TWI597042B - Endoscopic with distance measuring function and distance measuring method - Google Patents

Endoscopic with distance measuring function and distance measuring method Download PDF

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TWI597042B
TWI597042B TW105120513A TW105120513A TWI597042B TW I597042 B TWI597042 B TW I597042B TW 105120513 A TW105120513 A TW 105120513A TW 105120513 A TW105120513 A TW 105120513A TW I597042 B TWI597042 B TW I597042B
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Description

具有測距功能的內視鏡及測距方法
本發明係與內視鏡之距離量測技術有關，特別是指使用光干涉技術的一種具有測距功能的內視鏡及測距方法。
習知使用於內視鏡的測距方法，例如WO 2015/098353 A1號專利，其揭露了一種利用可移動的連接關節(movable joint)以及可視軸(visual axis)來進行測距的技術。此種技術雖可進行距離量測，但在結構上需要使用實體的連接關節，且又是可動的，因此在控制及量測上都較為複雜。
美國US 2010/0324366 A1號專利，揭露了另一種內視鏡的測距技術，其主要利用一量測用光源(measurement light)在一被測物體的表面投射出一個預定形狀，再對該形狀取像後，計算該形狀的大小，最後再計算出內視鏡與該被測物體之間的距離以及角度。
本案將提出一種在內視鏡上以光干涉/繞射的方式來量測距離的技術，而與先前技術有所不同。
本發明之主要目的乃在於提供一種具有測距功能的內視鏡，其提供以光干涉/繞射的方式來量測距離的技術，而與先前技術有所不同。
為了達成上述目的，本發明提出一種具有測距功能的內視鏡，包含有：一主機，藉由一管體連接於一觀察單元，該觀察單元主要具有一座管以及設於該座管內的一單波長光源、一繞射光柵(diffraction grating)、一取像單元以及一遮光隔板；該座管，前端具有一開口；該單波長光源，設於該座管內，用以經由該開口向前發出一預定波長之光；該繞射光柵，具有複數縫隙，該繞射光柵設於該座管內且位於該單波長光源與該開口之間，使通過該等縫隙的單波長光產生繞射現象，並經由該開口投射在一待測物體上而顯示出一個零階亮點，以及分別位於該零階亮點兩側之一正一階亮點以及一負一階亮點，其中由該單波長光源發射至該零階亮點與其兩側相鄰亮點之間的向量夾角係依該預定波長以及該繞射光柵的縫隙寬度計算而得；該取像單元，設於該座管內，具有一影像感測器與一透鏡組，其中該透鏡組具有一鏡頭放大率，該取像單元係經由該開口向前方取像而取得一影像，且該取像單元的取像範圍係涵蓋該零階亮點及該正一階亮點以及該負一階亮點；該遮光隔板，設於該座管內，將該取像單元隔開於該單波長光源與該繞射光柵的組合，使該單波長光源所發出之單波長光不會在該座管內部反射或折射至該取像單元；該主機具有一計算單元，該計算單元係內建有一標準亮點像素數量，且該計算單元具有三種運算邏輯，其第一運算邏輯係為藉由該鏡頭放大率與該影像上的任一亮點的像素數量與該標準亮點像素數量進行計算，而取得一距離放大率；其第二運算邏輯係為藉由該距離放大率來計算該影像上的兩相鄰亮點之間的距離，進而取得投射於該待測物體上的兩相鄰亮點之間的實際距離；其第三運算邏輯係為藉由該兩相鄰亮點之間的實際距離配合該向量夾角來計算出該繞射光柵與該零階亮點之間的距離。
