JP3670788B2

JP3670788B2 - 三次元形状計測装置

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Publication number: JP3670788B2
Application number: JP04670597A
Authority: JP
Inventors: 伸之渡辺; 眞一郎服部
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1997-02-28
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: JPH10239030A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の三次元形状を計測する三次元形状計測装置、更に詳しくは医用内視鏡に応用して胃壁や大腸壁等の形状を計測したり、工業用内視鏡に応用して水道管、ガス管等の変形や傷の大きさを計測する三次元形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、測定光を対象物に投光して対象物の凹凸や大きさ、すなわち三次元形状を測定するには、三角法による距離計測を用いて、スポット光を対象物に投影し、一方向にのみ分解能のある光検出器でスポット光の像の位置を検出し、スポット光の発光位置と受光位置から物体上のスポットの位置がどれだけずれるかを検知して高さ情報を算出することが行われていた。この場合、対象物の広い範囲を計測するには、スポット光で計測領域全体を二次元走査して計測を行っていた。
【０００３】
また、前記スポット光による高さ情報の計測をライン状に同時に行う光切断法による三次元計測なども行われている。光切断法による三次元計測において、スポット光の代わりに線状のスリット光を対象物に投影し、スリット光の変形によってスリット光が投影されている線状部分の凹凸を算出する方法が提案されている。この場合、対象物の広い範囲を計測するには、スリット光で計測領域全体を一次元走査して計測を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
三次元形状計測装置において、測定光を走査する手段としては、ポリゴンミラー、ガルバノメータスキャナ等を用いてビームを走査する機械的な走査手段や、音響光学変調器（ＡＯＤ）を用いた可変素子による走査手段などがある。
【０００５】
測定光を走査する際に、ポリゴンミラーとガルバノスキャンミラーによる機械的な走査手段を用いた場合は、走査の分解能や精度は高いものの走査速度に制限があるため、計測領域を二次元的に走査しようとすると時間がかかってしまうという問題点がある。これに対して、前記音響光学変調器を用いて二次元走査を行う場合は、音響光学変調器は高速に走査可能ではあるが再現性と角度分解能に問題があるため、走査の分解能や精度が低下するという問題点がある。また、音響光学変調器は回折効率が角度によって異なるために、回折光の強度の角度依存性をキャンセルするＡＭ変調器が別途必要となり、装置構成が複雑になるという問題点も生じる。
【０００６】
計測結果をリアルタイムに画像表示するために、例えばＮＴＳＣ方式のフレームレートに追従するように三次元形状の計測を簡易に行うためには、測定光の二次元走査手段としては横方向の分解能を多少犠牲にしても高速に動作するものが望ましい。