ES2324301T3 - Cabezal optico en miniatura de barrido integrado para la realizacion de una imagen confocal homogenea, y sistema de formacion de la imagen confocal que utiliza dicho cabezal. - Google Patents
Cabezal optico en miniatura de barrido integrado para la realizacion de una imagen confocal homogenea, y sistema de formacion de la imagen confocal que utiliza dicho cabezal. Download PDFInfo
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Abstract
Cabezal óptico confocal en miniatura (4) para un sistema de formación de imagen confocal, en particular endoscópica, comprendiendo dicho cabezal (4): - una fuente puntual para producir un haz luminoso (13), y - una lente bola (12) dispuesta en el extremo del cabezal óptico (4), para hacer converger dicho haz luminoso (13) en un punto de excitación (19) situado en un campo observado (14) subsuperficial de una muestra (15), estando la abertura numérica de esta lente y las dimensiones de la fuente puntual adaptadas para asegurar la confocalidad del conjunto, caracterizado porque comprende además unos medios de barrido (10, 21, 22) para desplazar la fuente puntual en rotación según dos ejes que pasan por el centro de la lente bola, de manera que el punto de excitación (19) barra dicho campo observado, estando esta lente bola (12) parcialmente dispuesta en el exterior del cuerpo (16) que constituye el cabezal óptico (4) de manera que cuando este cabezal óptico (4) es colocado sobre la muestra (15), la parte exterior de la lente bola constituye una protuberancia que se hunde en la muestra (15).
Description
Cabezal óptico en miniatura de barrido integrado
para la realización de una imagen confocal homogénea, y sistema de
formación de la imagen confocal que utiliza dicho cabezal.
La presente invención se refiere a un cabezal
óptico en miniatura con barrido integrado para la realización de
una imagen confocal homogénea, así como a un sistema de formación de
la imagen confocal que utiliza este cabezal óptico.
La invención encuentra una aplicación
particularmente interesante en el campo de la formación de la imagen
confocal de alta resolución, que permite observar y analizar un
tejido biológico in vivo in situ, en particular a
través del canal operador de un endoscopio (diámetro interior
comprendido entre 2 y 3 mm) o con un cabezal óptico integrado en el
endoscopio. La invención puede aplicarse asimismo a los campos de
la dermatología o de la ginecología que necesitan una
miniaturización menos elevada del cabezal óptico, o también en el
campo de los análisis biológicos in situ, sobre el hombre o
sobre el animal pequeño.
Según un primer tipo de sistema, descrito en
particular en la solicitud de patente WO 00/16151, se utiliza una
guía de imagen, constituida por un haz de fibras ópticas flexibles,
que comprende en su extremo distal un cabezal óptico de enfocado
destinado a entrar en contacto con la muestra a analizar. Los medios
de barrido del haz de excitación están situados en el extremo
proximal de la guía de imagen previstos para barrer por turno las
fibras. El carácter confocal reside en este caso en particular en el
hecho de que la misma fibra óptica de la guía es utilizada para
conducir la señal de excitación y la señal de retorno emitida. Este
tipo de sistema presenta la ventaja de un cabezal óptico
simplificado desde el punto de vista mecánico y que comprende así
esencialmente unos medios ópticos de enfocado que pueden ser
miniaturizados. En contrapartida, adolece de ciertos
inconvenientes, ligados a la utilización de una matriz de fibras
ópticas, en particular el problema del muestreado del tejido
(continuidad entre los puntos de excitación que corresponden a la
iluminación de una fibra), el problema de la inyección de las
fibras una a una y de las reflexiones parásitas a la entrada y a la
salida de la guía de imagen en los que se refiere en particular a la
retrodifusión, el tratamiento sofisticado informático de la imagen
necesario para corregir a continuación el motivo de las fibras sobre
la imagen, etc.
Según otro tipo de sistema conocido, los medios
de barrido del haz están situados en el cabezal óptico en el
extremo distal de una única fibra óptica flexible. El carácter
confocal se obtiene en este caso gracias al hecho de que la fibra
óptica se utiliza para conducir la señal de excitación y de retorno
emitida con un diámetro de núcleo de la fibra y una abertura
digital apropiados.
