专利名称：光学扫描探针、光学扫描探针装置及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种光学扫描探针和包括利用物理作用力来移位的微 型反射镜的光学扫描装置，以及一种用于控制所述光学扫描探针的方 法，并且更具体地，涉及一种优选用于医用内窥镜装置的诊断探针的 技术。
背景技术：
近来，作为用于观察身体组织和细胞表面及内部状态的装置，已 知一种包括光学扫描元件的光学扫描型共焦点光学显微镜，并且还考 虑了将使用光学扫描元件的类似技术应用于内窥镜。光学扫描型显微 镜和内窥镜具有超过普通光学系统分辨率限制的分辨率，以及它能够 形成三维图像的优点。
作为这种光学扫描元件，各种光学扫描元件已被提出，并且具体 地，其中通过应用微加工技术制造的微型反射镜被构造成围绕作为转 动轴的扭转梁利用静电力往复振荡的一种光学扫描元件被公认为具有 实用性。所述光学扫描元件利用在与反射镜基板相对的位置处提供的 电极之间的静电吸引力来往复振荡反射镜基板，其中所述反射镜基板 是利用围绕用作扭转转动(twist rotation)轴的两个梁而设于相同直线 上的两个梁来支撑的。
与使用可转动多边形反射镜的相关技术光学扫描元件相比，通过
微加工技术形成的光学扫描元件具有更简单的结构并且能够通过半导 体工艺一起形成，从而光学扫描元件能够被容易地减小尺寸并且以低 成本制造，并且它具有单一反射表面，从而它并不象在多边形反射镜 的情形中那样在反射表面间具有低精度，并且通过往复扫描还能够实 现更高速。
作为上述光学扫描元件，例如，已知具有在JP-A-2000-310743、 JP-A-11-52278、 JP-A-2001-311900 、 JP-A-2002-267995 和 JP-A-2002-328329中所披露的结构的元件。
在JP-A-2000-310743中披露的光学扫描元件的构造示于图22A和 22B中。这些光学扫描元件1A和1B基于它们被应用于内窥镜的假设 而进行构造，并且采用通常的静电驱动作为光学扫描元件驱动方法。 换言之，如图22A所示，电压被施加到设于可动部分2的左侧和右侧 上的可动电极3a和3b和与所述可动电极相对地设置的固定电极(未示 出)之间，并且利用所产生的静电力，可动部分2围绕作为中心轴的 梁4转动移位。在图中，阴影区域示出反射镜部分。图22A示出单轴 反射镜的构造，并且图22B示出响应于向可动电极3a、 3b与可动电极 3c、 3d施加的电压而围绕作为中心轴的梁4和梁5转动移位的双轴反 射镜的构造。
在JP-A-11-52278中披露的光学扫描元件的构造示于图23中。该 光学扫描元件1C通常被称为梳状电极结构。具体地，电极间距离较小， 并且在电极之间的相对区域较宽，从而能够使驱动电压更低。另外， 在可动部分2的移位方向(图中的竖直方向)中不存在固定电极6a和 6b，从而利用固定电极6a和6b吸附可动部分2的停靠(pull-in)现象 并不发生，并且能够扩大扫描角度。
在JP-A-2001-311900中披露的光学扫描元件示于图24A-24D中。 图24A是整个光学扫描装置的前视图，图24B是电极基板的前视图，
图24C是包括驱动电极的截面图，并且图24D是示出驱动电极部分的 形状的放大截面图。该光学扫描元件1D包括由设于相同直线上的梁4 支撑的可动部分2、反射镜7、在与反射镜7相对的位置处设置的对向 电极8a和8b，并且通过在可动部分2和对向电极8a、 8b之间产生静 电吸引力，反射镜7围绕作为扭转转动轴的梁4往复振荡。对向电极 8a和8b被设于不平行于反射镜7的倾斜表面9a和9b上，并且在倾斜 表面的至少部分上形成凹槽10。在图中，引用数字11表示框架，12 表示所有的电极垫片，并且13表示电极基板的背脊(ridge)的顶部。 根据这种光学扫描元件1D，对向电极8a、 8b与可动部分2的电极被相 对地设于倾斜状态中，并且电极间距离縮短且电压降低。
在JP-A-2002-267995中披露的光学元件示于图25A和25B中。图 25A是光学扫描元件的截面图(P-P截面)，并且图25B是平面图。在 该光学扫描元件1E中，在框架14内部的端面上，驱动固定电极15a 和15b被形成为面对反射镜7的基板端部，并且起动固定电极16a和 16b通过将它们沿着基板厚度方向偏离反射镜7的基板端部而形成。由 此反射镜7的基板利用低压而被稳定地起动。在图中，引用数字17a 和17b表示电极垫片，并且18a和18b表示背侧电极垫片。
在JP-A-2002-328329中披露的光学扫描元件示于图26中。该光学 扫描元件1F设有向前反射入射光的反射镜7、保持反射镜7的反射镜 保持基板19、支撑反射镜保持基板19从而使其能够转动运动的扭转转 动运动轴4、位于支撑于扭转转动运动轴4上的反射镜保持基板19的 侧表面上的可动电极20，以及在沿着反射镜保持基板19的厚度方向从 可动电极20的相对表面20a偏离的位置处形成的固定电极21，并且光 学扫描振荡角度被扩大并且驱动电压被降低。
然而，上述相关技术中的光学扫描元件具有下面的问题。艮口， JP-A-2000-310743的光学扫描元件1A和1B通常在共振频率下被驱动， 但是共振频率根据结构和材料而被唯一地确定。因此，结构和材料被
设计成用以获得所需共振频率，但是，在高速扫描的情形中，可动部 分变小并且支撑部分弹性作用力变大，从而驱动电压和起动电压趋于 变高。具体地，在医用器械例如内窥镜中，在对活体的安全性方面， 施加高压不是优选的。换言之，需要低压高速驱动。另外，如果施加 高压，则这引起停靠现象，从而极间间隙的仅一部分被用作扫描角度。
JP-A-11-52278的光学扫描元件1C由于其梳状结构而复杂化，从 而伴随其尺寸减小，生产过程变得困难。而且，梳状电极面积较大，
从而整个元件面积也变大，并且这不适于尺寸减小，并且在X和Y平 面的平面扫描情形中，难以在空间中设定第二轴。
在JP-A-2001-311900的光学扫描元件1D中，在靠近转动扭矩较 小的转动轴的一侧上，电极间距离较小，但是，在远离转动扭矩较高 的转动轴的一侧上，电极间距离未显著改变。因此，当起动元件时， 降低电压的效果较小。
在JP-A-2002-267995的光学扫描元件1E和JP-A-2002-328329中 的光学扫描元件1F中，除了驱动电极之外，其它驱动电极或者开始电 极也被设于可动部分侧表面上，并且通过使用这些第二电极，利用低 压来驱动所述元件，然而，根据电极数目的增加，结构变得复杂并且 不适于减小尺寸。靠近转动轴添加第二电极，从而扭矩变小，并且类 似于上述元件，降低电压的效果较小并且在X和Y平面的平面扫描情 形中，难以设定第二轴。
与这些问题一起地，相关技术中的光学扫描元件具有下面的问题， 即，如上所述，在用于内窥镜时，鉴于安全性，驱动电压不能升高。 为了降低电压，可动部分的共振频率降低，即，可动部分被柔化 (soften)。然而，如果梁的弹性降低，则可动部分的弹性恢复力减小， 并且难以提高操作速度，这是不实用的。在用于内窥镜时，能够使用 通常的元件驱动信号的频率(元件的共振频率等)，然而，为了满足
对于高速成像的要求等，为了在高出一位数以上的频率下驱动元件， 应该使驱动电压更高，而在传统的驱动方法中这是不实际的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用简单结构而实现低压高速驱动的 光学扫描探针和光学扫描探针装置，以及一种用于控制该光学扫描探 针的方法。
通过下面的构造能够达到本发明的上述目的。
(1) 一种光学扫描探针，该光学扫描探针用于通过利用光扫描并 照射受检体内部的区域并且检测从所述区域的受照射点发射的光来观 察受检体内部，
所述光学扫描探针包括
光学扫描元件，设置于探针的尖端部分中并且利用经过插入到所 述探针中的光传输部件而被引导至所述尖端部分的光来对受检体内部 的区域进行光学扫描；以及
信号切换部件，用于切换使所述光学扫描元件执行光学扫描的驱 动信号，
其中
所述光学扫描元件包括具有微型反射镜的可动部分，支撑所述 微型反射镜以使其弹性移位，并且沿着第一转动方向和与第一转动方 向反向的第二转动方向而使该微型反射镜双向移位；第一驱动器，向 所述可动部分施加沿着第一转动方向的物理作用力；以及第二驱动器， 向所述可动部分施加沿着第二转动方向的物理作用力，
所述信号切换部件具有用于在扫描准备信号和扫描驱动信号之间 切换并且输出所切换的信号的功能，其中，所述扫描准备信号用于在 所述探针被插入到所述受检体中之前响应于时序信号而沿着第一转动 方向和第二转动方向中的一个吸引所述可动部分，且所述扫描驱动信
号用于交替地沿着第一转动方向和第二转动方向吸引所述可动部分，
并且
所述扫描准备信号的最大电压被设定为高于扫描驱动信号的最大 电压。
