JP2018159603A - 投影装置、計測装置、システム、および物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】投影されるパターン光の変動による影響を抑える投影装置を提供する。【解決手段】互いに離散的に配置された複数の光源から出射された光からラインパターン光を生成するパターン光生成部１１３と、生成されたラインパターン光を被検物Ｗに投影する投影光学系１１４と、を有する投影装置１１０であって、投影光学系１１４の瞳面における光の光強度に関する値を計測する計測部１１５と、計測部１１５が得た計測値に基づいて複数の光源から出射される光の光量を調整する制御部２００と、を有し、制御部２００は、ラインパターン光の周期方向（ｘ方向）に瞳面を複数に分割して得られる複数の分割領域のそれぞれの計測値が互いに近づくように、複数の光源から出射される光の光量を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、投影装置、計測装置、システム、および物品の製造方法に関する。

物体の配置（例えば、位置および姿勢のうち少なくとも一方）を非接触に認識する装置として、パターン投影法を用いた計測装置が知られている。パターン投影法では、パターン光が投影された物体を撮像し、撮像画像を用いて三角測量の原理に基づき各画素位置における距離情報を算出して物体の配置を求める。距離情報は、パターン光を投影する投影光学系および物体を撮像する撮像光学系をピンホールカメラモデルに近似して算出される。

例えば、複数のＬＥＤを投影光学系の光源として用いた場合にＬＥＤ間の光量にばらつきがあると、投影光学系の瞳においてパターン光の光強度分布にむらが生じて投影パターンの像ずれが発生する。このような光強度分布むらが生じた場合には、上記ピンホールカメラモデルの近似により算出される距離情報の精度は低下する。光強度分布の均一化については、入り口から入った光を内面で複数回反射させて出口から強度分布を均一にした光を出す導光路を備えた照明装置がある（特許文献１）。また、非ピンホール光学系を校正する校正装置も知られている（特許文献２）。

特開２００３−２６２７９５号公報 特開２０１４−１３１０９１号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ＬＥＤの個数またはＬＥＤ間の光量のばらつきの大きさによっては、例えば、導光路の長さを長くする必要があり、装置の大形化やコストの増大を招く。また、ＬＥＤが発する光の光量は経時的に変化しうるため、特許文献２の校正装置では、定期的に校正することが必要となり計測効率の点で不利となりうる。

本発明は、例えば、投影されるパターン光の変動による影響を抑える投影装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数の光源から出射された光からラインパターン光を生成するパターン光生成部と、生成されたラインパターン光を被検物に投影する投影光学系と、を有する投影装置であって、投影光学系の瞳面における光の光強度に関する値を計測する計測部と、計測部が得た計測値に基づいて光の光量を調整する制御部と、を有し、制御部は、パターン光生成部が生成するラインパターン光の周期方向について瞳面を分割して得られる複数の分割領域間の光強度を近づけるように光量を調整する、ことを特徴とする。

本発明によれば、投影されるパターン光の変動による影響を抑える投影装置を提供することができる。

実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。 複数の光源から出射されたそれぞれの光の瞳面における光強度分布を示す模式図である。 複数の光源（有効光源分布）の配列の例を示す模式図である。 分割領域間の光量差がない状態の光強度分布を模式的に表す図である。 集光位置前後の対称な瞳強度分布を表す図である。 分割領域間の光量差がある場合の光強度分布を模式的に表す図である。 集光位置前後の非対称な瞳強度分布を表す図である。 ピンホールモデルと光学系の様子を説明する図である。 計測装置が備え付けられた把持装置を含む制御システムを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。計測装置は、計測ヘッド１００および制御部２００を含む。計測ヘッド１００は、投影装置１１０および撮像装置１２０を含む。投影装置１１０は、被検物Ｗにパターン光Ｐを投影する。本実施形態のパターン光Ｐは、図１に示すように、明線で形成された明部と、暗線で形成された暗部とが交互に配置された周期的なラインパターン光である。

投影装置１１０は、互いに離散的に配置された複数の光源を有する発光部１１１と、オプティカルインテグレータ１１２と、パターン光生成部１１３と、投影光学系１１４と、計測部１１５と、を有する。投影装置１１０は、光路を変更する光学素子（例えば、平面ミラー、プリズムなど）、及びオプティカルインテグレータ１１２に効率よく導光するための光学素子（例えば、集光ミラー）を含んでもよい。発光部１１１が有する複数の光源としては、ＬＥＤチップ、ＬＥＤチップを一次元配列したＬＥＤアレイ、二次元配列したＬＥＤマトリックスなどの発光素子を用いることができる。

