(57)【要約】【課題】装置の温度が変化しても計測値の変化を抑制することができる３次元計測装置及び方法を提供する。【解決手段】３次元計測装置１は、測定対象２に対してパターン光を投影する投影光学系３を含む投影部と、パターン光が投影された測定対象を撮影する撮影光学系４を含み撮影画像情報を取得する撮影部と、一方の光学系をベース２０に対して取り付ける第１の連結部１００及び第２の連結部１０１と、を有し、撮影画像の情報に基づいて測定対象の３次元情報を計測する。第１の連結部と第２の連結部は、投影光学系の光軸と撮影光学系の光軸との両者に平行な第１平面内において装置温度の変化により一方の光学系に対して回転する力が働くようにベース１０に取り付けられる。第２の連結部の一方の光学系への固定位置とベースへの固定位置との少なくとも一方が位置調整可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に対してパターン光を投影する投影光学系を含む投影部と、前記パターン光が投影された測定対象を撮影する撮影光学系を含み、前記測定対象の撮影画像の情報を取得する撮影部と、前記投影光学系と前記撮影光学系とのうちの一方をベースに対して取り付ける第１の連結部及び第２の連結部と、を有し、前記撮影画像の情報に基づいて前記測定対象の３次元情報を計測する３次元計測装置であって、
前記第１の連結部と前記第２の連結部のそれぞれは、前記投影光学系の光軸と前記撮影光学系の光軸との両者に平行な第１平面内において、装置温度の変化により前記一方に対して回転する力が働くように前記ベースに取り付けられており、
前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との少なくとも一方が位置調整可能である、
ことを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
前記第１の連結部と前記第２の連結部のそれぞれは、線膨張率が異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元計測装置。
【請求項３】
前記第１の連結部は、前記第１平面において前記一方の一個所を位置決めするように前記一方を前記ベースに対して取り付け、
前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との間の部分が、前記第１平面と平行で、前記一方の光軸に対して垂直に伸びていることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元計測装置。
【請求項４】
前記第２の連結部の前記一方への取り付け位置は固定で、前記第２の連結部の前記ベースへの固定位置は前記一方の光軸に対して垂直な方向に位置調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の３次元計測装置。
【請求項５】
前記第２の連結部の前記ベースへの固定位置は、前記一方の光軸を挟む両側の個所のうちの何れか一方を選択できるように構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の３次元計測装置。
【請求項６】
前記第１の連結部は、前記第１平面において前記一方の一個所を位置決めするように前記一方を前記ベースに対して取り付け、
前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との両方が前記一方の光軸と平行な方向に位置調整可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の３次元計測装置。
【請求項７】
前記第１の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との間を結ぶ前記一方の光軸に対して垂直な作用軸と、前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との間を結ぶ前記一方の光軸に対して垂直な作用軸と、の間の距離が調整可能であるように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の３次元計測装置。
【請求項８】
前記第１の連結部は、前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との間に、前記回転する力が発生するようなヒンジ部を有することを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の３次元計測装置。
【請求項９】
前記一方は、前記投影光学系であり、
前記第１の連結部と前記第２の連結部は、前記投影光学系の射出瞳を通り前記第１平面に垂直な回転軸の回りで前記回転する力が発生するように前記投影光学系を前記ベースに取り付けていることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の３次元計測装置。
【請求項１０】
前記一方は、前記撮影光学系であり、
前記第１の連結部と前記第２の連結部は、前記撮影光学系の入射瞳を通り前記第１平面に垂直な回転軸の回りで前記回転する力が発生するように前記撮影光学系を前記ベースに取り付けていることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の３次元計測装置。
