(57)【要約】  光走査型内視鏡装置は、揺動可能に支持された先端部から光を射出する照明用光ファイバと、照明用光ファイバの先端部を駆動させる駆動部と、駆動部に対して照明用光ファイバの先端部をスパイラル走査させる駆動信号Ｄを生成する信号生成部とを備える。信号生成部は、前記ファイバの駆動信号Ｄの振幅を実質的に０から最大値まで拡大する振幅拡大期間Ｐ1と、駆動信号の振幅を最大値から実施的に０まで縮小させる振幅縮小期間Ｐ2とを含む駆動信号Ｄを生成し、振幅拡大期間Ｐ1と振幅縮小期Ｐ2との境界において、駆動信号Ｄの包絡線Ｅは傾きが実質的に０で滑らかに繋がっており、振幅拡大期間Ｐ1と振幅縮小期間Ｐ2のうち長い方の期間を有効走査期間とする。
2016116968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揺動可能に支持された先端部から光を射出するファイバと、
前記ファイバの前記先端部を駆動させる駆動部と、
前記駆動部に対して前記ファイバの前記先端部をスパイラル走査させる駆動信号を生成する信号生成部と、
を備え、
前記信号生成部は、１回の走査期間が、前記ファイバの駆動信号の振幅を実質的に０から最大値まで拡大する第１の期間と、前記駆動信号の振幅を前記最大値から実施的に０まで縮小させる第１の期間とは長さが異なる第２の期間とを含む駆動信号を生成し、前記第１の期間と前記第２の期間との境界において、前記駆動信号の包絡線は傾きが実質的に０で滑らかに繋がっており、前記第１の期間と前記第２の期間とのうち長い方の期間を有効走査期間とする光走査装置。
【請求項２】
前記ファイバの前記先端部は、共振周波数から外れた駆動周波数で駆動される請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記第１の期間の前記駆動信号の包絡線と前記第２の期間の前記駆動信号の包絡線とは、互いに異なる周期の正弦波形の一部である請求項１または２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第１の期間の前記ファイバのスパイラル走査による周回数をｎ1、前記第２の期間の前記ファイバのスパイラル走査による周回数をｎ2とするとき、
【数１】
2016116968.tif 000012
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記スパイラル走査のフレームレートをｆrとするとき、
前記周回数ｎ1、前記周回数ｎ2は、
【数２】
2016116968.tif 000013
を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記スパイラル走査のフレームレートをｆrとするとき、
前記周回数ｎ1、前記周回数ｎ2は、
【数３】
2016116968.tif 000014
を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
【請求項７】
前記第１の期間の振幅変調の周波数である第１の変調周波数をｆm1、および、前記第２の期間の振幅変調の周波数である第２の変調周波数をｆm2とするとき、ファイバの駆動周波数ｆd、スパイラル走査のフレームレートｆr、前記第１の期間の前記ファイバのスパイラル走査による周回数ｎ1、前記第２の期間の前記ファイバのスパイラル走査による周回数ｎ2は、
【数４】
2016116968.tif 000015
または、
【数５】
2016116968.tif 000016
を満たすことを特徴とする請求項３に記載の光走査装置。
【請求項８】
前記照明光の照射により被写体から得られる光を検出するための光検出部と、前記光検出部により前記有効走査期間に検出された信号に基づいて画像を生成する画像生成部と、を備える請求項１から７の何れか一項に記載の光走査装置。
【請求項９】
前記画像生成部は、前記第１の期間と前記第２の期間とのうち短い方の期間に画像を生成する請求項８に記載の光走査装置。
【請求項１０】
前記第１の期間と前記第２の期間とのうち短い方の期間では、前記照明光の照射を止めることを特徴とする請求項１から９の何れか一項に記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバ先端をスパイラル走査させる光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光により対象物を走査する光走査装置として、光走査型内視鏡等の装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。このような装置では、揺動可能なファイバの先端からレーザ光を観察対象物に対して照射し、このファイバを振動させることにより観察対象物上でレーザ光を順次走査して、該観察対象物からの透過光、反射光、または、蛍光等を光電変換手段により電気信号に変換して画像を生成する。【０００３】
光走査装置のファイバを駆動する方式としては、いわゆるスパイラル走査が採用されている。この方式では、ファイバの先端を回転させながら、ファイバの振幅（すなわち、回転半径）を０と最大値との間で徐々に拡大、および、縮小することにより、走査対象物の所定の領域を走査する。光走査装置のファイバを走査させる手段としては、ピエゾ圧電素子をファイバに取付けて振動させる方式や、ファイバに取付けた永久磁石を電磁コイルで振動させる電磁コイル方式がある。何れの場合も、ファイバの光軸に直交する２方向に駆動力を発生させるように、駆動手段を構成する。ピエゾ圧電素子や電磁コイルなどの駆動素子を、揺動されるファイバの共振周波数またはその近傍で振動駆動させることにより、小さいエネルギでファイバの大きな偏向（変位，振幅）が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５１９０２６７号公報
