JP6603034B2 - Endoscope apparatus and measuring method of three-dimensional shape of subject surface - Google Patents

Endoscope apparatus and measuring method of three-dimensional shape of subject surface Download PDF

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Description

本発明は、内視鏡装置及び被検体表面の三次元形状の計測方法に関し、特に、被検体の表面の三次元形状を計測可能な内視鏡装置及び被検体表面の三次元形状の計測方法に関する。   The present invention relates to an endoscope apparatus and a method for measuring a three-dimensional shape of a subject surface, and in particular, an endoscope apparatus capable of measuring a three-dimensional shape of a subject surface and a method for measuring a three-dimensional shape of a subject surface. About.

従来、被検体を検査するために、長尺の挿入部を備え、挿入部の先端に光学系及び撮像素子等の撮像部を有する内視鏡が使用されている。
このような内視鏡を利用した内視鏡装置には、被検体に対して、干渉縞を投影した縞画像を、その干渉縞の光の位相をずらしつつ複数取得し、取得した複数の縞画像を用いた公知の位相シフト法により被検体の表面の三次元形状を算出するものが知られている。
Conventionally, in order to inspect a subject, an endoscope having a long insertion portion and having an imaging unit such as an optical system and an imaging device at the distal end of the insertion portion is used.
In an endoscope apparatus using such an endoscope, a plurality of fringe images obtained by projecting interference fringes on a subject are acquired while shifting the phase of light of the interference fringes, and the obtained plurality of fringes are obtained. An apparatus that calculates a three-dimensional shape of the surface of a subject by a known phase shift method using an image is known.

さらに、特開2012−228459号に開示のように、干渉縞を投影するための投影窓を一つにして、内視鏡の挿入部の細径化した内視鏡装置も提案されている。その提案では、被検体に投影する干渉縞は、平行な複数の線の明暗パターンだけでなく、同心円状の明暗パターンでもよい。   Furthermore, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-228459, there is also proposed an endoscope apparatus in which a projection window for projecting interference fringes is combined into one and the insertion portion of the endoscope is reduced in diameter. According to the proposal, the interference fringes projected on the subject may be not only the bright and dark pattern of parallel lines but also a concentric bright and dark pattern.

特開2012−228459号公報JP 2012-228459 A

しかし、上記提案では、被検体に投影する干渉縞は、同心円状の明暗パターンでもよい旨の記載はあるが、どのようにして、被検体の表面の三次元空間内の絶対値距離あるいは絶対値形状を計測するかについては開示ない。   However, in the above proposal, there is a description that the interference fringes projected onto the subject may be a concentric light and dark pattern, but how is the absolute value distance or absolute value in the three-dimensional space of the subject surface? It is not disclosed whether to measure the shape.

そこで、本発明は、同心円などの閉じた干渉縞パターンを投影して被検体の表面の三次元空間内の絶対値形状を計測することができる内視鏡装置及び被検体表面の三次元形状の計測方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention provides an endoscope apparatus capable of projecting a closed interference fringe pattern such as a concentric circle and measuring the absolute value shape in the three-dimensional space of the surface of the subject, and the three-dimensional shape of the subject surface. An object is to provide a measurement method.

本発明の一態様によれば、挿入部と、前記挿入部に設けられ、中心を有しかつ閉じた線からなる干渉縞を被検体に投影するための干渉縞投影部と、前記干渉縞投影部とは異なる位置に配置された観察窓を通して、前記被検体に投影された前記干渉縞を含む被検体画像を得るために前記被検体を撮像する撮像部と、前記干渉縞を生じさせる光の位相をシフトさせる位相シフト部と、前記撮像部で得られた前記被検体画像中の前記干渉縞の前記中心の位置から算出して得られた前記中心に対応する前記被検体の表面上の点までの距離情報と、前記位相シフト部により前記光の位相を変化させて得られた前記干渉縞を含む複数の被検体画像に基づき位相シフト法により算出して得られた前記被検体の表面の三次元形状情報とから、実空間内における前記被検体の表面の形状情報を算出する三次元形状情報算出部と、を有する内視鏡装置を提供することができる。   According to one aspect of the present invention, an interference fringe projection unit for projecting an interference fringe, which is provided in the insertion part and includes a center and a closed line, onto the subject, and the interference fringe projection An imaging unit that images the subject to obtain a subject image including the interference fringes projected on the subject through an observation window disposed at a position different from the unit; and light that generates the interference fringes A phase shift unit for shifting the phase, and a point on the surface of the subject corresponding to the center obtained by calculating from the position of the center of the interference fringes in the subject image obtained by the imaging unit Of the surface of the subject obtained by calculation by the phase shift method based on the distance information up to and a plurality of subject images including the interference fringes obtained by changing the phase of the light by the phase shift unit. From the 3D shape information, in real space Serial it is possible to provide an endoscope apparatus having a three-dimensional shape information calculating unit that calculates shape information of the subject surface.

本発明の一態様によれば、中心を有しかつ閉じた線からなる干渉縞を被検体(人体を除く)に投影し、前記干渉縞を出射する位置とは異なる位置から、前記被検体に投影された前記干渉縞を含む被検体画像を得るために前記被検体を撮像し、前記被検体画像中の前記干渉縞の前記中心の位置から算出して得られた前記中心に対応する前記被検体の表面上の点までの距離情報と、前記干渉縞を生じさせる光の位相を変化させて得られた前記干渉縞を含む複数の被検体画像に基づき位相シフト法により算出して得られた前記被検体の表面の三次元形状情報とから、実空間内における前記被検体の表面の形状情報を算出する被検体表面の三次元形状の計測方法を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, an interference fringe having a center and a closed line is projected onto a subject (excluding a human body) , and the subject is projected from a position different from the position where the interference fringe is emitted. The subject corresponding to the center obtained by imaging the subject to obtain the projected subject image including the interference fringe and calculating from the position of the center of the interference fringe in the subject image. Obtained by calculating by the phase shift method based on a plurality of object images including the interference fringes obtained by changing the distance information to the point on the surface of the specimen and the phase of the light causing the interference fringes It is possible to provide a method for measuring the three-dimensional shape of the subject surface, which calculates the shape information of the subject surface in real space from the three-dimensional shape information of the subject surface.

本発明によれば、同心円などの閉じた干渉縞パターンを投影して被検体の表面の三次元空間内の絶対値形状を計測することができる内視鏡装置及び被検体表面の三次元形状の計測方法を実現することができる。   According to the present invention, an endoscope apparatus capable of projecting a closed interference fringe pattern such as a concentric circle and measuring the absolute value shape in the three-dimensional space of the surface of the subject, and the three-dimensional shape of the subject surface A measurement method can be realized.

本発明の実施の形態に係わる内視鏡装置1の構成を示す構成図である。1 is a configuration diagram showing a configuration of an endoscope apparatus 1 according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態に係る挿入部11の先端部21の構成と、円形の干渉縞パターンを投影する投影原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structure of the front-end | tip part 21 of the insertion part 11 which concerns on embodiment of this invention, and the projection principle which projects a circular interference fringe pattern. 本発明の実施の形態に係る、各光学素子を通る光の偏光方向を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the polarization direction of the light which passes each optical element based on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る、本体装置4における絶対値形状計測処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the absolute value shape measurement process in the main body apparatus 4 based on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る、中心Cまでの距離計測の方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of distance measurement to the center C based on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例1に係る内視鏡装置の挿入部の先端部の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the front-end | tip part of the insertion part of the endoscope apparatus which concerns on the modification 1 of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例2に係る2枚のハーフミラーと圧電素子を有する光学部材の構成図である。It is a block diagram of the optical member which has two half mirrors and a piezoelectric element which concern on the modification 2 of embodiment of this invention.

