特開 2023-69776 ミスト濃度の定量化方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023069776

(43)【公開日】2023-05-18

(54)【発明の名称】ミスト濃度の定量化方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/17 20060101AFI20230511BHJP

【ＦＩ】

G01N21/17 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021181896

(22)【出願日】2021-11-08

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106518

【弁理士】

【氏名又は名称】松谷 道子

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(74)【代理人】

【識別番号】100091524

【弁理士】

【氏名又は名称】和田 充夫

(72)【発明者】

【氏名】米村 建哉

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059BB02

2G059CC11

2G059EE01

2G059EE02

2G059FF01

2G059GG02

2G059HH01

2G059JJ02

2G059KK04

2G059MM01

(57)【要約】

【課題】局所的なミスト濃度の分布に影響を受けず測定ができ、広い濃度範囲を再現性良く定量化することができる、ミスト濃度の定量化方法及び装置を提供する。
【解決手段】ミスト１０５が噴霧された空間に投光部１０１が光１０６を照射し、投光部１０１と対向で設置した撮像部１０２が投光部１０１より照射された光のミスト１０５による透過光を複数の露光時間で撮像し、演算部１０３が撮像部１０２より取得した画像データを構成する画素の輝度値を基に空間内のミスト濃度の面内分布を算出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ミストが噴霧された空間に光を照射する投光部と、
前記空間内に前記投光部に対し対向で設置され、前記光のうち前記ミストを透過した透過光を複数の露光時間で画像データとして取得する撮像部と、
前記画像データを構成する画素の輝度値を基に前記空間内のミスト濃度の面内分布を計算する演算部とを備え、
前記演算部は、
前記取得した画像データのうち輝度が飽和していないものの中で輝度最大値の最も大きい画像データを選択する選択部と、
選択した画像データ中の輝度値を所定の露光時間の輝度に換算する換算部と、
換算した輝度のうち輝度最大値を抽出する抽出部と、
抽出された輝度最大値を利用してミスト濃度を算出するとともに、前記投光部を光軸と垂直な方向に動かして前記撮像部による撮像を行い、取得した画像データに対し前記演算部を行ってミスト濃度の面内分布を取得する濃度面内分布算出部と、
を含むミスト濃度の定量化装置。

【請求項2】

ミストが噴霧された空間に投光部から光を照射し、前記投光部から照射された前記光の前記ミストからの透過光を複数の露光時間で撮像部で撮像する撮像工程と、
前記撮像部より画像データを演算部で取得し、取得した前記画像データを構成する画素の輝度値を基に前記空間内のミスト濃度の面内分布を前記演算部で計算する演算工程とを備え、
前記演算工程は、
前記取得した画像データのうち輝度が飽和していないものの中で輝度最大値の最も大きい画像データを前記演算部で選択する選択工程と、
選択した画像データ中の輝度値を所定の露光時間の輝度に前記演算部で換算する換算工程と、
換算した輝度のうち輝度最大値を前記演算部で抽出する抽出工程と、
抽出された輝度最大値を利用してミスト濃度を算出するとともに、前記投光部を光軸と垂直な方向に動かして前記撮像部による撮像を行い、取得した画像データに対し前記演算工程を行ってミスト濃度の面内分布を取得する濃度算出工程と、
を含むミスト濃度の定量化方法。

【請求項3】

前記換算工程と前記抽出工程との間において、前記演算部が、前記撮像部より取得した前記画像データに平均化処理を行う平滑化工程をさらに備える、請求項２に記載のミスト濃度の定量化方法。

【請求項4】

前記濃度算出工程において、前記演算部が、前記撮像部より取得した輝度値に対しランベルト・ベールの法則及びミー散乱理論を用いミスト濃度を定量化する、請求項２又は請求項３のいずれか一項に記載のミスト濃度の定量化方法。

【請求項5】

前記撮像工程において、前記投光部が前記ミストに赤外光を照射する、請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のミスト濃度の定量化方法。

【請求項6】

前記赤外光のうち地表において太陽光が測定に影響しない波長帯の、波長１３５０～１４１０ｎｍ、１８２０～１９３０ｎｍの近赤外光、中赤外光、又は遠赤外光を使用する、請求項５に記載のミスト濃度の定量化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ミストが噴霧された空間中で投光部より光を照射し、ミストからの透過光を画像データとして取得し、画像データを構成する画素の輝度値から空間内のミスト濃度を計算することにより、装置の精密な調整を必要とせず、ミスト濃度の面内分布を広い濃度範囲で精度良く定量化するミスト濃度の定量化方法及び装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