藉此，本發明係以光干涉/繞射的技術為基礎，藉由判斷繞射亮點來量測出待測物體的距離，而與先前技術有所不同。
本發明之再一目的則在於提供一種內視鏡之測距方法，其提供以光干涉/繞射的方式來量測距離的技術，而與先前技術有所不同。
為了達成上述目的，本發明提出一種內視鏡之測距方法，包含有下列步驟：A)以一內視鏡之管體前端的觀察單元內所設置之單波長光源發射一預定波長的光，經由一繞射光柵向一待測物體投射，而於該待測物體表面投射出一個零階亮點以及分別位於該零階亮點兩側之一正一階亮點以及一負一階亮點，其中由該單波長光源發射至該零階亮點與其兩側相鄰亮點之間的向量夾角係依該預定波長以及該繞射光柵的縫隙寬度計算而得；B)以該內視鏡之取像單元對該待測物體取像，而取得包含該零階亮點、該正一階亮點以及該負一階亮點的一影像；以及C)以該內視鏡之主機所具有的一計算單元來計算該影像中的該零階亮點、該正一階亮點以及該負一階亮點之像素數量，參考該計算單元所預設的一標準亮點像素數量，依一第一運算邏輯以及該取像單元本身所具有的鏡頭放大率來計算出一距離放大率；再依一第二運算邏輯來對該距離放大率及該影像上的兩相鄰亮點之間的距離進行計算，進而得到投射於該待測物體上的兩相鄰亮點之間的實際距離；最後再依一第三運算邏輯來對該兩相鄰亮點之間的實際距離及該向量夾角進行計算，進而得到該繞射光柵與該零階亮點之間的距離。
藉此，本發明之前述測距方法係以光干涉/繞射的技術為基礎，藉由判斷繞射亮點來量測出待測物體的距離，而與先前技術有所不同。
10‧‧‧具有測距功能的內視鏡
11‧‧‧主機
12‧‧‧計算單元
121‧‧‧第一運算邏輯
122‧‧‧第二運算邏輯
123‧‧‧第三運算邏輯
21‧‧‧管體
31‧‧‧觀察單元
32‧‧‧座管
33‧‧‧開口
34‧‧‧單波長光源
36‧‧‧繞射光柵
361‧‧‧縫隙
38‧‧‧取像單元
381‧‧‧影像感測器
382‧‧‧透鏡組
39‧‧‧遮光隔板
99‧‧‧待測物體
D‧‧‧繞射光柵與零階亮點之間的距離
I‧‧‧影像
L0‧‧‧零階亮點
L1‧‧‧正一階亮點
L-1‧‧‧負一階亮點
s‧‧‧縫隙寬度
θ‧‧‧向量夾角
△X‧‧‧待測物體上的兩相鄰亮點之間的實際距離
△X’‧‧‧影像上兩相鄰亮點之間的距離
10’‧‧‧具有測距功能的內視鏡
12’‧‧‧計算單元
121’‧‧‧第一運算邏輯
122’‧‧‧第二運算邏輯
123’‧‧‧第三運算邏輯
124’‧‧‧第四運算邏輯
34’‧‧‧單波長光源
36’‧‧‧繞射光柵
42’‧‧‧準直鏡
d1‧‧‧零階亮點與正一階亮點之間的距離
d2‧‧‧零階亮點與負一階亮點之間的距離
第1圖係本發明第一較佳實施例之結構示意圖。
第2圖係本發明第一較佳實施例之部分元件之局部剖視示意圖，顯示觀察單元之內部狀態。
第3圖係本發明第一較佳實施例之元件示意圖，顯示繞射光柵。
第4圖係本發明第一較佳實施例之電路方塊圖。
第5圖係本發明第一較佳實施例之動作示意圖。
第6圖係本發明第一較佳實施例之另一動作示意圖。
第7圖係本發明第二較佳實施例之部分元件之局部剖視示意圖。
第8圖係本發明第二較佳實施例之電路方塊圖。
第9圖係本發明第二較佳實施例之動作示意圖。
為了詳細說明本發明之技術特點所在，茲舉以下之較佳實施例並配合圖式說明如後，其中：如第1圖至第6圖所示，本發明第一較佳實施例所提供之一種具有測距功能的內視鏡10，主要由一主機11、一管體21以及一觀察單元31所組成，其中：該主機11，藉由該管體21連接於該觀察單元31，該觀察單元31主要具有一座管32以及設於該座管32內的一單波長光源34、一繞射光柵36、一取像單元38以及一遮光隔板39。
