DE112015007133T5

DE112015007133T5 - Lichtabtastendoskop und Verfahren zum Betreiben eines Lichtabtastendoskops

Info

Publication number: DE112015007133T5
Application number: DE112015007133.4T
Authority: DE
Inventors: Yuhei TAKATA
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2018-08-02
Also published as: US20180303321A1; US11375883B2; JP6728236B2; JPWO2017109958A1; WO2017109958A1

Abstract

Ein Lichtabtastendoskop (1) der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen mit: einem Lichtabtastabschnitt (2), der bewirkt, dass eine optische Faser (14) schwingt; einer Steuereinheit (3), die bewirkt, dass Licht (L) von der optischen Faser (14) mit der gleichen Phase wie die Schwingungen abgegeben wird; einem Einstellungsabschnitt (5), der einen Verzerrungskorrekturbetrag aufgrund einer Form einer Reihe von Bestrahlungspositionen des Lichts (L) auf einem Abbildungsgegenstand (A) einstellt; und einem Phasenkorrekturabschnitt (6), der die Phase, bei der das Licht (L) abgegeben wird, aufgrund des eingestellten Verzerrungskorrekturbetrags korrigiert.

Description

{Technisches Gebiet}
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lichtabtastendoskop und ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtabtastendoskops.
{Stand der Technik}
In der einschlägigen Technik ist ein Lichtabtastendoskop bekannt, das Laserlicht auf einem Abbildungsgegenstand entlang einer spiralförmigen Trajektorie abtastet (siehe z. B. PTL 1). Es ist bekannt, dass in einer Figur in einem Bild, das mittels eines Lichtabtastendoskops erlangt wurde, Verzerrung in der Abtastrichtung aufgrund Verschiebungen der tatsächlichen Bestrahlungspositionen des Laserlichts in der Abtastrichtung von dessen idealen Bestrahlungspositionen auftritt. In PTL 1 werden die Positionen von Laserlichtpunkten auf dem Abbildungsgegenstand mittels eines PSD (Position Sensitive Detector) festgestellt, und Figurenverzerrung wird aufgrund der Verschiebungen der festgestellten Punktpositionen von den Idealpositionen korrigiert.
{Liste der Bezugsverweise}
{Patentliteratur}
{PTL 1} Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 5190267
{Kurzdarstellung der Erfindung}
{Technische Problemstellung}
Die Positionen der einzelnen Laserlichtpunkte werden jedoch tendenziell von optischen Artefakten wie mehrfacher Reflexion auf einem Oberflächenglas des PSD, winzigen Fehlern in einer Linse in Endoskop und dergleichen beeinflusst. Daher besteht mit dem Verfahren von PTL 1 das Problem, dass es nicht möglich ist, die Figurenverzerrung genau zu korrigieren.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebenen Umstände gemacht, und es ist eine Aufgabe derselben, ein Lichtabtastendoskop und ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtabtastendoskops bereitzustellen, mit dem es möglich ist, Figurenverzerrung in der Lichtabtastrichtung genau zu korrigieren, ohne von optischen Artefakten beeinflusst zu werden.
{Problemlösung}
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung die folgenden Lösungen vor.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Lichtabtastendoskop umfassend: einen Lichtabtastabschnitt, der durch Schwingen einer optischen Faser Licht abtastet, das von der optischen Faser abgegeben wird; eine Steuereinheit, die eine Zeitgebung steuert, mit der Licht von der optischen Faser abgegeben wird, sodass das Licht mit der gleichen Phase wie die Schwingungen der optischen Faser abgegeben wird; einen Einstellungsabschnitt, der einen Verzerrungskorrekturbetrag aufgrund einer Form einer Reihe von Bestrahlungspositionen des Lichts auf einem Abbildungsgegenstand einstellt, das von der optischen Faser abgegeben wird; und einen Phasenkorrekturabschnitt, der die Phase, bei der das Licht abgegeben wird, aufgrund des Verzerrungskorrekturbetrags korrigiert, der vom Einstellungsabschnitt eingestellt wird.
In der vorliegenden Erfindung sind die Lichtbestrahlungspositionen auf dem Abbildungsgegenstand in einer einzigen Reihe angeordnet, indem bewirkt wird, dass das Licht von der schwingenden optischen Faser mittels des Lichtabtastabschnitts in der gleichen Phase abgegeben wird. Durch Feststellen der Bestrahlungspositionen mittels des die Bestrahlungsposition feststellenden Abschnitts wird auch die Form der Reihe der Bestrahlungspositionen erlangt. Obwohl die Reihe der Bestrahlungspositionen eine gerade Linie wird, wenn das Licht ideale Bestrahlungspositionen ausstrahlt, ist die Form der Reihe der Bestrahlungspositionen verzerrt, wenn die tatsächlichen Bestrahlungspositionen des Lichts in einer Lichtabtastrichtung aus den idealen Bestrahlungspositionen verschoben werden.
Der Phasenkorrekturabschnitt verschiebt die Phase, in der das Licht abgegeben wird, um einen Betrag, der auf dem Verzerrungskorrekturbetrag beruht, der von dem Einstellungsabschnitt eingestellt wird. Dadurch werden die Lichtbestrahlungspositionen in Abtastrichtung bewegt und werden näher an die idealen Bestrahlungspositionen gebracht, und somit wird die Linearität der Reihe der Bestrahlungspositionen verbessert.
Wie oben beschrieben wird der Verzerrungskorrekturbetrag, der aufgrund der Form der Reihe der mehreren Bestrahlungspositionen anstatt aufgrund einzelner Bestrahlungspositionen eingestellt wird, mit geringerer Wahrscheinlichkeit durch ein optisches Artefakt beeinflusst. Daher ist es durch Verwenden eines solchen Verzerrungskorrekturbetrags zum Korrigieren einer Figurenverzerrung in einem Bild möglich, die Figurenverzerrung ohne Beeinflussung durch ein optisches Artefakt zu korrigieren.
Der oben beschriebene erste Aspekt kann mit einem die Bestrahlungsposition feststellenden Abschnitt vorgesehen sein, der die Lichtbestrahlungspositionen auf dem Abbildungsgegenstand feststellt.
