CN107427182B - 扫描型观察装置和扫描型观察装置的图像显示方法 - Google Patents

扫描型观察装置和扫描型观察装置的图像显示方法 Download PDF

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Abstract

提供能够更加简便地校正照明光学系统的倍率色像差的扫描型观察装置。该扫描型观察装置(10)通过致动器(25)使照明光偏转而经过照明光学系统(26)来扫描被照射物(32)，利用光检测部(44)对来自被照射物(32)的光进行光电转换并利用图像处理部(46)进行处理而在显示部(60)上显示被照射物(32)的图像，该扫描型观察装置(10)具有：存储部(35)，其对光学特性信息进行保存，该光学特性信息与照明光学系统(26)针对多个规定的色光的倍率色像差相关；以及扫描轨迹运算部45，其根据光学特性信息对每个色光在被照射物(32)上的扫描轨迹进行运算，图像处理部(46)根据扫描轨迹按照每个色光对来自光检测部(44)的光电转换信号的描绘位置进行校正而生成被照射物(32)的图像。

Description

扫描型观察装置和扫描型观察装置的图像显示方法
技术领域
本发明涉及扫描型观察装置和扫描型观察装置的图像显示方法。
背景技术
作为扫描型观察装置例如公知有如下的扫描型内窥镜装置：一边通过致动器使在镜体内延伸的光纤的射出端部移位而使来自光纤的照明光偏转一边经过照明光学系统将照明光照射到被检部位而扫描被检部位，对在该被检部位处的反射光进行检测并显示图像(例如，参照专利文献1)。
在上述的扫描型内窥镜装置中，使用位置检测元件(PSD：Position SensitiveDetector)等具有坐标信息取得功能的光照射坐标检测模块来取得规定的色光的扫描轨迹的坐标信息，并且将表示以该规定的色光为基准的其他色光的像高与像差量之间的对应关系的光学特性信息预先保存在存储部中。而且，在根据坐标信息而检测出规定的色光被照射到相当于规定的像高的被检部位的位置上时，根据光学特性信息来检测规定的像高上的其他色光的像差量，取得校正根据其他色光的反射光而生成的图像的倍率色像差的图像校正信息，根据该图像校正信息来实施图像校正处理从而显示被检部位的图像。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5490331号公报
发明内容
发明要解决的课题
根据专利文献1所公开的扫描型内窥镜装置，由于取得以作为照明光所使用的规定的色光为基准来校正其他色光的倍率色像差的图像校正信息，因此能够比较简单地对照明光学系统的倍率色像差进行校正。
但是，在上述的扫描型内窥镜装置中，由于使用PSD等光照射坐标检测模块来取得扫描轨迹的坐标信息，因此担心比较麻烦。这样的扫描型内窥镜装置的课题例如在使激光偏转而经过物镜来扫描试样的激光扫描型显微镜等中也同样产生。
因此，鉴于上述情况而完成的本发明的目的在于，提供如下的扫描型观察装置和扫描型观察装置的图像显示方法：能够更简便地对照明光学系统的倍率色像差进行校正。
用于解决课题的手段
达成上述目的的本发明的扫描型观察装置的一个方式提供一种扫描型观察装置，其通过致动器使照明光偏转而经过照明光学系统来扫描被照射物，利用光检测部对来自所述被照射物的光进行光电转换并利用图像处理部进行处理而在显示部上显示所述被照射物的图像，其特征在于，所述扫描型观察装置具有：
存储部，其对光学特性信息进行保存，所述光学特性信息与所述照明光学系统针对多个规定的色光的倍率色像差相关；以及
扫描轨迹运算部，其根据所述光学特性信息对每个所述色光在所述被照射物上的扫描轨迹进行运算，
所述图像处理部根据所述扫描轨迹按照每个所述色光对来自所述光检测部的光电转换信号的描绘位置进行校正而生成所述被照射物的图像。