該座管32，前端具有一開口33。
該單波長光源34，設於該座管32內，用以經由該開口33向前發出一預定波長λ之光。在實際實施時，該單波長光源34可以選用雷射光源、紅外線光源或紫外線光源，亦可選用特定波長之可見光光源；此外，該單波長光源34在元件的選擇上可以選自一發光二極體(LED)，此時該發光二極體可以直接設置在該座管31內；該單波長光源34也可以選自一光纖與一發光光源之組合，而使該發光光源設置於該主機11，並使該光纖設置於該主機11並穿過該管體21而使末端位於該座管31內。由於設置光纖來導引光源所發出的光已是甚為習知的技術，因此其詳細設置方式容不再予贅述，亦請容不以圖式表示之。
該繞射光柵36，具有複數縫隙361，該繞射光柵36設於該座管32內且位於該單波長光源34與該開口33之間，使通過該等縫隙361的單波長光產生繞射現象，並經由該開口33投射在一待測物體99上而顯示出一個零階亮點L0，以及分別位於該零階亮點L0兩側之一正一階亮點L1以及一負一階亮點L-1，其中由該單波長光源34發射至該零階亮點L0與其兩側相鄰亮點L1,L-1之間的向量夾角θ係依該預定波長λ以及該繞射光柵36的縫隙寬度s計算而得。其中，該向量夾角θ係藉由該縫隙361之寬度s與該單波長光之波長λ依算式s sin θ=λ來求得。由於實際上該等縫隙361是很多很密的，難以在圖式上表示清楚，因此在圖式中之該繞射光柵36之該等縫隙361乃是為了表示上的方便而顯示，而並未依實際比例繪製。
該取像單元38，設於該座管32內，具有一影像感測器381與一透鏡組382，其中該透鏡組382具有一鏡頭放大率m，該取像單元38係經由該開口33向前方取像而取得一影像I，且該取像單元38的取像範圍係涵蓋該零階亮點L0及該正一階亮點L1以及該負一階亮點L-1。
該遮光隔板39，設於該座管32內，將該取像單元38隔開於該單波長光源34與該繞射光柵36的組合，使該單波長光源34所發出之單波長光不會在該座管32內部反射或折射至該取像單元38。
該主機11具有一計算單元12，該計算單元12係內建有一標準亮點像素數量P，且該計算單元12具有三種運算邏輯121,122,123，其第一運算邏輯121係為藉由該鏡頭放大率m與該影像I上的任一亮點的像素數量△P(x)與該標準亮點像素數量P進行計算，而取得一距離放大率M；其第二運算邏輯122係為藉由該距離放大率M來計算該影像I上的兩相鄰亮點之間的距離△X’(於本實施例中，距離的單位以毫米為例，以下同)，進而取得投射於該待測物體99上的兩相鄰亮點之間的實際距離△X；其第三運算邏輯123係為藉由該兩相鄰亮點之間的實際距離△X配合該向量夾角θ來計算出該繞射光柵36與該零階亮點L0之間的距離D。其中，由於內視鏡在檢視待測物體99時，其檢視距離很短，一般不會超過20公分，因此在檢視距離內無論如何移動內視鏡之觀察單元31，該單波長光投射於該待測物體99上的亮點之大小幾乎不會有所變化，因此製造者可設定一標準條件(例如一固定距離)，在該標準條件下所取像之單波長光亮點的像素數量，即定義為該標準亮點像素數量P。
於本第一實施例中，該第一運算邏輯121係定義該鏡頭放大率為m，而該距離放大率為M，該影像I上的任一亮點的像素數量為△P(x)，該標準亮點像素數量則為P，而藉由下述式(1)進行計算來取得該距離放大率M。
藉此，在該鏡頭放大率m及該標準亮點像素數量P為固定值時，該影像I上的任一亮點的像素數量△P(x)的改變即會改變該距離放大率M的數值。
而該第二運算邏輯122中，則定義該影像I上的兩相鄰亮點之間的距離為△X’，並定義兩相鄰亮點之間的實際距離為△X，而藉由下述式(2)進行計算來取得相鄰亮點之間的實際距離△X。
