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，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。
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 實用性。所述光學(xué)掃描元件利用在與反射鏡基板相對的位置處提供的 電極之間的靜電吸引力來往復(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(twist rotation)軸的兩個梁而設(shè)于相同直線 上的兩個梁來支撐的。
與使用可轉(zhuǎn)動多邊形反射鏡的相關(guān)技術(shù)光學(xué)掃描元件相比，通過
微加工技術(shù)形成的光學(xué)掃描元件具有更簡單的結(jié)構(gòu)并且能夠通過半導(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)動作為光學(xué)掃描元件驅(qū)動方法。 換言之，如圖22A所示，電壓被施加到設(shè)于可動部分2的左側(cè)和右側(cè) 上的可動電極3a和3b和與所述可動電極相對地設(shè)置的固定電極(未示 出)之間，并且利用所產(chǎn)生的靜電力，可動部分2圍繞作為中心軸的 梁4轉(zhuǎn)動移位。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)于向可動電極3a、 3b與可動電極 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區(qū)域較寬，從而能夠使驅(qū)動電壓更低。另外， 在可動部分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吸附可動部分2的停靠(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)動電極的截面圖，并且圖24D是示出驅(qū)動電極部分的 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 支撐的可動部分2、反射鏡7、在與反射鏡7相對的位置處設(shè)置的對向 電極8a和8b，并且通過在可動部分2和對向電極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)動軸的梁4往復(fù)振蕩。對向電極 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，對向電極8a、 8b與可動部分2的電極被相 對地設(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)動固定電極15a 和15b被形成為面對反射鏡7的基板端部，并且起動固定電極16a和 16b通過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。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)動運動的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 動運動軸4、位于支撐于扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動運動軸4上的反射鏡保持基板19的 側(cè)表面上的可動電極20，以及在沿著反射鏡保持基板19的厚度方向從 可動電極20的相對表面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， 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)計成用以獲得所需共振頻率，但是，在高速掃描的情形中，可動部 分變小并且支撐部分彈性作用力變大，從而驅(qū)動電壓和起動電壓趨于 變高。具體地，在醫(yī)用器械例如內(nèi)窺鏡中，在對活體的安全性方面， 施加高壓不是優(yōu)選的。換言之，需要低壓高速驅(qū)動。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)過程變得困難。而且，梳狀電極面積較大，
從而整個元件面積也變大，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)動扭矩較 小的轉(zhuǎn)動軸的一側(cè)上，電極間距離較小，但是，在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動扭矩較高 的轉(zhuǎn)動軸的一側(cè)上，電極間距離未顯著改變。因此，當(dāng)起動元件時， 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)動電極之外，其它驅(qū)動電極或者開始電 極也被設(shè)于可動部分側(cè)表面上，并且通過使用這些第二電極，利用低 壓來驅(qū)動所述元件，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。靠近轉(zhuǎn)動軸添加第二電極，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題， 即，如上所述，在用于內(nèi)窺鏡時，鑒于安全性，驅(qū)動電壓不能升高。 為了降低電壓，可動部分的共振頻率降低，即，可動部分被柔化 (soften)。然而，如果梁的彈性降低，則可動部分的彈性恢復(fù)力減小， 并且難以提高操作速度，這是不實用的。在用于內(nèi)窺鏡時，能夠使用 通常的元件驅(qū)動信號的頻率(元件的共振頻率等)，然而，為了滿足
對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)動元件， 應(yīng)該使驅(qū)動電壓更高，而在傳統(tǒng)的驅(qū)動方法中這是不實際的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用簡單結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)低壓高速驅(qū)動的 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)掃描探針用于通過利用光掃描并 照射受檢體內(nèi)部的區(qū)域并且檢測從所述區(qū)域的受照射點發(fā)射的光來觀 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對受檢體內(nèi)部 的區(qū)域進(jìn)行光學(xué)掃描；以及
信號切換部件，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) 動信號，
其中
所述光學(xué)掃描元件包括具有微型反射鏡的可動部分，支撐所述 微型反射鏡以使其彈性移位，并且沿著第一轉(zhuǎn)動方向和與第一轉(zhuǎn)動方 向反向的第二轉(zhuǎn)動方向而使該微型反射鏡雙向移位；第一驅(qū)動器，向 所述可動部分施加沿著第一轉(zhuǎn)動方向的物理作用力；以及第二驅(qū)動器， 向所述可動部分施加沿著第二轉(zhuǎn)動方向的物理作用力，
所述信號切換部件具有用于在掃描準(zhǔn)備信號和掃描驅(qū)動信號之間 切換并且輸出所切換的信號的功能，其中，所述掃描準(zhǔn)備信號用于在 所述探針被插入到所述受檢體中之前響應(yīng)于時序信號而沿著第一轉(zhuǎn)動 方向和第二轉(zhuǎn)動方向中的一個吸引所述可動部分，且所述掃描驅(qū)動信
號用于交替地沿著第一轉(zhuǎn)動方向和第二轉(zhuǎn)動方向吸引所述可動部分，
并且
所述掃描準(zhǔn)備信號的最大電壓被設(shè)定為高于掃描驅(qū)動信號的最大 電壓。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，僅在起動時使用具有高壓的驅(qū)動準(zhǔn)備信 號，并且所述可動部分沿著轉(zhuǎn)動方向而被吸引到特定位置。因此，不 必根據(jù)施加電壓來選擇支撐部分材料，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)動準(zhǔn)備信號被 切換到安全的低壓掃描驅(qū)動信號，并且能夠在根據(jù)低壓掃描驅(qū)動信號 的交替而沿著各個轉(zhuǎn)動(擺動)方向以高彈性恢復(fù)力來促動在所述支 撐部分中存儲的能量的同時執(zhí)行高速驅(qū)動(掃描)。
(2) 在(1)中描述的光學(xué)掃描探針，還包括通過檢測探針插入 到所述受檢體中而輸出檢測信號的傳感器，
其中從所述傳感器輸出的檢測信號被輸入到所述信號切換部件中 作為時序信號。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，當(dāng)探針插入在受檢體中時，傳感器檢測 到這種插入，并且插入檢測信號被輸入到所述信號切換部件中。插入 檢測信號已輸入到其中的所述信號切換部件，將施加到所述光學(xué)掃描 元件以吸引所述可動部分的驅(qū)動準(zhǔn)備信號，切換到具有低壓的掃描驅(qū) 動信號并且輸出該信號。
