JP7501309B2

JP7501309B2 - 光学装置、計測装置、ロボット、電子機器および造形装置

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Publication number: JP7501309B2
Application number: JP2020180746A
Authority: JP
Inventors: 優樹阿部; 芳彦三木; 直紀福岡; 和洋米田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2024-06-18
Anticipated expiration: 2040-10-28
Also published as: JP2022071666A

Description

本発明は、光学装置、計測装置、ロボット、電子機器および造形装置に関する。

近年、例えばプロジェクタ（投影装置）から被計測物体に投影されたパターン光をカメラ（撮影装置）で撮影して得られた撮影画像から三次元形状を復元して、被計測物体の寸法を三次元計測できる三次元計測装置が知られている。このような投影装置は、光偏向素子としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーなどの可動ミラーを備えている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、従来、可動ミラーを用いた三次元計測装置と被計測物体との間隔が短い場合、同一範囲を測定する場合には、発光素子の出射角度を広げる必要があることが分かっている。

このように広がり角を大きくするためには、発光素子からの入射光線の広がり角を大きくするか、または光学系の倍率によって広げる必要がある。現実的には、発光素子からの入射光線の広がり角は容易に調節できないので、光学系の倍率によって広がり角を拡大する必要がある。しかしながら、光学系の倍率によって広がり角を拡大すると、後方焦点距離が短くなる懸念がある。また、三次元計測装置には、小型な光学長が求められている。

一方、計測の精度を良くするためには、投影画像を高解像度にしてさらに輝度を高める必要があるので、可動ミラーは高速に光を走査する必要がある。高速に光を走査するための解決策の一つとして可動ミラーの小型化がある。可動ミラーの小型化に伴い、反射面を最小としようとした場合、可動ミラーを設ける位置としては焦点位置が最小となる。しかしながら、焦点距離が短い場合、可動ミラーが振動した時に最終レンズと接触してしまう懸念や、光学系を収納するモジュールと可動ミラーを収納する光偏向モジュールとの取り合いが狭くなり設置がしにくいという懸念があった。

特に、回転振動する可動ミラーであるＭＥＭＳミラーでパターン光を反射させて走査する光学系においては、ＭＥＭＳミラーが回転振動するので反射面の振幅の寸法分のバックフォーカスの確保という点で改善の余地があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光を回転振動する光偏向素子により走査する光学系において、光偏向素子の反射面の振幅の寸法分のバックフォーカスを確保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、所定の間隔で複数の発光素子が配列された面状の光源と、前記複数の発光素子から照射される複数の光をそれぞれ所定の形状の光に変換する光学系と、前記光学系により形状が変換された光を偏向する光偏向素子と、を備え、前記光源は、光軸方向で前記光学系の焦点位置よりも前記光学系側に配置され、前記光源による像の結像位置は、光軸方向で、前記光源を前記光学系の焦点位置に設けたときの前記光源による像の結像位置よりも前記光学系側とは対向する側に位置し、前記複数の光の主光線方向は、互いに平行に前記光偏向素子へ入射される、ことを特徴とする。

本発明によれば、光を回転振動する光偏向素子により走査する光学系において、光偏向素子の反射面の振幅の寸法分のバックフォーカスを確保することができる、という効果を奏する。

図１は、第１の実施の形態の三次元計測装置のブロック図である。図２は、第１の実施の形態の三次元計測装置により、対象物に計測用パターンが投影されている状態を示す図である。図３は、投影装置及びカメラ装置を拡大して示す図である。図４は、光偏向素子の一例であるＭＥＭＳミラーの構成を示す図である。図５は、光学系の構成を示す図である。図６は、三次元計測装置の制御部の機能構成を示す図である。図７は、一般的な光源と光学系と光偏向素子との配置例を示す概念図である。図８は、垂直方向の光学系の詳細配置を示す概念図である。図９は、焦点距離を変更した場合の光学的変化を説明するための図である。図１０は、物体面（光源）を変更した場合の像面位置の変化を説明するための図である。図１１は、従来の垂直方向光学系を例示的に示す図である。図１２は、第１の実施の形態に係る垂直方向光学系を例示的に示す図である。図１３は、第２の実施の形態に係るロボットの多関節を有するロボットアームを示す図である。図１４は、第３の実施の形態に係る三次元計測装置が設けられたスマートフォンを示す図である。図１５は、第４の実施の形態に係る三次元計測装置が設けられた３Ｄプリンタ装置の斜視図である。

