JP2004096457A - 領域監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物が対象領域の外へ出ようとする動きを検出できるだけでなく、単純な領域監視装置を提供する。
【解決手段】対象領域内の３次元情報を取得する３次元センサ１０と、前記取得した３次元情報に基づいて、前記対象領域内の高さの変化を検出する高さ変化検出手段２２と、前記検出された高さの変化に基づいて、対象物２の位置を検出する位置検出手段２３と、対象物２が前記対象領域の外へ出ようとする動きを監視する動き監視手段２４とを備え、動き監視手段２４は、前記検出された対象物２の位置が、前記対象領域内の特定の領域であるときであって、対象物２の高さの変化が所定量以上であるときに前記対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成される領域監視装置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、領域監視装置に関し、特に対象領域内から外に出ようとする動きを監視できる領域監視装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
介護施設、例えば老人ホーム等では、入所者が夜中にベッドから出ようとして落下し、足の骨を折る等の事故が発生している。また病院でも、例えば手術後に患者が麻酔から覚めたとき、その痛みからベッド上で激しく動いて落下する場合もある。さらに、幼児がベッドから落下する場合もある。このような事故に対して逸早く対応するために、従来から、荷重センサまたは圧力センサにより検出した圧力分布の時間推移に基づき、ベッド上の人物の状態を監視する装置が提案されている。
【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、例えば人物がベッド上から居なくなった（離床した）ことは検出できるが、ベッド上からの落下、あるいは落下しそうな動きを検出することが難しかった。言い換えれば、落下を予測することが難しかった。さらに、測定される信号が微小であることから、安定した信号を取得し検出するためには、高性能な信号増幅器や何らかの信号処理が必要であり、システムとして複雑かつ大掛かりなものになっていた。
【０００４】
そこで本発明は、対象物が対象領域の外へ出ようとする動きを検出できるだけでなく、単純な領域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に係る発明による領域監視装置１は、例えば図１、図２に示すように、対象領域内の３次元情報を取得する３次元センサ１０と；前記取得した３次元情報に基づいて、前記対象領域内の高さの変化を検出する高さ変化検出手段２２と；前記検出された高さの変化に基づいて、対象物２の位置を検出する位置検出手段２３と；対象物２が前記対象領域の外へ出ようとする動きを監視する動き監視手段２４とを備え；動き監視手段２４は、前記検出された対象物２の位置が、前記対象領域内の特定の領域であるときであって、対象物２の高さの変化が所定量以上であるときに前記対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成される。
【０００６】
また、上記領域監視装置１は、前記対象領域と周辺との境界に設けられた、前記対象領域よりも一段高い境界区画部材を備えるとよい。このように構成すると、例えば対象物２が不用意に対象領域の外へ出てしまうことを防ぐことができるだけでなく、対象物２が対象領域の外に出る際に、高さ変化が大きくなる。
【０００７】
このように構成すると、３次元センサ１０と、高さ変化検出手段２２と、位置検出手段２３とを備えているので、対象物２の位置を検出できるので、単純な領域監視装置とすることができる。さらに、動き監視手段２４を備え、動き監視手段２４は、前記検出された対象物２の位置が、前記対象領域内の特定の領域であるときであって、対象物２の高さの変化が所定量以上であるときに前記対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成されるので、例えば対象物が柵を乗り越えようとする動きを検出することで、対象物が対象領域の外へ出ようとする動きを検出できるだけでなく、単純な領域監視装置を提供することができる。
【０００８】
また請求項２に記載のように、請求項１に記載の領域監視装置１では、動き監視手段２４は、対象物２の高さの変化が所定量以上であって、さらに前記所定量以上の高さの変化の領域が所定の面積以上であるときに前記対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成することが好ましい。
【０００９】
このように構成すると、例えば、対象物の位置が特定の領域であるときに、対象物２の高さの変化が所定量以上ある領域がごく一部であっても、対象領域の外へ出ようとする動きを検出してしまうことを防ぐことが出来るので、前記動きの監視の信頼性が増す。
【００１０】
また請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の領域監視装置１では、動き監視手段２４は、対象物２の移動を検出できるように構成され；対象物２の位置が前記特定の領域にあり、その位置に至る直前の対象物２の移動速度が所定の閾値を超えているときに、前記対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成してもよい。
【００１１】
このように構成すると、例えば、対象物２が、急に特定の領域に入り、そのまま対象領域の外へ出ようとする場合であっても、逸早く対象領域の外へ出ようとする動きを検出することができる。
【００１２】
また請求項４に記載のように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の領域監視装置１では、位置検出手段２３は、前記検出された高さ変化に基づいて、対象物２の存在する存在領域を判定し、前記判定された存在領域を含む領域であって、前記存在領域を所定の範囲だけ拡大した領域を算出し、前記拡大された領域を優先して、対象物２の位置の検出を行なうように構成するとよい。
【００１３】
このように構成すると、例えば、対象物２の存在する可能性が高い領域から対象２の位置の検出を行なうので、対象物２の位置の検出に要する時間を短縮でき、処理の高速化が図れる。
【００１４】
また請求項５に記載のように、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の領域監視装置１では、例えば図７に示すように、３次元センサ１０１は、前記対象領域に、輝線又は、複数の輝点を投影する投影手段１１０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１１１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により前記対象物の高さを演算する高さ演算部１１８とを備える。
【００１５】
このように構成すると、３次元センサ１０１は、投影手段１１０により前記対象領域に投影された輝線又は、複数の輝点により形成されたパターンを、撮像手段１１１により撮像し、高さ演算部１１８により、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により前記対象物の高さを演算するので、単純でありながら正確に対象物の高さを測定できる。また、パターンを輝線とした場合には、例えば、輝線方向の連続的な高さを測定できる。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１は、本発明による実施の形態である領域監視装置としての落下予測装置１の模式的外観図である。落下予測装置１は、対象領域内の３次元情報を取得する３次元センサ１０と、演算装置２０とを含んで構成される。また落下予測装置１は、対象領域を監視するように構成されている。本実施の形態では、対象物は、人物２である。また本実施の形態では、対象領域は、周辺より高さのある対象領域であり、典型的にはベッド３上である。また、３次元センサ１０は、対象領域内に複数の測定点を有しており、各測定点での高さを測定できるものである。また本実施の形態では、３次元情報は、ベッド３上の複数存在する測定点の座標と、各点で測定された高さである。言い換えれば、３次元情報は、ベッド３上での高さ分布である。また、３次元情報から対象領域を検出するようにしてもよい。この場合には、まず対象領域を含む領域の３次元情報を取得し、この３次元情報に基づいて、周辺より高さのある対象領域即ちベッド３上を検出するように構成する。ベッド３の上面は、周辺より高いので、３次元情報から容易に検出できる。このようにすることで、落下予測装置１を設置する際の環境設定作業が単純になり、設置が容易になる。また、対象領域の検出は、３次元情報に基づいて、後述の柵６を検出することにより、検出してもよい。
