(57)【要約】      （修正有）【課題】複数光源の光量のばらつきの投影パターンへの影響を抑制し、物体の計測精度の点で有利な計測装置を提供する。【解決手段】光源から出射された光からラインパターン光を生成するパターン光生成部と、生成されたラインパターン光を被検物に投影する投影光学系と、を有する投影装置であって、光源は、パターン光生成部が生成するラインパターン光の周期方向に対して垂直な方向に配置されている複数の光源１０１および１０２を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された光からラインパターン光を生成するパターン光生成部と、生成されたラインパターン光を被検物に投影する投影光学系と、を有する投影装置であって、
前記光源は、前記パターン光生成部が生成する前記ラインパターン光の周期方向に対して垂直な方向に配置されている複数の光源を有することを特徴とする投影装置。
【請求項２】
前記複数の光源から出射された光の前記投影光学系の瞳面における複数の光強度分布は、前記ラインパターン光の周期方向に対して垂直な方向に並んでいることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項３】
前記複数の光源のそれぞれの光量が互いに異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項４】
前記複数の光源の中心間を結ぶ線が前記ラインパターン光の周期方向に平行になるように、前記複数の光源が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項５】
前記複数の光源から出射された光の前記投影光学系の瞳面における複数の光強度分布において、それぞれの光強度分布の両端を所定の光強度の閾値で規定したときの前記周期方向の両端間の長さは、それぞれ等しいことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項６】
前記複数の光源から出射された光の光路を折り曲げる光学素子を含み、
前記光学素子により光路を折り曲げられた光の前記投影光学系の瞳面における光強度分布を含む前記複数の光強度分布は、前記被検物に投影された前記ラインパターン光の周期方向に対して垂直な方向に沿って並んでいることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項７】
前記光源は面光源であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項８】
前記複数の光源から出射された光の光強度分布を調整し、前記ラインパターン光を生成する生成部へ調整した光を出射するオプティカルインテグレータを有し、
前記オプティカルインテグレータは、当該オプティカルインテグレータの入射端面側から見た断面形状が当該入射端面の中心に関して対称であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項９】
前記オプティカルインテグレータは、レンズアレイを有することを特徴とする請求項８に記載の投影装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちいずれか１項に記載の投影装置と、
前記投影装置により前記ラインパターン光が投影された前記被検物を撮像する撮像装置と、を有することを特徴とする計測装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の計測装置と、
前記被検物を保持して移動させるロボットと、を有し、
前記計測装置から出力された前記被検物の位置および姿勢に基づいて、前記ロボットが前記被検物を保持する、ことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の計測装置を用いて前記被検物を計測する工程と、
該計測結果に基づいて前記被検物を処理することにより物品を製造する工程と、を有する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、投影装置、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】
