JPWO2017068722A1 - 光走査装置および光走査装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明の光走査装置（１）は、照明光（Ｌ）を先端（９ａ）から被写体（Ａ）に向かって射出する光ファイバ（９）と、該光ファイバ（９）の先端（９ａ）を振動させるアクチュエータ（１０）と、照明光（Ｌ）が被写体（Ａ）上において２次元的に走査されるように、かつ、条件式（１）を満たすようにアクチュエータ（１０）を制御する制御部（８）とを備える。Ｄは、被写体（Ａ）上における照明光（Ｌ）のスポット径、Ｐ１は、被写体（Ａ）上における照明光（Ｌ）の走査線ピッチである。（１） Ｐ１ ≦ ０．５×Ｄ

Description

本発明は、光走査装置および光走査装置の制御方法に関するものである。

従来、レーザ光をスパイラル状の軌跡に沿って走査する走査型の内視鏡装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。走査型の内視鏡装置によって取得される画像の解像度は、レーザ光の走査線間の間隔（走査線ピッチ）に依存する。特許文献１では、レーザ光のスパイラル数（周回数）を２倍に増加して走査線ピッチを半分に縮小することによって、画像の解像度を高めている。

特開２０１０−１４２５９７号公報

しかしながら、走査型の内視鏡装置によって取得される画像の解像度は、走査線ピッチのみではなく、被写体上におけるレーザ光のスポット径にも依存する。したがって、特許文献１のように単に走査線ピッチを縮小する方法を用いたのでは、内視鏡装置が有する本来の解像力を十分に発揮することが難しいという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、本来の解像力を十分に発揮することができる光走査装置および光走査装置の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、照明光を先端から被写体に向かって射出する光ファイバと、該光ファイバの先端を振動させるアクチュエータと、前記光ファイバの先端から射出された照明光が前記被写体上において２次元的に走査されるように、前記アクチュエータを制御する制御部とを備え、該制御部が、以下の条件式（１）を満たすように前記アクチュエータを制御する光走査装置である。
（１） Ｐ１ ≦ ０．５×Ｄ
ただし、Ｄは、前記被写体上における前記照明光のスポット径、Ｐ１は、前記被写体上における前記照明光の走査線ピッチである。

本発明の第１の態様によれば、アクチュエータによって光ファイバの先端を振動させながら該光ファイバの先端から照明光を射出することによって、被写体上において照明光を２次元的に走査することができる。
この場合に、被写体上における照明光のスポット径Ｄは、光ファイバ等の光学系の仕様や設計に応じて一意に決まる値である。このスポット径Ｄに対して走査線ピッチＰ１が条件式（１）を満たすように、制御部はアクチュエータを制御する。

条件式（１）は、照明光の走査方向に交差する方向に関して、スポット径Ｄを有する照明光を用いて原理的に解像することができる最小の寸法を画像において再現するために必要な走査線ピッチＰ１の範囲を規定したものである。走査線ピッチとは、アクチュエータによる照明光の走査方向に交差する方向に隣接する走査線の間隔である。これにより、照明光の走査方向に交差する方向において、スポット径Ｄの照明光を用いて得られる本来の解像力を発揮することができる。

上記第１の態様においては、前記制御部が、以下の条件式（１）'を満たすように前記アクチュエータを制御することが好ましい。
（１）' ０．２５×Ｄ ≦ Ｐ１

本発明の第２の態様は、照明光を先端から被写体に向かって射出する光ファイバと、該光ファイバの先端を振動させるアクチュエータと、前記光ファイバの先端から射出された照明光が前記被写体上において２次元的に走査されるように、前記アクチュエータを制御する制御部と、前記照明光が前記被写体に照射されることによって前記被写体で生じる観察光を検出する光検出部とを備え、前記制御部が、以下の条件式（２）を満たすように前記光検出部を制御する光走査装置である。
（２） Ｐ２ ≦ ０．５×Ｄ
ただし、Ｄは、前記被写体上における前記照明光のスポット径、Ｐ２は、前記被写体上における前記観察光のサンプリングピッチである。

本発明の第２の態様によれば、スポット径Ｄに対してサンプリングピッチＰ２が条件式（２）を満たすように、制御部は光検出部を制御する。条件式（２）は、照明光の走査方向に沿う方向に関して、スポット径Ｄを有する照明光を用いて原理的に解像することができる最小の寸法を画像において再現するために必要なサンプリングピッチＰ２の範囲を規定したものである。サンプリングピッチとは、照明光の走査方向に隣接するサンプリング点（光検出部によって観察光が検出される時刻における照明光の被写体上の照射位置）の間隔である。これにより、照明光の走査方向に沿う方向において、スポット径Ｄの照明光を用いて得られる本来の解像力を発揮することができる。

上記第２の態様においては、前記制御部が、以下の条件式（２）’を満たすように前記アクチュエータを制御することが好ましい。
（２）’ ０．２５×Ｄ ≦ Ｐ２
上記第２の態様においては、前記制御部が、以下の条件式（１）および（１）’を満たすように前記アクチュエータを制御してもよい。
（１） Ｐ１ ≦ ０．５×Ｄ
（１）’ ０．２５×Ｄ ≦ Ｐ１
ただし、Ｐ１は、前記被写体上における前記照明光の走査線ピッチである。

上記第１の態様および第２の態様においては、前記光ファイバの先端の前方に配置され、該光ファイバの先端から射出された前記照明光を集光する走査レンズ系を備え、前記制御部が、以下の条件式（３）を満たすように、前記アクチュエータを制御してもよい。
（３） Ｐ１ ＝ Ｄ／ｄ × Ｐｆ
ただし、ｄは、前記光ファイバのコア径、Ｐｆは、前記光ファイバの先端の走査ピッチである。

走査ピッチＰｆは、光ファイバの先端の周方向または半径方向のピッチである。条件式（３）に基づいて、コア径ｄの光ファイバを用いて得られる本来の解像力をより効果的に発揮することができる最適な走査ピッチＰｆを設定することができる。

上記第２の態様においては、前記制御部が、以下の条件式（４）を満たすように前記光検出部を制御することが好ましい。
（４） Ｐ２ ＝ Ｄ／ｄ × Ｐｆ
ただし、ｄは、前記光ファイバのコア径、Ｐｆは、前記光ファイバの走査ピッチである。

