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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Abtastvorrichtung und eine Kalibriervorrichtung.
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STAND DER TECHNIK
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Eine bekannte optische Abtastvorrichtung versetzt eine optische Faser periodisch in Schwingungen, um emittiertes Licht über ein Objekt abzutasten. Ein optisches Abtastendoskop beleuchtet beispielsweise ein Objekt mit Beleuchtungslicht, indem es eine optische Faser mit einer periodisch expandierenden und kontrahierenden Amplitude in Schwingungen versetzt, um eine Spirale zu zeichnen. Zu erkennendes Licht, wie reflektiertes Licht und Fluoreszenzlicht, das durch Beleuchtung mit dem Beleuchtungslicht erhalten wurde, wird in vorbestimmten Erkennungszeitintervallen erkannt. Pixelpositionen werden dem erkannten Signal zugeordnet, um ein Bild zu generieren. Deshalb sind Informationen über die Beleuchtungsposition des Beleuchtungslichts zu jedem Zeitpunkt der optischen Abtastung notwendig, um ein Bild mit einer optischen Abtastendoskopvorrichtung zu generieren. Das Verfahren zum Ermitteln der Beleuchtungsposition des Beleuchtungslichts verwendet die verstrichene Zeit ab Beginn der Vibration der optischen Faser. Da es eine individuelle Vibration in optischen Abtastendoskopen gibt, müssen diese Informationen über die Beleuchtungsposition für jede Vorrichtung erfasst werden.
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Um die Beleuchtungsposition von Beleuchtungslicht mit der Zeit zu assoziieren, die ab Beginn der Vibration verstrichen ist, wird ein optisches Abtastendoskop unter Verwendung eines positionsempfindlichen Detektors (PSD) vorab kalibriert, um die Position zu erfassen, an der sich die Spitze der optischen Faser zu jedem Zeitpunkt befindet. Der PSD ist ein Sensor zum Erkennen der Position eines auf einer empfangenden Oberfläche gebildeten Lichtflecks. Zeitreihendaten über das Baryzentrum des Lichtflecks können unter Verwendung erhalten werden. Die Position, an der Beleuchtungslicht eingestrahlt wird, kann deshalb für jede optische Abtastvorrichtung mit der Zeit assoziiert werden, die nach dem Beginn der Vibration verstrichen ist.
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Es ist jedoch bekannt, dass bei einer Positionserkennung durch PSD Erkennungsfehler aufgrund der Auswirkungen von Rauschen auftreten. Deshalb unterscheidet sich auch bei Kalibrierung unter Verwendung eines PSD die berechnete Fleckbildungsposition schließlich aufgrund eines solchen Erkennungsfehlers von der tatsächlichen Fleckbildungsposition. Anders ausgedrückt zeichnen die berechneten Fleckbildungspositionen keine glatte Spiralbahn, sondern variieren stattdessen. Beispielsweise wird beim Erfassen eines Bilds eines Objekts, in dem ein Kreuz gezeichnet ist, das gebildete Bild verzerrt, wie in 8 illustriert.
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Deshalb wurde ein Verfahren vorgeschlagen, um die Fleckbildungspositionen (Pixelpositionen) unter Verwendung einer Polynomapproximation zu korrigieren und Schwankungen in den berechneten Fleckbildungspositionen aufgrund von Erkennungsfehlern zu reduzieren, wodurch die Bildverzerrung reduziert wird (siehe zum Beispiel
JP 2012-147831 A (PTL 1)).
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ZITATLISTE
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Patentliteratur
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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(Technische Aufgabe)
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Während ein Kalibrierverfahren unter Verwendung einer Polynomapproximation die Auswirkung relativ geringen Rauschens reduzieren kann, ist eine Korrektur mit einer Approximationsformel oft in Vorrichtungen wie optischen Abtastendoskopen zur optischen Abtastung in einer Vielfalt von Abtastsituationen unzureichend. In einem Verfahren mit Verwendung einer Polynomapproximation wird eine glatte Bahn unter Verwendung von Daten berechnet, die Rauschen enthalten, aber das bei PSD auftretende tatsächliche Rauschen wird nicht reduziert. Das fundamentale Problem wird deshalb nicht behoben, wodurch eine große Verbesserung der Genauigkeit verhindert wird. Dieses Problem tritt nicht nur bei optischen Abtastendoskopen auf, sondern auch bei Vorrichtungen wie optischen Rastermikroskopen und optischen Abtastprojektoren, die gleichermaßen durch Vibrieren einer optische Faser abtasten.
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Deshalb wäre es hilfreich, ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Abtastvorrichtung bereitzustellen und eine Kalibriervorrichtung bereitzustellen, die Rauschen in einem PSD reduziert und die Bildverzerrung reduziert.
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(Lösung der Aufgabe)
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Dazu dient ein Verfahren nach dieser Offenbarung zur Kalibrierung einer optischen Abtastvorrichtung, die eine optische Faser mit einer Spitze, die getragen wird, um Vibrationen zu ermöglichen, und einen Aktor umfasst, der konfiguriert ist, die Spitze der optischen Faser in eine Richtung senkrecht zu einer optischen Achse der optischen Faser anzutreiben, wobei das Verfahren umfasst:
Anordnen eines positionsempfindlichen Detektors, der konfiguriert ist, eine Position von emittiertem Licht von der Spitze der optischen Faser zu erkennen; und
Erkennen einer Position des emittierten Lichts mit dem positionsempfindlichen Detektor, während Licht zur optischen Faser geliefert wird und die Spitze der optischen Faser angetrieben wird;
wobei der Schritt des Erkennens unter Verwendung einer Interferenzmusterreduktionseinrichtung durchgeführt wird, die konfiguriert ist, Interferenzmuster zu reduzieren, die entlang eines optischen Pfads auftreten, der den positionsempfindlichen Detektor erreicht.
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Die Interferenzmusterreduktionseinrichtung kann Interferenzmuster durch Reduzieren einer Reflexion reduzieren, die im positionsempfindlichen Detektor auftritt.
