DE112005002322T5 - Abtasteinrichtung - Google Patents
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Abstract
Abtasteinrichtung
mit:
einer Gabel mit einer ersten und einer zweiten nach vorn verlaufenden Zinke und einem nach hinten verlaufenden Gegengewichtselement;
einer Befestigung zum Halten der Gabel an einem Punkt zwischen den Zinken und dem Gegengewichtselement; und
einem 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.
einer Gabel mit einer ersten und einer zweiten nach vorn verlaufenden Zinke und einem nach hinten verlaufenden Gegengewichtselement;
einer Befestigung zum Halten der Gabel an einem Punkt zwischen den Zinken und dem Gegengewichtselement; und
einem 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.
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 ei ner 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 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 Nr. 6,294,775 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.
- 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 im Wesentlichen 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 magnetische 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 die sem 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 Polyurethan-Material.
- 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 im Wesentlichen an ihrem Schwerpunkt.
- Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel enthält das Verfahren das Antreiben zumindest der ersten Zinke oder der zweiten Zinke mittels einer ersten Antriebsspule, die um die Zinken angeordnet ist, und das Bewegen der Gabel zum Bereitstellen der langsamen Abtastung mittels einer zweiten 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.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- 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 der1 ist; -
3 eine perspektivische Ansicht der Gabel der1 ist; -
4 eine perspektivische Ansicht der Gabelbefestigung des optischen Kopfs der1 ist; -
5 eine perspektivische Ansicht des Permanentmagneten (oder x-Magneten) des optischen Kopfs der1 ist; -
6 eine perspektivische Ansicht des Stabilisierungsmagneten (oder y-Magneten) des optischen Kopfs der1 ist; -
7A und7B schematische Ansichten des Magnetfelds des Stabilisierungsmagneten (oder y-Magneten) des optischen Kopfs der1 in Relation zu der Gabel und den y-Antriebsspulen des optischen Kopfs der1 sind; -
7C eine schematische Darstellung der Kraft in y-Richtung vs. Gabelwinkel, erzeugt durch die Anordnung der7A und7B , ist; -
8A ,8B ,8C und8D grafische Darstellungen alternativer Antriebssignal-Wellenformen zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel der1 sind; -
9A ein Schaltplan des x-Antriebs des optischen Kopfs der1 ist; -
9B ein Schaltplan des y-Antriebs des optischen Kopfs der1 ist; -
10 eine Fotografie eines mittels des optischen Kopfs der1 gewonnenen Rasters vor Linearisierung der Abtastung ist; -
11 eine Fotografie eines mittels des optischen Kopfs der1 gewonnenen Rasters nach Linearisierung der Abtastung ist; -
12 eine schematische Draufsicht einer Gabel, einer Gabelbefestigung, einer Abtastspule und eines Stabilisierungsmagneten eines opti schen Kopfs nach einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist; und -
13 eine schematische Darstellung der Antriebssignalwellenform zur Verwendung bei dem Ausführungsbeispiel der12 ist. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
- Ein optischer Abtastkopf gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einer teilweise aufgeschnittenen Ansicht bei
10 in1 allgemein dargestellt. Der optische Kopf10 enthält ein (Gehäuse12 , das eine Gabel14 enthält, die in einer Gabelbefestigung16 angeordnet und von dieser gehalten ist. Der optische Kopf10 enthält außerdem vor der Gabel14 eine Linsengruppe18 . Das vordere Ende20 des Gehäuses12 ist mittels einer Kappe22 geschlossen, die ein nach vorne zeigendes Fenster oder Abdeckglas24 enthält. - Der optische Kopf