上記第１の態様および第２の態様においては、前記制御部は、前記光ファイバの先端の振幅を直線状の包絡線に沿って時間変化させながらスパイラル状の軌跡に沿って振動させるように、かつ、以下の条件式（５）を満たすように、前記アクチュエータを制御してもよい。
（５） Ｐｆ ＝ ｈｍａｘ／Ｎ
ただし、Ｎは、前記スパイラル状の軌跡の周回数、ｈｍａｘは、前記光ファイバの先端の最大振幅である。
このようにすることで、光ファイバの先端の振幅が一定の変化率で時間変化する方式において、条件式（５）に基づいて、解像力をより効果的に発揮することができる最適な周回数Ｎおよび最大振幅ｈｍａｘを設定することができる。

上記第１の態様および第２の態様においては、前記制御部は、以下の条件式（６）を満たすように、前記アクチュエータを制御することが好ましい。さらに、前記制御部は、以下の条件式（６）’を満たすように、前記アクチュエータおよび前記光検出部を制御することが好ましい。
（６） Ｎ ≧ ２ × ｈｍａｘ／ｄ
（６）’ Ｎ ≦ ４ × ｈｍａｘ／ｄ
ただし、ｈｍａｘは、前記光ファイバの先端の最大振幅である。

上記第１の態様および第２の態様においては、前記制御部は、前記光ファイバの先端の振幅を正弦波状の包絡線に沿って時間変化させながらスパイラル状の軌跡に沿って振動させるように、かつ、以下の条件式（７）を満たすように、前記アクチュエータを制御してもよい。
（７） Ｐｆ ≦ π／２ × ｈｍａｘ／Ｎ
ただし、Ｎは、前記スパイラル状の軌跡の周回数、ｈｍａｘは、前記光ファイバの先端の最大振幅である。
このようにすることで、光ファイバの先端の振幅が正弦波状に時間変化する方式において、条件式（７）に基づいて、解像力をより効果的に発揮することができる最適な周回数Ｎおよび最大振幅ｈｍａｘを設定することができる。

上記第１の態様および第２の態様においては、前記制御部は、以下の条件式（８）を満たすように、前記アクチュエータを制御することが好ましい。
（８） Ｎ ≧ π × ｈｍａｘ／ｄ

上記第２の態様においては、前記制御部は、以下の条件式（９）を満たすように、前記アクチュエータおよび前記光検出部を制御してもよい。
（９） Ｐｆ ≦ ２ × ｈｍａｘ × ｓｉｎ（π × ｆｄ／ｆｓ）
ただし、ｆｓは、前記光検出部による前記観察光のサンプリング周波数、ｆｄは、前記アクチュエータによる前記光ファイバの先端の振動周波数、ｈｍａｘは、前記光ファイバの先端の最大振幅である。
このようにすることで、条件式（９）に基づいて、解像力をより効果的に発揮することができる最適なサンプリング周波数ｆｓを設定することができる。

上記第２の態様においては、前記制御部は、以下の条件式（１０）を満たすように、前記アクチュエータおよび前記光検出部を制御することが好ましい。
（１０） ｆｓ ≧ ４π × ｈｍａｘ／ｄ × ｆｄ

本発明の第３の態様は、光ファイバの先端から射出された光を被写体上でスパイラル走査する光走査装置の制御方法であって、前記光ファイバの先端から射出された照明光が前記被写体上において２次元的に走査されるように、前記光ファイバの先端を振動させるアクチュエータを制御する制御ステップにおいて、以下の条件式（１）を満たすように前記アクチュエータを制御する光走査装置の制御方法である。
（１） Ｐ１ ≦ ０．５×Ｄ
ただし、Ｄは、前記被写体上における前記照明光のスポット径、Ｐ１は、前記被写体上における前記照明光の走査線ピッチである。

本発明によれば、本来の解像力を十分に発揮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光走査装置および走査型内視鏡システムの全体構成図である。 図１の光走査装置による照明光の被写体上における走査軌跡を示す図である。 照明光のスポット径と解像度との関係を説明する図である。 照明光のスポット径とチャートのストライプパターンのピッチとが等しいときに得られる反射光の強度分布を示す図である。 照明光の光束の横断面における強度変化を示す図である。 照明光のスポット径とチャートのピッチとの比（横軸）と、反射光の強度のコントラスト（縦軸）との関係を示すグラフである。 条件式（３）を説明する図である。 直線状の包絡線に従って変化する光ファイバの先端の振幅の時間変化を示す図である。 正弦波状の包絡線に従って変化する光ファイバの先端の振幅の時間変化を示す図である。 条件式（９）を説明する図である。 図１の光走査装置における走査レンズ系の変形例であり、両側テレセントリックの走査レンズ系を示す図である。 条件式（３）および（４）を説明するための関数ｇ（Ｚ）を示すグラフである。

以下に、本発明の一実施形態に係る光走査装置１について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る光走査装置１は、図１に示されるように、走査型内視鏡システム１００に搭載される。
走査型内視鏡システム１００は、光源２と、該光源２から出力された照明光Ｌを被写体Ａ上で走査するとともに被写体Ａにおいて発生した観察光Ｌ’を検出する光走査装置１と、該光走査装置１によって検出された観察光Ｌ’の強度に基づいて被写体Ａの２次元の画像を生成する画像生成部３と、該画像生成部３によって生成された画像を表示するディスプレイ４とを備えている。観察光Ｌ’は、被写体Ａからの反射光、散乱光または蛍光である。符号２０は、体内に挿入可能な細長い挿入部を示し、符号３０は、挿入部２０の基端に接続された制御装置本体を示している。

光源２は、照明光Ｌとしてレーザ光を出力するレーザ光源である。
光走査装置１は、光源２からの照明光Ｌを走査する光走査部５と、該光走査部５を駆動するための駆動信号を発生する信号発生部６と、照明光Ｌの照射によって被写体Ａにおいて発生した観察光Ｌ’を検出する光検出部７と、光走査部５、信号発生部６および光検出部７を制御する制御部８とを備えている。

