JP2018132520A - 光イメージング用プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】観察光を前方と側方の両方に放射し、その戻り光を捉えて前方と側方の３次元形状を同時に取り込んでコンピュータにより全体の立体画像を得る光イメージング用プローブを提供する。【解決手段】光ファイバーから放射される光線の向きを変える複数の光路変換手段と、複数の前記光路変換手段を同じ回転中心で回転させる複数のモータとを備え、プローブの先端側前方と先端側側方とに光線を照射することで、観察対象物の面全体に観察光を放射し、その戻り光を捉えて前方と側方の３次元形状を同時に取り込んでコンピュータにより全体の立体画像を得る。【選択図】図１

Description

本発明は、人体内や機械部品等の深穴に光学式センサーを挿入し、光線を照射し、被測定物からの戻り光（反射光）を三次元的に取り込んで人体患部の立体観察、および深穴奥部の寸法を三次元測定する光学式測定装置に用いる光イメージング用プローブに関するものである。

例えば自動車用エンジンのシリンダーや燃料噴射ノズルの加工仕上がり寸法や幾何学精度の良否は、自動車の動力性能と燃料消費効率に大きく影響するが、これらの検査は一般には真円度測定機、表面粗さ計等の接触式測定機を用いて検査されていた。しかし近年、被測定物に傷を付けない目的から光学式の非接触式測定機が登場している。

非接触で被測定物内面の形状データを取得する手段として、画像診断技術（光イメージング技術）は、例えばレーザ光や白色光等を立体的に照射してその戻り光から干渉縞を捉え、その波長（周波数）または位相差データをコンピュータ解析することで立体形状の数値データに変換し、三次元形状画像を得ている。

一方、医療の分野では人体内部の患部の観察に断層画像が観察可能なＸ線ＣＴ、核磁気共鳴、透過性にすぐれた近赤外光を放射し戻り光を捉えて光の干渉性を利用して立体形状の数値データを取込むＯＣＴ(光干渉断層撮影)などの方式が研究されると共に活用されている。

機械装置や機械部品の内周面に光線を照射して内面の観察または測定を行う技術を適用した観察装置の代表的な構造は、例えば、特許文献１から３に示すとおりである。

特許文献１に示す内視鏡は、ＣＣＤカメラの撮像範囲の中で、半分は前方を観察するために透過性にすると共に、ＣＣＤ撮像範囲の残り半分は、側方の画像を得るよう角度を有するミラーを取付けることで１つのＣＣＤで前方と側方の画像を半分ずつ同時に観察できるようにしたものである。
しかしながらこの内視鏡は、回転機構とスライド機構をいずれも有していないため、観察できるのは前方１点と側方の１点だけであり、前方および側方の全面あるいは全周面を同時観察する事は行えなかった。

また、特許文献２に示す光イメージング用プローブは、光ファイバー（1,2）に導かれた光線を集光レンズ（20）が前方に少しの角度を持って回転放射し、その光線を回転プリズムミラー（3）が側方に回転放射することで、側方については１点ではなく全周スキャンを行い、ＯＣＴにより三次元データを収集している。
しかしながらこの構成では、前方の観察は行えず、人体患部や機械部品の深穴奥部全体の立体観察が行えなかった。

また、特許文献３に記載される発明では、光イメージング用プローブは、光ファイバー（1,2）に導かれた光線を集光レンズ20が前方に少しの角度を持って回転放射し、その光線を回転プリズム（3）がさらに角度を変えて前方に回転放射することで、前方については１点でなく前方全体のスキャンを行い、ＯＣＴにより三次元データを収集している。
しかしながら、側方の観察は全く行えず、人体患部や機械部品の穴内周面を含む全体の立体観察が行えなかった。

特開２００１−２９９６７９号公報 国際公開第２０１５／１０２０８１号 国際公開第２０１５／０２２７６０号

本発明は、このような上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、観察光を前方と側方の両方に放射し、その戻り光を捉えて前方と側方の３次元形状を同時に、または連続的に順次取り込んで、コンピュータにより全体の立体画像を得ることを目的としている。このように側方と前方画像の全体を同時に三次元的に観察および測定することは、医療機器でも工業用測定機器においても従来達成されておらず、悲願であった。

上記課題を解決するための一手段は、光学式測定装置に用いる光イメージング用プローブにおいて、光ファイバーから放射された光線の向きを変える第１〜第３の光路変換手段と、この第１〜第３の光路変換手段のうち第１光路変換手段を回転駆動させる第１モータと、第２光路変換手段と第３光路変換手段とを回転駆動させる第２モータとを備える。そして、光ファイバーから放射された光線は、第１光路変換手段から第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とに導かれ、第２光路変換手段から回転放射される光線と第３光路変換手段から回転放射される光線とによって、プローブの先端側前方と先端側側方とに光線を照射するものである。

