JP2007155600A - 三次元形状計測用投光装置及び三次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光パターンの切替えを行なっても光パターンの位置が変化することがなく、しかも大光量で光パターンを投影することができる三次元形状計測用投光装置を提供する。
【解決手段】光を出射する光源１２と、計測対象物１６に向けて光パターンを投影する投影レンズ５６と、光源１２と投影レンズ５６の間において前記光源１２から発した光の光路を２つの分岐した光路のうちいずれかの光路に切り替えるための光路分岐・切替光学系とを備えている。光路分岐・切替光学系では、可動ミラー４６を動かすことによって光路を切替えることができる。一方の光路には縞模様の光パターンを生成するためのパターン生成素子を設けてあり、当該光路を通過した光は縞模様の光パターンとなって投影レンズ５６から投影される。他方の光路にはパターン生成素子は設けられておらず、当該光路を通過した光は照度分布の均一な光パターンとして投影レンズ５６から投影される。
【選択図】図２

Description

本発明は、計測対象物に投影された光パターンを解析することによって、計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置と、計測対象物に光パターンを投射させるための三次元形状計測用投光装置に関する。

画像解析によって計測対象物の三次元形状を得る方法として、所定の撮像視野内に存在する計測対象物に光パターンを投影し、計測対象物の三次元形状に応じた変形した光パターンの変形量を解析する方法がある。この方法で代表的なものとしては、位相シフト法と縞解析法がある。

位相シフト法では、例えば明度が正弦波状に変化する光パターンを計測対象物に投影し、この光パターンの位相を一定の角度ずつずらして３回以上撮影し、得られた画像を相互に比較して光パターンの変形量（位相ずれ）を取得することにより、計測対象物の三次元形状を計測する。従って、位相シフト法では、位相の異なる光パターンを計測対象物に投影しなければならないために、光パターンを３種類以上に切り替える必要がある。

また、縞解析法（空間縞解析法）では、位相シフト法と同様に、例えば明度が正弦波状に変化する光パターン（縞模様光パターン）を計測対象物に投影し、計測対象物の平面部分に投影したときと比較して光パターンの変形量（位相ずれ）を取得することにより、計測対象物の三次元形状を計測する。この方法においては、理論的にはただ一度縞模様光パターンを投影することによって三次元形状を計測できるため、光パターンの切り替えは不要である。しかし、実際には計測対象物自体の色や計測対象物の凹凸に起因する影などによって計測誤差が生じるため、そのような要因の影響を低減させる必要がある。このとき、均一な光パターン（つまり、縞模様パターンのない光）を投影したときの計測対象物の画像を予め取得しておき、縞模様光パターンを投影したときの計測対象物の画像と相互比較することによって計測対象物の色などの影響を抑えるという手法がよく用いられる。このため、縞解析法を用いる場合であっても、光パターンを切り替える必要が生じる。しかも、縞模様光パターンを投影するときと均一な光パターンを投影するときとで光パターンを投影する角度などの光学系の状態が変化した場合には、それらの違いによって計測対象物の色や影などが異なってしまうため、背景を除去することができなくなる。このため、投光部として、計測対象物あるいは撮像部との関係が同一の光学系を用いる必要がある。

位相シフト法で用いられる光パターンや縞解析法で用いられる光パターンを生成させる方法としては、パターン生成素子や液晶パネルなどに光を透過させて光パターンを生成する方法と、ＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いて反射光を制御して光パターンを生成する方法とがある。

パターン生成素子は、ガラス基板等の表面に金属蒸着膜によって遮光部を形成すると共に一定ピッチごとに遮光部と投光部を形成したものであり、パターン生成素子で入射光の一部を遮光することによって光パターンを得ることができる。従って、位相シフト法においてパターン生成素子を用いる場合、光パターンの位相をずらすためには、それに合わせてパターン生成素子を精密に移動させるか、位相をずらしたパターン生成素子に取り換える必要がある。また、縞解析法においてパターン生成素子を用いる場合には、パターン生成素子を光路中に差し込んだり、光路から抜き出したりしなければならない。

しかし、パターン生成素子のパターンピッチは一般に数十μｍであるので、光パターンを変更するためにパターン生成素子を動かすような構造であると、パターン生成素子を動かす度に微妙にパターン生成素子の位置がずれる恐れがある。そのため、パターン生成素子を透過した光パターンを計測対象物に拡大投影すると、光パターンの位置再現性が低くなり、計測対象物の計測精度が低下する問題があった。

一方、液晶パネルを用いる方法では、液晶パネルの各画素を電気的に制御することによって光パターンを切り替えることができるので、機械的な移動部分が必要ない。しかし、実用に耐えうる三次元形状計測装置とするためには高速撮影することが前提となるが、撮影が高速になればなるほど計測対象物に投影する光パターンに大光量が必要となり、それに伴って液晶パネルに大光量の光が照射される。そのため液晶パネルを用いた場合には、光源からの大光量によって液晶パネルが短期間で劣化する問題がある。また、液晶パネルでは、所望のエリアで要求される解像度を得ることも困難があった。

また、ＤＭＤは各画素毎に配列されたマイクロミラーを動かすことによって入射光の反射方向を制御し、それによって光パターンを変化させるものである。ＤＭＤを用いたものでは、各マイクロミラーを動かす必要はあるが、ＤＭＤ全体を動かす必要はない。しかし、ＤＭＤを用いたものでは、高速撮影時におけるマイクロミラーの動きの影響が無視できないほど大きいものとなり、ノイズの発生の原因となってしまう。また、ＤＭＤでも、所望のエリアで要求される解像度を得ることが困難であった。

