JP2013054185A - 光走査デバイス及びこれを備えた内視鏡、顕微鏡、プロジェクター - Google Patents

光走査デバイス及びこれを備えた内視鏡、顕微鏡、プロジェクター Download PDF

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Abstract

【課題】ファイバー振動スキャンにおいて、非共振走査の振幅増大の効率と、共振走査の振幅増大の効率を両立し、走査領域を広くした走査デバイスを提供すること。
【解決手段】光ファイバー３と、前記光ファイバー３を片持ち支持する保持部４と、前記光ファイバー３の先端側に設けられ前記光ファイバー３を第一の方向に振動させる第一の駆動デバイス１０と、前記光ファイバー３の前記保持部４と前記第一の駆動デバイス１０の間に設けられ前記光ファイバー３を前記第一の方向と交差する第二の方向に振動させる第二の駆動デバイス２０とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバー振動走査を利用した光走査型内視鏡、光走査型顕微鏡、光走査型プロジェクターなどに用いられる光走査デバイスの光ファイバーの駆動方法に関する発明である。
光ファイバーを走査させる内視鏡としては、特許文献１に示すものがある。これは、図５に示すように光ファイバーＡの根元に圧電素子Ｂを２方向に貼り付け、Ｘ方向とＹ方向に共振振動させることにより、光を走査させている。共振走査を利用しているため、Ｘ方向とＹ方向の駆動周波数はほぼ等しくなり、図７に示すようなスパイラルスキャンとなる。この走査では、振幅を徐々に増減することで変調させており、駆動信号は複雑である。また、中心と周辺で走査するスピードが大きく異なり、被写体を露光する時間が中心と周辺で大きく変化してしまうという欠点がある。
一方、Ｘ方向とＹ方向の駆動周波数を大きく変え、周波数を同期させることにより、図８に示すようなラスタースキャンで駆動させることができる。この走査では、振幅の変調を必要とせず、駆動信号はシンプルとなり、矩形領域をスキャンできるので、画像変換の際、無駄がない。また、主に観察対象となる中心付近での走査ピッチが均一なので、被写体を露光する時間が均一である。
また、電磁駆動を利用して光ファイバーを走査させる内視鏡としては、特許文献２に示すものがある。これは、図６に示すようにファイバーＡに磁石Ｃ１，Ｃ２を取り付け、電磁コイルＤを周辺に設置し、電磁力を利用してファイバーを駆動する。そして、Ｙ方向にはファイバーを低速で非共振走査させ、Ｘ方向にはファイバーを２次モード共振走査させ、図８に示すラスタースキャンを行っている。
特表２０１０−５２７０２８号公報 特開２００８−１１６９２２号公報
しかし、上記特許文献１に示すものにあっては、光ファイバーＡの根元に圧電素子Ｂが貼り付けてあるので、ファイバーＡの先端を大きく撓ませることができず、またその時々の撓み量を精密に制御することも困難であった。
また、上記特許文献２に示すものにあっては、Ｘ方向の共振走査においては、磁石Ｃ１を最適な場所に設置してあるが、Ｙ方向の非共振走査においては、磁石Ｃ２が根元にあるため、十分な曲げモーメントが得られず、効率的にファイバーＡを大きく撓ますことができないという課題があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ファイバー振動スキャンにおいて、非共振走査における振幅増大の効率と、共振走査における振幅増大の効率を両立させ、走査領域を広くした光走査デバイスを提供することを目的としている。
上記の目的を達成するために、本発明による光走査デバイスは、光ファイバーと、前記光ファイバーを片持ち支持する保持部と、前記光ファイバーの先端側に設けられ前記光ファイバーを第一の方向に振動させる第一の駆動デバイスと、前記光ファイバーの前記保持部と前記第一の駆動デバイスの間に設けられ前記光ファイバーを前記第一の方向と交差する第二の方向に振動させる第二の駆動デバイスとを備えたことを特徴としている。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、前記光ファイバーが、前記第一の駆動デバイスにより振動する前記第一の方向と、前記第一の方向と交差し前記第二の駆動デバイスにより振動する前記第二の方向は、直交することが好ましい。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、前記光ファイバーに対し前記第一の駆動デバイスにより前記第一の方向へ作用する振動周波数の方が、前記光ファイバーに対し前記第二の駆動デバイスにより前記第二の方向へ作用する振動周波数よりも低いことが好ましい。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、前記第一の駆動デバイスは、前記光ファイバーを共振振動させることが好ましい。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、前記第一の駆動デバイスは、前記光ファイバーを非共振振動させることが好ましい。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、前記第二の駆動デバイスは、前記光ファイバーを共振振動させることが好ましい。