物体の配置（例えば、位置および姿勢）を非接触に計測する装置として、パターン投影法を用いた計測装置が知られている。パターン投影法では、パターン光が投影された物体を撮像し、撮像画像を用いて三角測量の原理に基づき各画素位置における距離情報を算出して物体の配置を求める。距離情報は、パターン光を投影する投影光学系および物体を撮像する撮像光学系をピンホールカメラモデルに近似して算出される。
【０００３】
例えば、複数のＬＥＤを投影光学系の光源として用いた場合にＬＥＤ間の光量にばらつきがあると、投影光学系の瞳においてパターン光の光強度分布にむらが生じて投影パターンの像ずれが発生する。このような光強度分布むらが生じた場合には、上記ピンホールカメラモデルの近似により算出される距離情報の精度は低下する。光強度分布の均一化については、入り口から入った光を内面で複数回反射させて出口から強度分布を均一にした光を出す導光路を備えた照明装置がある（特許文献１）。また、非ピンホール光学系を校正する校正装置も知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２６２７９５号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３１０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、ＬＥＤの個数またはＬＥＤ間の光量のばらつきの大きさによっては、例えば、導光路の長さを長くする必要があり、装置の大形化やコストの増大を招く。また、ＬＥＤの光量のばらつきは経時変化しうるため、特許文献２の校正装置では、定期的に校正することが必要となり計測効率の点で不利となりうる。
【０００６】
本発明は、例えば、複数光源の光量のばらつきの投影パターンへの影響を抑制し、物体の計測精度の点で有利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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、光源から出射された光からラインパターン光を生成するパターン光生成部と、生成されたラインパターン光を被検物に投影する投影光学系と、を有する投影装置であって、光源は、パターン光生成部が生成するラインパターン光の周期方向に対して垂直な方向に配置されている複数の光源を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、例えば、複数光源の光量のばらつきの投影パターンへの影響を抑制し、物体の計測精度の点で有利な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】実施形態に係る投影装置の発光部に含まれる光源の配置を示す図である。
【図３】光源の配列方向が物理的にｙ軸と平行な場合の例を示す図である。
【図４】光源の配列方向が物理的にｙ軸と平行な場合の例を示す図である。
【図５】比較例としての光源の配列を示す図である。
【図６】比較例の光源の配置による光強度分布、および実施形態の光源の配置による光強度分布を示す図である。
【図７】原点に関して対称の分布形状をもつ光束の集光位置の近傍の光強度分布を示す図である。
【図８】比較例の光源の光量にばらつきがある場合の光強度分布を示す図である。
【図９】原点に関して非対称の分布形状をもつ光束の集光位置の近傍の光強度分布を示す図である。
【図１０】光強度分布が光束の主光線に関して非対称になることによる計測精度への影響を説明する図である。
【図１１】発光部に含まれる光源の変形例を示す図である。
【図１２】計測装置が備え付けられた把持装置を含む制御システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１１】
（実施形態）
図１は、本実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。計測装置は、計測ヘッド１００および制御部２００を含む。計測ヘッド１００は、投影装置１１０および撮像装置１２０を含む。投影装置１１０は、物体１０にパターン光Ｐを投影する。本実施形態のパターン光Ｐは、図１に示すように、明線で形成された明部と、暗線で形成された暗部とが交互に配置された周期的なラインパターン光である。
【００１２】
投影装置１１０は、複数の光源を有する発光部１１１と、オプティカルインテグレータ１１２と、パターン光生成部１１３と、投影光学系１１４と、を有する。投影装置１１０は、光路を変更する光学素子（例えば、平面ミラー、プリズムなど）、及びオプティカルインテグレータ１１２に効率よく導光するための光学素子（例えば、集光ミラー）を含んでもよい。発光部１１１が有する複数の光源としては、ＬＥＤチップ、ＬＥＤチップを一次元配列したＬＥＤアレイ、二次元配列したＬＥＤマトリックスなどの発光素子を用いることができる。