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光パターンの切替えを行なっても光パターンの位置が変化することがなく、しかも大光量で光パターンを投影することができる三次元形状計測用投光装置と三次元形状計測装置を提供することにある。

本発明にかかる三次元形状計測用投光装置は、光を出射する光源と、計測対象物に向けて光パターンを投影するための投影レンズと、前記光源と前記投影レンズの間において前記光源から発した光の光路を複数の分岐した光路のうちいずれかの光路に切り替えるための光路分岐・切替光学系とを備え、前記光路のうち一つの光路は、当該光路を通過して前記投影レンズから投影される光パターンが均一な照度分布の光となるようにし、前記光路のうち別な光路には縞模様の光パターンを生成するためのパターン生成素子を設けて前記投影レンズから縞模様の光パターンを投影するようにしたことを特徴としている。なお、本明細書においては、均一な照度分布でパターンのない光も（均一な）光パターンと呼ぶものとする。

本発明にかかる三次元形状計測用投光装置にあっては、光路を分岐させておき、一方の光路にパターン生成素子を設けて縞模様の光パターンを投影できるようにし、他方の光路にはパターン生成素子を設けず均一な照度分布の光（均一な光パターンを投影できるようにし、光の通過する光路をいずれかの光路に切替え可能としている。従って、パターン生成素子を移動させたり、交換したりすることなく投影する光パターンを縞模様の光パターンと均一な光パターンとに切り替えることができ、パターン生成素子の位置ずれによって縞模様の光パターンの位置がずれたりすることがなく、三次元形状計測の計測精度を向上させることができる。また、パターン生成素子を用いているので、光源によって大光量の光を照射しても劣化しにくく、液晶パネルやＤＭＤを用いる場合に比べて投光装置の耐久性が高くなる。

本発明の三次元形状計測用投光装置のある実施態様においては、前記光路分岐・切替光学系は、移動可能となっていて入射光の通過する光路を２つの光路のうちいずれかの光路に切替えることのできる可動ミラーと、それぞれの光路を通ってきた光の一部を透過させ一部を反射させる半透過半反射素子とを有し、一方の光路を通ってきた光のうち前記半透過半反射素子を透過した光と、他方の光路を通ってきた光のうち前記半透過半反射素子で反射した光とが前記投影レンズを通過するようになっている。半透過半反射素子には、例えばハーフミラーがある。

かかる実施態様にあっては、半透過半反射素子が１枚あればよいので、２枚の半透過半反射素子を用いて可動部分（可動ミラー）を無くす場合と比較すると、投光装置から出射される光量の低下を小さくすることができ、大光量の光パターンを投影することが可能になる。また、異なる光路を通ってきた光は、同じ投影レンズを通過するので、同一の光学系を用いて縞模様の光パターンと均一な光パターンとを投影することができ、三次元形状計測の計測精度がより向上する。

本発明の三次元形状計測用投光装置の別な実施態様においては、前記光路分岐・切替光学系は、移動可能となっていて入射光の通過する光路を２つの光路のうちいずれかの光路に切替えることのできる第１の可動ミラーと、一方の光路を通ってきた光の方向と他方の光路を通ってきた光の方向が同じになるようにして前記投影レンズに入射させるための第２の可動ミラーとを有している。

かかる実施態様にあっては、半透過半反射素子を必要としないので、半透過半反射素子による光量損失をなくすことができ、投光装置から出射される光量の低下を極めて少なくすることができ、より大光量の光パターンを投影することが可能になる。また、異なる光路を通ってきた光は、同じ投影レンズを通過するので、同一の光学系を用いて縞模様の光パターンと均一な光パターンとを投影することができ、三次元形状計測の計測精度がより向上する。

なお、上記各実施態様においては、光路を折り曲げるための固定ミラーを用いれば光路分岐・切替光学系における光路を簡単かつ自由に曲げることができる。

本発明の第１の三次元形状計測用投光装置のさらに別な実施態様は、前記可動ミラーは、前記光源からの光路中に挿入又は除去されることによって光路を切り替えるものであり、該可動ミラーが光路に挿入されたときに前記パターン生成素子を通過しない光路に切り替えられ、前記可動ミラーが光路から除去されたときに前記パターン素子を通過する光路に切り替えられるものであることを特徴としている。かかる実施態様によれば、縞模様の光パターンを投影する場合には、光が可動部材（すなわち、可動ミラー）を通過しないので、縞模様の光パターンの投影位置精度が向上する。

本発明の第２の三次元形状計測用投光装置のさらに別な実施態様は、前記第１の可動ミラーは、前記光源からの光路中に挿入又は除去されることによって光路を切り替えるものであり、該第１の可動ミラーが光路に挿入されたときに前記パターン生成素子を通過しない光路に切り替えられ、前記第１の可動ミラーが光路から除去されたときに前記パターン素子を通過する光路に切り替えられ、前記第２の可動ミラーは、前記パターン生成素子から前記投影レンズに向かう光路中に挿入又は除去されることによって光路を切り替えるものであり、該第２の可動ミラーが光路に挿入されたときに前記パターン生成素子を通過しない光路を通ってきた光が前記投影レンズに向けられ、前記第２の可動ミラーが光路から除去されたときに前記パターン素子を通過した光が前記投影レンズに向けられるものであることを特徴としている。かかる実施態様によれば、縞模様の光パターンを投影する場合には、光が可動部材（すなわち、第１の可動ミラー及び第２の可動ミラー）を通過しないので、縞模様の光パターンの投影位置精度が向上する。

