JP6888429B2 - Pattern irradiation device, imaging system and handling system - Google Patents

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Description

本発明は、パターン照射装置、撮影システムおよびハンドリングシステムに関する。 The present invention relates to a pattern irradiator, an imaging system and a handling system.

従来、トレイに積載された対象物(ワーク)をロボットによってハンドリングして、対象物を次工程の装置へと搬送したり、対象物を用いて製品を組み立てたりするシステムが知られている。このようなシステムでは、三次元測定装置によりトレイ上の対象物の距離を測定し、測定結果に基づき対象物の位置および姿勢を認識してハンドリングする。 Conventionally, there is known a system in which an object (work) loaded on a tray is handled by a robot, the object is transported to a device in the next process, or a product is assembled using the object. In such a system, the distance of the object on the tray is measured by a three-dimensional measuring device, and the position and orientation of the object are recognized and handled based on the measurement result.

ところで、このようなシステムでは、ステレオカメラで撮影した左右の画像から対応点を見つけ、その2点の座標から三角測量で距離測定する手法が広く行われている。 By the way, in such a system, a method of finding corresponding points from the left and right images taken by a stereo camera and measuring the distance from the coordinates of the two points by triangulation is widely used.

しかし、特徴がない物体が対象物である場合、対応点を見つけるのはより困難となる。例えば、壁に模様があるような場合は、模様を特徴として捉えることで対応点を見つけられるが、均一色の壁の場合、特徴を捉えることが難しいものとなっている。 However, when a featureless object is an object, it becomes more difficult to find a corresponding point. For example, when there is a pattern on the wall, it is possible to find a corresponding point by capturing the pattern as a feature, but in the case of a wall of uniform color, it is difficult to capture the feature.

そこで、このようなシステムでは、パターン照射装置によりトレイ上の対象物に2値のランダムパターンの光を照射して強制的に模様をつけることで、三次元測定装置による距離測定の精度を向上させる技術が提案されている(例えば、特許文献1,2)。 Therefore, in such a system, the accuracy of the distance measurement by the three-dimensional measuring device is improved by irradiating the object on the tray with the light of a binary random pattern by the pattern irradiating device to forcibly pattern the object. Techniques have been proposed (eg, Patent Documents 1 and 2).

しかしながら、2値のランダムパターンの光を照射する場合、2値のランダムパターンでは表現できるパターンが少ないため、対応点として誤った点を検出してしまうことがあるという問題がある。例えば、3個の同じパターンAを照射した場合、画像上からパターンAを3個抽出することは可能だが、3個のパターンAをそれぞれ区別することは難しく、誤対応問題が発生する。また、異なるパターンを投影した場合であっても、センサノイズや投影面の傾き、被写体の模様などの影響を受け、同じパターンを投影した場合と同様の誤対応問題が発生することもある。そこで、表現できるパターン数が多くなる3値以上のランダムパターンを投影することで、同一ないし類似のパターンが発生する確率を下げることが望まれている。 However, when irradiating light with a binary random pattern, there is a problem that an erroneous point may be detected as a corresponding point because there are few patterns that can be expressed by the binary random pattern. For example, when three same patterns A are irradiated, it is possible to extract three patterns A from the image, but it is difficult to distinguish each of the three patterns A, which causes a problem of erroneous correspondence. Further, even when different patterns are projected, the same mishandling problem as when the same pattern is projected may occur due to the influence of sensor noise, the inclination of the projection surface, the pattern of the subject, and the like. Therefore, it is desired to reduce the probability that the same or similar patterns are generated by projecting a random pattern having three or more values that increases the number of patterns that can be expressed.

ところが、パターン照射装置の投影面調整や投影レンズの焦点位置調整によって、3値以上のランダムパターンを照射可能なパターン照射装置を製造することは、コスト面でのデメリットが多い。 However, manufacturing a pattern irradiation device capable of irradiating a random pattern having three or more values by adjusting the projection surface of the pattern irradiation device or adjusting the focal position of the projection lens has many disadvantages in terms of cost.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、低コストで、N値の画像情報からN+1値以上の投影画像の投影を可能にすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to enable projection of a projected image having an N + 1 value or more from N value image information at low cost.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光を出射する発光部と、前記発光部から出射された光に対してN値の画像情報を付与する画像形成素子と、前記画像形成素子によって前記N値の画像情報を付与された光が入射され、入射された光を拡大して投影面に照射する投射光学系と、を備え、前記投射光学系は、前記画像形成素子によって付与される前記N値の画像情報が拡散するPSF(Point Spread Function)に設計されている投影レンズを備え、前記画像形成素子により付与される前記N値の画像情報を、N+1値以上の画像情報とした投影画像を前記投影面に照射する。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the present invention comprises a light emitting unit that emits light, an image forming element that imparts N-value image information to the light emitted from the light emitting unit, and an image forming element. The image forming element comprises a projection optical system in which light to which image information of the N value is added is incident, and the incident light is magnified and irradiated to a projection surface. The projection optical system comprises the image forming. A projection lens designed in a PSF (Point Spread Function) that diffuses the image information of the N value given by the element is provided, and the image information of the N value given by the image forming element is N + 1 or more. The projected image as image information is irradiated on the projection surface.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光を出射する発光部と、前記発光部から出射された光に対して画像情報を付与する画像形成素子と、前記画像形成素子によって前記画像情報を付与された光が入射され、入射された光を投影面に照射する投射光学系と、を備え、前記画像形成素子は、前記投影面へ照射された光に付与された前記画像情報の一部に解像し得るパターンを設けていて、前記投射光学系は、前記画像形成素子によって付与される前記画像情報の最小単位が解像しない解像度を有する投影レンズを備えている。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the present invention comprises a light emitting unit that emits light, an image forming element that imparts image information to the light emitted from the light emitting unit, and the image forming. The image forming element is provided with a projection optical system in which the light to which the image information is given by the element is incident and irradiates the projected surface with the incident light, and the image forming element is applied to the light irradiated to the projection surface. A pattern capable of resolving a part of the image information is provided, and the projection optical system includes a projection lens having a resolution at which the minimum unit of the image information given by the image forming element does not resolve. ..

本発明によれば、低コストで、N値の画像情報からN+1値以上の投影画像の投影を可能にすることができる、という効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to project a projected image having an N + 1 value or more from N value image information at low cost.

図1は、第1実施形態に係るハンドリングシステムを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a handling system according to the first embodiment. 図2は、パターン照射装置の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a pattern irradiation device. 図3は、画像形成素子により付与されるランダムパターンの一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a random pattern given by the image forming element. 図4は、従来の投影レンズの機能を模式的に示す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing the function of a conventional projection lens. 図5は、投影レンズの機能を模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing the function of the projection lens. 図6は、従来の投影画像の輝度プロファイル例を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing an example of a brightness profile of a conventional projected image. 図7は、投影画像の輝度プロファイル例を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing an example of the brightness profile of the projected image. 図8は、投影画像の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of a projected image. 図9は、ハンドリングシステムにおける処理の流れを概略的に示すフローチャートである。FIG. 9 is a flowchart schematically showing a processing flow in the handling system. 図10は、従来のランダムパターンを撮像した画像例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of an image obtained by capturing a conventional random pattern. 図11は、従来のランダムパターンを撮像した画像例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of an image obtained by capturing a conventional random pattern. 図12は、第2実施形態に係る画像形成素子により付与されるランダムパターンの一例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an example of a random pattern given by the image forming element according to the second embodiment. 図13は、ランダムパターンの別の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing another example of the random pattern. 図14は、ランダムパターンの別の一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing another example of the random pattern. 図15は、第3実施形態に係る画像形成素子の一部により付与される焦点位置調整用パターンの一例を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing an example of a focus position adjusting pattern imparted by a part of the image forming element according to the third embodiment. 図16は、第4実施形態に係るハンドリングシステムを示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a handling system according to the fourth embodiment. 図17は、ハンドリングシステムにおける処理の流れを概略的に示すフローチャートである。FIG. 17 is a flowchart schematically showing a processing flow in the handling system.

以下に添付図面を参照して、パターン照射装置、撮影システムおよびハンドリングシステムの実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a pattern irradiation device, an imaging system, and a handling system will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

(第1実施形態)
はじめに、第1実施形態のハンドリングシステム10の概略について説明する。図1は、第1実施形態に係るハンドリングシステム10を示す図である。ハンドリングシステム10は、対象物11(ワーク)をハンドリングし、対象物11を次工程の装置へと搬送したり、対象物11を用いて製品を組み立てたりする。
(First Embodiment)
First, the outline of the handling system 10 of the first embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram showing a handling system 10 according to the first embodiment. The handling system 10 handles the object 11 (work), transports the object 11 to the device in the next process, and assembles the product using the object 11.

