JP6785674B2 - 光計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、パターン光を投射して撮像する光計測装置に関する。

対象物の三次元形状を計測する方法として、対象物にレーザの干渉縞を投影し、干渉縞の投影像を撮像して解析することにより対象物表面の凹凸情報を演算する「縞走査法」といわれる技術が知られている。縞走査法では、干渉縞の走査量と投影像の各点の光強度の変化から各点での凹凸の深さ及び高さが求められる。干渉縞の走査量は、干渉させる二以上の光束の位相差を変えることで制御される。例えば、二分岐された光導波路の一方の位相を電気光学効果等を利用して変化させることにより、投影される干渉縞の走査量が制御される（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−８７５４３号公報

光導波路の位相変化に電気光学効果を用いる場合、ニオブ酸リチウムなどの特殊な材料を必要とする。一方、熱光学効果を用いれば、シリコン基板上に形成される一般的な石英系の材料のみで位相変調器を構成することができる。しかしながら、シリコン基板上の光導波路の温度を変化させた場合、基板と光導波路の熱膨張率差等に起因して反りなどの変形が生じ、干渉縞の投射位置が変化するおそれがある。光導波路の位相変化とは異なる要因で干渉縞の投射位置が変化してしまうと計測精度の低下につながる。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、熱による変形に起因する計測精度の低下を抑制した光計測装置を提供することにある。

本発明のある態様の光計測装置は、パターン光を投射する光投射部と、パターン光が投射された対象物を撮像する撮像部と、を備える。光投射部および撮像部は、光投射部の投射軸方向と撮像部の撮像軸方向との双方に交差する取付面を介して互いに固定される。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、熱による変形に起因する計測精度の低下を抑制できる。

第１実施例に係る光計測装置の構成を模式的に示す図である。 図１の先端部の構成をより詳細に示す上面図である。 光投射部の構成を模式的に示す側面図である。 比較例に係る光回路部に反りが生じた場合の投射軸の変化を模式的に示す側面図である。 実施例に係る光回路部に反りが生じた場合の投射軸の変化を模式的に示す側面図である。 第２実施例に係る光計測装置の構成を模式的に示す上面図である。 第２実施例に係る光計測装置の構成を模式的に示す側面図である。 第３実施例に係る光計測装置の構成を模式的に示す上面図である。 変形例に係る光計測装置の構成を模式的に示す上面図である。 変形例に係る光計測装置の構成を模式的に示す上面図である。 変形例に係る光計測装置の構成を模式的に示す上面図である。 変形例に係る光計測装置の構成を模式的に示す上面図である。

はじめに、本発明に係るいくつかの実施の形態の概要を説明する。
ある態様の光計測装置は、パターン光を投射する光投射部と、パターン光が投射された対象物を撮像する撮像部と、を備える。光投射部および撮像部は、光投射部の投射軸方向と撮像部の撮像軸方向との双方に交差する取付面を介して互いに固定される。

この態様によれば、投射軸方向と撮像軸方向との双方に交差する取付面を基準にして光投射部および撮像部が固定されるため、熱膨張率差に起因する変形により取付面の位置が変化したとしても、投射部と撮像部の相対位置の変化を小さくできる。また、熱に起因して取付面に反りが生じたとしても、取付面に交差する方向の変位量に比べて取付面に沿った方向の変位量が小さいため、投射軸と撮像軸とが離れる方向の相対位置の変化を小さくできる。これにより、熱による変形が生じる場合であっても、パターン光が投射される位置に対する撮像方向の位置変化を小さくして計測精度の低下を抑制できる。

光投射部は、取付面を有してもよい。撮像部は、取付面に固定されてもよい。

光計測装置は、光投射部および撮像部を内部に収容する筐体をさらに備えてもよい。光投射部は、筐体に固定されてもよい。撮像部は、光投射部を介して筐体に固定されてもよい。

光投射部は、基板および基板上に設けられる位相変調可能な複数の導波路を有する光回路部を含み、光回路部に撮像部が固定されてもよい。

光投射部は、複数の導波路から出射される複数の光束を干渉させてパターン光を対象物に投射する投射レンズと、投射レンズを保持するレンズ保持部と、をさらに含み、光回路部にレンズ保持部が固定されてもよい。

光回路部は、複数の導波路の出射口が設けられる側面を有し、側面に撮像部が固定されてもよい。

光回路部は、複数の導波路の出射口が設けられる側面を有し、側面に撮像部およびレンズ保持部が固定されてもよい。

光回路部は、複数の導波路の出射口が設けられる第１側面と、第１側面に対して投射軸方向にずれた位置に設けられる第２側面とを有し、第２側面に撮像部が固定されてもよい。

光回路部は、複数の導波路の出射口が設けられる第１側面と、第１側面に対して投射軸方向にずれた位置に設けられる第２側面とを有し、第１側面にレンズ保持部が固定され、第２側面に撮像部が固定されてもよい。

光計測装置は、取付面を有する固定部材をさらに備えてもよい。取付面に光投射部と撮像部の双方が取り付けられてもよい。

固定部材は、光透過性を有してもよい。光投射部は、固定部材ごしにパターン光を対象物に投射してもよい。撮像部は、固定部材ごしに対象物を撮像してもよい。

光計測装置は、光投射部および撮像部を内部に収容する筐体をさらに備えてもよい。固定部材は、筐体に固定されてもよい。光投射部および撮像部は、固定部材を介して筐体に固定されてもよい。

