(57)【要約】      （修正有）【課題】環境光に対して撮像開始時間の同期をとる必要がなく、環境光による影響を低減して、高精度な画像を取得することができる計測装置を提供する。【解決手段】被検物１１にパターン光１２を投影して被検物を撮像する計測装置１００であって、明部と暗部を有するパターン光を被検物に投影する投影部１と、投影部によりパターン光が投影された被検物を撮像する撮像部２と、投影部と撮像部を制御する制御部３と、を有し、制御部は、撮像部による撮像時間が投影部により投影されるパターン光以外の光の強度の周期で定まる時間となるように撮像部を制御し、撮像時間において撮像時間より短い投影時間にパターン光が被検物に投影されるように投影部を制御して撮像部によって撮像された画像を取得する。【選択図】図１
2017078598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物にパターン光を投影して前記被検物を撮像する計測装置であって、
明部と暗部を有する第１のパターン光、及び、前記第１パターン光の明部と暗部が反転した第２のパターン光を前記被検物に投影する投影部と、
前記投影部によりパターン光が投影された前記被検物を撮像する撮像部と、
前記投影部と前記撮像部を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記撮像部による撮像時間が前記投影部により投影されるパターン光以外の光の強度の周期で定まる時間となるように前記撮像部を制御し、前記撮像時間において前記撮像時間より短い投影時間に前記第１のパターン光が前記被検物に投影されるように前記投影部を制御して前記撮像部によって撮像された第１画像を取得し、
前記撮像時間が前記周期で定まる時間となるように前記撮像部を制御し、前記撮像時間において前記撮像時間より短い投影時間に前記第２のパターン光が前記被検物に投影されるように前記投影部を制御して前記撮像部によって撮像された第２画像を取得することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記投影時間は、前記撮像時間において前記撮像部の画素の出力が飽和しない時間であ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】
前記制御部は、前記撮像時間と前記投影時間のいずれかが異なる複数の条件において前記撮像部により撮像されて得られた画像の階調値に基づいて決定された前記投影時間となるように前記投影部を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記投影部により投影されたパターン光を前記撮像部で撮像することによって得られる画像に基づいて前記投影時間を決定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記撮像時間と前記投影時間のいずれかが異なる複数の条件において前記撮像部により撮像して得られた画像の階調値に基づいて前記投影時間を決定することを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
【請求項６】
前記投影部によりパターン光を投影していない状態で前記撮像部により撮像して得られる画像の階調値と、前記投影部によりパターン光を投影した状態で前記撮像部により撮像して得られる画像の階調値と、に基づいて、前記投影時間を決定することを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
【請求項７】
前記投影部によりパターン光が投影された前記被検物を撮像して画像を取得する実計測を複数回行う場合において、前回の実計測において使用した前記投影時間に基づいて次回の実計測において使用する前記投影時間を決定することを特徴とする請求項４に記載の計測装置。
【請求項８】
前記撮像時間は、前記投影部により投影されるパターン光以外の光の強度の周期の整数倍の時間であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の計測装置。
【請求項９】
前記撮像時間は、前記投影部により投影されるパターン光以外の光の強度の周期の２以上の整数倍の時間であることを特徴とする請求項８に記載の計測装置。
【請求項１０】
前記制御部は、前記投影部により投影されるパターン光以外の光の強度の周期に関する情報に基づいて前記撮像時間を決定することを特徴とする請求項８又は９に記載の計測装置。
【請求項１１】
前記第１画像の光強度分布と前記第２画像の光強度分布との交点を求めることにより、前記被検物の形状に関する情報を算出する演算部を有することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検物の形状、位置や姿勢を計測する装置として、パターン投影法を用いた光学式の計測装置が知られている。計測装置は、パターン光を投影する投影ユニットと、被検物を撮像する撮像ユニットとを有している。パターン投影法では、投影ユニットが所定のパターン光を被検物に投影し、撮像ユニットでパターン光が投影された被検物を撮像する。計測装置の内部又は外部に設けられた演算ユニットは、撮像により得られた画像データにおけるパターン光の光強度分布から、三角測量の原理に基づいて各画素位置における距離情報を算出することで、被検物の形状、位置や姿勢を求めている。パターン投影法としては、明線と暗線とを交互に有するパターン光を投影して空間を２進符号化する空間符号化法がよく用いられる。空間符号化法による計測精度を向上させるためには、得られた画像データから明部と暗部との境界を正確に決定する必要がある。