Los inconvenientes de este tipo de sistema están
entonces esencialmente ligados a las dificultades para miniaturizar
el cabezal, a la red productibilidad y a la fiabilidad de los medios
mecánicos utilizados para realizar el barrido del haz emergente de
la fibra óptica.
El documento US nº 6.091.067 describe un sistema
de barrido en el que una fibra óptica está fijada a dos calas
piezoeléctricas bimorfas, una de las calas está dispuesta en la
dirección axial de la fibra y la otra en la dirección perpendicular
al eje óptico. Las calas, para ofrecer un desplazamiento apropiado
con respecto al campo de observación, deben presentar una longitud
determinada. Perpendicularmente al eje de la fibra óptica, esta
limitación de longitud conduce de hecho a un diámetro del cabezal
óptico demasiado importante para las aplicaciones in vivo
in situ previstas según la presente invención.
Varios documentos describen unos cabezales
ópticos miniaturizados confocales que utilizan unos microespejos de
tipo micromecánicos (MEM).
La solicitud de patente US 2002/0018276 describe
un sistema confocal en miniatura que utiliza una fibra óptica. La
luz que sale de la fibra es reflejada sobre la parte metalizada de
una lente. Esta luz pasa a continuación a reflejarse sobre un
microespejo MEM en dos dimensiones que rodea la fibra. La luz es
entonces enviada hacia la muestra a través de un sistema óptico. La
luz que vuelve de la muestra sigue el camino inverso y pasa de
nuevo por la fibra que sirve de filtrado espacial. El sistema es en
miniatura, presentando 2 mm de diámetro y 2,5 mm de longitud.
Las patentes US nº 6.154.305, US nº 6.088.145,
US nº 6.007.208, US nº 5.907.425, US nº
5.742.419, US nº 6.172.789 y US nº 6.057.952 describen un cabezal
confocal en el que el barrido del campo de observación se realiza
mediante dos microespejos MEM pivotados electroestáticamente. El
cabezal propuesto es miniaturizable pero en contrapartida ofrece un
campo de observación de 60x60 \mum demasiado pequeño con respecto
a las aplicaciones previstas según la invención que corresponden a
un campo como mínimo de 100 x 100 \mum para poder observar por
ejemplo varios núcleos celulares de 5 \mum de diámetro separados
en general por varias decenas de \mum. Por otra parte el número
de imágenes por segundo de 5 a 8 aún es insuficiente para una
formación de la imagen en tiempo real (que necesita un mínimo de 10
a 12 imágenes por segundo en el modo más lento de 640 líneas). Por
otra parte también, para algunos de ellos, el campo de observación
se encuentra paralelo al eje de la fibra óptica, lo que puede
conducir a unas dificultades prácticas de utilización (posicionado
correcto de la sonda).
De manera general, el cambio de dirección del
haz óptico por unas reflexiones sucesivas sobre unos microespejos
provoca unas aberraciones ópticas, en particular la distorsión o la
curvatura de campo, que es necesario corregir.
El documento US nº 6.294.775 da a conocer un
sistema endoscópico en miniatura que utiliza una fibra óptica
puesta en resonancia según dos ejes. Una óptica permite enfocar el
haz que sale de la fibra en la muestra. El barrido tiene la
particularidad de ser realizado en espiral. Sin embargo, las
imágenes obtenidas conservan una calidad no homogénea en todo el
campo de observación.
Los documentos US nº 6.485.413 B1 y US
2001/0055462 A1 describen unos cabezales de barrido.
La presente invención tiene por objetivo evitar
los inconvenientes citados proponiendo un sistema que permite
obtener unas imágenes homogéneas en todo el campo.
Otro objetivo de la invención es proponer un
cabezal suficientemente miniatura para ser integrado en el canal
operador de un endoscopio por ejemplo.