△X=△X'×M.........式(2)
藉此，經由取得該影像I上的兩相鄰亮點之間的距離△X’，配合該距離放大率M，即可計算得到該兩相鄰亮點之間的實際距離△X。
至於該第三運算邏輯123，則定義該向量夾角為θ，以及定義該繞射光柵36與該零階亮點L0之間的距離為D，而藉由下述式(3)進行計算來取得該繞射光柵36與該零階亮點L0之間的距離D。
在將該繞射光柵36視為該觀察單元31的情況下，該距離D即可視為該觀察單元31與該待測物體99之間的距離。
以上說明了本第一實施例之架構，接下來以本發明所提供之內視鏡之測距方法配合前述第一實施例之架構來說明測距動作。
請參閱第1圖至第6圖，本發明之內視鏡之測距方法，包含有下列步驟：
A)以該內視鏡之管體21前端的觀察單元31內設置之單波長光源34發射該預定波長λ的光，經由該繞射光柵36向該待測物體99投射，而於該待測物體99表面投射出該零階亮點L0以及分別位於該零階亮點L0兩側之該正一階亮點L1以及該負一階亮點L-1，其中由該單波長光源34發射至該零階亮點L0與其兩側亮點之間的向量夾角θ係依該預定波長λ以及該繞射光柵36的縫隙寬度s計算而得。
B)以該內視鏡之取像單元38對該待測物體99取像，而取得包含該零階亮點L0、該正一階亮點L1以及該負一階亮點L-1的該影像I。
C)以內視鏡之主機11所具有的該計算單元12來計算該影像I中的該零階亮點L0、該正一階亮點L1以及該負一階亮點L-1之像素數量，參考該計算單元12所預設的該標準亮點像素數量P，依該第一運算邏輯121以及該取像單元38本身所具有的該鏡頭放大率m來計算出該距離放大率M；再依該第二運算邏輯122來對該距離放大率M及該影像I上的兩相鄰亮點之間的距離△X’進行計算，進而得到投射於該待測物體99上的兩相鄰亮點之間的實際距離△X；最後再依該第三運算邏輯123來對該兩相鄰亮點之間的實際距離△X及該向量夾角θ進行計算，進而得到該繞射光柵36與該零階亮點L0之間的距離D。其中，該第一、第二及第三運算邏輯121,122,123之運算式可參考前述第一實施例所載。
由上可知，本發明以光干涉的方式來量測距離的技術，可準確的測得內視鏡之觀察單元31與待測物體99之間的距離，本發明之技術特徵係不同於先前技術。
請再參閱第7圖至第9圖，本發明第二實施例所提供之一種具有測距功能的內視鏡10’，主要概同於前揭第一實施例，不同之處在於：本第二實施例更包含有一準直鏡42’，且該計算單元12’更包含有一第四運算邏輯124’。
該準直鏡42’，設於該單波長光源34’與該繞射光柵36’之間，該單波長光源34’所發出之單波長光係穿透該準直鏡42’再照射至該繞射光柵36’。該準直鏡42’係用以調整該單波長光之光形而使其呈平行不擴散的狀態。
該第四運算邏輯124’，主要係藉由該零階亮點L0與該正一階亮點L1之間的距離d1相對於該零階亮點L0與負一階亮點L-1之間的距離d2的差值，計算出該待測物體99表面相對於該單波長光投射該零階亮點L0方向之垂直面的傾斜角度α。
於該第四運算邏輯124’中，係定義該零階亮點L0與該正一階亮點L1之間的距離為d1，該零階亮點L0與該負一階亮點L-1之間的距離為d2，該待測物體99表面相對於該單波長光投射零階亮點L0方向之垂直面的傾斜角度為α，而藉由下述式(4)進行計算來取得該傾斜角度α。
藉此，可求得該傾斜角度α，進而可供使用者判斷待測物體99的表面是否與觀察方向不垂直而有所傾斜。
而在執行該第一、第二及第三運算邏輯121’,122’,123’時，由於該待測物體99表面有所傾斜，因此僅需將在影像中的該零階亮點L0與該正一階亮點L1之間的距離以及該零階亮點L0與該負一階亮點L-1之間的距離加以平均，即可做為兩相鄰亮點之間的距離，藉以進行運算而取得該繞射光柵36’與零階亮點L0之間的距離D。