本発明によれば、被測定物に対して、観察光を前方と側方の面全体に放射し、その戻り光を捉えて前方と側方の３次元形状を取り込んで、全体の立体画像を同時に得る光イメージング用プローブを提供できる。

本発明光イメージング用プローブ前方走査時の第１回転角状態の断面図 同プローブの第２回転角状態の断面図 同プローブの第３回転角状態の断面図 同プローブの第４回転角状態の断面図 同プローブの前方走査軌跡説明図 同プローブ側方走査時の第５回転角状態の断面図 同プローブ側方走査時の第６回転角状態の断面図 同プローブ側方走査時の第７回転角状態の断面図 同プローブの側方走査範囲説明図 同プローブの光ファイバーと集光レンズ説明図 同プローブの第１光路変換手段（回転プリズム）説明図 同プローブの第２光路変換手段（回転ミラー）説明図 同プローブの第２光路変換手段（回転ミラー）の他の形状説明図 同プローブの第３光路変換手段（回転プリズム）説明図 同プローブの第３光路変換手段（回転プリズム）の他の形状説明図 同プローブの第１モータの回転パルス発生部説明図 同プローブの前方と側方反射光の受光タイミングチャート 同プローブの透光性部材の側面形状の加工説明図 同プローブの第１光路変換手段の第２事例説明図 同プローブによる深穴の三次元走査説明図 本発明光イメージング用プローブを用いた測定装置説明図 本発明光イメージング用プローブの第３事例説明図

本実施の形態の光イメージング用プローブの第一の特徴は、光学式測定装置に用いる光イメージング用プローブにおいて、光ファイバーと、前記光ファイバーから放射された光線の向きを変える第１光路変換手段と第２光路変換手段と第３光路変換手段とを備える。そして前記第１光路変換手段を回転駆動させる第１モータと、前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とを回転駆動させる第２モータとを備え、前記光ファイバーから放射された光線は、前記第１光路変換手段から、前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とに導かれ、前記第２光路変換手段から回転放射される光線と前記第３光路変換手段から回転放射される光線とによって、プローブの先端側前方と先端側側方とに光線を照射するこようにした。
この構成によれば、プローブから被測定物に対して観察光を前方と側方の面全体に放射できるので、その戻り光を捉えて前方と側方の３次元形状を取り込んで、コンピュータにより全体の立体画像を同時に得ることができる。

第二の特徴としては、前記光ファイバーがチューブ内で回転不能に固定されており、前記第１光路変換手段と前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とが、同じ回転中心で回転駆動する。そして、前記光ファイバーで伝送された光線を集光し、前記回転中心の回転中心線に対して微小に角度をずらして前方に向けて放射する集光手段を、前記光ファイバーの先端に備える。そして、前記第１光路変換手段は、前記集光手段の先端側に位置し、前記集光手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対し微小に角度を変えて前方に回転放射する。前記第２光路変換手段と第３の光路変換手段とは、略同一線上に配置されており、前記第２光路変換手段は、前記第１光路変換手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対して略直角方向に変換して回転放射する。第３光路変換手段は、前記第１光路変換手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対して微小に角度を変えた前方に回転放射する。そして、この第２および第３の光路変換手段から回転放射された光線が、透光性キャップを通して被測定物に照射するものである。
この構成によれば、光ファイバーがチューブ内で回転不能に固定されており、切れ目の無い光ファイバーの中で安定して光を伝送できる。

第三の特徴としては、前記第１光路変換手段を、非平行面からなる回転プリズムとしたことにある。
この構成によれば、第１光路変換手段をコンパクトにできるとともに、高い透過率と集光性能により、より高精度な測定を行える。

第四の特徴としては、前記第２光路変換手段を、中心軸に対して略直角で略平面からなる回転ミラーであり中心軸を含む直角な投影面の少なくとも一部分は光線が当接しないように切欠いた形状としたことにある。
この構成によれば、よりコンパクトな構造で、プローブから被測定物に対して観察光を前方と側方の面全体に放射できる。

第五の特徴としては、前記第３光路変換手段は、非平行面からなる回転プリズムである。
この構成によれば、第３光路変換手段をコンパクトにできるとともに、高い透過率と集光性能により、より高精度な測定を行える。

第六の特徴としては、前記第３光路変換手段は、非平行面からなる回転ミラーである。
この構成によれば、第３光路変換手段をコンパクトにできるとともに、高い透過率と集光性能により、より高精度な測定を行える。

第七の特徴としては、前記第１モータの回転速度Ｎ１と第２モータの回転速度Ｎ２の関係を、Ｎ２＝Ｎ１−Ｘ［回転/秒］で回転させることで、第１光路変換手段からＮ１［回転/秒］の回転速度で前方に放出させる共に、Ｘ［往復/秒］の速度で光線の回転中心に対する放出角を変化させるように構成した。
この構成によれば、第２光路変換手段からと第３光路変換手段からの光線を精度よく正確に切り替えることが可能になり、被測定物のより明確な観察と高精度な測定が可能になる。

