JP2017037189A - パターン照射装置、システム、操作方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】より簡易な構成で、投射画像の切り替えを可能とすること。
【解決手段】光源の点灯を制御する光源制御部１０１と、光源の光を第１のパターン部に導いてパターン光を生成する第１の光路と、光源の光を第１のパターン部とは異なる第２のパターン部に導いてパターン光を生成する第１の光路とは異なる第２の光路とを切り替える切替部１０２と、第１のパターン部及び第２のパターン部で生成されるパターン光をそれぞれ所定のタイミングで投影面に投射光学系を介して拡大照射する照射制御部１０３と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、パターン照射装置、システム、操作方法、及びプログラムに関する。

従来、トレイに積載された対象物（ワーク）をロボット（操作部）を用いて操作して、対象物を次工程の装置へと搬送したり、対象物を用いて製品を組み立てたりするシステムが知られている。このようなシステムでは、三次元測定装置によりトレイ上の対象物の距離を測定し、測定結果に基づき対象物の位置及び姿勢を認識して操作する。また、このようなシステムでは、パターン照射装置によりトレイ上の対象物に所定のパターンの光を照射して、三次元測定装置による距離測定の精度を向上させる。パターン照射装置は、例えば、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）または液晶パネル等を用いた投射装置（プロジェクタ）と同様の構成で実現することができることが知られている。

例えば、特許文献１には、光源の光を効率よく投射する目的で、光源と蛍光体ホイールとカラーホイールを有する投射装置について開示されている。特許文献１では、光源の光を蛍光体に照射して各色を生成した後にカラーホイールを透過させることで、光源に含まれる紫外光や赤外光を可視光に変換して光利用効率を高めるとともに優れた演色性を得られる構成が記載されている。

上記に示されるようＤＭＤまたは液晶パネルを用いたプロジェクタの光学系は、リレー光学系及び各色を合成するための光学系を備える。このため、部品点数が多く、制御も複雑である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より簡易な構成で、投射画像の切り替えを可能とすることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光源の点灯を制御する光源制御部と、前記光源の光を第１のパターン部に導いてパターン光を生成する第１の光路と、前記光源の光を前記第１のパターン部とは異なる第２のパターン部に導いてパターン光を生成する前記第１の光路とは異なる第２の光路とを切り替える切替部と、前記第１のパターン部及び前記第２のパターン部で生成されるパターン光をそれぞれ所定のタイミングで前記投影面に投射光学系を介して拡大照射する照射制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明は、高い光出力を得られるとともに、より簡易な構成で、投射画像の切り替えが可能となるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１にかかるハンドリングシステムの構成を示す説明図である。 図２は、本実施の形態にかかるハンドリングシステムの構成例を示すブロック図である。 図３は、本実施の形態にかかるハンドリングシステムの機能構成例を示すブロック図である。 図４は、実施の形態１にかかるパターン照射装置の構成例を示す説明図である。 図５は、図４における導光部の構成を示す説明図である。 図６は、実施の形態１にかかるパターン照射装置の制御例を示す説明図である。 図７は、実施の形態２にかかるパターン照射装置の構成例を示す説明図である。 図８は、図７における可動蛍光部の構成を示す説明図である。 図９は、実施の形態３にかかるパターン照射装置の構成例を示す説明図である。 図１０は、実施の形態３にかかるパターン照射装置の制御例を示す説明図である。 図１１は、実施の形態４にかかるパターン照射装置の構成例を示す説明図である。 図１２は、実施の形態４にかかるパターン照射装置の制御例を示す説明図である。 図１３は、実施の形態５にかかるパターン照射装置の構成例を示す説明図である。

本実施の形態にかかるパターン照射装置は、光路切り替え部によって光源から出射した光を異なる光路に導き、それぞれの光路で異なるパターンに光を照射した後に拡大投射するものである。以下に添付図面を参照して、実施の形態ごとに説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１にかかるハンドリングシステム１０の構成を示す説明図である。このハンドリングシステム１０は、対象物１１をハンドリングし、対象物１１を次工程の装置へと搬送したり、対象物１１を用いて製品を組み立てたりするものである。ハンドリングシステム１０は、トレイ１２と、ロボット（操作部）１３と、パターン照射装置２０と、三次元測定装置２１と、認識装置２２と、ロボットコントローラ２３とを備える。トレイ１２は、少なくとも１つの対象物１１を積載する。なお、対象物１１については適宜ワークまたは投射面と記述する。

ロボット１３は、トレイ１２に積載された何れかの対象物１１をアームを移動させて操作し、操作した対象物１１を指定された位置に移動させたり、指定された姿勢で保持したりする。ロボット１３は、爪を開閉して対象物１１を挟んで操作してもよいし、エアー吸着により対象物１１を操作してもよいし、電磁力で対象物１１を操作してもよい。

パターン照射装置２０は、対象物１１が積載されたトレイ１２に対して、単色の所定の画像パターンまたは無地の光を照射する。これにより、トレイ１２に積載されたそれぞれの対象物１１の表面における露出した部分には、所定の画像パターンが照射される。本実施の形態においては、パターン照射装置２０は、青色または黄色の画像パターンの光を照射するが、青・黄に限らずどのような色であってもよく、また、白色であってもよい。

三次元測定装置２１は、パターン照射装置２０により所定の画像パターンの光が照射された状態において、トレイ１２に積載されたそれぞれの対象物１１の露出した表面の各位置までの距離を測定する。三次元測定装置２１は、一例として、ステレオカメラ等により距離を測定して、画像内の各位置までの距離を表す三次元情報を生成する。

認識装置２２は、三次元測定装置２１により測定されたそれぞれの対象物１１の表面の各位置までの距離に基づき、それぞれの対象物１１の位置及び姿勢を認識する。認識装置２２は、一例として、３次元モデルとのマッチング処理またはサーフェースマッチング処理等のマッチング処理を実行して、それぞれの対象物１１の位置及び姿勢を認識する。さらに、認識装置２２は、輝度情報に基づきエッジ抽出等を行ってマッチング処理の補完をしてもよい。

