JP2004093376A - 高さ計測装置及び監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単純であるだけでなく、高速処理が可能な高さ計測装置及び該高さ計測装置を用いた監視装置を提供する。
【解決手段】対象領域内に存在する対象物の高さを計測する高さ計測装置において、対象領域２に、楕円の長軸と交差する直線上に配列された、複数の楕円輝点１０ｂを投影する楕円輝点投影手段１０と、前記投影により形成されたパターン１０ａを撮像する撮像手段１１と、前記撮像されたパターン像と参照像とに基づいて三角法の原理に基づいて対象物３の高さ又は高さ変化に関る量を演算する高さ演算部２２とを備え、撮像手段１１は、前記直線方向であって、前記三角法の基線方向と一致する方向の一次元像を撮像し、前記一次元像の撮像領域は前記複数の楕円が配列された直線とほぼ一致している、高さ計測装置１とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高さ計測装置及び該高さ計測装置を用いた監視装置に関し、特に単純で高速処理が可能な高さ計測装置及び該高さ計測装置を用いた監視装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高さ計測装置として、ファイバーグレーティング素子（ＦＧ素子）を用いて、対象物上に輝点アレイを投影し、この輝点アレイを撮像するものがあった。対象物上に投影される輝点アレイは、対象物の高さにより、撮像された画像上を移動する。この輝点アレイの移動を画像から計測することで、対象物の高さを計測していた。ＦＧ素子は、直径が数１０ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバーを数１０〜数１００本程度シート状に並べて、それを２枚ファイバーが直交するように重ね合わせたものである。ＦＧ素子は、このシートに垂直に、レーザ光Ｌ１を入射させると、レーザ光Ｌ１が、個々の光ファイバーの焦点で集光したのち、回折ビームアレイとなり、投影面に正方格子状に輝点アレイを投影することができた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら以上のような従来の装置によれば、輝点の位置を細かく計測するために、比較的高密度な画像を取得し、この画像を処理する必要があった。このため、画像の処理量が多く、処理速度を早くすることが難しかった。高密度な撮像素子等の複雑なデバイスを必要としていた。
【０００４】
そこで本発明は、単純であるだけでなく、高速処理が可能な高さ計測装置及び該高さ計測装置を用いた監視装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による高さ計測装置１は、例えば図１、図２に示すように、対象領域内に存在する対象物の高さを計測する高さ計測装置において；対象領域２に、楕円の長軸と交差する直線上に配列された、複数の楕円輝点１０ｂを投影する楕円輝点投影手段１０と；前記投影により形成されたパターン１０ａを撮像する撮像手段１１と；前記撮像されたパターン像と参照像とに基づいて三角法の原理に基づいて対象物３の高さ又は高さ変化に関る量を演算する高さ演算部２２とを備え；撮像手段１１は、前記直線方向（例えばＹ軸方向）であって、前記三角法の基線方向と一致する方向の一次元像（図６（ｂ）参照）を撮像し、前記一次元像の撮像領域は前記複数の楕円が配列された直線とほぼ一致している。
【０００６】
このように構成すると、楕円輝点投影手段１０と、撮像手段１１とを備えるので、投影された楕円輝点１０ｂにより形成されたパターン１０ａを撮像することができる。さらに、高さ演算部２２を備えるので、前記撮像されたパターン像と参照像とに基づいて三角法の原理に基づいて対象物３の高さ又は高さ変化に関る量を演算でき、撮像手段１１は、前記直線方向であって、前記三角法の基線方向と一致する方向の一次元像を撮像し、前記一次元像の撮像領域は前記複数の楕円が配列された直線とほぼ一致しているので、単純であるだけでなく、高速処理が可能な高さ計測装置を提供できる。
【０００７】
また請求項２に記載のように、請求項１に記載の高さ計測装置１では、楕円輝点投影手段１０は、楕円輝点１０ｂの配列された直線を、ほぼ平行に複数有するようにすることが好ましい。このように構成すると、例えば対象物３の高さを広範囲に計測することができる。
【０００８】
また請求項３に記載のように、請求項１または請求項２に記載の高さ計測装置１では、楕円輝点１０ｂの長軸と前記三角法の基線方向は、ほぼ垂直であることが好ましい。
【０００９】
このように構成すると、例えば、三角法による対象物３の高さの演算が行ないやすくなり、装置を単純に構成できる。また、例えば、基線方向と一次元像の方向が若干ずれてしまった場合に発生する、楕円輝点の像が基線方向に動くことによる楕円輝点の像の一次元像上からのずれの影響を緩和できる。
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項４に係る発明による監視装置２０１、３０１は、例えば図１３、図１７に示すように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の高さ計測装置１を備え；前記計測された対象物の高さ又は高さ変化に関る量に基づいて、前記対象物を監視するように構成される。
【００１１】
このように構成すると、高さ計測装置１を備え、前記計測された対象物の高さに基づいて、前記対象物を監視するように構成されるので、例えば、対象物の高さ又は高さ変化に関る量を計測し、計測した高さ又は高さ変化に関る量に基づいて、対象物の監視を行なうので、単純であるだけでなく、高速処理が可能な監視装置を提供できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１３】
図１は、本発明による第１の実施の形態である高さ計測装置１の概念的斜視図である。高さ計測装置１は、対象領域としての平面２内に存在する対象物の高さを計測するものである。さらに、高さ計測装置１は、典型的には、対象物の高さの分布を計測するように構成されたものである。即ち、前記高さの分布に基づいて対象物の三次元形状を計測できるものである。この場合には、高さは、平面２からの高さである。
【００１４】
図中対象物としての物体３が、平面２上に載置されている。またＸＹ軸を平面２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられており、対象物としての物体３はＸＹ座標系の第１象限に置かれている。
【００１５】
一方、図中Ｚ軸上で平面２の上方には、対象領域としての平面２に、楕円の長軸と交差する直線（例えばＹ軸）上に、その楕円の中心が配列された、複数の楕円輝点を投影する楕円輝点投影手段としての楕円輝点投影装置１０（以下単に輝点投影装置１０という）と、輝点投影装置１０の投影により形成されたパターン１０ａを撮像する撮像手段としての撮像装置１１とが配置されている。ここでいう撮像とは、受光も含む概念である。また、ここでいう楕円の中心とは、およそ楕円の中心部分（中央部分）のことである。撮像装置１１は、輝点投影装置１０によりパターン１０ａが投影された物体３を撮像する。楕円輝点１０ｂは、楕円の長軸と交差する直線上（図中Ｙ軸と平行方向）に、その楕円の中心が配列されている。典型的には、楕円の長軸の方向は、この直線の方向に対してほぼ垂直である。言い換えれば、楕円輝点１０ｂの長軸の方向は図中Ｘ軸方向とほぼ平行である。そして、楕円輝点１０ｂの配列された直線を、ほぼ平行に複数有する。即ち、楕円輝点１０ｂは、複数の楕円輝点１０ｂが直線上に配列されることより形成された楕円輝点１０ｂの列が、平行に複数本投影されることで、パターン１０ａを形成する。言い換えれば、複数の楕円輝点１０ｂは、およそ正方格子状に配置され、パターン１０ａを形成する。さらにここでは、それぞれの楕円輝点１０ｂの間隔は等間隔である。なお、楕円輝点１０ｂについては、図１１を参照して後で説明する。
【００１６】
撮像装置１１は、結像レンズ１１ａと、撮像素子１５とを有している。撮像装置１１の結像レンズ１１ａは、典型的にはその光軸がＺ軸に一致するように配置されている。そして、結像レンズ１１ａは、平面２あるいは物体３上のパターン１０ａの像を、撮像素子１５の結像面１５’（イメージプレーン）に結像する。結像面１５’は、典型的にはＺ軸に直交する面である。さらに、結像面１５’内にｘｙ直交座標系をとり、Ｚ軸が、ｘｙ座標系の原点を通るようにする。平面２から結像レンズ１１ａと等距離で、結像レンズ１１ａからＹ軸の負の方向に距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れたところに、輝点投影装置１０が配置されている。物体３と平面２には、輝点投影装置１０により複数の楕円輝点１０ｂが形成するパターン１０ａが投影される。また、ｙ軸方向は、図８で後述する高さの演算に用いる三角法の基線方向でもある。また、楕円輝点１０ｂの長軸と三角法の基線方向は、ほぼ垂直である。
