專利名稱:光學(xué)掃描探針、光學(xué)掃描探針裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種光學(xué)掃描探針和包括利用物理作用力來(lái)移位的微 型反射鏡的光學(xué)掃描裝置,以及一種用于控制所述光學(xué)掃描探針的方 法,并且更具體地,涉及一種優(yōu)選用于醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置的診斷探針的 技術(shù)。
背景技術(shù):
近來(lái),作為用于觀察身體組織和細(xì)胞表面及內(nèi)部狀態(tài)的裝置,已 知一種包括光學(xué)掃描元件的光學(xué)掃描型共焦點(diǎn)光學(xué)顯微鏡,并且還考 慮了將使用光學(xué)掃描元件的類似技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)窺鏡。光學(xué)掃描型顯微 鏡和內(nèi)窺鏡具有超過(guò)普通光學(xué)系統(tǒng)分辨率限制的分辨率,以及它能夠 形成三維圖像的優(yōu)點(diǎn)。
作為這種光學(xué)掃描元件,各種光學(xué)掃描元件已被提出,并且具體 地,其中通過(guò)應(yīng)用微加工技術(shù)制造的微型反射鏡被構(gòu)造成圍繞作為轉(zhuǎn) 動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)梁利用靜電力往復(fù)振蕩的一種光學(xué)掃描元件被公認(rèn)為具有 實(shí)用性。所述光學(xué)掃描元件利用在與反射鏡基板相對(duì)的位置處提供的 電極之間的靜電吸引力來(lái)往復(fù)振蕩反射鏡基板,其中所述反射鏡基板 是利用圍繞用作扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)(twist rotation)軸的兩個(gè)梁而設(shè)于相同直線 上的兩個(gè)梁來(lái)支撐的。
與使用可轉(zhuǎn)動(dòng)多邊形反射鏡的相關(guān)技術(shù)光學(xué)掃描元件相比,通過(guò)
微加工技術(shù)形成的光學(xué)掃描元件具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)并且能夠通過(guò)半導(dǎo) 體工藝一起形成,從而光學(xué)掃描元件能夠被容易地減小尺寸并且以低 成本制造,并且它具有單一反射表面,從而它并不象在多邊形反射鏡 的情形中那樣在反射表面間具有低精度,并且通過(guò)往復(fù)掃描還能夠?qū)?現(xiàn)更高速。
作為上述光學(xué)掃描元件,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中所披露的結(jié)構(gòu)的元件。
在JP-A-2000-310743中披露的光學(xué)掃描元件的構(gòu)造示于圖22A和 22B中。這些光學(xué)掃描元件1A和1B基于它們被應(yīng)用于內(nèi)窺鏡的假設(shè) 而進(jìn)行構(gòu)造,并且采用通常的靜電驅(qū)動(dòng)作為光學(xué)掃描元件驅(qū)動(dòng)方法。 換言之,如圖22A所示,電壓被施加到設(shè)于可動(dòng)部分2的左側(cè)和右側(cè) 上的可動(dòng)電極3a和3b和與所述可動(dòng)電極相對(duì)地設(shè)置的固定電極(未示 出)之間,并且利用所產(chǎn)生的靜電力,可動(dòng)部分2圍繞作為中心軸的 梁4轉(zhuǎn)動(dòng)移位。在圖中,陰影區(qū)域示出反射鏡部分。圖22A示出單軸 反射鏡的構(gòu)造,并且圖22B示出響應(yīng)于向可動(dòng)電極3a、 3b與可動(dòng)電極 3c、 3d施加的電壓而圍繞作為中心軸的梁4和梁5轉(zhuǎn)動(dòng)移位的雙軸反 射鏡的構(gòu)造。
在JP-A-11-52278中披露的光學(xué)掃描元件的構(gòu)造示于圖23中。該 光學(xué)掃描元件1C通常被稱為梳狀電極結(jié)構(gòu)。具體地,電極間距離較小, 并且在電極之間的相對(duì)區(qū)域較寬,從而能夠使驅(qū)動(dòng)電壓更低。另外, 在可動(dòng)部分2的移位方向(圖中的豎直方向)中不存在固定電極6a和 6b,從而利用固定電極6a和6b吸附可動(dòng)部分2的???pull-in)現(xiàn)象 并不發(fā)生,并且能夠擴(kuò)大掃描角度。
在JP-A-2001-311900中披露的光學(xué)掃描元件示于圖24A-24D中。 圖24A是整個(gè)光學(xué)掃描裝置的前視圖,圖24B是電極基板的前視圖,
圖24C是包括驅(qū)動(dòng)電極的截面圖,并且圖24D是示出驅(qū)動(dòng)電極部分的 形狀的放大截面圖。該光學(xué)掃描元件1D包括由設(shè)于相同直線上的梁4 支撐的可動(dòng)部分2、反射鏡7、在與反射鏡7相對(duì)的位置處設(shè)置的對(duì)向 電極8a和8b,并且通過(guò)在可動(dòng)部分2和對(duì)向電極8a、 8b之間產(chǎn)生靜 電吸引力,反射鏡7圍繞作為扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的梁4往復(fù)振蕩。對(duì)向電極 8a和8b被設(shè)于不平行于反射鏡7的傾斜表面9a和9b上,并且在傾斜 表面的至少部分上形成凹槽10。在圖中,引用數(shù)字11表示框架,12 表示所有的電極墊片,并且13表示電極基板的背脊(ridge)的頂部。 根據(jù)這種光學(xué)掃描元件1D,對(duì)向電極8a、 8b與可動(dòng)部分2的電極被相 對(duì)地設(shè)于傾斜狀態(tài)中,并且電極間距離縮短且電壓降低。
在JP-A-2002-267995中披露的光學(xué)元件示于圖25A和25B中。圖 25A是光學(xué)掃描元件的截面圖(P-P截面),并且圖25B是平面圖。在 該光學(xué)掃描元件1E中,在框架14內(nèi)部的端面上,驅(qū)動(dòng)固定電極15a 和15b被形成為面對(duì)反射鏡7的基板端部,并且起動(dòng)固定電極16a和 16b通過(guò)將它們沿著基板厚度方向偏離反射鏡7的基板端部而形成。由 此反射鏡7的基板利用低壓而被穩(wěn)定地起動(dòng)。在圖中,引用數(shù)字17a 和17b表示電極墊片,并且18a和18b表示背側(cè)電極墊片。
在JP-A-2002-328329中披露的光學(xué)掃描元件示于圖26中。該光學(xué) 掃描元件1F設(shè)有向前反射入射光的反射鏡7、保持反射鏡7的反射鏡 保持基板19、支撐反射鏡保持基板19從而使其能夠轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸4、位于支撐于扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸4上的反射鏡保持基板19的 側(cè)表面上的可動(dòng)電極20,以及在沿著反射鏡保持基板19的厚度方向從 可動(dòng)電極20的相對(duì)表面20a偏離的位置處形成的固定電極21,并且光 學(xué)掃描振蕩角度被擴(kuò)大并且驅(qū)動(dòng)電壓被降低。
然而,上述相關(guān)技術(shù)中的光學(xué)掃描元件具有下面的問(wèn)題。艮口, JP-A-2000-310743的光學(xué)掃描元件1A和1B通常在共振頻率下被驅(qū)動(dòng), 但是共振頻率根據(jù)結(jié)構(gòu)和材料而被唯一地確定。因此,結(jié)構(gòu)和材料被
設(shè)計(jì)成用以獲得所需共振頻率,但是,在高速掃描的情形中,可動(dòng)部 分變小并且支撐部分彈性作用力變大,從而驅(qū)動(dòng)電壓和起動(dòng)電壓趨于 變高。具體地,在醫(yī)用器械例如內(nèi)窺鏡中,在對(duì)活體的安全性方面, 施加高壓不是優(yōu)選的。換言之,需要低壓高速驅(qū)動(dòng)。另外,如果施加 高壓,則這引起??楷F(xiàn)象,從而極間間隙的僅一部分被用作掃描角度。
JP-A-11-52278的光學(xué)掃描元件1C由于其梳狀結(jié)構(gòu)而復(fù)雜化,從 而伴隨其尺寸減小,生產(chǎn)過(guò)程變得困難。而且,梳狀電極面積較大,
從而整個(gè)元件面積也變大,并且這不適于尺寸減小,并且在X和Y平 面的平面掃描情形中,難以在空間中設(shè)定第二軸。
在JP-A-2001-311900的光學(xué)掃描元件1D中,在靠近轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩較 小的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的一側(cè)上,電極間距離較小,但是,在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩較高 的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的一側(cè)上,電極間距離未顯著改變。因此,當(dāng)起動(dòng)元件時(shí), 降低電壓的效果較小。
在JP-A-2002-267995的光學(xué)掃描元件1E和JP-A-2002-328329中 的光學(xué)掃描元件1F中,除了驅(qū)動(dòng)電極之外,其它驅(qū)動(dòng)電極或者開(kāi)始電 極也被設(shè)于可動(dòng)部分側(cè)表面上,并且通過(guò)使用這些第二電極,利用低 壓來(lái)驅(qū)動(dòng)所述元件,然而,根據(jù)電極數(shù)目的增加,結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜并且 不適于減小尺寸??拷D(zhuǎn)動(dòng)軸添加第二電極,從而扭矩變小,并且類 似于上述元件,降低電壓的效果較小并且在X和Y平面的平面掃描情 形中,難以設(shè)定第二軸。
與這些問(wèn)題一起地,相關(guān)技術(shù)中的光學(xué)掃描元件具有下面的問(wèn)題, 即,如上所述,在用于內(nèi)窺鏡時(shí),鑒于安全性,驅(qū)動(dòng)電壓不能升高。 為了降低電壓,可動(dòng)部分的共振頻率降低,即,可動(dòng)部分被柔化 (soften)。然而,如果梁的彈性降低,則可動(dòng)部分的彈性恢復(fù)力減小, 并且難以提高操作速度,這是不實(shí)用的。在用于內(nèi)窺鏡時(shí),能夠使用 通常的元件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率(元件的共振頻率等),然而,為了滿足
對(duì)于高速成像的要求等,為了在高出一位數(shù)以上的頻率下驅(qū)動(dòng)元件, 應(yīng)該使驅(qū)動(dòng)電壓更高,而在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法中這是不實(shí)際的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)低壓高速驅(qū)動(dòng)的 光學(xué)掃描探針和光學(xué)掃描探針裝置,以及一種用于控制該光學(xué)掃描探 針的方法。
通過(guò)下面的構(gòu)造能夠達(dá)到本發(fā)明的上述目的。
(1) 一種光學(xué)掃描探針,該光學(xué)掃描探針用于通過(guò)利用光掃描并 照射受檢體內(nèi)部的區(qū)域并且檢測(cè)從所述區(qū)域的受照射點(diǎn)發(fā)射的光來(lái)觀 察受檢體內(nèi)部,
所述光學(xué)掃描探針包括
光學(xué)掃描元件,設(shè)置于探針的尖端部分中并且利用經(jīng)過(guò)插入到所 述探針中的光傳輸部件而被引導(dǎo)至所述尖端部分的光來(lái)對(duì)受檢體內(nèi)部 的區(qū)域進(jìn)行光學(xué)掃描;以及
信號(hào)切換部件,用于切換使所述光學(xué)掃描元件執(zhí)行光學(xué)掃描的驅(qū) 動(dòng)信號(hào),
其中
所述光學(xué)掃描元件包括具有微型反射鏡的可動(dòng)部分,支撐所述 微型反射鏡以使其彈性移位,并且沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和與第一轉(zhuǎn)動(dòng)方 向反向的第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向而使該微型反射鏡雙向移位;第一驅(qū)動(dòng)器,向 所述可動(dòng)部分施加沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向的物理作用力;以及第二驅(qū)動(dòng)器, 向所述可動(dòng)部分施加沿著第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向的物理作用力,
所述信號(hào)切換部件具有用于在掃描準(zhǔn)備信號(hào)和掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間 切換并且輸出所切換的信號(hào)的功能,其中,所述掃描準(zhǔn)備信號(hào)用于在 所述探針被插入到所述受檢體中之前響應(yīng)于時(shí)序信號(hào)而沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng) 方向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向中的一個(gè)吸引所述可動(dòng)部分,且所述掃描驅(qū)動(dòng)信
號(hào)用于交替地沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向吸引所述可動(dòng)部分,
并且
所述掃描準(zhǔn)備信號(hào)的最大電壓被設(shè)定為高于掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大 電壓。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,僅在起動(dòng)時(shí)使用具有高壓的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信 號(hào),并且所述可動(dòng)部分沿著轉(zhuǎn)動(dòng)方向而被吸引到特定位置。因此,不 必根據(jù)施加電壓來(lái)選擇支撐部分材料,并且能夠利用具有高彈性恢復(fù) 力的材料制成所述支撐部分。在插入到受檢體之后,驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)被 切換到安全的低壓掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào),并且能夠在根據(jù)低壓掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào) 的交替而沿著各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(擺動(dòng))方向以高彈性恢復(fù)力來(lái)促動(dòng)在所述支 撐部分中存儲(chǔ)的能量的同時(shí)執(zhí)行高速驅(qū)動(dòng)(掃描)。
(2) 在(1)中描述的光學(xué)掃描探針,還包括通過(guò)檢測(cè)探針插入 到所述受檢體中而輸出檢測(cè)信號(hào)的傳感器,