本発明にかかる三次元形状計測装置は、計測対象物に投影された、位置に応じて周期的に照度が変化する光パターンと均一な照度の光パターンとを比較解析することにより、計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、本発明にかかる投光装置と、計測対象物に投影された前記両光パターンを画像として読み取るためのラインセンサと、前記ラインセンサにより読み取られた前記両光パターンの画像に基づいて計測対象物の高さ情報を算出する画像解析部とを備えている。

本発明にかかる三次元形状計測装置にあっては、本発明にかかる投光装置を用いているので、投光装置から投影される縞模様の光パターンの位置がずれたりしにくく、三次元形状計測装置の計測精度を向上させることができる。また、パターン生成素子を用いているので、光源によって大光量の光を照射しても劣化しにくく、投光装置で液晶パネルやＤＭＤを用いる場合に比べて三次元形状計測装置の耐久性が高くなる。

なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１は本発明の実施例１による三次元形状計測装置１１の外観斜視図である。三次元形状計測装置１１は、縞模様光パターンと均一な光パターンとを投影する投光部１２（投光装置）、撮像部１３、撮像部１３により撮像した画像に基づいて計測対象物１６の三次元形状を計測する画像解析・駆動制御部１４からなる。投光部１２及び撮像部１３は、計測対象物１６を載置して移動させるための搬送部１５の上方に設置されている。

三次元形状計測装置１１は、計測対象物１６に光パターンを投影し、計測対象物１６に投影された光パターンの形状を解析することによって、計測対象物１６の三次元形状、例えば計測対象物１６の表面に設けられた凹部の奥行きや凸部の高さ及びそれらの位置を計測することができる。この三次元形状計測装置１１の用途は特に限定されないが、例えば実装基板を検査する装置などに適用することができる。

図２は本発明にかかる三次元形状計測装置１１の構成を示すブロック図である。撮像部１３は光パターンを投影された計測対象物１６を読み取り、その画像を取得するものであり、１本のラインセンサ２６とマクロレンズ等の光学系２５とを備えている。撮像部１３のラインセンサ２６は、その主走査方向の軸が搬送ステージ２７の載置面と平行で、かつ搬送方向と垂直になるように設置されている。ラインセンサ２６の主走査方向の軸と搬送ステージ２７の載置面とを平行にすることにより、計測対象物１６の上面を均一な倍率で撮像することができる。また、ラインセンサ２６の主走査方向の軸と搬送方向とを垂直にすることにより、搬送しながら撮影した複数のライン画像からなる２次元画像には、直角部分が直角部分として撮像される。

画像解析・駆動制御部１４は、図２に示すように、ＣＰＵ３３及びＲＡＭ３４、撮像部１３からの画像をデジタルデータで取り込むキャプチャーボード３１、搬送部１５の移動を制御するコントローラ３２などを備えるコンピュータである。画像解析・駆動制御部１４は、撮像部１３によって撮像された画像に含まれる光パターンを縞解析法によって解析し、計測対象物１６の三次元形状を算出する画像解析部の機能を有する。またその一方で、画像解析・駆動制御部１４は、搬送部１５の駆動を制御する駆動制御部としての機能も有する。もちろん、画像解析部と駆動制御部を別々のコンピュータによって構成してもよい。

投光部１２は、計測対象物１６の表面に光パターンを投影するためのものであり、詳細な構造については後述する。投影する光パターンは、縞模様の光パターン１７と均一な光パターン（すなわち、縞模様パターンのない均一な光）１８とに切り替えられるようになっている。縞模様光パターン１７としては、正弦波、三角波、又は矩形波などの、位置に応じて周期性を有し、かつ位相を特定できるパターンであれば何れでもよいが、本実施例では、計測分解能の向上に寄与する正弦波状の光パターンを用いることとする。ここで、縞模様光パターン１７と均一な光パターン１８とはほぼ同一エリアに向けて投影される。例えば、投光部１２は搬送ステージ２７の上面から４６０ｍｍの距離に設置され、縞模様光パターン１７及び均一な光パターン１８は、長さＬが１４０ｍｍ以上、幅Ｗが２ｍｍ以上の長方形状（ライン状）の領域に投影される。また、縞模様光パターン１７では、白黒の縞模様が１ｍｍの長さ当たりに２.５本ずつ含まれており、縞模様はピントを合わせ易くするために縞模様光パターン１７の幅方向に対して約６.７°傾けられている。また、三次元形状計測装置１１では、計測対象物１６を高速撮影する必要があるので、投光部１２は大光量を要求され、均一な光パターン１８若しくは縞模様光パターン１７の明るい部分では１０万ルクスの照度となっている。

投光部１２は、図３に示すように、搬送ステージ２７の上面に対して垂直に設置された撮像部１３の光軸に対して、その光軸が所定の角度を有するように設置されている。図３は投光部１３の斜視図、図４（ａ）は図３のＸ方向斜視図、図４（ｂ）は図３のＹ方向斜視図である。図３及び図４（ａ）（ｂ）に示すように、投光部１２の光軸は、搬送方向前方（Ｘ方向）から見ると、搬送ステージ２７に垂直な方向に対してα＝３０°の角度をなしており、側面方向（Ｙ方向）から見ると、搬送ステージ２７に垂直な方向に対してβ＝４５°の角度をなしている。

