KR20060036059A - 주사식 내시경 - Google Patents

Abstract

주사식 내시경은 경성 및 연성의 것을 막론하고 시야를 가로질러 광빔을 주사하고 주사된 빔으로부터 산란된 빛을 수집하며 산란광을 검출하고 영상을 생성한다. 내시경은 제어기와 광원 및 검출기를 내장하고 있는 하나 이상의 물체를 포함할 수 있고, 분리가능한 팁이 주사기구를 내장하고 있다. 광원은 출력이 다색빔으로 조합되는 레이저 이미터들을 포함할 수도 있다. 빛은 잠망영상을 생성하기 위한 자외선 또는 적외선 파장으로 발광될 수 있다. 검출기는 집광된 빛이 광섬유를 거쳐 전송되는 말단 또는 기단 위치에 내장될 수 있다. 다수의 주사소자가 조합되어 입체영상 또는 기타의 영상형태를 만들 수 있다. 내시경은 체강을 통과하기 쉽고 환자에 대한 상처유발을 줄이는 윤활제 이송 시스템을 포함할 수도 있다. 영상화 콤포넌트는 매우 콤팩트하며 어떤 경우에는 MEMS 스캐너 및 광섬유로 이루어질 수도 있고, 그 것을 작업로, 관주포트 등과 같은 팁 구성요소 사이의 틈새 공간에 둘 수 있다.

내시경, 주사 빔 내시경, 주사 빔 영상화

Description

주사식 내시경{SCANNING ENDOSCOPE}

본 발명은 주사 빔 시스템(scanned beam system)에 관한 것으로, 특히 주사 빔 영상화를 이용한 내시경 및 복강경에 관한 것이다.

(참고문헌)

이 출원은 위크로프(Wiklof) 등에 의해 발명되어 2003년 6월 23일에 출원된 미국 예비출원 60/482,376호의 "주사식 내시경(SCANNED ENDOSCOPE)"에서 유래한 것이며 그에 대한 우선권을 주장하고 있다.

영상 내시경 및 복강경은 1980년대부터 보편적으로 이용되고 있다. 복강경은 절개를 최소화하는 수술에 이용되는 경성 장치이다. 통상적으로, 복강경은 디지털카메라를 포함하는 가까운 외부에 설치된 핸드피스를 이용한다. 디지털카메라는 환자의 체강속으로 연장되는 튜브 속에 잇달아 배치된 일련의 봉형 렌즈를 통해 영상을 수집한다. 카메라는 흔히 표시모니터를 포함하는 콘솔까지 유선으로 그 신호를 보낸다. 또한, 콘솔에는 흔히 제논램프에 기반한 광원이 설치되어 있다. 광원은 커플링되어 있는 광섬유를 통해 핸드피스로 빛을 보낸다. 그리고 빛은 복강경 튜브 속으로 연장되어 있는 광섬유를 통해 체강 속으로 보내진다. 흔히, 광섬 유는 튜브의 둘레에 있는 동심 링 또는 호형 부재 속에서 튜브의 말단까지 이어진다. 사용시에 조도를 조절하여 영상모니터 상의 영상이 적절한 밝기를 갖게 한다.

내시경은 진단 또는 기타의 처리에 이용되는 통상적으로 연성 장치이다. 신형 내시경(및 일부의 복강경)은 빛을 수집하여 전자신호로 변환하여 그 전자신호를 유연한 튜브를 따라 핸드피스로 보내는 디지털 팁 디지털카메라를 이용한다. 그리고 복강경의 작동과 마찬가지로 신호가 콘솔로 보내져 표시된다. 조명섬유가 통상적으로 카메라렌즈의 각 측부에 있는 한 쌍의 구멍으로 이어진 것을 제외하고는 조명도 복강경에서와 마찬가지로 체강 속으로 보내진다. 내시경은 흔히 관주로와 계측작업로를 포함하고, 또한 임상병리사가 관찰하고자 하는 방향으로 내시경의 팁을 조준하거나 튜브를 밀기 위해 이용되는 조향장치를 포함한다.

내시경 및 복강경은 단부관측식이거나 측부관측식일 것이다. 단부관측식 장치에서는 조망구역이 장치의 단부의 바로 앞에 있다. 측부관측식은 튜브의 단부로부터 70°또는 다른 각도로 편향된 축에 배치된 조망구역을 가질 수 있다. 시야는 응용예에 따라 다양하다. 예를 들어, 콜로노스코프(결장검사에 이용되는 일종의 내시경)는 흔히 140° 대각선 시야를 가지며, 복강경은 70° 대각선에 가까운 시야를 가질 수 있다.

많은 내시경들에서는 계측기가 작업로를 따라 내려갈 수 있다. 작업로의 직경 내에서 체강 속으로 들어갈 수 있는 포셉 및 기타의 장치들이 개발되어 있으며, 임상병리사들은 그 것들을 이용하여 조직샘플 등을 얻는다. 복강경에서는, 계측기들이 별도의 작은 절개부를 통해 처치구역으로 들어가는 것이 일반적이다. 복강경 뿐만 아니라 흔히 그러한 계측기는 절개부의 내벽을 이루는 투관침 또는 링을 통해 통행하여 밀봉상태를 유지할 뿐만 아니라 부적절한 속박이나 손상을 방지한다.

복강경과 내시경 모두 다 차지커플드 디바이스(CCD: charge-coupled device) 또는 보상적 산화금속반도체 (CMOS: complementary metal oxide semiconductor) 장치 등과 같은 픽셀화 센서장치를 이용할 수도 있다. 픽셀화 영상기에서는, 각각의 화소가 장치의 한 소자에 대응하며 각각의 소자는 선택된 샘플링 간격마다 시야의 접합점으로부터 빛 에너지를 받는다. 각각의 소자는 빛을 그 접합점의 밝기에 비례하는 전기신호로 변환한다.

오늘날의 디지털 내시경과 복강경은 영상품질 및 동적 범위의 한계에 부딪힐 수 있고 흔히 바람직스럽지 못한 다른 인공물이 노출될 수 있다. 특히, 말단영상시스템의 경우에는 직경한계가 고해상도에 대한 보편적인 장애로 되어 있다.

발명의 개요

다양한 측면에서, 이 발명은 주사빔 영상 시스템에 관한 것이며, 좀더 자세하게는 접근하기가 까다로운 위치로부터 영상을 획득하는 주사빔 내시경, 복강경 및 기타의 영상장치에 관한 것이다. 많은 측면들은 소형화 바코드영상기, 보로스코프, 머신비젼카메라 등을 포함하는 기타의 주사식 또는 주사빔 영상장치에 적용될 수도 있을 것이다.

이 발명의 많은 측면들은 의료분야와 비의료분야 모두에서 경성 또는 연성 응용예에 적용할 수 있을 것이다. 많은 경우에, 내시경과 복강경이라는 용어가 서로 맞바꾸어 사용되며, 개스트로스코프, 엔테로스코프, 시그모이도스코프, 콜로노스코프, 라링고스코프, 리노라료스코프, 브론초스코프, 듀오데노스코프, 콜레도코스코프, 네프로스코프, 시스토스코프, 히스테로스코프, 복강경, 아트로스코프 등을 포함하는 광범위한 분야에서의 특수한 수단으로 광범위하게 참고될 수 있음을 알 수 있을 것이다.

이 발명에 따른 한 실시예에서는, 다수의 색광원, 예를 들어 좁은 스펙트럼의 광원들이 실질적인 백색광을 이루게 조합된다. 백색광은 하나 이상의 광섬유를 거쳐 말단 팁으로 보내져서 빔으로 형성되고 그 빔은 시야(FOV)를 가로질러 주사된다. FOV에 의해 반사되거나 산란되거나 굴절되거나 달리 교란된 빛의 적어도 일부는 수집되어 전기신호로 변환된다. 빔 위치와 수집된 광량에 관한 정보를 조합함으로써 디지털 영상이 형성될 수도 있다. 선택적인 실시예에 따르면, 빔 위치에 관한 정보는 영상 자체로부터 정해질 수도 있다.

한 실시예에 따르면, 색광원은 적색, 녹색, 청색 레이저, 발광다이오드 또는 기타의 장치일 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 서로 다른 성질을 갖는 다양한 수의 광원이 조합되어 주사빔을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 수 나노미터 파장만큼 서로 달라진 한 쌍의 적색광원이 이용되어 적색물체의 구별을 개선할 수도 있다. 다른 실시예에서는, 적색과 녹색과 청색 광원의 사이에 있는 파장을 가진 광원이 이용되어 개선된 색상범위를 갖는 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 채널을 가진 시스템을 만들 수도 있다. 또다른 실시예에서는, 적외선, 자외선 또는 그 너머의 광원이 조합되어 확장된 스펙트럼 시스템을 형성할 수도 있다.

다른 실시예에 따르면, 치료를 위해 치료특성을 갖는 광원이 이용될 수도 있다. 예를 들어, 고출력 적외선광은 상처 등의 소작을 위해 이용될 수 있으며, 자외선광은 포토트로픽 약제 등을 활성시키기 위해 이용될 수 있다. 좁은 파장의 광원의 조합은 예를 들어 포토트로픽 약제나 광학진단 화학약품이 널리 투여되지만 특정위치에서만 활성화 되는 것이 바람직할 때 원하지 않은 파장에 노출되는 것을 회피하기 위해 이용될 수 있다. 치료용 빔은 의사나 원격지의 전문가에 의해 선택적으로 활성화될 수도 있으며, 영상 특성에 기초하여 자동으로 활성화될 수도 있다. 그 것들은 모든 시야에서, 시야의 일부에서 또는 시야의 특정한 작은 점에서 활성화될 수도 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 다수의 광원이 스스로는 색조화를 이루지 않는 빔으로 조합될 수도 있다. 그러한 경우에, 영상은 전자적으로 색조화를 이룰 수도 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 다색광원이 이용될 필요는 없으며, 하나 이상의 비교적 광대역 광원이 이용될 수도 있다.

어떤 실시예에 따르면, 광빔은 주사미러의 중심을 통해 동심적으로 통과되어 제1 반사경에 의해 반사되어 시야를 가로질러 빔을 주사하는 주사미러로 복귀된다. 이러한 동심빔 경로는 예를 들어 영상팁의 크기를 최소화 함에 있어서 유리할 수도 있다. 빔과 제1 반사경의 편광특성은 시야에 들어가는 신호강도를 최대화 하고 표류광을 최소화 하도록 조절되거나 선택될 수 있다. 선택적인 실시예에 따르면, 편광이 매칭되지 않고 반투명 미러가 빛의 일부를 미러로 복귀시킨다.

빔으로부터의 빛은 시야의 표면에서 산란되거나 통과되거나 흡수되거나 반사될 수도 있고, 또는 체강을 통한 다중전송로를 만날 수도 있다. 그렇게 전송된 빛의 일부는 하나 이상의 수집점에서 모아진다. 수집점은 영상용이 아닌 수집 및 검출수단, 예를 들어 팁의 말단에 설치된 포토다이오드를 포함할 수도 있다. 선택적으로는, 수집수단이 빛을 수집하여 원격지의 검출유니트로 전송하여 빛이 전기신호로 변환되어 좀더 처리되게 하는 광섬유를 포함할 수도 있다. 그러한 집광섬유는 예를 들어 스캐너모듈의 둘레에 배치될 수도 있다. 선택적으로는, 빛이 주사미러에 의해 역주사되어 역수집적으로, 즉 공초점 방식으로 수집될 수도 있다. 다른 선택적 실시예에서는, 수집섬유가 관주로, 작업로 등의 사이의 틈새 공간 속에서 팁을 가로질러 배치될 수도 있다. 또 다른 선택적 실시예에서는, 별도의 수집섬유가 예를 들어 영상팁으로부터 원격으로 산란광을 수집하는 도구, 투관침 또는 기타의 장치의 형태로 체강 속에 삽입될 수도 있다. 또다른 선택적 실시예에서는, 집광되는 영역을 증대하기 위해 팁이 적어도 일부는 반투명으로 만들어질 수도 있다.

어떤 실시예에 따르면, 내시경 또는 복강경은 핸드피스 속에 설치된 광원 및/또는 검출기를 이용할 수도 있다. 선택적인 실시예에 따르면, 내시경 또는 복강경은 광원 및/또는 검출기를 포함하는 콘솔을 가질 수도 있다. 빛은 스캐너에 동력을 공급하거나 감시하고 핸드피스에 표시정보를 제공하며 시스템의 작동을 제어하는 등과 같은 전기적 접속을 포함할 수도 있는 커넥터를 거쳐 광섬유 및 콘솔로 전송하거나 전송될 수 있다.

실시예에 따르면, 스캐너는 예를 들어 프로그래시브 주사 패턴 또는 쌍-사인곡선형 주사 패턴으로 작동하는 MEMS 스캐너일 수도 있다. 어떤 실시예에서는, 스캐너가 자석식 구동으로 작동된다. 선택적인 실시예에서는, 스캐너가 정전기적 구동에 의해, 자석식 및 정전기적 구동의 조합에 의해, 또는 압전방식 또는 두 가지 형태의 구동 등 기타의 공지된 수단에 의해 작동된다. MEMS 스캐너는 벌크형태의 미소기계인 MEMS 스캐너, 표면화한 미소기계장치 또는 당 기술분야에 알려진 다른 형태의 장치일 수 있다. 미러의 표면은 평탄하거나, 선택적으로는 빔의 형성을 돕기 위한 광학적 파워를 포함할 수도 있다.

어떤 실시예에 따르면, 시야는 구동신호의 진폭에 의해 제어될 수 있으며, 신호 진폭이 작을수록 다소 작은 각운동을 일으키고, 신호 진폭이 클수록 큰 각운동을 일으켜 큰 시야를 만든다.

한 실시예에 따르면, 하나 이상의 렌즈, 미러, 구멍 및 광택나는 섬유 단부 등과 같은 빔조준장치, 즉 포커싱 장치를 이용하여 빔을 형성할 수도 있다. 하나 이상의 조준장치가 위치나 형상을 바꾸어 빔의 형성을 제어할 수 있다. 빔의 형상은 스폿 스페이싱에 대한 스폿 크기의 비교적 일정한 충진인수를 유지하도록 시야에 맞춰서 변화될 수도 있다. 선택적으로, 또는 부가적으로, 빔 형상은 사용자에 의해 또는 자동화 수단에 의해 최적의 포커스를 유지하도록 제어될 수도 있다.

한 실시예에 따르면, 작업로는 예를 들어 영상분석에 기초하여 자동화 될 수도 있다. 팁의 외부덮개, 즉 외장은 다른 약물의 필요를 줄이고 환자의 불편, 악화 및/또는 사망률을 줄이기 위해 윤활제 및/또는 약물 포트를 포함할 수도 있다.

한 실시예에 따르면, 집광수단은 렌즈반사를 줄이거나 제거하기 위해 빔에 대해 교차편광될 수도 있다.

한 실시예에 따르면, 장치는 헤모글로빈 산화 감시 또는 이산화탄소 감시 등과 같은 감시수단을 포함할 수도 있다. 혈류를 판단하기 위해 도플러측정이 이용될 수도 있다.

한 실시예에 따르면, FOV는 가변적인 강도의 광원에 의해 조명될 수도 있다. 가변적인 강도의 광원은 예를 들어 빔의 강도를 감시하면서 시야의 적어도 일부를 가로질러 하나 이상의 광빔을 주사함으로써 형성될 수도 있다. 이러한 방식으로, 좀더 어둡거나 좀더 먼 구역이 좀더 많이 조명되고 좀더 밝거나 좀더 가까운 구역이 덜 조명된다.

다른 실시예에 따르면, 시야 또는 시야 부분들의 색조화는 다른 색의 조명으로 다르게 조명함으로써 조절될 수도 있다. 일부 내지 실질적으로 모든 영역의 정보가 가변적인 조명을 구동하기 위해 이용되는 데이터의 역으로 노출되는 방식으로 조명기를 구동하는 것도 가능하다. 한 한계에서, 시야는 검출기에서 실질적으로 균일한 빛 산란을 일으키도록 다르게 조명될 수도 있다. 이러한 경우에, 영상정보는 차등조명기를 구동하기 위해 이용되는 프레임 버퍼에 의해 전체적으로, 즉 실절적으로 모두 다 회수될 수도 있다. 이러한 모드는 PIN 포토다이오드, 아발란치 포토다이오드(avalanche photodiodes), 포토멀티플라이어 튜브 (photomultiplier tubes) 등과 같은 영상용이 아닌 검출기를 위해 특히 유리할 수도 있다.

다른 실시예에 따르면, 주사빔 조명기는 픽셀화 한 영상기 등과 같은 영상검출기와 조합될 수도 있다. 가변적인 조명은 시스템의 동적 범위를 효율적으로 확장하여 더 빠르거나 더 작거나 또는 달리 조절된 센서들을 위해 적용될 수도 있다. 가변적인 조명은 더 멀거나 더 어두운 구역에 부가적인 조명광을 제공함으로써 장치의 작동영역의 깊이를 학장하기 위해 이용될 수도 있다.

다른 실시예에 따르면, 시야는 영상데이터를 위해 정밀조사 (probe)될 수도 있다. 이 경우에는, 하나 또는 몇 개의 어둡거나 먼 스폿의 광학적 특성을 결정하기 위한 순간에는 특히 밝은 조명이 켜졌다가 안전 또는 기타의 요구를 충족하기에 충분한 시간 동안 꺼질 수도 있다. 후속 프레임 동안에는 다른 스폿이 정밀조사 (probe)될 수도 있다.

도 1은 간단한 주사빔영상장치의 블록선도이다.

도 2는 조도를 조절하는 장치 및 방법의 블록선도이다.

도 3은 FOV를 조명하는 한 실시예를 도시하는 것으로서 동적으로 조절되는 조명기의 초기상태를 도시한 개략선도이고, 조명에너지는 일정하게 유지되고 검출기에서 수신되는 산란된 에너지의 양은 그 지점의 겉보기 밝기에 비례하여 변한다.

