CN105899120B - 光的扫描轨迹的计算方法以及光扫描装置 - Google Patents

光的扫描轨迹的计算方法以及光扫描装置 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能够在不对硬件产生制约的情况下、得到高品质的图像的光的扫描轨迹的计算方法以及光扫描装置。本发明的光的扫描轨迹的计算方法的第1方式的特征在于，包含以下步骤：检测光纤的摆动部的谐振频率和衰减系数，所述光纤引导来自光源的光照射到对象物；以及根据所述检测出的谐振频率和衰减系数，计算所述光的扫描轨迹。本发明的光的扫描轨迹的计算方法的第2方式的特征在于，包含以下步骤：使用通过扫描位置检测器检测到的位置数据，检测来自光纤的摆动部的所述光的扫描轨迹，所述光纤引导来自光源的光照射到对象物；以及计算所述扫描轨迹所包含的所述摆动部的相位偏差的时间变化的近似函数。

Description

光的扫描轨迹的计算方法以及光扫描装置
关联申请的相互参照本申请主张2014年2月21日申请的日本特许申请2014-031815号的优先权，在此为了参考并入该在先申请的公开内容整体。
技术领域
本发明涉及扫描型内窥镜等中的光的扫描轨迹的计算方法、以及扫描型内窥镜等光扫描装置。
背景技术
以往已知有如下的光纤扫描型的观察装置：从光纤的出射端朝向对象物扫描光，检测被对象物反射、散射等的光或在对象物中产生的荧光等。在这样的装置中，由于在对象物上扫描照射的光，以射出光的出射端能够摆动的状态悬臂支撑光纤的前端部，通过以对该支撑部的附近施加力的方式配置压电元件等驱动机构，由此使光纤振动。
作为光纤的扫描方法，已知照射的光的光点以描绘螺旋的方式进行扫描的螺旋扫描(螺旋式扫描)、或在一个方向上高速地振动的同时在与其垂直的方向上较低速地运动的光栅扫描等。在通常螺旋扫描中，在谐振频率或其附近设定振动频率。此外，在光栅扫描中，对于高速地进行振动的方向，优选以谐振频率附近的频率进行振动。因此，以往基于根据光纤扫描装置的设计值决定的谐振频率，对光纤进行了振动驱动。
此外，在光纤扫描装置中，使用检测光纤的位置的传感器等，预先取得来自光纤的光的照射位置的坐标数据作为从扫描开始起的时间函数，在进行实际的对象物的扫描时，将根据从扫描开始起的时间检测出的像素信号映射到二维坐标，生成图像。
但是，光纤的特性(杨氏模量或密度等)不是始终恒定的，由于温度变化等周围的环境变化、构成部件的老化、以及与使用时的对象物之间的碰撞等，随时间发生变化。此外，构成驱动机构的压电元件或粘接剂等部件的特性也随时间发生变化。当光纤或驱动机构的特性随时间发生变化时，光纤的前端部的谐振频率、振动的衰减系数(Q值)和驱动机构的驱动力发生变化。其结果，光纤的扫描轨迹变化为与当初设想的扫描轨迹不同的轨迹。使用图1、图2说明该情形。
图1是示出作为简化例子的、基于圆轨道的光纤扫描的图，图1的(a)示出X方向的光纤前端的轨迹，图1的(b)示出Y方向的光纤前端的轨迹。此外，图1的(c)示出了XY平面内的光扫描的轨迹。X方向的光纤前端的振动与Y方向的光纤前端的振动的相位相差90度，因此光纤的前端描绘圆轨道。另一方面，图2是示出随时间变化后的光纤的扫描的图。在图2的(a)、(b)的X方向和Y方向的光纤前端的轨迹中可观察到，谐振频率、振动的Q值和驱动机构的驱动力的变化使相位和振幅发生变化。因此，如图2的(c)所示，对象物上的光扫描的轨迹也发生变形。
以上是圆轨道的情况，而例如在进行螺旋扫描的情况下，扫描轨迹101如图3的实线所示那样，从当初设想的轨迹(虚线)102发生变形。在光扫描的轨迹这样发生了变形的情况下，当根据预先设想的光纤的轨道，向二维坐标映射像素数据而形成对象物的图像时，生成与实际不同的失真后的图像。更具体而言，如图4所示，实际的轨迹(每隔恒定的时间间隔，绘制白圆圈来示出)的振幅和相位相对于理想的轨迹(每隔恒定的时间间隔，绘制黑圆圈来示出)发生偏差。特别是当产生相位偏差θn时，存在如下问题：图5的(a)所示那样的原本的图像如图5的(b)所示那样，形成为特别是中心部在圆周方向上扭弯那样的图像。
为了应对这样的问题，在专利文献1所记载的发明中，使用PSD(Position SensorDevice：位置传感器设备)等扫描位置检测单元，取得实际的扫描轨迹的坐标值，生成具有该坐标值的信息的查询表，并根据该查询表，对分配给像素的坐标进行了校正。
但是，在专利文献1所记载的发明中，由于通过PSD等取得实际的扫描轨迹，并将其全部作为查询表保存到存储器中，因此存在存储容量变得庞大、对硬件产生制约的问题。
