Se describe un procedimiento para llevar a cabo medidas cuantitativas en diferentes bandas de interés mediante un microscopio óptico de reflexión (20) (o de luz transmitida) modificado.

Dichas medidas se realizan de forma automatizada gracias a la intervención de una unidad de control (30) que se acopla con el microscopio modificado para asistir en la calibración del dispositivo. Adicionalmente, también lleva a cabo correcciones de las imágenes tomadas de acuerdo con la banda de interés para que cada nivel de gris se asocie con un nivel de reflectancia real de la muestra (o de transmitancia) para la que se ha tomado la imagen.

Método para obtener imágenes multiespectrales de reflectancia absoluta.

Sector técnico

La invención se encuadra en el sector técnico de la microscopía óptica.

Antecedentes de la invención

Un microscopio óptico de reflexión es un instrumento específicamente diseñado para la observación microscópica de materiales ópticamente absorbentes u opacos. Para solventar la opacidad del material observado, que impide su observación con luz transmitida, se emplea luz incidente -sistema también denominado epi-iluminación. En este sistema de iluminación (ver figura 1), la luz proveniente del iluminador, tras pasar por los diafragmas de apertura y de campo, se refleja en un espejo semitransparente inclinado 45º situado sobre el objetivo, que la redirige a través de éste para incidir perpendicularmente sobre la superficie observada. La luz reflejada por ésta es recogida por el objetivo, atraviesa el espejo semitransparente, y continúa por el tubo óptico del microscopio hasta el ocular y/o hasta una cámara. Para evitar que las diferencias de acabado superficial influyan en la observación, las muestras se embuten en resina y la preparación resultante se pule cuidadosamente.

Tradicionalmente, la microscopía óptica de reflexión ha sido considerada una técnica cualitativa, más que cuantitativa, para el estudio de materiales que presenten distintas fases como, por ejemplo, muestras geológicas. La razón estriba en que en numerosas ocasiones resulta difícil identificar una fase mediante la simple medida de su reflectancia o de su color, siendo necesaria la intervención del especialista para tener en cuenta criterios adicionales (microdureza, observación bajo luz polarizada, conocimiento de las asociaciones minerales habituales, etc.) que permitan asegurar la exactitud de la identificación. La dificultad para utilizar dichos criterios adicionales de forma automatizada ha impedido la aplicación sistemática de la microscopía óptica de reflexión al análisis cuantitativo de fases en la industria, restringiendo su utilización a los pocos laboratorios dotados de personal especializado existentes en la actualidad. Dado el coste laboral de dichos especialistas y el tiempo necesario para su realización, los análisis manuales sólo resultan abordables en estudios aislados, y no es factible su aplicación generalizada en la industria.

Por dicho motivo, el análisis cuantitativo de fases ha tenido que ser abordado mediante otras técnicas, entre las cuales destacan la microscopía electrónica de barrido (Scanning Electron Microscope, SEM) y la microsonda electrónica (Electron Probé Micro Analyser, EPMA), cuyo desarrollo ha permitido poner a punto equipos especializados como el QEMSCAN, que permite identificar automáticamente las distintas fases presentes en una muestra. No obstante, estas técnicas no han resuelto definitivamente el problema, dado que presentan una serie de inconvenientes que impiden su uso generalizado:

• La técnica EPMA permite determinar la composición elemental de la muestra en un cierto número de puntos de su superficie, pero esto no es suficiente para discriminar entre fases que, teniendo composiciones similares, presentan estructuras diferentes, cosa relativamente frecuente en ciertas aplicaciones (mineralogía, por ejemplo).

• El coste de los equipos SEM/EPMA es muy elevado (del orden del millón de dólares USA para el QEMSCAN), y no está al alcance de todas las empresas (ni de todos los países).

• El manejo de estos equipos exige personal altamente capacitado, y un entorno especialmente acondicionado con elevados requisitos de estabilidad ambiental.

• La preparación de las muestras para SEM/EPMA precisa de un equipamiento y un personal especializado que suponen un considerable coste por análisis.

Por todo ello, las técnicas SEM/EPMA distan de ser la solución más idónea al problema del análisis modal en materiales multifase, salvo para grandes empresas de países desarrollados que puedan permitirse invertir grandes cantidades de dinero en laboratorios de última generación, y que puedan recurrir a la realización de análisis microscópicos manuales en caso de duda.

