DE112005002322B4

DE112005002322B4 - Abtasteinrichtung, optischer Kopf, optisches Instrument und Abtastverfahren

Info

Publication number: DE112005002322B4
Application number: DE112005002322.2T
Authority: DE
Inventors: Christopher Gerard Byrne; Gavan Edmund Rosman; Robert Alan Pattie
Original assignee: Optiscan Pty Ltd; Hoya Corp
Current assignee: Optiscan Pty Ltd; Hoya Corp
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2025-09-24
Also published as: US7532375B2; DE112005002322T5; US20070242330A1; JP2008514970A; WO2006032106A1

Abstract

Ein Abtastverfahren und eine Abtasteinrichtung, wobei die Einrichtung eine Gabel mit einer ersten und einer zweiten nach vorne verlaufenden Zinke und einem nach hinten verlaufenden Gegengewichtselement, eine Befestigung zum Halten der Gabel an einem Punkt zwischen den Zinken und dem Gegengewichtselement und einen Antrieb zum Erzeugen einer relativen Schwingung zwischen den Zinken zum Bereitstellen einer schnellen Abtastung und zum Antreiben der Gabel zum Bereitstellen einer langsamen Abtastung quer zu der schnellen Abtastung enthält.

Description

VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Seriennummer 60/612,537 , die am 24. September 2004 eingereicht wurde und deren Inhalt hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtasteinrichtung und ein Abtastverfahren oder die spezielle, jedoch keineswegs ausschließliche Anwendung in optischen Systemen, die beispielsweise konfokale Systeme oder Vielphotonensysteme enthalten. Derartige Systeme können beispielsweise in Form von Endoskopen, Mikroskopen oder Endomikroskopen vorliegen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Optische Systeme im Allgemeinen und Endoskope im Besonderen können ein Abtastsystem enthalten, so dass eine zweidimensionale Abbildung einer Probe erzeugt werden kann. Bei einigen vorhandenen Systemen verwendet dieses Abtastsystem eine Rasterabtastung mit einer schnellen Abtastung (gewöhnlich als die x-Abtastung bezeichnet) und einer langsamen Abtastung (gewöhnlich als die y-Abtastung bezeichnet).
Ein vorhandenes System ist in der WO 99/ 04301 A1 offenbart. Eine Abtasteinrichtung ist in einem Gehäuse eines optischen Kopfs montiert, und Licht wird mittels einer an der Abtasteinrichtung angebrachten optischen Faser zu dem Gehäuse des optischen Kopfs eingelassen. Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel enthält die Abtasteinrichtung eine Stimmgabel, an der die optische Faser befestigt ist. Die Stimmgabel wird in Schwingung versetzt, was bewirkt, dass die optische Faser vibriert, wodurch wiederum die schnelle x-Abtastung bereitgestellt wird. Die langsame y-Abtastung wird durch Bewegen der Abstimmgabel in eine Richtung senkrecht zu der Vibration der schnellen x-Abtastung bereitgestellt, wie zum Beispiel durch Drehen der Stimmgabel um ihre Längsachse.
Ein anderes vorhandenes System, das in dem US-Patent US 6 294 775 B1 offenbart ist, versucht das Bereitstellen der schnellen und der langsamen Abtastung zu integrieren, indem ein Lichtstrahl von einer internen optischen Faser in einem spiralförmigen oder einem strahlenförmigen Abtastweg ausgegeben wird.
Es ist jedoch immer wünschenswert, dass immer kleinere Abtastsysteme entwickelt werden, insbesondere für Endoskopanwendungen. Die vorhandenen Systeme haben jeweils eine Untergrenze für ihre Größe in der praktischen Ausführung, bedingt durch die Komplexität ihrer Bauweise, die mechanischen Eigenschaften ihrer Materialien oder die Anordnung ihrer Bauteile. Zudem sind einige vorhandene Systeme unerwünscht komplex und sind daher anfälliger für Fehler oder Leistungsverschlechterung.
Das Dokument WO 00/75 712 A1 offenbart eine Abtasteinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Dokument DE 198 82 512 T5 offenbart ein Abtastmikroskop mit Miniaturkopf.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Unter einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung daher eine Abtasteinrichtung bereit, umfassend:

eine Gabel mit einer ersten und einer zweiten nach vorn verlaufenden Zinke und einem nach hinten verlaufenden Gegengewichtselement;
eine Befestigung zum Halten der Gabel an einem Punkt zwischen den Zinken und dem Gegengewichtselement; und
einen Antrieb zum Erzeugen einer relativen Schwingung zwischen den Zinken, um eine schnelle Abtastung bereitzustellen, und zum Antreiben der Gabel, um eine langsame Abtastung quer zu der schnellen Abtastung bereitzustellen.

Vorzugsweise ist die Gabel an ihrem Schwerpunkt befestigt.
Somit können die Zinken relativ zueinander angetrieben werden, um die schnelle oder die x-Abtastung bereitzustellen, während die Gabel relativ zu dem Befestigungspunkt hin- und herbewegt wird, um die langsame oder die y-Abtastung bereitzustellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel enthält der Antrieb einen ersten und einen zweiten elektromagnetischen Antrieb, wobei der erste elektromagnetische Antrieb eine x-Antriebsspule enthält, die um die Zinken angeordnet ist, und der zweite elektromagnetische Antrieb eine y-Antriebsspule enthält, die um das Gegengewichtselement angeordnet ist, wobei die x-Antriebsspule und die y-Antriebsspule relativ zu der Befestigung ortsfest sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält der Antrieb vorzugsweise ferner einen an der ersten Zinke angeordneten Magneten.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel enthält der Antrieb einen elektromagnetischen Antrieb mit einer einzigen Antriebsspule, die um die Gabel angeordnet ist.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel enthält die Einrichtung einen Stabilisierungsmagneten, der hinter dem Gegengewichtselement angeordnet ist. Dieser Magnet definiert die ungefähre Position der Einrichtung, wenn sie nicht im Gebrauch ist, und definiert einen Betriebsmittelpunkt, wenn die Einrichtung in Gebrauch ist. Der Stabilisierungsmagnet kann einen Buckel oder Vorsprung haben, der dem Gegengewichtselement zugewandt ist, um die Magnetfeldlinien des Stabilisierungsmagneten in der Nähe des Buckels oder Vorsprungs zu konzentrieren.
Bei einem bestimmten Ausführungsbeispiel enthält die Befestigung ein verformbares Material mit einer Öffnung, in der die Gabel angeordnet ist, wobei sich das verformbare Material verformt, um die Bewegung der Gabel aufzunehmen. Das verformbare Material kann beispielsweise Gummi, Neopren, Silikon oder ein anderes Kunststoffmaterial sein.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel ist das verformbare Material ein viskoelastisches Material, wie beispielsweise Sorbothan (ein Warenzeichen der Sorbothane, Inc., Ohio, USA) oder ein anderes PolyurethanMaterial.
Die Einrichtung kann einen z-Achsen-Antrieb enthalten, um die Gabel vorwärts und rückwärts anzutreiben. Der z-Achsen-Antrieb kann einen Nitinoldraht-Antrieb enthalten.
Bei einem Ausführungsbeispiel enthält die Abtasteinrichtung einen optischen Kopf mit einem Durchmesser von ungefähr 5 mm und einer Länge von ungefähr 45 mm (ohne Gehäuse).
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel enthält die Abtasteinrichtung einen optischen Kopf mit einem Durchmesser von ungefähr 3,5 mm und einer Länge von mindestens 100 mm (ohne Gehäuse), oder einem Durchmesser von 4,4 mm und einer Länge von bis zu 300 mm oder darüber, einschließlich eines Gehäuses.
Der Durchmesser kann reduziert werden, wenn die Länge des optischen Kopfs vergrößert wird, da Antriebsspulen dünner (beispielsweise mit weniger Windungen), jedoch - im Ausgleich dazu - auf größere Strecke gewickelt werden können, um vergleichbare Feldstärken zu erzeugen. Ähnlich können kürzere Ausführungsformen konstruiert werden, die mehr Windungen verwenden.
Einrichtungen mit optischen Köpfen mit noch kleineren Durchmessern (z.B. 3 mm Durchmesser) können gefertigt werden, wenn bei speziellen Anwendungen ein reduzierter Vibrationsbereich der Zinken und ein reduzierter y-Auslenkbereich toleriert werden kann. Dies kann die resultierende Abtastbreite eines abgetasteten Bildes reduzieren, wobei man Bild verliert, während Funktionalität gewonnen wird. Jedoch kann bei einigen Anwendungen die Verringerung der Größe den Verlust von Abtastbreite rechtfertigen.
Unter anderen Aspekten stellt die Erfindung einen optischen Kopf, der die oben beschriebene Abtasteinrichtung enthält, sowie ein optisches Instrument (wie beispielsweise ein Endoskop, ein Mikroskop oder ein Endomikroskop) bereit, das die oben beschriebene Abtasteinrichtung enthält.
Unter einem anderen breiten Aspekt wird ein Abtastverfahren bereitgestellt, umfassend:

Halten einer Gabel mit einer ersten und einer zweiten nach vorn verlaufenden Zinke und einem nach hinten verlaufenden Gegengewichtselement an einem Punkt zwischen den Zinken und dem Gegengewichtselement;
Antreiben zumindest der ersten Zinke oder der zweiten Zinke zum Schwingen relativ zu der jeweils anderen Zinke, um eine schnelle Abtastung bereitzustellen; und

Bewegen der Gabel, um eine langsame Abtastung quer zu der schnellen Abtastung bereitzustellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel enthält das Verfahren das Halten der Gabel an ihrem Schwerpunkt.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel enthält das Verfahren das Antreiben zumindest der ersten Zinke oder der zweiten Zinke mittels einer x-Antriebsspule, die um die Zinken angeordnet ist, und das Bewegen der Gabel zum Bereitstellen der langsamen Abtastung mittels einer y-Antriebsspule, die um das Gegengewichtselement angeordnet ist, wobei die x-Antriebsspule und die y-Antriebsspule relativ zu dem Punkt, an dem die Gabel gehalten ist, ortsfest sind.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel enthält der Antrieb einen elektromagnetischen Antrieb mit einer einzigen Antriebsspule, die im die Gabel angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren das Antreiben der Spule mit einer Wellenform, die Sequenzen von durch Ruhephasen getrennten positiven und negativen Impulsen umfasst, sowie das Steuern der momentanen y-Auslenkung durch Steuern des Verhältnisses von positiven zu negativen Impulsen enthalten.
Figurenliste
Damit die Erfindung deutlicher bestimmt werden kann, werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele beispielhaft beschrieben, wobei:

1 eine schematische, teilweise aufgeschnittene Ansicht eines optischen Abtastkopfs nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Draufsicht der Gabel, der Gabelbefestigung und der Abtastspulen des optischen Kopfs der 1 ist;
3 eine perspektivische Ansicht der Gabel der 1 ist;
4 eine perspektivische Ansicht der Gabelbefestigung des optischen Kopfs der 1 ist;
5 eine perspektivische Ansicht des Permanentmagneten (oder x-Magneten) des optischen Kopfs der 1 ist;
6 eine perspektivische Ansicht des Stabilisierungsmagneten (oder y-Magneten) des optischen Kopfs der 1 ist;
7A und 7B schematische Ansichten des Magnetfelds des Stabilisierungsmagneten (oder y-Magneten) des optischen Kopfs der 1 in Relation zu der Gabel und den y-Antriebsspulen des optischen Kopfs der 1 sind;
7C eine schematische Darstellung der Kraft in y-Richtung vs. Gabelwinkel, erzeugt durch die Anordnung der 7A und 7B, ist;
8A, 8B, 8C und 8D grafische Darstellungen alternativer Antriebssignal-Wellenformen zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel der 1 sind;
9A ein Schaltplan des x-Antriebs des optischen Kopfs der 1 ist;
9B ein Schaltplan des y-Antriebs des optischen Kopfs der 1 ist;
10 eine Fotografie eines mittels des optischen Kopfs der 1 gewonnenen Rasters vor Linearisierung der Abtastung ist;
11 eine Fotografie eines mittels des optischen Kopfs der 1 gewonnenen Rasters nach Linearisierung der Abtastung ist;
12 eine schematische Draufsicht einer Gabel, einer Gabelbefestigung, einer Abtastspule und eines Stabilisierungsmagneten eines optischen Kopfs nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist; und
13 eine schematische Darstellung der Antriebssignalwellenform zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel der 12 ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein optischer Abtastkopf gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer teilweise aufgeschnittenen Ansicht bei 10 in 1 allgemein dargestellt. Der optische Kopf 10 enthält ein Gehäuse 12, das eine Gabel 14 enthält, die in einer Gabelbefestigung 16 angeordnet und von dieser gehalten ist. Der optische Kopf 10 enthält außerdem vor der Gabel 14 eine Linsengruppe 18. Das vordere Ende 20 des Gehäuses 12 ist mittels einer Kappe 22 geschlossen, die ein nach vorne zeigendes Fenster oder Abdeckglas 24 enthält.
Der optische Kopf 10 wurde mit einem Außendurchmesser von weniger als, jedoch ungefähr gleich 5 mm (ohne das Gehäuse 12) und einer Länge von weniger als, jedoch ungefähr gleich 45 mm konstruiert. Ein anderes Ausführungsbeispiel wurde dagegen mit einem Durchmesser von ungefähr 3,5 mm (ohne Gehäuse 12) oder 4,4 mm mit Gehäuse 12; konstruiert; bei diesem Ausführungsbeispiel hat der optische Kopf 10 ohne das Gehäuse eine Länge von mindestens 100 mm, wobei die Länge einschließlich Gehäuse und je nach Anwendung bis zu 300 mm betragen kann.
Beim Betrieb hält die Gabel 14 eine (nicht dargestellte) optische Faser und tastet diese ab; Licht, das in einer Vorwärtsrichtung aus der optischen Faser austritt, kann daher über eine Probe gerastert werden, während von dieser Probe zurückkehrendes Licht von der optischen Faser konfokal empfangen und an einen Photodetektor oder ein anderes Instrument übertragen werden kann.
Zum Antreiben der Gabel 10 enthält der optische Kopf 10 einen Antrieb, der einen x-Antrieb und einen y-Antrieb enthält. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der x-Antrieb in Form einer x-Antriebsspule 26 vor, die vor der Gabelbefestigung 16 angeordnet ist; der y-Antrieb liegt in Form einer y-Antriebsspule 28 vor, die hinter der Gabelbefestigung 16 angeordnet ist. (Der x-Antrieb und der y-Antrieb enthalten ferner jeweils eine zugehörige Elektronik, die außerhalb des optischen Kopfes und von diesem entfernt angeordnet ist; diese werden weiter unten unter Bezugnahme auf die 7 und 8 besprochen.) Die x-Antriebsspule 26 umgibt die Zinken der Gabel 14 über annähernd die Hälfte ihrer Länge an ihrem hinteren Ende (d.h. angrenzend an die Gabelbefestigung 16). Die y-Antriebsspule 28 umgibt den größten Teil der Gabel 14, der hinter der Gabelbefestigung 16 liegt.
Beim Betrieb kann die weniger massive Zinke 30 mit einer Amplitude von ±1,4 mm an ihrer Spitze in Schwingung versetzt werden. Die Gabel 14 kann in y-Richtung hin- und herbewegt werden, (d.h.) so dass die Zinken 30, 32 senkrecht zu ihrer Schwingungsrichtung mit einer Amplitude von ±1 mm (d.h. einem Gesamtweg von 2 mm) aus der Axialen, bei Ruheausrichtung, bewegt werden; dies ist gleich einem y-Auslenkwinkel der Gabel 14 von ±3,45°.
2 ist eine schematische Darstellung der Gabel 14, der Gabelbefestigung 16, der x-Antriebsspule 26 und der y-Antriebsspule 18 in der Draufsicht. Die Gabel 14 ist aus einem 0,65 mm starken Blech Siliziumstahl geschnitten und enthält eine nach vorne verlaufende erste Zinke 30 und eine nach vorne verlaufende zweite Zinke 32 sowie ein nach hinten verlaufendes Gegengewichtselement 34. Die Gabel 14 ist an ihrem Schwerpunkt in der Gabelbefestigung 16 befestigt, die einen zylindrischen Block aus Sorbothan mit einem Schlitz (nicht dargestellt) enthält, der für die Gabel 14 passend bemessen ist. Die Gabel 14 wird entweder dank der elastischen Eigenschaft von Sorbothan an Ort und Stelle gehalten oder kann zusätzlich mit Kleber in der Gabelbefestigung 16 fixiert sein.
Beim Betrieb ist eine optische Faser an der Zinke 30 angeordnet; ein Loch geeigneter Größe ist in der Gabelbefestigung 16 vorgesehen, so dass diese optische Faser durch die Befestigung treten kann und damit Licht von einer außerhalb des optischen Kopfs 10 gelegenen Lichtquelle über das hintere Ende des optischen Kopfs 10 zu dem vorderen Ende der Zinke 30 leiten kann. Die Zinken 30, 32 fungieren als wechselseitige Gegengewichte, jedoch ist die Zinke 32 massiver, so dass die Zinke 32 beim Betrieb eine geringere Amplitude hat als die weniger massive Zinke 30. Dadurch kann die Zinke 30 eine größere Amplitude haben, ohne die massivere Zinke 32 zu berühren, wodurch eine Abtastung mit vergrößertem Bereich bereitgestellt wird.
Die Gabel 14 besteht aus einem magnetisch durchlässigen Material, so dass sie durch die x-Antriebsspule 26 und die y-Antriebsspule 28 angetrieben werden kann. Außerdem enthält der x-Antrieb zusätzlich einen Permanent-Vormagnetisierungsmagneten 36, der an der massiveren Zinke 32 befestigt ist, so dass dank der Wechselwirkung des durch die x-Antriebsspule 26 erzeugten Magnetfelds und des Vormagnetisierungsmagneten 36 eine größere Antriebskraft zum Antreiben der Zinken 30, 32 erzeugt werden kann. Wie weiter unten ausführlicher besprochen wird, ist der Vormagnetisierungsmagnet 36 verstellbar an der massiveren Zinke 32 angebracht, so dass seine Position an der massiveren Zinke 32 derart verstellt werden kann, dass die Schwingungseigenschaften der Gabel 14 verändert werden. Dadurch können die Zinken 30, 32 auf eine bevorzugte Frequenz eingestellt werden; somit kann die Gabel 14 - sobald sie mit dem Vormagnetisierungsmagneten 36 ausgerüstet ist - als einstellbar beschrieben werden. Die Resonanzfrequenz der x-Abtastung ist so eingestellt, dass sie zwischen 800 und 850 Hz liegt, und es kann eine Feineinstellung vorgenommen werden, indem die Position des Vormagnetisierungsmagneten 36 verstellt wird, bevor er in seine Endposition geklebt wird. Die y-Abtastung wird bei ungefähr 80 Hz betrieben.
