具有测距功能的内视镜及测距方法与流程

本发明与内视镜的距离量测技术有关，特别是指使用光干涉技术的一种具有测距功能的内视镜及测距方法。

背景技术：

现有的使用于内视镜的测距方法，例如wo2015/098353a1号专利，其公开了一种利用可移动的连接关节(movablejoint)以及可视轴(visualaxis)来进行测距的技术。此种技术虽可进行距离量测，但在结构上需要使用实体的连接关节，且又是可动的，因此在控制及量测上都较为复杂。

美国us2010/0324366a1号专利，公开了另一种内视镜的测距技术，其主要利用一量测用光源(measurementlight)在一被测物体的表面投射出一个预定形状，再对该形状取像后，计算该形状的大小，最后再计算出内视镜与该被测物体之间的距离以及角度。

本发明将提出一种在内视镜上以光干涉/绕射的方式来量测距离的技术，而与先前技术有所不同。

技术实现要素：

本发明的主要目的乃在于提供一种具有测距功能的内视镜，其提供以光干涉/绕射的方式来量测距离的技术，而与先前技术有所不同。

为了达成上述目的，本发明提出一种具有测距功能的内视镜，包含有：一主机，藉由一管体连接于一观察单元，该观察单元主要具有一座管以及设于该座管内的一单波长光源、一绕射光栅(diffractiongrating)、一取像单元以及一遮光隔板；该座管，前端具有一开口；该单波长光源，设于该座管内，用以经由该开口向前发出一预定波长的光；

该绕射光栅，具有多个缝隙，该绕射光栅设于该座管内且位于该单波长光源与该开口之间，使通过该等缝隙的单波长光产生绕射现象，并经由该开口投射在一待测物体上而显示出一个零阶亮点，以及分别位于该零阶亮点两侧的一正一阶亮点以及一负一阶亮点，其中由该单波长光源发射至该零阶亮点与其两侧相邻亮点之间的向量夹角依该预定波长以及该绕射光栅的缝隙宽度计算而得；该取像单元，设于该座管内，具有一影像传感器与一透镜组，其中该透镜组具有一镜头放大率，该取像单元经由该开口向前方取像而取得一影像，且该取像单元的取像范围涵盖该零阶亮点及该正一阶亮点以及该负一阶亮点；该遮光隔板，设于该座管内，将该取像单元隔开于该单波长光源与该绕射光栅的组合，使该单波长光源所发出的单波长光不会在该座管内部反射或折射至该取像单元；该主机具有一计算单元，该计算单元内建有一标准亮点像素数量，且该计算单元具有三种运算逻辑，其第一运算逻辑为藉由该镜头放大率与该影像上的任一亮点的像素数量与该标准亮点像素数量进行计算，而取得一距离放大率；其第二运算逻辑为藉由该距离放大率来计算该影像上的两相邻亮点之间的距离，进而取得投射于该待测物体上的两相邻亮点之间的实际距离；其第三运算逻辑为藉由该两相邻亮点之间的实际距离配合该向量夹角来计算出该绕射光栅与该零阶亮点之间的距离。

藉此，本发明以光干涉/绕射的技术为基础，藉由判断绕射亮点来量测出待测物体的距离，而与先前技术有所不同。

本发明的再一目的则在于提供一种内视镜的测距方法，其提供以光干涉/绕射的方式来量测距离的技术，而与先前技术有所不同。

为了达成上述目的，本发明提出一种内视镜的测距方法，包含有下列步骤：a)以一内视镜的管体前端的观察单元内所设置的单波长光源发射一预定波长的光，经由一绕射光栅向一待测物体投射，而于该待测物体表面投射出一个零阶亮点以及分别位于该零阶亮点两侧的一正一阶亮点以及一负一阶亮点，其中由该单波长光源发射至该零阶亮点与其两侧相邻亮点之间的向量夹角依该预定波长以及该绕射光栅的缝隙宽度计算而得；b)以该内视镜的取像单元对该待测物体取像，而取得包含该零阶亮点、该正一阶亮点以及该负一阶亮点的一影像；以及c)以该内视镜的主机所具有的一计算单元来计算该影像中的该零阶亮点、该正一阶亮点以及该负一阶亮点的像素数量，参考该计算单元所预设的一标准亮点像素数量，依一第一运算逻辑以及该取像单元本身所具有的镜头放大率来计算出一距离放大率；再依一第二运算逻辑来对该距离放大率及该影像上的两相邻亮点之间的距离进行计算，进而得到投射于该待测物体上的两相邻亮点之间的实际距离；最后再依一第三运算逻辑来对该两相邻亮点之间的实际距离及该向量夹角进行计算，进而得到该绕射光栅与该零阶亮点之间的距离。

藉此，本发明之前述测距方法以光干涉/绕射的技术为基础，藉由判断绕射亮点来量测出待测物体的距离，而与先前技术有所不同。

附图说明

图1为本发明第一较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明第一较佳实施例的部分元件的局部剖视示意图，显示观察单元的内部状态。

