JP3816624B2 - 三次元計測装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は被写体に対する三次元計測を行う三次元計測装置に係り、更に詳しくは医用内視鏡に応用した場合には生体内の形状を計測可能で、あるいは工業用内視鏡に応用した場合には水道管、ガス管、複雑な機械の内部の形状を計測することができるものである。
【0002】
【従来の技術】
従来は計測対象に測定光として、スポット光或いはスリット光を投影し、測定対象の凹凸によってそれらの光がどのようにずれるかをテレビカメラ等の撮像手段で検知し、そのずれ量から三次元計測を行っていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法ではテレビカメラの1フレーム或いはフィールド画像当たり1点のスポット光或いは1本のスリット光の計測しかできず、リアルタイムで計測対象全面の計測を行うことが出来なかった。
【0004】
さらに特公平ー16608号公報のごとく、点滅するライン光を走査しながら測定対象に投影し、そのずれ量を複数の受光素子で高速に検知する提案もあるが、この場合でも例えば256本のライン光の分解能を得るにはスキャンを8回行わなければならず、被写体に動きがある場合、実用的ではなかった。
【0005】
また、アレイ状の光源をそれぞれ独立の変調信号で変調し、検出系でその変調信号を弁別して、光源の位置と検出系の画素あるいはラインの位置関係から三角測量法の原理により、光切断で三次元形状の計測を行う装置はすでに特開平8−178632で開示されているが、これらの方式だと光源の数と変調信号源の数が同じでなければならない。
【0006】
(発明の目的)
本発明は、上述した点に鑑みてなされたもので、動きのある被写体の場合でも、三次元計測を精度良く行うことができる三次元計測装置を提供することを第1の目的とする。
【0007】
また、測定の分解能を容易に上げることができる三次元計測装置を提供することを第2の目的とする。
【0008】
さらに、感度を保ったまま、通常の撮像素子を用いて三次元計測を行うことができる三次元計測装置を提供することを第3の目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の三次元計測装置は、複数の光源を有し、光の強度変調の組み合わせ、又は光の波長及び光の強度変調の組み合わせによって前記複数の光源のそれぞれを、個別の周波数特性を有する光を発生するように発光駆動する発光駆動手段と、前記発光駆動手段により前記複数の光源を発光駆動して得られた複数の光を空間的にコーディングした照射光として被写体に照射する照明光照射手段と、被写体像から測定光を検知する測定光検知手段と、該測定光検知手段の出力を用いて被写体の三次元形状を計算する三次元形状計算手段と、を具備したことを特徴とする。
本発明の第2の三次元計測装置は、前記第1の三次元計測装置において、前記複数の光源は、ライン状に配置されていることを特徴とする。
本発明の第3の三次元計測装置は、前記第1または第2の三次元計測装置において、前記発光駆動手段は、前記複数の光源を強度変調するための複数の周波数の信号源と、この複数の周波数の信号源により生成された複数の周波数の各信号を組み合わせて所定の数の変調周波数の信号を前記複数の各光源に供給する周波数混合手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の第4の三次元計測装置は、前記第2または第3の三次元計測装置において、前記ライン状に配置された複数の光源の発する光を、このラインと垂直な方向に偏向する偏向手段を、更に備えたことを特徴とする。
本発明の内視鏡装置は、ライン状に配置された複数の光源を有し、光の強度変調の組み合わせ、又は光の波長及び光の強度変調の組み合わせによって前記複数の光源のそれぞれを、個別の周波数特性を有する光を発生するように発光駆動する発光駆動手段と、前記発光駆動手段により前記複数の光源を発光駆動して得られた複数の光を空間的にコーディングした照射光として被写体に照射する照明光照射手段と、前記ライン状に配置された複数の光源の発する光を、このラインと垂直な方向に偏向する偏向手段と、前記偏向手段により偏向された光を、挿入部を介してこの挿入部の先端から被写体に供給する導光手段と、被写体像から測定光を検知する測定光検知手段と、該測定光検知手段の出力を用いて被写体の三次元形状を計算する三次元形状計算手段と、を具備したことを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
(第1の実施の形態)
図1に示すように本発明の第1の実施の形態の三次元計測内視鏡装置1は、管腔内に挿通される挿入部6を備えた内視鏡2と、この内視鏡2に可視光による照明光を供給する光源装置3と、内視鏡2に計測光を供給すると共に、この計測光の被写体での反射光を受光して三次元計測を行う三次元計測装置4と、三次元計測された被写体像を表示するディスプレイ5とを有する。
【0011】
内視鏡2は管腔内に挿通される可撓性を有する挿入部6と、この挿入部6の後端に設けられた操作部7と、この操作部7の後端に設けられた接眼部8と、操作部7から延出されたユニバーサルケーブル9とを有し、このユニバーサルケーブル9の端部には光源装置3に着脱自在の第1のコネクタと、三次元計測装置4に着脱自在の第2のコネクタとが設けてある。
【0012】
光源装置3内にはランプ駆動回路13により発光駆動されるランプ14が内蔵され、このランプ14で発光された白色光は集光レンズ15で集光されて照明光伝送用ライトガイド16の光入射端に供給される。この白色光はユニバーサルケーブル9、操作部7、挿入部6を挿通された照明光伝送用ライトガイド16により伝送され、挿入部6の先端部17に固定された先端面からさらに観察照明用レンズ18を介して拡開して出射され、体腔内の患部等の被写体50側を照明する。
【0013】
硬質の先端部17には観察照明用レンズ18が取り付けられた照明窓に隣接して観察窓が設けられ、この観察窓には観察用対物レンズ19が取り付けてあり、その結像位置に照明された被写体の光学像を結ぶ。この結像位置には観察用イメージガイド21の先端面が配置され、この観察用イメージガイド21によって光学像はその後端面に伝送される。
【0014】