【００１８】
図中ベッド３上に、人物２が横たわって存在している。また、人物２の上には、さらに寝具４がかけられており、人物２の一部と、ベッド３の一部とを覆っている。この場合には、３次元センサ１０は、寝具４の上面の高さ分布を取得している。また寝具４を使用しない場合には、３次元センサ１０は、人物２そのものの高さ分布を取得する。また、ベッド３には、対象領域と周辺との境界に設けられた、対象領域よりも一段高い境界区画部材としての柵６が備えられている。柵６は、例えば人物２が転がり落ちることを防ぐための落下予防手段でもある。柵６は、ベッド３の両側面３ａに取り付けられている。柵６は、人物２が例えば寝返りにより転がり落ちない程度の高さ例えばベッド３上面から２０〜５０ｃｍ程度の高さを有したものである。さらにベッド３は、両端部に、ベッド３の上面より高く形成された端板３ｂが形成されている。
【００１９】
また、ベッド３の上部には、３次元センサ１０が配置されている。３次元センサ１０については後で詳述する。３次元センサ１０と演算装置２０とは電気的に接続されている。なお、図示では、３次元センサ１０と演算装置２０とは別体として示してあるが、一体に構成してもよい。このようにすると、落下予測装置１を小型化することができる。
【００２０】
図２のブロック図を参照して、落下予測装置１の構成例について説明する。３次元センサ１０は、演算装置２０に接続されており、取得した３次元情報を演算装置２０に出力するように構成されている。また演算装置２０は、３次元情報を３次元センサ１０から時系列的に取得するように構成するとよい。演算装置２０は、例えばパソコンやマイコン等のコンピュータである。また、演算装置２０は落下予測装置１を制御する制御部２１を有している。
【００２１】
制御部２１には、記憶部３１が接続されている。記憶部３１は、３次元センサ１０より時系列的に取得した３次元情報を記憶するようにするとよい。また記憶部３１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３１は、図３で後述する特定の領域を予め登録する特定領域登録部３２を有している。
【００２２】
また制御部２１には、落下予測装置１を操作するための情報を入力する入力装置３５、落下予測装置１で処理された結果を出力する出力装置３６が接続されている。入力装置３５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３６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３５、出力装置３６は演算装置２０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３５は、例えば対象領域内の監視（落下予測）の開始や解除を行なえるスイッチ、出力装置３６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、落下予測装置１を単純に構成できる。特に、３次元センサ１０と演算装置２０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、落下予測装置１を、より単純で小型なものとすることができる。
【００２３】
制御部２１内には、３次元センサ１０より取得した３次元情報に基づいて、対象領域内の高さの変化を検出する高さ変化検出手段としての高さ変化検出部２２と、高さ変化検出部２２により検出された高さの変化に基づいて、人物２の位置を検出する位置検出手段としての位置検出部２３と、人物２が対象領域の外へ出ようとする動きを監視する動き監視手段としての落下予測部２４とが備えられている。位置検出部２３により検出する人物２の位置は、例えば人物２の存在する領域の位置であり、人物２の存在領域の位置は、典型的には人物２の存在領域の重心位置である。
【００２４】
高さ変化検出部２２による高さの変化の検出は、３次元センサ１０から取得した３次元情報と、記憶部３１に時系列的に保存された３次元情報との差分を算出することにより対象領域内の各測定点での高さの変化を検出する。言い換えれば、取得した最新の３次元情報と、過去に取得した３次元情報との差分を取ることにより対象領域内の各測定点での高さの変化を検出する。過去に取得した３次元情報は、典型的には最新の３次元情報より１つ前（過去）に取得した３次元情報である。なお、この場合、３次元情報は、３次元センサ１０から一定時間間隔で取得するようにする。３次元情報の取得間隔は、例えば０．１〜３秒程度、好ましくは０．１〜０．５秒程度とするとよい。また、より短い時間で３次元情報を取得し、平均化またはフィルタリングの処理を行なうことで、例えばランダムノイズの影響を低減できるので有効である。また、取得間隔は、比較的長めな時間、例えば５〜２０秒程度としてもよい。この場合には、例えば人物２の起き上がりの動きを検出しやすくなる。
【００２５】
また、３次元センサ１０から取得した３次元情報又は高さ変化は、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値の移動平均値、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。
【００２６】
また、位置検出部２３は、高さ変化検出部２２により検出された高さ変化に基づいて、人物２の存在する存在領域を判定し、前記判定された存在領域の重心位置を人物２の位置とするように構成するとよい。このようにすることで、人物２の位置を、面積のある領域ではなく、点で検出することができるので、人物２の僅かな動きを比較的敏感に検出することができる。
【００２７】
存在領域の判定は、例えば、任意の測定点の高さ変化に注目し、高さ変化が閾値以上であれば、この注目点から所定の範囲にある点で、高さ変化が閾値以上であり、変化の方向が注目位置と同じである測定点の数を計数し、そしてその数が所定の値以上であれば、この範囲を存在領域と見なすようにする。
【００２８】
さらに、位置検出部２３は、判定された存在領域を含む領域であって、存在領域を所定の範囲だけ拡大した領域を算出し、その拡大された領域を優先して、人物２の位置の検出を行なうように構成してもよい。本実施の形態では、３次元センサ１０による３次元情報の取得間隔は、人物２の動きと比較して十分短時間に設定されているので、人物２がこの取得間隔の間に大きく移動することはなく、次に人物２の位置を検出する際にも、人物２がほぼ同じ位置あるいは隣接した領域に存在すると考えられる。このため、存在領域を所定の範囲だけ拡大した領域を優先して人物２の位置の検出を行なう方法が有効である。このようにすることで、人物２が存在する可能性が高い領域を優先して、人物２の位置を検出するので、人物２の探索時間が短縮でき、処理の高速化が図れる。
【００２９】
ここで、落下予測部２４について説明する。落下予測部２４は、前述の通り、人物２が対象領域の外へ出ようとする動きを監視するものである。ここでは、人物２が対象領域の外へ出ようとする動きを監視するとは、例えば、人物２のベッド３上からの落下の予測や、ベッド３上から落下したことを検出することである。さらに、落下予測部２４は、位置検出部２３により検出された人物２の位置が、対象領域内の特定の領域であるときであって、人物２の高さの変化が所定量以上であるときに対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成されている。言い換えれば、人物２の落下を予測するように構成される。以下、対象領域の外へ出ようとする動きを検出することを、落下を予測するという。またここで、特定の領域とは、典型的には、対象領域即ちベッド６上の周縁部とその近傍の領域である（以下、これらを区別しないときには単にベッド３上の周縁部という）。落下予測部２４は、人物２の落下を予測したときには、警報信号を出力するように構成される。警報信号は、典型的には後述の警報装置３８へ出力される。
