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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Scanverfahren und eine Scanvorrichtung
und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, faseroptische oder Lichtleitfaser-Scan-Mikroskope
und -Endoskope.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
herkömmliche
Scantechnik verwendet als eine kompakte Alternative zu resonanten
Spiegel-/Galvanometer-Scanvorrichtungen einen resonanten Cantilever,
um einen Hochfrequenz-Scanvorgang eines Lichtleitfaserendes zu realisieren.
Der Hochfrequenz- oder X-Scanvorgang wird dann mit einem langsamen
oder Y-Scanvorgang kombiniert, um ein Standardraster-Scanmuster
zu erzeugen.
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In
einer derartigen Anordnung erfordern mechanische Betrachtungen eine
resonante sinusförmige
Bewegung eines Lichtflecks oder Spots in der X- oder schnellen Richtung
des Scans. Obwohl ein TV-Raster in beiden Richtungen (für eine optische Dosierungssteuerung
und eine Datenerfassung) vorteilhafter ist, ist ein sägezahnförmiger Scanvorgang mit
konstanter Geschwindigkeit nur in der langsamen oder Y-Richtung ebenfalls
geeignet. Wie in 12 dargestellt ist, steht unter
praktischen Bedingungen etwa die Hälfte der Scanfläche für eine Datenerfassung
zur Verfügung,
wie durch durchgezogene Linien für
einen typischen quadratischen Bildbereich dargestellt ist. Gemäß einfachen
geometrischen Betrachtungen kann berechnet werden, daß am Ende
der durchgezogenen Linien die Spot-Geschwindigkeit auf 87% der Spot-Spitzengeschwindigkeit
abgefallen ist. Der gepunktete Abschnitt des Scans, in dem die Spot-Geschwindigkeit
kleiner ist als 87% dieses Maximalwertes, wird verworfen. Die 87%-Figur wird vom 87%-Wert
des Maximalwertes der Kosinus-Ableitungsfunktion
hergeleitet. Dieser Wert ist zwar etwas willkürlich, bildet jedoch eine Basis
für einen
Vergleich zwischen verschiedenen Scanmustern. Der Wert 87% wurde
durch den vorliegenden Erfinder gewählt, weil erfindungsgemäß die Hälfte der
Amplitude der Sinuswelle für
den Raster-Scanvorgang
verwendet wird, was dem Geschwindigkeitsbereich von ≥ 87% der maximalen
Geschwindigkeit des Rastermusters entspricht. Dies wird basierend
auf der Erfahrung des Erfinders auch hinsichtlich der Bildqualität, gemäß der keine übermäßige Störung auftritt,
als geeigneter Bereich betrachtet.
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In
herkömmlichen
Systemen ist der Y-Ablenkmechanismus typischerweise in Serie mit
dem X-Ablenksystem angeordnet und hat eine ähnliche Länge. Da die Nachfrage nach
immer kompakteren Scanvorrichtungen zunimmt, besteht ein Bedarf
für die
Entwicklung einer kombinierten XY-Scanvorrichtung mit einer möglichst
kurzen Länge.
Wenn die Lichtleitfaser selbst sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung
als symmetrischer Cantilever ablenkbar ist, ist die Scanvorrichtung
kompakter. Das Problem besteht darin, daß für praktische Kräfte nur
ein resonanter Betrieb möglich
ist. Aus diesem Grunde sind modulierte kreisförmige Muster entwickelt worden, wie
beispielsweise im US-Patent Nr.
6294775 (Seibel und
Furness) dargestellt ist.
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Im
US-Patent Nr.
6294775 ist
ein System dargestellt, in dem ein Lichtleitfaserende typischerweise
kreis- oder ellipsenförmig
bewegt wird, wobei der Radius des Kreises oder der Ellipse derart
moduliert wird, daß eine
Fläche
fortschreitend gescannt wird. Geeigneterweise kann die kreisförmige Bewegung
durch phasengesteuerte X- und Y-Antriebssignale in der X- und der
Y-Richtung effektiv resonant erzeugt werden. Die Modulation des
Radius des gescannten Kreises oder der gescannten Ellipse führt jedoch
zu einer großen Änderung
der Scangeschwindigkeit und zu einer Singularität in der Mitte des Scanbereichs.
Dieses Scanmuster unterscheidet sich we sentlich von einem Rasterscan,
so daß das erhaltene
kreisförmige
Muster einer Bildverarbeitung unterzogen werden muß, wodurch
unter Verwendung von Standardsystemen Grenz- oder Übergangsflächenprobleme
entstehen. Ein mit dem im US-Patent Nr.
6294775 dargestellten System erzeugbares
Muster ist in
13 schematisch dargestellt.
Nur die durch eine durchgezogene Linie dargestellten Abschnitte
des Scanbereichs würden
für die
Bildverarbeitung verwendet. Der durch eine gepunktete Linie dargestellte
Abschnitt des Scans entspricht einer Spot-Geschwindigkeit von weniger
als 87% der Spitzen-Scangeschwindigkeit
und wird daher verworfen. Infolgedessen kann auf den größten Teil
des mittleren Bereichs nicht zugegriffen werden. Die durchgezogene
Linie entspricht einer Spot-Geschwindigkeit von ≥ 87% der Spot-Spitzengeschwindigkeit,
die bei diesem spiralförmigen
Scanmuster einem Radius von 87% des maximalen Radius entspricht.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Gemäß einem
ersten, allgemeinen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Scanverfahren einer
Lichttransmissionseinrichtung mit einem Lichtaustrittsende bereitgestellt,
wobei das Lichtaustrittsende in einem elliptischen Muster bewegt
wird, während
die Exzentrizität
des elliptischen Musters variiert wird.
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Daher
hat ein (auf der Nebenachse des elliptischen Musters zentrierter)
Abschnitt des elliptischen Musters mindestens näherungsweise ein rastermusterförmiges Erscheinungsbild.
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Vorzugsweise
wird die Exzentrizität
durch Ändern
der Länge
einer Achse des elliptischen Musters geändert. Die Exzentrizität wird noch
bevorzugter durch Ändern
der Länge
der Nebenachse des elliptischen Musters geändert.
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Der
(entweder an einer Seite der Hauptachse angeordnete oder die Hauptachse überspannende)
Mittenabschnitt einer Ellipse ist näherungsweise rechteckig, insbesondere
wenn dieser Abschnitt in Richtung der Hauptachse schmal ist, so
daß, wenn die
Exzentrizität
des elliptischen Musters geändert wird,
ein Scanmuster mit einem näherungsweise
rastermusterförmigen
Erscheinungsbild erhalten wird. Es wird zwar eine Tonnenverzerrung
erhalten, aber eine derartige Verzerrung ist tolerierbar oder, falls nicht,
durch eine Bildverarbeitung relativ leicht korrigierbar. Diese Verzerrung
ist auf jeden Fall im Vergleich zur herkömmlichen Radiusmodulationstechnik klein.
Die Ellipse könnte
an ihrem Punkt minimaler Exzentrizität sogar ein Kreis sein (d.h.
eine Ellipse mit einer Exzentrizität von null), wenn – in bestimmten Anwendungen – die erhaltene
Verzerrung tolerierbar oder korrigierbar ist.
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Der
vorstehend verwendete Ausdruck "Licht" soll alle Formen
elektromagnetischer Strahlung einschließen. Vorzugsweise wird die
Exzentrizität
zwischen einem Minimalwert und eins wiederholt geändert. Noch
bevorzugter wird die Exzentrizität
von einem Minimalwert auf eins und dann wieder zurück auf den
Minimalwert geändert,
wobei ein Bildabschnitt an der Mitte des elliptischen Musters zentriert
ist.
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Vorzugsweise
beträgt
das Verhältnis
der Hauptachse zur Nebenachse des elliptischen Musters etwa zwei.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren das Modulieren der Exzentrizität durch
Modulieren der Nebenachse des elliptischen Musters zwischen positiven
und negativen Extremwerten auf, so daß das Lichtaustrittsende sich
im Verlauf eines einzigen vollständigen
Scanvorgangs sowohl im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn
bewegt.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren das Bewegen des Lichtaustrittsendes durch einen
X-Antrieb parallel zur Hauptachse des elliptischen Musters und durch
einen Y-Antrieb parallel zur Nebenachse des elliptischen Musters
und das Synchronisieren bei einer konstanten Phase bezüglich des
X-Scansignals auf, um eine Kombination oder Kompatibilität mit einem
Standardrasterdisplay zu ermöglichen.