しかしながら、従来の走査手段では縦方向の分解能を確保しつつ高速に走査することが容易でなかった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、縦方向の分解能を確保しつつ高速に二次元に測定光を走査することが可能であり、高速な三次元形状の計測が可能な三次元形状計測装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による三次元形状計測装置は、光を入射する入射端と出射する出射端を有するファイバ束であって、前記入射端を一次元に配列し、出射端を二次元に配列して入射端より入射した光を出射端よりラスタスキャン状に出射する走査変換手段と、光源からの光を前記入射端に入射しライン走査する走査光学系とを有し、ビーム状の測定光を水平垂直方向に走査して被測定面に照射する測定光投光手段と、前記被測定面からの前記測定光の反射光を複数のライン状に配列された受光部で受光する反射光受光手段と、前記反射光受光手段の出力に基づき、三角測量の原理により前記被測定面の高さ情報を算出する三次元形状計測演算手段と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明による内視鏡装置は、光を入射する入射端と出射する出射端を有するファイバ束であって、前記入射端を一次元に配列し、出射端を二次元に配列して入射端より入射した光を出射端よりラスタスキャン状に出射する走査変換手段と、光源からの光を前記入射端に入射しライン走査する走査光学系とを有し、ビーム状の測定光を水平垂直方向に走査して被測定面に照射する測定光投光手段と、前記被測定面からの前記測定光の反射光を複数のライン状に配列された受光部で受光する反射光受光手段と、前記反射光受光手段の出力に基づき、三角測量の原理により前記被測定面の高さ情報を算出する三次元形状計測演算手段と、を有し、前記走査変換手段の出射端と、前記受光部とを挿入部の先端に配置したことを特徴とする。
更に、本発明による測定光投光装置は、光を入射する入射端と出射する出射端を有するファイバ束であって、前記入射端を一次元に配列し、出射端を二次元に配列して入射端より入射した光を出射端よりラスタスキャン状に出射する走査変換手段と、光源からの光を前記入射端に入射しライン走査する走査光学系と、を有し、ビーム状の測定光を水平垂直方向に走査して被測定面に照射することを特徴とし、前記走査光学系は、ガルバノメータスキャナにより構成されることを特徴とする。
【０００９】
【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。
図１ないし図５は本発明の第１実施形態に係り、図１は三次元形状計測内視鏡装置の全体構成を示す構成説明図、図２はラインラスタトランスデューサの作用を示す作用説明図、図３はラインラスタトランスデューサを用いた測定光走査手段の第１の構成例を示す斜視図、図４はラインラスタトランスデューサを用いた測定光走査手段の第２の構成例を示す斜視図、図５は三次元形状計測の原理を説明するための作用説明図である。
【００１０】
本実施形態では、三次元形状計測装置の構成例として、内視鏡を用いて構成した三次元形状計測内視鏡装置を示す。
【００１１】
図１に示すように、三次元形状計測内視鏡装置は、管腔内等に挿通される細長の挿入部２を備えた内視鏡１と、内視鏡１にビーム状の測定光を出射して対象物に投光し走査するための測定用光源部３と、内視鏡１を介して伝送される対象物からの前記測定光の戻り光を受光する受光部４と、観察用の照明光を出射するランプ６を備えた観察用光源部５と、受光部４で受光した測定光の戻り光を基に三次元形状計測処理を行う三次元形状計測演算部７と、算出された対象物の三次元形状に関する計測画像を表示する表示部８と、を有して構成される。
【００１２】
内視鏡１は、前記測定光を伝送する測定光伝送用イメージガイド１０、前記観察用照明光を伝送する照明光伝送用ライトガイド１１、前記測定光の戻り光を伝送する形状計測用イメージガイド１２、被写体の観察像を伝送する観察像伝送用イメージガイド１３を備えており、挿入部２の先端には、測定光投光レンズ１４、観察用照明レンズ１５、形状計測用対物レンズ１６、観察用対物レンズ１７が設けられている。
【００１３】
測定用光源部３において、半導体レーザ１９を出射した測定光のビームはガルバノミラーによるガルバノメータスキャナ２０で偏向され、ガルバノメータスキャナ２０を水平方向に駆動することにより測定光が水平方向に走査される。測定用光源は半導体レーザに限らず、直進性の良いものであればレーザ，発光ダイオード等を用いても良い。
