JP5185773B2

JP5185773B2 - 形状測定装置

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Publication number: JP5185773B2
Application number: JP2008277085A
Authority: JP
Inventors: 克己平川
Original assignee: Olympus Medical Systems Corp
Current assignee: Olympus Medical Systems Corp
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-10-28
Also published as: JP2010107239A

Description

本発明は、光ファイバブラッググレーティングセンサ部が形成された光ファイバセンサを有する形状測定装置に関し、特に３本以上の光ファイバセンサを有し、３次元形状を測定する形状測定装置に関する。

光ファイバブラッググレーティング (Fiber Bragg Grating：以下、「ＦＢＧ」という。)センサは、光ファイバのコア部に屈折率が変化するグレーティング部を形成したものであり、入射光に対してグレーティング部で所定波長の光を反射する。この特定の波長を、ブラッグ（Bragg）波長という。そして、ＦＢＧセンサは、グレーティング部の長手方向に伸び縮みがあると反射光の波長がブラッグ波長から変化するという特性を有している。このため、ＦＢＧセンサは、温度計測、または歪計測等に利用されている。

そして、異なるブラッグ波長を有する複数のＦＢＧセンサ部を１本の光ファイバに形成した波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）方式の光ファイバセンサでは、広帯域光源から供給されＦＢＧセンサ部で反射された光の波長変化量を測定することにより、光ファイバのどの位置に形成されたＦＢＧセンサ部がどの程度変形したかを検出することができる。このため、ＷＤＭ方式の光ファイバセンサは、例えば、細長い被測定体の歪み測定装置として利用されている。

さらに、特表２００３−５１５１０４号公報および特開２００４−２５１７７９号公報には、３次元形状を測定するために、３本以上の光ファイバセンサを用いた形状測定装置が開示されている。すなわち、３次元形状を測定するためには、それぞれの測定箇所の変形を３個のＦＢＧセンサ部により測定する必要がある。
特表２００３−５１５１０４号公報特開２００４−２５１７７９号公報

光ファイバセンサに用いることのできる光の波長の範囲、すなわち、波長帯域は、使用する広帯域光源の仕様により制限がある。例えば、工業的に広く使用されているＣバンドと呼ばれるレーザ光源の帯域は例えば１５３０ｎｍから１５６５ｎｍの３５ｎｍである。一方、ＦＢＧセンサ部の変位による反射光の波長変化量はブラッグ波長に対して±２ｎｍ程度である。（３５ｎｍ／４ｎｍ＝８．７５）であるため、計算上は、１本の光ファイバに８個の異なるブラッグ波長を有するＦＢＧセンサ部を形成しても、どのＦＢＧセンサ部からの反射光かを確認可能である。しかし、実際には、反射光の波長変化量のばらつき等のため、波長帯域３５ｎｍの光源を用いた場合に、１本の光ファイバに形成できるＦＢＧセンサ部は、４個または５個に限定されている。

このため、波長分割多重方式の光ファイバセンサでは、多くの測定箇所を測定するためには、複数本の光ファイバセンサを用いる必要があった。

特に、３次元形状を計測する光ファイバセンサを用いた形状測定装置の場合には、前述したように、それぞれの測定箇所に最低３個のＦＢＧセンサ部を形成する必要がある。このため、３次元形状計測形状測定装置は、特に、多くの光ファイバセンサを用いる必要があり、センサ全体の径が太くなってしまうことが問題であった。

本発明の形状測定装置は、１本の光ファイバセンサで多くの測定箇所を測定することができるため、センサ全体の細径化を実現できる。

上記目的を達成すべく、本発明の形状測定装置は、異なる特定の同一波長の光を、それぞれ異なる反射率で反射し、反射光の強度により区別可能な複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部が形成された第１の光ファイバセンサと、前記複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部が前記第１の光ファイバセンサと同じ位置に形成された第２の光ファイバセンサと、前記複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部が前記第１の光ファイバセンサと同じ位置に形成された第３の光ファイバセンサと、を有するプローブと、前記第１の光ファイバセンサ、前記第２の光ファイバセンサおよび前記第３の光ファイバセンサに広帯域光を供給する光源と、前記第１の光ファイバセンサ、前記第２の光ファイバセンサおよび前記第３の光ファイバセンサからの前記反射光の波長および強度を検出する検出手段と、前記検出手段が検出した前記反射光の強度から、前記複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部の位置を算出するとともに、前記検出手段が検出した前記反射光の波長からシフト量を算出し、前記シフト量をもとに前記複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部の変形量を算出し、前記プローブが配設された挿入体の形状を算出する算出手段と、を有する。

