JP2023543345A - 光学装置及び物体の検査手順 - Google Patents

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Abstract

本発明は、物体（１６）と、筐体（２４）と、入射光用の筐体内に配置された光学ユニット（２６）と、センサユニット（２８）と、筐体（２４）内に配置された少なくとも１つの撮像素子（３０，３２）と、センサユニット（２８）に結合され、少なくとも１つの撮像素子（３０）の画像信号を評価するデータ処理ユニット（３４）と、物体（１６）の方向にラスタ光を放射するための筐体（２４）上又は筐体（２４）内に少なくとも部分的に配置された照明ユニット（４２）とを備え、物体（１６）から反射されたラスタ光及び筐体内部の参照光によって、デジタル光ホログラフィによって、横方向情報及び深さ情報を示す次元ドットラスタ及び基準データセットが提供され、装置（１０；１００；１２０；１４０）と物体（１６）との相対的な動きが、装置（１０；１００；１２０；１４０）を介して検出され、関連する横方向及び／又は深さ方向の移動情報が生成され、物体（１６）から発せられる物体光が検出され、それぞれの画像データセット（３５）が時間的に順次作成され、３Ｄ表面データセットを生成するための基準データセットに対して登録され、２つ以上の連続する画像データセット（３５）の重複領域は、移動情報に基づいて識別され、重複領域は、特に詳細を失うことなく、それぞれの画像信号を統合することによって平滑化される。さらに、本発明は、方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、物体の３Ｄ表面データセットを生成するための、特に可視物体光を用いて物体を検査するための光学装置及び方法に関し、データセットは、横方向情報及び深さ情報を含む。
この装置は、好ましくはハンドヘルド式及び／又はハンドガイド式のものであり、構造的にコンパクトである。例えば、当該装置は、内視鏡装置、携帯通信装置又はヘッドマウント装置であるか、又は、それらから構成される。
本発明は、センサユニットの１画素撮像素子に検査光を入射させるデジタル画像生成・処理の分野に関する。撮像素子からの画像信号は、装置のデータ処理ユニットに供給され、データ処理ユニットで処理されてデータセットが生成される。データセットの画像情報を表示するための表示ユニット及び／又はデータセットを格納するためのメモリユニットを設けてもよい。
従来の（デジタル）写真を使用して２次元画像を作成することはよく知られている。拡大は、屈折光学系又は反射光学系を使用して達成することができる。ここでの欠点は、装置の寸法の増加に伴うスペースの確保である。解像度は開口数によって決定される。
深さ情報を含む３Ｄ表面データセットを提供するには、立体視法を使用することができる。ここで、シーンの２つの画像が異なる角度で撮影される。欠点としては、撮像素子(ベースライン)間の距離が大きいと、高い深さ解像度を達成する必要がある。これに関わらず、アーチファクトは、例えばエッジ勾配で発生することがある。
深さ情報は、例えば、プレノプティックカメラシステムを使用して提供することができる。マルチレンズ光学系は、異なる局所位相を有する波面を生成するために使用されるが、これはシーンを再構築するためにかなりの計算作業を必要とする。特に、光入射率が低いと、エラーが発生する可能性がある。
デジタル画像データセットを生成するための装置及び方法は、例えば、ＵＳ １０，５３６，６８４ Ｂ２（特許文献１）、ＵＳ ８，４５６，５１７ Ｂ２（特許文献２）、ＵＳ ６，６６４，５２９ Ｂ２（特許文献３）及びＵＳ ７，２９５，３２４ Ｂ２（特許文献４）に記載されている。
米国特許第１０５３６６８４号明細書 米国特許第８４５６５１７号明細書 米国特許第６６６４５２９号明細書 米国特許第７２９５３２４号明細書
本発明の課題は、撮像特性が向上された、物体を検査するための光学装置及び方法を提供することにある。
この課題は、物体を検査するための本発明による光学装置によって解決され、当該光学装置は、筺体と、前記筐体内に配置される入射光用の光学ユニットと、前記筐体内に配置される、少なくとも１つの撮像素子を有するセンサユニットと、前記センサユニットに結合され、前記少なくとも１つの撮像素子の画像信号を評価するデータ処理ユニットと、前記物体の方向にラスタ光を放射するために、前記筐体上、又は、前記筐体内に少なくとも部分的に配置される照明ユニットとを備え、前記物体から反射されるラスタ光及び前記筐体内部の参照光によって、デジタル光ホログラフィによって、横方向情報及び深さ情報を示す３次元ドットラスタ及び基準データセットが提供され、前記装置と前記物体との相対的な動きが、前記装置を介して検出され、関連する横方向及び／又は深さ方向の移動情報が生成され、前記物体から発せられる物体光が検出され、それぞれの画像データセットが時間的に順次作成され、３Ｄ表面データセットを生成するための前記基準データセットに対して登録され、２つ以上の連続する画像データセットの重複領域は、前記移動情報に基づいて識別され、前記重複領域は、特に詳細を失うことなく、それぞれの画像信号を統合することによって平滑化される。
本発明の装置において、デジタル光ホログラフィは、特に物体の表面を描写する横方向及び／又は深さ方向の情報を作成するために使用される。この目的のために、ドットラスタがラスタ光を介して物体上に放射され、光学ユニットを介して少なくとも１つの撮像素子に供給することができる。撮像素子上のラスタ光と一体化される参照光を使用して、光学格子をこの方法で物体に「取り付ける」ことができ、いわば、画像データセットの登録のためのサポートポイントを形成する。
画像データセットは、光学ユニットを介して少なくとも１つの撮像素子上に結像される検査光によって作成することができる。特に、画像データセットは、好ましくは、基準データセットよりも高い解像度であり、システムの光学解像度によってのみ制限される。画像データセットは、基準データセットの光学グリッド上に計算的に描画することができ、それによって３Ｄ表面データセットを作成することができる。この装置は、特に光学３Ｄスキャナであるか、又はそのようなスキャナを形成する。
本発明の装置によると、特に、装置自体によって装置と物体との相対的な動きを検出することができるという利点がある。横方向及び／又は深さ方向の関連する移動情報を提供することができる。
移動情報に基づいて、連続する画像データセットを空間的に一致させることができる。ここでは、装置によって観察可能なシーンが相対的な動きの間にも移動されることを考慮する。従って、２つ以上の画像データセットの重複領域を識別することが可能である。画像データセットに必然的に含まれるノイズは、画像データセットを統合し、それによって画像データセットの重複領域を平滑化することによって低減することができる。これは、物体の解像度、すなわち詳細を失うことなく可能であることが好ましい。その結果、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が向上する。このようにして、装置の画像品質は、物体の解像度、すなわち空間情報を失うことなく、できれば解像度の限界まで、比較的少ない労力で計算的に改善することができ、高解像度の３Ｄ表面データセットを作成することができる。例えば、高い空間周波数を失うことなく、高いエッジ忠実度を達成できることが好ましい。
有利には、３Ｄ表面データセットが、ノイズフリー又は本質的にノイズフリーである場合、「超解像」画像を生成するためにデコンボリューションアルゴリズムを使用してさらに処理することができる。代替的又は相補的に、例えば、「超解像」画像は、３Ｄ表面データセット内の補間によって可能である。
本発明は、特にハンドガイド及び／又はハンドガイドされる装置の場合、使用者のほとんどが回避できない振動のために、物体に対する相対的な動きが既に頻繁に生じているということを考慮に入れる。従って、振動自体を、移動情報を評価するための基礎として使用することが可能である。これに関連して、移動情報が、その構成要素が部分的に共通の筐体内に配置される装置自体によって得ることができることも特に有利である。これは、ハンドヘルド及び／又はハンドガイドを目的とした装置のコンパクトな設計に有利に働く。
