JP3670787B2

JP3670787B2 - 3D shape measuring device

Info

Publication number: JP3670787B2
Application number: JP04670497A
Authority: JP
Inventors: 伸之渡辺; 眞一郎服部; 義孝三好; 秀幸正治; 勝也小野; 晃楠元; 晃村田
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: JPH10239029A

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生体内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、複雑な機械の内部の形状を計測する三次元形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、測定光を対象物に投光して対象物の凹凸や大きさ、すなわち三次元形状を測定するには、三角法による距離計測を用いて、スポット光を対象物に投影し、一方向にのみ分解能のある光検出器でスポット光の像の位置を検出し、スポット光の発光位置と受光位置から物体上のスポットの位置がどれだけずれるかを検知して高さ情報を算出することが行われていた。この場合、対象物の広い範囲を計測するには、スポット光で計測領域全体を二次元走査して計測を行っていた。
【０００３】
また、前記スポット光による高さ情報の計測をライン状に同時に行う光切断法による三次元計測なども行われている。光切断法による三次元計測において、スポット光の代わりに線状のスリット光を対象物に投影し、スリット光の変形によってスリット光が投影されている線状部分の凹凸を算出する方法が提案されている。この場合、対象物の広い範囲を計測するには、スリット光で計測領域全体を一次元走査して計測を行っていた。
【０００４】
従来の三次元形状計測装置における投光系の概略構成を図１３に示す。三次元形状計測を行う際には、レーザ光源１０１からのビーム光を投光用ファイバ１０２に入射し、物体面に対して出射した測定用レーザ光１０３をレンズ１０４で集光して物体面に投光する。そして、測定用レーザ光１０３のビームスポット１０５の物体面上での位置から三角測量の原理により物体面の高さ情報を計算して求める。光切断法による三次元計測においては、この測定光のビームスポットがライン状に連続したものとなる。
【０００５】
投光用ファイバ１０２として、マルチモードファイバを用いた場合、開口特性として通常５％パワーで１７°の開口角度を持っているため、測定用レーザ光１０３はレンズ１０４によって拡がったビームを絞っても図１３に示したように光軸方向の位置によってビーム径が変化するようになる。なお、レーザ光源１０１からの出射光が平行ビームであっても投光用ファイバ１０２から出射する光はビーム径が太くなるため、隣接したファイバを出射した光とのオーバーラップが生じる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来の三次元形状計測装置において投光用ファイバとしてマルチモードファイバを用いた場合、投光用ファイバから出射する測定光のビームはマルチモードファイバの開口角度により拡散するため、レンズで絞っても光軸方向の位置によってビーム径が変化するという問題点があった。また、内視鏡のような広角な光学系を用いた三次元形状計測装置では、投光用ファイバから出射しレンズで集光した測定用レーザ光をさらに拡大して投光するので、ビーム径の光軸方向の位置による変化はさらに大きくなる。
【０００７】
このため従来の構成では、前記測定光のビーム径の変化に伴って、光切断法などによる三次元形状計測を行う場合に誤差が生じてしまうという問題点があった。このような不具合を解消するためには、観測された画像を複雑な画像処理等によって測定光の細線化などを行わなければならなかった。
【０００８】
本発明は、これらの事情に鑑みてなされたもので、測定光のビーム径の位置による変化をなくすことができ、三次元形状計測の精度を向上させること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。
【０００９】
【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、ビーム状の測定光を水平垂直方向に走査するスポット光走査手段と、前記スポット光走査手段により水平垂直方向に走査されたスポット光を入射端より入射し出射端より出射するイメージガイドファイバと、前記イメージガイドファイバの出射端に設けられたテレセントリック光学系とを有し、被測定面に測定光を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受光して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高さ情報算出手段と、を備えたことを特徴とし、前記テレセントリック光学系は、前記イメージガイドファイバの出射端の各開口に対応して設けられた屈折率分布型のマイクロレンズアレイであり、前記イメージガイドファイバは、更に、前記被測定面を観察するための観察用照明光を出射し、前記テレセントリック光学系は、前記測定光のみに有効な絞り機能を有することを特徴とする。
また、本発明による内視鏡装置は、ビーム状の測定光を水平垂直方向に走査するスポット光走査手段と、前記スポット光走査手段により水平垂直方向に走査されたスポット光を入射端より入射し出射端より出射するイメージガイドファイバと、前記イメージガイドファイバの出射端に設けられたテレセントリック光学系とを有し、被測定面に測定光を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受光して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高さ情報算出手段と、を有し、前記イメージガイドファイバを挿入部に挿通し、前記テレセントリック光学系を挿入部の先端部に設けたことを特徴とする。
【００１０】
【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７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は三次元形状計測装置における光学系の概略構成を示す構成説明図、図３はマルチモードファイバの開口特性を示す特性図、図４はシングルモードファイバの開口特性を示す特性図、図５は投光用ファイバの出射端に屈折率分布型マイクロレンズアレイを設けた場合の出射光の状態を示す作用説明図、図６は屈折率分布型マイクロレンズアレイの形成方法を示す構成説明図、図７は投光用ファイバにシングルモードファイバを用いた場合の出射光の状態を示す作用説明図である。
【００１１】
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。
【００１２】
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白色光ランプ６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。