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は、本実施の形態に係わる内視鏡装置1の構成を示す構成図である。図1に示すように、本実施の形態の内視鏡装置1は、計測用内視鏡装置であり、電子内視鏡(以下、内視鏡という)2と、この内視鏡2が接続される光源装置3、カメラコントロールユニット(以下、CCUという)などを含む本体装置4と、レーザ光源5と、モニタ6を備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an endoscope apparatus 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, an endoscope apparatus 1 according to the present embodiment is an endoscope apparatus for measurement, and an electronic endoscope (hereinafter referred to as an endoscope) 2 and the endoscope 2 are connected to each other. A light source device 3, a main body device 4 including a camera control unit (hereinafter referred to as CCU), a laser light source 5, and a monitor 6.

内視鏡2は、細長の挿入部11と、この挿入部11の基端に接続された操作部12と、この操作部12から延出するユニバーサルケーブル13を有する。
操作部12から延出されたユニバーサルケーブル13の先端に設けられたコネクタ14は、光源装置3に対して着脱自在に装着することができるようになっている。このコネクタ14から2本の信号ケーブル15と16が延出している。信号ケーブル15の端部に設けたコネクタ17は、本体装置4に着脱自在に装着することができるようになっている。信号ケーブル16の端部に設けたコネクタ18は、レーザ光源5に着脱自在に装着することができるようになっている。
The endoscope 2 includes an elongated insertion portion 11, an operation portion 12 connected to the proximal end of the insertion portion 11, and a universal cable 13 extending from the operation portion 12.
A connector 14 provided at the distal end of the universal cable 13 extended from the operation unit 12 can be detachably attached to the light source device 3. Two signal cables 15 and 16 extend from the connector 14. A connector 17 provided at the end of the signal cable 15 can be detachably attached to the main unit 4. A connector 18 provided at an end of the signal cable 16 can be detachably attached to the laser light source 5.

内視鏡2の挿入部11は、その先端に硬質の先端部21が形成され、この先端部21に隣接して湾曲自在の湾曲部22が形成され、さらにこの湾曲部22の基端側に長尺の軟性部23が形成されている。内視鏡装置1のユーザは、上記湾曲部22は操作部12に設けた湾曲ノブ24を操作することにより、湾曲部22を湾曲することができる。   The insertion portion 11 of the endoscope 2 has a hard distal end portion 21 formed at the distal end thereof, a bendable bending portion 22 formed adjacent to the distal end portion 21, and further on the proximal end side of the bending portion 22. A long flexible part 23 is formed. The user of the endoscope apparatus 1 can bend the bending portion 22 by operating the bending knob 24 provided on the operation portion 12.

光源装置3は、ユニバーサルケーブル13及び挿入部11内に挿通された光ファイバ46(図2)の基端面に入射して、挿入部11の先端から出射して被検体を照明する照明光を生成するランプ等の光源を含む。   The light source device 3 is incident on the proximal end surface of the optical fiber 46 (FIG. 2) inserted into the universal cable 13 and the insertion portion 11, and generates illumination light that is emitted from the distal end of the insertion portion 11 and illuminates the subject. Including a light source such as a lamp.

本体装置4は、CCUに加えて、内視鏡装置1全体を制御するための制御部を内蔵している。本体装置4は、中央処理装置(以下、CPUという)4a、図示しないROM、RAM等を含み、ユーザは、図示しない操作パネルに対して各種操作を行うことができる。本体装置4は、操作に応じた機能を実現するために、その機能に応じたプログラムを実行する。本体装置4は、CCUにおいて生成された被検体画像である内視鏡画像の画像信号をモニタ6へ出力して、内視鏡画像は、モニタ6に表示される。   In addition to the CCU, the main body device 4 includes a control unit for controlling the entire endoscope device 1. The main unit 4 includes a central processing unit (hereinafter referred to as a CPU) 4a, a ROM, a RAM (not shown), and the like, and a user can perform various operations on an operation panel (not shown). The main device 4 executes a program corresponding to the function in order to realize a function corresponding to the operation. The main body device 4 outputs an image signal of an endoscopic image that is a subject image generated in the CCU to the monitor 6, and the endoscopic image is displayed on the monitor 6.

本体装置4のCPU4aは、後述するように、被検体表面の三次元形状情報を演算などにより生成する。
レーザ光源5は、三次元形状情報を得るための干渉縞のための光を生成するための装置である。
As will be described later, the CPU 4a of the main unit 4 generates three-dimensional shape information on the surface of the subject by calculation or the like.
The laser light source 5 is a device for generating light for interference fringes for obtaining three-dimensional shape information.

図2は、本実施の形態に係る挿入部11の先端部21の構成と、円形の干渉縞パターンを投影する投影原理を説明するための図である。
挿入部11の先端部21の先端面には、投影窓25と、観察窓26と、照明窓27が設けられている。
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of the distal end portion 21 of the insertion portion 11 according to the present embodiment and the projection principle for projecting a circular interference fringe pattern.
A projection window 25, an observation window 26, and an illumination window 27 are provided on the distal end surface of the distal end portion 21 of the insertion portion 11.

投影窓25には、投影光学系を構成する凹レンズ31が配設されている。先端部21の内部には、凹レンズ31の後ろに、偏光板32と、複屈折素子33と、光ファイバ34の先端面が、配設されている。   The projection window 25 is provided with a concave lens 31 constituting a projection optical system. Inside the distal end portion 21, behind the concave lens 31, a polarizing plate 32, a birefringent element 33, and the distal end surface of the optical fiber 34 are disposed.

光ファイバ34は、挿入部11内に挿通された偏波面保持ファイバであり、光ファイバ34の基端部は、レーザ光源5の位相シフタ35に接続されている。位相シフタ35には、レーザダイオード36からの所定の波長のレーザ光が入射され、位相シフタ35を通った光は、光ファイバ34の基端面に入射する。位相シフタ35とレーザダイオード36は、レーザ光源5内に設けられている。   The optical fiber 34 is a polarization-maintaining fiber inserted into the insertion portion 11, and the base end portion of the optical fiber 34 is connected to the phase shifter 35 of the laser light source 5. Laser light having a predetermined wavelength from the laser diode 36 is incident on the phase shifter 35, and the light that has passed through the phase shifter 35 is incident on the base end face of the optical fiber 34. The phase shifter 35 and the laser diode 36 are provided in the laser light source 5.

観察窓26には、対物光学系を構成する凹レンズ41が配設されている。先端部21の内部には、凹レンズ41の後ろに、凹レンズ41と同様に対物光学系を構成するレンズ群42と、絞り43と、撮像素子44とが、配設されている。   The observation window 26 is provided with a concave lens 41 constituting an objective optical system. Inside the distal end portion 21, behind the concave lens 41, a lens group 42 that constitutes the objective optical system, like the concave lens 41, a diaphragm 43, and an image sensor 44 are disposed.

凹レンズ41に入射した光は、レンズ群42と絞り43を通って、撮像素子44の撮像面に照射される。撮像素子44は、CCD等であり、撮像面に形成された光学像を光電変換して撮像信号を本体装置4内のCCUへ出力する。本体装置4は、入力された撮像信号から、モニタ6に内視鏡画像を表示するための表示信号を生成してモニタ6へ出力する。   The light incident on the concave lens 41 passes through the lens group 42 and the diaphragm 43 and is irradiated on the imaging surface of the imaging device 44. The imaging element 44 is a CCD or the like, and photoelectrically converts an optical image formed on the imaging surface and outputs an imaging signal to the CCU in the main body device 4. The main body device 4 generates a display signal for displaying an endoscopic image on the monitor 6 from the input imaging signal and outputs the display signal to the monitor 6.