【請求項１１】
前記撮影画像の情報に基づいて前記測定対象の位置情報を取得して前記３次元情報を計測することを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の３次元計測装置。
【請求項１２】
測定対象に対してパターン光を投影する投影光学系を含む投影部と、前記パターン光が投影された測定対象を撮影する撮影光学系を含み、前記測定対象の撮影画像の情報を取得する撮影部と、前記投影光学系と前記撮影光学系とのうちの一方をベースに対して取り付ける第１の連結部及び第２の連結部と、を有し、前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との少なくとも一方が位置調整可能であり、前記撮影画像の情報に基づいて前記測定対象の３次元情報を計測する３次元計測装置における３次元計測方法であって、
前記一方を前記第１の連結部により前記ベースに対して取り付けた状態で、装置温度の変化に対する、前記投影光学系の光軸と前記撮影光学系の光軸との両者に平行な第１平面内における前記投影光学系により投影された前記パターン光の位置ずれを把握する第１の工程と、
前記第１の工程で把握した前記装置温度の変化に対する前記パターン光の位置ずれを抑制するような前記第２の連結部の位置調整に係わる情報を取得する第２の工程と、
前記第２の工程で取得した前記情報に基づき前記第２の連結部を位置調整した状態で前記第２の連結部を前記ベースに取り付ける第３の工程と、を有し、
前記第１の連結部と、位置調整された前記第２の連結部とにより、前記第１平面内において装置温度の変化により前記一方に対して回転する力が働いて、前記温度変化に対する前記パターン光の位置ずれを抑制することを特徴とする３次元計測方法。
【請求項１３】
前記第１の連結部と前記第２の連結部のそれぞれは、線膨張率が異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の３次元計測方法。
【請求項１４】
前記第１の工程で、前記第１の連結部は、前記第１平面において前記一方の一個所を位置決めするように前記ベースに対して取り付けられ、
前記第３の工程で、前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との間の部分が、前記第１平面と平行で、前記一方の光軸に対して垂直に伸びることを特徴とする請求項１２または１３に記載の３次元計測方法。
【請求項１５】
前記第３の工程で、前記第２の連結部の前記一方への取り付け位置は固定で、前記第２の連結部の前記ベースへの固定位置は前記一方の光軸に対して垂直な方向に位置調整されることを特徴とする請求項１４に記載の３次元計測方法。
【請求項１６】
前記第３の工程で、前記第２の連結部の前記ベースへの固定位置は、前記一方の光軸を挟む両側の個所のうちの何れか一方を選択することを特徴とする請求項１２から１５の何れか一項に記載の３次元計測方法。
【請求項１７】
前記第１の工程で、前記第１の連結部は、前記第１平面において前記一方の一個所を位置決めするように前記ベースに対して取り付けられ、
前記第３の工程で、前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との両方が前記一方の光軸と平行な方向に位置調整されることを特徴とする請求項１２または１３に記載の３次元計測方法。
【請求項１８】
前記第３の工程で、前記第１の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との間を結ぶ前記一方の光軸に対して垂直な作用軸と、前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との間を結ぶ前記一方の光軸に対して垂直な作用軸と、の間の距離を調整することを特徴とする請求項１７に記載の３次元計測方法。
【請求項１９】
前記一方は、前記投影光学系であり、
前記第３の工程で、前記第１の連結部と前記第２の連結部は、前記投影光学系の射出瞳を通り前記第１平面に垂直な回転軸の回りで前記回転する力が発生するように前記投影光学系を前記ベースに取り付けることを特徴とする請求項１２から１８の何れか一項に記載の３次元計測方法。
【請求項２０】
前記一方は、前記撮影光学系であり、
前記第３の工程で、前記第１の連結部と前記第２の連結部は、前記撮影光学系の入射瞳を通り前記第１平面に垂直な回転軸の回りで前記回転する力が発生するように前記撮影光学系を前記ベースに取り付けることを特徴とする請求項１２から１８の何れか一項に記載の３次元計測方法。
【請求項２１】
前記第３の工程で、前記第２の連結部は、線膨張率が異なる材料のものと交換することを特徴とする請求項１２から２０の何れか一項に記載の３次元計測方法。
【請求項２２】
請求項１から１１の何れか一項に記載の３次元計測装置と、
前記３次元計測装置による計測結果に基づいて測定対象を保持して移動させるロボットと、を有することを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項１から１１の何れか一項に記載の３次元計測装置を用いて測定対象を計測する工程と、
