JP2012228459A - 内視鏡装置および計測方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被検物に縞パターンが投影されたパターン投影画像を用いて被検物の計測を行う内視鏡装置1であって、長尺の挿入部10と、挿入部10の先端部に設けられ、被検物の画像を取得する撮像部30と、挿入部10の先端部に設けられ、撮像部30の観察視野を照明する照明光を発する照明部40と、挿入部10の先端部に設けられ、被検物に縞パターンを投影するパターン投影部50と、を備え、挿入部10の先端面10aには、撮像部30に被検物の像を結像させる対物光学系32と、照明光を出射する1つ以上の照明窓12と、パターン投影部50から被検物へ縞パターンを投影する1つの投影窓13と、が設けられている。
【選択図】図1
Description
本発明の内視鏡装置は、光の明暗パターンが投影された被検物のパターン投影画像を用いて前記被検物の計測を行う内視鏡装置であって、挿入部と、前記挿入部の先端部に設けられ、前記被検物の画像を取得する撮像部と、前記撮像部の観察視野を照明する照明光を発する照明部と、前記被検物に前記明暗パターンを投影するパターン投影部と、を備え、前記挿入部の先端面には、前記撮像部に前記被検物の像を結像させる対物光学系と、前記照明光を出射する1つ以上の照明窓と、前記パターン投影部から前記被検物へ前記明暗パターンを投影する1つの投影窓と、が設けられていることを特徴とする内視鏡装置である。
また、本発明の計測方法によれば、挿入部が細径化された内視鏡装置であっても精度良く三次元形状を計測することができる。
以下、本発明の一実施形態の内視鏡装置1および計測方法について説明する。
まず、本実施形態の内視鏡装置1の構成について説明する。図1は、本実施形態の内視鏡装置1の構成を示すブロック図である。図2は、内視鏡装置1によって投影される明暗パターンを示す模式図である。
内視鏡装置1は、被検物の内部観察や、通常の観察装置がアクセス困難な位置にある被検物の観察などに使用されるものであり、長尺の挿入部10と、挿入部10の基端が接続された本体部20とを備える。
また、挿入部10の先端面10aには、撮像部30の対物光学系32に外光を入射させるための開口11と、照明部40からの照明光を挿入部の前方に照射するための照明窓12と、パターン投影部50からの縞を挿入部の前方に照射するための投影窓13とが設けられている。
また、明暗パターンの形状としては、縞パターンに限らず、図2に示すようなライン状の複数の平行する線でもよいし、その他の例としては、例えば、図9に示すような1本の線(後述)でもよいし、複数の点や、複数の縦線と横線が交差した格子状のパターン、あるいは同心円状のパターンなどであってもよい。
なお、必要に応じて、ファームウェア等を記録したROM26(あるいはEPROMやEEPROMなど)がメイン制御部22に接続されていてもよい。
本実施形態の計測方法は、被検物の三次元形状を内視鏡装置1を用いて計測する計測方法である。内視鏡装置1の使用時には、まず、使用者は、挿入部10を被検物の内部や管路等の被検物へのアクセス経路等に挿入し、所定の観察部位まで挿入部10の先端を進める。使用者は、被検物の所望の部位を観察する観察モードと、当該部位の三次元形状を計測する計測モードとを必要に応じて切り替えることにより、被検物の検査等を行う。
観察モードから計測モードへ切り替える入力が使用者によって行われると、メイン制御部22において、計測画像撮影処理(図3参照)が開始される。
ステップS1において観察状態となっていると判定された場合にはステップS3へ進み、ステップS1において観察状態以外(例えば後述する計測状態)となっている場合にはステップS2へ進む。
これでステップS1は終了する。
ステップS2では、第一光源41をオン制御し、第二光源51をオフ制御する。これにより、パターン投影部50からは縞パターンが投影されずに照明部40から観察視野に白色光が照射され、観察視野が照明される。
これでステップS2は終了し、ステップS3へ進む。
ステップS3では、照明部40からの白色光によって被検物を照明している状態で撮像部30のイメージャー31によって画像を取得する(以下、観察状態で撮影された画像を「明視野画像」と称する。)。
ステップS3において撮影された明視野画像は、RAM24に一時記憶される。
これでステップS3は終了し、ステップS4へ進む。
ステップS4では、予め定められたパターン投影画像の撮影予定枚数Nと現時点でRAM24に記憶されたパターン投影画像の枚数とを比較し、RAM24に記憶されたパターン投影画像の枚数が撮影予定枚数N未満である場合にはステップS5へ進む。また、RAM24に記憶されたパターン投影画像の枚数が撮影予定枚数Nである場合にはステップS7へ進む。
これでステップS4は終了する。
