(57)【要約】【課題】走査位置誤差を全走査範囲に亘って補正するのに好適な走査位置補正装置を提供すること。【解決手段】走査位置補正装置を、光源から射出された光を所定の走査範囲内で周期的に走査する走査手段と、走査光の走査位置を検出する光検出手段と、検出された各走査位置を因子として走査範囲内の位置に応じて異なる近似補正を行う近似補正手段と、から構成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から射出された光を所定の走査範囲内で周期的に走査する走査手段と、
前記走査光の走査位置を検出する光検出手段と、
前記検出された各走査位置を因子として前記走査範囲内の位置に応じて異なる近似補正を行う近似補正手段と、
を有することを特徴とする走査位置補正装置。
【請求項２】
前記近似補正手段は、前記走査範囲内の位置に応じて一種類の近似式又は複数種類の近似式を用いて近似補正を行うことを特徴とする、請求項１に記載の走査位置補正装置。
【請求項３】
前記複数種類の近似式を用いた近似補正は、前記走査範囲内の位置に応じて各該近似式のウエイトが変化することを特徴とする、請求項２に記載の走査位置補正装置。
【請求項４】
前記ウエイトの変化は、連続的又は段階的であることを特徴とする、請求項３に記載の走査位置補正装置。
【請求項５】
前記近似補正手段は、前記走査範囲内の位置ごとに前記一種類の近似式を用いた近似補正と前記複数種類の近似式を用いた近似補正を行い、それぞれの近似結果と前記検出された走査位置との平均二乗誤差を計算し、該平均二乗誤差の少ない近似補正を当該位置で適用する近似補正として決定することを特徴とする、請求項２から請求項４の何れか一項に記載の走査位置補正装置。
【請求項６】
前記走査手段は、前記走査範囲内をスパイラルスキャンし、
前記近似補正手段は、前記走査範囲の中心からの距離に応じて異なる近似補正を行うことを特徴とする、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の走査位置補正装置。
【請求項７】
前記近似補正手段は、前記走査範囲の中央部では多項式近似単独で近似補正を行い、前記走査範囲の周辺部では多項式近似と単調増加関数での近似を組み合わせた近似補正を行うことを特徴とする、請求項６に記載の走査位置補正装置。
【請求項８】
前記単調増加関数は、原点として定義される前記走査範囲の中心を通る関数であることを特徴とする、請求項７に記載の走査位置補正装置。
【請求項９】
前記単調増加関数は、線形近似式又は指数近似式であることを特徴とする、請求項８に記載の走査位置補正装置。
【請求項１０】
前記線形近似式又は指数近似式のウエイトは、前記走査範囲の周辺部に向かうほど大きくなることを特徴とする、請求項９に記載の走査位置補正装置。
【請求項１１】
前記光検出手段を外光から遮蔽する遮蔽筐体内に収容したことを特徴とする、請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の走査位置補正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、被写体を光走査したときの走査位置誤差を補正する走査位置補正装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを周期的に動かして被写体を光走査して画像を生成する走査型内視鏡システムが知られている。この種の走査型内視鏡システムの具体的構成例は、特許文献１に記載されている。
【０００３】
特許文献１に記載されている走査型内視鏡システムは、光源から射出された走査光を伝送して射出する光ファイバを有している。光ファイバは、圧電アクチュエータによる共振運動と振幅制御により、被写体をフレームレートに合わせて周期的にスパイラルスキャンする。走査型内視鏡システムは、被写体からの反射光の検出タイミングに応じて検出信号に画素位置を割り当ててラスタ配列し、画像を生成する。
【０００４】