10 wurde mit einem Außendurchmesser von weniger als, jedoch ungefähr gleich 5 mm (ohne das Gehäuse12 ) 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 Gehäuse12 ) oder 4,4 mm mit Gehäuse12 ; konstruiert; bei diesem Ausführungsbeispiel hat der optische Kopf10 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 Kopf10 einen Antrieb, der einen x-Antrieb und einen y-Antrieb enthält. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der x-Antrieb in Form einer x-Antriebsspule26 vor, die vor der Gabelbefestigung16 angeordnet ist; der y-Antrieb liegt in Form einer y-Antriebsspule28 vor, die hinter der Gabelbefestigung16 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 die7 und8 besprochen.) Die x-Antriebsspule26 umgibt die Zinken der Gabel14 über annähernd die Hälfte ihrer Länge an ihrem hinteren Ende (d.h. angrenzend an die Gabelbefestigung16 ). Die y-Antriebsspule28 umgibt den größten Teil der Gabel14 , der hinter der Gabelbefestigung16 liegt. - Beim Betrieb kann die weniger massive Zinke
30 mit einer Amplitude von ±1,4 mm an ihrer Spitze in Schwingung versetzt werden. Die Gabel14 kann in y-Richtung hin- und herbewegt werden, (d.h.) so dass die Zinken30 ,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 Gabel14 von ±3,45°. -
2 ist eine schematische Darstellung der Gabel14 , der Gabelbefestigung16 , der x-Antriebsspule26 und der y-Antriebsspule18 in der Draufsicht. Die Gabel14 ist aus einem 0,65 mm starken Blech Siliziumstahl geschnitten und enthält eine nach vorne verlaufende erste Zinke30 und eine nach vorne verlaufende zweite Zinke32 sowie ein nach hinten verlaufendes Gegengewichtselement34 . Die Gabel14 ist an ihrem Schwerpunkt in der Gabelbefestigung16 befestigt, die einen zylindrischen Block aus Sorbothan mit einem Schlitz (nicht dargestellt) enthält, der für die Gabel14 passend bemessen ist. Die Gabel14 wird entweder dank der elastischen Eigenschaft von Sorbothan an Ort und Stelle gehalten oder kann zusätzlich mit Kleber in der Gabelbefestigung16 fixiert sein. - Beim Betrieb ist eine optische Faser an der Zinke
30 angeordnet; ein Loch geeigneter Größe ist in der Gabelbefestigung16 vorgesehen, so dass diese optische Faser durch die Befestigung treten kann und damit Licht von einer außerhalb des optischen Kopfs10 gelegenen Lichtquelle über das hintere Ende des optischen Kopfs10 zu dem vorderen Ende der Zinke30 leiten kann. Die Zinken30 ,32 fungieren als wechselseitige Gegengewichte, jedoch ist die Zinke32 massiver, so dass die Zinke32 beim Betrieb eine geringere Amplitude hat als die weniger massive Zinke30 . Dadurch kann die Zinke30 eine größere Amplitude haben, ohne die massivere Zinke32 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-Antriebsspule26 und die y-Antriebsspule28 angetrieben werden kann. Außerdem enthält der x-Antrieb zusätzlich einen Permanent-Vormagnetisierungsmagneten36 , der an der massiveren Zinke32 befestigt ist, so dass dank der Wechselwirkung des durch die x-Antriebsspule26 erzeugten Magnetfelds und des Vormagnetisierungsmagneten36 eine größere Antriebskraft zum Antreiben der Zinken30 ,32 erzeugt werden kann. Wie weiter unten ausführlicher besprochen wird, ist der Vormagnetisierungsmagnet36 verstellbar an der massiveren Zinke32 angebracht, so dass seine Position an der massiveren Zinke32 derart verstellt werden kann, dass die Schwingungseigenschaften der Gabel14 verändert werden. Dadurch können die Zinken30 ,32 auf eine bevorzugte Frequenz eingestellt werden; somit kann die Gabel14 – sobald sie mit dem Vormagnetisierungsmagneten36 