JP2020118493A - 撮像装置および体温測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 性能を確保しつつより安価な撮像装置、およびそれを有する体温測定装置を提供すること。【解決手段】 少なくとも１枚の光学素子と撮像素子と画像処理部を有し、前記画像処理部は被写体の熱的特徴量を検出し、前記熱的特徴量から算出される画素周辺のみを画像回復することを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、撮像装置および体温測定装置に関し、特に遠赤外線光学系によって撮影された熱画像の温度分布を高精細に取得する技術に関する。

近年、８μｍ〜１４μｍの波長帯を使用する遠赤外線光学系の需要が増えてきている。遠赤外線光学系は物体から放射される赤外線の放射量を検知することができるため、物体の温度分布を取得することで可視光ではわからなかった情報を得ることができたり、放射量から物体の温度を非接触で測定ができたりすることが知られている。

特許文献１は、前記波長帯を使用する遠赤外線光学系であり、光学素子にゲルマニウムを３枚用いた遠赤外線光学系を開示している。また、特許文献２は、光学素子に２枚の高密度ポリエチレンと２枚のシリコンを用いた４枚から構成される遠赤外線光学系を開示している。

特開２０１０―３９２４３号公報 特開２０１２―１４１５２２号公報

しかしながら、特許文献１では、３枚のゲルマニウムの光学素子を用いることで諸収差を補正していたが、ゲルマニウムの材料コスト、加工コストが高く、遠赤外線光学系が高価になるという課題があった。

また、特許文献２では、遠赤外線光学系のコストを下げるためゲルマニウムよりも安価なシリコンと樹脂材料である高密度ポリエチレンを使用している。

しかし、シリコンは透過率が高くないため光学素子に使用する枚数や厚みを制限しないと温度分解能が低下してしまう。

一方で、光学素子の枚数や厚みを制限すると諸収差の補正が困難となり、高精細な温度分布の取得が出来なくなる。また、高密度ポリエチレンは樹脂材料であるためシリコンより安価であるが、上記透過率の課題に加え屈折率が低いため、更に諸収差の補正、特に像面湾曲の補正が困難になるという課題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、性能を確保しつつよりローコストな撮像装置および体温測定装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る撮像装置は、
少なくとも１枚の光学素子と撮像素子と画像処理部を有し、前記画像処理部は被写体の熱的特徴量を検出し、前記熱的特徴量から算出される画素周辺のみを画像回復することを特徴とする。

本発明によれば、性能を確保しつつよりローコストな撮像装置および体温測定装置を提供することができる。

撮像装置構成図 本発明の実施例１における撮影フローの一例を示す図 ヒビがある壁の熱画像を示す図 本発明の実施例２における撮影フローの一例を示す図 温度均一面に高温の温度分布の塊を撮影した熱画像を示す図 本発明の実施例３における体温測定装置構成図 本発明の実施例３における撮影フローの一例を示す図 人の顔の熱画像を示す図 本発明の実施例４における撮影フローの一例を示す図 複数枚撮影したうちのある一枚の熱画像を示す図

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本実施例の撮像装置１００を示す構成図である。

撮像装置１００は第１の光学素子１、第２の光学素子２、撮像素子３、画像処理部４から構成されている。

図２は撮像装置１００で実行される撮影フローの一例を示す図である。

第１、第２の光学素子は高密度ポリエチレンからなる。

８〜１４μｍの波長帯で撮影を行い、その熱画像から温度分布を取得する。物体の温度分布を取得することで可視光ではわからなかった情報を得ることができる。例えば建築物の壁のひび割れや、空気漏れ、水漏れなどの診断が知られている。

光学系によって撮影された物体は、光学系で発生する回折や収差の影響によって１点から発生した光が１点に収束することができなくなるため微小な広がりを持つこととなる。このような微小な広がりを持った分布をＰＳＦ（点像強度分布関数）と呼ぶ。光学系の影響のため、撮影された画像は撮影画像にＰＳＦが畳み込まれて形成されることになり、画像がぼけて解像度が劣化する。遠赤外線光学系のローコスト化のため、光学素子の枚数を削減したり安価な代替材料を用いたりすると更に解像度が劣化してしまう。そのため、温度分布の詳細な形状がわからなくなってしまったり、壁のひび割れなど微細な温度変化は生じたぼけによって周りの異なる温度分布に潰されてしまったりする恐れがある。従来ではこのような光学系による画像劣化を画像処理によって補正する技術（以下、画像回復と称する）が提案されるようになった。例えば逆フィルタ、ウィナーフィルタなどの手法を適用し、劣化関数を求めデコンボリューションと呼ばれる画像回復アルゴリズムによって劣化を復元することが可能となる。しかしながら、劣化画像全範囲の回復を行うと、画像回復処理に時間がかかるという問題があった。