光走査部５は、光源２から基端に入射された照明光Ｌを導光し、先端９ａから射出する光ファイバ９と、該光ファイバ９の先端９ａを該光ファイバ９の半径方向に振動させるアクチュエータ１０と、走査レンズ系１１とを備えている。
光ファイバ９は、挿入部２０内に長手方向に沿って配置されている。

アクチュエータ１０は、圧電式であり、先端９ａから基端側に間隔をあけた位置において光ファイバ９の外周面に設けられ、光ファイバ９の先端部分を片持ち梁状に支持している。アクチュエータ１０は、信号発生部６から供給された駆動信号に従って光ファイバ９の先端部分に振動を励起し、先端９ａをスパイラル状の軌跡に沿ってスパイラル振動させるようになっている。これにより、光ファイバ９の先端９ａから射出された照明光Ｌは、図２に示されるように、挿入部２０の先端と対向する被写体Ａ上においてスパイラル状の走査軌跡Ｂに沿ってスパイラル走査されるようになっている。

具体的には、アクチュエータ１０は、例えばフェルールなどを介して光ファイバ９の先端部分をＸ方向に振動させるＸ方向用の圧電素子（図示略）と、光ファイバ９の先端部分をＹ方向に振動させるＹ方向用の圧電素子（図示略）とを備えている。Ｘ方向およびＹ方向は、光ファイバ９の長手方向に直交する方向であり、かつ、互いに直交する方向である。各圧電素子には、振幅が漸次増大および減少することを繰り返す高周波信号（連続波信号）が駆動信号としてそれぞれ印加される。

駆動信号が印加されたＸ方向用およびＹ方向用の圧電素子は、駆動信号の周波数と略等しい周波数を有し、駆動信号の振幅の変化に追従して振幅が変化するＸ方向およびＹ方向の屈曲振動を光ファイバ９の先端部分にそれぞれ発生させる。ここで、Ｘ方向用の圧電素子に印加される駆動信号の位相と、Ｙ方向用の圧電素子に印加される駆動信号の位相は、略π／２だけずれている。このような駆動信号が圧電素子に印加されることによって、光ファイバ９の先端９ａがスパイラル振動するようになっている。
なお、アクチュエータ１０は、圧電式に代えて、光ファイバ９に取り付けた磁石を電磁コイルで振動させる電磁式であってもよく、他の方式のものであってもよい。

走査レンズ系１１は、光ファイバ９の先端９ａの前方に配置されている。走査レンズ系１１は、正の屈折力を有し、光ファイバ９の先端９ａから入射した照明光Ｌを集光する。
信号発生部６は、制御部８から受信した制御信号が指定する周波数および振幅を有する駆動信号を発生し、該駆動信号をアクチュエータ１０に供給する。

光検出部７は、被写体Ａにおいて発生した観察光Ｌ’（例えば、照明光Ｌの反射光、被写体Ａの内部で散乱された光、または照明光Ｌによって励起された蛍光）を先端において受光する受光用光ファイバ１２と、該受光用光ファイバ１２によって受光された観察光Ｌ’を検出する光電子増倍管のような光検出器１３と、該光検出器１３から出力された電気信号をアナログデジタル（ＡＤ）変換するＡＤ変換器１４とを備えている。

受光用光ファイバ１２の先端は挿入部２０の先端面に配置され、受光用光ファイバ１２の基端は光検出器１３に接続されている。
光検出器１３は、受光用光ファイバ１２から入射する観察光Ｌ’を光電変換することによって観察光Ｌ’の強度に応じた電気信号を生成し、生成された電気信号をＡＤ変換器１４に出力する。
ＡＤ変換器１４は、光検出器１３から入力された電気信号を制御部８から受信するサンプリング信号に同期してサンプリングしてＡＤ変換することによって、観察光Ｌ’の強度を示すデジタル値を得る。ＡＤ変換器１４は、得られたデジタル値を画像生成部３に送信する。

制御部８は、制御信号を発生し、該制御信号を信号発生部６に送信する。ここで、制御部８は、被写体Ａ上における照明光Ｌのスポットの直径（スポット径）Ｄおよび照明光Ｌの走査線ピッチＰ１が条件式（１）および（１）’を満たすような駆動信号の周波数および振幅を設定し、設定された周波数および振幅を有する駆動信号を発生させるための制御信号を発生させる。条件式（１）および（１）’は、走査軌跡Ｂの半径方向の解像度に関する式である。
（１） Ｐ１ ≦ ０．５ × Ｄ
（１）’ ０．２５ × Ｄ ≦ Ｐ１

走査線ピッチＰ１とは、図２に示されるように、被写体Ａ上のスパイラル状の走査軌跡Ｂにおいて、半径方向（照明光Ｌの走査方向に交差する方向）に隣接する２本の略円状の走査線間の半径方向の間隔である。走査線ピッチＰ１は、光ファイバ９の先端の振動の周波数と振幅の変化率とに基づいて決まる。したがって、制御部８は、信号発生部６に発生させる駆動信号の周波数および振幅の変化率を制御することによって、走査線ピッチＰ１が条件式（１）および（１）’を満たすようにアクチュエータ１０を制御することができる。

さらに、制御部８は、一定のサンプリング周波数を有するサンプリング信号を発生し、該サンプリング信号をＡＤ変換器１４に送信する。ここで、制御部８は、被写体Ａ上における照明光Ｌのスポット径ＤおよびサンプリングピッチＰ２が条件式（２）および（２）’を満たすようなサンプリング周波数を有するサンプリング信号を発生する。条件式（２）および（２）’は、走査軌跡Ｂの周方向の解像度に関する式である。
（２） Ｐ２ ≦ ０．５×Ｄ
（２）’ ０．２５×Ｄ ≦ Ｐ２

サンプリングピッチＰ２とは、図２に示されるように、走査軌跡Ｂにおいて周方向（照明光Ｌの走査方向）に隣接するサンプリング点（ＡＤ変換器１４によって観察光Ｌ’の電気信号がサンプリングされるときの照明光Ｌの照射位置）の間隔である。サンプリングピッチＰ２は、ＡＤ変換器１４による電気信号のサンプリング周波数に基づいて決まる。したがって、制御部８は、サンプリング周波数を制御することによって、サンプリングピッチＰ２が条件式（２）および（２）’を満たすようにＡＤ変換器１４を制御することができる。