第八の特徴としては、前記第１モータおよび前記第２モータの回転軸は中空穴付きであり、前記第２モータの中空穴に第１モータの回転軸が相対的に回転自在に挿入され、第１モータの中空穴には光ファイバーが相対的に回転自在に設けた。
この構成によれば、より小径のチューブ内に、光ファイバーと第１モータ、第２モータ及び第１〜第３の光路変換手段を効率良く配置できる。

第九の特徴としては、前記光ファイバーは、チューブ内で回転不能に固定された固定側光ファイバーと、前記固定側光ファイバーの先端側に位置し、前記第１モータにより回転駆動させられる回転側光ファイバーとで構成している。そして、前記第１光路変換手段と前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とは、同じ回転中心で回転駆動する。前記第１光路変換手段は、前記回転側光ファイバーの先端側に固定され、前記光ファイバーから伝わる光線の光路を前記回転中心線に対し微小に角度を変えて前方に回転放射する。前記第２光路変換手段と第３の光路変換手段とは、略同一線上に配置されている。そして、前記第２光路変換手段は、前記第１光路変換手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対して略直角方向に変換して回転放射する。一方、前記第３光路変換手段は、前記第１光路変換手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対して微小に角度を変えた前方に回転放射する。そして、この第２および第３の光路変換手段から回転放射された光線が、透光性キャップを通して被測定物に照射するものである。
この構成によって、第１光路変換手段はその回転放射角度に応じて光線を第２光路変換手段と第３光路変換手段に交互に照射し、光線を光ファイバーから、第1光路変換手段、第２または第３光路変換手段の順に導き放射させ、透光性キャップを通して被測定物に光線を照射する。これにより、観察光を前方と側方の面全体に放射し、その戻り光を捉えて前方と側方の３次元形状を交互に取り込んでコンピュータにより全体の立体画像を同時に得ることが可能になる。

次に本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１〜図８は本発明に係る光イメージング用プローブの第１の実施形態を示している。

図１は、本発明の実施の形態に係る光学式内周面測定機または医療用内視鏡に用いる、光イメージング用プローブの断面図であり、回転不能に配置され略チューブ状のカテーテル１６に内蔵され、光ファイバー固定具２により固定された固定側光ファイバー１があり、この固定側光ファイバー１の先端側に、中心線に対して微小に半径方向にずらした前方位置に向けて光線１００を放射する集光レンズ３を固定し、前記集光レンズ３の先端側には、第１モータ２０により第１回転ブラケット８ａと共に駆動させられ、近赤外線等の光線１００を回転中心に対し微小に角度を変えた前方に回転放射するプリズムまたはレンズからなる第１光路変換手段４が設けられ、前記第１光路変換手段４の前方には、第２モータ２１により第２回転ブラケット１３ａと共に回転し、回転中心に対して光路を略直角方向に回転放射するミラー等からなる第２光路変換手段１４と、この第２光路変換手段１４と共に第２モータ２１により駆動させられ、回転中心に対して微小に角度を変えた前方に放射するプリズムまたはレンズからなる第３の光路変換手段１５を略同一線上に配置し、第２光路変換手段１４と第３光路変換手段１５は、回転中心に直角な面内において、角度を分割する位置に配置され、光線１００は第２光路変換手段１４と第３光路変換手段１５に交互に放射されるよう構成される。

第１モータ２０は、第１中空シャフト８、第１中空シャフト８に固定された第１モータロータ７、モータケース９またはカテーテル１６に固定された第１モータコイル５、中空シャフト８を回転自在に支持する第１軸受６ａ、６ｂと第１モータコイル５に通電する電線１８からなる。また、第２モータ２１は第２中空シャフト１３、この第２中空シャフト１３に固定された第２モータロータ１２、モータケース９またはカテーテル１６に固定された第２モータコイル１０、第２中空シャフト１３を回転自在に支持する第２軸受１１ａ、１１ｂと第２モータコイル１０に通電する電線１９からなる。第２中空シャフト１３の穴には、第１中空シャフト８が相対的に回転自在に挿入され、また、第１中空シャフト８の穴には固定側光ファイバー１が相対的に回転自在に挿通されている。
また、必要に応じて第１モータ２０には第１回転センサー２２が、また、第２モータ２１には第２回転センサー２３が取り付けられ、回転速度に応じて回転パルス信号を発生している。