其中從所述傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)被輸入到所述信號(hào)切換部件中 作為時(shí)序信號(hào)。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,當(dāng)探針插入在受檢體中時(shí),傳感器檢測(cè) 到這種插入,并且插入檢測(cè)信號(hào)被輸入到所述信號(hào)切換部件中。插入 檢測(cè)信號(hào)已輸入到其中的所述信號(hào)切換部件,將施加到所述光學(xué)掃描 元件以吸引所述可動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào),切換到具有低壓的掃描驅(qū) 動(dòng)信號(hào)并且輸出該信號(hào)。
(3) 在(1)中描述的光學(xué)掃描探針,其中,當(dāng)所述光學(xué)掃描探 針的電源接通時(shí),所述時(shí)序信號(hào)被輸入到所述信號(hào)切換部件中。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,在開(kāi)始使用所述光學(xué)掃描探針時(shí)接通電 源,此時(shí),所述信號(hào)切換部件快速地向所述光學(xué)掃描元件輸出驅(qū)動(dòng)準(zhǔn) 備信號(hào)以沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向或者第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向吸引所述可動(dòng)部分。換 言之,能夠易于使在插入到受檢體之前的彈性能量?jī)?chǔ)備與電源接通同
時(shí)地進(jìn)行而無(wú)需特殊操作。
(4) 在(1)中描述的光學(xué)掃描探針,其中,利用連接到所述信 號(hào)切換部件的開(kāi)關(guān)來(lái)輸入所述時(shí)序信號(hào)。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,通過(guò)當(dāng)開(kāi)始使用光學(xué)掃描探針時(shí)接通電 源并且利用連接到所述信號(hào)切換部件的開(kāi)關(guān)手動(dòng)輸入所述信號(hào),所述 信號(hào)切換部件向所述光學(xué)掃描元件輸出驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)以沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng) 方向或者沿著第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)吸引可動(dòng)部分。換言之,能夠從期望時(shí) 間開(kāi)始在插入受檢體之前的彈性能量?jī)?chǔ)備,并且能夠防止當(dāng)在電源接 通之后而所述元件長(zhǎng)時(shí)間未被插入時(shí)可動(dòng)部分的無(wú)用吸引。
(5) 在(1)到(4)的任何一個(gè)中描述的光學(xué)掃描探針,其中, 當(dāng)在第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向之間切換所述可動(dòng)部分的移位方向 時(shí),所述可動(dòng)部分的最終移位位置是所述可動(dòng)部分的下端與所述可動(dòng) 部分下方的一個(gè)構(gòu)件形成接觸的位置。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,所述可動(dòng)部分的移位處于直至沿著第一 轉(zhuǎn)動(dòng)方向的最終移位位置和沿著第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向的最終移位位置的范圍 中,并且在所述可動(dòng)部分的可動(dòng)范圍中,所述可動(dòng)部分的掃描角度被 保證為最大值。
(6) 在(1)到(4)的任何一個(gè)中描述的光學(xué)掃描探針,其中, 當(dāng)在第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向之間切換所述可動(dòng)部分的移位方向 時(shí),所述可動(dòng)部分的最終移位位置正好在所述可動(dòng)部分的下端與所述 可動(dòng)部分下方的一構(gòu)件形成接觸的位置之前。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,雖然所述可動(dòng)部分的掃描角度較窄,但 是材料選擇的自由度增大。另外,并不由于電絕緣狀態(tài)中的可動(dòng)部分 反復(fù)與接觸表面接觸和從接觸表面分離而產(chǎn)生電荷,從而能夠防止所
述光學(xué)掃描元件的驅(qū)動(dòng)特性的變化以及隨著時(shí)間的退化。
(7) 在(1)到(6)的任何一個(gè)中描述的光學(xué)掃描探針,其中所 述物理作用力是靜電力。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,通過(guò)使用靜電力來(lái)執(zhí)行驅(qū)動(dòng),從而,例 如,能夠通過(guò)在固定側(cè)電極和可動(dòng)側(cè)電極之間切換施加電壓而容易地 控制驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。
(8) 在(1)到(7)的任何一個(gè)中描述的光學(xué)掃描探針,其中所
述物理作用力被施加到所述可動(dòng)部分的多個(gè)作用點(diǎn)。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,設(shè)定多個(gè)作用點(diǎn),從而,例如,物理應(yīng) 力被施加到其中心為轉(zhuǎn)動(dòng)中心的擺動(dòng)型可動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)中心的兩側(cè)。 因此,不同大小的制動(dòng)力能夠在不同時(shí)刻被施加到各個(gè)作用點(diǎn),并且 例如沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向的各種制動(dòng)效果,例如促動(dòng)
(urge)或者吸引保持等,得以獲得。
(9) 在(8)中描述的光學(xué)掃描探針,其中能夠在所述可動(dòng)部分 的第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向的每一個(gè)中設(shè)定兩個(gè)或者更多個(gè)物理作用力。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,兩個(gè)或者更多個(gè)物理應(yīng)力能夠被施加到 將例如其中心為轉(zhuǎn)動(dòng)中心的擺動(dòng)型可動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)中心夾入到其中的
兩側(cè)的每一側(cè)。因此,不同大小的制動(dòng)力能夠以不同時(shí)序施加到可動(dòng) 部分的一側(cè),并且能夠獲得例如各種制動(dòng)效果,例如通過(guò)施加與轉(zhuǎn)動(dòng) 方向反向的吸引力而正好在接觸之前的位置處制動(dòng)所述可動(dòng)部分。
(10) 在(1)到(9)的任何一個(gè)中描述的光學(xué)掃描探針,還包 括在低于大氣壓的減壓下至少密封所述可動(dòng)部分的密封結(jié)構(gòu)。說(shuō)明書(shū)第9/40頁(yè)
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,所述可動(dòng)部分在低于大氣壓力的減壓的 環(huán)境中操作,從而能夠降低空氣粘度的影響。在形成為非常小的光學(xué) 掃描元件中,所述可動(dòng)部分具有小的質(zhì)量,從而當(dāng)高速振蕩它們時(shí), 它們受到圍繞它們的空氣粘度的影響,并且變得難以提高振蕩頻率。 因此,通過(guò)在減壓下密封所述可動(dòng)部分,所述可動(dòng)部分在其密度低于 正常密度的空氣中振蕩,從而空氣粘度的影響變得更小并且高速驅(qū)動(dòng) 成為可能。
(11) 在(1)到(10)的任何一個(gè)中描述的光學(xué)掃描探針,其中, 所述光學(xué)掃描元件被支撐成使得所述可動(dòng)部分能夠圍繞用于沿著第一 和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向移位的第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸和與所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸正交的第二轉(zhuǎn) 動(dòng)軸雙軸地轉(zhuǎn)動(dòng)移位,并且對(duì)受檢體的區(qū)域進(jìn)行二維光學(xué)掃描。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,所述可動(dòng)部分被三維驅(qū)動(dòng)從而圍繞相互 正交的第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸和第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)移位,并且能夠利用照射光和返 回光來(lái)執(zhí)行二維掃描,并且能夠形成基于返回光分布信息的所照射的 區(qū)域的圖像。
(12) 在(1)到(11)的任何一個(gè)中描述的光學(xué)掃描探針,還包
括
光源,發(fā)射將要照射到所述受檢體上的光;
掃描驅(qū)動(dòng)器,供給用于驅(qū)動(dòng)和擺動(dòng)光學(xué)掃描元件的微型反射鏡的 驅(qū)動(dòng)信號(hào);以及
返回光傳輸部件,將光從光學(xué)掃描元件二維掃描的光對(duì)受檢體照 射點(diǎn)引導(dǎo)至基端部分。
該光學(xué)掃描探針通過(guò)使用設(shè)于光學(xué)掃描部分中的光學(xué)掃描元件而 對(duì)從光源引入的光進(jìn)行二維掃描,從而照射受檢體中的特定區(qū)域,并 且將從該照射點(diǎn)發(fā)射的光(返回光)引導(dǎo)至基端側(cè),由此能夠檢測(cè)到 所述特定區(qū)域的二維圖像。
(13) 在(12)中描述的光學(xué)掃描探針,還包括在光源和光學(xué)掃 描元件之間的針孔,其中,經(jīng)過(guò)所述針孔的光基本上成為點(diǎn)光源,從 而在所述光源和所述受檢體之間形成共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)得以構(gòu)造,從而當(dāng)通過(guò) 使用光學(xué)掃描元件對(duì)光進(jìn)行二維掃描時(shí),僅受檢體中的對(duì)象的聚焦區(qū) 域(掃描位置)的光學(xué)圖像能夠被檢測(cè)到。照射光從用作點(diǎn)光源的針 孔經(jīng)由共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)被照射到受檢體中的所述對(duì)象上,從而照射光 被集中地照射到僅一個(gè)焦點(diǎn)上,因此,不從掃描位置的周邊產(chǎn)生非期 望的散射光,從而能夠以高對(duì)比度檢測(cè)到掃描位置的圖像。而且,通 過(guò)使用所述共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng),能夠通過(guò)使用細(xì)的構(gòu)件如光纖來(lái)引導(dǎo)照 射光和返回光,從而能夠構(gòu)造優(yōu)選用作內(nèi)窺鏡的細(xì)長(zhǎng)的光學(xué)掃描探針。
(14) 在(13)中描述的光學(xué)掃描探針,其中,所述針孔形成在
套圈中,所述套圈在所述探針的尖端部分處附接到所述光傳輸部件的 端部。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,在附接到所述光傳輸部件的端部的光纖 連接器中的套圈的光出射端被有效地用作基本上形成點(diǎn)光源的共焦點(diǎn) 針孔。
(15) 在(1)到(14)的任何一個(gè)中描述的光學(xué)掃描探針,其中, 從所述照射點(diǎn)發(fā)射的光是反射光、散射光、熒光和磷光中的一種。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針,例如,通過(guò)檢測(cè)從所述照射點(diǎn)發(fā)射的反 射光、散射光、熒光和磷光中的任何一種,在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中能夠進(jìn)行各 種診斷。
(16) —種光學(xué)掃描探針裝置,包括
在(1)到(15)的任何一項(xiàng)中描述的光學(xué)掃描探針; 信號(hào)處理器,根據(jù)從所述返回光傳輸部件引導(dǎo)的返回光和所述掃
描驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào),獲得從受檢體中的照射點(diǎn)發(fā)射的光的一維或者
二維分布信息;以及
顯示器,顯示從所述信號(hào)處理器輸出的視頻信號(hào)。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針裝置,當(dāng)從光學(xué)掃描探針輸出的光被掃描 時(shí),利用返回光傳輸部件來(lái)引導(dǎo)從受檢體的照射點(diǎn)發(fā)射的光,并且通 過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件等來(lái)輸出返回光的強(qiáng)度作為電信號(hào)。輸出電信號(hào)被輸 入到信號(hào)處理裝置中并且作為從照射點(diǎn)發(fā)射的光的分布信息被顯示在 顯示器上。
(17) —種用于控制在(1)到(15)的任何一項(xiàng)中描述的光學(xué)掃 描探針的方法,包括基于掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)而重復(fù)
在沿著第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向中的一個(gè)方向移位所述可動(dòng)部分時(shí), 在支撐所述可動(dòng)部分的彈性支撐中存儲(chǔ)第一彈性能量;
由第一和第二驅(qū)動(dòng)器中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生第一物理作用力以沿著 一個(gè)方向移位所述可動(dòng)部分;
使所述第一物理作用力消失并且釋放存儲(chǔ)在所述彈性支撐梁中的 所述第一彈性能量,以便將具有與第一彈性能量極性反向的極性的第 二彈性能量存儲(chǔ)在彈性支撐梁中并且沿著所述第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向的
另一個(gè)方向移位所述可動(dòng)部分;并且
由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)器的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生第二物理作用力以 沿著所述另一個(gè)方向移位所述可動(dòng)部分。
根據(jù)用于控制所述光學(xué)掃描探針的這種方法,在探針被插入到受 檢體之前,利用比較高的電壓來(lái)傾斜所述可動(dòng)部分,并且彈性能量被 存儲(chǔ)在彈性支撐梁中。在該狀態(tài)中,停止施加高壓,并且探針被插入 在受檢體中。在插入在受檢體中之后,通過(guò)釋放存儲(chǔ)在彈性支撐梁中 的彈性能量來(lái)擺動(dòng)所述可動(dòng)部分,并且被擺動(dòng)的可動(dòng)部分通過(guò)慣性而
