JP3670789B2

JP3670789B2 - 3D shape measuring device

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Publication number: JP3670789B2
Application number: JP04670697A
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: JPH10239034A

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。
【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。
【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は、測定用のスポット光が微弱光なため、フォトマルチプライヤ（光電子増倍管），アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）などの高感度の受光素子を用いるが、水平方向の分解能を上げるためには、その分解能の数だけ受光素子を用意しなければならない。フォトマルチプライヤ等の高感度受光素子は高価であるため、三次元形状計測の分解能を向上させるために受光素子の数を増加させると装置構成が複雑になり、コストが大幅に上昇してしまうという問題点があった。
【０００５】
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたもので、水平方向の分解能を減少することなく受光素子の数を減らすことができ、簡単な構成で高感度、高分解能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。
【０００６】
【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、ビーム状のスポット光を水平垂直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スポット光の反射光を、前記水平垂直走査の水平方向に対する垂直方向の反射光を前記スポット光の水平方向の位置毎に集光する複数の集光手段と、前記複数の集光手段により集光された前記各水平位置毎の反射光を分配し、所定のコーディングに基づいて再び集光する光コーディング手段と、前記複数の第２の集光手段により集光された反射光をそれぞれ検出する複数の光検出手段と、前記複数の光検出手段の検出結果を基に、前記被測定面からの前記スポット光の反射光を前記水平垂直走査の水平走査方向の走査位置に対応させる走査位置検出手段と、前記複数の光検出手段により検出された前記反射光の検出値と前記走査位置検出手段の検出結果を基づき、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、を有することを特徴とし、前記測定光投光手段は、イメージガイドであることを特徴とし、前記集光手段は、光入射端がテープ状に広がるテープ状ファイバー束を複数合わせてファイバー列としたものにより、前記スポット光の前記水平走査方向に対する垂直方向の反射光を集光することを特徴とする。
また、本発明による内視鏡装置は、ビーム状のスポット光を水平垂直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スポット光の反射光を、前記水平垂直走査の水平方向に対する垂直方向の反射光を前記スポット光の水平方向の位置毎に集光する複数の集光手段と、前記複数の集光手段により集光された前記各水平位置毎の反射光を分配し、所定のコーディングに基づいて再び集光する光コーディング手段と、前記複数の第２の集光手段により集光された反射光をそれぞれ検出する複数の光検出手段と、前記複数の光検出手段の検出結果を基に、前記被測定面からの前記スポット光の反射光を前記水平垂直走査の水平走査方向の走査位置に対応させる走査位置検出手段と、前記複数の光検出手段により検出された前記反射光の検出値と前記走査位置検出手段の検出結果を基づき、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をイメージガイドで構成し、前記集光手段を光入射端がテープ状に広がるテープ状ファイバー束を複数合わせたファイバー列で構成し、それぞれを挿入部に挿通したことを特徴とする。
【０００７】
【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４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はファイバ連結による受光位置コーディング手段を有する光検出部の機能的構成を示す構成説明図、図３は各検出位置での受光パターンを示す作用説明図、図４は光検出部においてテープ状ファイバの出射端に拡散板を設けた構成例を示す斜視図である。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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、スポット光を垂直水平方向に走査するスポット光走査手段２０で位置を移動しながら出射され、レンズ２１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。スポット光走査手段２０は、例えばポリゴンミラー（水平走査用）とガルバノメータスキャナ（垂直走査用）の組み合わせ等から構成される。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。
【００１２】
スポット光走査手段２０にはフィードバック用のエンコーダ２２が接続されており、スポット光走査手段２０の走査方向をエンコーダ２２により検出してその出力をＡ／Ｄ変換器２３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。
【００１３】
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。
【００１４】
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２４を介して複数（ｎ個）のテープ状ファイバ２５−１〜２５−ｎからなるテープ状光ファイバ列２５に投光される。一つのテープ状ファイバ２５−１〜２５−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受光位置コーディング手段２６に導かれる。
【００１５】
テープ状ファイバ２５−１〜２５−ｎの出射端はファイバ連結による受光位置コーディング手段２６を介して複数（ｍ個）の受光素子２７−１〜２７−ｍに結合されており、テープ状ファイバ２５−１〜２５−ｎからの出射光が受光素子２７−１〜２７−ｍに入射される。受光素子２７−１〜２７−ｍとしては、フォトマルチプライヤ（光電子増倍管）等の高感度の受光素子が用いられる。なお、テープ状ファイバの水平方向の分割数に対して受光素子の数は少なく、ｎ＞ｍとなっている。
【００１６】
ここで、図２及び図３に基づいて受光位置コーディング手段２６の構成及び作用について説明する。
【００１７】
図２はテープ状光ファイバ列２５における水平方向の検出位置の分割数を１５（ｎ＝１５）とし、受光素子を４個の光検出器（ｍ＝４）で構成して、ファイバ連結による受光位置のコーディングを行って測定光の反射光の位置を検出するようにした構成例を示している。
【００１８】
テープ状光ファイバ列２５のそれぞれの出射端５１−１〜５１−１５は、光ファイバ５２により光分配器５３−１〜５３−１５に結合され、これらの光分配器５３−１〜５３−１５はアレイ状の光ファイバ５４を介して光検出器Ｄ１〜Ｄ４に結合されている。ここで、光ファイバ５４の配列における結合経路によって受光位置のコーディングがなされる。
【００１９】
図３はテープ状光ファイバ列２５に測定光の反射光が入射して図２における検出位置Ｐ１〜Ｐ１５で受光した場合に、各検出位置に対応した光検出器Ｄ１〜Ｄ４において受光される受光パターンを示している。いずれの光検出器で光が検出されたかによって、テープ状光ファイバ列２５における水平方向のどの位置に測定光が入射したかを知ることができる。例えば光検出器Ｄ１，Ｄ３，Ｄ４で光が検出された場合には、測定光の検出位置は左から５番目のＰ５ということになる。
【００２０】
従って、光検出器をｍ個用意すれば、水平方向の分割数（分解能）ｎは、
ｎ＝２^m−１
となる。
【００２１】
このような構成の受光位置コーディング手段を設けることにより、測定光の水平方向の位置検出を行う際に、少ない数の受光素子で水平方向の分割数を多くすることができ、高い分解能を得ることができる。
【００２２】
図４は受光位置コーディング手段の前段に拡散板を設けた構成例を示したものである。テープ状ファイバ２５−１〜２５−ｎの出射端には、拡散板５５−１〜５５−ｎが配設されている。テープ状ファイバ２５−１〜２５−ｎから出射される測定光の反射光は、拡散板５５−１〜５５−ｎで拡散されて出射端での光が面内で一様にされ、レンズ５６−１〜５６−ｎを介して受光用ファイバ５７−１〜５７−ｎに入射する。受光用ファイバ５７−１〜５７−ｎは図３の受光パターンに従って光検出器Ｄ１〜Ｄ４と連結されており、入射した測定光は検出位置に対応して各ファイバが連結された光検出器Ｄ１〜Ｄ４に伝送されて受光される。
【００２３】
このように拡散板５５−１〜５５−ｎを設けることにより、テープ状ファイバ２５−１〜２５−ｎにおける垂直方向の受光位置による出射端での光の偏りを解消することができ、受光用ファイバ５７−１〜５７−ｎの入射端に均等に光を照射することが可能となる。
【００２４】
前述したように、スポット光走査手段２０の走査方向を検出するエンコーダ２２の出力をＡ／Ｄ変換器２３でＡ／Ｄ変換し、そ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走査した測定光のビームの位置と照射方向を求めることができる。
【００２５】
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、テープ状ファイバ２５−１〜２５−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。
【００２６】
テープ状ファイバ２５−１〜２５−ｎのいずれに測定光が入射したかを判断するためには、前述したように受光位置コーディング手段２６を介してどの受光素子２７−１〜２７−ｍで受光したかによって求めることができ、受光素子２７−１〜２７−ｍの出力信号を同一の特性を持つ増幅器３１−１〜３１−ｍで増幅し、多チャンネルの比較器３２でレベルを検出して受光した受光素子の組み合わせ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２３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。
