JP2001272278A - 撮像システム及びそれを用いた温度計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】物体の撮影と、該物体の温度分布を高精度に計
測し、映像と温度情報を表示手段に表示することができ
る撮像システムを得ること。 【解決手段】物体をカラー映像が記録可能な撮像手段に
形成する撮影系と、該撮像手段からの複数の色光に対す
る出力信号を処理する映像処理手段と、該映像処理手段
からの出力信号を用いて、該物体の所定領域の温度情報
を２色温度法を利用して求める温度計測手段と、該温度
計測手段からの温度情報を表示する表示手段とを有する
撮像システムにおいて、該温度計測手段は該映像処理手
段からの各色光に対する出力信号のうち、少なくとも１
つの出力信号が予め設定した値に達しないときに、温度
計測を中断する制御手段を有すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像システム及び
それを用いた温度計測方法に関し、特にビデオ撮影と物
体の温度を計測し、それを表示する機能とを備えた、高
速度カメラや高速度動態解析装置、そして物体の温度分
布解析装置等に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、物体の像を撮影系により撮像
手段面上に形成し、撮像手段からの出力信号を処理して
表示手段にカラー映像（カラー画像）を表示する撮像シ
ステムが種々と提案されている。

【０００３】カラー映像は、人間の目が、赤（Ｒ）、緑
（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色で、色を感じていることに合
わせて、映像をＲ，Ｇ，Ｂの３原色信号が得られるよう
に撮影し、３原色で再生している。

【０００４】映像より３原色信号を得る撮影方法には、
３板式カラーカメラのように、Ｒ，Ｇ，Ｂ、３色の専用
の撮像手段を３枚用いる方法と、単板式カラーカメラの
ように１つの撮像手段を用い、その各画素の光入射側に
Ｒ，Ｇ，Ｂのモザイク状のカラーフィルターを装着して
各画素よりＲ，Ｇ，Ｂの信号を算出する方法の２種類が
ある。

【０００５】一方、従来より撮影系で得られた映像（物
体）の温度分布を計測し、表示手段に表示する装置とし
て赤外線カメラが医療分野や工業分野で種々と用いられ
ている。赤外線カメラでは赤外領域の放射を画像センサ
ー（赤外センサー）で受光し、その強さの分布を濃淡で
画像として表現したり、それを色に展開して擬似カラー
として表現したりしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】物体の温度計測手段と
して、赤外線カメラを使用すれば、被写界（物体）の各
部の温度分布を知ることができるが、赤外線カメラが
「放射温度」を測定するものであるため、真温度（絶対
温度）を知ることが困難であるうえ、同時にカラー映像
を得ることができない。

【０００７】よく知られているように物体の放射温度か
ら真温度を知るためには、放射率や測定物体までの透過
率等による補正が必要になる。しかしながら放射率は物
体により、又測定波長により、その他物体の置かれた環
境により種々と異なる値を示すため、それを正確に知る
ことが極めて困難である。

【０００８】これに対して、被測定物体の二つの波長
（波長域）における放射を計測し、両者の比を算出し
て、同じ値を示す黒体の温度をその物体の温度とする比
温度（Ratio Temperature、２色温度）計測は、両波長
における放射率が同値である限り物体の温度を正確に計
測することができる。この放射率が同値であるという条
件が成り立つ限り比温度計測方法は放射率による補正の
必要も、又透過率による補正の必要もない。

【０００９】比温度計測方法を用いて物体の温度を計測
するとき、３画像センサー式のカメラ（３板式カラーカ
メラ）では、互いに色光の異なる光を受光する３つのセ
ンサー（撮像手段）からの出力信号より相対放射比を求
め、これより比温度を求めている。

【００１０】例えば３つの分光波長域をもつビデオカメ
ラで自発光映像を撮影し、その相対放射比の計算値から
温度を求めようとする時にセンサーのノイズが大きな障
害となる。ノイズがある場合は、相対放射比の計算に誤
差が生じ、正しい比温度を得ることができなくなる。ノ
イズは、受光からセンサーによって電気信号に変換した
後からの各所で発生し完全に除去する事は非常に困難で
ある。比温度計測では放射の強さによるのではなく、二
つの放射の比で温度を計測するため、放射が無い場合で
も微少なノイズが測定波長域にあると、それを放射とし
て計算し誤った温度データを出力する場合がある。また
放射がある場合でも微弱な場合は、放射データに対する
ノイズの量が多く所謂Ｓ／Ｎ比が悪い状態となり、誤っ
た値を温度データとして出力することがある。

【００１１】本発明は、物体のカラー撮影とともに、単
板式や３板式の撮像手段で得られる情報より物体の比温
度（温度）の測定を高精度に行い、例えば表示手段に物
体の映像（カラー映像）とともに温度情報を表示するよ
うにし、これにより物体の温度分布を正確に表示するこ
とができる機能を有した撮像システム及びそれを用いた
温度計測方法の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の撮像シ
ステムは、物体を複数波長域の可視又は可視外映像が記
録可能な撮像手段に形成する撮影系と、該撮像手段から
の複数の色光に対する出力信号を処理する映像処理手段
と、該映像処理手段からの出力信号を用いて、該物体の
所定領域の温度情報を２色温度法を利用して求める温度
計測手段と、該温度計測手段からの温度情報を表示する
表示手段とを有する撮像システムにおいて、該温度計測
手段は該映像処理手段からの各色光に対する出力信号の
うち、少なくとも１つの出力信号が予め設定した値に達
しないときに、温度計測を中断又は温度計算を中断する
制御手段を有することを特徴としている。

【００１３】請求項２の発明の撮像システムは、物体を
複数波長域又は可視外映像が記録可能な撮像手段に形成
する撮影系と、該撮像手段からの多波長域の複数の出力
信号を処理する映像処理手段と、該映像処理手段からの
多波長域の複数の出力信号を用いて、該物体の所定領域
の温度情報を２色温度法を利用して求める温度計測手段
と、該温度計測手段からの温度情報を表示する表示手段
とを有する撮像システムにおいて、該温度計測手段は該
撮像手段の各画素からの波長域の出力信号のうちいずれ
かの出力信号が予め設定した値に達しないときには、該
画素に相当する物体の温度計測を中断又は温度計算を中
断する制御手段を有することを特徴としている。