投影窓25の投影光学系の光軸OL1と、観察窓26の観察光学系の光軸OL2が、略平行で、かつ所定の距離dだけ離間して、投影窓25の投影光学系と観察窓26の観察光学系は配置されている。   The optical axis OL1 of the projection optical system of the projection window 25 and the optical axis OL2 of the observation optical system of the observation window 26 are substantially parallel and separated by a predetermined distance d so that the projection optical system of the projection window 25 and the observation window are separated. 26 observation optical systems are arranged.

照明窓27には、照明光学系を構成する凹レンズ45が配設されている。凹レンズ45は、光源装置3からの照明光を光ファイバ46から受けて、照明窓27の凹レンズ45の光軸OL3に沿って被検体へ出射する。   The illumination window 27 is provided with a concave lens 45 constituting an illumination optical system. The concave lens 45 receives illumination light from the light source device 3 from the optical fiber 46 and emits it to the subject along the optical axis OL3 of the concave lens 45 of the illumination window 27.

投影窓25の凹レンズ31により、後述する円形の干渉縞パターンIP は、投影窓25から拡がるように被検体へ照射される。
投影窓25の凹レンズ31の後ろ側に配置された偏光板32は、複屈折素子33の光軸に対して45度だけ傾けた偏光軸を有する。すなわち、偏光板32は、複屈折素子33からの互いに直交する2つの偏波成分の光から可干渉波となるそれぞれの45度成分を取り出すための光学素子である。
A circular interference fringe pattern IP, which will be described later, is irradiated to the subject so as to spread from the projection window 25 by the concave lens 31 of the projection window 25.
The polarizing plate 32 disposed behind the concave lens 31 of the projection window 25 has a polarization axis that is inclined by 45 degrees with respect to the optical axis of the birefringent element 33. That is, the polarizing plate 32 is an optical element for extracting each 45 degree component that becomes a coherent wave from the light of two polarization components orthogonal to each other from the birefringent element 33.

複屈折素子33は、ルチル結晶、水晶等からなる複屈折板であり、複屈折素子33の結晶軸は、投影光学系の光軸OL1に直交する。複屈折素子33は、入射した光から、互いに直交する2つの偏波成分の光を分離する光学素子である。複屈折素子33から出射された2つの光は、あたかも、光軸OL1上の互いに異なる位置の2つの点P1とP2から出射された光となる。   The birefringent element 33 is a birefringent plate made of a rutile crystal, crystal, or the like, and the crystal axis of the birefringent element 33 is orthogonal to the optical axis OL1 of the projection optical system. The birefringent element 33 is an optical element that separates light of two polarization components orthogonal to each other from incident light. The two lights emitted from the birefringent element 33 are as if emitted from two points P1 and P2 at different positions on the optical axis OL1.

光ファイバ34は、偏波面保持ファイバであるパンダファイバである。
位相シフタ35は、一方向に偏光しているレーザダイオード36からの入射光の位相をシフトさせる素子である。位相シフタ35は、電気的な制御により光の位相をシフトさせる装置であり、電気的な入力信号(例えば電圧信号)に応じて、互いに直交する2つの光の一方の位相を他方に対してシフトする電気光学装置である。
The optical fiber 34 is a panda fiber that is a polarization-maintaining fiber.
The phase shifter 35 is an element that shifts the phase of incident light from the laser diode 36 that is polarized in one direction. The phase shifter 35 is a device that shifts the phase of light by electrical control, and shifts the phase of one of two lights that are orthogonal to each other according to an electrical input signal (for example, a voltage signal). The electro-optical device.

なお、ここでは、位相シフタ35は、電気光学装置であるが、例えば、特開平5−87543号公報の実施例に示すような、四分の1波長板(λ/4波長板)を回転させて、透過する光の位相を変化させることにより、位相シフトを行うような構造を有していてもよい。   Here, although the phase shifter 35 is an electro-optical device, for example, a quarter wave plate (λ / 4 wave plate) is rotated as shown in the embodiment of Japanese Patent Laid-Open No. 5-87543. Thus, it may have a structure for performing phase shift by changing the phase of transmitted light.

図3は、各光学素子を通る光の偏光方向を説明するための図である。レーザダイオード36から出射される光は、矢印A1で示す方向に偏光した光であるとする。
レーザダイオード36からの出射光は、位相シフタ35に入射する。位相シフタ35から出射された光は、偏波面が維持された状態で光ファイバ34を通って光ファイバ34の先端面から、出射される。偏波面保持ファイバである光ファイバ34から出射する光は、矢印A2又はA3で示す偏波面保持ファイバの偏波面の方向に偏光した光である。図3では、矢印A2とA3は、それぞれx軸とy軸方向を示す。
FIG. 3 is a diagram for explaining the polarization direction of light passing through each optical element. It is assumed that the light emitted from the laser diode 36 is light polarized in the direction indicated by the arrow A1.
Light emitted from the laser diode 36 enters the phase shifter 35. The light emitted from the phase shifter 35 is emitted from the front end surface of the optical fiber 34 through the optical fiber 34 while maintaining the plane of polarization. The light emitted from the optical fiber 34 that is a polarization-maintaining fiber is light that is polarized in the direction of the polarization plane of the polarization-maintaining fiber indicated by the arrow A2 or A3. In FIG. 3, arrows A2 and A3 indicate the x-axis and y-axis directions, respectively.

光ファイバ34の先端面から出射した光は、複屈折素子33を通ることにより、互いに偏光方向が直交する2つの光線に分離されて複屈折素子33から出射される。複屈折素子33の結晶軸の方向は、矢印A2又はA3の方向と一致している。   The light emitted from the distal end surface of the optical fiber 34 passes through the birefringent element 33, is separated into two light beams whose polarization directions are orthogonal to each other, and is emitted from the birefringent element 33. The direction of the crystal axis of the birefringent element 33 coincides with the direction of the arrow A2 or A3.

複屈折素子33から出射した2つの光線は、偏光板32を透過する。入射した偏光方向が互いに直交する2つの光は、偏光板32により、偏光板32の偏光方向と同じ偏光方向を有する、可干渉性の2つの光となる。偏光板32の偏光方向が矢印A1で示す方向であれば、2つの光は、矢印A1で示す方向に偏光した光となる。その結果、複屈折素子33から出射された位相の異なる2つの点P1とP2から出射された2つの光線は、干渉可能な光となって、被検体の表面には、円形の干渉縞パターンIPが現れる。   Two light beams emitted from the birefringent element 33 are transmitted through the polarizing plate 32. The two light beams whose incident polarization directions are orthogonal to each other become two coherent lights having the same polarization direction as that of the polarization plate 32 by the polarization plate 32. If the polarization direction of the polarizing plate 32 is the direction indicated by the arrow A1, the two lights are light polarized in the direction indicated by the arrow A1. As a result, the two light beams emitted from the two points P1 and P2 having different phases emitted from the birefringent element 33 become interference light, and a circular interference fringe pattern IP is formed on the surface of the subject. Appears.

図2に示すように、ここでは、干渉縞パターンIPは、中心Cを有する円形の多重リングである。干渉縞の中心Cは、投影光学系の光軸OL1上にある。干渉縞パターンIPは、円形の中心縞R1の周りに、複数のリング状の縞R2,R3を有する。中央の円形の干渉縞R1の中心は、Cで示されている。   As shown in FIG. 2, here, the interference fringe pattern IP is a circular multiple ring having a center C. The center C of the interference fringe is on the optical axis OL1 of the projection optical system. The interference fringe pattern IP has a plurality of ring-shaped stripes R2 and R3 around a circular center stripe R1. The center of the central circular fringe R1 is indicated by C.