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Ein Lichtübertragungselement zum Schützen einer empfangenden Oberfläche des positionsempfindlichen Detektors kann der empfangenden Oberfläche gegenüberliegend angeordnet sein und die Interferenzmusterreduktionseinrichtung kann mindestens eine Oberfläche des Lichtübertragungselements in einen Zustand mit niedriger Reflexion versetzen.
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Alternativ kann ein Lichtübertragungselement zum Schutz einer empfangenden Oberfläche des positionsempfindlichen Detektors der empfangenden Oberfläche gegenüberliegend angeordnet sein und die Interferenzmusterreduktionseinrichtung kann durch ein zwischen der empfangenden Oberfläche des positionsempfindlichen Detektors und dem Lichtübertragungselement gefülltes Medium konfiguriert sein, wobei ein Brechungsindex des Mediums näher bei einem Brechungsindex des Lichtübertragungselements als ein Brechungsindex von Luft liegt.
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Die Interferenzmusterreduktionseinrichtung kann Licht mit geringer Kohärenz an die optische Faser liefern, um ein Auftreten von Interferenzmustern im positionsempfindlichen Detektor zu reduzieren.
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Eine Kalibriervorrichtung nach dieser Offenbarung ist für eine optische Abtastvorrichtung, die eine optische Faser mit einer Spitze, die getragen wird, um Vibrationen zu ermöglichen, und einen Aktor vorgesehen, der konfiguriert ist, die Spitze der optischen Faser in eine Richtung senkrecht zu einer optischen Achse der optischen Faser anzutreiben, wobei die Kalibriervorrichtung umfasst:
ein Steuergerät, das konfiguriert ist, den Aktor zu steuern;
einen positionsempfindlichen Detektor, der konfiguriert ist, eine Position von emittiertem Licht von der Spitze der optischen Faser zu erkennen;
einen Speicher, der konfiguriert ist, Kalibrierungsdaten in Übereinstimmung mit Positionsinformationen über das emittierte Licht zu speichern, wobei die Positionsinformationen vom positionsempfindlichen Detektor ausgegeben werden; und
eine Interferenzmusterreduktionseinrichtung, die konfiguriert ist, Interferenzmuster zu reduzieren, die entlang eines optischen Pfads auftreten, der den positionsempfindlichen Detektor erreicht.
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Die Kalibriervorrichtung kann ferner ein Lichtübertragungselement gegenüber einer empfangenden Oberfläche des positionsempfindlichen Detektors umfassen, um die empfangende Oberfläche zu schützen, und die Interferenzmusterreduktionseinrichtung kann eine Antireflexbeschichtung auf mindestens einer Oberfläche des Lichtübertragungselements sein.
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Alternativ kann die Kalibriervorrichtung ferner ein Lichtübertragungselement gegenüber einer empfangenden Oberfläche des positionsempfindlichen Detektors zum Schutz der empfangenden Oberfläche umfassen und die Interferenzmusterreduktionseinrichtung kann durch ein zwischen der empfangenden Oberfläche des positionsempfindlichen Detektors und dem Lichtübertragungselement gefülltes Medium konfiguriert sein, wobei ein Brechungsindex des Mediums näher bei einem Brechungsindex des Lichtübertragungselements als ein Brechungsindex von Luft liegt.
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Die Kalibriervorrichtung kann ferner eine Lichtquelle umfassen, die konfiguriert ist, Licht mit geringer Kohärenz an die optische Faser zu liefern, und die Lichtquelle kann als die Interferenzmusterreduktionseinrichtung fungieren. Die Lichtquelle mit niedriger Kohärenz kann eine SLD oder eine LED sein.
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In dieser Offenbarung bezeichnet „Kalibrierung” eine Verwendung eines Instruments wie einem positionsempfindlichen Detektor vorab, um zu jedem Zeitpunkt die Position der Faserspitze einer optischen Abtastvorrichtung, die eine Faser durch Vibration abtastet, oder die Position eines Beleuchtungspunkts von von der Faserspitze emittiertem Licht zu erfassen. Eine „optische Abtastvorrichtung” bezeichnet eine Vorrichtung, die die Spitze einer optische Faser vibriert, um Licht über ein Objekt abzutasten, wobei die optische Faser getragen wird, um Vibrationen zu ermöglichen. Beispiele von optischen Abtastvorrichtungen enthalten optische Abtastendoskope, optische Rastermikroskope und optische Abtastprojektoren. Der „positionsempfindliche Detektor” (PSD) ist ein optischer Positionsdetektor zum Erkennen der Position eines Lichtflecks auf einer Erkennungsoberfläche.
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Die „Interferenzmusterreduktionseinrichtung” ist eine Komponente, die Interferenzmuster reduziert, die im PSD auftreten. Spezifische Beispiele enthalten eine Antireflexbeschichtung oder Mikrostruktur, die auf der Oberfläche eines Schutzglases im PSD gebildet ist, ein Medium mit hohem Brechungsindex, das zwischen der empfangenden Oberfläche und dem Schutzglas des PSD eingefüllt ist, und eine Lichtquelle, die Licht mit geringer Kohärenz emittiert. Das „Lichtübertragungselement” ist ein Element mit Wellenlängeneigenschaften, die eine Übertragung von zur Kalibrierung verwendetem Beleuchtungslicht ermöglichen. Das Lichtübertragungselement kann beispielsweise Glas oder ein Licht übertragendes Harz sein. Der „Zustand niedriger Reflexion” bezeichnet einen Zustand, in dem eine Reflexion, die an der Grenzfläche des Lichtübertragungselements auftritt, reduziert ist. Beispiele enthalten einen Zustand, in dem eine Antireflexbeschichtung gebildet ist, oder einen Zustand, in dem eine Mikrostruktur in der Größenordnung der Lichtwellenlänge gebildet ist.