前記計測工程の計測結果に基づいて測定対象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、３次元計測装置における、温度変化に対するロバスト化の技術に関し、ロバスト化に係わる３次元計測装置及び３次元計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工業製品の生産工程において、人間が行っていた作業の一部をロボットが行うようになりつつある。例えば、容器にバラ積み（山積み）された部品をロボットが把持し、指定の場所へ運ぶピッキング工程においては、安定且つ高精度な部品の位置、姿勢の計測が必要である。
【０００３】
上記計測に用いられる３次元計測の手法の１つに、三角測量の原理を用いたパターン投影法がある。ここでは、投影光学系と撮影光学系を備え、投影光学系にて測定対象に所定の投影パターン（縞模様や格子模様などの光）を投影し、照射方向と異なる角度から、撮影光学系で測定対象を撮影する。例えば、撮影画像の画像位置（画素）と測定対象表面に投影された投影パターンの縞との対応関係を求め、投影光路と撮影光路との既知の幾何学的関係を用いて三角測量の原理に基づいて測定対象の各部の位置を算出する。こうして、測定対象の３次元情報を計測する手法である。
【０００４】
三角測量の原理に基づいて３次元情報を計測する本手法においては、投影光学系の投影光路と撮影光学系の撮影光路との幾何学的関係が継続して保証されなくてはならない。幾何学的関係が変化すると、測定対象の各部の位置に大きな算出誤差を発生してしまう。しかしながら、これらの幾何学的関係を継続保証することは、容易ではない。３次元計測装置の装置温度が変化すると、光学素子の固定部品が膨張・収縮し、光学素子の位置が変化することにより幾何学的関係に変化が生じる。装置温度の変化は、環境温度の変化、光源の発熱、投影・撮影に関わる電気的動作などによって生じる。
【０００５】
ある種の３次元計測装置では、位置の変化が測定値に大きく影響する光学素子は限られる。こうした光学素子として、細分化されたミラーに、画素単位でＯＮ・ＯＦＦを指令し、照明光の反射方向を選択して投影パターンの生成を行うＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）や、ＤＭＤからの照明光を反射して投影レンズに入射する反射プリズムがある。投影レンズは、光学的作用が回転対称であり、温度変化が生じても軸外で倍率変化を生じるだけであるが、ＤＭＤと反射プリズムは、反射を行う性質のため、光学的作用が非対称である。そして、形状や、組み付け配置、組み付け部品の拘束力や構造が非対称である。こうした構造のために、装置温度が変化すると、もとの組み付け位置から光軸に対して垂直の方向に移動を起こす。ここではエピポーラ面に垂直なラインパターンを用いているので、投影パターンがライン垂直方向へ位置ずれを起こすと、３次元計測に誤差を発生してしまう。
【０００６】
したがって、光学素子の位置の変化が発生しないよう、３次元計測装置を安定した温度環境に置き、さらに装置電源をＯＮにした後に、装置温度が一定になるまで、十分な暖気運転を行うなどの対策を行う必要があった。しかし、この対策は、環境を自由に選べないし、作業タイミングを計らなければならないなど、作業性が悪く煩わしい。
【０００７】
温度変化にロバストな光学測定技術として、特許文献１及び２に記載の方法が開示されている。特許文献１に記載の技術は、レンズ群が温度変化を受け、内部のレンズが移動したときでも、レンズ群としての光軸方向の収差変化が小さくなるように、各レンズの固定に線膨張率の異なる機械部品を組み合わせる方法である。
【０００８】
特許文献２には、装置に温度計を設け、装置温度と測定値変化の既知の関係を用いて、計算による測定値補正処理を行う方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−３３７３３７号公報
【特許文献２】特開２０１４−２２８４６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら特許文献１で開示された方法を用いる場合、光学素子に対する偏心抑制作用が、機械的に予め定めた関係に決まってしまう。部品同士の接触面の状態（表面粗さ、平面度、真円度など）によって、部品間に発生する摩擦力、摩擦作用点は個体差を持つし、さらに部品組み付けに用いる接着剤やバネにも剛性の個体差が存在する。特許文献１に開示された方法では、光学素子に対する偏心抑制作用が機械的に予め定めた関係に決まってしまうので、これらの個体差に対応した偏心抑制作用を発生させることは容易ではない。
【００１１】
