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WO2017163361A1 - 光走査装置および走査型内視鏡 - Google Patents

光走査装置および走査型内視鏡 Download PDF

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WO2017163361A1
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WO
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frequency
resonance frequency
drive
optical fiber
resonance
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篤義 嶋本
聡一郎 小鹿
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Corp
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    • G02B2006/0098Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings for scanning

Definitions

  • the present invention relates to an optical scanning device and a scanning endoscope.
  • the resonance frequency of the optical scanning unit fluctuates due to changes in the usage environment (temperature changes in the vicinity of the optical scanning unit, heat treatment such as sterilization processing), so the scanning trajectory fluctuates and the image is distorted. In addition to this, there is an inconvenience that the scanning range changes and the viewing angle changes.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides an optical scanning device and a scanning endoscope that can reduce fluctuations in a scanning range even if resonance frequencies fluctuate due to changes in usage environment or the like. It is intended to provide.
  • An aspect of the present invention includes an optical fiber that guides light from a light source and emits the light from a tip, and a drive unit that vibrates the tip of the optical fiber at a drive frequency in a direction intersecting the longitudinal axis of the optical fiber.
  • a resonance frequency detector that detects a resonance frequency of the tip of the optical fiber, and a drive that adjusts the drive frequency so that a ratio between the resonance frequency detected by the resonance frequency detector and the drive frequency is constant.
  • An optical scanning device including a frequency adjustment unit.
  • the resonance frequency detection unit detects the resonance frequency of the tip of the optical fiber
  • the drive frequency adjustment unit uses the detected resonance frequency so that the ratio between the resonance frequency and the drive frequency is constant. Is adjusted.
  • the scanning trajectory of light emitted from the tip of the optical fiber is maintained constant even when the resonance frequency varies due to a change in the use environment, and it is possible to prevent the scanning range from varying.
  • the drive unit may drive the tip of the optical fiber in two directions orthogonal to each other, and the resonance frequency detection unit may detect the resonance frequency in at least one drive direction.
  • the resonance frequencies in the two drive directions are substantially equal, only the resonance frequency in one drive direction can be detected and used to adjust the drive frequency in the two directions.
  • the fluctuation of the resonance frequency in one direction is small, only the resonance frequency in the other direction can be detected and only the driving frequency in the other direction can be adjusted.
  • the resonance frequency detection unit detects the resonance frequencies in two drive directions
  • the drive frequency adjustment unit has the two resonance frequencies detected by the resonance frequency detection unit
  • the drive frequency may be adjusted so that the ratio between the drive frequency and the resonance frequency in the drive direction corresponding to the resonance frequency on the side where the drive frequency ratio is close to 1 is constant.
  • the drive frequency in the direction is adjusted by the drive frequency adjusting unit.
  • the closer the ratio between the drive frequency and the resonance frequency the greater the fluctuation in amplitude associated with the fluctuation in the resonance frequency. Therefore, by adjusting the drive frequency in the drive direction where the ratio between the drive frequency and the resonance frequency is close to 1, The fluctuation of the scanning locus can be suppressed by suppressing the fluctuation of the amplitude.
  • the storage device stores a preset reference resonance frequency and reference drive frequency or a value of these ratios
  • the drive frequency adjustment unit detects the resonance detected by the resonance frequency detection unit.
  • the drive frequency may be adjusted so that the ratio between the frequency and the drive frequency is equal to the ratio value stored in the storage unit.
  • the drive frequency adjusting unit may be configured such that a difference between the resonance frequency detected by the resonance frequency detection unit and a reference resonance frequency stored in the storage unit exceeds a predetermined threshold.
  • the drive frequency may be adjusted. In this way, the drive frequency is adjusted only when the resonance frequency fluctuates beyond a predetermined threshold with respect to the reference resonance frequency, and the drive frequency is sequentially adjusted by minute fluctuations in the resonance frequency. Can be prevented.
  • Another aspect of the present invention is a scanning endoscope including the optical scanning device.
  • the present invention it is possible to reduce fluctuations in the scanning range even if the resonance frequency fluctuates due to changes in the use environment or the like.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a scanning endoscope according to an embodiment of the present invention. It is a perspective view which shows the optical scanning device which concerns on one Embodiment of this invention with which the scanning endoscope of FIG. 1 is equipped. It is a block diagram explaining the drive control part with which the optical scanning device of FIG. 2 is equipped. It is a figure which shows an example of the scanning locus
  • FIG. 6B is a diagram showing an example of the image of the subject in FIG. 6A acquired by the scanning endoscope of FIG. 1 operating at a reference resonance frequency and a reference driving frequency adjusted in advance. It is a figure which shows the example of a to-be-photographed object of FIG. 6A at the time of fixing and fixing a drive frequency, even if a resonant frequency fluctuates. It is a figure which shows the example of a to-be-photographed object of FIG. A which fixed the drive frequency and adjusted the angle of view with the drive voltage. It is a figure which shows the example of a to-be-photographed object of FIG.
  • FIG. 6A acquired when a drive frequency is adjusted so that the ratio of the drive frequency with respect to a resonance frequency may become fixed. It is a figure which shows an example of the sampling point in the case of detecting with a predetermined sampling frequency. It is a figure which shows an example of the sampling point in the case of adjusting so that a drive frequency may be reduced and detecting with the same sampling frequency as FIG. 7A. It is a figure which shows the frequency characteristic in case the frequency difference of the resonant frequency of two directions is greatly different from the original, and the frequency fluctuation amount of each direction differs greatly. It is a figure which shows a frequency characteristic in case the variation
  • a scanning endoscope 1 scans an object A with illumination light (for example, excitation light) from a light source 2, and an optical scanning device according to an embodiment of the present invention. 3, a light detection unit 4 that detects light (for example, reflected light or fluorescence from the surface of the subject A), and an image of the subject A based on the intensity of the light detected by the light detection unit 4.