【特許文献２】特許第４６７２０２３号公報
【特許文献３】特開２０１４−１４５９４１号公報
【０００５】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、実際にファイバをスパイラル走査により共振周波数近傍で駆動すると、一度拡大したファイバの振幅を０にしようとしても振動がなかなか集束しないという現象が生じる。例えば、スパイラル走査の振幅が最大値になった後、駆動信号を停止してファイバの振動を自然減衰させようとすると、その振動は共振周波数又はその近傍でゆっくり減衰する。仮に、ファイバの振動が０に減衰する前に、駆動信号を印加して再度振幅を拡大すると、ファイバの走査中心に対応する対象物の領域が走査されないことになる。このため、走査型内視鏡の場合には、フレームレートを上げようとすると、画面中心の画像が得られなくなる等の現象が発生し得る。【０００７】
このため、引用文献２に記載の光走査装置では、スパイラル走査中に振幅が０から最大値になった後、振幅拡大中とは位相を１８０°ずらした（すなわち、逆方向の）駆動信号を印加することによって、いわば「ブレーキ」をかけてファイバの振動を急速に減衰させている。しかし、光走査装置は、環境変化によって生じる特性（例えば、ファイバの共振周波数およびＱ値）の変化により、ファイバの振動を減衰させるための条件が敏感に変化する。このため、ファイバの振動の減衰を制御することは容易ではない。例えば、環境温度が変化すると、ファイバの共振周波数にずれが生じることにより、振幅が０に集束しなくなることが懸念される。実際に、本発明者が、共振周波数が１０Ｈzずれたものとしてシミュレーションを行ったところ、ファイバの振動が完全に減衰せずに微小な振動が一定時間残ることが分かった。なお、走査装置に、ファイバの振動周波数をモニタするためのセンサを設け、実際の振動に応じて逆方向の駆動信号を印加することも考えられるが、その場合走査装置の先端部の大型化を招くことになり、特に内視鏡装置等の場合好ましくない。【０００８】
そこで、引用文献３では、駆動周波数を共振周波数から大きくずらしたうえで、駆動信号の振幅変調波形を正弦波状として、振幅縮小時のファイバの振動を走査中心まで集束させ、画像に抜けが生じることを防止した走査型内視鏡装置を提案している。図１７は、引用文献３における１回の振幅拡大・縮小の間の駆動信号を示す図である。実際のファイバ走査では、このような振幅の拡大、縮小を繰り返し行う。この方法によれば、光ファイバの振動振幅を、振幅縮小時には、駆動信号に追随して自然減衰に比べ迅速に０に集束させることができるので、短い周期での繰り返しが可能になる。【０００９】
しかしながら、この方法を用いて、振幅拡大期間Ｐ01と振幅縮小期間Ｐ02との双方で、交互に画像を取得して動画表示をすると、観察対象物上での、振幅拡大時のスパイラル走査の経路（以下、「往路」とも呼ぶ）と振幅縮小時のスパイラル走査の経路（以下、「復路」とも呼ぶ）とに厳密には違いがあるため、１フレームごとに画像が僅かにぶれたり、歪みを生じたりすることが懸念される。一方、往路と復路との何れか一方で画像を取得して動画表示をすると、ファイバの振幅拡大および縮小の期間のうち、画像生成に使用される有効走査期間が半分に短くなる。そのため、走査型内視鏡装置の場合は、画像生成に使用されるファイバ走査の周回数が少なくなり、解像力が半分に低下する可能性がある。【００１０】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、有効走査期間を大きく損なうことなく、走査中心での走査経路の抜けを軽減し、安定した走査を行うことが可能な光走査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する走査装置の発明は、
揺動可能に支持された先端部から光を射出するファイバと、
前記ファイバの前記先端部を駆動させる駆動部と、
前記駆動部に対して前記ファイバの前記先端部をスパイラル走査させる駆動信号を生成する信号生成部と、
を備え、
前記信号生成部は、１回の走査期間中に、前記ファイバの駆動信号の振幅を実質的に０から最大値まで拡大する第１の期間と、前記駆動信号の振幅を前記最大値から実施的に０まで縮小させる第１の期間とは長さが異なる第２の期間とを含む駆動信号を生成し、前記第１の期間と前記第２の期間との境界において、前記駆動信号の包絡線は傾きが実質的に０で滑らかに繋がっており、前記第１の期間と前記第２の期間とのうち長い方の期間を有効走査期間とすることを特徴とするものである。なお、本願において、有効走査期間とは、画像生成に寄与する期間を意味する。【００１２】
前記ファイバの前記先端部は、共振周波数から外れた駆動周波数で駆動されることが好ましい。【００１３】
また、前記第１の期間の前記駆動信号の包絡線と前記第２の期間の前記駆動信号の包絡線とは、互いに異なる周期の正弦波形の一部となるようにすると良い。【００１４】
好ましくは、前記第１の期間の前記ファイバのスパイラル走査による周回数をｎ1、前記第２の期間の前記ファイバのスパイラル走査による周回数をｎ2とするとき、
【数１】
2016116968.tif 000003
を満たすようにする。【００１５】
さらに、前記スパイラル走査のフレームレートをｆrとするとき、
前記周回数ｎ1、前記周回数ｎ2は、
【数２】
2016116968.tif 000004
を満たすようにすると良い。【００１６】
また、前記スパイラル走査のフレームレートをｆrとするとき、
前記周回数ｎ1、前記周回数ｎ2は、
【数３】
2016116968.tif 000005
を満たすようにすると良い。【００１７】
さらに、前記第１の期間の振幅変調の周波数である第１の変調周波数をｆm1、および、前記第２の期間の振幅変調の周波数である第２の変調周波数をｆm2とするとき、ファイバの駆動周波数ｆd、スパイラル走査のフレームレートｆr、前記第１の期間の前記ファイバのスパイラル走査による周回数ｎ1、前記第２の期間の前記ファイバのスパイラル走査による周回数ｎ2は、