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Vorzugsweise
wird das Y-Antriebssignal durch synchrones Schalten einer verzögerten Version
des X-Antriebssignals erhalten.
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Beispielsweise
können
Antriebssignale Rechtecksignale sein, so daß eine beliebige Phasenverschiebung
durch einfache Verzögerungsschaltungen
erzeugt wird.
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Vorzugsweise
ist die Lichttransmissionseinrichtung eine optische oder Lichtleitfaser.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren das magnetische Antreiben der Lichttransmissionseinrichtung auf.
Noch bevorzugter weist das Verfahren das Antreiben der Lichttransmissionseinrichtung
durch einen an der Lichttransmissionseinrichtung befestigten Magneten
auf, wobei der Magnet axial magnetisiert ist und wechselseitig senkrechte
Spulen oder Wicklungen auf den Magneten einwirken.
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Noch
bevorzugter weisen die wechselseitig senkrechten Spulen oder Wicklungen
ein Paar Treiberspulen auf, die an entgegengesetzten Seiten einer
Ruheposition des Magneten in einer ersten Ebene symmetrisch angeordnet
sind, und eine weitere Treiberspule, die in einer sich senkrecht
zur ersten Ebene erstreckenden zweiten Ebene angeordnet ist, wobei
das Verfahren ferner die Schritte aufweist:
Erfassen der Position
des Magneten durch eine Sensorspule, die in der zweiten Ebene und
auf der der weiteren Treiberspule entgegengesetzten Seite des Magneten
symmetrisch angeordnet ist;
Erzeugen eines die Position des
Magneten anzeigenden Ausgangssignals durch die Sensorspule; und
Herleiten
eines Eingangssignals für
die weitere Treiberspule von dem Ausgangssignal;
wobei jede
Spule des Paars von Treiberspulen, die weitere Treiberspule und
die Sensorspule vom in der Ruheposition angeordneten Magnet in gleichen
Abständen
angeordnet sind.
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Vorzugsweise
weist das Verfahren das Steuern a) des Spulenpaars in der ersten
Ebene und b) der weiteren Spule und der Sensorspule in der zweiten
Ebene auf, um Funktionen derart auszutauschen, daß das Paar
Treiberspulen in der ersten Ebene als Treiberspule und Sensorspule
dienen, und die weitere Spule und die Sensorspule in der zweiten
Ebene als Paar Treiberspulen dienen, so daß ein weiterer Scanvorgang
senkrecht zum elliptischen Muster ausgeführt werden kann.
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In
einer Ausführungsform
weist die Lichttransmissionseinrichtung eine Beschichtung aus einem
magnetischen Material auf. Alternativ ist die Lichttransmissionseinrichtung
innerhalb einer dicht umschließenden
Magnetröhre
angeordnet.
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Diese
Optionen ermöglichen,
daß die
Resonanzfrequenz und die Länge
Designanforderungen angepaßt
werden können.
Gemäß einem
zweiten, allgemeinen Aspekt wird durch die vorliegende Erfindung
eine Scanvorrichtung bereitgestellt, mit:
einer Lichtransmissionseinrichtung
mit einem Lichtaustrittsende; und
einer ersten und einer zweiten
Antriebseinrichtung zum resonanten Antreiben der Lichttransmissionseinrichtung
in orthogonale Richtungen;
wobei die erste und die zweite Antriebseinrichtung dazu
geeignet sind, das Lichtaustrittsende in einem elliptischen Muster
zu bewegen, während
die Exzentrizität
des elliptischen Musters geändert
wird.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung dazu geeignet, die Exzentrizität durch Ändern der
Länge einer Achse
des elliptischen Musters zu ändern.
Noch bevorzugter ist die Vorrichtung dazu geeignet, die Exzentrizität durch Ändern der
Länge der
Nebenachse des elliptischen Musters zu ändern.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung dazu geeignet, die Exzentrizität zwischen
einem Minimalwert und eins wiederholt zu ändern. Die Vorrichtung ist noch
bevorzugter dazu geeignet, die Exzentrizität von einem Minimalwert auf
eins und dann zurück
auf den Minimalwert wiederholt zu ändern, wobei ein Bildabschnitt
an der Mitte des elliptischen Musters zentriert ist.
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Vorzugsweise
beträgt
das Verhältnis
der Hauptachse zur Nebenachse des elliptischen Musters etwa zwei.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung dazu geeignet, die Exzentrizität durch
Modulieren der Nebenachse des elliptischen Musters zwischen positiven und
negativen Extremwerten derart zu modulieren, daß das Lichtaustrittsende sich
im Verlauf eines einzelnen vollständigen Scanvorgangs sowohl
im Uhrzeigersinn als auch im Gegenuhrzeigersinn bewegt.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung dazu geeignet, das Lichtaustrittsende durch
einen X-Antrieb parallel zur Hauptachse des elliptischen Musters
und durch einen Y-Antrieb parallel zur Nebenachse des elliptischen
Musters anzutreiben und das Y-Antriebssignal bei einer konstanten
Phase bezüglich
des X-Antriebssignals zu synchronisieren, um eine Kombination oder
Kompatibilität
mit einem Standardrasterdisplay zu ermöglichen.
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Vorzugsweise
wird das Y-Antriebssignal durch synchrones Schalten einer verzögerten Version
des X-Antriebssignals hergeleitet.
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Vorzugsweise
ist die Lichttransmissionseinrichtung eine optische oder Lichtleitfaser.
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Vorzugsweise
weist die Vorrichtung einen Magnetantrieb zum Antreiben der Lichttransmissionseinrichtung
auf. Noch bevorzugter weist der Magnetantrieb einen an der Lichttransmissionseinrichtung
befestigten Magnet und wechselseitig senkrechte Spulen oder Wicklungen
auf, wobei der Magnet axial magnetisiert ist und die wechselseitig
senkrechten Spulen oder Wicklungen auf den Magnet einwirken.
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Noch
bevorzugter weisen die wechselseitig senkrechten Spulen oder Wicklungen
ein Paar Treiberspulen auf, die an entgegengesetzten Seiten einer
Ruheposition des Magneten in einer ersten Ebene symmetrisch angeordnet
sind, und eine weitere Treiberspule, die in einer sich senkrecht
zur ersten Ebene erstreckenden zweiten Ebene angeordnet ist, wobei
die Vorrichtung ferner eine Sensorspule zum Erfassen der Position
des Magneten aufweist, die in der zweiten Ebene und auf der der
weiteren Treiberspule entgegengesetzten Seite des Magneten symmetrisch
angeordnet ist, wobei jede Spule des Spulenpaars, die weitere Spule
und die Sensorspule bezüglich
des in der Ruheposition angeordneten Magneten in gleichem Abstand
angeordnet sind, wobei die Sensorspule dazu geeignet ist, ein die
Position des Magneten anzeigendes Ausgangssig nal auszugeben, und
wobei die Vorrichtung dazu geeignet ist, ein Eingangssignal für die weitere
Spule vom Ausgangssignal herzuleiten.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung dazu geeignet, a) das Spulenpaar in der ersten
Ebene und b) die weitere Spule und die Sensorspule in der zweiten Ebene
zu steuern, um Funktionen derart auszutauschen, daß das Paar
Treiberspulen in der ersten Ebene als Treiberspule und Sensorspule
dienen und die weitere Spule und die Sensorspule in der zweiten Ebene
als Paar Treiberspulen dienen, wobei die Vorrichtung einen weiteren
Scanvorgang senkrecht zum elliptischen Muster ausführen kann.
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Der
Magnet kann eine beliebige geeignete Form haben. Daher weist die
Lichttransmissionseinrichtung in einer Ausführungsform einen Magneten in der
Form einer Beschichtung aus einem magnetischen Material auf. Alternativ
ist die Lichttransmissionseinrichtung innerhalb eines Magneten angeordnet,
der die Form einer dicht umschließenden Magnetröhre hat.