【００１７】
また、撮像素子１５には、制御装置１４が接続されている。言い換えれば、撮像装置１１は制御装置１４に接続されている。制御装置１４は、高さ計測装置１全体を制御するものである。また、制御装置１４は、典型的には撮像装置１１と別体に設置されるが、一体に構成してもよい。このようにすると、装置の小型化が図れる。制御装置１４は典型的にはパソコン等のコンピュータである。また制御装置１４内には、撮像装置１１により撮像されたパターンの像を取得する一次元位置検出装置２１が組み込まれている。
【００１８】
さらに制御装置１４内には、撮像装置１１により撮像されたパターン像と参照像とに基づいて三角法の原理に基づいて対象物としての物体３の高さ又は高さ変化に関る量を演算する高さ演算部２２が組み込まれている。高さ又は高さ変化に関る量とは、高さ又は高さ変化そのものの他、例えば、後述の楕円輝点の移動量又は移動量の変化を含む概念である。以下、高さを演算する場合で説明する。ここで、参照像とパターン像は、例えば撮像装置１１により撮像された像であるが、参照像とパターン像のそれぞれの撮像素子１５（又は結像面１５’）上での位置の情報も含む概念である。即ち、参照像とパターン像は、輝点投影装置１０の投影により形成されたパターン１０ａの像である。ここでは、参照像は、対象物としての物体３が平面２内に存在しないときのパターン１０ａの像であり、パターン像は、物体３が平面２内に存在しているときのパターン１０ａの像である。即ち、参照像は、パターン１０ａの各楕円輝点１０ｂの基準位置を示す像である。また、参照像は、一次元位置検出装置２１に予め保存しておくとよい。ここでは、参照像は、例えば、いわゆる像としてではなく、各楕円輝点１０ｂの位置に関する、座標等の位置の情報の形で保存するようにするとよい。このようにすると、後述するパターン像と参照像に基づいて楕円輝点の移動量を検出する際に、例えば楕円輝点の座標や方向を比較するだけで済むので処理が単純になる。
【００１９】
さらに、撮像素子１５は、楕円輝点１０ｂが配列された直線方向であって、三角法の基線方向と一致する方向の一次元像を撮像するように構成される。さらに、その一次元像の撮像領域は、複数の楕円輝点１０ｂの楕円の中心が配列された直線とほぼ一致している。一次元像の撮像領域とは、被撮像線（撮像される直線）であるが、実際には僅かな幅を有しているので、ここでは領域と呼ぶ。ここでは、撮像する一次元像は複数である。さらに、複数の一次元像は、所定の選択された間隔をもって離間している。ここで、所定の選択された間隔とは、例えば、撮像素子１５の受光面積と、一次元像の本数とにより選択される（決まる）間隔である。即ち一次元像の本数を選択することにより、撮像される一次元像は、選択された間隔をもって離間することになる。受光面積は、例えば６．４×４．８ｍｍ程度である。なお、例えば二次元受光素子は、近年小型化される傾向にあるので、上記の受光面積はあくまでも目安であり、実施に適したサイズを適宜選択するとよい。また、一次元像の本数は、１０〜５０本、好ましくは２０〜３０本であるが、計測する対象物により適宜決めるようにするとよい。さらに、所定の選択された間隔は、等間隔だけでなく、不等間隔も含む概念である。ここでは、所定の選択された間隔は等間隔である。以下、所定の選択された間隔を単に所定間隔という。
【００２０】
ここで、図２の模式的平面図を参照して、撮像素子１５について説明する。撮像素子１５は、（ａ）、（ｂ）に示すような、複数の一次元受光素子アレイ１５０であってもよいし、（ｃ）に示すような、二次元受光素子アレイであってもよい。複数の一次元受光素子アレイ１５０は、典型的には各々の一次元受光素子アレイ１５０が平行になるように配置される。一次元受光素子アレイ１５０としては、例えば、（ａ）に示すような、複数の受光素子を一次元に並べた一次元ＣＣＤアレイ１５０ａ（以下リニアセンサ１５０ａという）がある。また、一次元受光素子アレイ１５０の他の例としては、（ｂ）に示すような、位置検出素子１５０ｂ’（以下ＰＳＤ１５０ｂ’という）を位置検出方向に一次元に複数個並べた一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂがある。以下、リニアセンサ１５０ａと一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂを特に区別しないときは単に一次元受光素子アレイ１５０という。また、二次元受光素子アレイとしては、例えば、（ｃ）に示すような、撮像素子１５ｃがある。撮像素子１５ｃは、典型的には多数の走査線を有するＣＣＤ撮像素子である。また、ＣＣＤの他にＣＭＯＳ構造の素子が最近盛んに発表されており、それらも当然使用可能である。特にこれらの中には、素子自体にフレーム間差算や二値化の機能を備えたものがあり、これらの素子の使用は好適である。以下、図を参照して、これらの撮像素子についてさらに説明する。
【００２１】
まず、図３（ａ）を参照して、撮像素子１５ａについて説明する。リニアセンサ１５０ａを用いた撮像素子１５ａには、複数のリニアセンサ１５０ａが、所定間隔をもって離間させて配置される。撮像素子１５ａは、複数のリニアセンサ１５０ａにより、複数の一次元像を取得できる。所定間隔は、例えば計測する対象物の大きさや性質により適宜定める。例えば、ベッド上の患者を対象するときには、一次元像を２０〜３０本に設定するとよい。そして前述のように、一次元像の本数を選択することにより所定間隔が定まる。また、このようにすることで、例えば二次元像をそのまま取得した場合に比べて、プライバシー保護の観点から好ましい上に、処理するデータが少なくなるので、処理速度が大幅に向上する。
【００２２】
また、複数のリニアセンサ１５０ａは、複数の楕円輝点１０ｂの像の楕円の中心が配列された直線とほぼ一致するように配置される。言い換えれば、複数のリニアセンサ１５０ａは、複数の楕円輝点１０ｂの像の楕円の中心が、それぞれ結像される位置に配置される。なお、実際には、撮像素子１５ａ上に結像した楕円輝点に合わせてリニアセンサ１５０ａを配置するのではなく、上述した条件により選択した所定間隔で配置されたリニアセンサ１５０ａに合わせて複数の楕円輝点１０ｂを配列する即ち、リニアセンサ１５０ａの配置に合わせてパターン１０ａを形成するようにするとよい。
【００２３】
次に、図３（ｂ）を参照して、撮像素子１５ｂについて説明する。一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂを用いた撮像素子１５ｂには、複数の一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂが、所定間隔をもって離間させて配置される。一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂは、前述のリニアセンサ１５０ａと同様に、複数の楕円輝点１０ｂの像の楕円の中心が配列された直線とほぼ一致するように配置される。
【００２４】
また、一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂでの個々のＰＳＤ１５０’の並べ方向の配置間隔は、対象物の高さ変化により楕円輝点１０ｂの像が結像面１５’上を移動する範囲によって決定することが好ましい。この場合には、一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂ内の個々のＰＳＤ１５０ｂは、結像された楕円輝点１０ｂの像に対応づけられて配置される。即ち、一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂでのＰＳＤ１５０ｂ’の配置間隔は、結像面１５’（図１参照）上での楕円輝点１０ｂの像の間隔にほぼ等しくなるようにするのが好適である。また、上述したリニアセンサ１５０ａでは、複数の楕円輝点１０ｂの像の位置を求めるのに対し、一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂでは、各ＰＳＤ１５０ｂ’で受光した楕円輝点１０ｂの像の重心位置が求められ、この重心位置が、楕円輝点１０ｂの像の位置に対応することになる。即ち、この重心位置がパターン像に対応する。なお、リニアセンサ１５０ａと同様に、一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂに合わせて複数の楕円輝点１０ｂを配列する即ち、一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂの配置に合わせてパターン１０ａを形成するようにしてもよい。