【０００３】
明部と暗部の境界を決定する手法として、明部と暗部とを交互に有する第１のパターン光を投影して撮像した画像と、第１のパターン光の明部と暗部が反転し、第１のパターン光に対して光強度が相補関係にある第２のパターン光とを投影して撮像した画像とを用いて、それらの画像のパターン光強度分布の交点を境界として判定する手法がある。各パターン光の光強度が相補関係にあり、かつ、同じ平面を計測している限り、隣り合う交点間の距離と明部（暗部）の幅とは一致する。しかし、実際の計測においては、投影パターン光以外の蛍光灯などの環境光の影響により、画像データにおけるパターン光の相補関係が崩れてしまい、第１のパターン光と第２のパターン光の交点位置がずれてしまうことがある。通常、この交点位置のずれは、環境光によるものなのか、被検物の形状によるものなのかは区別ができない。その結果、計測精度が低下してしまう。
【０００４】
特許文献１には、撮像システムにおいて、白抜けした画像の発生を防止するために、蛍光灯の商業用電源周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）の周期で変化する発光量を検出し、発光量が少ないタイミングを特定し、発光量が少ないタイミングで撮像を行うことが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５２４０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
引用文献１に記載の撮像システムでは、発光量が少ないタイミングで撮像するために、撮像ユニットによる撮像開始時間と、発光量（蛍光灯の商業用電源周波数５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）の周期とを正確に同期させるコントローラやプロセッサが必要となり、複雑かつ高コストな構成となってしまう。また、引用文献１に記載の撮像システムはパターン投影法ではない。
【０００７】
また、パターン投影法においては、通常、投影ユニットによりパターン光を被検物に投影している状態で撮像ユニットが被検物を撮像するため、撮像の開始から終了までの撮像時間中、パターン光を投影していた。しかし、投影されたパターン光の撮像時間が長くなると、撮像ユニットの光電変換素子において出力の飽和が問題となる場合がある。
【０００８】
そこで、本発明は、パターン投影法において、環境光に対して撮像開始時間の同期をとる必要がなく、環境光による影響を低減して、高精度な画像を取得することができる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】
【０００９】
上記課題を解決する本発明の一側面としての計測装置は、被検物にパターン光を投影して前記被検物を撮像する計測装置であって、明部と暗部を有する第１のパターン光、及び、前記第１パターン光の明部と暗部が反転した第２のパターン光を前記被検物に投影する投影部と、前記投影部によりパターン光が投影された前記被検物を撮像する撮像部と、前記投影部と前記撮像部を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記撮像部による撮像時間が前記投影部により投影されるパターン光以外の光の強度の周期で定まる時間となるように前記撮像部を制御し、前記撮像時間において前記撮像時間より短い投影時間に前記第１のパターン光が前記被検物に投影されるように前記投影部を制御して前記撮像部によって撮像された第１画像を取得し、前記撮像時間が前記周期で定まる時間となるように前記撮像部を制御し、前記撮像時間において前記撮像時間より短い投影時間に前記第２のパターン光が前記被検物に投影されるように前記投影部を制御して前記撮像部によって撮像された第２画像を取得することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、パターン投影法において、環境光に対して撮像開始時間の同期をとる必要がなく、環境光による影響を低減して、高精度な画像を取得することができる計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】計測装置を示す図である。
【図２】投影されるパターン光と、それらの交点を説明するための図である。
【図３】パターン光の強度分布の交点を説明するための図である。
【図４】第１実施形態における計測条件を決定するためのフローチャートである。
【図５】事前計測結果と光量閾値との関係を示す図である。