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Gemäß einem
dritten allgemeinen Aspekt wird erfindungsgemäß eine Scanvorrichtung bereitgestellt,
mit:
einem X-Antrieb zum Bewegen einer Lichttransmissionseinrichtung
mit einem Lichtaustrittsende in eine X-Richtung;
einem Y-Antrieb
zum Bewegen der Lichttransmissionseinrichtung mit einem Lichtaustrittsende
in eine Y-Richtung;
einem X-Antrieb-Eingangssignalgenerator
zum Bereitstellen eines X-Antrieb-Eingangssignals; und
einem
Y-Antrieb-Eingangssignalgenerator zum Bereitstellen eines Y-Antrieb-Eingangssignals,
das durch ein vom X-Antrieb-Eingangssignal hergeleitetes Modulationssignal
moduliert ist;
wobei das Lichtaustrittsende ein Scanmuster
beschreibt, wenn es durch den X- und den Y-Antrieb gleichzeitig
angetrieben wird.
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Daher
können
unter Verwendung dieser Scanvorrichtung resonante und nicht-resonante Scanmuster
erzeugt werden, wie beispielsweise spiralförmige Muster, Scanmuster in
der Form einer "8" und elliptische
(einschließlich
kreisförmige)
Scanmuster.
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Gemäß einem
vierten allgemeinen Aspekt wird erfindungsgemäß eine Scanvorrichtung bereitgestellt,
mit:
einem X-Antrieb zum Bewegen einer Lichttransmissionseinrichtung
mit einem Lichtaustrittsende in eine X-Richtung;
einem Y-Antrieb
zum Bewegen der Lichttransmissionseinrichtung mit einem Lichtaustrittsende
in eine Y-Richtung;
einem X-Antrieb-Eingangssignalgenerator
zum Bereitstellen eines rechteckigen X-Antrieb-Eingangssignals;
und
einem Y-Antrieb-Eingangssignalgenerator zum Bereitstellen
eines Y-Antrieb-Eingangssignals durch Erzeugen eines sägezahnförmigen Signals
und Modulieren des sägezahnförmigen Signals
mit einem vom X-Antrieb-Eingangssignal hergeleiteten Modulationssignal;
wobei
das Lichtaustrittsende ein Scanmuster beschreibt, wenn es durch
den X- und den Y-Antrieb gleichzeitig angetrieben wird.
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Gemäß dem dritten
und vierten allgemeinen Aspekt sind folgende Merkmale bevorzugt.
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Vorzugsweise
ist das Scanmuster elliptisch und weist eine Exzentrizität auf, die
immer größer ist als
null (d.h., das Scanmuster hat eine nicht-kreisförmige Hüllkurve).
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Vorzugsweise
ist der Y-Antrieb-Eingangssignalgenerator dazu geeignet, das sägezahnförmige Signal
derart zu erzeugen, daß das
sägezahnförmige Signal
gemäß einem
Triggersignal, das eine verzögerte
Version des X-Antrieb-Eingangssignals ist, wiederholt invertiert
wird.
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Vorzugsweise
ist die Vorrichtung dazu geeignet, Bilddaten von einem Mittenabschnitt
des Scanmusters zu erfassen. Noch bevorzugter ist die Vorrichtung
dazu geeignet, Bilddaten von einem Mittenabschnitt des Scanmusters
zu erfassen, in dem die Geschwindigkeit des Lichtaustrittsendes
größer oder gleich
etwa 87% einer maximalen Geschwindigkeit des Lichtaustrittsendes
ist.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein
Lichtleitfaser-Endoskop,
Mikroskop oder Endomikroskop bereitgestellt, das eine vorstehend
beschriebene Scanvorrichtung aufweist.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Zum
Verdeutlichen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend bevorzugte
Ausführungsformen
anhand von Beispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben;
es zeigen:
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1A ein
schematisches Diagramm der Anfangsphase einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Scanverfahrens,
in dem der Scanvorgang im Uhrzeigersinn beginnt;
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1B ein
schematisches Diagramm des Scanvorgangs von 1A, dessen
Mittelpunkt gerade überschritten
ist und der nun im Gegenuhrzeigersinn fortgesetzt wird;
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1C ein
schematisches Diagramm des Datenerfassungsabschnitts eines vollständigen Zyklus
des Scanvorgangs von 1A;
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2 ein
schematisches Diagramm des für den
Scanvorgang von 1A verwendeten Y-Antriebssignals;
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3 ein
schematisches Diagramm des zum Erzeugen eines Scanvorgangs gemäß einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung verwendeten Y-Antriebssignals;
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4 ein
schematisches Diagramm des zum Erzeugen eines Scanvorgangs gemäß einer dritten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung verwendeten Y-Antriebssignals;
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5 ein
schematisches Schaltungsdiagramm einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Scanvorrichtung;
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6 ein
Diagramm des Spulenantriebsmechanismus der Vorrichtung von 5;
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7 ein
schematisches Diagramm einer fünften
bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Scanvorrichtung
mit zugeordneter Elektronik;
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8A ein
schematisches Diagramm eines sägezahnförmigen Y-Antriebssignals,
das durch eine Bildgebungselektronik der Vorrichtung von 7 bereitgestellt
wird;
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8B ein
schematisches Diagramm eines X-Sensorsignals, das eine Funktion
der Position des Magneten der Vorrichtung von 7 ist;
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8C ein
schematisches Diagramm des X-Antrieb-Eingangssignals der Vorrichtung von 7;
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8D ein
schematisches Diagramm eines Schaltsteuerungssignals der Vorrichtung
von 7;
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8E ein
schematisches Diagramm des Y-Antrieb-Eingangssignals der Vorrichtung von 7;
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9A eine
Teil-Querschnittansicht eines Endoskopkopfes, der die Vorrichtung
von 7 aufweist;
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9B eine
Endansicht einer optionalen Manschette für die Lichtleitfaser der Vorrichtung
von 7;
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9C eine
Teil-Querschnittansicht eines Endoskopkopfes, der eine Modifikation
der Vorrichtung von 7 aufweist;
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10A Diagramme der Resonanzfrequenz als Funktion
der Faserlänge
für die
Vorrichtung von 7 ohne Magnet, mit einem Magnet
mit einer Länge
von 2 mm und einem Durchmesser von 0,40 mm, und mit einem Magnet
mit einer Länge
von 2 mm und einem Durchmesser von 0,48 mm;
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10B Diagramme des Radius der Bewegung des Lichtaustrittsendes
als Funktion der Faserlänge
für die
Vorrichtung von 7 für einen Magnet mit einer Länge von
2 mm und einem Durchmesser von 0,48 mm, und für einen Magnet mit einer Länge von
2 mm und einem Durchmesser von 0,40 mm;
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10C Diagramme der mechanischen Verstärkung (die
als Verhältnis
der Ablenkung des Lichtleitfaseraustrittsendes zur Magnetablenkung
berechnet wird) als Funktion der Faserlänge für einen Magnet mit einer Länge von
2 mm und einem Durchmesser von 0,48 mm, und für einen Magnet mit einer Länge von
2 mm und einem Durchmesser von 0,40 mm;
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11 die
Ergebnisse eines theoretischen Vergleichs von Abtastbereichen für Scanflächen, die für Rastermuster erhalten
wurden, die durch einen herkömmlichen
Stimmgabel-Scanmechanismus
bzw. durch eine mit der Vorrichtung von 7 vergleichbare
Vorrichtung erhalten wurden;
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12 ein
schematisches Diagramm eines herkömmlichen Scanvorgangs mit resonantem
X-Signal und sägezahnförmigem Y-Signal, wobei durchgezogene
Linien den abgebildeten Scanbereich und gestrichelte Linien den
verworfenen Scanbereich darstellen; und
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13 ein
schematisches Diagramm eines herkömmlichen Scanvorgangs mit resonantem
X-Signal und sägezahnförmigem Y-Signal, wobei durchgezogene
Linien den abgebildeten Scanbereich und gestrichelte Linien den
verworfenen Scanbereich darstellen.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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In 1A bezeichnet
Bezugszeichen 10 eine erste bevorzugte Ausführungsform
eines elliptischen Scanmusters unmittelbar nach Beginn eines Scanvorgangs.
In dieser Figur (und in den 1B und 1C)
stellen gepunktete Linien Scanbereiche dar, in denen keine Daten
erfaßt
werden, und durchgezogene Linien stellen Scanbereiche dar, in denen Daten
erfaßt
werden.
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Der
Scanvorgang erfolgt entlang einer ersten Ellipse 12, deren
Hauptachse doppelt so groß ist
wie ihre Nebenachse (d.h. mit einer Exzentrizität von etwa 0,87).