根据这种光学扫描探针，仅在起动时使用具有高压的驱动准备信 号，并且所述可动部分沿着转动方向而被吸引到特定位置。因此，不 必根据施加电压来选择支撑部分材料，并且能够利用具有高弹性恢复 力的材料制成所述支撑部分。在插入到受检体之后，驱动准备信号被 切换到安全的低压扫描驱动信号，并且能够在根据低压扫描驱动信号 的交替而沿着各个转动(摆动)方向以高弹性恢复力来促动在所述支 撑部分中存储的能量的同时执行高速驱动(扫描)。
(2) 在(1)中描述的光学扫描探针，还包括通过检测探针插入 到所述受检体中而输出检测信号的传感器，
其中从所述传感器输出的检测信号被输入到所述信号切换部件中 作为时序信号。
根据这种光学扫描探针，当探针插入在受检体中时，传感器检测 到这种插入，并且插入检测信号被输入到所述信号切换部件中。插入 检测信号已输入到其中的所述信号切换部件，将施加到所述光学扫描 元件以吸引所述可动部分的驱动准备信号，切换到具有低压的扫描驱 动信号并且输出该信号。
(3) 在(1)中描述的光学扫描探针，其中，当所述光学扫描探 针的电源接通时，所述时序信号被输入到所述信号切换部件中。
根据这种光学扫描探针，在开始使用所述光学扫描探针时接通电 源，此时，所述信号切换部件快速地向所述光学扫描元件输出驱动准 备信号以沿着第一转动方向或者第二转动方向吸引所述可动部分。换 言之，能够易于使在插入到受检体之前的弹性能量储备与电源接通同
时地进行而无需特殊操作。
(4) 在(1)中描述的光学扫描探针，其中，利用连接到所述信 号切换部件的开关来输入所述时序信号。
根据这种光学扫描探针，通过当开始使用光学扫描探针时接通电 源并且利用连接到所述信号切换部件的开关手动输入所述信号，所述 信号切换部件向所述光学扫描元件输出驱动准备信号以沿着第一转动 方向或者沿着第二转动方向来吸引可动部分。换言之，能够从期望时 间开始在插入受检体之前的弹性能量储备，并且能够防止当在电源接 通之后而所述元件长时间未被插入时可动部分的无用吸引。
(5) 在(1)到(4)的任何一个中描述的光学扫描探针，其中， 当在第一转动方向和第二转动方向之间切换所述可动部分的移位方向 时，所述可动部分的最终移位位置是所述可动部分的下端与所述可动 部分下方的一个构件形成接触的位置。
根据这种光学扫描探针，所述可动部分的移位处于直至沿着第一 转动方向的最终移位位置和沿着第二转动方向的最终移位位置的范围 中，并且在所述可动部分的可动范围中，所述可动部分的扫描角度被 保证为最大值。
(6) 在(1)到(4)的任何一个中描述的光学扫描探针，其中， 当在第一转动方向和第二转动方向之间切换所述可动部分的移位方向 时，所述可动部分的最终移位位置正好在所述可动部分的下端与所述 可动部分下方的一构件形成接触的位置之前。
根据这种光学扫描探针，虽然所述可动部分的扫描角度较窄，但 是材料选择的自由度增大。另外，并不由于电绝缘状态中的可动部分 反复与接触表面接触和从接触表面分离而产生电荷，从而能够防止所
述光学扫描元件的驱动特性的变化以及随着时间的退化。
(7) 在(1)到(6)的任何一个中描述的光学扫描探针，其中所 述物理作用力是静电力。
根据这种光学扫描探针，通过使用静电力来执行驱动，从而，例 如，能够通过在固定侧电极和可动侧电极之间切换施加电压而容易地 控制驱动状态。
(8) 在(1)到(7)的任何一个中描述的光学扫描探针，其中所
述物理作用力被施加到所述可动部分的多个作用点。
根据这种光学扫描探针，设定多个作用点，从而，例如，物理应 力被施加到其中心为转动中心的摆动型可动部分的转动中心的两侧。 因此，不同大小的制动力能够在不同时刻被施加到各个作用点，并且 例如沿着第一转动方向和第二转动方向的各种制动效果，例如促动
(urge)或者吸引保持等，得以获得。
(9) 在(8)中描述的光学扫描探针，其中能够在所述可动部分 的第一和第二转动方向的每一个中设定两个或者更多个物理作用力。
根据这种光学扫描探针，两个或者更多个物理应力能够被施加到 将例如其中心为转动中心的摆动型可动部分的转动中心夹入到其中的
两侧的每一侧。因此，不同大小的制动力能够以不同时序施加到可动 部分的一侧，并且能够获得例如各种制动效果，例如通过施加与转动 方向反向的吸引力而正好在接触之前的位置处制动所述可动部分。
(10) 在(1)到(9)的任何一个中描述的光学扫描探针，还包 括在低于大气压的减压下至少密封所述可动部分的密封结构。说明书第9/40页
根据这种光学扫描探针，所述可动部分在低于大气压力的减压的 环境中操作，从而能够降低空气粘度的影响。在形成为非常小的光学 扫描元件中，所述可动部分具有小的质量，从而当高速振荡它们时， 它们受到围绕它们的空气粘度的影响，并且变得难以提高振荡频率。 因此，通过在减压下密封所述可动部分，所述可动部分在其密度低于 正常密度的空气中振荡，从而空气粘度的影响变得更小并且高速驱动 成为可能。
(11) 在(1)到(10)的任何一个中描述的光学扫描探针，其中， 所述光学扫描元件被支撑成使得所述可动部分能够围绕用于沿着第一 和第二转动方向移位的第一转动轴和与所述第一转动轴正交的第二转 动轴双轴地转动移位，并且对受检体的区域进行二维光学扫描。
根据这种光学扫描探针，所述可动部分被三维驱动从而围绕相互 正交的第一转动轴和第二转动轴转动移位，并且能够利用照射光和返 回光来执行二维扫描，并且能够形成基于返回光分布信息的所照射的 区域的图像。
(12) 在(1)到(11)的任何一个中描述的光学扫描探针，还包
括
光源，发射将要照射到所述受检体上的光；
扫描驱动器，供给用于驱动和摆动光学扫描元件的微型反射镜的 驱动信号；以及
返回光传输部件，将光从光学扫描元件二维扫描的光对受检体照 射点引导至基端部分。
该光学扫描探针通过使用设于光学扫描部分中的光学扫描元件而 对从光源引入的光进行二维扫描，从而照射受检体中的特定区域，并 且将从该照射点发射的光(返回光)引导至基端侧，由此能够检测到 所述特定区域的二维图像。
(13) 在(12)中描述的光学扫描探针，还包括在光源和光学扫 描元件之间的针孔，其中，经过所述针孔的光基本上成为点光源，从 而在所述光源和所述受检体之间形成共焦点光学系统。
根据这种光学扫描探针，共焦点光学系统得以构造，从而当通过 使用光学扫描元件对光进行二维扫描时，仅受检体中的对象的聚焦区 域(扫描位置)的光学图像能够被检测到。照射光从用作点光源的针 孔经由共焦点光学系统被照射到受检体中的所述对象上，从而照射光 被集中地照射到仅一个焦点上，因此，不从扫描位置的周边产生非期 望的散射光，从而能够以高对比度检测到扫描位置的图像。而且，通 过使用所述共焦点光学系统，能够通过使用细的构件如光纤来引导照 射光和返回光，从而能够构造优选用作内窥镜的细长的光学扫描探针。
(14) 在(13)中描述的光学扫描探针，其中，所述针孔形成在
套圈中，所述套圈在所述探针的尖端部分处附接到所述光传输部件的 端部。
根据这种光学扫描探针，在附接到所述光传输部件的端部的光纤 连接器中的套圈的光出射端被有效地用作基本上形成点光源的共焦点 针孔。
(15) 在(1)到(14)的任何一个中描述的光学扫描探针，其中， 从所述照射点发射的光是反射光、散射光、荧光和磷光中的一种。
根据这种光学扫描探针，例如，通过检测从所述照射点发射的反 射光、散射光、荧光和磷光中的任何一种，在医学应用中能够进行各 种诊断。
(16) —种光学扫描探针装置，包括
在(1)到(15)的任何一项中描述的光学扫描探针； 信号处理器，根据从所述返回光传输部件引导的返回光和所述扫
描驱动器的驱动信号，获得从受检体中的照射点发射的光的一维或者
二维分布信息；以及
显示器，显示从所述信号处理器输出的视频信号。
根据这种光学扫描探针装置，当从光学扫描探针输出的光被扫描 时，利用返回光传输部件来引导从受检体的照射点发射的光，并且通 过光电转换元件等来输出返回光的强度作为电信号。输出电信号被输 入到信号处理装置中并且作为从照射点发射的光的分布信息被显示在 显示器上。
(17) —种用于控制在(1)到(15)的任何一项中描述的光学扫 描探针的方法，包括基于扫描驱动信号而重复
在沿着第一和第二转动方向中的一个方向移位所述可动部分时， 在支撑所述可动部分的弹性支撑中存储第一弹性能量；
由第一和第二驱动器中的一个驱动器产生第一物理作用力以沿着 一个方向移位所述可动部分；
使所述第一物理作用力消失并且释放存储在所述弹性支撑梁中的 所述第一弹性能量，以便将具有与第一弹性能量极性反向的极性的第 二弹性能量存储在弹性支撑梁中并且沿着所述第一和第二转动方向的
另一个方向移位所述可动部分；并且
由所述第一和第二驱动器的另一个驱动器产生第二物理作用力以 沿着所述另一个方向移位所述可动部分。
