赤外線強度を対応データに従って色に変換し強度分布画像を生成する（ステップＳ３０３）。
次に、制御部３５が生成した強度分布画像を画像投影部２４により赤外線検出対象物（測定対象物）Ｏｂｊに対して投影する（ステップＳ３０４）。
ステップ３０４では、ステップＳ３０２で得られた形状データを用いて、赤外線の測定点と画像の投影点が等しくなるように、強度分布画像を投影する。

以下に、ステップＳ０４の処理に用いる原理を説明する。
図１３は、赤外線検出位置と投影位置との対応関係を示す図である。
まず前提として、赤外線検出部３１の撮像系、画像投影部３４の投影系はピンホールモデルで表現できると仮定する。
赤外線検出面４０（赤外線検出素子５５が配列された面）の検出点ａという位置で観測された赤外線強度は、検出点ａと仮想的な赤外線検出中心４１を結ぶ直線と測定対象面４５の交点の赤外線強度に対応する。この交点を、以下では測定点ｂと呼ぶ。
測定対象面４５の三次元形状は形状検出部３３（図１１）により既知となっているため（図１２のステップＳ３０２）、測定点ｂの三次元座標を求めることができる。
測定点ｂに所望の色を投影するためには、測定点ｂと投影中心４３を結ぶ直線と、画像投影部（プロジェクタ）の投影面４２（すなわち図３に示す光変調ユニット７である液晶パネルの表示面、あるいはＤＬＰプロジェクタのミラーの集合面）の交点（投影位置）ｃにおける色を制御すればよい。
このようにして測定対象の三次元形状データを用いて、検出点ａという赤外線強度に対応する投影面４２での（二次元的な）投影位置ｃを求めることができる。
つまり、検出点ａでの赤外線強度に対応した色を投影位置ｃから投影すればよい。
すなわち、投影面４２／光変調ユニット７に表示される強度画像は、各検出点ａに対応する投影位置ｃの色の集合であると言える。

以上のように、本実施例により、赤外線強度の検出位置（検出点ａ）と強度分布画像の投影位置（すなわち、光変調ユニット７における強度分布画像の表示位置）を合わせることが可能となる。
なお、形状検出部３３においてステレオカメラを用いることを説明したがこの限りではなく、一般的な測距センサを使うことも可能である。
さらに、赤外線照射手段と赤外線センサを備え、赤外線照射手段によって赤外線パターンを照射して、そのパターンを読み取ることで測距をしても良い。
この場合、赤外線検出部は赤外線パターンの検出と物体から放射される赤外線の検出を兼ねることもできる。
また、本実施例は［実施例２］と組み合わせることもでき、これにより、測定対象物Ｏｂｊの赤外線強度に対応する色を、測定点ｂに色ずれなく投影することが可能となる。

以上説明したように、本実施例によれば、測定対象物Ｏｂｊの三次元形状を測定することにより、赤外線強度の検出位置と強度分布画像の投影位置を合わせることが可能となる。
また、三次元形状の測定の際に照射される赤外線パターンと測定対象物Ｏｂｊから放射される赤外線とを同一のセンサで検出することで、装置を簡略化することができる。

１ 光源、３ 反射鏡、５ 集光レンズ、７ 光変調ユニット、９ 投影レンズ、１２ 画像生成部、１３ 画像投影部、１４ 制御部、１５ 記憶部、２１ 赤外線検出部、２２ 画像生成部、２３ 分光反射率検出部、２４ 画像投影部、２５ 制御部、２６ 記憶部、３１ 赤外線検出部、３２ 画像生成部、３３ 形状検出部、３４ 画像投影部、３５ 制御部、３６ 記憶部、４１ 赤外線検出中心、４２ 投影面、４３ 投影中心、４５ 測定対象面、５０ 走査ミラー、５１ 集光レンズ、５２ 波長限定用光学フィルタ、５４ 結像レンズ、５５ 赤外線検出素子、１００ 投影装置、２００ 投影装置、３００ 投影装置

特開平４−２９３０号公報 特開平６−３００６３８号公報 特開２０１０−１９４０７３公報

Claims (7)

1. 対象物から入射する光に含まれる赤外線の強度分布を検出する検出手段と、
   該検出手段によって検出された赤外線の強度分布を色の変化により示した強度分布画像を生成する画像生成手段と、
   前記対象物に対して前記強度分布画像を光学的に投影する投影手段と、
   を、備えることを特徴とする投影装置。
2. 前記対象物の分光反射率を検出する分光反射率検出手段を備え、
   前記投影手段は、
   投影した前記強度分布画像が前記対象物で反射した際の反射色が、生成した前記強度分布画像の色と等しくなるように、前記対象物に投影する投影画像の色を前記分光反射率に基づいて調整することを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記対象物の三次元形状を検出する形状検出手段を備え、
   前記投影手段は、前記三次元形状における前記検出手段によって赤外線が検出された位置に、前記強度分布画像を投影することを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
4. 前記検出手段は、赤外線検出素子を二次元状に配列した検出面を備え、
   前記投影手段は、光源から出射された光を前記強度分布画像に基づいて変調する光変調面を備え、
   前記検出面における赤外線の検出位置と前記検出手段について設定された仮想的な検出中心点とを結ぶ直線が前記三次元形状と交わる位置を、前記対象物上の赤外線検出位置とし、前記対象物上の赤外線検出位置と前記投影手段について設定された仮想的な投影中心点とを結ぶ直線が前記光変調部と交差する位置を、前記光変調面における、前記対象物上の赤外線検出位置に投影する強度分布画像の生成位置とすることを特徴とする請求項３に記載の投影装置。
5. 前記形状検出手段は、赤外線照射手段及び赤外線センサを備え、前記赤外線照射手段により赤外線のパターンを前記対象物に投影し、当該パターンを前記赤外線センサにより検出し、三角測量の原理により前記対象物の三次元形状を検出することを特徴とする請求項３又は４に記載の投影装置。
6. 検出手段と、画像生成手段と、投影手段と、を備えた投影装置における投影方法であって、
   前記検出手段が、対象物から入射する光に含まれる赤外線の強度分布を検出する検出ステップと、
   前記画像生成手段が、前記検出ステップによって検出された赤外線の強度分布を色の変化により示した強度分布画像を生成する画像生成ステップと、
   前記投影手段が、前記対象物に対して前記強度分布画像を光学的に投影する投影ステップと、
   を、有することを特徴とする投影方法。
7. 請求項６に記載の投影方法をコンピュータに実行させることを特徴とする投影プログラム。

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