JP2016200640A - 光走査装置及び内視鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光走査装置及び内視鏡装置において、入射光を集光する場合に入射光の収差を小さいものにする。【解決手段】光走査装置１０は、第１可動反射部１０２、第２可動反射部１０４、レンズ３２０、第１固定反射部２０２、第２固定反射部２０４、及び第３固定反射部２０６を備えている。レンズ３２０は、第１方向（図中ｙ方向）から見た場合に第１可動反射部１０２を介して第２可動反射部１０４とは逆側に位置している。さらに、レンズ３２０には、入射光が通過する。レンズ３２０から出射した入射光は、第１平面（図中ｚｘ平面）に平行な方向で集光する。さらに、この入射光は、第１平面に平行である。【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置及び内視鏡装置に関する。

光走査装置は、スキャンミラー（反射部）を回転軸に関して回転させることで光走査をしている。そして現在、スキャンミラーに入射する光を集光する技術が検討されている。例えば、特許文献１には、回転軸が互いに異なる方向を向いている２つのスキャンミラーの間に２つのレンズを配置することが記載されている。一方のスキャンミラーで反射された光は、２つのレンズを介して他方のスキャンミラーに達する。この場合、これら２つのレンズによって集光された光がスキャンミラーに入射する。

一方、特許文献２には、ガルバノミラーに関する技術が記載されている。特許文献２では、スキャンミラーで反射した光をレンズにより集光させている。

特表２０１３−５２９７９５号公報 特開２０１３−２０１４４号公報

一部の光走査装置及び一部の内視鏡装置では、スキャンミラーに入射する入射光のスポット径を小さくするために、レンズを用いて入射光を集光する。この場合、入射光の収差を小さいものにする必要がある。本発明者らは、入射光を集光する場合に入射光の収差を小さいものにするための構造を検討した。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光走査装置及び内視鏡装置において、入射光を集光する場合に入射光の収差を小さいものにすることにある。

本発明に係る光走査装置は、第１可動反射部、第２可動反射部、第１レンズ、第１固定反射部、第２固定反射部、及び第３固定反射部を備えている。第１可動反射部は、反射面が回転可能である。第２可動反射部は、反射面が回転可能である。さらに、第２可動反射部は、回転軸が第１可動反射部の回転軸と交わる方向を向いている。さらに、第２可動反射部は、第１平面に垂直な第１方向から見た場合に第１可動反射部と並んで配置されている。第１レンズは、第１方向から見た場合に第１可動反射部を介して第２可動反射部とは逆側に位置している。さらに、第１レンズには入射光が通過する。第１固定反射部は、第１方向から見た場合に第１レンズと第１可動反射部の間に配置されている。さらに、第１固定反射部は、第１レンズを通過した入射光を第１可動反射部に向けて反射する。第２固定反射部は、第１方向から見た場合に第１可動反射部と第２可動反射部の間に配置されている。さらに、第２固定反射部は、第１可動反射部で反射された入射光を第２可動反射部に向けて反射する。第３固定反射部は、第１方向から見た場合に第２可動反射部を介して第１可動反射部とは逆側に配置されている。さらに、第３固定反射部は、第２可動反射部で反射された入射光を第２可動反射部から離れる方向に反射する。第１レンズから出射した入射光は、第１平面に平行な方向で集光する。さらに、この入射光は、第１平面に平行である。

