JP2022131710A

JP2022131710A - 集光する特性を持つ光学素子を複数個配置した集光手段を備えた格子投影装置及び前記格子投影装置を用いた計測装置

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Publication number: JP2022131710A
Application number: JP2021030796A
Authority: JP
Inventors: 元治藤垣; Motoharu Fujigaki; 卓也原; Takuya Hara; 芳之楠; Yoshiyuki Kusunoki
Original assignee: University of Fukui NUC
Current assignee: University of Fukui NUC
Priority date: 2021-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-09-07

Abstract

【課題】集光する特性を持つ複数の光学素子を用いた格子投影装置を提供する。
【解決手段】
光源ＬＥＤから放出されて、集光する特性を持つシリンドリカルレンズアレイに到達した光は、個々のシリンドリカルレンズＬ_０，Ｌ_１，Ｌ_２を通り抜け、縦の破線で示した結像位置に到達し、さらにスクリーンに到達する。このとき、個々のシリンドリカルレンズの凸レンズとしての作用により集光し、結像位置において図のＱ_０，Ｑ_１，Ｑ_２の付近に、光源ＬＥＤの像が形成される。また、それ以外の位置には光が当たらない部分ができるため、格子パターンが形成される。
【選択図】図４

Description

新規性喪失の例外適用申請有り

本発明は、集光する特性を持つ光学素子を複数個配置した集光手段を備えた格子投影装置及び前記格子投影装置を用いた計測装置に関する。

計測対象物の３次元形状を測定する３次元計測装置は、工業分野、医療や服飾分野、土木建築分野など様々な分野で用いられている。３次元計測装置による計測方法として、格子パターンを計測対象物に投影し、計測対象物に投影された格子パターンを撮影し、撮影された画像内の格子パターンの位相解析を行うことにより、計測対象物の３次元形状を精度よく計測する方法がある。

格子パターンを計測対象物の表面に投影する手段として、液晶プロジェクタ、または、デジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクタ（格子投影装置）が用いられることが多い。これらとは別に、特許文献１、非特許文献２に示されるように、点光源やライン状ＬＥＤ（発光ダイオード）と格子模様プレートを組み合わせたプロジェクタ（格子投影装置）も考案されている。

図１は、ライン状光源のＬＥＤ１と格子模様プレート２を用いて、投影格子パターンを投影する格子投影装置を示している。格子投影装置は、図１に示すように、ライン状の光源であるＬＥＤ１、格子模様プレート２を備えている。格子模様プレート２は、ガラス格子状パターンの影絵を投影格子パターン３として投影するものであり、板などの透明なプレートに格子状パターンを設けられたものを指す。格子模様プレート２としては、格子状のパターンが印刷された透明フィルムをガラス平板に貼り付けたものや、格子状のパターンを金属膜としてガラス平板表面に付けたロンキー・ルーリングが用いられている。なお、ロンキー・ルーリングは、平行線を規則正しく配列したパターンである。

次にこの格子状パターンの影絵を投影する構造の格子投影装置を用いた投影格子の位相シフト方法について説明する。図２は投影格子パターン（位相シフトなし）を説明する図である。図３は投影格子パターン（位相シフトあり）を説明する図である。図２及び図３において、格子模様プレート２が用いられている。光源が１個（Ｓ_０）の場合は図２に示すような投影格子パターン３となる。また、光源の位置を図３に示すように、Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２の位置に移動させるか、もしくは、Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２の位置に設置しておいた光源の点灯箇所を切り替えることで、投影格子パターンが現れる位置を少しずつ移動させることができる。すなわち、位相シフトされた格子パターンを順次生成することができるようになる。

光源に複数のＬＥＤ１を用いることで、高速に点灯箇所を切り替えることができるため、高速な位相シフト格子投影装置（プロジェクタ）を構築することができる。また、撮影用のカメラの撮影タイミングと光源の点灯箇所の切替タイミングを同期させることも容易に実現できるため、高速な３次元形状計測装置の構築が可能となる。さらに，図１に示すように光源のＬＥＤをライン状に複数個配置したライン状ＬＥＤを用いることで、投影格子の輝度を上げることができる。

特開２０１１－２４２１７８号公報

藤垣元治, 高速位相シフトのためのライン状LEDデバイスの開発と三次元形状計測への応用, オプトロニクス, Vol. 32, No. 380, 78-85(2013).