ハンドリングシステム10は、トレイ12と、ロボット13と、撮影システム14と、制御装置15と、を備える。トレイ12は、少なくとも1つの対象物11を積載する。撮影システム14は、対象物11の表面の各位置までの距離を表す三次元データを生成する。制御装置15は、撮影システム14からの三次元データを基に対象物11を認識するとともにロボット13を制御する。 The handling system 10 includes a tray 12, a robot 13, a photographing system 14, and a control device 15. The tray 12 is loaded with at least one object 11. The photographing system 14 generates three-dimensional data representing the distances to each position on the surface of the object 11. The control device 15 recognizes the object 11 and controls the robot 13 based on the three-dimensional data from the photographing system 14.

ロボット13は、制御装置15からの指示に基づいてトレイ12に積載された何れかの対象物11に対してアームを移動させてハンドリングする。また、ロボット13は、制御装置15からの指示に基づいてハンドリングした対象物11を指定された位置に移動させたり、指定された姿勢で保持したりする。ロボット13は、例えば、爪を開閉して対象物11を挟んでハンドリングする。なお、ロボット13は、かかる構成に限定されるものではなく、対象物11をハンドリングできる機構であれば良く、例えば電磁石やエアーによって吸着して取り出すロボットハンドであっても良い。また、対象物11の開口部を検知して爪部を差し込んで把持する機構や、対象物11の頂点を検知して吸着する機構であっても良い。 The robot 13 moves and handles the arm with respect to any object 11 loaded on the tray 12 based on the instruction from the control device 15. Further, the robot 13 moves the object 11 handled based on the instruction from the control device 15 to a designated position or holds the object 11 in a designated posture. For example, the robot 13 opens and closes its claws to sandwich and handle the object 11. The robot 13 is not limited to such a configuration, and may be any mechanism as long as it can handle the object 11, and may be, for example, a robot hand that is attracted and taken out by an electromagnet or air. Further, a mechanism that detects the opening of the object 11 and inserts and grips the claw portion, or a mechanism that detects and sucks the apex of the object 11 may be used.

撮影システム14は、パターン照射装置20と、三次元測定装置21と、を備える。パターン照射装置20は、CPU(Central Processing Unit)やROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)などにより構成される制御部を備える。パターン照射装置20においては、CPUがROMのプログラムを所定手順で実行するなどして各種機能を実現する。パターン照射装置20は、対象物11が積載されたトレイ12に対して、単色のN値の画像情報として2値のランダムパターンに基づく投影画像を照射する。これにより、トレイ12に積載されたそれぞれの対象物11の表面における露出した部分には、2値のランダムパターンに基づく投影画像が照射される。 The photographing system 14 includes a pattern irradiation device 20 and a three-dimensional measuring device 21. The pattern irradiation device 20 includes a control unit composed of a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like. In the pattern irradiation device 20, various functions are realized by the CPU executing a ROM program in a predetermined procedure. The pattern irradiating device 20 irradiates the tray 12 on which the object 11 is loaded with a projected image based on a binary random pattern as monochromatic N-value image information. As a result, the exposed portion on the surface of each object 11 loaded on the tray 12 is irradiated with a projected image based on a binary random pattern.

三次元測定装置21は、CPUやROMやRAMなどにより構成される制御部を備える。三次元測定装置21においては、CPUがROMのプログラムを所定手順で実行するなどして各種機能を実現する。三次元測定装置21は、パターン照射装置20により2値のランダムパターンに基づく投影画像が照射された状態において、トレイ12に積載されたそれぞれの対象物11の露出した表面の各位置までの距離を、ステレオカメラ等を用いて測定する。 The three-dimensional measuring device 21 includes a control unit composed of a CPU, a ROM, a RAM, and the like. In the three-dimensional measuring device 21, various functions are realized by the CPU executing a ROM program in a predetermined procedure. The three-dimensional measuring device 21 measures the distance to each position on the exposed surface of each object 11 loaded on the tray 12 in a state where the pattern irradiating device 20 irradiates the projected image based on the binary random pattern. , Measure using a stereo camera or the like.

制御装置15は、認識装置22と、ロボットコントローラ23と、を備える。制御装置15は、CPUやROMやRAMなどにより構成されるプログラマブルコンピュータである。制御装置15においては、CPUがROMのプログラムを所定手順で実行するなどして各種機能を実現する。認識装置22は、三次元測定装置21により測定されたそれぞれの対象物11の表面の位置までの距離に基づき、それぞれの対象物11の位置および姿勢を認識する。認識装置22は、一例として、三次元モデルとのマッチング処理またはサーフェースマッチング処理等のマッチング処理を実行して、それぞれの対象物11の位置および姿勢を認識する。さらに、認識装置22は、輝度情報に基づきエッジ抽出等を行ってマッチング処理の補完をしてもよい。 The control device 15 includes a recognition device 22 and a robot controller 23. The control device 15 is a programmable computer composed of a CPU, a ROM, a RAM, and the like. In the control device 15, various functions are realized by the CPU executing a ROM program in a predetermined procedure. The recognition device 22 recognizes the position and orientation of each object 11 based on the distance to the surface position of each object 11 measured by the coordinate measuring device 21. As an example, the recognition device 22 executes a matching process such as a matching process with a three-dimensional model or a surface matching process to recognize the position and orientation of each object 11. Further, the recognition device 22 may complement the matching process by performing edge extraction or the like based on the luminance information.

ロボットコントローラ23は、予め登録されている制御フローに従って、認識装置22により認識されたそれぞれの対象物11の位置および姿勢に基づきロボット13の動作を制御する。そして、ロボットコントローラ23は、トレイ12上の指定された対象物11をロボット13にハンドリングさせる。 The robot controller 23 controls the operation of the robot 13 based on the position and posture of each object 11 recognized by the recognition device 22 according to a control flow registered in advance. Then, the robot controller 23 causes the robot 13 to handle the designated object 11 on the tray 12.

このようなハンドリングシステム10において、パターン照射装置20は、三次元測定装置21による三次元測定の精度を向上させるような2値のランダムパターンに基づく投影画像を、トレイ12上に積載されたそれぞれの対象物11に照射する。このように2値のランダムパターンに基づく投影画像を照射するのは、以下の理由による。 In such a handling system 10, the pattern irradiation device 20 loads a projected image based on a binary random pattern on the tray 12 so as to improve the accuracy of the three-dimensional measurement by the three-dimensional measuring device 21. Irradiate the object 11. The reason for irradiating the projected image based on the binary random pattern in this way is as follows.

三次元測定装置21で用いられるステレオカメラでは、左右の画像から対応点を見つけ、その2点の座標から三角測量で距離計測する手法が広く行われている。高精度で高精細な測距画像を得るためには、より数多くの対応点を高い精度で見つけることが必要である。しかし、特徴がない物体が対象物11である場合、対応点を見つけるのはより困難となる。例えば、壁に模様があるような場合は、模様を特徴として捉えることで対応点を見つけられるが、均一色の壁の場合、特徴を捉えることが難しいものとなっている。そのため、ハンドリングシステム10によれば、2値のランダムパターンに基づく投影画像を照射して強制的に模様をつけることで、トレイ12に積載されたそれぞれの対象物11の位置および姿勢を精度良く認識し、精度良く対象物11をハンドリングすることができるようにする。 In the stereo camera used in the coordinate measuring device 21, a method of finding corresponding points from the left and right images and measuring the distance from the coordinates of the two points by triangulation is widely used. In order to obtain a high-precision and high-definition ranging image, it is necessary to find a larger number of corresponding points with high accuracy. However, when the featureless object is the object 11, it becomes more difficult to find the corresponding point. For example, when there is a pattern on the wall, it is possible to find a corresponding point by capturing the pattern as a feature, but in the case of a wall of uniform color, it is difficult to capture the feature. Therefore, according to the handling system 10, the position and orientation of each object 11 loaded on the tray 12 is accurately recognized by irradiating a projected image based on a binary random pattern and forcibly forming a pattern. However, the object 11 can be handled with high accuracy.

図2は、パターン照射装置20の構成を示す図である。図2では、鉛直方向をZ方向として、Z方向に垂直で紙面に垂直な方向をY方向、Z方向とY方向とに垂直な方向をX方向とする。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the pattern irradiation device 20. In FIG. 2, the vertical direction is the Z direction, the direction perpendicular to the Z direction and perpendicular to the paper surface is the Y direction, and the direction perpendicular to the Z direction and the Y direction is the X direction.

パターン照射装置20は、図2に示すように、発光部200を備えている。発光部200は、コヒーレント光である可視の単色レーザ光を発射する光源たるレーザダイオード201と、レーザダイオード201から射出された光Lを平行光束に偏向するカップリングレンズ202と、集光レンズ203と、を有している。 As shown in FIG. 2, the pattern irradiation device 20 includes a light emitting unit 200. The light emitting unit 200 includes a laser diode 201 that is a light source that emits a visible monochromatic laser beam that is coherent light, a coupling lens 202 that deflects the light L emitted from the laser diode 201 into a parallel luminous flux, and a condenser lens 203. ,have.

