(57)【要約】侵襲性を最小限にした、医療用の画像収集システムは、正確なスポットサイズを照明する光のビームまたはパルスを出力する。複数のフォトン検出器が、スポットを含む対象物から戻ってくるフォトンを検出する。画素の解像度は、検出器によって検知された領域ではなく、照明スポットの領域（したがってレンズの構成）によって決定される。奥行きの強調は、それぞれの検出器が検出した画像を相関させることによって、または代替的に、位相差、タイム・オブ・フライト、周波数または干渉法に基づいた距離測定方法によって決定される。
2005501279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
標的の表面の画像を生成するための方法であって、
光学軸に関し、走査経路に沿って光のビームを出力するステップと、
走査されている標的の表面上に前記ビームを集束させるステップとを含み、前記ビームは、所定の時間に、前記標的のスポットに当るように集束され、前記スポットは、照明されたスポットであり、前記照明されたスポットは、前記ビームが前記標的の表面上で走査されるにつれて時間とともに変化し、前記方法はさらに、
光の前記出力ビームに応答する、前記標的の表面からの戻り光を、複数の検出器によって検出するステップを含み、前記複数の検出器の各々は、前記光学軸に対してそれぞれの位置を有し、前記戻り光は、前記複数の検出器において並行して検出され、前記方法はさらに、
複数の並行した画像を、前記複数の検出器によって収集するステップを含み、
前記複数の並行した画像は、前記戻り光を生成するために用いられる共通の光のビームに基づいて共通の見かけの視点を有し、前記共通の光のビームは、光の前記出力ビームであり、
前記複数の並行した画像の各画像は、異なる見かけの照明方向を有し、前記複数の画像の所定の１つの画像に対する前記見かけの照明方向は、前記所定の１つの画像を収集するために用いられる前記複数の検出器の、対応する１つ以上の検出器のそれぞれの位置に基づき、前記方法はさらに、
前記複数の並行した画像の各画像からの前記異なる見かけの照明方向に基づいた相対的な奥行きの情報を含む、前記標的の表面の出力画像を導出するために、前記複数の並行した画像を処理するステップを含む、方法。
【請求項２】
前記検出するステップは、前記照明されたスポットに規定された領域よりも大きな前記標的の表面の領域からの戻り光を検出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記処理するステップは、第１の画像および第２の画像に基づいて標的の表面の法線の方位マップを生成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記処理するステップは、前記方位マップから配向のヒストグラムを生成するステップと、前記配向のヒストグラムを１つ以上の原型の配向のヒストグラムと比較して前記標的の表面を分類するステップとをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記処理するステップは、前記方位マップから奥行きマップを生成するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記処理するステップは、前記奥行きマップから３次元メッシュを生成するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記処理するステップは、奥行きの知覚および表面のトポグラフィの一方または両方を強調するために、仮想の照明および視点によって前記３次元メッシュをレンダリングするステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記処理するステップは、前記３次元メッシュから、観察者の両眼視差が計算された２つの立体画像を計算するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記処理するステップは、前記複数の並行した画像の各々に関して、強調された表面のトポグラフィを呈示するために、前記出力画像をレンダリングするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記処理するステップは、前記複数の並行した画像の各々に関して、強調された照明の遠近感を呈示するために、前記出力画像をレンダリングするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記処理するステップは、観察者の両眼視差が計算された２つの立体画像をレンダリングするステップを含み、前記２つの立体画像は、観察者の目への出力画像である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
光の前記出力ビームは、可視光および紫外線光を含み、第１の検出器は、戻ってくる可視光を検出し、第２の検出器は、戻ってくる紫外線光を検出する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
光の前記出力ビームは、可視光および赤外線光を含み、前記複数の検出器の第１の検出器は、戻ってくる可視光を検出し、前記複数の検出器の第２の検出器は、戻ってくる赤外線光を検出する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
光の前記ビームは、共振導波路から放射する光の出力ビームであり、前記出力するステップの前に、
第１の色の光の第１のビーム、第２の色の光の第２のビーム、および第３の色の光の第３のビームを生成するステップと、
前記共振導波路に入る前の、前記第１のビーム、前記第２のビーム、および前記第３のビームを組合せるステップとをさらに含み、組合された第１のビーム、第２のビーム、および第３のビームは、前記出力ビームを形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
光の前記出力ビームは、一連の光パルスであり、前記検出するステップは、前記一連の光パルスに同期され、前記所定の時間に検出された戻り光は、所定の光パルスおよび前記収集された画素に対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
戻り光を前記検出するステップは、反射光を検出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
戻り光を前記検出するステップは、前記出力ビームに応答して前記標的の表面から放射された蛍光を検出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
戻り光を前記検出するステップは、前記出力ビームに応答して前記標的の表面から放射された燐光を検出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
標的の表面の画像を収集するためのシステムであって、
光を放射する光源と、
光学軸に関し、走査経路に沿って放射された光を偏向させるアクチュエータと、
前記放射された光に応答して前記標的の表面からの戻り光を検出するための、複数のフォトン検出器とを含み、前記複数のフォトン検出器の各々は、前記光学軸に関して別個の位置を有し、複数の並行した画像が、前記複数の検出器によって収集され、前記複数の並行した画像は、前記戻り光を生成するために用いられる共通の光のビームに基づいて共通の見かけの視点を有し、前記共通の光のビームは、光の前記出力ビームであり、前記複数の並行した画像の各画像は、異なる見かけの照明方向を有し、前記複数の画像の所定の１つの画像に対する前記見かけの照明方向は、前記所定の１つの画像を収集するために用いられる前記複数の検出器の、対応する１つ以上の検出器のそれぞれの位置に基づき、前記システムはさらに、
前記複数の並行した画像の各画像からの前記異なる見かけの照明方向に基づいた奥行きの情報を含む、前記標的の表面の出力画像を導出するために、前記複数の並行した画像を処理するプロセッサを含む、システム。
【請求項２０】
前記放射された光を受けて、前記光を標的の表面に方向付ける、可撓性の光導波路をさらに含み、前記光は、所定の時間に、前記標的の表面のスポットに当り、前記スポットは、照明されたスポットであり、
前記アクチュエータは、前記導波路を共振運動へとたわませ、方向付けられた光は、前記標的の表面に沿って走査経路をトレースする、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記放射された光を受けて、前記光を標的の表面に方向付ける鏡をさらに含み、前記光は、所定の時間に前記標的の表面のスポットに当り、前記スポットは照明されたスポットであり、
前記アクチュエータは、前記鏡を偏向させ、方向付けられた光は、前記標的の表面に沿って走査経路をトレースする、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
標的の表面に向けて、片持ち梁の軸に沿って光を放射する光源を前記片持ち梁の先端に有する片持ち梁のアセンブリをさらに含み、前記光は、所定の時間に前記標的の表面のスポットに当り、前記スポットは照明されたスポットであり、
前記アクチュエータは、前記片持ち梁のアセンブリをたわませ、方向付けられた光は、前記標的の表面に沿って走査経路をトレースする、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記複数の検出器の各々は、照明されたスポットのサイズを超える、前記標的の表面の活性化した観察領域を有し、前記光が走査経路をトレースするにつれて、前記検出器のサンプリング時間を前記光に相関させる相関器をさらに含み、画素は、前記標的の表面の一部の画像から収集され、収集された画素の各画素の解像度は、前記照明されたスポットのサイズに対応し、前記並行した画像の第１の画像は、第１の組の検出器から収集される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
光の前記出力ビームは、第１の色の光のビームと、第２の色の光のビームと、第３の色の光のビームとの組合せであり、前記出力画像は、カラー画像であり、
前記複数の検出器は、第１の組の検出器を含み、前記第１の組の検出器は、前記第１の色の光のビームの戻り光を検出するための第１の色の第１の検出器と、前記第２の色の光のビームの戻り光を検出するための第２の色の第１の検出器と、前記第３の色の光のビームの戻り光を検出するための第３の色の第１の検出器とを含み、前記複数の並行した画像の第１の画像は、前記第１の組の検出器から収集される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
前記複数の検出器は、第２の組の検出器を含み、前記第２の組の検出器は、前記第１の色の光のビームの戻り光を検出するための第１の色の第２の検出器と、前記第２の色の光のビームの戻り光を検出するための第２の色の第２の検出器と、前記第３の色の光のビームの戻り光を検出するための第３の色の第２の検出器とを含み、前記複数の並行した画像の第２の画像は、前記第２の組の検出器から収集される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記複数の検出器は、第２の検出器をさらに含み、前記第２の検出器は、前記第１の色の光のビーム、第２の色の光のビーム、および第３の色の光のビームからの戻り光の明るさを検出するための多波長検出器であり、前記複数の並行した画像の第２の画像は、前記第２の検出器から収集される、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記複数の検出器は、第３の検出器をさらに含み、前記複数の並行した画像の第３の画像は、前記第３の検出器から収集される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記複数の検出器は、第１の検出器および第２の検出器を含み、前記第１の検出器は、前記並行した画像の第１の画像を収集するために用いられ、前記第２の検出器は、前記複数の並行した画像の第２の画像を収集するために用いられる、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２９】