并且，在专利文献1所记载的方法中，由于PSD的电噪声、或者被扫描光学***的透镜反射的光的影响，还存在轨迹的坐标值从原本的值发生偏差的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2008-514342号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明要解决上述问题，其目的在于提供一种能够在不对硬件产生制约的情况下、得到高品质的图像的光的扫描轨迹的计算方法以及光扫描装置。
用于解决课题的手段
本发明的主旨结构如下所述。
本发明的光的扫描轨迹的计算方法的特征在于，包含以下步骤：检测光纤的摆动部的谐振频率和衰减系数，所述光纤引导来自光源的光照射到对象物；以及根据所述检测出的谐振频率和衰减系数，计算所述光的扫描轨迹。
此外，在本发明的光的扫描轨迹的计算方法中，优选的是，所述扫描轨迹包含所述摆动部的相位偏差的时间变化的信息。这里，相位是指用极坐标表示扫描轨迹时的角度。
并且，在本发明的光的扫描轨迹的计算方法中，优选的是，所述光的扫描轨迹的计算方法还包含计算所述相位偏差的时间变化的近似函数的步骤。
本发明的另一方式的光的扫描轨迹的计算方法的特征在于，包含以下步骤：使用通过扫描位置检测器检测到的位置数据，检测来自光纤的摆动部的所述光的扫描轨迹，所述光纤引导来自光源的光照射到对象物；以及计算所述扫描轨迹所包含的所述摆动部的相位偏差的时间变化的近似函数。
这里，在本发明的光的扫描轨迹的计算方法中，优选的是，在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，所述近似函数是指数函数，在所述振幅的大小大于一定值的情况下，所述近似函数是一次函数。
此外，在本发明的光的扫描轨迹的计算方法中，优选的是，在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，所述近似函数是二次以上的多项式函数，在所述振幅的大小大于一定值的情况下，所述近似函数是一次函数。
并且，在本发明的光的扫描轨迹的计算方法中，优选的是，在所述扫描轨迹的往路和返路中，分别计算所述近似函数。
此外，在本发明的光的扫描轨迹的计算方法中，优选的是，所述近似函数取决于所述摆动部的驱动频率和/或最大振幅。
这里，本发明的光扫描装置的特征在于，具有：光纤，其引导来自光源的光照射到对象物；扫描部，其驱动所述光纤的以能够摆动的方式被支撑的摆动部；检测部，其检测所述摆动部的谐振频率；以及运算部，其使用扫描轨迹，决定所述光的照射位置，所述扫描轨迹是基于使用所述检测部检测出的谐振频率和事先取得的衰减系数而计算出的。
并且，在本发明的光扫描装置中，优选的是，所述扫描轨迹包含所述摆动部的相位偏差的时间变化的信息。
此外，在本发明的光扫描装置中，优选的是，所述运算部计算所述相位偏差的时间变化的近似函数。
本发明的另一方式的光扫描装置的特征在于，具有：光纤，其引导来自光源的光照射到对象物；扫描部，其驱动所述光纤的以能够摆动的方式被支撑的摆动部；运算部，其使用通过扫描位置检测器检测到的位置数据，计算扫描轨迹所包含的所述摆动部的相位偏差的时间变化的近似函数。
并且，在本发明的光扫描装置中，优选的是，在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，所述近似函数是指数函数，在所述振幅的大小大于一定值的情况下，所述近似函数是一次函数。
进而，在本发明的光扫描装置中，优选的是，在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，所述近似函数是二次以上的多项式函数，在所述振幅的大小大于一定值的情况下，所述近似函数是一次函数。
并且这里，在本发明的光扫描装置中，优选的是，所述运算部在所述扫描轨迹的往路和返路中，分别计算所述近似函数。
此外，在本发明的光扫描装置中，优选的是，所述近似函数取决于所述摆动部的驱动频率和/或最大振幅。
发明的效果
根据本发明，可提供一种能够在不对硬件产生制约的情况下、得到高品质的图像的光的扫描轨迹的计算方法以及光扫描装置。
附图说明
图1是示出基于圆轨道的光纤扫描的图，图1的(a)示出X方向的光纤前端的轨迹，图1的(b)示出Y方向的光纤前端的轨迹，图1的(c)示出XY平面内的光扫描的轨迹。
图2是示出图1的扫描轨迹由于随时间的变化而发生了变形的例子的图，图2的(a)示出X方向的光纤前端的轨迹，图2(b)示出Y方向的光纤前端的轨迹，图2(c)示出XY平面内的光扫描的轨迹。