オプティカルインテグレータ１１２は、発光部１１１から出射された光の光強度分布を調整する。本実施形態では、オプティカルインテグレータ１１２として、光の入射端面側からみた断面形状が入射端面の中心に関して対称のロッドインテグレータを用いる。その他、断面形状が入射端面の中心に関して対称な（例えば、円形や矩形）オプティカルインテグレータを用いることができる。

本実施形態では、オプティカルインテグレータ１１２は、光強度分布を均一化して、パターン光生成部１１３を均一に照明する。なお、オプティカルインテグレータ１１２は、画角周辺部の光強度を画角中心部の光強度よりも大きくするなど、意図的に光強度分布を不均一化してもよい。光強度分布の調整は、発光部１１１の光源とオプティカルインテグレータ１１２の入射端面との間隔、入射端面の面積と光源の発光面の面積との関係、またはオプティカルインテグレータ１１２の長さと入射端面の面積との比率などを調整して行うことができる。例えば、ロッドインテグレータの入射端面の面積に対して長さが短いものを用いると、画角周辺部の光強度を画角中心よりも大きくすることができる。

パターン光生成部１１３は、オプティカルインテグレータ１１２から出射された光を受光して、ラインパターン光を生成する。ここで、パターン光生成部１１３が生成するラインパターン光のラインの周期方向をｘ軸、ラインパターン光のラインの周期方向に対して垂直な方向（ラインが延びる方向）をｙ軸とし、ｘｙ平面に直交する方向をｚ軸とする。なお、例えば、投影装置１１０に光路を折り曲げる光学素子が含まれる場合、パターン光生成部１１３で生成されるラインパターン光の周期方向と被検物Ｗに投影されるパターン光Ｐの周期方向は、一致しないことがある。本実施形態では、説明の簡単のため、両者の周期方向を一致させている。ｚ軸は、投影装置１１０の投影光学系１１４の光軸に平行な方向である。また、ｘｚ平面は、投影光学系１１４の物体側主点と結像光学系１２１の像側主点および物点を含む平面である。また、パターン光生成部１１３は、均一光も生成しうる。

パターン光生成部１１３としては、液晶素子やＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などが用いられ、パターン光生成部１１３は任意のパターンを設定することができる。なお、パターン光生成部１１３としては、所定のパターンが描画された、所定のパターン光を生成するガラス板を用いることもできる。また、パターン光Ｐは、本実施形態のようなライン状のパターンに限られず、ラインが途中で途切れているドットラインパターンや円形のパターンの配列であってもよい。また、パターン光Ｐの波長は一つに限られず、ＬＥＤを複数種類用いるなどして、複数波長を用いてもよい。

投影光学系１１４は、パターン光生成部１１３で生成されたパターン光を被検物Ｗに投影する光学系である。本実施形態では、被検物Ｗに投影されるパターン光Ｐのラインの周期方向は、パターン光生成部１１３で生成されるラインパターン光の周期方向と一致させている。周期方向に対して垂直な方向も同様である。

計測部１１５は、投影光学系１１４の瞳面における光強度に関する値を計測する。例えば、計測部１１５が図１に示すように発光部１１１近傍に配置されている場合は、発光部１１１から出射された光の光量を計測する。計測部１１５または制御部２００は、計測された光量から投影光学系１１４の瞳面における光強度の推定値を求めうる。光強度の推定値は、例えば、制御部２００に光量と瞳面における光強度との関係を予め保存しておき、計測した光量に基づいて制御部２００が当該関係を参照して求めうる。また、後述の濃淡画像を構成する画素の輝度値から光強度の推定値を求めることもできる。さらに、計測部１１５は、投影光学系１１４の瞳面における光強度を計測しうる。

撮像装置１２０は、パターン光Ｐが投影された被検物Ｗを撮像する。撮像装置１２０は、撮像レンズを含む結像光学系１２１、筐体１２２および、受光面を有するイメージセンサ１２３を含む。結像光学系１２１およびイメージセンサ１２３は筐体１２２内部に配置されている。イメージセンサ１２３は、ＣＭＯＳやＣＣＤなどの光電変換素子であり、被検物Ｗの光を受光面で受光して被検物Ｗの画像を取得する撮像部として機能する。