ラスタ配列される各検出信号は、割り当てられた画素位置に対応する走査位置の点像を表現する。歪みの無い再現性の高い画像を生成するためには、各点像を走査位置に合わせて正確に配置する必要がある。そこで、この種の走査型内視鏡システムのキャリブレーションにおいては、スポット形成位置と検出タイミングがＰＳＤ（Position Sensitive Detector）を用いて測定され、測定結果を用いて各スポット形成位置の点像を適切な画素に配置するためのリマップテーブルが作成される。
【０００５】
ところで、光ファイバは、圧電アクチュエータによる共振現象を利用して振動する。そのため、光ファイバの振幅は、滑らかに変化する。各スポット形成位置は、ＰＳＤ上に滑らかなスパイラル軌跡を描くように現れる。
【０００６】
しかし、キャリブレーションにおいては、走査光を集光する光学レンズ面での二次的な反射成分がＰＳＤ上でノイズとして現れて検出誤差を生じさせる。また、ＰＳＤが有する固有のノイズも検出誤差を生じさせる。演算上のスポット形成位置は、この種の検出誤差が原因で実際のスポット形成位置から外れる。すなわち、演算上の各スポット形成位置は、滑らかなスパイラル軌跡を描くようには現れずばらつくため、画像に歪みを生じさせる。そこで、キャリブレーションにおいては、検出誤差による演算上のスポット形成位置誤差を抑えて画像の歪みを軽減するため、多項式近似を用いたスポット形成位置（画素位置）の補正が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／７２８４３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、スポット形成位置誤差は、全走査範囲で一様に生じるとは限らない。そのため、単純な近似では、スポット形成位置誤差による画像の歪みを十分に補正することができない。
【０００９】
図１（ａ）に、ＰＳＤ上で検出される各スポット形成位置を、振幅Ｄ（走査範囲中心からスポット形成位置までの距離）を縦軸にとり、時間Ｔを横軸にとるグラフに展開して示す。図１（ａ）中、実線は、各プロット（スポット形成位置）を因子とした多項式近似曲線である。図１（ａ）の例では、スポット形成位置は、走査範囲中央部では多項式近似を用いて良好に補正されている。しかし、走査範囲周辺部では、多項式近似による補正が良好に行われず、スポット形成位置誤差が却って増大している。そのため、画像は、図１（ｂ）に示されるように周辺部が大きく歪んでいる。
【００１０】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、走査位置誤差を全走査範囲に亘って補正するのに好適な走査位置補正装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決する本発明の一形態に係る走査位置補正装置は、光源から射出された光を所定の走査範囲内で周期的に走査する走査手段と、走査光の走査位置を検出する光検出手段と、検出された各走査位置を因子として走査範囲内の位置に応じて異なる近似補正を行う近似補正手段とを有することを特徴としている。
【００１２】
本発明に係る走査位置補正装置によれば、走査範囲内の位置に応じて異なる近似補正を行うことにより、走査位置誤差を全走査範囲に亘って良好に軽減することができる。
【００１３】
近似補正手段は、走査範囲内の位置に応じて一種類の近似式又は複数種類の近似式を用いて近似補正を行ってもよい。
【００１４】
複数種類の近似式を用いた近似補正は、走査範囲内の位置に応じて各該近似式のウエイトが変化してもよい。
【００１５】
各近似式のウエイトの変化は、連続的であっても段階的であってもよい。
【００１６】
近似補正手段は、走査範囲内の位置ごとに一種類の近似式を用いた近似補正と複数種類の近似式を用いた近似補正を行い、それぞれの近似結果と検出された走査位置との平均二乗誤差を計算し、該平均二乗誤差の少ない近似補正を当該位置で適用する近似補正として決定する構成としてもよい。
【００１７】
走査手段は、走査範囲内をスパイラルスキャンする構成としてもよい。この場合、近似補正手段は、走査範囲の中心からの距離に応じて異なる近似補正を行う。また、近似補正手段は、走査範囲の中央部では多項式近似単独で近似補正を行い、走査範囲の周辺部では多項式近似と単調増加関数での近似を組み合わせた近似補正を行う構成としてもよい。
【００１８】