ここで、駆動信号が、例えば図８に示されるような、正弦波状の包絡線を有する波形であるとする。制御部８が、駆動周波数ｆｄを固定したまま振幅変調波の周波数を変化させると、１フレームあたりの走査周回数Ｎが変化し、半径方向の走査ピッチＰ１も変換する。一方、制御部８が、振幅変調波の周波数を固定したまま駆動周波数ｆｄを変化させても走査周回数Ｎは変化し、半径方向の走査ピッチＰ１を変化させることができる。また、制御部８により、走査周回数Ｎを固定したまま、駆動信号ｆｄの振幅を変化させると、走査範囲の大きさが変化し、この場合においても半径方向の走査ピッチＰ１を変化させることができる。さらに、制御部８により、光検出器１３のサンプリング周波数ｆｓを固定したまま駆動周波数ｆｄを変化させると、周方向の走査速度が変化するので、円周方向のサンプリングピッチＰ２を変化させることができる。
以上のように、制御部８により駆動信号の駆動周波数および振幅などを適切に設定することで、被写体上におけるピッチＰ１，Ｐ２を制御することができる。

被写体Ａ上における照明光Ｌのスポット径Ｄは、光ファイバ９や走査レンズ系１１等の照明光Ｌが通る光学系の光学的特性と、走査レンズ系１１から被写体Ａまでの距離とに応じて決まる。走査型内視鏡システム１００を用いた観察において走査レンズ系１１から被写体Ａまでの距離は略一定であるため、スポット径Ｄは固定値とみなすことができる。

制御部８は、サンプリング信号に従ってＡＤ変換器１４が電気信号をサンプリングするときの光走査部５による照明光Ｌの被写体Ａ上の照射位置を、制御信号から演算し、算出された照射位置の情報を画像生成部３に送信する。

画像生成部３は、ＡＤ変換器１４から受信したデジタル値と、制御部８から受信した観察光Ｌ’の照射位置の情報とを対応づけることによって、被写体Ａの２次元画像を生成する。画像生成部３は、生成した画像をディスプレイ４に送信して該ディスプレイ４に表示させる。

画像生成部３および制御部８は、例えば、汎用または専用のコンピュータから構成される。具体的には、コンピュータは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＲＡＭのような主記憶装置と、制御プログラムおよび画像生成プログラムを格納するハードディスクのような補助記憶装置とを備える。制御プログラムが補助記憶装置から主記憶装置にロードされ実行されることによって、ＣＰＵが上述した制御部８の処理を実現するようになっている。画像生成プログラムが補助記憶装置から主記憶装置にロードされ実行されることによって、ＣＰＵが上述した画像生成部３の処理を画像プログラムに従って実現するようになっている。

次に、このように構成された本実施形態に係る光走査装置１および走査型内視鏡システム１００の作用について説明する。
本実施形態に係る走査型内視鏡システム１００を用いて患者の体内を観察するには、挿入部２０を体内に挿入し、挿入部２０の先端を被写体Ａである生体組織に対向させる。これにより、光ファイバ９の先端９ａから被写体Ａに照明光Ｌが照射される。このときに、アクチュエータ１０によって光ファイバ９の先端９ａがスパイラル振動させられることによって、照明光Ｌが被写体Ａ上においてスパイラル走査される。

照明光Ｌの照射位置において発生した観察光Ｌ’は、受光用光ファイバ１２の先端において受光され、光検出器１３によって観察光Ｌ’の強度が検出され、ＡＤ変換器１４によって観察光Ｌ’の強度のデジタル値が得られる。得られたデジタル値は画像生成部３に送信される。画像生成部３においては、ＡＤ変換器１４から受信したデジタル値が制御部８から受信した照明光Ｌの照射位置と対応づけて記憶されることによって、画像が生成される。形成された画像はディスプレイ４に表示される。

ここで、照明光Ｌのスポット径Ｄと走査線ピッチＰ１およびサンプリングピッチＰ２との関係について説明する。
スポット径Ｄを有する照明光Ｌを、図３Ａに示されるように、ピッチＳを有する白黒のストライプパターンのチャート上で走査する場合を考える。スポット径Ｄは、図４に示されるように、照明光Ｌがガウシアン分布に従う強度を有すると仮定したときのガウシアンスポット径である。ガウシアンスポット径は、一般に、最大強度の１／ｅ^２の強度を有するビーム幅と定義される。

スポット径ＤとピッチＳとが等しい（すなわち、チャートの空間周波数が１／Ｄ）ときにチャートから得られる照明光Ｌの反射光の強度を図３Ｂに示す。図３Ｂは、図３Ａの四角に囲まれた領域において照明光Ｌを矢印の方向に走査したときに得られる反射光の強度の変化を示している。図３Ｂにおいて、縦軸には、最大強度を１として規格化した反射光の強度を示している。図３Ｂに示されるように、反射光の強度は照明光Ｌの照射位置に応じて異なり、反射光の強度のコントラストは（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）で表される。Ｉｍａｘは、反射光の強度の最大値であり、Ｉｍｉｎは、反射光の強度の最小値である。図３Ｂの例において、コントラストは約３０％と算出される。

図５は、ピッチＳとスポット径Ｄとの比（Ｓ／Ｄ）を変化させたときの反射光の強度のコントラストの計算結果を示している。図５から分かるように、Ｓ＝Ｄ×２（すなわち、チャートの空間周波数が０．５／Ｄ）であるときには、コントラストは７４％となり、チャートのストライプパターンを十分に解像することができる。Ｓ＝Ｄ×０．５（すなわち、チャートの空間周波数が２／Ｄ）であるときには、コントラストが１％以下となり、チャートのストライプパターンを解像することができない。チャートのストライプパターンを解像することができるコントラストの下限を３０％に設定すると、ピッチＳがスポット径Ｄと等しい（すなわち、チャートの空間周波数が１／Ｄ）ときに解像限界となる。

