JP5347224B2 - 遠赤外線画像取得装置 - Google Patents

Description

本発明は遠赤外線画像取得装置及び方法に関するものであり、特に生体皮膚表面の指紋や汗腺、皮膚内部の真皮層や静脈などの生体情報を遠赤外線画像として取得する遠赤外線画像取得装置に関するものである。

近年、遠赤外線の特性（熱を持つ物体は必ず放射し、高い温度の物体ほど強く放射する）を利用した遠赤外線画像取得装置が実用化され、特に生体における温度分布を表示するサーモグラフィは、医療分野やセキュリティ分野において広く用いられている。最新のサーモグラフィ技術では、より短時間に多くの画像を演算処理すべく、100Hzを超える高速フレームレートで遠赤外線画像の取り込みとフレーム毎のデータを関連付ける演算を連続的に行い、刻々と変化する温度変化を平均化することで温度分解能を向上させる、いわゆる「ロックイン方式」と呼ばれる手法が用いられる。

例えば「矢尾板：赤外線カメラとロックインによる温度差画像、画像ラボ、pp32-35、2005.8」により開示された従来の生体情報取得可能な赤外線画像取得装置の構成例の一つを図８に示す。１０１は赤外線カメラ、１０２はチョッピング／ロックインアンプ、１０３は回転ブレード、１０４はモータ、１０５はフレームレート同期コントローラである。この従来の赤外線画像取得装置では、赤外線カメラ１０１と回転ブレード１０３を併用することにより、任意に設定した一定間隔のフレームレートに基づいて赤外線画像の取り込みとフレーム毎のデータを関連付けるための演算を連続的に実施することでロックイン方式を実現し、その結果を画像として連続的に作成している。

また、再公表特許ＷＯ００／４２３９９公報「赤外線画像撮像装置およびこれを搭載した車両、並びに赤外線画像調整装置」により開示された技術では、車載の赤外線画像撮像装置における温度校正技術として、赤外線画像をより見やすく表示する技術について説明されている。以下、要点を簡潔に説明する。

図９において、遮断手段４０が開状態の際、被写体７０から放射された赤外線は、光学系２０によって赤外線検出器１００上に赤外線画像として結像する。赤外線検出器１００は各画素において赤外線受光量を検出し、これに応じた信号をそれぞれ出力する。補正手段３０は、画素間の感度のばらつき、画素間の信号ノイズ、いわゆるＤＣオフセットのばらつきや、レンズシェーディング、および光学系２０の赤外放射の影響などを統括して補正する。補正にあたっては、温度設定手段５１を設け、遮断手段４０の温度Ｔｃを所望の温度に設定し、さらにこのＴｃを特定の撮像対象物の温度近傍に設定することでより良好な結果を得ることができる旨が記載されている。

矢尾板：赤外線カメラとロックインによる温度差画像、画像ラボ、pp32-35、2005.8 再公表特許ＷＯ００／４２３９９公報

図８に示すような赤外線カメラ装置では、コントローラより指令されるフレームレートに同期させながらの赤外線画像取込み処理、ロックイン方式の演算処理、及び測定された生体温度変化の平均化処理について高速かつ高精度に実施する必要がある。すなわち画像検出精度が回転ブレードの角速度制御性能に大きく左右されるため、高性能なロックインアンプが不可欠となり、装置の全体構成が複雑化するという課題が生じていた。

また、図９に示すような赤外線画像撮像装置には、遮断手段を温度制御して車や人など熱源が変動する場合でも補正係数の決定を簡略化する事項が開示されているのみで、ロックイン方式の課題はもとより、ロックイン方式で温度分解能を向上させた遠赤外線画像を取得する技術に関する記載自体が存在しない。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、簡易な装置構成により、フレームレートに同期した赤外線画像を連続的に取得できる遠赤外線画像取得装置を提供することを目的とする。

上述した課題を鑑み、本発明の請求項１にかかる遠赤外線画像取得装置は、赤外線画像を取得する遠赤外線カメラと、上記遠赤外線カメラと撮像対象の間に配置されるシャッタと、上記シャッタに取り付けられたヒータと、上記シャッタの温度を少なくとも上記撮像対象の温度より高い温度で一定に保つよう上記ヒータの温度を制御するヒータコントローラと、上記シャッタの閉鎖時間を、上記遠赤外線カメラの温度追従特性が上記撮像対象の温度に到達する時間より長く設定するシャッタ・カメラ同期コントローラを備えてなることを特徴とする。

さらに、本発明の請求項２にかかる遠赤外線画像取得装置は、上記の構成に加え、上記シャッタ・カメラ同期コントローラが、上記シャッタの閉鎖時間を、上記遠赤外線カメラの温度追従特性が前記シャッタの設定温度に到達する時間に設定することを特徴とする。