Im oben beschriebenen ersten Aspekt kann der die Bestrahlungsposition feststellende Abschnitt mit einer Vorrichtung zum Feststellen zweidimensionalen Lichts vorgesehen sein, die die Bestrahlungspositionen feststellt, die zweidimensional auf dem Abbildungsgegenstand angeordnet sind.
Dadurch kann die Form der Reihe der Lichtbestrahlungspositionen mittels einer einfachen Konfiguration festgestellt werden.
Im oben beschriebenen ersten Aspekt kann die Steuereinheit die Zeitgebung, mit der das Licht von der optischen Faser abgegeben wird, so steuern, dass das Licht mit einem gleichen Phasenintervall abgegeben wird.
Dadurch kann eine Reihe von Punkten ausgebildet werden, die auf dem Abbildungsgegenstand mit gleichen Winkeln angeordnet sind.
Im oben beschriebenen ersten Aspekt kann der Lichtabtastabschnitt bewirken, dass sich eine Amplitude der Schwingungen der optischen Faser zeitbedingt ändert, und der Phasenkorrekturabschnitt kann zusätzlich zum Verzerrungskorrekturbetrag einen Korrekturbetrag für die Phase aufgrund der zeitbedingten Änderung der Amplitude der Schwingungen der optischen Faser berechnen.
Die Beträge, um die die tatsächlichen Bestrahlungspositionen des Lichts von den idealen Bestrahlungspositionen verschoben werden, sind mit der zeitbedingten Änderung der Amplitude der Schwingungen der optischen Faser korreliert. Daher können anhand des Phasenkorrekturbetrags, der aufgrund der zeitbedingten Änderung der Amplitude der Schwingungen berechnet wird, die Verschiebungen der Bestrahlungspositionen genauer korrigiert werden.
Ein zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtabtastendoskops, umfassend: einen Abgabeschritt des Abgebens von Licht von einer schwingenden optischen Faser mit der gleichen Phase wie die Schwingungen der optischen Faser; einen Einstellungsschritt, des Einstellens eines Verzerrungskorrekturbetrags aufgrund einer Form einer Reihe von Bestrahlungspositionen des Lichts auf einem Abbildungsgegenstand; einen Korrekturschritt des Korrigierens der Phase, bei der das Licht von der optischen Faser abgegeben wird, aufgrund des im Einstellungsschritt eingestellten Verzerrungskorrekturbetrags; und einen Steuerungsschritt des Steuerns einer Zeitgebung, mit der das Licht von der optischen Faser abgegeben wird, sodass das Licht mit der Phase abgegeben wird, die im Korrekturschritt korrigiert wurde.
{Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung}
Die vorliegende Erfindung bietet dadurch einen Vorteil, dass es möglich ist, Figurenverzerrung in der Lichtabtastrichtung genau zu korrigieren, ohne von optischen Artefakten beeinflusst zu werden.
Figurenliste
Es zeigen

{1} 1 ein Diagramm der Gesamtkonfiguration eines Lichtabtastendoskops gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
{2} 2 ein Diagramm, das Wellenformen eines Steuersignals in X-Richtung und eines Steuersignals in Y-Richtung zeigt, die an einen Aktor im Lichtabtastendoskop in 1 geliefert werden.
{3} 3 ein Diagramm, das Reihen von Laserlichtpunkten zeigt, die auf einem Abbildungsgegenstand in einem ersten Modus ausgebildet werden.
{4} 4 ein Diagramm zum Erläutern eines Beispiels für einen Indexwert, der die Linearität eine Reihe von Punkten darstellt.
{5} 5 ein Diagramm zum Erläutern eines weiteren Beispiels für den Indexwert, der die Linearität eine Reihe von Punkten darstellt.
{6} 6 ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Lichtabtastendoskops in 1 im ersten Modus zeigt.
{7} 7 ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Lichtabtastendoskops in 1 in einem zweiten Modus zeigt.

{Beschreibung der Ausführungsform}
Im Folgenden wird ein Lichtabtastendoskop 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, ist das Lichtabtastendoskop 1 gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen mit: einem Lichtabtastabschnitt 2, der während des Abtastens des Laserlichts L Laserlicht L in Richtung eines Abbildungsgegenstands A abgibt; eine Steuereinheit 3, die den Lichtabtastabschnitt 2 steuert; einen die Bestrahlungsposition feststellenden Abschnitt 4, der Positionen (Bestrahlungspositionen) von Punkten von Laserlicht L auf dem Abbildungsgegenstand A feststellt; einen Einstellungsabschnitt 5, der einen Korrekturparameter (Verzerrungskorrekturbetrag) E einstellt, um Figurenverzerrung in einem Bild zu korrigieren; und einen Phasenkorrekturabschnitt 6, der das Abgabe-Timing des Laserlichts L aufgrund des Korrekturparameters E korrigiert.
Außerdem ist das Lichtabtastendoskop 1 vorgesehen mit: einem Lichtdetektionsabschnitt 7, der die Detektionswerte It erlangt, indem er Beobachtungslicht L' detektiert, das vom Abbildungsgegenstand A kommt; einen Koordinatenberechnungsabschnitt 8, der aufgrund des Korrekturparameters E Pixelkoordinaten (X,Y) berechnet, denen die Detektionswerte It zugeordnet werden; einen Bildverarbeitungsabschnitt 9, der ein Bild erzeugt; und eine Anzeige 10, die das Bild anzeigt.
Bezugszeichen 11 bezeichnet einen langen, dünnen eingeführten Abschnitt, der in einen Körper eingeführt wird, und Bezugszeichen 12 bezeichnet ein Gehäuse, das mit einem Basisende des eingeführten Abschnitts 11 verbunden ist.
Das Lichtabtastendoskop 1 weist einen ersten Modus zum Feststellen eines optimalen Korrekturparameters E und einen zweiten Modus zum Erlangen eines Bilds auf, in dem Figurenverzerrung aufgrund des Korrekturparameters E korrigiert sind; und wird in einem aus dem ersten Modus und dem zweiten Modus betrieben. Im ersten Modus arbeiten der Lichtabtastabschnitt 2, die Steuereinheit 3, der die Bestrahlungsposition feststellende Abschnitt 4, der Einstellungsabschnitt 5 und der Phasenkorrekturabschnitt 6. Im zweiten Modus arbeiten der Lichtabtastabschnitt 2, die Steuereinheit 3, der Phasenkorrekturabschnitt 6, der Lichtdetektionsabschnitt 7, der Koordinatenberechnungsabschnitt 8 und der Bildverarbeitungsabschnitt 9.
