JP6723931B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置に関し、特に使用者の姿勢を適切に保つと共に、机上を適切に照明するものに関する。

いわゆるデスクライトと言われる照明装置が一般に使用されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。このような照明装置は、使用者が適宜位置を動かし、所望の位置が適切な照度となるように調整していた。

このようなデスクライトは様々に改良され、照明方向を変化させるための可動部分にモータを設けた照明装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、加齢や疲労で目のピント調整機能が低下する場合に対応して、色を調整したり、照射範囲を制御する照明装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。さらに、文字サイズや、カラー／モノクロを判定して、光を調整する照明装置が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特開平０４−１４４００２号公報 特開２０１３−１２５５９６号公報 特開２０１４−０８６３１１号公報

上述した照明装置では、次のような問題があった。すなわち、使用者の姿勢が様々に、しかも時々刻々と変化するものであることが考慮されていない。姿勢が変化すると机や光源との位置関係も変化する。したがって、使用者が書籍を読む際、目と机の上の書籍等の対象物との距離が短い状態が継続する場合がある。すると、眼球の毛様体筋が緊張し、視力の低下の原因となる虞がある。また、机上での照度差が大きくなると目に負担がかかり、同様に視力の低下の原因となる。さらに、筆記具や使用者の手の影が書籍に生じると文字等の読解が困難となり、同様に視力低下につながる虞がある。また、机上の照度が低いと、使用者は目を近づけて本などを読もうとし、前述したように目と対象物との距離が短くなり、視力が低下する虞がある。

そこで本発明は、使用者の目と対象物との距離を適切に保つと共に、適切な照度で机上を照らすことができる照明装置を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の照明装置の一形態は次のように構成されている。

すなわち、机上を照らすための光源と、前記光源の位置を移動させるアーム機構と、前記机上の照度分布を検出する照度分布検出手段と、使用者の特定部位の位置データを検出する位置データ検出手段と、前記照度分布検出手段が検出した前記机上の照度分布及び前記位置データ検出手段が検出した前記位置データに基づいて、前記机上の照度ムラが少なくなる光源位置を算出する演算部と、前記演算部が算出した光源位置に前記光源が移動するように前記アーム機構を動作させるアーム制御部とを備えている。

本発明によれば、使用者の目と対象物との距離を適切に保つと共に、適切な照度で机上を照らすことが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る照明装置及び照明装置が設置された机を示す斜視図。 同照明装置を示す斜視図。 同照明装置に組み込まれたヘッド部を示す下面図。 同照明装置の概要を示すブロック図。 同照明装置に組み込まれたアーム部の機構モデルを示す説明図。 同照明装置の基本的な動作フローを示す説明図。 同照明装置のモード選択の動作フローを示す説明図。 同照明装置の目と机との距離の検出動作を示す説明図。 同照明装置の目と机との距離の検出動作を示す説明図。 同照明装置における照度分布検出原理を示す説明図。 同照明装置における光源位置の座標軸を示す説明図。 同照明装置における照度分布の改善前における画像と照度ヒストグラムを示す説明図。 同照明装置における照度分布の改善後における画像と照度ヒストグラムを示す説明図。

図１は本発明の一実施の形態に係る照明装置１０及び照明装置１０が設置された机Ｄを示す斜視図、図２は照明装置１０を示す斜視図、図３は照明装置１０に組み込まれたヘッド部６０を示す下面図、図４は照明装置１０の概要を示すブロック図、図５はアーム部４０の機構モデルを示す説明図、図６は照明装置１０の基本的な動作フローを示す説明図、図７は照明装置１０のモード選択の動作フローを示す説明図、図８は照明装置１０の目と机との距離の検出動作を示す説明図、図９は照明装置１０の目と机との距離の検出動作を示す説明図、図１０は照明装置１０における照度分布検出原理を示す説明図、図１１は照明装置１０における光源位置の座標軸を示す説明図、図１２は照明装置１０における照度分布の改善前における画像と照度ヒストグラムを示す説明図、図１３は照明装置１０における照度分布の改善後における画像と照度ヒストグラムを示す説明図である。なお、図１中Ｈは使用者を示している。