液体を微粒化したミストを空間に噴霧し、ミスト及び空間に画像又は映像を散乱させることにより、幻想的で心地良い空間を作り出すことが可能となる。また、ミストを用いた演出は、人体又は自然との親和性も高く、近年、その利用可能性が広がっている。

【0003】

しかし、空間に浮遊するミストは、温湿度又は風などの外乱の影響を受けやすく、安定的に生成すること又は拡散を制御することは難しいため、演出に用いた場合に意図する演出が実現されないなどの課題を有する。そのため、演出空間のミスト濃度を定量化し、制御できるようにすることが期待されている。

【0004】

例えば、演出に用いるミスト濃度が安定せず、意図するような演出が実現されないということに対して、ミスト濃度を測定することで、ミスト濃度が所定の範囲となるよう制御する発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。その投影装置は、二流体ノズルと、投影装置側気体流路と、投影装置側液体流路と、液体圧力調整器と、気体用弁と、液体用弁と、気体供給源と、液体供給源と、ミスト濃度測定部とで、ミストを噴霧するように構成されている。また、投影装置の制御部では、投影部からスクリーンに投影される画像又は映像に基づいて、気体用弁と液体用弁とを開閉制御してミストの噴霧の開始及び停止を行い、かつ、ミスト濃度測定部からのミスト濃度の信号を受信し、受信信号に基づき気体用弁と液体用弁とを開閉制御してミスト濃度が所定の範囲となるように、ミストの噴霧の開始及び停止を行う。この投影装置を用いることにより、室内空間のミストの濃度を制御することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２０－１７３３８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の投影装置は、ミスト濃度測定部からのミスト濃度の信号を受信し、受信信号に基づき気体用弁と液体用弁とを開閉制御してミスト濃度が所定の範囲となるように、ミストの噴霧の開始及び停止を行うことができる。

【0007】

しかし、この投影装置では、ミストが噴霧された空間に対し投光部より光を照射し、受光部で検出された散乱光の強度からミスト濃度を測定しているため、局所的なミスト濃度の影響を受けやすく、空間的に一様でない分布を持つ場合に正確なミスト濃度を測定できなかった。

【0008】

本発明は、投光部と撮像部との位置及び角度の精密な調整を必要とせず、ミスト濃度の面内分布を捉えることで、局所的なミスト濃度の分布に影響を受けず測定ができ、広い濃度範囲を再現性良く定量化することができる、ミスト濃度の定量化方法及び装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために本発明の１つの態様にかかるミスト濃度の定量化装置は、
ミストが噴霧された空間に光を照射する投光部と、
前記空間内に前記投光部に対し対向で設置され、前記光のうち前記ミストを透過した透過光を複数の露光時間で画像データとして取得する撮像部と、
前記画像データを構成する画素の輝度値を基に前記空間内のミスト濃度の面内分布を計算する演算部とを備え、
前記演算部は、
前記取得した画像データのうち輝度が飽和していないものの中で輝度最大値の最も大きい画像データを選択する選択部と、
選択した画像データ中の輝度値を所定の露光時間の輝度に換算する換算部と、
換算した輝度のうち輝度最大値を抽出する抽出部と、
抽出された輝度最大値を利用してミスト濃度を算出するとともに、前記投光部を光軸と垂直な方向に動かして前記撮像部による撮像を行い、取得した画像データに対し前記演算部を行ってミスト濃度の面内分布を取得する濃度面内分布算出部と、
を含む。

【0010】

上記目的を達成するために本発明の１つの態様にかかるミスト濃度の定量化方法は、
ミストが噴霧された空間に投光部から光を照射し、前記投光部から照射された前記光の前記ミストからの透過光を複数の露光時間で撮像部で撮像する撮像工程と、
前記撮像部より画像データを演算部で取得し、取得した前記画像データを構成する画素の輝度値を基に前記空間内のミスト濃度の面内分布を前記演算部で計算する演算工程とを備え、
前記演算工程は、
前記取得した画像データのうち輝度が飽和していないものの中で輝度最大値の最も大きい画像データを前記演算部で選択する選択工程と、
選択した画像データ中の輝度値を所定の露光時間の輝度に前記演算部で換算する換算工程と、
換算した輝度のうち輝度最大値を前記演算部で抽出する抽出工程と、
抽出された輝度最大値を利用してミスト濃度を算出するとともに、前記投光部を光軸と垂直な方向に動かして前記撮像部による撮像を行い、取得した画像データに対し前記演算工程を行ってミスト濃度の面内分布を取得する濃度算出工程と、
を含む。