可以是，在所述存储部中，作为所述光学特性信息保存有由表示所述照明光相对于所述照明光学系统的光轴的偏转量h与每个所述色光的扫描角度θλ的关系的3次以上的多项式或三角函数、或者它们的展开式或变换式所表示的信息，
所述扫描轨迹运算部根据所述光学特性信息，在将从所述照明光学系统到所述被照射物为止的距离设为z时，对于作为所述扫描轨迹的照射位置h′，根据h′＝z·tanθλ按照每个所述色光进行运算。
可以是，在所述存储部中，作为所述光学特性信息保存有由h＝a4θλ4+a3θλ3+a2θλ2+a1θλ+a0(其中，a4、a3、a2、a1、a0是系数)或θλ＝b4h4+b3h3+b2h2+b1h+b0(其中，b4、b3、b2、b1、b0是系数)所表示的信息。
可以是，在所述存储部中，作为所述光学特性信息保存有在将所述照明光学系统的焦距设为f时由h＝f·sinθλ所表示的信息。
可以是，所述焦距f是实测值。
也可以是，所述被照射部以所述照明光学系统的光轴为中心呈螺旋状被扫描，
所述图像处理部针对所述被照射物的图像的最外侧区域执行与其他区域不同的图像处理。
也可以是，所述扫描型观察装置具有引导所述照明光的光纤，
所述致动器使所述光纤的射出端部移位而使从该光纤射出的所述照明光偏转。
此外，达成上述目的的本发明的扫描型观察装置的图像显示方法的一个方式提供一种扫描型观察装置的图像显示方法，该扫描型观察装置通过致动器使照明光偏转而经过照明光学系统来扫描被照射物，利用光检测部对来自所述被照射物的光进行光电转换并利用图像处理部进行处理而在显示部上显示所述被照射物的图像，该扫描型观察装置的图像显示方法特征在于，包含如下的步骤：
根据保存在存储部中的与所述照明光学系统针对多个规定的色光的的倍率色像差相关的光学特性信息，通过扫描轨迹运算部按照每个所述色光对在所述被照射物上的扫描轨迹进行运算；以及
根据所述扫描轨迹，通过所述图像处理部按照每个所述色光对来自所述光检测部的光电转换信号的描绘位置进行校正而生成所述被照射物的图像。
发明效果
根据本发明，能够更加简便地对照明光学系统的倍率色像差进行校正。
附图说明
图1是示出一个实施方式的扫描型内窥镜装置的主要部分的概略结构的框图。
图2是概略地示出图1的镜体的概略图。
图3是放大地示出图2的镜体的前端部的剖视图。
图4是对照明光学系统的倍率色像差进行说明的示意图。
图5是示出照明光学系统的倍率色像差的一例的图。
图6是用于对基于主光线追踪的照明光学系统的倍率色像差进行说明的图。
图7是示出图1的扫描型内窥镜装置的图像显示方法的主要部分的处理的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是示出一个实施方式的扫描型内窥镜装置的主要部分的概略结构的框图。本实施方式的扫描型内窥镜装置10具有镜体(内窥镜)20、装置主体40以及显示部60。
镜体20经由连接器等而与装置主体40装卸自如地连接。如图2中概略外观图所示，镜体20具有操作部21和插入部22。在镜体20的内部，以从与装置主体40结合的基端部延伸到插入部22的前端部22a(图2中虚线所示的部分)的方式配设有照明用光纤23和检测用光纤束24。在镜体20与装置主体40连接的状态下，照明用光纤23能够供来自装置主体40的照明光入射。插入部22的除了前端部22a之外的部分为能够弯曲的挠性部22b，前端部22a为不弯曲的硬质部。
如图3中局部放大剖视图所示，在镜体20的前端部22a上安装有致动器25和照明光学系统26。致动器25具有使照明用光纤23的射出端部23a贯穿而对该射出端部23a进行保持的套管27。照明用光纤23被粘接固定于套管27中。套管27的与照明用光纤23的射出端面23b相反一侧的端部与支承部28结合，由支承部28悬臂支承为能够摇动。照明用光纤23贯穿支承部28而延伸。
