DE112015005827T5

DE112015005827T5 - Optische Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE112015005827T5
Application number: DE112015005827.3T
Authority: DE
Inventors: Atsuyoshi Shimamoto
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2017-09-14
Also published as: CN107209364A; US20170311776A1; JPWO2016116968A1; WO2016116968A1

Abstract

Eine optische Abtastendoskopvorrichtung umfasst: eine optische Beleuchtungsfaser, die Licht von einem oszillierbar gestützten Spitzenteil ausstrahlt; ein Stellglied, das den Spitzenteil der optischen Beleuchtungsfaser antreibt; und einen Signalgenerator, der in Bezug auf das Stellglied ein Antriebssignal (D) erzeugt, um den Spitzenteil der optischen Beleuchtungsfaser zum Spiralabtasten zu veranlassen. Der Signalgenerator erzeugt das Antriebssignal (D), das umfasst: einen Amplitudenexpansions-Zeitraum (P1) zum Expandieren der Amplitude des Antriebssignals (D) der Faser von im Wesentlichen 0 auf einen Höchstwert; und einen Amplitudenkontraktions-Zeitraum P2 zum Kontrahieren der Amplitude des Antriebssignals vom Höchstwert auf im Wesentlichen 0, wobei das Antriebssignal (D) eine Umhüllende (E) aufweist, die sich nahtlos mit einem Gradienten von im Wesentlichen 0 über eine Grenze zwischen dem Amplitudenexpansions-Zeitraum P1 und dem Amplitudenkontraktions-Zeitraum (P2) fortsetzt, wobei der längere Zeitraum vom Amplitudenexpansions-Zeitraum (P1) und vom Amplitudenkontraktions-Zeitraum (P2) als ein wirksamer Abtastzeitraum definiert ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine optische Abtastvorrichtung, die eine Faserspitze zu einem Spiralabtasten veranlasst.
HINTERGRUND
Vorrichtungen wie ein optisches Abtastendoskop wurden als eine Vorrichtung zum Abtasten eines Objekts mit Laserlicht vorgeschlagen (siehe beispielsweise PTL 1 bis 3). Solch eine Vorrichtung strahlt Laserlicht von einer oszillierbaren Faserspitze auf ein Beobachtungsobjekt aus und versetzt die Faser in Schwingung, um mit dem Laserlicht das Beobachtungsobjekt sequentiell abzutasten, so dass übertragenes Licht, reflektiertes Licht oder Fluoreszenz vom Beobachtungsobjekt von einem fotoelektrischen Umwandlungsmittel in elektrische Signale umgewandelt wird, um dadurch ein Bild zu erzeugen.
Als ein Schema für den Antrieb einer Faser einer optischen Abtastvorrichtung wurde eine sogenannte Spiralabtastung verwendet. Das Schema umfasst das Drehen der Faserspitze, während die Amplitude der Faser (das heißt der Radius der Drehung) schrittweise zwischen 0 und einem Höchstwert expandiert und kontrahiert wird, um dadurch einen vorgegebenen Bereich eines Abtastobjekts abzutasten. Als Mittel zum Abtasten mit der Faser einer optischen Abtastvorrichtung kann beispielsweise ein System von an der Faser befestigten schwingenden piezoelektrischen Elementen oder ein elektromagnetisches Spulensystem, das eine elektromagnetische Spule zum Versetzen eines an der Faser befestigten Dauermagneten in Schwingung verwendet, eingesetzt werden. In beiden Fällen ist das Antriebsmittel ausgebildet, Antriebskraft in zwei Richtungen orthogonal zur optischen Achse der Faser zu erzeugen. Antriebselemente wie piezoelektrische Elemente und elektromagnetische Spulen können schwingend bei oder nahe der Resonanzfrequenz der in Oszillation zu versetzenden Faser angetrieben werden, um dadurch eine große Menge an Ablenkung (Versatz, Amplitude) der Faser mit einer kleinen Energiemenge zu bewirken.
LISTE DER ANFÜHRUNGEN
Patentliteratur

PTL 1: JP5190267B
PTL 2: JP4672023B
PTL 3: JP2014145941A

ZUSAMMENFASSUNG
(Technisches Problem)
Wenn aber die Faser in der Praxis durch eine Spiralabtastung nahe der Resonanzfrequenz angetrieben wird, tritt das Phänomen auf, dass die Schwingung nur schwer konvergiert, selbst wenn versucht wird, die ursprünglich erhöhte Faseramplitude auf 0 abzusenken. Wenn beispielsweise das Antriebssignal gestoppt wird, um die Schwingung der Faser natürlich zu dämpfen, nachdem die Amplitude der Spiralabtastung ihren Höchstwert erreicht hat, wird die Schwingung langsam auf oder nahe der Resonanzfrequenz hiervon gedämpft. Angenommen das Antriebssignal wird angewendet, um die Amplitude wieder zu erhöhen, ohne zu warten, bis die Schwingung der Faser auf 0 gedämpft ist, wird das Objekt in einem Bereich entsprechend der Abtastmitte der Faser nicht abgetastet. Dementsprechend kann bei einem Abtastendoskop eine Erhöhung der Bildfrequenz das Phänomen erzeugen, dass ein Bild in der Bildschirmmitte nicht erzeugt werden kann.
Vor diesem Hintergrund verwendet die optische Abtastvorrichtung von PTL 2, nachdem die Amplitude den Höchstwert von 0 während einer Spiralabtastung erreicht hat, ein um 180° phasenversetztes Antriebssignal (das heißt das Antriebssignal in der Gegenrichtung) gegenüber dem während der Amplitudenexpansion verwendet, um sogenannte „Bremsen” auf die Schwingung der Faser anzuwenden, so dass die Schwingung der Faser schnell gedämpft wird. Bei optischen Abtastvorrichtungen können jedoch Bedingungen zum Dämpfen der Schwingung der Faser entsprechend Änderungen der Eigenschaften (beispielsweise der Resonanzfrequenz und des Q-Werts) aufgrund von Umgebungsänderungen erheblich variieren. Dies erschwert das Steuern des Dämpfens der Faserschwingung. Wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur variiert, kann sich die Resonanzfrequenz der Faser verschieben, was ein Konvergieren der Amplitude zu 0 verhindern kann. In der Praxis haben wir einen Fall simuliert, bei dem eine Abweichung der Resonanzfrequenz um 10 Hz bewirkt wurde, um zu ermitteln, dass die Schwingung der Faser nicht vollständig gedämpft wurde, wodurch eine geringe Schwingung noch über einen bestimmten Zeitraum erhalten blieb. Hier ist es gegebenenfalls denkbar, die Abtastvorrichtung mit einem Sensor zum Überwachen der Schwingungsfrequenz der Faser auszustatten und ein Antriebssignal in der Gegenrichtung entsprechend der aktuellen Schwingung anzuwenden. Solch eine Konfiguration vergrößert aber den Spitzenteil der Abtastvorrichtung, was insbesondere im Falle einer Endoskopvorrichtung unerwünscht ist.
Vor diesem Hintergrund schlägt PTL 3 eine Abtastendoskopvorrichtung vor, bei der, wenn sich die Antriebsfrequenz stark von der Resonanzfrequenz unterscheidet, die Amplitudenmodulations-Wellenform des Antriebssignals sinusförmig verformt wird, um die Faserschwingung während der Amplitudenkontraktion auf die Abtastmitte zu konvergieren, so dass dadurch das Auftreten von Leerflächen im Bild verhindert wird. 17 zeigt ein Antriebssignal von PTL 3 während einer Expansion/Kontraktion der Amplitude. Diese Amplitudenexpansion/-kontraktion wird beim tatsächlichen Abtasten mit der Faser wiederholt durchgeführt. Diese Konfiguration ermöglicht es der Schwingungsamplitude der optischen Faser, dem Antriebssignal zu folgen, so dass ein Konvergieren auf 0 im Vergleich zum Fall einer natürlichen Dämpfung schneller erfolgt, so dass die Expansion und die Kontraktion der Amplitude in schnelleren Zyklen erfolgen kann.