图3为本发明第一较佳实施例的元件示意图，显示绕射光栅。

图4为本发明第一较佳实施例的电路方块图。

图5为本发明第一较佳实施例的动作示意图。

图6为本发明第一较佳实施例的另一动作示意图。

图7为本发明第二较佳实施例的部分元件的局部剖视示意图。

图8为本发明第二较佳实施例的电路方块图。

图9为本发明第二较佳实施例的动作示意图。

其中附图标记为：

10具有测距功能的内视镜

11主机12计算单元121第一运算逻辑

122第二运算逻辑123第三运算逻辑21管体

31观察单元32座管33开口

34单波长光源36绕射光栅361缝隙

38取像单元381影像传感器382透镜组

39遮光隔板

99待测物体

d绕射光栅与零阶亮点之间的距离

i影像l0零阶亮点l1正一阶亮点

l-1负一阶亮点s缝隙宽度

θ向量夹角

δx待测物体上的两相邻亮点之间的实际距离

δx’影像上两相邻亮点之间的距离

10’具有测距功能的内视镜

12’计算单元121’第一运算逻辑122’第二运算逻辑

123’第三运算逻辑124’第四运算逻辑34’单波长光源

36’绕射光栅42’准直镜

d1零阶亮点与正一阶亮点之间的距离

d2零阶亮点与负一阶亮点之间的距离

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术特点所在，兹举以下的较佳实施例并配合图式说明如后，其中：

如图1至图6所示，本发明第一较佳实施例所提供的一种具有测距功能的内视镜10，主要由一主机11、一管体21以及一观察单元31所组成，其中：

该主机11，藉由该管体21连接于该观察单元31，该观察单元31主要具有一座管32以及设于该座管32内的一单波长光源34、一绕射光栅36、一取像单元38以及一遮光隔板39。

该座管32，前端具有一开口33。

该单波长光源34，设于该座管32内，用以经由该开口33向前发出一预定波长λ的光。在实际实施时，该单波长光源34可以选用激光光源、红外线光源或紫外线光源，亦可选用特定波长的可见光光源；此外，该单波长光源34在元件的选择上可以选自一发光二极管(led)，此时该发光二极管可以直接设置在该座管31内；该单波长光源34也可以选自一光纤与一发光光源的组合，而使该发光光源设置于该主机11，并使该光纤设置于该主机11并穿过该管体21而使末端位于该座管31内。由于设置光纤来导引光源所发出的光已是甚为现有的技术，因此其详细设置方式容不再予赘述，亦请容不以图式表示之。

该绕射光栅36，具有多个缝隙361，该绕射光栅36设于该座管32内且位于该单波长光源34与该开口33之间，使通过该等缝隙361的单波长光产生绕射现象，并经由该开口33投射在一待测物体99上而显示出一个零阶亮点l0，以及分别位于该零阶亮点l0两侧的一正一阶亮点l1以及一负一阶亮点l-1，其中由该单波长光源34发射至该零阶亮点l0与其两侧相邻亮点l1,l-1之间的向量夹角θ依该预定波长λ以及该绕射光栅36的缝隙宽度s计算而得。其中，该向量夹角θ藉由该缝隙361的宽度s与该单波长光的波长λ依算式ssinθ＝λ来求得。由于实际上该等缝隙361是很多很密的，难以在图式上表示清楚，因此在图式中的该绕射光栅36的该等缝隙361乃是为了表示上的方便而显示，而并未依实际比例绘制。

该取像单元38，设于该座管32内，具有一影像传感器381与一透镜组382，其中该透镜组382具有一镜头放大率m，该取像单元38经由该开口33向前方取像而取得一影像i，且该取像单元38的取像范围涵盖该零阶亮点l0及该正一阶亮点l1以及该负一阶亮点l-1。

该遮光隔板39，设于该座管32内，将该取像单元38隔开于该单波长光源34与该绕射光栅36的组合，使该单波长光源34所发出的单波长光不会在该座管32内部反射或折射至该取像单元38。

该主机11具有一计算单元12，该计算单元12内建有一标准亮点像素数量p，且该计算单元12具有三种运算逻辑121,122,123，其第一运算逻辑121为藉由该镜头放大率m与该影像i上的任一亮点的像素数量δp(x)与该标准亮点像素数量p进行计算，而取得一距离放大率m；其第二运算逻辑122为藉由该距离放大率m来计算该影像i上的两相邻亮点之间的距离δx’，进而取得投射于该待测物体99上的两相邻亮点之间的实际距离δx；其第三运算逻辑123为藉由该两相邻亮点之间的实际距离δx配合该向量夹角θ来计算出该绕射光栅36与该零阶亮点l0之间的距离d。其中，由于内视镜在检视待测物体99时，其检视距离很短，一般不会超过20公分，因此在检视距离内无论如何移动内视镜的观察单元31，该单波长光投射于该待测物体99上的亮点的大小几乎不会有所变化，因此制造者可设定一标准条件(例如一固定距离)，在该标准条件下所取像的单波长光亮点的像素数量，即定义为该标准亮点像素数量p。