도 4a는 일률적이거나 단계적인 산란을 제공하도록 프로그램되어 있는 조명기의 집중상태를 도시한 개략선도이며, 조명 에너지는 각각의 지점에서의 겉보기 밝기에 역비례하게 조절되어 검출기에서 수신되는 에너지의 양을 거의 동일하게 한다.

도 4b는 FOV 동적 범위를 다소 축소시키지만 겉보기 밝기의 차별은 유지하도록 프로그램되어 있는 조명기의 집중상태를 도시하는 개략선도이다.

도 5는 예시적인 1D FOV의 몇 개의 프레임 위에 도 4의 방법을 위해 조도를 집중시키기 위한 이상적인 파형을 도시하는 선도이다.

도 6은 화소값이 집중되는 방법을 도시하는 플로우챠트이다.

도 7은 이상적인 2D FOV를 가로지르는 두 개의 예시적인 빔주사의 집중되지 않은 상태를 나타내는 선도이다.

도 8은 영상처리로 얻어진 도 7의 두 개의 빔주사의 부분적인 프레임 내 집중을 나타내는 선도이다.

도 9는 부가적인 영상처리로 얻어진 도 7과 도 8의 두 개의 빔주사의 의사집중상태를 도시하는 선도이다.

도 10은 내시경시스템의 등축도이다.

도 11은 내시경시스템의 다양한 부품들 간의 관계를 강조하여 도시한 블록선도이다.

도 12는 주사팁모듈의 측단면도이다.

도 13은 주사식 내시경 영상팁의 단면도이다.

도 14는 빛의 두 개의 편광을 차별적으로 반사시키는 주사팁모듈의 내부 돔 표면의 한 실시예를 도시한 측단면도이다.

도 15는 주사모듈의 등축도이다.

도 16은 영상팁의 광소자의 등축도이다.

도 17은 도 12 내지 16에 도시된 것과 유사한 디지털팁 광학설계의 광선궤적이다.

도 18은 주사모듈과 작동모듈의 둘레에 있는 틈새공간 속에 배열된 검출섬유 들을 포함하는 팁 레이아웃이다.

도 19는 윤활제 이송로를 갖는 말단 팁의 등축도이다.

도 20은 스테레오, 즉 쌍안 영상기능을 가진 내시경 팁레이아웃을 도시한다.

도 21은 두 개의 동시주사빔을 역다중화 하는 콘트롤러의 블록선도이다.

도 22는 한 쌍의 주파수다중화 빔의 파형을 도시하는 선도이다.

도 23은 검출기 모듈의 등축도이다.

도 24는 광원 모듈의 등축도이다.

도 25는 출력빔이 X-큐브에 의해 조합되는 조밀한 3색광원의 측면도이다.

도 26a는 내시경의 기단부의 블록선도이다.

도 26b는 내시경의 말단부의 블록선도이다.

도 27은 쌍사인곡선 모양의 주사패턴을 도시하는 이상적인 영상이다.

도 1은 주사빔 영상기(102)의 블록선도를 도시한다. 조명기(104)는 제1 광빔(106)을 생성한다. 스캐너(108)는 제1 광빔을 시야 (FOV)를 가로지르게 굴절시켜 두 개의 위치(110a, 110b)에 도시된 제2 주사광빔(110)을 생성한다. 주사광빔(110) 그 후에 위치112a와 112b로 도시된 FOV의 스폿(112)을 각각 조명한다. 빔(110)이 스폿(112)을 조명하는 동안에, 조명광빔(110)은 물체 또는 물질의 성질에 의해 반사되거나 흡수되거나 산란되거나 또는 달리 영향을 받아 산란광에너지를 생성한다. 스폿 위치(112a, 112b)로부터 산란에너지선(114a, 114b)으로 각각 나오는 것으로 도시된 산란광에너지(114)의 일부는 빛을 받아서 그 광에너지량에 대응하 는 전기신호를 생성하는 하나 이상의 검출기(116)로 전달된다. 전기신호는 디지털영상을 만들어서 전송하여 부가적으로 처리하거나 디코딩하거나 저장하거나 인쇄하거나 또는 인터페이스(120)를 거쳐서 다른 처리를 하거나 사용하게 하는 제어기(118)를 구동한다.

광원(104)은 예를 들어 발광다이오드(LEDs), 레이저, 열원, 아크소스, 형광원, 기체방출원 또는 기타의 조명원 등과 같은 다중 이미터를 포함할 수도 있다. 어떤 실시예에서는, 조명기(104)가 약 635 내지 670 나노미터 (nm)의 파장을 갖는 적색 레이저다이오드를 포함한다. 다른 실시예에서는, 조명기(104)가 세 개의 레이저, 즉 약 635 nm와 532 nm 및 473 nm의 파장을 각각 갖는 적색 다이오드 레이저와 녹색 다이오드 펌핑 솔리드상태 (DPSS)레이저 및 청색 DPSS 레이저를 포함한다. 레이저 다이오드는 직접 조절될 수도 있지만, 일반적으로 DPSS 레이저는 예를 들어 음향광학적 변조기(AOM) 등과 같은 외부변조를 필요로 한다. 외부변조기가 이용되는 경우에는, 그 것이 광원(104)의 일부로 간주된다. 다중 이미터인 경우에는 광원(104)이 이미터의 일부 또는 전부를 단일빔으로 조합하는 빔조합용 광학기를 포함할 수도 있다. 광원(104)은 하나 이상의 조준렌즈 및/또는 구멍 등과 같은 빔형성용 광학기를 포함할 수도 있다. 부가적으로, 앞서의 실시예에서 설명한 파장은 광학적 가시범위 내에 있었지만, 다른 파장도 이 발명의 범위 내에 있다고 볼 수 있다.

광빔(106)은 단일빔으로 예시되어 있지만, 단일의 스캐너(108)나 별개의 여러 스캐너(108) 상으로 집중되는 다수의 빔을 포함할 수도 있다.

어떤 실시예는 MEMS 스캐너를 이용한다. MEMS 스캐너는 예를 들어, 발명의 명칭이 "SCANNED DISPLAY WITH PINCH, TIMING, AND DISTORTION CORRECTION"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허 6,140,979호, 발명의 명칭이 "FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER AND METHOD OF MAKING"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허6,245,590호, 발명의 명칭이 "FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER WITH AUXILIARY ARMS"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허 6,285,489호, 발명의 명칭이 "FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허 6,331,909호, 발명의 명칭이 "SCANNED IMAGING APPARATUS WITH SWITCHED FEEDS"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허 6,362,912호, 발명의 명칭이 "ACTIVE TUNING OF A TORSIONAL RESONANT STRUCTURE"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허6,384,406호, 발명의 명칭이 "SCANNED DISPLAY WITH PLURALITY OF SCANNING ASSEMBLIES:이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허 6,433,907호, 발명의 명칭이 "ACTIVE TUNING OF A TORSIONAL RESONANT STRUCTURE"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허 6,512,622호, 발명의 명칭이 "FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER AND METHOD OF MAKING"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허 6,515,278호, 발명의 명칭이 "SCANNED IMAGING APPARATUS WITH SWITCHED FEEDS"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허 6,515,781호 및/또는 발명의 명칭이 "FREQUENCY TUNABLE RESONANT SCANNER"이고 이 발명과 함께 양도된 미국특허 6,525,310호에서 설명된 것과 같은 형태일 수 있으며, 그 것들은 모두 이 명세서에 참고로 합체되어 있다.

2D MEMS 스캐너(108)는 한 프레임 주기 내에 완전한 2D FOV 또는 2D FOV 중 선택된 구역을 포함하는 패턴으로 고속으로 하나 이상의 광빔을 주사한다. 통상적인 프레임 속도는 예를 들어 60 Hz일 수 있다. 흔히, 하나 또는 두 개의 주사축이 공명식으로 주행하는 것이 양호하다. 한 실시예에서는, 하나의 축이 약 19 KHz로 공명식으로 주행하며, 다른 한 축은 톱니모양으로 비공명식으로 주행하여 진보적인 주사패턴을 생성하게 한다. 약 19 KHz의 주사주파수로 수평방향으로 주사하고 60 Hz의 톱니모양으로 수직방향으로 주사하는 단일빔에 의한 진보적으로 주사되는 쌍방향 접근방식은 SVGA급 해상도에 근접할 수 있다. 한 시스템에서, 수평방향 주사동작은 정전기적으로 구동되고 수직방향 주사동작은 자기적으로 구동된다. 선택적으로는, 수평방향과 수직방향이 모두 자기적으로 또는 용량성으로(capacitively) 구동될 수도 있다. 정전기구동은 정전기 판이나 빗살(comb) 구동 또는 유사한 방식을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 두 개의 축 모두 사인곡선형 또는 공명식으로 구동될 수 있다.

응용예나 구성에 따라 여러 종류의 검출기가 적절히 사용될 수 있다. 예를 들어, 한 실시예에서는, 검출기가 증폭기와 디지타이저에 연결된 단순한 PIN 포토다이오드를 포함할 수도 있다. 이러한 구성에서는, 빔위치정보가 스캐너 또는 선택적으로는 광학기구로부터 회수될 수 있으며, 영상해상도는 주사스폿(112)의 크기와 형상에 의해 정해진다. 다색영상인 경우에, 검출기(116)는 산란광을 검출하기 전에 여러 부분으로 나누기 위해 좀더 복잡하게 분할하고 필터링할 수도 있다. PIN 포토다이오드를 대신하여, 특정 응용예, 특히 약한 빛을 위한 응용예로는 아발란체 포토다이오드 (APDs: avalanche photodiodes) 또는 광다중관(PMTs: photomultiplier tubes)이 선호될 수도 있다.

다양한 방식으로, simple photodetectors such as PIN 포토다이오드, APDs, PMTs 등과 같은 단순한 광검출기가 응용예에 따라 완전한 FOV를 응시하거나, FOV의 일부를 응시하거나, 빛을 역집속적으로 ( retrocollectively) 수집하거나 또는 빛을 공초점방식으로 수집하도록 배치될 수도 있다. 어떤 실시예에서는, 광검출기(116)가 필터를 통해 빛을 수집하여 다량의 주변 빛을 제거한다.

이 장치는 단색으로든, 총천연색으로든, 초스펙트럼적 (as a hyper-spectral: 무지개색 범위를 넘어서는)으로든 구현될 수 있을 것이다. 어떤 실시예에서는, 많은 칼라카메라에 이용되는 종래의 RGB 채널 사이의 칼라채널을 부가하는 것이 바람직할 수도 있다. 여기에서, 회색조라는 용어 및 그에 관한 설명은 이 발명의 범위 내에 있는 다른 방법 또는 응용예와 마찬가지로 이 실시예의 각각에도 인용됨을 알아야 한다. 아래에서 설명하는 제어 장치 및 방법에서는, 회색화소 레벨이 단색시스템의 경우에는 단일치를 포함할 수 있고, 총천연색이나 초스펙트럼적 시스템의 경우에는 RGB 삼원색 또는 그 이상을 포함할 수 있을 것이다. 제어는 특정 채널 (예를 들어, 적색, 녹색, 청색 채널)의 출력마다 개별적으로 이루어질 수도 있고, 모든 채널에 대해 보편적으로 이루어질 수도 있으며, 부분집합적 채널들에 대해 이루어질 수도 있다.

어떤 실시예에서는, 조명기가 편광빔을 방출할 수도 있고, 별도의 편광기 (도시 안됨)를 사용하여 빔을 편광시킬 수도 있다. 그러한 경우에, 검출기(116)는 주사빔(110)에 대해 교차편광된 편광기를 포함할 수도 있다. 그러한 배치는 영상 에 대한 미러반사의 영향을 감소시킴으로써 영상품질을 개선할 수 있을 것이다.

도 2는 조명강도를 조절하는 제어논리구조를 예시하는 블록선도이다. 처음에는, 구동회로가 프레임버퍼(202)에서 디지털데이터치로 구현될 수 있는 패턴에 기초하여 광원을 구동한다. 프레임버퍼(202)는 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같은 조명기와 스캐너를 포함할 수도 있는 가변적인 조명기(109)를 구동한다. 각각의 스폿 또는 구역에 대한 산란광량이 검출기(116)에 의해 검출되어 전기신호로 변환된다. 검출기(116)는 예를 들어 이진값으로서의 전기신호를 출력하는 A/D 변환기를 포함할 수도 있다. 이렇게 검출된 값은 잔류치라고 할 수도 있다. 잔류치는 인버터(208)에 의해 역변환되어 선택적인 프레임 내 영상처리기(210)에 의해 선택적으로 처리된다. 역변환된 잔류치 또는 처리된 값은 부가기(212)에 의해 프레임버퍼(202)에 있는 대응하는 값에 부가된다. 모든 스폿이 주사되어 거기에 대응하는 프레임버퍼 값이 변경될 때까지 전체 프레임 또는 FOV에 걸쳐 이러한 처리가 이루어진다. 그 후, 모든 스폿 잔류치가 집중될 때까지 제2 프레임, 제3 프레임 등에 대해 이러한 처리가 반복된다. 어떤 실시예, 특히 도 4a로 대표되는 실시예에서는, 프레임버퍼에 있는 패턴은 네가티브사진이 대응하는 실장의 역상을 나타내듯이 이 점에서의 FOV에서 실상의 역상을 나타낸다.

인버터(208)와 선택적인 프레임 내처리기(210) 및 부가기(212)는 균일화 회로(213: leveling circuit)를 포함한다.

프레임버퍼(202)에 있는 패턴은 인버터(214)에 의해 판독되어 역변환된다. 역변환된 패턴은 선택적 프레임 간 영상처리기(216)에 의해 선택적 프레임 간 영상 처리되어 입출력기(120)에 의해 표시장치, 저장장치, 부가적인 처리기 등으로 출력된다.

선택적 프레임 내 영상처리기(210)는 영상처리기 제어를 능가하는 라인 및 프레임에 기초한 처리기능을 포함한다. 예를 들어, 처리기(210)는 수치적으로 상이한 조명기 제어 및 검출기 출력을 적합하게 하도록 피드백 이득 및 상쇄를 설정할 수 있고, 시스템의 발산경향을 없애거나 억제하도록 이득을 설정할 수 있으며, 집중을 가속화하고 시스템의 감도를 증대하도록 작동할 수도 있다. 이러한 특성에 관해서는 어디에서든 좀더 설명될 것이다. 이해하기 쉽게, 여기에서는 검출기와 조명기 제어치가 수치적으로 유사한 것, 즉 한 레별의 검출기 회색조 차이가 한 레벨의 조명기 출력 차이와 동등한 것으로 가정하기로 한다.

도 1의 장치의 집중의 결과로서, 검출기로 회귀되는 소량의 신호를 산란시키는 스폿들은 비교적 큰 빔 파워로 조명되지만, 검출기로 회귀하는 대량의 신호를 산란시키는 스폿들은 비교적 작은 빔 파워로 조명된다. 집중시에, 각각의 스폿으로부터 받아들여지는 총 빛 에너지는 실질적으로 균등할 수도 있다.

겉보기 밝기 차이의 한 원인은 조명되는 물질의 빛 흡수성이다. 그러한 차이의 다른 원인은 검출기로부터의 거리 변화이다. 이 시스템의 조명의 고유한 적응성 때문에, 흔히, 시야 깊이가 깊어지면 부차적 결과가 당연히 생긴다. 또한, 시야 깊이의 그러한 증가는 다른 방식보다 조명기 출력이 더 작고 동력소모가 더 적은 방식으로 실현될 수도 있다. 실적적으로 또는 거의 정확한 양의 광 파워가 어떤 스폿에든 출력되기 때문에, 스폿들은 실질적으로 과조명되지 않는다. FOV에 서 관심 있는 가장 어두운 스폿들로부터 분석하기에 충분한 에너지를 획득하기 위해서는 모든 스폿들을 조명해야 하는 다른 시스템에 비해, 이 시스템은 관심 있는 가장 어두운 특정한 스폿들에 대해서만 비교적 대량의 조명에너지를 출력하고 좀더 밝은 겉보기 밝기를 가진 다른 스폿들은 더 적은 조명에너지를 받을 수도 있다. 또한, 조명출력에너지는 편안성 및/또는 안전성의 요구로 인해 종종 제한된다. 그러한 안전성에 관한 요구는 통상적으로 비교적 장기간에 걸쳐 사람의 눈의 동공 크기에 대응하는 비교적 큰 스폿에 걸쳐 집적되는 입사에너지의 측정치에 의존하기 때문에, 공간적 및 시간적으로 조명에너지를 제한하는 시스템은 수치적으로 더 작고 명목상 더 안전한 분류를 행함에 있어서 이점이 있다. 그러므로, 어떤 응용예에서는, 시스템이 엄격하게 안전한 분류에서 큰 주사범위를 달성할 수도 있다.

선택적 프레임 내 영상처리기(210) 및/또는 선택적 프레임 간 영상처리기(216)가 서로 협력하여 바람직한 안전성 분류 또는 기타의 밝기 제한에 적합하게 할 수도 있다. 이 것은 예를 들어 프레임버퍼 내의 일정 범위의 화소조명치에 대응하는 국소적 스폿그룹을 위한 총 에너지 값을 제한하는 시스템로직이나 하드웨어에 의해 구현될 수도 있다. 부가적인 로직이 후속프레임처리중에 앞서의 파워 제한된 화소들의 조명 파워를 좀더 크게 할 수도 있다. 실제로, 시스템은 다른 방법으로 장치의 안전성 분류를 할 수 있는 것보다 더 큰 파워(제한된 기간 동안)로 특정 화소들을 선택적으로 조명하게 할 수도 있다. 이러한 방식으로, 시스템은 바람직한 파워 제한을 초과함이 없이 그러한 스폿을 위한 회색조 값을 획득하면서 다중 프레임에 대해 멀거나 어두운 FOV 구역을 철저히 조사할 수 있다.

