(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像対象物を置く撮像領域に、第１の方向に一定の間隔ａ、前記第１の方向に直角な第２の方向に前記間隔ａよりも大なる一定の間隔ｂで格子状に配列された複数の輝点を投影する投影手段と；
前記投影手段から見て所定の方向に設置された、前記撮像対象物の置かれた撮像領域に投影された複数の輝点を撮像する撮像手段と；
前記撮像手段で撮像された輝点画像と、基準画像とを比較して、前記撮像対象物の三次元形状を演算する形状演算手段とを備え；
前記所定の方向と前記第１の方向とのなす角度は、ｎを自然数とするとき、ａｒｃｔａｎ（ｂ／（ａ・ｎ））にほぼ等しく、且つ輝点の直径をｃとするとき、前記角度はａｒｃｓｉｎ（ｃ／ａ）より大であることを特徴とする；
三次元形状測定装置。
【請求項２】
前記投影手段が、コヒーレント光を発生する光源と；
前記光源で発生されたコヒーレント光を通過させる２枚の回折格子とを備え；
前記２枚の回折格子は、それぞれの回折方向がほぼ直交するように配置されている；
請求項１に記載の三次元形状測定装置。
【請求項３】
前記回折格子は、ファイバーグレーティングである、請求項２に記載の三次元形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元形状測定装置に関し、特に対象領域内の物体や人物の高さや姿勢の変化を監視するための三次元形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
病院の病室内あるいはトイレ内の患者等のプライバシーを損なわずに、異常を知るための監視装置として、従来から、監視対象領域に格子状に配列された輝点を投影してその画像を撮影し、撮影された画像中の輝点の基準位置からの位置変化によって対象領域の高さ変化を検出し、対象領域内の物体や人物の有無や高さ変化、姿勢変化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】
このような従来の装置では、監視対象領域内に物体などが存在しない状態における輝点の位置からの、物体が存在するときの輝点の移動量を調べて物体の高さを計算する。しかしながら、その高さは、物体が存在するときの輝点が、物体が存在しないときの隣の輝点の位置まで移動してしまうところで輝点同士の区別が困難となり、それ以上の測定ができなかった。図７（ａ）に監視対象領域に物体が存在しない場合の輝点画像の様子を、また図７（ｂ）に物体の存在により、ある場所の輝点が隣の輝点まで移動してしまう様子を示す。図７（ｂ）では、輝点１１１ｃ、１１１ｄが移動して隣の輝点１１１ａ、１１１ｂの図７（ａ）での位置まで移動してしまっており、これ以上の輝点の移動を生じさせる高さの物体は測定できない。例えば、図７（ｂ）での１１１ｃ、１１１ｄが更に左に移動してしまうと、その輝点が１１１ａ、１１１ｂと区別できなくなってしまう。
【０００４】
そこで本発明は、監視対象物の高さ測定範囲が広い、輝点を用いた三次元形状測定装置を提供することを目的とする。
【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に係る発明による三次元形状測定装置１０は、例えば図１に示すように、撮像対象物１を置く撮像領域２に、第１の方向（ｙ’軸方向（図２））に一定の間隔ａ、第１の方向（ｙ’軸方向）に直角な第２の方向（ｘ’軸方向）に間隔ａよりも大なる一定の間隔ｂで格子状に配列された複数の輝点１３ａを投影する投影手段１２と；投影手段１２から見て所定の方向（ｙ軸方向）に設置された、撮像対象物１の置かれた撮像領域２に投影された複数の輝点１３ａを撮像する撮像手段１１と；撮像手段１１で撮像された輝点画像１ａ’と、基準画像２ａ’とを比較して、撮像対象物１の三次元形状を演算する形状演算手段１４とを備え；所定の方向（ｙ軸方向）と前記第１の方向（ｙ’軸方向）とのなす角度θは、ｎを自然数とするとき、ａｒｃｔａｎ（ｂ／（ａ・ｎ））にほぼ等しく、且つ輝点の直径をｃとするとき、前記角度はａｒｃｓｉｎ（ｃ／ａ）より大であるように構成されている。
【０００６】
基準画像は、典型的には、撮像対象物が置かれていない撮像領域に投影された輝点を撮像した画像である。ここで輝点画像と基準画像、はイメージ画像に限らず、輝点の位置を特定する座標によるものであってもよい。
【０００７】
