(57)【要約】【課題】これまでの内視鏡において対象物までの距離を測るには対象物にスポット光を照射し、三角法に基づいて距離を求めていたが、基線長が短く精度に問題があった。また自己混合半導体レーザによれば近距離でも精度よく距離が測れるが、多点における計測が困難であった。【解決手段】観察範囲の中央部を自己混合半導体レーザによる距離測定とし、周辺部をパターン投影法による距離測定とすることにより、自己混合半導体レーザの測定点の少なさを解消し、対象物の三次元計測の精度向上ができる。また、中央部において自己混合半導体レーザにより測定した結果を、パターン投影法による測定結果に反映させることにより、パターン投影法による測定結果の補正も行える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内視鏡において、パターン投影法による距離測定手段と、自己混合レーザ法による距離測定手段を設けてなる三次元計測内視鏡。
【請求項２】
前記自己混合レーザ法による距離測定手段は、観察範囲の中央部を重点的に計測するものである請求項１記載の三次元計測内視鏡。
【請求項３】
さらに前記自己混合レーザ法による距離情報により前記パターン投影法による距離情報を補正する制御装置を設けてなる請求項１記載の三次元計測内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内視鏡における対象物までの距離を計測する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内視鏡において対象物までの距離を計測するためには、対象物にスポット光を照射し、その画像をカメラで捉えてカメラ，照射器及びスポットの位置から三角測量の原理に基づいて、距離を求めていた(特許文献１，２参照)。
しかしながら、この手法においてはカメラ−照射器間の基軸長が内視鏡の先端部のサイズを超えることができず、その精度に問題があった。
また、三角測量によらない距離計測技術も考えられている(特許文献３，４及び非特許文献１参照)。これは対象物に照射したレーザ光と、対象物からの反射光とを自己干渉(自己混合)させ、発振周波数の変化から距離を求める技術であるが、２次元的な走査手段が必要であり装置が大きいものとなっていた。
【特許文献１】特許２８７５８３２号
【特許文献２】特開平５−５２５３１号公報
【特許文献３】特開平１０−２４６７８２号公報
【特許文献４】特開平２−１１２７８４号公報
【非特許文献１】S.Shinohara et al. "Compact and High-precision range finder with wide dynamic range and its application"  IEEE Trans.Instrumrntation and Measurement.  Vol.41, No.1, pp.40-44(1992)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
三角測量法による限り、内視鏡における基軸長の短さを克服することは困難である。また、自己混合レーザによる距離測定は、機械的手段による２次元的な走査を行っていたために計測点が少なく、利用価値の低いものとなっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明は、三角測量法と自己混合レーザ距離測定法との併用により実用上の価値を高めるものである。
非接触型の距離計測法として、これまで三角測量法、光切断法、モアレトポグラフィ法が使われてきている。これに対し、自己混合レーザによる距離測定法とは、レーザ光を連続三角波で周波数変調することにより距離を測定する技術であり、三角測量法等とは一線を画する技術である。
この発明では、レーザ光を連続三角波で周波数変調する自己混合半導体レーザ(Self-Mixing Laser Diode：以下「ＳＭ−ＬＤ」という)による距離計を三角測量法と併用することとする。
【０００５】
ＳＭ−ＬＤを用いる距離計の原理自体は既に知られているが、以下に概略を説明する。
図１にＳＭ−ＬＤ距離速度計の基本構成を示す。発振器(１)により発生された三角波電圧はレーザダイオード電流源(２)に与えられるため、レーザダイオード(３)に与えられる電流は三角波で変調されることとなる。ダイオードへの注入電流増加時には共振器内の屈折率の減少と温度上昇を引き起こし、レーザ光の周波数が低くなる。またレーザ光強度も変調される。周波数変調されたレーザダイオードからの出射光は、レンズを通り、ターゲット表面に照射される。ターゲット表面で散乱した光の一部は出射光と同一の経路を逆に辿りレーザダイオード共振器に戻る。
