JP2014145941A - 光走査型内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】観察対象物の走査を行う場合の走査軌跡が安定し、観察対象物の走査中心部からも、レーザ光の照射により信号を検出可能な光走査型内視鏡を提供する。
【解決手段】光走査型内視鏡は、固定部および揺動部を有し、揺動部の先端からレーザ光を観察対象物に照射するファイバと、ファイバの揺動部を振動駆動するための駆動部と、観察対象物からレーザ光の照射により得られる光を検出する検出部とを備える。駆動部は、ファイバの揺動部を駆動周波数で振動させるとともに、ファイバの振動の振幅を実質的にゼロと所定の最大値との間で変調周波数により変動させる。駆動周波数は、高周波数側準共振周波数（ｆ_ｑｈ）に変調周波数を加えた周波数よりも高く所定の上限周波数（ｆ_ｍａｘ）よりも低い周波数、または、低周波数側準共振周波数（ｆ_ｑｌ）から変調周波数を引いた周波数よりも低く所定の下限周波数（ｆ_ｍｉｎ）よりも高い周波数とする。
【選択図】図１０

Description

本発明は、揺動可能なファイバを用いる光走査型内視鏡に関する。

従来、レーザ光により観察対象物を走査し、該観察対象物からの透過光、反射光、または、蛍光を光電変換手段により電気信号に変換して画像データを形成する光走査型観察装置として、揺動可能なファイバの先端からレーザ光を観察対象物に対して照射し、このファイバを振動させることにより観察対象物上のレーザ光を順次走査して画像を取得する光走査型内視鏡が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

光走査型内視鏡のファイバを振動させる手段としては、ピエゾ圧電素子をファイバに取付けて振動させる方式（例えば、特許文献１参照）や、ファイバに取付けた永久磁石を電磁コイルで振動させる電磁コイル方式（例えば、特許文献２参照）がある。ファイバを振動駆動する場合、ピエゾ圧電素子や電磁コイルなどの駆動素子を、揺動されるファイバの共振周波数近傍で振動駆動させると、小さいエネルギでファイバの大きな偏向（変位，振幅）が得られる。

しかしながら、実際にファイバを共振周波数近傍で駆動すると、非線形振動のために、軌跡が安定しない。例えば、観察対象物上のレーザ光の照射位置の軌跡が直線となるように振動させたい場合でも、共振周波数の近傍で駆動した場合は楕円形の軌跡となってしまう。このことは、Ｘ軸方向に走査している場合でも、それと垂直なＹ軸方向にも意図せず走査されることを意味しており、２次元の走査を行った場合にも走査軌跡に歪みをもたらす。例えば、２次元のスパイラル走査を行った場合、Ｘ軸走査とＹ軸走査との位相差が９０°からずれ、円走査が楕円走査に歪むことに繋がる。また、スパイラル走査の振幅が最も小さいときでもゼロとはならないため、画面中心が走査されない、すなわち画面中心の画像が得られないなどの現象が発生する（非特許文献１参照）

このような共振周波数近傍での駆動による波形の歪みに対して、共振周波数から数％ずらした周波数で駆動すると、直線的に振動駆動させた場合にはファイバ先端の軌跡が直線になり安定することが報告されている（非特許文献２参照）。非特許文献２では、ファイバを一次元的に振動させたときに、軌跡が楕円から直線となる周波数を準共振周波数と呼んでいる。

米国特許第６２９４７７５号明細書 特開２００８−１１６９２２号公報

Quinn Y. J. Smithwick et. al. "An Error Space Controller for a Resonating Fiber Scanner: Simulation and Implementation" Jounal of Dynamic Systems, Measurement, and Conrol Vol.128, pp899, 2006 (University of Washington) Sucbei Moon et. al. "Semi-resonant operation of a fiber-cantilever piezotube scanner for stable optical coherence tomography endoscope imaging" Optics Express Vol.18, pp21183, 2010 （University of California, Irvine)

非特許文献２に記載のように、駆動素子による駆動周波数を、ファイバの準共振周波数にずらすことによって、レーザ光の照射位置の軌跡を安定化させることが期待できる。しかし、本発明者らが鋭意実験、検証を行ったところ、スパイラル走査のように振幅変調を伴う走査を行う場合は、駆動素子を準共振周波数で駆動した場合でもレーザ光の走査軌跡に歪みが生じることがわかった。とくに、スパイラル走査を行う場合は、準共振周波数で走査しても、スパイラル走査の振幅が最も小さいときでもゼロにならず、走査中心が走査されないという問題点がある。

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、観察対象物のスパイラル走査を行う場合の走査軌跡が安定し、観察対象物の走査中心部からも、レーザ光の照射により信号を検出可能な光走査型内視鏡を提供することにある。