ステップS5では、メイン制御部22の指令に基づいて、第一光源41をオフ制御し、第二光源51をオン制御する。すると、照明部40から照射されていた白色光は消灯し、パターン投影部50から縞パターンが被検物へ投影される。被検物に投影される縞パターンは、図2に示すように、白色光源による明部R1と、パターン生成部55によって遮光された暗部R2とが交互に並べられたパターンとなる。また、パターン生成部55は、アクチュエータを動作させ、縞パターンの位相を適切な位相に設定する。これにより、適切な縞が1ヶ所から被検物に投影されている状態(以下、この状態を「パターン投影状態」と称する。)となる。
これでステップS5は終了し、ステップS6へ進む。
ステップS6では、被検物に投影された縞パターンは、被検物の三次元形状に応じて変化したパターンとなっている。この状態で、撮像部30のイメージャー31によって画像を取得する(以下、パターン投影状態で撮影された画像を「パターン投影画像」と称する。)。
ステップS6において撮影されたパターン投影画像は、RAM24に一時記憶される。
これでステップS6は終了し、ステップS4へ進む。
ステップS4からステップS6は、パターン投影画像の撮影枚数が撮影予定枚数Nとなるまで繰り返される。このとき、ステップS5において、縞パターンの位相を適宜変更し、位相が異なる縞が投影された被検物の画像をたとえば1枚ずつ合計N枚撮影する。
ステップS7では、第一光源41をオン制御し、第二光源51をオフ制御する。これにより、パターン投影部50からは縞パターンが投影されずに照明部40から観察視野に白色光が照射され、観察視野が照明される。
これでステップS7は終了し、ステップS8へ進む。
ステップS8では、照明部40からの白色光によって被検物を照明している状態で撮像部30のイメージャー31によって明視野画像を撮影する。
ステップS8において撮影された明視野画像は、RAM24に一時記憶される。
これでステップS8は終了し、ステップS9へ進む。
ステップS9では、まず、RAM24に記憶された明視野画像と縞画像との少なくともいずれかから、2枚の画像を選択する。たとえば、本実施形態では、N枚のパターン投影画像を撮影する前に撮影された明視野画像と、N枚のパターン投影画像を撮影した後に撮影された明視野画像とを選択する。
続いて、選択された2枚の画像から同一の特徴点を検出し、2枚の画像における特徴点の座標を算出する。
これでステップS9は終了し、ステップS10に進む。
ステップS10では、2枚の画像における特徴点の座標がそれぞれの画像において同一の座標にあれば、最初の画像と後の画像とにブレは生じていないと判定し、ステップS11へ進む。逆に、2枚の画像における特徴点の座標がそれぞれの画像において異なる座標にあれば、最初の画像と後の画像とにブレが生じていると判定し、ブレが生じているので再度の撮影が必要であることを示すメッセージをモニター28に表示し(ステップS14)、一連の処理を終了する。
これでステップS10は終了する。
ステップS11では、例えば「計測を実施?」などの問い合わせをモニター28に表示し、撮影したパターン投影画像を用いた三次元計測の実施の可否の入力を使用者に促す。
計測の実施が可であるとの入力があった場合には、ステップS12へ進む。
計測の実施が否であるとの入力があった場合には、ステップS15へ進む。
これでステップS11は終了する。
ステップS12では、RAM24に記憶されたパターン投影画像に基づいて、三次元形状の解析を行う。たとえば、本実施形態では、位相が異なるN枚のパターン投影画像を用いて、例えば公知の時間的位相シフト法によって被検物の三次元形状を解析する。
三次元形状の解析結果は、テキストファイルあるいはバイナリーファイルとして生成され、N枚のパターン投影画像とともに補助記憶装置25に保存される。なお、ステップS12は、ステップS11の開始と同時にステップS11のバックグラウンド処理として行われてもよい。
これでステップS12は終了し、ステップS13へ進む。
ステップS13では、ステップS3において取得した明視野画像(あるいはステップS8において取得した明視野画像)上に、ステップS12において解析された結果をオーバーレイ表示する等、明視野画像に表示された被検物の三次元形状をモニター28に表示する。これにより、使用者は、被検物の三次元形状を知ることができる。
これでステップS13は終了し、一連の処理は終了する。
ステップS15では、上記ステップS12と同様に、RAM24に記憶されたパターン投影画像に基づいて、三次元形状の解析を行う。たとえば、本実施形態では、位相が異なるN枚のパターン投影画像を用いて、時間的位相シフト法によって被検物の三次元形状を解析する。
また、明視野画像、パターン投影画像、三次元形状の解析結果、および解析に用いた光学的パラメータを、それぞれバイナリーファイルあるいはテキストファイルとして補助記憶装置25に保存する。この場合、例えばファイル名の一部を共通としたり、1つのディレクトリ(フォルダ)にこれらのファイルをまとめて保存したりすることにより、後で一括して読み出すことができるように補助記憶装置25にこれらのファイルが保存される。