前記複数の検出器は、前記複数の並行した画像の第３の画像を収集するための第３の検出器をさらに含む、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記プロセッサは、前記複数の並行した画像に基づいて、標的の表面の法線の方位マップを生成する、請求項１９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記プロセッサは、前記方位マップから配向のヒストグラムを生成し、前記配向のヒストグラムを１つ以上の原型の配向のヒストグラムと比較して、前記標的の表面を分類する、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記プロセッサは、前記方位マップから奥行きマップを生成する、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３３】
前記プロセッサは、前記奥行きマップから３次元メッシュを生成する、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記プロセッサは、奥行きの知覚および表面のトポグラフィの一方または両方を強調するために、仮想の照明および視点によって３次元メッシュをレンダリングする、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記プロセッサは、前記３次元メッシュから、観察者の両眼視差が計算された２つの立体画像を計算する、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
標的の表面の画像を生成するための方法であって、
共振ファイバの導波路から光のビームを出力するステップを含み、前記導波路は、走査経路に沿って出力ビームを走査し、前記方法はさらに、
走査される標的の表面上に走査レンズで前記ビームを集束させるステップを含み、前記ビームは、所定の時間に前記標的のスポットに当るように集束され、前記スポットは、照明されたスポットであり、前記照明されたスポットは、前記ビームが前記標的の表面上で走査されるにつれて時間とともに変化し、前記方法はさらに、
前記共振ファイバの導波路に関して第１の位置を有する第１の検出器と、前記共振ファイバの導波路に関して第２の位置を有する第２の検出器とによって、前記出力ビームに応答する、前記標的の表面からの戻り光を検出するステップを含み、前記第１の検出器および前記第２の検出器は、異なる配向軸を有し、前記ファイバの導波路は、軸を有し、前記第１の検出器および前記第２の検出の少なくとも１つは前記ファイバの導波路の前記軸とは異なる配向軸を有し、前記方法はさらに、
周囲光のフォトンを、異なる態様で要因として除去することによって色の忠実度および収集された画像の解像度を改善するために、前記第１の検出器および前記第２の検出器によって得られた信号にコモンモード除去を実施するステップを含む、方法。
【請求項３７】
標的の表面の画像を生成するための方法であって、
光学軸に関し、走査経路に沿って光のビームを出力するステップと、
走査されている標的の表面上に前記ビームを集束させるステップとを含み、前記ビームは、所定の時間に前記標的のスポットに当るように集束され、前記スポットは、照明されたスポットであり、前記照明されたスポットは、前記ビームが前記標的の表面上で走査されるにつれて時間とともに変化し、前記方法はさらに、
前記光学軸に関してほぼ共焦点の構成を有する複数の検出器によって、前記標的の表面からの戻り光を検出するステップを含み、前記複数の検出器の各々は、多重散乱および色のずれを受けた後方散乱光を除去するために、偏光フィルタを含む、方法。
【請求項３８】
標的の表面の画像を生成するための方法であって、
光学軸に関し、走査経路に沿って光のビームを出力するステップと、
走査されている標的の表面上に前記ビームを集束させるステップとを含み、前記ビームは、所定の時間に前記標的のスポットに当るように集束され、前記スポットは、照明されたスポットであり、前記照明されたスポットは、前記ビームが前記標的の表面上で走査されるにつれて時間とともに変化し、前記方法はさらに、
少なくとも１つの検出器によって、前記標的の表面からの戻り光を検出するステップと、
前記検出器によって検出された前記戻り光から、第１の画像に対する第１の複数の画素を収集するステップと、
１つ以上の画素における前記標的の表面までの距離を測定するステップと、
奥行きの情報を含む、前記標的の表面の出力画像を導出するために、前記第１の画像および測定された距離を処理するステップとを含む、方法。
【請求項３９】
前記検出するステップは、少なくとも２つの検出器からの戻り光を検出するステップを含み、前記距離を測定するステップは、
対応する画素に対し、前記少なくとも２つの検出器から検出された前記戻り光の位相差を検出するステップを含み、前記位相差は、前記対応する画素に対する前記標的の表面までの距離に対応する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
光の前記ビームは、高変調帯域幅レーザダイオードから放射された光を含み、レーザパルスは、所定の周波数で放射され、前記測定するステップは、各パルスに対し、前記パルスの放射と対応する戻りパルスの受信との間に経過した時間を求めるステップを含み、前記経過した時間は、前記標的の表面上の最も近接した地点までの距離に比例する、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
光の前記ビームは、光強度の高変調帯域幅を用いる直接変調レーザダイオードから放射された光を含み、前記測定するステップは、放射と、対応する戻り光の受信との間に経過した時間を求めるために、変調に対応する期間にサンプリングを行なうステップを含み、前記経過した時間は、前記標的の表面上の最も近接した地点までの距離に比例する、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
光の前記ビームは、電気的に調整可能なレーザダイオードから放射された光を含み、前記出力するステップは、
前記レーザダイオードから放射された光を連続して周波数変調するステップを含み、前記測定するステップは、前記戻り光と、前記標的の表面までの距離に比例するビート周波数を生成する基準信号とを混合するステップを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記検出するステップは、光の前記出力ビームの経路に沿って後方反射する光を検出するステップを含み、前記後方反射する光は、光の前記出力ビームによって干渉パターンを呈示し、前記測定するステップは、光パワーの波形の導関数を生じるために、パルス化方式の相関性を用いて前記後方散乱する光を混合するステップを含み、前記導関数は、前記標的の表面までの距離を示す、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
前記検出するステップは、光の前記出力ビームの経路に沿って後方反射する光を検出するステップを含み、前記後方反射する光は、光の前記出力ビームによって干渉パターンを呈示し、前記測定するステップは、光パワーの波形の導関数を生じるために、連続レーザ放射方式の相関性を用いて前記後方散乱する光を混合するステップを含み、前記導関数は、前記標的の表面までの距離を示す、請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
この発明は、光ファイバ画像収集装置および光ファイバ画像表示装置等の光ファイバ走査装置に関し、より特定的に、直径の極めて小さな可撓性ファイバを用いることによって奥行きの情報を強調して高い画像解像度および広い視野を達成する光ファイバ走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ画像収集装置は、内視鏡、ボロスコープ、およびバーコードリーダを含む。内視鏡は、体の管または中空器官の内部を観察するための撮像機器である。挿入は、一般に体の開口部を介する。ボロスコープは、体の内部の領域を観察するための撮像機器である。挿入は、一般に「孔を開けた」開口部（外科的な開口部等）を介した侵襲性のものである。
【０００３】
硬性の内視鏡と可撓性の内視鏡とが存在する。硬性の内視鏡は、画素化される像平面を有さない。可撓性の内視鏡は、より小さく、従来、画素化される像平面を有する。しかしながら、可撓性の内視鏡は、硬性の内視鏡の解像度および視野を得ることができない。しかしながら、硬性の内視鏡は、小型であってかつ可撓性のファイバおよびシャフトが必要とされる多くの適用例において使用できない。
【０００４】
どのような内視鏡も、その目標は、組織の損傷を最小にすることを可能にする小型ユニットにおける高い画像品質である。現在成長中の、侵襲性を最小限にする外科的技術の分野では、現在の画像品質に見合う、より小さな内視鏡に対する需要が高い。特に、侵襲性を最小限にする医療的な措置に対する要望により、極細の光学内視鏡に対する需要が増大した。しかしながら、市販の可撓性の内視鏡には、サイズと画像品質との基本的な妥協点がある。内視鏡の直径が小さくなるほど画像解像度および／または視野（ＦＯＶ）が小さくなり、画像品質が低下する。極めて小さな内視鏡が用いられる場合、多くの内視鏡技術が不可能になるか、または危険を伴うものとなる。なぜなら、小型化および画像の品質の低下等で医師が十分な視覚情報を得られないためである。したがって、高い解像度および大きなＦＯＶを有する極めて小さな可撓性の内視鏡が必要とされる。極めて小さな直径と高い画像品質との両方を有する可撓性の画像生成器のこのような基本的な妥協点が、リモートセンシング等の人間の体外での適用において、大きな制限となってしまう。
【０００５】
従来の可撓性の内視鏡およびボロスコープは、ＣＣＤカメラを形成する画素検出器の大きな空間的アレイを含む。一般に、光ファイバの束が画像を捕捉して、その画像をＣＣＤカメラに送信する。高い解像度および広い視野の画像を得るために、このようなＣＣＤカメラは、約１０００×１０００の検出器からなる画素検出器のアレイを含むことが多い。色の忠実度を求めて３つのこのようなアレイを含むことが一般的であり、立体視が所望される場合は、これが２倍になって６つのアレイとなる。ファイバは、画素検出器の各々に存在する。各ファイバの直径は、４ミクロン以上である。したがって、収集には、１ピクセル当たり４ミクロン以上の空間が必要となる。標準ｓＶＧＡ画像が所望される場合（８００×６００画素）、画像のコンジットだけでも最小の直径が３ｍｍより大きくなる。１０００×１０００の画素検出器のアレイは、直径が少なくとも４ｍｍである。ＶＧＡ標準では、直径の全体が３ｍｍ未満のスコープを得るために画素素子の数を減らすことにより、解像度および／または視野が犠牲になる。内視鏡の直径を小さくすることによって、考えられる画素の数が減少し、したがって解像度および視野が小さくなる。直径を制限すると、カラー画像および立体画像を入手する機会も制限される。