このように構成すると、第１の方向（ｙ’軸方向（図２））に一定の間隔ａ、第１の方向に直角な第２の方向に間隔ａよりも大なる一定の間隔ｂで格子状に配列された複数の輝点を投影する投影手段と、投影手段から見て所定の方向に設置された、撮像対象物１の置かれた撮像領域２に投影された複数の輝点を撮像する撮像手段とを備える。また所定の方向と第１の方向とのなす角度は、ｎを自然数とするとき、ａｒｃｔａｎ（ｂ／（ａ・ｎ））にほぼ等しく、且つ輝点の直径をｃとするとき、前記角度はａｒｃｓｉｎ（ｃ／ａ）より大であるように構成されているので、撮像対象物の測定範囲をさらに拡大することができる。
【０００８】
さらに請求項２に記載のように、また例えば図２に示すように、請求項１に記載の三次元形状測定装置１０では、投影手段１２が、コヒーレント光Ｌ１を発生する光源Ｌと；光源Ｌで発生されたコヒーレント光Ｌ１を通過させる２枚の回折格子１３とを備え；２枚の回折格子１３は、それぞれの回折方向がほぼ直交するように配置されている。
【０００９】
また請求項３に記載のように、回折格子１３は、ファイバーグレーティングとするとよい。回折格子を通過したコヒーレント光は干渉によりパターンを生成する。回折格子は、ファイバーグレーティングの他、例えば複数のスリットを平行に切ったスリット板、シリンドリカルレンズアレイであってもよい。また２枚のシリンドリカルレンズアレイの代わりに、マイクロレンズアレイを用いてもよい。
【００１０】
【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または類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態である三次元形状測定装置１０の全体像を示す概念的斜視図である。図中測定対象物ないしは撮像対象物としての直方体形状をした物体１が、測定対象領域ないしは撮像対象領域としての平面２上に載置されている。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、物体１はＸＹ座標系の第１象限に置かれている。物体の代わりに人物を撮像対象物としてもよい。
【００１２】
一方、図中Ｚ軸上で平面２の上方には撮像手段としての撮像光学系１１が配置されている。ここでは便宜上撮像光学系は撮像レンズとしての１つの凸レンズ１１ａで構成されているものとして図示してある。撮像光学系１１の撮像レンズ１１ａは、その光軸がＺ軸に一致するように配置されている。撮像レンズ１１ａが、平面２あるいは物体１の像を結像する結像面（イメージプレーン）１５は、Ｚ軸に直交する面である。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。
【００１３】
平面２から撮像レンズ１１ａと等距離で、撮像レンズ１１ａからＹ軸の負の方向に距離ｄだけ離れたところに、ファイバーグレーティング（ＦＧ）素子１３が配置されている。ＦＧ素子１３を含んで、投影手段としての輝点投影光学系１２が構成されている。ここで結像面１５の中心とＦＧ素子の中心とを結ぶ線を基線と呼ぶ。基線はｙ軸方向に向いており、ｄは基線方向の距離（基線長）である。図２を参照して後で説明するように、ＦＧ素子１３には光源Ｌの発生するレーザー光Ｌ１がＺ軸方向に入射して、格子状に点が配列されたパターン１３ａが平面２に照射される。即ち、物体１と平面２は、パターン状照明光で照明される。撮像光学系１１には、画像処理手段としてのコンピュータ１４が電気的に接続されている。形状演算手段はコンピュータ１４内に内臓されている。即ち、ハードディスクやＲＡＭ等の記憶部にインストールされた例えば演算プログラムである。
【００１４】
さらに図１を参照して、三次元形状測定の原理を説明する。後で詳しく説明するＦＧ素子１３により平面２に投影された輝点パターン１３ａは、物体１が存在する部分は、物体１に遮られ平面２には到達しない。ここで物体１が存在しなければ、平面２上の点２ａ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に投射されるべき輝点は、物体１上の点１ａ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）に投射される。輝点が点２ａから点１ａに移動したことにより、また撮像レンズ１１ａとＦＧ素子１３とが距離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１ａ’（ｘ，ｙ＋δ）に結像する。即ち、ｙ軸方向に距離δだけ移動する。実際は、点１ａ’は、ｙ軸上の点でなければｘ軸方向にもδｘだけ移動するが、ここではその表示は省略してある。