于本第一实施例中，该第一运算逻辑121定义该镜头放大率为m，而该距离放大率为m，该影像i上的任一亮点的像素数量为δp(x)，该标准亮点像素数量则为p，而藉由下述式(1)进行计算来取得该距离放大率m。

藉此，在该镜头放大率m及该标准亮点像素数量p为固定值时，该影像i上的任一亮点的像素数量δp(x)的改变即会改变该距离放大率m的数值。

而该第二运算逻辑122中，则定义该影像i上的两相邻亮点之间的距离为δx’，并定义两相邻亮点之间的实际距离为δx，而藉由下述式(2)进行计算来取得相邻亮点之间的实际距离δx。

δx＝δx′×m………式(2)

藉此，经由取得该影像i上的两相邻亮点之间的距离δx’，配合该距离放大率m，即可计算得到该两相邻亮点之间的实际距离δx。

至于该第三运算逻辑123，则定义该向量夹角为θ，以及定义该绕射光栅36与该零阶亮点l0之间的距离为d，而藉由下述式(3)进行计算来取得该绕射光栅36与该零阶亮点l0之间的距离d。

在将该绕射光栅36视为该观察单元31的情况下，该距离d即可视为该观察单元31与该待测物体99之间的距离。

以上说明了本第一实施例的架构，接下来以本发明所提供的内视镜的测距方法配合前述第一实施例的架构来说明测距动作。

请参阅图1至图6，本发明的内视镜的测距方法，包含有下列步骤：

a)以该内视镜的管体21前端的观察单元31内设置的单波长光源34发射该预定波长λ的光，经由该绕射光栅36向该待测物体99投射，而于该待测物体99表面投射出该零阶亮点l0以及分别位于该零阶亮点l0两侧的该正一阶亮点l1以及该负一阶亮点l-1，其中由该单波长光源34发射至该零阶亮点l0与其两侧亮点之间的向量夹角θ依该预定波长λ以及该绕射光栅36的缝隙宽度s计算而得。

b)以该内视镜的取像单元38对该待测物体99取像，而取得包含该零阶亮点l0、该正一阶亮点l1以及该负一阶亮点l-1的该影像i。

c)以内视镜的主机11所具有的该计算单元12来计算该影像i中的该零阶亮点l0、该正一阶亮点l1以及该负一阶亮点l-1的像素数量，参考该计算单元12所预设的该标准亮点像素数量p，依该第一运算逻辑121以及该取像单元38本身所具有的该镜头放大率m来计算出该距离放大率m；再依该第二运算逻辑122来对该距离放大率m及该影像i上的两相邻亮点之间的距离δx’进行计算，进而得到投射于该待测物体99上的两相邻亮点之间的实际距离δx；最后再依该第三运算逻辑123来对该两相邻亮点之间的实际距离δx及该向量夹角θ进行计算，进而得到该绕射光栅36与该零阶亮点l0之间的距离d。其中，该第一、第二及第三运算逻辑121,122,123的表达式可参考前述第一实施例所载。

由上可知，本发明以光干涉的方式来量测距离的技术，可准确的测得内视镜的观察单元31与待测物体99之间的距离，本发明的技术特征不同于先前技术。

请再参阅图7至图9，本发明第二实施例所提供的一种具有测距功能的内视镜10’，主要概同于前揭第一实施例，不同之处在于：

本第二实施例更包含有一准直镜42’，且该计算单元12’更包含有一第四运算逻辑124’。

该准直镜42’，设于该单波长光源34’与该绕射光栅36’之间，该单波长光源34’所发出的单波长光穿透该准直镜42’再照射至该绕射光栅36’。该准直镜42’用以调整该单波长光的光形而使其呈平行不扩散的状态。

该第四运算逻辑124’，主要藉由该零阶亮点l0与该正一阶亮点l1之间的距离d1相对于该零阶亮点l0与负一阶亮点l-1之间的距离d2的差值，计算出该待测物体99表面相对于该单波长光投射该零阶亮点l0方向的垂直面的倾斜角度α。

于该第四运算逻辑124’中，定义该零阶亮点l0与该正一阶亮点l1之间的距离为d1，该零阶亮点l0与该负一阶亮点l-1之间的距离为d2，该待测物体99表面相对于该单波长光投射零阶亮点l0方向的垂直面的倾斜角度为α，而藉由下述式(4)进行计算来取得该倾斜角度α。

藉此，可求得该倾斜角度α，进而可供用户判断待测物体99的表面是否与观察方向不垂直而有所倾斜。

而在执行该第一、第二及第三运算逻辑121’,122’,123’时，由于该待测物体99表面有所倾斜，因此仅需将在影像中的该零阶亮点l0与该正一阶亮点l1之间的距离以及该零阶亮点l0与该负一阶亮点l-1之间的距离加以平均，即可做为两相邻亮点之间的距离，藉以进行运算而取得该绕射光栅36’与零阶亮点l0之间的距离d。

本第二实施例的其余结构及所能达成的功效概同于前揭第一实施例，容不再予赘述。