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(Vorteilhafte Wirkung)
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Nach dieser Offenbarung wird der Schritt des Erkennens unter Verwendung einer Interferenzmusterreduktionseinrichtung durchgeführt, die konfiguriert ist, Interferenzmuster zu reduzieren, die entlang eines optischen Pfads auftreten, der den positionsempfindlichen Detektor erreicht. Deshalb können eine Kalibriervorrichtung und ein Verfahren zum Kalibrieren einer optischen Abtastvorrichtung bereitgestellt werden, die Rauschen in einem PSD reduzieren und eine Bildverzerrung reduzieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den beigefügten Zeichnungen:
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illustriert 1 das Auftreten von Interferenzmustern in einem PSD;
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ist 2 ein Blockdiagramm, das ein optisches Abtastendoskop illustriert, das mit einer Kalibriervorrichtung nach Ausführungsform 1 verbunden ist;
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ist 3 ein Querschnitt, der die Spitze der optischen Abtast-Endoskopvorrichtung in 2. illustriert;
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illustrieren 4A und 4B den Aktor einer optischen Abtastendoskopvorrichtung zusammen mit einer optischen Faser zur Beleuchtung, wobei 4A eine Seitenansicht ist und 4B ein Querschnitt entlang der A-A-Linie in 4A ist;
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ist 5 ein Querschnitt des PSD in 2;
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ist 6 ein Ablaufdiagramm, das eine Kalibrierprozedur illustriert;
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ist 7 ein Querschnitt des PSD in einer Kalibriervorrichtung nach Ausführungsform 2; und
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illustriert 8 ein Beispiel einer Bildverzerrung mit einem herkömmlichen Kalibrierverfahren.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Vor der Beschreibung konkreter Ausführungsformen dieser Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden die technischen Gesichtspunkte beschrieben, die als Grundlage für diese Offenbarung dienen. Um die Ursache von Fehlern in Positionsdaten zu entdecken, die während einer Kalibrierung auftreten, untersuchten wir die Positionserkennungsgenauigkeit eines PSD mit einem Laser-Scanning-Mikroskop (LSM), das unter Verwendung eines Paars von Galvanospiegeln eine Abtastung durchführt. Genauer ordneten wir die empfangende Oberfläche des PSD in der Nähe der Beobachtungsposition des LSM an und erfassten ein mikroskopisches Bild durch Laserabtastung. Mit einem Abtastmechanismus unter Einsatz der in einem LSM verwendeten Galvanospiegel ist die Abtastbahn genau und stabil. Daher wurde ein Bild mit genauen Positionsinformationen erhalten. Als Ergebnis beobachteten wir, dass Interferenzmuster im Inneren des PSD auftreten und dass die Lichtmenge des mikroskopischen Bilds je nach Position variiert. Darüber hinaus beobachteten wir zwei Arten von Interferenzmustern, eines mit engen Abständen und eines mit breiten Abständen.
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1 ist ein Querschnitt der empfangenden Oberfläche eines PSD, von der Seite betrachtet, um das Auftreten von Interferenzmustern im PSD zu illustrieren. Ein Schutzglas 3 zum Schützen einer empfangenden Oberfläche 2 eines PSD 1 ist gegenüber der empfangenden Oberfläche 2 angeordnet. Das Schutzglas 3 ist in Bezug auf die empfangende Oberfläche 2 aufgrund eines Fertigungsfehlers leicht geneigt. Zur Erläuterung ist die Neigung des Schutzglases 3 in 1 betont. Die empfangende Oberfläche 2 des PSD 1 ist eine Siliziumoberfläche, die in Bezug auf einfallendes Licht stark reflektiertes Licht ergibt. Man glaubt, dass Interferenzmuster aufgrund von Spiegelung an beiden Seiten 3a und 3b des Schutzglases 3 zusätzlich zu diesem gespiegelten Licht auftreten. Die Neigung zwischen der empfangenden Oberfläche 2 und dem Schutzglas ist größer als die Neigung zwischen den Seiten 3a, 3b des Schutzglases 3. Deshalb wird angenommen, dass die Interferenzmuster mit engen Abständen durch die Neigung zwischen der empfangenden Oberfläche 2 und dem Schutzglas 3 verursacht werden, wohingegen die Interferenzmuster mit breiten Abständen dadurch verursacht werden, dass die Seiten 3a, 3b des Schutzglases 3 leicht nicht parallel sind.
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Diese Ergebnisse wurden durch Beobachtung der empfangenden Oberfläche des PSD 1 von der LSM-Seite erhalten, aber man denkt, dass Interferenzmuster tatsächlich auch auf der empfangenden Oberfläche 2 des PSD 1 auftreten. Wie beispielsweise durch A in 1 angezeigt, treten Interferenzmuster mit engen Abständen zwischen direkt auf die empfangende Oberfläche 2 einfallendem Licht und nach einmaliger Spiegelung durch die empfangende Oberfläche 2 und nachfolgender Spiegelung durch die innere Oberfläche 3b des Schutzglases 3 auf die empfangende Oberfläche 2 einfallendem Licht auf. Außerdem, wie durch B in 1 angezeigt, treten Interferenzmuster mit breiten Abständen zwischen direkt auf die empfangende Oberfläche 2 einfallendem Licht und nach jeweils einmaliger Spiegelung durch die innere Oberfläche 3a und die äußere Oberfläche 3b des Schutzglases 3 auf die empfangende Oberfläche 2 einfallendem Licht auf. Da der PSD 1 einen angemessenen Bereich der Lichtmenge für eine genaue Messung aufweist, hört die Ausgabe der Lichtfleckposition auf, genau zu sein, falls die Lichtmenge während der Beobachtung stark schwankt. Deshalb wurden wir davon überzeugt, dass ein Erkennungsfehler des PSD 1 am wahrscheinlichsten durch Interferenzmuster aufgrund von an der empfangenden Oberfläche und dem Schutzglas gespiegeltem Licht verursacht wird. Wie in den Ausführungsformen unten beschrieben, stellten wir Mittel zum Reduzieren der Interferenzmuster bereit.