上記目的を達成する光走査型内視鏡の発明は、
固定部および該固定部に対して揺動可能な揺動部を有し、該揺動部の先端からレーザ光を観察対象物に照射するファイバと、
前記ファイバの前記揺動部を振動駆動するための駆動部と、
前記観察対象物から前記レーザ光の照射により得られる光を検出し電気信号に変換する検出部と、を備え、
前記駆動部は、前記ファイバの前記揺動部を異なる２軸方向に実質的に等しい駆動周波数で振動させるとともに、該ファイバの振動の振幅を実質的にゼロと所定の最大値との間で変調周波数により変動させ、前記駆動周波数は、
上限周波数≧駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
または
下限周波数≦駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
であることを特徴とするものである。
ここで、前記上限周波数および前記下限周波数は、それぞれ、共振周波数の高周波数側および低周波数側で、前記駆動部の前記駆動による前記ファイバの振動の振幅が、前記共振周波数で駆動した場合の１０分の１となるときの周波数である。

また、より好適には、前記駆動周波数は、
駆動周波数＝高周波数側準共振周波数＋変調周波数
または
駆動周波数＝低周波数側準共振周波数−変調周波数
であることが好ましい。

さらに、前記駆動部は、前記ファイバの前記揺動部を直交する２軸方向に約９０°の位相差で振動させることが好ましい。

また、前記駆動部の前記駆動周波数を変化させたとき、該駆動周波数に対する前記揺動部の振幅が、前記共振周波数を中心に非対称性を示す場合、
前記高周波数側準共振周波数における前記振幅が、前記低周波数側準共振周波数における前記振幅よりも大きいときは前記駆動周波数を、
上限周波数≧駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
とし、
前記低周波数側準共振周波数における前記振幅が、前記高周波数側準共振周波数における前記振幅よりも大きいときは前記駆動周波数を、
下限周波数≦駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
とするとさらに好ましい

なお、本願の準共振周波数とは、光ファイバを一次元方向に振動駆動し、共振周波数からずらしていったときに、軌跡が楕円から直線になる周波数であり、共振周波数より高周波数側と低周波数側との両側に存在する。高周波数側の準共振周波数を高周波数側準共振周波数と呼び、低周波数側の準共振周波数を低周波数側準共振周波数と呼ぶ。ここで、軌跡が楕円から直線になる周波数とは、軌跡の楕円率が３．５％以下となったときの周波数とする。その理由は以下である。すなわち、光走査型内視鏡で画角９０度程度を得るためには、レンズ倍率による光学的な解像度を考慮すると、ファイバの振幅は０．１ｍｍ以上あることが好ましい。一方、一般に可視光で使用されるシングルモードファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）は、３．５μｍである。したがって、楕円率が約３．５％（長軸１００μｍ，短軸３．５μｍとして楕円率（Ｅ）＝３．５／１００）以下であれば、略長軸方向に往復する軌道が一部重なり合うことから楕円軌道を直線と見なすことができる。また、本願でファイバの揺動部の共振周波数とは、ファイバの揺動部の一部に駆動部の部材の一部が取り付けられている場合は、その部材が取り付けられた状態での共振周波数を意味する。

本発明によれば、駆動部が、ファイバの揺動部を駆動周波数で振動させるとともに、ファイバの振動の振幅を実質的にゼロと所定の最大値との間で変調周波数により変動させ、駆動周波数を、
上限周波数≧駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
または
下限周波数≦駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
としたので、観察対象物の走査を行う場合の走査軌跡が安定し、観察対象物の走査中心部からもレーザ光の照射により信号を検出し観察することが可能となる。

第１実施の形態に係る光走査型内視鏡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を拡大して示す図である。 図３の駆動部を拡大して示す図であり、（ａ）はその全体を、（ｂ）は照明用光ファイバおよび磁石の概観を示す図である。 図１の光走査型内視鏡の光源部の概略構成を示す図である。 図１の光走査型内視鏡の検出部の概略構成を示す図である。 図１の駆動部による走査を説明する図であり、（ａ）はｘ方向の振動の時間変化を、（ｂ）はｘ方向に直交するｙ方向の振動の時間変化を、（ｃ）はｘｙ平面内での走査軌跡をそれぞれ説明する図である。 スパイラル走査における周波数スペクトルを説明する図である。 準共振周波数を駆動周波数としてスパイラル走査を行う場合の周波数スペクトルと共振周波数近傍の不安定領域との関係を説明する図である。 第１実施の形態によるスパイラル走査の周波数スペクトルと共振周波数近傍の不安定領域との関係を説明する図である。 振幅変調による振幅および位相の変化の測定方法を説明する図であり、図１１（ａ）は振幅変調を伴わない走査軌跡の測定を説明し、図１１（ｂ）は振幅変調を伴う場合の走査軌跡の測定を説明する図である。 異なる変調周波数および駆動周波数について振幅変調による振幅および位相の変化の測定結果を示す図であり、（ａ）は駆動部を振幅変調を行わず準共振周波数で振動駆動した場合、（ｂ）は駆動部を３．７Ｈｚで振幅変調し準共振周波数で振動駆動した場合、（ｃ）は駆動部を３．７Ｈｚで振幅変調し準共振周波数より３．７Ｈｚ低い駆動周波数で振動駆動した場合、（ｄ）は駆動部を７．４Ｈｚで振幅変調し準共振周波数より３．７Ｈｚ低い駆動周波数で振動駆動した場合、（ｅ）はは駆動部を７．４Ｈｚで振幅変調し準共振周波数より７．４Ｈｚ低い駆動周波数で振動駆動した場合をそれぞれ示している。 非線形振動が生じる場合の駆動周波数の選択について説明する図である。 実験結果より得られた、駆動周波数に対する照明用光ファイバの先端部の振幅の一例を示すグラフである。 第２実施の形態に係る光走査型内視鏡本体の先端部を拡大して示す図である。 図１６（ａ）は、図１５の先端部の振動駆動機構および照明用光ファイバの揺動部を示す側面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