また、パターン照射装置20は、図2に示すように、集光レンズ203の焦点近傍に配置された透過拡散板204と、透過拡散板204を透過した光Lを内部で反射することで輝度分布が均一になるように出射するライトトンネル205と、を有している。 Further, as shown in FIG. 2, the pattern illuminating device 20 internally reflects the transmission diffuser plate 204 arranged near the focal point of the condenser lens 203 and the light L transmitted through the transmission diffusion plate 204 to distribute the brightness. It has a light tunnel 205 and a light tunnel 205 that emits light so as to be uniform.

また、パターン照射装置20は、図2に示すように、光Lに2値のランダムパターンを付与するためにライトトンネル205の出射側に配置された画像形成素子206と、光Lを投射する投射光学系207と、を有している。 Further, as shown in FIG. 2, the pattern illuminating device 20 has an image forming element 206 arranged on the exit side of the light tunnel 205 in order to impart a binary random pattern to the light L, and a projection for projecting the light L. It has an optical system 207 and.

レーザダイオード201は、波長が440nm〜500nmの青色レーザ光を射出する発光ダイオードである。なお、本実施形態では青色レーザ光としたが、かかる構成に限定されるものではなく、異なる波長のレーザ光を用いても良いし、レーザ光以外の光を用いても良い。ただし、対象物11である投影面における輝度の一様性を確保し、また投射光学系207における収差を抑えることを考えると、単色光がより望ましい。また、三次元測定装置21が照射した光を検出できれば、レーザダイオード201は、可視光以外のレーザ光を出射してもよい。 The laser diode 201 is a light emitting diode that emits blue laser light having a wavelength of 440 nm to 500 nm. Although the blue laser light is used in the present embodiment, the configuration is not limited to this, and laser light having a different wavelength may be used, or light other than the laser light may be used. However, monochromatic light is more desirable in consideration of ensuring the uniformity of brightness on the projection surface of the object 11 and suppressing the aberration in the projection optical system 207. Further, if the light emitted by the three-dimensional measuring device 21 can be detected, the laser diode 201 may emit laser light other than visible light.

集光レンズ203は、カップリングレンズ202によって平行光束として偏向された光Lを集光する。 The condensing lens 203 condenses the light L deflected as a parallel light flux by the coupling lens 202.

透過拡散板204は、拡散角が半値全幅で5〜10°程度に設定された拡散板であり、集光レンズ203によって焦点に集光された光Lを、モアレや照度分布を生じない程度に拡散する。 The transmission diffusing plate 204 is a diffusing plate whose diffusion angle is set to about 5 to 10 ° in half-value full width, and the light L focused on the focal point by the condensing lens 203 is not moistened or illuminance distribution is generated. Spread.

ライトトンネル205は、内部が中空の筒状の部材であり、内壁面には反射面205aが形成されて光Lを繰り返し反射させることで、光Lの輝度分布を均一にしつつ、光Lを出射側たる+A方向に移送する伝送手段である。 The light tunnel 205 is a tubular member having a hollow inside, and a reflecting surface 205a is formed on the inner wall surface to repeatedly reflect the light L to emit the light L while making the brightness distribution of the light L uniform. It is a transmission means that transfers in the lateral + A direction.

なお、ここではライトトンネル205を中空の筒状であるとしたが、反射面205aによって反射を繰り返しながら透過可能であれば、ガラス柱などの透過性部材を芯とする中実の部材であっても良い。 Although the light tunnel 205 is assumed to have a hollow tubular shape here, if it can be transmitted while being repeatedly reflected by the reflecting surface 205a, it is a solid member having a transparent member such as a glass pillar as a core. Is also good.

一般に、ライトトンネル205内における反射回数すなわち光Lが反射面205aによって反射される回数が多いほど光Lの輝度分布は均一化される。一方で、光Lの強度は反射による減衰の影響で低下する。かかる反射回数は、ライトトンネル205の長さと、光Lの入射角によって変化する。 Generally, the larger the number of reflections in the light tunnel 205, that is, the number of times the light L is reflected by the reflection surface 205a, the more uniform the brightness distribution of the light L. On the other hand, the intensity of light L decreases due to the influence of attenuation due to reflection. The number of reflections varies depending on the length of the light tunnel 205 and the incident angle of the light L.

したがって、ライトトンネル205の長さは、伝送効率を保ちつつ輝度分布を均一化できる程度に必要最小限の長さにすることが望ましい。 Therefore, it is desirable that the length of the light tunnel 205 is the minimum necessary length so that the brightness distribution can be made uniform while maintaining the transmission efficiency.

また、ライトトンネル205を透過した光Lは、画像形成素子206に投射されて2値のランダムパターンを付与されるので、画像形成素子206以上の大きさを持つことが望ましい。すなわち、ライトトンネル205の出射側開口及び入射側開口の大きさは、画像形成素子206の大きさ以上であることが望ましい。さらに、ライトトンネル205の出射側開口が大きい場合には、光Lのうち、画像形成素子206に当たらない部分については無駄が生じてしまう。したがって、光Lの利用効率向上のためには、出射側開口は、組み付け精度を含めて画像形成素子206に光Lが当たる必要十分な大きさであることが望ましい。 Further, since the light L transmitted through the light tunnel 205 is projected onto the image forming element 206 and given a binary random pattern, it is desirable that the light L has a size larger than that of the image forming element 206. That is, it is desirable that the size of the exit side opening and the incident side opening of the light tunnel 205 is equal to or larger than the size of the image forming element 206. Further, when the exit side opening of the light tunnel 205 is large, the portion of the light L that does not hit the image forming element 206 is wasted. Therefore, in order to improve the utilization efficiency of the light L, it is desirable that the exit side opening has a size necessary and sufficient for the light L to hit the image forming element 206 including the assembly accuracy.

ここで、図3は画像形成素子206により付与されるランダムパターンの一例を示す図である。図3に示すように、画像形成素子206は、構成単位としての多数のブロックからなるモザイク状の2値のランダムパターン(マスクパターン)をアルミやクロムなどの反射部材によって描画することで、入射した光Lに2値のランダムパターンを付与する。 Here, FIG. 3 is a diagram showing an example of a random pattern given by the image forming element 206. As shown in FIG. 3, the image forming element 206 is incident by drawing a mosaic-like binary random pattern (mask pattern) composed of a large number of blocks as a constituent unit with a reflective member such as aluminum or chrome. A binary random pattern is given to the light L.

画像形成素子206は、光Lの一部を透過、一部を遮光(あるいは減光)することによって、所望の2値のランダムパターンを形成する。 The image forming element 206 forms a desired binary random pattern by transmitting a part of the light L and shading (or dimming) a part of the light L.

なお、本実施形態においては、反射によって2値のランダムパターンを形成する画像形成素子206を用いたが、液晶素子などのように、任意のセルの透過率を制御することで2値のランダムパターンを形成する透過型の画像形成素子を用いても良い。 In the present embodiment, the image forming element 206 that forms a binary random pattern by reflection is used, but the binary random pattern is controlled by controlling the transmittance of an arbitrary cell like a liquid crystal element or the like. A transmissive image forming element for forming the above may be used.

画像形成素子206によって2値のランダムパターンを付与された光Lは、投射光学系207へと入射される。 The light L to which the binary random pattern is given by the image forming element 206 is incident on the projection optical system 207.

投射光学系207は、画像形成素子206によって2値のランダムパターンを付与された光Lが入射される。より詳細には、本実施形態の投射光学系207は、画像形成素子206により付与される2値のランダムパターンを3値以上のランダムパターンとした投影画像を、対象物11である投影面に照射する。 In the projection optical system 207, light L to which a binary random pattern is given by the image forming element 206 is incident. More specifically, the projection optical system 207 of the present embodiment irradiates the projection surface of the object 11 with a projected image in which the binary random pattern given by the image forming element 206 is a random pattern of three or more values. To do.

投射光学系207は、投影レンズ207aを備えている。投影レンズ207aは、画像形成素子206によって2値のランダムパターンを付与された光Lを、指定された倍率に拡大して対象物11である投影面に照射する。 The projection optical system 207 includes a projection lens 207a. The projection lens 207a magnifies the light L to which a binary random pattern is given by the image forming element 206 to a designated magnification and irradiates the projection surface which is the object 11.