图3是示出变形后的螺旋扫描的轨迹例的图。
图4是用于说明振幅和相位偏差的图。
图5的(a)是示出原本的图像的示意图。图5的(b)是示出中心扭弯后的图像的示意图。
图6是示出作为本发明一个实施方式的光扫描装置的一例的光纤扫描型内窥镜装置的概略结构的框图。
图7是概略地示出图6的光纤扫描型内窥镜装置的镜体的外观图。
图8是图7的镜体的前端部的剖视图。
图9是示出图8的致动器的结构的图。
图10是示出驱动控制/谐振频率检测部的概略结构的框图。
图11是示出典型的阻抗和相位偏差的频率特性的图。
图12的(a)是示出对光纤的扫描振幅相对于驱动信号的频率特性进行计测的机构的图。图12的(b)是示出频率特性的图。
图13是示出弹簧/质量模型的图。
图14的(a)是示出驱动波形的一例的图。图14的(b)是放大示出图14的(a)的一部分的图。
图15的(a)是示出驱动波形的往路和返路的图。图15的(b)是示出扫描轨迹的往路的图。
图16的(a)～(c)是示出相对于圈数的相位偏差变化的图。
图17是按照每圈示出驱动波形的振幅和相位的图。
图18的(a)是示出相对于圈数的振幅变化的图。图18的(b)是示出相对于圈数的相位偏差变化的图。
图19是示出相对于圈数的相位偏差变化的图。
图20是示出在进行了螺旋扫描的情况下计算出扫描轨迹的例子的图。
图21是示出驱动模式(上图)以及圈数与相位之间的关系(下图)的图。
图22的(a)是示出计测扫描轨迹的机构的一例的图。图22的(b)是示出计测扫描轨迹的机构的另一例的图。图22的(c)是示出扫描轨迹与PSD的受光范围之间的关系的图。
图23是本发明一个实施方式的光的扫描轨迹的计算方法的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式详细地进行例示说明。
首先，参照附图，说明本发明的光扫描装置的一例。图6是示出作为光扫描装置的一例的光扫描型内窥镜装置的概略结构的框图。光扫描型内窥镜装置10由镜体20、控制装置主体30和显示器40构成。
控制装置主体30构成为包含控制光扫描型内窥镜装置10整体的控制/运算部31、发光时刻控制部32、激光器33R、33G、33B以及耦合器34。发光时刻控制部32在控制/运算部31的控制下，控制射出红、绿和蓝的三原色激光的3个激光器33R、33G、33B的发光时刻。作为激光器33R、33G、33B，例如可以使用DPSS激光器(半导体激励固体激光器)或激光二极管。从激光器33R、33G、33B射出的激光被耦合器34合成，并作为白色的照明光入射到作为单模光纤的照明用光纤11。当然，光扫描型内窥镜装置10的光源结构不限于此，可以使用一个激光光源，也可以使用其它多个光源。此外，激光器33R、33G、33B和耦合器34也可以收纳在利用信号线与控制装置主体30连接的、独立于控制装置主体30的壳体中。
照明用光纤11连接至镜体20的前端部，从耦合器34入射到照明用光纤11的光被引导至镜体20的前端部并朝向对象物100照射。此时，通过对驱动部21进行振动驱动，从照明用光纤11射出的照明光能够在对象物100的观察表面上进行二维扫描。该驱动部21通过后述的控制装置主体30的驱动控制部38进行控制。通过照明光的照射而从对象物100得到的反射光、散射光、荧光等信号光在由多模光纤构成的检测用光纤束12的前端被接收，穿过镜体20内并被引导至控制装置主体30。
控制装置主体30还具有用于对信号光进行处理的光检测器35、ADC(模拟-数字转换器)36和图像处理部37。光检测器35将穿过检测用光纤束12而到达的信号光分解为光谱成分，通过光电二极管等，将各个光谱成分转换为电信号。ADC 36将被转换为电信号的图像信号转换为数字信号，并输出到图像处理部37。控制/运算部31根据由驱动控制/谐振频率检测部38施加的振动电压的振幅和相位等信息，计算扫描路径上的扫描位置的信息，并传送给图像处理部37。图像处理部37根据从ADC 36输出的数字信号，得到该扫描位置处的对象物100的像素数据。图像处理部37将扫描位置和像素数据的信息依次存储到未图示的存储器中，在扫描结束后或扫描中，进行插值处理等必要的处理而生成对象物100的图像，并显示在显示器40上。
在上述各处理中，控制/运算部31对发光时刻控制部32、光检测器35、驱动控制/谐振频率检测部38、图像处理部37进行同步控制。
图7是概略地示出镜体20的概观图。镜体20具有操作部22和***部23。在操作部22上分别连接有来自控制装置主体30的照明用光纤11、检测用光纤束12和布线缆线13。这些照明用光纤11、检测用光纤束12和布线缆线13穿过***部23内部被引导至***部23的前端部24(图7中的虚线部内的部分)。
