JPH0587543A

JPH0587543A - 計測内視鏡

Info

Publication number: JPH0587543A
Application number: JP3275554A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Tabata; 誠一郎田端; Hiroyuki Kurita; 裕之栗田; Susumu Takahashi; 進高橋; Katsunori Sakiyama; 勝則崎山; Toshiichi Takayama; 敏一高山
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1990-10-23
Filing date: 1991-10-23
Publication date: 1993-04-06
Anticipated expiration: 2015-02-14
Also published as: JP3009521B2

Abstract

(57)【要約】【目的】測定光のコントラストのむらに影響されずに
物体表面の凹凸を計測する。【構成】波長可変光源２３の前方にコリメートレンズ
５１ｃと光アイソレータ６４が配設されている。光アイ
ソレータ６４を通過した光は結合レンズ６５を介して偏
波面保存光ファイバ１８へ導入される。偏波面保存光フ
ァイバ１８内を伝搬した光はコリメートレンズ５６を介
して複屈折板２０に入射せしめられる。複屈折板２０と
偏光板２２を通過した光は直線型の干渉縞１０を生成す
る。投影レンズ５７を介して被測定物９の表面に形成さ
れた干渉縞１０をカメラ１１で撮像し、光強度の変化か
らコンピュータ１２で物体表面の凹凸の深さ及び高さを
縞走査法の原理で演算出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、人体の臓器内部や工業
機器内部等のような狭小な領域に挿入してその表面形状
の凹凸を計測する計測内視鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、体内の臓器表面等の凹凸を計測す
る計測内視鏡として、回折格子によるレーザ光のライン
形状回折パターンを利用したものが一般に知られてい
る。この回折パターンは投影レンズによって被測定物表
面上に投影され、この投影像を視差のある位置から固体
撮像素子等の撮像素子で観察すると、ライン状パターン
は表面の凹凸形状に応じて変形して見える。そのため、
撮像素子の画像信号に基づいて、被測定物表面上のライ
ン状パターンの各明部に関して基準位置からの明度の変
位量を演算することにより、物体表面の凹凸形状を計測
することができるというものである。

【０００３】又、物体の表面形状の測定をする方法の一
つとして縞走査法がある。この測定法は高精度測定、コ
ントラストのむらに依存せずに測定可能、凹と凸との違
いが自動的に判断できるという三つの特徴がある。縞走
査法はレンズ等の光学素子の形状検査にも用いられる
が、計測内視鏡では投影型の縞走査法を用いるのが適当
と考えられる。投影型縞走査法を計測内視鏡に適用すれ
ば病変部の色変化に影響されることなくその凹凸情報だ
けを得ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
の計測内視鏡では、被測定物表面の色や凹凸の深さ等に
よってライン状パターンのコントラストにむらが生じる
場合には、正確な表面計測が行なえなくなるという問題
がある。又投影型縞走査法を狭小領域での物体形状の測
定に用いた例はなく、内視鏡のように小型で細径の光学
系に使用することはできなかった。

【０００５】本発明はこのような問題点に鑑み、測定光
のコントラストのむらに影響されることなく物体表面の
凹凸の計測が可能な計測内視鏡を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明による計
測内視鏡は、被測定物表面上に干渉縞を生成する干渉縞
生成手段と、干渉縞を被測定物表面上で走査させる干渉
縞走査手段と、干渉縞の投影像を撮像する撮像手段と、
撮像手段からの画像信号に基づいて被測定物表面の凹凸
情報を縞走査法の原理によって演算する演算手段とを備
えたことを特徴としている。

【０００７】被測定物表面に干渉縞生成手段によって干
渉縞を投影し、干渉縞走査手段によって干渉縞を縞方向
に直交する方向へ移動させ、これによって生じる被測定
物表面の光の強弱の変化の様子を撮像手段で読み取り、
被測定物表面の各点における光強度の変化を縞走査法の
原理を用いて演算手段で演算し、夫々の点での凹凸の深
さ及び高さを求めることができる。

【０００８】図１は本発明による計測手段の原理を示す
説明図であり、図中、１はレーザービームＢを射出する
光源、２，３はレーザービームＢを拡大するビーム拡大
器を構成するレンズ、４は拡大されたビームを分割する
ビームスプリッタ、５はビームスプリッタ４で反射され
たビームを反射させる固定反射鏡、６はビームスプリッ
タ４を通過したビームを反射させると共に入射光軸に対
して適当な角度傾斜して配置されている可動反射鏡、７
は後述のコンピュータに制御されて可動反射鏡６を入射
光軸に沿って移動させ得る電歪素子、８はビームスプリ
ッタ４で重ね合わされた二つの反射鏡５，６からの反射
ビームを拡大する投影レンズであり、投影レンズ８を通
過した二つのビームは干渉して空間において強弱のある
光学場をつくることになる。

【０００９】９は投影レンズ８を通過した二つのビーム
がその表面９ａに照射される被測定物であり、光学場の
中の測定位置に置くことによって干渉光の強弱がその表
面９ａに干渉縞１０となって現われる。この縞１０はヤ
ングの干渉縞と呼ばれ、被測定物９の表面９ａが平面の
場合、照射光の光軸から大きく離れていない位置ではほ
ぼ直線の縞となる。しかし、表面９ａに凹凸がある場合
にはその凹凸に従って変形された縞となる。又、電歪素
子７によって可動反射鏡６の位置を変化させれば表面９
ａ上の干渉光の位相が変化して、干渉縞１０はその縞方
向に直交する方向に移動することになる。

【００１０】１１は被測定物９の表面９ａに対して所定
角度を以って配置されていて干渉縞１０及びその変化の
様子を撮像するカメラ即ち撮像素子、１２はカメラ１１
で読み取られた画像信号に基づいて被測定物表面９ａ上
の各点における光強度の変化からその凹凸の深さ及び高
さを演算出力するコンピュータである。

