JP2010527028A - 可変周波数の駆動信号による走査ファイバ装置の駆動 - Google Patents

Abstract

走査ファイバ装置の片持ち光ファイバを動かし、或いは振動させる方法を開示する。１つの態様では、この方法は、片持ち光ファイバの共振周波数から実質的に離れた初期周波数で片持ち光ファイバを振動させるステップを含むことができる。その後、片持ち光ファイバの振動周波数を共振周波数に向けてある時間にわたって変化させることができる。片持ち光ファイバが振動される間に、片持ち光ファイバの端部を通じて光を導くことができる。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、走査ファイバ装置に関する。具体的には、本発明の実施形態は、走査ファイバ装置の片持ち光ファイバを作動又は振動させることに関する。

一般に、走査ファイバ装置は、画像を構築するために走査パターンにおいて１次元又は２次元で振動又は走査させることができる単一の片持ち光ファイバを含む。一般に片持ち光ファイバは、その機械的共振周波数又は振動共振周波数において、或いはその極めて近くにおいて振動する。

米国特許出願第２００６００７２８４３号公報

本発明の実施形態を示すために用いる以下の説明及び添付図面を参照することにより、本発明を最も良く理解することができる。

本発明の実施形態による例示的な走査ファイバシステムのブロック図である。 本発明の１又はそれ以上の実施形態による適当な走査ファイバ装置の一例の断面側面図である。 周波数が一定で振幅が増加するアクチュエータ駆動信号を示すグラフである。 片持ち光ファイバを渦巻き走査パターンで走査するために、図２に示すものと同様の走査ファイバ装置のアクチュエータの４つの象限電極に印加することができる一対の位相不一致、周波数が一定で振幅が増加するアクチュエータ駆動信号を示す図である。 照明スポットからの後方散乱光を一定の割合でサンプリングした場合、図４に示すような周波数が一定で振幅が増加するアクチュエータ駆動信号で生成される渦巻き走査パターンの中心部にオーバーサンプリングが発生する可能性があることを概念的に示す図である。 第１の共鳴モードで動作する片持ち光ファイバの共振ゲイン特性のグラフである。 本発明の実施形態による、走査ファイバ装置の片持ち光ファイバを作動させる方法のブロック図である。 本発明の実施形態による、片持ち光ファイバを作動させるための第１の方法を示すグラフである。 本発明の実施形態による、図８に示す第１の方法に基づく周波数が可変（減少）で振幅が一定のアクチュエータ駆動信号を示すグラフである。 本発明の実施形態による、片持ち光ファイバを作動させるための第２の方法を示すグラフである。 本発明の実施形態による、図１０に示す第２の方法に基づく周波数が可変（増加）で振幅が一定のアクチュエータ駆動信号を示すグラフである。 本発明の実施形態による、片持ち光ファイバ及び／又はアクチュエータ駆動信号の周波数の変化率を、ある時間にわたって実質的に一定にできることを示すグラフである。 本発明の実施形態による、片持ち光ファイバ及び／又はアクチュエータ駆動信号の周波数の変化率が、ある時間にわたって実質的に一定でなく、すなわち実質的に変化し得ることを示すグラフである。 本発明の実施形態による、アクチュエータ駆動信号の周波数及び振幅の両方が時間とともに変化し得ることを示すグラフである。

以下の説明では、数多くの特定の詳細を記載する。しかしながら、これらの特定の詳細を伴わずに本発明の実施形態を実施できることを理解されたい。その他の例では、本説明の理解をあいまいにしないように、公知の回路、構造、及び技術については詳細に示していない。

図１は、本発明の実施形態による例示的な走査ファイバシステム１００のブロック図である。本発明の様々な実施形態では、走査ファイバシステムは、走査ファイバ内視鏡、走査ファイバボロスコープ、走査ファイバ顕微鏡、その他の種類の走査ファイバスコープ、走査ファイババーコードリーダ、走査ファイバ画像表示装置、或いは当業で公知のその他の走査ファイバ画像取得及び／又は表示装置の形をとることができる。

周知のように、内視鏡とは、患者の体内に挿入して体腔、管腔内部を調べ、或いは別様に患者の内部を調べるための機器又は装置のことを表す。ほんのいくつか例を挙げれば、以下に限定されるわけではないが、適当な種類の内視鏡の例として気管支鏡、大腸鏡、胃鏡、十二指腸鏡、Ｓ字結腸鏡、胸腔鏡、尿管鏡、上顎洞鏡、ボロスコープ、及び胸腔鏡が挙げられる。

走査ファイバシステムは、ベースステーション１０１及び走査ファイバ装置１０２を含む２つの部分に分かれた形成要素を有するが、このような２つの部分に分かれた形成要素は必須ではない。走査ファイバ装置は、１又はそれ以上のケーブル１１２を通じてベースステーションと電気的及び光学的に結合される。詳細には、走査ファイバ装置は、ベースステーションの対応するコネクタインターフェイス１０６に接続又は嵌合するコネクタ１０５を含む。

