光的掃描軌跡的計算方法以及光掃描裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在不對硬件產(chǎn)生制約的情況下、得到高品質(zhì)的圖像的光的掃描軌跡的計算方法以及光掃描裝置。本發(fā)明的光的掃描軌跡的計算方法的第1方式的特征在于，包含以下步驟：檢測光纖的擺動部的諧振頻率和衰減系數(shù)，所述光纖引導(dǎo)來自光源的光照射到對象物；以及根據(jù)所述檢測出的諧振頻率和衰減系數(shù)，計算所述光的掃描軌跡。本發(fā)明的光的掃描軌跡的計算方法的第2方式的特征在于，包含以下步驟：使用通過掃描位置檢測器檢測到的位置數(shù)據(jù)，檢測來自光纖的擺動部的所述光的掃描軌跡，所述光纖引導(dǎo)來自光源的光照射到對象物；以及計算所述掃描軌跡所包含的所述擺動部的相位偏差的時間變化的近似函數(shù)。
【專利說明】光的掃描軌跡的計算方法從及光掃描裝置
[0001 ]關(guān)聯(lián)申請的相互參照本申請主張2014年2月21日申請的日本特許申請2014- 031815號的優(yōu)先權(quán)，在此為了參考并入該在先申請的公開內(nèi)容整體。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及掃描型內(nèi)窺鏡等中的光的掃描軌跡的計算方法、W及掃描型內(nèi)窺鏡等 光掃描裝置。
【背景技術(shù)】
[0003] W往已知有如下的光纖掃描型的觀察裝置:從光纖的出射端朝向?qū)ο笪飹呙韫猓?檢測被對象物反射、散射等的光或在對象物中產(chǎn)生的巧光等。在運樣的裝置中，由于在對象 物上掃描照射的光，W射出光的出射端能夠擺動的狀態(tài)懸臂支撐光纖的前端部，通過W對 該支撐部的附近施加力的方式配置壓電元件等驅(qū)動機構(gòu)，由此使光纖振動。
[0004] 作為光纖的掃描方法，已知照射的光的光點W描繪螺旋的方式進行掃描的螺旋掃 描(螺旋式掃描）、或在一個方向上高速地振動的同時在與其垂直的方向上較低速地運動的 光柵掃描等。在通常螺旋掃描中，在諧振頻率或其附近設(shè)定振動頻率。此外，在光柵掃描中， 對于高速地進行振動的方向，優(yōu)選W諧振頻率附近的頻率進行振動。因此，W往基于根據(jù)光 纖掃描裝置的設(shè)計值決定的諧振頻率，對光纖進行了振動驅(qū)動。
[0005] 此外，在光纖掃描裝置中，使用檢測光纖的位置的傳感器等，預(yù)先取得來自光纖的 光的照射位置的坐標數(shù)據(jù)作為從掃描開始起的時間函數(shù)，在進行實際的對象物的掃描時， 將根據(jù)從掃描開始起的時間檢測出的像素信號映射到二維坐標，生成圖像。
[0006] 但是，光纖的特性(楊氏模量或密度等)不是始終恒定的，由于溫度變化等周圍的 環(huán)境變化、構(gòu)成部件的老化、W及與使用時的對象物之間的碰撞等，隨時間發(fā)生變化。此外， 構(gòu)成驅(qū)動機構(gòu)的壓電元件或粘接劑等部件的特性也隨時間發(fā)生變化。當(dāng)光纖或驅(qū)動機構(gòu)的 特性隨時間發(fā)生變化時，光纖的前端部的諧振頻率、振動的衰減系數(shù)(Q值)和驅(qū)動機構(gòu)的驅(qū) 動力發(fā)生變化。其結(jié)果，光纖的掃描軌跡變化為與當(dāng)初設(shè)想的掃描軌跡不同的軌跡。使用圖 1、圖2說明該情形。
[0007] 圖1是示出作為簡化例子的、基于圓軌道的光纖掃描的圖，圖1的(a)示出X方向的 光纖前端的軌跡，圖1的（b)示出Y方向的光纖前端的軌跡。此外，圖1的（C)示出了XY平面內(nèi) 的光掃描的軌跡。X方向的光纖前端的振動與Y方向的光纖前端的振動的相位相差90度，因 此光纖的前端描繪圓軌道。另一方面，圖2是示出隨時間變化后的光纖的掃描的圖。在圖2的 (a)、（b)的X方向和Y方向的光纖前端的軌跡中可觀察到，諧振頻率、振動的Q值和驅(qū)動機構(gòu) 的驅(qū)動力的變化使相位和振幅發(fā)生變化。因此，如圖2的山)所示，對象物上的光掃描的軌跡 也發(fā)生變形。
[0008] W上是圓軌道的情況，而例如在進行螺旋掃描的情況下，掃描軌跡101如圖3的實 線所示那樣，從當(dāng)初設(shè)想的軌跡(虛線）1〇2發(fā)生變形。在光掃描的軌跡運樣發(fā)生了變形的情 況下，當(dāng)根據(jù)預(yù)先設(shè)想的光纖的軌道，向二維坐標映射像素數(shù)據(jù)而形成對象物的圖像時，生 成與實際不同的失真后的圖像。更具體而言，如圖4所示，實際的軌跡(每隔恒定的時間間 隔，繪制白圓圈來示出）的振幅和相位相對于理想的軌跡(每隔恒定的時間間隔，繪制黑圓 圈來示出）發(fā)生偏差。特別是當(dāng)產(chǎn)生相位偏差θη時，存在如下問題：圖5的(a)所示那樣的原 本的圖像如圖5的(b)所示那樣，形成為特別是中屯、部在圓周方向上扭彎那樣的圖像。
[0009] 為了應(yīng)對運樣的問題，在專利文獻1所記載的發(fā)明中，使用PSD(PoSition Sensor Device:位置傳感器設(shè)備)等掃描位置檢測單元，取得實際的掃描軌跡的坐標值，生成具有 該坐標值的信息的查詢表，并根據(jù)該查詢表，對分配給像素的坐標進行了校正。
[0010] 但是，在專利文獻1所記載的發(fā)明中，由于通過PSD等取得實際的掃描軌跡，并將其 全部作為查詢表保存到存儲器中，因此存在存儲容量變得龐大、對硬件產(chǎn)生制約的問題。
[0011] 并且，在專利文獻1所記載的方法中，由于PSD的電噪聲、或者被掃描光學(xué)系統(tǒng)的透 鏡反射的光的影響，還存在軌跡的坐標值從原本的值發(fā)生偏差的問題。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)文獻 [oou]專利文獻