【０００６】
小さな（直径が３ｍｍ未満等）可撓性の内視鏡の分野では、画素の数を一般に（１００×１００）まで減らしているものの、これらのスコープは画素の最小サイズを用いなければならない。外科医が、これらの小さな可撓性内視鏡を、壊れやすいために広く使用できないと認識していることに注目されたい。医師はむしろ、小さいがシャフトが硬性の（真直の）内視鏡を好むが、これらは医師の操作性および応用性を著しく制限する。
【０００７】
大きな（直径が４ｍｍ以上等）可撓性の内視鏡の分野において、スコープは、直径が４ｍｍ以上の可撓性のシャフトを有し、一般に、その遠端に小さなカメラまたは光ファイバの束のいずれかを含んで画像を捕捉する。しかしながら、スコープの直径が＞１０ｍｍに至るまで、人間の視覚の鋭さの最大能力に位置する画像解像度と所望の５０〜７０°のＦＯＶとの間に、依然として妥協点が存在する。
【０００８】
１９９２年４月７日に発行された、ジョン・Ｗ．ヒックス（John W. Hicks）の米国特許第５，１０３，４９７号は、光ファイバの束の直径全体を小さくするために光ファイバ間の空間を減らしたフライングスポット内視鏡を開示している。ヒックスは、密着させた態様でファイバの束を構成する代わりに、自身の好ましい実施例において、隣接するコアの位相がずらされたマルチファイバを用いる。このマルチファイバは、電磁駆動を用いて、ラスタパターン、らせんパターン、発振パターン、または回転パターンに沿って走査される。照明ファイバ、観察ファイバ、または照明ファイバと観察ファイバとの両方が走査される。ヒックスは、最も簡単な実施例において、１つのファイバ（照明ファイバまたは観察ファイバのいずれか等）の走査を開示している。
【０００９】
ヒックスは、小さな束または１つのファイバを用い、像平面に沿ってファイバの束を走査することによって像平面を走査する。像平面のサイズが縮小されていないことに注目されたい。より小さな束が、像平面の全体を走査する。このことを行なうために、束は、先行技術において集光ファイバの一層大きなアレイによって占められていたのと同じ領域上を移動する。その結果、動作中にヒックスの装置が占める面積が、先行技術の装置における面積に等しくなる。さらに、ヒックスの一層小さな束内のファイバのコアのサイズは、先行の一層大きなアレイのファイバのコアのサイズが解像度を制限したのと同様の態様で、解像度を制限する。
【００１０】
内視鏡の技術における課題の１つが、走査装置のサイズの縮小である。上で論じたように、最小のサイズは、ファイバの直径と、所望の解像度および所望の視野の組合せとの関数であった。所望の解像度または視野が大きくなるほど、必要とされる直径が大きくなる。所定の視野に対する所望の解像度が大きくなるほど、より多くの数のファイバが必要になる。この制約は、光ファイバのカメラ素子を用いて像平面の小さな部分をサンプリングするという技術によるものであった。従来では、像平面の各画素を捕捉するために１つの集光ファイバが用いられてきたが、ヒックスの装置では、１つ以上のファイバが複数の画素を走査する。
【００１１】
像平面を生成するときに、対象物は、照明ファイバによって照明される。照明光の中には、対象物に直接当たるものもあれば、対象物に当たる前または後のいずれかに散乱するものもある。像平面から戻る光（反射光、蛍光性の戻り光、燐光性の戻り光等）が収集される。一般に、対象物の、照明を受けた部分から戻ってきた所望の非散乱光は、共焦点系を用いることによって散乱光と区別される。具体的には、レンズが、戻り光を観察ファイバに集束させる。散乱しなかった光のみが、対象物の一部からレンズおよび観察ファイバへの直接経路を進む。レンズの焦点距離は、非散乱光を観察ファイバの先端上に集束させるように設定される。散乱光は、観察ファイバの先端より前または後ろのいずれかに集束する。したがって、所望される光が捕捉されて、所望されない光と区別される。この手法の欠点の１つは、照明光のほとんどが無駄になるか、または周囲の画素素子に雑音として捕捉されてしまい、非散乱光として戻ってくる僅かな部分しか、所定の画素を規定するために用いられないことである。
【００１２】
侵襲性を最小限にする医療的措置は、映像モニタを用いて医師に１つのカメラ映像を示す内視鏡を用いる。医師は、内視鏡が捕捉した平坦な２次元の画像を、体内で走査された標的の３次元のトポグラフィに、知的に関連付けなければならない。訓練を受けた医師は、運動視差、単眼性手がかり、および他の間接的な奥行きの徴候を用いることによって体のトポグラフィを知的に想定することに慣れている。医師に示す画像を改良することが望ましい。たとえば、現在の立体撮影内視鏡（２つのファイバの束またはカメラを備える）は、追加の画像データを提供するものの、最適状態には及ばない性能を示す。この内視鏡に、費用、重量およびサイズを実質的に加えずにこのような改良を行なうことが、依然として課題である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明の概要
この発明に従い、可撓性の光ファイバを有する小型の画像収集システムが実現される。可撓性の光ファイバは、放射された光を所望のパターンに沿って走査するように共振する照明導波路として働く。好ましくは、照明光に対して１つのファイバが用いられる。多色の照明光に関しては、それぞれの色のソースからの光が組み合わされて、１つの照明ファイバの遠位の先端を通り、観察される対象物上に放射されることが好まれる。代替的な実施例では、照明光に対して複数のファイバまたは同軸ファイバが用いられる。
【００１４】
従来の可撓性の内視鏡等で行なわれたように像平面（すなわち、ここで画素が空間上分離される）を生成してサンプリングするのではなく、この発明のスキャナで画像を捕捉するためには、像平面を生成する必要がない。その代わりに、画素は、時間の経過順に収集されて、時間上分離される。この手法の利点は、画像の解像度が検出器のサイズ（集光ファイバの直径等）によって制限されないことである。その代わりに、この発明の一局面によると、画像の解像度は、照明のスポットサイズの関数である。特に、画像の解像度は、集光装置の直径よりも小さなスポットサイズを用いることによって向上する。一実施例では、走査される部位においてより小さなスポットサイズの生成を可能にする、より小さなコアのプロファイルおよびより小さなガウスビームのプロファイルを有する単一モード光ファイバが実現される。
【００１５】
時間のウィンドウ内に受けた光として画素が検出されるため、このような時間ウィンドウにおいて検出されるフォトンは、照明されたスポットから来る。この発明の別の利点は、先行技術のシステムで生じる共焦点の問題が解消されることである。画素の時間ウィンドウのサイズを規定するために、たとえば典型的なビデオ速度を用いることにより、１つの画素が４０ナノ秒ごとに収集される。１つの画素の光が別の画素からの光に干渉するには、第１の画素の光が平均で約２０フィート跳ね返らなければならない（なぜなら、光は約１フィート／ナノ秒進むためである）。一般的な適用例において、このような光は、１立方インチ未満の空間で跳ね返らなければならない。これは、約２４０回の反射に相当する。１つの画素からの光が、吸収される前に２４０回反射することは考えにくい。したがって、共焦点の問題は重要ではない。
【００１６】
この発明の一局面に従い、照明ファイバの遠端部は、共振導波路として働く。このような遠端部は、ファイバの残りの部分に近接する端部（たとえば、遠端部の近端または共振導波路の近端と呼ばれる）において固定される。遠端部は自由にたわんで共振する。導波路は可撓性を有し、共振周波数において所望の走査経路に沿ってたわむ。光検出器は、照明ファイバの端部に（たとえば遠端部の固定された近端付近に）位置付けられる。集光ファイバが存在してよいが、必ずしも必要ではないことに注目されたい。さらに、検出器は走査パターンをトレースすることができるが、必ずしもトレースする必要はない。
【００１７】
この発明の利点は、画素を得る方法、レンズの存在、およびファイバを駆動する態様によって、小さな細いスコープにおいてもファイバの可撓性、広い視野および高い解像度が得られることである。画素が２−Ｄの画素アレイではなく、時系列で測定されるため、小さなフォトン検出器を有するよう強制されない。多くの小さな検出器が広い領域にわたって存在していた先行技術のスコープにおけるように検出器のサイズは重要ではない。したがって、標準的なスコープの画素検出器よりも大きなフォトン検出器を数少なく用いて、この発明のスコープを既存のスコープよりも小さく作製することができる。この発明によると、モノクロ画像の収集には、僅か１つのフォトン検出器が用いられ得、フルカラーの撮像には、１つの赤、緑、および青の検出器という少ない数の検出器が用いられ得る。さらに検出器を加えることにより、フルカラー画像の形状を強調しながら、擬似立体撮像および照度差ステレオ（photometric stereo）の利点が得られる。
【００１８】
この発明の別の局面によると、画素の位置の各々における距離測定（range finding）によってスコープから標的までの軸方向の距離を測定することによって、立体視が得られる。このような軸方向の測定は、立体映像を生成するために処理される第３の画像の次元である。
【００１９】
この発明の別の利点によると、小さな可撓性のシャフトを備えた１つの走査ファイバは、（ｉ）軸対称性、（ii）色の忠実度、対象物のコントラストの向上および蛍光コントラストの向上をもたらす低コストの方法、ならびに（iii）蛍光撮像、医学的診断およびレーザ手術に有用なレーザ照明を提供する。この発明のこれらのおよび他の局面および利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することによって、より理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
特定の実施例の説明
概観
図１を参照すると、小型の画像収集システム１０は、照明サブシステム１２と、集光器または検出器のサブシステム１４と、いくつかの実施例においてホストシステム１６とを含む。照明サブシステム１２は、対象物上に光を放射する。集光器／検出器のサブシステム１４は、対象物から戻ってくる光を収集または検出する。照明サブシステム１２および集光器／検出器のサブシステム１４は、ホストシステム１６に結合される。ホストシステム１６は、照明サブシステムの動作と集光器／検出器のサブシステムの動作とを同期させるためのコントローラ１８を含む。また、ホストシステム１６は、表示装置２０と、ユーザインターフェイス２１と、画像記憶装置２２と、プロセッサ（図示せず）と、メモリ（図示せず）とを含む。実施例の中には、画像収集システム１０が、ホストシステム１６を備えない独立型装置として構成されるものがある。このような独立型の実施例において、コントローラ１８および表示装置２０は、独立型システムの一部である。さまざまな適用例において、小型の画像収集システム１０は、内視鏡、ボロスコープ、バーコードリーダ、または画像を収集するための別の装置を実現する。ファイバスコープという用語は、この明細書において、走査を行なう光ファイバ導波路を用いる画像収集システムを指すために用いられる。
【００２１】
図２を参照すると、照明サブシステム１２は、光源２４と、光ファイバ２６と、ファイバたわみ駆動システム２８とを含む。光源２４は、或る実施例では連続した光の流れ３０を放射し、別の実施例では光パルスの流れ３２を放射する。パルスが実現される場合、コントローラ１８は光源２４に制御信号３４を送り、パルス放射のタイミングを同期させて制御する。
