專利名稱：適于相移分析的探頭的條紋投射系統(tǒng)和方法
技術領域：
本文描述的主題主要涉及管道鏡和內(nèi)窺鏡，尤其是涉及一種提供3D表面繪圖和 尺寸測量的管道鏡/內(nèi)窺鏡。
背景技術：
管道鏡和內(nèi)窺鏡通常用于檢查遠端腔體的內(nèi)部。本文中被稱作探頭的大多數(shù)的管 道鏡/內(nèi)窺鏡使用耦合到探頭中的光導纖維束的外部光源以提供對遠端處的遠程目標或 表面的照明。當目標被照亮時，通過透鏡系統(tǒng)在圖像傳感器上形成內(nèi)部圖像，并且圖像被轉 發(fā)至相連的顯示器，例如電視屏幕。圖像傳感器可以位于探頭的近端，像光學剛性管道鏡或 者纖維鏡一樣，或者像視頻管道鏡或者內(nèi)窺鏡一樣位于遠端。上述系統(tǒng)通常用來在難以到 達的位置檢查損傷或磨損或者用于核實該部分已經(jīng)制造或裝配好。此外，期望獲得尺寸測 量以核實損傷或磨損不超出操作限制或者制造的部分或組件滿足其規(guī)格。還期望產(chǎn)生一種 3D模型或者表面圖以便用于和參考的3D視圖、反向工程或者詳細表面分析作比較。顯示于相連的顯示器上的圖像基于目標和探頭遠端之間的距離而在放大倍數(shù)以 及外觀尺寸上發(fā)生改變。這將導致難以直接進行尺寸測量的測定，尤其是在三空間維度內(nèi)?，F(xiàn)在有很多已知的通過探頭提供3D數(shù)據(jù)的方法，包括分割視圖獲得立體圖像(立 體觀測)，投射點的粗放圖案到遠程目標上，或者使用單線(single line)獲得單一圖像輪 廓。立體方法能夠用于創(chuàng)建3D視圖，但是只能提供圖像上兩點能夠發(fā)生關聯(lián)處的信息。當 存在微小表面細節(jié)時這就會產(chǎn)生問題。關聯(lián)過程也需要大量的處理，所以產(chǎn)生一個完整的 3D表面圖耗時良久。更典型的是僅僅關聯(lián)基本測量所需的很少的點。投射點的粗放圖案 可以得到該點處(at the points ofthe dots)的測量。但是，該點之間的區(qū)域留下來被內(nèi) 插，如此在它們之間的表面變化消失。最后，單線輪廓提供沿該單一輪廓的有用信息，但是 難以正確定位關注目標上的單線，并且當表面不平或者視圖不垂直于表面時需要非共線點 的測量(諸如點對線或點對面的測量)易于產(chǎn)生錯誤。由于尺寸限制，這種通常使用在商 業(yè)系統(tǒng)中以構建3D表面圖的單一輪廓線掃描，在小探頭中一般是不實用的。關于上述討論過的方法還存在其他局限性。例如，為了實施該方案通常需要大的 計算能力，并且需要高技能的技師來操作該設備。另外，當需要密集3D全表面圖或者全視 場目標測量時上述方法就不適用了。沒有全視場數(shù)據(jù)，表面或者目標上的缺陷會被全部忽 略。所以，期望提供一種能提供全視場表面繪圖的探頭。通過相移可以得到全視場目標數(shù)據(jù)。相移是一種用于非接觸光學測量應用的分析 技術。相移典型地包括投射一組或多組貫穿(cross)照相機視場(FOV)的平行線。當目標 距離改變時，平行線或者條紋集移動越過F0V。哪行是哪個或者絕對相位必須被檢查確定 以進行準確測量并獲得準確的表面圖(Which lineis which,or absolute phase,must be determined in order to make accuratemeasurements and obtain an accurate surfacemap)。在圖像中給定點處的絕對相位被定義為給定點與投射線圖案中參考點之間的總相差 (線周期數(shù)的2 π倍)。參考點可以任意定義。已知有很多方法去譯解哪行是哪個和檢查確定絕對相位。一些方法包括使用具有 產(chǎn)生根據(jù)距離而相對改變的相位的物理水平偏移的多個條紋集或者使用具有根據(jù)距離改 變周期的物理軸向偏移的多個條紋集。大部分技術使用附加投射。例如，為了協(xié)助檢查確 定絕對相位，額外的線(line)被投射以提供一開始參考點。通常使用與FOV中條紋集位置 相結合的檢查確定的絕對相位來檢查確定絕對目標距離。相移方法在例如管道鏡和內(nèi)窺鏡這樣的裝置中還是不實用的。為相移方法投射合 適線圖案(line pattern)所需的設備通常包括投射器、掃描器、壓電鏡或者類似項。此外， 探頭的尺寸限制使得典型設備的使用面臨機械上的挑戰(zhàn)性。所以，期望提供一種實用的探頭機械結構，其能夠基于相移分析進行測量和3D表 面繪圖。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種探頭包括插入導管和設置在插入導管遠端的多個光 發(fā)射器。該探頭還包括至少一個強度調(diào)節(jié)元件，多個光發(fā)射器發(fā)出的光通過該強度調(diào)節(jié) 元件以投射多個條紋集到表面上。當多個光發(fā)射器的至少一個的一個發(fā)射器組發(fā)射光時 (when one emitter group of at least one of the plurality oflight emitters is emitting)，多個條紋集保留區(qū)(intern)的每一個構成被投射的結構光圖案(each ofthe plurality offringe sets comprise a structured-light pattern)。