在存儲(chǔ)相反方向中的彈性能量的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)直至另一轉(zhuǎn)動(dòng)方向,然后, 所述可動(dòng)部分在當(dāng)慣性消失并且所存儲(chǔ)的彈性作用力平衡被反轉(zhuǎn)時(shí)的 時(shí)間點(diǎn)再次切換到返回方向中。通過(guò)低壓掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交替來(lái)促動(dòng) 這種反復(fù)切換,彈性支撐梁中的彈性能量被釋放并被再次存儲(chǔ),并且 可動(dòng)部分連續(xù)地?cái)[動(dòng)。
(18) 在(17)中描述的用于控制光學(xué)掃描探針的方法,其中掃 描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大電壓被設(shè)定為低于IOOV。
根據(jù)用于控制光學(xué)掃描探針的這種方法,在插入在受檢體中之后, 用于光學(xué)掃描所必需的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)被設(shè)定為至多低于IOOV,由此內(nèi) 窺鏡的使用安全性得以保證。通過(guò)改變光學(xué)掃描元件的尺寸和材料, 該最大電壓能夠被進(jìn)一步降低。
(19) 在(17)或者(18)中描述的用于控制光學(xué)掃描探針的方 法,其中以與所述可動(dòng)部分的共振頻率相應(yīng)的周期來(lái)移位所述可動(dòng)部 分。
根據(jù)用于控制光學(xué)掃描探針的這種方法,可動(dòng)部分被驅(qū)動(dòng)從而以 與根據(jù)可動(dòng)部分的形狀和質(zhì)量等而確定的本征頻率相應(yīng)的共振頻率擺 動(dòng),從而能夠利用最小驅(qū)動(dòng)作用力來(lái)執(zhí)行高效驅(qū)動(dòng),并且擺動(dòng)操作變 得穩(wěn)定。
通過(guò)考慮在附圖中示意性示出的本發(fā)明的示例性實(shí)施例,本發(fā)明 的特征將更加充分地顯現(xiàn),其中
圖1是包括根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光學(xué)掃描探針的光學(xué)掃描 探針裝置的框圖2是示出包括配備有光學(xué)掃描元件和內(nèi)窺鏡裝置的光學(xué)掃描探 針的光學(xué)掃描探針裝置的整體構(gòu)造的前視圖3是示出光學(xué)掃描探針的尖端部分的結(jié)構(gòu)的截面圖; 圖4是示于圖3中的光學(xué)掃描元件的透視圖5是示出光學(xué)掃描元件和用于驅(qū)動(dòng)該光學(xué)掃描元件的電路的框
圖6A-6F是示出在接觸驅(qū)動(dòng)中可動(dòng)部分移位狀態(tài)的操作說(shuō)明圖; 圖7是示出在接觸驅(qū)動(dòng)中施加電壓和移位角度之間的關(guān)系的操作 說(shuō)明圖8A-8F是示出在非接觸驅(qū)動(dòng)中可動(dòng)部分移位狀態(tài)的操作說(shuō)明
圖9是示出在非接觸驅(qū)動(dòng)中施加電壓和移位角度之間的關(guān)系的操 作說(shuō)明圖IO是示出用于結(jié)構(gòu)分析的光學(xué)掃描元件的結(jié)構(gòu)的透視圖11是作為通過(guò)使用示于圖10中的分析模型而獲得的分析結(jié)果
的、轉(zhuǎn)動(dòng)角度和施加電壓之間的相關(guān)圖12是示出用于生產(chǎn)過(guò)程中的光學(xué)掃描元件的結(jié)構(gòu)的截面圖13A-13E是示出光學(xué)掃描元件的生產(chǎn)步驟的說(shuō)明圖14是其中可動(dòng)部分由懸臂式結(jié)構(gòu)支撐的變形例1的光學(xué)掃描元
件的透視圖15是構(gòu)造成使得能夠沿著可動(dòng)部分的切換方向設(shè)定兩個(gè)物理 作用力的變形例2的光學(xué)掃描元件的透視圖16A-16E是轉(zhuǎn)動(dòng)角度和施加電壓之間的相關(guān)圖,示出變形例2 的光學(xué)掃描元件的驅(qū)動(dòng)實(shí)例;
圖17是構(gòu)造成使得能夠利用懸臂式結(jié)構(gòu)而沿著可動(dòng)部分的切換 方向來(lái)設(shè)定兩個(gè)物理作用力的變形例3的光學(xué)掃描元件的透視圖18是示出通過(guò)使用本發(fā)明的光學(xué)掃描元件的活體組織內(nèi)部的 觀察狀態(tài)的說(shuō)明圖19是雙軸掃描元件的透視圖20是示出在減壓下密封的光學(xué)掃描元件的構(gòu)造實(shí)例的縱向截
面圖21是示出其中光學(xué)掃描探針的尖端框架的內(nèi)部空間壓力降低
的情形的說(shuō)明圖22A和22B是一般的單軸光學(xué)掃描元件(圖22A)和雙軸光學(xué) 掃描元件(圖22B)的平面圖23是具有梳狀電極結(jié)構(gòu)的光學(xué)掃描元件的平面圖
圖24A-24D是其中對(duì)向電極被設(shè)于傾斜表面上的光學(xué)掃描元件的 構(gòu)造圖,圖24A是整體光學(xué)掃描裝置的前視圖,圖24B是電極基板的 前視圖,圖24C是包括驅(qū)動(dòng)電極的截面圖25A和25B是示出包括起動(dòng)固定電極的傳統(tǒng)的光學(xué)掃描元件的 視圖,并且圖25A是光學(xué)掃描元件(P-P截面)的截面圖,圖25B是 平面圖;以及
圖26是包括沿著反射裝置(means)保持基板的厚度方向而偏離 的固定電極的傳統(tǒng)光學(xué)掃描元件的構(gòu)造圖。
其中,在下面給出圖中一些數(shù)字和符號(hào)的說(shuō)明。
30:內(nèi)窺鏡裝置
31:光學(xué)掃描探針裝置
33:信號(hào)處理裝置(信號(hào)處理器)
35:顯示單元
43:光纖(光發(fā)射裝置,返回光發(fā)射裝置) 49:掃描驅(qū)動(dòng)器 53:受檢體 55:傳感器
71:套圈(ferrule)
81:光學(xué)掃描元件
83:微型反射鏡(mirror)
95:可動(dòng)部分
97:彈性支撐梁(第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸,彈性支撐梁) 100:光學(xué)掃描探針 101a:第一驅(qū)動(dòng)器 101b:第二驅(qū)動(dòng)器
105:驅(qū)動(dòng)電壓控制電路(信號(hào)切換部件)
109:支點(diǎn)(在可動(dòng)部分下方的構(gòu)件)
125:彈性支撐梁(第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸,彈性支撐梁)
VI:驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)
V2:掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光學(xué)掃描探針包括向受檢體上掃描光 的光學(xué)掃描元件和切換用于使光學(xué)掃描元件掃描光的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的信號(hào) 切換部件,其中,所述光學(xué)掃描元件包括具有沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和第 二轉(zhuǎn)動(dòng)方向移位的微型反射鏡的可動(dòng)部分以及向可動(dòng)部分施加物理作 用力的第一和第二驅(qū)動(dòng)器,并且所述信號(hào)切換部件具有從用于沿著第 一轉(zhuǎn)動(dòng)方向或者第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向吸引可動(dòng)部分的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)交替地切 換并且輸出該信號(hào)的功能,并且驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)的最大電壓被設(shè)定為高 于掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大電壓,從而通過(guò)僅起動(dòng)時(shí)使用高壓,驅(qū)動(dòng)時(shí)能 夠降低電壓。所述驅(qū)動(dòng)增加了支撐部分彈性作用力的效果,并且這使 得能夠進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)。結(jié)果,通過(guò)一種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)了低壓高速驅(qū) 動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光學(xué)掃描探針裝置包括光學(xué)掃描探 針、信號(hào)處理器以及顯示單元,其中,所述信號(hào)處理器根據(jù)從光學(xué)掃 描探針裝置的返回光傳輸部件引導(dǎo)的光和掃描驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而獲 得從受檢體中的照射點(diǎn)發(fā)射的光的一維或者二維光分布信息,所述顯 示單元顯示從信號(hào)處理器輸出的視頻信號(hào),從而通過(guò)使用具有簡(jiǎn)單結(jié) 構(gòu)的光學(xué)掃描探針,當(dāng)在低壓下進(jìn)行高速光掃描時(shí),返回光的強(qiáng)度作 為電信號(hào)被輸入到信號(hào)處理裝置中,并且返回光分布信息能夠被高速 顯示在顯示單元上。
根據(jù)在本發(fā)明示例性實(shí)施例中一種用于控制光學(xué)掃描探針的方 法,掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一種重復(fù)以下過(guò)程的驅(qū)動(dòng)信號(hào),在該過(guò)程中,直
到可動(dòng)部分沿著一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向移位,才將彈性能量存儲(chǔ)在支撐可動(dòng)部 分的彈性支撐梁中,并且利用由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的物理作用力來(lái)移位 可動(dòng)部分,然后,使來(lái)自該一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的物理作用力消失,并且釋放 存儲(chǔ)在彈性支撐梁中的彈性能量,由此,在其極性與前述彈性能量反 向的彈性能量被再次存儲(chǔ)于彈性支撐梁中時(shí),可動(dòng)部分被沿著另一轉(zhuǎn) 動(dòng)方向移位,并且利用從另一驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的物理作用力來(lái)移位可動(dòng)部 分。因此,在探針被插入受檢體中之前,利用比較高的電壓來(lái)傾斜可 動(dòng)部分,并且從該狀態(tài)起,停止施加高壓,然后將探針插入受檢體中。 在被插入受檢體中之后,利用低壓連續(xù)地驅(qū)動(dòng)可動(dòng)部分。因此,通過(guò) 設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)方法利用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高速掃描和低壓,而不使得結(jié)構(gòu)和 生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜化。
在下文中,將參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的光學(xué)掃描探針和光學(xué)掃描 探針裝置,以及用于控制光學(xué)掃描探針的方法的示例性實(shí)施例。
圖1是具有根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的光學(xué)掃描探針的光學(xué)掃描 裝置的框圖。
光學(xué)掃描探針裝置31包括光學(xué)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),并且通過(guò)將信息 輸入到這兩個(gè)系統(tǒng)中和從這兩個(gè)系統(tǒng)中輸出信息,經(jīng)由信號(hào)處理裝置
33構(gòu)成所觀察到的圖像以將其輸出到顯示單元35,其中,所述光學(xué)系 統(tǒng)用于將光學(xué)信息輸入到光學(xué)掃描探針100中和從光學(xué)掃描探針100 中輸出光學(xué)信息,所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于將驅(qū)動(dòng)控制信息輸入到光學(xué)掃描 探針中。
光學(xué)系統(tǒng)包括具有半導(dǎo)體激光器等的光源37、光電檢測(cè)器39、光 學(xué)耦合器41以及作為連接這些構(gòu)件的光傳輸部件(和返回光傳輸部件) 的光纖43,并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括操作單元45、連接到操作單元45的控 制器47、掃描驅(qū)動(dòng)器49和修正表格51 (均稍后描述)。
從光源37輸出的激光束的光量由適當(dāng)?shù)墓饬空{(diào)節(jié)單元來(lái)調(diào)節(jié)并
且被引導(dǎo)到第一光纖0F1,并且被具有四個(gè)輸入和輸出的光學(xué)耦合器 41分支到第三光纖OF3和第四光纖OF4。第三光纖OF3,作為與可視 激光束多路復(fù)用的激光束,被發(fā)射到光學(xué)掃描探針100。然后,通過(guò)利 用安裝在光學(xué)掃描探針100的尖端部分內(nèi)的物鏡單元(稍后描述)來(lái) 掃描激光束,掃描觀察光(觀察光束)并且在受檢體53的表面附近將 其聚光成觀察點(diǎn)。
另一方面,從受檢體53上待檢測(cè)的掃描位置處的照射點(diǎn)所發(fā)射的 光返回到光學(xué)掃描探針100并且經(jīng)由光纖43而被引導(dǎo)到光學(xué)耦合器 41。然后,從光學(xué)耦合器41分支到第二光纖OF2的光被光電檢測(cè)器 39檢測(cè)到。光電檢測(cè)器39是輸出入射光的強(qiáng)度作為電信號(hào)的裝置,如 光電轉(zhuǎn)換元件。從光電檢測(cè)器39輸出的電信號(hào)被輸入到信號(hào)處理裝置 33中并且顯示在顯示單元35上。
為了防止分支到第四光纖OF4的光被第四光纖的端部反射并且返 回到光學(xué)耦合器41側(cè),第四光纖OF4的端部被關(guān)閉或者經(jīng)受無(wú)反射
(non-reflective)處理。作為這些第一光纖OFl、第二光纖OF2、第三 光纖OF3以及第四光纖OF4,優(yōu)選地,可使用單模纖維、能夠充分地 保持相干性的低次多模(low-order multimode)纖維或者偏波保存
(polarization-preserving )纖維等。
然后,控制器47使掃描驅(qū)動(dòng)器49產(chǎn)生用于在物鏡單元中執(zhí)行光 學(xué)掃描的驅(qū)動(dòng)信號(hào),并且向信號(hào)處理裝置33輸出該驅(qū)動(dòng)信號(hào),并使其 形成圖像且響應(yīng)于來(lái)自操作單元45的操作信號(hào)而執(zhí)行所獲取的圖像的 停幀(freeze)操作或者靜止圖像的硬拷貝并控制諸如光學(xué)掃描探針100 的彎曲的各種操作。