相対的な動きについては、純粋な横方向の移動に限定することも、深さ方向（軸方向）の移動に限定することもできるが、これに限定されるものではない。特に、３Ｄの相対的な動きを認識して適用することができる。
本発明において、「平滑化」は、２つ以上の連続する画像データセットの重複領域からの信号寄与を時間的に統合することとして理解され得る。損失のない物体解像度を維持するために、エッジ忠実度の損失を伴う「ぼかし」が実行されない平均化が提供される場合がある。
少なくとも1つの撮像素子の画像信号の処理、画像データセットの作成及び／又は計算、並びに移動情報の計算は、データ処理ユニットによって実行され得ることが理解される。以下では、読み易さの点で詳しく言及しない。ただし、データ処理ユニットは、この点に関する操作を実行できるように設計され、プログラムされていることを強調する。
特に、２つ以上の画像データセットの重複領域が逆の動きによって数学的に重ね合わせることができる。相対的な動きがわかっている場合、後続の画像データセットを計算的に逆数だけシフトバックして、前の画像データセットに重畳することができる。相対的な動きが小さいほど、２つの領域間の重なりが大きくなる。
各画像データセットに対する単一の露光時間は、画像データセットが統合される検知期間よりも短いことが好ましい。
実際には、例えば、約２５０Ｈｚ以上のフレームレートが有利であり、好ましくは約１ｋＨｚ以上までである。（Ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ， ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ， ａ ｆｒａｍｅ ｒａｔｅ ｏｆ ａｂｏｕｔ ２５０ Ｈｚ ｏｒ ｍｏｒｅ ｉｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ， ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ ｕｐ ｔｏ ａｂｏｕｔ １ ｋＨｚ ａｎｄ ａｂｏｖｅ．）
複数の３Ｄ表面データセットを組み合わせて物体の全体的なシーンを形成し、それによって３Ｄ表面データセット間の境界が移動情報に基づいて決定される場合に有利である。より長期間にわたって、異なる横方向のシーンをつなぎ合わせることができる(ステッチング)。対照的に、このような全体的なシーンは、従来の装置では、特に開口が制限されている個々の画像に対して作成することはできない。好ましくは、つなぎ合わされた個々のシーンは、互いにオフセットがないか、又はほとんどない。
相対的な動きを決定するために、物体上のラスタ光によって生成されるスペックルパターンを有するドットパターンの少なくとも１つの発光スポットが時間の関数として検知され、発光スポット内のスペックルパターンの変位が決定され、そこから、横方向の移動情報が導出されることが有利である。実際には、完全に滑らかではない物体の表面では、スペックルパターンが複数の干渉を介して発生する可能性がある。ラスタ光の発光スポットが物体に対して相対的に移動する場合、スペックルパターンは物体に対して静止しているため、発光スポットの連続した表現をスペックルパターンで相関させる（スペックル相関）ことにより、横方向の移動情報を高精度に決定することができる。
特に、複数の発光スポットを、好ましくは同期的に検知することができる。例えば、異なるスポットは、動いている(「呼吸する」)物体に対して異なる横方向の速度を提供できる。これにより、この装置の適用は、医療環境、体内及び／又は体外で特に興味深いものになる。
便利なことに、３Ｄ表面データセットに対してデコンボリューション操作を実行することができる。これはすでに上述している。
例えば、ラスタ光は、赤外光及び／又は可視スペクトル光であるか、又は、を含む。例えば、約７００ｎｍ～１３００ｎｍの波長範囲がラスタ光に使用される。
ラスタ光のスペクトルは、７００ｎｍ未満の波長の可視スペクトルにまで及ぶ可能性がある。
ラスタ光及び参照光は、特にコヒーレントである。この目的のために、照明ユニットは、好ましくは、筐体内に一体化されるレーザ光源を備える。ビームスプリッタ素子は、例えば導波路を介して、それぞれに設けられた光路に結合するために、ラスタ光及び参照光を分離することができる。
参照光は、ラスタ光と同じスペクトルを有することが望ましいと理解される。
ラスタ光及び参照光は、複数の離散波長を有するスペクトルを含むことが好ましい。少なくとも２つの波長、好ましくはいくつかの波長が提供される。例えば、約１０ｎｍの波長範囲内では、いくつかの波長が約数ｎｍ間隔で使用される。
深さ方向の移動情報及び／又は絶対的深さ情報は、好ましくは、複数の波長の位相差に基づいて決定することができる。複数の波長に起因して、装置からの物体の距離に関する絶対的深さ情報をドットグリッドのそれぞれの発光スポットで決定できるという利点が好ましい。また、深さ方向の移動情報を、ラスタ光及び参照光の複数の波長の位相差に基づいて決定することができる場合にも有利である。
物体光は、可視スペクトル、特に連続スペクトル範囲の光であるか、又は好ましくは、を含む。例えば、物体光は環境光である。あるいは、準単色光を、例えば赤、緑及び青の成分と共に使用することができる。
好ましくは、波長に応じて物体光とラスタ光との分離を可能にするため、ラスタ光と物体光は異なるスペクトルを有し、その結果、評価を簡略化する。
物体光は、例えば、特にシーンを観察するのに望ましくない干渉パターン(スペックル)を避けるために非コヒーレントであるか、又は、例えば準単色光の場合では部分的にコヒーレントである。
有利には、照明ユニットは、筐体内のラスタ光用の少なくとも１つの導光体と、筐体上に特に端部に配置される光結合解除素子とを備える。このようにして、例えば、装置の少なくとも端部（遠位部）でコンパクトな設計を達成することができる。対照的に、光源は、結合解除素子からの大きな空間距離を備えることができる。このような設計は、例えば内視鏡装置に適している。
導光体は、例えば、少なくとも１本のロッド又は光ファイバを含むことができ、従って剛性及び／又は可撓性とすることができる。例えば、ＧＲＩＮ（勾配指数）導光体を使用して空間コリメーションを実現することが考えられる。
少なくとも１つの導光体は、例えば、筐体の筐体壁に沿って、特に筐体壁の内側に導かれる。筐体壁は、例えば、外壁である。
結合解除素子は、ラスタ光をドットラスタとして物体上に扇状に広げるための、例えば平面ホログラムであるか、又は、を備える。
照明ユニットは、有利には、ラスタ光及び参照光を提供するための光源を備え、好ましくは筐体内に配置される。
本発明の好ましい実施形態において、照明ユニットは、異なる結合解除素子を介して時間オフセットを有するラスタ光を放射し、対応する参照光を提供するために使用することができる。例えば、ラスタ光は、様々なポイントラスタを生成し、物体のより広い領域を含めるために、それぞれ記録された異なる結合解除素子を介して放射できる。例えば、ラスタ光は、異なる導光体を通って装置の先端部に導出され、そこに結合され得る。
照明ユニットは、物体光を提供するための光源を備えることが好ましく、筐体内に配置されることが好ましい。このようにして、物体を特異的に照らすことができ、それによって信号対雑音比を改善することができる。
有利には、照明ユニットは、筐体内に物体光用の少なくとも１つの導光体と、特に筐体上の端部に配置される光結合解除素子とを備える。上述のように、例えば、少なくとも１つのロッド及び／又は１本のファイバが使用される。
本発明の好ましい実施形態において、物体光のスペクトル及びラスタ光のスペクトルに感応する共通の撮像素子が提供される。これにより、コンパクトな構造であると共に構造的にシンプルな装置の設計の可能性が提供される。特に、１つだけの撮像素子が提供され得る。