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Wenn
der Scanablauf den oberen Mittenbereich der Ellipse 12 erreicht
(d.h. den Punkt 14 links von der Nebenachse), wird die
Datenerfassung getriggert und bis zu einem vergleichbaren Punkt 16 rechts
von der Mitte der Ellipse 12 fortgesetzt, wo die Datenerfassung
unterbrochen wird. Dadurch werden Daten entlang eines Bogens erfaßt, dessen
Länge der
halben Hauptachse der Ellipse 12 etwa gleicht. Obwohl dieser
Bogen eine gewisse Krümmung
hat, führt
dies nicht zu einer übermäßigen Verzerrung, wenn
die erfaßten
Daten so verarbeitet werden, als ob der Bogen gerade wäre. Außerdem kann
durch eine herkömmliche
Einrichtung jedes durch diese Technik erhaltene Bild verarbeitet
werden, um diese Verzer rung zu eliminieren (und dadurch ein Bild
mit einer gekrümmten
oberen und unteren Seite zu erzeugen).
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Die
erste Ellipse 12 ist abgeschlossen, wenn ihr unterer Rücklauf abschnitt
durchfahren wurde. In den Bereichen, in denen keine Daten erfaßt werden, kann
entweder ein Lichtsignal empfangen, jedoch verworfen werden, oder
die Lichtquelle kann ausgeschaltet oder abgedeckt werden, so daß tatsächlich keine
Daten empfangen werden.
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Der
Scanvorgang schreitet dann, jedoch mit einem kleineren Y-Antriebssignal,
fort, so daß die nächste Ellipse
(deren Anfangsabschnitt 18 in der Figur dargestellt ist)
die gleiche Hauptachse aufweist wie die erste Ellipse 12,
jedoch eine kleinere Nebenachse und damit eine größere Exzentrizität. Daten werden
zwischen den Punkten 20 und 22 erfaßt, die jeweils
vertikal mit den Punkten 14 und 16 der ersten Ellipse
ausgerichtet sind. Die erhaltene Datenerfassungsbahn 24 ist
daher bezüglich
der ersten Datenerfassungsbahn 26 nach unten versetzt und
hat eine kleinere Krümmung.
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Der
Scanablauf schreitet auf diese Weise mit einem zunehmend kleineren
Y-Antriebssignal fort, wie in 1B durch
das Bezugszeichen 30 dargestellt ist. Schließlich erreicht
das Y-Antriebssignal den Wert null oder näherungsweise den Wert null,
wodurch eine im wesentlichen horizontale Scanbahn 32 erhalten
wird. Dann wird die Polarität
des Y-Antriebssignals
umgekehrt, und die Y-Signalamplitude wird erhöht, während das X-Antriebssignal
(das im wesentlichen eine unmodulierte Rechteckwelle mit einer konstanten
maximalen Amplitude ist) unverändert bleibt.
Die Nebenachsen der Ellipsenbahnen nehmen nun zu, und der nächste Scanvorgang 34 beginnt.
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Infolgedessen
werden die aufeinanderfolgenden Ellipsen nun im Gegenuhrzeigersinn
durchlaufen; Daten werden nun in einem unteren Abschnitt (von links
nach rechts) jeder dieser Scanbahnen erfaßt, so daß während des gesamten Scanvorgangs Daten
von links nach rechts erfaßt
werden und der Rücklauf
(bei dem keine Daten erfaßt
werden) von rechts nach links erfolgt.
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Gemäß 1C wird
schließlich
ein vollständiger,
rasterförmiger
Scanvorgang 40 ausgeführt, nach
dem die Polarität
des Y-Antriebssignals (am Ende des Scanvorgangs bei seiner maximalen
Amplitude) auf ihre ursprüngliche
Polarität
geschaltet und der Scanvorgang wiederholt wird. Der verfügbare Scanbereich
hat eine ähnliche
Form wie das Standardformat. Der Hauptunterschied besteht in der
zunehmenden Krümmung
für große Y-Werte.
Der bei einem herkömmlichen
spiralförmigen
Scanvorgang auftretende mittlere singuläre Punkt (vgl. 13) wird
vermieden, und es wird ein näherungsweise quadratischer
Bildbereich innerhalb der 87%-Spot-Geschwindigkeitsregel erhalten.
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Wie
vorstehend erwähnt
wurde, ist das Links-Rechts- oder X-Antriebssignal nicht moduliert, es
ist jedoch geeigneterweise ein Rechtecksignal mit konstanter Amplitude,
das auch verwendbar ist, um das Y-Antriebssignal zu gaten. Das Y-Antriebssignal basiert
auf einem Standardraster-Scansystemsignal mit einer langsamen Y-Komponente,
das Standard-Sägezahnsignal
wird jedoch durch eine geeignet verzögerte Version des X-Antriebssignals
gegatet, um die vorstehend diskutierte elliptische Scanbewegung
zu erhalten. Das Y-Antriebssignal
ist in 2 durch das Bezugszeichen 50 schematisch
dargestellt. Wie anhand dieser Figur deutlich wird, hat die Hüllkurve
dieses Signals eine Standard-Sägezahnform,
das Y-Antriebssignal wird jedoch durch das schnelle rechteckige
X-Antriebssignal gegated, um aufeinanderfolgende elliptische Scans
mit fortschreitend zunehmenden und dann abnehmenden Nebenachsen
zu erzeugen. Daher entspricht der Anfangsabschnitt 52 dem
vorstehend insbesondere unter Bezug auf 1A diskutierten
Uhrzeigersinn-Vorlauf. Schließlich
wird ein im wesentlichen gerader Scanvorgang (Scanbahn 32 in 1B)
erhalten, wenn das Y-Antriebssignal am Punkt 54 im wesentlichen
den Wert null hat. Dann wird die Polarität des Y-Antriebssignals 50 geändert, und
seine Amplitude wird im Gegenuhrzeigersinn-Scanvorgang 56 erhöht, bis
eine maximale Amplitude 58 erreicht ist, woraufhin der
gesamte Ablauf wiederholt wird. Die Amplitude wird für den nächsten Scanvorgang
beibehalten, aber die Polarität
wird umgekehrt, so daß ein
neuer Scanvorgang 60 im Uhrzeigersinn beginnt.
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Anhand
der vorstehenden Diskussion ist ersichtlich, daß durch diese Modulation der
Nebenachse durch positive und negative Werte, anders als bei herkömmlichen
Verfahren, in denen der Scanradius moduliert wird, ein Scanmuster
ohne Unstetigkeiten oder Diskontinuitäten in der Mitte des Feldes
erhalten wird.
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Außerdem ist
ein Merkmal der Modulation des Y-Antriebssignals durch das X-Antriebssignal, daß jeder
Peak des Y-Antriebssignals
eher ein schräger
als ein flacher Peak ist. D.h., daß elliptische Scanmuster eine
gewisse Verzerrung aufweisen werden, weil die Nebenachse jedes Scanvorgangs
sich im Verlauf dieses Scanvorgangs ändert. Dies sollte im allgemeinen
ein unwesentlicher Effekt sein, wobei jedoch, falls dies bevorzugt
ist, das Y-Antriebssignal 50 durch ein Signal ersetzt werden
kann, in dem jeder Peak bzw. jedes Maximum durch eine Rechteckwelle
mit fortschreitend abnehmender oder zunehmender Amplitude gebildet
wird. Jede folgende Ellipse würde
daher einer idealen Ellipse besser angenähert sein. Es wird jedoch nicht
erwartet, daß die
durch die in 2 dargestellte Kurve dargestellte
Näherung
zu einer wesentlichen Verzerrung der schließlich erhaltenen Rasterabtastung
oder des Bildes führen
wird.
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Eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
eines Y-Antriebssignals
ist in 3 durch das Bezugszeichen 70 dargestellt.
In dieser Ausführungsform springt,
wenn ein einzelner vollständiger
Scanvorgang abgeschlossen ist (d.h., nachdem der Uhrzeigersinn-Scanvorgang 72 und
der Gegenuhrzeigersinn-Scanvorgang 74 [vgl. Scanvorgang 52 und 56 in 2]
abgeschlossen sind), das System nicht zur in 1A dargestellten
Ausgangskonfiguration zurück. Anstatt
die Polarität
des Y-Antriebssignals 70 umzuschalten und einen neuen Uhrzeigersinn-Scanvorgang
zu starten, wird die Amplitude des Y-Antriebssignals ausgehend vom
Maximum 76 rampenförmig vermindert,
so daß eine
weitere Folge von Gegenuhrzeiger sinn-Scanvorgängen 78 ausgeführt wird.