(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，所述時序信號被輸入到所述信號切換部件中。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，在開始使用所述光學(xué)掃描探針時接通電 源，此時，所述信號切換部件快速地向所述光學(xué)掃描元件輸出驅(qū)動準(zhǔn) 備信號以沿著第一轉(zhuǎn)動方向或者第二轉(zhuǎn)動方向吸引所述可動部分。換 言之，能夠易于使在插入到受檢體之前的彈性能量儲備與電源接通同
時地進(jìn)行而無需特殊操作。
(4) 在(1)中描述的光學(xué)掃描探針，其中，利用連接到所述信 號切換部件的開關(guān)來輸入所述時序信號。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，通過當(dāng)開始使用光學(xué)掃描探針時接通電 源并且利用連接到所述信號切換部件的開關(guān)手動輸入所述信號，所述 信號切換部件向所述光學(xué)掃描元件輸出驅(qū)動準(zhǔn)備信號以沿著第一轉(zhuǎn)動 方向或者沿著第二轉(zhuǎn)動方向來吸引可動部分。換言之，能夠從期望時 間開始在插入受檢體之前的彈性能量儲備，并且能夠防止當(dāng)在電源接 通之后而所述元件長時間未被插入時可動部分的無用吸引。
(5) 在(1)到(4)的任何一個中描述的光學(xué)掃描探針，其中， 當(dāng)在第一轉(zhuǎn)動方向和第二轉(zhuǎn)動方向之間切換所述可動部分的移位方向 時，所述可動部分的最終移位位置是所述可動部分的下端與所述可動 部分下方的一個構(gòu)件形成接觸的位置。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，所述可動部分的移位處于直至沿著第一 轉(zhuǎn)動方向的最終移位位置和沿著第二轉(zhuǎn)動方向的最終移位位置的范圍 中，并且在所述可動部分的可動范圍中，所述可動部分的掃描角度被 保證為最大值。
(6) 在(1)到(4)的任何一個中描述的光學(xué)掃描探針，其中， 當(dāng)在第一轉(zhuǎn)動方向和第二轉(zhuǎn)動方向之間切換所述可動部分的移位方向 時，所述可動部分的最終移位位置正好在所述可動部分的下端與所述 可動部分下方的一構(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)動特性的變化以及隨著時間的退化。
(7) 在(1)到(6)的任何一個中描述的光學(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，通過使用靜電力來執(zhí)行驅(qū)動，從而，例 如，能夠通過在固定側(cè)電極和可動側(cè)電極之間切換施加電壓而容易地 控制驅(qū)動狀態(tài)。
(8) 在(1)到(7)的任何一個中描述的光學(xué)掃描探針，其中所
述物理作用力被施加到所述可動部分的多個作用點。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，設(shè)定多個作用點，從而，例如，物理應(yīng) 力被施加到其中心為轉(zhuǎn)動中心的擺動型可動部分的轉(zhuǎn)動中心的兩側(cè)。 因此，不同大小的制動力能夠在不同時刻被施加到各個作用點，并且 例如沿著第一轉(zhuǎn)動方向和第二轉(zhuǎn)動方向的各種制動效果，例如促動
(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部分 的第一和第二轉(zhuǎn)動方向的每一個中設(shè)定兩個或者更多個物理作用力。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，兩個或者更多個物理應(yīng)力能夠被施加到 將例如其中心為轉(zhuǎn)動中心的擺動型可動部分的轉(zhuǎn)動中心夾入到其中的
兩側(cè)的每一側(cè)。因此，不同大小的制動力能夠以不同時序施加到可動 部分的一側(cè)，并且能夠獲得例如各種制動效果，例如通過施加與轉(zhuǎn)動 方向反向的吸引力而正好在接觸之前的位置處制動所述可動部分。
(10) 在(1)到(9)的任何一個中描述的光學(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部分的密封結(jié)構(gòu)。說明書第9/40頁
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，所述可動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，所述可動部分具有小的質(zhì)量，從而當(dāng)高速振蕩它們時， 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，通過在減壓下密封所述可動部分，所述可動部分在其密度低于 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 成為可能。
(11) 在(1)到(10)的任何一個中描述的光學(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部分能夠圍繞用于沿著第一 和第二轉(zhuǎn)動方向移位的第一轉(zhuǎn)動軸和與所述第一轉(zhuǎn)動軸正交的第二轉(zhuǎn) 動軸雙軸地轉(zhuǎn)動移位，并且對受檢體的區(qū)域進(jìn)行二維光學(xué)掃描。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，所述可動部分被三維驅(qū)動從而圍繞相互 正交的第一轉(zhuǎn)動軸和第二轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動移位，并且能夠利用照射光和返 回光來執(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)動器，供給用于驅(qū)動和擺動光學(xué)掃描元件的微型反射鏡的 驅(qū)動信號；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受檢體照 射點引導(dǎo)至基端部分。
該光學(xué)掃描探針通過使用設(shè)于光學(xué)掃描部分中的光學(xué)掃描元件而 對從光源引入的光進(jìn)行二維掃描，從而照射受檢體中的特定區(qū)域，并 且將從該照射點發(fā)射的光(返回光)引導(dǎo)至基端側(cè)，由此能夠檢測到 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)過所述針孔的光基本上成為點光源，從 而在所述光源和所述受檢體之間形成共焦點光學(xué)系統(tǒng)。
根據(jù)這種光學(xué)掃描探針，共焦點光學(xué)系統(tǒng)得以構(gòu)造，從而當(dāng)通過 使用光學(xué)掃描元件對光進(jìn)行二維掃描時，僅受檢體中的對象的聚焦區(qū) 域(掃描位置)的光學(xué)圖像能夠被檢測到。照射光從用作點光源的針 孔經(jīng)由共焦點光學(xué)系統(tǒng)被照射到受檢體中的所述對象上，從而照射光 被集中地照射到僅一個焦點上，因此，不從掃描位置的周邊產(chǎn)生非期 望的散射光，從而能夠以高對比度檢測到掃描位置的圖像。而且，通 過使用所述共焦點光學(xué)系統(tǒng)，能夠通過使用細(xì)的構(gòu)件如光纖來引導(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光源的共焦點 針孔。
(15) 在(1)到(14)的任何一個中描述的光學(xué)掃描探針，其中， 從所述照射點發(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，通過檢測從所述照射點發(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)的任何一項中描述的光學(xué)掃描探針； 信號處理器，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)動器的驅(qū)動信號，獲得從受檢體中的照射點發(fā)射的光的一維或者
二維分布信息；以及
顯示器，顯示從所述信號處理器輸出的視頻信號。
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，利用返回光傳輸部件來引導(dǎo)從受檢體的照射點發(fā)射的光，并且通 過光電轉(zhuǎn)換元件等來輸出返回光的強(qiáng)度作為電信號。輸出電信號被輸 入到信號處理裝置中并且作為從照射點發(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)的任何一項中描述的光學(xué)掃 描探針的方法，包括基于掃描驅(qū)動信號而重復(fù)
在沿著第一和第二轉(zhuǎn)動方向中的一個方向移位所述可動部分時， 在支撐所述可動部分的彈性支撐中存儲第一彈性能量；
由第一和第二驅(qū)動器中的一個驅(qū)動器產(chǎn)生第一物理作用力以沿著 一個方向移位所述可動部分；
使所述第一物理作用力消失并且釋放存儲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 二彈性能量存儲在彈性支撐梁中并且沿著所述第一和第二轉(zhuǎn)動方向的
另一個方向移位所述可動部分；并且