本発明に係る内視鏡装置は、光源及び上記した光走査装置を備えている。光走査装置は、光源から入射された光を走査するとともに、光が観察対象で反射した反射光を取り出す。

本発明によれば、光走査装置及び内視鏡装置において、入射光を集光する場合に入射光の収差を小さいものにすることができる。

第１の実施形態に係る光走査装置の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る集光光学系の構成を示す図である。 第１可動反射部の詳細構造の一例を示す平面図である。 光学部材の断面図である。 光学部材の製造方法の一例を示す図である。 図２に示した集光光学系における入射光をシミュレートした結果を示す図である。 図１に示した光走査装置における入射光をシミュレートした結果を示す図である。 図１の第１の変形例を示す図である。 図１の第２の変形例を示す図である。 第２の実施形態に係る内視鏡装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、第１の実施形態に係る光走査装置１０の構成を示す図である。図２は、本実施形態に係る集光光学系３００の構成を示す図である。図１に示すように、光走査装置１０は、第１可動反射部１０２、第２可動反射部１０４、レンズ３２０（第１レンズ）、第１固定反射部２０２、第２固定反射部２０４、及び第３固定反射部２０６を備えている。第１可動反射部１０２は、反射面が回転可能である。第２可動反射部１０４は、反射面が回転可能である。さらに、第２可動反射部１０４は、回転軸が第１可動反射部１０２の回転軸と交わる方向（例えば、第１可動反射部１０２の回転軸と直交する方向）を向いている。さらに、第２可動反射部１０４は、第１平面（図中ｚｘ平面）に垂直な第１方向（図中ｙ方向）から見た場合に第１可動反射部１０２と並んで配置されている。レンズ３２０は、第１方向から見た場合に第１可動反射部１０２を介して第２可動反射部１０４とは逆側に位置している。さらに、レンズ３２０には、入射光が通過する。第１固定反射部２０２は、第１方向から見た場合にレンズ３２０と第１可動反射部１０２の間に配置されている。さらに、第１固定反射部２０２は、レンズ３２０を通過した入射光を第１可動反射部１０２に向けて反射する。第２固定反射部２０４は、第１方向から見た場合に第１可動反射部１０２と第２可動反射部１０４の間に配置されている。さらに、第２固定反射部２０４は、第１可動反射部１０２で反射された入射光を第２可動反射部１０４に向けて反射する。第３固定反射部２０６は、第１方向から見た場合に第２可動反射部１０４を介して第１可動反射部１０２とは逆側に配置されている。さらに、第３固定反射部２０６は、第２可動反射部１０４で反射された入射光を第２可動反射部１０４から離れる方向に反射する。図２に示すように、レンズ３２０から出射した入射光は、第１平面（図中ｚｘ平面）に平行な方向で集光する。さらに、この入射光は、第１平面に平行である。以下、詳細に説明する。

まず、図１を用いて、光走査装置１０の構成の詳細を説明する。本図に示すように、光走査装置１０は、基板１００、光学部材２００、及び集光光学系３００（コリメートレンズ３１０、レンズ３２０、及びレンズ３３０）を備えている。コリメートレンズ３１０、レンズ３２０、及びレンズ３３０は、平面視でこの順で並んでいる。そして基板１００及び光学部材２００は、平面視でレンズ３２０とレンズ３３０の間に位置している。

本実施形態において、平面視においてコリメートレンズ３１０、レンズ３２０、第１固定反射部２０２、第１可動反射部１０２、第２固定反射部２０４、第２可動反射部１０４、第３固定反射部２０６、及びレンズ３３０は、一つの直線に沿って配置されている。また、第１固定反射部２０２に入射するときの入射光と、第２固定反射部２０４で反射された入射光は同軸（図１におけるｚ方向）となっている。このため、光走査装置１０の幅は、小さくなる。

第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４は、同一の基板１００に形成されている。基板１００は、例えばシリコン基板である。そして第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４は、基板１００を加工することにより形成されている。第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４の構造の詳細については後述する。

第１固定反射部２０２、第２固定反射部２０４、及び第３固定反射部２０６は、一つの光学部材２００の外面である。具体的には、光学部材２００は、透光性の材料、例えばガラス又は樹脂により形成されている。そして第１固定反射部２０２及び第３固定反射部２０６は、光学部材２００の外側の面によって構成されている。一方、第２固定反射部２０４は、光学部材２００と外部の境界のうち光学部材２００の内側の面によって構成されている。言い換えると、第１固定反射部２０２及び第３固定反射部２０６は、光学部材２００に向かってきた光を反射する。一方、第２固定反射部２０４は、透光面２０８を介して光学部材２００の内部を進んできた光を反射する。