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 Vormagnetisierungsmagneten36 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-Stabilisierungsmagneten38 , der hinter dem Gegengewichtselement34 angeordnet ist. Dieser Stabilisierungsmagnet38 bildet einen Teil des y-Antriebs (wie weiter unten unter Bezugnahme auf6 beschrieben wird). Zusätzlich dient der Stabilisierungsmagnet38 jedoch zum Anziehen des Gegengewichtselements34 ; somit neigt der Stabilisierungsmagnet38 dazu, beim Betrieb des optischen Kopfs10 einen Betriebsmittelpunkt zu definieren und hält die Gabel14 mit einem Gabelwinkel θ von annähernd Null (d.h. annähernd parallel zu der Längsachse40 des optischen Kopfs10 ), wenn der optische Kopf10 nicht in Betrieb ist. Dieser letztere Effekt hat den Vorteil, die Neigung der Gabel14 zum Absinken in der Gabelbefestigung16 unter ihrem eigenen Gewicht zu verringern; ein derartiges Absinken könnte ansonsten das Sorbothan, aus dem die Befestigung16 besteht, schrittweise verformen. - Ferner sind in
2 ein Kabelbündel42 und eine optische Faser44 dargestellt. Das Kabelbündel42 enthält ein Paar Stromkabel für die x-Antriebsspule26 sowie Kabel für einen x-Positionssensor (nämlich den Sensor106 der9A : siehe unten). Die Kabel und die optische Faser haben am hinteren Ende des optischen Kopfs10 Zugang zu diesem. Das Kabelbündel42 ist in dem Abschnitt des optischen Kopfs10 zwischen der Befestigung16 und der y-Antriebsspule28 in einer ganzen Schleife um das Innere des Gehäuses12 gewunden, bevor es in der Befestigung16 aufgenommen und in den vor der Befestigung16 liegenden Abschnitt des optischen Kopfs10 hinein geführt wird. Dies dient dazu, die Befestigung16 und die Gabel14 gegen jegliches Ausdehnen oder Zusammenziehen der Kabel aufgrund von Schwankungen der Betriebstemperatur zu isolieren, damit die Ausrichtung der Gabel nicht beeinflusst wird. Die optische Faser44 enthält keine derartige Schleife. - Nachdem die Kabel zu dem vorderen Abschnitt des optischen Kopfs
10 hinein geführt worden sind, werden sie an die x-Antriebsspule26 bzw. den x-Positionssensor (nicht dargestellt) angeschlossen, und die optische Faser ist in einer Nut (nicht dargestellt, siehe jedoch3 ) in der Außenfläche der weniger massiven Zinke30 aufgenommen. -
3 ist eine perspektivische Ansicht der Gabel14 . Wie aus dieser Ansicht hervorgeht, hat die weniger massive Zinke30 eine Nut46 in ihrer Außenfläche; diese Nut46 dient zum Aufnehmen einer optischen Faser, die in die Nut geklebt ist, wobei die Spitze der Faser im Wesentlichen mit dem vorderen Ende48a der weniger massiven Zinke30 zusammenfällt. Die massivere Zinke32 neigt in der in3 dargestellten Gleichgewichtslage relativ zur Längsachse der Gabel14 nach unten, so dass, wie oben beschrieben, die weniger massive Zinke30 mit der größtmöglichen Amplitude schwingen kann, ohne mit der massiveren Zinke32 zu interferieren. Ferner ist das vordere Ende48b der massiveren Zinke32 spitz, um die Einhüllende ihrer Bewegung zu maximieren, die innerhalb des Gehäuses12 aufgenommen werden kann. -
4 ist eine Ansicht der Gabelbefestigung16 . Die Befestigung16 hat einen Schlitz50 zum Aufnehmen und Halten der Gabel14 . Wie oben erwähnt, enthält die Befestigung16 einen zylindrischen Block aus Sorbothan; Sorbothan wird wegen seiner Elastizität, die es der Gabel14 erlaubt, die erwünschte y-Abtastung zu beschreiben, sowie wegen seiner Nachgiebigkeit gewählt, die dazu beiträgt, die Gabel14 (durch Kleber ergänzt, falls gewünscht) in dem Schlitz50 zu halten und die Gabel14 nach Auslenkung in y-Richtung in eine Gleichgewichtslage zurück zu stellen. Die Befestigung16 hat auch eine Öffnung52 zum Aufnehmen der optischen Faser44 (zum Befestigen an der weniger massiven Zinke30 ) und des Kabelbündels42 (mit den Stromkabeln für die x-Antriebsspule26 und Kabeln für einen x-Positionssensor). - Wenn das Gehäuse
