JP6120624B2 - 光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置に関するものである。

従来、光ファイバの射出端を振動させることにより、射出される光を走査する光ファイバスキャナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この光ファイバスキャナは、光ファイバを貫通させて射出端を一端から突出させた円柱状の圧電素子（ＰＺＴチューブ）と、該圧電素子の表面に配置された電極とを備え、圧電素子から突出した光ファイバの根元が接着剤によって圧電素子の端部に固定されたものである。この光ファイバスキャナにおいては、圧電素子の屈曲振動が接着剤を介して光ファイバに伝達される。

特開２０１１−２１７８３５号公報

しかしながら、接着剤は弾性体であるため圧電素子の屈曲振動は減衰されて光ファイバに伝達される。この場合に、接着剤の形状が不均一であると光ファイバに伝達される振動の減衰の程度が振動の方向によって相違することになり、例えば、滑らかな螺旋形状の軌跡を描くように光ファイバの先端を振動させることが困難になるという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバの均一な振動を可能にして、所望の走査軌跡を得ることができる光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、光を導光する光ファイバと、該光ファイバの射出端から基端側に所定の間隔をあけた位置の前記光ファイバの外周面に周方向に等間隔をあけて複数配置され、前記光ファイバの射出端を複数方向に振動させる振動発生部と、該振動発生部から前記射出端までの間の前記光ファイバの全長にわたって配置され、かつ、前記光ファイバに固定され、樹脂材料により構成された振動減衰部材とを備え、該振動減衰部材は、前記光ファイバの軸線回りに同一の回転体形状を有し、前記振動発生部による振動励起方向以外の振動を減衰させ、該振動励起方向の振動を残す光ファイバスキャナを提供する。

本態様によれば、振動発生部を作動させることにより光ファイバの射出端を振動させ、光ファイバ内を導光されてきて射出端から射出される光を被写体上において２次元的な軌跡に沿って走査させることができる。この場合において、振動発生部において発生された振動は、光ファイバに伝播され端面等において反射する際に一部の振動エネルギの位相が変化し種々の方向の振動を派生させる。

本態様によれば、振動発生部と射出端との間に配置された振動減衰部材によって減衰されることにより、振動発生部による振動励起方向の振動のみを残すことができる。そして、この場合に、光ファイバの軸線回りに同一の回転体形状からなる振動減衰部材により、光ファイバにおいて派生した種々の位相の振動が均等に減衰されるので、光ファイバ内における振動の位相がばらつくことを防止して、所望の走査形態で安定して光を走査させることができる。

上記態様においては、前記振動減衰部材が、前記振動発生部から前記射出端までの間の前記光ファイバの全長にわたって配置されている。
このようにすることで、振動発生部における振動励起方向以外の振動を最大限に減衰させることができる。

本発明の参考例としての発明の一参考態様においては、前記振動減衰部材が、前記振動発生部に隣接する位置から前記光ファイバの長手方向の途中位置まで配置されていてもよい。
このようにすることで、振動発生部に隣接する位置における光ファイバの振動による応力集中を低減し、耐久性を向上することができる。

また、上記態様においては、前記振動減衰部材が、前記振動発生部の位置に対応する周方向位置において周方向に隙間をあけて分割されていてもよい。
このようにすることで、振動発生部による振動励起方向の振動が、振動減衰部材間の隙間によって減衰されることなく光ファイバに伝播されるので、より効率的に光ファイバを振動させることができる。

また、本発明の他の態様は、上記いずれかの光ファイバスキャナと、該光ファイバスキャナによって走査される光を発生する光源部とを備える照明装置を提供する。
本態様によれば、光源部から発生された光を光ファイバスキャナの振動発生部によって振動させられている光ファイバによって導光し、射出端から射出させることにより、被写体に２次元的に光を走査させることができる。この場合に、振動減衰部によって光ファイバの振動の位相がばらつかず、所望の軌跡に従って安定して光を照射することができる。

また、本発明の他の態様は、上記照明装置と、該照明装置によって光が被写体に照射されることにより、被写体から戻る戻り光を検出する光検出部とを備える観察装置を提供する。
本態様によれば、照明装置によって所望の軌跡に従って光を照射するので、光検出器により検出された戻り光の発生位置を精度よく対応づけることができ、画像の歪みを防止して、観察精度を向上することができる。

本発明によれば、ファイバの均一な振動を可能にして、所望の走査軌跡を得ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ、照明装置および観察装置を示す一部を破断した側面図である。 図１の光ファイバスキャナを示す正面図である。 図１の光ファイバスキャナを示す斜視図である。 図１の光ファイバスキャナの変形例を示す斜視図である。 図１の光ファイバスキャナの他の変形例を示す斜視図である。 図１の光ファイバスキャナの他の変形例を示す斜視図である。

本発明の一実施形態に係る光ファイバスキャナ１、照明装置２および観察装置３について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置３は、図１に示されるように、照明装置２と、観察光学系４とを備えている。