【００１４】請求項３の発明は請求項１又は２の発明に
おいて、前記映像処理手段からの信号より擬似カラー映
像を再生するカラー映像再生手段を有し、前記表示手段
は該カラー映像再生手段からの擬似カラー映像を表示し
ていることを特徴としている。

【００１５】請求項４の発明は請求項１，２又は３の発
明において、前記撮像手段からは、複数の波長域の信号
を得ており、前記映像処理手段は該信号のうち２つを選
び、（より短い波長域の信号の放射計測量）／（より長
い波長域の放射計測量）の対数値が物体の温度に対して
略１次関数の関係を保有するように、１つの波長域の信
号に対して他の信号を補正していることを特徴としてい
る。

【００１６】請求項５の発明の温度計測方法は、撮影系
によって物体像を形成した撮像手段から物体情報に関す
る多波長域の信号を得、該撮像手段からの多波長域の信
号より映像処理手段でデジタル信号を得、該映像処理手
段からのデジタル信号を用いて温度計測手段で該物体の
所定領域の温度情報を２色温度法を利用して求め、該温
度計測手段からの温度情報を表示するようにした温度計
測方法において、該温度計測手段は該撮像手段の各画素
からの波長域の出力信号のうち、いずれかの出力信号が
予め設定した値に達しないときには該画素に相当する物
体の温度計測を中断又は温度計算を中断することを特徴
としている。

【００１７】請求項６の発明は請求項５の発明におい
て、前記撮像手段からは、複数の波長域の信号を得てお
り、前記映像処理手段は該信号のうち２つを選び（より
短い波長域の信号の放射計算量）／（より長い波長域の
放射計算量）の計算値が物体の温度に対して略１次関数
の関係を保有するように、１つの波長域の信号に対して
他の信号を補正していることを特徴としている。

【００１８】請求項７の発明は請求項５の発明におい
て、前記温度計測手段からは複数の波長域の信号を得て
おり、同一の入射光量の変化に対してそれぞれの波長域
の信号が異なる変化を出力する場合、それぞれの波長域
の出力が同一の変化をするように一つの波長域の信号に
対して、他の信号を補正していることを特徴としてい
る。

【００１９】請求項８の発明の撮像システムは、物体を
複数波長域の可視又は可視外映像が記録可能な撮像手段
に形成する撮影系と、該撮像手段からの複数の色光に対
する出力信号を処理する映像処理手段と、該映像処理手
段からの出力信号を用いて、該物体の所定領域の温度情
報を２色温度法を利用して求める温度計測手段と、該温
度計測手段からの温度情報を表示する表示手段とを有す
る撮像システムにおいて、前記撮像手段からは、複数の
波長域の信号を得ており、前記映像処理手段は該信号の
うち２つを選び、（より短い波長域の信号の放射計測
量）／（より長い波長域の放射計測量）の対数値が物体
の温度に対して略１次関数の関係を保有するように、１
つの波長域の信号に対して他の信号を補正していること
を特徴としている。

【００２０】

【発明の実施の形態】本実施形態の撮像システムは、物
体の映像を単板式又は３板式の撮像手段（２次元画像セ
ンサー）を用いて得る撮影系と、物体の所定領域の温度
（レシオ温度，Ratio Temperature、比温度，２色温
度）を計測し、表示手段に映像とともに表示する温度計
測手段（レシオ温度計測手段）とを有している。

【００２１】本実施形態では自ら発光する物体に基づく
映像を単板式又は３板式の撮像手段で撮像し、そこから
の出力信号を利用して物体の色温度（比温度）を計測し
ている。そして計測結果を表示手段に表示している。

【００２２】本実施形態における比温度計測では撮像手
段で得られる信号のうち、２つの波長（波長域）の放射
の比の計測値（相対放射比）で温度を計測している。

【００２３】被測定物体から放射が全くない場合でも撮
像手段の各画素にはノイズとなる放射光が入射すると、
比温度計測で誤差が発生する。

【００２４】又、被測定物から放射があっても、それが
微弱なときは放射データに対するノイズ光の量が多く、
各画素から得られる信号が小さくなり、所謂Ｓ／Ｎ比が
悪くなり、比温度計測で誤差が発生してくる。

【００２５】そこで本実施形態では比温度計測するとき
の各画素の複数の波長域での放射量が予め設定した値
（閾値）に達しないとき（即ち各画素から得られる信号
が一定レベルに達しないとき）にはその画素に相当する
物体の比温度計測を中断するようにしている。

【００２６】そして表示手段には温度計測を行なわなか
った状態を表示している。

【００２７】又、単板式のときは１つの画像情報より３
板式のときは２つの画像情報より温度計測と動態画像計
測の双方ができるようにしている。撮影系としては通常
のビデオカメラの他に高速度ビデオカメラや高速カメラ
等を用いている。

【００２８】複数波長域の可視又は可視外の映像、例え
ばカラー映像（カラー画像）は単板式のときはＣＣＤ等
の撮像デバイスからの原出力をインターポーレーション
で色補間したより再生している。又、３板式のときは３
つの撮像素子からの出力信号より再生している。

【００２９】温度計測手段は後述するように物体の放射
率や、物体と温度計測手段との間の透過率が種々と変化
しても、物体の温度を高精度に計測できる比温度計測を
利用している。

【００３０】本実施形態ではこの手法を用いて物体の温
度情報を撮像デバイスからの原出力より又は３つの撮像
素子からの出力信号より比温度計測データを抽出して求
め、これより２次元の面（所定の大きさをもった領域）
の温度分布を高精度に求めている。

【００３１】次に本発明の撮像システムの実施形態を撮
像手段として単板式のＣＣＤを用いた場合を例にとり各
図とともに説明する。

【００３２】図１（Ａ）は本発明の撮像システムの要部
ブロック図である。１は対物レンズ（撮影系）であり、
単一焦点距離レンズ又はズームレンズから成り、外界の
画像情報を撮像手段１３に結像している。撮像手段１３
は複数の画素を２次元的に配列したＣＣＤ等の単板式セ
ンサー（単画像センサー）３と各画素に対向配置したモ
ザイクフィルター（モザイクカラーフィルター）２を有
している。