照明装置１０は、机Ｄ上に載置されるベース部２０と、このベース部２０を机Ｄに固定するための固定用クランプ２５と、ベース部２０にその基端側が取り付けられ光源６２の位置を決めるアーム機構３０と、このアーム機構３０の先端側に設けられたヘッド部６０とを備えている。

ベース部２０内には、後述する制御装置１００が設けられている。ベース部２０の手前側には、使用者Ｈの特定部位（例えば、目の位置）及び使用者Ｈの上半身の姿勢を検出し、フェイス画像（ユーザ画像）を出力するフェイスカメラ（ユーザカメラ）２１が設けられている。また、ベース部２０の上面にはモードスイッチ２２が設けられている。

アーム機構３０は、アーム部４０と、このアーム部４０を動作させるアーム動作部５０とを備えている。

アーム部４０は、ベース部２０に内蔵された回転軸２３に設けられ、図中矢印α１方向に回動する第１アーム４１と、第１アーム４１の先端側に水平方向の軸廻りに回動自在に設けられた第２アーム４２と、第２アーム４２の先端側に水平方向の軸廻りに回動自在に設けられた仰角調整部材４３と、この仰角調整部材４３に回動自在に設けられた首振り部材４４と、この首振り部材４４に回動自在に設けられたヘッド取付部４５とを備えている。ヘッド取付部４５にはヘッド部６０が取り付けられている。

アーム動作部５０は、ベース部２０に内蔵され、回転軸２３を図中矢印α１方向に回動させる第１モータ５１及び第１角度センサ５１ａと、第１アーム４１を図中矢印α２方向に回動させる第２モータ５２及び第２角度センサ５２ａと、第２アーム４２を図中矢印α３方向に回動させる第３モータ５３及び第３角度センサ５３ａと、仰角調整部材４３を図中矢印α４方向に回動させる第４モータ５４及び第４角度センサ５４ａと、首振り部材４４を図中矢印α５方向に回動させる第５モータ５５及び第５角度センサ５５ａと、ヘッド取付部４５を図中矢印α６方向に回動させる第６モータ５６及び第６角度センサ５６ａとを備えている。

アーム機構３０は、アーム動作部５０を動作させることで、後述する光源６２の位置及び照射方向を種々制御し、例えば、最適光源位置に移動させることが可能である。

ヘッド部６０は、長方形状のヘッドベース６１と、このヘッドベース６１の下面に設けられ、机Ｄ上を照らすための光源６２と、この光源６２側に設けられ、机上の照度分布を検出し、デスク画像を出力するデスクカメラ６３，６４と、ヘッドベース６１の上面に設けられ環境状況を検出するための照度センサ６５とを備えている。

制御装置１００は、各部を連携制御すると共に、アーム部３０を制御する制御部１１０と、この制御部１１０に接続された画像処理部１２０、演算装置（演算部）１３０、目と机との距離が所定距離（閾値）以下の場合に音又は光によって使用者Ｈに警告を発する警告部１４０とを備えている。

画像処理部１２０には、フェイスカメラ２１の出力、デスクカメラ６３，６４の出力が接続され、フェイスカメラ２１で得られたフェイス画像とデスクカメラ６３，６４で得られたデスク画像を処理して使用者Ｈの特定部位（ここでは、使用者Ｈの目）の位置データを検出し、使用者Ｈの目と机Ｄまでの距離Ｑ及び使用者Ｈの姿勢を算出する。

演算装置１３０は、使用者Ｈの上半身の姿勢に基づいて、机Ｄ上において照度分布のヒストグラムの分散を最小にすることにより、使用者Ｈの影を最小限にし、かつ、机Ｄ上の照度差を最小限にする光源６２の最適光源位置を算出する。

警告部１４０は、使用者Ｈの目と机Ｄまでの距離Ｑが基準値（所定値）を下回ったときに音や光によって警告を行う機能を有している。具体的には、スピーカからの警告音や、光源６２の点滅等を用いる。