【発明の効果】

【0011】

本発明の前記態様によれば、ミストを噴霧している空間に投光部と撮像部とを対向で設置し、投光部より光を照射し、透過光を複数の露光時間で画像データとして取得することにより、光学系の精密な位置及び角度調整を必要とせず、空間的に一様でない濃度分布による測定誤差を低減し、広い濃度範囲でミスト濃度を測定できる。すなわち、投光部と撮像部との位置及び角度の精密な調整を必要とせず、ミスト濃度の面内分布を捉えることで、局所的なミスト濃度の分布に影響を受けず測定ができ、広い濃度範囲を再現性良く定量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態１に係る測定装置の構成図

【図2】本発明の実施の形態１に係る演算部での解析処理の一例を示すフローチャート

【図3】本発明の実施の形態１に係る演算部での解析処理の一例を示す模式図

【図4】本発明の実施の形態１に係る演算部の構成の例を示す説明図

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

【0014】

図１は本発明の実施の形態に係るミスト濃度の定量化方法を実施可能なミスト濃度の定量化装置の一例としてのミスト濃度測定装置の構成を説明する図である。

【0015】

図１において、ミスト濃度測定装置は、投光部１０１と、撮像部１０２と、演算部１０３とで構成されている。

【0016】

投光部１０１は、ミスト１０５が噴霧された空間１０４に光１０６を照射する。

【0017】

撮像部１０２は、空間１０４内に投光部１０１に対し対向で設置され、照射光１０６のうちミスト１０５を透過した透過光を複数の露光時間で画像データとして取得する。

【0018】

演算部１０３は、画像データを構成する画素の輝度値を基に空間１０４内のミスト濃度の面内分布を計算する。

【0019】

＜投光部１０１＞
投光部１０１としては、ＬＥＤランプ、ＨＩＤ（Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）ランプ、又は蛍光ランプなどを用いることができる。

【0020】

また、一例として投光部１０１から照射される光１０６は、赤外光を用いることができ、投光部１０１としては、赤外線ＬＥＤランプなどを用いることができる。

【0021】

光が波長より十分小さなミストに当たると、散乱光が波長の影響を受ける、レイリー散乱を起こす。レイリー散乱では、散乱光の強さは波長が短い方が大きく、波長が長いと小さくなる。また、光が波長より十分大きなミストに当たると、波長依存性がなくすべての波長の光が同様に散乱する、ミー散乱を起こす。空間演出に用いるミストはナノオーダのものからマイクロオーダーのものまで広く分布を持つため、空間１０４内はレイリー散乱とミー散乱とが共に発生する。

【0022】

投光部１０１として赤外光を使用するときは、赤外光は人の目で感知できないため、演出に影響を与えることなく、ミスト濃度を判定することができる。

【0023】

また、一例として投光部１０１から照射される光１０６は、地表において太陽光が測定に影響しない波長帯の近赤外光（波長１３５０～１４１０ｎｍ、１８２０～１９３０ｎｍ）、中赤外光、又は遠赤外光を用いることができ、投光部１０１が発する光以外の波長帯の光の撮像部１０２への入射をフィルタにより遮断することで、屋外でのミスト濃度の測定において太陽光による濃度の測定誤差を低減することができる。投光部１０１としては、赤外線ＬＥＤランプなどを用いることができる。

【0024】

＜撮像部１０２＞
撮像部１０２は、レンズ及び複数の画素を有するイメージセンサから構成され、ミスト１０５が噴霧された空間１０４に投光部１０１に対して対向で配置し、フォーカスを投光部１０１に合わせる。

【0025】

また、撮像部１０２に光学フィルタを取り付けることで、投光部１０１より照射される光以外の波長帯の光の入射を遮断し、測定への影響を低減できる。ミスト１０５が噴霧された空間１０４に対し投光部１０１より光１０６を照射すると、ミスト１０５で光１０６の散乱及び吸収が生じ、散乱及び吸収により減衰した透過光を撮像部１０２で画像データとして検出する。撮像部１０２で検出される透過光の強度は、空間１０４のミスト濃度に依存するため、撮像部１０２より得られた画像データを演算部１０３で解析することによりミスト濃度を計算することができる。

【0026】

撮像部１０２より得られた画像データに対して行う演算部１０３での解析については後述する。

【0027】

撮像部１０２としては、ＣМＯＳカメラ、ＣＣＤカメラ、又は赤外線カメラなどを用いることができる。

【0028】

撮像部１０２と投光部１０１との位置関係については、ミスト１０５の透過光を検出するためにミスト１０５を挟んで対向で配置する。

【0029】

この投光部１０１と撮像部１０２とを使用して、ミスト１０５が噴霧された空間１０４に投光部１０１から光１０６を照射し、投光部１０１から照射された光１０６のミスト１０５からの透過光を複数の露光時間で撮像部１０２で撮像する撮像工程を行う。