由所述第一和第二驅(qū)動器的另一個驅(qū)動器產(chǎn)生第二物理作用力以 沿著所述另一個方向移位所述可動部分。
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傾斜所述可動部分，并且彈性能量被 存儲在彈性支撐梁中。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，通過釋放存儲在彈性支撐梁中 的彈性能量來擺動所述可動部分，并且被擺動的可動部分通過慣性而
在存儲相反方向中的彈性能量的同時轉(zhuǎn)動直至另一轉(zhuǎn)動方向，然后， 所述可動部分在當(dāng)慣性消失并且所存儲的彈性作用力平衡被反轉(zhuǎn)時的 時間點再次切換到返回方向中。通過低壓掃描驅(qū)動信號的交替來促動 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，并且 可動部分連續(xù)地擺動。
(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)動信號的最大電壓被設(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)動信號被設(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，其中以與所述可動部分的共振頻率相應(yīng)的周期來移位所述可動部 分。
根據(jù)用于控制光學(xué)掃描探針的這種方法，可動部分被驅(qū)動從而以 與根據(jù)可動部分的形狀和質(zhì)量等而確定的本征頻率相應(yīng)的共振頻率擺 動，從而能夠利用最小驅(qū)動作用力來執(zhí)行高效驅(qū)動，并且擺動操作變 得穩(wěn)定。
通過考慮在附圖中示意性示出的本發(fā)明的示例性實施例，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)動中可動部分移位狀態(tài)的操作說明圖； 圖7是示出在接觸驅(qū)動中施加電壓和移位角度之間的關(guān)系的操作 說明圖8A-8F是示出在非接觸驅(qū)動中可動部分移位狀態(tài)的操作說明
圖9是示出在非接觸驅(qū)動中施加電壓和移位角度之間的關(guān)系的操 作說明圖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)動角度和施加電壓之間的相關(guān)圖12是示出用于生產(chǎn)過程中的光學(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)步驟的說明圖14是其中可動部分由懸臂式結(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部分的切換方向設(shè)定兩個物理 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)動實例；
圖17是構(gòu)造成使得能夠利用懸臂式結(jié)構(gòu)而沿著可動部分的切換 方向來設(shè)定兩個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)動電極的截面圖25A和25B是示出包括起動固定電極的傳統(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)字和符號的說明。
30:內(nèi)窺鏡裝置
31:光學(xué)掃描探針裝置
33:信號處理裝置(信號處理器)
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:可動部分
97:彈性支撐梁(第一轉(zhuǎn)動軸，彈性支撐梁) 100:光學(xué)掃描探針 101a:第一驅(qū)動器 101b:第二驅(qū)動器
105:驅(qū)動電壓控制電路(信號切換部件)
109:支點(在可動部分下方的構(gòu)件)
125:彈性支撐梁(第二轉(zhuǎn)動軸，彈性支撐梁)
VI:驅(qū)動準(zhǔn)備信號
V2:掃描驅(qū)動信號
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的光學(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)動信號的信號 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)動方向和第 二轉(zhuǎn)動方向移位的微型反射鏡的可動部分以及向可動部分施加物理作 用力的第一和第二驅(qū)動器，并且所述信號切換部件具有從用于沿著第 一轉(zhuǎn)動方向或者第二轉(zhuǎn)動方向吸引可動部分的驅(qū)動準(zhǔn)備信號交替地切 換并且輸出該信號的功能，并且驅(qū)動準(zhǔn)備信號的最大電壓被設(shè)定為高 于掃描驅(qū)動信號的最大電壓，從而通過僅起動時使用高壓，驅(qū)動時能 夠降低電壓。所述驅(qū)動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。結(jié)果，通過一種簡單結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)了低壓高速驅(qū) 動。
根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的光學(xué)掃描探針裝置包括光學(xué)掃描探 針、信號處理器以及顯示單元，其中，所述信號處理器根據(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)動器的驅(qū)動信號而獲 得從受檢體中的照射點發(fā)射的光的一維或者二維光分布信息，所述顯 示單元顯示從信號處理器輸出的視頻信號，從而通過使用具有簡單結(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，返回光的強(qiáng)度作 為電信號被輸入到信號處理裝置中，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)明示例性實施例中一種用于控制光學(xué)掃描探針的方 法，掃描驅(qū)動信號是一種重復(fù)以下過程的驅(qū)動信號，在該過程中，直
到可動部分沿著一個轉(zhuǎn)動方向移位，才將彈性能量存儲在支撐可動部 分的彈性支撐梁中，并且利用由一個驅(qū)動器產(chǎn)生的物理作用力來移位 可動部分，然后，使來自該一個驅(qū)動器的物理作用力消失，并且釋放 存儲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于彈性支撐梁中時，可動部分被沿著另一轉(zhuǎn) 動方向移位，并且利用從另一驅(qū)動器產(chǎn)生的物理作用力來移位可動部 分。因此，在探針被插入受檢體中之前，利用比較高的電壓來傾斜可 動部分，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)動可動部分。因此，通過 設(shè)計驅(qū)動方法利用簡單結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高速掃描和低壓，而不使得結(jié)構(gòu)和 生產(chǎn)過程復(fù)雜化。
在下文中，將參考附圖來描述本發(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施例。
圖1是具有根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的光學(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)動系統(tǒng)，并且通過將信息 輸入到這兩個系統(tǒng)中和從這兩個系統(tǒng)中輸出信息，經(jīng)由信號處理裝置
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)動系統(tǒng)用于將驅(qū)動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)單元來調(diào)節(jié)并
且被引導(dǎo)到第一光纖0F1，并且被具有四個輸入和輸出的光學(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 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。
另一方面，從受檢體53上待檢測的掃描位置處的照射點所發(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的光被光電檢測器 39檢測到。光電檢測器39是輸出入射光的強(qiáng)度作為電信號的裝置，如 光電轉(zhuǎn)換元件。從光電檢測器39輸出的電信號被輸入到信號處理裝置 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)動信號，并且向信號處理裝置33輸出該驅(qū)動信號，并使其 形成圖像且響應(yīng)于來自操作單元45的操作信號而執(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檢測到探針已插入到 受檢體53中并輸出檢測信號。將從傳感器55輸出的檢測信號作為時