Der optische Kopf 10 enthält auch einen Permanent-Stabilisierungsmagneten 38, der hinter dem Gegengewichtselement 34 angeordnet ist. Dieser Stabilisierungsmagnet 38 bildet einen Teil des y-Antriebs (wie weiter unten unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wird). Zusätzlich dient der Stabilisierungsmagnet 38 jedoch zum Anziehen des Gegengewichtselements 34; somit neigt der Stabilisierungsmagnet 38 dazu, beim Betrieb des optischen Kopfs 10 einen Betriebsmittelpunkt zu definieren und hält die Gabel 14 mit einem Gabelwinkel θ von annähernd Null (d.h. annähernd parallel zu der Längsachse 40 des optischen Kopfs 10), wenn der optische Kopf 10 nicht in Betrieb ist. Dieser letztere Effekt hat den Vorteil, die Neigung der Gabel 14 zum Absinken in der Gabelbefestigung 16 unter ihrem eigenen Gewicht zu verringern; ein derartiges Absinken könnte ansonsten das Sorbothan, aus dem die Befestigung 16 besteht, schrittweise verformen.
Ferner sind in 2 ein Kabelbündel 42 und eine optische Faser 44 dargestellt. Das Kabelbündel 42 enthält ein Paar Stromkabel für die x-Antriebsspule 26 sowie Kabel für einen x-Positionssensor (nämlich den Sensor 106 der 9A: siehe unten). Die Kabel und die optische Faser haben am hinteren Ende des optischen Kopfs 10 Zugang zu diesem. Das Kabelbündel 42 ist in dem Abschnitt des optischen Kopfs 10 zwischen der Befestigung 16 und der y-Antriebsspule 28 in einer ganzen Schleife um das Innere des Gehäuses 12 gewunden, bevor es in der Befestigung 16 aufgenommen und in den vor der Befestigung 16 liegenden Abschnitt des optischen Kopfs 10 hinein geführt wird. Dies dient dazu, die Befestigung 16 und die Gabel 14 gegen jegliches Ausdehnen oder Zusammenziehen der Kabel aufgrund von Schwankungen der Betriebstemperatur zu isolieren, damit die Ausrichtung der Gabel nicht beeinflusst wird. Die optische Faser 44 enthält keine derartige Schleife.
Nachdem die Kabel zu dem vorderen Abschnitt des optischen Kopfs 10 hinein geführt worden sind, werden sie an die x-Antriebsspule 26 bzw. den x-Positionssensor (nicht dargestellt) angeschlossen, und die optische Faser ist in einer Nut (nicht dargestellt, siehe jedoch 3) in der Außenfläche der weniger massiven Zinke 30 aufgenommen.
3 ist eine perspektivische Ansicht der Gabel 14. Wie aus dieser Ansicht hervorgeht, hat die weniger massive Zinke 30 eine Nut 46 in ihrer Außenfläche; diese Nut 46 dient zum Aufnehmen einer optischen Faser, die in die Nut geklebt ist, wobei die Spitze der Faser im Wesentlichen mit dem vorderen Ende 48a der weniger massiven Zinke 30 zusammenfällt. Die massivere Zinke 32 neigt in der in 3 dargestellten Gleichgewichtslage relativ zur Längsachse der Gabel 14 nach unten, so dass, wie oben beschrieben, die weniger massive Zinke 30 mit der größtmöglichen Amplitude schwingen kann, ohne mit der massiveren Zinke 32 zu interferieren. Ferner ist das vordere Ende 48b der massiveren Zinke 32 spitz, um die Einhüllende ihrer Bewegung zu maximieren, die innerhalb des Gehäuses 12 aufgenommen werden kann.
4 ist eine Ansicht der Gabelbefestigung 16. Die Befestigung 16 hat einen Schlitz 50 zum Aufnehmen und Halten der Gabel 14. Wie oben erwähnt, enthält die Befestigung 16 einen zylindrischen Block aus Sorbothan; Sorbothan wird wegen seiner Elastizität, die es der Gabel 14 erlaubt, die erwünschte y-Abtastung zu beschreiben, sowie wegen seiner Nachgiebigkeit gewählt, die dazu beiträgt, die Gabel 14 (durch Kleber ergänzt, falls gewünscht) in dem Schlitz 50 zu halten und die Gabel 14 nach Auslenkung in y-Richtung in eine Gleichgewichtslage zurück zu stellen. Die Befestigung 16 hat auch eine Öffnung 52 zum Aufnehmen der optischen Faser 44 (zum Befestigen an der weniger massiven Zinke 30) und des Kabelbündels 42 (mit den Stromkabeln für die x-Antriebsspule 26 und Kabeln für einen x-Positionssensor).
Wenn das Gehäuse 12 aus Metall besteht, kann eines der beiden Stromkabel für die x-Antriebsspule 26 an dem Gehäuse geerdet sein und muss daher nicht von der Öffnung 52 aufgenommen sein.
Bei anderen Ausführungsbeispielen könnten diese Kabel 42 und die optische Faser 44 alternativ durch eine Vielzahl derartiger Öffnungen in der Befestigung 16 aufgenommen sein oder längsseits der Gabel an der Befestigung platziert und durch den Schlitz 50 hinein geführt sein (in diesem Fall könnte die Form des Schlitzes gemäß den Anforderungen modifiziert sein).
5 ist eine Ansicht des Vormagnetisierungsmagneten 36. Dieser Magnet ist so ausgelegt, dass seine Position, wenn er an der massiveren Zinke 32 angebracht ist, bis zur gewünschten Position verstellbar ist, dann wird er festgeklebt. Der Vormagnetisierungsmagnet 36 enthält also eine Nut 54 zum Aufnehmen der massiveren Zinke 32. Die Nut 54 ist so bemessen, dass der Vormagnetisierungsmagnet 36 - wenn er auf die massivere Zinke 32 gedrückt ist - vorübergehend an Ort und Stelle bleibt, bis seine Position wunschgemäß eingestellt und Klebstoff aufgebracht ist, um den Vormagnetisierungsmagneten 36 dauerhafter zu befestigen.
Die Seite 56 des Vormagnetisierungsmagneten 36, die beim Gebrauch dem Gehäuse 12 gegenübersteht, ist mit einer Abschrägung 58 versehen; der Vormagnetisierungsmagnet 36 ist so an der massiveren Zinke 32 angebracht, dass diese Abschrägung 58 näher zum vorderen Ende 48b der massiveren Zinke 32 orientiert ist, um jegliche Interferenz durch den Vormagnetisierungsmagneten 36 mit dem Gehäuse 12 zu verringern.
6 ist eine Ansicht des Permanent-Stabilisierungsmagneten 38. Der Stabilisierungsmagnet 38 hat einen Vorsprung 60, der nach vorn zu dem Gegengewichtselement 34 der Gabel 14 zeigt, wenn der Stabilisierungsmagnet 38 in dem Gehäuse 12 des optischen Kopfs 10 aufgenommen ist. Der Stabilisierungsmagnet 38 hat diese Form, um seine Magnetfeldlinien in der Nähe des Vorsprungs 60 zu konzentrieren. Wie oben besprochen, liefert dies eine große Stabilisierungskraft, wenn die Gabel in dem Gehäuse 12 mit einem Gabelwinkel von θ=0 ausgerichtet ist (d.h. parallel zur Längsachse 40 des optischen Kopfs 10), jedoch eine geringere Kraft, wenn die Gabel beim Betrieb anders ausgerichtet ist.
Der Stabilisierungsmagnet 38 stellt auch einen Teil des y-Antriebs dar. Die y-Antriebsspule 28 wird durch einen Strom angesteuert, der im Wesentlichen eine Sägezahnwellenform hat (siehe 10 und 11). Wenn Strom durch die y-Antriebsspule 28 geleitet wird, wird ein Magnetpol in das hintere Ende des Gegengewichtselements 34 induziert. Ausgehend von der Gabel 14 in ihrer stabilisierten Ruhestellung und in Längsrichtung ausgerichtet, wird, wenn der y-Antriebsspule 28 ein Gleichstrom (von der Stromquelle 132 der 8 zugeführt) hinzugefügt wird, ein Magnetpol (je nach Stromrichtung Nord oder Süd) am hinteren Ende des Gegengewichtselements 34 der Gabel 14 induziert. Durch die Nähe des Stabilisierungsmagneten 38 wechselwirken das Magnetfeld des Stabilisierungsmagneten und das in die Gabel 14 induzierte Magnetfeld, was eine Relativbewegung zwischen dem hinteren Ende der Gabel 14 und dem Stabilisierungsmagneten 38 hervorruft. Somit wird beim Betrieb der Gleichstrom von Null auf einen Maximalwert I_max erhöht, ein Punkt, an dem die Gabel 14 ihre gewünschte maximale y-Auslenkung erreicht. Dann wird der Gleichstrom in -I_max umgekehrt, was bewirkt, dass sich die Orientierung des in das hintere Ende des Gegengewichtselements 34 induzierten Magnetpols umkehrt (nämlich von Nord in Süd oder umgekehrt); dies bewirkt, dass die Gabel 14 in die maximale y-Auslenkung in entgegengesetzter Richtung gedrängt wird. Diese Umkehrung stellt einen Rückschwung in y-Richtung dar. Dann wird der Gleichstrom von -I_max auf Null und von dort auf I_max gesteigert, wenn der Prozess wiederholt wird. So wird die y-Abtastkomponente der Rasterabtastung ausgeführt.
Der Auslenkwinkel der Gabel 14 als Funktion der Magnetfeldstärke (und damit des Antriebsstroms) der y-Antriebsspule hat sich über den oben erwähnten Bereich der y-Auslenkung von ±3,45° als annehmbar linear erwiesen. Zudem können von anderen Faktoren ausgehende Linearitätsabweichungen in dem y-Antrieb reduziert werden, wenn die Einrichtung in Betrieb ist: Dies wird unten unter Bezugnahme auf die 10 und 11 besprochen.