【数４】
2016116968.tif 000006
または、
【数５】
2016116968.tif 000007
を満たすことが好ましい。【００１８】
また、前記光走査装置は、前記照明光の照射により被写体から得られる光を検出するための光検出部と、前記光検出部により前記有効走査期間に検出された信号に基づいて画像を生成する画像生成部と、を備えることができる。【００１９】
その場合、前記画像生成部は、前記第１の期間と前記第２の期間とのうち短い方の期間に画像を生成することが好適である。【００２０】
さらに、前記第１の期間と前記第２の期間とのうち短い方の期間では、前記照明光の照射を止めることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、信号生成部が、１回の走査期間中に、ファイバの駆動信号の振幅を０から最大値まで拡大する第１の期間と、駆動信号の振幅を最大値から０まで縮小させる第１の期間とは長さが異なる第２の期間とを含む駆動信号を生成し、第１の期間と第２の期間との境界において、駆動信号の包絡線は傾きが０で滑らかに繋がっており、第１の期間と第２の期間とのうち長い方の期間を有効走査期間としたので、有効走査期間を大きく損なうことなく、走査中心での走査経路の抜けを軽減し、安定した走査を行うことが可能な光走査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施の形態に係る光走査装置の一例である光走査型内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１のスコープを概略的に示す概観図である。
【図３】図２のスコープの先端部の断面図である。
【図４Ａ】図３の駆動部および照明用光ファイバの揺動部を示す側面図である。
【図４Ｂ】図４ＡのＡ−Ａ線断面図である。
【図５】信号生成部による１回の走査の駆動信号を簡略化して示す図である。
【図６Ａ】三角波の駆動信号の包絡線の例を示す図である。
【図６Ｂ】正弦波の駆動信号の包絡線の例を示す図である。
【図７Ａ】図６Ａの包絡線の駆動信号を入力した際のファイバ走査軌跡を示す図である。
【図７Ｂ】図６Ｂの包絡線の駆動信号を入力した際のファイバ走査軌跡を示す図である。
【図８】ファイバによる走査経路を示す図である。
【図９Ａ】ファイバの１フレームにおける走査軌跡の一例を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａの振幅の最小値付近での走査軌跡を拡大して示す図である。
【図１０】画像中心部での画像情報の欠如の例を示す図である。
【図１１】シミュレーションによる周回数比及び周波数比に対する振幅収束率の変化を示す図である。
【図１２Ａ】図１１のシミュレーションを、フレームレートを１５ｆｐｓとして実施した結果を示す図である。
【図１２Ｂ】図１１のシミュレーションを、フレームレートを２５ｆｐｓとして実施した結果を示す図である。
【図１２Ｃ】図１１のシミュレーションを、フレームレートを６０ｆｐｓとして実施した結果を示す図である。
【図１３Ａ】フレームレートが１５ｆｐｓのとき、駆動波形の周回数比を０．１から０．９まで変化させた時の、ファイバ振動軌跡の包絡線を示す図である。
【図１３Ｂ】フレームレートが２５ｆｐｓのとき、駆動波形の周回数比を０．１から０．９まで変化させた時の、ファイバ振動軌跡の包絡線を示す図である。
【図１３Ｃ】フレームレートが６０ｆｐｓのとき、駆動波形の周回数比を０．１から０．９まで変化させた時の、ファイバ振動軌跡の包絡線を示す図である。
【図１４】ファイバの振動Ｑ値を５０から４００まで変化させた時のファイバ振幅収束率のシミュレーション結果を示す図である。
【図１５】ファイバの共振周波数を８５００Ｈｚから９５００Ｈｚまで変化させた時のファイバ振幅収束率のシミュレーション結果を示す図である。
【図１６】信号生成部による１回の走査の駆動信号の他の例を簡略化して示す図である。
【図１７】従来例におけるスパイラル走査の駆動信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、光走査装置の一例である光走査型内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、光走査型内視鏡装置１０は、スコープ２０と、制御装置本体３０と、ディスプレイ４０とを、備えている。
【００２５】
まず、制御装置本体３０の構成を説明する。制御装置本体３０は、光走査型内視鏡装置１０全体を制御する制御部３１と、発光タイミング制御部３２と、レーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂと、結合器３４と、光検出器３５（光検出部）と、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）３６と、画像生成部３７と、信号生成部３８とを、備えている。
【００２６】
発光タイミング制御部３２は、制御部３１からの制御信号に応じて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のレーザ光をそれぞれ射出するレーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂの発光タイミングを制御する。各色の光が、発光回数比率の設定値（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの順に１：２：１）に基づいて決定される発光順序（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｇの順序）で、一定の時間間隔毎に発光されるように設定される。