【００２５】
ここで、ＰＳＤ１５０ｂ’について説明する。ＰＳＤ１５０ｂ’は、対象物の高さ変化による楕円輝点１０ｂの像の移動方向に、楕円輝点１０ｂの像の移動により楕円輝点１０ｂの像がはみ出さない程度の長さを有している。ところで、ＰＳＤ１５０ｂ’に結像した楕円輝点１０ｂの像は、光電変換され、光電流として平板状のシリコンの両端に付けられた電極からそれぞれ分割出力される。ＰＳＤ１５０ｂ’は、この両端の電極から出力される光電流の受光信号を演算することにより楕円輝点１０ｂの像の重心位置を出力するものである。即ち、撮像素子１５ｂは、パターン像として、複数の楕円輝点１０ｂのそれぞれの像の位置を出力する。
【００２６】
また、リニアセンサ１５０ａと一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂは、一次元像の取得速度を高速化できるので、さらに高さ計測装置１の処理速度を向上させることができる。またリニアセンサ１５０ａと一次元ＰＳＤアレイ１５０ｂは、一次元像の取得速度を高速化できるので、例えば高さ計測装置１で動きのある対象物の変化を計測する場合に好適である。
【００２７】
さらにここでは、結像レンズ１１ａにより結像された１つの二次元画像を、撮像素子上の複数の一次元受光素子アレイ１５０の上に結像させる場合で説明しているが、各々の一次元受光素子アレイ１５０にそれぞれ結像レンズを備える、言い換えれば、１の一次元受光素子アレイ１５０に対して１の結像レンズを有するように構成してもよい。
【００２８】
そして、図４を参照して、撮像素子１５ｃについて説明する。撮像装置１５として、撮像素子１５ｃのようなＣＣＤ撮像素子（二次元受光素子アレイ）を用いる場合には、例えば、一次元位置検出装置１４により、撮像素子１５ｃから必要な本数の走査線を選択し、選択した走査線１５０ｃ上に結像した像即ち一次元像を取得するようにする。また、複数の選択された走査線１５０ｃは、各々の走査線１５０ｃが所定間隔をもっている。撮像素子１５ｃは、複数の走査線１５０ｃにより、複数の一次元像を撮像する。撮像素子１５ｃは、撮像素子１５ｃが有する走査線から、必要な本数の走査線を選択し、選択した走査線１５０ｃの一次元像を取得することにより、例えば撮像素子１５ｃから二次元像をそのまま取得した場合に比べて、プライバシー保護の観点から好ましい上に、処理するデータが少なくなるので、処理速度が大幅に向上する。
【００２９】
また、選択した複数の走査線１５０ｃは、複数の楕円輝点１０ｂの像の楕円の中心が配列された直線とほぼ一致するように配置される。言い換えれば、複数の走査線１５０ｃは、複数の楕円輝点１０ｂの像の楕円の中心が、それぞれ選択した走査線１５０ｃ上に結像されるように配置される。なお、実際には、撮像素子１５ａの場合と同様に、撮像素子１５ｃ上に結像した楕円輝点に合わせて走査線１５０ｃを選択するのではなく、上述した条件により選択した所定間隔で配置された走査線１５０ｃに合わせて複数の楕円輝点１０ｂを配列する即ち、複数の走査線１５０ｃの配置に合わせてパターン１０ａを形成するようにしてもよい。
【００３０】
ここで説明したどの撮像素子１５を用いても、高さ計測装置１の構成を単純にすることができる。また、処理量を低減することができ、処理速度を向上することができる。またここでは、一次元受光素子アレイ１５０及び走査線１５０ｃの方向は、ｙ軸（図１参照）に平行である。言い換えば、結像した楕円輝点１０ｂの像の楕円の長軸に垂直である。以下、撮像素子１５として、撮像素子１５ａを用いた場合で説明する。
【００３１】
図１に戻って説明する。撮像装置１１は、後述の光束発生部１０５（図１１参照）により発生されるレーザ光束Ｌ１の波長の周辺部以外の波長の光を減光するフィルタ１１ｂを備えるとよい。フィルタ１１ｂは、典型的には干渉フィルタ等の光学フィルタであり、結像レンズ１１ａの光軸上に配置するとよい。このようにすると、撮像装置１１は、撮像素子１５に受光する光のうち、輝点投影装置１０より投影されたパターン１０ａの光の強度が相対的にあがるので、外乱光による影響を軽減できる。また、光束発生部１０５により発生されるレーザ光束Ｌ１は、典型的には赤外光レーザの光束である。
【００３２】
また、高さ計測装置１は、撮像装置１１によりパターン１０ａを撮像する際に、外乱光と区別するために、変調を行なうように構成するとよい。変調は、例えば光束発生部１０５によるレーザ光束Ｌ１の発光（照射）停止を周期的に繰り返し行なうような動作である。この場合、レーザ光束Ｌ１の発光停止は、例えば光源を発光停止してもよいし、遮光板やスリットを回転させることにより、発光停止をするようにしてもよい。この場合、この変調に同期した受光信号を取り出すことにより、外乱光の影響を著しく低減することができる。さらに変調は、上述に加え、外乱光の強さにより、レーザ光束Ｌ１の出力も変化させるようにしてもよい。また、一次元位置検出装置２１は、レーザ光束Ｌ１を照射している時の受光信号からレーザ光束Ｌ１を照射していない時の受光信号を差し引いた信号を生成するようにしてもよい。これにより、外乱光の影響を低減することができる。なお、上記差し引きは、前述の１のリニアセンサ、１のＰＳＤ、１の走査線から出力される各受光信号毎に行ない、この結果を各撮像素子毎に集合した信号を、上記受光信号を差し引いた信号とするようにしてもよい。さらに、高さ計測装置１は、信頼性を確保するために、変調動作を複数回行ない、その平均の出力信号を取得データ即ちパターン像とするように構成してもよい。
【００３３】
ここで、図１を参照して、高さ計測装置１の作用を説明する。まず、物体３の高さ計測の概念について説明する。輝点投影装置１０により平面２に投影されたパターン１０ａは、物体３が存在する部分では、物体３に遮られ平面２には到達しない。ここで物体３が存在していれば、平面２上の点２ａに投射されるべき楕円輝点１０ｂは、物体３上の点３ａに投射される。楕円輝点１０ｂが点２ａから点３ａに移動したことにより、また結像レンズ１１ａと輝点投影装置１０とが距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れているところから、結像面１５’上では、点２ａ’（ｘ，ｙ）に結像すべきところが点３ａ’（ｘ，ｙ＋δ）に結像する。即ち、物体３が存在しない時点と物体３が存在する時点とは、楕円輝点１０ｂの像がｙ軸方向に距離δだけ移動することになる。
【００３４】
これは、例えば図５に示すように、撮像素子１５の結像面１５’に結像した楕円輝点１０ｂの像は、高さのある物体３により、δだけｙ軸方向に移動することになる。
【００３５】
高さ計測装置１は、このδを計測することにより、物体３上の点３ａの位置が三次元的に特定できる。即ち、点３ａの高さがわかる。このように、ある点が、物体３が存在しなければ結像面１５’上に結像すべき点と、結像面１５’上の実際の結像位置との差を計測することにより、物体３の高さの分布、言い換えれば三次元形状が計測できる。あるいは物体３の三次元座標が計測できる。また、楕円輝点１０ｂの対応関係が不明にならない程度に、パターン１０ａのピッチ、即ち楕円輝点１０ｂのピッチを細かくすれば、物体３の高さの分布はそれだけ詳細に計測できることになる。
【００３６】
さらに図６を参照して詳述すると、（ａ）に示すように、例えば撮像素子１５ａは、複数のリニアセンサ１５０ａにより、結像面１５’上に結像したパターン１０ａの像（複数の楕円輝点１０ｂの像）を撮像する。撮像素子１５ａ即ち複数のリニアセンサ１５０ａにより撮像されたパターン１０ａの像は、（ｂ）に示すような、複数の一次元像となる。一次元位置検出装置２１は、この複数の一次元像をパターン像として撮像素子１５ａから取得する。さらに一次元位置検出装置２１は、取得したパターン像を保存する。そして、高さ演算部２２は、一次元位置検出装置２１に保存されたパターン像と基準となる参照像とに基づいて三角法により物体３の高さを演算する。
【００３７】
