(57)【要約】【課題】対象に光を投影した際に観察されるスペックルパターンによるスペックルノイズを低減させることを可能にする。【解決手段】本発明の一実施の形態の光学装置は、複数の発光素子を所定の間隔で配列した光源と、前記複数の発光素子からの光をそれぞれライン光に変換する光学系と、前記それぞれのライン光を偏向する光偏向素子と、を備え、前記光偏向素子の回転軸方向に前記それぞれのライン光の長手方向を入射させる、ことを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光素子を所定の間隔で配列した光源と、
前記複数の発光素子からの光をそれぞれライン光に変換する光学系と、
前記それぞれのライン光を偏向する光偏向素子と、
を備え、
前記光偏向素子の回転軸方向に前記それぞれのライン光の長手方向を入射させる、
ことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記それぞれのライン光を被照射面上で略一本に重ねる、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記光学系は、
前記それぞれのライン光の長手方向を前記光偏向素子又は前記光偏向素子の直近に集光し、前記それぞれのライン光を前記光偏向素子に所定の間隔で入射させる、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記所定の間隔は、前記それぞれのライン光において少なくとも一の間隔は他の間隔と異なっている、
ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項５】
前記所定の間隔（Ｄ）は、被照射面までの距離（ＬＷＤ）と光源の入射角（θ）から決まり、Ｄ＝２×ＬＷＤ×ｔａｎ（θ／２）を満たす、
ことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
【請求項６】
前記複数の発光素子の前記間隔と前記光偏向素子に入射する前記それぞれのライン光の間隔とは、
発光素子の間隔≧光偏向素子に入射するそれぞれのライン光の間隔
の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項７】
前記複数の発光素子の前記間隔と前記光偏向素子に入射する前記それぞれのライン光の間隔とは、
発光素子の間隔＜光偏向素子に入射するそれぞれのライン光の間隔
の関係を満たし、
且つ、前記光偏向素子に入射する前記それぞれのライン光の間隔は３５μｍ以上である、
ことを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項８】
被照射面上におけるライン光の長手方向と短手方向に対し、前記光偏向素子に入射する前記ライン光は前記短手方向の方が前記長手方向よりも広い幅となる、
ことを特徴とする請求項１乃至７のうちの何れか一項に記載の光学装置。
【請求項９】
前記光偏向素子のミラー面のミラーサイズは、該ミラー面に入射する各ライン光の被照射面上における各ライン光の長手方向に対応する辺の長さよりも短手方向に対応する辺の長さの方が長い
ことを特徴とする請求項１乃至８のうちの何れか一項に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記複数の発光素子の発散角を制御するマイクロレンズアレイおよび／またはマイクロシリンドリカルレンズアレイとを有する、
ことを特徴とする請求項１乃至９のうちの何れか一項に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記光源はＶＣＳＥＬである、
ことを特徴とする請求項１乃至１０のうちの何れか一項に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記複数の発光素子の少なくとも一部の波長が異なっている、
ことを特徴とする請求項１乃至１１のうちの何れか一項に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記複数の発光素子において波長の等しい発光素子を複数有する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記複数の発光素子において波長が異なる発光素子の素子間隔が波長の等しい発光素子の素子間隔より狭い
ことを特徴とする請求項１３に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記各波長の発光素子が同じ素子間隔で配置されている、
ことを特徴とする請求項１４に記載の光学装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のうちの何れか一項に記載の光学装置と、
被照射面上の前記ライン光を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された前記ライン光の画像情報に基づき前記被照射面の対象物を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする計測装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の計測装置と、
前記計測装置を装着した多関節アームと、
を備えることを特徴とするロボット。
【請求項１８】
請求項１６に記載の計測装置と、
前記計測装置による使用者の計測結果に基づいて使用者の認証を行う認証部と、
を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１９】
請求項１６に記載の計測装置と、
前記計測装置による計測結果に基づいて移動体の運転を支援する運転支援部と、
を備えることを特徴とする移動体。
【請求項２０】
請求項１６に記載の計測装置と、
前記計測装置による計測結果に基づいて形成物を形成するヘッドと、
を備えることを特徴とする造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エリア（面）で計測可能な、所謂プロジェクタ・カメラ方式が注目されている。このようなプロジェクタ・カメラ方式による３次元計測では、例えば被計測物体に対してプロジェクタ（投影装置）からパターン光を投影し、被計測物体に投影されたパターン光をカメラ（撮影装置）で撮影して、この撮影画像から３次元形状を復元して、被計測物体を３次元計測する（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の三次元計測において、投影光学系の光源にＬＤ（Laser  Diode）のようなコヒーレント光を用いるものでは、光を投影した対象からスペックルパターンを含む画像が観察される。撮像画像から輝度情報を解析する場合、それがノイズとなり、解析結果に誤差が生じ、計測精度が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、対象に光を投影した際に観察されるスペックルノイズを低減させることが可能な光学装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形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】
【０００５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一実施の形態の光学装置は、複数の発光素子を所定の間隔で配列した光源と、前記複数の発光素子からの光をそれぞれライン光に変換する光学系と、前記それぞれのライン光を偏向する光偏向素子と、を備え、前記光偏向素子の回転軸方向に前記それぞれのライン光の長手方向を入射させる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、対象に光を投影した際に観察されるスペックルノイズを低減させることが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、レーザのスペックルノイズの発生原理を示す概念図である。
【図２】図２は、複数光源角度多重を利用し、スペックルノイズが低減することを確認するための、複数の光源を配置した実験系の一例を示す図である。