本第二實施例之其餘結構及所能達成之功效係概同於前揭第一實施例，容不再予贅述。
10‧‧‧具有測距功能的內視鏡
31‧‧‧觀察單元
32‧‧‧座管
33‧‧‧開口
34‧‧‧單波長光源
36‧‧‧繞射光柵
38‧‧‧取像單元
381‧‧‧影像感測器
382‧‧‧透鏡組
39‧‧‧遮光隔板
99‧‧‧待測物體
D‧‧‧繞射光柵與零階亮點之間的距離
L0‧‧‧零階亮點
L1‧‧‧正一階亮點
L-1‧‧‧負一階亮點
θ‧‧‧向量夾角
ΔX‧‧‧待測物體上的兩相鄰亮點之間的實際距離

Claims (13)

  1. 一種具有測距功能之內視鏡，包含有：一主機，藉由一管體連接於一觀察單元，該觀察單元主要具有一座管以及設於該座管內的一單波長光源、一繞射光柵(diffraction grating)、一取像單元以及一遮光隔板；該座管，前端具有一開口；該單波長光源，設於該座管內，用以經由該開口向前發出一預定波長之光；該繞射光柵，具有複數縫隙，該繞射光柵設於該座管內且位於該單波長光源與該開口之間，使通過該等縫隙的單波長光產生繞射現象，並經由該開口投射在一待測物體上而顯示出一個零階亮點，以及分別位於該零階亮點兩側之一正一階亮點以及一負一階亮點，其中由該單波長光源發射至該零階亮點與其兩側相鄰亮點之間的向量夾角係依該預定波長以及該繞射光柵的縫隙寬度計算而得；該取像單元，設於該座管內，具有一影像感測器與一透鏡組，其中該透鏡組具有一鏡頭放大率，該取像單元係經由該開口向前方取像而取得一影像，且該取像單元的取像範圍係涵蓋該零階亮點及該正一階亮點以及該負一階亮點；該遮光隔板，設於該座管內，將該取像單元隔開於該單波長光源與該繞射光柵的組合，使該單波長光源所發出之單波長光不會在該座管內部反射或折射至該取像單元；該主機具有一計算單元，該計算單元係內建有一標準亮點像素數量，且該計算單元具有三種運算邏輯，其第一運算邏輯係為藉由該鏡頭放大率與該影像上的任一亮點的像素數量與該標準亮點像素數量進行計算，而取得一距離放大 率；其第二運算邏輯係為藉由該距離放大率來計算該影像上的兩相鄰亮點之間的距離，進而取得投射於該待測物體上的兩相鄰亮點之間的實際距離；其第三運算邏輯係為藉由該兩相鄰亮點之間的實際距離配合該向量夾角來計算出該繞射光柵與該零階亮點之間的距離；其中，該第一運算邏輯中，係定義該鏡頭放大率為m，而該距離放大率為M，該影像上的任一亮點的像素數量為△P(x)，該標準亮點像素數量則為P，而藉由下述式(1)進行計算來取得該距離放大率M； 藉此，在該鏡頭放大率及該標準亮點像素數量為固定值時，該影像上的任一亮點的像素數量的改變即會改變該距離放大率的數值。
  2. 依據申請專利範圍第1項之具有測距功能之內視鏡，其中：更包含有一準直鏡，設於該單波長光源與該繞射光柵之間，該單波長光源所發出之單波長光係穿透該準直鏡再照射至該繞射光柵，並藉由該準直鏡之作用而使單波長光準直而呈不擴散狀態。
  3. 依據申請專利範圍第2項之具有測距功能之內視鏡，其中：該第二運算邏輯中，係定義該影像上的兩相鄰亮點之間的距離為△X’，並定義兩相鄰亮點之間的實際距離為△X，而藉由下述式(2)進行計算來取得兩相鄰亮點之間的實際距離△X；△X=△X'×M.........式(2)藉此，經由取得該影像上的兩相鄰亮點之間的距離，配合該距離放大率，即可計算得到該兩相鄰亮點之間的實際距離。
  4. 依據申請專利範圍第3項之具有測距功能之內視鏡，其中：該第三運算邏輯中，係定義該向量夾角為θ，以及定義該繞射光柵與該零階亮點之間的距離為D，而藉由下述式(3)進行計算來取得該繞射光柵與該零階亮點之間的距離；
  5. 依據申請專利範圍第1項之具有測距功能之內視鏡，其中：該計算單元更包含有一第四運算邏輯，藉由該零階亮點與該正一階亮點之間的距離相對於該零階亮點與該負一階亮點之間的距離差，計算出該待測物體表面相對於該單波長光投射該零階亮點方向之垂直面的傾斜角度。
