JP2014202492A

JP2014202492A - 光投影装置

Info

Publication number: JP2014202492A
Application number: JP2013076158A
Authority: JP
Inventors: 宮城　貞二; Sadaji Miyagi; 貞二宮城; 大介浅井; Daisuke Asai
Original assignee: Hikari Corp
Current assignee: Hikari Corp
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-10-27

Abstract

【課題】この発明は、簡易な構成でありながら、非測定物に縞模様の格子パターンの光を投影し、高速で格子パターンの位相をシフトすることができる光投影装置を提供する。【解決手段】光投影装置１は所定の周期での繰り返しである同一の縞模様を有するＮ個のスクリーン２と、それぞれのスクリーン２に対して光を照射するＮ個の照射部材３と、それぞれのスクリーン２からの透過光を同一の被測定物に導く光学素子と、Ｎ個の照射部材の照射の切替えを行う切替装置を有し、照射部材の切替えにより同一の縞模様を順次位相をずらして被測定物に投影する。【選択図】図１

Description

本発明は、三次元形状を光学的に測定するための光投影装置であり、測定対象に縦縞状のパターンの光を照射する装置に関する。

三次元形状を光学的に測定する技術として、三角法に基づく方法が行われている。これを適用した技術として、格子投影法と呼ばれる方法がある。測定対象面に格子状のパターンの光を投影して撮像し、全面を一度に解析して等高線情報を得るものである。ここで、格子状のパターンで光を投影するために、プロジェクターを用いる方法（特許文献１）や、格子パターンがかかれた格子フィルムを通してハロゲンランプの光を照射する方法（特許文献２）などがある。また、液晶パネルに周期的な縞を表示し、これに光を通すことによって、周期的な光の縞を投影する技術も実施されている（特許文献３）。

また、引用文献４には、多数の導光板を重ね合わせ、ストロボ光源に向いた面部にマスクパターンを施し、ストロボ光源の発光によりマスクパターンに基くパターン光を導光板を介して伝達して、投光面に投影する三次元形状測定装置が記載されている。ここで、各導光板にはマスクがほどこされたものと施されていないものがあり、その組合せによりマスクパターンが形成される。

特許第３５０７８６５号公報特許第３５５４８１６号公報米国特許出願公開第２００６／００３３０２１号明細書特開２０００−５５６３６号公開特許公報

特許文献１のような格子投影法によれば、全面を一度に解析することができるので、測定時間が短く、リアルタイムな測定も可能である。しかし、プロジェクターを用いる格子投影では、プロジェクターそのものが大型でしかも高価格であるので、測定装置全体も高価格になってしまう。また、特許文献２のように格子フィルムを使用し、格子フィルムを格子移動機構により機械的に移動させる場合、そのような格子移動機構の移動速度により格子のシフトの速度が限定される。液晶パネルに周期的な縞を表示する方法であれば、比較的高速で投影パターンの変更もできるが、このような液晶パネル中を光が通過することによって、光量の低下が生じる。液晶の画素と画素の間に起因する光の不連続が生じるし、走査方向の分解能も画素数による限界がある。

一方、特許文献３のような光線の強度を制御しながら光線を走査させる方法であれば、任意のパターンを簡単に作り出すことができる。光線を走査させるためには、たとえばＭＥＭＳという素子を用いて光線を反射する鏡を所定の角度範囲で揺動させる技術が用いられる。しかし、この走査装置の揺動は温度や気圧の変化などの影響を受けて変化することがある。この場合、表現されるパターンは予定されたものと異なったものになる。特許文献３の発明においては、走査範囲の両端部付近に光センサを設けることによって、パターン形成の開始を制御するようにしている。これによって、パターン形成の開始点は正確に決まるであろうが、鏡の揺動の大きさ（振幅）の変化による影響を補正することはできない。