本発明の別の有利な実施形態において、装置は、２つの撮像素子を備え、物体光は、撮像素子のうちの１つに導出され、ラスタ光は、光学ユニットの光学素子を介して、他の撮像素子に導出され得る。
撮像素子は、それぞれの他の光に対してよりもそれぞれの検出光に対してより感度が高いことが好ましい。特に、それぞれの撮像素子の量子効率は可能な限り高く、好ましくは使用するそれぞれの光、物体光及び／又はラスタ光に対して最大である。
前述の光学素子は、少なくとも１つの波長感応性ビームスプリッタ素子、特にビームスプリッタキューブ、又は、ビームスプリッタプレートであるか、又は、好ましくは備える。
光学ユニットは、特にラスタ光及び／又は参照光のための少なくとも１つの偏光素子を備えることが好都合である。例えば、ビームスプリッタキューブ又はビームスプリッタプレートは、不要な信号寄与を低減し、信号対雑音比を改善するための偏光層を含む。
光学ユニットは、散乱光低減のためのフィルタ素子を少なくとも１つ備えることが好ましく、好ましくは入射側に配置される。
光学ユニットは、有利には、入射側に物体光用の屈折光学素子を備え得る。屈折光学素子は、例えばレンズ、また例えば収束レンズ又はマイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイは、例えば、凸状に湾曲していてもよい。
本発明の好ましい実施形態においては、特に共通平面内に並べて配置され、少なくとも１つの入射窓によって覆われる２つの撮像素子を設けることができる。例えば、撮像素子の上には共通の入射窓が使用される。撮像素子を横方向に隣り合わせに配置することにより、フラットな設計を好ましく達成することができる。
従って、装置は、好ましくはフラットな構造のものであり、入射窓は、装置の延長がそれに直交する方向よりも実質的に大きい筐体の表面に配置される。
本発明の好ましい実施形態においては、互いに斜めに整列した平面内に配置され、波長感応性ビームスプリッタ素子が物体光又はラスタ光の到来方向においてそれぞれの撮像素子の上流に配置される２つの撮像素子を提供することができる。これにより、好ましくは、３次元での装置のコンパクトな設計が可能になる。ビームスプリッタ素子は、例えば、ビームスプリッタキューブ又はビームスプリッタプレートであり、一方の光（例えば、ラスタ光）に対して透過性であり、他方の光（例えば、物体光）に対して反射性である。好ましくは、撮像素子は、ビームスプリッタ素子のすぐ隣又は近接して配置される。角度は、好ましくは９０°又は本質的に９０°であり得る。
光学ユニットは、有利には、物体光の入射方向の上流にある物体光に感応な撮像素子を、位相及び／又は振幅変調光学素子として備える。このようにして、例えば、撮像素子上に重畳された画像を生成することができる。例えば、マイクロレンズアレイは、多焦点画像化に使用することができる。または、光学素子は、例えば、位相マスク又は振幅マスクとすることができる（ＵＳ ８，２４３，３５３ Ｂ１参照）。
少なくとも１つの撮像素子、特に撮像素子及び／又は光学ユニットは、コンパクトな設計を達成するために、装置の先端部又は端部分に配置されることが有利である。
参照光が、平面又は本質的に平面的な波面を有する少なくとも１つの撮像素子に入射する場合に有利である。
波面は、評価向上の点において、少なくとも１つの撮像素子の平面に対して傾斜することが好ましい。特に、その傾斜は参照光の波長に依存するものである。従って、異なる波長の波面は、平面に対して異なる傾斜を有することが好ましい。
光学ユニットは、筐体内部に参照光を結合解除（分離／分割）するための光学素子を備えることが好ましい。例えば、光源からの光は、ラスタ光と参照光とに分割され、これらは筐体内の少なくとも１つの導光体を介して結合解除される。外部からの参照光の放射とそれに続く装置への結合は省略できる。これは、装置のコンパクトな設計に有利である。
光学ユニットは、少なくとも１つの撮像素子の方向への参照光の回折のためのＶＰＨ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｐｈａｓｅ Ｈｏｌｏｇｒａｍ；体積位相ホログラム）を備えることが好ましい。例えば、参照光の異なる波長の平面波面は、ＶＰＨを介して回折することができる。
特に、ＶＰＨは、透過格子又は反射格子を備えていてもよい。ブラッグ条件が満たされると、参照光が格子で撮像素子に向かって回折され得る。
本発明の好ましい実施形態において、ＶＰＨは、装置の入射側に配置され、物体光及び／又はラスタ光に対して透過性である。例えば、参照光はＶＰＨによって撮像素子に向かって回折され、そこでラスタ光と干渉する。
代替的に又は追加的に、ＶＰＨが撮像素子の平面に平行に整列され、ラスタ光の入射方向において撮像素子の直上流に配置されてもよい。
本発明の好ましい実施形態において、照明ユニットは、一列に並んで配置される複数のマイクロレンズを備え、少なくとも１つの撮像素子の平面の上方に参照光の本質的に平面的な波面を生成する。これは、例えば、装置のフラットな設計に役立つ。または、例えば、マルチボリュームホログラム又はＧＲＩＮレンズアレイが提供されてもよい。
光学ユニットは、有利には、少なくとも１つの撮像素子の方向に平面又は本質的に平面的な波面を有する参照光を拡大するための光学素子を備え、光学素子は、例えば、凹面鏡である。特に、ＶＰＨの代わりに光学素子を用いることができる。
本発明の装置は、有利には、コンパクトな構造を備える。
エッジ長をａとして、表面の正方形断面積ａ２を有する少なくとも１つの撮像素子を仮定すると、装置は有利には、入射側で、１．５ａ２未満、好ましくは１．２５ａ２未満の断面積を有する。撮像素子の領域を超えて突出する装置の任意の構成要素(例えば、光学ユニット及び筐体)は、特にコンパクトになるように設計することができる。
ビームスプリッタキューブ等のビームスプリッタ素子を使用する場合、その寸法は撮像素子の寸法にほぼ対応することができる。光学ユニットの光学部品は、好ましくは、約ａ３の体積で収容することができる。
エッジ長をａとして、表面の正方形断面積ａ２を有する少なくとも１つの撮像素子を仮定すると、１つの撮像素子又は２つの撮像素子がフラットな設計である場合、装置は、入射側に約ａ／４以下の高さ及びａ３／２以下の体積を有することが好ましい。
画像データセットを記録するためのサンプリングレートは、好ましくは約２５０ｋＨｚ以上、好ましくは約１ｋＨｚ以上までである。（Ａ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｒａｔｅ ｆｏｒ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｄａｔａ ｓｅｔｓ ｉｓ ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ ａｂｏｕｔ ２５０ ｋＨｚ ｏｒ ｍｏｒｅ， ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ ｕｐ ｔｏ ａｂｏｕｔ １ ｋＨｚ ｏｒ ｍｏｒｅ．）
物体上のラスタ光のそれぞれのスポットサイズは、好ましくは５０μｍ～５００μｍ程度であり、好ましくは１００μｍ～２５０μｍ程度である。
物体からの装置の作動距離は変化する可能性があり、例えば数ｍｍから数１００ｍｍであり得る。例えば、作動距離は約５０ｍｍから１００ｍｍである。
ラスタ光のラスタポイントは、物体上で互いに約１ｍｍの距離間隔であることが好ましく、その間隔は、物体からの装置の作動距離に依存する。
上述したように、装置は、好ましくはハンドヘルド式（可搬式）及び／又はハンドガイド式のものである。
装置は、特に、少なくとも筐体の一部と一緒に検査対象物体に挿入することができる内視鏡装置であり得る。検査対象物体は、人体又は動物の身体若しくは物であり得る。歯科分野での応用が想定されることができ、装置を口腔内に完全に又は部分的に挿入することができる。
この装置は、産業用計測技術等に使用可能である。
装置は、好ましくは、携帯通信装置、又はそのような装置、特にスマートフォン又はタブレットコンピュータから構成される。