12 aus Metall besteht, kann eines der beiden Stromkabel für die x-Antriebsspule26 an dem Gehäuse geerdet sein und muss daher nicht von der Öffnung52 aufgenommen sein. - Bei anderen Ausführungsbeispielen könnten diese Kabel
42 und die optische Faser44 alternativ durch eine Vielzahl derartiger Öffnungen in der Befestigung16 aufgenommen sein oder längsseits der Gabel an der Befestigung platziert und durch den Schlitz50 hinein geführt sein (in diesem Fall könnte die Form des Schlitzes gemäß den Anforderungen modifiziert sein). -
5 ist eine Ansicht des Vormagnetisierungsmagneten36 . Dieser Magnet ist so ausgelegt, dass seine Position, wenn er an der massiveren Zinke32 angebracht ist, bis zur gewünschten Position verstellbar ist, dann wird er festgeklebt. Der Vormagnetisierungsmagnet36 enthält also eine Nut54 zum Aufnehmen der massiveren Zinke32 . Die Nut54 ist so bemessen, dass der Vormagnetisierungsmagnet36 – wenn er auf die massivere Zinke32 gedrückt ist – vorübergehend an Ort und Stelle bleibt, bis seine Position wunschgemäß eingestellt und Klebstoff aufgebracht ist, um den Vormagnetisierungsmagneten36 dauerhafter zu befestigen. - Die Seite
56 des Vormagnetisierungsmagneten36 , die beim Gebrauch dem Gehäuse12 gegenübersteht, ist mit einer Abschrägung58 versehen; der Vormagnetisierungsmagnet36 ist so an der massiveren Zinke32 angebracht, dass diese Abschrägung58 näher zum vorderen Ende48b der massiveren Zinke32 orientiert ist, um jegliche Interferenz durch den Vormagnetisierungsmagneten36 mit dem Gehäuse12 zu verringern. -
6 ist eine Ansicht des Permanent-Stabilisierungsmagneten38 . Der Stabilisierungsmagnet38 hat einen Vorsprung60 , der nach vorn zu dem Gegengewichtselement34 der Gabel14 zeigt, wenn der Stabilisierungsmagnet38 in dem Gehäuse12 des optischen Kopfs10 aufgenommen ist. Der Stabilisierungsmagnet38 hat diese Form, um seine Magnetfeldlinien in der Nähe des Vorsprungs60 zu konzentrieren. Wie oben besprochen, liefert dies eine große Stabilisierungskraft, wenn die Gabel in dem Gehäuse12 mit einem Gabelwinkel von θ = 0 ausgerichtet ist (d.h. parallel zur Längsachse40 des optischen Kopfs10 ), 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-Antriebsspule28 wird durch einen Strom angesteuert, der im Wesentlichen eine Sägezahnwellenform hat (siehe10 und11 ). Wenn Strom durch die y-Antriebsspule28 geleitet wird, wird ein Magnetpol in das hintere Ende des Gegengewichtselements34 induziert. Ausgehend von der Gabel14 in ihrer stabilisierten Ruhestellung und in Längsrichtung ausgerichtet, wird, wenn der y-Antriebsspule28 ein Gleichstrom (von der Stromquelle132 der8 zugeführt) hinzugefügt wird, ein Magnetpol (je nach Stromrichtung Nord oder Süd) am hinteren Ende des Gegengewichtselements34 der Gabel14 induziert. Durch die Nähe des Stabilisierungsmagneten38 wechselwirken das Magnetfeld des Stabilisierungsmagneten und das in die Gabel14 induzierte Magnetfeld, was eine Relativbewegung zwischen dem hinteren Ende der Gabel14 und dem Stabilisierungsmagneten38 hervorruft. Somit wird beim Betrieb der Gleichstrom von Null auf einen Maximalwert Imax erhöht, ein Punkt, an dem die Gabel14 ihre gewünschte maximale y-Auslenkung erreicht. Dann wird der Gleichstrom in –Imax umgekehrt, was bewirkt, dass sich die Orientierung des in das hintere Ende des Gegengewichtselements34 induzierten Magnetpols umkehrt (nämlich von Nord in Süd oder umgekehrt); dies bewirkt, dass die Gabel14 in die maximale y-Auslenkung in entgegengesetzter Richtung gedrängt wird. Diese Umkehrung stellt einen Rückschwung in y-Richtung dar. Dann wird der Gleichstrom von –Imax auf Null und von dort auf Imax 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 die10 und11 besprochen. -
