JP6382297B2 - 光の走査軌跡の算出方法及び光走査装置 - Google Patents
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Description
本発明の光の走査軌跡の算出方法は、光源からの光を導光し対象物に照射する光ファイバの揺動部の共振周波数及び減衰係数を検出する工程と、前記検出された共振周波数及び減衰係数から前記光の走査軌跡を算出する工程と、を含むことを特徴とする。
駆動制御/共振周波数検出部38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。
また、本実施例では、圧電素子を用いたアクチュエータを例に挙げたが、電磁駆動を用いたアクチュエータでも、同様の手段を用いて、共振周波数及び減衰係数を検出することが可能である。
すなわち、図12(a)に示すように、駆動制御/共振周波数検出部38により、圧電素子28に一定の振幅を有する周期的な駆動波形を与え、ファイバの揺動部11bを振動させる。ファイバに光を導光し、ファイバ射出端から射出された光を、光学系50を通して光走査位置検出器52の光検出面51に集光させる。
このようにして、駆動波形の周波数を掃引させながらファイバの振幅値を計測すると、図12(b)に示すようなグラフが求まる。
この振幅の周波数特性により、ファイバのある駆動方向(X)での共振周波数fxとファイバの最大振幅Xmaxが求まる。
また、片持ち梁構造のファイバ振動の振幅xは、理想的には以下の式で表される。
上記式1を用いて振動のQ値(Qx)を求めることができる。ファイバスキャナの減衰係数ζxとQ値(Qx)との関係は、以下の式2で表される。
X方向と同様に、Y方向についても共振周波数fy、最大振幅Ymax、及びQ値(Qy)を求めることができる。
振幅の計測方法は、上記の例には限定されず、例えば、PSDの代わりに撮像素子を用いても良く、あるいは、ファイバの揺動部11bの振動変位をレーザ変位計で計測しても良い。また、光ファイバの走査の駆動信号をある時間に0にして、ファイバの減衰振動の減衰曲線を解析することにより、ファイバの共振周波数と減衰係数(Q値)を求めてもよい。
(ただし、m:質量、k:バネ係数、c:ダンパー係数、F(t):外力)
ここで、ω=(k/m)1/2、Q=1/(2ζ)=(mk)1/2/c、F(t)/m=K・u(t)とおくと、上記式3は、以下の式4のように表すことができる。
(ただし、ω=2πf:ファイバの固有角振動数、Q:ファイバの振動Q値、ζ:ファイバの減衰係数、K:ゲイン、u(t):入力波形)
この微分方程式(式4)をラプラス変換すると、ファイバ振動系の伝達関数G(s)が求まり、以下の式5のように、2次遅れ系で表現することができる。
このように、ファイバの共振周波数、減衰係数、及び最大振幅を求めて、任意の駆動入力波形に対して走査軌跡を数値計算的に求めることができる。
なお、後述するように、近似関数は、定義域(時間軸)全体にわたって1つの関数とすることもできるが、定義域ごとに別々の関数とすることもできる。
図14(a)に示すような駆動波形を例にとると、駆動電圧変調波形の関数は、
と表される。
なお、f0は、変調周波数(フレームレート/2)である。
図14(b)は、図14(a)の駆動波形を一部拡大して示す図であり、fは、駆動周波数を示している。
このような駆動波形では、らせん走査の往路及び復路で1枚ずつの画像を取得することができる。
この現象について定量的に求めるために、例えば、図18に示すように、周回数n毎に、位相θ(n)及び振幅A(n)を、X=Asin(2πft+θ)の関数の形でフィッティングして求めることができる。
すなわち、図18に示すように、駆動周波数をfとするとき、時刻t=(1/f)×(m−1)から(1/f)×mの間にある駆動波形について、上記の式でフィッティングを行い、m周目の位相θ(m)及び振幅A(m)を求めることができる。
周回数nにおけるX方向の振幅A(n)及び位相θ(n)は、例えば、多項式によりフィッティングすることができ、以下の式7、式8のように表すことができる。
