JP6284433B2 - 光走査型観察装置および光走査型観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバを振動させることにより照明光をリサージュ走査させ、被観察物の観察を行う光走査型観察装置および光走査型観察方法に関する。

照明用の光ファイバの先端部を揺動可能に保持し、これを振動させることによって被観察物上を照明光で走査させ、反射、散乱等された光、あるいは、被観察物上で発生する蛍光等の光を検出して画像を生成する光走査型内視鏡などの光走査型観察装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような装置では、被観察物上に照明光をスパイラル（らせん）状に走査（スパイラル走査）させ画像を取得している。

特許第５１９０２６７号明細書

スパイラル走査では１フレーム画像の取得ごとに、振幅を０から最大値へ拡大し、さらに０へ縮小するが、共振周波数近傍でファイバを励振させると、ファイバの振動中心への減衰が遅くなるので、フレームレートを上げようとすると画像の中心部に歪みや中抜けが生じる。そこで、スパイラル走査に代えて、ファイバの先端をリサージュパターンで駆動し、被観察物上に照明光をリサージュ走査することにより画像観察をすることが考えられる。

リサージュ走査とは、周波数の異なる第１の方向（例えば、Ｘ方向）の単振動と、第１の方向に直交する第２の方向（例えば、Ｙ方向）の単振動とを組み合わせて得られる波形である。第１の方向の周波数と第２の方向の周波数とは、整数比となっている。リサージュ走査の駆動波形は、次のように数式で表すことができる。

Ｘ＝Ａ_ｘｓｉｎ（２πｆ_ｘｔ）
Ｙ＝Ａ_ｙｓｉｎ（２πｆ_ｙｔ）
このとき、フレームレートｆｐｓは、例えば、以下の式を満足する（ｎは整数）。
ｆ_ｘ＝（ｎ＋１）×ｆｐｓ
ｆ_ｙ＝ｎ×ｆｐｓ
（上記は、ｆ_ｘ＞ｆ_ｙの場合だが、ｆ_ｘ＜ｆ_ｙとしても良い。）

図１９にリサージュ走査波形の一例を示す。図１９は例示のため走査軌跡のメッシュが粗くなっているが、画像観察に用いる場合は、走査領域をより細かく細分化する波形、すなわちｎを大きい整数とした波形を用いる。リサージュパターンで走査することによって、振幅を時間変調しないため、スパイラル走査で見られたような画面中心部の中抜けや歪みは生じず、画面中心までの走査が可能になる。

しかしながら、ファイバの先端部をエネルギー効率の高い共振周波数の近傍で走査させると、ファイバの駆動部に印加する駆動電気信号波形に対し、ファイバ先端部の振動波形には位相遅れが生じる。この位相の遅れは、ファイバの駆動周波数が共振周波数に近づくほど大きくなる。図２０は、駆動電気信号とファイバ先端部の軌跡の位相のずれを説明する図であり、図２０（ａ）は駆動電気波形、図２０（ｂ）はファイバ先端の軌跡を示す。ファイバを用いた光走査型観察装置では、照明光の走査位置を駆動信号の振幅および位相から算出してルックアップテーブルに記憶し、被観察物から得られる信号をルックアップテーブルの位置情報に基づいて配置して画像を形成するので、駆動電気信号とファイバ先端部位相ずれは表示画像のずれと歪みをもたらす。

図２１は、位相ずれによる走査パターンの歪みを説明する図である。リサージュパターンの波形は、理想的な波形から変形し、走査パターンの歪みは、図２２（ａ）の被写体画像を観察した時に、図２２（ｂ）の表示画像に示すような画像の歪みとなって観察される。さらに、図２１から分かるように、Ｘ方向とＹ方向との位相ずれの量の差によって、理想的なリサージュ走査に比べて走査曲線の疎な領域が生じる。このため、画像に歪みが生じるだけではなく、光走査型観察装置の解像力が低下する。このような解像力の低下は、仮にルックアップテーブルに記憶される走査位置の情報を補正したとしても、防ぐことはできない。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、解像力の低下を伴わずに被観察物を観察することができる光走査型観察装置および光走査型観察方法を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る光走査型観察装置の発明は、
光源からの光を導光する、先端部が揺動部可能に支持されたファイバと、
前記ファイバの先端部を、第１の方向に第１の周波数で振動させるとともに、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で振動させることにより、前記ファイバの先端部をリサージュ走査パターンで駆動させる駆動部と、
前記ファイバの先端部から射出された光を被観察物に向けて照射する光学系と、
前記光の照射により前記被観察物から得られた光を検出し、電気信号に変換する光検出部と、
前記光検出部により出力された前記電気信号に基づいて画像を生成する画像処理部と、
前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記駆動部による前記ファイバ先端部の駆動波形と、前記ファイバ先端部の振動波形との位相ずれを補正するように、前記駆動部の駆動波形の位相を調整する位相調整部とを備え、
前記ファイバの先端部の共振周波数およびＱ値に基づいて、前記ファイバ先端部の駆動波形と振動波形との位相ずれを判定するように構成されたことを特徴とするものである。

上記目的を達成する請求項１に係る光走査型観察装置の発明は、
光源からの光を導光する、先端部が揺動部可能に支持されたファイバと、
前記ファイバの先端部を、第１の方向に第１の周波数で振動させるとともに、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で振動させることにより、前記ファイバの先端部をリサージュ走査パターンで駆動させる駆動部と、
前記ファイバの先端部から射出された光を被観察物に向けて照射する光学系と、
前記光の照射により前記被観察物から得られた光を検出し、電気信号に変換する光検出部と、
前記光検出部により出力された前記電気信号に基づいて画像を生成する画像処理部と、
前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記駆動部による前記ファイバ先端部の駆動波形と、前記ファイバ先端部の振動波形との位相ずれを補正するように、前記駆動部の駆動波形の位相を調整する位相調整部とを備え、
前記駆動部は、前記光ファイバの先端部の共振周波数をｆｃ、Ｑ値をＱとするとき、前記ファイバの先端部を、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方向に、
ｆｃ｛１−１／（２Ｑ）｝＜ｆ＜ｆｃ｛１＋１／（２Ｑ）｝
を満たす周波数ｆで駆動するように構成されることを特徴とするものである。

