JP6270318B2 - 内面形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内面形状測定装置、より詳しくは、光切断法を用いて測定を行う内面形状測定装置に関する。

従来、被検物の内面形状を測定する目的で、光切断法を用いて測定を行う内面形状測定装置が用いられている。例えば、管状の内部空間を有する被検物の周壁面全周に向けて放射状に広がる平板状光束を投影し、周壁面上に周方向にわたるリング状の光切断線を生じさせ、この光切断線を撮像した画像上における光切断線の位置を検出することで、所定の座標系における被検物の内面形状を求めることができる装置が知られている。

特許文献１には、このような内面形状測定を行うための光切断計測用平板状光束投光装置（以下、単に「投光装置」と称する。）が記載されている。この投光装置は、光源と、光源からの光束を前方へ向かわせる光学手段と、当該光束を方向変換して放射状に広がる平板状光束として投影する円錐状反射鏡とを備えている。

特許第２８６２７１５号公報

特許文献１に記載の投光装置では、平板状光束を投影するために、円錐状反射鏡の軸と光源からの光束の光軸とを略一致させる必要がある。被検物が例えばトンネルのように大きく、投光装置も比較的大きい場合は、軸の一致度合いにそれほど精度は求められないが、投光装置を小さくしようとすればするほど、高精度に軸を一致させる必要が生じるため、組み付け作業等が煩雑となる。

また、光切断線の幅を狭めようとするときは、円錐状反射鏡の頂点付近のみに光束を照射する必要がある。ここで、頂点が丸まっているなど、円錐状反射鏡の加工精度が低いと、光束が狙った方向に反射せず、平板状光束が好適に投影できない。したがって、円錐状反射鏡には高い加工精度が要求され、投光装置を小さくしようとすればするほど、その要求を満たすことが困難となる。
これらの事情から、特許文献１に記載の投光装置を小型かつ安価に製造することは容易ではない。

本発明は、平板状光束を投影することが可能でありながら、安価に製造でき、小型化が容易な構造を有する内面形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、光切断法を用いて被検物の内面形状を測定する内面形状測定装置であって、周方向に延びて光が透過可能な一つ以上のスリットを有する筒状の外周部と、前記外周部の軸線と略直交する方向に発光面が向けられた一つ以上の発光素子を有して前記外周部内に配置された光源ユニットと、を有し、前記被検物に対して前記スリットから所定の厚みの光束を投影する投影部と、前記光束が投影された前記被検物の内面を撮像する撮像部と、を備え、前記投影部は、前記スリットに対して前記発光素子からの光束を直接通過させるように前記光源ユニットを前記外周部内に配置すると共に、前記スリットを、前記外周部の軸方向に位置調整可能とし、前記外周部は、透明性を有する筒状の本体と、前記発光素子からの光を遮光する遮光性を有するものであって、それぞれ前記本体に設けられ、互いの間隙を形成することで前記スリットを形成する複数の遮蔽管と、を有し、前記複数の遮蔽管は、前記本体に対して、前記本体の軸線方向に沿って摺動可能且つ前記本体の任意の位置で固定可能であることにより、前記本体における前記スリットの位置及び幅を調整可能に構成されていることを特徴とする。

前記発光素子は、前記外周部の周方向に並べて複数配置されていてもよい。

前記一つ以上の発光素子は、自身の発光面が前記外周部の先端側に向けられるように、前記外周部内に配置されていてもよい。

本発明の内面形状測定装置によれば、平板状光束を投影することが可能でありながら、構造上安価に製造でき、容易に小型化することができる。

本発明の第一実施形態に係る内面形状測定装置の全体構成を示す模式図である。 同内面形状測定装置の挿入部の先端側を模式的に示す断面図である。 同内面形状測定装置の使用時の一形態を示す断面図である。 同内面形状測定装置の変形例における挿入部先端側を模式的に示す断面図である。 同変形例の投影部の断面図である。 本発明の第二実施形態に係る内面形状測定装置の挿入部の先端側を模式的に示す断面図である。 本発明の変形例に係る内面形状測定装置の挿入部の先端側を模式的に示す断面図である。

本発明の第一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態の内面形状測定装置（以下、単に「測定装置」と称する）１の全体構成を示す模式図である。測定装置１は、長尺の挿入部１０と、挿入部１０の先端側に設けられて所定の厚みの光束を投影する投影部２０と、平板状光束により生じる光切断線を撮像する撮像部３０と、撮像部３０で取得された映像信号の処理や解析を行う演算部４０と、撮像部３０で取得された映像を表示する表示部５０と、各種操作入力を行うための操作部６０とを備えている。

挿入部１０は管状に形成されており、先端側の一定領域を除いて可撓性を有する。必要に応じて湾曲コマや節輪等を備えた公知の湾曲機構を設け、挿入部を能動的な湾曲操作可能に構成してもよい。