根据用于控制所述光学扫描探针的这种方法，在探针被插入到受 检体之前，利用比较高的电压来倾斜所述可动部分，并且弹性能量被 存储在弹性支撑梁中。在该状态中，停止施加高压，并且探针被插入 在受检体中。在插入在受检体中之后，通过释放存储在弹性支撑梁中 的弹性能量来摆动所述可动部分，并且被摆动的可动部分通过惯性而
在存储相反方向中的弹性能量的同时转动直至另一转动方向，然后， 所述可动部分在当惯性消失并且所存储的弹性作用力平衡被反转时的 时间点再次切换到返回方向中。通过低压扫描驱动信号的交替来促动 这种反复切换，弹性支撑梁中的弹性能量被释放并被再次存储，并且 可动部分连续地摆动。
(18) 在(17)中描述的用于控制光学扫描探针的方法，其中扫 描驱动信号的最大电压被设定为低于IOOV。
根据用于控制光学扫描探针的这种方法，在插入在受检体中之后， 用于光学扫描所必需的扫描驱动信号被设定为至多低于IOOV，由此内 窥镜的使用安全性得以保证。通过改变光学扫描元件的尺寸和材料， 该最大电压能够被进一步降低。
(19) 在(17)或者(18)中描述的用于控制光学扫描探针的方 法，其中以与所述可动部分的共振频率相应的周期来移位所述可动部 分。
根据用于控制光学扫描探针的这种方法，可动部分被驱动从而以 与根据可动部分的形状和质量等而确定的本征频率相应的共振频率摆 动，从而能够利用最小驱动作用力来执行高效驱动，并且摆动操作变 得稳定。
通过考虑在附图中示意性示出的本发明的示例性实施例，本发明 的特征将更加充分地显现，其中
图1是包括根据本发明示例性实施例的光学扫描探针的光学扫描 探针装置的框图2是示出包括配备有光学扫描元件和内窥镜装置的光学扫描探 针的光学扫描探针装置的整体构造的前视图3是示出光学扫描探针的尖端部分的结构的截面图； 图4是示于图3中的光学扫描元件的透视图5是示出光学扫描元件和用于驱动该光学扫描元件的电路的框
图6A-6F是示出在接触驱动中可动部分移位状态的操作说明图； 图7是示出在接触驱动中施加电压和移位角度之间的关系的操作 说明图8A-8F是示出在非接触驱动中可动部分移位状态的操作说明
图9是示出在非接触驱动中施加电压和移位角度之间的关系的操 作说明图IO是示出用于结构分析的光学扫描元件的结构的透视图11是作为通过使用示于图10中的分析模型而获得的分析结果
的、转动角度和施加电压之间的相关图12是示出用于生产过程中的光学扫描元件的结构的截面图13A-13E是示出光学扫描元件的生产步骤的说明图14是其中可动部分由悬臂式结构支撑的变形例1的光学扫描元
件的透视图15是构造成使得能够沿着可动部分的切换方向设定两个物理 作用力的变形例2的光学扫描元件的透视图16A-16E是转动角度和施加电压之间的相关图，示出变形例2 的光学扫描元件的驱动实例；
图17是构造成使得能够利用悬臂式结构而沿着可动部分的切换 方向来设定两个物理作用力的变形例3的光学扫描元件的透视图18是示出通过使用本发明的光学扫描元件的活体组织内部的 观察状态的说明图19是双轴扫描元件的透视图20是示出在减压下密封的光学扫描元件的构造实例的纵向截
面图21是示出其中光学扫描探针的尖端框架的内部空间压力降低
的情形的说明图22A和22B是一般的单轴光学扫描元件(图22A)和双轴光学 扫描元件(图22B)的平面图23是具有梳状电极结构的光学扫描元件的平面图
图24A-24D是其中对向电极被设于倾斜表面上的光学扫描元件的 构造图，图24A是整体光学扫描装置的前视图，图24B是电极基板的 前视图，图24C是包括驱动电极的截面图25A和25B是示出包括起动固定电极的传统的光学扫描元件的 视图，并且图25A是光学扫描元件(P-P截面)的截面图，图25B是 平面图；以及
图26是包括沿着反射装置(means)保持基板的厚度方向而偏离 的固定电极的传统光学扫描元件的构造图。
其中，在下面给出图中一些数字和符号的说明。
30:内窥镜装置
31:光学扫描探针装置
33:信号处理装置(信号处理器)
35:显示单元
43:光纤(光发射装置，返回光发射装置) 49:扫描驱动器 53:受检体 55:传感器
71:套圈(ferrule)
81:光学扫描元件
83:微型反射镜(mirror)
95:可动部分
97:弹性支撑梁(第一转动轴，弹性支撑梁) 100:光学扫描探针 101a:第一驱动器 101b:第二驱动器
105:驱动电压控制电路(信号切换部件)
109:支点(在可动部分下方的构件)
125:弹性支撑梁(第二转动轴，弹性支撑梁)
VI:驱动准备信号
V2:扫描驱动信号
具体实施例方式
根据本发明示例性实施例的光学扫描探针包括向受检体上扫描光 的光学扫描元件和切换用于使光学扫描元件扫描光的驱动信号的信号 切换部件，其中，所述光学扫描元件包括具有沿着第一转动方向和第 二转动方向移位的微型反射镜的可动部分以及向可动部分施加物理作 用力的第一和第二驱动器，并且所述信号切换部件具有从用于沿着第 一转动方向或者第二转动方向吸引可动部分的驱动准备信号交替地切 换并且输出该信号的功能，并且驱动准备信号的最大电压被设定为高 于扫描驱动信号的最大电压，从而通过仅起动时使用高压，驱动时能 够降低电压。所述驱动增加了支撑部分弹性作用力的效果，并且这使 得能够进行高速驱动。结果，通过一种简单结构而实现了低压高速驱 动。
根据本发明示例性实施例的光学扫描探针装置包括光学扫描探 针、信号处理器以及显示单元，其中，所述信号处理器根据从光学扫 描探针装置的返回光传输部件引导的光和扫描驱动器的驱动信号而获 得从受检体中的照射点发射的光的一维或者二维光分布信息，所述显 示单元显示从信号处理器输出的视频信号，从而通过使用具有简单结 构的光学扫描探针，当在低压下进行高速光扫描时，返回光的强度作 为电信号被输入到信号处理装置中，并且返回光分布信息能够被高速 显示在显示单元上。
根据在本发明示例性实施例中一种用于控制光学扫描探针的方 法，扫描驱动信号是一种重复以下过程的驱动信号，在该过程中，直
到可动部分沿着一个转动方向移位，才将弹性能量存储在支撑可动部 分的弹性支撑梁中，并且利用由一个驱动器产生的物理作用力来移位 可动部分，然后，使来自该一个驱动器的物理作用力消失，并且释放 存储在弹性支撑梁中的弹性能量，由此，在其极性与前述弹性能量反 向的弹性能量被再次存储于弹性支撑梁中时，可动部分被沿着另一转 动方向移位，并且利用从另一驱动器产生的物理作用力来移位可动部 分。因此，在探针被插入受检体中之前，利用比较高的电压来倾斜可 动部分，并且从该状态起，停止施加高压，然后将探针插入受检体中。 在被插入受检体中之后，利用低压连续地驱动可动部分。因此，通过 设计驱动方法利用简单结构来实现高速扫描和低压，而不使得结构和 生产过程复杂化。
在下文中，将参考附图来描述本发明的光学扫描探针和光学扫描 探针装置，以及用于控制光学扫描探针的方法的示例性实施例。
图1是具有根据本发明示例性实施例的光学扫描探针的光学扫描 装置的框图。
光学扫描探针装置31包括光学系统和驱动系统，并且通过将信息 输入到这两个系统中和从这两个系统中输出信息，经由信号处理装置
33构成所观察到的图像以将其输出到显示单元35，其中，所述光学系 统用于将光学信息输入到光学扫描探针100中和从光学扫描探针100 中输出光学信息，所述驱动系统用于将驱动控制信息输入到光学扫描 探针中。
光学系统包括具有半导体激光器等的光源37、光电检测器39、光 学耦合器41以及作为连接这些构件的光传输部件(和返回光传输部件) 的光纤43，并且驱动系统包括操作单元45、连接到操作单元45的控 制器47、扫描驱动器49和修正表格51 (均稍后描述)。
从光源37输出的激光束的光量由适当的光量调节单元来调节并
且被引导到第一光纤0F1，并且被具有四个输入和输出的光学耦合器 41分支到第三光纤OF3和第四光纤OF4。第三光纤OF3，作为与可视 激光束多路复用的激光束，被发射到光学扫描探针100。然后，通过利 用安装在光学扫描探针100的尖端部分内的物镜单元(稍后描述)来 扫描激光束，扫描观察光(观察光束)并且在受检体53的表面附近将 其聚光成观察点。
另一方面，从受检体53上待检测的扫描位置处的照射点所发射的 光返回到光学扫描探针100并且经由光纤43而被引导到光学耦合器 41。然后，从光学耦合器41分支到第二光纤OF2的光被光电检测器 39检测到。光电检测器39是输出入射光的强度作为电信号的装置，如 光电转换元件。从光电检测器39输出的电信号被输入到信号处理装置 33中并且显示在显示单元35上。
为了防止分支到第四光纤OF4的光被第四光纤的端部反射并且返 回到光学耦合器41侧，第四光纤OF4的端部被关闭或者经受无反射
(non-reflective)处理。作为这些第一光纤OFl、第二光纤OF2、第三 光纤OF3以及第四光纤OF4，优选地，可使用单模纤维、能够充分地 保持相干性的低次多模(low-order multimode)纤维或者偏波保存
