WO2024121941A1

WO2024121941A1 - 干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法

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Publication number: WO2024121941A1
Application number: PCT/JP2022/044936
Authority: WO
Inventors: 大智渡邊; 稔明鈴木
Original assignee: オリンパスメディカルシステムズ株式会社
Priority date: 2022-12-06
Filing date: 2022-12-06
Publication date: 2024-06-13

Abstract

干渉縞投影光学系において、干渉縞を生成する光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する２つの光射出部を有し、前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズは、入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置される。　前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、射出側レンズ群の焦点距離をｆ２、とするとき、ｆ１／ｆ２＞３、を満たし、前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、ｘｄ＜ｆ１＋ｆ２、を満たす。

Description

干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法

　本発明は、干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法に関する。

　干渉縞を投影する装置として、例えば、干渉縞投影光学系と、撮像部と、演算部とを備えた形状測定装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。形状測定装置は、干渉縞投影光学系により測定対象の物体表面に干渉縞を投影し、投影された干渉縞を撮像部で撮影し、その撮影した干渉縞を演算部で解析して物体表面の三次元形状を計測する。

日本国特許第６５８６４５９号公報

　光源から射出される主光線が平行する２つの発散光束を投影する拡大光学系において、２つの光束は可干渉性を有している。入射側レンズ群の焦点距離をｆ１とし、射出側レンズ群の焦点距離をｆ２としたとき、入射側レンズ群の射出側主点から射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとすると、ｘｄ／（ｆ１＋ｆ２）＝１を満たさない場合、光学系から射出される２つの光束の主光線が平行を保てなくなる（像側テレセントリックでなくなる）ことにより、入射瞳が小さくなる。このため、瞳面における２光束の波面収差の差異が大きくなり干渉縞が歪んでしまう。特に、拡大光学系を小型化しようとする場合、ｘｄ／（ｆ１＋ｆ２）＜１とする必要があるため、テレセントリック性が保たれなくなり干渉縞が歪んでしまう。
　特許文献１では、上記のような主光線同士が平行を保てなくなることに起因するコントラストの低下が比較的生じにくいレンズ群の間の面間隔や焦点距離の範囲ついての開示がなされている。しかしながら、主光線同士が平行でなくなることに起因する干渉縞の歪みを抑制する構成については開示されていない。

　本発明はこのような事情を考慮してなされ、光学系を小型にしたとしても干渉縞の歪みの発生を抑制することができる干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法を提供することを目的とする。

　本発明の第一態様に係る干渉縞投影光学系は、干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する２つの光射出部を有している。
　前記拡大光学系は、前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成されている。
　前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置されている。
　前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２、とするとき、ｆ１／ｆ２＞３、である。
　前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、ｘｄ＜ｆ１＋ｆ２、を満たす。

　本発明の第二態様に係る形状測定装置は、干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する２つの光射出部を有し、前記拡大光学系は、前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２、とするとき、ｆ１／ｆ２＞３を満たし、前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、ｘｄ＜ｆ１＋ｆ２、を満たす干渉縞投影光学系と、前記光射出部の像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像する撮像部と、前記撮像部からの画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する演算部と、を備える。

　本発明の第三態様に係る形状測定方法は、干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する２つの光射出部を有し、前記拡大光学系は、前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２、とするとき、ｆ１／ｆ２＞３を満たし、前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、ｘｄ＜ｆ１＋ｆ２、を満たす干渉縞投影光学系を用いた形状測定方法であって、前記光射出部の像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像し、撮像された画像の画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する。

　上記態様によれば、干渉縞投影光学系を小型にしたとしても干渉縞の歪みの発生を抑制することができる。

本発明の第一実施形態に係る形状測定装置の要部の概略構成図である。図１の干渉縞投影光学系の光源を示す図である。本発明の干渉縞投影光学系の第一変形例を示す図である。本発明の干渉縞投影光学系の第二変形例を示す図である。本発明の干渉縞投影光学系の第三変形例を示す図である。本発明の干渉縞投影光学系の第四変形例を示す図である。図６の干渉縞投影光学系における平凸レンズの保持の形態を示す図である。本発明の干渉縞投影光学系の第五変形例を示す図である。本発明の干渉縞投影光学系の第六変形例を示す図である。本発明の干渉縞投影光学系の第七変形例を示す図である。本発明の第二実施形態に係る形状測定装置を用いた内視鏡の概略構成図である。本発明の第三実施形態に係る形状測定装置を用いた内視鏡システムの概略構成図である。図１２の内視鏡システムに用いられる投影プローブを示す図である。図１３の投影プローブを内視鏡に挿入させた状態を示す要部断面図である。本発明の第四実施形態に係る形状測定装置を用いた内視鏡システムにおける、投影プローブを内視鏡に挿入させた状態を示す要部断面図である。