本発明は、１本の光ファイバで多くの測定箇所を測定することができる光ファイバセンサを有し、センサ全体の細径化を実現した形状測定装置を提供するものである。

＜第１の実施の形態＞
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態の形状測定装置１について説明する。
図１は、本実施の形態の形状測定装置を使用している状態を説明するための説明図であり、図２は、本実施の形態の形状測定装置の説明図であり、図３は本実施の形態の光ファイバセンサの構成を示す構成図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線の断面図である。図４は本実施の形態の形状測定装置の構成図であり、図５および図６は本実施の形態の形状測定装置のＦＢＧセンサ部の構造を説明するための構造図である。
図１に示した第１の実施の形態の形状測定装置１は、内視鏡システム１０の挿入部１２の形状を測定するためのものである。内視鏡システム１０は、被検体である被検者１１の内部に挿入し観察または処置を行う医療器具である細長い挿入体である内視鏡の挿入部１２と、挿入部１２を操作するための操作部１３と、内視鏡システム１０の制御および画像処理等を行う本体部１５と、内視鏡画像を表示するモニタ１４とを有している。形状測定装置１の光ファイバセンサ２は、挿入部１２の内部を挿通するチャンネルの操作部１３側の開口である処置具孔から、チャンネル内に挿通され、挿入部１２と同じ形状に変形するように配設されている。形状測定装置１の表示手段は内視鏡システム１０のモニタ１４が兼用しており、内視鏡画像と同じ画面上に、挿入部１２の形状を表示できる。

そして、図２に示すように、形状測定装置１は、光ファイバセンサ２と、本体部１５内に配設された光源６と、検出部８と、形状算出処理を行う算出手段である算出部９Ａと、形状測定装置１の全体の制御を行う制御部９Ｂを有している。図３に示すように、光ファイバセンサ２は、３本の光ファイバセンサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃが、金属ワイヤ２Ｍの周囲に樹脂２Ｐを介して束ねられたファイバアレイからなるプローブであり可撓性を有している。そして、図２に示すように、ぞれぞれの光ファイバセンサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃには、長手方向の同じ位置にそれぞれＦＢＧセンサ部３が形成されている。すなわち、光ファイバセンサ２では、３個のＦＢＧセンサ部３が同じ位置にあるため、その３個のＦＢＧセンサ部３の配設されている挿入部１２の部分の３軸方向の変位を計測することができる。

次に図４は、本実施の形態の形状測定装置１の動作を説明するために、１本の光ファイバセンサ２ＡについてのみＦＢＧセンサ部３を示している。すなわち、光ファイバセンサ２Ａは、１０箇所のＦＢＧセンサ部３Ａ１から３Ｂ５、が１本の光ファイバ４に配設されている波長分割多重方式用の光ファイバセンサである。そして、形状測定装置１は、３本の光ファイバセンサ２Ａから２Ｃと、光ファイバセンサ２Ａから２Ｃに広帯域レーザ光を供給する光源６と、サーキュレータ７と、光ファイバセンサ２Ａから２Ｃからの反射光の波長および強度を検出する検出手段であるスペクトルアナライザ等の検出部８と、検出手段の検出結果である反射光の波長および強度から光ファイバブラッググレーティングセンサ部３の変形量および光ファイバセンサ２の形状を算出する算出手段である算出部９Ａと、制御部９Ｂとを有している。制御部９Ｂは形状測定装置１全体の制御を行う。光ファイバセンサ２Ａの末端部には終端部４Ｂを配設し、光の反射および外部に光が漏れることを防止している。

そして、光ファイバセンサ２ＡのＦＢＧセンサ部３Ａ１から３Ａ４の反射率は７０％であり、ＦＢＧセンサ部３Ｂ１から３Ｂ５の反射率は９９％である。以下、ＦＢＧセンサ部３Ａ１から３Ａ５の、それぞれをＦＢＧセンサ部３Ａといい、ＦＢＧセンサ部３Ｂ１から３Ｂ５の、それぞれをＦＢＧセンサ部３Ｂといい、ＦＢＧセンサ部３Ａ１から３Ｂ５の、それぞれをＦＢＧセンサ部３という。ＦＢＧセンサ部３の反射率は、グレーティングの本数により調整可能であり、グレーティングの本数が多いほど高反射率となる。

光ファイバセンサ２Ａには特定の同一波長であるブラッグ波長λＢの光を、それぞれ異なる反射率で反射する複数のＦＢＧセンサ部が形成されている。ブラッグ波長λＢについては後に詳述する。ＦＢＧセンサ部３Ａ１とＦＢＧセンサ部３Ｂ１、ＦＢＧセンサ部３Ａ２とＦＢＧセンサ部３Ｂ２、ＦＢＧセンサ部３Ａ３とＦＢＧセンサ部３Ｂ３、ＦＢＧセンサ部３Ａ４とＦＢＧセンサ部３Ｂ４、およびＦＢＧセンサ部３Ａ５とＦＢＧセンサ部３Ｂ５の、ＦＢＧセンサ部３Ａと３Ｂのそれぞれのペアは、ペアのそれぞれが特定の同一波長の光を、それぞれ異なる反射率で反射する。そして、ＦＢＧセンサ部３Ａ１とＦＢＧセンサ部３Ｂ１、ＦＢＧセンサ部３Ａ２とＦＢＧセンサ部３Ｂ２、ＦＢＧセンサ部３Ａ３とＦＢＧセンサ部３Ｂ３、ＦＢＧセンサ部３Ａ４とＦＢＧセンサ部３Ｂ４、およびＦＢＧセンサ部３Ａ５とＦＢＧセンサ部３Ｂ５のそれぞれのペアは、互いに他のペアとは異なる特定の同一波長の光を反射するＦＢＧセンサ部ペアである。

