(57)【要約】  画質の良好な画像が得られる光走査方法を提供する。  光ファイバの射出端部を異なる方向に駆動する第１の駆動部及び第２の駆動部を有する光走査用アクチュエータにより射出端部を２次元方向に変位させて、光ファイバから射出される光を走査するにあたり、第１の駆動部に供給する第１の駆動信号及び第２の駆動部に供給する第２の駆動信号を駆動制御部により制御して、光の走査軌跡をほぼ平行に一定の長さで繰り返し往復させながら回動させて、円形状の走査領域を走査する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの射出端部を異なる方向に駆動する第１の駆動部及び第２の駆動部を有する光走査用アクチュエータにより前記射出端部を２次元方向に変位させて、前記光ファイバから射出される光を走査するにあたり、
前記第１の駆動部に供給する第１の駆動信号及び前記第２の駆動部に供給する第２の駆動信号を駆動制御部により制御して、前記光の走査軌跡をほぼ平行に一定の長さで繰り返し往復させながら回動させて、円形状の走査領域を走査する、光走査方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光走査方法において、
前記駆動制御部は、前記第１の駆動部による前記射出端部の変位量が最小となる前記走査軌跡の回動角度において前記第１の駆動信号の位相を反転するとともに、前記第２の駆動部による前記射出端部の変位量が最小となる前記走査軌跡の回動角度において前記第２の駆動信号の位相を反転して、前記走査軌跡を一方向に回動させる、ことを特徴とする光走査方法。
【請求項３】
請求項１に記載の光走査方法において、
前記駆動制御部は、前記第１の駆動部又は前記第２の駆動部による前記射出端部の変位量が最小となる前記走査軌跡の回動角度において前記第１の駆動信号又は前記第２の駆動信号の位相を反転して、前記走査軌跡を１８０°内で正逆方向に回動させる、ことを特徴とする光走査方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の光走査方法において、
前記第１の駆動信号又は前記第２の駆動信号の位相の反転時点の前後において、前記第１の駆動信号又は前記第２の駆動信号の振幅を緩慢に変化させる、ことを特徴とする光走査方法。
【請求項５】
射出端部が変位可能に支持された光ファイバと、
前記射出端部を２次元方向に変位させる第１の駆動部及び第２の駆動部を有する光走査用アクチュエータと、
前記第１の駆動部に供給する第１の駆動信号及び前記第２の駆動部に供給する第２の駆動信号を制御する駆動制御部と、
前記光ファイバに光源からの光を入射させる光入力部と、を備え、
前記駆動制御部は、前記光ファイバから射出される前記光の走査軌跡が、ほぼ平行に一定の長さで繰り返し往復しながら回動して、円形状の走査領域を走査するように前記第１の駆動信号及び前記第２の駆動信号を制御する、光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査方法及びこれを実施する光走査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、光ファイバの射出端部を光走査用アクチュエータにより変位させながら、光ファイバから被検部位に向けて光を照射して被検部位を走査し、被検部位で反射、散乱等される光、あるいは、被検部位で発生する蛍光等を検出する走査型内視鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
特許文献１に開示の走査型内視鏡は、診断等のための観察用モード以外に治療モードのような他の用途を含む多モードの動作を可能としている。そのため、被検部位の走査方法として、走査軌跡が螺旋状、ラスタ状、リサージュ状、プロペラ状といった複数の異なる走査方法から所要の走査軌跡の走査方法を選択的に利用可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５０１２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、一般に、観察（診断）を行う上では、走査密度ができるだけ一定となる走査方法で画像を生成することが、画像の歪みを少なくし、画質の良好な画像を得るうえで好ましい。しかし、特許文献１に開示されている種々の走査方法において、例えば螺旋状の走査方法は螺旋の中心部ほど走査密度が高くなり、リサージュ状の走査方法は周辺部で走査密度が高くなる。また、プロペラ状の走査方法は、中心点近傍で走査軌跡が擦れ違うほぼ八の字状であるため、中心点近傍で密度が高くなる。【０００６】