一方、特許文献２で開示された方法の場合、３次元計測装置の機体毎の固有の計測値変化を予め把握しておいて、計算補正に利用すれば、特許文献１では対処が容易ではない個体差の問題を解消できる。しかしながら、温度計が必要であるし、形状計測の際の撮影毎に計算補正処理を行うため、測定対象の形状算出に時間がかかり、ピッキングのタクトが下がるという問題が発生する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題に鑑み、本発明の一側面による３次元計測装置は、測定対象に対してパターン光を投影する投影光学系を含む投影部と、前記パターン光が投影された測定対象を撮影する撮影光学系を含み、前記測定対象の撮影画像の情報を取得する撮影部と、前記投影光学系と前記撮影光学系とのうちの一方をベースに対して取り付ける第１の連結部及び第２の連結部と、を有し、前記撮影画像の情報に基づいて前記測定対象の位置の情報を取得し、前記測定対象の３次元情報を計測する３次元計測装置である。そして、前記第１の連結部と前記第２の連結部のそれぞれは、前記投影光学系の光軸と前記撮影光学系の光軸との両者に平行な第１平面内において、装置温度の変化により前記一方に対して回転する力が働くように前記ベースに取り付けられており、前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との少なくとも一方が位置調整可能である。
【００１３】
また、上記課題に鑑み、本発明の他の側面による３次元計測方法は、測定対象に対してパターン光を投影する投影光学系を含む投影部と、前記パターン光が投影された測定対象を撮影する撮影光学系を含み、前記測定対象の撮影画像の情報を取得する撮影部と、前記投影光学系と前記撮影光学系とのうちの一方をベースに対して取り付ける第１の連結部及び第２の連結部と、を有し、前記第２の連結部の前記一方への固定位置と前記ベースへの固定位置との少なくとも一方が位置調整可能であり、前記撮影画像の情報に基づいて前記測定対象の３次元情報を計測する３次元計測装置における３次元計測方法である。そして、前記一方を前記第１の連結部により前記ベースに対して取り付けた状態で、装置温度の変化に対する、前記投影光学系の光軸と前記撮影光学系の光軸との両者に平行な第１平面内における前記投影光学系により投影された前記パターン光の位置ずれを把握する第１の工程と、前記第１の工程で把握した前記装置温度の変化に対する前記パターン光の位置ずれを抑制するような前記第２の連結部の位置調整に係わる情報を取得する第２の工程と、前記第２の工程で取得した前記情報に基づき前記第２の連結部を位置調整した状態で前記第２の連結部を前記ベースに取り付ける第３の工程と、を有し、前記第１の連結部と、位置調整された前記第２の連結部とにより、前記第１平面内において装置温度の変化により前記一方に対して回転する力が働いて、前記装置温度の変化に対する前記パターン光の位置ずれを抑制する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の一側面による３次元計測装置ないし方法によれば、３次元計測装置の温度が変化しても計測値の変化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態の３次元計測装置の構成例を示した図である。
【図２】図１の投影光学系を詳細に示した斜視図である。
【図３】３次元計測方法の工程１を示したフローである。
【図４】３次元計測方法の工程２を示したフローである。
【図５】図２の回転用連結機構の設置位置を光軸に関して反転した図である。
【図６】図２の回転用連結機構の別の形態を示した図である。
【図７】第２の実施形態の３次元計測装置の構成例を示した図である。
【図８】本発明の３次元計測装置を備えたロボットアーム（把持装置）を使用する制御システムの構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の一側面によれば、投影光学系と撮影光学系の一方を、基準となる第１の連結部でベースに単純に取り付けておいて、装置温度を変化させた場合に、投影パターン光のエピポーラ面内における位置ずれがどの程度発生するかを計測する。そして、その位置ずれを、前記計測結果に基づき位置調整されて前記一方とベースとの間に取り付けられる第２の連結部の追加により、前記第１の連結部とともに抑制ないし打ち消そうとするものである。第１の連結部と、位置調整された第２の連結部とにより、エピポーラ面内（第１平面内）において装置温度の変化により前記一方に対して回転する力が働いて、装置温度の変化に対する投影パターン光の位置ずれを抑制ないし打ち消す。投影されるパターン光としては、ライン、ドットなどを含む種々のものがあり得る。また、後述する様に、第２の連結部の位置調整の態様にも種々のものがあり得る。ここで、エピポーラ面（第１平面）とは、投影光学系の光軸と撮影光学系の光軸を通る平面、或いはその両者に平行な平面を指しているが、若干平行からずれていても構わない。
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態における３次元計測ないし測定装置１の構成図である。本実施形態では、３次元計測装置１は、ばら積みされた測定対象２の上方に、測定方向を下に向けて設置される。３次元計測装置１は、投影光学系３を含む投影部、撮影光学系４を含む撮影部を有する。投影光学系３の光軸は、ワーク（測定対象）にほぼ垂直である。また、２つの光学系は所定の角度、光軸を開いている。これらの光軸は、ベース１０の平坦な支持面から垂直方向に同じ距離になるよう配置され、エピポーラ面を形成している。
【００１９】