【００３０】
図３に、特定領域の例を示す。また、特定領域は、（ａ）のように、ベッド３上の周縁部全体に設定することが好ましいが、（ｂ）に示すように、ベッド３上周縁部の特に落下が発生しやすい箇所、例えばベッド３上の両側面側のみとしてもよい。このようにすると、落下が発生しやすい箇所のみを特定領域とすることができるので、効率の良い落下予測ができる。
【００３１】
本実施の形態では、人物２がベッド３から落下するような場合には、柵６があるため、寝返り等によりそのまま落下（転落）することはなく、例えば柵６や端板３ｂを乗り越えて落下するか、起き上がって柵６の無い部分から落下する。即ち落下する前には、ベッド３の周縁部で必ず寝返り等の小さな体動よりも大きな高さ変化が検出されることになる。このため、落下の予測の基準を、人物２の位置が特定領域即ちベッド３上の周縁部であり、さらに高さ変化が所定量、典型的には一定以上としている。ここで、一定以上の高さ変化とは、例えば人物２が起き上がるときに検出される高さ変化以上の高さ変化であり、例えば３００〜７００ｍｍ程度に相当する高さ変化以上の高さ変化である。
【００３２】
落下予測部２４は、人物２が対象領域内から落下を検出するように構成される。落下予測部２４は、落下を予測した後に、対象領域内で高さ変化が検出されなくなったときには、人物２が対象領域内からの落下を検出する。即ち、人物２がベッド３上から落下したことを検出するように構成される。落下予測部２４は、人物２の落下を検出したときには、警報信号を出力するように構成される。警報信号は、典型的には後述の警報装置３８へ出力される。
【００３３】
また、落下予測部２４は、人物２の高さの変化が一定以上であって、さらに前記一定以上の高さの変化の領域が所定の面積以上であるときに人物２の落下を予測するように構成するとよい。前述したように、人物２がベッド３上から落下しそうな場合には、必ず周縁部で寝返り等の小さな体動よりも大きな高さ変化が検出されることになる。さらに、この大きな高さ変化は、人物２が起き上がるような動きをしていれば、例えば人物２の頭部、胴部の断面積程度の面積以上で検出されることになる。このため、落下の予測を、さらに一定以上の高さ変化の領域が所定の面積以上であるときとしている。所定の面積は、典型的には、標準的な人物２の頭部の断面積程度である。このようにすることで、落下に至らないような小さな領域での動き、例えば就寝中の人物２がベッド３の周縁部の位置に存在するときに、腕だけを挙げたような動きだけでも落下を予測してしまう（警報が発せられる）ことを防ぐことが出来るので、落下予測の信頼性が増す。
【００３４】
また、落下予測部２４は、人物２の移動を検出できるように構成するとよい。なお、移動の検出は、移動の有無の検出の他、移動の方向、速度、距離の検出を含むものとする。さらに、落下予測部２４は、人物２の位置が特定の領域にあり、その位置に至る直前の人物２の移動速度が所定の閾値を超えているときに人物２の落下を予測するように構成するとよい。人物２が、急に特定領域に入り、そのまま落下するケースがある。このような場合には、逸早く落下を予測する必要がある。このため落下予測部２４は、人物２が、所定の閾値を超えている移動速度で、特定の領域に入ったときに、人物２の落下を予測するように構成している。所定の閾値は、例えば２〜５ｋｍ／ｈ程度とするとよい。
【００３５】
さらに、制御部２１内には、高さ変化検出部２２により検出した高さの変化に基づいて、人物２の状態を検出する状態検出部２５が備えられている。人物２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等といった状態である。さらに、状態検出部２５は、高さ変化検出部２２により検出した高さの変化に基づいて、人物２の呼吸を検出するように構成される。
【００３６】
状態検出部２５による呼吸の検出は、高さ変化検出部２２により検出した高さ変化の周期的変化の振幅と周期（周波数）の両方又はいずれか一方に所定の上限下限の閾値を設定し、この閾値と比較して呼吸か否かを判定し、呼吸を検出する。周期の上限下限の閾値は、例えば人物の呼吸の周期を含む範囲、例えば、下限を毎分５サイクル、上限を毎分６０サイクルに設定するとよい。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。また同様に、振幅の上限下限の閾値は、例えば人物の呼吸の振幅を含む範囲、例えば、下限を１ｍｍ、上限を２０ｍｍ程度の高さ変化に相当する値に設定するとよい。これにより、検出された人物２の呼吸は、波形パターンを形成する。
図４は、呼吸の波形パターンの例を示した図である。
【００３７】
また状態検出部２５は、人物２の呼吸が一定時間検出された後に、人物２がベッド３上の存在の有無の検出、即ち人物２の在床を検出するように構成してもよい。また落下予測装置１は、人物２の在床を検出したことを条件に、人物２の落下の予測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。
【００３８】
さらに、状態検出部２５による人物２の状態の検出は、以下のようなことを考慮して、検出するようにするとよい。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２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２の体動が頻出した場合には、人物２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。
【００３９】
また、人物２の体動の検出は、高さ変化から呼吸のみを検出した場合に比べて、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。このため、状態検出部２５は、位置検出部２３より検出した人物２の位置により、人物２が、例えば寝返り等その場で動いているのか、ベッドから起き上がる等の大きい動きをしているのかを検出することもできる。また、人物２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検出することができる。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３１に保存しておくことで、そのパターンと比較することで人物２の痙攣している状態と検出することもできる。
【００４０】
図５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。正常な呼吸パターンは、図５（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。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。
【００４１】
図５（ｂ）に、Ｃｈｅｙｎｅ−Ｓｔｏｋｅｓ呼吸の呼吸パターンを、図５（ｃ）に中枢性過換気の呼吸パターンを、図５（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６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。
【００４２】
状態検出部２５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２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２の状態を検出するようにするとよい。また以上のような呼吸パターンを、記憶部３１に保存しておくとよい。このようにすることで、これらのパターンと比較することで人物２の呼吸が正常であるか否かの検出が容易に行なえる。
【００４３】