i亥探頭還包f舌獲得 表面的至少一幅圖像的成像器以及被配置成對至少一幅圖像進行相移分析的處理單元。本發(fā)明的另一個實施例中，提供了 一種通過使用探頭在表面上投射適于進行相移 分析的多個條紋集的方法。探頭包含在插入導管遠端的觀測光學器件(viewing optics) 和位于觀測光學器件每一側的光發(fā)射器。位于觀測光學器件一側的多個光發(fā)射器組成第 一發(fā)射器模塊并且位于觀測光學器件另一側的多個光發(fā)射器組成第二發(fā)射器模塊。第一 發(fā)射器模塊保留區(qū)包括多個發(fā)射器組，發(fā)射器組包含第一發(fā)射器模塊的多個光發(fā)射器的至 少一個。類似地，第二發(fā)射器模塊保留區(qū)包括多個發(fā)射器組，發(fā)射器組包含第二發(fā)射器模 塊的多個光發(fā)射器的至少一個。探頭還包括位于觀測光學器件每一側的強度調(diào)節(jié)區(qū)域。第 一強度調(diào)節(jié)區(qū)域位于觀測光學器件的一側而第二強度調(diào)節(jié)區(qū)域位于觀測光學器件的另一 側。該方法包括使第一發(fā)射器模塊發(fā)出的光通過第一強度調(diào)節(jié)區(qū)域以形成第一投射集合 (projection set)而使第二發(fā)射器模塊發(fā)出的光通過第二強度調(diào)節(jié)區(qū)域形成第二投射集 合。第一投射集合和第二投射集合每個均包括多個條紋集(fringe sets)。當多個光發(fā)射 器中至少一個的一個發(fā)射器組發(fā)射光時，多個條紋集中的每一個構成被投射到表面上的結 構光圖案。安置多個光發(fā)射器使得從第一發(fā)射器模塊的一個發(fā)射器組投射的第一投射集合 的一個條紋集的結構光圖案相對于從第一發(fā)射器模塊的其他發(fā)射器組投射的第一投射集 合的其他條紋集的結構光圖案表現(xiàn)出相移。同樣地，從第二發(fā)射器模塊的一個發(fā)射器組投 射的第二投射集合的一個條紋集的結構光圖案相對于從第二發(fā)射器模塊的其他發(fā)射器組 投射的第二投射集合的其他條紋集的結構光圖案表現(xiàn)出相對相移。


下面的詳細說明是參照相應附圖作出，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施例的探頭(管道鏡/內(nèi)窺鏡)系統(tǒng)的示意圖。圖2是使用延長模制成的在發(fā)射器模塊上的發(fā)光二極管(LED)陣列的頂視圖。圖3是包括周期為ρ的線光柵的強度調(diào)節(jié)元件的頂視圖。圖4是發(fā)射器模塊上LED陣列的頂視圖，其中每一發(fā)射器包括串聯(lián)的4個LED。圖5是說明串聯(lián)連接的圖4中的LED陣列的頂視圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的探頭系統(tǒng)的一般示意圖。圖7是如圖6所示的可拆卸端示范性實例的透視圖。圖8A是一可拆卸側視端的示范性實例的透視圖。圖8B是圖8A中可拆卸側視端的側視圖。圖9A是可拆卸側視端的另一示范性實例的透視圖。圖9B是圖9A中可拆卸側視端的側視圖。
具體實施例方式如圖1所示，是依據(jù)本發(fā)明一實施例的管道鏡/內(nèi)窺鏡系統(tǒng)或者探頭10。插入導 管40包括延長部46和可拆卸遠端42。延長部46包括彈性、長主干部分，彎曲頸以及照相 頭。輪廓標線41顯示了照相頭在延長部46上始于哪。延長部46的照相頭典型地包括至 少一個成像器12、電子器件13和探頭光學器件15。如上所述，可拆卸遠端42典型地附著 到延長部46的照相頭。可拆卸遠端42包含與探頭光學器件15結合使用以將從表面或目 標(未示出)接收的光引導和聚焦到成像器12上的觀測光學器件44。觀測光學器件44可 選地包含例如透鏡或者光纖系統(tǒng)的中繼光學器件(relay optics)以使照相頭遠離該遠端。0025成像器12可以包括，例如，可以響應于在每個像素感測的亮度級輸出視頻信號的光 敏像素二維陣列。成像器12可以包括電荷耦合器件(CXD)，互補金屬氧化物半導體(CMOS) 圖像傳感器，或者其他具有類似功能的裝置。視頻信號被電子器件13緩沖并且通過信號線 14被傳送到成像器界面電子器件31。成像器界面電子器件31可以包括，例如，電源、產(chǎn)生 成像器時鐘信號的定時發(fā)生器、數(shù)字化成像器視頻輸出信號的模擬前端以及用于將數(shù)字化 后的成像器視頻數(shù)據(jù)處理為對視頻處理器50更為有用的格式的數(shù)字信號處理器。視頻處理器50執(zhí)行多種功能而不限于圖像捕捉、圖像增強、圖形深度融合以及視 頻格式轉換，并在視頻存儲器52中保存與那些功能相關的信息。視頻處理器50可以包括 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)或者其他處理元件，并且向中央處理單 元(CPU) 56提供信息和從中央處理單元(CPU) 56接收信息。