さらに、本発明の光走査デバイスにおいては、前記第一及び（または）第二の駆動デバイスは、磁石または磁性体と電磁コイルにより構成されていることが好ましい。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、前記第一及び（または）第二の駆動デバイスは、前記光ファイバーに設けられた薄膜形状の圧電素子により構成されていることが好ましい。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、前記第二の駆動デバイスに印加される電気信号は、正弦波または三角波のような周期信号であることが好ましい。
また、本発明の内視鏡は、上記した何れかの光走査デバイスを備えていることを特徴としている。
また、本発明の顕微鏡は、上記した何れかの光走査デバイスを備えていることを特徴としている。
また、本発明のプロジェクターは、上記した何れかの光走査デバイスを備えていることを特徴としている。
本発明の光走査デバイスによれば、主に非共振振動させる第一の駆動デバイスをファイバー先端側に設け、主に共振振動させる第二の駆動デバイスをファイバー根元側に設けたので、第一の方向へは低速で走査でき、第二の方向へは高速で走査でき、ラスタースキャンやリサージュスキャンを効率よくできるという効果を有する。
本発明の光走査デバイスの一実施例を示す説明図であり、（Ａ）はＹ方向の側面図であり、（Ｂ）はＸ方向の側面図である。 本発明の光走査デバイスの他例を示す説明図であり、（Ａ）はＹ方向の側面図であり、（Ｂ）はＸ方向の側面図である。 光ファイバーがＸ方向、Ｙ方向共に共振振動する例の説明図であり、（Ａ）はＹ方向の側面図であり、（Ｂ）はＸ方向の側面図である。 光ファイバーがＸ方向を共振振動、Ｙ方向を非共振振動する例の説明図であり、（Ａ）はＹ方向の側面図であり、（Ｂ）はＸ方向の側面図である。 従来例を示す説明図である。 他の従来例を示す説明図である。 スパイラルスキャンの説明図である。 ラスタースキャンの説明図である。
次に、本発明の実施形態について説明する。
本発明の光走査デバイスは、光ファイバーと、光ファイバーを片持ち支持する保持部と、光ファイバーの先端側に設けられ光ファイバーを第一の方向に振動させる第一の駆動デバイスと、光ファイバーの保持部と第一の駆動デバイスの間に設けられ光ファイバーを第一の方向と交差する第二の方向に振動させる第二の駆動デバイスとを備えたことを特徴とする。
第一の駆動デバイスを光ファイバーの先端側に配置することで、ファイバーに対する曲げモーメントが大きくなる。よって、１次共振周波数が低くなるので、非共振振動させたときの振幅を効率良く、高めることができる。例えば、第一の方向をＹ方向とすると、ファイバーをＹ方向に低速走査できることとなる。
一方、第二の駆動デバイスを光ファイバーの保持部と第一の駆動デバイスの間に配置することで、ファイバーを高次で共振振動させることができる。例えば、第二の方向をＸ方向とすると、ファイバーをＸ方向に高速走査できることとなる。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、好ましくは、光ファイバーが、第一の駆動デバイスにより振動する第一の方向と、第一の方向と交差し第二の駆動デバイスにより振動する第二の方向は、直交する。
光ファイバーを、第一の方向に振動させる第一の駆動デバイスと、第一の方向と直交する第二の方向に振動させる第二の駆動デバイスにより、Ｘ方向とＹ方向に直交するように振動させることにより、ラスタースキャンを行うことが可能となる。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、好ましくは、光ファイバーに対し第一の駆動デバイスにより第一の方向へ作用する振動周波数の方が、光ファイバーに対し第二の駆動デバイスにより第二の方向へ作用する振動周波数よりも低い。
第一の方向と第二の方向は直交しているので、光ファイバーが第一の駆動デバイスによりＹ方向に振動する周波数を、第二の駆動デバイスによりＸ方向に振動する周波数より低くすることにより、ラスタースキャンを容易に行うことができる。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、好ましくは、第一の駆動デバイスは光ファイバーを共振振動させる。