ここで、空間周波数１／Ｄを有し走査軌跡Ｂの半径方向に並ぶチャートのストライプパターンを再現するためには、サンプリング定理（標本化定理）により、走査線ピッチＰ１が０．５Ｄ以下（空間周波数が２／Ｄ以上）であることが必要条件となる。よって、走査線ピッチＰ１を０．５Ｄ以下に設定することによって、スポット径Ｄの照明光Ｌを用いて原理的に解像することができる半径方向の最小のピッチのパターンを、画像において３０％のコントラストで再現することができる。

走査線ピッチＰ１を０．５Ｄよりもさらに小さくすると、サンプリング定理により、Ｓ＝２×Ｐ１のチャートに相当する空間周波数まで再現することができる。このときに、Ｓ＝１×Ｄ以下の空間周波数の情報も３０％以下のコントラストで取得することができる。しかし、Ｓ＝０．５×Ｄのときに、コントラストは１％以下となる。このことから、走査線ピッチＰ１を０．２５×Ｄ未満に狭めたとしても解像度のさらなる向上には寄与せず、照明光Ｌの走査の周回数およびＡＤ変換器１４による観察光Ｌ’のサンプリング回数を無駄に増大させることになる。したがって、走査線ピッチＰ１は、０．２５×Ｄ以上であることが好ましい。

走査線ピッチＰ１と同様の理由により、サンプリングピッチＰ２を０．２５Ｄ以上０．５Ｄ以下に制御することによって、スポット径Ｄの照明光Ｌを用いて原理的に解像することができる走査軌跡Ｂの周方向の最小のピッチのパターンを、画像において３０％のコントラストで再現することができる。

このように、光走査装置１を使用して得ることができる画像の解像度は、走査線ピッチＰ１およびサンプリングピッチＰ２のみではなく、照射光Ｌのスポット径ＤとピッチＰ１，Ｐ２との関係にも依存する。本実施形態によれば、スポット径Ｄに対して走査線ピッチＰ１が条件式（１）および（１）’を満たすようにアクチュエータ１０を制御し、スポット径Ｄに対してサンプリングピッチＰ２が条件式（２）および（２）’を満たすように、ＡＤ変換器１４を制御している。これにより、スポット径Ｄの照明光Ｌを用いた光走査装置１が有する本来の解像力を十分に発揮し、高解像度の画像を得ることができるという利点がある。

本実施形態においては、制御部８が、条件式（３）をさらに満たすように、アクチュエータ１０を制御してもよい。条件式（３）において、Ｐｆは、光ファイバ９の先端９ａの走査ピッチ、ｄは、光ファイバ９のコア径である。
（３） Ｐ１ ＝ Ｄ／ｄ × Ｐｆ
条件式（１）に基づき、条件式（３）は下記のようにも表すことができる。
（３） Ｐｆ ≦ ０．５ × ｄ

走査ピッチＰｆとは、光ファイバ９の先端９ａの半径方向または周方向のピッチ（２つのサンプリング点に相当し、振動軌跡において半径方向または周方向に隣接する２点間の距離）である。

図６は、条件式（３）を説明する図である。走査型内視鏡システム１００用の光走査装置１の走査レンズ系１１として、大きな画角を有する広角レンズ系が使用される。アクチュエータ１０によって振動させられる光ファイバ９の先端部分は実際には屈曲振動する。ただし、光ファイバ９の先端部分の長さに比べて光ファイバ９の先端９ａの振幅は小さいので、振動による光ファイバ９の先端部分の変位は、図６に示されるように、半径方向の平行移動とみなすことができる。したがって、走査レンズ系１１の光ファイバ９側において、走査レンズ系１１に入射する照明光Ｌの主光線はテレセントリックであると近似することができる。

この場合、光ファイバ９の先端９ａの振幅ｈおよび被写体Ａ上の照明光Ｌの振幅Ｈは、照明光Ｌの走査角θを用いて下式でそれぞれ表される。ここで、Ｆは走査レンズ系１１の焦点距離、物体距離Ｚは走査レンズ系１１の後側焦点位置から被写体Ａまでの距離である。
ｈ ＝ Ｆ × ｓｉｎθ
Ｈ ＝ Ｚ × ｔａｎθ
よって、走査線ピッチＰ１および光ファイバ９の先端９ａの半径方向の走査ピッチＰｆは以下の関係式（３）’を満たす。βは、光学倍率である。
（３）’ β ＝ Ｐ１／Ｐｆ ＝ Ｈ／ｈ ＝ Ｚ／（Ｆ×ｃｏｓθ）

条件式（１）および（３）’から、下式（３）”が成り立つ。
（３）” Ｐｆ ≦ ０．５ × Ｆ／Ｚ × Ｄ × ｃｏｓθ
ここで、スポット径Ｄは、走査角θによって変化し、軸上（θ≒０°）のスポット径をＤ_０とすると、スポット径Ｄ＝Ｄ_０／ｃｏｓθと近似することができる。したがって、式（３）”を下記のように表すことができる。
（３）” Ｐｆ ≦ ０．５ × Ｆ × Ｄ_０／Ｚ ＝ ０．５ × ｇ（Ｚ）

ところで、軸上のビーム径Ｄ_０は、物体距離Ｚに応じて変化する。図１１は、関数ｇ（Ｚ）を計算した結果を示している。光ファイバ９の先端９ａは、照明光Ｌのビームスポット径を極力小さくして解像度を高めるために、走査レンズ系１１の前側焦点位置に配置される。ただし、図１１に示されるように、光ファイバ９の先端９の位置にかかわらず、関数ｇ（Ｚ）の値は光ファイバ９のコア径ｄよりも大きくなる。したがって、式（３）”から式（３）が導かれる。式（３）を満足することによって、物体距離Ｚに依らずに、解像度を高めることができる。
同様の理由により、下式が導かれる。
０．２５ × ｄ ≦ Ｐｆ