【図６】複数の事前計測結果と光量閾値との関係を示す図である。
【図７】複数の事前計測結果と光量閾値との関係を示す図である。
【図８】第２実施形態における計測条件を決定するためのフローチャートである。
【図９】計測装置とロボットアーム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】
【００１２】
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
〔第１実施形態〕
本実施形態の計測装置について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、計測装置１００の概略図である。図１（ｂ）は、パターン光１２が投影された被検物１１を示す図である。計測装置１００は、ヘッド１０（破線部）と制御部３で構成され、ヘッド１０は、以下２個の光学ユニットを含んでいる。１個目の光学ユニットは予め設定された既知のパターン光（光強度分布）１２を被検物１１に投影する投影ユニット（投影部）１であり、２個目の光学ユニットはパターン光１２が投影された被検物１１を撮像する撮像ユニット２（撮像部）である。被検物１１は、例えば、装置の部品などである。
【００１４】
投影ユニット１は、パターン光を形成するパターン光形成素子（パターン光形成部）６と、筐体５と、投影光学系（投影レンズ）４と、を有する。光源から出射された光はパターン光形成素子６に照射され、パターン光形成素子６がパターン光を形成して、パターン光形成素子６により形成されたパターン光を投影光学系４が計測空間に投影する。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、ｙ方向にライン（明線または暗線）が延びるライン状のパターン光を被検物１１に投影している。
【００１５】
パターン光形成素子６には、液晶素子やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などが用いられ、任意のパターン光を形成することを可能にしている。また、パターン光が可変なパターン光形成素子６の代わりに、固定パターンが描画された、固定のパターン光を形成するガラス板を用いることもできる。
【００１６】
撮像ユニット２は、撮像レンズ７と、受光面を有するセンサ９（ＣＭＯＳやＣＣＤなどの光電変換素子）と、被検物からの光を受光面に導く撮像レンズ（結像光学系）７と、センサ筐体８を有する。センサ９は、被検物からの光を受光面で受光して被検物の画像を取得する機能を有する。
【００１７】
次に、計測装置１００を用いた計測方法について述べる。投影ユニット１が複数種類のパターン光１２を投影しつつ、撮像ユニット２がパターン光毎に撮像し、撮像した画像の信号（データ）を制御部３のメモリ（記憶部）に記憶、保存する。投影ユニット１と撮像ユニット２の相対的な位置と姿勢の関係は予め既知であることから、三角測量に基づき被検物１１表面上の点の距離（位置）を制御部３のプロセッサ（演算部）で計算し、被検物１１の形状、位置、又は、姿勢を求める。
【００１８】
被検物１１表面上の点の距離を算出するためには、パターン光１２として、図２（ａ）に示す明部（白）と暗部（黒）を有する第１のパターン光と、図２（ｂ）に示す、明部と暗部との関係が第１のパターン光に対して反転した第２のパターン光を投影し、それらのパターン光で投影された被検物１１を撮像ユニット２で撮像する。例えば、第１のパターン光と、第２のパターン光をある平面に照射したとすると、撮像ユニット２により撮像される画像としての光強度分布は図２（ｃ）となる。横軸が画素を表し、縦軸が画素の出力値としての階調値（画素値）である。制御部３のプロセッサは、第１のパターン光が投影されたときに撮像される第１の光強度分布Ｐと、第２のパターン光が投影されたときに撮像される第２の光強度分布Ｎと、の交点Ｃを算出し、パターン光における明部と暗部の境界位置を求めることができる。そして、被検物にパターン光を投影して撮像した場合は、求めた境界位置から被検物の形状に関する情報（形状、寸法、エッジ位置など）を求めることができる。なお、これらの演算は、制御部３に接続された外部の情報処理装置で行っても構わない。
【００１９】
次に、環境光の影響があった場合について説明する。環境光は、照明灯、太陽光など、投影ユニット１により投影されるパターン光以外の光を指す。照明灯は、計測装置が使用される空間、つまり、被検物１１が配置されうる空間における蛍光灯や白熱電球などの光であり、交流電源の周波数に応じて、フリッカが生じ、輝度が変動してしまう。照明灯の交流電源の周波数は５０Ｈｚや６０Ｈｚである。このように、環境光による照度（光強度）が変動する時に計測を行う場合について、図３に示す。図３は、第１のパターン光が投影され撮像された時と、第２のパターン光が投影され撮像された時とで環境光の照度（光強度）が異なっている場合の、第１のパターン光の画像の第１の光強度分布Ｐｅｎと、第２のパターン光の画像の第２の光強度分布Ｎｅｎと、それらの交点Ｃｅｎを示す。環境光の影響により第１の光強度分布Ｐｅｎと第２の光強度分布Ｎｅｎとで画素全体において光強度値のオフセットが生じており、交点Ｃｅｎは、図２（ｃ）の交点Ｃの位置からずれてしまう。図２（ｃ）に示すように環境光の影響がない場合には隣り合う交点間の距離は明部又は暗部の幅に一致するが、環境光の影響がある場合には隣り合う交点間の距離は明部又は暗部の幅には一致しない。したがって、パターン光における明部と暗部の境界位置を求める際の誤差が生じ、結果として、被検物の形状の計測誤差が生じる。