【００１５】
このδを計測することにより、物体１上の点１ａの位置が三次元的に特定できる。このように、ある輝点が、物体１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測定することにより、物体１の三次元形状が計測できる。あるいは物体１の三次元座標が計測できるといってもよい。輝点の対応関係が不明にならない程度に、パターン１３ａのピッチ、即ち輝点のピッチを細かくすれば、物体１の三次元形状はそれだけ詳細に計測できることになる。
【００１６】
ＦＧ素子１３の中心と撮像レンズ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、撮像レンズ１１ａから結像面１５までの距離はｌ（エル）（撮像レンズとしての凸レンズ１１ａの焦点とほぼ等しい）、撮像レンズ１１ａから平面２までの距離はｈ、撮像対象物１の点１ａの平面２からの高さはＺ（図１ではＺ１と図示）である。撮像対象物１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１ａ’に移動した。
このような関係において、Ｚは次の式１のようにδを含む式で表される。この式を用いれば、トイレ内の人物などの姿勢を三次元的に知ることができる。
Ｚ＝（ｈ２・δ）／（ｄ・ｌ＋ｈ・δ）  …式１
【００１７】
図２を参照して、ＦＧ素子１３を説明する。ＦＧ素子１３は、直径が数十ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバを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、シートが平面２に平行に（Ｚ軸に直角に）配置される。このＦＧ素子１３に、レーザー光源Ｌが発生したレーザー光Ｌ１を、Ｚ軸方向に入射させる。するとレーザー光Ｌ１は、個々の光ファイバーの焦点で集光したのち、球面波となって広がって行き、干渉して、測定領域ないしは撮像領域としての投影面である平面２に、正方格子状に輝点マトリクスである輝点パターン１３ａが投影される。言いかえれば、平面２またはその上の物体１は、輝点パターン１３ａが投影されることによって、いわば輝点パターン状照明光で照明される。
【００１８】
このようなＦＧ素子１３によれば、光の回折効果により、グレーティングからの距離に依らずに点状光（輝点）のコントラストの良いシャープな照明パターンを得ることができ、パターンの撮像に好適である。またこのようなＦＧ素子を用いるときは、輝点の移動量を測定して演算するだけで三次元形状が測定できるので、三次元形状の測定が比較的簡単な演算手段で実現できる。また、光量を集中できるので周囲が明るい状態でも照明パターン（ここでは輝点）の撮像が簡単にでき好適である。
【００１９】
ＦＧ素子１３の光ファイバは、基線方向（図中ｙ軸方向）を向いているとは限らず、ｘｙ平面に平行に、ＦＧ素子１３の中心を通るＺ軸方向に平行な軸を回転軸とし、θだけ回転させてある。図中、直交する光ファイバに平行な座標をｘ’ｙ’座標とすれば、ｙ’軸はｙ軸に対し、ｘ’軸はｘ軸に対し角度θだけ傾いている。即ち、一つの格子方向と基線との成す角がθである。
【００２０】
ここで平面２上の格子状輝点パターンのｙ’軸に平行な方向の間隔をａ、ｘ’軸に平行な方向の間隔をｂとする。また直交する光ファイバの直径は、両者ほぼ等しいが、ｙ’軸方向の光ファイバの直径をｘ’軸方向の光ファイバの直径よりも太くすると、輝点パターンの輝点同士の間隔は、ａ＜ｂの関係となる。なお、図１の輝点パターンは、θ＝０の場合を示している。
【００２１】
図３は、輝点間隔がａ、ｂ（ａ＜ｂ）になるようなＦＧ素子を用いた場合の輝点画像である。このような輝点画像は図２を参照して説明したようにＦＧ素子の縦と横のファイバー径即ちファイバーピッチが違うような素子を用いることによって実現できる。レーザ及びＦＧ素子による輝点の位置の計算式は、次の式２に示すような多重スリットによる干渉による干渉縞の式と同様に考えられるので、スリット間隔ｐ即ちファイバーピッチを変更すれば、干渉縞の間隔を変えることができる。ここで、ｙｍは周期的な鋭い極大を与えるｙ軸方向位置、ｍは自然数、λは光の波長、ｈはＦＧ素子から照明面（撮像領域の平面）までの距離、ｐはスリット間隔とする。