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型内視鏡の概略構成を示すブロック図である。光走査型内視鏡１０は、光走査型内視鏡本体２０と、光源部３０と、検出部４０と、駆動制御部５０と、制御部６０と、表示部６１と入力部６２とを含んで構成される。光源部３０と光走査型内視鏡本体２０との間はシングルモードファイバである照明用光ファイバ１１により光学的に接続され、検出部４０と光走査型内視鏡本体２０との間はマルチモードファイバにより構成される複数の検出用光ファイバ１２により光学的に接続されている。なお、光源部３０、検出部４０、駆動制御部５０および制御部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、緑および青の三原色の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。光走査型内視鏡本体２０は、照明用光ファイバ１１により光源部３０から出射されたレーザ光を、駆動部７０により観察対象物１００上で走査して、この走査により得られた信号光を検出用光ファイバ１２に集光し、検出用光ファイバ１２を介して検出部４０に伝送する。ここで、制御部６０からの制御に基づいて、駆動制御部５０が駆動部７０に対して配線ケーブル１３を介して駆動電流を印加する。

検出部４０は、検出用光ファイバ１２を通って来た信号光をスペクトル成分に分解し、フォトダイオードを用いた光検出器により、信号光を電気信号に変換する。制御部６０は、光源部３０、検出部４０および駆動制御部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、画像を合成し表示部６１に表示する。また、入力部６２から、光走査型内視鏡１０に、走査速度や表示画像の明るさ等、種々の設定を行うことができる。

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および挿入部２３を備え、操作部２２の一方の端部と挿入部２３の一方の端部とは接続されて一体となっている。操作部２２には、光源部３０からの照明用光ファイバ１１、検出部４０からの複数の検出用光ファイバ１２、および、駆動制御部５０からの配線ケーブル１３が、それぞれ接続されている。これら照明用光ファイバ１１、検出用光ファイバ１２および配線ケーブル１３は挿入部２３内部を通じて、挿入部２３の操作部２２と接続されている端部とは別の端部である先端部２４（図２における破線部内の部分）まで導かれている。

図３は、図２の光走査型内視鏡本体２０の挿入部２３の先端部２４を拡大して示す断面図である。また、図４は、図３の駆動部７０を拡大して示す図であり、（ａ）はその全体を、（ｂ）は照明用光ファイバ１１および磁石の概観を示す図である。先端部２４は、駆動部７０、投影用レンズ２５を備えるとともに、挿入部２３を通る照明用光ファイバ１１、検出用光ファイバ１２および、様々な処置具を挿通するための鉗子穴２７が延在している。ここで、図示していないが、検出用光ファイバ１２の先端に検出用レンズを備えていても良い。

照明用光ファイバ１１は、先端部２４の内部に固定された取付環２６により一部が固定された固定部１１ａとなっており、固定部１１ａからレーザ光を観察対象物１００に向けて射出する先端部１１ｃまでが、揺動可能に支持された揺動部１１ｂとなっている。一方、複数の検出用光ファイバ１２は、それぞれが挿入部２３の外周部を通るように配置され、先端部２４の先端まで延びている。

照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂの一部には、照明用光ファイバ１１の軸方向に着磁され貫通孔を有する永久磁石７３が、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂが貫通孔を通った状態で結合されている。また、揺動部１１ｂを囲むように、一端部を取付環２６に固定された角型チューブ７１が設けられ、永久磁石７３の２つの極と対向する部分の角型チューブ７１のそれぞれ４つの側面には、螺旋状の偏向磁場発生用の電磁コイル７２ａ〜７２ｈが設けられている。電磁コイル７２ａ〜７２ｈは、配線ケーブル１３に接続され、駆動制御部５０に接続されている。駆動制御部５０は、電磁コイル７２ａ〜７２ｈに電流を印加することにより、観察対象物１００上にＸ方向およびＸ方向に直交するＹ方向よりなる面内でレーザ光を走査することができる。

さらに、投影用レンズ２５は、先端部２４の最先端に配置される。投影用レンズ２５は、照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃから射出されたレーザ光が、観察対象物１００上に略集光するように構成されている。また、検出用レンズが配置される場合は、観察対象物１００上に集光されたレーザ光が、観察対象物１００により反射、散乱、屈折等をした光（観察対象物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１２に集光、結合させるように配置される。