【００１３】
内視鏡１は、前記測定光及び観察用照明光を伝送する投光用イメージガイド１０、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１１、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１２を備えており、挿入部２の先端には、投光レンズ１３、形状計測用対物レンズ１４、観察用対物レンズ１５が設けられている。
【００１４】
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、ハーフミラー２４，レンズ２１を介して内視鏡１の投光用イメージガイド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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
内視鏡１の投光用イメージガイド１０を伝搬し投光レンズ１３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１４を通して形状計測用イメージガイド１１を伝搬し、レンズ２８を介して複数（ｎ個）のテープ状ファイバ２９−１〜２９−ｎからなるテープ状光ファイバ列２９に投光される。一つのテープ状ファイバ２９−１〜２９−ｎは、それぞれ１列の画素に対応し、各ファイバに入射した反射光が集光されてそれぞれ一つの受光素子３０−１〜３０−ｎに導かれる。受光素子３０−１〜３０−ｎとしては、フォトマルチプライヤ（光電子増倍管）等の高感度の受光素子が用いられる。
【００１８】
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。
【００１９】
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、受光素子３０−１〜３０−ｎのいずれに入射したかでビームの垂直方向へのずれの情報を得ることができる。
【００２０】
受光素子３０−１〜３０−ｎのいずれに測定光が入射したかを判断するためには、各受光素子３０−１〜３０−ｎの出力信号を同一の特性を持つ増幅器３１−１〜３１−ｎで増幅し、多チャンネルの比較器３２で比較して最もレベルが高い受光素子の位置から垂直方向の位置を求める。そして、レーザスポット検知回路３３によって、前記垂直方向の位置データとＡ／Ｄ変換器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。
【００２１】
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。
【００２２】
また、二次元画像の観察を行う際には、白色光ランプ６から出射される観察用照明光をハーフミラー２４，レンズ２１を介して投光用イメージガイド１０に照射して内視鏡先端まで伝送し、投光レンズ１３を介して観察部位を照明して、観察用対物レンズ１５，観察像伝送用イメージガイド１２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。
【００２３】
ここで、光切断法による三次元形状計測を行うための本実施形態に係る光学系の概略構成を図２に示す。
【００２４】
光源より出射され投光用ファイバ４１を通してライン状に走査されてほぼ平行光の状態になった測定光４２は、レンズ４３で集光され絞り４４を通して凹レンズ４５によって広い開口で出射され、物体面４６に投光される。物体面４６上の位置（ｘ，ｙ）で反射した測定光は、撮像用の凹レンズ４７，レンズ４８で結像され、イメージセンサ５０へ導かれる。このとき、レンズ４８の後段にファイバによる伝送光学系４９がある場合は、測定光のビームを適当に絞って結像させておいて伝送し、イメージセンサ５０に導くようにする。絞り４４は、測定光４２のビームの拡がりのうち、周辺の光の成分を除去する作用を有している。
【００２５】
ここで、図２において対象物の物体面４６の高さ情報を得る方法について説明する。簡単のため、基準面５１から投光用の凹レンズ４５のバックフォーカスＢＦと撮像用の凹レンズ４７のバックフォーカスＢＦ′までの距離は同一でＡとしておく。対象物の高さ方向の軸をｚ軸，紙面に平行で高さ方向と直交する軸をｘ軸，紙面に垂直で高さ方向と直交する軸をｙ軸とする。なお、ｘ軸方向及びｙ軸方向の位置座標ｘ，ｙの基準は撮像系の像面におけるものとする。
【００２６】
物体面４６において点Ｐ（ｘ，ｙ）の位置で反射した測定光４２について考えると、投光系の光軸のｘ座標をＸ0 、ＢＦ及びＢＦ′のｚ座標をＺ0 、ＢＦと点Ｐを結ぶ直線と基準面５１とのなす角を theta（ｘ，ｙ）として、点Ｐの高さ方向の位置ｚは、

となる。
【００２７】
このとき、ｘ，ｙの位置精度は、物体面４６上での測定光４２のビームスポットの大きさで決まる。投光するビームに拡がりがある場合は、点Ｐ（ｘ，ｙ）の位置を正確に求めるには、画像処理によって測定光のビームの重心位置を検出したり、あるいは光切断法ではライン状の測定光のライン幅を細線化するようなアルゴリズムを用いる。三次元形状計測を行う際に光学系で測定光のビームの拡がりを抑えて拡散光の影響をなくすようにすれば、これらのアルゴリズムに依存する部分の負荷を低減でき、高精度の計測が可能となる。
【００２８】
図３及び図４はファイバから出射される出射光の強度の角度分布を示したものであり、図３はマルチモードファイバ、図４はシングルモードファイバに係る特性図である。マルチモードファイバでは、５％パワーで１７°の開口角度を持っているが、シングルモードファイバでは、５％パワーで５°の開口角度となっており、出射されるビームの拡がりが小さくなる。しかしながら、５°の開口角でも内視鏡のような広角な光学系では投影面でのビーム拡がりがあるため、ビーム径は投影面の距離に依存する。
【００２９】
投光用ファイバ４１としてマルチモードファイバを用いた場合、図５に示すような屈折率分布型マイクロレンズアレイ５２をマルチモードファイバ５３の出射端に設けてテレセントリック光学系を構成し、ビームの拡がりを抑えるようにする。屈折率分布型マイクロレンズアレイ５２の形成方法を図６に示す。ガラス基板５４の表面に金属コーティング５５を施し、金属コーティング５５に露出部５６を設けてマスクパターンを形成した後、イオン交換を行ってガラス基板５４内部の屈折率を変化させた後に金属コーティング５５のマスクを除去することにより、屈折率分布型マイクロレンズアレイ５２が構成される。
【００３０】
マルチモードファイバ５３から出射した光を屈折率分布型マイクロレンズアレイ５２に通して出射ビーム５７の拡がりを抑えることにより、出射光の集光効率を向上させることができる。このように測定光４２のビームの拡がりを小さくしておいてレンズ４３に投影すれば良い。
【００３１】
また、図７に示すように、投光用ファイバ４１としてシングルモードファイバ５８を用いるようにすれば、マルチモードファイバの場合のように屈折率分布型マイクロレンズアレイ５２等を用いなくてもビームの拡がりを抑えることができる。シングルモードファイバでは出射光の主光線５９に対してビーム６０の広がりが６°程度であるので、マルチモードファイバに比べてビームの拡がりを小さくでき、投光系の絞り４４で蹴られる周辺部分の光量を少なくすることができる。なお、シングルモードファイバを用いた場合、軟性内視鏡のように屈曲状態が常に変化する光学系では、シングルモードファイバの出射角度が常に一定とはならないことがある。したがって、シングルモードファイバを用いた場合でも図２に示したように出射側にテレセントリックな光学系を構成し絞り４４によってビーム拡がりを制限する必要がある。