【００２０】
本実施形態では、その対策として、まず、センサ９で撮像する撮像時間、つまり、センサ９の画素の光蓄積時間を、環境光の強度（照度）の周期で定まる時間、具体的には、その周期の整数倍にする。撮像時間が環境光の光強度の周期の整数倍とした場合、複数回の撮像のそれぞれにおいて環境光の周期に対する撮像開始のタイミングが変わっても、各回の撮像時間内においてセンサ９の画素に蓄積される環境光の光量を一定にできる。したがって、複数の画像の光強度分布の交点を求めるなど各回の撮像によって得られる各画像を相互に比較するなど各種演算処理をした結果に関して、環境光の影響を低減することができる。撮像時間は、環境光の強度の周期の整数倍で、許容範囲内においてより長い時間、例えば、１倍より２倍の方が、２倍より３倍の方が好ましい。環境光の強度はパターン光の強度よりも小さいため、より長い撮像時間あれば、センサ９で蓄積される光量のうち環境光の光強度の変動分が相対的に小さくなる。ただし、光量が大きい場合、センサ９の画素出力の飽和など、計測に不適切な状態になる可能性がある。なお、環境光の強度の周期が、使用電源の周期やその他要因により変動する場合や、装置の制御性能により撮像時間を環境光の強度の周期の整数倍に厳密に設定することができない場合は、計測誤差の許される範囲内において前記周期からずれていても構わない。
【００２１】
次に、環境光にフリッカが存在する場合の計測条件、特に、パターン光の投影時間、および、撮像時間の決定方法について説明する。計測条件の決定方法について図４のフローチャートに従って説明する。まず、ステップ２１（Ｓ２１）では、計測条件として以下の初期条件、「撮像ユニット２の撮像時間と、投影ユニット１によるパターン光の投影時間が同じ」、および、「既設定の撮像（投影）時間、光源電流値」として、事前計測を行う。事前計測は、実計測時と同様のパターン光を投影して撮像を行う。パターン光の投影は実計測時の被検物に対して行っても良いし、ある平面に対して行ってもよい。ここで、投影ユニットによりパターン光を被検物に投影している状態で撮像ユニットが被検物を撮像するため、撮像時間と投影時間が同じとなっている。撮像ユニット２の撮像開始時間と投影ユニット１の投影開始時間は必ずしも同じである必要はなく、例えば、投影ユニット１によるパターン光の投影が開始された後に撮像を開始しても構わない。上述の投影時間は、撮像時間内においてパターン光を投影している時間である。被検物の計測のために幅や明暗が異なる複数種のパターン光が投影されるが、複数種のパターン光が投影される場合、各パターン光について各撮像時間が定義される。
【００２２】
上記事前計測の結果から、撮像に適した光量の決定条件を満たす「撮像時間＝投影時間」と「時間以外の計測条件（光源電流値など）」を決定する。ステップ２１では光量決定の順番として、光量を下げたい場合は「時間以外の計測条件」を調整して光量を低減し、光量最小の場合でも、センサ９の画素出力の飽和が生じるなど撮像にとって光量過大のとき、「撮像時間＝投影時間」を短くすることとする。
【００２３】
ステップ２２（Ｓ２２）において、ステップ２１で決定された撮像時間が、環境光の光強度の周期に関する情報から決定される許容範囲内であるかどうかを判定する。この許容範囲は、計測において環境光の影響を低減するための範囲であり、環境光の光強度の周期以上の長い時間を許容範囲内とする。撮像時間が環境光の光強度の周期以上であれば、センサ９で蓄積される光量のうち環境光の光強度の変動分が相対的に小さくなるためである。ステップ２２において、ステップ２１で決定された撮像時間が、環境光の光強度の周期に関する情報から決定される許容範囲内である場合は、ステップ２２の判定でＹｅｓとなり、フローを終了する。しかし、撮像時間がその許容範囲外の場合、ステップ２２の判定でＮｏとなり、ステップ２３（Ｓ２３）に進む。ステップ２３では、撮像時間を、環境光の光強度の周期に関する情報から決定される時間に固定し、「時間以外の計測条件」を既知の設定（光量を最小にする設定）にし、光量条件を満たす投影時間を求める。具体的には、撮像時間を上記許容範囲の下限値に固定し、投影時間を撮像時間と異なる、より短い時間に決定する。つまり、撮像時間に、投影ユニットによりパターン光が投影されている被検物を撮像する時間と、投影ユニットによりパターン光が投影されていない被検物を撮像する時間が含まれるようにする。投影ユニットによりパターン光が投影されていない被検物を撮像する時間では、投影パターン光以外の光量がセンサ９で蓄積される。光量条件は、センサ９の出力が飽和しない条件とし、パターン光の強度分布を高精度に撮像することができる条件とする。
【００２４】