【００２７】
レーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂは、複数の異なる色（本実施の形態では、Ｒ、Ｇ及びＢの３色）の光を選択的に射出する光源を構成している。レーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂとしては、例えばＤＰＳＳレーザ（半導体励起固体レーザ）やレーザダイオードを使用することができる。
【００２８】
レーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂから射出されるレーザ光は、結合器３４により同軸に合成された光路を経て、照明光としてシングルモードファイバである照明用光ファイバ１１（ファイバ）に入射される。結合器３４は、例えばダイクロイックプリズム等を用いて構成される。レーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂおよび結合器３４は、制御装置本体３０と信号線で結ばれた、制御装置本体３０とは別の筐体に収納されていても良い。
【００２９】
結合器３４から照明用光ファイバ１１に入射した光は、スコープ２０の先端部まで導光され、対象物１００に向けて照射される。その際、制御装置本体３０の信号生成部３８は、スコープ２０の駆動部２１を振動駆動することによって、照明用光ファイバ１１の先端部を振動駆動する。これにより、照明用光ファイバ１１から射出された照明光は、対象物１００の観察表面上を２次元走査する。照明光の照射により対象物１００から得られる反射光や散乱光などの光は、マルチモードファイバにより構成される検出用光ファイバ１２の先端で受光して、スコープ２０内を通り制御装置本体３０まで導光される。
【００３０】
光検出器３５は、光源の発光周期毎に、Ｒ、Ｇ又はＢのいずれかの色の光の照射により対象物１００から検出用光ファイバ１２を介して得た光を検出してアナログ信号（電気信号）を出力する。
【００３１】
ＡＤＣ３６は、光検出器３５からのアナログ信号をデジタル信号（電気信号）に変換し、画像生成部３７に出力する。
【００３２】
画像生成部３７は、発光周期毎にＡＤＣ３６から入力された、各色に対応するデジタル信号を、それぞれ発光タイミングと走査位置とに対応付けて、順次メモリ（図示せず）に記憶する。この発光タイミングと走査位置との情報は、制御部３１から得る。制御部３１では、信号生成部３８により印加した振動電圧の振幅および位相などの情報から、走査経路上の走査位置の情報が算出される。あるいは、制御部３１は、駆動開始からの経過時間に対する走査経路上の走査位置の情報を予めテーブルとして保持していても良い。そして、画像生成部３７は、走査終了後または走査中に、ＡＤＣ３６から入力された各デジタル信号に基づいて、強調処理、γ処理、補間処理等の必要な画像処理を行って画像信号を生成して、対象物１００の画像をディスプレイ４０に表示する。
【００３３】
次に、スコープ２０の構成を説明する。図２は、スコープ２０を概略的に示す概観図である。スコープ２０は、操作部２２および挿入部２３を備える。操作部２２には、制御装置本体３０からの照明用光ファイバ１１、複数の検出用光ファイバ１２、及び配線ケーブル１３が、それぞれ接続されている。これら照明用光ファイバ１１、検出用光ファイバ１２および配線ケーブル１３は挿入部２３内部を通り、挿入部２３の先端部２４（図２における破線部内の部分）まで延在している。
【００３４】
図３は、図２のスコープ２０の挿入部２３の先端部２４を拡大して示す断面図である。スコープ２０の挿入部２３の先端部２４は、駆動部２１、投影用レンズ２５ａ、２５ｂ、中心部を通る照明用光ファイバ１１および外周部を通る複数の検出用光ファイバ１２を含んで構成される。
【００３５】
駆動部２１は、照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃを振動駆動する。駆動部２１は、取付環２６によりスコープ２０の挿入部２３の内部に固定されたアクチュエータ管２７、並びに、アクチュエータ管２７内に配置されるファイバ保持部材２９および圧電素子２８ａ〜２８ｄを含んで構成される（図４Ａおよび図４Ｂ参照）。照明用光ファイバ１１は、ファイバ保持部材２９で支持されるとともにファイバ保持部材２９で支持された固定端１１ａから先端部１１ｃまでが、揺動可能に支持された揺動部１１ｂとなっている。一方、検出用光ファイバ１２は挿入部２３の外周部を通るように配置され、先端部２４の先端まで延在している。さらに、検出用光ファイバ１２の各ファイバの先端部には図示しない検出用レンズを備えても良い。
【００３６】
さらに、投影用レンズ２５ａ、２５ｂおよび検出用レンズは、スコープ２０の挿入部２３の先端部２４の最先端に配置される。投影用レンズ２５ａ、２５ｂは、照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃから射出されたレーザ光が、対象物１００上に略集光して照射されるように構成されている。また、検出用レンズは、対象物１００上に集光されたレーザ光が、対象物１００により反射、散乱、屈折等をした光等を取り込み、検出用レンズの後に配置された複数の検出用光ファイバ１２に集光、結合させるように配置される。なお、投影用レンズは、二枚構成に限られず、一枚や他の複数枚のレンズにより構成しても良い。
【００３７】
図４Ａは、光走査型内視鏡装置１０の駆動部２１の振動駆動機構および照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂを示す図であり、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ線断面図である。照明用光ファイバ１１は角柱状の形状を有するファイバ保持部材２９の中央を貫通して、ファイバ保持部材２９に固定保持される。ファイバ保持部材２９の４つの側面は、それぞれ±Ｙ方向および±Ｘ方向に向いている。そして、ファイバ保持部材２９の±Ｙ方向の両側面にはＹ方向駆動用の同じ伸縮特性を有する一対の圧電素子２８ａ、２８ｃが固定され、±Ｘ方向の両側面にはＸ方向駆動用の同じ伸縮特性を有する一対の圧電素子２８ｂ、２８ｄが固定される。