単調増加関数は、例えば原点として定義される走査範囲の中心を通る関数である。単調増加関数は、線形近似式であっても指数近似式であってもよい。
【００１９】
線形近似式又は指数近似式のウエイトは、例えば走査範囲の周辺部に向かうほど大きくなる。
【００２０】
本発明に係る走査位置補正装置は、光検出手段を外光から遮蔽する遮蔽筐体内に収容した構成としてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、走査位置誤差を全走査範囲に亘って補正するのに好適な走査位置補正装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来技術の問題点を説明するための図である。
【図２】本発明の実施形態の走査型内視鏡システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態の走査型内視鏡システムが有するプロセッサの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態の走査型内視鏡システムが有する走査型プローブの先端部の内部構造を示す内部構造図である。
【図５】近似補正例１で行われる近似補正を説明するための図である。
【図６】近似補正例２で行われる近似補正を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態の走査型内視鏡システムについて説明する。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態の走査型内視鏡システム１の構成を示すブロック図である。図２に示されるように、走査型内視鏡システム１は、走査型プローブ１００を有している。走査型プローブ１００は、可撓性を有するアウターシース１３２によって外装された可撓管１３０を有している。可撓管１３０の先端には、先端部１３０ａが設けられている。可撓管１３０の基端には、走査型プローブ１００を操作するための手元操作部１５０が設けられている。先端部１３０ａの根元付近は、手元操作部１５０による遠隔操作によって屈曲自在に構成されている。先端部１３０ａの方向が屈曲操作に応じて変わることにより、走査型プローブ１００による撮影領域が移動する。手元操作部１５０から延びたユニバーサルケーブル１６０の基端には、コネクタ部１１０が設けられている。
【００２５】
図２に示されるように、走査型内視鏡システム１は、プロセッサ２００を有している。プロセッサ２００は、自然光の届かない体腔内に走査型プローブ１００を通じて走査光を照射する光源装置と、走査型プローブ１００を駆動制御すると共に走査型プローブ１００による走査の戻り光から画像信号を生成する信号処理装置とを内蔵した一体型のプロセッサである。別の実施形態では、光源装置と信号処理装置を別体で構成してもよい。プロセッサ２００には、コネクタ部２１０が設けられている。コネクタ部２１０は、コネクタ部１１０に対応する連結構造を有し、走査型プローブ１００とプロセッサ２００とを電気的・光学的に接続する。
【００２６】
図３は、プロセッサ２００の構成を示すブロック図である。図３に示されるように、プロセッサ２００は、信号処理回路２２０を有している。信号処理回路２２０は、走査型内視鏡システム１の動作を統括的に制御するＣＰＵ２２２を有している。
【００２７】
プロセッサ２００は、光源２３２を有している。光源２３２は、ＣＰＵ２２２からの変調制御信号に従ってパルス光（連続光であってもよい。）を射出する。光源２３２から射出されたパルス光は、走査型プローブ１００に入射する。光源２３２には、例えばレーザ光源やＬＥＤ（Light Emitting Diode）等が想定される。
【００２８】
図４は、走査型プローブ１００の先端部１３０ａの内部構造を示す内部構造図である。以降においては、走査型プローブ１００の構成を説明するにあたり、便宜上、走査型プローブ１００の長手方向をＺ方向、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する二方向をＸ方向、Ｙ方向と定義する。かかる定義によれば、図４は、走査型プローブ１００の中心軸ＡＸを含むＹ−Ｚ平面での先端部１３０ａの断面図である。
【００２９】