図５は、図１の光走査型内視鏡１０の光源部３０の概略構成を示す図である。光源部３０は、それぞれ、赤、緑および青の三原色のＣＷ（連続発振）レーザ光を射出するレーザ光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂと、ダイクロイックミラー３２ａ，３２ｂと、ＡＯＭ（音響光学モジュレータ）３３と、レンズ３４とを備える。赤色のレーザ光源３１Ｒとしては、例えば、ＬＤ（半導体レーザ）を使用することができる。また、緑色のレーザ光源３１Ｇとしては、例えば、ＤＰＳＳレーザ（半導体励起固体レーザ）を使用することができる。さらに、青色のレーザ光源３１Ｂとしては、例えば、ＬＤを使用することができる。

レーザ光源３１Ｒを出射したレーザ光の光路と、レーザ光源３１Ｇを出射したレーザ光の光路とは、所定の点で交差するように配置され、それらの交差する位置にダイクロイックミラー３２ａが設けられる。ダイクロイックミラー３２ａは、赤色の波長帯域の光を透過させ、緑色の波長帯域の光を反射させる光学特性を有し、レーザ光源３１Ｒから出射しダイクロイックミラー３２ａを透過した赤色のレーザ光と、レーザ光源３１Ｇから出射してダイクロイックミラー３２ａにより反射される緑色のレーザ光とが、合波される角度で配置される。

さらに、赤色のレーザ光と緑色のレーザ光とを合波したレーザ光の光路と、レーザ光源３１Ｂを出射した青色のレーザ光の光路とは、所定の点で交差するように配置され、それらの交差する位置にダイクロイックミラー３２ｂが設けられる。ダイクロイックミラー３２ｂは、赤色の波長帯域の光と緑色の波長帯域の光とを透過させ、青色の波長帯域の光を反射させる光学特性を有し、ダイクロイックミラー３２ａで合波されダイクロイックミラー３２ｂを透過したレーザ光と、レーザ光源３１Ｂから出射してダイクロイックミラー３２ｂにより反射される青色のレーザ光とが、合波される角度で配置される。このようにして、それぞれのレーザ光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂを出射した赤、緑、青の３原色のレーザ光が合波されることにより白色のレーザ光となる。

ＡＯＭ３３は入射する光を強度変調する素子であり、遮光状態と透光状態とを連続的に、かつ高速に切り替えることができる。ダイクロイックミラー３２ａ，３２ｂにより合波された白色のレーザ光は、ＡＯＭ３３が透光状態の場合ＡＯＭ３３を透過し、レンズ３４により照明用光ファイバ１１の入射端に入射される。ＡＯＭ３３は、図１の制御部６０と電気的に接続されている。なお、レーザ光源３１Ｒ，３１Ｇ，および３１Ｂ並びにダイクロイックミラー３２ａおよび３２ｂの配置は、これに限られず、例えば、緑色および青色のレーザ光を合波した後、赤色のレーザ光を合波するようにしても良い。

図６は、図１の光走査型内視鏡１０の検出部４０の概略構成を示す図である。検出部４０は、赤、緑および青の各色に対応する光を検出するためのフォトダイオードを用いた受光器４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂ、ダイクロイックミラー４２ａ，４２ｂおよびレンズ４３を備える。検出部４０には、複数の検出用光ファイバ１２が束ねられて接続されている。

レーザ光の照射により観察対象物１００により反射されあるいは観察対象物１００で発生し、検出用光ファイバ１２を通りその出射端から出射した信号光は、レンズ４３により略平行な光束となる。略平行光束となった信号光の光路上には、ダイクロイックミラー４２ａおよび４２ｂが、光路の方向に対して傾いて配置されている。ダイクロイックミラー４２ｂは、青色の波長帯域の光を反射させ、赤色および緑色の波長帯域の光を透過させる光学特性を有し、レンズ４３で平行光束となった信号光から青色の信号光を分離する。分離された青色の信号光は、受光器４１Ｂにより検出され、電気信号に変換される。また、ダイクロイックミラー４２ａは、緑色の波長帯域の光を反射させ、赤色の波長帯域の光を透過させる光学特性を有し、ダイクロイックミラー４２ｂを透過した信号光を赤色と緑色の信号光とに分離する。分離された赤色および緑色の信号光は、それぞれ受光器４１Ｒおよび受光器４１Ｇにより検出され電気信号に変換される。

なお、受光器４１Ｒ，４１Ｇおよび４１Ｂは、図１の制御部６０に電気的に接続されている。また、受光器４１Ｒ，４１Ｇ，および４１Ｂ並びにダイクロイックミラー４２ａおよび４２ｂの配置は、これに限られず、例えば、信号光から赤色の光を分離した後、さらに緑色と青色の信号光を分離するような配置としても良い。