【００２７】
次に、高さ情報計算回路３４によって、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２３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。
【００２８】
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。
【００２９】
本実施形態によれば、受光部４において受光位置コーディング手段２６を設けることにより、水平方向の分解能を減少することなく受光素子の数を減らし、装置の構成を簡単にできるため、三次元形状計測内視鏡装置において受光部の受光素子の数を減少させることが可能となる。従って、光検出感度の良いフォトマルチプライヤ等を用いても、構成を複雑にすることなく、簡単かつ安価な構成とすることができ、高感度で高い分解能を得ることが可能となる。
【００３０】
以降の実施形態において受光位置コーディング手段の他の構成例を示す。
【００３１】
図５及び図６は本発明の第２実施形態に係り、図５は受光位置コーディング手段を有する光検出部の機能的構成を示す構成説明図、図６は各検出位置での受光パターンを示す作用説明図である。
【００３２】
第２実施形態の受光位置コーディング手段は、テープ状光ファイバ列２５における水平方向の検出位置の分割数を１６（ｎ＝１６）とし、図２とはファイバの連結方法を変えて受光素子を８個の光検出器（ｍ＝８）で構成した例である。
【００３３】
テープ状光ファイバ列２５のそれぞれの出射端６１−１〜６１−１６は、光ファイバ６２により光分配器６３−１〜６３−１６に結合され、これらの光分配器６３−１〜６３−１６はアレイ状の光ファイバ６４を介して光検出器Ｄ１〜Ｄ８に結合されている。ここで、光ファイバ６４の配列における結合経路によって受光位置のコーディングがなされる。
【００３４】
図６はテープ状光ファイバ列２５に測定光の反射光が入射して図５における検出位置Ｐ１〜Ｐ１６で受光した場合に、各検出位置に対応した光検出器Ｄ１〜Ｄ８において受光される受光パターンを示している。これはちょうど４ビットの排他的なコード２個で１６個の水平方向の分割数を表していることになる。いずれの光検出器で光が検出されたかによって、テープ状光ファイバ列２５における水平方向のどの位置に測定光が入射したかを知ることができる。例えば光検出器Ｄ３，Ｄ５で光が検出された場合には、測定光の検出位置は左から５番目のＰ５ということになる。
【００３５】
従って、光検出器の数がｍ＋ｋ個の場合には、水平方向の分割数（分解能）ｎは、
ｎ＝ｍ・ｋ
となる。
【００３６】
図２に示した第１実施形態の構成では、光検出器の数が少なく済むという利点を有しているが、テープ状ファイバの検出位置によって光検出器へ入射する光の強度が異なるという特徴がある。図４の構成に比べて４ビット（水平方向の分解能ｎ＝１５）で１／２の強度になり、８ビット（水平方向の分解能ｎ＝２５５）で１／４の強度となる。
【００３７】
一方、図４に示した第２実施形態の構成では、光分配器６３−１〜６３−１６におけるファイバの分割数はテープ状ファイバの数に関わらず常に２本であることから、光検出器へ入射する光の強度はどの検出位置においても同じであり、水平方向の分解能に関係なく受光強度が高いという利点を有している。
【００３８】
図７及び図８は本発明の第３実施形態に係り、図７は受光位置コーディング手段を有する光検出部の機能的構成を示す構成説明図、図８は各検出位置での受光パターンを示す作用説明図である。
【００３９】
第３実施形態の受光位置コーディング手段は、水平方向の検出位置の分解能を１５（ｎ＝１５）とした場合に、４個の光検出器（ｍ＝４）を用いて、図２とはファイバの連結方法を変えて水平方向の位置情報をグレイコードでバイナリコーディングした構成例である。グレイコードは、隣り合った位置に対する２個の符号間で１個のビットだけ異なるようにした符号化方式である。
【００４０】
テープ状光ファイバ列２５のそれぞれの出射端７１−１〜７１−１５は、光ファイバ７２により光分配器７３−１〜７３−１５に結合され、これらの光分配器７３−１〜７３−１５はアレイ状の光ファイバ７４を介して光検出器Ｄ１〜Ｄ４に結合されている。ここで、光ファイバ７４の配列における結合経路によって受光位置のコーディングがなされる。
【００４１】
図８はテープ状光ファイバ列２５に測定光の反射光が入射して図７における検出位置Ｐ１〜Ｐ１５で受光した場合に、光検出器Ｄ１〜Ｄ４の受光状態で表現される各検出位置のバイナリコード（グレイコード）を示している。このような符号化を用いることによって、テープ状ファイバにおいて水平方向に分割した検出位置の中間領域を少ない誤差で処理することができる。すなわち、対象物体面上でのスポット光の像が、テープ状光ファイバ列２５の水平方向の２つの領域にかかった場合に、本実施形態ではその２個のテープ状ファイバの出射端の位置に対応するバイナリコードの重ね合わせ、あるいは中間領域の値が光検出器Ｄ１〜Ｄ４で検出されることになる。
【００４２】
ここで、光分配器７３−１〜７３−１５はどの位置においても入射光を１／４ずつ分配するものとし、たとえば図８において４番目の検出位置Ｐ４と５番目の検出位置Ｐ５の中間にスポット光の像がかかり、検出位置Ｐ４にスポット光の１／３の光量が、また検出位置Ｐ５に１／４の光量が入射している場合を考える。スポット光全体の光量を１とすると、検出位置Ｐ４からの入射により光検出器Ｄ１及びＤ４には０、光検出器Ｄ２及びＤ３にはそれぞれ１／１２の光量が入射し、検出位置Ｐ５からの入射により光検出器Ｄ４には０、光検出器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３にはそれぞれ１／１６の光量が入射することになる。この結果、各光検出器での入射光量は、Ｄ１＝３／４８，Ｄ２＝７／４８，Ｄ３＝７／４８，Ｄ４＝０となる。
【００４３】
これらの光検出器Ｄ１〜Ｄ４の出力値を比較器を用いて判断して検出位置を求める。このとき、光検出器Ｄ１の検出光量が光検出器Ｄ２及びＤ３の検出光量と比較して０に近いという判断基準を用いると光検出器Ｄ２，Ｄ３での受光となるため検出位置Ｐ４に入射したと判断され処理されるし、０以外の検出値を全て有効とすると光検出器Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３での受光となるため検出位置Ｐ５に入射したと判断され処理される。
【００４４】
上記のいずれの場合にしても、水平方向の検出位置の誤差は１画素で済む。従って、第１及び第２実施形態の構成ではこのような中間位置に入射した場合の処理が極めて煩雑であるのに対して、第３実施形態の構成では中間位置に入射した場合においても少ない誤差で容易に処理することができる。
【００４５】
図９は、図７に示した原理のグレイコード符号化による位置検出において、ファイバの開口の中間位置にビームスポットの像が結像した場合の誤差補正処理を行う手段を含むコーディング判別回路の構成例を示したものである。ただし図９では、６ビット（水平方向の分解能ｎ＝６３）のグレイコードを用いた場合の構成を示している。
【００４６】
光検出器Ｄ１〜Ｄ６の後段には、それぞれサンプル＆ホールド回路１０１−１〜１０１−６が接続され、サンプル＆ホールド回路１０１−１〜１０１−６の後段にはゲイン調整アンプ１０２−１〜１０２−６がそれぞれ接続されている。サンプル＆ホールド回路１０１−１〜１０１−６は、光源のスポットビームの走査との同期をとるもので、入力された各光検出器Ｄ１〜Ｄ６の検出出力がクロック（ホールドパルス）に同期して保持される。ゲイン調整アンプ１０２−１〜１０２−６は、各光検出器Ｄ１〜Ｄ６の光電変換効率の差を吸収するもので、サンプル＆ホールド回路１０１−１〜１０１−６の出力からノイズレベルのオフセット値が減算されて出力される。
【００４７】
これらのゲイン調整アンプ１０２−１〜１０２−６の出力は、比較回路１０３−１〜１０３−５で比較されて最大値が出力される。比較回路１０３（１０３−１〜１０３−５を代表する）は、図１０に示すような構成となっており、入力Ａと入力Ｂのうちの大きい方の値を出力Ｃより出力する。比較回路１０３−１〜１０３−５での比較結果により、６個の光検出器Ｄ１〜Ｄ６の出力のうち最大値が出力され、１／２アンプ１０４を介して半分の値となって判別回路１０５−１〜１０５−６の一方の入力Ｂに供給される。
【００４８】
判別回路１０５（１０５−１〜１０５−６を代表する）は、図１１に示すような構成となっており、入力Ｂを基準にして入力Ａの値に応じてＴＴＬのＨ（ハイレベル）またはＬ（ローレベル）を出力する。各判別回路１０５−１〜１０５−６において、入力Ａが入力Ｂより大きければＴＴＬのＨが出力され、小さければＴＴＬのＬが出力され、フリップフロップ１０６に入力される。結果として、光検出器Ｄ１〜Ｄ６の出力の最大値の１／２よりも大きい出力が得られた光検出器において受光が検出されたと判定される。
【００４９】
フリップフロップ１０６は、入力されたＴＴＬのコードを一時的に保持し、ＣＬＲクロックにより前記コードの出力値を６ビットのデータバス１０７に出力する。このフリップフロップ１０６より出力される検出位置を表すグレイコードのデータは、データバス１０７を介して図１に示す高さ情報計算回路３４のＲＡＭ等に送られ、この位置データを基に対象物の高さ情報が算出される。
【００５０】
このような構成の回路を設けることにより、テープ状ファイバ等における水平方向の検出位置の中間位置に測定光のビームが入射した場合の誤差補正が可能となる。
【００５１】
第１ないし第３実施形態では、水平方向の位置コーディングは全て光ファイバのつなぎ変えによって実現していたが、これを空間光により実現することも可能である。空間光による受光位置コーディング手段の構成例を図１２及び図１３に示す。
【００５２】
図１２は本発明の第４実施形態に係る受光位置コーディング手段を有する光検出部の構成を示す斜視図である。
【００５３】
第４実施形態の受光位置コーディング手段は、テープ状光ファイバ列２５として入射端に拡散板８１が配置され垂直方向１ラインの光を集光する複数のテープ状ファイバ８２を有し、このテープ状ファイバ８２の出射側にはそれぞれ拡散板８３を介して入射光を垂直方向に８分割するテープ状ファイバ８４が設けられている。テープ状ファイバ８４の出射側には、水平方向にライン状に配置され入射光を集光するテープ状ファイバ８５が垂直方向に８個重なって設けられ、このテープ状ファイバ８５の出射端にはそれぞれ受光素子８６−１〜８６−８が結合されている。テープ状ファイバ８５の入射面には、水平方向の受光位置コーディングを行うためのマスク８７が設けられている。
【００５４】