傳感器55連接到控制器47,并且傳感器55檢測(cè)到探針已插入到 受檢體53中并輸出檢測(cè)信號(hào)。將從傳感器55輸出的檢測(cè)信號(hào)作為時(shí)
序信號(hào)(稍后描述)輸入到作為信號(hào)切換部件的驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105 (見(jiàn)圖5)中。
下面,將描述一種狀態(tài),其中光學(xué)掃描探針裝置31被并入到內(nèi)窺
鏡裝置中。
圖2是包括配備有光學(xué)掃描元件和內(nèi)窺鏡裝置整體的光學(xué)掃描探 針的光學(xué)掃描探針裝置的構(gòu)造的前視圖。
光學(xué)掃描探針I(yè)OO將其尖端部分插入到受檢體53中,在掃描時(shí)將 光照射到受檢體53內(nèi)的區(qū)域上,并且通過(guò)檢測(cè)從照射點(diǎn)發(fā)射的光來(lái)觀 察受檢體53的內(nèi)部。細(xì)長(zhǎng)的、具有撓性的護(hù)套57覆蓋該光學(xué)掃描探 針100。
指示器(scope) 34的基端側(cè)連接到內(nèi)窺鏡裝置30的連接器32, 并且操作單元45連接到該指示器34的另一端側(cè)。細(xì)長(zhǎng)的插入部分61 連接到操作單元45的尖端。操作單元45設(shè)有鑷子插入開(kāi)口 45a,并且 從該插入開(kāi)口 45a插入光學(xué)掃描探針100。光學(xué)掃描探針100經(jīng)由在插 入部分61中形成的鑷子進(jìn)口 59延伸到插入部分61的尖端。
如圖1所示,光學(xué)掃描探針裝置31包括光學(xué)掃描探針100、信號(hào) 處理裝置33以及顯示單元35,并且當(dāng)從光學(xué)掃描探針100輸出的光被 掃描時(shí),從受檢體53發(fā)射的光被光纖43引導(dǎo)作為返回光,且光電轉(zhuǎn) 換元件等輸出返回光的強(qiáng)度作為電信號(hào),其中,所述信號(hào)處理裝置33 利用從光學(xué)掃描探針100的光纖43引導(dǎo)的返回光和掃描驅(qū)動(dòng)器49的 驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)獲得從受檢體53內(nèi)部的區(qū)域中的照射點(diǎn)發(fā)射的光的一維或 者二維分布信息,所述顯示單元35顯示從信號(hào)處理裝置33輸出的視 頻信號(hào)。所輸出的電信號(hào)被輸入到信號(hào)處理裝置33中,并且成為從照 射點(diǎn)發(fā)射的光的分布信息且顯示在顯示單元5上。
這里,從照射點(diǎn)發(fā)射的光(返回光)包括來(lái)自光照射區(qū)域的反射 光、散射光、熒光和磷光中的任何一種,并且通過(guò)檢測(cè)這些光成分, 能夠進(jìn)行各種診斷。散射光被用于利用散射光與反射光的比率來(lái)計(jì)算 衰減率,并且還基于每一個(gè)波長(zhǎng)下的衰減率來(lái)求出氧代謝量等。熒光 被用于通過(guò)將激發(fā)光照射到吸收發(fā)射熒光的光敏物質(zhì)的活體內(nèi)的一部 分上,基于從光敏物質(zhì)發(fā)射的熒光而利用圖像信息進(jìn)行診斷,并且一 般被用于通常被稱作PDD的光力學(xué)診斷(photodynamic diagnosis)。 當(dāng)利用激光照射光敏劑被特別積聚的病灶部(lesion)時(shí),活性氧發(fā)射 磷光。通過(guò)對(duì)該磷光成像,能夠診斷病灶部的浸潤(rùn)狀態(tài)、病灶部的范 圍以及病灶部。
下面,在圖3中示出了一個(gè)截面圖,該截面圖示出了光學(xué)掃描探 針裝置的尖端部分的結(jié)構(gòu)。
在光學(xué)掃描探針100中,尖端框架63經(jīng)由環(huán)形接頭65連接到護(hù) 套57的尖端,并且插入到護(hù)套57中的光纖43和信號(hào)線67連接到尖 端框架63側(cè)。尖端框架63具有柱形結(jié)構(gòu),其尖端部分被封閉。
在尖端框架63內(nèi),保持構(gòu)件69保持基本等價(jià)于尖端框架63的內(nèi) 徑的外形,并且在保持構(gòu)件69中,形成用于插入光纖43和信號(hào)線67 的連通孔69a和69b。在連通孔69a中,設(shè)置設(shè)于光纖43的尖端上的 套圈71,并且在連通孔69b中,信號(hào)線67與封裝件73—起插入,由 此在尖端框架63的內(nèi)部區(qū)域處,由保持構(gòu)件69限定密封的內(nèi)部空間 75。
在尖端框架63的尖端附近的一部分處,形成用于對(duì)受檢體53成 像的開(kāi)口,并且蓋玻璃(cover glass) 77被附接到該開(kāi)口部分。在鄰近 于該蓋玻璃77的位置處,設(shè)置聚光透鏡79,并且光學(xué)掃描元件81被 設(shè)置成面對(duì)聚光透鏡79。光學(xué)掃描元件81被設(shè)定成相對(duì)于尖端框架 63的軸向方向傾斜大約45度的,并且入射光的光路被能夠如稍后所描
述地轉(zhuǎn)動(dòng)移位的微型反射鏡83改變(見(jiàn)圖4)。換言之,從固定到保
持構(gòu)件69的套圈71輸出的光經(jīng)由保持構(gòu)件69所支撐的準(zhǔn)直透鏡85 而照射到光學(xué)掃描元件上,并且其反射光被掃描并且照射到受檢體53 上。
這里,向其施加用于驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描元件81從而進(jìn)行掃描的驅(qū)動(dòng)信 號(hào)(相應(yīng)于稍后描述的Va、 Vb)的電極經(jīng)由信號(hào)線67被連接到掃描 驅(qū)動(dòng)器49 (見(jiàn)圖1)。
設(shè)于穿過(guò)保持構(gòu)件69的中心的位置處的套圈71具有穿過(guò)中心的 微型貫通孔,并且,光纖43連接到其一端,并且在另一端側(cè)上的開(kāi)口 是自由的。因此,示于圖1的光學(xué)掃描探針100的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成共焦 點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng),并且套圈71用作共焦點(diǎn)針孔。照射光被從光源37輸入 到光纖43中(見(jiàn)圖1),并且從套圈71的開(kāi)口輸出照射光作為點(diǎn)光源。 該照射光被準(zhǔn)直透鏡85轉(zhuǎn)換成平行光并使其入射在光學(xué)掃描元件81 的微型反射鏡83的表面上,并且由微型反射鏡83的表面反射,由聚 光透鏡79聚光,并且經(jīng)由蓋玻璃77而照射到受檢體53上。
另一方面,在受檢體53的區(qū)域中,來(lái)自與根據(jù)光學(xué)掃描元件81 的微型反射鏡83的表面的傾斜度而確定的掃描位置相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的反射 光遵循以下路徑反向通過(guò)蓋玻璃77,由聚光透鏡79聚光并被引導(dǎo)到 光學(xué)掃描元件81的微型反射鏡83,由微型反射鏡83的表面反射并經(jīng) 由準(zhǔn)直透鏡85而使其入射到套圈71的、作為共焦點(diǎn)針孔的開(kāi)口部分 上,并且經(jīng)由光纖43而被引導(dǎo)到光學(xué)檢測(cè)器39 (見(jiàn)圖l)。換言之, 光纖43也用作返回光傳輸部件。
在該共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)中,通過(guò)在與聚光透鏡79的焦點(diǎn)位置共軛的 位置(圖像位置)處設(shè)置具有圓形開(kāi)口的針孔,僅僅聚焦位置的光能 夠被檢測(cè)到。在本實(shí)施例中,附接到光纖43的端部的套圈71的光出 射端被有效地用作基本形成點(diǎn)光源的共焦點(diǎn)針孔。在共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)
中,從點(diǎn)光源發(fā)出的光被物鏡聚光并且照射到受檢體53的一個(gè)點(diǎn)上。
因此,不同于同等地照亮全部受檢體53的一般的照明,不從掃描位置
的周邊產(chǎn)生非期望的散射光,并且圖像對(duì)比度被大大地提高。而且,
通過(guò)使用共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng),能夠通過(guò)使用細(xì)的構(gòu)件例如光纖43來(lái)引導(dǎo) 照射光和返回光,從而能夠形成可優(yōu)選地用作光學(xué)掃描探針裝置31的 細(xì)長(zhǎng)的光學(xué)掃描探針100。因此,能夠觀察到作為高質(zhì)量圖像的、諸如 活體組織等的受檢體的內(nèi)部的表面。
當(dāng)獲取上述圖像時(shí),控制器47 (見(jiàn)圖1)掌握由掃描驅(qū)動(dòng)器49產(chǎn) 生的每一個(gè)掃描控制信號(hào)的時(shí)序,即,光學(xué)掃描元件81的微型反射鏡 83的掃描位置,并且使信號(hào)處理裝置33根據(jù)該掃描位置來(lái)處理從光電 檢測(cè)器39輸入的電信號(hào),并且使顯示單元35輸出二維圖像信息作為 受檢體53的獲取圖像。
確定掃描范圍(將要成像的范圍)的光學(xué)掃描元件81的微型反射 鏡83的傾斜角度根據(jù)將要施加到光學(xué)掃描元件81的每一個(gè)電極的驅(qū) 動(dòng)電壓的電平而改變,但是,如果光學(xué)掃描元件81的電極間距離等是 不均勻的,即使當(dāng)施加相同的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí),在每一個(gè)光學(xué)掃描元件81 的實(shí)際掃描范圍中也發(fā)生錯(cuò)誤。掃描范圍也可以根據(jù)溫度等的環(huán)境變 化的影響而改變。
因此,為了穩(wěn)定光學(xué)掃描元件81的實(shí)際掃描范圍,控制器47具 有用于修正將要施加到光學(xué)掃描元件81的驅(qū)動(dòng)電壓的修正表格51。換 言之,預(yù)先將示出將要施加的驅(qū)動(dòng)電壓值和實(shí)際傾斜角度之間的關(guān)系 的信息記錄并且保持在表格中,并且當(dāng)實(shí)際驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描元件81時(shí), 通過(guò)參照修正表格51的內(nèi)容來(lái)確定將要施加的驅(qū)動(dòng)電壓值,從而使掃 描范圍與預(yù)定范圍相同。
直到裝運(yùn)光學(xué)掃描探針裝置31的產(chǎn)品時(shí),才生成這種修正表格 51。還允許使修正表格51的內(nèi)容是可重寫(xiě)的,并且在進(jìn)行周期性維護(hù)
時(shí)重寫(xiě)修正表格51的內(nèi)容??蛇x地,根據(jù)需要,可以由使用者確定的 任意時(shí)序(例如在光學(xué)掃描探針裝置31的電源接通時(shí))來(lái)更新修正表格51的內(nèi)容。
在驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描元件81時(shí)的掃描時(shí)序和實(shí)際掃描位置之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是非線性的情形中,示出這種關(guān)系的信息也被記錄在修正表格51中。
圖4是圖3中所示的光學(xué)掃描元件的透視圖。
光學(xué)掃描元件81被安裝在光學(xué)掃描探針100的尖端部分中(見(jiàn)圖 3),并且利用經(jīng)由插入到光學(xué)掃描探針100中的光纖43而引導(dǎo)到尖 端部分的光,對(duì)受檢體53的區(qū)域進(jìn)行光學(xué)掃描。光學(xué)掃描元件81包 括作為基本組件的基板91、經(jīng)由間隙93平行于基板91布置的小片狀 的可動(dòng)部分95、作為從可動(dòng)部分95的兩個(gè)邊緣延伸的支撐部分的彈性 支撐梁97、以及經(jīng)由彈性支撐梁97在基板91上支撐可動(dòng)部分95的間 隔件99。利用這種構(gòu)造,可動(dòng)部分95能夠根據(jù)彈性支撐梁97的扭轉(zhuǎn) (twisting)而沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和與第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向反向的第二轉(zhuǎn)動(dòng)方 向來(lái)雙向轉(zhuǎn)動(dòng)移位。
在光學(xué)掃描元件81中,可動(dòng)部分95的上表面變?yōu)槲⑿头瓷溏R83。 在基板91的上表面上,在兩個(gè)彈性支撐梁97的兩側(cè)上設(shè)有沿著第一 轉(zhuǎn)動(dòng)方向而向可動(dòng)部分95施加物理作用力的第一驅(qū)動(dòng)器101a和沿著第 二轉(zhuǎn)動(dòng)方向而向可動(dòng)部分95施加物理作用力的第二驅(qū)動(dòng)器101b。第一 驅(qū)動(dòng)器101a和第二驅(qū)動(dòng)器101b成為作為固定電極的尋址電極??蓜?dòng)部 分95的一部分還設(shè)有可動(dòng)電極103。
圖5是示出光學(xué)掃描元件和用于驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描元件的電路的框圖。光學(xué)掃描元件81包括位于基板91內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電路104。驅(qū)動(dòng)電 路104包括驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105和存儲(chǔ)器電路107。驅(qū)動(dòng)電壓控制電 路105產(chǎn)生將要施加到光學(xué)掃描元件81的各個(gè)電極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Va和 Vb。存儲(chǔ)器電路107保持信號(hào)波形的信息,其中,應(yīng)該在驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃 描元件之前,通過(guò)使所述信號(hào)波形與光學(xué)掃描元件81的微型反射鏡83 相對(duì)于各個(gè)軸的傾斜移位量相關(guān)聯(lián),來(lái)輸出所述信號(hào)波形作為每一個(gè) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)Va、 Vb。當(dāng)從外部將移位量指令輸入到存儲(chǔ)器電路107中時(shí), 存儲(chǔ)器電路107向驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105供給用于產(chǎn)生與移位量相對(duì) 應(yīng)的信號(hào)波形所需要的信息。驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105,基于從存儲(chǔ)器電 路107輸入的信息而以必要的時(shí)序來(lái)產(chǎn)生每一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Va、Vb的波 形。
