JP6327851B2 - 光走査型画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、光走査型画像形成装置に関するものである。

従来、光ファイバの先端部から光を対象物に向けて走査し、対象物で反射、散乱等される光、あるいは、対象物で発生する蛍光等を検出する光走査型の画像形成装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような装置では、照射する光を対象物上で走査させるため、光を出射する先端部が揺動可能な状態で光ファイバの一部を支持し、この支持部の近傍にアクチュエータを配置することによって、光ファイバを振動させている。

特許第４６７２０２３号明細書

ここで、アクチュエータの最適な駆動周波数は、アクチュエータ毎に異なり、また、リサージュ波形走査の場合などでは大きな周波数依存性があることから、例えば１Ｈｚ単位の細かな駆動周波数の設定が可能であることが望ましい。

しかしながら、図１に示すように、従来、フレーム間で同一の駆動波形を構築しているため、例えばｔ秒間でのフレーム数をＮ個に決定すると、駆動周波数はｔ／Ｎ秒の逆数の整数倍に制限されてしまうこととなり、駆動周波数の細かな設定ができないという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決しようとするものであり、駆動周波数を細かく設定することが可能な光走査型画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の要旨構成は、以下の通りである。
本発明の光走査型画像形成装置は、光源部と、前記光源部からの光を走査して対象物に照射する、照明走査部と、前記対象物からの光を検出する光検出部と、前記照明走査部による光の走査パターンを与えるための駆動波形、及び画像構築用座標を演算する演算部と、前記光検出部により検出された光、及び前記画像構築用座標に基づいて画像を描画する画像描画部と、を備え、前記駆動波形は、所定周期内に、周波数が一定であり位相が異なる複数のフレームを有し、各フレーム間が滑らかに接続され、始点と終点との位相が揃っている前記所定周期を単位として前記駆動波形が構築されることを特徴とする。

また、本発明の光走査型画像形成装置では、前記所定周期は、１秒であることが好ましい。

ここで、「滑らかに接続される」とは、フレーム間で駆動波形が連続であることをいう。

ここで、「周波数が一定」とは、変調時に基本周波数が一定である場合も含むものとする。

ここで、本発明の光走査型画像形成装置においては、前記画像描画部は、フレーム毎に該フレームに固有の駆動波形に応じた画像形成を行うことが好ましい。

また、本発明の光走査型画像形成装置では、前記駆動波形は、前記フレーム間で位相のみが異なることが好ましい。

ここで、本発明の光走査型画像形成装置では、前駆駆動波形の振幅、周波数、及び位相のいずれかが時間と共に変化することが好ましい。

さらに、本発明の光走査型画像形成装置にあっては、前駆駆動波形の振幅が時間と共に変化する場合、フレーム間で、前記駆動波形の包落線の形状は、同一であることが好ましい。

さらにまた、本発明の光走査型画像形成装置においては、前駆駆動波形の振幅が時間と共に変化する場合、前記周期で、前記駆動波形の包落線が繰り返されることが好ましい。

また、本発明の光走査型画像形成装置においては、走査型内視鏡に用いられることが好ましい。

本発明によれば、駆動周波数を細かく設定することが可能な光走査型画像形成装置を提供することができる。

従来の駆動波形を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる光走査型画像形成装置のブロック図である。 光源部の概略構成を示す図である。 光走査型画像形成装置のスコープを概略的に示す概観図である。 図４の光走査型画像形成装置のスコープの先端部の断面図である。 図６（ａ）は、光走査型内視鏡装置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６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 検出部の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態による駆動波形を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる光走査型画像形成方法のフロー図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に例示説明する。

図２は、本発明の一実施形態にかかる光走査型画像形成装置（内視鏡装置）のブロック図である。図２に示すように、この光走査型画像形成装置１は、光源部２と、光源部２からの光を走査して対象物に照射する、照明走査部３と、対象物からの光を検出する光検出部４と、照明走査部３による光の走査パターンを与えるための駆動波形、及び画像構築用座標を演算する演算部５と、光検出部４により検出された光、及び画像構築用座標に基づいて画像を描画する画像描画部６と、表示部７と、を備えている。