これに対し、ラスタ状の走査方法は、他の走査方法に比べて走査密度の偏りは改善されるが、副走査方向では徐々に走査軌跡が移動するため、観察視野の中央部の情報を得るのに時間がかかることになる。また、ラスタ状の走査方法は、光走査用アクチュエータが光ファイバの射出端部を振動可能に片持ち支持する構成では、走査軌跡を回転させることなく直線的に移動させることが困難であるため、生成される画像に歪みが生じ易くなる。上述した走査型内視鏡における課題は、例えば光ファイバから光を走査して画像を投影するプロジェクタの場合にも同様に生じるものである。【０００７】
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、画質の良好な画像が得られる光走査方法及びこれを実施する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】
【０００８】
上記目的を達成する本発明に係る光走査方法は、
光ファイバの射出端部を異なる方向に駆動する第１の駆動部及び第２の駆動部を有する光走査用アクチュエータにより前記射出端部を２次元方向に変位させて、前記光ファイバから射出される光を走査するにあたり、
前記第１の駆動部に供給する第１の駆動信号及び前記第２の駆動部に供給する第２の駆動信号を駆動制御部により制御して、前記光の走査軌跡をほぼ平行に一定の長さで繰り返し往復させながら回動させて、円形状の走査領域を走査するものである。【０００９】
前記駆動制御部は、前記第１の駆動部による前記射出端部の変位量が最小となる前記走査軌跡の回動角度において前記第１の駆動信号の位相を反転するとともに、前記第２の駆動部による前記射出端部の変位量が最小となる前記走査軌跡の回動角度において前記第２の駆動信号の位相を反転して、前記走査軌跡を一方向に回動させるとよい。【００１０】
前記駆動制御部は、前記第１の駆動部又は前記第２の駆動部による前記射出端部の変位量が最小となる前記走査軌跡の回動角度において前記第１の駆動信号又は前記第２の駆動信号の位相を反転して、前記走査軌跡を１８０°内で正逆方向に回動させてもよい。【００１１】
前記第１の駆動信号又は前記第２の駆動信号の位相の反転時点の前後において、前記第１の駆動信号又は前記第２の駆動信号の振幅を緩慢に変化させるとよい。【００１２】
さらに、上記目的を達成する本発明に係る光走査装置は、
射出端部が変位可能に支持された光ファイバと、
前記射出端部を２次元方向に変位させる第１の駆動部及び第２の駆動部を有する光走査用アクチュエータと、
前記第１の駆動部に供給する第１の駆動信号及び前記第２の駆動部に供給する第２の駆動信号を制御する駆動制御部と、
前記光ファイバに光源からの光を入射させる光入力部と、を備え、
前記駆動制御部は、前記光ファイバから射出される前記光の走査軌跡が、ほぼ平行に一定の長さで繰り返し往復しながら回動して、円形状の走査領域を走査するように前記第１の駆動信号及び前記第２の駆動信号を制御するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、画質の良好な画像が得られる光走査方法及びこれを実施する光走査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施の形態に係る光走査装置の要部の概略構成を示す図である。
【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を拡大して示す断面図である。
【図４】図３の光走査用アクチュエータに供給される第１の駆動信号及び第２の駆動信号の一例の波形図である。
【図５】走査軌跡を模式的に示す図である。
【図６】走査領域を示す図である。
【図７】変形例における第１の駆動信号及び第２の駆動信号の一例の波形図である。
【図８】図７の変形例を説明するための図である。
【図９】他の変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態について、図を参照して説明する。
【００１６】
図１は、一実施の形態に係る光走査装置の要部の概略構成を示す図である。本実施の形態に係る光走査装置は、光走査型内視鏡装置１０を構成するものである。光走査型内視鏡装置１０は、スコープ（内視鏡）３０と、制御装置本体５０と、ディスプレイ７０と、を備える。
【００１７】
