(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
感温液晶が温度に応じて色を変える全温度領域を、感温液晶の３原色の輝度値と温度の関係が単調増加関数あるいは単調減少関数となる連続した多数の温度領域に区分し、各温度領域における３原色の輝度値範囲をそれぞれ求めておき、感温液晶で実際に得られた３原色の各輝度値を、各温度領域における３原色の輝度値範囲と対比して、３原色共に完全に対応し１対１の関係にある特定温度領域を決定し、該特定温度領域内で輝度値からの線形補間によって直接的に温度を演算することを特徴とする感温液晶を用いる温度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感温液晶（温度により色が変化する性質を有する液晶）について、その色を３原色の輝度として数値化し、３原色の各輝度値と温度の関係から温度に直接変換する温度計測方法に関するものである。この技術は、例えば可視流体の詳細温度分布を観察する場合などに有用である。
【０００２】
【従来の技術】
物体表面近傍における温度分布を観測する技術の一つに、感温液晶を用いる温度計測方法がある。これは、感温液晶を粒子状あるいはシート状にして、その色からその温度を求める技術である。
【０００３】
例えば、感温液晶が粒子状のカプセル封入タイプの場合は、水など可視光線を透過する透明な流体に、このカプセルを混入することにより、流体の温度を測定できる。感温液晶がシート状の場合は、流体を内包する機器や配管等の壁面に、このシートを沿わせて貼り付けることにより、壁近傍の流体温度あるいは壁面の温度を測定することができる。この場合、壁をアクリル樹脂などの透明な材料で作製し、感温液晶シートの発色面を壁側に向けると、不透明な流体であっても壁近傍の流体温度あるいはそれに対応した壁面の温度を測定することができる。
【０００４】
ところで温度測定に熱電対などの温度センサを用いることも考えられるが、面のデータを得るには多数の温度センサを分散配列しなければならず、システムが高価となるし、そのような構成としても空間分解能は低い。他方、面データを得る手法として、放射される赤外線から温度を求めるサーモグラフィがある。しかし、基本的にサーモグラフィは対象物の外表面温度を測定する方法であるため、流体の実験に適用する場合、赤外線は主に壁の外表面から放射されるので、壁に囲まれた内部の流体の温度や流体に接する壁の内面の温度を観測することは困難である。これらのことから、２次元の温度分布とその時間変動を簡便に効率よく観測するには、感温液晶を用いる温度計測方法が有効と考えられている。
【０００５】
感温液晶の色から温度を求めるには、従来、液晶の色を３原色の輝度として数値化した後、これらをまず色相に変換し、予め求めた色相と温度の関係により、色相を温度に変換する方法が採られていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、色相と温度の関係は、感温液晶が温度によりその色を変える全温度領域についてみると、単調増加関数あるいは単調減少関数とはならない（１対１に対応しない）ため、感温液晶がその色を変える温度領域を部分的にしか利用できなかった。また、単調増加関数となる温度領域の中でも、高温域では、その関数の傾きが中温域に比べて低下するため、変換精度が低下する特性を有していた。
【０００７】
その他、３原色の各輝度値を入力とし、温度を出力とするニューラルネットワークを用いた変換方法も提案されているが、ニューラルネットワークは学習が必要な点、及び決定論的手法ではない点等から、その適用は感温液晶の普及に比べて限られたものとなっている。
【０００８】
本発明の目的は、液晶が温度により色を変える全温度領域で、３原色の各輝度から温度を直接求めることができ、計測温度領域の拡大と精度向上を図ることができる温度計測方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、感温液晶が温度に応じて色を変える全温度領域を、感温液晶の３原色の輝度値と温度の関係が単調増加関数あるいは単調減少関数となる連続した多数の温度領域に区分し、各温度領域における３原色の輝度値範囲をそれぞれ求めておき、感温液晶で実際に得られた３原色の各輝度値を、各温度領域における３原色の輝度値範囲と対比して、３原色共に完全に対応し１対１の関係にある特定温度領域を決定し、該特定温度領域内で輝度値からの線形補間によって直接的に温度を演算することを特徴とする感温液晶を用いる温度計測方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明で用いる温度計測システムの一例を示す概略構成図である。