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

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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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