Hierbei werden Daten während
der zuvor als Rücklaufperiode
verwendeten Periode erfaßt,
was während
des letzten Gegenuhrzeigersinn-Scanvorgangs
dem in 1A dargestellten ersten Uhrzeigersinn-Scanvorgang ähnlich ist,
jedoch in der entgegengesetzten Richtung verläuft. Daher wird durch Erfassen
von Daten während
der Perioden, die zuvor als Rücklaufperioden
verwendet wurden, eine Folge von Gegenuhrzeigersinn-Scanvorgängen 78 ausgeführt und
werden Daten erfaßt.
Dadurch werden aufeinanderfolgend vollständige Rasterscans abwechselnd
durch eine Datenerfassung von links nach rechts (wie beispielsweise
in 1C dargestellt ist) und eine Datenerfassung von
rechts nach links ausgeführt.
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In
einer noch anderen (oder dritten) bevorzugten Ausführungsform
hat das Y-Scansignal 80 (vgl. 4) immer
eine Polarität,
es weist jedoch eine erste Folge von Uhrzeigersinn-Scanvorgängen 82 mit
abnehmender Amplitude, gefolgt von einer zweiten Folge von Uhrzeigersinn-Scanvorgängen 84 mit
zunehmender Amplitude auf. In dieser Ausführungsform werden die Scanvorgänge im wesentlichen
wie unter Bezug auf 1A beschrieben ausgeführt, bis
der im wesentlichen horizontale Scanvorgang ausgeführt wird,
woraufhin die gleiche Folge von Scanvorgängen in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt wird.
Daten werden während
dieses zweiten Satzes von Scanvorgängen während der Periode ausgeführt, die
im ersten Satz von Scanvorgängen 82 die
Rücklaufperioden
darstellten. Dadurch werden im ersten Satz von Scanvorgängen 82 Daten
von links nach rechts erfaßt,
während
im zweiten Satz von Scanvorgängen 84 Daten
von rechts nach links erfaßt
werden.
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Daher
ist ersichtlich, daß gemäß der Geräteausstattung
eines Benutzers oder anderen Bedingungen diese und andere Varianten
erfindungsgemäß verwendbar
sind, um einen vollständigen
Datensatz zu erhalten. Tatsächlich
kann es in einigen Ausführungsformen
akzeptierbar oder vorteilhaft sein, wenn der Rasterscan im wesentlichen
die obere Hälfte
des in 1C dargestellten vollständigen Scans
oder einen anderen Teil davon umfaßt. Die Anzahl der einzelnen
Scanvorgänge innerhalb
eines bestimmten Rasterscans kann gemäß den Anforderungen bestimmt
werden, und die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen dienen diesbezüglich lediglich
zur Erläuterung.
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5 zeigt
ein schematisches Schaltungsdiagramm einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Scanvorrichtung
zum Ausführen
der verschiedenen Scanverfahren der vorstehend beschriebenen Ausführungsform.
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Die
Vorrichtung weist eine Lichttransmissionseinrichtung in der Form
einer Lichtleitfaser 90 auf, die sowohl in der X- als auch
in der Y-Richtung wie ein symmetrischer Cantilever ablenkbar ist.
Das Lichtaustrittsende dieser Lichtleitfaser 90 beschreibt im
Resonanzbetrieb das vorstehend ausführlich beschriebene elliptische
Muster. Die Lichtleitfaser 90 führt Licht von einer geeigneten
Quelle (z.B. einem Laser oder einer Leuchtdiode) stromabwärts von
der Lichtleitfaser 90 zu, die jedoch in dieser Figur zur
Verdeutlichung weggelassen ist. Die Scanvorrichtung mit der Lichtleitfaser 90 kann
ein Teil eines Endoskops, eines Mikroskops oder eines Endomikroskops sein.
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Ein
vorderer Abschnitt der Lichtleitfaser 90 ist in der Nähe einer
X-Treiberspule 92 und einer Y-Treiberspule 94 angeordnet,
wobei diese Spulen wechselseitig senkrecht angeordnet sind. Die
Lichtleitfaser 90 weist entweder einen Magnet auf, der
an der Lichtleitfaser in der Nähe
der Spulen 92, 94 angeordnet ist und durch die
Spulen beeinflußt
wird, oder wird alternativ durch Beschichten der Lichtleitfaser 90 mit
einem magnetischen Material gebildet (das beispielsweise eine bestimmte
Farbe oder ein bestimmter Lack sein kann), so daß die Lichtleitfaser 90 durch
die durch diese Spulen 92 und 94 erzeugten Kräfte angetrieben
werden kann.
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Zum
hinteren Ende 96 des beweglichen Abschnitts der Lichtleitfaser 90 hin
ist ein piezoelektrisches X-Sensor 98 zum Erzeugen einer
der Ablenkung der Lichtleitfaser 90 entsprechenden Spannung angeordnet.
Das Ausgangssignal des X-Sensors 98 wird
schließlich
der X-Treiberspule 92 zugeführt, wird jedoch zunächst durch
einen Phasenschieber oder -regler 100 phasengeregelt und
durch einen Signalverarbeitungsverstärker 102 verstärkt. Wenn
die Schleifenverstärkung
ausreichend ist, und die Phase durch den Phasenregler 100 geeignet
eingestellt ist, wird durch die erhaltene Schwingung veranlaßt, daß das Lichtaustrittsende
der Lichtleitfaser 90 des Cantilevers in der X-Richtung
vibriert. Der regelbare Phasenschieber 100 ist derart konstruiert,
daß die Schwingungsfrequenz
auf der mechanischen Resonanzkurve geeignet positioniert werden
kann und jegliche Phasenverschiebung im X-Sensor 98 kompensiert
wird.
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Der
Verstärker 102 führt außerdem eine
gewisse Signalverarbeitung aus, so daß sein Ausgangssignal eine
Rechteckwelle mit einer einstellbaren Amplitude ist. Dadurch wird
eine direkte Steuerung der Vibrationsamplitude ermöglicht,
und die Rechteckwelle ist außerdem
zum Erzeugen des Y-Antriebssignals (vgl. 2 bis 4)
für die Y-Treiberspule 94 geeignet.
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Das
Y-Antriebssignal hat eine geeignete Phase zum Erzeugen der vorstehend
erwähnten
elliptischen Bewegung. Dies wird durch eine einstellbare Verzögerung 104 der
zum Ansteuern der X-Treiberspule 92 verwendeten Rechteckwelle
erreicht. Die erforderliche Sweep-Amplitude wird unter Verwendung
dieses Signals zum Schalten eines sägezahnförmigen Standard-Y-Signals 106 verwendet, wie
vorstehend beschrieben wurde und in den 2 bis 4 dargestellt
ist. Dieses Signal wird dann der Y-Treiberspule 94 zugeführt. Die
Schaltung weist außerdem
einen Schalter 108 zum Ein- oder Ausschalten des Y-Antriebssignals
auf.
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6 zeigt
eine Endansicht (d.h. in 5 von rechts nach links betrachtet)
des Endes der Lichtleitfaser 90 und die X- und die Y-Treiberspule 92 bzw. 94.
In dieser Figur ist außerdem
der Kern 110 der Lichtleitfaser 90 erkennbar,
sowie der an der Lichtleitfaser 90 befestigte Magnet 112,
so daß die
X- und die Y-Treiberspule 92 und 94 die Lichtleitfaser 90 antreiben
können.
Durch die Verwendung eines Magneten können Feineinstellungen der
Position des Magneten 112 auf der Faser 90 vorgenommen
werden, wodurch die Resonanzbedingung der Faser 90 einstellbar
ist. Aufgrund der größeren Masse
des Magneten 112 (im Vergleich zu anderen Ausführungsformen,
z.B. in einer Ausführungsform,
in der eine metallische Farb- oder Lackbeschichtung verwendet wird),
können
die Treiberspulen 92, 94 relativ klein sein, wobei
jedoch nachteilig eine größere und
massivere Faser/Magnet-Kombination
erhalten wird.