対象物からの測定光の反射光は、拡散板８１を介してテープ状ファイバ８２に入射されて垂直方向１ライン毎に集光され、拡散板８３により拡散されてテープ状ファイバ８４の入射端面に均等に入射される。ここでは、水平方向の分解能を２５５として各検出位置のバイナリコードを８桁とし、８個の受光素子８６−１〜８６−８に入射光を分配する構成を示している。テープ状ファイバ８４に入射した光は、それぞれ垂直方向に８つに分割されてテープ状ファイバ８５に入射する。
【００５５】
このとき、テープ状ファイバ８５の入射端に設けられたマスク８７の配列パターンにより、水平方向の入射位置のコーディングがなされる。例えば左端Ａの位置のテープ状ファイバ８２に測定光の反射光が入射した場合は上から８番目の受光素子８６−８でのみ光が受光されるように、またその隣Ｂの位置のテープ状ファイバ８２に測定光の反射光が入射した場合は上から１番目と８番目の受光素子８６−１及び８６−８で受光されるように、各点がマスキングされている。
【００５６】
このように二次元空間でマスキングすることにより、第１ないし第３実施形態と同様に水平方向の各検出位置のコーディングを行うことができ、受光素子８６−１〜８６−８の受光状態により水平方向のどの位置に測定光が入射したかを知ることができる。
【００５７】
図１３は本発明の第５実施形態に係る受光位置コーディング手段を有する光検出部の構成を示す斜視図である。
【００５８】
第５実施形態は第４実施形態における受光位置コーディング手段の入射部の構成を変更した例である。本構成例では、図１２に示した垂直方向１ラインの光を集光するテープ状ファイバ８２の代わりに、フーリエ変換レンズ９１と、水平方向にスリットを有するローパスフィルタ９２とが設けられている。
【００５９】
対象物からの測定光の反射光はフーリエ変換レンズ９１により集光され、レンズのフーリエ変換面に設けられたスリット状のローパスフィルタ９２を通って均等にされてテープ状ファイバ８４の入射端面に入射される。
【００６０】
このようにレンズとファイバを併用した構成によって水平方向の各検出位置のコーディングを行うこともでき、第４実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００６１】
なお、水平方向の受光位置コーディングは前述したものに限らず、受光素子の数を水平方向の位置の全てを表現する最短の符号より桁数を多くとって符号に冗長度を持たせ、符号化の誤りを訂正するような機能を付加させても良い。
【００６２】
［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、
前記反射光受光手段は、前記反射光に関する光学的な受光位置のコーディングを行って前記受光部の水平方向の分解数以下の個数の受光素子により該反射光を受光して水平方向の位置を検出する受光位置コーディング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。
【００６３】
（２）前記反射光受光手段は、前記受光部としての複数列のテープ状ファイバと、前記テープ状ファイバの出射端に入射端が光学結合され出射端を分配して前記受光部の水平方向の分解数以下の受光素子に光学結合した前記受光位置コーディング手段を構成するファイバアレイとを有し、前記ファイバアレイの結合パターンにより光学的な受光位置のコーディングを行う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】
（３）前記反射光受光手段は、前記受光部で受光した光を各列で複数に分割する第１のテープ状ファイバ列と、前記第１のテープ状ファイバ列の出射端に該第１のテープ状ファイバ列とは直交する方向に配列されて入射端が配置され出射端は前記受光部の水平方向の分解数以下の受光素子に光学結合された第２のテープ状ファイバ列と、前記第２のテープ状ファイバ列の入射端に二次元的に配列された光学マスクとを有し、前記光学マスクの配列パターンにより光学的な受光位置のコーディングを行うことを特徴とする付記１に記載の三次元形状計測装置。
【００６５】
（４）前記反射光受光手段は、前記受光位置コーディング手段におけるバイナリコーディングにより、ｍ個の受光素子を用いた場合に前記受光部の水平方向の分解数ｎとして、ｎ＝２^m−１の分解能を有す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。
【００６６】
（５）前記反射光受光手段は、前記受光位置コーディング手段におけるバイナリコーディングにより、ｍ＋ｋ個の受光素子を用いた場合に前記受光部の水平方向の分解数ｎとして、ｎ＝ｍ・ｋの分解能を有す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。
【００６７】
（６）前記受光位置コーディング手段は、グレイコードを用いたバイナリコーディングにより受光位置のコーディングを行うことを特徴とする付記１に記載の三次元形状計測装置。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、水平方向の分解能を減少することなく受光素子の数を減らすことができ、簡単な構成で高感度、高分解能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】第１実施形態に係る受光位置コーディング手段を有する光検出部の機能的構成を示す構成説明図
【図３】図２における各検出位置での受光パターンを示す作用説明図
【図４】光検出部においてテープ状ファイバの出射端に拡散板を設けた構成例を示す斜視図
【図５】第２実施形態に係る受光位置コーディング手段を有する光検出部の機能的構成を示す構成説明図
【図６】図５における各検出位置での受光パターンを示す作用説明図
【図７】第３実施形態に係る受光位置コーディング手段を有する光検出部の機能的構成を示す構成説明図
【図８】図７における各検出位置での受光パターンを示す作用説明図
【図９】誤差補正処理手段を含むコーディング判別回路の構成例を示すブロック図
【図１０】図９における比較回路の構成を示す回路図
【図１１】図９における判別回路の構成を示す回路図
【図１２】第４実施形態に係る受光位置コーディング手段を有する光検出部の構成を示す斜視図
【図１３】第５実施形態に係る受光位置コーディング手段を有する光検出部の構成を示す斜視図
【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…スポット光走査手段
２２…エンコーダ
２５−１〜２５−ｎ…テープ状ファイバ
２６…受光位置コーディング手段
２７−１〜２７−ｍ…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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the three-dimensional shape of an object, more specifically, a medical endoscope to measure the shape of a stomach wall, a large intestine wall, etc., or an industrial endoscope. The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus that measures the deformation of a water pipe, a gas pipe or the like and the size of a scratch.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to measure the unevenness and size of an object, that is, the three-dimensional shape, by projecting the measurement light onto the object, the spot light is projected onto the object using triangulation distance measurement, and then in one direction. The height information is calculated by detecting the position of the spot light image with a photodetector with resolution only and detecting how much the spot position on the object deviates from the light emission position and light reception position of the spot light. Was done.
[0003]
In addition, three-dimensional measurement by a light cutting method in which height information measurement using the spot light is simultaneously performed in a line shape is also performed. In three-dimensional measurement by the light cutting method, a method is proposed in which linear slit light is projected onto the object instead of spot light, and the unevenness of the linear part on which the slit light is projected by deformation of the slit light is proposed. ing.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the three-dimensional shape measuring apparatus, since the spot light for measurement is weak light, a highly sensitive light receiving element such as a photomultiplier (photomultiplier tube) or an avalanche photodiode (APD) is used. In order to increase the resolution, it is necessary to prepare as many light receiving elements as the number of resolutions. High-sensitivity light-receiving elements such as photomultipliers are expensive, so increasing the number of light-receiving elements to improve the resolution of three-dimensional shape measurement complicates the device configuration and significantly increases costs. There was a problem.