さらに、図７を参照して、高さ演算部２２による高さの演算について説明する。ここで、１本の一次元像に注目して説明する。高さ演算部２２は、各々対応するパターン像と参照像を読出し、楕円輝点１０ｂの像の移動量δを計測する。移動量δの計測は、まずパターン像と参照像の差画像を作成する。そして、この差画像から対応する楕円輝点の像の位置の移動量δを計測する。移動量δは、例えば、楕円輝点１０ｂの像の位置が移動した画素数（何画素移動したか）を計数することで求められる。なお、上記は、差画像を作成する場合で説明したが、参照像を各楕円輝点１０ｂの位置の情報の形で保存しておき、パターン像の各楕円輝点１０ｂの位置の情報と、参照像の楕円輝点１０ｂの位置の情報とを比較することで、移動量δを計測してもよい。このようにすると、差画像を生成しないで済むので処理を単純化できる。高さ演算部２２は、移動量δに基づいて三角法により物体３の高さを演算する。図８を参照して、三角法による物体３の高さを算出について説明する。
【００３８】
図８は、撮像装置１１、輝点投影装置１０、物体３、平面２との関係をＸ軸方向（図１参照）に見た側面図である。ここでは、物体３の高さがＺ１である場合で説明する。輝点投影装置１０の中心（パターン光源の中心）と結像レンズ１１ａの中心とは、平面２に平行に距離ｄだけ離して配置されており、結像レンズ１１ａから結像面１５’（撮像素子１５）までの距離はｌ（エル）（結像レンズ１１ａの焦点とほぼ等しい）、結像レンズ１１ａから平面２までの距離はｈ、物体３の点３ａの平面２からの高さはＺ１である。物体３が平面２上に置かれた結果、結像面１５’上の点２ａ’はδだけ離れた点３ａ’に移動したとする。
【００３９】
図中結像レンズ１１ａの中心と点３ａとを結ぶ線が平面２と交差する点を２ａ”とすれば、点２ａと点２ａ”との距離Ｄは、三角形３ａ’−２ａ’−１１ａと三角形２ａ”−２ａ−１１ａとに注目すれば、Ｄ＝δ・ｈ／ｌであり、三角形１１ａ−１０−３ａと三角形２ａ”−２ａ−３ａに注目すれば、Ｄ＝（ｄ・Ｚ１）／（ｈ−Ｚ１）である。この両式からＺ１を求めると次式のようになる。
Ｚ１＝（ｈ^２・δ）／（ｄ・ｌ＋ｈ・δ）　………（１）
以上のように、物体３の高さを算出することができる。
【００４０】
また、高さ演算部２２は、上記のように実際に高さを算出せずに、例えば、パターン１０ａが形成される対象領域が以上で説明したように特に平面である場合には、楕円輝点の像の移動量δを物体３の高さとしてもよい。また、以上では、高さ演算部２２は、物体３の高さを演算する場合で説明したが、高さ変化を演算する場合には、上記のように実際に高さを算出せずに、楕円輝点の像の移動量δを演算し、その変化を高さ変化とするようにするとよい。言い換えれば、楕円輝点の像の移動量δの変化を高さ変化とするようにする。また、高さ変化を演算するとは、変化の有無を検出することを含む概念である。この場合には、例えば高さの変化を演算する場合に、移動量δの差分を算出するだけでよいので、計算量を減らすことができる。また、高さ変化の演算は、例えば高さの絶対値が不要な場合、正確な高さを算出する必要が無い場合、高さ又は高さ変化が小さい場合に行なうとよい。
【００４１】
さらに、高さ演算部２２により演算された物体３の高さは、過去一定回数演算された、または過去一定期間内に演算された高さの移動平均値、または期間平均値としてもよい。このようにすることで、ランダムノイズや窓から差し込む日光のちらつきなどによる突発的なノイズが軽減でき、演算した物体３の高さの信頼性が向上する。
【００４２】
以上のように、高さ計測装置１は、対象領域に、輝点投影装置１０の投影により形成されたパターン１０ａを撮像装置１１で撮像し、この撮像されたパターン像と参照像とに基づいて三角法により対象物の高さを高さ演算部２２で演算するので、対象物の高さを計測できる。また、高さ計測装置１は、対象物の高さを対象領域内の複数の点で計測できるので、対象物の高さの分布を計測することができる。また、この高さの分布を、例えば一定時間間隔で計測することで、高さ分布の時間変化を計測することもできる。
【００４３】
さらに、高さ計測装置１は、撮像素子１５が、楕円輝点１０ｂの長軸の方向と直交する方向であって、所定の選択された間隔をもって離間している複数の一次元像を撮像する。このため、例えば二次元受光素子アレイを用いてパターン１０ａの二次元像を撮像し、この二次元像から、輝点の移動を計測するのと比較して、大幅に計算量を減らすことができる。即ち、高速処理が可能となる。また、楕円輝点の長軸の方向を一次元像と直交する方向とすることで、パターンに略円形の輝点を用いた場合のように、パターン像（輝点）が一次元像から欠けることがないので信頼性が高い。さらに、楕円輝点が一次元像上に重なるような調整が、円形の輝点を用いた場合と比べて非常に容易であるので、製造、設置が容易である。また、楕円輝点は、円形輝点より、長軸方向に延びた形状の輝点であるので、円形の輝点を用いた場合と比べて、長軸方向の形状が認識し易い。言い換えれば、図中Ｘ軸方向の計測の分解能を向上することができる。
【００４４】
また、図９に示すように、高さ計測装置１は、パターン１０ａを、複数の楕円輝点のそれぞれの長軸の端部が一部重なるように配列することで、複数本の輝線で形成されたパターン１０ａ’としてもよい。この場合には、輝線の移動を計測することで、輝線の任意の点の移動を計測でき、輝線方向の連続的形状が認識できる。言い換えれば、図中Ｘ軸方向の計測の分解能を向上することができる。また、輝点が楕円形状であるので、その長軸の端部を重ねることで、容易に輝線を形成することができる。
【００４５】
また、以上では、１列の楕円輝点１０ｂの像に対して、１つの一次元像を撮像する場合で説明したが、１列の楕円輝点１０ｂの像に対して、複数（例えば２つ）の一次元像を撮像してもよい。また、全ての投影された楕円輝点１０ｂの像の一次元像を撮像しなくてもよい。
【００４６】
図１０を参照して、高さ計測装置１に適した輝点投影装置１０について説明する。図１０は、輝点投影装置１０の模式的斜視図である。ここで、ＸＹ軸を平面１０２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられている。図中Ｚ軸上で平面１０２の上方には、輝点投影装置１０が配置されている。輝点投影装置１０は、平面１０２上にパターン光としてのパターン１１０ａを投影している。パターン１１０ａは、図１で前述したパターン１０ａと同様なものである。
【００４７】
図１１の模式的斜視図を参照して、さらに輝点投影装置１０について説明する。輝点投影装置１０は、可干渉性の光束を発生する光束発生手段としての光束発生部１０５と、ファイバーグレーティング１１０（以下、単にグレーティング１１０という）とを備えている。可干渉性の光束は、典型的には赤外光レーザである。光束発生部１０５は、平行光束を発生するように構成されている。光束発生部１０５は、典型的には不図示のコリメータレンズを含んで構成される半導体レーザ装置であり、発生される平行光束は、レーザ光束Ｌ１である。そしてレーザ光束Ｌ１は、断面が楕円形状の光束である。ここで平行光束とは、実質的に平行であればよく、平行に近い光束も含む。
【００４８】
ここで、一般的な半導体レーザ装置は、通常の場合、楕円形断面のレーザ光束を発生する。さらに、この中でも比較的高出力なレーザ（ハイパワーレーザ）を発生できるものは、発生するレーザ光束の断面は長楕円形である。従来の装置では、輝点アレイを作るために楕円の長軸方向の中央部を切り出すための開口等を設けていた。本発明の実施の形態では、光束発生部１０５として、ハイパワー半導体レーザ装置を用いて、発生した光束の比較的広い範囲を有効光束としてコリメートすることで、断面が楕円形状のレーザ光束Ｌ１を発生させる。即ち、楕円輝点を投影する。また、このような半導体レーザ装置を用いることで、複雑な光学系を必要とすることなく、光束発生部１０５を単純な構成とすることができる。即ち、輝点投影装置１０を単純な構成とすることができる。さらに、発生した光束を絞りにより絞っている半導体レーザ装置の場合には、その絞りの開口を積極的に大きく取るようにすることが好ましい。このようにすれば、長軸方向の端部を積極的に切り落とすことなく、より長軸方向に長い楕円形状（長楕円形状）とすることができるので有効である。
【００４９】
また、断面が楕円形状の光束を発生する別の方法としては、例えば、断面が円形の光束をシリンドリカルレンズに入射させることで、容易に断面が長楕円形状の光束を発生することができる。また以上の例以外にも、断面が楕円形状の光束を発生できるものであれば何でもよく、例えば、シリンドリカルレンズの代わりにビーム成形プリズムを用いてもよい。
【００５０】
またここでは、グレーティング１１０は、平面１０２に平行に（Ｚ軸に直角に）配置される場合で説明する。グレーティング１１０に、レーザ光Ｌ１を、Ｚ軸方向に入射させる。するとレーザ光Ｌ１は、個々の光ファイバー１１１により、そのレンズ効果を持つ面内で集光したのち、発散波となって広がって行き、干渉して、投影面である平面１０２にパターン１１０ａが投影される。なお、グレーティング１１０を平面１０２に平行に配置するとは、例えば、グレーティング１１０を構成する第１ＦＧ素子１１２の各光ファイバー１１１の軸線を含む平面と、平面１０２とが平行になるように配置することである。
