JP6786990B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元形状測定装置に関する。

プロジェクタによって対象物に投射パターンを投射し、投射パターンが投射された対象物の画像をカメラによって撮像して対象物の三次元光学測定を行う装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１８７６６９号公報

上記のような装置において、大きさが互いに異なる複数の対象物を測定対象とする場合、各対象物の大きさに合わせてカメラと対象物との相対位置を変更して、対象物にカメラの焦点を合わせることが考えられる。しかし、比較的大きい対象物を測定対象とする場合、カメラと対象物とを大きく離して配置する必要があり、対象物を測定するために比較的広い空間が必要となる。また、測定する対象物同士の大きさの差が大きい場合、比較的小さい対象物の形状を測定する際と比較的大きい対象物の形状を測定する際とで、カメラと対象物との相対位置を大きく変更する必要がある。そのため、カメラと対象物との位置合わせに手間が掛かる。また、例えば、装置内においてカメラを移動可能に配置して、対象物の大きさに合わせてカメラを移動させることも考えられるが、カメラを移動させる範囲が大きくなって装置が大型化する場合がある。

本発明は、上記問題点に鑑みて、小型で、かつ、大きさが互いに異なる複数の対象物の形状を対象物の大きさに合わせて容易に測定することができる三次元形状測定装置を提供することを目的の一つとする。

本発明の三次元形状測定装置の一つの態様は、光を射出する光源装置と、所定の焦点距離に設定された光学系を有し、前記光源装置から射出された光が照射される対象物を撮像する撮像装置と、前記光源装置および前記撮像装置を支持する筐体と、前記筐体に固定され、前記撮像装置の焦点距離を変更する第１コンバージョンレンズと、を備え、前記撮像装置は、前記第１コンバージョンレンズを介して前記対象物を撮像可能な第１位置と、前記第１コンバージョンレンズを介さずに前記対象物を撮像可能な第２位置と、の間で移動可能に前記筐体に支持されている。

本発明の一つの態様によれば、小型で、かつ、大きさが互いに異なる複数の対象物の形状を対象物の大きさに合わせて容易に測定することができる三次元形状測定装置が提供される。

図１は、本実施形態の三次元形状測定装置を示す斜視図である。 図２は、本実施形態の三次元形状測定装置を模式的に示す平面図である。 図３は、本実施形態の三次元形状測定装置を模式的に示す平面図である。 図４は、本実施形態の三次元形状測定装置を模式的に示す平面図である。 図５は、本実施形態の他の一例である三次元形状測定装置の部分を示す斜視図である。

各図に示すＸＹＺ軸座標系において、Ｚ軸方向は、上下方向Ｚとする。Ｘ軸方向は、Ｚ軸方向と直交する方向であり、光源装置３０が射出する光の射出方向Ｘとする。Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の両方と直交する方向とする。上下方向Ｚの正の側を「上側」と呼び、負の側を「下側」と呼ぶ。Ｙ軸方向と平行な方向を幅方向Ｙと呼ぶ。なお、上側、下側および上下方向とは、単に各部の相対位置関係を説明するための名称であり、実際の配置関係等を限定しない。

図１から図４に示すように、本実施形態の三次元形状測定装置１０は、筐体１０ａと、光源装置３０と、撮像装置４０と、第１コンバージョンレンズ５１と、第２コンバージョンレンズ５２と、第３コンバージョンレンズ５３と、第４コンバージョンレンズ５４と、光照射装置６０と、駆動装置７０ａ，７０ｂと、図示しない演算処理装置と、を備える。

図２から図４に示すように、三次元形状測定装置１０は、光を射出する光源装置３０によって対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂに光を照射し、光が照射された対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂを撮像装置４０によって撮像する。そして、三次元形状測定装置１０は、図示しない演算処理装置によって、撮像装置４０が撮像した画像情報に基づいた演算処理を行い、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの形状を測定する。

対象物Ｏｓと対象物Ｏｍと対象物Ｏｂとは、互いに大きさが異なる。対象物Ｏｍの大きさは、対象物Ｏｓの大きさよりも大きい。対象物Ｏｂの大きさは、対象物Ｏｍの大きさよりも大きい。図２は、対象物Ｏｍの形状を測定する場合を示している。図３は、対象物Ｏｓの形状を測定する場合を示している。図１および図４は、対象物Ｏｂの形状を測定する場合を示している。

図１に示すように、光源装置３０は、後述する筐体本体１１の底板部１１ａの上面に固定されている。すなわち、筐体本体１１は、光源装置３０を支持する。光源装置３０は、例えば、格子状のパターンの光を射出するプロジェクタである。光源装置３０が射出する光の射出方向Ｘは、光源装置３０から射出される光の中心である光軸Ｊ１と平行な方向である。

本実施形態の三次元形状測定装置１０においては、撮像装置４０は、光源装置３０が光を射出する射出方向Ｘと直交する方向において、光源装置３０を挟んで撮像装置４０ａと撮像装置４０ｂとの一対設けられている。そのため、２つの撮像装置４０ａ，４０ｂを用いて三角測量を行うことで、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの形状をより精度よく測定することができる。本実施形態において、撮像装置４０ａと撮像装置４０ｂとは、幅方向Ｙにおいて、光源装置３０を挟んでいる。