Der Lichtabtastabschnitt 2 ist vorgesehen mit: einer Lichtquelle 13, die im Gehäuse 12 vorgesehen ist und das Laserlicht L ausgibt; und eine optische Bestrahlungsfaser 14 und einen Aktor 15, die im eingeführten Abschnitt 11 vorgesehen sind.
Die optische Faser 14 ist im eingeführten Abschnitt 11 entlang einer langgestreckten Richtung desselben angeordnet. Die optische Faser 14 führt das Laserlicht L, das von der Lichtquelle 13 geliefert wird, und gibt das Laserlicht L von einem distalen Ende desselben ab.
Der Aktor 15 ist beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor, der mit einem piezoelektrischen Element vorgesehen ist, und ist an einem distalen Endabschnitt der optischen Faser 14 angebracht. Der Aktor 15 bewirkt, dass das distale Ende der optischen Faser 14 in radialen Richtungen der optischen Faser 14 gemäß den Steuersignalen schwingt, die von der Steuereinheit 3 geliefert werden.
Die Steuereinheit 3 liefert dem Aktor 15 Steuersignale in X-Richtung Dx(t), um zu bewirken, dass das distale Ende der optischen Faser 14 in X-Richtung schwingt, und Steuersignale in Y-Richtung Dy(t), um zu bewirken, dass das distale Ende der optischen Faser 14 in Y-Richtung schwingt. Die X-Richtung und die Y-Richtung sind radiale Richtungen der optischen Faser 14 und sind Richtungen, die orthogonal zueinander verlaufen. Die Steuersignale Dx(t) und Dy(t) sind folgendermaßen dargestellt: $Dx (t) = M (t) \times cos (2 π ft),$
und $Dy (t) = M (t) \times sin (2 π ft) .$
2 zeigt die Steuersignale Dx(t) und Dy(t). Die Amplituden der Steuersignale Dx(t) und der Steuersignale Dy(t) werden von im Wesentlichen sinusförmigen Modulationssignalen M(t) moduliert, die durch Ausdruck (1) unten dargestellt sind. In Ausdruck (1) ist N_OPEN eine Anzahl von Zyklen in einer Bahn nach außen und N_CLOSE ist eine Anzahl von Zyklen auf einer zurückkehrenden Bahn. Außerdem werden die Phasen der Steuersignale Dx(t) und der Steuersignale Dy(t) voneinander um den Betrag von n/4 verschoben. Es ist anzumerken, dass das hierin beschriebene Beispiel dergestalt ist, dass Schwingungen entlang einer spiralförmigen Trajektorie auftreten, die auf der Bahn nach außen von einem Mittelpunkt in Richtung eines äußeren Umfangs projiziert wird, und die auf der zurückkehrenden Bahn vom äußeren Umfang zum Mittelpunkt projiziert wird.

{Gl.1} $M (t) = {\begin{cases} \frac{1}{2} {1 - cos (\frac{π f t}{N_{O P E N}})} \\ \begin{matrix} (0 \leq t \leq \frac{N_{O P E N}}{f}) \end{matrix} \\ \frac{1}{2} {1 - cos (π + \frac{π f t}{N_{C L O S E}} - \frac{π N_{O P E N}}{N_{C L O S E}})} \\ \begin{matrix} (\frac{N_{O P E N}}{f} < t \leq \frac{N_{O P E N} + N_{C L O S E}}{f}) \end{matrix} \end{cases}$
Durch gleichzeitiges Beliefern des Aktors 15 mit solchen Steuersignalen Dx(t) und Dy(t) wird das distale Ende der optischen Faser 14 entlang einer spiralförmigen Trajektorie im Wesentlichen auf einer Ebene zum Schwingen gebracht, die orthogonal zur Längsrichtung der optischen Faser 14 verläuft. Dadurch wird das Laserlicht L, das vom distalen Ende des eingeführten Abschnitts 11 abgegeben wird, auf dem Abbildungsgegenstand A entlang einer spiralförmigen Abtasttrajektorie abgetastet.
Außerdem, steuert die Steuereinheit 3 die Lichtquelle 13 unter Verwendung von Verfahren, die sich im ersten Modus und im zweiten Modus voneinander unterscheiden.
Im zweiten Modus steuert die Steuereinheit 3 die Lichtquelle 13 so, dass sie kontinuierlich Laserlicht ausgibt.
Im ersten Modus steuert die erste Steuereinheit 3 die Lichtquelle 13 so, dass sie das Laserlicht L abgibt, wenn die Phase θ(rad) des Steuersignals Dx(t) 0, n/2, n und 3n/2 ist. Anschließend steuert die Steuereinheit 3 nach Empfangen von Informationen über eine korrigierte Phase θ+Δθ (später beschrieben) vom Phasenkorrekturabschnitt 6 die Lichtquelle 13 so, dass das Laserlicht L abgegeben wird, wenn die Phase θ des Steuersignals Dx(t) 0+Δθ, ⊓/2+Δθ, ⊓+Δθ und 3⊓/2+Δθ ist. Die Steuereinheit 3 beendet den ersten Modus, wenn ein Signal vom Phasenkorrekturabschnitt 6 empfangen wird, das das Abschließen der Einstellung des Korrekturparameters E anzeigt.
Das Laserlicht L, das in der gleichen Phase θ ausgegeben wird, bestrahlt Positionen an den gleichen Drehwinkeln in der Abtasttrajektorie B. Daher sind, wie in 3 gezeigt, Punkte des Laserlichts L in der gleichen Phase im Idealfall in einer geraden Linie auf einem Abbildungsgegenstand A angeordnet. In 3 zeigen offene Kreise ideale Punktpositionen an, die für das Laserlicht L aufgrund der Amplituden der Steuersignale Dx(t) und Dy(t) theoretisch berechnet werden.