形成在可動(dòng)部分95上的導(dǎo)電區(qū)域形成可動(dòng)電極103作為公共電 極,并且通過(guò)向布置在面向可動(dòng)電極的位置處的第一驅(qū)動(dòng)器101a和第 二驅(qū)動(dòng)器101b施加電壓,能夠產(chǎn)生成為驅(qū)動(dòng)作用力的靜電力。
這里,將描述其中使光學(xué)掃描元件81的可動(dòng)部分95與基板91側(cè) 形成接觸并且擺動(dòng)的接觸驅(qū)動(dòng)方法。
圖6A-6F是示出在接觸驅(qū)動(dòng)中光學(xué)掃描元件81的可動(dòng)部分95的 移位狀態(tài)的操作說(shuō)明圖。
通過(guò)作為基本操作而向第一驅(qū)動(dòng)器101a、第二驅(qū)動(dòng)器101b、以及 可動(dòng)電極103 (圖中作為可動(dòng)部分95來(lái)說(shuō)明)施加電壓,光學(xué)掃描元 件81圍繞作為扭轉(zhuǎn)中心的彈性支撐梁97來(lái)使可動(dòng)部分95擺動(dòng)并且移 位。因此,可動(dòng)部分95上的微型反射鏡83被擺動(dòng),并且光反射方向 被切換。然而,當(dāng)起動(dòng)時(shí),用于在平衡狀態(tài)中使可動(dòng)部分95轉(zhuǎn)動(dòng)移位 的最小能量高于在開(kāi)始移位之后所需的能量,并且因此,應(yīng)該增大驅(qū) 動(dòng)信號(hào)的施加電壓。在本實(shí)施例中,起動(dòng)時(shí)的施加電壓被定義為VI并 且起動(dòng)后穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)的施加電壓被定義為V2 (<V1)。
為了使可動(dòng)部分95從平衡狀態(tài)開(kāi)始與下部形成接觸,如圖6A所 示,從可動(dòng)部分95的平衡停止?fàn)顟B(tài),如圖6B所示,靜電力F1響應(yīng)于 將施加電壓Va (VI)施加到第一驅(qū)動(dòng)器101a而動(dòng)作,轉(zhuǎn)動(dòng)移位可動(dòng) 部分95并且使其與設(shè)定于基板91上的支點(diǎn)109形成接觸。支點(diǎn)109 具有用于在該???pull-in)狀態(tài)中防止粘附到可動(dòng)部分95的功能。
然后,如圖6C所示,當(dāng)切斷給第一驅(qū)動(dòng)器101a的施加電壓Va 時(shí),通過(guò)彈性支撐梁97的彈性恢復(fù)力K^,可動(dòng)部分95沿著相反方向 轉(zhuǎn)動(dòng)移位。此后,所述驅(qū)動(dòng)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)并且可動(dòng)部分95連續(xù)地?cái)[動(dòng)。
然而,如圖6D所示,當(dāng)不存在粘度效應(yīng)(viscosity effect)時(shí), 可動(dòng)部分95轉(zhuǎn)動(dòng)移位到最大移位位置,然而,當(dāng)存在粘度效應(yīng)時(shí),這 種移位變小,因此,為了補(bǔ)償移位不足,低于上述施加電壓值VI的電 壓V2以脈沖方式施加到第二驅(qū)動(dòng)器101b作為施加電壓Vb以產(chǎn)生靜電 力F2 (>F1)。這里,以不會(huì)引起第二驅(qū)動(dòng)器101b??康某潭仁┘铀?述電壓。
如圖6E所示,當(dāng)切斷給第二驅(qū)動(dòng)器101b的施加電壓Vb時(shí),通 過(guò)彈性支撐梁97的彈性恢復(fù)力可動(dòng)部分95再次沿著相反方向轉(zhuǎn) 動(dòng)移位。這里,為了再次補(bǔ)償移位不足,如圖6F所示,以脈沖方式向 第一驅(qū)動(dòng)器101a施加所述施加電壓V2(〈V1)以產(chǎn)生靜電力F2(>F1)。 通過(guò)重復(fù)圖6C到圖6F的操作,可動(dòng)部分95反復(fù)地?cái)[動(dòng)。
可動(dòng)部分95優(yōu)選以與可動(dòng)部分95的共振頻率相應(yīng)的周期來(lái)移位。 通過(guò)以與根據(jù)可動(dòng)部分95的形狀和質(zhì)量等而確定的本征頻率相應(yīng)的共 振頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)可動(dòng)部分95,能夠利用最小驅(qū)動(dòng)作用力高效地進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 并且擺動(dòng)操作得以穩(wěn)定。當(dāng)所施加的物理作用力成為靜電力時(shí),可動(dòng) 部分95能夠高速轉(zhuǎn)動(dòng)移位。物理作用力是靜電力,從而,例如,通過(guò) 切換在固定側(cè)電極和可動(dòng)側(cè)電極之間施加的電壓,能夠易于控制驅(qū)動(dòng)
狀態(tài)。
圖7是示出在接觸驅(qū)動(dòng)中在施加電壓和移位角度之間的關(guān)系的操 作說(shuō)明圖。
這里,與供給到第一驅(qū)動(dòng)器101a和第二驅(qū)動(dòng)器101b的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 一起,說(shuō)明根據(jù)示于圖6A-6F的可動(dòng)部分95的驅(qū)動(dòng)的傾斜角度變化。
在使可動(dòng)部分95從平衡狀態(tài)開(kāi)始與下部形成接觸的情形中,當(dāng)可 動(dòng)部分95與下部形成接觸時(shí)(示于圖6B的狀態(tài)),可動(dòng)部分95的傾 斜角度被定義為+ei。為了維持這種狀態(tài),施加電壓Va被設(shè)定為高于 V2的電壓V1。然后,當(dāng)轉(zhuǎn)變到示于圖6C到圖6F的穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí),以 轉(zhuǎn)變時(shí)序tl,施加電壓Va從VI改變到0。然后,通過(guò)在可動(dòng)部分95 即將達(dá)到最終移位位置之前向其施加靜電力,可動(dòng)部分95被吸引到最 終移位位置。當(dāng)可動(dòng)部分95超過(guò)最終移位位置時(shí),不用施加靜電力, 利用彈性支撐梁97的彈性恢復(fù)力開(kāi)始沿著相反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)移位。因此, 在穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)中提供給第一驅(qū)動(dòng)器101a和第二驅(qū)動(dòng)器1的驅(qū)動(dòng)信號(hào),在 可動(dòng)部分95的擺動(dòng)循環(huán)(cycle)的拐點(diǎn)之前,即刻以脈沖方式施加電 壓V2。圖中的點(diǎn)線波形示出了其中當(dāng)粘度效應(yīng)發(fā)生時(shí)傾斜角度范圍變 窄的狀態(tài)。在本實(shí)施例中,電壓值V2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被施加到第一驅(qū)動(dòng)器 101a和第二驅(qū)動(dòng)器101b以防止傾斜角度范圍變窄。
因此,當(dāng)可動(dòng)部分95的下端是與可動(dòng)部分95下方的支點(diǎn)109形 成接觸的位置時(shí),可動(dòng)部分95的移位處于從沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向的最終 移位位置到沿著第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向的最終移位位置的范圍中,并且保證可 動(dòng)部分95的掃描角度是可動(dòng)部分的可動(dòng)范圍中的最大值。
這里,如上所述,將更加詳細(xì)地說(shuō)明在起動(dòng)和穩(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)之間的驅(qū) 動(dòng)信號(hào)的切換。
在本實(shí)施例的光學(xué)掃描探針裝置31中,在安全性方面,可使用在 光學(xué)掃描探針I(yè)OO中的電壓具有上限。因此,僅在起動(dòng)時(shí)施加高壓VI,
而并且此后施加小于電壓VI的電壓V2,從而進(jìn)行連續(xù)擺動(dòng)。就電壓 值而言,V2小于V1,但是,在靜電力方面,如圖7所示,在電壓V2 的施加時(shí)序的電極間距離短于在電壓VI的施加時(shí)序的電極間距離,并 且因此,電壓V2能夠產(chǎn)生更大的靜電力,并且能夠增大可動(dòng)部分95 的吸引效果。
作為詳細(xì)的操作程序,在光學(xué)掃描探針100的探針插入到受檢體 53中之前,利用比較高的電壓V1使可動(dòng)部分95從平衡狀態(tài)開(kāi)始向任 一驅(qū)動(dòng)器傾斜,并且從該傾斜狀態(tài)開(kāi)始停止施加高壓VI。此后,光學(xué) 掃描探針100被插入到受檢體53中。當(dāng)探針被插入到受檢體53中時(shí), 用低壓來(lái)驅(qū)動(dòng)它。因此,在受檢體53中,并不利用高壓來(lái)驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃 描元件81。
由作為信號(hào)切換部件的驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105 (見(jiàn)圖5)控制從高 壓驅(qū)動(dòng)改變到低壓驅(qū)動(dòng)的時(shí)序tl (見(jiàn)圖7)。換言之,控制器47 (見(jiàn) 圖1)能夠改變用于使光學(xué)掃描元件81執(zhí)行光學(xué)掃描的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。具 體來(lái)說(shuō),驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105具有下列功能在探針插入到受檢體 53中之前,在從控制器47接收到時(shí)序tl的時(shí)序信號(hào)時(shí),從用于沿著 第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向或者第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)吸引可動(dòng)部分95的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào), 切換并輸出用于交替地沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)吸引可動(dòng) 部分95的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如上所述,驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)的最大電壓被設(shè)定 為高于掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大電壓。
這里,掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一種重復(fù)下述過(guò)程的驅(qū)動(dòng)信號(hào),在該過(guò)程 中,直到可動(dòng)部分95沿著一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向移位,才將彈性能量存儲(chǔ)在支 撐可動(dòng)部分95的彈性支撐梁97中,并且利用由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(例如, 第一驅(qū)動(dòng)器101a)產(chǎn)生的物理作用力來(lái)移位可動(dòng)部分95,此后,使來(lái) 自所述一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的物理作用力消失,并且釋放存儲(chǔ)在彈性支撐梁97
中的彈性能量,由此,當(dāng)在彈性支撐梁97中再次存儲(chǔ)極性與前述彈性
能量反向的彈性能量時(shí),可動(dòng)部分95沿著另一轉(zhuǎn)動(dòng)方向移位,并且利 用由另一驅(qū)動(dòng)器(例如,第二驅(qū)動(dòng)器101b)產(chǎn)生的物理作用力來(lái)移位 可動(dòng)部分95。
因此,在光學(xué)掃描探針裝置31中,在光學(xué)掃描探針I(yè)OO的探針插 入到受檢體53中之前,可動(dòng)部分95響應(yīng)于比較高的電壓驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信 號(hào)而傾斜,并且彈性能量被存儲(chǔ)在彈性支撐梁97中。在該狀態(tài)中,停 止施加高壓驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)VI,然后探針被插入到受檢體53中。在停 止施加驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)之后,通過(guò)釋放存儲(chǔ)在彈性支撐梁97中的彈性能 量,可動(dòng)部分95被轉(zhuǎn)動(dòng)移位,并且被轉(zhuǎn)動(dòng)移位的可動(dòng)部分95轉(zhuǎn)動(dòng)至 另一轉(zhuǎn)動(dòng)方向,同時(shí)利用慣性來(lái)存儲(chǔ)反方向的彈性能量,此后,在當(dāng) 慣性消失并且所存儲(chǔ)的彈性能量平衡被反轉(zhuǎn)時(shí)的時(shí)間點(diǎn),可動(dòng)部分95 被再次切換到返回方向。利用低壓掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)交替地施加并促動(dòng) 這種重復(fù)切換,由此彈性支撐梁97中的彈性能量被釋放并再次被存儲(chǔ), 因此,可動(dòng)部分95連續(xù)地?cái)[動(dòng)。
掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)V2的最大電壓優(yōu)選設(shè)定為低于IOOV。當(dāng)受檢體53 是人體時(shí),在探針插入體內(nèi)之后,用于光學(xué)掃描所需的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào) 被設(shè)定為至多低于IOOV,由此進(jìn)一步保證內(nèi)窺鏡的使用安全性。通過(guò) 改變光學(xué)掃描元件81的尺寸和材料,能夠進(jìn)一步降低這種最大電壓。
本實(shí)施例的光學(xué)掃描探針裝置31包括通過(guò)對(duì)光學(xué)掃描探針100插 入到受檢體53中進(jìn)行檢測(cè)而輸出檢測(cè)信號(hào)的傳感器55 (見(jiàn)圖l)。從 傳感器55輸出的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)由控制器47而輸入到驅(qū)動(dòng)電壓控制電路 105中作為時(shí)序tl的信號(hào)。當(dāng)光學(xué)掃描探針100被插入到受檢體53中 時(shí),利用傳感器55來(lái)檢測(cè)這種插入,并且將插入檢測(cè)信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng) 電壓控制電路105中。插入檢測(cè)信號(hào)被輸入到其中的驅(qū)動(dòng)電壓控制電 路105,將施加到光學(xué)掃描元件81以吸引可動(dòng)部分95的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào), 切換到低壓掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)并且輸出該信號(hào)。