ロボットコントローラ２３は、予め登録されている制御フローに従って、認識装置２２により認識されたそれぞれの対象物１１の位置及び姿勢に基づきロボット１３の動作を制御する。そして、ロボットコントローラ２３は、トレイ１２上の指定された対象物１１を操作させる。

このようなハンドリングシステム１０において、パターン照射装置２０は、三次元測定装置２１による三次元測定の精度を向上させるような画像パターンや無地の光を、トレイ１２上に積載されたそれぞれの対象物１１に照射する。これにより、ハンドリングシステム１０によれば、トレイ１２に積載されたそれぞれの対象物１１の位置及び姿勢を精度よく認識し、精度よく対象物１１を操作することができる。

図２は、本実施の形態にかかるハンドリングシステム１０の構成例を示すブロック図である。本ハンドリングシステム１０は、バス上にパターン照射装置２０、三次元測定装置２１、認識装置２２、ロボットコントローラ２３、制御部２５などが接続されている。三次元測定装置２１は、パターン照射装置２０で照射された対象物１１を撮影する例えばステレオカメラといった撮像部を有する。

制御部２５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２６、ＲＯＭ（Read Only Memory）２７、ＲＡＭ（Random Access Memory）２８などのマイクロコンピュータシステムでなる。ＣＰＵ２６は、ＲＯＭ２７に格納されているプログラムにしたがってＲＡＭ２８をワーキングメモリとして用い、本システムの制御を行う。

本実施の形態では、認識装置２２内に制御部２５が含まれる（制御部２５により認識装置２２が実現される）ものとするが、制御部２５は、パターン照射装置２０や三次元測定装置２１に配置されてもよく、また、それぞれ独立して配置する構成であってもよい。

図３は、本実施の形態にかかるハンドリングシステム１０の機能構成例を示すブロック図である。ハンドリングシステム１０は、光源制御部１０１、切替部１０２、照射制御部１０３、撮影処理部１０４、認識部１０５、ロボット制御部１０６（ロボットコントローラ２３）を有する。これら各機能ブロックについては図４以降において詳細に説明する。

光源制御部１０１は、後述する光源の点灯を制御する。切替部１０２は、光源の光を第１のパターン部に導いてパターン光を生成する第１の光路と、光源の光を第１のパターン部とは異なる第２のパターン部に導いてパターン光を生成する第１の光路とは異なる第２の光路とを切り替える。照射制御部１０３は、第１のパターン部及び第２のパターン部で生成されるパターン光をそれぞれ所定のタイミングで投影面に投射光学系を介して拡大照射する。

撮影処理部１０４は、照射制御部１０３の制御によって投射されたパターンを撮影処理する。認識部１０５は、撮影処理部１０４で撮影処理されたパターンの画像に基づいて対象物１１までの距離や対象物１１のエッジ検出、またはその両方の検出及び認識を行う。そして、認識部１０５で認識した結果に基づいてロボット制御ｂ１０６は対象物１１に対する操作を実施する。

なお、上記ハンドリングシステム１０の機能の一部または全部をソフトウェアまたはハードウェアで構成してもよい。

図４は、実施の形態１にかかるパターン照射装置２０の構成例を示す説明図である。パターン照射装置２０は、投影面に、三次元測定装置２１による距離の測定精度を向上させるような画像パターンの光を照射する。投影面は、ハンドリングシステム１０における対象物１１が積載されるトレイ１２に対応する。

図４のパターン照射装置２０は、光源３１、コリメータレンズ３２，３５，４８、集光レンズ３３、導光部３４、透過拡散板３６、ライトトンネル３７、パターン部３８、ダイクロイックミラー３９、投射光学系４０を備える。また、パターン照射装置２０は、蛍光部４１、集光レンズ４２、ダイクロイックミラー４３、透過拡散板４４、ミラー４５、ライトトンネル４６、パターン部４７を備える。パターン部３８（第１のパターン部）には光照射によってパターンを生成するための模様が形成されている。一方、パターン部４７（第２のパターン部）にはパターン部３８とは異なる模様が形成され、光照射によってパターンが生成される。

光源３１は、レーザダイオードであり、コヒーレント光であるレーザ光を出射する。本実施の形態において、レーザダイオードは、例えば４４０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長の青色のレーザ光を発光する青色レーザダイオードである。なお、レーザダイオードは、青色に限らず、他の色であってもよい。また、光源３１は、三次元測定装置２１が照射した光を検出できれば、可視光以外のレーザ光を出射してもよい。

コリメータレンズ３２は、光源３１（本例ではレーザダイオード）から出射されたレーザ光を入射して、平行光束として出射する。

集光レンズ３３は、光源３１から出射された光を導光部３４上に集光する。導光部３４は、光源３１の光を透過と反射を時間的に切り替える。

導光部３４は、図３における切替部１０２に対応する。導光部３４の構成を図５に示す。導光部３４は、回転軸６０を中心に回転し、半径で区切られた一方の領域が光を透過する透過領域６１、他方の領域が光を反射する反射領域６２とされた部材である反射／透過ホイール（以下、導光部３４を適宜、反射／透過ホイールとも記述する）である。この反射／透過ホイールを所定の角度で配置して光線の光路上におき、反射／透過ホイールを回転させることで、光線の光路を選択することができる。

なお、図５では、反射領域６２が回転軸６０に対して略４５°の角度範囲で形成されているが、これはこの例に限定されない。また、導光部３４はこれに限られるものではない。透過領域６１と反射領域６２を有する板を直線方向に振動させてもよいし、ガルバノミラーで光路を切り替えてもよい。

次に図４における各構成部品の具体的な例及び光路を説明する。光源３１から出射された光の光軸上に導光部３４の反射領域４ｃがある場合について説明する。導光部３４で反射した光は、コリメータレンズ３５で平行光束とされ、透過拡散板３６を通過する。

透過拡散板３６は、入射した光を拡散させる拡散部である。透過拡散板３６は、全体が平板状であって、少なくとも一方の平面に微細でランダムな凹凸等が形成されている。透過拡散板３６は、入射した光を透過して拡散させながらライトトンネル３７へと出射する。透過拡散板３６は、一例として、半値全幅の５°以上１０°以下の拡散角で光を拡散させる。

