JP2020034310A - 光学装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置 - Google Patents
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Abstract
Description
先ず、第1の実施の形態にかかる観察面で発現するスペックルおよびスペックルが解消
する原理について説明する。
Cs=σ/S・・・(1)
S1=S2=S3=・・・=Sn=S ・・・(2)
σ1=σ2=σ3=・・・=σn=σ ・・・(3)
Cs1=Cs2=Cs3=・・・=Csn=Cs ・・・(4)
SSUM=S1+S2+S3+・・・+Sn=S×n ・・・(5)
σSUM 2=σ1 2+σ2 2+σ3 2+・・・+σn 2 ・・・(6)
σSUM=√(σ2×n)=σ√n ・・・(7)
CsSUM=σ√n/(S×n)=(√n/n)×(σ/S)=1/√n×Cs ・・・(8)
本実施の形態にかかる光学装置を適用した装置の実施例を示す。本実施の形態にかかる光学装置は観察対象の計測などに使用する計測装置に適用することができる。ここでは計測装置の一例として、観察対象(計測対象とも言う)の3次元計測装置への適用例を示す。
図7は、光学装置10による計測対象への光投影の様子の一例を示す図である。図7において、光学装置10は、ライン光14を計測対象15に向けて出射する。ライン光14は、VCSELアレイ11の各発光素子aからの複数の光が重なり合っている光で、光偏向素子(ミラー)13のミラー面において偏向されて、図7に破線で示すように計測対象15に照射される。具体的には、光偏向素子13が、図7に示すライン光の長手方向軸周りMの方向にミラー面を駆動してミラー面に照射される光を偏向し、各ライン光が所定のパターン光になるように制御されることにより、計測対象15に2次元のパターン光が照射され、計測対象15に投影画像60が投影される。投影画像60は、例えば計測対象15を含む領域に投影される。
VCSELアレイを例に光源部の構成について説明する。
図8は、VCSELアレイの構成の一例を示す図である。図8に示すVCSELアレイ11は、同一基板上で発光素子を容易に集積可能な面発光型半導体レーザであり、1次元的に配列された複数の発光素子aを有する。
図10は、光学装置10の光学系の一例を示す図である。図10には、光学装置10の光学系を水平方向(H)と垂直方向(V)とからそれぞれ作図したものを並べて示している。
光偏向素子13は、レーザ光を1軸あるいは2軸方向に走査することができる可動ミラーである。可動ミラーには、例えばMEMSミラーや、ポリゴンミラーや、ガルバノミラーなどがあるが、レーザ光を1軸あるいは2軸方向に走査することができるものであれば、その他の方式を用いたものでもよい。本実施例では、ラインジェネレータ12により形成されたライン光14を走査範囲中の計測対象15上に一軸走査する可動ミラーを使用する。なお、可動ミラーは、ライン光を光走査することで、2次元面状の投影パターンが形成される。
図20は、カメラ21の構成の一例を示す図である。カメラ21は、レンズ210や撮像素子211を有する。撮像素子211には、例えばCCDやCMOSのイメージセンサなどを使用する。カメラ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で光電変換された電気信号は、画像信号へと変換され、その画像信号がカメラ21から制御ユニット30(図6参照)の演算処理部32(図6参照)へと出力される。
図21は、計測装置1のブロック構成の一例を示す図である。なお、図21において、既に説明済みの箇所については、同一の符号を付し、適宜詳細な説明を省略する。
次に、計測対象を走査する投影パターンについて説明する。計測対象の形状および姿勢を3次元情報として取得する3次元計測を、計測対象に照射された光を観測することで行う幾つかの方法がある。その内の一例として(1)位相シフト法を用いた計測と、(2)光切断法を用いた計測と、の2つの例を説明する。これらの計測方法は、例えば次の非特許文献にそれぞれ開示されている。
本実施例では、計測装置の各設定を「スペックルノイズの低減効果がある設定」としている。このため、計測対象を撮影した画像においてスペックノイズが低減し、撮影画像の輝度情報を解析する際の計測精度が向上する。
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、第1の実施の形態に係る計測装置1を、ロボットアーム(多関節アーム)と組み合わせて用いる例である。
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の実施の形態に係る計測装置1をスマートフォンやPCなどの電子機器に搭載して用いる例である。