以下に添付図面を参照して、光学装置、計測装置、ロボット、電子機器および造形装置の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態は、パターン投影法を用いて対象物の三次元計測を行う三次元計測装置である。図１は、第１の実施の形態の三次元計測装置のブロック図である。また、図２は、第１の実施の形態の三次元計測装置により、対象物に計測用パターンが投影されている状態を示す図である。

図１に示すように、第１の実施の形態の三次元計測装置１は、計測装置の一例であり、計測情報取得ユニット２０及び制御ユニット３０を有する。

計測情報取得ユニット２０は、図１及び図２に示すように、投影装置１０及びカメラ装置２１を有する。図１に示す投影装置１０は光学装置の一例であり、垂直共振器面発光レーザアレイ（ＶＣＳＥＬアレイ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）１１、光学系１２、光偏向素子１３を有する。また、ＶＣＳＥＬアレイは、光源の一例である。ＶＣＳＥＬアレイを光源とすることにより、発光間隔を細かくでき、かつ、集光点を複数形成することができる。

ここで、図３は投影装置１０及びカメラ装置２１を拡大して示す図である。図３に示すように、投影装置１０は、光源基板１０ａと、光学系モジュール１０ｂと、光偏向器モジュール１０ｃとを備える。

光源基板１０ａは、発光素子である複数のＶＣＳＥＬを所定の間隔で配列したＶＣＳＥＬアレイ１１を実装した基板である。

光学系モジュール１０ｂは、光学系１２を固定する治具であって、光学系１２を収納している。光学系１２は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子からの光をそれぞれ所定の形状の光に変換する。所定の形状の光とは、例えば縦横比が異なるような線状や縦横比が略同一の正方形状、または円状や楕円状などが挙げられる。

光偏向器モジュール１０ｃは、光学系モジュール１０ｂからのライン光を偏向する光偏向素子１３を固定するための治具であって、光偏向素子１３を収納している。光偏向素子１３は、例えば、可動ミラーであるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーである。図３に示すように、光偏向器モジュール１０ｃは、光偏向素子１３を光軸に対して斜めに配置する。

図１に戻り、計測情報取得ユニット２０は、制御ユニット３０の制御部３１の制御に従い、ＶＣＳＥＬアレイ１１の複数の発光素子の光を光偏向素子１３により偏向させて計測領域の対象物に投影する。制御部３１は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子の輝度と点灯タイミングを制御することで、図２に示すように、対象物１５を含む計測領域全体に所定の計測用パターンの投影光１４を投影する。

計測用パターンとしては、一例ではあるが、ＶＣＳＥＬアレイ１１の発光素子の点灯及び消灯（オン／オフ）を制御することで、白黒のグレイコードパターン等の所定の投影パターンが投影される。図１では、ＶＣＳＥＬアレイ１１の光をライン状へとするための光学系１２が光源部とは独立して設けられているが、光源部に含まれていてもよい。

カメラ装置２１は、投影装置１０が対象物に投影する投影光１４の投影中心３００が撮像領域４０の略中心となるように固定された位置及び角度で、上述の計測領域を撮像する。

カメラ装置２１は、撮像手段の一例であり、受光光学系であるレンズ２１０、撮像素子２１１を有する。撮像素子２１１としては、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）のイメージセンサ等を用いることができる。カメラ装置２１に入射した光は、レンズ２１０を介して撮像素子２１１上に結像して光電変換される。撮像素子２１１で光電変換により生成された画像信号は、制御ユニット３０の演算処理部３２に供給される。

レンズ２１０には、ＶＣＳＥＬアレイ１１の発光波長を透過する狭帯域のフィルタを用いてもよい。これにより、計測時の周辺光（蛍光灯などの外乱となる光）の影響を抑え、精度の良い計測を可能とすることができる。なお、レンズ２１０の前段に狭帯域フィルタを設けてもよい。この場合も、同じ効果を得ることができる。

制御ユニット３０は、計測手段の一例である。制御ユニット３０は、投影装置１０によって、計測用パターン光の投影制御及びカメラ装置２１による撮像制御等を行い、カメラ装置２１が撮像した画像に関する情報に基づいて、計測対象の三次元計測等の演算処理を行う。なお、制御部３１は、投影装置１０が投影する計測用パターン光を別のパターン光に切り替える制御を行ってもよい。また、制御部３１は、演算処理部３２が三次元座標の算出に用いるキャリブレーション情報を出力制御してもよい。