【００２２】
光源２４からの光は光ファイバ２６に入り、遠端部３６まで進み、そこでこの光は対象物に放射される。遠端部３６はたわみ、共振導波路３６として働く。ファイバ２６または少なくとも遠端部３６は、遠端部における共振たわみ運動に耐えるように可撓性を有する。コントローラ１８は同期信号３８をファイバたわみ駆動システム２８に送り、ファイバたわみ駆動システム２８は次いで、導波路の遠端部３６を共振させる。導波路３６の共振運動により、放射された光は、所望の走査経路に沿って対象物上で走査される。実施例の中には、ファイバたわみ駆動システム２８の制御が、コントローラ１８に送られるフィードバック信号４０またはセンサを備えた閉ループ制御であるものがある。好ましい実施例において、駆動システム２８は圧電駆動システムである。代替的な駆動システムの実施例では、永久磁石もしくは電磁石の駆動、静電駆動、光学駆動、音響駆動、または電気化学駆動が圧電駆動の代わりに実現される。
【００２３】
好ましくは、１つ以上のレンズ３７が、遠端を形作ることによって導波路の遠端に形成される。代替的に、１つ以上のレンズが、遠端３６の遠端（すなわち遠位の先端）に融合され、接着され、取付けられ、または付着される。好ましくは、レンズ３７は、ファイバの端部３６の円周および直径を越えて延びない。レンズ３７は、遠端３６に固定されて、遠端３６とともに動いて配向を変化させる。これらのレンズ３７は、放射された光を平行にするように働く。放射光の経路内におけるファイバの遠端３６の向こうに、走査レンズまたはｆシータレンズ等の別のレンズ３９を位置付けて、光を対象物上に集束させる。実施例の中には、レンズ３９が勾配屈折率レンズ等の屈折性および／または回折性の光学素子であるものもある。レンズ３７および３９は、画像の品質を決定し、サブシステム１２の画像解像度を規定する。
【００２４】
レンズ３９は、走査レンズとして働き、ガラスか、プラスチックか、または波形を形成する液晶等の別の材料で形成される。走査レンズ３９の光パワーは、照明が焦点面を形成する場合、どのような距離で照明が焦点面を形成するかを決定する。放射された光３０／３２が平行にされると、結果として得られる画像は、放射光のビームの直径に近似する解像度を有し、視野に極めて奥行きのある画像を生じる。走査レンズ３９のパワーを増大させることにより、画素の解像度は向上するが、被写体深度および焦点深度は減少する。走査レンズ３９の焦点面は、そのパワーと、遠位の先端５８（図５Ａ参照）および遠位のレンズ３７に対する位置とに依存する。遠位のレンズ３７に対して走査レンズ３９を軸方向に動かすことによって、焦点面を調節することができる。
【００２５】
図３を参照すると、一実施例において、小型の画像収集システム１０の部分４２は、コントローラサブシステム１４′および網膜走査表示装置２０′を含む。照明系１２（図１および図２を参照）からの光は、対象物に出力される。対象物からの戻り光４４は、１つ以上の集光器ファイバ４６で収集されて、走査表示装置２０′に直接経路指定される。一実施例において、表示装置２０′は、人間の目Ｅの網膜上に光を走査する。別の実施例において、表示装置は、投影画面上に光を走査する（たとえば電気光学的に増幅された状態で）。さらに別の実施例（図示せず）では、集光ファイバ４６からの光がサンプリングされて、画像記憶装置２７によって記憶される。収集された光の走査または記憶は、コントローラ１８によって、照明光に相関するように同期される。
【００２６】
実施例の中には、照明サブシステム１２の照明ファイバ２６とともに、共通の経路に沿って集光器ファイバ４６が駆動システム４８によってたわむものもある。駆動システム４８は、照明サブシステム駆動システム２８と同じシステムであってよく、または、別個の駆動システムであってよい。好ましくは、駆動システム４８は、圧電駆動システムである。駆動システム４８は、コントローラ１８から同期信号３８を受取る。集光器ファイバ４６が動かない実施例では、駆動システム４８が必要とされない。
【００２７】
走査表示装置は、当該技術で公知の種類のものである。例示的な装置が、ファーネス（Furness）他への「仮想網膜表示（Virtual Retinal Display）」に対して１９９５年１１月１４日に発行された米国特許第５，４６７，１０４号に開示される。別の例示的な装置が、メルビル（Melville）への「機械的共振スキャナミラーの位置検出（Position Detection of Mechanical Resonant Scanner Mirror）」に対する１９９７年１２月２日に発行された米国特許第５，６９４，２３７号に開示される。
【００２８】
図４を参照すると、代替的な実施例において、小型の収集システム１０は、検出サブシステム１４″を含む。検出サブシステム１４″は、１つ以上のフォトン検出器５０を含む。実現され得るフォトン検出器５０の例示的な種類には、光電子倍増管、シリコンおよび半導体ベースの光検出器、電気光学的に増幅される光ファイバ、画像記憶媒体（フィルム等）、ならびに光電子放出媒体が含まれる。戻り光は、フォトン検出器５０に当たる。検出器５０は、コントローラ１８から受取ったサンプリング信号５２に基づいて、連続して、周期的に、または非周期的に、戻り光４４をサンプリングする。サンプリング信号５２は、照明サブシステム１２に出力された同期信号３８と、タイミングにおいて相関する。その結果、フォトン検出器５０は、戻り光４４のサンプリングに対応した電気信号のパルスの流れまたは連続信号を出力する。一実施例において、出力信号５４は、画像記憶装置２２に経路指定されて、データの画像フレームを構築して記憶する。さまざまな実施例において、画像記憶装置２２はアナログ記憶装置（フィルム等）またはデジタル記憶媒体である。加えて、または代替的に、同じまたは異なる出力信号５５が表示装置２０に経路指定されて、画像データのフレームを構築して表示する。表示装置は、陰極線管、液晶表示パネル、投光器、ガスプラズマ表示パネル、または他の表示装置等の従来の任意の表示装置であってよい。
【００２９】
照明ファイバ導波路の共振モード
図５Ａ〜図５Ｃを参照すると、照明ファイバ２６が、その長さに沿った地点５６で固定された状態で示される。固定地点５６から遠位の先端５８までのファイバ２６の長さは、共振導波路として働く遠端部３６と呼ばれる。実施例の中には、実質的にファイバの全体が共振導波路３６として働いて、固定地点５６から遠端５８までの長さに沿って存在する短いファイバ２６が用いられるものもある。導波路３６は、共振モードにおいて導波路をたわませるファイバたわみ駆動システム２８（図２参照）によって駆動される。
【００３０】
駆動システム２８によって実現され得る多くの共振モードが存在する。各モードにおいて、固定地点５６に静止節（stationary node）が生じる。導波路３６の長さに沿って腹（すなわち最大たわみ地点）が生じる。図５Ａを参照すると、静止節が固定地点５６に生じて腹が遠端５８に生じる共振モードが示される。導波路３６は、ニュートラル位置６０と、２つの最大たわみ位置６２および６４とにある状態で示される。
【００３１】
図５Ｂを参照すると、２つの静止節、すなわち、一方が固定地点５６に、他方が固定地点５６と遠端５８との間の地点６６に存在する共振モードが示される。２つの静止節の地点５６および６６の間の地点６８に腹が生じる。導波路３６は、ニュートラル位置６０と、２つの最大わたみ位置６２′および６４′とにある状態で示される。さまざまな共振モードにおいて、導波路の長さに沿って１つ以上の静止節が形成されて、遠端５８を弧形７０に沿って揺らす。０からｎ個までの腹が形成されてもよく、ここで「ｎ」は、静止節の数または静止節の数よりも少ない数のいずれかに対応する。
【００３２】
図５Ｃを参照すると、好ましい共振モードでは、導波路３６の遠端５８に静止節が生じる。導波路３６は、ニュートラル位置７２と、２つの最大たわみ位置７４および７６とにある状態で示される。固定地点５６および遠端５８の静止節間に、さらなる静止節は示されていないが、さまざまな実施例では、このような地点５６と５８との間に、さらなる静止節が実際には生じる。導波路の遠位の先端において本来の振動共振の節を維持するために、遠端５８における質量と減衰とが、制御される設計特性である。一般に、均一なトポグラフィおよび材料特性の導波路から、質量と減衰との両方を僅かに増大させると十分である。一実施例では、より屈折率の大きい（または大きな）コリメートレンズ３７を導波路３６の先端に加える。
【００３３】
図５Ｄは、遠位の先端５８に静止節を有する共振モードに対する遠端５８（レンズ３７等）の側面図を示す。導波路３６のニュートラル位置７２に対応するニュートラルな配向７８と、最大たわみ位置７４に対応する一方向における最大の角方位８０と、最大たわみ位置７６に対応する別の方向における別の最大の角方位８２とが示される。示されるように、中心地点８４は、一般に各配向に対して動かない。精密な図面（図示せず）において、端部５８は、導波路３６がたわむにつれて、導波路の軸８８（図５Ｄのｚ軸等）に沿って僅かにずれる。しかしながら、軸からずれた（ｘ軸またはｙ軸に沿った）動きはなく、配向７８から８０、７８、８２、および７８に戻る、軸に対する配向の変化があるのみである。導波路３６がたわむ間に配向がこのように変化することにより、レンズ３７の遠位の面に対してほぼ垂直な方向に光線９０の放射が生じる。光線９０は、遠端５８およびレンズ３７の配向が変化している間に弧形９２を走査する。光線９０′は、位置８２においてレンズ３７に対して垂直である。光線９０″は、位置８０においてレンズ３７に対して垂直である。このような弧形９２は、照明サブシステム１２の視野を規定する。
【００３４】
導波路３６の遠端５８に静止節を配置する利点は、図５ａおよび図５ｂに示された共振モードにおけるように、揺れる弧形７０を含むように内視鏡または他の照明装置の直径を大きくする必要がないことである。Ｘ−Ｙ空間で線または弧形に沿って遠端を点光源として揺らす代わりに、Ｘ−Ｙ空間に遠端を固定することにより、光学歪みおよび収差が減少する。さらに、弧形７０に沿って遠端を動かして視野を規定する代わりに、遠端５８の位置は実質的に固定されており、共振する導波路の他の領域の共振運動とともに遠端の配向が変化する。ファイバの遠端５８の角方位を変えることにより、走査される視野の幅を規定する（すなわち、弧形９２を規定する）。
【００３５】
時間の経過順に配置された画素の収集方法
小型の画像収集システム１０が先行技術の装置に優る特徴の１つは、画素の解像度が、サンプリングされたスポットサイズ（たとえばセンサまたは集光器ファイバのサンプリング領域によって）ではなく、照明のスポットサイズによって決まることである。出願人の方法では、サンプリングされた領域のサイズではなく、照明のスポットサイズが画素の解像度を決定する。その結果、検出器のサイズは画像の解像度に影響を及ぼさない。したがって、所望の機能性（色、立体、高コントラスト等）に従って、１つの大きな検出器または複数のより小さな検出器が用いられる。
【００３６】
図６Ａを参照すると、従来、ファイバは、すべてを一斉に、または対象物を走査することによって、対象物全体の領域９５を照明して像平面９６を形成する。像平面は、画像の画素の空間領域である。従来技術の中には、対象物全体の領域９５が同時に照明される一方で、像平面９６の小さな空間領域９７がサンプリングされて画像の画素を収集するものもあれば、対象物上で光が走査されて、対象物の変化する部分９８を照明するものもある。照明された領域９８内の小さな空間領域９７がサンプリングされて、画素を収集する。これらの従来技術は、（ｉ）小さな空間領域がサンプリングされ、これが所望の画素になって画素の解像度を決定すること、および（ii）任意の所定のサンプルのためにサンプリングされた領域よりも照明領域が大きいこと、によって特徴づけられる。