この後端面が位置する付近の接眼部8には前記後端面に対向して接眼レンズ22が設けてあり、この接眼レンズ22を介して観察用イメージガイド21によって伝送された光学像を肉眼で観察することができる。
【0015】
また、この内視鏡2には照明光伝送用ライトガイド16と同様に挿入部6、操作部7、ユニバーサルケーブル9内に測定光伝送用イメージガイド31及び形状測定用イメージガイド32とが挿通され、それぞれユニバーサルケーブル9の端部の光入射端と光出射端とが三次元計測装置4に接続される。2つの測定光伝送用イメージガイド31及び形状測定用イメージガイド32は例えば同じファイバを多数規則的に配列した特性等が等しいイメージガイドで形成されている。
【0016】
三次元計測装置4はレーザ光を走査するレーザ光走査手段30を有し、このレーザ光走査手段30は複数のレーザ33−i(i=1,2,…,n)を例えば水平方向に配置して形成したレーザアレイ33を有する。
【0017】
このレーザアレイ33のレーザ33−iは直流電源(DC電源)34と周波数多重変調器35で同時に発光駆動され、水平方向にライン状のレーザスポット列となる。なお、測定光となるレーザ33−jは例えば非可視光にして、肉眼で観察する場合に影響しないようにしても良い。また、測定光の強度が大きい場合には接眼レンズ22に測定光をカットするフィルタを設けると良い。
【0018】
ここで各レーザ33−iをそれぞれ異なる周波数で変調すると、レーザアレイ33のアレイ数だけの多数の発振器が必要となるので、後述するように周波数多重変調器35は変調周波数を多重化することにより、発振器の数を大幅に減らすようにしている。
【0019】
各レーザ33−iのレーザ光を音響光学偏向器(以下、AODと略記)36を通して垂直方向に走査する垂直走査を行い、レンズ37により測定光伝送用イメージガイド31の入射端にその端面に垂直に入射させるようにしている。
【0020】
つまり、レーザアレイ33からのレーザ光はレーザ33iの配列方向となる水平方向に垂直な垂直方向に偏向を行うための手段によって、測定光伝送用イメージガイド31への垂直方向の入射位置を走査する。
【0021】
偏向手段としては、ポリゴンミラー、ガルバノスキャンミラーあるいは、PdMo04、LiNb03、GaP等の音響光学偏向器(AOD)などがある。図1の具体例ではAOD36を用いている。
【0022】
この走査手段においてはレーザアレイ33の光の垂直方向の位置を規定する走査を行うAOD36とそれを駆動する信号源用となる電圧制御発振器(VCOと略記)38から垂直方向の偏向角度の情報を得ることができる。
【0023】
ここで、レンズ37をf−θレンズとすればビームの偏向角度はそのまま結像面の位置情報と線形に対応するので、VCO38の駆動DC電圧によりスポット光のイメージガイド31の入射端面における垂直方向の照射位置(入射位置)を与える。このVCO38の駆動DC電圧はA/D変換するA/D変換器39を介して後述するレーザスポットを検出するレーザスポット検出回路53に入力される。
【0024】
測定光伝送用イメージガイド31の先端面は挿入部6の先端部17に取り付けられ、この先端面に対向して測定光投光レンズ45が設けてある。
そして、この測定光伝送用イメージガイド31により伝送された光はこの測定光投光レンズ45を通して被写体に投影される。
【0025】
先端部17にはこの測定光投光レンズ45に隣接して形状測定用対物レンズ46が設けてあり、この形状測定用対物レンズ46は測定光投光レンズ45により被写体面に投影されたレーザスポットの位置をその結像位置に配置された形状測定用イメージガイド32の先端面に結像させるものである。
【0026】
そして、この形状測定用イメージガイド32によりその後端面の光出射端に伝送される。この光出射端に対向して結像レンズ47が配置され、この結像レンズ47によってその結像位置に配置されたテープ状ファイバ束アレイ48に結像される。
【0027】
テープ状ファイバ束アレイ48はテープ状ファイバ束48(1)〜48(n)で形成され、光入射端となる一方の端部ではこれらのテープ状ファイバ束48(1)〜48(n)は積層に配置した構造で、図2のように例えば正方形状の端面となっている。
【0028】
また、光出射端となる他端側は図1に概略で示すように縦列がそれぞれ例えば丸く束ねられて分離され、各端面に対向して配置された光電変換素子49(i)(i=1,2,…,n)により、各端面から出射される光を検出する。
【0029】
つまり、テープ状のファイバ束48(i)の入射端は例えば図2に示すように配列され、各縦方向の1列で検出された光を他端側に対向して配置した例えば同一の点検出型の光電変換素子49(i)で検出するようになっている。
【0030】
本実施の形態ではレーザアレイ33により測定光投光レンズ45を介してライン状に投影されるレーザスポット列が例えば水平方向であると、そのレーザスポット列を形状測定用イメージガイド32における前記水平方向と直交する垂直方向のファイバ位置で検出するようにしている。
【0031】
このため、形状測定用イメージガイド32の光入射端面と光出射端面とでのファイバの配列が同じであるとすると、光出射端面で垂直方向に各テープ状にファイバを配列させ、水平方向に積層したテープ状ファイバ束アレイ48で検出するようにしている。
【0032】
光電変換素子49(i)の出力はそれぞれフィルタバンク51(i)を通して多重化した周波数成分を検出した後、コーディング検出手段52に入力される。このコーディング検出手段52で周波数コーディングが検出された後、レーザスポット位置検知回路53に入力される。
【0033】
このレーザスポット位置検知回路53にはVCO38の駆動DC電圧がA/D変換器39を介して入力される。そして、その駆動DC電圧が垂直方向のどの走査位置に対応するかの情報を参照してレーザスポット検知回路53はレーザスポット位置を検出する。
【0034】
このレーザスポット検知回路53の出力は高さ情報計算回路54に入力され、高さが算出される。この高さ計算回路54の出力はフレームメモリ55に一時記憶される。このフレームメモリ55には接眼部8にテレビカメラ56が装着された場合には観察画像処理装置57を介して観察画像信号がフレームメモリ55に入力される。そして、ビデオ信号生成回路58を経てビデオ信号が生成され、ディスプレイ5には観察画像と共に、三次元形状が左右に隣接する等して表示される。