特許文献１では、ロンキー・ルーリングという１次元格子を形成する格子模様プレートの影を利用するため、格子模様プレートの遮光部分で光が遮光されるため、この格子模様プレートを通った後の光は通る前の光の量の約１／２になる。すなわち、光源から出射する光量に対して、３次元計測に使うことができる光量が約１／２であるため、発光する光の利用効率がよくない。３次元計測に必要な光量に対して、約２倍の光量を出射する光源を用意する必要があり、その分だけ格子投影装置（格子投影プロジェクタ）が大型になり、発光のための電力も多く必要となる。また、カメラの露光時間を長くすることで、撮影に必要な光量を確保する方法もあるが、３次元計測のために要求される計測タクトタイムが短い場合は対応できないという課題がある。

よって、本発明の目的は、上記課題を解決する、集光する特性を有する複数の光学素子を用いた集光格子パターン光の投影方法、集光する特性を持つ光学素子を複数個配置した集光手段を備えた格子投影装置、及び、前記格子投影装置を用いた計測装置を提供することである。

本発明に係る格子投影方法は、光源から光を出射させ、集光する特性を持つ光学素子を複数個配置した集光手段を用いて、複数個の各々の前記光学素子が前記光源から出力される光を集光し集光格子パターン光を生成し、前記集光格子パターン光を計測対象物に投影する方法である。
本発明の一実施形態は、光源と、集光する特性を持つ光学素子が複数個配置された集光手段と、を備え、前記集光手段は、前記集光手段の各々の前記光学素子が前記光源から出力される光を集光し集光格子パターン光を投影する、格子投影装置である。
前記格子投影装置は、前記光源の発光部の輝度分布を調整する調整手段を備え、前記集光格子パターン光の輝度分布を調整してもよい。
前記格子投影装置は、前記光源を複数個備え、複数の前記光源の点灯を切り換えることによって、前記集光格子パターン光の位相シフトを行ってもよい。
前記格子投影装置は、前記光源から出射される光の光路中に、光の方向または光量、偏光状態を調整する光学素子を備え、前記集光格子パターン光の輝度分布を調整してもよい。
前記格子投影装置は、前記光源が複数の発光部を備えたライン状ＬＥＤであり、前記集光手段が前記光学素子であるシリンドリカルレンズを複数個、アレイ状に配列したものとしてもよい。
そして、前記格子投影装置と、前記格子投影装置により計測対象物に投射された前記集光格子パターン光の格子パターンを撮像する撮像装置と、前記撮像装置により撮影された前記格子パターンの画像を解析することにより前記計測対象物の３次元形状を算出する演算装置と、を備えた、３次元形状計測装置を構成できる。
また、前記格子投影装置と、前記格子投影装置により計測対象物に投射された前記集光格子パターン光の格子パターンを撮像する撮像装置と、前記撮像装置により撮影された前記格子パターンの画像を解析することにより前記計測対象物の変位を算出する演算装置と、を備えた、変位計測装置を構成できる。

本発明により、集光する特性を有する複数の光学素子を用いた集光格子パターン光の投影方法、集光機能を有する複数の光学素子を配列した集光手段を備えた格子投影装置、及び、前記格子投影装置を用いた計測装置を提供できる。

ライン状ＬＥＤと格子模様プレートを用いた格子パターン投影プロジェクタの構造を示す図である。投影格子パターン（位相シフトなし）を説明する図である。投影格子パターン（位相シフトあり）を説明する図である。シリンドリカルレンズアレイを用いて集光格子パターン光を投影することを説明する図である。格子模様プレートによる格子パターンの投影（格子模様を遠方に設置した場合）を説明する図である。格子模様プレートによる格子パターンの投影（格子模様プレートを光源近くに設置した場合）を説明する図である。シリンドリカルレンズアレイを用いた格子パターンの輝度分布の模式図である。ラインＬＥＤアレイの発光部の配置と発光輝度分布を説明する図である。短レンズの焦点距離の模式図である。平凸シリンドリカルレンズの幅と投影格子の幅の関係を説明する図である。平凸シリンドリカルレンズのピッチと投影格子のピッチの関係を説明する図である。ロンキー・ルーリングを用いた場合の光線イメージを説明する図である。ロンキー・ルーリングを用いる場合の実験構成を説明する図である。平凸シリンドリカルレンズアレイを用いる場合の実験構成を説明する図である。輝度値分布（ロンキー・ルーリング）を示す写真図である。輝度値分布（シリンドリカルレンズアレイ）を示す写真図である。輝度値分布（ロンキー・ルーリング）を説明するグラフである。輝度値分布（シリンドリカルレンズアレイ）を説明するグラフである。シリンドリカルレンズアレイを用いた格子投影装置を組み込んだ３次元計測装置を示す図である。光源を複数個にした位相シフトが可能な格子投影装置を説明する図である。光源を複数個にした位相シフトが可能な格子投影装置を組み込んだ３次元計測装置を示す図である。光源とデジタルマイクロミラーデバイスを組み合わせた格子投影装置を説明する図である。光源とシリンドリカルレンズアレイの距離を複数個にした格子投影装置を説明する図である。シリンドリカルレンズアレイを用いた格子投影装置を組み込んだ３次元計測装置を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、従来技術と同様の構成については同じ符号を用いて説明する。集光する特性を有する光学素子をアレイ状に配列した集光手段の一つとして、シリンドリカルレンズアレイがある。シリンドリカルレンズアレイは複数のシリンドリカルレンズを配列したものである。個々のシリンドリカルレンズは、凸レンズの作用を持つ形状のものを用いる。シリンドリカルレンズは、母線方向には曲率がなく、母線と垂直な方向には曲率がある。曲率がない方向には光の集束作用はなく、曲率がある方向には光の集束作用がある。