そして、第１固定反射部２０２、第２固定反射部２０４、及び第３固定反射部２０６は、いずれも平面であるが、向きが互いに異なる。

具体的には、第２固定反射部２０４は基板１００と平行である。そして本図に示す例では、基板１００に対する第１固定反射部２０２の角度θ_１は、基板１００に対する第３固定反射部２０６の角度θ_２と等しい。ただし、第１固定反射部２０２と第３固定反射部２０６は互いに逆側を向いている。角度θ_１及びθ_２は、例えば１０°以上３０°以下である。ただし角度θ_１及びθ_２はこの範囲に限定されない。

そして、第２固定反射部２０４は、第１固定反射部２０２および第３固定反射部２０６よりも、基板１００から離れている。基板１００を基準としたときの第２固定反射部２０４の高さＧは、第１固定反射部２０２のうち入射光が当たる部分よりも高くなっており、また、第２固定反射部２０４のうち入射光が当たる部分よりも高くなっている。

次に、図２を用いて、集光光学系３００の詳細を説明する。本図に示す例では、光源（本図では不図示）からの光がコリメートレンズ３１０を通過して平行光となる。そしてこの平行光は、レンズ３２０に入射する。

本図に示す例において、レンズ３２０は、シリンドリカルレンズである。詳細には、レンズ３２０は、レンズ３２０の光軸の延伸方向（図中ｚ方向）で見た場合に互いに逆側に位置する曲面３２２及び平面３２４を備えている。平面３２４は、レンズ３２０の入射側に位置している。そして平面３２４は、光軸に垂直な平面である。これに対して曲面３２２は、レンズ３２０の出射側に位置している。そして曲面３２２は、平面視で（すなわち、図中ｙ方向から見た場合）平面３２４と逆側に凸となる方向に湾曲している。さらに、曲面３２２は、第１方向（図中ｙ方向）に沿って平坦である。

コリメートレンズ３１０からの平行光は、平面３２４で屈折することなく平面３２４を通過する。そしてこの平行光は、曲面３２２によって平面視で（すなわち、図中ｙ方向から見た場合）集光する。一方、上記したように、曲面３２２は、第１方向（図中ｙ方向）に沿って平坦である。このため、上記した平行光は、曲面３２２を通過しても、第１平面（図中ｚｘ平面）に平行となる。

レンズ３２０からの光は、レンズ３２０の焦線（レンズ３２０からの光が集光する直線）を経た後、レンズ３３０に入射する。なお、詳細を後述するように、基板１００及び光学部材２００（図１）は、レンズ３２０及びレンズ３３０の間に配置される。そしてこの場合、レンズ３２０からの光は、第１可動反射部１０２と第２可動反射部１０４の間で集光する。

レンズ３３０は、両凸球面レンズである。これにより、レンズ３２０からの光がレンズ３３０に入射すると、この光は、一点（レンズ３３０の焦点）に集光する。

上記したように、レンズ３２０とレンズ３３０の間における光は、第１平面（図中ｚｘ平面）に平行である。このため、レンズ３２０とレンズ３３０の間で第１方向（図中ｙ方向）に沿って並んでいる光線において光路差が生じることが抑制される。これにより、第１方向（図中ｙ方向）に沿って並んでいる光線において収差が生じることが抑制される。

基板１００及び光学部材２００（図１）は、平面視でレンズ３２０とレンズ３３０の間に配置される。詳細には、基板１００及び光学部材２００は、平面視で入射光が第１可動反射部１０２と第２可動反射部１０４の間で集光するように配置される。この場合においても、レンズ３２０からの光は、第１平面（図中ｚｘ平面）に平行である。これにより、上記した収差が生じることが抑制される。

図３は、第１可動反射部１０２の詳細構造の一例を示す平面図である。第１可動反射部１０２は、可動電極１２０、枠体１１０、保持部材１３０、及び２つの第１固定電極１４０を備えている。保持部材１３０は、可動電極１２０を枠体１１０に取り付けており、かつ可動電極１２０の回転軸となる。２つの第１固定電極１４０は、可動電極１２０を介して互いに対向しており、可動電極１２０の回転軸と交わる方向に並んでいる。