【0035】
本実施の形態における周波数多重変調器35は例えば図3に示すようにレーザアレイ33に接続している。ここでは簡単のためにレーザアレイ33を構成するレーザ素子(単にレーザという)の数を2の4乗−1(=15)個とし、33ー1〜33ー15で示す。この場合には、周波数多重変調器35は4個の変調器61ー1,61ー2,61ー3,61ー4を有し、変調周波数はそれぞれf1,f2,f3,f4である。
【0036】
これらは図3に示すとおりに15個の積算器62ー1〜62ー15と接続しており、その混合信号は15個のBias−Tに接続する等してDC電源34のDC信号が重畳されて各レーザ33−j(j=1,2,…,15)を発光駆動する。
【0037】
図3に示した例では例えば1番目のレーザ33ー1は4個の周波数の全てで変調され、5番目のレーザ33ー5はf1,f3,f4で変調していることになる。このようにレーザアレイ33のレーザ33−jの位置と変調周波数の種類の対応づけをすると図4の様になる。
【0038】
レーザ33−jをそれぞれ異なる周波数で変調すると、レーザアレイ33のアレイ数だけの発振器が必要になるので、本実施の形態では多重化して変調周波数の組み合わせによる周波数コーディングを行うことにより、発振器の数を大幅に減らすようにしている。
【0039】
ここで、水平方向にレーザアレイ33が配置されているとして、図4では簡単化のため、一部のレーザのみに符号を付けている。、レーザにある周波数の変調器が接続していればそれをONで表しバイナリコードでは「1」とする。
【0040】
このような規則によれば1番目のレーザ33ー1は{1,1,1,1}であり、5番目のレーザ33ー5は{1,0,1,1}となる。このようにしてレーザアレイ33の水平方向の位置を規定するこの方式を以下では変調周波数コーディングを呼ぶことにする。
【0041】
また、光電変換素子49(i)の出力信号が入力されるフィルタバンク51(i)の構成及び変調周波数コーディング検出手段52の構成を図5に示す。
【0042】
フィルタバンク51(i)は前述の変調周波数,f1,f2,…,に対応する4種類の狭帯域のバンドパスフィルタ65ー1、65ー2、65ー3、65ー4により構成される。
【0043】
コーディング検出手段52はそれぞれの変調周波数成分の有無を検出するため、各バンドパスフィルタ65−k(k=1,…,4)の出力を比較器66−kで基準レベルと比較し、バイナリレベルすなわち1,0のコードとして表して出力する。なお、ここでは2進法のバイナリコーディングを用いたが、この他の例えばグレーコード8者2択等のコードを用いても良い。
【0044】
レーザスポット検出回路53ではこのバイナリコードが判れば、ある光電変換素子49(i)に入射した光がライン光のどの位置から照射されたかがわかるようにしてある。このバイナリコードに対応する投光光学系の位置情報と、バイナリコードの光が入射した光電変換素子49(i)の位置情報を高さ情報計算回路54に入力し、後述する方式に従って物体表面の高さ情報を計算する。その結果を各画素位置と高さ情報を対応づけてフレームメモリ55に記録する。
【0045】
また、三次元の形状計測と同時に、物体表面の観察像を得る。そのために前述のようにランプ14の光(白色光)をファイバ12で伝送し物体表面に照射する。このときランプ14の光は無変調なので、上述の三次元形状検出系にたいして影響を及ぼさない。
【0046】
観察像はイメージガイド21を通して接眼レンズ22及びTVカメラ56を介して観察画像処理装置57に導かれる。このようにして得られた観察像とフレームメモリ55の内容を対応づけておく。ディスプレイ5では三次元の形状情報と観察像の情報を表示する。
【0047】
本実施の形態における測定原理は、通常の光切断法の逆の発想によるものと考えると理解しやすい。すなわち、物体表面に照射された光はスポット位置に対応した元の像面での点が分かっていて、撮像系は縦1ライン毎に単一の撮像素子で撮像しているので水平方向にのみ分解能を持つものである。図6を参照してその原理を説明する。
【0048】
投光系のファイバの仮想的な像面および、撮像系のファイバの仮想的な結像面は平行で水平方向をEx,垂直方向をEyとし、投光系および撮像系のレンズが同一の光軸の向きEzをもっているとする。
【0049】
幾何学的な原点を投光用レンズの光学中心F(0,0,0)とする。いま、投光系はj番目のラインを投光しておりそのなかで左から3番目の点で前述の変調周波数コーディングの方式を用いて4種類の多重周波数変調によって(1,1,0,1)に周波数コーディングされたポイントQ(X3,Yj ,Zo)を出射した光が物体面Iで当たったスポットP(Xp ,Yp ,Zp )が観察系でi番目のファイバ列に入射した状況を考える。投光したビームはQとFを結ぶ直線QF上にあるのでその点の満たす条件は
x/X3 =y/Yj =z/Zo (n.1)
ここで、X3 は変調周波数コーディングの値から知ることができる。Yj の値は投光しているライン光を垂直方向に走査する手段より得られる。例えば音響光学偏向器であればそれを駆動するVCOの電圧から得られ、ポリゴンミラーであればエンコーダによって得られ、ガルバノスキャナであればその駆動信号の位相から得られる。
【0050】
Zoは投光系の光学中心Fと投光系の像面の仮想的な距離によって規定されている。ここではZoは固定と考えて良い。次に、i番目のファイバ列に結像する光線はそのファイバ列と観察用のレンズの光学中心M(Xm ,Ym ,Zm )を含む面Sに含まれる。ここで光軸の向きと面Sのなす角をφとする。面Sの方程式は
Xm −x=(Zm −z) tanφ (n.2)
となる。ここで角度φは撮像レンズと撮像面の仮想的な距離と、撮像レンズの主軸の通るファイバ列hとiのずれより算出することができる。P(Xp ,Yp ,Zp )は直線QF上にありかつ面Sに含まれるため、二つの条件を満たすことから
Xp /X3 =Yp /Yj =Zp /Zo (n.3)
Xm−Xp =(Zm−Zp ) tanφ (n.4)
となる。これを解くと
Xm−(Zp /Zo)X3 =(Zm−Zp ) tanφ (n.5)
Zp (tanφ−X3 /Zo)=Zm tanφ−Xm (n.6)
Zp =(Zm tanφ−Xm )/( tanφ−X3 /Zo) (n.7)