【図３】図３は、θを変化させた場合の実験結果の一例を示す図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係る光学装置（光偏向素子のミラー面が大きい場合）の構成の一例を示す図である。
【図５】図５は、第１の実施の形態に係る光学装置（光偏向素子のミラー面が小さい場合）の構成の一例を示す図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態に係る計測装置の一例を示す図である。
【図７】図７は、光学装置による計測対象への光投影の様子の一例を示す図である。
【図８】図８は、ＶＣＳＥＬアレイの構成の一例を示す図である。
【図９】図９は、ＶＣＳＥＬアレイの構成の他の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、光学装置の光学系の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、光学装置における光の光路を示す図である。
【図１２】図１２は、光学装置のＶＣＳＥＬアレイの発光素子配列の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。
【図１５】図１５は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。
【図１６】図１６は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。
【図１７】図１７は、光学装置の光学系の他の一例を示す図である。
【図１８】図１８は、光偏向素子の一例であるＭＥＭＳミラーの構成の一例を示す図である。
【図１９】図１９は、光偏向素子の一例であるポリゴンミラーの構成の一例を示す図である。
【図２０】図２０は、カメラの構成の一例を示す図である。
【図２１】図２１は、計測装置のブロック構成の一例を示す図である。
【図２２】図２２は、位相シフト法を用いた計測の説明図である。
【図２３】図２３は、光切断法を用いた計測の説明図である。
【図２４】図２４は、スペックルノイズの低減効果を説明する図である。
【図２５】図２５は、第２の実施の形態に係るロボットの構成の一例を示す図である。
【図２６】図２６は、第３の実施の形態に係るスマートフォンなどの電子デバイスの構成の一例を示す図である。
【図２７】図２７は、第４の実施の形態に係る車両の構成の一例を示す図である。
【図２８】図２８は、第４の実施の形態に係るその他の移動体の構成の一例を示す図である。
【図２９】図２９は、第５の実施の形態に係る３Ｄプリンタの構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に添付図面を参照して、光学装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【０００９】
（第１の実施の形態）
先ず、第１の実施の形態にかかる観察面で発現するスペックルおよびスペックルが解消
する原理について説明する。
【００１０】
図１は、レーザのスペックル（スペックルノイズ）の発生原理を示す概念図である。図１（ａ）には、レーザ光源１０００と、スクリーン１００１と、カメラ１００２とで構成された系を示している。図１（ｂ）には、レーザ光源１０００からスクリーン１００１へレーザ光を投影した場合においてカメラ１００２で観察される観察画像（スペックル画像）１００３の一部を抽出、拡大した図を示している。この観察画像１００３にはカメラ１００２の撮像素子上で発現したスペックルが含まれている。
【００１１】
レーザ光源１０００からスクリーン１００１へレーザ光を投影するとレーザ光を構成する光Ｐ１がスクリーン１００１の表面で多重散乱する。この多重散乱した光、散乱光Ｐ２はスクリーン１００１の表面の不規則性（凹凸）の形状によってランダムな位相成分が付加されている。散乱光Ｐ２はレンズなどの光学系を介してカメラ１００２の観察面（撮像素子）に収束され、レーザ光がコヒーレント光であることにより散乱光Ｐ２が観測面で互いに干渉し重なり合う。その結果、観察面に明るい場所と暗い場所がランダムに出現し、斑点模様のスペックルパターンが観察される。この明暗の輝度バラツキが画質や各種測定に悪影響を与えるノイズ源となっている。この現象は、投光系・被写体・受光系の全ての要素が絡んだ複雑なもので、カメラ１００２のレンズや撮像素子の画素サイズなどによって観察されるスペックルパターンは変化する。
【００１２】
図１（ｂ）には、カメラ１００２で観察した場合の観察画像１００３を示しているが、スクリーン１００１に投影したレーザ光をカメラ１００２ではなく、人間の目で観察する場合においても網膜上に同じようなスペックルパターンが現れる。
【００１３】
続いて、スペックルノイズが低減可能であることを定性的に説明する。先ず、スペックルノイズの指標について説明する。次式（１）は、スペックルノイズの指標に用いられるスペックル・コントラスト（Ｃｓ）を表す式である。
Ｃｓ＝σ／Ｓ・・・（１）
【００１４】
式（１）において、Ｓはレーザ光を投影したときの撮影画像における評価範囲の平均輝度値、σは評価範囲の輝度値の標準偏差である。式（１）に示すように、Ｃｓは一般的な信号強度を示す信号対雑音比（ＳＮＲ）の逆数で示される。式（１）のＣｓが示すコントラスト値が低いほどスペックルノイズが低く、輝度バラツキが小さい画像であることを表す。
【００１５】
観察面において観察されるスペックルパターンは、投光系・被写体・受光系の全ての要素が絡んだ複雑なものである。一般的に、複数のレーザ光源１０００があるとすると、各レーザ光源１０００により発現するスペックルパターンは同じではなくランダムなものとなる。したがって、複数のレーザ光源１０００を設けてレーザ光源１０００ごとに異なるスペックルパターンを生成し、それらのスペックルパターンを観察面に重ね合わせれば、複数のランダムなスペックルパターンにより観察面のスペックルノイズが平均化され、スペックルノイズが低減することになる。
【００１６】
この考え方に基づきスペックルノイズの平均化と低減との関係について式（１）をさらに変形する。観察面で重なり合うｎ枚（ただし、ｎは自然数）のスペックルパターン（各スペックルパターンの画像をスペックル画像と呼ぶ）について、スペックル画像ｋの平均輝度をＳｋ、標準偏差をσｋ、スペックルコントラストをＣｓｋとする。この場合において、照射元のレーザ光源１０００を同じパワーにすると、各スペックル画像の平均輝度Ｓｋ、標準偏差σｋ、スペックルコントラストＣｓｋは等しくなるので、次の式（２）〜（４）の関係になると考えることができる。
Ｓ１＝Ｓ２＝Ｓ３＝・・・＝Ｓｎ＝Ｓ      ・・・（２）
σ１＝σ２＝σ３＝・・・＝σｎ＝σ      ・・・（３）
Ｃｓ１＝Ｃｓ２＝Ｃｓ３＝・・・＝Ｃｓｎ＝Ｃｓ      ・・・（４）
【００１７】
従って、ｎ枚のスペックル画像を合成した場合の輝度値ＳＳＵＭは、式（２）の条件を適用すれば次式（５）となる。
ＳＳＵＭ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋・・・＋Ｓｎ＝Ｓ×ｎ      ・・・（５）
【００１８】
また、標準偏差σＳＵＭに関しては、次の式（６）の分散の加法性を利用することができる。
σＳＵＭ２＝σ１２＋σ２２＋σ３２＋・・・＋σｎ２      ・・・（６）
【００１９】
式（６）に式（３）の条件を適用すると次式（７）が得られる。
σＳＵＭ＝√（σ２×ｎ）＝σ√ｎ      ・・・（７）
【００２０】
以上から、ｎ枚のスペックル画像を重ね合わせて観察される観察画像のスペックルコントラスト（ＣｓＳＵＭ）は、次の式（８）となる。
ＣｓＳＵＭ＝σ√ｎ／（Ｓ×ｎ）＝（√ｎ／ｎ）×（σ／Ｓ）＝１／√ｎ×Ｃｓ      ・・・（８）
【００２１】
式（８）は、ｎ枚のスペックル画像を平均化することでスペックルコントラストが１／√ｎに改善（低減）することを示している。従って、計算では、レーザ光源１０００がｎ個の場合にスペックルコントラスト（Ｃｓ）が１／√ｎだけ改善することが期待できる。
【００２２】