序信號(稍后描述)輸入到作為信號切換部件的驅(qū)動電壓控制電路105 (見圖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，在掃描時將 光照射到受檢體53內(nèi)的區(qū)域上，并且通過檢測從照射點發(fā)射的光來觀 察受檢體53的內(nèi)部。細(xì)長的、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)有鑷子插入開口 45a，并且 從該插入開口 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 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，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，其中，所述信號處理裝置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)動器49的 驅(qū)動信號來獲得從受檢體53內(nèi)部的區(qū)域中的照射點發(fā)射的光的一維或 者二維分布信息，所述顯示單元35顯示從信號處理裝置33輸出的視 頻信號。所輸出的電信號被輸入到信號處理裝置33中，并且成為從照 射點發(fā)射的光的分布信息且顯示在顯示單元5上。
這里，從照射點發(fā)射的光(返回光)包括來自光照射區(qū)域的反射 光、散射光、熒光和磷光中的任何一種，并且通過檢測這些光成分， 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計算 衰減率，并且還基于每一個波長下的衰減率來求出氧代謝量等。熒光 被用于通過將激發(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，活性氧發(fā)射 磷光。通過對該磷光成像，能夠診斷病灶部的浸潤狀態(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，形成用于對受檢體53成 像的開口，并且蓋玻璃(cover glass) 77被附接到該開口部分。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)置成面對聚光透鏡79。光學(xué)掃描元件81被設(shè)定成相對于尖端框架 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)動移位的微型反射鏡83改變(見圖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)動光學(xué)掃描元件81從而進(jìn)行掃描的驅(qū)動信 號(相應(yīng)于稍后描述的Va、 Vb)的電極經(jīng)由信號線67被連接到掃描 驅(qū)動器49 (見圖1)。
設(shè)于穿過保持構(gòu)件69的中心的位置處的套圈71具有穿過中心的 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 點光學(xué)系統(tǒng)，并且套圈71用作共焦點針孔。照射光被從光源37輸入 到光纖43中(見圖1)，并且從套圈71的開口輸出照射光作為點光源。 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應(yīng)的點的反射 光遵循以下路徑反向通過蓋玻璃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、作為共焦點針孔的開口部分 上，并且經(jīng)由光纖43而被引導(dǎo)到光學(xué)檢測器39 (見圖l)。換言之， 光纖43也用作返回光傳輸部件。
在該共焦點光學(xué)系統(tǒng)中，通過在與聚光透鏡79的焦點位置共軛的 位置(圖像位置)處設(shè)置具有圓形開口的針孔，僅僅聚焦位置的光能 夠被檢測到。在本實施例中，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光源的共焦點針孔。在共焦點光學(xué)系統(tǒng)
中，從點光源發(fā)出的光被物鏡聚光并且照射到受檢體53的一個點上。
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，并且圖像對比度被大大地提高。而且，
通過使用共焦點光學(xué)系統(tǒng)，能夠通過使用細(xì)的構(gòu)件例如光纖43來引導(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，控制器47 (見圖1)掌握由掃描驅(qū)動器49產(chǎn) 生的每一個掃描控制信號的時序，即，光學(xué)掃描元件81的微型反射鏡 83的掃描位置，并且使信號處理裝置33根據(jù)該掃描位置來處理從光電 檢測器39輸入的電信號，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的每一個電極的驅(qū) 動電壓的電平而改變，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)動電壓時，在每一個光學(xué)掃描元件81 的實際掃描范圍中也發(fā)生錯誤。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)動電壓值和實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)實際驅(qū)動光學(xué)掃描元件81時， 通過參照修正表格51的內(nèi)容來確定將要施加的驅(qū)動電壓值，從而使掃 描范圍與預(yù)定范圍相同。
直到裝運光學(xué)掃描探針裝置31的產(chǎn)品時，才生成這種修正表格 51。還允許使修正表格51的內(nèi)容是可重寫的，并且在進(jìn)行周期性維護(hù)
時重寫修正表格51的內(nèi)容?？蛇x地，根據(jù)需要，可以由使用者確定的 任意時序(例如在光學(xué)掃描探針裝置31的電源接通時)來更新修正表格51的內(nèi)容。
在驅(qū)動光學(xué)掃描元件81時的掃描時序和實際掃描位置之間的對應(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 的可動部分95、作為從可動部分95的兩個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上支撐可動部分95的間 隔件99。利用這種構(gòu)造，可動部分95能夠根據(jù)彈性支撐梁97的扭轉(zhuǎn) (twisting)而沿著第一轉(zhuǎn)動方向和與第一轉(zhuǎn)動方向反向的第二轉(zhuǎn)動方 向來雙向轉(zhuǎn)動移位。
在光學(xué)掃描元件81中，可動部分95的上表面變?yōu)槲⑿头瓷溏R83。 在基板91的上表面上，在兩個彈性支撐梁97的兩側(cè)上設(shè)有沿著第一 轉(zhuǎn)動方向而向可動部分95施加物理作用力的第一驅(qū)動器101a和沿著第 二轉(zhuǎn)動方向而向可動部分95施加物理作用力的第二驅(qū)動器101b。第一 驅(qū)動器101a和第二驅(qū)動器101b成為作為固定電極的尋址電極?？蓜硬?分95的一部分還設(shè)有可動電極103。
圖5是示出光學(xué)掃描元件和用于驅(qū)動光學(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)動電路104。驅(qū)動電 路104包括驅(qū)動電壓控制電路105和存儲器電路107。驅(qū)動電壓控制電 路105產(chǎn)生將要施加到光學(xué)掃描元件81的各個電極的驅(qū)動信號Va和 Vb。存儲器電路107保持信號波形的信息，其中，應(yīng)該在驅(qū)動光學(xué)掃 描元件之前，通過使所述信號波形與光學(xué)掃描元件81的微型反射鏡83 相對于各個軸的傾斜移位量相關(guān)聯(lián)，來輸出所述信號波形作為每一個 驅(qū)動信號Va、 Vb。當(dāng)從外部將移位量指令輸入到存儲器電路107中時， 存儲器電路107向驅(qū)動電壓控制電路105供給用于產(chǎn)生與移位量相對 應(yīng)的信號波形所需要的信息。驅(qū)動電壓控制電路105，基于從存儲器電 路107輸入的信息而以必要的時序來產(chǎn)生每一個驅(qū)動信號Va、Vb的波 形。
形成在可動部分95上的導(dǎo)電區(qū)域形成可動電極103作為公共電 極，并且通過向布置在面向可動電極的位置處的第一驅(qū)動器101a和第 二驅(qū)動器101b施加電壓，能夠產(chǎn)生成為驅(qū)動作用力的靜電力。
這里，將描述其中使光學(xué)掃描元件81的可動部分95與基板91側(cè) 形成接觸并且擺動的接觸驅(qū)動方法。
圖6A-6F是示出在接觸驅(qū)動中光學(xué)掃描元件81的可動部分95的 移位狀態(tài)的操作說明圖。
通過作為基本操作而向第一驅(qū)動器101a、第二驅(qū)動器101b、以及 可動電極103 (圖中作為可動部分95來說明)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來使可動部分95擺動并且移 位。因此，可動部分95上的微型反射鏡83被擺動，并且光反射方向 被切換。然而，當(dāng)起動時，用于在平衡狀態(tài)中使可動部分95轉(zhuǎn)動移位 的最小能量高于在開始移位之后所需的能量，并且因此，應(yīng)該增大驅(qū) 動信號的施加電壓。在本實施例中，起動時的施加電壓被定義為VI并 且起動后穩(wěn)態(tài)驅(qū)動時的施加電壓被定義為V2 (<V1)。