なお、撮像装置１２０が取得する撮像画像は、ラインパターン光が投影された被検物Ｗを撮像して得られた距離画像および、均一光が投影された被検物Ｗを撮像して得られた濃淡画像を含む。

制御部２００は、例えば、ＣＰＵ（処理部）やメモリなどを含む制御回路であり、撮像装置１２０が取得した距離画像から、三角測量の原理に基づいて被検物Ｗまでの距離情報を算出する。また、制御部２００は、発光部１１１から出射される光の光量の制御、投影装置１１０が投影するパターン光Ｐの形状（線幅等）の生成、投影装置１１０の投影タイミングと撮像装置１２０の撮像タイミングとの同期などを行う。本実施形態の計測装置は、空間符号化法により被検物Ｗの距離情報を算出するが、その他、位相シフト法や光切断法等を用いてもよい。

制御部２００は、投影装置１１０を制御して複数種類のパターン光Ｐを被検物Ｗに投影する。制御部２００は、撮像装置１２０を制御して、パターン光Ｐごとに被検物Ｗを撮像して、撮像画像の信号（データ）を得る。制御部２００は、パターン光Ｐの明暗の縞の設定値および、設定値ごとの撮像画像のデータから計測空間を分割する。そして、制御部２００は、計測空間内の被検物Ｗの表面上の物点に対して、投影装置１１０のパターン光生成部１１３の画素位置と、撮像装置１２０のイメージセンサ１２３の画素位置を対応付ける。

制御部２００は、予め取得した、投影装置１１０と撮像装置１２０との相対的な位置および姿勢の関係を用いて三角測量の原理に基づき被検物Ｗの表面上の点の距離（位置）を算出する。本実施形態においては、パターン光Ｐのラインが伸びる方向と垂直方向（＝Ｘ軸方向）の点の位置を用いて距離を計算することになる。この計算をパターン光Ｐが投影された被検物Ｗの表面上の複数点について実施し、距離情報を有する点群データを取得する。また、距離点群データと３Ｄ−ＣＡＤモデルを用いて、被検物Ｗの配置（例えば、位置および姿勢）を求めることができる。

図２は、本実施形態に係る投影装置１１０の発光部１１１に含まれる複数の光源から出射されたそれぞれの光の瞳面における光強度分布を示す模式図である。本実施形態では、瞳面とパターン光生成部１１３が生成するラインパターン光の周期方向に基づいて決定されるｘｙ平面とを平行としている。図２に示す座標軸は、上記座標軸と定義は同じである。なお、説明の簡単の為、オプティカルインテグレータ１１２による影響は図示しない。

本実施形態において、発光部１１１は、光源１０１〜１０４の４つの光源を有する。ここで、光源１０１〜１０４は正方形の形状の面発光する光源を用い、光源１０１〜１０４による瞳面における光強度分布（有効光源分布ともいう。）の形状も同様に正方形とする。光源（有効光源分布）１０１〜１０４のエッジは、ｘ軸またはｙ軸と平行としている。

また、投影光学系１１４の光軸ｃ１を含み、パターン光Ｐのラインが伸びる方向（ｙ方向）に平行な分割線Ｌ１で瞳面を分割して得られる複数の分割領域を領域ａ１および領域ａ２とする。瞳面の分割方法は、これに限られず、パターン光Ｐのラインの周期方向について瞳面を分割すればよい。

図３は、複数の光源の配列の例を示す模式図である。図２では、光源のエッジをｘ軸またはｙ軸と平行としていたが、図３に示す例では、光源１０５〜１０８のエッジがｘ軸またはｙ軸に対して傾いている。また、投影光学系１１４の光軸ｃ１を含み、ｙ方向に平行な分割線Ｌ１で瞳面を分割して得られる複数の分割領域を領域ａ３および領域ａ４とする。

図４は、図２の領域ａ１、領域ａ２の分割領域間、または図３の領域ａ３、領域ａ４の分割領域間の光量差がない状態における瞳面での光強度分布６０１を模式的に表している。横軸は投影光学系１１４の瞳面のｘ方向であり、原点は投影光学系１１４から射出した光の主光線が通る位置であり、縦軸が光強度である。分割領域間で光量差が無い場合、光強度分布６０１の形状は原点に関して対称となる。