ここで、上記の計算結果を得るには、複数のランダムなスペックルパターンを重ね合わせることが必要であり、つまり各レーザ光源１０００により出現するスペックルパターンが異なることが前提になる。この問題は、例えば複数光源角度多重や複数光源波長多重を利用することにより達成することができる。複数光源角度多重は、光源ごとに観測点への光の入射角度を異ならせることにより光源ごとに異なるスペックルパターンを生成する方式でスペックル画像を多重化する。複数光源波長多重は、光源ごとに発振波長を異ならせることにより光源ごとに異なるスペックルパターンを生成する方式でスペックル画像を多重化する。以下では、一例として複数光源角度多重を利用し、その上で上記式（８）を満たす光学装置の設定について検討する。
【００２３】
図２は、複数光源角度多重を利用し、スペックルノイズが低減することを確認するための、複数の光源を配置した実験系の一例を示す図である。図２に示す実験系は、カメラ１００２、スクリーン１００１、およびＶＣＳＥＬ（Vertical  Cavity  Surface  Emitting  LASER）光源１１００により構成されている。ＶＣＳＥＬ光源１１００は「面発光型半導体レーザ」の一例である。ＶＣＳＥＬ光源１１００は面内にレーザ光源１０００に相当する多数の発光素子１１０１を有する。ここでは入射角の説明のため、多数の発光素子１１０１のうちの２つの発光素子１１０１のみを示している。各発光素子１１０１はコヒーレントな光を発光するレーザダイオード等の素子である。スクリーン１００１には白色拡散板を使用している。この実験系では、ＶＣＳＥＬ光源１１００からスクリーン１００１までの距離（ＬＷＤ）や、ＶＣＳＥＬ光源１１００の２つの発光素子１１０１間の距離（Ｄ）を変えることで、２つの発光素子１１０１からスクリーン１００１へ入射するそれぞれの光がなす角度θが変化する。例えば、発光素子１１０１間の距離（Ｄ）を大きくするとθが大きくなり、スクリーン１００１までの距離（ＬＷＤ）を大きくするとθは小さくなる。実験では、図２に示すＶＣＳＥＬ光源１１００の素子間隔（Ｄ）を徐々に変えていくことによりθを振る。各θの値において、１つの発光素子と、θに対応する素子間隔の発光素子とを点灯し、スクリーン１００１をカメラ１００２で撮影する。そして、カメラ１００２による撮影画像から、θの示す値毎に、重なり合うスペックルパターンのスペックルコントラスト（Ｃｓ）を測定する。
【００２４】
図３は、θを変化させた場合の実験結果の一例を示す図である。図３には、横軸をθとし、縦軸をスペックルコントラスト（Ｃｓ）の変化率とした場合の実験結果を示している。なお、縦軸の変化率は、１つの発光素子のみを点灯させたときのスペックルパターンのスペックルコントラスト（Ｃｓ）の値に対する２つの発光素子の重なり合ったスペックルパターンのスペックルコントラスト（Ｃｓ）の変化率を示している。また、発光素子１１０１間からスクリーン１００１までの距離（ＬＷＤ）は２６０ｍｍと４６０ｍｍの２パターンで行った。
【００２５】
図３に示す結果から、θを大きくするほどスペックルコントラスト（Ｃｓ）が低下し、およそ０．０４〜０．０５°に達したときに、式（８）により示される理論値１／√２に収束することが分かる。この実験結果から、理論値１／√２に収束するθがあるということが分かる。以下では、この実験結果が示す理論値に収束する光学装置の各設定を、「スペックルノイズの低減効果がある設定」などと総称する。なお、図３に示す結果（プロットから導き出される近似曲線）から、スペックルコントラスト（Ｃｓ）の変化率とθの関係はＬＷＤが変化しても影響は受けないと考えられる。
【００２６】
このように、０．０４〜０．０５°という値自体はカメラ１００２とスクリーン１００１の幾何条件や計測対象の表面粗さなど各種条件により変化するため絶対的な数値ではないが、この実験結果は、ＶＣＳＥＬ光源１１００を用いて複数光源角度多重によりスペックルノイズの低減効果を得る場合には、対象物との距離なども考慮した上で発光素子１１０１間の適切な距離を確保する設計レイアウトが必要になることを示唆している。また、実験ではＶＣＳＥＬ光源１１００面内の各発光素子１１０１からの光をスクリーン１００１に直接入射させているが、各発光素子１１０１からスクリーン１００１までの光路中に、レンズや光偏向素子などの光学素子を挿入してもよい。このとき、複数光源角度多重によりスペックルノイズの低減効果を得る場合には、挿入する光学素子も含めた設計が必要になることを示唆している。
【００２７】
続いて、図３の実験結果に示すような「スペックルノイズの低減効果がある設定」で光学装置を構成した場合の一例を示す。ここでは、一例としてレーザ走査型のレーザ投影方式の構成について説明する。本実施の形態では、１本のライン光を複数のレーザ光源１０００で形成し、レーザ走査のタイミングに合わせてレーザ光源１０００の出力を変調させることで観察対象に所望の投影パターンを投影する。すなわち、光源数は１本のライン光分でよく、投影パターンの輝度階調に応じて形成するライン光の数を増やす必要はない。したがって、投影パターンの輝度階調に関わらず、スペックルコントラストを十分に改善するのに必要な光源数を少なくでき、システムの小型化も容易である。また、形成する１本のライン光のビーム幅を計測範囲内で十分に絞ると、高解像でパターンを変更することができるため、計測精度が向上する。
【００２８】
図４および図５は、光学装置の構成の一例を示す図である。図４（ａ）は、光偏向素子のミラー面が大きい場合の構成を示し、図５（ａ）は、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）ミラーのように光偏向素子のミラー面が小さい場合の構成を示している。図４（ｂ）および図５（ｂ）には、図４（ａ）および図５（ａ）の各光学装置における図２のθとの対応関係を説明する図を示している。図４（ｂ）においては光路を分かり易くするためＶＣＳＥＬアレイとミラーの図示を省略している。また、図５（ｂ）においては光路を分かり易くするためＶＣＳＥＬアレイの図示を省略している。図４および図５は、共に、垂直方向（Ｖ）から見たときの光学装置の構成を示している。ここで、垂直方向（Ｖ）は、後述する水平方向（Ｈ）に対して直交する方向を指す。
【００２９】
図４に示す一例の光学装置１０は、複数の発光素子ａを有するＶＣＳＥＬアレイ１１と、ラインジェネレータ１２と、ミラー（光偏向素子）１３とを有する。
【００３０】
ラインジェネレータ１２は、ＶＣＳＥＬアレイ１１上の各発光素子ａからの光をライン光に変換する光学手段の一例である。なお、図４には（図５も同様）、光路を分かり易くするためにラインジェネレータ１２のレンズ構成については図示を省略する。
【００３１】
ミラー１３のミラー面（網掛けの部分）は、図４においては紙面手前側に向けられているが、図４の回転軸周りに可動する。
【００３２】
図４にはＶＣＳＥＬアレイ１１上の隣接する２つの発光素子ａから出射したそれぞれの光の光路を重ねて示している。図４に示されるように各発光素子ａの光は、ラインジェネレータ１２によりライン光に変換される。ラインジェネレータ１２から出射した光はミラー１３のミラー面で反射し、観察対象に１本のライン光１４として照射される。ライン光１４は、各発光素子ａ（少なくとも隣接する２つの発光素子ａ）からの光の一部または全てが重なり合ったものである。
【００３３】
光学装置１０は、ミラー１３のミラー面を回転軸周りへ駆動すると共に各発光素子ａの出力を変調し、所定の縞パターンになるように制御する。これにより、観察対象がライン光で走査される動作に伴い、観察対象に縞パターンの画像が投影される。各ライン光により投影された縞パターンなどの投影画像はカメラ１００２（図１参照）などにより撮影され、観察対象の処理（例えば観察対象の３次元計測などの処理）に利用される。
【００３４】
本実施の形態では、「ラインジェネレータ１２が形成する、各ライン光の長手方向における集光点」を「仮想的な各光源」として定義する。本実施の形態に示す構成では、各ライン光（ライン光１４−１、１４−２、・・・）の仮想的な各光源ｍ１、ｍ２、・・・のピッチ（Ｄ１）が、図２に示す発光素子１１０１間の距離（Ｄ）に相当する。また、仮想的な各光源ｍ１、ｍ２、・・・を含む面と観察対象との距離（ＬＷＤ１）が図２に示すＶＣＳＥＬ光源１１００からスクリーン１００１までの距離（ＬＷＤ）に相当する。また、隣接する仮想的な光源（例えば光源ｍ１と光源ｍ２）から観察対象へ入射する光のなす角度（θ１）が、図２に示す２つの発光素子１１０１からスクリーン１００１へ入射するそれぞれの光がなす角度θに相当する。
【００３５】