制御ユニット３０の演算処理部３２は取得部の一例であり、供給された画像に関する情報に基づいて、対象物１５の三次元形状に対応する三次元座標、又は、三次元座標に関する情報を算出（計測）する。演算処理部３２は、算出された三次元形状を示す三次元形状情報を、制御部３１の制御に従ってパーソナルコンピュータ装置等の外部機器に出力してもよい。

なお、図１は、制御ユニット３０に対して１組の計測情報取得ユニット２０が設けられている例であるが、制御ユニット３０に対し複数組の計測情報取得ユニット２０を設けてもよい。また、図１では計測情報取得ユニット２０と制御ユニット３０が独立して設けられている例であるが、制御ユニット３０の一部または全てが計測情報取得ユニット２０に含まれていてもよい。

（光偏向素子の構成）
光偏向素子１３は、一軸又はそれ以上の軸方向に回動してレーザ光を偏向走査可能な可動ミラーとなっている。可動ミラーとしては、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー、ポリゴンミラー又はガルバノミラー等が知られているが、レーザ光を一軸又はそれ以上の軸方向に回動して光を偏向走査できれば、どのような光偏向素子を用いてもよい。その中でも、小型化及び軽量化を図ることができる点で、ＭＥＭＳミラーを用いることが好ましい。

光偏向素子１３は、例えば光学系１２により形成されたライン状の投影光１４を、対象物１５上に一軸走査し、このライン状の投影光１４を光走査することで、２次元面状の投影パターンを形成する。

図４は、光偏向素子１３の一例であるＭＥＭＳミラーの構成を示す図である。この図４に示すように、ＭＥＭＳミラーは、支持基板１３１に、可動部１３２と二組の蛇行状梁部１３３とを有する。

可動部１３２は反射部１３２０を備えている。二組の蛇行状梁部１３３は、それぞれ一端が可動部１３２に連結され、他端が支持基板１３１で支持されている。二組の蛇行状梁部１３３は、それぞれミアンダ形状の複数の梁部からなり、共に、第１の電圧の印加により変形する第１の圧電部材１３３１と、第２の電圧の印加により変形する第２の圧電部材１３３２とを各梁部に１つおきに有する。

第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２と隣り合う梁部ごとに独立に設けられている。二組の蛇行状梁部１３３は、それぞれ第１の圧電部材１３３１及び第２の圧電部材１３３２に電圧を印加することで変形し、可動部１３２の反射部１３２０を回転軸周りに回転させる。

具体的には、第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２に逆位相となる電圧を印加し、各梁部に反りを発生させる。これにより、隣り合う梁部が異なる方向にたわみ、それが累積され、二組の蛇行状梁部１３３に連結する可動部１３２と共に反射部１３２０が回転軸を中心に往復回動する。さらに、回転軸を回転中心とする反射部共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２とに印加することで、低電圧で非常に大きな回転角度を得ることができる。

なお、駆動波形としては、上述の正弦波以外であっても、例えばノコギリ波等の他の波形でもよい。また、共振モードに限らず、非共振モードで駆動させてもよい。また、ＭＥＭＳミラーの駆動方式は、例えば静電式、圧電式又は電磁式等、いずれの駆動方式を用いてもよい。

（光学系の構成）
次に、光学系１２の構成について説明する。ここで、図５は光学系１２の構成を示す図である。図５（ａ）は水平方向の光学系を示し、図５（ｂ）は垂直方向の光学系を示す。

図５に示すように、投影装置１０は、光源であるＶＣＳＥＬアレイ１１から、光学系１２、光偏向素子１３の順に配置している。

図５に示すように、光学系１２は、第１水平レンズ１２ａ、第１垂直レンズ１２ｃ、ビームスプリッタ１２ｄ、第２水平レンズ１２ｅ、第２垂直レンズ群１２ｂを、ＶＣＳＥＬアレイ１１から順に配置している。なお、各レンズは、円筒状の形をしたシリンドリカルレンズであり、一方向にのみ集光性能を発揮する。

第１水平レンズ１２ａは、ＶＣＳＥＬアレイ１１から出射された平行光について、水平方向の光線の広がりを抑える。

第１垂直レンズ１２ｃは、ＶＣＳＥＬアレイ１１と第１垂直レンズ１２ｃとの間の距離を小さくする。

ビームスプリッタ１２ｄは、ＶＣＳＥＬアレイ１１から出射する光線はおおよそ平行光となるため、ＶＣＳＥＬアレイ１１から出射する光の光量検知用に設けられている。

第２水平レンズ１２ｅは、測定面（光偏向素子１３から約２００ｍｍ離れた位置）に光を集光させる。

第２垂直レンズ群１２ｂは、光偏向素子１３に最も近い位置に配置される。第２垂直レンズ群１２ｂは、２枚のレンズによって構成している。

（制御部の機能構成）
図６は、三次元計測装置１の制御部３１の機能構成を示す図である。演算処理部３２は、カメラ装置２１から供給された画像に関する情報を解析する。演算処理部３２は、画像に関する情報の解析結果と、キャリブレーション情報とを用いた演算処理により、三次元情報の復元処理を行い、これにより対象の三次元計測を実行する。演算処理部３２は、復元された三次元情報を制御部３１に供給する。