【００３２】
以上のように本実施形態では、テレセントリック光学系による投光系を構成して投光用ファイバから出射する測定光のビームの拡がりを抑えることによって、ビーム径の位置による変化をなくすことができ、対象物体面上での測定光のビームスポット位置の検出精度を高めて三次元形状計測の精度を向上させることが可能となる。
【００３３】
図８ないし図１０は本発明の第２実施形態に係り、図８は三次元形状計測装置における投光系の概略構成を示す構成説明図、図９は投光系に設ける測定光拡散防止用絞りの第１の構成例を示す構成説明図、図１０は投光系に設ける測定光拡散防止用絞りの第２の構成例を示す構成説明図である。
【００３４】
第２実施形態では、計測用の近赤外レーザ光源６１からの測定光と観察用の白色光光源６２からの照明光とを共通の投光用のファイババンドル（イメージガイド）により投光する構成例を示す。
【００３５】
図８に示すように、近赤外レーザ光源６１から出射される近赤外のレーザ光は、ハーフミラー６３を介して投光用ファイバ６４に入射され、投光用ファイバ６４により伝送されて測定用レーザ光６５として出射され、集光レンズ６６を通して集光されて対象物へ投光される。また、白色光光源６２から出射される白色光も同様に、ハーフミラー６３を介して投光用ファイバ６４に入射され、投光用ファイバ６４により伝送されて観察用照明光６７として出射され、集光レンズ６６を通して観察部位へ照射される。
【００３６】
このように投光系を構成することにより、測定光と照明光の伝送用に一つのファイババンドルを共用できるので、装置構成を簡単にでき、内視鏡に適用した場合は挿入部等の外径を細径化することができる。
【００３７】
ところで、図８のような一つのファイババンドルで測定光と照明光の伝送を行う光学系では、図２と同様に測定用レーザ光６５のビームの拡がりの周辺成分を除去するために絞りを設けた場合、観察用照明光６７の大部分の光量が絞りで蹴られてしまうので、観察画像が暗くなってしまうという問題点が生じる。
【００３８】
そこで、図９及び図１０に示すように前述の絞り４４の代わりに測定光のみに絞りが機能するような絞りを用いることにより、測定光のみに有効なテレセントリック光学系を構成でき、測定光のビームの拡がりを抑えて計測の精度を向上させ、かつ、明るい観察画像を得ることが可能となる。
【００３９】
図９に示す第１の構成例では、集光レンズ６６の出射側に測定光拡散防止用絞りとして投光系の光学中心近傍に小さな開口を有する赤外吸収フィルタ６８を配設して測定光のみに機能する絞りを形成している。
【００４０】
典型的な赤外吸収フィルタは、ガラスに銅を分散させたもので、１ｍｍの厚みで可視光は７０〜８０％以上の透過率を示すが、１μｍ程度の近赤外光は０．７％以下の透過率を示す。従って、２ｍｍ厚程度では５・１０^-5程度に減衰するので、このような材質でできた赤外吸収フィルタによる絞りは近赤外光にのみ有効であることがわかる。赤外吸収フィルタ６８を通すと、測定用レーザ光６５のみが絞られてビームの拡がりの周辺成分が除去され、物体面上のビームスポット６９は位置に関わらず大きさが一定となる。
【００４１】
図１０に示す第２の構成例では、測定光拡散防止用絞りとして赤外吸収フィルタ７０と干渉フィルタ７１とを重ねて配設して測定光のみに機能する絞りを形成している。このように外吸収フィルタ７０と干渉フィルタ７１とを用いた場合も図９の第１の構成例と同等以上に絞りとしての効果が得られる。
【００４２】
上記構成例のように赤外吸収フィルタや干渉フィルタを用いて構成される波長依存性を持った絞りを設けることにより、照明光に影響を与えることなく、測定光のみを絞ることができるため、観察画像の明るさを十分に確保しつつ測定光のビームの拡がりを抑えて計測の精度を向上させることが可能となる。これにより、投光用のファイババンドルを測定光と照明光とで共用することができ、内視鏡光学系の径を細くすることができる。
【００４３】
図１１及び図１２は本発明の第３実施形態に係り、図１１は三次元形状計測装置における光学系の概略構成を示す構成説明図、図１２は色調補正回路の構成を示すブロック図である。
【００４４】
第３実施形態では、測定光の戻り光を伝送する形状計測用の伝送光学系と被写体の観察像を伝送する観察用の伝送光学系とを共通の光学系で構成した例を示す。
【００４５】
図１１に示すように、投光系は図９の構成を図２に適用した形で第２実施形態と同様に構成され、撮像系は、測定光の赤外光と観察像の可視光とを一つのファイババンドルで伝送する共通の伝送光学系８１が設けられている。伝送光学系８１の後段には、赤外光と可視光とを波長により分離するバンドパスフィルタ８２が配設され、分離された光路上にそれぞれ観察像用イメージセンサ８３と赤外光イメージセンサ８４が設けられている。観察像は観察像用イメージセンサ８３に入射して撮像され、測定光は赤外光イメージセンサ８４に入射して受光され、三次元形状計測が行われる。
【００４６】
このように撮像系を構成することにより、測定光と観察像の伝送用に一つの伝送光学系を共用できるので、装置構成を簡単にでき、光学系の部品点数を減らすことができる。内視鏡に適用した場合、伝送光学系はファイババンドルよりなるイメージガイドであり、それぞれで別個であった測定光伝送用と観察像伝送用のイメージガイドを１本にすることで、内視鏡の挿入部等の外径を細径化することができる。
【００４７】
本実施形態では、測定光として近赤外のレーザ光を用いており、バンドパスフィルタ８２は赤外光の波長付近の光を透過し、可視光を反射する。このような機能を有するバンドパスフィルタ８２は、通常、誘電体多層膜等の多層膜コートされた光学ガラスまたは石英を用いて構成されるので、反射した光のスペクトルに対しても影響がある。従って、観察像用イメージセンサ８３で撮像される画像の色調が変化してしまうため、バンドパスフィルタ８２での反射の影響を除去するように、色調補正回路８５を用いて色調に関する補正を行う。
【００４８】
色調補正回路８５は、図１２に示すように観察像用イメージセンサ８３で撮像したＲＧＢの各色信号の値から補正されたＲＧＢの値を得るルックアップテーブル（ＬＵＴ）８６を有して構成されている。ＬＵＴ８６は、観察像の画像信号をＲＧＢ成分に分解した各色信号の値に対して、バンドパスフィルタ８２の反射スペクトルとＲＧＢの等色関数から色調補正後のＲＧＢの値を計算しておき、これを検索可能なようにＲＯＭ上に記憶したもので構成される。
【００４９】
このＬＵＴ８６に観察像用イメージセンサ８３で撮像された観察像の画像信号をＲＧＢ信号に変換して入力することにより、色調補正されたＲＧＢの値を得ることができる。色調補正された観察像の画像信号は画像記録装置８７や表示装置に出力されて記録、表示される。
【００５０】
このように色調補正回路を設けて観察像の色調補正を行うことにより、撮像系の伝送光学系を形状計測用と観察用とで共用した場合においても、測定光と観察像を分離するバンドパスフィルタによる観察像の色調の乱れを補正することができ、正常な色調の観察像を得ることが可能となる。
