Sistema compacto de medición óptica con placa discretizada.

Sistema compacto de medición óptica con placa discretizada.

La invención se refiere a un sistema compacto para mediciones ópticas que comprende:

una fuente de luz y una matriz de detección, medios para conformar el haz de luz procedente de la fuente sobre una placa entre la fuente y la matriz de detección, comprendiendo la placa una superficie discretizada dividida espacialmente en una pluralidad de regiones (R) que comprenden un elemento de forma geométrica, en la que cada región cumple la condición 2z sen-1(λ/S) menor d en la que z es la distancia entre el detector y la placa, d es el paso entre elementos, λ es la longitud de onda de la luz procedente de la fuente, S es la longitud del lado menor de un elemento y en la que el área A de cada elemento dentro de la región varía desde 1 μm2 hasta 10.000 μm2, y medios para procesar las señales en la matriz de detección y extraer la información de la fase. La invención puede ser usada fuentes coherentes y parcialmente coherentes, siendo por tanto más económica, más compacta y sin necesidad de técnicas de multiplexado optomecánico para la adquisición de los datos.

Sistema compacto de medición óptica con placa discretizada Campo de la invención

La presente invención se refiere a un sensor óptico, y particularmente a un procedimiento y a un sistema que incorpora una placa discretizada diseñada para estudiar simultáneamente pequeñas cantidades de diferentes sustancias usando una matriz de sensor de imágenes.

Estado de la técnica

Los interferómetros ópticos para la caracterización de sustancias proporcionan información detallada sobre propiedades ópticas. Esta técnica se basa en el cambio de fase de la onda de luz sobre las sustancias como principio metrológico fundamental. La fase está incluida dentro de la dependencia de un seno o un coseno de la intensidad, medida mediante un detector óptico, y debe ser extraída mediante un proceso que es más complejo que una simple imagen de la intensidad, por ejemplo, cambiando la fase de una forma controlada y registrando la variación de la intensidad de los múltiples valores del cambio de fase. Los inconvenientes de los diseños por interferometría para la caracterización de sustancias incluyen el coste de la óptica de alineación y de la fuente de láser, su crítico posicionamiento y el largo procedimiento de extracción de la información de la fase, mediante un análisis de franjas o un recuento de franjas.

El análisis de la imagen es la extracción de información significativa a partir de las imágenes, principalmente a partir de imágenes digitales, mediante técnicas de procesado de las mismas. El análisis de la imagen implica dos procesos, a saber, la extracción de las características y la clasificación de los patrones. La extracción de las características consiste en adquirir información de la imagen de alto nivel, tal como información sobre la forma o el color. La clasificación de los patrones es el acto de tomar esta información de alto nivel que identifica a los objetos dentro de una imagen. Los algoritmos de clasificación de patrones más disponibles se clasifican en diferentes tipos como algoritmos adaptativos, redes de trabajo neurales y algoritmos genéticos.

La FIG. 1 es un ejemplo de un dispositivo habitual para obtener imágenes de una sustancia general. Una fuente de luz (A1), tal como un LED, emite un haz óptico que es perfilado adecuadamente por un sistema de lente (A2) para que incida sobre una sustancia general (A3). La sustancia introduce variaciones en el campo óptico sobre el frente de onda incidente. Después de la difracción, el frente de onda es convenientemente ampliado por un sistema de lente (A4), para que coincida con el área de registro activo de una matriz de detección (A5). Los píxeles de la matriz de detección (A5) adquieren puntos de datos de intensidad para formar una imagen.

La información óptica cuantitativa de una sustancia puede medirse a partir de al menos un patrón de difracción de la intensidad. Operando sobre las imágenes de intensidad registradas se reconstruye el frente de onda óptico en la sustancia. La estimación de las características ópticas introducidas por la sustancia se calcula partiendo del frente de onda reconstruido. Adicionalmente, mediante la aplicación de procedimientos similares y la adquisición de varias mediciones de intensidad, puede realizarse una imagen en 3D de la sustancia. Estos procedimientos generales de imágenes aspiran a medir cualquier sustancia general cuando no hay disponible ningún conocimiento previo de la misma.

La interrogación de un gran número de sustancias distribuidas a través de una superficie con la precisión y la velocidad deseadas representa un reto significativo y costoso usando las técnicas existentes. Los procedimientos que proporcionan simultáneamente la capacidad de conseguir un campo de visión amplio y una elevada resolución son adecuados para la medición multiplexada. La medición multiplexada representa un registro simultáneo de datos para un

conjunto de sustancias X (véase el documento US2011/0292401) en una matriz de detección óptica de M x N, por ejemplo, un sensor de imágenes. Sin embargo, el multiplexado a menudo requiere complejos sistemas opto-mecánicos que son costosos y complicados. Existe la necesidad de un sistema y de un procedimiento para caracterizar simultáneamente pequeñas cantidades de diferentes sustancias que pueda usarse tanto con fuentes coherentes como parcialmente coherentes, más económico, más compacto y sin la necesidad de técnicas de multiplexado opto-mecánico para la adquisición de datos.