より詳細には、投影レンズ207aは、画像形成素子206によって付与される2値のランダムパターンの最小単位が解像しない解像度を有する。なお、投影レンズ207aの解像度は、少なくとも一部において2値のランダムパターンの最小単位が解像しない解像度を有していれば良いが、特に解像度の高い投影レンズ207aの中心付近まで2値のランダムパターンの最小単位が解像しない解像度を有している方がより好ましい。なお、ここでいう最小単位とは、ランダムパターンを構成する構成単位としての各ブロックをいうものとする。 More specifically, the projection lens 207a has a resolution at which the smallest unit of the binary random pattern imparted by the image forming element 206 does not resolve. The resolution of the projection lens 207a may have a resolution at which the minimum unit of the binary random pattern does not resolve at least in part, but the resolution is binary random up to the vicinity of the center of the projection lens 207a having a particularly high resolution. It is more preferable that the smallest unit of the pattern has a resolution that does not resolve. The minimum unit referred to here means each block as a constituent unit constituting a random pattern.

ここで、投影レンズ207aについて説明する。 Here, the projection lens 207a will be described.

まず、従来の投影レンズについて説明する。ここで、図4は従来の投影レンズの機能を模式的に示す図である。図4(a)は画像形成素子206の一例を示し、図4(b)は従来の投影レンズのPSF(点拡がり関数:Point Spread Function)を示し、図4(c)は投影面に投影される投影画像を示すものである。従来においては、図4(c)に示すように、投影面に投影される像は図4(a)の画像形成素子206と該等しいパターンである。このように、従来においては、画像形成素子206のランダムパターンが投影面上で解像するよう、すなわち、画像形成素子206のランダムパターンと投影パターンが極力一致するよう、図4(b)に示すような理想値であるPSFを持つ投影レンズが設計される。 First, a conventional projection lens will be described. Here, FIG. 4 is a diagram schematically showing the function of the conventional projection lens. FIG. 4A shows an example of the image forming element 206, FIG. 4B shows a PSF (Point Spread Function) of a conventional projection lens, and FIG. 4C is projected onto a projection surface. It shows a projected image. Conventionally, as shown in FIG. 4C, the image projected on the projection surface has the same pattern as the image forming element 206 in FIG. 4A. As described above, conventionally, FIG. 4B shows that the random pattern of the image forming element 206 is resolved on the projection surface, that is, the random pattern of the image forming element 206 and the projection pattern match as much as possible. A projection lens having such an ideal value of PSF is designed.

次に、本実施形態の投影レンズ207aについて説明する。ここで、図5は投影レンズ207aの機能を模式的に示す図である。図5(a)は画像形成素子206の一例を示し、図5(b)は投影レンズ207aのPSFを示し、図5(c)は投影面に投影される投影画像を示すものである。図5(b)に示すように、本実施形態の投影レンズ207aのPSFは、最適な焦点位置(最もピントの合った状態)において、画像形成素子206の2値のランダムパターンが投影時に解像しないように、すなわち画像形成素子206の2値のランダムパターンが拡散する(ボケる)ように設計されている。 Next, the projection lens 207a of the present embodiment will be described. Here, FIG. 5 is a diagram schematically showing the function of the projection lens 207a. 5 (a) shows an example of the image forming element 206, FIG. 5 (b) shows the PSF of the projection lens 207a, and FIG. 5 (c) shows the projected image projected on the projection surface. As shown in FIG. 5B, in the PSF of the projection lens 207a of the present embodiment, the binary random pattern of the image forming element 206 is resolved at the time of projection at the optimum focal position (the most focused state). It is designed so that the binary random pattern of the image forming element 206 is diffused (blurred).

ここで、図6は従来の投影画像の輝度プロファイル例を示すグラフである。図6に示すように、2値のランダムパターンのうち極値を3個以上含む領域を透過した投影画像(図4(c)において太枠で囲んだ部分)の輝度プロファイルにおいて、最大値と最小値とを基準に量子化した等間隔の3個の輝度グループを作る。ここでは、輝度の最大値が256、最小値が1なので、“輝度1−85”をグループ1、“輝度86−170”をグループ2、“輝度171−256”をグループ3とする。図6に示す輝度プロファイルによれば、従来においては、極値がグループ1とグループ3のみに存在している。 Here, FIG. 6 is a graph showing an example of a brightness profile of a conventional projected image. As shown in FIG. 6, the maximum value and the minimum value in the brightness profile of the projected image (the portion surrounded by the thick frame in FIG. 4 (c)) transmitted through the region containing three or more extreme values in the binary random pattern. Create three equally spaced luminance groups quantized with respect to the value. Here, since the maximum value of the brightness is 256 and the minimum value is 1, "brightness 1-85" is group 1, "brightness 86-170" is group 2, and "brightness 171-256" is group 3. According to the luminance profile shown in FIG. 6, in the past, extreme values existed only in groups 1 and 3.

一方、図7は本実施形態の投影画像の輝度プロファイル例を示すグラフである。図7に示すように、画像形成素子206によって付与される2値のランダムパターンのうち極値を3個以上含む領域を透過した投影画像(図5(c)において太枠で囲んだ部分)の輝度プロファイルにおいて、最大値と最小値とを基準に量子化した等間隔の3個の輝度グループを作る。ここでは、輝度の最大値が205、最小値が27なので、“輝度27−86”をグループ1、“輝度87−146”をグループ2、“輝度147−205”をグループ3とする。図7に示す輝度プロファイルによれば、中間的な極値がグループ1,2,3のそれぞれに複数存在している(グループ2には、一つのみである)。 On the other hand, FIG. 7 is a graph showing an example of the brightness profile of the projected image of the present embodiment. As shown in FIG. 7, of the binary random pattern given by the image forming element 206, the projected image (the portion surrounded by a thick frame in FIG. 5 (c)) transmitted through the region containing three or more extreme values. In the brightness profile, three brightness groups at equal intervals quantized based on the maximum value and the minimum value are created. Here, since the maximum value of the brightness is 205 and the minimum value is 27, “brightness 27-86” is group 1, “brightness 87-146” is group 2, and “brightness 147-205” is group 3. According to the luminance profile shown in FIG. 7, there are a plurality of intermediate extrema in each of the groups 1, 2 and 3 (only one in the group 2).

すなわち、投影レンズ207aのPSFは、画像形成素子206によって付与される2値のランダムパターンのうち極値を3個以上含む領域を透過した投影画像の輝度プロファイルの最大値と最小値との間に中間的な極値が複数存在するように設計される。 That is, the PSF of the projection lens 207a is between the maximum value and the minimum value of the brightness profile of the projected image transmitted through the region containing three or more extreme values among the binary random patterns given by the image forming element 206. Designed to have multiple intermediate extrema.

なお、投影レンズ207aは、複数のレンズから成っても良い。この場合、複数のレンズすべてで形成されるPSFが、画像形成素子206によって付与される2値のランダムパターンのうち極値を3個以上含む領域を透過した投影画像の輝度プロファイルの最大値と最小値との間に中間的な極値が複数存在するように設計される。 The projection lens 207a may be composed of a plurality of lenses. In this case, the maximum value and the minimum value of the brightness profile of the projected image in which the PSF formed by all the plurality of lenses passes through the region containing three or more extreme values among the binary random patterns given by the image forming element 206. It is designed so that there are multiple intermediate extremes between the values.

言い換えれば、投影レンズ207aのPSFは、画像形成素子206によって付与される2値のランダムパターンのうち極値を3個以上含む領域を透過した投影画像の輝度プロファイルの最大値と最小値とを基準に量子化した等間隔の3個の輝度グループのそれぞれに投影画像の輝度プロファイルの極値が存在するように設計される。 In other words, the PSF of the projection lens 207a is based on the maximum value and the minimum value of the brightness profile of the projected image transmitted through the region containing three or more extreme values among the binary random patterns given by the image forming element 206. It is designed so that the extremum of the brightness profile of the projected image exists in each of the three equally spaced brightness groups quantized in.

このようにして図5(c)に示すように、PSFが畳み込みされることにより、図5(a)の画像形成素子206によって付与される2値のランダムパターンは、最適な焦点位置(最もピントの合った状態)において、3値以上のランダムパターンとなって、拡散した状態(ボケた状態)で投影面に投影される。 As shown in FIG. 5 (c) in this way, the binary random pattern given by the image forming element 206 of FIG. 5 (a) by convolving the PSF has the optimum focal position (most focus). In the state of matching), a random pattern of three or more values is formed and projected onto the projection surface in a diffused state (blurred state).

ここで、図8は投影画像の一例を示す図である。例えば図3に示す2値のランダムパターンを付与された光Lを、投射光学系207を介して対象物11である投影面に照射した場合、図8に示すように、3値以上の輝度分布の模様の投影画像が表示される。 Here, FIG. 8 is a diagram showing an example of a projected image. For example, when light L to which a binary random pattern shown in FIG. 3 is applied is applied to a projection surface which is an object 11 via a projection optical system 207, a luminance distribution of three or more values is shown as shown in FIG. The projected image of the pattern is displayed.