[0005]
The present invention has been made in view of these circumstances, and can reduce the number of light receiving elements without reducing the resolution in the horizontal direction, and can perform high-sensitivity, high-resolution measurement with a simple configuration. The object is to provide a shape measuring device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention has a beam shape.Spot lightMeasuring light projecting means for horizontally and vertically projecting onto the surface to be measured, and the measurement light from the surface to be measuredSpot lightReflected lightA plurality of condensing means for condensing the reflected light in the vertical direction with respect to the horizontal direction of the horizontal / vertical scanning for each position of the spot light in the horizontal direction;,An optical coding unit that distributes the reflected light for each of the horizontal positions collected by the plurality of light collecting units and collects the light again based on a predetermined coding;,A plurality of light detection means for detecting the reflected lights collected by the plurality of second light collection means;,Scanning position detecting means for causing the reflected light of the spot light from the surface to be measured to correspond to the scanning position in the horizontal scanning direction of the horizontal and vertical scanning based on the detection results of the plurality of light detecting means;,Three-dimensional shape measurement calculation means for calculating height information of the surface to be measured by the principle of triangulation based on the detection value of the reflected light detected by the plurality of light detection means and the detection result of the scanning position detection means The measuring light projecting means is an image guide, and the light converging means is a fiber array formed by combining a plurality of tape-like fiber bundles whose light incident ends spread in a tape shape. Thus, the reflected light in the direction perpendicular to the horizontal scanning direction of the spot light is collected.
In addition, an endoscope apparatus according to the present invention includes a measuring light projecting unit that scans a beam-like spot light horizontally and vertically and projects it onto a surface to be measured.,A plurality of condensing means for condensing the reflected light of the spot light from the surface to be measured, and the reflected light in the vertical direction with respect to the horizontal direction of the horizontal and vertical scanning, for each horizontal position of the spot light;,An optical coding unit that distributes the reflected light for each of the horizontal positions collected by the plurality of light collecting units and collects the light again based on a predetermined coding;,A plurality of light detection means for detecting the reflected lights collected by the plurality of second light collection means;,Scanning position detecting means for causing the reflected light of the spot light from the surface to be measured to correspond to the scanning position in the horizontal scanning direction of the horizontal and vertical scanning based on the detection results of the plurality of light detecting means;,Three-dimensional shape measurement calculation means for calculating height information of the surface to be measured by the principle of triangulation based on the detection value of the reflected light detected by the plurality of light detection means and the detection result of the scanning position detection means When,Have,The measuring light projecting means is constituted by an image guide, and the light collecting means is constituted by a fiber array in which a plurality of tape-like fiber bundles whose light incident ends spread in a tape shape are combined, and each is inserted into an insertion portion. And
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIGS. 1 to 4 relate to a first embodiment of the present invention, FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a three-dimensional shape measuring endoscope apparatus, and FIG. 2 is a photodetection system having a light receiving position coding means by fiber connection. FIG. 3 is an operation explanatory diagram showing a light receiving pattern at each detection position, and FIG. 4 shows a configuration example in which a diffusion plate is provided at the exit end of the tape-like fiber in the light detection unit. It is a perspective view.