さらに状態検出部２５は、人物２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２が異常な呼吸をしており危険な状態にあることを検出する。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５で説明した呼吸パターンである。このように検出された人物２の状態は、例えば、制御部２１により出力装置３６や警報装置３８に出力される。また出力される内容は、検出された人物２の呼吸数（周期）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。
【００４４】
さらに、演算装置２０は、警報を発する警報装置３８を備える。警報装置３８は、警報信号を入力することで、警報を発するように構成される。警報装置３８は、例えば落下予測部２４により人物２の落下が予測されたときや、落下が検出されたとき、あるいは状態検出部２５により人物２が危険な状態にあることを検出したとき、落下予測装置１に故障等の異常が発生したときに警報を発するように構成するとよい。また、警報装置３８は、入力した警報信号に応じて、異なる種類の警報を発するように構成される。具体的には、例えば、入力した警報信号の種類毎に異なる警報を設定する。これにより、装置の使用者（管理者）が、発せられた警報により、例えば人物２の落下が予測されたことを認知できる。このようにすることで、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。また、演算装置２０は、警報装置３８が作動した場合に、インターフェイス３７を介して、警報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３８は、外付けとして図示してあるが内蔵としてもよい。
【００４５】
また演算装置２０は、外部と通信するためのインターフェイス３７が備えられている。インターフェイス３７は、例えば警報装置３８により警報が発せら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３７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、例えば落下予測装置１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、例えば落下予測装置１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、警報が発せられたこと容易に通報できるので、有効である。また制御部２１は、音声出力機能を備えるようにし、インターフェイス３７を介して、第三者に例えば警報や人物２の状態を音声で通報するようにしてもよい。
【００４６】
ここで３次元センサ１０について説明する。３次元センサ１０は、典型的には非接触で対象領域内の３次元情報を取得できるものである。以下、本実施の形態で、３次元センサとして用いるＦＧセンサについて説明する。
【００４７】
図７の概念的斜視図を参照して、本実施の形態の落下予測装置１に適した３次元センサ１０として用いるＦＧ（ファイバーグレーティング）センサ１０１について説明する。ＦＧセンサ１０１は、対象領域内に存在する対象物（人物２）の３次元情報を取得できるものである。即ち、対象物の高さの分布を測定できるように構成されたものである。ここでは、説明のために、対象領域内を平面１０２、対象物を物体１０３として説明する。
【００４８】
ＦＧセンサ１０１は、対象領域に、複数の輝点を投影する投影手段としての輝点投影装置１１０と、輝点投影装置１１０の投影により形成されたパターン１１０ａを撮像する撮像手段としての撮像装置１１１とを備えている。パターン１１０ａは、典型的には正方格子状に配列された複数の輝点である。また、輝点の形状は楕円形を含む略円形である。
【００４９】
図中物体１０３が、平面１０２上に載置されている。またＸＹ軸を平面１０２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられており、物体１０３はＸＹ座標系の第１象限に置かれている。一方、図中Ｚ軸上で平面１０２の上方には、輝点投影装置１１０と、撮像装置１１１とが配置されている。撮像装置１１１は、輝点投影装置１１０によりパターン１１０ａが投影された物体１０３を撮像する。
【００５０】
撮像装置１１１は、結像レンズ１１１ａと、撮像素子１１５とを有している。撮像素子１１５は、典型的にはＣＣＤカメラである。撮像装置１１１の結像レンズ１１１ａ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１１１ａは、平面１０２あるいは物体１０３上のパターン１１０ａの像を、撮像素子１１５の結像面１１５’（イメージプレーン）に結像する。結像面１１５’は、典型的にはＺ軸に直交する面である。さらに、結像面１１５’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１１１ａと等距離で、結像レンズ１１１ａ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１１０が配置されている。物体１０３と平面１０２には、輝点投影装置１１０により複数の輝点１１０ｂが形成するパターン１１０ａが投影される。また、ｙ軸方向は、図９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。
【００５１】
撮像素子１１５は、典型的には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。
【００５２】
また、撮像素子１１５には、制御装置１１４が接続されている。言い換えれば、撮像装置１１１は制御装置１１４に接続されている。制御装置１１４は、ＦＧセンサ１０１全体を制御するものである。また、制御装置１１４は、典型的には撮像装置１１１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１１４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１１４内には、撮像装置１１１により撮像されたパターンの像を取得する画像処理装置１１７が組み込まれている。
【００５３】
さらに制御装置１１４内には、撮像装置１１１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により対象物としての物体１０３の高さを演算する高さ演算部１１８が組み込まれている。ここで、参照像とパターン像は、例えば撮像装置１１１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１１５（又は結像面１１５’）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１１０の投影により形成されたパターン１１０ａの像である。ここでは、参照像は、物体１０３が平面１０２に存在しないときのパターン１１０ａの像であり、パターン像は、物体１０３が平面１０２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１１０ａの各輝点１１０ｂの基準位置を示す像である。また、参照像は、画像処理装置１１７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、各輝点１１０ｂ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輝点の移動量を検出する際に、例えば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。
【００５４】
撮像装置１１１は、後述の光束発生部１０５（図１０参照）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１１１ｂを備えるとよい。フィルタ１１１ｂ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１１１ａの光軸上に配置するとよい。このようにすると、撮像装置１１１は、撮像素子１１５に受光する光のうち、輝点投影装置１１０より投影されたパターン１１０ａ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。また、レーザ光Ｌ１は、継続的に照射してもよいし、断続的に照射してもよい。断続的に照射する場合には、撮像装置１１１による撮像を、照射のタイミングに同期させて行なうようにする。
