Aparato y procedimiento para formación de imágenes mediante la transformada de Fourier dispersiva.

Un aparato (20, 52, 88, 124, 170, 210, 250, 270) para leer patrones y detectar desplazamientos,

que comprende:

un medio (22, 54, 90, 126) para generar un haz de sonda pulsado de banda ancha (178);

un medio (34, 66, 108, 144, 262, 340) para correlacionar mediante la transformada de Fourier del espectro de dicho haz de sonda pulsado con un dominio espacial para formar un haz óptico dispersado espacialmente (182) dirigido a un objetivo (38, 70, 110, 146, 214), en el que dicho objetivo (38, 70, 110, 146, 214) ha de ser leído;

un medio (34, 66, 108, 144, 262, 34b) para formar una señal óptica de respuesta basándose en la energía óptica procedente del objetivo;

un medio (40, 72, 112, 148) para la transformada de Fourier dispersiva de dicha señal óptica de respuesta para convertir dicha señal óptica de respuesta en una forma de onda en el dominio del tiempo; y

un medio (42, 200, 78, 114, 154) para detectar y analizar dicha forma de onda en el dominio del tiempo para determinar patrones y/o desplazamientos dentro del objetivo que es leído.

Aparato y procedimiento para formación de imágenes mediante la transformada de Fourier dispersiva.

DECLARACIÓN RESPECTO A LA INVESTIGACIÓN O EL DESARROLLO PATROCINADOS POR EL GOBIERNO FEDERAL

Esta invención se efectuó con el apoyo gubernamental de la subvención nº N66001-07-1 -2007, concedida por el Departamento de Defensa. El Gobierno posee ciertos derechos en esta invención.

1. Campo de la invención Esta invención pertenece en general a la formación de imágenes ópticas, y más en concreto a la formación de imágenes ópticas a alta velocidad usando formación de imágenes mediante la transformada de Fourier dispersiva.

2. Descripción de la técnica relacionada Un código de barras es una representación binaria legible por una máquina de información que normalmente aparece como una serie de barras de baja reflectancia (por ejemplo, barras oscuras o negras) sobre un fondo de alta reflectancia (por ejemplo, un fondo claro o blanco) . Una diferencia mensurable en las propiedades ópticas de las barras (por ejemplo, la reflectancia de las barras oscuras en contraste con las barras claras) es convertida en una representación binaria. Por ejemplo, con las barras oscuras correspondiendo a 0 con los espacios blancos entre ellas correspondiendo a 1, o viceversa, dependiendo del software de descodificación. Los códigos de barras pueden ser leídos por escáneres ópticos denominados lectores de códigos de barras que miden las reflexiones ópticas procedentes de las barras negras o los espacios blancos cuando un haz de sonda es incidente sobre ellas.

Desde su introducción, los códigos de barras se han vuelto indispensables en el etiquetado y la gestión de inventarios. Algunas aplicaciones modernas de los códigos de barras incluyen: (a) etiquetado de productos y detección automatizada; (b) expedición de billetes y permisos; (c) movimiento y flujo, tales como correo, paquetes, equipaje aéreo, coches de alquiler, y residuos nucleares; (d) gestión de documentos, incluyendo formación de imágenes, archivo e indexación; (e) sistemas de información de bancos de sangre; (f) seguimiento en investigación apícola; (g) recopilación de datos de paquetes postales procedentes de múltiples fuentes interconectadas y seguimiento de los mismos. Un experto en la materia apreciará que las aplicaciones de los códigos de barras se han vuelto omnipresentes en nuestra sociedad moderna.

Un lector de códigos de barras es una parte esencial de la tecnología de los códigos de barras. Un lector convencional consiste en un escáner, un decodificador (ya sea integrado o externo) , y un cable usado para conectar el lector con un dispositivo de procesamiento (por ejemplo, un ordenador) para procesar las señales digitales. Un lector de códigos de barras es un dispositivo optoelectrónico que mide las reflexiones ópticas procedentes de códigos de barras, tales como los que consisten en barras negras no reflectantes y espacios blancos reflectantes. Existen diferentes tipos de lectores de códigos de barras disponibles en el mercado, los cuales usan procedimientos ligeramente diferentes para leer y descodificar los códigos de barras. Los códigos de barras pueden ser de una variedad unidimensional tal como descritos con barras y líneas, o pueden ser bidimensionales con puntos u otros símbolos pequeños limitados espacialmente constreñidos en un campo bidimensional.

