(57)【要約】【課題】パターン光のパターン幅よりも細いワークであっても高精度に計測可能な計測装置を提供する。【解決手段】被検物の位置を計測する計測装置１００は、被検物に明部と暗部とが周期的に並んでいる縞パターンのパターン光を投影する投影部１２０と、投影部１２０によりパターン光が投影された被検物を撮像し、撮像画像を取得する撮像部１３０と、撮像部１３０が取得した撮像画像に基づいて被検物の位置を求める処理部１１０を有する。投影部１２０は、投影部１２０と撮像部１３０との位置に基づいて決定されるエピポーラ線と交差する第１の方向に周期方向をもつ縞パターンを有する第１の縞パターン光と、エピポーラ線および第１の方向と交差する第２の方向に周期方向をもつ縞パターンを有する第２の縞パターン光を投影する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物の位置を計測する計測装置であって、
前記被検物に明部と暗部とが周期的に並んでいる縞パターンを有するパターン光を投影する投影部と、
前記投影部により前記パターン光が投影された前記被検物を撮像し、撮像画像を取得する撮像部と、
前記撮像部が取得した前記撮像画像に基づいて前記被検物の位置を求める処理部を有し、
前記投影部は、前記投影部と前記撮像部との位置に基づいて定められるエピポーラ線と交差する第１の方向に周期方向をもつ縞パターンを有する第１のパターン光と、前記エピポーラ線および前記第１の方向と交差する第２の方向に周期方向をもつ縞パターンを有する第２のパターン光を投影することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記第１の方向と前記第２の方向とは直交することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記投影部は、互いに垂直な縦横方向に配列された複数の画素を有し、前記複数の画素により前記縞パターンを有するパターン光を形成する光学変調素子を有し、
前記光学変調素子の複数の画素の縦方向が前記エピポーラ線と交差する方向であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記光学変調素子の複数の画素の縦方向が、前記第１の方向または前記第２の方向であることを特徴とする請求項３に記載の計測装置。
【請求項５】
前記光学変調素子は、デジタル・ミラー・デバイスまたは液晶デバイスであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項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前記被検物を保持して移動させるロボットと、を有するシステム。
【請求項７】
請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置を用いて前記被検物の計測を行う工程と、該計測の結果に基づいて前記被検物を処理する工程と、を含むことを特徴とする物品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置、システムおよび物品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワークにパターン光を投影し、パターン光が投影されたワークを撮像することで、ワークの位置、姿勢、形状などの情報を取得する方法が知られている。この方法において、パターン光の明暗の境界位置を正確に検出することが重要である。例えば、特許文献１には、明部と暗部を有する互いに相補な関係にある２つのパターン光を被検物に投影し、各パターン光が投影された被検物を撮像した画像を用いてワークの三次元形状情報を取得する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２１０２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１においては、投影されたパターン光の幅よりも細いワークが、パターンの明暗を横切らずに明部幅もしくは暗部幅のみに入ってしまうと、正確に三次元形状情報を取得出来ない。投影する縞のパターン幅を微細化することで対応しようとしても、パターンの生成を行う投影素子や撮像素子の解像度を上げる必要が生じ、装置のコストが高くなってしまう。
【０００５】
