JP2013178417A - キャリブレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】狭小な走査領域を走査する構成の走査型内視鏡システムであっても、走査パターン中の照射スポットの位置を正確に検出し、理想的な走査パターンが得られるように較正することが可能なキャリブレーション装置を提供すること。
【解決手段】キャリブレーション装置が、光源から出射された光を所定の走査範囲内で周期的に走査する光走査装置を備えた走査型内視鏡システムのキャリブレーション装置であって、光走査装置から出射した光が入射し走査範囲を拡大するリレーレンズと、リレーレンズから出射した光を受光し該受光した光の受光面上での走査軌跡を検出する光検出手段と、光検出手段によって検出された走査軌跡が基準の走査軌跡となるように光走査装置から出射する光の走査パラメータを補正する補正手段と、を有する。
【選択図】図６

Description

この発明は、光源から出射された光を所定の走査範囲内で周期的に走査する光走査装置を備えた走査型内視鏡システムに関し、特に、走査光の走査軌跡を補正する走査型内視鏡システムのキャリブレーション装置に関する。

従来、光ファイバによって導光される光を観察部位に対して渦巻状に走査させ、観察部位からの反射光を受光して画像化する走査型内視鏡システムが知られている（例えば、特許文献１）。このような走査型内視鏡システムでは、シングルモード型の光ファイバを内視鏡内部に備えており、その基端部は、二軸アクチュエータによって片持ち梁状に保持される。二軸アクチュエータは、振動の振幅を変調および増幅させながら、ファイバ先端部を固有振動数に従って２次元的に振動させて（共振させて）、光ファイバの先端部を渦巻状に駆動させる。その結果、光ファイバによって光源から導光された照明光が観察部位を渦巻状に走査（スキャン）し、当該観察部位からの戻り光に基づきその照射領域（走査領域）の画像が取得される。

また、近年、特許文献１に記載されているような走査型内視鏡システムを走査型共焦点内視鏡システムに適用することも提案されている（例えば、特許文献２）。走査型共焦点内視鏡システムは、薬剤が投与された生体組織にレーザ光を照射し、その生体組織から発せられる蛍光のうち、共焦点光学系の焦点位置と共役の位置に配置されたピンホールを介した成分のみを抽出することにより、その生体組織を、通常の内視鏡光学系によって得られる観察像より高倍率で観察可能にするものである。特許文献２に記載の走査型共焦点内視鏡システムは、生体組織の特定の狭小領域をレーザ光で２次元又は３次元に走査することで、通常の内視鏡光学系によって得られる観察像の倍率では観察できないような微小な対象物を観察したり、生体組織の断層部を観察したりすることができるように構成されている。

特許文献１又は２に記載されているシステムにおいては、走査領域（観察部位）からの反射光又は蛍光を所定周期のタイミング（以下、「サンプリング点」という。）で受光し、各サンプリング点での輝度情報をモニタの表示座標系（内視鏡画像の画素位置）に割り当てて、二次元の内視鏡画像を表示している。従って、歪みの無い再現性の高い内視鏡画像を生成するためには、各サンプリング点の走査位置をモニタの表示座標系に正確に合わせる必要がある。そこで、この種の走査型内視鏡システムにおいては、実際の走査パターン（走査軌跡）をモニタしながら、理想的な走査パターンが得られるように較正（キャリブレーション）している（特許文献１）。

特表２００８−５１４３４２号公報 特開２０１１−２５５０１５号公報

特許文献１に記載の走査型内視鏡システムは、光ファイバから出射される照明光をＰＳＤ（Position Sensitive Detector）によって受光し、走査パターン（走査軌跡）中の照射スポットの位置を検出しながら、二軸アクチュエータへの印加電圧の振幅、位相、周波数等を調整し、理想的な走査パターンが得られるように較正（キャリブレーション）している。しかしながら、このような手法は、特許文献１に記載の走査型内視鏡システムのように、比較的広い走査領域（例えば、直径１０ｍｍの走査領域）を走査する構成の走査型内視鏡システムにおいては有効であるが、特許文献２に記載の走査型共焦点内視鏡システムのように、狭小な走査領域（例えば、直径５００μｍの走査領域）を走査する構成の走査型共焦点内視鏡システムにおいては、ＰＳＤセンサの分解能の限界から、照射スポットの位置を正確に検出することができないといった問題がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、狭小な走査領域を走査する構成の走査型内視鏡システムであっても走査パターン中の照射スポットの位置を正確に検出し、理想的な走査パターンが得られるように較正することが可能なキャリブレーション装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明のキャリブレーション装置は、光源から出射された光を所定の走査範囲内で周期的に走査する光走査装置を備えた走査型内視鏡システムのキャリブレーション装置であって、光走査装置から出射した光が入射し、走査範囲を拡大するリレーレンズと、リレーレンズから出射した光を受光し、該受光した光の受光面上での走査軌跡を検出する光検出手段と、光検出手段によって検出された走査軌跡が基準の走査軌跡となるように光走査装置から出射する光の走査パラメータを補正する補正手段とを有することを特徴とする。

このような構成によれば、光走査装置から出射された光の走査軌跡が、光検出手段上で、その分解能に影響されない程度に拡大されて受光されるため、狭小な走査領域を走査する構成の走査型内視鏡システムであっても、その走査軌跡を高い精度で検出することが可能となり、理想的な走査軌跡となるように較正することが可能となる。

また、受光面は、リレーレンズの光軸に対し垂直に配置され、リレーレンズの後側焦点が、受光面の中心の位置に略一致するように構成することができる。

また、リレーレンズ及び光検出手段を光走査装置に対して相対的に移動させる移動手段を備え、移動手段は、走査範囲の中心とリレーレンズの光軸とが略一致し、かつ、リレーレンズの前側焦点の位置が光走査装置から出射した光の集光位置に略一致するようにリレーレンズ及び光検出手段を移動することが好ましい。このような構成によれば、光走査装置から出射された光は、リレーレンズの倍率で正確に拡大される。また、リレーレンズから出射された光は、光検出手段の中心部を走査するため、光検出手段の受光面から外れることはない。