光投射部は、基板および基板上に設けられる位相変調可能な複数の導波路を有する光回路部を含み、光回路部が固定部材の取付面に固定されてもよい。

光投射部は、基板および基板上に設けられる位相変調可能な複数の導波路を有する光回路部と、複数の導波路から出射される複数の光束を干渉させてパターン光を対象物に投射する投射レンズと、投射レンズを保持するレンズ保持部と、を含んでもよい。光回路部は、レンズ保持部を介して固定部材の取付面に固定されてもよい。

光回路部は、投射軸方向と交差する側面を有し、当該側面にレンズ保持部が固定されてもよい。

光回路部の側面に複数の導波路の出射口が設けられてもよい。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（第１実施例）
図１は、第１実施例に係る光計測装置１００の構成を模式的に示す図である。光計測装置１００は、光投射部２０と、撮像部３０と、光源３８と、制御部４０とを備える。光計測装置１００は、先端部１２、挿入部１４および接続部１６を有する内視鏡スコープ１０に組み込まれており、先端部１２を対象物に向けることで管腔内の目的部位の三次元形状を測定するために用いる。光計測装置１００は、いわゆる「縞走査法」といわれる三次元計測方法により対象物を計測するために用いられる。

先端部１２は、光投射部２０および撮像部３０を収容する部分であり、金属等の硬質な筐体１８により外面が構成されている。筐体１８の先端にはカバーガラス３２が設けられる。挿入部１４は、可撓性を有する部材で構成され、先端部１２の近傍を屈曲させることにより先端部１２の向きが調整可能である。したがって、内視鏡スコープ１０は軟性鏡として構成され、挿入部１４に比べて先端部１２は可撓性が低い。挿入部１４の内側には、光ファイバ３４や配線ケーブル３６などが挿通されている。接続部１６は、光源３８や制御部４０に内視鏡スコープ１０を接続するためのプラグ等である。

光投射部２０は、対象物に干渉縞パターン９０などのパターン光を投射する。先端部１２にはカバーガラス３２が設けられており、光投射部２０は、カバーガラス３２ごしにパターン光を投射する。光投射部２０は、光回路部２２と、投射レンズ２４と、レンズ保持部２６とを有する。

光回路部２２は、いわゆる平面型光集積回路（ＰＬＣ；Planar Lightwave Circuit）であり、例えば、シリコン基板上に石英系の材料を用いて導波路構造が形成されている。光回路部２２は、ファイバブロック２８を介して光ファイバ３４と結合されている。光回路部２２は、位相変調可能な複数の導波路を有し、複数の導波路から出射される複数の光束を干渉させてパターン光を生成させる。光回路部２２は、複数の導波路の位相差を変化させることにより、干渉縞パターン９０の明暗位置が異なる複数種類のパターン光を投射可能にする。

投射レンズ２４は、光回路部２２から出射される複数の光束を成形し、所望の領域に干渉縞パターン９０が形成されるようにする。レンズ保持部２６は、投射レンズ２４を保持し、投射レンズ２４が光回路部２２に対して所望の位置に配置されるようにする。レンズ保持部２６は、光回路部２２に対して投射レンズ２４の光軸がずれた軸外し系となるように投射レンズ２４を保持する。これにより、光投射部２０の投射軸Ａと撮像部３０の撮像軸Ｂとが交差するようにしている。なお、投射軸Ａと撮像軸Ｂのなす角度θは、先端部１２から計測対象物までの距離にもよるが、１°〜３０°程度である。これは、投射レンズ２４と撮像レンズ５２の中心間距離を１ｍｍとした場合、投射軸Ａと撮像軸Ｂの交差点９２までの距離、つまり、対象物までの距離が２ｍｍ〜５０ｍｍ程度となる角度範囲に相当する。

撮像部３０は、干渉縞パターン９０が投射された対象物を撮像し、パターン光に基づく干渉縞画像を生成する。撮像部３０は、干渉縞パターン９０が投射された対象物からの光をカバーガラス３２ごしに受ける。撮像部３０は、干渉縞パターン９０の明暗位置が異なる複数種類のパターン光が投影された対象物を撮像し、複数種類のパターン光のそれぞれに対応する複数種類の干渉縞画像を生成する。撮像部３０は、光回路部２２に対して固定されており、光回路部２２に設けられる配線部４８と電気的に接続される。配線部４８は、配線ケーブル３６と接続されており、撮像部３０が撮像した干渉縞画像は、配線ケーブル３６を介して制御部４０に伝送される。

光源３８は、干渉縞パターン９０を生成するための可干渉光を出力し、例えば単波長のレーザ光を出力する。光源３８の出力光は、光ファイバ３４を介して光回路部２２に入力される。光源３８は、半導体レーザ素子などの固体レーザ源を含む。光源３８の出力波長は特に限定されないが、例えば、波長λ＝６３５ｎｍの赤色光を用いることができる。光源３８は、発光素子の駆動電流や動作温度などを制御し、光源３８の出力強度および出力波長が一定となるように制御する制御機構を含んでもよい。この制御機構は、光源３８の出力強度に応じたフィードバック駆動を実現するための受光素子および駆動素子と、光源３８の温度を調整するためのペルチェ素子といった温度調整素子とを有してもよい。このような制御機構を設けることで、光源３８の出力波長を安定化させ、生成される干渉縞パターンの明暗周期の変化を抑制できる。