套管27例如由镍等金属构成。套管27的外形能够形成为四棱柱状、圆柱状等任意的形状。在套管27上，当将与照明用光纤23的光轴方向平行的方向设为z方向时，在与z方向垂直的面内沿互相垂直的x方向和y方向分别对置地安装有压电元件30x和30y。在图3中，关于压电元件30x仅示出了1个。压电元件30x和30y形成为z方向较长的矩形状。压电元件30x和30y构成为具有形成在厚度方向的两个面上的电极，当经由对置的电极在厚度方向上施加电压时能够在z方向上伸缩。
压电元件30x和30y的与粘接于套管27的电极面相反的一侧的电极面分别连接有对应的配线线缆31。同样，作为压电元件30x和30y的共用电极的套管27连接有对应的配线线缆31。从装置主体40经由对应的配线线缆31对x方向的2个压电元件30x施加同相的交流电压。同样，从装置主体40经由对应的配线线缆31对y方向上对置的2个压电元件30y施加同相的交流电压。
由此，当2个压电元件30x中的一个伸张时另一个缩小，使套管27在x方向上弯曲振动。同样，当2个压电元件30y中的一个伸张时另一个缩小，使套管27在y方向上弯曲振动。其结果是，套管27对x方向和y方向上的振动进行合成而与照明用光纤23的射出端部23a一体地偏转。因此，当使照明光从装置主体40入射到照明用光纤23时，能够通过从射出端面23b射出的照明光对被观察物(被照射物)32进行二维扫描。
检测用光纤束24穿过插入部22的外周部地配置。虽然未图示，但也可以在检测用光纤束24的各光纤的前端部24a上配置检测用透镜。检测用光纤束24在镜体20与装置主体40连接的状态下，取入由被观察物32对照射到被观察物32上的照明光进行反射、散射、折射等得到的光(与被观察物32相互作用得到的光)或者因照明光的照射而产生的荧光等来作为信号光并导入给装置主体40。
关于照明光学系统26，在图3中例示出由2个投影用透镜26a、26b构成的情况。投影用透镜26a、26b构成为使从照明用光纤23的射出端面23b射出的照明光会聚在规定的焦点位置。另外，照明光学系统26并不仅限于由2个投影用透镜26a、26b构成，也可以由1个或3个以上的透镜构成。
在本实施方式中，如图1所示，镜体20还具有存储部35。存储部35中保存有光学特性信息，该光学特性信息与照明光学系统26针对例如红色(R)、绿色(G)以及蓝色(B)的多个规定的色光的倍率色像差相关。作为光学特性信息，例如保存有由表示照明光相对于照明光学系统26的光轴的偏转量(像高)h与每个色光的扫描角度θλ的关系的3次以上的多项式或三角函数、或者它们的展开式或变换式所表示的信息。保存在存储部35中的光学特性信息在镜体20与装置主体40连接的状态下，由装置主体40读取。
另一方面，在图1中，装置主体40具有：对扫描型内窥镜装置10的整体进行控制的控制部41、光源部42、驱动控制部43、光检测部44、扫描轨迹运算部45、图像处理部46和存储部47。
光源部42具有激光器51R、51G、51B和耦合器52。激光器51R、51G、51B被控制部41控制，激光器51R射出红色的激光，激光器51G射出绿色的激光，激光器51B射出蓝色的激光。作为激光器51R、51G、51B，例如能够使用DPSS激光器(半导体激发固态激光器)或激光二极管。这里，关于各色光的波长，例如蓝色光的波长为440nm到460nm，绿色光的波长为515nm到532nm，红色光的波长为635nm到638nm。从激光器51R、51G、51B射出的激光被耦合器52在同轴上合波而入射到镜体20的照明用光纤23。另外，光源部42也可以使用其他的多个光源。并且，光源部42也可以被收纳在与装置主体40不同的壳体中而利用信号线与装置主体40连接。在该情况下，镜体20的照明用光纤23与具有光源部42的壳体装卸自如地连接。
驱动控制部43经由配线线缆31向镜体20的致动器25提供所需的驱动信号而对照明用光纤23的射出端部进行振动驱动。例如，驱动控制部43按照包含照明用光纤23的射出端部23a在内的被振动部的共振频率或其附近的频率，向致动器25的压电元件30x和30y反复提供相位大致相差90°且振幅逐渐增大再减小的驱动信号。由此，照明用光纤23的射出端面23b以照明光学系统26的光轴为中心呈螺旋状移位，通过从射出端面23b射出的照明光呈螺旋状扫描被观察物32。