図５に示すように、縞模様光パターン１７と均一な光パターン１８は、計測対象物１６に対して交互に投影される。例えば、計測対象物１６を静止させた状態で均一な光パターン１８を投影して撮像部１３で撮影し、ついで光パターンを切り替えて計測対象物１６の同じ箇所に縞模様光パターン１７を投影して撮像部１３で撮影する。そして、三次元形状計測装置１１は静止させたままで計測対象物１６だけを微小距離移動させ、微小距離移動して静止している計測対象物１６に対して均一な光パターン１８を投影して撮像部１３で撮影し、ついで光パターンを切り替えて計測対象物１６に縞模様光パターン１７を投影して撮像部１３で撮影する。この結果、計測対象物１６上の、前回の撮影時とは少しずれた位置における均一な光パターンの照射画像と縞模様光パターンの照射画像とが取得される。このような動作を繰り返すことによって多数枚の画像を撮影することより、計測対象物１６に投影した光パターンのずれに基づいて、計測対象物１６の高さや形状を算出する。

搬送部１５は、ラインセンサ２６の主走査方向（長手方向）と垂直な方向（以下、「副走査方向」という。）に計測対象物１６を水平移動させるためのものであり、計測対象物１６を載置するための搬送ステージ２７、搬送ステージ２７を駆動するサーボモータ２８、搬送ステージ２７の位置を検出するリニアスケーラ２９などを備えている。搬送部１５により計測対象物１６全体の三次元形状を計測することが可能になる。

このような三次元形状計測装置１１の動作について説明すると以下の通りである。まず、画像解析・駆動制御部１４からの命令によって、搬送部１５のサーボモータ２８が搬送ステージ２７を初期設定位置にセットする。この初期設定位置は、撮像部１３が計測対象物１６を撮像する際の副走査方向の撮像開始位置を決定するものであり、撮像部１３の撮像領域が、搬送部１５の搬送ステージ２７に載せられた計測対象物１６の副走査方向における端部に来るような位置であることが好ましい。

そして、投光部１２が計測対象物１６に均一な光パターン１８を投影する。撮像部１３は計測対象物１６表面の均一な光パターン１８が投影された領域を走査し、この計測対象物１６の画像を取得する。撮像部１３によって取得された画像は、画像解析・駆動制御部１４に送信され、画像解析・駆動制御部１４のキャプチャボード３１によってデジタルデータに変換される。ついで、投光部１２が縞模様光パターン１７に切り替えられ、投光部１２が計測対象物１６の同一位置に縞模様光パターン１７を投影する。撮像部１３は計測対象物１６表面の縞模様光パターン１７が投影された領域を走査し、この計測対象物１６の画像を取得する。撮像部１３によって取得された画像は、画像解析・駆動制御部１４に送信され、画像解析・駆動制御部１４のキャプチャボード３１によってデジタルデータに変換される。そして、画像解析・駆動制御部１４のＣＰＵ３３は、均一な光パターン１８の照射画像に基づいて縞模様光パターン１７の照射画像から背景情報を消し去り、背景情報を消去された縞模様光パターン１７の照射画像を解析することによって、計測対象物１６の高さ情報を算出する。

ここで、本実施例の三次元形状計測装置１１では、画像中の縞模様光パターン１７を解析する際に、空間縞解析法を用いる構成となっている。これにより、撮像部１３に備わった１本のラインセンサ２６が１回走査して取得した１つのライン画像から、計測対象物１６の、撮像部１３の走査領域（撮像領域）内での各位置における高さを求めることができる。

そして、搬送部１５は、画像解析・駆動制御部１４の制御によって、計測対象物１６を副走査方向に所定の距離だけ移動させる。これにより、計測対象物１６における撮像部１３の撮像領域と投光部１２によって投影される均一な光パターン１８及び縞模様光パターン１７の位置とが、所定の距離だけ副走査方向にずれることになる。この後、再び均一な光パターン１８を投影した状態と縞模様光パターン１７を投影した状態とにおいて撮像部１３が計測対象物１６を走査し、ライン画像を取得する。ここで得られたライン画像には、計測対象物１６の、先ほどの走査領域よりも所定の距離だけ副走査方向にずれた領域が含まれることになる。得られた画像は、同様に画像解析・駆動制御部１４に送信され、新しい走査領域内での各位置における三次元情報が求められる。

このように、搬送部１５が再び計測対象物１６を所定の距離だけ移動させ、撮像部１３が計測対象物１６を撮像し、画像解析・駆動制御部１４がライン画像を解析する処理を繰り返すことによって、計測対象物１６全体の三次元形状が計測される。

なお、上記実施例の説明では計測対象物１６を移動させたが、これとは反対に計測対象物１６を静止させておき三次元形状計測装置１１を間欠的に移動させ、均一な光パターン１８と縞模様光パターン１７を投影して計測対象物１６を撮影するようにしてもよい。

また、別な撮影方法としては、次のようにしてもよい。均一な光パターン１８を投影したままにしておいて計測対象物１６を前方へ移動させつつ間欠的に計測対象物１６を静止させて均一な光パターン１８の照射画像を撮影する。ついで、計測対象物１６を後ろ向きに移動させる。そして、計測対象物１６を前方への移動時に静止した位置と同じ位置で計測対象物１６を静止させ、各静止位置で縞模様光パターン１７の照射画像を撮影するようにしてもよい。