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7 zeigt
ein schematisches Diagramm einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Scanvorrichtung 120 mit
zugeordneter Elektronik 122 zum Ausführen der verschiedenen Scanverfahren
der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
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In
dieser Ausführungsform
weist die (in einer Endansicht dargestellte) Scanvorrichtung 120 einen Scanmechanismus 124 mit
zwei X-Solenoiden oder Spulen 126a, b und zwei Y-Solenoiden oder Spulen 128a,
b eine Lichttransmissionseinrichtung in der Form einer Lichtleitfaser 130 und
einen axial magnetisierten Permanentmagneten 132 auf. Die
Spulen 126a, b und 128a, b sind symmetrisch um
die Faser 130 angeordnet, während der Magnet 132 als
Manschette auf der Faser 130 angeordnet ist und durch Klebstoff
in Position gehalten wird. Die exakte Position des Magneten 132 wird
nachstehend unter Bezug auf 9A näher diskutiert.
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Die
beiden X-Spulen 126a, b sind eine X-Treiberspule 126a bzw.
eine induktive X-Sensorspule 126. Die beiden Y-Spulen 128a,
b sind beide Treiberspulen.
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Im
weiteren Sinne können
die beiden Y-Treiberspulen 128a, b als Serienschaltung
betrachtet werden, und die Spulen werden derart angesteuert, daß (a) eine
Kraft auf den Magnet 132 und damit auf die Faser entweder
gleichzeitig nach oben oder nach unten (in 7 betrachtet)
ausgeübt
wird, und (b) die dadurch in die X-Sensorspule 126 induzierten
Signale sich auslöschen.
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Für kleine
Ablenkungen löschen
sich die Kräfte
von den beiden Y-Spulen 128a, b in der X-Richtung aus.
Mit einer Y-Spule
(wie in der Ausführungsform
von 5) kann zwar die gewünschte Modulation des elliptischen
Scanmusters erhalten werden, jedoch aufgrund einer wesentlichen
Kraftkomponente in der X-Richtung während Abschnitten des X-Scanvorgangs
unter größeren Schwierigkeiten. Daher
wird durch die beiden diametral gegenüberliegenden Y-Spulen 128a,
b sowohl ein elektrisches als auch ein mechanisches Gleichgewicht
bezüglich
des X-Scanvorgangs bereitgestellt.
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Das
Ansteuerungs- oder Treibersignal für die Y-Spulen 128a, b wird
durch Umschalten zwischen einer positiven und einer negativen Version
des sägezahnförmigen Standard-Y-Signals erzeugt.
Dieses (in 8A dargestellte) sägezahnförmige Y-Signal 134 wird
durch die Bildgebungselektronik 136 bereitgestellt, und
ein Signalinvertierer 138 erzeugt die negative Version
(–Y) dieses
Signals. Wie nachstehend ausführlicher
diskutiert wird, wird ein Schalter 140 zum Umschalten zwischen
Y und –Y
verwendet.
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Wenn
die Y-Spulen 128a, b nach oben und unten angetrieben werden,
um die Y-Scanbewegung zu erzeugen, gibt die X-Sensorspule 126 ein X-Sensorsignal 142 (ein
im wesentlichen sinusförmiges
Signal, wie in 8B dargestellt) aus, das eine
Funktion der Position des Magneten 132 (und damit der Faser 130)
ist. Das X-Sensorsignal 142 wird durch den Phasenregler 144 phasengeregelt
(um eine elliptische Scanbewegung zu erzeugen) und dann dem Verstärker 146 zugeführt. Das
Ausgangssignal des Verstärkers 146 ist
das X-Antrieb-Eingangssignal 148 (das
in 8C schematisch dargestellt ist) der X-Treiberspule 126a.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 146 hat
eine maximale Spannung, so daß die
erhaltene Oszillations-Rückkopplungsschleife 150 (die
die X-Sensorspule 126, den Phasenregler 144 und
den Verstärker 146 aufweist)
schließlich
begrenzt wird, um der X-Treiberspule 126a ein Eingangssignal 148 zuzuführen, das
den Maximalwert nicht überschreiten
kann. Die Rückkopplungsschleife 150 hat
eine ausreichende Verstärkung,
so daß sie nur
dann schwingt, wenn eine mechanische Resonanz auftritt, so daß die Schleife
mit einer Frequenz betrieben wird, die durch die Mechanik der Scanvorrichtung 124 und
die Phasensteuerung der Elektronik bestimmt ist.
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Das
Eingangssignal 148 der X-Treiberspule 126a kann
dann verwendet werden, um die erforderliche Bildsynchronisierung
für die
schnelle oder X-Scanbewegung zu erzeugen. Die Bildgebungselektronik
kann dann die langsame Y-Scanbewegung oder eine Sweep-Bewegung mit
einer Geschwindigkeit erzeugen, die durch die im Bild erforderliche
Zeilenzahl bestimmt ist, oder äquivalent
durch die Bildrate pro Sekunde.
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Wie
vorstehend erwähnt
wurde, wird das Y-Antriebssignal durch Umschalten zwischen einer positiven
und einer negativen Version des in 8A dargestellten
sägezahnförmigen Standard-Y-Signals 134 erhalten.
Dieser Schaltvorgang wird durch den Schalter 140 ausgeführt, der
durch ein Signal gesteuert wird, das durch Verzögern des X-Antrieb-Eingangssignals 148 erzeugt
wird. Das X-Antrieb-Eingangssignal 148 wird einer Verzögerungseinrichtung 154 zugeführt, die
das (in 8D dargestellte) Schaltsteuerungssignal 156 ausgibt,
das geeignet phasengeregelt ist, so daß der elliptische Scanweg des
Lichtaustrittsendes der Lichtleitfaser 130 eine ortsfeste
Hauptachse aufweist. Dieses Schaltsteuerungssignal 156 steuert
dann den Schalter 140, um mit der Rate des X-Antrieb-Eingangssignals
zwischen dem sägezahnförmigen Y-Signal 134 und –Y umzuschalten,
und das vom Schalter 140 erhaltene Ausgangssignal ist schließlich das
den Y-Spulen 128a, b zugeführte Y-Antrieb-Eingangssignal 158. Das
Y-Antrieb-Eingangssignal 158 ist
in 8E dargestellt.
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Weil
der Schalter 140 schließlich (über die Verzögerungseinrichtung 154)
durch das X-Antriebssignal 148 gesteuert wird, wird durch
den X-Sensor, der die X-Sensorspule 126 aufweist, sowohl
eine X- als auch eine Y-Rückkopplung
bereitgestellt. Daher ist bei dieser Ausführungsform kein Y-Sensor erforderlich.
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Das
X-Antrieb-Eingangssignal 148 wird auch als X-Synchronisationssignal
verwendet und der Bildgebungselektronik 136 zugeführt. Die
Bildgebungselektronik 136 erzeugt das sägezahnförmige Y-Signal 134 mit
einer Rate, die durch die Anzahl der im Bild erforderlichen Zeilen
oder äquivalent
durch die Bildrate pro Sekunde bestimmt ist.
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Gemäß 8A weist
ein sägezahnförmiges Signal 134 zwei
Komponenten auf; einen Vorlaufbereich 160 mit einem positiven
Gradienten und einen steileren Rücklaufbereich 162 mit
einem negativen Gradienten 162. Der Vorlaufbereich entspricht
dem Vorlaufbereich eines einzelnen vollständigen Scanvorgangs (in dem
Bilddaten erfaßt
werden); der Rücklaufbereich
entspricht dem Rücklaufbereich
des Scanvorgangs, in dem keine Daten erfaßt werden, und kann daher eine
kürzere
Zeitdauer aufweisen. Im Prinzip sollte der Rücklaufbereich so schnell wie möglich abgeschlossen
werden (vgl. 2), der Rücklauf wird in dieser Ausführungsform
jedoch nicht zu schnell ausgeführt,
damit die Faser 130 bei ihrer Rückkehr nicht zu der der Scan-Startposition
entsprechenden Position zurückschnellt.
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Gemäß 8E weisen
diese Vor- und Rücklaufbereiche
entsprechende Bereiche im Y-Antrieb-Eingangssignal 158 auf,
wie in 8E dargestellt ist; der der
Mitte des Scanvorgangs entsprechende Punkt des Y-Antrieb-Eingangssignals
ist durch das Bezugszeichen 164 dargestellt.