Wenn aber dieses Verfahren verwendet wird, um ein bewegliches Bild durch Erfassen von Bildern abwechselnd in einem Amplitudenexpansions-Zeitraum P₀₁ und einem Amplitudenreduktions-Zeitraum P₀₂ anzuzeigen, besteht die Gefahr, dass die Bilder bei jedem einzelnen Bild etwas abweichen oder verzerrt werden, weil sich der Spiralabtastungsweg während der Amplitudenexpansion (nachfolgend auch als „Auswärtsweg” bezeichnet) und der Spiralabtastungsweg während der Amplitudenkontraktion (nachfolgend auch als „Rückweg” bezeichnet) auf dem Beobachtungsobjekt streng genommen voneinander unterscheiden. Wenn ein Bild auf dem Auswärtsweg oder dem Rückweg erfasst wird, um ein bewegliches Bild anzuzeigen, wird ein wirksamer Abtastraum zur Verwendung für die Bilderzeugung im Amplitudenexpansions- oder Amplitudenreduzierungs-Zeitraum der Faser auf die Hälfte verringert. Somit nimmt bei einer Abtastendoskopvorrichtung die Zahl von Runden der Faserabtastung zur Verwendung in der Bilderzeugung ab und die Auflösung wird vermutlich auf die Hälfte abgesenkt.
Es könnte daher hilfreich sein, eine optische Abtastvorrichtung bereitzustellen, die das Fehlen der Abtastwege der Abtastmitte ohne wesentlichen Verlust des wirksamen Abtastzeitraums verringern kann, um dadurch eine stabile Abtastung zu ermöglichen.
(Lösung des Problems)
Eine optische Abtastvorrichtung wie hier offenbart umfasst:
eine Faser, die Licht von einem oszillierbar gestützten Spitzenteil ausstrahlt;
ein Stellglied, das den Spitzenteil der Faser antreibt; und
einen Signalgenerator, der in Bezug auf das Stellglied ein Antriebssignal zum Veranlassen des Spitzenteils der Faser zu einer Spiralabtastung erzeugt,
wobei:
der Signalgenerator während eines Abtastzeitraums ein Antriebssignal mit einem ersten Zeitraum und einem sich in der Länge vom ersten Zeitraum unterscheidenden zweiten Zeitraum erzeugt, wobei der erste Zeitraum die Amplitude des Antriebssignals der Faser von im Wesentlichen 0 auf einen Höchstwert expandiert und der zweite Zeitraum die Amplitude des Antriebssignals vom Höchstwert auf im Wesentlichen 0 kontrahiert;
das Antriebssignal eine Umhüllende aufweist, die sich nahtlos mit einem Gradienten von im Wesentlichen 0 über eine Grenze zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum fortsetzt; und
ein längerer von erstem Zeitraum und zweitem Zeitraum als ein wirksamer Abtastzeitraum definiert ist. In der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der wirksame Abtastzeitraum auf einen Zeitraum, der zur Bilderzeugung beiträgt.
Der Spitzenteil der Faser kann vorzugsweise mit einer Antriebsfrequenz angetrieben werden, die sich von einer Resonanzfrequenz unterscheidet.
Ferner können die Umhüllende des Antriebssignals im ersten Zeitraum und die Umhüllende des Antriebssignals im zweiten Zeitraum so ausgebildet sein, dass sie einen Teil von gegenseitig im Zyklus unterschiedlichen Sinuswellenformen bilden.
Vorzugsweise werden die Anzahl von Runden n₁ in einer Spiralabtastung der Faser im ersten Zeitraum und die Anzahl von Runden n₂ in einer Spiralabtastung der Faser im zweiten Zeitraum angepasst, um folgende Gleichung zu erfüllen:
Ferner können die Anzahl von Runden n₁ und die Anzahl von Runden n₂ angepasst werden, um folgende Gleichungen zu erfüllen, wobei f_r eine Bildfrequenz der Spiralabtastung darstellt: f_r ≥ 25 (2)
Ferner können die Anzahl von Runden n₁ und die Anzahl von Runden n₂ angepasst werden, um folgende Gleichungen zu erfüllen, wobei f_r eine Bildfrequenz der Spiralabtastung darstellt: f_r ≥ 60 (4)
Ferner kann die offenbarte optische Abtastvorrichtung vorzugsweise folgende Gleichungen erfüllen:
wobei f_m1 eine erste Modulationsfrequenz als eine Frequenz der Amplitudenmodulation des ersten Zeitraums darstellt und f_m2 eine zweite Modulationsfrequenz als eine Frequenz der Amplitudenmodulation des zweiten Zeitraums darstellt; dabei stellt f_d eine Antriebsfrequenz der Faser, f_r stellt eine Bildfrequenz der Spiralabtastung dar, n₁ stellt die Anzahl von Runden der Spiralabtastung der Faser während des ersten Zeitraums dar und n₂ stellt die Anzahl von Runden der Spiralabtastung der Faser während des zweiten Zeitraums dar.
Die offenbarte optische Abtastvorrichtung kann umfassen:
einen Lichtdetektor zum Erfassen von von einem mit dem Beleuchtungslicht bestrahlten Objekt erhaltenen Licht; und
einen Bildgenerator zum Erzeugen eines Bildes auf der Basis eines vom Lichtdetektor während des wirksamen Abtastzeitraums erfassten Signals.
In diesem Fall kann der Bildgenerator geeigneterweise ein Bild in einem kürzeren Zeitraum von erstem Zeitraum und zweitem Zeitraum erzeugen.
Ferner kann die Bestrahlung mit der Beleuchtung mit Licht vorzugsweise in einem kürzeren Zeitraum von erstem Zeitraum und zweitem Zeitraum gestoppt werden.
(Vorteilhafte Wirkung)
Gemäß der vorliegenden Offenbarung erzeugt der Signalgenerator ein erstes Antriebssigna, das in einem Abtastzeitraum einen ersten Zeitraum und einen sich vom ersten Zeitraum unterscheidenden zweiten Zeitraum aufweist, wobei der erste Zeitraum eine Amplitude des Antriebssignals der Faser von 0 auf einen Höchstwert expandiert, der zweite Zeitraum die Amplitude des Antriebssignals vom Höchstwert auf 0 kontrahiert, das Antriebssignal eine Umhüllende aufweist, die sich nahtlos mit einem Gradienten von 0 über eine Grenze zwischen dem ersten Zeitraum und einem zweiten Zeitraum fortsetzt und ein längerer Zeitraum des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums als ein wirksamer Abtastzeitraum definiert ist, um dadurch eine optische Abtastvorrichtung bereitzustellen, die eine stabile Abtastung ohne wesentlichen Verlust des wirksamen Abtastzeitraums, während ein Fehlen von Abtastwegen in der Abtastmittel verringert wird, bereitstellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen Folgendes:
1 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung einer schematischen Konfiguration einer optischen Abtastendoskopvorrichtung als ein Beispiel für die offenbarte optische Abtastvorrichtung gemäß Ausführungsform 1.
2 zeigt eine Übersicht zur schematischen Darstellung des Endoskops von 1.
3 zeigt eine Schnittansicht des Spitzenteils des Endoskops von 2.
4A zeigt eine Schnittansicht zur Darstellung des Stellglieds und des oszillierenden Teils der optischen Beleuchtungsfaser von 3.
4B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 4A.
5 zeigt in einer vereinfachten Weise ein Antriebssignal einer Abtastung durch den Signalgenerator.