【0030】

＜演算部１０３＞
演算部１０３は、撮像部１０２から画像データを受信し、受信した画像データを解析することにより、ミスト濃度を算出する。すなわち、撮像部１０１より画像データを演算部１０３で取得し、取得した画像データを構成する画素の輝度値を基に空間１０４内のミスト濃度の面内分布を演算部１０３で計算する。

【0031】

このような動作を行うため、図４に示すように、演算部１０３は、以下のように、輝度値取得部１０３ａと、選択部１０３ｂと、換算部１０３ｃと、平滑化部１０３ｄと、抽出部１０３ｅと、濃度面内分布算出部１０３ｊ（係数算出部１０３ｆと、ミスト濃度算出部１０３ｇと、面内分布取得部１０３ｈとを含む。）とを備えている。

【0032】

＜演算部１０３での演算工程＞
図２は演算部１０３での解析処理の一例を示すフローチャートである。図３は図２のステップＳ１からステップＳ３の解析処理の例を示す模式図である。

【0033】

まず、ステップＳ１の輝度値取得部１０３ａによる輝度値取得工程で、撮像部１０２から複数の露光時間でそれぞれ取得した各画像データを受信する。図３では、例として、３つの異なる露光時間２０μｓ、４０μｓ、及び８０μｓで撮像部１０２よりそれぞれ取得した大きさ５ｐｉｘｅｌ×５ｐｉｘｅｌの画像データを示す。升目の中の数字は各画素の輝度値を表す。この工程では、撮像部１０２より取得した画像データ毎に各画素の輝度値を数値化している。

【0034】

次いで、ステップＳ２の選択部１０３ｂによる選択工程で、撮像部１０２より得られた画像データのうち、画像データ内の輝度値が飽和していないものの中で、輝度最大値が最も大きい画像データを選択し、選択した画像データを以降の解析処理に用いる。一例として、図３では、撮像部１０２より得られた３つの露光時間２０μｓ、４０μｓ、８０μｓの画像データのうち、露光時間８０μｓで取得した画像データの輝度最大値が最も大きいため、これを選択し、ステップＳ３で用いている。

【0035】

次いで、ステップＳ３の換算部１０３ｃによる換算工程で、露光時間と輝度値とが線形関係であることから、ステップＳ２で選択された画像データの各画素における輝度値を、次式の比例計算により、予め決められた基準となる、所定の露光時間の場合に換算する。

【0036】

Ｉ´＝Ｉ×ｔ´／ｔ

【0037】

Ｉは換算前の輝度値、Ｉ´は換算後の輝度値、ｔは画像データを取得した際の露光時間、ｔ´は輝度値を換算する所定の露光時間を表す。例として、図３では、露光時間８０μｓで取得した画像データの各画素の輝度値を、所定の露光時間の一例としての露光時間１００μｓの場合に換算するため、各画素値を１００／８０倍している。

【0038】

次いで、ステップＳ４の平滑化部１０３ｄによる平滑化工程で、換算された画像データに対し平均化フィルタによる平滑化を行う。平均化フィルタにより、投光部１０１又は撮像部１０２の位置変動によって生じる輝度値の変動を抑制することができる。

【0039】

次いで、ステップＳ５の抽出部１０３ｅによる抽出工程で、平滑化された画像データ中の輝度の最大値を抽出し、抽出した輝度最大値を以降のステップに用いる。すなわち、ステップＳ６～Ｓ８で、濃度面内分布算出部１０３ｊにより、画像データを構成する画素の輝度値を基に空間１０４内のミスト濃度の面内分布を計算する。

【0040】

具体的には、濃度面内分布算出部１０３ｊにおいて、撮像部１０１より取得した輝度値に対しランベルト・ベールの法則及びミー散乱理論を用いミスト濃度を定量化する。

【0041】

すなわち、ステップＳ６の係数算出部１０３ｆによる係数算出工程で、次式のランベルト・ベールの法則を用いて消散係数βを算出する。

【0042】

Ｉ´_ｍａｘ／Ｉ´_{０、ｍａｘ} ＝ ｅｘｐ（－βｚ）

【0043】

投光部１０１と撮像部１０２との距離をｚ、ミストを噴霧した状態で上記ステップＳ１からステップＳ５の処理を行い取得した輝度最大値をＩ´_ｍａｘ、ミストを噴霧していない状態で同様の処理を行って取得した輝度最大値をＩ´_{０、ｍａｘ}とすることで、消散係数βを算出できる。