位相シフタ35に対する入力信号を制御して、2つの光の一方の位相を他方に対してずらすことによって、中心Cからの各干渉縞R1,R2,R3の位置を被検体の表面上で変更することができる。言い換えれば、位相シフタ35は、干渉縞を生じさせる光の位相をシフトさせる位相シフト部であり、位相シフタ35を制御することにより、各干渉縞のサイズを変更することができる。換言すれば、各干渉縞の明暗を連続的に変更することができる。   The position of each interference fringe R1, R2, R3 from the center C is changed on the surface of the subject by controlling the input signal to the phase shifter 35 and shifting the phase of one of the two lights with respect to the other. be able to. In other words, the phase shifter 35 is a phase shift unit that shifts the phase of light that generates interference fringes, and the size of each interference fringe can be changed by controlling the phase shifter 35. In other words, the brightness of each interference fringe can be changed continuously.

撮像素子44の撮像面44aには、凹レンズ41等の対物光学系により、投影窓25から被検体の表面に投影された干渉縞パターンIPを含む被検体画像が形成される。
以上のように、投影窓25に配設された凹レンズ31、偏光板32、複屈折素子33等は、前記挿入部に設けられた干渉縞投影部を構成する。干渉縞投影部は、中心Cを有しかつ閉じた線(ここではリング状の線)からなる干渉縞を被検体に投影する。
A subject image including the interference fringe pattern IP projected from the projection window 25 onto the surface of the subject is formed on the imaging surface 44a of the imaging element 44 by an objective optical system such as the concave lens 41.
As described above, the concave lens 31, the polarizing plate 32, the birefringent element 33 and the like disposed in the projection window 25 constitute an interference fringe projection unit provided in the insertion unit. The interference fringe projection unit projects an interference fringe having a center C and consisting of a closed line (here, a ring-shaped line) onto the subject.

観察窓26に設けられた凹レンズ41等の対物光学系と、撮像素子44は、撮像部を構成する。すなわち、観察窓26と撮像素子44は、上述した干渉縞投影部とは異なる位置に配置された観察窓26を通して、被検体に投影された干渉縞を含む被検体画像を得るために被検体を撮像する撮像部を構成する。   The objective optical system such as the concave lens 41 provided in the observation window 26 and the image pickup device 44 constitute an image pickup unit. In other words, the observation window 26 and the image sensor 44 pass through the subject to obtain the subject image including the interference fringes projected on the subject through the observation window 26 arranged at a position different from the above-described interference fringe projection unit. An imaging unit for imaging is configured.

そして、干渉縞投影部の投影光学系の光軸OL1と、撮像部の撮像光学系の光軸OL2は、略平行で、所定の距離dだけ離間している。言い換えれば、干渉縞投影部と撮像部は、挿入部11の先端部21に設けられ、視差を有している。
(作用)
次に、本体装置4の動作について説明する。内視鏡装置1のユーザは、本体装置4の図示しない操作パネルに対して所定の操作を行うことにより、本体装置4のCPU4aに対して絶対値形状計測処理の実行を指示することができる。本体装置4は、絶対値形状計測処理の実行指示を受けるとレーザ光源5を動作させる。その結果、上述したような干渉縞パターンIPが、被写体の表面上に投影される。
The optical axis OL1 of the projection optical system of the interference fringe projection unit and the optical axis OL2 of the imaging optical system of the imaging unit are substantially parallel and separated by a predetermined distance d. In other words, the interference fringe projection unit and the imaging unit are provided at the distal end portion 21 of the insertion unit 11 and have parallax.
(Function)
Next, the operation of the main device 4 will be described. The user of the endoscope apparatus 1 can instruct the CPU 4a of the main body apparatus 4 to execute absolute value shape measurement processing by performing a predetermined operation on an operation panel (not shown) of the main body apparatus 4. The main body device 4 operates the laser light source 5 when receiving an instruction to execute the absolute value shape measurement process. As a result, the interference fringe pattern IP as described above is projected onto the surface of the subject.

図4は、本体装置4における絶対値形状計測処理の流れを示すフローチャートである。図5は、中心Cまでの距離計測の方法を説明するための図である。
本体装置4のCPU4aは、まず、撮像素子44で撮像して得られた内視鏡画像から、干渉縞パターンIPの中心Cまでの距離を算出する(ステップ(以下、Sと略す)1)。図5に示すように、干渉縞パターンIPの中心Cの位置は、被検体の表面の位置に応じて、三次元空間内において光軸OL1上で変化するが、距離dは固定である。また、凹レンズ41及びレンズ群42からなる対物光学系を通った被検体からの光のうちで、中心Cの位置は、被検体までの距離に応じて、撮像素子44の撮像面44a上において一義的に決まる。例えば、図5では、先端部21の先端面からの距離z1のときの中心Cの位置からの光は、光路L1に沿って進み、撮像面44a上で点P1となる。また、先端部21の先端面からの距離z2のときの中心Cの位置からの光は、光路L2に沿って進み、撮像面44a上で点P2となる。
FIG. 4 is a flowchart showing the flow of absolute value shape measurement processing in the main device 4. FIG. 5 is a diagram for explaining a method of measuring the distance to the center C.
First, the CPU 4a of the main unit 4 calculates the distance from the endoscopic image obtained by imaging with the imaging device 44 to the center C of the interference fringe pattern IP (step (hereinafter abbreviated as S) 1). As shown in FIG. 5, the position of the center C of the interference fringe pattern IP changes on the optical axis OL1 in the three-dimensional space according to the position of the surface of the subject, but the distance d is fixed. Of the light from the subject that has passed through the objective optical system including the concave lens 41 and the lens group 42, the position of the center C is unambiguous on the imaging surface 44 a of the imaging element 44 according to the distance to the subject. Is determined. For example, in FIG. 5, the light from the position of the center C at the distance z1 from the distal end surface of the distal end portion 21 travels along the optical path L1 and becomes a point P1 on the imaging surface 44a. Further, the light from the position of the center C at the distance z2 from the distal end surface of the distal end portion 21 travels along the optical path L2, and becomes a point P2 on the imaging surface 44a.

よって、本体装置4のCPU4aは、所謂三角測量の原理から、撮像面44a上(すなわち内視鏡画像上)の中心Cの位置に基づき、三次元空間内における、先端部21の先端面から中心Cまでの距離を算出することができる。   Therefore, the CPU 4a of the main body device 4 is centered from the distal end surface of the distal end portion 21 in the three-dimensional space based on the position of the center C on the imaging surface 44a (that is, on the endoscopic image) based on the principle of so-called triangulation. The distance to C can be calculated.

なお、図2に示すように、中心Cは、点として内視鏡画像中に現れないが、円形の干渉縞R1の中心であるので、画像処理により、内視鏡画像上の円形の干渉縞R1の中心Cを求めることができる。   As shown in FIG. 2, the center C does not appear as a point in the endoscopic image, but is the center of the circular interference fringe R1, so that the circular interference fringe on the endoscopic image is obtained by image processing. The center C of R1 can be obtained.

次に、本体装置4のCPU4aは、位相シフト法により被検体の表面の三次元形状を計測する(S2)。
具体的には、本体装置4のCPU4aは、位相シフタ35を駆動して、2つの光の一方の位相を他方に対してずらすことによって、干渉縞パターンIPの各干渉縞R1,R2,R3の位置を、被検体の表面上で変化させ、位相が異なる干渉縞パターンIPの投影画像を複数枚取得する。本体装置4のCPU4aは、取得した複数の干渉縞パターンIPの投影画像から、例えば4バケット法を利用した公知の位相シフト法により被検体の表面の三次元形状の情報を算出して得ることができる。すなわち、複数の投影画像から位相成分の情報のみを抽出することにより、被検体の表面の相対的な位置情報、すなわち凹凸情報を算出して得ることができる。
Next, the CPU 4a of the main unit 4 measures the three-dimensional shape of the surface of the subject by the phase shift method (S2).
Specifically, the CPU 4a of the main body device 4 drives the phase shifter 35 to shift one phase of the two lights with respect to the other, so that each interference fringe R1, R2, R3 of the interference fringe pattern IP is changed. The position is changed on the surface of the subject, and a plurality of projection images of the interference fringe pattern IP having different phases are acquired. The CPU 4a of the main unit 4 can obtain and obtain information about the three-dimensional shape of the surface of the subject from the acquired projection images of the plurality of interference fringe patterns IP by, for example, a known phase shift method using a 4-bucket method. it can. That is, by extracting only phase component information from a plurality of projection images, it is possible to calculate and obtain relative position information on the surface of the subject, that is, unevenness information.