  6. 依據申請專利範圍第5項之具有測距功能之內視鏡，其中：該第四運算邏輯中，係定義該零階亮點與該正一階亮點之間的距離為d1，該零階亮點與該負一階亮點之間的距離為d2，該待測物體表面相對於該單波長光投射該零階亮點方向之垂直面的傾斜角度為α，而藉由下述式(4)進行計算來取得該傾斜角度α； 藉由上述式(4)，可求得該傾斜角度α。
  7. 依據申請專利範圍第1項之具有測距功能之內視鏡，其中：該單波長光源係選自一發光二極體(LED)或一光纖與一發光光源之組合。
  8. 一種內視鏡之測距方法，包含有下列步驟：A)以一內視鏡之管體前端的觀察單元內所設置之單波長光源發射一預定波長的光，經由一繞射光柵向一待測物體投射，而於該待測物體表面投射出一個零階亮點以及分別位於該零階亮點兩側之一正一階亮點以及一負一階亮點，其 中由該單波長光源發射至該零階亮點與其兩側相鄰亮點之間的向量夾角係依該預定波長以及該繞射光柵的縫隙寬度計算而得；B)以該內視鏡之取像單元對該待測物體取像，而取得包含該零階亮點、該正一階亮點以及該負一階亮點的一影像；以及C)以該內視鏡之主機所具有的一計算單元來計算該影像中的該零階亮點、該正一階亮點以及該負一階亮點之像素數量，參考該計算單元所預設的一標準亮點像素數量，依一第一運算邏輯以及該取像單元本身所具有的鏡頭放大率來計算出一距離放大率；再依一第二運算邏輯來對該距離放大率及該影像上的兩相鄰亮點之間的距離進行計算，進而得到投射於該待測物體上的兩相鄰亮點之間的實際距離；最後再依一第三運算邏輯來對該兩相鄰亮點之間的實際距離及該向量夾角進行計算，進而得到該繞射光柵與該零階亮點之間的距離；其中：該第一運算邏輯中，係定義該鏡頭放大率為m，而該距離放大率為M，該影像上的任一亮點的像素數量為△P(x)，該標準亮點像素數量則為P，而藉由下述式(1)進行計算來取得該距離放大率M； 藉此，在該鏡頭放大率及該標準亮點像素數量為固定值時，該影像上的任一亮點的像素數量的改變即會改變該距離放大率的數值。。
  9. 依據申請專利範圍第8項之內視鏡之測距方法，其中：該第二運算邏輯中，係定義該影像上的兩相鄰亮點之間的距離為△X’，並定義兩相鄰亮點之間的實際距離為△X，而藉由下述式(2)進行計算來取得兩相鄰亮點之間的實際距離△X；△X=△X'×M.........式(2) 藉此，經由取得該影像上的兩相鄰亮點之間的距離，配合該距離放大率，即可計算得到該兩相鄰亮點之間的實際距離。
  10. 依據申請專利範圍第9項之內視鏡之測距方法，其中：該第三運算邏輯中，係定義該向量夾角為θ，以及定義該繞射光柵與該零階亮點之間的距離為D，而藉由下述式(3)進行計算來取得該繞射光柵與該零階亮點之間的距離；
  11. 依據申請專利範圍第8項之內視鏡之測距方法，其中：該計算單元更包含有一第四運算邏輯，藉由該零階亮點與該正一階亮點之間的距離相對於該零階亮點與該負一階亮點之間的距離差，計算出該待測物體表面相對於該單波長光投射該零階亮點方向之垂直面的傾斜角度。
  12. 依據申請專利範圍第11項之內視鏡之測距方法，其中：該第四運算邏輯中，係定義該零階亮點與該正一階亮點之間的距離為d1，該零階亮點與該負一階亮點之間的距離為d2，該待測物體表面相對於該單波長光投射該零階亮點方向之垂直面的傾斜角度為α，而藉由下述式(4)進行計算來取得該傾斜角度α； 藉由上述式(4)，可求得該傾斜角度α。
  13. 依據申請專利範圍第8項之內視鏡之測距方法，其中：該單波長光源係選自一發光二極體(LED)或一光纖與一發光光源之組合。
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