  • the optical scanning device 3 guides illumination light from the light source 2 and emits it from the tip, and vibrates the tip of the optical fiber 7 in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the optical fiber 7. And a drive control unit 9 for controlling the drive unit 8. Further, the optical scanning device 3 according to the present embodiment drives the drive unit 8 with the resonance frequency (reference resonance frequency) of the tip of the optical fiber 7 adjusted to the state at the time of factory shipment or when the device is initialized.
  • a storage unit 10 is provided for storing drive frequencies (reference drive frequencies).
  • the drive unit 8 includes a cylindrical vibration transmission member 11 that supports the optical fiber 7 in a state where the optical fiber 7 is penetrated at a position away from the tip of the optical fiber 7, and the vibration transmission member.
  • 11 is provided with four piezoelectric elements 12a and 12b bonded to the outer surface at equal intervals in the circumferential direction.
  • the vibration transmitting member 11 is made of a conductive metal material, and as shown in FIG. 1, as shown in FIG. 1, a through hole 14 that can penetrate the optical fiber 7 along the longitudinal axis of a regular rectangular column having a circular flange portion 13 at one end. And is fixed to the outer cylinder member 15 by the flange portion 13.
  • the piezoelectric elements 12a and 12b are formed in a flat plate shape having electrodes provided on both end surfaces in the thickness direction, and are fixed in a state where one electrode is in electrical contact with each side surface of the regular quadrangular prism portion of the vibration transmitting member 11. Has been.
  • the two pairs of piezoelectric elements 12a and 12b arranged at positions facing each other with the optical fiber 7 interposed therebetween are arranged such that their polarization directions are directed in the same direction.
  • An alternating voltage having the same phase is supplied to the piezoelectric elements 12a and 12b arranged at positions facing each other with the optical fiber 7 interposed therebetween.
  • the drive control unit 9 includes a control unit (drive frequency adjustment unit) 16 that outputs a control signal and a DDS (digital direct synthesis transmission) for driving the piezoelectric elements 12 a and 12 b of the drive unit 8.
  • Each DDS 17a, 17b receives a control signal from the control unit 16 and generates a digital drive signal.
  • These digital drive signals are converted into analog signals by DACs 18a and 18b, amplified by amplifiers 19a and 19b, and drive piezoelectric elements 12a and 12b.
  • the drive control unit 9 includes a resonance frequency detection unit 20 that detects a resonance frequency at the tip of the optical fiber 7.
  • the resonance frequency detection unit 20 is a digital signal that includes a current detection circuit 21a and a voltage detection circuit 22a provided on a circuit from the amplifier 19a toward the piezoelectric element 12a, and current signals and voltage signals detected by these circuits 21a and 22a.
  • a current detection circuit 21b, a voltage detection circuit 22b, and ADCs 23 and 24 are provided on the circuit from the amplifier 19b to the piezoelectric element 12b.
  • the resonance frequency detector 20 detects the resonance frequency of the vibration of the optical fiber 7 at an appropriate time such as when the scanning endoscope 1 is started.
  • the drive control unit 9 applies the two phases of the piezoelectric elements 12a and 12b with a phase difference of 90 ° while changing the amplitude of the alternating voltage oscillating at the drive frequency in a sine wave shape. Accordingly, the two pairs of piezoelectric elements 12a and 12b drive the optical fiber 7 in two directions (X direction and Y direction) orthogonal to each other.
  • the optical fiber 7 is bent in two directions orthogonal to each other due to the bending vibration of each pair of piezoelectric elements 12a and 12b. As shown in FIG. 4, the tip of 7 is displaced in a spiral shape, and the illumination light emitted from the tip of the optical fiber 7 is scanned in a spiral shape.
  • reference numeral 26 denotes a condenser lens.
  • the optical fiber 7 is, for example, a single mode fiber.
  • the drive control unit 9 sends information indicating the scanning position of the illumination light to the image processing unit 5.
  • the light detection unit 4 includes one or more light receiving optical fibers 27 that receive light generated in the subject A at the tip, and a light detection such as a photomultiplier tube that detects light received by the light receiving optical fiber 27. Instrument 28.
  • a plurality of light receiving optical fibers 27 of the light detection unit 4 are arranged in the circumferential direction outside the outer cylinder member 15.
  • the light receiving optical fiber 27 is, for example, a multimode fiber.
  • the image processing unit 5 associates each scanning position of the illumination light by the optical scanning device 3 with the intensity of light detected by the photodetector 28 when the illumination light is irradiated to each scanning position, and displays an image. It is designed to generate. The generated image is displayed on the monitor 6.
  • control unit 16 of the drive control unit 9 calculates the resonance frequency calculated by the resonance frequency calculation unit 25, the reference resonance frequency and the reference drive frequency stored in the storage unit 10. Based on the above, the drive frequency is calculated. The control unit 16 calculates the drive frequency so that the ratio of the detected resonance frequency to the drive frequency matches the ratio of the reference resonance frequency to the reference drive frequency.
  • the optical scanning device 3 and the scanning endoscope 1 according to the present embodiment configured as described above will be described below.
  • the distal end of the scanning endoscope 1 is inserted into the body and observed as shown in FIG. Opposite the tissue (subject) A to be attempted.
  • illumination light is generated in the light source 2 and the drive unit 8 is driven by the drive control unit 9.