図２１に示す本発明光イメージング用プローブを用いた測定装置から発光された近赤外光やレーザ光等の光線１００は、固定側光ファイバー１を通過して⇒集光レンズ３⇒第１光路変換手段４⇒図１、図２、図３、図４においては、⇒第３光路変換手段１５から前方に向け進み⇒透光性キャップ１７の先端部を透過して、被測定物に照射される。光線１００が金属等からなる被測定物に照射された場合は、その表面から出た反射光１００が先程とは逆の順序で透光性キャップ１７を透過し、最終的に固定側光ファイバー１を経て、測定装置の本体８５に戻される。
光線１００は、これが近赤外光であり、また、被測定物が人体の皮膚、眼底、血管である場合はこれらを約２ミリメートルの深さまで透過し、それぞれの深さから戻り光がそれぞれ得られるため、測定装置の本体８５で収集した戻り光をコンピュータで解析することにより断層画像を得ることが可能であり、これを近赤外光によるＯＣＴ（光干渉断層法）と呼ばれている。
また、図６、図７、図８においては、光線１００は、第１光路変換手段４⇒第２光路変換手段１４から側方に進み、透光性キャップ１７の外周面を透過して、被測定物に照射される。また、反射光１００は、先程とは逆の順序で透光性キャップ１７を透過し、最終的に固定側光ファイバー１を経て、測定装置の本体８５に戻される。

図１〜図４は、本発明光イメージング用プローブの断面を表しており、光線１００を前方に放射し走査する場合の断面図である。
図１においては、第１モータ２０は図２１に示す測定機本体８５の第１モータドライバ回路８６から電線１８を通して電流が供給され、また第２モータ２１は第２モータドライバ回路８７から電線１９を通して電流が供給され共に回転している。第１モータ２０の回転速度Ｎ１［ｒｐｍ］と、第２モータ２１の回転速度Ｎ２［ｒｐｍ］の関係は、Ｎ２＝Ｎ１−Ｘ［ｒｐｍ］になるよう第１モータドライバ回路８６と第２モータドライバ回路８７から駆動パルス電流が供給され、Ｘ［サイクル/分］の速度で第１モータ２０と第２モータ２１の相対的回転速度差を生じさせよう構成している。またこれら第１モータ２０と第２モータ２１の回転速度をより正確な回転速度で運転するためには、図１および図１６において、第１回転センサー２２および第２回転センサー２３が必要に応じて取り付けられ、回転速度に応じてパルス信号を発生し第１および第２モータドライバ回路８６，８７はこのパルス信号を受けて、より回転速度を事前に設定された数値に合わせるよう回転速度制御を行う。

図１において、第１モータ２０の第１中空シャフト８および第１光路変換手段４（プリズム）の回転角度はθ１＝０度であり、第２モータ２１の第２中空シャフト１３および第３光路変換手段１５の回転角度もθ２＝０度に位置し、相対位置角度θｄ＝θ１−θ２＝０度になっている。そこで、集光レンズ３から先端に向けて放射された光線１００は、第１光路変換手段４を透過し、第２光路変換手段１４には放射されず第３光路変換手段１５に照射され、これを透過しさらに透光性キャップ１７の前方部１７ａを通して図２０に示す被測定物５０の底面５０ａに照射される。この時照射される位置は図１においてＰ１ポイントである。被測定物５０からの反射光線１００は図１において、前記とは逆の方向に、固定側光ファイバー１を経て、測定装置の本体８５に戻される。
一般的な使い方としては、被測定物５０の深穴の奥部に本発明の光イメージング用プローブを挿入し内周面と先端奥部の形状データを取込み三次元的に計測する。

図２においては、第１モータ２０の第１中空シャフト８および第１光路変換手段４（プリズム）の回転角度はθ１＝45度〜88度であり、第２モータ２１の第２中空シャフト１３および第３光路変換手段１５の回転角度はθ２＝０度に位置し、相対位置角度θｄ＝θ１−θ２＝45度〜88度になっている。そこで、集光レンズ３から先端に向けて放射された光線１００は、第１光路変換手段４を透過し、第２光路変換手段１４には放射されず第３光路変換手段１５に照射され、これを透過しさらに透光性キャップ１７を通して図２０に示す被測定物５０に照射される。この時照射される位置は図２のＰ２ポイントとＰ３ポイントである。被測定物５０からの反射光線１００は図１において、照射とは逆の方向に、固定側光ファイバー１を経て、測定装置の本体８５に戻される。

図３においては、第１光路変換手段４（プリズム）の回転角度はθ１＝272度〜315度であり、第３光路変換手段１５の回転角度はθ２＝０度に位置し、相対位置角度θｄ＝θ１−θ２＝272度〜315度になっている。そこで、集光レンズ３から先端に向けて放射された光線１００は、第１光路変換手段４を透過し、第３光路変換手段１５に照射され、これを透過しさらに透光性キャップ１７を通して図２０に示す被測定物５０に照射される。この時、照射される位置は図２のＰ４及びＰ５ポイントである。