（第１実施形態）
　以下、第１実施形態に係る干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置の構成を、図１及び図２を参照しながら説明する。
　図１は、第１実施形態に係る形状測定装置の要部の概略構成図である。形状測定装置１は、干渉縞投影光学系１０と、撮像部２と、コンピュータ等からなる演算制御部３とを備えている。

　干渉縞投影光学系１０は、光源２０と、拡大光学系４０とを備えている。

　光源２０として、本実施形態では、ＰＬＣ（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ，平面光回路）を用いている。図２に示すように、ＰＬＣは、例えば、シリコン基板２１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。光源２０の構成は特に限定されないが、例えば、シリコン基板２１上に、入力導波路２２と、第１導波路２３と、第２導波路２４と、光カプラ２５とが形成されている。第１導波路２３と、第２導波路２４とは平行に形成されている。入力導波路２２に入力された光は、光カプラ２５により第１導波路（光射出部）２３と第２導波路（光射出部）２４とに分岐されて、第１導波路２３及び第２導波路２４から可干渉光が射出される。入力導波路２２に入力させる光は、例えば、単波長のレーザ光である。

　第１導波路２３の近傍には、例えば、ヒーター（図示略）が配置されており、ヒーターにより第１導波路２３と第２導波路２４とから射出される２つの光束の位相差が変更される。第１導波路２３と第２導波路２４とから射出される２つの光束の位相差を変更させる構成はヒーターに限らず、例えば、可動反射鏡を用いて干渉させる２つの光束の走路長差を変化させてもよく、公知の種々の構成が適用可能である。
　第１導波路２３と第２導波路２４との配列方向の間隔は、約５０μｍである。
　図１では、２つの第１導波路２３、第２導波路２４から射出された光束の主光線は、実際は２本であるが、２つの光束の主光線は非常に近いため、以下の説明において、２つの光束の主光線うち１本のみを示す。

　図１に示すように、拡大光学系４０は、配光補正レンズ３０と、入射側レンズ群４１と、射出側レンズ群４２とを有する。入射側レンズ群４１は、正の屈折力を有する単一のレンズ４１ａから構成されている。同様に、射出側レンズ群４２も、正の屈折力を有する単一のレンズ４２ａから構成されている。
　図１に示すように、配光補正レンズ３０から射出された２つの光束が、拡大光学系４０により拡大されて物体表面７０に投影される。光源２０から射出された光束を拡大させるために、拡大光学系４０は、レンズ４１ａの焦点距離ｆ１をレンズ４２ａの焦点距離ｆ２よりも大きくする。本実施形態では、焦点距離ｆ１と焦点距離ｆ２との関係は以下の数式（１）を満たす。

　物体表面７０の広い範囲に亘って形状測定を行うには、広い範囲に光束を広げる必要があり、光束を広げるには、ｆ１／ｆ２が３を上回るのが好ましい。光源２０の導波路端面から射出される光束のビーム半径（エネルギーが１／ｅ^２となる半径）ｗ_０を１．５μｍ、波長を５２０ｎｍとすると、発散角は下記の式（２）より求められ、ＮＡ＝ｓｉｎθからＮＡ＝０．１１０となる。撮像系の半画角を７０ｄｅｇ（ＮＡ＝０．９４０）とする場合、投影光学系の倍率は８．５倍（０．９４０／０．１１０）とする必要があるため、ｆ１／ｆ２が８．５を上回るとよい。さらにエネルギーが１／ｅとなる領域で照明したい場合は、下記の式（３）を用いて、同様に計算することでｆ１／ｆ２が１２を上回るとよいことが分かる。これにより、測定範囲を撮像系の視野角に適合させることができるため、好適である。

　配光補正レンズ３０は、光源２０と、拡大光学系４０の入射側レンズ群４１との間に配置されている。配光補正レンズ３０と光源（第１導波路２３及び第２導波路２４）２０との距離は、配光補正レンズ３０と入射側レンズ群４１までの距離よりも短い。すなわち、配光補正レンズ３０は、光源２０に近づけて配置されている。

　配光補正レンズ３０は、光源２０から射出された光束が入射し、正のパワー（凸レンズである）を有する単レンズである。配光補正レンズ３０の作用は、光源２０から射出された光束の主光線が前方に焦点を結び、その焦点が射出側レンズ群４２の前側焦点に一致する。これにより、配光補正レンズ３０から射出され、拡大光学系４０を通過後の光束の主光線が平行（テレセントリック）になる。つまり、前方に焦点を結ばせるために、正のパワー（凸レンズである）を有することが好ましい。

　配光補正レンズ３０は、単レンズであるため、干渉縞投影光学系１０の光軸Ｏ方向の全長が短くなる。光源２０として単波長レーザを用いているため、配光補正レンズ３０による色収差の影響を極力を抑えることができる。
　また、第１導波路２３と第２導波路２４との間隔が非常に狭い（約５０μｍ）ため、光源２０から射出された２つの光束の主光線が光軸Ｏ近傍を通るため、配光補正レンズ３０を単レンズとしても収差の発生を抑えることができる。