光检测部44具有分光器55、光检测器(PD)56R、56G、56B和ADC(模拟-数字转换器)57R、57G、57B。在镜体20与装置主体40连接的状态下，分光器55与镜体20的检测用光纤束24结合而将由检测用光纤束24引导来的信号光分光成例如R、G、B各色。光检测器56R、56G、56B接受由分光器55分光后的对应的颜色的光而进行光电转换。ADC 57R、57G、57B将从对应的光检测器56R、56G、56B输出的模拟的像素信号分别转换成数字的像素信号并输出给图像处理部46。
在镜体20与装置主体40连接的状态下，扫描轨迹运算部45对保存在存储部35中的照明光学系统26的光学特性信息进行读取。而且，扫描轨迹运算部45根据从存储部35读取的光学特性信息和对致动器25进行驱动的驱动信号的振幅以及相位等驱动信号信息，对R、G、B的每个色光在被观察物32上的扫描轨迹(坐标)进行运算。另外，驱动信号信息从例如控制部41或驱动控制部43取得。另外，在图1中例示出从控制部41取得驱动信号信息的情况。由扫描轨迹运算部45运算出的每个色光的扫描轨迹被提供给图像处理部46。
图像处理部46根据由扫描轨迹运算部45运算出的R、G、B的每个色光的扫描轨迹而将从ADC 57R、57G、57B得到的各色的像素信号保存在例如帧存储器的对应的描绘位置。而且，图像处理部46在各帧的扫描结束后或在扫描中进行插值处理等必要的图像处理而依次生成被观察物32的帧的图像并显示在显示部60上。
存储部47对装置主体40的控制程序等进行保存。并且，存储部47也可以作为扫描轨迹运算部45或图像处理部46的工作存储器发挥功能。
接下来，对保存在镜体20的存储部35中的与照明光学系统26的倍率色像差相关的光学特性信息进行说明。
如图4中示意性所示，若使照明用光纤23的射出端部23a移位而使照明光从照明光学系统26的光轴偏转地入射到照明光学系统26，则经过了照明光学系统26的照明光因照明光学系统26的倍率色像差而按照每个色光被照射到被观察物32的不同位置。例如，若使R、G、B的波长的照明光入射到照明光学系统26，则在将入射光从光轴偏转的偏转量(光纤振幅)设为h、将经过了照明光学系统26的R、G、B的各色光与光轴所呈的角度(扫描角度)设为θλ(λ：R、G、B)时，各色光的扫描角度θλ随着光纤振幅h的增加而例如像图5所示那样变化。即，在不存在倍率色像差的理想的情况下，如特性L1所示，各色光的扫描角度θλ随着光纤振幅h的增加而以相同的角度呈直线状增加。与之相对，若存在倍率色像差，则分别如特性CR、CG、CB所示，各色光的扫描角度θλ随着光纤振幅h的增加而以不同的角度呈曲线状增加。
在照明光学系统26具有图5中所示的倍率色像差的情况下，特性CR、CG、CB能够通过使用光纤振幅h和扫描角度θλ而例如以h＝a4θλ4+a3θλ3+a2θλ2+a1θλ+a0(其中，a4、a3、a2、a1、a0是系数)或者θλ＝b4h4+b3h3+b2h2+b1h+b0(其中，b4、b3、b2、b1、b0是系数)的4次多项式来表示。
并且，基于照明光学系统26的倍率色像差的各色光的扫描角度θλ在主光线追踪中随着光纤振幅h的增加而例如像图6所示那样变化。即，在近轴近似中，如特性L2所示，扫描角度θλ随着光纤振幅h的增加而呈直线状增加。与之相对，在主光线追踪中，如特性CRT所示，扫描角度θλ随着光纤振幅h的增加呈曲线状增加。在该情况下，若将照明光学系统26的焦距设为f，则特性CRT能够按照例如h＝f·sinθλ这样的三角函数所表示的曲线Ch来近似。