制御装置本体５０は、光走査型内視鏡装置１０の全体を制御する制御部５１と、発光タイミング制御部５２と、光源を構成するレーザ５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂと、結合器５４と、駆動制御部５５とを含んで構成される。レーザ５３Ｒは赤のレーザ光を、レーザ５３Ｇは緑のレーザ光を、レーザ５３Ｂは青のレーザ光をそれぞれ射出する。発光タイミング制御部５２は、制御部５１の制御の下で、３つのレーザ５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂの発光タイミングを制御する。レーザ５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂ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が使用可能である。レーザ５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂから出射されるレーザ光は、結合器５４により合波され、白色の照明光としてシングルモードファイバからなる照明用光ファイバ３１に入射される。結合器５４は、例えばダイクロイックプリズム等を有して構成される。光走査型内視鏡装置１０の光源の構成はこれに限られず、一つのレーザ光源を用いるものであっても、他の複数の光源を用いるものであっても良い。また、光源は、制御装置本体５０と信号線で結ばれた制御装置本体５０とは別の筐体に収納されていても良い。
【００１８】
照明用光ファイバ３１は、スコープ３０の先端部まで延在している。照明用光ファイバ３１の入射端部は、例えば光コネクタからなる光入力部３２に結合される。光入力部３２は、結合器５４に着脱自在に結合されて、光源からの照明光を照明用光ファイバ３１に入射させる。照明用光ファイバ３１の射出端部は、後述する光走査用アクチュエータにより振動可能に支持される。照明用光ファイバ３１に入射された照明光は、スコープ３０の先端部まで導光されて対象物（被検部位）１００に向けて照射される。その際、駆動制御部５５は、光走査用アクチュエータに所要の駆動信号を供給して、照明用光ファイバ３１の射出端部を振動駆動させる。これにより、対象物１００は、照明用光ファイバ３１から射出される照明光によって２次元走査される。この２次元走査の詳細については、後述する。照明光の照射により対象物１００から得られる反射光、散乱光、蛍光などの信号光は、スコープ３０内に延在されたマルチモードファイバからなる検出用光ファイババンドル３３の先端面に入射されて制御装置本体５０まで導光される。
【００１９】
制御装置本体５０は、信号光を処理するための光検出器５６、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）５７及び画像処理部５８をさらに備える。光検出器５６は、検出用光ファイババンドル３３により導光された信号光をスペクトル成分に分解し、それぞれのスペクトル成分をフォトダイオード等により電気信号に変換する。検出用光ファイババンドル３３の射出端部は、例えば光コネクタからなる光出力部３４に結合される。光出力部３４は、光検出器５６に着脱自在に結合されて対象物１００からの信号光を光検出器５６に導光する。ＡＤＣ５７は、光検出器５６から出力されるアナログの電気信号をデジタル信号に変換して画像処理部５８に出力する。
【００２０】
制御部５１は、駆動制御部５５から光走査用アクチュエータに供給した駆動信号の振幅及び位相などの情報から、レーザ照明光の走査軌跡上の走査位置の情報を算出して画像処理部５８に供給する。画像処理部５８は、ＡＤＣ５７から出力されたデジタル信号及び制御部５１からの走査位置情報に基づいて対象物１００の画素データ（画素値）を順次メモリに格納し、走査終了後又は走査中に補間処理等の必要な処理を行って対象物１００の画像を生成してディスプレイ７０に表示する。
【００２１】
上記の各処理において、制御部５１は、発光タイミング制御部５２、光検出器５６、駆動制御部５５、及び、画像処理部５８を同期制御する。
【００２２】
図２は、スコープ３０を概略的に示す概観図である。スコープ３０は、操作部３５及び挿入部３６を備える。照明用光ファイバ３１及び検出用光ファイババンドル３３は、制御装置本体５０にそれぞれ着脱自在に接続されて、操作部３５から挿入部３６の先端部３７（図２に破線で示す部分）まで延在している。また、スコープ３０は、光走査用アクチュエータに接続されて挿入部３６から操作部３５を経て延在する配線ケーブル３８を備える。配線ケーブル３８は、図１に示すように接続コネクタ３９を介して駆動制御部５５に着脱自在に接続される。
【００２３】
図３は、図２のスコープ３０の先端部３７を拡大して示す断面図である。先端部３７には、光走査用アクチュエータ４０及び照明光学系を構成する投影用レンズ４５ａ、４５ｂが配置されている。光走査用アクチュエータ４０は、照明用光ファイバ３１の射出端部３１ａを貫通させて保持するフェルール４１を備える。照明用光ファイバ３１は、フェルール４１に接着固定される。フェルール４１は、照明用光ファイバ３１の射出端面３１ｂとは反対側の端部が支持部４２に結合されて、支持部４２に揺動可能に片持ち支持される。照明用光ファイバ３１は、支持部４２を貫通して延在される。