Die tatsächlichen Punktpositionen des Laserlichts L stimmen jedoch nicht unbedingt mit den idealen Positionen derselben überein, und es gibt Fälle, in denen eine tatsächliche Reihe von Punkten keine gerade Linie bildet. In 3 zeigen gefüllte Kreise die tatsächlichen Punktpositionen des Laserlichts L an. Die tatsächlichen Punktpositionen sind von den idealen Positionen in der Abtastrichtung verschoben. Da die Verschiebungen der Punktpositionen nicht auftreten, wenn die Steuersignale Dx(t) und Dy(t) nicht moduliert werden (mit anderen Worten, wenn die Amplituden der Steuersignale Dx(t) und Dy(t) konstant sind), wird in erwogen, dass die Verschiebungen durch Modulieren der Steuersignale Dx(t) und Dy(t) verursacht werden (mit anderen Worten zeitbedingte Änderungen der Amplituden der Schwingungen des distalen Endes der optischen Faser 14).
Da die zeitbedingten Änderungen der Amplituden der Steuersignale Dx(t) und Dy(t) abhängig von der Anzahl der Zyklen N (der Ordnung der Kreise vom der Mittelpunkt, wenn die Abtasttrajektorie B als eine Sammlung konzentrischer Krise gesehen wird) in der Abtasttrajektorie B unterschiedlich sind, unterscheiden sich die Beträge, um die Punktpositionen des Laserlichts L von den idealen Positionen derselben verschoben sind (Drehwinkel um den Mittelpunkt der Abtasttrajektorie B) auch abhängig von der Anzahl der Zyklen N, wie in 3 gezeigt. Infolgedessen sind die Formen der Reihe von Punkten verzerrt.
Der die Bestrahlungsposition feststellende Abschnitt 4 stellt die Punktpositionen des Laserlichts L auf dem Abbildungsgegenstand A zweidimensional fest. Als solcher wird ein die Bestrahlungsposition feststellender Abschnitt 4, beispielsweise eine Vorrichtung zum Feststellen zweidimensionalen Lichts, wie eine CCD-Kamera, ein PSD oder dergleichen, eingesetzt und es wird ein zweidimensionales Bild der Punktreihen auf einem Bildschirm vom die Bestrahlungsposition feststellenden Abschnitt 4 erlangt. Informationen über die Punktpositionen des Laserlichts L, das vom die Bestrahlungsposition feststellenden Abschnitt 4 festgestellt werden, werden an den Einstellungsabschnitt 5 gesendet.
Der Einstellungsabschnitt 5 stellt die Korrekturparameter E in Ausdruck (2) unten ein und sendet die eingestellten Korrekturparameter E an den Phasenkorrekturabschnitt 6. In Ausdruck (2) ist Δθ(t) der Phasenwinkel und f ist die Frequenz (Steuerfrequenz) der Steuersignale.

{Gl. 2} $Δ θ (t) = {\begin{cases} E \cdot \frac{sin (\frac{π f t}{N_{O P E N}})}{\frac{1}{2} {1 - cos (\frac{π f t}{N_{O P E N}})}} \\ \begin{matrix} (0 \leq t \leq \frac{N_{O P E N}}{f}) \end{matrix} \\ E \cdot \frac{sin (π + \frac{π f t}{N_{C L O S E}} - \frac{π N_{O P E N}}{N_{C L O S E}})}{\frac{1}{2} {1 - cos (π + \frac{π f t}{N_{C L O S E}} - \frac{π N_{O P E N}}{N_{C L O S E}})}} \\ \begin{matrix} (\frac{N_{O P E N}}{f} < t \leq \frac{N_{O P E N} + N_{C L O S E}}{f}) \end{matrix} \end{cases}$
Wie in 3 gezeigt, ist der Phasenwinkel Δθ(t) ein Mittelpunktwinkel eines Bogens, der sich von einer idealen Punktposition zu einer tatsächlichen Punktposition erstreckt. Der Zähler auf der rechten Seite des Ausdrucks (2) stellt eine zeitbedingte Änderung des Modulationssignals M(t) dar (eine zeitliche Ableitung des Modulationssignals M(t)), mit anderen Worten eine zeitbedingte Änderung der Amplitude des Schwingungen des distalen Endes der optischen Faser 14. Der Phasenwinkel Δθ(t) ist eine Funktion der Anzahl der Zyklen N und der zeitbedingten Änderung der Amplitude der Schwingungen des distalen Endes der optischen Faser 14, und der Korrekturparameter E ist ein Koeffizient in der Funktion.
Hier berechnet der Einstellungsabschnitt 5 nach Empfangen der Informationen über die Punktpositionen des Laserlichts L von dem die Bestrahlungsposition feststellenden Abschnitt 4 zuerst einen Indexwert, der die Linearität einer Reihe von Punkten darstellt, und beurteilt die Linearität der Reihe von Punkten aufgrund des Indexwertes. Falls der Indexwert gleich oder größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ε ist, stellt der Einstellungsabschnitt 5 den Korrekturparameter E ein. Andererseits führt, falls der Indexwert kleiner als der vorbestimmter Schwellenwert ε ist, der Einstellungsabschnitt 5 keine weiteren Einstellungen des Korrekturparameters E durch und sendet Signale, die das Abschließen der Einstellung des Korrekturparameters E anzeigen, an den Phasenkorrekturabschnitt 6 und die Steuereinheit 3.
Wie in 4 beispielhaft gezeigt, wird ein Winkel φ des Winkels POQ als der Indexwert verwendet und die Form einer Reihe von Punkten wird als gerade Linie bestimmt, wenn φ < ε ist. In 4 ist ein Punkt O eine Schnittstelle von zwei Linien, wenn Linien durch Verbinden von Punkten in den gleichen Reihen (Punkten des Laserlichts L, das von den gleichen Phasen θ abgegeben wird) gezogen werden, ein Punkt P zeigt eine Punktposition am äußersten Umfang auf der Abtasttrajektorie B an und ein Punkt Q ist eine Schnittstelle von einer der Linien und einem Kreis, der einen Radius aufweist, der der halbe Radius eines Kreises auf dem äußersten Umfang ist. In diesem Fall wird der Schwellenwert ε als ein Winkel eingestellt, der 1 Pixel in einem Bild entspricht.
