JPH10239023A - Three-dimensional measuring device - Google Patents
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、走査スポット光を
被写体に投影して被写体に対する三次元計測を行う三次
元計測装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional measuring apparatus for projecting a scanning spot light onto a subject and performing three-dimensional measurement on the subject.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来は測定対象物に測定光として、スポ
ット光或いは光スリット光を投影し、測定対象物の凹凸
によってそれらの光がどのようにずれるかをテレビカメ
ラ等の撮像手段で検知し、そのずれ量から三次元計測を
行っていた。2. Description of the Related Art Conventionally, spot light or light slit light is projected as a measuring light on a measuring object, and how the light shifts due to unevenness of the measuring object is detected by an imaging means such as a television camera. , Three-dimensional measurement was performed based on the deviation amount.
【0003】しかしながら、この方法ではテレビカメラ
の1フレーム或いは1フィールド画像当たり1点のスポ
ット光、或いは1本のスリット光の計測しかできず、リ
アルタイムで測定対象物全面の計測を行うことができな
かった。However, this method can measure only one spot light or one slit light per one frame or one field image of the television camera, and cannot measure the whole surface of the object to be measured in real time. Was.
【0004】一方、USパテント4349277の如
く、測定光を空間的、時間的にコード化し、同時に複数
の場所を計測する方法も提案されているが、コード化を
光の強度レベルによるN数で実現しており、多くのコー
ドパターンを発生させるには、強度の異なる測定光を何
度も投影しなければならず、計測に時間がかかってい
た。On the other hand, as in US Patent 4,349,277, a method of spatially and temporally encoding measurement light and simultaneously measuring a plurality of locations has been proposed, but the encoding is realized by the number N of light intensity levels. Therefore, in order to generate many code patterns, measurement light beams having different intensities have to be projected many times, which takes time for measurement.
【0005】さらに、特公平8−16606号の如く、
点滅するライン光を走査しながら測定対象物に投影し、
そのずれ量を複数の受光素子で高速に検知する装置が開
示されている。[0005] Further, as in Japanese Patent Publication No. 8-16606,
Projecting on the measurement object while scanning the blinking line light,
An apparatus for detecting the amount of shift at high speed with a plurality of light receiving elements is disclosed.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この場
合でも、例えば256本のライン光の分解能を得るに
は、走査を8回行わなければならず、被写体に動きのあ
る場合には、精度良く計測することが困難となり、実用
的でなかった。However, even in this case, scanning must be performed eight times in order to obtain a resolution of, for example, 256 lines of light. And it was not practical.
【0007】(発明の目的)本発明は、上述した点に鑑
みてなされたもので、測定対象物が動いても、三次元計
測を精度良く行うことができる三次元計測装置を提供す
ることを第1の目的とする。(Object of the Invention) The present invention has been made in view of the above points, and has as its object to provide a three-dimensional measurement apparatus capable of performing three-dimensional measurement with high accuracy even when a measurement object moves. This is the first purpose.
【0008】また、測定の分解能を容易に上げることが
できたり、簡単な構成で三次元計測を行うことができる
る三次元計測装置を提供することを第2の目的とする。
また、少ない受光素子で広範囲のスポット位置を計測す
ることができる三次元計測装置を提供することを第3の
目的とする。It is a second object of the present invention to provide a three-dimensional measuring apparatus capable of easily increasing the resolution of measurement and performing three-dimensional measurement with a simple configuration.
It is a third object of the present invention to provide a three-dimensional measuring device capable of measuring a wide range of spot positions with a small number of light receiving elements.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】スポット光を走査して被
写体に投影する走査スポット光投影手段と、被写体で反
射されたスポット光を結像する結像手段と、該結像手段
による被写体の結像位置に、一次元的に配列した受光素
子により二次元的計測領域に対するスポット光の位置を
検知する光位置検知手段と、該光位置検知手段の出力と
前記スポット光の走査位置及び走査スポット光投影手段
と光位置検知手段の位置から、被写体上のスポット光の
位置を算出する位置算出手段と、を設けることにより、
簡単な構成で、しかも測定対象物が動きがある場合で
も、走査スポット光を高速に行うようにすれば、一次元
的に配列した光電変換素子の出力を用いることにより、
短時間に三次元計測が精度良くできるようにしている。A scanning spot light projecting means for scanning a spot light and projecting the object on an object, an image forming means for forming an image of the spot light reflected by the object, and an image forming method for the object by the image forming means. Light position detecting means for detecting the position of the spot light with respect to the two-dimensional measurement area by a light receiving element arranged one-dimensionally at an image position; an output of the light position detecting means, a scanning position of the spot light and a scanning spot light; By providing position calculating means for calculating the position of the spot light on the subject from the position of the projecting means and the light position detecting means,
With a simple configuration, and even when the object to be measured is moving, if the scanning spot light is performed at high speed, by using the outputs of the photoelectric conversion elements arranged one-dimensionally,
Three-dimensional measurement can be performed accurately in a short time.
【0010】[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。 (第1の実施の形態)図1及び図2は本発明の第1の実
施の形態に係り、図1は本発明の三次元計測装置の第1
の実施の形態の三次元計測内視鏡装置の全体構成を示
し、図2は本実施の形態の距離計測の原理図を示す。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIGS. 1 and 2 relate to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1 shows a first embodiment of a three-dimensional measuring apparatus of the present invention.
2 shows an overall configuration of a three-dimensional measurement endoscope apparatus according to the embodiment, and FIG. 2 shows a principle diagram of distance measurement according to the embodiment.
【0011】図1に示すように本発明の第1の実施の形
態の三次元計測内視鏡装置1は、管腔内に挿通される挿
入部6を備えた内視鏡2と、この内視鏡2に可視光によ
る照明光を供給する光源ユニット3と、内視鏡2に計測
光を供給すると共に、この計測光の被写体での反射光を
受光して三次元計測を行う三次元計測ユニット4と、三
次元計測された被写体像を表示するディスプレイ5とを
有する。As shown in FIG. 1, a three-dimensional measurement endoscope apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention includes an endoscope 2 having an insertion portion 6 inserted into a lumen, and A light source unit 3 for supplying illumination light with visible light to the endoscope 2 and a three-dimensional measurement for supplying measurement light to the endoscope 2 and receiving reflected light of the measurement light from the subject to perform three-dimensional measurement It has a unit 4 and a display 5 for displaying a three-dimensionally measured subject image.
【0012】内視鏡2は管腔内に挿通される可撓性を有
する挿入部6と、この挿入部6の後端に設けられた操作
部7と、この操作部7の後端に設けられた接眼部8と、
操作部7から延出されたユニバーサルケーブル9とを有
し、このユニバーサルケーブル9の端部には光源ユニッ
ト3に着脱自在の第1のコネクタと、三次元計測ユニッ
ト4に着脱自在の第2のコネクタとが設けてある。The endoscope 2 has a flexible insertion portion 6 inserted into the lumen, an operation portion 7 provided at the rear end of the insertion portion 6, and an operation portion 7 provided at the rear end of the operation portion 7. Eyepiece 8
The universal cable 9 has a first connector detachable from the light source unit 3 and a second connector detachable from the three-dimensional measurement unit 4 at an end of the universal cable 9. A connector is provided.
【0013】光源ユニット3内にはランプ駆動回路13
により発光駆動されるランプ14が内蔵され、このラン
プ14で発光された白色光は集光レンズ15で集光され
て照明光伝送用ライトガイド16の光入射端に供給され
る。この白色光はユニバーサルケーブル9、操作部7、
挿入部6を挿通された照明光伝送用ライトガイド16に
より伝送され、挿入部6の先端部17に固定された先端
面からさらに観察照明用レンズ18を介して拡開して出
射され、体腔内の患部等の被写体側を照明する。A lamp driving circuit 13 is provided in the light source unit 3.
A white light emitted from the lamp 14 is condensed by a condenser lens 15 and supplied to a light incident end of a light guide 16 for transmitting illumination light. This white light is transmitted from the universal cable 9, the operation unit 7,
The light is transmitted by the illumination light transmission light guide 16 inserted through the insertion portion 6, is further expanded from the distal end surface fixed to the distal end portion 17 of the insertion portion 6 via the observation illumination lens 18, and is emitted. To illuminate the subject side such as the affected part.
【0014】硬質の先端部17には観察照明用レンズ1
8が取り付けられた照明窓に隣接して観察窓が設けら
れ、この観察窓には観察用対物レンズ19が取り付けて
あり、その結像位置に照明された被写体の光学像を結
ぶ。この結像位置には観察用イメージガイド21の先端
面が配置され、この観察用イメージガイド21によって
光学像はその後端面に伝送される。The hard tip 17 has an observation illumination lens 1
An observation window is provided adjacent to the illumination window to which 8 is attached, and an observation objective lens 19 is attached to the observation window, and an optical image of the illuminated subject is formed at the image forming position. The distal end surface of the observation image guide 21 is arranged at this image forming position, and the optical image is transmitted to the rear end surface by the observation image guide 21.
【0015】この後端面に対向する接眼部8には接眼レ
ンズ22が設けてあり、この接眼レンズ22を介して観
察用イメージガイド21によって伝送された光学像を肉
眼で観察することができる。An eyepiece 22 is provided in the eyepiece 8 facing the rear end face, and the optical image transmitted by the observation image guide 21 through the eyepiece 22 can be observed with the naked eye.
【0016】また、この内視鏡2には照明光伝送用ライ
トガイド16と同様に挿入部6、操作部7、ユニバーサ
ルケーブル9内には測定光伝送用イメージガイド31及
び形状測定用イメージガイド32とが挿通され、ユニバ
ーサルケーブル9の端部の光入射端と光出射端とが三次
元計測ユニット4に接続される。2つの測定光伝送用イ
メージガイド31及び形状測定用イメージガイド32は
例えば特性が同じイメージガイドで形成されている。The endoscope 2 has an insertion portion 6, an operating portion 7, and a measuring light transmission image guide 31 and a shape measurement image guide 32 in the universal cable 9 similarly to the illumination light transmission light guide 16. Are inserted, and the light incident end and the light exit end of the end of the universal cable 9 are connected to the three-dimensional measurement unit 4. The two image guides 31 for measuring light transmission and the image guide 32 for shape measurement are formed of, for example, image guides having the same characteristics.
【0017】三次元計測ユニット4はレーザ光を走査す
るレーザ光走査手段30を有し、このレーザ光走査手段
30はレーザ駆動回路33により発光駆動されるレーザ
34を有し、このレーザ34のレーザ光はポリゴン駆動
モータ35により回転駆動されるポリゴンミラー36で
反射され、この反射光はさらにガルバノミラー駆動回路
37によって回動されるガルバノミラー38で反射され
た後、レンズ39を経て測定光伝送用イメージガイド3
1の光入射端に入射される。The three-dimensional measuring unit 4 has a laser beam scanning unit 30 for scanning a laser beam. The laser beam scanning unit 30 has a laser 34 driven to emit light by a laser driving circuit 33. The light is reflected by a polygon mirror 36 driven to rotate by a polygon drive motor 35, and the reflected light is further reflected by a galvano mirror 38 rotated by a galvanomirror drive circuit 37, and then passes through a lens 39 for measuring light transmission. Image Guide 3
No. 1 is incident on the light incident end.
【0018】ポリゴンミラー36はポリゴン駆動モータ
35の回転軸と平行な側面を正多面体にして多数のミラ
ー面を有し、ポリゴン駆動モータ35により回転される
ことにより、レーザ光を水平面内で測定光伝送用イメー
ジガイド31の端面の水平方向の幅に対応する角度走査
する。The polygon mirror 36 has a multiplicity of mirror surfaces with its side parallel to the rotation axis of the polygon drive motor 35 being a regular polyhedron. The polygon mirror 36 is rotated by the polygon drive motor 35 so that a laser beam is measured in a horizontal plane. An angle scan corresponding to the horizontal width of the end face of the transmission image guide 31 is performed.
【0019】なお、このポリゴン駆動モータ35の回転
軸にはポリゴン位置エンコーダ40が取り付けてあり、
レーザ光の水平方向の走査角(走査位置)を検出するの
に用いられる。A polygon position encoder 40 is attached to the rotation axis of the polygon drive motor 35.