【００５１】
図１２の模式的斜視図を参照して、グレーティング１１０について説明する。グレーティング１１０は、複数の光ファイバー１１１を各光ファイバー１１１の軸線を第１の方向ｖ１に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子１１２（以下第１ＦＧ素子１１２という）と、複数の光ファイバー１１１を各光ファイバー１１１の軸線を第１の方向ｖ１と異なる第２の方向ｖ２に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子１１３（以下第２ＦＧ素子１３という）とを含んで構成される。本実施の形態では、各ＦＧ素子１１２、１１３の平面は、互いに平行である。以下、各ＦＧ素子１１２、１１３の平面を素子平面という。本実施の形態では、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２がほぼ直交している。
【００５２】
第１ＦＧ素子１１２、第２ＦＧ素子１１３は、それぞれ、例えば、直径が数１０ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバー１１１を数１０〜数１００本程度、平行にシート状に並べて構成したものである。また、各ＦＧ素子１１２、１１３は、接触して配置してもよいし、図示のようにそれぞれの素子平面の法線方向に距離を空けて配置してもよい。この場合には、各ＦＧ素子１１２、１１３の互いの距離は、パターン１１０ａの投影に差支えない程度とする。
【００５３】
第１ＦＧ素子１１２と第２ＦＧ素子１１３は、重ね合わせてグレーティング１１０を構成する。なお、ここでの重ね合わせは、各ＦＧ素子１１２、１１３の各素子平面がほぼ平行になるように重ね合わされている。また、グレーティング１１０には、光束発生部１０５により発生されるレーザ光束Ｌ１を透過させるように構成されている。ここでは、レーザ光束Ｌ１は、第１ＦＧ素子１１２側から入射させる。言い換えれば、レーザ光束Ｌ１は、第１ＦＧ素子１１２、第２ＦＧ素子１１３の順に透過させる。レーザ光束Ｌ１は、典型的には、グレーティング１１０（第１ＦＧ素子１１２）の素子平面に対して垂直に入射させる。
【００５４】
また、第１ＦＧ素子１１２、第２ＦＧ素子１１３は、図示のように、それぞれガラス板１１２ａ、１１３ａに貼り付けて構成するとよい。このようにすることで、各ＦＧ素子１１２、１１３の取り扱いが容易になる。また、グレーティング１１０を容易に組み立てることができるので、製造しやすい。そして、グレーティング１０は、中空の円筒１１６に第１ＦＧ素子１１２、第２ＦＧ素子１１３が、それぞれガラス板１１２ａ、１１２ｂを介して取り付けるとよい。このようにすることで、グレーティング１０の取り扱いがさらに容易になる。なお、図１２では、第１ＦＧ素子１１２、第２ＦＧ素子１１３がよく見えるように、円筒１１６の図中手前半分をカットして示している。
【００５５】
以上のように、輝点投影装置１０は、重ね合わせた第１ＦＧ素子１１２と、第２ＦＧ素子１１３とを含んで構成されたグレーティング１１０が光学系となるので、複雑な光学系を必要とすることなく、光学筐体を小型化できる。さらに輝点投影装置１０は、グレーティング１１０を用いることで、単純な構成で、複数の楕円輝点１１０ｂをパターン１１０ａとして平面１０２に投影できる。
【００５６】
また以上のように、高さ計測装置１は、複数の楕円輝点１０ｂを投影する楕円輝点投影手段１０と、パターン１０ａを撮像する撮像手段１１と、高さを演算する高さ演算部２２とを備え、撮像手段１１は、前記直線方向（例えばＹ軸方向）であって、前記三角法の基線方向と一致する方向の一次元像を撮像し、前記一次元像は前記複数の楕円が配列された直線とほぼ一致しているので、単純であり、製造が容易であるだけでなく、高速処理が可能である。
【００５７】
以上で説明した高さ計測装置１は、対象物の高さ分布又は高さ分布の変化を計測することができるので、高さ分布又は高さ分布の変化を計測することにより対象物の状態を検出する装置、例えば、対象領域内に存在する人物や物体の監視や、人物の呼吸等の検出を行なうことで人物の状態を監視する監視装置等に応用することが可能である。
以下、上記した応用例について説明する。
【００５８】
図１３の模式的斜視図を参照して、本発明による第２の実施の形態である監視装置２０１を説明する。監視装置２０１は、第１の実施の形態で説明した高さ計測装置１を備えている。また、監視装置２０１は、高さ計測装置１により計測された対象物の高さ又は高さ変化に関る量に基づいて、対象物を監視するように構成されている。ここでは、対象物の高さに基づいて、対象物を監視する場合で説明する。本実施の形態では、対象物は、人物２０２である。また、対象領域は、トイレ２０３内である。即ち監視装置２０１は、トイレ２０３内を監視するものである。
【００５９】
図１４の斜視図に示すように、高さ計測装置１は、輝点投影装置１０と撮像装置１１が、制御装置１４（図１参照）を収納した収納パネル２１１上に直線状に配置されている。本実施の形態では、高さ計測装置１は、典型的には、トイレ２０３の天井又はその近傍、例えば壁の上方に配置される。また、本実施の形態では、高さ計測装置１と、図１６で後述する制御装置２２０とは、別体として説明しているが、一体の構成してもよい。一体に構成した場合には、監視装置２０１をさらに単純に構成できる。また小型化できる。
【００６０】
また本実施の形態では、監視装置２０１は、トイレ２０３内の監視を行なうものとして説明するが、閉空間、例えば浴室、エレベーター内、オフィース内の監視にも好適である。
図１５に浴室２０４に設置した場合の監視装置２０１’を一例として示す。この場合には、上述したトイレ２０３の場合と同様に、高さ計測装置１を、浴室２０４の天井又は壁の上方に配置するとよい。
【００６１】
図１６を参照して、監視装置２０１の構成の一例を説明する。監視装置２０１は、第１の実施の形態で説明した高さ計測装置１と、制御装置２２０とを含んで構成される。高さ計測装置１は、制御装置２２０に接続されており、高さ計測装置１から人物２０２の高さの分布を取得できるように構成されている。また高さ分布は、高さ計測装置１から時系列的に取得するように構成するとよい。制御装置２２０は、例えばパソコンやマイコン等のコンピュータである。
【００６２】
制御装置２２０は、制御部２２１を備えており、監視装置２０１全体を制御している。また高さ制御装置１は制御部２２１に接続され、制御されている。また制御部２２１内には、高さ計測装置１から時系列的に取得した高さ分布に基づいて、人物２０２の移動、位置、姿勢等を、監視部２２２により判断できるように構成されている。即ち、対象領域としてのトイレ２０３内の高さ分布に基づいて、人物２０２の存在、その移動、その位置、姿勢等を判断することができるように構成されている。さらに人物２０２の存在、その移動、その位置、姿勢等を判断結果から、人物２０２が危険な状態であるか否かを判断するように構成される。危険な状態とは、例えば人物２０２が倒れている、人物２０２に長時間変化がない（気絶している）という状態である。また人物２０２の移動は、人物２０２の位置の変化だけでなく、例えば人物２が立ったり座ったりするような変化も含むものとする。
【００６３】
制御部２２１には、記憶部２２４が接続されている。記憶部２２４は、高さ計測装置１より時系列的に取得した高さの分布を記憶するとよい。また記憶部２２４には算出された情報等のデータが記憶できる。
【００６４】
また制御部２２１には、監視装置２０１を操作するための情報を入力する入力装置２２７、監視装置２０１で処理された結果を出力する出力装置２２８が接続されている。入力装置２２７は例えばタッチパネル、キーボードあるいはマウスであり、出力装置２２８は例えばディスプレイやプリンタである。本図では、入力装置２２７、出力装置２２８は制御装置２２０に外付けするものとして図示されているが、内蔵されていてもよい。また、入力装置２２７は、例えば監視の開始や解除を行なえるスイッチ、出力装置２２８は、例えば動作インジケータとしてのＬＥＤとしてもよい。このようにすると、監視装置２０１を単純に構成できる。特に、高さ計測装置１と制御装置２２０とを一体に構成する場合には、このように構成することが好ましい。このようにすることで、より単純で小型な監視装置とすることができる。
【００６５】