图8是放大示出图7的镜体20的***部23的前端部24的剖视图。前端部24构成为包括驱动部21、投影用透镜25a、25b、穿过中心部的照明用光纤11和穿过外周部的检测用光纤束12。
驱动部21构成为包括通过安装环26固定在镜体20的***部23的内部的致动器管27、以及配置在致动器管27内的光纤保持部件29和压电元件28a～28d(参照图9的(a)和(b))。照明用光纤11由光纤保持部件29支承，并且，由光纤保持部件29支承的固定端11a～前端部11c成为以能够摆动的方式被支承的摆动部11b。另一方面，检测用光纤束12配置成穿过***部23的外周部，延伸到前端部24的前端。进而，在检测用光纤束12的各光纤的前端部可以具有未图示的检测用透镜。
进而，投影用透镜25a、25b和检测用透镜配置在前端部24的最前端。投影用透镜25a、25b构成为，从照明用光纤11的前端部11c射出的激光大致会聚在对象物100上。并且，检测用透镜配置成，取入会聚在对象物100上的激光由对象物100进行了反射、散射、折射等后的光(与对象物100进行相互作用后的光)或荧光等作为信号光，使其在配置于检测用透镜之后的检测用光纤束12会聚并耦合。另外，投影用透镜不限于两片的结构，也可以由一片或其他多片透镜构成。也可以不使用检测用透镜，而直接用检测用光纤束取入光。
图9的(a)是示出光扫描型内窥镜装置10的驱动部21的振动驱动机构和照明用光纤11的摆动部11b的图，图9的(b)是图9的(a)的A-A剖视图。照明用光纤11贯通具有棱柱状形状的光纤保持部件29的中央，由此被光纤保持部件29固定保持。光纤保持部件29的4个侧面分别朝向+Y方向、+X方向以及它们的相反方向。而且，在光纤保持部件29的+Y方向和-Y方向固定有Y方向驱动用的一对压电元件28a、28c，在+X方向和-X方向固定有X方向驱动用的一对压电元件28b、28c。
各压电元件28a～28d与来自控制装置主体30的驱动控制/谐振频率和衰减系数检测部38的布线缆线13连接。
这里，返回图6，控制装置主体30具有检测光纤11的摆动部11b的谐振频率的驱动控制/谐振频率检测部38。驱动控制/谐振频率检测部38对谐振频率的检测例如能够通过阻抗测量等简便的方法进行，即，监视对压电元件施加了规定的大小的电压时的电流值。
图10是示出驱动控制/谐振频率检测部38的概略结构的框图。
驱动控制/谐振频率检测部38具有DDS(直接数字合成发送器)51x、51y、DAC(数字-模拟转换器)52x、52y、放大器53x、53y，以对驱动部21的压电元件28a～28d进行驱动。DDS51x和DDS 51y分别接收来自控制部31的控制信号，生成数字驱动信号波形。该信号被DAC52x、52y转换为模拟信号，由放大器53x、53y放大，并借助布线缆线13，对位于镜体20的前端部24的压电元件28a～28d进行驱动。
另外，实际上在X方向的压电元件28b与28d之间始终施加正负相反且大小相等的电压，同样，在Y方向的压电元件28a与28c之间始终施加相反方向且大小相等的电压。隔着光纤保持部件29对置配置的压电元件28b、28d相互在一方伸展时、另一方收缩，由此使光纤保持部件29产生翘曲，通过反复进行该动作，产生X方向的振动。Y方向的振动也同样如此。
驱动控制/谐振频率检测部38对X方向驱动用的压电元件28b、28d和Y方向驱动用的压电元件28a、28c施加相同频率的振动电压，或者施加不同频率的振动电压，能够使其进行振动驱动。当分别使Y方向驱动用的压电元件28a、28c和X方向驱动用的压电元件28b、28d进行振动驱动时，照明用光纤11的摆动部11b振动，前端部11c偏转，所以，从前端部11c射出的激光依次扫描对象物100的表面。
照明用光纤11的摆动部11b在X方向和Y方向的两个方向上，以谐振频率被振动驱动。但是，摆动部11b的谐振频率根据环境条件或随时间的变化而发生变化，因此驱动控制/谐振频率检测部38具有检测照明用光纤11的摆动部11b的谐振频率的谐振频率检测机构。如图10所示，谐振频率检测机构由以下部件构成：设置在从放大器53x朝向压电元件28b、28d的电路上的电流检测电路55x和电压检测电路56x；将分别由它们检测出的电流信号和电压信号转换为数字信号的ADC(模拟-数字转换器)57、58；以及根据两个ADC 57和ADC 58的输出信号的相位差，检测X方向的振动的谐振频率的谐振频率检测部59。另外，为了检测Y方向的振动的谐振频率，同样构成为设置有电流检测电路55y、电压检测电路56y，这些输出也经由ADC(未图示)而被输入到谐振频率检测部59。