[0014] 專利文獻1:日本特表2008-514342號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 發(fā)明所要解決的課題
[0016] 本發(fā)明要解決上述問題，其目的在于提供一種能夠在不對硬件產(chǎn)生制約的情況 下、得到高品質(zhì)的圖像的光的掃描軌跡的計算方法W及光掃描裝置。
[0017] 用于解決課題的手段
[0018] 本發(fā)明的主旨結(jié)構(gòu)如下所述。
[0019] 本發(fā)明的光的掃描軌跡的計算方法的特征在于，包含W下步驟:檢測光纖的擺動 部的諧振頻率和衰減系數(shù)，所述光纖引導(dǎo)來自光源的光照射到對象物；W及根據(jù)所述檢測 出的諧振頻率和衰減系數(shù)，計算所述光的掃描軌跡。
[0020] 此外，在本發(fā)明的光的掃描軌跡的計算方法中，優(yōu)選的是，所述掃描軌跡包含所述 擺動部的相位偏差的時間變化的信息。運里，相位是指用極坐標表示掃描軌跡時的角度。
[0021] 并且，在本發(fā)明的光的掃描軌跡的計算方法中，優(yōu)選的是，所述光的掃描軌跡的計 算方法還包含計算所述相位偏差的時間變化的近似函數(shù)的步驟。
[0022] 本發(fā)明的另一方式的光的掃描軌跡的計算方法的特征在于，包含W下步驟:使用 通過掃描位置檢測器檢測到的位置數(shù)據(jù)，檢測來自光纖的擺動部的所述光的掃描軌跡，所 述光纖引導(dǎo)來自光源的光照射到對象物；W及計算所述掃描軌跡所包含的所述擺動部的相 位偏差的時間變化的近似函數(shù)。
[0023] 運里，在本發(fā)明的光的掃描軌跡的計算方法中，優(yōu)選的是，在所述擺動部的振幅的 大小為一定值W下的情況下，所述近似函數(shù)是指數(shù)函數(shù)，在所述振幅的大小大于一定值的 情況下，所述近似函數(shù)是一次函數(shù)。
[0024] 此外，在本發(fā)明的光的掃描軌跡的計算方法中，優(yōu)選的是，在所述擺動部的振幅的 大小為一定值W下的情況下，所述近似函數(shù)是二次W上的多項式函數(shù)，在所述振幅的大小 大于一定值的情況下，所述近似函數(shù)是一次函數(shù)。
[0025] 并且，在本發(fā)明的光的掃描軌跡的計算方法中，優(yōu)選的是，在所述掃描軌跡的往路 和返路中，分別計算所述近似函數(shù)。
[0026] 此外，在本發(fā)明的光的掃描軌跡的計算方法中，優(yōu)選的是，所述近似函數(shù)取決于所 述擺動部的驅(qū)動頻率和/或最大振幅。
[0027] 運里，本發(fā)明的光掃描裝置的特征在于，具有:光纖，其引導(dǎo)來自光源的光照射到 對象物;掃描部，其驅(qū)動所述光纖的W能夠擺動的方式被支撐的擺動部;檢測部，其檢測所 述擺動部的諧振頻率；W及運算部，其使用掃描軌跡，決定所述光的照射位置，所述掃描軌 跡是基于使用所述檢測部檢測出的諧振頻率和事先取得的衰減系數(shù)而計算出的。
[0028] 并且，在本發(fā)明的光掃描裝置中，優(yōu)選的是，所述掃描軌跡包含所述擺動部的相位 偏差的時間變化的信息。
[0029] 此外，在本發(fā)明的光掃描裝置中，優(yōu)選的是，所述運算部計算所述相位偏差的時間 變化的近似函數(shù)。
[0030] 本發(fā)明的另一方式的光掃描裝置的特征在于，具有:光纖，其引導(dǎo)來自光源的光照 射到對象物;掃描部，其驅(qū)動所述光纖的W能夠擺動的方式被支撐的擺動部;運算部，其使 用通過掃描位置檢測器檢測到的位置數(shù)據(jù)，計算掃描軌跡所包含的所述擺動部的相位偏差 的時間變化的近似函數(shù)。
[0031] 并且，在本發(fā)明的光掃描裝置中，優(yōu)選的是，在所述擺動部的振幅的大小為一定值 W下的情況下，所述近似函數(shù)是指數(shù)函數(shù)，在所述振幅的大小大于一定值的情況下，所述近 似函數(shù)是一次函數(shù)。
[0032] 進而，在本發(fā)明的光掃描裝置中，優(yōu)選的是，在所述擺動部的振幅的大小為一定值 W下的情況下，所述近似函數(shù)是二次W上的多項式函數(shù)，在所述振幅的大小大于一定值的 情況下，所述近似函數(shù)是一次函數(shù)。
[0033] 并且運里，在本發(fā)明的光掃描裝置中，優(yōu)選的是，所述運算部在所述掃描軌跡的往 路和返路中，分別計算所述近似函數(shù)。
[0034] 此外，在本發(fā)明的光掃描裝置中，優(yōu)選的是，所述近似函數(shù)取決于所述擺動部的驅(qū) 動頻率和/或最大振幅。
[0035] 發(fā)明的效果
[0036] 根據(jù)本發(fā)明，可提供一種能夠在不對硬件產(chǎn)生制約的情況下、得到高品質(zhì)的圖像 的光的掃描軌跡的計算方法W及光掃描裝置。
【附圖說明】
[0037] 圖1是示出基于圓軌道的光纖掃描的圖，圖1的（a)示出X方向的光纖前端的軌跡， 圖1的(b)示出Y方向的光纖前端的軌跡，圖1的（C)示出XY平面內(nèi)的光掃描的軌跡。
[0038] 圖2是示出圖1的掃描軌跡由于隨時間的變化而發(fā)生了變形的例子的圖，圖2的（a) 示出X方向的光纖前端的軌跡，圖2(b)示出Y方向的光纖前端的軌跡，圖2(c)示出XY平面內(nèi) 的光掃描的軌跡。
[0039] 圖3是示出變形后的螺旋掃描的軌跡例的圖。
[0040] 圖4是用于說明振幅和相位偏差的圖。
[0041] 圖5的（a)是示出原本的圖像的示意圖。圖5的(b)是示出中屯、扭彎后的圖像的示意 圖。
[0042] 圖6是示出作為本發(fā)明一個實施方式的光掃描裝置的一例的光纖掃描型內(nèi)窺鏡裝 置的概略結(jié)構(gòu)的框圖。
[0043] 圖7是概略地示出圖6的光纖掃描型內(nèi)窺鏡裝置的鏡體的外觀圖。
[0044] 圖8是圖7的鏡體的前端部的剖視圖。