投影光学系３は、ＬＥＤ光源と光学系を含む照明ユニット２１、照明プリズム２２、細分化されたミラーに画素単位でＯＮ・ＯＦＦを指令して、照明光の反射方向を選択することによって投影パターンの生成を行うＤＭＤ２３を含む。また、ハーフミラーを反射面にもち、ＤＭＤ２３からの照明光を反射して投影レンズに入射するための反射プリズム２４、入射してきた光をワーク２に結像するための投影レンズ２５、これらすべてを組み付ける投影ユニットベース２０を含む。
【００２０】
照明ユニット２１からの投影光は、照明プリズム２２及び反射プリズム２４を透過して、ＤＭＤ２３に集光する。例えば、ＤＭＤ２３に対して、一本のラインパターンに対応した画素をＯＮとし、その他の画素をＯＦＦとする指令を行う。すると、投影画素指令ＯＮに対応したライン状の光線２６のみが反射プリズム２４で反射し、投影レンズ２５を通った後、ばら積みされた測定対象２に一本のラインパターンを結像する。これは、上記エピポーラ面に垂直なラインである。
【００２１】
撮影光学系４は、撮影光学系３２、ＣＭＯＳ３１、そしてそれらを組み付ける撮影ユニットベース３０を含む。例えば、ばら積みされた測定対象２に結像した一本のラインパターンは、ライン状の表面反射光線３３となり、撮影光学系３２を通ってＣＭＯＳ３１に集光し、一本のライン状の２次元画像として取得される。測定対象２上の光線３３の反射点の空間位置は次のようにして算出できる。すなわち、投影光学系３の光の出射位置（投影レンズ２５の射出瞳）と、出射方向と、撮影光学系４の光の入射位置（撮影レンズ３２の射出瞳）と、入射方向と、の幾何的な関係を用いる。そして、これと共に、ＤＭＤ２３に指令した投影画素指令ＯＮの画素の位置情報と、ＣＭＯＳ３１で撮影した画像（画素）の位置情報を用いれば、三角測量の原理で、ばら積みされた測定対象２上の反射点の空間位置を算出することができる。
【００２２】
上記例では一本のラインパターンで簡単に示したが、実際には、例えば、ＤＭＤ２３への投影画素指令ＯＮのライン状の指令パターンを、画素全域にわたる等間隔の多本数のラインパターンとし、ライン間隔を変えた投影画像を複数組み合わせて投影・撮影する。そして、組み合わせからＤＭＤ２３に指令した投影画素指令ＯＮの画素の位置を特定できるようにしている。投影・撮影の違いがあっても、測定対象２の３次元計測の手法は同じである。
【００２３】
以下に、第１の連結部である基本連結機構１００及び第２の連結部である回転用連結機構１０１を説明する。投影ユニットベース２０は、基本連結機構１００及び回転用連結機構１０１によって保持され、上記ベース１０の支持平面から浮いている。図１の投影光学系３を詳細に示した斜視図の図２にて説明する。基本連結機構１００は、ベース１０の平面方向の回転（エピポーラ面にほぼ垂直な軸の回りの面内方向の回転）を妨げないためのヒンジ部（図２の基本連結機構１００のくびれた部分）を有する。一端（図２の基本連結機構１００の右側の部分）が投影ユニットベース２０にネジで固定され、他端（図２の基本連結機構１００の左側の部分）がベース１０にネジで固定され、その間に上記ヒンジ部がある。これらの固定位置（支点）を結び投影光学系３の光軸に垂直な線が基本連結機構１００の作用軸である。上記構造の第１の連結部である基本連結機構１００は、エピポーラ面において投影光学系の一個所を位置決めするように投影光学系をベースに対して取り付ける。
【００２４】
回転用連結機構１０１も、同じく、ベース１０の平面方向の回転を妨げないためのヒンジ部を有する。一端部（図２の回転用連結機構１０１の右側の隠れた部分）が投影ユニットベース２０にネジで固定される。図２で読み取れるように基本連結機構１００に比べて長く、回転用連結機構１０１の長手方向の部分は、エピポーラ面と平行で、かつ投影光学系３の光軸に対して垂直な方向を向いている。また、中央長手方向の長穴を有し、長穴を通じてネジを使ってベース１０に固定される。ベース１０にもこの長穴に対応する長穴（不図示）が形成されている。回転用連結機構１０１とベース１０との間にはスペーサ１０３が挟まれ、上述した様に回転用連結機構１０１はベース１０の支持平面から浮いている。上記２つの長穴を通じて固定するネジの他端（ベース１０の図２の裏側）には、ナットがある。この構造によって、長穴を通じて固定するネジの該長穴における場所を選択ないし調整して、投影ユニットベース２０側のネジによる固定位置とベース１０側のネジによる固定位置との間の長さ（後述の支点間長さＬ１）を調整することができる。
【００２５】
本実施形態の３次元計測装置１の機械部品は、回転用連結機構１０１を除くすべてがアルミ材で統一されていて、この回転用連結機構１０１だけは鋼材である。基本連結機構１００の材料と回転用連結機構１０１の材料との線膨張率が異なるので、３次元計測装置１が温度変化すると、基本連結機構１００と回転用連結機構１０１との間に膨張量の差が生じる。そして、基本連結機構１００と回転用連結機構１０１により発生したエピポーラ面内の回転作用が投影光学系３全体に及ぶ。
【００２６】