  • the illumination light from the light source 2 guided by the optical fiber 7 is emitted from the tip of the optical fiber 7 toward the tissue A, and is scanned in a spiral shape by vibration of the tip of the optical fiber 7, for example. Is done.
  • the light generated at each scanning position of the tissue A is scattered in all directions, but a part of the backscattered light that is scattered back in the tissue A is received by the light detection unit 4.
  • Light is received by the tip of the optical fiber 27, and its intensity is detected by the photodetector 28.
  • the light detected by the photodetector 28 is sent to the image processing unit 5. Since the information indicating the scanning position of the illumination light is sent from the drive control section 9 to the image processing section 5, the light intensity detected by the light detector 28 is associated with the information indicating the scanning position.
  • an image is generated. The generated image is displayed on the monitor 6.
  • the resonance frequency is detected by the resonance frequency detection unit 20 at an appropriate time such as at the time of start-up, and based on the resonance frequency detected by the control unit 16.
  • an appropriate driving frequency is set based on the fluctuating resonance frequency.
  • the drive frequency is set to a frequency different from the resonance frequency.
  • the resonance frequency is shifted as indicated by the chain line due to a change in the use environment or the like, the amplitude of vibration varies if the drive frequency is fixed.
  • the amplitude of the tip of the optical fiber 7 and the phase delay of the vibration are expressed by the following equation (1). It is expressed as shown in
  • fd is the drive frequency
  • fr is the resonance frequency
  • hd is the amplitude of the tip of the optical fiber 7 at the drive frequency fd
  • hmax is the amplitude of the tip of the optical fiber 7 at the resonance frequency fr
  • Q is the Q value of vibration
  • ⁇ d is the phase delay of the vibration of the tip of the optical fiber 7 at the drive frequency.
  • the amplitude of the tip of the optical fiber 7 and the phase delay of the vibration at the drive frequency are determined by the ratio of the drive frequency and the resonance frequency.
  • the resonance frequency is detected and the drive frequency is adjusted so that the ratio is constant. Therefore, the amplitude and vibration of the tip of the optical fiber 7 at the drive frequency are adjusted. Therefore, the illumination light can be scanned without changing the trajectory.
  • FIG. 6A when the scanning range indicated by the broken line of the subject A shown in FIG. 6A is searched by the reference resonance frequency and the reference driving frequency adjusted to the state at the time of factory shipment or when the apparatus is initialized, FIG.
  • the drive frequency is fixed and the resonance frequency changes as shown in FIG. 5 due to the change in the use environment, the amplitude of the tip of the optical fiber 7 is reduced, and the scanning range is increased. to shrink.
  • FIG. 6C the angle of view becomes narrow and a distorted image is acquired.
  • the angle of view can be secured as shown in FIG. 6D, but the image remains distorted. It becomes.
  • the scanning trajectory does not vary by adjusting the driving frequency so that the ratio of the driving frequency and the resonance frequency is constant. As shown, it is possible to acquire an image in which the angle of view does not vary and distortion is small.
  • the optical scanning device 3 and the scanning endoscope 1 according to the present embodiment, even when the resonance frequency varies due to variations in the usage environment or the like, the variation in the angle of view and the generation of distortion are effectively performed. There is an advantage that it can be suppressed. Further, when the amplitude hmax of the tip of the optical fiber 7 at the time of resonance also fluctuates simultaneously, the amplitude hd of the tip of the optical fiber 7 at the drive frequency fd is proportional to hmax from Equation 1, so that the fluctuation amount of hmax is detected. It is preferable to adjust the drive voltage V so that the ratio of the drive frequency and the resonance frequency is constant while adjusting the drive voltage V in proportion to the variation. In order to detect the fluctuation amount of hmax, for example, since it is proportional to the fluctuation amount of the current value output from the ADCs 23 and 24 in FIG. 3, the proportional multiple is used as the detection value, and the drive voltage V may be adjusted.
  • the driving unit 8 drives the optical fiber 7 in two directions orthogonal to each other, fluctuations in the resonance frequency may occur in each driving direction.
  • the resonance frequency detector 20 detects only the resonance frequency of the vibration in one direction and calculates the single May be applied to driving in two directions.
  • the resonance frequency in both directions is detected, and the single drive frequency is adjusted so that the ratio between the drive frequency and the resonance frequency in both directions does not fluctuate as much as possible. Also good.
  • the calculation method of the driving frequency may be based on the following formula 2.
  • fd is the reference drive frequency
  • fd ′ is the new drive frequency
  • fx is a reference resonance frequency in the X direction
  • fx ′ is the resonance frequency after fluctuation in the X direction
  • fy is the reference resonance frequency in the Y direction
  • fy ′ is the resonance frequency after fluctuation in the Y direction.
  • the ratio between the drive frequency and the resonance frequency when the frequency difference between the resonance frequencies in the two directions is greatly different from the original, and the amount of frequency fluctuation in each direction is greatly different, the ratio between the drive frequency and the resonance frequency. It is also possible to detect only fluctuations in the resonance frequency in the vibration direction on the side close to 1, and adjust only the drive frequency of vibration in that direction. As shown in FIG. 8A, the slope of the amplitude frequency characteristic graph at the original drive frequency fd is larger in the vibration direction (Y direction) on the side where the ratio is close to 1. For this reason, when the drive frequency and the resonance frequency are close, if the drive frequency is fixed, the amplitude greatly fluctuates due to the fluctuation of the resonance frequency. Therefore, in such a case, it is more effective to keep the ratio between the resonance frequency in the Y direction and the drive frequency constant so that the amplitude fluctuation in the X direction can be suppressed.