ベースステーションは、光路１０８を通じて走査ファイバ装置に光を供給する光源１０３を含む。適当な光源の例として、以下に限定されるわけではないが、レーザ、レーザダイオード、垂直空洞表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、当業で公知のその他の発光素子、及びこれらの組み合わせが挙げられる。本発明の様々な例示的な実施形態では、光源として、赤色光源、青色光源、緑色光源、ＲＧＢ光源、白色光源、赤外光源、紫外光源、高強度治療用レーザ光源、又はこれらの組み合わせを挙げることができる。特定の実施構成に応じて、光源は、連続する光の流れ、変調光、又は光パルスの流れを放射することができる。

ベースステーションはまた、本明細書でアクチュエータ駆動信号と呼ぶ電気信号をアクチュエータ駆動信号経路１０７を通じて走査ファイバ装置に供給するアクチュエータドライバ１０４も含む。ハードウェア（例えば回路）、ソフトウェア（例えばルーチン又はプログラム）、又はハードウェアとソフトウェアとの組み合わせでアクチュエータドライバを実現することができる。

本発明の１又はそれ以上の実施形態では、アクチュエータドライバは、作動駆動信号値を供給することができる、メモリに記憶された１又はそれ以上の参照テーブル又はその他のデータ構造を含むことができる。一例として、作動駆動信号値は、較正に基づいて調整された理想値であってもよい。１つの適当な種類の較正が、Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎによる「画像内の歪みを低減するための再マッピング法」という名称の米国特許出願第２００６００７２８４３号に記載されている。その他の較正方法も適している。或いは、アクチュエータドライバは、作動駆動信号値をリアルタイムで計算するためのプロセッサ、ＡＳＩＣ、又はその他の回路を含むことができる。別の選択肢として、計算結果を利用して、記憶した値の間を補間することができる。アクチュエータドライバは、参照テーブル又は値を生じる計算を繰り返すことができる。これらの値はデジタルであってもよく、アクチュエータドライバのデジタル−アナログ変換器にこの値を供給することができる。アクチュエータドライバはまた、アナログバージョンのアクチュエータ駆動信号を増幅するための１又はそれ以上の増幅器を含むこともできる。これらは、適当なアクチュエータドライバのほんのいくつかの具体例に過ぎない。

走査ファイバ装置１０２は、単一の片持ち光ファイバ１１３と、この片持ち光ファイバを作動させ、或いは動かすためのアクチュエータ１１４を含む。適当な種類のアクチュエータの例として、以下に限定されるわけではないが、圧電管、電気活性ポリマー（ＥＡＰ）管、その他のアクチュエータ管、その他の圧電アクチュエータ、その他のＥＡＰアクチュエータ、磁気アクチュエータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエータ、音波アクチュエータ、電気音響アクチュエータ、電気機械アクチュエータ、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）、及び片持ち光ファイバを動かすことができるその他のトランスデューサが挙げられる。

アクチュエータは、アクチュエータ駆動信号を受信することができる。アクチュエータは、受信したアクチュエータ駆動信号に基づき、及びこれに応答して片持ち光ファイバを作動させ、或いは動かすことができる。本発明の実施形態では、アクチュエータ駆動信号により、アクチュエータが片持ち光ファイバを走査パターンで動かせるようになる。適当な２次元走査パターンとして、以下に限定されるわけではないが、円形又は楕円形の渦巻き走査パターン、及びその他の拡大走査パターンが挙げられる。

片持ち光ファイバは、光源から光を受光することができる。片持ち光ファイバを走査パターンで動かしている間に、この光ファイバの遠位端又は先端１２２から光を放射し、或いはここを通じて光を導くことができる。放射光を、１又はそれ以上のレンズ１２０を通過させて、面１２３にわたって走査パターンで動かすことができる収束ビーム又は照明スポットを生成することができる。例図には渦巻き走査パターンを示しており、点は走査中の特定の時点における照明スポットの位置を示している。

走査ファイバ装置を使用して、画像を構築することができる。画像を構築するステップは、面上に画像を表示又は形成するステップ、及び／又は面の画像を取得するステップを含むことができる。面上に画像を表示するステップでは、光ファイバの端部から放射される光を、走査中に位置に応じて変調できるとともに、面上に望ましい画像を形成するためにほとんどの場合レンズ系を通過させることができる。面の画像を取得するステップでは、走査ファイバ装置が、レンズ系を通じて走査中の面にわたって照明スポットを走査することができる。後方散乱光を時系列で取り込み、これを使用して画像を構築することができる。