前記位相調整部は、前記画像処理部が生成する画像の歪みを最小化するように、前記駆動波形の位相を調整することが好ましい。

あるいは、前記画像処理部が生成した画像を表示する表示部と、前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記位相調整部により調整される位相の調整量の入力を受けるように構成された入力部とを備えるように構成されていることが好ましい。

または、前記位相調整部は、前記被観察物の観察位置に配置された所定の解像力チャートにより前記画像処理部が生成する画像の該解像力を最大化するように決定された前記駆動波形の位相により、前記駆動部の駆動波形の位相を調整しても良い。

その場合、光走査型観察装置は、前記ファイバの共振周波数およびＱ値を測定する測定部を備えるように構成することができる。

さらに、前記測定部は、前記駆動部の電気回路のインピーダンス測定により、前記ファイバの共振周波数およびＱ値を測定するようにすることができる。

上記目的を達成する光走査型観察方法の発明は、
ファイバの先端部を、第１の方向に第１の周波数で振動させるとともに、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で振動させることにより、前記ファイバの先端部をリサージュ走査パターンで駆動させ、前記ファイバの先端部から射出された光を被観察物に向けて照射し、前記光の照射により前記被観察物から得られた光を検出し、電気信号に変換し、前記光検出部により出力された前記電気信号に基づいて画像を生成する光走査型観察方法であって、
前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記駆動部による前記ファイバ先端部の駆動波形と振動波形との位相ずれを補正するように、前記駆動部の駆動波形の位相を調整するステップと、
前記ファイバの先端部の共振周波数およびＱ値に基づいて、前記ファイバ先端部の駆動波形と振動波形との位相ずれを判定するステップと、
前記位相が調整された駆動波形により前記ファイバ先端部を振動させて画像観察を行うステップと
を備えることを特徴とするものである。

上記目的を達成する光走査型観察方法の発明は、
ファイバの先端部を、第１の方向に第１の周波数で振動させるとともに、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で振動させることにより、前記ファイバの先端部をリサージュ走査パターンで駆動させ、前記ファイバの先端部から射出された光を被観察物に向けて照射し、前記光の照射により前記被観察物から得られた光を検出し、電気信号に変換し、前記光検出部により出力された前記電気信号に基づいて画像を生成する光走査型観察方法であって、
前記駆動は、前記光ファイバの先端部の共振周波数をｆｃ、Ｑ値をＱとするとき、前記ファイバの先端部を、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方向に、
ｆｃ｛１−１／（２Ｑ）｝＜ｆ＜ｆｃ｛１＋１／（２Ｑ）｝
を満たす周波数ｆで駆動し、
前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記駆動部による前記ファイバ先端部の駆動波形と振動波形との位相ずれを補正するように、前記駆動部の駆動波形の位相を調整するステップと、
前記位相が調整された駆動波形により前記ファイバ先端部を振動させて画像観察を行うステップと
を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、第１の方向および第２の方向の双方または何れか一方について、駆動部によるファイバ先端部の駆動波形と、ファイバ先端部の振動波形との位相ずれを補正するように、駆動部の駆動波形の位相を調整するようにしたので、解像力の低下を伴わずに被観察物を観察することができる。

第１実施の形態に係るファイバ光走査型内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の光走査型内視鏡装置のスコープを概略的に示す外観図である。 図２のスコープの先端部の断面図である。 図１の光走査型内視鏡装置の駆動部の振動駆動機構を説明する図であり、図４（ａ）は、駆動部と照明用光ファイバの揺動部を示す側面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 第１実施の形態における画像観察の手順を示すフローチャートである。 位相ずれを調整した駆動信号波形を示す図であり、図６（ａ）はＸ方向の駆動信号、図６（ｂ）はＹ方向の駆動信号を示している。 位相ずれの調整による画像ずれの補正を説明する図である。 第１変形例に係る補正用チャートの一例を示す図である。 第２変形例に係る解像力チャートの一例を示す図である。 第２実施の形態における画像観察の手順を示すフローチャートである。 共振周波数およびＱ値を検出する方法を説明する図である。 光ファイバの周波数とファイバの位相遅れの関係を示す図である。 光ファイバの周波数と振幅との関係を説明する図である。 第３実施の形態に係る光走査型内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。 図１４の駆動制御／共振周波数検出部の概略構成を示すブロック図である。 第４実施の形態に係る光走査型内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。 図１６の遮光部の一例を示す図である。 図１７の遮光部を用いた場合に取得される位相補正前の画像の一例を示す図である。 リサージュ走査波形の一例を示す図である。 駆動電気信号とファイバ先端の軌跡の位相のずれを説明する図であり、図２０（ａ）は駆動電気波形、図２０（ｂ）はファイバ先端の軌跡を示す。 位相ずれによる走査パターンの歪みを説明する図である。 位相ずれによる表示画像のずれおよびひずみを示す図であり、図２２（ａ）は被写体を、図２２（ｂ）は表示画像を示す。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に係る光走査型観察装置の一例である光走査型内視鏡装置１０の概略構成を示すブロック図である。光走査型内視鏡装置１０は、スコープ２０と、制御装置本体３０とディスプレイ４０、入力部４１とによって構成されている。