[0045] 圖9是示出圖8的致動器的結(jié)構(gòu)的圖。
[0046] 圖10是示出驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部的概略結(jié)構(gòu)的框圖。
[0047] 圖11是示出典型的阻抗和相位偏差的頻率特性的圖。
[0048] 圖12的(a)是示出對光纖的掃描振幅相對于驅(qū)動信號的頻率特性進行計測的機構(gòu) 的圖。圖12的(b)是示出頻率特性的圖。
[0049] 圖13是示出彈黃/質(zhì)量模型的圖。
[0050] 圖14的（a)是示出驅(qū)動波形的一例的圖。圖14的（b)是放大示出圖14的(a)的一部 分的圖。
[0051] 圖15的(a)是示出驅(qū)動波形的往路和返路的圖。圖15的(b)是示出掃描軌跡的往路 的圖。
[0052] 圖16的(a)~(C)是示出相對于圈數(shù)的相位偏差變化的圖。
[0053] 圖17是按照每圈示出驅(qū)動波形的振幅和相位的圖。
[0054] 圖18的(a)是示出相對于圈數(shù)的振幅變化的圖。圖18的(b)是示出相對于圈數(shù)的相 位偏差變化的圖。
[0055] 圖19是示出相對于圈數(shù)的相位偏差變化的圖。
[0056] 圖20是示出在進行了螺旋掃描的情況下計算出掃描軌跡的例子的圖。
[0057] 圖21是示出驅(qū)動模式(上圖及圈數(shù)與相位之間的關(guān)系（下圖）的圖。
[0058] 圖22的(a)是示出計測掃描軌跡的機構(gòu)的一例的圖。圖22的（b)是示出計測掃描軌 跡的機構(gòu)的另一例的圖。圖22的(C)是示出掃描軌跡與PSD的受光范圍之間的關(guān)系的圖。
[0059] 圖23是本發(fā)明一個實施方式的光的掃描軌跡的計算方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0060] 下面，參照附圖對本發(fā)明的實施方式詳細地進行例示說明。
[0061] 首先，參照附圖，說明本發(fā)明的光掃描裝置的一例。圖6是示出作為光掃描裝置的 一例的光掃描型內(nèi)窺鏡裝置的概略結(jié)構(gòu)的框圖。光掃描型內(nèi)窺鏡裝置10由鏡體20、控制裝 置主體30和顯示器40構(gòu)成。
[0062] 控制裝置主體30構(gòu)成為包含控制光掃描型內(nèi)窺鏡裝置10整體的控制/運算部31、 發(fā)光時刻控制部32、激光器33R、33G、33BW及禪合器34。發(fā)光時刻控制部32在控制/運算部 31的控制下，控制射出紅、綠和藍的Ξ原色激光的3個激光器33R、33G、33B的發(fā)光時刻。作為 激光器333、336、338，例如可^使用0?55激光器(半導(dǎo)體激勵固體激光器)或激光二極管。從 激光器33R、33G、33B射出的激光被禪合器34合成，并作為白色的照明光入射到作為單模光 纖的照明用光纖11。當(dāng)然，光掃描型內(nèi)窺鏡裝置10的光源結(jié)構(gòu)不限于此，可W使用一個激光 光源，也可W使用其它多個光源。此外，激光器33R、33G、33B和禪合器34也可W收納在利用 信號線與控制裝置主體30連接的、獨立于控制裝置主體30的殼體中。
[0063] 照明用光纖11連接至鏡體20的前端部，從禪合器34入射到照明用光纖11的光被引 導(dǎo)至鏡體20的前端部并朝向?qū)ο笪?00照射。此時，通過對驅(qū)動部21進行振動驅(qū)動，從照明 用光纖11射出的照明光能夠在對象物100的觀察表面上進行二維掃描。該驅(qū)動部21通過后 述的控制裝置主體30的驅(qū)動控制部38進行控制。通過照明光的照射而從對象物100得到的 反射光、散射光、巧光等信號光在由多模光纖構(gòu)成的檢測用光纖束12的前端被接收，穿過鏡 體20內(nèi)并被引導(dǎo)至控制裝置主體30。
[0064] 控制裝置主體30還具有用于對信號光進行處理的光檢測器35、ADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn) 換器)36和圖像處理部37。光檢測器35將穿過檢測用光纖束12而到達的信號光分解為光譜 成分，通過光電二極管等，將各個光譜成分轉(zhuǎn)換為電信號。ADC 36將被轉(zhuǎn)換為電信號的圖像 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸出到圖像處理部37?？刂?運算部31根據(jù)由驅(qū)動控制/諧振頻率 檢測部38施加的振動電壓的振幅和相位等信息，計算掃描路徑上的掃描位置的信息，并傳 送給圖像處理部37。圖像處理部37根據(jù)從ADC 36輸出的數(shù)字信號，得到該掃描位置處的對 象物100的像素數(shù)據(jù)。圖像處理部37將掃描位置和像素數(shù)據(jù)的信息依次存儲到未圖示的存 儲器中，在掃描結(jié)束后或掃描中，進行插值處理等必要的處理而生成對象物100的圖像，并 顯示在顯示器40上。
[0065] 在上述各處理中，控制/運算部31對發(fā)光時刻控制部32、光檢測器35、驅(qū)動控制/諧 振頻率檢測部38、圖像處理部37進行同步控制。
[0066] 圖7是概略地示出鏡體20的概觀圖。鏡體20具有操作部22和插入部23。在操作部22 上分別連接有來自控制裝置主體30的照明用光纖11、檢測用光纖束12和布線纜線13。運些 照明用光纖11、檢測用光纖束12和布線纜線13穿過插入部23內(nèi)部被引導(dǎo)至插入部23的前端 部24(圖7中的虛線部內(nèi)的部分）。
[0067] 圖8是放大示出圖7的鏡體20的插入部23的前端部24的剖視圖。前端部24構(gòu)成為包 括驅(qū)動部21、投影用透鏡25a、25b、穿過中屯、部的照明用光纖11和穿過外周部的檢測用光纖 束12。