光学装置１０は、スペックルノイズの低減効果がある設定で構成している。つまり、ピッチ（Ｄ１）と、距離（ＬＷＤ１）と、なす角度（θ１）とが、それぞれ図３が示すような理論値１／√２に収束する値を満たすように設定されている。
【００３６】
図４に示すように、ミラー１３の位置において、ラインジェネレータ１２を出射した光（ライン光１４）の長手方向（ミラー１３の回転軸方向）の長さよりミラー面が十分に大きい場合、ライン光１４の長手方向（ミラー１３の回転軸方向）の長さを調節する必要なく、ライン光１４はミラー面に入射できる。
【００３７】
図５に示すようにミラー面が小さなミラー面（例えばＭＥＭＳミラー）の場合には、ラインジェネレータ１２を出射した光（ライン光１４）の長手方向（ミラー１３の回転軸方向）の長さを調節してミラー面に入射させる必要がある。図５に示す例では、ラインジェネレータ１２によりライン光を一度集光してミラー面に入射させる。この場合、仮想的な光源ｍ１、ｍ２、・・・は図５に示すような位置になる。仮想的な光源ｍ１、ｍ２、・・・のピッチ（Ｄ１）と、距離（ＬＷＤ１）と、なす角度（θ１）との設定条件は、図４と同様である。
【００３８】
また、ミラー面は複数光源角度多重効果が得られるよう設計された仮想的なライン光光源からの光を一軸走査するためにある。従って、ミラー面の大きさは走査するライン光が入りさえすれば大きくても小さくてもよい。例えば図５はミラー面が小さい場合の構成であるが、一度集光する構成でミラー面が大きいものを用いてもよい。また、図５においてミラー面の挿入位置はライン光の集光点でなくとも、走査するライン光がミラー面に入ってさえいれば光軸方向にずれていてもよい。ただし、ライン光の集光点にミラー面を挿入するときが、最もミラー面を小さくすることができる。
【００３９】
以上のように、ＶＣＳＥＬアレイ１１のような複数光源を用いて複数光源角度多重効果が得られるように光学装置を設計する。これにより、各光源の異なるスペックルパターンの画像が重なった観察画像、つまりスペックルノイズが低減された観察画像が観察可能になり、計測対象の計測精度の向上が達成できる。
【００４０】
「実施例１」
本実施の形態にかかる光学装置を適用した装置の実施例を示す。本実施の形態にかかる光学装置は観察対象の計測などに使用する計測装置に適用することができる。ここでは計測装置の一例として、観察対象（計測対象とも言う）の３次元計測装置への適用例を示す。
【００４１】
図６は、計測装置の一例を示す図である。図６に示す計測装置１は、計測情報取得ユニット２０と制御ユニット３０とを含む。
【００４２】
計測情報取得ユニット２０は、投影部である光学装置１０と、撮像部であるカメラ２１とを含む。光学装置１０は、ＶＣＳＥＬアレイ１１と、ラインジェネレータ１２（光学系）と、光偏向素子（ミラー）１３とを有する。計測情報取得ユニット２０は、制御ユニット３０の制御部３１の制御に従い、ラインジェネレータ１２から出射させたＶＣＳＥＬアレイ１１の複数の発光素子ａの光を光偏向素子１３により偏向させて走査する。制御部３１は、光走査中にＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子ａの出力や点灯タイミングを調節することにより、計測対象の全体にパターン光を投影する。例えば発光素子ａの点灯および消灯（オン／オフ）を制御することで、白黒のグレイコードパターンなど所望の投影パターンを計測対象に投影することができる。
【００４３】
カメラ２１は、光学装置１０が計測対象に投影するパターン光（投影画像）の投影中心３００が撮像領域４０の中心となるように位置および角度が固定されている。これにより、カメラ２１は、投影領域を撮像する。
【００４４】
カメラ２１は、レンズ２１０や撮像素子２１１を有する。撮像素子２１１には、例えばＣＣＤ(Charge  Coupled  Device)やＣＭＯＳ(Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor)のイメージセンサなどを使用する。カメラ２１に入射した光は、レンズ２１０を介して撮像素子２１１上に結像して光電変換される。撮像素子２１１で光電変換された電気信号は、画像信号へと変換され、その画像信号がカメラ２１から制御ユニット３０の演算処理部３２へと出力される。
【００４５】
制御ユニット３０は、光学装置１０によりパターン光を投影する制御やカメラ２１によりパターン光を撮像する制御などを行い、カメラ２１が撮像した画像信号に基づいて、計測対象の３次元計測等の演算処理を行う。制御部３１は、光学装置１０が投影するパターン光を別のパターン光に切り替える制御を行ってもよい。また、制御部３１は、演算処理部３２が３次元座標の算出に用いるキャリブレーション情報を出力する制御を行ってもよい。
【００４６】
制御ユニット３０の演算処理部３２は、入力された画像信号に基づいて３次元座標の算出を行い、３次元形状を取得する。また、演算処理部３２は、算出された３次元形状を示す３次元形状情報を制御部３１からの指示に従いＰＣ（Personal  Computer）等（不図示）へ出力する。なお、図６には、制御ユニット３０に対し１組の計測情報取得ユニット２０が取り付けられた構成を示しているが、制御ユニット３０に対し複数組の計測情報取得ユニット２０を取り付けてもよい。
【００４７】
（光学装置の動作説明）
図７は、光学装置１０による計測対象への光投影の様子の一例を示す図である。図７において、光学装置１０は、ライン光１４を計測対象１５に向けて出射する。ライン光１４は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子ａからの複数の光が重なり合っている光で、光偏向素子（ミラー）１３のミラー面において偏向されて、図７に破線で示すように計測対象１５に照射される。具体的には、光偏向素子１３が、図７に示すライン光の長手方向軸周りＭの方向にミラー面を駆動してミラー面に照射される光を偏向し、各ライン光が所定のパターン光になるように制御されることにより、計測対象１５に２次元のパターン光が照射され、計測対象１５に投影画像６０が投影される。投影画像６０は、例えば計測対象１５を含む領域に投影される。
【００４８】
（ＶＣＳＥＬアレイの構成）
ＶＣＳＥＬアレイを例に光源部の構成について説明する。
図８は、ＶＣＳＥＬアレイの構成の一例を示す図である。図８に示すＶＣＳＥＬアレイ１１は、同一基板上で発光素子を容易に集積可能な面発光型半導体レーザであり、１次元的に配列された複数の発光素子ａを有する。
【００４９】
図８に示す各発光素子ａのピッチは、各発光素子ａからの各ライン光が所定の条件（スペックルノイズの低減効果がある設定）で計測対象１５上のライン光１４として重なるように設定する。
【００５０】
なお、図８に示す発光素子ａの配列は一例であり、発光素子ａが２次元的に配置された構成のものであってもよい。例えばより多くの素子を配置できるハニカム構造の配置であってもよいし、これに限定されず、その他の配置であってもよい。また複数の発光素子ａの開口部の形状を四角形で示しているが、例えば六角形などであってもよいし、これに限定されず、その他の形状であってもよい。また、各発光素子ａのレーザ光の波長は適宜設定してよい。例えば、可視でも不可視でもどちらでもよい。各発光素子ａにおいては発光タイミングを独立に制御可能なように構成してもよい。
【００５１】
図９は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の構成の他の一例を示す図である。図９に示すＶＣＳＥＬアレイ１１は、複数の発光素子を同時に発光させるように制御されたレイヤーと呼ばれる発光素子群ａ１を少なくとも１つ以上有する。図９には、発光素子群ａ１が一次元的に配列された形態のものを示しているが二次元的に配置された構成のものでもよい。
【００５２】
図９に示すレイヤー２２２において、発光素子ａ２は十字型に５個配置されている。同一のレイヤー２２２内において各発光素子ａ２は同じタイミングで発光するように制御されている。
【００５３】
図９に示す、各レイヤー２２２のピッチＡと、各発光素子ａ２のピッチ（ピッチＢおよびピッチＣ）は、計測装置１の仕様によって適宜異なるが、各発光素子ａ２からの各ライン光が所定の条件（スペックルノイズの低減効果がある設定）で計測対象１５上のライン光１４として重なるように設定する。
【００５４】