また制御部２２１には、外部と通信するためのインターフェイス２２９が備えられている。インターフェイス２２９は、例えば制御部２２１の監視部２２２により人物２０２が危険な状態にあると判断された場合に外部に通報することができるように構成されている。通報は、例えば音声、文字、記号、室内照明を含む光の強弱又は、振動などによるものである。またインターフェイス２２９は、一般電話回線、ＩＳＤＮ回線、ＰＨＳ回線、または、携帯電話回線などの通信回線に対して接続する機能を備えている。即ち、例えば監視装置２０１が個人宅に設置されている場合には、上記通信回線を利用することで、離れた場所例えば病院等の医療施設に通報できる。このようにすることで、例えば監視装置２０１が設置された場所から離れた場所であっても、上記通信回線を利用することで、人物２０２が危険な状態にあることを容易に通報できるので、有効である。また制御部２２１は、音声出力機能を備えるようにし、インターフェイス２２９を介して、第三者に人物２０２が危険な状態にあることを音声で通報するようにしてもよい。
【００６６】
さらに、制御部２２１には、異常が発生したときに作動するように構成された警報装置２９０を有する。警報装置２９０は、例えば監視部２２２により人物２０２が危険な状態にあると判断された場合即ち人物２０２に異常が発生した場合や、監視装置２０１の故障等の異常が発生した場合に作動するように構成するとよい。このようにすることで、人物２０２が危険な状態であるときに迅速に対応できるので、信頼性を高めることができる。制御装置２２０は、警報装置２９０が作動した場合に、インターフェイス２２９を介して、前述のように異常の発生を外部に通報するように構成するとよい。本図では、警報装置２９０は、外付けとして図示してあるが内蔵としてもよい。
【００６７】
ここで、本実施の形態の監視装置２０１の作用を説明する。
監視装置２０１によりトイレ内が監視されている。監視装置２０１は、高さ計測装置１により、トイレ２０３内の高さ分布を計測し、その高さ分布を、時系列的に制御装置２２０の制御部２２１に入力している。制御部２２１は、時系列的に入力された高さ分布に基づいて、トイレ２０３内に存在する人物２０２を監視部２２２により監視している。
【００６８】
ここで、例えばトイレ２０３内に人物２０２が進入してきた場合、進入してきた人物２０２が、トイレ入口付近の高さ分布の変化として計測され、その高さ分布は制御部２２１に出力される。この高さ分布を入力した制御部２２１は、監視部２２２により、人物２０２の高さ、位置を判断する。
【００６９】
さらに監視部２２２は、時系列的に入力した高さ分布により、高さ分布の変化を評価することで、人物２０２の移動を判断する。そして、人物２０２の高さ、位置、移動の判断に基づき、人物２０２の存在、その姿勢、位置、移動状態を判断する。この判断は、例えば、人物２０２の移動がなく、かつ高さが低くなった場合には、この人物２が座ったと判断できる。また、人物２０２が低い高さで広範囲に計測され、かつ移動が無い場合には、この人物２０２は倒れている状態にあると判断できる。このようにして監視装置２０１は、トイレ２０３内の人物２０２の進入、存在とその状態を監視することができる。
【００７０】
以上のように監視装置２０１は、対象領域としてのトイレ内にどの程度の大きさの人物２０２が進入し、人物２０２がどのようなの状態（どの位置で、立っている、座っている、倒れている）にあるか、また、その人物２０２は動いているか、また退出したかといった一連の動きを簡単な装置で追従することができる。
【００７１】
以上のような第２の実施の形態によれば、監視装置２０１は、人物２０２の状態を判断して、人物２０２が倒れたとか、不法侵入者が存在しているといった監視を非常に容易に行なうことができる。さらに簡易な装置で高速処理が可能である。
【００７２】
次に、図１７の模式的斜視図を参照して、本発明による第３の実施の形態である監視装置３０１について説明する。監視装置３０１は、第１の実施の形態で説明した高さ計測装置１を備えている。また、監視装置３０１は、高さ計測装置１により計測された対象物の高さ又は高さ変化に関る量に基づいて、対象領域内の対象物を監視するように構成されている。ここでは、対象物の高さに基づいて、対象物を監視する場合で説明する。本実施の形態では、対象物は、人物２０２である。また、対象領域は、ベッド３０６上である。さらに、監視装置３０１は、典型的にはベッド３０６上に横たわって存在している人物３０２の形状変化、例えば呼吸を監視するものである。なお、本実施の形態では、高さは、高さの分布を含む概念である。
【００７３】
図中ベッド３０６上に、対象物であり周期的変化をする物としての人物３０２が横たわって存在している。また、人物３０２の上には、さらに寝具３０３がかけられており、人物３０２の一部と、ベッド３０６の一部とを覆っている。即ち監視装置３０１は、寝具３０３の上面を監視している。また寝具３０３を使用しない場合には、監視装置３０１は、人物３０２の胴体部そのものを監視するようにするとよい。また、本実施の形態では、人物３０２の形状変化は、周期的変化、推移的変化を含む概念である。また人物３０２の周期的変化は、例えば人物３０２の呼吸である。人物３０２の推移的変化は、例えば人物３０２の体動、移動である。また、周期的変化とは、例えば人物３０２の呼吸の周期、例えば、毎分５〜６０サイクルの変化である。即ち本実施の形態では、周期的変化は、呼吸の周期から大きく外れた周期的変化を含まない。ところで、大人の呼吸数は、毎分５〜３０回程度の範囲にあるが、幼児の場合にはさらに呼吸数が多くなる傾向がある。
【００７４】
さらに、監視装置３０１は、検出された人物３０２の形状変化に基づいて、人物３０２の状態を判断するように構成される。人物３０２の状態とは、例えば正常な呼吸をしている、異常な呼吸をしており危険である、体動例えば寝返りを打っている、移動例えば着床、離床しようとしている等といった状態である。
【００７５】
一方、人物３０２の腹部周辺直上には、輝点投影装置１０によりパターン３１０ａが投影された人物３０２を撮像するための撮像手段としての撮像装置１１が設置されている。パターン３１０ａは、図１で説明したパターン１０ａと同様なものである。また人物３０２のおよそ頭部又は足部上方には（図示は頭部上方の場合）、輝点投影装置１０が設置され、人物３０２のおよそ腹部上の寝具３０３を中心に照明している。照明される範囲は、人物３０２の腹部、胸部、背部、及び肩部が、就寝中に取りうる位置を網羅する範囲に設定するとよい。同様に、撮像装置１１による撮影領域の範囲も設定するとよい。また、輝点投影装置１０は、典型的には、その光軸（レーザ光束の投射方向）を、およそ撮像装置１１の光軸と平行方向に向けて設置するが、図示のように傾けて設置してもよい。この場合には、例えば撮像装置１１と輝点投影装置１０との距離を離して設置することが容易に行なえる。
【００７６】
さらに、撮像装置１１と輝点投影装置１０とは、撮像装置１１と輝点投影装置１０を結ぶ軸と、ベッド３０６の中心線がおよそ平行になるように設置する。さらに輝点投影装置１０により投影されるパターン３１０ａの楕円輝点の長軸の方向は、ベッド３０６の中心線と垂直方向とする。即ち、楕円輝点の長軸の方向は、撮像装置１１と輝点投影装置１０を結ぶ直線方向（基線方向）と垂直な方向である。また、撮像装置１１と輝点投影装置１０とは、ある程度距離を離して設置するとよい。このようにすることで、図１で前述した距離ｄ（基線長ｄ）が長くなるので、変化を敏感に検出できるようになる。検出した各輝点位置での高さ又は高さの変化を合算することで、対象物全体即ち人物３０２全体の高さ又は高さ変化に関る量（周期的変化）が得られると同時にランダムノイズを低減することができる。撮像装置１１と輝点投影装置１０との設置場所は、例えば天井に設置するとよい。このように設置することで、人物３０２の周期的変化即ち呼吸を敏感に検出することができる。また、本実施の形態では、撮像装置１１と輝点投影装置１０との設置場所は、天井としているが、例えばスタンドに取り付けてもよい。このようにすることで、監視装置３０１（特に撮像装置１１と輝点投影装置１０）の設置が容易になり、例えば、病院等で必要なときに必要な場所に設置できるので、簡便である。
【００７７】