【００１４】
ガルバノメータスキャナ２０は、ＶＣＯ等からなる駆動信号発生器２１からの駆動信号により、水平方向に所定のステップで駆動制御される。ガルバノメータスキャナ２０により水平走査される測定光のビームは、レンズ２２を介して垂直方向の１ラインを１点に対応させるようなラインポイントトランスデューサ２３の入射端に照射され、ラインポイントトランスデューサ２３を出射した測定光は、光ビームのラインスキャンをラスタスキャンに変換するラインラスタトランスデューサ２４に入射する。
【００１５】
ここで、図２に基づいてラインラスタトランスデューサ２４の作用について説明する。ラインラスタトランスデューサ２４は、入射側ではライン状に並んだファイバになっており、出射側では、入射側のライン状の水平走査がラスタスキャン状に水平垂直走査されるようにファイバの配列を変換するよう構成されている。すなわち、入射側で水平方向に一列に配置されたファイバを出射側で所定の本数毎に垂直方向に重ねて配列した構造となっている。これにより、ラインラスタトランスデューサ２４に入射された測定光のビームは、ラスタスキャンに変換されて出射され、レンズ２５を介して内視鏡１の測定光伝送用イメージガイド１０の入射端に照射される。
【００１６】
例えば、入射側で１００００分割して測定光をラインスキャンすると出射側で１００×１００のラスタスキャンになるようにファイバを配列してラインラスタトランスデューサ２４を構成する。このように構成すると、測定光の走査において水平方向の分解能は１／１００となってしまうが、入射側は一方向の走査で済むため、高速のラスタスキャンが可能となる。この場合、ラスタスキャンにおいて水平方向と垂直方向の同期が不要であり、また、水平走査の戻り分の時間がかからないため、容易かつ高速に走査が行える。
【００１７】
図３にラインラスタトランスデューサ２４を用いた測定光走査手段の第１の構成例を示す。半導体レーザ１９からのレーザ光をガルバノメータスキャナ２０に入射し、ガルバノメータスキャナ２０を振動することで反射光を水平走査し、これをラインラスタトランスデューサ２４の入射端に集光すれば、ラインラスタトランスデューサ２４の出射側ではラスタスキャンで走査する測定光のビームを得ることができる。
【００１８】
図４にラインラスタトランスデューサ２４を用いた測定光走査手段の第２の構成例を示す。図３の構成において、ラインラスタトランスデューサ２４の入射端に集光した測定光のビームのアライメントが容易でない場合は、図１にも示したようにラインラスタトランスデューサ２４の前段にシリンドリカルレンズあるいは直径が徐々に小さくなる光ファイバ束等から構成されるラインポイントトランスデューサ２３を設けるようにする。これにより、ラインラスタトランスデューサ２４に入射する測定光のビームの垂直方向のアライメントが容易になり、また振動などによるアライメントずれの不具合を抑えることができる。
【００１９】
ここで、測定光のビームを１画面分ラスタスキャンする時間を、ＮＴＳＣ等の映像信号方式の１フィールドの走査時間と同じにすれば、光源と撮像系の切換えにより、ガルバノメータスキャナ２０が順方向に１回スキャンした後に戻るまでの時間を利用して二次元の観察画像を取り込むこともでき、時分割の三次元計測と二次元画像撮像が可能となる。また、波長分割により同時に三次元計測と二次元画像撮像を行うような構成としてもよい。
【００２０】
図１に戻り、ガルバノメータスキャナ２０にはフィードバック用のエンコーダ２６が接続されており、ガルバノメータスキャナ２０の偏向方向をエンコーダ２６により検出してその出力をＡ／Ｄ変換器２７でＡ／Ｄ変換することにより、このデジタルデータと測定光照射用光学系の構成データとを基に三次元形状測定用の測定光のビームの位置と照射方向を得るようになっている。
【００２１】
本実施形態の三次元形状計測装置では、投光系より対象物の表面に照射された測定光はスポット位置に対応した元の像面での点がわかっていて、撮像系は縦方向１ライン毎に単一の撮像素子で撮像するようになっており、水平方向にのみ分解能を持つような構成である。