另外,當(dāng)接通光學(xué)掃描探針I(yè)OO的電源時(shí),時(shí)序tl的信號(hào)可以輸 入到驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105中。在開(kāi)始使用光學(xué)掃描探針100時(shí)接通
電源,此時(shí),驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105自動(dòng)地向光學(xué)掃描元件81輸出驅(qū)
動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)以沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向或者第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向而吸引可動(dòng)部分 95。換言之,能夠易于使在探針插入到受檢體53之前的彈性能量?jī)?chǔ)備 與電源接通同時(shí)地進(jìn)行而無(wú)需特殊操作。
可以利用連接到控制器47的操作單元45的開(kāi)關(guān)來(lái)輸入時(shí)序tl的 信號(hào)。在此情形中,當(dāng)開(kāi)始使用光學(xué)掃描探針100時(shí),接通電源,并 且手動(dòng)輸入連接到所述信號(hào)切換部件的開(kāi)關(guān),由此驅(qū)動(dòng)電壓控制電路 105向光學(xué)掃描元件81輸出驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)以沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向或者第 二轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)吸引可動(dòng)部分95。換言之,能夠從所需時(shí)間開(kāi)始在將探 針插入受檢體53中之前的彈性能量?jī)?chǔ)備,并且能夠防止當(dāng)電源接通之 后而探針長(zhǎng)時(shí)間未被插入時(shí)可動(dòng)部分95的無(wú)用吸引。
如上所述,在本實(shí)施例的光學(xué)掃描探針100中,僅當(dāng)起動(dòng)時(shí),使 用具有高壓的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)并且可動(dòng)部分95被吸引到任一轉(zhuǎn)動(dòng)方向中 的位置。在將探針插入受檢體53中之后,驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)被切換到安全 的低壓掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào),并且能夠在根據(jù)低壓掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的交替而沿 著相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)(擺動(dòng))方向利用高彈性恢復(fù)力來(lái)促動(dòng)在彈性支撐梁97 中存儲(chǔ)的驅(qū)動(dòng)能量的同時(shí)執(zhí)行高速掃描驅(qū)動(dòng)。
下面,將說(shuō)明其中光學(xué)掃描元件81的可動(dòng)部分95被擺動(dòng)而不接 觸基板91側(cè)的非接觸驅(qū)動(dòng)方法。
圖8A-8F是示出在非接觸驅(qū)動(dòng)的情形中可動(dòng)部分的移位狀態(tài)的操 作說(shuō)明圖。
當(dāng)可動(dòng)部分95未從平衡位置開(kāi)始與下部形成接觸時(shí),如圖8A所
示,從可動(dòng)部分95的平衡停止?fàn)顟B(tài),靜電力Fl通過(guò)將施加電壓Va(Vl) 施加到第一驅(qū)動(dòng)器101a而動(dòng)作,并且可動(dòng)部分95被轉(zhuǎn)動(dòng)移位并停止在 不與下部接觸的位置處。換言之,無(wú)需??靠蓜?dòng)部分95,它在中間位 置處?kù)o止不動(dòng)。
然后,如圖8C所示,當(dāng)切斷給第一驅(qū)動(dòng)器101a的施加電壓Va 時(shí),利用彈性支撐梁97的彈性作用力而沿著相方方向來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)移位 可動(dòng)部分95。此后,所述驅(qū)動(dòng)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)驅(qū)動(dòng)并且可動(dòng)部分95連續(xù)地?cái)[ 動(dòng)。
然而,如圖8D所示,當(dāng)不存在粘度效應(yīng)時(shí),可動(dòng)部分95轉(zhuǎn)動(dòng)移 位到最大移位位置,然而,當(dāng)存在粘度效應(yīng)時(shí),該移位更小。因此, 為了補(bǔ)償移位不足,向第二驅(qū)動(dòng)器lb以脈沖方式施加低于施加電壓 VI的電壓V2作為施加電壓Vb以產(chǎn)生靜電力F2 (>F1)。這里,可動(dòng) 部分95也未被???。
然后,如圖8E所示,當(dāng)切斷給第二驅(qū)動(dòng)器101b的施加的電壓Va 時(shí),通過(guò)彈性支撐梁97的彈性恢復(fù)力K^,可動(dòng)部分95再次沿著相反 方向而轉(zhuǎn)動(dòng)移位。這里,為了再次補(bǔ)償移位不足,如圖8F所示,以脈 沖方式向第一驅(qū)動(dòng)器101a施加所述施加電壓V2 (<V1)以產(chǎn)生靜電力 F2 (>F1)。通過(guò)重復(fù)圖8C-8F的操作,可動(dòng)部分95反復(fù)地?cái)[動(dòng)而不 接觸下部。
可動(dòng)部分95優(yōu)選以與可動(dòng)部分95共振頻率相應(yīng)的周期來(lái)移位, 并且如上所述,能夠利用必需的最小驅(qū)動(dòng)作用力來(lái)高效地進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 并且擺動(dòng)操作得以穩(wěn)定。
圖9是示出在非接觸驅(qū)動(dòng)中在施加電壓和移位角度之間的關(guān)系的 操作說(shuō)明圖。這里,與供給到第一驅(qū)動(dòng)器101a和第二驅(qū)動(dòng)器101b的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 一起,說(shuō)明根據(jù)示于圖8A-8F的可動(dòng)部分95的驅(qū)動(dòng)的傾斜角度變化。
在從平衡位置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)而不使可動(dòng)部分95與下部接觸的情形中, 使可動(dòng)部分95不與下部形成接觸的最大移位角度被定義為+^2。為了 維持這種狀態(tài),將施加電壓Va設(shè)定為高于V2的電壓V1。
因此,當(dāng)可動(dòng)部分95的最終移位位置是正好在與可動(dòng)部分95下 方的下方的構(gòu)件形成接觸之前的位置時(shí),可動(dòng)部分95的掃描角度較窄, 但是,不必考慮到支點(diǎn)的粘附,從而增大了元件材料選擇的自由度。 另外,并不由于在電絕緣狀態(tài)中可動(dòng)部分關(guān)于基板側(cè)的重復(fù)接觸和分 離而產(chǎn)生電荷,從而防止了驅(qū)動(dòng)特征散射以及光學(xué)掃描元件81隨著時(shí) 間的退化。
下面,將說(shuō)明光學(xué)掃描元件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)例和通過(guò)模擬光學(xué)掃描 元件的操作的分析結(jié)果。
圖10是示出用于結(jié)構(gòu)分析的光學(xué)掃描元件的結(jié)構(gòu)的透視圖,并且 圖11是可動(dòng)部分的傾斜角度與施加電壓的相關(guān)圖,示出了通過(guò)使用圖 10所示的分析模型而獲得的分析結(jié)果。
對(duì)光學(xué)掃描元件的尺寸進(jìn)行實(shí)際假設(shè),并且通過(guò)使用運(yùn)動(dòng)方程來(lái) 執(zhí)行靜態(tài)分析。將在圖IO中利用參考符號(hào)示出的各個(gè)部分的尺寸示于 下面的表格1中。
表格1
可動(dòng)部分尺寸L1500 u m
可動(dòng)部分尺寸L2400 u m
可動(dòng)部分厚度HlOn m
支撐部分長(zhǎng)度W140 ti m
支撐部分寬度W24 ti m
支撐部分厚度H4 U m
材料楊氏模量(Si) E130.8Gpa
材料泊松比(Si) v0.28
共振頻率f6.13kHz
最大移位角度0max12deg
電極間距離d42 u m
與該分析模型有關(guān)的光學(xué)掃描元件在施加電壓400V處引起???現(xiàn)象,并且可動(dòng)部分與下部形成接觸。該分析模型采用起動(dòng)時(shí)與下部
形成接觸的接觸型光學(xué)掃描元件。根據(jù)該分析模型,能夠知道當(dāng)僅
在起動(dòng)時(shí)施加400V或者更高的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)(電壓)時(shí),可動(dòng)部分與 下部形成接觸,并且此后,能夠利用支撐部分的彈性作用力以及補(bǔ)償 不足的低的施加電壓來(lái)重復(fù)進(jìn)行移位。
下面,將描述具有與上述實(shí)施例相同的構(gòu)造的光學(xué)掃描元件的生 產(chǎn)過(guò)程。
圖12是示出用于該生產(chǎn)過(guò)程的光學(xué)掃描元件的結(jié)構(gòu)的截面圖,并 且圖13A-13E是示出光學(xué)掃描元件的生產(chǎn)步驟的說(shuō)明圖。
為了制造具有與上述實(shí)施例相同的構(gòu)造的、圖12所示的光學(xué)掃描 元件81,首先,如圖13A所示,在SOI(絕緣體上Si)基板91的第一 絕緣層111上形成包括CMOS的驅(qū)動(dòng)電路104。在驅(qū)動(dòng)電路104的上 部處,利用PECVD沉積Si02以形成第二絕緣層113,并且通過(guò)光刻
和氟基RIE蝕刻來(lái)構(gòu)圖形成用于將驅(qū)動(dòng)電路104的輸出連接到元件電 極的接觸孔。
此后,通過(guò)濺射來(lái)沉積基層TiN薄膜,并且隨后,通過(guò)濺射來(lái)沉 積W。因此,W埋入到接觸孔中。而且,通過(guò)CMP來(lái)平坦化W的表 面,由此形成具有填充有W的接觸孔的第二絕緣層113。
在第二絕緣層的上部處,通過(guò)濺射來(lái)沉積作為固定電極膜的Al(優(yōu) 選地,含有高熔點(diǎn)金屬的Al合金),并且通過(guò)光刻和氯基RIE蝕刻來(lái) 構(gòu)圖形成所需電極形狀以形成固定電極膜(第一驅(qū)動(dòng)器101a和第二驅(qū) 動(dòng)器101b)。此時(shí),固定電極膜經(jīng)由接觸孔連接到驅(qū)動(dòng)電路104的輸 出并且供給有電勢(shì)。
下面,如圖13B所示,正性抗蝕劑膜115作為犧牲層被涂覆并且 被硬烘。在高于20(T C的溫度下執(zhí)行硬烘同時(shí)照射深UV。因此,即 使在隨后的高溫工藝中,膜也保持它的形狀,并且變得不溶于抗蝕劑 移除劑(resist remover)溶劑中。通過(guò)涂覆并且沉積抗蝕劑,抗蝕劑表 面變成平面而與基膜(base film)的水平差無(wú)關(guān)。該抗蝕劑層用作犧牲 層,并且在隨后的步驟中將其移除。因此,在硬烘之后抗蝕劑的膜厚 確定將來(lái)在下方的固定電極101a及101b和支撐部分及可動(dòng)部分95之 間的間隙。
然后,通過(guò)光刻而對(duì)成為用于支撐可動(dòng)部分的支柱的部分進(jìn)行構(gòu) 圖,并且形成接觸孔。
下面,如圖13C所示,通過(guò)濺射來(lái)沉積作為可動(dòng)部分95、支撐部 分(彈性支撐梁97)和可動(dòng)部分95的支柱的Al (優(yōu)選地,含有高熔 點(diǎn)金屬的A1合金)。
然后,如圖13D所示,通過(guò)使用正性抗蝕劑的光刻和氟基RIE蝕
刻構(gòu)圖形成變?yōu)榭蓜?dòng)部分95、彈性支撐梁97和可動(dòng)部分95的支柱的 部分。此后,通過(guò)氧基等離子體蝕刻(灰化)來(lái)移除抗蝕劑。
最后,如圖13E所示,通過(guò)利用氧基和/或氟基等離子體蝕刻(灰 化)來(lái)移除作為犧牲層的抗蝕劑層115而形成間隙117,由此形成具有 所需結(jié)構(gòu)的光學(xué)掃描元件81。
上述材料和生產(chǎn)方法是實(shí)例,并且可以使用任何材料和生產(chǎn)方法, 只要它們符合本發(fā)明的精神。
如上所述,根據(jù)本實(shí)施例的光學(xué)掃描探針100,提供向受檢體53 上掃描光的光學(xué)掃描元件81以及切換用于使光學(xué)掃描元件81掃描光 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105,光學(xué)掃描元件81包括具有沿著 第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向移位的微型反射鏡83的可動(dòng)部分95和 向可動(dòng)部分95施加物理作用力的第一驅(qū)動(dòng)器101a與第二驅(qū)動(dòng)器101b, 驅(qū)動(dòng)電壓控制電路105具有用于將沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向或者第二轉(zhuǎn)動(dòng)方 向吸引可動(dòng)部分95的驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)切換到用于交替地沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方 向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向吸引可動(dòng)部分95的掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功能,并且驅(qū)動(dòng) 準(zhǔn)備信號(hào)的最大電壓被設(shè)定為高于掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)最大電壓的值,從而 通過(guò)僅在起動(dòng)時(shí)使用高壓,而能夠降低驅(qū)動(dòng)時(shí)的電壓。另外,驅(qū)動(dòng)能 夠增加彈性支撐梁97的彈性作用力的效果,從而使高速驅(qū)動(dòng)成為可能。 結(jié)果,通過(guò)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)了低壓高速驅(qū)動(dòng)。