Wie in 5 gezeigt, wird alternativ ein Abstand zwischen einer geraden Linie OP und dem Punkt Q als der Indexwert verwendet, und die Form einer Reihe von Punkten wird als gerade Linie bestimmt, wenn d < ε ist. In diesem Fall wird der Schwellenwert ε als ein Abstand eingestellt, der 1 Pixel in einem Bild entspricht.
Im ersten Modus berechnet der Phasenkorrekturabschnitt 6 einen Phasenwinkel Δθ (Korrekturbetrag) für jede Anzahl von Zyklen N, indem der Korrekturparameter E, der vom Einstellungsabschnitt 5 empfangen wird, durch Ausdruck (2) ersetzt wird, berechnet eine korrigierte Phase θ+Δθ durch Verschieben der Phase θ, in der das Laserlicht L mit einem Betrag ausgegeben wird, der dem Phasenwinkel Δθ entspricht, und sendet Informationen über die korrigierte Phase θ+Δθ an die Steuereinheit 3. Dadurch wird die Phase θ des Laserlichts L, das als Nächstes auszugeben ist, um einen Betrag verschoben, der Δθ gemäß dem Korrekturparameter E entspricht, und somit werden die tatsächlichen Punktpositionen um einen Betrag, der Δθ entspricht, näher an die idealen Positionen gebracht. Nach Empfangen der Signale, die das Abschließen der Einstellung des Korrekturparameters E vom Einstellungsabschnitt 5 anzeigen, hält der Phasenkorrekturabschnitt 6 die Informationen über den Korrekturparameter E bei, der letztendlich vom Einstellabschnitt 5 empfangen wird.
Im zweiten Modus berechnet der Phasenkorrekturabschnitt 6 aufgrund der Wellenformen der Steuersignale Dx(t) und Dy(t) eine Phase θt der Schwingungen des distalen Endes der optischen Faser 14 zu einem Zeitpunkt t, zu dem das Beobachtungslicht L' vom Lichtdetektionsabschnitt 7 festgestellt wird. Außerdem berechnet der Phasenkorrekturabschnitt 6 aufgrund Ausdruck (2) einen Phasenwinkel Δθt, indem die berechnete Phase θt und der Korrekturparameter E verwendet werden, der letztendlich im ersten Modus beibehalten wird. Der Phasenkorrekturabschnitt 6 sendet Informationen über den Phasenwinkel Δθt an den Koordinatenberechnungsabschnitt 8.
Es ist anzumerken, dass der Phasenkorrekturabschnitt 6, anstatt den Phasenwinkel Δθ aufgrund Ausdruck (2) zu berechnen, eine Tabelle speichern kann, in der die Korrekturparameter E den Phasenwinkeln Δθ zugeordnet sind, die im Voraus aufgrund Ausdruck (2) berechnet wurden, und einen Phasenwinkel Δθ aus der Tabelle ablesen kann, der einem vom Einstellungsabschnitt 5 empfangenen Korrekturparameter E entspricht.
Der Lichtdetektionsabschnitt 7 ist mit einem Basisende der empfangenden optischen Faser 16 verbunden, die im eingeführten Abschnitt 11 angeordnet ist. Das distale Ende der optischen Faser 16 ist an einer Oberfläche des distalen Endes des eingeführten Abschnitts 11 angeordnet. Das Beobachtungslicht L' (beispielsweise reflektiertes Licht des Laserlichts L oder Fluoreszenz, die vom Laserlicht L erregt wird), das am Abbildungsgegenstand A durch Bestrahlen mit dem Laserlicht L erzeugt wird, wird an der Oberfläche des distalen Endes der optischen Faser 16 empfangen und wird von der optischen Faser 16 zum Lichtdetektionsabschnitt 7 geführt. Obwohl 1 nur eine optische Faser 16 zeigt, können mehrere optische Fasern 16 im eingeführten Abschnitt 11 vorgesehen sein. Der Lichtdetektionsabschnitt 7 stellt zu bestimmten Zeitintervallen das Beobachtungslicht L' fest, das über die optische Faser 16 empfangen wird, und sendet die Detektionswerte It, die die Intensität des detektierten Beobachtungslichts L' anzeigen, an den Bildverarbeitungsabschnitt 9.
Der Koordinatenberechnungsabschnitt 8 berechnet Koordinaten (x,y) von Bestrahlungspositionen des Laserlichts L zum Feststellungszeitpunkt t in der Abtasttrajektorie B aufgrund des Feststellungszeitpunkts t, des Phasenwinkels Δθt und der Amplituden der Steuersignale Dx(t) und Dy(t). Hier berechnet der Koordinatenberechnungsabschnitt 8 die Koordinaten (x,y) = (Dx(θ+Δθ),Dy(θ+Δθ)) aufgrund der Amplituden der Steuersignale Dx(t) und Dy(t) in der Phase θt+Δθt, die von der Phase θt um einen Wert verschoben wird, der dem Phasenwinkel Δθt entspricht, anstatt der Phasen θt der Steuersignale Dx(t) und Dy(t) zum Feststellungszeitpunkt t. Anschließend berechnet der Koordinatenberechnungsabschnitt 8 Pixelkoordinaten (X,Y) aufgrund der Bestrahlungspositionskoordinaten (x,y) und gibt die berechneten Pixelkoordinaten (X,Y) an den Bildverarbeitungsabschnitt 9 aus.
Der Bildverarbeitungsabschnitt 9 erzeugt ein Bild, indem er Pixeln an den Koordinaten (X,Y), die vom Koordinatenberechnungsabschnitt 8 empfangen werden, die Detektionswerte It des Beobachtungslichts L' zuweist, das zu den entsprechenden Feststellungszeitpunkten t detektiert wird. Das erzeugte Bild wird an die Anzeige 10 gesendet und wird von der Anzeige 10 angezeigt.
Als Nächstes wird der Betrieb des so konfigurierten Lichtabtastendoskops 1 beschrieben.
Um ein Bild eines Abbildungsgegenstands A anhand des Lichtabtastendoskops 1 gemäß dieser Ausführungsform zu erlangen, wird zuerst der optimale Korrekturparameter E beschafft, indem das Lichtabtastendoskop 1 im ersten Modus betrieben wird.
