(57)【要約】【課題】室内のダストの状況を有効に検出する。【解決手段】可視光カットフィルタ２０は、近赤外線成分および近紫外線成分を透過し、可視光成分を遮光する。撮像素子３０は、可視光カットフィルタ２０を透過した近赤外線成分および近紫外線成分を時間差をつけて受光する。制御部４０は、撮像素子３０により撮像された画像をもとに、特定のダストを検出する。たとえば、制御部４０は、撮像素子３０により順に受光され、それぞれ光電変換された近赤外線画像と近紫外線画像との差分画像を生成し、その差分画像内から特定のダストを検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
近赤外線成分および近紫外線成分を透過し、可視光成分を遮光する可視光カットフィルタと、
前記可視光カットフィルタを透過した近赤外線成分および近紫外線成分を時間差をつけて受光する撮像素子と、
前記撮像素子により撮像された画像をもとに、特定のダストを検出する制御部と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記撮像素子により時間差をつけて受光され、それぞれ光電変換された近赤外線画像と近紫外線画像との差分画像を生成し、その差分画像内から特定のダストを検出することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記撮像素子により時間差をつけて受光され、それぞれ光電変換された近赤外線画像と近紫外線画像との合成画像を生成し、その合成画像内のダストの軌跡を検出し、その軌跡の明るさレベルに応じて、特定のダストであるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像素子は、一フレーム期間内に、前記可視光カットフィルタを透過した近赤外線成分および近紫外線成分を時間差をつけて受光し、
前記制御部は、前記フレーム期間内に、前記撮像素子により撮像された画像内のダストの軌跡を検出し、その軌跡の明るさレベルに応じて、特定のダストであるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記撮像素子は、前記近赤外線成分および前記近紫外線成分を、所定の時間間隔を空けて、受光することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記特定のダストは、花粉であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間に浮遊する特定のダストを検出するための撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、花粉症を患っている人の数は多い。あるアンケート調整では、日本の首都圏に住む人口の約４０％が花粉症患者であるというデータもある。特に、日本ではスギ花粉症が多い。それに伴い、空気清浄機や空気清浄機能付きの空調機器の販売も伸びている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１８４３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
省エネルギー化がますます要求されるなか、空気清浄機の省エネルギー化、高効率運転が求められている。それらの要求を満たすには、室内に除去すべきダストが存在するか否か、存在する場合、どの種類のダストが存在するか、およびどこに存在するかを検出することが有効である。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、室内のダストの状況を有効に検出する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様の撮像装置は、近赤外線成分および近紫外線成分を透過し、可視光成分を遮光する可視光カットフィルタと、可視光カットフィルタを透過した近赤外線成分および近紫外線成分を時間差をつけて受光する撮像素子と、撮像素子により撮像された画像をもとに、特定のダストを検出する制御部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、室内のダストの状況を有効に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る撮像装置、近赤外発光素子および近紫外発光素子を示す図である。
【図２】可視光カットフィルタの特性を示す図である。
【図３】各種物質の反射特性を図である。
【図４】図３に示したスギ花粉とベビーパウダーの反射特性に注目した図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は、ベビーパウダーおよびスギ花粉を撮像した画像を示す図である。
【図６】実施の形態に係る制御部の構成を示す図である。
【図７】動作例２を説明するための図である。
【図８】動作例３を説明するための図である。