三次元測定装置21は、一例として、ステレオカメラがそれぞれ撮影した画像を元にして、具体的には、擬似的に基線方向と水平方向とが一致した2枚の画像を比較することで、画像の水平方向の視差から、視差画像すなわち三次元データを生成する。そして、三次元測定装置21は、視差画像に基づいて、対象物11までの距離を算出する。言い換えると、画像形成素子206によって付与されたランダムパターンが投影された画像データから対象物11までの距離を算出する。 As an example, the three-dimensional measuring device 21 is based on the images taken by the stereo cameras, and specifically, by comparing two images in which the baseline direction and the horizontal direction coincide with each other in a pseudo manner. A parallax image, that is, three-dimensional data, is generated from the parallax in the horizontal direction of. Then, the three-dimensional measuring device 21 calculates the distance to the object 11 based on the parallax image. In other words, the distance from the image data on which the random pattern given by the image forming element 206 is projected to the object 11 is calculated.

次に、ハンドリングシステム10における処理の流れについて簡単に説明する。ここで、図9はハンドリングシステム10における処理の流れを概略的に示すフローチャートである。 Next, the processing flow in the handling system 10 will be briefly described. Here, FIG. 9 is a flowchart schematically showing a processing flow in the handling system 10.

図9に示すように、まず、撮影システム14のパターン照射装置20は、例えば図3に示す2値のランダムパターンを付与された光Lを対象物11へ向けて照射する(ステップS100)。 As shown in FIG. 9, first, the pattern irradiating device 20 of the photographing system 14 irradiates the object 11 with the light L to which the binary random pattern shown in FIG. 3 is applied (step S100).

撮影システム14の三次元測定装置21は、トレイ12上の画像をステレオカメラにて撮影する(ステップS101)。 The three-dimensional measuring device 21 of the photographing system 14 photographs the image on the tray 12 with a stereo camera (step S101).

次いで、三次元測定装置21は、ステレオカメラにて撮影した画像のそれぞれのテクスチャ情報を用いて三次元情報(三次元データ)を取得する(ステップS102)。 Next, the three-dimensional measuring device 21 acquires three-dimensional information (three-dimensional data) using each texture information of the image taken by the stereo camera (step S102).

なお、ここではステレオカメラを用いた三次元データ取得方法についてのみ述べたが、単眼カメラを用いた他の三次元データ取得技術、例えば位相シフト法を利用しても良い。 Although only the three-dimensional data acquisition method using a stereo camera has been described here, another three-dimensional data acquisition technique using a monocular camera, for example, a phase shift method may be used.

次いで、制御装置15の認識装置22は、ステップS102において形成された三次元画像の情報に基づいて、対象物11を認識する(ステップS103)。 Next, the recognition device 22 of the control device 15 recognizes the object 11 based on the information of the three-dimensional image formed in step S102 (step S103).

そして、制御装置15のロボットコントローラ23は、認識されたそれぞれの対象物11の位置および姿勢に基づきロボット13を動作させて対象物11を取り出す(ステップS104)。 Then, the robot controller 23 of the control device 15 operates the robot 13 based on the recognized position and posture of each object 11 to take out the object 11 (step S104).

ハンドリングシステム10は、ロボット13が対象物11を取り出すと、新しい対象物11についてステップS101〜ステップS104までの工程を、全ての対象物11を処理するまで繰り返し行う。 When the robot 13 takes out the object 11, the handling system 10 repeats the steps S101 to S104 for the new object 11 until all the objects 11 are processed.

このように本実施形態によれば、パターン照射装置の投影面調整や投影レンズの焦点位置調整によらず、低コストで、N値の画像情報(ランダムパターン)からN+1値以上の投影画像の投影を可能にすることができる。 As described above, according to the present embodiment, the projection image of the N + 1 value or more is projected from the N value image information (random pattern) at low cost regardless of the projection surface adjustment of the pattern irradiation device or the focal position adjustment of the projection lens. Can be made possible.

なお、本実施形態においては、N値の画像情報として2値のランダムパターンを適用したが、これに限るものではなく、3値以上のランダムパターンを適用するものであっても良い。 In the present embodiment, a binary random pattern is applied as N-value image information, but the present invention is not limited to this, and a random pattern of three or more values may be applied.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態のハンドリングシステム10は、パターン照射装置20の画像形成素子206により付与されるマスクパターンとして、周期性とランダム性を兼ね備えたパターンを用いる点が、第1実施形態のハンドリングシステム10と異なる。以下、第2実施形態の説明では、第1実施形態と同一部分の説明については省略し、第1実施形態と異なる箇所について説明する。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. The handling system 10 of the second embodiment is different from the handling system 10 of the first embodiment in that a pattern having both periodicity and randomness is used as the mask pattern given by the image forming element 206 of the pattern irradiation device 20. different. Hereinafter, in the description of the second embodiment, the description of the same part as that of the first embodiment will be omitted, and the parts different from the first embodiment will be described.

第1実施形態で説明したように、パターン照射装置20の画像形成素子206により形成されるマスクパターンにおいては、ランダムな模様が有効であることが知られている。しかしながら、ランダムな模様が真に有効なのは、パターン照射装置20と三次元測定装置21との位置関係が固定されている場合のみである。 As described in the first embodiment, it is known that a random pattern is effective in the mask pattern formed by the image forming element 206 of the pattern irradiating device 20. However, the random pattern is truly effective only when the positional relationship between the pattern irradiation device 20 and the three-dimensional measuring device 21 is fixed.

例えば、図10は、パターン照射装置20から対象物11までの距離と三次元測定装置21から対象物11までの距離とが等しい場合、パターン照射装置20により照射されたランダムパターンを三次元測定装置21で撮像した画像例である。 For example, FIG. 10 shows that when the distance from the pattern irradiating device 20 to the object 11 and the distance from the three-dimensional measuring device 21 to the object 11 are equal, the random pattern irradiated by the pattern irradiating device 20 is measured by the three-dimensional measuring device. This is an example of an image captured by No. 21.

一方、図11は、パターン照射装置20から対象物11までの距離と三次元測定装置21から対象物11までの距離とが異なる場合、パターン照射装置20により照射されたランダムパターンを三次元測定装置21で撮像した画像例である。図11に示す例では、三次元測定装置21から対象物11までの距離とパターン照射装置20から対象物11までの距離とが、2:3の関係に設定されている。 On the other hand, FIG. 11 shows that when the distance from the pattern irradiating device 20 to the object 11 and the distance from the three-dimensional measuring device 21 to the object 11 are different, the random pattern irradiated by the pattern irradiating device 20 is measured by the three-dimensional measuring device. This is an example of an image captured by No. 21. In the example shown in FIG. 11, the distance from the coordinate measuring device 21 to the object 11 and the distance from the pattern irradiation device 20 to the object 11 are set in a 2: 3 relationship.

図10および図11に示されるように、パターン照射装置20と三次元測定装置21との位置関係が変化すると、ランダムパターンでは模様が単純に拡大されることになる(図11においては、1.5倍に拡大)。このように三次元測定装置21が対象物11に近づいて測定条件が変化してランダムパターンが拡大されてしまうと、三次元測定装置21における測定誤差が発生する。より詳細には、三次元測定装置21が備えるステレオカメラの場合、所望の視差探索範囲で類似のパターンが複数見つかることによる誤マッチングが発生してしまう。 As shown in FIGS. 10 and 11, when the positional relationship between the pattern irradiation device 20 and the three-dimensional measuring device 21 changes, the pattern is simply enlarged in the random pattern (in FIG. 11, 1. Enlarged 5 times). When the three-dimensional measuring device 21 approaches the object 11 in this way and the measurement conditions change and the random pattern is enlarged, a measurement error in the three-dimensional measuring device 21 occurs. More specifically, in the case of the stereo camera included in the three-dimensional measuring device 21, erroneous matching occurs due to a plurality of similar patterns being found in a desired parallax search range.

そのため、ランダムパターンとしては、拡大・縮小しても唯一性を維持できる模様として、周期性とランダム性を兼ね備えた模様が有効である。 Therefore, as a random pattern, a pattern having both periodicity and randomness is effective as a pattern that can maintain its uniqueness even if it is enlarged or reduced.

そこで、本実施形態においては、パターン照射装置20の画像形成素子206により付与されるマスクパターンとして、周期性とランダム性を兼ね備えたパターン(例えば、準周期関数、準周期関数に乱数値を追加したもの)を用いるようにしたものである。 Therefore, in the present embodiment, as a mask pattern given by the image forming element 206 of the pattern irradiation device 20, a random value is added to a pattern having both periodicity and randomness (for example, a quasi-periodic function and a quasi-periodic function). The thing) is used.