It is used to detect the horizontal scanning angle (scanning position) of the laser beam.
【0020】また、ガルバノミラー38はガルバノミラ
ー駆動回路37によって例えば3角波状或いは階段波等
の駆動信号が印加されることによって所定角度の範囲で
往復的に回動する。この場合、ガルバノミラー38は水
平面と平行な面に含まれる軸の回りで回動される。The galvanomirror 38 is reciprocally rotated within a predetermined angle range when a driving signal such as a triangular wave or a staircase wave is applied by the galvanomirror driving circuit 37. In this case, the galvanomirror 38 is rotated around an axis included in a plane parallel to the horizontal plane.
【0021】そして、このガルバノミラー38に入射さ
れる光を反射すると共に、その反射方向を垂直方向に走
査する。このようにして水平方向及び垂直方向に走査さ
れたレーザ光は集光レンズ39により測定光伝送用イメ
ージガイド31の光入射面を水平方向及び垂直方向に走
査するようにして入射される。The light incident on the galvanometer mirror 38 is reflected, and the direction of the reflection is scanned in the vertical direction. The laser light scanned in the horizontal and vertical directions in this manner is incident by the condenser lens 39 so as to scan the light incident surface of the image guide 31 for measurement light transmission in the horizontal and vertical directions.
【0022】この場合、ポリゴンミラー36により、そ
の1つのミラー面で測定光伝送用イメージガイド31の
直径を通るファイバの数以上を水平方向にレーザスポッ
トがライン状に走査し、その走査の間に垂直方向のファ
イバピッチだけガルバノミラー38により垂直方向に移
動する。In this case, the polygon mirror 36 causes a laser spot to scan a line in a horizontal direction over the number of fibers passing through the diameter of the image guide 31 for transmission of measurement light on one mirror surface thereof. It is moved vertically by the galvanomirror 38 by the fiber pitch in the vertical direction.
【0023】そして、水平方向及び垂直方向に測定光伝
送用イメージガイド31の光入射面の全域を走査した後
に、ガルバノミラー38は反対方向に回動されるように
なり、水平方向には一方向に走査するが、垂直方向には
逆に走査する(往復するように走査する)。After scanning the entire area of the light incident surface of the measuring light transmission image guide 31 in the horizontal and vertical directions, the galvanometer mirror 38 is rotated in the opposite direction, and is moved in one direction in the horizontal direction. , But scan in the vertical direction in reverse (scan back and forth).
【0024】測定光伝送用イメージガイド31の先端面
は先端部17に取り付けられ、この先端面に対向して測
定光投光レンズ45が設けてあり、この測定光投光レン
ズ45により伝送されたレーザスポットが被写体50側
に投影され、この投影スポットの走査は光入射端での走
査に対応したものとなる。The distal end face of the measuring light transmission image guide 31 is attached to the distal end portion 17, and a measuring light projecting lens 45 is provided to face the distal end face, and transmitted by the measuring light projecting lens 45. The laser spot is projected on the object 50 side, and the scanning of the projected spot corresponds to the scanning at the light incident end.
【0025】つまり、光入射端での水平方向の走査に対
応して被写体50側では、ある方向に走査する。説明を
簡単にするために光入射端での水平方向の走査により、
被写体側にも水平方向に走査されるとする。That is, the object 50 scans in a certain direction corresponding to the horizontal scanning at the light incident end. To simplify the explanation, the horizontal scanning at the light entrance end
It is assumed that the object is also scanned in the horizontal direction.
【0026】先端部17にはこの測定光投光レンズ45
に隣接して形状測定用対物レンズ46が設けてあり、こ
の形状測定用対物レンズ46は測定光投光レンズ45に
より被写体50面に投影されたレーザスポットの位置を
その結像位置に配置された形状測定用イメージガイド3
2の先端面に結像させるものである。The measuring light projecting lens 45 is provided at the tip 17.
Is provided adjacent to the object, and the position of the laser spot projected on the surface of the subject 50 by the measuring light projecting lens 45 is arranged at the image forming position. Image guide 3 for shape measurement
An image is formed on the front end surface of the image forming apparatus 2.
【0027】そして、この形状測定用イメージガイド3
2によりその後端面の光出射端に伝送される。この光出
射端に対向して結像レンズ47が配置され、この結像レ
ンズ47によってその結像面の位置にその端面が配置さ
れたテープ状ファイバ束アレイ48に結像される。The shape measuring image guide 3
2, the light is transmitted to the light emitting end on the rear end face. An imaging lens 47 is arranged opposite to the light emitting end, and the imaging lens 47 forms an image on a tape-like fiber bundle array 48 whose end face is arranged at the position of the imaging plane.
【0028】このテープ状ファイバ束アレイ48は複数
のテープ状ファイバ束48(1)〜48(n)を積層に
したアレイ構造で、各テープ状ファイバ束48(i)
(i=1〜n)は例えば測定光伝送用イメージガイド3
1(或いは形状測定用イメージガイド32)の直径を通
るファイバの本数以上の本数のファイバの一方の端部を
テープ状に固め、他端側は丸く束ねた形状にしている。This tape-like fiber bundle array 48 has an array structure in which a plurality of tape-like fiber bundles 48 (1) to 48 (n) are stacked, and each of the tape-like fiber bundles 48 (i).
(I = 1 to n) is, for example, an image guide 3 for measuring light transmission.
One end of the number of fibers equal to or greater than the number of fibers passing through the diameter of one (or the image guide 32 for shape measurement) is hardened in a tape shape, and the other end is formed into a bundled shape.
【0029】光入射端となる一方の端部ではこれらのテ
ープ状ファイバ束48(1)〜48(n)は積層に配置
した構造で、例えば正方形状の端面となり、光出射端と
なる他端側はそれぞれ丸く束ねてそれぞれ分離して配置
し、丸く束ねた各端面に対向して光電変換素子49
(i)をアレイ状にそれぞれ配置し、各端面から出射さ
れる光をそれぞれ検出する。At one end serving as a light incident end, these tape-like fiber bundles 48 (1) to 48 (n) have a structure in which they are arranged in a stack, for example, a square end surface, and the other end serving as a light emitting end. The sides are bundled round and separated from each other, and the photoelectric conversion element 49 is opposed to each end face bundled round.
(I) are arranged in an array, respectively, and light emitted from each end face is respectively detected.
【0030】三角測量の距離測定の原理により被写体各
部の距離を計測するもので、本実施の形態では1つの方
向に沿っての反射光の位置検出を行えば、その検出に対
応する被写体の位置に対する距離を算出できる構成に
し、このように1つの方向に垂直な方向に光検出の機能
を備えたテープ状ファイバ束アレイ48を用いる。この
原理を簡単な例に対して図2(A)で、より一般的な場
合に対して図2(B)を参照して後述する。The distance of each part of the subject is measured by the principle of the distance measurement of triangulation. In this embodiment, if the position of the reflected light is detected along one direction, the position of the subject corresponding to the detection is detected. , And a tape-like fiber bundle array 48 having a function of detecting light in a direction perpendicular to one direction is used. This principle will be described later with reference to FIG. 2A for a simple example and FIG. 2B for a more general case.
【0031】本実施の形態ではポリゴンミラー36の回
転により測定光投光レンズ45を介して走査されるレー
ザスポットが例えば水平方向であると、そのレーザスポ
ットを形状測定用イメージガイド32における前記水平
方向と平行な方向にのみ光検出の機能を有するようにそ
の光入射端がテープ状に広がるようにファイバを配列し
た各テープ状ファイバ束48(i)を前記水平方向に垂
直な方向に積層して、垂直な方向に対する位置検出を行
うようにしている。In this embodiment, if the laser spot scanned through the measuring light projecting lens 45 by the rotation of the polygon mirror 36 is, for example, in the horizontal direction, the laser spot is moved in the horizontal direction in the image guide 32 for shape measurement. Each of the tape-like fiber bundles 48 (i) in which fibers are arranged so that the light incident end thereof spreads in a tape shape so as to have a function of light detection only in a direction parallel to the above is laminated in a direction perpendicular to the horizontal direction. , The position is detected in the vertical direction.
【0032】光電変換素子49(i)の出力はそれぞれ
増幅器51(i)で増幅された後、高速に順次切り換え
られる切換スイッチ52を介して信号処理回路53に入
力され、さらにレーザスポット位置を検知するレーザス
ポット位置検知検知回路54に入力される。After the outputs of the photoelectric conversion elements 49 (i) are amplified by the amplifiers 51 (i), they are input to the signal processing circuit 53 via the changeover switch 52 which is sequentially switched at a high speed, and further detects the laser spot position. Is input to the laser spot position detection detection circuit 54.
【0033】切換スイッチ52はスイッチ制御回路55
と接続され、このスイッチ制御回路54は切換スイッチ
52を高速に順次切り換え、その際どの増幅器51
(i)を選択したかの選択信号をレーザスポット位置検
知回路54に出力する。レーザスポット位置検知回路5
4はこの選択信号を参照してレーザスポット位置を検出
する。The changeover switch 52 includes a switch control circuit 55
The switch control circuit 54 sequentially switches the changeover switch 52 at a high speed.
A selection signal indicating whether (i) is selected is output to the laser spot position detection circuit 54. Laser spot position detection circuit 5
4 detects the laser spot position with reference to the selection signal.
【0034】本実施の形態では信号処理回路53をn個
設けて並列処理する代わりに切換スイッチ52を用いて
その切換を高速で行うことにより、1つの信号処理回路
53で、各水平走査位置において、どの光電変換素子4
9(i)で光検出されたかを検知処理するようにしてい
る。n個の比較器の出力により、各水平走査位置におい
て、どの光検出素子49(i)で光が検出されたかを検
出するようにしても良い。In the present embodiment, instead of providing n signal processing circuits 53 and performing parallel processing, the switching is performed at high speed using the changeover switch 52, so that one signal processing circuit 53 can be used at each horizontal scanning position. , Which photoelectric conversion element 4
At 9 (i), detection processing is performed to determine whether or not light has been detected. The output of the n comparators may be used to detect which light detection element 49 (i) has detected light at each horizontal scanning position.
【0035】このレーザスポット位置検知回路54の出
力は距離の計算を行う距離計算回路56に入力される。
また、この距離計算回路56にはポリゴン位置エンコー
ダ40による水平走査の位置情報が入力される。The output of the laser spot position detection circuit 54 is input to a distance calculation circuit 56 for calculating a distance.
Further, position information of horizontal scanning by the polygon position encoder 40 is input to the distance calculation circuit 56.
【0036】、この距離計算回路56はレーザスポット
位置検知回路54の出力と、ポリゴン位置エンコーダ4
0による水平走査の位置情報と、ガルガノミラー38に
よる垂直走査方向の位置情報に対応する情報(ガルバノ
ミラー駆動回路37による駆動信号の大きさにより、誤
差がないと垂直走査位置を決定できる。但し、駆動信号
が出力されるタイミングも既知とする。)を用いて先端
部17の先端面等から被写体50の各位置までの距離を
算出する。The distance calculation circuit 56 outputs the output of the laser spot position detection circuit 54 and the polygon position encoder 4
The information corresponding to the position information of the horizontal scanning by 0 and the position information of the vertical scanning direction by the galvanometer mirror 38 (the vertical scanning position can be determined if there is no error by the magnitude of the driving signal by the galvanometer mirror driving circuit 37. The timing at which the drive signal is output is also known.), And the distance from the tip surface of the tip portion 17 to each position of the subject 50 is calculated.
【0037】この距離計算回路56の出力は表示制御回
路57に入力され、三次元表示の処理或いは制御が行わ
れ、三次元表示用データが出力される。The output of the distance calculation circuit 56 is input to a display control circuit 57, where processing or control of three-dimensional display is performed, and three-dimensional display data is output.
【0038】この表示制御回路57の出力は三次元形状
メモリ58に一時記憶され、さらにビデオ信号合成回路
59によりビデオ信号が合成され、ディスプレイ5に三
次元形状が表示される。The output of the display control circuit 57 is temporarily stored in a three-dimensional shape memory 58, and a video signal is synthesized by a video signal synthesizing circuit 59, and the three-dimensional shape is displayed on the display 5.