Xp =(Zp /Zo)X3 =(Zm tanφ−Xm / Zotanφ−X3 )X3 =(Zm tanφ−Xm )/((Zo/X3 ) tanφ−1) (n.8)
Yp =(Zp /Zo)Yj =(Zm tanφ−Xm )/(Zo tanφ−X3)Yj(n.9)
となり点Pの座標を求めることができた。
【0051】
すなわち、i番目のファイバ列の光を検出する受光素子に入射した光の強度変調の変調周波数コーディングを前述のフィルタバンクを用いて分析し、その変調周波数コーディングが(1,1,0,1)であれば、投光光学系で左から3番目のファイバより出射したスポット光に対応する物体表面の三次元情報は(n7,n8,n9)で与えられる。
【0052】
ここで、計測光は図6のx軸方向にライン状にならんでそれぞれ異なる周波数コーディングをしている光を同時に物体表面に照射している。x軸方向にのみ分解能をもつ三次元形状測定系は各ファイバ列に入射した光の強度変調の周波数コーディングを検知することにより、上述と同様の方法でライン光が照射されている位置の三次元形状を計測することができる。
【0053】
本実施の形態は以下の効果を有する。
【0054】
本実施の形態によれば、一次元的に配列されたライン状のレーザアレイ33により、水平方向等にライン状の測定光を同時に発光し、それらの光をアレイの方向と垂直な方向に走査しているので、計測対象となる二次元的な領域としての被写体に対しても高速度で走査でき、かつ前記アレイ方向と垂直な方向を各光検出素子で検出することにより、位置検出できるようにしているので、位置検出系を簡単な構成にでき、かつ高速で被写体に対する三次元計測ができる。従って、動きがある被写体の場合に対しても高い精度で三次元計測ができ、精度良く被写体の三次元形状を表示できる。
【0055】
また、本実施の形態によれば、m個の変調器をもって最大2のm乗個の変調周波数コーディングを行うことができ、また検出系においてはm個のバンドパスフィルタで2のm乗個の変調周波数コーディングを復調することができる。
【0056】
従って、前出の従来例におけるアレイ状光源の変調手段およびビームスポットの検出手段において装置構成を簡略化することができ、またライン状の光を同時に投光し並列に検出する特徴と利点を保持している。
【0057】
即ち、本実施の形態はアレイ状に配列した光源(SemiconductorLaser,Luminescence Diode,Super Luminescence Diode)の各々を複数の交流信号源の組み合わせの変調信号によって独立に変調する変調手段を有し、このライン光を物体表面にライン光に対して垂直方向に走査しながら照射する測定投光光学系を有し、物体面に投影されたビームのスポット位置を画像の1ラインに対して受光素子が1個対応するようにファイバで連結するような検出系を有し、交流信号の組み合わせ(変調周波数コーティング)がアレイ状の光源の位置を規定し、前述のライン毎の検出系は前述の交流信号源の周波数に対応するフィルタバンクを備え、フィルタバンクの各々のバンドパスフィルタの出力信号から前述の変調周波数コーディングを検出し投光光学系のビームの位置と検出系のラインの位置と対応付け、ライン状の光を同時に投光し並列に検出する特徴とし、三角測量の原理に基づく物体の高さ情報の計測を行うことを特徴とする。
【0058】
また、測定光の物体表面への投光と、物体面のスポット位置の検出を、ファイババンドルのイメージガイドを用いて上述の方式で物体の高さ情報を計測することを特徴としている。
【0059】
(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態を図7を参照して説明する。図7に示す第2の実施の形態の三次元計測内視鏡装置111は内視鏡112と、この内視鏡112に通常観察の照明光を供給すると共に、計測用照明光を供給する光源ユニット113と、内視鏡112に装着され、三次元計測の撮像を行う測定ヘッド114と、この計測ヘッド114の出力に対する信号処理を行う三次元計測ユニット115と、この三次元計測ユニット115の映像信号を表示するディスプレイ116とからなる。
【0060】
内視鏡112は細長の挿入部117とその後端の操作部118と、この操作部118の後端に設けられた接眼部119と、操作部118から延出されたライトガイドケーブル120とを有し、このライトガイドケーブル120の端部を光源ユニット113に着脱自在で接続することができる。
【0061】
内視鏡112の挿入部117内には照明光伝送用のライトガイド121が挿通され、このライトガイド121の後端の入射端はライトガイドケーブル120の端部に至る。この入射端には光源ユニット113内のランプ駆動回路122のランプ駆動信号により発光するランプ123の白色光が集光レンズ124を介して入射される。
【0062】
この白色光はライトガイド121で伝送され、挿入部117の先端部125に取り付けられた先端面からさらに照明レンズ126を介して前方に照射され、被写体側を照明する。
【0063】
また、この内視鏡112にはライトガイド121と同様に挿入部117からライトガイドケーブル120にわたり、測定光伝送用のイメージガイド127が挿通され、その端部となる入射端には測定光が入射される。
【0064】
つまり、光源ユニット113内には複数(具体例では5個)のランプ131−1,131−2,…,131ー5が設けられ、各ランプ131ーk(k=1,2,…,5)の前方の光路上にはコード板132ーkが配置され、各ランプ131ーkの光をコーディングする。
【0065】
コード板132−kの具体例を図8(A)〜(E)に示す。コード板132−1は黒部分で示す遮光部と白部分で示す透過部とが横等の所定方向に2等分した形状であり、コード板132−2はコード板132−1の各遮光部と透過部とを前記所定方向にさらに遮光部と透過部とに2等分した形状であり、コード板132−3はコード板132−2の各遮光部と透過部とを前記所定方向にさらに遮光部と透過部とに2等分した形状であり、コード板132−4はコード板132−3の各遮光部と透過部とを前記所定方向にさらに遮光部と透過部とに2等分した形状であり、コード板132−5はコード板132−4の各遮光部と透過部とを前記所定方向にさらに遮光部と透過部とに2等分した形状にしている。
【0066】
図示では5ビットまでのライン状パターンにして、それぞれランプ131−kの光を2値化コーディングしている。