接着，说明通过驱动控制/谐振频率检测部38进行阻抗测量的方法。
对X方向的压电元件28b、28d和Y方向的压电元件28a、28c施加如下的振动电压，该振动电压的振幅等于规定的振幅，相位在X方向和Y方向上偏差90°，频率f随时间而增大。由此，在规定的频率范围内扫描照明用光纤11的前端部11c的振动频率。规定的频率范围通过在设计时的谐振频率前后预先预测谐振频率可能变动的范围来决定。
在驱动电压的频率增大的期间，通过谐振频率检测部59监视分别由电流检测电路55x、55y和电压检测电路56x、56y检测的电流信号和电压信号。谐振频率检测部59通过对电流信号和电压信号的相位偏差进行检测，检测谐振频率。通常，已知振动电路的阻抗以及电流和电压的相位偏差的频率特性分别如图11的(a)、图11的(b)所示。如图11的(a)所示，在以谐振频率进行振动时，阻抗最小，相位偏差为0。因此，谐振频率检测部59识别来自电流检测电路55x、55y的电流信号、与来自电压检测电路56x、56y的电压信号的相位偏差为0时的频率fr，作为谐振频率，并输出到控制部31。此外，也可以通过上述计测方法，根据在复平面上示出了压电元件的导纳的动态导纳圆，还另外得到各个计测值，并识别机械的串联谐振频率fs，作为谐振频率。
此外，对于衰减系数(Q值)，也能够通过阻抗测量等，事先计算衰减系数。另外，在本实施方式中，谐振频率和衰减系数可以通过公共的检测部检测，或者也可以通过独立的检测部检测。
此外，在本实施例中，列举使用了压电元件的致动器为例，但对于使用了电磁驱动的致动器，也能够使用同样的手段，检测谐振频率和衰减系数。
此外，如图12的(a)(b)所示，还能够通过计测光纤的扫描振幅相对于驱动信号的频率特性，求出光纤的谐振频率、最大振幅和衰减系数(Q值)。
即，如图12的(a)所示，通过驱动控制/谐振频率检测部38，对压电元件28施加具有一定的振幅的周期性驱动波形，使光纤的摆动部11b振动。由光纤引导光，使从光纤射出端射出的光穿过光学***50而会聚到扫描位置检测器52的光检测面51。
当这样一边扫描驱动波形的频率一边计测光纤的振幅值时，求出图12的(b)所示的曲线图。
根据该振幅的频率特性，求出存在光纤的驱动方向(X)上的谐振频率fx和光纤的最大振幅Xmax。
此外，悬臂梁构造的光纤振动的振幅x理想的是用以下的式子表示。
(式1)
能够使用上述式1，求出振动的Q值(Qx)。光纤扫描器的衰减系数ζx与Q值(Qx)之间的关系用以下的式2表示。
(式2)
与X方向同样，关于Y方向，也能够求出谐振频率fy、最大振幅Ymax和Q值(Qy)。
振幅的计测方法不限于上述例子，例如可以替代PSD而使用摄像元件，或者也可以用激光位移计来计测光纤的摆动部11b的振动位移。此外，也可以通过将光纤扫描的驱动信号在某个时间设为0，并分析光纤的衰减振动的衰减曲线，求出光纤的谐振频率和衰减系数(Q值)。
此外，如图6所示，控制/运算部31能够根据衰减系数、由驱动控制/谐振频率检测部38检测出的谐振频率以及选择出的驱动频率和/或最大振幅，计算光的扫描轨迹。
当通过控制/运算部31计算扫描轨迹时，具体能够以如下方式进行：对摆动部11b的运动方程式的系数部分代入由驱动控制/谐振频率检测部38检测出的谐振频率、事先取得的衰减系数以及光纤的扫描振幅值，并求解该运动方程式。运动方程式能够通过分析和/或数值计算来求解。这里，例如可以在产品出货时检测谐振频率和衰减系数来计算扫描轨迹，或者还能够在经过老化后，检测谐振频率和衰减系数。
如图13所示，悬臂梁构造的光纤谐振振动的表现例如能够以弹簧/质量模型简单地考虑。在设光纤的摆动部11b的振幅为x时，能够用以下的运动方程式(式3)表达光纤的摆动部11b的振动。
(式3)
(其中，m：质量、k：弹簧系数、c：阻尼系数、F(t)：外力)
这里，当设为ω＝(k/m)1/2、Q＝1/(2ζ)＝(mk)1/2/c、F(t)/m＝K·u(t)时，上述式3能够如以下的式4那样表示。
(式4)
(其中，ω＝2πf：光纤的固有角振动数、Q：光纤的振动Q值、ζ：光纤的衰减系数、K：增益、u(t)：输入波形)
在对该微分方程式(式4)进行拉普拉斯转换时，求出光纤振动***的传递函数G(s)，能够如以下的式5那样，用二次延迟***表达。
(式5)
这样，能够求出光纤的谐振频率、衰减系数和最大振幅，针对任意的驱动输入波形，通过数值计算求出扫描轨迹。