撮像装置４０ａの撮像レンズの光軸Ｊ２ａおよび撮像装置４０ｂの撮像レンズの光軸Ｊ２ｂは、上下方向Ｚと直交し、かつ、光源装置３０の光軸Ｊ１に対して傾いている。光軸Ｊ２ａ，Ｊ２ｂは、各撮像装置４０から対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂに向かうに従って光軸Ｊ１に近づく向きに傾いている。光軸Ｊ２ａと光軸Ｊ２ｂとは、光軸Ｊ１上で交わる。なお、撮像装置４０ａと撮像装置４０ｂとは、平面視において光源装置３０の光軸Ｊ１に対して線対称に配置されている点を除いて同様である。そのため、以下の説明においては、代表して、撮像装置４０ａについてのみ説明する場合がある。

光軸Ｊ２ａと平行な方向を光軸方向Ｄ２ａとし、光軸Ｊ２ｂと平行な方向を光軸方向Ｄ２ｂとする。光軸方向Ｄ２ａ，Ｄ２ｂは、射出方向Ｘと交差する方向である。各光軸Ｊ１，Ｊ２ａ，Ｊ２ｂと平行な方向において、三次元形状測定装置１０を基準として、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂ側を「前側」と呼び、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂと逆側を「後側」と呼ぶ。すなわち、射出方向Ｘの正の側は、前側である。射出方向Ｘの負の側は、後側である。なお、前側および後側とは、単に各部の相対位置関係を説明するための名称であり、実際の配置関係等を限定しない。

図１に示す筐体１０ａは、光源装置３０および撮像装置４０ａを支持する。筐体１０ａは、筐体本体１１と、支持部材２０と、を有する。筐体本体１１は、三次元形状測定装置１０の各部を内部に収容する。図１では、筐体本体１１のうち一部の図示を省略している。図１では、筐体本体１１のうち三次元形状測定装置１０の各部を下側から支持する底板部１１ａおよび三次元形状測定装置１０の各部の後側を覆う後板部１１ｂを示している。

支持部材２０は、撮像装置４０、第１コンバージョンレンズ５１、第２コンバージョンレンズ５２、光照射装置６０および駆動装置７０ａ，７０ｂを支持する部材である。本実施形態において支持部材２０は、幅方向Ｙにおいて光源装置３０を挟んで２つ設けられている。２つの支持部材２０は、底板部１１ａ上に固定されている。２つの支持部材２０は、平面視において光源装置３０の光軸Ｊ１に対して線対称に配置されている点を除いて同様である。そのため、以下の説明においては、代表して、図１における右側に配置された支持部材２０、すなわち撮像装置４０ａを支持する支持部材２０についてのみ説明する場合がある。

支持部材２０は、第１レンズ支持部２１と、撮像装置支持部２２と、を有する。すなわち、筐体１０ａは、第１レンズ支持部２１と、撮像装置支持部２２と、を有する。第１レンズ支持部２１は、図１に示す移動方向Ｄ３ａに延びる矩形板状である。移動方向Ｄ３ａは、撮像装置４０ａが移動する方向である。移動方向Ｄ３ａは、射出方向Ｘおよび光軸方向Ｄ２ａの両方と平行な平面（ＸＹ平面）と平行で、かつ、光軸方向Ｄ２ａと直交する方向である。第１レンズ支持部２１の板面は、上下方向Ｚと平行であり、かつ、光軸方向Ｄ２ａと直交する。図２に示すように、第１レンズ支持部２１は、撮像装置４０ａの撮像レンズの光軸方向Ｄ２ａにおいて撮像装置４０ａの前側に位置する。

第１レンズ支持部２１は、第１レンズ支持部２１を光軸方向Ｄ２ａに貫通する貫通孔２１ａを有する。貫通孔２１ａは、第１レンズ支持部２１における移動方向Ｄ３ａの中央に配置されている。図１に示すように、貫通孔２１ａの形状は、円形状である。貫通孔２１ａは、撮像装置４０ａが後述する第３位置Ｐ３に位置する場合に撮像装置４０ａの撮像レンズと光軸方向Ｄ２ａに対向する。

第１レンズ支持部２１は、第１コンバージョンレンズ５１および第２コンバージョンレンズ５２を支持する。より詳細には、第１コンバージョンレンズ５１および第２コンバージョンレンズ５２は、第１レンズ支持部２１を光軸方向Ｄ２ａに貫通する２つの孔にそれぞれ嵌め合わされて、第１レンズ支持部２１に固定されている。これにより、第１コンバージョンレンズ５１および第２コンバージョンレンズ５２は、筐体１０ａに固定されている。第１コンバージョンレンズ５１と第２コンバージョンレンズ５２と貫通孔２１ａとは、移動方向Ｄ３ａに沿って配置されている。第１コンバージョンレンズ５１と第２コンバージョンレンズ５２とは、移動方向Ｄ３ａにおいて貫通孔２１ａを挟んで配置されている。第１コンバージョンレンズ５１は、第２コンバージョンレンズ５２よりも、移動方向Ｄ３ａにおいて光源装置３０に近い位置に配置されている。

撮像装置支持部２２は、第１レンズ支持部２１の上端部から光軸方向Ｄ２ａの後側に延びる矩形板状である。撮像装置支持部２２の平面視形状は、移動方向Ｄ３ａに長い略長方形状である。撮像装置支持部２２の板面は、上下方向と直交する。図示は省略するが、撮像装置支持部２２の下面には、移動方向Ｄ３ａに沿って延びるレールが設けられている。

