JP6553293B2 - 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。

光源からの光を導光する光ファイバの先端を、圧電素子により長手軸方向に直交する方向に振動させて、先端から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。）。
特許文献１の走査光学系は、光ファイバの外周面に４枚の平板状の圧電素子を接着剤によって直接貼り付けたものである。圧電素子は、光ファイバをその長手軸（ｚ軸）に直交しかつ相互に直交する２方向（ｘ軸およびｙ軸）に挟むように配置されている。２方向の圧電素子に加える交番電圧の振幅をそれぞれ周期的に変化させるとともに、位相差を与えることにより、光ファイバの先端をスパイラル状に振動させて、射出される光を被写体上で２次元的に走査させている。

特開２０１４−７１４２３号公報

この光ファイバスキャナは、光ファイバの横断面中心を通る２つの駆動軸を備えているため、安定したスパイラル状の振動軌跡を実現するためには、その基となる各駆動軸の振動状態を安定させる必要がある。
しかしながら、光ファイバの外周面は円筒面であり圧電素子は平板状であるため、４枚の平板状の圧電素子を隣接する圧電素子が精度よく直交するように円筒面からなる光ファイバの外周面に接着することは困難である。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバの外周面にその駆動軸に直交させて圧電素子を簡易に精度よく位置決めすることができ、安定した振動軌跡を実現す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。

本発明の一態様は、光源から導光されてきた照明光を先端から射出させる光ファイバと、該光ファイバの前記先端より基端側に長手軸方向に間隔をあけて配置され、前記光ファイバの前記先端を長手軸に交差する方向に振動させる３以上の平板状の圧電素子とを備え、各該圧電素子が、幅方向の両端に長手方向の少なくとも一部に沿って面取り部を有し、周方向に隣接する前記圧電素子が、前記面取り部同士を密着させて、前記光ファイバの外周面を密着状態に取り囲む筒状に組み立てられている光ファイバスキャナである。

本態様によれば、３以上の平板状の圧電素子が幅方向の両端に長手方向の少なくとも一部に沿って備えられた面取り部同士を密着させて、中央に貫通孔を有する筒状に組み立てられ、該貫通孔に光ファイバを貫通させることにより、筒状の圧電素子が光ファイバの長手方向の途中位置を全周にわたって密着状態に取り囲む光ファイバスキャナが構成される。面取り部は機械加工によって精度よく製造でき、組み立てたときに複数の圧電素子同士の相対角度が精度よく設定される。これにより、光ファイバの外周面にその駆動軸に直交させて圧電素子を簡易に精度よく位置決めすることができ、安定した振動軌跡を実現することができる。

上記態様においては、前記圧電素子よりも基端側において、前記光ファイバの外周面に導電性接着層を介して固定された固定部材を備え、該固定部材と前記圧電素子とが、前記導電性接着層を介して電気的に接続されていてもよい。
このようにすることで、光ファイバの外周面に導電性接着層を介して固定された固定部材により、光ファイバの振動が圧電素子よりも基端側において支持される。そして、固定部材と圧電素子とが導電性接着層を介して電気的に接続されることにより、固定部材を接地するだけで、圧電素子の光ファイバ側の電極を接地することができる。

また、上記態様においては、前記光ファイバが、前記先端近傍または前記圧電素子の先端側まで被覆する樹脂層を備えていてもよい。
このようにすることで、光ファイバのコアが樹脂層によって保護され、機械的な疲労等を軽減することができる。

また、上記態様においては、前記圧電素子の前記面取り部の角度が、以下の式で表されてもよい。
θ＝３６０÷（圧電素子数×２）
ここで、θは前記面取り部の角度である。

このようにすることで、圧電素子が３枚の場合には面取り部の角度θ＝６０°とし、隣接する圧電素子の面取り部を密着させると、３枚の圧電素子によって正三角柱が形成され、中央の横断面正三角形の貫通孔に光ファイバの外周面を内接させて密着状態に嵌合させることができる。また、圧電素子が４枚の場合には面取り部の角度θ＝４５°とし、隣接する圧電素子の面取り部を密着させると、４枚の圧電素子によって正四角柱が形成され、中央の横断面正方形の貫通孔に光ファイバの外周面を内接させて密着状態に嵌合させることができる。