ｙｍ＝ｍ・λ・ｈ／ｐ  …式２
【００２２】
輝点アレイの輝点間隔の短い（図３では間隔がａの）格子方向と基線との成す角は、θ０、θ１、θ２、・・・θｎのように置くことができる。図３では説明のためθ４まで表記し、θ５以上は図示を省略してある。このように基線の方向を設定することにより、ある輝点とその基線方向の隣接輝点の間隔を大きくすることができ、物体１の高さ測定範囲を広げることができる。輝点の大きさを無視すると隣接輝点との距離は、下式のように表される。
θ０の場合・・・・・  ａ
θ１の場合・・・・・（ａ２＋ｂ２）１／２
θ２の場合・・・・・（（２・ａ）２＋ｂ２）１／２
θ３の場合・・・・・（（３・ａ）２＋ｂ２）１／２
θ４の場合・・・・・（（４・ａ）２＋ｂ２）１／２
【００２３】
このように、格子を基線に対して傾けた場合は、傾けない場合に比較して隣接輝点間距離が大きくなる。ここで、輝点が十分に小さい場合でも、実際にはθｎのｎは無限大ではなく、輝点のスポット径やゆらぎなどにより制限される。ここでθを一般式で表すと次式のようになる。θをこのような値にほぼ等しくすると、隣接輝点との距離を大きくとることができる。
θ＝ａｒｃｔａｎ（ｂ／（ａ・ｎ））  …式３
【００２４】
このような構成にすれば、輝点アレイの縦横同時に輝点間隔を大きくして、高さ測定範囲を拡大する方法よりも、単位面積当りの輝点の個数の減少を少なくすることができ、物体の高さ測定地点を疎にすることが少なくなるので、より正確な物体の三次元測定が可能になる。また、基線長ｄは変えないので低い高さの感度を低下させることなく、高さ測定範囲を拡大することができる。
【００２５】
またａ＜ｂとすると、図４を参照して以下説明するように、輝点格子方向を基線に対して傾けて基線方向の隣接輝点間隔を拡げる場合でも、物体により輝点位置が移動するとき、隣接輝点以外の輝点にぶつかってしまうのを避けることが可能になる。
【００２６】
図４を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図中、輝点間隔にはａ＜ｂの関係があり、間隔ａの方向と基線との角度はθ＝ａｒｃｔａｎ（ｂ／（３・ａ））にとられている。このような基線と輝点格子の配置の場合、図中左下隅の輝点０は物体の高さに伴い、図中下から２行左から４列の位置の輝点１の方向に移動するが、この途中で図中下から１行左から２列の輝点２（または図中下から２行左から３列の輝点３）のすぐ脇に位置する可能性が発生する。輝点格子間隔を図のように、ａ、ｂと定義し、輝点の直径をｃ、ｎを自然数とすると、輝点０が輝点２に最も近い位置ある時の輝点同士の隙間ｓは、次式で表される。
ｓ＝ａ・ｂ／（（ａ・ｎ）２＋ｂ２）１／２−ｃ  …式４
【００２７】
例えば、ａ＝ｂ＝５ｍｍ、ｃ＝１ｍｍとすると、ｓ及び輝点の大きさを差引いた輝点０−１間の距離ｌ０１（エル）は、図５（ａ）の表１に示す通りとなり、ｎ＝５以上とすると、輝点同士が重なって見分けが難しくなることがわかる。これを避けるためには、式４においてｓ＞０とすればよい。即ち、次式を満たすようにすればよい。
θ＞ａｒｃｓｉｎ（ｃ／ａ）  …式５
【００２８】
またここで、ｂ＝８ｍｍ（＞ａ＝５ｍｍ）に変更すると、（ｂ）の表２に示すように、ノイズなどの影響がなければ、ｎ＝７の角度まで浅くすることができる。このときは、ｌ０１の値も大きくなっており、高さ測定範囲が拡大していることがわかる。このように、縦横で違う輝点間隔の輝点画像を用いることにより、基線方向の隣接輝点を伸ばすことができ、高さ測定範囲を拡大することが可能になる。
【００２９】
以上、図３で説明したように、θ１、θ２、θ３・・・・と角度を浅くしていくと（但し０度ではない）、基線方向の隣接輝点間隔が拡がり、高さ測定範囲を拡大することができるが、実際には輝点の大きさなどの影響でこの角度はあまり浅くできない。そこで、図４で説明したような輝点の配置にすることによって、角度を浅くすることができるのである。
【００３０】
ここまでで説明した実施の形態では、縦と横でファイバー径の違うＦＧ（ファイバーグレーティング）素子を用いて、格子間隔の違う輝点アレイを実現したが、他の手段として一般的な透過型一次元回折格子を２枚、格子が直交するように重ねあわせることによっても実現可能である。この場合回折格子のピッチの違うものを使用して輝点の格子間隔を縦横で違うようにする。回折格子やＦＧ素子を用いて作った輝点は、呆けが少なく、また素子と物体との距離の影響を受けにくいので好適である。またＦＧ素子の場合、遮光される場所がなくＦＧ素子に入射した光のほとんどを輝点の生成に利用することができるので、エネルギー効率的が高く、好適である。