[0008]
In the present embodiment, a three-dimensional shape measurement endoscope apparatus configured using an endoscope is shown as a configuration example of the three-dimensional shape measurement apparatus.
[0009]
As shown in FIG. 1, the three-dimensional shape measuring endoscope apparatus includes an endoscope 1 having an elongated insertion portion 2 that is inserted into a lumen and the like, and beam-shaped measurement light is applied to the endoscope 1. A measurement light source unit 3 for emitting, projecting and scanning the object, a light receiving unit 4 for receiving return light of the measurement light from the object transmitted through the endoscope 1, and an observation unit An observation light source unit 5 that includes a lamp 6 that emits the illumination light, and a three-dimensional shape measurement calculation unit 7 that performs a three-dimensional shape measurement process based on the return light of the measurement light received by the light receiving unit 4. And a display unit 8 for displaying a measurement image related to the three-dimensional shape of the target object.
[0010]
The endoscope 1 includes a measurement light transmission image guide 10 that transmits the measurement light, an illumination light transmission light guide 11 that transmits the observation illumination light, and a shape measurement image guide that transmits return light of the measurement light. 12. An observation image transmission image guide 13 for transmitting an observation image of a subject is provided, and a measuring light projection lens 14, an observation illumination lens 15, a shape measurement objective lens 16, an observation are provided at the distal end of the insertion portion 2. Objective lens 17 is provided.
[0011]
In the measurement light source unit 3, the beam of measurement light emitted from the semiconductor laser 19 is emitted while moving its position by a spot light scanning unit 20 that scans the spot light in the vertical and horizontal directions, and is passed through the lens 21. 1 is incident on the incident end of the image guide 10 for measuring light transmission. The spot light scanning means 20 is composed of, for example, a combination of a polygon mirror (for horizontal scanning) and a galvanometer scanner (for vertical scanning). The light source for measurement is not limited to a semiconductor laser, and a laser, a light emitting diode, or the like may be used as long as it has good straightness.
[0012]
An encoder 22 for feedback is connected to the spot light scanning means 20, and the scanning direction of the spot light scanning means 20 is detected by the encoder 22, and the output is A / D converted by the A / D converter 23. The position and irradiation direction of the measurement light beam for measuring the three-dimensional shape are obtained based on the digital data and the configuration data of the measurement light irradiation optical system.
[0013]
In the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment, the measurement light applied to the surface of the object from the light projecting system has a point on the original image plane corresponding to the spot position, and the imaging system has one line in the vertical direction. Each image is picked up by a single image sensor and has a resolution only in the horizontal direction.
[0014]
The measurement light propagating through the measurement light transmission image guide 10 of the endoscope 1 and applied to the object through the measurement light projection lens 14 is reflected by the object surface and passes through the shape measurement objective lens 16 to obtain the shape measurement image guide. 12 and is projected through a lens 24 onto a tape-shaped optical fiber array 25 including a plurality (n) of tape-shaped fibers 25-1 to 25-n. Each of the tape-like fibers 25-1 to 25-n corresponds to one row of pixels, and the reflected light incident on each fiber is condensed and guided to the light receiving position coding means 26.
[0015]
The exit ends of the tape-like fibers 25-1 to 25-n are coupled to a plurality (m pieces) of light receiving elements 27-1 to 27-m via a light receiving position coding means 26 by fiber connection. Light emitted from -1 to 25-n is incident on the light receiving elements 27-1 to 27-m. As the light receiving elements 27-1 to 27-m, highly sensitive light receiving elements such as photomultipliers (photomultiplier tubes) are used. The number of light receiving elements is smaller than the number of horizontal divisions of the tape-like fiber, and n> m.
[0016]
Here, the configuration and operation of the light receiving position coding means 26 will be described with reference to FIGS.
[0017]
FIG. 2 shows that the number of divisions of detection positions in the horizontal direction in the tape-shaped optical fiber array 25 is 15 (n = 15), the light receiving element is composed of four photodetectors (m = 4), and light reception by fiber connection is performed. A configuration example is shown in which the position of the reflected light of the measurement light is detected by coding the position.
[0018]
The respective output ends 51-1 to 51-15 of the tape-shaped optical fiber array 25 are coupled to the optical distributors 53-1 to 53-15 by optical fibers 52, and these optical distributors 53-1 to 53-15. Are coupled to photodetectors D1-D4 through an array of optical fibers 54. Here, the light receiving position is coded by the coupling path in the arrangement of the optical fibers 54.
[0019]
FIG. 3 shows a case where the reflected light of the measurement light enters the tape-like optical fiber array 25 and is received at the detection positions P1 to P15 in FIG. 2, and received by the photodetectors D1 to D4 corresponding to the detection positions. The pattern is shown. It is possible to know at which position in the horizontal direction in the tape-shaped optical fiber array 25 the measurement light is incident depending on which photodetector detects the light. For example, when light is detected by the photodetectors D1, D3, D4, the detection position of the measurement light is the fifth P5 from the left.
[0020]
Therefore, if m photodetectors are prepared, the number of horizontal divisions (resolution) n is
n = 2^m-1
It becomes.
[0021]
By providing the light receiving position coding means having such a configuration, when detecting the position of the measurement light in the horizontal direction, the number of horizontal divisions can be increased with a small number of light receiving elements, and high resolution can be obtained. Can do.
[0022]
FIG. 4 shows an example of a configuration in which a diffusion plate is provided in front of the light receiving position coding means. Diffusion plates 55-1 to 55-n are disposed at the exit ends of the tape-like fibers 25-1 to 25-n. The reflected light of the measurement light emitted from the tape-like fibers 25-1 to 25-n is diffused by the diffusion plates 55-1 to 55-n, and the light at the emission end is made uniform in the plane, so that the lens 56 The light enters the light receiving fibers 57-1 to 57-n through -1 to 56-n. The light receiving fibers 57-1 to 57-n are connected to the photodetectors D1 to D4 in accordance with the light receiving pattern of FIG. 3, and the incident measurement light is a photodetector D1 in which each fiber is connected corresponding to the detection position. ~ D4 is transmitted and received.
[0023]
By providing the diffusion plates 55-1 to 55-n as described above, it is possible to eliminate the deviation of light at the emission end due to the light receiving position in the vertical direction in the tape-like fibers 25-1 to 25-n. It becomes possible to irradiate light evenly to the incident ends of the fibers 57-1 to 57-n.