制御部６０は、駆動制御部５０を介して光走査型内視鏡本体２０の駆動部７０を振動駆動させ、照明用光ファイバ１１から出射するレーザ光を、観察対象物１００上で螺旋状に走査（スパイラル走査）させる。具体的には、電磁コイル７２ａ〜７２ｈに電流を印加して、ｘおよびｙ方向のそれぞれに次のような振動を生じせしめるようにする。
ｘ＝ｓｉｎ（ω_ｍｔ）・ｓｉｎ（ω_ｘｔ）
ｙ＝ｓｉｎ（ω_ｍｔ）・ｓｉｎ（ω_ｙｔ＋９０°）
ここで、ω_ｘとω_ｙと（ω_ｘ＝ω_ｙ）は駆動角周波数であり、ω_ｍは振幅変調の変調角周波数である。図７の（ａ）はｘ方向の振動の時間変化を、（ｂ）はｘ方向に直交するｙ方向の振動の時間変化を示す図であり、（ｃ）はｘ方向およびｙ方向の振動を合成して得られるｘｙ平面内での目的とするレーザ光の走査軌跡を説明する図である。図７（ｃ）の走査軌跡は、振幅変調の半周期分に相当する。図７（ｃ）に示すように、レーザ光の走査軌跡は螺旋状となる。このように、ファイバの前記揺動部を直交する２軸方向に９０°の位相差で振動させることで、回転対称に近い（外周が円形に近い）走査軌跡が得られる。

このように、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂを振動させると、周波数空間では図８に示すように駆動周波数（ｆ_ｘ＝ω_ｘ／２π＝ω_ｙ／２π）の高周波数側および低周波数側に側帯波（ｆ_ｘ±ｆ_ｍ，ｆ_ｍ＝ω_ｍ／２π）が現れる。本発明者らの検討によれば、照明用光ファイバ１１の駆動周波数を、ファイバの準共振周波数にずらしても走査軌跡に歪が生じる理由は、この側帯波が、準共振周波数よりも共振周波数の近傍に位置する不安定領域に存在することにある。図９を用いてこれを説明する。図９は、低周波数側準共振周波数ｆ_ｑｌを駆動周波数としてスパイラル走査を行う場合の周波数スペクトルと共振周波数近傍の不安定領域との関係を説明する図である。図９の曲線のグラフは、駆動部７０により振幅変調無しで同じ駆動エネルギで駆動周波数を変化させた場合の、照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの振幅の変化を示したものである。グラフの振幅が最も大きくなる周波数が共振周波数ｆ_ｒである。また、周波数ｆ_ｑｌおよびｆ_ｑｈはそれぞれ共振周波数の低周波数側および高周波数側の準共振周波数である。周波数ｆ_ｑｌとｆ_ｑｈとの間の共振周波数近傍の領域は、振動波形が不安定となる不安定領域である。図９に示すように、駆動周波数ｆ_ｘを低周波数側の準共振周波数ｆ_ｑｌに設定すると、高周波数側（周波数がｆ_ｘ＋ｆ_ｍ）の側帯波が、共振周波数近傍の不安定領域に属することとなる。また、駆動周波数をｆ_ｘを高周波数側準共振周波数ｆ_ｑｈに設定しても、同様に低周波数側（周波数がｆ_ｘ−ｆ_ｍ）の側帯波が、共振周波数近傍の不安定領域に属することとなる。

そこで、本発明では、図１０に示すように側帯波も含めて共振周波数の不安定領域外に位置するように、駆動周波数（ｆ_ｘ）は変調周波数（ｆ_ｍ）を考慮して設定する。すなわち、
駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
または
駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
とすれば、側帯波も含めて周波数スペクトルが高周波数側および低周波数側の準共振周波数（ｆ_ｑｈ，ｆ_ｑｌ）の間の共振周波数近傍の不安定領域には無いので、スパイラル走査の走査軌跡が安定する。

一方、駆動周波数が共振周波数から離れるとともに、照明用光ファイバ１１の振幅は急速に小さくなる。照明用光ファイバ１１の振幅は、共振周波数で振動駆動した場合の振幅（Ａ）の１０分の１以上の振幅が有ることが望ましい。これ以下の振幅では、振動駆動のエネルギ効率が悪い。振幅が１０分の１以下では、所望の振幅を得るためにはコイルを共振周波数で駆動する場合の１０倍以上の電流を流す必要がある。その場合の発熱量の増加も１０倍以上となるため、実用性を考慮した場合、１０分の１以上の振幅があることが好ましい。よって、駆動周波数は、
上限周波数≧駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
または
下限周波数≦駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
とすることが好ましい。ここで、上限周波数および下限周波数は、それぞれ、共振周波数の高周波数側および低周波数側で、駆動部７０の駆動によるファイバの振動の振幅が、共振周波数で駆動した場合の１０分の１となるときの周波数（ｆ_ｍａｘ，ｆ_ｍｉｎ）である。

さらに、エネルギ効率の面からは、駆動周波数は共振周波数により近いほうが好ましい。したがって、駆動周波数を
駆動周波数＝高周波数側準共振周波数＋変調周波数
または
駆動周波数＝低周波数側準共振周波数−変調周波数
とするのが好ましい。

