JP2014145937A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な制御を必要とせず、被走査物を簡単な構成で安定して走査できる光走査装置を提供する。
【解決手段】光ファイバ１１と、光ファイバ１１の射出端部１１ａを振動可能に保持する保持部２９と、射出端部１１ａを振動させる駆動部（２８ａ〜２８ｄ）と、を備える光走査装置において、保持部２９は、駆動部（２８ａ〜２８ｄ）による振動方向及び該振動方向と直交する方向と他の方向とにおいて異なる保持構造を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光ファイバを用いる光走査装置に関するものである。

従来、光ファイバから被観察物に向けて光を照射して被観察物を走査し、被観察物で反射、散乱等される光、あるいは、非観察物で発生する蛍光等を検出する光走査装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示の光走査装置は、光ファイバの射出端部を振動させる圧電アクチュエータを備える。圧電アクチュエータは、光ファイバの射出端部を直交するＸ方向及びＹ方向に振動させる２つの圧電素子対を有し、Ｘ方向の圧電素子対及びＹ方向の圧電素子対に、位相が９０°異なり振幅が徐々に増加する同じ周波数の電圧が印加される。これにより、光ファイバの射出端部は、Ｘ方向及びＹ方向の振動が合成されたスパイラル状に偏向されて、光ファイバから射出される光により被観察物がスパイラル走査される。

特表２０１０−５２７０２８号公報

ところで、光ファイバの射出端部を振動させる場合は、射出端部の振動方向における共振周波数で振動させるのが、大きな振動振幅が得られる点で好ましい。また、特許文献１に開示のように、被観察物をスパイラル走査する場合は、Ｘ方向の圧電素子対及びＹ方向の圧電素子対に同じ周波数の電圧が印加されることから、射出端部のＸ方向及びＹ方向における共振周波数を同じにする必要がある。

しかしながら、特許文献１に開示の光走査装置においては、光ファイバの射出端部を揺動可能に保持する保持部において、光ファイバが軸周りに均一な保持力で保持されており、射出端部の軸周りにおける共振周波数が同じとなっている。そのため、射出端部をＸ方向又はＹ方向の第一軸方向に共振振動させると、射出端部が軸周りに振れ易くなって、振動方向と直交する第二軸方向にも僅かな力の成分が発生して、第二軸方向にも振幅の変位が生じる。その結果、走査線が直線ではなく楕円形状になり易い。

このように、一軸方向における振動軌跡が楕円形状になると、被観察物上の走査軌跡が不安定かつ歪を有するものとなって、精度の高い観察が困難になる。このような問題は、スパイラル走査に限らず、ラスタ走査やリサージュ走査を行う場合にも同様に生じるとともに、圧電アクチュエータに限らず、コイル及び磁石を備える電磁アクチュエータにより光ファイバの射出端部を振動させる場合にも同様に生じるものである。なお、第二軸方向に生じた共振周波数の振動を検出し、その振動を相殺するように制御することも考えられるが、この場合は装置の駆動制御が複雑になる。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、複雑な制御を必要とせず、被走査物を簡単な構成で安定して走査できる光走査装置を提供することにある。

上記目的を達成する光走査装置の発明は、光ファイバと、該光ファイバの射出端部を振動可能に保持する保持部と、前記射出端部を振動させる駆動部と、を備える光走査装置において、
前記保持部は、前記駆動部による振動方向及び該振動方向と直交する方向と他の方向とにおいて異なる保持構造を有する、ことを特徴とするものである。

前記保持部は、前記駆動部による振動方向及び該振動方向と直交する方向に偏らせて前記光ファイバを接着する接着剤を有してもよい。

前記保持部は、前記光ファイバを挟みこむように保持する一対のＶブロックを有してもよい。

前記保持部は、前記射出端部が突出する端面に、前記光ファイバが軸周りにおいて４点で接する溝部を有してもよい。

前記駆動部は、圧電アクチュエータとしてもよい。

本発明によれば、複雑な制御を必要とせず、被観察物を簡単な構成で安定して走査することが可能となる。

第１実施の形態に係る光走査装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の光走査型内視鏡本体を概略的に示す概観図である。 図２の光走査型内視鏡本体の先端部の概略構成を示す図である。 図３の走査部の構成を説明するための図である。 図４の照明用光ファイバの軸周りの保持力分布を示す図である。 第２実施の形態に係る光走査装置の要部の概略構成を示す図である。 第３実施の形態に係る光走査装置の要部の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る光走査装置の概略構成を示すブロック図である。図１の光走査装置は、光走査型内視鏡装置１０を構成するもので、光走査型内視鏡本体２０と、光源部３０と、検出部４０と、駆動電圧生成部５０と、制御部６０と、表示部６１と、入力部６２とを有する。光源部３０と光走査型内視鏡本体２０との間は、例えばシングルモードファイバからなる照明用光ファイバ１１により光学的に結合される。検出部４０と光走査型内視鏡本体２０との間は、例えばマルチモードファイバからなる検出用光ファイババンドル１２により光学的に結合される。なお、光源部３０、検出部４０、駆動電流生成部５０及び制御部６０は、同一の筐体内に収納されていても良く、また、別々の筐体に収納されていても良い。