　入射側レンズ群４１は、配光補正レンズ３０から射出された光束が入射するように配置されている。入射側レンズ群４１は、配光補正レンズ３０から射出された光束を略コリメート光に変換する。
　射出側レンズ群４２は、入射側レンズ群４１から射出された光束が入射するように配置されている。射出側レンズ群４２は、入射側レンズ群４１から射出された光束を集光させる。射出側レンズ群４２により一度集光した光束は、その後、発散するため広い領域を照明する。

　入射側レンズ群４１及び射出側レンズ群４２のそれぞれの主点位置の間隔、つまり入射側レンズ群４１の射出側主点から射出側レンズ群４２の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、以下の数式（４）を満たす。

　上記数式（４）を満たすように、入射側レンズ群４１及び射出側レンズ群４２が配置されている。

　撮像部２は、光射出部の像よりも射出側の物体表面に投影される干渉縞を画像として撮像する。
　演算制御部３は、撮像部２からの画像信号に基づいて物体表面の凹凸情報（三次元形状）を演算する。

　次に、以上のように構成された干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置の作用について説明する。
　光源２０の入力導波路２２に入力される光は、光カプラ２５によって分岐される。分岐された光は、第１導波路２３及び第２導波路２４を通る。第１導波路２３を通る光束の位相は、ヒーターにより制御されているため、第１導波路２３及び第２導波路２４から位相の異なる２つの光束が略平行に射出される。
　光源２０から射出された光束は、拡大光学系４０を構成する入射側レンズ群４１及び射出側レンズ群４２により拡大され、測定対象の物体表面７０に干渉縞が投影される。

　本実施形態に係る形状測定装置は、干渉縞投影光学系１０により物体表面７０に干渉縞を投影し、その干渉縞を干渉縞走査部（図示略）により走査しながら、物体表面７０上の干渉縞を撮像部２で撮像する。その画像信号を演算制御部３に取り込む。そして、演算制御部３において、干渉縞の画像信号に基づいて物体表面７０の凹凸情報を演算して三次元形状を計測する。

　本実施形態によれば、配光補正レンズ３０は、第１導波路２３及び第２導波路２４から射出された光束が入射する正のパワーを有する単レンズであり、入射側レンズ群４１までの距離よりも第１導波路２３及び第２導波路２４までの距離の方が小さい位置に配置されている。この構成により、光源２０から射出され、拡大光学系４０を通過後の２つの光束は、略平行となるため、入射瞳が略無限大になり、瞳面における２つの光束の主光線のシフト量は無視することができる。このため、２つの光束の波面形状は略同一と見なすことができる。したがって、波面収差の差異がほとんどなくなり、波面収差の影響を抑えることができるため、干渉縞の歪みの発生を抑制することができる。
　また、入射側レンズ群４１と射出側レンズ群４２との距離ｘｄを小さくしても、言い換えると、入射側レンズ群４１と射出側レンズ群４２とを近づけたとしても、干渉縞の歪みの発生を抑制することができる。したがって、干渉縞投影光学系１０を小型にしつつ、物体表面７０に投影される干渉縞の歪みを抑えることができる。

　また、射出側レンズ群４２から射出される光束の主光線が、光軸Ｏと略平行となるため、入射瞳が略無限となる。これにより、物体表面７０における波面収差に対する干渉縞の歪みのロバスト性が向上する。
　さらには、形状測定装置１から離れた位置に物体表面７０が位置する場合でも、２光束の主光線の間隔が維持できるため、遠方でも干渉縞のコントラストを高いまま維持することができる。

（第一変形例）
　次に、本発明に係る第一変形例について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　図３に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系１０Ａでは、配光補正レンズ３０と入射側レンズ群４１との間に凹レンズ５０が配置されている。
　凹レンズ５０は、入射側レンズ群４１側に凸面を向けたメニスカスレンズである。この構成により、レトロフォーカス光学系となる。

　凹レンズ５０は、アプラナティックとなるように配置されている。凹レンズ５０は、入射側レンズ群４１側の曲面５０ａと、配光補正レンズ３０側の曲面５０ｂとを有する。凹レンズ５０の曲面５０ｂは、点Ｐを中心にした円弧である。
　また、凹レンズ５０の曲面５０ｂによって屈折した光は、光軸Ｏ上の点Ｐ’、すなわち、光源２０の出射端面２６に一致している。このように、アプラナティック条件（球面収差及びコマ収差が生じない条件）を満たす位置に、凹レンズ５０を配置させることにより、収差を抑制することができる。

　本変形例によれば、凹レンズ（メニスカスレンズ）５０が、配光補正レンズ３０と入射側レンズ群４１との間に配置されているため、レトロフォーカス光学系となり、干渉縞投影光学系１０Ａの全長を短くすることができる。
　また、凹レンズ５０は、必ずしもアプラナティックとなるように配置されている必要はないが、凹レンズ５０をアプラナティックとなるように配置されることにより、干渉縞投影光学系１０Ａを小型にしつつ、干渉縞の歪みを抑えた干渉縞投影光学系１０Ａを提供することができる。