[0068] 驅(qū)動部21構(gòu)成為包括通過安裝環(huán)26固定在鏡體20的插入部23的內(nèi)部的致動器管 27、W及配置在致動器管27內(nèi)的光纖保持部件29和壓電元件28a~28d(參照圖9的（a)和 (b))。照明用光纖11由光纖保持部件29支承，并且，由光纖保持部件29支承的固定端11a~ 前端部11c成為W能夠擺動的方式被支承的擺動部11b。另一方面，檢測用光纖束12配置成 穿過插入部23的外周部，延伸到前端部24的前端。進而，在檢測用光纖束12的各光纖的前端 部可W具有未圖示的檢測用透鏡。
[0069] 進而，投影用透鏡25a、25b和檢測用透鏡配置在前端部24的最前端。投影用透鏡 25a、2化構(gòu)成為，從照明用光纖11的前端部11c射出的激光大致會聚在對象物100上。并且， 檢測用透鏡配置成，取入會聚在對象物100上的激光由對象物100進行了反射、散射、折射等 后的光(與對象物100進行相互作用后的光)或巧光等作為信號光，使其在配置于檢測用透 鏡之后的檢測用光纖束12會聚并禪合。另外，投影用透鏡不限于兩片的結(jié)構(gòu)，也可W由一片 或其他多片透鏡構(gòu)成。也可W不使用檢測用透鏡，而直接用檢測用光纖束取入光。
[0070] 圖9的(a)是示出光掃描型內(nèi)窺鏡裝置10的驅(qū)動部21的振動驅(qū)動機構(gòu)和照明用光 纖11的擺動部1化的圖，圖9的（b)是圖9的(a)的A-A剖視圖。照明用光纖11貫通具有棱柱狀 形狀的光纖保持部件29的中央，由此被光纖保持部件29固定保持。光纖保持部件29的4個側(cè) 面分別朝向+Y方向、+X方向W及它們的相反方向。而且，在光纖保持部件29的+Y方向和-Y方 向固定有Υ方向驅(qū)動用的一對壓電元件28曰、28(3，在巧方向和-乂方向固定有乂方向驅(qū)動用的 一對壓電元件28b、28c。
[0071] 各壓電元件28a~28d與來自控制裝置主體30的驅(qū)動控制/諧振頻率和衰減系數(shù)檢 測部38的布線纜線13連接。
[0072] 運里，返回圖6,控制裝置主體30具有檢測光纖11的擺動部Ub的諧振頻率的驅(qū)動 控制/諧振頻率檢測部38。驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部38對諧振頻率的檢測例如能夠通過阻 抗測量等簡便的方法進行，即，監(jiān)視對壓電元件施加了規(guī)定的大小的電壓時的電流值。
[0073] 圖10是示出驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部38的概略結(jié)構(gòu)的框圖。
[0074] 驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部38具有DDS(直接數(shù)字合成發(fā)送器)51x、51y、DAC(數(shù)字- 模擬轉(zhuǎn)換器)52x、52y、放大器53x、53y，W對驅(qū)動部21的壓電元件28a~28d進行驅(qū)動。DDS 51x和DDS 51y分別接收來自控制部31的控制信號，生成數(shù)字驅(qū)動信號波形。該信號被DAC 52x、5巧轉(zhuǎn)換為模擬信號，由放大器53x、5：3y放大，并借助布線纜線13,對位于鏡體20的前端 部24的壓電元件28a~28d進行驅(qū)動。
[0075] 另外，實際上在X方向的壓電元件28b與28d之間始終施加正負相反且大小相等的 電壓，同樣，在Y方向的壓電元件28a與28c之間始終施加相反方向且大小相等的電壓。隔著 光纖保持部件29對置配置的壓電元件28b、28d相互在一方伸展時、另一方收縮，由此使光纖 保持部件29產(chǎn)生翅曲，通過反復(fù)進行該動作，產(chǎn)生X方向的振動。Y方向的振動也同樣如此。
[0076] 驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部38對X方向驅(qū)動用的壓電元件28b、28d和Y方向驅(qū)動用 的壓電元件28a、28c施加相同頻率的振動電壓，或者施加不同頻率的振動電壓，能夠使其進 行振動驅(qū)動。當(dāng)分別使Y方向驅(qū)動用的壓電元件28a、28c和X方向驅(qū)動用的壓電元件28b、28d 進行振動驅(qū)動時，照明用光纖11的擺動部Ub振動，前端部11c偏轉(zhuǎn)，所W，從前端部11c射出 的激光依次掃描對象物100的表面。
[0077] 照明用光纖11的擺動部Ub在X方向和Y方向的兩個方向上，W諧振頻率被振動驅(qū) 動。但是，擺動部Ub的諧振頻率根據(jù)環(huán)境條件或隨時間的變化而發(fā)生變化，因此驅(qū)動控制/ 諧振頻率檢測部38具有檢測照明用光纖11的擺動部11b的諧振頻率的諧振頻率檢測機構(gòu)。 如圖10所示，諧振頻率檢測機構(gòu)由W下部件構(gòu)成:設(shè)置在從放大器53x朝向壓電元件28b、 28d的電路上的電流檢測電路55x和電壓檢測電路56x;將分別由它們檢測出的電流信號和 電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的ADC(模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)57、58;W及根據(jù)兩個ADC 57和ADC 58 的輸出信號的相位差，檢測X方向的振動的諧振頻率的諧振頻率檢測部59。另外，為了檢測Y 方向的振動的諧振頻率，同樣構(gòu)成為設(shè)置有電流檢測電路55y、電壓檢測電路56y，運些輸出 也經(jīng)由ADC(未圖示)而被輸入到諧振頻率檢測部59。
[0078] 接著，說明通過驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部38進行阻抗測量的方法。