なお、ここでは、レイヤー２２２の発光素子ａ２として十字型に５個配置されているものを示しているが、これに限定するものではない。発光素子ａ２の数は増減させてもよいし、また、ハニカム構造のようなレイアウトでより多くの発光素子ａ２を配置してもよい。
【００５５】
また、発光素子ａ２の開口部についても四角形のものを示しているが、六角形など、他の形状であってもよい。各レイヤー２２２においては各々独立に発光タイミングを制御してもよい。
【００５６】
（ラインジェネレータのレンズ構成）
図１０は、光学装置１０の光学系の一例を示す図である。図１０には、光学装置１０の光学系を水平方向（Ｈ）と垂直方向（Ｖ）とからそれぞれ作図したものを並べて示している。
【００５７】
図１０には、ラインジェネレータ１２のレンズ構成の一例として、４枚のシリンドリカルレンズ１２１〜１２４を用いたものを示している。シリンドリカルレンズ１２１〜１２４は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子ａからの光をそれぞれライン光に変換する。
【００５８】
具体的に、水平方向（Ｈ）において、ＶＣＳＥＬアレイ１１から発散する光をシリンドリカルレンズ１２１によって平行光束または略平行光束とし、シリンドリカルレンズ１２３によって短手方向のライン光幅を形成する。また、垂直方向（Ｖ）において、ＶＣＳＥＬアレイ１１から発散する光をシリンドリカルレンズ１２２によって平行光束または略平行光束とし、シリンドリカルレンズ１２４によって長手方向のライン光長さを形成する。この際、ミラー（光偏向素子）１３に集光する位置に焦点を形成する。なお、スペックルノイズの低減効果がある設定下で、それぞれのライン光を光偏向素子１３上に形成する。
【００５９】
シリンドリカルレンズ１２１〜１２４の材質は、例えばガラスやプラスチックである。なお、材質をこれに限定するものではない。他の材質であってもよい。また、シリンドリカルレンズ１２１〜１２４にＡＲコートなどの表面加工を施してもよい。
【００６０】
また、シリンドリカルレンズを挿入する向きはどちらでもよいが、屈折回数を考慮すると図１０に示すように凸面が向かい合うように挿入する方が望ましい。
【００６１】
光偏向素子１３は、ライン光の長手方向軸周りに駆動し、光偏向素子１３に入射したライン光で計測対象１５を走査する。走査中に制御部３１によりライン光の出力を変調することで、計測対象１５へ所定パターンの投影画像を投影する。
【００６２】
図１１は、光学装置１０における光の光路を示す図である。図１１には、光偏向素子１３としてミラー面が狭いＭＥＭＳミラーを使用した光学装置１０を示している。図１１における光学装置１０のＶＣＳＥＬアレイ１１は図１２に示すように、５個の異なる波長（波長λ１、波長λ２、波長λ３、波長λ４、波長λ５）の発光素子ａを等ピッチで配置したものを１セットとし、全体で１０セット分（５種類の波長×１０セット＝５０個）の発光素子ａを一次元的に配列している。各セット内において発光素子ａの並び順は所定の波長順である。つまり、各波長の発光素子ａは、図１２において周期的な位置をとるように配置されている。また図１２において、隣接するセット間の同一波長の発光素子ａはＸμｍピッチで配置されている。同一セット内の波長λ１〜λ５の発光素子ａにより生じる各スペックルパターンは、互いに異なるスペックルパターンとなるように設定されている。すなわち、複数光源波長多重効果を得られる設定となっている。なお、この構成は一例であり、少なくとも１部の波長を異ならせたものでもよい。
【００６３】
図１１に示す光路は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の波長λ１の発光素子ａからの各光から形成されるライン光がそれぞれ重なっている様子を示している。なお、波長λ２〜λ５の発光素子ａの光路は、光路をわかりやすくするために図示を省略する。図１１に示すように、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子ａからの光により、ラインジェネレータ１２がそれぞれライン光を形成する。各発光素子ａは同じ発散角で光を発し、ラインジェネレータ１２を経て、ライン光の長手方向における広がり角と短手方向におけるライン光幅とが調整される。このとき、ライン光の長手方向はミラー面で、短手方向は計測範囲で集光するように方向ごとに調整されるため、ミラー面上の各ライン光は最終的に形成されるライン光の長手方向の長さよりも、短手方向の長さのほうが長くなる。図１１には、ミラー面強度分布ＳＩＭを示している。ミラー面強度分布ＳＩＭでも、入射するライン光の様子が前述のように確認される。このようにライン光の長手方向をミラー面で集光することで、ミラー面を小さくでき、さらにライン光の長手方向の広がり角を広げることができる。また、各発光素子ａから形成される各ライン光の本数が少ないと、図１１に示すようにミラーサイズの関係は、最終的に形成されるライン光の長手方向におけるミラーの辺より、短手方向におけるミラーの辺のほうが長くなる（Ｗｍｍ＞Ｈｍｍ）。
【００６４】
発光素子ａからの各光から形成されるそれぞれのライン光において、少なくとも一の間隔は他の間隔と異なっていてよい。例えば、同一波長の発光素子の間隔（Ｘμｍ）と光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔（Ｙμｍ）とを異ならせる。以下に、同一波長の発光素子の間隔（Ｘμｍ）と光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔（Ｙμｍ）との関係性について説明する。
【００６５】
同一波長の発光素子で異なるスペックルパターンが生じる場合、すなわち、複数光源角度多重を利用したスペックルノイズの低減効果がある設定で光学装置１０を構成する場合、同一波長の発光素子の間隔（Ｘμｍ）と光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔（Ｙμｍ）とは、同一波長の発光素子の間隔≧光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔の関係を満たすようにする。
【００６６】
また、別の例として、同一波長の発光素子の間隔と光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔とは、同一波長の発光素子の間隔＜光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔の関係を満たすようにしてもよい。この場合には、光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔は３５μｍ以上とする。この値は図３を参考に算出した。具体的に、複数光源角度多重効果が生じ始める角度（θ＝０．０４ｄｅｇ）以上になるところでは、スペックルノイズ低減効果が得られる。例えば顕微鏡を考慮に入れると、ＬＷＤは５０ｍｍ以上の短いＬＷＤまで設定できる。これらより光偏向素子に入射する同一波長のライン光の所定の間隔Ｙは約３４．９μｍ以上と算出され、Ｙは３５μｍ程度になる。計算式ではＹ＝２×ＬＷＤ×ｔａｎ（θ／２）より、Ｄ＝２×５０×ｔａｎ（０．０２）＝３４．９０７（略３５）μｍとなる。
【００６７】
さらに、同一波長の発光素子の間隔＜光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔の関係を満たす場合、複数光源角度多重効果が生じ始める角度（θ＝０．０４ｄｅｇ）以上になるところでは、スペックルノイズ低減効果が得られるので、光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔に上限は設けられない。しかし、現実的にはミラーサイズやスペックルノイズ低減効果の程度を考慮すると、決まってくる。例えば、ミラーサイズが１５ｍｍで、スペックルノイズを半分は減らしたいときについて考える。このとき、光源は４個必要となり、光偏向素子に入射する同一波長のライン光の間隔は最大でも５ｍｍ（＝１５÷（４−１））までしかとることはできない。
【００６８】