例示的な実施形態では、装置は、特にＡＲ（拡張現実）アプリケーション用の例えばデータグラス等のヘッドマウント装置である。
従って、本発明はまた、内視鏡装置、スマートフォン又はタブレットコンピュータ及び／又はヘッドマウント装置に関し、上述のタイプの少なくとも１つの装置を含む。
上記課題は、独立請求項２５の特徴を有する発明による方法により解決される。
本発明による装置の説明に関連して既に述べた利点もまた、この方法を用いて達成することができる。装置の特徴は、方法に従って実施することができる。方法の有利な実施形態は、装置の有利な実施形態から生じる。この点で、先行する説明を参照することができる。
本発明の好ましい実施形態は、特に３Ｄスキャナであり、本発明をより詳細に説明するために図面と共に以下説明する：
内視鏡装置として設計された本発明の装置の概略斜視図及び使用者である。 図１の装置の先端部の概略図及び検査対象物体である。 ラスタ光のドットグリッドを有する物体の概略図である。 スペックルパターンを有する物体上の参照光の発光スポットの概略図である。 連続した時間でのスペックルパターンを有する発光スポットであり、同一のスペックルパターンの重複領域が枠で模式的に強調され、矢印は、発光スポットの移動は矢印を示す。 連続した時点における３つの例示的な画像データセットと、その中に含まれる重複領域とであり、矢印は、最初の画像データセットに戻る移動情報に応じて２つの画像データセットがシフトすることを象徴的に示している。 本発明の装置のさらに好ましい実施形態の先端部分の概略図である。 本発明の装置のさらに好ましい実施形態の概略図である。 図８に示す装置を矢印「９」の方向に示した概略図である。 本発明の装置の好ましい実施形態の概略図である。 本発明の装置のさらに好ましい実施形態の概略図である。 本発明の装置のさらに好ましい実施形態の概略図である。
以下に説明する本発明の装置の有利な実施形態を用いて、本発明の方法の好ましい実施形態を実施することができる。
以下、まず、本発明について、図１～図５の例及び図１～図２の本発明の実施形態を用いて説明する。この文脈で言及された利点は、続いて説明される本発明の好ましい実施形態にも適用され、従って、この点に関して、以下に最初に与えられた説明を参照することができる。様々な実施形態間の本質的な相違点についてのみ説明する。
同一の符号は、同じ又は同じ効果を有する機能及び部分に対して使用される。
図１は、符号１０を有する本発明の装置の好ましい実施形態を概略図で示す。装置１０は、特に、患者１２を診察するために本例で使用される内視鏡装置である。装置１０は、ハンドヘルド及びハンドガイドされ、使用者１４によって操作される。
装置１０は、医療技術におけるアプリケーションにおける例としてのみ示されていることが理解される。本発明はまた、非生物を検査するために内視鏡的に使用され得る。さらに、装置１０が医療環境で使用される場合であっても、診断目的ではなく情報提供目的でしか使用できないことを強調すべきである。
この場合、装置１０は、物体１６を光学的に検査するために、身体開口部を通って患者の身体１２の内部に誘導される（図２）。この場合、物体１６の３Ｄ表面データセットが生成されることになる。
装置１０は、身体の内部に挿入される先端部分（遠位部分）１８と、基部分（近位部分）２０とを備える。例えば、使用者１４のためのハンドル要素２２は、基部分２０に配置される。
本実施形態では、先端部分１８は、装置１０の構成要素を収容するための筐体２４、特にシャンク状の筐体を備える。特に筐体２４内に多数の構成要素が配置されたコンパクトな構造を実現するための高度な構造集積化の利点がある。特に、複数の構成要素は、先端部分１８に配置されてもよい。
装置１０は、筐体２４内に配置された光学ユニット２６と、筐体２４内に配置されたセンサユニット２８と、２つの撮像素子（撮像センサ）３０，３２と、さらに少なくとも１つのデータ処理ユニット３４とを備える。本例では、データ処理ユニット３４が筐体２４内に配置されて示されている。
撮像素子３０，３２からの画像信号は、データ処理ユニット３４に供給され、それによって処理され得る。この目的のために、データ処理ユニット３４は、対応する計算を実行するように設計及びプログラムされる。この目的のために、アプリケーションプログラムは、データ処理ユニット３４又はそれに接続されたメモリユニットに実行可能に記憶され得る。
データ処理ユニット３４は、装置１０の一部であっても、一部でなくてもよく、代替的に筐体２４の外側に配置されてもよい（図１）。例えば、情報が筐体内部のデータ処理ユニット３４内で部分的にのみ処理又は前処理され、筐体外部のさらなるデータ処理ユニット３４に転送されることが想定され得、このデータ処理ユニット３４は、さらなる評価又は詳細な評価を実施する。データ伝送のために回線３６を設けてもよく、高速データ回線であることが好ましい。
例えば、表示ユニット３８は、シーンを表示するために少なくとも１つのデータ処理ユニット３４によって制御されてもよい。表示ユニット３８は、装置の一部であってもよい。さらに、装置１０のデータセットを格納するメモリユニット４０を設けて、データ処理ユニット３４とは別に形成したり、統合したりしてもよい。
装置１０の構成要素間のデータ伝送、及び／又は外部要素、例えば表示ユニット３８又は評価ユニットによるデータ伝送は、無線及び／又はケーブル接続されてもよい。
装置１０は、特にラスタ光及び参照光で後述するように光を提供するための照明ユニット４２をさらに備える。この目的のために、照明ユニット４２は、光源４４を備え、好ましくは筐体２４内、より特に先端部分１８内に配置され得る。あるいは、光源４４は、基部分２０に配置されてもよく、あるいは別個に配置されてもよく、その場合、光を供給するための導光体が設けられてもよい。
光源４４はレーザ光源である。ビームスプリッタ素子を介して、ラスタ光と参照光とを分離し、それぞれの光路に結合することができる。
さらに、照明ユニット４２は、物体光を供給するための光源４６を備えていてもよい。光源４６は、図２の装置１０には実装されていないため、概略的に示されているに過ぎない。但し、以下に説明する実施形態のように存在させてもよい。
入射開口４８及び出射開口は、筐体２４の先端面に形成され、入射開口４８は中央に配置され、本例では出射開口５０は外壁５２に配置されることが好ましい。
光学ユニット２６は、外部から生じる光の入射方向に、フィルタ素子５４、特にＩＲフィルタと、それに隣接する体積位相ホログラム（ＶＰＨ）５６とを備える。ＶＰＨ５６は、例えば、透過回折格子５８として設計される。ＶＰＨ５６は、ブラッグ条件下で反射し、以下に説明するように参照光の凹面鏡として機能可能である。
入射光の方向では、ＶＰＨ５６に続いて、ビームスプリッタキューブ６０として構成されたビームスプリッタ素子が続く。ビームスプリッタキューブ６０は、ラスタ光を反射するための反射層６２を含む。これに対し、可視スペクトル光は反射層６２を透過する。
ビームスプリッタキューブ６０の代わりに、異なるタイプの波長感応ビームスプリッタ素子、例えばビームスプリッタプレートが使用可能である。
可視光は、ビームスプリッタキューブ６０を通過し、撮像素子３０に到達することができる。入射光の方向における撮像素子３０の上流において、光学ユニット２６は、位相及び／又は振幅変調される光学素子６４を含む。本例では、光学素子６４はマイクロレンズアレイ６６である。マイクロレンズアレイ６６を介して、観察されたシーンが撮像素子３０上に結像される。
撮像素子３０は、信号線６８を介してデータ処理ユニット３４と動作接続される。
ビームスプリッタキューブ６０から反射された近赤外光は、撮像素子３２に到達する。撮像素子３２は、信号線７０を介してデータ処理ユニット３４に動作接続される。
照明ユニット４２は、光源４４からラスタ光を供給するための導光体７２を備える。導光体７２は、例えば、ロッド及び／又はファイバを含んでもよく、剛性又は可撓性を有する構成であってもよい。