図４は、シリンドリカルレンズアレイを用いて、スクリーンに格子パターンを投影することを説明する図である。光源として幅ｗ_０のライン状のＬＥＤ１を用いるとして説明する。ただし、光源はＬＥＤ１に限ることはなく、ＬＥＤ１以外の任意の光源を用いることが可能である。円形や矩形の点状の光源やスリット状の光源、それらを並べて複合した光源など、一定の幅を持つ光源であれば利用することができる。以下の説明の光源について、ＬＥＤによる光源を、前記のＬＥＤ以外の光源に読み替えることができる。

図４に示す格子投影装置１０において、ＬＥＤ１及びシリンドリカルレンズアレイ１１は、図１に示されるのと同様に、紙面垂直方向にそれぞれ所定の長さを有する。図４に示されるように、光源ＬＥＤ１から放出された光は、シリンドリカルレンズアレイ１１を透過し、集光格子パターン光１２が結像位置１３で結像し、スクリーン１４の面に格子パターンが投影される。ここでは、シリンドリカルレンズアレイ１１における個々のシリンドリカルレンズＬ_０，Ｌ_１，Ｌ_２の中心を通る光線を実線で表し、光源ＬＥＤの上端から放出された光を破線で表し、光源のＬＥＤ１の下端から放出された光を一点鎖線で表している。

光源のＬＥＤ１から放出されてシリンドリカルレンズアレイ１１に到達した光は、個々のシリンドリカルレンズＬ_０，Ｌ_１，Ｌ_２・・・により集光されながら通り抜け、縦の破線で示した結像位置１３の面に到達し、さらにスクリーン１４に到達する。このとき、個々のシリンドリカルレンズＬ₀，Ｌ₂，Ｌ₃・・・の凸レンズとしての作用により集光し、結像位置１３において図のＱ_０，Ｑ_１，Ｑ_２・・・の付近に、光源のＬＥＤ１の像が形成される。また、それ以外の位置には光が当たらない部分ができるため、図４に示すようにスクリーン１４に光の明暗のコントラストのある格子パターンが形成されることになる。図４においては、光が到達する領域を灰色で示ししている。なお、本明細書において、集光する特性を有する複数の光学素子を配置した集光手段により生成される光を、集光格子パターン光と称する。

図４においては、光源ＬＥＤ１の発光面とシリンドリカルレンズアレイ１１の中心との距離をａとし、シリンドリカルレンズアレイ１１の中心と結像位置１３の距離をｂとする。また、光源ＬＥＤ１の発光面とスクリーン１４の距離をｃとする。個々のシリンドリカルレンズの間隔（シリンドリカルレンズアレイのピッチ）をｐ_ｌとする。結像位置１３における集光部の幅をｗ_１として、非集光部の幅をｗ_２とする。結像位置１３における集光格子パターン光のピッチをｐ_ｆとし、スクリーン１４の位置におけるピッチをｐ_ｓとする。

本発明の実施形態は下記の効果を有する。
（１）光源から出た光の量のほとんどを集光格子パターン光として投影することができる。
（２）従来の格子模様プレートを用いる場合と比較して、同一の幅を持つ光源を用いて同一のピッチの格子パターンを投影する場合に、光源の近くにシリンドリカルレンズを配置することができる。これによりコンパクトな三次元計測装置が実現できる。
（３）計測対象物に投影する格子パターンの輝度分布を任意のものに調整することができる。

まず（１）について説明する。図５は、従来技術であるところの、格子模様プレートにより格子パターン投影を行う様子を示している。図５において、光源のＬＥＤ１とスクリーン１４の位置関係は、図４に示したシリンドリカルレンズアレイ１１を用いた集光格子パターン光１２の投影に合わせて図示している。

光源ＬＥＤ１の中央から放出されて格子模様プレート２の透明部分Ｇ_０，Ｇ_１，Ｇ_２の中心を通る光線を実線で表し、光源ＬＥＤの上端から放出された光を破線で表し、光源ＬＥＤの下端から放出された光を一点鎖線で表している。光源ＬＥＤから放出された光のうち、格子模様プレート２の透明部分Ｇ_０，Ｇ_１，Ｇ_２を通過した光は投影格子（投影光５）として投影される。しかし、格子模様プレート１２の図中の黒色の太い線で表された遮蔽部に当たる光は遮蔽され、投影格子としてスクリーン１４に投影されることはない。なお、本明細書において、格子模様プレート２の透明部分により生成される光を、投影光５と称する。

すなわち、光源ＬＥＤ１から放出されて格子模様プレート２に到達した光量のうち、格子模様プレート２全体のうちの透明部の面積の比率の分だけの光量が投影格子として使われることになる。例えば、図５に示すように、格子模様プレート２の透明部と遮蔽部の幅が１：１の場合は、光源ＬＥＤ１から放出されて格子模様プレート２に到達した光量のうち、５０％の光量だけがスクリーン１４に投影される投影格子として使われることになる。