透過拡散板３６を置く代わりに反射／透過ホイールの反射領域６２を拡散板で構成してもよい。この場合、光源３１から出射されたレーザ光が反射領域６２を反射する際に、レーザ光によるスペックル（斑点模様といった変動パターンの発生現象）が抑制される効果が得られる。

ライトトンネル３７は、通過する光の光軸方向に垂直な面の照度分布を均一化する均一化光学系である。ライトトンネル３７は、透過拡散板３６により拡散された光を入射し、入射した光を通過させて、照度分布を均一化して出射する。なお、均一化光学系であれば、ライトトンネル３７に代えて他の部材を備えてもよい。例えば、パターン照射装置２０は、ライトトンネル３７に代えてフライアイを備えてもよい。

透過拡散板３６は、リレー光学系等を介さずに、ライトトンネル３７の直前に配置されている。これにより、パターン照射装置２０は、透過拡散板３６とライトトンネル３７の間の光学的な距離を短くして、拡散した光がライトトンネル３７の外部へと漏れてしまうことを防止することができる。したがって、パターン照射装置２０は、光の伝達の効率を高め、出力するエネルギーを大きくすることができる。反射／透過ホイールの反射領域６２を拡散板とする場合は、反射／透過ホイールをライトトンネル３７の直前に配置することで同様の効果を得ることができる。

また、レーザ光は直進性が高い。したがって、もし、コリメータレンズ３５から出射されたレーザ光を直接入射した場合、ライトトンネル３７は、照度分布を効率よく均一化させることは困難である。しかし、本実施の形態において、ライトトンネル３７は、透過拡散板３６により拡散されたレーザ光を入射するので、照度分布を効率よく均一化することができる。したがって、パターン照射装置２０は、ライトトンネル３７の光軸方向の長さを短くして装置の小型化を図ることができる。

また、パターン部３８は、リレー光学系等を介さずに、ライトトンネル３７の直後に配置されている。これにより、パターン照射装置２０は、ライトトンネル３７とパターン部３８との光学的な距離を短くして、ライトトンネル３７から出射された拡散された光が外部へと漏れてしまうことを防止することができる。したがって、パターン照射装置２０は、光の伝達の効率を高め、出力するエネルギーを大きくすることができる。

パターン部３８は、ライトトンネル３７から出射された光を所定の画像パターンに応じて透過及び遮断（または反射）して、光軸に垂直な面に所定の画像パターンの像を形成する。パターン部３８を透過した光は、ダイクロイックミラー３９に入射する。ここで、ダイクロイックミラー３９は光源３１からの光を透過し、蛍光を反射する。光源３１を青色レーザダイオードとし、蛍光部４１が青色光を照射することにより黄色蛍光を発するとすると、ダイクロイックミラー３９は青色を透過し、黄色を反射する。パターン部３８に照射された光はダイクロイックミラー３９を通過し、投射光学系４０へと入射される。ダイクロイックミラー３９は後述のダイクロイックミラー４３と同じ仕様であるため、部品の共通化によるコスト低減が期待できるが、これは一例であり、クロスダイクロイックプリズムを用いてもよい。

パターン部３８は一例として、ガラス等の透明な板に所定の模様（画像パターン）が描かれた長方形の板状のフォトマスクである。所定の画像パターンは、対象物１１に照射した場合に距離測定の精度を向上させる２次元の模様であってもよいし、エッジ検出の精度を向上する模様であってもよいし、無地であってもよい。無地の場合でも、ワークに光を照射することで特に反射率の低いワークに対してエッジ検出精度が向上する。無地の場合、パターン部３８はなくてもよい。また、ガラス板と外周を遮光する遮光部品を組み合わせて置いてもよい。ライトトンネル３７から出射した光のうち、均一な領域の光を通すように遮光部品を設計することで、均一性の高い投射光を得ることができ、投射光の外周付近で光量が低下し、ワークを認識できないということが起きにくいため、使い勝手のよい照射装置となる。

投射光学系４０は、パターン部３８を透過した光を、指定された倍率に拡大して投影面に照射する。

次に、光源３１から出射された光の光軸上に導光部３４の透過領域６１がある場合について説明する。ここで、導光部３４である反射／透過ホイールにおいて、透過領域６１は、開口部とすることができる。これにより、透過領域６１の形成のために部材を用意する必要が無いため、装置コストを抑えることができる。もちろん、反射／透過ホイールは、透明部材に対して反射領域６２を形成したものでもよい。

光は導光部３４を透過した後、コリメータレンズ４８で平行光束となり、透過拡散板４４で拡散される。透過拡散板４４で拡散されることにより、蛍光体の１点に集中して光が照射されることによる蛍光体の焼けや効率低下を抑制することができる。透過拡散板４４は、一例として、半値全幅の１°以上５°以下の拡散角で光を拡散させる。

また、透過拡散板４４はダイクロイックミラー４３よりも光源３１側に配置されている。蛍光はインコヒーレントな光のため、拡散板による拡散は必ずしも必要ではない。本光学構成では蛍光は透過拡散板４４を通ることがないため、光の拡散による光利用効率の低下を抑制することができる。なお、反射／透過ホイールの透過領域６１を透過拡散板としてもよい。これにより透過拡散板４４が不要となり、部品点数の削減によるコスト低減や、装置サイズの小型化が可能となる。

透過拡散板４４で拡散した光はダイクロイックミラー４３に入射する。ここで、ダイクロイックミラー４３はダイクロイックミラー３９と同じく光源３１からの光を透過し、蛍光を反射する。光源３１を青色レーザダイオードとし、蛍光部４１が青色光を照射することにより黄色蛍光を発するとすると、ダイクロイックミラー４３は青色を透過し、黄色を反射する。なお、蛍光体は黄色に限らず、どのような波長の光（例えば、赤色、緑色、青色または白色等）の蛍光を発してもよい。ダイクロイックミラー４３は光源３１からの光を透過し、蛍光を反射するものとすればよい。光源３１が青色、蛍光体から発光するのも青色であったとしても、両者の波長が異なればダイクロイックミラー４３での分離は可能である。

光源３１から出射した光はダイクロイックミラー４３を通過し、集光レンズ４２で集光された後、蛍光部４１に照射される。蛍光部４１は入射した光を励起光として蛍光を発する。蛍光部４１は一例として、反射基板と、反射基板上に設けられた蛍光体とを有する。