図１１のように、複数光源波長多重効果と複数光源角度多重効果を併用してスペックルノイズを低減すると、ＶＣＳＥＬアレイ１１の異なる波長の発光素子ａ間のピッチは、Ｘμｍピッチより短くすることができるため、複数光源角度多重効果のみを用いて同じスペックルノイズ低減効果を得る場合と比較して、ＶＣＳＥＬアレイ１１に配置される発光素子ａの集積密度が向上する。集積密度の向上により、光量増加やスペックルノイズの低減効果が期待できる。集積密度が向上すれば、同一のスペックルコントラストであれば、よりVCSELのチップサイズを小さくすることができ、同一の面積であれば、光量増加やスペックルノイズをさらに低減することができる。
【００６９】
図１３は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図１３には、ラインジェネレータ１２のレンズ構成の一例として、球面レンズ１２６と２枚のシリンドリカルレンズ（シリンドリカルレンズ１２３、シリンドリカルレンズ１２４）とを用いたものを示している。図１０では、ＶＣＳＥＬアレイ１１から発散する光を、水平方向（Ｈ）と垂直方向（Ｖ）とで別々のシリンドリカルレンズ１２１、１２２を用いて平行光束または略平行光束を作っていたが、図１３では、それを球面レンズ１２６の１枚で行う。このように、球面レンズを使用することにより、必要なレンズ数を減らすことができる。
【００７０】
図１４は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図１４には、ラインジェネレータ１２のレンズ構成の一例として、シリンドリカルレンズ１２１を用いたものを示している。水平方向（Ｈ）において、ＶＣＳＥＬアレイ１１から発散する光をシリンドリカルレンズ１２１によって短手方向のライン光幅に形成する。垂直方向（Ｖ）においては、ＶＣＳＥＬアレイ１１から発散する光のみで、長手方向のライン光長さを形成する。この構成では、使用するレンズが１枚で済むため、必要なレンズ数を最も減らすことができる。
【００７１】
図１５は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図１５には、ラインジェネレータ１２のレンズ構成の一例として、２つのシリンドリカルレンズ（シリンドリカルレンズ１２１とシリンドリカルレンズ１２３）を用いたものを示している。
【００７２】
水平方向（Ｈ）において、ＶＣＳＥＬアレイ１１から発散する光をシリンドリカルレンズ１２１によって平行光束または略平行光束とし、シリンドリカルレンズ１２３によって短手方向のライン光幅を形成する。垂直方向（Ｖ）においては、ＶＣＳＥＬアレイ１１から発散する光のみで、長手方向のライン光長さを形成する。
【００７３】
図１６は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図１６は、図１０に示すレンズ構成にさらに絞り１２５を加えたものである。図１０に示すレンズ構成において光を光偏向素子１３に十分集光できない場合に、絞り１２５を挿入する。なお、絞り１２５をこれに限定するものではない。少なくとも一つの絞り１２５を任意の位置に挿入してよい。また、図１６には、水平方向（Ｈ）に対応する絞り１２５を示しているが、垂直方向（Ｖ）についても同様に挿入してよい。また、絞り１２５は、迷光を除去する目的で挿入してもよい。
【００７４】
図１７は、光学装置１０の光学系の他の一例を示す図である。図１７には、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子ａの発散角を制御するため、ＶＣＳＥＬアレイ１１の前方（光軸方向）にマイクロレンズアレイ１２７とマイクロシリンドリカルレンズアレイ１２８とを挿入した構成のものを示している。マイクロシリンドリカルレンズアレイ１２８の後段の構成については図示を省略している。なお、各発光素子ａの発散角の制御は、マイクロレンズアレイおよび／またはマイクロシリンドリカルレンズアレイで行うことができる。つまり、各発光素子ａの発散角の制御にマイクロレンズアレイを使用してもよいし、マイクロシリンドリカルレンズアレイを使用してもよい。また、これらの両方を組み合わせてもよい。ここでは、一例として、両方を組み合わせた例について示す。
【００７５】
マイクロレンズアレイ１２７の各レンズは球面になっており、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子ａから発散する光を、水平方向（Ｈ）および垂直方向（Ｖ）において平行光束または略平行光束に変換する。そして、マイクロレンズアレイ１２７から出射される光束はマイクロシリンドリカルレンズアレイ１２８によって、垂直方向（Ｖ）に示す長手方向のライン光長さを形成する。このように構成することにより、ＶＣＳＥＬアレイ１１の発散角が制御される。なお、図１７では水平方向に発光素子ａは１列しかないが、水平方向にも発光素子ａを並べて、ＶＣＳＥＬアレイ上の発光素子をマトリクス状に配置してもよい。それに伴い、マイクロレンズアレイおよびマイクロシリンドリカルレンズアレイもマトリクス状に形成してもよい。
【００７６】
（光偏向素子）
光偏向素子１３は、レーザ光を１軸あるいは２軸方向に走査することができる可動ミラーである。可動ミラーには、例えばＭＥＭＳミラーや、ポリゴンミラーや、ガルバノミラーなどがあるが、レーザ光を１軸あるいは２軸方向に走査することができるものであれば、その他の方式を用いたものでもよい。本実施例では、ラインジェネレータ１２により形成されたライン光１４を走査範囲中の計測対象１５上に一軸走査する可動ミラーを使用する。なお、可動ミラーは、ライン光を光走査することで、２次元面状の投影パターンが形成される。
【００７７】
図１８は、光偏向素子１３の一例であるＭＥＭＳミラー（ＭＥＭＳミラースキャナとも言う）の構成の一例を示す図である。図１８に示すＭＥＭＳミラースキャナは、支持基板１３１に、可動部１３２と二組の蛇行状梁部１３３とを有する。
【００７８】
可動部１３２は反射ミラー１３２０を備えている。二組の蛇行状梁部１３３はそれぞれ一端が可動部１３２に連結され、他端が支持基板１３１により支持されている。二組の蛇行状梁部１３３はそれぞれミアンダ形状の複数の梁部からなり、共に、第１の電圧の印加により変形する第１の圧電部材１３３１と、第２の電圧の印加により変形する第２の圧電部材１３３２とを各梁部に１つおきに有する。第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２と隣り合う梁部ごとに独立に設けられている。二組の蛇行状梁部１３３はそれぞれ第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２への電圧の印加により変形し、可動部１３２の反射ミラー１３２０を回転軸周りに回転させる。
【００７９】
具体的には、第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２に逆位相となる電圧を印加し、各梁部に反りを発生させる。これにより、隣り合う梁部が異なる方向にたわみ、それが累積され、二組の蛇行状梁部１３３に連結する可動部１３２と共に反射ミラー１３２０が回転軸を中心に往復回動する。さらに、回転軸を回転中心とするミラー共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２とに印加することで、低電圧で非常に大きな回転角度を得ることができる。
【００８０】
なお、駆動波形は正弦波に限らない。例えばノコギリ波であってもよい。また、共振モードに限らず、非共振モードで駆動させてもよい。
【００８１】
図１９は、光偏向素子１３の一例であるポリゴンミラーの構成の一例を示す図である。図１９に示すポリゴンミラーは、図１９に示す回転軸の周りにＭ方向に等速回転運動する回転体１３Ａに複数の平面ミラー１３２０Ａを備える。ラインジェネレータ１２から平面ミラー１３２０Ａに入力するライン光は平面ミラー１３２０Ａの角度の変化により測定対象を一軸走査する。図１９に矢印で示すように、ポリゴンミラーでは水平方向（Ｙ軸と垂直な方向）の広範囲な領域に対して測定が可能となる。
【００８２】
さらに図１９に示す構成では、ポリゴンミラーの各ミラー面１３２０Ａにおいて回転軸に対する倒れ角を互いに異ならせている。このように各ミラー面１３２０Ａに異なる倒れ角を与えるとライン光の垂直方向の出射角が制御されるので、回転体１３Ａの回転によりミラー面１３２０Ａが変わる度に垂直方向の出力角が変化することになる。よって、各ミラー面１３２０Ａに異なる倒れ角を与えると、ポリゴンミラーに備えられた射面の数に応じて、垂直方向の走査領域を広角化することが可能になる。