可動電極１２０の平面形状は矩形であるが、第１固定電極１４０と対向する辺（図３においてＸ方向に伸びている辺）は、櫛歯形状となっている。枠体１１０は、可動電極１２０の４辺のうち第１固定電極１４０と対向していない２つの辺（図３においてＺ方向に伸びている辺）それぞれに対向している。保持部材１３０は、可動電極１２０のうち枠体１１０と対向している２辺それぞれに対して設けられている。詳細には、保持部材１３０は、可動電極１２０のうち枠体１１０と対向している辺の中心に接続している。そして２つの保持部材１３０を結ぶ線が、可動電極１２０の回転軸となっている。本実施形態では、枠体１１０、可動電極１２０、及び保持部材１３０は一体的に形成されている。

第１固定電極１４０のうち可動電極１２０と対向する辺は、櫛歯形状となっており、可動電極１２０の櫛歯部分とかみ合っている。このため、第１固定電極１４０と可動電極１２０は、互いに対向する部分の面積が大きくなり、その結果、可動電極１２０の駆動力は大きくなる。

また、第１固定電極１４０は、一部が可動電極１２０と枠体１１０の間に伸びている。その伸びている部分の先端は、保持部材１３０に対向している。

第１可動反射部１０２の可動電極１２０は、例えば上面が鏡面になっている。この鏡面は、例えば可動電極１２０の上面に金属膜（例えばＡｌ膜）を形成することにより、形成されている。そして可動電極１２０の角度を変えることにより、可動電極１２０に入射してきた光の反射角を変える。可動電極１２０の角度は、制御部４００によって制御される。

なお、第２可動反射部１０４の詳細構造は、平面視における向きが９０°異なっている点を除いて、第１可動反射部１０２の詳細構造と同様である。

図４は、光学部材２００の断面図である。光学部材２００は、ベース部材２１０及び反射層２２０有している。ベース部材２１０はガラスや樹脂などの透光性の材料を用いて形成されており、第１固定反射部２０２となる面、第２固定反射部２０４となる面、及び第３固定反射部２０６となる面、及び透光面２０８を有している。反射層２２０は、ベース部材２１０のうち第１固定反射部２０２となる面、第２固定反射部２０４となる面、及び第３固定反射部２０６となる面の上に形成されている。反射層２２０は、光を反射する材料、例えばＡｌなどの金属によって形成されている。なお、反射層２２０は、ベース部材２１０のうち透光面２０８には形成されていない。

また、光学部材２００は、底面が台形の四角柱を横にした形状を有している。そして、この台形の上底（互いに平行な２辺のうち相対的に短い辺）に相当する面が透光面２０８になっており、下底（互いに平行な２辺のうち相対的に長い辺）に相当する面が透光面２０８になっている。また台形の脚に相当する２つの面が、第１固定反射部２０２及び第３固定反射部２０６になっている。

図５は、光学部材２００の製造方法の一例を示す図である。まず、本図（ａ）に示すように、三角柱のベース部材２１０を準備する。次いで、本図（ｂ）に示すように、ベース部材２１０の外面の全面に、反射層２２０を、例えば蒸着法やスパッタリング法を用いて形成する。次いで、本図（ｃ）に示すように、ベース部材２１０のうち、第１固定反射部２０２となる面及び第３固定反射部２０６となる面とが交わっている辺を研磨する。この研磨により、透光面２０８が形成される。このように、光学部材２００を図４に示した構造にすると、光学部材２００を容易に形成することができる。

図６は、図２に示した集光光学系３００における入射光をシミュレートした結果を示す図である。本図（ｂ）に示すように、平面視において、コリメートレンズ３１０からの平行光の幅は、この平行光が進行するにつれて、集光によって狭くなり、その後再び広がる。一方、本図（ｃ）に示すように、この平行光は、第１平面（ｚｘ平面）に平行となっている。