制御部３１は、システム制御部３１０と、パターン記憶部３１１と、光源駆動・検出部３１２と、光走査駆動・検出部３１３と、撮像制御部３１４とを有する。

光走査駆動・検出部３１３は、システム制御部３１０の制御に従い光偏向素子１３を駆動する。システム制御部３１０は、光偏向素子１３に照射された光を対象物１５に照射するように、光走査駆動・検出部３１３を制御する。撮像制御部３１４は、システム制御部３１０の制御に従いカメラ装置２１の撮像タイミング及び露光量を制御する。

光源駆動・検出部３１２は、システム制御部３１０の制御に従いＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子の点灯及び消灯を制御する。また、光源駆動・検出部３１２は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の発光量をモニタリングしており、環境変化又は光源の劣化が生じた際でも一定の光量になるようにフィードバック制御を行う。

パターン記憶部３１１は、例えば三次元計測装置１の不揮発性の記憶部に記憶されている計測用パターン光を形成するためのパターン情報を読み出す。パターン記憶部３１１は、システム制御部３１０の制御に従い、パターン情報を読み出してシステム制御部３１０に供給する。システム制御部３１０は、パターン記憶部３１１から供給されたパターン情報に基づき、光源駆動・検出部３１２を制御する。

システム制御部３１０は、演算処理部３２から供給された、復元された三次元情報に基づき、パターン記憶部３１１に対してパターン情報の読み出しを指示する。システム制御部３１０は、パターン記憶部３１１により読み出されたパターン情報に従い光源駆動・検出部３１２を制御する。

演算処理部３２、システム制御部３１０及び撮像制御部３１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）上で動作する計測プログラムにより実現する。具体的には、ＣＰＵは、ＲＯＭ（Read Only Memory）から計測プログラムを読み出して実行することにより、演算処理部３２、システム制御部３１０及び撮像制御部３１４を実現する。

なお、演算処理部３２、システム制御部３１０及び撮像制御部３１４のうち、一部又は全部をハードウェアで実現してもよい。また、演算処理部３２、システム制御部３１０及び撮像制御部３１４以外のブロックも計測プログラムで実現してもよい。

次に、光源の一例であるＶＣＳＥＬアレイ１１と光学系１２と光偏向素子１３との位置関係について説明する。

図７は、一般的な光源と光学系と光偏向素子との配置例を示す概念図である。図７（ａ）は、光源と水平側（上方）の光学系と光偏向素子の配置例を示し、図７（ｂ）は光源と垂直側（側方）の光学系と光偏向素子の配置例を示す。

図７（ａ）に示すように、一般的には、水平側の光学系に使われる水平用レンズは、光源と計測面を共役状態にする位置に配置する。また、図７（ｂ）に示すように、一般的には、垂直側の光学系に使われる垂直用レンズ（第１垂直レンズ、第２垂直レンズ）は、光源と光偏向素子を共役状態にする位置に配置する。これにより、最小サイズの光偏向素子によって伝搬する全光線を反射させることができる。

また、図７（ｂ）に示すように、垂直用レンズにおいては光源面から垂直に出射した光線を光偏向素子に垂直に入射する。これをテレセントリック光学系と呼び、これにより光偏向素子からの各光線は互いに重畳する。このようなテレセントリック光学系は、共役関係にある物点と像点は、物点を動かすと像点は同じ方向に動く。このとき、像点の移動量は、物点の移動量に光学系の倍率の２乗をかけた量だけ、物点の移動方向と同じ方向に移動する。