　さらに、凹レンズ５０をアプラナティックとなるように配置されることにより、波面収差を抑えることができる。つまり、凹レンズ５０を配置した光学系と、凹レンズ５０を配置しない光学系との収差の変化はほとんどない。このため、凹レンズ５０を配置する光学系と、凹レンズ５０を配置しない光学系とで、光学系の全長を略同一とした場合、結像倍率を変更することができる。したがって、凹レンズ５０以外の光学系を共通化した状態で、照明画角の異なる光学系を実現することできる。例えば、一般的に内視鏡では、上部内視鏡での画角（１４０ｄｅｇｒｅｅ）が、下部内視鏡での画角（１７０ｄｅｇｒｅｅ）より小さい。このため、上部内視鏡では、凹レンズ５０を配置せず、下部内視鏡では、凹レンズ５０を配置することにより、結像倍率を変更することができるため、凹レンズ５０以外の光学系を共通化できる。その結果、製造コストを低減することができる。

（第二変形例）
　次に、本発明に係る第二変形例について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　図４に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系１０Ｂでは、射出側レンズ群４２Ａの構成において、第１実施形態と異なる。
　射出側レンズ群４２Ａは、レンズ４２ｂと平凸レンズ４２ｃとを有している。
　レンズ４２ｂは、入射側レンズ群４１から射出された光束が入射するように配置されており、入射側レンズ群４１側に凸面を向けた平凸レンズである。
　平凸レンズ４２ｃは、ボールレンズの一部をカットした形状である。平凸レンズ４２ｃは、レンズ４２ｂから射出された光束が入射するように配置されており、レンズ４２ｂに凸面を向けたレンズである。
　平凸レンズ４２ｃは、アプラナティックとなるように配置されている。平凸レンズ４２ｃは、入射した光束が射出端面（平面）４２ｄにて集光するように形成されている。すなわち、平凸レンズ４２ｃの焦点が射出端面４２ｄに位置している。

　本変形例によれば、平凸レンズ４２ｃとして安価に製造可能なボールレンズを使用することができるため、製造コストを抑えることができる。さらに、平凸レンズ４２ｃをアプラナティックとなるように配置されることにより、干渉縞の歪みを抑えた干渉縞投影光学系１０Ｂを提供することができる。
　なお、第一変形例と同様に、配光補正レンズ３０と入射側レンズ群４１との間に凹レンズ５０が配置されていてもよい。

（第三変形例）
　次に、本発明に係る第三変形例について説明するが、第二変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　図５に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系１０Ｃでは、配光補正レンズ３０と入射側レンズ群４１との間に凹レンズ（メニスカスレンズ）５０が配置されている。
　平凸レンズ４２ｅは、ボールレンズの一部をカットした形状である。平凸レンズ４２ｅは、焦点位置が射出端面４２ｆに一致しないように、ボールレンズをカットして形成されている。本変形例では、平凸レンズ４２ｅの内部の光軸Ｏ上に焦点が位置するように、平凸レンズ４２ｅの曲率半径、屈折率、レンズの厚みが規定されている。

　平板ガラス４３は、平凸レンズ４２ｅの射出端面４２ｆに接触して設けられている。平板ガラス４３は、射出側レンズ群４２Ａから射出された光束が入射するように配置されている。本変形例では、平凸レンズ４２ｅと平板ガラス４３とは接着剤により接着されている。
　平凸レンズ４２ｅの屈折率と平板ガラス４３の屈折率とは同じである。

　例えば、平凸レンズ４２ｅの射出端面４２ｆに平板ガラス４３を用いない場合、射出端面４２ｆにエネルギーが集中しているため、射出端面４２ｆに液体が付着すると、射出端面４２ｆに液体の焼き付きが起こってしまう。これを防ぐために、本変形例では、射出端面４２ｆに平板ガラス４３が配置されている。この平板ガラス４３により、平板ガラス４３から射出する光束の外径を大きくすることができるので、平板ガラス４３の射出端面４３ａにおけるエネルギー密度を下げることが可能となる。

　本変形例によれば、平凸レンズ４２ｅの焦点位置が、射出端面４２ｆに一致せず、平凸レンズ４２ｅの内部の光軸Ｏ上に焦点が位置するように、平凸レンズ４２ｅが形成されている。すなわち、光束が、平凸レンズ４２ｅと平板ガラス４３との間の接着剤の位置に集光しないため、接着剤の光劣化を防止することができる。
　また、平板ガラス４３を配置することにより、球面収差が発生するが、配光補正レンズ３０が配置されているため、入射瞳を大きくすることができる。これにより、平板ガラス４３による収差に対する干渉縞の歪みの影響を抑えることができる。
　さらに、凹レンズ５０が配光補正レンズ３０と入射側レンズ群４１との間に配置されているため、干渉縞投影光学系１０Ｃの光軸方向の全長を第二変形例に比べて短くすることができる。
　配光補正レンズ３０によるロバスト性向上の効果により、平板ガラス４３で生じた球面収差の影響を無視することができる。