また、リレーレンズは、リレーレンズから出射した光の走査範囲が受光面に収まるように光走査装置から出射した光の走査範囲を拡大することが好ましい。

また、走査パラメータは、走査光の走査範囲を拡大又は縮小する第１のパラメータ、走査光の走査範囲の形状を変更する第２のパラメータ及び走査光の走査速度を変更する第３のパラメータの少なくとも１つを含むことができる。

また、補正手段によって補正された拡大走査光の走査軌跡を所定のタイミングでサンプリングし、各サンプリング点に対して２次元のラスタ座標を割り当てるリマップテーブル作成手段を有するように構成することができる。

また、リレーレンズと光検出手段とを単一の筐体内に収容することができる。この場合、筐体は、光検出手段を外光から遮蔽する遮蔽筐体であることが好ましい。このような構成によれば、外光の影響を排除できるため、走査光の走査軌跡を高いＳＮ比で検出することが可能となる。

また、光走査装置は、光源から出射された所定の波長の励起光を被写体に出射し、走査型内視鏡システムは、励起光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールと、励起光により励起された被写体から発生する蛍光を、共焦点ピンホールを介して受光し、所定の検出タイミングで画像信号を検出する画像信号検出手段と、検出された画像信号を用いて共焦点画像を生成する画像生成手段とを備えることができる。

本発明のキャリブレーション装置によれば、狭小な走査領域を走査する構成の走査型内視鏡システムであっても、走査パターン中の照射スポットの位置を正確に検出し、理想的な走査パターンが得られるように較正することが可能となる。

本発明の実施形態の走査型共焦点内視鏡システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の走査型共焦点内視鏡システムが有する共焦点光学ユニットの構成を概略的に示す図である。 ＸＹ近似面上における光ファイバの先端の回転軌跡を示す図である。 ＸＹ近似面上における光ファイバの先端のＸ（又はＹ）方向の変位量（振幅）と、サンプリング期間及び制動期間との関係を示す図である。 サンプリング点とラスタ座標との対応関係を説明する図である。 本発明の実施形態のキャリブレーション装置の模式図である。 本発明の実施形態の走査型共焦点内視鏡システムで実行されるキャリブレーションプログラムのフローチャートである。 ＰＳＤの受光面上における初期スポット形成位置を示す図である。 キャリブレーションプログラムによってＸＹ調整が行われたときの様子を示す図である。 ＰＳＤの受光面をＺ方向に移動させたときの移動量と、ＰＳＤの出力電流との関係を示す図である。 二軸アクチュエータに所定の交流電圧Ｘ及びＹを印加したときの励起光の走査軌跡を示す図である。 キャリブレーションによって理想的な走査軌跡となるように調整された励起光の走査軌跡を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態の走査型共焦点内視鏡システムについて説明する。

本実施形態の走査型共焦点内視鏡システムは、共焦点顕微鏡の原理を応用して設計されたシステムであり、高倍率かつ高解像度の被写体を観察するのに好適に構成されている。図１は、本発明の実施形態の走査型共焦点内視鏡システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、走査型共焦点内視鏡システム１は、システム本体１００、共焦点内視鏡２００、モニタ３００、キャリブレーション装置４００を有している。走査型共焦点内視鏡システム１を用いた共焦点観察は、可撓性を有する管状の共焦点内視鏡２００の先端面を被写体に当て付けた状態で行う。

システム本体１００は、光源１０２、光分波合波器（光カプラ）１０４、ダンパ１０６、ＣＰＵ１０８、ＣＰＵメモリ１１０、光ファイバ１１２、受光器１１４、映像信号処理回路１１６、画像メモリ１１８、映像信号出力回路１２０を有している。共焦点内視鏡２００は、光ファイバ２０２、共焦点光学ユニット２０４、サブＣＰＵ２０６、サブメモリ２０８、走査ドライバ２１０を有している。

光源１０２は、ＣＰＵ１０８の駆動制御に従い、患者の体腔内に投与された薬剤を励起させる励起光を出射する。励起光は、光分波合波器１０４に入射する。光分波合波器１０４のポートの一つには、光コネクタ１５２が結合している。光分波合波器１０４の不要ポートには、光源１０２から出射された励起光を無反射終端するダンパ１０６が結合している。前者のポートに入射した励起光は、光コネクタ１５２を通過して共焦点内視鏡２００内に配置された光学系に入射する。

光ファイバ２０２の基端は、光コネクタ１５２を通じて光分波合波器１０４と光学的に結合している。光ファイバ２０２の先端は、共焦点内視鏡２００の先端部に組み込まれた共焦点光学ユニット２０４内に収められている。光分波合波器１０４を出射した励起光は、光コネクタ１５２を通過して光ファイバ２０２の基端に入射後、光ファイバ２０２を伝送して光ファイバ２０２の先端から出射される。

図２（ａ）は、共焦点光学ユニット２０４の構成を概略的に示す図である。以下、共焦点光学ユニット２０４を説明する便宜上、共焦点光学ユニット２０４の長手方向をＺ方向と定義し、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する二方向をＸ方向、Ｙ方向と定義する。図２（ａ）に示されるように、共焦点光学ユニット２０４は、各種構成部品を収容する金属製の外筒２０４Ａを有している。外筒２０４Ａは、外筒２０４Ａの内壁面形状に対応する外壁面形状を持つ内筒２０４Ｂを同軸（Ｚ方向）にスライド自在に保持している。光ファイバ２０２の先端（以下、符号「２０２ａ」を付す。）は、外筒２０４Ａ、内筒２０４Ｂの各基端面に形成された開口を通じて内筒２０４Ｂに収容支持されており、走査型共焦点内視鏡システム１の二次的な点光源として機能する。点光源である先端２０２ａの位置は、ＣＰＵ１０８による制御に従って周期的に変化する。なお、図２（ａ）中、中心軸ＡＸは、Ｚ方向に配置された光ファイバ２０２の軸心を示しており、光ファイバ２０２の先端２０２ａが振動していない状態のとき、中心軸ＡＸは、光ファイバ２０２の光路と一致する。