ここで、図８は垂直方向の光学系の詳細配置を示す概念図である。図７（ｂ）に示したように、垂直方向の光学系は２つ以上のレンズによって構成される。図８に示すように、第１垂直レンズと第２垂直レンズとの間は、第１垂直レンズの焦点距離ｆ_１と第２垂直レンズの焦点距離ｆ_２分とを足した分だけ離して配置する。このとき、図８において、第１垂直レンズから第２垂直レンズ側とは対向する側にｆ_１だけ離れた物体面（光源）と、第２垂直レンズから第１垂直レンズ側とは対向する側にｆ_２だけ離れた像面はお互いに共役の関係になる。これにより、物体面（光源）からの垂直に出る光線は、第１垂直レンズでレンズの焦点位置Ｐに向かう。そして、焦点位置Ｐから出た光線は第２垂直レンズを通過することによって、すべて平行光となる。その結果、像面に物体面（光源）から照射された光のすべてを第２垂直レンズに対して光線方向に垂直に到達させることができる。図８に示すように、光学系の全長Ｄは２ｆ_１＋２ｆ_２であり、光学系全体の光学倍率βはｆ_２／ｆ_１となる。なお、全長Ｄは、最終的に水平レンズやビームスプリッタを入れた時を想定した全体長である。

図９は、焦点距離を変更した場合の光学的変化を説明するための図である。図９（ａ）は、第２垂直レンズの焦点距離をｆ_２の位置にした場合における画角θ、像高ｈを示す。図９（ｂ）は、第２垂直レンズの焦点距離をｆ_２’（＜＜ｆ_２）にした場合における画角θ、像高ｈを示す。

像高と光学倍率β（ｆ_２／ｆ_１）には、次の関係がある。
ｈ_２＝ｈ_１×β
よって、焦点距離変更後の像高ｈ_２’を変更前の像高ｈ_２を用いると、
ｈ_２’＝ｈ_２×ｆ_２’／ｆ_２
と表せる。

また、画角θと光学倍率β（ｆ_２／ｆ_１）には、次の関係がある。
θ_１＝θ_２×β
そのため、レンズ変更後の画角θ_２’を変更前のθ_２を用いると、
θ_２’＝θ_２×f_２／ｆ_２’
と表せる。

そして、全長Ｄ’は、
２ｆ_１＋２ｆ_２’
に変更される。

上述のように、像高ｈ’と画角θ’と光学系の全長Ｄ’にはそれぞれｆ_２’が係っているため、ｆ_２’の変更だけでは３つの特性（像高ｈ，画角θ，全長Ｄ）は常にトレードオフの関係である。

図１０は、物体面（光源）を変更した場合の像面位置の変化を説明するための図である。図１０（ａ）は光学系における物体側の共役面に物体面を配置し、像側の共役面に像面を配置した図、図１０（ｂ）は、光学系における物体面側の共役面からの物体面を移動させたときに物体面から出た光が光学系を通過し、再び結像する位置に像面を配置した図を示す。

図１０（ｂ）において、光学系における物体側の共役面から物体面までの距離をｄａ、光学系における像側の共役面から像面までの距離をｄｂとする。このｄａとｄｂの関係は、
ｄａ＝ｄｂ／β^２
となることが知られている。そのため
Ｄ”＝２ｆ_１×２ｆ_２－ｄａ＋ｄｂ
＝２ｆ_１×２ｆ_２－（１－β^２）ｄａ（β＜１）
となることから、ｄａを大きくするほどＤ”を小さくすることができる。また、βを小さくするほど、Ｄ変化量は大きくなる。

この時の物体面（光源）から垂直に出た光が第１垂直レンズを通り、焦点位置Ｐに集光し、第２垂直レンズによって光軸と平行になることから、像高ｈ２”はもとのｈ２と一致する。また、画角θ”もラグランジュの法則によって、
ｈ_１×θ_１＝ｈ_２×θ_２
ｈ_２×θ_２＝ｈ_２”×θ_２”
となることから、
θ_２”＝θ_２
である。

上述のように、光学系の全長Ｄについては、物体面（光源）を変更することによって、他２つの特性（像高ｈ，画角θ）に影響なく変化させることが可能である。

図１１は、従来の垂直方向光学系を例示的に示す図である。図１１は、一般的に主光線が平行となるテレセントリック光学系を用いた光学系を示すものである。図１１に示す例のＶＣＳＥＬアレイは、広がり角８°の光線を出射するＶＣＳＥＬを、発光面と水平方向に３００μｍの等間隔で配置する。出射する光を広がり角２１°、間隔１１４μｍとなることを設計指針とした場合、光学系の倍率βは１／２．６となる。そこで、図１１に示す例では、第１垂直レンズにはｆ_１：１５ｍｍのレンズを適用し、第２垂直レンズには二つのレンズによってｆ_２：５．７ｍｍのレンズ群を適用する。