図４は、図３に示した光イメージング用プローブの第1及び第２モータ２０、２１のそれぞれが丁度180度反対の角度まで回転した状態の図である。図４においては、第１光路変換手段４（プリズム）の回転角度はθ１＝92度〜135度であり、第３光路変換手段１５の回転角度もθ２＝180度に位置し、相対位置角度θｄ＝θ１−θ２＝272度〜315度になっている。そこで、集光レンズ３から先端に向けて放射された光線１００は、第１光路変換手段４を透過し、第３光路変換手段１５に照射され、これを透過しさらに透光性キャップ１７を通して図２０に示す被測定物５０に照射される。この時、照射される位置は図1から図３とは異なり図４に示すＰ６およびＰ７ポイントである。

図５は、被測定物５０の底面５０ａにおける本発明光イメージング用光プローブの前方走査軌跡説明図である。今まで図１〜図４に示したように第１モータ２０と第２モータ２１との間の回転位相角度差（θｄ）の変化によって底面５０ａに図中範囲Ｒの範囲に光線１００が照射されるが、第１および第２モータが共に同期回転することで図５に示す全体に行きわたるように順次照射される。そして図５に示す面の全体から反射光を得て、図２１の本体８５に導かれる。

次に、図６から図８は、本発明光イメージング用プローブの断面を表しており、光線１００を中心線に対し略直角の側方に放射し走査する場合の断面図である。

図６においては、第１モータ２０の第１中空シャフト８および第１光路変換手段４ｃ（プリズム）の回転角度はθ１＝92度〜135度であり、第２モータ２１の第２中空シャフト１３および第２光路変換手段１４および第３光路変換手段１５の回転角度もθ２＝０度に位置し、相対位置角度θｄ＝θ１−θ２＝92度〜135度になっている。そこで、集光レンズ３から先端に向けて放射された光線１００は、第１光路変換手段４ｃを透過し、ミラー等からなる第２光路変換手段１４に放射され、光線１００は第３光路変換手段には照射されずに、回転軸に対し略直角方向に反射し、透光性キャップ１７の円筒部１７ｂを通して図２０に示す被測定物５０の内周面５０ｂに照射される。被測定物５０からの反射光線１００は図６において、前記とは逆の方向に、固定側光ファイバー１を経て、測定装置の本体８５に戻される。この時、側方に照射される光線１００は図６中の矢印の方向でありその角度は図中の示すα１のとおりである。

図７においては、第１モータ２０の第１中空シャフト８および第１光路変換手段４ｄ（プリズム）の回転角度はθ１＝180度であり、第２モータ２１の第２中空シャフト１３および第３光路変換手段１５の回転角度はθ２＝０度に位置し、相対位置角度θｄ＝θ１−θ２＝180度になっている。そこで、集光レンズ３から先端に向けて放射された光線１００は、第１光路変換手段４を透過し、ミラー等からなる第２光路変換手段１４に放射され、光線１００は回転軸に対し略直角方向に反射し、透光性キャップ１７の円筒部１７ｂを通して図２０に示す被測定物５０に照射される。この時、側方に照射される光線１００は図６中の矢印の方向でありその角度は図中に示すα２のとおりである。

図８においては、第１モータ２０の第１中空シャフト８および第１光路変換手段４ｅの回転角度はθ１＝225度〜268度であり、第２モータ２１の第２中空シャフト１３および第３光路変換手段１５の回転角度もθ２＝０度に位置し、相対位置角度θｄ＝θ１−θ２＝225度〜268度になっている。そこで、集光レンズ３から先端に向けて放射された光線１００は、第１光路変換手段４を透過し、ミラー等からなる第２光路変換手段１４にて放射され、光線１００は回転軸に対し略直角方向に反射し、透光性キャップ１７の円筒部１７ｂを通して図２０に示す被測定物５０に照射される。この時、側方に照射される光線１００は図６中に示す矢印の方向となる。

図９は、本発明光イメージングプローブの側方走査範囲説明図である。図６〜図８に示した様に、第１モータ２０と第２モータ２１との間の回転位相角度差（θｄ）と第２モータの回転角度（θ２）の変化によって図９に示すα１＋α２の角度の範囲で、中心線軸方向にはＬ１に示す長さ範囲に光線１００が放射されつつ、360度全周に三次元的に回転放射さることにより、図２０の内周面５０ｂの全体に行きわたるように順次照射される。そして図５に示す面の全体から反射光を得て、図２１の本体８５に導かれる。図中ｄ１は透光性キャップ１７の直径であり、ｄ２は被測定物の内径である。