ラスタ光は、出射開口５０において光結合解除素子（光分離素子）７４に導出される。この結合解除素子７４は、例えば、物体１６の表面に発光スポット７６（スポット）のパターンを作成するための平面ホログラムである。
結合解除素子７４として平面ホログラムを使用する代わりに、例えば、空間光変調器（ＳＬＭ）を設けてもよい。この変調器は、好ましくは、先端部分１８又は基部分２０に配置され得る。例えば、変調器は、装置１０の深さ範囲が区切られ、発光スポット７６当たりの光強度の増加が必要とされる場合に使用される。
この場合、参照光は、約７００ｎｍ以下から１３００ｎｍまでの近赤外及び／又は可視波長範囲の光を含む。（Ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｃａｓｅ， ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｌｉｇｈｔ ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ｔｈｅ ＮＩＲ ａｎｄ／ｏｒ ｖｉｓｉｂｌｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ａｂｏｕｔ ７００ ｎｍ ｏｒ ｌｅｓｓ ｔｏ １３００ ｎｍ．）好ましくは、スペクトルは、幅が約１ｎｍ～１０ｎｍの波長範囲の複数の離散波長を含む。例えば、波長間隔は約１ｎｍである。
図３は、物体１６の表面７８にドットパターンの発光スポット７６を模式的に描画する。それぞれの発光スポット７６は、例えば、約１００μｍの大きさを備える。グリッドサイズは、例えば、約１ｍｍであり、そして上述のように、作動距離に依存し得る。
表面７８から反射されたラスタ光は、フィルタ素子５４及びＶＰＨ５６を通過し、反射層６２で反射されて撮像素子３２に向かう。反射層１０４が偏光であってもよく、及び／又は光学ユニット２６が偏光光学素子を備えてもよい。
撮像素子３２は、ラスタ光のスペクトル範囲の光に対する感度に関して最適化されている。反射層６２を通過した撮像素子３２の表面からの任意の後方反射は、撮像素子３２とは反対側の吸収素子８０によって吸収されてもよい。
ラスタ光に加えて、光源４４からのパッケージ内（筐体内）の参照光が使用される。本例では、上述のビームスプリッタ素子（例えばファイバカプラ）の下流の参照光は、導光体８２を介して筐体２４の先端部に向かって導出される。導光体８２は、剛性又は可撓性のロッド又はファイバの形態であり得る。最後に、導光体８２は、この場合、反射体として、特にプリズム反射体として設計された光結合解除素子８４を備える。
参照光は、結合解除素子８４から、好ましくは球状の波面を有する、反射層６２の方向に出射される。参照光は後方からＶＰＨ５６に反射される。
この場合、ＶＰＨ５６における参照光についてそれぞれのブラッグ条件が成立する。参照光はＶＰＨ５６から回折されて戻り、本質的に平面的な波面（略平面波面）８６が形成される。ここで、評価上の理由から、システムは、波面が撮像素子３２の表面によって画定される平面に対して傾斜するように設計されるのが有利である。
参照光における異なる波長の波面８６（図示の例は１つ）は、それぞれのブラッグ条件に起因して互いに異なる傾斜を備える。
撮像素子３２では、ラスタ光が参照光と干渉する。関連する画像信号は、データ処理ユニット３４に送信される。
データ処理ユニット３４は、デジタル光ホログラフィを使用して、上述の方法でラスタ光と参照光との干渉信号から３次元ドットグリッドを作成することができる。これに関する基準データセットは、横方向（左右方向）情報及び深さ（奥行き方向）情報を示し、データ処理ユニット３４によって提供される。「横方向」は、本文脈において、特に横方向（左右方向）、好ましくは装置１０によって画定される軸８８に対して垂直を示すものとして理解されるべきである。
ドットグリッドは、以下で説明するように、表面７８の画像データセットの再登録のためのサポートポイントを提供するために使用される。ある意味では、ドットグリッドは、物体１６の包絡面としてのポイントで表面７８をスキャンし得る。
ＶＰＨ５６の方向への球面波の伝播を容易にするために、導光体７２，８２が、ビームスプリッタキューブ６０のほぼ中央に、図面平面に対して垂直な装置１０の横方向に配置されるようにしてもよい。
基準データセットは、絶対的深さ情報と共に発光スポット７６に関する横方向の情報を含む。深さ情報は、ラスタ光と参照光とに使用される複数の波長の位相差から得られる。
撮像素子３０に到達した物体１６の物体光は、画像信号に変換され、少なくとも１つのデータ処理ユニット３４に供給される。少なくとも１つのデータ処理ユニット３４は、画像データセット３５を生成する（図３）。画像データセット３５は、基準データセットに対してデータ処理ユニット３４によって空間的に登録することができ、それによって表面７８の３Ｄ表面データセットが提供される。
物体光を使用して得られた画像データセット３５は、ノイズによるぼやけを受ける。このため、実際には、例えば、画像データセット３５の可能な最大解像度は装置１０では達成できない。典型的な最大解像度は、例えば約２５μｍの領域に位置し得る。
画像データセット３５を改善し、特に高解像度の３Ｄ表面データセットを提供するために、装置１０において、画質を改善するために以下で説明するように、基準データセットを画像データセット３５に関連付けることができる。この目的のために、装置１０と物体１６との相対的な動きが使用され、この相対的な動きは、装置１０自体を介して決定することができる。相対的な動きを決定するための別の装置は必要ない。
実際には必然的に生じるハンドヘルド及びハンドガイド装置１０自体の振動が、相対的な動きを決定するために使用されることが有利であることが証明されている。
コヒーレントなラスタ光が表面７８に衝突すると、発光スポット７６が形成される。粗い表面テクスチャの結果として、発光スポット７６はスペックルパターン９０を含み、これは強度画像として図４に模式的断面図で示す。ここでは、たとえば、暗い部分は高強度を象徴し、明るい部分は低強度を象徴する。
装置１０と物体１６との相対的な動きの間に、発光スポット７６は表面７８上を移動する。スペックルパターン９０は、表面７８の性質上静止したままであるが、発光スポット７６内で変位する。これは図５に示されており、白い枠が重なりを概略的に囲んでいる。
スペックルパターン９０は、時間依存的に検知することができる。この連続するスペックルパターン９０のスペックル相関を通じて、データ処理ユニット３４は、相対的な動きを示す横方向の移動情報を高精度に生成することができる。
深さ方向の相対的な動きは、ラスタ光及び参照光における複数の波長の使用に基づく絶対的深さ情報の可能性によって決定され得る。
結果として、データ処理ユニット３４は、横方向及び深さ方向の移動情報を生成することができる。
物体光によって得られる画像データセット３５は、重複領域を互いに割り当てることができるような方法で、移動情報に基づいて評価され得る。これは図６に概略的に示され、３つの画像データセット３５及び１つの重複領域を示す。
装置１０と物体１６との相対的な動きも画像データセット３５内の画像情報をシフトさせるので、逆の動きを画像データセット３５に適用して、空間的に前の画像データセット３５と一致させることができる。このようにして、画像データセットの重複領域をシーン内に配置することができる。
２つ以上の連続する画像データセットを計算的に統合することによって、それぞれの画像データセット３５に含まれるノイズが時間とともに変化するにつれて、画像データセット内の信号対雑音比を改善することができる。統合は、上述のように平均化していると考えることもできる。
高フレームレートが有利であることがわかる。例えば、２５０Ｈｚ以上のフレームレートが好ましく、好ましくは１ｋＨｚ以上である。フレームレートは、連続する画像データセット内の重複領域をできるだけ大きく十分に識別できるように、選択可能である必要がある。
特に、２つ以上の画像データセットを共に平滑化できる場合に有利である。