これにより、蛍光部４１は、発光した蛍光を光源３１側に反射することができる。反射基板は、レーザ光の波長及び蛍光体が発する光の波長を含む帯域の光を反射する。反射基板は、一例として、誘電体多層膜または金属膜等の反射コーティング膜が表面に形成されていてもよい。これにより、反射基板は、反射率を高くすることができる。

また、蛍光部４１に入射したが、蛍光に変換されなかった励起光（レーザ光）も反射基板で反射し、再度、蛍光に照射されて蛍光に変換される。よって、蛍光部４１は、レーザ光を効率よく蛍光に変換することができる。

また、蛍光部４１は一例として、蛍光体セラミックスであってもよい。蛍光体セラミックスは、蛍光体を任意の形状（例えば、薄板状）に成形して加熱した焼結体である。この場合、蛍光部４１は、光が入射する面とは反対側の面（光源３１側の面とは反対側の面）に反射コーティング膜が形成される。これにより、蛍光部４１は、発光した蛍光を光源３１側に反射することができる。なお、蛍光部４１は、このようなものに限らず、光源３１から発光された光を励起光として蛍光を発し、励起光の入射面側に蛍光を出射する構成であれば、どのようなものであってもよい。

蛍光部４１により発した蛍光は、集光レンズ４２で平行光束とされ、ダイクロイックミラー４３で反射し、その後、ミラー４５で反射する。ミラー４５は光を反射する部材であって、例えば、蛍光を反射する誘電体多層膜または金属膜等の反射コーティング膜が表面に形成されている。光はライトトンネル４６で均一化された後、パターン部４７を照射する。

パターン部４７（第２のパターン部）の所定の画像パターンは、対象物１１に照射した場合に距離測定の精度を向上させる２次元の模様であってもよいし、エッジ検出の精度を向上する模様であってもよいし、無地であってもよい。無地の場合でも、ワークに光を照射することで特に反射率の低いワークに対してエッジ検出精度が向上する。無地の場合、パターン部４７はなくてもよい。また、ガラス板と外周を遮光する遮光部品を組み合わせて置いてもよい。ライトトンネル４６から出射した光のうち、均一な領域の光を通すように遮光部品を設計することで、均一性の高い投射光を得ることができ、投射光の外周付近で光量が低下し、ワークを認識できないということが起きにくいため、使い勝手のよい照射装置となる。

また、本実施の形態においては、レーザダイオードは、青色のレーザ光を発光する。これにより、パターン照射装置２０は、より精度よく距離測定をさせることができるとともに、作業者に良好な作業環境を提供することができる。この理由は、以下の通りである。例えば、オスラム株式会社のプロジェクタ用の光源Ｐ１Ｗが知られている。

この光源Ｐ１Ｗは、青色が５００ｌｍ、赤色が１２５０ｌｍ、緑色が４１５０ｌｍの明るさで発光する。ｌｍは、光束の単位であり、視感度を考慮した明るさである。視感度を考慮しない光の放射束（単位Ｗ）は、光束（ｌｍ）＝６８３×放射束（Ｗ）×Ｙ刺激値により算出される。各色の代表的なスペクトルから換算係数ｌｍ／Ｗを算出した場合、青色が４０ｌｍ／Ｗ、赤色が２００ｌｍ／Ｗ、緑色が４８０ｌｍ／Ｗとなる。よって、放射束は、光束と換算係数より、青色が１２．５Ｗ、赤色が６．３Ｗ、緑色が８．６Ｗとなる。つまり、放射束は、青色が最も高い。

距離測定のための画像パターンを照射するパターン照射装置２０では、人の目の感度、つまり視感度の考慮された光束量ではなく、純粋な光の出力である放射束が高い光源を備えることが好ましい。青色レーザダイオードは、上述のように販売されている光源のうち、高い放射束が得られる。したがって、レーザダイオードが青色のレーザ光を出射するので、パターン照射装置２０は、対象物１１を高いエネルギーで照明でき、対象物１１が黒色等であっても精度よく距離測定をさせることができる。

また、青色は、可視光である。したがって、レーザダイオードが青色のレーザ光を出射するので、パターン照射装置２０は、作業者に照明エリアを目視させることができ、作業者が照明エリアを調整しやすい環境を提供することができる。また、蛍光も放射束の高い青色レーザ光を励起光としているので、高い放射束を得ることができる。また、蛍光も可視光であるため、作業者に良好な作業環境を提供することができる。

なお、本例では、光源３１としてレーザダイオードを用いたが、無論、ＬＥＤなど、他の光源でもよい。

以上のように、本実施の形態にかかるパターン照射装置２０によれば、高い光出力を得られるとともに、サイズ及びコストを小さくすることができ、かつ複雑な制御を必要とすることなく投射画像を切り替え可能である。さらに、パターン照射装置２０は、作業者に良好な作業環境を提供することができる。本例では光源３１を一つとしたが、これに限るものではなく、複数の光源３１を並べて配置してもよい。本例では光源３１を複数並べることで容易に青光も蛍光も放射束を上げることが可能である。

図６（ａ）,図６（ｂ）にパターン照射装置２０の制御例を示す。図６（ａ）について説明する。光源３１は常にＯＮとする。簡単のため、反射／透過ホイールの反射領域６２と透過領域６１のサイズは同じ、つまり、セグメント角度をそれぞれ１８０°とするが、これに限定するものではない。１例として、パターン部３８によるパターン（図６ではパターン１とする）は距離認識精度を向上するランダムパターンとし、パターン部４７によるパターン（図６ではパターン２とする）はワークを高輝度で照射する無地である。導光部３４の反射／透過ホイールの１回転を１周期とする。反射／透過ホイールの反射領域６２が光軸にある時間は、光源３１から出射した光はパターン１を照射する。よって投射面にはランダムパターンが投射されるため、これと同期してステレオカメラ等で撮影することにより精度よく距離情報を得ることができる。