図１１のように、関数ｇ（Ｚ）＝Ｆ×Ｄ_０／Ｚ≧ｄが成立することを以下に説明する。
光ファイバ９の先端９ａが走査レンズ系１１の前側焦点位置近傍に配置されているとき、ガウシアンビーム理論により、ビームウェストは後側焦点位置近傍に位置する。このときに、ビームウェスト径ω_０は下式で表される。ここで、λはレーザ光の波長である。
ω_０ ＝ ４λＦ ／ πｄ
さらに、ガウシアンビーム理論により、後側焦点位置から距離Ｚだけ離れた位置における軸上のスポット径Ｄ_０は、下式で表される。ただし、Ｚ_Ｒ＝πω_０ ^２／４λである。
Ｄ_０ ＝ ω_０ ×｛１ ＋ （Ｚ／Ｚ_Ｒ）^２｝^１／２
これら２つの式から、
Ｄ_０ ＝｛（４λＦ／πｄ）^２ ＋ （ｄ／Ｆ）^２×Ｚ^２｝^１／２
となる。

よって、関数ｇ（Ｚ）は、
ｇ（Ｚ） ＝ Ｆ ×｛（４λＦ／πｄＺ）^２ ＋ （ｄ／Ｆ）^２｝^１／２
と表される。ここで、Ｚ→∞とすると、ｇ（Ｚ）≒ｄとなる。したがって、ｇ（Ｚ）≧ｄが成立する。

このように、最適なピッチＰ１，Ｐ２，Ｐｆは、光ファイバ９のコア径ｄにも依存する。条件式（３）を満たすことによって、光走査装置１が有する本来の解像力をさらに効果的に発揮し、より高解像度の画像を取得することができる。

さらに、本実施形態においては、制御部８が、条件式（３）に加えて条件式（５）または条件式（７）を満たすように、アクチュエータ１０を制御することが好ましい。条件式（５），（７）において、Ｎは、走査軌跡Ｂにおける照明光Ｌの走査の周回数（走査軌跡Ｂを同心円の集合と近似したときの円の数）であり、ｈｍａｘは、光ファイバ９の先端９ａの最大振幅である。
（５） Ｐｆ ＝ ｈｍａｘ／Ｎ
（７） Ｐｆ ≦ π／２ × ｈｍａｘ／Ｎ

照明光Ｌをスパイラル走査する走査方式において、駆動信号の包絡線の形状は、直線状または正弦波状であり得る。
駆動信号の包絡線が直線状である場合には、光ファイバ９の先端９ａのＸ方向またはＹ方向における振幅は、図７に示されるように、直線的に時間変化する。この場合、制御部８は、条件式（５）を満たすようにアクチュエータ１０を制御する。条件式（５）は、光ファイバ９の先端９ａのスパイラル状の振動軌跡において走査ピッチＰｆが均一となることから導かれる。

一方、駆動信号の包絡線が正弦波状である場合には、光ファイバ９の先端のＸ方向またはＹ方向における振幅は、図８に示されるように、正弦波状に時間変化する。この場合、制御部８は、条件式（７）を満たすようにアクチュエータ１０を制御する。光ファイバ９の先端９ａの振幅が最大振幅の半分になるときに、走査ピッチＰｆが最大となって解像度が最も低くなる。条件式（７）は、最大の走査ピッチＰｆ＝（π／２）×ｈｍａｘ／Ｎにおける解像度を規定したものである。

このように、条件式（５）または（７）に基づいて、光走査装置１が有する本来の解像力をより効果的に発揮することができる最適な周回数Ｎおよび最大振幅ｈｍａｘを設定することができ、より高解像度の画像を取得することができる。

なお、条件式（７）に関して、最大の走査ピッチＰｆは、以下のようにして導かれる。
光ファイバ９の先端９ａのＸ方向およびＹ方向の振幅が正弦波状の包絡線Ｅに従って時間変化する場合、先端９ａの振動の振幅変調波形（包絡線Ｅを表す関数）Ｙ（ｔ）は次式で表される。ｈｍａｘは光ファイバ９の先端９ａの最大振幅、ｆ_０は駆動信号の振幅変調波形の周波数である。
Ｙ（ｔ） ＝ ｈｍａｘ／２ × ｛１−ｃｏｓ（２πｆ_０ｔ）｝
また、ｆｄを光ファイバ９の先端９ａの振動周波数とすると、光ファイバ９の先端９ａのＸ方向の振幅座標ｈ_ｘ（ｔ）およびＹ方向の振幅座標ｈ_ｙ（ｔ）は、次式で表される。
ｈ_ｘ（ｔ） ＝ Ｙ（ｔ） × ｓｉｎ（２πｆｄｔ）
ｈ_ｙ（ｔ） ＝ Ｙ（ｔ） × ｃｏｓ（２πｆｄｔ）
ここで、駆動信号の波形が往路と復路とで対称であり、往路または復路のみで画像を取得する場合には、周回数Ｎは次式で表される。ｆ_ｐｓはフレームレートである。
Ｎ ＝ ｆｄ／２ｆ_ｐｓ ＝ ｆｄ／２ｆ_０

振幅変調関数Ｙ（ｔ）を微分すると、
ｄＹ／ｄｔ ＝ π × ｈｍａｘ × ｆ_０ × ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ）
となる。
ファイバ物体高ｈにおける走査ピッチＰｆ（ｈ）は、図８を参照すると、次式で表される。
Ｐｆ（ｈ）＝ｄＹ／ｄｔ × １／ｆｄ

ここで、
ｈ ＝ ｈｍａｘ／２ × ｛１−ｃｏｓ（２πｆ_０ｔ）｝
であることから、ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ）をファイバ物体高ｈを用いて下式のように表される。
ｓｉｎ（２πｆ_０ｔ） ＝ ２／ｈｍａｘ × ｛ｈ × （ｈｍａｘ−ｈ）｝^１／２
以上より、走査ピッチＰｆ（ｈ）は下式のように導かれる。
Ｐｆ（ｈ） ＝ π × ｛ｈ × （ｈｍａｘ−ｈ）｝^１／２× １／Ｎ
上式から、Ｐｆ（ｈ）の最大値を導くことができる。

また、本実施形態においては、制御部８が、条件式（９）をさらに満たすように、アクチュエータ１０および光検出器１３を制御することが好ましい。
（９） Ｐｆ ≦ ２ × ｈｍａｘ × ｓｉｎ（π × ｆｄ／ｆｓ）
図９に示されるように、走査軌跡Ｂにおいて周方向のサンプリングピッチＰ２が最大となって解像度が最も低くなる位置は、最も半径方向外側の走査線である。条件式（９）は、最も半径方向外側の走査線においても高い解像度が得られる条件を規定したものである。条件式（９）を満たすように、駆動信号の周波数（光ファイバ９の先端９ａの振動周波数）ｆｄおよびサンプリング周波数ｆｓを設定することによって、走査軌跡Ｂの全域にわたって高い解像度を得ることができる。