所述提供和接收的信息可以是 與命令、狀態(tài)信息、視頻、靜止圖像、和/或圖形重疊相關的。視頻處理器50還輸出信號到 不同的監(jiān)視器例如電腦監(jiān)視器22、視頻監(jiān)視器20和整體顯示器21。當連接之后，電腦監(jiān)視器22、視頻監(jiān)視器20和/或整體顯示器21中的每一個典型 地顯示依照檢查、菜單、光標和測量結果的目標或者表面的圖像。電腦監(jiān)視器22典型的是 外部電腦型監(jiān)視器。類似地，視頻監(jiān)視器20典型的包括外部視頻監(jiān)視器。整體顯示器21 一體形成并內(nèi)置在系統(tǒng)10中并且典型包括液晶顯示器(IXD)。CPU56優(yōu)選使用程序存儲器58和非易失性存儲器60，其可以包括移動存儲裝置。CPU56也可以使用例如RAM的易失性存儲器用于進行程序執(zhí)行和臨時存儲。鍵盤64和操縱 桿62向CPU56傳達用戶的輸入例如菜單選擇、光標移動、滾動調(diào)節(jié)和發(fā)音控制等功能。計 算機I/O接口 66向CPU56提供諸如USB、火線、以太網(wǎng)、音頻I/O和無線收發(fā)器的各種計算 機接口。附加的用戶I/O裝置例如鍵盤或者鼠標可以被連接到計算機I/O接口 66以提供 用戶控制。CPU56產(chǎn)生用于顯示的圖形重疊數(shù)據(jù)，、提供撤銷功能和系統(tǒng)控制，被配置為執(zhí)行 相移分析和測量處理，并且提供圖像、視頻和音頻存儲。系統(tǒng)10還包括觸頭36，其通過照相頭將延長部46電耦合到可拆卸端42。觸頭36 可以是彈簧負載的并且也可以從驅(qū)動導體35向發(fā)射器模塊37提供電能，所述發(fā)射器模塊 包括多個光發(fā)射器。驅(qū)動導體35從發(fā)射器驅(qū)動32向裝設于插入導管40遠端上的多個光發(fā) 射器輸送電能。驅(qū)動導體35包括一根或者多根線，可以與信號線14在共用的外護層(未 示出)中合并。驅(qū)動導體35還可以與信號線14共享導體和/或利用插入導管40的結構 以輸送電流。發(fā)射器驅(qū)動32包括，例如，具有可變導通時間以補償具有不同功率容量和效 率的光發(fā)射器的可調(diào)電流源。發(fā)射器驅(qū)動32還包括亮度或條紋對比檢查確定功能39。可 替代地，上面提及的視頻處理器50可以包括條紋對比檢查確定功能39。在可拆卸端42上的至少一個發(fā)射器模塊37包括多個光發(fā)射器和可選地包括其他 電子器件，用于發(fā)射器的控制/排序、感測溫度，和校準數(shù)據(jù)的存儲/恢復(retrieval)。至 少一個發(fā)射器模塊37可以包括一個由例如陶瓷或者金屬制成的散熱器，以減少多個光發(fā) 射器的升溫。從裝設于可拆卸端42上的多個光發(fā)射器發(fā)出的光通過至少一個強度調(diào)節(jié)元 件38以改變所述光分布和投射至少一個結構光(structured-light)圖案到適于相移分析 的表面。當多個光發(fā)射器中至少一個的一個發(fā)射器組發(fā)射光時，條紋集構成被投射的結構 光圖案。從多個光發(fā)射器中發(fā)出的光通過至少一個強度調(diào)節(jié)元件38以將多個條紋集投射 到表面。當多個條紋集中至少一個被投射到表面上時，所述探頭工作在測量模式。在測量 模式中，發(fā)射器模塊37被啟動，至少一幅包括在表面上的結構光圖案的數(shù)字圖像被捕捉。 相移分析可以直接基于至少一幅捕捉到的數(shù)字圖像進行。它也可以基于從至少一幅捕捉到 的數(shù)字圖像得到的數(shù)據(jù)進行。例如，從YCrCb、RGB或者任何其他捕捉到的圖像格式得到的 亮度分量能夠被使用。因此，執(zhí)行此處所作的基于圖像的相移分析的任何涉及將包括執(zhí)行 針對實際參考圖像或者針對任何從參考圖像得到的數(shù)據(jù)所作的相移分析。當至少一個結構光圖案不存在的時候，所述探頭工作在檢查模式。在檢查模式中， 檢查光源23被啟動，并從插入導管40的遠端輸出光。在檢查模式中產(chǎn)生并發(fā)送光的元件 統(tǒng)稱為檢查光傳送系統(tǒng)。在一個實施例中，所述檢查光傳送系統(tǒng)包括檢查光源23、源光纖束 24，遮光(shutter)機構34、探頭光纖束25，和光通元件43。在其他實施例中，所述檢查光 傳送系統(tǒng)可以包括非常不同的元件例如，在采用位于遠端的白色LED時，能夠被禁止或者 提供可調(diào)輸出電流的LED驅(qū)動電路，向LED輸送電能的導線，LED自身，和保護LED的保護 元件。在測量模式時，從檢查光傳送系統(tǒng)輸出的光亮度被自動減弱以防止減少與例如所述 的至少一個結構光圖案的對比度。檢查光源23典型的是白光源，但是可以包括用于探頭的任何合適光源例如既可 以位于近端也可以位于遠端的基于LED的光源、水銀燈或金屬商化物弧光燈、商素燈、激光 /熒光系統(tǒng)。當使用基于光纖的光源時，源光纖束24包括在系統(tǒng)10中。源光纖束24包括