光源部３０は、例えば赤、緑及び青の三原色のＣＷ（連続発振）レーザ光を射出する３つのレーザ光源からの光を合波して白色光として出射する。レーザ光源としては、例えばＤＰＳＳレーザ（半導体励起固体レーザ）やレーザダイオードを使用することができる。もちろん、光源部３０の構成はこれに限られず、１つのレーザ光源を用いるものであっても、他の複数の光源を用いるものであっても良い。

光走査型内視鏡本体２０は、照明用光ファイバ１１の射出端部を走査部２１により振動させながら、光源部３０から照明用光ファイバ１１を経て射出される光を被観察物１００に照射して被観察物１００を二次元走査（本実施の形態ではスパイラル走査）し、その走査により得られた信号光を集光して、検出用光ファイババンドル１２を経て検出部４０に伝送する。ここで、駆動電圧生成部５０は、制御部６０からの制御に基づいて走査部２１に対して配線ケーブル１３を介して所要の振動電圧を給電する。

検出部４０は、検出用光ファイババンドル１２により伝送された信号光をスペクトル成分に分離して、分離した信号光を電気信号に光電変換する。制御部６０は、光源部３０、検出部４０及び駆動電圧生成部５０を同期制御するとともに、検出部４０により出力された電気信号を処理して、表示部６１に画像を表示する。また、制御部６０は、入力部６２からの入力操作による入力信号に基づいて、走査速度や表示画像の明るさ等、種々の設定を行う。

図２は、光走査型内視鏡本体２０を概略的に示す概観図である。光走査型内視鏡本体２０は、操作部２２及び可撓性の挿入部２３を備える。光源部３０に結合される照明用光ファイバ１１、検出部４０に結合される検出用光ファイババンドル１２、及び、駆動電圧生成部５０に接続される配線ケーブル１３は、それぞれ挿入部２３の内部を通して先端部２４（図２に破線で示す部分）まで導かれている。先端部２４は、操作部２２により湾曲操作される。

図３は、図２の光走査型内視鏡本体２０の先端部２４の概略構成を示す図である。図４（ａ）は図３の走査部２１の拡大図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の右側面図である。先端部２４には、走査部２１、投影用レンズ２５ａ、２５ｂ及び図示しない検出用レンズ（図示せず）が設けられているとともに、照明用光ファイバ１１及び検出用光ファイババンドル１２が延在している。

走査部２１は、取付環２６により挿入部２３の内部に固定された角柱状のファイバ保持部２９を備える。照明用光ファイバ１１は、ファイバ保持部２９の中央を貫通して、射出端部１１ａが揺動可能にファイバ保持部２９に支持される。ファイバ保持部２９の４つの側面は、ファイバ保持部２９に保持される照明用光ファイバ１１の軸方向（Ｚ方向）と直交するＸ方向（第１の方向）及びＹ方向（第２の方向）に面している。

ファイバ保持部２９のＹ方向に面する側面には、射出端部１１ａをＸ方向に振動させるＸ方向駆動用の一対の圧電素子２８ａ、２８ｃが固定される。また、ファイバ保持部２９のＹ方向に面する側面には、射出端部１１ａをＹ方向に振動させるＹ方向駆動用の一対の圧電素子２８ｂ、２８ｄが固定される。圧電素子２８ａ〜２８ｄは、配線ケーブル１３を介して駆動電圧生成部５０に接続される。つまり、射出端部１１ａは、圧電素子２８ａ〜２８ｄを有する圧電アクチュエータからなる駆動部によって、Ｘ方向及びＹ方向に振動駆動される。一方、検出用光ファイババンドル１２は、先端部２４の外周部を通るように配置されている。

投影用レンズ２５ａ、２５ｂ及び検出用レンズは、先端部２４の先端面近傍に配置される。投影用レンズ２５ａ、２５ｂは、照明用光ファイバ１１の射出端面１１ｂから射出されたレーザ光が、被観察物１００上にほぼ集光するように構成されている。また、検出用レンズは、被観察物１００上に集光されたレーザ光が、被観察物１００により反射、散乱、屈折等をした光（被観察物１００と相互作用した光）又は蛍光等を検出光として取り込み、検出用レンズの後に配置された検出用光ファイババンドル１２に集光、結合させるように配置される。なお、投影用レンズは、２枚構成に限られず、１枚や他の複数枚のレンズにより構成されても良い。