【００８３】
（カメラ）
図２０は、カメラ２１の構成の一例を示す図である。カメラ２１は、レンズ２１０や撮像素子２１１を有する。撮像素子２１１には、例えばＣＣＤやＣＭＯＳのイメージセンサなどを使用する。カメラ２１に入射した光は、レンズ２１０を介して撮像素子２１１上に結像して光電変換される。撮像素子２１１で光電変換された電気信号は、画像信号へと変換され、その画像信号がカメラ２１から制御ユニット３０（図６参照）の演算処理部３２（図６参照）へと出力される。
【００８４】
また、レンズ２１０に入射する光の前にレーザ光源の発振波長近傍の波長のみを透過させるフィルタを設けてもよい。これにより、レンズ２１０に入射する光は、ＶＣＳＥＬアレイ１１（図６参照）の発振波長近傍以外の波長がカットされ、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００８５】
（制御部の機能ブロックの説明）
図２１は、計測装置１のブロック構成の一例を示す図である。なお、図２１において、既に説明済みの箇所については、同一の符号を付し、適宜詳細な説明を省略する。
【００８６】
図２１に示す演算処理部３２は、カメラ２１から出力された画像信号を解析する。演算処理部３２は、画像信号の解析結果と、キャリブレーション情報とを用いた演算処理により、３次元情報の復元処理を行い、これにより対象の３次元計測を実行する。演算処理部３２は、復元された３次元情報を制御部３１に供給する。
【００８７】
制御部３１は、投影制御部３１０と、パターン記憶部３１１と、光源駆動・検出部３１２と、光走査駆動・検出部３１３と、撮像制御部３１４とを含む。
【００８８】
光走査駆動・検出部３１３は、投影制御部３１０の制御に従い光偏向素子１３を駆動する。投影制御部３１０は、光偏向素子１３の偏向中心に照射されたライン光が測定対象を走査するように、光走査駆動・検出部３１３を制御する。撮像制御部３１４は、投影制御部３１０の制御に従いカメラ２１の撮像タイミングや露光量を制御する。
【００８９】
光源駆動・検出部３１２は、投影制御部３１０の制御に従いＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子の点灯および消灯を制御する。
【００９０】
パターン記憶部３１１は、例えば、計測装置１の不揮発性の記憶媒体に記憶されている投影画像のパターン情報を読み出す。パターン情報は、投影画像（投影パターン）を形成するためのパターン情報である。パターン記憶部３１１は、投影制御部３１０からの指示に従いパターン情報を読み出して投影制御部３１０に渡す。投影制御部３１０は、パターン記憶部３１１から渡されたパターン情報に基づき光源駆動・検出部３１２を制御する。
【００９１】
また、投影制御部３１０は、演算処理部３２から供給された、復元された３次元情報に基づき、パターン記憶部３１１に対してパターン情報の読み出しを指示してもよいし、読み出したパターン情報に応じて演算処理部３２に対して演算方法を指示してもよい。
【００９２】
演算処理部３２や、投影制御部３１０や、撮像制御部３１４は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）上で動作する計測プログラムにより実現する。具体的に、ＣＰＵは、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）から計測プログラムを読み出して実行することにより、演算処理部３２や、投影制御部３１０や、撮像制御部３１４を実現する。なお、この実現方法は一例であり、これに限らない。例えば、演算処理部３２、投影制御部３１０、撮像制御部３１４の、一部または全てを、互いに協働して動作するハードウェア回路により構成してもよい。また、演算処理部３２や、投影制御部３１０や、撮像制御部３１４に限らず、その他のブロックも計測プログラムにより実現してもよい。
【００９３】
（投影パターン）
次に、計測対象を走査する投影パターンについて説明する。計測対象の形状および姿勢を３次元情報として取得する３次元計測を、計測対象に照射された光を観測することで行う幾つかの方法がある。その内の一例として（１）位相シフト法を用いた計測と、（２）光切断法を用いた計測と、の２つの例を説明する。これらの計測方法は、例えば次の非特許文献にそれぞれ開示されている。
【００９４】
（１）プロジェクタ・カメラシステムのレスポンス関数を用いた位相シフト法によるアクティブ・ステレオの精度向上「画像の認識・理解シンポジウム（ＭＩＲＵ２００９）」２００９年７月
【００９５】
（２）「光切断法による3次元画像を用いた外観検査技術」ＲＩＣＯＨ  ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ  ＲＥＰＯＲＴ、Ｎｏ．３９，  ２０１３、２０１４年１月２８日発行
【００９６】
先ず（１）の位相シフト法を用いた計測について概略的に説明する。位相シフト法では、図２２（ａ）に例示される、それぞれ位相の異なる位相シフトパターンである複数の投影パターン６０（１０）、６０（１１）、６０（１２）および６０（１３）を用いた位相解析により、３次元の形状および姿勢の復元を行う。このとき、図２２（ｂ）に例示される、それぞれ異なるグレイコードパターンである複数の投影パターン６０（２０）、６０（２１）、６０（２２）および６０（２３）を用いた空間コード化法を併用し、これら空間コード化法および位相シフト法の結果に基づき位相連結を行うことで、高精度に３次元の形状および姿勢の復元を行うことができる。
【００９７】
このように、（１）の位相シフト法を用いた計測では、複数の投影パターン６０（１０）〜６０（１３）、６０（２０）〜６０（２３）それぞれについて撮像を行う。
【００９８】
次に（２）の光切断法を用いた計測について概略的に説明する。光切断法は、ライン光源により計測対象に対して輝線を照射し、この輝線が照射された計測対象を撮像し、輝線画像を得る。例えば図２３に例示するように、光偏向素子からライン光（輝線）１４を形成する。この輝線画像に基づき、計測対象の１ライン分の３次元形状が生成される。図２３の投影パターン６０（３）に示すように、光偏向素子を用いてライン光１４の照射位置を矢印の向きに変えていき、計測対象に対して複数の輝線画像を得る。これにより、計測対象の全体の３次元形状を生成できる。このような光切断パターンを用いた光切断法は、光沢のある計測対象の計測に用いて好適である。
【００９９】
（実施例の効果）
本実施例では、計測装置の各設定を「スペックルノイズの低減効果がある設定」としている。このため、計測対象を撮影した画像においてスペックノイズが低減し、撮影画像の輝度情報を解析する際の計測精度が向上する。
【０１００】
図２４は、スペックルノイズの低減効果を説明する図である。図２４には、白色拡散板に一つの発光素子からコヒーレント光を照射した場合の撮影画像１００３Ａを示している。また、本実施例により得られる撮影画像の一例として、上記と同じ白色拡散板に「スペックルノイズの低減効果がある設定」で１００個の発光素子からコヒーレント光を照射した場合の撮影画像１００３Ｂを示している。各撮影画像１００３Ａ、１００３Ｂは、撮影条件は同じで、発光素子の数のみを変更している。厳密には１００個の発光素子が配置されたＶＣＳＥＬアレイにて１チャンネルのみを発光させた場合と全チャンネルを発光させた場合との違いである。
【０１０１】
図２４の撮影画像１００３Ａに示すように、１チャンネルのみの発光ではスペックルパターンが１つのため、そのスペックルパターンがそのままスペックルノイズとして画像中に現れ、それが輝度バラツキとして観察される。一方、撮影画像１００３Ｂに示す１００チャンネルの発光ではスペックルパターンが１００個分あり、それらの重なりによりスペックルノイズが平均化される。これにより、画像中においてスペックルノイズが低減され、撮影画像１００３Ｂに示すように輝度バラツキが減少する。
【０１０２】
このように、本実施例では、上記のようにスペックルの低減効果が得られるように計測装置の各構成要素を設計する。具体的には、本実施例では、仮想的なライン光の光源ピッチを複数光源多重効果が得られるだけのピッチになるようラインジェネレータの光学系とＶＣＳＥＬ光源ピッチを設計する。また、ラインジェネレータの光学系でライン光の長手方向および短手方向の広がり角も設計する。