(polarization-preserving )纤维等。
然后，控制器47使扫描驱动器49产生用于在物镜单元中执行光 学扫描的驱动信号，并且向信号处理装置33输出该驱动信号，并使其 形成图像且响应于来自操作单元45的操作信号而执行所获取的图像的 停帧(freeze)操作或者静止图像的硬拷贝并控制诸如光学扫描探针100 的弯曲的各种操作。
传感器55连接到控制器47，并且传感器55检测到探针已插入到 受检体53中并输出检测信号。将从传感器55输出的检测信号作为时
序信号(稍后描述)输入到作为信号切换部件的驱动电压控制电路105 (见图5)中。
下面，将描述一种状态，其中光学扫描探针装置31被并入到内窥
镜装置中。
图2是包括配备有光学扫描元件和内窥镜装置整体的光学扫描探 针的光学扫描探针装置的构造的前视图。
光学扫描探针IOO将其尖端部分插入到受检体53中，在扫描时将 光照射到受检体53内的区域上，并且通过检测从照射点发射的光来观 察受检体53的内部。细长的、具有挠性的护套57覆盖该光学扫描探 针100。
指示器(scope) 34的基端侧连接到内窥镜装置30的连接器32， 并且操作单元45连接到该指示器34的另一端侧。细长的插入部分61 连接到操作单元45的尖端。操作单元45设有镊子插入开口 45a，并且 从该插入开口 45a插入光学扫描探针100。光学扫描探针100经由在插 入部分61中形成的镊子进口 59延伸到插入部分61的尖端。
如图1所示，光学扫描探针装置31包括光学扫描探针100、信号 处理装置33以及显示单元35，并且当从光学扫描探针100输出的光被 扫描时，从受检体53发射的光被光纤43引导作为返回光，且光电转 换元件等输出返回光的强度作为电信号，其中，所述信号处理装置33 利用从光学扫描探针100的光纤43引导的返回光和扫描驱动器49的 驱动信号来获得从受检体53内部的区域中的照射点发射的光的一维或 者二维分布信息，所述显示单元35显示从信号处理装置33输出的视 频信号。所输出的电信号被输入到信号处理装置33中，并且成为从照 射点发射的光的分布信息且显示在显示单元5上。
这里，从照射点发射的光(返回光)包括来自光照射区域的反射 光、散射光、荧光和磷光中的任何一种，并且通过检测这些光成分， 能够进行各种诊断。散射光被用于利用散射光与反射光的比率来计算 衰减率，并且还基于每一个波长下的衰减率来求出氧代谢量等。荧光 被用于通过将激发光照射到吸收发射荧光的光敏物质的活体内的一部 分上，基于从光敏物质发射的荧光而利用图像信息进行诊断，并且一 般被用于通常被称作PDD的光力学诊断(photodynamic diagnosis)。 当利用激光照射光敏剂被特别积聚的病灶部(lesion)时，活性氧发射 磷光。通过对该磷光成像，能够诊断病灶部的浸润状态、病灶部的范 围以及病灶部。
下面，在图3中示出了一个截面图，该截面图示出了光学扫描探 针装置的尖端部分的结构。
在光学扫描探针100中，尖端框架63经由环形接头65连接到护 套57的尖端，并且插入到护套57中的光纤43和信号线67连接到尖 端框架63侧。尖端框架63具有柱形结构，其尖端部分被封闭。
在尖端框架63内，保持构件69保持基本等价于尖端框架63的内 径的外形，并且在保持构件69中，形成用于插入光纤43和信号线67 的连通孔69a和69b。在连通孔69a中，设置设于光纤43的尖端上的 套圈71，并且在连通孔69b中，信号线67与封装件73—起插入，由 此在尖端框架63的内部区域处，由保持构件69限定密封的内部空间 75。
在尖端框架63的尖端附近的一部分处，形成用于对受检体53成 像的开口，并且盖玻璃(cover glass) 77被附接到该开口部分。在邻近 于该盖玻璃77的位置处，设置聚光透镜79，并且光学扫描元件81被 设置成面对聚光透镜79。光学扫描元件81被设定成相对于尖端框架 63的轴向方向倾斜大约45度的，并且入射光的光路被能够如稍后所描
述地转动移位的微型反射镜83改变(见图4)。换言之，从固定到保
持构件69的套圈71输出的光经由保持构件69所支撑的准直透镜85 而照射到光学扫描元件上，并且其反射光被扫描并且照射到受检体53 上。
这里，向其施加用于驱动光学扫描元件81从而进行扫描的驱动信 号(相应于稍后描述的Va、 Vb)的电极经由信号线67被连接到扫描 驱动器49 (见图1)。
设于穿过保持构件69的中心的位置处的套圈71具有穿过中心的 微型贯通孔，并且，光纤43连接到其一端，并且在另一端侧上的开口 是自由的。因此，示于图1的光学扫描探针100的光学系统构成共焦 点光学系统，并且套圈71用作共焦点针孔。照射光被从光源37输入 到光纤43中(见图1)，并且从套圈71的开口输出照射光作为点光源。 该照射光被准直透镜85转换成平行光并使其入射在光学扫描元件81 的微型反射镜83的表面上，并且由微型反射镜83的表面反射，由聚 光透镜79聚光，并且经由盖玻璃77而照射到受检体53上。
另一方面，在受检体53的区域中，来自与根据光学扫描元件81 的微型反射镜83的表面的倾斜度而确定的扫描位置相对应的点的反射 光遵循以下路径反向通过盖玻璃77，由聚光透镜79聚光并被引导到 光学扫描元件81的微型反射镜83，由微型反射镜83的表面反射并经 由准直透镜85而使其入射到套圈71的、作为共焦点针孔的开口部分 上，并且经由光纤43而被引导到光学检测器39 (见图l)。换言之， 光纤43也用作返回光传输部件。
在该共焦点光学系统中，通过在与聚光透镜79的焦点位置共轭的 位置(图像位置)处设置具有圆形开口的针孔，仅仅聚焦位置的光能 够被检测到。在本实施例中，附接到光纤43的端部的套圈71的光出 射端被有效地用作基本形成点光源的共焦点针孔。在共焦点光学系统
中，从点光源发出的光被物镜聚光并且照射到受检体53的一个点上。
因此，不同于同等地照亮全部受检体53的一般的照明，不从扫描位置
的周边产生非期望的散射光，并且图像对比度被大大地提高。而且，
通过使用共焦点光学系统，能够通过使用细的构件例如光纤43来引导 照射光和返回光，从而能够形成可优选地用作光学扫描探针装置31的 细长的光学扫描探针100。因此，能够观察到作为高质量图像的、诸如 活体组织等的受检体的内部的表面。
当获取上述图像时，控制器47 (见图1)掌握由扫描驱动器49产 生的每一个扫描控制信号的时序，即，光学扫描元件81的微型反射镜 83的扫描位置，并且使信号处理装置33根据该扫描位置来处理从光电 检测器39输入的电信号，并且使显示单元35输出二维图像信息作为 受检体53的获取图像。
确定扫描范围(将要成像的范围)的光学扫描元件81的微型反射 镜83的倾斜角度根据将要施加到光学扫描元件81的每一个电极的驱 动电压的电平而改变，但是，如果光学扫描元件81的电极间距离等是 不均匀的，即使当施加相同的驱动电压时，在每一个光学扫描元件81 的实际扫描范围中也发生错误。扫描范围也可以根据温度等的环境变 化的影响而改变。
因此，为了稳定光学扫描元件81的实际扫描范围，控制器47具 有用于修正将要施加到光学扫描元件81的驱动电压的修正表格51。换 言之，预先将示出将要施加的驱动电压值和实际倾斜角度之间的关系 的信息记录并且保持在表格中，并且当实际驱动光学扫描元件81时， 通过参照修正表格51的内容来确定将要施加的驱动电压值，从而使扫 描范围与预定范围相同。
直到装运光学扫描探针装置31的产品时，才生成这种修正表格 51。还允许使修正表格51的内容是可重写的，并且在进行周期性维护
时重写修正表格51的内容。可选地，根据需要，可以由使用者确定的 任意时序(例如在光学扫描探针装置31的电源接通时)来更新修正表格51的内容。
在驱动光学扫描元件81时的扫描时序和实际扫描位置之间的对应关系是非线性的情形中，示出这种关系的信息也被记录在修正表格51中。
图4是图3中所示的光学扫描元件的透视图。
光学扫描元件81被安装在光学扫描探针100的尖端部分中(见图 3)，并且利用经由插入到光学扫描探针100中的光纤43而引导到尖 端部分的光，对受检体53的区域进行光学扫描。光学扫描元件81包 括作为基本组件的基板91、经由间隙93平行于基板91布置的小片状 的可动部分95、作为从可动部分95的两个边缘延伸的支撑部分的弹性 支撑梁97、以及经由弹性支撑梁97在基板91上支撑可动部分95的间 隔件99。利用这种构造，可动部分95能够根据弹性支撑梁97的扭转 (twisting)而沿着第一转动方向和与第一转动方向反向的第二转动方 向来双向转动移位。