【００３３】モザイクフィルター２は、例えば赤
（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）色の縮小フィルターを画素
の１つ１つに対応して配置（貼り付けて）した構成より
成っている。これによりセンサー３の各画素はＲ，Ｇ，
Ｂのいずれかのカラーフィルターを通した光を受光す
る。これにより各画素からＲ，Ｇ又はＢのカラー信号を
得ている。

【００３４】対物レンズ１と撮像手段１３は撮影系１４
の一要素を構成している。

【００３５】センサー３からの出力信号はアナログ処理
回路４で増幅等のアナログ処理を行った後にＡＤ変換回
路５でＡＤ変換されて、デジタル処理回路６に入力され
る。

【００３６】デジタル処理回路６では各種のデジタル処
理が行われ、半導体メモリ又はハードディスクより成る
データ再生回路７にデジタルの形で記憶している。

【００３７】本実施形態においてデジタル処理回路は専
用回路で構成しているが、例えば汎用パソコンで処理
し、そのメインメモリやハードディスクに記憶するよう
にしても良い。

【００３８】各回路４，５，６は映像処理回路１５の一
要素を構成している。

【００３９】図１（Ｂ）はデジタル処理回路６でデジタ
ル記憶された画像情報（映像）を再生するときのデジタ
ル処理のブロックを示している。

【００４０】図１（Ｂ）の上段はカラー映像再生手段１
６におけるカラー映像処理の課程を示している。下段は
温度計測手段１７における画像情報に対する温度を計測
するための比温度計算ブロック図を示している。

【００４１】データ再生回路７からのデジタル信号（モ
ザイク状のセンサー映像）をインターポーレーション８
で補間処理し、各画素がＲ，Ｇ，Ｂの信号を持つカラー
映像信号に変換し、映像信号処理９に入力している。

【００４２】一般に単板式では、ある画素にはＲ，Ｇ又
はＢのいずれか一色の信号しかない。例えばＲのフィル
ターが結合された画素にはＲの信号はあるが、Ｇの信号
とＢの信号は欠落している。

【００４３】これを補正するために、周囲のＧフィルタ
ー付き画素からの信号と、Ｂフィルター付き画素の信号
から、該当Ｒ画素にあるべきＧ信号とＢ信号を補間計算
で擬似的に算出している。

【００４４】映像信号処理９ではカラー映像信号を表示
手段１０に表示の要求に合わせて、コンピュータ表示の
ＶＧＡ映像信号に、又はテレビ信号のＮＴＳＣ／ＰＡＬ
の形で出力し、映像を表示している。

【００４５】一方、エリア抽出手段１１では後述する図
２に示すようなデータ再生回路７から出力されてくるセ
ンサー受光映像２１のうち、どの領域の温度計測を行う
かのエリア抽出を行う。このエリア２１ａの位置と大き
さは任意に変化できるようになっている。

【００４６】図２において、２１ａは抽出エリアを示し
ている。尚、図２のモザイクフィルターのＲ，Ｇ，Ｂの
配列は１例であって、この他にも種々の組み合わせが可
能である。

【００４７】エリア抽出は図１（Ｂ）の上段ブロックの
処理を介して表示手段１０に表示した映像情報を観察し
ながら、マウス等で指示することで行っている。

【００４８】抽出エリアとしては９画素を選択した場合
を示しているが、画素の数はこれに限定されず、３以上
であればいくつであっても良い。

【００４９】図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はエリア抽出
手段１１で抽出されたエリア内のＲ，Ｇ，Ｂ画素であ
り、Ｒ，Ｇ，Ｂ毎に分別して出力している。

【００５０】エリア抽出手段１１で指定されたエリア内
のＲ，Ｇ，Ｂの各画素から出力される信号は、そのエリ
ア２１ａの画素の数で校正され、制御手段１８に入力さ
れる。制御手段１８では、各画素Ｒ，Ｇ，Ｂからの出力
信号のうち、少なくとも１つの出力信号が予め設定した
値（閾値）に達しないときには、その画素に相当する物
体の温度計測を中断（中止）するようにしている。

【００５１】ここでの制御手段１８は、該画素に相当す
る物体の温度計測を中断する機能又はそのような調整回
路を有している。

【００５２】制御手段１８で各画素からの出力信号が閾
値以上であると判断されたときは各画素からの出力信号
は比温度計測手段１２に入力される。

【００５３】そして、後述する温度計測方法を用いた比
温度計測手段１２で相対放射比に相当する値Ｂ／Ｒ，Ｇ
／Ｒ又はＢ／Ｇの値を元に相対放射比算出し、ＮＩＴ標
準で校正されたルックアップテーブルに参照され、温度
値として、表示手段１０に入力し、そこで映像とともに
表示するようにしている。

【００５４】尚、後述する比温度計測における２つの波
長Ｌ１，Ｌ２はカラーフィルターＲ，Ｇ，Ｂのどのフィ
ルターを通過する光束を用いても良い。

【００５５】以上のように本実施形態では単板式撮像デ
バイスを用いてＲ，Ｇ，Ｂの各画素からの出力信号を補
間する前の原出力から比温度を計測している。そして、
カラー映像は原出力を補間して得ている。

【００５６】尚、本実施形態の撮像システムでは、セン
サー３で映像を撮影するとき、映画のときは２４映像／
秒で繰り返し、又テレビ／ビデオのときは３０映像／秒
で繰り返し記録している。そして記録したときの撮影速
度と同じ速度で映写している。

【００５７】この他、スポーツの映像として多用されて
いるスローモーション映像のときには撮影を例えば１２
０映像／秒で実行し、これを通常再生速度の３０映像／
秒で再生するようにしている。

【００５８】又、特殊な撮影として高速度カメラとして
使用するときには、２５０映像／秒から４００００映像
／秒の範囲で撮影し、得られた映像情報より、例えば物
体の変位や加速度を定量分析している。