도 2의 장치의 효과는 도 3과 4a 및 4b를 참조면 좀더 잘 알 수 있을 것이다. 도 3은 프레임버퍼(202)의 예시적인 초기상태에 대응하는 상태를 예시한다. 가변적인 조명기(109)에 의해 생성된 광빔(110)은 3개의 위치 (110a, 110b, 110c)에 도시되어 있으며, 그 각각은 대응하는 3개의 스폿 (112a, 112b, 112c)을 각각 조명한다. 어두운 회색, 중간 회색, 밝은 회색으로 각각 도시한 바와 같이, 스폿 112a는 비교적 어두운 겉보기 밝기를 가지는 것으로 도시되어 있고, 스폿 112b는 중간의 겉보기 밝기를 가지며, 스폿 112c는 비교적 밝은 겉보기 밝기를 가진다.

도 3에 대응하는 초기상태에서는, 조명빔(110)이 스폿(112a, 112b, 112c) 상에 닿은 중간 점선으로 도시된 모든 위치에서 중간 에너지의 파워를 가질 수도 있다. 이 경우에, 어두운 스폿(112a)과 중간 스폿(112b) 및 밝은 스폿(112c)은 각각 낮은 산란신호(114a)와 중간 산란신호(114b) 및 높은 산란신호(114c)를 검출기(116)로 복귀시킨다. 낮은 산란신호(114a)는 작은 점선으로 표시되어 있고, 중간 산란신호(114b)는 중간 점선으로 표시되어 있으며, 높은 산란신호(114c)는 실선으로 표시되어 있다.

도 4a는 프레임버퍼(202)가 평탄한 시야응답으로 집중되는 경우를 예시한다. 그러한 집중 후에, 가변적 조명기(109)에 의해 생성된 광빔(110)은 그 것이 닿는 각각의 스폿(112)의 겉보기 밝기에 역비례하는 레벨의 파워를 가진다. 특히, 어두운 스폿(112a)은 비교적 파워가 강한 조명빔(110a)으로 조명되어 중간 강도의 산란신호(114a)가 검출기(116)로 회귀되게 한다. 중간 스폿(112b)은 중간 강도의 조명빔(110b)으로 조명되어 중간 강도의 산란신호(114b)가 검출기(116)로 회귀되게 한 다. 밝은 스폿(112c)은 비교적 낮은 파워의 조명빔(110c)으로 조명되어 중간 강도의 산란신호(114c)가 검출기(116)로 회귀되게 한다. 도 4a의 경우에, 영상정보는 더 이상 검출기로 회귀되는 신호의 강도에 의해 완전하게 정해지지 않으며, 오히려 FOV를 조명하기 위해 이용되는 빔의 파워에 의해 정해진다.

물론, 모든 스폿이 실질적으로 동일한 에너지를 검출기로 회귀시키도록 FOV를 조명하지 않는 것도 가능하고 어떤 경우에는 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 회귀되는 신호를 다소 억제하여 산란신호의 상대적인 강도를 보존하지만 그 것들을 검출기(116)의 동적 범위 내에 들도록 필요에 따라 승강시키는 것이 바람직할 수도 있다. 도 4b는 이러한 작동변화를 예시한다. 이 경우에, 조명빔(110)은 가변적 조명기(109)에 의해 그 강도가 조절된다. 산란신호(114a)의 파워를 검출기(116)의 검출 최저치보다 높지만 산란신호(114a)가 좀더 밝은 겉보기 밝기를 갖는 스폿(112b)에 의해 산란된 다른 신호(114b)의 강도보다 낮게 유지되도록 상승시키기 위해서는 빔(110a)의 파워가 다소 증가된다. 검출 최저치는 예를 들어 양자효율한계, 광자 숏노이즈(shot noise ) 한계, 전기노이즈한계 또는 기타의 한계에 대응할 수도 있다. 역으로, 겉보기 밝기가 밝은 스폿(112c)은 파워가 다소 감소된 빔(110c)으로 조명되어 , 산란신호(114c)의 파워를 검출기(116)의 검출 최고치보다 낮지만 더 어두운 겉보기 밝기를 가진 다른 스폿(112b) 으로부터 회귀되는 다른 산란신호(114b)보다 높은 강도로 유지되게 한다. 검출기(116)의 검출 최고치는 예를 들어 CCD 또는 CMOS 장치 등과 같은 검출기를 집적시키는 총 우물용량(well capacity), PIN 다이오드 등과 같은 비화소화 검출기와 관련된 A/D 변환기의 비선 형부분 또는 설계자에 의해 설정된 기타의 실질적인 또는 임의의 한계에 대해 관련될 수도 있다. 물론, 검출기 한계 내에 들게 하는 산란신호를 갖는 다른 스폿들에 대응하는 조명빔 파워가 응용예의 요구에 따라 선형 또는 비선형 방식으로 유사하게 조절될 수도 있다. 예를 들어, 회색조 정보가 바람직한 응용예에서는, 순차적으로 증가되는 겉보기 밝기를 가진 한 그룹의 스폿들이 순차적으로 감소되는 에너지를 가진 빔들에 의해 조명되어 검출기의 동적 범위를 가로질러 확산되어 있는 반사치들을 갖게 할 수도 있다. 역으로, 감마를 최대화하고 대비를 최대화하는 것이 바람직한 응용예에서는, 검출기의 하한 또는 상한을 향해 일방향 또는 다른 방향으로의 산란신호 강도를 강화시키는 경향이 있는 전체적인 또는 국소적인 역치 알고리즘에 근거하여 조명에너지를 선택하는 것이 바람직할 수도 있다.

도 5는 선형 주사 경로를 따라 여러개의 스폿을 위한 반사율 값이 주사 경로용 조명 빔 파워 프로파일의 역으로서 유지되는 그레이 스케일 값을 가지는 충분히 일정한 반사율 값으로 수렴하는지에 대한 예이다. FOV(11)는 반사율 값 또는 투명 밝기 레벨에 의해 분류되기도 하는 다수의 스폿을 가지는 주사 경로(112)를 구비한다. 반사율 분류에는 화이트 스폿(502), 약한 그레이 스폿(504), 중간 그레이 스폿(506) 및 블랙 스폿(508)을 포함한다. 아래 도시된 FOV(111)는 수직으로 정열된 다수의 파형이다. 파형(510)은 주사 경로(112)에 대응하는 조명기 파워를 설명한다. 이 예에서는, 조명기 파워는 -11에서 +11 까지의 가능한 7개의 이진 값 범위로부터의 00 레벨에서 제1 주사를 위해 일정하게 유지된다.

파형(511)은 다음과 같은 세 개의 상태로 제한된 다이내믹 범위를 가지는 검 출기로부터 이상적인 응답이다: 00 (정상), ≥ +01 및 ≤ -01. 가우시안 왜곡과 같은 광학 효과는 무시되며 이득은 조명기 이득과 같다고 가정한다. 즉, ±01 검출기 유닛은 ±01 조명기 유닛에 대응한다. 파형(511)에서, 00 강도 빔은 화이트 스폿(502)으로부터 산란되는 경우에 검출기를 스왑(swamp) 한다. 이것은 화이트 스폿(502)에 대응하는 위치에서의 하이 레일(≥ +01)에서 검출기 값(512)에 의해 관찰된다. 반대로, 중간 그레이 스폿(506)으로부터 그리고 블랫 스폿(508)으로부터 반사된 00 강도 빔은 스폿(506 및 508)에 대응하는 파형 위치(516)의 ≤ -01 의 검출불가능한 응답 결과를 가져온다. 약한 그레이 스폿(504)은 00 검출기 응답 레벨(514)에 대응하는 중간 에너지 신호를 산란시킨다.

도 2의 처리에 따라서, 검출기 파형(511)은 역으로 되고 조명기 파형(509)으로 더해져서 새로운 조명기 파형(521)이 만들어진다. 초기 조명기 파형(509)이 일정했기 때문에, 조명기 파형(521)은 검출기 파형(511)의 역상일뿐으로서, 하이로 검출된 에너지 영역(512)에 대응하는 낮은 -01 파워 영역(522), 중간으로 검출된 에너지 영역(514)에 대응하는 중간 00 파워 영역(524), 그리고 로우로 검출된 에너지 영역(516)에 대응하는 하이 +01 파워 영역(526)을 가진다.

그러면 빔(112)은 예를 들어 프레임 버퍼의 형태로 구현되기도 하는 조명기 파워 파형(521)을 다시 사용하여 FOV(111)를 가로질러 주사된다. 검출기 파형(531)이 빔(112)의 두 번째 경로의 결과이다. 이때, 중간 그레이 스폿(506)은 검출기의 다이내믹 범위 내부에 있는 합쳐진 약한 그레이 스폿(504)를 가지기는 하지만, 여전히 검출기 범위 밖에 있는 스폿이 존재한다.

검출기 파형(531)은 역으로 되고 그 앞의 조명기 파형(521)에 더해져서 화이트 스폿(112)에 대응하는 -10의 파워 레벨(542), 약한 그레이 스폿(504)에 대응하는 00의 레벨(544), 중간 그레이 스폿(506)에 대응하는 +01의 레벨(546) 및 블랫 스폿(508)에 대응하는 +11의 레벨(548)을 구비하는 세 번째 경로 조명기 파형(541)이 만들어진다. 빔(112)은 조명기 파워 파형(541)을 사용하여 FOV(111)를 가로질러 최종적으로 주사된다. 그 결과인 검출기 파워 파형(551)은 일정하고 검출기의 다이내믹 범위(513) 내에 있으며, 완전한 수렴을 나타낸다. 따라서, 조명기 파워 파형(541)의 역은 FOV(111)를 가로지르는 선형 주사 경로(112)의 영상이 된다. 그러므로, 스케일(510)에 대항하는 스폿을 비교함으로써, 화이트 스폿(502)이 +10 의 그레이스케일값을 가지며, 약한 그레이 스폿(504)은 00 의 그레이스케일값을 가지며, 중간 그레이 스폿(506)은 -01의 그레이스케일값을 가지며, 블랙 스폿(508)은 -10의 그레이스케일값을 가진다는 것을 알 수 있다.

알 수 있는 바와 같이, 본 시스템은 검출기의 다이내믹 범위보다 큰 다이내믹 범위를 가지는 영상을 기록할 수 있다. 도 5의 예에서, 영상은 5 레벨(-10에서 +10)의 그레이스케일 범위를 가지는 것으로 결정된반면에, 검출기는 오직 하나의 그레이스케일 레벨을 결정하였다.

도 6은 조명기 파워를 조정하는 실시예를 위한 논리를 보여주는 플로우 챠트이다. 단계(602)에서, 프레임 버퍼가 초기화된다. 일부 실시예에서는, 그 범위의 중간, 아래쪽 끝 또는 위쪽 끝 근방의 고정된 초기값으로 설정되기도 한다. 선택적으로, 값의 범위를 테스트하기 위해 디자인된 거의 랜덤한 패턴으로 설정되기도 한다. 더 다른 실시예에서는, 그 값은 현재 프레임에서의 이전 픽셀에 의해 알려지기도 하며, 일부 접근방법이 도 8 및 도 9에 설명되어 있다. 더 다른 실시예에서는, 그 값은 이전 프레임 또는 이전 영상에 의해 알려지기도 한다.

초기 프레임 버퍼 값을 사용하여, 스폿은 조명되며 산란된 빛은 단계(604) 및 단계(606)에서 각각 검출된다. 만약 검출된 신호가 결정 단계(608)에서 너무 강하면, 단계(610)에서 조명 파워를 줄이고 단계(604)에서 단계(606)을 반복한다. 만약 검출된 신호가 그리 강하지 않다면, 단계(612)에서 너무 약하지는 않은지를 확인하기 위한 테스트를 한다. 만약 너무 약하다면, 단계(614)에서 조명기 파워를 조정하고 단계(604) 및 단계(606)를 반복한다.

단계(608) 및 단계(612)에서의 임계값은 여러 방법으로 설정될 수 있다. 예를 들어, CCD 검출기와 같은 통합 검출기를 위해서는, 잡음 등가 파워(NEP)(예를 들면, 광자 샷 노이즈 또는 전자 샷 노이즈에 대응하는)에서 낮은 임계값이 설정되기도 하며 가득찬 우물 능력(full well capacity)에서 높은 임계값이 설정되기도 한다. 일반적으로 포토다이오드와 같은 순간 검출기는 그들의 범위의 상부 끝단에서 비-선형 응답으로 제한되며 그들의 범위의 하부 끝단에서 NEP에 의해 제한된다. 따라서, 상하 임계값은 이러한 제한에 의해 설정되어 그레이스케일 해상도를 최대로 한다. 선택적으로, 상하 임계값은 영상 속성, 응용, 사용자 호감, 조명 파워 범위, 전력 절약 모드 등에 따라 프로그램될 수 있다.

추가로, 단계(608) 및 단계(612)에 의해 사용된 상하 임계값은 FOV를 가로지르는 변수일 수도 있다. 예를 들어, 장치가 도 4b에 설명한 바와 같은 다이내믹 범위 컴프레서로서 사용되는 경우, 주어진 스폿을 위한 조명기 에너지는 조명 에너지의 범위 및/또는 FOV를 가로지르는 관련 스폿의 범위로부터의 검출된 산란에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 중간 그레이 스폿(112b)이 단지 약간의 조명 파워만을 요구하여 어두운 스폿인 더 이상의 추가 없이 검출에 필요한 최소 레벨 바로 위에서 산란 또는 반사를 일으키는 반면에, 어두운 스폿(112a)의 추가 존재는 어느정도 상위 단계(612)가 그 다이내믹 범위 내부에도 있게되는 어두운 스폿이 검출기 다이내믹 범위내에서 룸을 만드는데 추가로 충분한 투명 밝기를 나타내는 것을 예상할 수 있다.

산란된 신호가 허용가능한 검출기 범위 내부에서 수신된 이후에, 검출기 값은 선택 단계(616)마다 역으로 되고 선택 단계(618)에서 더 다른 처리, 저장 또는 디스플레이를 위해 전송된다. 단계(616) 및 단계(618)는 그 응용에 따라 일반적인 선택으로서 구별된다.

주사 빔 영상을 포함하는 응용 및 조명기 파워 자체에 픽셀 정보의 주요부가 포함되는 경우를 위해서, 픽셀 조명기 파워를 반대로 하고 전송시킬 필요가 있기도 하다. 다시 말해서, 상하 임계값 사이의 범위가 크면(단계 608 및 612 각각), 조명기 파워는 대부분의 픽셀 정보가 검출기 값에 포함되는 FOV를 가로지르는 상대적으로 큰-스케일 차이를 보상하기 위해 반드시 사용될 수 있다. 이것은, 예를 들면, 조명기 파워 변조가 전체 FOV 반사율, 범위, 투과율 또는 전체적인 감각에서 신호를 변화시키는 다른 효과들을 보상하는데 사용되는 경우에 사용되기도 한다. 일부 응용에서, 유용한 영상 정보 대부분 또는 전부는 그 이후 처리를 위해 생략된 검출기 및 조명기 파워에 의해 결정되기도 한다.

추가로, 또는 상기 설명된 바와 같이, 이후 동작을 위한 조명기 파워를 전달하는 대신, 검출기 값을 선택 단계(620)에서처럼 전달하기도 한다. 일부 응용 및 검출기 다이내믹 범위가 매우 제한적인 특정 경우에서, 이것은 선택된 조명기 파워로부터의 결과가 되는 검출기 값에서의 매우 효과가 적은 영상 정보가 될 수 있으며, 검출기 값의 전달은 생략될 수 있다.

더 다른 응용에서, 영상 데이터의 상당히 유용한 부분들은 조명기 파워와 검출기 값 모두에서 존재하기도 한다. 이러한 응용 타입의 예는 조명기 파워가 장치의 작업 범위를 확장시키는데 사용되며 영상 정보의 대부분이 검출기 값에 존재하는 경우, 그러나, 조명기 파워에 의해 유지되는 분명한 픽셀 휘도 정보의 아주 일부가 픽셀 값의 거의 대부분의 비트처럼 동작하는 경우가 된다.

상기 설명한 방법론을 위한 피드백 또는 피드-포워드 제어 구조는, 예를 들어, 상기 실시예의 요구사항 및 강제사항들에 따라 결정되는 것과 같은 알고리즘적인 조정이나 테이블 룩-업(look-up)과 같이 구현되기도 한다.

본 명세서에 설명된 시스템에서의 두 가지 가능성 있는 부작용은 일시적인 또는 부분적인 해상도의 손실이다. 즉, 영상을 수렴하는데 사용되는 시간 동안, 스캐너에 대한 영상 내의 어떠한 움직임은 반드시 재-수렴을 필요로 하고(대기시간 증가) 및/또는 검출기 다이내믹 범위에 대한 높은 콘트라스트를 가지는 에지에 대응하는 미결정적 스폿 값(부분 해상도를 사실상 감소시킴)을 가져오게 된다. 이를 해소하기 위한 한 방법은 프레임 레이트 및/또는 부분적 해상도를 충분히 증가시켜 서 이들이 눈에 띄도록 지나가거나 작도록 어떠한 미결정적 스폿을 만드는 것이다. 다른 기술은 도 2를 다시 참조하면 이해되는 바와 같이, 선택적인 프레임 내의 영상 프로세서(210)와 선택적인 프레임간 영상 프로세서(216)를 통해 수렴 속도를 빠르게 하는 것이다.

상기 설명한 바와 같이, 선택적인 프레임 내의 영상 프로세서(210)에는 라인 및 프레임-기반 처리 기능들이 포함되어 있어서 이미저(imager)를 조작하고 우선시하며 수렴을 가속화할 수 있고 시스템 감도를 확장시킬 수 있다. 특히, 소스 파워 레벨을 제어하기 위해, 선택적인 프레임 내의 영상 프로세서(210)는 그레이스케일 값들을 프레임 버퍼에 로드시켜 반대로 된 잔류 추가부분에 의해 일반적으로 로드되는 값들에 우선되게 한다. 프레임 내의 영상 프로세서(210)는 현재 처리된 픽셀을 초과하는 프레임 버퍼 내의 다른 픽셀들에 값들을 로드할 수도 있다.