【0044】

次いで、ステップＳ７のミスト濃度算出部１０３ｇによるミスト濃度算出工程で、ミー散乱モデルを用いて、消散係数βからミスト濃度を算出する。すなわち、単位体積当たりのミスト粒子の個数を表すミスト濃度Ｃ、粒子断面積Ｓ、及びミー散乱理論から得られる消散効率因子Ｑ_ｅｘｔより表される次式を用い、ミスト濃度Ｃを算出する。

【0045】

β ＝ Ｃ Ｓ Ｑ_ｅｘｔ

【0046】

また、一例として、さらに、ステップＳ８の面内分布取得部１０３ｈによる面内分布取得工程も行う。すなわち、投光部１０１を光軸と垂直な方向に動かして撮像部１０２による撮像を行い、新たに取得した画像データに対し前記の一連の解析処理すなわちステップＳ１～Ｓ７を行うことで、ミスト濃度の面内分布を取得することができる。

【0047】

ここで、隣接する画素に測定点を移動させるために必要な投光部１０１の移動量は（セルサイズ）／（レンズの横倍率）である。投光部１０１の最小の移動量は上記の（セルサイズ）／（レンズの横倍率）で、最大の移動量は（（２次元エリアセンサであれば、Ｈ方向またはＶ方向）に並んでいる画素数）×（セルサイズ）／（レンズの横倍率）である。投光部１０１の動かし方については、具体的には図示しないが、例えば、投光部１０１にベルトをかませたモータ等の駆動部を取り付け、駆動部の駆動により、画素の並んでいる方向（２次元エリアセンサであれば、Ｈ方向またはＶ方向）に沿って投光部１０１を移動させる。

【0048】

かかる構成によれば、ミスト１０５が噴霧された空間１０４に投光部１０１より光１０６を照射し、透過光を複数の露光時間で画像データとしてそれぞれ取得し、取得した画像データを構成する画素の輝度値を基に空間１０４内のミスト濃度の面内分布を計算する。このように構成することにより、局所的な濃度の分布による測定誤差を低減し、広い濃度範囲で精度良くミスト濃度を定量化できる。すなわち、投光部１０１と撮像部１０２との位置及び角度の精密な調整を必要とせず、ミスト濃度の面内分布を捉えることで、局所的なミスト濃度の分布に影響を受けず測定ができ、広い濃度範囲を再現性良く定量化することができる
よって、このような定量化装置又は方法を噴霧装置又は方法に利用すれば、透過光強度を利用したミスト濃度測定に複数露光時間での画像取得工程と平均化フィルタ処理とを組み合わせた。複数露光時間での画像取得により、広い測定レンジを持ち、平均化フィルタ処理を行うことでサンプリング点のずれによる輝度値のゆらぎを防ぎ、振動にロバストな計測が可能となる。上記の効果をすべて演算処理でもたらしているため、簡易な構成にて実現可能となる。

【0049】

この結果、再現性良く任意のミスト濃度でミスト噴霧を停止することができる。その結果、空間演出の自由度又は映像表現の価値の向上という大きな効果を奏する。

【0050】

なお、前記様々な変形例のうちの任意の変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施例同士の組み合わせが可能であると共に、異なる実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0051】

本発明の前記様態にかかるミスト濃度の定量化装置及び方法は、ミストが噴霧された空間に投光部より光を照射し、複数の画素を有する撮像部が透過光を複数の露光時間で画像データとして取得し、画像データを構成する画素の輝度値を基に空間内のミスト濃度の面内分布を広い濃度範囲で高精度に測定することができる。よって、この定量化装置及び方法を噴霧装置及び方法に利用することにより、再現性良く任意のミスト濃度でミスト噴霧を停止することができる。その結果、空間演出又は映像表現の自由度が向上することができ、アート又はエンタテイメント分野に有用である。

【符号の説明】

【0052】

１０１ 投光部
１０２ 撮像部
１０３ 演算部
１０３ａ 輝度値取得部
１０３ｂ 選択部
１０３ｃ 換算部
１０３ｄ 平滑化部
１０３ｅ 抽出部
１０３ｆ 係数算出部
１０３ｇ ミスト濃度算出部
１０３ｈ 面内分布取得部
１０３ｊ 濃度面内分布算出部
１０４ 空間
１０５ ミスト
１０６ 光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】