光源６は、光ファイバセンサ２を構成する光ファイバセンサ２Ａから２Ｃに、図示しない光スイッチとサーキュレータ７により、順に、所定の帯域を有するレーザ光を供給する。光ファイバセンサ２に供給された光のうち、ＦＢＧセンサ部３で反射された光は、サーキュレータ７を介して、反射光の波長および光強度を検出する検出部である検出部８に供給され、ブラッグ波長λＢからのシフト量および光強度の測定が行われる。そして、算出部９は反射光の波長シフト量および強度からＦＢＧセンサ部３の変形量を算出し、光ファイバセンサ２の形状、すなわち、光ファイバセンサ２が配設された挿入部１２の３次元形状を算出し、モニタ１４に表示する。なお、光ファイバセンサ２の挿入部１２への配設は、挿入部１２の形状と光ファイバセンサ２の形状とが実用上問題のない程度に一致すれば、ゆるやかな固定であっても差し支えない。

ここで、図５を用いてＦＢＧセンサの動作原理について説明する。図５に示すように、ＦＢＧセンサ部３は、光ファイバ４の所定の長さ（例えば５ｍｍ）にわたってコア部４Ａの屈折率が周期的に変化している回折格子（グレーティング）である。ゲルマニウムをドープしたコア部４Ａにマスクを介して紫外線を照射することでフォトリフラクティブ効果によりわずかに屈折率が増加する。これを利用して軸方向に周期的に屈折率の高い部分（格子）を形成させたものがＦＢＧセンサ部３である。なお、図５等における、グレーティングの本数およびコア部軸方向に対するグレーティング幅は、構造を理解しやすいように簡略化して図示している。

そして、図６に示すように、ＦＢＧセンサ部３は、回折格子の間隔ｄ、言い換えれば、周期に応じて、入射光のうち、以下の（式１）で示す所定波長であるブラッグ波長λＢの光のみを反射する。
λＢ＝２×ｎ×ｄ（式１）
ここで、ｎはコア部４Ａの実効屈折率である。例えば、コア部４Ａの実効屈折率ｎが１．４５、ブラッグ波長λＢが１５５０ｎｍの場合には、回折格子の間隔ｄは０．５３μｍ程度になる。

図６（Ａ）は、入射光の波長λに対する光の強度を示した図であり、入射光は所定の波長の幅、すなわち、帯域を有する。そして、図６（Ｂ）はＦＢＧセンサ部３により反射された反射光の波長λに対する光の強度を示した図であり、反射光はブラッグ波長λＢの光である。図６（Ｃ）はＦＢＧセンサ部３を通過した入射光の波長λに対する光の強度を示した図であり、透過光にはＦＢＧセンサ部３で反射したブラッグ波長λＢ成分が含まれていない。

そして、上記の（式２）から明らかなように、ＦＢＧセンサ部３が伸びると、回折格子の間隔ｄも大きくなるため、ブラッグ波長λＢは長波長側に移動する。逆に、ＦＢＧセンサ部３が縮むと、回折格子の間隔ｄも小さくなるため、ブラッグ波長λＢは短波長側に移動する。このため、ＦＢＧセンサ部３は、温度、または外力を検出するセンサとして用いることができ、本実施の形態では、光ファイバセンサ２のたわみ量、すなわち、軸方向への曲がり変形量を検出する。

ここで、図７は本実施の形態の形状測定装置１の光ファイバセンサ２のＦＢＧセンサ部における光の反射を説明するための図である。図７に示すように、形状測定装置１の光ファイバセンサ２は同一のブラッグ波長λＢの光を反射し反射率が異なる複数のＦＢＧセンサ部３Ａと３Ｂとを有する。また、本実施の形態の形状測定装置１は、反射光のシフト量だけでなく、反射光の光強度も検出する検出手段である検出部８を有している。