このシステム自体は、基本的には従来の「色相を利用した方法」で用いるのと同様であってよい。ここで被測定対象は、主配管１０の下部に枝配管１２が接続されていて、それらの配管内を流れる流体が合流する部分近傍の温度分布である。枝配管１２を流れる流体と主配管１０を流れる流体の温度が異なっており、枝配管１２から流れ込む流体の温度分布を観察することで、その流動状況を把握することもできる。図２は流動状況を模式的に表すもので、Ａは枝配管１２からの流速が大きく主配管１０の上側に達している状況を、Ｂは枝配管１２からの流速が小さく主配管１０の下側を流動する状況を、それぞれ表している。Ａのような場合には、シート状の感温液晶１４を主配管１０の上半面に貼着することによって、Ｂのような場合には、感温液晶１４を主配管１０の下半面に貼着することによって（図１参照）、温度分布を色分布に変換する。
【００１１】
感温液晶１４を蛍光灯１６で照明し、それをカメラ（ＣＣＤカメラやデジタルカメラなど）１８で撮影する。そして、その画像情報を信号変換カード２０などのインターフェースを介してパーソナルコンピュータ２２に取り込むようにし、３原色、即ちＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各輝度値（例えば０から２５５まで）として数値データ化するようにシステムを構成する。
【００１２】
感温液晶の各輝度値と温度の関係を、実際に使用するシステム（照明やカメラ等の条件を含む）にて、温度が既知の流体を流し、そのときの感温液晶の色を計測することにより予め求めておく。典型的な感温液晶における各輝度値と温度との関係の例を図３に示す。この例では、感温液晶は３０℃から４０℃の範囲で各輝度値が変化している。しかし図３に示すように、ＲとＧについては輝度値が温度に対して単調な増加関数とならず、ある輝度値に対して対応する温度が２点ある範囲が存在する。このため各輝度値から温度を単純に求めることはできない。因みに各輝度値から色相を求める従来方法でも、図４に示すように、色相が温度に対して単調増加関数とならず、３０℃から３２．５℃までは無効領域となり実際に温度変換に使用できる範囲は３２．５℃から４０℃までに限られる。
【００１３】
本発明では、３原色の各輝度値から色相に変換することなく、直接温度を求める。そのために、感温液晶が温度に応じて色を変える全温度領域を、感温液晶の３原色の輝度値と温度の関係が単調増加関数あるいは単調減少関数となる連続した多数の温度領域に区分する。そして、各温度領域における３原色の輝度値範囲をそれぞれ求めておき、感温液晶で実際に得られた３原色の各輝度値を、各温度領域における３原色の輝度値範囲と対比して、３原色共に完全に対応し１対１の関係にある特定温度領域を決定する。最後に、その特定温度領域内で輝度値からの線形補間によって直接的に温度を演算するのである。
【００１４】
これらのことから分かるように、本発明では、３原色の各輝度値と温度の関係が単調増加あるいは単調減少関数とならない温度領域が３原色で異なること、並びに感温液晶が温度に応じて色が変わる全温度領域を幾つかの領域に分けることで３原色の各輝度値と温度の関係がその領域内では単調増加または単調減少関数（１対１に対応する）にできることを利用している。即ち、測定する温度が示す３原色の各輝度から３原色毎に候補となる温度領域を１個または複数個求め、３原色で共通する温度領域が真の温度を含む領域であることを決定論的に求めることができる。求められた温度領域内では単調増加または単調減少関数となることから、温度を輝度値から線形補間により求めることができる。このようにして本発明では、感温液晶が温度に応じて色が変わる全温度領域について、その色から温度を求めることができるのである。
【００１５】
従って、温度計測システム（ハードウエア）としては、感温液晶を用いる従来方法と同様であってよいことになるが、手法（ソフトウエア）としては異なるということである。使用する感温液晶の種類は特に限定されるものではなく（例えばコレステリック液晶など任意であってよく）、従来から広く使用されている市販の製品がそのまま利用できる。感温範囲は、使用する液晶に依存するが、一般には１０℃程度の幅しかないことが多い。そこで、測定したい温度領域に応じた感温液晶を選択使用すればよい。
【００１６】
【実施例】
以下、前記図３に示す温度−輝度特性をもつ感温液晶の各輝度値と温度との関係に基づき、３原色の各輝度値から直接温度を求める場合について説明する。まず、図３に示した輝度と温度の関係から、測定している温度が含まれる領域として、輝度と温度が１対１の関係にある領域（即ち単調増加あるいは単調減少となる領域）を求める必要がある。そこで図３において、全温度計測範囲を各輝度値が単調増加あるいは単調減少となるように適当な数の領域に分割する。ここでは例として、０．５℃の幅をもつ２２の領域に分割している。