Insbesondere bereitet ein Benutzer einen flachen Bildschirm als Abbildungsgegenstand A vor und ordnet den Bildschirm, der dem distalen Ende des eingeführten Abschnitts 11 gegenüberliegt, so an, dass er orthogonal zur Längsrichtung des eingeführten Abschnitts 11 liegt. Danach betreibt der Benutzer das Lichtabtastendoskop 1 im ersten Modus.
Wenn, wie in 6 gezeigt, der Betrieb im ersten Modus begonnen wurde, beginnt das Liefern der Steuersignale Dx(t) und Dy(t) von der Steuereinheit 3 an den Aktor 15, wodurch bewirkt wird, dass das distales Ende der optischen Faser 14 in Schwingung versetzt wird (Schritt SA1) und das Laserlicht L wird von der Lichtquelle 13 nur dann ausgegeben, wenn die Phase des Steuersignals Dx(t) 0, ⊓/2, ⊓ und 3⊓/2 ist (Abgabeschritt SA2). Dadurch wird das Laserlicht L entlang der spiralförmigen Abtasttrajektorie B periodisch auf den Bildschirm gestrahlt, und somit erscheinen Reihen von Punkten in zweiaxialen Richtungen orthogonal zueinander auf dem Bildschirm. Die Punktpositionen auf dem Bildschirm werden vom die Bestrahlungsposition feststellenden Abschnitt 4 (Schritt des Feststellens der Bestrahlungsposition SA3) festgestellt und die Punktpositionsinformationen werden an den Einstellungsabschnitt 5 gesendet.
Im Einstellungsabschnitt 5 wird der Indexwert, der die Linearitäten der Reihen von Punkten darstellt, aufgrund der Punktpositionen berechnet (Schritt SA4). Falls die Indexwerte kleiner als der vorgegeben Schwellenwert ε sind („Ja“ in Schritt SA5), wird der aktuelle Korrekturparameter E vom Phasenkorrekturabschnitt 6 beibehalten (Schritt SA6), und der erste Modus ist beendet.
Falls andererseits die Indexwerte gleich oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert ε ist („Nein“ in Schritt SA5) wird der Korrekturparameter E daraufhin im Einstellungsabschnitt 5 eingestellt (Einstellungsschritt SA7). Als Nächstes wird im Phasenkorrekturabschnitt 6 der Phasenwinkel Δθ für jede Anzahl von Zyklen N aufgrund des Ausdrucks (2) berechnet, indem der eingestellte Korrekturparameter E (Schritt SA8) verwendet wird, und es wird die korrigierte Phase θ+Δθ berechnet, die um einen Betrag korrigiert wurde, der dem Phasenwinkel Δθ entspricht (Korrekturschritt SA9).
Als Nächstes steuert die Steuereinheit 3 die Lichtquelle 13, um das Laserlicht L nur auszugeben, wenn die Phase des Steuersignals Dx(t) 0+Δθ, ⊓/2+Δθ, ⊓+Δθ und 3⊓/2+Δθ ist (Steuerungsschritt SA2). Dadurch werden die Punktpositionen des Laserlichts L um die Mitte der Abtasttrajektorie B um einen Betrag bewegt, der dem Phasenwinkel Δθ entspricht, in dem die Größe desselben mit dem Korrekturparameter E übereinstimmt.
Wie oben beschrieben werden durch das Bewegen der einzelnen Punktpositionen des Laserlichts L um Beträge, die dem Phasenwinkel Δθ entsprechen, der für jede Anzahl von Zyklen N berechnet wird, die Linearitäten der Reihen der Punkte verbessert. Daher nehmen die Indexwerte, die im anschließenden Schritt SA4 berechnet werden, kleinere Werte an. Schritt SA2 bis SA5 und SA7 bis SA9 werden wiederholt bis die Indexwerte geringer als der vorbestimmte Schwellenwert ε werden.
Nach dem Beenden des ersten Modus führt der Benutzer den eingeführten Abschnitt 11 in einen Körper ein und beobachtet das Körperinnere, indem er das Lichtabtastendoskop 1 im zweiten Modus betreibt.
Wenn, wie in 7 gezeigt, der Betrieb im zweiten Modus begonnen wurde, beginnt das Liefern der Steuersignale von der Steuereinheit 3 an den Aktor 15 (Schritt SB1) und das Laserlicht L wird von der Lichtquelle 13 kontinuierlich ausgegeben (Schritt SB2). Dadurch wird das Laserlicht L kontinuierlich auf die Oberfläche des Abbildungsgegenstands A entlang der spiralförmigen Abtasttrajektorie B gestrahlt, und das Beobachtungslicht L' wird an den Bestrahlungspositionen des Laserlichts L erzeugt. Das Beobachtungslicht L' wird von der optischen Faser 16 empfangen, und wird vom Lichtdetektionsabschnitt 7 (Schritt SB3) detektiert und die Detektionswerte It des Beobachtungslichts L' werden an den Bildverarbeitungsabschnitt 9 gesendet.
Als Nächstes wird im Phasenkorrekturabschnitt 6 die Phase θt der Steuersignale zu einem Zeitpunkt t berechnet, zu dem die Detektionswerte It detektiert werden (Schritt SB4), und der Phasenwinkel Δθ wird aufgrund Ausdruck (2) berechnet, indem die Phase θt und der optimale Korrekturparameter E verwendet werden, die in Schritt SA6 (Schritt SB5) beibehalten wurden.
Als Nächstes werden im Koordinatenberechnungsabschnitt 8 die Amplituden (Dx(θ+Δθ),Dy(θ+Δθ)) der Steuersignale Dx(t) und Dy(t) an der korrigierten Phase θt+Δθt, die von der Phase θt um einen Betrag verschoben ist, der dem Phasenwinkel Δθt entspricht (Schritt SB6), in Form der Koordinaten (x,y) der Bestrahlungspositionen des Laserlichts L zum Feststellungszeitpunkt t berechnet (Schritt SB7) und die Pixelkoordinaten (X,Y) werden aufgrund der Koordinaten (x,y) berechnet (Schritt SB8).