第１コンバージョンレンズ５１および第２コンバージョンレンズ５２は、撮像装置４０の焦点距離を変更するレンズである。第１コンバージョンレンズ５１および第２コンバージョンレンズ５２は、各支持部材２０の第１レンズ支持部２１に１つずつ設けられている。本実施形態において第１コンバージョンレンズ５１は、撮像装置４０の焦点距離を長くするレンズである。第１コンバージョンレンズ５１は、例えば、テレコンバージョンレンズである。本実施形態において第２コンバージョンレンズ５２は、撮像装置４０の焦点距離を短くするレンズである。すなわち、第２コンバージョンレンズ５２は、撮像装置４０の焦点距離を第１コンバージョンレンズ５１が変更する焦点距離と異なる焦点距離に変更する。第２コンバージョンレンズ５２は、例えば、ワイドコンバージョンレンズである。

第１コンバージョンレンズ５１は、撮像装置４０が後述する第１位置Ｐ１に位置する場合に撮像装置４０の撮像レンズと光軸方向Ｄ２ａ，Ｄ２ｂに対向する。第２コンバージョンレンズ５２は、撮像装置４０が後述する第２位置Ｐ２に位置する場合に撮像装置４０の撮像レンズと光軸方向Ｄ２ａ，Ｄ２ｂに対向する。

撮像装置４０ａは、所定の焦点距離に設定された光学系を有する。図２から図４に示すように、撮像装置４０ａは、光源装置３０から射出された光が照射される対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂを撮像する。撮像装置４０ａは、第１位置Ｐ１と、第２位置Ｐ２と、第３位置Ｐ３と、の間で移動方向Ｄ３ａに沿って移動可能に筐体１０ａに支持されている。より詳細には、撮像装置４０ａは、撮像装置支持部２２の下側において、撮像装置支持部２２の下面に設けられたレールに取り付けられている。撮像装置４０ａは、このレールに沿って移動方向Ｄ３ａに移動可能である。

第１位置Ｐ１は、第１コンバージョンレンズ５１を介して対象物Ｏｓを撮像可能な位置である。第２位置Ｐ２は、撮像装置４０ａが第１コンバージョンレンズ５１を介さずに対象物を撮像可能な位置である。本実施形態において第２位置Ｐ２は、撮像装置４０ａが第２コンバージョンレンズ５２を介して対象物Ｏｂを撮像可能な位置である。第３位置Ｐ３は、撮像装置４０ａが対象物Ｏｍを直接的に撮像可能な位置である。第１位置Ｐ１は、第２位置Ｐ２よりも、移動方向Ｄ３ａにおいて光源装置３０に近い位置である。第３位置Ｐ３は、移動方向Ｄ３ａにおいて第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の位置である。

なお、本明細書において「対象物を直接的に撮像可能である」とは、撮像装置が有する光学系以外の光学部材を介することなく、対象物を撮像可能なことを含む。

図３に示すように、本実施形態において第１位置Ｐ１は、対象物Ｏｓの形状を測定する場合に撮像装置４０ａが配置される位置である。図４に示すように、本実施形態において第２位置Ｐ２は、対象物Ｏｂの形状を測定する場合に撮像装置４０ａが配置される位置である。図２に示すように、本実施形態において第３位置Ｐ３は、対象物Ｏｍの形状を測定する場合に撮像装置４０ａが配置される位置である。

本実施形態において撮像装置４０ｂは、第１位置Ｐ１と、第２位置Ｐ２と、第３位置Ｐ３と、の間で移動方向Ｄ３ｂに沿って移動可能に筐体１０ａに支持されている。移動方向Ｄ３ｂは、射出方向Ｘおよび光軸方向Ｄ２ｂの両方と平行な平面（ＸＹ平面）と平行で、かつ、光軸方向Ｄ２ｂと直交する方向である。移動方向Ｄ３ａと移動方向Ｄ３ｂとは、互いに交差する。

例えば、図２に示す第３位置Ｐ３に撮像装置４０が配置された状態を基準として考えると、対象物Ｏｍよりも小さい対象物Ｏｓの形状を測定する場合には、図３に示すように撮像装置４０を第３位置Ｐ３から第１位置Ｐ１に移動させる。第１位置Ｐ１に移動した撮像装置４０の撮像レンズの前側には、第１コンバージョンレンズ５１が配置される。これにより、第１コンバージョンレンズ５１を介して対象物Ｏｓを撮像する撮像装置４０の焦点距離が長くなると共に、撮像装置４０の画角θ１が狭くなる。したがって、第１コンバージョンレンズ５１が設けられていない場合に比べて、比較的小さい対象物Ｏｓを、三次元形状測定装置１０から前側に比較的離れた位置に配置しつつ、対象物Ｏｓに焦点を合わせることができる。すなわち、三次元形状測定装置１０と対象物Ｏｓとの間の射出方向Ｘの距離Ｌ３を比較的大きくできる。これにより、比較的小さい対象物Ｏｓが三次元形状測定装置１０に近づき過ぎることを抑制でき、三次元形状測定装置１０に対して対象物Ｏｓを配置しやすい。したがって、対象物Ｏｓの形状を測定しやすい。