7A ist ein Diagramm des Gehäuses12 , der Gabel14 , der y-Antriebsspule28 , des Stabilisierungsmagneten38 und der von dem Stabilisierungsmagneten38 erzeugen Magnetfeldlinien.7B ist ein Detail der7A , das die Magnetfeldlinien und die Art und Weise deutlicher zeigt, in der sie um den Vorsprung60 und somit nahe dem Halt oder der axialen Lage des hinteren Endes der Gabel14 konzentriert sind. Es ist zu erkennen, dass das Feld des Stabilisierungsmagneten38 gewissermaßen zwei Komponenten hat: ein „inneres „ Feld, das von dem Vorsprung60 erzeugt ist (dessen Wirkung aufgrund seiner Form im Wesentlichen auf den Stabilisierungsmagneten38 beschränkt ist), und ein „äußeres" Feld, das von dem gesamten Magneten erzeugt ist. -
7C ist eine schematische Darstellung der Kraft in y-Richtung (Fy), aufgetragen gegen den Gabelwinkel (θ) relativ zur Längsachse des optischen Kopfs10 für die Anordnung der7A und7B . FY ist eine zusammengesetzte Kraft, die aus dem Stabilisierungsmagneten38 und der Elastizität der Befestigung16 hervorgeht. Man wird erkennen, dass ein lokales Gefälle in der Kurve um den Ursprung herum auftritt: Dies ist dadurch bedingt, dass der Vorsprung60 an dem Stabilisierungsmagneten38 vorgesehen ist. - Mehrere mögliche Wellenformen des Antriebsstroms in der x-Antriebsspule
26 sind in den8A ,8B ,8C und8D bei80 ,82 ,84 bzw.86 dargestellt. Die Wellenformen80 und82 sind Rechteckwellen mit Impulsen gleicher Größenordnung A, die im Falle der Wellenform80 positiv und im Falle der Wellenform82 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 Wellenformen80 und82 identisch sind, jedoch zwischen positiv und negativ alternieren und durch eine Ruhephase getrennt sind. Die Wellenformen80 ,82 und84 – mit Ruhephasen – können ohne einen Vormagnetisierungsmagneten36 verwendet werden. - Die Wellenform
86 jedoch hat keine Ruhephase und wird mit einem Vormagnetisierungsmagneten36 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 Wellenform86 nicht ausschließlich auf Abstoßungskräfte zwischen den Zinken30 ,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 Zinken30 ,32 . -
9A ist ein schematisches Diagramm der x-Antriebsschaltung100 für die x-Antriebsspule26 des optischen Kopfs der1 . Die Spule26 für den x-Antrieb der Gabel wird mit einem Wechselstrom angesteuert, dessen Übergänge so getaktet sind, dass sie mit der Spitzenauslenkung oder -Relaxation der Zinken30 ,32 zusammenfallen. Es wird eine Stromsteuerung und keine Spannungssteuerung eingesetzt, da eine Stromsteuerung den Antrieb von der zu der x-Antriebsspule26 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 Ausgang104 dieser Stromquelle wird der x-Antriebsspule26 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-Antriebsspule26 an der massiveren Zinke32 angebracht ist. Der x-Positionssensor106 enthält einen piezoelektrischen Biegesensor, der ein Signal ausgibt, das eine Funktion der Biegung des Sensors ist; diese Biegung wird durch das Biegen der Zinke32 hervorgerufen, so dass das Ausgangssignal des Sensors einen direkten Messwert der Auslenkung der Zinke32 liefert. Die Zinke32 bewegt sich ungefähr um 20% der Bewegung der weniger massiven Zinke30 , so dass das Ausgangssignal von dem Sensor106 einen Messwert der Position der weniger massiven Zinke30 , und somit der Spitze einer in die Nut46 der weniger massiven Zinke30 geklebten optischen Faser liefert. - Der Anfangswert des Ausgangssignals des Sensors