【００３８】
各圧電素子２８ａ〜２８ｄは、制御装置本体３０の信号生成部３８からの配線ケーブル１３が接続されており、信号生成部３８によって電圧が印加されることによって駆動される。
【００３９】
Ｘ方向の圧電素子２８ｂと２８ｄとの間には、例えば、常に正負が反対で大きさの等しい電圧が印加され、同様に、Ｙ方向の圧電素子２８ａと２８ｃとの間にも常に反対方向で大きさの等しい電圧が印加される。ファイバ保持部材２９を挟んで対向配置された圧電素子２８ｂ、２８ｄが、互いに一方が伸びるとき他方が縮むことによって、ファイバ保持部材２９に撓みを生じさせ、これを繰り返すことによりＸ方向の振動を生ぜしめる。Ｙ方向の振動についても同様である。
【００４０】
信号生成部３８は、Ｘ方向駆動用の圧電素子２８ｂ、２８ｄとＹ方向駆動用の圧電素子２８ａ、２８ｃとに、振幅が等しく徐々に拡大および縮小し、位相が９０度ずれた振動電圧を印加することによって、Ｙ方向駆動用の圧電素子２８ａ、２８ｃとＸ方向駆動用の圧電素子２８ｂ、２８ｄとをそれぞれ振動駆動させる。これによって、図３、図４Ａ、図４Ｂに示した照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂが振動し、先端部１１ｃがらせん軌道を描くように偏向するので、先端部１１ｃから出射されるレーザ光は対象物１００の表面を順次スパイラル走査する。
【００４１】
図５は、信号生成部３８による１回の走査の駆動信号を簡略化して示す図である。ここで、１回の走査とは、駆動信号の振幅を０から最大値まで拡大し、最大値から０まで縮小するまでの走査を意味し、光走査型内視鏡装置１０による画像取得の１フレームに対応する。図５の駆動信号Ｄの曲線は、縦軸にｘ，ｙ方向の駆動信号の信号値（駆動電圧）を示し、横軸に時間を示している。ｘ方向およびｙ方向の駆動信号は、９０度位相がずれているが、その差異についてはここでは図示していない。駆動信号Ｄは、振動電圧を振幅変調した信号であり、その包絡線Ｅは、変調波形を示している。なお、図５は、説明のために簡略化した図であり、実際の駆動信号Ｄの周期は、１フレームよりもはるかに短い。例えば、１フレームの周波数が数十Ｈｚのオーダであるのに対して、駆動周波数は数百〜数千Ｈｚのオーダとすることができる。なお、本願において駆動信号の振幅や変調波形の傾きについて０とする場合は、誤差の範囲で０と認識し得る範囲（実質的に０）を含むものとする。
【００４２】
本実施の形態の信号生成部３８の駆動信号の包絡線Ｅ、すなわち変調波形は、振幅拡大期間Ｐ1（第１の期間）と振幅縮小期間Ｐ2（第２の期間）との境界で、傾きが実質的に０で滑らかに繋がっている。このようにすることによって、振幅縮小期間Ｐ2において駆動信号Ｄに追随してファイバ走査の振幅が減少される。注目すべきは、駆動信号Ｄの振幅が最大値に達した後、本発明では駆動信号Ｄをオフにするのではなく、短い振幅縮小期間Ｐ2で駆動電圧の振幅を縮小させている点である。こうすることによって、信号をオフにして照明用光ファイバ１１の振動を自然減衰させるよりも早く振幅を０に収束させることができる。これによって、中心部に抜けのない安定した走査が可能になる。なお、「傾きが実質的に０で滑らかに繋がっている」とは、包絡線（変調波形）が振幅拡大期間Ｐ1と振幅縮小期間Ｐ2との境界で、ともに微分値が０で繋がっていることを意味する。
【００４３】
傾きが実質的に０で滑らかに繋がっていることによる効果について説明する。図６Ａおよび図６Ｂに駆動信号の包絡線の波形の例を示す。図６Ａは三角波であり、滑らかには繋がっていない。一方、図６Ｂは正弦波であり、滑らかに繋がっている一例である。いずれの駆動信号も振幅拡大期間と振幅縮小期間を交互に繰り返して形成されている。
【００４４】
図７Ａ及び図７Ｂに、それぞれ図６Ａ及び図６Ｂで示した駆動信号を入力した際の、ファイバ走査軌跡の応答を示す。図７Ａは、包絡線が三角波の場合であり、図７Ｂは、包絡線が正弦波の場合である。図７Ａの場合、傾きが滑らかに繋がっていない為、振幅拡大期間と振幅縮小期間との境界で、ファイバに急激な加速度の変化が加わるので、包絡線が波を打つような振動となり、状態が不安定になる。一方、図７Ｂの場合、傾きが滑らかに繋がっているので、振幅拡大期間と振幅縮小期間との境界で、ファイバに急激な加速度の変化は加わらず、振動はより安定する。よって、傾きは実質的に０で滑らかに繋がっていることが望ましい。
【００４５】
また、図５において、振幅拡大期間Ｐ1と振幅縮小期間Ｐ2とでは、振幅拡大期間Ｐ1の方が振幅縮小期間Ｐ2よりも長くなっている。そして、本実施の形態では、振幅拡大期間Ｐ1に光検出器３５が取得した画像信号に基づいて、画像生成部３７が画像を生成する。したがって、この場合振幅拡大期間Ｐ1が、画像生成に寄与する有効走査期間である。
【００４６】
さらに、画像生成部３７は、振幅拡大期間Ｐ1に光検出器３５が取得した画像信号を、振幅縮小期間Ｐ2に処理することができる。これによって、制御装置本体３０の処理負荷が、時間的に分散され、装置全体として効率的な処理が可能になる。
【００４７】
特に、本実施の形態では、振幅拡大期間Ｐ1と振幅縮小期間Ｐ2のそれぞれにおいて、包絡線Ｅ、すなわち振幅変調波形は、それぞれ変調周波数の異なる正弦波の一部となっている。例えば、振幅拡大期間Ｐ1の変調周波数をｆm1、振幅縮小期間Ｐ2の変調周波数をｆm2とするとき、ｆm1は、次の式（６）（再掲）で与えられる。
【００４８】
【数６】
2016116968.tif 000008
【００４９】