Objeto de la invención

Con objeto de resolver los problemas técnicos mencionados anteriormente, la presente invención proporciona un sistema compacto para mediciones ópticas que comprende: una fuente de luz y una matriz de detección, medios para conformar el haz de luz procedente de la fuente sobre una placa entre la fuente y la matriz de detección, comprendiendo la placa una superficie discretizada dividida espacialmente en una pluralidad de regiones que comprenden cada una un elemento de forma geométrica, en los que cada región cumple la condición 2zSen-`a/í) < d en la que z es la distancia entre el detector y la placa, d es el paso entre elementos, A es la longitud de onda de la luz procedente de la fuente, siendo S la longitud del lado menor de una forma de un elemento y en la que el área A de cada elemento dentro de la región varía desde 1 p,m2 hasta 10.000 p,m2, un medio de procesado para procesar las señales en la matriz de detección y extraer la información de la fase que comprende un medio óptico y mecánico para permitir un cambio en el camino óptico, de forma que puedan registrarse diferentes patrones de intensidad. El paso entre elementos adyacentes (d) tiene ventajosamente una longitud que varía entre 10 |xm y 500 pin, la fuente es preferiblemente un LED o un LD, y los elementos pueden funcionalizarse de forma que a ellos se adhieran de forma selectiva solo ciertas sustancias objetivo.

Breve descripción de los dibujos

Para completar la descripción, y con objeto de aportar una mejor comprensión de la invención, se proporciona un conjunto de dibujos. Dichos dibujos ilustran una forma de realización preferida de la invención, que no debería interpretarse como restrictiva del ámbito de la invención, sino sólo como un ejemplo de cómo puede realizarse la invención. Los dibujos comprenden las siguientes Figuras:

La FIG. 1 es un ejemplo de una forma de realización de la técnica anterior de un dispositivo óptico usado para medir las propiedades ópticas de un objeto;

La FIG. 2 es un diagrama de un sistema según una forma de realización de la placa discretizada;

La FIG. 3 es un esquema de una forma de realización de una placa discretizada, para la detección de objetos pequeños o de pequeñas cantidades de masa;

La FIG. 4 es una representación de diferentes patrones de difracción a partir de una placa discretizada, registrados en la matriz de detección;

Las FIGS. 5A - 5C muestran los patrones de intensidad de difracción registrados para fuentes de luz roja, verde y azul (reproducidos aquí en imágenes en escala de grises), para una placa discretizada de prueba.

Las FIGS. 5D - 5E muestran la intensidad y la fase recuperadas, respectivamente, para una placa discretizada de prueba.

La FIG. 6 es un diagrama de flujo que ilustra cómo puede extraerse la información de la fase a partir de una sustancia sobre un elemento de la placa discretizada.

Descripción de la invención

La invención se basa en una placa transparente discretizada, es decir, dividida en partes discretas que forman múltiples regiones, comprendiendo cada región un elemento de forma geométrica determinada que contiene una sustancia que se va a analizar.

La placa discretizada se usa en un sistema de medición de las propiedades ópticas de las sustancias. La placa discretizada permite una recuperación más fiable y rápida de información, para determinar las propiedades ópticas de las sustancias, por ejemplo, la fase introducida por dicha sustancia analizada. La placa discretizada amplifica y mejora significativamente la velocidad y el rendimiento de los sistemas de interrogación de sensor, y también reduce su coste. La invención puede emplearse para medir fácilmente las propiedades ópticas de las sustancias, y es simple en términos de componentes ópticos, mientras que es fácilmente reconfigurable en términos de algoritmos de análisis computerizado de las señales de imagen.

La obtención de imágenes de una sustancia general, para la cual no hay disponible un conocimiento de información inicial, es computacionalmente exigente, y por lo tanto, difícil de recuperar cuantitativamente. Para simplificar y mejorar significativamente la extracción de información,...

1. Sistema compacto para mediciones ópticas que comprende:

a) una fuente de luz y una matriz de detectores;

b) medios para conformar el haz de luz procedente de la fuente sobre una placa situada 5 entre la fuente y la matriz de detección;

c) donde la placa comprende una superficie discretizada dividida espacialmente en una pluralidad de regiones, estando cada región provista de un elemento de una forma geométrica, en la que cada región cumple la condición 2zS*r-io/.s)<a en la que z es la distancia entre el detector y la placa, d es el paso entre elementos, X es la longitud de onda

de la luz procedente de la fuente, S es la longitud del lado menor del elemento y donde el área A de cada elemento dentro de la región varía desde 1 pm2 hasta 10.000 pm2;

d) medios para procesar las señales en la matriz de detección y extraer la información de la fase.

2. Sistema según la reivindicación 1 que comprende adicionalmente medios ópticos y 15 mecánicos para permitir un cambio en el camino óptico tal que puedan registrarse diferentes

patrones de difracción.

3. Sistema según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el paso entre elementos adyacentes (d) tiene una longitud que varía entre 10 pm y 500 pm.

4. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la fuente es un LED o 20 un LD.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que los elementos están funcionalizados de forma que solo determinadas sustancias objetivo se adhieren a los mismos.