サブメモリ２０８は、共焦点内視鏡２００の識別情報や各種プロパティ等のプローブ情報を格納している。サブＣＰＵ２０６は、システム起動時にサブメモリ２０８からプローブ情報を読み出して、システム本体１００と共焦点内視鏡２００とを電気的に接続する電気コネクタ１５４を介してＣＰＵ１０８に送信する。ＣＰＵ１０８は、送信されたプローブ情報をＣＰＵメモリ１１０に格納する。ＣＰＵ１０８は、格納したプローブ情報を必要時に読み出して共焦点内視鏡２００の制御に必要な信号を生成して、サブＣＰＵ２０６に送信する。サブＣＰＵ２０６は、ＣＰＵ１０８から送信された制御信号に従って走査ドライバ２１０に必要な設定値を指定する。

走査ドライバ２１０は、指定された設定値に応じたドライブ信号を生成して、先端２０２ａ付近の光ファイバ２０２の外周面に接着固定された二軸アクチュエータ２０４Ｃを駆動制御する。図２（ｂ）は、二軸アクチュエータ２０４Ｃの構成を概略的に示す図である。図２（ｂ）に示されるように、二軸アクチュエータ２０４Ｃは、走査ドライバ２１０と接続された一対のＸ軸用電極（図中「Ｘ」、「Ｘ’」）及びＹ軸用電極（図中「Ｙ」、「Ｙ’」）を圧電体上に形成した圧電アクチュエータである。

走査ドライバ２１０は、交流電圧Ｘを二軸アクチュエータ２０４ＣのＸ軸用電極間に印加して圧電体をＸ方向に共振させると共に、交流電圧Ｘと同一周波数であって位相が直交する交流電圧ＹをＹ軸用電極間に印加して圧電体をＹ方向に共振させる。交流電圧Ｘ、Ｙはそれぞれ、振幅が時間に比例して線形に増加して、時間（Ｘ）、（Ｙ）をかけて実効値（Ｘ）、（Ｙ）に達する電圧として定義される。光ファイバ２０２の先端２０２ａは、二軸アクチュエータ２０４ＣによるＸ方向、Ｙ方向への運動エネルギーが合成されることにより、Ｘ−Ｙ平面に近似する面（以下、「ＸＹ近似面」と記す。）上において中心軸ＡＸを中心に渦巻状のパターンを描くように回転する。先端２０２ａの回転軌跡は、印加電圧に比例して大きくなり、実効値（Ｘ）、（Ｙ）の交流電圧が印加された時点で最も大きい径を有する円の軌跡を描く。なお、本実施形態においては、先端２０２ａの回転軌跡が理想的な走査軌跡となるように、後述するキャリブレーションによって、交流電圧Ｘ及びＹの振幅、位相、周波数が調整されるようになっている。図３は、キャリブレーションによって調整された、ＸＹ近似面上の先端２０２ａの回転軌跡を示す図である。

図４は、ＸＹ近似面上における光ファイバ２０２の先端２０２ａのＸ（又はＹ）方向の変位量（振幅）と、共焦点内視鏡２００の各動作タイミングとの関係を説明する図である。励起光は連続光（又はパルス光）であり、二軸アクチュエータ２０４Ｃへの交流電圧の印加開始直後から印加停止までの期間（以下、説明の便宜上、この期間を「サンプリング期間」と記す。）中、光ファイバ２０２の先端２０２ａから出射される。上述したように、二軸アクチュエータ２０４Ｃへ交流電圧が印加されると、光ファイバ２０２の先端２０２ａは、中心軸ＡＸを中心に渦巻状のパターンを描くように回転するため、サンプリング期間中、光ファイバ２０２の先端２０２ａから出射した励起光は、中心軸ＡＸを中心とした所定の円形の走査領域を渦巻状に走査する。サンプリング期間が経過して二軸アクチュエータ２０４Ｃへの交流電圧の印加が停止すると、光ファイバ２０２の振動が減衰する。ＸＹ近似面上における先端２０２ａの円運動は、光ファイバ２０２の振動の減衰に伴って収束し、光ファイバ２０２の振動は、所定時間後に略ゼロとなる（すなわち、先端２０２ａは、中心軸ＡＸ上でほぼ停止する）。以下、説明の便宜上、サンプリング期間が終了してから先端２０２ａが中心軸ＡＸ上にほぼ停止するまでの期間を「ブレーキング期間」と記す。ブレーキング期間の経過後、さらに所定時間の経過を待って、次のサンプリング期間が開始される。以下、説明の便宜上、ブレーキング期間が終了してから次のサンプリング期間の開始までの期間を「セトリング期間」と記す。セトリング期間は、光ファイバ２０２の先端２０２ａを中心軸ＡＸ上に完全に停止させるための待機時間であり、セトリング時間を設けることにより、先端２０２ａを精確に走査させることが可能となる。また、一フレームに対応する期間は、一つのサンプリング期間と一つのブレーキング期間で構成されており、セトリング期間を調整することによって、フレームレートを調整することができる。つまり、セトリング期間は、光ファイバ２０２の先端２０２ａが完全に停止するまでの時間とフレームレートとの関係から適宜設定することができるようになっている。なお、ブレーキング期間を短縮するため、ブレーキング期間の初期段階に二軸アクチュエータ２０４Ｃに逆相電圧を印加して制動トルクを積極的に加えてもよい。

光ファイバ２０２の先端２０２ａの前方には、対物光学系２０４Ｄが設置されている。対物光学系２０４Ｄは、複数枚の光学レンズで構成されており、図示省略されたレンズ枠を介して外筒２０４Ａに保持されている。レンズ枠は、外筒２０４Ａの内部において、内筒２０４Ｂと相対的に固定され支持されている。そのため、レンズ枠に保持された光学レンズ群は、外筒２０４Ａの内部を内筒２０４Ｂと一体となってＺ方向にスライドする。なお、外筒２０４Ａの最先端（すなわち、対物光学系２０４Ｄの前方）には、図示省略されたカバーガラスが保持されている。