図１１に示す例では、光源の発光面から第１垂直レンズまでの距離を１５ｍｍ、第１垂直レンズと第２垂直レンズ群の距離を２０．７ｍｍ、第２垂直レンズ群から光偏向素子までの距離を５．７ｍｍになるように配置した。なお、実際には、レンズおよびレンズ群には厚みがあるため、最終レンズから光偏向素子までの距離は２．５ｍｍまで減少する。なお、実際には、水平用レンズやビームスプリッタなどを含めるため、これらを考慮した際の光学系の全長が４５．２ｍｍとなる。

この時、光偏向素子は、図１１において手前に光を反射させるための動作を行う必要があり、このとき、光偏向素子は、図１１に示すように斜めに配置される。そのため、光偏向素子のミラー面と第２垂直レンズとの間隔が狭くなる領域が生じる。このように光偏向素子のミラー面と第２垂直レンズとの間隔が狭くなる領域が生じると、光偏向素子が振動した際に、光偏向素子を固定する治具とレンズ固定治具とが接触してしまう懸念がある。

なお、図１１においては、光偏向素子が手前方向に向けて斜めに配置されていることを表すために、光偏向素子を台形で表現している。なお、このように表現したのは、光偏向素子のミラーに対して斜めから視るため台形に見えるからであり、光偏向素子のミラー自体は、例えば矩形形状である。

そこで、本実施の形態においては、光を回転振動する光偏向素子１３により走査する光学系において、光偏向素子１３の反射面の振幅の寸法分のバックフォーカスを確保する構成とし、光偏向素子が光学系を構成する部材へ接触しない信頼性の高い光学装置の構成である。この点について、以下において詳述する。

ここで、図１２は第１の実施の形態に係る垂直方向光学系を例示的に示す図である。図１２は、図１１に示した従来の垂直方向光学系よりも光源の発光面を共役位置から１１．２ｍｍ移動させた場合を示すものである。

なお、図１２においても図１１と同様に、光偏向素子１３が手前方向に向けて斜めに配置されていることを表すために、光偏向素子１３を台形で表現している。なお、このように表現したのは、光偏向素子１３のミラーに対して斜めから視るため台形に見えるからであり、光偏向素子１３のミラー自体は、例えば矩形形状である。

本実施の形態の光源部は、ＶＣＳＥＬアレイ１１である。ＶＣＳＥＬアレイ１１は、例えば波長が８００～１０００ｎｍのいずれかである近赤外光を発光する。図１２に示すＶＣＳＥＬアレイ１１は、広がり角８°の光線を出射するＶＣＳＥＬを、発光面と水平方向に３００μｍの等間隔で配置する。

図１２に示すように、本実施の形態のＶＣＳＥＬアレイ１１は、図１１に示した従来の第１垂直レンズ１２ｃの共役位置から１１．２ｍｍ近づけて配置する。

ＶＣＳＥＬアレイ１１から出射された光は、第１垂直レンズ１２ｃおよび第２垂直レンズ群１２ｂを通り、光学系１２における像側の共役面（図１１における光偏向素子１３の位置）から１．６ｍｍ後方の位置で結像する。

すなわち、ＶＣＳＥＬアレイ１１を第１垂直レンズ１２ｃの共役の位置から第１垂直レンズ１２ｃに近い方向にずらすと、結像位置は第２垂直レンズ群１２ｂの焦点位置よりも遠方にずれる。このとき、光偏向素子１３を第２垂直レンズ群１２ｂの焦点位置よりも遠方にずれた結像位置に設けることが可能となり、光偏向素子１３と第２垂直レンズ群１２ｂとの距離を十分保つことができるため、光偏向素子１３の振動時も光偏向素子１３は第２垂直レンズ群１２ｂと接触しない。

上述の結像位置に光偏向素子１３を配置した場合、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各ＶＣＳＥＬから発光面と水平方向に３００μｍ間隔で出射される光線は、光偏向素子１３のＭＥＭＳ面において１１４μｍ間隔に垂直に入射する。また、上述の結像位置に光偏向素子１３を配置した場合、出射する光の画角θ_２”は２１°であって、図１１に示した従来の垂直方向光学系からは変化していない。上述の結像位置に光偏向素子１３を配置した場合、第２垂直レンズ群１２ｂの最終レンズ面と光偏向素子１３との間の距離は、４．１ｍｍである。

つまり、所定の形状の光（本実施の形態においてはライン光）を光偏向素子１３で反射させて走査する光学系１２において、光偏向素子１３が回転振動するので反射面の振幅の寸法分のバックフォーカスを確保したいという課題に対して、第２垂直レンズ群１２ｂの最終レンズ面と光偏向素子１３との間の距離は４．１ｍｍである。