106 entspricht der Ruhestellung der massiveren Zinke32 ; wenn die massivere Zinke schwingt, variiert das Ausgangssignal entsprechend und erlaubt somit einen geschlossenen Schleifenbetrieb. Der Sensor106 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 Schmalbandfilter108 geleitet, dessen Durchlassfrequenz um die Mittenfrequenz der Gabel14 zentriert ist. Das Schmalbandfilter108 ist in dieser Art und Weise in der Signalleitung angeordnet, um elektrische Störeffekte des Signals vor einem Amplitudendetektor110 zu entfernen, hauptsächlich um 50/60 Hz-Rauschen zu entfernen. Das Schmalbandfilter108 verbessert somit die Wirkung, die das Platzieren des x-Positionsfilters106 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 Amplitudendetektor110 zugeführt, der den Wechselstrom gefilterten Ausgang des Bandpassfilters106 in eine Gleichspannung umwandelt, die den Grad der mechanischen Spitzenauslenkung der Zinken30 ,32 jederzeit exakt wiedergibt. - Der Ausgang des Amplitudendetektors
110 wird einer Rechenschaltung112 (die analog oder digital sein kann) zugeführt, welche einen PID-Algorithmus verwendet. Die Rechenschaltung112 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 Rechenschaltung112 angelegt. - Der Ausgang des Bandpassfilters
108 wird auch auf den Eingang einer Verzögerungsschaltung116 angelegt; die Verzögerungsschaltung116 verzögert die Eingabe an einen Nulldurchgangsdetektor118 um einen kleinen Betrag, so dass der Nulldurchgangsdetektor118 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 Bandfilters108 aufgetreten wäre. Ein Hochpassfilter würde somit eine separate Verzögerung erforderlich machen. - Der Ausgang der Verzögerungsschaltung
116 wird so dem Nulldurchgangsdetektor118 zugeführt, um präzise Phaseninformationen zum Synchronisieren der separat gewonnenen Bildinformationen mit der momentanen Position der Zinken30 ,32 zu rekonstruieren. Die momentane Position der Zinken liefert ein Maß der Position der Spitze der an der weniger massiven Zinke30 angebrachten optischen Faser. - Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors
118 wird an den Eingang einer Phasensteuerschaltung120 angelegt, die es ermöglicht, den Übergang der Stromsteuerung zeitlich so zu steuern, dass er mit der Spitzenauslenkung oder -relaxation der Zinken30 ,32 der Gabel14 zusammenfällt. - Der Ausgang des Nulldurchgangsdetektors
118 wird auch an eine Pegelumsetzungsschaltung/Bildsynchronisationsschaltung122 angelegt, die das Einführen von Phasenrauschen in das x-Synchronisationssignal124 verringert; das x-Synchronisationssignal124 wird bei der Synchronisation des separat gewonnenen Bilddatenstroms verwendet. Das x-Synchronisationssignal124 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-Antriebsschaltung130 für die y-Antriebsspule des optischen Kopfs der1 . Die y-Antriebsspule28 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 Linearstromquelle132 erreicht, deren Ausgang an die y-Antriebsspule28 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 Speicher134 gespeichert ist, so dass im Wesentlichen jede gewünschte Wellenform erzeugt werden kann. Der wieder beschreibbare Speicher134 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 Zähler136 verbunden, der jeweils um einen Zähler erhöht werden kann. Dies bewirkt, dass die Daten an sequentiellen Adresspositionen des wieder beschreibbaren Speichers134 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-DAU138 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 Abtastrateneingang142 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-DAU138 erzeugten Wellenform kann praktisch eingestellt werden, indem mittels eines gesetzten Vertikal bereichseingangs146 ein anderer digitaler Wert an die Datenleitungen dieses Bereichs-DAU144 angewendet wird. - Die y-Antriebsschaltung