本実施形態では、回転作用の軸は、エピポーラ面に対してほぼ垂直に、投影レンズの出射光の出射位置（投影レンズ２５の射出瞳）に形成されるように、基本連結機構１００及び回転用連結機構１０１の剛性及び接続位置が設計されている。また、上述した様に、回転用連結機構１０１を投影ユニットベース２０に固定するネジの位置と上記長穴を貫通するネジの位置との間の作用長（支点間長さＬ１）は適切な長さに調整することができる。これにより、投影光学系３に対して、投影レンズの出射光の出射位置を軸にした温度変化による所望の回転作用を発生させることができる。こうして、３次元計測装置１の投影パターンのライン垂直方向の位置ずれが、機体毎に異なっている場合であっても、機体毎に異なる投影パターンのライン垂直方向の位置ずれを予め把握し、それを打ち消す回転作用を光学系に対して機械的に発生させる。本実施形態ではパターン光がラインであるので、「ライン垂直方向の位置ずれ」と言うが、他の形態のパターン光を含めて一般的に表現すれば、エピポーラ面内におけるパターンの位置ずれである。このことによって、３次元計測装置の温度が変化しても計測値の変化が抑制された３次元計測装置となる。なお、本実施形態では、回転用連結機構１０１の一端側をベース１０にネジにより固定する位置を調整可能とした。これに対して、回転用連結機構１０１の他端側を投影ユニットベース２０にネジにより固定する位置を、前記一端側の調整機構と同様な適宜の機構により調整可能としてもよい。一端側と他端側とにおいて両方或いは何れか一方で固定位置調整できるように、調整機構は一端側と他端側との両方に形成しておいてもよい。固定位置調整は、３次元計測装置を完成するときに固定位置を選択して行ってもよいし、３次元計測装置として完成した状態で、調整が必要となったときに再び固定位置を選択して行ってもよい。
【００２７】
次に、投影光学系３に所望の回転作用を発生させるための工程１、工程２を説明する。工程１は、３次元計測装置１の装置温度の変化に対するパターン垂直方向の位置ずれを測定する工程である。図３のフローチャートを用いて詳細に説明する。
【００２８】
最初に、回転用連結機構１０１をベース１０に固定するネジを外し、回転用連結機構１０１をベース１０から切り離す。これによって、投影光学系３は、基本連結機構１００のみで支持された状態となるので、温度変化が発生しても、投影光学系３には回転作用が発生しない状態となる（Ｓ０１）。次に、３次元計測装置１を所定の設置台に設置固定する（Ｓ０２）。次に、目盛が刻まれた平面チャートを、投影レンズ２５の主光線に法線を向けて、投影光学系３から所定の距離に設置固定する（Ｓ０３）。
【００２９】
次に空調装置を用いて、３次元測定装置１の装置温度を所定の温度にする。具体例では、初期値２０℃である。暖気運転した状態で、装置温度が安定するまで十分に待機する（Ｓ０４）。次に、ＤＭＤ２３に指令を与え、平面チャートに対して、パターン光の投影を行う。そして、撮影光学系４で２次元画像を取得する（Ｓ０５）。次に、２次元画像のパターンと、２次元画像の平面チャートの目盛りとを比較して、平面チャート面上のパターンの位置を計算する（Ｓ０６）。
【００３０】
次に、Ｓ０４に戻り、空調装置を用いて、３次元測定装置１の装置温度を最初の設定とは異なる温度に設定する。具体例では４０℃に設定する。そして暖気運転した状態で、装置温度が安定するまで十分に待機した後に、Ｓ０５〜Ｓ０６を繰り返す（Ｓ０７）。こうして、初期設定温度２０℃と２回目設定温度４０℃との、２つの温度における平面チャート上の投影パターンの位置の差分から、温度差２０℃で発生する装置温度の変化に対するパターンのライン垂直方向の位置ずれを計算する（Ｓ０８）。
【００３１】
工程２は、工程１で把握した３次元計測装置１の装置温度の変化に対するパターンのライン垂直方向の位置ずれを元に、投影光学系３の回転作用を設定する工程である。図４のフローチャートを用いて詳細に説明する。
【００３２】
最初に、工程１で求めた温度差で発生するパターンのライン垂直方向の位置ずれΔＸを、温度差ΔＴで除算する。これを、投影レンズの出射光の出射位置（投影レンズ２５の射出瞳）と平面チャートとの間の距離Ｓで除算し、温度変化１℃で発生する投影レンズ２５の出射光のパターン垂直方向の出射角の変化を求める。位置ずれの変化が線形であることが前提となっているが、変化量が微小なため、運用上線形とみなしても問題ない。出射角の変化は次のように表される（Ｓ２０）。
【００３３】
工程１で求めた、温度差で発生するパターンのライン垂直方向の位置ずれ：ΔＸ
温度差：ΔＴ
投影レンズの出射光の出射位置（投影レンズ２５の射出瞳）と平面チャートとの間の距離：Ｓ
以上の記号を用いて、（温度変化１℃で発生する投影レンズの出射光のパターン垂直方向の出射角の変化）＝ΔＸ／（ΔＴ＊Ｓ）、となる。
【００３４】
次に、上記出射角の変化を打ち消すために、回転用連結機構１０１の設定すべき支点間長さであるＬ１を計算する。計算には、基本連結機構１００と回転用連結機構１０１それぞれの１℃あたりの線膨張係数Ｈ０、Ｈ１と、この２つの連結機構の作用軸間の距離Ｗと、回転用連結機構１０１の両端の支点間長さを表した変数Ｌ１を用いる。回転用連結機構１０１をベース１０に固定するネジを外し、回転用連結機構１０１をベース１０から切り離した状態を基準に回転作用量を考えればよい。したがって、基本連結機構１００の支点間長さ（投影ユニットベース２０側の固定位置とベース１０側の固定位置との間の距離）は計算には不要である。そして、下記等式が成り立つように、回転用連結機構１０１の長手方向の両端の支点間長さＬ１の設定長さを計算する。
【００３５】