制御装置本体３０は、光走査型内視鏡装置１０全体を制御する制御部３１、発光タイミング制御部３２、レーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂ、および結合器３４を含んで構成される。発光タイミング制御部３２は、制御部３１の制御の下で、赤、緑および青の三原色のレーザ光を射出する３つのレーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂの発光タイミングを制御する。レーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂとしては、例えばＤＰＳＳレーザ（半導体励起固体レーザ）やレーザダイオードを使用することができる。レーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂから射出されたレーザ光は、結合器３４により合波され、白色の照明光としてシングルモードファイバである照明用光ファイバ１１（光ファイバ）に入射される。もちろん、光走査型内視鏡装置１０の光源の構成はこれに限られず、一つのレーザ光源を用いるものであっても、他の複数の光源を用いるものであっても良い。また、レーザ３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂおよび結合器３４は、制御装置本体３０とは別の筐体に収納されていても良い。

照明用光ファイバ１１は、スコープ２０の先端部まで繋がっており、結合器３４から照明用光ファイバ１１に入射した光は、スコープ２０の先端部まで導光され被観察物１００に向けて照射される。その際、駆動部２１（アクチュエータ）が振動駆動されることによって、照明用光ファイバ１１を出射した照明光は、被観察物１００の観察表面上を２次元走査することができる。この駆動部２１は、後述する制御装置本体３０の駆動制御部３８によって制御されている。照明光の照射により被観察物１００から得られる反射光、散乱光、蛍光などの物体光は、マルチモードファイバにより構成される複数の検出用光ファイバ１２の先端で受光して、スコープ２０内を通り制御装置本体３０まで導光される。なお、以下において、照明用光ファイバ１１の先端部の光軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する方向をＸ方向（第１の方向）およびＹ方向（第２の方向）としており、Ｘ方向とＹ方向とはファイバ先端部の駆動方向である。

制御装置本体３０は、物体光を処理するための光検出器３５、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）３６および画像処理部３７をさらに備える。光検出器３５は、検出用光ファイバ１２を通って来た物体光をスペクトル成分に分解し、フォトダイオード等により、それぞれのスペクトル成分を電気信号に変換する。ＡＤＣ３６はアナログ電気信号に変換された画像信号をデジタル信号に変換し、画像処理部３７に出力する。制御部３１は、後述する位相調整部３９を介して、駆動制御部３８によるＸ方向およびＹ方向の駆動電気信号のオン・オフ、周波数、振幅、位相等を制御する。さらに制御部３１は、リサージュ走査による時系列的な査位置情報を算出し、画像処理部３７に受け渡す。あるいは、制御部３１は時系列的な位置情報を、ルックアップテーブルとして予め格納しておいても良い。画像処理部３７は、ＡＤＣ３６から出力されたデジタル信号から、当該走査位置ごとの被観察物１００の画素データを得る。さらに、画像処理部３７は、走査位置と画素データの情報を順次図示しないメモリに記憶し、走査終了後または走査中に補間処理等の必要な処理を行って被観察物１００の画像を生成し、ディスプレイ４０に表示する。

上記の各処理において、制御部３１は、発光タイミング制御部３２、光検出器３５、駆動制御部３８（位相調整部３９を介して）、および、画像処理部３７を同期制御する。

また、制御装置本体３０は、駆動制御部３８、位相調整部３９および入力部４１をさらに備える。駆動制御部３８は、Ｘ方向およびＹ方向の２つの方向について振動電圧を発生させる発信器を備える。また、位相調整部３９は、制御部３１から受信する駆動電圧の位相を同期させるためのタイミング信号を時間的にずらして、駆動電気信号の位相を変化させることができる。位相調整部３９と制御部３１は、制御装置本体３０のＣＰＵで実行される。図１では、制御部３０と位相調整部３９とを分けているが、これらは、制御装置本体３０内で同一のプログラムにより実行されても良い。入力部４１は、制御装置本体３０に接続されたキーボードやマウスなどの入力装置であり、光走査型内視鏡装置１０の使用者は、入力部４１から照明光の強度や画像の拡大、画像の保存、編集等種々の操作を行うことができる。また、制御部３１は、入力部４１から表示中の画像の位相変更操作の入力を受け、これに基づいて、位相変調部３９の位相変化量を設定することができる。

図２は、スコープ２０を概略的に示す概観図である。スコープ２０は、操作部２２および挿入部２３を備える。操作部２２には、制御装置本体３０からの照明用光ファイバ１１、検出用光ファイバ１２、および、配線ケーブル１３が、それぞれ接続されている。これら照明用光ファイバ１１、検出用光ファイバ１２および配線ケーブル１３は挿入部２３内部を通り、挿入部２３の先端部２４（図２における破線部内の部分）まで導かれている。

図３は、図２のスコープ２０の挿入部２３の先端部２４を拡大して示す断面図である。先端部２４は、駆動部２１、照明レンズ２５ａ，２５ｂ、中心部を通る照明用光ファイバ１１および外周部を通る検出用光ファイバ１２を含んで構成される。

駆動部２１は、取付環２６によりスコープ２０の挿入部２３の先端部２４の内部に固定されたアクチュエータ管２７、並びに、アクチュエータ管２７内に配置されるファイバ保持部材２９および圧電素子２８ａ〜２８ｄ（図４（ａ）および（ｂ）参照）を含んで構成される。照明用光ファイバ１１は、ファイバ保持部材２９で支持されるとともにファイバ保持部材２９で支持された固定端１１ａから出射端１１ｃまでが、揺動可能に支持された揺動部１１ｂ（ファイバ１１の先端部）となっている。一方、検出用光ファイバ１２は挿入部２３の外周部を通るように配置され、先端部２４の先端まで延びている。さらに、検出用光ファイバ１２の各ファイバの先端部１２ａには図示しない検出用レンズを備える。