La invención tiene asimismo por objeto un
sistema apropiado para realizar una imagen en tiempo real (por lo
menos 10 imágenes por segundo) y cubrir un campo a visualizar del
orden como mínimo de 100 \mum x 100 \mum y preferentemente de
150 \mum x 150 \mum.
Se alcanza por lo menos uno de los objetivos
citados con un cabezal óptico confocal en miniatura según la
reivindicación 1 para un sistema de formación de imagen confocal, en
particular endoscópico, comprendiendo dicho cabezal una fuente
puntual para producir una haz luminoso. Según la invención dicho
cabezal óptico comprende además:
- -
- una lente bola dispuesta en el extremo del cabezal óptico, preferentemente parcialmente en el exterior, para hacer converger el haz luminoso en un punto de excitación situado en un campo observado subsuperficial de una muestra, estando la abertura digital de esta lente y las especificaciones (diámetro y abertura numérica) de la fuente puntual adaptadas para asegurar la confocalidad del conjunto, y
- -
- unos medios de barrido para desplazar la fuente puntual en rotación de manera que el punto de excitación barra el campo observado.
El barrido consiste en unos movimientos de
rotación según dos ejes que pasan por el centro de la lente
bola.
La lente bola permite enfocar el haz láser en el
interior de la muestra. La misma presenta numerosas ventajas:
- -
- una simetría esférica: esta simetría asociada a un barrido en rotación permite obtener una imagen homogénea puesto que las aberraciones permanecen constantes en todo el campo, contrariamente a la mayor parte de los dispositivos de la técnica anterior,
- -
- abertura numérica importante (ON=1 en el aire):esta gran abertura numérica permite recoger un máximo de fotones que proceden del plano de enfocado, y al estar asociada al pequeño diámetro de la fuente puntual, permite asegurar una buena confocalidad para el conjunto del sistema,
- -
- pequeño diámetro: el diámetro de las lentes bola puede variar de algunas decenas de micrómetros a algunas decenas de milímetros, debiendo este diámetro que dimensionará el sistema ser elegido en función del tamaño del campo a observar y del lugar que se desea estudiar para conferirle un carácter un invasivo,
- -
- facilidad de montaje: sin problemas de inclinación con una lente bola que se debe colocar en un cabezal cilíndrico.
Con el cabezal óptico según la invención, se
alcanza una miniaturización suficiente. En efecto, la utilización
de una lente bola y de una fuente puntual, a partir de una sola
fibra óptica por ejemplo, permite reducir el volumen del sistema, y
por tanto el diámetro total conservando al mismo tiempo una gran
abertura numérica sobre la muestra y un criterio muy bueno de
confocalidad.
El carácter confocal y la homogeneización de las
aberraciones en el campo son necesarios para obtener una imagen de
buena calidad y que no presente diferencias entre centro y borde del
campo ligadas al dispositivo óptico.
Según una primera variante de la invención,
cuando tiene lugar el barrido, la fuente puntual pivota
independientemente de la lenta bola. En este caso, la distancia
entre la fuente puntual y el centro de la lente bola se mantiene
constante de manera que el campo observado es curvo. Los medios de
barrido actúan por tanto directamente sobre la fuente puntual
desplazándola según unos movimientos de rotación alrededor de un
hemisferio de la lente bola. Esta última puede ventajosamente
permanecer fija.
Según una segunda variante de la invención,
cuando tiene lugar el barrido, la fuente puntual es solidaria de la
lente bola. Esta última puede por tanto pivotar según dos ejes que
pasan por su centro. Ventajosamente, los medios de barrido pueden
actuar directamente sobre la lente bola. Se puede prever asimismo
una acción sobre la lente bola y sobre la fuente puntual. En este
caso particular de modo de barrido en el que la lente bola pivota,
esta lente bola debe deslizar sobre la muestra puesto que se
desplaza con respecto a ésta para realizar la imagen. Esto supone
por tanto que la muestra permanece fija con respecto al cabezal y
más particularmente con respecto a la lente bola. Para ello, el
cabezal óptico según la invención puede comprender ventajosamente
unos medios para llevar un líquido entre la superficie exterior de
la lente bola y la muestra de manera que facilite el deslizamiento
de la lente bola sobre la muestra. Este líquido puede por ejemplo
consistir en una película de agua llevada a través del cabezal
óptico o formada de forma natural. De otra manera, se puede prever
una fina lámina curva rígida, a modo de claraboya ideada para
permitir que la lente bola se deslice sobre la muestra.