7非相干或者半相干光纖束并且傳輸光到遮光機構34。遮光機構34在檢查模式或者定期檢 查期間允許光從檢查光傳送系統(tǒng)輸出，而在測量模式或者測量圖案投射期間妨礙或阻止光 從檢查光傳送系統(tǒng)中輸出。遮光機構34包括，例如，螺線管或者馬達驅(qū)動機械遮光器或者 電光源停止器。遮光機構34的位置依據(jù)其實施而變化。當遮光機構34允許光通過時，探 頭光纖束25通過光通元件43將光發(fā)送至表面或者檢查位置。探頭光纖束25包括非相干 光纖束。光通元件43包括玻璃棒、成型光纖、和/或諸如透鏡或漫射器的分布控制部件。前面提及的成像器界面電子器件31、發(fā)射器驅(qū)動32和遮光機構34包括在探頭電 子器件48中。探頭電子器件48可以與主控制單元或CPU56物理隔離，以便對于探頭相關 操作提供更多的局部控制。探頭電子器件48進一步包括校準存儲器33。校準存儲器33存 儲與所述可拆卸端42和/或延長部46的光學系統(tǒng)相關的信息，例如放大數(shù)據(jù)、光學失真數(shù) 據(jù)和圖案投射幾何數(shù)據(jù)。也包括在探頭電子器件48中的微控制器30與成像器界面電子器件31通信以確 定并設定增益和曝光設置，控制發(fā)射器驅(qū)動32電路，從校準存儲器33中存儲并讀取校準數(shù) 據(jù)，控制遮光機構34，并且與CPU56進行通信。再來參看可拆卸端42，端42中所示元件可選擇地位于延長部46上。這些元件包 括上面討論的觀測光學器件44，至少一個發(fā)射器模塊37，至少一個強度調(diào)節(jié)元件38，和光 通元件43。另外，當至少一個強度調(diào)節(jié)元件位于可拆卸端42上時，包括多個光發(fā)射器的至 少一個光發(fā)射器模塊37可以被固定附著到插入導管40。在這種情況下，在可拆卸端42和 延長部46之間精確且可重復的對準是需要的，但是也是有利的，因為在消除了延長部46與 可拆卸端42之間的觸頭的需要的同時，可允許不同的視場。通過使光通過至少一個強度調(diào)節(jié)元件38，在表面上形成上面提及的結構光圖案， 所述強度調(diào)節(jié)元件改變光分布。結構光圖案優(yōu)選包括平行的明和暗的包含正弦強度輪廓的 線條。包括正方形、梯形、三角形或者其他輪廓的線條圖案可以被投射到表面上，就像使用 適當?shù)南嘁品治龃_定圖案的相位時使用的一樣。所述圖案還包括其他直、平行以外的線條。 例如，曲線、波浪線、鋸齒線，或者其他這樣的圖案可以使用適當?shù)姆治?。本發(fā)明一個實施例中，至少一個強度調(diào)節(jié)元件38包括線光柵90，如圖3所示。另 外，至少一個光發(fā)射器模塊包括多個光發(fā)射器。特別地，至少一個光發(fā)射器模塊包括LED或 者LED陣列。當多個光發(fā)射器中至少一個的一發(fā)射器組發(fā)射光時，條紋集構成被投射的結構光 圖案。發(fā)射器模塊37的多個光發(fā)射器被定位使得當至少一個光發(fā)射器的一組發(fā)光時所投 射的結構光圖案相對于當至少一個光發(fā)射器的其他組發(fā)光時所投射的結構光圖案表現(xiàn)出 空間或者相位移動。換而言之，一個條紋集的結構光圖案相對于其他條紋集的結構光圖案 表現(xiàn)出空間或者相位移動。附圖2說明了當使用延長模制造LED陣列80時的示例情況。在圖2中，線光柵 90 (此處未示出，但圖3示出)具有光柵周期P。每一個LED81的寬度小于光柵周期ρ的 1/3，并且每個LED81以ρ/3的中心間隔彼此相鄰排成行。以這種配置，當一個LED81發(fā)光時 投射的線圖案相對于相鄰的LED發(fā)光時投射的線圖案具有大概1/3線周期(line period) 或者120°的空間或者相位的移動。使用8周期/毫米光柵周期ρ的每一個LED81的示例 性發(fā)射面積的大小可以是35 μ mX 500 μ m。
可選擇地，以LED81間隔為1/3光柵周期以外的配置也能實現(xiàn)有效的120°相移。 例如，采用LED81間隔2/3光柵周期的方式，當一個LED81發(fā)光時投射的光圖案相對于相鄰 LED81發(fā)光時投射的線圖案具有240°的相移。以這種配置，每個LED81寬度均小于所述光 柵周期P的2/3，且每個LED81以2p/3的中心間隔彼此相鄰排成行。因為被投射的多條線 每個具有0到360°相位范圍，所以240°的相移等同于120°相移?？偨Y一下，通過以大概 P/3的光柵周期的中心間隔來安置LED81，使得當一個LED81發(fā)光時投射的光圖案相對于相 鄰LED發(fā)光時投射的線圖案具有大概120°的相移，其中所述ρ是3的倍數(shù)以外的整數(shù)。再次參看圖2，多個LED被間隔開一個光柵周期從而產(chǎn)生了三個獨立的發(fā)射器組。 僅僅為了清楚起見，包含圖2中三個發(fā)射器組中每一個的所述LED使用不同的圖案表示。 LED陣列80包括相同顏色的獨立的LED81。然而，包括一個發(fā)射器組的LED的顏色可以與 包括其他發(fā)射器組的LED的顏色不同。包括每個發(fā)射器組的多個光發(fā)射器沿著垂直于線光柵上的線的軸以大概等于整 數(shù)個線光柵周期的距離被間隔開。結果，當包含一個發(fā)射器組的多個光發(fā)射器同時發(fā)射光 時，由多個發(fā)射器的每個產(chǎn)生的結構光圖案一起總計。