本実施の形態において、照明用光ファイバ１１は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、射出端部１１ａが位置するファイバ保持部２９の端面２９ａにおいて、さらに接着剤７０により接着される。接着剤７０は、射出端部１１ａの振動方向であるＸ方向及びＹ方向に偏らせて、射出端部１１ａをファイバ保持部２９に接着するように設けられる。つまり、ファイバ保持部２９に対する照明用光ファイバ１１の保持構造が、照明用光ファイバ１１の軸周りにおいて、振動方向及び振動方向と直交する方向と、その他の方向とにおいて異なっており、照明用光ファイバ１１が軸周りに不均一な保持力でファイバ保持部２９に保持されている。

本実施の形態では、ファイバ保持部２９による照明用光ファイバ１１の射出端部１１ａの保持力が、図４（ｂ）において、照明用光ファイバ１１の光軸Ｏから＋Ｘ方向を０°とするとき、光軸Ｏの周りにおいて、図５に示すように不均一に分布している。すなわち、振動方向であるＸ方向（０°、１８０°）及びＹ方向（９０°、２７０°）において、保持力が実質的に等しい大きさのピーク値となるように不均一に分布しており、Ｘ方向及びＹ方向における射出端部１１ａの共振周波数は、同一又はほぼ同一で、実質的に等しくなっている。

以上の構成において、光走査型内視鏡装置１０による観察を行う際には、制御部６０の制御のもとで、駆動電圧生成部５０から配線ケーブル１３を介して走査部２１の圧電素子２８ａ〜２８ｄに振動電圧が印加される。ここで、Ｘ方向駆動用の圧電素子２８ａ，２８ｃには、射出端部１１ａのＸ方向の共振周波数とほぼ等しい駆動周波数で振幅が徐々に増加する振動電圧が印加される。また、Ｙ方向駆動用の圧電素子２８ｂ，２８ｄには、Ｘ方向の振動電圧と同じで位相が９０°異なる振動電圧が印加される。これにより、照明用光ファイバ１１の射出端面１１ｂは、スパイラル状に偏向される。

制御部６０は、駆動電圧生成部５０による電圧の印加とともに光源部３０を駆動する。これにより、光源部３０から射出されたレーザ光は、照明用光ファイバ１１を経て射出端面１１ｂから被観察物１００に照射されて、被観察物１００がスパイラス走査される。

被観察物１００へのレーザ光の照射により得られる反射光、散乱光または被観察物１００から発生する光は、検出光として検出用レンズにより集光され検出用光ファイババンドル１２の入射端面１２ａに入射される。この検出光は、検出用光ファイババンドル１２により検出部４０に導かれて、検出部４０内で波長成分ごとに検出される。

制御部６０は、駆動電圧生成部５０により印加する振動電圧の振幅から走査経路上の走査位置の情報を算出するとともに、検出部４０から出力された電気信号から、当該走査位置における被観察物１００の画素データを得る。制御部６０は、走査位置と画素データの情報を順次記憶部（図示せず）に記憶し、走査終了後または走査中に補間処理等の必要な処理を行って被観察物１００の画像を生成し、表示部６１に表示する。

ここで、ファイバ保持部２９による照明用光ファイバ１１の射出端部１１ａの保持力は、接着剤７０により照明用光ファイバ１１の軸周りにおいて、図５に示したように不均一となっており、振動方向であるＸ方向及びＹ方向においてピークとなる。したがって、射出端部１１ａをＸ方向に振動させた際に、射出端部１１ａは軸周りに振れ難くなる。同様に、射出端部１１ａをＹ方向に振動させた際に、射出端部１１ａはＺ軸周りに振れ難くなる。これにより、射出端部１１ａは、正確にスパイラル状に偏向されるので、複雑な制御を要することなく、被観察物１００を簡単な構成で安定してスパイラル走査することができる。

（第２実施の形態）
図６は、第２実施の形態に係る光走査装置の要部の概略構成を示す図である。本実施の形態は、第１実施の形態の光走査型内視鏡装置１０の走査部２１において、照明用光ファイバ１１の射出端部１１ａを揺動可能に保持するファイバ保持部２９が、照明用光ファイバ１１を挟みこむように保持する一対のＶブロック７１ａ、７１ｂからなる。