【００２２】
図５を用いて三次元形状計測の原理を説明する。測定光投光光学系５１の投光用ファイバ５２の仮想的な像面、および三次元形状測定光学系５３のテープ状光ファイバ５４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、投光用レンズ５５および撮像用レンズ５６が同一の光軸の向きｅz をもっているとする。また、幾何学的な原点を投光用レンズ５５の光学中心Ｆ（０，０，０）とする。
【００２３】
いま、投光系においてｋ番目のラインのｌ番目の点であるポイントＱ（Ｘl ，Ｙk ，Ｚ0 ）から測定光を出射し、この測定光が物体面５７で当たったスポットＰ（Ｘp ，Ｙp ，Ｚp ）が撮像系でｉ番目のファイバ列に入射した状況を考える。投光した測定光のビームは点Ｑと点Ｆを結ぶ直線ＱＦ上にあるので、測定光のビームが位置する点の満たす条件は、

となる。ここで、Ｘl およびＹk は測定用光源のレーザビームの照射方向で決まる。Ｚ0 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Ｚ0 は固定と考えて良い。
【００２４】
次に、撮像系のｉ番目のファイバ列に結像する光線は、そのファイバ列と撮像用レンズ５６の光学中心Ｍ（Ｘm ，Ｙm ，Ｚm ）を含む面Ｓに含まれる。撮像用レンズ５６の光軸の向きと面Ｓのなす角をφとすると、面Ｓの方程式は、

となる。ここで、角度φは撮像用レンズ５６と撮像面との仮想的な距離と、撮像用レンズ５６の主軸が通るファイバ列ｈと入射したファイバ列ｉとのずれより算出することができる。従って、テープ状光ファイバ５４で構成された三次元形状測定光学系５３では、あらかじめその光学系配置から入射したファイバ列と光学系の主軸とのなす角度を求めておかなければならない。
【００２５】
物体面５７上のスポットＰ（Ｘp ，Ｙp ，Ｚp ）は、直線ＱＦ上にありかつ面Ｓに含まれるため、上の二つの条件を満たすことから、（１），（２）式に代入して、

となる。これを解くと、

となり、点Ｐの座標を求めることができた。
【００２６】
すなわち、テープ状光ファイバ５４のｉ番目のファイバ列に接続している受光素子に入射した光の出射位置（ｋ，ｌ）がわかれば、点Ｐ（Ｘp ，Ｙp ，Ｚp ）の三次元情報は（７），（８），（９）式で与えられる。従って、ここでは測定光のビームを走査する動作とこのビームをテープ状光ファイバで検出する動作とが完全に同期している必要がある。
【００２７】
同様にして、遂次走査している測定光のビームの位置とそのビームが入射したテープ状光ファイバの位置が特定され、これらの対応付けをすることによって物体面５７の形状が計測できる。
【００２８】
内視鏡１の測定光伝送用イメージガイド１０を伝搬し測定光投光レンズ１４を通して対象物に照射された測定光は、物体面で反射して形状計測用対物レンズ１６を通して形状計測用イメージガイド１２を伝搬し、レンズ２８を介して複数（ｎ個）のテープ状ファイバ２９−１〜２９−ｎからなるテープ状光ファイバ列２９に投光される。一つのテープ状ファイバ２９−１〜２９−ｎは、それぞれ１列の画素に対応し、各ファイバに入射した反射光が集光されてそれぞれ一つの受光素子３０−１〜３０−ｎに導かれる。受光素子３０−１〜３０−ｎとしては、フォトマルチプライヤ（光電子増倍管），フォトダイオード，フォトトランジスタ等の受光素子が用いられる。
【００２９】
なお、内視鏡の光学系で視野角の縁辺方向にまで測定光のビームが照射するようにさせるには、測定光伝送用イメージガイド１０を出射した光を図示しないレンズで一旦絞って、測定光投光レンズ１４を凹レンズとしてビームの照射方向が広がるようにする。
【００３０】