6A zeigt ein Beispiel einer Antriebssignaleinhüllenden in Dreieckwellen.
6B zeigt ein Beispiel einer Antriebssignaleinhüllenden in Sinuswellen.
7A zeigt einen Faserabtastort, wenn das Antriebssignal mit der Einhüllenden von 6A eingegeben wird.
7B zeigt einen Faserabtastort, wenn das Antriebssignal mit der Einhüllenden von 6B eingegeben wird.
8 zeigt einen Abtastweg der Faser.
9A zeigt ein Beispiel eines Abtastorts der Faser in einem Bild.
9B zeigt einen vergrößerten Abtastort nahe dem Mindestwert der Amplitude von 9A.
10 zeigt einen beispielhaften Fall, bei dem Bildinformationen in der Bildmitte fehlen.
11 zeigt, wie eine Änderung der Amplitudenkonvergenzrate relativ zur Zahl des Rundenverhältnisses und des Frequenzverhältnisses durch Simulation variiert.
12A zeigt ein durch die Simulation von 11 mit einer Bildfrequenz von 15 fps erzieltes Ergebnis.
12B zeigt ein durch die Simulation von 11 mit einer Bildfrequenz von 25 fps erzieltes Ergebnis.
12C zeigt ein durch die Simulation von 11 mit einer Bildfrequenz von 60 fps erzieltes Ergebnis.
13A zeigt eine Umhüllende des Faserschwingungsorts bei einer Bildfrequenz von 15 fps, wobei die Zahl des Rundenverhältnisses der Antriebswellenform von 0,1 bis 0,9 geändert wird.
13B zeigt eine Umhüllende des Faserschwingungsorts bei einer Bildfrequenz von 25 fps, wobei die Zahl des Rundenverhältnisses der Antriebswellenform von 0,1 bis 0,9 variiert wird.
13C zeigt eine Umhüllende des Faserschwingungsorts bei einer Bildfrequenz von 60 fps, wobei die Zahl des Rundenverhältnisses der Antriebswellenform von 0,1 zu 0,9 geändert wird.
14 zeigt Simulationsergebnisse der Faseramplitudenkonvergenzrate, wenn der Schwingungs-Q-Wert der Faser von 50 bis 400 variiert wird.
15 zeigt für die Amplitudenkonvergenzrate einer Faser durch Ändern der Resonanzfrequenz der Faser von 8500 Hz zu 9500 Hz erhaltene Simulationsergebnisse.
16 zeigt in einer vereinfachten Weise ein weiteres Beispiel des durch den Signalgenerator 16 erhaltenen Antriebssignals einer Abtastung.
17 zeigt ein Antriebssignal in einer herkömmlichen Spiralabtastung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend ist eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
1 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung einer schematischen Konfiguration eines optischen Abtastendoskops als ein Beispiel der offenbarten optischen Abtastvorrichtung. Wie in 1 dargestellt umfasst die optische Abtastendoskopvorrichtung 10 ein Endoskop 20, ein Steuerungsgehäuse 30 und eine Anzeige 40.
Zunächst ist die Konfiguration des Steuerungsgehäuses 30 erläutert. Das Steuerungsgehäuse 30 umfasst eine Steuerung 31 zum Steuern der gesamten optischen Abtastendoskopvorrichtung 10, eine Ausstrahlungszeitablauf-Steuerung 32, Laser 33R, 33G, 33B, einen Koppler 34, einen Fotodetektor 35 (Lichtdetektor), einen Analog/Digital-Wandler 36, einen Bildgenerator 37 und einen Signalgenerator 38.
Die Ausstrahlungszeitablauf-Steuerung 32 steuert die Ausstrahlungszeitabläufe der Laser 33R, 33G, 33B, die jeweils Laserlicht in Rot (R), Grün (G) und Blau (B) gemäß dem Steuersignal von der Steuerung 31 ausstrahlen. Die Laser werden so gesteuert, dass sie entsprechende Lichtfarben in jedem vorgegebenen Zeitintervall in einer auf der Basis der Sollwerte des Ausstrahlungsfrequenzverhältnisses (beispielsweise 1:2:1 für R, G und B) festgelegten Ausstrahlungsreihenfolge (beispielsweise R, G, B, G) ausstrahlen.
Die Laser 33R, 33G, 33B stellen eine Lichtquelle dar, die selektiv eine Vielzahl von verschiedenen Farben (in dieser Ausführungsform die drei verschiedenen Farben R, G und B) von Licht ausstrahlt. Die Laser 33R, 33G, 33B können beispielsweise einen diodengepumpten Festkörperlaser (Diode Pumped Solid State Laser, DPSS Laser) oder eine Laserdiode verwenden.
Von jedem der Laser 33R, 33G, 33B ausgestrahltes Laserlicht durchläuft einen koaxial durch den Koppler 34 kombinierten optischen Weg, so dass es als Beleuchtungslicht in eine optische als eine Einmodenfaser ausgebildete Beleuchtungsfaser 11 (Faser) eintritt. Der Koppler 34 ist beispielsweise durch Verwendung eines dichroitischen Prismas ausgebildet. Die Laser 33R, 33G, 33B und der Koppler 34 können in einem separaten Gehäuse verschieden vom Steuerungsgehäuse 30 angeordnet sein, wobei das Gehäuse mit dem Steuerungsgehäuse 30 über eine Signalleitung verbunden ist.
Vom Koppler 34 in die optische Beleuchtungsfaser 11 eintretendes Licht wird zum Spitzenteil des Endoskops 20 geleitet und von dort auf ein Objekt 100 ausgestrahlt. Dabei treibt der Signalgenerator 38 des Steuerungsgehäuses 30 schwingend ein Stellglied 21 des Endoskops 20 an, um den Spitzenteil der optischen Beleuchtungsfaser 11 schwingend anzutreiben. Dadurch kann das von der optischen Beleuchtungsfaser 11 ausgestrahlte Beleuchtungslicht zweidimensional die Beobachtungsfläche des Objekts 100 abtasten. Das somit mit dem Beleuchtungslicht bestrahlte Objekt 100 gibt Reflexlicht und Streulicht aus, die von der Spitze einer aus einer Mehrmodenfaser gebildeten optischen Erfassungsfaser 12 empfangen und durch die Innenseite des Endoskops 20 nach oben zum Steuerungsgehäuse 30 geleitet werden.
Der Fotodetektor 35 erfasst für jeden Ausstrahlungszyklus der Lichtquelle über die optische Erfassungsfaser 12 vom mit Licht in einer der Farben R, G und B bestrahlten Objekt 100 erhaltenes Licht und gibt ein analoges Signal (elektrisches Signal) aus.
Der Analog/Digital-Wandler 36 wandelt das analoge Signal vom Fotodetektor 35 in ein digitales Signal (elektrisches Signal) um und gibt das resultierende Signal an den Bildgenerator 37 aus.
Der Bildgenerator 37 speichert nacheinander in einem Speicher (nicht dargestellt) die digitalen Signale, die vom Analog/Digital-Wandler 36 für jeden Ausstrahlungszyklus eingegeben wurden, entsprechend den jeweiligen Farben jeweils in Verbindung mit dem Ausstrahlungszeitpunkt und der abgetasteten Position. Informationen zum Ausstrahlungszeitpunkt und zur abgetasteten Position werden von der Steuerung 31 erfasst. Die Steuerung 31 berechnet Informationen zur abgetasteten Position auf dem Abtastweg auf der Basis von Informationen zu Amplitude und Phase eines vom Signalgenerator 38 usw. angelegten Oszillationsspannung. Alternativ kann die Steuerung 31 vorab als eine Tabelle Informationen zur abgetasteten Position auf dem Abtastweg entsprechend der seit dem Start des Antriebs verstrichenen Zeit bereitstellen. Anschließend führt der Bildgenerator 37 nach dem Abtasten und während des Abtastens die erforderliche Bildverarbeitung wie Verbesserungsverarbeitung, γ-Verarbeitung und Interpolierungsverarbeitung auf der Basis des vom Analog/Digital-Wandler 36 eingegebenen digitalen Signals durch und zeigt ein Bild des Objekts 100 auf der Anzeige 40 an.