在光学扫描元件81中，可动部分95的上表面变为微型反射镜83。 在基板91的上表面上，在两个弹性支撑梁97的两侧上设有沿着第一 转动方向而向可动部分95施加物理作用力的第一驱动器101a和沿着第 二转动方向而向可动部分95施加物理作用力的第二驱动器101b。第一 驱动器101a和第二驱动器101b成为作为固定电极的寻址电极。可动部 分95的一部分还设有可动电极103。
图5是示出光学扫描元件和用于驱动光学扫描元件的电路的框图。光学扫描元件81包括位于基板91内部的驱动电路104。驱动电 路104包括驱动电压控制电路105和存储器电路107。驱动电压控制电 路105产生将要施加到光学扫描元件81的各个电极的驱动信号Va和 Vb。存储器电路107保持信号波形的信息，其中，应该在驱动光学扫 描元件之前，通过使所述信号波形与光学扫描元件81的微型反射镜83 相对于各个轴的倾斜移位量相关联，来输出所述信号波形作为每一个 驱动信号Va、 Vb。当从外部将移位量指令输入到存储器电路107中时， 存储器电路107向驱动电压控制电路105供给用于产生与移位量相对 应的信号波形所需要的信息。驱动电压控制电路105，基于从存储器电 路107输入的信息而以必要的时序来产生每一个驱动信号Va、Vb的波 形。
形成在可动部分95上的导电区域形成可动电极103作为公共电 极，并且通过向布置在面向可动电极的位置处的第一驱动器101a和第 二驱动器101b施加电压，能够产生成为驱动作用力的静电力。
这里，将描述其中使光学扫描元件81的可动部分95与基板91侧 形成接触并且摆动的接触驱动方法。
图6A-6F是示出在接触驱动中光学扫描元件81的可动部分95的 移位状态的操作说明图。
通过作为基本操作而向第一驱动器101a、第二驱动器101b、以及 可动电极103 (图中作为可动部分95来说明)施加电压，光学扫描元 件81围绕作为扭转中心的弹性支撑梁97来使可动部分95摆动并且移 位。因此，可动部分95上的微型反射镜83被摆动，并且光反射方向 被切换。然而，当起动时，用于在平衡状态中使可动部分95转动移位 的最小能量高于在开始移位之后所需的能量，并且因此，应该增大驱 动信号的施加电压。在本实施例中，起动时的施加电压被定义为VI并 且起动后稳态驱动时的施加电压被定义为V2 (<V1)。
为了使可动部分95从平衡状态开始与下部形成接触，如图6A所 示，从可动部分95的平衡停止状态，如图6B所示，静电力F1响应于 将施加电压Va (VI)施加到第一驱动器101a而动作，转动移位可动 部分95并且使其与设定于基板91上的支点109形成接触。支点109 具有用于在该停靠(pull-in)状态中防止粘附到可动部分95的功能。
然后，如图6C所示，当切断给第一驱动器101a的施加电压Va 时，通过弹性支撑梁97的弹性恢复力K^，可动部分95沿着相反方向 转动移位。此后，所述驱动变为稳态驱动并且可动部分95连续地摆动。
然而，如图6D所示，当不存在粘度效应(viscosity effect)时， 可动部分95转动移位到最大移位位置，然而，当存在粘度效应时，这 种移位变小，因此，为了补偿移位不足，低于上述施加电压值VI的电 压V2以脉冲方式施加到第二驱动器101b作为施加电压Vb以产生静电 力F2 (>F1)。这里，以不会引起第二驱动器101b停靠的程度施加所 述电压。
如图6E所示，当切断给第二驱动器101b的施加电压Vb时，通 过弹性支撑梁97的弹性恢复力可动部分95再次沿着相反方向转 动移位。这里，为了再次补偿移位不足，如图6F所示，以脉冲方式向 第一驱动器101a施加所述施加电压V2(〈V1)以产生静电力F2(>F1)。 通过重复图6C到图6F的操作，可动部分95反复地摆动。
可动部分95优选以与可动部分95的共振频率相应的周期来移位。 通过以与根据可动部分95的形状和质量等而确定的本征频率相应的共 振频率来驱动可动部分95，能够利用最小驱动作用力高效地进行驱动， 并且摆动操作得以稳定。当所施加的物理作用力成为静电力时，可动 部分95能够高速转动移位。物理作用力是静电力，从而，例如，通过 切换在固定侧电极和可动侧电极之间施加的电压，能够易于控制驱动
状态。
图7是示出在接触驱动中在施加电压和移位角度之间的关系的操 作说明图。
这里，与供给到第一驱动器101a和第二驱动器101b的驱动信号 一起，说明根据示于图6A-6F的可动部分95的驱动的倾斜角度变化。
在使可动部分95从平衡状态开始与下部形成接触的情形中，当可 动部分95与下部形成接触时(示于图6B的状态)，可动部分95的倾 斜角度被定义为+ei。为了维持这种状态，施加电压Va被设定为高于 V2的电压V1。然后，当转变到示于图6C到图6F的稳态驱动时，以 转变时序tl，施加电压Va从VI改变到0。然后，通过在可动部分95 即将达到最终移位位置之前向其施加静电力，可动部分95被吸引到最 终移位位置。当可动部分95超过最终移位位置时，不用施加静电力， 利用弹性支撑梁97的弹性恢复力开始沿着相反方向的转动移位。因此， 在稳态驱动中提供给第一驱动器101a和第二驱动器1的驱动信号，在 可动部分95的摆动循环(cycle)的拐点之前，即刻以脉冲方式施加电 压V2。图中的点线波形示出了其中当粘度效应发生时倾斜角度范围变 窄的状态。在本实施例中，电压值V2的驱动信号被施加到第一驱动器 101a和第二驱动器101b以防止倾斜角度范围变窄。
因此，当可动部分95的下端是与可动部分95下方的支点109形 成接触的位置时，可动部分95的移位处于从沿着第一转动方向的最终 移位位置到沿着第二转动方向的最终移位位置的范围中，并且保证可 动部分95的扫描角度是可动部分的可动范围中的最大值。
这里，如上所述，将更加详细地说明在起动和稳态驱动之间的驱 动信号的切换。
在本实施例的光学扫描探针装置31中，在安全性方面，可使用在 光学扫描探针IOO中的电压具有上限。因此，仅在起动时施加高压VI，
而并且此后施加小于电压VI的电压V2，从而进行连续摆动。就电压 值而言，V2小于V1，但是，在静电力方面，如图7所示，在电压V2 的施加时序的电极间距离短于在电压VI的施加时序的电极间距离，并 且因此，电压V2能够产生更大的静电力，并且能够增大可动部分95 的吸引效果。
作为详细的操作程序，在光学扫描探针100的探针插入到受检体 53中之前，利用比较高的电压V1使可动部分95从平衡状态开始向任 一驱动器倾斜，并且从该倾斜状态开始停止施加高压VI。此后，光学 扫描探针100被插入到受检体53中。当探针被插入到受检体53中时， 用低压来驱动它。因此，在受检体53中，并不利用高压来驱动光学扫 描元件81。
由作为信号切换部件的驱动电压控制电路105 (见图5)控制从高 压驱动改变到低压驱动的时序tl (见图7)。换言之，控制器47 (见 图1)能够改变用于使光学扫描元件81执行光学扫描的驱动信号。具 体来说，驱动电压控制电路105具有下列功能在探针插入到受检体 53中之前，在从控制器47接收到时序tl的时序信号时，从用于沿着 第一转动方向或者第二转动方向来吸引可动部分95的驱动准备信号， 切换并输出用于交替地沿着第一转动方向和第二转动方向来吸引可动 部分95的扫描驱动信号。如上所述，驱动准备信号的最大电压被设定 为高于扫描驱动信号的最大电压。
这里，扫描驱动信号是一种重复下述过程的驱动信号，在该过程 中，直到可动部分95沿着一个转动方向移位，才将弹性能量存储在支 撑可动部分95的弹性支撑梁97中，并且利用由一个驱动器(例如， 第一驱动器101a)产生的物理作用力来移位可动部分95，此后，使来 自所述一个驱动器的物理作用力消失，并且释放存储在弹性支撑梁97
中的弹性能量，由此，当在弹性支撑梁97中再次存储极性与前述弹性
能量反向的弹性能量时，可动部分95沿着另一转动方向移位，并且利 用由另一驱动器(例如，第二驱动器101b)产生的物理作用力来移位 可动部分95。
因此，在光学扫描探针装置31中，在光学扫描探针IOO的探针插 入到受检体53中之前，可动部分95响应于比较高的电压驱动准备信 号而倾斜，并且弹性能量被存储在弹性支撑梁97中。在该状态中，停 止施加高压驱动准备信号VI，然后探针被插入到受检体53中。在停 止施加驱动准备信号之后，通过释放存储在弹性支撑梁97中的弹性能 量，可动部分95被转动移位，并且被转动移位的可动部分95转动至 另一转动方向，同时利用惯性来存储反方向的弹性能量，此后，在当 惯性消失并且所存储的弹性能量平衡被反转时的时间点，可动部分95 被再次切换到返回方向。利用低压扫描驱动信号来交替地施加并促动 这种重复切换，由此弹性支撑梁97中的弹性能量被释放并再次被存储， 因此，可动部分95连续地摆动。
扫描驱动信号V2的最大电压优选设定为低于IOOV。当受检体53 是人体时，在探针插入体内之后，用于光学扫描所需的扫描驱动信号 被设定为至多低于IOOV，由此进一步保证内窥镜的使用安全性。通过 改变光学扫描元件81的尺寸和材料，能够进一步降低这种最大电压。