ここで、図12は第2実施形態に係る画像形成素子206により付与されるランダムパターンの一例を示す図である。図12に示すように、第2実施形態にかかる画像形成素子206により付与されるランダムパターンは、下記式の準周期関数に基づき、f(x,y)>0ならば白、f(x,y)<=0ならば黒として決定される。

Figure 0006888429
Here, FIG. 12 is a diagram showing an example of a random pattern given by the image forming element 206 according to the second embodiment. As shown in FIG. 12, the random pattern given by the image forming element 206 according to the second embodiment is white if f (x, y)> 0 based on the quasi-periodic function of the following equation, and f (x, x, y) If <= 0, it is determined as black.
Figure 0006888429

図12に示すランダムパターンは、下記式に示されるように、数1において、n=5とした場合のパターンである。

Figure 0006888429
The random pattern shown in FIG. 12 is a pattern when n = 5 in Equation 1 as shown in the following equation.
Figure 0006888429

また、図13はランダムパターンの別の一例を示す図である。図13に示す例では、2つの準周期関数を組み合わせた値により画像形成素子206により付与されるランダムパターンが決定されている。図13に示すランダムパターンは、下記式に示されるように、数1において、n=5のパターンとn=7のパターンを組み合わせたものである。

Figure 0006888429
Further, FIG. 13 is a diagram showing another example of the random pattern. In the example shown in FIG. 13, the random pattern given by the image forming element 206 is determined by the value obtained by combining the two quasi-periodic functions. The random pattern shown in FIG. 13 is a combination of the pattern of n = 5 and the pattern of n = 7 in Equation 1 as shown in the following equation.
Figure 0006888429

さらに、図14はランダムパターンの別の一例を示す図である。図14に示す例では、図13で示した2つの準周期関数を組み合わせた値に対して乱数値を追加することにより画像形成素子206により付与されるランダムパターンが決定されている。 Further, FIG. 14 is a diagram showing another example of the random pattern. In the example shown in FIG. 14, the random pattern given by the image forming element 206 is determined by adding a random value to the value obtained by combining the two quasi-periodic functions shown in FIG.

このように本実施形態によれば、三次元測定装置21(ステレオカメラ等)とパターン照射装置20(投影装置)との位置関係が変わってパターンが拡大されたとしても、所望の測定条件が変わりにくい(ステレオカメラの場合、所望の視差探索範囲で類似のパターンがみつかりにくい)ので、測定誤差が発生しにくくなる。 As described above, according to the present embodiment, even if the positional relationship between the three-dimensional measuring device 21 (stereo camera or the like) and the pattern irradiating device 20 (projecting device) changes and the pattern is enlarged, the desired measurement conditions change. Since it is difficult (in the case of a stereo camera, it is difficult to find a similar pattern in the desired parallax search range), measurement errors are less likely to occur.

なお、準周期関数、準周期関数に乱数値を追加したものは、N値の画像情報からN+1値以上の投影画像の投影を行う場合に限らず、N値の画像情報からN値の投影画像の投影を行う場合にも有効である。 The quasi-periodic function and the quasi-periodic function with a random value added are not limited to the case of projecting a projected image of N + 1 value or more from N value image information, and N value projected image from N value image information. It is also effective when projecting.

なお、本実施形態においては、N値の画像情報として2値のランダムパターンを適用したが、これに限るものではなく、3値以上のランダムパターンを適用するものであっても良い。 In the present embodiment, a binary random pattern is applied as N-value image information, but the present invention is not limited to this, and a random pattern of three or more values may be applied.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態のハンドリングシステム10は、パターン照射装置20の画像形成素子206の一部に、投影時にボケなく解像し得るパターン(例えば、ラインチャート)を設ける点が、第1実施形態のハンドリングシステム10と異なる。以下、第3実施形態の説明では、第1実施形態と同一部分の説明については省略し、第1実施形態と異なる箇所について説明する。
(Third Embodiment)
Next, the third embodiment will be described. The handling system 10 of the third embodiment is provided with a pattern (for example, a line chart) capable of resolving without blurring at the time of projection on a part of the image forming element 206 of the pattern irradiation device 20. Different from system 10. Hereinafter, in the description of the third embodiment, the description of the same part as that of the first embodiment will be omitted, and the parts different from the first embodiment will be described.

第1実施形態で説明したように、パターン照射装置20の投射光学系207が備える投影レンズ207aのPSFは、画像形成素子206の2値のランダムパターンが投影時に解像しないように、すなわち画像形成素子206の2値のランダムパターンが拡散する(ボケる)ように設計されている。 As described in the first embodiment, the PSF of the projection lens 207a included in the projection optical system 207 of the pattern irradiation device 20 is such that the binary random pattern of the image forming element 206 is not resolved at the time of projection, that is, image forming. It is designed so that the binary random pattern of the element 206 is diffused (blurred).

ところで、パターン照射装置20(投影装置)は、対象物11と三次元測定装置21とに対して様々な距離に設置可能であるため、焦点位置を最適な位置に設定する必要がある。しかしながら、マスクパターンがどの焦点位置でもボケた状態で投影されるため、設置距離によって投影倍率が変わるパターン照射装置20では、最適な焦点位置を調整することが困難となっている。 By the way, since the pattern irradiation device 20 (projection device) can be installed at various distances from the object 11 and the coordinate measuring device 21, it is necessary to set the focal position to an optimum position. However, since the mask pattern is projected in a blurred state at any focal position, it is difficult for the pattern irradiator 20 whose projection magnification changes depending on the installation distance to adjust the optimum focal position.

そこで、本実施形態においては、パターン照射装置20の画像形成素子206の一部に、投影時にボケなく解像し得るパターン(例えば、ラインチャート)を設け、得られた輝度情報を用いて焦点位置を調整するようにしたものである。 Therefore, in the present embodiment, a pattern (for example, a line chart) capable of resolving without blurring at the time of projection is provided on a part of the image forming element 206 of the pattern irradiation device 20, and the focal position is used by using the obtained luminance information. Is to be adjusted.

ここで、図15は第3実施形態に係る画像形成素子206の一部により付与される焦点位置調整用パターンの一例を示す図である。 Here, FIG. 15 is a diagram showing an example of a focus position adjusting pattern imparted by a part of the image forming element 206 according to the third embodiment.

なお、本実施形態においては、パターン照射装置20の投射光学系207の設計として焦点位置が最適な位置(ピントが合っている位置)で目的のボケを生じるように設計していることが前提となっている。 In this embodiment, it is premised that the projection optical system 207 of the pattern irradiation device 20 is designed so that the desired blur occurs at the optimum focal position (the position where the focus is in focus). It has become.

図15に示すように、パターン照射装置20の画像形成素子206により付与されるマスクパターンの一部(焦点位置調整用パターン)が、ラインチャートとなっている。特に、図15に示すように、付与されるラインチャートは、ラインの線幅を一端部から他端部に向けて変化させている。このようにラインの線幅を一端部から他端部に向けて変化させることで、ラインの位置によって白黒の間隔を変えることができる。これにより、パターン照射装置20を対象物11と三次元測定装置21とに対して様々な距離に設置して投影倍率が変わる場合であっても、パターン照射装置20は、輝度情報から得られる最適な線幅で焦点位置を調整することが可能になる。 As shown in FIG. 15, a part of the mask pattern (focus position adjusting pattern) given by the image forming element 206 of the pattern irradiating device 20 is a line chart. In particular, as shown in FIG. 15, in the given line chart, the line width of the line is changed from one end to the other end. By changing the line width of the line from one end to the other end in this way, the black-and-white interval can be changed depending on the position of the line. As a result, even when the pattern irradiation device 20 is installed at various distances from the object 11 and the coordinate measuring device 21 and the projection magnification changes, the pattern irradiation device 20 is optimally obtained from the luminance information. It is possible to adjust the focal position with a wide line width.

なお、焦点位置の調整は、投影されたマスクパターンの一部(焦点位置調整用パターン)であるラインチャートを目視で確認しながら官能的に調整してもよいし、カメラなどの撮影モジュールを用いて白黒の輝度の傾きがもっとも大きくなるように調整してもよい。 The focus position may be adjusted sensually while visually checking the line chart, which is a part of the projected mask pattern (focus position adjustment pattern), or by using a shooting module such as a camera. The black and white brightness may be adjusted so as to have the largest inclination.

このように本実施形態によれば、投影時にボケなく解像し得る焦点位置調整用パターン(例えば、ラインチャート)を見ながら(あるいは、測定しながら)、最適な焦点位置の調整ができるので、簡易に、最適な焦点位置の調整における所望のボケたパターンの投影を行うことができる。 As described above, according to the present embodiment, the optimum focal position can be adjusted while observing (or measuring) the focal position adjusting pattern (for example, a line chart) that can be resolved without blurring during projection. It is possible to easily project a desired blurred pattern in adjusting the optimum focal position.