光源部２は、光源２０を有し、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２０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。

図３は、光源部２の概略構成を示す図である。光源部２は、赤、緑及び青の三原色のＣＷ（連続発振）レーザ光を射出するレーザ光源２１Ｒ、２１Ｇ，２１Ｂと、ダイクロイックミラー２２ａ、２２ｂと、レンズ２３と、を備える。赤色のレーザ光源２１Ｒは、例えば、ＬＤ（半導体レーザ）を使用することができる。緑色のレーザ光源２１Ｇ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。青色のレーザ光源２１Ｂは、例えば、ＬＤを使用することができる。

レーザ光源２１Ｒから射出された赤色のレーザ光は、ダイクロイックミラー２２ａ及びダイクロイックミラー２２ｂを順次透過する。レーザ光源２１Ｇから射出された緑色のレーザ光は、ダイクロイックミラー２２ａで反射されて赤色のレーザ光と同軸に合波されてダイクロイックミラー２２ｂを透過する。レーザ光源２１Ｂから射出された青色のレーザ光は、ダイクロイックミラー２２ｂで反射されて、赤色のレーザ光及び緑色のレーザ光と同軸に合波される。これにより、ダイクロイックミラー２２ｂから赤、緑、青の３原色のレーザ光が合波された白色のレーザ光が射出される。

なお、レーザ光源２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ及びダイクロイックミラー２２ａ、２２ｂは、図３の配置に限らず、例えば、緑色及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２に戻って、照明走査部３は、演算部５の演算結果に基づいて駆動波形を生成する、波形生成処理部３１と、該駆動波形をＤ／Ａ変換するＤ／Ａ変換器３２と、光源部２からの光を走査して対象物に照射するスキャナ３３とを備えている。
ここで、図４は、内視鏡装置のスコープを概略的に示す概観図である。スキャナ３３は、スコープ２００の先端部２４０（図４における破線部内の部分）に配置されている。図４に示すように、一例として、スコープ２００は、操作部２２０および挿入部２３０を備え、操作部２２０の一方の端部と挿入部２３０の一方の端部とは接続されて一体となっている。操作部２２０には、光源部２からの照明用光ファイバ１１０、検出部４からの検出用光ファイババンドル１２０、および、Ｄ／Ａ変換器３２からスキャナ３３への配線ケーブル１３０が、それぞれ接続されている。これら照明用光ファイバ１１０、検出用光ファイババンドル１２０および配線ケーブル１３０は挿入部２３０内部を通じて、挿入部２３０の操作部２２０と接続されている端部とは別の端部である先端部２４０まで導かれている。

図５は、図４のスコープ２００の挿入部２３０の先端部２４０を拡大して示す断面図である。先端部２４０は、スキャナ３３、投影用レンズ２５０ａ、２５０ｂおよび図示しない検出用レンズを備えるとともに、挿入部２３０を通る照明用光ファイバ１１０および検出用光ファイババンドル１２０が延在している。

スキャナ３３は、取付環２６０によりスコープ２００の挿入部２３０の内部に固定されたアクチュエータ管２７０、並びに、アクチュエータ管２７０内に配置される圧電素子２８０ａ〜２８０ｄ及びファイバ保持部材２９０（図６（ａ）および（ｂ）参照）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２９０で支持されるとともにファイバ保持部材２９０で支持された固定端１１０ａから先端部１１０ｃまでが、揺動可能に支持された揺動部１１０ｂとなっている。一方、検出用光ファイババンドル１２０は挿入部２３０の外周部を通るように配置され、先端部２４０の先端まで延びている。

さらに、投影用レンズ２５０ａ、２５０ｂおよび検出用レンズは、先端部２４０の最先端に配置される。投影用レンズ２５０ａ、２５０ｂは、照明用光ファイバ１１０の先端部１１０ｃから射出されたレーザ光が、被観察物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１２０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、二枚構成に限られず、一枚や他の複数枚のレンズにより構成しても良い。