  • the drive frequency may be adjusted when the amount of fluctuation of the resonance frequency is greater than a predetermined threshold. In this way, the drive frequency is adjusted only when the resonance frequency fluctuates beyond a predetermined threshold with respect to the reference resonance frequency, and the drive frequency is sequentially adjusted by minute fluctuations in the resonance frequency. Can be prevented.
  • the resonance frequency and the driving frequency at the time of factory shipment, etc. are illustrated as the reference resonance frequency and the reference driving frequency. Instead, the resonance frequency and the driving frequency adjusted at an arbitrary time are used as the reference resonance frequency and the reference driving frequency. It is good.
  • the scanning trajectory does not change, but the scanning speed changes. Therefore, when the detected sampling frequency is constant, the sampled scanning is performed. The position varies. When the new driving frequency becomes smaller than the reference driving frequency, the scanning speed becomes slow. Therefore, if the detected sampling frequency is constant, the number of sampling points on the scanning locus increases as shown in FIGS. 7A to 7B. .
  • any one of the following three processes may be adopted.
  • the first method is to update the sampling frequency as the drive frequency is changed.
  • the sampling frequency fs ′ may be changed so that the ratio between the adjusted drive frequency fd ′ and the sampling frequency fs ′ matches the ratio between the reference sampling frequency fs and the reference drive frequency fd at the time of factory shipment.
  • image distortion may be corrected using a function of distortion correction amount adjusted based on the shape of the column.
  • the resonance frequency detection unit 20 detects the resonance frequency from the phase difference between the current and voltage applied to the piezoelectric elements 12a and 12b. Instead, the resonance frequency detection unit 20 detects the resonance frequency from the piezoelectric elements 12a and 12b. By measuring the applied current while sweeping the frequency, the frequency characteristic of the current value is acquired, and by detecting the frequency at the extreme value of the acquired frequency characteristic, the value of the resonance frequency at the tip of the optical fiber 7 is determined. You may decide to measure.
  • a spiral trajectory is used as the scanning trajectory, but the scanning trajectory is not limited to this, and may be another shape, for example, a raster shape or a Lissajous shape.
  • the condition is that the frame rate is equal to the magnitude of the difference between the driving frequency in the X direction and the driving frequency in the Y direction.