制御部４０は、光投射部２０の動作を制御し、撮像部３０が撮像する干渉縞画像を取得する。制御部４０は、光回路部２２に設けられる複数の導波路の位相差を制御し、干渉縞パターン９０を走査させる。制御部４０は、複数種類のパターン光のそれぞれに対応する複数種類の干渉縞画像を撮像部３０から取得し、複数種類の干渉縞画像に基づいて距離画像ないし三次元表示画像を生成する。距離画像や三次元表示画像の生成にあたり、まず位相分布画像を生成する。位相分布画像とは、干渉縞画像の各画素の位置における初期位相の値を画像化したものである。位相分布画像は、複数種類のパターン光のそれぞれの位相値と、複数の干渉縞画像の各画素値とから公知のアルゴリズムに基づいて算出できる。次に、光投射部２０および撮像部３０の配置と位相分布画像とから幾何学的に対象物の三次元形状を導出することで、距離画像ないし三次元表示画像を得ることができる。

図２は、図１の先端部１２の構成をより詳細に示す上面図であり、図１の部分拡大図に相当する。図２において、撮像軸Ｂが延びる方向（撮像軸方向ともいう）をｚ方向とし、投射軸Ａと撮像軸Ｂとが離れる方向をｘ方向としている。また、ｘ方向およびｚ方向の双方に直交する方向をｙ方向としている。

光回路部２２は、基板６０と、基板６０の上に設けられる入力導波路４１、分岐部４２、第１導波路４３、第２導波路４４、第１位相変調器４５、第２位相変調器４６および配線部４８とを有する。入力導波路４１、分岐部４２、第１導波路４３および第２導波路４４は、基板６０の上に形成される導波路構造である。入力導波路４１は、ファイバブロック２８を介して光ファイバ３４と結合されている。入力導波路４１に入力される光は、分岐部４２において第１導波路４３と第２導波路４４に分岐される。第１導波路４３は、分岐部４２から第１出射口４３ａに向けて直線状に延在し、第２導波路４４は、分岐部４２から第２出射口４４ａに向けて直線状に延在する。

図示する例において、第１導波路４３および第２導波路４４は、ｚ方向に直線状に延在し、ｘ方向に離れて配置されている。つまり、第１導波路４３および第２導波路４４は、互いに平行となるようにしてｚ方向に延在する。また、入力導波路４１と、分岐部４２と、第１導波路４３および第２導波路４４とは、ｚ方向に順に並んで配置されている。入力導波路４１のｚ方向の長さは０．５ｍｍ程度であり、分岐部４２のｚ方向の長さは１ｍｍ程度であり、第１導波路４３および第２導波路４４のｚ方向の長さは２．５ｍｍ程度である。基板６０のｚ方向の長さは４ｍｍ程度である。第１出射口４３ａａと第２出射口４４ａの距離は、５０μｍ〜１００μｍ程度である。

なお、入力導波路４１、分岐部４２、第１導波路４３および第２導波路４４は図示される構造に限られず、他の構造により構成されてもよい。分岐部４２は、図示されるようなＹ分岐導波路の他、方向性結合器、マルチモード干渉カプラまたはスターカプラであってもよい。また、入力導波路４１、第１導波路４３および第２導波路４４は、全体が直線状に構成されなくてもよく、曲線部を含むように構成されてもよい。

第１位相変調器４５は、第１導波路４３に沿って設けられ、第１導波路４３の光路長を変化させて第１導波路４３を通る光の位相を制御する。第２位相変調器４６は、第２導波路４４に沿って設けられ、第２導波路４４の光路長を変化させて第２導波路４４を通る光の位相を制御する。第１位相変調器４５および第２位相変調器４６は、電気光学効果または熱光学効果により導波路４３，４４の位相を制御する。第１位相変調器４５および第２導波路４４は、例えばヒータであり、導波路４３，４４を加熱して対応する導波路４３，４４の位相を変化させる。第１位相変調器４５および第２位相変調器４６は、配線部４８と電気的に接続されており、制御部４０からの制御信号に基づいて動作する。

第１導波路４３にて位相変調された光は、第１出射口４３ａから出射され、第２導波路４４にて位相変調された光は、第２出射口４４ａから出射される。第１出射口４３ａおよび第２出射口４４ａは、光回路部２２の側面２２ｃに設けられる。側面２２ｃは、ｚ方向に直交する平面（ｘｙ平面）で構成され、投射軸Ａが延びる方向（投射軸方向ともいう）と撮像軸方向との双方に交差する面である。