図６（ａ）は、光走査型画像表示装置１の振動駆動機構および照明用光ファイバ１１０の揺動部１１０ｂを示す図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。照明用光ファイバ１１０は角柱状の形状を有するファイバ保持部材２９０の中央を貫通し、これによってファイバ保持部材２９０によって固定され保持される。したがって、照明用光ファイバ１１０のファイバ保持部材２９０を貫通する部分は、照明用光ファイバ１１０の固定部である。ファイバ保持部材２９０の４つの側面は、それぞれ＋Ｙ方向および＋Ｘ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２９０の＋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２８０ａ、２８０ｃが固定され＋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２８０ｂ、２８０ｃが固定される。

各圧電素子２８０ａ〜２８０ｄは、配線ケーブル１３０が接続される。駆動電圧生成部は、Ｘ方向駆動用の圧電素子２８０ｂ、２８０ｄとＹ方向駆動用の圧電素子２８０ａ、２８０ｃとを、それぞれ独立して異なる振動周波数で電圧を印加し、振動駆動させることができる。Ｙ方向駆動用の圧電素子２８０ａ、２８０ｃとＸ方向駆動用の圧電素子２８０ｂ、２８０ｄとをそれぞれ振動駆動させると、照明用光ファイバ１１０の揺動部１１０ｂが振動し、先端部１１０ｃが偏向するので、先端部１１０ｃから出射されるレーザ光は被観察物１００の表面を順次走査する。

図２に戻って、光検出部４は、対象物が反射、散乱する光、または対象物が発生する蛍光等の光を受光する受光部４１と、受光した光を検出する光検出器４２とを有する。光検出器４２は、例えば、光ファイババンドルにより伝送された信号光をスペクトル成分に分離し、分離した信号光を電気信号に光電変換する。

図７は、光検出器４２の概略構成を示す図である。検出部４２は、赤、緑及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４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂ、ダイクロイックミラー４２０ａ、４２０ｂ及びレンズ４３０を備える。光検出器４２には、光ファイババンドル１２０が接続されている。

光ファイババンドル１２０の射出端から射出される信号光は、レンズ４３０により略平行な光束に変換された後、ダイクロイックミラー４２０ａで青色の波長帯域の光が反射されて分離され、赤色及び緑色の波長帯域の光はダイクロイックミラー４２０ａを透過する。ダイクロイックミラー４２０ａで分離された青色の波長帯域の光は、受光器４１０Ｂにより受光されて光電変換される。また、ダイクロイックミラー４２０ａを透過した赤色及び緑色の波長帯域の光は、ダイクロイックミラー４２０ｂで緑色の波長帯域の光が反射され、赤色の波長帯域の光は透過されてそれぞれ分離される。ダイクロイックミラー４２０ｂで分離された緑色及び赤色の信号光は、それぞれ受光器４１０Ｇ及び受光器４１０Ｒにより受光されて光電変換される。

受光器４１０Ｒ、４１０Ｇ及び４１０Ｂの光電変換出力は、画像描画部６に入力される。なお、受光器４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂ及びダイクロイックミラー４２０ａ、４２０ｂは、図７の配置に限らず、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。

再び図２に戻って、演算部５は、圧電素子２８０ａ〜２８０ｄ等のアクチュエータに与える駆動波形の駆動周波数、周期、及び１周期当たりのフレーム数等の基本的なパラメータを設定可能な基本的パラメータ設定部５１と、その設定したパラメータに基づいて、駆動波形、及び画像構築用座標を演算する演算処理部５２とを備える。そして、演算された駆動波形は、照明走査部３の波形生成処理部３１に送信され、照明走査部３による光の走査パターンが与えられる。ここで、本実施形態では、演算部５により算出される駆動波形は、１秒を周期とし、この周期内に位相が異なる複数のフレームを有することを特徴としている。また、演算された画像構築用座標は、画像描画部６に送信される。