第一の駆動デバイスは光ファイバーの先端側に配置したで、ファイバーに対する曲げモーメントが大きくなる。よって、１次共振周波数を低くできるので、ファイバーをＹ方向に１次共振周波数で振動させて低速走査が可能となる。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、好ましくは、第一の駆動デバイスは光ファイバーを非共振振動させる。
第一の駆動デバイスは光ファイバーの先端側に配置したで、ファイバーに対する曲げモーメントが大きくなる。よって、１次共振周波数を低くできるので、ファイバーをＹ方向に１次共振周波数より低い周波数で非共振振動させることにより、所望の低速走査が可能となる。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、好ましくは、第二の駆動デバイスは光ファイバーを共振振動させる。
第二の駆動デバイスは光ファイバーの保持部と第一の駆動デバイスの間に配置したので、ファイバーを高次で共振振動させることができる。よって、共振周波数を任意の高次にできるので、ファイバーをＸ方向に高い周波数で共振振動させることにより、所望の高速走査が可能となる。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、好ましくは、第一または第二の駆動デバイスは磁石または磁性体と電磁コイルにより構成されている。
駆動デバイスを磁石または磁性体と電磁コイルにより構成すると、ファイバー側には磁石または磁性体を配するだけでよいので、ファイバーの構成を単純化できる。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、好ましくは、第一または第二の駆動デバイスは光ファイバーに設けられた薄膜形状の圧電素子により構成されている。
駆動デバイスを薄膜形状の圧電素子にすると、光ファイバーに圧電素子を配すればよいだけなので、電磁コイルなどが不要であり構造が簡単になる。
また、本発明の光走査デバイスにおいては、好ましくは、第二の駆動デバイスに印加される電気信号は正弦波または三角波のような周期信号である。
第二の駆動デバイスに印加される信号を周期信号とすることにより、ラスタースキャンでＸ方向に高速走査した場合に、Ｙ方向の走査間隔が等間隔となる。
また、本発明の内視鏡は、上記した何れかの光走査デバイスを備えていることを特徴としている。
また、本発明の顕微鏡は、上記した何れかの光走査デバイスを備えていることを特徴としている。
また、本発明のプロジェクターは、上記した何れかの光走査デバイスを備えていることを特徴としている。
内視鏡や顕微鏡やプロジェクターに本発明の光走査デバイスを備えることにより、ラスタースキャンやリサージュスキャンを行う場合に光走査範囲を拡大することができる。
＜実施例１＞
次に、本発明の光走査デバイスの一実施例として第一の駆動デバイスと第二の駆動デバイスに磁力を用いた例を図１に基づいて説明する。
光走査デバイス１は、基本的には円筒形のハウジング２と、その中に収納された光ファイバー３と、第一の駆動デバイス１０及び第二の駆動デバイス２０により構成されている。円筒形のハウジング２の一端には光ファイバー３保持用の保持部４が設けられ、保持部４の中心部に光ファイバー３の一端が固定端となるように保持されている。
光ファイバー３の保持部４の反対側の自由端となる先端側には第一の駆動デバイス１０が設けられている。第一の駆動デバイス１０は光ファイバー３の外周に配設された永久磁石１１と、ハウジング２の内周に設けられた電磁コイル１２とにより構成されている。また、図示しない第一の駆動デバイス１０を制御するための制御装置が任意箇所に設けられている。なお、図示した例では光ファイバー３側を永久磁石１１とし、ハウジング２側を電磁コイル１２としたが、この組み合わせはこれに限るものではない。
また、第一の駆動デバイス１０と保持部４の間には第二の駆動デバイス２０が設けられている。第二の駆動デバイス２０は光ファイバー３の外周に配設された永久磁石２１と、ハウジング２の内周に設けられた電磁コイル２２とにより構成されている。また、図示しない第二の駆動デバイス２０を制御するための制御装置が任意箇所に設けられている。なお、図示した例では光ファイバー３側を永久磁石２１とし、ハウジング２側を電磁コイル２２としたが、この組み合わせはこれに限るものではない。
そして、光ファイバー４は第一の駆動デバイス１０によりＹ方向に振動し、また第二の駆動デバイス１２によりＸ方向に振動するようになっている。なお、永久磁石１１，２１は磁性体であってもよい。また、永久磁石１１，２１の形状は円筒形でも、あるいは四角、六角、八画などの角柱であってもよい。いずれにしても磁力により光ファイバー３がＹ方向またはＸ方向に振動すればよい。
