Dispositivo de imágenes confocales que utiliza iluminación modulada espacialmente con detección de obturador de persiana electrónico.

Un dispositivo de generación de imágenes digital, que comprende:

un proyector de luz digital que incluye un arreglo de microespejos, siendo el proyector de luz digital operable en un modo de iluminación de luz estructurada que es capaz de convertir una pluralidad de valores de brillo de color o escala de grises que tienen una primera rata de marco hasta un número limitado de valores de brillantez que tienen una segunda rata de marco que excede la primera rata de marco;

un detector de arreglo de píxeles que tiene una funcionalidad de obturador de persiana; y

al menos una señal de temporización configurada para controlar una relación espacial-temporal entre un obturador de persiana del detector de arreglo de píxeles y uno o más patrones de iluminación provistos por el proyector de luz digital en la segunda rata de marco.

Dispositivo de imágenes confocales que utiliza iluminación modulada espacialmente con detección de obturador de persiana electrónico

Antecedentes de la invención

Las imágenes confocales constituyen una técnica de imágenes bien conocida en la cual la luz dispersa a partir de un objetivo es filtrada espacialmente antes de ser detectada. El filtrado espacial puede reducir artefactos de imagen tales como dispersiones y reflexiones no deseadas bien sea del objetivo o de los componentes dentro del dispositivo de imágenes, y puede proveer un contraste de imagen mejorado, así como características aisladas de interés. Los dispositivos de imagen confocal han sido diseñados e implementados para una amplia variedad de aplicaciones en imágenes de microscopía, campo oscuro, fluorescencia, sensibles a polarización, ópticas no lineales, interferométricas y oftálmicas.

Un microscopio confocal conocido es conocido en la US 2006/0017001 A1.

En un sistema de imágenes confocales de barrido por láser, la luz de iluminación es enfocada en un punto o línea y barrida a través del objetivo para obtener una imagen del campo de visión completo. La luz dispersada desde el objetivo es reconcentrada típicamente utilizando el mismo elemento de barrido y dirigida a través de una apertura hasta un detector fotosensible. Al sincronizar el barrido con el tiempo de exposición del detector, puede construirse una imagen bidimensional del objetivo. La inserción de una apertura en un plano conjugado al objetivo restringe la cantidad de luz fuera de foco que puede alcanzar el detector. Los sistemas de imágenes confocales con barrido por láser han sido adaptados para imágenes de retina en oftalmoscopios de láser de barrido, y para imágenes interferométricas tridimensionales en dispositivos de tomografía por coherencia óptica.

La patente de los Estados Unidos No 7,831,106 propone el uso de un sistema de imagen confocal por barrido con láser sin reconcentración. En este diseño, se crea una apertura confocal mediante un medio de detección de obturador de persiana electrónico sobre un sensor de disposición de píxeles bidimensional. Durante cada marco, el obturador de persiana barre progresivamente en una dimensión a través de una región de sensor activo con una anchura de obturador relacionada con el tiempo de exposición del marco total. En cada posición de obturador, los valores de píxel a lo largo de la longitud del obturador son obtenidos integrando la carga acumulada a través solamente de la anchura del obturador. La luz incidente sobre el sensor por fuera de la anchura del obturador de persiana no es capturada.

El obturador de persiana electrónico es una forma fundamentalmente diferente de detección frente a un obturador global, que integra carga a través del área activa completa durante el tiempo de exposición. Los sensores de un dispositivo acoplado de carga (CCD) son un ejemplo de un sensor de obturador global; muchos sensores de semiconductores de óxidos metálicos complementarios (CMOS) utilizan tecnología de obturador de persiana, aunque también están ahora disponibles con obturadores globales. En las aplicaciones de imágenes no confocales, los sensores de obturador de persiana son utilizados comúnmente en lugar de un sensor de obturador global debido al bajo costo de la tecnología CMOS. En estos casos, un obturador de persiana es considerado en general un detrimento al rendimiento en imágenes puesto que el movimiento del objetivo en la misma o en dirección opuesta al obturador de persiana aparecerá distorsionado. Varios grupos de investigación han investigado técnicas de postprocesamiento para reducir el movimiento borroso y otras distorsiones en cámaras no confocales que utilizan sensores de obturador de persiana.

