JP7072226B2 - プロジェクタおよびその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、工業用検査等に用いて好適な三次元計測用のプロジェクタおよびその使用方法に関するものである。

従来から、プロジェクタを用いて計測対象物に所定パターン（縞模様）の光を順次投影し、投影方向とは異なる方向からカメラで計測対象物を撮影することにより、計測対象物の三次元形状等を計測する技術が知られている。かかる技術を製品の検査等で用いる場合には、通常、レンズにより斜投影が行われるが、その場合、レンズの対称性から投影手前と投影奥側で投影距離が変わるため、投影画像にボケが生じる。そこで、そのようなボケを補正するために、一般にシャインプルーフ光学系と呼ばれる配置方式が採用されている（例えば特許文献１、２）。

図３は、そのようなシャインプルーフ光学系を用いた従来のプロジェクタの構成を示す模式図である。このプロジェクタ２００は、光源２０１、コンデンサレンズ群２１０、全反射プリズム２３０、映像素子２２０、投影レンズ２４０および投影面２５０により概略構成されており、シャインプルーフの条件を満たすように配置されている。このプロジェクタ２００において、光源２０１から発せられた光は、コンデンサレンズ群２１０で集光され、全反射プリズム２３０を通り、映像素子２２０に入射する。映像素子２２０は例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）であり、所望のパターン（例えば縞模様）を形成するように電子制御される。この映像素子２２０を反射した光は、全反射プリズム２３０によって投影レンズ２４０へと導かれ、投影面２５０に当該所望のパターンの光が投影される。ここで映像素子２２０と投影レンズ２４０と投影面２５０とはシャインプルーフの条件を満たすように配置されているため、斜投影した場合でも投影面２５０の手前側境界２５１と奥側境界２５２を含む全体でパターン光のピントが合うことになる。

また、三次元形状測定において、格子状のＤＭＤを反射面に略垂直な法線周りに回転可能に構成し、これを回転させることにより縞パターン光の明暗ピッチを小さくして、計測精度を向上させることが提案されている（例えば、特許文献３）。

特開２０１１－６４４８２号公報 特開２０１４－１０６０９４号公報 特開２０１５－１３８１号公報

特に特許文献１、２のような従来の三次元形状測定装置では、所望の投影領域に対してシャインプルーフの条件を満たすように光学系が厳密に設計、構成されており、組立後にレンズや映像素子の配置を変更することはできない。特許文献３の装置はＤＭＤを反射面の法線周りに回転可能であるが、これはシャインプルーフの条件を崩すことなくＤＭＤによる縞パターンのピッチを変更するためであり、光学系の個々の要素の相対位置を変更するものではない。

このように、従来の三次元形状測定装置用のプロジェクタでは、光学系がシャインプルーフの条件を満たすように設計され個々の要素の相対位置が固定されており、組立後にパターンの投影角度を変更したり、測定対象に合わせて投影範囲を変更したりすることができなかった。パターンの投影角度や投影範囲を変更したい場合には、シャインプルーフの条件を満たすように再設計した新たなプロジェクタに交換する必要があり、多大な時間と費用がかかるものであった。

したがって、従来の三次元形状測定装置の斜投影プロジェクタは投影角度や測定対象物の寸法のバリエーションに幅広く対応できるものではなく、汎用性に欠けるものであった。本発明はこの問題に鑑み、シャインプルーフの条件を満たしたままパターンの投影角度や投影範囲を変更できるようにしたプロジェクタを提供することを目的とする。

本願発明は、光源からの光をコンデンサレンズ群で集光して映像素子に入射させ、当該映像素子からの反射光を、投影レンズにより投影面に向けて斜投影するプロジェクタであって、映像素子、投影レンズおよび投影面がシャインプルーフの条件を満たすように配置されたプロジェクタにおいて、コンデンサレンズ群からの光を映像素子に向かわせるとともに、映像素子からの光を反射して投影レンズへと導くように配置された全反射プリズムと、投影面および投影レンズとシャインプルーフの条件を満たすように映像素子の傾斜角度および位置を変更する映像素子調整機構と、映像素子の傾斜角度および位置に応じて、コンデンサレンズ群の少なくとも一部をシフトおよび／または回転させることにより映像素子に入射する光の入射角度を調整するシフト機構と、を具えることを特徴とするプロジェクタを提供する。