そして、ステップ２４（Ｓ２４）において、ステップ２３で決定した投影時間が許容範囲内であるかどうかを判定する。このとき、投影時間の許容範囲としては、ステップ２３（２１）における撮像時間が上限値となり、光源の応答速度や光源電流を制御する回路の応答速度から設定可能な時間が下限値となる。ステップ２４において、ステップ２３で決定された投影時間が許容範囲内であると判定したならば、その投影時間が決定され、フローを終了する。上記許容範囲外の場合は、ステップ２５（Ｓ２５）に進み、本計測装置では計測ができない場合の処理を実行してフローを終了する。そして、決定された撮像時間、投影時間、光源電流値などの計測条件となるように計測装置の設定、投影ユニット１および撮像ユニット２の制御を行い、実際に被検物１１にパターン光１２を投影して、制御部が画像を取得する（実計測）ことによって被検物１１の形状等を求める。具体的には、制御部３が、撮像ユニット２による撮像時間が投影ユニット１により投影されるパターン光以外の光の強度の周期で定まる時間となるように撮像ユニット２を制御する。さらに、前記撮像時間において前記撮像時間より短い投影時間に明部と暗部を有する第１のパターン光が被検物に投影されるように投影ユニット１を制御して、撮像ユニット２によって撮像された第１画像を取得する。また、撮像時間が前記周期で定まる時間となるように撮像ユニット２を制御し、前記撮像時間において前記撮像時間より短い投影時間に第１パターン光の明部と暗部が反転した第２のパターン光が被検物に投影されるように投影ユニット１を制御して、撮像ユニット２によって撮像された第２画像を取得する。
【００２５】
上記のように、ステップ２４において許容範囲内と判定された投影時間であれば、センサ９の画素の出力が飽和することがないため、パターン光の光強度成分の劣化が少なく、Ｓ／Ｎ比の高い、高精度な画像をセンサ９で取得することができる。
【００２６】
また、本実施形態では、撮像時間を環境光の光強度の周期の整数倍として環境光の影響を低減しつつ、環境光の光強度が小さい時間を特定する必要がなく、環境光の光強度が小さい時間内に撮像を行わなければならないという制約がない。そのため、環境光の光強度の時間変動に対する撮像開始時間の制約がないので、環境光に対して撮像開始タイミングを同期させるための制御装置が必要ない。
【００２７】
したがって、本実施形態によれば、パターン投影法において、環境光に対して撮像開始時間の同期をとる必要がなく、環境光による影響を低減して、高精度な画像を取得することができる。
【００２８】
なお、上記では「時間以外の計測条件」で光量を調整する手段として、光源電流値を調整する手段について説明したが、レンズ絞り値の調整やＮＤフィルタ透過率の調整など、その他の手段についても同様の方法が適用可能である。なお、第１のパターン光を投影して撮像する場合の投影時間および撮像時間のそれぞれを、第２のパターン光を投影して撮像する場合の投影時間および撮像時間のそれぞれと同じにするのが好ましいが、異なっていてもよい。上記時間が異なる場合は、撮像時間と投影時間の長さ（比例関係）によって定まる階調値のオフセット量を用いて、撮像によって得られた第１画像または第２画像を補正して上記交点を求めうる。
【００２９】
次に、以下の実施例において各ステップについて具体的に説明する。
【実施例１】
【００３０】
まず、本実施例の計測装置の使用環境における照明灯の交流電源の周波数を５０Ｈｚとする。その場合、交流電源を原因とする照明灯による照度（光強度）の変動の周期（フリッカ周期）は１００Ｈｚとなるため、撮像時間の許容範囲の下限値は１０ｍｓとなる。このとき、使用電源の周期やその他要因により、フリッカ周期が異なる場合は撮像時間の許容範囲の下限値を適宜変更する。また、環境光の変動周期の取得方法は、計測装置内に備えた計測器によって取得してもよいし、作業者が個別に計測など実施し、制御部３に予め入力してもよい。更に、上記計測器は、計測装置の交流電源の周期を直接計測してもよいし、環境光を測定することによって変動周期を計測してもよい。本実施例では、撮像時間と投影時間の調整以外で光量を調整する手段として光源の電流値を調整することとして説明する。電流値の設定可能な下限値を３Ａとする。
【００３１】
ステップ２１について説明する。ステップ２１において、まず、撮像時間と投影時間が同じ１０ｍｓとして、光源電流値を３Ａと設定する。この設定で事前計測を実施し、その時にセンサ９で取得した光量情報から光量閾値を満たす光量が得られるように計測条件を決定する。上記光量閾値の例としては、「センサ９の出力が飽和しない（階調値の最大値がセンサ９の飽和値を超えない）」や「センサ９の撮像領域の画素の５％が飽和する」などが考えられ、使用前に予め決定しておく。決定方法としては、想定される環境下で最も正確に計測可能な光量の条件を予め実測などして、上記光量閾値を決定する方法などがある。本実施例では、「センサ９の出力の階調値の最大値が飽和値の８５〜９５％である（目標値を飽和値の９０％とする）」を光量閾値として説明する。
【００３２】