【００５９】尚、高速度カメラとして使用するときは、
例えば特開平８−２５１４９２号公報や特開平１１−４
６３２３号公報、そして特開平１１−７５１１７号公報
等で開示されているもの等が適用できる。

【００６０】本実施形態の撮像システムを、例えばパー
ソナルコンピュータと共に使用すれば、簡易な構成で比
較的精度の高い温度測定が可能なシステムを構築するこ
とができる。

【００６１】また高速度撮影装置と組み合わせれば、高
速で動作する高温物体の高精度な動態／温度解析が可能
なシステムを構築することができる。

【００６２】図４は本発明の撮像システムの他の実施形
態の要部概略図である。図中、４１はカメラユニット
（撮影系）であり、物体を撮像する撮影レンズ（ズーム
レンズ）４２と物体の像を電気信号に変換する単板式の
ＣＣＤ等のカラー撮像デバイス４３を有している。

【００６３】４４はＣＣＵ／ＰＣＩボードであり、処理
回路４５によりカメラユニット４１からの映像信号の各
種処理をして画像データとしてフレームメモリ４６に記
録している。４７はパソコンである。

【００６４】ＰＣＩボード４４からのデータを、ＰＣＩ
バスを通してパソコン４７のＣＰＵ４８で処理し、メイ
ンメモリ４９又はハードディスク５０に取り込んでい
る。そしてＣＰＵソフトウェア５１で物体の動態解析や
物体の比温度の演算を行い、物体の温度分布を求め、表
示手段５２に表示している。

【００６５】次に本実施形態において、撮像系で撮影し
ようとする物体の温度を温度計測手段で計測する所謂、
比温度の計測原理について説明する。

【００６６】一般に物体からの電磁放射は物体の温度が
高くなるに従って、（ａ）放射量が増大する（可視光域
では輝度が高くなる。）（ｂ）最大の放射が成される波
長が短くなる（可視光域では赤色から青白い色にな
る。）。

【００６７】黒体について各温度での分光放射特性を図
示すると図５の様になる。この図５の放射の曲線は、温
度に対して１：１で対応している。つまり温度によって
曲線が全て異なる。これにより、ある温度の黒体の放射
に関してこの曲線、即ち分光分布特性がどれであるかを
計測すれば、黒体の温度を知ることができる。

【００６８】レシオ温度（２色温度）はこの曲線を特定
する方法として、二つの波長における放射を測定し、そ
の比を算出する。この値は各黒体温度に対して、固有で
一つの数値しかないので、これより温度を知ることがで
きる。二つの波長の輝度を比較するところから、二色温
度と呼ばれている。

【００６９】一般の物体は黒体ではないので、その物体
が黒体と同じ温度である時の放射量は、黒体のそれより
小さくなる。その両者の放射量の比を放射率εといい、
εは常に１以下となる。

【００７０】放射量から物体の温度計測を行う場合、放
射率を知ることが非常に重要となるが、放射率はその物
体の物質表面の形状等によって異なる他、温度によっ
て、波長によっても異なる。従って輝度温度計や全放射
温度計（赤外温度計等）で正確な温度測定を行うことが
極めて困難である。

【００７１】これに対してレシオ温度計では、測定する
物質の二波長の放射率が同じとなるような波長帯域を選
ぶことにより、放射率が自動的にキャンセルするように
して、その影響を受けないようにしている。

【００７２】次にその理由を図６を用いて説明する。

【００７３】レシオ温度計では一般物体および黒体の分
光放射のうち、波長Ｌ１と波長Ｌ２の輝度に着目する。

【００７４】一般物体の放射分布のうち波長Ｌ１と波長
Ｌ２を接近して選ぶと、両者の放射率εはほぼ同じにな
ると考えられる。その関係が成立する限り、以下の関係
が成立する。

【００７５】図６に示すように一般物体の波長Ｌ１，波
長Ｌ２での輝度を各々Ｒ１，Ｒ２、黒体の波長Ｌ１と波
長Ｌ２での輝度を各々Ｒｂｂ１，Ｒｂｂ２としたとき Ｒ１＝ε×Ｒｂｂ１ Ｒ２＝ε×Ｒｂｂ２

【００７６】

【数１】

【００７７】となる。

【００７８】つまり一般物体において、両波長Ｌ１，Ｌ
２での放射率εが等しいという前提が成り立つ限り、そ
の輝度の比は、黒体における両波長の輝度の比に等しい
という関係が成立する。

【００７９】また物体と測定システムの間にガラスや
煙、水等が存在してその透過率が等しくτとした場合
は、検出手段で得られる値は、波長Ｌ１，波長Ｌ２で同
じように透過率τの影響を受けるので、 Ｒ１＝τ×ε×Ｒｂｂ１ Ｒ２＝τ×ε×Ｒｂｂ２ としたとき、

【００８０】

【数２】

【００８１】となり、透過率の影響を受けない。

【００８２】実際の測定においては、測定対象の輝度の
比Ｒ２／Ｒ１を求め、予め測定しておいた黒体の輝度の
比と比較し、値が等しくなるところの黒体の温度が一般
物体の温度になる。

【００８３】これにより、Ratio Temperature（レシオ
温度計）は物体の放射率εを知る必要がなく、また測定
体と測定器の間にガラスや煙等、両波長で透過率の等し
い物質が介在しても、正確な温度測定が可能となる。

【００８４】次に本発明に係るRatio Temperatureの数
式的な説明をする。

【００８５】比温度（Ratio Temperature）は二つの波
長における輝度温度を計測し、両者の比率をとること
で、温度を求める。

【００８６】波長λにおける放射輝度（輝度温度）Ｍλ
はPlanckの公式により求められる。

【００８７】

【数３】

【００８８】ここで ｃ₁ ：第一放射定数＝２πｃ²ｈ
＝3.74041×１０^-16［Ｗｍ²］ λ：波長μｍ ｃ₂ ：第二放射定数＝ｃｈ／ｋ＝1.4368×１０^-2［ｍ
Ｋ］ Ｔ：絶対温度（Kelvin） Ｃ：真空中の光の速度 ｈ：プランクの定数 ｋ：ボルツマンの定数 物体の放射率をε、物体から測定システムまでの透過率
をτとした場合は、