基本連結機構１００の線膨張係数：Ｈ０、回転用連結機構１０１の線膨張係数：Ｈ１、回転用連結機構１０１の支点間長さを表した変数：Ｌ１、２つの連結機構の作用軸間距離：Ｗ、工程１で求めた、温度差で発生するパターンのライン垂直方向の位置ずれ：ΔＸ、温度差：ΔＴ、投影レンズ２５の出射光の出射位置（投影レンズ２５の射出瞳）と平面チャートとの間の距離：Ｓ、として、次の等式が導かれる（Ｓ２１）。
ΔＸ／（ΔＴ＊Ｓ）＝（Ｈ１−Ｈ０）＊Ｌ１／Ｗ
この式から分かる様に、上記出射角の変化を打ち消そうとするためには、回転用連結機構１０１の線膨張係数Ｈ１、２つの連結機構の作用軸間距離Ｗを調整してもよい。これらの例については後述する。
【００３６】
最後に、回転用連結機構１０１の長手方向の両端の支点間長さが、上記等式を満足させるＬ１になるよう、ネジの位置を選んで回転用連結機構１０１をベース１０に固定する（Ｓ２２）。なお、回転用連結機構１０１による投影光学系３へのベース１０平面上の回転作用は、工程１で把握した投影パターンの位置ずれをキャンセルするものでなくてはならないので、把握した結果に合わせて作用方向を選択しなくてはならない。図２の回転用連結機構１０１の設置位置が、回転作用の回転方向が投影パターンの位置ずれをキャンセルする方向とは逆の場合は、図５のように回転用連結機構１０１の設置位置を反転する。すなわち、設置位置として、光学系の光軸を挟む両側の個所のうちの何れか一方を選択することができる。こうした場合、両側の個所の何れか一方で回転用連結機構１０１の設置ができるように、両側の個所に回転用連結機構１０１の設置機構を形成しておいてもよい。回転用連結機構１０１の設置位置の選択は、３次元計測装置を完成するときに行ってもよいし、３次元計測装置として完成した状態で、調整が必要となったときに再び行ってもよい。
【００３７】
以上に示した構成により、温度変化による３次元計測装置１の投影パターンのライン垂直方向の位置ずれが、機体毎に異なっている場合であっても、次のようにすることができる。すなわち、機体毎に異なる投影パターンの位置ずれを予め把握し、それを打ち消すように、エピポーラ面にほぼ垂直な軸の回りの回転作用を光学系に対して機械的に発生させる。これによって、温度が変化しても計測値の変化が抑制された３次元計測装置を実現することができる。
【００３８】
なお、上記説明では、回転用連結機構１０１による回転方向を、図２、図５で示したように設置位置の反転で設定する方法を示したが、基本連結機構のアルミ材に対して線膨張率の大きい材料または小さい材料を選択することによって実現してもよい。また、回転作用量を、回転用連結機構１０１の長手方向の両端の支点間長さによって調整する方法を示したが、線膨張率の異なる複数の材料の回転用連結機構１０１を予め準備しておいて、選択・交換による方法で実現してもよい。
【００３９】
また、上述した様に次のような形態としてもよい。すなわち、図６のようなヒンジ部をもつ形状の回転用連結機構１０１とし、ベース１０及び投影ユニットベース２０に長穴を設ける（図６にネジ、長穴を図示）。そして、基本連結機構１００と回転用連結機構１０１との作用軸間の距離Ｗを変えて、回転作用量、方向を調整してもよい。ここでは、第２の連結部である回転用連結機構１０１の投影光学系への固定位置とベースへの固定位置との両方が投影光学系の光軸と平行な方向に位置調整可能である。
【００４０】
また、本実施形態では、回転作用の軸が、投影レンズの出射光の出射位置（投影レンズ２５の射出瞳）に形成されるように、基本連結機構１００及び回転用連結機構１０１の剛性及び接続位置を設計していた。しかし、これは理想的な状態を示したにすぎず、回転作用の軸の位置が多少ずれても構わない。例えば、ある種の３次元測定装置においては、投影レンズの出射光の出射位置（投影レンズ２５の射出瞳）から測定対象２までの距離が２０００ｍｍ程度ある場合もある。こうした場合、例えば、回転軸の位置がワーク方向に２００ｍｍずれたとしても、投影パターンの位置ずれを打ち消すための回転作用が約１０％程度小さくなるのみで、９０％程度のパターンの位置ずれ抑制効果は発揮されることになる。
【００４１】
また、工程１では、装置温度の設定値に２０℃、４０℃の設定例を示したが、２つの設定値が実用範囲で異なる値であればよいので、上記の値に限らない。また、基本連結機構１００及び回転用連結機構１０１によって保持された投影ユニットベース２０はベース１０から浮いているとした。しかし、投影ユニットベース２０の回転作用がベース１０との接触によって妨げられるのを防止することが目的であるので、接触状態が良好で許容できる場合は接触していても構わない。例えば、回転方向の剛性が小さく、回転と垂直な方向の剛性が高い異方性の弾性材や構造物を投影ユニットベース２０とベース１０との間に挟んでも構わない。
【００４２】
本実施形態の次元形状計測装置ないし方法によれば、上記出射角の変化を抑制ないし打ち消すように基本連結機構１００と位置調整可能な回転用連結機構１０１とを取り付けるので、３次元計測装置の温度が変化しても計測値の変化を抑制できる。
【００４３】
（第２実施形態）
第２実施形態を図７に示す。投影光学系３が投影パターンの位置ずれを発生させる場合でも、基本連結機構１００と回転用連結機構１０１とを撮影光学系４側に構成し、投影パターンの位置ずれを抑制ないし打ち消すために撮影光学系４に対して回転作用を発生させる構成としてもよい。第２実施形態は、こうした実施形態に係わる。本実施形態では、投影光学系３はベース１０に直接固定する。