図２は、挿入部１０の先端側を模式的に示す断面図である。投影部２０は、光源となるＬＥＤ素子（発光素子）２１を有する光源ユニット２２と、光源ユニット２２の周囲に設けられた筒状の外周部２３とを備えている。

外周部２３は、樹脂等で筒状に形成されており、光を透過可能な透明性を有する本体２３ａと、本体２３ａに対して摺動可能に取り付けられた遮蔽部２４とを有する。外周部２３の外径は挿入部１０と略同一であり、基端部が挿入部１０の先端部と接続されている。光源ユニット２２は、基部２２ａと、基部２２ａと接続された基板部２２ｂとを有し、ＬＥＤ素子２１は、基板部２２ｂの厚さ方向の両面に１つずつ実装されている。基板部２２ｂは、外周部２３の軸線と略平行に延びるように配置されているため、各ＬＥＤ素子２１は、外周部１３の軸線と略直交する方向に自身の発光面を向けるように配置されている。光源ユニット２２に電気を供給する配線２５は、挿入部１０内を通って基端側に延びている。

遮蔽部２４は、略同一形状の第一遮蔽管２４Ａおよび第二遮蔽管２４Ｂを有する。第一遮蔽管２４Ａおよび第二遮蔽管２４Ｂは、金属や有色の樹脂等で形成され、ＬＥＤ素子２１から発せられた光が外周部２３の外に漏れることを防止する。第一遮蔽管２４Ａおよび第二遮蔽管２４Ｂの内径は、外周部２３の外径よりもわずかに大きい。そのため、外周部２３の外側に嵌められた各遮蔽管２４Ａ、２４Ｂは、外周部２３に対して外周部２３の軸線方向に摺動可能であり、摩擦係止等により外周部２３に対して任意の位置で係止させることができる。また、第一遮蔽管２４Ａと第二遮蔽管２４Ｂとの距離も任意の値に調節可能である。
外周部２３の先端側の開口は遮蔽されており、光源ユニット２２の光が開口から漏れたり、外周部２３の内部にゴミ等が入ったりしないようになっている。また、投影部２０の基端側は基部２２ａにより遮蔽されており、撮像部３０の配置された空間にも光源ユニット２２の光は漏れない。

撮像部３０は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子３１と撮像光学系３２とを備え、投影部２０から投影された円盤状光束およびそれに伴って被検物内面に生じる光切断線を撮像する。撮像部３０の基本構造は公知であり、一般的な内視鏡装置の撮像機構等と同様のものを用いることができる。必要に応じて、ＬＥＤ素子等の照明機構を撮像部に設けてもよい。撮像素子３１は、必ずしも挿入部１０の先端側に配置されなくてもよい。挿入部１０の基端側や演算部４０の付近に配置される場合は、円盤状光束等を観察可能な位置とイメージガイドで接続すればよい。撮像部３０で取得された映像信号は、信号線３３を通って演算部４０に送られる。

図１に戻って、演算部４０は、撮像部３０から受け取った映像信号の処理や、映像中の光切断線に基づいた被検物内面形状の算出等を行う。また、操作部６０からの操作入力に基づき、測定装置１の全体動作を制御する。
表示部５０は、演算部４０で処理された映像信号を表示するもので、公知のディスプレイ等を用いることができる。
操作部６０の具体的態様に特に制限はなく、例えば挿入部の基端側に設けられたコントローラであってもよいし、表示部５０の画面に表示されたボタンやキーボード等のグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）であってもよい。操作部の具体的態様は、公知の各種態様から適宜選択されて決定されてよい。

上記のように構成された測定装置１の使用時の動作について説明する。まず使用者は、第一遮蔽管２４Ａおよび第二遮蔽管２４Ｂを、外周部２３の所望の位置に移動させ、係止固定する。第一遮蔽管２４Ａの基端と第二遮蔽管２４Ｂの先端との間がスリットとなって円盤状光束（後述）が投影されるため、各遮蔽管２４Ａ、２４Ｂの外周部２３における位置を調節することで、光切断線の投影位置および円盤状光束の厚みや輝度等を調節することができる。

使用者は、挿入部１０を被検物に挿入し、撮像部３０で外周部２３越しに被検物の内部を観察しながら、計測を行う対象部位まで投影部２０を含む挿入部１０の先端部を導入する。導入時の照明としては、投影部２０から投影される円盤状光束を用いてもよいし、別途撮像部に設けた照明機構を用いてもよい。