Nachfolgend ist die Konfiguration des Endoskops 20 beschrieben. 2 zeigt eine Übersicht zur schematischen Darstellung des Endoskops 20. Das Endoskop 20 umfasst einen Bedienabschnitt 22 und einen Einführabschnitt 23. Der Bedienabschnitt 22 ist jeweils mit der optischen Beleuchtungsfaser 11, einer Vielzahl von optischen Erfassungsfasern 12 und einem Verbindungskabel 13 vom Steuerungsgehäuse 30 verbunden. Die optische Beleuchtungsfaser 11, die optischen Erfassungsfasern 12 und das Verbindungskabel 13 laufen durch das Innere des Einführabschnitts 23, um bis zum Spitzenteil 24 (Abschnitt innerhalb der punktierten Linie von 2) des Einführabschnitts 23 fortgesetzt zu werden.
3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Spitzenteils 24 des Einführabschnitts 23 des Endoskops von 2. Der Spitzenteil 24 des Einführabschnitts 23 des Endoskops 20 ist durch Umfassen von Stellglied 21, Projektionslinsen 25a, 25b, durch die Mitte laufende optische Beleuchtungsfaser 11 und einer Vielzahl der durch den äußeren Umfang laufenden optischen Erfassungsfasern 12 ausgebildet.
Das Stellglied 21 treibt schwingend den Spitzenteil 11c der optischen Beleuchtungsfaser 11 an. Das Stellglied 21 ist durch Umfassen eines im Einführabschnitt 23 des Endoskops 20 mit einem Befestigungsring 26 befestigten Stellgliedrohrs 27 und eines Faserhalteelements 29 sowie jeweils im Stellgliedrohr 27 angeordneter piezoelektrischer Elemente 28a bis 28d ausgebildet (siehe 4A und 4B). Die optische Beleuchtungsfaser 11 wird von einem Faserhalteelement 29 gestützt, wobei ein Teil von einem vom Faserhalteelement 29 zum Spitzenteil 11c gestützten festen Ende 11a definiert ist, der als ein oszillierbar gestützter Oszillationsteil 11b dient. Die optischen Erfassungsfasern 12 sind wiederum so angeordnet, dass sie durch den äußeren Umfang des Einführabschnitts 23 laufen, und erstrecken sich bis zum vorderen Ende des Spitzenteils 24. Ferner können die optischen Erfassungsfasern 12 jeweils am Spitzenteil hiervon eine Erfassungslinse umfassen, die nicht dargestellt ist.
Ferner sind die Projektionslinsen 25a, 25b und die Erfassungslinse an der äußeren Spitze des Spitzenteils 24 des Einführabschnitts 23 des Endoskops 20 angeordnet. Die Projektionslinsen 25a, 25b sind so ausgebildet, dass das vom Spitzenteil 11c der optischen Beleuchtungsfaser 11 ausgestrahlte Laserlicht im Wesentlichen konvergiert auf das Objekt 100 ausgestrahlt wird. Die Erfassungslinse ist zum Aufnehmen von vom Laserlicht, das auf dem Objekt 100 konvergiert und vom Objekt 100 reflektiert, gestreut und gebrochen wird, resultierende Licht ausgebildet, so dass sie mit der Vielzahl der hinter der Erfassungslinse angeordneten optischen Erfassungsfasern 12 konvergiert und gekoppelt ist. Hier können die Projektionslinsen eine einzelne Linse oder eine Vielzahl von Linsen mehr als 2 umfassen, ohne auf die Zwei-Linsen-Konfiguration beschränkt zu sein.
4A zeigt einen Schwingungsantriebsmechanismus des Stellglieds 21 und den Oszillationsteil 11b der optischen Beleuchtungsfaser 11 der optischen Abtastendoskopvorrichtung 10 und 4B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von 4A. Die optische Beleuchtungsfaser 11 durchdringt die Mitte des Faserhalteelements 29 in einer Rechteckprismaform, so dass sie vom Faserhalteelement 29 festgehalten wird. Die vier Seiten des Faserhalteelements 29 zeigen jeweils in die ±Y-Richtung und ±X-Richtung. Die piezoelektrischen Elemente 28a, 28c mit den gleichen Expansions- und Kontraktionseigenschaften für den Antrieb in Y Richtung sind in einem Paar auf beiden Seiten in den ±Y-Richtungen des Faserhalteelements 29 angeordnet, während die piezoelektrischen Elemente 28b, 28d mit den gleichen Expansions- und Kontraktionseigenschaften für den Antrieb in X-Richtung in einem Paar auf beiden Seiten in den ±X-Richtungen des Faserhalteelements 29 angeordnet sind.
Die piezoelektrischen Elemente 28a bis 28d sind jeweils mit dem Verbindungskabel 13 vom Signalgenerator 38 des Steuerungsgehäuses 30 verbunden und werden durch Anlegen einer Spannung durch den Signalgenerator 38 angetrieben.
Über die piezoelektrischen Elemente 28b und 28d in der X-Richtung angelegte Spannungen sind stets gleich in der Höhe und entgegengesetzt in der Polarität. Ebenso sind über die piezoelektrischen Elemente 28a und 28c in der Y Richtung angelegte Spannungen stets gleich in der Höhe und entgegengesetzt in der Polarität. Von den entgegengesetzt zueinander über das Faserhalteelement 29 angeordneten piezoelektrischen Elementen expandiert einer, während der andere auf eine entgegengesetzte Weise kontrahiert, wodurch eine Ablenkung im Faserhalteelement 29 bewirkt wird, die wiederholt werden kann, um Schwingung in der X-Richtung zu erzeugen. Auf ähnliche Weise kann eine Schwingung in der Y Richtung bewirkt werden.
Der Signalgenerator 38 legt Schwingungsspannungen an, welche die gleiche Amplitude aufweisen und schrittweise expandieren und kontrahieren, während sie um 90 Grad zu den piezoelektrischen Elementen 28b, 28d für den Antrieb in X-Richtung und den piezoelektrischen Elementen 28a, 28c im Antrieb in der Y Richtung phasenversetzt sind, um dadurch die piezoelektrischen Elemente 28a, 28c für den Antrieb in Y Richtung und die piezoelektrischen Elemente 28b, 28d für den Antrieb in X-Richtung schwingend anzutreiben. Auf diese Weise schwingt der Oszillationsteil 11b der optischen Beleuchtungsfaser 11 von 3, 4A und 4B und der Spitzenteil 11c wird abgelenkt, so dass er einen Spiralort beschreibt, mit dem Ergebnis, dass das vom Spiralteil 11c ausgestrahlte Laserlicht der Reihe nach die Oberfläche des Objekts 100 spiralförmig abtastet.