なお、第一の駆動デバイス１０により光ファイバー３が直接振動させられる第一の方向と、第二の駆動デバイス２０により光ファイバー３が直接振動せられる第二の方向は必ずしも直交している必要はなく交差していればよい。そして、第一の駆動デバイス１０と第二の駆動デバイス２０により光ファイバー３が振動させられる方向が結果として直交するＸ方向とＹ方向の振動に分けられればよい。
光ファイバー３の先端側に設けられた第一の駆動デバイス１０により、Ｙ方向に低速走査を行うために、光ファイバー３は１次共振振動または１次共振振動よりも低い非共振振動をするようになっている。そして、そのために永久磁石１１は光ファイバー３が振動する場合に最も先端側となる節よりも先端側に位置するように設けられている。
また、光ファイバー３の保持部４と第一の駆動デバイス１０の間に設けられた第二の駆動デバイス２０により、Ｘ方向に高速走査を行うために、光ファイバー３は２次共振振動またはそれよりも高次の共振振動をするようになっている。そして、そのために永久磁石２１は光ファイバー３が振動する場合に節または腹となる位置に設けられている。ただし、節または腹と完全には一致していなくてもよい。また、共振振動の次数に応じて第二の駆動デバイス２０は複数箇所に設けることも可能である。
＜実施例２＞
次に、本発明の光走査デバイスの他例として第一の駆動デバイスと第二の駆動デバイスに薄膜形状の圧電素子を用いた例を図２に基づいて説明する。基本的には上記実施例１と同様の構成であるので、異なっている部分についてのみ説明する。
第一の駆動デバイス１０となる薄膜形状の圧電素子１３が光ファイバー３をＹ方向に振動させるように光ファイバー３の周囲に対向させて貼り付けられている。
また、第二の駆動デバイス２０となる薄膜形状の圧電素子２３が光ファイバー３をＸ方向に振動させるように光ファイバー３の周囲に対向させて貼り付けられている。
光ファイバー３の先端側に設けられた第一の駆動デバイス１０により、Ｙ方向に低速走査を行うために、光ファイバー３は１次共振振動または１次共振振動よりも低い非共振振動をするようになっている。そして、そのために圧電素子１３は光ファイバー３が振動する場合に最も先端側となる節よりも先端側に位置するように設けられている。
また、光ファイバー３の保持部４と第一の駆動デバイス１０の間に設けられた第二の駆動デバイス２０により、Ｘ方向に高速走査を行うために、光ファイバー３は２次共振振動またはそれよりも高次の共振振動をするようになっている。そして、そのために圧電素子２３は光ファイバー３が振動する場合に節または腹となる位置に設けられている。ただし、節または腹と完全には一致していなくてもよい。また、第二の駆動デバイス２０は複数箇所に設けることも可能である。
＜実施例３＞
次に、上記した本発明の光走査デバイスによりラスタースキャンやリサージュスキャンを行う方法を実施例１に示す磁力を用いた例について説明する。
基本的には必要なフレームレートとスキャンライン数により、光ファイバーの高速走査方向となるＸ方向と、低速走査方向となるＹ方向の振動周波数は決まる。そして、Ｘ方向の振動周波数がＹ方向の振動周波数の整数倍となる場合にラスタースキャンとなる。そこで、以下においてはラスタースキャンの例について説明する。
図３は高速走査方向となるＸ方向を３次共振振動周波数とし、低速走査方向となるＹ方向を１次共振振動周波数とした例である。例えば、Ｙ方向の１次共振振動周波数を２３３Ｈｚとし、Ｘ方向の３次共振振動周波数を７６００Ｈｚとする。また、Ｘ方向にスキャン間隔が等間隔となるようにするために第二の駆動デバイス２０に印加する電気信号は、正弦波や三角波のような周期信号とするのが望ましい。なお、Ｙ方向の１次共振振動数は１００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲で適宜選択できる。
光ファイバー３はＹ方向とＸ方向に図示したように振動するので、Ｙ方向へ振動させるための第一の駆動デバイス１０の永久磁石１１は先端側の節３１よりも先端側に設ける。また、Ｘ方向へ振動させるための第二の駆動デバイス２０の永久磁石２１は好ましくは先端側の腹３２と保持部４側の腹３３の間、例えばその中間となる節３４に相当する位置に設ける。あるいは、第二の駆動デバイス２０の永久磁石２１は節３４に相当する位置に加え、先端側の腹３２に相当する位置にも設けてもよい。ただし、第二の駆動デバイス２０の永久磁石２１は、保持部４と第一の駆動デバイス１０の間にあれば、必ずしも前記の位置でなくてもよい。