【００１１】上述のように本発明は縞走査法の原理を用
いて凹凸の計測を行なうものであり、次にコンピュータ
１２で行なわれる縞走査法の原理について説明する。交
角αをもつ２光束によって生じた干渉縞を入射角θで被
測定物表面上に投影した場合、表面上の各測定点の位置
をｘ，ｙ座標で表わすと、干渉縞は表面の形状ｆ（ｘ，
ｙ）に従って歪み、このときの光強度分布Ｉ_n（ｘ，
ｙ）は次式で与えられる。Ｉ_n(x,y) ＝a(x,y)＋b(x,y)cos 2π(x/d_x＋Φ(x,y))−φ_n ‥‥（１）但し、ａ（ｘ，ｙ）：平均光強度ｂ（ｘ，ｙ）：縞のコントラスト φ_n ：干渉光の初期位相ｄ_x ：ｘ方向における（被測定物表面上の）縞
間隔 Φ（ｘ，ｙ）：表面形状の凹凸に関する関数。

【００１２】又、ｄ_xは次式で与えられる。但し、ｄ：縞間隔。又、（１）式における表面形状の凹凸に関する関数Φ
（ｘ，ｙ）は、 Φ（ｘ，ｙ）＝ｆ（ｘ，ｙ）sin θ／ｄ ‥‥（３）で表わすことができる。

【００１３】ここで、干渉縞を走査させることにより、
（１）式における表面形状の凹凸に関する関数Φ（ｘ，
ｙ）の情報を、コントラストのむらを表わすａ（ｘ，
ｙ）及びｂ（ｘ，ｙ）と分離して測定することができ
る。初期位相φ_nを９０゜づつ変化させ、 φ_n＝ｎπ／２（ｎ＝０，１，２，３） ‥‥（４）としたときの四つの異なる干渉強度分布を用いた場合、
（１）式におけるcos 〔２π（ｘ／ｄ_x＋Φ（ｘ，
ｙ））−φ_n〕の引数は、と表わすことができる。ここで得られる位相の値は０〜
２πであり不連続点が存在するため、不連続点の前後で
２πを加減算することによって位相を滑らかに接続す
る。又、（５）式の左辺第２項ｘ／ｄ_xについては、こ
の項がｘ軸に対して一様に変化するためΦ（ｘ，ｙ）か
ら容易に除去することができ、そして（３）式を用いて
表面の高さｆ（ｘ，ｙ）を得ることができる。

【００１４】上述のような構成のもとで、光源１から射
出されたレーザービームＢはレンズ２，３を通過して適
当な大きさに広げられた後、一部がビームスプリッタ４
で反射され固定反射鏡５で再度反射される。又、一部の
ビームはビームスプリッタ４を通過して可動反射鏡６に
よって入射光軸に対して所定角度を以って反射せしめら
れる。そして両反射鏡５，６で反射された二つのビーム
はビームスプリッタ４を通過及び反射して重ね合わさ
れ、投影レンズ８を介して所定の交角を以って被測定物
９の表面９ａに照射される。

【００１５】従って、二つのビームは互いに干渉して表
面９ａ上にはほぼ直線の干渉縞が投影されるが、表面９
ａ上の凹凸に従って変形された縞１０が現れることにな
る。この干渉縞１０はカメラ１１で撮像される。そして
コンピュータ１２からの通電により電歪素子７が作動せ
しめられ、可動反射鏡６が入射光軸に沿ってその位置を
変化させると、この反射鏡６の反射ビームは被測定物表
面９ａ上での位相が変化するため、干渉縞１０はその縞
方向に直交する方向へ移動する。この縞１０の変化即ち
光の強弱の変化の様子はカメラ１１で読み取られ、コン
ピュータ１２へ入力される。そして、干渉縞１０の走査
後に表面９ａの各点での光強度の変化から、上述の縞走
査法の原理による演算式により夫々の点での凹凸の深さ
及び高さが求められることになる。

【００１６】上述のように本発明の原理によれば、被測
定物表面の色や凹凸の深さ等によるコントラストにむら
があっても、干渉縞の移動による光強度の変化で表面９
ａの凹凸を計測でき、コントラストのむらに影響されな
い。又、凹と凸との判断を自動的に行なうことができ
る。

【００１７】

【実施例】以下、上述の原理に基づく本発明の各実施例
を、図２乃至図２７に基づいて説明する。図２は本発明
の第一実施例を示す要部説明図であり、被測定物９やカ
メラ１１等は省略されている。図中、１４は光源１から
入射された光を二つの偏光に分ける偏光ビームスプリッ
タ、１５は偏光ビームスプリッタ１４と固定反射鏡５と
の間に配置された１／４波長板であり、偏光ビームスプ
リッタ１４で反射された一方の偏光成分は、固定反射鏡
５との間で往復２回１／４波長板１５を通過することに
より偏光され、偏光ビームスプリッタ１４を透過するこ
とになる。１６は偏光ビームスプリッタ１４と可動反射
鏡６との間に配置された１／４波長板であり、偏光ビー
ムスプリッタ１４を通過した他方の偏光成分は、可動反
射鏡６との間で往復２回１／４波長板１６を通過して偏
光され、偏光ビームスプリッタ１４で反射され、上述の
偏光成分と重ね合わされる。