(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。第4実施形態のハンドリングシステム10のパターン照射装置20は、三次元測定装置21で取得してフィードバックされた三次元データ(三次元情報)を用いて、最適な焦点位置を決定する点が、第1実施形態のハンドリングシステム10と異なる。以下、第4実施形態の説明では、第1実施形態と同一部分の説明については省略し、第1実施形態と異なる箇所について説明する。
(Fourth Embodiment)
Next, the fourth embodiment will be described. The point that the pattern irradiation device 20 of the handling system 10 of the fourth embodiment determines the optimum focal position by using the three-dimensional data (three-dimensional information) acquired by the three-dimensional measuring device 21 and fed back is determined. It is different from the handling system 10 of the first embodiment. Hereinafter, in the description of the fourth embodiment, the description of the same part as that of the first embodiment will be omitted, and the parts different from the first embodiment will be described.

第1実施形態で説明したように、パターン照射装置20の投射光学系207が備える投影レンズ207aのPSFは、画像形成素子206の2値のランダムパターンが投影時に解像しないように、すなわち画像形成素子206の2値のランダムパターンが拡散する(ボケる)ように設計されている。 As described in the first embodiment, the PSF of the projection lens 207a included in the projection optical system 207 of the pattern irradiation device 20 is such that the binary random pattern of the image forming element 206 is not resolved at the time of projection, that is, image forming. It is designed so that the binary random pattern of the element 206 is diffused (blurred).

ところで、パターン照射装置20(投影装置)は、対象物11と三次元測定装置21とに対して様々な距離に設置可能であるため、焦点位置を最適な位置に設定する必要がある。しかしながら、マスクパターンがどの焦点位置でもボケた状態で投影されるため、設置距離によって投影倍率が変わるパターン照射装置20では、最適な焦点位置を調整することが困難となっている。 By the way, since the pattern irradiation device 20 (projection device) can be installed at various distances from the object 11 and the coordinate measuring device 21, it is necessary to set the focal position to an optimum position. However, since the mask pattern is projected in a blurred state at any focal position, it is difficult for the pattern irradiator 20 whose projection magnification changes depending on the installation distance to adjust the optimum focal position.

そこで、本実施形態においては、パターン照射装置20は、三次元測定装置21で取得してフィードバックされた三次元データ(三次元情報)を用いて、最適な焦点位置を決定するようにしたものである。 Therefore, in the present embodiment, the pattern irradiation device 20 is designed to determine the optimum focal position by using the three-dimensional data (three-dimensional information) acquired by the three-dimensional measuring device 21 and fed back. is there.

ここで、図16は第4実施形態に係るハンドリングシステム10を示す図である。本実施形態のハンドリングシステム10のパターン照射装置20は、判断手段24を備える。判断手段24は、三次元測定装置21で取得してフィードバックされた三次元データ(三次元情報)を用いて、最適な焦点位置を決定する。なお、判断手段24は、CPUがROMのプログラムを所定手順で実行するなどして実現される。 Here, FIG. 16 is a diagram showing a handling system 10 according to a fourth embodiment. The pattern irradiation device 20 of the handling system 10 of the present embodiment includes a determination means 24. The determination means 24 determines the optimum focal position by using the three-dimensional data (three-dimensional information) acquired by the three-dimensional measuring device 21 and fed back. The determination means 24 is realized by the CPU executing the ROM program in a predetermined procedure.

図17は、ハンドリングシステム10における処理の流れを概略的に示すフローチャートである。図17に示すように、まず、撮影システム14のパターン照射装置20は、投射光学系207の焦点位置を変更し、例えば図3に示す2値のランダムパターンを付与された光Lを対象物11へ向けて照射する(ステップS110)。 FIG. 17 is a flowchart schematically showing a processing flow in the handling system 10. As shown in FIG. 17, first, the pattern irradiation device 20 of the photographing system 14 changes the focal position of the projection optical system 207, and for example, the light L to which the binary random pattern shown in FIG. 3 is given is the object 11. (Step S110).

撮影システム14の三次元測定装置21は、トレイ12上の画像をステレオカメラにて撮影する(ステップS101)。 The three-dimensional measuring device 21 of the photographing system 14 photographs the image on the tray 12 with a stereo camera (step S101).

次いで、三次元測定装置21は、ステレオカメラにて撮影した画像のそれぞれのテクスチャ情報を用いて三次元情報(三次元データ)を取得する(ステップS102)。 Next, the three-dimensional measuring device 21 acquires three-dimensional information (three-dimensional data) using each texture information of the image taken by the stereo camera (step S102).

また、三次元測定装置21は、三次元情報(三次元データ)をパターン照射装置20に対してフィードバックする(ステップS111)。 Further, the three-dimensional measuring device 21 feeds back the three-dimensional information (three-dimensional data) to the pattern irradiation device 20 (step S111).

パターン照射装置20の判断手段24は、三次元測定装置21からフィードバックされた三次元情報(三次元データ)について、設定した目標値(取得した画像内の全画素に対する三次元データが取得されている画素の割合(密度)、平らな対象物11の三次元情報(三次元データ)を取得した際の対象物11の表面の距離のばらつき等)を満たすか否かを判断する(ステップS112)。 The determination means 24 of the pattern irradiation device 20 has acquired a set target value (three-dimensional data for all pixels in the acquired image) for the three-dimensional information (three-dimensional data) fed back from the three-dimensional measuring device 21. It is determined whether or not the ratio (density) of pixels, the variation in the distance on the surface of the object 11 when the three-dimensional information (three-dimensional data) of the flat object 11 is acquired, and the like are satisfied (step S112).

三次元情報(三次元データ)について、設定した目標値を満たさないと判断した場合(ステップS112のNo)、パターン照射装置20は、ステップS110に戻り、焦点位置を変更して対象物11へ向けて2値のランダムパターンを付与された光Lを照射する(ステップS110)。 When it is determined that the set target value is not satisfied for the three-dimensional information (three-dimensional data) (No in step S112), the pattern irradiation device 20 returns to step S110, changes the focal position, and directs the object 11 to the object 11. The light L to which a binary random pattern is applied is irradiated (step S110).

一方、パターン照射装置20は、三次元情報(三次元データ)について、設定した目標値を満たすと判断した場合(ステップS112のYes)、最適な焦点位置であるとする。その後、三次元測定装置21は、三次元情報(三次元データ)を制御装置15の認識装置22に渡す(ステップS113)。 On the other hand, when the pattern irradiation device 20 determines that the set target value is satisfied with respect to the three-dimensional information (three-dimensional data) (Yes in step S112), it is assumed that the focus position is optimal. After that, the three-dimensional measuring device 21 passes the three-dimensional information (three-dimensional data) to the recognition device 22 of the control device 15 (step S113).

制御装置15の認識装置22は、ステップS102において形成された三次元画像の情報に基づいて、対象物11を認識する(ステップS103)。 The recognition device 22 of the control device 15 recognizes the object 11 based on the information of the three-dimensional image formed in step S102 (step S103).

そして、制御装置15のロボットコントローラ23は、認識されたそれぞれの対象物11の位置および姿勢に基づきロボット13を動作させて対象物11を取り出す(ステップS104)。 Then, the robot controller 23 of the control device 15 operates the robot 13 based on the recognized position and posture of each object 11 to take out the object 11 (step S104).

例えば、パターン照射装置20は、各画素の三次元情報(三次元データ)が取得されているかについて、密度を評価対象としてもよい。また、パターン照射装置20は、フラットな意匠ワークを用いることで、三次元情報(三次元データ)の密度、三次元情報(三次元データ)のばらつきを評価対象とすることもできる。 For example, the pattern irradiation device 20 may evaluate the density as to whether the three-dimensional information (three-dimensional data) of each pixel is acquired. Further, the pattern irradiator 20 can evaluate the density of the three-dimensional information (three-dimensional data) and the variation of the three-dimensional information (three-dimensional data) by using the flat design work.

このように本実施形態によれば、第3実施形態のように測定に用いるマスクパターン以外の別パターンを用いる必要が無いので、測定に用いるマスクパターンを犠牲にせず、最適な焦点位置の調整における所望のボケたパターンの投影を行うことができる。 As described above, according to the present embodiment, it is not necessary to use another pattern other than the mask pattern used for the measurement as in the third embodiment, so that the mask pattern used for the measurement is not sacrificed and the optimum focus position is adjusted. The desired blurred pattern can be projected.

以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in a variety of other embodiments.