Una forma de lector de códigos de barras es un lector de tipo lápiz, en el cual una fuente óptica de onda continua y un receptor de fotodiodo están próximos entre sí, tal como en la punta de un lápiz o una varilla. Para leer un código de barras, se mueve la punta del lápiz a través de las barras en un movimiento estable. Se genera una forma de onda de voltaje que representa el patrón de barras y espacios en el código de barras en respuesta a la detección del 50 fotodiodo de la potencia de la luz cambiante reflejada de vuelta desde las barras a medida que son expuestas a la luz incidente móvil. La forma de onda detectada por el fotodiodo es descodificada por el escáner de manera similar al modo en que son descodificados los puntos y rayas del código Morse.

Otra forma de lector de códigos de barras es un escáner láser, que funciona de la misma forma que un lector de tipo 55 lápiz, excepto que emplea o bien un espejo oscilante o un prisma rotatorio para escanear el haz de láser de un lado a otro a través del código de barras. Al igual que el lector de tipo lápiz, se usa un fotodiodo para medir la potencia de la luz reflejada de vuelta desde el código de barras. Tanto en los lectores de tipo lápiz como en los escáneres láser, la luz emitida por el lector está sintonizada a una longitud de onda específica y el fotodiodo está diseñado para detectar sólo esta longitud de onda.

Otra forma de lector es un lector CCD, en el cual un lector de tipo de dispositivo de acoplamiento de cargas (CCD) , o alternativamente un lector de píxeles activos CMOS, utiliza una red de sensores ópticos alineados en una fila en el cabezal del lector. El lector CCD mide la luz reflejada desde un código de barras, generando un patrón de voltaje idéntico al patrón del código de barras midiendo los voltajes a través de cada sensor de la fila. Una diferencia importante entre un lector CCD y uno de tipo lápiz o un escáner láser es que el lector CCD mide la reflexión de la luz ambiental procedente del código de barras mientras que los escáneres de tipo lápiz o láser miden la luz reflejada a la longitud de onda específica que se originó desde el propio escáner.

Otra forma de lector es un lector basado en una cámara, en el cual una cámara capta una imagen bidimensional del código de barras. Estos resultan particularmente idóneos para usarlos para leer códigos de barras bidimensionales, aunque técnicamente pueden leer cualquier tipo de código de barras. Se apreciará que para una resolución geométrica dada (por ejemplo, basada en una línea mínima o separación de píxeles) la densidad de información de un código de barras bidimensional puede superar ampliamente la de un código de barras unidimensional que sólo es escaneado en una única dirección. A modo de ejemplo, una imagen del código de barras es captada por una pequeño generador de imágenes mediante cámara CCD o CMOS y descodificada usando técnicas de procesamiento digital de imagen.

Aunque los lectores de códigos de barras resultan útiles para llevar un seguimiento de un gran número de artículos, la tecnología de códigos de barras convencional tiene su limitación de velocidad cuando requiere el seguimiento de un número de artículos considerablemente grande (por ejemplo, del orden de millones) debido a su lento proceso de lectura y descodificación. Los lectores de códigos de barras convencionales tienen una frecuencia de barrido del orden de varios cientos de barridos por segundo. Incluso el lector de códigos de barras más rápido está limitado a una frecuencia de aproximadamente mil barridos por segundo. La limitación de velocidad en los escáneres es en gran parte en respuesta a la necesidad de escanear la luz de la fuente a través del código de barras, mientras que en los lectores mediante formación de imágenes la tasa de imágenes limita el número de barridos por segundo.

El límite de velocidad de los lectores de códigos de barras convencionales combinado con el procesamiento de señales digitales convencional prohíbe el seguimiento de un número de artículos considerablemente grande, especialmente en aplicaciones que incluyen los campos de la bioinformática donde, inherentemente, tiene que gestionarse un gran número de artículos, tales como bancos de sangre, bancos de células madre, bancos de esperma, y bancos de secuencias de ADN.