挿入部１０の先端が対象部位に到達したら、使用者は投影部２０の光源ユニット２２をオンにする（すでにオンになっている場合もある）。すると、ＬＥＤ素子２１から発せられた光は、透明性を有する外周部２３を透過し、第一遮蔽管２４Ａと第二遮蔽管２４Ｂとの間に形成されたスリットＳｌを通って投影部２０の外部に漏れ、投影部２０から略円盤状の光束Ｂが投影される。この円盤状光束は、被検物の内面に到達し、被検物内面に光切断線を生じさせる。

使用者は、撮像部３０で外周部２３越しに光切断線を含む被検物内面の映像を取得する。撮像部３０から送られた映像信号は、演算部４０で適宜処理されて表示部５０に表示される。使用者が操作部６０を介して所定の操作入力を行うと、表示部５０に表示された画像に基づいて、演算部４０で光切断法を用いた公知の演算が行われ、被検物の内面形状が計測される。
ＬＥＤ素子２１から発せられる光は、平行光ではないため、投影部２０の外部で若干拡散するが、被検物と挿入部１０との距離が小さい時にはこの拡散は測定にほとんど影響しない。また、被検物と挿入部とが離れていた場合でも、一定の精度で光切断法による計測を行うことが可能である。

本実施形態の測定装置１によれば、簡素な構造の光源ユニット２２および遮蔽部２４を備えて投影部２０が構成されているため、高精度に加工された円錐状反射鏡を必要としない。また、円錐状反射鏡と光源との精密な位置合わせも必要ないため、円盤状光束を投影する構造を安価かつ簡便に構成することができる。さらに装置の小型化も容易である。

また、投影部の先端側に円錐状反射鏡を配置する必要がないため、投影部の軸線方向の長さを短くすることができる。挿入部１０を軸方向に前後させて、円盤状光束を被検物に投影しながら被検物の内面をスキャンする際に、小型な投影部であると、円盤状光束を投影できない領域を小さくすることができ、測定可能領域を広げることができる。さらに、図３に示すように、円盤状光束が投影されるスリットＳｌをＬＥＤ素子２１よりも先端側に位置させることで、光束Ｂを前方に投影し、投影部２０よりもさらに前方に光切断線を生じさせることも可能になるため、スキャンできない領域をなくすことができる。このとき、投影部２０から投影される光束Ｂの形状は、円錐又は円錐台の側面様となる。

さらに、遮蔽部２４が第一遮蔽管２４Ａおよび第二遮蔽管２４Ｂを有しているため、外周部２３に対して容易に移動かつ係止させることで、光束の投影位置および光束の厚みや輝度等を自在かつ簡便に調節することができる。

さらに、光源ユニット２２のＬＥＤ素子２１は、発光面を外周部２３の軸線に直交する方向に向けているため、ＬＥＤ素子２１から発せられる光を効率よく投影部の外部に向かって照射することができる。

本実施形態では、光源ユニットが２つのＬＥＤ素子を備える例について説明したが、光源ユニットが備える光源の数はこれには限られず、例えば、図４および図５に示すように、投影部２０の周方向にＬＥＤ素子２１が４つ並べて配置されてもよい。このようにすると、投影される光束の輝度ムラを低減させることができる。もちろん、光源の数をこれ以上に多くすることも可能である。この他、例えば周方向のある位相に複数の光源がアレイ状に配置されてもよいし、基板部２２ｂの厚さ方向の一方（例えば上方）のみに光源が配置されてもよい。後者の場合、投影部２０のおよそ上半分の領域のみから光束が投影されるが、投影部２０および挿入部１０は、通常被検物の下面に接触しているため、下面側に光束が投影されなくても、多くの場合被検物内面の大部分の計測が可能である。

次に、本発明の第二実施形態について、図６を参照して説明する。本実施形態と第一実施形態との異なるところは、光源の配置態様である。なお、以降の説明において、既に説明したものと共通する構成等については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図６は、本実施形態の測定装置７１の先端部を模式的に示す断面図である。投影部７２の光源ユニット７３において、基部７３ａは基板部の機能を兼ねており、基部７３ａの先端側の面に、ＬＥＤ素子７４が一つ取り付けられている。ＬＥＤ素子７４は、投影部７２の中心軸上に配置されてその発光面を外周部２３の軸線が延びる前方に向けており、発光面の向きと投影部７２の軸線とが略平行となっている。

本実施形態の測定装置７１においても、第一実施形態と同様に、光束Ｂを投影する構造を安価かつ簡便に構成することができる。
また、ＬＥＤ素子７４を一つだけ備え、その発光面が前方に向けられているため、装置全体をさらに小型化することができる。本実施形態の構成では、前方に強い光が発せられるため、図６に示すように、光束ＢをＬＥＤ素子７４よりも前方に投影するのに適している。