【0067】
各コード板132−kの前方の光路上にはそれぞれ45°の角度でダイクロイックミラー133−kが配置され、各コード板132−kを経た光を反射し、この反射方向に対向する結像レンズ134等によりイメージガイド127の入射端面に入射させる。
【0068】
この場合、結像レンズ134の光軸上にダイクロイックミラー133−1〜133ー5が一定間隔等で重なるように配置されている。なお、各コード板132−kは結像レンズ134から等しい距離に設定されている。
これらのダイクロイックミラー133−1〜133ー5の反射特性を図8(F)〜(J)に示す。
【0069】
各ダイクロイックミラー133−kは狭帯域の特定の波長λkの光を強く反射し、他の波長の光を透過する。
【0070】
図8(F)〜(J)の例では測定光は狭帯域で可視光域より長波長(非可視光)の光、具体的には赤外、或いは近赤外の光となる。
なお、測定光の波長が可視光域内でも、狭帯域ならば良い場合がある(この場合には通常観察光側で、その測定光の波長が欠落するようにするダイクロイックミラー142の特性をそのように設定する)。
【0071】
従って、具体的には、コード板132ーkのコード(遮光部と透過部)の像が波長λkの光でそれぞれイメージガイド127の入射端面に結ぶことになる。つまり、5個のコード板132−1〜132ー5のコード模様が重畳或いは多重化されてイメージガイド127の入射端面に結ばれる。
【0072】
このイメージガイド127の入射端面の像はそれぞれイメージガイド127を形成するファイバで先端面に伝送される。このイメージガイド127の先端面は、先端部125に固定され、この先端面に対向して配置された測定光投影用レンズ135により、被写体側に投影される。
【0073】
この先端部125には対物レンズ137が設けてあり、被写体で反射された光により、結像位置に被写体像を結ぶ。この結像位置には被写体像伝送用のイメージガイド138の先端面が配置され、先端面の像を後端面に伝送する。
【0074】
この後端面に対向して接眼部119には接眼レンズ139が設けてあり、この接眼レンズ139を介して白色光のもとで照明された被写体を肉眼で拡大して観察することができる。
【0075】
この接眼部119に着脱自在の測定ヘッド114には接眼レンズ139に対向してヘッドレンズ141が設けてあり、このヘッドレンズ141の光軸上で後方に配置したダイクロイックミラー142及びこのダイクロイックミラー142の反射光軸上の通常観察用結像レンズ143を介して通常観察用撮像素子144でダイクロイックミラー142で反射された像を撮像する。
【0076】
また、ヘッドレンズ141の光軸上で、ダイクロイックミラー142の後方位置には5個のダイクロイックミラー145ー1〜145ー5が順次配置され、各ダイクロイックミラー145ーkの反射光軸上にはそれぞれ撮像素子146ーkが配置されている。
【0077】
これらダイクロイックミラー145ー1〜145ー5の反射特性を図8(K)〜(O)に示す。つまり、ダイクロイックミラー145ー1〜145ー5の反射特性は、ダイクロイックミラー133−1〜133ー5の反射特性と同じである。
【0078】
また、ダイクロイックミラー145ー5の後方位置にはヘッド接眼レンズ147が設けてあり、通常観察光での照明の下での被写体像を観察者は肉眼で観察することができるようにしている。
【0079】
なお、ダイクロイックミラー142の反射特性を図8(P)に示す。このダイクロイックミラー142は可視光域を選択的に反射する。ヘッド接眼レンズ147を介して肉眼でも観察可能にしているので、ダイクロイックミラー145ーk等の100パーセントに近い反射率に比べて反射率の値を下げて、一部を透過するように設定している。
【0080】
なお、ダイクロイックミラー145ー5の後方位置にダイクロイックミラー142を配置し、その反射光軸上に通常観察用結像レンズ143、通常観察用撮像素子144を配置した場合には特定の波長の光を選択的に反射する特性を有するダイクロイックミラーでなく、波長依存性を有しない反射特性を有するハーフミラーを用いることができる。
【0081】
通常観察用撮像素子144で光電変換された撮像信号は通常観察用映像回路151に入力され、映像信号に変換され、三次元表示回路152を経てモニタ116に表示される。
【0082】
また、各撮像素子146ーkで光電変換された(各波長λkで撮像された)撮像信号は映像回路153ーkにそれぞれ入力され、映像信号に変換された後、それぞれ比較器154ーkに入力され、各波長λk成分の有無が検出され、その有無に対応したビットデータを出力する。
【0083】
そして、比較器154ーkを通した出力信号はビットデータ合成回路155に入力され、被写体各部に対してビットデータの合成が行われる。このビットデータは距離算出回路156に入力され、各部の距離が算出され、三次元形状メモリ157に格納される。
【0084】
この三次元形状メモリ157に格納された距離データは三次元表示回路152に入力され、三次元形状の画像が生成され、モニタ116に表示される。また、内視鏡112には内視鏡特性記憶手段161が設けてあり、この内視鏡特性記憶手段161の記憶内容は測定ヘッド114内の信号線を介して三次元計算ユニット115の三次元表示回路152に入力され、使用される内視鏡112の光学系の特性を補正する。
【0085】
本実施の形態では被写体にたいし、図8(A)ないし(E)に示すように透過部及び遮光部により2値化にコード化されたライン状の測定光を内視鏡112を介して照射し、照射された被写体像をそれぞれ撮像素子146ーkで撮像し、該撮像素子146ーkの出力をそれぞれ比較器154−kで2値化することにより、各波長λk成分の有無が検出され、その有無に対応したビットデータを出力し、ビットデータ合成回路155により画像全域に対してそれぞれの波長成分毎に合成することにより、各波長λkのライン光で被写体に投影された投影像(ライン状にコード化された像)が生成(復調)される。
【0086】
復調された各波長λkの画像は、コード化された測定光の投影光学系(例えば投影用レンズ135など)と結像光学系(対物レンズ137等)の視差、それらの光学系の焦点距離などの光学特性を用いることにより、距離算出回路156で被写体各部の三次元位置を算出する。
【0087】