一方、対象物Ｏｍよりも大きい対象物Ｏｂの形状を測定する場合には、図４に示すように撮像装置４０を第３位置Ｐ３から第２位置Ｐ２に移動させる。第２位置Ｐ２に移動した撮像装置４０の撮像レンズの前側には、第２コンバージョンレンズ５２が配置される。これにより、第２コンバージョンレンズ５２を介して対象物Ｏｂを撮像する撮像装置４０の焦点距離が短くなると共に、撮像装置４０の画角θ１が広くなる。したがって、第２コンバージョンレンズ５２が設けられていない場合に比べて、比較的大きい対象物Ｏｂを、三次元形状測定装置１０に近い位置に配置しつつ、対象物Ｏｂに焦点を合わせることができる。

以上のように、各コンバージョンレンズが設けられていない場合に比べて、比較的小さい対象物Ｏｓを三次元形状測定装置１０から離して配置できると共に、比較的大きい対象物Ｏｂを三次元形状測定装置１０に近づけて配置できる。これにより、図２に示す対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂが設置される領域の射出方向Ｘの寸法Ｌ２を小さくすることができる。そのため、大きさが異なる複数の対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの形状を測定する際に必要な空間を小さくできる。また、大きさが異なる対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの形状を測定する際に、大きさによって対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの位置を大きく変える必要がないため、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの配置が容易である。

また、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂが設置される領域の射出方向Ｘの寸法Ｌ２を小さくすることができるため、各対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂに応じて撮像装置４０を移動させる距離を短くできる。すなわち、第１位置Ｐ１と第３位置Ｐ３との間の移動方向Ｄ３ａ，Ｄ３ｂの距離、および第２位置Ｐ２と第３位置Ｐ３との間の移動方向Ｄ３ａ，Ｄ３ｂの距離を小さくできる。これにより、三次元形状測定装置１０の幅方向Ｙの寸法Ｌ１を小さくすることができる。

以上のようにして、本実施形態によれば、形状を測定する対象物の大きさが変わっても、撮像装置４０を移動させて、第１コンバージョンレンズ５１および第２コンバージョンレンズ５２の有無を切り換えることで、撮像装置４０の焦点距離および画角θ１を変更し、撮像装置４０を対象物の大きさの変化に合わせることができる。そして、これにより、対象物を設置する範囲が広くなることを抑制しつつ、三次元形状測定装置１０全体が大型化することを抑制できる。したがって、本実施形態によれば、小型で、かつ、大きさが互いに異なる複数の対象物の形状を対象物の大きさに合わせて容易に測定することができる三次元形状測定装置１０が得られる。

また、第１コンバージョンレンズ５１と第２コンバージョンレンズ５２とは筐体１０ａに固定されているため、撮像装置４０に対して手動でコンバージョンレンズを付け替える手間がない。また、撮像装置４０を移動させた後に、撮像装置４０の焦点を合わせる必要もない。

また、例えば、撮像装置４０にオートフォーカス機能を搭載して、撮像装置４０を移動させずに、撮像装置４０の焦点距離および画角θ１を変更する方法が考えられる。しかし、この場合、オートフォーカス機能を搭載することで、三次元形状測定装置が複雑化し、三次元形状測定装置の製造コストが増大する。また、オートフォーカス機能を搭載した場合、焦点距離および画角θ１を調整して対象物を測定する際には、撮像装置４０の撮像レンズを強固に固定する必要がある。これは、撮像レンズを固定しない場合には、微振動によって撮像レンズの位置が変化して形状測定の精度が低下する虞があるためである。そのため、撮像レンズを強固に固定する固定機構も必要となり、三次元形状測定装置がより複雑化し、三次元形状測定装置の製造コストがより増大する。また、三次元形状測定装置の重量が大きくなり、取扱い性が低下する。

これに対して、本実施形態によれば、撮像装置４０を移動させて、筐体１０ａに固定された第１コンバージョンレンズ５１および第２コンバージョンレンズ５２の有無を切り換える構成である。そのため、オートフォーカス機能を搭載する場合に比べて、三次元形状測定装置１０の構成を簡単化でき、かつ、軽量化できる。これにより、三次元形状測定装置１０の製造コストを安価にできると共に、取扱い性を向上できる。また、撮像装置４０の撮像レンズ自体は固定焦点としたまま、撮像装置４０の焦点距離および画角θ１を変更することができるため、撮像レンズの固定機構を設ける必要がなく、三次元形状測定装置１０の構成をより簡単化でき、かつ、より軽量化できる。したがって、三次元形状測定装置１０の製造コストをより安価にできると共に、より取扱い性を向上できる。また、微振動によって、形状測定の精度が低下することもない。

また、例えば、オートフォーカス機能を設ける場合、大きさによらず対象物を同じ位置に配置して対象物の形状を測定することが可能となるが、比較的大きい対象物Ｏｂを配置する位置に合わせた場合、比較的小さい対象物Ｏｓを配置する位置が三次元形状測定装置から比較的離れた位置となる。そのため、対象物Ｏｓの大きさの割に、対象物Ｏｓを配置する位置が三次元形状測定装置から遠くなり、対象物Ｏｓを取扱いにくい。これに対して、本実施形態によれば、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの大きさに応じて、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂが配置される射出方向Ｘの位置がある程度異なる。そのため、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂを取り扱いやすい。