本实施例的光学扫描探针装置31包括通过对光学扫描探针100插 入到受检体53中进行检测而输出检测信号的传感器55 (见图l)。从 传感器55输出的检测信号经由控制器47而输入到驱动电压控制电路 105中作为时序tl的信号。当光学扫描探针100被插入到受检体53中 时，利用传感器55来检测这种插入，并且将插入检测信号输入到驱动 电压控制电路105中。插入检测信号被输入到其中的驱动电压控制电 路105，将施加到光学扫描元件81以吸引可动部分95的驱动准备信号， 切换到低压扫描驱动信号并且输出该信号。
另外，当接通光学扫描探针IOO的电源时，时序tl的信号可以输 入到驱动电压控制电路105中。在开始使用光学扫描探针100时接通
电源，此时，驱动电压控制电路105自动地向光学扫描元件81输出驱
动准备信号以沿着第一转动方向或者第二转动方向而吸引可动部分 95。换言之，能够易于使在探针插入到受检体53之前的弹性能量储备 与电源接通同时地进行而无需特殊操作。
可以利用连接到控制器47的操作单元45的开关来输入时序tl的 信号。在此情形中，当开始使用光学扫描探针100时，接通电源，并 且手动输入连接到所述信号切换部件的开关，由此驱动电压控制电路 105向光学扫描元件81输出驱动准备信号以沿着第一转动方向或者第 二转动方向来吸引可动部分95。换言之，能够从所需时间开始在将探 针插入受检体53中之前的弹性能量储备，并且能够防止当电源接通之 后而探针长时间未被插入时可动部分95的无用吸引。
如上所述，在本实施例的光学扫描探针100中，仅当起动时，使 用具有高压的驱动准备信号并且可动部分95被吸引到任一转动方向中 的位置。在将探针插入受检体53中之后，驱动准备信号被切换到安全 的低压扫描驱动信号，并且能够在根据低压扫描驱动信号的交替而沿 着相应的转动(摆动)方向利用高弹性恢复力来促动在弹性支撑梁97 中存储的驱动能量的同时执行高速扫描驱动。
下面，将说明其中光学扫描元件81的可动部分95被摆动而不接 触基板91侧的非接触驱动方法。
图8A-8F是示出在非接触驱动的情形中可动部分的移位状态的操 作说明图。
当可动部分95未从平衡位置开始与下部形成接触时，如图8A所
示，从可动部分95的平衡停止状态，静电力Fl通过将施加电压Va(Vl) 施加到第一驱动器101a而动作，并且可动部分95被转动移位并停止在 不与下部接触的位置处。换言之，无需停靠可动部分95，它在中间位 置处静止不动。
然后，如图8C所示，当切断给第一驱动器101a的施加电压Va 时，利用弹性支撑梁97的弹性作用力而沿着相方方向来转动移位 可动部分95。此后，所述驱动变为稳态驱动并且可动部分95连续地摆 动。
然而，如图8D所示，当不存在粘度效应时，可动部分95转动移 位到最大移位位置，然而，当存在粘度效应时，该移位更小。因此， 为了补偿移位不足，向第二驱动器lb以脉冲方式施加低于施加电压 VI的电压V2作为施加电压Vb以产生静电力F2 (>F1)。这里，可动 部分95也未被停靠。
然后，如图8E所示，当切断给第二驱动器101b的施加的电压Va 时，通过弹性支撑梁97的弹性恢复力K^，可动部分95再次沿着相反 方向而转动移位。这里，为了再次补偿移位不足，如图8F所示，以脉 冲方式向第一驱动器101a施加所述施加电压V2 (<V1)以产生静电力 F2 (>F1)。通过重复图8C-8F的操作，可动部分95反复地摆动而不 接触下部。
可动部分95优选以与可动部分95共振频率相应的周期来移位， 并且如上所述，能够利用必需的最小驱动作用力来高效地进行驱动， 并且摆动操作得以稳定。
图9是示出在非接触驱动中在施加电压和移位角度之间的关系的 操作说明图。这里，与供给到第一驱动器101a和第二驱动器101b的驱动信号 一起，说明根据示于图8A-8F的可动部分95的驱动的倾斜角度变化。
在从平衡位置进行驱动而不使可动部分95与下部接触的情形中， 使可动部分95不与下部形成接触的最大移位角度被定义为+^2。为了 维持这种状态，将施加电压Va设定为高于V2的电压V1。
因此，当可动部分95的最终移位位置是正好在与可动部分95下 方的下方的构件形成接触之前的位置时，可动部分95的扫描角度较窄， 但是，不必考虑到支点的粘附，从而增大了元件材料选择的自由度。 另外，并不由于在电绝缘状态中可动部分关于基板侧的重复接触和分 离而产生电荷，从而防止了驱动特征散射以及光学扫描元件81随着时 间的退化。
下面，将说明光学扫描元件的详细结构实例和通过模拟光学扫描 元件的操作的分析结果。
图10是示出用于结构分析的光学扫描元件的结构的透视图，并且 图11是可动部分的倾斜角度与施加电压的相关图，示出了通过使用图 10所示的分析模型而获得的分析结果。
对光学扫描元件的尺寸进行实际假设，并且通过使用运动方程来 执行静态分析。将在图IO中利用参考符号示出的各个部分的尺寸示于 下面的表格1中。
表格1
可动部分尺寸L1500 u m
可动部分尺寸L2400 u m
可动部分厚度HlOn m
支撑部分长度W140 ti m
支撑部分宽度W24 ti m
支撑部分厚度H4 U m
材料杨氏模量(Si) E130.8Gpa
材料泊松比(Si) v0.28
共振频率f6.13kHz
最大移位角度0max12deg
电极间距离d42 u m
与该分析模型有关的光学扫描元件在施加电压400V处引起停靠 现象，并且可动部分与下部形成接触。该分析模型采用起动时与下部
形成接触的接触型光学扫描元件。根据该分析模型，能够知道当仅
在起动时施加400V或者更高的驱动准备信号(电压)时，可动部分与 下部形成接触，并且此后，能够利用支撑部分的弹性作用力以及补偿 不足的低的施加电压来重复进行移位。
下面，将描述具有与上述实施例相同的构造的光学扫描元件的生 产过程。
图12是示出用于该生产过程的光学扫描元件的结构的截面图，并 且图13A-13E是示出光学扫描元件的生产步骤的说明图。
为了制造具有与上述实施例相同的构造的、图12所示的光学扫描 元件81，首先，如图13A所示，在SOI(绝缘体上Si)基板91的第一 绝缘层111上形成包括CMOS的驱动电路104。在驱动电路104的上 部处，利用PECVD沉积Si02以形成第二绝缘层113，并且通过光刻
和氟基RIE蚀刻来构图形成用于将驱动电路104的输出连接到元件电 极的接触孔。
此后，通过溅射来沉积基层TiN薄膜，并且随后，通过溅射来沉 积W。因此，W埋入到接触孔中。而且，通过CMP来平坦化W的表 面，由此形成具有填充有W的接触孔的第二绝缘层113。
在第二绝缘层的上部处，通过溅射来沉积作为固定电极膜的Al(优 选地，含有高熔点金属的Al合金)，并且通过光刻和氯基RIE蚀刻来 构图形成所需电极形状以形成固定电极膜(第一驱动器101a和第二驱 动器101b)。此时，固定电极膜经由接触孔连接到驱动电路104的输 出并且供给有电势。
下面，如图13B所示，正性抗蚀剂膜115作为牺牲层被涂覆并且 被硬烘。在高于20(T C的温度下执行硬烘同时照射深UV。因此，即 使在随后的高温工艺中，膜也保持它的形状，并且变得不溶于抗蚀剂 移除剂(resist remover)溶剂中。通过涂覆并且沉积抗蚀剂，抗蚀剂表 面变成平面而与基膜(base film)的水平差无关。该抗蚀剂层用作牺牲 层，并且在随后的步骤中将其移除。因此，在硬烘之后抗蚀剂的膜厚 确定将来在下方的固定电极101a及101b和支撑部分及可动部分95之 间的间隙。
然后，通过光刻而对成为用于支撑可动部分的支柱的部分进行构 图，并且形成接触孔。
下面，如图13C所示，通过溅射来沉积作为可动部分95、支撑部 分(弹性支撑梁97)和可动部分95的支柱的Al (优选地，含有高熔 点金属的A1合金)。
然后，如图13D所示，通过使用正性抗蚀剂的光刻和氟基RIE蚀
刻构图形成变为可动部分95、弹性支撑梁97和可动部分95的支柱的 部分。此后，通过氧基等离子体蚀刻(灰化)来移除抗蚀剂。
最后，如图13E所示，通过利用氧基和/或氟基等离子体蚀刻(灰 化)来移除作为牺牲层的抗蚀剂层115而形成间隙117,由此形成具有 所需结构的光学扫描元件81。
上述材料和生产方法是实例，并且可以使用任何材料和生产方法， 只要它们符合本发明的精神。
如上所述，根据本实施例的光学扫描探针100，提供向受检体53 上扫描光的光学扫描元件81以及切换用于使光学扫描元件81扫描光 的驱动信号的驱动电压控制电路105，光学扫描元件81包括具有沿着 第一转动方向和第二转动方向移位的微型反射镜83的可动部分95和 向可动部分95施加物理作用力的第一驱动器101a与第二驱动器101b， 驱动电压控制电路105具有用于将沿着第一转动方向或者第二转动方 向吸引可动部分95的驱动准备信号切换到用于交替地沿着第一转动方 向和第二转动方向吸引可动部分95的扫描驱动信号的功能，并且驱动 准备信号的最大电压被设定为高于扫描驱动信号最大电压的值，从而 通过仅在起动时使用高压，而能够降低驱动时的电压。另外，驱动能 够增加弹性支撑梁97的弹性作用力的效果，从而使高速驱动成为可能。 结果，通过简单结构而实现了低压高速驱动。