도 7, 8 및 9는 도 5의 처리의 프레임 하나에 대응하는 동작을 보여주는 도 7에서의 수렴을 위한 시간을 감소시키거나 레이트를 증가시키기 위해 선택적인 프레임 내부 영상 프로세서(210) 및 선택적인 프레임간 영상 프로세서(216)에서 사용되는 방법을 설명하고 있다. 도 7은 2D FOV(111)을 가로지르는 두 개의 이웃하는 주사선(112a,112b)을 보여주고 있다. 이 예에서, 주사선(112a)은 왼쪽에서 오른쪽 주사선이고, 주사선(112b)은 오른쪽에서 왼쪽 주사선이다. FOV(111)에는 세 영역이 있는데: 중간 그레이 영역(596)은 주사선(112a,112b)이 통과하는 약한 그레이 영역(504a,504b)에 의해 각각의 에지상에 인접한다. 주사선상에 포개지는 것은 개개의 픽셀(702,704)이다. 픽셀 중 아주 소수만이 명확성을 위해 도시되어 있다. 이 논의의 관심 영역은 약한 그레이에서부터 중간 그레이 및 블랙 그레이까지의 변화에 대응하는 각각의 주사선 내의 소수 픽셀들이다. 픽셀의 음영은 주사된 빔 영상기에 의해 결정된 계산된 또는 미결정적 그레이 값들을 나타낸다. 이 논의를 위해서, 주사선(112a,112b)을 위한 조명기 파워는 일정한 값(509)으로 초기에 설정된다.

도 7과 도 5를 비교하면, 약한 그레이 영역(504)에 대응하는 픽셀(702a,702b,702c,702d)은 도 5의 그레이 레벨 00 영역에서와 같이 제1 통로상의 미결정적 값이다. 따라서, 픽셀(702)은 약한 그레이가 대응하는 FOV 스폿의 실제 그레이 레벨과 같은 것으로 설명된다. 주사선(112a)이 영역(504a)에서 영역(506)까지 변화를 따라 왼쪽에서 오른쪽으로 진행함에 따라, 그 에지의 우측에 대응하는 픽셀(704a)은 검게 설명되어 있다. 이것은 그들의 값이 미결정적임을 것을 나타낸다. 즉, 검출기는 자신의 최소 감도 또는 플로어(floor) 아래의 신호를 수신하여 만일 영역(506)의 실제 그레이 레벨이 검출기의 다이내믹 범위가 검출하는 것보다 아주 약간 어둡다면, 또는 많이 어둡다면, 그것은 미결정적인 것이다. 주사선을 따라 더 진행하면, 영역(506) 내의 스폿에 대응하는 모든 픽셀들은 현재 프레임 동안에는 미결정적인 것이다(비록, 도 5에서 조명 파워가 연속하는 프레임상의 스폿을 위해 감소하고 픽셀(704a)이 미결정적인 경우라도). 주사선(112a)이 영역(506)에서부터 영역(504b)까지 교차함에 따라, 검출기의 범위 내부에 있게될 신호를 위한 충분한 광학 에너지를 다시 수신하게 되어 픽셀(702b)은 결정적이 되고 영역(504b) 내부의 스폿의 음영과 일치하는 음영처리된 약한 그레이로 도시된다. 이러 한 상황은 결정적 영역(504a,504b)에 대응하는 픽셀 및 미결정적인 영역(506)에 대응하는 픽셀(검은색)을 가지고 연속되는 오른쪽-왼쪽 주사선(112b)상에서 반복된다.

도 8은 일부 스폿을 위해 보다 빠른 수렴을 수행하기 위한 기술을 설명하고 있다. 도 8의 기술은 이어지는 프레임에 앞서 결정적이 되는 일부 미결정적인(검은색) 픽셀을 가져온다. 부작용은 일부 미결정적인(밝은) 픽셀이 만들어진다는 것이다. 추가적인 미결정적 픽셀의 특정한 신호, 즉, 밝음 대 어두움은 중요하지 않다: 이들은 도 8의 특정 예의 기능이다. 도 7에서와 같이, 주사선(112a)은 영역(504a)에 대응하는 결정적 약한 그레이 픽셀(702a)을 만들어 낸다. 앞에서와 같이, 픽셀값은 영역(504a)에서 영역(506)까지의 에지를 교차한 후 미결정적 픽셀(704a)이 된다. 그러나, 이때, 적응성 있는 조명기 파워를 사용하여 빔이 영역(506) 내부에 계속 존재하는 동안 결정적인것으로 복귀한다. 하나 또는 그 이상의 픽셀값이 미결정적(검은)이 된 후에, 조명기 파워는 검출된 에너지가 다시 검출기 하한 이상으로 올라갈 때 까지 증가하여서 결정적인 중간 그레이 픽셀(802a)을 만들어낸다. 주사선이 영역(506)에서부터 영역(504b)까지 에지를 교차하는 동안, 이어지는 픽셀(804a)들은 미결정적(밝음)이다. 이것은 조명기 파워가 어두운 영역(506)에 적합한 레벨에서 설정되어 검출기를 잠기게 하는 더 밝은 영역(504b)로부터의 초과 신호를 가져오는 것에 기인한다. 주사 경로가 영역(504a)에서 영역(506)까지 에지를 교차한 후에 발생되는 것과 유사한 방식으로, 조명기 파워는 반사된 에너지가 검출기의 다이내믹 범위 내부에 다시 있게 되어서 결정적인 밝은 그 레이 픽셀(702b)를 가져오게 될 때까지 감소한다. 이 처리는 이어지는 주사(112b) 동안 반복된다.

도 8을 통해, 초과 다이내믹 범위의 에지가 교차된 후에 세 개의 미결정적 픽셀이 만들어졌음을 볼 수 있다. 따라서, 이 예에서는, 선택적인 프레임 내의 영상 프로세서(210)의 논리는 조명기 파워를 각각 높거나 낮게 재설정하기 전에 세 개의 연속적인 미결정적(검은) 또는 결정적(밝은) 픽셀이 얻어지는 것을 필요로 한다. 조명기 파워 조정을 하기 전에 동일한 신호의 미결정적 픽셀 획득 수를 상대적으로 많은 수로 설정하는 것은 검출기 다이내믹 범위가 FOV 다이내믹 범위보다 상대적으로 작은 경우 유용할 수 있고 및/또는 상대적으로 고주파수인 경우에는, 영상기 어드레스능력에 관한 소수 특징들이 FOV 내에 존재한다. 이것은 가속 처리가 불안정을 유발하게 되는 경향을 줄일 수 있다. 미결정적 픽셀 획득 수를 좀 더 작게 하는 것은 특징들이 더 큰 경우 또는 검출기의 다이내믹 범위가 더 큰 경우에 보다 양호하기도 한다. 더 다른 미세하고 양호한 실시예는 관찰된 및/또는 분명한 특징 크기 분포와 분명한 다이내믹 범위 등과 같은 역사적인 FOV 특성에 기초한 수렴 가속기의 이득을 자동적으로 설정한다.

조명기 파워 조정 단계 크기는 일반적으로 검출기 다이내믹 범위 및 수렴 알고리즘의 함수이다. 예를 들어, 검출기의 다이내믹 범위보다 크지 않은 초기 조명기 조정을 위한 작은 다이내믹 범위 검출기가 대체로 양호하다. 큰 특징 및/또는 큰 다이내믹 범위(검출기 다이내믹 범위에 대해)를 가지는 영상을 위해서, 프레임 내의 수렴을 촉진시키기 위해 선택된 더 큰 단계인 가변 조명기 제어 단계 크기를 가지는 것이 유리할 수 있다. 다양한 서치 알고리즘이 알려져 있으며 적용될 수 있다.

검출기 다이내믹 범위가 FOV 의 분명한 다이내믹 범위와 비교하여 상대적으로 큰 경우에는, 검출기의 다이내믹 범위 내의 중심에 산란된 신호를 유지시키기 위해 조명기 파워를 다이내믹하게 조정하는 것이 유리할 수 있다.이것은 에지를 교차할 때 수렴의 손실에 대한 시스템의 면역을 증가시킬 수 있다.

초기 조명기 파워를 일정한 값으로 선택하는 대신에, 가변 출력을 가지는, 예를 들어 프레임 버퍼 내의 비트맵으로서 구현되는 초기 패턴 패턴을 사용하기도 한다. 특히, 검출기 다이내믹 범위가 매우 제한되는 경우에는, 이것은 대체로 큰 특징을 가지는 신(scene)에서 수렴을 촉진하는데 도움을 주기도 한다. 이것은 조명기 파워 다양화를 포함하는 미리 로드된 서치 알고리즘으로서 작동한다.

도 9는 도 8의 추가적인 미결정적(밝은) 픽셀(804a, 804b)의 부작용을 극복하는 수렴을 가속화하는 방법을 설명하고 있다. 도 9의 기술은 비슷한 그레이스케일 값을 가지려고 하는 주어진 영역 내부에서의 이웃하는 스폿들인 다수의 영상의 특징을 사용한다. 특히, 에지의 일측면에 따라 있는 스폿들은 그 에지의 동일한 측면을 따라 있는 이웃하는 스폿과 유사한 그레이스케일값을 가지려는 경향이 있다. 그 에지의 반대측면을 따라가면, 그 역도 사실이다. 따라서, 픽셀(702a)의 결정적인 밝은 그레이 값을 픽셀(804b)의 미결정적 값의 합당한 가정으로서 사용하는 것은 이유 있다. 비슷하게, 픽셀(802b)의 그레이스케일값은 픽셀(704a)의 미결정적값, 미결정적 픽셀(704b)을 위한 픽셀(802a)의 결정적 값, 그리고 미결정적 픽 셀(804a)을 위한 픽셀(702c)의 결정적 값으로 대체되기도 한다. 도 9는 미결정적 픽셀에서부터 그와 관련된 미결정적 픽셀까지를 지시하는 화살표로서 이러한 접근을 설명하고 있다. 이 방법은 주사(112a, 112b)을 미확인 값으로 채운 다음 이어지는 프레임 동안 확인 될 의사-수렴된 영상을 만드는 것을 수행하는 것으로 이루어질 수 있다. 이어지는 라인의 조명 맵을 위한 시작점으로서 하나의 주사선의 조명 맵을 사용하여 그 이전에 유사한 방법을 사용할 수도 있다. 라인 주기를 벗어나면, 에지가 나타나기 시작하고, 그 프레임 내의 아직 주사되지 않은 픽셀들을 위한 있을 법한 값의 영상 프로세서(들)에게 더 알려준다. 에지를 찾는것과 다른 응용 가능한 알고리즘들은 영상 프로세싱 분야의 당업자에게는 널리 알려져 있으며 본 출원을 위한 바람직한 방법으로서 적용될 수 있다.

조명 파워의 피드백 또는 피드-포워드 제어를 대신하여, 상기 설명한 바와 같이, 또는 그러한 제어를 달리 구현하는 것으로서, 시스템은 하나 또는 그 이상의 조명 파워 마스크에 따라 조명기 파워를 선택하기도 한다. 예를 들어, 예측(forward-looking) 대장내시경(colonoscope)의 경우에, FOV의 중심은 종종 FOV의 주변보다 더 먼 특성으로 정열되곤 한다. 그러한 경우에, "중심-증폭" 마스크를 사용하여 FOV의 중심 근방 영역을 위한 하나 또는 그 이상의 채널내의 더 높은 조명 파워를 선택하는 것이 유리할 수 있다. 비슷하게, 검출기 또는 검출 파이버의 각 감도 변화, 검출기 또는 검출 파이버의 분포 및 다른 효과들이 FOV 의 어느 부분에서는 효율이 적게 광을 모으기도 한다. "수집-증폭" 마스크를 사용하여 감소된 수집 효율에 대응하는 FOV 위치에서의 더 높은 조명 파워를 선택한다.

조명기 파워 마스크는, 예를 들면 수집 효율 변화를 극복하기 위해 사용되는 경우 또는 반복가능한 영상 특성을 가지는 특정 응용에서 사용되는 경우 양호하기도 하다. 선택적으로, 조명기 파워 마스크는 사용자가 선택할 수 있는데, 예를 들면, 의사가 멀리 떨어진 부분을 잠시 비추고자 하는 경우가 양호할 수 있다. 조명기 파워 마스크는 응용 또는 영상 특징에 따라 자동적으로 선택될 수도 있다. 이러한 조명기 파워 마스크의 자동적 선택은 픽셀 바이 픽셀(pixel-by-pixel) 기반에서의 피드백(또는 피드-포워드) 알고리즘이나 룩업(look-up)을 처리하기 위한 필요성을 줄이거나 제거함으로써 영상 처리 마력에 필요한 사항들을 줄이는데 도움을 줄 수 있다.

도 9의 앞서의 논의와 관련되어 검은 및/또는 먼 거리의 스폿을 조사하는 도 2 논의를 다시 참조하면, 그러한 멀리 떨어진 스폿의 수렴 시간을 향상시키는 방법을 알 수 있을 것이다. 주변 픽셀들은 유사 그레이 값의 확율 개연성을 가지고 있기 때문에 시스템은, 조사 버스트(burst)를 한 영역에 걸쳐 조밀하지 않게 적용하고 결정적 값들 사이의 보간을 통해 중재 픽셀값을 선택함으로서 빠른 수렴을 위한 픽셀값의 타당한 초기 설정을 결정할 수 있다. 여러 프레임 주기에 걸쳐서, 시스템은 결국은 검은 영역 내의 모든 픽셀들을 조사하여 그렇게 하지 않으면 얻을 수 없는 완전한 FOV 그레이스케일을 제공하기도 한다. 레이저 광으로의 과다 노출을 예방하기 위해서, 규칙 설정 및 버스트 접근을 조심스럽게 정한다.

선택사항인 프레임간 영상 프로세서(216)는 프레임-기반 영상 처리를 수행하고 프레임 버퍼 값을 디스플레이나 다른 처리를 위한 적절한 값으로 변환하는 것뿐 만 아니라 에지 추적 및 조사 기능을 시스템에게 알려주는데 사용되기도 한다. 선택사항인 프레임간 영상 프로세서(216)에는 FOV 움직임을 보상하는 영상 디스큐잉(de-skewing), 화이트 밸런스 보상, 감마 보정(그레이스케일 확장, 압축 또는 시프팅), 개멋(gamut) 보정(개멋 확장, 압축 또는 시프팅), 픽셀 보간, 비-유효 픽셀값, 노이즈 감소, 및 프레임 버퍼와 검출기 데이터 결합을 포함하기도 한다.

선택사항인 프레임간 영상 프로세서(216) 기능의 대부분은 에지를 찾기 위한 기울기 또는 소벨 연산자(Sobel operator) 그리고 추적을 하기 위한 국부적인 최대/최소 특성 추출 등과 같은 에지를 찾고 추적하는 기술에 기초한다. 에지를 찾고 국부적인 최대/최소 특성 추출을 위한 이러한 기술 및 다른 기술들은 영상 처리 분야의 당업자에게는 널리 알려져 있다. 또한, 선택사항인 프레임 내의 영상 프로세서(210)는 동작하면서, 프레임 버퍼 내에 미결정적 값을 남기기도 한다. 선택사항인 프레임간 영상 프로세서(216)는 어느 픽셀이 미결정적인지를 추적하고 선택적으로는 이들 데이터를 다른 FOV 정보와 결합하여 출력에서 이들을 "스크럽(scrub)" 할 수 있다.

여러 에지가 동일한 운동 벡터를 가지고 있는 경우, 선택사항인 프레임간 영상 프로세서(216)는 시스템에 대한 FOV 움직임 전체를 추정하고 그 결과 스큐(skew)를 계산하고 디스큐잉 알고리즘을 수행할 수 있다.

화이트 밸런스 처리는 검출기 효율 내의 차이뿐만 아니라 소스 효율 또는 파워 내의 차이를 보상할 수 있다. 저장되어 있는 교정값들이 이 처리를 정말로 잘 해나간다. 주변의 조명 효과를 모의실험하기 위해서, 선택사항인 프레임간 영상 프로세서(216)는 값들을 유효 조명 컬러 온도로 시프트할 수도 있다.

선택적인 프레임간 영상 프로세서(216)는 노이즈 상호관계 원리를 사용하여 노이즈를 줄여서 신(scene) 및 인공 노이즈 내의 구조와 관련된 프레임 버퍼 데이터 내의 변화 사이를 구별하기도 하며, 원활한 기능을 영상에 적용하여 "클린업"할 수 있다. 이를 실행하는 기술들은 당업계에 공지되어 있다.

도 10은 내시경 시스템의 등축도이다. 제어 모듈(1002), 모니터(1004), 및 선택적인 펌프(1006)가 카트(1008)에 장착되어 있다. 모두를 합하여 이들 모듈들을 콘솔(1010)로 언급하기도 한다. "1010"을 구비하는 물건은 선택사항으로 분리되어 장착되거나 응용에 적합하게 결합된다. 콘솔(1010)은, 커넥터(1016)를 통해 콘솔(1010)과 연결되어 있는 외부 케이블(1014)을 통해 핸드 피스(1012)와 통신한다. 커넥터(1016)에는 결합 및 결합해제되는 두 부분(1016a, 1016b)(도면의 간략화를 위해 도시하지 않음)이 있다. 핸드 피스(1012)는 휘어지는 타입 또는 딱딱한 타입일 수 있는 내시경 팁(1018)(일반적으로 복강경으로 언급됨)과 연결되어 있다. 조종 가능한 팁일 수 있는 말단 팁(1019)에는 시계로 빔을 주사하고, 산란된 광 에너지를 수집하고, 산란된 광 에너지를 나타내는 신호를 내시경(1018), 핸드 피스(1012) 및 외부 케이블(1014)을 통해 콘솔(1010)로 되돌려 보내는 수단이 포함되어 있다.