このように構成された照明装置１０は、次のようにして使用する。照明装置１０には、例えば次の４種類のモードが準備されている。すなわち、（Ｍ１）待機モード、（Ｍ２）キャリブレーションモード、（Ｍ３）光源位置制御モード、（Ｍ４）手元集中モード、である。これらのモードは、モードスイッチ２２の押下げにより図７に示すように、順次切り替わる。
（Ｍ１）待機モード
待機モードは、照明装置１０のスタンバイ処理を行うモードである。待機モードへは、電源投入後に遷移する。待機モードに滞在時には、アーム機構３０の動作や光源６２の点灯は行わない。
（Ｍ２）キャリブレーションモード
キャリブレーションモードはフェイスカメラ２１及びデスクカメラ６３，６４の調整を行うためのモードである。通常、初回の電源投入時に一度だけキャリブレーションモードに遷移するが、任意の操作でキャリブレーションモードに入場することができる。フェイスカメラ２１及びデスクカメラ６３，６４の調整は、使用者Ｈの顔、上半身、目、手の画像教示、専用パターンシートによる画素から長さへの変換係数の算出が行われる。
（Ｍ３）光源位置制御モード
光源位置制御モードは、照明装置１０の光源６２の位置が使用者Ｈの姿勢や環境状況に応じて制御されるモードである。光源位置制御モードへは、使用者Ｈのモードスイッチの操作によって選択的に遷移する。制御の方法については後述する。
（Ｍ４）手元集中モード
手元集中モードは、照明装置１０の光が常に使用者Ｈの手元に当たるように制御されるモードである。手元集中モードへは、モードスイッチ２２の操作によって選択的に遷移する。手元集中モードに滞在しているとき、照明装置１０はデスクカメラ６３，６４にて使用者Ｈの手の位置を認識している。照明装置１０はデスクカメラ６３，６４から得られる画像の中央に使用者Ｈの手が写るようにアーム機構３０を制御する。それにより、使用者Ｈの手の周辺が照らされるようになる。

これらの４つのモードが設けられていることで、図６に示すように、電源の投入により開始された後、モードスイッチ２２により、動作モード（Ｍ１）〜（Ｍ４）を選択する（ＳＴ１０）。そして、選択した動作モード（Ｍ１）〜（Ｍ４）を実行し（ＳＴ１１）、電源を切ることにより終了する。

さらに詳述すると、モードスイッチ２２は押下げのたびに動作モード（Ｍ１）〜（Ｍ４）が切り替わる。図７はこの動作フローを示している。すなわち、開始後、モードスイッチ２２が押下げされたか否かが判断される（ＳＴ２０）。押下げされないと、待機モード（Ｍ１）が継続される（ＳＴ２１）。押下げされていると、キャリブレーションが完了されているか否かが判断され（ＳＴ３０）、完了していればＳＴ４０に進む。

キャリブレーションが完了していなければ、キャリブレーションモード（Ｍ２）が実行され（ＳＴ３１）、キャリブレーションが正常に実行されているか否かが判断され（ＳＴ３２）、正常に完了されていればＳＴ４０に進む。また、完了していなければ、ＳＴ３１に戻る。

ＳＴ４０は、光源位置制御モード（Ｍ３）となり、モードスイッチ２２が押下げられたか否かが判断され（ＳＴ４１）、押下げられるまで光源位置制御モード（Ｍ３）が継続する。押下げられた場合は、手元集中モード（Ｍ４）に進む（ＳＴ５０）。

続いて、モードスイッチ２２が押下げられたか否かが判断され（ＳＴ５１）、押下げられるまで手元集中モード（Ｍ４）が継続する。押下げられた場合は、終了する。

次に、光源位置制御モードについて詳述する。光源位置制御モードに遷移すると、フェイスカメラ２１によって、使用者Ｈの画像を取得する。照明装置１０の画像処理部１２０は、予め多数の眼の画像から求めたＨａａｒ−ｌｉｋｅ特徴とＡｄａＢｏｏｓｔアルゴリズムを用いて作成されたソフトウェアによる画像判別機能を有している。また、人間の姿勢、手の形等のデータも多数入力され、画像判別が行われる。取得した画像を画像処理部１２０に適用することで、画像上の目の位置を求める。

目の位置座標をＥｘ，Ｅｙとする。またフェイスカメラ２１の位置は、取得できる画像の最下部が机Ｄの上面部と等しい高さになるように設定されているため、画像の最下部は机Ｄの位置として採ることができる。ゆえに、前述により検出された目の位置の高さをそのまま目と机Ｄまでの距離として採用する。よって、次式を満たすとき姿勢が悪化したとする。