【００５１】
［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を有し、前記被測定面からの前記測定光の反射光を受光して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装置において、
前記測定光投光手段は、テレセントリック光学系よりなる投光光学系を備えたことを特徴とする三次元形状計測装置。
【００５２】
（２）前記投光光学系は、前記測定光の拡散した周辺成分を除去する絞りを有してなることを特徴とする付記１に記載の三次元形状計測装置。
【００５３】
（３）前記投光光学系は、前記測定光を伝送する伝送光学系としてシングルモードファイバのファイババンドルを有してなることを特徴とする付記１に記載の三次元形状計測装置。
【００５４】
（４）前記投光光学系は、前記測定光を伝送するファイババンドルよりなる伝送光学系と、この伝送光学系の出射端近傍に配置した屈折率分布型マイクロレンズアレイとを有してなることを特徴とする付記１に記載の三次元形状計測装置。
【００５５】
（５）前記投光光学系は、前記測定光と観察用の白色照明光とを伝達して前記被測定面または観察対象部位に投光する測定用と観察用で共通の光学系であり、前記測定光にのみ有効なテレセントリック光学系で構成され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。
【００５６】
（６）前記投光光学系は、特定波長の光を吸収する媒質よりなる絞りを有して構成されることを特徴とする付記５に記載の三次元形状計測装置。
【００５７】
（７）前記投光光学系は、特定波長の光を干渉する媒質よりなる絞りを有して構成されることを特徴とする付記５に記載の三次元形状計測装置。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、測定光のビーム径の位置による変化をなくすことができ、三次元形状計測の精度を向上させること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実施形態に係る三次元形状計測装置における光学系の概略構成を示す構成説明図
【図３】マルチモードファイバの開口特性を示す特性図
【図４】シングルモードファイバの開口特性を示す特性図
【図５】投光用ファイバの出射端に屈折率分布型マイクロレンズアレイを設けた場合の出射光の状態を示す作用説明図
【図６】屈折率分布型マイクロレンズアレイの形成方法を示す構成説明図
【図７】投光用ファイバにシングルモードファイバを用いた場合の出射光の状態を示す作用説明図
【図８】第２実施形態に係る三次元形状計測装置における投光系の概略構成を示す構成説明図
【図９】投光系に設ける測定光拡散防止用絞りの第１の構成例を示す構成説明図
【図１０】投光系に設ける測定光拡散防止用絞りの第２の構成例を示す構成説明図
【図１１】第３実施形態に係る三次元形状計測装置における光学系の概略構成を示す構成説明図
【図１２】図１１における色調補正回路の構成を示すブロック図
【図１３】従来の三次元形状計測装置における投光系の概略構成を示す構成説明図
【符号の説明】
１…内視鏡
３…測定用光源部
４…受光部
６…白色光ランプ
７…三次元形状計測演算部
８…表示部
４１…投光用ファイバ
４３，４８…レンズ
４４…絞り
４５，４７…凹レンズ
４６…物体面
４９…伝送光学系
５０…イメージセンサ
５２…屈折率分布型マイクロレンズアレイ
５３…マルチモードファイバ
５８…シングルモードファイバ
６８，７０…赤外吸収フィルタ
７１…干渉フィルタ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the three-dimensional shape of an object, and more specifically to a medical endoscope to measure the shape of a living body such as a stomach wall or a large intestine wall, or an industrial endoscope. The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus that measures the deformation of a water pipe, gas pipe, etc., the size of a flaw, and the shape of a complicated machine.
[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. In this case, in order to measure a wide range of the object, the entire measurement area is scanned two-dimensionally with spot light.
[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. In this case, in order to measure a wide range of the object, the entire measurement region is scanned one-dimensionally with slit light.
[0004]
FIG. 13 shows a schematic configuration of a light projecting system in a conventional three-dimensional shape measuring apparatus. When three-dimensional shape measurement is performed, the beam light from the laser light source 101 is incident on the projecting fiber 102, and the measurement laser light 103 emitted to the object surface is condensed by the lens 104 and is applied to the object surface. Flood light. Then, the height information of the object plane is calculated from the position of the beam spot 105 of the measurement laser beam 103 on the object plane by the principle of triangulation. In the three-dimensional measurement by the light cutting method, the beam spot of the measurement light is continuous in a line shape.