図７は、図１に示した光走査装置１０における入射光をシミュレートした結果を示す図である。本図に示す例では、入射光は、透光面２０８と第２可動反射部１０４の間で集光している。そして本図に示すように、入射光の強度分布は、ｚ方向に垂直な各断面において、ｘ方向に沿ってほぼ一定になっている。この結果は、図２を用いて説明した収差が抑制されていることを示唆する。

以上、本実施形態によれば、レンズ３２０から出射した入射光は、第１平面（図中ｚｘ平面）に平行な方向で集光する。さらに、この入射光は、第１平面に平行である。このため、第１平面に垂直な第１方向において、この入射光に収差が生じることが抑制される。

図８は、図１の第１の変形例を示す図である。本図に示すように、光学部材２００は、基板１００と対向する面に第２固定反射部２０４を有していてもよい。本図に示す例では、第１可動反射部１０２で反射された入射光は、光学部材２００の内側に入射することなく、第２固定反射部２０４で反射される。本図に示す例においても、本実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、図１の第２の変形例を示す図である。本図に示すように、光学部材２００は、基板１００と対向する面に凹部を有していてもよい。そして光学部材２００は、この凹部の底面に第２固定反射部２０４を有している。本図に示す例においても、本実施形態と同様の効果が得られる。さらに、本図に示す例では、基板１００から第２固定反射部２０４までの距離Ｈを図８に示した例と比較して大きいものにすることができる。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る内視鏡装置４０の構成を示す図である。本実施形態に係る内視鏡装置４０は、共焦点光学系の内視鏡装置であり、光走査装置１０、光源４２０、ダイクロイックミラー４３０、光ファイバー４４０、光検出部４５０、ＡＤ変換部４６０、及び画像処理部４７０を備えている。基板１００、光学部材２００、コリメートレンズ３１０、及びレンズ３２０は、ケース４１０の中に収容されている。ケース４１０は、内視鏡装置４０の先端部を構成しており、その先端にレンズ３３０を有している。光源４２０は、例えばレーザ光源である。

本実施形態において、光走査装置１０は、基板１００、光学部材２００、制御部４００、及び配線基板４８０を有している。光学部材２００の構造は、第１の実施形態と同様である。また、本図に示す例では、基板１００はＳＯＩ（Silicon ON Insulator）基板である。そして第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４は、基板１００の上側のシリコン層を用いて形成されている。そして、基板１００は、配線基板４８０上に実装されている。また、配線基板４８０上には、制御部４００も実装されている。制御部４００は、例えば半導体ベアチップであり、基板１００と共に配線基板４８０上に実装されている。

次に、内視鏡装置４０の動作について説明する。光源４２０が生成した光は、ダイクロイックミラー４３０で反射され、光ファイバー４４０に入射する。光ファイバー４４０は、入射した光を光学部材２００のコリメートレンズ３１０に向けて出射する。コリメートレンズ３１０に入射した光は、コリメートレンズ３１０、レンズ３２０、第１可動反射部１０２、第２固定反射部２０４、第２可動反射部１０４、及び第３固定反射部２０６を介して、レンズ３３０から観察対象に向けて出射する。このとき、制御部４００が第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４を制御することにより、観察対象に向けて出射する光の向きが制御される。

観察対象には、予め蛍光体の分子が含浸されている。この蛍光体の分子は、レーザ光で励起されることにより蛍光発光する。この蛍光発光した光は、レンズ３３０を介して第３固定反射部２０６、第２可動反射部１０４、第２固定反射部２０４、第１可動反射部１０２、第１固定反射部２０２、レンズ３２０、及びコリメートレンズ３１０を介して光ファイバー４４０に入射する。光ファイバー４４０に入射した光は、ダイクロイックミラー４３０を透過して光検出部４５０によって電気信号に変換される。この電気信号は、ＡＤ変換部４６０によってデジタル信号に変換される。画像処理部４７０は、ＡＤ変換部４６０が生成したデジタル信号に基づいて画像データを生成する。