【0039】(作用)次に、このように構成された三次
元形状計測内視鏡装置1の作用について説明する。ラン
プ14による照明光は照明光伝送用ライトガイド16に
よって伝送され、先端面から照明用レンズ18を経て被
写体側に出射され、被写体側を白色光で照明する。照明
された被写体は対物レンズ19によりイメージガイド2
1の先端面に像を結び、この像は接眼レンズ22を介し
て拡大観察することができる。(Operation) Next, the operation of the thus configured three-dimensional shape measuring endoscope apparatus 1 will be described. Illumination light from the lamp 14 is transmitted by the illumination light transmission light guide 16, emitted from the distal end surface through the illumination lens 18 to the subject side, and illuminates the subject side with white light. The illuminated object is image guide 2 by the objective lens 19.
An image is formed on the distal end surface of the lens 1, and the image can be magnified and observed through the eyepiece 22.
【0040】また、レーザ34のレーザ光はポリゴンミ
ラー36により水平方向に走査されると共に、ガルバノ
ミラー38によりこの水平方向での走査に比べて遅い垂
直方向に走査される。つまり、テレビ画面でのラスタ走
査のように二次元領域をレーザビームが走査し、この走
査光は集光レンズ39により測定光伝送用イメージガイ
ド31の光入射端に入射される。The laser light of the laser 34 is scanned by the polygon mirror 36 in the horizontal direction, and is scanned by the galvano mirror 38 in the vertical direction, which is slower than the scanning in the horizontal direction. That is, a laser beam scans a two-dimensional area like raster scanning on a television screen, and this scanning light is incident on the light incident end of the measurement light transmission image guide 31 by the condenser lens 39.
【0041】そして、レーザビームが入射された測定光
伝送用イメージガイド31を形成するファイバによりそ
れぞれ伝送され、先端面からさらに測定光投光レンズ4
5により被写体50側に投影或いは投光される。投影さ
れたレーザスポットは被写体面を例えば水平方向にライ
ン状に高速に順次走査し、かつ1ライン走査後に垂直方
向に僅かにずれた位置を平行でライン状に高速に走査す
るようにして二次元的に走査する。Then, the laser beam is transmitted by the fiber forming the image guide 31 for transmitting the measuring light into which the laser beam is incident, and the measuring light projecting lens 4 is further transmitted from the tip end surface.
5, the light is projected or projected on the subject 50 side. The projected laser spot is two-dimensionally scanned in such a manner that the object plane is sequentially scanned in a horizontal line at a high speed, for example, and a position slightly shifted in the vertical direction is scanned at a high speed in a parallel line after scanning one line. Scanning.
【0042】各走査位置で被写体で反射されたレーザス
ポットは形状測定用対物レンズ46により、形状測定用
イメージガイド32の先端面に結像する。先端面に結像
されたレーザスポット像はイメージガイド32の後端面
に伝送され、その端面から結像レンズ47を介してテー
プ状ファイバ束アレイ48で検出される。The laser spot reflected by the object at each scanning position forms an image on the distal end surface of the image guide 32 for shape measurement by the object lens 46 for shape measurement. The laser spot image formed on the front end surface is transmitted to the rear end surface of the image guide 32, and is detected by the tape-like fiber bundle array 48 from the end surface via the imaging lens 47.
【0043】各テープ状ファイバ束48(i)はその入
射側の端面が例えば垂直方向に沿って多数のファイバが
配置され、これらのファイバアレイで検出された光は1
つの光電変換素子49(i)で検出され、光電変換され
る。光電変換された信号は増幅された後、高速に切り換
えられる切換スイッチ52を介してレーザスポット位置
検知回路54に入力され、スポット位置が検知される。Each of the tape-like fiber bundles 48 (i) has a large number of fibers arranged at the end face on the incident side, for example, in the vertical direction, and the light detected by these fiber arrays is one.
It is detected by the two photoelectric conversion elements 49 (i) and photoelectrically converted. After the photoelectrically converted signal is amplified, the signal is input to a laser spot position detection circuit 54 via a changeover switch 52 which is switched at a high speed, and the spot position is detected.
【0044】このスポット位置検知回路54の出力は距
離算回路56に入力され、検出されたスポット位置の情
報等を用いて被写体各部までの距離の算出を行う。算出
された距離情報は表示制御回路57に入力され、三次元
形状で表示する画像データを生成する。そして三次元メ
モリメモリ58に格納され、ビデオ信号に変換されてデ
ィスプレイ5に三次元状に表示する。The output of the spot position detection circuit 54 is input to a distance calculation circuit 56, and the distance to each part of the subject is calculated using information on the detected spot position and the like. The calculated distance information is input to the display control circuit 57 to generate image data to be displayed in a three-dimensional shape. Then, it is stored in the three-dimensional memory 58, converted into a video signal, and displayed on the display 5 in a three-dimensional manner.
【0045】本実施の形態によれば、高速で光ビームを
二次元的に走査する走査手段と、その走査のもとでの被
写体の各部に投影された光スポットの反射光を結像面に
おける二次元的計測対象領域に対して一次元的に配列し
た光電変換素子によって形成される光位置検知手段で検
出して、各部の距離を算出するようにしているので、簡
単な構成でしかも動きがある被写体に対しても、三次元
計測を精度良く行うことができる。また、イメージガイ
ド31、32等のファイバの本数を多くすれば、測定の
分解能を容易に向上できる。According to this embodiment, the scanning means for two-dimensionally scanning the light beam at high speed, and the reflected light of the light spot projected on each part of the object under the scanning is reflected on the image forming surface. Since the position of each part is calculated by detecting with the light position detecting means formed by the photoelectric conversion elements arranged one-dimensionally with respect to the two-dimensional measurement target area, the movement is simple and the movement is simple. Even for a certain subject, three-dimensional measurement can be performed with high accuracy. In addition, if the number of fibers such as the image guides 31 and 32 is increased, the resolution of measurement can be easily improved.
【0046】さらに、二次元的に広がる計測対象に対
し、計測に必要とされる光電変換素子の数は、1つの方
向に沿ってのみの分解能に対応したもので済むので、計
測対象が広い場合にも少ない個数でカバーできると共
に、高速で検知できる。Further, the number of photoelectric conversion elements required for measurement for a two-dimensionally spread measurement target only needs to correspond to the resolution along one direction. In addition to being able to cover as few as possible, it can also be detected at high speed.
【0047】次に三次元位置の測定原理を図2(A)を
参照して以下に説明する。図2(A)は測定光投光レン
ズ45と隣接する形状測定用対物レンズ46付近の構造
を示す。両レンズ45、46の光軸を含む紙面に垂直な
方向に水平走査のレーザビームがイメージガイド31で
伝送され、その先端面からレンズ45を経て被写体側に
投影される。Next, the principle of measuring the three-dimensional position will be described below with reference to FIG. FIG. 2A shows a structure near a shape measuring objective lens 46 adjacent to the measuring light projecting lens 45. A laser beam for horizontal scanning is transmitted by the image guide 31 in a direction perpendicular to the paper surface including the optical axes of the lenses 45 and 46, and is projected from the front end surface through the lens 45 to the subject side.
【0048】レーザビームが図示のように紙面内にある
時にはその光は被写体面H1の点P1或いは被写体面H
2の点P2に投影され、それらはレンズ46によりイメ
ージガイド32の先端面の点P1′或いはP2′に結像
される。When the laser beam is in the plane of the paper as shown, the light is emitted from the point P1 on the object plane H1 or the object plane H.
The image is projected on the point P1 'or P2' on the distal end surface of the image guide 32 by the lens 46.
【0049】従って、被写体面までの距離が変化した場
合にも、レンズ46の光軸から点P1′或いはP2′ま
での長さを検出すれば、これらの光学系のデータから被
写体までの距離を算出できる。つまり、図2(A)でイ
メージガイド32の横方向に対する位置を検出すれば良
い。このため、テープ状ファイバ束48(i)を図2
(A)レーザビームの走査方向と平行な方向に積層にす
れば良く、本実施の形態ではこのような配置にしてい
る。Therefore, even if the distance to the object surface changes, if the length from the optical axis of the lens 46 to the point P1 'or P2' is detected, the distance to the object can be calculated from the data of these optical systems. Can be calculated. That is, the position of the image guide 32 in the horizontal direction may be detected in FIG. For this reason, the tape-shaped fiber bundle 48 (i) is
(A) Lamination may be performed in a direction parallel to the scanning direction of the laser beam. In the present embodiment, such an arrangement is employed.
【0050】なお、レーザビームが紙面内に位置する状
態で説明したが、紙面からずれた場合でもその紙面から
のずれ量が既知であれば、同様に位置計測ができる。次
により一般化した三次元位置の計測原理を、図2(B)
を参照して説明する。Although the description has been made on the assumption that the laser beam is located in the plane of the paper, even if the laser beam deviates from the plane of the paper, if the amount of deviation from the plane of the paper is known, the position can be measured similarly. Next, the generalization principle of the three-dimensional position is shown in FIG.
This will be described with reference to FIG.
【0051】本実施の形態の三次元計測内視鏡装置1で
は物体表面に照射された光はスポット位置に対応した元
の像面での点が既知であり、撮像系(測定光検出光学
系)は縦1ライン毎に単一の撮像素子で撮像しているた
め水平方向にのみ分解能を持つものである。In the three-dimensional measurement endoscope apparatus 1 of the present embodiment, the point of the light applied to the object surface on the original image plane corresponding to the spot position is known, and the image pickup system (measurement light detection optical system) ) Has a resolution only in the horizontal direction because an image is picked up by a single image sensor for each vertical line.
【0052】いま、測定光投光光学系(単に投光系と略
記)101を形成するファイバ102(具体的には測定
光伝送用イメージガイド31のファイバ)の仮想的な像
面および、測定光検出光学系(撮像系と略記)103を
形成するファイバアレイ104(具体的にはテープ状フ
ァイバ束アレイ48のファイバ先端面)の仮想的な結像
面は平行で水平方向をEx,垂直方向をEyとし、投光
系101および撮像系103の各レンズ105、106
(具体的には投光レンズ45、結像レンズ47)が同一
の光軸の向きEzをもっているとしよう。Now, a virtual image plane of the fiber 102 (specifically, the fiber of the image guide 31 for transmitting the measuring light) forming the measuring light projecting optical system (abbreviated simply as the light projecting system) 101 and the measuring light The virtual image plane of the fiber array 104 (specifically, the fiber end surface of the tape-like fiber bundle array 48) forming the detection optical system (abbreviated as an imaging system) 103 is parallel, and the horizontal direction is Ex and the vertical direction is Ex. Ey, the lenses 105 and 106 of the light projecting system 101 and the imaging system 103
(Specifically, it is assumed that the projection lens 45 and the imaging lens 47) have the same optical axis direction Ez.
【0053】幾何学的な原点を投光用レンズ105の光
学中心F(0,0,0)とする。いま、投光系はj番目
のラインのk番目の点からポイントQ(Xj ,Yk ,
Zo)を出射した光が物体面107で当たったスポット
P(Xp ,Yp ,Zp )が撮像系103でi番目のファ
イバ列に入射した状況を考える。投光したビームはQと
Fを結ぶ直線QF上にあるのでその点の満たす条件は x/Xj =y/Yk =z/Zo (式1) ここで、Xj およびYk は測定用光源のレーザビーム
の照射方向で決まる。従ってその値はレーザビームを各
方向に走査を行なうポリゴンミラー36の回転角及びガ
ルバノミラー38の回転角で決定される。The geometric origin is defined as the optical center F (0, 0, 0) of the projection lens 105. Now, the light projecting system starts at the point Q (Xj, Yk,
Consider a situation in which a spot P (Xp, Yp, Zp) hit by the light emitted from Zo) on the object plane 107 enters the i-th fiber array in the imaging system 103. Since the projected beam is on the straight line QF connecting Q and F, the condition that the point satisfies is x / Xj = y / Yk = z / Zo (Equation 1) where Xj and Yk are the laser beam of the measurement light source. Is determined by the irradiation direction. Therefore, the value is determined by the rotation angle of the polygon mirror 36 and the rotation angle of the galvanomirror 38 for scanning the laser beam in each direction.