Ｅｙ ＜ Ｅｔｈ …（１）
但し、Ｅｔｈは姿勢悪化警告閾値である。

使用者Ｈの姿勢が悪化したと演算装置１３０で検知されると、照明装置１０は使用者Ｈに対して警告部１４０により音や光等で警告を行う。

フェイスカメラ２１が使用者Ｈの目の位置座標を認識しているときのＥｘ，Ｅｙの関係を図８及び図９に示す。目の位置座標は、（Ｅｘ，Ｅｙ）で表す。また姿勢悪化警告閾値はＥｔｈ＝３００とする。図８に示すように、使用者Ｈの姿勢が正常の場合、画像処理によって目の位置座標が（Ｅｘ，Ｅｙ）＝（３１０，４００）を得た。これにより、目と机との距離は４００となり、閾値を上回るので警告を出さない。

一方、図９に示すように、使用者Ｈの姿勢が悪化している場合、画像処理によって目の位置座標が（Ｅｘ，Ｅｙ）＝（９０，２６０）のとき、目と机の距離は２６０となり、閾値を下回るので警告を出す。

次に、照明装置１０が照明センサ６５により観測した現在の照明状況に基づき、照度ムラが少なくなる光源位置へ移動制御を行うまでの過程を示す。

図１０は照度分布検出原理を示している。すなわち、使用環境の照度分布を計測し、使用者Ｈの視点位置（Ｈｉ）で検出される推定照度分布を求める。推定照度分布に基づき、照度ムラが少なくなる光源の最適位置を算出する。

光源６２の最適位置を目標位置として、アーム機構３０の先端の運動軌跡を生成し、軌道追従制御により光源位置を最適位置に移動する。

照明装置１０は、デスクカメラ６３，６４を使用して机Ｄの平面における照度分布Ｉａ（ｉ，ｊ）を計測する。続いて、使用者の視点位置での推定照度分布Ｉｂを次式に基づいて求める。
Ｉｂ＝ＲＸｕＩａ …（２）

但し、Ｒは照度分布座標系からの変換行列、Ｘｕは使用者Ｈの視点空間座標、Ｉａは照度分布である。使用者Ｈの視点の空間座標Ｘｕ＝［ｘ，ｙ，ｚ，θｒ，θｐ，θｙ］は、フェイスカメラ２１の取得画像から画像処理によって眼球位置を検出し、また、深度データから奥行き方向の位置を検出することにより取得する。

この推定照度分布Ｉｂを用いて、照度ムラが少ない光源位置を求める。このために、照明装置１０の照明モデルＩｍを用いる。それは、現在の使用者視点位置での照度分布にどのような影響を与えるかという観点でモデル化する。その照明モデルを考慮した最終的に使用者が受ける照度分布を「モデル考慮照度分布」とし、Ｉｃと表すこととする。推定照度分布Ｉｂと照明モデルＩｍ、モデル考慮照度分布Ｉｃの関係は次式となる。

Ｉｃ＝Ｉｂ−Ｉｍ …（３）
また、照明モデルＩｍ（ｘ，ｙ，ｚ）は次式となる。

Ｉｍ＝ＳＸＫＬ＋ＣＸ …（４）
但し、Ｓは光源から使用者視点位置への座標変換行列、Ｘは光源位置座標、Ｋはモデル補正係数行列、Ｌは机上面での照明強度分布、Ｃは補正項である。

本手法において、照度ムラの少ない光源位置とはモデル考慮照度分布がどの位置でも均一であると考える。すなわち、モデル考慮照度分布のヒストグラムＨ（ｎ）（照度値対頻度）を描いたときにある値がピークをとる先鋭度の高いグラフ概形となるような光源位置となる。その光源位置を求めるため、勾配法を用いて光源位置の最適化を行う。その際の評価関数を、ヒストグラムＨ（ｎ）について、

とする。

但し、ｍは照度データ個数、ｈａは照度平均値、ｈｉは照度値、Ｚは照度データの集合である。この評価関数が意味するところは、ヒストグラムＨ（ｎ）の分散の最小化により、照度分布上で特定の輝度をもつ空間的領域の最大化を図ることにある。