内筒２０４Ｂの基端面と外筒２０４Ａの内壁面との間には、圧縮コイルばね２０４Ｅ及び形状記憶合金２０４Ｆが取り付けられている。圧縮コイルばね２０４Ｅは、自然長からＺ方向に初期的に圧縮狭持されている。形状記憶合金２０４Ｆは、Ｚ方向に長尺な棒形状を持ち、常温下で外力が加わると変形して、一定温度以上に加熱されると形状記憶効果で所定の形状に復元する性質を有している。形状記憶合金２０４Ｆは、形状記憶効果による復元力が圧縮コイルばね２０４Ｅの復元力より大きくなるように設計されている。走査ドライバ２１０は、サブＣＰＵ２０６が指定した設定値に応じたドライブ信号を生成して、形状記憶合金２０４Ｆを通電し加熱して伸縮量を制御する。形状記憶合金２０４Ｆは、伸縮量に応じて内筒２０４Ｂを光ファイバ２０２ごとＺ方向に進退させる。

光ファイバ２０２の先端２０２ａを出射した励起光は、対物光学系２０４Ｄを透過して被写体の表面又は表層でスポットを形成する。スポット形成位置は、点光源である先端２０２ａの進退に応じてＺ方向に変位する。すなわち、共焦点光学ユニット２０４は、二軸アクチュエータ２０４Ｃによる先端２０２ａのＸＹ近似面上の周期的な円運動とＺ方向の進退を併せることで、被写体を三次元走査する。

光ファイバ２０２の先端２０２ａは、対物光学系２０４Ｄの前側焦点位置に配置されているため、共焦点ピンホールとして機能する。先端２０２ａには、励起光により励起された被写体の散乱成分（蛍光）のうち先端２０２ａと光学的に共役な集光点からの蛍光のみが入射する。蛍光は、光ファイバ２０２を伝送後、光コネクタ１５２を通過して光分波合波器１０４に入射する。光分波合波器１０４は、入射した蛍光を光源１０２から出射される励起光と分離して光ファイバ１１２に導く。蛍光は、光ファイバ１１２を伝送して受光器１１４で検出される。受光器１１４は、微弱な光を低ノイズで検出するため、例えば光電子増倍管等の高感度光検出器としてもよい。

受光器１１４によって検出された検出信号は、映像信号処理回路１１６に入力される。映像信号処理回路１１６は、ＣＰＵ１０８の制御下で動作して、検出信号を一定のレートでサンプルホールド及びＡＤ変換してデジタル検出信号を得る。ここで、サンプリング期間中の光ファイバ２０２の先端２０２ａの位置（軌跡）が決まると、当該位置に対応する観察領域（走査領域）中のスポット形成位置、当該スポット形成位置からの戻り光（蛍光）を検出してデジタル検出信号を得る信号取得タイミング（すなわち、サンプリング点）がほぼ一義的に決まる。後述するように、本実施形態においては、予め、キャリブレーション装置４００を用いて先端２０２ａの走査軌跡を測定している。そして、測定した走査軌跡が理想的な走査パターン（すなわち、理想的な渦巻状の走査パターン）となるように二軸アクチュエータ２０４Ｃへの印加電圧の振幅、位相、周波数等を調整し、サンプリング点と、当該サンプリング点が対応する画像上の位置（モニタ３００に表示される内視鏡画像の画素位置）とを決定している。サンプリング点と内視鏡画像の画素位置（画素アドレス）との対応関係は、リマップテーブルとしてＣＰＵメモリ１１０に格納される。例えば、内視鏡画像を水平方向（Ｘ方向）１５ピクセル、垂直方向（Ｙ方向）１５ピクセルの画素で構成した場合、順次サンプリングされた励起光の位置（サンプリング点）と内視鏡画像の画素位置（ラスタ座標）との関係は図５のようになり、ＣＰＵ１０８は、この関係に基づいて各サンプリング点に対応する内視鏡画像の画素位置（ラスタ座標）を求めてリマップテーブルを作成する。なお、図５においては、図面の見易さを考慮し、走査領域の中心部分と周辺部分の一部のサンプリング点を示しているが、実際には渦巻状の走査軌跡に沿って多数のサンプリング点が存在する。

映像信号処理回路１１６は、リマップテーブルを参照して、各サンプリング点で得られる各デジタル検出信号を対応する画素アドレスのデータとして割り当てる。以下、説明の便宜上、上記の割り当て作業をリマッピングと記す。映像信号処理回路１１６は、リマッピング結果に従って、各点像の空間的配列によって構成される画像の信号を画像メモリ１１８にフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた信号は、所定のタイミングで画像メモリ１１８から映像信号出力回路１２０に掃き出されて、ＮＴＳＣ（National Television System Committee）やＰＡＬ（Phase Alternating Line）等の所定の規格に準拠した映像信号に変換されてモニタ３００に出力される。モニタ３００の表示画面には、高倍率かつ高解像度の被写体の三次元共焦点画像（本明細書においては、単に「内視鏡画像」ともいう。）が表示される。

上述したように、被写体の画像はリマッピング作業によって構築されるため、歪みのない内視鏡画像を得るためには、先端２０２ａを理想的な渦巻状の走査パターンとなるように回転させる必要がある。しかし、通常、走査型共焦点内視鏡システム１を構成する各部品の特性は所定の範囲でばらつくため、製品毎に固有の特性（以下、「製品固有特性」と記す。）を有し、単に組み立てただけでは図３に示したような理想的な走査軌跡は得られない。そこで、本実施形態の走査型共焦点内視鏡システム１では、このような製品固有特性をキャンセルするために、後述するキャリブレーションを行っている。

図６は、本実施形態のキャリブレーション時に用いられるキャリブレーション装置４００の模式図である。キャリブレーションでは、光ファイバ２０２の先端２０２ａの回転軌跡を検出し、この回転軌跡が理想的な回転軌跡となるように（すなわち、共焦点光学ユニット２０４から出射される励起光の走査軌跡が基準の走査軌跡となるように）、二軸アクチュエータ２０４Ｃに印加する交流電圧Ｘ及びＹの振幅、位相、周波数を調整し、新たなリマップテーブルを作成する。以下、本明細書においては、キャリブレーションで調整される各パラメータ、主として交流電圧Ｘ及びＹの振幅、位相、周波数、を「調整パラメータ」と総称する。なお、キャリブレーション装置４００は、システム本体１００と別個独立した構成として説明するが、システム本体１００に組み込まれた一部の構成としてもよい。