また、上記態様においては、前記圧電素子の表裏面に形成される電極の幅寸法が同一であってもよい。
このようにすることで、電極の対向する領域を効率よく変形させることができる。

また、本発明の他の態様は、上記光ファイバスキャナと、該光ファイバスキャナの前記光ファイバに導光させる照明光を発生する光源と、前記光ファイバスキャナの前記先端から射出される照明光を集光する集光レンズと、前記光ファイバスキャナを収容する筒状に形成されるとともに前記固定部材に固定され、前記集光レンズを前記光ファイバスキャナの前記先端よりも前方に支持するレンズ保持部材とを備える照明装置である。

本態様によれば、光源からの照明光が光ファイバによって導光され、振動する光ファイバの先端から射出された照明光が集光レンズによって集光されて光スポットとなって被写体に照射される。集光レンズを保持する筒状のレンズ保持部材と固定部材とが固定されることにより、光ファイバスキャナが圧電素子よりも基端側においてレンズ保持部材により確実に保持され、安定した走査軌跡で光スポットを走査させ、被写体を均一に照明することができる。

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照明光が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である。
本態様によれば、照明装置によって光スポットが走査されることにより、被写体の走査位置から戻る戻り光を光検出部により検出し、走査位置と対応づけることによって、被写体の戻り光画像を取得することができる。光スポットを安定した走査軌跡で走査させることにより歪みの少ない戻り光画像による被写体の観察を行うことができる。

本発明によれば、光ファイバの外周面にその駆動軸に直交させて圧電素子を簡易に精度よく位置決めすることができ、安定した振動軌跡を実現す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観察装置を示す縦断面図である。 図１の観察装置に備えられる圧電素子の一例を示す斜視図である。 図２の圧電素子を４つ組み合わせた組立体を示す斜視図である。 図３の組立体の圧電素子の分極方向を示す正面図である。 図３の圧電素子に加える交番電圧の種類を示す正面図である。 図１の観察装置に備えられる光ファイバスキャナの変形例を示す縦断面図である。 図１の観察装置に備えられる光ファイバスキャナの他の変形例を示す縦断面図である。 図２の圧電素子の変形例を示す斜視図である。 図８の圧電素子を３つ組み合わせた組立体を示す斜視図である。 図９の組立体の圧電素子の分極方向を示す正面図である。 図２の圧電素子の他の変形例を示す斜視図である。 図２の圧電素子の他の変形例を示す斜視図である。 図２の圧電素子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４、照明装置２および観察装置１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１は、図１に示されるように、被写体に照明光を照射する照明装置２と、被写体における照明光の照射位置から戻る反射光あるいは蛍光等の戻り光を検出する光検出部３とを備えている。

本実施形態に係る照明装置２は、光源（図示略）と、光源からの照明光を２次元的に走査する光ファイバスキャナ４と、該光ファイバスキャナ４の光ファイバ５の先端５ａから射出された照明光を集光する集光レンズ６と、該集光レンズ６を光ファイバ５の先端５ａよりも前方に保持する円筒状のレンズ保持部材７とを備えている。

本実施形態に係る光ファイバスキャナ４は、光源からの照明光を導光し先端５ａから射出させる光ファイバ５と、該光ファイバ５の先端５ａを長手軸に交差する方向に振動させる圧電素子８ａ，８ｂと、光ファイバ５を圧電素子８ａ，８ｂよりも基端側においてレンズ保持部材７に保持させる固定部材９とを備えている。

光ファイバ５は、線状のコア（図示略）とその周囲を取り囲むチューブ状のクラッド５ｂの屈折率が異なる２種類の石英もしくはプラスチック材料によって構成されている。
圧電素子８ａ，８ｂは、チタン酸ジルコン酸鉛からなる平板状の圧電セラミック材料の厚さ方向の両面にそれぞれ皮膜状の電極１０が形成されることにより構成されている。

本実施形態においては、圧電素子８ａ，８ｂは、図２に示されるように、その幅方向の両側に、長手方向の全長にわたって角度４５°の面取り部２０が設けられることにより、台形状の横断面形状に形成されている。図２には、一例として圧電素子８ａを示す。電極１０は、台形の上底および下底となる表面に設けられ、同一の幅寸法を有している。