  • control is performed so that the value obtained by dividing the drive frequency in the X direction by the resonance frequency in the X direction is made constant and the value obtained by dividing the drive frequency in the Y direction by the resonance frequency in the Y direction is made constant, Therefore, it is possible to suppress the occurrence of image distortion.
  • an electromagnetic type in which a magnet attached to the optical fiber 7 is vibrated by an electromagnetic coil may be used, or another type may be used.

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Abstract

使用環境の変化等により共振周波数が変動しても走査範囲の変動を低減することを目的として、本発明に係る光走査装置(1)は、光源(2)からの光を導光し先端から射出する光ファイバ(7)と、光ファイバ(7)の先端を、光ファイバ(7)の長手軸に交差する方向に、駆動周波数で振動させる駆動部(8)と、光ファイバ(7)の先端の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、共振周波数検出部により検出された共振周波数と駆動周波数との比が一定となるように駆動周波数を調節する駆動周波数調節部とを備える。

Description

光走査装置および走査型内視鏡
 本発明は、光走査装置および走査型内視鏡に関するものである。
 光源からの光を導光する光ファイバの射出端を共振によって振動させて、射出端から射出される光を被写体において2次元的に走査させ、被写体の各走査位置から戻る光を受光することにより画像を取得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。)。
 この走査型内視鏡では、PSD(Position Sensor Device)等の走査位置検出デバイスを用いて、予め走査軌跡の座標値を取得し、それをルックアップテーブルとして画素に割り当てることで画像の歪みを補正している。
特表2008-514342号公報
 走査型内視鏡では、使用環境の変化(光走査部近傍の温度変化や滅菌処理等の熱処理等)によって、光走査部の共振周波数が変動するため、走査軌跡が変動して画像に歪みが発生するとともに、走査範囲が変動して視野角が変化してしまうという不都合がある。
 本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、使用環境の変化等により共振周波数が変動しても走査範囲の変動を低減することができる光走査装置および走査型内視鏡を提供することを目的としている。
 本発明の一態様は、光源からの光を導光し先端から射出する光ファイバと、該光ファイバの先端を、該光ファイバの長手軸に交差する方向に、駆動周波数で振動させる駆動部と、前記光ファイバの先端の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、該共振周波数検出部により検出された前記共振周波数と前記駆動周波数との比が一定となるように前記駆動周波数を調節する駆動周波数調節部とを備える光走査装置である。
 本態様によれば、光源からの光を光ファイバに入射させ、駆動部の作動によって光ファイバの先端を駆動周波数で振動させると、光ファイバ内を導光されてきて先端から射出される光が2次元的に走査される。この場合において、共振周波数検出部により光ファイバの先端の共振周波数が検出され、検出された共振周波数を用いて、共振周波数と駆動周波数との比が一定となるように駆動周波数調節部により駆動周波数が調節される。
 その結果、使用環境の変化により共振周波数が変動しても光ファイバの先端から射出される光の走査軌跡が一定に維持され、走査範囲が変動することを防止することができる。
 上記態様においては、前記駆動部が、前記光ファイバの先端を相互に直交する2方向に駆動し、前記共振周波数検出部が、少なくとも一方の駆動方向の前記共振周波数を検出してもよい。
 このようにすることで、2方向の駆動方向の共振周波数がほぼ同等である場合に、一方の駆動方向の共振周波数のみを検出して、2方向の駆動周波数の調節に使用することができる。また、一方向の共振周波数の変動が小さい場合に、他方向の共振周波数のみを検出して当該他方向の駆動周波数のみ調節することができる。
 また、上記態様においては、前記共振周波数検出部が、2つの駆動方向の前記共振周波数を検出し、前記駆動周波数調節部が、前記共振周波数検出部により検出された2つの前記共振周波数の内、前記駆動周波数との比が1に近い側の前記共振周波数に対応する駆動方向の前記共振周波数と前記駆動周波数との比が一定となるように前記駆動周波数を調節してもよい。
 このようにすることで、駆動周波数と共振周波数との比が1に近い側の駆動方向の共振周波数が変動しても、駆動周波数調節部によって当該方向の駆動周波数が調節される。駆動周波数と共振周波数との比が近いほど、共振周波数の変動に伴う振幅の変動が大きくなるため、駆動周波数と共振周波数との比が1に近い側の駆動方向の駆動周波数を調節することにより、振幅の変動を抑えて、走査軌跡の変動を抑制することができる。
 また、上記態様においては、予め設定された基準共振周波数および基準駆動周波数またはこれらの比の値を記憶する記憶部を備え、前記駆動周波数調節部が、前記共振周波数検出部により検出された前記共振周波数と前記駆動周波数との比が、前記記憶部に記憶されている比の値に等しくなるように前記駆動周波数を調節してもよい。
 このようにすることで、共振周波数が変動した場合に、例えば、工場出荷時等に予め設定された基準共振周波数と基準駆動周波数との比を保持するように、駆動周波数が調節されるので、基準共振周波数および基準駆動周波数によって実現されていた走査軌跡の変動を防止することができる。
 また、上記態様においては、前記駆動周波数調節部は、前記共振周波数検出部により検出された前記共振周波数と前記記憶部に記憶されている基準共振周波数との差分が所定の閾値を超えたときに、前記駆動周波数を調節してもよい。
 このようにすることで、共振周波数が基準共振周波数に対して所定の閾値を超えて変動した場合のみに駆動周波数の調節を行うこととして、共振周波数の微細変動によって駆動周波数が逐次調節されることを防止することができる。
 本発明の他の態様は、上記光走査装置を備える走査型内視鏡である。