[0005]
When a multimode fiber is used as the light projecting fiber 102, the measurement laser light 103 has an aperture angle of 17 [deg.] With 5% power as an aperture characteristic. As shown in FIG. 13, the beam diameter changes depending on the position in the optical axis direction. Even if the light emitted from the laser light source 101 is a parallel beam, the light emitted from the light projecting fiber 102 has a large beam diameter, and thus overlaps with the light emitted from the adjacent fiber.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when a multimode fiber is used as a projection fiber in a conventional three-dimensional shape measuring apparatus, the measurement light beam emitted from the projection fiber is diffused depending on the opening angle of the multimode fiber. However, there is a problem in that the beam diameter varies depending on the position in the optical axis direction even if the aperture is reduced. In addition, in a three-dimensional shape measuring apparatus using a wide-angle optical system such as an endoscope, the measurement laser light emitted from the light projecting fiber and condensed by the lens is further magnified and projected. The change due to the position in the optical axis direction is further increased.
[0007]
Therefore, in the conventional configuration, there is a problem that an error occurs when performing the three-dimensional shape measurement by the light cutting method or the like with the change of the beam diameter of the measurement light. In order to solve such a problem, it has been necessary to thin the measurement light by performing complicated image processing on the observed image.
[0008]
The present invention has been made in view of these circumstances, and provides a three-dimensional shape measuring apparatus that can eliminate changes due to the position of the beam diameter of measurement light and can improve the accuracy of three-dimensional shape measurement. The purpose is to do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention scans beam-shaped measuring light in the horizontal and vertical directions.Spot light scanning means, an image guide fiber that makes the spot light scanned in the horizontal and vertical directions by the spot light scanning means enter from the incident end and exit from the exit end, and telecentric provided at the exit end of the image guide fiber With optical system and measuring light on the surface to be measuredMeasuring light projection means to projectWhen,Height information calculating means for receiving reflected light of the measurement light from the surface to be measured and calculating height information of the surface to be measured by the principle of triangulation,WithIt is characterized byThe telecentric optical system is a refractive index distribution type microlens array provided corresponding to each opening at the exit end of the image guide fiber, and the image guide fiber further observes the surface to be measured. The illumination light for observation is emitted, and the telecentric optical system has a diaphragm function effective only for the measurement light.
In addition, an endoscope apparatus according to the present invention receives spot light scanning means for scanning beam-shaped measurement light in the horizontal and vertical directions, and spot light scanned in the horizontal and vertical directions by the spot light scanning means from an incident end. A measuring light projecting means for projecting measuring light onto the surface to be measured, having an image guide fiber that exits from the exit end, and a telecentric optical system provided at the exit end of the image guide fiber;,Height information calculating means for receiving reflected light of the measurement light from the surface to be measured and calculating height information of the surface to be measured by the principle of triangulation,Have,The image guide fiber is inserted through an insertion portion, and the telecentric optical system is provided at a distal end portion of the insertion portion.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1 to 7 relate to a first embodiment of the present invention, FIG. 1 is a diagram illustrating the overall configuration of a three-dimensional shape measuring endoscope apparatus, and FIG. 2 is a schematic configuration of an optical system in the three-dimensional shape measuring apparatus. 3 is a characteristic diagram showing the aperture characteristics of the multimode fiber, FIG. 4 is a characteristic diagram showing the aperture characteristics of the single mode fiber, and FIG. 5 is a refractive index distribution type micrometer at the output end of the light projecting fiber. FIG. 6 is a structural explanatory diagram showing a method of forming a gradient index microlens array, and FIG. 7 is a single-mode fiber used as a light projecting fiber. It is effect | action explanatory drawing which shows the state of the emitted light in case.
[0011]
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.
[0012]
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 A white light lamp 6 that emits the illumination light, 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 the calculated three-dimensional object And a display unit 8 for displaying a measurement image related to the shape.
[0013]
The endoscope 1 includes a projection image guide 10 that transmits the measurement light and observation illumination light, a shape measurement image guide 11 that transmits return light of the measurement light, and an observation image transmission that transmits an observation image of a subject. A projection lens 13, a shape measurement objective lens 14, and an observation objective lens 15 are provided at the distal end of the insertion portion 2.
[0014]
In the measurement light source unit 3, the measurement light beam emitted from the semiconductor laser 19 is emitted while moving its position by the spot light scanning means 20 that scans the spot light in the vertical and horizontal directions, and passes through the half mirror 24 and the lens 21. Then, the incident end of the projection image guide 10 of the endoscope 1 is irradiated. 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.
[0015]
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.
[0016]
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.
[0017]
The measurement light that propagates through the projection image guide 10 of the endoscope 1 and is irradiated onto the object through the projection lens 13 is reflected by the object surface and propagates through the shape measurement image guide 11 through the shape measurement objective lens 14. Then, the light is projected through a lens 28 onto a tape-shaped optical fiber array 29 including a plurality (n) of tape-shaped fibers 29-1 to 29 -n. Each of the tape-like fibers 29-1 to 29-n corresponds to one row of pixels, and the reflected light incident on each fiber is condensed and guided to one light receiving element 30-1 to 30-n. . As the light receiving elements 30-1 to 30-n, highly sensitive light receiving elements such as photomultipliers (photomultiplier tubes) are used.
[0018]
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).
[0019]
Here, if the shift of the measurement light beam in the horizontal scanning direction is not considered, information on the shift of the beam in the vertical direction is obtained depending on which of the light receiving elements 30-1 to 30-n is incident. be able to.