従って、測定光のビームの物体面への照射方向を得るには、測定光照射用光学系の測定光投光レンズ１４の逆焦点距離と配置から計算すれば良い。このような測定光照射用光学系の構成データがわかっていれば、ガルバノメータスキャナ２０の偏向方向を検出するエンコーダ２６の出力をＡ／Ｄ変換器２７でＡ／Ｄ変換し、そのデジタルデータを基に測定光のビームの位置と照射方向を得ることができる。あるいは、駆動信号発生器２１の駆動電源としてデジタルデータをＤ／Ａ変換したものを供給してガルバノメータスキャナ２０の駆動制御を行うようにし、このデジタルデータを基に測定光のビームの照射方向を演算するような構成にしても良い。
【００３１】
いずれの方法にしても、測定光のビームの走査手段においてビームの照射位置を得るためのエンコーダを必要としないことから、簡単な構成で三次元形状計測内視鏡装置を実現することができる。
【００３２】
ここで、測定光のビームの水平走査方向へのずれは考慮しないことにしておけば、前記Ｙp はビームスポットの水平位置で得ることができ、また前記Ｘp は受光素子３０−１〜３０−ｎのいずれに入射したかでビームの垂直方向へのずれの情報を得ることができる。
【００３３】
受光素子３０−１〜３０−ｎのいずれに測定光が入射したかを判断するためには、各受光素子３０−１〜３０−ｎの出力信号を同一の特性を持つ増幅器３１−１〜３１−ｎで増幅し、多チャンネルの比較器３２で比較して最もレベルが高い受光素子の位置から垂直方向の位置を求める。そして、レーザスポット検知回路３３によって、前記垂直方向の位置データとＡ／Ｄ変換器２７の出力より計算して求めた水平方向の位置データとから測定光のビームスポットの位置を検知する。
【００３４】
次に、高さ情報計算回路３４によって、上述した式に従って対象物の高さ情報を算出するために、測定光のビームの垂直方向の照射位置に対応するＡ／Ｄ変換器２７の出力と測定光のビームスポットの位置とから各ビームスポットの位置と高さ情報とを対応させて求める。この算出された高さ情報はフレームメモリ３５に記憶され、三次元形状の計測画像として表示部８に出力されて表示される。
【００３５】
また、二次元画像の観察を行う際には、観察用光源部５のランプ６から出射される観察用照明光をレンズ３６を介して照明光伝送用ライトガイド１１に照射して内視鏡先端まで伝送し、観察用照明レンズ１５を介して観察部位を照明して、観察用対物レンズ１７，観察像伝送用イメージガイド１３を通して結像され伝送された被写体像を接眼部の観察レンズ３７より肉眼等で観察する。なお、図示しない撮像手段によって被写体像を撮像して二次元の観察画像として表示部８に表示するような構成としても良い。
【００３６】
従来の構成のように、ガルバノメータ、ポリゴンミラーなどにより機械的にビームを走査する方式を用いた場合には、一方向に走査する際の走査速度の制限によって、ラスタスキャン等の方式による二次元のスキャンを高速に行うことができなかった。
【００３７】
一方、上述した本実施形態の構成によれば、ラインスキャンをラスタスキャンに変換する手段を設けることにより、測定光の一方向の分解能は犠牲にするものの、高速に二次元に測定光のビームを走査することが可能となり、三次元の形状計測を高速に行うことができる。また、三次元形状計測と二次元画像の観察とを同時にあるいは同期して時分割で行うことが可能となる。
【００３８】
図６は本発明の第２実施形態に係る測定光走査手段の構成を示す斜視図である。第２実施形態では、測定光走査手段の変形例としてラインラスタトランスデューサの構成を変更した例を示す。
【００３９】
図３及び図４に示したラインラスタトランスデューサの構成では、入射側は１ラインの走査となっているので、ガルバノメータスキャナの角度分解能以上の画素数のラスタスキャンは不可能である。そこで、図６に示す第２実施形態では、ラインラスタトランスデューサ６１の入射側を複数列（ここでは２列）とし、水平方向の走査を行う第１のガルバノメータスキャナ６２に加えて第２のガルバノメータスキャナ６３を用いて垂直方向の走査も行う構成として、出射側でのラスタスキャンの分解能を増加させることができるようにしている。
【００４０】