[0079] 對X方向的壓電元件28b、28d和Y方向的壓電元件28a、28c施加如下的振動電壓，該 振動電壓的振幅等于規(guī)定的振幅，相位在X方向和Y方向上偏差90°，頻率f隨時間而增大。由 此，在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)掃描照明用光纖11的前端部11c的振動頻率。規(guī)定的頻率范圍通過 在設(shè)計時的諧振頻率前后預(yù)先預(yù)測諧振頻率可能變動的范圍來決定。
[0080] 在驅(qū)動電壓的頻率增大的期間，通過諧振頻率檢測部59監(jiān)視分別由電流檢測電路 55x、55y和電壓檢測電路56x、56y檢測的電流信號和電壓信號。諧振頻率檢測部59通過對電 流信號和電壓信號的相位偏差進行檢測，檢測諧振頻率。通常，已知振動電路的阻抗W及電 流和電壓的相位偏差的頻率特性分別如圖11的(a)、圖11的（b)所示。如圖11的(a)所示，在 W諧振頻率進行振動時，阻抗最小，相位偏差為0。因此，諧振頻率檢測部59識別來自電流檢 測電路55x、55y的電流信號、與來自電壓檢測電路56x、56y的電壓信號的相位偏差為0時的 頻率打，作為諧振頻率，并輸出到控制部31。此外，也可W通過上述計測方法，根據(jù)在復(fù)平面 上示出了壓電元件的導(dǎo)納的動態(tài)導(dǎo)納圓，還另外得到各個計測值，并識別機械的串聯(lián)諧振 頻率fs，作為諧振頻率。
[0081] 此外，對于衰減系數(shù)(Q值），也能夠通過阻抗測量等，事先計算衰減系數(shù)。另外，在 本實施方式中，諧振頻率和衰減系數(shù)可W通過公共的檢測部檢測，或者也可W通過獨立的 檢測部檢測。
[0082] 此外，在本實施例中，列舉使用了壓電元件的致動器為例，但對于使用了電磁驅(qū)動 的致動器，也能夠使用同樣的手段，檢測諧振頻率和衰減系數(shù)。
[0083] 此外，如圖12的(a)(b)所示，還能夠通過計測光纖的掃描振幅相對于驅(qū)動信號的 頻率特性，求出光纖的諧振頻率、最大振幅和衰減系數(shù)(Q值）。
[0084] 目P，如圖12的(a)所示，通過驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部38,對壓電元件28施加具有 一定的振幅的周期性驅(qū)動波形，使光纖的擺動部11b振動。由光纖引導(dǎo)光，使從光纖射出端 射出的光穿過光學(xué)系統(tǒng)50而會聚到光掃描位置檢測器52的光檢測面51。
[0085] 當(dāng)運樣一邊掃描驅(qū)動波形的頻率一邊計測光纖的振幅值時，求出圖12的（b)所示 的曲線圖。
[0086] 根據(jù)該振幅的頻率特性，求出存在光纖的驅(qū)動方向（X)上的諧振頻率fx和光纖的 最大振幅Xmax。
[0087] 此外，懸臂梁構(gòu)造的光纖振動的振幅X理想的是用W下的式子表示。
[008引（式1)
[0089]
[0090] 能夠使用上述式1，求出振動的Q值(Qx)。光纖掃描器的衰減系數(shù)ζχ與Q值(Qx)之間 的關(guān)系用W下的式2表示。
[0091] 試2)
[0092]
[0093] 與X方向同樣，關(guān)于Y方向，也能夠求出諧振頻率fy、最大振幅Ymax和Q值(Qy)。
[0094] 振幅的計測方法不限于上述例子，例如可W替代PSD而使用攝像元件，或者也可W 用激光位移計來計測光纖的擺動部Ub的振動位移。此外，也可W通過將光纖掃描的驅(qū)動信 號在某個時間設(shè)為0,并分析光纖的衰減振動的衰減曲線，求出光纖的諧振頻率和衰減系數(shù) (Q值)。
[0095] 此外，如圖6所示，控制/運算部31能夠根據(jù)衰減系數(shù)、由驅(qū)動控制/諧振頻率檢測 部38檢測出的諧振頻率W及選擇出的驅(qū)動頻率和/或最大振幅，計算光的掃描軌跡。
[0096] 當(dāng)通過控制/運算部31計算掃描軌跡時，具體能夠W如下方式進行:對擺動部11b 的運動方程式的系數(shù)部分代入由驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部38檢測出的諧振頻率、事先取 得的衰減系數(shù)w及光纖的掃描振幅值，并求解該運動方程式。運動方程式能夠通過分析和/ 或數(shù)值計算來求解。運里，例如可W在產(chǎn)品出貨時檢測諧振頻率和衰減系數(shù)來計算掃描軌 跡，或者還能夠在經(jīng)過老化后，檢測諧振頻率和衰減系數(shù)。
[0097]如圖13所示，懸臂梁構(gòu)造的光纖諧振振動的表現(xiàn)例如能夠W彈黃/質(zhì)量模型簡單 地考慮。在設(shè)光纖的擺動部Ub的振幅為X時，能夠用W下的運動方程式(式3)表達光纖的擺 動部11b的振動。
[009引（式 3)
[0099]
[0100] (其中，m:質(zhì)量、k:彈黃系數(shù)、C:阻尼系數(shù)、F(t):外力）
[0101 ]運里，當(dāng)設(shè)為 ω =化/m)i/2、Q = 1/(2ζ) = (mk)i/^c、F(t)/m = K · u(t)時，上述式3 能夠如W下的式4那樣表示。
[0102] (式 4)
[0103]
[0104] (其中，ω=23??·:光纖的固有角振動數(shù)、Q:光纖的振動Q值、ζ:光纖的衰減系數(shù)、K: 增益、u(t):輸入波形）
[0105] 在對該微分方程式（式4)進行拉普拉斯轉(zhuǎn)換時，求出光纖振動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)G (S)，能夠如W下的式5那樣，用二次延遲系統(tǒng)表達。
[0106] 試5)
[0107]
[0108] 運樣，能夠求出光纖的諧振頻率、衰減系數(shù)和最大振幅，針對任意的驅(qū)動輸入波 形，通過數(shù)值計算求出掃描軌跡。