照明レンズ２５ａ，２５ｂは、照明用光ファイバ１１の出射端１１ｃから射出されたレーザ光を、被観察物１００に向けて照射する光学系を構成し、レーザ光を被観察物１００上に集光するように配置されている。照明レンズ２５ａ，２５ｂは、２枚構成に限られず、１枚または３枚以上のレンズにより構成しても良い。

検出用レンズ（図示せず）は、被観察物１００上に集光されたレーザ光が、被観察物１００により反射、散乱、屈折等をした光、または、照明光の照射により発生した蛍光等を物体光として取り込み、検出用レンズの後に配置された検出用光ファイバ１２の入射端に集光、結合させるように配置される。

図４は、図１の光走査型内視鏡装置１０の駆動部２１の振動駆動機構を説明する図であり、図４（ａ）は、駆動部と照明用光ファイバの揺動部を示す側面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。照明用光ファイバ１１は角柱状の形状を有するファイバ保持部材２９の中央を貫通し、これによってファイバ保持部材２９によって保持される。ファイバ保持部材２９の４つの側面は、それぞれ＋Ｙ方向および＋Ｘ方向並びにこれらの反対方向の−Ｙ方向および−Ｘ方向に向いている。そして、ファイバ保持部材２９の＋Ｙ方向および−Ｙ方向には、Ｙ方向駆動用の一対の圧電素子２８ａ、２８ｃが固定され、＋Ｘ方向および−Ｘ方向には、Ｘ方向駆動用の一対の圧電素子２８ｂ、２８ｄが固定される。

各圧電素子２８ａ〜２８ｄは、制御装置本体３０の駆動制御部３８からの配線ケーブル１３が接続される。Ｘ方向の圧電素子２８ｂと２８ｄとの間には常に正負が反対で大きさの等しい電圧が印加され、同様に、Ｙ方向の圧電素子２８ａと２８ｃとの間にも常に反対方向で大きさの等しい電圧が印加される。ファイバ保持部材２９を挟んで対向配置された圧電素子２８ｂ、２８ｄが、互いに一方が伸びるとき他方が縮むことによって、ファイバ保持部材２９に撓みを生じさせ、これを繰り返すことによりＸ方向の振動を生ぜしめる。Ｙ方向の振動についても同様である。

駆動制御部３８は、Ｘ方向駆動用の圧電素子２８ｂ、２８ｄとＹ方向駆動用の圧電素子２８ａ、２８ｃとに、異なる周波数ｆ_ｘ，ｆ_ｙの振動電圧を印加し振動駆動させる。ここで、ｆ_ｘは第１の周波数、ｆ_ｙは第２の周波数である。これによって、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂが振動し、それに伴い出射端１１ｃが走査される。しかし、周波数ｆ_ｘ，ｆ_ｙが照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂの共振周波数ｆｃに近い場合、特に、照明用光ファイバ１１の振動のＱ値をＱとするとき、ｆ_ｘおよびｆ_ｙの少なくとも何れか一方が、
ｆｃ｛１−１／（２Ｑ）｝＜ｆ＜ｆｃ｛１＋１／（２Ｑ）｝
を満たす周波数ｆの範囲内にあるとき、出射端１１ｃの振動に圧電素子２８ａ〜２８ｄの駆動波形から位相遅れが大きくなるため、そのままでは、得られる被観察物１００の画像は、ずれや歪みが大きい粗い画像となる。

次に、本実施の形態に係る光走査型内視鏡装置の位相ずれの調整方法について説明する。図５は、第１実施の形態における画像観察の手順を示すフローチャートである。まず、光走査型内視鏡装置１０の使用者により、被観察物として観察視野内で変化のある画像を選択して、被観察物を表示させる（ステップＳ０１）。このとき、制御部３１は位相調整部３９を介して駆動制御部３８を駆動して、リサージュ走査のための振動電圧を駆動部２１に印加させ、照明光を被観察物上で走査させる。被観察物１００の照射により得られた光は、画像処理部３７で処理されてディスプレイ４０に画像として表示される。このとき、位相調整部３９は、位相の調整を行わず、Ｘ方向およびＹ方向の駆動信号は、次の数式で表すことができる。

Ｘ＝Ａ_ｘｓｉｎ（２πｆ_ｘｔ）
Ｙ＝Ａ_ｙｓｉｎ（２πｆ_ｙｔ）
ここで、フレームレートｆｐｓは、例えば、以下の式を満足する（ｎは整数）。
ｆ_ｘ＝（ｎ＋１）×ｆｐｓ
ｆ_ｙ＝ｎ×ｆｐｓ

次に、使用者は、ディスプレイ４０に表示される画像を見ながら、Ｘ方向の位相調整を行う（ステップＳ０２）。位相調整は、入力部４１により行うことができる。例えば、使用者はキーボードの矢印キーにより、Ｘ方向の位相θ_ｘの加減を行う。θ_ｘは制御部３１を介して位相調整部３９に入力される。位相調整部３９は、θ_ｘを保持し制御部３１からの受信するタイミング信号の位相をθ_ｘずらして、駆動制御部３８に送信する。これによって、駆動制御部３８が発生するＸ方向の駆動信号は、次のように変化する。
Ｘ＝Ａ_ｘｓｉｎ（２πｆ_ｘｔ＋θ_ｘ）

このときのＸ方向の駆動電気信号は図６（ａ）のようになる。θ_ｘを、駆動電気信号とファイバの走査波形との位相ずれを打ち消すように選択することによって、観察の各時点において、制御部３１の有するリサージュ走査パターンの照明光が照射されるＸ方向の位置情報と、実際に照明光が照射される位置とが一致する。