【００１８】１７はこの偏光ビームスプリッタ１４で重
ね合わされた二つのビームが通過するカップラーレン
ズ、１８はカップラーレンズ１７に一端が接続された偏
波面保存光ファイバ、１９はこのファイバ１８の他端に
接続されたヘッドである。ヘッド１９において、２０は
レンズ２１の前方に配置されている複屈折板（偏光プリ
ズム等）であり、偏光ビームスプリッタ１４から偏波面
保存光ファイバ１８へ導かれる二つのビームは偏光方向
が互いに直交しており、これらビームに対して複屈折板
２０の結晶軸を調節することにより、一方の偏光ビーム
が常光となり又他方の偏光ビームが異常光となるため、
他方の偏光ビームのみが横変位を与えられる（図３参
照）。この作用によって投影レンズ８を通過して被測定
物へ照射される二つのビームの伝搬方向に差が生じるこ
とになる。又、２２は複屈折板２０と投影レンズ８の間
に配置されていて二つの直交した偏波成分のみを通過さ
せる偏光板である。

【００１９】ここで、偏波面保存光ファイバ１８の射出
端の直後に、レンズ２１を介して、光軸に対して傾斜さ
せ且つ偏波面保存光ファイバ１８の射出端のｘ，ｙ偏波
軸の一方と一致させられた光学軸を有する複屈折板２０
を配置することにより、偏波面保存光ファイバ１８を出
た光束を二つに分離する。更に、この複屈折板２０の光
学軸に対して４５゜傾けた偏光軸を有する偏光板２２を
設けることにより、二つの偏光成分のうち可干渉成分の
みを取り出し、干渉縞を作っている。

【００２０】尚、本実施例では、偏光成分毎に光を分割
する手段として、複屈折板２０の結晶軸を光軸に対して
傾けて配置する方法を用いたが、複屈折板としては、ル
チル，方解石，サファイア等の複屈折結晶が用いられて
いる。又、偏光成分毎に光を分割する手段として、サヴ
アール板，セナルモンプリズム（補償器），ローション
偏光プリズム，ウォーラストンプリズム等の複像プリズ
ムを用いることもできる。

【００２１】又、本実施例で用いた偏波面保存光ファイ
バ１８の横断面を図４に示す。偏波面保存光ファイバ１
８は、通常シングルモードファイバのコア１８ｃの周辺
に応力付与部１８ａ，１８ｂを設けることにより、ｘ軸
方向とｙ軸方向の屈折率に差が生じるように作られてい
る。

【００２２】尚、本実施例の場合、縞走査部を構成する
電歪素子７等は内視鏡の外部に配設され、ヘッド１９の
みが偏波面保存光ファイバ１８と共に鉗子チャンネル等
を通して内視鏡内で使用される。又、被測定物表面９ａ
上に投影される干渉縞１０は、上述した本発明の原理と
は異なって図示されていないイメージガイドを通してＣ
ＣＤカメラで観測されるようにしてもよい。

【００２３】尚、ヘッド１９内の構成については、上述
の構成に代えて、ファイバ１８から射出された二つのビ
ームを偏光性ファイバカップラや偏光ビームスプリッタ
等の偏光性デバイスで再び二つの光路に分け、一方のビ
ームに偏波回転作用を与えることにより、二つのビーム
の偏波方向を一致させて干渉縞を被測定物表面９ａ上に
投影させるようにしてもよい。上述のように本実施例に
よれば、投影型縞走査法の原理を用いた計測手段を、小
型且つ細径の光学系が要求される内視鏡に採用すること
ができる。

【００２４】図５は本発明の第二実施例を示すものであ
り、図中、２３は波長を変化させることが可能な例えば
色素レーザ，Ｆセンターレーザ又は温度的に安定化され
た半導体レーザ等から成る光源、２４は光源からの光を
カップラーレンズ１７からヘッド２５へ導く光ファイ
バ、２６はヘッド２５内に配置されていて光ファイバ２
４から射出された光を平面波にするレンズ、２７は入射
される平面波の光軸に対して反射面が４５゜の角度から
僅かに傾斜して配設されているビームスプリッタ、２８
はビームスプリッタ２７の隣接する二つの側面に取付け
られていてビームスプリッタ２７を通過した光とそこで
反射された光を夫々反射させる面２８ａ，２８ｂを有す
るアルミ等の反射コートであり、面２８ａ，２８ｂはビ
ームスプリッタ２７における光の分割点から互いに異な
る距離に配設されていて、反射コート２８で夫々反射さ
れた二つの光に位相差が生じるようになっている。尚、
ビームスプリッタ２７としては、一方の側面が入射光の
光軸に対して僅かに傾斜したビームスプリッタを用いて
もよい。この場合、ビームスプリッタ２７の代わりにハ
ーフミラーが用いられてもよい。

【００２５】本実施例においては、ビームスプリッタ２
８へ入射された光の一部は反射されて反射コート２８の
面２８ｂで再び反射され、又他の一部の光はビームスプ
リッタ２７を通過して反射コート２８の面２８ａで反射
され、これら二つの光は重ね合わされて投影レンズ８へ
向かうが、ビームスプリッタ２７の反射面の傾斜角によ
って互いに進行方向がずれると共に、反射コート２８の
面２８ａ，２８ｂで反射されることによって互いに位相
差が生じる。従って、投影レンズ８を通して被測定物表
面９ａ上に干渉縞１０が投影されることになる。そし
て、光源２３の波長を変化させることにより干渉縞を生
成する二つの光の位相差を変化させて、縞走査を行な
う。

【００２６】尚、本実施例においてもヘッド２５と光フ
ァイバ２４のみが内視鏡内部に配置され、光源２３と図
示しない波長変化装置は内視鏡外部に配置される。又、
上述の光源２３に代えて、半導体レーザのような小型レ
ーザをヘッド２５内のレンズ２６の入射側に配置するよ
うにしてもよい。この場合には、光ファイバ２４等は不
要となり、電気ケーブルを通して供給電流を変化させて
光の波長を変化させればよい。