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Unten werden Ausführungsformen dieser Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Ausführungsform 1
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2 ist ein Blockdiagramm, das ein optisches Abtastendoskop 30 illustriert, das mit einer Kalibriervorrichtung nach Ausführungsform 1 verbunden ist. Die Kalibriervorrichtung enthält einen Kalibriervorrichtungskörper 10 und einen PSD 20. Nach Bedarf sind eine Anzeigevorrichtung 18 wie eine Anzeige und eine Eingabevorrichtung 19 wie eine Tastatur, Maus und/oder Berührungsfeld mit dem Kalibriervorrichtungskörper 10 verbunden. Das optische Abtastendoskop 30 ist mit dem Kalibriervorrichtungskörper 10 durch ein Verbindungsstück 31 verbunden.
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Das zu kalibrierende optische Abtastendoskop 30 enthält eine optische Faser 33 zur Beleuchtung, der der Endoskopteil der Endoskopvorrichtung ist und durch das Innere des optischen Abtastendoskops 30 eingesetzt wird, einen Aktor 34, der eine Spitze 33a der optischen Faser 33 zur Beleuchtung antreibt, ein Antriebssignalkabel 35 das ein Antriebssignal an den Aktor 34 überträgt, und einen Speicher 36, der im Inneren des optischen Abtastendoskops 30 eingebettet ist (zum Beispiel im Verbindungsstück 31). Optische Fasern 37 zum Empfangen von Licht (siehe 3) sind durch das optische Abtastendoskop 30 eingesetzt und empfangen zu erkennendes Licht und leiten dieses weiter, wie gespiegeltes Licht und Fluoreszenzlicht, das sich aus einer Beleuchtung mit Beleuchtungslicht ergibt.
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Während einer endoskopischen Beobachtung ist das optische Abtastendoskop
30 durch das Verbindungsstück
31 mit einem nicht illustrierten Steuervorrichtungskörper einer optischen Abtastendoskopvorrichtung verbunden und wird verwendet, um ein endoskopisches Bild zu generieren. Der optische Abtastendoskopvorrichtungskörper enthält Komponenten wie eine Lichtquelle, die Licht zum optischen Abtastendoskop
30 liefert, einen Antriebsschaltkreis zum Antreiben des Antriebs
34 und einen Bildverarbeitungsschaltkreis, der ein Bild aus vom optischen Abtastendoskop
30 empfangenen Pixeldaten generiert. Eine solche optische Abtastendoskopvorrichtung wird zum Beispiel in
JP 2014-44265 A und
JP 2014-145941 A offenbart. Das optische Abtastendoskop
30 wird üblicherweise separat vom Steuervorrichtungskörper kommerziell vertrieben. Die Kalibriervorrichtung dieser Offenbarung dient hauptsächlich zum Kalibrieren des optischen Abtastendoskops
30 zum Zeitpunkt des Produktversands.
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Wie der Steuervorrichtungskörper während endoskopischer Beobachtung ist der Kalibriervorrichtungskörper 10 konfiguriert, sodass er mit dem Verbindungsstück 31 des optischen Abtastendoskops 30 verbunden werden kann. Der Kalibriervorrichtungskörper 10 enthält ein Steuergerät 11, das den Kalibriervorrichtungskörper 10 insgesamt steuert, eine Lichtquelle 12, die Beleuchtungslicht zur Kalibrierung zum optischen Abtastendoskop 30 liefert, einen Antriebsschaltkreis 13, der den Aktor 34 des optischen Abtastendoskops 30 antreibt, einen Rechenschaltkreis 14, der eine Ausgabe vom PSD 20 empfängt und verarbeitet, und einen Speicher 15, der vom Rechenschaltkreis 14 ausgegebene Kalibrierungsdaten speichert.
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Die Lichtquelle 12 enthält eine Lichtquelle zur Kalibrierung, wie eine Laserdiode oder einen von Diodenlasern gepumpten Festkörperlaser (DPSS-Laser). Beim Beobachten mit dem optischen Abtastendoskop 30 kann eine Vielzahl von Lichtquellen, die Licht mit verschiedenen Wellenlängen emittieren, verwendet werden, um ein Farbbild zu erhalten, aber es reicht aus, dass der Kalibriervorrichtungskörper 10 mindestens eine Lichtquelle zur Kalibrierung enthält. Die Lichtemissionszeitsteuerung der Lichtquelle 12 wird vom Steuergerät 11 gesteuert. Licht, das von der Lichtquelle 12 emittiert wird, fällt auf die optische Faser 16 zur Beleuchtung ein und wird im Verbindungsstück 31 auf die optische Faser 33 zur Beleuchtung des optischen Abtastendoskops 30 kombiniert. Einzelmoden-optische Fasern können als optische Fasern 16, 33 zur Beleuchtung verwendet werden.
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Der Antriebsschaltkreis 13 liefert dem Aktor 34 des optischen Abtastendoskops 30 ein ähnliches Antriebssignal wie bei endoskopischer Beobachtung. Wie unten beschrieben, wenn die Spitze der optischen Faser 33 zur Beleuchtung von piezoelektrischen Elementen angetrieben wird, liefert der Antriebsschaltkreis 13 den piezoelektrischen Elementen eine Antriebsspannung. Die Ausgabe des Antriebsschaltkreises 13 wird dem Antriebssignalkabel 17 geliefert. Das Antriebssignalkabel 17 ist über das Verbindungsstück 31 mit dem Antriebssignalkabel 35 des optischen Abtastmikroskops 30 verbunden. Die Zeitgebung, mit der der Aktor des Antriebsschaltkreises 13 startet, wird ebenfalls vom Steuergerät 11 gesteuert.
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Über ein Erkennungssignalkabel 21 erfasst der Rechenschaltkreis 14 ein Erkennungssignal, das vom PSD 20 ausgegeben wird und der Beleuchtungsposition von Beleuchtungslicht auf der empfangenden Oberfläche entspricht. Der Rechenschaltkreis 14 wandelt dann das Signal in die Koordinaten (x, y) der Beleuchtungsposition um. Darüber hinaus assoziiert der Rechenschaltkreis 14 die umgewandelten Koordinaten (x, y) mit der Zeit, die ab dem Start des Antriebs des Antriebsschaltkreises 13 durch das Steuergerät 11 verstrichen ist. Nach Bedarf kann ein Fehler in den Koordinatenpositionen von Beleuchtungslicht im Rechenschaltkreis 14 mit einer Technik wie einer Polynomapproximation geglättet werden. Die Beleuchtungspositionsinformationen über das Beleuchtungslicht, die vom Rechenschaltkreis 14 berechnet und mit der verstrichenen Zeit assoziiert werden, werden im Speicher 15 als Kalibrierungsdaten gespeichert.