【００３７】
図６Ｂを参照すると、異なる技術が実施される。この発明の一局面によると、大きな領域を照明して小さな画素領域を検知する代わりに、小さな画素領域を照明して大きな領域をサンプリングする。具体的には、導波路３６（図２の）によって放射された光が、収集されている画素に対応する小さな領域９９を或る所定の時間に照明する。検出器５０または集光器ファイバ４６によってサンプリングされる領域１００は、照明されるスポットサイズ９９よりも大きい。従来技術が、センサによって決定されてサンプリングされた領域（サンプルスポットサイズ等）によって画素および画素の解像度を規定するため、この特徴には意義がある。この技術に従い、画素の解像度は、照明スポットのサイズによって規定される。照明スポットのサイズは、レンズ３７および３９を備えた導波路３６によって厳密に制御される。
【００３８】
サンプリングされる画素に照明のスポットサイズを対応させるために、照明とサンプリングとの間に時間同期が存在する。この同期は、従来の方法におけるように像平面内の特定の位置にサンプリングを同期させることではなく、照明の信号またはパルスに対する時間同期である。たとえば、一実施例において、フォトン検出器５０は任意の所定の時間に対象物全体からの光を検出する。このような検出器５０で検出された光は、光の特定の放射に同期されて、その放射に対応する画素を得る。実際に、サンプリングの過程から、空間的な関係は、要因として除外される。むしろ、画素の位置は、対応する時間における照明スポットの位置を認識することにより、本来既知のものである。
【００３９】
時間のあらゆる瞬間に、走査される光のスポットの位置を認識することにより、画像は、映像信号のように一度に１画素ずつ生成される。たとえば、１５．７５ｋＨｚで画像の線を走査して、１２．５ＭＨｚの時間解像度で光を検出することにより、ＶＧＡの解像度（６４０×４８０）のＲＧＢカラー画像を構成する画素の流れがビデオ速度（６０Ｈｚ）で生成される。
【００４０】
時間同期の手法を用いることにより、画素は、所定の時間のウィンドウ内に収集される。画素が時間のウィンドウ内に受取られた光として検出されるため、このような時間ウィンドウに検出されたフォトンは、照明されるスポットから来る。さらに、複数のセンサを用いることにより、コモンモード除去方式を実施して周囲光をフィルタ除去し、対象物から戻ってくる照明光を検出する。この手法の利点は、先行技術のシステムで生じた共焦点の問題が解消されることである。たとえば、典型的なＶＧＡのビデオ速度を用いて画素の時間ウィンドウのサイズを規定するために、１つの画素が４０ナノ秒ごとに収集される。１つの画素の光が別の画素からの光に干渉するには、第１の画素の光が平均で約２０フィート跳ね返らなければならない（なぜなら、光は約１フィート／ナノ秒進むためである）。一般的な適用例では、このような光は１立方インチ未満の空間で跳ね返らなければならない。これは、約２４０回の反射に相当する。フォトンが吸収されるか、またはフォトンの線束が大きく減衰される前に、１つの画素からの光が２４０回も反射するとは考えにくい。したがって、共焦点の問題は重要ではない。
【００４１】
図７を参照すると、導波路３６は共振し、光３０／３２がレンズ３９に向かって放射される。レンズは、この光を標的の対象物上の特定のスポット位置に方向づける。導波路がたわむ一方の極端において、対象物のスポットＡが照明される。たわみが続くのに伴い、導波路はニュートラル位置に至り、そこでスポットＢが照明される。引き続き、導波路は反対側の極端に至り、そこでスポットＣが照明される。スポットＣを照明する光は、ピーク強度の半径Ｒを有する。このような強度は、この半径の外で徐々に低下して、無視し得るものと考えられる。したがって、１つの走査線は、スポットＡからスポットＣまでの経路を横切る。或る実施例において、ファイバたわみシステム２８は、線に沿って走査する線形走査システムである。別の実施例において、システム２８は、直線のまたは半径方向のラスタパターンに沿って走査する。さらに他の実施例では、駆動システム２８によって螺旋の走査パターンが実現され、螺旋の半径が変化して対象物の領域をトレースする。スポットＡおよびＣによって形成された弧形が視野を決定し、約１８０°に及ぶことが可能である。スポットＡ、ＢおよびＣの距離は、レンズ３７および３９によって決定され、レンズ３７と３９との間の距離よりも実質的に大きいことが考えられる。
【００４２】
図８を参照すると、駆動システム２８を同期させるためにコントローラ１８から受取った例示的な同期信号３８が示される。遠端５６およびレンズ３７の角変位１０２（配向等）もまた図８に示される。最後に、対象物の走査線に沿ってトレースされるのに従った、照明スポットの位置１０が示される。例示的な走査線は、たとえば時間Ｔ1からＴ2に生じる。次の走査線（インターレースされる走査の実施例に対する）が時間Ｔ2からＴ3に生じる。走査の動作中のさまざまな時間において、照明スポットはスポットＡ、ＢおよびＣ上におよぶ。第１の走査線の間に、スポットＡは時間ＴA1において照明される。スポットＢは時間ＴB1において照明される。スポットＣは時間ＴC1において照明される。時間Ｔ2からＴ3に生じる、後の走査線については、対応するスポットＣが最初に対象となり、時間ＴC2において照明される。その後、対応するスポットＢが時間ＴB2において照明される。次に、対応するスポットＡが時間ＴA2において照明される。
【００４３】
ＶＧＡの解像度の実施に関し、Ｔ1からＴ3までの時間は６３．５μｓ（マイクロ秒）である。したがって、Ｔ1からＴ2までの時間は、３１．７５μｓである。ＴA1からＴC1までの時間は、３１．７５μｓ未満である。具体的に、ＶＧＡ標準については、各走査線が等しく８００個の時間画素に分割される。したがって、各画素は、４０ｎｓ（ナノ秒）に及ぶ。したがって、ＴA1からＴC1までの時間は、２５．６μｓである。
【００４４】
図９および図１０は、放射された光が、走査線１０６に沿って動く光の連続した流れ３０である実現例を示す。図９の実現例において、フォトン検出器５０は、「Ｎ」個の画素１０８に等しく分割されている当該部分（ＴAからＴC）によって連続して稼動状態にある。ＶＧＡの標準では、１画素につき４０ｎｓのサンプリング時間である。別の標準では、異なるサンプリング時間が用いられ得る。図１０の実現例では、フォトン検出器５０が周期的にサンプリングされる。各サンプリングは、収集される画素１１０に対応する。１つの走査線１０６に対して「Ｎ」個の画素が収集される。一実施例において、各サンプリングは、２０ｎｓの期間にわたって生じる。各サンプリング間隔の中点と中点との間の時間は、ＶＧＡ標準では４０ｎｓである。このような標準では、対応するサンプリングの時間間隔が１０ｎｓである。ここでもまた、代替的なサンプリング時間および時間間隔を用いてよい。
【００４５】
図２および図１１を参照すると、一実施例において、照明系１２は、光３２のパルス１１２を走査線１１４の走査中に周期的に放射する。フォトン検出器５０（図４参照）は、同期されて、対象物または少なくとも一度に照明されたスポットを含む対象物の領域をサンプリングして、既知のスポットに対応する戻り光を捕捉する。スポット（スポットＢ等）に対応するサンプリング間隔ｉは、期間１１６に及ぶが、この期間１１６は、そのスポットに対する光パルスの時間間隔１１８よりも大きいか、等しいか、または小さいか、のいずれかである。サンプリング間隔１１８に対する典型的な時間は２０ｎｓであるが、変化してよい。さらに別の実施例（図示せず）において、検出器５０は、図９に関して述べたように、戻り光を連続して検出し、サンプリングの結果が、放射された光パルス１１２に相関づけられる。
【００４６】
照明および／または検出器を一定の周波数（すなわち１／４０ｎｓ＝１２．５ＭＨｚ）に維持することにより、信号対雑音比は、一定の周波数でのみ、振幅と共に著しく増大し得る。したがって、他の全周波数における雑音を、より高い周波数およびより低い周波数においてフィルタ処理することによって除去することができる。
【００４７】
物理的な実施例
図１２を参照すると、ファイバたわみシステム２８のアクチュエータ１２５および導波路３６が保護被覆１２２内に封入された、画像収集システム１０のスコープ部１２０が示される。走査レンズ３９は、スコープの端部を封止する。走査レンズ３９の焦点面は、ファイバの先端５８および遠位のレンズ３７に対する位置とパワーとに依存する。遠位のレンズ３７に対してレンズ３８を軸方向に移動させることによって、焦点面を調節することができる。
【００４８】
１つの軸１２６の走査に関して、導波路３６はアクチュエータ１２５によって被覆１２２内でたわむ。片持ち梁にした導波路の基部は、アクチュエータ１２５の遠端に固定されて、振動共振の第１の静止「節」を形成する。図５Ａ〜図５Ｄに関して説明したどのような共振モードを実現してもよい。２つの軸の走査に関しては、第２のアクチュエータ１２４が軸１３０（図１４参照）に沿ってスコープ１２０をたわませる。しかしながら、実施例の中には、アクチュエータ１２４および／または１２５が導波路の非線形運動を生じて、螺旋パターンに沿ったもの等の２次元の運動を引起こすものもある。
【００４９】
図１３を参照すると、擬似立体のカラー画像を捕捉するために、アクチュエータ１２５の遠位の固定面内に赤、緑、および青の光検出器５０の対が示される。光検出器の時間帯域幅は、画素の照明速度よりも高く、コントラストまたは解像度を制限することを防ぐ。たとえば、このような光検出器の帯域幅は、ＶＧＡについては≧１２．５ＭＨｚであり、ｓＶＧＡビデオ標準については≧１９．８ＭＨｚである。直径が１ｍｍ未満の多くのシリコンベースのフォトダイオードは、可視スペクトルにおいて十分な帯域幅を有する。雑音をより多く低減するために、光検出器をマイクロ・オプティカル・エレクトロ・メカニカル・システム（Micro-optical Electro Mechanical Systems）（「ＭＥＭＳ」）製造プロセスにおいて一体型のプリアンプと組合せる。代替的な手法は、１つの光ファイバの片持ち梁の外側の同軸の層または特別な被覆加工内のスコープの近端に光を案内するか、または、１つ以上の大きなコア（マルチモード）の光ファイバを用いることによって後方散乱した光を捕捉することである。このような構成により、光検出器をスコープの近端に配置することが可能となり、光検出器は、環境要因、物理的な空間の制限、ならびに廃棄性および／または安全保持性（sterlizability）に対する要望によってもたらされる、生じ得る複雑な問題の影響を受けにくくなる。
【００５０】
図１５Ａ〜図１５Ｃを参照すると、システム１０のスコープ部１２０′の「ＭＥＭＳ」の実施例が示される。このような実施例において、機械的な共振振動運動のための光導波路の構造は、シリコンのミクロ機械加工技術を用いてバッチ製造されて、ＭＥＭＳスキャナを製造する。このような実施例では、アクチュエータ１２４および１２５、検出器５０、ならびに追加の光コンジット（図示せず）もまた、同様のＭＥＭＳ処理を用いて製造されて、一体型構造を生じる。マイクロレンズ３７および走査レンズ３９もまた、同様のＭＥＭＳ処理か、別個の射出／圧力成形か、またはＭＥＭＳ処理を用いて製造されてから、他のＭＥＭＳ構造に取付けられる。走査の安定性を長期にわたって制御するために、追加の光センサおよび変位センサをスコープ１２０′内に組込むこともできる。このような実施例では、ＭＥＭＳの片持ち梁にされた導波路３６′は、下にある基板１３４のＶ字形の溝１３２内に接着された光ファイバ２６から照明されている。