因此，在镜体20的存储部35中，作为与照明光学系统26的倍率色像差相关的光学特性信息，例如保存有上述的h＝a4θλ4+a3θλ3+a2θλ2+a1θλ+a0、θλ＝b4h4+b3h3+b2h2+b1h+b0、或者h＝f·sinθλ的信息。另外，在将h＝f·sinθλ的信息保存在存储部35中的情况下，焦距f可以采用实测值。由此，能够考虑照明光学系统26的个体差异等而更高精度地校正照明光学系统26的倍率色像差。另外，在图4中，简化地示出照明光学系统26。
接下来，对图1的扫描型内窥镜装置10的图像显示方法进行说明。
图7是示出图像显示方法的主要部分的处理的流程图。另外，图7的处理是根据控制部41的控制而执行的。首先，扫描轨迹运算部45根据致动器25的驱动信号信息来计算与各帧的扫描期间中的扫描点依次对应的光纤振幅(步骤S701)。各扫描点是例如x方向驱动信号或y方向驱动信号的振幅成为峰值的时机，峰值按照每个扫描点而不同。
接下来，扫描轨迹运算部45根据从镜体20的存储部35读取的光学特性信息和计算出的光纤振幅h来计算R、G、B的每个色光的扫描角度θR、θG、θB(步骤S702)。之后，扫描轨迹运算部45根据计算出的每个色光的扫描角度θR、θG、θB来分别计算在被观察物32上的各色光的扫描点(照射位置)的坐标(XR，YR)、(XG，YG)、(XB，YB)(步骤S703)。
这里，如图4所示，若将从照明光学系统26到被观察物32为止的物体距离设为z，将从照明光学系统26的光轴到各色光在被观察物32上的入射位置为止的距离设为hλ′(λ：R、G、B)，则距离hλ′由hλ′＝z·tanθλ来表示。扫描轨迹运算部45在步骤S703中计算距离hλ′，根据该计算出的距离hλ′来计算每个色光的坐标(XR，YR)、(XG，YG)、(XB，YB)。由此，扫描轨迹运算部45对R、G、B的每个色光依次在被观察物32上的扫描点的坐标、即扫描轨迹进行运算并提供给图像处理部46。另外，物体距离z可以保存在镜体20的存储部35中，与光学特性信息一同读取，也可以保存在装置主体40的存储部47中而读取。
对于上述的扫描轨迹运算部45所进行的每个色光的扫描轨迹的运算处理，可以一边对致动器25进行驱动一边执行，也可以不对致动器25进行驱动而执行。并且，在前者的情况下，可以一边对被观察物32照射照明光来实际扫描被观察物32一边执行，也可以在实际的扫描之前不对被观察物32照射照明光而执行。
之后，图像处理部46根据由扫描轨迹运算部45运算出的R、G、B的每个色光的扫描轨迹(坐标)，将通过被观察物32的扫描而从ADC 57R、57G、57B得到的各色的像素信号保存在例如帧存储器的对应的描绘位置而进行插值处理等必要的图像处理，从而生成被观察物32的图像(步骤S704)。图像处理部46所生成的被观察物32的图像被显示在显示部60上(步骤S705)。
这里，照射到被观察物32的照明光因照明光学系统26的倍率色像差而在扫描区域的最外周附近仅为B系的照明光。因此，在扫描区域的最外周附近无法进行充分的插值处理等，有时会产生色移。在本实施方式中，优选针对与比R的照明光的扫描区域靠外侧的区域相当的扫描区域、即显示在显示部60上的被观察物32的图像的最外侧区域，执行与其他区域不同的图像处理、例如修剪、黑白化、伪彩色化等处理。这样，能够将周边部作为与被观察物32的图像不同的图像而明确地识别，能够使被观察物32的图像成为没有色移的图像，能够提高整个显示图像的品质。
根据本实施方式，能够不使用PSD等光照射坐标检测模块，而简便地校正照明光学系统26的倍率色像差。
另外，本发明不限定于上述实施方式，能够进行多种变形或变更。例如，与保存在镜体20的存储部35中的照明光学系统26的倍率色像差相关的光学特性信息并不限于上述的例子，也可以是由3次以上的多项式或三角函数、或者它们的展开式或变换式所表示的信息。并且，致动器25并不限于压电式，也可以是使用了线圈和永磁铁的电磁式或MEMS镜等其他公知的驱动方式。并且，在上述实施方式中，说明了对被观察物32同时照射R、G、B的色光而进行扫描的情况，但例如也可以按照面顺序照射各色光而按照面顺序显示图像、或者在一次扫描中依次照射各色光而显示图像。