図１１は、照明装置１０における光源位置の座標軸を示している。光源位置制御モードでは、上述した最適化の算出により、照度ムラの少ない光源位置（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ，θｒｃ，θｐｃ，θｙｃ）を得る。光源位置が（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ，θｒｃ，θｐｃ，θｙｃ）となるように、ヘッド部６０（アーム先端）の移動軌跡を生成し、その追従制御を行う。それにより、光源６２を（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ，θｒｃ，θｐｃ，θｙｃ）へ移動する。これによって、照明装置１０が観測した現在の照明状況に基づき最適な光源位置に移動することで、照度ムラの少ない机Ｄの上の照明環境を実現することができる。また、光源位置だけではなく光源６２そのものの照度や色温度を制御することでも照度ムラの少ない照明環境を実現することができる。

図１２及び図１３は、上述したようにして得られた照度分布の改善過程を示す画像及びこの画像を処理して得られた照度分布のヒストグラムによる説明図である。すなわち、デスクカメラ６３，６４により得られた画像から、改善前は図１２のグラフのようになる照度分布のヒストグラムを得た。ヒストグラムの分散が大きく、照度のムラがある状況である。このときの光源位置座標は（ｘ，ｙ，ｚ，θｒ，θｐ，θｙ）＝（１００，２００，３００，０，０，０）である。

次に、演算装置１３０により、上述した式（５）に基づき、照度ムラのない最適な光源位置が算出される。計算の結果、例えば、（ｘｃ，ｙｃ，ｚｃ，θｒｃ，θｐｃ，θｙｃ）＝（８２，９８，３１２，π／６，−π／１２，２π／１２）を得た。光源６２がこの位置となるようにアーム機構３０を動作させ、移動させる。移動後の照度分布は図１３となり、中央部が最も明るく、周辺に行くにつれ次第に暗くなる理想的な照度分布となる。

上述したように本実施の形態に係る照明装置１０によれば、使用者Ｈの目と机Ｄとの距離が所定値以下になった場合に警告を発し、使用者Ｈの目と机Ｄとの距離が近づき過ぎないように保つ。また、机Ｄ上の照度分布が不適な場合に、照度分布を改善し、適切な照度で机上を照らすことができるように光源６２を移動させることができる。このため、使用者Ｈの視力低下を防止することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。フェイスカメラで撮像する特定部位については、目以外の上半身の部位、例えば、耳の位置のように目の位置を予測できる部位であれば、目に限られるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

１０…照明装置、２０…ベース部、２１…フェイスカメラ（ユーザカメラ）、３０…アーム機構、４０…アーム部、４１…第１アーム、４２…第２アーム、４３…仰角調整部材、４４…首振り部材、４５…ヘッド取付部、５０…アーム動作部、５１…第１モータ、５１ａ…第１角度センサ、５２…第２モータ、５２ａ…第２角度センサ、５３…第３モータ、５３ａ…第３角度センサ、５４…第４モータ、５４ａ…第４角度センサ、５５…第５モータ、５５ａ…第５角度センサ、５６…第６モータ、５６ａ…第６角度センサ、６１…ヘッドベース、６２…光源、６３，６４…デスクカメラ、６５…照度センサ、１００…制御装置、１１０…制御部、１２０…画像処理部、１３０…演算装置、１４０…警告部、Ｈ…使用者、Ｄ…机。

Claims (5)

1. 机上を照らすための光源と、
   前記光源の位置を移動させるアーム機構と、
   前記机上の照度分布を検出する照度分布検出手段と、
   使用者の特定部位の位置データを検出する位置データ検出手段と、
   前記照度分布検出手段が検出した前記机上の照度分布及び前記位置データ検出手段が検出した前記位置データに基づいて、前記机上の照度ムラが少なくなる光源位置を算出する演算部と、
   前記演算部が算出した光源位置に前記光源が移動するように前記アーム機構を動作させるアーム制御部とを備えていることを特徴とする照明装置。
2. 前記演算部は、前記机上の照度ムラが少なくなる光源位置として、前記机上の照度分布のヒストグラムの分散が小さくなる位置を算出することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記演算部は、前記机上の照度分布及び前記位置データに基づいて、前記使用者の視点位置で検出される推定照度分布を求め、前記推定照度分布に基づいて、前記照度ムラが少なくなる光源位置を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記位置データは、前記使用者の上半身の特定部位の位置データであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の照明装置。
5. 前記使用者の上半身の特定部位の位置データは、前記使用者の目の位置データであることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。

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