特許文献４の多数の導光板を重ね合わてマスクパターンを形成する三次元形状測定装置では、同時に投影できる格子パターンの解像度は導光板に限定される。したがって、特許文献４の三次元形状測定装置では、複数のストロボ光源を導光板に垂直に配備し、そのストロボ光源に沿って２のｎ乗のビット数を単位とした２進コードのパターンを形成し、ストロボ光源を切替ながら発光を繰り返して積算された光量の分布により精細な格子パターンを表現しようとするものである。この装置で使用される導光板は一般的な光学素子ではなく、しかも多数使用しなければならず、高価にならざるを得ない。しかも、多数のストロボ光源やそれに沿ったマスク処理なども必要であり、複雑な装置となり、また、制御も複雑である。

この発明は、簡易な構成でありながら、測定対象物に縞模様の格子パターンの光を投影し、高速で格子パターンの位相をシフトすることができる光投影装置を提供することを目的とする。

上記の目的を解決するために、所定の周期での繰り返しである同一の縞模様を有するＮ個のスクリーンと、それぞれのスクリーンに対して光を照射するＮ個の照射部材と、それぞれのスクリーンからの透過光を同一の測定対象物に導く光学素子と、Ｎ個の照射部材の照射の切替えを行う切替装置を有し、照射部材の切替えにより同一の縞模様が順次位相をずらして測定対象物に投影されるようになしたものである。照射部材としては発光ダイオードが適しており、スクリーンからの透過光を同一の測定対象物に導く光学素子としてはプリズムまたはハーフミラーが適している。特に、スクリーンは３枚で構成し、それぞれのスクリーンにより１／３周期ずつ位相がずれた縞模様が投影され、より小型で高速な光投影装置ができる。

この発明の光投影装置は、簡易な構成でありながら、測定対象物に縞模様の格子パターンの光を投影し、高速で格子パターンの位相をシフトすることができる。

光投影装置の第１の例の示す概念図である。縞模様の格子を示す概念図である。光投影装置の光路を示す平面図である。光投影装置の第２の例の示す概念図である。

この発明を実施するための形態について説明する。光投影装置の第１の例の示す概念図である。光投影装置１は、Ｎ個のスクリーン２と、それぞれのスクリーン２に対して光を照射するＮ個の照射部材３と、それぞれのスクリーン２からの透過光を同一の測定対象物に導く光学素子４と、Ｎ個の照射部材３の照射の切替えを行う切替装置５を有する。

スクリーン２はガラスなどの透明な板材を基板とし、その基板に所定の周期での繰り返しである縞模様が設けられている。図２は縞模様の格子を示す概念図である。例えば、周期的な濃淡の繰り返しとなる着色を設けることができる。図２においては、色の濃淡を線の密度で示している。また、下側のグラフは、縞に垂直な方向に沿った濃度の変化を示している。例えば、縞に垂直な方向に沿った濃度の変化を正弦関数になるようにすることができる。あるいは、矩形波状やのこぎり波状などの周期変化でもよい。各スクリーン２の背後には、スクリーン２に対して光を照射する光学素子４が設けられており、その光はスクリーン２を通過し、光学素子４を経由して、投影レンズ６を通って、測定対象物に投影される。

こうして、測定対象物にはスクリーン２の縞模様に基く格子パターンが投影される。投影レンズ６の焦点を厳密に合わせていれば、光の照射方向に垂直な投影面においてはスクリーン２の縞模様を忠実に再現した格子模様が現れる。一方、投影レンズ６の焦点を若干ずらしておけば、その焦点ずれの度合いに応じてボケのある格子模様が現れる。

すべてのスクリーン２ａ，２ｂ…には、同一パターンの縞模様が設けられているが、それぞれスクリーン２ａ，２ｂ…によって測定対象物に投影される格子パターンの位相がシフトするようになっている。Ｎ枚のスクリーンを使用するとして、それぞれのスクリーン２の間には、周期の１／Ｎを単位とする位相のズレが生じるようになっている。位相角をラジアンで表示する場合、２π／Ｎが位相のズレの単位となる。あるスクリーン２ａを基準にとると、２π／Ｎ，４π／Ｎ，６／Ｎ，…（２Ｎ−２）π／Ｎの位相差の格子パターンを生じるように各スクリーン２ａ，２ｂ…は設定される。