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7 zeigt
die Hüllkurve 166 der
erhaltenen Abtastbewegung der Faser 130 innerhalb des durch die
X- und Y-Spulen 126a,
b und 128a, b definierten Raums; das Lichtaustrittsende
der Faser 130, das sich über die Treiberspulen hinaus
erstreckt, wird im allgemeinen eine größere Bewegungs-Hüllkurve
haben als die Hüllkurve 166.
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Für Fachleute
ist außerdem
ersichtlich, daß, weil
die X-Spulen 126a, b, und die Y-Spulen 128a, b identisch
sind, die X- und die Y-Achse austauschbar sind. Die Elektronik kann
durch Hinzufügen
eines geeigneten Schalters und einer kleinen Kopie eines Teils ihrer
Schaltung so modifiziert werden, daß die Spulen 126a, b als
Y-Treiberspulen und die Spulen 128a, b als X-Treiberspule
bzw. X-Sensorspule wirken. Die Vorrichtung 120 funktioniert
dann wie vorstehend beschrieben, außer daß die X- und die Y-Richtung
ausgetauscht sind. In herkömmlichen
Systemen können
Scanvorgänge
in senkrechte Richtungen nur durch Drehen der Scanvorrichtung durchgeführt werden.
In handgehaltenen Vorrichtungen verdreht die Bedie nungsperson das
Handteil manuell, wofür
in einigen Fällen
eine wesentliche Geschicklichkeit erforderlich ist und was mit einer
erheblichen Ungenauigkeit verbunden ist. Die Symmetrie des Scanmechanismus 124 von 7 ermöglicht es,
daß ein
derartiger Betrieb fehler- bzw. störungsfrei durchführbar ist.
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Der
Basis-Scanmechanismus von 7 könnte verwendet
werden, um andere Scanmuster bereitzustellen, wenn er mit einer
geeigneten Elektronik betrieben wird. Er muß nicht resonant betrieben werden
und ist nicht auf elliptische Scan-Hüllkurven beschränkt. Beispielsweise
könnten
resonante und nicht-resonante Scanmuster erzeugt werden, einschließlich (zusätzlich zu
den vorstehend erwähnten elliptischen
Scanmuster, die kreisförmige
Scanmuster einschließen)
Spiralmustern und Scanmustern in der Form einer "8".
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9A zeigt
eine Teil-Querschnittansicht eines Endoskopkopfes 168 mit
einem Scanmechanismus 124 in einem Endoskopkopfgehäuse 170 (mit
einem Innendurchmesser von 4,45 mm und einem Außendurchmesser von 4,71 mm),
in dem die Relativpositionen der Y-Treiberspulen 128a, b der
Faser 130 und des Magneten 132 sichtbar sind.
Es ist ersichtlich, daß das
Lichtaustrittsende 172 der Faser 130 einen größeren Weg
beschreibt als der zwischen den Y-Treiberspulen 128a, b angeordnete
Abschnitt 174 der Faser 130.
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Jede
der X- und Y-Spulen 126a, b und 128a, b hat einen
Durchmesser von 1,45 mm bei einem Kerndurchmesser von 0,60 mm.
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Die
Länge des
Vibrationsabschnitts der Faser 130 beträgt 12,5 mm, der Faserdurchmesser
beträgt
0,125 mm. Der Magnet 132 hat eine Länge von 2 mm und einen Durchmesser
von 0,48 mm. Der Abstand von der Basis der Faser 130 zum
Magnet 132 beträgt
2 mm. Die Resonanzfrequenz der Kombination aus der Faser 130 und
dem Magnet 132 kann durch Einstellen der Position des Magneten
auf der Faser 130 derart eingestellt werden, daß sie sich nicht
wesentlich von derjenigen der Faser alleine unterscheidet. Die Faser 130 ist
an ihrer Basis 174 mittig in einer Endplatte 176 des
Endoskopkopfes 168 fi xiert, und die Endplatte 176,
und damit die Länge
der in der Endplatte 176 verankerten Basis 174 der
Faser 130, beträgt
3 mm.
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Die
Endplatte 176 wirkt als Verankerung für die Basis 174 der
Faser 130, sie sichert die Faser, kann jedoch auch die
Vibration der Faser beeinflussen. Aus diesem Grunde kann es vorteilhaft
sein, eine optische Manschette um die Faser 130 bereitzustellen,
die an der Endplatte 176 anliegt und vor der Endplatte
angeordnet ist (d.h. in der Figur rechts). Die Manschette könnte eine
einfache kreisförmige Öffnung aufweisen,
in der die Faser 130 befestigt ist. Gemäß der Endansicht von 9B könnte eine
derartige Manschette stattdessen einen in der X-Richtung ausgerichteten
Ausschnitt oder Schlitz 178 aufweisen, so daß die Manschette 177 tatsächlich zwei D-förmige Abschnitte 179a,
b aufweist, zwischen denen die Faser 130 festgeklemmt
ist. Der Ausschnitt oder Schlitz 177 würde dann eine Vibration in
der X-Richtung (d.h.
in der Richtung der schnellen Scanbewegung) unterstützen, wodurch
die Vorspannung durch eine Komponente in der Y-Richtung reduziert wird.
-
Die
X- und Y-Spulen 126a, b und 128a, b haben jeweils
einen Durchmesser von 1,3 mm und eine Länge von 2 mm.
-
In
durch die Erfinder ausgeführten
Tests dieser Ausführungsform
wurde eine Resonanz bei einer X-Antrieb-Eingangssignalfrequenz (vgl. 8C)
von 611 Hz erzielt; dadurch wird die gleiche Frequenz für die Hochfrequenzkomponente
des Y-Antrieb-Eingangssignals (vgl. 8E) erhalten.
Die Faserendenablenkung Spitze-Spitze betrug 4,0 mm. Die Resonanzfrequenz
des Mechanismus 124 ohne Magnet 132 betrug 642
Hz.
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D.h.,
die Resonanzfrequenz nimmt mit abnehmender Größe des Scanmechanismus 124 zu. Durch
Berechnungen zeigt sich, daß,
auch mit der in 9A dargestellten Ausführungsform,
durch Bereitstellen einer Befestigung zwischen der Faser 130 und
dem Magnet 132 über
die gesamte Länge
des Magneten (falls erwünscht)
höhere
Frequenzen erhalten werden könnten.
Höhere
Resonanzfrequenzen könnten
auch durch Vergrößern des effektiven Durchmessers
und damit der Masse der Faser durch Hinzufügen einer "Manschette" oder "Kapillare" um die Faser im Bereich unmittelbar
vor ihrer Basis 174 oder unter dem Magnet 132 erhalten
werden. Beispielsweise könnte
der effektive Durchmesser dieser Abschnitte der Faser 130 auf
0,250 mm vergrößert werden.
Außerdem
könnten
höhere
Resonanzfrequenzen erhalten werden, indem die Faser 130 zu
ihrem Lichtaustrittsende 172 hin konisch zulaufend ausgebildet
wird. Die Resonanzfrequenz kann auch durch Einstellen andere mechanischer
Eigenschaften der Mechanismen (z.B. der Länge oder der Masse des Magneten)
modifiziert werden.
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Außerdem beziehen
sich in der vorstehenden Diskussion Resonanzfrequenzen auf die Grundschwingungsfrequenz.
Trotzdem könnte
der Scanmechanismus der verschiedenen Ausführungsformen im ersten und
zweiten Oberschwingungsmodus betrieben werden (was durch die vorliegenden
Erfinder getestet worden ist), und durch einfache Einstellungen
auch in höheren
Schwingungsmodi. In jedem Fall bleibt der Mechanismus resonant und
speichert daher mechanische Energie, wodurch Jitter oder Zittern
reduziert und eine größere Stabilität erreicht wird.
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Gemäß 9C ist
der Magnet 132 in einer alternativen Konfiguration dieser
Ausführungsform vor
den Spulen angeordnet, so daß die
X- und Y-Spulen 126a, b und 128a, b zum Aufnehmen
des Magneten 132 nicht erforderlich sind. Dadurch können die Y-Treiberspulen 128a,
b näher
zueinander angeordnet werden (so wie die X-Treiberspulen 126a,
b, obwohl nicht dargestellt), und der Gesamtdurchmesser des
Gehäuses 170 kann
reduziert werden. Durch diese Konfiguration kann ein Endoskopkopf
mit kleinerem Durchmesser bereitgestellt werden.