【0054】Zoは投光系の光学中心Fと投光系の像面
の仮想的な距離によって規定されている。ここではZo
は固定と考えて良い。次に、i番目のファイバ列に結像
する光線はそのファイバ列と撮像用のレンズ106の光
学中心M(Xm,Ym,Zm)を含む面Sに含まれる。
ここで光軸の向きと面Sのなす角をφとする。面Sの方
程式は Xm−x=(Zm−z)tanφ (式2) となる。ここで角度φはレンズ106と撮像面の仮想的
な距離と、レンズ106の主軸の通るファイバ列hとi
のずれより算出することができる。従って、ファイバア
レイ104を形成するテープ状ファイバ束アレイ48で
構成された三次元形状測定光学系ではあらかじめ、その
光学系の配置から、入射したファイバ列と光学系の主軸
のなす角度を求めておけば良い。Zo is defined by the virtual distance between the optical center F of the light projecting system and the image plane of the light projecting system. Here, Zo
Can be considered fixed. Next, the light beam imaged on the i-th fiber row is included in the plane S including the fiber row and the optical center M (Xm, Ym, Zm) of the imaging lens 106.
Here, the angle between the direction of the optical axis and the surface S is φ. The equation of the surface S is as follows: Xm−x = (Zm−z) tan φ (Equation 2) Here, the angle φ is the virtual distance between the lens 106 and the imaging surface, and the fiber rows h and i through which the main axis of the lens 106 passes.
Can be calculated from the deviation. Therefore, in the three-dimensional shape measuring optical system constituted by the tape-shaped fiber bundle array 48 forming the fiber array 104, the angle between the incident fiber array and the main axis of the optical system must be determined in advance from the arrangement of the optical system. Good.
【0055】物体表面107上のスポットP(Xp ,Y
p ,Zp )は直線QF上にあり、かつ面Sに含まれるた
め、上の二つの条件を満たすことから Xp /Xj =Yp /Yk =Zp /Zo (式3) Xm−Xp =(Zm−Zp )tanφ (式4) となる。The spot P (Xp, Y) on the object surface 107
Since p and Zp are on the straight line QF and are included in the surface S, the above two conditions are satisfied. Therefore, Xp / Xj = Yp / Yk = Zp / Zo (Equation 3) Xm-Xp = (Zm- Zp) tanφ (Equation 4).
【0056】これを解くと Xm−(Zp /Zo)・Xj =(Zm−Zp )tanφ (式5) Zp (tanφ−Xj /Zo)=Zm・tanφ−Xm (式6) Zp =(Zm ・tanφ−Xm )/(tanφ−Xj /Zo) (式7) Xp =(Zp /Zo)・Xj =(Zm ・tanφ−Xm )/(Zo・tanφ −Xl )・X5 =(Zm ・tanφ−Xm )/((Zo/Xj )・tanφ− 1) (式8) Yp =Zp /Zo・Yk =(Zm ・tanφ−Xm )/(Zo・tanφ−Xj )・Yk (式9) となり点Pの座標を求めることができた。By solving this, Xm− (Zp / Zo) · Xj = (Zm−Zp) tanφ (Equation 5) Zp (tanφ−Xj / Zo) = Zm · tanφ−Xm (Equation 6) Zp = (Zm · tanφ−Xm) / (tanφ−Xj / Zo) (Equation 7) Xp = (Zp / Zo) · Xj = (Zm · tanφ−Xm) / (Zo · tanφ−Xl) · X5 = (Zm · tanφ−Xm) ) / ((Zo / Xj) · tan φ-1) (Equation 8) Yp = Zp / Zo · Yk = (Zm · tanφ-Xm) / (Zo · tanφ-Xj) · Yk (Equation 9) The coordinates could be determined.
【0057】すなわち、i番目のファイバ列の光を検出
する受光素子に入射した光の出射位置(k,j)がわか
ればの三次元情報は(式7,式8,式9)で与えられ
る。尚、ここではレーザビームを走査する動作とテープ
状ファイバ束アレイ48で検出する動作が完全に同期し
ている必要がある。That is, the three-dimensional information from the position (k, j) of the light incident on the light receiving element for detecting the light of the i-th fiber row is given by (Equation 7, 8, and 9). . Here, the operation of scanning the laser beam and the operation of detection by the tape-like fiber bundle array 48 need to be completely synchronized.
【0058】そのために、ポリゴン位置エンコーダ40
の出力でレーザスポット位置検知回路54は検知する。
同様に、遂次走査しているビームの位置とそれが入射し
たテープ状ファイバ束の位置が特定されれば、対応付け
をすることによって物体表面107の形状が計測でき
る。For this purpose, the polygon position encoder 40
The laser spot position detection circuit 54 detects the output at the output.
Similarly, if the position of the successively scanned beam and the position of the tape-shaped fiber bundle on which the beam is incident are specified, the shape of the object surface 107 can be measured by associating it.
【0059】図3は第1の実施の形態の変形例の主要部
を示す。この変形例では各テープ状ファイバ束48
(i)の入射側の端面に拡散板61を取り付けたもので
ある。図3(A)では拡散板61とテープ状ファイバ束
48(i)の端面とを離間して示しているが、実際には
その平面図で示す図3(B)のように端面に取り付けて
いる。図示していないが、拡散板61の隣の拡散板に接
する面は、金属薄膜等が蒸着されており、隣接する拡散
板に光が漏れ込むのを防止している。FIG. 3 shows a main part of a modification of the first embodiment. In this modification, each tape-like fiber bundle 48
(I) A diffusion plate 61 is attached to the end face on the incident side. In FIG. 3A, the diffusion plate 61 and the end face of the tape-like fiber bundle 48 (i) are shown as being separated from each other, but actually, they are attached to the end face as shown in the plan view of FIG. I have. Although not shown, a metal thin film or the like is vapor-deposited on the surface of the diffusion plate 61 that is in contact with the diffusion plate, thereby preventing light from leaking into the adjacent diffusion plate.
【0060】テープ状ファイバ48(i)の端面にこの
ように拡散板61を取り付けることにより、図3(B)
に示すように入射される光がテープ状ファイバ束48
(i)のコア部62に入射されないで、そのクラッド部
63に入射された場合でも、その一部の光が拡散されて
コア部62に入射されることになるので、より確実に入
射光を検出できる。By attaching the diffusion plate 61 to the end surface of the tape-like fiber 48 (i) in this way, the structure shown in FIG.
As shown in FIG.
Even if the light does not enter the core portion 62 of (i) but enters the cladding portion 63, a part of the light is diffused and enters the core portion 62, so that the incident light can be more reliably emitted. Can be detected.
【0061】図4は図3の変形例を示す。図3(A)で
はテープ状ファイバ束48(i)の1列の端面単位で拡
散板61を設けたが、図4では複数列単位(具体例では
2列単位)で拡散板61を設けている。この場合にもほ
ぼ同様の作用及び効果を有する。この場合、隣のテープ
状ファイバ束に拡散光が一部漏れ込むが、拡散板61が
薄ければ、その影響は少ない。FIG. 4 shows a modification of FIG. In FIG. 3A, the diffusion plate 61 is provided for each end face of one row of the tape-shaped fiber bundle 48 (i), but in FIG. 4, the diffusion plate 61 is provided for a plurality of rows (two rows in a specific example). I have. In this case, substantially the same operation and effect can be obtained. In this case, the diffused light partially leaks into the adjacent tape-shaped fiber bundle. However, if the diffusion plate 61 is thin, the influence is small.
【0062】(第2の実施の形態)図5は本発明の第2
の実施の形態の主要部を示す。本実施の形態ではテープ
状ファイバ束アレイ48の代わりに反射コート付き薄板
ガラスアレイ66を用いている。この反射コート付薄板
ガラスアレイ66は反射コート付薄板ガラス67(i)
をn枚積層にした構造となっている。(Second Embodiment) FIG. 5 shows a second embodiment of the present invention.
2 shows a main part of the embodiment. In this embodiment, a thin glass array 66 with a reflection coat is used instead of the tape-like fiber bundle array 48. The thin glass array with reflection coat 66 is a thin glass with reflection coat 67 (i).
Are stacked in n layers.
【0063】各反射コート付薄板ガラス67(i)は図
6に示すように薄板状の透明ガラス68の両面に反射層
となる反射コート69をそれぞれ設けたもので、これら
を厚み方向にn枚、積層にしたものである。As shown in FIG. 6, each of the thin glass plates 67 (i) provided with a reflection coat is provided with a reflection coat 69 serving as a reflection layer on both sides of a thin transparent glass 68, and these are n sheets in the thickness direction. , And laminated.
【0064】そして、一方の端面に入射された入射光は
反射層69により反射されながら他端側に伝送され、他
端から出射された出射光は図5に示すように他端に取り
付けたシリンドリカルレンズ70により水平方向には集
光されないで、垂直方向に集光され、それぞれ対向する
ように配置され、光電変換素子アレイ49を形成する光
電変換素子49(i)で受光するようにしている。The incident light incident on one end face is transmitted to the other end side while being reflected by the reflection layer 69, and the outgoing light emitted from the other end is, as shown in FIG. The light is not condensed in the horizontal direction by the lens 70, but is condensed in the vertical direction, and is arranged so as to face each other, and is received by the photoelectric conversion elements 49 (i) forming the photoelectric conversion element array 49.
【0065】つまり、各反射コート付薄板ガラス67
(i)はテープ状ファイバ束48(i)の場合と同様に
1つの方向(より具体的には被写体に光スポットをある
方向(Dとする)に高速に投影する際のその方向Dと異
なり、その方向に望ましくは直交する方向)に光検出機
能を有するようにしている。その他の構成は第1の実施
の形態と同様である。本実施の形態の効果は第1の実施
の形態のテープ状ファイバ束アレイ48を用いた場合と
ほぼ同様でる。That is, the thin glass 67 with each reflection coat
(I) is different from the direction D when the light spot is projected at a high speed in one direction (more specifically, in a direction (D)) as in the case of the tape-shaped fiber bundle 48 (i). , Preferably in a direction orthogonal to the direction). Other configurations are the same as those of the first embodiment. The effect of the present embodiment is almost the same as the case where the tape-like fiber bundle array 48 of the first embodiment is used.
【0066】(第3の実施の形態)図7は本発明の第3
の実施の形態の主要部を示す。本実施の形態では第1の
実施の形態におけるテープ状ファイバ束アレイ48及び
アレイ状に配置した光電変換素子49(i)の代わりに
スリット状の光電変換素子アレイ71を採用している。
つまり、図1の結像レンズ47の結像面位置に図7に示
す光電変換素子アレイ71を配置している。(Third Embodiment) FIG. 7 shows a third embodiment of the present invention.
2 shows a main part of the embodiment. In this embodiment, a slit-like photoelectric conversion element array 71 is employed instead of the tape-like fiber bundle array 48 and the photoelectric conversion elements 49 (i) arranged in an array in the first embodiment.
That is, the photoelectric conversion element array 71 shown in FIG. 7 is arranged at the image plane position of the image forming lens 47 in FIG.
【0067】この光電変換素子アレイ71は細長の受光
面(つまり垂直方向などの1つの方向にのみ光検出する
機能を有する受光面)を備えた光電変換素子72(i)
を所定ピッチでn個配置したものである。このピッチと
しては、結像レンズ47で形状測定用イメージガイド3
2のファイバ端面が結像されるその結像面に配置された
場合に、ファイバ像の水平方向のピッチとほぼ等しくす
ることが具体的な値として考えられる。The photoelectric conversion element array 71 has an elongated light receiving surface (that is, a light receiving surface having a function of detecting light only in one direction such as a vertical direction) 72 (i).
Are arranged at a predetermined pitch. The pitch is determined by the imaging lens 47 and the shape measurement image guide 3.