【００５１】
図１６および図１７を参照すると、スコープ部１２０″の代替的な実施例において、光ファイバ２６は、筒状の機械支持物１４０を通って延び、支持物１４０は、電気ワイヤおよび光ファイバのためのコンジットとして働き、周囲の保護被覆（図示せず）を支持する。圧電性バイモルフベンダ１４２が、電気ワイヤ１４４および光ファイバ２６とともに、支持物１４０から片持ち梁の状態にされる。ベンダ１４２は、ファイバたわみ駆動システム２８（図２参照）のアクチュエータとして働く。ベンダ１４２の遠端にはディスク構造１４６があり、ディスク構造１４６は、低速の走査の軸１４５を生じるために用いられる、片持ち梁にされた光ファイバ走査導波路３６を支持する。
【００５２】
ディスク構造１４６上には、ディスク上に直接接着された市販の０．１ｍｍ直径のフォトダイオード等の光粒子検出器５０が存在する。検出器５０の中心において、導波路３６の基部を取囲んでいるのが圧電リング４８であり、これは、光ファイバの導波路３６を振動共振に駆動する。２つの圧電アクチュエータ１４２および１４８の走査運動は、２つの直交する方向１４５および１４７の走査を同時に生じる。走査の軸１４５および１４７の両方に対する共振の基本的なモードが図１７に示される。
【００５３】
図１８を参照すると、同様のスコープ１２０″′の実施例において、走査の軸１４５および１４７の両方に対して振動共振の第２のモードを用いることによって、直径が縮小された線形の走査運動が得られる。図１７の実施例のように、バイモルフベンダ１４２がたわむ。しかしながら、この第２のモードでは、別の静止節がスコープ内に生じる。具体的には、図１８の実施例において、振動運動の第２の節が振動要素１４２および３６の遠端に生じる。たとえば、ファイバの先端のコリメートレンズ３７に質量を付加することにより、走査されたビームの動きが平行移動のない回転性のものとなる。フォトン検出器５０がスコープ１２０″′の静止した基部１５０に配置されることに注目されたい。
【００５４】
図１９を参照すると、さらに別のスコープ１２０″″の実施例では、１つのアクチュエータ１５２を用いて、導波路３６の、回転対称な２つの走査運動が得られる。円形の走査および半径方向の走査のいずれの実現例においても、アクチュエータ１５２は管状の圧電アクチュエータである。
【００５５】
図２０を参照すると、さらに別のスコープ１２０″″′の実施例では、照明導波路３６が、集光器導波路１６０によって同軸的に取巻かれている。この実施例では、集光器導波路１６０がたわみ導波路３６とともに動く。このような構成により、解像度および色の忠実度を損なうであろう多重反射からの反射が、空間上フィルタ除去される。
【００５６】
立体視および色の観察
立体視および色の観察を可能にするように、さまざまなスコープの実施例を適合させることができる。たとえば立体撮像は、物理的に離して配置されて戻り光を同時にサンプリングする複数の検出器を設けることによって実現される。これは、立体視に別個のスコープが用いられる従来のシステムに優る実質的な利点である。それとは対照的に、立体視を得るために、１つの照明ファイバが用いられる。
【００５７】
色の観察は、所望の色に対応するそれぞれの波長域に対して感度を有するフォトン検出器を含むことによって実現される。図１３を参照すると、立体カラー撮像のために、赤、緑および青の光検出器の組合された対が含まれる。
【００５８】
さまざまな実施例において、光検出器５０は、１つまたは多素子の光検出器であり得る。図２１を参照すると、フォトン検出器５０′および５０″は、異なる軸に取付けられて、照明ファイバ２６によって放射されて対象物によって直接返されるフォトンとは区別されるように周囲光（および標的の照明から強く後方散乱した反射）のフォトンを要因として除外する。特に、照明された光３０／３２の強度に影響を及ぼす強度を有する周囲光にスコープが晒される実施例については、周囲光のコモンモード除去が実施される。これは、色の忠実度を高めるという利点を有する。
【００５９】
各反射で色が変化することに注意されたい。多くの面に当った後の光を捕捉すると、混ざった画素の色を生じる。また、多重反射は、光に影響を及ぼす標的の他の構造により、画像の解像度およびコントラストを低下させる。したがって、光が当る第１の地点から戻る色を捕捉することが望ましい。
【００６０】
図２１の実施例における、照明光の両側および照明光と軸方向に同一直線上の光検出器５０′および５０″の構成により、バックグラウンド成分の除去が可能になる。その結果、色の忠実度および画像解像度が向上する。
【００６１】
実施例の中には、偏光を維持する照明の構成要素と偏光フィルタとを含んで、多重反射および色のずれを受けた後方散乱光を除去するものもある。偏光フィルタを備えた図２０の検出器の擬似共焦の構成により、ここでも色の忠実度および画像解像度が向上する。
【００６２】
奥行きを強調する方法
１つの検出器を備えたファイバスコープで画像を収集する際に、画像は、照明ファイバの位置に配置されているように見える視点と、戻り光を検知する光検出器の位置に配置されているように見える、１つの見かけの指向的な光源とを有する。画像は、１つの見かけの光源から生じる、強力な奥行き手がかりを有する。奥行き手がかりは、多数のセンサから捕捉された画像を用いることによって改良され得る。これらの画像を組合せて、影の細部または奥行きの知覚が強調された、改良された画像を生じる。
【００６３】
検出器の位置を変化させても、画像の視点の位置は変らない。しかしながら、検出器の位置を変えると、見かけの照明状態が確かに変化する。重要なことに、複数の検出器を用いると、１つの検出器によって生じる画像の陰影は、別の場所に配置された別の検出器によって生じる画像の陰影とは異なる。センサの任意の組合せからの画像を組合せて、観察条件に最も適したさまざまな照明方法を提供することができる。集光光ファイバの付近にまたは遠端のいずれかに配置された複数の検出器５０（図１５〜図２１参照）を用いて一連の画像を得ることにより、ダイナミックな照明を伴った動画が得られる。
【００６４】
さまざまなセンサから集められた他の情報もまた、画像に組込まれる。一実施例において、少なくとも３つの検出器の各々から検出された光は、可視のモノクロ光またはカラー光である。他の実施例では、少なくとも３つのセンサの１つ以上が、導波路によって同時に出力された非可視光（紫外線、赤外線等）を捕捉する（たとえば、紫外線または赤外線のビームは、可視光と共通の導波路を通過する）。代替的に、蛍光または偏光を含む他のコントラスト機構が含まれる。
【００６５】
奥行き手がかりを改良する代わりに、少なくとも２つの検出器、好ましくは少なくとも３つの検出器からの画像を用い、各画素に対する奥行きの情報を、照度差ステレオの技術を用いて導出する。照度差ステレオを用いるために、画像は、相対運動を伴わずに理想的には同時に収集されるが、異なった１つの光源による照明位置を備えた、同じ視点を有する。これらの種類の画像は、ファイバスコープを用いて容易に得ることができる。それとは対照的に、現在の内視鏡は、必要な画像を得るために複数の照明経路を必要とし、一度に１つの照明経路が照明された状態で順次画像を収集する。しかしながら、画像を収集する間に内視鏡または表面が動くことにより、このような内視鏡から導出される奥行きの情報が不正確となる。
【００６６】
少なくとも３つの検出器の、対応する画像を用いて奥行きの情報を導出する場合は、追加の情報を必要とすることなく３次元の形状が正確に導出される。１つの検出器のみが用いられる場合は、３次元の形状を正確に導出するために、或る特定の仮定が行われてユーザの援助が必要となる。２つの検出器のみが用いられる場合は、正確な奥行きの詳細を得るために、ユーザの援助は減少するが、表面の特性についての仮定が行われる。したがって、正確な奥行きの情報を導出する際のユーザの援助をなくすために、少なくとも３つの検出器が好ましい。奥行きの情報を導出するために複数の画像を用いることにより、表面が凹状であるかまたは凸状であるかといった曖昧性がなくなり、さまざまなアルベド（すなわち、表面の拡散反射特性）を備えた表面の分析が可能になる。
【００６７】
単に１つ以上の検出器を用いることにより、２次元の画像の特性が容易に得られる。画像内の奥行き手がかりは、特にシェーディングおよび陰影から生じるが、照明ファイバと検出器とが（すなわち見かけの視点と見かけの照明方向とが）比較的近接しているために、これらの手がかりが不十分である場合がある。奥行きの情報を抽出することにより、奥行き手がかりは、ファイバスコープのトポグラフィにより物理的に得られないものであっても、視点の変化の影響または照明方向の変化の影響を計算することによって強調される。
【００６８】
図２２を参照すると、奥行きの情報が強調された出力画像を生成するための方法２００に対するフロー図が示される。ステップ２０２において、光のビーム３０／３２が共振ファイバの導波路３６（図２参照）から出力される。導波路３６は、走査経路に沿って、出力されたビームを走査する。走査レンズ３９は、対象物の表面（すなわち標的）上にそのビームを集束させる。ビームは、所定の時間に、標的のスポットに当るように集束される。スポットは照明されるスポットであり、照明されるスポットは、ビームが標的の表面に沿って走査されるにつれて時間とともに変化する。
【００６９】
ステップ２０４において、標的の表面からの戻り光が複数の検出器５０によって検出される。或る検出器は、共振ファイバの導波路３６に対する第１の位置を有する。別の検出器は、共振ファイバの導波路に対する第２の位置を有する。第３の検出器は、共振ファイバの導波路に対する第３の位置を有する。戻り光は、各検出器５０において同時に検出される。
【００７０】
ステップ２０６において、第１の画像に対する複数の画素が、第１の検出器によって検出された戻り光から収集される。ステップ２０８において、第２の画像に対する第２の複数の画素が、第２の検出器によって検出された戻り光から収集される。同様に、ステップ２１０において、第３の画像に対する第３の複数の画素が、第３の検出器によって検出された戻り光から収集され、各検出器についても以下同様である。好ましくは、このような画像は、同時に収集されて構築される。
【００７１】
戻り光が共通の地点（導波路３６の端部等）から由来するため、各検出器５０で収集された画像は、共通の見かけの視点を有する。しかしながら、各検出器が異なる位置を有するため、収集された画像の各々は、異なる見かけの照明方向を有する。第１の画像は、第１の検出器の位置に基づいた第１の見かけの照明方向を有する。第２の画像は、第２の検出器の位置に基づいた第２の見かけの照明方向を有する。第３の画像は、第３の検出器の位置に基づいた第３の見かけの照明方向を有する。
【００７２】
ステップ２１２において、収集された複数の画像が処理されて、少なくとも２つ、好ましくは少なくとも３つの複数の検出器５０の異なる見かけの照明方向に基づいた奥行きの情報を含む、標的の表面の出力画像を導出する。
【００７３】
カラー画像の収集システムにおいて、出力される光のビームは、第１のカラー光のビーム、第２のカラー光のビーム、および第３のカラー光のビーム（赤、緑および青等）の組合せである。このような実施例において、上で論じた所定の検出器から収集される画像は、むしろ、３つの検出器から、すなわち、１つが３色の出力ビームの各々のためのものである３つの検出器から、収集される。以前に、奥行きの情報を生成するために処理されるように、２つ、好ましくは３つの画像が収集されると述べた。これらの画像はカラーである必要はない。３色の撮像システムにおいて収集される１つの画像につき、同じ位置に配置された３つの検出器が用いられ、さらに、奥行きを抽出するための好ましい３つの画像を得るために２つの多波長がさらに用いられるということは、奥行きの情報が強調された３色の出力画像を得るために、好ましくは少なくとも５つの検出器が用いられることを意味する。