照明装置２は、照明光を発生する光源部５と、該光源部５において発生した照明光を導光して走査する本実施形態に係る光ファイバスキャナ１とを備えている。
光ファイバスキャナ１は、図１〜図３に示されるように、光源部５からの照明光を基端側の入射端６ａから入射させ、長手方向に導光し、先端の射出端６ｂから射出させる光ファイバ６と、該光ファイバ６の射出端６ｂを長手軸に交差する方向に振動させる振動発生部７と、発生した振動を減衰させる振動減衰部材８とを備えている。

振動発生部７は、導電性の金属材料からなる弾性部９と該弾性部９に固定された圧電素子１０とを備えている。弾性部９は、一端に円形のフランジ部９ａを有する正四角柱の長手軸に沿って、光ファイバ６を貫通可能な貫通孔９ｂが形成された形状を有している。

圧電素子１０は、厚さ方向の両端面に電極１０ａ，１０ｂが設けられた平板状に形成され、一方の電極１０ａを弾性部９の正四角柱部分の各側面に電気的に接触させた状態で固定されている。光ファイバ６を挟んで対向する位置に配置される圧電素子１０は、図２に矢印で示されるように、それらの分極方向が、同一の方向に向かうように配置されている。

各圧電素子１０の他方の電極１０ｂには、該圧電素子１０を駆動する電圧信号を供給するためのリード線１１が接続されている。光ファイバ６を挟んで対向する位置に配置されている圧電素子１０には、同一位相の電圧信号を供給するリード線１１が接続されている。

振動減衰部材８は、弾性部９から突出する光ファイバ６の外面を全周にわたって被覆する円筒部材であって、可撓性を有する樹脂材料により構成されている。振動減衰部材８は、図２に示されるように、均一な円環状の横断面形状を有し、光ファイバ６の全周方向に同一の機械的特性を有する形状、すなわち、光ファイバ６の長手軸回りの回転体形状を有している。

観察光学系４は、図１に示されるように、光ファイバスキャナ１を収容する筒状の観察装置本体１２の外周に、周方向に複数配列された検出用の光ファイバ１３を備えている。光ファイバ１３は、その入射端１３ａを光ファイバ６の射出端６ｂ側に向けて固定されている。これにより、光ファイバスキャナ１の光ファイバ６の射出端６ｂから射出された照明光が被写体に照射されることにより、観察装置３側に戻る戻り光、例えば、反射光や蛍光を、複数の光ファイバ１３の入射端１３ａにおいて受光し、観察装置本体１２の基端側に配置された図示しない光検出器によって検出するようになっている。

このように構成された本実施形態に係る光ファイバスキャナ１、照明装置２および観察装置３の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る観察装置３を用いて被写体の観察を行うには、照明装置２を作動させて被写体に照明光を照射する。

照明装置２を作動させると、光源部５において発生した照明光が光ファイバ６によって導光されて、先端の射出端６ｂから被写体に向けて射出される。このとき、光ファイバスキャナ１を駆動することにより、射出端６ｂを振動させることができ、照明光を被写体において２次元的に走査させることができる。

被写体においては照明光が照射されることにより、反射光や蛍光等の戻り光が発生し、観察装置３側に戻るので、観察装置本体１２に設けられた検出用の光ファイバ１３の入射端１３ａにおいて戻り光を受光し、光ファイバ１３ａ内を伝播してきた戻り光を基端側の光検出器において検出する。そして、これとともに、その戻り光の強度情報を光ファイバスキャナ１による照明光の走査位置と対応づけて記憶していく。これにより、被写体の２次元的な画像を取得することができる。

この場合において、光ファイバスキャナ１は、振動発生部７を構成している４つの圧電素子１０に交番電圧を印加することにより、光ファイバ６の射出端６ｂを２次元的に振動させる。例えば、光ファイバ６を挟んで対向配置された圧電素子１０を組として、２組の圧電素子１０に、一定の周期で正弦波状に最大振幅が変化する正弦波状の電圧信号を、位相を９０°異ならせて印加することにより、射出端６ｂを渦巻き状に振動させ、被写体において照明光を渦巻き状に走査させることができる。

そして、この場合に、本実施形態に係る光ファイバスキャナ１によれば、光ファイバ６を被覆するように設けた振動減衰部材８によって振動が減衰される。
振動減衰部材８は、光ファイバ６の長手軸を中心とした回転体形状を有しているので、その振動減衰効果は全周にわたって均等である。その結果、光ファイバ６内において派生した、振動発生部７による励振方向以外の方向の比較的振幅の小さい振動が十分に減衰され、励振方向の振動のみが光ファイバ６に伝播される。これにより、光ファイバ６の振動の位相のバラツキを抑えることができる。

すなわち、リード線１１によって圧電素子１０に供給した駆動信号の波形に正しく従う滑らかな軌跡を描くように光ファイバ６の射出端６ｂを振動させることができるという利点がある。その結果、本実施形態に係る光ファイバスキャナ１および照明装置２によれば、例えば、所望する渦巻き状の走査軌跡に正しく従って照明光を走査させることができる。そして、本実施形態に係る観察装置３によれば、検出した戻り光の強度と対応づける走査位置の精度を向上することができ、歪みのない画像を構築して観察精度を向上することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、振動減衰部材８を円筒状に形成したが、他の任意の回転体形状に形成してもよい。回転体形状であれば、機械的特性を全周方向にわたって均一にすることができ、励振方向以外の振動成分を均一に減衰させて、振動の位相のバラツキを効果的に抑制することができる。