【００３１】
更に図６（ａ）の平面図とＡ−Ａ断面図で示したマイクロレンズアレイ模式構成図に示すように、小さなレンズが縦横に隙間無く敷詰められたマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を用いても実現できる。この場合も、縦横でレンズピッチの違う素子を用いて輝点の格子間隔を縦横で違うようにすることができる。このようなＭＬＡは、材料として合成樹脂を用いて、金型によるプレス加工で簡単に製作することができるので好適である。また図示のような、各レンズ間に隙間のないＭＬＡを使用すれば、入射してきた光束のほとんどを輝点の生成に利用することができ、エネルギー効率が高く好適である。
【００３２】
更に図６（ｂ）の平面図とＢ−Ｂ断面図で示したマイクロシリンドリカルレンズアレイ模式構成図に示すように、ＦＧ素子と類似の構成で、小さなシリンドリカレンズが隙間無く並んだマイクロシリンドリカルレンズアレイを２枚重ねてもよい。このとき２枚のアレイ間では、屈折力のある方向同士をほぼ直交するようにするとよい。すなわちそれぞれの回折方向がほぼ直交するように配置する。この場合も、重ねる２枚のアレイとして、互いにレンズピッチの違うものを使用して、輝点の格子間隔を縦横で違うようにする。
【００３３】
以上説明した本発明の実施の形態である三次元形状測定装置は、例えば老人介護施設のトイレなどに用いと、トイレで何か異常が生じたような場合に、プライバシーを損なうことなく、その異常を検知することができる。
【００３４】
また、光源の使用波長を可視光以外の波長としてもよい。このように構成すると、撮像対象物が人であるときなどに、対象となる人物に気づかれずに撮像することができる。
【００３５】
なお撮像素子の例としては、ＣＣＤの他にＣＭＯＳ構造の素子を使用してもよい。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。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の方向に一定の間隔ａ、第１の方向に直角な第２の方向に間隔ａよりも大なる一定の間隔ｂで格子状に配列された複数の輝点を投影する投影手段と、投影手段から見て所定の方向に設置された、撮像対象物１の置かれた撮像領域に投影された複数の輝点を撮像する撮像手段を備え、所定の方向と第１の方向とのなす角度は、ｎを自然数とするとき、ａｒｃｔａｎ（ｂ／（ａ・ｎ））にほぼ等しく、且つ輝点の直径をｃとするとき、前記角度はａｒｃｓｉｎ（ｃ／ａ）より大であるように構成されているので、撮像対象物の測定範囲を拡大した三次元形状測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である三次元形状測定装置の概念的斜視図である。
【図２】図１の実施の形態で用いるＦＧ素子を説明する概念的斜視図である。
【図３】輝点群と基線とのなす角度を示す平面図である。
【図４】図３のθ３を抜き出して説明する平面図である。
【図５】本発明の実施例における輝点間隔と２つの輝点間の距離の表を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態で用いることのできる回折格子のうち、マイクロレンズアレイとマイクロシリンドリカルレンズアレイを示す模式図である。
【図７】物体が無いときの輝点画像と物体により隣の輝点まで移動する輝点のある画像を示す平面図である。
【符号の説明】
１  撮像対象物
２  撮像領域
１０  三次元形状測定装置
１１  撮像光学系
１１ａ  撮像レンズ
１２  投影光学系
１３  ＦＧ素子
１５  結像面
１４  画像処理装置
【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６】
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【図７】
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