これに対して、本発明に係る図４に示されるように、シリンドリカルレンズアレイ１１と光源ＬＥＤ１を組み合わせた格子投影装置１０により、スクリーン１４に集光格子パターン光１２の投影を行う。この場合は、光源ＬＥＤ１から放出されてシリンドリカルレンズ１１に到達した光量のうち、ほぼ全てが投影格子である集光格子パターン光の形成に使われることになる。これにより、本発明によるシリンドリカルレンズアレイ１１を用いる集光格子パターン光１２の投影方法により、光源からの発光光の利用効率が、格子模様プレート２を用いる従来方法に比べて、格段によい格子投影装置１０を構築することができる。

次に（２）について、従来の格子模様プレートを用いる方式と比較して説明する。図５および図６に、それぞれ格子模様プレート２を光源から遠方と光源の近くに設置した場合の、格子模様プレートによる格子パターン投影の模式図を示す。ここで、光源のＬＥＤ１とスクリーン１４の位置関係を、図４に示したシリンドリカルレンズアレイ１１を用いた集光格子パターン光１２のスクリーン１４への投影の図に合わせて図示している。

光源ＬＥＤ１の中央から放出されて格子模様プレート２の透明部分Ｇ_０，Ｇ_１，Ｇ_２の中心を通る光線を実線で表し、光源ＬＥＤ１の上端から放出された光を破線で表し、光源ＬＥＤ１の下端から放出された光を一点鎖線で表している。また、光源ＬＥＤ１から距離ａ＋ｂの位置に示されている縦の破線は、図４と同様に結像位置１３を示している。

図５における格子模様プレート２と光源ＬＥＤ１の距離を、図４におけるシリンドリカルレンズアレイ１１と光源ＬＥＤ１間の距離と比較して２倍の距離になるように図示している。すなわち、図５中のａ’は２ａの長さである。格子模様のピッチも図４におけるシリンドリカルレンズアレイ１１のピッチの２倍にすると、光源ＬＥＤ１から距離ａ＋ｂの位置（図４の結像位置１３に対応する位置）における格子パターンのピッチはｐ_ｆとなり、図４の場合と同じとなる。また、スクリーン１４上に投影される格子パターンのピッチも、スクリーン上ではｐ_ｓとなり、図４の場合と同じとなる。

図６における格子模様プレート２と光源ＬＥＤ１の距離は、図４におけるシリンドリカルレンズアレイ１１と光源ＬＥＤ１間の距離と同じ距離ａになるように図示している。さらに格子模様のピッチも図４におけるシリンドリカルレンズアレイ１１のピッチと同じにする。この場合、光源ＬＥＤ１から距離ａ＋ｂの位置における格子パターンのピッチはｐ_ｆとなり、図４の場合と同じとなる。また、スクリーン上に投影される格子パターンのピッチも、スクリーン上ではｐ_ｓとなり、図４の場合と同じとなる。

しかし、図６に示されているように、格子模様プレート２の透明部分Ｇ_０，Ｇ_１，Ｇ_２をそれぞれ通り抜けた投影光は互いに重なる領域６が発生する。このため、コントラストのよい格子パターンをスクリーン１４に投影することができない。

これは、光源ＬＥＤの幅ｗ_０が０ではなく、一定の大きさがあることが原因である。光源ＬＥＤの幅ｗ_０が格子模様プレート２のピッチの半分以下の場合は、この現象は発生しない。このため、従来の格子模様プレート２を用いる格子投影装置では、光源ＬＥＤの幅を小さくする必要があった。もしくは、図５に示すように、格子模様プレート２のピッチを大きくして、光源ＬＥＤから離れた位置に配置する必要があるが、この場合は格子投影装置が大型になるという問題がある。

これに対して、本発明に係る図４におけるシリンドリカルレンズアレイ１１と光源ＬＥＤ１を組み合わせた格子投影装置１０は、光源ＬＥＤ１の幅ｗ_０を大きくしてもよく、高輝度の光源を用いることや放熱効率のよい光源を用いることが可能となる。また、格子模様プレート２を用いる場合よりも、光源ＬＥＤ１に近い位置にシリンドリカルレンズアレイ１１を配置することが可能となり、これによって、格子投影装置１０を小型化することができる。

次に（３）について説明する。図７にシリンドリカルレンズアレイ１１を用いた格子パターン投影の輝度分布の模式図を示す。光源ＬＥＤ１の左側に発光輝度の分布Ｉ_Ｌを図式化して示している。図７において、個々のシリンドリカルレンズ１１の凸レンズによる結像の作用によって、発光輝度の分布と上下方向が反転した輝度の分布の像が結像位置において得られることになる。