【００８９】

【数４】

【００９０】となる。

【００９１】計測する二波長は可視域の場合０．４μｍ
〜０．７μｍ内の二波長を使用する。ウィーンの近似式
を適用すると式（４）は（５）のようになる。

【００９２】

【数５】

【００９３】いま、波長λ₀を中心とした幅Δλの狭い
波長域での放射エネルギーをＭ₀とすると，

【００９４】

【数６】

【００９５】一般物体からの放射エネルギーＭ₀は
（６）式から

【００９６】

【数７】

【００９７】ここでβ₀：比例係数 ε₀：波長λ₀での放射率 τ₀：波長λ₀での測定点から物体までの空間透過率 波長λ₁およびλ₂における放射エネルギーをＭ₁，Ｍ₂と
すると２波長比（相対放射比）Ｒは、

【００９８】

【数８】

【００９９】となる。

【０１００】ここでΔλが充分小さい単色光λ₁，λ₂で
あれば、β₁，β₂はほぼ等しくβ₁／β₂＝１となる。

【０１０１】また物体から測定システムまでに介在する
ものの透過率が波長に対してあまり変動しない時はτ₁
／τ₂＝１となる。この条件を（９）式に適応すると、

【０１０２】

【数９】

【０１０３】ここで定数Ｃ３、Ｃ４は

【０１０４】

【数１０】

【０１０５】となる。

【０１０６】（１０）式から理解できるように、２波長
の放射量の比（即ち相対放射比Ｒ＝Ｂ／Ｇ＝Ｂ／Ｒ＝Ｇ
／Ｒ）は、温度の逆数に比例する。

【０１０７】また物体の放射率に無関係であり、レンズ
やガラス、ガス等物体と測定システムとの間に介在する
もの透過率にも影響されることがない。

【０１０８】本実施形態によれば以上のように、物体の
撮影とともに、撮像手段で得られる情報より物体の比温
度（温度）の測定を高精度に行い、例えば表示手段に物
体の映像（カラー映像）とともに温度情報を表示するよ
うにし、これにより物体の温度分布を正確に表示してい
る。

【０１０９】次に本発明の撮像システムの実施形態２に
ついて説明する。本実施形態は実施形態１に比べて撮像
手段として３板式の撮像素子（ＣＣＤ）を用い３Ｐプリ
ズムより成る色分解プリズムを用いている点が大きく異
なっている。

【０１１０】図７は本発明に係る撮影システムの実施形
態２の要部概略図である。

【０１１１】図８は図７の一部分の説明図である。

【０１１２】本実施形態は３板ＣＣＤを用いたビデオカ
メラを用いている。３Ｐは３つのプリズムＰＢ，ＰＲ，
ＰＧより成る色分解プリズムである。撮影レンズ（対物
レンズ）１からの白色光Ｗを色分解プリズム３Ｐのダイ
クロ面１９，２０で所定の波長域に応じて反射又は透過
させることにより、例えば赤色光Ｒ，青色光Ｂ，緑色光
Ｇに色分解し、該色光Ｒ，Ｇ，Ｂを３つのＣＣＤ（撮像
手段）ＳＲ，ＳＧ，ＳＢで各々受光して各色光の画像情
報を得ている。

【０１１３】これらのプリズムの境界面（ダイクロ面）
１９，２０には色分解を行うためのダイクロイック膜が
コーティングされている。

【０１１４】同図では入射面３１より入射した白色光を
プリズムＰＢのダイクロ面１９で青色光（Ｂ）を反射
し、緑色光（Ｇ）と赤色光（Ｒ）を透過させている。ダ
イクロ面１９で反射した青色光は入射面３１で全反射し
た後に撮像素子ＳＢに入射している。

【０１１５】ダイクロ面１９を通過した緑色光（Ｇ）と
赤色光（Ｒ）のうち赤色光はダイクロ面２０で反射し、
面３２で全反射した後に撮像素子ＳＲに入射している。

【０１１６】ダイクロ面２０を透過した緑色光はプリズ
ムＰＧを透過して撮像素子ＳＧに入射している。

【０１１７】撮影レンズ１と各撮像素子ＳＢ，ＳＲ，Ｓ
Ｇを用いて各々の色光に応じた画像情報を得ている。

【０１１８】尚、図８の撮影系においては各プリズムの
光射出面と撮像素子との間に各色光に応じたトリミング
フィルターを配置する場合もある。

【０１１９】又、撮影レンズと各撮像手段との間に赤外
カットフィルターを配置する場合もある。

【０１２０】図９は図８における色分解プリズム３Ｐに
よって色分解される色光の分光特性の説明図である。

【０１２１】一般に色分解プリズムによって白色光を３
つの波長帯に分解するとき各色光（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光量
が等しく分解されて入射光量に対して１／３になるとは
限らず、多くの場合、差が生じてくる。

【０１２２】図９は入射光を３つの色光に分解したとき
の各色光の光量に差があることを示している。

【０１２３】図１０は図８における撮像手段（ＣＣＤ）
のＳＢ，ＳＧ，ＳＲの分光感度の説明図である。

【０１２４】撮像手段は波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの
範囲に感度を有している。

【０１２５】各撮像手段ＳＢ，ＳＧ，ＳＲによって画像
情報を電気信号に変換している。

【０１２６】図１１は本実施形態における各色光の総合
の分光特性の説明図である。

【０１２７】図１１は色分解プリズム３Ｐと赤外カット
フィルターＩＲ、そして撮像手段（ＳＢ，ＳＧ，ＳＲ）
の各分光特性を総合したものを示している。

【０１２８】実際の総合分光特性は図１１の分光特性に
更に外界（自然光、照明光等）の分光特性と撮影レンズ
の分光特性（分光透過率）等が加わったものとなる。

【０１２９】図１１において、各色光の中心波長は青色
光（Ｂ）は４６０ｎｍ、緑色光（Ｇ）は５４０ｎｍ、赤
色光（Ｒ）は６１０ｎｍとなっている。

【０１３０】本実施形態の撮像システムは、物体の映像
を３つの撮像手段（２次元画像センサー）を用いて得る
撮影系と、３つの撮像手段からの出力信号（Ｒ，Ｇ，
Ｂ）を用いて物体の所定領域の温度（レシオ温度，Rati
o Temperature、比温度，２色温度）を計測し、表示手
段に映像とともに表示する温度計測手段（レシオ温度計
測手段）とを有している。