次に、上記のような三次元形状計測装置１１に用いられている投光部１２の構造について詳細に説明する。図６は上記投光部１２の具体的な構造を示す斜視図、図７はその平面図である。投光部１２を構成する各部品はベース板４０の上に取付けられている。ベース板４０上の一方端部には、メタルハライドランプからなる高輝度の光源４１が設置されている。光源４１の光出射方向前方には、光源４１から出射された光を集光して平行光に変換するためのコリメートレンズ４２が設けられている。さらに、コリメートレンズ４２の前方には、コリメートレンズ４２でコリメートされた平行光の光路上に２枚のインテグレータレンズ４３、４４及びフィールドレンズ４５が設けられている。インテグレータレンズ４３、４４及びフィールドレンズ４５は、光の光線方向に対して垂直となるようにして互いに平行に設置されている。

光路分岐・切替光学系は、可動ミラー４６、２枚の固定ミラー４８、５１及びハーフミラー５５によって構成されており、これらのミラー４６、４８、５１、５５は長方形の各頂点に位置するように配置されている。これらのミラー４６、４８、５１、５５のうち可動ミラー４６及びハーフミラー５５は一方の対角方向に位置し、固定ミラー４８及び固定ミラー５１は他方の対角方向に位置している。また、各ミラー４６、４８、５１、５５どうしを長方形状に結ばれるとき、各ミラー４６、４８、５１、５５の鏡面は、その互いに結ばれる方向（後述のように、この方向は光線方向になる。）に対して４５°の角度を成し、かつ、互いに平行に配置されている。

この光路分岐・切替光学系は、フィールドレンズ４５を透過した光が可動ミラー４６に４５°の角度で入射するように配置されており、可動ミラー４６に入射する光を真っ直ぐに延長した線上に固定ミラー５１、４８のいずれか一方が配置され、可動ミラー４６に入射した光が反射する方向に固定ミラー５１、４８のうち他方が配置されている。

可動ミラー４６は、駆動機構部４７によって回動させられるようになっており、可動ミラー４６を回動させることによってフィールドレンズ４５を透過した光の光路中に可動ミラー４６を挿入し、あるいは当該光路から抜き出すことができる。なお、上記光路分岐・切替光学系の配置は、可動ミラー４６が光路中に挿入された状態におけるものである。

上記可動ミラー４６を回動させるための駆動機構部４７は、つぎのような構造を有している。可動ミラー４６は、可動プレート６０の開口部分に取付けられており、外周部分を可動プレート６０に固定されている。可動プレート６０の基部の両側面には軸棒６１が設けられており、軸棒６１は、ベース板４０の上に固定された支持フレーム６２によって回動自在に支持されている。よって、可動プレート４７は、軸棒６１を中心として回動可能となっている。支持フレーム６２には、パルスステップモータやサーボモータ等のモータ６４が取付けられており、一方の軸棒６１に固定されたギア６３にはモータ６４のピニオン６５が噛み合っている。よって、モータ６４を駆動すると、可動ミラー４６は可動プレート４７と共に軸棒６１の回りに回動する。この投光器１２においては、モータ６４を駆動することによって可動ミラー４６を可動プレート４７と共に回転させることができる。そして、駆動機構部４７は、フィールドレンズ４５と固定ミラー５１の中間における光路内に、光路に対して４５°の角度をなすようにして可動ミラー４６を差し込んだり、あるいは、フィールドレンズ４５の前方の光路から抜き出したりすることができる。なお、可動ミラー４６が正確に４５°の角度で挿入されるようにするためには、例えば可動ミラー４６が４５°の角度となったときに可動プレート６０に当たるストッパを設けておけばよい。

前記インテグレータレンズ４３、４４は、図９（ｂ）に示すように、複数のレンズセルが縦横に配列された集合レンズであって、各レンズセルを通過した光束を同一領域に広げて重ね合わせる働きをする。図１０はインテグレータレンズ４３、４４の働きを説明した原理図であって、インテグレータレンズ４３の各レンズセルを通過した光束はインテグレータレンズ４４の全体に広げて重ね合わされる。さらに、インテグレータレンズ４４の各レンズセルを通過した光束はパターン生成素子５４の全体に広げて重ね合わされる。よって、パターン生成素子５４は極めて均一な光により照射されることになり、パターン生成素子５４を透過した光は、均一な縞模様光パターン１７となる。パターン生成素子５４により生成された縞模様光パターン１７はハーフミラー５５に入射し、その一部がハーフミラー５５で反射された後、投影レンズ５６によって計測対象物１６に拡大投影される。よって、可動ミラー４６が光路から抜き出されている場合には、投光部１２からは縞模様光パターン１７の均一な光が出射される。

図８（ｂ）は可動ミラー４６が光路中に挿入されている場合の光の進路を表わす概略図である。図７及び図８（ｂ）に示すように、可動ミラー４６が光路中に挿入されている場合には、フィールドレンズ４５を透過して可動ミラー４６に入射した光は可動ミラー４６で反射することによって光路を９０°曲げられて固定ミラー４８に入射する。固定ミラー４８とハーフミラー５５の間にはフィールドレンズ４９が配置されているので、固定ミラー４８に入射した光は、固定ミラー４８で光の方向を９０°曲げられ、フィールドレンズ４９を透過してハーフミラー５５に入射する。ハーフミラー５５に入射した光は、その一部がハーフミラー５５で反射され、一部の光がハーフミラー５５を透過して投影レンズ５６から外部へ出射される。よって、可動ミラー４６が光路中に挿入されている場合には、投光部１２からはパターンのない均一な光パターン１８の光が出射される。