そのため、図７に示されるように、投影される輝度の分布Ｉ_ｆが発光輝度の分布Ｉ_Lを反転させて、結像の倍率（ｂ／ａ倍）だけ幅が拡大された集光格子パターン光１２として得られる。なお、結像位置１３から多少離れた位置（例えばスクリーン１４の位置）においては、結像位置１３における像がピンボケした像となる。多少の違いはあるが、結像位置１３の近傍であれば、光源の発光輝度の分布に対して上下に反転した輝度分布が投影されていることになる。このことを利用すれば、光源の発光輝度分布を任意に調整することによって、投影する集光格子パターン光１２の輝度分布を任意のものに調整することができるようになる。例えば、光源ＬＥＤ１部分に透過率が場所によって変化する光学フィルタを取り付けることで実現できる。

また、図８に示すように、ライン状に配置するＬＥＤ１の発光部の位置を調整することでも発光輝度分布を任意に調整することが可能である。図８はライン状のＬＥＤ１における発光部１Ａの配置と発光輝度の分布の関係を模式的に表したものである。図７において、図８に示される配置Ａ、配置Ｂ、配置Ｃのライン状のＬＥＤ１は、その複数の発光部１Ａの配列方向がシリンドリカルレンズアレイ１１の非集光方向と平行に配設される。配置Ａは、発光部を直列に配置した場合であり、発光輝度の分布は矩形波状になる。配置Ｂと配置Ｃは、発光部のうち、一部を少し横にずらして配置したものである。発光部のずらし方により、三角波に近い発光輝度の分布を作ることができることを示している。ここから、ライン状ＬＥＤを構成する発光部の個数が増えれば、より滑らかに変化をつけた発光輝度の分布を生成することができることがわかる。

本発明の基本原理
本発明の基本原理について、表１、図４，図９～図１１を用いて説明する。表１のようなパラメータを用いることで、平凸シリンドリカルレンズアレイとラインＬＥＤを用いた場合にどのような集光格子パターン光を投影できるのかを計算できる。

単レンズの焦点距離ｆは数１式の関係がある。なお、Ｒ_１、Ｒ_２、ｔ、ｆは図９に示す。Ｒ_１、Ｒ_２、ｔ、ｆは、シリンドリカルレンズのパラメータであって、それぞれ、光源と反対側の面の曲率半径、光源側の面の曲率半径、単レンズの厚み、焦点距離を表す。

薄肉レンズで、平凸レンズの場合は、Ｒ_２を無限大として扱えるので、数２式のように近似できる。

よって、平凸シリンドリカルレンズアレイの焦点距離ｆは、数３式で求められる。

数４式を用いると、数３式で求めた焦点距離ｆと平凸シリンドリカルレンズアレイから結像位置までの距離を結像位置である距離ｂに設定することで、レンズの公式より平凸シリンドリカルレンズアレイからラインＬＥＤ光源までの距離ａが求められる。

また、平凸シリンドリカルレンズアレイからラインＬＥＤ光源までの距離ａと平凸シリンドリカルレンズアレイから結像位置までの距離ｂより、レンズの像の倍率ｍ_１は数５式で求められる。

また、図１０のように三角形の比の関係から、平凸のシリンドリカルレンズアレイ１１からライン状のＬＥＤ１光源までの距離ａと平凸のシリンドリカルレンズアレイ１１から結像位置１３までの距離ｂより、結像位置１３のスクリーンに投影される格子パターンのピッチの倍率ｍ_２は数６式で求められる。

数６式で求めた格子パターンのピッチの倍率ｍ_２と平凸のシリンドリカルレンズアレイ１１の幅Ｗ_ｌを用いることで、数７式から格子パターンの幅Ｗ_ｓが求められる。

図１１に平凸のシリンドリカルレンズアレイ１１のピッチＰ_ｌと集光格子パターン光１２による格子パターン（投影格子）のピッチＰ_ｓを示す。数６式で求めた格子パターンのピッチの倍率ｍ_２と平凸シリンドリカルレンズアレイのピッチＰ_ｌを用いることで、数８式から格子パターンのピッチＰ_ｓが求められる。

最後に、レンズの像の倍率ｍ_１とラインＬＥＤの幅ｗ_０から結像位置１３におけるの集光部（白色部）の幅ｗ_１は数９式で求められる。

さらに、結像位置１３における集光部（白色部）の幅ｗ_１と格子パターン（投影格子）のピッチＰ_ｓから、結像位置１３における非集光部（黒色部）の幅ｗ_２は数１０式で求められる。なお、結像位置１３における集光部（白色部）の幅ｗ_１、及び、結像位置における非集光部（黒色部）の幅ｗ_２は、図４に図示されている。