さらに、本発明の請求項３にかかる遠赤外線画像取得装置は、前記撮像対象は人体の一部または全部であり、前記シャッタの温度を４２度以下の一定温度に保つよう前記ヒータの温度を制御することを特徴とする。

さらに、本発明の請求項４にかかる遠赤外線画像取得装置は、前記撮像対象の発する遠赤外線を前記遠赤外線カメラの所定位置に結像させる調整手段を備えることを特徴とする。

さらに、本発明の請求項５にかかる遠赤外線画像取得装置は、前記調整手段は前記撮像対象を光学的に拡大することを特徴とする。

さらに、本発明の請求項６にかかる遠赤外線画像取得装置は、上記撮像対象を設置する設置手段を備えることを特徴とする。

さらに、本発明の請求項７にかかる遠赤外線画像取得装置は、上記撮像対象をサーモグラフィック表示する表示手段を備えたことを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、汎用シャッタの表面をヒータで撮像対象の温度より高く設定し、かつシャッタ閉鎖時間を、遠赤外線カメラの温度追従特性が撮像対象の温度に到達する時間より長く設定して撮影することにより、カメラとシャッタとの間で複雑かつ高精度な同期をとってシャッタ制御を実施せずとも、フレームレートに同期した連続する遠赤外線画像を、簡易な装置構成で取得するという効果を奏する。

図１は本発明の一実施の形態にかかる遠赤外線画像取得装置の一例を示す構成図である。この遠赤外線画像取得装置は、遠赤外線カメラ１、近接レンズ２、シャッタ３、ヒータ４、ヒータコントローラ５、シャッタ・カメラ同期コントローラ６、フレーム７、高さ微調整機構８、及びディスプレイモニタ９によって構成される。

近接レンズ２を装着した遠赤外線カメラ１が、近接レンズ２が上向きになるよう固定設置される。遠赤外線カメラ１の撮像データは所定の時間間隔（フレームレート）で連続的に取得されるよう設定されている。この遠赤外線カメラ１の図中左右にはフレーム７が立設され、両フレーム７にはそれぞれ高さ微調整機構８が取り付けられている。高さ微調整機構８は、両フレームに架け渡され支持されたシャッタ３を上下方向に自在に移動させる機構である。本実施の形態においては固定されたフレーム７をスライドレールとして摺動上下移動する摺動式を適用したが、調整精度が保証されていれば、伸縮するフレームを任意の箇所で係止する伸縮式を用いてもよい。

シャッタ３はフレーム７により、遠赤外線カメラ１に装着された近接レンズ２の真上に支持されている。これにより高さ微調整機構８で撮像対象である生体部分と近接レンズ２間の距離を０〜任意の距離に調節することができる。またシャッタ３はドーナツ状の孔空き円板構造の外枠を有するスライドシャッタであり、生体部分を上に載せた状態でシャッタ３の遮蔽板をスパイラル状にスライド開閉動作が可能なよう構成されている。そしてシャッタ３は開放時間／閉鎖時間を任意に設定調整することができる。

シャッタ３の外枠の裏面側には、穿設された孔部分の周縁を囲むように、孔の外径より大きな内径を有する環形状のヒータ４が取り付けられている。ヒータ４はヒータコントローラ５により任意の温度に制御することが可能である。すなわちシャッタ３の表面温度はヒータコントローラ５により任意の値に調節することが可能となる。

シャッタ３と遠赤外線カメラ１には、シャッタ・カメラ同期コントローラ６が接続されている。このシャッタ・カメラ同期コントローラ６により、シャッタ３が遠赤外線カメラ１の撮影動作に同期し、最適な開放時間／閉鎖時間で開閉されるよう制御される。こうして撮影された生体部分の赤外線画像データ（サーモグラフィ）は、ディスプレイモニタ９に表示される。

図２は本実施形態の遠赤外線画像取得装置の一例であり、指先端部の生体情報を取得している様子を俯瞰したイメージを示す図である。被験者自身は椅子に座るなどの安定した姿勢をとり、上腕〜手の腹部分を机に置き、撮像対象となる生体部分（指先）がシャッタ３開閉部の真上に位置するよう、指の第一関節辺りをシャッタ３上（ドーナツ孔の縁部分）に載せる。この際、被験者の体格（前腕部長さ）に応じてシャッタ３の位置を調整できるよう、シャッタ３には高さ微調整機構８に加えて、水平面内の移動を自在に調整する機構（例えば遠赤外線カメラ１が取り付けられたＸ−Ｙステージ）を設けておいてもよい。