切替装置５は、Ｎ個の照射部材３を順次切り替えながら一つずつ発光させるように制御する。スクリーン２ａ，２ｂ，２ｃ…がその順に２π／Ｎずつ位相シフトして縞模様を表わすとすれば、それに対応する照射部材３ａ，３ｂ，３ｃ…を順次切り替えながら発光させていく。これにより、測定対象物に２π／Ｎずつ位相がシフトした格子パターンの光が投影される。この切替装置５の構成自体には特に制約はなく、専用の回路を作成してもよいが、汎用的なパーソナルコンピュータを用いてもよい。

図１に基いて、さらに具体的に説明する。図１はＮ＝３、すなわち３面のスクリーン２ａ，２ｂ，２ｃが使用される例である。光学素子はビームスプリッタと呼ばれる素子であり、直角二等辺三角形の底面を有する三角柱のプリズム７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが組み合わされた構造である。直角二等辺三角形の頂点（直角な角）同士を合わせるように４体のプリズム７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを組み合わせて、四角柱の形状が形成されている。そして、プリズム７同士が接する境界にハーフミラー８が形成されている。

プリズム７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄの組合せによって形成された四角柱の側面に３面のスクリーン２ａ，２ｂ，２ｃが設けられている。ここで、相互に対向する２面のスクリーンを第１スクリーン２ａおよび第３スクリーン２ｃとし、第１スクリーンと第３スクリーン２ｃに垂直なスクリーンを第２スクリーン２ｂする。そして、スクリーン２が設けられていない側面は、投影レンズ６の方向を向いている。

第１スクリーン２ａの縞模様を基準にすると、第２スクリーン２ｂには１／３周期（２π／３）、第２スクリーン２ｃには２／３周期（４π／３）の位相の縞模様が設けられている。

スクリーン２ａ，２ｂ，２ｃの背後にはそれぞれに対応する照射部材３ａ，３ｂ，３ｃが設けられている。この例では、照射部材３としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用されている。発光ダイオードは消費電力が小さく、また、高速で点灯・消灯を切り替えることができるので、この発明に適している。

つぎに、この光投影装置の作用、および、その作用に基いた光投影方法について説明する。図３は図１に示す例の光投影装置の光路を示す平面図である。

切替装置５により照射部材３ａが選択され、照射部材３ａが発光した状態を示している。その光は第１スクリーン２ａを通過し、プリズム７同士の接触面のハーフミラー部を２回通過してからプリズム７ｄを出て、投影レンズへ導かれる。図３に示す光束Ｌについてみると、まず、プリズム７ａに進入した光束Ｌはプリズム７ａとプリズム７ｄの境界のハーフミラー面８に当たり、光束の半分は反射され、残りの半分がハーフミラー面８を通過してプリズム７ｄに進む。次に、プリズム７ｄとプリズム７ｃの境界のハーフミラー面８に当たり、光束の半分は反射され、投影レンズに向けて方向を変換する。こうして、第１スクリーン２ａの縞模様に基いた格子パターンが測定対象物に投影される。この場合、２回のハーフミラー通過により、投影される光量はプリズム７ａに進入した光量の１／４となる。

３次元形状測定のための１回分の撮影に必要な時間を経過すると、切替装置５は照射部材３ｂに切り替える。照射部材３ａは消灯し、照射部材３ｂが発光する。第２スクリーン２ｂを通過した光がプリズム７ｂに進入し、ハーフミラー面を２回通過した後、１／４の光量が投影レンズ６を通って測定対象物に投影される。こうして、位相が２π／３だけシフトした格子パターンが測定対象物に投影される。さらに、照射部材３ｃに切り替えられると、同様に位相が４π／３だけシフトした格子パターンが測定対象物に投影される。