ここで、ｆdは駆動信号の駆動周波数であり、ｎ1は振幅拡大期間Ｐ1中の照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの所望の周回数である。
【００５０】
また、ｆm2は、次の不等式（７）（再掲）を満足するように設定される。
【００５１】
【数７】
2016116968.tif 000009
【００５２】
ここで、ｆrは、フレームレートである。このように、振幅変調波形を正弦波形状とし、余計な周波数成分を含まないようにすることによって、振幅拡大期間Ｐ1中の画像ひずみを軽減することができるとともに、画像生成を行わない振幅縮小期間Ｐ2中に速やかに照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃを走査中心に戻すことができ、生成される画像の中抜けを軽減させることができる。
【００５３】
図８は、照明用光ファイバ１１による対象物１００上の走査経路のイメージを示す図である。実線は、振幅拡大期間Ｐ1中の走査経路を示し、破線は、振幅縮小期間Ｐ2中の走査経路を示す。光走査型内視鏡装置１０は、振幅拡大期間Ｐ1中走査中心から螺旋を描きながら振幅を拡大し画像信号を取得し、走査振幅の最大値に達すると、振幅縮小期間Ｐ2中により速く走査中心に向けて振幅を減少させる。ただし、図８は説明のための図であって、実際の走査波形の周回数は、図８に示したものよりも遥かに多く径方向の走査密度も遥かに高いことに注意されたい。
【００５４】
このように、振幅縮小期間Ｐ2よりも画像生成に寄与する振幅拡大期間Ｐ1が長いことによって、１回の走査期間全体からみると、画像生成に使用されない振幅縮小期間Ｐ2の比率は比較的小さいので、有効走査期間を大きく損なうことがない。よって、有効走査期間中の照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの周回数を高くすることができ、光走査型内視鏡装置１０の解像力を高くすることができる。
【００５５】
また、信号生成部３８の生成する駆動信号の駆動周波数は、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂの共振周波数からは、外れた値に設定することが望ましい。そのようにすることによって、振幅縮小期間Ｐ2に速やかに振幅を減少させることができる。
【００５６】
ここで、ファイバの振幅をどの程度まで走査中心に戻せば、画像中心の画質に大きな影響を与えないか、考察する。図９Ａにファイバの１フレームにおける走査軌跡の一例を示す。また、図９Ｂに振幅の最小値付近での走査軌跡を拡大して示す。１フレーム中におけるファイバ振幅の最大値をhmax、最小値をhminとし、振幅収束率をhmin÷hmax×１００［％］で定義する。被写体への照明領域の最大半径は、振幅の最大値hmaxと紐付けられる。一方、ファイバが０に減衰しない場合、照明領域の中心部は中抜けし、照明されない領域が発生する。その領域の半径は振幅の最小値hminと紐付けられる。中抜けが生じると、走査軌跡位置を予め、PSD（Position Sensor Device）等の計測器で測定しておき、その情報を元に画像化した場合、図１０のように、画像中心部の画素情報が欠損してしまう。ここで白い部分は軌跡が通過する画素を示し、黒い部分は軌跡が通過しない画素を示す。また、図１０の画像は１００×１００画素、振幅収束率は約５％の場合の例である。
【００５７】
ファイバ走査型内視鏡が同じく細径化可能なバンドルファイバを用いたイメージライトガイドと比べ、解像力の点で優れた効果を得るためには、少なくとも１００×１００画素相当以上の画像表示が望ましい。１００×１００画素の画像において、前述の振幅収束率が２％であるとすると、中心部の画素情報欠損は１００×０．０２＝２画素となる。２画素以下ならば、画素補間処理等の画像処理によって、解像感に著しい影響を及ぼさないが、それ以上であると、画像中心部の解像感に大きな影響を与えてしまう。よって、ファイバ走査型内視鏡では、振幅収束率は２％以下であることが望ましい。
【００５８】
ここで、振幅収束率を２％以下に抑える為の駆動信号の波形の条件について考える。ｎ1を振幅拡大期間Ｐ1中の照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの所望の周回数とし、ｎ2を振幅縮小期間Ｐ2中の照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの所望の周回数として、周回数比をｎ1／（ｎ1＋ｎ2）と定める。周回数比は０から１までの値をとり、駆動波形の包絡線の波形を決める。０に近い値だと、振幅縮小側の期間をより長くとった包絡線の駆動波形となり、１に近い値だと、振幅拡大側の期間をより長くとった包絡線の駆動波形となる。また、駆動信号の駆動周波数をｆdとし、照明用光ファイバ１１の振動の共振周波数をｆcとして、周波数比をｆd／ｆcと定める。共振周波数から駆動周波数を離すほど、つまり、周波数比を１よりも大きくするほど、または１よりも小さくするほど、振幅収束率は小さくなる。
【００５９】
上記で定義した２つのパラメータ「周回数比」と「周波数比」の値を変えた時、振幅収束率がどのように変化するか、シミュレーションした一例を図１１に示す。このシミュレーションでは、ファイバの振動Ｑ値を１００、ファイバの共振周波数を９０００Ｈｚ、フレームレートを２５Ｈｚとし、ファイバが減衰振動に従うものとして計算している。また、駆動周波数は共振周波数よりも大きくなるように駆動させている。図１１から分かるように、周回数比を小さくすればするほど、周波数比を１より大きくすればするほど、軌跡の中抜けは減少し、振幅収束率は小さくなり、中心部の解像力は良くなる。図には示していないが、本発明者の計算によると、振動Ｑ値やファイバの共振周波数の値によらず、上述の関係が成り立つ。また、図には示していないが、本発明者の計算によると、周波数比を１より小さくすればするほど、同様に上述の関係が成り立つ。