光學(xué)掃描探針裝置31包括光學(xué)掃描探針100、信號(hào)處理裝置33 和顯示單元35,所述信號(hào)處理裝置33根據(jù)從光學(xué)掃描探針100的光纖 43引導(dǎo)的反射光和掃描驅(qū)動(dòng)器49的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而獲得從受檢體53中的 照射點(diǎn)發(fā)射的光的一維或者二維分布信息,所述顯示單元35顯示從信 號(hào)處理裝置33輸出的視頻信號(hào),從而當(dāng)通過(guò)使用具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的光學(xué) 掃描探針100而利用低壓來(lái)執(zhí)行高速光學(xué)掃描時(shí),從照射點(diǎn)發(fā)射的光 強(qiáng)度被輸入到信號(hào)處理裝置33中作為電信號(hào),并且能夠以高響應(yīng)度在
顯示單元35上顯示從該照射點(diǎn)發(fā)射的光分布信息。
根據(jù)光學(xué)掃描探針100的控制方法,掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一種重復(fù)以 下過(guò)程的驅(qū)動(dòng)信號(hào),在該過(guò)程中,直到可動(dòng)部分95沿著一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向 移位,才將彈性能量存儲(chǔ)在支撐可動(dòng)部分95的彈性支撐梁97中,并 且利用由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(例如,第一驅(qū)動(dòng)器101a)產(chǎn)生的物理作用力來(lái) 移位可動(dòng)部分95,此后,使來(lái)自所述一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的物理作用力消失, 并且釋放存儲(chǔ)在彈性支撐梁97中存儲(chǔ)的彈性能量,由此,當(dāng)在彈性支 撐梁97中再次存儲(chǔ)具有與前述彈性能量反向的極性的彈性能量時(shí),可 動(dòng)部分95沿著另一轉(zhuǎn)動(dòng)方向移位,并且利用由另一驅(qū)動(dòng)器(例如,第 二驅(qū)動(dòng)器101b)產(chǎn)生的物理作用力來(lái)移位可動(dòng)部分95。因此,在將光 學(xué)掃描探針100的探針插入受檢體53中之前,利用比較高的電壓驅(qū)動(dòng) 準(zhǔn)備信號(hào)來(lái)傾斜可動(dòng)部分95,并且從該狀態(tài)起,停止施加高壓驅(qū)動(dòng)準(zhǔn) 備信號(hào),并且將探針插入受檢體53中。在插入受檢體53中之后,利 用低壓繼續(xù)地驅(qū)動(dòng)可動(dòng)部分95,因此,并未使得結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜 化,能夠在實(shí)現(xiàn)高速掃描和低壓的同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)方法而保持簡(jiǎn)單 結(jié)構(gòu)。
下面,將描述上述光學(xué)掃描元件的其它構(gòu)造實(shí)例。 <變形例1>
圖14是變形例1的光學(xué)掃描元件的透視圖,其中通過(guò)懸臂式結(jié)構(gòu) 來(lái)支撐可動(dòng)部分。
本發(fā)明的光學(xué)掃描元件能夠被構(gòu)造成使得通過(guò)懸臂式結(jié)構(gòu)來(lái)支撐 可動(dòng)部分95。換言之,在光學(xué)掃描元件81A中,可動(dòng)部分95的一端 經(jīng)由彈性支撐梁97和97以及間隔件99和99被支撐并且固定到基板 91。換言之,可動(dòng)部分95成為懸臂式從而另一端變成自由端部。然后, 在基板91上,第一驅(qū)動(dòng)器101a被設(shè)為面對(duì)可動(dòng)部分95的自由端部, 并且在第一驅(qū)動(dòng)器101a與可動(dòng)部分95相對(duì)的一側(cè)上,設(shè)置將在對(duì)向基
板(未示出)上形成的第二驅(qū)動(dòng)器101b。
在如此構(gòu)造的光學(xué)掃描元件81A中,通過(guò)向第一驅(qū)動(dòng)器101a、第 二驅(qū)動(dòng)器101b和可動(dòng)電極103施加電壓,可動(dòng)部分95也被圍繞作為 扭轉(zhuǎn)中心的彈性支撐梁97擺動(dòng)和移位。然后,可動(dòng)部分95是微型反 射鏡83,從而改變了光反射方向。
<變形例2>
圖15是被構(gòu)造成能夠在可動(dòng)部分的切換方向中設(shè)定兩個(gè)物理作 用力的變形例2的光學(xué)掃描元件的透視圖。
光學(xué)掃描元件81可以被構(gòu)造成使得能夠在可動(dòng)部分的每一個(gè)切 換方向中設(shè)定兩個(gè)或者更多個(gè)物理作用力。例如,在其中心為轉(zhuǎn)動(dòng)中 心的擺動(dòng)型可動(dòng)部分95中,兩個(gè)或者更多個(gè)物理作用力被施加到轉(zhuǎn)動(dòng) 中心的兩側(cè)的每一側(cè)。因此,能夠以不同時(shí)序向可動(dòng)部分95的一側(cè)施 加不同大小的兩個(gè)制動(dòng)力,并且例如能夠獲得如通過(guò)施加與轉(zhuǎn)動(dòng)方向 反向的吸引力而正好在可動(dòng)部分95接觸之前制動(dòng)的各種制動(dòng)效果。
詳細(xì)地,光學(xué)掃描元件81B包括不同于第一驅(qū)動(dòng)器101a和第二驅(qū) 動(dòng)器101b的第一振蕩控制電極121a和第二振蕩控制電極121b。在可 動(dòng)部分95的可動(dòng)電極和第一驅(qū)動(dòng)器101a之間施加振蕩控制電壓Val, 并且在可動(dòng)部分95的可動(dòng)電極和第二振蕩控制電極121a之間施加振蕩 控制電壓Va2。在可動(dòng)部分95的可動(dòng)電極和第二驅(qū)動(dòng)器101b之間施加 振蕩控制電壓Vbl,并且在可動(dòng)部分95的可動(dòng)電極和第二振蕩控制電 極121b之間施加振蕩控制電壓Vb2。與本實(shí)施例的構(gòu)造中的那些相反, 第一振蕩控制電極121a和第二振蕩控制電極121b可以分別設(shè)置在第一 驅(qū)動(dòng)器101a和第二驅(qū)動(dòng)器101b的外側(cè)。
在該光學(xué)掃描元件81B中,移位可動(dòng)部分95的第一振蕩控制電極 121a和第二振蕩控制電極121b的物理作用力是類似于第一驅(qū)動(dòng)器101a
和第二驅(qū)動(dòng)器101b的靜電力。作為這種光學(xué)掃描元件81B的操作實(shí)例,
例如,在接觸驅(qū)動(dòng)的情形中,可動(dòng)部分95轉(zhuǎn)動(dòng)移位到第一驅(qū)動(dòng)器101b 側(cè),并且在與作為停止構(gòu)件(未示出)的支點(diǎn)即將形成接觸之前,在 可動(dòng)部分95的可動(dòng)電極和第二振蕩控制電極121b之間施加振蕩控制 電壓Vb2。
當(dāng)靜電力如此沿著與可動(dòng)部分95的移位方向相反的方向作用時(shí), 在與停止構(gòu)件即將形成接觸之前,可動(dòng)部分95被減速,并且防止可動(dòng) 部分95高速到達(dá)最終移位位置或者通過(guò)與停止構(gòu)件形成接觸之后的反 作用力而沿著與可動(dòng)部分95的移位方向反向的方向移位,并且可動(dòng)部 分95的振蕩被主動(dòng)地(actively)降低。換言之,由振蕩控制電壓Vb2 而產(chǎn)生的靜電力用作對(duì)可動(dòng)部分95的運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)力(制動(dòng)器)。因此, 可動(dòng)部分95得以控制從而在與停止構(gòu)件形成接觸時(shí)靜止不動(dòng)。
因此,當(dāng)?shù)竭_(dá)非接觸驅(qū)動(dòng)的情形中的最終移位位置時(shí),由當(dāng)可動(dòng) 部分95高速到達(dá)最終移位位置并且過(guò)沖(overshoot)時(shí)引起的碰撞而 產(chǎn)生的振蕩并不發(fā)生。
圖16A-16E是在變形例2的光學(xué)掃描元件的另一驅(qū)動(dòng)實(shí)例中轉(zhuǎn)動(dòng) 角度和施加電壓之間,的相關(guān)圖。
在光學(xué)掃描元件81B沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)并且移位可動(dòng)部分95 之后,當(dāng)可動(dòng)部分95試圖切換到第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí),或者在切換期間, 脈沖Pl被施加到可動(dòng)部分95的可動(dòng)電極和第一振蕩控制電極121a, 由此沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向的靜電力被施加到可動(dòng)部分95。在可動(dòng)部分95 被沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向驅(qū)動(dòng)并且移位并且到達(dá)最終移位位置之后,進(jìn)而, 由于與停止構(gòu)件的接觸,當(dāng)可動(dòng)部分95隨反作用力或者彈性作用力而 切換到第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí),沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向的靜電力被施加到可動(dòng)部 分95,由此可動(dòng)部分95從最終移位位置分離的運(yùn)動(dòng)(圖中短劃線所示 的波形狀軌跡)被主動(dòng)地制動(dòng)。因此,能夠快速地使可動(dòng)部分95在最
終移位位置處?kù)o止不動(dòng)。
<變形例3>
圖17是構(gòu)造成使得能夠通過(guò)懸臂式結(jié)構(gòu)而在可動(dòng)部分切換方向中設(shè)定兩個(gè)物理作用力的變形例3的光學(xué)掃描元件的透視圖。
光學(xué)掃描元件81C被構(gòu)造成使得可動(dòng)部分95的一端經(jīng)由彈性支撐 梁97和間隔件99被支撐并且固定到基板91。第一驅(qū)動(dòng)器101a和第一 振蕩控制電極121a被設(shè)于基板91上從而面對(duì)可動(dòng)部分95的自由端, 并且形成在對(duì)向基板(未示出)上的第二驅(qū)動(dòng)器101b和第二振蕩控制 電極121b跨過(guò)可動(dòng)部分95而被設(shè)于第一驅(qū)動(dòng)器101a和第一振蕩控制 電極121a的相對(duì)側(cè)上。
在如此構(gòu)造的光學(xué)掃描元件81C中,也在第一振蕩控制電極121a 和可動(dòng)部分95之間或者在第二振蕩控制電極121b和可動(dòng)部分95之間 施加上述振蕩控制電壓Va2、 Vb2,并且可動(dòng)部分95的振蕩能夠被主 動(dòng)地降低。因此,能夠提高光學(xué)掃描元件81C中的移位操作的速度。
上述光學(xué)掃描元件執(zhí)行單軸擺動(dòng)操作,并且在此情形中,光學(xué)掃 描元件被特別地應(yīng)用于激光束層析裝置(OCT:光學(xué)相干層析術(shù))。
圖18是示出通過(guò)使用本發(fā)明光學(xué)掃描元件的活體組織內(nèi)部的觀 察狀態(tài)的說(shuō)明圖。
被彈性支撐梁97單軸擺動(dòng)和移位(即, 一維掃描)的上述光學(xué)掃 描元件81、 81A、 81B和81C能夠優(yōu)選用于OCT系統(tǒng)的光學(xué)掃描探針 100A中。OTC系統(tǒng)是基于邁克爾遜(Michelson)干涉計(jì)設(shè)計(jì)的用于觀 察體腔內(nèi)部的系統(tǒng),并且通過(guò)使用低相干光,能夠觀察活體組織的內(nèi) 部。通過(guò)使用該OCT系統(tǒng),能夠作為高質(zhì)量層析圖像在顯示單元上觀 察活體組織123內(nèi)部的狀態(tài)。在所例示的實(shí)例的光學(xué)掃描元件81中垂
直于紙面布置轉(zhuǎn)動(dòng)軸。
下面,將說(shuō)明能夠雙軸擺動(dòng)的光學(xué)掃描元件。
圖19是雙軸掃描元件的透視圖。
在光學(xué)掃描元件81D中,可動(dòng)部分95被支撐從而能夠圍繞作為在 可動(dòng)部分95沿著第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向移位時(shí)的第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸的彈性支撐 梁97和作為與彈性支撐梁97正交的第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸的彈性支撐梁125而 沿著雙軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)移位。在此情形中,除了第一驅(qū)動(dòng)器101a和第二驅(qū) 動(dòng)器101b,二維光學(xué)掃描元件81D還設(shè)有第三驅(qū)動(dòng)器127a和第四驅(qū)動(dòng) 器127b。
在光學(xué)掃描元件81D中,通過(guò)在第一驅(qū)動(dòng)器101a或者第二驅(qū)動(dòng)器 101b與可動(dòng)部分95之間施加電壓而沿著X方向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)部分95,并 且通過(guò)在第三驅(qū)動(dòng)器127a或者第四驅(qū)動(dòng)器127b與框架129之間施加電 壓而沿著Y方向驅(qū)動(dòng)可動(dòng)部分95。在光學(xué)掃描元件81D中,可動(dòng)部分 95被二維驅(qū)動(dòng)從而圍繞相互正交的第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸和第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)移 位,并且能夠基于發(fā)出的光和反射的光來(lái)執(zhí)行二維掃描,并且能夠基 于反射的光的分布信息來(lái)形成受照射的區(qū)域的圖像。
在該三維掃描元件81D中,在施加驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)且然后探針被插 入受檢體53中之后,通過(guò)施加必需的最小掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)而利用簡(jiǎn)單結(jié) 構(gòu)同樣實(shí)現(xiàn)了低壓高速驅(qū)動(dòng)。
在此情形中的光學(xué)掃描元件被特別地應(yīng)用于共焦點(diǎn)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。
如圖18所示,通過(guò)彈性支撐梁97和彈性支撐梁125而雙軸擺動(dòng) 和移位(即,二維掃描)的上述光學(xué)掃描元件81D能夠優(yōu)選用于共焦 點(diǎn)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的光學(xué)掃描探針100B中。共焦點(diǎn)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)具有共焦點(diǎn)
提取器,所述共焦點(diǎn)提取器從通過(guò)利用微型反射鏡來(lái)掃描活體組織123 的表面或者截面而獲得的反射光中通過(guò)針孔僅提取物鏡光學(xué)系統(tǒng)的焦 平面上的反射光(套圈71用作本發(fā)明中的針孔)。因此,能夠在顯示