次に、駆動周波数が本発明の条件を満たす場合に、振幅変調を伴う走査軌跡が安定化することを示すために、駆動信号の振幅変調による走査軌跡の振幅および位相の変化について測定を行った結果について説明する。図１１は、振幅変調による振幅および位相の変化の測定方法を説明する図であり、図１１（ａ）は振幅変調を伴わない走査軌跡の測定を説明し、図１１（ｂ）は振幅変調を伴う場合の走査軌跡の測定を説明する図である。まず、手順１として、図１１（ａ）に示すように、振幅変調をしない状態で、一方向について一定周期（振動周期）ごとに走査位置を示す点の位置を時間とともにプロットする。ここで、振幅の中央にプロットされた点が直線的に並ぶことを確認する。次に、手順２として、図１１（ｂ）に示すように、三角波または正弦波等により振幅０（図１１（ｂ）において上端部および下端部の振幅）と最大振幅との間で振幅変調を行いながら、図１１（ａ）の場合と同様に一定周期ごとに点をプロットする。このようにして得られた点の集合が構成する曲線を位相曲線と呼ぶ。ここで、プロットされた位相曲線が直線にならない場合は、位相に変化が生じていることを意味する。このような位相の変化は軌跡の歪みに繋がり、直線的な振動の場合は走査軌跡の形状を楕円形状へと変化させる。

図１２は、異なる変調周波数および駆動周波数についての、振幅変調による振幅および位相の変化の測定結果を示す図である。この測定では、まず、駆動部７０の振幅変調を行わず準共振周波数で振動駆動して、位相曲線を測定した。図１２（ａ）に示すように、振幅変調を行わない場合、波形の歪みは生じないので位相曲線はほぼ直線となる。

次に、駆動部７０を３．７Ｈｚで振幅変調し低周波数側準共振周波数で振動駆動した場合、図１２（ｂ）に示すように位相曲線が湾曲し、位相変化が生じていることが確認された。さらに、図１２（ｂ）の上端部および下端部に位置する走査軌跡（図１２では軌跡の包絡線を示す）の振幅の最小値（走査軌跡の節の部分）がゼロまで落ちなかった。走査軌跡の振幅の最小値がゼロまで落ちないということは、スパイラル走査を行った場合に、走査中心に走査されない領域が円形に残ってしまうことを意味する。その結果、得られた信号を画像化した場合、画像の中心が抜けてしまい、ドーナツ形状のような画像となってしまう。そこで、駆動部７０を３．７Ｈｚで振幅変調し、且つ、低周波数側準共振周波数より３．７Ｈｚ低い駆動周波数で振動駆動すると、図１２（ｃ）に示すように、位相曲線の湾曲がかなり小さくなり、すなわち、位相ずれが小さくなるとともに、走査軌跡の振幅の最小値が実質的にゼロになった。これによって、観察対象物１００の走査中心まで走査することが可能になり、画像の中心の抜けを無くすことができる。なお、走査軌跡が実質的にゼロであるとは、振幅の最小値が最大振幅の３．５％以内であると定義する。前述のように、ファイバの最大振幅が０．１ｍｍ以上あることが好ましいのに対して、シングルモードファイバのＭＦＤが３．５μｍであることから、振幅の最小値が最大振幅の３．５％以下であれば、最小振幅の際のレーザ光の軌道がほぼ走査中心に重なるためである。

図１２（ｄ）は、駆動部７０を７．４Ｈｚで振幅変調し、低周波数側準共振周波数より３．７Ｈｚ低い駆動周波数で振動駆動した場合を示している。この場合は、図１２（ｂ）と同様に位相曲線が湾曲し、走査軌跡の上端部および下端部の振幅の最小値がゼロにならない。このため、観察対象物１００の走査中心に走査されない領域が円形に残ってしまい、得られた信号を画像化した場合、ドーナツ形状のような穴の開いた画像となってしまう。そこで、駆動部７０を７．４Ｈｚで振幅変調し、且つ、低周波数側の準共振周波数より７．４Ｈｚ低い駆動周波数で振動駆動すると、図１２（ｅ）に示すように、位相曲線の湾曲がかなり小さくなり、すなわち、位相ずれが小さくなるとともに、走査軌跡の振幅の最小値が実質的にゼロとなっている。これによって、走査中心まで走査することが可能になり、画像の中心の抜けを無くすことができる。なお、駆動部７０を７．４Ｈｚで振幅変調し、準共振周波数で振動駆動した場合についても測定を行ったが、その場合は、波形が著しく不安定となったため図１２には図示していない。

上記の例は、変調周波数を３．７Ｈｚおよび７．４Ｈｚとした例であるが、他の変調周波数を用いた場合でも同様の効果が見込まれる。例えば、スパイラル走査で３０Ｈｚのフレームレートで振幅変調を行い動画像を取得する場合は、変調周波数を３０Ｈｚとし、駆動周波数を低周波数側共振周波数より３０Ｈｚ低い周波数とすれば良い。