すると、その戻り光は共振器内の光と自己干渉(自己混合)を起こし、レーザダイオードパッケージに内蔵されているフォトダイオード(４)の出力波形に、変調三角波及び外部共振器共振状態の変化に起因する階段状の変化(モードホップ)が重なって現れる。
【０００６】
すなわち、図２に示すように、レーザダイオード(３)の内部の反射面(１１，１２)で構成される長さＬ１の内部共振器と、外部の対象物(６)の表面の反射面(１３)とレーザ表面の反射面(１２)で構成される長さＬ２の外部共振器とが結合された複合共振器が構成されており、変調周波数と複合共振器の共振周波数との間で干渉が生じ、発振強度に影響を与える。
この階段状の変化(モードホップ)は、変調三角波の上昇部と下降部とにおいて周期的である。モードホップ信号の周波数(周期)は、レーザダイオードとターゲット間の距離Ｌと、レーザダイオードの光軸方向のターゲット速度ｖに依存する。したがって、モードホップ周波数(周期)を計測すれば、レーザダイオードからターゲットまでの距離及びターゲットの速度が決定される。このように、ＳＭ−ＬＤ距離速度計測の光学系は、フォトダイオードを内蔵したレーザダイオードパッケージと集光レンズだけで、非常にコンパクトに構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
自己混合半導体レーザは、周期的に発振周波数を変化させる半導体レーザと、該半導体レーザから放射された光を対象物に照射するとともに該対象物からの反射光の一部を前記半導体レーザに帰還し結合させる光学系と、前記半導体レーザの出力を計測する光電変換素子と、該光電変換素子の出力変化から対象物までの距離を求める演算回路とを具備してなり、小型化が図れる。
ＳＭ−ＬＤ距離速度計測の光学系は小型であるが、基本構造のままでは照射点の１点までの距離しか測れない。そこで回転ミラーや振動ミラーにより走査を行うことにより、これまで複数点の距離を計測していた。しかしながら、かかる構成では内視鏡のような小型機器に用いることは困難である。
【０００８】
図３に、内視鏡(２０)の先端部に撮像素子であるＣＣＤ(２２)と、ＳＭ−ＬＤ(８)とを設けた例を示している。ＣＣＤ(２２)には撮像用のレンズ(２１)が設けられ、ＳＭ−ＬＤ(８)には投射用のレンズ(５)が設けられている。単体のＳＭ−ＬＤでは一箇所にのみ光を照射するので、一点でのみの距離計測となるから、ここでは２次元配列した複数のＳＭ−ＬＤ素子を用いることが望ましい。
ＳＭ−ＬＤ素子を複数配置すれば、それぞれからの信号を処理して複数点までの距離情報を得る。これには内視鏡の先端部に設ける形態と、中間部または操作側に設けて光ファイバーで伝送する形態とがある。ＳＭ−ＬＤ素子の配置も好ましくは２次元の面状配置であるが、格納空間の制約により１次元のアレイ状配置となることもある。
【０００９】
ＣＣＤ(２２)で撮像された対象物(６)の像は、制御装置(３０)内の信号処理回路(３２)で処理され、ＳＭ−ＬＤ(８)から得られた距離情報とともに表示装置(３１)に表示される。一点のみの距離情報であれば、表示エリアの一部に数値情報として表示するが、多点で距離情報が得られれば三次元表示することが可能となる。
一点のみの距離情報を得るにあたっては、複数配置されたＳＭ−ＬＤ素子のうち一つを利用して距離表示を希望する対象点にレーザ光を照射することとなる。あとで説明するアクチュエータによるスキャンを行うときには、アクチュエータによる変位を制御し、任意の対象点にレーザ光を照射する。これらはスキャン動作の一時停止と考えることができる。
一方で、三次元表示するには右目用画像と左目用画像とを作成し、表示装置(３１)として立体視可能な表示器を用いる必要がある。簡易化するならば等高線表示とし、基準位置の等高線を白あるいは黄色で表示し、基準位置より遠い等高線を徐々に青く、基準位置より近い等高線を徐々に赤く表示することとすれば、通常のカラー表示器が採用できる。
また、単体のＳＭ−ＬＤ素子が小型であっても三次元表示するために２次元配列を行うと大型化するため、内視鏡(２０)の先端部に収納することは困難となる。この場合には図４に示すように、光ファイバー(２３)を用いて、光伝送することにより解決できる。
ＳＭ−ＬＤ(８)からのレーザ光は結像用のレンズ(１０)により光ファイバー(２３)の端面に照射される。この光は、光ファイバー(２３)内を通過し、他の端面より放射されるが、投射用のレンズ(５)により、対象物(６)の表面に焦点を結ぶように調節される。対象物からの反射光も同様に逆の経路を辿りＳＭ−ＬＤ(８)にフィードバックされる。
【００１０】
複数のＳＭ−ＬＤ素子を用いて２次元に配列すると大型化し、コスト的にも割高である。
解決策として、ピエゾ素子のような小型のアクチュエータにより照射点を変位させて、複数点までの距離情報を得る。このためには、ＳＭ−ＬＤ素子そのものを変位させる形態と、ＳＭ−ＬＤ素子からの光を伝送してきた光ファイバーの端面を変位させる形態とがある。この例を図５に示す。