後方散乱光を集光する様々な方法が考えられる。図示のように、後方散乱光を集光し、ベースステーションの１又はそれ以上の任意の光検出器１１０に逆搬送するために、１又はそれ以上の光ファイバ又はその他の後方散乱光路１０９を任意に含むことができる。或いは、走査ファイバ装置が、その遠位端近くに任意に光検出器を含むことができる。ベースステーションはまた、光検出器が検出した光に基づいて画像を生成し、表示するために、任意の画像処理及び表示システム１１１を含むこともできる。なお、一般に画像表示装置では、後方散乱光の集光及び検出は省略される。

説明をあいまいにしないように、簡略化したベースステーションを示している。ベースステーションは他の構成要素を含むこともできると理解されたい。ベースステーションに含めることができる代表的な構成要素として、以下に限定されるわけではないが、電源、ユーザインターフェイス、メモリなどが挙げられる。さらに、ベースステーションは、時計、増幅器、デジタル−アナログ変換器、アナログ−デジタル変換器などの補助構成要素を含むこともできる。

図２は、本発明の１又はそれ以上の実施形態による、適当な走査ファイバ装置２０２の一例の断面側面図である。この特定の走査ファイバ装置は、内視鏡又はその他の比較的小型の装置としての使用に非常に適するものであるが、その他の実施構成では、設計及び動作が大きく異なってもよい。本発明の範囲は、この特定の装置に限定されるものではない。

走査ファイバ装置はハウジング２１５を含む。１又はそれ以上の実施形態では、ハウジングは、比較的小さな密閉されたものであってもよい。例えば、ハウジングは概ね管状であってもよく、約５ミリメートル（ｍｍ）以下の直径、及び約２０ｍｍ以下の長さを有することができる。通常、ハウジングは１又はそれ以上のレンズ２２０を含む。適当なレンズの例としてＰｅｎｔａｘ社製のものが挙げられるが、その他のレンズを任意に使用してもよい。

ハウジングにはアクチュエータ管２１４が含まれ、取付環２１６でハウジングに取り付けられる。本発明の１又はそれ以上の実施形態では、アクチュエータ管は、例えばＰＺＴ ５Ａ材料等からなる圧電管を含むことができるが、これは必須ではない。適当な圧電管が、以下に限定されるわけではないが、米国ニュージャージー州フェアフィールドのＭｏｒｇａｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｓａｌｅｓ社、カナダ、オンタリオ州コリングウッドのＳｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社、米国マサチューセッツ州オーバーンのＰＩ（Ｐｈｙｓｉｋ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ）Ｌ．Ｐ．社を含むいくつかの供給元から市販されている。取付環のぴったりと一致する概ね円筒形の開口部を通じてアクチュエータ管を挿入することができる。

単一の光ファイバ２１７の一部が、アクチュエータ管内の概ね円筒形の開口部を通じて挿入される。光ファイバの片持ち状の自由端部２１３が、ハウジング内でアクチュエータ管の端部を超えて延び、この自由端部２１３をアクチュエータ管の端部に取り付けることができる。他の構成もまた可能である。片持ち光ファイバは撓みやすく、アクチュエータによりこれを振動させ、或いは動かすことができる。

アクチュエータ管は上部に電極２１８を有する。電線又はその他の導電パス２１９を電極と電気的に結合して、アクチュエータ駆動信号を電極に伝達する。本発明の１つの例示的な実施形態では、片持ち光ファイバを２次元で動かすために、アクチュエータ管が、外面に４つの象限金属電極を有する圧電管を含むことができる。４つの経路を４つの電極のそれぞれの１つに各々ハンダ付けし、或いは別様に電気的に結合させることができる。アクチュエータ駆動信号に応答して、４つの電極により、圧電管が光ファイバを２次元走査パターンで振動させ、或いは動かすようにすることができる。或いは、２つの直交する電極を任意に使用することができる。１又はそれ以上の実施形態では、圧電管が、その内面に任意の接地電極を有することができる。

図示のように、１又はそれ以上の実施形態では、照明スポットからの後方散乱光を集光し、例えばベースステーション内に位置する１又はそれ以上の光検出器に逆搬送するために、ハウジングの外側周辺に１又はそれ以上の光ファイバ２２１を任意に含むことができる。或いは、走査ファイバ装置の遠位端に１又はそれ以上の光検出器を含んでもよく、或いはこの光検出器を完全に省いてもよい。

アクチュエータを駆動し、及び／又は片持ち光ファイバを動かすための様々な方法が存在する。１つの方法は、アクチュエータを一定周波数のアクチュエータ駆動信号で駆動することである。この一定周波数は、一般に片持ち光ファイバの共振周波数に、或いはその直近に存在する。

図３は、周波数が一定で振幅が増加するアクチュエータ駆動信号を示すグラフである。水平軸上に時間を示しているのに対し、垂直軸上に振幅を示している。

アクチュエータ駆動信号は周期的形状を有し、この特定の例では正弦曲線又は正弦波形状である。正弦曲線は、繰り返しパターンのピークを有する。単位時間当たりのピーク数が信号の周波数である。例示の駆動信号では、周波数は一定である。正弦波の周波数は、波長又は隣接するピーク間の間隔に反比例する。周波数が一定であるため、波長もまた一定である。図示のように、最初の第１の波長（ｗ１）は最後の第２の波長（ｗ２）に等しい。

