JPH01200214A - 計測内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的〕 （産業上の利用分野） この発明は二次元の規則的なパターン光を照射して撮像
し、パターンの歪みから被写体の凹凸等を非接触に計測
する計測内視鏡装置に関し、さらに詳しくは、被写体の
撮像画像から前記パターンの検出をより容易にするだめ
の同装置の照射機構の改良に関する。

（従来の技術） 機械装置や消遺物、あるいは人体等の観察対象の内部に
スコープを導入し、このスコープの先端部に設けた光学
撮像系により体腔内等の被′ｊ″Ｆ１本を撮像し［察す
る内視鏡装置は各分野で利用されている。

この内視鏡に二次元の規則的なパターン光、例えばレー
ザスポットアレイ等を発生して被写体に投射する手段を
設け、撮像した画像における前記パターンの歪みを計測
して被写体表面各部分の三次元的な位置情報を求め、凹
凸等の形状＝ｔｎ報を得る、いわゆる計測内視鏡装置が
ある。

二次元の規則的なパターン光を得る方法の一例を第１４
図に示す０例えば直径約２０μｍ程の透過積グラスファ
イバ２６ａ、２７ａを並列に一層に隙間なく並べた数ｍ
ｍ角程度の２枚のシート２６．２７を各層のファイバが
互いに直交するように貼合せた回折格子２３を用いる。

この回折格子２３に、第１５図に示すようにレーザ光源
のオシレータ２８から発したレーザ光２つを垂直入射す
ることにより、その前方に正方格子状の輝点アレイ（以
下、スポット光と称す）２５を発生させることができる
。

このようなパターン光発生手段を用いて、第１２図およ
び第１３図に示すように、内視鏡スコープ先端部２１か
ら被写体２４にスポット光２５を投射し、視差Ｐａをも
って撮像部（例えば固体撮像素子：ＣＣＤ）２２により
撮影する。

なお、実際には撮像索子２２の直前に対物レンズ等の光
学系が配されているが、ここでは説明を簡易にするなめ
図示省略し、撮像素子２２と一体として説明する。なお
第１２図において、内視鏡スコープ先端部２１には、図
示しない照明用ライトカイトおよび照射レンズを嵌めた
照明孔、送気・送水孔、吸引孔を兼ねた鉗子孔等を備え
ている。

回折格子２３と、この回折格子に内視鏡本体内のパター
ン投射光源としてのレーザ光源オシレータ等からの照射
光を導光するライトガイド３４とは、上記鉗子孔および
その通路を利用してスコープ先端部２１まで導入しても
よいし、あるいは別途に専用に設けてもよい。

第１１図はこのようにして被写体２４にスポント光２５
を投射して撮１象した画像の一例である。

このようなスポット光の他にも、規則的なパターン光と
して縦縞状パターンを発生して被写体に投射してもよい
。第１０図は縦縞状パターン光により１１＠Ｌな画像の
一例である。

被写体に凹凸があると、前記の視差Ｐａにより撮像画像
のパターンに歪みが生じる。この歪みの度合いを計測す
ることにより被写体表面の各点の三次元位置を算出する
ことかできる。この算出時の原理については周知である
ので、その説明は省略する。

（発明が解決しようとする課題） ところが、上述したようなパターンの歪みを正確に検出
するには、投影したパターンと撮影画像上のパターンと
の各点の対応が正しくとれていないと算出結果に誤りが
生じる。

上述のようにパターン光投射部（回折格子２３）と撮１
象部（レンズ等を含む撮像素子２２）との間の視差Ｐａ
により、画像上のパターン光の歪みが生じるが、この歪
みは、視差Ｐａと平行な方向（第１１図の左右方向）に
のみ現れる。

パターン上の各スポットを判別するのに、視差Ｐａと垂
直な方向（第１１図の上下方向）において同系列にある
スポット列を、例えば同じ次数あるいは同次項と呼称す
る。そして丁度中心にあるスポット列をＯ次項とし、第
１１図の右方向に順次＋１次項、＋２次項、・・・、ま
た第１１図の左方向に一１次項、−２次項、・・・と命
名して区分する。

このとき、どの次数の項もほぼ同じ光量で投射すると、
撮像画像を二値化してパターンを検出したときどの次数
のパターンも略同じ大きさとなり、次数の判別が困難に
なる。このため次数の判別が容易になるように、従来は
特定の次数のスポット列、例えば０次項についてのみ、
他の次数のスポット光よりも大きな光量で強調投射する
ような方法が採られていた。