次に、使用者は、ディスプレイ４０に表示される画像を見ながら、ステップＳ０２のＸ方向の調整と同様に、Ｙ方向の位相調整を行う（ステップＳ０３）。これによって、駆動制御部３８が発生するＹ方向の駆動信号は、次のように変化する。
Ｙ＝Ａ_ｙｓｉｎ（２πｆ_ｙｔ＋θ_ｙ）
このときの駆動電気信号は、図６（ｂ）に示されるようになる。

以上のステップＳ０１〜Ｓ０３により、Ｘ方向およびＹ方向の位相調整量θ_ｘ，θ_ｙが決定され位相調整部３９に格納されるので、以降の観察では、駆動制御部３８は位相調整量θ_ｘ，θ_ｙだけ位相をずらした、駆動電気信号により駆動部２１を駆動して、照明用光ファイバ１１の出射端１１ｃをリサージュ走査させることができる。

なお、リサージュ走査の場合は、このように画像を確認しながらの位相の調整が容易である。図７は位相ずれの調整による画像ずれの補正を説明する図である。この例では、フレームレートを１５ｆｐｓ、ｆ_ｘ＝７５４５Ｈｚ、ｆ_ｙ＝７５３０Ｈｚ、Ｘ方向の共振周波数を７５３０Ｈｚ（＜ｆ_ｘ）、Ｙ方向の共振周波数を７５１０Ｈｚ（＜ｆ_ｙ）としている。図７（ａ）は、被観察物としての被写体のパターンを示す図である。このような被観察物を位相の調整無しでリサージュ走査により観察すると、図７（ｂ）のような画像が取得される。画像の変形は、上下方向および／または左右方向の画像のずれと、対角線方向の画像のずれとして現れる。次に、図７（ｃ）は、Ｘ方向の位相のずれを調整したものである。Ｘ位相の調整により上下方向のずれのみが残っている。さらに、Ｙ方向の位相を調整することにより、ずれや歪みのない観察画像図７（ｄ）を得ることができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、入力部４１および位相調整部３９を設けて、駆動制御部３８の生成する駆動電気信号の波形と、照明用光ファイバ１１の出射端１１ｃの振動波形との間に生じる位相ずれを補正するように、駆動制御部３８の生成する駆動波形の位相をずらすようにしたので、照明用光ファイバ１１の出射端１１ｃは、位相が調整された理想的なリサージュパターンで走査され、ずれや歪みのない観察画像を得ることができることに加え、走査パターンに粗密が生じず観察画像の解像力の低下も発生しない。

さらに、本実施の形態によれば、各時点の走査位置を検出するためにＰＳＤ（位置検出素子）のような位置検出素子を用いる必要がなく、経時的な走査波形の変化に対して、簡単に補正をすることができる。さらに、走査周期中の各走査時点の走査位置情報を格納するために、大容量のメモリを保持する必要もない。

なお、上記位相調整量θ_ｘ，θ_ｙは、光走査型内視鏡装置１０の使用者が画像を見ながら入力するものとしたが、位相調整量θ_ｘ，θ_ｙは光走査型内視鏡装置１０がシステム的に判定するようにすることもできる。例えば、画像処理部３７の生成する画像の上下、左右方向に生じるずれ画像を識別して、それらが重なり合うように制御部３１が位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを選択するようにすることも可能である。

また、上記実施の形態では、Ｘ方向とＹ方向の双方について、位相ずれの補正を行うものとしたが、例えば、一方の方向の駆動周波数が共振周波数に近く、他方の方向の駆動周波数が共振周波数から遠い場合には、後者の方では駆動信号と実際のファイバ先端部の振動波形との間に生じる位相ずれは小さい。このため、位相ずれの補正は共振周波数に近い方の駆動電気信号に対してのみ行えば良い。

（第１変形例）
位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを求めるために、被観察物１００に代えて、専用の補正用チャートを用意して位相の調整を行うこともできる。図８は補正用チャートの一例を示すものである。この補正用チャートは、間隔の等しい格子線により構成されている。使用者が、補正用チャート観察時の画像が格子状となるように、位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを調整する。あるいは、格子線と画像処理部３７が生成する観察画像とのずれまたは歪みを数値化し、制御部３１によりその歪みまたはずれ量を最小化するように位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを決定することもできる。

（第２変形例）
位相ずれを最小化するように位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを選ぶと、リサージュ走査の解像力が最も高くなることから、被観察物１００に代えて図９に示すような解像力チャートを用いて、Ｘ方向およびＹ方向の解像力を測定し、解像力が最も高くなるようにθ_ｘ，θ_ｙを選択することもできる。図の解像力チャートは、それぞれ幅および間隔の異なる白黒のストライプが複数並んでおり、これを横断する方向に観察した時に、各ストライプを分解できるか否かによって、どのレベルの解像力があるかを判断するものである。所定の解像力チャートに対して、制御部３１に組み込まれたプログラムにより解像力を測定しながら自動的に位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを決定させることも可能である。

（第２実施の形態）
第１実施の形態では、共振周波数近傍でのリサージュ走査により生じる位相のずれを、取得した信号光により形成される画像のずれや歪みを補正するように、位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを決定した。しかし、駆動電気信号に対する照明用光ファイバ１１の位相ずれは、周波数に対する照明用光ファイバ１１の振幅変化を測定し、共振周波数およびＱ値を測定することによっても算出することができる。そこで、第１実施の形態と同様の構成の光走査型内視鏡装置１０を用いて、これら共振周波数とＱ値を測定する方法を説明する。図１０は、第２実施の形態における画像観察の手順を示すフローチャートである。

まず、スコープ２０の先端部の照明光が集光する平面に、ＰＳＤ（位置検出素子）を配置する。これによって、照明用光ファイバ１１の走査位置を検出することができる。この状態で、レーザ３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂの何れかを発振させ、駆動周波数を順次変化させながら圧電素子２８ｂ，２８ｄを振動させ、Ｘ方向について照明用光ファイバ１１の出射端１１ｃの振幅変化の計測を行う（ステップＳ１１）。