[0020]
In order to determine which of the light receiving elements 30-1 to 30-n the measurement light is incident on, the output signals of the respective light receiving elements 30-1 to 30-n are amplifiers 31-1 to 31 having the same characteristics. Amplified by -n and compared by the multi-channel comparator 32, the position in the vertical direction is obtained from the position of the light receiving element having the highest level. 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.
[0021]
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.
[0022]
Further, when observing a two-dimensional image, the illumination light for observation emitted from the white light lamp 6 is irradiated to the projection image guide 10 through the half mirror 24 and the lens 21 to the tip of the endoscope. The transmitted object image is illuminated through the projection lens 13, and the object image formed and transmitted through the observation objective lens 15 and the observation image transmission image guide 12 is transmitted to the naked eye from the observation lens 37 of the eyepiece. Observe at. 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.
[0023]
Here, FIG. 2 shows a schematic configuration of the optical system according to the present embodiment for performing three-dimensional shape measurement by the light cutting method.
[0024]
The measurement light 42 emitted from the light source and scanned in a line shape through the light projecting fiber 41 to be in a substantially parallel light state is condensed by the lens 43, is emitted through the aperture 44 through the concave lens 45, and is emitted with a wide aperture, and the object surface 46. Will be flooded. The measurement light reflected at the position (x, y) on the object plane 46 is imaged by the imaging concave lens 47 and lens 48 and guided to the image sensor 50. At this time, if there is a transmission optical system 49 using a fiber at the rear stage of the lens 48, the measurement light beam is appropriately focused and transmitted to be transmitted to the image sensor 50. The diaphragm 44 has a function of removing peripheral light components from the beam spread of the measurement light 42.
[0025]
Here, a method for obtaining the height information of the object surface 46 of the object in FIG. 2 will be described. For simplicity, the distance from the reference surface 51 to the back focus BF of the projection concave lens 45 and the back focus BF ′ of the imaging concave lens 47 is the same as A. The axis in the height direction of the object is the z axis, the axis parallel to the paper plane and orthogonal to the height direction is the x axis, and the axis perpendicular to the paper plane and orthogonal to the height direction is the y axis. The reference for the position coordinates x, y in the x-axis direction and the y-axis direction is on the image plane of the imaging system.
[0026]
Considering the measurement light 42 reflected at the point P (x, y) on the object plane 46, the x coordinate of the optical axis of the light projecting system is X0, the z coordinates of BF and BF 'are Z0, and BF and the point P. The angle z between the connecting straight line and the reference plane 51 is theta (x, y), and the position z in the height direction of the point P is

It becomes.
[0027]
At this time, the positional accuracy of x and y is determined by the size of the beam spot of the measurement light 42 on the object plane 46. When the beam to be projected has a spread, in order to accurately obtain the position of the point P (x, y), the position of the center of gravity of the beam of measurement light is detected by image processing, or in the light cutting method, a line shape is detected. An algorithm that reduces the line width of the measurement light is used. If the optical system suppresses the beam spread of the measurement light and eliminates the influence of diffused light when performing three-dimensional shape measurement, the load on the part that depends on these algorithms can be reduced, and high-precision measurement is possible. It becomes.
[0028]
Figure3And figure4Shows the angular distribution of the intensity of the outgoing light emitted from the fiber.3Is the multimode fiber, figure4These are the characteristic figures concerning a single mode fiber. The multimode fiber has an opening angle of 17 ° at 5% power, but the single mode fiber has an opening angle of 5 ° at 5% power, and the spread of the emitted beam becomes small. However, even with an aperture angle of 5 °, a wide-angle optical system such as an endoscope has a beam expansion on the projection plane, so the beam diameter depends on the distance of the projection plane.
[0029]
When a multimode fiber is used as the light projecting fiber 41, a refractive index distribution type microlens array 52 as shown in FIG. 5 is provided at the exit end of the multimode fiber 53 to constitute a telecentric optical system, thereby expanding the beam. Try to suppress. A method of forming the gradient index microlens array 52 is shown in FIG. After a metal coating 55 is applied to the surface of the glass substrate 54, an exposed portion 56 is provided on the metal coating 55 to form a mask pattern, ion exchange is performed to change the refractive index inside the glass substrate 54, and then the metal coating 55 is coated. By removing the mask, a gradient index microlens array 52 is formed.
[0030]
By condensing the light emitted from the multimode fiber 53 through the gradient index microlens array 52 and suppressing the spread of the emitted beam 57, the collection efficiency of the emitted light can be improved. In this way, the beam spread of the measurement light 42 may be reduced and projected onto the lens 43.
[0031]
In addition, as shown in FIG. 7, if a single mode fiber 58 is used as the light projecting fiber 41, the beam can be obtained without using a gradient index microlens array 52 or the like as in the case of a multimode fiber. Expansion can be suppressed. In the single mode fiber, the spread of the beam 60 with respect to the principal ray 59 of the outgoing light is about 6 °, so that the spread of the beam can be made smaller than in the multimode fiber, and the peripheral portion kicked by the stop 44 of the light projecting system The amount of light can be reduced. Note that when a single mode fiber is used, the exit angle of the single mode fiber may not always be constant in an optical system in which the bending state always changes like a flexible endoscope. Therefore, even when a single mode fiber is used, it is necessary to configure a telecentric optical system on the output side as shown in FIG.
[0032]
As described above, in the present embodiment, it is possible to eliminate the change due to the position of the beam diameter by configuring the light projecting system by the telecentric optical system and suppressing the spread of the beam of the measurement light emitted from the light projecting fiber, It is possible to improve the accuracy of three-dimensional shape measurement by increasing the detection accuracy of the beam spot position of the measurement light on the target object surface.
[0033]
FIGS. 8 to 10 relate to a second embodiment of the present invention, FIG. 8 is a configuration explanatory view showing a schematic configuration of a light projecting system in the three-dimensional shape measuring apparatus, and FIG. 9 is a measurement light diffusion prevention provided in the light projecting system. FIG. 10 is a structural explanatory view showing a second structural example of a stop for measuring light diffusion prevention provided in the light projecting system.