一方で、周囲の温度分布を比較して低温や高温部の部分を解析したいなど、ある特定領域の温度分布を詳細に解析したい場合には、画像回復を行い高精細な像を得る範囲は全範囲である必要はなく、その解析対象領域の近辺のみで良い。

そのため本発明では、取得された熱画像に対して画像処理部４で熱的特徴量５の検出し、検出された熱的特徴量５の大きさに応じて画像回復処理を行う範囲を算出し、前記算出した画像回復範囲６に画像回復を実行する。ここで熱的特徴量とは、撮影した熱画像における温度分布の高低の境目や、最高または最低温度や指定の温度のポイント、高温または低温の温度分布の塊など、熱画像を可視化したときにその特徴量が検出できるものである。

図３に、ヒビがある壁の熱画像を示す。

建造物にヒビなど障害があると、その障害部の温度が熱的特徴量となり、周囲の障害のない部分と温度に差が生じる。図３での熱的特徴量５はヒビであり、このヒビと壁の温度分布の高低の境目を画像処理部４で検出する。検出された熱的特徴量５とその熱的特徴量５の境界部を含む画像回復範囲６を画像処理部４で決定し、前記画像回復範囲６の画像回復処理を行う。

熱的特徴量の条件は、撮像装置１００の画像処理部４で初めから指定していても良く、撮像装置１００に制御部を設け、用途に応じて検出する熱的特徴量の条件を変更できるようにしても良い。

上記のような撮影フローを実行し、熱的特徴量のみ画像回復処理を行うことで、自動的に温度変化がある領域を高精細に視覚化することが可能となり、従来のように画像全域を画像回復することは不要となり、計算負荷も低減することができる。
以下に実施例１における数値例１を示す。

（数値例１）
単位 mm

面データ
面番号 r d n10 v10
1(非球面) 16.074 1.90 1.51467 91.7
2(回折) 83.532 0.50
3(絞り) ∞ 13.57
4(非球面) -16.011 0.94 1.51467 91.7
5(非球面) -12.087 (可変)
像面 ∞

非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-6.86790e-006 A 6= 8.45551e-007 A 8=-1.81679e-008

第2面(回折面)
A 2=-7.84737e-004 A 4=-1.14124e-006 A 6= 7.12234e-007 A 8=-1.34649e-008

第4面
K = 0.00000e+000 A 4= 3.44657e-004 A 6= 7.03674e-006 A 8=-4.13039e-008

第5面
K = 0.00000e+000 A 4= 4.47583e-004 A 6= 7.38163e-006 A 8=-2.70778e-008

焦点距離ｆ 30.00
画素ピッチｙ 25e-003
物体距離Ｌ 5000

本発明の実施例２は、実施例１の撮像装置１００の画像処理部４に画像回復範囲を自動で算出するステップを付加したものである。

熱的特徴量の画素を自動で検出し、検出された画素を中心にｆ＊１０Ｅ＋２／（ｙ＊Ｌ）ピクセル四方の画素範囲を算出し、前記画素範囲を画像回復する。ここで、ｆは光学系の焦点距離、ｙは撮像素子の画素ピッチ、Ｌは物体距離であり、単位はすべて（ｍｍ）とする。

図４は撮像装置１００で実行される撮影フローの一例を示す図であり、図５は温度均一面に高温の温度分布の塊を撮影した熱画像を示す。

熱的特徴量５である高温の各境界部からｆ＊１０Ｅ＋２／（ｙ＊Ｌ）ピクセル四方の範囲を画像回復範囲６とする。

図５のように熱画像内に熱的特徴量が複数存在する場合は、それぞれの熱的特徴量を検出し、各熱的特徴量に対する画像回復範囲を算出し、画像回復処理を行う。

前記範囲は実空間上の熱的特徴量から略１００ｍｍの範囲となり、被写体距離や焦点距離などによらず同じ範囲を算出することができる。そのため熱的特徴量の画素を中心にｆ＊１０Ｅ＋２／（ｙ＊Ｌ）ピクセル四方の画素範囲を画像回復することによって、観察したい領域を効率よく画像回復させることが可能となる。