光学扫描探针装置31包括光学扫描探针100、信号处理装置33 和显示单元35，所述信号处理装置33根据从光学扫描探针100的光纤 43引导的反射光和扫描驱动器49的驱动信号而获得从受检体53中的 照射点发射的光的一维或者二维分布信息，所述显示单元35显示从信 号处理装置33输出的视频信号，从而当通过使用具有简单结构的光学 扫描探针100而利用低压来执行高速光学扫描时，从照射点发射的光 强度被输入到信号处理装置33中作为电信号，并且能够以高响应度在
显示单元35上显示从该照射点发射的光分布信息。
根据光学扫描探针100的控制方法，扫描驱动信号是一种重复以 下过程的驱动信号，在该过程中，直到可动部分95沿着一个转动方向 移位，才将弹性能量存储在支撑可动部分95的弹性支撑梁97中，并 且利用由一个驱动器(例如，第一驱动器101a)产生的物理作用力来 移位可动部分95，此后，使来自所述一个驱动器的物理作用力消失， 并且释放存储在弹性支撑梁97中存储的弹性能量，由此，当在弹性支 撑梁97中再次存储具有与前述弹性能量反向的极性的弹性能量时，可 动部分95沿着另一转动方向移位，并且利用由另一驱动器(例如，第 二驱动器101b)产生的物理作用力来移位可动部分95。因此，在将光 学扫描探针100的探针插入受检体53中之前，利用比较高的电压驱动 准备信号来倾斜可动部分95，并且从该状态起，停止施加高压驱动准 备信号，并且将探针插入受检体53中。在插入受检体53中之后，利 用低压继续地驱动可动部分95，因此，并未使得结构和生产过程复杂 化，能够在实现高速扫描和低压的同时通过设计驱动方法而保持简单 结构。
下面，将描述上述光学扫描元件的其它构造实例。 <变形例1>
图14是变形例1的光学扫描元件的透视图，其中通过悬臂式结构 来支撑可动部分。
本发明的光学扫描元件能够被构造成使得通过悬臂式结构来支撑 可动部分95。换言之，在光学扫描元件81A中，可动部分95的一端 经由弹性支撑梁97和97以及间隔件99和99被支撑并且固定到基板 91。换言之，可动部分95成为悬臂式从而另一端变成自由端部。然后， 在基板91上，第一驱动器101a被设为面对可动部分95的自由端部， 并且在第一驱动器101a与可动部分95相对的一侧上，设置将在对向基
板(未示出)上形成的第二驱动器101b。
在如此构造的光学扫描元件81A中，通过向第一驱动器101a、第 二驱动器101b和可动电极103施加电压，可动部分95也被围绕作为 扭转中心的弹性支撑梁97摆动和移位。然后，可动部分95是微型反 射镜83，从而改变了光反射方向。
<变形例2>
图15是被构造成能够在可动部分的切换方向中设定两个物理作 用力的变形例2的光学扫描元件的透视图。
光学扫描元件81可以被构造成使得能够在可动部分的每一个切 换方向中设定两个或者更多个物理作用力。例如，在其中心为转动中 心的摆动型可动部分95中，两个或者更多个物理作用力被施加到转动 中心的两侧的每一侧。因此，能够以不同时序向可动部分95的一侧施 加不同大小的两个制动力，并且例如能够获得如通过施加与转动方向 反向的吸引力而正好在可动部分95接触之前制动的各种制动效果。
详细地，光学扫描元件81B包括不同于第一驱动器101a和第二驱 动器101b的第一振荡控制电极121a和第二振荡控制电极121b。在可 动部分95的可动电极和第一驱动器101a之间施加振荡控制电压Val， 并且在可动部分95的可动电极和第二振荡控制电极121a之间施加振荡 控制电压Va2。在可动部分95的可动电极和第二驱动器101b之间施加 振荡控制电压Vbl，并且在可动部分95的可动电极和第二振荡控制电 极121b之间施加振荡控制电压Vb2。与本实施例的构造中的那些相反， 第一振荡控制电极121a和第二振荡控制电极121b可以分别设置在第一 驱动器101a和第二驱动器101b的外侧。
在该光学扫描元件81B中，移位可动部分95的第一振荡控制电极 121a和第二振荡控制电极121b的物理作用力是类似于第一驱动器101a
和第二驱动器101b的静电力。作为这种光学扫描元件81B的操作实例，
例如，在接触驱动的情形中，可动部分95转动移位到第一驱动器101b 侧，并且在与作为停止构件(未示出)的支点即将形成接触之前，在 可动部分95的可动电极和第二振荡控制电极121b之间施加振荡控制 电压Vb2。
当静电力如此沿着与可动部分95的移位方向相反的方向作用时， 在与停止构件即将形成接触之前，可动部分95被减速，并且防止可动 部分95高速到达最终移位位置或者通过与停止构件形成接触之后的反 作用力而沿着与可动部分95的移位方向反向的方向移位，并且可动部 分95的振荡被主动地(actively)降低。换言之，由振荡控制电压Vb2 而产生的静电力用作对可动部分95的运动的制动力(制动器)。因此， 可动部分95得以控制从而在与停止构件形成接触时静止不动。
因此，当到达非接触驱动的情形中的最终移位位置时，由当可动 部分95高速到达最终移位位置并且过冲(overshoot)时引起的碰撞而 产生的振荡并不发生。
图16A-16E是在变形例2的光学扫描元件的另一驱动实例中转动 角度和施加电压之间,的相关图。
在光学扫描元件81B沿着第一转动方向驱动并且移位可动部分95 之后，当可动部分95试图切换到第二转动方向时，或者在切换期间， 脉冲Pl被施加到可动部分95的可动电极和第一振荡控制电极121a， 由此沿着第一转动方向的静电力被施加到可动部分95。在可动部分95 被沿着第一转动方向驱动并且移位并且到达最终移位位置之后，进而， 由于与停止构件的接触，当可动部分95随反作用力或者弹性作用力而 切换到第二转动方向时，沿着第一转动方向的静电力被施加到可动部 分95，由此可动部分95从最终移位位置分离的运动(图中短划线所示 的波形状轨迹)被主动地制动。因此，能够快速地使可动部分95在最
终移位位置处静止不动。
<变形例3>
图17是构造成使得能够通过悬臂式结构而在可动部分切换方向中设定两个物理作用力的变形例3的光学扫描元件的透视图。
光学扫描元件81C被构造成使得可动部分95的一端经由弹性支撑 梁97和间隔件99被支撑并且固定到基板91。第一驱动器101a和第一 振荡控制电极121a被设于基板91上从而面对可动部分95的自由端， 并且形成在对向基板(未示出)上的第二驱动器101b和第二振荡控制 电极121b跨过可动部分95而被设于第一驱动器101a和第一振荡控制 电极121a的相对侧上。
在如此构造的光学扫描元件81C中，也在第一振荡控制电极121a 和可动部分95之间或者在第二振荡控制电极121b和可动部分95之间 施加上述振荡控制电压Va2、 Vb2，并且可动部分95的振荡能够被主 动地降低。因此，能够提高光学扫描元件81C中的移位操作的速度。
上述光学扫描元件执行单轴摆动操作，并且在此情形中，光学扫 描元件被特别地应用于激光束层析装置(OCT:光学相干层析术)。
图18是示出通过使用本发明光学扫描元件的活体组织内部的观 察状态的说明图。
被弹性支撑梁97单轴摆动和移位(即， 一维扫描)的上述光学扫 描元件81、 81A、 81B和81C能够优选用于OCT系统的光学扫描探针 100A中。OTC系统是基于迈克尔逊(Michelson)干涉计设计的用于观 察体腔内部的系统，并且通过使用低相干光，能够观察活体组织的内 部。通过使用该OCT系统，能够作为高质量层析图像在显示单元上观 察活体组织123内部的状态。在所例示的实例的光学扫描元件81中垂
直于纸面布置转动轴。
下面，将说明能够双轴摆动的光学扫描元件。
图19是双轴扫描元件的透视图。
在光学扫描元件81D中，可动部分95被支撑从而能够围绕作为在 可动部分95沿着第一和第二转动方向移位时的第一转动轴的弹性支撑 梁97和作为与弹性支撑梁97正交的第二转动轴的弹性支撑梁125而 沿着双轴方向转动移位。在此情形中，除了第一驱动器101a和第二驱 动器101b，二维光学扫描元件81D还设有第三驱动器127a和第四驱动 器127b。
在光学扫描元件81D中，通过在第一驱动器101a或者第二驱动器 101b与可动部分95之间施加电压而沿着X方向驱动可动部分95，并 且通过在第三驱动器127a或者第四驱动器127b与框架129之间施加电 压而沿着Y方向驱动可动部分95。在光学扫描元件81D中，可动部分 95被二维驱动从而围绕相互正交的第一转动轴和第二转动轴转动移 位，并且能够基于发出的光和反射的光来执行二维扫描，并且能够基 于反射的光的分布信息来形成受照射的区域的图像。