（第四変形例）
　次に、本発明に係る第四変形例について説明するが、第三変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　図６に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系１０Ｄでは、平凸レンズ４２ｅと平板ガラス４４との屈折率が異なっている。
　平凸レンズ４２ｅの屈折率をｎ１とし、平板ガラス４４の屈折率をｎ２とした場合、ｎ１＞ｎ２が成り立つ。
　この構成により、平凸レンズ４２ｅから射出された光束は、平板ガラス４４で屈折する。その結果、平板ガラス４４の光軸Ｏ方向の厚みを薄くしても、平板ガラス４４から射出される光の拡がり角を維持することができる。
　また、図５に示す第三変形例の干渉縞投影光学系１０Ｃに比べて、平板ガラス４４の光軸Ｏ方向の長さ寸法を短くすることができる。したがって、干渉縞投影光学系１０Ｄの光軸Ｏ方向の全長をより短くできるため、更なる小型化を図ることができる。

　次に、干渉縞投影光学系１０Ｄにおける平凸レンズ４２ｅの保持の形態について説明する。
　図７に示すように、平板ガラス４４の外径は、平凸レンズ４２ｅの外径よりも大きい。平板ガラス４４と平凸レンズ４２ｅとは、接着剤ＡＤにより接合されている。平板ガラス４４と平凸レンズ４２ｅとの接合は、接着剤に限らず、例えば、オプティカルコンタクトであってもよい。

　レンズ４２ｂと平板ガラス４４との間には、間隔環６０が設けられている。間隔環６０は筒状に形成されており、内部に平凸レンズ４２ｅが配置されている。間隔環６０の第一端がレンズ４２ｂの射出端面４２ｇに接合し、間隔環６０の第二端が平板ガラス４４の入射端面４４ａに接合している。
　鏡枠６１は筒状に形成されており、鏡枠６１の内部に間隔環６０が保持されている。本変形例では、鏡枠６１と間隔環６０とが、別体である例を挙げて説明したが、一体に構成されていてもよい。

　通常、平凸レンズ（ボールレンズ）を保持するのは困難であるが、本変形例では、平凸レンズ４２ｅが接合された平板ガラス４４が間隔環６０により保持されているため、実装作業が容易になる。さらに、平凸レンズ４２ｅの軸ズレが起きると、光束が斜めに射出されてしまうが、平凸レンズ４２ｅの軸ズレを抑えられることができるため、物体表面７０に投影される干渉縞の投影位置のズレを低減することができる。

（第五変形例）
　次に、本発明に係る第五変形例について説明するが、第四変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　本変形例の干渉縞投影光学系１０Ｅは、遮光板５１を備えている。
　図８に示すように、遮光板５１は、中央に開口部５１ａが形成されている。遮光板５１は、配光補正レンズ３０と凹レンズ５０との間に配置されている。本変形例では、遮光板５１は、凹レンズ５０の入射側の端面５０ｃに接合されている。
　凹レンズ５０の入射面の有効径より外側の端面５０ｃを平面とし、この平面に遮光板５１を当接させている。この構成により、遮光板５１を凹レンズ５０に容易に実装することができる。
　また、光源２０から射出された光束が、平凸レンズ４２ｃの射出端面４２ｆに集光する平凸レンズ４２ｃを用いている。なお、図６に示すように、光源２０から射出された光束が、平凸レンズ４２ｃの射出端面４２ｆに集光しない平凸レンズ４２ｅを用いてもよい。

　本変形例によれば、配光補正レンズ３０から射出された光のうち、不要な光は遮光板５１により遮光され、必要な光は遮光板５１の開口部５１ａを通過し、凹レンズ５０に入射する。これにより、所望の光束よりも外側の光束を遮光することで、迷光の発生を防ぎ、意図しない照明ムラ（縞パターンの崩れ）の発生を抑制することができる。さらに、遮光板５１は、配光補正レンズ３０と凹レンズ５０との間に配置されているため、光束が多くの光学素子を通過する前に、迷光の発生を抑えることができる。これにより、不要な（意図しない）迷光の発生要因を早い段階で除去することできる。

　また、上述した第四変形例に示したように、干渉縞投影光学系を鏡枠及び間隔環を用いて保持する場合は、鏡枠及び間隔環は、反射防止処理が施されていてもよい。反射防止処理としては、例えば、黒塗り、黒メッキ、黒染めなどが挙げられる。このように、鏡枠及び間隔環を反射防止処理することにより、鏡枠、間隔環で反射した意図しない光が吸収されるため、迷光の発生を抑制することができる。
　なお、遮光板５１は、配光補正レンズ３０と凹レンズ５０との間に配置されている構成としたが、遮光板５１は、配光補正レンズ３０と入射側レンズ群４１との間に配置されていればよい。