5 zeigt in einer vereinfachten Weise ein Antriebssignal einer Abtastung durch den Signalgenerator 38. Hier bedeutet eine Abtastung einen durchgeführten Abtastzyklus, wenn die Amplitude eines Antriebssignals von 0 zum Höchstwert expandiert und anschließend vom Höchstwert zu 0 kontrahiert, was einem Bild der Bilderfassung durch die optische Abbtastendoskopvorrichtung 10 entspricht. 5 zeigt eine Kurve eines Antriebssignals D mit einem Signalwert (Antriebsspannung) des Antriebssignals in x-, y-Richtungen auf der Ordinate und der Zeit auf der Abszisse. Die Antriebssignale in x-Richtung und y-Richtung sind um 90 Grad phasenversetzt; der Unterschied ist aber nicht dargestellt. Das Antriebssignal D ist ein von einer in der Amplitude modulierten Schwingungsspannung erzieltes Signal, wobei die Umhüllende E hiervon eine Modulationswellenform aufweist. Her zeigt 5 das Antriebssignal D zum Erläutern in einer vereinfachten Weise und somit ist der tatsächliche Zeitraum des Antriebssignals wesentlich kürzer als ein Bild. Beispielsweise liegt die Frequenz von einem Bild in der Größenordnung von mehrzehnfachen Hz, während die Antriebsfrequenz in der Größenordnung von mehrhundert- bis mehrtausendfachen Hz definiert sein kann. Hier in der Offenbarung muss, wenn die Amplitude des Antriebssignals oder die Steigung der Modulationswellenform als 0 definiert ist, diese einen Bereich umfassen, der als 0 (im Wesentlichen 0) innerhalb der Fehlermarge identifiziert werden kann.
Die Umhüllende E der Modulationswellenform des Antriebssignals des Signalgenerators 38 dieser Ausführungsform setzt sich nahtlos über die Grenze zwischen einem Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ (erster Zeitraum) und einem Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ (zweiter Zeitraum) mit einem Gradienten von im Wesentlichen 0 fort. Dies ermöglicht der Amplitude der Faserabtastung, dem Antriebssignal D im Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ folgend abzunehmen. Es ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Offenbarung so ausgebildet ist, dass die Amplitude der Antriebsspannung innerhalb des kürzeren Zeitraums, das heißt des Amplitudenexpansions-Zeitraums P₂, kontrahiert statt das Antriebssignal D ausgeschaltet wird, nachdem die Amplitude des Antriebssignals D den Höchstwert erreicht hat. Auf diese Weise kann die Amplitude schneller zu 0 konvergiert werden als im Vergleich zum Fall des Abschaltens des Signals, um die Amplitude der optischen Beleuchtungsfaser 11 natürlich dämpfen zu lassen. Als ein Ergebnis kann eine stabile Abtastung ohne Leerfläche in der Mitte erzielt werden. Hier bedeutet eine Umhüllende, die „sich nahtlos mit einem Gradienten von im Wesentlichen 0 fortsetzt”, dass sich die Umhüllende (Modulationswellenform) über die Grenze zwischen dem Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ und dem Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ stets mit einem Differentialwert von 0 fortsetzt.
Nachfolgend ist eine zu erzielende Wirkung beschrieben, wenn sich die Umhüllende nahtlos mit einem Gradienten von im Wesentlichen 0 fortsetzt. 6A und 6B zeigen beispielhafte Wellenformen der Antriebssignal-Umhüllenden. 6A zeigt Dreieckwellen, die sich nicht nahtlos fortsetzen. 6B zeigt hingegen Sinuswellen als Beispiel, die sich nahtlos fortsetzen. Das Antriebssignal wird in beiden Fällen durch abwechselndes Wiederholen des Amplitudenexpansions-Zeitraums und des Amplitudenkontraktions-Zeitraums gebildet.
7A und 7B zeigen jeweils eine Reaktion des Faserabtastorts auf die Eingabe von jedem der Antriebssignale von 6A und 6B. 7A entspricht dem Fall der Umhüllenden in Dreieckwellen und 7B entspricht dem Fall der Umhüllenden in Sinuswellen. Im Fall von 7A setzt sich der Gradient nicht nahtlos fort, was eine schnelle Änderung der Beschleunigung der Faser über die Grenze zwischen dem Amplitudenexpansions-Zeitraum und der Amplitudenkontraktion bewirkt, wodurch die Schwingung instabil wird. Im Fall von 7B hingegen, in dem sich der Gradient nahtlos fortsetzt, wird keine schnelle Änderung der Beschleunigung der Faser über die Grenze zwischen dem Amplitudenexpansions-Zeitraum und der Amplitudenkontraktion bewirkt, was die Schwingung stabilisiert. Daher kann sich der Gradient wünschenswerterweise nahtlos mit einem Gradienten von im Wesentlichen 0 fortsetzen.
Ferner ist in 5, wenn der Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ und der Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ miteinander verglichen werden, der Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ länger als der Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂. Anschließend erzeugt in dieser Ausführungsform der Bildgenerator 37 ein Bild auf der Basis von vom Fotodetektor 35 während des Amplitudenexpansions-Zeitraums P₁ erfassten Bildsignalen. In diesem Fall dient entsprechend der Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ als der wirksame Abtastzeitraum, der zur Bilderzeugung beiträgt.
Ferner können vom Fotodetektor 35 im Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ erfasste Bildsignale vom Bildgenerator 37 im Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ verarbeitet werden. Dieses Verfahren ermöglicht ein zeitliches Verteilen der Auslastung des Steuerungsgehäuses 30, um dadurch eine effiziente Verarbeitung in der Vorrichtung insgesamt zu erzielen.
Insbesondere stellt in dieser Ausführungsform die Umhüllende E oder die Amplitudenmodulations-Wellenform einen Teil von sich voneinander in der Modulationsfrequenz in jeweils dem Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ und dem Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ unterscheidenden Sinuswellen dar. Wenn der Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ eine Modulationsfrequenz von f_m1 aufweist und der Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ eine Modulationsfrequenz von f_m2 aufweisen, ergibt sich f_m1 aus dem folgenden Ausdruck (6) (wie zuvor erwähnt).
Im Ausdruck (6) stellt f_d eine Antriebsfrequenz des Antriebssignals dar und n₁ stellt eine gewünschte Zahl von Runden des Spitzenteils 11c der optischen Beleuchtungsfaser 11 im Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ dar.
Ferner ist f_m2 zum Erfüllen der folgenden Ungleichung (7) definiert (wie zuvor erwähnt).
In der Ungleichung (7) stellt f_r eine Bildfrequenz dar. Wie daraus ersichtlich kann die Amplitudenmodulations-Wellenform als eine Sinuswellenform ohne Umfassen der unnötigen Frequenzkomponenten definiert werden, um dadurch die Bildverzerrung während des Amplitudenexpansions-Zeitraums P₁ zu beheben, während der Spitzenteil 11c der optischen Beleuchtungsfaser 11 während des Amplitudenkontraktions-Zeitraums P₂ zurückkehrt, das heißt während kein Bild erzeugt wird, was Leerflächen im zu erzeugenden Bild verringern kann.
8 zeigt Bilder von von der optischen Beleuchtungsfaser 11 absolvierten Abtastwegen auf dem Objekt 100. Die durchgezogenen Linien zeigen den Abtastweg während des Amplitudenexpansions-Zeitraums P₁ und die gestrichelte Linie zeigt den Abtastweg während des Amplitudenkontraktions-Zeitraums P₂. Die optische Abtastendoskopvorrichtung 10 expandiert die Amplitude von der Abtastmittel durch Ziehen einer Spirale aus und erfasst ein Bildsignal während des Amplitudenexpansions-Zeitraums P₁ und verringert, wenn der Höchstwert der Abtastamplitude erreicht wurde, schneller die Amplitude zur Scanmitte hin während des Amplitudenkontraktions-Zeitraums P₂. Hier dient 8 ausschließlich zum Zwecke der Erläuterung; es ist darauf hinzuweisen, dass die Zahl von Runden der tatsächlichen Abtastwellenform wesentlich größer ist und die Abtastdichte in der radialen Richtung wesentlicher höher als in 8.