在该三维扫描元件81D中，在施加驱动准备信号且然后探针被插 入受检体53中之后，通过施加必需的最小扫描驱动信号而利用简单结 构同样实现了低压高速驱动。
在此情形中的光学扫描元件被特别地应用于共焦点内窥镜系统。
如图18所示，通过弹性支撑梁97和弹性支撑梁125而双轴摆动 和移位(即，二维扫描)的上述光学扫描元件81D能够优选用于共焦 点内窥镜系统的光学扫描探针100B中。共焦点内窥镜系统具有共焦点
提取器，所述共焦点提取器从通过利用微型反射镜来扫描活体组织123 的表面或者截面而获得的反射光中通过针孔仅提取物镜光学系统的焦 平面上的反射光(套圈71用作本发明中的针孔)。因此，能够在显示
器上以高质量图像观察到活体组织123的表面的二维信息或者包括沿
着深度方向信息的三维信息(截面信息)。
这里，将描述其中光学扫描元件在减压下设有密封结构的实例。
图20是示出在减压下被密封的光学扫描元件的构造实例的纵向 截面图。
上述光学扫描元件81等可以具有其中至少可动部分95在减压下 被密封的密封结构。例如，光学扫描元件81被容纳在封装件133中并 且在低于大气压力的减压下利用透明的盖玻璃135来密封封装件133 的内部空间。在封装件133中的光学扫描元件81的下方布置将要电连 接到光学扫描元件81的相应电极的驱动电路104 (同样，见图5)， 并且所述驱动电路具有用于在密封光学扫描元件81的封装件133之后 输入和输出驱动信号的功能。
根据该封装件元件137，在减压下驱动光学扫描元件的可动部分 95，从而高速驱动被空气粘度较低地影响成为可能。在实际使用中， 通过在这里将真空度设为例如0.1个大气压或者更小，空气粘度的影响 能够被降低到足够低的水平。然后，通过在上述图3的光学扫描元件 81的位置处布置封装件元件137，获得能够更高速地执行图像获取的 光学扫描探针装置。
除了将光学扫描元件密封到封装件中之外，例如，也允许图21所 示的结构。
图21是示出其中光学扫描探针的尖端框架的内部空间中的压力
被减小的情形的说明图。
在光学扫描探针100C中，通过将减压空间139限定为低于尖端框 架63内部的大气压力，不再需要在减压下单独密封光学扫描元件81， 从而结构得以简化。具体地，在减压下制造在图中被点线圈出的构件， 并且在被密封之后，它们被固定到接头65。
上述光学扫描探针优选用于共焦点光学系统光学扫描装置、激光 束层析装置(OCT)以及血管光学扫描探针装置等中，并且可被应用 于医用内窥镜装置(例如，经口内窥镜、气管镜和结肠镜)、工业内 窥镜装置以及任何其它内窥镜装置。
权利要求
1. 一种光学扫描探针，该光学扫描探针用于通过利用光扫描并照射受检体内部的区域并且检测从所述区域的受照射点发射的光来观察所述受检体的内部，所述光学扫描探针包括光学扫描元件，设置于所述探针的尖端部分中，并且利用经过插入在所述探针中的光传输部件而被引导至所述尖端部分的光来对所述受检体内部的区域进行光学扫描；以及信号切换部件，用于切换使所述光学扫描元件执行光学扫描的驱动信号，其中所述光学扫描元件包括具有微型反射镜的可动部分，支撑所述微型反射镜以使其弹性移位，并且沿着第一转动方向和与所述第一转动方向反向的第二转动方向而使该微型反射镜双向移位；第一驱动器，向所述可动部分施加沿着所述第一转动方向的物理作用力；以及第二驱动器，向所述可动部分施加沿着所述第二转动方向的物理作用力，所述信号切换部件具有用于在扫描准备信号和扫描驱动信号之间切换并且输出所切换的信号的功能，其中，所述扫描准备信号用于在所述探针被插入到所述受检体中之前响应于时序信号而沿着所述第一转动方向和所述第二转动方向中的一个吸引所述可动部分，并且所述扫描驱动信号用于交替地沿着所述第一转动方向和所述第二转动方向吸引所述可动部分，并且所述扫描准备信号的最大电压被设定为高于所述扫描驱动信号的最大电压。
2. 根据权利要求l所述的光学扫描探针，还包括通过检测探针插 入到所述受检体中而输出检测信号的传感器，其中从所述传感器输出的检测信号被输入到所述信号切换部件中 作为时序信号。
3. 根据权利要求l所述的光学扫描探针，其中，当所述光学扫描 探针的电源接通时，所述时序信号被输入到所述信号切换部件中。
4. 根据权利要求l所述的光学扫描探针，其中利用连接到所述信号切换部件的开关来输入所述时序信号。
5. 根据权利要求l所述的光学扫描探针，其中，当在所述第一转 动方向和所述第二转动方向之间切换所述可动部分的移位方向时，所 述可动部分的最终移位位置是所述可动部分的下端与所述可动部分下 方的一构件形成接触的位置。
6. 根据权利要求l所述的光学扫描探针，其中，当在所述第一转 动方向和所述第二转动方向之间切换所述可动部分的移位方向时，所 述可动部分的最终移位位置正好在所述可动部分的下端与所述可动部 分下方的构件形成接触的位置之前。
7. 根据权利要求l所述的光学扫描探针，其中所述物理作用力是 静电力。
8. 根据权利要求l所述的光学扫描探针，其中所述物理作用力被 施加到所述可动部分的多个作用点。
9. 根据权利要求8所述的光学扫描探针，其中能够在所述可动部 分的所述第一和第二转动方向的每一个中设定两个或者更多个物理作 用力。
10. 根据权利要求1所述的光学扫描探针，还包括在低于大气压 的减压下至少密封所述可动部分的密封结构。
11.根据权利要求1所述的光学扫描探针，其中，所述光学扫描 元件被支撑成使得所述可动部分能够围绕第一转动轴和第二转动轴双 轴地转动移位，并且对所述受检体的所述区域进行二维光学扫描，其 中所述第一转动轴用于沿着所述第一和第二转动方向的移位，所述第 二转动轴与所述第一转动轴正交。
12.根据权利要求l所述的光学扫描探针，还包括 光源，发射将要照射到所述受检体上的光；扫描驱动器，供给用于驱动和摆动所述光学扫描元件的微型反射 镜的驱动信号；以及返回光传输部件，将光从所述光学扫描元件二维扫描的光对所述 受检体的照射点引导至基端部分。
13. 根据权利要求12所述的光学扫描探针，还包括在所述光源和 所述光学扫描元件之间的针孔，其中，经过所述针孔的光基本上成为 点光源，从而在所述光源和所述受检体之间形成共焦点光学系统。
14. 根据权利要求13所述的光学扫描探针，其中，所述针孔形成 在套圈中，所述套圈在所述探针的尖端部分处附接到所述光传输部件 的端部。
15.根据权利要求1所述的光学扫描探针，其中，从照射点发射 的光是反射光、散射光、荧光和磷光中的一种。
16. —种光学扫描探针装置，包括 根据权利要求12的光学扫描探针；信号处理器，根据从所述返回光传输部件引导的返回光和所述扫 描驱动器的驱动信号，获得从所述受检体内部的照射点发射的光的一 维或者二维分布信息；以及显示器，显示从所述信号处理器输出的视频信号。
17. —种用于控制根据权利要求1的光学扫描探针的方法，包括 基于所述扫描驱动信号而重复在沿着所述第一和第二转动方向中的一个方向移位所述可动部分 时，在支撑所述可动部分的弹性支撑中存储第一弹性能量；由所述第一和第二驱动器中的一个驱动器产生第一物理作用力， 以沿着所述一个方向移位所述可动部分；使所述第一物理作用力消失并且释放存储在弹性支撑梁中的所述 第一弹性能量，以便将具有与所述第一弹性能量的极性反向的极性的 第二弹性能量存储在所述弹性支撑梁中，并且沿着所述第一和第二转 动方向的另一个方向移位所述可动部分；以及由所述第一和第二驱动器中的另一个驱动器产生第二物理作用 力，以沿着所述另一个方向移位所述可动部分。
18. 根据权利要求17所述的用于控制光学扫描探针的方法，其中 所述扫描驱动信号的最大电压被设定为低于ioov。
19. 根据权利要求17所述的用于控制光学扫描探针的方法，其中 以与所述可动部分的共振频率相当的周期来移位所述可动部分。
全文摘要
光学扫描探针、光学扫描探针装置及其控制方法。提供一种光学扫描探针，其包括利用光来扫描受检体的光学扫描元件，以及用于对使该光学扫描元件执行光学扫描的驱动信号进行切换的信号切换部件。该光学扫描元件包括具有微型反射镜的可动部分，该微型反射镜沿着第一转动方向和第二转动方向移位；以及向该可动部分施加物理作用力的第一和第二驱动器。该信号切换部件具有用于将驱动准备信号切换成扫描驱动信号的功能，其中该驱动准备信号用于沿着第一转动方向或者第二转动方向吸引该可动部分，并且该扫描驱动信号用于交替地沿着第一转动方向和第二转动方向吸引该可动部分。该驱动准备信号的最大电压被设定为高于扫描驱动信号的最大电压。
文档编号G02B21/00GK101380221SQ20081021275
公开日2009年3月11日 申请日期2008年9月4日 优先权日2007年9月4日
发明者荻洼真也 申请人:富士胶片株式会社