【０１３１】又、３つの画像情報のうちからの所定の画
像情報より温度計測と動態画像計測の双方ができるよう
にしている。

【０１３２】カラー映像（カラー画像）は３板式のＣＣ
Ｄ等の撮像デバイスからの出力を用いて再生している。

【０１３３】温度計測手段は物体の放射率や、物体と温
度計測手段との間の透過率が種々と変化しても、物体の
温度を高精度に計測できる比温度計測を利用している。

【０１３４】本実施形態ではビデオカメラの多波長域信
号のうち二つまたは三つの波長域の信号を用い、その比
から温度を求めるシステムにおいて、各波長域の総合感
度が同一となるような調整回路を保有している。

【０１３５】この他ビデオカメラの多波長域信号のうち
二つ又は三つの波長域の信号を出力してディジタルの形
で外部に記録し、その比から温度を求める演算システム
において、各波長域の総合感度が同一となるような係数
を乗じるようにしたディジタル演算プログラムを利用し
ている。

【０１３６】本実施形態ではこの手法を用いて物体の温
度情報を３板のＣＣＤ等の撮像デバイスからの出力より
比温度計測データを抽出して求め、これより２次元の面
（所定の大きさをもった領域）の温度分布を高精度に求
めている。

【０１３７】次に本実施形態においける物体の比温度の
計測方法について説明する。

【０１３８】まず理想的なビデオカメラよるレシオ温度
の計算について説明する。比温度は前述のように（１
０）式で求めることができる。

【０１３９】

【数１１】

【０１４０】図１１に示すビデオカメラの各色光の分光
特性、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）のピーク波長を仮
に、各々４６０（Ｂ）、５４０（Ｇ）、６１０（Ｒ）ｎ
ｍとすると、この３波長の黒体放射について、上記計算
値と波長の関係を計算しプロットすると、図１２のよう
になる。

【０１４１】当然のことながら、相対放射比Ｂ／Ｇ、Ｂ
／Ｒ、Ｇ／Ｒは同じ値を示す。また図１２のグラフより
相対放射比の計算値と温度が１次関数の関係にある事が
知られている。

【０１４２】上図計算は単波長について行ったものであ
るが、実際のビデオカメラは単波長ではなくバンド幅を
持っているので、Ｒ、Ｇ、Ｂのバンド幅を各々４０ｎｍ
とした場合をプロットすると図１３のようになる。

【０１４３】この場合も単波長と同様、各温度における
相対放射は同じ値となる。

【０１４４】図１３より、相対温度比を計測する事によ
り温度を計測する事ができる。これより、ビデオカメラ
で撮影された各画素について、上記計算を実行する事に
より画像の温度分布を得る事ができる。また温度に一定
の範囲を定めた温度域を設定し、各温度域に色を設定
し、これを各画素に適応して表示する事により、温度の
疑似カラー映像を表示する事ができる。

【０１４５】ここで図１２および図１３は黒体放射に関
しての理論値であり、分光特性をもつビデオカメラには
このまま適応できない。

【０１４６】次に現実のビデオカメラを用いて比温度を
計測するときについて説明する。

【０１４７】３つの等しい単波長感光特性、または３つ
の等しい波長域感光特性をもつ理想的なビデオカメラで
は、前述のようにその相対放射比の計算値と温度が１次
関数の関係にある。この関係が図１１のような分光感度
特性をもつ現実のビデオカメラについて相対放射比Ｂ／
Ｇ，Ｂ／Ｒ，Ｇ／Ｒがどうであるかを検証すると図１４
のようになる。

【０１４８】３つのプロット結果が一致しないだけでは
なく、直線性がない。この相対放射比の計算結果は１次
関数では表現できないので、これを使用しての温度計測
ではプランクの方程式を多次元的に展開する必要があ
る。これを避けるためには、詳細な温度単位で予め校正
を実行したルックアップ・テーブルをその都度参照する
必要がある。

【０１４９】通常のビデオカメラからの各色光の信号を
使用して比温度の計測をしようとした場合、プランクの
方程式を展開して相対放射比Ｂ／Ｇ、Ｂ／Ｒ、Ｇ／Ｒの
値を算出しても３比値は一致しない。そのうえ、各値が
温度に対して１次関数とはならず多次元関数となる。

【０１５０】従って、これをもって実用的に比温度を測
定しようとする場合には、事前に温度標準を使用して、
各温度における当該カメラのＢ／Ｇ、Ｂ／Ｒ、Ｇ／Ｒの
相対放射比のいずれかまたはすべてを記録したルックア
ップ・テーブルを作成しておかねばならない。実際の温
度計測にあたっては、ビデオカメラの映像出力からＢ／
Ｇか、Ｂ／Ｒまたは、Ｇ／Ｒの相対放射比を算出し、ル
ックアップテーブルを参照して温度を求める必要があ
る。

【０１５１】一般には個別のビデオカメラによって相対
放射比の多次元関数が異なるため、予め各ビデオカメラ
について、温度標準を使用して細部温度に対する相対放
射比の校正をし、ルックアップテーブルに保存しておく
必要がある。

【０１５２】しかしながらこの校正は実際には大変困難
である。

【０１５３】通常のビデオカメラからの各色光の信号出
力を使用して比温度の計測をしようとした場合、プラン
クの方程式を展開して相対放射比Ｂ／Ｇ、Ｂ／Ｒ、Ｇ／
Ｒの値を算出しても３比値は一致しないうえ、各値が温
度に対して１次関数とはならず多次元関数となる要因に
ついて説明する。

【０１５４】今、理想的なビデオカメラにおけるＧ感光
ブロックからの出力をＭ_G、Ｒブロックからの出力をＭ_R
とした場合、Ｇ／Ｒの相対放射比は前述の（１１）式か
ら次式の（１２）で表現できる。