【００１３】
オプティカルインテグレータ１１２は、発光部１１１から出射された光の光強度分布を調整する。本実施形態では、オプティカルインテグレータ１１２として、光の入射端面側からみた断面形状が入射端面の中心に関して対称のロッドインテグレータを用いる。その他、断面形状が入射端面の中心に関して対称な（例えば、円形や矩形）オプティカルインテグレータを用いることができる。
【００１４】
本実施形態では、オプティカルインテグレータ１１２は、光強度分布を均一化して、パターン光生成部１１３を均一に照明する。なお、オプティカルインテグレータ１１２は、画角周辺部の光強度を画角中心部の光強度よりも大きくするなど、意図的に光強度分布を不均一化してもよい。光強度分布の調整は、発光部１１１の光源とオプティカルインテグレータ１１２の入射端面との間隔、入射端面の面積と光源の発光面の面積との関係、またはオプティカルインテグレータ１１２の長さと入射端面の面積との比率などを調整して行うことができる。例えば、ロッドインテグレータの入射端面の面積に対して長さが短いものを用いると、画角周辺部の光強度を画角中心よりも大きくすることができる。
【００１５】
パターン光生成部１１３は、オプティカルインテグレータ１１２から出射された光を受光して、ラインパターン光を生成する。ここで、パターン光生成部１１３が生成するラインパターン光のラインの周期方向をｘ軸、ラインパターン光のラインの周期方向に対して垂直な方向（ラインが延びる方向）をｙ軸とし、ｘｙ平面に直交する方向をｚ軸とする。なお、例えば、投影装置１１０に光路を折り曲げる光学素子が含まれる場合、パターン光生成部１１３で生成されるラインパターン光の周期方向と物体１０に投影されるパターン光Ｐの周期方向は、一致しないことがある。本実施形態では、説明の簡単のため、両者の周期方向を一致させている。ｚ軸は、投影装置１１０の投影光学系１１４の光軸に平行な方向である。また、ｘｚ平面は、投影光学系１１４の物体側主点と撮像レンズ１２１の像側主点および物点を含む平面である。
【００１６】
パターン光生成部１１３としては、液晶素子やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などが用いられ、パターン光生成部１１３は任意のパターンを設定することができる。なお、パターン光生成部１１３としては、所定のパターンが描画された、所定のパターン光を生成するガラス板を用いることもできる。また、パターン光Ｐは、本実施形態のようなライン状のパターンに限られず、ラインが途中で途切れているドットラインパターンや円形のパターンの配列であってもよい。また、パターン光Ｐの波長は一つに限られず、ＬＥＤを複数種類用いるなどして、複数波長を用いてもよい。投影光学系１１４は、パターン光生成部１１３で生成されたパターン光を物体１０に投影する光学系である。物体１０に投影されるパターン光Ｐのラインの周期方向がｘ軸方向、パターン光Ｐのラインが延びる方向がｙ軸方向となる。
【００１７】
撮像装置１２０は、パターン光Ｐが投影された物体１０を撮像する。撮像装置１２０は、撮像レンズを含む結像光学系１２１、筐体１２２および、受光面を有するイメージセンサ１２３を含む。結像光学系１２１およびイメージセンサ１２３は筐体１２２内部に配置されている。イメージセンサ１２３は、ＣＭＯＳやＣＣＤなどの光電変換素子であり、物体１０の光を受光面で受光して物体１０の画像を取得する撮像部として機能する。
【００１８】
制御部２００は、例えば、ＣＰＵ（処理部）やメモリなどを含む制御回路であり、撮像装置１２０が撮像した画像から、三角測量の原理に基づいて物体１０までの距離情報を算出する。また、制御部２００は、発光部１１１から出射される光の光量の制御、投影装置１１０が投影するパターン光Ｐの形状（線幅等）の生成、投影装置１１０の投影タイミングと撮像装置１２０の撮像タイミングとの同期などを行う。本実施形態の計測装置は、空間符号化法により物体１０の距離情報を算出するが、その他、位相シフト法や光切断法等を用いてもよい。
【００１９】