次に、実施例３の体温測定装置について説明する。

図６は本実施例の体温測定装置２００である。

体温測定装置２００は８〜１４μｍの波長帯で撮像した熱画像から人の体表温度を検出し、体温に変換する装置である。体温測定装置２００は、第１の光学素子１、撮像素子３、画像処理部４からなる撮像装置１００と体温変換部７および出力部８を有する。第１の光学素子１はゲルマニウムである。図７に体温測定装置２００で実行される撮影フローの一例を示す。

まず、人の熱画像を撮影し、撮影時の被写体距離を取得する。本発明は体表温度から体温を予測するため、被服などで覆っていない肌が露出している部位を撮影する。撮影範囲は肌の露出が多い顔から胸にかけて行うことが望ましい。

ここで被写体距離を取得する方法としては距離センサを撮像装置１００に取り付けておくか、または撮影した像を画像処理し被写体距離を見積る等があるが、前記方法に限定されない。次に画像処理部４で撮影した熱画像の最大輝度値を検出し、最大輝度値の画素を特定する。

体表温度から深部体温を予測する際、体表温度は環境温度などの影響を受けるため実際の深部体温よりは低い。そのため体表温度から体温に変換する必要がある。精度よく見積るためには安定性が高く、尚且つ環境温度に影響を受けにくい体表温度を用いることが望ましい。温度が高い部分は環境温度に影響を受けづらく、安定しているため、撮影した被写体の熱画像の最大輝度値を熱的特徴量５とし、その画素を画像処理部で検出する。図８に人の顔の熱画像を示す。図８の×は最大輝度値である熱的特徴量５である。

より好ましくは１５℃〜４０℃の範囲に対応する輝度値の最大値を用いる。そうすることにより、エラー値を除外し人の体表温度に対応する輝度値を取得することが可能となる。

次に検出した熱的特徴量５である最大輝度値の画素を中心にｆ＊１０Ｅ＋２／（ｙ＊Ｌ）ピクセル四方の画像回復範囲６を算出し、前ステップで検出した最大輝度値の画素の像高位置を取得する。最大輝度値の画素の像高位置と被写体距離から画像回復に用いるＰＳＦを決定し、画像回復処理を行う。これは、像高位置と被写体距離が変化するとＰＳＦも変化するため、予めレンズのＰＳＦ特性を画像処理部４に保存しておき画像回復する状況に基づき画像回復処理を実行する。画像回復範囲６の範囲が微小であり、ＰＳＦの変化がない場合は単一のＰＳＦを用いて画像回復範囲６の画像回復を行ってもよい。また、撮影距離を固定する場合は、被写体距離によるＰＳＦ変化の特性は不要となる。

画像回復実行後、画像回復を実行した範囲中の最大輝度値を検出し、この検出した輝度値を体温変換式もしくは変換テーブルを用いて体温変換部７で体温に変換を行う。変換した体温は出力部８において結果を出力する。出力部８をモニタとし、モニタに体温を表示するなど、または出力部７をスピーカーとし、設定された体温以上を検知したら出力部８から体温を音声で出力したりアラームを発したりするなど出力部８の構成は限定されない。

本実施例のフローを実行することで、処理の負荷が軽く精度の高い非接触体温測定が可能となる。

実施例４は実施例３と異なる撮影フローを実行する体温測定装置である。

図９に、本実施例の撮影フローを示す。

初めにセンサのノイズの影響を除くことができるよう複数枚被写体を撮影する。撮影枚数は少なすぎてしまうとノイズの影響が残存してしまい、多すぎると処理時間がかかってしまうため５枚程度が望ましい。図１０に複数枚撮影したうちのある一枚の熱画像を示す。

画像処理部４で複数撮影した熱画像の熱的特徴量５をそれぞれ検出する。ここで、熱的特徴量は側頭動脈や頸動脈など太い血管の温度分布である。血管の検出は取得した熱画像の中で温度が高い分布や、顔を撮影した場合は顔の熱画像から推定を行い検出する。