また、本実施形態に係る光ファイバスキャナ４は、４枚の圧電素子８ａ，８ｂを備えている。４枚の圧電素子８ａ，８ｂには、厚さ方向に設定される分極方向が２種類存在する。すなわち、この２種類の圧電素子８ａ，８ｂは、同じ方向に電圧を加えたときの長手方向の伸縮方向が逆方向となっている。

４枚の圧電素子８ａ，８ｂは、図３に示されるように、隣接する圧電素子８ａ，８ｂが面取り部２０同士を密着させ、両者をエポキシ系の接着剤によって接着することにより、四角筒状に組み立てられている。この四角筒状の圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１において、間隔をあけて平行に配置される２枚の圧電素子８ａ，８ｂには、図４に矢印で示されるように分極方向が異なるものが使用されている。

四角筒状の圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１には、中央に貫通する横断面正方形の貫通孔１２が形成されている。この貫通孔１２の横断面の一辺の長さは光ファイバ５の外径寸法とほぼ同一となるように構成されている。これにより、圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１の貫通孔１２には、光ファイバ５が貫通させられて、導電性の接着剤１３により接着されている。

固定部材９は、光ファイバ５を貫通させる中央の貫通孔１４を有する円環状の部材であり、導電性材料によって構成されているとともに、圧電素子８ａ，８ｂを光ファイバ５に接着している導電性の接着剤（導電性接着層）１３によって光ファイバ５に接着されている。固定部材９には、アースに接地されるリード線（図示略）が接続されている。

また、固定部材９には、圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１の外側に設けられた電極１０に接続するリード線１６を貫通させる貫通孔１７が設けられている。上述したように、四角筒状の圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１の貫通孔１２内に配置された電極１０は、光ファイバ５に接着するための導電性の接着剤１３を介して固定部材９に電気的に接続されているので、全てアースに接地されている。

図５に示されるように、Ｘ軸方向に対向して配置されている２枚一対の圧電素子８ａにはＡ相の交番電圧が印加されるようになっており、Ｙ軸方向に対向して配置されている２枚一対の圧電素子８ｂにはＢ相の交番電圧が印加されるようになっている。

光検出部３は、レンズ保持部材７の外周面に周方向に沿って複数配列された受光用光ファイバ１８を備えている。受光用光ファイバ１８は、レンズ保持部材７の外周面に周方向に沿って複数配列された状態で、コーティング層２１により被覆されてレンズ保持部材７に固定されている。これらの受光用光ファイバ１８の先端は、レンズ保持部材７の先端位置近傍に前方を向けて配置されており、被写体から発せられる戻り光を受光するようになっている。受光用光ファイバ１８の先端によって受光された戻り光は、受光用光ファイバ１８によって導光され、受光用光ファイバ１８の基端側に接続されている図示しない光検出器により、合計光量が検出され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４、照明装置２および観察装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る光ファイバスキャナ４によれば、Ｘ軸方向に対向して配置されている２枚一対の圧電素子８ａにＡ相の交番電圧を印加することにより、一方の圧電素子８ａを長さ方向に伸張させ、他方の圧電素子８ｂを長さ方向に収縮させる。これにより、固定部材９の軸方向中心近傍を振動の節とし、光ファイバ５の先端５ａを振動の腹として、光ファイバ５の先端５ａをＸ軸方向に振動させることができる。

同様にＹ方向に対向して配置されている２枚一対の圧電素子８ｂにＢ相の交番電圧を印加することにより、一方の圧電素子８ｂを長さ方向に伸張させ、他方の圧電素子８ａを長さ方向に収縮させる。これにより、固定部材９の軸方向中心近傍を振動の節とし、光ファイバ５の先端５ａを振動の腹として、光ファイバ５の先端５ａをＹ軸方向に振動させることができる。

Ｘ方向の振動とＹ方向の振動とを同時に発生させ、Ａ相およびＢ相の交番電圧の位相を９０°ずらすと円形軌跡を描いて光ファイバ５の先端５ａを振動させることができる。そして、この状態で、Ａ相およびＢ相の交番電圧の振幅を周期的に変化させることにより、光ファイバ５の先端５ａをスパイラル状の軌跡に沿って振動させることができる。