[0024]
As described above, the output of the encoder 22 for detecting the scanning direction of the spot light scanning means 20 is A / D converted by the A / D converter 23, and the digital data and the configuration data of the optical system for measuring light irradiation are used as the basis. It is possible to obtain the position and irradiation direction of the beam of the measurement light scanned in step (b).
[0025]
Here, if the shift of the measurement light beam in the horizontal scanning direction is not taken into consideration, information on the shift in the vertical direction of the beam depending on which of the tape-like fibers 25-1 to 25-n is incident. Can be obtained.
[0026]
In order to determine which of the tape-like fibers 25-1 to 25-n the measurement light is incident on, the light receiving elements 27-1 to 27-m receive light via the light receiving position coding means 26 as described above. The output signals of the light receiving elements 27-1 to 27-m are amplified by the amplifiers 31-1 to 31-m having the same characteristics, and the level is detected by the multi-channel comparator 32. The position in the vertical direction is obtained from the combination of the received light receiving elements. The laser spot detection circuit 33 detects the position of the beam spot of the measurement light from the vertical position data and the horizontal position data calculated from the output of the A / D converter 23.
[0027]
Next, in order to calculate the height information of the object by the height information calculation circuit 34, the output of the A / D converter 23 corresponding to the irradiation position in the vertical direction of the measurement light beam and the beam spot of the measurement light The position of each beam spot and the height information are determined in correspondence with each other. The calculated height information is stored in the frame memory 35, and is output to the display unit 8 and displayed as a three-dimensional measurement image.
[0028]
When observing a two-dimensional image, the observation illumination light emitted from the lamp 6 of the observation light source unit 5 is applied to the illumination light transmission light guide 11 through the lens 36 to be used as the distal end of the endoscope. The observation object is illuminated through the observation illumination lens 15, and the object image formed and transmitted through the observation objective lens 17 and the observation image transmission image guide 13 is transmitted from the observation lens 37 in the eyepiece. Observe with naked eyes. A configuration may be adopted in which a subject image is captured by an imaging unit (not shown) and displayed on the display unit 8 as a two-dimensional observation image.
[0029]
According to the present embodiment, by providing the light receiving position coding means 26 in the light receiving unit 4, the number of light receiving elements can be reduced without reducing the horizontal resolution, and the configuration of the apparatus can be simplified. In the endoscope apparatus, the number of light receiving elements of the light receiving unit can be reduced. Therefore, even if a photomultiplier having a high light detection sensitivity is used, the configuration can be made simple and inexpensive without complicating the configuration, and high sensitivity and high resolution can be obtained.
[0030]
In the following embodiments, other configuration examples of the light receiving position coding means will be shown.
[0031]
FIGS. 5 and 6 relate to the second embodiment of the present invention, FIG. 5 is a configuration explanatory diagram showing a functional configuration of a light detection unit having a light receiving position coding means, and FIG. 6 shows a light receiving pattern at each detection position. It is an operation explanatory view.
[0032]
The light receiving position coding means of the second embodiment uses 16 (n = 16) as the number of horizontal detection position divisions in the tape-shaped optical fiber array 25, and changes the fiber connection method to 8 light receiving elements. This is an example in which a single photodetector (m = 8) is used.
[0033]
The respective output ends 61-1 to 61-16 of the tape-shaped optical fiber array 25 are coupled to the optical distributors 63-1 to 63-16 by the optical fiber 62, and these optical distributors 63-1 to 63-16. Are coupled to photodetectors D1-D8 via an arrayed optical fiber 64. Here, the light receiving position is coded by the coupling path in the arrangement of the optical fibers 64.
[0034]
6 shows a case where the reflected light of the measuring light enters the tape-shaped optical fiber array 25 and is received at the detection positions P1 to P16 in FIG. 5, and is received by the photodetectors D1 to D8 corresponding to the detection positions. The pattern is shown. This is exactly two exclusive codes of 4 bits and represents 16 horizontal division numbers. It is possible to know at which position in the horizontal direction in the tape-shaped optical fiber array 25 the measurement light is incident depending on which photodetector detects the light. For example, when light is detected by the photodetectors D3 and D5, the detection position of the measurement light is the fifth P5 from the left.
[0035]
Accordingly, when the number of photodetectors is m + k, the horizontal division number (resolution) n is
n = m · k
It becomes.
[0036]
The configuration of the first embodiment shown in FIG. 2 has the advantage that the number of photodetectors can be reduced, but the intensity of light incident on the photodetector differs depending on the detection position of the tape-like fiber. There is. Compared to the configuration of FIG. 4, the intensity is ½ with 4 bits (horizontal resolution n = 15) and ¼ intensity with 8 bits (horizontal resolution n = 255).
[0037]
On the other hand, in the configuration of the second embodiment shown in FIG. 4, the number of fiber divisions in the optical distributors 63-1 to 63-16 is always two regardless of the number of tape-like fibers. The intensity of light incident on the same is the same at any detection position, and has the advantage that the received light intensity is high regardless of the resolution in the horizontal direction.
[0038]
FIGS. 7 and 8 relate to a third embodiment of the present invention, FIG. 7 is a configuration explanatory view showing a functional configuration of a light detection unit having a light receiving position coding means, and FIG. 8 shows a light receiving pattern at each detection position. It is an operation explanatory view.
[0039]
The light receiving position coding means of the third embodiment uses four photodetectors (m = 4) and a fiber that is different from FIG. 2 when the resolution of the detection position in the horizontal direction is 15 (n = 15). This is a configuration example in which position information in the horizontal direction is binary-coded with a Gray code by changing the connection method. Gray code is an encoding method in which only one bit is different between two codes for adjacent positions.
[0040]
The respective output ends 71-1 to 71-15 of the tape-shaped optical fiber array 25 are coupled to the optical distributors 73-1 to 73-15 by the optical fiber 72, and these optical distributors 73-1 to 73-15. Are coupled to photodetectors D1-D4 via an array of optical fibers 74. Here, the light receiving position is coded by the coupling path in the arrangement of the optical fibers 74.
[0041]
FIG. 8 shows the detection positions represented by the light receiving states of the photodetectors D1 to D4 when the reflected light of the measurement light enters the tape-shaped optical fiber array 25 and is received at the detection positions P1 to P15 in FIG. A binary code (gray code) is shown. By using such encoding, the intermediate region of the detection position divided in the horizontal direction in the tape-like fiber can be processed with a small error. That is, when the image of the spot light on the target object surface is applied to two horizontal regions of the tape-shaped optical fiber array 25, in this embodiment, at the position of the emission end of the two tape-shaped fibers. Corresponding binary code superpositions or intermediate region values are detected by the photodetectors D1 to D4.