為了使可動部分95從平衡狀態(tài)開始與下部形成接觸，如圖6A所 示，從可動部分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)動器101a而動作，轉(zhuǎn)動移位可動 部分95并且使其與設(shè)定于基板91上的支點109形成接觸。支點109 具有用于在該?？?pull-in)狀態(tài)中防止粘附到可動部分95的功能。
然后，如圖6C所示，當(dāng)切斷給第一驅(qū)動器101a的施加電壓Va 時，通過彈性支撐梁97的彈性恢復(fù)力K^，可動部分95沿著相反方向 轉(zhuǎn)動移位。此后，所述驅(qū)動變?yōu)榉€(wěn)態(tài)驅(qū)動并且可動部分95連續(xù)地擺動。
然而，如圖6D所示，當(dāng)不存在粘度效應(yīng)(viscosity effect)時， 可動部分95轉(zhuǎn)動移位到最大移位位置，然而，當(dāng)存在粘度效應(yīng)時，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)動器101b作為施加電壓Vb以產(chǎn)生靜電 力F2 (>F1)。這里，以不會引起第二驅(qū)動器101b?？康某潭仁┘铀?述電壓。
如圖6E所示，當(dāng)切斷給第二驅(qū)動器101b的施加電壓Vb時，通 過彈性支撐梁97的彈性恢復(fù)力可動部分95再次沿著相反方向轉(zhuǎn) 動移位。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)動器101a施加所述施加電壓V2(〈V1)以產(chǎn)生靜電力F2(>F1)。 通過重復(fù)圖6C到圖6F的操作，可動部分95反復(fù)地擺動。
可動部分95優(yōu)選以與可動部分95的共振頻率相應(yīng)的周期來移位。 通過以與根據(jù)可動部分95的形狀和質(zhì)量等而確定的本征頻率相應(yīng)的共 振頻率來驅(qū)動可動部分95，能夠利用最小驅(qū)動作用力高效地進(jìn)行驅(qū)動， 并且擺動操作得以穩(wěn)定。當(dāng)所施加的物理作用力成為靜電力時，可動 部分95能夠高速轉(zhuǎn)動移位。物理作用力是靜電力，從而，例如，通過 切換在固定側(cè)電極和可動側(cè)電極之間施加的電壓，能夠易于控制驅(qū)動
狀態(tài)。
圖7是示出在接觸驅(qū)動中在施加電壓和移位角度之間的關(guān)系的操 作說明圖。
這里，與供給到第一驅(qū)動器101a和第二驅(qū)動器101b的驅(qū)動信號 一起，說明根據(jù)示于圖6A-6F的可動部分95的驅(qū)動的傾斜角度變化。
在使可動部分95從平衡狀態(tài)開始與下部形成接觸的情形中，當(dāng)可 動部分95與下部形成接觸時(示于圖6B的狀態(tài))，可動部分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)動時，以 轉(zhuǎn)變時序tl，施加電壓Va從VI改變到0。然后，通過在可動部分95 即將達(dá)到最終移位位置之前向其施加靜電力，可動部分95被吸引到最 終移位位置。當(dāng)可動部分95超過最終移位位置時，不用施加靜電力， 利用彈性支撐梁97的彈性恢復(fù)力開始沿著相反方向的轉(zhuǎn)動移位。因此， 在穩(wěn)態(tài)驅(qū)動中提供給第一驅(qū)動器101a和第二驅(qū)動器1的驅(qū)動信號，在 可動部分95的擺動循環(huán)(cycle)的拐點之前，即刻以脈沖方式施加電 壓V2。圖中的點線波形示出了其中當(dāng)粘度效應(yīng)發(fā)生時傾斜角度范圍變 窄的狀態(tài)。在本實施例中，電壓值V2的驅(qū)動信號被施加到第一驅(qū)動器 101a和第二驅(qū)動器101b以防止傾斜角度范圍變窄。
因此，當(dāng)可動部分95的下端是與可動部分95下方的支點109形 成接觸的位置時，可動部分95的移位處于從沿著第一轉(zhuǎn)動方向的最終 移位位置到沿著第二轉(zhuǎn)動方向的最終移位位置的范圍中，并且保證可 動部分95的掃描角度是可動部分的可動范圍中的最大值。
這里，如上所述，將更加詳細(xì)地說明在起動和穩(wěn)態(tài)驅(qū)動之間的驅(qū) 動信號的切換。
在本實施例的光學(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，僅在起動時施加高壓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。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 的施加時序的電極間距離短于在電壓VI的施加時序的電極間距離，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使可動部分95從平衡狀態(tài)開始向任 一驅(qū)動器傾斜，并且從該傾斜狀態(tài)開始停止施加高壓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， 用低壓來驅(qū)動它。因此，在受檢體53中，并不利用高壓來驅(qū)動光學(xué)掃 描元件81。
由作為信號切換部件的驅(qū)動電壓控制電路105 (見圖5)控制從高 壓驅(qū)動改變到低壓驅(qū)動的時序tl (見圖7)。換言之，控制器47 (見 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)動信號。具 體來說，驅(qū)動電壓控制電路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接收到時序tl的時序信號時，從用于沿著 第一轉(zhuǎn)動方向或者第二轉(zhuǎn)動方向來吸引可動部分95的驅(qū)動準(zhǔn)備信號， 切換并輸出用于交替地沿著第一轉(zhuǎn)動方向和第二轉(zhuǎn)動方向來吸引可動 部分95的掃描驅(qū)動信號。如上所述，驅(qū)動準(zhǔn)備信號的最大電壓被設(shè)定 為高于掃描驅(qū)動信號的最大電壓。
這里，掃描驅(qū)動信號是一種重復(fù)下述過程的驅(qū)動信號，在該過程 中，直到可動部分95沿著一個轉(zhuǎn)動方向移位，才將彈性能量存儲在支 撐可動部分95的彈性支撐梁97中，并且利用由一個驅(qū)動器(例如， 第一驅(qū)動器101a)產(chǎn)生的物理作用力來移位可動部分95，此后，使來 自所述一個驅(qū)動器的物理作用力消失，并且釋放存儲在彈性支撐梁97
中的彈性能量，由此，當(dāng)在彈性支撐梁97中再次存儲極性與前述彈性
能量反向的彈性能量時，可動部分95沿著另一轉(zhuǎn)動方向移位，并且利 用由另一驅(qū)動器(例如，第二驅(qū)動器101b)產(chǎn)生的物理作用力來移位 可動部分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，可動部分95響應(yīng)于比較高的電壓驅(qū)動準(zhǔn)備信 號而傾斜，并且彈性能量被存儲在彈性支撐梁97中。在該狀態(tài)中，停 止施加高壓驅(qū)動準(zhǔn)備信號VI，然后探針被插入到受檢體53中。在停 止施加驅(qū)動準(zhǔn)備信號之后，通過釋放存儲在彈性支撐梁97中的彈性能 量，可動部分95被轉(zhuǎn)動移位，并且被轉(zhuǎn)動移位的可動部分95轉(zhuǎn)動至 另一轉(zhuǎn)動方向，同時利用慣性來存儲反方向的彈性能量，此后，在當(dāng) 慣性消失并且所存儲的彈性能量平衡被反轉(zhuǎn)時的時間點，可動部分95 被再次切換到返回方向。利用低壓掃描驅(qū)動信號來交替地施加并促動 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， 因此，可動部分95連續(xù)地擺動。
掃描驅(qū)動信號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，在探針插入體內(nèi)之后，用于光學(xué)掃描所需的掃描驅(qū)動信號 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 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。
本實施例的光學(xué)掃描探針裝置31包括通過對光學(xué)掃描探針100插 入到受檢體53中進(jìn)行檢測而輸出檢測信號的傳感器55 (見圖l)。從 傳感器55輸出的檢測信號經(jīng)由控制器47而輸入到驅(qū)動電壓控制電路 105中作為時序tl的信號。當(dāng)光學(xué)掃描探針100被插入到受檢體53中 時，利用傳感器55來檢測這種插入，并且將插入檢測信號輸入到驅(qū)動 電壓控制電路105中。插入檢測信號被輸入到其中的驅(qū)動電壓控制電 路105，將施加到光學(xué)掃描元件81以吸引可動部分95的驅(qū)動準(zhǔn)備信號， 切換到低壓掃描驅(qū)動信號并且輸出該信號。
另外，當(dāng)接通光學(xué)掃描探針I(yè)OO的電源時，時序tl的信號可以輸 入到驅(qū)動電壓控制電路105中。在開始使用光學(xué)掃描探針100時接通