[0109] 此外，計算出的掃描軌跡包含相位偏差的時間變化的信息。并且，控制/運算部31 能夠計算相位偏差的時間變化的近似函數(shù)。
[0110] 另外，如后所述，近似函數(shù)還能夠在整個定義域(時間軸)整體內(nèi)設(shè)為1個函數(shù)，但 還能夠按照每個定義域設(shè)為不同的函數(shù)。
[0111] 運里，具體說明近似函數(shù)的計算方法。
[0112] 在取圖14的（a)所示那樣的驅(qū)動波形為例時，驅(qū)動電壓調(diào)制波形的函數(shù)被表示為 下式：
[0113] 試6)
[0114]
[011引另外，時是調(diào)制頻率(帖頻/2)。
[0116] 圖14的(b)是局部放大示出圖14的(a)的驅(qū)動波形的圖，f表示驅(qū)動頻率。
[0117] 在運樣的驅(qū)動波形中，能夠在螺旋掃描的往路和返路中分別取得一張圖像。
[0118] 關(guān)于所得到的X方向和Y方向的振動軌跡，當(dāng)對相對于輸入信號波形的相位偏差進 行比較時，如圖16的(a)(b)所示，將振動軌跡分為往返路中屯、和周邊進行考慮時，如圖17的 (a)~（c)所示，在掃描軌跡的中屯、附近，相位偏差增大，在掃描軌跡的周邊附近，相位偏差 減小。
[0119] 為了定量求出該現(xiàn)象，例如圖18所示，能夠按照每個圈數(shù)n，用X = Asin(2時t+目）的 函數(shù)的形式擬合求出相位θ(η)和振幅A(n)。
[0120] 良P，如圖18所示，在設(shè)驅(qū)動頻率為f時，對于處于時亥ljt= (1/f) X (m-1)至（1/f) Xm 期間的驅(qū)動波形，能夠用上述式子進行擬合，求出第m圈的相位θ(πι)和振幅A(m)。
[0121] 作為求出每個圈數(shù)的X方向和Y方向的相位偏差和振幅的一例，針對驅(qū)動頻率： 3000Hz、調(diào)制頻率：15Hz、X方向的諧振頻率:3050Hz、Y方向的諧振頻率:31 OOHz、X方向的振 動的Q值:500、Υ方向的振動的Q值:400的情況，說明進行擬合的情況。
[0122] 圈數(shù)η中的X方向的振幅Α(η)和相位θ(η)例如能夠通過多項式進行擬合，能夠如W 下的式7、式8那樣表示。
[0123] 試7)
[0124] Αχ(η)=曰6 · nS+as · η已+曰4 · η4+Β3 · η3+Β2 · n2+ai · n+ao
[0125] (式 8)
[0126] 目χ(η) =bs · n6+bs · nS+b4 · n4+b3 · n3+b2 · n2+bi · n+bo
[0127] 因此，X方向的螺旋式調(diào)制軌跡能夠如W下那樣表示。
[012 引（式 9)
[0129] X(n) =A(n) · sin口πη+目x(n)}
[0130] (n = f Xt)
[0131 ] 通過針對Y方向也同樣求出，能夠?qū)С鱿禂?shù)as~ao和bs~bo。
[0132] 另外，分別在圖19的(a)(b)中示出求出的振幅和相位的近似函數(shù)的曲線圖。
[0133] 作為另一例，能夠在軌跡的中屯、部和周邊部區(qū)分擬合函數(shù)。即，如圖20的(a)(b)所 示，由于在周邊附近和中屯、附近，相位偏差的表現(xiàn)不同，因此例如能夠在周邊附近進行線性 近似，在中屯、附近進行多項式近似。
[0134] 具體而言，例如能夠在第0~150圈（中屯、附近往路）中，用多項式(例如5次函數(shù))對 相位偏差θ(η)進行近似，在第151~350圈（周邊附近）中，用1次函數(shù)對相位偏差θ(η)進行近 似，此外，在第351~500圈（中屯、附近返路）中，用多項式(例如5次函數(shù))對相位偏差θ(η)進 行近似。
[0135] 通過運樣的方法，能夠簡化函數(shù)。
[0136] 并且，控制/運算部31能夠?qū)⒏鶕?jù)由驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部38施加的振動電壓 的振幅和相位等信息計算出的掃描軌跡的信息傳送給圖像處理部37。
[0137] W下，說明本實施方式的作用效果。
[0138] 根據(jù)本實施方式的光掃描裝置，首先，能夠通過驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部38,預(yù) 先取得光纖的擺動部Ub的諧振頻率。對于衰減系數(shù)，也能夠通過阻抗測量等預(yù)先取得。
[0139] 并且，能夠通過控制/運算部31，根據(jù)預(yù)先取得的諧振頻率和衰減系數(shù)，計算掃描 軌跡，并使用通過控制/運算部31計算出的掃描軌跡，使用該掃描軌跡所表示的位置坐標， 作為圖像處理時的位置信息。
[0140] 由此，無需使用PSD等測量各時刻的實際的位置坐標，僅通過求出諧振頻率和衰減 系數(shù)，就能夠使用坐標數(shù)據(jù)，因此無需將龐大的數(shù)據(jù)保存到存儲器中，能夠避免對硬件的制 約。此外，上述諧振頻率和衰減系數(shù)能夠通過上述的阻抗測量等簡單的方法來進行測量。
[0141] 并且，由于計算出的掃描軌跡包含相位偏差的信息，因此能夠消除圖像的失真(特 別是旋轉(zhuǎn)方向的扭轉(zhuǎn)）。
[0142] 因此，根據(jù)本實施方式，能夠通過簡單的方法，得到高品質(zhì)的圖像。
[0143] W下，在此說明使用圖6所示的光掃描型內(nèi)窺鏡裝置實際計算出掃描軌跡的例子。 另外，將驅(qū)動頻率設(shè)為小于諧振頻率。
[0144] 圖21示出在進行了螺旋掃描的情況下計算出掃描軌跡的例子。在圖21中，黃色的 點列A表示從螺旋的中屯、部朝向外周部的往路的Y軸方向的相位偏差，淡藍色的點列B表示 從螺旋的外周部朝向中屯、部的返路的Y軸方向的相位偏差。