図６に示されるように、キャリブレーション装置４００は、ユニット支持具４２０、ケース４０２、ＸＹＺステージ４０８、ステージ駆動モータ４１０、キャリブレーション回路４１２等を有している。

ユニット支持具４２０は、キャリブレーション装置４００の本体部（不図示）に固定された略円筒状の部材であり、その内径は、共焦点光学ユニット２０４の外径よりも僅かに大きく構成されている。キャリブレーション時、焦点光学ユニット２０４は、ユニット支持具４２０の内部に差し込まれ、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向について位置決め固定される。

ケース４０２には、ＰＳＤ４０４、ＰＳＤ基板４０５、リレーレンズユニット４０６が取り付けられている。ＰＳＤ４０４は、ＰＳＤ基板４０５上に搭載され、受光面がＸＹ平面上に位置（言い換えるとＺ方向と直交）するようにケース４０２の基端面側に配置されている。ＰＳＤ４０４は、共焦点光学ユニット２０４から出射される励起光を受光し、その位置（すなわち、受光面上における励起光の位置）を検出する（詳細は後述）。リレーレンズユニット４０６は、光軸がＺ方向に向くように、ケース４０２の先端側（共焦点光学ユニット２０４側）に配置されている。リレーレンズユニット４０６は、内部に複数のレンズを備えた、いわゆる拡大光学系であり、その光軸及び後側焦点Ｆ２がＰＳＤ４０４の受光面の中心に位置するように配置されている。また、リレーレンズユニット４０６の前側焦点Ｆ１は、後述するキャリブレーションによって、共焦点光学ユニット２０４の対物光学系２０４Ｄの焦点（すなわち、励起光の集光位置）と略一致するように調整される。すなわち、リレーレンズユニット４０６は、共焦点光学ユニット２０４から出射される励起光の集光位置における投影像（すなわち、励起光の走査領域（最大振れ幅））を拡大するように機能する。リレーレンズユニット４０６の倍率は、励起光の走査領域の大きさ、ＰＳＤ４０４のサイズ、ＰＳＤ４０４の位置検出分解能等の各種要因を総合的に勘案して決定される。ここで、通常入手可能なＰＳＤを想定した場合、その位置検出分解能から、リレーレンズユニット４０６によって拡大された走査領域の大きさがＰＳＤ４０４の受光面上で１ｍｍ以上となるようにリレーレンズユニット４０６の倍率が設定されるのが望ましく、また、装置サイズ及び応答速度の観点からは、できる限りリレーレンズユニット４０６の倍率を小さく設定し、小さな受光面を有したＰＳＤ４０４を使用するのが望ましいため、リレーレンズユニット４０６の倍率は、２〜２０倍程度に設定するのが好適である。そこで、本実施形態においては、共焦点光学ユニット２０４から出射される励起光の走査領域の直径（すなわち、励起光の集光位置における最大振れ幅）を５００μｍとし、通常入手可能なＰＳＤ４０４のサイズ、位置検出分解能及び応答速度を想定し、リレーレンズユニット４０６の倍率を１０倍に設定している。従って、共焦点光学ユニット２０４から出射される励起光の走査軌跡は、リレーレンズユニット４０６によって拡大され、ＰＳＤ４０４の受光面上で最大で直径５ｍｍの円を描くように走査される。なお、ケース４０２内は、外光が入らないように遮光されており、ＰＳＤ４０４は、共焦点光学ユニット２０４からの励起光を高いＳＮ比で検出する。ＰＳＤ４０４の検出電流は、ＰＳＤ基板４０５を介してキャリブレーション回路４１４に出力される。

ケース４０２は、ステージ駆動モータ４１０によってＸ、Ｙ、Ｚの各方向に移動可能なＸＹＺステージ４０８上に固定されている。ステージ駆動モータ４１０は、例えば、ステッピングモータであり、後述するキャリブレーション時、キャリブレーション回路４１４からの信号を受信し、ＸＹＺステージ４０８を所定の方向に移動させる。なお、本実施形態においては、ＸＹＺステージ４０８の移動分解能（すなわち、ステージ駆動モータ４１０の１ステップに対するＸＹＺステージ４０８の移動量）は、約１０μｍに設定されている。

キャリブレーション回路４１２は、ＣＰＵ１０８と双方向に通信可能な回路である。キャリブレーション回路４１２は、キャリブレーション時、ＣＰＵ１０８の制御の下、ステージ駆動モータ４１０を介してＸＹＺステージ４０８を移動させる。また、キャリブレーション回路４１２は、ＰＳＤ基板４０５から出力されるＰＳＤ４０４の検出電流を電圧に変換し、検出電圧としてＣＰＵ１０８に出力する。

図７は、キャリブレーション中に実行されるキャリブレーションプログラムのフローチャートである。キャリブレーションプログラムは、ユーザ（術者）が焦点光学ユニット２０４をユニット支持具４２０に差し込み、システム本体１００のユーザインターフェース（不図示）から所定の指示を入力したことを契機に、ＣＰＵ１０８によって実行されるサブルーチンである。なお、説明の便宜上、本明細書中の説明並びに図面において、キャリブレーションの各処理ステップは「Ｓ」と省略して記す。

図７に示すように、キャリブレーションプログラムが開始されると、ＣＰＵ１０８は、Ｓ１１を実行する。Ｓ１１では、焦点光学ユニット２０４に対してケース４０２の位置を調整する。この処理においては、ＣＰＵ１０８は、励起光が連続的に照射されるように光源１０２を制御し、かつ、二軸アクチュエータ２０４Ｃへの電圧印加を停止するように操作ドライバ２１０を制御する。この結果、光ファイバ２０２から出射される励起光は、中心軸ＡＸに沿って進み、リレーレンズユニット４０６を通って、ＰＳＤ４０４の受光面上に結像する（図６）。本明細書においては、二軸アクチュエータ２０４Ｃへの電圧印加がないときの励起光の初期的なスポット形成位置を、以下「初期スポット形成位置」と称する。