本実施形態によれば、光走査装置１０は、第１の実施形態と同様の構造を有している。このため、内視鏡装置４０から出射される光の光軸を、内視鏡装置４０が延伸する方向（すなわちケース４１０が向いている方向）に合わせることができる。また、ケース４１０の径ｒを小さくすることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０ 光走査装置
４０ 内視鏡装置
１００ 基板
１０２ 第１可動反射部
１０４ 第２可動反射部
１１０ 枠体
１２０ 可動電極
１３０ 保持部材
１４０ 第１固定電極
２００ 光学部材
２０２ 第１固定反射部
２０４ 第２固定反射部
２０６ 第３固定反射部
２０８ 透光面
２１０ ベース部材
２２０ 反射層
３００ 集光光学系
３１０ コリメートレンズ
３２０ レンズ
３２２ 曲面
３２４ 平面
３３０ レンズ
４００ 制御部
４１０ ケース
４２０ 光源
４３０ ダイクロイックミラー
４４０ 光ファイバー
４５０ 光検出部
４６０ ＡＤ変換部
４７０ 画像処理部
４８０ 配線基板

Claims (3)

1. 反射面が回転可能である第１可動反射部と、
   反射面が回転可能であり、回転軸が前記第１可動反射部の回転軸と交わる方向を向いており、かつ第１平面に垂直な第１方向から見た場合に前記第１可動反射部と並んで配置されている第２可動反射部と、
   前記第１方向から見た場合に前記第１可動反射部を介して前記第２可動反射部とは逆側に位置し、かつ入射光が通過する第１レンズと、
   前記第１方向から見た場合に前記第１レンズと前記第１可動反射部の間に配置されており、かつ前記第１レンズを通過した前記入射光を前記第１可動反射部に向けて反射する第１固定反射部と、
   前記第１方向から見た場合に前記第１可動反射部と前記第２可動反射部の間に配置されており、前記第１可動反射部で反射された前記入射光を前記第２可動反射部に向けて反射する第２固定反射部と、
   前記第１方向から見た場合に前記第２可動反射部を介して前記第１可動反射部とは逆側に配置されており、前記第２可動反射部で反射された前記入射光を前記第２可動反射部から離れる方向に反射する第３固定反射部と、
   を備え、
   前記第１レンズから出射した前記入射光は、
   前記第１平面に平行な方向で集光し、かつ
   前記第１平面に平行である光走査装置。
2. 請求項１に記載の光走査装置において、
   前記第１レンズは、前記入射光が通過する第１曲面を備え、
   前記第１曲面は、
   前記第１方向から見た場合、湾曲しており、かつ
   前記第１方向に沿って平坦である光走査装置。
3. 光源と、
   前記光源から入射された光を走査するとともに、前記光が観察対象で反射した反射光を取り出す光走査装置と、
   を備え、
   前記光走査装置は、
   反射面が回転可能である第１可動反射部と、
   反射面が回転可能であり、回転軸が前記第１可動反射部の回転軸と交わる方向を向いており、かつ第１平面に垂直な第１方向から見た場合に前記第１可動反射部と並んで配置されている第２可動反射部と、
   前記第１方向から見た場合に前記第１可動反射部を介して前記第２可動反射部とは逆側に位置し、かつ入射光が通過する第１レンズと、
   前記第１方向から見た場合に前記第１レンズと前記第１可動反射部の間に配置されており、かつ前記第１レンズを通過した前記入射光を前記第１可動反射部に向けて反射する第１固定反射部と、
   前記第１方向から見た場合に前記第１可動反射部と前記第２可動反射部の間に配置されており、前記第１可動反射部で反射された前記入射光を前記第２可動反射部に向けて反射する第２固定反射部と、
   前記第１方向から見た場合に前記第２可動反射部を介して前記第１可動反射部とは逆側に配置されており、前記第２可動反射部で反射された前記入射光を前記第２可動反射部から離れる方向に反射する第３固定反射部と、
   を備え、
   前記第１レンズから出射した前記入射光は、
   前記第１平面に平行な方向で集光し、かつ
   前記第１平面に平行である内視鏡装置。