[0145] 此外，圖22示出圖21所示的例子中的、驅(qū)動模式(上圖及圈數(shù)與相位之間的關(guān) 系(下圖），示出實際通過PSD測量出的圈數(shù)與相位之間的關(guān)系，作為實驗結(jié)果。
[0146] 首先，如圖22(下圖）所示，可知表示通過計算求出的圈數(shù)與相位偏差之間的關(guān)系 的曲線圖能夠與實驗結(jié)果良好匹配。
[0147] 因此，根據(jù)本發(fā)明，可知能夠通過控制/運算部31準確地計算掃描軌跡。
[0148] 并且，如圖22所示，可知在位于比螺旋的外周部靠中屯、部的位置時，相位偏差尤其 大。
[0149] 因此，如圖22(下圖）所示，在計算相位相對于時間（圈數(shù)）的變化的近似函數(shù)時，在 螺旋的中屯、部（即，振幅的大小為一定值W下的情況），能夠進行二次W上的多項式近似或 指數(shù)函數(shù)近似，另一方面，在螺旋的外周部（即，振幅的大小大于一定值的情況），能夠通過 進行線性(一次函數(shù))近似，更準確地進行近似。
[0150] 此外，在本發(fā)明中，優(yōu)選在掃描軌跡的往路和返路中分別計算近似函數(shù)。是因為在 往路和返路中，有時成為不同的掃描軌跡，通過分別進行計算，能夠進一步設(shè)為更準確的近 似。
[0151] 并且，能夠在掃描的一部分中應(yīng)用本發(fā)明，具體而言，在擺動部的振幅為一定W下 的值的情況下，優(yōu)選使用由掃描位置檢測器檢測的位置數(shù)據(jù)，計算近似函數(shù)。是因為在掃描 區(qū)域的中屯、附近，相對于理想的掃描軌跡的相位偏差較大，因此需要更高精度地求出掃描 軌跡，在該范圍內(nèi)，通過掃描位置檢測器取得實際的數(shù)據(jù)來取得準確的掃描軌跡，同時針對 振幅較大的范圍，也如上述那樣計算掃描軌跡，由此能夠?qū)⒋鎯ζ鞯娜萘恳种频阶钚∠薅取?br>[0152] 此外，通過掃描位置檢測器取得所有振幅范圍的實際數(shù)據(jù)，并使用上述那樣的方 法進行函數(shù)化，由此也能夠抑制存儲器的容量。
[0153] 具體而言，如圖23的(a)所示，設(shè)定為掃描器60的擺動部與PSD 62的受光部光學(xué)共 輛，當(dāng)由PSD 62接收到來自掃描器的激光光點的光時，能夠取得光纖的掃描軌跡。
[0154] 此時，在對光學(xué)系統(tǒng)61的倍率進行調(diào)整時，對光纖的擺動部的掃描范圍AB進行投 影后的軌跡范圍CD比PSD 62的受光范圍EF大，能夠計測螺旋掃描區(qū)域的中屯、部的掃描軌 跡。在取得所有振幅范圍的數(shù)據(jù)時，WCD小于EF的方式調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)61的倍率即可。
[0155] 圖23的（C)圖示出從光軸方向觀察到的掃描軌跡范圍、和PSD的受光范圍。
[0156] 此外，如圖23的（b)所示，在對掃描器60的擺動部和光學(xué)系統(tǒng)61利用殼體63而成為 了一體的探頭狀的掃描器進行評價的情況下，能夠通過適當(dāng)調(diào)整探頭前端與PSD之間的距 離，放大掃描區(qū)域中屯、部的軌跡，高精度地進行計測。PSD檢測激光光點的光的重屯、位置，因 此光纖的擺動部和PSD受光部不是一定需要共輛。在取得所有振幅范圍的數(shù)據(jù)時，WCD小于 EF的方式，適當(dāng)調(diào)整探頭前端與PSD之間的距離即可。
[0157] 運樣，能夠高精度地檢測振幅為一定W下的情況下的區(qū)域的掃描位置。
[0158] 圖24是本發(fā)明一個實施方式的光的掃描軌跡的計算方法的流程圖。如圖24所示， 在本實施方式中，首先通過上述的阻抗測量用的簡單的方法，事先檢測并求出光纖的擺動 部的諧振頻率和衰減系數(shù)(步驟S101)。然后，根據(jù)檢測出的諧振頻率和衰減系數(shù)，計算光的 掃描軌跡(步驟S102)。運里，掃描軌跡由于包含相位偏差的時間變化的信息，因此還能夠適 當(dāng)求出該近似函數(shù)(步驟S103)。然后，能夠使用基于計算出的掃描軌跡(在經(jīng)過了步驟S103 的情況下，為近似函數(shù))的光的掃描位置的位置信息，作為在進行圖像形成時的映射時使用 的位置坐標，進行圖像處理(步驟S104)。根據(jù)本實施方式的光的掃描軌跡的計算方法，能夠 在不對硬件產(chǎn)生制約的情況下，得到高品質(zhì)的圖像。
[0159] 運里，可W替代步驟S101和步驟S102,采用使用PSD等實際計測出的掃描軌跡，與 將所有掃描軌跡保存到存儲器的情況相比，能夠減輕對硬件的制約。
[0160] 此外，也可W事先計算多個驅(qū)動條件下的光的掃描軌跡，求出多個近似函數(shù)，并存 儲到硬件。作為多個驅(qū)動條件，考慮諧振頻率、衰減系數(shù)等。事先掌握諧振頻率W及衰減系 數(shù)由于老化、使用環(huán)境的溫度或濕度的變化而怎樣變化，并進行存儲，例如在掃描器附近配 置溫度傳感器，按照其檢測溫度，估計諧振頻率、衰減系數(shù)，并基于其驅(qū)動條件，從存儲器中 調(diào)用對應(yīng)的光的掃描軌跡、近似函數(shù)，如果應(yīng)用于圖像處理，則能夠減輕溫度隨時間的變化 而引起的圖像的失真。
[0161] W上對本發(fā)明的實施方式進行了說明，但本發(fā)明不限定于上述任何實施方式，例 如在上述實施方式中，W進行螺旋掃描的情況進行了說明，但本發(fā)明還能夠應(yīng)用于李沙育 掃描或光柵掃描等。此外，在衰減系數(shù)、諧振頻率已知的情況下，不需要進行檢測的步驟，而 從內(nèi)置于鏡體20的存儲器中讀出衰減系數(shù)、諧振頻率，由此能夠計算掃描軌跡。并且，在本 說明書中，敘述了使用壓電元件驅(qū)動光纖的方法，但光纖驅(qū)動手段不限于此，即使是電磁驅(qū) 動等手段，也存在相同的效果。此外，對于驅(qū)動波形，即使是本說明書W外的模式，如果使用 本發(fā)明的手段，則能夠期待相同的效果。