【００５５】
また、ＦＧセンサ１０１は、撮像装置１１１によりパターン１１０ａ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、画像処理装置１１７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。さらに、ＦＧセンサ１０１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。
【００５６】
ここで、図７を参照して、ＦＧセンサ１０１の作用を説明する。まず、物体１０３の高さの計測の概念について説明する。輝点投影装置１１０により平面１０２に投影されたパターン１１０ａは、物体１０３が存在する部分では、物体１０３に遮られ平面１０２には到達しない。ここで物体１０３が存在していれば、平面１０２上の点１０２ａに投射されるべき輝点１１０ｂは、物体１０３上の点１０３ａに投射される。輝点１１０ｂが点１０２ａから点１０３ａに移動したことにより、また結像レンズ１１１ａと輝点投影装置１１０とが距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れているところから、結像面１１５’上では、点１０２ａ’（ｘ，ｙ）に結像すべきところが点１０３ａ’（ｘ，ｙ＋δ）に結像する。即ち、物体１０３が存在しない時点と物体１０３が存在する時点とは、輝点１１０ｂの像がｙ軸方向に距離δだけ移動することになる。
【００５７】
これは、例えば図８に示すように、撮像素子１１５の結像面１１５’に結像した輝点１１０ｂの像は、高さのある物体１０３により、δだけｙ軸方向に移動することになる。
【００５８】
ＦＧセンサ１０１は、このδを計測することにより、物体１０３上の点１０３ａの位置が三次元的に特定できる。即ち、点１０３ａの高さがわかる。このように、ある点が、物体１０３が存在しなければ結像面１１５’上に結像すべき点と、結像面１１５’上の実際の結像位置との差を計測することにより、物体１０３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１０３の三次元座標が計測できる。また、輝点１１０ｂの対応関係が不明にならない程度に、パターン１１０ａのピッチ、即ち輝点１１０ｂのピッチを細かくすれば、物体１０３の高さの分布はそれだけ詳細に計測できることになる。
【００５９】
ここで、高さ演算部１１８による高さの演算について説明する。高さ演算部１１８は、パターン像と参照像を読出し、輝点１１０ｂ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、輝点１１０ｂ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、参照像を各輝点１１０ｂの位置の情報の形で保存しておき、パターン像の各輝点１１０ｂの位置の情報と、参照像の輝点１１０ｂ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１１８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９を参照して、三角法による物体１０３の高さを算出について説明する。
【００６０】
図９は、撮像装置１１１、輝点投影装置１１０、物体１０３、平面１０２との関係をＸ軸方向（図７参照）に見た側面図である。ここでは、物体１０３の高さがＺ１である場合で説明する。輝点投影装置１１０の中心（パターン光源の中心）と結像レンズ１１１ａの中心とは、平面１０２に平行に距離ｄだけ離して配置されており、結像レンズ１１１ａから結像面１１５’（撮像素子１１５）までの距離はｌ（エル）（結像レンズ１１１ａの焦点とほぼ等しい）、結像レンズ１１１ａから平面１０２までの距離はｈ、物体１０３の点１０３ａの平面１０２からの高さはＺ１である。物体１０３が平面１０２上に置かれた結果、結像面１１５’上の点１０２ａ’はδだけ離れた点１０３ａ’に移動したとする。
【００６１】
図中結像レンズ１１１ａの中心と点１０３ａとを結ぶ線が平面１０２と交差する点を１０２ａ”とすれば、点１０２ａと点１０２ａ”との距離Ｄは、三角形１０３ａ’−１０２ａ’−１１１ａと三角形１０２ａ”−１０２ａ−１１１ａとに注目すれば、Ｄ＝δ・ｈ／ｌであり、三角形１１１ａ−１１０−１０３ａと三角形１０２ａ”−１０２ａ−１０３ａ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１０３の高さを算出することができる。
【００６２】
さらに、高さ演算部１１８により演算された物体１０３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１０３の高さの信頼性が向上する。
【００６３】
以上のように、ＦＧセンサ１０１は、対象領域に、輝点投影装置１１０の投影により形成されたパターン１１０ａを撮像装置１１１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１１８で演算するので、対象物の高さを計測できる。また、ＦＧセンサ１０１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。
【００６４】
さらに、図１０の模式的斜視図を参照して、ＦＧセンサ１０１に適した輝点投影装置１１０について説明する。輝点投影装置１１０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１２０（以下、単にグレーティング１２０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、断面が略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。
【００６５】
またここでは、グレーティング１２０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１２０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１２１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１２０を平面１０２に平行に配置するとは、例えば、グレーティング１２０を構成するＦＧ素子１２２の各光ファイバー１２１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。
【００６６】
グレーティング１２０は、２つのＦＧ素子１２２を含んで構成される。本実施の形態では、各ＦＧ素子１２２の平面は、互いに平行である。以下、各ＦＧ素子１２２の平面を素子平面という。また、本実施の形態では、２つのＦＧ素子１２２の光ファイバー１２１の軸線は、互いにほぼ直交している。
【００６７】
ＦＧ素子１２２は、例えば、直径が数１０ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバー１２１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、２つのＦＧ素子１２２は、接触して配置してもよいし、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、２つのＦＧ素子１２２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。レーザ光束Ｌ１は、典型的には、グレーティング１１０の素子平面に対して垂直に入射させる。
【００６８】
以上のように、輝点投影装置１１０は、２つのＦＧ素子１２２を含んで構成されたグレーティング１２０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１１０は、グレーティング１２０を用いることで、単純な構成で、複数の輝点１１０ｂをパターン１１０ａとして平面１０２に投影できる。
【００６９】