（第六変形例）
　次に、本発明に係る第六変形例について説明するが、第四変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　本変形例は、第四変形例の干渉縞投影光学系１０Ｄを保持する鏡枠及び間隔環を備えている。
　図９に示すように、配光補正レンズ３０と凹レンズ５０との間には、筒状の間隔環８１が設けられ、凹レンズ５０と入射側レンズ群４１との間には、筒状の間隔環８２が設けられ、入射側レンズ群４１とレンズ４２ｂとの間には、筒状の間隔環８３が設けられ、レンズ４２ｂと平板ガラス４４との間には、筒状の間隔環８４が設けられている。
　間隔環８１～８４により、各光学素子（配光補正レンズ３０、凹レンズ５０、入射側レンズ群４１、レンズ４２ｂ、平凸レンズ４２ｃ）の光軸Ｏ方向に所定の間隔を保ちつつ、光学素子が保持されている。間隔環８１～８４の材料としては、ガラス、セラミックスが挙げられる。
　鏡枠８５は筒状に形成されており、鏡枠８５の内部に間隔環８１～８４が保持されている。本変形例では、鏡枠８５と間隔環８１～８４とが、別体である例を挙げて説明したが、一体に構成されていてもよい。

　ここで、間隔環の材料を金属で形成した場合は、間隔環に到達した光Ｌ１は、散乱光になってしまうが、本変形例では、間隔環８１～８４の材料は、ガラス、または、セラミックスにより形成されているため、間隔環８１～８４に到達した光は、散乱光ではなく反射光となる。これにより、光線を設計により制御しやすくなる。さらには、意図した光束のみが優先的に集光点を通過することが可能となる。

　また、平凸レンズ４２ｃと平板ガラス４４との間に、遮光マスク５２が設けられている。遮光マスク５２の中央には開口部５２ａが形成されている。開口部５２ａ内に光束の集光点が位置するように、遮光マスク５２が配置されている。すなわち、遮光マスク５２は、集光点の近傍に配置させることが好ましい。この構成により、間隔環８２において反射した光Ｌ１は、遮光マスク５２により遮光されるため、照明ムラ（縞パターンの崩れ）の発生を抑制することができる。

　遮光マスク５２の形成方法は特に限定されないが、平凸レンズ４２ｃの射出端面にＣｒ蒸着などによりピンホールマスクを形成してもよい。あるいは、平板ガラス４４の平凸レンズ４２ｃ側の入射端面４４ａにＣｒ蒸着などによりピンホールマスクを形成してもよい。
　なお、図６に示すように、光源２０から射出された光束が、平凸レンズ４２ｃの射出端面４２ｆに集光しない平凸レンズ４２ｅを用いてもよい。

　本変形例によれば、光源２０から射出され、例えば間隔環８２で反射した光は、入射側レンズ群４１及び射出側レンズ群４２Ａを通過し、遮光マスク５２により遮光される。したがって、不要な光（意図した光束以外）を取り除くことができるため、干渉縞の歪みをより抑えることができる。

（第七変形例）
　次に、本発明に係る第七変形例について説明するが、第五変形例と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　図１０に示すように、本変形例の干渉縞投影光学系１０Ｆでは、配光補正レンズ３０と入射側レンズ群４１のレンズ４１ｂとの形状及び材質が同一のレンズである。なお、配光補正レンズ３０と射出側レンズ群４２Ａのレンズ４２ｂとの形状及び材質が同一のレンズであってもよい。
　本変形例によれば、配光補正レンズ３０と入射側レンズ群４１のレンズ４１ｂとを共通化することにより、配光補正レンズ３０及びレンズ４１ｂを形成する型や治具の種類を削減してバッチ処理することができるため、コストを低減することできる。

（第二実施形態）
　次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。第二実施形態では、図９に示す第六変形例の干渉縞投影光学系１０Ｄを有する形状測定装置１を備えた内視鏡について説明する。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　内視鏡１１０は、例えば手術台に横たわる患者の体内を観察および処置する装置である。図１１に示すように、内視鏡１１０は、患者の体内に挿入される細長い挿入部１１１と、挿入部１１１の基端に接続された操作部１１２と、操作部１１２から延出するユニバーサルコード１１３と、を備えている。
　挿入部１１１は、基端側に処置具挿入口１１０ａが形成されている。処置具挿入口１１０ａは、挿入部１１１内において図示しない処置具挿通チャンネルの基端部に連結している。
　処置具挿入口１１０ａは、内視鏡用処置具（図示略）を処置具挿通チャンネルに挿入するための挿入口である。
　操作部１１２は、内視鏡１１０に対する操作を受け付ける。ユニバーサルコード１１３は、内視鏡１１０と演算制御部３とを接続する。