図７（Ａ）に示すように、光源６はＦＢＧセンサ部３Ａと３Ｂのブラッグ波長λＢを含む光を供給する。そして、図７（Ｂ）に示すように、ＦＢＧセンサ部３Ａは、ブラッグ波長λＢの光のうちの７０％である反射光ＰＡを反射する、反射率７０％のＦＢＧセンサ部である。すなわち、図７（Ｃ）に示すように、ＦＢＧセンサ部３Ａを通過した光は、ブラッグ波長λＢの光のうち、７０％が失われている。そして、図７（Ｄ）に示すように、ＦＢＧセンサ部３Ｂは、ブラッグ波長λＢの光の９９％を反射する反射率９９％のＦＢＧセンサ部である。しかし、ＦＢＧセンサ部３Ａにおいて７０％の光は既に反射されているので、ＦＢＧセンサ部３Ｂでは残った３０％の光の９９％、すなわち約３０％の光を反射光ＰＢとして反射する。図７（Ｅ）はＦＢＧセンサ部３Ａおよび３Ｂを通過した光を示しているが、ブラッグ波長λＢの成分が含まれていない。そして、図７（Ｆ）はＦＢＧセンサ部３Ａおよび３Ｂにより反射された光を示しており、ＦＢＧセンサ部３Ａでの反射光ＰＡとＦＢＧセンサ部３Ｂでの反射光ＰＢとが重畳された、ブラッグ波長λＢの光の強度１００％の反射光である。

ＦＢＧセンサ部３ＡとＦＢＧセンサ部３Ｂとは、光ファイバセンサ２の異なる位置に形成されているため、光ファイバセンサ２が配設された挿入部１２の変形により、異なる変形を受けることがある。すなわち、ぞれぞれのＦＢＧセンサ部３ＡとＦＢＧセンサ部３Ｂとには独立して、伸縮変形が発生する。このため、反射光の波長に対する強度変化は大きく分けて９通りある。

図８は、同一のブラッグ波長λＢを有し反射率が異なるＦＢＧセンサ部３Ａおよび３Ｂによる反射光のスペクトルを示した図である。すなわち、図８（Ａ）に示すように、いずれのＦＢＧセンサ部にも変形が生じていない場合には、図７で説明したようにブラッグ波長λＢに強度１００％の反射光のピークが生じる。

これに対して、図８（Ｂ）はＦＢＧセンサ部３Ａが無変形、ＦＢＧセンサ部３Ｂが収縮した場合、図８（Ｃ）はＦＢＧセンサ部３Ａが無変形、ＦＢＧセンサ部３Ｂが伸張した場合を示している。いずれの場合もブラッグ波長λＢにＦＢＧセンサ部３Ａによる強度７０％の反射光ＰＡのピークがあり、ブラッグ波長λＢの長波長側または短波長側にＦＢＧセンサ部３Ｂによる強度３０％の反射光ＰＢのピークがある。

また、図８（Ｄ）はＦＢＧセンサ部３Ａが伸張、ＦＢＧセンサ部３Ｂが無変形の場合、図８（Ｇ）はＦＢＧセンサ部３Ａが収縮、ＦＢＧセンサ部３Ｂが無変形の場合を示している。いずれの場合もブラッグ波長λＢにＦＢＧセンサ部３Ｂによる強度３０％の反射光ＰＢのピークがあり、ブラッグ波長λＢの長波長側または短波長側にＦＢＧセンサ部３Ａによる強度７０％の反射光ＰＡのピークがある。

そして、図８（Ｅ）はＦＢＧセンサ部３Ａ、および、ＦＢＧセンサ部３Ｂが共に伸張の場合、図８（Ｉ）は共に収縮の場合を示している。いずれの場合もブラッグ波長λＢの長波長側または短波長側にＦＢＧセンサ部３Ａによる強度７０％の反射光ＰＡのピークおよびＦＢＧセンサ部３Ｂによる強度３０％の反射光ＰＢのピークがある。

さらに、図８（Ｆ）はＦＢＧセンサ部３Ａが伸張し、ＦＢＧセンサ部３Ｂが収縮の場合、図８（Ｈ）は反対にＦＢＧセンサ部３Ａが収縮し、ＦＢＧセンサ部３Ｂが伸張の場合を示している。いずれの場合もブラッグ波長λＢの長波長側と短波長側に分かれて、ＦＢＧセンサ部３Ａによる強度７０％の反射光ＰＡのピークと、ＦＢＧセンサ部３Ｂによる強度３０％の反射光ＰＢのピークとがある。

本実施の形態の形状測定装置１は、波長分割多重方式の光ファイバセンサでありながら、反射光のブラッグ波長λＢからのシフト量だけでなく、反射光の強度も検出する検出手段である検出部８を有しているため、図８に示した９種類の区別および、それぞれのＦＢＧセンサ部３の変形量を測定することができる。すなわち、同一のブラッグ波長λＢを有するＦＢＧセンサ部３であっても、独立して変形量を測定することができる。

なお、図８（Ｉ）に示すように、反射光ＰＡと反射光ＰＢとの中央波長が近接している場合には、ピークが重なってしなうこともある。しかし、検出部８は公知の波形分離法により２つのピークを分離する。