El diseño del sistema de imágenes confocales propuesto por la patente de los Estados Unidos No 7,831,106 barre una línea de iluminación a través del objetivo en sincronismo con la detección del obturador de persiana de un sensor colocado en un plano objetivo conjugado. Esta metodología permite que la anchura de la apertura sea ajustada electrónicamente en tiempo real, y permite que un operador ajuste el balance entre las cantidades de luz detectada y la filtración espacial confocal para un objetivo dado. Adicionalmente, la temporización relativa entre la posición del obturador y el ángulo de barrido puede ser ajustada electrónicamente en tiempo real con el fin de ejecutar imágenes en campo oscuro. Cuando la frecuencia o los componentes de polarización de la luz están espacialmente separados, el obturador de persiana también puede ser utilizado para filtrar la frecuencia o polarización de la luz dispersada desde el objetivo.

El uso del obturador de persiana electrónico como apertura confocal permite ajustes a la posición de la apertura y a la anchura en incrementos de píxeles. En comparación con aperturas mecánica, el uso del obturador de persiana como apertura confocal es una metodología efectiva en costes que permite ajustes rápidos, cuantificables, exactos y confiables. Sin embargo, la patente de los Estados Unidos No 7,831,106 requiere la formación de una rendija que es barrida a través del campo de visión del objetivo. Con un escáner sencillo, la iluminación simultánea de un objetivo con una segunda rendija desplazada espacialmente o con otros patrones más complejos, requiere rutas de iluminación adicionales para el escáner. Estas rutas de iluminación son difíciles de alinear con alta precisión y cada una permite solamente unas pocas configuraciones de geometría de iluminación adicionales. Un método de imágenes confocales y un dispositivo que

adicionalmente provee ajustes en tiempo real flexibles y precisos controlados electrónicamente a la geometría de iluminación utilizando una ruta de iluminación común y que sea compacta, robusta, confiable y efectiva en costes seria apreciada.

En un sistema de imágenes confocales con microscopio de arreglo programable (PAM), el patrón de iluminación incidente sobre el objetivo es ajustable utilizando un modulador de luz espacial, tal como un arreglo de microespejos digital o una pantalla de cristal líquido. En esta configuración, una imagen confocal es construida a partir de múltiples marcos que son adquiridos mientras que el objetivo es iluminado con una serie de patrones de red de puntos alternantes o seudoaleatorios. La luz que retorna del objetivo es filtrada espacialmente mediante el modulador de luz espacial y el obturador global CCD; solamente los píxeles de sensor conjugados a los píxeles que están "sobre" el arreglo de microespejos se utilizan para construir la imagen final. Se ha reportado que un sistema de imágenes de espéculo por contraste de láser con un modulador de luz espacial y un sensor CMOS mide cambios en el flujo sanguíneo. Este sistema utiliza una rata de marco modulador de luz espacial que es muchas veces más lenta que la del sensor. Esto evita que el modulador de luz espacial proyecte rápidamente una secuencia de líneas de iluminación estrechas que podrían sobreponerse continuamente con el obturador de persiana durante un marco individual. Adicionalmente, tal como se reporta, este sistema no utiliza el obturador de persiana del sensor CMOS como una apertura confocal; el sensor de CMOS podría ser sustituido por un obturador global CCD y alcanzar sustancialmente el mismo rendimiento.

Se han implementado sistemas PAM para microscopía fluorescente usando dos detectores de arreglo de píxeles para recolectarlos ambos en la luz en foco y fuera de foco que se dispersa desde un objetivo. En estos sistemas, la orientación "fuera de" y "sobre" de los elementos del arreglo de microespejos se utiliza para dirigir la luz dispersada desde el objetivo a cada uno de los dos detectores. Un PAM basado en fluorescencia también ha sido implementado en el cual la luz dispersada es filtrada espacialmente con un cable de fibra óptica y medida utilizando un espectrómetro para imágenes hiperespectrales y de tiempo de vida de la fluorescencia.