這樣形成的線圖案比單個發(fā)射器元 件產(chǎn)生的線圖案更亮。增加發(fā)射器寬度能夠增加亮度，但是線光柵周期必須按比例增加從 而成比例的發(fā)生對圖像噪聲的更高敏感度。通過使用多個所述的窄發(fā)射器，圖案亮度能夠 在不增加線光柵周期的情況下增加。圖1中的發(fā)射器驅(qū)動32包含亮度或者條紋對比確定功能39，以確定應為每個發(fā)射 器組啟動一個發(fā)射器還是多個發(fā)射器。因為發(fā)射器發(fā)出的光沒有經(jīng)過校準，投射條紋集由 于距線光柵的距離增加而擴展。當發(fā)射器組的多個發(fā)射器同時發(fā)光時，單獨的條紋集偏移 固定的距離(如附圖2、3的示例情況中的一個光柵周期ρ)而不是固定的相位，所以它們的 相位在它們擴展時變得更加一致。這樣隨著距光柵距離的增加產(chǎn)生了越來越高的對比度。 因此，當測量需要更大強度以達到低圖像噪聲的表面時，相同條紋集的多個發(fā)射器可以同 時打開以在高對比度提供更強的亮度。然而，在近距離處，正弦強度不是對準的相位且條紋 集對比度降低。同樣，近距離時需要更小的強度；所以當觀測較近表面時，打開一個發(fā)射器 能獲得足夠的亮度和高對比度。依靠亮度確定功能39的評估，為每個條紋集啟動每個發(fā)射器組中的一個發(fā)射器 或者多個光發(fā)射器。本發(fā)明的一個實施例中，驅(qū)動導體35在每個LED包括一條或者更多條 驅(qū)動線(未示出)。亮度確定功能39通過驅(qū)動導體35的特定驅(qū)動線選擇性地傳送電流以 為每個條紋集點亮適當數(shù)目的LED。可選擇地，亮度確定功能39能夠與發(fā)射器驅(qū)動器32分離并且包括，例如，模擬檢 查電路或者視頻處理器。通過上述組件，驅(qū)動導體35的一根驅(qū)動線將發(fā)射器驅(qū)動32連接 到發(fā)射器模塊37，并且一根或多根由亮度確定功能39控制的控制線(未示出)也和發(fā)射器 模塊37連接。響應于所述控制線上的信號一個包括于發(fā)射器模塊37上的電路(未示出) 選擇性地將一個或者多個LED連接到驅(qū)動線。通過使用每個條紋集多個發(fā)射器以及亮度確定功能39，在圖像捕捉和測量期間 LED陣列80提供足夠的亮度和對比度。LED陣列80還提供一致、統(tǒng)一的照明，沒有散斑，并 且在條紋集之間快速切換?？焖偾袚Q使得條紋集圖像可以在連續(xù)幀內(nèi)被捕獲，減少了在圖 像捕獲期間發(fā)生運動的可能性。至少基于這些原因，LED陣列如此構造是實用的。然而，任何能夠提供上述性質(zhì)的光發(fā)射源都足以在探頭系統(tǒng)10中使用。其他此類光源包括，但不局 限于有機LED、等離子元件、光纖耦合激光器和激光器陣列。本發(fā)明的其他實施例中，LED陣列80通過使用多個串聯(lián)(multiple series)LED構 成，所述LED包含發(fā)射器組中的一個發(fā)射器。在該配置中的發(fā)射器時還可稱作串。圖4說 明了示例情況，其中每個發(fā)射器或串83包括串連連接的4個LED。圖5說明了串連連接。 每個發(fā)射器或串83將被偏置大約ρ/3周期，其中所述ρ是3的倍數(shù)以外的整數(shù)。與圖2類 似，僅僅為了清楚起見，包括發(fā)射器組的一個發(fā)射器的多個LED使用了不同的圖案來表示。 多個光發(fā)射器中的每個都可包括含有至少兩個LED的串聯(lián)串(series string)。在圖4中， 圖示了各包含4個LED的三個串，每串包括其自身的發(fā)射器組。然而，如關于圖2所述的， 發(fā)射器組也可以包括多個發(fā)射器或者串。LED的輸出一般與驅(qū)動電流成比例。但是，通過使用細導線來為位于遠處的LED提 供高電流是效率極低的。通過使用多個LED串連連接組成一個發(fā)射器83，要達到給定的組 合LED輸出水平需要更小的電流。例如，如圖4所示的4LED的串聯(lián)串只使用電流的1/4就 能夠?qū)崿F(xiàn)與單個LED相同的輸出。現(xiàn)在參看圖6，顯示了主要根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的管道鏡/內(nèi)窺鏡系統(tǒng)或者 探頭系統(tǒng)100。探頭系統(tǒng)100包括插入導管140，探頭電子器件148和工作站160。工作站 160包括與圖1中所示并詳細描述的探頭電子器件48相連接的元件類似的元件。系統(tǒng)100 作為一個整體還包括與圖1中探頭系統(tǒng)10類似的元件并以與圖1中探頭系統(tǒng)10類似的方 式操作。插入導管140包括延長部146和可拆卸遠端142?？刹鹦哆h端142包括兩個發(fā)射 器模塊137，前觀測端光學器件144，以及觸頭136。觸頭136向端142提供能量，將延長部 146與可拆卸端142電連接，并且可以是彈簧負載(springloaded)的。插入導管140還可 以包括至少一個強度調(diào)節(jié)區(qū)域(未示出)。現(xiàn)在參看圖7，圖示了圖6中可拆卸端142的示范性實施例。類似圖6，包括多個 光發(fā)射器的兩個發(fā)射器模塊137位于前觀測端光學器件144的每一側。