핸드 피스(1012)에는, 휘도, 줌, 스틸 사진, FOV 각도, 팁 세척, 물뿌리기, 윤활유 분배 및 사용자가 즉각적으로 조절할 수 있는 기타 입력 기능들이 포함되는 선택적인 조절기(1020)가 포함되어 있기도 한다. 추가로, 내시경(1018)은 휘어질 수 있는 타입으로서, 핸드 피스(1012)에는 내시경(1018)의 나머지 부분에 대하여 관련 말단 팁(1019)의 각도를 제어하는 스티어링 제어기(1022)가 포함되기도 한다. 핸드 피스(1012)에는, 말단 팁(1019)의 끝에서 충분히 나와서 다양한 외과수술, 진단 또는 다른 업무를 수행하는, 내시경(1018)의 작업로를 꿰메기도 하는 여러 툴에 삽입되는 작업로 설비(1024)를 더 포함하기도 한다.

선택사항인 펌프(1006)에는 핸드 피스(1012)와 연결되는 개별적인 세척 호스(1026)가 포함되기도 한다. 세척 호스(1026)는 커넥터(1028)를 통해 선택적 펌프(1006)와 연결된다. 세척 호스(1006)를 통해 주입된 용액은 내시경(1018)의 선택적인 세척 채널로 주입된다. 선택적으로, 선택적 펌프(1006)에는 제어 모듈(1002)과 연결되어 제어 모듈(1002) 내의 다른 신호 라인들과 결합 된 후에 핸드 피스(1012)로 전달되고 커넥터(1016)와 외부 케이블(1014)을 통해 내시경(1018)으로 유체를 운반하는 분로 호스(1030)가 포함되기도 한다. 이 선택적 배열은 사용자가 취하는 방법에 있어서 외부 호스와 케이블을 줄이도록 해준다.

펌프(1006) 대신에 또는 추가해서, 작업 공간에서 원하지 않는 유체 및 잔해물을 제거하기 위한 흡입기를 사용할 수도 있다.

콘솔(1010)에는 추가적인 제어기(1032) 및/또는 표시기(1034)가 더 포함되기도 하는데, 본 명세서에는 제어 모듈(1002)상에 있는 것으로 도시하였다. 이 제어기 및 표시기들은, 예를 들면, 도 10의 장치들을 설정하거나 수리하는 경우 유용한 타입일 수 있다.

도 11은 내시경 시스템의 여러 구성 요소들 간의 관계를 강조하는 블럭 다이 어그램이다. 제어 모듈(1002)에는 모니터(1004)상에 영상을 만드는데 관련되는 여러개의 논리적 및/또는 물리적 소자들이 포함되어 있다. 비디오 프로세서 및 제어기(1102)는 마이크로컴퓨터 보드 형태일 수 있으며 제어 입력을 수신하고 제어 모듈(1002) 내부의 다른 소자들의 동작 모드를 제어한다. 추가적으로, 비디오 프로세서 및 제어기(1102)에는 영상 처리 기능이 포함되기도 한다.

실시간 프로세서(1104)는, 예를 들면 비디오 프로세서 및 처리기(1102)상에 장착된 PCI 보드로 구현될 수도 있으며, 비디오 프로세서 및 제어기(1102)를 가지고 물리적으로 한 개인 논리 장치일 수 있다. 실시간 프로세서(1104)는 광원 모듈(1116), 스캐너 제어 모듈(1110), 및 검출기 모듈(1116)과 서로 작용한다. 광원 모듈(1106)은 개별적으로 하우징되기도 하며, 영상 팁에 의한 빔 주사를 위해 사용되는 광 에너지를 생성하는 하나 또는 그 이상의 조명기를 포함하기도 한다. 광원 모듈(1116)은 광섬유(1108)를 통해 광 에너지를 출력하고, 교대로 커넥터(1016)를 통해 외부 케이블(1014)과 연결되는데, 본 명세서에서는 두 부분(1016a,1016b)을 가지는 것으로 표시하였다. 내시경(1018)으로 가는 도중에 핸드 피스(1012)를 통과하고 FOV상에서 주사된 다음, 광은 내시경 팁에서 수집되고 대표적인 신호는 내시경(1018), 핸드 피스(1012) 및 외부 케이블(1014)을 통해 되돌아 오고 커넥터(1016)를 통해 제어기 모듈(1002)로 들어온다.

일부 실시예에서, 외부 장치를 통해 되돌아오는 대표적인 신호는 광학 신호로서 전송된다. 따라서, 회송 신호 라인(1114)은 검출기 모듈(1116)로 경로가 설정된 파이버 광 케이블이나 섬유 광 케이블 다발(bundle)일 수 있다. 검출기 모듈 (1116)에서, FOV 특징에 대응하는 광학 신호는 전기적 신호로 변환되어 실시간 처리를 위해 실시간 프로세서(1104)로 되돌아 오고 비디오 프로세서 및 제어기(1102)로 분석(parsing) 된다. 광학 신호를 나타내는 전기적 신호는 증폭되고 검출기 모듈(1116)에 의해 선택적으로 디지털화된 다음 실시간 프로세서(1104)로 전송된다. 선택적으로, 아날로그 신호가 실시간 프로세서(1104)로 전달된 다음 거기서 아날로그-디지털 변환이 수행되어도 좋다. 검출기 모듈(1116)과 실시간 프로세서(1104)는 하나의 물리적 소자로 결합되어도 좋다.

선택적인 실시예에서, FOV를 나타내는 광은, 예를 들어 포토다이오드와 같은 하나 또는 그 이상의 광-검출기에 의해 전기적 신호로 변환되기도 한다. 이 경우, 회송 라인(1114)은 전선으로 구체화될 수 있으며 검출기 모듈(1116)은 생략해도 좋다. 말단에서의 광전 변환이 수행되는 경우에는, 임피던스를 줄이고, 전기적 노이즈를 줄이고, 그리고 검출기 또는 검출기들의 응답성능을 향상시키는 것뿐만 아니라 영상 팁 내의 검출된 신호를 증폭하는 것이 좋다. 추가적으로, 말단 영상 팁(1019)에서, 또는 선택적으로는, 외부 케이블(1014), 핸드 피스(1012) 및 말단 팁 A/D 변환의 경우에 내시경(1018), 을 통과하는 상대적으로 긴 신호 라인의 임피던스를 줄이기 위하여 핸드 피스(1012) 내에서 아날로그-디지털 변환을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 신호 라인(1114)에는 디지털 라인 및 적어도 어떠한 디지털 신호를 결합시키는 커넥터인 커넥터(1016a)를 포함하기도 한다.

실시간 프로세서(104)는 신호 레벨링(leveling)을 수행하고, FOV 내의 각 스폿의 분명한 휘도에 응답하여 광원 모듈 출력을 변조한다.

스캐너 제어 모듈(1110)은 영상 팁 내의 빔 스캐너를 제어한다. 전체적인 위치 감지를 하는 스캐너의 경우에, 스캐너 위치를 나타내는 감지 라인을 처리하기도 한다. 스캐너 제어 모듈(1110)이 스캐너 구동 전류를 직접 제공하기도 한다. 선택적으로, 핸드 피스(1012)나 영상 팁(1019)과 같은 보다 먼 지역에서 수행되는 구동 전류의 전환을 가지고 원하는 스캐너 구동을 나타내는 신호를 제공해도 좋다. 다른 선택 상황뿐만 아니라 이러한 경우에서, 커넥터(1016)를 통해 콘솔(1010)로부터 먼 부위의 어셈블리까지 DC 또는 AC 파워를 제공하는 것이 바람직하다.

대안으로서 또는 스캐너 제어 라인(1112)으로부터 결정적 스캐너 위치에 부속되는 것으로서, 회송 신호 라인(1114)을 통과하는 FOV 대표 신호로부터 스캐너 위치를 결정하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 실시간 프로세서(1104)는 수신된 광학 신호에 응답하는 방식으로 스캐너 제어 모듈(1110)을 구동해도 좋다.

스캐너는 제어 모듈(1002)로부터 구동되거나 또는 선택적으로는 소위 "꼬리가 개를 흔드는(tail-wags-dog)" 것처럼 언급되는 주객이 전도된 식의 시스템이 실제 스캐너 주파수를 사용하여 시스템을 구동하기도 한다.

선택적으로, 제어 라인(1117)은 사용자가 제어기(1020) 및 선택적으로 스티어링 제어기(1022)를 조작해서 제어 신호의 입력을 위해 핸드 피스(1012)로 지나가기도 한다. 스티어링이 스티어링 제어기(1022)와 제어 와이어 사이의 확실한 물리적 결합보다 콘솔 제어하에서 수행되는 경우에는, 제어 라인(1117)은 추가적으로 제어 신호를 외부로 운반하여 스티어링 수단을 제어하기도 한다. 제어 라인(1117)은 추가적으로 사용자로의 전송을 위해 표시기나 디스플레이 정보를 핸드 피스 (1012)로 운반하기도 한다.

비디오 프로세서와 제어기(1102)에는 여러개의 개별적인 입출력 라인을 구비하는 인터페이스(1118)가 있다. 화상 출력은 모니터(1004)로 나타난다. 기록 장치(1102)가 절차를 기록하는 화상 정보를 포착하기 위해 연결된다. 추가적으로, 내시경 영상 시스템(1001)이 네트워크 또는 인터넷(1112)에 연결되어 원격 전문 입력(expert input), 원격 검색(viewing), 저장(archiving), 라이브러리 검색 등을 수행한다. 비디오 프로세서 및 제어기(1102)는 선택사항으로서 I/O(1118)를 통해 수신된 데이터를 영상 데이터와 결합하고 영상 팁(1019)을 포함하는 다수의 소스로부터 추출되는 정보를 구동 모니터(1004)와 결합하기도 한다.

추가로 또는 모니터(1004)에 더해서, 디스플레이는, 예를 들면 머리에 장착되는 디스플레이와 같은 하나 또는 그 이상의 원격 장치로 출력되기도 한다. 이러한 경우에는, 투시되는 상황 정보는 FOV 및/또는 비디오 프로세서 및 제어기(1102)내의 다른 정보와 결합되어 상황-감도가 좋은 정보 디스플레이를 생성하기도 한다.

펌프(1006)는 제어 모듈(1002)를 통해 핸드피스(1012)로부터 공급되는 자신의 제어 라인을 가지고 있다. 도 11은 세척이 세척 분로(1030)를 통하고 커넥터(1016)로부터 빠져나와 제어 모듈로 구동하는 경우를 설명하고 있다.

윤활유, 살린(saline) 및/또는 마취 펌프 등과 같은 더 다른 선택적 특징들은 도시하지 않는다.

도 12는 주사 모듈(120)의 측단면도이다. 주사 모듈은 스캐너(108)를 감싸고 지지하는 하우징(1202) 및 그와 관련된 메카니즘으로 구성된다. 광섬유(1204) 는 단일 모드 광섬유일 수 있으며, 주사 모듈에 광을 공급하고 페룰(ferrule)에 의해 하우징(1202)에 부착되어 있다. 광섬유(1204)의 단부는 연마되어 로우 빔(raw beam)(108)의 공지된 수렴 각도를 생성한다. 로우 빔(1208)은 빔 형상 눈(1210)에 의해 모양이 형성되어 시스템의 잔부를 통한 전송에 적합한 빔 형상을 만든다. 도시된 바와 같이, 빔 형상 눈(1210)의 모두 또는 일부는 이동가능하거나 변형가능하여 빔 발산, 웨이스트 포지션 및 각도를 제어한다. 모양을 형성한 후, 형성된 빔(1211)은 MEMS 스캐너(108)의 중심에 있는 개구를 통해 공급되며, 제1 반사면에서 반사되어 스캐너의 전방으로 되돌아가서 주사된 빔(110)과 같이 주사 모듈의 출력이 된다.

선택적으로 또는 빔 형성 눈(1210)에 추가적으로, 주사 미러(108)과 선택적으로 결합되는 반사 빔 형성 광학 소자를 사용해도 좋다. 그러한 장치는 본 명세서에 참고문헌으로 통합되며 이 발명과 함께 양도된 Clarence T. Tegreene 및 David Dickensheets 에 의해 2000년 9월 11일 출원된 발명의 명칭이 "OPTICAL SCANNING SYSTEM WITH CORRECTION" 인 미국 특허출원 제09/400,350호에 설명되어 있다.

도 12의 일부 실시예에서, 하우징(1202)의 끝단에 돔(1212)이 부착된다. 돔(1212)은 여러 기능을 제공한다. 돔(1212)의 내부에는 제1 내부 반사면이 포함되는데, 도면에서는 돔 내부 전체 모두에 있는 것으로 도시되어 있다. 선택적으로, 제1 반사면은 돔과 스캐너 사이에 떠있을 수 있으며 또는 제1 반사면을 끝단에서 반사를 하는 돌출된 기둥과 같이 돔의 특정 형태로서 형성할 수도 있다. 도시된 바와 같이, 돔의 내면이 제1 반사면을 제공한다. 추가적으로, 돔의 내부 및/또는 외부에는 광학 파워가 있어서 광이 통과함에 따라 주사 빔(110)이 되는 빔의 형태를 더 만든다. 추가적으로, 돔(1212)은 하우징(1202)에 밀폐 시일을 제공하여 외부 환경과의 접촉으로부터 내부의 광학 소자들을 보호한다.

제어 및/또는 파워 리드(1214)는 페룰을 지나간다. 리드(1214)는 스캐너(108)와 연결되어 구동 신호를 제공하고, 선택적으로는, 포지션 피드백을 제공한다. 미러 위치는 참고문헌으로 통합되는 MEMS 스캐너 특허들 중 하나 이상에서 설명된 바와 같은 도핑된 압전-저항 소자를 사용하여 결정될 수 있다. 전기 리드(1214)에도 빔 형성 눈(1210)의 촛점 특징을 제어하기 위한 제어 및 피드백 접속이 포함되기도 한다.

선택적으로, 미러 위치는 광학적으로 결정되어도 좋다. 감지 소자(1216)는 하나 또는 그 이상의 주사 단부를 검사하여 동기화 정보를 제공하기 위해 사용되어도 좋다. 감시 소자(1216)는 신호가 주사된 빔(110)에 의해 충돌하는 경우 콘솔(1010)로, 특히 스캐너 제어 모듈(1110)로 신호를 보내는 포토다이오드일 수 있다. 선택적으로, 감지 소자(1216)는 다시 수집된 광 신호를 광섬유(1204)를 통과하는 빔 경로로 보내는 알려진 반사력의 광학 소자일 수 있다. 이 경우, 빔 스플리터(beam splitter), 에버네센트 결합기(evanescent coupler), 또는 등가의 소자를 광원 모듈(1106)에 통합시켜 회송되는 신호를 잡아내어 검출을 하고 실시간 프로세서(1104) 등의 다른 제어 소자로 전송한다.

등록 노치(1216)를 하우징(1202) 내에 형성하여 주사 모듈(1201)을 주사 팁 (1019)으로 등록시키는데 도움이 되도록 한다.

도 13은 주사 내시경 말단부 영상 팁(1019)의 단면도이다. 주사 모듈(1201)은 검출기 소자(1302)에 의해 둘러싸여 있는데, 검출기 소자(1302)는 다시 외장(1304)에 의해 둘러싸여 있다. 검출기 소자(1302)는 반사된 신호를 말단 팁(1018) 및 제어기(1002)내의 검출기 모듈(1116)로 전송하는 다중-모드 광섬유일 수 있다. 검출기 소자(1302)들 사이에 틈새 공간(1306)이 있다.

파이버 광 대신에, 검출기 소자(1302)는 예를 들면 포토다이오드와 같은 광전변환기를 구비하기도 한다. 외장(1304)은 휘어질 수 있는 내시경의 경우에는 유연하기도 하며 선택적으로 딱딱한 복강경이나 그와 유사한 견고한 장치의 경우에는 단단하기도 하다. 선택적으로, 외장(1304)은 실제로 장치의 외부를 덮는 것처럼 작용하는 다른 몸체로 삽입되기도 한다.

도 14는 반사 차이가 있는 두 개의 편광 광이 있는 주사 팁 모듈의 돔 내부면의 실시예인 측단면도이다. 내면(1212a)은 두 층으로 구성되는데, 1/4 파동 회전기(1402)와 반사 편광기(1404)이다. 반사 편광기에는 편광 구성요소가 반사 편광기의 방위에 수직으로 반사되는 동안 반사 편광기의 방위에 평행한 편광이 통과하는 것을 허용하는 컨덕터와 나란히 떨어져 있는 서브-파장을 포함하곤 한다. 그러한 편광기의 예는 본 명세서에 참고문헌으로 통합되는 발명의 명칭이 "REFLECTIVE POLARIZERS HAVING EXTENDED RED BAND EDGE FOR REDUCED OFF AXIS COLOR" 인 미국 특허 제6,449,092호에 개시되어 있다.

특정한 편광(1406)을 가지는 형상화된 입사 빔(1211)이 1/4 파동 플레이트 (1402)를 통과하는 경우, 그 편광은 45°회전된다. 양호한 실시예에서는, 반사 편광기(1404)의 전송 축에 수직으로 회전한다. 따라서, 빔(1408)처럼 1/4 파동 플레이트(1402)를 통과하여 뒤로 반사되고, 그 편광은 입사 편광(1406)에 수직한 편광(1410)에 다시 45°회전한다. 다음으로, 반사된 빔(1408)은 스캐너(108)(도시하지 않음)에 반사되어 주사 빔(110)이 된다.

반사 편광기(1404)는 빔(1211)으로부터의 주입 광과 관련하여 돔(1212)의 내부 일부만 커버하게 된다. 선택적으로, 돔의 전체 내면은 반사 편광기(1404)로 덮여 있게 된다. 주사 빔(110)이 다시 반사 편광기(1404)를 만나는 경우에는, 우선 1/4 파동 플레이트를 세 번 통과함에 따라 45°회전한 편광을 갖는다. 이때, 주사 빔(110)의 편광은 반사 편광기(1404)의 전송축에 나란하게 회전해서 돔(1212)을 지나간다.