本実施形態は特に小型化に適した構成であるが、寸法的に許容される限りにおいて複数の光源が基部７３ａ上に配置されてもよいことは当然である。

以上、本発明の各実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成要素の組み合わせを変えたり、各構成要素に種々の変更を加えたり、削除したりすることが可能である。

まず、本発明の測定装置において、投影部の構成は、上述の各実施形態における物に限られず、様々に変更することができる。
図７に示す変形例では、遮蔽部８０が遮蔽管８１、８２、８３の３つの遮蔽管を備えており、遮蔽管８１と遮蔽管８２との間、および遮蔽管８２と遮蔽管８３との間にそれぞれスリットＳｌ１、Ｓｌ２を形成して、２つの光束Ｂ１、Ｂ２を投影可能に構成されている。このようにすると、一度に複数の光切断線を生じさせることができ、効率よく内面形状の測定を行うことができる。軸線方向の寸法が異なる複数の遮蔽管を用意すれば、スリットの数をさらに増やしたり、各スリットの幅や位置関係を所望の内容に調節したりすることが可能となる。

また、複数の遮蔽管で遮蔽部を構成するのに代えて、透明な管状部材に一つ以上のリング状の透明領域（スリット）を残し、その他の領域を黒く着色する等により光を透過しない遮光領域とした部材を用いて遮蔽部を構成してもよい。このような遮蔽部であれば、スリットの幅が違う数種類のものをあらかじめ準備しておき、被検体に合わせて使い分けることで、円盤状光束の厚みや輝度等を調節することができる。このように、複数の遮蔽管を用いない構成の遮蔽部であっても、同様の効果を得ることができる。

さらに、透明領域と遮光領域とを有する管状部材を外周部として用い、遮蔽管等を用いずに投影部を構成してもよい。この場合でも、外周部２３の先端側を開けた状態で、治具等を用いて光源ユニットを軸方向に位置調整し、位置調整後に外周部２３の先端側を遮蔽すれば光切断線の投影位置の調整を容易に行うことができる。
また、遮蔽部は、必ずしも外周部の外側に嵌められる必要はなく、内側に嵌められてもよい。

また、発光素子についても、上述のＬＥＤ素子には限定されず、レーザーダイオードなどの他の発光素子が用いられてもよい。さらに、必要に応じて拡散板やコリメートレンズ等の各種光学部材を組み合わせて、発光素子から出射される光を適宜望ましい形に調節してもよい。

さらに、モーター等の駆動機構を用いることにより、遮蔽部や撮像部を挿入部に対して進退可能に構成してもよい。このようにすると、測定装置を被検物内部に挿入した後も、出射される光束や取得される画像の調節を行うことができる。

また、本発明の測定装置は、投影部にリング状の遮光領域を設ける等により、円盤状等の光束でなく円盤状等の影を投影する構成としてもよい。このようにしても、被検物表面における影と光との境界線を光切断線として光切断法による内面計測を行うことができる。

１、７１ 内面形状測定装置
２０、７２ 投影部
２１、７４ ＬＥＤ素子（発光素子）
２２、７３ 光源ユニット
２３ 外周部
２３ａ 本体
２４、８０ 遮蔽部
２４Ａ 第一遮蔽管
２４Ｂ 第二遮蔽管
３０ 撮像部
８１、８２、８３ 遮蔽管

Claims (3)

1. 光切断法を用いて被検物の内面形状を測定する内面形状測定装置であって、
   周方向に延びて光が透過可能な一つ以上のスリットを有する筒状の外周部と、前記外周部の軸線と略直交する方向に発光面が向けられた一つ以上の発光素子を有して前記外周部内に配置された光源ユニットと、を有し、前記被検物に対して前記スリットから所定の厚みの光束を投影する投影部と、
   前記光束が投影された前記被検物の内面を撮像する撮像部と、
   を備え、
   前記投影部は、前記スリットに対して前記発光素子からの光束を直接通過させるように前記光源ユニットを前記外周部内に配置すると共に、前記スリットを、前記外周部の軸方向に位置調整可能とし、
   前記外周部は、
   透明性を有する筒状の本体と、
   前記発光素子からの光を遮光する遮光性を有するものであって、それぞれ前記本体に設けられ、互いの間隙を形成することで前記スリットを形成する複数の遮蔽管と、
   を有し、
   前記複数の遮蔽管は、前記本体に対して、前記本体の軸線方向に沿って摺動可能且つ前記本体の任意の位置で固定可能であることにより、前記本体における前記スリットの位置及び幅を調整可能に構成されていることを特徴とする内面形状測定装置。
2. 前記発光素子は、前記外周部の周方向に並べて複数配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内面形状測定装置。
3. 前記一つ以上の発光素子は、自身の発光面が前記外周部の先端側に向けられるように、前記外周部内に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の内面形状測定装置。

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