本発明は、例えば、パターン光のパターン幅よりも細いワークであっても高精度に計測可能な計測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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一側面である計測装置は、被検物の位置を計測する計測装置であって、前記被検物に明部と暗部とが周期的に並んでいる縞パターンを有するパターン光を投影する投影部と、前記投影部により前記パターン光が投影された前記被検物を撮像し、撮像画像を取得する撮像部と、前記撮像部が取得した前記撮像画像に基づいて前記被検物の位置を求める処理部を有し、前記投影部は、前記投影部と前記撮像部との位置に基づいて定められるエピポーラ線と交差する第１の方向に周期方向をもつ縞パターンを有する第１のパターン光と、前記エピポーラ線および前記第１の方向と交差する第２の方向に周期方向をもつ縞パターンを有する第２のパターン光を投影することを特徴とする計測装置。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、例えば、パターン光のパターン幅よりも細いワークであっても高精度に計測可能な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】計測装置および計測装置を含むシステムの構成を示す図である。
【図２】エピポーラ線を示す図である。
【図３】従来の縞パターンを示す図である。
【図４】本実施形態における斜めの縞パターンを示す図である。
【図５】従来の投影素子を示す図である。
【図６】本実施形態における投影素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態における計測装置１００の全体構成図および計測装置１００とピッキングを行うロボット３００を含むシステムを表す図である。図１を用いて本実施形態における計測装置１００の計測動作について説明を行う。計測装置１００は、処理部１１０、投影部１２０、撮像部１３０を有し、被検物であるワークの位置を計測する計測装置である。投影部１２０は、光源１２１とパターン像を形成する投影像形成部１２２および投影光学系１２３を有している。ここで、例えば、光源１２１はＬＥＤであり、投影像形成部１２２はＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）である。また、撮像部１３０は、撮像素子１３１と撮像光学系１３２を有している。ここで、例えば、撮像素子１３１はＣＭＯSイメージセンサである。
【００１０】
ロボット３００は、保持部としてのロボットハンド３１０、ロボットアーム３２０および、これらを制御するＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）２００を有している。ＰＣ２００は、計測装置１００と通信可能に接続されており、計測装置１００から取得した情報に基づいて、ロボットアーム３２０やロボットハンド３１０に駆動指令を送って、これらを制御する。部品格納容器であるパレット４００の内部には、計測対象であるワークが山積みされている。
【００１１】
次に、ワークの位置を計測する工程を説明する。投影部１２０は、パレット４００へパターン光の投影を行う。撮像部１３０は、ワークの撮像を行い、ワークの濃淡画像（２次元画像）や距離画像（３次元情報）などの撮像画像を取得し、処理部１１０に出力する。次に、処理部１１０は、撮像部１３０から取得した撮像画像に基づいて、パレット４００内部のワークの各点における３次元の位置（距離情報）を求める計測演算を行う。さらに、処理部１１０は、その各点の３次元の位置の情報を用いてワークの中心位置および姿勢を求め、ロボットによりピッキング可能なワークを選択する。処理部１１０は、計測結果である、選択したピッキング可能なワークとその位置および姿勢をロボット３００のＰＣ２００に送信する。ＰＣ２００は計測装置１００から取得した計測結果に基づいて、ロボットハンド３１０とロボットアーム３２０の動作を制御し、所定のワークのピッキングを行う。計測装置の計測動作においては、以上の工程をロボット３００がワークをピッキングする度に繰り返し行う。
【００１２】
なお、計測装置１００においてワークの位置および姿勢を求める計測演算を行い、ピッキング可能なワークを選択する例を説明したが、処理部１１０が、撮像部１３０による撮像画像をＰＣ２００へと送信するようにしてもよい。その場合、ＰＣ２００が、撮像部１３０から取得した撮像画像に基づいて、パレット４００内部のワークの位置および姿勢を求める計測演算を行い、ピッキング可能なワークを選択する。このピッキング可能なワークの情報は、ＰＣ２００からロボット３００へと送信され、ロボット３００は、その情報を基に、ロボットハンド３１０とロボットアーム３２０を動かし、所定のワークのピッキングを行う。