パラメータの設計方法
ラインＬＥＤの幅（ｗ_０）が０．５０ｍｍと決まっている場合のパラメータの設計方法を以下に示す。平凸シリンドリカルレンズアレイから計測対象物までの距離を２０２．４ｍｍ、計測対象物上での格子パターンのピッチを５．３５ｍｍと目標値を設定したときの平凸シリンドリカルレンズアレイからラインＬＥＤ光源までの距離、平凸シリンドリカルレンズアレイの焦点距離、平凸シリンドリカルレンズアレイの幅などの決め方について説明する。なお、平凸シリンドリカルレンズアレイから計測対象物までの距離は、計測対象物を前述の結像位置に配置した場合の数値である。

まず、平凸シリンドリカルレンズアレイからラインＬＥＤ光源までの距離ａを決める。今回は、ａ＝６５．０ｍｍとした。次に、数４式より平凸シリンドリカルレンズアレイの焦点距離ｆを求めると、ｆ＝４９．２ｍｍとなる。さらに、ｆ＝４９．２ｍｍと平凸シリンドリカルレンズアレイの屈折率ｎ＝１．５０８という情報から、数３式より、平凸シリンドリカルレンズアレイの曲率半径Ｒ_１を求めると、Ｒ_１＝２５．０ｍｍとなる。また、平凸シリンドリカルレンズアレイからラインＬＥＤ光源までの距離ａと、平凸シリンドリカルレンズアレイから計測対象物までの距離を結像位置である距離ｂを用いて、数５式、数６式に代入すると、レンズの像の倍率ｍ_１＝３．１１、格子パターンのピッチの倍率ｍ_２＝４．１となる。

ここで、計測対象物の３次元形状計測または変位計測に必要な格子パターンの幅を１２３．４ｍｍにしたい場合は、数７式に格子パターンのピッチの倍率ｍ_２＝４．１と格子パターンの幅Ｗ_ｓの値を代入して、平凸シリンドリカルレンズアレイの幅Ｗ_ｌ＝３０ｍｍと求められる。また、格子パターンのピッチの倍率ｍ_２＝４．１と格子パターンのピッチＰ_ｓから、数８式を用いてＰ_ｌ＝１．３ｍｍというように、平凸シリンドリカルレンズアレイのピッチＰ_ｌも求めることができる。

また、レンズの像の倍率ｍ_１とラインＬＥＤの幅ｗ_０から集光格子パターン光の集光部（白色部）の幅ｗ_１は数９式から１．５６と算出できる。さらに、集光格子パターン光の集光部（白色部）の幅と格子パターンのピッチＰ_ｓから数１０式に代入して、格子パターンの非集光部（黒色部）の幅ｗ_２は３．７９と算出できる。

上記の方法で算出して設計したパラメータを表２に示す。

一実施例（装置の高輝度化）の説明
（１）格子投影装置
図１１に平凸のシリンドリカルレンズアレイ１１を用いた格子投影装置の光線イメージが示されている。図１２にロンキー・ルーリングによる格子模様プレート２を用いた投影装置の光線イメージが示されている。

実験条件について、ロンキー・ルーリングのピッチ間隔（Ｐｒ）は１．０ｍｍ、透過部と遮蔽部はそれぞれ０．５ｍｍ、平凸シリンドリカルレンズアレイのピッチ間隔（Ｐｌ）は１．３ｍｍ、曲率半径（Ｒ）は２５ｍｍとした。格子ガラスおよび平凸シリンドリカルレンズアレイのサイズは３０ｍｍ×３０ｍｍとした。本発明に係る格子投影装置の投影格子のパラメータは表２に示す条件とした。

（２）実験方法
ロンキー・ルーリングを用いた場合と平凸シリンドリカルレンズアレイを用いた場合で、投影した格子パターンをカメラで撮影し、明るさを比較した。図１３および図１４に示すようにカメラ～スクリーン間距離は２２６ｍｍとし、ロンキー・ルーリング１５または平凸のシリンドリカルレンズアレイ１１～スクリーン１４までの距離も２０２．４ｍｍとし、ライン状のＬＥＤ１～ロンキー・ルーリング１５または平凸のシリンドリカルレンズアレイ１１の距離は６５ｍｍとして固定した。実際の実験環境は、カメラの露光時間は０．２５ｍｓｅｃとし、カメラのレンズの絞りは４．０とした。

（３）実験結果
カメラにより投影された格子パターンを撮影したところ、両者間で輝度の大きな差異が見られた（図１５および図１６を参照。）。撮影された画像の縦中央部の輝度の様子は図１７および図１８のとおりである。投影された格子パターンによる位相や形状計測の精度は、輝度差（明暗の差）によるが、本結果では、本発明による格子パターンと、従来技術による投影格子の両者間で約３．８倍の輝度差があることが確認できた。これはライン状ＬＥＤ基板の光量アップにして同程度の向上に相当する。本発明による格子パターンがより鮮明になり、輝度差が大きくなったのは、格子ガラス（ロンキー・ルーリング）を使用した場合に生じる遮蔽部による投影光の損失がないため、光源から出力されたほぼ全ての光量が投影パターンの生成に寄与したためと考えられる。