図４は高速走査方向となるＸ方向を２次共振振動周波数とし、低速走査方向となるＹ方向を１次共振振動周波数より低い非共振振動周波数とした例である。また、Ｘ方向にスキャン間隔が等間隔となるようにするために第二の駆動デバイス２０に印加する電気信号は、正弦波や三角波のような周期信号とするのが望ましい。なお、Ｙ方向の１次非共振振動数は１Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲で適宜選択できる。
光ファイバー３はＹ方向とＸ方向には図示したように振動することになるので、Ｙ方向へ振動させるための第一の駆動デバイス１０の永久磁石１１は節３５よりも先端側に設ける。また、Ｘ方向へ振動させるための第二の駆動デバイス２０の永久磁石２１は好ましくは、節３５と保持部４の間、例えば腹３６に相当する位置に設ける。ただし、第二の駆動デバイス２０の永久磁石２１は、保持部４と第一の駆動デバイス１０の間にあれば、必ずしも前記の位置でなくてもよい。
＜実施例４＞
本発明の光走査デバイス備えた光走査型内視鏡，光走査型顕微鏡，光走査型プロジェクターは、これらの装置において従来用いられている光走査デバイスに代え、上記した本発明の光走査デバイスをこれらの装置に備えることにより、本発明の内視鏡，顕微鏡，プロジェクターとなる。
本発明の光走査デバイスは、内視鏡，顕微鏡，プロジェクターへの適用に限定されるものではなく、ラスタースキャンやリサージュスキャンを行う光走査デバイスを使用する各種のものに使用可能である。
１ 光走査デバイス
２ ハウジング
３ 光ファイバー
４ 保持部
１０ 第一の駆動デバイス
１１ 永久磁石
１２ 電磁コイル
１３ 圧電素子
２０ 第二の駆動デバイス
２１ 永久磁石
２２ 電磁コイル
２３ 圧電素子
３１ 先端側節
３２ 先端側腹
３３ 保持部側腹
３４，３５ 節
３６ 腹
Ａ 光ファイバー
Ｂ 圧電素子
Ｃ１，Ｃ２ 磁石
Ｄ 電磁コイル

Claims (12)

  1. 光ファイバーと、前記光ファイバーを片持ち支持する保持部と、前記光ファイバーの先端側に設けられ前記光ファイバーを第一の方向に振動させる第一の駆動デバイスと、前記光ファイバーの前記保持部と前記第一の駆動デバイスの間に設けられ前記光ファイバーを前記第一の方向と交差する第二の方向に振動させる第二の駆動デバイスとを備えたことを特徴とする光走査デバイス。
  2. 前記光ファイバーが、前記第一の駆動デバイスにより振動する前記第一の方向と、前記第一の方向と交差し前記第二の駆動デバイスにより振動する前記第二の方向は、直交することを特徴とする請求項１に記載の光走査デバイス。
  3. 前記光ファイバーに対し前記第一の駆動デバイスにより前記第一の方向へ作用する振動周波数の方が、前記光ファイバーに対し前記第二の駆動デバイスにより前記第二の方向へ作用する振動周波数よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の光走査デバイス。
  4. 前記第一の駆動デバイスは、前記光ファイバーを共振振動させることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光走査デバイス。
  5. 前記第一の駆動デバイスは、前記光ファイバーを非共振振動させることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光走査デバイス。
  6. 前記第二の駆動デバイスは、前記光ファイバーを共振振動させることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の光走査デバイス。
  7. 前記第一及び（または）第二の駆動デバイスは、磁石または磁性体と電磁コイルにより構成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の光走査デバイス。
  8. 前記第一及び（または）第二の駆動デバイスは、前記光ファイバーに設けられた薄膜形状の圧電素子により構成されていることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の光走査デバイス。
  9. 前記第二の駆動デバイスに印加される電気信号は、正弦波または三角波のような周期信号であることを特徴とする請求項７または８に記載の光走査デバイス。
  10. 請求項１〜９の何れかに記載の光走査デバイスを備えたことを特徴とする内視鏡。
  11. 請求項１〜９の何れかに記載の光走査デバイスを備えたことを特徴とする顕微鏡。
  12. 請求項１〜９の何れかに記載の光走査デバイスを備えたことを特徴とするプロジェクター。
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