ピークの高さが駆動信号の振幅である。駆動信号の振幅が時間とともに増加することに留意されたい。最初の第１の振幅（ａ１）は最後の第２の振幅（ａ２）よりも小さい。振幅はアクチュエータ駆動信号の電圧に一致する。

図４は、片持ち光ファイバを渦巻き走査パターン４２５で走査するために、図２に示すものと同様の走査ファイバ装置のアクチュエータの４つの象限電極に印加することができる一対の位相がずれ、周波数が一定で振幅が増加するアクチュエータ駆動信号を示す図である。この一対の駆動信号には、垂直のアクチュエータ駆動信号４２６（ｙ＝ａ₁＊ｓｉｎ（ωｔ＋φ））と、水平のアクチュエータ駆動信号４２７（ｚ＝ａ₂＊ｃｏｓ（ωｔ））とが含まれる。これらの方程式では、ａ１及びａ２は潜在的に異なる振幅であり、ωは２＊π＊ｆであり、ｆは周波数、ｔは時間、さらにφは位相シフトである。

アクチュエータ駆動信号は、各々が一定で等しい周波数、及び増加する振幅を有する。円形断面の光ファイバの場合、水平のアクチュエータ駆動信号と垂直のアクチュエータ駆動信号とが同じ周波数を有することになる。通常、水平のアクチュエータ駆動信号と垂直のアクチュエータ駆動信号では位相が約９０°ずれる。実際のシステムでは、振幅が同じでない場合があり、位相差は９０°の位相ずれと異なることがある。渦巻きの「直径」は、駆動信号の振幅が増加するにつれて増加する。一般に、最大振幅に一致して最大直径が現れる。

図５は、照明スポットからの後方散乱光を一定の割合でサンプリングした場合、図４に示すような周波数が一定で振幅が増加するアクチュエータ駆動信号で生成される渦巻き走査パターンの中心部にオーバーサンプリングが発生する可能性があることを概念的に示す図である。片持ち光ファイバの周波数（又は単位時間当たりの回転数）が一定の場合、片持ち光ファイバの速度は、（渦巻きの直径が大きい）渦巻きの外側の一巻きよりも（渦巻きの直径が小さい）渦巻きの中心において遅くなり得る。この結果、照明スポットからの後方散乱光を一定の割合でサンプリングした場合、渦巻きの外側の一巻きすなわち周辺部分よりも渦巻きの中心部分の方が、渦巻きの単位長当たりでかなり多くの点がサンプリングされる可能性がある。

例図では、点を使用してサンプリング位置を概念的に表している。外側の一巻きよりも中心の方が単位長当たりで多くの点が存在することに気付かれたい。実際には、中心におけるオーバーサンプリングの量は、外側の一巻きにおけるサンプリングの量よりも数１０倍又は数１００倍多い場合もあるが、これは渦巻きのサイズ及びその他の要因によって変わることがある。中心でオーバーサンプリングされた点又は位置を平均化してノイズを低減させることができるが、これらは単純に破棄されることもある。いくつかの実施構成では、渦巻き走査パターン全体にわたってこれらのサンプリング位置をより均等に分散させることが有利な場合がある。同様の理由から、走査ビーム画像表示装置では、変調された照明スポットの数が中心部分に多いため、光ファイバの速度が渦巻きの中心部分で遅くなることにより、一定のピクセルサンプリング率の画像の中心部分が増光する傾向を有する場合がある。

図６は、第１の共鳴モードで動作する片持ち光ファイバの共振ゲイン特性のグラフである。水平軸上に片持ち光ファイバの振動周波数を示しているのに対し、垂直軸上に片持ち光ファイバの自由遠位端の変位又は偏向を示している。

変位は、機械的共振周波数又は振動共振周波数の前後で増加し、この周波数でピークに達する。このことは、片持ち光ファイバの共振ゲインの増加に起因する。例図では、変位は比較的周波数にガウス依存し、共振周波数において最大変位が生じる。実際には、このようなガウス依存から著しく逸脱する場合もあるが、通常、変位はやはり共振周波数においてピークに達する。

実際には、一般に光ファイバは、その共振周波数又は共振周波数の調波において、或いはこれらの周波数の前後、例えばＱ係数内において振動される。周知のように、Ｑ係数とは、共振ゲイン曲線の幅に対する曲線の高さの比率のことである。共振ゲインが高いことにより、上記振動は、所定の変位の実現又は所定の走査の実行に必要なエネルギー量又はアクチュエータ駆動信号の大きさを低減させるのに役立つことができる。