상기 언급한 바와 같이, 반투명 미러는 다른 반사성 편광기 및 다른 편광-관련 구조체로 대체되기도 한다.

도 15는 말단 단부에 돔(1212)이 부착되어 있는 관형 하우징(1202)을 보여주는 주사 모듈(1201)의 등축도이다. 주사 모듈(1201)에는 그 기부 팁에서 나오는 광섬유(1204) 및 전선(1214) 뿐만 아니라 그 기부 팁 하우징(1202) 내에 형성된 등록 노치(1216)도 포함되어 있다. 주사 모듈(1201)은 예를 들어 외부 지름이 약 2.5mm 또는 그 이하이고 길이가 약 20mm 또는 그 이하일 수 있다.

도 16은 도 12에 도시된 주사 모듈 특징 및 광섬유로 설명된 광 검출 소자(1302)의 상대적인 위치를 독자들이 좀 더 이해할 수 있도록 말단 영상 팁의 광학 소자의 등축도이다. 검출기 섬유의 기계적 견고성을 향상시키고 광섬유(1302)의 유효 수치 개구를 증가시키기 위해, 그리고 산란되거나 반사된 빛을 좀 더 효과적을 모으기 위해 커플링 소자(1602)를 사용하기도 한다. 검출기 섬유의 고율 코어가 상대적으로 흐린 실시예의 경우에, 플라스틱이나 유리 같은 투명한 재료를 상기 소자(1602)를 위해 사용하여 코어를 제자리에 유지시키기도 한다. 다른 실시예에서, 검출 섬유(1302)의 N.A를 향상시키는 재료를 사용하는 장점이 있기도 하다. 그러한 N.A.향상 소자는, 예를 들어 120°내지 140°FOV 와 같은 대량 FOV의 주변부로부터 광을 모으는 장점을 가지기도 한다. 본 출원에서는, 폴리-테트라-플루오로-에틸렌(PTFE) 또는 광학 특성이 유사한 다른 재료 등과 같은 당 기술분야에서 공지된 다양한 재료를 사용해도 좋다.

일부 실시예에서, 커플링 소자(1602)에는 주사 빔(110)(도시하지 않음)과 직교하는 편광기가 포함되기도 한다. 그러한 편광기는 시계에서 미러 반사를 거부하여 화질을 나쁘게 하기도 하는 반짝임(glint)을 감소시키는데 도움을 주기도 한다.

이 실시 예에서, 조립체 전체는 외장(1304)에 의해 둘러싸여 있다.

도 17은 도 12-16에 표시된 것과 유사한 말단 팁 부분의 광학 디자인의 광선 궤적이다. 입력 빔(1208)은 볼 렌즈(1210)에 의해 모양이 만들어지고 MEMS 스캐너(108) 내의 개구를 통과하고(본 명세서에서는 여러 개별 위치로 도시됨), 돔(1212)의 내면(1212a)에서 반사된 후에 미러(108)로 되돌아 간다. 주사 빔(11)의 여러 위치는 110a 내지 110g 로 도시되어 있다. 주사 빔은 내면(1212a) 및 외면(1212b) 모두에 의해 모양이 만들어지는 돔(1212)을 통과하여 주사 빔 위치(110a 내지 110g)의 광선으로 표시된 빔 형태를 만들어 낸다.

도 18은 주사 모듈 및 작업로 주위의 틈새 공간으로 배열되어 있는 작업로 및 검출 섬유가 포함된 팁 레이아웃(layout)이다. 외장(1304)은 주사 모듈(1201) 및 작업로(1802)을 감싸고 있다. 작업로(1802)은 수술용 툴, 진찰용 툴, 또는 팽창용 공기, 세척용 살린(saline) 또는 제거 및 처분용 비보(vivo) 액 등의 유체를 통과하도록 배치된다. 다른 실시예에서, 채널(1802) 또는 검출 섬유(1302) 중 하나 또는 그 이상은 윤활유 운반이나 약 운반 채널로 대체될 수 있다. 도 18의 팁 레이아웃은 단단한 복강경 및 유연한 내시경 모두를 위해 수정될 수 있다.

본 발명의 능력은 영상에 대한 특정 방위를 유지하는 것에 상관없이 사용가능한 공간 내에 상기 팁 주위에 검출 소자들을 분포시키는 것이다.

도 19는 윤활유 운반기가 있는 말단 팁의 등축도이다. 외장(1304)은 단부 캡(1902)에 의해 씌워져 있는데, 상기 캡에는 필수적인 광 결합판(1602)과 주사 모듈 돔(1212)이 포함되어 있다. 반환 섬유(1306)가 단부 캡(1902)의 상기 필수적인 광결합판 일부 뒤에 놓여 있는 것으로 표시되어 있다. 단부 캡(1902)의 코너(1903)는 내시경이 손상을 줄이면서 체내 조직을 편안하게 통과하는 반지름을 가지도록 형성되어 있다. 단부 캡(1902)에는 윤활유가 체내 조직 및/또는 체강을 편안히 통과하면서 지나가게 하는 적어도 하나의 윤활유 운반 구멍(1906)이 더 포함되어 있다. 간헐적으로 또는 연속적으로, 윤활유 운반 구멍(1906)에서 윤활유가 나올 수 있다. 내시경 진찰시 발생 되는 대부분의 환자의 충격은 GI 시스템 내에서 내시경을 구부리는 것과 관련되어 있으며, 본 윤활유 운반 시스템은 환자의 고통과 불편함을 줄일 수 있다. 한 실시예에서, 윤활유는 의사가 손으로 플런저를 잡아 윤활유를 윤활유 튜브로 밀어 넣어 윤활유 운반 구멍(1906)으로 운반시킬 수도 있다. 이 실시예에서, 상기 윤활유는 세척기에 저장되어 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 의사는 윤활유를 윤활유 운반 구멍으로 밀어넣는 펌프를 사용할 수도 있다. 더 다른 실시예에서, 상기 윤활유는 자동적으로 배출되기도 한다.

다양한 윤활유가 사용될 수 있다. K-Y 젤리와 같은 수용성 윤활유는 일부 적용에 있어서 장점을 가질 수 있다.

도 20은 스테레오 또는 쌍안 영상 능력이 있는 내시경 팁 레이아웃을 보여주고 있다. 주사 모듈(1201a, 1201)은 상기 팁에서 직교 위치에 배치되어 각각의 시계간의 시차를 만들어 낸다. 도 20의 실시예에서, 이들은 관찰시 "수평" 이 되는 수평선상에 떨어져 있다. 관찰각도는 원하는 경우 광학적으로 역상이 되기도 한다. 작업로(1802)가 상기 주사 모듈 사이 및 그 아래에서 빠져나오는 것으로 도시되어 있다. 검출 파이버(1302)는 공간이 허용하는 다른 지형 주변에 배열되어 있다. 일부 실시예에서, 되도록 많은 검출 섬유들을 가능한 상기 틈이 있는 공간 내에서 묶어 상기 말단 팁을 지나가도록 하여 회신 신호 강도가 최대로 하는 것이 양호하다. 윤활유(1906)는 영상 팁 주위에 배치되어 있는 것으로 도시되어 있다.

주사 모듈(1201a,1201b)로부터 나오는 빔 동작은 동시에 또는 선택적으로 그들의 시계에서 주사되며, 이는 충분히 중첩될 수 있다. 만약 동시에 주사되는 경우라면, 빔을 부호화하여 되돌아오는 신호의 복호화가 쉽도록 한다. 예를 들어, 두 개의 모듈 사이의 파장 간에 서로 약간의 오프셋을 두기도 하고 그 신호를 분리 하기 위한 광 수단을 사용하기도 한다. 다른 실시예에서, 빔을 주파수 부호화하여 전기 도메인상에서의 복호화가 쉽도록 하기도 한다.

복합 시계를 확장하고, 줌 능력을 제공하고, 더 좋은 해상도를 제공하고, 또는 다른 것들 중에서 빛의 여러 파장들을 주사하도록 여러 개의 주사 모듈을 가지는 팁을 사용하기도 한다. 확장된 복합 시계를 만드는 경우에서는, 각각의 주사 모듈의 시계는 타일(tiled)되거나 약간 겹치게 되어 어느 개별적인 주사 모듈에 의해 만들어진 것보다 큰 전체 영상 크기를 만들어 내기도 한다. 영상의 타일링(tiling)은 참고문헌으로 통합된 상기 양도된 미국 특허의 하나 또는 그 이상에 보다 자세히 설명되어 있다.

줌 능력을 제공하는 다수의 주사 모듈의 경우를 위해서, 그러한 시스템은 연속적으로, 자동적으로 또는 선택적으로 동작하기도 한다. 그러한 시스템의 한 실시예에서, 제1 주사 모듈은 매칭 해상도를 가지는 140°FOV 이상의 SVGA 성능을 제공하도록 구성되기도 하는데, 즉, 투사된 스폿 크기가 일부 작업 범위 또는 작업 범위의 한도에서 픽셀의 공간에 충분히 매치되도록 설정된다. 제2 주사 모듈은 하나 또는 그 이상의 작업 범위에서 70°FOV 이상의 SVGA 성능을 제공하도록 구성되기도 한다. 이 경우, 제2 주사 모듈은 등가의 작업 범위에서 제1 스폿 크기의 지름의 1/2 의 스폿 크기를 주사하도록 설정된다. 선택적으로, 제2 주사 모듈은 상기 제1 주사 모듈의 작업 범위의 두배로 등가의 스폿 크기를 주사하도록 구성되기도 한다. 당업자에게는 더 다른 조합도 명백할 것이다.

다수의 주사 모듈을 사용하여 보다 큰 해상도를 제공하는 실시예를 위해서, 여러개의 모드가 존재한다. 제1 모드에서, 다수의 주사 모듈이 충분히 등가인 시계를 주사하긴 하지만, 하나의 주사 모듈은 다른 주사 모듈이 주사한 스폿에 대해 포개지거나 얽히는 스폿들을 주사한다. 다른 모듈에서, 다수의 주사 모듈은 하나의 모듈은 드물게 샘플된 더 다른 주사 모듈의 FOV 영역을 주사하도록 구성되기도 한다. 예를 들어, 공진 MEMS 스캐너에서, 상기 스캐너는 FOV 의 중심에서 가장 빠른 각속도를 가지며, 이것은 스폿들이 FOV 의 중심 근처에서 서로에 대해 퍼지게 한다. 어떠한 응용에서는 다른 주사 모듈의 FOV 중심을 주사하는 주사 모듈을 갖도록 하여 그 영역에서 보다 큰 샘플링을 제공하도록 하는 것이 바람직하다. 2축 공진 또는 리사조우스 주사에서, 다른 위치에서보다 보다 드물게 샘플링이 이루어지는 FOV 내의 중심 위치를 가지는 것이 종종 있다. 다수의 주사 모듈은 특정 주사 모듈에 의해 드물게 샘플되는 영역을 보다 자주 샘플링하는 경우에 유용할 수 있다.

다른 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 주사 모듈은 가시 파장에서의 영상을 위해 사용되는 주사 모듈보다 서로 다른 프레임율에서 또는 서로 다른 FOV 에서 선택적으로 하이퍼스펙트럴(hyperspectral) 영상을 제공하도록 구성되기도 한다. 예를 들어, 적외선 파장은 유사한 해상도롤 나타내기 위해서 보다 큰 미러를 필요로 하지만, 가시 파장보다 약간 큰 미러 변형을 견딜 수도 있다. 적외선 주사 모듈에는 가시 주사 모듈보다 약간 더 큰 다이내믹 변형을 가지는 큰 미러가 장착되기도 한다. 유사하게, 자외선 주사 모듈에는 가시 주사 모듈보다 적은 다아내믹 변형을 가지는 작은 미러가 장착되기도 한다. 다른 측면에서, 일부 반사 또는 전송 재료 는 하이퍼스펙트럴 파장에 적합한 특성을 가지지 못하기도 한다. 추가적인 주사 모듈을 사용하여 하이퍼스펙트럴 파장에 보다 양호하게 적합한 재료를 사용하기도 한다. 예를 들어, 자외선 주사 모듈에는 플루오라이트(fluorite) 렌즈 및 UV-최적화된 반사기 및/또는 편광기가 장착되기도 한다. 적외선 주사 모듈에는 보다 긴 파장에 최적화된 렌즈, 반사기 및/또는 편광기가 장착되기도 한다.

도 21은 두 개의 주사 빔을 동시에 다중화하고 역다중화하는 제어기의 블럭 다이어그램이다. 빔은, 예를 들면, 도 20의 팁 레이아웃당 배열되는 주사 모듈에 의해 주사되기도 한다. 도 21의 실시예에서는 동기 조명 및 검출을 사용하여 두 개의 특정 스캐너 모듈(1201a, 1201b)로 설명되어 있는 다수개의 스캐너 모듈(1201)로부터 신호를 분리한다. 타이머-제어기(2102)는 광원 모듈(1106)상의 조명기 채널 및 검출기 모듈(1116)상의 검출기 채널의 동기화를 제어한다. 이들의 기능 관계 및 대안적인 동기화 실시예가 도 22에 설명되어 있다.

도 21과 관련된 실시예는 한 쌍의 조명기와 검출기를 동기적으로 진동시키게 한다. 검출 회로는 양호한 조명기의 펄스레이트로 "튠" 되어서 쌍이 아닌 조명기에 의해 만들어진 빛을 거부한다.

타이머-제어기(1202)는 다수의 RF 리소스(2106a, 2106b 등)를 구비하기도 한다. 선택적으로, 개개의 RF 신호(2106a, 2106b 등)를 동기화하는데 사용되는 RF 신호를 만들거나 사용하기도 한다.

광원 모듈(1106)에는 조명기 구동 신호(2103a, 2103b 등)에 의해 각각 구동하는 다수의 조명기(104a, 104b 등)가 포함되어 있다. 조명기(104a,104b)는 외부 변조기(2104a,2104b 등)에 의해 변조되기도 하며 선택적으로 내부적으로 변조되어도 좋다. 많은 응용에서, 조명기(104)는 RGB 빛이 조합되어 충분한 백색광을 형성하는 적, 청, 녹(RGB) 레이저와 같은 혼합 조명을 형성하도록 다중화되는 다수개의 개별 광원을 구비하기도 한다.

RF 소스(2106a, 2106b)는 외부 변조기(2104a, 2104b)를 각각 제어하여 조명기(104a, 104b)에 의해 만들어지는 광을 채널 A 및 채널 B로 각각 변조한다. 변조된 조명 채널 A 및 B는 광섬유(1204a 1204b)를 통해 영상 팁으로 전송되어 주사 모듈 A(1201a) 및 주사 모듈 B(1201b)로 각각 전달된다. 주사 모듈(1201a, 1201b)은 주사된 빔(110a, 110b)을 각각 만들며 이들을 각각 설명된 구조에 따라 변조된다.

산란된 광 신호(114)는 광 수집기(1302)에 의해 수집된다. 광 수집기(1302)가 비-영상인 경우에, 이들은 채널 A 및 B에 의해 만들어진 주사된 스폿으로부터 산란을 공간적으로 구별하지 못한다. 그러나, 산란된 광 신호(114)에는 다수의 변조된 신호(본 예에서는 두 개)가 포함되어 있으며, 각각은 다수개의 파장(본 예에서는 3개)을 잠재적으로 구비하고 있다. 변조된 신호는 그들의 변조 특성에 따라 분리되기도 하는 반면에 파장은 그들의 유전체 미러, 필터, 굴절 등에 대한 차등 응답에 따라 분리되기도 한다. 광 수집기(1302)는 상기 혼합 산란된 광 신호를 검출기 모듈(1116)로 전송하는데, 상기 모듈은 도 10 및 도 11에 따른 콘솔내의 영상 팁에서 원격으로 떨어져 있는 곳에 위치하기도 한다.

검출기 모듈(1116) 내부에는, 상기 산란된 광 신호가 그 파장 성분, 예를 들어 RGB 로 분리된다. 혼합 신호(2121)는 유전체 미러(2122)에 의해 예를 들어, 푸 른광을 구비하기도 하고, 잔류 혼합 신호(2126)이기도 하는 제1 파장 신호(2124a)로 분리되기도 하며, 제1 파장 신호(2124a)로 분리되기에 충분한 것을 제외하고 현존하는 모든 파장을 구비한다. 유사하게, 예를 들면 초록색인 제2 파장은 유전체 미러(2128)에 의해 제2 파장 신호(2124b) 및 잔류 혼합 신호(2124c)로 분리되기도 한다. 본 실시예를 위해서는, 산란된 신호(114)와 혼합 신호(2121) 내에는 오직 세 개의 파장만이 존재하며, 그래서 잔류 혼합 신호(2124c)에는 대부분 오직 적색 광만이 포함되어 있다.

RGB 광 신호(2124c, 2124b, 2124a)는 각각 관련된 포토-검출기 및 증폭기 회로(116c, 116b, 116a)로 각각 공급된다. 검출기/증폭기(본 명세서에서는 이들을 각각 검출기/프리앰프로 언급한다)내부에서, 광 신호는 이후의 처리에 적합한 특성을 가지는 관련된 전기 신호로 변환된다.

채널 A 및 B 복조기는 검출기(파장) 채널 각각과 관련되어 있다. 채널 A 복조기(2136, 2142, 2148)는 RF 소스 A(2106a) 및 변조기 A(2104a)에 의해 채널 A 조명으로 주입된 주파수나 스펙트럼에 의해 특징되는 신호를 변조하도록 튠 된다. 채널 B 복조기(2138, 2144, 2150)는 RF 소스 B(2106b) 및 변조기 B(2104b)에 의해 채널 B 조명으로 주입된 주파수나 스펙트럼에 의해 특징되는 신호를 변조하도록 튠 된다. 따라서, 복조된 신호(2137, 2143, 2149)sms 주사 모듈 A(2101a)과 관련된 RGB 비디오 신호에 대응하고, 변조된 신호(2139, 2145, 2151)는 주사 모듈 B와 관련된 RGB 비디오 신호에 대응한다.