図４に示されるように、走査型プローブ１００は、光ファイバ１１２を有している。光ファイバ１１２は、例えばシングルモードファイバであり、走査型プローブ１００の全長に亘って収容されている。光ファイバ１１２の基端は、コネクタ部１１０と２１０との接続時、光源２３２と結合している。光源２３２から射出されたパルス光は光ファイバ１１２を伝送して、先端部１３０ａ内に配された光ファイバ１１２の射出端１１２ｂから射出する。
【００３０】
光ファイバ１１２の先端部１１２ｃの根元には、圧電アクチュエータ１４０が接着剤１４４により接着されている。圧電アクチュエータ１４０は、一対のＸ軸用電極及び一対のＹ軸用電極が圧電体に形成された二軸アクチュエータである。先端部１１２ｃの根元は、支持体１３８により圧電アクチュエータ１４０と共にインナーシース１３４内に固定されている。すなわち、先端部１１２ｃは、インナーシース１３４内において片持ち梁の状態で支持されている。
【００３１】
プロセッサ２００は、駆動回路２３４を有している。駆動回路２３４は、ＣＰＵ２２２からの駆動制御信号に従い、交流電圧Ｘを圧電アクチュエータ１４０のＸ軸用電極間に印加して圧電体をＸ方向に共振させると共に、交流電圧Ｘと同一周波数であって位相が直交する交流電圧ＹをＹ軸用電極間に印加して圧電体をＹ方向に共振させる。交流電圧Ｘ、Ｙはそれぞれ、全走査範囲を走査するサンプリング期間中、振幅が時間比例で線形に増加して、時間（Ｘ）、（Ｙ）をかけて実効値（Ｘ）、（Ｙ）に達する電圧として定義される。光ファイバ１１２の射出端１１２ｂは、圧電アクチュエータ１４０によるＸ方向、Ｙ方向への運動エネルギーが合成されることにより、Ｘ−Ｙ平面に近似するＸＹ近似面上において中心軸ＡＸを中心にスパイラル軌跡を描くように回転する。射出端１１２ｂの回転軌跡は、印加電圧に比例して大きくなり、実効値（Ｘ）、（Ｙ）の交流電圧が印加された時点で最も大きい径を有する円の軌跡を描く。
【００３２】
サンプリング期間の経過後は、圧電アクチュエータ１４０への交流電圧の印加が停止して、光ファイバ１１２の先端部１１２ｃの振動が減衰する。ＸＹ近似面上における光ファイバ１１２の射出端１１２ｂの円運動は、先端部１１２ｃの振動の減衰に伴って収束し、所定時間後に中心軸ＡＸ上で停止する。一フレームに対応する期間は、サンプリング期間と先端１１２ｃの停止に要する制動期間で構成される。
【００３３】
光ファイバ１１２の射出端１１２ｂの前方には、集光光学系１４２が配置されている。射出端１１２ｂから射出されたパルス光は、集光光学系１４２を透過して被写体上でスポットを形成する。スポット形成位置は、サンプリング期間中の射出端１１２ｂの位置に応じて変わる。すなわち、パルス光は、射出端１１２ｂの周期的な円運動に応じて被写体上をスパイラルスキャンする。
【００３４】
アウターシース１３２の内側には、インナーシース１３４が同軸に配置されている。アウターシース１３２の内周面とインナーシース１３４の外周面とが規定する円環状のスペースには、複数本の検出用ファイバ１３６が全周に亘って均一に配置されている。複数本の検出用ファイバ１３６は、終端側がコネクタ部１１０内部で束ねられており、受光部２３６と結合している。スパイラルスキャンされた被写体からの戻り光は、検出用ファイバ１３６を伝送して受光部２３６で検出される。受光部２３６は、微弱な光を低ノイズで検出するため、例えば光電子増倍管等の高感度光検出器としてもよい。
【００３５】
受光部２３６が検出した検出信号は、画像処理回路２２４に入力する。画像処理回路２２４は、ＣＰＵ２２２の制御下で動作して、検出信号を一定のレートでサンプルホールド及びＡＤ変換してデジタル検出信号を得る。ここで、サンプリング期間中の光ファイバ１１２の射出端１１２ｂの位置（軌跡）が決まると、当該位置に対応する観察領域（走査範囲）中のスポット形成位置、当該スポット形成位置からの戻り光を検出してデジタル検出信号を得る信号取得タイミングがほぼ一義的に決まる。ＣＰＵ２２２の内部メモリには、サンプリング期間中の信号取得タイミングと画素位置（画素アドレス）とを関連付けたリマップテーブルが格納されている。リマップデータは、キャリブレーションを行うことにより予め作成されている。なお、戻り光を検出するタイミングと信号取得タイミングは実質的に同じである。