１列目のラインラスタトランスデューサ６１ａによる入射側の第１列の走査は出射側では１ライン目からＮライン目までのラスタスキャンに対応する。また、２列目のラインラスタトランスデューサ６１ｂによる入射側の第２列の走査は出射側ではＮ＋１ライン目から２Ｎライン目までのラスタスキャンに対応する。
【００４１】
このように、水平方向の１列のラインスキャンをＮ列のラスタスキャンに変換するラインラスタトランスデューサを二つ重ねて設けることにより、ラスタスキャンを行う照明光のビームの走査点数を２倍にすることができる。同様に、垂直方向の走査点数を増やして、入射側と出射側のラスタスキャンの水平垂直の比率を変えれば、前記第１実施形態と比べて出射側での照明光のビームの位置分解能を向上させることができる。
【００４２】
以上のように、第２実施形態の測定光走査手段によれば、第１実施形態と同様にラインスキャンをラスタスキャンに変換することにより測定光の走査を高速に行うことができ、これに加えて、ラインラスタトランスデューサの入射側の水平走査を複数列とすることにより走査の分解能を向上させることが可能である。
【００４３】
なお、ラインラスタトランスデューサの入射側のライン走査は、前述のように複数列を一方向に走査するものに限らず、一列ずつ往復するよう両方向に走査するようにしても良い。この場合、複数列をライン走査する際の戻り分の時間がかからないため、より高速に測定光の走査を行うことができる。
【００４４】
図７は本発明の第３実施形態に係る測定光投光系の構成を示す構成説明図である。第３実施形態では、測定光投光系の変形例として測定光の拡大／縮小手段を備えた構成例を示す。
【００４５】
内視鏡を用いた三次元形状計測においては、対象物の移動が著しいため、高速でスキャンするような光源が必要となる。測定光のスキャン速度が一定である条件では、測定の分解能に上限がある。そこで、三次元計測の測定光の投光光学系において、前述のラスタスキャンしたものを拡大、あるいは縮小して、図１における測定光伝送用イメージガイド１０の入射面に投光するようにすれば、三次元形状計測の分解能を変更することが可能となる。
【００４６】
図７に示すように、ラインラスタトランスデューサ２４の出射面と測定光伝送用イメージガイド１０の入射面との間には、拡大・縮小光学系６５が設けられており、ラインラスタトランスデューサ２４から出射した測定光は拡大・縮小光学系６５を介して拡大または縮小され、測定光伝送用イメージガイド１０に照射される。このとき、拡大・縮小光学系６５の倍率は可変にしておく。
【００４７】
対象物の物体表面では、測定光を縮小投影した場合には測定用のライン光のイメージは微小範囲で分解能が高いものになり、拡大投影した場合には広範囲の物体表面を荒い分解能で走査して測定することになる。
【００４８】
このように、第３実施形態の測定光投光系によれば、測定光走査手段の走査速度によらずに測定光の位置分解能を変化させることができ、目的に応じた範囲及び分解能の三次元形状計測を行うことができる。
【００４９】
図８は本発明の第４実施形態に係る測定光走査手段の構成を示す斜視図である。第４実施形態では、測定光走査手段の変形例としてラインラスタトランスデューサの代わりにサークルラスタトランスデューサを用いた構成例を示す。
【００５０】
前述した第１及び第２実施形態では、測定光のビームをライン状にスキャンしそれをラスタスキャンに変換していたが、図８に示したように回転軸に垂直な面に対して傾きをもった回転ミラー６６によって円周方向に測定光のビームを走査してそれをサークルラスタトランスデューサ６７でラスタスキャンに変換するような構成としても良い。このような配置をとることによって、ラインラスタトランスデューサを用いた構成に比べ装置をコンパクトにできる利点がある。
【００５１】
半導体レーザ１９を出射した測定光のビームは回転ミラー６６で反射して円周方向に走査される。この円周方向に走査された測定光は、テレセントリック光学系６８のレンズ６９で平行光に整形され、レンズ７０でビーム径が絞られてサークルラスタトランスデューサ６７に入射する。サークルラスタトランスデューサ６７は、入射側では円周状にファイバが配列され、出射側では円周走査がラスタスキャン状に水平垂直走査されるようにファイバの配列を変換するよう構成されており、サークルラスタトランスデューサ６７からの出射光はラスタスキャンに変換されて測定光伝送用イメージガイド１０の入射端に照射される。