制御部２００は、投影装置１１０を制御して複数種類のパターン光Ｐを物体１０に投影する。制御部２００は、撮像装置１２０を制御して、パターン光Ｐごとに物体１０を撮像して、撮像画像の信号（データ）を得る。制御部２００は、パターン光Ｐの明暗の縞の設定値および、設定値ごとの撮像画像のデータから計測空間を分割する。そして、制御部２００は、計測空間内の物体１０の表面上の物点に対して、投影装置１１０のパターン光生成部１１３の画素位置と、撮像装置１２０のイメージセンサ１２３の画素位置を対応付ける。
【００２０】
制御部２００は、予め取得した、投影装置１１０と撮像装置１２０との相対的な位置および姿勢の関係を用いて三角測量の原理に基づき物体１０の表面上の点の距離（位置）を算出する。本実施形態においては、パターン光Ｐのラインが伸びる方向と垂直方向（＝Ｘ軸方向）の点の位置を用いて距離を計算することになる。この計算をパターン光Ｐが投影された物体１０の表面上の複数点について実施し、距離情報を有する点群データを取得する。また、距離点群データと３Ｄ−ＣＡＤモデルを用いて、物体１０の配置（例えば、位置および姿勢）を求めることができる。
【００２１】
図２は、本実施形態に係る投影装置１１０の発光部１１１に含まれる光源の配置を示す図である。発光部１１１に含まれる複数の光源１０１および１０２の光学的な配列方向は、ｙ軸に沿う方向である。光源１０１および光源１０２は、光学的に平行であるとする。また、光源１０１および光源１０２は、面発光する光源（面光源）を用いうる。
【００２２】
光源１０１および光源１０２を物理的にｙ軸に対して平行な方向に配置する。例えば、光源１０１の中心と光源１０２の中心とを結ぶ線がｙ軸に対して平行になるように配置する。なお、ｘ軸方向における光源１０１と光源１０２の中心間の距離が、光源１０１又は光源１０２の発光領域のｘ軸方向における長さの半分以内であれば、光源１０１および光源１０２を物理的にｙ軸に対して平行な方向に配置しているといえる。また、物理的にｙ軸と平行でなくとも、投影装置１１０に含まれる平面ミラーなどの光学素子により光路を変更することで光源１０１および光源１０２を光学的にｙ軸に平行に配列することもできる。ここで、光学的に平行とは、光源１０１から出射された光、および光源１０２から出射された光の、投影光学系１１４の瞳面におけるそれぞれの光強度分布がｙ軸方向に沿って並んでいることを意味する。また、それぞれの光強度分布のｘ方向の幅が等しい場合もある。当該幅は、例えば、光強度分布の両端を所定の光強度の閾値で規定したときの両端間の長さ、光源の中心からの距離などで定義されうる。
【００２３】
図３および図４は、光源１０１および光源１０２の配列方向が物理的にｙ軸と平行なまた別の例を示す図である。図３の光源１０１および光源１０２、図４の光源１０１および光源１０２は、光源１０１の中心と光源１０２の中心とをｙ軸に対して平行な方向に沿って配置されている。ただし、光源１０１および光源１０２のそれぞれの発光領域の外形の長辺と短辺はｙ軸に対して傾いて配置されている。なお、図２〜図４において、光源１０１および光源１０２から伸びる線は、配線であり、各光源は制御部２００により個別に制御されうる。
【００２４】
図５は、比較例としての発光部１１１に含まれる光源の配置を示す図である。本実施形態の光源の配列は、図２で示した配列とする。図５に示す比較例では、発光部１０１および１０２が、パターン光Ｐのラインと平行な方向であるｙ軸と垂直なｘ軸方向に配列されている。
【００２５】
図６は、比較例の光源の配置による光強度分布６０１、および本実施形態の光源の配置による光強度分布６０２を示す図である。横軸は投影光学系１１４の瞳面のｘ方向であり、原点は投影光学系１１４から射出した光の主光線が通る位置であり、縦軸が光強度である。ここで、各光源からの光は中心に対して対称な光強度分布とする。光強度分布６０１では、比較例の光源では、複数の光源間で光量にばらつきがないものとしているため、光強度分布６０１の形状は原点に関して対称となっている。一方、本実施形態の光源では複数の光源間で光量にばらつきがあるものとしているが、ｘ方向の光強度分布６０２の形状は原点に関して対称となっている。本実施形態の複数の光源はｙ軸方向に平行に配置されているからである。
【００２６】
図７は、図６のように原点に関して対称の分布形状をもつ光束の集光位置６０５の近傍の光強度分布６０６を示す図である。光束の主光線６０４は、図示しない光学系によって決定される光線である。光束によって結像される像の位置は、光強度分布６０６のピークを結ぶ方向に変化する。図７の場合は、像の位置方向と主光線６０４の進行方向とが一致する。
【００２７】