【００６０】
上記で述べたシミュレーションについて、フレームレートを変えて、実施した結果を図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示す。ここで、図１２Ａは１５フレームレート、図１２Ｂは２５フレームレート、図１２Ｃは６０フレームレートの場合であり、十分動画が撮影できる条件である。図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃから、周波数比と周回数比が一定であれば、フレームレートが大きくなればなるほど、振幅収束率は大きくなることが分かる。上記で述べた通り、画像中心部の解像感に影響を与えない為の振幅収束率は、２％以下であることが要求される。周回数比０．９の時、この条件を達成するには、図１２Ａより、フレームレートを１５、周波数比を１．０５とすれば良い。よって、周回数比は０．９以下であることが望ましい。
【００６１】
また、フレームレートが２５以上の場合、振幅収束率２％以下を満足する為の条件を考える。図１２Ｂより、周回数比０．９以上では、周波数比を１．０５よりも大きくする必要があり、共振から大きく離れた周波数で駆動することになるので、振幅が大きく低下してしまうことが分かる。周回数比０．８では、周波数比を１．０４以上とすれば良いので、フレームレートが２５以上の場合、周回数比は０．８以下であることが望ましい。
【００６２】
同様に、フレームレートが６０以上の場合、振幅収束率２％以下を満足する為の条件を考える。図１２Ｃより、周回数比０．７以上では、周波数比を１．０５よりも大きくする必要があり、共振から大きく離れた周波数で駆動することになるので、振幅が大きく低下してしまうことが分かる。周回数比０．６では、周波数比を１．０５とすれば良いので、フレームレートが６０以上の場合、周回数比は０．６以下であることが望ましい。
【００６３】
次に、周回数比の下限条件を考える。図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに、駆動波形の周回数比を０．１から０．９まで変化させた時の、ファイバ振動軌跡の包絡線を示す。包絡線は、ちょうど１フレームでの軌跡であり、ファイバの振動は、毎フレームこの包絡線に沿った振動を繰り返す。図１３Ａは、フレームレートが１５の時のシミュレーション結果であり、図１３Ｂは、フレームレートが２５の時のシミュレーション結果であり、図１３Ｃは、フレームレートが６０の時のシミュレーション結果である。このシミュレーションでは、ファイバの振動Ｑ値を１００、ファイバの共振周波数を９０００Ｈｚ、周波数比を１．０３とし、ファイバが減衰振動に従うものとして計算している。また、駆動周波数は共振周波数よりも大きくなるように駆動させている。
【００６４】
図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃから分かるように、周回数比を小さくすればするほど、包絡線が波を打ち、振動が不安定になる。また、包絡線が波を打つと、スパイラル走査の走査密度に疎密が生じ易くなるので、解像力に影響を及ぼす。また、図１３Ａ，図１３Ｂおよび図１３Ｃから、フレームレートが大きくなればなるほど、包絡線の曲線は複雑な波を打ち、振動がより不安定になることが分かる。よって、周回数比はフレームレートによって、ある値よりも、大きくすることが望ましい。図には示していないが、本発明者の計算によると、振動Ｑ値やファイバの共振周波数の値によらず、上述の関係が成り立つ。
【００６５】
具体的に、周回数比０．１の時、包絡線の曲線を安定させるには、図１３Ａより、フレームレートを１５、周波数比を０．１とすれば良い。よって、周回数比は０．１以上であることが望ましい。また、フレームレートが２５以上の場合、包絡線の曲線を安定させるには、図１３Ｂより、周波数比を０．２以上とすることが望ましい。同様に、フレームレートが６０以上の場合、包絡線の曲線を安定させるには、図１３Ｃより、周波数比を０．４以上とすることが望ましい。
【００６６】
図１４にファイバの振動Ｑ値を５０から４００まで変化させた時のファイバ振幅収束率のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは、ファイバの共振周波数を９０００Ｈｚ、フレームレートを２５Ｈｚ、周波数比を１．０３、周回数比を０．７とし、ファイバが減衰振動に従うものとして計算している。図１４から分かるように、ファイバの振動Ｑ値が５０から４００程度の間であれば、振幅収束率は、振動Ｑ値の影響をあまり受けず、上述のように、周波数比と周回数比のパラメータが支配的になる。図には示していないが、本発明者の計算によると、周波数比が１より小さい場合についても、同様に上述の関係が成り立つ。
【００６７】
図１５にファイバの共振周波数を８５００Ｈｚから９５００Ｈｚまで変化させた時のファイバ振幅収束率のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは、ファイバの振動Ｑ値を１００、フレームレートを２５Ｈｚ、周波数比を１．０３とし、ファイバが減衰振動に従うものとして計算している。図１５から分かるように、振幅収束率は、ファイバの共振周波数よりも、上述のように、周波数比と周回数比のパラメータが支配的になる。図には示していないが、本発明者の計算によると、周波数比が１より小さい場合についても、同様の関係が成り立つ。
【００６８】
また、振幅縮小期間Ｐ2では照明光を画像生成に使用しないので、その期間中に照明光の照射を止めても、画像の画質には影響しない。一方、レーザの単位時間当たりの光量は、レーザ安全の規格値よりも小さくする必要がある。よってこれらのことから、振幅拡大期間Ｐ1では照明光を照射し、振幅縮小期間Ｐ2では照明光を止めることで、1フレームあたりのレーザの総照射光量を減らすことができ、レーザ安全の閾値を下げることができる。