【００１３】
また、計測装置１００は、ロボットハンド３１０やロボットアーム３２０に備え付けられていてもよい。ロボットハンド３１０によってピッキングされたワークは、並進や回転などの移動をされる。また、ワークを他の部品に組み付けることにより、複数の部品で構成された物品、例えば電子回路基板や機械などを製造することができる。また、移動されたワークを加工することにより、物品を製造することができる。
【００１４】
ここで、投影部１２０で投影するパターン光について詳細に説明する。まず、エピポーラ線について図２を用いて説明する。エピポーラ線は、撮像部１３０、投影部１２０および三次元点５００の位置関係によって定められるエピポーラ拘束により定められる線である。図２において、投影像形成部１２２と撮像素子１３１は、撮像素子１３１の走査線方向に水平に並べられている。三次元点５００は、三次元空間で任意に選択した三次元点である。主点５０２は撮像部１３０の主点であり、主点５０３は投影部１２０の主点である。ここで、撮像部１３０の主点５０２、投影部１２０の主点５０３、三次元点５００がなす平面が定義できる。この平面と撮像素子１３１が交わることで定義される線が、撮像部１３０側のエピポーラ線５０４である。同様に、この平面と投影像形成部１２２が交わることで定義される線が、投影部１２０側のエピポーラ線５０５である。投影部１２０側のエピポーラ線５０５に配置されたパターンは、撮像部１３０の主点５０２、投影部１２０の主点５０３、三次元点５００の三点がなす平面上の三次元点であれば、撮像素子１３１内において撮像部１３０側のエピポーラ線５０４で撮像される。
【００１５】
次に、投影するパターン光について説明する。図３および図４は、投影部１２０によりパターン光が投影されたワークが、撮像部１３０の撮像素子１３１において結像した例を示す図である。図３は、従来の計測用の縞パターンが投影され、図４は、本実施形態における計測用の縞パターンが投影されている。縞パターンは、明部と暗部とが周期的に並んでいるパターンである、図３および図４において、白が縞パターンにおける明部、ドットが縞パターンにおける暗部を示している。図３に示すように、従来の縞パターンを用いた計測装置では、パレット４００の全面に投影される縞パターンの明暗の周期方向は、エピポーラ線５０４と平行となる
【００１６】
一方、本実施形態では、図４に示されるように、投影された縞パターンの明暗の周期方向は、エピポーラ線５０４に交差する方向になる。本実施形態では、図４（Ａ）に示される、エピポーラ線５０４に交差する方向に周期方向をもつ縞パターン光（第１のパターン光）と、図４（Ｂ）に示される、当該周期方向と直交する方向に周期方向をもつ縞パターン光（第２のパターン光）を投影する。なお、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示される２つの縞パターン光は、互いに直交する場合に限られず、例えば、単に交差する場合であってもよい。
【００１７】
図３および図４において、ワーク１〜ワーク３は被検物であるワークである。図３において、ワーク２およびワーク３は縞パターンの明部と暗部を横切っている。そのため、ワーク２およびワーク３の奥行き方向の距離の計測が可能となる。一方、ワーク１は、縞パターンの幅よりも細く、縦縞の明部にしか位置しておらず、距離の計測ができない。すなわち、ワーク２およびワーク３の反射により撮像されている領域はエピポーラ線５０４上において縞パターンが存在する領域である。一方、ワーク１の反射で撮像された領域は、エピポーラ線５０４上の領域において縞パターンが存在しない領域である。ワークの反射光がエピポーラ線５０４上の領域において縞パターンが存在しない場合、該反射光は正確な距離計測ができない。なお、図示しないが、エピポーラ線５０４上の領域において縞パターンの暗部のみにワークが存在した場合も正確な距離計測ができない。
【００１８】
ワーク１が明部と暗部を横切るようにするには、図３に示された縞パターン（すなわち、縦縞）に対し９０度回転させた縞パターン（すなわち、横縞）を投影すればよい。しかしながら、横縞の縞パターンでは、パターン光の暗部もしくは明部である各縞が、エピポーラ線５０４と並行になるため、三次元点の高さの違いがパターンのずれに表れず、距離計測ができない。
【００１９】