事前計測後のセンサの出力値から計測条件を決定するまでの詳細について図５を用いて説明する。図５の出力２６は、事前計測によって得られたセンサ９の出力の最大階調値を表している。破線はセンサ９出力の飽和値の８５〜９５％の範囲を表しており、これが本実施例の光量閾値である。例えば、階調値として０〜４０９５（１２ｂｉｔ）を出力することが可能なセンサ９の場合、飽和値の８５〜９５％は３４８１〜３８９０を表す。図５で例として、事前計測の出力２６の最大階調値が４１０であり、光源電流を３Ａ固定とすると、最大階調値が飽和値の１／１０であるため、撮像時間と投影時間は１０ｍｓ×９の９０ｍｓに設定することが可能である。ただし、タクトの観点から撮像時間と投影時間の上限値が設定されており、例えば上限値が５０ｍｓの場合は、撮像時間と投影時間は５０ｍｓとし、電流と光量が線形関係と仮定した場合、光源電流値を１．８倍（９０／５０）の５．４Ａとして計測条件を決定する。
【００３３】
上記のように、ステップ２１の事前計測のセンサ出力が光量閾値よりも小さい場合は、環境光の強度の周期以上の長い撮像時間１０ｍｓとなり、長い撮像時間にセンサ画素で光量が蓄積されることによって、環境光の強度の変動が平滑化される。そのため、環境光の影響が相対的に小さい計測条件を決定できる。しかし、ステップ２１における事前計測（光源電流３Ａ、撮像時間、投影時間１０ｍｓ、撮像時間と投影時間が同じ）で、センサの出力２６が光量閾値の上限値（３８９０）以上となってしまった場合、光量閾値内とするためには、撮像時間は許容範囲の下限値１０ｍｓより短い撮像時間となる。その場合、ステップ２２の判定において、ステップ２１で決定された撮像時間が許容範囲内でない（Ｎｏ）と判定し、ステップ２３に進む。
【００３４】
次に、撮像時間と投影時間が同じという条件を無くし、投影時間と撮像時間とを個別に決定するステップ２３について説明する。本実施例では、撮像時間を１０ｍｓに固定にする。撮像時間を許容範囲の下限値つまり環境光の光強度の周期、以上にして、環境光による影響を低減するためである。ステップ２３について本実施例では、互いに異なる複数の投影時間で事前計測を行い、その中から光量条件を満たす投影時間を決定する方法について説明する。まず、投影時間について設定可能な最短時間で事前計測（事前計測１と称す）を行う。通常、設定可能な最短時間は光源、或は、光源電流を制御する回路の応答速度から決定され、本実施例では３ｍｓとする。次に、投影時間を長くして、再度、事前計測（事前計測２と称す）を実施し、さらに、投影時間が撮像時間と等しくなる１０ｍｓになる迄、Ｎ回（事前計測Ｎ）繰り返す。図６のグラフは、センサ９の出力の最大階調値を事前計測毎に並べた結果である。例えば、投影時間の変化量を１ｍｓにして増やしていき各事前計測を実施する場合、事前計測１〜８（Ｎ＝８）までを投影時間３〜１０ｍｓで実施する。そして、上記事前計測１〜８の撮像結果の中から光量条件を満たす投影時間を決定する。図６では、ある事前計測ｎ（ｎ＝３〜Ｎ）が光量閾値の範囲内となっているため、その事前計測で使用した投影時間を、実計測の撮像時間として決定する。
【００３５】
上記では光量条件を満たす迄Ｎ回計測を実施し、光量条件を満たす階調値を実測して投影時間を求めている。しかし事前計測の結果から計算で投影時間を求めても良い。例えば図６で事前計測１は投影時間３ｍｓ、階調値４１０、事前計測２は投影時間４ｍｓ、階調値１２２９であったとする。これらの結果より、投影時間１ｍｓ増加毎に階調値が８１９増加することから、飽和階調値の９０％が目標値のとき、階調値がその目標値となる投影時間は７ｍｓと算出される。通常投影時間と階調値は比例関係だが、比例関係以外の場合は投影時間を必要回数、変更し、投影時間と階調値の関係を取得後、投影時間を決定する。
【００３６】
もし、上記事前計測１〜８の撮像結果の中で、例えば事前計測３（投影時間５ｍｓ）で光量閾値の下限値以下で光量不足、事前計測４（投影時間６ｍｓ）で光量閾値の上限値以上で光量過多となり、光量閾値を満たす事前計測結果が無い場合がある。その場合は投影時間の変化量が１ｍｓでは大きいので投影時間５〜６ｍｓ間を変化量０．１ｍｓなどのように、より細かく変化させて追加の事前計測を実施し、光量条件を満たす投影時間を調査する。このとき投影時間より光源電流値の方が細かい設定が容易である場合、投影時間は５ｍｓと決定し、光源電流を３Ａから細かく変化させていき光量条件を満たす光源電流を決定してもよい。上記では、事前計測をＮ回実施後、Ｎ個の事前計測結果を基に光量条件を満たす投影時間を探索したが、事前計測の実施毎にその結果が光量条件を満たすか判定し、満たさない場合は投影時間を変えて次の事前計測を行い、光量条件を満たすと判定した場合に事前計測を終えるという順序で投影時間を求めても良い。
【００３７】
もし、事前計測１（投影時間が最短時間である場合）の結果でも光量条件を満たさないほど光量が大きい場合は、ステップ２３で決定される投影時間は、計測装置で設定可能な投影時間の下限値（３ｍｓ）よりも短い投影時間となる。その場合、ステップ２４の判定において、ステップ２３で決定された投影時間が閾値内ではない（Ｎｏ）と判定し、ステップ２５に進む。その場合は、ステップ２５で作業者にエラーを通知するなどの計測不可の処理（エラー処理）を実施して、計測条件決定フローを終了する。
