JP6146965B2

JP6146965B2 - 光走査装置及び内視鏡装置

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Publication number: JP6146965B2
Application number: JP2012157484A
Authority: JP
Inventors: 誠橋爪; 文紀兵藤; 廉士澤田; 河村　幸則; 幸則河村; 範明石河; 鈴木　健; 健鈴木
Original assignee: Kyushu University NUC; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: JP2014021187A

Description

本発明は、光を走査する光走査装置及び内視鏡装置に関する。

内視鏡装置は、光を２次元で走査するための光走査装置を内蔵している。例えば特許文献１には、２つの可動ミラーと、２つの固定ミラーを用いて入射した光を２次元で走査することが記載されている。

しかし特許文献１に記載の技術では、光が光走査装置に入射する方向と、光が光走査装置から照射対象に向けて出射する方向とが９０°程度変わってしまう。このため、光走査装置の操作者が、照射対象の位置を勘違いする可能性が出てしまう。一方で、内視鏡装置などにおいては、光走査装置の厚さを薄くする必要がある。

これに対して特許文献２〜４には、互いに直交する２つの回転軸を有する可動ミラーの上方に、断面が略三角形のプリズムを配置し、このプリズムの２面を反射面として用いることが記載されている。特許文献２〜４には、この技術により光走査装置の径を小さくできる、と記載されている。

特開平１１−７２４３１号公報特開２０１０−４４２０８号公報特開２０１０−４４２０９号公報特開２０１０−４４２１４号公報

特許文献２〜４に記載の技術では、可動ミラーは、互いに直交する２つの回転軸を有する必要がある。この場合、一つの回転軸を有する可動ミラーを複数組み合わせた場合と比べ、径方向の寸法が大きくなる。かつ、構造が複雑化するため製造コストが高くなる。

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、径方向の寸法が大きくなることを抑制でき、光が出射する方向と、光が光走査装置に入射する方向とを一致させることができ、かつ製造コストを抑制できる光走査装置及び内視鏡装置を提供することにある。

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可動反射部の反射面は回転可能である。第２可動反射部の反射面は回転可能であり、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。平面視で、第２可動反射部は第１可動反射部と並んで配置されている。第１固定反射部は、平面視で第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、かつ入射光を第１可動反射部に向けて反射する。第２固定反射部は、平面視で第１可動反射部と第２可動反射部の間に配置されており、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、平面視で第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おり、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。

本発明に係る内視鏡装置は、光源と、上記した光走査装置とを備える。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、光走査装置の径方向の寸法が大きくなることを抑制でき、光が光走査装置から出射する方向と、光が光走査装置に入射する方向とを一致させることができ、かつ、製造コストを抑制できる。

第１の実施形態に係る光走査装置の構成を示す断面図である。第１可動反射部の詳細構造の一例を示す平面図である。第２の実施形態に係る光走査装置の構成を示す断面図である。第３の実施形態に係る光走査装置の構成を示す断面図である。第４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。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光走査装置１０の構成を示す断面図である。本実施形態に係る光走査装置１０は、第１可動反射部１０２、第２可動反射部１０４、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り、反射面の回転軸が第１可動反射部１０２の反射面の回転軸と交わる方向（例えば直角に交わる方向）を向いている。平面視で、第２可動反射部１０４は第１可動反射部１０２と並んで配置されている。第１固定反射部２０２は、平面視で第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おり、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、平面視で第１可動反射部１０２と第２可動反射部１０４の間に配置されており、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、平面視で第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おり、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。以下、詳細に説明する。

本実施形態において、平面視において第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、及び第３固定反射部２０６は、一つの直線に沿って配置されている。このため、光走査装置１０の幅（図１の紙面に対して直角な方向の幅）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（第１反射面、第２反射面、及び第３反射面）として形成されている。光学部材２００は、例えばセラミックス、金属、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、第２固定反射部２０４、及び第３固定反射部２０６は、光学部材２００の外面のうち基板１００に対向している面に金属膜（例えばＡｌ膜）を蒸着法などで形成したものである。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、いずれも平面であるが、向きが互いに異なる。

本実施形態において、第２固定反射部２０４は基板１００と平行である。そして第２固定反射部２０４に対する第１固定反射部２０２の角度θ_１は、第２固定反射部２０４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１２．４°以上１２．６°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のうち光が入射する部分から第２可動反射部１０４のうち光が入射する部分までの距離をＬ、第２固定反射部２０４から第２可動反射部１０４までの距離をｈ、第２固定反射部２０４の法線に対する光の角度をθ_３とすると、以下の関係が成り立つ。
ｔａｎθ_３＝Ｌ／ｈ・・・（１）
θ_１＝（π／２−θ_３）／２・・・（２）

図２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２においてＹ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２においてＸ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３００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。

次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態によれば、光走査装置１０は、第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４の他に、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。そして、第１固定反射部２０２に入射した光は、第１可動反射部１０２に向けて反射される。第１可動反射部１０２は、光の方向を第１の方向に走査する。第１可動反射部１０２で反射された光は、第２固定反射部２０４を介して第２可動反射部１０４に入射する。第２可動反射部１０４は、光の方向を第２の方向に走査する。第２可動反射部１０４で反射された光は、第３固定反射部２０６を介して光走査装置１０の外部に出射する。