【００７４】
図２３を参照すると、収集された画像を処理するための方法２１４のフロー図が示される。ステップ２１６では、複数の収集された画像に基づいて、標的表面の法線の方位マップ（ニードルマップ（needle map）としても公知）が生成される。ステップ２１８では、方位マップから奥行きマップが得られる。ステップ２２０では、奥行きマップから３次元メッシュが得られる。代替的な実施例では、奥行きマップの代わりにガウス画像（gaussian image）（不連続のヒストグラム）が得られる。このガウス画像は、次に、画像を認識する適用例に用いられる。
【００７５】
ステップ２２２では、奥行きの情報が強調された出力画像が生成される。たとえば、３次元メッシュの奥行きの情報を用いて、仮想の陰影を加えて、観察者によって観察される出力画像の奥行き手がかりをよりよく際立たせる。一実施例では、観察者の両眼視差が計算される３次元メッシュから、２つの立体画像が導出される。各画像は、観察者のそれぞれの目に出力される。
【００７６】
ステップ２１６に関し、方位マップは、各画素に対する表面配向を示し、撮像される対象物の形状を復元するのに有用である。一般に、明るさと表面配向とのマッピングは一意ではない。なぜなら、明るさが１つの自由度を有し、表面配向が２つの自由度を有するためである。（しかしながら、明るさが最大または最小である画素等の特別な地点に関しては、表面配向は、一般に１つのサンプルから一意に決定され得る。）
等高線が付けられた表面の表面配向を復元するためには、収集された画素の１つの明るさの値に加え、追加の情報が必要とされる。異なる照明によって収集された２つの画像は、２つの自由度を有する配向の値を求める際に用いるための２つのサンプルを提供する。しかしながら、２つの画像を用いても、結果的に得られる２つの等式は非線形であり得、または、配向が狭い範囲（関係が線形である場合）でしか導出され得ない。好ましくは、上で論じたように少なくとも３つの画像が収集されて、方位マップの精度を高め、それに対して解を得ることのできる、考え得る表面配向の範囲を拡大する。
【００７７】
第３の画像もまた好ましい。なぜなら、第３の画像により、アルベド（表面の拡散反射特性）の変化とは関係なく、奥行きの分析を行なうことができるためである。アルベドの変化は、第３の画像を用いて計算することもできる。
【００７８】
４つ以上のセンサが利用可能である場合、追加の画像を用いて配向の推定値を改良することができる。「ｎ」個の画像が「ｎ」個の光検出器から得られる場合、配向を決定するための１つの手法は、以下の等式を用いること等の、最小化によるものである。
【００７９】
【数１】
2005501279.tif 000003
【００８０】
ここで、Ｅiはｉ番目の画像で測定された明るさであり、Ｒiは対応する反射率である。コントラストλiは、平滑さからの逸脱に関連する放射照度の等式において、誤差を重み付けするパラメータである。
【００８１】
配向の値（ｆ，ｇ）を導出するための別個の等式は、一実施例において、以下の等式を用いることにより、反復法によって導出される。
【００８２】
【数２】
2005501279.tif 000004
【００８３】
他の実施例において、配向を決定するためにルックアップテーブルが用いられる。このテーブルには、各画像において観察された明るさの測定値によってインデックスが付けられる。テーブルの値は、等式、または既知の較正対象物に対する実験に基づいて選択された配向である。観察された明るさの測定値に基づいてルックアップテーブルから値を選択することにより、撮像されている標的対象物の各画素に対して、表面配向の値が得られる。収集された画像の配向の情報の集合体を、この明細書では方位マップと呼ぶ。
【００８４】
ステップ２１８を参照すると、次に、奥行きマップが方位マップから導出される。奥行きマップは、異なる態様で対象物の形状を表わす。特に、奥行きマップは、配向の情報を特定する代わりに、基準面からの相対高さを特定する。奥行きマップは、最も低い高さを表わす黒と、最も高いことを表わす白とを備えた階調画像である。画素（ｘ，ｙ）の高さｚ、すなわちｚ（ｘ，ｙ）は、対応する配向の値ｆおよびｇの勾配の関数である。ｆおよびｇが与えられると、任意の曲線に沿って積分することにより、奥行きｚを復元することができる。
【００８５】
【数３】
2005501279.tif 000005
【００８６】
閉路に沿って、この積分は０に等しくなるはずである。実際には、ｆおよびｇが雑音の入った画像データから復元されるため、ｆおよびｇは不正確である。雑音の入った方位マップから滑らかな表面を復元するためには、大域的な積分または反復ラプラス緩和（iterative Laplacian relaxation）の技術等の最適化法の技術が可能である。
【００８７】
ステップ２２０に関しては、奥行きマップから３次元メッシュが導出される。平面のメッシュの頂点は、奥行きマップの階調画素の値に関連する量だけ変位される。次に、このメッシュをさまざまな視点、照明状態、または表面の特性（導出された色）からレンダリングして、よりよい奥行きの印象または遠近感を与えることができる。視点および照明状態は、ファイバスコープのトポグラフィによっては物理的に不可能でありことが考えられる。他のセンサ（赤外線、紫外線、偏光）または測定値（等高線マップ）から導出されたさらなる情報を含むことが可能である。
【００８８】
実施例の中には、奥行きマップの代わりに配向のヒストグラムが得られるものがある。
拡大されたガウス画像の別の例である配向のヒストグラムは、対象物の認識に用いられる。既知の形状の、原形となる配向のヒストグラムが得られる。一般に、さまざまな対象物の、原形となる配向のヒストグラムは、著しく異なる。次に、記憶された原形と、試験的に得られた配向のヒストグラムとを比較して、未知の対象物を既知の対象物の種類の１つに割当てることができる。
【００８９】
画像の品質を高めるために、さまざまな実施例において、さらなるシェーディングまたは他の画像強調方式もまた適用される。たとえば、一実施例において２つの出力画像が生成されて、観察者のそれぞれの目に対して立体撮影画像を示す。２つの画像は異なった態様でレンダリングされて、観察者の両眼視差の原因となる。両眼視差は、２つの目の分離距離と、表面までの見かけの距離とに基づいて計算される。実施例の中には、分離距離が選択可能であるものもあれば、標準的な平均値に設定されるものもある。実施例の中には、表面までの見かけの距離が選択可能であるものもあれば、デフォルト標準の距離に設定されるものもある。
【００９０】
距離測定
別の実施例において、真の立体視は、各画素の位置において距離を測定することによってスコープから標的までの軸方向の測定を行なうことによって得られる。このような軸方向の測定は、立体画像を生成するために処理される第３の画像の次元である。たとえば、組み合わせられた対の検出器５０からの信号は、コントローラによって処理されて、戻り光の位相差を検出する。このような位相差は、スキャナから標的対象物の距離に対応する。
【００９１】
一実現例において、照明サブシステム１２（図１および図２）は、可視光源および赤外線光源によって形成される光源２４（図２）を含む。可視光および赤外線光は、共通の照明ファイバ２６から放射される。図４および図１５〜図２０を参照すると、光検出器５０は、可視光検出器および赤外線光検出器の両方を含む。
【００９２】
赤外線光源は、好ましくは、ＧＨｚの周波数域で赤外線光を出力する、変調レーザの赤外線源である。高速フォトン赤外線検出器は、戻ってくる赤外線光を検出する。好ましくは、照明された赤外線光と収集された赤外線光との間の変調の位相差は、１ｍｍ以下の解像度までの標的画素の距離に対応する。特に、赤外線光が１ＧＨｚで変調される実施例の場合、赤外線光は、パルス間に１フィート進み、または、パルス間に３６０度の位相差の１度につき約１ｍｍ進む。
【００９３】
上でちょうど述べたように、位相に関して光を反射する標的の距離を測定する代わりに、代替的な実施例では、時間または周波数に関して、または光学フィードバック干渉法を用いることにより、標的の距離が測定される。タイム・オブ・フライト法において、距離を決定する出力ビームが、高変調帯域幅レーザダイオードから放射される。短いレーザパルスが所定の周波数（数十ｋＨｚのオーダ等で）放射される。各パルスに対し、戻りパルスの放射と受信との間に経過した時間が測定される。測定された時間は、検出器と、対象物の表面上の最も近接した地点との間の距離に比例する。
【００９４】
代替的に、受取られたサンプルのタイミングが、レーザ光が放射される特定の時間に対応するパルス化された放射方式ではなく、連続レーザ放射方式が用いられる。また、実施例の中には、光強度の高変調帯域幅を用いる直接変調レーザダイオードから、光が放射されるものもある。変調に対応する期間にサンプリングすることによって距離が測定されて、対応する戻り光の放射と受信との間に経過した時間を測定する。経過した時間は、標的の表面上の最も近接する地点までの距離に比例する。
【００９５】
周波数の方法では、連続して周波数変調されて近距離の検知を決定することのできる、電気的に調整可能なレーザダイオードが用いられる。時変周波数（time-varying frequency）を有する信号は、距離測定の出力ビームを変調する。戻ってきたビームが基準信号と混合されて、標的の表面までの距離の関数であるビート周波数を生じる。
【００９６】
光干渉法に関し、放射された光の経路に沿って後方反射された光は、放射された光によって干渉パターンを生じる。一実施例において、注入検出法が用いられて、戻り光の信号の位相または振幅を検出する。光パワーの波形の導関数を生じるようにパルス化方式の相関性を用いる自己混合により、以下のように奥行き（Ｄ）が求められる。
【００９７】
【数４】
2005501279.tif 000006
【００９８】
ここで、ｃは光の速度であり、σは標的の運動に従って−１または＋１であり、ｆの値は、周波数シフトが上方および下方に傾斜する間のフィードバックを備えた出力パワーのビート周波数である。
【００９９】
各方法では、赤外線または近赤外線の周波数域における高速のまたは高帯域幅のフォトン検出器が含まれて、戻り光を検出する。加えて、信号対雑音比を増大させるための平均化ソフトウェアに加え、低散乱のファイバ、後方反射の損失が少ないファイバ結合器、ならびに高速のタイミングおよび／または位相シフトの回路を用いることが好ましい。
【０１００】
図２４を参照すると、奥行きの情報を含む画像を収集するための方法２３０が示される。ステップ２３２では、光のビーム３０／３２が共振ファイバの導波路３６（図２参照）から出力される。導波路３６は、走査経路に沿って、出力されたビームを走査する。走査レンズ３９は、対象物の表面（すなわち標的）上にビームを集束する。所定の時間において、ビームは標的のスポット上に当るように集束される。スポットは、照明されるスポットであり、照明されるスポットは、ビームが標的の表面に沿って走査されるにつれて、時間とともに変化する。
【０１０１】