本願発明においては、シフト機構が、コンデンサレンズ群の少なくとも一部を光の入射方向に対して略垂直方向に移動させるように構成することができる。

一実施例では、コンデンサレンズ群が、光源側に配置された第１のレンズ群と、映像素子側に配置された第２のレンズ群とを含み、シフト機構が、第１のレンズ群をシフトまたは回転させるように構成されている。

他の実施例では、コンデンサレンズ群が、光源側に配置された第１のレンズ群と、映像素子側に配置された第２のレンズ群とを含み、シフト機構が、第２のレンズ群をシフトまたは回転させるように構成されている。

本願発明の映像素子は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いることができる。

本願発明は、さらに、本願発明のプロジェクタの投影角度または投影視野を変更する方法であって、映像素子調整機構により、投影面および投影レンズとシャインプルーフの条件を満たすように映像素子の傾斜角度および位置を変更するステップと、変更した映像素子の傾斜角度および位置に応じて、シフト機構によりコンデンサレンズ群の少なくとも一部をシフトおよび／または回転させることにより映像素子に入射する光の入射角度を調整するステップとを具えることを特徴とする方法を提供する。

従来はプロジェクタの投影角度や投影範囲を変更するには光学系全体を再設計していたが、本願発明は最低限の要素を調整することでシャインプルーフの条件を満たしたままこれを達成するに至った。本願発明によれば、映像素子の傾斜角度と位置を変更可能にする映像素子調整機構により、投影レンズおよび投影面とシャインプルーフの条件を満たすことができるように、映像素子の傾斜角度と位置を変更することができる。コンデンサレンズ群のコンデンサレンズ群の一部をシフトおよび／または回転させるシフト機構を設けることにより、変更した映像素子の傾斜角度と位置に応じて、光源からの光を適切に映像素子に入射させて、映像素子からのパターン光を投影レンズから投影面に適切に投影させることができる。したがって、プロジェクタ乃至三次元形状測定装置の組立後や出荷後に、測定対象物に合わせて別のプロジェクタに交換する必要がなくなり、光学系の再設計にかかる時間と労力や、新たなプロジェクタを用意する費用を省略することができる。

図１は、本願発明のプロジェクタにおいて、映像素子の角度を変更させて投影角度を変更するとともに、コンデンサレンズ群の一部をシフトおよび／または回転させることが可能なプロジェクタの概要を示す。 図２の（ａ）は、映像素子の角度と位置を変更する前の状態の本願発明のプロジェクタの概要を示す。図２の（ｂ）は、映像素子の角度と位置の変更に応じて、コンデンサレンズ群の一部をシフトさせた場合の概要を示す。 図３は、従来の三次元形状測定装置のプロジェクタを示す。

本願発明のプロジェクタおよびその使用方法について、添付図面を参照しながら以下に詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例に係るプロジェクタの構成要素を示す概略図である。本発明のプロジェクタ１００は、三次元形状測定装置用の斜投影プロジェクタであり、光源１と、コンデンサレンズ群１０と、コンデンサレンズ群の少なくとも一部をシフトおよび／または回転させるシフト機構１５と、映像素子２０と、映像素子の角度および位置を変更する映像素子調整機構２５と、全反射プリズム３０と、投影レンズ４０とを具えている。光源１から照射された光２は、コンデンサレンズ群１０で集光され、全反射プリズム３０を通り映像素子２０に入射する。所定の反射パターンを生成する映像素子２０を反射した光３は、全反射プリズム３０により投影レンズ４０に導かれ、投影面５０に斜投射される。なお、図１の状態において、プロジェクタ１の光学系は、シャインプルーフの条件を満たすように配置されている。