并且，也可以是，镜体20的存储部35将能够确定该镜体20的照明光学系统26的种类的ID信息保存为镜体信息，装置主体40的存储部47保存与多个照明光学系统26的种类对应的光学特性信息。在该情况下，装置主体40的控制部41可以从所连接的镜体20的存储部35读取照明光学系统26的ID信息，而从存储部47将对应的光学特性信息输出给扫描轨迹运算部45。并且，驱动控制部43、光检测部44、扫描轨迹运算部45、图像处理部46和存储部47中的一部分或全部也可以包含在控制部41中。此外，本发明并不限于扫描型内窥镜装置，也能够应用于扫描型显微镜。
标号说明
10：扫描型内窥镜装置；20：镜体；23：照明用光纤；23a：射出端部；24：检测用光纤束；25：致动器；26：照明光学系统；30x、30y：压电元件；32：被观察物(被照射物)；35：存储部；40：装置主体；41：控制部；42：光源部；43：驱动控制部；44：光检测部；45：扫描轨迹运算部；46：图像处理部；47：存储部；60：显示部。

Claims (8)

1.一种扫描型观察装置，其通过致动器使照明光偏转而经过照明光学系统来扫描被照射物，利用光检测部对来自所述被照射物的光进行光电转换并利用图像处理部进行处理而在显示部上显示所述被照射物的图像，其特征在于，所述扫描型观察装置具有：
存储部，其对光学特性信息进行保存，所述光学特性信息与所述照明光学系统针对多个规定的色光的倍率色像差相关；以及
扫描轨迹运算部，其根据所述光学特性信息对每个所述色光在所述被照射物上的扫描轨迹进行运算，
所述图像处理部根据所述扫描轨迹按照每个所述色光对来自所述光检测部的光电转换信号的描绘位置进行校正而生成所述被照射物的图像，
其中，在所述存储部中，作为所述光学特性信息保存有由表示所述照明光相对于所述照明光学系统的光轴的偏转量h与每个所述色光的扫描角度θλ的关系的三角函数或3次以上的多项式、或者它们的展开式或变换式所表示的信息。
2.根据权利要求1所述的扫描型观察装置，其特征在于，
所述扫描轨迹运算部根据所述光学特性信息，在将从所述照明光学系统到所述被照射物为止的距离设为z时，对于作为所述扫描轨迹的照射位置h′，根据h′＝z·tanθλ按照每个所述色光进行运算。
3.权利要求2所述的扫描型观察装置，其特征在于，
在所述存储部中，作为所述光学特性信息保存有由h＝a4θλ4+a3θλ3+a2θλ2+a1θλ+a0或θλ＝b4h4+b3h3+b2h2+b1h+b0所表示的信息，其中，a4、a3、a2、a1、a0、b4、b3、b2、b1、b0是系数。
4.根据权利要求2所述的扫描型观察装置，其特征在于，
在所述存储部中，作为所述光学特性信息保存有在将所述照明光学系统的焦距设为f时由h＝f·sinθλ所表示的信息。
5.根据权利要求4所述的扫描型观察装置，其特征在于，
所述焦距f是实测值。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的扫描型观察装置，其特征在于，
所述照明光学系统以所述照明光学系统的光轴为中心呈螺旋状扫描所述被照射物，
所述图像处理部针对所述被照射物的图像的最外侧区域执行与其他区域不同的图像处理。
7.根据权利要求1至5中的任意一项所述的扫描型观察装置，其特征在于，
所述扫描型观察装置具有引导所述照明光的光纤，
所述致动器使所述光纤的射出端部移位而使从该光纤射出的所述照明光偏转。
8.根据权利要求6所述的扫描型观察装置，其特征在于，
所述扫描型观察装置具有引导所述照明光的光纤，
所述致动器使所述光纤的射出端部移位而使从该光纤射出的所述照明光偏转。
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