図５は、図４のように原点に関して対称の分布形状をもつ光束の集光位置６０５の近傍の光強度分布６０６を示す図である。光束の主光線６０４は、図示しない光学系によって決定される光線である。光束によって結像される像の位置は、光強度分布６０６のピークを結ぶ方向に変化する。図５の場合は、像の位置方向と主光線６０４の進行方向とが一致する。

図６は、分割領域間の光量差がある場合の光強度分布６０２を示す図である。光強度分布６０２は、原点に関して非対称となっている。図７は、図６のように原点に関して非対称の分布形状をもつ光束の集光位置６０５の近傍の光強度分布６０６を示す図である。光強度分布６０６は、光束の主光線６０４に関して非対称になり、像の位置方向６０７は、主光線６０４の進行方向と一致しない。

図８は、投影光学系の瞳面における光強度分布が光束の主光線に関して非対称になることによる計測精度への影響を説明する図である。図８は、ピンホールカメラモデルと図６の光強度分布６０２を有する投影光学系１１４とを合わせて描いたものである。ピンホールカメラモデルにおいて使用されるピンホール６０８を通過する光線は、投影光学系１１４によって規定される主光線６０４に相当する。したがって、像の位置方向が主光線上にあれば、ピンホールモデルを用いて精度良く位置検出する事が可能である。しかし、像の位置方向６０７が主光線６０４と一致していない場合、像の位置方向６０７はピンホール６０８を通過せずピンホールカメラモデルでは記述できない非ピンホール性を有する事となり位置検出誤差を発生し計測精度が低下する。

つまり、複数の光源間で光量のばらつきが発生したとしても、パターン光Ｐの周期方向（ｘ方向）について瞳面を分割して得られる複数の分割領域間の光強度の差をなるべく小さくすることが位置検出誤差を抑えるうえで重要となる。

光強度の差は、分割領域内で計測された光強度の合計値、平均値、中央値または最頻値などの値の差を用いうる。分割領域間の光強度の差を小さくするために、制御部２００は、計測部１１５が得た分割領域の光強度の計測値または推定値に基づいて発光部１１１から出射される光の光量を調整する。光量の調整量は、予め求めた光量と光強度との関係に基づいて決定しうる。また、光量の調整は、発光部１１１へ供給する電流の大きさを調整することで行われうる。電流値を調整しうる範囲は、発光部１１１に含まれる光源の特性により決定される。投影装置１１０内に遮光部を備え、遮光量を調整することで光量を調整してもよい。光強度の差を小さくする際、複数の分割領域のそれぞれの光強度分布を高い光強度にそろえてもよく、低い光強度にそろえてもよい。

以上の通り、光量を調整することで投影されるパターン光の変動による影響を抑え、計測装置の位置検出誤差を抑えることができる。光量の調整は、光源への入力電流の調整により行われ、高額なオプティカルインテグレータ、大型のオプティカルインテグレータを用いる必要がない。さらに、光源間の光量のばらつきが経時変化しても、複雑な校正作業は必要ない。

上記説明におけるパターン光Ｐは、白黒２値の縞を想定しているが、これに限定されず、２値より多い値の縞、その他の複数の色の縞でも良い。また、発光部の数、形状、配列は上記説明の場合に限定されない。

光量の制御に関し、複数の光源を個別に光源の単位で制御してもよく、複数の光源を複数のグループに分類し、グループ単位で制御してもよい。光強度の計測も、光源を１つずつ点灯させて計測しても、グループ単位で点灯させて計測してもよい。

（物品製造方法に係る実施形態）
上述の計測装置は、ある支持部材に支持された状態で使用されうる。本実施形態では、一例として、図９のようにロボットアーム４００（把持装置）に備え付けられて使用される制御システムについて説明する。計測装置５００は、支持台Ｔに置かれた被検物Ｗにパターン光を投影して撮像し、画像を取得する。そして、計測装置５００の制御部（図示せず）が、又は、計測装置５００の制御部（図示せず）から出力された画像データを取得したアーム制御部３１０が、被検物Ｗの位置および姿勢を求め、求められた位置および姿勢の情報をアーム制御部３１０が取得する。アーム制御部３１０は、その位置および姿勢の情報（計測結果）に基づいて、ロボットアーム４００に駆動指令を送ってロボットアーム４００を制御する。ロボットアーム４００は先端のロボットハンドなど（把持部）で被検物Ｗを保持して、並進や回転などの移動をさせる。さらに、ロボットアーム４００によって被検物Ｗを他の部品に組み付ける（組立する）ことにより、複数の部品で構成された物品、例えば電子回路基板や機械などを製造することができる。また、移動された被検物Ｗを加工（処理）することにより、物品を製造することができる。アーム制御部３１０は、ＣＰＵなどの演算装置やメモリなどの記憶装置を有する。なお、ロボットを制御する制御部をアーム制御部３１０の外部に設けても良い。また、計測装置５００により計測された計測データや得られた画像をディスプレイなどの表示部３２０に表示してもよい。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変更が可能である。