此外，计算出的扫描轨迹包含相位偏差的时间变化的信息。并且，控制/运算部31能够计算相位偏差的时间变化的近似函数。
另外，如后所述，近似函数还能够在整个定义域(时间轴)整体内设为1个函数，但还能够按照每个定义域设为不同的函数。
这里，具体说明近似函数的计算方法。
在取图14的(a)所示那样的驱动波形为例时，驱动电压调制波形的函数被表示为下式：
(式6)
另外，f0是调制频率(帧频/2)。
图14的(b)是局部放大示出图14的(a)的驱动波形的图，f表示驱动频率。
在这样的驱动波形中，能够在螺旋扫描的往路和返路中分别取得一张图像。
关于所得到的X方向和Y方向的振动轨迹，当对相对于输入信号波形的相位偏差进行比较时，如图15的(a)(b)所示，将振动轨迹分为往返路中心和周边进行考虑时，如图16的(a)～(c)所示，在扫描轨迹的中心附近，相位偏差增大，在扫描轨迹的周边附近，相位偏差减小。
为了定量求出该现象，例如图17所示，能够按照每个圈数n，用X＝Asin(2πft+θ)的函数的形式拟合求出相位θ(n)和振幅A(n)。
即，如图17所示，在设驱动频率为f时，对于处于时刻t＝(1/f)×(m-1)至(1/f)×m期间的驱动波形，能够用上述式子进行拟合，求出第m圈的相位θ(m)和振幅A(m)。
作为求出每个圈数的X方向和Y方向的相位偏差和振幅的一例，针对驱动频率：3000Hz、调制频率：15Hz、X方向的谐振频率：3050Hz、Y方向的谐振频率：3100Hz、X方向的振动的Q值：500、Y方向的振动的Q值：400的情况，说明进行拟合的情况。
圈数n中的X方向的振幅A(n)和相位θ(n)例如能够通过多项式进行拟合，能够如以下的式7、式8那样表示。
(式7)
Ax(n)＝a6·n6+a5·n5+a4·n4+a3·n3+a2·n2+a1·n+a0
(式8)
θx(n)＝b6·n6+b5·n5+b4·n4+b3·n3+b2·n2+b1·n+b0
因此，X方向的螺旋式调制轨迹能够如以下那样表示。
(式9)
X(n)＝A(n)·sin{2πn+θx(n)}
(n＝f×t)
通过针对Y方向也同样求出，能够导出系数a6～a0和b6～b0。
另外，分别在图18的(a)(b)中示出求出的振幅和相位的近似函数的曲线图。
作为另一例，能够在轨迹的中心部和周边部区分拟合函数。即，如图19的(a)(b)所示，由于在周边附近和中心附近，相位偏差的表现不同，因此例如能够在周边附近进行线性近似，在中心附近进行多项式近似。
具体而言，例如能够在第0～150圈(中心附近往路)中，用多项式(例如5次函数)对相位偏差θ(n)进行近似，在第151～350圈(周边附近)中，用1次函数对相位偏差θ(n)进行近似，此外，在第351～500圈(中心附近返路)中，用多项式(例如5次函数)对相位偏差θ(n)进行近似。
通过这样的方法，能够简化函数。
并且，控制/运算部31能够将根据由驱动控制/谐振频率检测部38施加的振动电压的振幅和相位等信息计算出的扫描轨迹的信息传送给图像处理部37。
以下，说明本实施方式的作用效果。
根据本实施方式的光扫描装置，首先，能够通过驱动控制/谐振频率检测部38，预先取得光纤的摆动部11b的谐振频率。对于衰减系数，也能够通过阻抗测量等预先取得。
并且，能够通过控制/运算部31，根据预先取得的谐振频率和衰减系数，计算扫描轨迹，并使用通过控制/运算部31计算出的扫描轨迹，使用该扫描轨迹所表示的位置坐标，作为图像处理时的位置信息。
由此，无需使用PSD等测量各时刻的实际的位置坐标，仅通过求出谐振频率和衰减系数，就能够使用坐标数据，因此无需将庞大的数据保存到存储器中，能够避免对硬件的制约。此外，上述谐振频率和衰减系数能够通过上述的阻抗测量等简单的方法来进行测量。
并且，由于计算出的扫描轨迹包含相位偏差的信息，因此能够消除图像的失真(特别是旋转方向的扭转)。
因此，根据本实施方式，能够通过简单的方法，得到高品质的图像。
以下，在此说明使用图6所示的光扫描型内窥镜装置实际计算出扫描轨迹的例子。另外，将驱动频率设为小于谐振频率。
图20示出在进行了螺旋扫描的情况下计算出扫描轨迹的例子。在图20中，点列A表示从螺旋的中心部朝向外周部的往路的Y轴方向的相位偏差，点列B表示从螺旋的外周部朝向中心部的返路的Y轴方向的相位偏差。
此外，图21示出图20所示的例子中的、驱动模式(上图)以及圈数与相位之间的关系(下图)，示出实际通过PSD测量出的圈数与相位之间的关系，作为实验结果。
首先，如图21(下图)所示，可知表示通过计算求出的圈数与相位偏差之间的关系的曲线图能够与实验结果良好匹配。
因此，根据本发明，可知能够通过控制/运算部31准确地计算扫描轨迹。