図３は、時間を横軸、温度を縦軸とするグラフを用いて本実施形態の遠赤外線画像の取得原理を模式的に示した図である。遠赤外線カメラ１の撮像データは映像フレームとして連続的に取得され、また撮像する温度の範囲によって階調が相対的に割り振られる。すなわち最高温度を２５６、最低温度を０とする２５６階調を縦辺とし、フレーム時間を横辺とする矩形としてグラフ上に表現することができる。また、このグラフ中には、遠赤外線カメラ１の温度追従特性が太実線で示されている。この温度追従特性は、主に遠赤外線カメラ１に内蔵されるセンサの応答特性に依存するカメラ固有のものである。

最初に遠赤外線カメラ１のシャッタ３が開放されている状態では、遠赤外線カメラ１の検出データは周囲の環境温度を階調中心（階調表現で１２６）とする映像フレームが連続的に取得される。環境温度は季節等によって変動はあるが、基本的に撮像対象となる最適な温度帯（生体の核心温）よりも低い。

続いて撮像対象を撮影するためシャッタ３が閉鎖されると、遠赤外線カメラ１の温度追従特性が変化する。この場合撮像対象から発せられる遠赤外線がシャッタ３により遮断されるため、温度追従特性は初期値を環境温度、到達温度をシャッタ設定温度とする温度差に応じて指数関数的に変化する。またこのシャッタ３の閉鎖時間における遠赤外線カメラ１の検出データは、シャッタ設定温度を白（階調表現で２５６）として一定のまま推移する。

シャッタ３が閉鎖を終了し再度開放されると、検出データが白一色の状態から徐々に２５６階調の映像フレームとして再現される。映像フレームは遠赤外線カメラの温度追従特性に沿って下降し、以後再び周囲の環境温度を階調中心とする映像フレームが連続的に取得される。

遠赤外線カメラは所定の温度範囲に２５６階調を割り振ってデータを画像化する。よって本発明の成立にあたっては、まずシャッタ３の設定温度が最適な温度帯より高い値に設定されていることが必須である。そして、少なくとも温度追従特性曲線が最適な温度帯を超えるまでの時間でシャッタ閉鎖が終了し再度開放されるよう制御されれば、下降中の映像フレームの階調内に最適な温度帯を収めることはできる。

しかし、より明瞭な遠赤外線画像を取得するためには、階調中心が最適な温度帯に相当する映像フレームを連続的に取得することが求められる。これを実現するためにシャッタ３の温度は、最適な温度帯よりもある程度高く設定しておく必要がある。ただし、シャッタ設定温度と最適な温度帯との不要な温度差は、赤外線画像の階調配分にとって決して好ましいものではない。そこで、シャッタ設定温度の上限は生体として存在できる体温の最大値である「４２℃」とする。また、シャッタの閉鎖時間も、最適な温度帯に達する瞬間までの時間で開放するよりは、シャッタ設定温度に到達するまでの時間で開放した方が、下降する映像フレームが最適な温度帯で連続的に現れ、より明瞭な遠赤外線画像が取得される。

図４は本実施形態の遠赤外線画像取得装置の撮像動作例のフローチャートである。

図４によれば、撮像対象となる生体部分をシャッタ上に載せ（ステップＳ１）、この状態で近接レンズ２の焦点距離に応じ、生体部分と近接レンズ２との距離を高さ微調整機構８で調整する（ステップＳ２）。生体部分と近接レンズ２の距離を調節した後、シャッタ３の下部に設置した遠赤外線カメラ１により、近接レンズ２を介して得られる生体温度情報の分布状態を画像情報として取得する（ステップＳ３）。ここでヒータコントローラ５は遠赤外線カメラ側のシャッタ３表面に取り付けられたヒータ４を制御して、シャッタ３の表面を人体核心温度より高く、かつ４２℃以下の任意の温度で一定に保つよう調節する（ステップＳ４）。これによりシャッタと生体部分との温度差が強調される。シャッタ温度が設定温度に到達したら（ステップＳ５）、さらにシャッタ・カメラ同期コントローラ６により、シャッタ３の閉鎖時間を遠赤外線カメラの温度追従特性が上記撮像対象の温度に到達する時間より長くなるよう設定し（ステップＳ６）、遠赤外線カメラ１で撮像対象を撮影する（ステップＳ７）。これらの動作により、遠赤外線カメラ１の感度（Ｓ／Ｎ比）の大幅な改善が達成される。

図５は、本装置において、遠赤外線カメラ１の焦点が右手指先表面に合うよう、高さ微調整機構８で調整して撮影し、赤外線サーモグラフィとして表示させた画面写真の例である。

今回はシャッタ３の表面温度を４２℃となるようヒータコントローラ５によりフィードバック制御を行った。この結果、指先表面の指紋（横方向に複数見られる薄白線）と汗腺（黒い斑点）を同時に取得していることが図５において確認できる。

図６は本実施の形態で用いた遠赤外線カメラ１において、シャッタ温度４０℃として右手指先表面を撮影して表示させた温度分布データ画面写真の例であるが、こちらについては指先表面の指紋が確認できた。