また、以上では、パターンを複数の輝点として説明したが、複数の輝線としてもよい。即ち光切断法を用いて対象物の高さを測定するようにしてもよい。この場合には、輝点投影装置１１０の代わりに、対象領域に、輝線を投影する投影手段としての輝線投影装置２１０を備えるようにする。輝線投影装置２１０により投影する輝線の数は、典型的には複数であるが、１本であってもよい。以下、輝線は複数の場合で説明する。以下、ＦＧセンサ１０１に光切断法を用いた場合のものをＦＧセンサ１０１’として説明する。
【００７０】
図１１の模式的概念図を参照して、ＦＧセンサ１０１’について説明する。輝線投影装置２１０は、平面１０２に、輝線２１０ｂを平行に複数本投影する。撮像装置１１１は、輝線投影装置２１０によりパターン２１０ａが投影された物体１０３及び平面１０２を撮像する。輝線２１０ｂは、等間隔に複数本投影される。複数本の輝線２１０ｂは、パターン２１０ａを形成する。また、輝線２１０ｂの方向と三角法の基線方向は、ほぼ垂直である。即ち、輝線２１０ｂの方向は、ｙ軸に垂直である。またここでは、輝線は複数本としているが、１本であってもよい。この場合には、ＦＧセンサ１０１’をさらに単純に構成できる。
【００７１】
ここで、光切断法を用いた物体１０３の高さ計測の概念について説明する。輝線投影装置２１０により平面１０２に投影されたパターン２１０ａは、物体１０３が存在する部分では、物体１０３に遮られ平面１０２には到達しない。ここで物体１０３が存在しなければ、平面１０２上の点１０２ａに投射されるべき輝線は、物体１０３上の点１０３ａに投射される。輝線が点１０２ａから点１０３ａに移動したことにより、また結像レンズ１１１ａと輝線投影装置２１０とが距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れているところから、結像面１１５’上では、点１０２ａ’（ｘ，ｙ）に結像すべきところが点１０３ａ’（ｘ，ｙ＋δ）に結像する。即ち、物体１０３が存在しない時点と物体１０３が存在する時点とは、輝点がｙ軸方向に距離δだけ移動することになる。
【００７２】
これは、例えば図１２に示すように、撮像素子１１５の結像面１１５’に結像した輝線２１０ｂの像は、高さのある物体１０３により、δだけｙ軸方向に移動することになる。ＦＧセンサ１０１と同様に、このδを計測することにより、物体１０３上の点１０３ａの位置が三次元的に特定できる。即ち、点１０３ａの高さがわかる。また、輝線２１０ｂの対応関係が不明にならない程度に、パターン２１０ａのピッチ、即ち輝線２１０ｂのピッチを細かくすれば、物体１０３の高さの分布はそれだけ詳細に計測できることになる。また、高さ演算部１１８による高さの算出は、図９の説明と同様である。
【００７３】
以上のように、ＦＧセンサ１０１’は、パターンを複数本の輝線とし、輝線の移動を計測することで、パターンを輝点とした場合に比べて、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。
【００７４】
図１３の模式的斜視図を参照して、ＦＧセンサ１０１’に適した輝線投影装置２１０について説明する。輝線投影装置２１０は、図１０で前述した光束発生部１０５と、ファイバーグレーティング２２０（以下、単にグレーティング２２０という）とを備えている。
【００７５】
ここでは、グレーティング２２０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２２０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２１０ａが投影される。なお、グレーティング２２０を平面１０２に平行に配置するとは、図１４で後述するように、例えば、グレーティング２２０を構成する第１ＦＧ素子２２２の各光ファイバー２２１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。
【００７６】
図１４の模式図を参照して、グレーティング２２０について説明する。（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。グレーティング２２０は、複数の光ファイバー２２１を各光ファイバー２２１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２２２（以下第１ＦＧ素子２２２という）と、複数の光ファイバー２２１を各光ファイバー２２１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２２３（以下第２ＦＧ素子２２３という）と、複数の光ファイバー２２１を各光ファイバー２２１の軸線を第１の方向ｖ１、第２の方向ｖ２と異なる第３の方向ｖ３に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子２２４（以下第３ＦＧ素子２２４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２２２、２２３、２２４の平面は、互いに平行である。ここでは、各ＦＧ素子を識別するために、第１ＦＧ素子、第２ＦＧ素子、第３ＦＧ素子と呼ぶ。本実施の形態では、第１ＦＧ素子、第２ＦＧ素子、第３ＦＧ素子の順序で重ね合わせてある。しかしなから他の順序、例えば、第１ＦＧ素子、第３ＦＧ素子、第２ＦＧ素子の順に重ね合わせてもよい。以下、各ＦＧ素子２２２、２２３、２２４の平面を素子平面という。
【００７７】
第１ＦＧ素子２２２、第２ＦＧ素子２２３、第３ＦＧ素子２２４は、前述したＦＧ素子１２２と同様なものである。また図示では、各ＦＧ素子２２２、２２３、２２４は、接触して配置している場合を示しているが、それぞれ、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２２２、２２３、２２４の互いの距離は、パターン２１０ａの投影に差支えない程度とする。
【００７８】
第１ＦＧ素子２２２と第２ＦＧ素子２２３と第３ＦＧ素子２２４は、重ね合わせてグレーティング２２０を構成する。なお、ここでの重ね合わせは、各ＦＧ素子２２２、２２３、２２４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。言い換えれば、本実施の形態では、グレーティング２２０は、第１ＦＧ素子２２２、第２ＦＧ素子２２３、第３ＦＧ素子２２４の順に、各々の素子平面が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２２０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２２２、第２ＦＧ素子２２３、第３ＦＧ素子２２４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２２０（第１ＦＧ素子２２２）の素子平面に対して垂直に入射させる。
【００７９】
さらに、図１４（ｂ）に示すように、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。また、第３ＦＧ素子２２４は、第３の方向ｖ３が、第１の方向ｖ１から所定の角度θだけ素子平面と平行な面内で回転させて重ね合わされている。所定の角度θについては、図１５を参照して後述する。
【００８０】
ここで、図１５を参照して、所定の角度θについて説明する。まず所定の角度θを与えることによる、輝点の変化について説明する。（ａ）では、（ｂ）に示すように、所定の角度θがθ１の場合で説明する。なお（ａ）は、（ｂ）の図中奥側から手前にレーザ光束Ｌ１を透過させた場合に投影されるパターン２１０ａ’の一部を示した図である。図示では、参考として、θ１は、１０°程度で示してある。まず、所定の角度θが０°であったときに投影されるパターン２１０ａ’の一部である輝点２５１、２５２、２５３、２５４、２５５に注目する。そして、第３ＦＧ素子２２４に所定の角度θ１を与えると、上記各輝点は、各輝点の生成方向である直線２５１ａに対して、それぞれ角度θ１をなす直線２５１ａ’方向に回折して新たな輝点を投影する。さらに説明するならば、輝点２５１に注目すると、輝点２５１は、直線２５１ａ’方向に、回折して新たな輝点２５１’を投影する。
【００８１】