電源，此時，驅(qū)動電壓控制電路105自動地向光學(xué)掃描元件81輸出驅(qū)
動準(zhǔn)備信號以沿著第一轉(zhuǎn)動方向或者第二轉(zhuǎn)動方向而吸引可動部分 95。換言之，能夠易于使在探針插入到受檢體53之前的彈性能量儲備 與電源接通同時地進(jìn)行而無需特殊操作。
可以利用連接到控制器47的操作單元45的開關(guān)來輸入時序tl的 信號。在此情形中，當(dāng)開始使用光學(xué)掃描探針100時，接通電源，并 且手動輸入連接到所述信號切換部件的開關(guān)，由此驅(qū)動電壓控制電路 105向光學(xué)掃描元件81輸出驅(qū)動準(zhǔn)備信號以沿著第一轉(zhuǎn)動方向或者第 二轉(zhuǎn)動方向來吸引可動部分95。換言之，能夠從所需時間開始在將探 針插入受檢體53中之前的彈性能量儲備，并且能夠防止當(dāng)電源接通之 后而探針長時間未被插入時可動部分95的無用吸引。
如上所述，在本實施例的光學(xué)掃描探針100中，僅當(dāng)起動時，使 用具有高壓的驅(qū)動準(zhǔn)備信號并且可動部分95被吸引到任一轉(zhuǎn)動方向中 的位置。在將探針插入受檢體53中之后，驅(qū)動準(zhǔn)備信號被切換到安全 的低壓掃描驅(qū)動信號，并且能夠在根據(jù)低壓掃描驅(qū)動信號的交替而沿 著相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(擺動)方向利用高彈性恢復(fù)力來促動在彈性支撐梁97 中存儲的驅(qū)動能量的同時執(zhí)行高速掃描驅(qū)動。
下面，將說明其中光學(xué)掃描元件81的可動部分95被擺動而不接 觸基板91側(cè)的非接觸驅(qū)動方法。
圖8A-8F是示出在非接觸驅(qū)動的情形中可動部分的移位狀態(tài)的操 作說明圖。
當(dāng)可動部分95未從平衡位置開始與下部形成接觸時，如圖8A所
示，從可動部分95的平衡停止?fàn)顟B(tài)，靜電力Fl通過將施加電壓Va(Vl) 施加到第一驅(qū)動器101a而動作，并且可動部分95被轉(zhuǎn)動移位并停止在 不與下部接觸的位置處。換言之，無需停靠可動部分95，它在中間位 置處靜止不動。
然后，如圖8C所示，當(dāng)切斷給第一驅(qū)動器101a的施加電壓Va 時，利用彈性支撐梁97的彈性作用力而沿著相方方向來轉(zhuǎn)動移位 可動部分95。此后，所述驅(qū)動變?yōu)榉€(wěn)態(tài)驅(qū)動并且可動部分95連續(xù)地擺 動。
然而，如圖8D所示，當(dāng)不存在粘度效應(yīng)時，可動部分95轉(zhuǎn)動移 位到最大移位位置，然而，當(dāng)存在粘度效應(yīng)時，該移位更小。因此， 為了補(bǔ)償移位不足，向第二驅(qū)動器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 部分95也未被停靠。
然后，如圖8E所示，當(dāng)切斷給第二驅(qū)動器101b的施加的電壓Va 時，通過彈性支撐梁97的彈性恢復(fù)力K^，可動部分95再次沿著相反 方向而轉(zhuǎn)動移位。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)動器101a施加所述施加電壓V2 (<V1)以產(chǎn)生靜電力 F2 (>F1)。通過重復(fù)圖8C-8F的操作，可動部分95反復(fù)地擺動而不 接觸下部。
可動部分95優(yōu)選以與可動部分95共振頻率相應(yīng)的周期來移位， 并且如上所述，能夠利用必需的最小驅(qū)動作用力來高效地進(jìn)行驅(qū)動， 并且擺動操作得以穩(wěn)定。
圖9是示出在非接觸驅(qū)動中在施加電壓和移位角度之間的關(guān)系的 操作說明圖。這里，與供給到第一驅(qū)動器101a和第二驅(qū)動器101b的驅(qū)動信號 一起，說明根據(jù)示于圖8A-8F的可動部分95的驅(qū)動的傾斜角度變化。
在從平衡位置進(jìn)行驅(qū)動而不使可動部分95與下部接觸的情形中， 使可動部分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)可動部分95的最終移位位置是正好在與可動部分95下 方的下方的構(gòu)件形成接觸之前的位置時，可動部分95的掃描角度較窄， 但是，不必考慮到支點的粘附，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)動特征散射以及光學(xué)掃描元件81隨著時 間的退化。
下面，將說明光學(xué)掃描元件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)實例和通過模擬光學(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是可動部分的傾斜角度與施加電壓的相關(guān)圖，示出了通過使用圖 10所示的分析模型而獲得的分析結(jié)果。
對光學(xué)掃描元件的尺寸進(jìn)行實際假設(shè)，并且通過使用運動方程來 執(zhí)行靜態(tài)分析。將在圖IO中利用參考符號示出的各個部分的尺寸示于 下面的表格1中。
表格1
可動部分尺寸L1500 u m
可動部分尺寸L2400 u m
可動部分厚度HlOn m
支撐部分長度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，并且可動部分與下部形成接觸。該分析模型采用起動時與下部
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
在起動時施加400V或者更高的驅(qū)動準(zhǔn)備信號(電壓)時，可動部分與 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重復(fù)進(jìn)行移位。
下面，將描述具有與上述實施例相同的構(gòu)造的光學(xué)掃描元件的生 產(chǎn)過程。
圖12是示出用于該生產(chǎn)過程的光學(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)步驟的說明圖。
為了制造具有與上述實施例相同的構(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)動電路104。在驅(qū)動電路104的上 部處，利用PECVD沉積Si02以形成第二絕緣層113，并且通過光刻
和氟基RIE蝕刻來構(gòu)圖形成用于將驅(qū)動電路104的輸出連接到元件電 極的接觸孔。
此后，通過濺射來沉積基層TiN薄膜，并且隨后，通過濺射來沉 積W。因此，W埋入到接觸孔中。而且，通過CMP來平坦化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，通過濺射來沉積作為固定電極膜的Al(優(yōu) 選地，含有高熔點金屬的Al合金)，并且通過光刻和氯基RIE蝕刻來 構(gòu)圖形成所需電極形狀以形成固定電極膜(第一驅(qū)動器101a和第二驅(qū) 動器101b)。此時，固定電極膜經(jīng)由接觸孔連接到驅(qū)動電路104的輸 出并且供給有電勢。
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 確定將來在下方的固定電極101a及101b和支撐部分及可動部分95之 間的間隙。
然后，通過光刻而對成為用于支撐可動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，通過濺射來沉積作為可動部分95、支撐部 分(彈性支撐梁97)和可動部分95的支柱的Al (優(yōu)選地，含有高熔 點金屬的A1合金)。
然后，如圖13D所示，通過使用正性抗蝕劑的光刻和氟基RIE蝕
刻構(gòu)圖形成變?yōu)榭蓜硬糠?5、彈性支撐梁97和可動部分95的支柱的 部分。此后，通過氧基等離子體蝕刻(灰化)來移除抗蝕劑。
最后，如圖13E所示，通過利用氧基和/或氟基等離子體蝕刻(灰 化)來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)動信號的驅(qū)動電壓控制電路105，光學(xué)掃描元件81包括具有沿著 第一轉(zhuǎn)動方向和第二轉(zhuǎn)動方向移位的微型反射鏡83的可動部分95和 向可動部分95施加物理作用力的第一驅(qū)動器101a與第二驅(qū)動器101b， 驅(qū)動電壓控制電路105具有用于將沿著第一轉(zhuǎn)動方向或者第二轉(zhuǎn)動方 向吸引可動部分95的驅(qū)動準(zhǔn)備信號切換到用于交替地沿著第一轉(zhuǎn)動方 向和第二轉(zhuǎn)動方向吸引可動部分95的掃描驅(qū)動信號的功能，并且驅(qū)動 準(zhǔn)備信號的最大電壓被設(shè)定為高于掃描驅(qū)動信號最大電壓的值，從而 通過僅在起動時使用高壓，而能夠降低驅(qū)動時的電壓。另外，驅(qū)動能 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)動成為可能。 結(jié)果，通過簡單結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)了低壓高速驅(qū)動。