結果として、データ処理ユニット３４は、より高い空間周波数を維持しながら、詳細を失うことなく、物体１６の３Ｄ表面データセットを提供することができる。３Ｄ表面データセットは高解像度であり、好ましくはシステムの解像度限界まで解像される。
ノイズフリー又は本質的にノイズフリーに計算された画像データセット３５又は３Ｄ表面データセットでは、デコンボリューション演算を適用することによって計算的に解像度をさらに高めることが特に可能である。代替的に又は相補的に、「超解像」データセットは、例えば、補間によって作成することができる。
上述のように、深さ情報は絶対的な期間で取得できる。これは、例えば、個々の発光スポット７６についてスポット依存的な移動情報を提供する可能性を提供する。例えば、異なる横方向の転位移動情報が、異なる発光スポット７６に存在してもよく、これは、画像データセットを計算する際に考慮に入れることができる。例えば、「呼吸する」動いている物体１６の表面７８は、このようにして測定することができる。このため、本発明の装置１０は、例えば体内の動いている物体１６の検査への適用に特に適している。
３Ｄ表面データセットを組み合わせて、全体的なシーン（ステッチング）を形成することができる。ここで、個々のデータセット間に不一致がないか、又は最小限の不一致しかないことが好ましい。
撮像素子３０，３２が、それぞれのエッジ長ａを有する本質的に正方形であると仮定すると、装置１０の特にコンパクトな設計は、先端部分１８において達成され得る。ビームスプリッタキューブ６０を備えた光学ユニット２６は、それらの寸法によって撮像素子３０，３２の領域において近似的に決定される。従って、開口の入射面積は約ａ２であり、体積は約ａ３（下限）である。全体として、軸８８に対する横方向の寸法は、断面において好ましくは約１．５ａ２未満であり、さらに有利には約１．２５ａ２未満であり得る。
図７は、好ましい実施形態において参照符号１００を割り当てた本発明の装置の先端部分１８を示す。装置１０と比較して、装置１００は、特にＶＰＨ５６が参照光に使用されないという相違点を備える。代わりに、ビームスプリッタキューブ６０に加えて、ビームスプリッタキューブ１０２の形態の別の光学素子が使用される。
装置１０と異なる点は、撮像素子３０，３２の位置が異なることである。装置１０では、撮像素子３０，３２は、本質的に９０°の角度で整列された平面を画定し、ビームスプリッタキューブ６０及びマイクロレンズアレイ６６を画定する。
これに対して、装置１００における撮像素子３０，３２の平面は平行又は一致している。ビームスプリッタキューブ６０，１０２は、撮像素子３０，３２に隣接して横方向に配置され、それぞれの撮像素子３０，３２に関連付けられる。
装置１００では、物体光に対するビーム経路が装置１０とは逆転している。物体光は反射層６２で反射されるのに対し、ラスタ光は透過する。ビームスプリッタキューブ６０の到来方向の下流にあるビームスプリッタキューブ１０２では、ラスタ光が撮像素子３２の方向に反射層１０４で反射される。
参照光は、本質的に球状の波面を有する結合解除素子１０６を介して結合解除（分離）される。結合解除素子１０６は、反射層１０４の裏面側に向けられている。反射層１０４から、参照光は光学素子１０８に到達し、この場合は凹面鏡１１０の形態である。実質的に平面的な波面８６は、ＶＰＨ５６による装置１０の場合と同様に、凹面鏡１１０を介して提供される。
参照光は、上述のビームスプリッタ素子を形成又は備える光導波路を介して結合解除（分離）されてもよい。ラスタ光と参照光とが分離される。参照光は、並べて配置された複数の結合解除素子１０６にて波長に応じて結合解除される。光導波路は、例えば並列に並べて配置された結合解除素子１０６を備える最後に述べる導波路を設けてもよい。
反射層１０４が偏光であってもよく、及び／又は光学ユニット２６が偏光光学素子を備えてもよい。反射層１０４が偏光する場合は、全てのラスタ光が撮像素子３２に反射されてもよい。一般に、放射及び／又は受信されたラスタ光の偏光は、光学ユニット２６からの不要な反射を実質的に抑制するように調整することができる。
参照光における複数の波長の使用に起因して、上述のように、並んで配置された複数の結合解除素子１０６が提供される（図７に示す）。これは、装置１０の場合と同様に、波長依存性の異なる傾斜波面８６をもたらす。
参照光及びラスタ光は、例えば、光源４４が配置された一体型照明ユニット４２によって提供される。
図７は、装置１００において、出射開口５０の領域内にその上に配置された結合解除素子１１４を備えたさらなる導光体１１２を示す。本例では、これらの構成要素は、導光体７２及び結合解除素子７４の構造及び配置に対応し、好ましくは筐体壁の近くに配置され、ここで、導光体７２，１１２は、それらの間で光学ユニット２６及び撮像素子３２を受光することができる。
結合解除素子１１４は、例えば平面ホログラムであってもよい。２つの結合解除素子７４，１１４を介して、物体１６は、２パターンの発光スポット７６で照明することができる。それぞれのパターンの寄与を分離できるようにするために、照明を、例えば時間差（時間遅延）で起動することができ、撮像素子３２を介して記録をそれぞれ同期させることができる。
物体光は、任意選択で、装置１００を介して提供及び結合解除される。この目的のために、導光体１１２は、例えば、結合解除素子１１４なしで適用される。
図７の装置１００は、装置１００のリフォーカシング及び広角化のための入射側に収束レンズ１１８の形態の光学素子１１６をさらに備える。
装置１００では、収束レンズ１１８の代わりに、湾曲したマイクロレンズアレイを使用して、例えば球面シェルの形態で広角を増大させることもできる。
図８及び図９は、参考符号１２０によって示される、本発明の装置の有利な実施形態の概略図を示す。装置１２０は、特に一方向に延びるフラットな構造によって特徴付けられ、この場合は図面における高さ方向の延長が、それを横切る方向の延長よりも実質的に小さい。
このため、装置１２０は、携帯電子装置、例えばスマートフォン又はタブレットコンピュータへの搭載に特に適している。
それぞれのチャネル長ａを有する正方形の撮像素子３０，３２を仮定すると、光入射面積は２ａ２となる。実装高さを最大ａ／４まで達成できるため、光学体積は最大約ａ３／２（下限）まで達成できる。この推定は、撮像素子３０，３２のエッジ長が約８ｍｍ、ビルドアップ厚さが約１ｍｍ～２ｍｍであると仮定して行われる。
装置１２０において、撮像素子３０，３２は、共通の平面に配置されている。到来方向の上流において、マイクロレンズアレイ６６は、撮像素子３０の前方に位置する。撮像素子３２の前方に配置されているのはＶＰＨ５６である。ＶＰＨ５６及びマイクロレンズアレイ６６は、好ましくは、共通の平面内に位置する。
入射側には入射窓１２２が設けられており、ＶＰＨ５６及びマイクロレンズアレイ６６を覆う。
照明ユニット４２は、ＶＰＨ５６又はマイクロレンズアレイ６６に隣接する横方向に同じ平面内に少なくとも部分的に配置されることが好ましい。データ処理ユニット３４は、例えば、入射側とは反対側の撮像素子３０，３２の側に配置される。なお、撮像素子３０、３２は、例えばデータ処理ユニット３４上で一体的に設計されていてもよい。
ラスタ光の放射は、照明ユニット４２に直接的又は間接的に結合されてもよい結合解除素子７４を介して行われてもよい。
装置１２０は、特にビームスプリッタキューブ６０，１０２を省略してもよい。
例えば、照明ユニット４２には、参照光とラスタ光とを互いに分離するための光導波路が配置されている。参照光は、例えば導光体１２６を介して結合のために供給される。結合解除素子１２８は、それぞれの導光体１２６上に配置され、そこから参照光は、好ましくは球面波面で放射する。導光体１２６及び結合解除素子１２８は、ＶＰＨ５６の平面内に並んで配置されることが好ましい。
参照光は、同じ平面内に配置され、それぞれ直列に配置され、それぞれ並んで配置されたマイクロレンズ１３０に入射し、ＶＰＨ５６を伝搬するそれぞれの平面波面を提供する。ＶＰＨ５６における異なる波長に対するそれぞれのブラッグ条件が成立すると、参照光は撮像素子３２に向けて回折される。