図８は、ＰＳＤ４０４の受光面上における初期スポット形成位置Ｐを示す図である。上述したように、走査型共焦点内視鏡システム１は、製品固有特性を有するため、初期スポット形成位置は必ずしもＰＳＤ４０４の中心と一致せず、Ｘ及びＹ方向にずれて検出される。また、共焦点光学ユニット２０４の対物光学系２０４Ｄの焦点も部品によって多少のばらつきがあるため、リレーレンズユニット４０６の前側焦点Ｆ１と共焦点光学ユニット２０４の対物光学系２０４Ｄの焦点（すなわち、励起光の集光点）とは必ずしも一致しない。そこで、Ｓ１１では、初期スポット形成位置がＰＳＤ４０４の受光面の中心と略一致するように、ケース４０２をＸ、Ｙの各方向に移動させ（ＸＹ調整）、また、リレーレンズユニット４０６の前側焦点Ｆ１と共焦点光学ユニット２０４の対物光学系２０４Ｄの焦点とが略一致するように、ケース４０２をＺの各方向に移動させている（Ｚ調整）。

（ＸＹ調整）
ＰＳＤ４０４は、一対のＸ方向の電極Ｘ１及びＸ２と、一対のＹ方向の電極Ｙ１及びＹ２を備えており、ＰＳＤ４０４の受光面上のスポット形成位置は、各電極から出力される電流を検出することによって求められる。具体的には、初期スポット形成位置ＰのＰＳＤ４０４の受光面上の位置Ｘｐ、Ｙｐは、以下の式（数１及び数２）によって求められる。

ここで、Ｉ_Ｘ１は、電極Ｘ１から出力される電流であり、Ｉ_Ｘ２は、電極Ｘ２から出力される電流であり、Ｉ_Ｙ１は、電極Ｙ１から出力される電流であり、Ｉ_Ｙ２は、電極Ｙ２から出力される電流である。また、Ｌは、ＰＳＤ４０４の受光面の中心から各電極までの距離である。

Ｓ１１では、ＣＰＵ１０８は、キャリブレーション回路４１２から入力されるＰＳＤ４０４の検出電圧より電極Ｘ１から出力される電流Ｉ_Ｘ１、電極Ｘ２から出力される電流Ｉ_Ｘ２、電極Ｙ１から出力される電流Ｉ_Ｙ１、電極Ｙ２から出力される電流Ｉ_Ｙ２をそれぞれ求め、上記数１及び数２の式に基づいて初期スポット形成位置ＰのＰＳＤ４０４の受光面上の位置Ｘｐ、Ｙｐを求めている。そして、ＣＰＵ１０８は、Ｘｐ及びＹｐが最小となるように（すなわち、初期スポット形成位置がＰＳＤ４０４の受光面の中心と略一致するように）、ステージ駆動モータ４１０を駆動し、ＸＹＺステージ４０８をＸ方向及びＹ方向に移動させる。しかし、上述したように、本実施形態のＸＹＺステージ４０８は移動分解能を有し、また実際にはステージ駆動モータ４１０のバックラッシュ等も存在し、さらにこれらの誤差要因がリレーレンズユニット４０６によって拡大されるため、励起光のスポットをＰＳＤ４０４の受光面の中心に正確に一致させることは困難である。そこで、本実施形態においては、ＰＳＤ４０４上における励起光の走査領域（直径５ｍｍ）よりも十分に大きな受光面（１０ｍｍ×１０ｍｍ）を有するＰＳＤ４０４を使用している。

図９は、Ｓ１１によってＸＹ調整が行われたときの様子を示す図である。なお、説明の便宜上、図９においては、初期スポット形成位置Ｐが、ＰＳＤ４０４の受光面の中心Ｏに移動した状態を示している。初期スポット形成位置Ｐが、ＰＳＤ４０４の受光面の中心Ｏに移動すると、励起光の走査領域Ｔは、受光面の中心Ｏを中心とする直径５ｍｍの領域となる。そして、ＰＳＤ４０４の受光面は、励起光の走査領域Ｔに比較して十分に大きく、走査領域Ｔを囲む斜線部の領域（幅約２．５ｍｍに相当する領域）は、ＸＹ方向調整時の調整代αとして機能するようになっている。すなわち、ステージ駆動モータ４１０のバックラッシュ等が発生したとしても、走査領域ＴはＰＳＤ４０４の受光面内に必ず収まるように構成されている。

（Ｚ調整）
図１０は、ＰＳＤ４０４の受光面をＺ方向に移動させたときの移動量ｚと、Ｘ方向の電流の総和（Ｉ_Ｘ１＋Ｉ_Ｘ２）及びＹ方向の電流の総和（Ｉ_Ｙ１＋Ｉ_Ｙ２）との関係を示すグラフである。ここで、Ｚ＝０は、リレーレンズユニット４０６の前側焦点Ｆ１と共焦点光学ユニット２０４の対物光学系２０４Ｄの焦点とが一致する時の位置である。図９に示すように、リレーレンズユニット４０６の前側焦点Ｆ１と共焦点光学ユニット２０４の対物光学系２０４Ｄの焦点とが一致すると、ＰＳＤ４０４の受光面において励起光が最も絞られ、Ｘ方向の電流の総和（Ｉ_Ｘ１＋Ｉ_Ｘ２）及びＹ方向の電流の総和（Ｉ_Ｙ１＋Ｉ_Ｙ２）が極値をとる。そこで、Ｓ１１では、Ｘ方向の電流の総和（Ｉ_Ｘ１＋Ｉ_Ｘ２）及びＹ方向の電流の総和（Ｉ_Ｙ１＋Ｉ_Ｙ２）を、励起光のビーム径を表す指標として用い、Ｚ調整をおこなっている。具体的には、ＣＰＵ１０８は、キャリブレーション回路４１２から出力されるＰＳＤ４０４の検出電圧より電極Ｘ１から出力される電流Ｉ_Ｘ１、電極Ｘ２から出力される電流Ｉ_Ｘ２、電極Ｙ１から出力される電流Ｉ_Ｙ１、電極Ｙ２から出力される電流Ｉ_Ｙ２をそれぞれ求め、Ｘ方向の電流の総和（Ｉ_Ｘ１＋Ｉ_Ｘ２）及びＹ方向の電流の総和（Ｉ_Ｙ１＋Ｉ_Ｙ２）を求める。そして、ＣＰＵ１０８は、Ｘ方向の電流の総和（Ｉ_Ｘ１＋Ｉ_Ｘ２）及びＹ方向の電流の総和（Ｉ_Ｙ１＋Ｉ_Ｙ２）が共に極値をとるように（すなわち、リレーレンズユニット４０６の前側焦点Ｆ１と共焦点光学ユニット２０４の対物光学系２０４Ｄの焦点とが略一致するように）、ステージ駆動モータ４１０を駆動し、ＸＹＺステージ４０８をＺ方向に沿って移動させる。