次に、照明用ファイバ１１の揺動部１１ｂのＸ方向の共振周波数およびＱ値を算出する（ステップＳ１２）。図１１は、縦軸にファイバ振幅の最大値を１００（％）としたときのファイバの振幅比を、横軸に駆動周波数をそれぞれとってプロットした振動の周波数特性を示すグラフである。このグラフ上で、共振周波数ｆ_０は、ファイバの振幅比のピークを与える駆動周波数として得られる。また、Ｑ値は共振周波数ｆ_０の低周波数側および高周波数側で、それぞれ、ファイバの振幅比が約７０．７％（＝１／√２×１００）となる駆動周波数ｆ_１、ｆ_２から、

により算出することができる。

ステップＳ１２の後、上記のＸ方向と同様に、Ｙ方向についても共振周波数近傍における、駆動周波数に対する振幅の変化を測定し（ステップＳ１３）、共振周波数およびＱ値を算出する（ステップＳ１４）。

ここで、ファイバの共振周波数およびQ値は、照明用光ファイバ１１の出射端１１ｃの振動軌道に大きな影響を与えることが知られている。そこで、算出された共振周波数およびＱ値に基づいて、駆動部２１の圧電素子２８ａ〜２８ｄに印加する駆動電圧、駆動周波数、位相を変化させて、照明用光ファイバ１１の出射端１１ｃの振動軌跡を所定の軌道となるように調整することができる。以下、その原理について説明する。

図１２は、光ファイバの周波数とファイバの位相遅れの関係を示す図である。また、図１３は、光ファイバの周波数と振幅との関係を説明する図である。これらのグラフは、波動工学の分野で一般に公知のものである。図１２では、異なるζごとに複数のグラフが描かれている。ここで、ζはファイバ振動の減衰比であり、Ｑ値とは

の関係が有る。一般にファイバの振動のＱ値は、Ｑ＝５０〜３００程度と非常に大きい値となる。図１２から、駆動部２１に振動駆動電流を印加すると、ファイバは位相が遅れて振動するが、その位相遅れ量は共振周波数の近傍で急激に変化する。そして、Ｑ値が大きいほどその変化は急峻となる。また、図１３によれば、ファイバの振幅は共振周波数の近傍で急激に増大し、Ｑ値が大きいほど、そのピーク値が大きくなることがわかる。

したがって、制御部３１は、算出したＸ方向およびＹ方向の共振周波数、Ｑ値から、照明用光ファイバ１１のＸ方向およびＹ方向の位相遅れを算出し、これらに対応する位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを位相調整部３９に格納する（ステップＳ１５）。そして、ＰＳＤをスコープ２０の先端から外した後、このようにして算出された位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを用いて、目的とする被観察物１００の観察を行うことができる（ステップＳ１６）。

本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、照明用光ファイバ１１の出射端１１ｃは、位相が調整された理想的なリサージュパターンで走査され、ずれや歪みのない観察画像を得ることができることに加え、走査パターンに粗密が生じず観察画像の解像力の低下も発生しないという効果が得られる。また、本実施の形態では、人による調整を介在させることなく、光走査型内視鏡装置１０の装置によってシステム的に位相調整量θ_ｘ，θ_ｙの値を決定することができる。

（第３実施の形態）
図１４は、第３実施の形態に係る光走査型内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。第３実施の形態に係る光走査型内視鏡装置は、第１実施の形態に係る光走査型内視鏡装置において、駆動制御部３８に代えて、駆動制御／共振周波数検出部３８Ａを設けている。駆動制御／共振周波数検出部３８Ａは、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂの共振周波数およびＱ値を測定することができる測定部としても機能する。

図１５は、駆動制御／共振周波数検出部３８Ａの概略構成を示すブロック図である。駆動制御／共振周波数検出部３８Ａは、駆動部２１の圧電素子２８ａ〜２８ｄを駆動するために、ＤＤＳ（デジタル直接合成発信器）５１ｘ、５１ｙ、ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）５２ｘ、５２ｙ、増幅器５３ｘ、５３ｙを備える。ＤＤＳ５１ｘとＤＤＳ５１ｙとは、それぞれ制御部３１からの制御信号を受信して、デジタル駆動信号波形を生成する。この信号は、ＤＡＣ５２ｘ，５２ｙによりアナログ信号に変換され、増幅器５３ｘ、５３ｙで増幅され、配線ケーブル１３を介してスコープ２０の先端部２４に位置する圧電素子２８ａ〜２８ｄを駆動する。これらの構成要素は、第１実施の形態の駆動制御部３８とほぼ同様である。

駆動制御／共振周波数検出部３８Ａは、上記各構成要素に加え、照明用光ファイバ１１の揺動部１１ｂの共振周波数を検出する共振周波数検出機構を有する。共振周波数検出機構は、図１５に示すように、増幅器５３ｘから圧電素子２８ｂ、２８に向かう回路上に設けられた電流検出回路５５ｘおよび電圧検出回路５６ｘと、これらによりそれぞれ検出された電流信号および電圧信号をデジタル信号に変換する、ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換器）５７、５８と、２つのＡＤＣ５７およびＡＤＣ５８の出力信号の位相差からＸ方向の振動の共振周波数を検出する共振周波数検出部５９により構成されている。なお、Ｙ方向の振動の共振周波数を検出するために、同様に電流検出回路５５ｙ、電圧検出回路５６ｙが設けられ、これらの出力もＡＤＣ（図示せず）を介して共振周波数検出部５９に入力されるように構成されている。