【００３８】
本実施例では投影時間を制御する手段として、光源電流の制御について説明したが、パターン光形成素子によるＯＮ、ＯＦＦや、投影光学系のシャッターのＯＮ、ＯＦＦなど、その他の方法により投影時間を制御してもよい。
【００３９】
また、本実施例では撮像時間を１０ｍｓとしたが、他の機器との連携の都合でもっと長い撮像時間が必要な場合は、ステップ２１において１０ｍｓの整数倍の撮像時間（例えば、３倍の３０ｍｓ）を決定し、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４を行ってもよい。また、撮像時間３０ｍｓでは光量条件を満たさない場合は、次に小さい整数倍の撮像時間（２倍の２０ｍｓ）として、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４を繰り返すなど、撮像時間を段階的に変えていき、各ステップをループさせてもよい。
【００４０】
本実施例で決定した投影時間を更に短い時間で複数回に分割して投影光を照射してもよい。例えば、図４に示す方法により撮像時間１０ｍｓ、投影時間５ｍｓと決定した場合、撮像時間１０ｍｓ中に、１回、パターン光を５ｍｓ間連続で被検物に投影してもよいし、パターン光を１ｍｓ間連続で被検物に照射する工程を間隔をあけて５回繰り返してもよい。最終的に投影時間の合計が図４のフローで決定した投影時間となればよい。
【実施例２】
【００４１】
本実施例では、光を投影しない場合の事前計測結果と、予め所定の投影時間に設定した場合の事前計測結果と、に基づいて投影時間を決定する方法について説明する。実施例１と同様の内容については説明を省略する。本実施例では、ステップ２２において撮像時間が許容範囲内にないと判定した場合について説明する。
【００４２】
本実施例では、ステップ２３において、まず投影ユニット１から光を投影しない状態で事前計測Ａを実施する。次に、事前計測Ａと同じ撮像時間において、その撮像時間より短い投影時間として事前計測Ｂを実施する。例として、撮像時間を１０ｍｓとし、投影時間を最短設定時間３ｍｓとする。これらの事前計測のそれぞれについて、センサ９で得られる最大階調値を表した結果が図７のグラフである。事前計測Ａにおけるセンサ出力は環境光を撮像時間において累積した光量２８となる。また、事前計測Ｂにおけるセンサ出力は、事前計測Ａと同じ光量２８と、投影されるパターン光である計測光を上記投影時間において累積した光量２９との和になる。破線は光量閾値（許容範囲）を表し、光量条件は実施例１と同じとする。
【００４３】
図７に示すように、事前計測Ａと事前計測Ｂにおけるセンサ出力の光量の差分が、設定された投影時間（３ｍｓ）において累積される計測光の光量２９である。そのため、本実施例では、センサ出力の目標階調値となる場合の投影時間を、（「目標階調値」−「事前計測Ａにおける階調値」）／（「事前計測Ｂにおける階調値」−「事前計測Ａにおける階調値」）×（設定された投影時間）、という式より算出する。例えば、目標階調値をセンサ飽和値の９０％である３６８６とし、設定された投影時間を３ｍｓとし、図７の光量２８の値が４１０、光量２９の値が１６３８とした場合、上記式を用いて、（３６８６−４１０）／（１６３８−４１０）×３＝８ｍｓと算出する。ステップ２３では、算出された時間を実際の計測時の投影時間として決定する。通常、投影時間と階調値は比例関係だが、比例関係以外の場合は実施例１と同様に投影時間を必要回数変更し、投影時間と階調値の関係を取得後、投影時間を決定する。なお、連続して実計測を実施している場合は、事前計測Ｂの代わりに、前回の実計測時のセンサ出力と、前回の実計測時の投影時間を上記式に代入し、次の実計測時の投影時間を決定しても良い。
【００４４】
本実施例によれば、実施例１と比べて事前計測の回数を減らすことができ、実計測の前の準備をより短時間で行うことができ、準備を含めた計測に要する時間を短縮することができる。
【実施例３】
【００４５】
連続して実計測を実施している場合においては、前回の実計測と次回の実計測とでは、撮像エリア内の着目する計測領域が異なる場合がある。その場合、センサに取り込まれる光量の変化を予め予測し、前回の実計測時の投影時間に基づいて次回の実計測時の投影時間を決定することが可能である。そこで、本実施例では、連続して実計測を実施している場合の投影時間の決定方法について説明する。
【００４６】
例えば、図１の被検物１１の計測において、前回の実計測においては被検物１１の中央に着目して計測領域を設定して計測する場合、その計測結果から被検物１１の周辺の計測データ（距離情報など）が低精度ながら得られる。次回の実計測時において被検物１１の周辺に着目して計測領域を設定して計測する場合、着目領域が被検物１１の中央から周辺に変化することに伴う、計測装置からの距離の変化による光量変化、又は、撮像レンズと投影レンズの使用画角の変化による光量変化が生じうる。そのため、それらの光量変化を考慮して、次回の実計測時の投影時間を決定する。上記距離の変化によって、例えば距離がＮ倍変化した場合、センサでの光量は１／Ｎ２倍になるため、投影時間をＮ２倍に決定する。また、レンズの使用画角の変化に伴う光量変化は画角と光量の関係を設計値などから予め求めておき、その関係を次回の実計測時の投影時間に反映するなどの方法がある。