【００２７】本実施例は前述の第一実施例と比較して装
置の小型化を図ることができ、又第一実施例と比較して
光分割の位置から干渉縞の照射位置までの距離が短いた
め、外部の影響に対して投影される干渉縞及び縞走査が
安定しているという利点がある。尚、ビームスプリッタ
２７の代わりに偏光ビームスプリッタを用い、この偏光
ビームスプリッタと反射コート２８の面２８ａ，２８ｂ
との間に夫々１／４波長板を挿入すると、効率良く干渉
縞を生成させることができる。この場合、偏光ビームス
プリッタと投影レンズ８との間に偏光板を挿入すること
が必要である。

【００２８】次に、図６は本発明の第三実施例を示すも
のであり、３０は光源１から射出されたレーザビームが
カップラーレンズ１７を介して導入される光ファイバ、
３１は光ファイバ３０内の光を分岐させて夫々光ファイ
バ３２，３３内を伝搬させ得るファイバ形光分波器、３
４は一方の光ファイバ３３に配設されていてこのファイ
バ３３内を伝搬する光の位相を変化させ得る応力等を利
用したファイバ形位相シフタ、３５は各光ファイバ３
２，３３の先端部とこれら先端部から射出されたビーム
を夫々広げる一対のレンズ３６，３７とが備えられたヘ
ッドであり、レンズ３６，３７から射出されたビームに
よって被測定物上に干渉縞が投影される。

【００２９】本実施例による装置は殆どファイバ形光学
素子によって構成されているため、内視鏡の細径化が可
能になるという利点を有する。

【００３０】図７は本発明の第四実施例を示すものであ
り、図中、３９は光源１等から射出されたレーザービー
ムが伝搬される光ファイバ、４０はヘッド４１に設けら
れたLiNbO₃結晶板、４２はこの結晶板４０上に形成され
ていて途中で二つに分岐されている光導波路、４３は光
ファイバ３９と光導波路４２との間に介在するカップラ
ーレンズ、４４は分岐された一方の光導波路４２に配設
されていて電気光学効果等を利用して光の位相を変化さ
せ得る位相シフタである。本実施例では、ヘッド４１を
上述の各実施例よりも更に小型化できる。

【００３１】次に、図８は本発明の第五実施例を示す説
明図であり、図中、波長を変化させることが可能な例え
ば色素レーザ，Ｆセンターレーザ又は温度的に安定化さ
れた半導体レーザ等から成る光源２３からの光がカップ
ラーレンズ１７に導かれており、４６はカップラーレン
ズ１７を介して光源２３の光が導入されるマルチモード
光ファイバ、４７はマルチモード光ファイバ４６を圧着
固定するための２枚の平板、４８は平板４７に一端が装
着されている電歪素子、４９は電歪素子４８に高周波電
圧を印加するための駆動回路である。マルチモード光フ
ァイバ４６の他端に接続されたヘッド２５内には、マル
チモード光ファイバ４６から射出された光を平面波にす
るレンズ２６と、平面波の光軸に対して反射面が４５゜
の角度から僅かに傾斜して配置されたビームスプリッタ
２７と、ビームスプリッタ２７における光の分割点から
互いに異なる距離にある側面上に配置された反射面２８
ａ，２８ｂを有し、各反射面での反射光に位相差を生じ
させる反射コート２８、投影レンズ８が夫々備えられて
いる。本実施例における縞走査は、光源２３の波長を変
化させることにより、干渉縞を生成する二つの光の位相
差を変化させて縞走査を行うようにしている。

【００３２】ところで、マルチモード光ファイバ４６を
用いる場合、その射出パターンにはモーダル干渉成分が
引き起こすスペックルパターンが含まれており、このよ
うな光を用いて被測定物面上に干渉縞を生成させると、
スペックルパターン上に直線的な干渉縞を重畳したよう
な光強度分布が生じることになる。このような光強度分
布をそのまま用いると、測定精度が劣化する。そこで、
本実施例では、電歪素子４８を用いてマルチモード光フ
ァイバ４６内の屈折率を変動させてスペックルパターン
を平均化し、測定精度の劣化を防ぐようにしている。

【００３３】即ち、駆動回路４９で電歪素子４８を駆動
させると、その応力が平板４７を介してマルチモード光
ファイバ４６に加えられる。これによってマルチモード
光ファイバ４６内の屈折率を周期的に変化させることが
できて、マルチモード光ファイバ４６内で生じるモーダ
ル干渉成分を時間的に平均化させることができる。そし
て、マルチモード光ファイバ４６から射出された光は、
ビームスプリッタ２７で分割され且つ重ね合わされて投
影レンズ８へ向かうが、その際、ビームスプリッタ２７
の傾斜角によって互いに進行方向がずれると共に、反射
コート２８の面２８ａ，２８ｂで反射されることによっ
て互いに位相差が生じる。これによって、投影レンズ８
を通して被測定物面上に直線的な干渉縞が投影される。

【００３４】以上のように本実施例では、光導波路とし
てマルチモード光ファイバ４６を用いたので、シングル
モード光ファイバを用いた場合よりも効率良く光を利用
することができる。このため、明るい干渉縞を得ること
ができる。

【００３５】図９は本発明の第六実施例を示す説明図で
ある。本実施例では、光源２３，マルチモード光ファイ
バ４６，ヘッド２５等は上述の第五実施例と同一構成で
あり、モーダル干渉成分の時間的平均化手段が異なって
いる。図中、平板４７に代えて、電歪素子５０の外周
（円周）上にマルチモード光ファイバ４６が数回巻きつ
けられている。そして、駆動回路４９によって電歪素子
５０に高周波電圧を印加すると電歪素子５０が伸縮し、
マルチモード光ファイバ４６に応力が加えられる。これ
によって、マルチモード光ファイバ４６内のモーダル干
渉成分を時間的に平均化させることができる。