【００２４】
フェルール４１は、例えばニッケル等の金属からなる。フェルール４１は、外形が四角柱状、円柱状等の任意の形状に形成可能である。フェルール４１には、照明用光ファイバ３１の光軸方向と平行な方向をｚ方向とするとき、ｚ方向と直交する面内で互いに直交するｘ方向及びｙ方向にそれぞれ対向して圧電素子４３ｘ及び４３ｙが装着される。圧電素子４３ｘ及び４３ｙは、ｚ方向に長い矩形状からなる。圧電素子４３ｘ及び４３ｙは、厚さ方向の両面に形成された電極を有し、対向する電極を介して厚さ方向に電圧が印加されるとｚ方向に伸縮可能に構成される。ここで、ｘ方向に対向する２個の圧電素子４３ｘ（図３には１個の圧電素子４３ｘのみを示す）は、例えば第１の駆動部を構成し、ｙ方向に対向する２個の圧電素子４３ｙは、例えば第２の駆動部を構成する。
【００２５】
圧電素子４３ｘ及び４３ｙのフェルール４１に接着される電極面とは反対側の電極面には、それぞれ対応する配線ケーブル３８が接続される。同様に、圧電素子４３ｘ及び４３ｙの共通電極となるフェルール４１には、対応する配線ケーブル３８が接続される。ｘ方向の２個の圧電素子４３ｘには、図１に示した駆動制御部５５から対応する配線ケーブル３８を介して第１の駆動信号として同相の交番電圧が印加される。同様に、ｙ方向に対向する２個の圧電素子４３ｙには、駆動制御部５５から対応する配線ケーブル３８を介して第２の駆動信号として同相の交番電圧が印加される。
【００２６】
これにより、２個の圧電素子４３ｘは、一方が伸張すると他方が縮小して、フェルール４１がｘ方向に湾曲振動する。同様に、２個の圧電素子４３ｙは、一方が伸張すると他方が縮小して、フェルール４１がｙ方向に湾曲振動する。その結果、フェルール４１は、ｘ方向及びｙ方向の振動が合成されて照明用光ファイバ３１の射出端部３１ａと一体に偏向される。したがって、照明用光ファイバ３１に照明光を入射させると、射出端面３１ｂから射出される照明光により被観察物を２次元的に走査することが可能となる。
【００２７】
検出用光ファイババンドル３３は、挿入部３６の外周部を通って先端部３７の先端まで延在して配置される。検出用光ファイババンドル３３の各ファイバの先端部３３ａには、図示しないが検出用レンズが配置されていても良い。
【００２８】
投影用レンズ４５ａ、４５ｂは、先端部３７の最先端に配置される。投影用レンズ４５ａ、４５ｂは、照明用光ファイバ３１の射出端面３１ｂから射出されるレーザ光が所定の焦点位置に集光させるように構成される。また、検出用光ファイババンドル３３の先端部３３ａに検出用レンズが配置される場合、検出用レンズは、対象物１００上に照射されたレーザ光が、対象物１００により反射、散乱、屈折等をした光（対象物１００と相互作用した光）又は蛍光等を信号光として取り込み、検出用光ファイババンドル３３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、一枚や三枚以上のレンズにより構成されてもよい。
【００２９】
次に、本実施の形態に係る光走査型内視鏡装置１０による走査方法について説明する。
【００３０】
図４は、駆動制御部５５から光走査用アクチュエータ４０に供給される第１の駆動信号及び第２の駆動信号の一例の波形図である。第１の駆動信号及び第２の駆動信号は、周波数が例えば光走査用アクチュエータ４０により駆動される照明用光ファイバ３１の射出端部３１ａを含む被振動部の共振周波数又はその近傍の周波数に設定され、両者はほぼ同じ位相差に設定される。また、第１の駆動信号及び第２の駆動信号は、振幅が正弦波状の変調信号で変調され、両者の振幅の最大値は等しい。また、第１の駆動信号及び第２の駆動信号は、両者の振幅変調信号の位相差すなわち両者のエンベロープ波形の位相差が９０°となっている。
【００３１】
図４に示した第１の駆動信号及び第２の駆動信号により光走査用アクチュエータ４０が駆動されると、照明用光ファイバ３１から射出される光の走査軌跡は、ほぼ一定の長さで平行に繰り返し往復しながら回動する。すなわち、図５に模式的に示すように、一往復の走査軌跡は、照明用光ファイバ３１の静止位置での光軸Ｏを挟んで、軌跡の移動方向が一方向の往路と、該一方向とほぼ平行で軌跡の移動方向が逆方向の復路とからなる棒状と見なすことができる。この棒状の走査軌跡は、光軸Ｏから両端の軌跡の往復の折り返し点まで等しい長さを有して、光軸Ｏを中心に回動する。
【００３２】