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Als Nächstes wird der Antriebsmechanismus des optischen Abtastendoskops 30 beschrieben. 3 ist ein Querschnitt der Spitze 32a eines Einsetzteils 32 des optischen Abtastendoskops 30 in 2 (der durch die gepunktete Linie angezeigte Teil). Die Spitze 32a des Einsetzteils 32 des optischen Abtastendoskops 30 enthält den Aktor 34, Projektionslinsen 38a und 38b, die optische Faser 33 zur Beleuchtung, der durch den zentralen Teil führt, und eine Vielzahl von optischen Fasern 37 zum Empfangen von Licht, die durch den peripheren Teil führen. Die optischen Fasern 37 zum Empfangen von Licht werden verwendet, um das während endoskopischer Beobachtung zu erkennende Licht zu erkennen, und werden nicht zur Kalibrierung verwendet. Der Aktor 34 enthält ein Antriebsrohr 40, das an der Innenseite des Einsetzteils 32 durch einen Befestigungsring 39 befestigt ist, ein Faserhalteelement 41, das im Inneren des Antriebsrohrs 40 angeordnet ist, und piezoelektrische Elemente 42a bis 42d (siehe 4A und 4B).
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Die optische Faser 33 zur Beleuchtung wird vom Faserhalteelement 41 getragen und der Teil des Faserhalteelements 41 zur Spitze 33a ist ein oszillierender Teil 33b, der so getragen wird, dass er Vibrationen ermöglicht. Die Projektionslinsen 38a, 38b sind am äußersten Ende des Einsetzteils 32 angeordnet. Die Projektionslinsen 38a und 38b sind so konfiguriert, dass von der Spitze 33a der optischen Faser 33 zur Beleuchtung emittiertes Laserlicht grob auf dem Objekt zur Beobachtung konzentriert ist. Dementsprechend ist der PSD 20 so positioniert, dass die empfangende Oberfläche mit der Position der Konzentrierung übereinstimmt. Die Projektionslinsen sind nicht auf eine Doppellinsenstruktur beschränkt und können als eine einzelne Linse oder als drei oder mehr Linsen strukturiert sein.
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4A und 4B illustrieren den Aktor 34 des optischen Abtastendoskops 30 zusammen mit der optischen Faser 33 zur Beleuchtung, wobei 4A eine Seitenansicht ist und 4B ein Querschnitt entlang der A-A-Linie in 4A ist. Die optische Faser 33 zur Beleuchtung führt durch die Mitte des Faserhalteelements 41, das eine prismatische Form aufweist, und wird deshalb fest vom Faserhalteelement 41 gehalten. Die vier Seiten des Faserhalteelements 41 liegen jeweils der +Y-, –Y-, +X- und –X-Richtung gegenüber, die senkrecht auf die +Z-Richtung stehen, welche die Richtung der optischen Achse der optischen Faser ist. Ein Paar von piezoelektrischen Elementen 42a und 42c zum Aktor in der Y-Richtung sind auf dem Faserhalteelement 41 in der +Y-Richtung und der –Y-Richtung befestigt und ein Paar von piezoelektrischen Elementen 42b und 42d zum Aktor in der X-Richtung sind in der +X-Richtung und der –X-Richtung befestigt. Eines der piezoelektrischen Elemente 42b und 42d, die einander gegenüberliegend mit dem Faserhalteelement 41 dazwischen angeordnet sind, expandiert und das andere kontrahiert, was bewirkt, dass sich das Faserhalteelement 41 biegt. Ein Wiederholen dieses Vorgangs erzeugt Vibrationen in der X-Richtung. Das Gleiche gilt auch für Vibrationen in der Y-Richtung.
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Der Antriebsschaltkreis 13 kann einen Vibrationsantrieb der piezoelektrischen Elemente 42b und 42d zum Antrieb in der X-Richtung und der piezoelektrischen Elemente 42a und 42c zum Antrieb in der Y-Richtung durch Anlegen einer Vibrationsspannung der gleichen Frequenz oder einer Vibrationsspannung von unterschiedlichen Frequenzen auf diese durchführen. Nach Vibrationsantrieb der piezoelektrischen Elemente 42a und 42c zum Antrieb in der Y-Richtung und der piezoelektrischen Elemente 42b und 42d zum Antrieb in der X-Richtung vibriert der oszillierende Teil 33b der optischen Faser 33 zur Beleuchtung, der in 3, 4A und 4B illustriert ist. Deshalb vibriert die Spitze 33a und wird so abgelenkt, dass das von der Spitze 33a emittierte Laserlicht die empfangende Oberfläche 22 des PSD 20 abtastet (siehe 5). Eine spiralförmige Abtastung kann durch Anwenden von Vibrationsspannungen in den X- und Y-Richtungen mit der gleichen Frequenz, einer Phase, die sich um ungefähr 90° unterscheidet, und einer Amplitude, die zwischen null und dem Maximum variiert, erreicht werden.