また、本実施形態によれば、撮像装置４０が第１コンバージョンレンズ５１を介して対象物Ｏｓを撮像する第１位置Ｐ１、撮像装置４０が直接的に対象物Ｏｍを撮像する第３位置Ｐ３、および撮像装置４０が第２コンバージョンレンズ５２を介して対象物Ｏｂを撮像する第２位置Ｐ２が、光源装置３０から離れる向きに沿って、この順に配置されている。第１コンバージョンレンズ５１は、撮像装置４０の焦点距離を長くするレンズである。第２コンバージョンレンズ５２は、撮像装置４０の焦点距離を短くするレンズである。したがって、第１位置Ｐ１から第３位置Ｐ３の間で撮像装置４０を移動させた場合に、撮像装置４０の位置に応じて適切に焦点距離を変化させることができる。

また、本実施形態によれば、撮像装置４０の撮像レンズは、第３位置Ｐ３において、貫通孔２１ａと光軸方向Ｄ２ａと対向する。そのため、第３位置Ｐ３において撮像装置４０は、貫通孔２１ａを介して、直接的に対象物Ｏｍを撮像する。そのため、第１レンズ支持部２１に第１コンバージョンレンズ５１と第２コンバージョンレンズ５２とを支持させた状態で、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との移動方向Ｄ３ａの間にある第３位置Ｐ３において、撮像装置４０によって直接的に対象物Ｏｍを撮像することが容易である。

図１に示す駆動装置７０ａは、撮像装置４０ａを移動方向Ｄ３ａに移動させる。駆動装置７０ｂは、撮像装置４０ｂを移動方向Ｄ３ｂに移動させる。駆動装置７０ａと駆動装置７０ｂとは、平面視において光源装置３０の光軸Ｊ１に対して線対称に配置されている点を除いて同様である。そのため、以下の説明においては、代表して、駆動装置７０ａについてのみ説明する場合がある。

駆動装置７０ａは、撮像装置支持部２２に設けられている。駆動装置７０ａは、モータ７１と、ねじシャフト７１ａと、撮像装置固定部７２と、を有する。モータ７１は、移動方向Ｄ３ａにおいて、撮像装置支持部２２の上面の光源装置３０側の端部に固定されている。モータ７１の出力軸は、モータ本体から移動方向Ｄ３ａにおける光源装置３０から離れる向きに延びている。モータ７１の出力軸には、ねじシャフト７１ａがカップリングによって取り付けられている。ねじシャフト７１ａは、移動方向Ｄ３ａに沿って、ほぼ撮像装置固定部７２の一端から他端まで延びている。図示は省略するが、ねじシャフト７１ａの外周面には、雄ネジ部が設けられている。

撮像装置固定部７２は、光軸方向Ｄ２ａに延びる角柱状である。撮像装置固定部７２は、撮像装置支持部２２の上側に配置されている。撮像装置固定部７２には、撮像装置４０ａが固定されている。撮像装置固定部７２は、ねじシャフト７１ａが通される孔を有する。この孔の内周面には、ねじシャフト７１ａの外周面の雄ネジ部と噛み合わされる雌ネジ部が設けられている。これにより、モータ７１の出力軸の回転に伴って、ねじシャフト７１ａが回転すると、撮像装置固定部７２が移動方向Ｄ３ａに沿って移動する。撮像装置固定部７２が移動することで、撮像装置固定部７２に固定された撮像装置４０ａも移動する。このようにして、駆動装置７０ａは、撮像装置４０ａを移動方向Ｄ３ａに移動させる。

駆動装置７０ａ，７０ｂは、使用者の入力等に応じて、撮像装置４０ａ，４０ｂの位置を移動させる。駆動装置７０ａと駆動装置７０ｂとは、連動している。そのため、例えば、駆動装置７０ａが撮像装置４０ａを第３位置Ｐ３から第１位置Ｐ１に移動させると同時に、駆動装置７０ｂは、撮像装置４０ｂを第３位置Ｐ３から第１位置Ｐ１に移動させる。なお、駆動装置７０ａ，７０ｂは、例えば、センサ等によって対象物の大きさを検出して、対象物の大きさに合わせて自動で撮像装置４０ａ，４０ｂの位置を移動させる構成であってもよい。

第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４は、光源装置３０に着脱可能なレンズである。本実施形態において第３コンバージョンレンズ５３は、光源装置３０の焦点距離を第１コンバージョンレンズ５１と同様に変更するレンズである。すなわち、第３コンバージョンレンズ５３は、光源装置３０の焦点距離を長くする。本実施形態において第４コンバージョンレンズ５４は、光源装置３０の焦点距離を第２コンバージョンレンズ５２と同様に変更するレンズである。すなわち、第４コンバージョンレンズ５４は、光源装置３０の焦点距離を短くする。

ここで、本明細書において、「光源装置の焦点距離を第１コンバージョンレンズと同様に変更するレンズ」とは、焦点距離を変更する向きが第１コンバージョンレンズと同様であればよく、焦点距離を変更する度合いについては同じであってもよいし、異なっていてもよい。具体的には、第１コンバージョンレンズが本実施形態のように撮像装置の焦点距離を長くするレンズである場合、「光源装置の焦点距離を第１コンバージョンレンズと同様に変更するレンズ」とは、光源装置の焦点距離を長くするレンズであればよく、焦点距離を長くする度合いについては、第１コンバージョンレンズと同じであってもよいし、異なっていてもよい。なお、これは、第１コンバージョンレンズを第２コンバージョンレンズに置き換えても同様である。