しかしながら、共振周波数において、或いはその前後で動作することにより、アクチュエータ駆動信号の位相に対して約９０°の位相ずれが光ファイバに加わる可能性がある。これにより、共振周波数において、或いはその前後で、駆動信号が位相を比較的高感度に置く傾向を有する場合がある。画像の中心部分ではファイバの変位がほとんど無く、画像の周辺部分と比較して、位相感度による歪みがより顕著となる可能性がある。従って、共振周波数をわずかに変化させる環境条件のわずかな変化により、ファイバがその共振周波数又はその直近で振動された時に、構築される画像の中心部分に歪みが生じる傾向を有する可能性がある。走査パターンの中心部分における光ファイバの周波数が共振周波数から実質的に離れている場合、これらの歪みを低減させることができる。

図６から、アクチュエータ駆動信号の振幅が一定であっても、光ファイバの周波数を変化させるだけで変位を変化させることができることに気付かれたい。本発明の実施形態では、一定周波数のアクチュエータ駆動信号でアクチュエータを駆動するのではなく、可変周波数のアクチュエータ駆動信号でアクチュエータを駆動することができる。

図７は、本発明の実施形態による、走査ファイバ装置の片持ち光ファイバを作動させる方法７３０のブロック図である。ブロック７３１において、片持ち光ファイバの共振周波数から実質的に離れた初期周波数で片持ち光ファイバを振動させることができる。次に、ブロック７３２において、ある時間にわたって片持ち光ファイバの振動周波数を共振周波数に向けて変化させることができる。

２つの異なる方法が考えられる。第１の方法では、アクチュエータ駆動信号の初期又は開始周波数を共振周波数よりも大きくすることができ、アクチュエータ駆動信号の周波数を共振周波数に向けて減少させることができる。

図８は、本発明の実施形態による、片持ち光ファイバを作動させるための第１の方法を示すグラフである。第１の方法を、図６に示したものと同様の曲線上に重ね合わせている。

片持ち光ファイバは、初期周波数で動き又は振動を開始することができる。図示のように、初期周波数は共振周波数よりも大きく、共振周波数から実質的に離れている。本明細書では、初期周波数と共振周波数とがＱ係数よりも大きく異なる場合、初期周波数は共振周波数から実質的に離れているものとする。代替の実施形態では、初期周波数は、共振周波数からさらに遠くてもよいし、或いは共振周波数にさらに近くてもよい。

その後、片持ち光ファイバの振動周波数を、共振周波数に向かう方向へ最終周波数又は停止周波数に達するまである時間にわたって段階的及び連続的に減少させることができる。図示のように、本発明の１又はそれ以上の実施形態では、最終周波数を共振周波数と実質的に等しくすることができる。或いは、最終周波数は、共振周波数と初期周波数との間にあってもよい。

周波数が共振周波数に向けて減少するにつれ、共振ゲイン量は増加することになる。この結果、アクチュエータの駆動に使用するアクチュエータ駆動信号の振幅が一定のままの場合でも変位を増加させることができるが、これは必須ではない。例示のガウス曲線が片持ち光ファイバを正確に表すと仮定した場合、ゲイン量は、時間とともに例示の初期周波数と最終周波数との間の曲線の形をたどることができるが、上述したように、異なる光ファイバは異なる共振ゲイン曲線を特徴とする場合がある。変位の増加を使用して、渦巻き走査パターン又はその他の拡大走査パターンで光ファイバを走査することができる。

共振周波数よりも大きな初期周波数から開始し、その後周波数を減少させることの１つの潜在的な利点に、渦巻き走査パターン及びある他の走査パターンの中心部分におけるオーバーサンプリングの減少がある。渦巻き走査パターンの場合、初期周波数が大きいことにより、片持ち光ファイバの単位時間当たりの回転数をより大きくすることができ、従って、低い初期周波数を使用した場合と比べて、走査の中心部分における片持ち光ファイバの速度を速くすることもできる。この速い速度は、サンプリング位置を走査パターン全体にわたってより均等に分散するのに役立つことができる。

図９は、本発明の実施形態による、図８に示す第１の方法に基づく周波数が可変（減少）で振幅が一定のアクチュエータ駆動信号を示すグラフである。このグラフは、水平軸上に時間を示しているのに対し、垂直軸上にアクチュエータ駆動信号の振幅を示している。

アクチュエータ駆動信号は、周期波形又は反復波形を有する。例示の特定の波形は正弦曲線であるが、これは必須ではない。ほんのいくつか例を挙げれば、以下に限定されるわけではないが、適当な非正弦曲線の周期波形の例として方形波、三角波、及び鋸歯波形が挙げられる。アクチュエータ駆動信号の周波数は時間とともに減少する。本発明の実施形態では、アクチュエータ駆動信号の初期周波数を共振周波数よりも大きくすることができ、アクチュエータ駆動信号の周波数を共振周波数に向かう方向に減少させることができる。図示のように、信号の周波数は最初に高く、最後に低くなる。