次に図９および図１０を用いて、本実施の形態の形状測定装置１におけるＦＢＧセンサ部３Ａ、およびＦＢＧセンサ部３Ｂの変形形態の検出方法について説明する。図９および図１０は、本実施の形態の形状測定装置における同一のブラッグ波長λＢを有し異なる反射率を有する２つのＦＢＧセンサ部の変形形態の検出方法の処理の流れを示したフローチャートである。なお、図９および図１０における図中の（Ａ）から（Ｉ）の表示は、図８と対応している。

以下、図９および図１０のフローチャートに従って説明する。
＜ステップＳ１１＞
最初に、反射光のブラッグ波長λＢにピークがあるか否かが検出される。ピークがあった場合（Ｙｅｓ）には、ＦＢＧセンサ部３ＡまたはＦＢＧセンサ部３Ｂの少なくともいずれかが変形している。ピークがなかった場合（Ｎｏ）には、ＦＢＧセンサ部３ＡおよびＦＢＧセンサ部３Ｂが共に変形しているため、図１０の処理が行われる。

＜ステップＳ１２、Ｓ１３＞
ブラッグ波長λＢのピーク強度が１００％の場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３において、ＦＢＧセンサ部３ＡおよびＦＢＧセンサ部３Ｂが共に無変形と判断される。

＜ステップＳ１４＞
ブラッグ波長λＢのピーク強度が７０％の場合（Ｙｅｓ）には、ＦＢＧセンサ部３Ａが無変形と判断され、７０％でない場合（Ｎｏ）には、ＦＢＧセンサ部３Ｂが無変形と判断される。

＜ステップＳ１５〜Ｓ１７＞
ピーク強度が３０％のピークがブラッグ波長λＢの短波長側にない（Ｎｏ）、すなわち、長波長側にあった場合には、ステップＳ１６においてＦＢＧセンサ部３Ｂが収縮と判断される。これに対して、ピーク強度が３０％のピークがブラッグ波長λＢの短波長側にあった（Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ１７においてＦＢＧセンサ部３Ｂが伸張と判断される。

＜ステップＳ１８〜Ｓ１９＞
ピーク強度が７０％のピークがブラッグ波長λＢの短波長側にない（Ｎｏ）、すなわち、長波長側にあった場合には、ステップＳ１９においてＦＢＧセンサ部３Ａが収縮と判断される。これに対して、ピーク強度が７０％のピークがブラッグ波長λＢの短波長側にあった（Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ２０においてＦＢＧセンサ部３Ａが伸張と判断される。

＜ステップＳ２１＞
ピーク強度が７０％のピークがブラッグ波長λＢの短波長側にあった場合（Ｙｅｓ）には、ＦＢＧセンサ部３Ａが収縮と判断され、短波長側にない（Ｎｏ）、すなわち、長波長側にあった場合には、ＦＢＧセンサ部３Ａが伸張と判断される。

＜ステップＳ２２〜Ｓ２４＞
ピーク強度が３０％のピークがブラッグ波長λＢの短波長側にない（Ｎｏ）、すなわち、長波長側にあった場合には、ステップＳ２３においてＦＢＧセンサ部３Ｂが収縮と判断される。これに対して、ピーク強度が３０％のピークがブラッグ波長λＢの短波長側にあった（Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ２４においてＦＢＧセンサ部３Ｂが伸張と判断される。

＜ステップＳ２５〜Ｓ２７＞
ピーク強度が３０％のピークがブラッグ波長λＢの短波長側にない（Ｎｏ）、すなわち、長波長側にあった場合には、ステップＳ２６においてＦＢＧセンサ部３Ｂが収縮と判断される。これに対して、ピーク強度が３０％のピークがブラッグ波長λＢの短波長側にあった（Ｙｅｓ）場合には、ステップＳ２７においてＦＢＧセンサ部３Ｂが伸張と判断される。

以上の説明は説明を簡単にするために、特定の同一波長の光を、それぞれ異なる反射率で反射する１組のＦＢＧセンサ部３Ａおよび３Ｂを例に説明した。図４に示したように、光ファイバセンサ２Ａは、異なる特定の同一波長の光を反射する５組のＦＢＧセンサ部ペアから構成されている。すなわち、ＦＢＧセンサ部３Ａ１とＦＢＧセンサ部３Ｂ１のブラッグ波長はλＢ１であり、ＦＢＧセンサ部３Ａ２とＦＢＧセンサ部３Ｂ２のブラッグ波長はλＢ２であり、ＦＢＧセンサ部３Ａ３とＦＢＧセンサ部３Ｂ３のブラッグ波長はλＢ３であり、ＦＢＧセンサ部３Ａ４とＦＢＧセンサ部３Ｂ４のブラッグ波長はλＢ４であり、ＦＢＧセンサ部３Ａ５とＦＢＧセンサ部３Ｂ５のブラッグ波長はλＢ５である。