本実施形態においては、第１コンバージョンレンズ５１と第３コンバージョンレンズ５３とは、例えば、同一のレンズであり、焦点距離を長くする度合いも同じである。本実施形態においては、第２コンバージョンレンズ５２と第４コンバージョンレンズ５４とは、例えば、同一のレンズであり、焦点距離を短くする度合いも同じである。

図３に示すように、第３コンバージョンレンズ５３は、撮像装置４０が第１位置Ｐ１に位置するときに、光源装置３０に装着される。これにより、光源装置３０の焦点距離が長くなり、光源装置３０の画角θ２は狭くなる。図４に示すように、第４コンバージョンレンズ５４は、撮像装置４０が第２位置Ｐ２に位置するときに、光源装置３０に装着される。これにより、光源装置３０の焦点距離が短くなり、光源装置３０の画角θ２が広くなる。図２に示すように、撮像装置４０が第３位置Ｐ３に位置するときには、光源装置３０には、第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４のいずれも装着されない。

このように、撮像装置４０の位置の変化に合わせて、第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４を着脱することで、第１コンバージョンレンズ５１および第２コンバージョンレンズ５２による撮像装置４０の焦点距離および画角θ１の変更に合わせて光源装置３０の焦点距離および画角θ２を変更することができる。これにより、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂに対して、適切に焦点を合わせて光を照射することができる。したがって、三次元形状測定装置１０による形状の測定精度を向上することができる。

本実施形態において第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４は、使用者によって手動で着脱される。第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４は、光源装置３０に装着されていない際には、例えば、筐体１０ａに保持されていてもよいし、三次元形状測定装置１０の本体とは別に保管されていてもよい。

図１に示すように、光照射装置６０は、各駆動装置７０ａ，７０ｂの撮像装置固定部７２にそれぞれ固定されている。これにより、光照射装置６０は、筐体１０ａに撮像装置４０ａ，４０ｂと共に移動可能に支持されている。光照射装置６０は、撮像装置固定部７２の光軸方向Ｄ２ａ，Ｄ２ｂの前端から前側に延びている。光照射装置６０は、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの設置位置を示す光を照射する。本実施形態において光照射装置６０は、例えば、レーザーポインタである。図２から図４に示すように、本実施形態において各光照射装置６０から射出される光の光軸は、平面視において、撮像装置４０ａ，４０ｂの光軸Ｊ２ａ，Ｊ２ｂとそれぞれ一致する。

一方の光照射装置６０から射出される光と他方の光照射装置６０から射出される光とは、一点で交わる。撮像装置４０ａ，４０ｂが移動することで各光照射装置６０も移動するため、２つの光照射装置６０から射出された光の交点は、撮像装置４０ａ，４０ｂの位置に応じて変化する。２つの光照射装置６０から射出された光の交点は、平面視において、光軸Ｊ２ａと光軸Ｊ２ｂとの交点と一致する。本実施形態では、２つの光照射装置６０から射出された光の交点が、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの設置位置を示している。

すなわち、図２においては、２つの光照射装置６０から射出された光が交わる交点ＡＰ３に、対象物Ｏｍの後端における幅方向Ｙの中心を合わせて対象物Ｏｍを配置することで、対象物Ｏｍの形状を測定する適切な位置に対象物Ｏｍを配置することができる。図３においては、２つの光照射装置６０から射出された光が交わる交点ＡＰ１に、対象物Ｏｓの後端における幅方向Ｙの中心を合わせて対象物Ｏｓを配置することで、対象物Ｏｓの形状を測定する適切な位置に対象物Ｏｓを配置することができる。図４においては、２つの光照射装置６０から射出された光が交わる交点ＡＰ２に、対象物Ｏｂの後端における幅方向Ｙの中心を合わせて対象物Ｏｂを配置することで、対象物Ｏｂの形状を測定する適切な位置に対象物Ｏｂを配置することができる。

以上のように、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂの設置位置を示す光を照射する光照射装置６０が設けられているため、使用者は、対象物Ｏｓ，Ｏｍ，Ｏｂを容易に適切な位置に設置することができる。また、本実施形態において光照射装置６０は、撮像装置４０の位置が変化するのに伴って、自動的に適切な設置位置を示す交点を作る位置に移動する。そのため、光照射装置６０を移動させる駆動装置を別途設ける必要がなく、光照射装置６０の移動を制御する必要もない。したがって、三次元形状測定装置１０の部品点数が多くなることを抑制でき、かつ、三次元形状測定装置１０の構造が複雑化することを抑制できる。

本発明は上述の実施形態に限られず、他の構成を採用することもできる。以下の説明において上記説明と同様の構成については、適宜同一の符号を付す等により説明を省略する場合がある。

上述の実施形態では、撮像装置４０の焦点距離を変更するコンバージョンレンズが、１つの撮像装置４０に対して２つずつ設けられた構成としたが、これに限られない。撮像装置４０の焦点距離を変更する第１コンバージョンレンズが、１つの撮像装置４０に対して１つのみ設けられてもよい。この場合、第１コンバージョンレンズは、撮像装置４０の焦点距離を長くするレンズであってもよいし、撮像装置４０の焦点距離を短くするレンズであってもよい。また、この場合、第１コンバージョンレンズを介さずに対象物を撮像可能な第２位置は、撮像装置４０が直接的に対象物を撮像可能な位置である。これらのように、１つの撮像装置４０に対して第１コンバージョンレンズが１つのみ設けられている場合であっても、対象物の大きさに合わせて撮像装置４０の焦点距離および画角θ１を変更することができるため、上述したのと同様に、小型で、かつ、大きさが互いに異なる複数の対象物の形状を対象物の大きさに合わせて容易に測定することができる三次元形状測定装置が得られる。