これにより、所定の角度θによって輝点の回折方向が変わるので、θによっては、例えば平行であり、等間隔に配列された複数の輝線列（以下単に複数の輝線という）や、密な輝点アレイを投影することができる。言い換えれば、第３ＦＧ素子２２４に所定の角度θを調整することで、複数の輝線を容易に投影することができる。
【００８２】
図１６の模式図を参照して、所定の角度θを調整して、パターンを複数の輝線とする場合の例について説明する。輝線は、複数の輝点が直線的に集合することで形成される。また、ＦＧ素子は、低次から高次の回折光に渡って回折効率が一定に近く、また輝線は、複数の輝点が集合することで形成されているので、輝線の中央部の明るさが、中央部から輝線の端部方向にいっても変化しにくい。即ち、輝度が均一な輝線を投影できる。複数の輝線にする場合には、所定の角度θは、０．１〜１０°、好ましくは１〜８°、最も好ましくは５°程度とするとよい。また、θ＝８５°の場合にも、同様な複数の輝線となる。但し、この場合には、投影されるパターンは、（ｂ）を９０°回転させたパターンとなる。
【００８３】
以上のように、輝線投影装置２１０は、レーザ光束Ｌ１を第１ＦＧ素子２２２と、第２ＦＧ素子２２３と、第３ＦＧ素子２２４を透過させることで、複数の輝線のパターン２１０ａを投影できるので、単純に構成できる。また、輝線投影装置２１０は、重ね合わせた第１ＦＧ素子２２２と、第２ＦＧ素子２２３と、第３ＦＧ素子２２４とを含んで構成されたグレーティング２２０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、このように構成されているので、複数の輝線をパターン２１０ａとして平面１０２に投影できる。さらに、輝線を、輝点の集合により形成するので、輝度が均一な複数の輝線を投影できる。このため、本実施の形態のように輝線の移動を測定する場合に優位性がある。
【００８４】
なお、輝線投影装置は、上述した輝線投影装置２１０の場合で説明したがこれに限られない、例えばシリンドリカルレンズや、スリット等を用いて、パターン２１０ａとして複数の輝線を投影するように構成してもよい。
【００８５】
図１７に、輝線投影装置の別の例として、輝線投影装置３１０を示す。輝線投影装置３１０は、光学ガラスで形成された光学素子３１１を有している。また光学素子３１１は、光束の入射側に断面が略三角形の凸３１１ａ部が形成され、さらに凸部３１１ａの光束の入射側先端部には、円筒面３１１ｂが形成される。光学素子３１１は、典型的にはＵＳ４８２６２９９に開示されているパウエルレンズである。このような光学素子３１１の円筒面３１１ｂに、光束発生部１０５’により、この円筒面３１１ｂの曲率半径より小さい径のレーザ光束Ｌ１’を入射させることで、対象領域に輝線を投影できる。さらに、光学素子３１１の対象領域側に、回折素子、例えば前述したＦＧ素子を配置することで、複数の輝線を投影することができる。輝線投影装置３１０は、このような光学素子３１１を用いることで、輝度が均一な複数の輝線を投影することができる。
【００８６】
また、図１８の模式図に示すように、ＦＧセンサ１０１’は、対象領域を、輝線を対象物の動きに比べて十分に高速で、図中ｙ軸方向に走査し、輝線が対象領域の異なる位置に投影されたパターン像を複数撮像するようにしてもよい。この場合には、輝線発生手段を、投影した輝線を対象領域の特定方向に走査できる輝線投影装置２１０’とする。また、この場合には、このように撮像された複数のパターン像の組み合わせにより、前述のパターン２１０ａ（図１１参照）の像であるパターン像としてもよい。言い換えれば、（ｂ）に示すように、異なる位置に投影された輝線のパターン像を組合わせることで、前述の複数の輝線即ちパターン２１０ａが投影された対象領域のパターン像と同じパターン像を生成してもよい。さらに説明すれば、例えば図示のように、時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４に取得したパターン像を組合わせて、複数の輝線が投影された対象領域のパターン像を生成することである。即ち、対象領域内を輝線が走査している間に、パターン像を取得した回数が、組み合わされたパターン像上の輝線の像の本数となる。なお、走査する輝線は、典型的には１本である。
【００８７】
ここで、図１９の模式的外観図を参照して、ＦＧセンサ１０１の設置例について説明する。輝点投影装置１１０と、撮像装置１１１は、ベッド３の上方に配置されている。図示では、人物２のおよそ頭部上方に輝点投影装置１１０が、ベッド３のおよそ中央部上方に撮像装置１１１が配置されている。輝点投影装置１１０は、ベッド３上にパターン１１０ａを投影している。また、撮像装置１１１の画角は、ベッド３全体を撮像できるように設定されいる。また制御装置１１４は、図２で説明した制御部２１内に組み込むとよい。このようにすることで、落下予測装置１の構成を単純化できる。
【００８８】
また、輝点投影装置１１０は、典型的には、その光軸（レーザ光束の投射方向）を、図示のように対象領域の垂直方向に対して傾けて設置する。このようにすることで、容易に広範囲にパターン１１０ａを投影できる。また、例えば撮像装置１１１と輝点投影装置１１０との距離を離して設置することが容易に行なえる。また、撮像装置１１１は、対象領域の垂直方向に対し、光軸をおよそ平行方向に向けて設置する。なおここでは、上記のように、輝点投影装置１１０は、その光軸を対象領域の垂直方向に対して傾けて設置するが、前記垂直方向に対して、およそ平行方向に設置してもよい。言い換えれば、その光軸を、およそ撮像装置１１１の光軸と平行方向に向けて設置してもよい。
【００８９】
さらに、撮像装置１１１と輝点投影装置１１０とは、撮像装置１１１と輝点投影装置１１０を結ぶ軸（基線方向）と、ベッド３の中心線がおよそ平行になるように設置する。また、撮像装置１１１と輝点投影装置１１０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７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。撮像装置１１１と輝点投影装置１１０とは、例えばスタンドに取り付けて設置するとよい。このようにすることで、ＦＧセンサ１０１（特に撮像装置１１１と輝点投影装置１１０）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。また、撮像装置１１１と輝点投影装置１１０とは、天井に取り付けてもよい。このようにすると、撮像装置１１１と輝点投影装置１１０とをより確実に固定することが容易に行なえる。なお、ここでは、ＦＧセンサ１０１ついて説明したが、ＦＧセンサ１０１’についても同様に設置してよい。
【００９０】
以上のような、ＦＧセンサ１０１を３次元センサ１０として用いることで、対象領域内の３次元情報を正確に取得できる。また、３次元センサ１０は、上述したＦＧセンサ１０１に限らず、対象領域の３次元情報を取得できるものなら何でもよく、例えば、モアレを用いたセンサ、ステレオカメラを用いたセンサ、複数の距離センサを用いたセンサであってもよい。
【００９１】
モアレを用いたセンサは、例えば、２つのスリットを用いて形成したモアレ縞を撮像することにより、３次元情報を取得できる。モアレを用いることで、縞方向の高さ分布を連続的に測定できるので、高精度な３次元情報を取得できる。モアレとは、２つの規則的な強度分布を重ねたとき、両者の空間周波数の差によって生じる粗い縞模様である。２つの強度分布の和によって生じる和のモアレと、積によって生じる積のモアレとがあり、前者は２つの規則的分布を二重露光した写真で実現でき、後者はそれぞれの規則的分布を記録した透明画を重ねて見ればよい。また、モアレ縞の位相の情報を利用することで、高精度に人物２の動きを検出することもできる。
【００９２】
また、ステレオカメラを用いたセンサは、例えば２つのＣＣＤカメラにより、ステレオ画像を取得し、このステレオ画像上の対応点を探索することで、対象涼気の高さ分布を三角法により測定できる。即ち、対象領域の３次元情報を取得できる。二次元画像に基づいて、３次元情報を取得するので高精度である。
【００９３】