かかる構成によると、照明用光ファイバ１１は、軸周りにおいてＶブロック７１ａ、７１ｂと４点で接して保持されるので、Ｖブロック７１ａ、７１ｂによる保持力が軸周りにおいて不均一となる。つまり、照明用光ファイバ１１の保持構造が、照明用光ファイバ１１の軸周りにおいて、振動方向及び振動方向と直交する方向と、その他の方向とにおいて異なっている。したがって、照明用光ファイバ１１がＶブロック７１ａ、７１ｂと接するＸ方向及びＹ方向を振動駆動方向とすることにより、共振周波数もほぼ同じにできるので、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。なお、圧電アクチュエータを構成する圧電素子は、Ｖブロック７１ａ、７１ｂへの取り付け面を適宜平面加工して取り付ければよい。

（第３実施の形態）
図７は、第３実施の形態に係る光走査装置の要部の概略構成を示す図である。本実施の形態は、第１実施の形態の光走査型内視鏡装置１０の走査部２１において、照明用光ファイバ１１の射出端部１１ａを揺動可能に保持するファイバ保持部２９の端面２９ａに、照明用光ファイバ１１が軸周りにおいて４点で接するように溝部２９ｃ、２９ｄを形成したものである。なお、図７（ａ）は、ファイバ保持部２９の拡大図を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）の右側面図を示す。

かかる構成によると、照明用光ファイバ１１は、ファイバ保持部２９の端面２９ａにおいて、溝部２９ｃ及び２９ｄが交差する軸周りの４点で接しているので、ファイバ保持部２９による保持力が軸周りにおいて不均一となる。つまり、照明用光ファイバ１１の保持構造が、照明用光ファイバ１１の軸周りにおいて、振動方向及び振動方向と直交する方向と、その他の方向とにおいて異なっている。したがって、照明用光ファイバ１１が端面２９ａと接するＸ方向及びＹ方向を振動駆動方向とすることにより、共振周波数もほぼ同じにできるので、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変形又は変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、Ｘ方向及びＹ方向の直交する振動方向においてファイバ保持部２９による照明用光ファイバ１１の保持力が大きくなるようにしたが、例えば上記各実施の形態においてＸ方向及びＹ方向を、Ｘ−Ｙ平面内で４５°回転させた保持力が小さくなる方向を振動方向としてもよい。また、ファイバ保持部２９は、角柱状に限らず、円柱状としてもよい。

また、照明用光ファイバ１１による被観察物１００の走査は、スパイラル走査に限らず、ラスタ走査やリサージュ走査としてもよい。この場合も、振動方向と直交する方向への不所望な振動成分の発生を防止できるので、被観察物を安定して走査することができる。なお、ラスタ走査の場合は、例えばＸ方向における共振周波数をＹ方向における共振周波数よりも高くして、それぞれの共振周波数に対応する駆動周波数で振動させることができる。

さらに、射出端部１１ａを振動させる駆動部は、圧電アクチュエータに限らず、コイル及び磁石を有する電磁アクチュエータとしてもよい。また、本発明は光走査型内視鏡装置に限らず、顕微鏡等他の光走査装置にも有効に適用することができる。

１０ 光走査型内視鏡装置
１１ 照明用光ファイバ
１１ａ 射出端部
１１ｂ 射出端面
１２ 検出用光ファイババンドル
１３ 配線ケーブル
２０ 光走査型内視鏡本体
２１ 走査部
２２ 操作部
２３ 挿入部
２４ 先端部
２５ａ、２５ｂ 投影用レンズ
２６ 取付環
２８ａ〜２８ｄ 圧電素子
２９ ファイバ保持部
２９ａ 端面
２９ｃ、２９ｄ 溝部
３０ 光源部
４０ 検出部
５０ 駆動電圧生成部
６０ 制御部
６１ 表示部
６２ 入力部
７０ 接着剤
７１ａ，７１ｂ Ｖブロック
１００ 被観察物

Claims (5)

1. 光ファイバと、該光ファイバの射出端部を振動可能に保持する保持部と、前記射出端部を振動させる駆動部と、を備える光走査装置において、
   前記保持部は、前記駆動部による振動方向及び該振動方向と直交する方向と他の方向とにおいて異なる保持構造を有する、ことを特徴とする光走査装置。
2. 前記保持部は、前記駆動部による振動方向及び該振動方向と直交する方向に偏らせて前記光ファイバを接着する接着剤を有する、請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記保持部は、前記光ファイバを挟みこむように保持する一対のＶブロックを有する、請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記保持部は、前記射出端部が突出する端面に、前記光ファイバが軸周りにおいて４点で接する溝部を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の光走査装置。
5. 前記駆動部は、圧電アクチュエータからなる、請求項１〜４のいずれかに記載の光走査装置。
   

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