投射レンズ２４は、レンズ保持部２６の保持溝２７に嵌め込まれて固定されている。保持溝２７は、ｘ方向およびｚ方向に延びて十字状に刻まれる溝であり、投射レンズ２４のｘ，ｙ，ｚの三方向の位置決めを助ける。保持溝２７は、第１出射口４３ａと第２出射口４４ａに対して所定の位置に投射レンズ２４が配置されるよう形状が規定される。保持溝２７は、例えば、第１出射口４３ａと第２出射口４４ａの中間点である仮想波源４７に対してｘ方向にずれた位置に投射レンズ２４が配置されるよう形状が決められる。ここで、仮想波源４７とは、干渉縞パターン９０などのパターン光の仮想的な光源のことをいい、光学的に仮想波源４７からパターン光が放射されているとみなせる点のことをいう。

レンズ保持部２６は、光回路部２２の側面２２ｃに取り付けられており、光回路部２２とｚ方向に隣接する。したがって、レンズ保持部２６は、光回路部２２に固定され、投射軸方向および撮像軸方向の双方に交差する取付面に固定されている。レンズ保持部２６は、熱膨張率の小さい材料で構成されることが好ましく、例えば、石英ガラスなどのガラス材料で構成される。レンズ保持部２６は、接着剤を用いた接着や融着などにより光回路部２２の側面２２ｃに取り付けられる。

撮像部３０は、撮像素子５０と、撮像レンズ５２とを有する。撮像レンズ５２は、干渉縞パターン９０が投影された対象物を撮像素子５０に結像させる。撮像素子５０は、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどのイメージセンサであり、撮像した干渉縞画像に基づく画像信号を出力する。撮像素子５０は、光回路部２２の配線部４８と電気的に接続されており、配線ケーブル３６を介して制御部４０に干渉縞画像に基づく画像信号が伝送される。

撮像部３０は、光回路部２２の側面２２ｃに取り付けられており、光回路部２２とｚ方向に隣接する。撮像部３０は、光回路部２２に固定され、投射軸方向および撮像軸方向の双方に交差する取付面に固定されている。本実施例では、撮像軸方向と直交する取付面に撮像部３０が固定されている。撮像部３０は、接着剤を用いた接着や融着などにより光回路部２２の側面２２ｃに取り付けられる。撮像部３０は、光回路部２２の側面２２ｃとの接合部が石英ガラスなどのガラス材料で構成されてもよい。

撮像部３０は、投射レンズ２４およびレンズ保持部２６とｘ方向に並んで配置されている。なお、レンズ保持部２６と撮像部３０の間には固定部材が設けられず、レンズ保持部２６と撮像部３０の相対位置は光回路部２２の側面２２ｃを基準として決められる。

レンズ保持部２６および撮像部３０が取り付けられる光回路部２２の側面２２ｃとは反対側の側面２２ｄには、ファイバブロック２８および光ファイバ３４が取り付けられる。ファイバブロック２８および光ファイバ３４は、接着剤を用いた接着や融着などにより光回路部２２の側面２２ｄに取り付けられる。

図３は、光投射部２０の構成を模式的に示す側面図であり、光投射部２０をｘ方向に見たときの構成を示す。光回路部２２は、基板６０と、基板６０の上面６０ａの上に設けられるクラッド層６２とを有する。基板６０は、例えばシリコンウェハであり、クラッド層６２は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を主体とする材料で構成される。光回路部２２の導波路構造は、クラッド層６２に設けられる。例えば、入力導波路４１、分岐部４２、第１導波路４３および第２導波路４４は、クラッド層６２の内部に設けられるコア部により実現される。第１位相変調器４５および第２位相変調器４６は、クラッド層６２の上に設けられる。また、配線部４８（図３において不図示）もクラッド層６２の上に設けられる。

基板６０は、第１接着層６４を介してキャリア基体６６に固定されている。キャリア基体６６は、基板６０の上面６０ａと反対側の下面６０ｂ側に設けられる。キャリア基体６６は、第２接着層６８を介して筐体１８に固定されている。したがって、光回路部２２は、キャリア基体６６を介して筐体１８に固定される。図示する例では、キャリア基体６６を挟んで基板６０とは反対側の下面６６ｂに第２接着層６８が設けられており、キャリア基体６６の下面６６ｂにて筐体１８に固定されている。なお、キャリア基体６６の固定方法は特に問わず、キャリア基体６６の側面で筐体１８に固定されてもよい。また、キャリア基体６６を用いずに基板６０が第１接着層６４を介して筐体１８に固定されてもよい。

キャリア基体６６の材料は問わず、金属材料、樹脂材料およびセラミック材料の少なくとも一つを用いることができる。キャリア基体６６として、例えば、ガラスエポキシ基板やアルミニウム（Ａｌ）基板を用いることができる。また、第１接着層６４や第２接着層６８の材料も特に問わず、樹脂材料および金属材料の少なくとも一つを用いることができる。第１接着層６４および第２接着層６８として、例えば、粘着性テープ、樹脂接着剤、銀（Ａｇ）ペースト、半田などを用いることができる。

レンズ保持部２６は、光回路部２２の側面２２ｃに固定されている。レンズ保持部２６は、例えば、基板６０の側面に固定される。レンズ保持部２６は、基板６０の側面のみに固定されてもよいし、基板６０とクラッド層６２の双方の側面に固定されてもよい。一方で、レンズ保持部２６は、キャリア基体６６や筐体１８に直接的に固定されておらず、基板６０およびクラッド層６２に反りなどが生じて変形または変位した場合には、その変形または変位に追従して変位する。なお、図３には示されない撮像部３０についても同様である。