【００３６】
画像処理回路２２４は、リマップデータを参照して、各デジタル検出信号により表現される点像の画素アドレスへの割り当てを信号取得タイミングに応じて行う。以下、説明の便宜上、上記の割り当て作業をリマッピングと記す。画像処理回路２２４は、リマッピング結果に従って、各点像の空間的配列によって構成される画像の信号を画像メモリ２２６にフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた信号は、所定のタイミングで画像メモリ２２６から出力回路２２８に掃き出されて、ＮＴＳＣ（National Television System Committee）やＰＡＬ（Phase Alternating Line）等の所定の規格に準拠した映像信号に変換されてモニタ３００に出力される。
【００３７】
プロセッサ２００には、プローブ挿入ガイド２４２が設けられている。走査型プローブ１００の先端部１３０ａは、キャリブレーションを行う際、プローブ挿入ガイド２４２の規定位置まで差し込まれる。プローブ挿入ガイド２４２に差し込まれた先端部１３０ａと正対する位置には、ＰＳＤ２４４が配置されている。ＰＳＤ２４４は、規定位置まで差し込まれた先端部１３０ａの全走査範囲を十分にカバーする有効受光領域を有している。ＰＳＤ２４４は、プロセッサ２００の筐体内の遮光されたスペースに配置されているため、走査型プローブ１００によるスポット光を高いＳＮ比で検出する。ＰＳＤ２４４の出力は、ＣＰＵ２２２に入力する。
【００３８】
本実施形態においては、スポット形成位置誤差を全走査範囲に亘って良好に抑えるため、以下に説明する近似補正が行われる。
【００３９】
（近似補正例１）
図５は、近似補正例１で行われる近似補正を説明するための図１（ａ）と同様のグラフである。図５中、一点鎖線ａは、スポット形成位置の補正を全走査範囲に亘って最小二乗法による多項式近似単独で行った場合に得られる曲線である。点線ｂは、スポット形成位置の補正を全走査範囲に亘って最小二乗法による線形近似単独で行った場合に得られる直線である。実線ｃは、近似補正例１の近似補正を行った場合に得られる近似補正曲線である。
【００４０】
近似補正例１では、振幅Ｄに応じて多項式近似単独の補正（以下、「単独近似補正」と記す。）又は多項式近似と線形近似を組み合わせた複合的な近似補正（以下、「第一の複合的近似補正」と記す。）が行われる。第一の複合的近似補正は、振幅Ｄに応じて多項式近似と線形近似のウエイトが変化する。
【００４１】
キャリブレーションにおいては、振幅Ｄごとに単独近似補正と第一の複合的近似補正がそれぞれ試行される。それぞれの近似結果とスポット形成位置との平均二乗誤差が試算されて、平均二乗誤差の少ない近似補正が採用される。試算時の第一の複合的近似補正は、所定のウエイト（例えば多項式近似：線形近似＝９：１）に固定されている。
【００４２】
走査範囲中央部（つまりスパイラルスキャン開始直後）では、光ファイバ１１２の先端部１１２ｃの共振運動が不安定である。ＰＳＤ２４４には、振幅Ｄが不規則に増減するため、例えば歪な楕円軌跡を描くように各スポットが形成される。このように振幅Ｄが変化する場合は、多項式近似補正が適している。そのため、走査範囲中央部においては、図５に示されるように、多項式近似単独でスポット形成位置が補正される。
【００４３】
走査範囲周辺部に向かうほど光ファイバ１１２の先端部１１２ｃの共振運動が安定する。例えば、走査範囲の最周辺部においては、真円に近い軌跡を描くようにスポットが形成される。すなわち、振幅Ｄは走査範囲周辺部に向かうほど単調増加する。そのため、スポット形成位置の補正には線形近似が適している。近似補正例１では、適用する近似補正は、平均二乗誤差の比較結果に従って、走査範囲周辺部に向かう途中で単独近似補正から第一の複合的近似補正に切り替えられている。切替後は、走査範囲周辺部に向かうほど線形近似のウエイトが大きい第一の複合的近似補正が行われる。ウエイトの変化は、連続的であっても段階的であってもよい。
【００４４】
近似補正例１では、図５に示されるように、単独近似補正又は第一の複合的近似補正を行うことにより、スポット形成位置誤差が全走査範囲に亘って良好に抑えられる。