10 ハンドリングシステム
11 対象物
13 ロボット
14 撮影システム
15 制御装置
20 パターン照射装置
21 三次元測定装置
200 発光部
201 光源
206 画像形成素子
207 投射光学系
207a 投影レンズ
10 Handling system 11 Object 13 Robot 14 Imaging system 15 Control device 20 Pattern irradiation device 21 Coordinate-measuring device 200 Light emitting unit 201 Light source 206 Image forming element 207 Projection optical system 207a Projection lens

特開2001−147110号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-147110 特開2005−043233号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-043233

Claims (18)

光を出射する発光部と、
前記発光部から出射された光に対してN値の画像情報を付与する画像形成素子と、
前記画像形成素子によって前記N値の画像情報を付与された光が入射され、入射された光を拡大して投影面に照射する投射光学系と、
を備え、
前記投射光学系は、前記画像形成素子によって付与される前記N値の画像情報が拡散するPSF(Point Spread Function)に設計されている投影レンズを備え、前記画像形成素子により付与される前記N値の画像情報を、N+1値以上の画像情報とした投影画像を前記投影面に照射する、
ことを特徴とするパターン照射装置。
A light emitting part that emits light and
An image forming element that imparts N-value image information to the light emitted from the light emitting unit, and
A projection optical system in which light to which image information of the N value is added is incident by the image forming element, and the incident light is magnified and irradiated to the projection surface.
With
The projection optical system includes a projection lens designed as a PSF (Point Spread Function) in which the image information of the N value given by the image forming element is diffused, and the N value given by the image forming element. The projection surface is irradiated with a projected image in which the image information of is N + 1 value or more.
A pattern irradiation device characterized in that.
前記投射光学系は、前記画像形成素子によって付与される前記N値の画像情報の最小単位が解像しない解像度を有する投影レンズを備えている、
ことを特徴とする請求項1に記載のパターン照射装置。
The projection optical system includes a projection lens having a resolution at which the minimum unit of the image information of the N value given by the image forming element is not resolved.
The pattern irradiation device according to claim 1.
前記投影レンズの前記PSFは、前記画像形成素子によって付与される前記N値の画像情報のうち極値をN+1個以上含む領域を透過した前記投影画像の輝度プロファイルの最大値と最小値との間に中間的な極値が複数存在するように設計される、
ことを特徴とする請求項に記載のパターン照射装置。
The PSF of the projection lens is between the maximum value and the minimum value of the brightness profile of the projected image transmitted through a region containing N + 1 or more extreme values in the image information of the N value given by the image forming element. Designed to have multiple intermediate extrema,
The pattern irradiation device according to claim 1.
前記投影レンズの前記PSFは、前記画像形成素子によって付与される前記N値の画像情報のうち極値をN+1個以上含む領域を透過した前記投影画像の輝度プロファイルの最大値と最小値とを基準に量子化したN+1個の輝度グループのそれぞれに前記投影画像の輝度プロファイルの極値が存在するように設計される、
ことを特徴とする請求項に記載のパターン照射装置。
The PSF of the projection lens is based on the maximum value and the minimum value of the brightness profile of the projected image transmitted through a region containing N + 1 or more extreme values in the image information of the N value given by the image forming element. It is designed so that the extremum of the brightness profile of the projected image exists in each of the N + 1 brightness groups quantized in.
The pattern irradiation device according to claim 1.
前記画像形成素子が前記発光部から出射された光に対して付与する前記N値の画像情報は、2値の画像情報である、
ことを特徴とする請求項1ないしの何れか一項に記載のパターン照射装置。
The N-value image information given to the light emitted from the light emitting unit by the image forming element is binary image information.
The pattern irradiation device according to any one of claims 1 to 4, wherein the pattern irradiation device is characterized.
前記画像形成素子が前記発光部から出射された光に対して付与する前記2値の画像情報は、モザイク状の2値のランダムパターンである、
ことを特徴とする請求項に記載のパターン照射装置。
The binary image information given by the image forming element to the light emitted from the light emitting unit is a mosaic-like binary random pattern.
The pattern irradiation device according to claim 5.
前記画像形成素子は、反射によって前記2値のランダムパターンを形成する、
ことを特徴とする請求項に記載のパターン照射装置。
The image forming element forms the binary random pattern by reflection.
The pattern irradiation device according to claim 6.
前記画像形成素子は、透過によって前記2値のランダムパターンを形成する、
ことを特徴とする請求項に記載のパターン照射装置。
The image forming element forms the binary random pattern by transmission.
The pattern irradiation device according to claim 6.
前記画像形成素子は、前記2値の画像情報を、前記2値のランダムパターンに対して1つ以上の準周期関数を組み合わせた値により決定する、
ことを特徴とする請求項ないしの何れか一項に記載のパターン照射装置。
The image forming element determines the binary image information by a value obtained by combining one or more quasi-periodic functions with respect to the binary random pattern.
The pattern irradiation device according to any one of claims 6 to 8, wherein the pattern irradiation device is characterized.
前記画像形成素子は、前記2値の画像情報を、前記2値のランダムパターンに対して1つ以上の準周期関数を組み合わせた値と乱数値とにより決定する、
ことを特徴とする請求項ないしの何れか一項に記載のパターン照射装置。
The image forming element determines the binary image information by a value obtained by combining one or more quasi-periodic functions with respect to the binary random pattern and a random value.
The pattern irradiation device according to any one of claims 6 to 8, wherein the pattern irradiation device is characterized.
前記準周期関数は、下記式である、
Figure 0006888429
ことを特徴とする請求項または10に記載のパターン照射装置。
The quasi-periodic function is given by the following equation.
Figure 0006888429
The pattern irradiation device according to claim 9 or 10.
前記発光部は、光を出射する複数の光源を有する、
ことを特徴とする請求項1ないし11の何れか一項に記載のパターン照射装置。
The light emitting unit has a plurality of light sources that emit light.
The pattern irradiation device according to any one of claims 1 to 11.
光を出射する発光部と、
前記発光部から出射された光に対して画像情報を付与する画像形成素子と、
前記画像形成素子によって前記画像情報を付与された光が入射され、入射された光を投影面に照射する投射光学系と、
を備え、
前記画像形成素子は、前記投影面へ照射された光に付与された前記画像情報の一部に解像し得るパターンを設けていて、
前記投射光学系は、前記画像形成素子によって付与される前記画像情報の最小単位が解像しない解像度を有する投影レンズを備えている、
ことを特徴とするパターン照射装置。
A light emitting part that emits light and
An image forming element that imparts image information to the light emitted from the light emitting unit, and
A projection optical system in which light to which the image information is added is incident by the image forming element and the incident light is irradiated to the projection surface.
With
The image forming element is provided with a pattern capable of resolving a part of the image information applied to the light applied to the projection surface.
The projection optical system includes a projection lens having a resolution at which the smallest unit of the image information given by the image forming element does not resolve.
A pattern irradiation device characterized in that.
前記投影レンズは、少なくとも該投影レンズの中心付近において前記画像形成素子によって付与される前記画像情報の最小単位が解像しない解像度を有する、
ことを特徴とする請求項13に記載のパターン照射装置。
The projection lens has a resolution at which the smallest unit of the image information imparted by the image forming element does not resolve at least near the center of the projection lens.
The pattern irradiation device according to claim 13.
前記画像形成素子は、前記画像情報の一部に設けられた前記パターンを、ラインの線幅を一端部から他端部に向けて変化させているラインチャートとする、
ことを特徴とする請求項13に記載のパターン照射装置。
The image forming element is a line chart in which the line width of the line is changed from one end to the other end of the pattern provided in a part of the image information.
The pattern irradiation device according to claim 13.
前記投射光学系の焦点位置の変更毎に、当該パターン照射装置から照射した前記画像情報に基づいて三次元情報を測定する三次元測定装置からフィードバックされた前記三次元情報について目標値を満たすか否かを判断し、前記目標値を満たす場合に、当該焦点位置を最適な焦点位置とする判断手段を備える、
ことを特徴とする請求項12または13に記載のパターン照射装置。
Whether or not the target value is satisfied for the three-dimensional information fed back from the three-dimensional measuring device that measures the three-dimensional information based on the image information irradiated from the pattern irradiating device each time the focal position of the projection optical system is changed. When the target value is satisfied, a determination means for setting the focal position as the optimum focal position is provided.
The pattern irradiation device according to claim 12 or 13.
請求項1ないし16の何れか一項に記載のパターン照射装置と、
前記パターン照射装置により光が照射された投影面までの距離を表す三次元データを生成する三次元測定装置と、
を備えることを特徴とする撮影システム。
The pattern irradiation device according to any one of claims 1 to 16.
A three-dimensional measuring device that generates three-dimensional data representing the distance to the projection surface irradiated with light by the pattern irradiation device, and
A shooting system characterized by being equipped with.
対象物を移動させるロボットと、
前記対象物を投影面とする請求項1ないし16の何れか一項に記載のパターン照射装置と、
前記パターン照射装置により光が照射された前記対象物までの距離を表す三次元データを生成する三次元測定装置と、
前記三次元測定装置で生成された前記三次元データを基に前記対象物を認識するとともに前記ロボットを制御する制御装置と、
を備えることを特徴とするハンドリングシステム。
A robot that moves an object and
The pattern irradiation device according to any one of claims 1 to 16 , wherein the object is a projection surface.
A three-dimensional measuring device that generates three-dimensional data representing the distance to the object irradiated with light by the pattern irradiating device, and a three-dimensional measuring device.
A control device that recognizes the object and controls the robot based on the three-dimensional data generated by the three-dimensional measuring device.
A handling system characterized by being equipped with.
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