しかしながら、被写体表面は当然ながら平坦ではなく、
凹凸や遠近等があり、また大木内部の臓器であれば粘膜
の濡れなどがあるように表面の状態も撮影に好適とは限
らない、このため二値化処理によるパターンの検出の際
に、強調した０次項の撮像パターンにしみ出しなどが生
じ、隣接する±１次項のパターンとの分離が困難になる
ような場合も発生する。また、同一の光源がら発した光
を０次項により多くの光量を配分するようにして投射す
るなめ、周辺の多次項の光量が不足気味となり、スポッ
トの検出抜けが生じる場合などもある。このため、画像
上の各点の対応が正しくとれず、計測を誤らせる原因と
なる。

この発明は、このような従来の事情に鑑みこれを解決す
べき課題とするものであり、撮像画像上のパターンの判
別が容易なようにパターンの特定部分、例えばＯ次項を
強調投射しながら、かつ画像上でのパターン検出時のし
み出しや抜けなどが生じ難い、計測内視鏡のパターン光
投射手段を提供することを発明の目的とするものである
。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） このような目的を達成するなめに、この発明に係る計測
内視鏡装置では、被写体に投射する二次元の規則的なパ
ターンの全域に渡り略均一な光量の照射光を発生する均
一光照射手段と、前記パターンの特定部分だけを他の部
分よりも光量を多くして強調した照射光を発生する強調
光照射手段と、この強調光照射手段および前記均一光照
射手段による両照射光を時間的に交互に切替えて照射す
る照射切替え手段と、を備えたことを特徴とするもので
ある。

（作用） 上述したような各構成手段を備える計測内視鏡装置によ
れば、被写体に投射する二次元の規則的なパターンの照
射光として、均一光照射手段により発生される、パター
ン全域に渡り略均一な光量の照射光と、強調光照射手段
により発生される、パターンの特定部分だけを池の部分
よりも光量を多くして強調した照射光との２種類が利用
可能になる。そして、この２種類の照射光を照射切替え
手段により時間的に交互に切替えて照射し、症１象する
ことにより、パターンの抜けが生じ難くその分布が検出
し易い均一光によるパターン撮影面（’Ａと、パターン
の特定部分が判別し易い強調光による画像との両者が得
られるようになる。このような２種のパターン＃ｉｉ影
画像を比較しながら観察すれば、パターンの認識が容易
になり、より正確な被写体表面の凹凸等の計測が行なえ
るようになる。

こうして、上述の課題を解決することが可能になる。

（実施例） 以下、この発明を適用した計測内視鏡装置の各実施例に
ついて図面に基づき詳細に説明する。

第１図はこの発明に係る一実施例の計測内視鏡装置の要
部構成を示すブロック図である。

通常の内視鏡照射光源１の他に、二次元の規則的なパタ
ーンを持ち、全域に渡り略均一な光量の照射光および特
定部分を強調した照射光の２種の照射光を発グ＼させる
ための光源であるパターン投射光源２力身ヨけられてい
る。

また、通ズ７の内視鏡装置の本体部構成要素である、カ
メラニントロールユニット（以下、ＣＣＵと略称する）
４、デコーダ５、Ａ／Ｄ６、フレームメモリ７、Ｄ／Ａ
８、およびモニタ９の他に、計測・演算およびその結果
の表示を行なう各部が設けられている。

すなわち、ＣＣＵ４からのアナログ映像信号をデジタル
信号値に変換するＡ／Ｄ　１０と、均一照射光による撮
影画像を記憶する均一画像メモリ１１と、強調光による
画像を記憶する強調画像メモリ１２とがある。この両画
像メモリ１１と１２に記憶される、例えば画素あたり８
ビツトの深さを持った画像データを所定のレベル値より
も大か小かにより１と０だけの二値データに変換処理す
る際の、二値化の基準レベルを提供する基準レベル発生
部１３と、この基準レベルと前記の各画像データとを比
較する比較部１４と、この比較結果に応じて０もしくは
１のみにより表わされる二値データ化して保持する二値
化処理部１５がある。

こうして得られる二値化画像を元に、パターンの中心点
くあるいは中心線）を検出する細線化処理部１６および
スポット中心検出部１７がある。

また、このパターンの中心点等の座標値の元のパターン
からの歪み量から、その各点の三次元座標値を算出する
演算部１８がある。算出された各点の三次元座標値から
、数値情報あるいは認識し易い図形に編集した表示画像
を形成し、モニタ９に表示させる出力処理部１９がある
。