【０１５５】

【数１２】

【０１５６】比温度計測の基礎となる相対放射比の計測
において、現実のビデオカメラが理想のビデオカメラと
異なる問題点は、各感光ブロックの出力Ｍ_B、Ｍ_G、Ｍ_R
の総合出力効率が図１１の例に示すように一様でないと
ころにある。

【０１５７】本実施形態ではこの問題を解決する方法と
して各出力信号、Ｍ_B、Ｍ_G、Ｍ_Rを出力する光学系、光
電変換素子、処理回路の効率のバラツキを、各波長系統
毎に一様になるように、３者のうちの一つを基準に他を
補正する。例えば、出力Ｍ_Bを１とした場合、それより
変換効率の高い出力Ｍ_G、出力Ｍ_Rに対しては、それぞれ
例えば０．６８と０．８６を乗じる。これにより、各相
対放射比は同一値となるうえ、各温度に対して１次関数
となるようにしている。

【０１５８】図１４に示したような相対放射比であった
通常のビデオカメラの例に補正を加えた結果を図１５に
示す。

【０１５９】本実施形態ではこの図１５に示す相対放射
比を用いて物体の温度を求めている。

【０１６０】即ち本実施形態では３つの撮像素子Ｂ，
Ｇ，Ｒからの出力信号Ｍ_B、Ｍ_G、Ｍ_Rのうち１つを基準
として他の出力信号を補正し、図１５に示すような補正
値を利用し、相対放射比Ｂ／Ｇ，Ｂ／Ｒ，Ｇ／Ｒが各温
度（黒体放射温度）に対して１次関数となるようにして
いる。そしてこれより比温度を高精度にかつ迅速に求め
ている。

【０１６１】このように本実施形態では物体からの放射
のうち二つの波長または波長域の放射を計測し、その比
から温度を求める比温度測定システムにおいて、二つの
波長の放射を計測する系の総合感度が同一となるような
調整機能を保有している。

【０１６２】特にビデオカメラではその多波長域信号の
うち二つまたは三つの波長域の信号を用い、その比から
温度を求めるシステムにおいては、各波長域の総合感度
が同一となるような調整機能（調整回路）を保有するよ
うにしている。

【０１６３】図１６（Ａ）は撮像手段で得られたオリジ
ナルのビデオ映像、図１６（Ｂ）は当発明を適応しない
場合の比温度映像、図１６（Ｃ）は本発明によりレベル
設定した時の比温度映像である。

【０１６４】図１６（Ｂ），（Ｃ）に示すように本発明
を適用すれば良好なる温度の擬似カラー映像を得ること
ができる。

【０１６５】ノイズのある領域では比温度映像が不明瞭
となっている。

【０１６６】次に具体的な温度計測方法について図７
（Ａ），（Ｂ）を用いて説明する。

【０１６７】撮像手段３からの出力信号はアナログ処理
回路４で増幅等のアナログ処理を行った後にＡＤ変換回
路５でＡＤ変換されて、デジタル処理回路６に入力され
る。

【０１６８】デジタル処理回路６では各種のデジタル処
理が行われ、半導体メモリ又はハードディスクより成る
データ再生回路７にデジタルの形で記憶している。

【０１６９】図７（Ｂ）はデジタル処理回路６でデジタ
ル記憶された画像情報（映像）を再生するときのデジタ
ル処理のブロックを示している。

【０１７０】図１（Ｂ）の上段はカラー映像再生手段１
６におけるカラー映像処理の課程を示している。下段は
温度計測手段１７における画像情報に対する温度を計測
するための比温度計算ブロック図を示している。

【０１７１】データ再生回路７からのＲ，Ｇ，Ｂの信号
を持つカラー映像信号を映像信号処理９に入力してい
る。

【０１７２】映像信号処理９ではカラー映像信号を表示
手段１０に表示の要求に合わせて、コンピュータ表示の
ＶＧＡ映像信号に、又はテレビ信号のＮＴＳＣ／ＰＡＬ
の形で出力し、映像を表示している。

【０１７３】一方、エリア抽出手段１１ではデータ再生
回路７から出力されてくるセンサー受光映像のうち、ど
の領域の温度計測を行うかのエリア抽出を行う。このエ
リアの位置と大きさは任意に変化できるようになってい
る。

【０１７４】エリア抽出は図７（Ｂ）の上段ブロックの
処理を介して表示手段１０に表示した映像情報を観察し
ながら、マウス等で指示することで行っている。

【０１７５】尚、比温度計測における２つの波長Ｌ１，
Ｌ２は３つの撮像素子で得られる信号のどれを用いても
良い。

【０１７６】本実施形態では以上のように３板式の撮像
デバイスを用いて物体の比温度を計測している。

【０１７７】

【発明の効果】本発明によれば、物体のカラー撮影とと
もに、単板式や３板式の撮像手段で得られる情報より物
体の比温度（温度）の測定を高精度に行い、例えば表示
手段に物体の映像（カラー映像）とともに温度情報を表
示するようにし、これにより物体の温度分布を正確に表
示することができる機能を有した撮像システム及びそれ
を用いた温度計測方法を達成することができる。

【０１７８】特に本発明によれば、通常のビデオカメラ
の出力を使用して物体の比温度を計測をしようとした場
合、放射入力がない画素または放射入力が微弱な画素で
は、ノイズによりよって誤ったデータを出力するが、こ
のとき防ぐ、各画素への放射入力が一定のレベルに達し
ない場合は相対放射比および比温度の計算を中止するこ
とにより、即ち、放射の入力レベルに閾値を設けること
により、誤ったデータを出力しない効果が得られる。

【０１７９】この他に、放射がない場所、放射が微弱な
場所の計算を実行しないことにして温度を疑似カラー等
で出力する場合の出力速度を向上させることができると
いう効果が得られる。

【０１８０】また、相対放射比と温度を一次関数関係に
できるので、温度標準による２点の計測のみで正確な温
度校正ができ、多次元関数関係の場合の煩雑な多点計測
校正を避けることができ、システムの構成費や校正のた
めの運用費用を低廉にすることが可能である。

【０１８１】さらに、三感光素子式ビデオカメラを使用
して温度計測をする場合に、複雑な感度調整回路を省略
できるので、システム構成費用を低減させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部ブロック図