并且，如图21所示，可知在位于比螺旋的外周部靠中心部的位置时，相位偏差尤其大。
因此，如图21(下图)所示，在计算相位相对于时间(圈数)的变化的近似函数时，在螺旋的中心部(即，振幅的大小为一定值以下的情况)，能够进行二次以上的多项式近似或指数函数近似，另一方面，在螺旋的外周部(即，振幅的大小大于一定值的情况)，能够通过进行线性(一次函数)近似，更准确地进行近似。
此外，在本发明中，优选在扫描轨迹的往路和返路中分别计算近似函数。是因为在往路和返路中，有时成为不同的扫描轨迹，通过分别进行计算，能够进一步设为更准确的近似。
并且，能够在扫描的一部分中应用本发明，具体而言，在摆动部的振幅为一定以下的值的情况下，优选使用由扫描位置检测器检测的位置数据，计算近似函数。是因为在扫描区域的中心附近，相对于理想的扫描轨迹的相位偏差较大，因此需要更高精度地求出扫描轨迹，在该范围内，通过扫描位置检测器取得实际的数据来取得准确的扫描轨迹，同时针对振幅较大的范围，也如上述那样计算扫描轨迹，由此能够将存储器的容量抑制到最小限度。
此外，通过扫描位置检测器取得所有振幅范围的实际数据，并使用上述那样的方法进行函数化，由此也能够抑制存储器的容量。
具体而言，如图22的(a)所示，设定为扫描器60的摆动部与PSD 62的受光部光学共轭，当由PSD 62接收到来自扫描器的激光光点的光时，能够取得光纤的扫描轨迹。
此时，在对光学***61的倍率进行调整时，对光纤的摆动部的扫描范围AB进行投影后的轨迹范围CD比PSD 62的受光范围EF大，能够计测螺旋扫描区域的中心部的扫描轨迹。在取得所有振幅范围的数据时，以CD小于EF的方式调整光学***61的倍率即可。
图22的(c)图示出从光轴方向观察到的扫描轨迹范围、和PSD的受光范围。
此外，如图22的(b)所示，在对扫描器60的摆动部和光学***61利用壳体63而成为了一体的探头状的扫描器进行评价的情况下，能够通过适当调整探头前端与PSD之间的距离，放大扫描区域中心部的轨迹，高精度地进行计测。PSD检测激光光点的光的重心位置，因此光纤的摆动部和PSD受光部不是一定需要共轭。在取得所有振幅范围的数据时，以CD小于EF的方式，适当调整探头前端与PSD之间的距离即可。
这样，能够高精度地检测振幅为一定以下的情况下的区域的扫描位置。
这里，关于扫描位置检测器，可以替代PSD而使用摄像元件，或者也可以用激光位移计来计测光纤的摆动部11b的振动位移。
图23是本发明一个实施方式的光的扫描轨迹的计算方法的流程图。如图23所示，在本实施方式中，首先通过上述的阻抗测量用的简单的方法，事先检测并求出光纤的摆动部的谐振频率和衰减系数(步骤S101)。然后，根据检测出的谐振频率和衰减系数，计算光的扫描轨迹(步骤S102)。这里，扫描轨迹由于包含相位偏差的时间变化的信息，因此还能够适当求出该近似函数(步骤S103)。然后，能够使用基于计算出的扫描轨迹(在经过了步骤S103的情况下，为近似函数)的光的扫描位置的位置信息，作为在进行图像形成时的映射时使用的位置坐标，进行图像处理(步骤S104)。根据本实施方式的光的扫描轨迹的计算方法，能够在不对硬件产生制约的情况下，得到高品质的图像。
这里，可以替代步骤S101和步骤S102，采用使用PSD等实际计测出的扫描轨迹，与将所有扫描轨迹保存到存储器的情况相比，能够减轻对硬件的制约。
此外，也可以事先计算多个驱动条件下的光的扫描轨迹，求出多个近似函数，并存储到硬件。作为多个驱动条件，考虑谐振频率、衰减系数等。事先掌握谐振频率以及衰减系数由于老化、使用环境的温度或湿度的变化而怎样变化，并进行存储，例如在扫描器附近配置温度传感器，按照其检测温度，估计谐振频率、衰减系数，并基于其驱动条件，从存储器中调用对应的光的扫描轨迹、近似函数，如果应用于图像处理，则能够减轻温度随时间的变化而引起的图像的失真。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述任何实施方式，例如在上述实施方式中，以进行螺旋扫描的情况进行了说明，但本发明还能够应用于李沙育扫描或光栅扫描等。此外，在衰减系数、谐振频率已知的情况下，不需要进行检测的步骤，而从内置于镜体20的存储器中读出衰减系数、谐振频率，由此能够计算扫描轨迹。并且，在本说明书中，叙述了使用压电元件驱动光纤的方法，但光纤驱动手段不限于此，即使是电磁驱动等手段，也存在相同的效果。此外，对于驱动波形，即使是本说明书以外的模式，如果使用本发明的手段，则能够期待相同的效果。
标号说明