光走査型画像表示装置１による観察を行う際には、演算部５の制御のもとで、波形生成処理部３１が駆動され配線ケーブル１３０を介してスキャナ３３を構成する圧電素子２８０ａ〜２８０ｄに振動電圧が印加され、照明用光ファイバ１１０の揺動部１１０ｂを振動させる。例えばラスター走査を行う場合には、Ｙ方向駆動用の圧電素子２８０ａ、２８０ｃは、照明用光ファイバ１１０の揺動部１１０ｂのＹ方向の共振周波数、例えば数ｋＨｚで振動駆動し、一方でＸ駆動用の圧電素子２８０ｂ、２８０ｄは、Ｙ方向の共振周波数よりもかなり低速な、例えば３０Ｈｚ程度の非共振周波数で振動駆動する。

次に、図２に示すように、画像描画部６は、光検出部により検出された光をＡ／Ｄ変換器６１によりデジタル信号に変換する。そして、そのデジタル信号及び演算部５により演算された画像構築用座標を受信した機能部６２は、当該情報に基づいてフレームを分割し、取得した画像データを各フレームに割り当て、表示部７のディスプレイ７１に画像を表示する。

ここで、本発明においては、演算部により演算される駆動波形が、所定周期内に位相が異なる複数のフレームを有することが肝要である。
図８に示す例では、駆動波形は、１秒を周期とし、１秒間に複数のフレームを有しており、隣接するフレーム間で位相が異なっている。すなわち、フレーム内での例えば始点同士の位相が異なり、周期である１秒間での始点と終点（図示せず）の位相が揃っている。

このように、フレーム単位ではなく、周期単位で駆動波形を構築してフレーム毎の駆動波形には自由度をもたせることにより、フレーム数によらずに例えば１Ｈｚ毎の細かい周波数の設定が可能となる。従って、最適な周波数でのアクチュエータの駆動及び座標構築が可能となる。特に２次元走査をリサージュ波形で行う場合、２軸の周波数差が走査軌跡及び画像構築座標の要素となるため、１Ｈｚ毎の駆動周波数の設定を可能にすることが好ましい。

また、駆動波形は、走査パターンの動きを滑らかにするために、フレーム間で滑らかに接続されることが好ましく、また、周期内で周波数を一定にすることが好ましく、特にフレーム間で位相のみが異なることが好ましい。

さらに、図８に示すように駆動波形の振幅が時間と共に変化する場合、フレーム間で、駆動波形の包落線の形状が同一であることが好ましく、周期毎に駆動波形の包落線が繰り返されることが好ましい。振幅を変化させる場合において、走査パターンの動きを滑らかにすることができるからである。なお、図８に示す例では、駆動波形は振幅が時間と共に変化するものであるが、本発明では、駆動波形が、振幅、周波数、及び位相のうちいずれかが時間と共に変化するものとすることができる。

ここで、画像描画部６は、フレーム毎に該フレームに固有の駆動波形に応じた画像形成を行うことが好ましい。
これにより、本発明では、フレーム毎に駆動波形が異なるが、各フレームでその駆動波形に応じた画像形成を行うことができるからである。

次に、本発明の一実施形態による光走査型画像形成方法について、図２、図９を参照して説明する。

この方法を開始すると（ステップＳ１０１）、まず、演算部５の基本的パラメータ設定部５１において駆動パラメータを設定する（ステップＳ１０２）。駆動パラメータは、アクチュエータの駆動周波数、１秒当たりのフレーム数を含む。なお、本実施形態では、周期を１秒としているが、他の周期としても良く、その場合は、周期当たりのフレーム数を設定する。

次いで、演算処理部５２において、１秒間を周期とする、駆動波形及び画像構築用座標データを生成する（ステップＳ１０３）。このうち、駆動波形のデータは、照明走査部３の波形生成処理部３１に送信され、照明走査部３による光の走査パターンが与えられる。また、画像構築用座標のデータは、画像描画部６の画像形成処理部６２に送信される。