　内視鏡１１０の挿入部１１１の先端には、第六変形例の干渉縞投影光学系１０Ｄ及び撮像部２が設けられている。干渉縞投影光学系１０Ｄの平板ガラス４４の射出端面４４ｂが挿入部１１１の先端開口に位置している。この構成により、挿入部１１１の先端に配置された平板ガラス４４の射出端面４４ｂから測定対象に向かって、干渉縞投影光学系１０Ｄから投影された干渉縞が投影される。この干渉縞は撮像部２により撮影される。

　撮像部２は、第１導波路２３及び第２導波路２４の像よりも射出側の物体表面に投影される干渉縞を画像として撮像する。なお、撮像部２の位置は、挿入部１１１の先端ではなく、内視鏡１１０の外側に設けられていてもよい。
　演算制御部３は、撮像部２からの画像信号に基づいて物体表面の凹凸情報（三次元形状）を演算する。

　次に、以上のように構成された内視鏡１１０の作用について説明する。
　体内の凹凸形状を測定する際、干渉縞投影光学系１０Ｄから光を射出し、内視鏡１１０の挿入部１１１の先端から干渉縞を凹凸形状に投影する。撮像部２において、干渉縞を撮像し、その画像信号を演算制御部３に取り込む。そして、演算制御部３において、干渉縞の画像信号に基づいて測定対象の表面の凹凸情報を演算して三次元形状を計測する。

　本実施形態によれば、小型にしても干渉縞の歪みを抑えた干渉縞投影光学系１０Ｄを用いているため、内視鏡の外径の寸法を大きくすることなく、測定対象の凹凸形状を精度よく計測することが可能となる。

（第三実施形態）
　次に、本発明に係る第三実施形態について説明する。第三実施形態では、第五変形例の干渉縞投影光学系１０Ｅを有する形状測定装置を備えた内視鏡システムについて説明する。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　内視鏡システム１００は、図１２及び図１３に示すように、内視鏡１１０と、投影プローブ１２０と、演算制御部３とを備えている。投影プローブ１２０は、上述した第五変形例の干渉縞投影光学系１０Ｅを備えている。

　図１２に示すように、内視鏡１１０は、第二実施形態と同様に、細長い挿入部１１１と、操作部１１２と、ユニバーサルコード１１３と、を備えている。
　処置具挿入口１１０ａは、内視鏡用処置具（図示略）の他に図１３の投影プローブ１２０を処置具挿通チャンネルに挿入するための挿入口である。

　投影プローブ１２０は、測定対象に向かって干渉縞を投影する。図１４に示すように、投影プローブ１２０には、第五変形例の干渉縞投影光学系１０Ｅ及び撮像部２が設けられている。この構成により、投影プローブ１２０から投影された干渉縞が撮像部２により撮影される。
　また、図１４に示すように、内視鏡１１０の挿入部１１の先端には、内視鏡用撮像部２Ａが設けられている。

　撮像部２は、第１導波路２３及び第２導波路２４の像よりも射出側の物体表面に投影される干渉縞を画像として撮像する。
　演算制御部３は、撮像部２からの画像信号に基づいて物体表面の凹凸情報（三次元形状）を演算する。

　次に、以上のように構成された内視鏡システム１００の作用について説明する。
　体内の凹凸形状を測定する際、図１４に示すように、投影プローブ１２０を処置具挿入口１１０ａから挿入し、挿入部１１１の先端まで押し込む。投影プローブ１２０が挿入部１１１の先端から突出された後、測定対象に向かって、干渉縞を投影する。撮像部２において、干渉縞を撮像し、その画像信号を演算制御部３に取り込む。そして、演算制御部３において、干渉縞の画像信号に基づいて測定対象の表面の凹凸情報を演算して三次元形状を計測する。

　本実施形態によれば、小型にしても干渉縞の歪みを抑えた投影プローブ１２０を用いているため、内視鏡の外径を大きくすることなく、測定対象の凹凸形状を精度よく計測することが可能となる。

（第四実施形態）
　次に、本発明に係る第四実施形態について説明する。第四実施形態では、第五変形例の干渉縞投影光学系１０Ｅを有する形状測定装置を備えた内視鏡システムについて説明する。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。

　図１５に示すように、本第四実施形態では、投影プローブ１３０には、第五変形例の干渉縞投影光学系１０Ｅが設けられている。撮像部２は、内視鏡１１０の挿入部１１１の先端に設けられている。この構成により、投影プローブ１３０から投影された干渉縞が撮像部２により撮影される。撮像部２は、第三実施形態の内視鏡用撮像部２Ａを兼ねている。
　その他の構成においては、第三実施形態と同様である。

　本実施形態によれば、投影プローブ１３０は、撮像部２を備えていないため、撮像部を備えた投影プローブの外径に比べて、投影プローブ１３０の外径を小さくすることができる。
　なお、撮像部２は、第三実施形態の内視鏡用撮像部２Ａを兼ねている構成としたが、内視鏡１１０に、撮像部２とは別に内視鏡用撮像部２Ａが設けられていてもよい。

　なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

　例えば、上記第二実施形態では、第六変形例の干渉縞投影光学系１０Ｄを有する形状測定装置を備えた内視鏡について説明したが、内視鏡は、第一実施形態、第一変形例から第五変形例、第七変形例の干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置を備えていてもよい。
　上記第三実施形態、第四実施形態では、第五変形例の形状測定装置を備えた内視鏡システムについて説明したが、内視鏡システムは、第一変形例から第四変形例、第六変形例、第七変形例の干渉縞投影光学系を用いた形状測定装置を備えていてもよい。

　その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した各実施形態及び変形例における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは
可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

　本発明の干渉縞投影光学系、形状測定装置、及び形状測定方法によれば、干渉縞投影光学系を小型にしたとしても干渉縞の歪みの発生を抑制することができる。

ｆ１　焦点距離
ｆ２　焦点距離
ｘｄ　距離
１　形状測定装置
２　撮像部
３　演算制御部
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ　干渉縞投影光学系
２０　光源
２３　第１導波路（光射出部）
２４　第２導波路（光射出部）
３０　配光補正レンズ（凸レンズ）
４０　拡大光学系
４１　入射側レンズ群
４２，４２Ａ　射出側レンズ群
４３，４４　平板ガラス
５０　凹レンズ（メニスカスレンズ）
５１　遮光板
７０　物体表面
１００　内視鏡システム

Claims

　干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、
　前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する２つの光射出部を有し、
　前記拡大光学系は、
　前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、
　前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、
前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、
　前記配光補正レンズは、前記配光補正レンズから前記入射側レンズ群までの距離よりも前記配光補正レンズから前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、
　前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、ｆ１／ｆ２＞３、を満たし、
　前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、ｘｄ＜ｆ１＋ｆ２、を満たす干渉縞投影光学系。
　前記配光補正レンズと前記入射側レンズ群との間に凹レンズが配置されている
請求項１に記載の干渉縞投影光学系。
　前記凹レンズは、メニスカスレンズであり、かつ、アプラナティックとなるように配置されている
請求項２に記載の干渉縞投影光学系。
　前記射出側レンズ群を構成するレンズのうち、最も射出側に配置されるレンズは、アプラナティックとなるように配置されている
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。
　前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
　ｆ１／ｆ２＞８を満たす
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。
　前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２とするとき、
　ｆ１／ｆ２＞１２を満たす
請求項５に記載の干渉縞投影光学系。
　前記射出側レンズ群の射出端面に、平板ガラスが接合されている
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。
　前記射出側レンズ群の屈折率は、前記平板ガラスの屈折率より大きい
請求項７に記載に記載の干渉縞投影光学系。
　前記配光補正レンズと前記入射側レンズ群との間に、開口部を有する遮光板が配置され、
　前記開口部は、前記配光補正レンズから射出された光束を通過させる
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。
　前記射出側レンズ群の射出側の前記光源から射出された光束の集光位置近傍に、開口部を有する遮光マスクが配置され、
　前記開口部は、前記光源から射出された光束を通過させる
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。
　前記配光補正レンズと、前記入射側レンズ群を構成するレンズとの材質、形状が同一である
請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の干渉縞投影光学系。
　干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、
　前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する２つの光射出部を有し、
　前記拡大光学系は、
　前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、
　前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、
前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、
　前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、
　前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２、とするとき、ｆ１／ｆ２＞３を満たし、
　前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、ｘｄ＜ｆ１＋ｆ２、を満たす干渉縞投影光学系と、
　前記光射出部の像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像する撮像部と、
　前記撮像部からの画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する演算部と、
を備える形状測定装置。
　干渉縞を生成する光源と、前記干渉縞を拡大して物体表面上に投影する拡大光学系と、を備え、
　前記光源は、前記拡大光学系の入射側に並んで位置する２つの光射出部を有し、
　前記拡大光学系は、
　前記光射出部から射出された光束が入射し、正のパワーを有する単レンズである配光補正レンズと、
　前記配光補正レンズから射出された光束が入射する側の入射側レンズ群と、
前記光束を射出して前記物体表面に向けて前記干渉縞を投影する側の射出側レンズ群とから構成され、
　前記配光補正レンズは、前記入射側レンズ群までの距離よりも前記光射出部までの距離の方が小さい位置に配置され、
　前記入射側レンズ群の焦点距離をｆ１、前記射出側レンズ群の焦点距離をｆ２、とするとき、ｆ１／ｆ２＞３を満たし、
　前記入射側レンズ群及び前記射出側レンズ群はそれぞれ正屈折力を有し、前記入射側レンズ群の射出側主点から前記射出側レンズ群の入射側主点までの距離をｘｄとしたとき、ｘｄ＜ｆ１＋ｆ２、を満たす干渉縞投影光学系を用いた形状測定方法であって、
　前記光射出部の像よりも射出側の前記物体表面に投影される前記干渉縞を画像として撮像し、
　撮像された画像の画像信号に基づいて前記物体表面の凹凸情報を演算する
形状測定方法。