次に、導光部３４の反射／透過ホイールの透過領域６１が光軸にある時間は光源３１から出射した光はパターン部４７を照射する。よって、投射面には無地が投射される。これと同期してステレオカメラなどで撮影することで、精度よくエッジ検出を行うことができる。図６（ａ）のように制御することで、距離認識とエッジ検出の精度どちらも向上できるシステムとなり、これらの情報を元に行われるロボットピッキングも高精度となる。なお、距離認識とエッジ検出は異なるカメラを用いてももちろんよい。本システムならばランダムパターン及び無地とも高い出力でワークを照射することができるため、黒ワークなど、反射率の低いワークであっても精度よく認識することができる。

次に図６（ｂ）を説明する。図６（ｂ）においては、導光部３４の反射／透過ホイールの反射領域が光軸にある時間のみ光源３１をＯＮさせる。距離認識のみが必要な場面では、このように制御することでランダムパターンのみを投射することができる。また、反射／透過ホイールの透過領域６１が光軸にある時間は光源３１をＯＦＦするので、結果として光源３１の点灯時間が短くなり、光源３１の長寿命化が可能となる。

また、本実施の形態では、パターン部３８によるパターン（図６ではパターン１とする）とパターン部４７によるパターン（図６ではパターン２とする）を同じにすることで投射する光の色のみを変えることもできる。例えば距離認識において、パターン１、２ともランダムパターンとして、ワークの分光反射率に応じて、反射率の高い波長の光を照射することで、ステレオカメラなどが多くのワーク反射光を取り込むことができ、高い認識精度を得ることが可能である。

また、導光部３４に反射領域６２と透過領域６１に加えてハーフミラー領域を備えることも考えられる。ハーフミラー領域とは、例えば光源３１の光の５０％を反射、５０％を透過する領域である。例えばパターン部３８、４７を異なるランダムパターンとすれば、ハーフミラー領域で透過光路と反射光路に同時に光を導くことでパターン部３８とパターン部４７を合成した第３のランダムパターンを投射することも可能である。ワークに応じて最適なパターンを投射することで汎用性の高いパターン照射装置２０となる。

(実施の形態２)
図７は、実施の形態２にかかるパターン照射装置２０の構成を示す説明図である。本例のパターン照射装置２０は、図４の蛍光部４１に対して可動蛍光部５０を備える点で、実施の形態１と異なる。したがって、図７では、図４と同様な機能を有する構成部品については図４と同一符号を付して説明する。

可動蛍光部５０は、光が照射される部分を変更させることが可能な反射型の蛍光部である。可動蛍光部５０は、ダイクロイックミラー４３を通過した光源３１からの光を励起光として蛍光を発する。可動蛍光部５０で発した蛍光は実施の形態１と同様にダイクロイックミラー４３、ミラー４５を反射し、ライトトンネル４６で均一化されパターン部４７を照射し、パターン部４７の模様は投射面に拡大投影される。駆動部５１は、可動蛍光部５０における光が照射される部分を変更させる。

図８は、可動蛍光部５０及び駆動部５１の一例を示す説明図である。可動蛍光部５０は、一例として、基板５０ａと、蛍光体５０ｃとを含む。基板５０ａは、光を反射する部材であって、例えば、誘電体多層膜または金属膜等の反射コーティング膜が表面に形成されており、中心軸５０ｂを中心として回転可能である。

蛍光体５０ｃは、基板５０ａの周縁部分にリング状に設けられる。蛍光体５０ｃは、一部分に、集光レンズ４２により集光された光を入射して、入射した光を励起光として蛍光を発する。

駆動部５１は、基板５０ａの中心軸５０ｂを中心に、可動蛍光部５０を回転駆動する。これにより、駆動部５１は、リング状の蛍光体における、集光レンズ４２により集光されたレーザ光が照射される部分を変更させることができる。

このように実施の形態２にかかるパターン照射装置２０は、可動蛍光部５０における光が照射される部分を変更させることができる。これにより、実施の形態２にかかるパターン照射装置２０は、可動蛍光部５０の同一の部分にレーザ光を長時間集中して照射することによる劣化を防止することができる。

なお、可動蛍光部５０は、リング状の蛍光体が回転可能に設けられた構成でなくてもよい。例えば、可動蛍光部５０は、長尺状の蛍光体が、長手方向に沿って往復移動可能に設けられた構成であってもよい。また、可動蛍光部５０は、多角形状の蛍光体または長円状の蛍光体が設けられた構成であってもよい。また、可動蛍光部５０は、基板５０ａ及び蛍光体５０ｃを含む構成に代えて、蛍光体セラミックスを用いた構成であってもよい。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３にかかるパターン照射装置２０の構成を示す説明図である。本例のパターン照射装置２０は、２つの異なる特性を有する光源３１ａと光源３１ｂを備える点で他の実施の形態と異なる。光源３１ａは例えば青色レーザダイオードである。光源３１ｂは例えば緑色ＬＥＤである。

図９について光源３１ａから出射する光の光路を説明する。光源３１ａから出射した光はコリメータレンズ３２で平行光束とされ、透過拡散板３６で拡散されてライトトンネル３７に入射する。ライトトンネル３７に入射した光は均一化されてパターン部３８を照射する。ダイクロイックミラー３９は青色を透過し、緑色を反射する。パターン部３８を照射した光はダイクロイックミラー３９を通過し、投射光学系４０によって投影面に拡大投影される。

次に図９について光源３１ｂから出射する光の光路を説明する。光源３１ｂから出射した光はコリメータレンズ４９で平行光束とされ、ライトトンネル４６に入射する。ライトトンネル４６に入射した光は均一化されてパターン部４７を照射する。その後、ダイクロイックミラー３９を反射して投射光学系４０で拡大投影される。

なお、光源３１ａ，３１ｂは本例に限るものではなく、例えば光源３１ｂもレーザダイオードであってもよい。その場合、ライトトンネル４６の前に透過拡散板３６を配置することで、均一な照明光を得ることができる。また、波長が異なれば光源３１ａ，３１ｂとも同じ色であってもダイクロイックミラー３９で合成することができる。また、光源３１ａ，３１ｂのどちらか一方または両方が紫外光・赤外光であっても、ステレオカメラ等の認識装置が撮影できればよい。

図１０に実施の形態３での光源制御例を示す。１例として、パターン部３８によるパターン(図１０ではパターン１とする)は距離認識精度を向上するランダムパターンとし、パターン部４７によるパターン(図１０ではパターン２とする)はワークを高輝度で照射する無地とする。