【００３６】この場合、第五実施例と比較して、長尺の
マルチモード光ファイバ４６に応力を作用させることが
できるため、比較的低電圧でモーダル干渉成分の平均化
を実現できる。

【００３７】図１０は、本発明の第七実施例を示す説明
図である。図中、５１はコヒーレントな直線偏光を射出
し且つ直線偏光の振動方向角（方位角）θを制御し得る
ように構成された光源ユニット、５２は光源ユニット５
１から射出された光に対し互いに直交する偏光波間の位
相差に変化を与えるための１／４波長板、５３は対物レ
ンズ、５４はイメージガイド、５５は接眼レンズであ
る。計測を行う場合には、接眼レンズ５５の代わりにカ
メラ等を用いて画像を取り込み、演算を行う。

【００３８】本実施例によれば、偏光成分間の位相差を
偏波面保存光ファイバ１８を用いてその先端まで伝搬し
て位相シフトを行っており、位相シフト手段が手元側に
配置できるので、先端部を小型化でき、又、生成された
干渉縞は、対物レンズ５３，イメージガイド５４及び接
眼レンズ５５を介して観察することができる。更に、外
部の位相シフトを行うための手段が、光を偏光成分に分
割して位相差を変えた後合成するのではなくて、一本の
光束のままで位相差を変えることができるので、外部の
影響に対して投影される干渉縞及び縞走査が安定してい
ると云う利点がある。又、構成が簡単で安価に製作で
き、而もファイバに集光させる際の調整が容易であっ
て、製品化し易いという利点がある。尚、本実施例にお
いて、１／４波長板５２と偏波面保存光ファイバ１８と
を順序を入れ替えて配置しても、効果は同じである。

【００３９】図１１には、上記光源ユニット５１とし
て、半導体レーザ又はＨｅ−Ｎｅレーザ等の直線偏光の
コヒーレント光源５１ａと、回転制御可能素子としての
１／２波長板５１ｂとにより構成された具体例が示され
ている。ここで、５１ｃ，５６はコリメートレンズ、５
７は投影レンズである。

【００４０】図１２には、第１１図に示した各光学要素
による光の偏光状態の変化が示されている。今、直線偏
光の振動方向を４５゜とすると、その直線偏光は１／２
波長板５１ｂを通過すると、振動方向のみが角度２θだ
け回転する。次に方位角が４５゜に設定された１／４波
長板５２を通過することにより、図１２に示されたよう
に、偏光状態が変化する。この場合、１／４波長板５２
の方位角４５゜とは、偏波面保存光ファイバ１８の入射
端のｘ，ｙ偏波軸に対して１／４波長板５２の方位が４
５゜傾けられていることを意味する。

【００４１】本構成においては、１／２波長板５１ｂを
通過した後の回転した直線偏光が１／４波長板５２を通
過することにより、そのｘ，ｙ成分の位相が連続的に変
化し、ｘ，ｙの二成分の強度が夫々等しく而も一定な状
態を実現している。この光線は、偏波面保存光ファイバ
１８により伝達される。このため、手元側で１／２波長
板５１ｂを回転させ、１／４波長板５２を通過すること
により作り出された上記ｘ，ｙ成分の位相差の変化を偏
波面保存光ファイバ１８の射出端まで伝達させることが
できるので、偏波面保存光ファイバ１８の先端部を機械
的に動かすことなしに、干渉縞を走査することができ
る。又、構成が単純であり、偏波面保存光ファイバの先
端部をコンパクトに構成することができる。

【００４２】上述のように、本第七実施例によれば、位
相シフト手段として１／２波長板５１ｂを回転し、偏光
成分間の位相差を偏波面保存光ファイバを用いその射出
端まで伝達して位相シフトを行っており、而も位相シフ
ト手段は手元側に配置できるので、装置先端部を小型に
構成することができるばかりか、位相制御を比較的容易
に行うことができる。更に、外部にある位相シフト手段
が、偏光成分に従って光を分割し位相差を変えた後合成
するのではなしに、一本の光束のままで位相差を変化さ
せるようにしたので、外部の影響に対して生成される干
渉縞及び縞走査が安定していると云う利点がある。また
構成が簡単で安価且つ容易に製作でき、而も偏波面保存
光ファイバ１８への集光の調整が容易である。このよう
に、図１１に示された実施例の場合も図１０の実施例と
全く同様の効果を有することが分かる。

【００４３】以下に本第七実施例における偏光状態が数
式により示されている。これらの式からも、１／２波長
板５１ｂの回転角θに対して干渉縞の強度は変化せず且
つｘ，ｙ成分の位相のみが４θの速度で変わることが分
かるであろう。図１３に、この位相変化の状態が示され
ている。

【００４４】本第七実施例において、偏波面保存光ファ
イバ１８の偏波軸と１／４波長板５２の光学軸との関係
及び該偏波軸と複屈折板２０の光学軸との関係は、４５
°に限らず、互いに対応する角度が同一であれば問題は
ない。尚、位相シフト手段である１／２波長板５１ｂを
０゜，９０゜，１８０゜，２７０゜の各位相位置で止め
て、その位置毎に物体画像をコンピュータ１２に取り込
んで解析するか、又は１／２波長板５１ｂを連続回転さ
せて各位相位置での物体の積分画像を用いることによ
り、立体計測を行うことができる。

【００４５】第七実施例において、振動方向を変えるこ
とのできる直線偏光を作り出す光源ユニット５１は、図
１４に示す如く、円偏光を出射するコヒーレント光源５
１ｄと回転可能な１／４波長板５１ｅとの組合せを含ん
でいてもよい。以下に、１／４波長板５１ｅをπ／４に
固定してコヒーレント光と組合せた状態が式により示さ
れている。