【図２】本発明に係る撮像手段の説明図

【図３】本発明に係る撮像手段でのエリア抽出手段で抽
出された画素の説明図

【図４】本発明の他の実施形態の要部ブロック図

【図５】黒体放射の分光特性の説明図

【図６】比温度計測の説明図

【図７】本発明の実施形態２の要部ブロック図

【図８】図７の一部分の拡大説明図

【図９】図７の色分解プリズムの分光特性の説明図

【図１０】図７の撮像手段の分光感度特性の説明図

【図１１】図７のビデオカメラの総合分光特性の説明図

【図１２】３波長による相対放射比の説明図

【図１３】本発明に係るレシオ温度計算における説明図

【図１４】ビデオカメラの相対放射比の説明図

【図１５】本発明に係るビデオカメラの相対放射比の説
明図

【図１６】本発明の撮像システムで得た通常の映像と比
温度映像の説明図

【符号の説明】

１ 対物レンズ ２ モザイクフィルター ３ 撮像手段 ４ アナログ処理回路 ５ ＡＤ変換回路 ６ デジタル処理回路 ７ データ再生回路 ８ モジュレータ処理（補間処理），（インターポー
レーション） ９ 映像信号処理 １０ 表示手段 １１ エリア抽出手段 １２ 比温度計測手段 １３ 撮像手段 １４ 撮像系 １５ 映像処理手段 １６ カラー映像再生手段 １７ 温度計測手段 ４１ カメラユニット ４４ ＣＣＵ／ＰＣＩボード ４７ パソコン ３Ｐ 色分解手段 １８ 制御手段 ＳＲ，ＳＧ，ＳＢ 撮像手段 ＰＲ，ＰＧ，ＰＢ プリズム

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体を複数波長域の可視又は可視外映像
   が記録可能な撮像手段に形成する撮影系と、 該撮像手段からの複数の色光に対する出力信号を処理す
   る映像処理手段と、 該映像処理手段からの出力信号を用いて、該物体の所定
   領域の温度情報を２色温度法を利用して求める温度計測
   手段と、 該温度計測手段からの温度情報を表示する表示手段とを
   有する撮像システムにおいて、 該温度計測手段は該映像処理手段からの各色光に対する
   出力信号のうち、少なくとも１つの出力信号が予め設定
   した値に達しないときに、温度計測を中断又は温度計算
   を中断する制御手段を有することを特徴とする撮像シス
   テム。
2. 【請求項２】 物体を複数波長域の可視又は可視外映像
   が記録可能な撮像手段に形成する撮影系と、 該撮像手段からの多波長域の複数の出力信号を処理する
   映像処理手段と、 該映像処理手段からの多波長域の複数の出力信号を用い
   て、該物体の所定領域の温度情報を２色温度法を利用し
   て求める温度計測手段と、 該温度計測手段からの温度情報を表示する表示手段とを
   有する撮像システムにおいて、 該温度計測手段は該撮像手段の各画素からの波長域の出
   力信号のうちいずれかの出力信号が予め設定した値に達
   しないときには、該画素に相当する物体の温度計測を中
   断又は温度計算を中断する制御手段を有することを特徴
   とする撮像システム。
3. 【請求項３】 前記映像処理手段からの信号より擬似カ
   ラー映像を再生するカラー映像再生手段を有し、 前記表示手段は該カラー映像再生手段からの擬似カラー
   映像を表示していることを特徴とする請求項１又は２の
   撮像システム。
4. 【請求項４】 前記撮像手段からは、複数の波長域の信
   号を得ており、前記映像処理手段は該信号のうち２つを
   選び、（より短い波長域の信号の放射計測量）／（より
   長い波長域の放射計測量）の対数値が物体の温度に対し
   て略１次関数の関係を保有するように、１つの波長域の
   信号に対して他の信号を補正していることを特徴とする
   請求項１，２又は３の撮像システム。
5. 【請求項５】 撮影系によって物体像を形成した撮像手
   段から物体情報に関する多波長域の信号を得、 該撮像手段からの多波長域の信号より映像処理手段でデ
   ジタル信号を得、該映像処理手段からのデジタル信号を
   用いて温度計測手段で該物体の所定領域の温度情報を２
   色温度法を利用して求め、 該温度計測手段からの温度情報を表示するようにした温
   度計測方法において、該温度計測手段は 該撮像手段の各画素からの波長域の出力信号のうち、い
   ずれかの出力信号が予め設定した値に達しないときには
   該画素に相当する物体の温度計測を中断又は温度計算を
   中断することを特徴とする温度計測方法。
6. 【請求項６】 前記撮像手段からは、複数の波長域の信
   号を得ており、前記映像処理手段は該信号のうち２つを
   選び（より短い波長域の信号の放射計測量）／（より長
   い波長域の放射計測量）の計数値が物体の温度に対して
   略１次関数の関係を保有するように、１つの波長域の信
   号に対して他の信号を補正していることを特徴とする請
   求項５の温度計測方法。
7. 【請求項７】 前記温度計測手段からは複数の波長域の
   信号を得ており、同一の入射光量の変化に対してそれぞ
   れの波長域の信号が異なる変化を出力する場合、それぞ
   れの波長域の出力が同一の変化をするように一つの波長
   域の信号に対して、他の信号を補正していることを特徴
   とする請求項５の温度計測方法。
8. 【請求項８】 物体を複数波長域の可視又は可視外映像
   が記録可能な撮像手段に形成する撮影系と、 該撮像手段からの複数の色光に対する出力信号を処理す
   る映像処理手段と、 該映像処理手段からの出力信号を用いて、該物体の所定
   領域の温度情報を２色温度法を利用して求める温度計測
   手段と、 該温度計測手段からの温度情報を表示する表示手段とを
   有する撮像システムにおいて、 前記撮像手段からは、複数の波長域の信号を得ており、
   前記映像処理手段は該信号のうち２つを選び、（より短
   い波長域の信号の放射計測量）／（より長い波長域の放
   射計測量）の対数値が物体の温度に対して略１次関数の
   関係を保有するように、１つの波長域の信号に対して他
   の信号を補正していることを特徴とする撮像システム。