Als Nächstes wird im Bildverarbeitungsabschnitt 9 ein Bild erzeugt (Schritt SB9), indem die Detektionswert It den Pixeln an den Koordinaten (X,Y) zugeordnet werden (Schritt SB9).
Wie oben beschrieben, werden in dieser Ausführungsform durch Ausgeben des Laserlichts L in der gleichen Phase, Reihen von Punkten des Laserlichts L auf dem Bildschirm erzeugt, und der Korrekturparameter E, der zum Korrigieren von Bildverzerrungen zu verwenden ist, wird aufgrund der Linearitäten der Reihen von Punkten bestimmt. Auf diese Weise kann durch das Bestimmen des Korrekturparameters E aufgrund der Form von Anordnungen von mehreren Punkten anstelle der einzelnen Punktpositionen ein Korrekturparameter E ermittelt werden, in dem der Einfluss der optischen Artefakte beseitigt ist. Durch Berechnen des Phasenwinkels Δθ zum Korrigieren von Verzerrungen, indem der optimierte Korrekturparameter E verwendet wird, kann auch ein Bild erzeugt werden, in dem die Figurenverzerrung in der Abtastrichtung des Laserlichts L beseitigt ist.
Außerdem ergibt sich durch das Verwenden der Phasenwinkel Δθ, die proportional zu den zeitbedingten Änderungen der Amplituden der Schwingungen des distalen Endes der optischen Faser 14 an den einzelnen Anzahlen von Zyklen N sind, ein Vorteil daraus, dass die Verschiebungen der Bestrahlungspositionen des Laserlichts L, die für jede Anzahl von Zyklen N unterschiedlich sind, genau korrigiert werden können, und Figurenverzerrungen daher genau korrigiert werden können.
In dieser Ausführungsform kann der Bildschirm an einer Position angeordnet sein, die vom distalen Ende des eingeführten Abschnitts 11 weiter entfernt ist, sodass Figuren der Reihen von Punkten auf dem Bildschirm vergrößert sind.
Dadurch kann die Genauigkeit der Beurteilung der Linearitäten der Reihen von Punkten verbessert werden und somit kann die Genauigkeit des Korrigierens von Bildverzerrung verbessert werden.
In dieser Ausführungsform kann die Zeitgebung geändert werden, mit der das Laserlicht L von der Lichtquelle 13 ausgegeben wird, solange die Linearitäten der Reihen von Punkten beurteilt werden können. Beispielsweise kann das Laserlicht L nur abgegeben werden, wenn die Phase θ = 0 ist. Alternativ kann das Intervall der Phase θ auf eine Phase eingestellt werden, die nicht ⊓/2 ist, beispielsweise, ⊓/6. Vorzugsweise sind die Intervalle der Phase θ, in der das Laserlicht L ausgegeben wird, gleiche Intervalle.
Falls das Intervall der Phase θ erhöht wird, in der das Laserlicht L ausgegeben wird, kann der Arbeitsaufwand verringert werden, da die Anzahl der Reihen von zu beurteilenden Punkten verringert wird. Andererseits kann eine teilweise Abweichung einer Linse oder dergleichen beurteilt werden, falls das Intervall der Phase θ, in der das Laserlicht L ausgegeben wird, verringert wird.
Obwohl in dieser Ausführungsform Ausdruck (2) als Funktion verwendet wird, die das Verhältnis zwischen der Anzahl der Zyklen N und dem Phasenwinkel Δθ darstellt, kann alternativ ein polynominaler Ausdruck verwendet werden. Als polynomialer Ausdruck kann beispielsweise ein Ausdruck (3) unten verwendet werden. Ausdruck (3) ist ein Ausdruck, in dem eine Taylorentwicklung an sinα/(1-cosα) mit α = ⊓ unter der Annahme, dass 2⊓ft/N = α ist, durchgeführt wird. Durch Verwendung eines polynomialen Ausdrucks kann die interne Speichermenge reduziert werden. $\begin{matrix} Δ θ & = E {π / 2−α / 2+ {(π−α)}^{3} / 24 + {(π - α)}^{5} / 240 \\ + 17 {(π - α)}^{7} / 40320 + 31 {(π - α)}^{9} / 725760 + \dots \\ + 221930581 {(π - α)}^{19} / 486580401635328000} \end{matrix}$
Außerdem können durch Vorbereiten mehrerer polynominalen Ausdrücke die polynominalen Ausdrücke im Übereinstimmung mit der Anzahl der Zyklen N getrennt verwendet werden. Die optimale Funktion Δθ(t) ist unterscheidet sich, wenn die Anzahl der Zyklen N niedrig ist, von der, wenn die Anzahl der Zyklen N hoch ist. Daher kann der Phasenwinkel Δθ durch getrenntes Verwenden der polynomialen Ausdrücke gemäß der Anzahl der Zyklen N präziser berechnet werden.
In dieser Ausführungsform kann alternativ Lissajous-Abtastung verwendet werden, obwohl das Laserlicht L auf spiralförmige Weise abgetastet wird.
Wie beim spiralförmigen Abtasten tritt auch bei der Lissajous-Abtastung eine Verzerrung im Zusammenhang mit der Modulation der Amplituden der Steuersignale auf. Daher kann die Verzerrung anhand des oben beschriebenen Verfahrens korrigiert werden.
In dieser Ausführungsform kann der Benutzer alternativ den Korrekturparameter E manuell einstellen, obwohl der Einstellungsabschnitt 5 den Korrekturparameter E automatisch aufgrund der Formen der Reihen von Punkten einstellt, die vom die Bestrahlungsposition feststellenden Abschnitt 4 erlangt werden.
In diesem Fall ist der Einstellungsabschnitt 5 so konfiguriert, dass der Benutzer den Wert des Korrekturparameters E eingeben kann. Beispielsweise kann der Einstellungsabschnitt 5 eine grafische Benutzerschnittstelle sein, die auf der Anzeige 10 eine Grafik zum Eingeben des Werts des Korrekturparameters E anhand einer Tastatur anzeigt. Alternativ kann der Einstellungsabschnitt 5 eine Wählscheibe sein, mit der der Korrekturparameter E gemäß dem Drehwinkel derselben eingestellt werden kann.