（４）計測精度向上の方法（輝度分布を正弦波に近くする方法）
ロンキー・ルーリングからシリンドリカルレンズアレイに変更することで明るくなることは確認した。しかしながら、計測対象物に投影された格子パターンの位相解析により３次元形状計測をするときは、計測対象物に投影される格子パターンである投影格子模様の輝度分布は、図８（配置Ｃを参照）のように、正弦波に近い波の方が、計測精度が高くなる。よって、シリンドリカルレンズアレイを用いて明るくしながら、正弦波に近くなるような工夫をした。具体的には、投影格子の集光部の幅を３．２１ｍｍ（ピッチの６０％）、投影格子の非集光部の幅を２．１４ｍｍ（ピッチの４０％）になるようにした。方法としては、ラインＬＥＤの幅を０．５ｍｍから１．０３ｍｍに変更した。このように投影格子の集光部の幅をピッチの５０％～７５％程度にすることで計測精度の向上が見込める。

格子投影装置の形態
本発明による格子投影装置は様々な形態でも実現可能である。図１９に光源Ｓ₀とシリンドリカルレンズ１１の間に光学フィルタ１７を設置した形態の一例を示す。光学フィルタ１７に濃度の分布をつけておくことで、上述の光源Ｓ₀の発光輝度に分布をつけた場合と同様の効果を持たせることができる。

図２０に光源を複数個にした形態の一例を示す。光源を複数個配置し、Ｓ_0，Ｓ_1，Ｓ₂の点灯位置を切り替えることで、集光格子パターン光の位相シフトを行うことができる。

図２１に光源Ｓ₀と液晶パネル１８を組み合わせた形態の一例を示す。液晶パネル１８に表示するパターンを切り替えることで、位相シフトを行うことができる。また、液晶パネル１８に表示するパターンに濃淡をつけることで、光源Ｓ₀の発光輝度に分布をつけた場合と同様の効果を持たせることができる。ここで、液晶パネル１８は一例として示しているだけであり、液晶パネル１８でなくても、透過するパターンを切り替えることができるデバイスであれば任意のものを用いることができる。

図２２に光源Ｓ₀とデジタルマイクロミラーデバイス１９を組み合わせた形態の一例を示す。デジタルマイクロミラーデバイス１９に表示するパターンを切り替えることで、位相シフトを行うことができる。また、デジタルマイクロミラーデバイスに表示するパターンを高速に切り替えることによって、時間的な平均化効果による濃淡をつけることで、光源の発光輝度に分布をつけた場合と同様の効果を持たせることができる。ここで、デジタルマイクロミラーデバイスは一例として示しているだけであり、デジタルマイクロミラーデバイスでなくても、反射するパターンを切り替えることができるデバイスであれば任意のものを用いることができる。

図２３に光源とシリンドリカルレンズアレイの距離を複数個にした形態の一例を示す。特許第６４２０１５９号に開示されている光源部を格子基板（格子模様プレート）から複数の距離に配置することで、投影格子のピッチを切り替える手法が同様に適用できる。それにより、計測深度を広くする効果を持たせることができる。図２３においては、１つの光源が複数個の距離に配置されている図を例示しているが、これは上記に示した任意の形態と組み合わせることが可能である。

さらに、その他の形態として、シリンドリカルレンズアレイの片面に別のシリンドリカルレンズを取り付けることで、広角に投影することや狭角に投影するような格子投影装置を構築することもできる。特許第６５２７７２５号に開示されている片面凹凸シリンドリカルレンズと組み合わせることで、投影輝度のむらを低減させることも可能である。濃度フィルタや偏光フィルタを光路中に配置することでも同様の効果を得ることができる。このように、他のレンズ等のように屈折や回折、反射、偏光、濃度フィルタなどの光学的な効果を持つ光学素子を光路中に配置することで、投影格子の向きや輝度分布を調整することが可能となる。また、透過型だけでなく反射型の光学素子と組み合わせることも可能である。このとき、シリンドリカルレンズアレイ内の個々のシリンドリカルレンズが等間隔に配置されることや、互いに並行に配置されるという限定は必要ではなく、配置位置を調整ことによって投影格子の向きや輝度分布を任意に設定することが可能となる。

さらに、本発明に係る格子投影装置は、シリンドリカルレンズアレイの代わりに、ホログラフィック光学素子などの代替する機能を持つ光学素子を用いることも可能である。すなわち、集光する特性を持つ微細な光学素子がアレイ状に配置されて構成された光学素子である集光手段であれば、本発明の構成要件を満たした格子投影装置を構築することができる。さらに、集光する特性を持つ微細な光学素子が２次元状に配置されている場合は、２次元状の格子パターンを生成することが可能となる。例えば、フライアイレンズのように、２次元状に凸レンズが配置されたものを使用することで、２次元状の格子パターン（ドットパターン）を投影することができる。このように、本発明は、光学素子のアレイが1次元状に配置される場合に限定されるものではない。