光源１には、ＬＥＤや、レーザー、ファイバ照明、ランプなど、均一照射が可能な光源を使用することができる。

図２（ａ）－（ｂ）に示す例においては、コンデンサレンズ群１０は、光源１側に配置された第１のコンデンサレンズ群１０ａと映像素子２０側に配置された第２のコンデンサレンズ群１０ｂとを有している。第１のコンデンサレンズ群１０ａは、コリメート光をむらなく照射することを目的とするものである。また、第２のコンデンサレンズ群１０ｂは、開口数ＮＡを考慮して、映像素子２０に適切に光を照射することを目的とするものである。

投影する光のパターンを生成する映像素子２０は、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などの画像パターン生成装置を用いることができる。ＤＭＤは、間隔がサブミクロンオーダー（例えば、０．５μｍ等）の多数の微小なミラーが二次元的に整列して配置されており、個々のミラーを独立して電気的に制御することにより個々のミラーを駆動することが可能である。これにより、光源１から照射された光２は、ＤＭＤ２０によって、縞模様など所定パターンを含む光３に空間変調され、投影面５０には様々なパターン（縞模様）が投影される。

全反射プリズム３０は、コンデンサレンズ群１０からの光２を透過させるとともに、映像素子２０からの光３を反射させて投影レンズ４０に導くように配置されている。全反射プリズムを使用することにより光路が往復するため、全体の光路の長さを短くすることが可能となり、装置全体をコンパクトに製作することができる。

所定のパターンを含む光３は、投影レンズ４０によって、投影面５０に斜投影される。これにより、投影面上に配置された計測対象物に縞模様などのパターンを投影することになる。

ここで、映像素子２０と、投影レンズ４０と、投影面５０とがシャインプルーフの条件を満たすように配置されており、投影面５０の手前側境界５１と奥側境界５２との両方で所定のパターンを含む光３の焦点が合うように構成されている。

本発明のプロジェクタでは、映像素子２０が、光源に対する角度および位置を変更するための映像素子調整機構２５を具えている。これにより、投影面５０への投影角度と投影範囲を変化させることが可能となる。

この映像素子調整機構２５は、手動またはモータ等を用いた電動により、映像素子２０の角度および位置を変更することができる。映像素子調整機構２５は、例えば角度可変のマウント等により構成することができる。これにより投影面５０と投影レンズ４０とシャインプルーフの条件を満たすように、映像素子２０の角度と位置を変更することができる。したがって、映像素子の角度と位置を変更した後においても、シャインプルーフの条件は満たされることになる。

本願発明のプロジェクタ１００はさらに、コンデンサレンズ群１０がシフト機構１５を具えている。図２（ａ）－（ｂ）の実施例において、シフト機構１５は、第１のコンデンサレンズ群１０ａを光２に対して上下方向にシフトさせることができる。

図２（ｂ）に示すように、シフト機構１５により、光源１から映像素子２０へ入射する光２の角度をシフトさせることによって、映像素子２０の角度と位置を変更した後においても、適切に光２を映像素子２０に入射させて、投影レンズ４０から投影面５０にパターン光を照射することができる。すなわち、拡大または縮小した投影範囲の手前側境界５１’と奥側境界５２’の両方でピントが合うように映像素子２０の角度と位置を変更させて投影範囲を変更する際に、シフト機構１５を調整することにより、角度と位置を変更した後の映像素子２０への光の適切な入射と投影面５０へのパターン光の適切な照射が可能となる。このシフト機構１５の操作は、手動であっても、モータ等を用いる電動であってもよい。また、映像素子２０の角度と位置が変更された場合に、自動で第１のコンデンサレンズ群１０ａの位置を調整するように構成してもよい。このように、ＤＭＤの角度と位置の変化に応じてレンズ群をシフトすることにより、全反射プリズム等他の構成要素の位置・角度の変更が不要となる。