次いで、照明走査部３により、上記走査パターンのデジタル信号がＤ／Ａ変換器３２によってＤ／Ａ変換され、スキャナ３３によりスキャン駆動が開始される（ステップＳ１０４）。

スキャナ３３により対象物１００に走査した光が当てられると、対象物は光を反射、散乱、あるいは、蛍光を発するなどする。そして、光検出部４の受光部４１によってその反射光、散乱光、蛍光等が受光され、上述したように光検出器４２により光電変換される。

電気信号に変換されたアナログ電気信号は、光検出部４から画像描画部６のＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換される（ステップＳ１０５）。そして、画像構築用座標を受信した機能部６２は、当該情報に基づいてフレームを分割し、取得した画像データ（上記デジタル信号）を各フレームに割り当て、表示部７のディスプレイ７１に画像を表示する（ステップＳ１０６）。

１フレーム分の処理が完了するまで、ステップＳ１０５、Ｓ１０６を繰り返す（ステップＳ１０７）。そして、１フレーム分の処理が完了した場合には、１秒分の処理が完了するまで、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７を繰り返す（ステップＳ１０８）。

１秒分の処理が完了したら、走査が終了したか否かを判定し（ステップＳ１０９）、走査が終了していない場合には、ステップＳ１０５〜Ｓ１０７を繰り返し、走査が終了したら、一連のフローを終了する（ステップＳ１１０）。

以上の実施形態による光走査型画像形成方法によれば、駆動周波数を細かく設定することが可能であり、特に、共振周波数付近で駆動周波数を細かく設定するのに有効である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、走査パターンは、ラスター波形に限らず、リサージュ波形やらせん状の波形など種々の走査パターンを適用することができる。また、スキャナは圧電素子を用いたものに限られず、電磁力により駆動するものなど種々のスキャナが適用可能である。さらに、スキャナは、光ファイバを振動させて駆動する光ファイバ型のスキャナに限られない。

１ 光走査型画像形成装置
２ 光源部
３ 照明走査部
４ 光検出部
５ 演算部
６ 画像描画部
７ 表示部

Claims (8)

1. 光源部と、
   前記光源部からの光を走査して対象物に照射する、照明走査部と、
   前記対象物からの光を検出する光検出部と、
   前記照明走査部による光の走査パターンを与えるための駆動波形、及び画像構築用座標を演算する演算部と、
   前記光検出部により検出された光、及び前記画像構築用座標に基づいて画像を描画する画像描画部と、を備え、
   前記駆動波形は、所定周期内に、周波数が一定であり位相が異なる複数のフレームを有し、各フレーム間が滑らかに接続され、始点と終点との位相が揃っている前記所定周期を単位として前記駆動波形が構築されることを特徴とする、光走査型画像形成装置。
2. 前記所定周期は、１秒である、請求項１に記載の光走査型画像形成装置。
3. 前記画像描画部は、フレーム毎に該フレームに固有の駆動波形に応じた画像形成を行う、請求項１又は２に記載の光走査型画像形成装置。
4. 前記駆動波形は、前記フレーム間で位相のみが異なる、請求項１〜３のいずれかに記載の光走査型画像形成装置。
5. 前駆駆動波形の振幅、周波数、及び位相のいずれかが時間と共に変化する、請求項１〜４のいずれかに記載の光走査型画像形成装置。
6. 前駆駆動波形の振幅が時間と共に変化する場合、フレーム間で、前記駆動波形の包落線の形状は、同一である、請求項５に記載の光走査型画像形成装置。
7. 前駆駆動波形の振幅が時間と共に変化する場合、前記周期で、前記駆動波形の包落線が繰り返される、請求項５に記載の光走査型画像形成装置。
8. 走査型内視鏡に用いられる、請求項１〜７のいずれかに記載の光走査型画像形成装置。

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