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Als Nächstes wird der in dieser Ausführungsform verwendete PSD 20 beschrieben. 5 ist ein Querschnitt des PSD 20 in 2 in einer Richtung entlang der empfangenden Oberfläche 22 (einer Richtung, die ungefähr senkrecht auf den optischen Pfad von Licht ist, das auf die Mitte der empfangenden Oberfläche 22 einfällt). In 5 fällt das von der optischen Faser 33 zur Beleuchtung emittierte Beleuchtungslicht von oben ein. Anders ausgedrückt, der PSD 20 von 2 ist mit der empfangenden Oberfläche 22 des PSD 20 in 5 nach links zeigend angeordnet. Der PSD 20 enthält die empfangende Oberfläche 22 und ein Schutzglas 23, das in einem Abstand von und der empfangenden Oberfläche 22 gegenüberliegend angeordnet ist. Die empfangende Oberfläche 22 ist auf einem Siliziumsubstrat gebildet und weist normalerweise einen hohen Reflexionsgrad auf. Eine Luftschicht 24 ist zwischen der empfangenden Oberfläche 22 und dem Schutzglas 23 gebildet. Es ist schwierig, die empfangende Oberfläche 22 und das Schutzglas 23 genau parallel anzuordnen, und das Schutzglas 23 weist eine unerwünschte Neigung relativ zur empfangenden Oberfläche 22 auf (wobei die Neigung in 5 betont wird). Das Schutzglas 23 selbst weist auch einen leichten Keilwinkel auf, sodass die äußere Oberfläche 23a, die der Spitze 23a der optischen Faser 33 zur Beleuchtung gegenüberliegt, und die innere Oberfläche 23b, die der empfangenden Oberfläche 22 des PSD 20 gegenüberliegt, nicht vollständig parallel sind.
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Eine Antireflexbeschichtung (AR-Beschichtung) ist auf mindestens einer der äußeren Oberfläche 23a und der inneren Oberfläche 23b des Schutzglases 23 gebildet. Die AR-Beschichtung ist vorzugsweise auf sowohl der inneren Oberfläche 23a als auch der äußeren Oberfläche 23b gebildet. Die AR-Beschichtung reduziert eine Interferenz zwischen Licht, das durch mindestens eine der Oberflächen 23a und 23b des Schutzglases 23 gespiegelt wird, und Beleuchtungslicht, das direkt auf die empfangende Oberfläche 22 einfällt. Anders ausgedrückt fungiert die AR-Beschichtung als eine Interferenzmusterreduktionseinrichtung, die Interferenzmuster reduziert, die entlang des optischen Pfads auftreten, der den PSD 20 erreicht.
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Als Nächstes wird unter Verwendung des Ablaufdiagramms in 6 die Kalibrierprozedur beschrieben. Zuerst, um die Kalibrierung durchzuführen, verbindet der Benutzer der Kalibriervorrichtung das Verbindungsstück 31 des optischen Abtastendoskops 30 mit dem Kalibriervorrichtungskörper 10, wie in 1 illustriert (Schritt S01). Als Ergebnis sind die optische Faser 16 zur Beleuchtung und das Antriebssignalkabel 17 des Kalibriervorrichtungskörpers 10 jeweils mit der optischen Faser 33 zur Beleuchtung bzw. dem Antriebssignalkabel 35 des optischen Abtastendoskops 30 verbunden.
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Als Nächstes fixiert der Benutzer die Spitze 32a des Einsetzteils 32 des optischen Abtastendoskops 30 und ordnet den PSD 20 so an, dass die empfangende Oberfläche 22 des PSD 20 mit der Oberfläche mit konzentriertem Licht übereinstimmt, wo das von der Spitze 32a abgestrahlte Beleuchtungslicht einen Fleck bildet (Schritt S02). Das Erkennungssignalkabel 21 des PSD 20 ist mit dem Rechenschaltkreis 14 des Kalibriervorrichtungskörpers 10 verbunden.
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Der Benutzer schaltet danach den Kalibriervorrichtungskörper 10 ein. Über die Eingabevorrichtung 19 weist der Benutzer das Steuergerät 11 an, die Kalibrierung zu starten. Während Beleuchtungslicht durch die Lichtquelle 12 emittiert wird, schaltet das Steuergerät 11 den Aktor 34 mit dem Antriebsschaltkreis 13 ein und beginnt eine spiralförmige Abtastung. Über mindestens einen Zyklus der spiralförmigen Abtastung erkennt der PSD 20 sequenziell die Bahn, die von der Fleckposition des Beleuchtungslichts gezeichnet wird (Schritt S03).
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Da eine AR-Beschichtng auf mindestens einer der äußeren Oberfläche 23a und der inneren Oberfläche 23b des Schutzglases 23 im PSD 20 gebildet ist, ist das Auftreten von Interferenzmustern auf der empfangenden Oberfläche 22 reduziert. Als Ergebnis variiert die Menge an Beleuchtungslicht, das auf den PSD einfällt, nicht mit der Abtastposition, was ermöglicht, dass die Fleckposition des Beleuchtungslichts genau erkannt wird.
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Der PSD 20 gibt sequenziell ein Erkennungssignal, das der erkannten Lichtfleckposition entspricht (zum Beispiel die Spannung, die der Fleckposition entspricht), an den Rechenschaltkreis 14 aus. Der Rechenschaltkreis 14 empfängt Informationen über die verstrichene Zeit nach Aktivierung des Antriebschaltkreises 13 vom Steuergerät 11 und erstellt Kalibrierungsdaten durch Assoziieren von aus dem Erkennungssignal berechnete Koordinateninformationen über die Fleckposition mit Zeitinformationen. Darüber hinaus führt der Rechenschaltkreis 14 in manchen Fällen eine Verarbeitung wie Korrigieren des Erkennungsfehlers des PSD 20, Glätten der erkannten Bahn und Erkennen abnormer Werte in den Daten aus. Die Kalibrierungsdaten, die vom Rechenschaltkreis 14 berechnet wurden, werden im Speicher 15 innerhalb des Kalibriervorrichtungskörpers 10 gespeichert (Schritt S04). Der Speicher 15 kann eine Speichervorrichtung im Inneren des Kalibriervorrichtungskörpers 10 sein. Alternativ kann der Speicher 15 ein portables Speichermedium sein, wie eine Speicherkarte, die vom Kalibriervorrichtungskörper 10 abgenommen werden kann.
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Sobald die Speicherung der Kalibrierungsdaten im Speicher 15 abgeschlossen ist, werden die Kalibrierungsdaten im Speicher 15 als Nächstes an den Speicher 36 im Inneren des optischen Abtastendoskops 30 (Schritt S05) ausgegeben. Wenn der Speicher 15 ein portables Speichermedium ist, entfernt der Benutzer den Speicher 15 aus dem Kalibriervorrichtungskörper 10 und setzt den Speicher 15 an einer vorbestimmten Stelle auf dem optischen Abtastendoskop 30 als den Speicher 36 ein. In diesem Fall kann der Vorgang der Entfernung des portablen Speichermediums nach Abschluss des folgenden Schritts S06 durchgeführt werden.