そして、本体装置4のCPU4aは、中心Cまでの絶対距離情報と、位相シフト法により求めた被検体表面の相対的位置情報とから、被検体の表面の三次元空間内の絶対距離を算出して計測する(S3)。   Then, the CPU 4a of the main device 4 calculates the absolute distance in the three-dimensional space of the surface of the subject from the absolute distance information to the center C and the relative position information of the subject surface obtained by the phase shift method. To measure (S3).

すなわち、S1で求めた中心Cの絶対距離情報と、位相シフト法により求めた被検体の表面上の各点の相対的位置情報とから、被検体の表面の各点の絶対位置の情報を算出して、被検体の表面の三次元空間における絶対値形状を得ることができる。   That is, the absolute position information of each point on the surface of the subject is calculated from the absolute distance information of the center C obtained in S1 and the relative position information of each point on the surface of the subject obtained by the phase shift method. Thus, an absolute value shape in the three-dimensional space on the surface of the subject can be obtained.

すなわち、CPU4aを含む本体装置4は、撮像部を構成する撮像素子44で得られた被検体画像中の干渉縞の中心Cの位置から算出して得られた中心Cに対応する被検体の表面上の点までの距離情報と、位相シフト部を構成する位相シフタ35により光の位相を変化させて得られた干渉縞を含む複数の被検体画像に基づき位相シフト法により算出して得られた被検体の表面の三次元形状情報とから、実空間内における被検体の表面の形状情報を算出する三次元形状情報算出部を構成する。   That is, the main body device 4 including the CPU 4a has the surface of the subject corresponding to the center C obtained by calculating from the position of the center C of the interference fringes in the subject image obtained by the imaging element 44 constituting the imaging unit. Obtained by calculating by the phase shift method based on the distance information to the upper point and a plurality of object images including interference fringes obtained by changing the phase of light by the phase shifter 35 constituting the phase shift unit A three-dimensional shape information calculation unit that calculates the shape information of the surface of the subject in real space from the three-dimensional shape information of the surface of the subject is configured.

以上のように、上述した実施の形態によれば、同心円の閉じた干渉縞パターンを投影して被検体の表面の三次元空間内の絶対値形状を計測することができる内視鏡装置を実現することができる。   As described above, according to the above-described embodiment, an endoscope apparatus capable of measuring the absolute value shape in the three-dimensional space of the surface of the subject by projecting a concentric closed interference fringe pattern is realized. can do.

なお、観察窓26を通して得られる内視鏡画像の一部に、暗部領域があったとしても、中心Cが内視鏡画像に含まれていれば、暗部以外の表面の各点の絶対位置の情報を得ることができる。
(変形例1)
上述した実施の形態は、挿入部11の先端部の先端面を被検体の表面に対向するように近づけて被検体の表面の各点の絶対位置の情報を得ることができる内視鏡装置に関するものであるが、本変形例1は、配管などの被検体の内周面の絶対形状を計測することができる内視鏡装置に関する。
Even if a part of the endoscopic image obtained through the observation window 26 includes a dark part region, if the center C is included in the endoscopic image, the absolute position of each point on the surface other than the dark part is obtained. Information can be obtained.
(Modification 1)
The embodiment described above relates to an endoscope apparatus that can obtain information on the absolute position of each point on the surface of the subject by bringing the distal end surface of the insertion portion 11 closer to the surface of the subject. However, the first modification relates to an endoscope apparatus that can measure the absolute shape of the inner peripheral surface of a subject such as a pipe.

図6は、変形例1に係る内視鏡装置の挿入部の先端部の構成を示す断面図である。
本変形例1の内視鏡装置は、図1に示した実施の形態の内視鏡装置1と同様の構成を有し、光源装置3と本体装置4とモニタ6とを含む。しかし、本変形例1の内視鏡装置には、図1に示したようなレーザ光源5が含まれておらず、挿入部の先端部にレーザ光源が設けられている。さらに、本変形例1は、挿入部11の先端部の構成において、実施の形態の内視鏡装置とは異なっており、干渉縞投影部と撮像部は対向しており、干渉縞パターンの投影光学系による光の投影方向と、撮像光学系による撮像方向とは逆方向である。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the distal end portion of the insertion portion of the endoscope apparatus according to the first modification.
The endoscope apparatus according to the first modification has the same configuration as that of the endoscope apparatus 1 according to the embodiment shown in FIG. 1 and includes a light source device 3, a main body device 4, and a monitor 6. However, the endoscope apparatus according to the first modification does not include the laser light source 5 as shown in FIG. 1, and a laser light source is provided at the distal end of the insertion portion. Furthermore, the present modification 1 is different from the endoscope apparatus of the embodiment in the configuration of the distal end portion of the insertion unit 11, and the interference fringe projection unit and the imaging unit are opposed to each other, and the projection of the interference fringe pattern The projection direction of light by the optical system is opposite to the imaging direction by the imaging optical system.

本変形例1の内視鏡装置の挿入部11は、被検体である配管51内に挿入される。内視鏡装置の挿入部11の先端部21Aは、円筒状の筒形状を有する筐体61Aと61Bを有している。筐体61Aは、挿入部11の先端部に設けられ、先端側が閉じた形状を有する。筐体61Aと61Bの外周面には、複数のセンタリング装置62が固定されている。   The insertion unit 11 of the endoscope apparatus according to the first modification is inserted into a pipe 51 that is a subject. The distal end portion 21A of the insertion portion 11 of the endoscope apparatus has casings 61A and 61B having cylindrical shapes. The casing 61A is provided at the distal end portion of the insertion portion 11, and has a shape in which the distal end side is closed. A plurality of centering devices 62 are fixed to the outer peripheral surfaces of the casings 61A and 61B.

挿入部11の先端部21Aが配管51内に挿入されたときに、円筒形状の筐体61Aと61Bの中心軸と配管51の中心軸とが略一致するように、複数のセンタリング装置62が、先端部21Aの先端側の筐体61Aと基端側の筐体61Bのそれぞれに、周方向に沿って複数設けられている。   When the distal end portion 21A of the insertion portion 11 is inserted into the pipe 51, the plurality of centering devices 62 are arranged so that the central axes of the cylindrical casings 61A and 61B substantially coincide with the central axis of the pipe 51. A plurality of the casings 61A and 61B on the distal end side of the distal end portion 21A are provided along the circumferential direction.

各センタリング装置62は、バネ部材62Aと車輪62Bを有し、バネ部材62Aは、配管51内において、車輪62Bを配管51の内壁52に押し付けて接触させるように、筐体61Aと61Bの外周部に設けられている。各車輪62Bは、先端部21Aが配管51内において配管51の軸方向に沿って移動したときに、回動可能にバネ部材62Aに設けられている。   Each centering device 62 has a spring member 62A and a wheel 62B, and the spring member 62A has outer peripheral portions of the casings 61A and 61B in the pipe 51 so as to press the wheel 62B against the inner wall 52 of the pipe 51. Is provided. Each wheel 62B is provided on the spring member 62A so as to be rotatable when the distal end portion 21A moves in the pipe 51 along the axial direction of the pipe 51.