そして、三次元位置データは三次元形状メモリ157に格納され、三次元表示回路158によって三次元位置データを用いて通常画像観察用映像回路151からの通常画像の映像信号と合成されて三次元形状の映像信号に変換され、ディスプレイ116に被写体像が三次元形状で表示される。
【0088】
本実施の形態によれば、測定光を走査する手段を必要としないで、二次元的な広がりを持ち、2値化された測定光のライン状パターンを複数の波長λkで多重化して同時に投影しているので、その撮像された像を復調することにより、被写体全域に対して各波長λkのライン状パターンの像を得ることができるので、被写体が動きがある場合でも1フィールド或いは1フレームの期間の測定光の投影及び撮像により精度の高い三次元計測ができる。
【0089】
また、本実施の形態によれば、コード化されたライン状パターンのラインのピッチを細かくすれば、容易に三次元計測の分解能を向上できる(但し、内視鏡112のイメージガイド127及び138等はその分解能以上であるとする)。
【0090】
また、本実施の形態によれば、共通のイメージガイド138により伝送した像を像分割手段により分割して三次元計測を行うと共に、通常画像(白色光の照明の下での可視光域の観察画像)を得るようにしているので、両画像各部を1対1に対比した画像データを得ることができるので、両画像データから三次元的に表示する画像を生成する処理が容易になると共に、両データの対比等も容易となる。
また、本実施の形態では通常の撮像素子を用いて、三次元計測を行うことができる。
【0091】
(第3の実施の形態)
図9は第3の実施の形態の三次元計測内視鏡装置201を示す。この装置201は内視鏡112と、この内視鏡112に通常観察の照明光を供給すると共に、計測用照明光を供給する光源部203Aと信号処理を行う三次元計測部203Bとを一体化した三次元計測ユニット203と、内視鏡112に装着され、三次元計測の撮像を行う測定ヘッド204と、三次元計測ユニット205の映像信号を表示するディスプレイ206とからなる。
【0092】
この内視鏡112は図7と同じ構成である。また、光源部203Aは図7の光源ユニット113において、ランプ131ーkの代わりに発光素子211ーk及びその前方の光軸上に配置したコンデンサレンズ212ーkを用いており、各発光素子211ーkの光をコンデンサレンズ212ーkを介してその前方のコード板132ーkに照射するようにしている。
【0093】
コード板132−kは図10(A)〜(E)に示すように図7で採用したコード板132ーkと同様にコード化された板である。
【0094】
また、各発光素子211−kはそれぞれ発振周波数が異なる発振器(図9ではOSCと略記)214ーkの発振出力を発光素子駆動回路215で増幅して発光駆動される。
【0095】
従って、各発光素子211−kの発光出力の周波数特性は図10(F)〜(J)のようにそれぞれ異なる周波数fk成分のみを持つ。
【0096】
また、コード板132ーkを通した光はそれぞれミラー216−kで一部が反射された後、結像レンズ134を介してイメージガイド127の入射端面に入射される。
【0097】
この場合、発光素子211−kの発光波長をそれぞれ(少しづつ等で)異なる波長に設定し、ミラー216−kとして各発光素子211−kの発光波長を選択的に反射し、他の波長を透過するダイクロイックミラーにすると、各発光素子211−kの光をより有効に被写体側に照射することができる。
【0098】
本実施の形態の測定ヘッド204は接眼レンズ139に対向するヘッドレンズ221の光軸上にハーフミラー或いはダイクロイックミラー222が配置され、この反射光軸上の結像位置に通常観察用撮像素子223が配置されている。
【0099】
このハーフミラー(或いはより有効に測定光及び観察光を分離するダイクロイックミラー)222の透過光側の光軸上には補助レンズ224及びプリズム225が配置され、このプリズム225で反射された結像位置に測定位置検知用ファイバアレイ226の一方の端面が支持部材227の上面の水平方向に取り付けられている。この測定位置検知用ファイバアレイ226は例えばm本のファイバを少なくとも入射端となる一方の端面を揃えてテープ状に配置したものを接着剤等で支持部材227に取り付けている。
【0100】
この支持部材227の下端はファイバ振動手段228に取り付けられ、このファイバ振動手段228は振動信号発生回路229の振動信号により、前記水平方向と直交する垂直方向に振動し、矢印で示すように測定位置検知用ファイバアレイ226を垂直方向に走査する。
【0101】
測定位置検知用ファイバアレイ226の他端は各ファイバに対向して光検知素子231ーp(p=1,2,…,m)が配置され、各ファイバで伝送された光を受光して光電変換する。
【0102】
各光検知素子231ーpの出力は増幅器232でそれぞれ増幅された後、三次元計測部203を形成するFFT手段233ーkに入力され、高速に周波数分析処理を行う。
【0103】
これらFFT手段233ー1〜233ーmの出力は5個のパターンメモリ234ーkにそれぞれ入力され、周波数分析されたパターンデータが記憶される。
【0104】
パターンメモリ234ーkのデータは距離計算回路235に入力され、被写体像の各部に対する距離計算が行われる。
【0105】
この距離計算回路235の出力は三次元形状メモリ236に一時格納され、三次元表示回路237を経てディスプレイ206に三次元形状を表示する。その他の構成は図7と同様である。
【0106】
第2の実施の形態では測定光の検知手段として撮像素子153−1〜153−5を用いたが、本実施の形態では1つの方向に多数配列したファイバからなるファイバアレイ226とこのファイバアレイ226の各ファイバで検知された光を検知する光検知素子231ーpを用いると共に、ファイバアレイ226の入射端をファイバの配列方向と直交する方向に走査させる手段を用いている。
【0107】
本実施の形態では、撮像期間(電荷蓄積期間)を必要としないで高速な応答が可能な光検知素子231ーpを用いているので、図7で撮像素子153−1〜153−5を用いた場合のように各波長λkの成分に分けるこのなく、これらが多重化されたままで、光電変換し、その出力信号に対して周波数分離手段で分離することが可能になる。
【0108】