La capacidad de los moduladores de luz espacial para cambiar rápidamente el patrón de modulación utilizado para iluminar un objeto los hace bien adecuados para aplicaciones de iluminación con luz estructurada, tales como profilometría de medición en fase y microscopía de proyección periférica, en las cuales una serie de imágenes tomadas con periferias de iluminación periódicas pueden ser utilizadas para llevar a cabo la filtración espacial. En estos sistemas, la imagen confocal se logra con un sensor CCD de obturador global. El uso de un modulador de luz espacial es particularmente atractivo debido a su capacidad para cambiar la frecuencia y forma de la iluminación con luz estructurada en tiempo real. Aunque los moduladores... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de generación de imágenes digital, que comprende:

un proyector de luz digital que incluye un arreglo de microespejos, siendo el proyector de luz digital operable en un modo de iluminación de luz estructurada que es capaz de convertir una pluralidad de valores de brillo de color o escala de grises que tienen una primera rata de marco hasta un número limitado de valores de brillantez que tienen una segunda rata de marco que excede la primera rata de marco;

un detector de arreglo de píxeles que tiene una funcionalidad de obturador de persiana; y

al menos una señal de temporización configurada para controlar una relación espacial-temporal entre un obturador de persiana del detector de arreglo de píxeles y uno o más patrones de iluminación provistos por el proyector de luz digital en la segunda rata de marco.

2. El dispositivo de la reivindicación 1, en donde el detector de arreglo de píxeles es un sensor de semiconductor complementario de óxido metálico ("CMOS").

3. El dispositivo de cualquier reivindicación precedente, que comprende adicionalmente uno o más proyectores de luz adicionales.

4. El dispositivo de cualquier reivindicación precedente, en donde el obturador de persiana del detector de arreglo de pixeles está configurado para llevar a cabo al menos una de las siguientes funciones de filtración:

a) una filtración espacial de al menos una luz que retorna de un objetivo y luz que pasa a través del objetivo;

b) filtrar al menos uno del ángulo de luz que retorna del objetivo y el ángulo de luz que pasa a través del objetivo;

c) filtrar espacialmente los componentes de polarización separados de al menos una luz que retorna del objetivo y de la luz

que pasa a través del objetivo; y

d) filtrar componentes de frecuencia separados espacialmente de al menos una luz que retorna del objetivo y de luz que pasa a través del objetivo.

5. El dispositivo de la reivindicación 4, que comprende adicionalmente un material anisotrópico configurado para separar espacialmente los componentes de polarización de luz que retorna del objetivo.

6. El dispositivo de la reivindicación 4, que comprende adicionalmente un componente de dispersión configurado para separar espacialmente los componentes de frecuencia de la luz que retorna del objetivo.

7. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, que comprende adicionalmente uno o más detectores de arreglo de píxeles adicionales teniendo cada uno una funcionalidad de obturador de persiana, en donde el uno o más detectores de arreglo de píxeles tiene cada uno un obturador de persiana configurado para llevar a cabo una o más de las funciones de filtración.

8. El dispositivo de cualquier reivindicación precedente, que comprende adicionalmente un controlador de fuente de onda configurado para modificar un frente de onda de luz que retorna desde el objetivo.

9. El dispositivo de cualquier reivindicación precedente, que comprende adicionalmente una o más aperturas o filtros configurados para restringir al menos parcialmente la luz que viaja desde el proyector de luz a un objetivo o la luz que viaja desde el objetivo al detector de arreglo de píxeles.