7A ist ein Diagramm des Gehäuses 12, der Gabel 14, der y-Antriebsspule 28, des Stabilisierungsmagneten 38 und der von dem Stabilisierungsmagneten 38 erzeugen Magnetfeldlinien. 7B ist ein Detail der 7A, das die Magnetfeldlinien und die Art und Weise deutlicher zeigt, in der sie um den Vorsprung 60 und somit nahe dem Halt oder der axialen Lage des hinteren Endes der Gabel 14 konzentriert sind. Es ist zu erkennen, dass das Feld des Stabilisierungsmagneten 38 gewissermaßen zwei Komponenten hat: ein „inneres‟ Feld, das von dem Vorsprung 60 erzeugt ist (dessen Wirkung aufgrund seiner Form im Wesentlichen auf den Stabilisierungsmagneten 38 beschränkt ist), und ein „äußeres“ Feld, das von dem gesamten Magneten erzeugt ist.
7C ist eine schematische Darstellung der Kraft in y-Richtung (F_y), aufgetragen gegen den Gabelwinkel (θ) relativ zur Längsachse des optischen Kopfs 10 für die Anordnung der 7A und 7B. F_y ist eine zusammengesetzte Kraft, die aus dem Stabilisierungsmagneten 38 und der Elastizität der Befestigung 16 hervorgeht. Man wird erkennen, dass ein lokales Gefälle in der Kurve um den Ursprung herum auftritt: Dies ist dadurch bedingt, dass der Vorsprung 60 an dem Stabilisierungsmagneten 38 vorgesehen ist.
Mehrere mögliche Wellenformen des Antriebsstroms in der x-Antriebsspule 26 sind in den 8A, 8B, 8C und 8D bei 80, 82, 84 bzw. 86 dargestellt. Die Wellenformen 80 und 82 sind Rechteckwellen mit Impulsen gleicher Größenordnung A, die im Falle der Wellenform 80 positiv und im Falle der Wellenform 82 negativ sind. In beiden Fällen sind die Impulse durch eine Ruhephase getrennt, deren Breite gleich der Breite der Impulse ist.
Die Wellenform 84 hat Impulse, die mit denen der Wellenformen 80 und 82 identisch sind, jedoch zwischen positiv und negativ alternieren und durch eine Ruhephase getrennt sind. Die Wellenformen 80, 82 und 84 - mit Ruhephasen - können ohne einen Vormagnetisierungsmagneten 36 verwendet werden.
Die Wellenform 86 jedoch hat keine Ruhephase und wird mit einem Vormagnetisierungsmagneten 36 verwendet. Sie hat auch eine kleine positive Gleichstromkomponente; ungefähr 55% der Spitze-zu-Spitze-Amplitude A sind positiv, und ungefähr 45% sind negativ. Da sie keine Ruhephase enthält, stützt sich die Wellenform 86 nicht ausschließlich auf Abstoßungskräfte zwischen den Zinken 30, 32; es wird vielmehr eine Abstoßungsphase bereitgestellt, direkt gefolgt (d.h. ohne eine Ruhe- oder Neutralpol-Wellenform) von einer Anziehungsphase, in der Ladung von den beiden Zinken abgezogen wird, und der Vormagnetisierungsmagnet sorgt für die Anziehung zwischen den Zinken 30, 32.
9A ist ein schematisches Diagramm der x-Antriebsschaltung 100 für die x-Antriebsspule 26 des optischen Kopfs der 1. Die Spule 26 für den x-Antrieb der Gabel wird mit einem Wechselstrom angesteuert, dessen Übergänge so getaktet sind, dass sie mit der Spitzenauslenkung oder -Relaxation der Zinken 30, 32 zusammenfallen. Es wird eine Stromsteuerung und keine Spannungssteuerung eingesetzt, da eine Stromsteuerung den Antrieb von der zu der x-Antriebsspule 26 führenden Kabellänge unabhängig macht, was bei einer Änderung der Anschlusskabel ansonsten das Blickfeld in der x-Ebene ändern könnte.
Dafür sorgt eine Stromquelle 102 mit einem präzisen Spannungs-Strom-Umsetzungsschaltkreis; der Ausgang 104 dieser Stromquelle wird der x-Antriebsspule 26 zugeführt. Die Richtung oder Polarität des Stroms kann so gewählt werden, dass sie positiv oder negativ ist, je nach Erfordernis der Auslenkung oder der Relaxation, und die Stärke des Stroms kann auf die Stärke eingestellt werden, die erforderlich ist, um den gewünschten Auslenkungsbereich oder den gewünschten Relaxationsbereich, oder das Blickfeld (FOV = field of view) in der x-Ebene, zur erreichen.
Mehrere Faktoren können die tatsächliche Auslenkung oder die tatsächliche Relaxation beeinflussen, weswegen ein x-Positionssensor 106 an einer Stelle innerhalb der x-Antriebsspule 26 an der massiveren Zinke 32 angebracht ist. Der x-Positionssensor 106 enthält einen piezoelektrischen Biegesensor, der ein Signal ausgibt, das eine Funktion der Biegung des Sensors ist; diese Biegung wird durch das Biegen der Zinke 32 hervorgerufen, so dass das Ausgangssignal des Sensors einen direkten Messwert der Auslenkung der Zinke 32 liefert. Die Zinke 32 bewegt sich ungefähr um 20% der Bewegung der weniger massiven Zinke 30, so dass das Ausgangssignal von dem Sensor 106 einen Messwert der Position der weniger massiven Zinke 30, und somit der Spitze einer in die Nut 46 der weniger massiven Zinke 30 geklebten optischen Faser liefert.
Der Anfangswert des Ausgangssignals des Sensors 106 entspricht der Ruhestellung der massiveren Zinke 32; wenn die massivere Zinke schwingt, variiert das Ausgangssignal entsprechend und erlaubt somit einen geschlossenen Schleifenbetrieb. Der Sensor 106 enthält eine piezoelektrische Schicht, da diese Sensorart eine minimale Energie benötigt, um ein verwendbares Ausgangssignal zu erzeugen, die Mechanik des Abtastsystems nicht nennenswert ändert und über eine gute Linearität verfügt.
Der Ausgang des x-Positionssensors 106 wird in ein Schmalbandfilter 108 geleitet, dessen Durchlassfrequenz um die Mittenfrequenz der Gabel 14 zentriert ist. Das Schmalbandfilter 108 ist in dieser Art und Weise in der Signalleitung angeordnet, um elektrische Störeffekte des Signals vor einem Amplitudendetektor 110 zu entfernen, hauptsächlich um 50/60 Hz-Rauschen zu entfernen. Das Schmalbandfilter 108 verbessert somit die Wirkung, die das Platzieren des x-Positionsfilters 106 von der Elektronik entfernt hat. Alternativ könnte ein Hochpassfilter für diesen Zweck eingesetzt werden, doch hat ein Bandpassfilter den zusätzlichen Vorteil, dass die Phasenverzögerung bei der Mittenfrequenz gleich Null ist.
Der Ausgang dieses Filters 108 wird dem Amplitudendetektor 110 zugeführt, der den Wechselstrom gefilterten Ausgang des Bandpassfilters 106 in eine Gleichspannung umwandelt, die den Grad der mechanischen Spitzenauslenkung der Zinken 30, 32 jederzeit exakt wiedergibt.
Der Ausgang des Amplitudendetektors 110 wird einer Rechenschaltung 112 (die analog oder digital sein kann) zugeführt, welche einen PID-Algorithmus verwendet. Die Rechenschaltung 112 hat eine Reihe von programmierbaren Parametern, insbesondere die Pegel der Proportional-, Integral- und Differentialverstärkung, die zum Bestimmen des optimalen Korrekturpegels verwendet werden, und filtert das Signal, um zu verhindern, dass der Regelkreis auf plötzliche Änderungen außerhalb des Dynamikbereichs des Systems reagiert.
Es ist wünschenswert, die Auslenkungs- oder die Relaxationsamplitude in der x-Ebene auf einem konstanten, jedoch wählbaren Pegel zu halten; daher wird ein gesetzter Eingang - hier als Horizontal- oder x-Spanne 114 bezeichnet - an den „gewünschten“ Eingang der Rechenschaltung 112 angelegt.
Der Ausgang des Bandpassfilters 108 wird auch auf den Eingang einer Verzögerungsschaltung 116 angelegt; die Verzögerungsschaltung 116 verzögert die Eingabe an einen Nulldurchgangsdetektor 118 um einen kleinen Betrag, so dass der Nulldurchgangsdetektor 118 nicht durch elektrisches Rauschen in den Leiterplattenspuren beeinflusst wird. Derartiges Rauschen in den Spuren tritt auf, wenn die Stromquelle von einem Zustand bzw. einer Polarität auf den anderen bzw. die andere umschaltet. Die so eingeführte Verzögerung ist nur klein im Vergleich zu der Verzögerung, die bei Verwendung eines Hochpassfilters statt des Bandfilters 108 aufgetreten wäre. Ein Hochpassfilter würde somit eine separate Verzögerung erforderlich machen.