図１７は、光プローブの前方と側方反射光の受光タイミングチャートである。例えば、第１モータ２０の回転速度が1800ｒｐｍ、第２モータ２１の回転速度が1797ｒｐｍの場合、Ｘ＝Ｎ１−Ｎ２＝３［サイクル/分］の速度で前方および側方を走査する。即ちこの場合２０秒で1往復の立体走査を行い、その半分の片道１０秒で前方画像１回分と側方画像１回分の走査を行うことになる。図１７はその１０秒間のタイミングチャートを示しており、光線１００が第２光路変換手段に照射され反射する間は側方が照射および三次元データの走査が行われ、光線１００が第３光路変換手段に照射され透過する間は前方に照射され、このように全周に渡る三次元データが収集される。

図１０は、本は発明の光イメージング用プローブに用いられる、光イメージング用プローブの光ファイバーと集光レンズ説明図であり、固定側光ファイバー１の先端に集光レンズ３が固定されている。

図１１は、同プローブの第１光路変換手段の部分説明図であり、回転プリズムが第１中空シャフト８の第１回転ブラケット８ａに取り付けられている。

図１２〜図１５は同、第２光路変換手段と第３光路変換手段の部分説明図である。

図１２は、図１に示す同プローブの第２光路変換手段１４の説明図であり、第２中空シャフト１３にミラー１４ａが取付けられる。

図１３は、同プローブの第２光路変換手段１４に用いるミラー１４ａの、他の形状事例を示し、図１２のミラー１４ａに代わって、第２中空シャフト１３にミラー１４ｂが同様に取付けられる。

図１４は、同プローブの第３光路変換手段１５の説明図であり、第２中空シャフト１３にプリズム１５ａが取付けられる。プリズム１５ａは前記したミラー１４ａと組み合わせて用いられ、第１光路変換手段４によって、回転中心に対して微小に角度を変えて前方に放射された光線１００を、第２光路変換手段１４と第３光路変換手段１５は回転中心に直角な面内において、角度を分割する位置に配置される。

図１５は、同プローブの第３光路変換手段１５に用いる他の形状のプリズム１５ｂを示し、図１４のプリズム１５ａに代わって、第２中空シャフト１３に取り付けられる。プリズム１５ｂは前記したミラー１４ｂと組み合わせて用いられ、第１光路変換手段４によって、回転中心に対して微小に角度を変えて前方に放射された光線１００を、第２光路変換手段１４と第３光路変換手段１５は回転中心に直角な面内において、角度を分割する位置に配置される。

図１８に示すように、透光性キャップ１７の略球面部は例えば金型４１により成形される。また、透光性キャップ１７は、透過性が良好なガラス、石英、サファイヤ等の材料からなり、必要に応じてその円筒部１７ｂには略球面部が形成されて光線１００がより透過しやすくしている。また、透光性キャップ１７は必要に応じて表面反射を減らし、光線の全反射を最小に押さえ透過率を高めるためのコーティング等が施されている。

本実施形態では、チューブ（カテーテル）１６の後方から先端までの全長に渡る内部で固定側光ファイバー１は、長いカテーテル６の中で回転させないので摩擦力の発生がなく、回転伝達遅れやトルク損失等の発生を防止できる回転速度性能が良好であるため取得する三次元画像が鮮明になる。一方、従来の光ファイバーが擦れる方式の内視鏡プローブの回転ムラは、その約１００倍以上の悪い性能しか得られていなかった。

本発明によれば、第１光路変換手段４はその回転放射角度に応じて光線を第２光路変換手段１４と第３光路変換手段１５に交互に照射し、光線１００を固定側光ファイバー１から、第１光路変換手段４、第２または第３光路変換手段１４、１５の順に導き放射し、透光性キャップ１７を通して被測定物５０に光線１００を照射することにより、観察光を前方と側方の面全体に放射し、その戻り光を捉えて前方と側方の３次元形状を交互に取り込んでコンピュータにより全体の立体画像を同時に得る光イメージング用プローブを提供できる。

図１９は、本発明に係る光イメージング用プローブの実施形態２を示している。
図１９において、回転不能に配置され略チューブ状のカテーテル１６に内蔵され、光ファイバー固定具２により固定された固定側光ファイバー１があり、この固定側光ファイバーに繋がるように回転側光ファイバー３１があり、これら光ファイバー１、３１は、それぞれの細い端面を例えば５ミクロン程度の微小距離を隔てて対向させており、回転する遮光板３２を含めて図中、回転光コネクター３３を構成している。回転光ファイバー３３の回転側光ファイバー３１と固定側光ファイバー１の間は高い透過率が維持でき、ほとんど損失なく光学的に接続されている。

この回転側光ファイバー３１は、第１モータ２０により回転駆動される第１中空シャフト８の中空穴に固定され回転すると共に、その先端側に、中心線に対して微小に半径方向にずらした前方位置に向けて光線１００を放射する第１光路変換プリズムユニット３４を固定している。