ステップ２３４において、標的の表面からの戻り光は、少なくとも１つの検出器５０によって検出される。ステップ２３６では、遠位の先端または集光光ファイバの後ろのいずれかにおいて検出器によって検出された戻り光から、画像に対する複数の画素が収集される。ステップ２３８では、ステップ２３６の後に、または好ましくはステップ２３６と並行して、上述の任意の距離測定法（位相シフト、タイム・オブ・フライト、周波数、干渉法等）を用いることによって、距離の情報も戻り光から収集される。
【０１０２】
ステップ２４０では、距離の情報が用いられて、撮像される情景の表面、縁、および頂点（標的のトポグラフィ等）をマッピングする。ステップ２４２では、ステップ２４０で導出された３次元の画像データが処理されて、表示画面または頭装着型立体表示装置等の他の出力装置上に表示するための画素のデータが得られる。たとえば、頭装着型立体表示装置が用いられる場合、１対の立体画像を導出するために、観察者の両眼視差が計算される。ステップ２４４では、出力された画像の画素データが表示装置に出力される。
【０１０３】
代替的な実施例では、上述の任意の距離測定法を用いて戻り光から距離の情報を検出するために、第２の検出器が用いられる。さらに別の実施例において、出力ビームは、走査されている対象物を撮像するための光のビームを含む。このような出力ビームは、可視光の単色ビームまたはカラービームのいずれかである。加えて、出力ビームは、距離測定のための一致ビーム（coincident beam）も含む。一致ビームは、可視光または非可視光のいずれかである。
【０１０４】
適用例
Ａ．内視鏡／ボロスコープ／カテーテル
・全径が小さく、最良の態様は≦３ｍｍ、
・１つの光ファイバを含む、極めて可撓性の高いシャフト、
・理論上の限界が５μｍであると概算される高解像度、
・極めて広い視野（ＦＯＶ）が得られる（標準の４５°を超えて、最大１８０度まで）、
・赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）のフルカラー検出、
・以下の２つの方法、すなわち、
−組み合わされた対の立体Ｒ、Ｇ、Ｂ光検出器が、走査される照明系に固有の形状上のコントラスト特性を強調することを助ける、擬似立体、
−真の立体を可能にする、最良の態様において直径が≦６ｍｍの２つの画像生成器、のいずれかで達成される立体画像の検出、
・画像表示のビデオ速度（３０〜６０Ｈｚのリフレッシュ速度が標準である）、
・低コストで、可能性として廃棄可能であり、安全保持性を有する、
・低電力の共振スキャナ動作、
・可動部の少ない単純設計、
・光力学的な治療、レーザ誘起蛍光、レーザ手術、血液のＩＲ撮像等のような医療的処置のために、高パワーのレーザ、可視光、ＵＶ、またはＩＲの照明に適用可能、
・スコープと組織との間の距離の測定（距離の測定および真の３Ｄ撮像）、マルチフォトン蛍光撮像、および蛍光寿命撮像のような医療上の適用例のために、高パワーで短パルス化されたＵＶ、可視光、またはＩＲの照明に適用可能、
・小型および可撓性により、画像生成器を、既存の内視鏡（カニューレ）および可撓性の被覆に後付けするか、または手術用もしくは診断用の器具に取付けることができる、
・光結合器と軸対称の１つのファイバを備え、曲げに加え回転に対する可撓性、
・収集された光電気信号は、特にマルチシンク能力を有するＲＧＢビデオモニタの映像信号の入力と直接互換可能である、
・後方散乱した光が、遠端から近端の観察者の目に光ファイバによって直接誘導されて、遠端における光検出器の必要性をなくす。標準的なビデオ表示モニタに加え、画像は、一実施例において、電気信号の変換を必要としない網膜走査装置によって表示される。
【０１０５】
Ｂ．他の適用例：遠隔光検知、ロボットの手または捕捉器具の指の先端に配置されたロボットの目、長期のプロセスモニタ、アイトラッカー、バーコードリーダ、レンジファインダー、マイクロリソグラフィ、映像表示、目の検診、およびレーザ手術。
【０１０６】
価値のある有利な効果
この発明の利点は、画素が得られる方法と、レンズが存在することと、ファイバを駆動する態様とによって、小さな細いスコープであってもファイバの可撓性、広い視野、および高い解像度が得られることである。画素が２−Ｄの画素アレイではなく、時系列で測定されるため、小さなフォトン検出器を有する必要がない。検出器のサイズは、多くの小さな検出器が広い領域にわたって配置された先行技術のスコープにおけるように重要ではない。したがって、この発明のスコープは、標準的なスコープの画素検出器よりも大きなフォトン検出器を数少なく用いながら、既存のスコープよりも小さく作製することができる。
【０１０７】
この発明の別の利点に従い、高い解像度および広い視野の、可撓性走査ファイバ装置が得られる。特に、ファイバの共振導波路の部分の遠端にファイバの共振節を配置することにより、比較的小さなファイバの動作領域において広い走査角度が得られる。これにより、高い解像度と広い視野との両方が可能になる。小さなスポットサイズを用いることにより、そして、照明光に相関して検出された光を実時間取込みすることにより、高い画素解像度が得られる。小型であることと低消費電力とにより、低コストの廃棄可能な走査装置が得られる。
【０１０８】
この発明の好ましい実施例が示されて説明されてきたが、さまざまな代替例、変更例および等価例を用いてよい。たとえば、実施例の中には、センサが光ファイバのスキャナの先端に取付けられて、ファイバの位置を検出し、電磁性、静電性、電気機械性、光学、または音響の制御を用いて走査パターンを制御することを助けるものもある。
【０１０９】
代替的な実施例では、半径および重心の位置を変化させる楕円パターン等のさまざまな、または非線形の走査パターンが実現される。たとえば、回転する線形または半径方向のパターン等の、このようにカスタマイズされた走査パターンは、１つのアクチュエータ、小型のアイトラッキング、およびバーコード読取の実現例に望ましい。
【０１１０】
第２の、より低速な、直交する走査軸を実現するための代替的な方法は、鏡、レンズ、回折格子またはそれらの組合せを含む。このような光学的な構成要素は、高速の走査共振ファイバと標的対象物との間に配置される。
【０１１１】
実施例の中には、（ｉ）走査振幅を増大させるためにファイバ先端の質量を減じるため、（ii）走査運動の物理的な範囲を減じるため、および／または（iii）光の放射の効果的な点光源のサイズを減じるために、ファイバ２６の先端をテーパ状にするものがある。
【０１１２】
実施例の中には、偏光を維持する照明の構成要素と偏光フィルタとが含まれて、多重反射および色のずれを受けた後方散乱光を除去するものもある。実施例の中には、導波路が、光が放射される導波路の遠端に光源を有する片持ち梁であるものもある。
【０１１３】
走査用光ファイバ導波路が説明されたが、奥行きを強調する方法および距離を測定する方法の代替的な実施例では、標的対象物上の出力ビームを走査するために、偏向鏡または片持ち梁のアセンブリが用いられる。
【０１１４】
好ましい実施例では可視光が放射されて検出されるが、代替的実施例において、放射されて検出される光は紫外線光および赤外線光である。実施例の中には、センサが含まれるものもあり、センサは、駆動システムのコントローラにフィードバックを与え、その駆動システムのコントローラがそれに応答して片持ち梁のたわみを調節する。その結果、片持ち梁のたわみは調節され制御される。
【０１１５】
したがって、上述の説明は、この発明の範囲を限定するものと見なされるべきではなく、この発明の範囲は、前掲の請求項によって規定される。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】この発明の一実施例に従った、小型画像収集システムのブロック図である。
【図２】図１の画像収集システムの照明サブシステムの図である。
【図３】図１の画像収集システムの一実施例の集光器サブシステムおよび表示部の図である。
【図４】検出器サブシステム、表示装置、および画像記憶装置を含む、図１の画像収集システムの別の実施例の部分図である。
【図５Ａ】或る共振モードにおける図２の照明ファイバの共振導波路部の図である。
【図５Ｂ】或る共振モードにおける図２の照明ファイバの共振導波路部の図である。
【図５Ｃ】或る共振モードにおける図２の照明ファイバの共振導波路部の図である。
【図５Ｄ】図５Ｃの共振モードに従った、さまざまな配向にあるファイバ遠端のレンズの図である。
【図６Ａ】サンプリングされた領域が画素のサイズおよび画素の解像度を規定する従来技術に従った、像平面の小さな画素領域のサンプリングを示す図である。
【図６Ｂ】サンプリングされた大きな領域内にある、照明されたより小さな領域が、画素のサイズおよび画素の解像度を規定するこの発明の一実施例に従った、大きな領域のサンプリングを示す図である。
【図７】走査線に沿った地点および対応する照明されたスポットを示す、共振導波路および集束レンズの図である。
【図８】時間に対する、ファイバ駆動システムの同期信号、ファイバ先端の角変位、および照明されたスポット位置の図である。
【図９】サンプリングの結果が時間内で分割されてＮ個の画素を導出する、連続してサンプリングされる一定の照明によって生じる走査線の図である。
【図１０】各サンプルがＮ個の画素の１つに対応する、周期的にサンプリングされる一定の照明によって生じる走査線の図である。
【図１１】周期的なサンプリングがパルスと同期して行なわれて、Ｎ個の画素のサンプルを導出する、周期的にパルス化された照明によって生じる走査線の図である。
【図１２】図１のシステムのスコープ部の平面側面図である。
【図１３】図１２のスコープの平面正面図である。
【図１４】外側の被覆のない、図１３のスコープの斜視図である。
【図１５Ａ】図１のスコープ部のマイクロ・オプティカル・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）の実施例の平面図である。
【図１５Ｂ】図１のスコープ部のマイクロ・オプティカル・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）の実施例の平面図である。
【図１５Ｃ】図１のスコープ部のマイクロ・オプティカル・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）の実施例の平面図である。
【図１６】バイモルフベンダのアクチュエータを含み、ベンダが活性化されている間に動くディスクに光検出器が取付けられた、図１のシステムのスコープ部の別の実施例の斜視図である。
【図１７】部材を活性化させるための基本的な共振モードを示す、図１６のスコープの斜視図である。
【図１８】静止した基部に光検出器が取付けられるバイモルフベンダのアクチュエータを含む、図１のシステムのスコープ部の別の実施例の斜視図である。
【図１９】管状の圧電アクチュエータを含む、図１のシステムのスコープ部の別の実施例の斜視図である。
【図２０】照明導波路を同軸の態様で取巻く集光器の導波路を含む、図１のシステムのスコープ部の別の実施例の斜視図である。
【図２１】周囲光を異なる態様で除去するために位置付けられたフォトン検出器を含む、スコープ部の部分平面図である。
【図２２】この発明の一実施例に従った、奥行きの情報が強調された画像を収集するための方法のフロー図である。
【図２３】この発明の一実施例に従った、画像処理のフロー図である。
【図２４】この発明の別の実施例に従った、奥行きの情報が強調された画像を収集するための方法のフロー図である。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１９】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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