また、監視装置３０１では、高さ計測装置１の一次元位置検出装置２１（図１参照）は、撮像素子１５（図１参照）により得られた所定時間間隔の２つのパターン像の差分像を生成するように構成してもよい。この場合には、一次元位置検出装置２１は、例えば、撮像素子１５ａのリニアセンサ１５０ａ（図２参照）の各画素毎の差を取ることにより差分像を生成するようにするとよい。この場合、高さ計測装置１の高さ演算部２２は、高さ変化を演算することになる。このようにすると、後述の演算部３２２による時間変化の演算を一次元位置検出装置２１で行なうことができるので装置を単純化できるだけでなく、処理の高速化が図れる。所定時間間隔とは、人物３０２の細かい周期的変化即ち人物３０２の呼吸を監視するのに十分な間隔であり、例えば２〜５フレーム／秒程度であるが、さらに速く例えば１０フレーム／秒以上であってもよい。撮像装置１１は、差分像を生成することにより、例えば太陽光により、人物３０２以外の物による陰影が人物３０２にかかっていたり、外乱光による照明強度が、人物３０２の部分部分でばらつきがあったりしていても、そのような陰影やばらつきの影響を排除できる。この場合、差分を取る２つのパターン像のうち、一方を参照像と解することができる。
【００７８】
また差分像を生成する場合には、撮像装置１１は、例えば撮像素子１５ａのリニアセンサ１５０ａとして動体検出素子を用いてもよい。動体検出素子は、例えばリニアセンサ１５０ａの各画素で、フレームの画素値を記憶し、１フレームずれた最新のフレームの画素値との差を取り、その差を閾値処理して値を出力する機能（２値化処理機能）を持った素子で、信号伝達過程でのノイズの影響を受けることなく、楕円輝点が移動した差分像を生成することができる。
【００７９】
さらに差分像を生成する場合は、撮像装置１１に、例えば上述の動体検出素子を用いた場合でも、レーザ光Ｌ１は、継続的に照射してもよい。即ち、パターン３１０ａを継続的に照射してもよい。
【００８０】
図１８を参照して、監視装置３０１の構成の一例を説明する。監視装置３０１は、第１の実施の形態で説明した高さ計測装置１と、制御装置３２０とを含んで構成される。そして高さ計測装置１は、制御装置３２０に接続されており、高さ計測装置１から人物３０２の高さを取得できるように構成されている。また高さは、高さ計測装置１から時系列的に取得するように構成するとよい。制御装置３２０は、例えばパソコンやマイコン等のコンピュータである。
【００８１】
制御部３２１には、記憶部３２４が接続されている。記憶部３２４は、高さ計測装置１より時系列的に取得した高さを記憶するようにするとよい。また記憶部３２４には算出された情報等のデータが記憶できる。さらに記憶部３２４内には、人物３０２の正常な呼吸パターン及び異常な呼吸パターンを保存する呼吸パターン保存部３２６が備えられている。正常な呼吸パターン及び異常な呼吸パターンについては、図２０参照して後で説明する。
【００８２】
また制御部３２１には、監視装置３０１を操作するための情報を入力する入力装置３２７、監視装置３０１で処理された結果を出力する出力装置３２８が接続されている。入力装置３２７、出力装置３２８は、第２の実施の形態で説明した入力装置３２７、出力装置３２８と同様なものである。また制御部３２１には、外部と通信するためのインターフェイス２２９が備えられている。インターフェイス３２９は、第２の実施の形態で説明したインターフェイス２２９と同様なものである。
【００８３】
さらに、制御部３２１には、監視装置３０１に異常が発生した場合に作動するように構成された警報装置３９０を有する。警報装置３９０は、例えば検出処理部３２３により人物３０２が危険な状態にあると判断された場合即ち人物３０２に異常が発生した場合や、監視装置３０１の故障等の異常が発生した場合に作動するように構成するとよい。このようにすることで、人物３０２に発生した異常に対して迅速に対応できるので、信頼性を高めることができる。制御装置３２０は、警報装置３９０が作動した場合に、インターフェイス３２９を介して、異常の発生を外部に通報するように構成するとよい。本図では、警報装置３９０は、外付けとして図示してあるが内蔵としてもよい。
【００８４】
また制御部３２１内には、高さ計測装置１から出力される高さの時間変化を演算する演算装置としての演算部３２２を備えている。高さ計測装置１から出力される高さは、過去一定回数取得した、または過去一定期間内に取得した距離の移動平均値、または期間平均値としてもよい。このようにすることで、ランダムノイズや窓から差し込む日光のちらつきなどによる突発的なノイズが軽減でき、ピーク位置の誤判定やゼロクロス位置（符号が反転する交点）の誤判断を軽減することができる。
【００８５】
また、時間変化を演算するとは、高さ計測装置１より一定時間間隔で高さを取得することにより、高さ計測装置１より取得された高さと、記憶部３２４に時系列的に保存された高さとの差を取ることにより得られる人物３０２の形状変化を抽出することである。これは、例えば人物３０２の呼吸、体動、移動を抽出することである。これにより、抽出された人物３０２の呼吸は、波形パターンを形成する。
図１９は、呼吸の波形パターンの例を示した図である。
【００８６】
さらに制御部３２１内には、検出処理装置としての検出処理部３２３が備えられている。検出処理部３２３は、演算部３２２により演算された時間変化に基づいて人物３０２の形状変化を検出するように構成されている。即ち人物３０２の呼吸、体動、移動を検出するように構成されている。
【００８７】
さらに検出処理部３２３は、基準高さと、計測高さとに基づいて、人物３０２の対象領域としてのベッド３０６上の存在の有無の判断、即ち人物３０２の在床の判断を行なうように構成されている。基準高さは、例えば人物３０２が存在しない時点の高さ、計測高さは、高さ計測装置１により計測した高さ、言い換えれば計測した最新の高さである。即ち、人物３０２が存在しない時点の高さと、高さ計測装置１により計測した高さとに基づいて、人物３０２の在床の判断を行なうように構成されている。
【００８８】
また検出処理部３２３は、検出された形状変化中の周期的変化（人物３０２の呼吸）が一定時間検出された後に、人物３０２が対象領域としてのベッド３０６上の存在の有無の判断、即ち人物３０２の在床を判断するように構成してもよい。また監視装置３０１は、人物３０２の在床を判断したことを条件に、人物３０２の危険状態の判断を開始するようにしてもよい。一定時間は、呼吸を安定して検出できる時間であり、例えば３０〜１２０秒、より好ましくは、３０〜９０秒である。なお、存在の有無の判断は、ベッド又はその周囲に存在する対象物即ち人物３０２により荷重がかかる部分に感圧センサを配置することにより、この感圧センサからの出力に基づいて判断するようにしてもよい。
【００８９】
また、検出処理装置３２３は、検出された形状変化中の推移的変化を検出した後に、周期的変化を検出することがなく、一定時間以上、推移的変化及び周期的変化を共に検出できない状態になったとき、対象物が対象領域の外に出た、即ち人物３０２が離床したと判断するように構成するとよい。前記一定時間は、例えば１〜３分程度である。例えば、体動、移動を検出した後、実際に人物３０２が離床した場合には、時間変化の値は、徐々に下がってくるため、変化量だけで見ていると、呼吸を検出する範囲になる時間があり、そしてその後何も検出されなくなる。このため、離床の判断を、推移的変化及び周期的変化を共に検出できない状態になったときとしている。但し、このようになる前に、呼吸が検出されていれば、体動又は移動を検出した後に、安静状態となっていることを意味しているから、その後呼吸、体動、移動がなくなれば、危険な状態であると判断しなければならない。
【００９０】
また検出処理装置３２３は、検出された人物３０２の形状変化に基づき、周期的変化の周期を監視するように構成してもよい。即ち、検出処理装置３２３は、検出された人物３０２の呼吸、体動、移動に基づき、人物３０２の呼吸の周期を監視するように構成されている。さらに、検出処理装置２３は、呼吸の周期から呼吸数を監視するように構成してもよい。ここで、呼吸数を監視することも、周期を監視する概念に含まれるものとする。また検知処理部３２３は、検出された形状変化中の周期的変化の周期及び振幅のいずれか一方又は両方に基づいて、人物３０２の呼吸を監視するように構成してもよい。
【００９１】
さらに、検知処理部３２３は、検出された形状変化に基づいて人物３０２の状態を判断する。例えば、短時間に呼吸パターンの持つ周期が乱れた場合又は、呼吸パターンの持つ周期が急激に変化した場合には、例えば、自然気胸、気管支喘息などの肺疾患、うっ血性心不全などの心疾患、または、脳出血などの脳血管疾患であると推測できる。また、呼吸パターンの消失が続いた場合には、人物３０２の呼吸が停止したと推測できる。そして、短時間に呼吸パターンではなく人物３０２の体動が頻出した場合には、人物３０２が何らかの理由で苦しんで暴れているような状況が推測できる。このようなことを考慮して、人物３０２の状態を判断するように設定するとよい。
【００９２】