このため、測定光の検知手段の構成が簡単になる。また、本実施の形態では復調手段としての周波数分離手段として、FFT手段を用いているが、発振器214−1〜5の周波数を用いてバンドパスフィルタ又はAM復調等に用いるヘテロダイン検波等で構成しても良い。
その他は第2の実施の形態とほぼ同様の作用及び効果を有する。
【0109】
(第4の実施の形態)
図11は本発明の第4の実施の形態の三次元計測内視鏡装置301を示す。この装置301は内視鏡302と、この内視鏡302に通常観察の照明光を供給すると共に、計測用照明光を供給する光源部303Aと信号処理を行う三次元計測部303Bとを一体化した三次元計測ユニット303と、三次元計測ユニット303の映像信号を表示するディスプレイ306とからなる。
【0110】
この装置301は通常観察の照明と測定光とを時分割で行うものである。このため、この内視鏡302は図9の内視鏡112において、照明光を伝送するライトガイド120と測定光伝送用イメージガイド127との代わりに、両機能を兼ねる、つまり測定光と照明光の伝送も行うことができる測定光・照明光伝送用のイメージガイド307にし、その先端面から(照明レンズ126及び測定光投影用レンズ135の両機能を兼ねる)測定光・照明光投影用レンズ308を介して被写体側に投影するようにしている。
【0111】
また、図9のイメージガイド138の後端を接眼レンズ139に配置しないで、ユニバサルケーブル120側に挿通し、その端部をコネクタ309に配置している。このため、接眼部119も有しない。
【0112】
また、内視鏡特性記憶手段161に接続された信号線もユニバーサルケーブル120側に挿通され、その端部はコネクタ309の接点に接続され、このコネクタ309を三次元計測ユニット303に接続することにより、三次元計測ユニット303の距離算出回路に接続される。
【0113】
また、光源部303Aは図9の光源部203Aにおいて、結像レンズ134とイメージガイド307の入射端との間の光路上にモータ311で回転される測定光・照明光切換用の第1の円板312を配置している。この第1の円板312は円板の円周方向を2等分してその一方を透明部313、他方を反射部314にしている。
【0114】
また、反射部314が光路上に配置された状態の時に、ランプ123の照明光が集光レンズ124を経て集光され、反射部314で反射されてイメージガイド307の入射端に入射されるようにしている。
【0115】
さらに、イメージガイド138の端部に対向して、ミラー315が配置され、このミラー315で反射された光路上に例えば2つの結像レンズ316、317を介して図9と同様にプリズム225側に測定光を導光している。
【0116】
これら2つの結像レンズ316と317の間の光路上にも通常観察光・測定光切換用の円板318が配置され、モータ319で回転するようにしている。このこの第2の円板318は円板の円周方向を2等分してその一方を透明部321、他方を反射部322にしている。
【0117】
また、反射部322が光路上に配置された状態の時に、イメージガイド138の端面から出射され、結像レンズ316を介して、反射部322で反射されて結像される位置に通常観察用撮像素子223を配置している。
【0118】
さらにモータ311と319はモータ同期化制御回路323により、同期して回転するように制御している。つまり、第1の円板312の透明部313が光路上にある時には第2の円板318も透明部321が光路上に存在し、第1の円板312の反射部314が光路上にある時には第2の円板318も反射部322が光路上に存在するように制御している。
その他の構成は図9と同様の構成である。
【0119】
本実施の形態では通常観察光の照明での撮像と、測定光の照射での測定光検知とを時分割で行うので、一方の光が他方に全く影響しないようにできる。このため、測定光として任意の波長の光を使用することができる。例えば、可視領域の波長における3原色と同じ波長の光を用いても良い。
その他は図9の第3の実施の形態とほぼ同様の作用及び効果を有する。
【0120】
(第5の実施の形態)
図12は本発明の第5の実施の形態の三次元計測装置401を示す。この装置401は内視鏡を用いることなく、測定光を被写体側に投影し、かつ被写体側で反射された測定光を受光して三次元計測を行うものである。
【0121】
具体的には、図9の三次元計測ユニット203と測定ヘッド204とを一体化したものにすると共に、通常観察の光源部を除去し(つまり、図9のランプ駆動回路122、ランプ123及び照明レンズ124を除去)し、結像レンズ134の代わりに測定光投影レンズ434を用い、内視鏡112を用いることなく、被写体403に測定光を投影する。
【0122】
また、測定光が投影された被写体403からの反射光を対物レンズ404、ミラー405を介して図9のダイクロイックミラー222側に結像するようにしている。その他は図9と同様である。
【0123】
本実施の形態は図9において、内視鏡112を用いることなく、測定光を投影し、かつ被写体で反射された測定光を検知することにより、被写体の三次元計測を行い、その三次元形状を表示する。
【0124】
本実施の形態は、内視鏡112のイメージガイド127、138の分解能に左右されることなく、より容易に分解能を向上できる利点がある。
【0125】
また、内視鏡112の場合にくらべ、投影レンズ434と対物レンズ404とを大きな視差等がある状態に設定することができる場合があるので、近接した点の分離機能がより大きくでき、精度良く計測ができる。或いはその他は図9とほぼ同様の作用及び効果を有する。
【0126】
(第6の実施の形態)
図13は本発明の第6の実施の形態の三次元計測装置501を示す。この装置501も図12の装置401と同様に内視鏡を用いることなく、測定光を被写体側に投影し、かつ被写体側で反射された測定光を受光して三次元計測を行うものである。
【0127】
具体的には、図7で光源ユニット113と測定ヘッド114とを一体化したものにおいて、通常観察の光源部を除去し(つまり、図7のランプ駆動回路122、ランプ123及び照明レンズ124を除去)し、結像レンズ134の代わりに測定光投影レンズ502を用いて内視鏡112を用いることなく、被写体403に測定光を投影する。
【0128】
また、測定光が投影された被写体からの反射光を対物レンズ504を介して図7のダイクロイックミラー142側に結像するようにしている。
【0129】