光ファイバ９の先端９ａが一定の周波数ｆｄでスパイラル振動しているとき、照明光Ｌは一定の角速度２πｆｄでスパイラル走査される。このときの、周方向に隣接する２つのサンプリング点Ｐ，Ｑ間のサンプリングピッチＰ２は、被写体Ａ上にける照明光Ｌの振幅Ｈを用い下式で表される。
（９）’ Ｐ２ ＝ ２Ｈ × ｓｉｎ（π × ｆｄ／ｆｓ）
ここで、被写体の走査ピッチＰ２と光ファイバ９の先端９ａの走査ピッチＰｆは、走査円の半径、つまり振幅に比例するので、光ファイバ９の先端９ａの振幅ｈと被写体上における照明光Ｌの振幅Ｈとの間には、以下の関係式が成立する。
Ｐｆ／ｐ２＝ｈ／Ｈ
上記関係式および式（９）’から、条件式（９）が導かれる。

なお、点ＰＱ間のサンプリングピッチＰ２は、厳密には、サンプリング点Ｐ，Ｑ間の円弧の長さであるが、この円弧の長さは振幅Ｈに対して十分に小さい。上式においては、サンプリングピッチＰ２をサンプリング点Ｐ，Ｑ間の直線距離と近似して求めている。

ここで、振幅変調波形が正弦波である場合、上述したように式（７）が成り立つ。一方、光ファイバ９の先端９ａの走査ピッチＰｆは、高解像度を満足するために、式（１）を満足する必要がある。これら２つの式（１）および（７）より、周回数Ｎが満足すべき条件が下式によって表される。
π／２ × ｈｍａｘ／Ｎ ≦ ０．５ × ｄ
これを変形すると、下式（８）が得られる。
（８） Ｎ ≧ π × ｈｍａｘ／ｄ
したがって、振幅変調波形が正弦波である場合、周回数Ｎは条件式（８）を満足することが好ましい。

一方、振幅変調波形が直線である場合、上述したように式（５）が成り立つ。一方、光ファイバ９の先端９ａの走査ピッチＰｆは、高解像度を満足するために、式（１）を満足する必要がある。これら２つの式（１）および（５）より、下式（６）が導かれる。したがって、振幅変調波長が直線である場合には、周回数Ｎが下式（６）を満足することが好ましい。
（６） Ｎ ≧ ２ × ｈｍａｘ／ｄ
さらに、周回数Ｎが過剰にならないためには、下式（６）’を満足することが好ましい。
（６）’ Ｎ ≦ ４ ×ｈｍａｘ／ｄ

さらに、検出サンプリング周波数ｆｓに関して、上述したように式（９）が満たされる。式（９）および式（１）から、検出サンプリング周波数ｆｓが満足すべき条件は、下式となる。
２ × ｈｍａｘ × ｓｉｎ（π×ｆｄ／ｆｓ） ≦ ０．５ × ｄ

ここで、π×ｆｄ／ｆｓは微小であるので、
ｓｉｎ（π×ｆｄ／ｆｓ） ≒ π×ｆｄ／ｆｓ
と近似できる。よって、上式は、
２π× ｈｍａｘ × ｆｄ／ｆｓ ≦ ０．５ × ｄ
と表され、下式（１０）が導かれる。
（１０） ｆｓ ≧ ４π × ｈｍａｘ／ｄ × ｆｄ

また、本実施形態においては、走査レンズ系１１が、光ファイバ９側においてテレセントリックであることとしたが、これに代えて、図１０に示されるように、光ファイバ９側および被写体Ａ側の両方においてテレセントリックであってもよい。
このような両側テレセントリックである走査レンズ系１１’は、共焦点光学系を構成する。したがって、走査レンズ系１１’を有する光走査装置は共焦点走査型顕微鏡に好適に適用することができる。

図１０の走査レンズ系１１’においては下式が成立する。βは走査レンズ系１１’の投影倍率、ＮＡは光ファイバ９の開口数、ＮＡ’は走査レンズ系１１’の射出側における照明光Ｌの開口数、Ｈｍａｘは被写体Ａ上における照明光Ｌの最大振幅である。
Ｐｆ／Ｐ１ ＝ β ＝ Ｈｍａｘ／ｈｍａｘ ＝ ＮＡ／ＮＡ’

一方、スポット径Ｄは、ガウシアンビーム光学理論により、波長λを用いて下式で表される。ただし、ファーフィールドであるとみなす。
ＮＡ’ ＝ ｓｉｎ（２λ／πＤ）
上式を変形すると下式が得られる。下式から分かるように、走査レンズ系１１’を有する光走査装置において、スポット径Ｄは、光ファイバ９のＮＡおよび走査レンズ系１１’の投影倍率によって決まる。
Ｄ ＝ ２λ／π ×１／ａｓｉｎ（ＮＡ／β）

以上の式と条件Ｐ１＝β×Ｐｆ＜０．５Ｄとから、両側テレセントリックの走査レンズ系１１’における光ファイバ９の先端９ａの走査ピッチＰｆに関する条件式を導くことができる。また、走査ピッチＰｆおよび条件式（５）〜（９）から、最適な周回数Ｎおよびサンプリング周波数ｆｓを導くことができる。

また、本実施形態においては、照明光Ｌをスパイラル状の走査軌跡Ｂに沿って走査することとしたが、照明光Ｌの走査方式はこれに限定されるものではなく、ラスタ走査方式またはリサージュ走査方式のような他の走査方式を用いてもよい。
他の走査方式においても、条件式（１），（１）’，（２），（２）’，（３），（９）を満たすことによって、光走査装置が有する本来の解像力を十分に発揮して高解像度の画像を取得することができる。