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Außerdem sind
verschiedene Tests ausgeführt
worden, um die Eigenschaften des Scanmechanismus 124 zu
bestätigen. 10A zeigt Diagramme der Resonanzfrequenz f(Hz)
als Funktion der Faserlänge
1(mm) ohne Magnet (durchgezogene Kurve 180), mit einem
Magneten mit einer Länge
von 2 mm und einem Durchmesser von 0,40 mm (gepunktete Kurve 182)
und mit einem Magneten mit einer Länge von 2 mm und einem Durchmesser
von 0,48 mm (gestrichelte Kurve 184). In allen Fällen betrug
die Länge der
Basis der Faser 2 mm und hatte die Faser einen Durchmesser von 0,125
mm.
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10B zeigt Diagramme des Bewegungsradius R(mm)
des Lichtaustrittsendes als Funktion der Faserlänge 1(mm) für einen Magneten mit einer Länge von
2 mm und einem Durchmesser von 0,48 mm (durchgezogene Kurve 186)
und 0,40 mm (gepunktete Kurve 188). (Der durch horizontale
gepunktete Linien für
R = 9 mm und R = 10 mm begrenzte Bereich stellt den Bewegungsbereich
des Lichtaustrittsendes dar, der mit bestimmten herkömmlichen Scanmechanismen
erhalten wird, die ein Stimmgabelelement verwenden, um die schnelle
oder X-Scanbewegung
zu erzeugen.)
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10C zeigt Diagramme der mechanischen Verstärkung m
(die als Verhältnis
der Ablenkung des Faserendes zur Magnetablenkung berechnet wird)
als Funktion der Faserlänge
1(mm) für
einen Magnet mit einer Länge
von 2 mm und einem Durchmesser von 0,48 mm (durchgezogene Kurve 190)
und einem Durchmesser von 0,40 mm (gepunktete Kurve 192).
-
11 zeigt
die Ergebnisse eines theoretischen Vergleichs von Scanflächen, die
für Rastermuster
erhalten werden könnten,
die durch einen herkömmlichen
Stimmgabel-Scanmechanismus
und mit einer der Vorrichtung von 7 vergleichbaren Vorrichtung
erzeugt werden, um die für
die Optik beispielsweise eines Endoskops verfügbaren Scanflächen zu
vergleichen. Die Scanflächen
wurden durch das Scangeschwindigkeitskriterium definiert, das durch
die 2:1-Regel im Sinus-Linearmodell festgelegt war (d.h. durch die
quadratische Fläche
der halben mechanischen X-Ablenkung Spitze-Spitze und der Y-Ablenkung Spitze-Spitze).
Dies wird vorstehend als "87%-Regel" bezeichnet, gemäß der Bilddaten
nicht erfaßt
werden, wenn die Scangeschwindigkeit kleiner ist als 87% der Spitzengeschwindigkeit.
-
In 11 ist
ersichtlich, daß der
Endoskopkopf 200 (dessen Innendurchmesser 2,75 mm beträgt) die
Bewegung sowohl des herkömmlichen Stimmgabel-Endabschnitts 202 (auf
dem die Lichtleitfaserende 204 montiert ist) als auch des
eine elliptische Scanbewegung ausführenden Faserendes 206 einer
Ausführungsform
der Erfindung begrenzt. Der Endabschnitt 202 ist in fünf Positionen
dargestellt, d.h. in einer mittigen Position (Ruheposition) und
vier Extrempositionen seiner Bewegung. Die obere und die untere
rechte Extremposition der Bewegung des Endabschnitts 202 (die
in dieser Figur dargestellt sind) sind durch den Endoskopkopf 204 fixiert;
für eine
symmetrische Scanbewegung des Faserendes 204 weist die
linke Extremposition im Vergleich zur rechten einen Versatz auf,
so daß die
oberen und unteren linken Extrempositionen der Bewegung des Endabschnitts 202 etwas
innerhalb der Grenzen des Endoskopkopfes 200 liegen.
-
Durch
den Endabschnitt 202 des herkömmlichen Stimmgabel-Scanmechanismus
wird ein bekanntes 2:1-Quadrat-in-Rechteck-Diagramm erhalten, d.h., die
Mechaniken dieser Anordnung definieren ein rechteckiges Scanmuster
(das durch die Extrempositionen des Faserendes 204 definiert
ist), und aufgrund der 87%-Geschwindigkeitsregel definiert die Optik
eine quadratische, nutzbare Scanfläche (die durch das gestrichelt
dargestellte Quadrat dargestellt ist) innerhalb dieses Rechtecks.
Die X-Ablenkung Spitze-Spitze des Endabschnitts 202 betrug
2,0 mm, und die Y-Ablenkung Spitze-Spitze betrug 1,0 mm. Die Bildfläche (d.h.
des Quadrats 208) betrug für diese Anordnung daher 1,00
mm2.
-
Das
Faserende 206 der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung berührt
auch den Endoskopkopf 200, dessen Maximalbewegung daher
begrenzt ist. Die Ablenkung Spitze-Spitze des Faserendes 206 kann
sich im wesentlichen über
den gesamten Innendurchmesser des Endoskopkopfes erstrecken (oder
genauer über
den Innendurchmesser des Endoskopkopfes abzüglich des Außendurchmessers der
Faser), wenn kein Endabschnitt vorgesehen ist, kann durch den modulierten
elliptischen Scanvorgang daher eine größere Fläche abgedeckt werden als bei
der herkömmlichen
Anordnung. Die nutzbare Abbildungsfläche ist ebenfalls größer: eine
Scangeschwindigkeit von mehr als 87% der Spitzengeschwindigkeit
ist durch durchgezogene Kurven 210 dargestellt, während niedrigere
Geschwindigkeiten durch gepunktete Kurven 212 dargestellt
sind.
-
Die
Scanfläche
des modulierten elliptischen Scanvorgangs ist größer als diejenige des auf dem Endabschnitt 202 montierten
Faserendes 204. Dies ergibt sich teilweise aufgrund der
kompakteren Größe einer
Faser alleine (im Vergleich zu herkömmlichen Kombination aus einer
Faser und einem Endabschnitt), aber auch aufgrund der höheren Belastung,
der das Silika der Faser in der Ausführungsform der Erfindung im
Vergleich zum herkömmlichen
Endabschnitt aus Stahl bei der gleichen Frequenz widerstehen kann.
-
Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend anhand von Beispielen beschriebenen
spezifischen Ausführungsformen
beschränkt,
und für
Fachleute ist ersichtlich, daß innerhalb
des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung Modifikationen vorgenommen
werden können.
Beispielsweise kann es, obwohl erfindungsgemäß die Exzentrizität oder die
Nebenachse eingestellt wird, um das Scanmuster zu erhalten, in einigen
Ausführungsformen
vorteilhaft sein, den Radius während
des Betriebs zu modulieren.
-
In
den folgenden Ansprüchen
und in der vorstehenden Beschreibung der Erfindung bedeutet der Ausdruck "aufweisen" oder "enthalten" bzw. "einschließen", außer in den
Fällen,
in denen dies anhand des sprachlichen oder sinnlichen Kontext anders
ersichtlich ist, das Vorhandensein der entsprechenden Merkmale,
wobei jedoch das Vorhandensein weiterer Merkmale in den verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung nicht ausgeschlossen sein soll.
-
Außerdem soll
jegliche Bezugnahme auf den Stand der Technik nicht bedeuten, daß dieser
Stand der Technik Teil des allgemeinen Kenntnisstandes bildet.
-
Zusammenfassung
-
Durch
die vorliegende Erfindung wird eine Scanvorrichtung und ein Scanverfahren
bereitgestellt, wobei die Scanvorrichtung aufweist: eine Lichttransmissionseinrichtung
(90) mit einem Lichtaustrittsende, eine ersten und eine
zweite Antriebseinrichtung (92, 94) zum resonanten
Antreiben der Lichttransmissionseinrichtung (90) in orthogonale
Richtungen, wobei die erste und die zweite Antriebseinrichtung (92, 94)
dazu geeignet sind, das Lichtaustrittsende in einem elliptischen
Muster zu bewegen, während
die Exzentrizität
des elliptischen Musters verändert
wird, so daß ein
Abschnitt des elliptischen Musters mit einer Mitte auf der Nebenachse
des elliptischen Musters mindestens im Erscheinungsbild näherungsweise
einem Rastermuster gleicht.
(5)