Por ejemplo, la tecnología de códigos de barras se usa actualmente para sistemas de información de bancos de sangre, permitiendo una donación de sangre segura y un servicio de transfusión que implican recoger, procesar, almacenar y proporcionar sangre humana pensada para su transfusión. La transfusión de componentes sanguíneos incorrectos es el incidente grave más frecuente asociado con la transfusión. Los errores subyacentes a estos incidentes se atribuyen frecuentemente a la identificación errónea de las muestras. Frente a la globalización acelerada, resulta crítico seguir y gestionar un número extremadamente grande de muestras de sangre. Sin embargo, para una identificación correcta, la tecnología de códigos de barras requiere que se codifique una cantidad significativa de información, tal como incluir el número de hospital del paciente, el apellido, el nombre, la fecha de nacimiento, el sexo, el tipo de sangre, etcétera. La necesidad de tanta información supone un desafío... [Seguir leyendo]

1. Un aparato (20, 52, 88, 124, 170, 210, 250, 270) para leer patrones y detectar desplazamientos, que comprende:

un medio (22, 54, 90, 126) para generar un haz de sonda pulsado de banda ancha (178) ;

un medio (34, 66, 108, 144, 262, 340) para correlacionar mediante la transformada de Fourier del espectro de dicho haz de sonda pulsado con un dominio espacial para formar un haz óptico dispersado espacialmente (182) dirigido a 10 un objetivo (38, 70, 110, 146, 214) , en el que dicho objetivo (38, 70, 110, 146, 214) ha de ser leído;

un medio (34, 66, 108, 144, 262, 34b) para formar una señal óptica de respuesta basándose en la energía óptica procedente del objetivo;

un medio (40, 72, 112, 148) para la transformada de Fourier dispersiva de dicha señal óptica de respuesta para convertir dicha señal óptica de respuesta en una forma de onda en el dominio del tiempo; y un medio (42, 200, 78, 114, 154) para detectar y analizar dicha forma de onda en el dominio del tiempo para determinar patrones y/o desplazamientos dentro del objetivo que es leído. 20

2. Un aparato (1709 según la reivindicación 1, en el que dicha señal óptica de respuesta se crea en respuesta a la energía óptica que es reflejada desde el objetivo (38) y/o la energía óptica que es transmitida a través del objetivo.

3. Un aparato (170) según la reivindicación 1 o 2, en el que dicho haz de sonda y dicha señal óptica de respuesta son transportados a través del aire libre, fibra óptica, o a través de una combinación del aire libre y fibra óptica.

4. Un aparato (20) según la reivindicación 1, 2, o 3, en el que dicho medio para generar dicho haz de 30 sonda pulsado de banda ancha comprende:

un láser (22) configurado para generar impulsos; o un medio (28) para generación de supercontinuo para ensanchar la anchura de banda espectral de la luz que emana 35 de una fuente óptica (22) .

5. Un aparato según la reivindicación 1, 2 o 3, que comprende además:

un medio (24) para seleccionar impulsos seleccionados de un tren de impulsos generado por dicho medio para 40 generar un haz de sonda pulsado de banda ancha (22) y/o un medio (26, 30) para amplificación y/o filtrado acoplado a dicho medio (22) para generar un haz de sonda pulsado de banda ancha para aumentar la relación señal/ruido y la sensibilidad de detección de dicho haz de sonda pulsado; y/o 45 un amplificador de fibra (26) dispuesto antes, dentro de, o después de dicho medio (34) para la transformada de Fourier dispersiva con una luz de onda continua o una luz pulsada que bombea dicho amplificador de fibra (26) ; y/o un medio para separar (64) dicho haz de bombeo pulsado (172) dirigido hacia el objetivo (38) , de la señal óptica de 50 respuesta que regresa del objetivo (38) .

6. Un aparato (170) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho medio (34) para correlacionar mediante la transformada de Fourier del espectro con el dominio espacial comprende un elemento dispersivo.

7. Un aparato (170) según la reivindicación 6, en el que dicho elemento dispersivo comprende:

una rejilla de difracción para separar la longitud de onda de dicho haz de sonda pulsado; o 18

un prisma; o un dispersor de red en fase de imagen virtual.

8. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho medio para la transformada de Fourier dispersiva para convertir dicha señal óptica de respuesta en una forma de onda en el dominio del tiempo comprende un elemento para inducir dispersión de velocidad de grupo.

9. Un aparato (170) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicho medio (34) para la transformada de Fourier dispersiva comprende un elemento dispersivo y/o un elemento óptico con chirp para inducir dispersión de velocidad de grupo al convertir dicha señal óptica de respuesta en una forma de onda en el dominio del tiempo.