 本発明によれば、使用環境の変化等により共振周波数が変動しても走査範囲の変動を低減することができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る走査形内視鏡を示す全体構成図である。 図1の走査型内視鏡に備えられる本発明の一実施形態に係る光走査装置を示す斜視図である。 図2の光走査装置に備えられる駆動制御部を説明するブロック図である。 図2の光走査装置による照明光の走査軌跡の一例を示す図である。 図2の光走査装置の光ファイバの振動の振幅の周波数特性の一例を示す図である。 図1の走査型内視鏡により観察する被写体例を示す図である。 予め調整された基準共振周波数および基準駆動周波数にて動作する図1の走査型内視鏡により取得された図6Aの被写体の画像例を示す図である。 共振周波数が変動しても駆動周波数を固定して観察した場合の図6Aの被写体の画像例を示す図である。 駆動周波数を固定し駆動電圧によって画角を調節した図Aの被写体の画像例を示す図である。 共振周波数に対する駆動周波数の比が一定になるように駆動周波数を調節した場合に取得される図6Aの被写体の画像例を示す図である。 所定のサンプリング周波数で検出する場合のサンプリング点の一例を示す図である。 駆動周波数を低下させるように調節し、図7Aと同じサンプリング周波数で検出する場合のサンプリング点の一例を示す図である。 2方向の共振周波数の周波数差が元から大きく異なっており、各方向の周波数変動量が大きく異なる場合の周波数特性を示す図である。 駆動周波数と共振周波数との比が1から遠い側の振動方向の共振周波数の変動量がもう一方に比べて極端に大きい場合の周波数特性を示す図である。
 以下、本発明の一実施形態に係る走査型内視鏡1について、図面を参照して以下に説明する。
 本実施形態に係る走査型内視鏡1は、図1に示されるように、光源2からの照明光(例えば、励起光)を被写体Aにおいて走査させる本発明の一実施形態に係る光走査装置3と、被写体Aにおいて発生した光(例えば、被写体A表面の反射光や、蛍光)を検出する光検出部4と、該光検出部4により検出された光の強度に基づいて被写体Aの画像を生成する画像処理部(画像生成部)5と、生成された画像を表示するモニタ6とを備えている。
 本実施形態に係る光走査装置3は、光源2からの照明光を導光し、先端から射出させる光ファイバ7と、該光ファイバ7の先端を光ファイバ7の長手軸に直交する方向に振動させる駆動部8と、該駆動部8を制御する駆動制御部9とを備えている。また、本実施形態に係る光走査装置3は、工場出荷時や装置を初期化したときの状態に調節された光ファイバ7の先端の共振周波数(基準共振周波数)と、駆動部8を駆動する駆動周波数(基準駆動周波数)とをそれぞれ記憶する記憶部10を備えている。
 駆動部8は、図2に示されるように、光ファイバ7の先端から所定距離を空けた位置において光ファイバ7を貫通させた状態に支持する筒状の振動伝達部材11と、該振動伝達部材11の外面に周方向に等間隔をおいて接着された4つの圧電素子12a,12bとを備えている。
 振動伝達部材11は、導電性の金属材料からなり、図1に示されるように、一端に円形のフランジ部13を有する正四角柱の長手軸に沿って、光ファイバ7を貫通可能な貫通孔14が形成された形状を有し、フランジ部13によって外筒部材15に固定されている。
 圧電素子12a,12bは、厚さ方向の両端面に電極が設けられた平板状に形成され、一方の電極を振動伝達部材11の正四角柱部分の各側面に電気的に接触させた状態で固定されている。光ファイバ7を挟んで対向する位置に配置される2対の圧電素子12a,12bは、それらの分極方向が、同一の方向に向かうように配置されている。光ファイバ7を挟んで対向する位置に配置されている圧電素子12a,12bには、同一位相の交番電圧が供給されるようになっている。
 駆動制御部9は、図3に示されるように、制御信号を出力する制御部(駆動周波数調節部)16と、駆動部8の圧電素子12a,12bを駆動するためのDDS(デジタル直接合成発信器)17a,17bと、DAC(デジタル-アナログ変換器)18a,18bと、増幅器19a,19bとを備えている。各DDS17a,17bはそれぞれ、制御部16からの制御信号を受信してデジタル駆動信号を生成するようになっている。これらのデジタル駆動信号はDAC18a,18bによってアナログ信号に変換され、増幅器19a,19bで増幅され圧電素子12a,12bを駆動するようになっている。
 また、駆動制御部9は、光ファイバ7の先端の共振周波数を検出する共振周波数検出部20を備えている。
 共振周波数検出部20は、増幅器19aから圧電素子12aに向かう回路上に設けられた電流検出回路21aおよび電圧検出回路22aと、これらの回路21a,22aにより検出された電流信号および電圧信号をデジタル信号に変換するADC(アナログ-デジタル変換器)23,24と、2つのADC23,24の出力の位相差から後述するX方向の振動の共振周波数を算出する共振周波数算出部25とを備えている。なお、後述するY方向の振動の共振周波数についても同様に、増幅器19bから圧電素子12bに向かう回路上に、電流検出回路21b、電圧検出回路22b、および図示しないADC23,24が設けられている。
 共振周波数検出部20は、走査型内視鏡1の起動時等の適時に、光ファイバ7の振動の共振周波数を検出するようになっている。
 また、駆動制御部9は、2対の圧電素子12a,12bに、駆動周波数で振動する交番電圧の振幅を正弦波状に変化させながら、位相を90°異ならせて印加するようになっている。これにより、2対の圧電素子12a,12bは、光ファイバ7を相互に直交する2方向(X方向およびY方向)に駆動するようになっている。
 すなわち、各対の圧電素子12a,12bに交番電圧を印加することにより、各対の圧電素子12a,12bの屈曲振動によって相互に直交する2方向に光ファイバ7を湾曲させ、それによって、光ファイバ7の先端を図4に示されるように、渦巻き状に変位させて、光ファイバ7の先端から射出させた照明光を渦巻き状に走査させるようになっている。
 図1中、符号26は集光レンズである。光ファイバ7は、例えば、シングルモードファイバである。
 また、駆動制御部9は、照明光の走査位置を示す情報を画像処理部5に送るようになっている。
 光検出部4は、被写体Aにおいて発生した光を先端において受光する1以上の受光用光ファイバ27と、該受光用光ファイバ27により受光された光を検出する光電子増倍管のような光検出器28とを備えている。
 本実施形態においては、光検出部4の受光用光ファイバ27は、外筒部材15の外部に周方向に配列されて複数配置されている。受光用光ファイバ27は、例えば、マルチモードファイバである。
 画像処理部5は、光走査装置3による照明光の各走査位置と、各該走査位置に照明光が照射されたときに光検出器28によって検出された光の強度とを対応づけて画像を生成するようになっている。生成された画像はモニタ6に表示されるようになっている。