つづいて、光計測装置１００の動作について説明する。光回路部２２は、光源３８からの光を第１導波路４３および第２導波路４４に分岐させる。制御部４０は、第１位相変調器４５および第２位相変調器４６を駆動させ、第１導波路４３と第２導波路４４の位相差を制御する。投射レンズ２４は、第１出射口４３ａおよび第２出射口４４ａから出射される位相変調された二つの光束を干渉させて対象物にパターン光を投射させる。撮像部３０は、パターン光が投射された対象物の干渉縞画像を撮像する。制御部４０は、第１導波路４３と第２導波路４４の位相差を変化させることにより、干渉縞パターン９０の明暗位置を変化させる。撮像部３０は、明暗位置が異なる複数種類の干渉縞パターン９０に対応する複数種類の干渉縞画像を生成する。制御部４０は、撮像された複数種類の干渉縞画像を解析し、対象物の三次元形状を導出する。

光計測装置１００の動作時には、光回路部２２や撮像部３０の駆動熱により筐体１８の内部が加熱される。光回路部２２では、主に第１位相変調器４５および第２位相変調器４６の駆動により熱が発生する。撮像部３０では、撮像素子５０に含まれるトランジスタ等の半導体素子の駆動により熱が発生する。筐体１８の内部に設けられる各部品は相互に固定されているため、各部品の熱膨張率差に起因して反りなどの変形が生じうる。特に、光回路部２２は、導波路が延在するｚ方向に長く、ｙ方向の厚みが小さい形状を有しているため、基板６０とクラッド層６２の熱膨張率差によって反りが生じやすい。各部品の変形や変位によって投射軸Ａと撮像軸Ｂの位置関係が変化してしまうと、縞走査法の計測精度が低下につながる。縞走査法では、投射軸Ａと撮像軸Ｂがなす角度θに基づいて対象物表面の深さまたは高さが導出されるためである。

図４は、比較例に係る光回路部８２に反りが生じた場合の投射軸Ａの変化を模式的に示す図である。本図に示す比較例では、光回路部８２およびレンズ保持部８６がキャリア基体８８の上面８８ａに取り付けられており、投射軸Ａに沿った方向の平面である上面８８ａが取付面となる点で上述の実施例と相違する。本比較例では、図示されない撮像部もキャリア基体８８の上面８８ａに取り付けられている。光回路部８２は、基板よりクラッド層の熱膨張率が小さいため、駆動熱により加熱されると、基板が相対的に大きく伸びて下に凸となるように反りが生じる。その結果、仮想波源８７が位置する光回路部８２の側面８２ｃが斜めに傾斜し、側面８２ｃが上方に変位する。一方、レンズ保持部８６は、光回路部８２から離れて配置されるため、光回路部８２に比べて熱による変形量は小さい。その結果、仮想波源８７と投射レンズ８４の中心を結ぶ投射軸Ａ１の方向は、変形前の投射軸Ａからずれた方向を向くことになる。また、光回路部８２の側面８２ｃの位置を基準とした場合、側面８２ｃが上向きとなるのに対し、変形後の投射軸Ａ１は下向きとなるため、側面８２ｃから見た投射軸Ａ，Ａ１は、変形前後において大きく変化する。

このとき、撮像部３０の投射軸Ｂが投射軸Ａ１と同様に変化すれば、熱変形後においても投射軸Ａ１と撮像軸Ｂの位置関係を維持できるかもしれない。しかしながら、キャリア基体８８に光回路部８２とは独立して撮像部が取り付けられる場合、光回路部８２の変形の態様と撮像部の変形の態様はおそらく一致しないと考えられる。その結果、投射軸Ａ１と撮像軸Ｂの位置関係が熱変形によってずれてしまい、縞走査法の計測精度に影響を及ぼす。本発明者の試算によれば、仮想波源８７の位置が１μｍずれただけで、対象物の三次元形状計測に約１ｍｍの誤差を生じさせる。光回路部８２の変形がより大きければ、さらに大きな計測誤差を生じせるかもしれない。

図５は、実施例に係る光回路部２２に反りが生じた場合の投射軸Ａの変化を模式的に示す図である。図示する例では、上述の比較例と同様に、光回路部２２に反りが生じて側面２２ｃが斜めに傾斜し、光回路部２２が上方（ｙ方向）に変位している。本実施例では、側面２２ｃの変形に追随してレンズ保持部２６もｙ方向に変位するため、光回路部２２の側面２２ｃの位置を基準とした投射レンズ２４の位置はあまり変わらない。その結果、光回路部２２の側面２２ｃの位置を基準とした投射軸Ａ２の方向は、変形前の投射軸Ａの方向とあまり変わらない。

同様にして、本実施例では撮像部３０も光回路部２２の反りに追随して変位するため、光回路部２２の側面２２ｃの位置を基準とした撮像部３０の位置もあまり変わらない。その結果、光回路部２２の側面２２ｃから見た投射軸Ａと撮像軸Ｂの双方の方向が変わらないようにでき、投射軸Ａと撮像軸Ｂの位置関係の変化を抑え、投射軸Ａと撮像軸Ｂがなす角度θの変化を低減できる。これにより、熱による変形に起因する計測精度の低下を抑えることができる。