130 enthält einen Versatz-DAU148 , der einen gesetzten Vertikalversetzungseingang150 hat. Die Ausgänge des Bereichs-DAU142 und des Versatz-DAU148 werden einer Summierschaltung152 zugeführt, die eine Ausgangsspannung erzeugt, die dann von der vorgenannten Stromquelle132 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-Antriebsschaltung100 das von der Teilerschaltung140 verwendete Inkrement- oder „Nächster-Wellenwert"-Wählsignal. Zusammen stellen die beiden Schaltungen100 und130 einen präzisen Mechanismus zum Steuern der Gabel14 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 Ausrführung 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-Bedienfelds174 eines Systems zum Testen und Steuern des optischen Kopfs10 , die das Bild176 eines regelmäßigen Testgitters und eine Wellentabelle178 der Wellenform enthält, die zum Ansteuern der y-Antriebsspule28 verwendet wird. Wie aus der Wellentabelle178 hervorgeht, ist die Wellenform für den y-Antrieb im Wesentlichen eine Sägezahnwellenform. Dies veranlasst die y-Antriebsspule28 , durch die Wechselwirkung ihres Magnetfelds mit dem Feld des Stabilisierungsmagneten38 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 Bild176 wurde vor Durchführen der Linearisierung aufgenommen, weshalb die Wellentabelle178 linear ist.11 ist eine vergleichbare Bildschirmaufnahme des Software-Bedienfelds180 nach Durchführen der Linearisierung. Aufgrund von Veränderungen der Wellenform ist die Wellentabelle182 – obwohl sie noch immer im Wesentlichen sägezahnartig ist – nicht mehr linear, wogegen das Bild184 des Testgitters eine verbesserte Linearität hat. Dies wird besonders deutlich, wenn man jeweils den oberen und den unteren Abschnitt der beiden Bilder176 ,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-Antriebsspule26 ; - – 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 2004/0220453, beschrieben ist. - Eine Gabel
190 , eine Gabelbefestigung192 , eine Antriebsspule194 und ein Stabilisierungsmagnet196 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in12 schematisch dargestellt. Diese Komponenten eignen sich für die Verwendung bei einem optischen Kopf, der mit dem der1 vergleichbar ist; anders als der optische Kopf10 der1 , hat dieses Ausführungsbeispiel eine einzige Antriebsspule. Eine separate y-Antriebsspule entfällt, und die Antriebsspule194 führt die Funktionen sowohl einer x-Antriebsspule als auch einer y-Antriebsspule aus. Dieses Ausführungsbeispiel enthält keinen Vormagnetisierungsmagneten (vergl. Vormagnetisierungsmagnet36 ). In anderer Hinsicht jedoch sind die Gabel190 , die Gabelbefestigung192 , die Antriebsspule194 , das Kabelbündel198 und die optische Faser199 identisch mit der Gabel14 , der Gabelbefestigung16 , der x-Antriebsspule26 , dem Kabelbündel42 und der optischen Faser44 des Ausführungsbeispiels der1 . - 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 Wellenform84 der8C entwickelt; die Wellenform84 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 Wellenform84 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 Zinken30 ,32 werden sich immer gegenseitig abstoßen, wenn ein Strom in der Antriebsspule194 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 Gabel190 in eine positive oder eine negative y-Stellung angetrieben werden. Ist dieser Versatz beispielsweise gleich der Impulsamplitude A der Wellen form84 , 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 Wellenform200 in13 dargestellt. Die Wellenform200 ist vergleichbar mit der Wellenform84 der8C und hat ebenfalls Impulse der Amplitude A, jedoch hat die Wellenform200 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 Wellenform200 möglich, die gewünschte y-Auslenkung innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu erhalten. - Die Wellenformen der
8A ,8B ,8D ,8D und13 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.
- Zusammenfassung
- 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.