以上のように、駆動周波数を
駆動周波数＝低周波数側準共振周波数−変調周波数
とすると、位相曲線の湾曲が小さくなると共に、走査軌跡の振幅の最小値が実質的にゼロとなった。

以上の説明は、駆動周波数を低周波数側準共振周波数から低周波数側にずらした場合であるが、駆動周波数を高周波数側準共振周波数から高周波数側にずらした場合でも、同様の結果が得られる。そして、
駆動周波数＝高周波数側準共振周波数＋変調周波数
を満たす駆動周波数で駆動すれば、スパイラル走査によって、走査中心まで観察対象物１００の走査が可能になる。

さらに、共振周波数近傍の不安定領域に周波数スペクトルが重ならず、かつ、共振周波数による駆動時の１０分の１以上の振幅を得るために、走査型内視鏡１の駆動周波数を
上限周波数≧駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
または
下限周波数≦駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
とすることによって、光源部３０から出射されたレーザ光が、観察対象物１００上の所定の領域について、変調周波数により所定の領域全体をらせん状に繰り返し走査することができる。その結果、レーザ光の照射により、観察対象物１００から得られる反射光、散乱光または蛍光等は、検出用光ファイバ１２を介して検出部４０で検出され、制御部６０により、中心部に抜けのない画像を、変調周波数の周期で繰り返し生成し表示部６１に出力することができる。

次に、第１実施の形態において、非線形振動の影響が大きい場合について説明する。共振周波数近傍における非線形振動の影響が大きい場合には、照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの駆動周波数に対する振幅のグラフは、振幅が大きくなるほど、図１３に一例を示すように低周波数側または高周波数側に曲がった形状となる。図１３では共振周波数近傍の不安定領域を破線で挟まれた領域で示している。このとき、共振周波数近傍の不安定領域は、グラフの曲がっている方向に、より拡張される。グラフが低周波数側と高周波数側で対称ではないため、低周波数側の準共振周波数と高周波数側の準共振周波数とでは、同じエネルギで照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂを駆動しても、得られる振幅が異なっている。図１３では、高周波数側（グラフの曲がっていない側）の方が、より大きい振幅が得られる。

したがって、駆動部７０による駆動周波数を変化させ、横軸に駆動周波数、縦軸に照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの振幅をとり作成したグラフが、共振周波数を中心に非対称性を示す場合、高周波数側準共振周波数における前記振幅が、低周波数側準共振周波数における振幅よりも大きいときは駆動周波数を、
上限周波数≧駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
とし、低周波数側準共振周波数における振幅が、高周波数側準共振周波数における振幅よりも大きいときは駆動周波数を、
下限周波数≦駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
とすることができる。これにより、より大きい照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの振幅が得られる方の駆動周波数の範囲に属する駆動周波数により、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂを振動駆動することができ、より高いエネルギ効率で照明用光ファイバ１１を駆動することが可能になる。

図１４は、実験結果より得られた、駆動周波数に対する照明用光ファイバ１１の先端部１１ｃの振幅の一例を示すグラフである。この例では、駆動周波数３７３．５Ｈｚおよび３７６Ｈｚが、それぞれ低周波数側および高周波数側の準共振周波数（ｆ_ｑｌ，ｆ_ｑｈ）となっている。すなわち、これら３７３．５Ｈｚと３７６Ｈｚとの間の領域が不安定領域である。この場合、高周波数側の駆動周波数の方が、少ない駆動エネルギで低周波数側より大きな振幅を得ることができる。

（第２実施の形態）
図１５は、第２実施の形態に係る走査型内視鏡の先端部２４を拡大して示す図である。本実施の形態は、第１実施の形態に係る走査型内視鏡において、駆動部を永久磁石と電磁コイルを用いたものに代えて、圧電素子を用いたものである。また、図１６（ａ）は、図１５の先端部２４の圧電素子８２ａ〜８２ｄを含む振動駆動機構および照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂを示す側面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

駆動部８０は、取付環２６により光走査型内視鏡本体２０の挿入部２３の内部に固定されたアクチュエータ管８１、並びに、アクチュエータ管８１内に配置される圧電素子８２ａ〜８２ｄ、及び、内部を照明用光ファイバ１１が貫通したファイバ保持部材８３を含んで構成される。照明用光ファイバ１１は、ファイバ保持部材８３で支持されるとともにファイバ保持部材８３で支持された固定端１１ａから先端部１１ｃまでが、揺動可能に支持された揺動部１１ｂとなっている。ファイバ保持部材８３の４つの側面は、それぞれ＋Ｘ方向および＋Ｙ方向並びにこれらの反対方向に向いている。そして、ファイバ保持部材８３の＋Ｘ方向および−Ｘ方向にはＸ方向駆動用の一対の圧電素子８２ａ、８２ｃが固定され＋Ｙ方向および−Ｙ方向にはＹ方向駆動用の一対の圧電素子８２ｂ、８２ｄが固定される。