本発明に係る格子投影装置を用いた計測装置の構成
図２４にシリンドリカルレンズアレイを用いた格子投影装置を組み込んだ３次元計測装置の一例を示す。３次元計測装置２０は、カメラ１６で撮影された格子パターン３１の画像を解析することにより計測対象物３０の３次元形状を算出する演算手段２１を備えている。なお、図２４に示す３次元計測装置２０は、一例であり、カメラ１６を複数個用いる構成や、格子投影装置１０を複数個用いる構成、カメラ１６と格子投影装置１０が一体化されずに、別々に配置される構成など、任意の構成についても実施可能である。また、３次元計測装置２０に使われる格子投影装置１０の形態も上記のものだけでなく、さまざまな形態であっても実施可能である。さらにこの構成は、計測対象物３０の変形前後の格子パターン３１の変化から、計測対象物３０の変形量を計測する変形計測装置または変位計測装置としても利用できる。

変位計測装置は、カメラで撮影された格子パターンの画像を解析することにより計測対象物の変位を算出する演算手段を備えている。格子パターンの画像を解析することにより、計測対象物の３次元計測及び、変位計測を行うための演算は公知手段であるので、ここでは、詳述しない。なお、格子投影装置は、シリンドリカルレンズアレイを集光手段として用いるだけでなく、集光する特性を持つ光学素子を複数個配置した集光手段を用いてもよい。

本発明に係る集光する特性を持つ光学素子を複数個配置した集光手段を備えた格子投影装置は、従来の格子模様プレートを用いた格子投影装置と比較して、小型で高輝度のものが製作可能である。また、３次元形状計測装置自体も小型軽量のものを製作することができる。また、計測対象物に投影される集光格子パターン光が高輝度になることで次の効果もある。

（１）撮影画像のＳ／Ｎ比が向上し、精度のよい３次元形状計測装置となる。（２）光源に濃度フィルタをつけて投影格子の波形を補正する場合であっても必要な輝度が確保でき、計測精度の低下を小さくすることができる。（３）カメラで撮影する際の露光時間を短く設定することができるため、短時間で３次元形状計測を行うことができる。（４）短時間で３次元形状計測ができるようになると、繰り返して計測を行い、平均化を行うことで平均化効果によって計測精度を向上させることができる。このように、本発明は従来技術に比較して多くの効果を奏することができる。

Ｓ_０,Ｓ₁,Ｓ₂ 光源
Ｇ_０,Ｇ₁,Ｇ₂ 格子模様プレートの透明部分
Ｉ_L 発光輝度の分布
Ｉ_ｆ投影される輝度の分布

１ＬＥＤ
１Ａ発光部
２格子模様プレート
３投影格子パターン
４位相シフトされた投影格子パターン
５投影光
６投影光が重なる領域

１０格子投影装置
１１シリンドリカルレンズアレイ
１２集光格子パターン光
１３結像位置
１４スクリーン
１５ロンキー・ルーリング
１６カメラ
１７光学フィルタ
１８液晶パネル
１９デジタルマイクロミラーデバイス
２０３次元計測装置
２１演算手段

３０計測対象物
３１格子パターン

Claims

光源と、集光する特性を持つ光学素子が複数個配置された集光手段と、を備え、
前記集光手段は、前記集光手段の各々の前記光学素子が前記光源から出力される光を集光し集光格子パターン光を投影する、
格子投影装置。
前記光源の発光部の輝度分布を調整する調整手段を備え、前記集光格子パターン光の輝度分布を調整する、請求項１に記載の、
格子投影装置。
前記光源を複数個備え、複数の前記光源の点灯を切り換えることによって、前記集光格子パターン光の位相シフトを行う、請求項１または２に記載の、
格子投影装置。
前記光源から出射される光の光路中に、光の方向または光量、偏光状態を調整する光学素子を備え、前記集光格子パターン光の輝度分布を調整する、請求項１～３の何れか一つに記載の、
格子投影装置。
前記光源は、複数の発光部を備えたライン状ＬＥＤであり、
前記集光手段は、前記光学素子であるシリンドリカルレンズを複数個、アレイ状に配列したものである、請求項１～４のいずれか１つに記載の、
格子投影装置。
請求項１～５のいずれか１つに記載された前記格子投影装置と、
前記格子投影装置により計測対象物に投射された前記集光格子パターン光の格子パターンを撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮影された前記格子パターンの画像を解析することにより前記計測対象物の３次元形状を算出する演算装置と、を備えた、
３次元形状計測装置。
請求項１～５のいずれか１つに記載された前記格子投影装置と、
前記格子投影装置により計測対象物に投射された前記集光格子パターン光の格子パターンを撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮影された前記格子パターンの画像を解析することにより前記計測対象物の変位を算出する演算装置と、を備えた、
変位計測装置。
光源から光を出射させ、
集光する特性を持つ光学素子を複数個配置した集光手段を用いて、複数個の各々の前記光学素子が前記光源から出力される光を集光し集光格子パターン光を生成し、
前記集光格子パターン光を計測対象物に投影する、
格子投影方法。