Teniendo en cuenta estos antecedentes, los inventores abordaron el desarrollo de la presente invención con el objetivo de superar las limitaciones que presenta la microscopía óptica para el análisis cuantitativo de fases mediante la puesta a punto de unos procedimientos avanzados para la calibración y la operación de un microscopio óptico de reflexión especialmente modificado para la adquisición de imágenes multiespectrales en una porción del espectro más extensa que la banda visible. La información adicional proporcionada por la reflectancia de la muestra en el infrarrojo cercano (Near Infrared o NIR, en inglés) y/o en el ultravioleta cercano (Near Ultraviolet o NUV, en inglés) permite caracte- rizar las distintas fases con mucha mayor exactitud que únicamente a partir de la reflectancia en la banda visible (Vis).

Como resultado, el sistema descrito alcanza una tasa de identificación automática de fases comparable a la obtenida por un equipo QEMSCAN, pero resulta mucho más asequible (su coste es unas 10 veces menor), lo que lo hace utilizable en un gran número de aplicaciones e industrias, incluso en países poco desarrollados.

Se citan a continuación otros antecedentes relacionados en menor grado con la invención:

El documento JP2004347330-A no da precisiones sobre la metodología, indicando únicamente que usa un microscopio óptico, lo que lo sitúa en el campo tradicional, sin vestigios de recurso a bandas VNIR ni automatización alguna.

El documento JP1307664-A se refiere también a un microscopio óptico, indicando que es de reflexión. Por lo demás, se perciben parecidas limitaciones e imprecisiones dado que no hay alusiones a medidas VNIR y, en lugar de plantearse para cualquier material multifase, se limita a menas simples.

La invención descrita en PN SU811080-B presenta un fotómetro espectral basado con un sistema original de control y medida de la iluminación, mediante un cilindro rotatorio provisto de ventanas, pero no se plantea las medidas VNIR ni la automatización.

La invención divulgada en RU2001419-C1, aunque estudia y compara menas de pirita, no aplica ninguna medida espectral sino determinaciones morfológicas realizadas con estereomicroscopio y mediante ataques ácidos, a fin de obtener conclusiones de índole genética o aplicables a exploración y predicción, etc.

Descripción de la invención

Es un objeto de la invención, un método avanzado para calibración y operación de un sistema automatizado de microscopía multiespectral NUV-Vis-NIR (del ultravioleta cercano al infrarrojo cercano) que asegura la calidad y reproducibilidad de las imágenes de reflectancia obtenidas para aplicaciones de caracterización cualitativa y cuantitativa de la composición de materiales multifase, es decir, materiales en los que pueden observarse distintos componentes físicamente diferenciables.

También es otro objeto de la presente invención, un método similar al anterior salvo en el empleo de la transmitancia en lugar de reflectancia.

El método propuesto es capaz de obtener imágenes de reflectancia absoluta con registro óptimo entre bandas mediante un microscopio óptico de reflexión modificado para la adquisición de imágenes multiespectrales mediante las etapas indicadas a continuación.

- Etapa para determinar el tiempo de exposición necesario para cada banda de interés del espectro.

- Etapa para determinar el ajuste de la distancia de enfoque entre cada banda y una banda seleccionada como banda de referencia.

- Etapa para calibrar la respuesta del microscopio frente a la falta de uniformidad en la distribución de la iluminación mediante el uso de patrones de alta y baja reflectancia.

- Etapa para calibrar geométricamente el microscopio modificado, caracterizando la aberración cromática del microscopio y determinando el ángulo de rotación de la cámara instalada en el microscopio respecto de la platina.

- Etapa para adquirir al menos una imagen multiespectral de una preparación microscópica, empleando para cada banda el tiempo de exposición y el ajuste de la distancia determinados anteriormente.

- Etapa para corregir el nivel de gris de la imagen de cada banda mediante el cálculo de la reflectancia absoluta correspondiente a cada píxel.

1. Método para obtener imágenes de reflectancia absoluta con registro optimizado entre bandas mediante un microscopio óptico de reflexión modificado (20) para la adquisición de imágenes multiespectrales caracterizado por que comprende los siguientes pasos:

- determinar el tiempo de exposición necesario para cada banda de interés del espectro,

- determinar el ajuste de la distancia de enfoque entre cada banda y una banda seleccionada como banda de referencia,

- calibrar la respuesta del microscopio (20) frente a la falta de uniformidad en la distribución de la iluminación mediante el uso de patrones de alta y baja reflectancia,

- calibrar geométricamente el microscopio (20), caracterizando la aberración cromática del microscopio y determinando el ángulo de rotación de la cámara (24) instalada en el microscopio respecto de la platina (27),

- adquirir al menos una imagen multiespectral de una preparación microscópica (29), empleando para cada banda el tiempo de exposición y el ajuste de la distancia determinados anteriormente,

- corregir el nivel de gris de la imagen de cada banda mediante el cálculo de la reflectancia absoluta correspondiente a cada pixel,

- corregir geométricamente la imagen de cada banda para compensar la rotación de la cámara (24) y la aberración cromática del microscopio (20) entre imágenes sucesivas y entre bandas.