（第２実施例）
図６および図７は、第２実施例に係る光計測装置２００の構成を模式的に示す図である。図６は上面図であり、上述の図２に対応する。図７は側面図であり、上述の図３に対応する。本実施例では、カバーガラス１３２の主面１３２ｃに光投射部１２０および撮像部１３０が取り付けられており、カバーガラス１３２の主面１３２ｃが取付位置の基準となる取付面になる点で上述の第１実施例と相違する。以下、本実施例について、上述の第１実施例との相違点を中心に説明する。

光計測装置２００は、光投射部１２０と、撮像部１３０とを備える。光投射部１２０および撮像部１３０は、内視鏡スコープの先端部１２の筐体１１８の内部に設けられる。筐体１１８には、投射軸Ａおよび撮像軸Ｂの双方と交差するカバーガラス１３２が取り付けられる。光投射部１２０および撮像部１３０は、カバーガラス１３２の主面１３２ｃに固定されている。カバーガラス１３２の主面１３２ｃは、投射軸方向および撮像軸方向の双方と交差する取付面である。カバーガラス１３２は、光投射部１２０および撮像部１３０を位置決めするための固定部材と言える。

光投射部１２０は、光回路部１２２と、投射レンズ２４と、レンズ保持部２６とを含む。光回路部１２２は、基板１６０と、基板１６０の上面１６０ａの上のクラッド層１６２とを有する。クラッド層１６２には、上述の第１実施例と同様の導波路構造が設けられる。クラッド層１６２の上には、第１位相変調器４５、第２位相変調器４６および配線部１４８が設けられる。配線部１４８は、第１位相変調器４５および第２位相変調器４６と電気的に接続され、第１配線ケーブル１３６を介して制御部４０と接続される。

レンズ保持部２６は、カバーガラス１３２の主面１３２ｃに取り付けられている。レンズ保持部２６は、接着剤を用いた接着や融着などによりカバーガラス１３２の主面１３２ｃに取り付けられる。レンズ保持部２６は、上述の第１実施例と同様、光回路部１２２の側面１２２ｃに取り付けられている。一方、光回路部１２２は、レンズ保持部２６にのみ固定されている。つまり、本実施例では、第１実施例のようなキャリア基体６６が設けられず、基板１６０の下面１６０ｂと筐体１１８の間を固定するための部材が設けられない。その結果、光回路部１２２は、レンズ保持部２６を介してカバーガラス１３２に固定される。

撮像部１３０は、第１実施例と同様、撮像素子５０と、撮像レンズ５２とを含む。撮像素子５０は、第２配線ケーブル１３７と電気的に接続されており、第２配線ケーブル１３７を介して制御部４０に画像信号が伝送される。撮像部１３０は、カバーガラス１３２の主面１３２ｃに固定されており、カバーガラス１３２の主面１３２ｃと撮像軸Ｂとが直交するように取り付けられる。

本実施例においても、投射軸方向と撮像軸方向の双方に交差する取付面に対して光投射部１２０および撮像部１３０を固定することにより、熱変形に起因する投射軸Ａと撮像軸Ｂの相対位置の変化を小さくできる。本実施例によれば、熱膨張率の小さいガラス材料の固定部材（カバーガラス１３２）にレンズ保持部２６と撮像部１３０が固定されるため、投射レンズ２４と撮像レンズ５２の相対位置の変化量を小さくできる。また、光回路部１２２の側面１２２ｃにレンズ保持部２６が固定されるため、光回路部１２２に反りが生じる場合であっても、側面１２２ｃとレンズ保持部２６の位置関係を固定できる。その結果、光回路部１２２の側面１２２ｃに設けられる仮想波源４７と投射レンズ２４の相対位置の変化を小さくできる。したがって、本実施例においても、熱変形に起因する投射軸Ａと撮像軸Ｂの相対位置の変化を小さくし、熱変形による計測精度の低下を抑制できる。

（第３実施例）
図８は、第３実施例に係る光計測装置３００の構成を模式的に示す図である。本実施例は、光投射部２２０および撮像部１３０がカバーガラス１３２の主面１３２ｃに取り付けられる点で上述の第２実施例と共通するが、光投射部２２０に含まれる光回路部２２２および投射レンズ２２４の固定方法が上述の実施例と相違する。以下、本実施例について、上述の実施例との相違点を中心に説明する。

光計測装置３００は、光投射部２２０と、撮像部１３０とを備える。光投射部２２０および撮像部１３０は、内視鏡スコープの先端部１２の筐体１１８の内部に設けられる。光投射部２２０および撮像部１３０は、カバーガラス１３２の主面１３２ｃに固定されている。

光投射部２２０は、光回路部２２２と、投射レンズ２２４と、第１保持部材２６４と、第２保持部材２６６と、第３保持部材２６８と、第４保持部材２７０とを有する。光回路部２２２は、第３保持部材２６８に固定され、第３保持部材２６８を介して第２保持部材２６６の内部に固定される。光回路部２２２は、導波路の出射口が設けられる側面２２２ｃにて第３保持部材２６８と接合される。投射レンズ２２４は、第１保持部材２６４と第２保持部材２６６の間に挟み込まれて固定される。