よって、X方向のスパイラル変調軌跡は、以下のように表すことができる。
(n=f×t)
Y方向についても同様に求めることで、係数a6〜a0及びb6〜b0を導出することができる。
なお、求めた振幅及び位相の近似関数のグラフを、それぞれ図19(a)(b)に示している。
具体的には、例えば、0〜150周目(中心近傍往路)では、位相ずれθ(n)を多項式(例えば5次関数)で近似し、151〜350周目(周辺近傍)では、位相ずれθ(n)を1次関数で近似し、また、351〜500周目(中心近傍復路)では、位相ずれθ(n)を多項式(例えば5次関数)で近似することができる。
このような方法で、関数を簡素化することができる。
本実施形態の光走査装置によれば、まず、駆動制御/共振周波数検出部38により光ファイバの揺動部11bの共振周波数を予め取得することができる。減衰係数についてもインピーダンス測定等により予め取得することができる。
そして、制御・演算部31によって、予め取得した共振周波数及び減衰係数から走査軌跡を算出し、制御・演算部31により算出された走査軌跡を用いて、この走査軌跡が示す位置座標を画像処理の際の位置情報として用いることができる。
これにより、PSD等を用いて各時刻による実際の位置座標を測定することなく、共振周波数及び減衰係数を求めるだけで、座標データを用いることができるため、膨大なデータをメモリに格納することなく、ハードウェアへの制約を回避することができる。また、上記の共振周波数及び減衰係数は、上述したインピーダンス測定などの簡単な方法により行うことができる。
そして、算出した走査軌跡は、位相ずれの情報を含むため、画像の歪み(特に回転方向の捩れ)を解消することができる。
従って、本実施形態によれば、簡便な手法により、高品質な画像を得ることができる。
図21は、らせん走査を行った場合に、走査軌跡を算出した例を示す。図21において、黄色の点列Aは、らせんの中心部から外周部へと向かう往路のY軸方向の位相ずれを示し、水色の点列Bは、らせんの外周部から中心部へと向かう復路のY軸方向の位相ずれを示している。
また、図22は、図21に示す例における、駆動パターン(上図)及び周回数と位相との関係(下図)を示しており、実際にPSDにより測定した周回数と位相との関係を実験結果として示している。
このことから、本発明によれば、制御・演算部31により走査軌跡を正確に算出することができることがわかる。
このため、図22(下図)に示すように、時間(周回数)に対する位相の変化の近似関数を算出する際、らせんの中心部(すなわち、振幅の大きさが一定値以下の場合)においては、二次以上の多項式近似又は指数関数近似を行い、一方で、らせんの外周部(すなわち、振幅の大きさが一定値より大きい場合)においては、線形(一次関数)近似を行うことで、より正確に近似を行うことができる。
また、走査位置検出器によりすべての振幅の範囲の実際のデータを取得し、上述したような方法を用いて関数化することによっても、メモリの容量を抑えることができる。
このとき、光学系61の倍率を調整すると、ファイバの揺動部の走査範囲ABを投影した軌跡範囲CDは、PSD62の受光範囲EFよりも大きくなり、らせん走査領域の中心部の走査軌跡を計測することができる。すべての振幅の範囲のデータを取得するときは、CDがEFよりも小さくなるように光学系61の倍率を調整すればよい。
図23(c)は、光軸方向から見た走査軌跡範囲と、PSDの受光範囲とを図示したものである。
また、図23(b)に示すように、スキャナ60の揺動部及び光学系61がハウジング63により一体となったプローブ状のスキャナを評価する場合には、プローブ先端とPSDとの距離を適切に調整することにより、走査領域中心部の軌跡を拡大し、精度良く計測を行うことができる。PSDは、レーザスポット光の重心位置を検出するため、ファイバの揺動部とPSD受光部とが、必ずしも共役となる必要はない。すべての振幅の範囲のデータを取得するときは、CDがEFよりも小さくなるようにプローブ先端とPSDの距離を適切に調整すればよい。
このように、振幅が一定以下の場合の領域の走査位置を精度良く検出することができる。