Wie zuvor beschrieben ist der zur Bilderzeugung beitragende Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ länger als der Amplituden-Kontraktionszeitraum P₂. Dementsprechend ist in Bezug auf einen gesamten Abtastzeitraum der Anteil des nicht zur Bilderzeugung verwendeten Amplitudenkontraktions-Zeitraums P₂ relativ klein und es wird somit kein wesentlicher Verlust des wirksamen Abtastzeitraums bewirkt. Dementsprechend kann die Zahl von Runden des Spitzenteils 11c der optischen Beleuchtungsfaser 11 während des wirksamen Abtastzeitraums erhöht werden, was die Auflösung der optischen Abtastendoskopvorrichtung 10 verbessern kann.
Ferner kann die Antriebsfrequenz des vom Signalgenerator 38 erzeugten Antriebssignals vorzugsweise auf einen von der Resonanzfrequenz des Oszillationsteils 11b der optischen Beleuchtungsfaser 11 stark unterschiedlichen Wert gesetzt werden, so dass die Amplitude während des Amplitudenkontraktions-Zeitraums P₂ schneller abgesenkt wird.
Hier findet Berücksichtigung, wie viel der Amplitude der Faser zur Abtastmitte zurückgeführt werden muss, um die Bildqualität der Bildmitte nicht stark zu beeinflussen. 9A zeigt ein Beispiel des Abtastorts der Faser in einem Bild. Ferner ist 9B eine vergrößerte Ansicht des Abtastorts nahe dem Mindestwert der Amplitude. Der Höchstwert und der Mindestwert der Faseramplitude in einem Bild sind jeweils als hmax und hmin definiert und die Amplitudenkonvergenzrate ist als hmin ÷ hmax × 100[%] definiert. Der maximale Radius des Beleuchtungsbereichs auf dem Objekt ist mit dem Höchstwert hmax der Amplitude verknüpft. Wenn die Faser hingegen nicht auf 0 gedämpft wird, geht die Mitte des Beleuchtungsbereichs verloren, was einen nicht beleuchteten Bereich erzeugt. Der Radius des Bereichs ist mit dem Mindestwert hmin der Amplitude verknüpft. Sobald ein Verlust auftritt, gehen die Pixelinformationen in der Bildmitte verloren wie in 10 verloren, sofern das Bild auf der Basis der vorab von einem Messinstrument wie einer Positionssensorvorrichtung gemessenen Abtastortposition erzeugt wird. Hier zeigt der weiße Teil Pixel, durch die der Ort durchführt, und der schwarze Teil zeigt Pixel, durch die der Ort nicht durchführt. Das Bild von 10 umfasst beispielsweise 100×100 Pixel und weist eine Amplitudenkonvergenzrate von etwa 5% auf.
Zum Erzielen einer hervorragenden Wirkung in Bezug auf die Auflösung im Vergleich zu einem Faserabtastendoskop, das einen Bildlichtleiter unter Verwendung einer Bündelfaser einsetzt, der ähnlich im Durchmesser verringert werden kann, kann das angezeigte Bild wünschenswerterweise 100×100 Pixeln oder mehr entsprechen. In einem Bild von 100×100 Pixeln wird, wenn die zuvor genannte Amplitudenkonvergenzrate 2% beträgt, ein Pixelinformationsverlust in der Mitte von 100×0,02 = 2 Pixeln erzielt. Ein Pixelinformationsverlust von 2 Pixeln oder weniger würde die Auflösungsabtastung durch eine Bildverarbeitung wie einem Pixelinterpolationsprozess nicht wesentlich beeinflussen. Der Verlust von 2 oder mehr Pixeln sollte allerdings die Auflösungsabtastung in der Bildmitte stark beeinflussen. Somit kann in einem Faserabtastendoskop die Amplitudenkonvergenzrate vorzugsweise 2% oder weniger betragen.
Hier können die Bedingungen der Wellenform des Antriebssignals zum Drücken der Amplitudenkonvergenzrate auf 2% oder weniger berücksichtigt werden. n₁ stellt eine gewünschte Zahl von Runden des Spitzenteils 11c der optischen Beleuchtungsfaser 11 11 während des Amplitudenexpansions-Zeitraums P₁ dar und n₂ als eine gewünschte Zahl von Runden des Spitzenteils 11c der optischen Beleuchtungsfaser 11 während des Amplitudenkontraktions-Zeitraums P₂ definiert, um das Rundenzahlenverhältnis als n₁/(n₁ + n₂) zu definieren. Das Rundenzahlenverhältnis weist einen Wert von 0 bis 1 auf und bestimmt die Wellenform der Umhüllenden der Antriebswellenform. Bei einem Wert näher 0 weist die Antriebswellenform eine Umhüllende länger in einem Zeitraum auf der Amplitudenkontraktions-Seite auf. Bei einem Wert näher 1 weist die Antriebswellenform eine Umhüllende länger in einem Zeitraum auf der Amplitudenexpansions-Seite auf. Ferner ist die Antriebsfrequenz des Antriebssignals als f_d definiert und die Resonanzfrequenz der Schwingung der optischen Beleuchtungsfaser 11 ist als f_c definiert, um das Frequenzverhältnis als f_d/f_c zu bestimmen. Die Amplitudenkonvergenzrate wird desto kleiner, je weiter die Antriebsfrequenz von der Resonanzfrequenz abweicht, das heißt je nachdem, ob das Frequenzverhältnis so vergrößert wird, dass es größer als 1 oder kleiner als 1 ist.
11 zeigt ein beispielhaftes Ergebnis einer Simulation, das für die Änderung im Amplitudenkonvergenzverhältnis durch Ändern der Werte der zuvor definierten zwei Parameter, das heißt des „Rundenzahlverhältnisses” und des „Frequenzverhältnisses” erzielt wird. In der Simulation wird eine Berechnung mit dem Schwingungs-Q-Wert der Faser gleich 100, der Resonanzfrequenz der Faser gleich 9000 Hz und der Bildfrequenz gleich 25 Hz unter der Annahme durchgeführt, dass die Faser der Dämpfungsschwingung folgt. Ferner wird die Faser so angetrieben, dass sie eine Antriebsfrequenz größer als die Resonanzfrequenz aufweist. Wie aus 11 ersichtlich kann der Verlust des Orts verringert werden, die Amplitudenkonvergenzrate kann kleiner sein und die Auflösung in der Mitte kann verbessert werden, wenn das Rundenzahlverhältnis verringert wird und das Frequenzverhältnis auf größer als 1 vergrößert wird. Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt hält unsere Berechnung die zuvor genannte Beziehung unabhängig vom Schwingungs-Q-Wert und von der Resonanzfrequenz der Faser ein. Ferner hält, obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, unsere Berechnung ebenfalls die zuvor genannte Beziehung ein, wenn das Frequenzverhältnis weiter verringert wird, so dass es kleiner als 1 ist.
12A, 12B und 12C zeigen die mit der zuvor genannten Simulation mit verschiedenen Bildfrequenzen ermittelten Ergebnisse. Hier zeigen 12A, 12B und 12C jeweils den Fall mit den Bildfrequenzen von 15, 25 und 60, die alle unter ausreichenden Bedingungen fallen, die für das Erfassen eines beweglichen Bildes geeignet sind. 12A, 12B und 12C zeigen, dass die Amplitudenfrequenzrate mit der Zunahme der Bildfrequenz zunimmt, so lange das Frequenzverhältnis und das Rundenzahlverhältnis konstant sind. Wie zuvor beschrieben muss die Amplitudenkonvergenz 2% oder weniger sein, um die Auflösungsabtastung in der Bildmittel nicht zu beeinflussen. 12A zeigt, dass die Bedingungen mit der Bildfrequenz 15 und dem Frequenzverhältnis 1,05 erzielt werden können, wenn das Rundenzahlverhältnis 0,9 beträgt. Daher kann das Rundenzahlverhältnis wünschenswerterweise 0,9 oder weniger betragen.