また、各圧電素子８２ａ〜８２ｄには、駆動制御部５０からの配線ケーブル１３が接続されている。駆動制御部５０は、Ｘ方向の圧電素子８２ａ、８２ｃおよびＹ方向の圧電素子８２ｂ，８２ｄに振動電圧を印加して、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂを振動駆動する。第１実施の形態と同様に、Ｘ方向とＹ方向とで互いに位相を９０度異ならせるとともに、それぞれの方向に、変調周波数で振幅変調することによって、観察対象物１００をスパイラル走査することができる。その他の構成、作用は、第１実施の形態と同様であるので、同一または対応する構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

本実施の形態によれば、駆動部８０として永久磁石と電磁コイルとの組み合わせではなく圧電素子８２ａ〜８２ｄを用いて、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂを振動駆動することができる。このため、第１実施の形態と同様に、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂを駆動周波数で振動させるとともに、照明用光ファイバ１１の振動の振幅をゼロと所定の最大値との間で変調周波数により変動させ、駆動周波数を、
上限周波数≧駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
または
下限周波数≦駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
とすることにより、観察対象物１００の走査を行う場合の走査軌跡が安定し、観察対象物の走査中心部からもレーザ光の照射により信号の検出が可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、上記実施の形態では、光源部に３つの波長の異なるレーザを用いたが、光源部は単一のレーザであっても良い。さらに、ＣＷ（連続発振）レーザ光でなく、パルスレーザ光であっても良い。また、レーザ光の走査方法は直交する２方向に同じ振幅で振動駆動する走査に限られず、例えば走査軌跡が一軸方向に長い走査方法も可能である。また、振幅変調は正弦波によるものに限られず、三角波のように振幅ゼロと最大振幅との間で、繰り返し振動するものであれば良い。

１０ 光走査型内視鏡
１１ 照明用光ファイバ
１１ａ 固定部
１１ｂ 揺動部
１１ｃ 先端部
１２ 検出用光ファイバ
１３ 配線ケーブル
２０ 光走査型内視鏡本体
２２ 操作部
２３ 挿入部
２４ 先端部
２５ 投影用レンズ
２６ 取付環
２７ 鉗子穴
３０ 光源部
３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ レーザ光源
３２ａ，３２ｂ ダイクロイックミラー
３３ ＡＯＭ（音響光学モジュレータ）
３４ レンズ
４０ 検出部
４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂ 受光器
４２ａ，４２ｂ ダイクロイックミラー
４３ レンズ
５０ 駆動制御部
６０ 制御部
６１ 表示部
６２ 入力部
７０ 駆動部
７１ 角型チューブ
７２ａ〜７２ｈ 電磁コイル
７３ 永久磁石
８０ 駆動部
８１ アクチュエータ管
８２ａ〜８２ｄ 圧電素子
８３ ファイバ保持部材
１００ 観察対象物

Claims (4)

1. 固定部および該固定部に対して揺動可能な揺動部を有し、該揺動部の先端からレーザ光を観察対象物に照射するファイバと、
   前記ファイバの前記揺動部を振動駆動するための駆動部と、
   前記観察対象物から前記レーザ光の照射により得られる光を検出し電気信号に変換する検出部と、を備え、
   前記駆動部は、前記ファイバの前記揺動部を異なる２軸方向に実質的に等しい駆動周波数で振動させるとともに、該ファイバの振動の振幅を実質的にゼロと所定の最大値との間で変調周波数により変動させ、前記駆動周波数は、
   上限周波数≧駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
   または
   下限周波数≦駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
   であることを特徴とする光走査型内視鏡。
   ここで、前記上限周波数および前記下限周波数は、それぞれ、共振周波数の高周波数側および低周波数側で、前記駆動部の前記駆動による前記ファイバの振動の振幅が、前記共振周波数で駆動した場合の１０分の１となるときの周波数である。
2. 前記駆動周波数は、
   駆動周波数＝高周波数側準共振周波数＋変調周波数
   または
   駆動周波数＝低周波数側準共振周波数−変調周波数
   であることを特徴とする請求項１に記載の光走査型内視鏡。
3. 前記駆動部は、前記ファイバの前記揺動部を互いに直交する２軸方向に約９０°の位相差で振動させることを特徴とする請求項１または２に記載の光走査型内視鏡。
4. 前記駆動部の前記駆動周波数を変化させたとき、該駆動周波数に対する前記揺動部の振幅が、共振周波数を中心に非対称性を示す場合、
   高周波数側準共振周波数における前記振幅が、低周波数側共振周波数における前記振幅よりも大きいときは前記駆動周波数を、
   上限周波数≧駆動周波数≧高周波数側準共振周波数＋変調周波数
   とし、
   低周波数側準共振周波数における前記振幅が、高周波数側共振周波数における前記振幅よりも大きいときは前記駆動周波数を、
   下限周波数≦駆動周波数≦低周波数側準共振周波数−変調周波数
   とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光走査型内視鏡。

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