【００６９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、信号生成部３８が、１回の走査期間中に、照明用光ファイバ１１の駆動信号の振幅を０から最大値まで拡大する振幅拡大期間Ｐ1と、駆動信号の振幅を最大値から０まで縮小させる振幅縮小期間Ｐ2とを含む駆動信号を生成し、振幅拡大期間Ｐ1と振幅縮小期間Ｐ2との境界において、駆動信号Ｄの包絡線Ｅは傾きが０で滑らかに繋がっており、振幅拡大期間Ｐ1と振幅縮小期間Ｐ2とのうち長い方の期間である振幅拡大期間Ｐ1を有効走査期間としたので、有効走査期間を大きく損なうことなく、走査中心での走査経路の抜けを軽減し、安定した走査を行うことが可能となる。
【００７０】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、振幅拡大期間Ｐ1と振幅縮小期間Ｐ2とのうち、有効走査期間は、振幅拡大期間Ｐ1に限られず、例えば、光走査型内視鏡装置１０において、走査振幅縮小時に、画像信号を取得するようにすることもできる。その場合、図１６に示すように、振幅縮小期間Ｐ2を振幅拡大期間Ｐ1よりも長くするように、駆動信号の振幅を変調する。
【００７１】
振幅縮小期間Ｐ2を振幅拡大期間Ｐ1よりも長くする場合、式（６）と同様の考え方により、ｆm2は、次の式（８）（再掲）で与えられる。
【００７２】
【数８】
2016116968.tif 000010
【００７３】
ここで、ｆdは駆動信号の駆動周波数であり、ｎ2は振幅縮小期間Ｐ2中の照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの所望の周回数である。
【００７４】
また、ｆm1は、次の不等式（９）（再掲）を満足するように設定される。
【００７５】
【数９】
2016116968.tif 000011
ここで、ｆrは、フレームレートである。このように、振幅変調波形を正弦波形状とし、余計な周波数成分を含まないようにすることによって、振幅縮小期間Ｐ2中の画像ひずみを軽減することができるとともに、速やかに照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃを走査中心に戻すことができ、生成される画像の中抜けを軽減させることができる。
【００７６】
また、光走査装置の照明用光ファイバの駆動部は、圧電素子を用いたものに限られない。例えば、磁石とコイルを用いた電磁的な駆動方法も可能である。その場合、上記実施の形態では、圧電素子に印加される電圧を駆動信号で制御したが、電磁的な駆動方法では、コイルに流れる電流値を駆動信号で制御することができる。
【００７７】
さらに、光走査装置は光走査型内視鏡に限られず、例えば、プロジェクタやその他の光走査装置に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１０    光走査型内視鏡装置
１１    照明用光ファイバ
１１ａ    固定端
１１ｂ    揺動部
１１ｃ    先端部
１２    検出用光ファイバ
１３    配線ケーブル
２０    スコープ
２１    駆動部
２２    操作部
２３    挿入部
２４    先端部
２５ａ、２５ｂ    投影用レンズ
２６    取付環
２７    アクチュエータ管
２８ａ〜２８ｄ    圧電素子
２９    ファイバ保持部材
３０    制御装置本体
３１    制御部
３２    発光タイミング制御部
３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂ    レーザ
３４    結合器
３５    光検出器
３６    ＡＤＣ
３７    画像生成部
３８    信号生成部
４０    ディスプレイ
１００    対象物
Ｐ1    振幅拡大期間
Ｐ2    振幅縮小期間
Ｄ    駆動信号
Ｅ    包絡線
【図１】
2016116968.tif 000017
【図２】
2016116968.tif 000018
【図３】
2016116968.tif 000019
【図４Ａ】
2016116968.tif 000020
【図４Ｂ】
2016116968.tif 000021
【図５】
2016116968.tif 000022
【図６Ａ】
2016116968.tif 000023
【図６Ｂ】
2016116968.tif 000024
【図７Ａ】
2016116968.tif 000025
【図７Ｂ】
2016116968.tif 000026
【図８】
2016116968.tif 000027
【図９Ａ】
2016116968.tif 000028
【図９Ｂ】
2016116968.tif 000029
【図１０】
2016116968.tif 000030
【図１１】
2016116968.tif 000031
【図１２Ａ】
2016116968.tif 000032
【図１２Ｂ】
2016116968.tif 000033
【図１２Ｃ】
2016116968.tif 000034
【図１３Ａ】
2016116968.tif 000035
【図１３Ｂ】
2016116968.tif 000036
【図１３Ｃ】
2016116968.tif 000037
【図１４】
2016116968.tif 000038
【図１５】
2016116968.tif 000039
【図１６】
2016116968.tif 000040
【図１７】
2016116968.tif 000041
【国際調査報告】
2016116968.tif 000042
2016116968.tif 000043
2016116968.tif 000044
2016116968.tif 000045