このように、Ｓ１１では、ケース４０２をＸ、Ｙの各方向に移動させるＸＹ調整、およびケース４０２をＺの各方向に移動させるＺ調整が行われ、初期スポット形成位置がＰＳＤ４０４の受光面の中心と略一致し、かつ、リレーレンズユニット４０６の前側焦点Ｆ１と共焦点光学ユニット２０４の対物光学系２０４Ｄの焦点とが略一致するよう調整される。なお、上記では、説明の便宜上、ＸＹ調整、Ｚ調整の順で説明したが、Ｚ調整、ＸＹ調整の順に行うことも可能である。Ｚ調整をＸＹ調整よりも先に行うと、励起光のスポットを絞った状態でＸＹ調整を行うことができるため、対物光学系２０４Ｄやリレーレンズユニット４０６の収差、対物光学系２０４Ｄの傾き、共焦点光学ユニット２０４の取り付け誤差等の影響を受け難く、ＸＹ調整を高精度に行うことが可能となる。次いで、処理は、Ｓ１５に進む（図７）。

Ｓ１５では、ＣＰＵ１０８は、二軸アクチュエータ２０４Ｃに一律に決められた（すなわち、デフォルトの）交流電圧Ｘ及びＹを印加して光ファイバ２０２の先端２０２ａを回転させ、ＰＳＤ４０４の受光面上を渦巻状に走査する励起光の走査軌跡を検出する。図１１は、二軸アクチュエータ２０４Ｃにデフォルトの交流電圧Ｘ及びＹを印加したときの励起光の走査軌跡を示す図である。上述したように、走査型共焦点内視鏡システム１は製品固有特性を有するため、デフォルトの交流電圧Ｘ及びＹを印加した状態では、図３に示したような理想的な走査軌跡とはならず、例えば、楕円状に歪んだ走査軌跡となる。次いで、処理は、Ｓ１６に進む。

Ｓ１６では、ＣＰＵ１０８は、Ｓ１５で検出された励起光の走査軌跡を評価し、規定の公差内の走査軌跡であるか否か（すなわち、許容できる走査軌跡であるか否か）を判断する。規定の公差は、許容できる画像の歪み量等から予め定められており、ＣＰＵ１０８は、Ｓ１５で検出された励起光の走査軌跡から、走査領域の大きさ、形状（真円度）、走査速度等について評価する。Ｓ１６において、公差内であると判断された場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、処理は、Ｓ１８に進み、公差内にないと判断された場合（Ｓ１６：ＮＯ）、処理は、Ｓ１７に進む。

Ｓ１７では、ＣＰＵ１０８は、二軸アクチュエータ２０４Ｃに印加する交流電圧Ｘ及びＹの調整パラメータ（走査パラメータ）を変更する。具体的には、ＣＰＵ１０８は、Ｓ１６における励起光の走査軌跡の評価結果に基づいて、走査領域の大きさに問題がある場合には交流電圧Ｘ及びＹの振幅を調整して、走査領域を拡大又は縮小する。また、走査領域の形状に問題がある場合には交流電圧Ｘ及びＹの位相を調整して、走査領域の形状を変更する。また、走査領域の走査速度に問題がある場合には、交流電圧Ｘ及びＹの周波数を調整して、励起光の走査速度を変更する。ＣＰＵ１０８は、Ｓ１６において公差内であると判断されるまでＳ１５からＳ１７までの処理を繰り返し実行する。その結果、Ｓ１５で検出された励起光の走査軌跡は、図１２に示すような理想的な走査軌跡となるように調整される。

Ｓ１８では、ＣＰＵ１０８は、Ｓ１７によって調整された走査軌跡について、各サンプリング点と内視鏡画像の画素位置（画素アドレス）との対応関係を求めて新たなリマップテーブルを作成する。そして、作成したリマップテーブルをＳ１７によって調整された調整パラメータ（すなわち、交流電圧Ｘ及びＹの振幅、位相、周波数）と共にＣＰＵメモリ１１０に格納し、本キャリブレーションプログラムを終了する。なお、Ｓ１８において、ＣＰＵメモリ１１０に格納されたリマップテーブル及び調整パラメータは、新たなキャリブレーションが行われるまで、繰り返し使用される。

このように、本実施形態のキャリブレーションにおいては、共焦点光学ユニット２０４から出射される励起光の走査軌跡が、リレーレンズユニット４０６によって拡大されてＰＳＤ４０４で受光される。すなわち、共焦点光学ユニット２０４から出射される励起光の走査軌跡は、ＰＳＤ４０４上で、その分解能に影響されない程度に拡大されて受光される。従って、本実施形態の走査型共焦点内視鏡システム１のように、狭小な走査領域を走査する構成の走査型内視鏡システムであっても、走査光の走査軌跡を高い精度で検出することが可能となり、さらに理想的な走査軌跡となるように較正（調整）することが可能となる。

以上が本発明の実施形態の説明であるが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、技術的思想の範囲内において様々な変形が可能である。例えば、本実施形態においては、ＣＰＵ１０８がキャリブレーションプログラムを実行するものとして説明したが、この構成に限定されるものではなく、キャリブレーション回路４１２でキャリブレーションプログラムを実行する構成としてもよい。この場合、キャリブレーション回路４１２は、ＣＰＵ１０８との通信によって、二軸アクチュエータ２０４Ｃの制御や調整パラメータの変更等を行うように構成される。