１００ 計測ヘッド
１０１〜１０８ 光源
１１０ 投影装置
１１１ 発光部
１１３ パターン光生成部
１１４ 投影光学系
１１５ 計測部
１２０ 撮像装置
２００ 制御部

Claims (12)

1. 互いに離散的に配置された複数の光源から出射された光からラインパターン光を生成するパターン光生成部と、生成された前記ラインパターン光を被検物に投影する投影光学系と、を有する投影装置であって、
   前記投影光学系の瞳面における前記光の光強度に関する値を計測する計測部と、
   前記計測部が得た計測値に基づいて前記複数の光源から出射される光の光量を調整する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記ラインパターン光の周期方向に前記瞳面を複数に分割して得られる複数の分割領域のそれぞれの前記計測値が互いに近づくように、前記複数の光源から出射される光の光量を調整する、
   ことを特徴とする投影装置。
2. 前記計測部は、前記瞳面における前記光強度を計測し、
   前記制御部は、前記複数の光源から出射される光の光量と前記瞳面における前記光強度との関係に基づいて、前記複数の分割領域のそれぞれの前記計測部により計測される前記光強度が互いにを近づくように前記複数の光源から出射される光の光量を調整する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記計測部は、前記複数の光源から出射される光の光量を計測し、
   前記制御部は、前記複数の光源から出射される光の光量と前記瞳面における前記光強度との関係に基づいて、前記計測された前記光量から前記複数の分割領域のそれぞれにおける前記光強度の推定値を求め、前記複数の分割領域のそれぞれの前記推定値が互いに近づくように前記複数の光源から出射される光の光量を調整する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の投影装置。
4. 前記計測部は、前記複数の光源のうちいずれか１つが前記光を出射している状態で前記計測を行い、
   前記制御部は、得られた前記計測値に基づいて前記光強度が近づくように前記光源の単位で前記複数の光源を制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の投影装置。
5. 前記計測部は、複数のグループに分類された前記複数の光源のうちいずれか１つの前記グループが前記光を出射している状態で前記計測を行い、
   前記制御部は、得られた前記計測値に基づいて前記光強度が近づくように前記グループの単位で前記複数の光源を制御する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の投影装置。
6. 前記制御部は、前記複数の光源に供給する電流の大きさを調整することで前記光量を調整することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の投影装置。
7. 前記複数の光源から前記瞳面までの光路に配置される遮光部を含み、
   前記制御部は、前記複数の分割領域間の前記光強度を近づけるように前記遮光部による遮光量を調整する、ことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の投影装置。
8. 前記複数の光源は、互いに離散的に配置された複数のＬＥＤである、ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の投影装置。
9. 請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の投影装置と、
   前記被検物を撮像する撮像装置と、を有することを特徴とする計測装置。
10. 前記投影装置のパターン光生成部は、均一光を生成し、
    前記撮像装置は、前記投影光学系により前記生成された前記均一光が投影された前記被検物を撮像して、濃淡画像を取得し、
    前記計測部は、前記取得された前記濃淡画像を構成する画素の輝度値を得て、
    前記制御部は、
    前記輝度値に基づいて前記複数の分割領域のそれぞれにおける前記光強度の推定値を求め、前記複数の分割領域間の前記推定値を近づけるように前記光量を調整する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の計測装置。
11. 請求項９又は１０に記載の計測装置と、
    物体を保持して移動させるロボットと、を有し、
    前記計測装置から出力された前記物体の計測結果に基づいて、前記ロボットが前記物体を保持する、ことを特徴とするシステム。
12. 物品の製造方法であって、
    請求項９又は１０に記載の計測装置を用いて物体を計測し、
    前記計測された前記物体の処理を行って物品を製造する、
    ことを特徴とする物品の製造方法。
    
    
    

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