また第２図は、上述のパターン投射光源２の内部構成の
一例を示した図である。

全域に渡り略均一な光量の照射光および特定部分を強調
した照射光の２種の照射光を発生させる手段の一構成例
として、第２図に示すように、−台のオシレータ２８を
用いて、その出力のレーザ光２９をモータ３１により回
転されるチョッパ３０により透過あるいは反射させて２
つの照射光に分離している。

第３図は、このチョッパ３０の形状の一例を示したもの
である。

円盤状のチョッパ３０の左右に線対象に同形のスリット
３０ａとミラー３０ｂとを設けている。

スリット３０ａは上記レーザ光２つをそのまま透過させ
る切欠き部であり、ミラー３０ｂはレーザ光２９を反射
して光軸の方向を変える鏡より成っている。また、これ
以外の残部分は、レーザ光２つを遮蔽していずれの方向
にも出力させない遮蔽領域となっている。

この円盤状のチョッパ３０はその円の中心点を回転中心
として、第３図において例えば反時計回りに連続回転す
るものである。

チョッパ３０がモータ３１により、例えば第３図の反時
計回りに回転すると、このチョッパ３０に到達したレー
ザ光２９は、スリット３０ａの領域においては透過して
直進し、ミラー３０ｂの領域では直角に反射され、さら
にミラー３２により再度直角に反射されて元の光軸と平
行な軸を持つ光となる。さらにどちらの領域にもないと
きはレーザ光２９は遮蔽されてしまい出力されない。

こうして、２つの異なる経路に別れるとともに時間的に
も分離された２つのパルス状の照射光が発生される。

この２つの照射光はそれぞれ別個のファイバ人カマニブ
レータ３３に入射し、２本のライトガイド３４により導
光されて、スコープ３の先端部２１に配設された回折格
子２３に達する。そして、この回折格子２３のそれぞれ
異なる部位を通過することにより、一方は略均一な光量
の照射光、他方は二次元の規則的なパターンの特定部分
だけに多くの光量を配分した強調光という、光量の配分
の異なる２種の照射光となって被写体に照射される。

なお、このチョッパ３０とモータ３１とは一体として、
図示しない第２のモータ等の駆動部により、第３図の右
上および左下方向に斜めに移動可能に構成されている。

チョッパ３０とモータ３１とが一体に同図斜め方向に移
動されると、オシレータ２８からのレーザ光２９は、チ
ョッパ３０の回転中心に近い部分あるいは周辺部分に到
達するようになる。レーザ光２つがチョッパ３０の回転
中心に近い部分に到達すると、第３図から明らかなよう
に、ミラー３ｏｂおよびスリット３０ａにより反射およ
び透過される時間の割合いは小さくなり、被写体への照
射光のパルス幅は短くなる。また、レーザ光２９がチョ
ッパ３０の周辺部分に到達するようになると、ミラー３
０ｂおよびスリット３０ａにより反射および透過される
時間の割合いは大きくなり、照射光のパルス幅は長くな
る。

例えば、第３図に示した半径ｒの円周Ｒ上にレーザ光２
つが到達しているとき、円周Ｒの下部においては光は遮
蔽され照射光は発生しない、チョッパ３０が同図矢印方
向に回転すると、レーザ光２９は円周Ｒのミラー３０ｂ
領域に達するようになり、一方の略均一な光量の照射光
を生じる。チョッパ３０がさらに回転すると、再び遮蔽
領域に達し、照射光が発生しなくなる。そしてスリット
３０ａの領域に入ると、他方の強調光としての照射光が
生じる。このようにして、２種のパルス状の照射光を発
生させることができる。

第４図は、上述のチョッパ３０の回転により生じる上記
２種の照射光の出力タイミング例を示した図である。

この一実施例装置における撮像素子２２の動作方式が、
例えば周波数インターリーブ方式によるＯＤＤ／ＥＶＥ
Ｎの２フイールドにより１枚のフレーム画像を構成する
ものであるとすれば、例えばＯＤＤフィールドで均一照
射光による画像を撮像し、ＥＶＥＮフィールドにおいて
強調光による画像を撮像して比較するように構成するこ
とができる。第４図の照射光の出力タイミング例は、こ
のような方式を想定したものであり、さらに、レーザ光
２９をチョッパ３０に当てる部位゛を移動させることに
より、均一光および強調光のパルス幅が長短に変化して
いる。

このようにして得られた２種の照射光は、各々別個のラ
イトガイド３３により内視鏡スコープ３の先端部２１に
導かれ回折格子２３に達する。

−個の回折格子２３により均一および強調の２種のパタ
ーン投影照射光を得る方法としては、例えば第９図に示
すように、回折格子２３の中心部および端部に上記の導
光を当てる方法かある。