【００１７】
次に、各温度領域において３原色ＲＧＢの輝度がそれぞれ示す値の範囲を求める。例えば３４．０℃から３４．５℃の温度領域では、各輝度値の範囲はＲ：４５〜５２、Ｇ：１００〜１０９、Ｂ：７２〜７６となる。このようにして整理した結果を表１に示す。この表１では、輝度値範囲として、予め輝度値と温度の関係を求めるときに得られた標準偏差を含めて記載している。これで液晶の色から温度を求める準備が整ったことになる。
【００１８】
【表１】
0003553048.tif 000002
【００１９】
ある温度の場所に感温液晶が置かれたとして、その色を３原色の各輝度値として求める。これを表１に当てはめ、各温度領域について、３原色ＲＧＢの輝度値がそれぞれの輝度値範囲に入っていれば、表１の当該原色の「当てはめ結果」欄に「１」を、入っていなければ「０」を入れる。測定している温度が３２．６℃の時の例を、表１にパターン塗りして示す。この温度では、３原色の輝度値は、Ｒ＝８３、Ｇ＝１０６、Ｂ＝６９となる。Ｒの輝度値からは該当する温度領域が２箇所（表１中の領域４と領域７）、Ｇの輝度値からは該当する温度領域も同様に２箇所（表１中の領域７と領域１０）、Ｂの輝度値からは該当する温度領域が４箇所（表１中の領域４から領域７）が温度領域の候補として示される。次に、３原色で共通に候補として示された温度領域を求める。そのため、表１中のＲ，Ｇ，Ｂの当てはめ結果の数値を各温度領域毎に掛け算し、その答えが１となる温度領域を求める。
【００２０】
この操作により、測定した温度が領域７に含まれていることが分かる。各領域では３原色の輝度値は温度に対して単調増加あるいは単調減少関数であることから、線形補間により輝度値から温度を求めることができる。即ち、３原色それぞれから得られた温度を算術平均し、温度を求める。
【００２１】
ここでは３原色のうちＲについては、図３に描かれているように、ある温度以上（３６℃以上）で輝度値がほぼ一定値を示すことから、測定している温度がその温度以上の場合はＲの輝度値からでは温度を精度よく求めることはできない。そこでＲについては、輝度値と温度の関係から予め輝度値がほぼ一定となる最低温度を定め、測定している温度の領域がその最低温度以上の場合（図３の例では３６℃以上）には、Ｒの輝度値から温度を求めることはせずに、ＧとＢの輝度値から求めた温度のみを算術平均して温度を求める。
【００２２】
図３に示す特性をもつ感温液晶を用いた測定の例で比較すると、従来の「色相を利用した方法」では測定可能な温度領域が３２．５℃から４０℃であるのに対して（図４参照）、本発明方法では３０℃から４０℃までの温度に応じて色が変わる全温度領域で温度を求めることができる。
【００２３】
上記の実施例ではシート状の感温液晶を用いているが、粒子状の感温液晶を用いた場合も同様に、液晶の色から直接温度を求めることができることは言うまでもない。粒子状の感温液晶を用いた可視化であれば、スリット状の光源を入れることで任意の断面の温度情報を得ることもできる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上記のように、３原色の各輝度値と温度の関係を複数の温度領域に分け、その温度領域内で単調増加または単調減少関数とし、３原色の各輝度値から対応する温度領域の候補をそれぞれ求め、その共通領域を探すことで、輝度と温度が１対１の関係にない場合を克服できる方法なので、温度に応じて感温液晶の色が変わる全温度領域を有効に使うことができ、感温液晶による定量的な温度測定の有効性を大きく高めることができる。また本発明では、３原色の各輝度値から温度を決定論的に求めることが可能であるため、推論に伴う不確定性が入る余地がなく、測定の信頼性が向上する。更に、従来のニューラルネットワークを利用した方法では必要な学習を事前に行う必要もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる温度計測システムの一例を示す概略図。
【図２】測定対象の例を示す説明図。
【図３】感温液晶の輝度と温度の関係の例を示すグラフ。
【図４】その色相（方位角）と温度の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０  主配管
１２  枝配管
１４  シート状の感温液晶
１６  蛍光灯
１８  カメラ
２０  信号変換カード
２２  パーソナルコンピュータ
【図１】
0003553048.tif 000003
【図２】
0003553048.tif 000004
【図３】
0003553048.tif 000005
【図４】
0003553048.tif 000006