【００５２】
第４実施形態の測定光走査手段では、円周状にビームの走査を行ったものをラスタスキャンへ変換する構成であるので、同一径のファイバを用いたラインラスタトランスデューサに比べて外形を１／３程度コンパクトにすることができ、装置の小型化をはかることができる。
【００５３】
図９及び図１０は本発明の第５実施形態に係り、図９は測定光走査手段の構成を示す斜視図、図１０は三次元形状計測と二次元画像の撮像とを時分割で行う際の動作を示すタイミングチャートである。
【００５４】
第５実施形態は、三次元形状計測と二次元画像の撮像とを時分割で行う場合の測定光走査手段の構成例を示したものである。半導体レーザ１９とガルバノメータスキャナ２０との間の光路上には、測定光を一定周期で通過／遮断する光チョッパ７１が設けられている。
【００５５】
光チョッパ７１は、回転可能な円板の円周方向に９０度の開口が対向して２つ設けられて構成されている。ここでは、ガルバノメータスキャナ２０で水平走査した測定光のビームがラインラスタトランスデューサ２４に対して順方向に移動するときにだけ光チョッパ７１が開いた状態になるように、光チョッパ７１を回転駆動して開口を光路上に位置させる。
【００５６】
このような構成において、光チョッパ７１の開口が閉じている期間に、図示しない撮像手段によって二次元の観察画像を撮像することにより二次元画像の取込を行う。
【００５７】
図１０に三次元形状計測と二次元画像の撮像とを時分割で行う際のタイミングチャートを示す。光チョッパ７１の開口が開いている時には、半導体レーザ１９からのレーザ光が通過して測定光の走査がなされ、前述したように対象物の三次元形状測定が行われる。このとき、測定光のビームはガルバノメータスキャナ２０により図９において順方向に水平走査され、ラインラスタトランスデューサ２４の出射側で順方向のラスタスキャンが行われる。
【００５８】
そして、走査開始位置に戻るためにガルバノメータスキャナ２０により逆方向の走査が行われている間に、二次元画像を撮像する。二次元画像の撮像を行う際には、三次元形状計測用の測定光は必要ないため、光チョッパ７１の開口を閉じておく。この逆方向の走査期間に二次元画像の例えばＮＴＳＣレートでのフィールド走査を行い、画像を取り込む。
【００５９】
このように時分割で三次元の形状計測と二次元画像の撮像とを行うことにより、三次元計測画像と二次元観察画像との時間ずれが１フィールド走査する時間だけで済むようになり、両方の画像をほぼリアルタイムで得ることができる。
【００６０】
［付記］
（１）ビーム状の測定光を水平垂直方向に走査して被測定面に投影する測定光投光手段と、
前記被測定面からの前記測定光の反射光を複数のライン状に配列された受光部で受光する反射光受光手段と、
前記反射光受光手段の出力に基づき三角測量の原理により前記被測定面の高さ情報を算出する三次元形状計測演算手段とを有し、
前記測定光投光手段は、前記測定光の走査をファイバの配列を変換することにより一次元の走査から二次元的な走査に変換する走査変換手段を備えた光学系を有することを特徴とする三次元形状計測装置。
【００６１】
（２）前記走査変換手段は、一次元の走査からラスタスキャンの走査に変換するラスタスキャン変換手段を有してなることを特徴とする付記１に記載の三次元形状計測装置。
【００６２】
（３）前記走査変換手段は、一次元のライン状走査からラスタスキャンの走査に変換するラインラスタトランスデューサを有してなることを特徴とする付記１に記載の三次元形状計測装置。
【００６３】
（４）前記走査変換手段は、一次元の円周状走査からラスタスキャンの走査に変換するサークルラスタトランスデューサを有してなることを特徴とする付記１に記載の三次元形状計測装置。
【００６４】