【０１０３】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態は、第１の実施の形態に係る計測装置１を、ロボットアーム（多関節アーム）と組み合わせて用いる例である。
【０１０４】
図２５は、第２の実施の形態に係るロボットの構成の一例を示す図である。図２５には、多関節を有するロボットアームに計測装置１を適用した例を示している。ロボットアーム７０は、対象物をピッキングするためのハンド部７１を備え、ハンド部７１の直近に計測装置１が搭載されている。ロボットアーム７０は、それぞれ屈曲可能な複数の可動部を備え、ハンド部７１の位置および向きを、制御に従い変更する。
【０１０５】
計測装置１は、光の投影方向がハンド部７１の向く方向に一致するように設けられ、ハンド部７１のピッキング対象１５を計測対象として計測する。
【０１０６】
このように、第２の実施形態では、計測装置１をロボットアーム７０に搭載することで、ピッキングの対象物を近距離から計測することができ、カメラ等を用いた遠方からの計測と比較して計測精度や認識精度の向上が達成できる。例えば、工場の様々な組立てライン等におけるＦＡ(Factory  Automation)分野においては、部品の検査や認識等のために、ロボットアーム７０等のロボットが利用される。ロボットに計測装置１を搭載することにより、部品の検査や認識を精度よく行うことができるようになる。
【０１０７】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態は、第１の実施の形態に係る計測装置１をスマートフォンやＰＣなどの電子機器に搭載して用いる例である。
【０１０８】
図２６は、第３の実施の形態に係るスマートフォンなどの電子デバイスの構成の一例を示す図である。スマートフォン８０に計測装置１を適用した例を示している。スマートフォン８０には計測装置１と使用者の認証機能が搭載されている。使用者の認証機能は、例えば専用のハードウェアを設けるなどして搭載されている。この他、コンピュータ構成のＣＰＵがＲＯＭなどのプログラムを実行するなどして本機能を実現するようにしてもよい。計測装置１は、使用者８１の顔、耳や頭部の形状などを計測する。この計測結果に基づいて、使用者の認証機能は、使用者８１がスマートフォン８０に登録された者かを判定する。
【０１０９】
このように、第３の実施の形態では、計測装置１をスマートフォン８０に搭載することで、高精度に使用者８１の顔、耳や頭部の形状などを計測することができ、認識精度の向上が達成できる。なお、本実施例では、計測装置１をスマートフォン８０に搭載しているが、ＰＣやプリンタなどの電子機器に搭載してもよい。また、機能面としても個人認証機能に限らず、顔形状のスキャナなどに用いてもよい。
【０１１０】
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態は、第１の実施の形態に係る計測装置１を、移動体に搭載して用いる例である。
【０１１１】
図２７は、第４の実施の形態に係る車両の構成の一例を示す図である。自動車に計測装置１を適用した例を示している。自動車車内８５には計測装置１と運転支援機能が搭載されている。運転支援機能は、例えば専用のハードウェアを設けるなどして搭載されている。この他、コンピュータ構成のＣＰＵがＲＯＭなどのプログラムを実行するなどして本機能を実現するようにしてもよい。計測装置１は、ドライバー８６の顔や姿勢などを計測する。この計測結果に基づいて、運転支援機能は、ドライバー８６の状況に応じた適切な支援を行う。
【０１１２】
このように、第４の実施の形態では、計測装置１を自動車に搭載することで、高精度にドライバー８６の顔、姿勢などを計測することができ、車内８５のドライバー８６の状態認識精度の向上が達成できる。なお、本実施例では、計測装置１を自動車に搭載しているが、電車の車内や飛行機の操縦席（または客席）などに搭載してもよい。また、機能面としてもドライバー８６の顔、姿勢などのドライバー８６の状態認識に限らず、ドライバー８６以外の搭乗者や車内８５の様子の認識などに用いてもよい。またドライバー８６の個人認証を行い、車のドライバーとして予め登録された者かを判断するといった車のセキュリティに用いてもよい。
【０１１３】
図２８は、第４の実施の形態に係るその他の移動体の構成の一例を示す図である。図２８には、自律型の移動体に計測装置１を適用した例を示している。移動体８７には計測装置１が搭載されており、移動体８７の周囲を計測する。この計測結果に基づいて、移動体８７は自身の移動する経路の判断および、机８８の位置などの室内８９のレイアウトを算出する。
【０１１４】
このように、第４の実施の形態では、計測装置１を移動体８７に搭載することで、高精度に移動体８７の周辺を計測することができ、移動体８７の運転の支援が行える。なお、本実施例では、計測装置１を小型の移動体８７に搭載しているが、自動車などに搭載してもよい。また、屋内だけでなく屋外で用いてもよく、建造物などの計測に用いてもよい。
【０１１５】
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態は、第１の実施の形態に係る計測装置１を、造形装置に搭載して用いる例である。
【０１１６】
図２９は、第５の実施の形態に係る造形装置の構成の一例を示す図である。図２９には、造形装置の一例である３Ｄプリンタ９０のヘッド部９１に計測装置１を適用した例を示している。ヘッド部９１は形成物９２を形成するための造形液を吐出するノズル９３を有する。計測装置１は、３Ｄプリンタ９０によって形成される形成物９２の形状を、形成中に計測する。この計測結果に基づいて、３Ｄプリンタ９０の形成制御が行われる。
【０１１７】
このように、第５の実施の形態では、計測装置１を３Ｄプリンタ９０に搭載することで、形成物９２の形状を形成中に計測することができ、高精度に形成物９２を形成できる。なお、本実施例では、計測装置１を３Ｄプリンタ９０のヘッド部９１に搭載しているが、３Ｄプリンタ９０内の他の位置に搭載してもよい。
【符号の説明】
【０１１８】
１０                光学装置
１１                ＶＣＳＥＬアレイ
１２                ラインジェネレータ
１３                ミラー（光偏向素子）
１４                ライン光
１４−１、１４−２  各ライン光
ａ                  発光素子
Ｄ１                ピッチ
ｍ１、ｍ２          仮想的な光源
ＬＷＤ１            距離
θ１                角度
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１９】
【特許文献１】特開２０１６−２１７８３３号公報
【図１】
2020034310.tif 000003
【図２】
2020034310.tif 000004
【図３】
2020034310.tif 000005
【図４】
2020034310.tif 000006
【図５】
2020034310.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
2020034310.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2020034310.tif 000012
【図１１】
2020034310.tif 000013
【図１２】
2020034310.tif 000014
【図１３】
2020034310.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2020034310.tif 000018
【図１７】
2020034310.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
2020034310.tif 000025
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
2020034310.tif 000030
【図２９】
2020034310.tif 000031