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Nach Ausgabe der Kalibrierungsdaten an den Speicher 36 im Inneren des optischen Abtastendoskops 30 entfernt der Benutzer das Verbindungsstück 31 des optischen Abtastendoskops 30 aus dem Kalibriervorrichtungskörper 10 (Schritt S06).
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Auf diese Weise hält das optische Abtastendoskop 30 Kalibrierungsdaten im Speicher 36. Während endoskopischer Beobachtung unter Verwendung des optischen Abtastendoskops 30 ist das optische Abtastendoskop 30 mit einem Steuervorrichtungskörper verbunden, der eine Lichtquelle, einen Antriebsschaltkreis und eine Bildverarbeitungseinrichtung enthält. Der Steuervorrichtungskörper liest Kalibrierungsdaten aus dem Speicher 36 des optischen Abtastendoskops 30 und verwendet die Kalibrierungsdaten, um die erfassten Pixelwerte mit Pixelpositionen zu assoziieren und ein Bild zu generieren.
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Nach dieser Offenbarung werden durch Durchführen einer Kalibrierung mit der vorstehenden Kalibrierprozedur unter Verwendung der vorstehenden Kalibriervorrichtung sehr genaue Kalibrierungsdaten im optischen Abtastendoskop 30 gespeichert. Insbesondere, da eine AR-Beschichtung auf mindestens einer der äußeren Oberfläche 23a und der inneren Oberfläche 23b des Schutzglases 23 gebildet ist, können Interferenzmuster auf der empfangenden Oberfläche 22 reduziert werden, wodurch die Genauigkeit der Ausgabe des PSD 20 bewahrt wird. Als Ergebnis kann während der endoskopischen Beobachtung unter Verwendung des optischen Abtastendoskops 30 ein Bild mit geringerer Verzerrung generiert werden. Eine Erhöhung in der Genauigkeit einer Diagnose unter Verwendung des optischen Abtastendoskops 30 kann deshalb erwartet werden.
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Herkömmlicherweise war es schwierig, zu ermitteln, ob eine Verzerrung, die in einem endoskopischen Bild auftritt, durch Rauschen innerhalb des PSD oder durch Fremdkörper wie Staub auf der Linse oder dem PSD verursacht wird. Nach Durchführen der Kalibrierung dieser Offenbarung sind jedoch die Interferenzmuster innerhalb des PSD reduziert, was es vereinfacht, Fremdkörper auf der Linse oder dem PSD zu unterscheiden. Eine andere Auswirkung der Durchführung des Kalibrierverfahrens dieser Offenbarung ist, dass eine Bildverzerrung, die über einen großen Bereich auftritt, beseitigt werden kann, was mit einer Korrektur durch Approximation schwer erreichbar ist. Deshalb wird im Fall einer lokalen Verzerrung aufgrund des vorgenannten Staubs oder Ähnlichem die Genauigkeit der Korrektur durch Approximation verbessert.
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Im optischen Abtastendoskop 30 ist die Spitze 32a des Einsetzteils 32, der eine optische Abtastung durchführt, extrem klein, was es schwer macht, den Sensor oder eine andere Einrichtung, die die Position der Spitze 33a der optischen Faser 33 für Beleuchtung an der Spitze anzuordnen. Deshalb ist das Kalibrierverfahren dieser Einrichtung besonders geeignet, wenn es auf das optische Abtastendoskop 30 angewandt wird.
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Ausführungsform 2
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7 ist ein Querschnitt des PSD 20 in einer Kalibriervorrichtung nach Ausführungsform 2. In Ausführungsform 2 ist statt der Bildung einer AR-Beschichtung auf dem Schutzglas 23 der Raum zwischen der empfangenden Oberfläche 22 und dem Schutzglas 23 des PSD 20 mit einem Medium 25 gefüllt, wie Gel, das einen Brechungsindex aufweist, der näher am Brechungsindex des Schutzglases als am Brechungsindex von Luft liegt. Als Ergebnis wird die Differenz zwischen den Brechungsindizes des Schutzglases 23 und des Mediums 25 unter die Differenz zwischen den Brechungsindizes des Schutzglases 23 und Luft reduziert, wodurch das Auftreten von gespiegeltem Licht reduziert wird. Der Brechungsindex des Mediums 25 liegt vorzugsweise näher am Brechungsindex des Schutzglases 23. Insbesondere kann durch Übereinstimmen des Brechungsindex des Mediums 25 mit dem Brechungsindex des Schutzglases 23 eine Spiegelung an der Grenzfläche zwischen dem Schutzglas 23 und dem Medium 25 verhindert werden. Da die restliche Konfiguration Ausführungsform 1 ähnlich ist, werden identische oder entsprechende Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und auf eine Beschreibung dieser wird verzichtet.
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Nach dieser Ausführungsform wird durch Reduzieren der Spiegelung zwischen dem Schutzglas 23 und dem Medium 25 das Auftreten von Interferenzmustern an der empfangenden Oberfläche 22 reduziert. Als Ergebnis kann wie in Ausführungsform 1 ein Bild mit geringerer Verzerrung während einer endoskopischen Beobachtung unter Verwendung des optischen Abtastendoskops 30 generiert werden.
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Ausführungsform 3
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Anstatt des PSD 20 in Ausführungsform 1 verwendet Ausführungsform 3 einen dem PSD 1 ähnlichen PSD ohne AR-Beschichtung in 1. Außerdem verwendet Ausführungsform 3 eine Lichtquelle mit niedriger Kohärenz, wie eine Superlumineszenzdiode (SLD) oder eine LED für die Lichtquelle 12 in 2. Die restliche Konfiguration ist der von Ausführungsform 1 ähnlich und auf eine Beschreibung dieser wird verzichtet.