図１１は、光ファイバセンサ２Ａの入射光と反射光を示し、横軸は光の波長を縦軸は強度を示している。図１１（Ａ）は波長λＢ１からλＢ５の範囲を含む広帯域レーザ光源である光源６からの入射光を示している。そして、図１１（Ｂ）は反射光を示しており、それぞれのブラッグ波長の位置に強度１００％のピークがあることから、１０個のＦＢＧセンサ部３Ａ１から３Ｂ５の全てが無変形と判断される。これに対して、図１１（Ｃ）では反射光は複雑化している。しかし、既に説明した方法により、１０個のＦＢＧセンサ部３Ａ１から３Ｂ５の全ての変形状態を測定することができる。例えば、波長λＢ１の短波長側にＰＡ１が、長波長側にＰＡ２があることから、ＦＢＧセンサ部３Ａ１は収縮状態、ＦＢＧセンサ部３Ｂ１は伸張状態と判断できる。同様に、ＦＢＧセンサ部３Ａ２は伸張、ＦＢＧセンサ部３Ｂ２は伸張、ＦＢＧセンサ部３Ａ３は無変形、ＦＢＧセンサ部３Ｂ３は収縮、ＦＢＧセンサ部３Ａ４とＦＢＧセンサ部３Ｂ４は無変形、ＦＢＧセンサ部３Ａ５は伸張、ＦＢＧセンサ部３Ｂ５は収縮と判断できる。

このように、本実施の形態の形状測定装置１の波長分割多重方式の光ファイバセンサ２では、１本の光ファイバに、従来の２倍の数のＦＢＧセンサ部３を形成しても、検出部８が反射光のシフト量と強度とを検出し、算出部９Ａが反射光のシフト量と強度とを基にＦＢＧセンサ部３の変形を算出するため、それぞれのＦＢＧセンサ部３の変形を独立して測定することができる。

そして、本実施の形態の形状測定装置１の光ファイバセンサ２は３本の光ファイバセンサ２Ａから２Ｃを有し、それぞれの光ファイバセンサ２Ａから２Ｃが同じ位置にＦＢＧセンサ部３を形成してあるため、それぞれの部分の３次元変形を積算することで３本の光ファイバセンサ２Ａから２Ｃが配設された挿入部１２の３次元形状を測定することができる。

以下、図１２、図１３および図１４を用いて、算出部９Ａが行う処理について説明する。図１２は、本実施の形態の形状測定装置の光ファイバセンサにおける座標系を説明するための説明図であり、図１３は本実施の形態の形状測定装置の算出部の処理を説明するための説明図であり、図１４は本実施の形態の形状測定装置により算出される挿入部の３次元形状を説明するための説明図である。

図１２に示すように、本実施の形態の形状測定装置１の３本の第１の光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃに形成されたＦＢＧセンサ部３は、軸方向に対して等間隔、例えば、２ｃｍ間隔、に形成され、３本の第１の光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃの、３つのＦＢＧセンサ部３が軸方向に対して同位置に存在する状態で前記挿入体に配設されている。なお、図１２に示すように、単に「ＦＢＧセンサ部３の位置」というときは、軸方向に対して同位置に配置された３個のＦＢＧセンサ部３の中心位置を意味する。

最初に算出部９Ａは、ＦＢＧセンサ部３の検出結果を基に、いずれかのＦＢＧセンサ部３の位置Ｓ、より正確には光ファイバセンサ２の軸方向に対して同位置に配置された３個のＦＢＧセンサ部３の中心位置、を原点とする第１の３次元座標系にて、それぞれのＦＢＧセンサ部３の第１の３次元座標を算出する。

算出部９Ａは、例えば、光ファイバセンサ２の最も基端部ＰＥ側の位置に形成された３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_１、３Ａ２_１、３Ａ３_１の中心位置Ｓ１を原点とした第１の３次元座標系であるＸＹＺ１座標系を設定し、ＦＢＧセンサ部３Ａ１_１、３Ａ２_１、３Ａ３_１の変形量から隣の３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_２、３Ａ２_２、３Ａ３_２の中心位置Ｓ２（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）と向き（ｖｘ_１、ｖｙ_１、ｖｚ_１）とを算出する。

算出部９Ａは、さらに、算出したＦＢＧセンサ部３Ａ１_２、３Ａ２_２、３Ａ３_２の中心位置Ｓ２（ｘ_１、ｙ_１、ｚ_１）と向き（ｖｘ_１、ｖｙ_１、ｖｚ_１）とから、ＦＢＧセンサ部３Ａ１_２、３Ａ２_２、３Ａ３_２の中心位置Ｓ２を基準の原点とした座標系ＸＹＺ_２への変換マトリックスＴ_１ ^２を、以下の（式２）を用いて算出する。

（式２）

ただし、ｒ_ｉｊ（ｉ＝１、２、３：ｊ＝１、２、３）は座標系ＸＹＺ１から座標系ＸＹＺ_２への回転（座標系ＸＹＺ_２のＺ軸と向き（ｖｘ_２、ｖｙ_２、ｖｚ_２）から回転行列を算出）、ｔｘ、ｔｙ、ｔｚは平行移動（位置（ｘ_２、ｙ_２、ｚ_２）と同じ）を表す。