筐体61Aと61Bの間には、透明パイプ63と64が設けられている。透明パイプ63と64は、例えば、サファイアガラスのパイプである。透明パイプ63と64は、接続部材65を介して接続されている。   Transparent pipes 63 and 64 are provided between the casings 61A and 61B. The transparent pipes 63 and 64 are, for example, sapphire glass pipes. The transparent pipes 63 and 64 are connected via a connection member 65.

透明パイプ63の内側には、発散光学系66が固定されている。発散光学系66は、先端部21Aの先端側と基端側に、それぞれ、表面が鏡面である円錐形状部66Aと66Bを有している光発散部を構成する。発散光学系66は、図6に示すように、円錐形状部66Aと66Bの底面同士が密着した形状を有している。   A diverging optical system 66 is fixed inside the transparent pipe 63. The diverging optical system 66 constitutes a light diverging portion having conical portions 66A and 66B whose surfaces are mirror surfaces on the distal end side and the proximal end side of the distal end portion 21A, respectively. As shown in FIG. 6, the diverging optical system 66 has a shape in which the bottom surfaces of the conical portions 66A and 66B are in close contact with each other.

透明パイプ64の内周面上には、透明パイプ64の軸方向に沿って複数、かつ周方向に沿っても複数配置された発光ダイオード(以下LEDという)67が固定されている。LED67からの延出する信号ケーブル67aは、挿入部11内を通って本体装置4に接続されている。   On the inner peripheral surface of the transparent pipe 64, a plurality of light emitting diodes (hereinafter referred to as LEDs) 67 arranged in a plurality along the axial direction of the transparent pipe 64 and also along the circumferential direction are fixed. A signal cable 67 a extending from the LED 67 passes through the insertion portion 11 and is connected to the main body device 4.

透明パイプ64の内側には、撮像部を構成する対物光学系68と撮像素子69が設けられ、図示しない固定部材により固定されている。対物光学系68は、凹レンズ68aと、レンズ群68bを含み、途中に絞り部材70が配設されている。凹レンズ68aが、観察窓を構成する。撮像素子69は、CCD等のイメージセンサである。撮像素子69からの延出する信号ケーブル69aは、挿入部11内を通って本体装置4に接続されている。   Inside the transparent pipe 64, an objective optical system 68 and an image sensor 69 constituting an image pickup unit are provided and fixed by a fixing member (not shown). The objective optical system 68 includes a concave lens 68a and a lens group 68b, and a diaphragm member 70 is disposed on the way. The concave lens 68a constitutes an observation window. The image sensor 69 is an image sensor such as a CCD. A signal cable 69 a extending from the image sensor 69 passes through the insertion portion 11 and is connected to the main body device 4.

筐体61Aの内側には、発散レンズ71と、偏光板72と、複屈折素子73と、位相変調素子74と、レーザダイオード75と、コントローラ76とが設けられ固定されている。発散レンズ71等が、干渉縞投影部を構成し、発散レンズ71が、投影窓を構成する。コントローラ76は、バッテリ77を含む。   A diverging lens 71, a polarizing plate 72, a birefringence element 73, a phase modulation element 74, a laser diode 75, and a controller 76 are provided and fixed inside the casing 61A. The diverging lens 71 and the like constitute an interference fringe projection unit, and the diverging lens 71 constitutes a projection window. The controller 76 includes a battery 77.

2本の透明パイプ63と64は、干渉縞パターンを投影する発散光学系と、撮像光学系とを保護する部材である。   The two transparent pipes 63 and 64 are members that protect the diverging optical system that projects the interference fringe pattern and the imaging optical system.

コントローラ76は、位相変調素子74とレーザダイオード75に電源を供給すると共に、位相変調素子74を制御して位相を所定の間隔で変化させる。
配管51の内壁52は、周方向に沿って配置された複数のLED67により照明される。
The controller 76 supplies power to the phase modulation element 74 and the laser diode 75 and controls the phase modulation element 74 to change the phase at a predetermined interval.
The inner wall 52 of the pipe 51 is illuminated by a plurality of LEDs 67 arranged along the circumferential direction.

レーザダイオード75から出射された光は、位相変調素子74、複屈折素子73、偏光板72を通り、発散レンズ71で発散されて、発散光学系66の円錐形状部66Aに照射される。   The light emitted from the laser diode 75 passes through the phase modulation element 74, the birefringence element 73, and the polarizing plate 72, is diverged by the diverging lens 71, and is irradiated onto the conical portion 66A of the diverging optical system 66.

円錐形状部66Aにおいて反射された光は、配管51の内壁に、周方向に沿って伸びた円形の複数の縞パターンとなって投影される。すなわち、周方向に沿って伸びた円形の縞パターンを生じさせる干渉光が、外径方向に出射する。   The light reflected by the conical portion 66A is projected on the inner wall of the pipe 51 as a plurality of circular stripe patterns extending along the circumferential direction. That is, interference light that generates a circular stripe pattern extending in the circumferential direction is emitted in the outer diameter direction.

発散光学系66で反射されて対物光学系68を通った光は、撮像部である撮像素子69の撮像面に照射される。撮像素子69で得られる画像は、上述した干渉縞パターンIPと同様の円形の干渉縞パターンを含む内視鏡画像となる。   The light reflected by the diverging optical system 66 and passing through the objective optical system 68 is applied to the imaging surface of the imaging element 69 which is an imaging unit. An image obtained by the image sensor 69 is an endoscopic image including a circular interference fringe pattern similar to the above-described interference fringe pattern IP.

以上のように、本変形例1の内視鏡装置は、干渉縞投影部と撮像部の間に配置された光発散部を有し、干渉縞投影部と撮像部は、干渉縞投影部の投影窓と、撮像部の観察窓が対向するように配置され、干渉縞投影部からの干渉縞の光は、光発散部により、挿入部11の軸に対して所定の角度の方向に向けて被検体へ出射される。撮像部は、光発散部において反射された被検体からの光を受光する。   As described above, the endoscope apparatus according to the first modification has the light divergence unit disposed between the interference fringe projection unit and the imaging unit, and the interference fringe projection unit and the imaging unit are included in the interference fringe projection unit. The projection window and the observation window of the imaging unit are arranged to face each other, and the light of the interference fringe from the interference fringe projection unit is directed in a direction of a predetermined angle with respect to the axis of the insertion unit 11 by the light divergence unit It is emitted to the subject. The imaging unit receives light from the subject reflected by the light divergence unit.

よって、撮像部と干渉縞投影部は先端部21A内で所定の距離だけ離れて固定されており、かつ位相シフト法によりリング状縞パターンの位相を変更して複数の画像を取得することによって、配管51の内壁52の凹凸の情報を得ることができるので、本変形例1の内視鏡装置も、上述した実施の形態の内視鏡装置と同様の効果を有する。
(変形例2)
上述した実施の形態及び変形例1では、複屈折素子を用いて円形の干渉縞パターンを生成し、位相シフト法のために位相シフタ35により位相をずらしているが、円形の干渉縞パターンの生成と位相シフトために、2枚のハーフミラーと圧電素子を用いてもよい。
Therefore, the imaging unit and the interference fringe projection unit are fixed apart from each other by a predetermined distance in the distal end portion 21A, and by acquiring the plurality of images by changing the phase of the ring-shaped fringe pattern by the phase shift method, Since the unevenness information of the inner wall 52 of the pipe 51 can be obtained, the endoscope apparatus of the first modification also has the same effect as the endoscope apparatus of the above-described embodiment.
(Modification 2)
In the embodiment and the first modification described above, a circular interference fringe pattern is generated using a birefringent element, and the phase is shifted by the phase shifter 35 for the phase shift method. However, a circular interference fringe pattern is generated. In order to shift the phase, two half mirrors and a piezoelectric element may be used.