固定ミラー５１とハーフミラー５５の間には、フィールドレンズ５２が配置され、また、その前方にはパターン生成素子支持部５３に保持されてパターン生成素子５４が配置されている。パターン生成素子５４は、ガラス板又は耐熱性透明樹脂フィルムの表面に金属蒸着膜による遮光部を設けてその間にスリット状の透光部を設けたものである。

図８（ａ）は可動ミラー４６が光路から抜き出されている場合の光の進路を表わす概略図である。可動ミラー４６が光路から抜き出されている場合には、フィールドレンズ４５を透過した光は固定ミラー５１に入射し、固定ミラー５１で反射することによって光路を９０°曲げられる。固定ミラー５１で反射した光は、フィールドレンズ５２を透過してパターン生成素子５４に照射される。

このような投光部１２によれば、可動ミラー４６を動かして光の通る光路を切替えることにより縞模様光パターン１７と均一な光パターン１８とに切替えることができる。つまり、パターン生成素子５４を動かしたり、取り換えたりする必要がない。よって、投光部１２から投影される光を縞模様光パターン１７と均一な光パターン１８とに何回も切り替えても縞模様光パターン１７の位置がずれることがなく、精密な三次元形状計測を行なうことができる。しかも、ここで用いるパターン生成素子５４は熱にも強いので、大光量の光が照射されても傷みにくく、耐久性も高い。

図１１（ａ）（ｂ）は光路分岐・切替光学系において可動ミラー４６の代わりにハーフミラー９１を用いて可動部分をなくした比較例を表わしている。このような比較例では、一方の光路をシャッタ９２又は９３によって遮断して図１１（ａ）又は図１１（ｂ）のように光路が切替えられる。すなわち、図１１（ｂ）に示すように、シャッタ９２によってハーフミラー９１と固定ミラー５１との間の光路を遮断すると、ハーフミラー９１に入射した光の一部がハーフミラー９１で反射されて固定ミラー４８に入射する。固定ミラー４８に入射した光は固定ミラー４８で反射されてハーフミラー５５に入射し、入射光の一部がハーフミラー５５を透過する。また、図１１（ａ）に示すように、シャッタ９３によってハーフミラー９１と固定ミラー４８との間の光路を遮断すると、ハーフミラー９１に入射した光の一部がハーフミラー９１を透過して固定ミラー５１に入射する。固定ミラー５１に入射した光は固定ミラー５１で反射され、さらにパターン生成素子５４を通過してハーフミラー５５に入射し、入射光の一部がハーフミラー５５で反射される。

比較例において、光強度１００の光が入射した場合を考えると、入射光は２枚のハーフミラー９１、５５を通過することによってそれぞれ光量が半減するので、いずれの光路を通った出射光も光強度が２５（入射光量の２５％）にまで低下する。ただし、パターン生成素子５４を設けられた光路を通過した場合には、縞模様光パターン１７の明るい部分における光強度を考える。

これに対し、本実施例の場合には、１枚のハーフミラー５５しか用いていないので、図８（ａ）（ｂ）に示すように、いずれの光路を通過した場合にも出射光の光強度は５０（入射光量の５０％）となる。ただし、パターン生成素子５４を設けられた光路を通過した場合には、縞模様光パターン１７の明るい部分における光強度を考えている。よって、本実施例によれば、高い照度で縞模様光パターン１７及び均一な光パターン１８を投影することができる。

さらに、この実施例では、光路を切替えても光路長が変化しないので、同じ曲率のフィールドレンズ４９とフィールドレンズ５２を用いることができ、設計も容易になる。また、この実施例では、縞模様光パターン１７を投影するときに光が可動ミラー４６を通過するようにしているので、可動ミラー４６を移動させる際のがたつきや駆動機構部３０の経年的な摩耗などによって可動ミラー４６に位置ずれが生じたとしても、縞模様光パターン１７の投影位置に影響を与えることがなく、縞模様光パターン１７の投影位置精度が高くなる。

図９（ａ）は一般的にデータプロジェクタに用いられているインテグレータレンズ９４の形状を表わしており、図９（ｂ）は本実施例で用いられているインテグレータレンズ４３、４４の形状を表わしている。一般にデータプロジェクタに用いられているインテグレータレンズ９４では、各レンズセルの縦横比がＨ：Ｄ＝３：４となっているが、本実施例で用いているインテグレータレンズ４３、４４ではレンズセルの縦横比がＨ：Ｄ＝１：３となっていて横長になっている。本実施例のような用途では、レンズセルの用途をこのような横長の形状にすることによりレンズセル間の境界部分による損失を少なくでき、効率を向上させることができる。

なお、実施例１では、駆動機構部４７は可動ミラー４６を回動させることによって光路から抜き差ししたが、可動ミラー４６を平行移動させることによって光路から抜き差しさせるようにしてもよい。また、駆動機構部４７のアクチュエータとしては、モータに限らず、圧電素子等を用いてもよい。

図１２（ａ）（ｂ）は本発明の実施例２において用いられている投光部１２の光路分岐・切替光学系を示す概略図である。これ以外の点については、実施例１の三次元形状計測装置と同じであるので説明を省略する。