光學(xué)掃描探針裝置31包括光學(xué)掃描探針100、信號處理裝置33 和顯示單元35，所述信號處理裝置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)動器49的驅(qū)動信號而獲得從受檢體53中的 照射點發(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 號處理裝置33輸出的視頻信號，從而當(dāng)通過使用具有簡單結(jié)構(gòu)的光學(xué) 掃描探針100而利用低壓來執(zhí)行高速光學(xué)掃描時，從照射點發(fā)射的光 強(qiáng)度被輸入到信號處理裝置33中作為電信號，并且能夠以高響應(yīng)度在
顯示單元35上顯示從該照射點發(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)動信號是一種重復(fù)以 下過程的驅(qū)動信號，在該過程中，直到可動部分95沿著一個轉(zhuǎn)動方向 移位，才將彈性能量存儲在支撐可動部分95的彈性支撐梁97中，并 且利用由一個驅(qū)動器(例如，第一驅(qū)動器101a)產(chǎn)生的物理作用力來 移位可動部分95，此后，使來自所述一個驅(qū)動器的物理作用力消失， 并且釋放存儲在彈性支撐梁97中存儲的彈性能量，由此，當(dāng)在彈性支 撐梁97中再次存儲具有與前述彈性能量反向的極性的彈性能量時，可 動部分95沿著另一轉(zhuǎn)動方向移位，并且利用由另一驅(qū)動器(例如，第 二驅(qū)動器101b)產(chǎn)生的物理作用力來移位可動部分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 準(zhǔn)備信號來傾斜可動部分95，并且從該狀態(tài)起，停止施加高壓驅(qū)動準(zhǔn) 備信號，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)動可動部分95，因此，并未使得結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程復(fù)雜 化，能夠在實現(xiàn)高速掃描和低壓的同時通過設(shè)計驅(qū)動方法而保持簡單 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，其中通過懸臂式結(jié)構(gòu) 來支撐可動部分。
本發(fā)明的光學(xué)掃描元件能夠被構(gòu)造成使得通過懸臂式結(jié)構(gòu)來支撐 可動部分95。換言之，在光學(xué)掃描元件81A中，可動部分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)動器101a被設(shè)為面對可動部分95的自由端部， 并且在第一驅(qū)動器101a與可動部分95相對的一側(cè)上，設(shè)置將在對向基
板(未示出)上形成的第二驅(qū)動器101b。
在如此構(gòu)造的光學(xué)掃描元件81A中，通過向第一驅(qū)動器101a、第 二驅(qū)動器101b和可動電極103施加電壓，可動部分95也被圍繞作為 扭轉(zhuǎn)中心的彈性支撐梁97擺動和移位。然后，可動部分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)造成能夠在可動部分的切換方向中設(shè)定兩個物理作 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部分的每一個切 換方向中設(shè)定兩個或者更多個物理作用力。例如，在其中心為轉(zhuǎn)動中 心的擺動型可動部分95中，兩個或者更多個物理作用力被施加到轉(zhuǎn)動 中心的兩側(cè)的每一側(cè)。因此，能夠以不同時序向可動部分95的一側(cè)施 加不同大小的兩個制動力，并且例如能夠獲得如通過施加與轉(zhuǎn)動方向 反向的吸引力而正好在可動部分95接觸之前制動的各種制動效果。
詳細(xì)地，光學(xué)掃描元件81B包括不同于第一驅(qū)動器101a和第二驅(qū) 動器101b的第一振蕩控制電極121a和第二振蕩控制電極121b。在可 動部分95的可動電極和第一驅(qū)動器101a之間施加振蕩控制電壓Val， 并且在可動部分95的可動電極和第二振蕩控制電極121a之間施加振蕩 控制電壓Va2。在可動部分95的可動電極和第二驅(qū)動器101b之間施加 振蕩控制電壓Vbl，并且在可動部分95的可動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)動器101a和第二驅(qū)動器101b的外側(cè)。
在該光學(xué)掃描元件81B中，移位可動部分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)動器101a
和第二驅(qū)動器101b的靜電力。作為這種光學(xué)掃描元件81B的操作實例，
例如，在接觸驅(qū)動的情形中，可動部分95轉(zhuǎn)動移位到第一驅(qū)動器101b 側(cè)，并且在與作為停止構(gòu)件(未示出)的支點即將形成接觸之前，在 可動部分95的可動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部分95的移位方向相反的方向作用時， 在與停止構(gòu)件即將形成接觸之前，可動部分95被減速，并且防止可動 部分95高速到達(dá)最終移位位置或者通過與停止構(gòu)件形成接觸之后的反 作用力而沿著與可動部分95的移位方向反向的方向移位，并且可動部 分95的振蕩被主動地(actively)降低。換言之，由振蕩控制電壓Vb2 而產(chǎn)生的靜電力用作對可動部分95的運動的制動力(制動器)。因此， 可動部分95得以控制從而在與停止構(gòu)件形成接觸時靜止不動。
因此，當(dāng)?shù)竭_(dá)非接觸驅(qū)動的情形中的最終移位位置時，由當(dāng)可動 部分95高速到達(dá)最終移位位置并且過沖(overshoot)時引起的碰撞而 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)動實例中轉(zhuǎn)動 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)動方向驅(qū)動并且移位可動部分95 之后，當(dāng)可動部分95試圖切換到第二轉(zhuǎn)動方向時，或者在切換期間， 脈沖Pl被施加到可動部分95的可動電極和第一振蕩控制電極121a， 由此沿著第一轉(zhuǎn)動方向的靜電力被施加到可動部分95。在可動部分95 被沿著第一轉(zhuǎn)動方向驅(qū)動并且移位并且到達(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)可動部分95隨反作用力或者彈性作用力而 切換到第二轉(zhuǎn)動方向時，沿著第一轉(zhuǎn)動方向的靜電力被施加到可動部 分95，由此可動部分95從最終移位位置分離的運動(圖中短劃線所示 的波形狀軌跡)被主動地制動。因此，能夠快速地使可動部分95在最
終移位位置處靜止不動。
<變形例3>
圖17是構(gòu)造成使得能夠通過懸臂式結(jié)構(gòu)而在可動部分切換方向中設(shè)定兩個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)動器101a和第一 振蕩控制電極121a被設(shè)于基板91上從而面對可動部分95的自由端， 并且形成在對向基板(未示出)上的第二驅(qū)動器101b和第二振蕩控制 電極121b跨過可動部分95而被設(shè)于第一驅(qū)動器101a和第一振蕩控制 電極121a的相對側(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 和可動部分95之間或者在第二振蕩控制電極121b和可動部分95之間 施加上述振蕩控制電壓Va2、 Vb2，并且可動部分95的振蕩能夠被主 動地降低。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)的說明圖。
被彈性支撐梁97單軸擺動和移位(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)干涉計設(shè)計的用于觀 察體腔內(nèi)部的系統(tǒng)，并且通過使用低相干光，能夠觀察活體組織的內(nèi) 部。通過使用該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)。在所例示的實例的光學(xué)掃描元件81中垂
直于紙面布置轉(zhuǎn)動軸。
下面，將說明能夠雙軸擺動的光學(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，可動部分95被支撐從而能夠圍繞作為在 可動部分95沿著第一和第二轉(zhuǎn)動方向移位時的第一轉(zhuǎn)動軸的彈性支撐 梁97和作為與彈性支撐梁97正交的第二轉(zhuǎn)動軸的彈性支撐梁125而 沿著雙軸方向轉(zhuǎn)動移位。在此情形中，除了第一驅(qū)動器101a和第二驅(qū) 動器101b，二維光學(xué)掃描元件81D還設(shè)有第三驅(qū)動器127a和第四驅(qū)動 器127b。