位于觀測光學器 件144 一側的多個光發(fā)射器組成第一發(fā)射器模塊137a，而位于觀測光學器件144另一側的 多個光發(fā)射器組成第二發(fā)射器模塊137b。另外，強度調(diào)節(jié)元件138包括兩個強度調(diào)節(jié)區(qū)域 138a和138b，一個強度調(diào)節(jié)區(qū)域位于前觀測端光學器件144的每一側。從第一發(fā)射器模塊 137a發(fā)出的光經(jīng)由路徑170a通過強度調(diào)節(jié)區(qū)域138a，其形成第一投射集合，而從第二發(fā)射 器模塊137b發(fā)出的光經(jīng)由路徑170b通過強度調(diào)節(jié)區(qū)域138b，其形成第二投射集合。強度 調(diào)節(jié)元件138包括線光柵190，其改變光的分布且在所述表面上形成符合相移分析的結構 光圖案。成像器(未示出)獲得第一圖像集合和第二圖像集合。第一圖像集合包括投射到 第一投射集合的多個條紋集中至少一個的表面上的至少一幅圖像，并且第二圖像集合包括 投射到第二投射集合的多個條紋集中至少一個的表面上的至少一幅圖像。與第一強度調(diào)節(jié)區(qū)域138a相關的第一發(fā)射器模塊137a位于觀測光學器件144的 一側，而與第二強度調(diào)節(jié)區(qū)域138b相關的第二發(fā)射器模塊137b位于觀測光學器件144的 另一側，從而使得從表面反射回來的至少一個結構光圖案通過觀測光學器件144到達成像
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兩個發(fā)射器模塊137每一個都包括延長的LED陣列180，其保留區(qū)(intern)包含 至少三個LED或光發(fā)射器。可選擇地，兩個發(fā)射器模塊137可以每個包含多個光發(fā)射器，多 個光發(fā)射器的每個都包括至少兩個LED的串聯(lián)串。將光從檢查光源23(圖1)遞送至表面 的光通元件(未示出)也可以包括在端142內(nèi)。設置在端142上的可選電路150可以控制 LED的排序，在單個和多個LED中作出選擇，感測溫度，并且存儲/恢復校準數(shù)據(jù)。可選電路 150能夠被圖1中所示的CPU56或者微控制器30管理。在系統(tǒng)100中，所述第一投射集合包括多個條紋集且第二投射集合包括多個條紋 集。所述多個光發(fā)射器被定位以使得從第一發(fā)射器模塊的一個發(fā)射器組投射出的第一投射 集合的一個條紋集的結構光圖案相對于從第一發(fā)射器模塊的其他發(fā)射器組投射出的第一 投射集合中的其他條紋集的結構光圖案表現(xiàn)出相移。同樣地，從第二發(fā)射器模塊的一個發(fā) 射器組投射出的第二投射集合中的一個條紋集的結構光圖案相對于從第二發(fā)射器模塊的 其他發(fā)射器組投射出的第二投射集合中的其他條紋集的結構光圖案表現(xiàn)出相移。多個光發(fā)射器定位以使得第一投射集合中的一個條紋集的結構光圖案相對于第 一投射集合中的其他條紋集的結構光圖案表現(xiàn)出空間或相位移動。同樣地，第二投射集合 中的一個條紋集的結構圖案相對于第二投射集合中的其他條紋集的結構光圖案表現(xiàn)出空 間或相位移動。本發(fā)明的一個實施例中，第一發(fā)射器模塊包括三個發(fā)射器組且第二發(fā)射器模塊也 包括三個發(fā)射器組。所以，從觀測光學器件144的一側產(chǎn)生了組成第一投射集合的三個條 紋集，而從觀測光學器件144另一側產(chǎn)生了組成第二投射集合的三個條紋集。所以，系統(tǒng) 100能夠投射一共六個條紋集，從FOV的每一側投射三個。為了提高亮度和對比度，發(fā)射器 模塊137a和137b可以包括多于三個的LED以及上面詳細描述過的亮度確定功能。此外， 發(fā)射器模塊137a和137b的所述多個光發(fā)射器每個可以包括至少兩個LED構成的串聯(lián)串。采用結構光投射和相移分析的系統(tǒng)的精確度主要由它的基線間隔確定。在典型系 統(tǒng)的情況下，其中，條紋集的絕對相位連同其在FOV中的位置被用來確定絕對目標距離，基 線間隔就是投射原點與相機視場原點之間的距離。在這個實施例中，其中兩個獨立條紋集 之間的絕對相位差被用來確定絕對目標距離，基線間隔就是發(fā)射器模塊137a和137b之間 的距離。因此，當兩個發(fā)射器模塊137a和137b之間的距離大于觀測光學器件144和單個 發(fā)射器模塊137之間的距離時，精確度得到提升。由于小尺寸探頭內(nèi)的機械局限，使得很難 從插入導管140中心顯著偏轉觀測光學器件144，上述采用了兩個發(fā)射器模塊137a和137b 的實施例一般可獲得比用前觀測系統(tǒng)中單個的發(fā)射器模塊137所達到的基線間隔更大的 基線間隔。另外，可拆卸端142在插入導管上位置的改變導致從端部發(fā)出的投射相對于FOV 移動。假如目標距離是通過使用絕對相位結合在FOV中的位置計算得到的，該移動將導致 計算得到的目標距離錯誤。在此實施例中，因為絕對相位差不會受到端在插入導管上的位 置的影響，故而這樣的錯誤被避免了。