[0042]
Here, it is assumed that the light distributors 73-1 to 73-15 distribute the incident light by ¼ at any position. For example, in FIG. 8, the light distributors 73-1 to 73-15 are arranged between the fourth detection position P4 and the fifth detection position P5. Consider a case in which an image of a spot light is applied and a light amount of 1/3 of the spot light is incident on the detection position P4 and a light amount of 1/4 is incident on the detection position P5. Assuming that the amount of light of the entire spot light is 1, incident light from the detection position P4 causes 0 light to enter the photodetectors D1 and D4, and 1/12 light amounts to the photodetectors D2 and D3. As a result of the incidence, a light amount of 1/16 is incident on the photodetector D4 and 1/16 of the light amount is incident on the photodetectors D1, D2, D3. As a result, the amount of incident light at each photodetector is D1 = 3/48, D2 = 7/48, D3 = 7/48, and D4 = 0.
[0043]
The output values of these photodetectors D1 to D4 are judged using a comparator to obtain the detection position. At this time, if the determination criterion that the detected light amount of the photodetector D1 is close to 0 compared with the detected light amounts of the photodetectors D2 and D3 is received by the photodetectors D2 and D3, it enters the detection position P4. If all detection values other than 0 are validated, the light is received by the photodetectors D1, D2, and D3, so that it is determined to have entered the detection position P5 and processed.
[0044]
In any of the above cases, the error in the detection position in the horizontal direction is only one pixel. Therefore, in the configuration of the first and second embodiments, the processing when entering the intermediate position is extremely complicated, whereas in the configuration of the third embodiment, the error is small even when entering the intermediate position. Can be processed easily.
[0045]
FIG. 9 shows a configuration of a coding discriminating circuit including means for performing error correction processing when a beam spot image is formed at an intermediate position of the fiber aperture in the position detection by the Gray code encoding based on the principle shown in FIG. An example is shown. However, FIG. 9 shows a configuration when a 6-bit (horizontal resolution n = 63) gray code is used.
[0046]
Sample and hold circuits 101-1 to 101-6 are connected to the subsequent stages of the photodetectors D1 to D6, respectively, and gain adjustment amplifiers 102-1 to 102 are connected to the subsequent stages of the sample and hold circuits 101-1 to 101-6. -6 is connected to each other. The sample and hold circuits 101-1 to 101-6 are synchronized with the spot beam scanning of the light source, and the input detection outputs of the photodetectors D1 to D6 are synchronized with the clock (hold pulse). Retained. The gain adjustment amplifiers 102-1 to 102-6 absorb the difference in photoelectric conversion efficiency between the photodetectors D1 to D6, and the offset value of the noise level from the output of the sample and hold circuits 101-1 to 101-6. Is subtracted and output.
[0047]
The outputs of these gain adjustment amplifiers 102-1 to 102-6 are compared by the comparison circuits 103-1 to 103-5, and the maximum value is output. The comparison circuit 103 (representing 103-1 to 103-5) is configured as shown in FIG. 10 and outputs the larger value of the input A and the input B from the output C. Based on the comparison results of the comparison circuits 103-1 to 103-5, the maximum value among the outputs of the six photodetectors D <b> 1 to D <b> 6 is output and becomes a half value via the ½ amplifier 104. Supplied to one input B of 105-1 to 105-6.
[0048]
The discriminating circuit 105 (representing 105-1 to 105-6) has a configuration as shown in FIG. 11, and the TTL H (high level) or the TTL depending on the value of the input A with the input B as a reference. L (low level) is output. In each of the determination circuits 105-1 to 105-6, if the input A is larger than the input B, TTL H is output, and if the input A is smaller, TTL L is output and input to the flip-flop 106. As a result, it is determined that light reception has been detected in the photodetector that has obtained an output greater than ½ of the maximum value of the outputs of the photodetectors D1 to D6.
[0049]
The flip-flop 106 temporarily holds the input TTL code, and outputs the output value of the code to the 6-bit data bus 107 by the CLR clock. The gray code data representing the detection position output from the flip-flop 106 is sent to the RAM of the height information calculation circuit 34 shown in FIG. 1 via the data bus 107, and the object is detected based on the position data. Height information is calculated.
[0050]
By providing a circuit having such a configuration, it is possible to correct an error when a measurement light beam is incident on an intermediate position of a detection position in a horizontal direction in a tape-like fiber or the like.
[0051]
In the first to third embodiments, all horizontal position coding is realized by changing the connection of the optical fibers, but this can also be realized by spatial light. An example of the structure of the light receiving position coding means using spatial light is shown in FIGS.
[0052]
FIG. 12 is a perspective view showing a configuration of a light detection unit having a light receiving position coding unit according to the fourth embodiment of the present invention.
[0053]
The light receiving position coding means of the fourth embodiment has a plurality of tape-like fibers 82 that condense light in one vertical line as a tape-like optical fiber array 25, with a diffusion plate 81 disposed at the incident end. A tape-like fiber 84 that divides incident light into eight parts in the vertical direction is provided on the emission side of the fiber 82 via a diffusion plate 83. On the output side of the tape-shaped fiber 84, eight tape-shaped fibers 85 that are arranged in a line in the horizontal direction and collect incident light are overlapped in the vertical direction. The light receiving elements 86-1 to 86-8 are coupled. A mask 87 for performing light receiving position coding in the horizontal direction is provided on the incident surface of the tape-like fiber 85.
[0054]
Reflected light of the measurement light from the object is incident on the tape-like fiber 82 via the diffusion plate 81, collected for each vertical line, diffused by the diffusion plate 83, and incident on the incident end surface of the tape-like fiber 84. Evenly incident. Here, a configuration is shown in which the horizontal resolution is 255, the binary code of each detection position is 8 digits, and incident light is distributed to the eight light receiving elements 86-1 to 86-8. The light incident on the tape-like fiber 84 is divided into eight parts in the vertical direction and enters the tape-like fiber 85.
[0055]
At this time, the incident position in the horizontal direction is coded by the arrangement pattern of the mask 87 provided at the incident end of the tape-like fiber 85. For example, when the reflected light of the measurement light is incident on the tape-like fiber 82 at the position of the left end A, the light is received only by the eighth light receiving element 86-8 from the top, and the tape-like at the position B next to it. Each point is masked so that when the reflected light of the measurement light is incident on the fiber 82, the light is received by the first and eighth light receiving elements 86-1 and 86-8 from the top.
[0056]
By masking in the two-dimensional space in this way, each detection position in the horizontal direction can be coded in the same manner as in the first to third embodiments, and the horizontal depending on the light receiving state of the light receiving elements 86-1 to 86-8. It is possible to know at which position in the direction the measurement light is incident.
[0057]
FIG. 13 is a perspective view showing a configuration of a light detection unit having a light receiving position coding unit according to the fifth embodiment of the present invention.
[0058]
5th Embodiment is an example which changed the structure of the incident part of the light reception position coding means in 4th Embodiment. In this configuration example, a Fourier transform lens 91 and a low-pass filter 92 having a slit in the horizontal direction are provided instead of the tape-like fiber 82 that collects light in one vertical line shown in FIG.
[0059]
The reflected light of the measurement light from the object is collected by the Fourier transform lens 91, made uniform through the slit-like low-pass filter 92 provided on the Fourier transform surface of the lens, and incident on the incident end surface of the tape-like fiber 84. Is done.
[0060]
In this manner, the detection positions in the horizontal direction can be coded by the configuration using both the lens and the fiber, and the same effect as the fourth embodiment can be obtained.