When the two fiber end faces are arranged on the image forming plane where the image is formed, it is conceivable as a specific value to make the pitch substantially equal to the horizontal pitch of the fiber image.
【0068】各光電変換素子72(i)に接続された信
号線73(i)は図1の増幅器51(i)と接続され、
それぞれ光電変換された信号が増幅器51(i)で増幅
される。その他は第1の実施の形態と同様の構成であ
る。本実施の形態の効果は第1の実施の形態とほぼ同様
である。A signal line 73 (i) connected to each photoelectric conversion element 72 (i) is connected to the amplifier 51 (i) of FIG.
Each of the photoelectrically converted signals is amplified by the amplifier 51 (i). Other configurations are the same as those of the first embodiment. The effects of this embodiment are almost the same as those of the first embodiment.
【0069】(第4の実施の形態)次に本発明の第4の
実施の形態を図8を参照して説明する。図8に示す第4
の実施の形態の三次元計測内視鏡装置74は図1におけ
る内視鏡2において、観察用対物レンズ19及び観察用
イメージガイド21を設けないで、形状測定用対物レン
ズ46による像をハーフミラー75aを介して透過側に
形状測定用イメージガイド32の先端面を配置し、反射
側に撮像素子としてのCCD75bを配置してそれぞれ
結像するようにしている。なお、形状測定用イメージガ
イド32の先端面に結像される像と、CCD75bに結
像される像とは各点が1体に対応している。(Fourth Embodiment) Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fourth shown in FIG.
In the three-dimensional measurement endoscope device 74 of the embodiment, the endoscope 2 in FIG. 1 does not include the observation objective lens 19 and the observation image guide 21, and the image formed by the shape measurement objective lens 46 is a half mirror. The distal end surface of the image guide 32 for shape measurement is arranged on the transmission side via 75a, and the CCD 75b as an image sensor is arranged on the reflection side to form an image. Each point of the image formed on the distal end surface of the image guide 32 for shape measurement and the image formed on the CCD 75b correspond to one body.
【0070】ハーフミラー75aは通常のハーフミラー
でも良いが、計測に用いる赤外の波長域等に設定される
レーザ光の波長は透過し、それ以外の可視光の波長域を
選択的に反射する特性を持ったダイクロイックミラーで
構成すれば、測定光及び照明光を有効に利用でき、感度
及びS/Nをより向上できる。また、ダイクロイックミ
ラーで反射したことによる色の誤差は色補正回路により
補正してより自然画像に近い状態になるようにしても良
い。The half mirror 75a may be an ordinary half mirror, but transmits a laser beam wavelength set in an infrared wavelength range or the like used for measurement, and selectively reflects other visible light wavelength ranges. If a dichroic mirror having characteristics is used, measurement light and illumination light can be used effectively, and sensitivity and S / N can be further improved. Further, a color error caused by the reflection by the dichroic mirror may be corrected by a color correction circuit so as to be in a state closer to a natural image.
【0071】上記のようにイメージガイド21を設けて
いないので、本実施の形態における内視鏡2′では接眼
部8が設けていない。先端部17に配置されたこのCC
D75bには信号線75cが接続され、この信号線75
cは挿入部6、操作部7及びユニバーサルケーブル9内
を挿通され、コネクタに設けた電気接点に接続されてい
る。Since the image guide 21 is not provided as described above, the eyepiece 8 is not provided in the endoscope 2 'in the present embodiment. This CC located at the tip 17
A signal line 75c is connected to D75b.
c is inserted through the insertion section 6, the operation section 7, and the universal cable 9, and is connected to an electrical contact provided on the connector.
【0072】この電気接点は三次元形状測定ユニット4
側に設けた電気接点受けを介して映像信号回路76に入
力され、通常観察用のカラーのビデオ信号が生成され、
ビデオ信号合成回路59に入力される。そして、三次元
形状メモリ58からの三次元形状画像データと合成され
て、ディスプレイ5にはカラー化された鳥瞰図が表示さ
れるようにしている。This electric contact is a three-dimensional shape measuring unit 4
It is input to the video signal circuit 76 via the electrical contact receiver provided on the side, and a color video signal for normal observation is generated,
The video signal is input to the video signal synthesis circuit 59. The color image is combined with the three-dimensional shape image data from the three-dimensional shape memory 58 so that a colorized bird's-eye view is displayed on the display 5.
【0073】また、本実施の形態のでレーザ光走査手段
30″は図1におけるレーザ光走査手段30において、
レーザ光の水平方向のスキャンを行うポリゴンミラー3
6の代わりに高速スキャンミラー77aを用い、この高
速スキャンミラー77aを支持体77bを介して高速ス
キャンミラー駆動装置77cに取付けている。Further, in this embodiment, the laser beam scanning means 30 "is different from the laser beam scanning means 30 in FIG.
Polygon mirror 3 for horizontal scanning of laser light
A high-speed scan mirror 77a is used in place of 6, and the high-speed scan mirror 77a is attached to a high-speed scan mirror driving device 77c via a support 77b.
【0074】この高速スキャンミラー駆動装置77c
は、高速スキャンミラー駆動回路77dからの駆動信号
により高速に往復回転振動し、高速スキャンミラー77
aを水平面内で往復回転振動させてレーザ光を水平方向
でスキャンさせるようにしている。This high-speed scan mirror driving device 77c
Are reciprocally rotated and oscillated at high speed by a drive signal from the high-speed scan mirror driving circuit 77d,
The laser beam a is reciprocally oscillated in a horizontal plane to scan the laser beam in the horizontal direction.
【0075】また、この高速スキャンミラー駆動回路7
7dとガルバノミラー駆動回路37はミラー制御回路7
8と接続され、高速スキャンミラー77aの位置情報と
ガルバノミラー38の位置情報とを距離計算回路56に
出力する。そして、距離計算回路56はレーザスポット
位置検知回路54の出力とこれらの位置情報を用いて、
距離の計算を行う。The high-speed scan mirror driving circuit 7
7d and the galvanometer mirror drive circuit 37
8 and outputs the position information of the high-speed scan mirror 77 a and the position information of the galvano mirror 38 to the distance calculation circuit 56. Then, the distance calculation circuit 56 uses the output of the laser spot position detection circuit 54 and the position information thereof,
Calculate the distance.
【0076】本実施の形態では高速スキャンミラー77
aの位置情報とガルバノミラー38の位置情報とを距離
計算回路56に出力し、距離計算に使用することによ
り、距離計測に用いる光学系の歪み等を補正して、より
精度の高い距離計測を行えるようにしている(第1の実
施の形態では水平方向のスキャンを行うポリゴンミラー
36の位置情報のみを使用し、垂直方向のスキャンを行
うガルバノミラー38による位置情報はガルバノミラー
駆動回路37により一定の値となるように予め設定され
ており、誤差はない或いは無視できるとしている)。In this embodiment, the high-speed scan mirror 77
The position information a and the position information of the galvanomirror 38 are output to the distance calculation circuit 56 and are used for distance calculation, thereby correcting distortion and the like of an optical system used for distance measurement, thereby achieving more accurate distance measurement. (In the first embodiment, only the position information of the polygon mirror 36 that performs horizontal scanning is used, and the position information of the galvanomirror 38 that performs vertical scanning is fixed by the galvanomirror driving circuit 37. Is set in advance so that there is no error or it can be ignored).
【0077】なお、図1では増幅器51(i)の出力は
切換スイッチ52を介して信号処理回路53を経てレー
ザスポット位置検知回路54に入力するようにしている
が、本実施の形態では増幅器51(i)の出力は並列処
理する信号処理回路53′を介してレーザスポット位置
検知回路54に入力するようになっている。そして、こ
の信号処理回路53′は並列処理により、光スポット像
が入射されるテープ状ファイバ束48(i)の位置を検
知する。In FIG. 1, the output of the amplifier 51 (i) is input to the laser spot position detecting circuit 54 through the signal processing circuit 53 via the changeover switch 52, but in this embodiment, the amplifier 51 (i) is used. The output of (i) is input to a laser spot position detection circuit 54 via a signal processing circuit 53 'for performing parallel processing. The signal processing circuit 53 'detects the position of the tape-like fiber bundle 48 (i) where the light spot image is incident by parallel processing.
【0078】第1の実施の形態では、白色光により照明
された被写体50は観察用対物レンズ19により、観察
用イメージガイド21の先端面に結像して、肉眼で観察
できるようにしていたが、本実施の形態では形状測定用
対物レンズ46を観察用及び形状測定用に兼用して用い
ている。その他の動作は第1の実施の形態とほぼ同様で
ある。In the first embodiment, the subject 50 illuminated with white light is imaged on the distal end surface of the observation image guide 21 by the observation objective lens 19, so that it can be observed with the naked eye. In the present embodiment, the shape measurement objective lens 46 is used for both observation and shape measurement. Other operations are almost the same as those of the first embodiment.
【0079】本実施の形態によれば、観察用対物レンズ
19及び観察用イメージガイド21を用いなくても済む
ので、挿入部6を細く出来るなどのメリットがある。ま
た、観察用の像と測定用の像とを共通の対物レンズ46
により得るようにしているので、両画像を合成すること
が容易にできる。その他は第1の実施の形態とほぼ同様
の効果がある。According to the present embodiment, the observing objective lens 19 and the observing image guide 21 do not need to be used, so that there is an advantage that the insertion section 6 can be made thinner. The observation image and the measurement image are shared by a common objective lens 46.
Therefore, both images can be easily synthesized. Other effects are almost the same as those of the first embodiment.
【0080】(第5の実施の形態)図9は本発明の第5
の実施の形態の三次元計測内視鏡装置80の全体構成を
示す。本実施の形態は半導体レーザ光源のスポットビー
ムを水平垂直方向の走査へ物体面にあるビームのスポッ
ト位置を画像の1ラインに対して受光素子が1個対応す
るようにファイバで連結するような撮像系を有し、三角
測量の原理に基づき物体の高さ情報を計測する装置にお
いて、スポットビーム光源の走査を音響光学偏向器を用
いて行い、この音響光学偏向器の駆動電源の信号を用い
てビームの水平、垂直位置を求めることを特徴とするも
のである。(Fifth Embodiment) FIG. 9 shows a fifth embodiment of the present invention.
1 shows an overall configuration of a three-dimensional measurement endoscope apparatus 80 according to the embodiment. In the present embodiment, the spot beam of the semiconductor laser light source is scanned in the horizontal and vertical directions, and the spot position of the beam on the object plane is connected by a fiber so that one light receiving element corresponds to one line of the image. In a device having a system and measuring height information of an object based on the principle of triangulation, scanning of a spot beam light source is performed using an acousto-optic deflector, and a signal of a driving power supply of the acousto-optic deflector is used. The horizontal and vertical positions of the beam are obtained.
【0081】本実施の形態は基本的には図1の実施の形
態において、三次元計測ユニット4のレーザ光走査手段
30と異なる構成のレーザ光走査手段30′にしてい
る。In this embodiment, basically, a laser beam scanning unit 30 ′ having a configuration different from that of the laser beam scanning unit 30 of the three-dimensional measuring unit 4 in the embodiment of FIG. 1 is used.
【0082】つまり、レーザ駆動回路81により発光駆
動される半導体レーザ82のレーザビームは第1の音響
光学偏向器(AODと略記)83によって水平方向に回
折され、水平方向に走査する。この第1のAOD83は
例えば、GaP,LiNbO3,PbMoO4の材料よ
りなる。That is, the laser beam of the semiconductor laser 82 driven to emit light by the laser drive circuit 81 is diffracted in the horizontal direction by the first acousto-optic deflector (abbreviated as AOD) 83 and scans in the horizontal direction. The first AOD 83 is made of, for example, GaP, LiNbO3, PbMoO4.
【0083】この回折角度は第1のAOD83を駆動す
る高周波信号の周波数で決まる。そこでAOD83を駆
動する信号源に第1の電圧制御発振器(VCOと略記)
84を用いているので、この第1のVCO84の駆動電
源電圧は高周波信号の周波数に対応しており、また第1
のAOD83のビームの偏向角度にも対応している。こ
の第1のVCO84の駆動電源電圧はA/D変換器85
によりデジタル信号に変換されてビームスポット位置検
知回路54に入力される。This diffraction angle is determined by the frequency of the high-frequency signal for driving the first AOD 83. Therefore, a first voltage controlled oscillator (abbreviated as VCO) is used as a signal source for driving the AOD 83.