In dieser Ausführungsform wird als die Steuerfrequenz f eine Frequenz, die gleich der Resonanzfrequenz der optischen Bestrahlungsfaser 14 ist, oder eine Frequenz in der Umgebung der Resonanzfrequenz verwendet. Die Art und Weise, auf die Bildverzerrung auftritt, ändert sich mit dem Größenverhältnis zwischen der Resonanzfrequenz des optischen Faser 14 und der Steuerfrequenz f wie nachstehenden beschrieben.
Falls die Steuerfrequenz f niedriger als die Resonanzfrequenz ist, werden die Phase der Steuersignale und die Phase der Schwingungen der optischen Faser 14 identisch, wenn die optische Faser 14 mit einer bestimmten Amplitude schwingt. Wenn die Amplitude der Schwingungen der optischen Faser 14 moduliert wird, wird die Phase der Schwingungen der optischen Faser 14 auf der Bahn nach außen bezüglich der Phase der Steuersignale verzögert, und auf der zurückkehrenden Bahn wird die Phase der Schwingungen der optischen Faser 14 bezüglich der Phase der Steuersignale vorangebracht. Wenn sich die Steuerfrequenz f der Resonanzfrequenz nähert, werden die Verzögerung und das Voranbringen der Phase erhöht.
Falls die Steuerfrequenz f höher als die Resonanzfrequenz ist, werden die Phase der Schwingungen der optischen Faser 14 bezüglich der Phase der Steuersignale um einen Betrag n verzögert, wenn die optische Faser 14 mit einer bestimmten Amplitude schwingt. Wenn die Amplitude der Schwingungen der optischen Faser 14 moduliert wird, wird die Phase der Schwingungen der optischen Faser 14 auf der Bahn nach außen bezüglich der Phase der Steuersignale vorangebracht, und auf der zurückkehrenden Bahn wird die Phase der Schwingungen der optischen Faser 14 bezüglich der Phase der Steuersignale verzögert. Wenn sich die Steuerfrequenz f der Resonanzfrequenz nähert, werden die Verzögerung und das Voranbringen der Phase erhöht.
Falls die Steuerfrequenz f gleich der Resonanzfrequenz ist, werden die Phase der Schwingungen der optischen Faser 14 bezüglich der Phase der Steuersignale um einen Betrag n/2 verzögert, wenn die optische Faser 14 mit einer bestimmten Amplitude schwingt. Wenn die Amplitude der Schwingungen der optischen Faser 14 moduliert wird, schwankt die Phase der Schwingungen der optischen Faser 14 bezüglich der Phase der Steuersignale tendenziell stark.
Bezugszeichenliste

1: Lichtabtastendoskop
2: Lichtabtastabschnitt
3: Steuereinheit
4: die Bestrahlungsposition feststellender Abschnitt
5: Einstellungsabschnitt
6: Phasenkorrekturabschnitt
7: Lichtdetektionsabschnitt
8: Koordinatenberechnungsabschnitt
9: Bildverarbeitungsabschnitt
10: Anzeige
11: eingeführter Abschnitt
12: Gehäuse
13: Lichtquelle
14, 16: optische Faser
15: Aktor
A: Abbildungsgegenstand
B: Abtasttrajektorie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5190267 [0003]

Claims

Lichtabtastendoskop, umfassend: einen Lichtabtastabschnitt, der durch Schwingen einer optischen Faser Licht abtastet, das von der optischen Faser abgegeben wird; eine Steuereinheit, die eine Zeitgebung steuert, mit dem Licht von der optischen Faser abgegeben wird, sodass das Licht mit der gleichen Phase wie die Schwingungen der optischen Faser abgegeben wird; einen Einstellungsabschnitt, der einen Verzerrungskorrekturbetrag aufgrund einer Form einer Reihe von Bestrahlungspositionen des Lichts auf einem Abbildungsgegenstand einstellt, das von der optischen Faser abgegeben wird; und und einen Phasenkorrekturabschnitt, der die Phase, bei der das Licht abgegeben wird, aufgrund des Verzerrungskorrekturbetrags korrigiert, der vom Einstellungsabschnitt eingestellt wird.
Lichtabtastendoskop nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen die Bestrahlungsposition feststellenden Abschnitt, der die Lichtbestrahlungspositionen auf dem Abbildungsgegenstand feststellt.
Lichtabtastendoskop nach Anspruch 2, wobei der die Bestrahlungsposition feststellende Abschnitt mit einer Vorrichtung zum Feststellen zweidimensionalen Lichts vorgesehen ist, die die Bestrahlungspositionen feststellt, die zweidimensional auf dem Abbildungsgegenstand angeordnet sind.
Lichtabtastendoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuereinheit die Zeitgebung, mit der das Licht von der optischen Faser abgegeben wird, so steuert, dass das Licht mit gleichen Phasenintervallen abgegeben wird.
Lichtabtastendoskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Lichtabtastabschnitt bewirkt, dass sich eine Amplitude der Schwingungen der optischen Faser zeitbedingt ändert, und der Phasenkorrekturabschnitt zusätzlich zum Verzerrungskorrekturbetrag einen Korrekturbetrag für die Phase aufgrund der zeitbedingten Änderung der Amplitude der Schwingungen der optischen Faser berechnet.
Verfahren zum Betreiben eines Lichtabtastendoskops, umfassend: einen Abgabeschritt des Abgebens von Licht von einer schwingenden optischen Faser mit der gleichen Phase wie die Schwingungen der optischen Faser; einen Einstellungsschritt, des Einstellens eines Verzerrungskorrekturbetrags aufgrund einer Form einer Reihe von Bestrahlungspositionen des Lichts auf einem Abbildungsgegenstand; einen Korrekturschritt des Korrigierens der Phase, bei der das Licht von der optischen Faser abgegeben wird, aufgrund des im Einstellungsschritt eingestellten Verzerrungskorrekturbetrags; und einen Steuerungsschritt des Steuerns einer Zeitgebung, mit der das Licht von der optischen Faser abgegeben wird, sodass das Licht mit der Phase abgegeben wird, die im Korrekturschritt korrigiert wurde.