[0061]
The light receiving position coding in the horizontal direction is not limited to that described above. The number of light receiving elements is set to be more redundant than the shortest code that represents all the positions in the horizontal direction so that the code has redundancy and is encoded. A function for correcting the error may be added.
[0062]
[Appendix]
(1) Measuring light projecting means for scanning the beam-shaped measuring light in the horizontal and vertical directions and projecting it onto the surface to be measured;
Reflected light receiving means for receiving the reflected light of the measurement light from the measurement surface by light receiving units arranged in a plurality of lines;
Three-dimensional shape measurement calculation means for calculating height information of the measured surface by the principle of triangulation based on the output of the reflected light receiving means,
The reflected light receiving means codes the optical light receiving position of the reflected light, and receives the reflected light by a number of light receiving elements equal to or less than the number of horizontal resolutions of the light receiving unit to detect the horizontal position. A three-dimensional shape measuring apparatus having an optical system provided with light receiving position coding means.
[0063]
(2) The reflected light receiving means includes a plurality of rows of tape-like fibers as the light-receiving portions, and an incident end is optically coupled to an emission end of the tape-like fiber to distribute the emission ends in the horizontal direction of the light-receiving portion. The optical array comprising the light receiving position coding means optically coupled to the light receiving elements having a number equal to or less than the number of decompositions, wherein the optical light receiving position is coded by a coupling pattern of the fiber array. 3D shape measuring device.
[0064]
(3) The reflected light receiving means includes a first tape-like fiber array that divides the light received by the light-receiving unit into a plurality of rows in each row, and the first tape-like fiber row at the output end of the first tape-like fiber row. A second tape-shaped fiber array that is arranged in a direction orthogonal to the tape-shaped fiber array, the incident end is disposed, and the output end is optically coupled to a light receiving element having a horizontal decomposition number equal to or less than the horizontal direction of the light-receiving unit; 2. An optical mask arranged two-dimensionally at the incident end of the two tape-like fiber arrays, and optical reception positions are coded according to the arrangement pattern of the optical mask. Three-dimensional shape measuring device.
[0065]
(4) When the reflected light receiving unit uses m light receiving elements by binary coding in the light receiving position coding unit, n = 2 as a horizontal decomposition number n of the light receiving unit.^mThe three-dimensional shape measuring apparatus according to appendix 1, which has a resolution of -1.
[0066]
(5) When the reflected light receiving means uses m + k light receiving elements by binary coding in the light receiving position coding means, the resolution of n = m · k is set as the horizontal decomposition number n of the light receiving section. The three-dimensional shape measuring apparatus according to supplementary note 1, wherein the three-dimensional shape measuring apparatus is provided.
[0067]
(6) The three-dimensional shape measuring apparatus according to appendix 1, wherein the light receiving position coding means codes the light receiving position by binary coding using a Gray code.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the number of light receiving elements without reducing the resolution in the horizontal direction, and to provide a three-dimensional shape measuring apparatus capable of measuring with high sensitivity and high resolution with a simple configuration. There is an effect that can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a three-dimensional shape measurement endoscope apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration explanatory view showing a functional configuration of a light detection unit having a light receiving position coding unit according to the first embodiment.
3 is an operation explanatory diagram showing a light receiving pattern at each detection position in FIG. 2. FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a configuration example in which a diffusion plate is provided at the exit end of the tape-like fiber in the light detection unit.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a functional configuration of a light detection unit having a light receiving position coding unit according to a second embodiment.
6 is an operation explanatory diagram showing a light receiving pattern at each detection position in FIG. 5;
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a functional configuration of a light detection unit having a light receiving position coding unit according to a third embodiment.
FIG. 8 is an operation explanatory diagram showing a light receiving pattern at each detection position in FIG. 7;
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration example of a coding discrimination circuit including error correction processing means.
10 is a circuit diagram showing a configuration of a comparison circuit in FIG. 9;
11 is a circuit diagram showing a configuration of a discrimination circuit in FIG. 9;
FIG. 12 is a perspective view showing a configuration of a light detection unit having a light receiving position coding unit according to a fourth embodiment.
FIG. 13 is a perspective view showing a configuration of a light detection unit having a light receiving position coding unit according to a fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1 ... Endoscope
3 ... Light source for measurement
4. Light receiving part
7… Three-dimensional shape measurement calculation unit
8 ... Display section
10. Image guide for measuring light transmission
12. Image guide for shape measurement
19 ... Semiconductor laser
20: Spot light scanning means
22 ... Encoder
25-1 to 25-n ... Tape-like fiber
26: Light receiving position coding means
27-1 to 27-m ... Light receiving element
33 ... Laser spot detection circuit
34 ... Height information calculation circuit

Claims

A measuring light projecting means for scanning a beam-like spot light horizontally and vertically and projecting it onto a surface to be measured;
A plurality of condensing means for condensing the reflected light of the spot light from the measurement surface, the reflected light in the vertical direction with respect to the horizontal direction of the horizontal and vertical scanning, for each position in the horizontal direction of the spot light ;
Optical coding means for distributing the reflected light for each horizontal position collected by the plurality of light collecting means and collecting light again based on a predetermined coding ;
A plurality of light detecting means for detecting the reflected lights collected by the plurality of second light collecting means ,
Based on the detection results of the plurality of light detection means, scanning position detection means for causing the reflected light of the spot light from the surface to be measured to correspond to the scanning position in the horizontal scanning direction of the horizontal and vertical scanning ;
Three-dimensional shape measurement calculation means for calculating height information of the surface to be measured by the principle of triangulation based on the detection value of the reflected light detected by the plurality of light detection means and the detection result of the scanning position detection means And
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising:

The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the measuring light projecting unit is an image guide .

The condensing means condenses the reflected light in the vertical direction with respect to the horizontal scanning direction of the spot light by using a plurality of tape-like fiber bundles whose light incident ends spread in a tape shape to form a fiber array. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1 or 2 .

A measuring light projecting means for scanning a beam-like spot light horizontally and vertically and projecting it onto a surface to be measured ;
A plurality of condensing means for condensing the reflected light of the spot light from the measurement surface, the reflected light in the vertical direction with respect to the horizontal direction of the horizontal and vertical scanning, for each position in the horizontal direction of the spot light ;
Optical coding means for distributing the reflected light for each horizontal position collected by the plurality of light collecting means and collecting light again based on a predetermined coding ;
A plurality of light detecting means for detecting the reflected lights collected by the plurality of second light collecting means ,
Based on the detection results of the plurality of light detection means, scanning position detection means for causing the reflected light of the spot light from the surface to be measured to correspond to the scanning position in the horizontal scanning direction of the horizontal and vertical scanning ;
Three-dimensional shape measurement calculation means for calculating height information of the surface to be measured by the principle of triangulation based on the detection value of the reflected light detected by the plurality of light detection means and the detection result of the scanning position detection means And
Have
The measuring light projecting means is constituted by an image guide, and the light collecting means is constituted by a fiber array in which a plurality of tape-like fiber bundles whose light incident ends spread in a tape shape are combined, and each is inserted into an insertion portion. An endoscope apparatus.