84, the driving power supply voltage of the first VCO 84 corresponds to the frequency of the high-frequency signal.
AOD 83 also corresponds to the deflection angle of the beam. The driving power supply voltage of the first VCO 84 is
Is converted into a digital signal and input to the beam spot position detection circuit 54.
【0084】第1のAOD83で回折されたビームはレ
ンズ89を介して平行光にされた後、垂直方向の走査を
行なう第2のAOD86に入射される。この第2のAO
D86はその駆動信号源となる第2のVCO87で駆動
される。この第2のVCO87の駆動電源電圧はA/D
変換器88によりデジタル信号に変換されて高さ情報計
算回路(図1の距離計算回路56と等価)92に入力さ
れ、この駆動電源電圧により垂直方向の偏向角度の情報
を得ることができるようにしている。The beam diffracted by the first AOD 83 is converted into parallel light through a lens 89, and then is incident on a second AOD 86 that performs vertical scanning. This second AO
D86 is driven by a second VCO 87 serving as a drive signal source. The drive power supply voltage of the second VCO 87 is A / D
The signal is converted into a digital signal by a converter 88 and is input to a height information calculation circuit (equivalent to the distance calculation circuit 56 in FIG. 1) 92, so that information on the vertical deflection angle can be obtained by the drive power supply voltage. ing.
【0085】この第2のAOD86で回折されたビーム
はレンズ90を介して平行光にされ測定光伝送用イメー
ジガイド31の光入射端面に入射される。The beam diffracted by the second AOD 86 is converted into parallel light through the lens 90 and is incident on the light incident end face of the image guide 31 for transmitting measurement light.
【0086】本実施の形態では、レンズ89、90をf
−θレンズ系としてビームの偏向角度はそのまま結像面
の位置情報に線形に対応するように設定し、VCO8
4、87を駆動するDC電圧の値によってスポット光の
測定光伝送用イメージガイド31の入射端面への照射位
置が分かるようにしている。In the present embodiment, the lenses 89 and 90 are
As a −θ lens system, the deflection angle of the beam is set so as to linearly correspond to the position information of the image plane, and the VCO 8
The irradiation position of the spot light on the incident end face of the measurement light transmission image guide 31 can be determined by the value of the DC voltage for driving the light guides 4, 87.
【0087】ここで、第1及び第2のAOD83、86
に対する高周波信号源となる第1及び第2のVCO8
4、87の駆動電源の電圧(VCO電圧ともいう)の変
調波形を図10(A)及び図10(B)のように鋸歯波
形の階段波とし、その周期を水平及び垂直方向でそれぞ
れT1,T2とすると、T2がT1のn倍とすることに
より、n本の水平方向の走査線を持つスキャンビームが
得られるようにしている。Here, the first and second AODs 83 and 86
And second VCO 8 serving as high-frequency signal sources for
The modulation waveforms of the drive power supply voltages (also referred to as VCO voltages) 4 and 87 are stepped sawtooth waveforms as shown in FIGS. 10A and 10B, and the periods thereof are T1 and T1 in the horizontal and vertical directions, respectively. When T2 is set, T2 is set to n times T1 so that a scan beam having n horizontal scanning lines can be obtained.
【0088】測定光伝送用イメージガイド31を伝搬し
測定光投光レンズ45を通して被写体50面に照射され
た光は反射し形状計測用対物レンズ46を通して形状測
定用イメージガイド32を伝搬し、結像レンズ47を介
してテープ状光ファイバ束アレイ48に投光される。The light that has propagated through the measuring light transmission image guide 31 and illuminated on the surface of the subject 50 through the measuring light projecting lens 45 is reflected and propagates through the shape measuring image guide 32 through the shape measuring objective lens 46 to form an image. The light is projected on the tape-like optical fiber bundle array 48 via the lens 47.
【0089】一つのテープ状ファイバ束48(i)は1
列の画素に対応し、集光されて一つの光電変換素子49
(i)に導かれる。One tape-shaped fiber bundle 48 (i) is 1
One photoelectric conversion element 49 corresponding to the pixels in the column is collected and condensed.
It is led to (i).
【0090】内視鏡2の光学系で視野角の縁辺方向にま
で測定ビームが照射される様にするため、本実施の形態
では測定光投光レンズ45として図11に示す光学系に
している。In the present embodiment, the optical system shown in FIG. 11 is used as the measuring light projecting lens 45 in order to irradiate the measuring beam to the edge direction of the viewing angle in the optical system of the endoscope 2. .
【0091】図11に示すように測定光伝送用イメージ
ガイド31のファイバ31aから出射した光はレンズ9
4で収束し、その焦点位置の絞り95で一旦絞り、さら
に凹レンズ96により拡開させることにより、ビームの
照射方向が広範囲に広がるようにしている。なお、レン
ズ94はf−θレンズである。As shown in FIG. 11, light emitted from the fiber 31a of the image guide 31 for measuring light transmission is
The beam is converged at 4, and once stopped by the stop 95 at the focal position, and further expanded by the concave lens 96, so that the beam irradiation direction is widened. Note that the lens 94 is an f-θ lens.
【0092】したがって、ビームの被写体面(或いは物
体面)への照射方向を得るにはレンズ96の逆焦点距離
と配置から計算する。そのような光学系の構成データが
わかっていれば、第1及び第2のVCO84、87を駆
動するVCO電圧をA/D変換し、そのデータを基に測
定用レーザビームの位置と照射方向を得ることができ
る。Therefore, in order to obtain the direction of irradiation of the beam on the object plane (or the object plane), calculation is performed from the reverse focal length and arrangement of the lens 96. If the configuration data of such an optical system is known, the VCO voltage for driving the first and second VCOs 84 and 87 is A / D converted, and the position and irradiation direction of the measurement laser beam are determined based on the data. Obtainable.
【0093】あるいは、第1及び第2のVCO84、8
7の駆動電源としてデジタルデータをD/A変換してお
こなうようにし、このデジタルデータを基に照射方向を
演算するような構成にしても良い。何れの方法にしても
ビームの走査手段にビームの照射位置を得るためのエン
コーダを必要としないことから、簡単な構成で三次元計
測内視鏡装置80を実現している。Alternatively, the first and second VCOs 84, 8
The driving power supply 7 may be configured to perform D / A conversion of digital data and to calculate the irradiation direction based on the digital data. Either method does not require an encoder for obtaining the beam irradiation position in the beam scanning means, so that the three-dimensional measurement endoscope device 80 is realized with a simple configuration.
【0094】また、本実施の形態では、光電変換素子4
9(i)の何れに測定光が入射したかを判断するために
は各光電変換素子49(i)の信号を同一の特性を持つ
増幅器51(i)で増幅し多チャンネルの比較器97で
比較し最もレベルが高い光電変換素子49(i)の位置
から垂直方向の位置を求める。In this embodiment, the photoelectric conversion element 4
9 (i), the signal of each photoelectric conversion element 49 (i) is amplified by the amplifier 51 (i) having the same characteristic, and the signal is amplified by the multi-channel comparator 97. The position in the vertical direction is obtained from the position of the photoelectric conversion element 49 (i) having the highest level in comparison.
【0095】このデータと、第1のVCO84の出力値
を参照して計算して求めた水平方向の位置データからレ
ーザスポット位置検知回路54はレーザスポットの位置
を検知する。The laser spot position detection circuit 54 detects the position of the laser spot from this data and the horizontal position data calculated by referring to the output value of the first VCO 84.
【0096】このレーザスポット位置検知回路54の次
段に高さ情報計算回路(図1の距離計算回路56に相
当)98が設けてあり、次に高さ情報の計算を上の式に
従って求めるために垂直方向の照射位置に対応する第2
のA/D変換器88の出力と求められたレーザスポット
の位置から各レーザスポット位置のその高さの情報を計
算する。A height information calculation circuit (corresponding to the distance calculation circuit 56 in FIG. 1) 98 is provided at the next stage of the laser spot position detection circuit 54. Then, the height information is calculated according to the above equation. The second corresponding to the irradiation position in the vertical direction
The information on the height of each laser spot position is calculated from the output of the A / D converter 88 and the position of the obtained laser spot.
【0097】そして、各レーザスポット位置とその高さ
の情報を対応させてフレームメモリ99に記録し、ビデ
オ信号合成回路59で各レーザスポット位置に対応した
高さ情報を用いて三次元的な画像表示に対応したビデオ
信号に変換して、ディスプレイ5で表示する。Then, each laser spot position and its height information are recorded in the frame memory 99 in correspondence with each other, and the video signal synthesizing circuit 59 uses the height information corresponding to each laser spot position to produce a three-dimensional image. The video signal is converted into a video signal corresponding to the display and displayed on the display 5.
【0098】なお、例えば周期の長い垂直方向の走査を
行う第2のVCO87として図12に示すようなシンセ
サイザ方式のPLL回路にしても良い。このPLL回路
は水晶121を用いた水晶基準発振器122の周波数f
iの発振出力を位相比較器123に入力する。For example, a PLL circuit of a synthesizer type as shown in FIG. 12 may be used as the second VCO 87 for performing vertical scanning with a long period. This PLL circuit has a frequency f of a crystal reference oscillator 122 using a crystal 121.
The oscillation output of i is input to the phase comparator 123.
【0099】この位相比較器123の比較出力はローパ
スフィルタ124を経て、その低域成分でVCO125
を電圧制御発振させ、その出力を出力端から得ると共
に、プログラマブルデバイダ126により、分周比Mで
分周してその出力を位相比較器123に入力する。そし
て、分周された信号と比較することにより、VCO12
5の出力端からfi・Mの周波数の出力信号を得る。The comparison output of the phase comparator 123 passes through a low-pass filter 124, and the VCO 125
Is subjected to voltage-controlled oscillation, and its output is obtained from the output terminal. The output is also divided by the division ratio M by the programmable divider 126, and the output is input to the phase comparator 123. Then, by comparing the divided signal, the VCO 12
5, an output signal having a frequency of fi · M is obtained.
【0100】分周比Mはデータ入力部127のデータで
設定できる。そして、このデータ入力部127のデータ
を順次可変し、分周比Mを変えることにより、VCOに
直接図9(B)のようなVCO電圧を印加したような動
作をさせる。なお、ローパスフィルタ124を用いて負
帰還制御するため、高速の走査を行う水平方向の走査に
はVCOを直接鋸歯状波で駆動した方が良い。The frequency division ratio M can be set by the data of the data input section 127. Then, the data of the data input section 127 is sequentially varied, and the frequency division ratio M is changed, thereby causing the VCO to operate as if a VCO voltage as shown in FIG. Since negative feedback control is performed using the low-pass filter 124, it is better to directly drive the VCO with a sawtooth wave for horizontal scanning for high-speed scanning.
【0101】本実施の形態は以下の効果を有する。第1
の実施の形態のようにポリゴンミラーとガルバノスキャ
ンミラーを用いて、ビームを走査する方式だと、各軸に
対してエンコーダーを用いなければならない。これに対
して、音響光学偏向器を用いると例えば駆動電源にVC
Oを用いた場合に位置情報に対応するDC信号は駆動電
源の電圧から直接得ることができるので、構成が簡易に
なる。This embodiment has the following effects. First
In the method of scanning a beam using a polygon mirror and a galvano scan mirror as in the embodiment, an encoder must be used for each axis. On the other hand, if an acousto-optic deflector is used, for example, a VC
When O is used, the DC signal corresponding to the position information can be obtained directly from the voltage of the driving power supply, so that the configuration is simplified.
【0102】その他は第1の実施の形態と同様の効果を
有する。The other effects are the same as those of the first embodiment.