【００４７】
本実施例によれば、実施例１と比べて事前計測の回数を減らすことができ、実計測の前の準備をより短時間で行うことができ、準備を含めた計測に要する時間を短縮することができる。
【００４８】
〔第２実施形態〕
第１実施形態は、光源電流値を下限値に設定し、撮像時間と投影時間を段階的に下げる形態について説明した。第１実施形態は、光源からの熱の問題のため、光源電流値をできるだけ下げたい場合などに有効である。
【００４９】
ただし、光源の熱が計測値に及ぼす影響が低い場合は、必ずしも光源電流値を下限値に設定しなくてもよい。本実施形態ではタクト（計測時間、歩留り）を優先して、撮像時間と投影時間を決定するフローについて説明する。図８にフロー図を示す。本実施形態でも「時間以外の計測条件」として光源電流値を設定することとして説明する。第１実施形態例と同様の内容については説明を省略する。
【００５０】
第１実施形態では、ステップ２１と２３で光源電流値を３Ａまで下げることを許したが、本実施形態では、光源電流値は最大設定値の２４Ａとして固定のまま、ステップ２１、２３を実施する。センサの画素の出力飽和値に基づく光量条件を満たさないほど光量が大きい場合は、ステップ２３で決定される投影時間は、計測装置で設定可能な投影時間の下限値（３ｍｓ）よりも短い投影時間となる。そのため、ステップ２４において、投影時間が許容範囲内ではないと判定され、ステップ３１（Ｓ３１）に進む。ステップ３１においては、撮像時間と投影時間以外の計測条件としての光源電流値を算出する。例えば、撮像時間と投影時間を本計測装置に設定可能な最短時間に固定して、光量閾値を満たす光源電流値を決定する。そして、ステップ３２において、ステップ３１で決定した「時間以外の計測条件」が許容範囲内であるかどうかを判定する。許容範囲は光源電流値が装置上で設定可能な範囲とする。許容範囲内であると判定した場合、撮像時間と投影時間は最短時間となり、判定ＮＧならステップ２５に進む。
【００５１】
本実施形態によれば、タクトを優先した短時間の計測を行うことができる。
【実施例４】
【００５２】
本実施例において、第２実施形態のステップ３１、３２について具体的に説明する。
【００５３】
ステップ３１は、ステップ２４の判定により、光源電流値が最大の２４Ａ、撮像時間と投影時間がそれぞれ設定可能な最短時間（撮像時間１０ｍｓ、投影時間３ｍｓ）である場合でも、センサの画素の出力飽和値に基づく光量条件を満たさないほど光量過多である場合に進むステップである。
【００５４】
第１実施形態の図４のステップ２３では撮像時間と光源電流値を固定して、投影時間を変化させて光量閾値を満たす投影時間を決定した。それに対して、本実施例のステップ３１は、撮像時間１０ｍｓ、投影時間３ｍｓと固定し、光源電流値を変化させて光量閾値を満たす光源電流値を決定する。そのため、本実施例では、実施例１〜３における投影時間を光源電流値に代えて、光源電流値が異なる複数の条件などで事前計測するなど実施例１〜３と同じ方法を実施して、光源電流値を決定すればよい。
【００５５】
そして、ステップ３２の判定がＹｅｓならば、光源電流値はステップ３１で決定した値、撮像時間は１０ｍｓ、投影時間は３ｍｓと決定される。判定がＮｏの場合はステップ２５の計測不可の処理を行う。
【００５６】
〔第３実施形態〕
第１、２実施形態の計測装置１００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９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１００は、支持台３５０に置かれた被検物２１０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３が、又は、制御部３に接続され、制御部３から画像を取得した制御部３１０が、被検物２１０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）で被検物２１０を把持して移動させたり回転させたりする。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。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。
【００５７】
以上、本発明の好ましい実施形態、実施例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。
【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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【図９】
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