実施例２においては、実施例１のハーフミラー５５に代えて可動ミラー６６を用いている。可動ミラー６６は、可動ミラー４６と同様に駆動機構部を用いて回動または平行移動させることによって光路に挿入され、あるいは光路から抜き出される。

実施例２の場合には、図１２（ａ）に示すように、可動ミラー４６を光路から外し、可動ミラー６６を光路内に挿入してあれば、パターン生成素子５４の配置されている光路を光が通過するので、投光部１２からは縞模様光パターン１７が投影される。

また、図１２（ｂ）に示すように、可動ミラー６６を光路から外し、可動ミラー４６を光路内に挿入してあれば、パターン生成素子５４の配置されていない光路を光が通過するので、投光部１２からは均一な光パターン１８が投影される。

この実施例でも、パターン生成素子５４を動かすことなく縞模様光パターン１７と均一な光パターン１８を切替えることができるので、縞模様光パターン１７の位置がずれることがなく、精密に縞模様光パターン１７を投影させることができる。

また、実施例２の場合には、ハーフミラーを用いていないので、いずれの光路を通る場合にも、出射光の光強度は１００（入射光量の１００％）となり、高照度で縞模様光パターン１７や均一な光パターン１８を投影させることができる。

なお、実施例２において可動ミラー４６と可動ミラー６６の動く方向は特に問わない。例えば、図１２の紙面に垂直な方向に可動ミラー４６及び６６を平行移動させるようにしてもよい。ただし、同じ方向に動くようにすれば、１つの駆動機構部４７により可動ミラー４６と可動ミラー６６を同時に動かすことが可能になり、構造が簡略になる。また、可動ミラー６６の動きを実施例２の図示例から変更し、縞模様光パターン１７を投影するときに可動ミラー４６、６６を光路から外し、均一な光パターン１８を投影するときに可動ミラー４６、６６を光路に挿入するようにし、図１２（ａ）（ｂ）の上方向（パターン生成素子５４を透過した光が直進する方向）へ向けて縞模様光パターン１７及び均一な光パターン１８が投影されるようにしてもよい。このような変形例によれば、縞模様光パターン１７が投影される際に可動ミラー４６、６６が光路から外されるので、縞模様光パターン１７の投影位置精度が高くなる。

図１３（ａ）（ｂ）は本発明の実施例３において用いられている投光部１２の光路分岐・切替光学系を示す概略図である。これ以外の点については、実施例１の三次元形状計測装置と同じであるので説明を省略する。

実施例３においては、実施例１のハーフミラー５５に代えて固定ミラー６７を用い、パターン生成素子５４に近い位置（パターン生成素子５４から遠い位置でもよい。）に固定ミラー６７を配置している。そして、固定ミラー６８及び可動ミラー６９を用いることにより、パターン生成素子５４の配置されていない光路を通って固定ミラー４８で反射された光が、パターン生成素子５４を通過して固定ミラー６７で反射されて光と同じように、投影レンズ５６に入射するようにしている。

実施例３の場合には、図１３（ａ）に示すように、可動ミラー４６、６９を光路から外してあれば、パターン生成素子５４の配置されている光路を光が通過するので、投光部１２からは縞模様光パターン１７が投影される。

また、図１３（ｂ）に示すように、可動ミラー４６、６９を光路内に挿入してあれば、パターン生成素子５４の配置されていない光路を光が通過するので、投光部１２からは均一な光パターン１８が投影される。

この実施例でも、パターン生成素子５４を動かすことなく縞模様光パターン１７と均一な光パターン１８を切替えることができるので、縞模様光パターン１７の位置がずれることがなく、精密に縞模様光パターン１７を投影させることができる。

また、実施例３の場合には、ハーフミラーを用いていないので、いずれの光路を通る場合にも、出射光の光強度は１００（入射光量の１００％）となり、高照度で縞模様光パターン１７や均一な光パターン１８を投影させることができ、大光量を維持できる。

また、実施例３の場合には、縞模様光パターンを投影する場合には、可動ミラー４６、６９が光路から外れていて光が可動部分（可動ミラー４６、６６）を通過しない（特に、パターン生成素子５４を通過した後の光が可動部分を通過しない）ので、縞模様光パターンが可動部分により影響されず、縞模様光パターンの投影位置精度が維持されるという利点がある。

ただし、図１３に示す配置では、パターン生成素子５４を通過する光路とパターン生成素子５４を通過しない光路とでは光路長が異なるので、この場合にはフィールドレンズ４９とフィールドレンズ５２とでは焦点距離の異なるレンズを用いる必要があるなど、設計が煩雑になる。

なお、上記各実施例では、可動ミラー４６を光路に出し入れすることによって光路を切替えるようにしたが、可動ミラー４６を回動させることによって可動ミラー４６による光の反射方向を変化させることで光路を切替えるようにしてもよい。