これでステップS15は終了し、一連の処理は終了する。
これに対して、本実施形態の内視鏡装置1では、縞パターンを投影する投影窓13が1つであるので、照明窓12や対物光学系32の占有面積を大きくすることができる。その結果、従来と同等の太さの挿入部10でもより明るい画像を取得することができ、また従来より細径化された挿入部10でも従来と同等以上の明るさの画像を取得することができる。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1および計測方法の変形例について説明する。
本変形例では、パターン生成部55に代えてパターン生成部55A(図1参照)を備える点で上述の実施形態と構成が異なっている。パターン生成部55Aは、位相の異なる明暗パターンを投影することはできず、特定の位相の明暗パターンを被検物に対して投影することができるようになっている。すなわち、本変形例のパターン生成部55Aは、スリット板などを移動させるアクチュエータを備えず小型に構成されている。
本変形例の計測方法では、ステップS4における撮影予定枚数Nは1であり、上述の実施形態におけるステップS4ないしステップS6までの繰り返しはなく1枚のパターン投影画像を撮影してステップS7へ進む。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1および計測方法の別の変形例について説明する。
本変形例では、パターン生成部55A(図1参照)を備えており、パターン投影部50は、図9に示すような明または暗のライン状の1本のパターンを被検物に対して投影することができるようになっている。図9には、明部R1内に1本のすじ状の暗部R2が投影された場合が示されている。なお、暗部R2内に1本のすじ状の明部R1が投影されるようになっていてもよい。
パターン投影部50から投影されるこの1本のパターン自体は、投影場所や方向が移動したり、形状が変形したりしない。
すなわち、本変形例のパターン生成部55Aは、スリット板などを移動させるアクチュエータを備えず小型に構成されている。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1の他の変形例について説明する。
本変形例では、第二光源51を備えておらず、第一光源41から発せられた光を第二ファイバーバンドル53へ入射させる切り替え手段を備えている。
切り替え手段としては、たとえばMEMSミラーモジュールなど、第一光源41から発せられた光の光路を複数の方向に切り替えるデバイスを採用することができる。
このような構成であっても上述の実施形態で説明した内視鏡装置1と同様の効果を奏する。また、光源が1つでよいので内視鏡装置1の部品点数を削減することができる。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1のさらに他の変形例について説明する。
本変形例では、内視鏡装置1の先端面10aの構成が上述の実施形態と異なっている。
図4ないし図6は、照明窓12や投影窓13等を先端面10aに備える直視型の挿入部10の構成を示す図である。
図4ないし図6に示すように、内視鏡装置1の挿入部10の先端面10aにおける各構成要素の配置には種々の態様がある。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1のさらに他の変形例について説明する。
本変形例では、第一光源41および第二光源51が挿入部10の先端近傍に配置されている。
第一光源41と照明窓12とは、光学アダプター10A内に配置された光ファイバー43Aによって接続され、第二光源51とパターン生成部55とは光学アダプター10A内に配置された光ファイバー53Aによって接続されている。
また、挿入部10の先端近傍に第一光源41および第二光源51が設けられているので、挿入部10をたとえば数十メートルの長さを超える長さとした場合に、第一ファイバーバンドル43および第二ファイバーバンドル53を用いる場合よりも光の損失が少なく、明るい画像を取得することができる。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1のさらに他の変形例について説明する。図10は、図6の配置を更に変形した別の配置の変形例である。この変形例は、光学アダプタ10Aを有する構成の内視鏡装置の例であり、図10は光学アダプタの先端面の図を示している。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1のさらに他の変形例について説明する。図11は、挿入部の中心軸に対して垂直方向を観察可能な内視鏡装置における先端部の変形例である。
本変形例では、先端面10aに代えて、挿入部10の中心軸線に直交する直線が法線となる先端面10bが挿入部10の先端部の外周面の一部に形成されている。照明窓12と投影窓13とカバー部材32aは、何れも先端面10bに配置されている。