【0103】上述した3次元形状測定装置は物体表面に
照射された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1ライン毎に単一の撮像素
子で撮像しているので水平方向にのみ分解能を持つもの
である。すなわち、通常「光切断法」と言われる方法の
光源と撮像系の立場が逆の発想である。In the above-described three-dimensional shape measuring apparatus, the point of the light applied to the object surface on the original image plane corresponding to the spot position is known, and the image pickup system uses a single image pickup element for each vertical line. Since the image is taken, it has a resolution only in the horizontal direction. In other words, the light source and the imaging system in a method usually called the “light-section method” are opposite ideas.
【0104】しかしながら内視鏡の光学系は極端に広角
なために、通常の光切断法に比べ歪曲収差を考慮しなけ
ればならない。However, since the optical system of the endoscope is extremely wide-angle, it is necessary to consider the distortion as compared with the ordinary light section method.
【0105】このため、出射点の位置と被写体までの距
離、撮像系での入射位置(水平方向のみ)を組としてR
OM等に記録しておき、測定データとこれとを照合する
ようなLookup Tableを使う方法等が取られ
ている。Therefore, the position of the emission point, the distance to the subject, and the incident position (only in the horizontal direction) in the imaging system are set as R
A method of using a Lookup Table for recording the data in an OM or the like and collating the measured data with the data is used.
【0106】それに対して、歪曲収差を考慮した式(後
述の式15〜17)に従って三次元位置を検出するよう
にすれば、精度の高い三次元位置の検出ができる。前述
した式7〜9では、歪曲収差のない光学系での物体の3
次元計測(図13)について、定式化したものであり、
これは物体Bが離れており、また投光する光線が光軸
(ez)に対して平行に近い場合には誤差が少ない。On the other hand, if the three-dimensional position is detected in accordance with equations (Equations 15 to 17 described later) in which distortion is taken into account, highly accurate three-dimensional position detection is possible. In Equations 7 to 9 described above, the third value of the object in the optical system having no distortion is obtained.
The dimension measurement (FIG. 13) is formalized,
This is because the error is small when the object B is distant and the projected light beam is nearly parallel to the optical axis (ez).
【0107】ここで、投光光学系及び撮像光学系はテレ
セントリック光学系を想定し、同一の焦点距離fを持つ
とする。実際の内視鏡の光学系では色収差補正と非点収
差補正を行い、かつ出射端に広角な凹レンズを用いる関
係から必ず群レンズを用いるが、ここではそれと等価な
仮想的なレンズを考える。Here, the projection optical system and the imaging optical system are assumed to be telecentric optical systems and have the same focal length f. In an actual endoscope optical system, chromatic aberration correction and astigmatism correction are performed, and a group lens is always used because a wide-angle concave lens is used at the exit end. Here, a virtual lens equivalent to this is considered.
【0108】座標の基準点を出射側レンズの焦点O
(0,0,0)とする。図14ではファイバ出射面から
出た光は直進して仮想的なレンズ面z=−fに当たり、
その後投影像Pとして被写体にスポットを作る。The coordinate reference point is set to the focal point O of the exit lens.
(0,0,0). In FIG. 14, light emitted from the fiber exit surface goes straight and hits a virtual lens surface z = −f.
Thereafter, a spot is formed on the subject as a projection image P.
【0109】歪曲収差を持つ光学系はファイバを出射し
たスポットの物体での投影像と焦点を結ぶ直線と光軸
(ez)の角度をθとしてそのスポットから光線を逆追
跡して仮想的なレンズ面での像の高さは近似的にfsi
nθとなるので無収差の像ではftanθなので、これ
に対してcosθ倍される(図14参照)。これがファ
イバの仮想的なレンズ面z=fでのスポット像であるの
で sinθ=√(Xi ・Xi +Yj ・Yj )/f,cos
θ=√(f・f−Xi ・Xi −Yj ・Yj )/f となる。ここで√(f)は()内のfの平方根を意味す
る。The optical system having the distortion aberration is a virtual lens which reversely traces the light beam from the spot with the angle θ between the optical axis (ez) and the straight line connecting the projected image on the object and the focal point of the spot emitted from the fiber. The height of the image at the plane is approximately fsi
Since it is nθ, it is ftan θ in an image having no aberration, and is multiplied by cos θ (see FIG. 14). Since this is a spot image at the virtual lens surface z = f of the fiber, sin θ = √ (Xi · Xi + Yj · Yj) / f, cos
θ = √ (f · f−Xi · Xi−Yj · Yj) / f. Here, √ (f) means the square root of f in ().
【0110】実際にテレセントリックな光学系で格子状
のパターンを平らな物体面に垂直の投影すると図15の
様になる。歪曲収差を考慮した光学系で図13の様に3
次元形状計測の概念図を表すと図16の様になるが、こ
れをふまえて以下に定式化を示す。投光光学系の焦点O
(0,0,0)とスポットの投影像を結ぶ直線とz=f
面の交点をQ’とするとその座標は Q’={Xi f/√(f・f−Xi ・Xi −Yj ・Yj
),Yj f/√(f・f−Xi ・Xi −Yj ・Yj
),−f} となる。従ってQ’とOを結ぶ直線の式は OQ’:x√(f・f−Xi ・Xi −Yj ・Yj )/Xi =y√(f・f−Xi ・Xi −Yj ・Yj )/Yj =−z (式10) となる。測定側でも焦点Mと測定側レンズ面での像に対
して同様の扱いをして、ez軸とスポット像とMを結ぶ
直線の角度をφとして、撮像点 R=(Rx ,Ry ,Mz −f) を用いて、 sinφ=√(rx ・rx +ry ・ry )/f,cos
φ=√(f・f−rx ・rx −ry ・ry )/f,ここ
でrx =Rx −Mx ,ry =Ry −My スポットの投影像と測定側焦点Mを結ぶ直線と撮像側の
レンズ面z=Mz −fの交点をR’として R’=M+{rx f/√(f・f−rx ・rx −ry ・
ry ),ry f/√(f・f−rx ・rx −ry ・ry
),−f} MとR’を結ぶ直線の式は MR’:(x−Mx )√(f・f−rx ・rx −ry ・ry )/rx=(y−M y )√(f・f−rx ・rx −ry ・ry )/ry=Mz −z (式11) となる。ところでスポットP(Xp,Yp,Zp)は式
10,式11の共通の解であるが、本発明の撮像側のイ
メージセンサではY方向の分解能を持たないものなので
ry は不定であるので式11からry を消去した形の直
線の族で表さなければならない。曲線の族は例えば図1
7に示した形の曲面に含まれる。レンズの配置は同一の
z=f面にあるとしてMz=0または座標軸の取り方が
任意であることからMy=0の拘束条件を付加し、式1
1の第1項と第2項を用いて ry =(y/x−Mx )rx を用いて第1項=第3項の式を表すと (x−Mx )√ (f・f−rx ・rx −(y/(x−Mx )・(y/(x−Mx )rx ・rx /rx (式12) となる。式10と式11の共通の解がP(Px,Py,
Pz)となる。式10から Pz =−Px √(f・f−Xi ・Xi −Yj ・Yj )
/Xi ,Py =Yj Px/Xi を式12へ代入して (Px −Mx )√(f・f−rx ・rx −(Yj Px /
Xi )・(Yj Px /Xi )rx ・rx /{(Px −M
x )・(Px −Mx )})rx =Px √(f・f−Xi
・Xi −Yj ・Yj ) となる。これを展開して、 (Px −Mx )(Px −Mx )(f・f−rx ・rx )−(Yj Px /Xi )・ (Yj Px /Xi )・rx ・rx =Px ・Px (f・f−Xi ・Xi −Yj ・Y j )rx ・rx /(Xi ・Xi ) (式13) 式12をPxについて多項式の形式に直すと f・f{1−(rx ・rx /Xi ・Xi )}Px Px −
2(f・f−rx ・rx)Mx Px + (f・f−rx ・
rx ・Mx ・Mx ) となりその解は Px =(f・f−rx ・rx )・Mx ±√(Mx ・Mx (f・f−rx ・rx ) (f・f−rx ・rx ) −(f・f−rx ・rx )・f・f・Mx ・Mx (1 −rx ・rx /(Xi ・Xi ))/{f・f(1−rx ・rx )/αi ・Xi ) }=Mx {Xi ・Xi (f・f−rx ・rx )±rx Xi √(f・f−rx ・r x )(rx ・rx /Xi ・Xi )/f(Xi ・Xi −rx ・rx )} (式15) となる。Py,Pzの座標は式9より安易に求められ
る。FIG. 15 shows an actual telecentric optical system in which a grid-like pattern is projected perpendicularly onto a flat object plane. As shown in FIG.
FIG. 16 shows a conceptual diagram of the three-dimensional shape measurement. Based on this, a formulation is shown below. Focus O of the projection optical system
A straight line connecting (0,0,0) and the projected image of the spot and z = f
Assuming that the intersection of the surfaces is Q ', the coordinates are Q' = {Xif // (fff-Xi-Xi-Yj-Yj
), Yj f / √ (f ・ f-Xi ・ Xi-Yj ・ Yj
), −f}. Therefore, the equation of a straight line connecting Q 'and O is OQ': x√ (f ・ f-Xi ・ Xi-Yj ・ Yj) / Xi = y√ (f ・ f-Xi ・ Xi-Yj ・ Yj) / Yj = −z (Equation 10) On the measurement side, the focus M and the image on the measurement-side lens surface are treated in the same way, and the angle of the straight line connecting the ez axis and the spot image to M is φ, and the imaging point R = (Rx, Ry, Mz− f), sinφ = √ (rx · rx + ry · ry) / f, cos
φ = √ (f · f−rx · rx−ry · ry) / f, where rx = Rx−Mx, ry = Ry−My A straight line connecting the projected image of the spot and the focal point M on the measurement side and the lens surface on the imaging side Let the intersection of z = Mz-f be R ', R' = M + {rx f /} (ff-rx-rx-ry.
ry), ry f / √ (f · f−rx · rx−ry · ry
), −f} The equation of a straight line connecting M and R ′ is MR ′: (x−Mx) √ (f · f−rx · rx−ry · ry) / rx = (y−My) √ (f · f−rx · rx−ry · ry) / ry = Mz−z (Equation 11) The spot P (Xp, Yp, Zp) is a common solution of the equations (10) and (11). However, since the image sensor on the imaging side of the present invention does not have a resolution in the Y direction, ry is indefinite, and therefore, Must be represented by a family of straight lines with ry removed from. The family of curves is, for example, FIG.
7 is included in the curved surface. Assuming that the lens arrangement is on the same z = f plane, the constraint condition of My = 0 is added since Mz = 0 or the way of taking the coordinate axis is arbitrary, and the equation 1
The expression of the first term = the third term is expressed by using ry = (y / x−Mx) rx using the first term and the second term of (1). (X−Mx) √ (f · f−rx · rx− (y / (x−Mx) · (y / (x−Mx) rx · rx / rx (Equation 12) The common solution of Equations 10 and 11 is P (Px, Py,
Pz). From equation (10), Pz = −Px√ (f · f−Xi · Xi−Yj · Yj)
/ Xi, Py = Yj Px / Xi is substituted into Equation 12 to obtain (Px−Mx) √ (f · f−rx · rx− (YjPx /
Xi). (YjPx / Xi) rx.rx / {(Px-M
x) ・ (Px-Mx)}) rx = Px√ (f ・ f-Xi
Xi-Yj Yj). By expanding this, (Px−Mx) (Px−Mx) (f · f−rx · rx) − (YjPx / Xi) · (YjPx / Xi) · rx · rx = Px · Px (f · f-Xi.Xi-Yj.Yj) rx.rx / (Xi.Xi) (Equation 13) When the expression 12 is converted to a polynomial form with respect to Px, f.f {1- (rx.rx / Xi.Xi) } Px Px −
2 (f · f−rx · rx) Mx Px + (f · f−rx ·
rx.Mx.Mx) and the solution is Px = (f.fx-rx.rx) .Mx. +-. (Mx.Mx (f.f-rx.rx) (f.f-rx.rx)-(f -F-rx-rx) -f-f-Mx-Mx (1-rx-rx / (Xi-Xi)) / {f-f (1-rx-rx) / αi-Xi) = Mx Xi (f-fx-rx) ± rx Xi {(f-rx-rx) (rx-rx / Xi-Xi) / f (Xi-Xi-rx-rx)} (Equation 15) Becomes The coordinates of Py and Pz can be easily obtained from Expression 9.