第５図に示すように、ライトガイド３３により導光され
たレーザビームを回折格子２３の中心部に当てると、縦
横のファイバにより略均一な正方格子状の輝点アレイ（
スポット光）が得られ、第７図に示すような被写体画像
がＬｍ　（ｉされる。

また、第６図に示すように回折格子２３の端部に当てる
と、同図左側約半分の照射光は上述と同様に、縦横のフ
ァイバにより略均一な正方格子状の輝点アレイ（スポッ
ト光）となるとともに、同図右側の照射光は同図縦方向
にのみ回折され横方向には影響を受けずに直進し、パタ
ーンの中心部、すなわちＯ次項のみを強調するようにな
る。この強調された投影パターン照射光により撮像した
例を第８図に示す。第８図の中央付近の大きな黒丸が強
調投影された０次項である。

このようにラ−ｆ　ｌ〜ガイド２本を用いて２種の照射
光を導光し、２通りの投影パターンを得ることができる
。なおライｌ−ガイド１木は直径が約５０μｍ程であり
、２本を使用しても内視鏡ス；Ｉ−グ導入部の内径に影
響を与えることはない。

被写体に投影され、その表面で反射された反射光は、内
視鏡スコープ３の先端部２１に配設された撮像素子２２
に入射して撮像され、電気信号として、第１図のカメラ
コントロールユニ・ント（ＣＣＵ）４に送られる。ＣＣ
Ｕ４ではこの電気１３号を信号処理し、例えばアナログ
映像信号の輝度信号Ｅ１１１と２つの色差信号（Ｅｙ−
Ｅｒ）および（Ｅｙ−Ｅｂ）として出力する。

ＣＣＵｄから出力された上記アナログ映＠信号の例えば
輝度信号［ｙは、Ａ／Ｄ１．Ｏによりデジタル化され、
照射およびｔｍ　（’Ａのタイミングに同期して均一画
像メモリ１１もしくは強調画像メモリ１２に格納される
。

ＯＤＤ／ＥＶＥＮの２つのフィールドについて撮像され
上記２つのメモリに画像データが格納されると、パター
ンの検出ならびに歪み量からの三次元位置の演算処理が
行なわれる。

先ず、基準レベル発生部１３により、１と０だけの二値
データに変換処理する際の二値化の基準レベルが出力さ
れる。この基準レベルに対し、均一照射光による撮影画
像を記憶する均一画像メモリ１１および強調光による画
像を記憶する強調画像メモリ１２の両画像メモリに記憶
される画像データの各画素の値が、比較部１４により比
較される。この比較結果に応じ、二値化処理部１５によ
り０もしくは１のみにより表わされる二値データ化して
保持される。

こうして得られた二値化画像を元に、細線化処理部１６
において１の値を持つデータ領域についてその周辺部を
縮小する細線化処理が行われる。

さらにスポット中心検出部１７により、パターンの中心
点（あるいは中心線）が検出されるとともに、検出され
た２種の画像の対応する各パターンの中心点（あるいは
中心線）が判別される。

そして演算部１８において、上記パターンの中心点等の
座標値と、元のパターンの対応点との間の歪み量から各
点の三次元座標値が算出される。

ここで、スポット光座標とその被写体表面の対応点の距
離との関係は、ｈ次項に関するスポット光Ｆｉ標をＸｓ
（ｈ）　、中心座標をＸｃ、視野角を２βとし、第１２
図においてｈ次項の被写体表面上の対応点と撮像素子２
２の中心点Ｏとを結んだ線と画面中心のＺ軸との成す角
をθｈとすると：ｔａｎθｈ　＝　（Ｘｓ（ｈ）　−ｘ
Ｃ）　　ｔａｎβ／Ｘｃにより表わされる。

また１１次項の被写体表面までの垂直距離７ｈは；Ｚｈ
＝Ｐａ／　（ｔａｎθｈ　−ｔａｎψｈ）で表わされる
。ここでＰａは視差、ψｈはｈ次項の回折角である。

さらに、強調照射光用のライトガイドにより導光°され
て照射される回折格子端部の照射中心と、均一照射光用
のライトガイドによる回折格子中心部の照射中心との距
離をｄとすると、強調照射光による０次項の位置と、均
一光による０次項位置との実座標は； δ−ｄ／　（２０ｔａｎβ）−Ｐｓ により表わされる値δだけずれが生じる。このなめ、強
調照射光による各次数項の座標値を上記の値δだけシフ
トさせることが必要になる。