第１保持部材２６４は、カバーガラス１３２の主面１３２ｃに固定される底面２３４ａを有し、底面２３４ａの中央にはパターン光を通すための開口２３４ｂが設けられる。底面２３４ａの反対側には、第２保持部材２６６を固定するための係合部２３４ｃが設けられる。係合部２３４ｃは、ｚ方向に突出するように設けられており、その内周に第２保持部材２６６の第１端部２６６ａと螺合するためのねじ切り構造が設けられる。

第２保持部材２６６は、筒状の部材であり、その内部に光回路部２２２を収容する。第２保持部材２６６の第１端部２６６ａには、投射レンズ２２４を受けるための第１凹部２６６ｃが設けられる。第１端部２６６ａとは反対側の第２端部２６６ｂには、光回路部２２２を収容するための第２凹部２６６ｄ設けられる。第１凹部２６６ｃと第２凹部２６６ｄは、軸方向（ｚ方向）に延びる内部空間を介して連通している。

第３保持部材２６８は、光透過性を有する平板状の部材である。第３保持部材２６８には光回路部２２２が取り付けられており、光回路部２２２の側面２２２ｃが第３保持部材２６８と接合される。第３保持部材２６８は、第２凹部２６６ｄの底部に嵌め込まれ、第２保持部材２６６と第４保持部材２７０の間に挟み込まれる。第４保持部材２７０は、リング状の部材であり、第２凹部２６６ｄの底部に設けられるねじ切り構造と螺合して第３保持部材２６８を固定する。

本実施例によれば、光回路部２２２と投射レンズ２２４とが円筒状の第２保持部材２６６により固定されるため、熱変形による光回路部２２２と投射レンズ２２４の相対位置の変化を小さくできる。また、パターン光が出射される光回路部２２２の側面２２２ｃを基準として光回路部２２２が第２保持部材２６６に固定されるため、熱変形により光回路部２２２に反りが生じる場合であっても、側面２２２ｃの変位を抑制して側面２２２ｃと投射レンズ２２４の位置関係の変化を小さくできる。また、本実施例においても、光投射部２２０が投射軸方向および撮像軸方向の双方と交差する取付面（カバーガラス１３２の主面１３２ｃ）に固定されるため、投射軸Ａと撮像軸Ｂの相対位置の変化を小さくし、熱変形による計測精度の低下を抑制できる。

（変形例１）
図９は、変形例１に係る光計測装置４００の構成を模式的に示す上面図である。本変形例は、光投射部３２０に投射レンズが設けられず、光回路部３２２の複数の導波路から出射されるパターン光をレンズを介さずに対象物に投射するよう構成される。光回路部３２２は、複数の導波路の出射口が設けられる側面３２２ｃが筐体３１８に固定されるカバーガラス３３２の主面３３２ｃに固定される。光回路部３２２は、投射軸Ａと直交する取付面に固定される。撮像部３３０は、上述の実施例と同様にカバーガラス３３２の主面３３２ｃに取り付けられ、撮像軸Ｂと直交する取付面に固定される。本変形例においても、上述の実施例と同様の効果を奏することができる。

（変形例２）
図１０は、変形例２に係る光計測装置５００の構成を模式的に示す上面図である。本変形例は、光投射部３２０をカバーガラス３３２に対して斜めに取り付けることにより、投射軸Ａと撮像軸Ｂとが交差するようにしている。光投射部３２０は、仲介部材４７０を介してカバーガラス３３２の主面３３２ｃに固定される。仲介部材４７０は、光回路部３２２の側面３２２ｃに固定される第１面４７０ａと、カバーガラス３３２の主面３３２ｃに固定される第２面４７０ｂとを有する。仲介部材４７０の第１面４７０ａは第２面４７０ｂに対して傾斜しており、その傾斜角は投射軸Ａと撮像軸Ｂの交差角に対応する。本変形例においても、上述の実施例と同様の効果を奏することができる。

（変形例３）
図１１は、変形例３に係る光計測装置６００の構成を模式的に示す上面図である。本変形例は、上述の第１実施例と同様、光回路部５２２が取付位置の基準となるよう構成される。つまり、光投射部５２０および撮像部５３０は、カバーガラス３３２に対して固定されず、カバーガラス３３２との間に取付部材や仲介部材が設けられていない。光回路部５２２は、複数の導波路の出射口が設けられる第１側面５２２ｃと、撮像部５３０が取り付けられる第２側面５２２ｄと、光ファイバ３４や配線ケーブル３６が接続される第３側面５２２ｅとを有する。第１側面５２２ｃおよび第２側面５２２ｄは、第３側面５２２ｅと反対側に設けられ、互いにｚ方向にずれた位置に設けられる。第１側面５２２ｃおよび第２側面５２２ｄは、互いに平行となるように設けられ、投射軸方向および撮像軸方向の双方と交差または直交する。本変形例においても、光回路部５２２の投射軸方向および撮像軸方向の双方と交差する側面を基準に撮像部５３０が固定されるため、上述の実施例と同様の効果を奏することができる。