器上以高質(zhì)量圖像觀察到活體組織123的表面的二維信息或者包括沿
著深度方向信息的三維信息(截面信息)。
這里,將描述其中光學(xué)掃描元件在減壓下設(shè)有密封結(jié)構(gòu)的實(shí)例。
圖20是示出在減壓下被密封的光學(xué)掃描元件的構(gòu)造實(shí)例的縱向 截面圖。
上述光學(xué)掃描元件81等可以具有其中至少可動(dòng)部分95在減壓下 被密封的密封結(jié)構(gòu)。例如,光學(xué)掃描元件81被容納在封裝件133中并 且在低于大氣壓力的減壓下利用透明的蓋玻璃135來(lái)密封封裝件133 的內(nèi)部空間。在封裝件133中的光學(xué)掃描元件81的下方布置將要電連 接到光學(xué)掃描元件81的相應(yīng)電極的驅(qū)動(dòng)電路104 (同樣,見(jiàn)圖5), 并且所述驅(qū)動(dòng)電路具有用于在密封光學(xué)掃描元件81的封裝件133之后 輸入和輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功能。
根據(jù)該封裝件元件137,在減壓下驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描元件的可動(dòng)部分 95,從而高速驅(qū)動(dòng)被空氣粘度較低地影響成為可能。在實(shí)際使用中, 通過(guò)在這里將真空度設(shè)為例如0.1個(gè)大氣壓或者更小,空氣粘度的影響 能夠被降低到足夠低的水平。然后,通過(guò)在上述圖3的光學(xué)掃描元件 81的位置處布置封裝件元件137,獲得能夠更高速地執(zhí)行圖像獲取的 光學(xué)掃描探針裝置。
除了將光學(xué)掃描元件密封到封裝件中之外,例如,也允許圖21所 示的結(jié)構(gòu)。
圖21是示出其中光學(xué)掃描探針的尖端框架的內(nèi)部空間中的壓力
被減小的情形的說(shuō)明圖。
在光學(xué)掃描探針100C中,通過(guò)將減壓空間139限定為低于尖端框 架63內(nèi)部的大氣壓力,不再需要在減壓下單獨(dú)密封光學(xué)掃描元件81, 從而結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。具體地,在減壓下制造在圖中被點(diǎn)線圈出的構(gòu)件, 并且在被密封之后,它們被固定到接頭65。
上述光學(xué)掃描探針優(yōu)選用于共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)掃描裝置、激光 束層析裝置(OCT)以及血管光學(xué)掃描探針裝置等中,并且可被應(yīng)用 于醫(yī)用內(nèi)窺鏡裝置(例如,經(jīng)口內(nèi)窺鏡、氣管鏡和結(jié)腸鏡)、工業(yè)內(nèi) 窺鏡裝置以及任何其它內(nèi)窺鏡裝置。
權(quán)利要求
1. 一種光學(xué)掃描探針,該光學(xué)掃描探針用于通過(guò)利用光掃描并照射受檢體內(nèi)部的區(qū)域并且檢測(cè)從所述區(qū)域的受照射點(diǎn)發(fā)射的光來(lái)觀察所述受檢體的內(nèi)部,所述光學(xué)掃描探針包括光學(xué)掃描元件,設(shè)置于所述探針的尖端部分中,并且利用經(jīng)過(guò)插入在所述探針中的光傳輸部件而被引導(dǎo)至所述尖端部分的光來(lái)對(duì)所述受檢體內(nèi)部的區(qū)域進(jìn)行光學(xué)掃描;以及信號(hào)切換部件,用于切換使所述光學(xué)掃描元件執(zhí)行光學(xué)掃描的驅(qū)動(dòng)信號(hào),其中所述光學(xué)掃描元件包括具有微型反射鏡的可動(dòng)部分,支撐所述微型反射鏡以使其彈性移位,并且沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和與所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向反向的第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向而使該微型反射鏡雙向移位;第一驅(qū)動(dòng)器,向所述可動(dòng)部分施加沿著所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向的物理作用力;以及第二驅(qū)動(dòng)器,向所述可動(dòng)部分施加沿著所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向的物理作用力,所述信號(hào)切換部件具有用于在掃描準(zhǔn)備信號(hào)和掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間切換并且輸出所切換的信號(hào)的功能,其中,所述掃描準(zhǔn)備信號(hào)用于在所述探針被插入到所述受檢體中之前響應(yīng)于時(shí)序信號(hào)而沿著所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向中的一個(gè)吸引所述可動(dòng)部分,并且所述掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于交替地沿著所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向吸引所述可動(dòng)部分,并且所述掃描準(zhǔn)備信號(hào)的最大電壓被設(shè)定為高于所述掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)掃描探針,還包括通過(guò)檢測(cè)探針插 入到所述受檢體中而輸出檢測(cè)信號(hào)的傳感器,其中從所述傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)被輸入到所述信號(hào)切換部件中 作為時(shí)序信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)掃描探針,其中,當(dāng)所述光學(xué)掃描 探針的電源接通時(shí),所述時(shí)序信號(hào)被輸入到所述信號(hào)切換部件中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)掃描探針,其中利用連接到所述信號(hào)切換部件的開(kāi)關(guān)來(lái)輸入所述時(shí)序信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)掃描探針,其中,當(dāng)在所述第一轉(zhuǎn) 動(dòng)方向和所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向之間切換所述可動(dòng)部分的移位方向時(shí),所 述可動(dòng)部分的最終移位位置是所述可動(dòng)部分的下端與所述可動(dòng)部分下 方的一構(gòu)件形成接觸的位置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)掃描探針,其中,當(dāng)在所述第一轉(zhuǎn) 動(dòng)方向和所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向之間切換所述可動(dòng)部分的移位方向時(shí),所 述可動(dòng)部分的最終移位位置正好在所述可動(dòng)部分的下端與所述可動(dòng)部 分下方的構(gòu)件形成接觸的位置之前。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)掃描探針,其中所述物理作用力是 靜電力。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)掃描探針,其中所述物理作用力被 施加到所述可動(dòng)部分的多個(gè)作用點(diǎn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)掃描探針,其中能夠在所述可動(dòng)部 分的所述第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向的每一個(gè)中設(shè)定兩個(gè)或者更多個(gè)物理作 用力。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描探針,還包括在低于大氣壓 的減壓下至少密封所述可動(dòng)部分的密封結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描探針,其中,所述光學(xué)掃描 元件被支撐成使得所述可動(dòng)部分能夠圍繞第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸和第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸雙 軸地轉(zhuǎn)動(dòng)移位,并且對(duì)所述受檢體的所述區(qū)域進(jìn)行二維光學(xué)掃描,其 中所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸用于沿著所述第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向的移位,所述第 二轉(zhuǎn)動(dòng)軸與所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸正交。
12.根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)掃描探針,還包括 光源,發(fā)射將要照射到所述受檢體上的光;掃描驅(qū)動(dòng)器,供給用于驅(qū)動(dòng)和擺動(dòng)所述光學(xué)掃描元件的微型反射 鏡的驅(qū)動(dòng)信號(hào);以及返回光傳輸部件,將光從所述光學(xué)掃描元件二維掃描的光對(duì)所述 受檢體的照射點(diǎn)引導(dǎo)至基端部分。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的光學(xué)掃描探針,還包括在所述光源和 所述光學(xué)掃描元件之間的針孔,其中,經(jīng)過(guò)所述針孔的光基本上成為 點(diǎn)光源,從而在所述光源和所述受檢體之間形成共焦點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)掃描探針,其中,所述針孔形成 在套圈中,所述套圈在所述探針的尖端部分處附接到所述光傳輸部件 的端部。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)掃描探針,其中,從照射點(diǎn)發(fā)射 的光是反射光、散射光、熒光和磷光中的一種。
16. —種光學(xué)掃描探針裝置,包括 根據(jù)權(quán)利要求12的光學(xué)掃描探針;信號(hào)處理器,根據(jù)從所述返回光傳輸部件引導(dǎo)的返回光和所述掃 描驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào),獲得從所述受檢體內(nèi)部的照射點(diǎn)發(fā)射的光的一 維或者二維分布信息;以及顯示器,顯示從所述信號(hào)處理器輸出的視頻信號(hào)。
17. —種用于控制根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)掃描探針的方法,包括 基于所述掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)而重復(fù)在沿著所述第一和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向中的一個(gè)方向移位所述可動(dòng)部分 時(shí),在支撐所述可動(dòng)部分的彈性支撐中存儲(chǔ)第一彈性能量;由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)器中的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生第一物理作用力, 以沿著所述一個(gè)方向移位所述可動(dòng)部分;使所述第一物理作用力消失并且釋放存儲(chǔ)在彈性支撐梁中的所述 第一彈性能量,以便將具有與所述第一彈性能量的極性反向的極性的 第二彈性能量存儲(chǔ)在所述彈性支撐梁中,并且沿著所述第一和第二轉(zhuǎn) 動(dòng)方向的另一個(gè)方向移位所述可動(dòng)部分;以及由所述第一和第二驅(qū)動(dòng)器中的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生第二物理作用 力,以沿著所述另一個(gè)方向移位所述可動(dòng)部分。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的用于控制光學(xué)掃描探針的方法,其中 所述掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大電壓被設(shè)定為低于ioov。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的用于控制光學(xué)掃描探針的方法,其中 以與所述可動(dòng)部分的共振頻率相當(dāng)?shù)闹芷趤?lái)移位所述可動(dòng)部分。
全文摘要
光學(xué)掃描探針、光學(xué)掃描探針裝置及其控制方法。提供一種光學(xué)掃描探針,其包括利用光來(lái)掃描受檢體的光學(xué)掃描元件,以及用于對(duì)使該光學(xué)掃描元件執(zhí)行光學(xué)掃描的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行切換的信號(hào)切換部件。該光學(xué)掃描元件包括具有微型反射鏡的可動(dòng)部分,該微型反射鏡沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向移位;以及向該可動(dòng)部分施加物理作用力的第一和第二驅(qū)動(dòng)器。該信號(hào)切換部件具有用于將驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)切換成掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功能,其中該驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)用于沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向或者第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向吸引該可動(dòng)部分,并且該掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)用于交替地沿著第一轉(zhuǎn)動(dòng)方向和第二轉(zhuǎn)動(dòng)方向吸引該可動(dòng)部分。該驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)備信號(hào)的最大電壓被設(shè)定為高于掃描驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大電壓。
文檔編號(hào)G02B21/00GK101380221SQ20081021275
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月4日
發(fā)明者荻洼真也 申請(qǐng)人:富士膠片株式會(huì)社