図１は、本発明の実施例１による三次元形状計測装置の外観斜視図である。 図２は、同上の三次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。 図３は、投光部の配置を示す概略斜視図である。 図４（ａ）は図３のＸ方向矢視図、図４（ｂ）は図３のＹ方向矢視図である。 図５は、投光部から投影される光パターンが縞模様光パターンと均一な光パターンとに交互に切り替わる様子を表わした概略図である。 図６は、実施例１の三次元形状計測装置に用いられている投光部の具体的な構造を示す斜視図である。 図７は、図６に示した投光部の平面図である。 図８（ａ）は、投光部から縞模様光パターンを出射しているときの光路分岐・切替光学系の状態を示す模式図である。図８（ｂ）は、投光部から均一な光パターンを出射しているときの光路分岐・切替光学系の状態を示す模式図である。 図９（ａ）はデータプロジェクタ用のインテグレータレンズを示す正面図、図９（ｂ）は実施例１の投光部に用いられているインテグレータレンズを示す正面図である。 図１０は、実施例１の投光部に用いられているインテグレータレンズの働きを説明した原理図である。 比較例における光路分岐・切替光学系を示す模式図である。 図１２（ａ）は、実施例２において、投光部から縞模様光パターンを出射しているときの光路分岐・切替光学系の状態を示す模式図である。図１２（ｂ）は、実施例２において、投光部から均一な光パターンを出射しているときの光路分岐・切替光学系の状態を示す模式図である。 図１３（ａ）は、実施例３において、投光部から縞模様光パターンを出射しているときの光路分岐・切替光学系の状態を示す模式図である。図１３（ｂ）は、実施例３において、投光部から均一な光パターンを出射しているときの光路分岐・切替光学系の状態を示す模式図である。

符号の説明

１１ 三次元形状計測装置
１２ 投光部
１３ 撮像部
１４ 画像解析・駆動制御部
１５ 搬送部
１６ 計測対象物
１７ 縞模様光パターン
１８ 均一な光パターン
２７ 搬送ステージ
４１ 光源
４２ コリメートレンズ
４３、４４ インテグレータレンズ
４５ フィールドレンズ
４６ 可動ミラー
４７ 駆動機構部
４８ 固定ミラー
４９ フィールドレンズ
５１ 固定ミラー
５２ フィールドレンズ
５４ パターン生成素子
５５ ハーフミラー
５６ 投影レンズ
６０ 可動プレート
６６ 可動ミラー
６７ 固定ミラー
６８ 固定ミラー
６９ 可動ミラー
９１ ハーフミラー
９２、９３ シャッタ
９４ インテグレータレンズ

Claims (7)

1. 光を出射する光源と、計測対象物に向けて光パターンを投影するための投影レンズと、前記光源と前記投影レンズの間において前記光源から発した光の光路を複数の分岐した光路のうちいずれかの光路に切り替えるための光路分岐・切替光学系とを備え、
   前記光路のうち一つの光路は、当該光路を通過して前記投影レンズから投影される光パターンが均一な照度分布の光となるようにし、
   前記光路のうち別な光路には縞模様の光パターンを生成するためのパターン生成素子を設けて前記投影レンズから縞模様の光パターンを投影するようにしたことを特徴とする三次元形状計測用投光装置。
2. 前記光路分岐・切替光学系は、移動可能となっていて入射光の通過する光路を２つの光路のうちいずれかの光路に切替えることのできる可動ミラーと、それぞれの光路を通ってきた光の一部を透過させ一部を反射させる半透過半反射素子とを有し、
   一方の光路を通ってきた光のうち前記半透過半反射素子を透過した光と、他方の光路を通ってきた光のうち前記半透過半反射素子で反射した光とが前記投影レンズを通過するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状計測用投光装置。
3. 前記光路分岐・切替光学系は、移動可能となっていて入射光の通過する光路を２つの光路のうちいずれかの光路に切替えることのできる第１の可動ミラーと、一方の光路を通ってきた光の方向と他方の光路を通ってきた光の方向が同じになるようにして前記投影レンズに入射させるための第２の可動ミラーとを有することを特徴とする、請求項１に記載の三次元形状計測用投光装置。
4. 前記光路分岐・切替光学系は、光路を折り曲げるための固定ミラーを備えていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の三次元形状計測用投光装置。
5. 前記可動ミラーは、前記光源からの光路中に挿入又は除去されることによって光路を切り替えるものであり、該可動ミラーが光路に挿入されたときに前記パターン生成素子を通過しない光路に切り替えられ、前記可動ミラーが光路から除去されたときに前記パターン素子を通過する光路に切り替えられるものであることを特徴とする、請求項２に記載の三次元形状計測用投光装置。
6. 前記第１の可動ミラーは、前記光源からの光路中に挿入又は除去されることによって光路を切り替えるものであり、該第１の可動ミラーが光路に挿入されたときに前記パターン生成素子を通過しない光路に切り替えられ、前記第１の可動ミラーが光路から除去されたときに前記パターン素子を通過する光路に切り替えられ、
   前記第２の可動ミラーは、前記パターン生成素子から前記投影レンズに向かう光路中に挿入又は除去されることによって光路を切り替えるものであり、該第２の可動ミラーが光路に挿入されたときに前記パターン生成素子を通過しない光路を通ってきた光が前記投影レンズに向けられ、前記第２の可動ミラーが光路から除去されたときに前記パターン素子を通過した光が前記投影レンズに向けられるものであることを特徴とする、請求項３に記載の三次元形状計測用投光装置。
7. 計測対象物に投影された、位置に応じて周期的に照度が変化する光パターンと均一な照度の光パターンとを比較解析することにより、計測対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置であって、
   請求項１に記載の投光装置と、
   計測対象物に投影された前記両光パターンを画像として読み取るためのラインセンサと、
   前記ラインセンサにより読み取られた前記両光パターンの画像に基づいて計測対象物の高さ情報を算出する画像解析部とを備えた三次元形状計測装置。

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