（変形例４）
図１２は、変形例４に係る光計測装置７００の構成を模式的に示す上面図である。本変形例は、撮像部５３０が光回路部５２２に対して斜めとなるように取り付けることにより、投射軸Ａと撮像軸Ｂとが交差するようにしている。撮像部５３０は、仲介部材６７０を介して光回路部５２２の第２側面５２２ｄに固定される。仲介部材６７０は、光回路部５２２の第２側面５２２ｄに固定される第１面と、撮像部５３０に固定される第２面とを有し、第１面に対して第２面が傾斜するよう構成されている。本変形例においても、光回路部５２２の投射軸方向および撮像軸方向の双方と交差する側面を基準に撮像部５３０が固定されるため、上述の実施例と同様の効果を奏することができる。

なお、さらなる変形例では、仲介部材６７０を設ける代わりに、光回路部５２２の第１側面５２２ｃに対して第２側面５２２ｄが傾斜するように第２側面５２２ｄを構成し、傾斜した第２側面５２２ｄに撮像部５３０を固定してもよい。

以上、本発明を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施例では、光計測装置が軟性鏡の内視鏡スコープである場合を示した。さらなる変形例では、挿入部が可撓性を有しないように構成された硬性鏡の内視鏡スコープであってもよい。また、内視鏡装置は医療用途に用いられるものであってもよいし、工業用途に用いられるものであってもよい。また、本実施例に係る光計測装置は、内視鏡に組み込まれなくてもよい。また、縞走査法のみならず、構造化照明法を利用する計測技術に上述の実施例および変形例を適用してもよい。

上述の実施例では、Ｙ分岐された第１導波路と第２導波路のそれぞれに位相変調器が設けられる光回路部を示した。さらなる変形例では、第１導波路と第２導波路のいずれか一方にのみ位相変調器が設けられてもよい。

上述の実施例では、投射レンズとしてボールレンズを用いる場合を示した。さらなる変形例では、投射レンズとして平凸レンズを用いてもよいし、凹レンズを用いてもよい。また、凹レンズまたは凸レンズを含む複数のレンズの組み合わせにより投射レンズを構成してもよい。

上述の第１実施例では、レンズ保持部２６および撮像部３０が光回路部２２の同一の側面２２ｃに取り付けられる場合を示した。さらなる変形例においては、図１１に示されるようにｚ方向にずれて配置される第１側面および第２側面が光回路部に設けられ、第１側面にレンズ保持部が取り付けられ、撮像部が第２側面に取り付けられてもよい。つまり、レンズ保持部および撮像部のそれぞれが光回路部の異なる側面に取り付けられてもよい。

１８…筐体、２０…光投射部、２２…光回路部、２２ｃ…側面、２４…投射レンズ、２６…レンズ保持部、３０…撮像部、６０…基板、１００…光計測装置。

Claims (10)

1. パターン光を投射する光投射部と、
   前記パターン光が投射された対象物を撮像する撮像部と、を備え、
   前記光投射部は、基板および前記基板上に設けられる位相変調可能な複数の導波路を有する光回路部を含み、前記光回路部は、前記複数の導波路の出射口が設けられる側面を有し、前記側面に前記撮像部が固定されることを特徴とする光計測装置。
2. 前記光投射部および前記撮像部を内部に収容する筐体をさらに備え、
   前記光投射部は、前記筐体に固定されており、前記撮像部は、前記光投射部を介して前記筐体に固定されることを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
3. 前記光投射部は、前記複数の導波路から出射される複数の光束を干渉させて前記パターン光を前記対象物に投射する投射レンズと、前記投射レンズを保持するレンズ保持部と、をさらに含み、前記光回路部に前記レンズ保持部が固定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光計測装置。
4. 前記光回路部の前記側面に前記レンズ保持部が固定されることを特徴とする請求項３に記載の光計測装置。
5. パターン光を投射する光投射部と、
   前記パターン光が投射された対象物を撮像する撮像部と、
   前記光投射部と前記撮像部の双方が取り付けられる取付面を有し、光透過性を有する固定部材と、を備え、
   前記光投射部は、前記固定部材ごしに前記パターン光を前記対象物に投射し、
   前記撮像部は、前記固定部材ごしに前記対象物を撮像することを特徴とする光計測装置。
6. 前記光投射部および前記撮像部を内部に収容する筐体をさらに備え、
   前記固定部材は、前記筐体に固定され、前記光投射部および前記撮像部は、前記固定部材を介して前記筐体に固定されることを特徴とする請求項５に記載の光計測装置。
7. 前記光投射部は、基板および前記基板上に設けられる位相変調可能な複数の導波路を有する光回路部を含み、前記光回路部が前記固定部材の前記取付面に固定されることを特徴とする請求項５または６に記載の光計測装置。
8. 前記光投射部は、基板および前記基板上に設けられる位相変調可能な複数の導波路を有する光回路部と、前記複数の導波路から出射される複数の光束を干渉させて前記パターン光を前記対象物に投射する投射レンズと、前記投射レンズを保持するレンズ保持部と、を含み、
   前記光回路部は、前記レンズ保持部を介して前記固定部材の前記取付面に固定されることを特徴とする請求項５または６に記載の光計測装置。
9. 前記光回路部は、前記光投射部の投射軸方向と交差する側面を有し、前記側面に前記レンズ保持部が固定されることを特徴とする請求項８に記載の光計測装置。
10. 前記光回路部の前記側面に前記複数の導波路の出射口が設けられることを特徴とする請求項９に記載の光計測装置。

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