【図９】変形例１に係る制御部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の実施の形態に係る撮像装置１００、近赤外発光素子２００および近紫外発光素子３００を示す図である。以下、本明細書では、近赤外発光素子２００として近赤外線（９５０ｎｍ）を照射する近赤外線ＬＥＤ２００ａ、近紫外発光素子３００として近紫外線（３９５ｎｍ）を照射する近紫外線ＬＥＤ３００ａを使用する例を説明する。
【００１０】
近赤外線ＬＥＤ２００ａおよび近紫外線ＬＥＤ３００ａには、指向性の高いものを使用し、それらの照射範囲に含まれる所定のエリアをダスト認識エリアに設定する。撮像装置１００は、近赤外線ＬＥＤ２００ａおよび近紫外線ＬＥＤ３００ａの照射軸と、撮像装置１００の光軸との間に一定の角度（たとえば、４５度）を持つ位置に設置する。これにより、近赤外線ＬＥＤ２００ａおよび近紫外線ＬＥＤ３００ａからの照射光がダストの背景（たとえば壁）に当たり、背景の模様などとダストとが識別しにくくなることを防ぐことができる。
【００１１】
撮像装置１００は、レンズ１０、可視光カットフィルタ２０、撮像素子３０および制御部４０を備える。上記ダスト認識エリア方向からの光は、レンズ１０を介して可視光カットフィルタ２０に入射される。可視光カットフィルタ２０は、近赤外線成分および近紫外線成分を透過し、可視光成分を遮光する。なお、可視光カットフィルタ２０は、図１に示すようにレンズ１０の後段ではなく前段に設置されてもよい。
【００１２】
図２は、可視光カットフィルタ２０の特性を示す図である。図２では、可視光カットフィルタ２０の一例として、ＳＣＨＯＴＴ社のＢＧ３の特性を示している。可視光成分および赤外線成分をカットし、近赤外線成分および近紫外線成分を透過ししていることが分かる。
【００１３】
図３は、各種物質の反射特性を図である。ここでは、背景（黒色）、鹿沼土、スギ花粉、ベビーパウダー、黒色土および人口太陽光源の反射特性を示している。
【００１４】
図４は、図３に示したスギ花粉とベビーパウダーの反射特性に注目した図である。図４に示すように近赤外線領域では、花粉とベビーパウダーの反射特性の差が小さいことが分かる。これに対し近紫外線領域では、花粉の光吸収率が高いため、花粉の反射率はベビーパウダーと比較して大きく低下し、両者の反射特性の差が大きくなる。花粉と、ベビーパウダー以外の土埃等の関係も基本的に同様である。この特性を利用して、近赤外線画像と近紫外線画像を順次撮像し、両画像間の差分を演算することにより、花粉を識別することができる。
【００１５】
図５（ａ）〜（ｄ）は、ベビーパウダーおよびスギ花粉を撮像した画像を示す。図５（ａ）はベビーパウダーおよびスギ花粉の近赤外線画像を示し、図５（ｂ）はベビーパウダーおよびスギ花粉の近紫外線画像を示し、図５（ｃ）は当該近赤外線画像と当該近紫外線画像の差分画像を示し、および図５（ｄ）はベビーパウダーおよびスギ花粉の可視光画像を示す。
【００１６】
スギ花粉は近紫外線領域の反射率が低いため、スギ花粉を撮像するとその輝度が低くなる。したがって、スギ花粉の画像は相殺されずに、近赤外線画像と近紫外線画像の差分画像に残ることになる。一方、ベビーパウダーは近赤外線領域と近紫外線領域の反射率がほとんど同じであるため、ベビーパウダーの画像は相殺され、近赤外線画像と近紫外線画像の差分画像にほとんど残らなくなる。
【００１７】
図１に戻り、撮像素子３０は、可視光カットフィルタ２０を透過した近赤外線成分および近紫外線成分を順番で受光する。なお、受光する順番はこの順番に限るものではなく、近紫外線成分および近赤外線成分の順番で受光してもよい。
【００１８】
撮像素子３０には、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）イメージセンサなどを採用することができる。撮像素子３０の後段には図示しない信号処理回路が設けられ、当該信号処理回路は、撮像素子３０から出力される信号に対して、Ａ／Ｄ変換や、ＲＧＢフォーマットからＹＵＶフォーマットへの変換などの各種信号処理を施し、制御部４０に出力する。
【００１９】
制御部４０は、撮像素子３０により撮像された画像をもとに、特定のダスト（本実施の形態では、花粉）を検出する。
【００２０】
図６は、実施の形態に係る制御部４０の構成を示す図である。当該制御部４０は、主制御部４１、フレームバッファ４２、画像処理部４３、検出部４４、フレームレート制御部４５および発光制御部４６を備える。制御部４０の構成は、ハードウェア的には、任意のプロセッサ、メモリ、その他のＬＳＩで実現でき、ソフトウェア的にはメモリにロードされたプログラムなどによって実現されるが、ここではそれらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックがハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、またはそれらの組み合わせによっていろいろな形で実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００２１】