図7は、変形例2に係る2枚のハーフミラーと圧電素子を有する光学部材の構成図である。光学部材81は、ハーフミラー82と83をそれぞれ有するガラス板84と85を有する。2枚のガラス板84と85は、連結部材86と87により、互いに光の透過面が平行になるように、固定されている。   FIG. 7 is a configuration diagram of an optical member having two half mirrors and a piezoelectric element according to the second modification. The optical member 81 has glass plates 84 and 85 having half mirrors 82 and 83, respectively. The two glass plates 84 and 85 are fixed by connecting members 86 and 87 so that the light transmission surfaces are parallel to each other.

連結部材86と87は、それぞれ圧電素子86aと87aを有する。圧電素子86aと87aに電圧を印加すると、印加された電圧に応じて2枚のハーフミラー82と83の間隔d1が変化するように、圧電素子86aと87aは、それぞれ連結部材86と87に設けられている。   The connecting members 86 and 87 have piezoelectric elements 86a and 87a, respectively. The piezoelectric elements 86a and 87a are provided on the connecting members 86 and 87, respectively, so that when a voltage is applied to the piezoelectric elements 86a and 87a, the distance d1 between the two half mirrors 82 and 83 changes according to the applied voltage. It has been.

ガラス板85の一方側は、光学部材81への光の入射側である。光学部材81への光の入射側には、偏波面保持ファイバである光ファイバ34の先端部が位置している。
レーザダイオード36からの光は、偏波面保持ファイバである光ファイバ34の先端面から出射され、ガラス板85とハーフミラー83を透過する。光ファイバ34は、レーザダイオード36からの直線偏光の光を、その直線偏光の偏光方向を維持した状態で、ガラス板85へ出射する。
One side of the glass plate 85 is a light incident side to the optical member 81. On the incident side of the light to the optical member 81, the tip of the optical fiber 34 that is a polarization-maintaining fiber is located.
The light from the laser diode 36 is emitted from the front end surface of the optical fiber 34 that is a polarization plane holding fiber, and passes through the glass plate 85 and the half mirror 83. The optical fiber 34 emits linearly polarized light from the laser diode 36 to the glass plate 85 while maintaining the polarization direction of the linearly polarized light.

ガラス板85を透過した光は、直線偏光のままハーフミラー83を透過する。ハーフミラー83からの光は、ガラス板84へ入射し、ハーフミラー82の表面で反射されるが、ハーフミラー82で反射された光は、再びハーフミラー83の表面で反射される。   The light transmitted through the glass plate 85 is transmitted through the half mirror 83 as linearly polarized light. The light from the half mirror 83 enters the glass plate 84 and is reflected by the surface of the half mirror 82, but the light reflected by the half mirror 82 is reflected again by the surface of the half mirror 83.

ハーフミラー83で反射された光は、ガラス板84とハーフミラー82を透過して、光学部材81から出射される。
その結果、2枚のガラス板84と85を透過して出射した光と、ハーフミラー82と83で反射して出射した光は、それぞれ、異なる点P3とP4からあたかも出射した光となり、干渉して、リング状縞パターンを投影することができる。さらに、圧電素子86aと87aに印加する電圧を変化させることにより、2枚のガラス板84と85を透過して出射した光と、ハーフミラー82と83で反射して出射した光との光路差を変化させて、干渉縞パターンIPを生じさせる光の位相を変化させることができる。
The light reflected by the half mirror 83 passes through the glass plate 84 and the half mirror 82 and is emitted from the optical member 81.
As a result, the light emitted through the two glass plates 84 and 85 and the light reflected and emitted from the half mirrors 82 and 83 become light emitted from different points P3 and P4, respectively, and interfere with each other. Thus, a ring-shaped stripe pattern can be projected. Further, by changing the voltage applied to the piezoelectric elements 86a and 87a, the optical path difference between the light transmitted through the two glass plates 84 and 85 and the light reflected and emitted from the half mirrors 82 and 83 is obtained. To change the phase of the light that produces the interference fringe pattern IP.

よって、互いに平行に配置された2枚のハーフミラー82,83は、干渉縞投影部を構成する。そして、圧電素子86a,87aは、2枚のハーフミラーの間隔を変化させるための間隔変化部であり、位相シフト部を構成する。   Therefore, the two half mirrors 82 and 83 arranged in parallel constitute an interference fringe projection unit. The piezoelectric elements 86a and 87a are interval changing units for changing the interval between the two half mirrors, and constitute a phase shift unit.

なお、上述した上述した実施の形態及び各変形例では、投影される閉じた線からなる各干渉縞の形状は、円環状であるが、楕円、矩形などの、中心を有し、閉じた縞でもよい。   In the above-described embodiment and each modification, the shape of each interference fringe formed of a closed line to be projected is an annular shape, but has a center such as an ellipse or a rectangle, and is a closed stripe. But you can.

楕円の場合は、2つの焦点を結んだ線の中央が、中心となる。矩形の場合は、2本の対角線の交点が、中心となる。
さらになお、閉じた線の中心が判定できれば、円、楕円、矩形の線の途中は、一部切れていてもよい。
In the case of an ellipse, the center of the line connecting the two focal points is the center. In the case of a rectangle, the intersection of two diagonal lines is the center.
Furthermore, as long as the center of the closed line can be determined, a part of the circle, ellipse, or rectangle may be cut off.

以上のように、上述した実施の形態及び各変形例によれば、同心円などの閉じた干渉縞パターンを投影して被検体の表面の三次元空間内の絶対値形状を計測することができる内視鏡装置、及び被検体表面の三次元形状の計測方法を提供することができる。   As described above, according to the embodiment and each modification described above, it is possible to measure the absolute value shape in the three-dimensional space of the surface of the subject by projecting a closed interference fringe pattern such as a concentric circle. An endoscope apparatus and a method for measuring a three-dimensional shape of a subject surface can be provided.

本発明は、上述した実施の形態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。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

1 内視鏡装置、2 内視鏡、3 光源装置、4 本体装置、4a CPU、5 レーザ光源、6 モニタ、11 挿入部、12 操作部、13 ユニバーサルケーブル、14 コネクタ、15、16 信号ケーブル、17、18 コネクタ、21、21A 先端部、22 湾曲部、23 軟性部、24 湾曲ノブ、25 投影窓、26 観察窓、27 照明窓、31 凹レンズ、32 偏光板、33 複屈折素子、34 光ファイバ、35 位相シフタ、36 レーザダイオード、41 凹レンズ、42 レンズ群、44 撮像素子、44a 撮像面、45 凹レンズ、46 光ファイバ、51 配管、52 内壁、61A、61B 筐体、62 センタリング装置、62A バネ部材、62B 車輪、63、64 透明パイプ、65 接続部材、66 発散光学系、66A、66B 円錐形状部、67a 信号ケーブル、68 対物光学系、68a 凹レンズ、68b レンズ群、69 撮像素子、69a 信号ケーブル、70 絞り部材、71 発散レンズ、72 偏光板、73 複屈折素子、74 位相変調素子、75 レーザダイオード、76 コントローラ、77 バッテリ、81 光学部材、82,83 ハーフミラー、84、85、ガラス板、86 連結部材、86a,87a 圧電素子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Endoscope apparatus, 2 Endoscope, 3 Light source apparatus, 4 Main body apparatus, 4a CPU, 5 Laser light source, 6 Monitor, 11 Insertion part, 12 Operation part, 13 Universal cable, 14 Connector, 15, 16 Signal cable, 17, 18 Connector, 21, 21A Tip portion, 22 Curved portion, 23 Soft portion, 24 Curved knob, 25 Projection window, 26 Observation window, 27 Illumination window, 31 Concave lens, 32 Polarizing plate, 33 Birefringence element, 34 Optical fiber , 35 phase shifter, 36 laser diode, 41 concave lens, 42 lens group, 44 imaging element, 44a imaging surface, 45 concave lens, 46 optical fiber, 51 pipe, 52 inner wall, 61A, 61B housing, 62 centering device, 62A spring member , 62B Wheel, 63, 64 Transparent pipe, 65 Connection member, 66 Divergence optical system, 66A, 66B Conical part, 67a Signal cable, 68 Objective optical system, 68a Concave lens, 68b Lens group, 69 Imaging element, 69a Signal cable, 70 Diaphragm member, 71 Diverging lens, 72 Polarizing plate, 73 Birefringence element, 74 Phase modulation element, 75 Laser diode, 76 Controller, 77 Battery, 81 Optical member, 82, 83 Half mirror, 84, 85, Glass plate, 86 Connecting member, 86a, 87a Piezoelectric element.