前述の通り、体表温度から深部体温を精度よく見積もるためには安定性が高く、尚且つ環境温度に影響を受けにくい部位が望ましく、温度の高い部位を用いると良い。具体的には、そのような部位としては血管が知られており、血管直上の皮膚温度が望ましい。血管は深部で温められた血液が循環しているため、血管直上の皮膚温度は他の部位よりも高いからである。好ましい血管としては側頭動脈や頸動脈など太い血管であるが、皮膚が薄く個人差が小さい側頭動脈がより好ましい。

熱的特徴量５の検出が完了すると、各画像の熱的特徴量内における最大輝度値９とその画素を検出する。撮影した熱画像に複数の熱的特徴量が含まれている場合は、各熱的特徴量の最大輝度値を比較し最も輝度値が大きいものを有する熱的特徴量を採用する。

次に各画像の最大輝度値を含み、且つ検出した熱的特徴量に直交する一次元範囲を画像回復範囲６とし、それぞれ算出し、そのラインのみを画像回復処理を実行する。ここで一次元範囲１０は、ｆ＊１０Ｅ＋２／（ｙ＊Ｌ）画素が好ましい。血管内の温度分布は比較的均一であるため像がぼけた際に血管の長手方向の温度には影響があまりないが、血管の近手方向の温度は安定性が低い領域と隣接しているためぼけた際に実際の血管直下の体表温度よりも低くなってしまうため、温度精度は低くなってしまう。

そのため、算出した一次元範囲の画像処理回復を行うことで、２次元の画像処理範囲を設定するより、処理の負荷がより軽く、精度の高い非接触体温測定が可能となる。

画像回復実行後、画像回復を実行した各範囲中の最大輝度値を検出し、平均する。この平均した輝度値を体温変換式もしくは変換テーブルを用いて体温に変換を行う。変換した体温は出力部８において結果を出力する。

（数値例２）
単位 mm

面データ
面番号 r d n10 v10
1(非球面) 80.399 3.00 4.00319 1257.0
2 -191.067 (可変)
3(絞り) ∞ (可変)
像面 ∞

非球面データ
第1面
K = 0.00000e+000 A 4=-2.28952e-006 A 6= 1.50908e-008 A 8=-5.09097e-011

焦点距離 19.00
画素ピッチｙ 25e-003
物体距離Ｌ 1000

以上、説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々に変形や変更が可能である。

１００ 撮像装置、２００ 体温測定装置、１ 第１の光学素子、
２ 第２の光学素子、３ 撮像素子、４ 画像処理部、５ 熱的特徴量、
６ 画像回復範囲、７ 体温変換部、８ 出力部、
９ 熱的特徴量内における最大輝度値

Claims (12)

1. 少なくとも１枚の光学素子と撮像素子と画像処理部を有し、前記画像処理部は被写体の熱的特徴量を検出し、前記熱的特徴量から算出される画素周辺のみを画像回復することを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像素子は、波長８μｍ〜１４μｍを受光することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記熱的特徴量は、体表温度とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記熱的特徴量の内、１５〜４０℃の範囲のみを検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の撮像装置。
5. 前記熱的徴量の範囲の最大値を検出する特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の撮像装置。
6. 前記熱的特徴量周辺の領域は、前記熱的特徴量を中心として、撮像素子上でｆ＊１０Ｅ＋２／（ｙ＊Ｌ）ピクセル四方とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の撮像装置。
   ここで、ｆは光学系の焦点距離、ｙは撮像素子の画素ピッチ、Ｌは物体距離であり、単位はすべて（ｍｍ）とする。
7. 前記それぞれ異なる設計波長で設計された複数の透過位相格子において、短い設計波長λＳで設計された透過位相格子のピッチは、より長い設計波長λＬで設計された透過位相格子のピッチよりも狭いことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の撮像装置。
8. 前記熱的特徴量周辺の領域は、体表温度の最大値を含む１次元であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の撮像装置。
9. 前記画像回復は、熱的特徴量の像高位置情報を検出し、前記検出した像高位置情報に基づいた画像回復処理をすることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の撮像装置。
10. 前記画像回復は、熱的特徴量の距離を検出し、前記検出した距離に基づいた画像回復処理をすることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の撮像装置。
11. 請求項１乃至請求項９の何れか一項に記載の撮像装置と、前記画像回復処理を行った領域の体表温度を体温に変換する体温変換部を有することを特徴とする体温測定装置。
12. 体温を出力する出力部を有することを特徴とする請求項１０に記載の体温測定装置。