図２（ｂ）の例では、シフト機構１５は第１のコンデンサレンズ群１０ａを、光２の入射方向に対して略垂直方向に移動させて、角度と位置を変更した後の映像素子２０への入射角度を調整するように構成されている。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、他の実施例においては、シフト機構１５が、光路２に直交する軸を中心に第１のコンデンサレンズ群１０ａを回転させるように構成してもよい。

さらに、他の実施例においては、シフト機構１５が、第１のコンデンサレンズ１０ａではなく第２のコンデンサレンズ群１０ｂに設けられており、第２のコンデンサレンズ群１０ｂを光路２に対してシフトまたは回転させるように構成されている。

上記構成からなるプロジェクタ１００において、例えば、投影面に対する投影範囲を小さくする場合には、図２（ｂ）に示すように、映像素子調整機構２５により映像素子２０を点線の位置角度から実線の位置角度に移動させる。この移動後の映像素子２０の傾斜角度と位置に応じてシフト機構１５によりコンデンサレンズ群１０ａを上方にシフトさせる。また、投影範囲を拡大するとともにシャインプルーフの条件を維持するように映像素子２０の角度と位置を移動させて、この移動させた映像素子２０の位置と角度に応じて、シフト機構によりコンデンサレンズ群１０ａをシフトさせて、移動後の映像素子２０に適切に光を入射させることもできる。この構成によって、投影範囲を変更しつつシャインプルーフの条件を満たすように映像素子の角度と位置を変更することが可能となり、変更後の映像素子に応じて光を入射させることにより、光３の投影角度や投影範囲を変更しても明るくコントラストの高い投影画像を投影範囲全体にわたり得ることができる。

Claims (6)

1. 光源からの光をコンデンサレンズ群で集光して映像素子に入射し、当該映像素子からの反射光を、投影レンズにより投影面に向けて斜投影するプロジェクタであって、前記映像素子、前記投影レンズおよび前記投影面がシャインプルーフの条件を満たすように配置されたプロジェクタにおいて、
   前記コンデンサレンズ群からの光を前記映像素子に向かわせるとともに、前記映像素子からの光を反射して前記投影レンズへと導くように配置された全反射プリズムと、
   前記投影面および投影レンズとシャインプルーフの条件を満たすように、前記映像素子の傾斜角度および位置を変更する映像素子調整機構と、
   前記映像素子の傾斜角度および位置に応じて、前記コンデンサレンズ群の少なくとも一部をシフトまたは回転させることにより前記映像素子に入射する光の入射角度を調整するシフト機構と、を具えることを特徴とするプロジェクタ。
2. 請求項１に記載のプロジェクタにおいて、前記シフト機構が、前記コンデンサレンズ群の少なくとも一部を光の入射方向に対して略垂直な方向に移動させるように構成されていることを特徴とするプロジェクタ。
3. 請求項１乃至２のいずれか１項に記載のプロジェクタにおいて、前記コンデンサレンズ群が、前記光源側に配置された第１のレンズ群と、前記映像素子側に配置された第２のレンズ群とを含み、前記シフト機構が、前記第１のレンズ群をシフトまたは回転させるように構成されていることを特徴とするプロジェクタ。
4. 請求項１乃至２のいずれか１項に記載のプロジェクタにおいて、前記コンデンサレンズ群が、前記光源側に配置された第１のレンズ群と、前記映像素子側に配置された第２のレンズ群とを含み、前記シフト機構が、前記第２のレンズ群をシフトまたは回転させるように構成されていることを特徴とするプロジェクタ。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載において、前記映像素子がデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）であることを特徴とするプロジェクタ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプロジェクタの投影角度または投影視野を変更する方法であって、
   前記映像素子調整機構により、投影面および投影レンズとシャインプルーフの条件を満たすように映像素子の傾斜角度およびを変更するステップと、
   変更した前記映像素子の傾斜角度および位置に応じて、前記シフト機構により前記コンデンサレンズ群の少なくとも一部をシフトまたは回転させることにより、前記映像素子に入射する光の入射角度を調整するステップと、を具えることを特徴とする方法。

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