Claims (12)

挿入部と、
前記挿入部に設けられ、中心を有しかつ閉じた線からなる干渉縞を被検体に投影するための干渉縞投影部と、
前記干渉縞投影部とは異なる位置に配置された観察窓を通して、前記被検体に投影された前記干渉縞を含む被検体画像を得るために前記被検体を撮像する撮像部と、
前記干渉縞を生じさせる光の位相をシフトさせる位相シフト部と、
前記撮像部で得られた前記被検体画像中の前記干渉縞の前記中心の位置から算出して得られた前記中心に対応する前記被検体の表面上の点までの距離情報と、前記位相シフト部により前記光の位相を変化させて得られた前記干渉縞を含む複数の被検体画像に基づき位相シフト法により算出して得られた前記被検体の表面の三次元形状情報とから、実空間内における前記被検体の表面の形状情報を算出する三次元形状情報算出部と、
を有することを特徴とする内視鏡装置。
An insertion part;
An interference fringe projecting unit for projecting an interference fringe having a center and a closed line on the subject, provided in the insertion unit;
An imaging unit that images the subject to obtain a subject image including the interference fringes projected on the subject through an observation window arranged at a position different from the interference fringe projection unit;
A phase shift unit that shifts the phase of light that causes the interference fringes;
Distance information to a point on the surface of the subject corresponding to the center obtained by calculating from the position of the center of the interference fringes in the subject image obtained by the imaging unit, and the phase shift From the three-dimensional shape information of the surface of the subject obtained by calculation by the phase shift method based on a plurality of subject images including the interference fringes obtained by changing the phase of the light by the unit, real space A three-dimensional shape information calculation unit for calculating shape information of the surface of the subject in the body,
An endoscope apparatus characterized by comprising:
前記干渉縞は、円形、楕円あるいは矩形であることを特徴とする請求項1に記載の内視鏡装置。   The endoscope apparatus according to claim 1, wherein the interference fringes are circular, elliptical, or rectangular. 前記干渉縞投影部と前記撮像部は、前記挿入部の先端部に設けられ、視差を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の内視鏡装置。   The endoscope apparatus according to claim 1, wherein the interference fringe projection unit and the imaging unit are provided at a distal end portion of the insertion unit and have a parallax. 前記干渉縞投影部の投影光学系の第1の光軸と、前記撮像部の撮像光学系の第2の光軸は、平行で、所定の距離だけ離間していることを特徴とする請求項3に記載の内視鏡装置。   The first optical axis of the projection optical system of the interference fringe projection unit and the second optical axis of the imaging optical system of the imaging unit are parallel and separated by a predetermined distance. The endoscope apparatus according to 3. 前記位相シフト部は、電気的な制御により前記光の位相をシフトさせる装置であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の内視鏡装置。   The endoscope apparatus according to claim 1, wherein the phase shift unit is a device that shifts the phase of the light by electrical control. 前記干渉縞投影部は、凹レンズ及び複屈折素子を有していることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の内視鏡装置。   The endoscope apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the interference fringe projection unit includes a concave lens and a birefringent element. 前記干渉縞投影部と前記撮像部の間に配置された光発散部を有し、
前記干渉縞投影部と前記撮像部は、前記干渉縞投影部の投影窓と、前記撮像部の観察窓が対向するように配置され、
前記干渉縞投影部からの前記干渉縞の光は、前記光発散部により、前記挿入部の軸に対して所定の角度の方向に向けて前記被検体へ出射され、
前記撮像部は、前記光発散部において反射された前記被検体からの光を受光することを特徴とする請求項1又は2に記載の内視鏡装置。
A light divergence unit disposed between the interference fringe projection unit and the imaging unit;
The interference fringe projection unit and the imaging unit are arranged such that a projection window of the interference fringe projection unit and an observation window of the imaging unit are opposed to each other,
The light of the interference fringes from the interference fringe projection unit is emitted by the light divergence unit toward the subject in a direction of a predetermined angle with respect to the axis of the insertion unit,
The endoscope apparatus according to claim 1, wherein the imaging unit receives light from the subject reflected by the light divergence unit.
前記干渉縞投影部は、互いに平行に配置された2枚のハーフミラーを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の内視鏡装置。   The endoscope apparatus according to claim 1, wherein the interference fringe projection unit includes two half mirrors arranged in parallel to each other. 前記位相シフト部は、前記2枚のハーフミラーの間隔を変化させるための間隔変化部を有することを特徴とする請求項8に記載の内視鏡装置。   The endoscope apparatus according to claim 8, wherein the phase shift unit includes an interval changing unit for changing an interval between the two half mirrors. 前記間隔変化部は、圧電素子を有することを特徴とする請求項9に記載の内視鏡装置。   The endoscope apparatus according to claim 9, wherein the interval changing unit includes a piezoelectric element. 中心を有しかつ閉じた線からなる干渉縞を被検体(人体を除く)に投影し、
前記干渉縞を出射する位置とは異なる位置から、前記被検体に投影された前記干渉縞を含む被検体画像を得るために前記被検体を撮像し、
前記被検体画像中の前記干渉縞の前記中心の位置から算出して得られた前記中心に対応する前記被検体の表面上の点までの距離情報と、前記干渉縞を生じさせる光の位相を変化させて得られた前記干渉縞を含む複数の被検体画像に基づき位相シフト法により算出して得られた前記被検体の表面の三次元形状情報とから、実空間内における前記被検体の表面の形状情報を算出することを特徴とする被検体表面の三次元形状の計測方法。
Project an interference fringe with a center and a closed line onto the subject (excluding the human body)
Imaging the subject to obtain a subject image including the interference fringes projected on the subject from a position different from the position where the interference fringes are emitted;
Distance information to a point on the surface of the subject corresponding to the center obtained by calculation from the position of the center of the interference fringe in the subject image, and a phase of light causing the interference fringe From the three-dimensional shape information of the surface of the subject obtained by the phase shift method based on a plurality of subject images including the interference fringes obtained by changing the surface of the subject in real space A method for measuring the three-dimensional shape of the surface of a subject characterized by calculating shape information of the subject.
前記被検体画像は、内視鏡装置の挿入部に設けられた撮像部により撮像して得られた画像であり、
前記干渉縞は、前記挿入部に設けられた投影部から投影されることを特徴とする請求項11に記載の被検体表面の三次元形状の計測方法。
The subject image is an image obtained by imaging with an imaging unit provided in an insertion unit of an endoscope apparatus,
The method for measuring a three-dimensional shape of a subject surface according to claim 11, wherein the interference fringes are projected from a projection unit provided in the insertion unit.
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