以上、切替装置５は、照射部材３ａ→照射部材３ｂ→照射部材３ｃの切替により、位相が２π／３ずつシフトした格子パターンを投影する。この切替は機械的な動作を含まないので、極めて高速に行うことができる。したがって、移動する測定対象物に対しても、十分に対応することができる。こうして、投影された格子パターンにより、３次元形状測定を行うことができる。三角法に基づく３次元形状測定方法は既に広く実施されているので、その説明は省略する。周知の３次元形状測定方法にもそのまま適用することができる。

次に、光投影装置の別の例について説明する。図４は光投影装置の第２の例の示す概念図である。光学素子４の中心部は第１の例と同様に直角二等辺三角形の底面を有する三角柱のプリズム７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを４体組み合わせた四角柱の形状である。ハーフミラー面８の配置も同様である。この四角柱の側面の一つが投影レンズ６の方を向いている。そして、他の３つの側面には、それぞれ別のプリズム９が接続されている。中央部のプリズム７の２つ分の大きさのプリズム９が２体組み合わされて四角柱を構成している。そして、この２体のプリズム８の合わせ面にはハーフミラー８が形成されている。それ以外のプリズム面にはハーフミラーは設けられない。

こうして中央および側部の四角柱の組合せで構成される多面体の側面のうちの６面にスクリーン２ａ，２ｂ，…２ｆを設けることができる。そして、それぞれのスクリーン２ａ，２ｂ，…２ｆに対向して、照射部材３ａ，３ｂ，３ｃ…３ｆが設けられている。切替装置５は、照射部材３ａ，３ｂ，３ｃ…３ｆを順次切り替えながら発光を制御する。

本例は、スクリーン２の個数Ｎが６である例である。スクリーン２ａ，２ｂ，…２ｆには、それによって測定対象物に投影される格子パターンの位相がπ／３を単位としてシフトするように縞模様が形成されている。こうして、格子パターンの位相回数を６に増やすことができ、より精度の高い形状測定が行える。

各スクリーン２を通過した光は、側部の四角柱のプリズム９同士の合わせ面を通過した後に中央部の四角柱のプリズム群７に進入する。その後は、第１の例と同様の光路で測定対象物に進行し、測定対象物に対して格子パターンを投影する。すなわち、本例においては、ハーフミラー面を一回だけ多く通過することになり、到達する光量は第１の例の半分となる。

プリズムをさらに増やして接続していけば、さらに多くのスクリーンを設けることができ、より精密な格子パターンの位相シフトが実現できる。一方、ハーフミラー面の通過回数の増加が伴うことで、光学素子の通過において光量がより減少することになる。また、光学素子としては必ずしもプリズムを使用する必要はなく、ハーフミラーで構成してもよく、さらにはプリズムとハーフミラーの組合せでもよい。

本願発明は、簡単な構成で実施することができる。使用される主要な部材はスクリーン、発光ダイオード、プリズムやハーフミラーなど入手が容易で安価なものである。格子パターンの形成にレーザ光のスキャンなどを行うことなく、一つの照明装置の発光により１面分の格子パターンが即座に投影される。電気的に照明装置を切り替えるので機械的な動作もなく、格子パターンの位相が高速でシフトできる。

１．光投影装置
２．スクリーン
３．照明装置
４．光学素子
５．切替装置
６．投影レンズ
７．プリズム（中央部）
８．ハーフミラー
９．プリズム（側部）

Claims

所定の周期での繰り返しである同一の縞模様を有するＮ個のスクリーンと、それぞれのスクリーンに対して光を照射するＮ個の照射部材と、それぞれのスクリーンからの透過光を同一の測定対象物に導く光学素子と、Ｎ個の照射部材の照射の切替えを行う切替装置を有し、照射部材の切替えにより同一の縞模様が順次位相をずらして測定対象物に投影されるようになした光投影装置。
照射部材が発光ダイオードであり、スクリーンからの透過光を同一の測定対象物に導く光学素子がプリズムまたはハーフミラーである請求項１に記載の光投影装置。
スクリーンは３枚であり、それぞれのスクリーンにより１／３周期ずつ位相がすれた縞模様が投影されるようになした請求項１または請求項２に記載の光投影装置。