[0162] 標號說明
[0163] 10:光纖掃描型內(nèi)窺鏡裝置；11:照明用光纖；11a:固定端；1化:擺動部；11c:出射 端；12:檢測用光纖；13:布線纜線;20:鏡體;21:驅(qū)動部;22:操作部;23:插人部;24:前端部； 25:光學(xué)系統(tǒng);26:安裝環(huán);27:致動器管;28a~28d:壓電元件;29:光纖保持部件;30:控制裝 置主體;31:控制部；32:發(fā)光時刻控制部;33R、33G、33B:激光器;34:禪合器;35:光檢測器； 36: ADC; 37:圖像處理部;38:驅(qū)動控制/諧振頻率檢測部;40:顯示器;50:光學(xué)系統(tǒng);51:光檢 ii面;52:光掃描位置檢測器;60:光纖掃描器;61:光學(xué)系統(tǒng);62: PSD; 63:殼體;100:對象物。
【主權(quán)項】
1. 一種光的掃描軌跡的計算方法，其特征在于，包含以下步驟： 檢測光纖的擺動部的諧振頻率和衰減系數(shù)，所述光纖引導(dǎo)來自光源的光照射到對象 物；以及 根據(jù)所述檢測出的諧振頻率和衰減系數(shù)，計算所述光的掃描軌跡。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光的掃描軌跡的計算方法，其中， 所述掃描軌跡包含所述擺動部的相位偏差的時間變化的信息。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光的掃描軌跡的計算方法，其中， 所述光的掃描軌跡的計算方法還包含計算所述相位偏差的時間變化的近似函數(shù)的步 驟。4. 一種光的掃描軌跡的計算方法，其特征在于，包含以下步驟： 使用通過掃描位置檢測器檢測到的位置數(shù)據(jù)，檢測來自光纖的擺動部的所述光的掃描 軌跡，所述光纖引導(dǎo)來自光源的光照射到對象物；以及 計算所述掃描軌跡所包含的所述擺動部的相位偏差的時間變化的近似函數(shù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光的掃描軌跡的計算方法，其中， 在所述擺動部的振幅的大小為一定值以下的情況下，所述近似函數(shù)是指數(shù)函數(shù)，在所 述振幅的大小大于一定值的情況下，所述近似函數(shù)是一次函數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光的掃描軌跡的計算方法，其中， 在所述擺動部的振幅的大小為一定值以下的情況下，所述近似函數(shù)是二次以上的多項 式函數(shù)，在所述振幅的大小大于一定值的情況下，所述近似函數(shù)是一次函數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求3~6中的任意一項所述的光的掃描軌跡的計算方法，其中， 在所述掃描軌跡的往路和返路中，分別計算所述近似函數(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求3~7中的任意一項所述的光的掃描軌跡的計算方法，其中， 所述近似函數(shù)取決于所述擺動部的驅(qū)動頻率和/或最大振幅。9. 一種光掃描裝置，其特征在于，具有： 光纖，其引導(dǎo)來自光源的光照射到對象物； 掃描部，其驅(qū)動所述光纖的以能夠擺動的方式被支撐的擺動部； 檢測部，其檢測所述擺動部的諧振頻率；以及 運算部，其使用掃描軌跡，決定所述光的照射位置，所述掃描軌跡是基于使用所述檢測 部檢測出的諧振頻率和事先取得的衰減系數(shù)而計算出的。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光掃描裝置，其中， 所述掃描軌跡包含所述擺動部的相位偏差的時間變化的信息。11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的光掃描裝置，其中， 所述運算部計算所述相位偏差的時間變化的近似函數(shù)。12. -種光掃描裝置，其特征在于，具有： 光纖，其引導(dǎo)來自光源的光照射到對象物； 掃描部，其驅(qū)動所述光纖的以能夠擺動的方式被支撐的擺動部；以及 運算部，其使用通過掃描位置檢測器檢測到的位置數(shù)據(jù)，計算掃描軌跡所包含的所述 擺動部的相位偏差的時間變化的近似函數(shù)。13. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光掃描裝置，其中， 在所述擺動部的振幅的大小為一定值以下的情況下，所述近似函數(shù)是指數(shù)函數(shù)，在所 述振幅的大小大于一定值的情況下，所述近似函數(shù)是一次函數(shù)。14. 根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光掃描裝置，其中， 在所述擺動部的振幅的大小為一定值以下的情況下，所述近似函數(shù)是二次以上的多項 式函數(shù)，在所述振幅的大小大于一定值的情況下，所述近似函數(shù)是一次函數(shù)。15. 根據(jù)權(quán)利要求11~14中的任意一項所述的光掃描裝置，其中， 所述運算部在所述掃描軌跡的往路和返路中，分別計算所述近似函數(shù)。16. 根據(jù)權(quán)利要求11~15中的任意一項所述的光掃描裝置，其中， 所述近似函數(shù)取決于所述擺動部的驅(qū)動頻率和/或最大振幅。
【文檔編號】G02B26/10GK105899120SQ201580004203
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年2月20日
【發(fā)明人】島本篤義
【申請人】奧林巴斯株式會社