10：光纤扫描型内窥镜装置；11：照明用光纤；11a：固定端；11b：摆动部；11c：出射端；12：检测用光纤；13：布线缆线；20：镜体；21：驱动部；22：操作部；23：***部；24：前端部；25：光学***；26：安装环；27：致动器管；28a～28d：压电元件；29：光纤保持部件；30：控制装置主体；31：控制部；32：发光时刻控制部；33R、33G、33B：激光器；34：耦合器；35：光检测器；36：ADC；37：图像处理部；38：驱动控制/谐振频率检测部；40：显示器；50：光学***；51：光检测面；52：扫描位置检测器；60：光纤扫描器；61：光学***；62：PSD；63：壳体；100：对象物。

Claims (14)

1.一种光的扫描轨迹的计算方法，其特征在于，包含以下步骤：
检测光纤的摆动部的谐振频率和衰减系数，所述光纤引导来自光源的光照射到对象物；以及
根据所述检测出的谐振频率和衰减系数，计算所述光的扫描轨迹，
所述扫描轨迹包含所述摆动部的相位偏差的时间变化的信息，
所述光的扫描轨迹的计算方法还包含计算所述相位偏差的时间变化的近似函数的步骤。
2.一种光的扫描轨迹的计算方法，其特征在于，包含以下步骤：
使用通过扫描位置检测器检测到的位置数据，检测来自光纤的摆动部的所述光的扫描轨迹，所述光纤引导来自光源的光照射到对象物；以及
计算所述扫描轨迹所包含的所述摆动部的相位偏差的时间变化的近似函数。
3.根据权利要求1或2所述的光的扫描轨迹的计算方法，其中，
在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，所述近似函数是指数函数，在所述振幅的大小大于一定值的情况下，所述近似函数是一次函数。
4.根据权利要求1或2所述的光的扫描轨迹的计算方法，其中，
在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，所述近似函数是二次以上的多项式函数，在所述振幅的大小大于一定值的情况下，所述近似函数是一次函数。
5.根据权利要求4所述的光的扫描轨迹的计算方法，其中，
在所述扫描轨迹的往路和返路中，分别计算所述近似函数。
6.根据权利要求4所述的光的扫描轨迹的计算方法，其中，
所述近似函数取决于所述摆动部的驱动频率和/或最大振幅。
7.根据权利要求1或2所述的光的扫描轨迹的计算方法，其中，
在计算所述近似函数的步骤中，在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，和所述摆动部的振幅的大小大于一定值的情况下，分别计算所述近似函数。
8.一种光扫描装置，其特征在于，具有：
光纤，其引导来自光源的光照射到对象物；
扫描部，其驱动所述光纤的以能够摆动的方式被支撑的摆动部；
检测部，其检测所述摆动部的谐振频率；以及
运算部，其使用扫描轨迹，决定所述光的照射位置，所述扫描轨迹是基于使用所述检测部检测出的谐振频率和事先取得的衰减系数而计算出的，
所述扫描轨迹包含所述摆动部的相位偏差的时间变化的信息，
所述运算部计算所述相位偏差的时间变化的近似函数。
9.一种光扫描装置，其特征在于，具有：
光纤，其引导来自光源的光照射到对象物；
扫描部，其驱动所述光纤的以能够摆动的方式被支撑的摆动部；以及
运算部，其使用通过扫描位置检测器检测到的位置数据，计算扫描轨迹所包含的所述摆动部的相位偏差的时间变化的近似函数。
10.根据权利要求8或9所述的光扫描装置，其中，
在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，所述近似函数是指数函数，在所述振幅的大小大于一定值的情况下，所述近似函数是一次函数。
11.根据权利要求8或9所述的光扫描装置，其中，
在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，所述近似函数是二次以上的多项式函数，在所述振幅的大小大于一定值的情况下，所述近似函数是一次函数。
12.根据权利要求11所述的光扫描装置，其中，
所述运算部在所述扫描轨迹的往路和返路中，分别计算所述近似函数。
13.根据权利要求11所述的光扫描装置，其中，
所述近似函数取决于所述摆动部的驱动频率和/或最大振幅。
14.根据权利要求8或9所述的光扫描装置，其中，
所述运算部，在所述摆动部的振幅的大小为一定值以下的情况下，和所述摆动部的振幅的大小大于一定值的情况下，分别计算所述近似函数。
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