2. Método según la reivindicación 1, donde el tiempo de exposición de cada banda se determina adquiriendo imágenes de un patrón de reflectancia, de forma que el nivel de gris promedio de la imagen obtenida corresponde con la reflectancia del patrón en dicha banda según un factor de proporcionalidad prefijado.

3. Método según la reivindicación 2, donde la determinación del tiempo de exposición de cada banda se realiza ajusfando un valor inicial dentro de unos límites mediante aproximaciones sucesivas.

4. Método según la reivindicación 3, donde la distancia de enfoque de cada banda se determina realizando un autoenfoque o un enfoque manual sobre una preparación (29).

5. Método según la reivindicación 4, donde los ajustes de la distancia de enfoque se determinan como la diferencia entre la distancia de enfoque de cada banda y la distancia de enfoque de la banda seleccionada como banda de referencia.

6. Método según la reivindicación 5, donde las distancias de enfoque del resto de las bandas se calculan sumando a la distancia de enfoque de la banda de referencia, los respectivos ajustes de la distancia de enfoque determinados.

7. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se adquieren dos imágenes multiespectrales, una primera imagen de un patrón de alta reflectancia y una segunda imagen multiespectral de un patrón de baja reflectancia.

8. Método según las reivindicación 7, donde los patrones de reflectancia empleados se eligen entre patrones de reflectancia especular y patrones de reflectancia difusa, de acuerdo con las características superficiales del material observado.

9. Método según las reivindicaciones 7 u 8, donde la imagen multiespectral de un patrón se obtiene como el promedio de una pluralidad de imágenes multiespectrales adquiridas en distintos puntos del patrón, para mejorar la relación señal/ruido de la imagen y difuminar el efecto de las variaciones locales del patrón.

10. Método según las reivindicaciones 7, 8 ó 9, donde el promedio de las imágenes multiespectrales del patrón se calcula teniendo en cuenta únicamente los píxeles cuyo nivel de gris esté comprendido entre un valor mínimo y un valor máximo, ambos referidos al nivel de gris promedio.

11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el nivel de gris de una imagen multiespectral se corrige mediante la determinación de la reflectancia correspondiente a cada uno de los píxeles en cada una de las bandas de la imagen.

12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la reflectancia de cada píxel en cada banda de una imagen multiespectral se determina mediante:

- una interpolación de su nivel de gris entre los niveles de gris que presente dicho píxel en las imágenes de los dos patrones de reflectancia,

- una transformación de la reflectancia obtenida a un nivel de gris aplicando el factor de proporcionalidad prefijado.

13. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el patrón utilizado contiene una disposición reticular de puntos de alta reflectancia con separación entre centros conocida para caracterizar la aberración cromática.

14. Método según la reivindicación 13, donde se seleccionan cuatro puntos próximos a las esquinas de la imagen del patrón de puntos, y se calculan las coordenadas de imagen de sus respectivos centros de gravedad en cada una de las bandas.

15. Método según las reivindicaciones 13 ó 14, donde se determina el desplazamiento del centro de la imagen de una banda como la diferencia entre las coordenadas del centro de gravedad conjunto de los cuatro puntos en dicha banda y las coordenadas del centro de gravedad conjunto de los cuatro puntos en la banda seleccionada como banda de referencia.

16. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, donde la escala de imagen de una banda se calcula dividiendo la separación nominal, en micrómetros, entre los centros de los puntos elegidos por la distancia promedio, en píxeles, entre sus respectivos centros de gravedad.

17. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, donde el ángulo de rotación de la cámara (24) respecto a la platina (27) del microscopio (20) se calcula mediante la determinación del cambio de posición del centro de gravedad de uno de los puntos del patrón al desplazar la platina (27) una cierta distancia.

18. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, donde la corrección geométrica de una imagen multiespectral se efectúa mediante una transformación geométrica a cada una de las bandas, combinando traslación, escalado y rotación para corregir el desplazamiento del centro de la imagen y la diferencia de escalas respecto a la banda de referencia, así como la rotación de la cámara (24) respecto a la platina (27).