上述の場合と同様に、個々の波長の波面８６は、互いに相対的に傾斜しており、好ましくは撮像素子３２の平面に対して傾斜する。
回折や散乱によりＶＰＨ５６のブラッグ条件を満たさない光は、吸収素子８０に吸収されてもよい。
マイクロレンズ１３０のアレイ又は機能的に等価な多焦点素子を介して参照波を使用する利点は、ほぼ一定の強度の参照光の平面波をＶＰＨ５６の平面を横切って結合することができることである。このようにすれば、撮像素子３２のエッジにおいても十分な信号歩留まりが得られる。
マイクロレンズ１３０のアレイの代わりに、複数のＶＰＨが追加的に採用され得、それぞれがマイクロレンズ１３０のうちの１つの機能を実行する。これらのＶＰＨは、例えば、照明ユニット４２及びＶＰＨ５６に物理的及び光学的に直接結合することができる光学素子に一体化することができる。このようにして、マイクロレンズ１３０内などの任意のギャップを回避することができ、それによって最適化された波動場を提供する。
あるいは、例えば、ＶＰＨ５６に横方向に衝突する細長い波動場を生成することができる。たとえば、ここではＧＲＩＮレンズのアレイが使用される。このようにして、ＶＰＨ５６に沿って延びる位相フロントを連続的に設けて、ＶＰＨ５６への移行において位相ジャンプが生じないようにすることができる。
撮像素子３０，３２の横並び配置は、装置１２０内のラスタ光と物体光の深さ依存視差をもたらす。深さ情報が絶対的に決定され得るという事実のために、画像データセット３５を基準データセットに登録することが可能である。
図１０は、本発明の装置の好ましい実施形態を参照符号１４０と共に示す。装置１４０は高度に集積されており、２つの撮像素子３０，３２の代わりに１つの撮像素子１４２のみが使用されるように設計されている。この撮像素子１４２は、参照光及びラスタ光のＮＩＲ寄与と物体光の可視寄与の両方を記録するのに適している。
装置１４０は、フラットな構成、例えば、胃薬のような携帯通信装置又は体内装置にも適している。または、スリムなデザインが考えられる（アポストロフィ付きの参照符号）。
入射側には、入射窓１２２が設けられ、続いてマイクロレンズアレイ６６が設けられている。参照光とラスタ光の両方がＶＰＨ５６を通過する。装置１２０及び関連する変更点（図８及び図９）に関連して、既に記述した通りである。
光は撮像素子１４２に到達し、その画像信号はデータ処理ユニット３４によって処理される。
高さ方向において可能な限りコンパクトな構造を実現するためには、光学素子６４が必要である。ただし、これはラスタ光の伝播に問題を生じる場合がある。
これを改善するために、波長依存である構造を有する振幅マスクを光学素子６４として使用することができる。物体光の場合、構造物は反射性になるが、ラスタ光では透過性になる。この場合、光学素子６４は、ラスタ光に対して本質的に透過性である。
振幅マスクや位相マスクがラスタ光に完全に影響を与える場合でも、この「乱れ」はラスタ光の画像信号から取り除くことができる。この点でのデコンボリューションの方法は当業者に公知である。
図１１は、スマートフォンとして設計された本発明による通信装置を、参照符号１５０で、上述タイプの装置、例えば装置１２０と共に示す。
図１２は、例えば装置１２０又は１４０のような上述のタイプの装置を備えた、データグラスとして設計された、参照符号１６０で示される本発明によるヘッドマウント装置を示す。装置１２０又は１４０を介して、この情報を最適化するか、または「オーバーレイ」の背景として使用するために、即時の環境を高精度で記録することができる。あるいは、拡張現実（ＡＲ）オーバーレイの背景として使用することもできる。
最適化アプローチでは、３Ｄ地形を有する本を、文字がシャープに見えるように、かつ正確に同じ場所に表示されるように読むことが考えられる。そのためには、物体１６としてのページの地形と高解像度の文字が必要である。これをデータメガネで視野に重ね合わせることができる。そうすると、文字がオフセットすることなく、シャープに読み取れるようになる。
「オーバーレイアプローチ」では、装置１２０又は１４０によって測定された外部情報は、実際の現実に合わせて調整されるであろう。歯科分野では、例えば、歯科インプラントを歯列内の正確な位置に表示し、３Ｄ ＡＲデータメガネを介して歯科医に視覚化し、必要に応じて外部表示ユニット３８を介して共有することができる。
１０ 装置
１２ 患者
１４ 使用者
１６ 物体
１８ 先端部分
２０ 基部分
２２ ハンドル要素
２４ 筐体
２６ 光学ユニット
２８ センサユニット
３０，３２ 撮像素子
３４ データ処理ユニット
３５ 画像データセット
３６ 回線
３８ 表示ユニット
４０ メモリユニット
４２ 照明ユニット
４４ 光源
４６ 光源
４８ 入射開口
５０ 出射開口
５２ 外壁
５４ フィルタ素子
５６ 体積位相ホログラム（ＶＰＨ）
５８ 回折格子
６０ ビームスプリッタキューブ
６２ 反射層
６４ 光学素子
６６ マイクロレンズアレイ
６８，７０ 信号線
７２ 導光体
７４ 結合解除素子
７６ 発光スポット
７８ 表面
８０ 吸収素子
８２ 導光体
８４ 結合解除素子
８６ 波面
８８ 軸
９０ スペックルパターン
１００ 装置
１０２ ビームスプリッタキューブ
１０４ 反射層
１０６ 結合解除素子
１０８ 光学素子
１１０ 凹面鏡
１１２ 導光体
１１４ 結合解除素子
１１６ 光学素子
１１８ 収束レンズ
１２０ 装置
１２２ 入射窓
１２６ 導光体
１２８ 結合解除素子
１３０ マイクロレンズ
１４０ 装置
１４２ 撮像素子
１５０ 通信装置
１６０ ヘッドマウント装置

Claims (25)

  1. 物体（１６）を検査するための光学装置であって、
    筺体（２４）と、
    前記筐体（２４）内に配置される入射光用の光学ユニット（２６）と、
    前記筐体（２４）内に配置される、少なくとも１つの撮像素子（３０，３２）を有するセンサユニット（２８）と、
    前記センサユニット（２８）に結合され、前記少なくとも１つの撮像素子（３０，３２）からの画像信号を評価するデータ処理ユニット（３４）と、
    前記物体（１６）の方向にラスタ光を放射するために、前記筐体（２４）上、又は、前記筐体（２４）内に少なくとも部分的に配置される照明ユニット（４２）とを備え、
    前記物体（１６）から反射されるラスタ光及び前記筐体内部の参照光によって、デジタル光ホログラフィによって、横方向情報及び深さ情報を示す３次元ドットラスタ及び基準データセットが提供され、
    前記装置（１０；１００；１２０；１４０）と前記物体（１６）との相対的な動きが、前記装置（１０；１００；１２０；１４０）を介して検出され、関連する横方向及び／又は深さ方向の移動情報が生成され、
    前記物体（１６）から発せられる物体光が検出され、それぞれの画像データセット（３５）が時間的に順次作成され、３Ｄ表面データセットを生成するための前記基準データセットに対して登録され、
    ２つ以上の連続する画像データセット（３５）の重複領域は、前記移動情報に基づいて識別され、前記重複領域は、特に詳細を失うことなく、それぞれの画像信号を統合することによって平滑化される、前記装置。
  2. 前記２つ以上の画像データセット（３５）の重複領域が、逆の動きにより計算的に重畳される、請求項１に記載の装置。
  3. 複数の３Ｄ表面データセットが、前記物体（１６）の全体的なシーンに組み立てられ、前記移動情報に基づいて、前記３Ｄ表面データセット間の境界が決定される、請求項１～２のいずれか１項に記載の装置。
  4. 前記相対的な動きを決定するために、前記物体（１６）上の前記ラスタ光によって生成されるスペックルパターン（９０）を有するドットパターンの少なくとも１つの発光スポット（７６）が時間の関数として検知され、発光スポット（７６）内の前記スペックルパターン（９０）の変位が決定され、そこから横方向の移動情報が導出される、請求項１～３のいずれか１項に記載の装置。