（５）前記走査変換手段は、前記ラインラスタトランスデューサを複数個並列に設けたものを有してなることを特徴とする付記３に記載の三次元形状計測装置。
【００６５】
（６）前記測定光投光手段において、測定用光源と前記走査変換手段との間にライン状の入射部と点状の出射部を有してなるラインポイントトランスデューサを備えたことを特徴とする付記１に記載の三次元形状計測装置。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、縦方向の分解能を確保しつつ高速に二次元に測定光を走査することが可能であり、高速な三次元形状の計測が可能な三次元形状計測装置を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る三次元形状計測内視鏡装置の全体構成を示す構成説明図
【図２】ラインラスタトランスデューサの作用を示す作用説明図
【図３】ラインラスタトランスデューサを用いた測定光走査手段の第１の構成例を示す斜視図
【図４】ラインラスタトランスデューサを用いた測定光走査手段の第２の構成例を示す斜視図
【図５】三次元形状計測の原理を説明するための作用説明図
【図６】本発明の第２実施形態に係る測定光走査手段の構成を示す斜視図
【図７】本発明の第３実施形態に係る測定光投光系の構成を示す構成説明図
【図８】本発明の第４実施形態に係る測定光走査手段の構成を示す斜視図
【図９】本発明の第５実施形態に係る測定光走査手段の構成を示す斜視図
【図１０】三次元形状計測と二次元画像の撮像とを時分割で行う際の動作を示すタイミングチャート
【符号の説明】
１…内視鏡
３…測定用光源部
４…受光部
７…三次元形状計測演算部
８…表示部
１０…測定光伝送用イメージガイド
１２…形状計測用イメージガイド
１９…半導体レーザ
２０…ガルバノメータスキャナ
２１…駆動信号発生器
２３…ラインポイントトランスデューサ
２４…ラインラスタトランスデューサ
２６…エンコーダ
２９−１〜２９−ｎ…テープ状ファイバ
３０−１〜３０−ｎ…受光素子
３３…レーザスポット検知回路
３４…高さ情報計算回路

Claims

光を入射する入射端と出射する出射端を有するファイバ束であって、前記入射端を一次元に配列し、出射端を二次元に配列して入射端より入射した光を出射端よりラスタスキャン状に出射する走査変換手段と、光源からの光を前記入射端に入射しライン走査する走査光学系とを有し、ビーム状の測定光を水平垂直方向に走査して被測定面に照射する測定光投光手段と、
前記被測定面からの前記測定光の反射光を複数のライン状に配列された受光部で受光する反射光受光手段と、
前記反射光受光手段の出力に基づき、三角測量の原理により前記被測定面の高さ情報を算出する三次元形状計測演算手段と、
を備えたことを特徴とする三次元形状計測装置。
光を入射する入射端と出射する出射端を有するファイバ束であって、前記入射端を一次元に配列し、出射端を二次元に配列して入射端より入射した光を出射端よりラスタスキャン状に出射する走査変換手段と、光源からの光を前記入射端に入射しライン走査する走査光学系とを有し、ビーム状の測定光を水平垂直方向に走査して被測定面に照射する測定光投光手段と、
前記被測定面からの前記測定光の反射光を複数のライン状に配列された受光部で受光する反射光受光手段と、
前記反射光受光手段の出力に基づき、三角測量の原理により前記被測定面の高さ情報を算出する三次元形状計測演算手段と、
を有し、
前記走査変換手段の出射端と、前記受光部とを挿入部の先端に配置したことを特徴とする内視鏡装置。
光を入射する入射端と出射する出射端を有するファイバ束であって、前記入射端を一次元に配列し、出射端を二次元に配列して入射端より入射した光を出射端よりラスタスキャン状に出射する走査変換手段と、
光源からの光を前記入射端に入射しライン走査する走査光学系と、
を有し、
ビーム状の測定光を水平垂直方向に走査して被測定面に照射することを特徴とする測定光投光装置。
前記走査光学系は、ガルバノメータスキャナにより構成されることを特徴とする請求項３記載の測定光投光装置。