第１光路変換プリズムユニット３４の前方には、図１に示した光イメージングプローブと同様に、第２モータ２１により駆動させられ、回転中心に対して光路を略直角方向に回転放射するミラー等からなる第２光路変換手段１４と、この第２光路変換手段１４と共に第２モータ２１により駆動させられ、回転中心に対して微小に角度を変えた前方に放射するプリズムまたはレンズからなる第３の光路変換手段１５を略同一線上に配置し、第２光路変換手段１４と第３光路変換手段１５は、回転中心に直角な面内において、角度を分割する位置に配置され、光線１００は第２光路変換手段１４と第３光路変換手段１５に交互に放射されるよう構成される。第２光路変換手段１４で反射された光線１００は、第１光路変換プリズムユニット３４の回転角度に応じて図中Ｌ２の長さ範囲に照射される。

図２１に示す本発明光イメージング用プローブを用いた測定装置から発光された近赤外光やレーザ光等の光線１００は、固定側光ファイバー１を通過して⇒回転光コネクター３３⇒回転側光ファイバー３１⇒第１光路変換プリズムユニット３４⇒第２光路変換手段１４または第３光路変換手段１５を経て⇒透光性キャップ１７を透過して⇒被測定物５０に照射される。

その他の構成と動作は、図１に示す光イメージング用プローブと同じである。

図２２は本発明に係る光イメージング用プローブの実施形態３を示している。
図２２において、回転不能に配置され略チューブ状のカテーテル１６に内蔵され、光ファイバー固定具２により固定された固定側光ファイバー１があり、この固定側光ファイバーに繋がるように回転側光ファイバー３１があり、これら光ファイバー１、３１は、それぞれの細い端面を例えば５ミクロン程度の微小距離を隔てて対向させており、回転する遮光板３２を含めて図中、回転光コネクター３３を構成している。回転側光ファイバー３１と固定側光ファイバー１の間は高い透過率が維持でき、ほとんど損失なく光学的に接続されている。

この回転側光ファイバー３１は第１モータ２０により回転駆動される第１中空シャフト８の中空穴に固定され回転すると共に、その先端側に、中心線に対して微小に半径方向にずらした前方位置に向けて光線１００を放射する第１光路変換集光レンズ３を固定している。

前記第１光路変換集光レンズ３の前方には、図１および図１９に示した光イメージングプローブと同様に、第２モータ２１により駆動させられ、回転中心に対して光路を略直角方向に回転放射するミラー等からなる第２光路変換手段１４と、この第２光路変換手段１４と共に第２モータ２１により駆動させられ、回転中心に対して微小に角度を変えた前方に放射する回転ミラーからなる第３の光路変換手段１５ｃを略同一線上に配置し、第２光路変換手段１４と第３光路変換手段１５ｃは、回転中心に直角な面内において、角度を分割する位置に配置され、光線１００は第２光路変換手段１４と第３光路変換手段１５ｃのいずれか一方に放射されるよう構成される。第２光路変換手段１４で反射された光線１００は、第１光路変換集光レンズ３の回転角度に応じて図中Ｌ３の長さ範囲に照射される。

図２１に示す本発明光イメージング用プローブを用いた測定装置から発光された近赤外光やレーザ光等の光線１００は、固定側光ファイバー１を通過して⇒回転光コネクター３３⇒回転側光ファイバー３１⇒第１光路変換集光レンズ３⇒第２光路変換手段１４または第３光路変換手段１５を経て⇒透光性キャップ１７ｂを透過して⇒被測定物５０に照射される。

その他の構成と動作は図１および図１９に示す光イメージング用プローブと同じである。

このように、本発明によれば、光線１００を照射することにより、観察光を前方と側方の面全体に放射し、その戻り光を捉えて前方と側方の３次元形状を交互にに取り込んでコンピュータにより全体の立体画像を同時に得ることができる光イメージング用プローブを提供できる。

本発明の光イメージング用プローブは、光学式深穴形状精密測定機において、深穴を有する自動車エンジン用噴射ノズルや、小径穴を有する滑り軸受内面及び奥部に光線を照射し、内周面と底面の両方の３次元の形状観察画像を同時に得て観察すると共に、内周面と奥底部の寸法及び平面度等の幾何精度の精密測定が三次元的に行うことが可能であり、工業用および医療用の測定装置や検査装置への活用が期待される。