在光學(xué)掃描元件81D中，通過在第一驅(qū)動器101a或者第二驅(qū)動器 101b與可動部分95之間施加電壓而沿著X方向驅(qū)動可動部分95，并 且通過在第三驅(qū)動器127a或者第四驅(qū)動器127b與框架129之間施加電 壓而沿著Y方向驅(qū)動可動部分95。在光學(xué)掃描元件81D中，可動部分 95被二維驅(qū)動從而圍繞相互正交的第一轉(zhuǎn)動軸和第二轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動移 位，并且能夠基于發(fā)出的光和反射的光來執(zhí)行二維掃描，并且能夠基 于反射的光的分布信息來形成受照射的區(qū)域的圖像。
在該三維掃描元件81D中，在施加驅(qū)動準(zhǔn)備信號且然后探針被插 入受檢體53中之后，通過施加必需的最小掃描驅(qū)動信號而利用簡單結(jié) 構(gòu)同樣實現(xiàn)了低壓高速驅(qū)動。
在此情形中的光學(xué)掃描元件被特別地應(yīng)用于共焦點內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。
如圖18所示，通過彈性支撐梁97和彈性支撐梁125而雙軸擺動 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 點內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的光學(xué)掃描探針100B中。共焦點內(nèi)窺鏡系統(tǒng)具有共焦點
提取器，所述共焦點提取器從通過利用微型反射鏡來掃描活體組織123 的表面或者截面而獲得的反射光中通過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)動電路104 (同樣，見圖5)， 并且所述驅(qū)動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)動信號的功能。
根據(jù)該封裝件元件137，在減壓下驅(qū)動光學(xué)掃描元件的可動部分 95，從而高速驅(qū)動被空氣粘度較低地影響成為可能。在實際使用中， 通過在這里將真空度設(shè)為例如0.1個大氣壓或者更小，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
被減小的情形的說明圖。
在光學(xué)掃描探針100C中，通過將減壓空間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密封光學(xué)掃描元件81， 從而結(jié)構(gòu)得以簡化。具體地，在減壓下制造在圖中被點線圈出的構(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)掃描探針用于通過利用光掃描并照射受檢體內(nèi)部的區(qū)域并且檢測從所述區(qū)域的受照射點發(fā)射的光來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對所述受檢體內(nèi)部的區(qū)域進(jìn)行光學(xué)掃描；以及信號切換部件，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)動信號，其中所述光學(xué)掃描元件包括具有微型反射鏡的可動部分，支撐所述微型反射鏡以使其彈性移位，并且沿著第一轉(zhuǎn)動方向和與所述第一轉(zhuǎn)動方向反向的第二轉(zhuǎn)動方向而使該微型反射鏡雙向移位；第一驅(qū)動器，向所述可動部分施加沿著所述第一轉(zhuǎn)動方向的物理作用力；以及第二驅(qū)動器，向所述可動部分施加沿著所述第二轉(zhuǎn)動方向的物理作用力，所述信號切換部件具有用于在掃描準(zhǔn)備信號和掃描驅(qū)動信號之間切換并且輸出所切換的信號的功能，其中，所述掃描準(zhǔn)備信號用于在所述探針被插入到所述受檢體中之前響應(yīng)于時序信號而沿著所述第一轉(zhuǎn)動方向和所述第二轉(zhuǎn)動方向中的一個吸引所述可動部分，并且所述掃描驅(qū)動信號用于交替地沿著所述第一轉(zhuǎn)動方向和所述第二轉(zhuǎn)動方向吸引所述可動部分，并且所述掃描準(zhǔn)備信號的最大電壓被設(shè)定為高于所述掃描驅(qū)動信號的最大電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光學(xué)掃描探針，還包括通過檢測探針插 入到所述受檢體中而輸出檢測信號的傳感器，其中從所述傳感器輸出的檢測信號被輸入到所述信號切換部件中 作為時序信號。
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，所述時序信號被輸入到所述信號切換部件中。
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切換部件的開關(guān)來輸入所述時序信號。
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) 動方向和所述第二轉(zhuǎn)動方向之間切換所述可動部分的移位方向時，所 述可動部分的最終移位位置是所述可動部分的下端與所述可動部分下 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) 動方向和所述第二轉(zhuǎn)動方向之間切換所述可動部分的移位方向時，所 述可動部分的最終移位位置正好在所述可動部分的下端與所述可動部 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 施加到所述可動部分的多個作用點。
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部 分的所述第一和第二轉(zhuǎn)動方向的每一個中設(shè)定兩個或者更多個物理作 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部分能夠圍繞第一轉(zhuǎn)動軸和第二轉(zhuǎn)動軸雙 軸地轉(zhuǎn)動移位，并且對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)動軸用于沿著所述第一和第二轉(zhuǎn)動方向的移位，所述第 二轉(zhuǎn)動軸與所述第一轉(zhuǎn)動軸正交。
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)動器，供給用于驅(qū)動和擺動所述光學(xué)掃描元件的微型反射 鏡的驅(qū)動信號；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所述 受檢體的照射點引導(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)過所述針孔的光基本上成為 點光源，從而在所述光源和所述受檢體之間形成共焦點光學(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)動器的驅(qū)動信號，獲得從所述受檢體內(nèi)部的照射點發(fā)射的光的一 維或者二維分布信息；以及顯示器，顯示從所述信號處理器輸出的視頻信號。
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)動信號而重復(fù)在沿著所述第一和第二轉(zhuǎn)動方向中的一個方向移位所述可動部分 時，在支撐所述可動部分的彈性支撐中存儲第一彈性能量；由所述第一和第二驅(qū)動器中的一個驅(qū)動器產(chǎn)生第一物理作用力， 以沿著所述一個方向移位所述可動部分；使所述第一物理作用力消失并且釋放存儲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 第二彈性能量存儲在所述彈性支撐梁中，并且沿著所述第一和第二轉(zhuǎn) 動方向的另一個方向移位所述可動部分；以及由所述第一和第二驅(qū)動器中的另一個驅(qū)動器產(chǎn)生第二物理作用 力，以沿著所述另一個方向移位所述可動部分。
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)動信號的最大電壓被設(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 以與所述可動部分的共振頻率相當(dāng)?shù)闹芷趤硪莆凰隹蓜硬糠帧?br>
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，其包括利用光來掃描受檢體的光學(xué)掃描元件，以及用于對使該光學(xué)掃描元件執(zhí)行光學(xué)掃描的驅(qū)動信號進(jìn)行切換的信號切換部件。該光學(xué)掃描元件包括具有微型反射鏡的可動部分，該微型反射鏡沿著第一轉(zhuǎn)動方向和第二轉(zhuǎn)動方向移位；以及向該可動部分施加物理作用力的第一和第二驅(qū)動器。該信號切換部件具有用于將驅(qū)動準(zhǔn)備信號切換成掃描驅(qū)動信號的功能，其中該驅(qū)動準(zhǔn)備信號用于沿著第一轉(zhuǎn)動方向或者第二轉(zhuǎn)動方向吸引該可動部分，并且該掃描驅(qū)動信號用于交替地沿著第一轉(zhuǎn)動方向和第二轉(zhuǎn)動方向吸引該可動部分。該驅(qū)動準(zhǔn)備信號的最大電壓被設(shè)定為高于掃描驅(qū)動信號的最大電壓。
文檔編號G02B21/00GK101380221SQ20081021275
公開日2009年3月11日 申請日期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 申請人:富士膠片株式會社