このため、光走査装置１０から出射される光の方向を、光走査装置１０に入射される光の向きにあわせることができる。すなわち光走査装置１０から出射される光の光軸は、光走査装置１０に入射される光の光軸と同一の向きを有している。また、第２固定反射部２０４に対する第１固定反射部２０２及び第３固定反射部２０６の角度θ_１、θ_２を大きくしなくても良いため、光走査装置１０の厚さｔを薄くできる。

また、可動反射部として、第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４の２つを用いている。このため、一つの可動反射部に、互いに直交する２つの回転軸を持たせる必要がない。従って、光走査装置１０の径方向の寸法は、回転軸が２つではなく１つであるため、そのぶん小さくすることができる。また、光走査装置１０の構造がシンプルになるので、製造コストを抑制できる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る光走査装置１０の構成を示す断面図である。本実施形態に係る光走査装置１０は、光学部材２００の構造を除いて第１の実施形態に係る光走査装置１０と同様の構成である。

本実施形態において光学部材２００は、ガラスや樹脂など、光走査装置１０に入射する光に対して透明な材料により形成されている。そして光学部材２００は、第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４とは反対側の面に、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を有している。具体的には、光学部材２００は、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となる面に、金属膜を有している。そしてこの金属膜のうち光学部材２００の本体と接する面、すなわち光学部材２００と外部の境界の内側の面が、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として機能する。

なお、光学部材２００のうち第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４に対向する面、並びに両側面（光の入射面及び出射面）は、いずれも、光が散乱しないように平坦であることが好ましい。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、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は外部に露出しない。このため、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の表面が汚染されることを抑制できる。さらに、光学部材２００を基板１００上に接合する場合、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とは逆側の面が基板１００に接合される。このため、この接合時に第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が汚染されることを抑制できる。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態に係る光走査装置１０の構成を示す断面図である。本実施形態に係る光走査装置１０は、以下の点を除いて、第２の実施形態に係る光走査装置１０と同様の構成である。

本実施形態において、光学部材２００は、光の入射面２０７及び光の出射面２０８が、それぞれレンズ形状となっている。本図に示す例では、入射面２０７及び出射面２０８は、いずれも凸レンズとなっている。そして、入射面２０７及び出射面２０８によって、共焦点光学系が構成されている。

本実施形態によれば、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、光学部材２００の入射面２０７及び出射面２０８をレンズ形状にしているため、光学部材２００にコリメートレンズ及び対物レンズを一体化することができる。

（第４の実施形態）
図５は、第４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。光走査装置１０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４１２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３００、及び配線基板３１０を有している。基板１００及び光学部材２００の構造は、第１〜第３の実施形態のいずれかと同様である。本図に示す例では、第１の実施形態と同様の場合を示している。制御部３００は半導体ベアチップであり、基板１００と共に配線基板３１０上に実装されている。基板１００には貫通電極１０６が設けられている。第１可動反射部１０２及び第２可動反射部１０４は、貫通電極１０６及び配線基板３１０を介して、制御部３００に接続している。

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の第１固定反射部２０２に向けて出射する。第１固定反射部２０２に入射した光は、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４１２から観察対象に向けて出射する。このとき、制御部３００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４１２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、及び第１固定反射部２０２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〜第３の実施形態のいずれか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。例えば第１〜第３の実施形態に示した光走査装置１０は、内視鏡装置４０以外の装置、例えばレーザープロジェクタに使用されても良い。

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
１０６貫通電極
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
２０７入射面
２０８出射面
３００制御部
３１０配線基板
４１０ケース
４１２レンズ
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
４６０ＡＤ変換部
４７０画像処理部

Claims

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、かつ平面視で前記第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、
平面視で前記第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、
平面視で前記第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、
平面視で前記第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３固定反射部の反射面は、前記第１固定反射部の反射面とは逆側を向いており、
前記第２固定反射部の反射面に対する前記第３固定反射部の反射面の傾きの大きさは、前記第２固定反射部の反射面に対する前記第１固定反射部の反射面の傾きの大きさと等しく、
厚さ方向において、前記第２固定反射部から前記第２可動反射部までの距離は、前記第１固定反射部のうち前記入射光が入射する部分から前記第２可動反射部までの距離及び前記第３固定反射部のうち前記入射光が入射する部分から前記第２可動反射部までの距離よりも小さい光走査装置。
請求項１に記載の光走査装置において、
前記第１可動反射部及び前記第２可動反射部は同一の基板に形成されている光走査装置。
請求項１又は２に記載の光走査装置において、
前記第１可動反射部及び前記第２可動反射部に対向して配置された光学部材を備え、
前記光学部材は、前記第１固定反射部である第１反射面、前記第２固定反射部である第２反射面、及び前記第３固定反射部である第３反射面を有している光走査装置。
請求項３に記載の光走査装置において、
前記第１反射面、前記第２反射面、及び前記第３反射面は、前記光学部材の外面である光走査装置。
請求項３に記載の光走査装置において、
前記第１反射面、前記第２反射面、及び前記第３反射面は、前記光学部材と外部の境界の内側の面である光走査装置。
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３固定反射部の反射面は、前記第１固定反射部の反射面とは逆側を向いており、
前記第２固定反射部の反射面に対する前記第３固定反射部の反射面の傾きの大きさは、前記第２固定反射部の反射面に対する前記第１固定反射部の反射面の傾きの大きさと等しく、
厚さ方向において、前記第２固定反射部から前記第２可動反射部までの距離は、前記第１固定反射部のうち前記入射光が入射する部分から前記第２可動反射部までの距離及び前記第３固定反射部のうち前記入射光が入射する部分から前記第２可動反射部までの距離よりも小さい内視鏡装置。