 本実施形態に係る光走査装置3においては、駆動制御部9の制御部16が、共振周波数算出部25により算出された共振周波数と、記憶部10に記憶されている基準共振周波数および基準駆動周波数とに基づいて、駆動周波数を算出するようになっている。制御部16は、検出された共振周波数と駆動周波数との比が、基準共振周波数と基準駆動周波数との比に一致するように、駆動周波数を算出するようになっている。
 このように構成された本実施形態に係る光走査装置3および走査型内視鏡1の作用について、以下に説明する。
 本実施形態に係る走査型内視鏡1を用いて患者の体内の組織Aの観察を行うには、図1に示されるように、走査型内視鏡1の先端を体内に挿入して観察しようとする組織(被写体)Aに対向させる。
 この状態で、光源2において照明光を発生させ、駆動制御部9により駆動部8を駆動する。これにより、光ファイバ7によって導光された光源2からの照明光が、光ファイバ7の先端から組織Aに向けて射出されるとともに、光ファイバ7の先端の振動によって、例えば、渦巻き状に走査される。
 照明光が走査されることにより、組織Aの各走査位置において発生した光は、全方向に散乱するが、組織Aにおいて散乱して戻る後方散乱光の一部が、光検出部4の受光用光ファイバ27の先端によって受光され、光検出器28によりその強度が検出される。光検出器28により検出された光は、画像処理部5に送られる。画像処理部5には、駆動制御部9から照明光の走査位置を示す情報が送られてきているので、光検出器28により検出された光の強度と走査位置を示す情報とを対応づけて記憶することにより、画像が生成される。生成された画像はモニタ6に表示される。
 この場合において、本実施形態に係る走査型内視鏡1によれば、起動時等の適時に共振周波数検出部20により共振周波数の検出が行われ、制御部16によって検出された共振周波数に基づいて駆動周波数が調節される。したがって、温度等の使用環境の変化や、滅菌処理等による温度上昇に伴って光ファイバ7の先端の共振周波数が変動しても、変動した共振周波数に基づいて適切な駆動周波数が設定される。
 すなわち、本実施形態においては、図5に示されるように、共振周波数とは異なる周波数に駆動周波数を設定する。これにより、うず巻き状の軌跡の中心近傍において軌跡が存在しない中抜けを軽減している。この場合に、使用環境の変化等によって共振周波数が鎖線に示されるようにずれた場合、駆動周波数を固定していると、振動の振幅が変動することになる。
 振動が理想的である場合、すなわち、非線形振動ではない場合であって、かつ、振動のQ値の経時変化が小さい場合には、光ファイバ7の先端の振幅および振動の位相遅れは、数1に示されるように表現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、
fdは駆動周波数、
frは共振周波数、
hdは、駆動周波数fdにおける光ファイバ7の先端の振幅、
hmaxは、共振周波数frにおける光ファイバ7の先端の振幅、
Qは振動のQ値、
θdは、駆動周波数における光ファイバ7の先端の振動の位相遅れ
である。
Q値は、光ファイバ7の振動の減衰係数ξを用いてQ=1/(2ξ)とも表せる。
 数1から明らかなように、駆動周波数における光ファイバ7の先端の振幅および振動の位相遅れは、駆動周波数と共振周波数との比によって決定されている。本実施形態においては、共振周波数が変動しても、該共振周波数を検出して、比が一定となるように駆動周波数を調節しているので、駆動周波数における光ファイバ7の先端の振幅および振動の位相遅れは変化せず、軌跡が変化することなく照明光を走査させることができる。
 すなわち、工場出荷時や装置を初期化したときの状態に調整された基準共振周波数および基準駆動周波数によって、図6Aに示される被写体Aの破線で示される走査範囲を捜査したときに、図6Bに示される画像が取得される場合に、駆動周波数が固定されていて、使用環境の変動によって共振周波数が図5に示されるように変化すると、光ファイバ7の先端の振幅が小さくなって走査範囲が縮小する。その結果、図6Cに示されるように画角が狭くなるとともに、歪んだ画像が取得される。
 この場合に、光ファイバ7の先端の振幅を戻す対策として、駆動電圧を増大させる方法を採用すると、図6Dに示されるように画角を確保することはできるが、画像は歪んだままの状態となる。
 これに対して、本実施形態に係る光走査装置3のように、駆動周波数と共振周波数との比が一定となるように駆動周波数を調節することで、走査軌跡が変動しないので、図6Eに示されるように、画角が変動せず、歪みも少ない画像を取得することができる。
 このように、本実施形態に係る光走査装置3および走査型内視鏡1によれば、使用環境等の変動によって共振周波数が変動しても、画角の変動および歪みの発生を効果的に抑制することができるという利点がある。
 また、共振時の光ファイバ7の先端の振幅hmaxも、同時に変動する場合、数1より、駆動周波数fdにおける光ファイバ7の先端の振幅hdはhmaxに比例するので、hmaxの変動量を検出し、その変動分に比例させて、駆動電圧Vを調節し、且つ、駆動周波数と共振周波数との比が一定となるように駆動周波数を調節することが好ましい。
 hmaxの変動量を検出するには、例えば、図3のADC23,24で出力される電流値の変動量に比例するので、その比例倍数を検出値とし、駆動電圧Vを調節すればよい。
 なお、本実施形態においては、駆動部8が光ファイバ7を相互に直交する2方向に駆動するため、駆動方向毎に共振周波数の変動が発生する場合がある。
 2方向の振動の共振周波数の変動が大きく異ならず、かつ、周波数特性が同等である場合には、共振周波数検出部20が一方向の振動の共振周波数のみを検出して、算出される単一の駆動周波数を2方向の駆動に適用してもよい。
 また、2方向の共振周波数の変動が略同等である場合に、両方向の共振周波数を検出し、両方向の駆動周波数と共振周波数との比ができるだけ変動しないように単一の駆動周波数を調節してもよい。駆動周波数の計算方法は、以下の数2によればよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、
fdは基準駆動周波数、
fd′は新たな駆動周波数、
fxはX方向の基準共振周波数、
fx′はX方向の変動後の共振周波数、
fyはY方向の基準共振周波数、
fy′はY方向の変動後の共振周波数
である。
 また、図8Aに示すように、2方向の共振周波数の周波数差が元から大きく異なっており、且つ、各方向の周波数変動量が大きく異なっている場合には、駆動周波数と共振周波数との比が1に近い側の振動方向の共振周波数の変動のみを検出して、当該方向の振動の駆動周波数のみを調節することにしてもよい。図8Aの通り、元の駆動周波数fdにおける、振幅の周波数特性のグラフの傾きは、比が1に近い側の振動方向(Y方向)の方が大きい。この為、駆動周波数と共振周波数とが近い場合、駆動周波数を固定すると、共振周波数の変動によって振幅が大きく変動する。よって、このような場合は、Y方向の共振周波数と駆動周波数との比を一定に保持する方が、X方向の振幅変動を抑えることができ、効果的である。