以下、制御部４０による特定のダストを検出するための動作例を三つ挙げる。まず、動作例１について説明する。動作例１では、制御部４０は、撮像素子３０により順番に受光され、それぞれ光電変換された近赤外線画像と、近紫外線画像との差分画像を生成し、その差分画像内から特定のダストを検出する。以下、より具体的に説明する。
【００２２】
主制御部４１は、撮像装置１００、近赤外発光素子２００および近紫外発光素子３００を統括的に制御する。発光制御部４６は、主制御部４１からの指示にしたがい近赤外発光素子２００および近紫外発光素子３００に、両者の発光順番、それぞれの発光開始タイミングおよび発光終了タイミングを設定する。以下の説明では、近赤外発光素子２００を先に発光させ、その後に近紫外発光素子３００を発光させることとする。フレームレート制御部４５は、主制御部４１からの指示にしたがい撮像素子３０にフレームレートを設定する。
【００２３】
なお、主制御部４１および発光制御部４６は、撮像装置１００内に設けられる構成に限定されることなく、図示しない空気清浄機内の制御部内に設けられてもよいし、撮像装置１００、近赤外発光素子２００、近紫外発光素子３００および空気清浄機から独立した別の筐体内に設けられてもよい。
【００２４】
フレームバッファ４２は、撮像素子３０により撮像されたフレーム画像を一時的に保持する。ここでは、近赤外線画像が先に撮像されるため、フレームバッファ４２は近赤外線画像を一時的に保持する。
【００２５】
動作例１では、画像処理部４３は、フレームバッファ４２に保持された近赤外線画像と、そのつぎのフレーム期間で撮像された近紫外線画像との差分画像を生成する。検出部４４は、その差分画像内において、所定の明るさ（輝度）レベルを超えた対象を、特定のダストとして検出する。この所定の明るさレベルは、特定のダストの反射特性をもとに設定される。
【００２６】
つぎに動作例２について説明する。ダストが空気中を浮遊している場合、ダストが同じ位置にとどまらないことがある。その場合、時間差を持つ二つのフレーム画像を単に減算するだけでは、特定のダストの識別が難しい場合がある。
【００２７】
そこで動作例２では、制御部４０は撮像素子３０により順番に受光され、それぞれ光電変換された近赤外線画像と近紫外線画像との合成画像を生成し、その合成画像内のダストの軌跡を検出し、その軌跡の明るさレベルに応じて、特定のダストであるか否かを判定する。以下、より具体的に説明する。
【００２８】
図７は、動作例２を説明するための図である。フレームレート制御部４５は、一フレームの撮像時間を長くし（たとえば、１０[ｆｐｓ]）、意図的にブレを発生させる。これにより、ダストが動いている場合、輝点ではなく軌跡として撮像されるようになる。画像処理部４３は、近赤外線画像と近紫外線画像との合成画像を生成する。図７では、フレーム１画像が近赤外線画像を示し、フレーム２画像が近紫外線画像を示し、「照明Ａでの反射」が近赤外線ＬＥＤ２００ａによる反射を示し、および「照明Ｂでの反射」が近紫外線ＬＥＤ３００ａによる反射を示している。
【００２９】
フレーム１画像とフレーム２画像とを合成することにより、近赤外線画像内のダストの軌跡と、近紫外線画像内のダストの軌跡が合成されることになる。同じダストであれば、フレーム１画像とフレーム２画像を通して連続性が得られる。同じダストでない場合、フレーム１画像とフレーム２画像間で、軌跡の終点と開始点が合わなくなる。
【００３０】
画像処理部４３は、フレーム１画像とフレーム２画像とで連続性があるダストの軌跡の、フレーム切り替わり前後の明るさレベルの差を算出する。検出部４４は、その差が所定の基準値を超えたとき、特定のダストとして検出する。この基準値も、特定のダストの反射率をもとに設定される。図７ではダストＡを特定のダスト（スギ花粉）として検出する。なお、連続性があるダストの軌跡のベクトルまたは長さを特定することにより、そのダストの速度を認識することも可能である。
【００３１】
なお、ダストが低速で浮遊していたり、撮像装置１００の光軸に対向して移動している場合、撮像されたフレーム画像内に軌跡は発生せず、輝点となる。フレーム画像中に軌跡が認識されず、輝点が認識された場合、主制御部４１は以下のように処理してもよい。すなわち、フレームレート制御部４５にフレームレートをさらに低くするよう指示するか、画像処理部４３にその時点で、動作例１に係るフレーム画像間の差分演算に切り替えるよう指示する。
【００３２】
つぎに動作例３について説明する。動作例３では、撮像素子３０は一フレーム期間内に、可視光カットフィルタ２０を透過した近赤外線成分および近紫外線成分を順番に受光する。その際、近赤外線成分および近紫外線成分を、所定の時間間隔を空けて、順番に受光してもよい。制御部４０は、当該フレーム期間内に、撮像素子３０により撮像されたフレーム画像内のダストの軌跡を検出し、その軌跡の明るさレベルに応じて、特定のダストであるか否かを判定する。以下、より具体的に説明する。
【００３３】