また、本実施形態のキャリブレーションプログラムのＳ１１では、光ファイバ２０２の回転駆動を停止した状態でＸＹ調整及びＺ調整を行うように構成したが、例えば、制動期間中の励起光のスポット位置を初期スポット形成位置として検出すれば、光ファイバ２０２を回転駆動した状態であってもＸＹ調整及びＺ調整を行うことが可能となる。

また、本実施形態においては、ＸＹＺステージ４０８の移動分解能やステージ駆動モータ４１０のバックラッシュ等を考慮し、ＰＳＤ４０４上における励起光の走査領域に対し十分に大きな受光面積を有するＰＳＤ４０４を使用したが、ＸＹＺステージ４０８の移動分解能やステージ駆動モータ４１０のバックラッシュ等の誤差要因を小さくなるように構成すれば、励起光の走査領域をＰＳＤ４０４上でさらに拡大することも可能となる。

また、本実施形態のリレーレンズユニット４０６の倍率は１０倍としたが、上述したように、リレーレンズユニット４０６の倍率は、２〜２０倍程度に設定することが可能であり、ＰＳＤ４０４上における励起光の走査領域がＰＳＤ４０４の受光面に収まる範囲で大きくすることにより、励起光の走査軌跡をより正確に検出することが可能となる。

また、本発明が適用可能なシステムは、本実施形態で説明した走査型共焦点内視鏡システムに限らない。リレーレンズユニット４０６によって拡大された走査領域をＰＳＤ４０４によって受光できればよく、一般的な走査型内視鏡システムに適用することが可能である。例えば走査領域の水平方向を往復走査するラスタスキャン方式や、走査領域を正弦波的に走査するリサージュスキャン方式等を採用する走査型内視鏡システムにも本発明を適用してもよい。

また、本実施形態の共焦点光学ユニット２０４は、共焦点内視鏡２００の先端部に組み込まれた構成としたが、共焦点光学ユニット２０４は、例えば、内視鏡の処置具挿通チャンネルに挿通されて使用される共焦点プローブに組み込まれてもよい。

また、キャリブレーション装置４００に搭載される位置検出素子はＰＳＤに限らない。ＰＳＤ４０４は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やアレイ型ＰＭＴ（Photomultiplier Tube）等の位置及び光量が検出可能な他の素子に置き換えてもよい。

１ 走査型共焦点内視鏡システム
１００ システム本体
１０２ 光源
１０４ 光分波合波器
１０６ ダンパ
１０８ ＣＰＵ
１１０ ＣＰＵメモリ
１１２ 光ファイバ
１１４ 受光器
１１６ 映像信号処理回路
１１８ 画像メモリ
１２０ 映像信号出力回路
２００ 共焦点プローブ
２０２ 光ファイバ
２０４ 共焦点光学ユニット
２０６ サブＣＰＵ
２０８ サブメモリ
２１０ 走査ドライバ
４００ キャリブレーション装置
４０２ ケース
４０４ ＰＳＤ
４０５ ＰＳＤ基板
４０６ リレーレンズユニット
４０８ ＸＹＺステージ
４１０ ステージ駆動モータ
４１２ キャリブレーション回路

Claims (10)

1. 光源から出射された光を所定の走査範囲内で周期的に走査する光走査装置を備えた走査型内視鏡システムのキャリブレーション装置であって、
   前記光走査装置から出射した光が入射し、前記走査範囲を拡大するリレーレンズと、
   前記リレーレンズから出射した光を受光し、該受光した光の受光面上での走査軌跡を検出する光検出手段と、
   前記光検出手段によって検出された走査軌跡が基準の走査軌跡となるように前記光走査装置から出射する光の走査パラメータを補正する補正手段と、
   を有することを特徴とするキャリブレーション装置。
2. 前記受光面は、前記リレーレンズの光軸に対し垂直に配置され、
   前記リレーレンズの後側焦点が、前記受光面の中心の位置に略一致することを特徴とする請求項１に記載のキャリブレーション装置。
3. 前記リレーレンズ及び前記光検出手段を前記光走査装置に対して相対的に移動させる移動手段を備え、
   前記移動手段は、前記走査範囲の中心と前記リレーレンズの光軸とが略一致し、かつ、前記リレーレンズの前側焦点の位置が前記光走査装置から出射した光の集光位置に略一致するように前記リレーレンズ及び前記光検出手段を移動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のキャリブレーション装置。
4. 前記光検出手段は、前記リレーレンズの光軸上の光の位置及びビーム径を検出し、
   前記移動手段は、前記リレーレンズの光軸上の光の位置が前記受光面の中心の位置と略一致し、かつ、前記ビーム径が最小となるように前記リレーレンズ及び前記光検出手段を移動することを特徴とする請求項３に記載のキャリブレーション装置。
5. 前記リレーレンズは、前記リレーレンズから出射した光の走査範囲が前記受光面に収まるように前記光走査装置から出射した光の走査範囲を拡大する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のキャリブレーション装置。
6. 前記走査パラメータは、前記走査光の前記走査範囲を拡大又は縮小する第１のパラメータ、前記走査光の前記走査範囲の形状を変更する第２のパラメータ及び前記走査光の走査速度を変更する第３のパラメータの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のキャリブレーション装置。
7. 前記補正手段によって補正された前記拡大走査光の走査軌跡を所定のタイミングでサンプリングし、各サンプリング点に対して２次元のラスタ座標を割り当てるリマップテーブル作成手段を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のキャリブレーション装置。
8. 前記リレーレンズと前記光検出手段とを単一の筐体内に収容したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のキャリブレーション装置。
9. 前記筐体は、前記光検出手段を外光から遮蔽する遮蔽筐体であることを特徴とする請求項８に記載のキャリブレーション装置。
10. 前記光走査装置は、前記光源から出射された所定の波長の励起光を被写体に出射し、
    前記走査型内視鏡システムは、
    前記励起光の集光点と共役の位置に配置された共焦点ピンホールと、
    前記励起光により励起された被写体から発生する蛍光を、前記共焦点ピンホールを介して受光し、所定の検出タイミングで画像信号を検出する画像信号検出手段と、
    前記検出された画像信号を用いて共焦点画像を生成する画像生成手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のキャリブレーション装置。

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