【００４６】又、上記光源ユニット５１は、図１５に示
す如く、直線偏光のレーザ光源５１ａとファラディー素
子５１ｆとの組合せを含んでいてもよい。この場合は、
ファラディー素子５１ｆに印加する電圧により直線偏光
の振動方向を変えることができる。即ち、この組合せ
は、結晶の旋光性を利用している。

【００４７】更に、上記光源ユニット５１は、図１６に
示す如く、直線偏光のレーザ光源５１ａと二種類の液晶
板５１ｇ，５１ｈとの組合せを含んでいてもよい。この
場合は、二枚の液晶板５１ｇ，５１ｈに夫々接続された
電源をＯＮ，ＯＦＦさせて、直線偏光の振動方向を四種
類に変えることができるようにしたもので、液晶の旋光
性を利用した例である。即ち、液晶板５１ｇは電源のＯ
Ｎ−ＯＦＦで旋光角が０゜から４５゜に切り換わる旋光
子として、又液晶板５１ｈは電源のＯＮ−ＯＦＦで旋光
角が０゜から９０゜に切り換わる旋光子として夫々利用
される。

【００４８】更に、直線偏光のレーザ光源５１ａ自体
を、例えば回転台座に乗せて、回転させることにより、
直線偏光の振動方向を変えるようにすることもできる。

【００４９】次に、図１０乃至１６に示された位相子か
ら成る位相可変素子（互いに直交する偏光間の位相差の
みを変化させることのできる光学素子、例えば、図１１
における回転可能な１／２波長板５１ｂと、固定された
１／４波長板５２）の他の例を説明する。

【００５０】図１７は、位相差可変素子として、バビネ
ソレイユ板５８を利用した例を示している。即ち、図１
７において、バビネソレイユ板５８を光軸に対し直交す
る方向（矢印）へ動かすことにより位相差を変えること
ができる。この位相差の変化は、偏波面保存光ファイバ
１８によりその先端まで伝達され、複屈折板２０により
偏光成分が分離されて、それにより、生成されるべき干
渉縞を走査することができる。

【００５１】図１８は、位相差可変素子として、電気光
学効果を持つ結晶５９が用いられた例を示している。こ
の結晶５９としては、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃やＫ
ＤＰが用いられ得る。即ち、結晶５９を挾んで電極板６
０，６１を設け、これに電圧コントローラー６２を接続
して、結晶内に、光軸に対して直交する方向へ電界を生
じさせると、互いに直交する偏波方向の屈折率差が変化
する。結晶５９を透過した光は、偏波面保存光ファイバ
１８により、その先端まで位相差の変化を伝達し、複屈
折板２０で各偏光成分に分離され、被測定物上に干渉縞
を生成せしめる。そして、電圧コントローラー６２によ
り結晶５９に印加される電圧を変化させると、干渉縞が
移動する。

【００５２】図１９は、位相差可変素子として液晶装置
６３が用いられた例を示している。この例では、液晶に
印加される電圧の大きさに応じて、そこを透過する光の
偏光成分間の位相差が変化し、この位相差は偏波面保存
光ファイバ１８によりその先端まで伝達され、上記と同
様にして干渉縞を移動させることができる。この場合
は、図１８の例と同様に、位相シフト手段としての可変
抵抗器等の電圧コントローラを手元に配置できるので、
内視鏡先端部を小型化することができるばかりか、構成
を簡素化することができ、而も偏波面保存光ファイバへ
の入射光の調整や制御操作が容易であるという利点があ
る。

【００５３】図２０は、本発明の第八実施例を示す説明
図である。図中、６４は光アイソレータ、６５は結合レ
ンズ、６６は半導体レーザ駆動部、６７は縞解析装置で
ある。その他の構成部材は、図１及び１１において用い
られているものと実質上同一であるので、図１及び１１
で用いたのと同一の部材には同一符号を用い、それらの
説明は省略する。

【００５４】本実施例では、偏波面保存光ファイバ１８
の側屈折率により、直交する偏光成分間に光路差を設け
て、波長シフト量を低減させるようにしている。このこ
とにより、干渉する二光束は殆ど同一の光路を通ること
になるため外乱の影響を殆ど受けず、また先端構成部に
可動要素がないため先端部を小型化できる。

【００５５】この第八実施例においては、位相差を２π
だけ変化させるためには、次の式を満足すればよい。２π＝（２πΔλ／λ²）Ｌ（ｎ_x−ｎ_y） ‥‥（６）ここで、ｎ_xは偏波面保存光ファイバ１８のｘ軸方向の
屈折率、ｎ_yは偏波面保存光ファイバ１８のｙ軸方向の
屈折率、Ｌは偏波面保存光ファイバ１８の長さ、λは使
用光の波長、Δλは波長のシフト量である。上記式
（６）から、必要な波長シフト量は Δλ＝λ²／［Ｌ（ｎ_x−ｎ_y）］ ‥‥（７）となる。従って、光源からの光の波長を、式（７）で求
められるシフト量だけ連続的又はステップ状に変化させ
れば、縞走査法を適用することができることになる。

【００５６】波長可変光源としては、半導体レーザや色
素レーザを使用することができる。特に半導体レーザ
は、供給電流を変化させることにより、容易に出射光の
波長をシフトさせることができる。又、白色光源と可変
波長フィルターを組み合わせることにより、波長シフト
を行わせることもできる。

【００５７】第八実施例においては、半導体レーザ５１
ａから出た光は、コリメートレンズ５１ｃで平行光とな
り、戻り光を除去するために挿入されたアイソレータ６
４を通過する。そして結合レンズ６５により偏波面保存
光ファイバ１８に入射する。