このようにして算出された各点の三次元座標値は、出力
処理部１つにおいて数値情報あるいは認識し易い図形に
編集される。こうして形成された認識容易な表示画像が
モニタ９に表示される。

なお、この発明は上述の実施例構成に限定されるもので
はなく、例えば第１０図に示したような縦縞状の投影パ
ターンなどについても勿論適用することができる。また
、２種の照射光を得る方法についても、上述の一構成例
に限らず、例えばレーザ光の光軸上に揺動自在なミラー
等を配して振分けるようにすることら可能であり、ある
いはレーザ光を発生するオシレータ等を複数個設けて別
途発振させるなどの構成にしてもよい。勿論上述のチョ
ッパ３０の形状は一例であり、この形に限定するもので
はない。さらに二次元の規則的なパターンの投射光を実
現する方法も、上述したような透過型グラスファイバを
並列に一層に並べたシートを縦横に重ねた構造の回折格
子を利用する方法だけでなく、例えば変形格子等の別の
方法によることら勿論可能である。また、撮像方式も上
述のフィールド方式に限らず、フレーム方式や面順次方
式等の他の方式に対しても適用可能である。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、この発明に係る計Ｊｌｌｊ
内視鏡装置は、被写体に投射する二次元の規則的なパタ
ーンの照射光を、その全般に渡って略均一な光量を持つ
均一照射光と、パターンの特定部分が他の部分よりも大
きな光量を持つようにした強調照射光との２種とし、こ
の両照射光を時間的に交互に切替えて照射するように構
成している。

このため、この２種の照射光により撮像して比較・対応
させながらパターンの抽出を行うことが可能になる９強
調光により撮像した画像では、パターンの特定部分の判
別が容易になり、投影パターンとの対応が誤りなく行な
えるようになる。また一方、強調による特定部分の撮像
パターンのしみ出しや隣接パターンとの融合などの悪影
響、あるいは強調されない他部分での光量不足によるパ
ターンの検出抜けなどら、均一光による撮影画像と比較
し対応付けすることにより、正確にパターン検出するこ
とが出来るようになる。こうして被写体表面の形状の計
測をより容易かつ迅速に実行できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る一実施例の計測内視鏡装置の要
部ブロック図、第２図は同側における第２の照射光源で
あるパターン光照射光源の一構成例を示す図、第３図は
同構成例におけるチョッパの形状例を示す図、第４図は
同構成例における照射および撮像のタイミング図、第５
図はファイバ回折格子の中央部に照射光を当て′た説明
図、第６図は同じく回折格子の端部に当てた説明図、第
７図および第８図はそれぞれ第５図および第６図に対応
する投影パターンの撮影画像例の説明図、第９図は第５
図および第６図を重ねた説明図、第１０図は縦縞状パタ
ーンの投射光による撮影画像例を示す図、第１１図はス
ポット光による撮影面１象例を示す図、第１２図および
第１３図は内視鏡スコープ先端部と被写体との関係図、
第１４図および第１５図はファイバ回折格子の構造とス
ポット光の発生状態との説明図である。 １・・・光源　２・・・パターン投射光源　３・・・ス
コープ　４・・・カメラコントロールユニット　５・・
・デコーダ　６・・・Ａ／Ｄ　　７・・・フレームメモ
リ　８・・・Ｄ／Ａ　　９・・・モニタ　１０・・・Ａ
／Ｄ　　１１・・・均一画像メモリ　１２・・・強調画
像メモリ　１３・・・基準レベル発生部　１４・・・比
較部　１５・・・二値化処理部１６・・・細線化処理部
　１７・・・スポット中心検出部　１８・・・演算部　
１つ・・・出力処理部　２０・・・レンズ　２１・・・
内視鏡スコープ先端部　２２・・・撮像素子　２３・・
・回折格子　２４・・・被写体　２５・・・スポット光
　２６．２７・・・−次元ファイバ回折格子２６ａ、２
７ａ・・・グラスファイバ　２８・・・オシレータ　２
９・・・レーザ光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）二次元の規則的なパターンを持つ照射光を被写体
   に投射し、その反射光を撮像した画像上での前記パター
   ンの歪みから被写体の凹凸を認識する計測内視鏡装置に
   おいて、 前記パターンの全体に渡り略均一な光量の照射光を発生
   する均一光照射手段と、 前記パターンの特定部分だけを他の部分よりも光量を多
   くして強調した照射光を発生する強調光照射手段と、 この強調光照射手段および前記均一光照射手段による両
   照射光を時間的に交互に切替えて照射する照射切替え手
   段と、を備えたことを特徴とする計測内視鏡装置。