[0034]
In the second embodiment, the measurement light from the near-infrared laser light source 61 for measurement and the illumination light from the white light source 62 for observation are projected by a common light-projecting fiber bundle (image guide). An example is shown.
[0035]
As shown in FIG. 8, the near-infrared laser light emitted from the near-infrared laser light source 61 is incident on the light projecting fiber 64 through the half mirror 63 and transmitted by the light projecting fiber 64 to be measured. Is emitted as a laser beam 65 for use, condensed through a condenser lens 66, and projected onto an object. Similarly, white light emitted from the white light source 62 is incident on the light projecting fiber 64 through the half mirror 63, transmitted through the light projecting fiber 64, and emitted as observation illumination light 67, and collected. The observation site is irradiated through the optical lens 66.
[0036]
By configuring the light projecting system in this way, one fiber bundle can be shared for the transmission of measurement light and illumination light, so that the device configuration can be simplified, and when applied to an endoscope, the insertion part or the like can be The diameter can be reduced.
[0037]
By the way, in the optical system that transmits the measurement light and the illumination light with one fiber bundle as shown in FIG. 8, a diaphragm is provided in order to remove the peripheral component of the beam spread of the measurement laser light 65 as in FIG. In this case, since most of the light quantity of the observation illumination light 67 is kicked by the diaphragm, there arises a problem that the observation image becomes dark.
[0038]
Therefore, as shown in FIGS. 9 and 10, a telecentric optical system effective only for the measurement light can be configured by using a stop that functions only for the measurement light instead of the above-described stop 44. It is possible to improve the measurement accuracy by suppressing the beam expansion and to obtain a bright observation image.
[0039]
In the first configuration example shown in FIG. 9, an infrared absorption filter 68 having a small aperture is disposed near the optical center of the light projecting system as an aperture for preventing measurement light diffusion on the exit side of the condenser lens 66. It forms a diaphragm that only functions.
[0040]
A typical infrared absorption filter is a glass in which copper is dispersed. Visible light has a transmittance of 70 to 80% or more at a thickness of 1 mm, but near infrared light of about 1 μm is 0.7%. The following transmittance is shown. Therefore, 5 · 10 at a thickness of about 2 mm.^-FiveSince it attenuates to a certain extent, it can be seen that a diaphragm using an infrared absorption filter made of such a material is effective only for near-infrared light. When the infrared absorption filter 68 is passed, only the measurement laser beam 65 is narrowed to remove the peripheral component of the beam expansion, and the size of the beam spot 69 on the object plane is constant regardless of the position.
[0041]
In the second configuration example shown in FIG. 10, an infrared absorption filter 70 and an interference filter 71 are arranged to overlap as a measurement light diffusion prevention stop, thereby forming a stop that functions only for measurement light. In this way, even when the outer absorption filter 70 and the interference filter 71 are used, the effect as a diaphragm can be obtained as much as or more than that of the first configuration example of FIG.
[0042]
By providing a stop with wavelength dependency configured using an infrared absorption filter or an interference filter as in the above configuration example, only the measurement light can be stopped without affecting the illumination light. It is possible to improve the measurement accuracy by ensuring the brightness of the observation image while suppressing the spread of the measurement light beam. Thereby, the fiber bundle for light projection can be shared by measurement light and illumination light, and the diameter of the endoscope optical system can be reduced.
[0043]
FIGS. 11 and 12 relate to a third embodiment of the present invention, FIG. 11 is a configuration explanatory diagram showing a schematic configuration of an optical system in a three-dimensional shape measuring apparatus, and FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of a color tone correction circuit. .
[0044]
In the third embodiment, an example in which a transmission optical system for shape measurement that transmits return light of measurement light and an observation transmission optical system that transmits an observation image of a subject are configured by a common optical system is shown.
[0045]
As shown in FIG. 11, the light projecting system is configured in the same manner as in the second embodiment by applying the configuration of FIG. 9 to FIG. 2, and the imaging system includes infrared light of measurement light and visible light of an observation image. Is transmitted through a single fiber bundle. A band-pass filter 82 that separates infrared light and visible light according to wavelength is disposed downstream of the transmission optical system 81, and an observation image sensor 83 and an infrared light image sensor 84 are respectively provided on the separated optical paths. Is provided. The observation image is incident on the observation image sensor 83 and picked up. The measurement light is incident on the infrared light image sensor 84 and received, and three-dimensional shape measurement is performed.
[0046]
By configuring the imaging system in this way, one transmission optical system can be shared for transmitting the measurement light and the observation image, so that the apparatus configuration can be simplified and the number of parts of the optical system can be reduced. When applied to an endoscope, the transmission optical system is an image guide made of a fiber bundle, and the endoscope is provided with one image guide for measuring light transmission and one for observation image transmission, which are separate from each other. The outer diameter of the insertion portion or the like can be reduced.
[0047]
In the present embodiment, near-infrared laser light is used as measurement light, and the bandpass filter 82 transmits light near the wavelength of infrared light and reflects visible light. Since the band-pass filter 82 having such a function is normally configured using optical glass or quartz coated with a multilayer film such as a dielectric multilayer film, the spectrum of reflected light is also affected. Accordingly, since the color tone of the image picked up by the observation image sensor 83 changes, the color tone correction circuit 85 is used to correct the color tone so as to eliminate the influence of reflection by the bandpass filter 82.
[0048]
As shown in FIG. 12, the color tone correction circuit 85 includes a look-up table (LUT) 86 for obtaining RGB values corrected from the RGB color signal values captured by the observation image sensor 83. Yes. The LUT 86 calculates the RGB value after color tone correction from the reflection spectrum of the bandpass filter 82 and the RGB color matching function for each color signal value obtained by decomposing the image signal of the observation image into RGB components. Is stored in the ROM so as to be searchable.