光ファイバ５によって導光されてきた照明光が先端５ａから射出されると、射出された照明光がレンズ保持部材７によって前方に保持されている集光レンズ６によって集光され、被写体上に光スポットが形成される。形成された光スポットは、光ファイバ５の先端５ａが振動させられることによって、被写体上においてスパイラル状の走査軌跡を描いて走査させられる。

被写体において照明光が走査されると、各走査位置において発生した反射光あるいは蛍光等の戻り光が受光用光ファイバ１８によって受光され光検出器によって検出される。光検出器によって検出された戻り光の強度情報は、照明光の走査位置情報と対応づけられることにより、被写体の戻り光画像を生成することができる。

この場合において、本実施形態に係る光ファイバスキャナ４によれば、４枚の圧電素子８ａ，８ｂが、隣接する圧電素子８ａ，８ｂの面取り部２０同士を密着させるように接着されて四角筒状の組立体１１を構成しているので、隣接する圧電素子８ａ，８ｂ同士の位置決めを容易に行うことができるという利点がある。

すなわち、従来、横断面円形の光ファイバに４枚の圧電素子を接着する場合には、円筒面に対する平板状の圧電素子の位置決めが困難であったが、本実施形態によれば、隣接する圧電素子８ａ，８ｂ同士の位置決めが容易になり、対向する２枚の圧電素子８ａ，８ｂを精度よく平行に配置することができる。

また、一般に平板状の圧電素子は配置する面の向きによって振動方向が異なるので接着する向きに十分注意する必要があるが、本実施形態によれば面取り部２０により、圧電素子８ａ，８ｂの厚さ方向の両面の幅が異なっている。これにより、面取り部２０同士を組み合わせるだけで全ての圧電素子８a，８ｂを光ファイバ５に対して同じ面を向けて容易に配置させることができる。その結果、各圧電素子８ａ，８ｂをＸ軸およびＹ軸の２つの駆動軸に直交させて簡易に精度よく位置決めすることができ、光ファイバ５の先端５ａを安定した振動軌跡で振動させることができるという利点がある。

したがって、本実施形態に係る照明装置２によれば、安定した振動軌跡で振動させられる光ファイバ５の先端５ａから射出された照明光により、被写体を均一に照明することができるという利点がある。また、本実施形態に係る観察装置１によれば、安定した走査軌跡で照明光が走査された各走査位置からの戻り光に基づいて、歪みの少ない戻り光画像による被写体の観察を行うことができるという利点がある。

また、本実施形態に係る光ファイバスキャナ４によれば、四角筒状の圧電素子８ａ，８ｂの組立体１１に形成される貫通孔１２の横断面（光ファイバ５の中心軸に直交する方向の断面）が正方形に形成されるので、貫通孔１２内面と光ファイバ５外面との間に隙間が形成されて、光ファイバ５の中心軸と貫通孔１２の中心軸とがずれたとしても、圧電素子８ａ，８ｂから光ファイバ５に伝達される振動の伝達方向を変化させずに済む。これによっても、光ファイバ５の振動状態を安定させ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、４枚の圧電素子８ａ，８ｂを４角筒状に組み立てた後に、中央に形成された横断面四角形の貫通孔１２内に光ファイバ５を挿入して接着することにしてもよいし、２枚または３枚の圧電素子８ａ，８ｂを組み立てた後に、光ファイバ５を圧電素子８ａ，８ｂに沿わせて配置し、残りの圧電素子８ａ，８ｂで光ファイバ５の外周面全周を取り囲むように組み立てることにしてもよい。

また、本実施形態においては、光ファイバ５として、クラッド５ｂとコアとを備えるものを例示したが、図６および図７に示されるように、クラッド５ｂの外周を被覆する樹脂コート（樹脂層）１９を有する光ファイバ５を採用してもよい。
この場合に、樹脂コート１９は、図６に示されるように光ファイバ５の先端５ａ近傍まで配置されていてもよいし、図７に示されるように圧電素子８ａ，８ｂの先端部まで配置されていてもよい。

光ファイバ５には、振動によって各部に応力集中が発生するので、樹脂コート１９を設けることによって応力集中を緩和し、光ファイバ５のクラッド５ｂおよびコアを、疲労等による機械的な損傷から保護することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、間隔をあけて平行に配置される同相の２枚の圧電素子８ａ，８ｂとして分極方向の異なるものを使用することにより、四角筒状の組立体１１の外側に印加する電圧を等しくすることとしたが、これに代えて、逆位相の電圧を印加することで、全ての圧電素子８ａ，８ｂを共通化することにしてもよい。