同様に、設定された座標系ＸＹＺ_２の隣に存在する３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_３、３Ａ２_３、３Ａ３_３の中心位置Ｓ３（ｘ_２、ｙ_２、ｚ_２）と向き（ｖｘ_２、ｖｙ_２、ｖｚ_２）とを座標算出部９Ｃが算出し、変換マトリックスＴを算出する。算出部９Ａは同様の処理を繰り返し、最終的には、先端部ＤＥに最も近接した３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_ｎ、３Ａ２_ｎ、３Ａ３_ｎの中心位置Ｓｎ（ｘ_ｎ−１、ｙ_ｎ−１、ｚ_ｎ−１）と向き（ｖｘ_ｎ−１、ｖｙ_ｎ−１、ｖｚ_ｎ−１）と変換マトリックスＴ_n-1 ^ｎを求める。

さらに、算出部９Ａは変換マトリックスを用いて、各３つのＦＢＧセンサ部３の中心位置Ｓを、座標系ＸＹＺ１に変換する。例えば、３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_ｉ、３Ａ２_ｉ、３Ａ３_ｉの中心位置Ｓｉを基準とした座標系で３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_ｉ＋１、３Ａ２_ｉ＋１、３Ａ３_ｉ＋１の中心位置Ｓi+1（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ、ｚ_ｉ）と向き（ｖｘ_ｉ、ｖｙ_ｉ、ｖｚ_ｉ）が算出された場合、ＸＹＺ１座標系での（ｘ^ｗ _i+1、ｙ^ｗ _i+1、ｚ^ｗ _i+1）位置は以下の（式３）により算出される。

（式３）

図１４に示すように、算出部９Ａは同様に全ての位置の３つのＦＢＧセンサ部３の中心位置ＳをＸＹＺ１座標系に変換し、形状算出部９Ｆは変換された座標を接続し補間処理等を行うことにより光ファイバセンサ２の３次元形状、すなわち、光ファイバセンサ２が配設された挿入部１２の３次元形状を算出する。

そして、本実施の形態の形状測定装置１の光ファイバセンサ２は公知の光ファイバセンサ２の２倍のＦＢＧセンサ部３を形成可能であるため、多くのＦＢＧセンサ部３を必要とする３次元形状測定においても、挿入部１２に配設する光ファイバセンサの本数を減ずることができ、プローブ、言い換えれば、ファイバアレイセンサ全体の細径化を図ることができる。このため、特にファイバアレイセンサ全体の細径化が要求される、被検体の内部に挿入する医療器具、例えば内視鏡に好ましく用いることができる。

３本の光ファイバセンサを挿入部１２に配設するには、前述のようにチャンネルに挿通することで緩やかに挿入部１２と固定しても良いし、挿入部１２に予め組み込んでおいても良い。

なお、本実施の形態の形状測定装置１では、挿入部１２の３次元形状を測定するために、３本の光ファイバセンサを用いているが、光ファイバセンサは３本以上であればよい。例えば、測定精度向上のため形状測定装置に４本の光ファイバセンサを用いてもよい。さらに、より長い範囲を測定するために、形状測定装置に例えば、３の倍数の本数の光ファイバセンサを用いてもよい。すなわち、３本１組の光ファイバセンサを複数組用いＦＢＧセンサ部３が形成されている領域をずらして挿入部１２長手方向に配設してもよい。

形状測定装置として、内視鏡の挿入部１２の形状を測定する形状測定装置を例に説明したが、被検体の内部に挿入可能な挿入体であれば、カテーテルまたはステント等の形状を測定する形状測定装置であってもよい。

また、形状測定装置１では、反射率７０％のＦＢＧセンサ部３Ａと反射率９９％のＦＢＧセンサ部３Ｂとを形成した光ファイバセンサ２について説明したが、ＦＢＧセンサ部３の反射率は反射光の強度によりＦＢＧセンサ部３Ａと３Ｂとが区別可能であればよく、反射率７０％と反射率９９％の組み合わせに限られるものではない。また、３種類以上の異なる反射率を示すＦＢＧセンサ部３を光ファイバセンサに形成してもよい。例えば、反射率６０％、７５％、９９％のＦＢＧセンサ部３を形成した光ファイバセンサでは、それぞれのＦＢＧセンサ部３からの反射光の強度は６０％、３０％、１０％となり、たとえ反射光のピークが重なったとしてもそれぞれのＦＢＧセンサ部３を区別可能である。