図示のように、本発明の実施形態では、可変周波数のアクチュエータ駆動信号の振幅すなわちピークの高さを実質的に一定にすることができる。本明細書では、振幅の変化が１０％未満の場合、振幅は実質的に一定であるものとする。一例として、駆動信号の初期振幅（ａ１）は、最終振幅（ａ２）に等しいか、或いは少なくとも実質的に等しい。

第２の方法では、アクチュエータ駆動信号の初期周波数を共振周波数よりも小さくすることができ、アクチュエータ駆動信号の周波数を共振周波数に向けて増加させることができる。

図１０は、本発明の実施形態による、片持ち光ファイバを作動させるための第２の方法を示すグラフである。第２の方法では、片持ち光ファイバが、共振周波数よりも小さい初期周波数で動き又は振動を開始する。その後、片持ち光ファイバの振動周波数が、共振周波数に向かう方向へ最終周波数又は停止周波数に達するまである時間にわたって増加する。共振周波数よりも下から開始することにより、渦巻き走査パターンの中心部分においてより多くのオーバーサンプリングが生じる傾向を有する可能性はあるが、これは大きな変位を実現するための別の方法である。

図１１は、本発明の実施形態による、図１０に示す第２の方法に基づく周波数が可変（増加）で振幅が一定のアクチュエータ駆動信号を示すグラフである。このアクチュエータ駆動信号では、周波数が時間とともに増加する。本発明の実施形態では、初期周波数を共振周波数よりも小さくすることができ、アクチュエータ駆動信号の周波数を共振周波数に向かう方向に増加させることができる。

その他の点では、第２の方法は、前述した第１の方法と同様の変形例及び代替例を有することができる。説明をあいまいにしないように、これらについては繰り返さない。

片持ち光ファイバ及び／又はアクチュエータ駆動信号の周波数を時間とともに変化させる別の方法が考えられる。１又はそれ以上の実施形態では、周波数の変化率を実質的に一定にすることができる。或いは、１又はそれ以上の実施形態では、周波数の変化率を実質的に非一定にすることができる。

図１２は、本発明の実施形態による、片持ち光ファイバ及び／又はアクチュエータ駆動信号の周波数の変化率を、ある時間にわたって実質的に一定にできることを示すグラフである。このグラフは、水平軸上に時間を示しているのに対し、垂直軸上に周波数を示している。

例図では、周波数が初期周波数（ｆ１）から最終周波数（ｆ２）まで線形に減少する。代替の実施形態では、周波数を線形に増加させることもできる。この線形性は、周波数の変化率が一定、又は少なくとも実質的に一定であることを意味する。本明細書では、周波数の変化率の変化が１０％未満である場合、周波数の変化率は実質的に一定であるものとする。

特定の渦巻き走査パターンの例では、場合によっては、周波数の変化率が一定であることにより、渦巻きの中心及び外側部分において渦巻きの巻き数が比較的多く、渦巻きの中間部分において渦巻きの巻き数が比較的少ない傾向となる可能性がある。図８に示すガウス曲線を少し参照すると、変位が周波数変化とともに最も急激に増加する（すなわち最も急な勾配を有する）のがこの中間部分であることがすぐにわかる。変位はこの中間部分で急激に増加するため、一定の周波数の変化率を使用した場合、この中間部分で渦巻きの直径が急激に増加する可能性がある。場合によっては、渦巻きの巻き間隔が等しいか、或いは少なくともより等しいことが望ましい場合がある。

図１３は、本発明の実施形態による、片持ち光ファイバ及び／又はアクチュエータ駆動信号の周波数の変化率が、ある時間にわたって実質的に一定でなく、すなわち実質的に変化し得ることを示すグラフである。この例図では、周波数は時間とともに減少する曲線形を有する。或いは、周波数は時間とともに増加する曲線形を有することもできる。

図示のように、１又はそれ以上の実施形態では、曲線形の依存性は、初期周波数（ｆ１）近くで速い初期変化率を含むことができ、これに遅い中間変化率が続き、最終周波数（ｆ２）近くで速い変化率が続く。相対的な周波数の変化率は、図８の曲線に示す初期周波数と最終周波数との間の周波数に対する変位の変化と比較して対照的又は反転していることに気付かれたい。すなわち図８の変化は初期周波数の近くで遅く、その後速く、さらに最終周波数の近くで再び遅くなる。前述したように、いくつかの光ファイバは図８から逸脱し、この場合、周波数の変化も例示の曲線形の依存性から逸脱する可能性がある。

一例として、このような対照的又は反転した変化率は、渦巻き走査パターンの中心、中間、及び外側部分において巻き数をより均等に分散し、又は巻き間隔をより均等にするのに役立つことができる。従って、本発明の１又はそれ以上の実施形態では、片持ち光ファイバ及び／又はアクチュエータ駆動信号の周波数の変化率を変化又は変更して、渦巻きの望ましい巻き間隔、例えば実質的に等しい間隔を得ることができる。非渦巻き走査パターンを使用する理由を含む、一定でない又は曲線形の変化率を使用する他の理由も考えられる。