１ 固定側光ファイバー
２ 光ファイバー固定具
３ 集光レンズ
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ 第１光路変換手段（プリズムまたはレンズ）
５ 第１モータコイル
６ａ、６ｂ 第１軸受
７ 第１モータロータ
８ 第１中空シャフト
８ａ 第１回転ブラケット
９ モータケース
１０ 第２モータコイル
１１ａ、１１ｂ 第２軸受
１２ 第２モータロータ
１３ 第２中空シャフト
１３ａ 第２回転ブラケット
１４、１４ａ、１４ｂ 第２光路変換手段
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 第３光路変換手段
１６ カテーテル（チューブ）
１７ 透光性キャップ
１７ａ 前方部
１７ｂ 円筒部
１８、１９ 電線
２０ 第１モータ
２１ 第２モータ
２２ａ、２２ｂ 第１回転センサー
２３ａ、２３ｂ 第２回転センサー
３１ 回転側光ファイバー
３２ 回転遮光板
３３ 回転光コネクター
３４ 第１光路変換プリズムユニット
４１ 金型
５０ 被測定物
５０ａ 底面
５０ｂ 内周面
８４ 接続部
８５ 本体
８６ 第１モータドライバ回路
８７ 第２モータドライバ回路
８８ 光干渉解析部
８９ コンピュータ
９０ モニタ
１００ 光線

Claims (9)

1. 光学式測定装置に用いる光イメージング用プローブにおいて、
   光ファイバーと、
   前記光ファイバーから放射された光線の向きを変える第１光路変換手段と第２光路変換手段と第３光路変換手段と、
   前記第１光路変換手段を回転駆動させる第１モータと、
   前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とを回転駆動させる第２モータとを備え、
   前記光ファイバーから放射された光線は、前記第１光路変換手段から、前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とに導かれ、
   前記第２光路変換手段から回転放射される光線と前記第３光路変換手段から回転放射される光線とによって、
   プローブの先端側前方と先端側側方とに光線を照射することを特徴とする光イメージング用プローブ。
   
2. 前記光ファイバーは、チューブ内で回転不能に固定されており、
   前記第１光路変換手段と前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とは、同じ回転中心で回転駆動し、
   前記光ファイバーで伝送された光線を集光し、前記回転中心の回転中心線に対して微小に角度をずらして前方に向けて放射する集光手段を、前記光ファイバーの先端に備え、
   前記第１光路変換手段は、前記集光手段の先端側に位置し、前記集光手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対し微小に角度を変えて前方に回転放射し、
   前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とは、略同一線上に配置されており、
   前記第２光路変換手段は、前記第１光路変換手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対して略直角方向に変換して回転放射し、
   前記第３光路変換手段は、前記第１光路変換手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対して微小に角度を変えた前方に回転放射し、
   透光性キャップを通して被測定物に光線を照射することを特徴とする請求項１記載の光イメージング用プローブ。
   
3. 前記第１光路変換手段は、非平行面からなる回転プリズムである事を特徴とする請求項２記載の光イメージング用プローブ。
   
4. 前記第２光路変換手段は、中心軸に対して略直角で略平面からなる回転ミラーであり中心軸を含む直角な投影面の少なくとも一部分は光線が当接しないよう切欠いた形状である事を特徴とする請求項２記載の光イメージング用プローブ。
   
5. 前記第３光路変換手段は、非平行面からなる回転プリズムである事を特徴とする請求項２記載の光イメージング用プローブ。
   
6. 前記第３光路変換手段は、非平行面からなる回転ミラーである事を特徴とする請求項２記載の光イメージング用プローブ。
   
7. 前記第１モータの回転速度Ｎ１と第２モータの回転速度Ｎ２の関係を、Ｎ２＝Ｎ１−Ｘ［回転/秒］で回転させることで、第１光路変換手段からＮ１［回転/秒］の回転速度で前方に放出させる共に、Ｘ［往復/秒］の速度で光線の回転中心に対する放出角を変化させたことを特徴とする請求項２記載の光イメージングプローブ。
   
8. 前記第１モータおよび前記第２モータの回転軸は中空穴付きであり、前記第２モータの中空穴に第１モータの回転軸が相対的に回転自在に挿入され、第１モータの中空穴には光ファイバーが相対的に回転自在に設けられたことを特徴とする請求項２記載の光イメージングプローブ。
   
9. 前記光ファイバーは、チューブ内で回転不能に固定された固定側光ファイバーと、前記固定側光ファイバーの先端側に位置し、前記第１モータにより回転駆動させられる回転側光ファイバーとで構成され、
   前記第１光路変換手段と前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とは、同じ回転中心で回転駆動し、
   前記第１光路変換手段は、前記回転側光ファイバーの先端側に固定され、前記光ファイバーから伝わる光線の光路を前記回転中心線に対し微小に角度を変えて前方に回転放射し、
   前記第２光路変換手段と前記第３光路変換手段とは、略同一線上に配置されており、
   前記第２光路変換手段は、前記第１光路変換手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対して略直角方向に変換して回転放射し、
   前記第３光路変換手段は、前記第１光路変換手段から放射された光線の光路を前記回転中心線に対して微小に角度を変えた前方に回転放射し、
   透光性キャップを通して被測定物に光線を照射することを特徴とする請求項１記載の光イメージング用プローブ。

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