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Nach dieser Ausführungsform wird Licht mit niedriger Kohärenz als das Beleuchtungslicht verwendet. Deshalb ist es weniger wahrscheinlich, dass Interferenzmuster im PSD 20 auftreten. Als Ergebnis kann wie in Ausführungsform 1 ein Bild mit geringerer Verzerrung während einer endoskopischen Beobachtung unter Verwendung des optischen Abtastendoskops 30 generiert werden.
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Während die Verwendung eines PSD ohne eine AR-Beschichtung beschrieben wurde, kann ein PSD mit einer AR-Beschichtung wie der PSD 20 verwendet werden. In diesem Fall können Interferenzmuster weiter durch die Auswirkungen sowohl der AR-Beschichtung als auch der Lichtquelle mit niedriger Kohärenz reduziert werden, was die Gesamtwirkung erhöht.
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Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und es können eine Vielzahl von Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die Abtastbahn der optischen Abtastvorrichtung ist zum Beispiel nicht auf eine spiralförmige Abtastung beschränkt. Die Offenbarung kann auch auf eine Rasterabtastung oder eine Lissajous-Abtastung angewandt werden. Außerdem ist das Verfahren zum Antrieb der optischen Faser der optischen Abtastvorrichtung nicht auf ein Verfahren beschränkt, das piezoelektrische Elemente verwendet. Der Aktor der optischen Faserspitze kann stattdessen mit einem elektromagnetischen Antriebsverfahren konfiguriert werden, das Spulen und einen Permanentmagneten verwendet. In diesem Fall steuert der Antriebsschaltkreis den Strom anstatt der am Aktor angelegten Spannung.
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Ferner sind in der obigen Ausführungsform das Steuergerät, die Lichtquelle, der Antriebschaltkreis, der Rechenschaltkreis und der Speicher im gleichen Kalibriervorrichtungskörper untergebracht, aber diese Komponenten können stattdessen separate Hardware sein. Das Material, das die empfangende Oberfläche des PSD schützt, wurde als Glas beschrieben, aber ein anderes Material kann verwendet werden, wie Licht übertragendes Harz. Die obige Ausführungsform wird auf die Kalibrierung angewandt, bevor eine optische Abtastvorrichtung versandt wird, aber kann stattdessen auf eine Kalibrierung einer optischen Abtastvorrichtung angewandt werden, die bereits verwendet wird. Ferner ist in der obigen Ausführungsform ein Kalibriervorrichtungskörper ausschließlich für die Kalibrierung separat vom Steuervorrichtungskörper für die Beobachtung vorgesehen, aber die Funktionen des Kalibriervorrichtungskörpers können im Steuervorrichtungskörper zur Beobachtung eingebettet werden, sodass der Benutzer jederzeit eine Kalibrierung durchführen kann.
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Die optische Abtastvorrichtung ist nicht auf ein optisches Abtastendoskop beschränkt und kann auch auf ein optisches Rastermikroskop oder einen optischen Abtastprojektor angewandt werden, der eine Faser abtastet. In den obigen Ausführungsformen enthält das optische Abtastendoskop, das eine optische Abtastvorrichtung ist, keine Lichtquelle und keinen Antriebsschaltkreis, aber diese Offenbarung kann auch auf eine optische Abtastvorrichtung angewandt werden, die diese Komponenten einschließt. In diesem Fall enthält die Kalibriervorrichtung mindestens das Steuergerät des Kalibriervorrichtungskörpers, der mit der optischen Abtastvorrichtung verbunden ist, den PSD, in dem das Auftreten von Interferenzmustern reduziert ist, und die Speichervorrichtung, die die vom PSD erkannten Positionsinformationen speichert. Es reicht dann aus, die optische Abtastvorrichtung unter der Steuerung des Steuergeräts anzutreiben, um die Position des optischen Flecks unter Verwendung des PSD zu erkennen und die Position in der Speichervorrichtung zusammen mit den Zeitgebungsinformationen zu speichern. Eine Vielfalt von anderen Modifikationen können an der Konfiguration der Kalibriervorrichtung durchgeführt werden.
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Ferner ist in den obigen Ausführungsformen ein Speicher im Kalibriervorrichtungskörper vorgesehen und die Kalibrierdaten werden temporär im Speicher gespeichert. Alternativ kann der Speicher vom Kalibriervorrichtungskörper weggelassen werden und die vom Rechenschaltkreis berechneten Kalibrierdaten können direkt an den Speicher der optischen Abtastvorrichtung ausgegeben werden.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Die Kalibriervorrichtung und das Verfahren zur Kalibrierung nach dieser Offenbarung können verwendet werden, um eine optische Abtastvorrichtung zu kalibrieren und sind besonders zum Einsatz bei der Kalibrierung vor dem Produktversand geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- Kalibriervorrichtungskörper
- 11
- Steuergerät
- 12
- Lichtquelle
- 13
- Antriebsschaltkreis
- 14
- Rechenschaltkreis
- 15
- Speicher
- 16
- Optische Faser zur Beleuchtung
- 17
- Antriebssignalkabel
- 18
- Anzeigevorrichtung
- 19
- Eingabevorrichtung
- 20
- PSD
- 21
- Erkennungssignalkabel
- 22
- EmpfangendeOberfläche
- 23
- Schutzglas
- 23a
- Äußere Oberfläche
- 23b
- Innere Oberfläche
- 24
- Luftschicht
- 25
- Medium
- 30
- Optisches Abtastendoskop
- 31
- Verbindungsstück
- 32
- Einsetzteil
- 32a
- Spitze
- 33
- Optische Faser zur Beleuchtung
- 33a
- Spitze
- 33b
- Oszillierender Teil
- 34
- Aktor
- 35
- Antriebssignalkabel
- 36
- Speicher
- 37
- Optische Faser zum Empfangen von Licht
- 37a
- Spitze
- 38a, 38b
- Projektionslinse
- 39
- Befestigungsring
- 40
- Antriebsrohr
- 41
- Faserhalteelement
- 42a, 42b, 42c, 42d
- Piezoelektrisches Element