【0111】 Py=Yj・Px/Xi (式16) Pz=Px√(f・fーXi・XiーYj・Yj)/Xi (式17) 以下では式15の符号の妥当性を実際に数値を代入して
検討することにする。以下の例では投光側焦点をO
(0,0,0)におき、測定側焦点M(5,0,0)と
している。実際の内視鏡を考慮して長さはmm単位とし
てる。図18(A)の例を用いてQ1 とrx =0とf=
3を用いると(式414)ではrootの中身がゼロに
なるので符号に関係なく Px =Mx =5 となる。図18(B)の例はスポットの直線OMの中点
を含み、OMに垂直な面に含まれるので、必ずXj =−
r x となるので式13ではPxの2次の項がなくなり Px =Mx /2 となる。図19(A)の例ではスポットは両方のレンズ
の光軸を含む面x=0,x=5の間にある。Xj ,rx
を式14に代入すると正、負の符号でそれぞれ Px =13.4、3.07 となる。一方図19(B)の様にスポットが面x=0,
x=5にない場合には Px =10、3.33 となる。すなわち、式14の符号はスポットが両方のレ
ンズの光軸の間にあり Xi ・rx >0 のとき正の符号をとる。一方が0の場合式14のroo
tの中身が0になって符号に依存しない。Py = Yj · Px / Xi (Equation 16) Pz = Px√ (f · f−Xi · Xi−Yj · Yj) / Xi (Equation 17) In the following, the validity of the sign of Expression 15 is actually a numerical value. Will be considered. In the following example, the projection side focus is set to O
(0, 0, 0) and the measurement-side focal point M (5, 0, 0). The length is set in mm in consideration of the actual endoscope. Using the example of FIG. 18A, Q1 and rx = 0 and f =
If 3 is used (Equation 414), the content of root becomes zero, so that Px = Mx = 5 regardless of the sign. The example in FIG. 18B includes the midpoint of the straight line OM of the spot and is included in a plane perpendicular to the OM, so that Xj = −
Since r x is obtained, the quadratic term of Px disappears in Expression 13, and Px = Mx / 2. In the example of FIG. 19A, the spot is between the planes x = 0 and x = 5 including the optical axes of both lenses. Xj, rx
Substituting into Equation 14, Px = 13.4 and 3.07 respectively with positive and negative signs. On the other hand, as shown in FIG.
If x = 5, Px = 10, 3.33. That is, the sign of equation (14) takes a positive sign when the spot is between the optical axes of both lenses and Xi · rx> 0. If one of them is 0, the equation (14)
The content of t becomes 0 and does not depend on the sign.
【0112】結論として、歪曲収差を考慮した光学系に
おいても光切断による3次元形状計測の定式化は意外に
容易な表式となる式15〜17で求めることができる。
このような近似式による方法は前述のLookup T
ableによる方式に比べ、個々の内視鏡に対して煩雑
なキャリブレーション等の作業を必要としない等の有利
な点がある。In conclusion, even in an optical system in which distortion is taken into account, the formulation of three-dimensional shape measurement by light cutting can be obtained by equations 15 to 17, which are unexpectedly easy.
The method using such an approximate expression is based on the aforementioned Lookup T
Compared to the system using the able method, there is an advantage that a complicated operation such as calibration is not required for each endoscope.
【0113】[0113]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ス
ポット光を走査して被写体に投影する走査スポット光投
影手段と、被写体で反射されたスポット光を結像する結
像手段と、該結像手段による被写体の結像位置に、一次
元的に配列した受光素子により二次元的計測領域に対す
るスポット光の位置を検知する光位置検知手段と、該光
位置検知手段の出力と前記スポット光の走査位置及び走
査スポット光投影手段と光位置検知手段の位置から、被
写体上のスポット光の位置を算出する位置算出手段と、
を設けているので、簡単な構成で、しかも測定対象物が
動きがある場合でも、走査スポット光を高速に行うよう
にすれば、一次元的に配列した光電変換素子の出力を用
いることにより、短時間に三次元計測が精度良くでき
る。As described above, according to the present invention, a scanning spot light projecting means for scanning a spot light and projecting the spot light onto an object, an image forming means for forming an image of the spot light reflected by the object, and Light position detecting means for detecting the position of the spot light with respect to the two-dimensional measurement area by a light receiving element arranged one-dimensionally at the image forming position of the subject by the image forming means; and the output of the light position detecting means and the spot light Position calculating means for calculating the position of the spot light on the subject from the scanning position and the positions of the scanning spot light projecting means and the light position detecting means,
Is provided, so that even with a simple configuration, and even when the object to be measured is moving, if the scanning spot light is performed at a high speed, by using the outputs of the one-dimensionally arranged photoelectric conversion elements, Three-dimensional measurement can be performed with high accuracy in a short time.
【図1】本発明の第1の実施の形態の三次元計測内視鏡
装置の全体構成図。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a three-dimensional measurement endoscope apparatus according to a first embodiment of the present invention.
【図2】距離計測の原理の説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of distance measurement.
【図3】第1の実施の形態の変形例におけるテープ状フ
ァイバ束の入射端に拡散板を設けたものを示す図。FIG. 3 is a diagram showing a tape-shaped fiber bundle provided with a diffusion plate at an incident end in a modification of the first embodiment.
【図4】図3の変形例を示す斜視図。FIG. 4 is a perspective view showing a modification of FIG. 3;
【図5】本発明の第2の実施の形態における光位置検知
手段の構造を示す斜視図。FIG. 5 is a perspective view showing a structure of a light position detecting means according to a second embodiment of the present invention.
【図6】図5における反射コート付き薄板ガラスを拡大
して示す図。FIG. 6 is an enlarged view showing a thin glass plate with a reflection coat in FIG. 5;
【図7】本発明の第3の実施の形態における光位置検知
手段の構造を示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing the structure of a light position detecting means according to a third embodiment of the present invention.
【図8】本発明の第4の実施の形態の三次元計測内視鏡
装置の全体構成図。FIG. 8 is an overall configuration diagram of a three-dimensional measurement endoscope apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
【図9】本発明の第5の実施の形態の三次元計測内視鏡
装置の全体構成図。FIG. 9 is an overall configuration diagram of a three-dimensional measurement endoscope apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
【図10】VCO電圧の具体的な波形例を示す図。FIG. 10 is a diagram showing a specific waveform example of a VCO voltage.
【図11】測定光投光レンズの具体例を示す図。FIG. 11 is a diagram showing a specific example of a measurement light projecting lens.
【図12】垂直走査を行うVCOの変形例を示すブロッ
ク図。FIG. 12 is a block diagram showing a modified example of a VCO that performs vertical scanning.
【図13】歪曲収差のない光学系での三次元計測の説明
図。FIG. 13 is an explanatory diagram of three-dimensional measurement in an optical system having no distortion.
【図14】歪曲収差がある光学系と無い光学系とで投影
した場合の関係を示す図。FIG. 14 is a diagram showing a relationship when projection is performed by an optical system having distortion and an optical system having no distortion.
【図15】テレセントリックな光学系で格子状のパター
ンを平面に投影した場合の歪曲収差の図。FIG. 15 is a diagram illustrating distortion when a lattice-like pattern is projected onto a plane by a telecentric optical system.
【図16】歪曲収差がある光学系での三次元計測の説明
図。FIG. 16 is an explanatory diagram of three-dimensional measurement in an optical system having distortion.
【図17】歪曲収差の曲線の族の例を示す図。FIG. 17 is a diagram showing an example of a family of distortion aberration curves.
【図18】歪曲収差がある光学系と無い光学系でのスポ
ットの位置計測の具体的数値例での比較を示す図。FIG. 18 is a diagram showing a comparison of specific numerical examples of spot position measurement between an optical system having distortion and an optical system having no distortion.
【図19】図17とは異なるスポット位置に対する位置
計測の具体的数値例を示す図。FIG. 19 is a diagram showing a specific numerical example of position measurement for a spot position different from that in FIG. 17;
1…三次元計測内視鏡装置 2…内視鏡 3…光源ユニット 4…三次元計測ユニット 5…ディスプレイ 6…挿入部 7…操作部 8…接眼部 9…ユニバーサルケーブル 14…ランプ 16…照明光伝送用ライトガイド 18…観察用照明レンズ 19…観察用対物レンズ 21…観察用イメージガイド 30…レーザ光走査手段 31…測定光伝送用イメージガイド 32…形状測定用イメージガイド 34…レーザ 35…ポリゴン駆動モータ 36…ポリゴンミラー 38…ガルバノミラー 39…レンズ 45…測定光投光レンズ 46…形状測定用対物レンズ 47…結像レンズ 48…テープ状ファイバ束アレイ 48(1)〜48(n)…テープ状ファイバ束 49(1)〜49(n)…光電変換素子 52…切換スイッチ 54…レーザスポット位置検知回路 56…距離計算回路 58…三次元形状メモリ 59…ビデオ信号合成回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 3D measurement endoscope apparatus 2 ... Endoscope 3 ... Light source unit 4 ... 3D measurement unit 5 ... Display 6 ... Insertion part 7 ... Operation part 8 ... Eyepiece part 9 ... Universal cable 14 ... Lamp 16 ... Lighting Light guide for light transmission 18 ... Illumination lens for observation 19 ... Objective lens for observation 21 ... Image guide for observation 30 ... Laser beam scanning means 31 ... Image guide for measurement light transmission 32 ... Image guide for shape measurement 34 ... Laser 35 ... Polygon Drive motor 36 ... Polygon mirror 38 ... Galvanometer mirror 39 ... Lens 45 ... Measurement light projecting lens 46 ... Shape measuring objective lens 47 ... Imaging lens 48 ... Tape fiber bundle array 48 (1) to 48 (n) ... Tape Fiber bundles 49 (1) to 49 (n) ... photoelectric conversion elements 52 ... changeover switches 54 ... laser spot position detection times 56 ... distance calculating circuit 58 ... three-dimensional shape memory 59 ... video signal combining circuit
フロントページの続き (72)発明者 正治 秀幸 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 三好 義孝 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 楠元 晃 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 村田 晃 東京都渋谷区幡ヶ谷2丁目43番2号 オリ ンパス光学工業株式会社内Continued on the front page (72) Inventor Hideyuki Shoji 2-43-2 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Inside Olympus Optical Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Yoshitaka Miyoshi 2-43-2 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Olympus Optical Within Kogyo Co., Ltd. (72) Inventor Akira Kusumoto 2-43-2 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Olympus Optical Kogyo Co., Ltd. (72) Inventor Akira Murata 2-43-2 Hatagaya, Shibuya-ku, Tokyo Olympus Optical Industrial Co., Ltd.
Claims (1)
走査スポット光投影手段と、 被写体で反射されたスポット光を結像する結像手段と、 該結像手段による被写体の結像位置に、一次元的に配列
した光電変換素子により二次元的計測領域に対するスポ
ット光の位置を検知する光位置検知手段と、 該光位置検知手段の出力と前記スポット光の走査位置及
び走査スポット光投影手段と光位置検知手段の位置か
ら、被写体上のスポット光の位置を算出する位置算出手
段と、 を具備した三次元計測装置。1. A scanning spot light projecting means for scanning a spot light and projecting the spot light on an object, an image forming means for forming an image of the spot light reflected by the object, and an image forming position of the object by the image forming means. Light position detecting means for detecting the position of the spot light with respect to the two-dimensional measurement area by means of one-dimensionally arranged photoelectric conversion elements; output of the light position detecting means, scanning position of the spot light and scanning spot light projecting means; A position calculating unit configured to calculate a position of the spot light on the subject from the position of the light position detecting unit.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9046710A JPH10239023A (en) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | Three-dimensional measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP9046710A JPH10239023A (en) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | Three-dimensional measuring device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10239023A true JPH10239023A (en) | 1998-09-11 |
Family
ID=12754923
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| JP9046710A Pending JPH10239023A (en) | 1997-02-28 | 1997-02-28 | Three-dimensional measuring device |
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