Ferner werden Bedingungen zum Erfüllen einer Amplitudenkonvergenzrate von 2% oder weniger, wenn die Bildfrequenz 25 oder mehr beträgt, untersucht. Aus 12B ist ersichtlich, dass das Rundenzahlverhältnis von 0,9 oder mehr erfordert, dass das Frequenzverhältnis größer als 1,05 ist; dies bedeutet, dass die Faser mit einer Frequenz angetrieben, die sich stark von der Resonanzfrequenz unterscheidet, mit dem Ergebnis, dass die Amplitude wesentlich abnimmt. Das Frequenzverhältnis kann auf 1,04 oder mehr gesetzt werden, wenn die Rundenzahl 0,8 beträgt, und somit kann das Rundenzahlverhältnis wünschenswerterweise 0,8 oder weniger betragen, wenn die Bildfrequenz 25 oder mehr beträgt.
Auf ähnliche Weise werden Bedingungen zum Erfüllen einer Amplitudenkonvergenzrate von 2% oder weniger, wenn die Bildfrequenz 60 oder mehr beträgt, untersucht. Aus 12C ist ersichtlich, dass das Rundenzahlverhältnis von 0,7 oder mehr erfordert, dass das Frequenzverhältnis größer als 1,05 ist; dies bedeutet, dass die Faser mit einer Frequenz angetrieben, die sich stark von der Resonanz unterscheidet, was zu einer wesentlichen Verringerung der Amplitude führt. Das Frequenzverhältnis kann auf 1,05 gesetzt werden, wenn die Rundenzahl 0,6 beträgt, und somit kann das Rundenzahlverhältnis wünschenswerterweise 0,6 oder weniger betragen, wenn die Bildfrequenz 60 oder mehr beträgt.
Nachfolgend werden die unteren Grenzbedingungen des Rundenzahlverhältnisses untersucht. 13A, 13B und 13C zeigen jeweils eine Umhüllende des erzielten Faserschwingungsorts, wobei das Rundenzahlverhältnis der Antriebswellenform von 0,1 bis 0,9 variiert wird. Die Umhüllende absolviert einen Ort für nur ein Bild und die Faser schwingt wiederholt entlang der Umhüllenden für jedes Bild. 13A, 13B und 13C zeigen jeweils Simulationsergebnisse mit jeweils den Bildfrequenzen 15, 25 und 60. Die Simulationsergebnisse wurden durch Berechnung mit dem Schwingungs-Q-Wert der Faser gleich 100, der Resonanzfrequenz gleich 9000 Hz und dem Frequenzverhältnis gleich 1,03 unter der Annahme ermittelt, dass die Faser der Dämpfungsschwingung folgt. Ferner wird die Faser so angetrieben, dass sie eine Antriebsfrequenz größer als die Resonanzfrequenz aufweist.
13A, 13B und 13C zeigen jeweils, dass die Umhüllende gewellt wird, wenn das Rundenzahlverhältnis kleiner wird, was die Schwingung instabil macht. Ferner neigt die somit gewellte Umhüllende zum Zeigen von Kondensation und Rarefaktion auf der Abtastdichte der Spiralabtastung, was die Auflösung beeinflusst. 13A, 13B und 13C zeigen ebenfalls, dass die Hüllkurve komplex gewellt ist, wenn die Bildfrequenz größer wird, was die Schwingung zusätzlich instabil macht. Dementsprechend kann das Rundenzahlverhältnis entsprechend der Bildfrequenz wünschenswerterweise größer als ein bestimmter Wert sein. Obgleich in der Zeichnungen nicht dargestellt hält unsere Berechnung die zuvor genannte Beziehung unabhängig vom Schwingungs-Q-Wert und Resonanzfrequenzwert der Faser ein.
Insbesondere können zum Stabilisieren der Hüllkurve, wenn die Rundenzahl 0,1 beträgt, die Bildfrequenz und das Frequenzverhältnis jeweils auf 15 und 0,1 gesetzt werden, wie aus 13A ersichtlich. Somit kann das Rundenzahlverhältnis wünschenswerterweise 0,1 oder mehr betragen. Ferner kann, wenn die Bildfrequenz 25 oder mehr beträgt, das Frequenzverhältnis auf 0,2 oder mehr gesetzt werden, um die Hüllkurve zu stabilisieren, wie aus 13B ersichtlich. Auf ähnliche Weise kann, wenn die Bildfrequenz 60 oder mehr beträgt, das Frequenzverhältnis wünschenswerterweise auf 0,4 oder mehr gesetzt werden, um die Hüllkurve zu stabilisieren, wie aus 13C ersichtlich.
14 zeigt Simulationsergebnisse der Faseramplitudenkonvergenzrate, wenn der Schwingungs-Q-Wert der Faser von 50 bis 400 variiert wird. Die Simulationsergebnisse wurden durch Berechnung mit der Resonanzfrequenz der Faser gleich 9000 Hz, der Bildfrequenz gleich 25 Hz, dem Frequenzverhältnis gleich 1,03 und dem Rundenzahlverhältnis gleich 0,7 unter der Annahme ermittelt, dass die Faser der Dämpfungsschwingung folgt. Wie aus 14 ersichtlich werden, wenn die Faser einen Schwingungs-Q-Wert aufweist, der zwischen etwa 50 bis 400 fällt, die Parameter des Frequenzverhältnisses und der Rundenzahl dominant wie zuvor beschrieben, wobei das Amplitudenkonvergenzverhältnis vom Schwingungs-Q-Wert weniger beeinflusst wird. Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, hält unsere Berechnung ebenfalls die zuvor genannte Beziehung ein, selbst wenn das Frequenzverhältnis kleiner als 1 ist.
15 zeigt Simulationsergebnisse der Faseramplitudenkonvergenzrate, wenn die Resonanzfrequenz der Faser von 8500 Hz bis 9500 Hz variiert wird. Die Simulationsergebnisse wurden durch Berechnung mit dem Schwingungs-Q-Wert der Faser gleich 100, der Bildfrequenz gleich 25 Hz und dem Frequenzverhältnis gleich 1,03 unter der Annahme ermittelt, dass die Faser der Dämpfungsschwingung folgt. Wie aus 15 ersichtlich werden in der Amplitudenkonvergenzrate die Parameter des Frequenzverhältnisses und der Rundenzahl dominant über die Resonanzfrequenz der Faser wie zuvor beschrieben. Obgleich in der Zeichnung nicht dargestellt, hält unsere Berechnung ebenfalls die zuvor genannte Beziehung ein, selbst wenn das Frequenzverhältnis kleiner als 1 ist.
Hier wird im Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ das Beleuchtungslicht nicht zur Bilderzeugung verwendet und somit kann das Ausstrahlen des Beleuchtungslichts während des Zeitraums gestoppt werden, ohne die Bildqualität zu beeinflussen. Die Menge von Laserlicht pro Zeiteinheit muss wiederum kleiner sein als der Standardwert der Lasersicherheit. Somit kann vor diesem Hintergrund das Beleuchtungslicht während des Amplitudenexpansions-Zeitraums P₁ ausgestrahlt werden, während das Beleuchtungslicht während des Amplitudenkontraktions-Zeitraums P₂ gestoppt werden kann, um dadurch die Gesamt-Bestrahlungslichtmenge des Lasers pro einem Bild zu verringern, was den kritischen Wert der Lasersicherheit verringern kann.