 図8Bに示すように、駆動周波数と共振周波数との比が1から遠い側の振動方向の共振周波数の変動量がもう一方に比べ、極端に大きくなる場合も想定されるが、実際は、このような状況は生まれにくく、比が1に近い側の振動方向の共振周波数の変動を考慮すればよい。
 そして、この場合には、数3に示される新たな電圧Vx′,Vy′を印加することが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 また、本実施形態においては、共振周波数の変動量が所定の閾値より大きい場合に駆動周波数を調節することにしてもよい。
 このようにすることで、共振周波数が基準共振周波数に対して所定の閾値を超えて変動した場合のみに駆動周波数の調節を行うこととして、共振周波数の微細変動によって駆動周波数が逐次調節されることを防止することができる。
 また、基準共振周波数および基準駆動周波数として工場出荷時等の共振周波数および駆動周波数を例示したが、これに代えて、任意の時点で調節された共振周波数および駆動周波数を基準共振周波数および基準駆動周波数としてもよい。
 また、駆動周波数と共振周波数との比が一定となるように駆動周波数を変更する場合、走査軌跡は変動しないが走査速度が変化するので、検出サンプリング周波数が一定の場合には、サンプリングされる走査位置は変動する。基準駆動周波数に対して新たな駆動周波数が小さくなる場合、走査速度が遅くなるので、検出サンプリング周波数が一定ならば、走査軌跡上のサンプリング点数は、図7Aから図7Bに示されるように増加する。
 工場出荷時等に基準共振周波数および基準駆動周波数を設定した上で、キャリブレーションデータによって位相の遅れ量をゼロに設定している場合には、駆動周波数を変更することによってサンプリング点数が増加すると、同じキャリブレーションデータをそのまま使用することができなくなる。
 そこで、そのような場合には、以下の3つの処理のいずれかを採用すればよい。
 1つ目は、駆動周波数の変更に伴ってサンプリング周波数も更新する方法である。
 調節後の駆動周波数fd′とサンプリング周波数fs′との比が、工場出荷時等の基準サンプリング周波数fsと基準駆動周波数fdとの比に一致するように、サンプリング周波数fs′を変更すればよい。
 2つ目は、キャリブレーションデータから走査軌跡を、例えば、WO2015/125976号公報の段落0059に記載された手法で関数化し、n=f×tにおいてf=fd′を代入し、t=1/fsのステップで増やして演算処理することにより、駆動周波数変更後のサンプリング位置の座標を算出すればよい。
 これらの方法により、駆動周波数と共振周波数との比を一定に維持する場合においても、キャリブレーションデータを再取得することなく、画像の歪みを補正することができる。
 3つ目は、キャリブレーションデータを用いることなく、振動の同一位相で光ファイバ7の先端から射出された光の被写体A上のスポットが一列に並ぶことを利用する方法である。この方法によれば、列の形状に基づいて調整された歪み補正量の関数を用いて像の歪みを補正すればよい。
 また、本実施形態においては、共振周波数検出部20は、圧電素子12a,12bに加える電流と電圧の位相差から共振周波数を検出することとしたが、これに代えて、圧電素子12a,12bに加える電流を、周波数をスイープさせながら計測することにより、電流値の周波数特性を取得し、取得された周波数特性の極値における周波数を検出することにより、光ファイバ7の先端の共振周波数の値を計測することにしてもよい。
 また、本実施形態においては、走査軌跡として、渦巻き状のものを用いたが、これに限定されるものではなく、他の形状、例えばラスタ状またはリサージュ状であってもよい。
 ラスタ状またはリサージュ状の場合、フレームレートがX方向の駆動周波数とY方向の駆動周波数との差の大きさと等しくなることが条件となる。同様に、X方向の駆動周波数をX方向の共振周波数で除算した値を一定にし、かつ、Y方向の駆動周波数をY方向の共振周波数で除算した値を一定にする制御を行えば、環境変化により画像歪みが発生することを抑えることができる。
 また、本実施形態においては、圧電素子12a,12bを用いる圧電式に代えて、光ファイバ7に取り付けた磁石を電磁コイルで振動させる電磁式であってもよく、他の方式のものでもよい。
 1 走査型内視鏡
 2 光源
 3 光走査装置
 7 光ファイバ
 8 駆動部
 10 記憶部
 16 制御部(駆動周波数調節部)
 20 共振周波数検出部

Claims (6)

  1.  光源からの光を導光し先端から射出する光ファイバと、
     該光ファイバの先端を、該光ファイバの長手軸に交差する方向に、駆動周波数で振動させる駆動部と、
     前記光ファイバの先端の共振周波数を検出する共振周波数検出部と、
     該共振周波数検出部により検出された前記共振周波数と前記駆動周波数との比が一定となるように前記駆動周波数を調節する駆動周波数調節部とを備える光走査装置。
  2.  前記駆動部が、前記光ファイバの先端を相互に直交する2方向に駆動し、
     前記共振周波数検出部が、少なくとも一方の駆動方向の前記共振周波数を検出する請求項1に記載の光走査装置。
  3.  前記共振周波数検出部が、2つの駆動方向の前記共振周波数を検出し、
     前記駆動周波数調節部が、前記共振周波数検出部により検出された2つの前記共振周波数の内、前記駆動周波数との比が1に近い側の前記共振周波数に対応する駆動方向の前記共振周波数と前記駆動周波数との比が一定となるように前記駆動周波数を調節する請求項2に記載の光走査装置。
  4.  予め設定された基準共振周波数および基準駆動周波数またはこれらの比の値を記憶する記憶部を備え、
     前記駆動周波数調節部が、前記共振周波数検出部により検出された前記共振周波数と前記駆動周波数との比が、前記記憶部に記憶されている比の値に等しくなるように前記駆動周波数を調節する請求項1から請求項3のいずれかに記載の光走査装置。
  5.  前記駆動周波数調節部は、前記共振周波数検出部により検出された前記共振周波数と前記記憶部に記憶されている基準共振周波数との差分が所定の閾値を超えたときに、前記駆動周波数を調節する請求項4に記載の光走査装置。
  6.  請求項1から請求項5のいずれかに記載の光走査装置を備える走査型内視鏡。
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