図１４は、本発明の実施形態による、アクチュエータ駆動信号の周波数及び振幅の両方が時間とともに変化し得ることを示すグラフである。このグラフは、水平軸上に時間を示しているのに対し、左の垂直軸上に周波数を、右の垂直軸上に振幅を示している。

この特定の実例では、周波数が、時間とともに実質的に一定の変化率（減少率）で変化する。振幅は、時間とともに曲線形で増加する。特に、振幅は、初期周波数（ｆ１）に相当する初期時点の近くで速い初期増加を示し、これに遅い中間増加が続き、最終周波数（ｆ２）に相当する最終時点の近くで速い最終増加が続く。一例として、周波数ではなく振幅を使用して、渦巻き走査パターンの中心、中間、及び外側部分において巻き数をより均等に分散し、或いは巻き間隔をより均等にするのに役立てることができる。

他の実施形態では、周波数変化は非線形であってもよく、振幅変化は線形又は曲線形であってもよい。さらに他の実施形態では、周波数及び振幅の両方の変化が非線形又は曲線形であってもよい。一般に、アクチュエータ駆動信号の周波数及び振幅の両方を変化させる能力により、走査パターンの形をより良く制御することができる。

２又はそれ以上の異なるアクチュエータ駆動信号を同じアクチュエータ管に印加できる場合があることを想起されたい。一般的には、異なるアクチュエータ駆動信号の各々の周波数の変化率は同じでなければならない。しかしながら、１又はそれ以上の実施形態では、異なるアクチュエータ駆動信号の振幅、及び／又は異なる振幅の変化率が、潜在的に不均等であり、或いは異なっていてもよい。

上記の説明では、本発明の実施形態を完全に理解できるようにするために、説明目的で数多くの特定の詳細について記載した。説明した特定の実施形態は、本発明を限定するものではなく、例示する目的で提供したものである。これらの特定の詳細のうちのいくつかを伴わずに実施形態を実施することができる。さらに、本明細書で開示する実施形態、例えばこれらの実施形態の構成要素の構成、機能、及び動作方法などに修正を加えることができる。図面に示し及び本明細書で説明したものとの全ての同等関係が本発明の実施形態に含まれる。本発明の範囲は、上記に示した特定の例ではなく、下記の特許請求の範囲により決定すべきである。

本明細書では、「結合された」及び「接続された」という用語をこれらの派生語とともに使用している。これらの用語は、互いに同義語として意図されるものではない。より正確に言えば、「接続された」は、２又はそれ以上の要素が互いに直接的に物理的又は電気的な接触状態にあることを示すために使用することができる。「結合された」は、２又はそれ以上の要素が直接的に物理的又は電気的な接触状態にあることを意味することができる。しかしながら、「結合された」は、２又はそれ以上の要素が互いに直接的な接触状態にはないが、なおも互いに物理的、電気的、又は光学的に協動又は相互作用することを意味することもできる。

説明及び特許請求の範囲において、「走査ファイバ装置」及び「走査ファイバシステム」などにおける「走査」という用語は、必ずしも装置が使用中であり、或いは現在走査のプロセスにあることを意味するものではない。より正確に言えば、走査という用語は、装置が走査を行うことができるということを意味するものにすぎない。

様々な動作及び方法について説明した。これらの方法について基本的な形で説明したが、これらの方法に任意に動作を追加することができる。場合によっては、これらの方法から動作を取り除くことができる。場合によっては、これらの方法の動作を異なる順序で行うことができる。これらの方法に多くの修正及び適合を行うことができ、これらは可能であるとともに企図されることである。

なお、本明細書を通じて、「１つの実施形態」、「実施形態」、又は「１又はそれ以上の実施形態」への言及は、例えば、本発明の実施に特定の特徴を含めることができることを意味するものであると理解されたい。同様に、本開示を簡素化し、様々な発明の態様の理解に役立てる目的で、説明には、様々な特徴を単一の実施形態、図又はその説明にまとめた部分があることを理解されたい。しかしながら、本開示方法について、本発明が、個々の請求項に明記したよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映したものであると解釈すべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が示すように、本発明の態様は、単一の開示した実施形態の全ての特徴よりも少ないものにより成立することができる。従って、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、本明細書によりこの詳細な説明に明確に組み入れられ、個々の請求項は、それ自体が本発明の独立した実施形態として成立するものである。

１００ 走査ファイバシステム
１０１ ベースステーション
１０３ 光源
１０４ アクチュエータドライバ
１０５ コネクタ
１０６ コネクタインターフェース
１０７ アクチュエータ駆動信号経路
１０８ 光路
１０９ 後方散乱光路
１１０ 光検出器
１１１ 画像処理及び表示システム
１１２ ケーブル
１１３ 片持ち光ファイバ
１１４ アクチュエータ
１２０ レンズ
１２２ 片持ち光ファイバの先端
１２３ 面