図８は、比較例の光源の光量にばらつきがある場合の光強度分布６０３を示す図である。光強度分布６０３は、原点に関して非対称となっている。図９は、図８のように原点に関して非対称の分布形状をもつ光束の集光位置６０５の近傍の光強度分布６０６を示す図である。光強度分布６０６は、光束の主光線６０４に関して非対称になり、像の位置方向６０７は、主光線６０４の進行方向と一致しない。
【００２８】
図１０は、投影光学系の瞳面における光強度分布が光束の主光線に関して非対称になることによる計測精度への影響を説明する図である。図１０は、ピンホールカメラモデルと図８の光強度分布６０３を有する投影光学系１１４とを合わせて描いたものである。ピンホールカメラモデルにおいて使用されるピンホール６０８を通過する光線は、投影光学系１１４によって規定される主光線６０４に相当する。したがって、像の位置方向が主光線上にあれば、ピンホールモデルを用いて精度良く位置検出する事が可能である。しかし、像の位置方向６０７が主光線６０４と一致していない場合、像の位置方向６０７はピンホール６０８を通過せずピンホールカメラモデルでは記述できない非ピンホール性を有する事となり位置検出誤差を発生し計測精度が低下する。
【００２９】
つまり、光源間で光量のばらつきが発生したとしても、原点に関して対称の光強度分布となることが位置検出誤差を抑えるうえで重要となる。図６で示したように、本実施形態の光源の配置によれば、光源間で光量にばらつきがあっても、ｘ軸方向における光強度分布６０２の形状は原点に関して対称となっている。したがって、パターン光Ｐのラインの周期方向であるｘ軸方向への位置検出誤差の発生が低減され、安定した計測精度を実現することが可能となる。また、光源の配置を規定するのみで、高額なオプティカルインテグレータ、大型のオプティカルインテグレータを用いる必要がない。さらに、光源間の光量のばらつきが経時変化しても、複雑な校正作業は必要ない。
【００３０】
なお、オプティカルインテグレータ１１２として、内面反射型のロッドインテグレータや、レンズアレイを有するハエの目レンズなどを用いることができる。また、発光部１１１に含まれる光源１０３〜１０８を図１１に示すようにマトリックス状に配置して、発光させる光源、または光量をその他光源よりも大きくする光源をｙ軸に平行な方向としてもよい。
【００３１】
（物品製造方法に係る実施形態）
上述の計測装置は、ある支持部材に支持された状態で使用されうる。本実施形態では、一例として、図１２のようにロボットアーム４００（把持装置）に備え付けられて使用される制御システムについて説明する。計測装置１００は、支持台Ｔに置かれた被検物Ｗにパターン光を投影して撮像し、画像を取得する。そして、計測装置１００の制御部（図示せず）が、又は、計測装置１００の制御部（図示せず）から出力された画像データを取得したアーム制御部３１０が、被検物Ｗの位置および姿勢を求め、求められた位置および姿勢の情報をアーム制御部３１０が取得する。アーム制御部３１０は、その位置および姿勢の情報（計測結果）に基づいて、ロボットアーム４００に駆動指令を送ってロボットアーム４００を制御する。ロボットアーム４００は先端のロボットハンドなど（把持部）で被検物Ｗを保持して、並進や回転などの移動をさせる。さらに、ロボットアーム４００によって被検物Ｗを他の部品に組み付ける（組立する）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、移動された被検物Ｗを加工（処理）することにより、物品を製造することができる。アーム制御部３１０は、ＣＰＵなどの演算装置やメモリなどの記憶装置を有する。なお、ロボットを制御する制御部をアーム制御部３１０の外部に設けても良い。また、計測装置１００により計測された計測データや得られた画像をディスプレイなどの表示部３２０に表示してもよい。
【００３２】
（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１００    計測ヘッド
１０１    光源
１０２    光源
１１０    投影装置
１１１    発光部
１１４    投影光学系
１２０    撮像装置
２００    制御部
【図１】
2018112453.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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