10. Un método para generación de imágenes digitales, comprendiendo el método las etapas de:

operar un proyector de luz digital en un modo de iluminación con luz estructurada para producir uno o más patrones de iluminación durante una exposición marco de un detector de arreglo de píxeles que tiene una funcionalidad de obturador de persiana, en donde el proyector digital de luz incluye un arreglo de microespejos, y en donde el modo de iluminación con luz estructurada es capaz de convertir una pluralidad de valores de brillantez de color o de escala de grises que tiene una primera rata de marco a un número limitado de valores de brillantez que tiene una segunda rata de marco que excede la primera rata de marco;

detectar luz desde el uno o más patrones de iluminación producidos sobre un objetivo;

dirigir luz desde el objetivo al detector de arreglo de píxeles que tiene funcionalidad de obturador de persiana; y

utilizar al menos una señal de temporización para controlar una relación espacial-temporal entre un obturador de persiana del detector de arreglo de píxeles y el uno o más patrones de iluminación provistos por el proyector de luz digital en la segunda rata de marco.

11. El método de la reivindicación 10, que comprende adicionalmente usar el obturador de persiana del detector de arreglo de píxeles para llevar a cabo al menos una de las siguientes funciones de filtración:

a) filtración espacial de al menos una de la luz que retorna del objetivo y la luz que pasa a través del objetivo;

b) filtrar al menos uno del ángulo de luz que retorna del objetivo y el ángulo de luz que pasa a través del objetivo;

c) filtrar espacialmente los componentes de polarización separados de al menos uno de la luz que retorna del objetivo y la luz que pasa a través del objetivo; y

d) filtrar espacialmente componentes de frecuencia separados de al menos una de la luz que retorna del objetivo y la luz que pasa a través del objetivo.

12. El método de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente utilizar un material anisotrópico para separar espacialmente los componentes de polarización de luz que retornan del objetivo.

13. El método de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente utilizar un componente de dispersión para separar espacialmente los componentes de frecuencia de la luz que retorna del objetivo.

14. El método de la reivindicación 11, que comprende adicionalmente utilizar uno o más detectores de arreglo de píxeles adicionales teniendo cada uno funcionalidad de obturador de persiana para llevar a cabo una o más de las funciones de filtración.

15. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en donde la etapa de dirigir el uno o más patrones de iluminación producidos sobre el objetivo comprende establecer una relación conocida entre un patrón de iluminación y el ángulo de luz dirigida sobre el objetivo.

16. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, en donde la etapa de dirigir la luz desde el objetivo al detector de arreglo de píxeles comprende dirigir la luz desde el objetivo a un sensor semiconductor complementario de óxido metálico ("CMOS") con funcionalidad de obturador de persiana.

17. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 16, en donde una porción de la luz que es dirigida desde el proyector de luz digital al objetivo es dirigida a un camino de referencia de longitud de camino óptica conocida.

18. El método de la reivindicación 17, en donde una porción de luz del camino de referencia es dirigida al detector de arreglo de píxeles.

19. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 18, que comprende adicionalmente utilizar un controlador de frente de onda para modificar un frente de onda de luz que retorna desde el objetivo.

20. El método de la reivindicación 19, en donde una porción de luz dirigida desde el objetivo al detector de arreglo de píxeles es dirigida a un detector de frente de onda.

21. El método de la reivindicación 20, que comprende adicionalmente utilizar datos del frente de onda obtenidos por el detector de frente de onda para modificar el frente de onda de luz que retorna del objetivo utilizando el controlador de frente de onda.

22. El método de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 21, que comprende adicionalmente utilizar datos de imágenes obtenidos por el detector de arreglo de píxeles para ajustar uno o más de los siguientes:

(a) un patrón de iluminación producido por el proyector de luz digital;

(b) sincronización de temporización entre el patrón de iluminación y el obturador de persiana del detector de arreglo de píxeles;

(c) parámetros de operación del detector de arreglo de píxeles, siendo seleccionados los parámetros de operación entre rata de marco, ganancia, anchura de obturador de persiana y región de píxeles de interés; y

(d) parámetros de operación de una o más fuentes de luz, siendo seleccionados los parámetros de operación de guía de

corriente, guía de frecuencia, guía de fase, guía de anchura de pulso y ciclo debido.