なお、撮像範囲に関しては、高さ微調整機構８を用いることで任意に設定可能であるが、撮像範囲を狭めることで取得画像の解像度が向上させ、より精密な観測を行うために、あえて指先の皮膚表面の焦点を設定し、撮像範囲を狭くなるよう調整した上で生体情報を取得した。

以上説明したように本実施形態によれば、シャッタの設定温度を少なくとも撮像対象の温度より高い温度に設定し、かつシャッタの閉鎖時間を遠赤外線カメラの温度追従特性が上記撮像対象の温度に到達する時間より長く設定することによって、カメラとシャッタとの間で複雑かつ高精度な同期をとってシャッタ駆動制御を実施せずとも、目的とする生体情報を容易かつ効率的に取得することが可能となる。

なお、本発明の実施形態においては撮像対象が指先で、取得した生体情報が汗腺や指紋である例を示したが、これに限定するものではなく、撮像対象を手のひらや手の甲とし、生体情報を静脈や真皮層にする等、既知の遠赤外線撮影で取得可能な撮像対象や生体情報に適用し得ることは言うまでもない。例えば、本発明の他の実施形態を用いて手の甲〜上肢部を撮像対象として撮影した写真の例を図７に示す。この形態では近接レンズ２を標準ズーム用のレンズに交換して撮影している。特に手の甲から手首にかけて、静脈が黒い筋（温度の低い部分）として認識されていることが把握できる。

本発明の一実施の形態にかかる簡易型生体情報取得装置の構成イメージを示す図である。 本発明の生体情報取得装置で生体情報を取得している様子を上方から俯瞰した図である。 本発明の生体情報取得方法を示すフローチャートである。 温度の経時変化グラフを用いて本発明の生体情報撮像原理を模式的に示した図である。 本発明の生体情報取得装置で撮影し、赤外線サーモグラフィとして表示させた撮像対象の（指皮膚表面）画面写真である。 本発明の生体情報取得装置を用いずに撮影し、赤外線サーモグラフィとして表示させた生体部分（指皮膚表面）画面写真である。 本発明の生体情報取得装置で撮影し、赤外線サーモグラフィとして表示させた撮像対象（手の甲〜上肢部）の画面写真である。 従来技術の一例を示す図である。 従来技術の別の一例を示す図である。

符号の説明

１ 遠赤外線カメラ
２ 近接レンズ
３ シャッタ
４ ヒータ
５ ヒータコントローラ
６ シャッタ・カメラ同期コントローラ
７ フレーム
８ 高さ微調整機構
９ ディスプレイモニタ
１１ 赤外線カメラ
１２ チョッピング／ロックインアンプ
１３ 回転ブレード
１４ モータ
１５ フレームレート同期コントローラ
２０ 光学系
３０ 補正手段
４０ 遮断手段
５０ 温度測定手段
６０ 制御手段
７０ 被写体
１００ 赤外線検出器
１０１ 赤外線カメラ
１０２ チョッピング／ロックインアンプ
１０３ 回転ブレード
１０４ モータ
１０５ フレームレート同期コントローラ

Claims (7)

1. 赤外線画像を取得する遠赤外線カメラと、前記遠赤外線カメラと撮像対象の間に配置されるシャッタと、前記シャッタに取り付けられたヒータと、前記シャッタの温度を少なくとも前記撮像対象の温度より高い温度で一定に保つよう前記ヒータの温度を制御するヒータコントローラと、前記シャッタの閉鎖時間を、前記遠赤外線カメラの温度追従特性が前記撮像対象の温度に到達する時間より長く設定するシャッタ・カメラ同期コントローラを備えてなることを特徴とする、遠赤外線画像取得装置。
2. 前記シャッタ・カメラ同期コントローラが、前記シャッタの閉鎖時間を、前記遠赤外線カメラの温度追従特性が前記シャッタの設定温度に到達する時間に設定することを特徴とする、請求項１に記載の遠赤外線画像取得装置。
3. 前記撮像対象は人体の一部または全部であり、前記シャッタの温度を４２度以下の一定温度に保つよう前記ヒータの温度を制御することを特徴とする、請求項１または請求項２のいずれかに記載の遠赤外線画像取得装置。
4. 前記撮像対象の発する遠赤外線を前記遠赤外線カメラの所定位置に結像させる調整手段を備えることを特徴とする、請求項１または請求項３のいずれかに記載の遠赤外線画像取得装置。
5. 前記調整手段は前記撮像対象を光学的に拡大することを特徴とする、請求項４に記載の遠赤外線画像取得装置。
6. 前記撮像対象を設置する設置手段を備えることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の遠赤外線画像取得装置。
7. 前記撮像対象をサーモグラフィック表示する表示手段を備えたことを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の遠赤外線画像取得装置。

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