【００４４】
第１実施形態に対する相違点は少ないので、以下に相違点のみを説明する。
（1）第１実施形態では、基本連結機構１００と回転用連結機構１０１とを、投影ユニットベース２０とベース１０との間に構成したが、第２実施形態では、撮影ユニットベース３０とベース１０との間に構成する。
（2）第１実施形態の工程２のＳ２１では、下記等式が成り立つように、回転用連結機構１０１の長手方向の両端の支点間長さの設定長さＬ１を計算した。
ΔＸ／（ΔＴ＊Ｓ）＝（Ｈ１−Ｈ０）＊Ｌ１／Ｗ
これに対して、第２実施形態では、投影光学系３に対して撮影光学系４の光軸が所定の角度θ開いていることを考慮して、この等式に補正係数αを導入する。すなわち、投影光学系３と撮影光学系４の光軸の角度：θ、α＝1／（１＋tanθ^2）＝cosθ^2、として、次の様な等式とする。記号の定義は、撮影光学系４の側における上述した通りの意味である。
［ΔＸ／（ΔＴ＊Ｓ）］＊α＝（Ｈ１−Ｈ０）＊Ｌ１／Ｗ
【００４５】
以上の２つの相違点を反映することによって、投影光学系３が投影パターンの位置ずれを発生させる場合であっても、基本連結機構１００と回転用連結機構１０１とを、撮影光学系４側に構成し、撮影光学系４に対して回転作用を発生させる。こうして、３次元計測装置１の投影パターンの位置ずれが、機体毎に異なっている場合であっても、機体毎に異なる投影パターンの位置ずれを予め把握し、それを打ち消そうとする回転作用を撮影光学系４に対して機械的に発生させる。これによって、３次元計測装置の温度が変化しても計測値の変化が抑制された３次元計測装置が実現できる。
【００４６】
なお、補正係数αを導入した上式では、撮影光学系４の光の入射位置（撮影レンズ３２の射出瞳）の情報を用いていない。それは、撮影光学系４の光の入射位置（撮影レンズ３２の入射瞳）から工程１の平面チャートまでの距離は、投影光学系３の光の出射位置（投影レンズ２５の射出瞳）から工程１の平面チャートまでの距離とほぼ等しいことが理由である。もし、この２つの距離が大きく異なるのであれば、撮影光学系４の光の入射位置（撮影レンズ３２の入射瞳）から工程１の平面チャートまでの距離を上記数式に反映させればよい。
【００４７】
（第３実施形態）
上述の計測装置は、ある設置位置に設けられた状態で使用されうる。本実施形態では、一例として、図８のようにロボットアーム３００（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１は、支持台３５０に置かれた測定対象２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１の制御部が、又は、計測装置１の制御部から画像データを取得した制御部３１０が、測定対象２の位置および姿勢を求め、計測結果である位置および姿勢の情報を制御部３１０が取得する。制御部３１０は、その位置および姿勢の情報に基づいて、ロボットアーム３００に駆動指令を送ってロボットアーム３００を制御する。ロボットアーム３００は先端のロボットハンドなど（把持部）で測定対象２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３００によって測定対象２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、移動された測定対象２を加工することにより、物品を製造することができる。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制御部３１０の外部に設けても良い。また、計測装置１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。計測装置１はロボットアームとは別の、所定の位置に設置されてもよい。
【００４８】
（第４実施形態）（物品の製造方法に係る実施形態）
上記実施形態に係るビジョンシステムやロボット-ビジョンシステムは、物品製造方法に使用しうる。この物品製造方法は、前記システムを用いて物ないし部品の計測を行う工程と、この工程で計測された物ないし部品の処理ないし製造を行う工程と、を含みうる。この処理は、例えば、加工、切断、搬送、組立（組付）、検査、選別などのうちの少なくともいずれか１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、生産コストなどにおいて有利である。
【００４９】
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】
【００５０】
１    ３次元計測装置
３    投影光学系（投影部）
４    撮影光学系（撮影部）
１０  ベース
１００  基本連結機構（第１の連結部）
１０１  回転用連結機構（第２の連結部）
【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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【図７】
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【図８】
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