そして、図１２に示すように、第１水平レンズ１２ａ、ビームスプリッタ１２ｄ、第２水平レンズ１２ｅなどを含めた光学系１２の全長は、３９ｍｍとなる。

これにより、本実施の形態によれば、広範囲に出射光を照射するために所望の広がり角を実現しつつ、結像位置を後方にずらしたことで、光偏向素子１３と第２垂直レンズ群１２ｂ－２との距離を十分保ちつつ、なおかつ光偏向素子１３の振動時も第２垂直レンズ群１２ｂ－２と接触しない。その結果、三次元計測装置１では、所望の測定面（例えば、光偏向素子１３から約２００ｍｍ離れた位置）に光を集光させて、対象物を測定することができる。

以上により、測定面（例えば、光偏向素子１３から約２００ｍｍ離れた位置）に光を集光させる場合に、光偏向素子１３が振動した時に第２垂直レンズ群１２ｂ－２の最終レンズ面と接触する、または光学系１２を収納する光学系モジュール１０ｂと光偏向素子１３を収納する光偏向器モジュール１０ｃとの取り合いが狭くなりうまく設置できない、という問題は解決する。

このように本実施の形態の三次元計測装置１は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の発光面が光軸方向で光学系１２の共役位置よりも近くに配置することによって、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子からの光が完全にはコリメートされずに発散し、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子の像の結像位置が遠方に移動し、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子からの主光線が平行な状態のまま光偏向素子１３に入射する。

これにより、本実施の形態の三次元計測装置１は、光学系１２を固定する光学系モジュール１０ｂと、光軸に対して斜めに配置した光偏向素子１３を固定する光偏向器モジュール１０ｃとを配置するのに十分な間隔を確保することができるので、光偏向素子１３の反射面の振幅の寸法分のバックフォーカスを確保することができる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。

第２の実施の形態は、上述の第１の実施の形態の三次元計測装置１を設けたロボットの例である。図１３は、第２の実施の形態に係るロボット７０の多関節を有するロボットアームを示す図である。この図１３において、多関節アームであるロボットアーム７２は、対象物１５をピッキングするためのハンド部７１を備え、ハンド部７１の直近に、第１の実施の形態として説明した三次元計測装置１が設けられている。ロボットアーム７２は、それぞれ屈曲可能な複数の可動部を備え、ハンド部７１の位置及び向きを、制御に従い変更する。

三次元計測装置１は、光の投影方向がハンド部７１の向く方向に一致するように設けられ、ハンド部７１のピッキング対象１５を計測の対象物１５として計測する。

第２の実施の形態のロボット７０は、ロボットアーム７２に設けられた三次元計測装置１により、ピッキングの対象物１５を近距離から計測することができる。このため、カメラ装置等により、ピッキングの対象物１５を遠方からの計測する場合と比較して、計測精度の向上を図ることができる。例えば、工場の様々な組立てライン等におけるＦＡ（Factory Automation）分野においては、部品の検査及び認識等のために、ロボットアーム７２を備えるロボット７０が利用される。ロボット７０に三次元計測装置１を設けることにより、部品の検査及び認識を精度よく行うことができる。

また、測距用の撮像画像に無効領域が存在する場合、画像信号及び三次元形状に基づき、次計測において、補完データの取得が可能となる位置及び姿勢を示す位置姿勢情報を、ロボットアーム７２にフィードバックする。これにより、ロボットアーム７２の制御を簡易に行うことができ、データ補完した計測結果より、より高精度な部品検査又は認識等を行うことができる。

また、計測器と計測対象の位置及び姿勢の関係が相対的に変更すればよい。このため、三次元計測装置１をロボットアーム７２に設けているが、計測対象をロボットアーム７２に設け、位置及び姿勢を変更しても良い。

上述のように、第１の実施の形態の三次元計測装置１をロボットアーム７２に搭載して、被計測物体を三次元計測する場合、三次元計測装置１から２００ｍｍの間隔が好適である。そのため、パターン光（ライン光）の出射光線の広がり角が２１度以上必要となるが、本実施の形態ではこれを達成する。加えて、本実施形態によれば、従来技術と比べ、全体光学長寸法の縮小、および光学系モジュール１０ｂと光偏向器モジュール１０ｃとの間隔の拡大を達成している。

このように第１の実施の形態の三次元計測装置１をロボットに搭載することで、信頼性の高いロボットを実現することができる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について説明する。