はじめに図１０（ａ）を説明する。光源３１ａがＯＮかつ光源３１ｂがＯＦＦの時間はパターン１によるランダムパターンが投射面に投影されることとなり、これと同期させてステレオカメラ等で撮影することで距離認識することができる。

また、光源３１ｂがＯＮかつ光源３１ａがＯＦＦの時間はパターン２による無地のパターンが投射面に投影されることになり、これと同期させてステレオカメラ等で撮影することで対象物１１のエッジを検出することができる。この光源３１ａをＯＮかつ光源３１ｂをＯＦＦ及び光源３１ｂをＯＮかつ光源３１ａをＯＦＦする組み合わせを１周期として周期的に光源３１ａ及び光源３１ｂの点灯を制御する。

図１０（ａ）のように制御することで、距離認識とエッジ検出の精度を両方とも向上できるシステムとなり、これらの情報を元に行われるロボットピッキングも高精度となる。

図１０（ｂ）は、実施の形態３の構成で投射モードを切り替える例である。モード１は常に光源３１ａをＯＮ、光源３１ｂをＯＦＦする。よって、モード１は常にランダムパターンを投射するモードである。モード２は常に光源３１ａをＯＦＦ、光源３１ｂをＯＮする。よって、モード２は常に無地を投射するモードである。モード３は常に光源３１ａ，３１ｂともＯＮする。よって、モード３はランダムパターンと無地を合成して投射するモードである。

モード３においては、ランダムパターンに無地を重ね合わせることでモード１に比べ更に高輝度照明が可能となり、低反射率ワークに対しても精度よく距離認識することができる。モード３において、パターン１，２とも無地としてもよい。これにより、モード２に比べてさらに高輝度な無地照明となり、低反射率ワークに対しても精度よくエッジ検出することができる。パターン１，２とも同じランダムパターンとしてもよい。これにより、高輝度照明を実現しつつ、パターンの透過部は光源３１ａ，３１ｂの光とも透過し、遮光部では光源３１ａ，３１ｂの光とも遮光されるので、コントラストの高いランダムパターンを照射することができる。パターン１，２を異なるランダムパターンとしてもよい。これにより、モード３ではパターン１，２のそれぞれのランダムパターンを重ね合わせた第３のランダムパターンを生成することができる。

ワークによって上記モードを切り替える、すなわち最適なランダムパターンを選択することができるので、汎用性の高いパターン照射装置２０となる。また、シーンによって最適なモードを変えることで、消灯する光源もあるので、光源寿命を長くすることができる。なお、図１０(ｂ)で説明したモード３の制御を図１０（a）に搭載してもよい。

（実施の形態４）
図１１は、実施の形態４にかかるパターン照射装置の構成を示す説明図である。本例のパターン照射装置２０は、投射光学系４０の前段の合流手段を導光部３４ｂとした点で他の実施の形態と異なる。本例では導光部３４ａ，３４ｂとも反射／透過ホイールとする。

導光部３４ａの反射領域６２が光源から出射する光の光軸に位置する時間の光路を説明する。光源３１からの光はコリメータレンズ３２で平行光束とされ、集光レンズ３３で集光されて導光部３４ａを反射する。その後、コリメータレンズ３５で平行光束とされて透過拡散板３６で拡散され、ライトトンネル３７で均一化されてパターン部３８を照射する。

導光部３４ａの反射領域６２が光軸に位置する間、導光部３４ｂの透過領域６１が光軸に位置する。よって、パターン部３８を照射した光は導光部３４ｂを透過し、投射光学系４０で投射面に拡大投影される。本例において、導光部３４ａの反射セグメント角と導光部３４ｂの透過セグメント角は等しく、導光部３４ａの透過セグメント角と導光部３４ｂの反射セグメント角は等しい。

導光部３４ａの透過領域６１が光源から出射する光の光軸に位置する時間の光路を説明する。導光部３４ａを透過した光はコリメータレンズ４８で平行光束とされ、ミラー４３，４５を反射して透過拡散板４４に入射する。ここで、ミラー４３，４５は光源３１からの光を高効率に反射する誘電体多層膜または金属膜等の反射コーティング膜が表面に形成されている。透過拡散板４４で拡散された光はライトトンネル４６で均一化され、パターン部４７に照射する。導光部３４ａの透過領域６１が光軸に位置する間、導光部３４ｂの反射領域６２が光軸に位置する。パターン部４７を照射した光は導光部３４ｂを反射し、投射光学系４０で拡大投影される。

本実施の形態ならば、パターン部３８、パターン部４７とも光源３１の光で投射面に拡大投影される。よって、光源３１を例えば放射束の高い青色レーザダイオードとすれば、パターン部３８、パターン部４７とも高出力で投射面に投影することができる。また、光源３１が１箇所にしか配置されていないため、光源３１を複数配置することで容易に高出力化が可能である。

このように、光路合流部として導光部３４ｂを有する。これにより１つの投射光学系４０で投射画像を切り替えることが可能となる。

なお、導光部３４ａ，３４ｂはこれに限られるものではない。透過領域と反射領域を有する板を直線方向に振動させてもよいし、ガルバノミラーで光路を切り替えてもよい。ガルバノミラーを用いて光路を切り替えることにより、投射画像を切り替えることができる。

図１２に実施の形態４での光源制御例を示す。１例として、パターン部３８によるパターン（図１２ではパターン１とする）は距離認識精度を向上するランダムパターンとし、パターン部４７によるパターン（図１２ではパターン２とする）はワークを高輝度で照射する無地とする。上述の通り、反射／透過ホイール１（導光部３４ａ）の反射領域が光軸に位置する間は反射／透過ホイール２（導光部３４ｂ）の透過領域が光軸に位置するようにする。これにより反射／透過ホイール１の透過領域が光軸に位置する間は反射／透過ホイール２の反射領域が光軸に位置するように同期制御することで、パターン１とパターン２を切り替えて投射することができる。また、図６(ｂ)のようにパターン部３８，４７のいずれか一方のみを投射するよう光源３１を制御することで光源３１の長寿命化も可能である。