また、撮像装置４０は、第１コンバージョンレンズ５１あるいは第２コンバージョンレンズ５２を介してのみ対象物を撮像可能な構成であってもよい。すなわち、撮像装置４０の位置は、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間のみで切り換え可能であってもよい。この場合、第１レンズ支持部２１には、貫通孔２１ａが設けられない。このような場合であっても、第１コンバージョンレンズ５１と第２コンバージョンレンズ５２とを切り換えることができるため、対象物の大きさに合わせて撮像装置４０の焦点距離および画角θ１を変更することができる。これにより、上述したのと同様に、小型で、かつ、大きさが互いに異なる複数の対象物の形状を対象物の大きさに合わせて容易に測定することができる三次元形状測定装置が得られる。

また、１つの撮像装置４０に対して、撮像装置４０の焦点距離を変更するコンバージョンレンズが３つ以上設けられていてもよい。この場合、撮像装置４０は、異なる３つ以上のコンバージョンレンズが前側に配置される３つ以上の位置、およびコンバージョンレンズを介さない位置との間で移動可能に配置されていてもよい。また、この場合、光源装置３０の焦点距離を変更するコンバージョンレンズも３つ以上設けられていてもよい。

また、第１コンバージョンレンズと第２コンバージョンレンズとは、共に焦点距離を長くするレンズであってもよいし、共に焦点距離を短くするレンズであってもよい。この場合、第１コンバージョンレンズと第２コンバージョンレンズとは、焦点距離を変更させる度合いが、互いに異なる。また、第３コンバージョンレンズと第４コンバージョンレンズとは、共に焦点距離を長くするレンズであってもよいし、共に焦点距離を短くするレンズであってもよい。この場合、第３コンバージョンレンズと第４コンバージョンレンズとは、焦点距離を変更させる度合いが、互いに異なる。また、第１コンバージョンレンズ、第２コンバージョンレンズ、第３コンバージョンレンズおよび第４コンバージョンレンズは、クローズアップレンズであってもよい。

また、図５に示す三次元形状測定装置１１０のように、筐体１１０ａが、第２レンズ支持部１２３を有してもよい。第２レンズ支持部１２３は、上下方向Ｚに延びる矩形板状である。第２レンズ支持部１２３の板面は、射出方向Ｘと直交する。第２レンズ支持部１２３は、第２レンズ支持部１２３を射出方向Ｘに貫通する孔部１２３ａを有する。孔部１２３ａの形状は、円形状である。

第２レンズ支持部１２３は、第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４を支持する。より詳細には、第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４は、第２レンズ支持部１２３を射出方向Ｘに貫通する２つの孔にそれぞれ嵌め合わされて、第２レンズ支持部１２３に固定されている。これにより、第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４は、筐体１１０ａに固定されている。第３コンバージョンレンズ５３と孔部１２３ａと第４コンバージョンレンズ５４とは、上下方向Ｚに沿って上側から下側に向かって、この順に配置されている。

第２レンズ支持部１２３は、上下方向Ｚに移動可能に筐体本体１１に支持されている。より詳細には、第２レンズ支持部１２３は、光源装置３０が第３コンバージョンレンズ５３を介して対象物に光を照射可能な位置と、光源装置３０が第４コンバージョンレンズ５４を介して対象物に光を照射可能な位置と、光源装置３０が直接的に対象物に光を照射可能な位置と、の間で移動可能に筐体本体１１に支持されている。図５では、光源装置３０が直接的に対象物に光を照射可能な位置に第２レンズ支持部１２３が配置されている状態を示している。光源装置３０が直接的に対象物に光を照射可能な位置とは、光源装置３０の光軸Ｊ１が孔部１２３ａを通る位置、すなわち光源装置３０から射出される光が孔部１２３ａを通過して対象物に照射される位置である。

上記構成によれば、第２レンズ支持部１２３を移動させることで、光源装置３０に対して、第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４の切り換えを行うことができる。そのため、第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４を、使用者が手動で交換する場合に比べて、簡便である。

図５において図示は省略するが、三次元形状測定装置１１０は、第２レンズ支持部１２３を上下方向Ｚに移動させる第２駆動装置を備える。第２駆動装置は、駆動装置７０ａ，７０ｂと連動している。すなわち、例えば、第２駆動装置は、駆動装置７０ａ，７０ｂが撮像装置４０を第３位置Ｐ３から第１位置Ｐ１に移動させるのと同時に、第２レンズ支持部１２３を図５に示す位置から下側に移動させる。これにより、図３に示すように、光源装置３０が第３コンバージョンレンズ５３を介して対象物Ｏｓに光を照射可能になると共に、撮像装置４０が第１コンバージョンレンズ５１を介して対象物Ｏｓを撮像可能となる。

第３コンバージョンレンズ５３と第４コンバージョンレンズ５４とを筐体本体１１に対して固定する方法は、図５に示す方法に限られず、光源装置３０の前側に配置されるコンバージョンレンズの有無を切り換え可能であれば、特に限定されない。