さらに、複数の距離センサを用いたセンサは、必要な測定点に対応して複数の距離センサを設置、対象領域の複数の測定点の距離を測定することで、３次元情報を取得することができる。距離センサを用いることで、外乱光の影響が少なく正確に３次元情報を取得できる。また、画像処理の必要がないので、単純な構成とすることができる。使用する距離センサは、基本的には何でもよく、例えば、赤外線センサのような三角法を用いたタイプであってもよいし、超音波センサであってもよく、タイムツウフライト（Ｔｉｍｅ―ｔｏ―ｆｌｉｇｈｔ）のタイプ（光が出射して帰ってくる時間を測定し、距離を測定するもの）であってもよい。
【００９４】
以上のように本実施の形態の落下予測装置１は、人物２のベッド３上からの落下を的確に予測できるので、例えば幼児や老人がベッド３上から転落しそうなことを逸早く知ることができ、落下による事故を未然に防ぐことができる。また、人物２が落下してしまったことも検出できるので、落下してしまった場合でも迅速な対応が可能になる。また、落下予測装置１は、人物２の呼吸を検出することができるので、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。
【００９５】
以上では、対象領域は、ベッド３上即ち周辺より高さのある場合で説明したが、周辺と同じ高さであってもよい。言い換えれば、例えば床面に置いた柵内を対象領域としてもよい。このような場合には、領域監視装置は、柵を乗り越えようとする動きを検出できるので、例えば柵で囲まれた場所にいる乳幼児を監視することにも利用できる。また、領域監視装置は、例えば動物が柵を乗り越えて逃げ出そうする動きも検出することが可能であるので、例えば動物園でも利用することができる。さらに、以上では、ベッド即ち周辺より高さのある対象領域に柵が備えられている場合で説明したが、柵を備えなくてもよい。例えば通常の場合、人物がベッドから落下する前には、ベッドの周縁部で起き上がり等の大きな高さ変化が検出されるので、人物の落下を予測できる。即ち対象物が対象領域の外に出ようとする動きを検出できる。
【００９６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、対象領域内の３次元情報を取得する３次元センサと、前記取得した３次元情報に基づいて、前記対象領域内の高さの変化を検出する高さ変化検出手段と、前記検出された高さの変化に基づいて、対象物の位置を検出する位置検出手段と、前記対象物が前記対象領域の外へ出ようとする動きを監視する動き監視手段とを備え、前記動き監視手段は、前記検出された対象物の位置が、前記対象領域内の特定の領域であるときであって、前記対象物の高さの変化が所定量以上であるときに前記対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成されるので、対象物が対象領域の外へ出ようとする動きを検出できるだけでなく、単純な領域監視装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である落下予測装置の模式的外観図である。
【図２】本発明の実施の形態である落下予測装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図１の場合でのベッド上の特定の領域を説明する模式的平面図である。
【図４】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５】図４の場合での、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６】図５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。
【図７】本発明の実施の形態であるＦＧセンサの概念的斜視図である。
【図８】図７の場合で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９】図７の場合での対象物の高さの演算について説明する線図である。
【図１０】図７の場合での輝点投影装置を説明する模式的斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態である光切断法を用いたＦＧセンサの概念的斜視図である。
【図１２】図１１の場合のパターンの像を説明する線図である。
【図１３】図１１の場合での輝線投影装置を説明する模式的斜視図である。
【図１４】図１３の場合でのグレーティングについて説明する、（ａ）斜視図、（ｂ）正面図である。
【図１５】図１４のグレーティングにより投影されるパターンについて説明する、（ａ）パターンの模式図、（ｂ）グレーティングの正面図である。
【図１６】図１４のグレーティングにより投影されるパターンを示す模式的平面図である。
【図１７】図１１の場合での輝線投影装置の別の形態を示す模式的斜視図である。
【図１８】図１１の場合での輝線投影装置のさらに別の形態を示す図であり、（ａ）ＦＧセンサの模式的斜視図、（ｂ）パターン像の組み合わせについて説明する模式図である。
【図１９】本発明の実施の形態であるＦＧセンサを設置する場合の例を示す模式的外観図である。
【符号の説明】
１　落下予測装置
２　人物
３　ベッド
４　寝具
６　柵
１０　３次元センサ
２０　演算装置
２１　制御部
２２　高さ変化検出部
２３　位置検出部
２４　落下予測部
２５　状態検出部
３１　記憶部
３８　警報装置
１０１　ＦＧセンサ
１０１’　ＦＧセンサ（光切断法を用いたもの）
１０２　平面
１０３　物体
１０５　光束発生部
１１０　輝点投影装置
１１０ａ　パターン
１１０ｂ　輝点
１１１　撮像装置
１１４　制御装置
１１５　撮像素子
１１７　画像処理装置
１１８　高さ演算部
１２０　グレーティング
１２１　光ファイバー
１２２　ＦＧ素子
２１０　輝線投影装置
２１０ａ　パターン
２１０ｂ　輝線
２２０　グレーティング
２２１　光ファイバー
２２２　第１ＦＧ素子
２２３　第２ＦＧ素子
２２４　第３ＦＧ素子

Claims (5)

1. 対象領域内の３次元情報を取得する３次元センサと；
   前記取得した３次元情報に基づいて、前記対象領域内の高さの変化を検出する高さ変化検出手段と；
   前記検出された高さの変化に基づいて、対象物の位置を検出する位置検出手段と；
   前記対象物が前記対象領域の外へ出ようとする動きを監視する動き監視手段とを備え；
   前記動き監視手段は、前記検出された対象物の位置が、前記対象領域内の特定の領域であるときであって、前記対象物の高さの変化が所定量以上であるときに前記対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成された；
   領域監視装置。
2. 前記動き監視手段は、前記対象物の高さの変化が所定量以上であって、さらに前記所定量以上の高さの変化の領域が所定の面積以上であるときに前記対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成された；
   請求項１に記載の領域監視装置。
3. 前記動き監視手段は、前記対象物の移動を検出できるように構成され；
   前記対象物の位置が前記特定の領域にあり、その位置に至る直前の前記対象物の移動速度が所定の閾値を超えているときに、前記対象領域の外へ出ようとする動きを検出するように構成された；
   請求項１又は請求項２に記載の領域監視装置。
4. 前記位置検出手段は、前記検出された高さ変化に基づいて、前記対象物の存在する存在領域を判定し、前記判定された存在領域を含む領域であって、前記存在領域を所定の範囲だけ拡大した領域を算出し、前記拡大された領域を優先して、前記対象物の位置の検出を行なうように構成された；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の領域監視装置。
5. 前記３次元センサは、前記対象領域に、輝線又は、複数の輝点を投影する投影手段と；
   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により前記対象物の高さを演算する高さ演算部とを備える；
   請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の領域監視装置。

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