【００５８】今、偏波面保存光ファイバ１８の軸方向
を、入射するレーザ光の偏波方向に対して４５゜傾けた
とすれば、偏波面保存光ファイバ１８を通過した光のｘ
偏光成分とｙ偏光成分との間には、位相差が生じる。偏
波面保存光ファイバ１８内を伝搬した光は、コリメート
レンズ５６により平行光にされた後、第七実施例と同様
の複屈折板２０に入射する。この複屈折板２０の結晶軸
は、入射する二つの光の偏光成分の何れか一方と一致し
ている。従って、複屈折板２０に対し異常光となる他方
の偏光成分は光軸がずれる。そして偏光板２２をこれら
の光が通過することによって、直線型の干渉縞ができ
る。この干渉縞を投影レンズ５７で被測定物の表面に投
影し、ＣＣＤカメラ等の撮像装置１１でこの縞を観察す
ると、表面の凹凸に従って歪んだ像を得ることができ
る。そして、波長シフトを行うと、干渉縞を作っている
二つの光の位相差が変化し、干渉縞が移動する。この時
の画像を撮像装置１１で縞解析装置６７へ取り込んで解
析すると、被測定物表面の凹凸が計測できる。

【００５９】この種の装置は、元来、光路長差が殆どな
くて、波長シフトによる位相シフト法を適用することは
出来なかった。しかしながら、上述の説明から明らかな
ように、本発明によれば、偏波面保存光ファイバの複屈
折性による光路長差を利用することにより、波長シフト
による位相シフト法の適用が可能となった。

【００６０】ここで、偏波面保存光ファイバ１８の屈折
率差（ｎ_x−ｎ_y）＝３×１０^-4、波長λ＝０．７８μ
ｍ、ファイバー長Ｌ＝５０ｍとして、前記式（７）にこ
れらを代入すると、必要な波長シフト量は、Δλ＝４０
ｐｍとなる。この値は、光源として半導体レーザを使用
する場合でも、モードホッピングが起こらない程度の値
である。

【００６１】図２１は本発明の第九実施例を示す説明図
である。この実施例は、直交する二つの偏光成分の光路
差を光路中に挿入された二枚の複屈折板６８，６９によ
り得るようにした点で、第八実施例とは異なる。本実施
例でも、偏波面保存光ファイバ１８を用いているため、
二つの偏光成分の間に光路差は生じるが、製品の仕様に
よって偏波面保存光ファイバの長さが限定される場合に
は、上記複屈折素子６８，６９により位相差を調節して
最適位相差が得られるように補正される。尚、装置全体
の構成及び作用は、第八実施例と同様であるので、第八
実施例のそれらと同じ構成部材には同一符号を付すに留
め、詳細な説明は省略する。

【００６２】図２２は本発明の第十実施例を示す説明図
である。この実施例は、複屈折板６８，６９が除かれ、
偏波面保存光ファイバ１８の代わりに光ファイバ７０が
用いられ且つコリメートレンズ５６と複屈折板２０との
間に位相板７１が挿入されている点で第九実施例とは異
なる。この第十実施例では、複屈折板２０の光路長差を
十分とることで、波長のシフト量の低減を行っている。
これにより、干渉する二光束は殆ど同一の光路を通るた
めに、外乱による影響を殆ど受けない。尚、装置全体の
構成及び作用は、第八実施例と同様であるので、第八実
施例のそれらと同じ構成部材には同一符号を付すに留
め、詳細な説明は省略する。本実施例の場合、光を分割
する複屈折板２０自体において光路長差が生じるので、
要求される波長シフト量によっては、位相板７１を省略
することもできる。

【００６３】図２３は本発明の第十一実施例を示す説明
図である。この実施例は、複屈折板６８，６９の代わり
に偏光ビームスプリッタ７２を用いて光路長差を設ける
ようにした点で第九実施例とは異なる。この実施例にお
いては、波長可変光源である半導体レーザ５１ａから発
した光は、偏光ビームスプリッタ７２に入射し、透過す
る偏光と反射する偏光とに分割される。反射した偏光は
１／４波長板７２ａを通過し、ミラー７２ｂで反射し、
再び１／４波長板７２ａを通過して偏光ビームスプリッ
タ７２に入射する。この偏光は、１／４波長板７２ａを
二度通過しているので、振動方向は９０゜回転してい
る。従って、この偏光は、偏光ビームスプリッタ７２中
を通過する。そして、１／４波長板７２ｃを通過し、ミ
ラー７２ｄで反射し、再び１／４波長板７２ｃを通過し
て偏光ビームスプリッタ７２に入射し、そこで反射せし
められて統合レンズ６５に向う。従って、偏光ビームス
プリッタ７２を透過した偏光と反射した偏光とでは光路
長が異なる。これらの偏光は偏波面保存光ファイバ１８
中を伝搬し、複屈折板２０で分割され、そして干渉縞を
生成する。本第十一実施例によれば、ミラー７２ｂ，７
２ｄの位置を変化させることにより、光源に適した波長
シフト量を変化させることができる。尚、この実施例に
おいても、既述の実施例におけるそれらと同様の構成部
材には同一符号が付されている。

【００６４】図２４は本発明の第十二実施例を示す説明
図である。この実施例は、光ファイバ３３から位相シフ
ト３４が除かれている点で、第６図に示した第三実施例
とは異なる。本第十二実施例は、長さの異なる二本のフ
ァイバを用いて光路長差を得るようにしたもので、一方
の光ファイバを長くするだけで、光路長差をつけること
ができ、他の実施例と比較してより大きな光路長差をつ
けることができると云う利点がある。この場合、二本の
ファイバの材料を異ならせれば、屈折率が異なるため、
光路長差をより大きくすることが可能である。尚、この
実施例の基本的な構成及び作用は、第三実施例と同様で
あるので、第三実施例のそれらと同じ構成部材には同一
符号を付すに留め、詳細な説明は省略する。