また、第３コンバージョンレンズ５３および第４コンバージョンレンズ５４は、設けられてなくてもよい。この場合、例えば、光源装置３０の焦点距離は、オートフォーカス機能によって調整可能な構成であってもよい。また、撮像装置４０は、１つのみ設けられてもよい。

上記の各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。

１０，１１０…三次元形状測定装置、１０ａ，１１０ａ…筐体、１１…筐体本体、２１…第１レンズ支持部、２１ａ…貫通孔、３０…光源装置、４０，４０ａ，４０ｂ…撮像装置、５１…第１コンバージョンレンズ、５２…第２コンバージョンレンズ、５３…第３コンバージョンレンズ、５４…第４コンバージョンレンズ、６０…光照射装置、１２３…第２レンズ支持部、Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ…光軸方向、Ｄ３ａ，Ｄ３ｂ…移動方向、Ｏｂ，Ｏｍ，Ｏｓ…対象物、Ｐ１…第１位置、Ｐ２…第２位置、Ｐ３…第３位置、Ｘ…射出方向

Claims (11)

1. 光を射出する光源装置と、
   所定の焦点距離に設定された光学系を有し、前記光源装置から射出された光が照射される対象物を撮像する撮像装置と、
   前記光源装置および前記撮像装置を支持する筐体と、
   前記筐体に固定され、前記撮像装置の焦点距離を変更する第１コンバージョンレンズと、
   を備え、
   前記撮像装置は、前記第１コンバージョンレンズを介して前記対象物を撮像可能な第１位置と、前記第１コンバージョンレンズを介さずに前記対象物を撮像可能な第２位置と、の間で移動可能に前記筐体に支持されている、三次元形状測定装置。
2. 前記撮像装置の焦点距離を前記第１コンバージョンレンズが変更する焦点距離と異なる焦点距離に変更する第２コンバージョンレンズをさらに備え、
   前記第２位置は、前記撮像装置が前記第２コンバージョンレンズを介して前記対象物を撮像可能な位置である、請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記撮像装置は、前記第１位置と、前記第２位置と、前記撮像装置が前記対象物を直接的に撮像可能な第３位置と、の間で移動可能に前記筐体に支持されている、請求項２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記第１コンバージョンレンズは、前記撮像装置の焦点距離を長くするレンズであり、
   前記第２コンバージョンレンズは、前記撮像装置の焦点距離を短くするレンズであり、
   前記撮像装置の撮像レンズの光軸方向は、前記光源装置が光を射出する射出方向と交差する方向であり、
   前記撮像装置の移動方向は、前記射出方向および前記光軸方向の両方と平行な平面と平行で、かつ、前記光軸方向と直交する方向であり、
   前記第１位置は、前記第２位置よりも、前記移動方向において前記光源装置に近い位置であり、
   前記第３位置は、前記移動方向において前記第１位置と前記第２位置との間の位置である、請求項３に記載の三次元形状測定装置。
5. 前記筐体は、前記第１コンバージョンレンズおよび前記第２コンバージョンレンズを支持する第１レンズ支持部を有し、
   前記第１レンズ支持部は、前記光軸方向において前記撮像装置の前側に位置し、かつ、前記第１レンズ支持部を前記光軸方向に貫通する貫通孔を有し、
   前記第１コンバージョンレンズと前記第２コンバージョンレンズと前記貫通孔とは、前記移動方向に沿って配置され、
   前記第１コンバージョンレンズは、前記撮像装置が前記第１位置に位置する場合に前記撮像レンズと前記光軸方向に対向し、
   前記第２コンバージョンレンズは、前記撮像装置が前記第２位置に位置する場合に前記撮像レンズと前記光軸方向に対向し、
   前記貫通孔は、前記撮像装置が前記第３位置に位置する場合に前記撮像レンズと前記光軸方向に対向する、請求項４に記載の三次元形状測定装置。
6. 前記光源装置に着脱可能であり、前記光源装置の焦点距離を長くする第３コンバージョンレンズと、
   前記光源装置に着脱可能であり、前記光源装置の焦点距離を短くする第４コンバージョンレンズと、
   をさらに備える、請求項５に記載の三次元形状測定装置。
7. 前記筐体は、
   前記光源装置を支持する筐体本体と、
   前記第３コンバージョンレンズおよび前記第４コンバージョンレンズを支持する第２レンズ支持部と、
   を有し、
   前記第２レンズ支持部は、前記光源装置が前記第３コンバージョンレンズを介して前記対象物に光を照射可能な位置と、前記光源装置が前記第４コンバージョンレンズを介して前記対象物に光を照射可能な位置と、前記光源装置が直接的に前記対象物に光を照射可能な位置と、の間で移動可能に前記筐体本体に支持されている、請求項６に記載の三次元形状測定装置。
8. 前記光源装置に着脱可能であり、前記光源装置の焦点距離を前記第１コンバージョンレンズと同様に変更するレンズをさらに備える、請求項１に記載の三次元形状測定装置。
9. 前記第２位置は、前記撮像装置が直接的に前記対象物を撮像可能な位置である、請求項１に記載の三次元形状測定装置。
10. 前記筐体に前記撮像装置と共に移動可能に支持され、前記対象物の設置位置を示す光を照射する光照射装置をさらに備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。
11. 前記撮像装置は、前記光源装置が光を射出する射出方向と直交する方向において、前記光源装置を挟んで一対設けられている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の三次元形状測定装置。

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