Der Ausgang der Verzögerungsschaltung 116 wird so dem Nulldurchgangsdetektor 118 zugeführt, um präzise Phaseninformationen zum Synchronisieren der separat gewonnenen Bildinformationen mit der momentanen Position der Zinken 30, 32 zu rekonstruieren. Die momentane Position der Zinken liefert ein Maß der Position der Spitze der an der weniger massiven Zinke 30 angebrachten optischen Faser.
Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 118 wird an den Eingang einer Phasensteuerschaltung 120 angelegt, die es ermöglicht, den Übergang der Stromsteuerung zeitlich so zu steuern, dass er mit der Spitzenauslenkung oder -relaxation der Zinken 30, 32 der Gabel 14 zusammenfällt.
Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors 118 wird auch an eine Pegelumsetzungsschaltung/Bildsynchronisationsschaltung 122 angelegt, die das Einführen von Phasenrauschen in das x-Synchronisationssignal 124 verringert; das x-Synchronisationssignal 124 wird bei der Synchronisation des separat gewonnenen Bilddatenstroms verwendet. Das x-Synchronisationssignal 124 wird auch an die y-Abtastungs- oder Vertikalebenenschaltung angelegt, so dass die beiden in Synchronismus sind, um ein stabiles Bild bereitzustellen: Dies wird weiter unten besprochen.
9B ist ein schematisches Diagramm der y-Antriebsschaltung 130 für die y-Antriebsspule des optischen Kopfs der 1. Die y-Antriebsspule 28 ist stromgesteuert und nicht spannungsgesteuert, da dies die Auslenkung von den Verkabelungs- und Verbindungsverlusten weitgehend unabhängig macht. Die Wellenform hat eine Form im Zeitbereich, die sicherstellt, dass sich die Bewegung der Gabelspitze im Raum einem linearen Weg im Raumbereich annähert. Dies wird durch Verwendung einer Linearstromquelle 132 erreicht, deren Ausgang an die y-Antriebsspule 28 angelegt wird.
Die Linearstromquelle 132 stellt eine lineare Spannungs-Strom-Umsetzung bereit. Während die elektrischen Komponenten des Antriebs gute Linearität leisten, gibt es Linearitätsabweichungen in den mechanischen und magnetischen Aspekten des Antriebs, weswegen der Ansteuerungsstrom so geformt ist, dass eine lineare oder im Wesentlichen lineare Auslenkung erreicht wird. Dies könnte im Prinzip mittels eines Rückkopplungssignals von einem Sensor erledigt werden, der die Zinkenverschiebung misst, jedoch legen Größenbeschränkungen und die Tatsache, dass Linearitätsabweichungen gewöhnlich von Zeit und Temperatur abhängig sind, es nahe, dass akzeptables Ausbilden der Antriebs-Wellenform bei vielen Anwendungen ähnliche Ergebnisse liefern kann.
Um Flexibilität bereitzustellen, verwendet die Antriebsschaltung 130 eine Wellentabelle, die in einem wieder beschreibbaren Speicher 134 gespeichert ist, so dass im Wesentlichen jede gewünschte Wellenform erzeugt werden kann. Der wieder beschreibbare Speicher 134 kann jederzeit geladen werden, um unterschiedliche Abtastanforderungen zu erfüllen. Mehrere unterstützende Systeme werden verwendet, um dafür zu sorgen, dass die Wellentabelle die y-Spule der Gabel antreibt.
Erstens sind die Adressleitungen des wieder beschreibbaren Speichers 134 mit einem Zähler 136 verbunden, der jeweils um einen Zähler erhöht werden kann. Dies bewirkt, dass die Daten an sequentiellen Adresspositionen des wieder beschreibbaren Speichers 134 auf seinen Datenleitungen ausgegeben werden. Die Datenleitungen sind an die Dateneingänge eines Digital-Analog-Umsetzers angelegt, der hier als „Wellen-DAU“ 138 bezeichnet wird. Diese Konfiguration erzeugt eine Reihe analoger Spannungen, von denen jede das Ergebnis des Wertes ist, der auf den Eingang des Wellen-DAU 138 geschrieben ist.
Eine zusätzliche Steuerung der Wiederholungsrate eines vollständigen Zyklus des gespeicherten Musters wird mittels eines programmierbaren Teilers 140 geliefert, der der Einfachheit halber auf 2ⁿ-Verhältnisse eingestellt werden kann, indem ein Abtastrateneingang 142 gesetzt wird. Dies ermöglicht das einfache Ändern der Abtastrate in Zweierpotenzen.
Der Ausgang des Wellen-DAU 138 wird an den Referenzeingang eines zweiten DAU gelegt, der als „Bereichs-DAU“ 144 bezeichnet wird; der Gewinn/Verlust der von dem Wellen-DAU 138 erzeugten Wellenform kann praktisch eingestellt werden, indem mittels eines gesetzten Vertikalbereichseingangs 146 ein anderer digitaler Wert an die Datenleitungen dieses Bereichs-DAU 144 angewendet wird.
Die y-Antriebsschaltung 130 enthält einen Versatz-DAU 148, der einen gesetzten Vertikalversetzungseingang 150 hat. Die Ausgänge des Bereichs-DAU 142 und des Versatz-DAU 148 werden einer Summierschaltung 152 zugeführt, die eine Ausgangsspannung erzeugt, die dann von der vorgenannten Stromquelle 132 in einen Strom umgesetzt wird.
Die von der Stromquelle ausgegebene Wellenform ist somit hinsichtlich Form, Amplitude und Versatz bestimmbar.
Um dieses y-Ebenen- (oder das langsame) Abtastsystem und das x-Ebenen (oder das schnelle) Abtastsystem intrinsisch in Synchronisation zu bringen, liefert das x-Synchronisationssignal 124 von der x-Antriebsschaltung 100 das von der Teilerschaltung 140 verwendete Inkrement- oder „Nächster-Wellenwert“-Wählsignal. Zusammen stellen die beiden Schaltungen 100 und 130 einen präzisen Mechanismus zum Steuern der Gabel 14 zum Abtasten in einem Rastermuster für Abbildungszwecke bereit.
Wie oben besprochen, wird an die y-Antriebsspule eine sägezahnförmige Strom-Wellenform angelegt (bei der in 1 gezeigten Ausführung mit zwei Spulen). Jedoch wird die Wellenform, auch wenn diese Wellenform anfangs verwendet werden kann, dann eingestellt, um die resultierende Abtastung so weit wie möglich zu linearisieren. Dies erfolgt durch Ausführen einer Testabtastung eines regelmäßigen Gitters und nachfolgendes Analysieren des resultierenden Bildes, um die Linearität des Gitterbildes zu bewerten. Die Wellenform wird dann iterativ modifiziert, bis man die optimale erreichbare Linearität für eine bestimmte Einrichtung erhält. Die Linearisierung kann auch den vorgenannten Betriebsmittelpunkt bis zu einem gewissen Grade verändern.
10 ist eine Bildschirmaufnahme des Software-Bedienfelds 174 eines Systems zum Testen und Steuern des optischen Kopfs 10, die das Bild 176 eines regelmäßigen Testgitters und eine Wellentabelle 178 der Wellenform enthält, die zum Ansteuern der y-Antriebsspule 28 verwendet wird. Wie aus der Wellentabelle 178 hervorgeht, ist die Wellenform für den y-Antrieb im Wesentlichen eine Sägezahnwellenform. Dies veranlasst die y-Antriebsspule 28, durch die Wechselwirkung ihres Magnetfelds mit dem Feld des Stabilisierungsmagneten 38 die Gabel so anzutreiben, dass sie eine langsame Abtastung von einer ersten extremen Auslenkung in y-Richtung zu der anderen extremen Auslenkung ausführt, stellt dann die Gabel schnell zu der ersten extremen Auslenkung in y-Richtung zurück, worauf die Abfolge wiederholt wird. Das Bild 176 wurde vor Durchführen der Linearisierung aufgenommen, weshalb die Wellentabelle 178 linear ist. 11 ist eine vergleichbare Bildschirmaufnahme des Software-Bedienfelds 180 nach Durchführen der Linearisierung. Aufgrund von Veränderungen der Wellenform ist die Wellentabelle 182 - obwohl sie noch immer im Wesentlichen sägezahnartig ist - nicht mehr linear, wogegen das Bild 184 des Testgitters eine verbesserte Linearität hat. Dies wird besonders deutlich, wenn man jeweils den oberen und den unteren Abschnitt der beiden Bilder 176, 184 vergleicht.
Die Anforderung, die Wellenform zu modifizieren, ergibt sich aus den variierenden Kräften, die auf die Gabel 14 wirken, wenn sie sich bei der oberen maximalen y-Auslenkung befindet, verglichen mit der Situation, wenn sie sich beider mittleren y-Auslenkung bzw. bei der unteren maximalen y-Auslenkung befindet. Dies ist abhängig von:

- der Nähe der Gabel 14 zu der x-Antriebsspule 26;
- der Auswirkung des variierenden Stroms in der y-Antriebsspule, der über die Länge der Gabel 14 übertragen wird;
- dem veränderlichen elastischen Widerstand, der von der Sorbothan-Befestigung 16 als Funktion der Gabelbewegung in y-Richtung ausgeübt wird.

Der optische Kopf 10 kann optional einen z-Antrieb geeigneter Art enthalten, wie beispielsweise derjenige, der mittels Nitinoldraht und Bowdenzug bereitgestellt und in der US 10/822,718 , eingereicht am 13. April 2004 (deren Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen ist), veröffentlicht am 4. November 2004 unter der Veröffentlichungsnummer US 2004 / 0 220 453 A1 beschrieben ist.
Eine Gabel 190, eine Gabelbefestigung 192, eine Antriebsspule 194 und ein Stabilisierungsmagnet 196 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in 12 schematisch dargestellt. Diese Komponenten eignen sich für die Verwendung bei einem optischen Kopf, der mit dem der 1 vergleichbar ist; anders als der optische Kopf 10 der 1, hat dieses Ausführungsbeispiel eine einzige Antriebsspule. Eine separate y-Antriebsspule entfällt, und die Antriebsspule 194 führt die Funktionen sowohl einer x-Antriebsspule als auch einer y-Antriebsspule aus. Dieses Ausführungsbeispiel enthält keinen Vormagnetisierungsmagneten (vergl. Vormagnetisierungsmagnet 36). In anderer Hinsicht jedoch sind die Gabel 190, die Gabelbefestigung 192, die Antriebsspule 194, das Kabelbündel 198 und die optische Faser 199 identisch mit der Gabel 14, der Gabelbefestigung 16, der x-Antriebsspule 26, dem Kabelbündel 42 und der optischen Faser 44 des Ausführungsbeispiels der 1.
Es wird für möglich gehalten, dass das Ausführungsbeispiel mit nur einer Spule die Konstruktion eines kompakteren optischen Kopfs erlaubt, auch wenn es wahrscheinlich schwieriger ist, eine Linearität zu erreichen, die mit derjenigen des Ausführungsbeispiels mit zwei Spulen vergleichbar ist.
Die Wellenform des Antriebsstroms in der Antriebsspule 194 wird aus der Wellenform 84 der 8C entwickelt; die Wellenform 84 ist im Wesentlichen rechteckig, jedoch mit einer Ruhephase zwischen positiven und negativen Impulsen. Die positiven Impulse, negativen Impulse und Ruhephasen haben alle die gleiche Dauer. Die grundlegende Wellenform hat keine Gleichstromkomponente. Folglich ist der Mittelwert der Wellenform 84 Null.
Dieser Mittelwert kann jedoch zum Erzeugen einer y-Abtastung verwendet werden, wenn das mittlere Magnetfeld die Gabel 190 hin- und herbewegt. Die x-Abtastung wird nicht beeinflusst, so lange die Impulse zur richtigen Zeit wiederkehren. Auch erfordert die x-Rückkopplung keine Änderungen, da sie gegenüber der Spulenpolarität unempfindlich ist. (Das heißt, die Zinken 30, 32 werden sich immer gegenseitig abstoßen, wenn ein Strom in der Antriebsspule 194 vorliegt, werden sich also nur zurückstellen, wenn eine endliche Relaxationszeit zwischen positiven und negativen Impulsen vorliegt. Bei Resonanz bewegen sich die Zinken von am nächsten bis zu am weitesten entfernt, wenn die magnetische Kraft maximale Arbeit leistet.)
Daher erzeugt die Wellenform 84 keine y-Abtastung, jedoch kann durch Einführen eines positiven oder negativen Gleichstromversatzes die Gabel 190 in eine positive oder eine negative y-Stellung angetrieben werden. Ist dieser Versatz beispielsweise gleich der Impulsamplitude A der Wellenform 84, wird die Gabel zu den jeweiligen Endpunkten ihres y-Auslenkungsbereichs angetrieben. Zwischenwerte der y-Auslenkung werden dann jeweils mit geringerem Gleichstromversatz erreicht.
Zwischenwerte der y-Auslenkung können jedoch auch ohne Verwenden eines Gleichstromversatzes erzeugt werden, indem die Wellenform 84 verwendet wird, ein Teil der Impulse jedoch negativ gemacht wird. Der Mittelwert der Wellenform, und ob er positiv oder negativ ist, wird durch das Verhältnis der positiven zu den negativen Impulsen bestimmt. Ist die Anordnung in geeigneter Weise mechanisch gedämpft (der Grad der Dämpfung kann durch einfache Versuche bestimmt werden), kann dieses Verhältnis über die Zeit variiert werden, und eine y-Abtastung kann ausgeführt werden. So ist eine geeignete Wellenform 200 in 13 dargestellt. Die Wellenform 200 ist vergleichbar mit der Wellenform 84 der 8C und hat ebenfalls Impulse der Amplitude A, jedoch hat die Wellenform 200 drei positive Impulse, gefolgt von einem negativen Impuls, jeweils getrennt durch die Ruhephase. Im Mittel hat diese Wellenform einen Wert von 0,5 A. Enthält die Wellenform vier positive Impulse, gefolgt von einem negativen Impuls, hätte sie einen Mittelwert von 0,6 A. Wenn also die Wellenform 200 m positive Impulse, gefolgt von n negativen Impulsen hat, wird die Gabel auf (m-n)/(m+n) seiner maximalen y-Auslenkung bewegt, ohne dass ein tatsächlicher Gleichstromversatz verwendet wird. Selbstverständlich kann es sich je nach den Werten von m und n um eine positive oder eine negative Auslenkung handeln. Folglich ist es durch Verändern der Anzahl von positiven und negativen Pulsen in der Wellenform 200 möglich, die gewünschte y-Auslenkung innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu erhalten.
Die Wellenformen der 8A, 8B, 8D, 8D und 13 sind synchronisierte Wellenformen ohne Impulsverstümmelung aufgrund von Mittenimpulsumkehrungen. Einige Mittenimpulsumkehrungen wären annehmbar, wenn sie schnell genug vorgenommen werden würden und kleine Störungen durch einen mechanischen Q-Faktor geglättet werden würden. Um die höchste Bildqualität und Bild-zu-Bild-Mittelung (Frame-zu-Frame-Mittelung) zu erreichen, ist jedoch ein synchronisiertes System vorzuziehen.
Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind vom Fachmann leicht auszuführen. Es sei daher darauf hingewiesen, dass diese Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsbeispiele, die vorstehend beispielhaft beschrieben wurden, beschränkt ist.
Bei der vorhergehenden Beschreibung der Erfindung und den nachfolgenden Ansprüchen, außer wo es der Kontext aufgrund ausdrücklichen Sprachgebrauchs oder notwendiger Implikation anders verlangt, wird das Wort „enthalten“ oder Variationen davon, wie beispielsweise „enthält“ oder „enthaltend“ in einschließendem Sinne verwendet, d.h. um das Vorhandensein der genannten Merkmale zu spezifizieren, jedoch nicht um das Vorhandensein oder das Hinzufügen weiterer Merkmale bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung auszuschließen.
Ferner soll jeglicher hier enthaltener Verweis auf Stand der Technik nicht implizieren, dass solcher Stand der Technik Teil der üblichen Allgemeinbildung darstellt oder dargestellt hat.