【００６５】図２５は本発明の第十三実施例を示す説明
図である。この実施例においては、内視鏡先端部に位相
差可変素子７３が設けられて、これにより位相シフトが
行われるようにしている。光源５１からは、偏波面保存
光ファイバ１８を介して直線偏光の光がその先端まで伝
搬され、位相差可変素子７３により、二つの偏光成分は
同一光量のまま位相のみが変えられる。これにより、干
渉縞のコントラストは変えずに、干渉縞の走査が行われ
る。この場合、直線偏光の方位角は、複屈折板２０によ
り分割される直交する二つの偏光成分の光量は同一とな
るように、選定されている。

【００６６】図２６は本発明の第十四実施例を示す説明
図である。この実施例では、内視鏡先端部に半導体レー
ザ光源５１ａと位相差可変素子７３が配置されていて、
該光源５１ａから出射した直線偏光の光は、第十三実施
例と同様に、直交する二つの偏光成分の位相差のみが変
えられて、干渉縞が生成されるようになっている。

【００６７】図２７は本発明の第十五実施例を示す説明
図である。この実施例では、内視鏡の先端部に可変波長
レーザ光源２３と位相板７１とを配設して、光源２３か
ら出射したレーザ光の波長を変えることにより、干渉縞
を走査するようにしている。即ち、光源２３から出射す
る直線偏光の振動方向と位相板７１の方位とが４５゜を
なすように位相板を配置して、直交する二つの偏光成分
間に光路長差を与え、その波長を変えることにより位相
差が生じるようにしている。この場合、複屈折板２０
は、光路を二つに分割する作用と同時に分割される二つ
の光路間に光路長差を生じさせる作用を有するので、波
長シフト量が大きくとれれば、位相板７１は省略でき
る。

【００６８】尚、上記各実施例において用いられる偏波
面保存光ファイバ１８は、ある程度の偏波性をもつ光フ
ァイバにより置換されてもよい。又、電歪素子，光源の
波長変化装置，ファイバ型位相シフト，位相差可変素子
は、干渉縞走査手段を構成する。

【００６９】

【発明の効果】上述のように本発明に係る計測内視鏡
は、干渉縞を生成する干渉縞生成手段と、干渉縞を走査
させる干渉縞走査手段と、干渉縞を撮像する撮像手段
と、画像信号から被測定物表面の凹凸情報を演算する演
算手段とを備えているから、被測定物に投影される干渉
縞のコントラストのむらに影響されることなく、その凹
凸を正確に計測することができ、人体臓器内部の病変部
やガス管等工業用管体の内部欠陥等の観測に有効に利用
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による計測手段の原理図を示す概略説明
図である。

【図２】本発明の第一実施例を示す要部説明図である。

【図３】第一実施例に用いられる複屈折板における光の
分離の状態を示す拡大図である。

【図４】第一実施例における偏波面保存光ファイバの端
面図である。

【図５】本発明の第二実施例を示す要部説明図である。

【図６】本発明の第三実施例を示す要部説明図である。

【図７】本発明の第四実施例を示す要部説明図である。

【図８】本発明の第五実施例を示す要部説明図である。

【図９】本発明の第六実施例を示す要部説明図である。

【図１０】本発明の第七実施例の基本構成を示す説明図
である。

【図１１】本発明の第七実施例の具体的構成を示す説明
図である。

【図１２】図１１に示された各光学要素の光の偏光状態
の変化を示す説明図である。

【図１３】第七実施例における位相変化の状態を示す線
図である。

【図１４】第七実施例の第一変形例を示す要部説明図で
ある。

【図１５】第七実施例の第二変形例を示す要部説明図で
ある。

【図１６】第七実施例の第三変形例を示す要部説明図で
ある。

【図１７】第七実施例の第四変形例を示す要部説明図で
ある。

【図１８】第七実施例の第五変形例を示す要部説明図で
ある。

【図１９】第七実施例の第六変形例を示す要部説明図で
ある。

【図２０】本発明の第八実施例を示す要部説明図であ
る。

【図２１】本発明の第九実施例を示す要部説明図であ
る。

【図２２】本発明の第十実施例を示す要部説明図であ
る。

【図２３】本発明の第十一実施例を示す要部説明図であ
る。

【図２４】本発明の第十二実施例を示す要部説明図であ
る。

【図２５】本発明の第十三実施例を示す要部説明図であ
る。

【図２６】本発明の第十四実施例を示す要部説明図であ
る。

【図２７】本発明の第十五実施例を示す要部説明図であ
る。

【符号の説明】

１，２３光源４，２７ビームスプリッタ５，６反射鏡７，４８，５０電歪素子９被測定物１０干渉縞１１カメラ１２コンピュータ１４，７２偏光ビームスプリッタ１８偏波面保存光ファイバ２０，５６，６８，６９複屈折板２２偏光板２８反射コート３１ファイバ形光分波器３４ファイバ形位相シフタ４４位相シフタ４６マルチモード光ファイバ５１光源ユニット５１ａレーザ光源５１ｂ１／２波長板５１ｃコヒーレント光源５１ｄ１／４波長板５１ｅファラディー素子５１ｆ，５１ｇ液晶板５８バビネソレイユ板５９電気光学効果を持つ結晶６３液晶装置６４光アイソレータ６７縞解析装置７０光ファイバー７３位相差可変素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者崎山勝則東京都渋谷区幡ケ谷２の43の２オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者高山敏一東京都渋谷区幡ケ谷２の43の２オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物表面の凹凸の計測を行なう計測
内視鏡において、被測定物表面上に干渉縞を生成する干
渉縞生成手段と、該干渉縞を走査させる干渉縞走査手段
と、該干渉縞の投影像を画像として撮像する撮像手段
と、該撮像手段からの画像信号に基づいて前記被測定物
表面の凹凸情報を演算する演算手段とを備えていること
を特徴とする計測内視鏡。