また、人物３０２の体動や移動の検出は、時間変化から呼吸のみを検出した場合に比べて、時間変化が遥かに大きく変動するので、容易に検出することができる。この場合には、さらに検知処理部３２３は、高さの時間変化をベッド３０６上の各箇所毎に検出することより、人物３０２が、例えば寝返り等その場で動いているのか、例えばベッドから起き上がる等の移動をしているのかを検出することもできる。また、人物３０２が痙攣のような周期的で小さい動きをした場合でも、その波形パターンから異常を判断することができる。このような場合には、さらに痙攣している状態の波形パターンを記憶部３２４に保存しておくことで、人物３０２が痙攣している状態と判断することもできる。
【００９３】
図２０を参照して、正常及び異常な呼吸パターンの例を説明する。記憶部３２４内の呼吸パターン保存部３２６に保存されている正常な呼吸パターンは、図２０（ａ）に示したような、周期的なパターンである。ただし、大人の場合には、１分間の呼吸数として正常な範囲は、１０〜２０回程度である。呼吸パターン保存部３２６に保存されている異常な呼吸パターンは、例えば、チェーン−ストークス（Ｃｈｅｙｎｅ−Ｓｔｏｋｅｓ）呼吸、中枢性過換気、失調性呼吸、カスマウル（Ｋｕｓｓｍｕｌ）の大呼吸など、生理学的に体内に障害が発生している場合に生じると考えられている呼吸パターンである。
【００９４】
図２０（ｂ）に、Ｃｈｅｙｎｅ−Ｓｔｏｋｅｓ呼吸の呼吸パターンを、図２０（ｃ）に中枢性過換気の呼吸パターンを、図２０（ｄ）に失調性呼吸の呼吸パターンをそれぞれ示す。
さらに図２１に、上記の異常な呼吸パターンが発生した場合の、病名または疾患箇所について示す。
【００９５】
検知処理部３２３は、それぞれの呼吸パターンの呼吸の周波数、出現回数、深浅が異なることを利用して、人物３０２の呼吸パターンが上記のいずれの呼吸パターンに属するかを判別し、人物３０２の状態を判断するようにするとよい。
【００９６】
さらに検知処理部３２３は、人物３０２の呼吸が、生理学的に体内に障害が発生している湯合に生じると考えられている呼吸パターンに属すると判定した場合に、人物３０２が異常な呼吸をしており危険な状態にあると判断する。生理学的に体内に障害が発生している湯合に生じると考えられている呼吸パターンとは、例えば図２０で説明した呼吸パターンである。このように判断された人物３０２の状態は、例えば、制御部３２１により出力装置３２８や警報装置２９０に出力される。また出力される内容は、検出された人物３０２の呼吸数や動きの頻度、異常な呼吸パターンの名称やその呼吸の原因となると考えられる病名、疾患器官、疾患箇所などである。
【００９７】
以上のような第３の実施の形態によれば、人物３０２の呼吸を確実に検出することができ、人物３０２の状態を判断することができる。さらに、簡易な装置で高速処理が可能である。また監視装置３０２は、高さ計測装置１を用いることで、単純な装置で、人物３０２の姿勢や外乱光に対して影響を受けることなく人物の呼吸を確実に検出することができる。これにより、監視装置３０２は、高齢者や病人が危機的状況に陥った場合に、迅速な救急対応の実現が可能になる。
【００９８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、対象領域内に存在する対象物の高さを計測する高さ計測装置において、前記対象領域に、楕円の長軸と交差する直線上に配列された、複数の楕円輝点を投影する楕円輝点投影手段と、前記投影により形成されたパターンを撮像する撮像手段と、前記撮像されたパターン像と参照像とに基づいて三角法の原理に基づいて前記対象物の高さ又は高さ変化に関る量を演算する高さ演算部とを備え、前記撮像手段は、前記直線方向であって、前記三角法の基線方向と一致する方向の一次元像を撮像し、前記一次元像の撮像領域は前記複数の楕円が配列された直線とほぼ一致しているので、単純であるだけでなく、高速処理が可能な高さ計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である高さ計測装置の概念的斜視図である。
【図２】図１の場合の撮像素子の例を示す模式的平面図である。
【図３】図２の場合の撮像素子を説明する図であり、（ａ）リニアセンサを用いた場合を説明する模式的平面図、（ｂ）位置検出素子アレイを用いた場合を説明する模式的平面図である。
【図４】図２の場合の撮像素子にＣＣＤ撮像素子を用いた場合を説明する模式的平面図である。
【図５】図１の場合の結像面に結像したパターンの像を説明する模式図である。
【図６】図１の場合の、（ａ）撮像素子上に結像したパターンの像を説明する模式図、（ｂ）複数の一次元像を説明する模式図である。
【図７】図６の場合の一次元像上での楕円輝点の移動量を説明する模式図である。
【図８】図１の場合の対象物の高さの演算について説明する線図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態で用いる輝点投影装置により投影されるパターンの別の例を示す模式図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態である輝点投影装置の模式的斜視図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態である輝点投影装置を説明する模式的斜視図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態であるグレーティングについて説明する斜視図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態である監視装置の模式的斜視図である。
【図１４】図１３の場合の高さ計測装置の模式的斜視図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態である監視装置を浴室に取り付けた場合を説明する模式的斜視図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態である監視装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態である監視装置の模式的斜視図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態である監視装置の構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明の実施の形態で用いる、呼吸の波形パターンについて示した概要図である。
【図２０】図１９の場合の、正常及び異常な呼吸の波形パターンについて示した概要図である。
【図２１】図２０の場合の、異常な呼吸の波形パターンに対応する病名または疾患箇所の表を示した図である。
【符号の説明】
１　高さ計測装置
２　平面
３　物体
１０　輝点投影装置
１０ａ　パターン
１０ｂ　楕円輝点
１１　撮像装置
１４　制御装置
１５　撮像素子
１５ａ　撮像素子（リニアセンサ使用）
１５ｂ　撮像素子（ＰＳＤ使用）
１５ｃ　撮像素子（二次元ＣＣＤ素子使用）
２１　一次元位置検出装置
２２　高さ演算部
１０５　光束発生部
１１０　グレーティング
１１０ａ　パターン
１１１　光ファイバー
１１２　第１ＦＧ素子
１１３　第２ＦＧ素子
１５０　一次元受光素子アレイ
１５０ａ　リニアセンサ
１５０ｂ　一次元ＰＳＤアレイ
１５０ｃ　走査線（選択したもの）
２０１　監視装置
２２２　監視部
３０１　監視装置
３２２　演算部
３２３　検出処理部

Claims (4)

1. 対象領域内に存在する対象物の高さを計測する高さ計測装置において；
   前記対象領域に、楕円の長軸と交差する直線上に配列された、複数の楕円輝点を投影する楕円輝点投影手段と；
   前記投影により形成されたパターンを撮像する撮像手段と；
   前記撮像されたパターン像と参照像とに基づいて三角法の原理に基づいて前記対象物の高さ又は高さ変化に関る量を演算する高さ演算部とを備え；
   前記撮像手段は、前記直線方向であって、前記三角法の基線方向と一致する方向の一次元像を撮像し、前記一次元像の撮像領域は前記複数の楕円が配列された直線とほぼ一致している；
   高さ計測装置。
2. 前記楕円輝点投影手段は、前記楕円輝点の配列された直線を、ほぼ平行に複数有する、請求項１に記載の高さ計測装置。
3. 前記楕円輝点の長軸と前記三角法の基線方向は、ほぼ垂直である、請求項１または請求項２に記載の高さ計測装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の高さ計測装置を備え；
   前記計測された対象物の高さ又は高さ変化に関る量に基づいて、前記対象物を監視するように構成された；
   監視装置。

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