Claims (23)
- Abtasteinrichtung mit: einer Gabel mit einer ersten und einer zweiten nach vorn verlaufenden Zinke und einem nach hinten verlaufenden Gegengewichtselement; einer Befestigung zum Halten der Gabel an einem Punkt zwischen den Zinken und dem Gegengewichtselement; und einem 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.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gabel im Wesentlichen an ihrem Schwerpunkt befestigt ist.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Antrieb einen ersten und einen zweiten elektromagnetischen Antrieb enthält, wobei der erste magnetische Antrieb eine um die Zinken angeordnete x-Antriebsspule und der zweite elektromagnetische Antrieb eine um das Gegengewichtselement angeordnete y-Antriebsspule enthält, wobei die x-Antriebsspule und die y-Antriebsspule relativ zu der Befestigung ortsfest sind.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 3, wobei der Antrieb ferner einen an der ersten Zinke angeordneten Magneten enthält.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Antrieb einen elektromagnetischen Antrieb enthält, der eine einzige um die Gabel angeordnete Antriebsspule enthält.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen hinter dem Gegengewichtselement angeordneten Stabilisierungsmagneten enthält, um eine ungefähre Position des Gegengewichtselements zu definieren, wenn die Einrichtung nicht in Gebrauch ist, und einen ungefähren Betriebsmittelpunkt des Gegengewichtselements zu definieren, wenn die Einrichtung in Gebrauch ist.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 6, wobei der Stabilisierungsmagnet einen dem Gegengewichtselement zugewandten Buckel oder Vorsprung zum Konzentrieren der Magnetfeldlinien des Stabilisierungsmagneten in der Nähe des Buckels oder Vorsprungs hat.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Befestigung ein verformbares Material mit einer Öffnung enthält, in der die Gabel angeordnet ist, wobei das verformbare Material sich verformt, um die Bewegung der Gabel aufzunehmen.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 8, wobei das verformbare Material ein viskoelastisches Material ist.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 8, wobei das verformbare Material ein Polyurethanmaterial der Marke Sorbothan ist.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen z-Achsenantrieb zum Antreiben der Gabel vorwärts und rückwärts enthält.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 11, wobei der z-Achsenantrieb einen Nitinoldrahtantrieb enthält.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die einen optischen Kopf mit einem Durchmesser von ungefähr 5 mm und einer Länge von 45 mm, ausschließlich eines Gehäuses für den optischen Kopf, enthält.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die einen optischen Kopf mit einem Durchmesser von ungefähr 3,5 mm und einer Länge von mindestens 100 mm, ausschließlich eines Gehäuses für den optischen Kopf, enthält.
- Abtasteinrichtung nach Anspruch 1, die einen optischen Kopf mit einem Durchmesser von 4,4 mm und Längen größer als oder ungefähr gleich 300 mm, einschließlich eines Gehäuses für den optischen Kopf, enthält.
- Optischer Kopf, 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, das enthält: Halten einer Gabel mit einer ersten und einer zweiten nach vorn verlaufenden Zinke und einem nach hinten verlaufenden Gegenge wichtselement an einem Punkt zwischen den Zinken und dem Gegengewichtselement; Antreiben zumindest der ersten oder der zweiten Zinke, so dass sie relativ zu der jeweils anderen schwingt, um eine schnelle Abtastung bereitzustellen; und Bewegen der Gabel, um eine langsame Abtastung quer zu der schnellen Abtastung bereitzustellen.
- Verfahren nach Anspruch 19, das das Halten der Gabel im Wesentlichen an dem Schwerpunkt der Gabel enthält.
- Verfahren nach Anspruch 19, das das Antreiben zumindest der ersten oder der zweiten Zinke mittels einer ersten um die Zinken angeordneten Antriebsspule und das Bewegen der Gabel zum Bereitstellen der langsamen Abtastung mittels einer zweiten um das Gegengewichtselement angeordneten Antriebsspule enthält, wobei die x-Antriebsspule und die y-Antriebsspule relativ zu einem Punkt, an dem die Gabel gehalten ist, ortsfest sind.
- Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Antrieb einen elektromagnetischen Antrieb mit einer einzigen um die Gabel angeordneten Spule enthält.
- Verfahren nach Anspruch 22, das das Antreiben der Spule 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.
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