共振周波数を検出する場合は、制御部３１が駆動制御部３８ＡのＤＤＳ５１ｘの駆動電気信号の周波数を徐々に増加させながら駆動する。駆動電気信号の周波数が増加する間、電流検出回路５５ｘおよび電圧検出回路５６ｘによりそれぞれ検出される電流信号及び電圧信号は、共振周波数検出部５９によりモニターされる。共振周波数検出部５９は、周波数ごとの電流信号および電圧信号の位相のズレによりインピーダンスを測定することにより、公知の方法によりＸ方向の共振周波数およびＱ値を検出することができる。また、同様にＹ方向の共振周波数およびＱ値も検出することができる。

一方、ファイバの位相遅れおよび振幅比は、前出の図１２、図１３のグラフに示されるように、共振周波数、Ｑ値から理論的に算出することができる。そこで、制御部３１は、算出したＸ方向およびＹ方向の共振周波数およびＱ値から、照明用光ファイバ１１の位相遅れを算出し位相調整部３９に格納する。また、制御部３１は、算出した振幅比に基づいて、必要に応じてＸ方向とＹ方向に与える振幅を調整する。

以上のように、本実施の形態によれば、駆動制御／共振周波数検出部３８Ａを設けたことにより、照明光の照射を行わなくとも、回路により位相調整量を算出することができる。したがって、本実施の形態によれば、照明用光ファイバ１１の共振周波数やＱ値が変化した場合でも、必要に応じてリアルタイムに位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを調整することができる。したがって、本実施の形態によれば、ずれや歪み、解像力の低下のない観察画像が得られることに加え、リサージュ走査の位相ずれの調整が容易であり、より利便性の高い光走査型内視鏡装置１０を提供することができる。さらに、第２実施の形態のように、ＰＳＤを装着して測定を行う必要もないという利点もある。

（第４実施の形態）
図１６は、第４実施の形態に係る光走査型内視鏡装置の概略構成を示すブロック図である。この光走査型内視鏡装置では、第１実施の形態に係る光走査型内視鏡装置において、光源として赤外光を発振するレーザ３３ＩＲを追加している。レーザ３３ＩＲは、他のレーザ３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂと同様に、発光タイミング制御部３２により制御され、また出力光は結合器３４により照明用光ファイバ１１に入射される。

また、スコープ２０先端に配置された照明レンズ２５の被観察物１００側の表面には、遮光部６０が設けられている。図１７は、この遮光部６０を示す図である。遮光部６０は、レーザＩＲの射出する近赤外光のみを遮光し、可視光を透過する特性を有している。図１７に示すように、照明レンズ２５はリサージュ走査される矩形の領域内に、中央の円形部分を除く領域を遮光するように配置されている。なお、遮光部の形状はこれに限られず、種々の形状とすることが可能である。

さらに、光検出器３５は、レーザ３３ＩＲの波長の光を他のレーザ３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂからの光から分離するように構成されるとともに、分離された近赤外光を検出するため、レーザ３３ＩＲの波長に対応した検出器を有する。

本実施の形態では、位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを検出するために、以下の手順を実行する。
まず、近赤外線光源のレーザ３３ＩＲを発振させ、近赤外光線のみによる画像を取得し、ディスプレイ４０に表示させる。表示される画像のうち、遮光部６０に該当する部分は、近赤外光が透過しないので、図１８に示すように遮光部の影となる。この遮光部６０により遮光された部分の表示画像を、遮光部６０の形状と同じように円形の透過領域を有するように、Ｘ方向およびＹ方向の位相を調整する。位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを決定する方法は、第１実施の形態と同様であり、使用者が画像を見ながら調整しても、光走査型内視鏡装置１０が自動的に調整するようにしても良い。

光走査型内視鏡装置１０は、このようにして決定した位相調整量θ_ｘ，θ_ｙを位相調整部３９に格納し、被観察物１００の画像観察をする際は、これらの位相調整量θ_ｘ，θ_ｙに従って、駆動部２１の駆動電気信号の位相をずらし、レーザ３３ＩＲ以外のレーザ３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂを用いて、被観察物１００を照射して画像を取得する。

さらに、本実施の形態によれば、位相補正用のレーザ３３ＩＲと画像観察用のレーザ３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂとで異なる光源を用いているので、画像観察を行いながら、必要に応じてレーザ３３ＩＲを点灯させて、位相ずれの補正を行うことが可能になる。したがって、リサージュ走査の位相の補正をより柔軟に行うことが可能になる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、本発明の光走査型観察装置は、光走査型内視鏡装置に限られず、光走査型顕微鏡などにも適用することが可能である。駆動部は圧電素子を用いたものに限られず、永久磁石と電磁コイルとを用いた電磁的駆動手段を用いることもできる。また、駆動部によるファイバ先端部のX方向およびY方向の駆動周波数は、ファイバ先端部の共振周波数より高くても低くても良い。あるいは、一方の方向は共振周波数よりも高く、他方の方向は共振周波数より低い駆動周波数で駆動されても良い。さらに、本願においてリサージュ走査は、直交する２方向の駆動周波数が異なる走査方法を意味する。したがって、本発明は一方向について共振周波数に近い周波数で走査し、他の方向については共振周波数よりもかなり小さい周波数で振動させるラスター走査にも適用することが可能である。