１ 光走査装置
２ 光源
３ 画像生成部
４ ディスプレイ
５ 光走査部
６ 信号発生部
７ 光検出部
８ 制御部
９ 光ファイバ
１０ アクチュエータ
１１，１１’ 走査レンズ系
１２ 受光用光ファイバ
１３ 光検出器
１４ ＡＤ変換器
２０ 挿入部
３０ 制御装置本体
１００ 走査型内視鏡システム

Claims (16)

1. 照明光を先端から被写体に向かって射出する光ファイバと、
   該光ファイバの先端を振動させるアクチュエータと、
   前記光ファイバの先端から射出された照明光が前記被写体上において２次元的に走査されるように、前記アクチュエータを制御する制御部とを備え、
   該制御部が、以下の条件式（１）を満たすように前記アクチュエータを制御する光走査装置。
   （１） Ｐ１ ≦ ０．５×Ｄ
   ただし、
   Ｄは、前記被写体上における前記照明光のスポット径、
   Ｐ１は、前記被写体上における前記照明光の走査線ピッチ
   である。
2. 前記制御部が、以下の条件式（１）'を満たすように前記アクチュエータを制御する請求項１に記載の光走査装置。
   （１）' ０．２５×Ｄ ≦ Ｐ１
3. 照明光を先端から被写体に向かって射出する光ファイバと、
   該光ファイバの先端を振動させるアクチュエータと、
   前記光ファイバの先端から射出された照明光が前記被写体上において２次元的に走査されるように、前記アクチュエータを制御する制御部と、
   前記照明光が前記被写体に照射されることによって前記被写体で生じる観察光を検出する光検出部とを備え、
   前記制御部が、以下の条件式（２）を満たすように前記光検出部を制御する光走査装置。
   （２） Ｐ２ ≦ ０．５×Ｄ
   ただし、
   Ｄは、前記被写体上における前記照明光のスポット径、
   Ｐ２は、前記被写体上における前記観察光のサンプリングピッチ
   である。
4. 前記制御部が、以下の条件式（２）’を満たすように前記光検出部を制御する請求項３に記載の光走査装置。
   （２）’ ０．２５×Ｄ ≦ Ｐ２
5. 前記制御部が、以下の条件式（１）を満たすように前記アクチュエータを制御する請求項３または請求項４に記載の光走査装置。
   （１） Ｐ１ ≦ ０．５×Ｄ
   ただし、
   Ｐ１は、前記被写体上における前記照明光の走査線ピッチ
   である。
6. 前記制御部が、以下の条件式（１）’を満たすように前記アクチュエータを制御する請求項５に記載の光走査装置。
   （１）’ ０．２５×Ｄ ≦ Ｐ１
7. 前記制御部が、以下の条件式（３）を満たすように前記アクチュエータを制御する請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
   （３） Ｐ１ ＝ Ｄ／ｄ × Ｐｆ
   ただし、
   ｄは、前記光ファイバのコア径、
   Ｐｆは、前記光ファイバの走査ピッチ
   である。
8. 前記制御部が、以下の条件式（４）を満たすように前記光検出部を制御する請求項３から請求項６のいずれかに記載の光走査装置。
   （４） Ｐ２ ＝ Ｄ／ｄ × Ｐｆ
   ただし、
   ｄは、前記光ファイバのコア径、
   Ｐｆは、前記光ファイバの走査ピッチ
   である。
9. 前記制御部は、前記光ファイバの先端の振幅を直線状の包絡線に沿って時間変化させながらスパイラル状の軌跡に沿って振動させるように、かつ、以下の条件式（５）を満たすように、前記アクチュエータを制御する請求項７または請求項８に記載の光走査装置。
   （５） Ｐｆ ＝ ｈｍａｘ／Ｎ
   ただし、
   Ｎは、前記スパイラル状の軌跡の周回数、
   ｈｍａｘは、前記光ファイバの先端の最大振幅
   である。
10. 前記制御部は、以下の条件式（６）を満たすように、前記アクチュエータを制御する請求項９に記載の光走査装置。
    （６） Ｎ ≧ ２ × ｈｍａｘ／Ｎ
11. 前記制御部は、以下の条件式（６）’を満たすように、前記アクチュエータを制御する請求項１０に記載の光走査装置。
    （６）’ Ｎ ≦ ４ × ｈｍａｘ／ｄ
12. 前記制御部は、前記光ファイバの先端の振幅を正弦波状の包絡線に沿って時間変化させながらスパイラル状の軌跡に沿って振動させるように、かつ、以下の条件式（７）を満たすように、前記アクチュエータを制御する請求項７または請求項８に記載の光走査装置。
    （７） Ｐｆ ≦ π／２ × ｈｍａｘ／Ｎ
13. 前記制御部は、以下の条件式（８）を満たすように、前記アクチュエータを制御する請求項１２に記載の光走査装置。
    （８） Ｎ ≧ π × ｈｍａｘ／ｄ
14. 前記制御部は、以下の条件式（９）を満たすように、前記アクチュエータおよび前記光検出部を制御する請求項８に記載の光走査装置。
    （９） Ｐｆ ≦ ２ × ｈｍａｘ × ｓｉｎ（π × ｆｄ／ｆｓ）
    ただし、
    ｆｓは、前記光検出部による前記観察光のサンプリング周波数、
    ｆｄは、前記アクチュエータによる前記光ファイバの先端の振動周波数、
    ｈｍａｘは、前記光ファイバの先端の最大振幅
    である。
15. 前記制御部は、以下の条件式（１０）を満たすように、前記アクチュエータおよび前記光検出部を制御する請求項１４に記載の光走査装置。
    （１０） ｆｓ ≧ ４π × ｈｍａｘ／ｄ × ｆｄ
16. 光ファイバの先端から射出された光を被写体上でスパイラル走査する光走査装置の制御方法であって、
    前記光ファイバの先端から射出された照明光が前記被写体上において２次元的に走査されるように、前記光ファイバの先端を振動させるアクチュエータを制御する制御ステップにおいて、以下の条件式（１）を満たすように前記アクチュエータを制御する光走査装置の制御方法。
    （１） Ｐ１ ≦ ０．５×Ｄ
    ただし、
    Ｄは、前記被写体上における前記照明光のスポット径、
    Ｐ１は、前記被写体上における前記照明光の走査線ピッチ
    である。

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