＜第１の実施の形態の変形例＞
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態の変形例の形状測定装置１Ｂについて説明する。形状測定装置１Ｂの構成および動作は、第１の実施の形態の形状測定装置１と類似しているため、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１５は、本変形例の形状測定装置１Ｂの構成を示す構成図である。第１の実施の形態の形状測定装置１の光ファイバセンサ２では、同一のブラッグ波長λＢを有し、異なる反射率を有するＦＢＧセンサ部３をペアとして、光ファイバ４に近接して形成していた。これに対して、本変形例の形状測定装置１Ｂの光ファイバセンサ２では、同一のブラッグ波長λＢを有し、異なる反射率を有するＦＢＧセンサ部３のペアを、光ファイバ４の離れた位置に形成、言い換えれば、同一のブラッグ波長λＢを有し、異なる反射率を有するＦＢＧセンサ部３のペアの間に、異なるブラッグ波長λＢを有するＦＢＧセンサ部３を形成している。

図８（Ｅ）および図８（Ｉ）より明らかなように、同一のブラッグ波長λＢを有し、異なる反射率を有するＦＢＧセンサ部３のペアが同じ変形状態の場合には、反射光のピーク同士が重なり合う。これに対して、本変系例の形状測定装置１Ｂでは、同一のブラッグ波長λＢを有し、異なる反射率を有するＦＢＧセンサ部３のペアが、光ファイバセンサ２の離れた位置に形成されるため、同じ状態の変形になることが少ない。

形状測定装置１Ｂは、形状測定装置１と同様の作用効果を奏することに加えて、ＦＢＧセンサ部３の状態を判断するのが、より容易となる。このため、形状測定装置１Ｂは、形状測定装置１よりも高速処理が可能となる。

なお、以上の説明のように、本発明の波長分割多重方式の光ファイバセンサは、特定の同一波長の光を、それぞれ異なる反射率で反射する複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部が形成されている。さらに、本発明の波長分割多重方式の光ファイバセンサは、特定の同一波長の光を、それぞれ異なる反射率で反射する複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部が形成されており、さらに、異なる特定の同一波長の光を反射する複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部が形成されている。

本発明は、上述した実施の形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

第１の実施の形態の形状測定装置を使用している状態を説明するための説明図である。第１の実施の形態の形状測定装置の説明図である。第１の実施の形態の形状測定装置の光ファイバセンサの構成を示す構成図である。第１の実施の形態の形状測定装置の構成図である。第１の実施の形態の形状測定装置のＦＢＧセンサ部の構造を説明するための構造図である。第１の実施の形態の形状測定装置のＦＢＧセンサ部の構造を説明するための構造図である。第１の実施の形態の形状測定装置のＦＢＧセンサ部における光の反射を説明するための図である。第１の実施の形態の形状測定装置における、同一のブラッグ波長λＢを有し反射率が異なるＦＢＧセンサ部による反射光のスペクトルを示した図である第１の実施の形態の形状測定装置における２つのＦＢＧセンサ部の変形形態の検出方法の処理の流れを示したフローチャートである。第１の実施の形態の形状測定装置における２つのＦＢＧセンサ部の変形形態の検出方法の処理の流れを示したフローチャートである。第１の実施の形態の形状測定装置における光ファイバセンサの入射光と反射光を示した説明図である。第１の実施の形態の形状測定装置の光ファイバセンサにおける座標系を説明するための説明図である。第１の実施の形態の形状測定装置の算出部の処理を説明するための説明図である。第１の実施の形態の形状測定装置により算出される挿入部の３次元形状を説明するための説明図である。第２の実施の形態の形状測定装置の構成図である。

符号の説明

１、１Ｂ…形状測定装置
２、２Ａ…光ファイバセンサ
２Ｍ…金属ワイヤ
２Ｐ…樹脂
３…ＦＢＧセンサ部
４…光ファイバ
４Ａ…コア部
４Ｂ…終端部
６…光源
７…サーキュレータ
８…検出部
９Ａ…算出部
９Ｂ…制御部
１０…内視鏡システム
１１…被検者
１２…挿入部
１３…操作部
１４…モニタ
１５…本体部

Claims

異なる特定の同一波長の光を、それぞれ異なる反射率で反射し、反射光の強度により区別可能な複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部が形成された第１の光ファイバセンサと、前記複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部が前記第１の光ファイバセンサと同じ位置に形成された第２の光ファイバセンサと、前記複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部が前記第１の光ファイバセンサと同じ位置に形成された第３の光ファイバセンサと、を有するプローブと、
前記第１の光ファイバセンサ、前記第２の光ファイバセンサおよび前記第３の光ファイバセンサに広帯域光を供給する光源と、
前記第１の光ファイバセンサ、前記第２の光ファイバセンサおよび前記第３の光ファイバセンサからの前記反射光の波長および強度を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した前記反射光の強度から、前記複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部の位置を算出するとともに、前記検出手段が検出した前記反射光の波長からシフト量を算出し、前記シフト量をもとに前記複数の光ファイバブラッググレーティングセンサ部の変形量を算出し、前記プローブが配設された挿入体の形状を算出する算出手段と、を有することを特徴とする形状測定装置。
前記挿入体が、被検体の内部に挿入する医療器具であることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記挿入体が、内視鏡の挿入部であることを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。