10. Un aparato (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho medio (42, 44, 46, 15 48, 50) para detectar y analizar dicha forma de onda en el dominio del tiempo comprende:

al menos un elemento fotosensible (42) ;

un digitalizador (48) acoplado a dicho elemento fotosensible (42) , configurado dicho digitalizador (48) para convertir 20 la forma de onda óptica en una señal digital; y un procesador de señales digitales (50) configurado para analizar dicha señal digital para leer el objetivo (38) .

11. Un aparato (20) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además amplificación 25 y/o filtrado óptico antes, dentro de, o después de dicho medio (40) para la transformada de Fourier dispersiva.

12. Un aparato según la reivindicación 11, en el que dicha amplificación óptica se realiza usando dispersión estimulada de Raman, un amplificador de semiconductor, o un amplificador de fibra.

13. Un aparato (52) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un medio (74, 76, 86) para realizar una detección correspondiente a la correlación de base de datos óptica sobre el objetivo (70) .

14. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, que comprende además:

un modulador electroóptico dispuesto antes de la conversión de dicha señal óptica de respuesta en una señal eléctrica; y una base de datos acoplada a dicho modulador electroóptico para controlar la modulación óptica;

en el que un patrón esperado es recibido desde la base de datos y su conjugado aplicado a dicho modulador electroóptico;

en el que la detección correspondiente a la correlación del objetivo con la base de datos se realiza en respuesta a si 45 la señal óptica de respuesta que se detecta tiene o no un pico de correlación.

15. Un aparato (52) según la reivindicación 13, en el que dicho medio para realizar la correlación de base de datos óptica comprende:

un generador de patrones (74) configurado para generar patrones de correlación basándose en la información procedente de una base de datos de un conjunto de objetivos dentro del cual debería encontrarse el objetivo actual;

un modulador de amplitud (76) acoplado a dicho generador de patrones, estando configurado dicho modulador de amplitud para modular la señal óptica de respuesta; y 55 un medio para detección de umbral de la señal óptica de respuesta modulada en amplitud para indicar la correlación positiva o negativa entre el objetivo y el patrón de correlación recibido desde dicha base de datos usados para modular la amplitud de dicha señal óptica de respuesta.

16. Un aparato (170, 270) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho aparato está configurado para al menos uno de lo siguiente:

leer el objetivo (38) ya sea en una dimensión o en dos dimensiones;

leer el objetivo como un código de barras (214) usado en el seguimiento de artículos comerciales, el control en serie de placas de circuitos impresos, el control de trazabilidad de piezas de HDD, la clasificación automática en líneas transportadoras, el seguimiento de lectores de medios de PC, o la producción de obleas;

leer el objetivo (38) en una aplicación seleccionada del grupo de campos de aplicación constituido por la bioinformática, el seguimiento de especímenes médicos, el seguimiento de bancos de células madre, bancos de esperma, y/o el uso en bancos de secuencias de ADN;

leer el objetivo (38) al realizar detección de desplazamiento a alta velocidad en ese objetivo (38) en el que, 15 opcionalmente, dicha detección de desplazamiento a alta velocidad comprende la medición de superficies ásperas y/o la medición de anchura y separación;

realizar citometría de flujo detectando y/o midiendo el movimiento y las características morfológicas de partículas dentro de un fluido;

leer el objetivo (38) en respuesta a diferencias de reflexión codificadas dentro de medios de almacenamiento óptico en los que, opcionalmente, dichos medios de almacenamiento óptico están formateados según un protocolo de almacenamiento deseado seleccionado del grupo de protocolos usado para codificar CD, DVD y discos Blu-ray; y detectar la presencia o ausencia de objetos físicos.

17. Un procedimiento (10) de lectura de patrones y determinación de desplazamientos de un objetivo (38, 70, 110, 146, 214) que comprende:

generar un haz de sonda pulsado desde una fuente óptica de banda ancha (22, 54, 90, 126) ;

convertir dicho haz de sonda pulsado en un dominio espacial para formar un haz óptico dispersado espacialmente;

dirigir (12) dicho haz óptico dispersado espacialmente a dicho objetivo; 35 formar una señal óptica de respuesta basándose en la luz procedente de dicho objetivo;

convertir (14) la señal óptica de respuesta procedente del objetivo en una forma de onda en el dominio de tiempo; y detectar y analizar (18) dicha forma de onda en el dominio del tiempo, dentro de un procesador configurado para ejecutar instrucciones de programa desde una memoria, para leer patrones y/o determinar desplazamientos dentro del objetivo.