なお、本実施の形態で説明した導光部３４ｂで光を合流する方法を実施の形態３に適用してもよい。これにより、光源３１ａ（図１０では光源１とする）と光源３１ｂ（図１０では光源２とする）が同じであってもパターン１とパターン２の切り替えが可能となる。

（実施の形態５）
図１３は、実施の形態５にかかるパターン照射装置２０の構成を示す図である。本例のパターン照射装置２０は、投射光学系４０ａ，４０ｂというように２つ備える点で他の実施の形態と異なる。本例では導光部３４を反射／透過ホイールとする。

導光部３４の反射領域６２が光軸に位置するときの光路について説明する。光源３１は例えば青色レーザダイオードである。光源３１から出射した光はコリメータレンズ３２で平行光束とされ、集光レンズ３３で集光されて導光部３４に入射する。導光部３４で反射した後にコリメータレンズ３５で平行光束とされ、透過拡散板３６で拡散される。拡散した光はライトトンネル３７で均一化され、パターン３８を照射する。パターン３８の模様は投射光学系４０ａにより投射面に拡大投影される。

次に導光部３４の透過領域６１が光軸に位置するときの光路について説明する。導光部３４を透過した光はコリメータレンズ４８で平行光束とされ、ミラー４５を反射する。ここで、ミラー４５には光源３１からの光を高効率に反射する誘電体多層膜または金属膜等の反射コーティング膜が表面に形成されている。ミラー４５を反射した光は透過拡散板４４で拡散され、ライトトンネル４６で均一化され、パターン部４７を照射する。パターン部４７の模様は投射光学系４０ｂにより投影面に拡大投影される。

本実施の形態では投射光学系４０ａ，４０ｂを備えるため、異なる仕様の投射光学系を使用することによりパターン部３８，４７の拡大倍率を変えることができる。これと図６(ｂ)に示した制御を行うことにより、使用する環境によって最適な投射サイズを選択することができる。もちろん、前述のとおりパターン部３８とパターン部４７とを違う模様にすることで例えば距離認識とエッジ検出を組み合わせて高精度なロボットピッキングをすることも可能である。

また、導光部３４に反射領域と透過領域に加えてハーフミラー領域を備えることも考えられる。ハーフミラー領域とは、例えば光源３１の光の５０％を反射、５０％を透過する領域である。これにより投射光学系４０ａ，４０ｂに同時に光を導くことも可能である。これと、例えばパターン部３８とパターン部４７を異なるランダムパターンとすることで、パターン部３８とパターン部４７を組み合わせた第３のランダムパターン（合成パターン）を投射することも可能である。ワークに応じて最適なパターンを投射することで汎用性の高いパターン照射装置２０となる。

このように上述した各実施の形態では、光路切り替え機構によって光源３１から出射した光を異なる光路に導き、それぞれの光路で異なるパターン部３８，４７に光が照射された後に拡大投射する。したがって、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）や液晶パネルを用いる場合のような複雑な制御を必要とすることなく、投射画像を切り替えることができる。すなわち、高い光出力を得られるとともに、サイズ及びコストを小さく、かつ複雑な制御を必要とすることなく投射画像の切り替えが可能となる。

光源３１は、点光源であるレーザダイオードを用いることにより、レンズなどの光学部品を小さくでき、小型な照射装置とすることができる。

また、光源３１は、青色レーザダイオードを用い、比較的高い放射束の光源を使うことで、高出力な照射装置とすることができる。

導光部３４は、反射領域６２と透過領域６１を有する反射／透過ホイールとし、ホイールを回転することで光路を切り替えて、投射画像を切り替えることができる。

さらに、光源３１と異なる光路にある第２の光源を有し、導光部３４は２つの光源の点灯制御とする。２つの光源の点灯制御により、投射する画像を切り替えることができる。

導光部３４は、反射領域と透過領域を有する板であり、透過領域と反射領域の境界に直交する方向に振動する。板を振動することで光路を切り替えることができ、投射画像を切り替えることができる。

導光部３４は、さらに反射光路と透過光路の両方に光を導く時間を有する。複数のパターンを同時に照射することで第３のパターンを生成することができる。

導光部３４は、ガルバノミラーである。ガルバノミラーで光路を切り替えることができ、投射画像を切り替えることができる。

導光部３４で切り替えられるそれぞれの光路に投射光学系を有するため、投射画像を切り替えることができる。さらに、異なる仕様の投射光学系にすればそれぞれの光路で拡大倍率を変えることができる。

導光部３４で切り替えられる光路の少なくとも一方に蛍光体を備える。投射光の色を変えることができるため、ワークの分光反射率に応じて高い反射率の光を照射することで認識部１０５において多くの光を取り込むことができ、高精度な認識が可能となる。また、光路合流部にダイクロイックミラーを用いることで容易に合流が可能である。

光路合流部（図１１の導光部３４ｂ参照）は、反射／透過ホイールであり、導光部３４ａと同期される光源の光をそのまま用いて複数の画像を投射できるため、効率のよい照射装置となる。

また、システムとして、上述したパターン照射装置２０と、撮影処理部１０４と、認識部１０５と、を有する。撮影処理部１０４は、パターン照射装置２０により光が照射された投影面である対象物１１を撮影し、所定の画像処理を行う。認識部１０５は、撮影処理された画像から、対象物１１までの距離を測定し、当該対象物のエッジを検出する。本システムにより、対象物までの距離かエッジかその両方を精度よく測定できるシステムとなる。

さらに上記システムは、対象物１１を操作するロボット（操作部）１３と、対象物１１の位置及び姿勢を認識し、当該対象物の位置及び姿勢に基づきロボット１３の動作を制御して、ロボット１３に対象物を操作させるロボット制御部１０６と、を備える。本システムにより、対象物１１までの距離かエッジかその両方を精度よく測定した情報を基にした高精度のロボットピッキングシステムとなる。

なお、距離測定に適したパターンや、エッジ検出の精度向上に適したパターンなど、投射したパターンを撮像装置で撮像して取得した画像を処理するに適したパターンとするため、認識対象となる対象物１１の大きさ、材質、色などで切り替えてもよい。

ところで、本実施の形態で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供される。また、上記プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供してもよい。