검출기를 펄스 변조 주파수로 튠 하는 한가지 방법으로 하나 또는 그 이상의 특정 주파수에서 신호를 증폭하는 룩-인(look-in) 증폭기를 사용하는 것이다. 룩-인 증폭기에는 검출된 변조된 신호를 베이스밴드로 변환하거나 선택적으로, 변조된 신호를 제어기로 통과시키는 회로가 포함되어 있다. 제어기는 신호를 영상로 변환하고 응용에 적합한 다른 적절한 기능을 수행한다.

일부 실시예에서, 채널 A는 FOV 상의 "왼쪽 눈" 으로 바라보는 것을 나타내며 채널 B는 FOV 상의 "오른쪽 눈" 으로 바라본 것을 나타낸다. 그러한 실시예의 하나로서 주사 모듈(1201a, 1201b)이 도 20의 팁 레이아웃에 따라 배열되는 경우가 된다.

도 21의 장치는 응용에 적합하게 재배열되고, 조합되고, 분할되고, 대체되기도 한다.

SVGA 해상도에 근접하는 주사된 빔 영상은 20 MHz 정도의 데이터 레이트(data rate)를 가지기도 한다. 주사된 빔 이미저를 가지고 동기화 검출기를 동작시키는 한 방법은 그 빔을 상기 데이터 레이트와 비교하여 높은 주파수에서 진동시키는 것이다. 예를 들면, 빔을 상기 데이터 레이트의 20 내지 200 배로 변조하면 펄스 레이트가 400 MHz 내지 4 GHz 가 된다. 이러한 높은 펄스 레이트는 검출기를 위해서는 한 도전이 될 수 있지만, 종종 실제적인 설계의 어려움 뿐만 아니라 상당한 광자 샷 노이즈를 나타내곤 한다. 일부 실시예에서, 펄스 레이트는 상기 데이터 레이트의 1 내지 10배와 같은 작은 배수에서 동작하기도 하여 관리가 보다 양호한 20 내지 200 MHz 의 펄스 레이트를 나타낸다.

도 21의 장치는 미리결정된 펄스 주파수에서 동작하기도 한다. 펄스 변조 사이클의 동일한 수를 보증하기 위해서는, 특히 저주파수 다중 실시예에서는, 픽셀 클록킹(pixel clocking)과 동기 펄스 변조 사이의 일정한 위상 관계를 유지하는 것이 바람직하다.

공진 주사 시스템을 위해서는, 일정한 주파수 펄스 변조는 일정한 픽셀 클록 레이트와 가변 픽셀 스페이싱(pixel spacing)을 가지고 사용되기도 한다. 이 모드에서는, 영상 처리를 실제 샘플 위치간을 보간 하는데 적용하여 일정한 피치 출력을 만들어내는 것이 바람직하다. 이 경우에서, 어드레스능력 제한은 빔이 FOV 의 중심을 지나감에 따라 주사 내의 최고 속도 지점에서 설정된다. 주사 빔이 천천히 이동하는 주사의 각 단부에서의 대부분의 주변 영역들은 오버-샘플 된다. 일반적으로, 양호하게는 이차원으로 적용된 선형 보간이 좋은 화질을 나타내고 상대적으로 적당한 처리 요구사항을 가지는 것으로 알려져 왔다. 본 명세서에서 참고문헌으로 통합되며 이 발명과 함께 양도된 2002년 5월 17일자로 발명의 명칭이 "IMAGE QUALITY CONSIDERATIONS IN BI-SINUSOIDALLY SCANNED RETINAL SCANNING DISPLAY SYSTEMS"으로 출원된 미국 가출원 제60/381,569호에는 픽셀 값을 보간하는 방법, 특히 두 개의 사인곡선 주사에 관한 방법이 개시되어 있다.

선택적으로, 일정한 픽셀 스페이싱은 픽셀 클록킹과 동기 펄스 변조 주파수 모두를 변화시키는 것에 의해 유지되어도 좋다. FOV를 가로지르는 픽셀 클록킹을 변화시키는 방법 및 장치는, 본 명세서에 참고문헌으로 통합되고 이 발명과 함께 양도된 발명의 명칭이 "ELECTRONICALLY SCANNED BEAM DISPLAY"인 미국 특허출원 제10/118,861호에 설명되어 있다.

도 22는 한 쌍의 다중화된 빔을 위한 파형을 보여주는 이상적인 다이어그램이다. 선형 사선(111a 및 111b)은 각각 주사 채널 A 및 B를 위한 주사 경로를 나타낸다. FOV(111a)는 표시된 바와 같이 밝은 영역(502a)과 흐린 영역(506a)을 포함한다. FOV(111b)는 표시된 바와 같이 두 개의 밝은 영역(502b 및 502b')과, 이 밝은 영역에 둘러싸인 흐린 영역(506b)을 포함한다. FOV(111a 및 111b)가, 이 예에서는, 적어도 특징 정렬에 관하여 서로 다르다는 것에 주목하라.

파형(2202a)은 채널 A의 변조 패턴을 나타내며, 도시된 바와 같이 채널 A FOV와 정열된다. 파형의 윗 부분은 조명기의 "온" 상태를 나타내며 반대로 아래 부분은 오프 상태를 나타낸다. 만약 도 2 내지 도 6의 조명기 파워 변조로 합쳐진다면, 조명 변조 파형은 도 22에 도시된 것보다 더 복잡해질 수 있다는 것에 주의하라. 그러나, 원리는 채널의 변조 및 복조에 관하여 동일하게 유지된다.

비슷하게, 파형(2202b)은 채널 B 조명기의 변조 패턴을 나타내며, 도시된 바와 같이 채널 B FOV 와 정열된다. 채널 A 및 B 조명기는 서로 다른 순시 주파수에서 변조되어 분별 및 분리를 허용한다. 도시된 바와 같이, 채널 A 및 B는 도시된 간격으로 일정한 주파수에서 변조되는 것으로 도시되어 있다. 일부 실시예에서, 채널들이 서로 비-정수곱에서 변조되는 것을 보장되는 것을 바람직하다.

파형(2204)은 검출기에 의해 수신된 이상화된 결합된 응답을 나타낸다. 파형(2206a 및 2206b)은 파형(2204)의 채널-특정 성분을 나타내는데, 즉 이들은 파형(2204)으로부터 결정된 것이기도 하고 더해져서 파형(2204)를 만들기도 한다. 파형(2206a)은 채널 A의 변조된 응답을 나타내며 파형(2206b)은 채널 B의 변조된 응 답을 나타낸다. 밝은 영역(502)이 높이로 2 유닛 응답을 만들고, 흐린 영역(506)은 높이로 1 유닛 응답을 만들며, 파형(2202a 및 2202b)의 "오프" 사이클은 널(null) 응답을 가져옴에 주의하라.

파형(2208a 및 2208b)은 채널 A 및 B의 역다중화된, 베이스밴드 응답을 각각 나타낸다. 밝은 영역(502)은 하이(high) 상태를 나타내고 흐린 영역(506)은 로우(low) 상태를 나타내는 것을 볼 수 있다. 이러한 베이스밴드 파형을 만들기 위해서는, 본원 발명자들은 편의상 이어지는 "온" 부분의 응답과 동일한 변조 사이클의 "오프" 부분 설정을 하는데 합의했다. 파형(2208a 및 2208b)는, 각각 선형 영상(2209a 및 2209b)와 같이 교대로 해석되거나 디스플레이되기도 한다. A 채널 영상(2209a)는 밝은 영역(2210a)과 어두운 영역(2212a)을 가지고 있으며, 반면에 B 채널 영상(2209b)는 두 개의 밝은 영역(2210b 및 2210b')과 이들에 의해 둘러쌓여 있는 어두운 영역(2212b)을 가지고 있다. 따라서, 도 22의 다중화/역다중화 구조는 동시에 포착되고 적절히 복호화되는 다수의 영상을 가져오는 것을 볼 수 있다.

도 23은 검출기 모듈(1116)의 등축도이다. 검출기 모듈(1116) 내부에서, 산란된 광 신호는 순간 RGB를 위해 자신의 파형 성분으로 분리된다. 형광 또는 다른 컬러 시프팅 영상 기술 등을 사용하는 일부 응용을 위해서는, 조명기에 의해 발산된 파장으로부터 추가적인 또는 선택적인 파장을 검출하는 것이 바람직할 수 있다.

광학 베이스(2302)는 광학 성분이 장착되고 정열되어 유지되는 기계적 구성성분이다. 또한, 베이스(2302)는 기계적 견고성, 그리고 선택적으로 열 싱킹(heat sinking)을 제공한다. 들어오는 검출 파이버는 파이버 마운트(2304)에서 종료되고 그 이상에서의 광 전송은 도 23에 도시된 자유공간 광학을 통해 이루어진다. 촛점 렌즈(2306)가 상기 파이버 마운트로부터 나타나는 광 빔을 형성한다. 유전체 미러가기도 하는 미러(2122)은 청색 광 빔(2124a)을 분할하고 이를 청색 검출기 어셈블리로 보낸다. 녹색 및 적색 광을 포함하는 잔류하는 성분 신호(2126)는 유전체 미러(2128)에 의해 분할된다. 유전체 미러(2128)은 녹색 광(2124b)을 녹색 검출기 어셈블리쪽으로 보내고, 적색 광(2124c)는 남겨놓아 적색 검출기 어셈블리로 지나가게 한다.

청색, 녹색 및 적색 광 어셈블리는 청색, 녹색 또는 적색 필터(2308, 2310, 2312)를 각각 구비하며, 포토다중화기 튜브(PMT)(116)를 구비한다. 이 필터들은 원하지 않는 파장의 광 형성에서 존재할 수 있는 어떠한 혼선을 검출기에서 분리한다. 한 실시예에서, HAMMAMATSU 모델 R1527 PMT 는 만족할만한 결과를 주는 것으로 알려져 있다. 이 튜브는 내부 이득이 약 10,000,000 이고, 응답시간은 2.2 나노초, 유효 측면 시야 영역이 8 x 24 밀리미터이며, 0.1의 양자 효율을 가진다. 물론, 상업적으로 사용가능한 다른 PMT 도 만족스러울 수 있다.

상기 장치의 PMT 실시예에서, 두 개의 증폭 단계가 있는데, 각 단계는 30dB 의 전체 이득을 위한 약 15 dB 이득을 제공하며, 신호를 아날로그-디지털 변환에 적합한 레벨로 상승시킨다. 이 이득량은 채널에 의해 약간 변화하긴 하지만(적색 채널을 위한 30.6 dB 이득에서부터 청색 채널을 위한 31.2 dB 이득까지의 영역), 이어지는 처리가 화이트 밸런스를 유지하기 때문에 이것은 특별히 심각한 것으로 느껴지지는 않는다.

다른 실시예에서, PMT 대신에 아발란치 포토다이오드(APD)를 사용하였다. 사용된 APD 에는 열-전기(TE) 쿨러, TE 쿨러 제어기 및 트랜스임피던스 증폭기가 포함되어 있다. 출력 신호는 표준 저 잡음 증폭기를 사용하여 다른 5X 이득을 통해 공급된다.

PMT와 APD 에 더하여, 다른 광 검출기를 사용해도 좋다.

도 24는 RGB 조명을 제공하는 세 개의 레이저 에미터가 있는 광원 모듈 또는 조명기(104)의 등축도이다. 청색, 녹색 및 적색 레이저(2404a, 2404b, 2404c) 각각은 충분히 동일한 광학 성분을 통해 비추어진 다음 결합된다. 한 실시예에서, 청색 레이저(2404a)는 474 나노미터(nm)를 발산하는 B&W TEK 10 mW 다이오드-펌프 솔리드 스테이트(DPSS) 레이저이고, 녹색 레이저(2404b)는 532 nm 를 발산하는 B&W TEK 15 mK DPSS 레이저이고, 적색 레이저(2404c)는 635 nm 를 발산하는 HITACHI 35 mW 둥근형태의 레이저 다이오드이다. 화이트 밸런싱이 소프트웨어로 이루어지는 일부 응용에서는, 채널간 출력 파워(또는 검출기 비-균일성이 존재하는 명백한 출력 파워)를 동기화시킬 필요는 없다.

청색, 녹색 및 적색 레이저(2402a, 2404b, 2404c)로부터의 빔은 각각 촛점 렌즈(2406a, 2406b, 2406b)를 지나가고 음향-광학 변조기(AOM)(2408a 2408b, 2408c)를 통과한다. 상기 촛점 렌즈들은 AOM 크리스탈의 중심에서 상기 빔의 촛점이 맞도록 설정된다. AOM(2408a, 2408b, 2408c)을 지나간 다음에, 청색, 녹색, 적색 빔은 각각 빔 블럭(2410a, 2410b, 2410c)을 지나가고 조준 렌즈(2412a, 2412b, 2412c)를 통과한다. 상기 빔 블럭들은 수직 슬릿으로서 AOM 에서 나오는 1차 회절 하모닉을 제외한 모두를 막는다. 평행 플레이트 광학(PPO) 장치(2414a, 2414b, 2414c)를 사용하여 수직 및 측면 변위에 대한 빔을 정열한다. 유전체 미러(2416a, 2416b, 2416c)는 상기 청색 및 적색 빔을 각각 녹색 빔이 직접 유도되는 빔 결합기(2418)쪽으로 되돌려 보낸다. 한 실시예에서, 빔 결합기(2418)는 X-큐브(cube) 이다. 유전체 미러(2420)은 이제는 하얀색을 띄는 상기 결합된 빔을 현미경 대물렌즈(2422)쪽으로 보내며, 상기 현미경 대물렌즈는 CF 광섬유 마운트(2424)내에 유지되어 있는 조명 섬유의 코어상에 상기 빔의 촛점을 맞춘다. 3-축 마이크로미터(2426)를 사용하여 상기 섬유를 상기 빔에 정열시킨다. 한 실시예에서, 현미경 대물렌즈(2422)는 크롬 분산 제어된 20X 대물렌즈이다. 조명 섬유(도시하지 않음)는 코어가 3.5 미크론이고 클래드가 125 미크론인 각 조절된 팁 단일모드 글라스 섬유가다.

도 24의 조명기 모듈(104)을 특별 주문이 아닌 구성성분인 반면에, 특별주문된 또는 특별 주문이 아닌 구성성분을 이용하는 등가의 디자인도 양호할 수 있다. 일부 실시예에서는, 전체를 섬유-결합된 시스템을 구성하는 것이 바람직하기도 하다. 이러한 경우 및 다른 경우에서, 빔 결합은, 예를 들면, 소실파 결합(evanescent coupling)을 사용하여 효과적으로 이루어지기도 한다.

선택적인 한 예로서, 직접 변조된 조명기(104)가 도 25에 도시되어 있다. 도 25는 3개의 에미터가 있는 콤팩트 조명기 또는 광원 모듈(104)이다. 도 25의 에미터들은 레이저 다이오드나 발광 다이오드일 수 있는데, 원하는 대로 직접 변조되기도 한다. 이것은 특히 조명기와 검출기를 핸드 피스(hand piece) 내에 놓는 실시예를 사용하는 경우 특히 장점이 있다. RGB 레이저나 에지-에미팅 LED 등일 수 있는 에미터들(2404a, 2404b, 2404c)은 각각 마운트(2502a, 2502b, 2502c)에 의해 유지된다. 마운트(2502)에는 에미터를 정열시키는 설비가 포함되기도 한다. 에미터(2404a, 2404b, 2404c)에 의해 출력되는 광 빔은 X-큐브(2504)에 의해 결합되고 결합된 빔(106)의 공통 축을 따라 출력된다. X-큐브(2504)는 상업적으로 사용가능한 두번굴절하는 장치일 수 있다. 출력 빔(106)은 마운팅 장벽(2506)으로 이동하고 출력 광학(1106)에 의해 조준되거나 촛점이 맞추어지는데, 본 명세서에서는 이중으로 도시되어 있다. 선택적으로, 출력 광학(1106)에는 단일 렌즈 및/또는 개구(도시하지 않음)가 포함되기도 한다. 스페이서(2508a 및 2508b)가 상기 세 개의 조명기(2404a, 2404b, 2404c)와 출력 광학(1106) 사이의 광 경로 길이를 변화시켜서 크롬 수차를 보상한다.

도 26a 및 도 26b는 주사 내시경 또는 복강경의 선택적 실시예의 블럭 다이어그램을 포함하고 있다. 핸드 피스 및/또는 분리 콘솔을 포함하기도 하는 기부 몸체(1012)는 팁(1018)에 부착되어 있다. 기부 몸체(1012)와 팁(1018)간 결합은 제거가능하여 팁의 교환성이 허용되며, 선택적으로 팁의 배치성이 허용된다. 기부 몸체(1012)와 결합되거나 분리되는 제어기(1002)는 기부 몸체(1012) 내의 하나 또는 그 이상의 조명기 및 검출기와 동작가능하게 결합된다. 인터페이스(1118)는 외부 데이터 소스와의 통신 및 디스플레이, 액추에이터, 원격 전문가 등과 같은 싱크(sink)와의 통신을 제공한다.

일부 실시예에서, 조명기는 개별적인 청색, 녹색, 적색 레이저(2404a, 2404b, 2404c)를 각각 구비하기도 한다. 레이저 에미터로부터의 출력은 빔 결합기(2418)내에서 단일 광 신호로 결합된다. 그 다음, 빔 결합기(2418)는 조명기 섬유(1204)와 결합되기도 하며 조명 에너지는 팁으로 전달된다.

팁(1018)의 말단 단부(1019)에서, 광은 시계(111)를 가로질러 주사될 조명 섬유(1204)로부터 나온다. 도식적으로 도시된 특정한 실시예에서, 출력 빔(106a)은 금속 또는 유전체 미러일 수 있는 회송 미러(1212a)에 의해 주사 미러(108)쪽으로 다시 이동한다. 주사된 빔(110)은 보호용 투명 커버(1212)를 통해 시계(111)쪽으로 방출된다.