[0049]
By converting the image signal of the observation image picked up by the observation image sensor 83 into the LUT 86 and converting it into an RGB signal, it is possible to obtain RGB values that have undergone color tone correction. The image signal of the observation image whose color tone has been corrected is output to an image recording device 87 or a display device, where it is recorded and displayed.
[0050]
By providing a color tone correction circuit and correcting the color tone of the observation image in this way, a bandpass that separates the measurement light and the observation image even when the transmission optical system of the imaging system is shared for shape measurement and observation Disturbance of the color tone of the observation image due to the filter can be corrected, and an observation image having a normal color tone can be obtained.
[0051]
[Appendix]
(1) A measuring light projecting unit that scans the beam-shaped measuring light in the horizontal and vertical directions and projects the measuring light onto the surface to be measured, receives the reflected light of the measuring light from the surface to be measured, and performs triangulation In the three-dimensional shape measuring apparatus that calculates the height information of the surface to be measured according to the principle,
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the measuring light projecting means includes a projecting optical system comprising a telecentric optical system.
[0052]
(2) The three-dimensional shape measuring apparatus according to appendix 1, wherein the light projecting optical system includes a diaphragm that removes a diffused peripheral component of the measurement light.
[0053]
(3) The three-dimensional shape measuring apparatus according to appendix 1, wherein the projection optical system includes a fiber bundle of a single mode fiber as a transmission optical system that transmits the measurement light.
[0054]
(4) The light projecting optical system includes a transmission optical system including a fiber bundle that transmits the measurement light, and a gradient index microlens array disposed in the vicinity of an emission end of the transmission optical system. The three-dimensional shape measuring apparatus according to appendix 1, characterized by:
[0055]
(5) The light projecting optical system is a common optical system for measurement and observation that transmits the measurement light and observation white illumination light and projects the measurement light and the observation target site. The three-dimensional shape measuring apparatus according to appendix 1, wherein the three-dimensional shape measuring apparatus is configured by a telecentric optical system effective only for the measuring light.
[0056]
(6) The three-dimensional shape measuring apparatus according to appendix 5, wherein the light projecting optical system includes a stop made of a medium that absorbs light of a specific wavelength.
[0057]
(7) The three-dimensional shape measuring apparatus according to appendix 5, wherein the light projecting optical system includes a stop made of a medium that interferes with light having a specific wavelength.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is an effect that it is possible to provide a three-dimensional shape measuring apparatus capable of eliminating the change due to the position of the beam diameter of the measurement light and improving the accuracy of the three-dimensional shape measurement. .
[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 schematic configuration of an optical system in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the aperture characteristics of a multimode fiber.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the aperture characteristics of a single mode fiber.
FIG. 5 is an operation explanatory diagram showing the state of emitted light when a refractive index distribution type microlens array is provided at the exit end of the light projecting fiber.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating a method for forming a gradient index microlens array.
FIG. 7 is an operation explanatory diagram showing a state of emitted light when a single mode fiber is used as a light projecting fiber.
FIG. 8 is a configuration explanatory view showing a schematic configuration of a light projecting system in the three-dimensional shape measuring apparatus according to the second embodiment.
FIG. 9 is a configuration explanatory view showing a first configuration example of a stop for measuring light diffusion prevention provided in a light projecting system.
FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating a second configuration example of a stop for measuring light diffusion prevention provided in a light projecting system.
FIG. 11 is a configuration explanatory view showing a schematic configuration of an optical system in a three-dimensional shape measuring apparatus according to a third embodiment.
12 is a block diagram showing a configuration of a color tone correction circuit in FIG.
FIG. 13 is a configuration explanatory view showing a schematic configuration of a light projecting system in a conventional three-dimensional shape measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
1 ... Endoscope
3 ... Light source for measurement
4. Light receiving part
6 ... White light lamp
7… Three-dimensional shape measurement calculation unit
8 ... Display section
41. Light emitting fiber
43,48 ... Lens
44 ... Aperture
45, 47 ... concave lens
46 ... Object surface
49. Transmission optical system
50 ... Image sensor
52. Refractive index distribution type microlens array
53 ... Multimode fiber
58 ... Single mode fiber
68, 70 ... Infrared absorption filter
71: Interference filter

Claims

Spot light scanning means for scanning the beam-shaped measurement light in the horizontal and vertical directions, an image guide fiber for allowing the spot light scanned in the horizontal and vertical directions by the spot light scanning means to enter from the incident end and to exit from the exit end, and and a telecentric optical system provided on the exit end of the image guide fiber, a measuring light projecting means for projecting measurement light to the measurement surface,
Height information calculation means for receiving reflected light of the measurement light from the measurement surface and calculating height information of the measurement surface according to the principle of triangulation ;
Three-dimensional shape measuring apparatus comprising the.

2. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the telecentric optical system is a refractive index distribution type microlens array provided corresponding to each opening at the exit end of the image guide fiber .

2. The image guide fiber further emits observation illumination light for observing the surface to be measured, and the telecentric optical system has a diaphragm function effective only for the measurement light. Or the three-dimensional shape measuring apparatus of 2 .

Spot light scanning means for scanning the beam-shaped measurement light in the horizontal and vertical directions, an image guide fiber for allowing the spot light scanned in the horizontal and vertical directions by the spot light scanning means to enter from the incident end and to exit from the exit end, and A telecentric optical system provided at the exit end of the image guide fiber, and measuring light projecting means for projecting the measuring light onto the surface to be measured ;
Height information calculation means for receiving reflected light of the measurement light from the measurement surface and calculating height information of the measurement surface according to the principle of triangulation ;
Have
An endoscope apparatus, wherein the image guide fiber is inserted through an insertion portion, and the telecentric optical system is provided at a distal end portion of the insertion portion .