  5. 前記ラスタ光及び前記参照光が、複数の離散波長を有するスペクトルを含み、深さ方向の移動情報及び／又は絶対的深さ情報が、前記複数の波長の位相差から決定可能である、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。
  6. 以下の少なくとも１つが適用される、請求項１～５のいずれか１項に記載の装置：
    －前記ラスタ光が、赤外光及び／又は可視スペクトル光であるか、又は、を含むこと；
    －前記物体光が、可視スペクトル光、特に連続スペクトル範囲の光であるか、又は、を含むこと。
  7. 前記照明ユニット（４２）が、前記筐体（２４）内のラスタ光用の少なくとも１つの導光体（７２，８２，１１２）と、前記筐体（２４）上に特に端部に配置される光結合解除素子（７４，８４，１１４）とを備え、好ましくは前記結合解除素子（７４，８４，１１４）が、前記物体（１６）上の前記ドットパターンに前記ラスタ光を散開するために平面ホログラムであるか、又は、を備える、請求項１～６のいずれか１項に記載の装置。
  8. 以下の少なくとも１つが適用される、請求項１～７のいずれか１項に記載の装置：
    －前記照明ユニット（４２）が、前記筐体（２４）内に配置される、前記ラスタ光及び前記参照光を提供するための光源（４４）を備えること；
    －前記照明ユニット（４２）が、前記筐体（２４）内に配置される、前記物体光を提供するための光源（４６）を備えること。
  9. 前記照明ユニット（４２）が、前記筐体（２４）内に物体光用の少なくとも１つの導光体（７１，１１２）と、前記筐体（２４）上に特に端部に配置される光結合解除素子（７４，１１４）とを備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の装置。
  10. 前記物体光のスペクトル及び前記ラスタ光のスペクトルに感応する共通の撮像素子（１４２）を備え、特に前記センサユニット（２８）が１つの撮像素子（１４２）からなる、請求項１～９のいずれか１項に記載の装置。
  11. 前記センサユニット（２８）が、２つの撮像素子（３０，３２）を備え、光学ユニット（２６）の光学素子（６０，１０２，１１６）を介して、前記物体光が、一方の撮像素子（３０，３２）上に導出され、ラスタ光が他方の撮像素子（３０，３２）上に導出され、好ましくは撮像素子（３０，３２）がそれぞれの検出光に対してそれぞれの他の光よりも高感度である、請求項１～９のいずれか１項に記載の装置。
  12. 前記光学素子（６０，１０２，１１６）が、少なくとも１つの波長感受性ビームスプリッタ素子（６４，１０２）であるか、又は、を備え、特にビームスプリッタキューブ（６０，１０２）、又は、ビームスプリッタプレートを備える、請求項１１に記載の装置。
  13. 前記光学ユニット（２６）が、入射側に前記物体光用の屈折光学素子（１１８）を備える、請求項１～１２のいずれか１項に記載の装置。
  14. ２つの撮像素子（３０，３２）が、互いに横方向に隣り合って配置され、特に共通の平面内に配置され、少なくとも１つの入射窓（１２２）によって覆われる、請求項１～１３のいずれか１項に記載の装置。
  15. 前記装置（１０；１００；１２０；１４０）がフラットな構造であり、前記入射窓（１１２）が、装置（１０；１００）の延長がそれに直交する方向よりも実質的に大きい前記筐体（２４）の表面（７８）上に配置される、請求項１～１４のいずれか１項に記載の装置。
  16. ２つの撮像素子（３０，３２）が、互いに斜めに整列した平面に配置され、波長感受性ビームスプリッタ素子（６０，１０２）が、それぞれの撮像素子（３０，３２）の上流に物体光又はラスタ光の到来方向に配置される、請求項１～１５のいずれか１項に記載の装置。
  17. 前記光学ユニット（２６）が、物体光に感応な撮像素子（３０，３２）を備え、前記物体光の到来方向の上流に、位相変調光学素子及び／又は振幅変調光学素子（６４）、特に、マイクロレンズアレイ（６６）、位相マスク又は振幅マスクを備える、請求項１～１６のいずれか１項に記載の装置。
  18. 前記参照光が、平面的又は実質的に平面的な波面（８６）を有する前記少なくとも１つの撮像素子（３０，３２）に入射し、好ましくは前記波面（８６）が、前記少なくとも１つの撮像素子（３０，３２）の平面に対して傾斜し、特に前記傾斜が前記参照光の波長に依存する、請求項１～１７のいずれか１項に記載の装置。
  19. 前記光学ユニット（２６）が、前記少なくとも１つの撮像素子（３０，３２，１４２）の方向への前記参照光の回折のためのＶＰＨ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｐｈａｓｅ Ｈｏｌｏｇｒａｍ；体積位相ホログラム）（５６）を備え、好ましくは前記ＶＰＨ（５６）が前記装置（１０；１００；１２０；１４０）の入射側に配置され、前記物体光及び／又は前記ラスタ光に対して透過性であり、及び／又は前記ＶＰＨ（５６）が、撮像素子（３０，３２）の平面に平行に整列し、前記撮像素子（３０，３２）の直上流側に前記ラスタ光の到来方向に配置される、請求項１～１８のいずれか１項に記載の装置。
  20. 前記少なくとも１つの撮像素子（３０，３２）の平面上方に前記参照光の本質的に平面的な波面（８６）を生成するための前記照明ユニット（４２）が、以下のいずれか１つを備える、請求項１～１９のいずれか１項に記載の装置：
    －一列に並んで配置される複数のマイクロレンズ（１３０）；
    －マルチボリュームホログラム；
    －ＧＲＩＮレンズアレイ。
  21. 前記光学ユニット（２６）が、前記少なくとも１つの撮像素子（３０，３２）の方向に平面的又は実質的に平面的な波面（８６）を有する参照光を拡大するための光学素子（１０８）を備える、特に前記光学素子（１０８）が凹面鏡（１１０）である、請求項１～２０のいずれか１項に記載の装置。
  22. エッジ長をａとして、面積ａ２の正方形の断面積を有する少なくとも１つの撮像素子（３０，３２）を仮定すると、以下の少なくとも１つが適用される、請求項１～２１のいずれか１項に記載の装置：
    前記装置（１０；１００；１２０；１４０）が、１．５ａ２未満、好ましくは１．２５ａ２未満の入射断面積を有すること；
    前記装置（１０；１００；１２０；１４０）が、高さが約ａ／４以下、入射体積がａ３／２以下の１つ又は２つの撮像素子（３０，３２）を有する薄型設計を備えること。
  23. 前記装置（１０；１００；１２０；１４０）が、ハンドヘルド式及び／又はハンドガイド式のものである、請求項１～２２のいずれか１項に記載の装置。
  24. 以下の少なくとも１つが適用される、請求項１～２３のいずれか１項に記載の装置：
    －前記装置（１０；１００；１２０；１４０）が、少なくとも部分的に、前記筐体（２４）を検査中の物体に挿入可能な内視鏡装置であること；
    －前記装置（１０；１００；１２０；１４０）が、携帯通信装置（１５０）、特にスマートフォン又はタブレットコンピュータであるか、又は、を備えること；
    －前記装置（１０；１００；１２０；１４０）が、ヘッドマウント装置（１６０）であるか、又は、を備えること。
  25. 請求項１～２４のいずれか１項に記載の装置を用いて物体を検査する方法であって、ラスタ光が物体の方向に放射され、前記物体から反射されるラスタ光によって３次元ドットラスタが提供され、前記筐体内部の参照光と組み合わせて、横方向情報及び深さ情報を示す基準データセットがデジタル光ホログラフィによって提供され、
    前記装置と前記物体との相対的な動きが、前記装置を介して検出され、関連する横方向及び／又は深さ方向の移動情報が生成され、
    検査中の物体から発せられる物体光が検出され、それぞれの画像データセットが時間的に順次作成され、３Ｄ表面データセットを作成するために基準データセットに対して登録され、２つ以上の連続する画像データセットの重複領域が、移動情報に基づいて識別され、前記重複領域は、特に詳細を失うことなく、それに関連する画像信号を統合することによって平滑化される、前記方法。

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