第３の実施の形態は、第１の実施の形態で説明した三次元計測装置１を、例えばスマートフォン又はパーソナルコンピュータ装置等の電子機器に設けた例である。

図１４は、第３の実施の形態に係る三次元計測装置１が設けられたスマートフォン８０を示す図である。スマートフォン８０には、三次元計測装置１と、使用者の認証機能を実現する認証部８２と、が設けられている。使用者の認証機能を実現する認証部８２は、例えば専用のハードウェアにより設けられる。なお、認証部８２は、専用のハードウェアの他、コンピュータ構成のＣＰＵがＲＯＭなどのプログラムを実行して実現してもよい。

三次元計測装置１は、使用者８１の顔、耳又は頭部の形状等を計測する。この計測結果に基づいて、認証部８２は、使用者８１がスマートフォン８０に登録された正規のユーザであるか否かを判定する。

第３の実施の形態は、三次元計測装置１をスマートフォン８０に設けることで、高精度に使用者８１の顔、耳又は頭部の形状等を計測できるため、ユーザ認識精度を向上させることができる。なお、第３の実施の形態の説明では、三次元計測装置１をスマートフォン８０に設けることとしたが、パーソナルコンピュータ装置又はプリンタ装置等の、他の電子機器に設けてもよい。また、個人認証機能以外の他の機能に、三次元計測装置１を用いてもよい。

このように第１の実施の形態の三次元計測装置１を電子機器に搭載することで、信頼性の高い電子機器を実現することができる。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明する。

第４の実施の形態は、上述の三次元計測装置１を、造形装置の一例である３Ｄプリンタ装置に設けた例である。図１５は、第４の実施の形態に係る三次元計測装置が設けられた３Ｄプリンタ装置の斜視図である。この図１５に示すように、三次元計測装置１は、３Ｄプリンタ装置９０のヘッド部９１に設けられている。ヘッド部９１は、形成物９２を形成するための造形液を吐出するノズル９３を有する。三次元計測装置１は、３Ｄプリンタ装置９０で形成される形成物９２の形成中等に、形状の計測を行う。３Ｄプリンタ装置９０は、この計測結果に基づいて、形成物９２を形成制御する。

このように、第４の実施の形態の３Ｄプリンタ装置９０は、三次元計測装置１により、形成物９２の形成中等に形状の計測を行うことができ、形成物９２の高精度な造形を可能とすることができる。

なお、この例では、三次元計測装置１を３Ｄプリンタ装置９０のヘッド部９１に設けることとしたが、３Ｄプリンタ装置９０の他の箇所に設けてもよい。

このように第１の実施の形態の三次元計測装置１を３Ｄプリンタ装置に搭載することで、信頼性の高い３Ｄプリンタ装置を実現することができる。

最後に、上述の各実施の形態は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことも可能である。また、各実施の形態及び各実施の形態の変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１計測装置
１０光学装置
１１光源
１２光学系
１３光偏向素子
２１撮像手段
３０計測手段
７０ロボット
７２多関節アーム
８０電子機器
８２認証部
９０造形装置
９１ヘッド部

特許第５４３０１１２号公報

Claims

所定の間隔で複数の発光素子が配列された面状の光源と、
前記複数の発光素子から照射される複数の光をそれぞれ所定の形状の光に変換する光学系と、
前記光学系により形状が変換された光を偏向する光偏向素子と、
を備え、
前記光源は、光軸方向で前記光学系の焦点位置よりも前記光学系側に配置され、
前記光源による像の結像位置は、光軸方向で、前記光源を前記光学系の焦点位置に設けたときの前記光源による像の結像位置よりも前記光学系側とは対向する側に位置し、
前記複数の光の主光線方向は、互いに平行に前記光偏向素子へ入射される、
ことを特徴とする光学装置。
前記光学系は、前記複数の発光素子から照射された複数の光を完全にはコリメートせずに発散する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
前記光偏向素子は、前記光源による像の結像位置に設けられている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学装置。
前記複数の発光素子から照射される複数の光は、平行光である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
前記光源は、面発光レーザアレイである、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光学装置と、
前記光学装置が対象物に投影する投影光を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された前記投影光の画像情報に基づき前記対象物を計測する計測手段と、
を備えることを特徴とする計測装置。
請求項６に記載の計測装置と、
前記計測装置を装着した多関節アームと、
を備えることを特徴とするロボット。
請求項６に記載の計測装置と、
前記計測装置による使用者の計測結果に基づいて使用者の認証を行う認証部と、
を備えることを特徴とする電子機器。
請求項６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形成物を形成するヘッド部と、
を備えることを特徴とする造形装置。