19. Método para obtener imágenes de transmitancia absoluta con registro optimizado entre bandas mediante un microscopio óptico de luz transmitida modificado para la adquisición de imágenes multiespectrales caracterizado por que comprende los siguientes pasos:

- determinar el tiempo de exposición necesario para cada banda de interés del espectro,

- determinar el ajuste de la distancia de enfoque entre cada banda y una banda seleccionada como banda de referencia,

- calibrar la respuesta del microscopio frente a la falta de uniformidad en la distribución de la iluminación mediante el uso de patrones de alta y baja transmitancia,

- calibrar geométricamente el microscopio, caracterizando la aberración cromática del microscopio y determinando el ángulo de rotación de la cámara instalada en el microscopio respecto de la platina,

- adquirir al menos una imagen multiespectral de una preparación microscópica, empleando para cada banda el tiempo de exposición y el ajuste de la distancia determinados anteriormente,

- corregir el nivel de gris de la imagen de cada banda mediante el cálculo de la transmitancia absoluta correspondiente a cada pixel,

- corregir geométricamente la imagen de cada banda para compensar la rotación de la cámara y la aberración cromática del microscopio entre imágenes sucesivas y entre bandas.

20. Método según la reivindicación 19, donde el tiempo de exposición de cada banda se determina adquiriendo imágenes de un patrón de transmitancia, de forma que el nivel de gris promedio de la imagen obtenida corresponde con la transmitancia del patrón en dicha banda según un factor de proporcionalidad prefijado.

21. Método según la reivindicación 20, donde la determinación del tiempo de exposición de cada banda se realiza ajustando un valor inicial dentro de unos límites mediante aproximaciones sucesivas.

22. Método según la reivindicación 21, donde la distancia de enfoque de cada banda se determina realizando un autoenfoque o un enfoque manual sobre una preparación (29).

23. Método según la reivindicación 22, donde los ajustes de la distancia de enfoque se determinan como la diferencia entre la distancia de enfoque de cada banda y la distancia de enfoque de la banda seleccionada como banda de referencia.

24. Método según la reivindicación 23, donde las distancias de enfoque del resto de las bandas se calculan sumando a la distancia de enfoque de la banda de referencia, los respectivos ajustes de la distancia de enfoque determinados.

25. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se adquieren dos imágenes multiespectrales, una primera imagen de un patrón de alta transmitancia y una segunda imagen multiespectral de un patrón de baja transmitancia.

26. Método según la reivindicación 25, donde la imagen multiespectral de un patrón se obtiene como el promedio de una pluralidad de imágenes multiespectrales adquiridas en distintos puntos del patrón, para mejorar la relación señal/ruido de la imagen y difuminar el efecto de las variaciones locales del patrón.

27. Método según las reivindicaciones 25 ó 26 donde el promedio de las imágenes multiespectrales del patrón se calcula teniendo en cuenta únicamente los píxeles cuyo nivel de gris esté comprendido entre un valor mínimo y un valor máximo, ambos referidos al nivel de gris promedio.

28. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 19 a 27, donde el nivel de gris de una imagen multiespectral se corrige mediante la determinación de la transmitancia correspondiente a cada uno de los píxeles en cada una de las bandas de la imagen.

29. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 19 a 28 donde la transmitancia de cada píxel en cada banda de una imagen multiespectral se determina mediante:

- una interpolación de su nivel de gris entre los niveles de gris que presente dicho píxel en las imágenes de los dos patrones de transmitancia,

- una transformación de la transmitancia obtenida a un nivel de gris aplicando el factor de proporcionalidad prefijado.

30. Método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 19 a 29, donde el patrón utilizado contiene una disposición reticular de puntos de baja transmitancia con separación entre centros conocida para caracterizar la aberración cromática.

31. Método según la reivindicación 30, donde se seleccionan cuatro puntos próximos a las esquinas de la imagen del patrón de puntos, y se calculan las coordenadas de imagen de sus respectivos centros de gravedad en cada una de las bandas.

32. Método según las reivindicaciones 30 ó 31, donde se determina el desplazamiento del centro de la imagen de una banda como la diferencia entre las coordenadas del centro de gravedad conjunto de los cuatro puntos en dicha banda y las coordenadas del centro de gravedad conjunto de los cuatro puntos en la banda seleccionada como banda de referencia.

33. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 30 a 32, donde la escala de imagen de una banda se calcula dividiendo la separación nominal, en micrómetros, entre los centros de los puntos elegidos por la distancia promedio, en píxeles, entre sus respectivos centros de gravedad.

34. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 30 a 33, donde el ángulo de rotación de la cámara (24) respecto a la platina (27) del microscopio se calcula mediante la determinación del cambio de posición del centro de gravedad de uno de los puntos del patrón al desplazar la platina (27) una cierta distancia.