Claims

Abtasteinrichtung, gekennzeichnet durch: eine Gabel (14) mit einer ersten und einer zweiten nach vorn verlaufenden Zinke (32, 30) und einem nach hinten verlaufenden Gegengewichtselement (34); eine Befestigung (16) zum Halten der Gabel (14) an einem Punkt zwischen den Zinken (32, 30) und dem Gegengewichtselement (34); und einen Antrieb zum Erzeugen einer relativen Schwingung zwischen den Zinken (32, 30), um eine schnelle Abtastung bereitzustellen, und zum Antreiben der Gabel (14), um eine langsame Abtastung quer zu der schnellen Abtastung bereitzustellen.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gabel (14) an ihrem Schwerpunkt befestigt ist.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Antrieb einen ersten und einen zweiten elektromagnetischen Antrieb enthält, wobei der erste elektromagnetische Antrieb eine um die Zinken (32, 30) angeordnete x-Antriebsspule (26) und der zweite elektromagnetische Antrieb eine um das Gegengewichtselement (34) angeordnete y-Antriebsspule (28) enthält, wobei die x-Antriebsspule (26) und die y-Antriebsspule (28) relativ zu der Befestigung (16) ortsfest sind.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 3, wobei der Antrieb ferner einen an der ersten Zinke (32) angeordneten Magneten (36) enthält.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Antrieb einen elektromagnetischen Antrieb enthält, der eine einzige um die Gabel angeordnete Antriebsspule (194) enthält.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen hinter dem Gegengewichtselement (34) angeordneten Stabilisierungsmagneten (38) enthält, um eine ungefähre Position des Gegengewichtselements (34) zu definieren, wenn die Einrichtung nicht in Gebrauch ist, und einen ungefähren Betriebsmittelpunkt des Gegengewichtselements (34) zu definieren, wenn die Einrichtung in Gebrauch ist.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 6, wobei der Stabilisierungsmagnet (38) einen dem Gegengewichtselement (34) zugewandten Buckel oder Vorsprung zum Konzentrieren der Magnetfeldlinien des Stabilisierungsmagneten (38) in der Nähe des Buckels oder Vorsprungs hat.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Befestigung (16) ein verformbares Material mit einer Öffnung (50) enthält, in der die Gabel (14) angeordnet ist, wobei das verformbare Material sich verformt, um die Bewegung der Gabel (14) aufzunehmen.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 8, wobei das verformbare Material ein viskoelastisches Material ist.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 8, wobei das verformbare Material ein Polyurethanmaterial ist.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen z-Achsenantrieb zum Antreiben der Gabel (14) vorwärts und rückwärts enthält.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 11, wobei der z-Achsenantrieb einen Nitinoldrahtantrieb enthält.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die einen optischen Kopf (10) mit einem Durchmesser von ungefähr 5 mm und einer Länge von 45 mm, ausschließlich eines Gehäuses (12) für den optischen Kopf (10), enthält.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die einen optischen Kopf (10) mit einem Durchmesser von ungefähr 3,5 mm und einer Länge von mindestens 100 mm, ausschließlich eines Gehäuses (12) für den optischen Kopf (10), enthält.
Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die einen optischen Kopf (10) mit einem Durchmesser von 4,4 mm und Längen größer als oder ungefähr gleich 300 mm, einschließlich eines Gehäuses (12) für den optischen Kopf (10), enthält.
Optischer Kopf (10), der eine Abtasteinrichtung nach Anspruch 1 enthält.
Optisches Instrument, das eine Abtasteinrichtung nach Anspruch 1 enthält.
Optisches Instrument nach Anspruch 17, wobei das optische Instrument ein Endoskop, ein Mikroskop oder ein Endomikroskop ist.
Abtastverfahren, gekennzeichnet durch: Halten einer Gabel (14) mit einer ersten und einer zweiten nach vorn verlaufenden Zinke (32, 30) und einem nach hinten verlaufenden Gegengewichtselement (34) an einem Punkt zwischen den Zinken (32, 30) und dem Gegengewichtselement (34); Antreiben zumindest der ersten oder der zweiten Zinke (32, 30), so dass sie relativ zu der jeweils anderen schwingt, um eine schnelle Abtastung bereitzustellen; und Bewegen der Gabel (14), um eine langsame Abtastung quer zu der schnellen Abtastung bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 19, das das Halten der Gabel (14) an dem Schwerpunkt der Gabel (14) enthält.
Verfahren nach Anspruch 19, das das Antreiben zumindest der ersten oder der zweiten Zinke (32, 30) mittels einer um die Zinken (32, 30) angeordneten x-Antriebsspule (26) und das Bewegen der Gabel (14) zum Bereitstellen der langsamen Abtastung mittels einer um das Gegengewichtselement (34) angeordneten y-Antriebsspule (28) enthält, wobei die x-Antriebsspule (26) und die y-Antriebsspule (28) relativ zu einem Punkt, an dem die Gabel (14) gehalten ist, ortsfest sind.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Antrieb einen elektromagnetischen Antrieb mit einer einzigen um die Gabel (14) angeordneten Spule (194) enthält.
Verfahren nach Anspruch 22, das das Antreiben der Spule (194) mit einer Wellenform, die Sequenzen von durch Ruhephasen getrennten positiven und negativen Impulsen hat, und das Steuern der momentanen y-Auslenkung durch Steuern des Verhältnisses von positiven Impulsen zu negativen Impulsen enthält.