なお、この場合にはダイクロイックミラー142としては、(肉眼観察する部分を設けていないので)可視光領域の光をほぼ100パーセント反射する特性のものを使用できる。その他は図7と同様である。
【0130】
本実施の形態も、内視鏡112のイメージガイド127、138の分解能に左右されることなく、より容易に分解能を向上できる利点がある。また、より大きな視差がある状態に設定できるので、測定精度を向上できる。その他は図7とほぼ同様の作用及び効果を有する。
【0131】
なお、上述の各実施の形態等を部分的等で組み合わせて構成される実施の形態等も本発明に属する。例えば、図1の第1の実施の形態では周波数で多重化変調しているが、レーザとして異なる波長のものをさらに組み合わせる等しても良い。図7の波長が異なる光を用いた2値化コーディングと図9の発振周波数とを用いた2値化コーディングとを組み合わせても良い。
【0132】
[付記]
1.光の波長及び光の強度変調の少なくとも一方を用いてNビットにバイナリ空間に変調された線状の測定光を被写体に照射する測定光照射手段と、
被写体像を撮像する撮像手段と、
該撮像手段の出力から前記Nビットにバイナリ空間に変調された線状の測定光を復調する復調手段と、
前記復調手段の出力から被写体上の線状の測定光の変形を検知する測定光変形検知手段と、
該測定光変形検知手段の出力と、前記測定光照射手段及び撮像手段との視差及び光学特性とから被写体の三次元形状を計算する三次元形状計算手段と、
を具備した三次元計測装置。
【0133】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、被写体像から測定光を検知することによって空間コーディングされて測定光が照射された部分に対する三次元位置情報を一度に検出すること等ができ、動きのある被写体の場合でも三次元計測を精度良く行うことができる。
【0134】
一度にライン状等の測定光を照射する等することにより、被写体のライン状の各部に対する三次元位置情報を検出でき、動きのある被写体の場合でも三次元計測を精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の三次元計測内視鏡装置の全体構成図。
【図2】テープ状ファイバ束アレイの入射側の端面を示す図。
【図3】周波数多重変調器の構成図。
【図4】周波数多重変調器による周波数多重の説明図。
【図5】コーディング検出手段等の構成を示す図。
【図6】三次元計測の原理説明図。
【図7】本発明の第2の実施の形態の三次元計測内視鏡装置の全体構成図。
【図8】コード板の構造、ダイクロイックミラーの反射特性等を示す図。
【図9】本発明の第3の実施の形態の三次元計測内視鏡装置の全体構成図。
【図10】コード板の構造、発光素子の発光出力の周波数特性を示す図。
【図11】本発明の第4の実施の形態の三次元計測内視鏡装置の全体構成図。
【図12】本発明の第5の実施の形態の三次元計測内視鏡装置の全体構成図。
【図13】本発明の第6の実施の形態の三次元計測内視鏡装置の全体構成図。
【符号の説明】
1…三次元計測内視鏡装置
2…内視鏡
3…光源装置
4…三次元計測装置
5…ディスプレイ
6…挿入部
14…ランプ
16…照明光伝送用ライトガイド
17…先端部
18…観察照明用レンズ
19…観察用対物レンズ
21…観察用イメージガイド
30…レーザ光走査手段
31…測定光伝送用イメージガイド
32…形状測定用イメージガイド
33−1,…,33−n…レーザ
33…レーザアレイ
34…DC電源
35…周波数多重変調器
36…AOD
38…VCO
45…測定光投光レンズ
46…形状測定用対物レンズ
47…結像レンズ
48…テープ状ファイバ束アレイ
48(1),…,48(n)…テープ状ファイバ束
49(1),…,49(n)…光電変換素子
51(1),…,51(n)…フィルタバンク
52…コーディング検出手段
53…レーザスポット検知回路
54…高さ情報計算回路
55…フレームメモリ
56…テレビカメラ
57…観察画像処理装置
58…ビデオ信号合成回路
Claims (5)
- 複数の光源を有し、光の強度変調の組み合わせ、又は光の波長及び光の強度変調の組み合わせによって前記複数の光源のそれぞれを、個別の周波数特性を有する光を発生するように発光駆動する発光駆動手段と、
前記発光駆動手段により前記複数の光源を発光駆動して得られた複数の光を空間的にコーディングした照射光として被写体に照射する照明光照射手段と、
被写体像から測定光を検知する測定光検知手段と、
該測定光検知手段の出力を用いて被写体の三次元形状を計算する三次元形状計算手段と、
を具備したことを特徴とする三次元計測装置。 - 前記複数の光源は、ライン状に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の三次元計測装置。
- 前記発光駆動手段は、
前記複数の光源を強度変調するための複数の周波数の信号源と、
この複数の周波数の信号源により生成された複数の周波数の各信号を組み合わせて所定の数の変調周波数の信号を前記複数の各光源に供給する周波数混合手段と、
を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の三次元計測装置。 - 前記ライン状に配置された複数の光源の発する光を、このラインと垂直な方向に偏向する偏向手段を、更に備えたことを特徴とする請求項2又は3に記載の三次元計測装置。
- ライン状に配置された複数の光源を有し、光の強度変調の組み合わせ、又は光の波長及び光の強度変調の組み合わせによって前記複数の光源のそれぞれを、個別の周波数特性を有する光を発生するように発光駆動する発光駆動手段と、
前記発光駆動手段により前記複数の光源を発光駆動して得られた複数の光を空間的にコーディングした照射光として被写体に照射する照明光照射手段と、
前記ライン状に配置された複数の光源の発する光を、このラインと垂直な方向に偏向する偏向手段と、
前記偏向手段により偏向された光を、挿入部を介してこの挿入部の先端から被写体に供給する導光手段と、
被写体像から測定光を検知する測定光検知手段と、
該測定光検知手段の出力を用いて被写体の三次元形状を計算する三次元形状計算手段と、
を具備したことを特徴とする内視鏡装置。
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