在一可替代的方法中，兩個LED陣列還可以位于具有 大光柵的觀測光學器件的一側，其中第一投射集合比第二投射集合偏離觀測光學器件稍微 多一些。 在一些應用中，期望在垂直于探頭軸的方向上獲得視圖，被稱為側視圖。為了獲得 這樣的側視圖，可拆卸端142可以被可拆卸側視端242(圖8、9)替換，所述側視端包括例如側視棱鏡210的元件，通過上述元件從表面反射的多個條紋集通過觀測光學器件244到達 成像器(未示出)。圖8A和8B圖示了側視端242的示范性實施例。從圖8A中看，安置多個光發(fā)射器 以在基本垂直于探頭軸的方向發(fā)射光。在此情況下，發(fā)射器模塊237a和237b被布置在側 視棱鏡210的每側并且旋轉了 90° (相對于圖7中所示多個發(fā)射器模塊的位置)以將多個 條紋集導向側面。特別地，發(fā)射器模塊237a被設置在側視棱鏡210的一側，且發(fā)射器模塊 237b被設置在側視棱鏡210的另一側。此外，強度調(diào)節(jié)區(qū)域238a設置在側視棱鏡210的一 側上，且強度調(diào)節(jié)區(qū)域237b設置在側視棱鏡210另一側，以便從發(fā)射器模塊237a發(fā)出的光 通過強度調(diào)節(jié)區(qū)域238a并且從發(fā)射器模塊237b發(fā)出的光通過強度調(diào)節(jié)區(qū)域238b。圖8B 顯示了側視端242的側視圖。在如圖9A和9B中所示的可選擇示范性實施例中，發(fā)射器模塊237a、237b和強度 調(diào)節(jié)區(qū)域238a、238b安裝在側視棱鏡210上邊緣上方且被定向垂直于所述棱鏡210的上邊 緣。安置發(fā)射器模塊237a和237b以在基本垂直探頭軸的方向發(fā)射光。圖9A圖示了位于 側視棱鏡210—側上以導引光從檢查光源(未示出)到側面的光通元件243。圖9B圖示了 依照示例性實施例的側視端242的側視圖。可選擇地，發(fā)射器模塊和強度調(diào)節(jié)區(qū)域可以被定向平行于所述棱鏡的上邊緣。以 這個方向，一個發(fā)射器模塊和強度調(diào)節(jié)區(qū)域可以設置在僅在側視棱鏡上邊緣的上方而其他 的發(fā)射器模塊和強度調(diào)節(jié)區(qū)域可以被更遠的間隔，進一步高于遠離成像器的棱境。以這種 方式，可拆卸側視端能夠被造的更長以獲得發(fā)射器模塊之間更大的間隔而不必增大所述插 入導管的尺寸。正如在本文描述的以及在附圖中所示的條紋投射系統(tǒng)和方法的結構和排列，僅僅 是示例性的。盡管只有少數(shù)本發(fā)明的實施例在本公開中被詳細描述，回顧了本公開的本領 域技術人員可以很容易地意識到在沒有實質(zhì)脫離所附權利要求中所述的主題的新穎教導 和優(yōu)點的情況下，可以有許多改變(例如大小，尺寸，結構，形狀以及不同元件的比例，參數(shù) 值，裝配布置，材料使用，方向，等等的變化)。相應地，所有這些改變意味著包括在后附權利 要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。依據(jù)可選的實施例，可以改變或重新排序任何過程或方法步 驟的次序或順序。在權利要求中，任何裝置加功能的條款都意味著覆蓋執(zhí)行所述功能的本 文所述結構，且不僅是結構上的等同物還有等同的結構。在不脫離后附權利要求所表達的 本發(fā)明實施例之精神的情況下可以在優(yōu)選和其他示例性實施例的設計、操作條件和排列方 面進行替代、修改、改變和省略。所以本發(fā)明的技術范圍不但包含上述那些實施例，還包括 那些落在后附權利要求范圍內(nèi)的方案。正如在本文描述的以及在附圖中所示的成像器系統(tǒng)和方法的結構和排列，僅僅是 示例性的。本領域技術人員可以認識到成像器系統(tǒng)能夠包括常規(guī)管道鏡中繼系統(tǒng)，成像束， 或其他移除照相機而不脫離所述方法的功能的其他裝置。盡管本公開中僅僅描述少數(shù)幾個 本發(fā)明的實施例，回顧本公開的本領域技術人員可以很容易的意識到在沒有實質(zhì)脫離所附 權利要求中所述的主題的新穎教導和優(yōu)點的情況下，可以有許多改變(例如大小，尺寸，結 構，形狀以及不同元件的比例，參數(shù)值，裝配布置，材料使用，方向，等等的變化)。相應地，所 有這些改變意味著包括在后附權利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權利要求
一種探頭，包括插入導管；設置在插入導管遠端的多個光發(fā)射器；至少一個強度調(diào)節(jié)元件，多個光發(fā)射器發(fā)出的光通過該強度調(diào)節(jié)元件以投射多個條紋集到表面上，當多個光發(fā)射器的至少一個的一個發(fā)射器組發(fā)射光時，多個條紋集的每一個構成被投射的結構光圖案；獲得表面的至少一幅圖像的成像器；和處理單元，其被配置成對至少一幅圖像進行相移分析。
2.權利要求1所述探頭，其中結構光圖案由平行的明和暗線組成并且其中所述平行的 亮和暗線包含正弦強度輪廓。
3.權利要求1所述探頭，還包括將光從表面引導和聚焦到成像器上的觀測光學器件。