ここで、ステップS101とステップS102の代わりに、PSD等を用いて実際に計測した走査軌跡を用いても良く、すべての走査軌跡をメモリに保存することに比べて、ハードウェアへの制約を軽減することができる。
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 光学系
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 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/共振周波数検出部
40 ディスプレイ
50 光学系
51 光検出面
52 光走査位置検出器
60 ファイバスキャナ
61 光学系
62 PSD
63 ハウジング
100 対象物
Claims (16)
- 光源からの光を導光し対象物に照射する光ファイバの揺動部の共振周波数及び減衰係数を検出する工程と、
前記検出された共振周波数及び減衰係数から前記光の走査軌跡を算出する工程と、を含むことを特徴とする、光の走査軌跡の算出方法。 - 前記走査軌跡は、前記揺動部の位相ずれの時間変化の情報を含む、請求項1に記載の光の走査軌跡の算出方法。
- 前記位相ずれの時間変化の近似関数を算出する工程をさらに含む、請求項2に記載の光の走査軌跡の算出方法。
- 走査位置検出器により検出される位置データを用いて、光源からの光を導光し対象物に照射する光ファイバの揺動部からの前記光の走査軌跡を検出する工程と、
前記走査軌跡に含まれる前記揺動部の位相ずれの時間変化の近似関数を算出する工程と、を含むことを特徴とする、光の走査軌跡の算出方法。 - 前記近似関数は、前記揺動部の振幅の大きさが一定値以下の場合は、指数関数であり、前記振幅の大きさが一定値より大きい場合には、一次関数である、請求項3又は4に記載の光の走査軌跡の算出方法。
- 前記近似関数は、前記揺動部の振幅の大きさが一定値以下の場合は、二次以上の多項式関数であり、前記振幅の大きさが一定値より大きい場合には、一次関数である、請求項3又は4に記載の光の走査軌跡の算出方法。
- 前記走査軌跡の往路と復路とで前記近似関数を別々に算出する、請求項3〜6のいずれか一項に記載の光の走査軌跡の算出方法。
- 前記近似関数は、前記揺動部の駆動周波数及び/又は最大振幅に依存する、請求項3〜7のいずれか一項に記載の光の走査軌跡の算出方法。
- 光源からの光を導光し対象物に照射する光ファイバと、
前記光ファイバの揺動可能に支持された揺動部を駆動する走査部と、
前記揺動部の共振周波数を検出する検出部と、
前記検出部を用いて検出された共振周波数及び事前に取得された減衰係数に基づいて算出された走査軌跡を用いて前記光の照射位置を決定する演算部と、を備えることを特徴とする光走査装置。 - 前記走査軌跡は、前記揺動部の位相ずれの時間変化の情報を含む、請求項9に記載の光走査装置。
- 前記演算部は、前記位相ずれの時間変化の近似関数を算出する、請求項10に記載の光走査装置。
- 光源からの光を導光し対象物に照射する光ファイバと、
前記光ファイバの揺動可能に支持された揺動部を駆動する走査部と、
走査位置検出器により検出される位置データを用いて、走査軌跡に含まれる前記揺動部の位相ずれの時間変化の近似関数を算出する演算部と、を備えることを特徴とする光走査装置。 - 前記近似関数は、前記揺動部の振幅の大きさが一定値以下の場合は、指数関数であり、前記振幅の大きさが一定値より大きい場合には、一次関数である、請求項11又は12に記載の光走査装置。
- 前記近似関数は、前記揺動部の振幅の大きさが一定値以下の場合は、二次以上の多項式関数であり、前記振幅の大きさが一定値より大きい場合には、一次関数である、請求項11又は12に記載の光走査装置。
- 前記演算部は、前記走査軌跡の往路と復路とで前記近似関数を別々に算出する、請求項11〜14のいずれか一項に記載の光走査装置。
- 前記近似関数は、前記揺動部の駆動周波数及び/又は最大振幅に依存する、請求項11〜15のいずれか一項に記載の光走査装置。
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