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、第1の実施の形態に係る計測装置1を、移動体に搭載して用いる例である。
次に、第5の実施の形態について説明する。第5の実施の形態は、第1の実施の形態に係る計測装置1を、造形装置に搭載して用いる例である。
11 VCSELアレイ
12 ラインジェネレータ
13 ミラー(光偏向素子)
14 ライン光
14−1、14−2 各ライン光
a 発光素子
D1 ピッチ
m1、m2 仮想的な光源
LWD1 距離
θ1 角度
Claims (20)
- 複数の発光素子を所定の間隔で配列した光源と、
前記複数の発光素子からの光をそれぞれライン光に変換する光学系と、
前記それぞれのライン光を偏向する光偏向素子と、
を備え、
前記光偏向素子の回転軸方向に前記それぞれのライン光の長手方向を入射させる、
ことを特徴とする光学装置。 - 前記それぞれのライン光を被照射面上で略一本に重ねる、
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 前記光学系は、
前記それぞれのライン光の長手方向を前記光偏向素子又は前記光偏向素子の直近に集光し、前記それぞれのライン光を前記光偏向素子に所定の間隔で入射させる、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の光学装置。 - 前記所定の間隔は、前記それぞれのライン光において少なくとも一の間隔は他の間隔と異なっている、
ことを特徴とする請求項3に記載の光学装置。 - 前記所定の間隔(D)は、被照射面までの距離(LWD)と光源の入射角(θ)から決まり、D=2×LWD×tan(θ/2)を満たす、
ことを特徴とする請求項3に記載の光学装置。 - 前記複数の発光素子の前記間隔と前記光偏向素子に入射する前記それぞれのライン光の間隔とは、
発光素子の間隔≧光偏向素子に入射するそれぞれのライン光の間隔
の関係を満たすことを特徴とする請求項4に記載の光学装置。 - 前記複数の発光素子の前記間隔と前記光偏向素子に入射する前記それぞれのライン光の間隔とは、
発光素子の間隔<光偏向素子に入射するそれぞれのライン光の間隔
の関係を満たし、
且つ、前記光偏向素子に入射する前記それぞれのライン光の間隔は35μm以上である、
ことを特徴とする請求項4に記載の光学装置。 - 被照射面上におけるライン光の長手方向と短手方向に対し、前記光偏向素子に入射する前記ライン光は前記短手方向の方が前記長手方向よりも広い幅となる、
ことを特徴とする請求項1乃至7のうちの何れか一項に記載の光学装置。 - 前記光偏向素子のミラー面のミラーサイズは、該ミラー面に入射する各ライン光の被照射面上における各ライン光の長手方向に対応する辺の長さよりも短手方向に対応する辺の長さの方が長い
ことを特徴とする請求項1乃至8のうちの何れか一項に記載の光学装置。 - 前記複数の発光素子の発散角を制御するマイクロレンズアレイおよび/またはマイクロシリンドリカルレンズアレイとを有する、
ことを特徴とする請求項1乃至9のうちの何れか一項に記載の光学装置。 - 前記光源はVCSELである、
ことを特徴とする請求項1乃至10のうちの何れか一項に記載の光学装置。 - 前記複数の発光素子の少なくとも一部の波長が異なっている、
ことを特徴とする請求項1乃至11のうちの何れか一項に記載の光学装置。 - 前記複数の発光素子において波長の等しい発光素子を複数有する、
ことを特徴とする請求項12に記載の光学装置。 - 前記複数の発光素子において波長が異なる発光素子の素子間隔が波長の等しい発光素子の素子間隔より狭い
ことを特徴とする請求項13に記載の光学装置。 - 前記各波長の発光素子が同じ素子間隔で配置されている、
ことを特徴とする請求項14に記載の光学装置。 - 請求項1乃至15のうちの何れか一項に記載の光学装置と、
被照射面上の前記ライン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ライン光の画像情報に基づき前記被照射面の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16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16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16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移動体の運転を支援する運転支援部と、
を備えることを特徴とする移動体。 - 請求項16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と、
を備えることを特徴とする造形装置。
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