반사되거나 산란된 광(114)의 일부는 투명 보호용 커버(1212)를 통해 되돌아 와서 회송 섬유(1302)에 의해 모이게 된다. 설명된 특정한 실시예에서, 개별적인 검출기 섬유(1302a, 1302b, 1302c)를 사용하여 청색, 녹색, 적색 신호를 각각 모으고 되돌려 보낸다. 광 신호는 필터(2308, 2310, 2312)를 청색, 녹색, 적색 섬유(1302a, 1302b, 1302c)상에 각각 위치시키는 것에 의해 분리되기도 한다. 선택적인 광 결합 소자(1602a, 1602b, 1602c)를 사용하여 검출기 섬유의 광 수집 효율을 증가시켜서 광 신호 강도를 키우거나 시계를 보다 균일하게 가로지르도록 하기도 한다.

청색, 녹색, 적색 검출기 섬유(1302a, 1302b, 1302c)는 수신된 광 에너지를 팁까지 전달하고 이것을 기부 몸체(1012)내의 청색, 녹색, 적색 검출기(116a, 116b, 116c)로 각각 전달한다. 검출기(116)는 수신된 광 에너지를 광학 신호로 변환하여 제어기(1002)에 의해 영상을 처리하고 복호화한다.

팁-장착된 필터로의 선택으로서, 상기 필터는 수신된 광 에너지의 모든 파장을 운반하는 모든 검출기 섬유를 가지고 검출기와 직접 결합하기도 한다. 이 배열은, 보다 큰 요구되는 수집 광학 크기 또는 감소된 신호 강도를 가져오기도 하는 반면에, 검출기 채널을 분리하거나 광학 혼선을 줄이는데 도움을 주기도 한다.

고속 MEMS 미러과 다른 공진 굴절기들은, 회전 폴리곤(rotating polygon)과 같은 일정한 회전 속도의 스캐너와 비교할 때 사인파 형태의 주사 레이트의 특징을 가지기도 한다. 영상 팁에서의 파워 요구사항과 크기 제약을 줄이기 위해서, 일부 실시예에서는 주사 축 모두를 공진하도록 주사하는 것을 허용하기도 한다. 그 결과인 이상적인 쌍-공진 또는 쌍-사인곡선형 주사 패턴이 도 27에 도시되어 있다. 어느 경우에서는, 주사 패턴이 리사조우스 패턴과 같은 특징의 경로를 따른다. 직선 매트릭스(2702)가 쌍-사인곡선형 주사 경로(2704)와 겹쳐져서 도시되어 있다. 이 경우에, 수직 매트릭스의 수직선과 수평선간의 교차점은 이상적인 픽셀 위치를 나타내며 두-공진 주사 경로(2704)는 주사된 스폿에 의해 취해진 실제 경로를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 실제 주사 경로는 모든 직선 픽셀 위치와 완벽히 정열되지 않는다. 따라서, 이 값들은 보간에 의해 결정되기도 한다.

화질을 최대화하는 방법뿐만 아니라 두-공진 주파수를 선택하는 방법이, 본 명세서에 참고문헌으로 통합되며 이 발명과 함께 양도된 Margaret Brown, Marc Freeman 및 John R. Lewis 등에 의해 2003년 5월 19일 출원되고 발명의 명칭이 "IMAGE QUALITY CONSIDERATIONS IN BI-SINUSOIDALLY SCANNED RENTINAL SCANNING DISPLAY SYSTEM"인 미국 특허출원 제10/441,916호에 유사하게 설명되어 있다. 이 특허출원에서는, 다른 것들 중에서도, 픽셀 값을 보간하는 방법, 특히 쌍-사인곡선형 주사에 관련된 보간 방법을 설명하고 있다.

공진 주사 시스템을 위해서, 일정한 픽셀 클록 및 가변 픽셀 간격을 가지고 일정한 주파수 펄스 변조가 사용되기도 한다. 그러한 모드에서는, 영상 처리를 실제 샘플 위치 사이의 보간을 하는데 적용하여 일정한 피치 출력을 만들어 내는 것이 바람직하다. 이 경우, 어드레스능력 제한은 빔이 FOV 의 중심을 가로질러 가는 동안 주사 내의 최고 속도 지점에서 설정된다. 주사 빔이 천천히 이동하는 주사의 각 단부에서의 주변 영역들이 과잉 샘플된다. 일반적으로, 이차원에 적용되는 선형 보간은 양호한 화질을 보이고 상대적으로 적당한 처리 요구사항을 가지는 것으로 알려지고 있다.

선택적으로, 일정한 픽셀 간격은 픽셀 클로킹 및 동기 펄스 변조 주파수 모두를 변화시키는 것에 의해 유지되기도 한다. FOV를 가로질러 픽셀 클로킹을 변화시키는 방법 및 장치는 본 명세서에 참고문헌으로 통합되고 이 발명과 함께 양도된 Gregory Scott Bright, Scott W. Straka, Philip C. Black, James G. Moore, John R. Lewis, Hakan Urey, Clearence T. Tegreene 등에 의해 2002년 9월 2일 출원된 발명의 명칭이 "ELECTRONICALLY SCANNED BEAM DISPLAY"인 미국 특허출원 제10/118,861호에 설명되어 있다.

클록 분할기(1:1보다 큰 주파수비를 위한)나 제2 클록을 사용함으로써, 사용자는 본 명세서에 기재된 장치를 사용하여 픽셀 클로킹을 가지고 펄스 변조 주파수를 동기적으로 제어할 수도 있다. 이것은 도 21의 장치와 함께 사용하여 조명기 A 및 B(104a,104b) 각각에 의해 사용되는 분리 가능한 광 변조를 만들어내기도 한다.

지금까지의 본 발명의 개요, 도면의 간단한 설명 및 발명의 상세한 설명은 독자로 하여금 이해를 쉽게 하기 위해 본 발명을 예시적인 실시예로 설명한 것이다. 다른 구조, 방법, 및 등가물들은 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 즉, 본 명세서에 설명된 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해서만 제한되는 것이다.

Claims (49)

1. 편광을 생성할 수 있는 조명기와,

   기단부와 말단부를 갖고 기단부는 상기 조명기로부터 빛을 받아들이게 정렬되어 있으며 기단부로부터 말단부로 빛을 전달할 수 있게 구성된 조명광섬유와,

   상기 조명광섬유의 말단부로부터 시야를 가로질러 빛을 지향시킬 수 있는 스캐너와,

   상기 조명기로부터의 빛에 대해 교차편광되어 있는 편광기와,

   상기 조명광섬유와는 별도로 구성되고 말단부와 기단부를 가지며 말단부는 상기 편광기를 통해 시야로부터 지향된 빛의 적어도 일부를 받아들이게 배치된 적어도 하나의 검출광섬유 및,

   상기 적어도 하나의 검출광섬유의 기단부로부터 빛을 받아들이게 배치된 적어도 하나의 광검출기를 포함하는 주사빔 영상기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 조명광섬유의 말단부와 상기 빔지향기 사이에서 작동하도록 배치된 빔형성 광소자를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 빔형성 광소자의 특성을 조절하여 주사광빔의 형상을 변화시킬 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 빔형성 광소자의 조절가능한 특성이 상기 빔형성 광소자의 가변적인 위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 빔형성 광소자의 조절가능한 특성이 상기 빔형성 광소자의 가변적인 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
6. 청구항 1에 있어서,

   시야로부터 빛을 수집하여 수집된 빛을 상기 적어도 하나의 검출광섬유 속으로 커플링시키도록 배치된 적어도 하나의 집광부재를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 적어도 하나의 집광부재가 실질적으로 투명한 플라스틱물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 적어도 하나의 검출광섬유가 다수의 검출광섬유를 포함하고,

   상기 적어도 하나의 광검출기가 다수의 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 다수의 검출광섬유에 커플링된 다수의 필터를 부가적으로 포함하고, 상기 다수의 필터는 상기 다수의 광검출기의 각각에 대해 특정파장의 빛이 전송되는 것을 실질적으로 방지하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
10. 청구항 1에 있어서,

    상기 적어도 하나의 광검출기는 다수의 광검출기를 포함하고,

    상기 주사빔영상기는 상기 적어도 하나의 검출광섬유에 의해 이송된 빛의 일부를 제거하고 제거된 부분의 빛을 상기 다수의 광검출기 중의 하나를 향해 지향시키는 적어도 하나의 파장분할기를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 파장분할기가 유전체 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
12. 청구항 10에 있어서,

    상기 적어도 하나의 파장분할기가 상기 적어도 하나의 검출광섬유의 기단부와 상기 다수의 광검출기 중 하나의 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
13. 청구항 1에 있어서,

    상기 빔지향기가 상기 조명광섬유의 말단부를 이동시킬 수 있게 구성된 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
14. 청구항 1에 있어서,

    상기 빔지향기가 상기 조명광섬유의 말단부로부터 빛을 받아들이게 정렬되어 그 빛을 굴절시키게 작동하는 이동성 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
15. 청구항 14에 있어서,

    상기 빔지향기가 MEMS 스캐너를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
16. 편광을 생성할 수 있는 광이미터와,

    기단으로부터 말단으로 빛을 전달하도록 상기 광이미터에 작동상 커플링된 광섬유와,

    상기 광섬유의 말단부로부터 광빔을 받아들이게 배치되고 그 광빔을 시야 위로 주사하도록 작동상 커플링된 스캐너와,

    상기 이미터로부터의 빛에 대해 교차편광되어 있고 상기 시야로부터 빛을 받아들이게 배치된 편광기 및,

    상기 편광기를 통해 시야로부터 빛을 받아들이게 배치된 적어도 하나의 검출광섬유를 포함하는 주사빔 내시경.
17. 청구항 16에 있어서,

    상기 적어도 하나의 광검출기가 다수의 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 내시경.
18. 청구항 17에 있어서,

    다수의 광필터를 부가적으로 포함하고,

    각각의 광필터가 상기 다수의 광검출기 중 하나에 광학적으로 커플링되어 시야로부터의 하나 이상의 파장의 빛이 전송되는 것을 실질적으로 방지하는 것을 특징으로 하는 주사빔 내시경.
19. 청구항 16에 있어서,

    상기 적어도 하나의 광검출기가 상기 광섬유의 말단부 근처에 설치된 포토다 이오드를 포함하고,

    상기 포토다이오드가 시야로부터 입사되는 빛에 대응하는 전기적 신호를 변조시키는 것을 특징으로 하는 주사빔 내시경.
20. 청구항 19에 있어서,

    상기 포토다이오드 근처에 설치된 아날로그 디지털 변환기를 포함하고,

    상기 아날로그 디지털 변환기가 상기 포토다이오드에 의해 생성된 아날로그 전기신호를 상기 광섬유의 기단부 근처로 전송되는 디지털 전기신호로 변환하도록 작동상 커플링되어 있는 것을 특징으로 하는 주사빔 내시경.
21. 광빔을 생성하고,

    그 광빔을 두 개의 축으로 일정하지 않은 속도로 2차원 시야를 가로질러 주사하며,

    하나 이상의 광섬유로 산란된 빛을 수집하고,

    시야로부터 빛을 검출하는 것을 포함하는 영상획득방법.
22. 청구항 21에 있어서,

    데이터를 실질적으로 일정한 속도로 샘플링하는 것을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 영상획득방법.
23. 청구항 22에 있어서,

    픽셀 사이의 간격이 실질적으로 균등한 영상을 생성하도록 데이터 샘플링 포인트 사이를 보간하는 것을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 영상획득방법.
24. 청구항 21에 있어서,

    상기 광빔주사단계가 제1 주사주파수로 주사되는 제1 주사축을 따라 주사하는 것과 제2 주사주파수로 주사되는 재2 주사축을 따라 주사하는 것을 부가적으로 포함하고,

    제2 주사주파수는 제1 주사주파수보다 낮으며,

    상기 축들 중에서 적어도 하나는 사인곡선형으로 변하는 주사속도로 주사되는 것을 특징으로 하는 영상획득방법.
25. 청구항 24에 있어서,

    데이터가 사인곡선형으로 변하는 주사속도로 주사되는 축의 순간주사속도에 실질적으로 역비례하는 순간속도로 샘플링되는 것을 특징으로 하는 영상획득방법.
26. 청구항 24에 있어서,

    순간주사속도가 두 개의 주사축에서 사인곡선형으로 변하는 것을 특징으로 하는 영상획득방법.
27. 청구항 25에 있어서,

    상기 제1 및 제2 주사축 모두가 프레임 속도보다 큰 주파수로 주사되는 것을 특징으로 하는 영상획득방법.
28. 청구항 27에 있어서,

    빔이 리사조우스(Lissajous) 주사패턴으로 주사되는 것을 특징으로 하는 영상획득방법.
29. 다수의 파장을 출력하는 조명기와,

    상기 조명기에 커플링되어 있고 기단과 말단부를 갖는 조명광섬유와,

    상기 조명광섬유의 말단부로부터 빛을 받아들이고 그 빛을 시야를 가로질러 주사하는 두 개의 축으로 공명하는 스캐너 및,

    시야에 의해 산란된 빛을 받아들이는 검출기를 포함하는 주사빔 내시경.
30. 청구항 29에 있어서,

    다수의 파장을 갖는 상기 빛이 광대역광인 것을 특징으로 하는 주사빔 내시경.
31. 청구항 29에 있어서,

    다수의 파장을 갖는 상기 빛이 다수의 제각각의 협대역색으로 이루어진 것을 특징으로 하는 주사빔 내시경.
32. 청구항 31에 있어서,

    적색과 녹색 및 청색에 대응하는 세 개의 제각각의 협대역색이 있는 것을 특징으로 하는 주사빔 내시경.
33. 청구항 31에 있어서,

    제각각의 협대역색 중 적어도 하나는 사람의 눈과 쉽사리 구별되지 않는 전자기적 스펙트럼의 구역에 있는 것을 특징으로 하는 주사빔 내시경.
34. 기단에 있는 분리가능한 별체로부터 조명광을 받아들이고 그 조명광을 말단팁으로 전송하는 조명광섬유와,

    상기 말단팁으로부터 적어도 두 개의 축으로 공명하게 구동되고 상기 조명섬유의 말단부로부터 조명광을 받아서 그 조명광을 시야를 가로질러 주사하도록 배치된 스캐너 및,

    시야로부터 빛을 받아서 그 빛을 기단부로 전송하여 기단에 있는 분리가능한 별체로 전송하도록 상기 말단에 배치되어 있는 하나 이상의 검출광섬유를 포함하는 주사식 내시경팁.
35. 청구항 34에 있어서,

    기단으로부터 말단위치까지 연장되어 상기 광섬유를 내장하고 있는 외장을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 내시경팁.
36. 청구항 35에 있어서,

    기단에 있는 분리가능한 별체로부터 전기신호를 받아서 그 전기신호를 상기 스캐너로 전송하기 위한 기단부를 가지는 상기 외장 내에 내장된 다수의 전기리드를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사식 내시경팁.
37. 청구항 36에 있어서,

    하나 이상의 상기 전기리드가 상기 말단부로부터 상기 기단부로 신호를 부가적으로 전송하여 기단에 있는 분리가능한 별체로 전송하게 하는 것을 특징으로 하는 주사식 내시경팁.
38. 청구항 34에 있어서,

    상기 광섬유의 상기 기단부에 부착된 팁커넥터를 부가적으로 포함하고,

    상기 팁커넥터는 분리가능한 별체에 있는 별체커넥터에 분리가 가능하게 커플링될 수 있는 것을 특징으로 하는 주사식 내시경팁.
39. 시야를 가로질러 광빔을 주사하는 다수의 빔주사기 및,

    시야로부터 빛을 받아들이게 배치된 하나 이상의 영상용이 아닌 검출소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
40. 청구항 39에 있어서,

    상기 다수의 빔스캐너의 각각에 커플링된 별도의 조명원 및,

    다수의 빔스캐너의 각각에 대응하여 받아들여진 상기 빛에 대응하는 신호 사이의 구별을 위해 상기 하나 이상의 영상용이 아닌 검출소자에 커플링된 하나 이상의 역다중기를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
41. 청구항 40에 있어서,

    상기 별도의 조명원의 각각이 특징적인 주파수로 변조된 빛을 출력하고,

    상기 하나 이상의 다중기가 주파수변조에 기초하여 신호를 분리하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
42. 청구항 40에 있어서,

    상기 별도의 조명원의 각각이 하나 이상의 특징적인 파장으로 빛을 출력하고,

    상기 하나 이상의 다중기가 파장에 기초하여 신호를 분리하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
43. 청구항 40에 있어서,

    두 개의 빔스캐너가 있고, 각각의 빔스캐너의 시야가 실질적으로 동일함으로써 상기 주사빔 영상기가 입체영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 주사빔 영상기.
44. 말단팁을 구비하고, 말단팁 근처에 배치된 하나 이상의 윤활제 분배용 오리피스를 포함함으로써 체강을 통한 내시경의 통행을 돕도록 윤활제가 분배될 수 있게 구성된 내시경.
45. 청구항 45에 있어서,

    윤활제가 임상병리사에 의해 수동으로 분배될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 내시경.
46. 청구항 45에 있어서,

    윤활제가 자동으로 분배될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 내시경.
47. 청구항 46에 있어서,

    자동윤활제분배가 영상데이터에 의해 개시될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 내시경.
48. 청구항 46에 있어서,

    자동윤활제분배가 팁각도에 의해 개시될 수 있게 구성된 것을 특징으로 하는 내시경.
49. 청구항 44에 있어서,

    윤활제를 뿜어내는 말단팁의 적어도 일부에 있는 코팅부를 부가적으로 포함함으로써 깨끗한 시야를 유지하여 영상품질을 최대화 하는 것을 특징으로 하는 내시경.

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