１０ 光走査型内視鏡装置
１１ 照明用光ファイバ
１１ａ 固定端
１１ｂ 揺動部
１１ｃ 出射端
１２ 検出用光ファイバ
１３ 配線ケーブル
２０ スコープ
２１ 駆動部
２２ 操作部
２３ 挿入部
２４ 先端部
２５，２５ａ，２５ｂ 照明レンズ
２６ 取付環
２７ アクチュエータ管
２８ａ〜２８ｄ 圧電素子
２９ ファイバ保持部材
３０ 制御装置本体
３１ 制御部
３２ 発光タイミング制御部
３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂ、３３ＩＲ レーザ
３４ 結合器
３５ 光検出器
３６ ＡＤＣ
３７ 画像処理部
３８ 駆動制御部
３８Ａ 駆動制御／共振周波数検出部
３９ 位相調整部
４０ ディスプレイ
４１ 入力部
５１ｘ、５１ｙ ＤＤＳ
５２ｘ、５２ｙ ＤＡＣ
５３ｘ、５３ｙ 増幅器
５５ｘ、５５ｙ 電流検出回路
５６ｘ、５６ｙ 電圧検出回路
５７、５８ ＡＤＣ
５９ 共振周波数検出部
６０ 遮光部
１００ 被観察物

Claims (9)

1. 光源からの光を導光する、先端部が揺動部可能に支持されたファイバと、
   前記ファイバの先端部を、第１の方向に第１の周波数で振動させるとともに、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で振動させることにより、前記ファイバの先端部をリサージュ走査パターンで駆動させる駆動部と、
   前記ファイバの先端部から射出された光を被観察物に向けて照射する光学系と、
   前記光の照射により前記被観察物から得られた光を検出し、電気信号に変換する光検出部と、
   前記光検出部により出力された前記電気信号に基づいて画像を生成する画像処理部と、
   前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記駆動部による前記ファイバ先端部の駆動波形と、前記ファイバ先端部の振動波形との位相ずれを補正するように、前記駆動部の駆動波形の位相を調整する位相調整部とを備え、
   前記ファイバの先端部の共振周波数およびＱ値に基づいて、前記ファイバ先端部の駆動波形と振動波形との位相ずれを判定するように構成された光走査型観察装置。
2. 光源からの光を導光する、先端部が揺動部可能に支持されたファイバと、
   前記ファイバの先端部を、第１の方向に第１の周波数で振動させるとともに、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で振動させることにより、前記ファイバの先端部をリサージュ走査パターンで駆動させる駆動部と、
   前記ファイバの先端部から射出された光を被観察物に向けて照射する光学系と、
   前記光の照射により前記被観察物から得られた光を検出し、電気信号に変換する光検出部と、
   前記光検出部により出力された前記電気信号に基づいて画像を生成する画像処理部と、
   前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記駆動部による前記ファイバ先端部の駆動波形と、前記ファイバ先端部の振動波形との位相ずれを補正するように、前記駆動部の駆動波形の位相を調整する位相調整部とを備え、
   前記駆動部は、前記光ファイバの先端部の共振周波数をｆｃ、Ｑ値をＱとするとき、前記ファイバの先端部を、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方向に、
   ｆｃ｛１−１／（２Ｑ）｝＜ｆ＜ｆｃ｛１＋１／（２Ｑ）｝
   を満たす周波数ｆで駆動するように構成される光走査型観察装置。
3. 前記位相調整部は、前記画像処理部が生成する画像の歪みを最小化するように、前記駆動波形の位相を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の光走査型観察装置。
4. 前記画像処理部が生成した画像を表示する表示部と、前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記位相調整部により調整される位相の調整量の入力を受けるように構成された入力部とを備える請求項１または２に記載の光走査型観察装置。
5. 前記位相調整部は、前記被観察物の観察位置に配置された所定の解像力チャートにより前記画像処理部が生成する画像の該解像力を最大化するように決定された前記駆動波形の位相により、前記駆動部の駆動波形の位相を調整する請求項１または２に記載の光走査型観察装置。
6. 前記ファイバの共振周波数およびＱ値を測定する測定部を備える請求項１に記載の光走査型観察装置。
7. 前記測定部は、前記駆動部の電気回路のインピーダンス測定により、前記ファイバの共振周波数およびＱ値を測定する請求項６に記載の光走査型観察装置。
8. ファイバの先端部を、第１の方向に第１の周波数で振動させるとともに、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で振動させることにより、前記ファイバの先端部をリサージュ走査パターンで駆動させ、前記ファイバの先端部から射出された光を被観察物に向けて照射し、前記光の照射により前記被観察物から得られた光を検出し、電気信号に変換し、前記光検出部により出力された前記電気信号に基づいて画像を生成する光走査型観察方法であって、
   前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記駆動部による前記ファイバ先端部の駆動波形と振動波形との位相ずれを補正するように、前記駆動部の駆動波形の位相を調整するステップと、
   前記ファイバの先端部の共振周波数およびＱ値に基づいて、前記ファイバ先端部の駆動波形と振動波形との位相ずれを判定するステップと、
   前記位相が調整された駆動波形により前記ファイバ先端部を振動させて画像観察を行うステップと
   を備える光走査型観察方法。
9. ファイバの先端部を、第１の方向に第１の周波数で振動させるとともに、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向に、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数で振動させることにより、前記ファイバの先端部をリサージュ走査パターンで駆動させ、前記ファイバの先端部から射出された光を被観察物に向けて照射し、前記光の照射により前記被観察物から得られた光を検出し、電気信号に変換し、前記光検出部により出力された前記電気信号に基づいて画像を生成する光走査型観察方法であって、
   前記駆動は、前記光ファイバの先端部の共振周波数をｆｃ、Ｑ値をＱとするとき、前記ファイバの先端部を、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方向に、
   ｆｃ｛１−１／（２Ｑ）｝＜ｆ＜ｆｃ｛１＋１／（２Ｑ）｝
   を満たす周波数ｆで駆動し、
   前記第１の方向および前記第２の方向の双方または何れか一方について、前記駆動部による前記ファイバ先端部の駆動波形と振動波形との位相ずれを補正するように、前記駆動部の駆動波形の位相を調整するステップと、
   前記位相が調整された駆動波形により前記ファイバ先端部を振動させて画像観察を行うステップと
   を備える光走査型観察方法。

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