【００４５】
（近似補正例２）
図６は、近似補正例２で行われる近似補正を説明するための図１（ａ）と同様のグラフである。図６中、一点鎖線ａ’は、スポット形成位置の補正を全走査範囲に亘って最小二乗法による多項式近似単独で行った場合に得られる曲線である。図６中、点線ｂ’は、スポット形成位置の補正を全走査範囲に亘って最小二乗法による指数近似単独で行った場合に得られる直線である。実線ｃ’は、近似補正例２の近似補正を行った場合に得られる近似補正曲線である。
【００４６】
近似補正例２では、振幅Ｄに応じて単独近似補正又は多項式近似と指数近似を組み合わせた複合的な近似補正（以下、「第二の複合的近似補正」と記す。）が行われる。第二の複合的近似補正は、振幅Ｄに応じて多項式近似と指数近似のウエイトが変化する。
【００４７】
キャリブレーションにおいては、振幅Ｄごとに単独近似補正と第二の複合的近似補正がそれぞれ試行される。それぞれの近似結果とスポット形成位置との平均二乗誤差が試算されて、平均二乗誤差の少ない近似補正が採用される。試算時の第二の複合的近似補正は、所定のウエイト（例えば多項式近似：指数近似＝９：１）に固定されている。なお、スパイラルスキャン開始時は、振幅Ｄが０である。そのため、指数近似曲線は、始点が原点を通るようにオフセットされている。
【００４８】
スポット形成位置の補正には、共振運動が安定しない走査範囲中央部では多項式近似が適している。そのため、走査範囲中央部においては、図６に示されるように、多項式近似単独でスポット形成位置が補正されている。
【００４９】
スポット形成位置の補正には、共振運動が安定する走査範囲周辺部ほど指数近似が適している。近似補正例２では、適用する近似補正は、平均二乗誤差の比較結果に従い、走査範囲周辺部に向かう途中で単独近似補正から第二の複合的近似補正に切り替えられている。切替後は、走査範囲周辺部に向かうほど指数近似のウエイトが大きい第二の複合的近似補正が行われる。
【００５０】
近似補正例２では、図６に示されるように、単独近似補正又は第二の複合的近似補正を行うことにより、スポット形成位置誤差が全走査範囲に亘って良好に抑えられる。
【００５１】
なお、複合的近似補正において多項式近似と組み合わせる近似式の種類や数、ウエイト等を適宜調節することにより、走査型内視鏡システム１の製品個体差に起因するスポット形成位置誤差を良好に抑えることもできる。
【００５２】
以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば複合的近似補正において多項式近似と組み合わせられる近似式は、線形近似や指数近似に限らない。原点を通る単調増加関数であれば、多項式近似と組み合わせることでスポット形成位置誤差を良好に抑えることができる。
【００５３】
本発明が適用可能な走査方式は、本実施形態で説明したスパイラルスキャン方式に限らない。例えば走査領域の水平方向を往復走査するラスタスキャン方式や、走査領域を正弦波的に走査するリサージュスキャン方式等を採用する走査型内視鏡システムにも本発明を適用してもよい。
【００５４】
キャリブレーションに用いる位置検出素子はＰＳＤに限らない。ＰＳＤは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やアレイ型ＰＭＴ（Photomultiplier Tube）等の位置検出が可能な他の素子に置き換えてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１  走査型内視鏡システム
１００  走査型プローブ
２００  プロセッサ
２４４  ＰＳＤ
【図１】
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【図２】
2012147831.tif 000004
【図３】
2012147831.tif 000005
【図４】
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【図５】
2012147831.tif 000007
【図６】
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