4.權利要求1所述探頭，進一步包括側視棱鏡，從表面反射的多個條紋集通過其到達成像器； 其中安置所述多個光發(fā)射器以在基本垂直于探頭軸的方向發(fā)射光。
5.權利要求1所述探頭，其中安置所述多個光發(fā)射器以使得一個條紋集的結構光圖案 相對于其他條紋集的結構光圖案表現(xiàn)出相移。
6.權利要求1所述探頭，進一步包括包括至少一個強度調(diào)節(jié)元件的可拆卸遠端，其中所述多個光發(fā)射器固定附著在插入導管上。
7.權利要求3所述探頭，其中多個光發(fā)射器被安置在觀測光學器件的每一側上，位于觀測光學器件一側上的多個光 發(fā)射器組成第一發(fā)射器模塊，而位于觀測光學器件另一側上的多個光發(fā)射器組成第二發(fā)射 器模塊；以及該至少一個強度調(diào)節(jié)元件包括兩個強度調(diào)節(jié)區(qū)域，第一強度調(diào)節(jié)區(qū)域位于觀測光學器 件的一側上而第二強度調(diào)節(jié)區(qū)域位于觀測光學器件的另一側上，從而從第一發(fā)射器模塊發(fā)出的光穿過第一強度調(diào)節(jié)區(qū)域形成第一投射集合而從第二發(fā)射 器模塊發(fā)出的光穿過第二強度調(diào)節(jié)區(qū)域形成第二投射集合，所述第一投射集合包括多個條 紋集并且所述第二投射集合包括多個條紋集。
8.權利要求7所述探頭，其中 多個光發(fā)射器被安置以使得第一投射集合的一個條紋集的結構光圖案相對于第一投射集合的其他條紋集的結構 光圖案表現(xiàn)出相移；并且第二投射集合的一個條紋集的結構光圖案相對于第二投射集合的其他條紋集的結構 光圖案表現(xiàn)出相移；其中至少一幅圖像包括第一圖像集合和第二圖像集合，所述第一圖像集合包括投射到 第一投射集合的多個條紋集的至少一個的表面上的至少一幅圖像，且所述第二圖像集合包 括投射到第二投射集合的多個條紋集的至少一個的表面上的至少一幅圖像。
9.一種使用探頭在表面上投射適于相移分析的多個條紋集的方法，包括在插入導管遠端上設置觀側光學器件；在觀測光學器件的每一側上設置多個光發(fā)射器，位于觀測光學器件的一側上的多個光 發(fā)射器組成第一發(fā)射器模塊，而位于觀測光學器件的另一側上的多個光發(fā)射器組成第二發(fā) 射器模塊，第一發(fā)射器模塊包括多個發(fā)射器組，所述發(fā)射器組包括第一發(fā)射器模塊的多個 光發(fā)射器的至少一個，并且第二發(fā)射器模塊包括多個發(fā)射器組，所述發(fā)射器組包括第二發(fā) 射器模塊的多個光發(fā)射器的至少一個；在觀測光學器件的每一側上設置強度調(diào)節(jié)區(qū)域，第一強度調(diào)節(jié)區(qū)域位于觀測光學器件 的一側上而第二強度調(diào)節(jié)區(qū)域位于觀測光學器件的另一側上；使第一發(fā)射器模塊發(fā)出的光通過第一強度調(diào)節(jié)區(qū)域以形成第一投射集合且使第二發(fā) 射器模塊發(fā)出的光通過第二強度調(diào)節(jié)區(qū)域以形成第二投射集合，所述第一投射集合包括多 個條紋集且所述第二投射集合包括多個條紋集，當多個光發(fā)射器的至少一個的一個發(fā)射器 組發(fā)射光時，多個條紋集的每一個構成被投射到表面上的結構光圖案； 其中安置多個光發(fā)射器以使得從第一發(fā)射器模塊的一個發(fā)射器組投射的第一投射集合的一個條紋集的結構光圖案 相對于從第一發(fā)射器模塊的其他發(fā)射器組投射的第一投射集合的其他條紋集的結構光圖 案表現(xiàn)出相移；和從第二發(fā)射器模塊的一個發(fā)射器組投射的第二投射集合的一個條紋集的結構光圖案 相對于從第二發(fā)射器模塊的其他發(fā)射器組投射的第二投射集合的其他條紋集的結構光圖 案表現(xiàn)出相移。
10.權利要求9所述的方法，進一步包括獲得第一圖像集合和第二圖像集合，第一圖像集合包括投射到第一投射集合的多個條 紋集的至少一個的表面上的至少一幅圖像，并且第二圖像集合包括投射到第二投射集合的 多個條紋集中至少一個的表面上的至少一幅圖像。
全文摘要
適于相移分析的探頭的條紋投射系統(tǒng)和方法。一種包括插入導管和安裝在所述插入導管遠端的多個光發(fā)射器的探頭。探頭還包括至少一個強度調(diào)節(jié)元件，從多個光發(fā)射器發(fā)出的光通過該元件以在一表面上投射多個條紋集。當多個光發(fā)射器中至少一個的一個發(fā)射器組發(fā)射光時，多個條紋集保留區(qū)的每個構成被投射的結構光圖案。探頭還包括用于獲得表面的至少一幅圖像的成像器和設置成對該至少一幅圖像執(zhí)行相移分析的處理單元。還提出一種使用探頭在一表面上投射適于進行相移分析的多個條紋集的方法。
文檔編號G01B11/25GK101957496SQ20091016692
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月17日 優(yōu)先權日2009年7月17日
發(fā)明者C·A·本達爾, G·宋, K·G·哈丁, L·陶, T·卡彭 申請人:通用電氣檢查技術有限合伙人公司