図５(ａ)は、ＳＭ−ＬＤ(８)にアクチュエータ(２４)を結合させ、光軸と直交する方向に変位させる。これにより照射点の変位が期待できる。図５(ｂ)は光ファイバー(２３)を光中継に用いた際の例である。図５(ａ)と同様にＳＭ−ＬＤ(８)を変位させている。図５(ｃ)は図５(ｂ)と同じく光ファイバー(２３)を用いる例であるが、ここではＳＭ−ＬＤ(８)ではなく、光ファイバー(２３)の端面をアクチュエータ(２４)により光軸と直交する方向に移動させている。図５(ｃ)の変形として対象物(６)側の光ファイバー(２３)の端面を変位させてもよいことは、当業者にとって自明であろう。
また、ＳＭ−ＬＤ(８)や光ファイバー(２３)端面の変位に代えて、レンズ(５，１０)を光軸と直交する方向に変位させても同様の効果が得られるものである。なお、図５(ｄ)は、先に述べたＳＭ−ＬＤ素子を複数配列し、時分割で順次発光させることにより対象物(６)の異なる位置を照射する例を示している。時分割の駆動に代えて、液晶シャッタなどの電子的シャッタを用いて等価的に順次発光する構成も可能である。
【実施例１】
【００１１】
対象物の観察範囲全体にドット・パターンを投光する。この画像を撮像素子で捉え、パターン認識の処理を行った後、対応点ごとに三角測量法を用いて距離を求める。これと並行してＳＭ−ＬＤによるビーム光により視野となる範囲の中央部(注目点)を中心とする狭い範囲を重点的に走査し、距離を求める。
現在の技術水準では、内視鏡における基線長の短さから、ＳＭ−ＬＤによる距離測定のほうが三角測量によるものよりも精度が高い。
したがって、この発明によれば中央部付近を精度が高く測定でき、かつ走査範囲を限定することにより測定点密度も高く測定できる。なお、距離測定用のパターンはドット・パターンに限定されることなく、クロス・パターンやストライプ・パターンなど種々のパターンであってもよい。
【００１２】
図６に観察範囲と距離測定範囲との関係を示す。
撮像素子であるＣＣＤ(２２)で撮影される範囲は、観察範囲(２６)として示され、最も広い範囲である。パターン投影部(２５)によりドット・パターンが投影される範囲は、パターン投影範囲(２７)で示され、観察範囲のやや内側に設定される。ＳＭ−ＬＤ(８)により距離測定がなされる範囲は、ＳＭ−ＬＤ測定範囲(２８)として中央部に設定される。所望される測定点の配置密度により、適宜測定範囲は増減される。
【実施例２】
【００１３】
ＳＭ−ＬＤにより測定された距離情報により、三角測量法により測定された情報を補正すると、三角測量法による測定誤差が修正できる。この補正は両者で同一ポイントの測定値が得られればその差を誤差とし、同一ポイントの測定値がなければ補間により演算したり、ある面積内の平均値をもって誤差とする。また、既知の距離に平面板を配置し、距離及び／または画面内位置ごとに予め補正値を演算し記憶することも可能である。これらの補正は基本的に制御装置(３０)内の信号処理回路(３２)でなされる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
この発明は、ＳＭ−ＬＤ(自己混合半導体レーザ)を用いることにより、これまでの三角測量に基づく計測に比べて、基線長の影響を受けることなく対象物までの距離測定が可能となった。また、単体のＳＭ−ＬＤ素子(または光ファイバー端面あるいはレンズ)を光軸に直交する方向に変位させることにより、面走査が可能となり、これにより三次元画像表示(立体視)が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】自己混合半導体レーザ(ＳＭ−ＬＤ)の基本構成を示す図
【図２】ＳＭ−ＬＤにおける内部共振回路と外部共振回路を示す図
【図３】内視鏡の先端部にＳＭ−ＬＤを設けた構成を示す図
【図４】内視鏡の操作部にＳＭ−ＬＤを設けた構成を示す図
【図５】照射点を変位させる各種構成例を示す図。(ａ)はＳＭ−ＬＤをアクチュエータにより変位させる例、(ｂ)は光ファイバーを中間に設けた例、(ｃ)は光ファイバーの端面をアクチュエータにより変位させる例、(ｄ)はＳＭ−ＬＤ素子をアレイ状に配置し順次照射を行う例をそれぞれ示している。
【図６】測定範囲を示す図
【符号の説明】
【００１６】
１  発振部
２  駆動部
３  フォトダイオード
４  レーザダイオード
５，１０，２１  レンズ
６  対象物
７  測定回路
８  ＳＭ−ＬＤ(自己混合半導体レーザ)
２０  内視鏡
２２  ＣＣＤ
２３  光ファイバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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