また、本実施形態においては、弾性部９から突出している光ファイバ６の側面全体を覆うように振動減衰部材８を配置したが、本発明の参考例としての発明の参考実施形態としては、これに代えて、図４に示されるように、光ファイバ６の先端のみを部分的に露出させるように光ファイバ６の側面を覆う位置に振動減衰部材８を配置してもよい。また、図５に示されるように、弾性部９から突出している光ファイバ６の弾性部９に隣接する一部分のみに振動減衰部材８を配置してもよい。また、弾性部９に隣接する部分のみを露出させるように振動減衰部材８を配置してもよい。

振動減衰部材８は、振動発生部の基端側端部と射出端側端部との間の途中位置に部分的に配置してもよい。振動発生部内の途中位置から、振動発生部の光ファイバ６の射出端６ｂ側の端部まで配置してもよい。振動発生部内の途中位置から、振動発生部の光ファイバ６の射出端６ｂ側の端部と射出端６ｂとの間の途中位置まで配置してもよい。振動発生部内の途中位置から、光ファイバ６の射出端６ｂまで配置してもよい。

振動減衰部材８は、振動発生部の光ファイバ６の入射端６ａ側の端部から、振動発生部内の途中位置まで配置してもよい。振動発生部の光ファイバ６の入射端６ａ側の端部から射出端６ｂ側の端部までの全長にわたって配置してもよい。振動発生部の光ファイバ６の入射端６ａ側の端部から、光ファイバ６の射出端６ｂ側の端部と射出端６ｂとの間の途中位置まで配置してもよい。振動発生部の光ファイバ６の入射端６ａ側の端部から、光ファイバ６の射出端６ｂまで配置してもよい。

振動減衰部材８は、光ファイバ６の入射端６ａと振動発生部の光ファイバ６の入射端６ａ側の端部との間の途中位置から、振動発生部内の途中位置まで配置してもよい。光ファイバ６の入射端６ａと振動発生部の光ファイバ６の入射端６ａ側の端部との間の途中位置から、振動発生部の光ファイバ６の射出端６ｂ側の端部まで配置してもよい。光ファイバ６の入射端６ａと振動発生部の光ファイバ６の入射端６ａ側の端部との間の途中位置から、振動発生部の光ファイバ６の射出端６ｂ側の端部と射出端６ｂとの間の途中位置まで配置してもよい。光ファイバ６の入射端６ａと振動発生部の光ファイバ６の入射端６ａ側の端部との間の途中位置から、光ファイバ６の射出端６ｂまで配置してもよい。

振動減衰部材８は、光ファイバ６の入射端６ａから、振動発生部内の途中位置まで配置してもよい。光ファイバ６の入射端６ａから、振動発生部の光ファイバ６の射出端６ｂ側の端部まで配置してもよい。光ファイバ６の入射端６ａから、振動発生部の光ファイバ６の射出端６ｂ側の端部と射出端６ｂとの間の途中位置まで配置してもよい。

また、本実施形態においては、振動減衰部材８が光ファイバ６を全周にわたって被覆する円筒状に形成されていることとしたが、これに代えて、図６に示されるように、周方向に等分割され、周方向に相互に隙間１４をあけて配置される複数の円弧板状に形成してもよい。この場合に、各圧電素子１０に対応する周方向位置に隙間１４を配置することにより、各圧電素子１０による励振方向の振動を減衰させずに済み、さらに効率的に光ファイバ６を振動させることができる。

１ 光ファイバスキャナ
２ 照明装置
３ 観察装置
４ 観察光学系（光検出部）
５ 光源部
６ 光ファイバ
６ｂ 射出端
８ 振動減衰部材
１０ 圧電素子（振動発生部）
１４ 隙間

Claims (4)

1. 光を導光する光ファイバと、
   該光ファイバの射出端から基端側に所定の間隔をあけた位置の前記光ファイバの外周面に周方向に等間隔をあけて複数配置され、前記光ファイバの射出端を複数方向に振動させる振動発生部と、
   該振動発生部から前記射出端までの間の前記光ファイバの全長にわたって配置され、かつ、前記光ファイバに固定され、樹脂材料により構成された振動減衰部材とを備え、
   該振動減衰部材は、前記光ファイバの軸線回りに同一の回転体形状を有し、前記振動発生部による振動励起方向以外の振動を減衰させ、該振動励起方向の振動を残す光ファイバスキャナ。
2. 前記振動減衰部材が、前記振動発生部の位置に対応する周方向位置において周方向に隙間をあけて分割されている請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
3. 請求項１または請求項２に記載の光ファイバスキャナと、
   該光ファイバスキャナによって走査される光を発生する光源部とを備える照明装置。
4. 請求項３に記載の照明装置と、該照明装置によって光が被写体に照射されることにより、被写体から戻る戻り光を検出する光検出部とを備える観察装置。

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