Claims (28)

1. 片持ち光ファイバの共振周波数から実質的に離れた初期周波数で前記片持ち光ファイバを振動させるステップと、
   前記片持ち光ファイバの振動周波数を前記共振周波数に向けてある時間にわたって変化させるステップと、
   前記片持ち光ファイバが振動される間に、該片持ち光ファイバの端部を通じて光を導くステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記初期周波数が前記共振周波数よりも大きく、前記周波数を変化させるステップが該周波数を減少させるステップを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記初期周波数が前記共振周波数よりも小さく、前記周波数を変化させるステップが該周波数を増加させるステップを含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記周波数の変化率が前記時間にわたって実質的に一定である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記周波数の変化率が前記時間にわたって実質的に一定でない、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記片持ち光ファイバを拡大走査パターンで動かすステップをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記拡大走査パターンが渦巻き走査パターンを含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記周波数の変化率が前記時間にわたって変化して、前記渦巻き走査パターンにおいて実質的に均一な巻き間隔を実現する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記片持ち光ファイバを振動させる前記ステップ、及び前記片持ち光ファイバの前記振動周波数を変化させる前記ステップは、前記片持ち光ファイバと結合されたアクチュエータにおいて少なくとも１つの可変周波数のアクチュエータ駆動信号を受信するステップに応答して行われる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記片持ち光ファイバを患者の体中に挿入するステップをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 走査ファイバ装置を取り付け可能にするコネクタインターフェイスと、
    前記コネクタインターフェイスを通じて前記走査ファイバ装置に光を供給する光源と、
    前記コネクタインターフェイスを通じて前記走査ファイバ装置に少なくとも１つの可変周波数のアクチュエータ駆動信号を供給するアクチュエータドライバと、
    を備え、
    前記可変周波数のアクチュエータ駆動信号は、前記走査ファイバ装置の片持ち光ファイバの共振周波数から実質的に離れた初期周波数を有し、
    前記可変周波数のアクチュエータ駆動信号の周波数は、ある時間にわたって前記共振周波数に向けて変化する、
    ことを特徴とする装置。
12. 前記初期周波数が前記共振周波数よりも大きく、前記周波数が前記時間にわたって減少する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記初期周波数が前記共振周波数よりも小さく、前記周波数が前記時間にわたって増加する、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 前記周波数の変化率が前記時間にわたって実質的に一定である、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
15. 前記周波数の変化率が前記時間にわたって実質的に一定でない、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
16. 前記周波数の前記一定でない変化率が、該周波数に対する前記片持ち光ファイバの変位の変化率に逆相関する、
    ことを特徴とする請求項１５に記載の装置。
17. 前記可変周波数のアクチュエータ駆動信号の振幅が実質的に一定である、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
18. 前記可変周波数のアクチュエータ駆動信号の振幅が実質的に一定でない、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
19. 前記振幅の変化率が前記時間にわたって実質的に一定でない、
    ことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 片持ち光ファイバの共振周波数から実質的に離れた初期周波数を有し、該周波数がある時間にわたって前記共振周波数に向けて変化する少なくとも１つの可変周波数の駆動信号を、前記片持ち光ファイバと結合された圧電管において受信するステップと、
    前記圧電管が前記可変周波数の駆動信号を受信するステップに少なくとも部分的に基づいて、前記片持ち光ファイバを拡大走査パターンで動かすステップと、
    前記片持ち光ファイバが前記拡大走査パターンで動かされる間に、該片持ち光ファイバの端部から光を放射するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
21. 前記片持ち光ファイバを前記拡大走査パターンで動かすステップは、該片持ち光ファイバを渦巻き走査パターンで動かすステップを含み、該片持ち光ファイバの単位時間当たりの回転数が前記時間にわたって変化する、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記駆動信号を受信するステップは、前記共振周波数よりも大きい初期周波数を有する駆動信号を受信するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
23. 前記駆動信号を受信するステップは、周波数の変化率が前記時間にわたって実質的に一定の駆動信号を受信するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
24. 前記駆動信号を受信するステップは、周波数の変化率が前記時間にわたって実質的に一定でない駆動信号を受信するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
25. 前記駆動信号を受信するステップは、振幅が実質的に一定の駆動信号を受信するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
26. 前記駆動信号を受信するステップは、振幅が実質的に一定でない駆動信号を受信するステップを含む、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
27. 走査ファイバ装置の片持ち光ファイバを渦巻き走査で走査するステップと、
    前記片持ち光ファイバの単位時間当たりの回転数を、前記渦巻き走査全体にわたって前記片持ち光ファイバの共振ゲインを増加させる方向に変化させるステップと、
    前記渦巻き走査全体にわたって、前記片持ち光ファイバの端部から光を放射するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
28. 前記回転数を変化させるステップは、該回転数を減少させるステップを含む、
    ことを特徴とする請求項２７に記載の方法。

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