Wie zuvor beschrieben erzeugt gemäß dieser Ausführungsform der Signalgenerator 38 ein Antriebssignal umfassend in einem Abtastzeitraum den Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ zum Expandieren der Amplitude des Antriebssignals der optischen Beleuchtungsfaser 11 von 0 auf den Höchstwert und den Amplitudenkontraktionszeitraum P₂ zum Verringern der Amplitude des Antriebssignals vom Höchstwert auf 0. Die Umhüllende E des Antriebssignals D setzt sich nahtlos mit einem Gradienten von 0 über die Grenze zwischen dem Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ und dem Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ fort. Der Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁, der länger ist als der Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ ist als der wirksame Abtastzeitraum definiert und es wird somit kein wesentlicher Verlust des wirksamen Abtastzeitraums bewirkt, um dadurch den Verlust der Abtastwege in der Abtastmitte zu verringern, so dass eine stabile Abtastung ermöglicht wird.
Es können verschiedene Modifizierungen und Änderungen an der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden, ohne auf die zuvor beschriebene Ausführungsform beschränkt zu sein. Vom Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ und Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ ist der wirksame Abtastzeitraum beispielsweise nicht auf den Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ beschränkt. Beispielsweise kann die optische Abtastendoskopvorrichtung 10 so ausgebildet sein, dass sie Bildsignale während der Kontraktion der Abtastamplitude erfasst. In diesem Fall kann wie in 16 dargestellt die Amplitude des Antriebssignals so moduliert werden, dass der Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ länger wird als der Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁.
Eine Idee ähnlich der des Ausdrucks (6) kann angewendet werden, um den Amplitudenkontraktions-Zeitraum P₂ länger als den Amplitudenexpansions-Zeitraum P₁ zu machen, und es kann f_m2 durch den folgenden Ausdruck (8) gegeben sein (wie bereits zuvor erwähnt).
Hier ist f_d eine Antriebsfrequenz des Antriebssignals und n₂ ist eine gewünschte Zahl von Runden des Spitzenteils 11c der optischen Beleuchtungsfaser 11 während des Amplitudenkontraktions-Zeitraums P₂.
Ferner ist f_m1 zum Erfüllen der folgenden Ungleichung (9) definiert (wie bereits zuvor erwähnt).
Hier ist f_r eine Bildfrequenz. Daraus ist ersichtlich, dass die Amplitudenmodulations-Wellenform als eine Sinuswellenform ohne Umfassen der unnötigen Frequenzkomponenten definiert werden kann, um dadurch die Bildverzerrung während des Amplitudenkontraktions-Zeitraums P₂ zu verringern, während der Spitzenteil 11c der optischen Beleuchtungsfaser 11 schnell zur Abtastmitte zurückkehrt, was das Erzeugen von Leerflächen im Bild verringern kann.
Ferner ist das Stellglied der optischen Beleuchtungsfaser der optischen Abtastvorrichtung nicht auf das eine unter Verwendung der piezoelektrischen Elemente beschränkt. Beispielsweise steht ebenfalls ein elektromagnetisches Antriebsverfahren unter Verwendung von Magneten und Spulen zur Verfügung. In diesem Fall kann, anders wie in der zuvor beschriebenen Ausführungsform, bei der eine Spannung, die an den piezoelektrischen Elementen angelegt wird, von einem Antriebssignal gesteuert wurde, das elektromagnetische Antriebsverfahren ein Antriebssignal zum Steuern eines durch die Spulen fließenden Stromwerts verwenden.
Ferner kann die optische Abtastvorrichtung auf einen Projektor und andere optische Abtastvorrichtungen angewendet werden, ohne auf ein optisches Abtastendoskop beschränkt zu sein.
Bezugszeichenliste

10: optische Abtastendoskopvorrichtung
11: optische Beleuchtungsfaser
11a: festes Ende
11b: Oszillationsteil
11c: Spitzenteil
12: optische Erfassungsfaser
13: Verbindungskabel
20: Endoskop
21: Stellglied
22: Bedienabschnitt
23: Einführabschnitt
24: Spitzenteil
25a, 25b: Projektionslinse
26: Befestigungsring
27: Stellgliedrohr
28a bis 28d: piezoelektrische Elemente
29: Faserhalteelement
30: Steuerungsgehäuse
31: Steuerung
32: Beleuchtungszeitablauf-Steuerung
33R, 33G, 33B: Laser
34: Koppler
35: Fotodetektor
36: Analog/Digital-Wandler
37: Bildgenerator
38: Signalgenerator
40: Anzeige
100: Objekt
P₁: Amplitudenexpansions-Zeitraum
P₂: Amplitudenkontraktions-Zeitraum
D: Antriebssignal
E: Umhüllende

Claims

Optische Abtastvorrichtung, umfassend: eine Faser, die Licht von einem oszillierbar gestützten Spitzenteil ausstrahlt; ein Stellglied, das den Spitzenteil der Faser antreibt; und einen Signalgenerator, der in Bezug auf das Stellglied ein Antriebssignal zum Veranlassen des Spitzenteils der Faser zu einer Spiralabtastung erzeugt, wobei: der Signalgenerator ein Antriebssignal erzeugt, das in einem Abtastzeitraum einen ersten Zeitraum und einen sich in der Länge vom ersten Zeitraum unterscheidenden zweiten Zeitraum aufweist, wobei der erste Zeitraum die Amplitude des Antriebssignals der Faser von im Wesentlichen 0 auf einen Höchstwert expandiert und der zweite Zeitraum die Amplitude des Antriebssignals vom Höchstwert auf im Wesentlichen 0 kontrahiert; das Antriebssignal eine Umhüllende aufweist, die sich nahtlos mit einem Gradienten von im Wesentlichen 0 über eine Grenze zwischen dem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum fortsetzt; und ein längerer des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums als ein wirksamer Abtastzeitraum definiert ist.
Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spitzenteil der Faser mit einer sich von einer Resonanzfrequenz unterscheidenden Antriebsfrequenz angetrieben wird.
Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Umhüllende des Antriebssignals im ersten Zeitraum und die Umhüllende des Antriebssignals im zweiten Zeitraum jeweils einen Teil von gegenseitig im Zyklus unterschiedlichen Sinuswellen bilden.
Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, die folgende Gleichungen erfüllt:
wobei n₁ die Anzahl von Runden in einer Spiralabtastung der Faser während des ersten Zeitraums darstellt und n₂ die Anzahl von Runden in einer Spiralabtastung der Faser während des zweiten Zeitraums darstellt.
Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Anzahl von Runden n₁ und die Anzahl von Runden n₂ die folgenden Gleichungen erfüllen, wobei f_r eine Bildfrequenz der Spiralabtastung darstellt: f_r ≥ 25 (2); und
Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Anzahl von Runden n₁ und die Anzahl von Runden n₂ die folgenden Gleichungen erfüllen, wobei f_r eine Bildfrequenz der Spiralabtastung darstellt: f_r ≥ 60 (4); und
Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 3, die folgende Gleichungen erfüllt:
wobei f_m1 eine erste Modulationsfrequenz als eine Frequenz der Amplitudenmodulation des ersten Zeitraums darstellt und f_m2 eine zweite Modulationsfrequenz als eine Frequenz der Amplitudenmodulation des zweiten Zeitraums darstellt, wobei f_d eine Antriebsfrequenz der Faser darstellt, f_r eine Bildfrequenz der Spiralabtastung darstellt, n₁ die Anzahl von Runden der Spiralabtastung der Faser während des ersten Zeitraums darstellt und n₂ die Anzahl von Runden der Spiralabtastung der Faser während des zweiten Zeitraums darstellt.
Optische Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend: einen Lichtdetektor zum Erfassen von von einem mit dem Beleuchtungslicht bestrahlten Objekt erhaltenen Licht; und einen Bildgenerator zum Erzeugen eines Bildes auf der Basis eines vom Lichtdetektor während des wirksamen Abtastzeitraums erfassten Signals.
Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Bildgenerator ein Bild in einem kürzeren des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums erzeugt.
Optische Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Ausstrahlen des Beleuchtungslichts in einem kürzeren des ersten Zeitraums und des zweiten Zeitraums gestoppt wird.