対物光学系32は、入射側の光軸L1を、対物光学系32からイメージャー31へ向かう出射側の光軸L2に対して交差した方向に向けるプリズム16を有する。本変形例では、プリズム16は対物光学系32を構成する光学素子の一つである。
なお、入射側の光軸L1は、観察視野内の反射光がプリズム16に入射するときの光軸であり、出射側の光軸L2は、観察視野内の反射光がプリズム16からイメージャー31に入射するときの光軸である。
本変形例では、入射側の光軸L1は、挿入部10の中心軸線Oに対してねじれの位置にある。さらに、出射側の光軸L2は、挿入部10の中心軸線Oと平行である。
また、図12(b)に示すように、カバー部材32aは、その中心が仮想中心線PLと交わらない位置に配置され、照明窓12は挿入部10の仮想中心線PL上に配置され、さらに投影窓13はその中心が仮想中心線PLと交わらない位置に配置されていてもよい。このとき、カバー部材32aの中心とプリズム16の光軸L1とが一致するように配置されており、対物光学系32はその光軸L1と仮想中心線PLとが交わらないように配置されている。
図12(c)(d)はそれぞれ、図12(a)(b)に符号Dで示す方向から挿入部10を見たときの図であり、挿入部10の正面図である。図12(c)(d)に示すように、本変形例では観察視野内の反射光がプリズム16からイメージャー31に入射するときの光軸L2と挿入部10の中心軸線Oが偏心するように対物光学系32及びイメージャー31が配置されている。
なお、先端面に配置された各構成要素の形状や配置位置については、図12(a)(b)の例だけに限らない。たとえば、本変形例では光軸L1と光軸L2とが直交している場合について例示したが、光軸L1と光軸L2とが直交以外の角度で交差している構成であってもよい。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1のさらに他の変形例について説明する。本変形例では、メイン制御部22による制御動作が上述の実施形態および変形例と異なっている。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1のさらに他の変形例について説明する。本変形例では、メイン制御部22による制御動作が上述の実施形態および変形例と異なっている。
さらに、上述のステップS10では、ステップS9において計算した輝度値の差分の合計が、しきい値よりも小さかったら、最初の画像と後の画像とにブレは生じていないと判定し、ステップS11へ進む。逆に、ステップS9において計算した輝度値の差分の合計がしきい値よりも大きかったら、最初の画像と後の画像とにブレが生じていると判定し、ブレが生じているので再度の撮影が必要であることを示すメッセージをモニター28に表示し(ステップS14)、一連の処理を終了する。
上記の例は、画像一面に渡って差分を計算した例である。なお、画像のうちのある一部分のみだけを対象として処理を行ってもよい。また、1枚の明視野画像と1枚の縞画像とを用いて輝度の差分を計算してもよい。
次に、上述の実施形態で説明した内視鏡装置1のさらに他の変形例について説明する。本変形例では、メイン制御部22による制御動作が上述の実施形態および変形例と異なっている。
本変形例では、第二光源51(図7参照)が、複数の微小な発光素子で構成されている。第二光源51に設けられた複数の発光素子は、2つ以上のグループ毎に点灯制御される。
たとえば、上述の実施形態では、ブレを検出するために用いる画像として2枚の明視野画像を選択する例を示したが、ブレを検出するために用いる画像として縞画像を用いても構わない。また、明視野画像を2枚より多く撮影することもでき、2枚より多くの明視野画像がある場合には必要に応じてこれらの明視野画像から必要枚数の画像を選択してブレを検出することができる。
また、上述の実施形態及び各変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
10 挿入部
10a 先端面
11 開口
12 照明窓
13 投影窓
20 操作部
30 撮像部
32 対物光学系
40 照明部
50 パターン投影部
O 中心軸線
PL 仮想中心線
Claims (16)
- 光の明暗パターンが投影された被検物のパターン投影画像を用いて前記被検物の計測を行う内視鏡装置であって、
挿入部と、
前記挿入部の先端部に設けられ、前記被検物の画像を取得する撮像部と、
前記撮像部の観察視野を照明する照明光を発する照明部と、
前記被検物に前記明暗パターンを投影するパターン投影部と、
を備え、
前記挿入部の先端面には、
前記撮像部に前記被検物の像を結像させる対物光学系と、
前記照明光を出射する1つ以上の照明窓と、
前記パターン投影部から前記被検物へ前記明暗パターンを投影する1つの投影窓と、
が設けられている
ことを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項1に記載の内視鏡装置であって、