したがって、図６に示すように、棒状の走査軌跡が１８０°回動すると、棒状の両端の往復の折り返し点の軌跡は、光軸Ｏを中心とする円形状となるので、この円形状内の走査領域ＳＡを走査することができる。本実施の形態では、棒状の走査軌跡が１８０°回動する期間を、画像の１フレーム期間として、画像処理部５８において対象物１００の画像を生成する。
【００３３】
本実施の形態において、第１の駆動信号は、圧電素子４３ｘによる照明用光ファイバ３１の射出端部３１ａの変位量が最小となる棒状の走査軌跡の回動角度において、図４に示すように位相を反転する。すなわち、図６において、水平方向をｘ方向、垂直方向をｙ方向とし、棒状の走査軌跡が垂直となる回動角度を０°、水平となる回動角度を９０°とするとき、第１の駆動信号は、０°を基準として１８０°毎、つまりフレーム毎に位相を反転する。同様に、第２の駆動信号は、圧電素子４３ｙによる照明用光ファイバ３１の射出端部３１ａの変位量が最小となる棒状の走査軌跡の回動角度において、図４に示すように位相を反転する。すなわち、第２の駆動信号は、図６において９０°を基準として１８０°毎に、つまりフレームの中間で位相を反転する。これにより、棒状の走査軌跡を一方向（図６において右回り）に回動させて、棒状の走査軌跡が１８０°回動する毎に１フレームの画像を生成する。
【００３４】
本実施の形態によると、円形状の走査領域ＳＡの中心（光軸Ｏ）を通らず、中心を挟んでほぼ平行な往路と復路とで構成される一定長さの棒状の走査軌跡が、回転角度を変えながら繰り返し走査するので、走査密度の偏りが少なく、歪みの少ない画質の良好な画像を生成することができる。また、走査領域ＳＡの全体に亘って走査速度が一定となるので、全体の画質が均一で見易いものとなる。さらに、光走査用アクチュエータ４０は、第１の駆動信号及び第２の駆動信号により、照明用光ファイバ３１の射出端部３１ａを直径に沿って往復させる動作を繰り返すので、射出端部３１ａを共振周波数やその近傍の周波数で容易に駆動することが可能となる。
【００３５】
また、駆動制御部５５は、圧電素子４３ｘ及び４３ｙによる照明用光ファイバ３１の射出端部３１ａの変位量がそれぞれ最小となる棒状の走査軌跡の回動角度において、第１の駆動信号及び第２の駆動信号の位相をそれぞれ反転して、棒状の走査軌跡を一方向に回動させる。したがって、簡単な制御で、片持ち支持された照明用光ファイバ３１によりシームレスな画像を連続的にスムーズに生成することができる。
【００３６】
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。例えば、駆動制御部５５は、第１の駆動信号及び第２の駆動信号のうちのいずれか一方の位相のみ、例えば図７に示すように第２の駆動信号のみを、照明用光ファイバ３１の射出端部３１ａの変位量が最小となる棒状の走査軌跡の回動角度において反転させてもよい。このようにすれば、図８に示すように、棒状の走査軌跡を１８０°内で正逆方向に回動させて、円形状の走査領域ＳＡを走査することができる。この場合も、画質の良好な画像を生成することができる。
【００３７】
また、上記実施の形態及び変形例において、駆動信号の位相を反転させる場合に、反転時点の前後において、位相を反転させる駆動信号の振幅を緩慢に変化させてもよい。すなわち、図９に示すように位相を反転させる駆動信号のエンベロープ波形をなだらかに変化させる。このようにすれば、よりスムーズに画像を生成することが可能となる。
【００３８】
また、光走査用アクチュエータ４０の第１の駆動部及び第２の駆動部は、圧電素子を用いる圧電式に限らず、コイル及び永久磁石を用いる電磁式などの他の公知の駆動方式の場合でも、本発明を有効に適用することができる。また、図１に示した光走査型内視鏡装置１０では、制御部５１と駆動制御部５５とを分離して示しているが、制御部５１が駆動制御部５５の機能を有していてもよい。さらに、本発明は、光走査型内視鏡装置に限らず、光走査型顕微鏡や光走査型のプロジェクタ装置にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  光走査型内視鏡装置
３１  光ファイバ
３１ａ  射出端部
３２  光入力部
４０  光走査用アクチュエータ
４３ｘ  圧電素子（第１の駆動部）
４３ｙ  圧電素子（第２の駆動部）
５１  制御部
５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂ  レーザ
５５  駆動制御部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2016116962.tif 000013
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