図４において、ワーク２およびワーク３は、縞パターンの明と暗部を跨いで置かれており、距離計測が可能である。一方、ワーク１は、図４（Ａ）において、縞パターンの暗部のみに入ってしまうので、正確な奥行きの距離計測ができない。しかし、図４（Ａ）の縞パターンと直交する縞パターンである図４（Ｂ）においては、ワーク１は明と暗の領域を跨ぐので距離計測が可能となる。したがって、斜めの縞パターンとそれに交差する縞パターンの２種類の縞パターンを投影することにより、一方のパターンでは明部のみもしくは暗部のみに存在することとなるワークであっても、もう一方のパターンにおいて明部と暗部を跨ぐことになる。このとき、ワークがいずれかの縞パターンにおいて明部と暗部を跨ぐようにするためには、縞パターンが互いに直交するよう交差することが望ましい。
【００２０】
以上説明したように、エピポーラ線に対し斜めになる縞パターンとそれに直交する縞パターンを投影することにより、多種の形状（例えば、縞パターンの幅より細い形状）や広範囲の向きのワークの計測が可能となる。
【００２１】
（第２実施形態）
本実施形態における計測装置の構成は、第１実施形態と同様であるためその説明を省略する。本実施形態は、投影部１２０の投影像形成部１２２が有するパターンを形成する投影素子５０の配置角度が第１実施形態とは異なる。投影素子５０は、投影部１２０の投影像形成部１２２が有するパターン形成のための光学変調素子であり、互いに垂直な縦横方向に配列された複数の画素５１を有している。投影素子５０は、例えば、ＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）、液晶デバイスなどを用いて、任意のパターンを生成する。
【００２２】
図５は従来の投影素子５０の配置において生成される斜めの縞パターンを示した図である。一方、図６は、本実施形態における投影素子５０の配置において生成される斜めの縞パターンを示した図である。図５および図６において、白が明部、黒が暗部を示している。
【００２３】
従来は、図２のように、投影像形成部１２２と撮像素子１３１を撮像素子１３１の走査線方向に水平に並べており、この場合、撮像素子１３１と投影素子５０の画素が配列されている縦横方向も走査線方向に対して水平となる。投影像形成部１２２と撮像素子１３１の配置が走査線方向に水平である場合の投影像形成部１２２のエピポーラ線は、図５においてエピポーラ線５０５で示される。図５に示すように、投影素子５０の画素５１は正方形である。その他、長方形の場合もありうる。このため、エピポーラ線５０５に対し斜め方向の縞パターンを投影した場合、明部と暗部の境界線は図５に示されるようにギザギザになる。この境界線で測定する距離は、正確性を欠くこととなる。
【００２４】
一方、本実施形態では、図６に示すように投影素子５０をエピポーラ線５０５に対して傾けて、所望の縞パターンの縞が伸びる方向、すなわち縞パターンの長手方向と画素５１の対向する２辺（画素が配列されている縦横方向）とを平行とする。つまり、光学変調素子の複数の画素の縦方向が、エピポーラ線と交差する方向であり、縞パターンの周期方向となっている。このように投影素子５０を傾けることによって、縞パターンの長手方向の明部と暗部の境界線がスムーズなものと成るようにしている。スムーズな境界線を有する斜めの縞パターンを投影することで、計測の精度が向上する。
【００２５】
以上のように、本実施形態によれば、斜めのスムーズな境界線を有する縞パターンを投影することで、多種の形状や広範囲の向きのワークの高精度な計測が可能となる。
【００２６】
（物品の製造方法に係る実施形態）
以上に説明した実施形態に係る計測装置は、物品製造方法に使用しうる。当該物品製造方法は、当該計測装置を用いて物体の計測を行う工程と、当該工程で計測を行われた物体の処理を行う工程と、を含みうる。当該処理は、例えば、加工、切断、搬送、組立（組付）、検査、および選別のうちの少なくともいずれか一つを含みうる。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも１つにおいて有利である。
【００２７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１００    計測装置
１２０    投影部
１３０    撮像部
１１０    制御部
【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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