さらに、本実施の形態で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、本実施の形態で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。

本実施の形態で実行されるプログラムは、上述した各部を含むモジュール構成となっている。実際のハードウェアとしてはＣＰＵ（プロセッサ）が上記ＲＯＭからプログラムを読み出して実行することにより上記各部が主記憶装置上にロードされ、各部が主記憶装置上に生成されるようになっている。

１０ ハンドリングシステム
１１ 対象物
１３ ロボット
２０ パターン照射装置
２１ 三次元測定装置
２２ 認識装置
２３ ロボットコントローラ
３１，３１ａ，３１ｂ 光源
３４，３４ａ，３４ｂ 導光部
３８，４７ パターン部
３９，４３ ダイクロイックミラー
４０，４０ａ，４０ｂ 投射光学系
４１ 蛍光部
５０ 可動蛍光部
５１ 駆動部
６１ 透過領域
６２ 反射領域
１０１ 光源制御部
１０２ 切替部
１０３ 照射制御部
１０４ 撮影処理部
１０５ 認識部
１０６ ロボット制御部

特開２００６−１１９４４０号公報

Claims (16)

1. 光源の点灯を制御する光源制御部と、
   前記光源の光を第１のパターン部に導いてパターン光を生成する第１の光路と、前記光源の光を前記第１のパターン部とは異なる第２のパターン部に導いてパターン光を生成する前記第１の光路とは異なる第２の光路とを切り替える切替部と、
   前記第１のパターン部及び前記第２のパターン部で生成されるパターン光をそれぞれ所定のタイミングで投影面に投射光学系を介して拡大照射する照射制御部と、
   を備えることを特徴とするパターン照射装置。
2. 前記切替部は、反射領域面と透過領域面とを有する回転体であり、
   前記切替部は、前記光源の光を前記回転体の回転により反射光路と透過光路とを形成して前記第１の光路と前記第２の光路とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載のパターン照射装置。
3. 前記切替部は、反射領域面と透過領域面とを有する板状体であり、
   前記切替部は、前記光源の光を前記板状体の透過領域面と反射領域面の境界に直交する方向に振動させて反射光路と透過光路とを形成して前記第１の光路と前記第２の光路とを切り替えることを特徴とする請求項１に記載のパターン照射装置。
4. 前記光源は、レーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のパターン照射装置。
5. 前記光源は、青色レーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載のパターン照射装置。
6. 前記光源は、前記第１の光路及び前記第２の光路それぞれに備えられることを特徴とする請求項１，４，５の何れか一つに記載のパターン照射装置。
7. 前記切替部は、反射光路と透過光路の両方に同時に光を導き、前記第１のパターン部及び前記第２のパターン部を同時に照射し、前記第１のパターン部と第２のパターン部により生成されるパターンを合成して合成パターンを生成することを特徴とする請求項１に記載のパターン照射装置。
8. 前記切替部は、ガルバノミラーであることを特徴とする請求項１，４，５の何れか一つに記載のパターン照射装置。
9. さらに、前記第１の光路及び前記第２の光路を経た光を合流させ、前記投射光学系に入射する光路合流部を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一つに記載のパターン照射装置。
10. 前記第１の光路及び前記第２の光路それぞれに投射光学系を有することを特徴とする請求項１〜８の何れか一つに記載のパターン照射装置。
11. 前記第１の光路及び前記第２の光路の少なくとも一方に蛍光体を有することを特徴とする請求項９または１０に記載のパターン照射装置。
12. 前記光路合流部は、前記切替部の動作と同期して回転駆動される反射／透過ホイールであることを特徴とする請求項９に記載のパターン照射装置。
13. 請求項１〜１２の何れか一つに記載のパターン照射装置と、
    前記パターン照射装置により光が照射された前記投影面である対象物を撮影し、所定の画像処理を行う撮影処理部と、
    前記撮影処理された画像から、前記対象物までの距離または当該対象物のエッジ検出またはその両方を行う認識部と、
    を備えることを特徴とするシステム。
14. 対象物を操作する操作部と、
    前記認識部により前記対象物の位置及び姿勢を認識し、当該対象物の位置及び姿勢に基づき前記操作部の動作を制御して、前記操作部に前記対象物を操作させる操作制御部と、
    を備えることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 光源の点灯を制御する光源制御工程と、
    前記光源の光を第１のパターン部に導いてパターン光を生成する第１の光路と、前記光源の光を前記第１のパターン部とは異なる第２のパターン部に導いてパターン光を生成する前記第１の光路とは異なる第２の光路とを切り替える切替工程と、
    前記第１のパターン部及び前記第２のパターン部で生成されるパターン光をそれぞれ所定のタイミングで投影面に投射光学系を介して拡大照射する照射制御工程と、
    前記パターン光が照射された前記投影面である対象物を撮影し、所定の画像処理を行う撮影処理工程と、
    前記撮影処理された画像から、前記対象物までの距離を測定または当該対象物のエッジ検出またはその両方を行う認識工程と、
    前記認識工程により前記対象物の位置及び姿勢を認識し、当該対象物の位置及び姿勢に基づき操作部の動作を制御して、前記操作部に前記対象物を操作させる操作制御工程と、
    を含むことを特徴とする操作方法。
16. 光源の点灯を制御する光源制御ステップと、
    前記光源の光を第１のパターン部に導いてパターン光を生成する第１の光路と、前記光源の光を前記第１のパターン部とは異なる第２のパターン部に導いてパターン光を生成する前記第１の光路とは異なる第２の光路とを切り替える切替ステップと、
    前記第１のパターン部及び前記第２のパターン部で生成されるパターン光をそれぞれ所定のタイミングで投影面に投射光学系を介して拡大照射する照射制御ステップと、
    前記パターン光が照射された前記投影面である対象物を撮影し、所定の画像処理を行う撮影処理ステップと、
    前記撮影処理された画像から、前記対象物までの距離または当該対象物のエッジ検出またはその両方を行う認識ステップと、
    前記認識ステップにより前記対象物の位置及び姿勢を認識し、当該対象物の位置及び姿勢に基づき操作部の動作を制御して、前記操作部に前記対象物を操作させる操作制御ステップと、
    をコンピュータに実行させるためのプログラム。

Images