図８は、動作例３を説明するための図である。フレームレート制御部４５は、一フレームの撮像時間をさらに長くする（たとえば、５[ｆｐｓ]）。発光制御部４６は、一フレーム期間内に、近赤外線ＬＥＤ２００ａによる発光と近紫外線ＬＥＤ３００ａによる発光とを切り替えるよう制御する。これにより、二つのフレーム画像を合成しなくても、同じダストの軌跡の連続性を確保することができる。ただし、撮像素子３０に、ＣＣＤかグローバルシャッタ方式のＣＭＯＳイメージセンサを使用する必要がある。
【００３４】
図８のタイミングＡのように、近赤外線ＬＥＤ２００ａの点灯と近紫外線ＬＥＤ３００ａとの間にブランクを設けずに切り替えるより、タイミングＢに示すようにそれらの切替の間に一定のブランク期間を設けて間欠点灯することが好ましい。この場合、軌跡像における発光波長の切り替え位置を明確にすることができる。
【００３５】
以上説明したように本実施の形態によれば、室内のダスト認識エリアを撮影することにより、室内のダストの状況を有効に検出することができる。また、近紫外線領域の反射率の違いを利用して、花粉を検出することができる。なお、花粉だけでなくブタクサなども同様の原理により、検出することができる。
【００３６】
花粉などの特定のダストを有効に検出することができれば、空気清浄機やその機能を備えた空調機器のパワーセーブ機能などに活用することができる。たとえば、花粉が検出されないとき（たとえば、深夜帯）はそれらの機器をパワーセーブすることにより、消費電力を低減することができる。また、撮像装置１００の向きおよび／または近赤外発光素子２００および近紫外発光素子３００の向きを変えることができる構成では、花粉などの特定のダストが多く存在する位置を特定することができる。これにより、空気清浄機やその機能を備えた空調機器の吸引方向や吐き出し方向を最適な位置に変えることができる。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３８】
図９は、変形例１に係る制御部４０の構成を示す図である。変形例１に係る制御部４０は、図６に示した制御部４０に背景画像保持部４７が追加された構成である。背景画像保持部４７は、近赤外発光素子２００および近紫外発光素子３００が消灯された状態で撮像された上記ダスト認識エリアの画像を保持する。
【００３９】
上述した実施の形態では、近紫外線ＬＥＤ３００ａを使用するため、その照射部を幼児などが直視してしまうと、人体に悪影響を及ぼす可能性がある。そこで、近赤外線ＬＥＤ２００ａおよび近紫外線ＬＥＤ３００ａの最初の一点灯周期を人体等の認識のために使用する。その際、先に安全な近赤外線ＬＥＤ２００ａを点灯させるとよい。
【００４０】
画像処理部４３は、撮像されたフレーム画像と、背景画像保持部４７にあらかじめ保持されている背景画像とを比較し、検出部４４はダスト像より面積の大きい高輝度物体が存在するか否かを判定する。ダスト像よりも面積の大きい高輝度物体が認識された場合、主制御部４１は、人体などが照射範囲に存在すると判断し、発光制御部４６に近紫外線ＬＥＤ３００ａが照射する光量を安全なレベルに低下させるよう指示する。
【００４１】
つぎに、変形例２について説明する。撮像装置１００でダストを撮像する際、同時に背景（たとえば、室内の照明器具、窓）などの高輝度像が写る場合がある。その場合、その像とダスト像との分離精度が低下するおそれがある。そこで、発光制御部４６は周期的（たとえば、５秒間隔）に近赤外線ＬＥＤ２００ａおよび近紫外線ＬＥＤ３００ａを消灯するよう制御する。フレームバッファ４２は、そのタイミングで撮像された画像をオフセット画像として保持する。画像処理部４３は、近赤外線ＬＥＤ２００ａおよび近紫外線ＬＥＤ３００ａが点灯された状態で撮像された画像から、当該オフセット画像を減算処理する。または、当該オフセット画像の高輝度エリアを無効エリアに設定する。
【００４２】
これにより、ダスト像以外の高輝度像の影響を抑制することができ、ダストの検出精度を高めることができる。なお、オフセット画像のデータ量削減のため、オフセット画像を所定の閾値を超える高輝度エリアの位置情報として保持してもよい。その場合、画像処理部４３は、その位置情報に応じたエリアを上記無効エリアに設定する。
【符号の説明】
【００４３】
１０  レンズ、  ２０  可視光カットフィルタ、  ３０  撮像素子、  ４０  制御部、  ４１  主制御部、  ４２  フレームバッファ、  ４３  画像処理部、  ４４  検出部、  ４５  フレームレート制御部、  ４６  発光制御部、  ４７  背景画像保持部、  １００  撮像装置、  ２００  近赤外発光素子、  ３００  近紫外発光素子。
【図６】
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【図９】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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