また、本実施形態においては、４枚の圧電素子８ａ，８ｂを組み立てて四角筒状の組立体１１を構成したが、これに代えて、図８に示されるように、面取り部２０の角度を６０°とした圧電素子２２を３枚組み合わせて、図９に示されるように三角筒状の組立体２３を構成してもよい。この場合、各圧電素子２２の分極方向を図１０に矢印で示すように設定し、位相が１２０°異なる３相の交番電圧を各圧電素子２２に印加すればよい。
また、圧電素子８ａ，８ｂ，２２の枚数は３枚および４枚に限定されるものではなく、任意の枚数の圧電素子を採用してもよい。その場合の面取り部２０の角度θは、
θ＝３６０÷（圧電素子数×２）
である。

このような面取り部２０を有する圧電素子８ａ，８ｂ，２２の厚さ方向の両面の幅は、光ファイバ５に対し接着させるべき面が小さく、光ファイバ５とは反対側（組立体１１もしくは組立体２３の外周側）の面が大きいので、組み立てる際に容易に接着させる面を把握することができる。これにより、面取り部２０同士を組み合わせるだけで、圧電素子数によらず全ての圧電素子８ａ，８ｂ，２２を光ファイバ５に対して同じ面を向けて容易に配置させることができる。

また、本実施形態においては、圧電素子８ａ，８ｂの長さ方向の全長にわたって面取り部２０を設けたが、これに代えて、図１１から図１３に示されるように、長さ方向の一部に面取り部２４，２５，２６を形成するための突起を設けることにしてもよい。図１１に示す例は、長さ方向の一端に面取り部２４を設けたものであり、図１２に示す例は、長さ方向の両端に面取り部２５を設けたものであり、図１３に示す例は、長さ方向の中央に面取り部２６を設けたものである。

１ 観察装置
２ 照明装置
３ 光検出部
４ 光ファイバスキャナ
５ 光ファイバ
５ａ 先端
６ 集光レンズ
７ レンズ保持部材
８ａ，８ｂ，２２ 圧電素子
９ 固定部材
１０ 電極
１３ 接着剤（導電性接着層）
１９ 樹脂コート（樹脂層）
２０，２４，２５，２６ 面取り部

Claims (7)

1. 光源から導光されてきた照明光を先端から射出させる光ファイバと、
   該光ファイバの前記先端より基端側に長手軸方向に間隔をあけて配置され、前記光ファイバの前記先端を長手軸に交差する方向に振動させる３以上の平板状の圧電素子とを備え、
   各該圧電素子が、幅方向の両端に長手方向の少なくとも一部に沿って面取り部を有し、
   周方向に隣接する前記圧電素子が、前記面取り部同士を密着させて、前記光ファイバの外周面を密着状態に取り囲む筒状に組み立てられている光ファイバスキャナ。
2. 前記圧電素子よりも基端側において、前記光ファイバの外周面に導電性接着層を介して固定された固定部材を備え、
   該固定部材と前記圧電素子とが、前記導電性接着層を介して電気的に接続されている請求項１に記載の光ファイバスキャナ。
3. 前記光ファイバが、前記先端近傍または前記圧電素子の先端側まで被覆する樹脂層を備える請求項１または請求項２に記載の光ファイバスキャナ。
4. 前記圧電素子の前記面取り部の角度が、以下の式で表される請求項１から請求項３のいずれかに記載の光ファイバスキャナ。
   θ＝３６０÷（圧電素子数×２）
   ここで、θは前記面取り部の角度である。
5. 前記圧電素子の表裏面に形成される電極の幅寸法が同一である請求項１から請求項３のいずれかに記載の光ファイバスキャナ。
6. 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の前記光ファイバに導光させる照明光を発生する光源と、
   前記光ファイバスキャナの前記先端から射出される照明光を集光する集光レンズと、
   前記光ファイバスキャナを収容する筒状に形成されるとともに前記固定部材に固定され、前記集光レンズを前記光ファイバスキャナの前記先端よりも前方に支持するレンズ保持部材とを備える照明装置。
7. 請求項６に記載の照明装置と、
   該照明装置によって照明光が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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