前記対物光学系は、前記対物光学系の光軸のうち前記対物光学系から前記撮像部に向かう出射側の光軸が、前記挿入部の中心軸線に対して平行かつ偏心するように配置されていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項2に記載の内視鏡装置であって、
前記対物光学系は入射側の光軸と出射側の光軸とがともに前記中心軸線と平行な直視型対物光学系であって、
前記対物光学系は、前記挿入部の先端部の先端面に設けられ、前記中心軸線に対して偏心した位置に配置されていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項3に記載の内視鏡装置であって、
前記投影窓は、前記先端面に設けられ、前記挿入部の中心軸線に対して偏心した位置に配置されていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項2に記載の内視鏡装置であって、
前記対物光学系は、前記挿入部の先端部の外周面に露出され、入射側の光軸が前記中心軸線に対してねじれの位置に配置された側視型対物光学系である
ことを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項5に記載の内視鏡装置であって、
前記投影窓は、前記挿入部の先端部の外周面に露出され、
前記投影窓の厚さ方向から前記投影窓を見たときの前記投影窓の中心を通り前記投影窓の厚さ方向に延びる中心線は、前記挿入部の中心軸線に対してねじれの位置に配置されていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項2に記載の内視鏡装置であって、
前記対物光学系は、前記挿入部の先端部の外周面に露出され、入射側の光軸が前記挿入部の中心軸線に対して交差して配置された側視型対物光学系であって、
前記投影窓は、前記投影窓の厚さ方向から前記投影窓を見たときの前記投影窓の中心が、前記挿入部の中心軸線と前記入射側の光軸とによって規定される平面内に存するように前記挿入部の先端部の外周面に配置されていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項1に記載の内視鏡装置であって、
前記パターン投影部は、ライン状の1本以上の平行するパターンを有していることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項1に記載の内視鏡装置であって、
前記パターン投影部は、投影用光源と、前記投影用光源から出射される光の強度分布を変更し、前記明暗パターンを生成するパターン生成部とを備えていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項9に記載の内視鏡装置であって、
前記投影用光源から出射される光を前記パターン生成部に導く光ファイバーを備え、
前記投影用光源は、前記挿入部の基端側に設けられ、
前記パターン生成部は、前記挿入部の先端部に設けられていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項9に記載の内視鏡装置であって、
前記投影用光源及び前記パターン生成部は、前記挿入部の先端部に設けられていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項9に記載の内視鏡装置であって、
前記投影用光源から出射され、前記パターン生成部によって生成された前記明暗パターンを前記挿入部の先端側まで導く光ファイバーを備え、
前記投影用光源及び前記パターン生成部は、前記挿入部の基端側に設けられていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項9に記載の内視鏡装置であって、
前記挿入部の先端部に着脱自在に装着可能な光学アダプタを備え、
前記パターン生成部は、前記光学アダプタに設けられていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項13に記載の内視鏡装置であって、
前記投影用光源は、前記光学アダプタに設けられていることを特徴とする内視鏡装置。 - 請求項1〜請求項14の何れか1項に記載の内視鏡装置であって、
前記明暗パターンを投影するための光と前記照明光とを切り替える切り替え手段を備えることを特徴とする内視鏡装置。 - 被検物の三次元形状を内視鏡を用いて計測する計測方法であって、
所定の明暗パターンを前記内視鏡の一箇所から前記被検物に投影し、
前記被検物において前記明暗パターンが投影された部分を撮像して少なくとも1枚のパターン投影画像を取得し、
前記明暗パターンが投影された部分の三次元形状を前記パターン投影画像を用いて計測する
ことを特徴とする計測方法。
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