Preferentemente, el cabezal óptico puede
comprender además unos medios ópticos correctores solidarios de la
fuente puntual y dispuestos entre esta fuente puntual y la lente
bola para corregir unas aberraciones residuales de la lente
bola.
Así, según el primer modo de barrido en el que
la lente bola puede permanecer fija, la fuente puntual es solidaria
de la óptica correctora y ambas pivotan según dos ejes de rotación
\theta y \phi con respecto a la lente bola. La distancia entre
la óptica correctora y la lente bola se mantiene constante en el
curso del tiempo. Según el segundo modo de barrido, el conjunto
fuente puntual + óptica correctora + lente bola pivota según dos
ejes de rotación \theta y \phi con el centro de la lente bola
por centro de rotación. En este caso, la óptica correctora y la
lente bola pueden estar pegadas.
En estos dos casos, los medios de barrido
comprenden ventajosamente unos medios para realizar unos barridos
según los dos ejes de rotación de la lente bola \theta y \phi de
manera que se obtenga una imagen bidimensional en tiempo real. Se
prevé entonces un barrido con una frecuencia sustancialmente de 4
kHz según una dirección con el fin de asegurar una cadencia de 10 a
12 imágenes.
Por otra parte, los medios de barrido están
adaptados para soportar el desplazamiento de la fuente puntual y de
uno o varios sistemas ópticos (óptica correctora sola u óptica
correctora + lente bola). El barrido micromecánico puede ser
efectuado por medio de micromotores, de sistemas piezoeléctricos, o
de MEM con cualquier tipo de accionamiento previsible:
electroestático, magnético, térmico, etc. Estos medios de barrido
son ajustados con precisión con el fin de efectuar un barrido en un
plano hemisférico que preferentemente sigue perfectamente la
superficie de la lente bola. El campo visualizado es así curvo.
Según un modo de realización preferido de la
invención, el cabezal óptico comprende la parte terminal de una
fibra óptica adaptada para conducir el haz luminoso desde una fuente
exterior, emergiendo el haz luminoso de la fibra que constituye la
fuente puntual. La fibra óptica es preferentemente monomodo con un
diámetro de núcleo y una abertura numérica que permiten un filtrado
espacial de la señal de retorno y por tanto que asegura la
confocalidad del cabezal.
En otros términos, la fibra óptica es monomodo
longitudinal para permitir al mismo tiempo que la iluminación de la
muestra sea lo más homogénea posible y que el filtrado espacial al
retorno sea el mejor posible. La abertura numérica de la fibra
óptica puede ser variable y elegida en función de la ampliación que
se desea dar al dispositivo con el fin de optimizar el flujo de
excitación.
Según una variante, la fuente puntual está
constituida por una fuente láser de tipo VCSEL, que presenta una
abertura numérica y un diámetro de salida de cavidad compatible con
un sistema confocal, y asociada a un detector dispuesto detrás de la
cavidad del VCSEL.
Según otro aspecto de la invención, se ha
propuesto un sistema de formación de la imagen confocal que
comprende:
- -
- un cabezal óptico confocal con barrido integrado tal como el definido anteriormente;
- -
- una fuente adaptada para emitir un haz luminoso;
- -
- unos medios de detección de una señal emitida;
- -
- unos medios electrónicos e informáticos de mando y de tratamiento de la señal emitida adaptados para reconstruir una imagen confocal de un campo visualizado.
El sistema puede comprender además una fibra
óptica conectada a una fuente láser y unos medios de acoplamiento
para acoplar dicha fibra con la fibra óptica de transporte hasta y
desde el cabezal óptico y una fibra de transporte de la señal
emitida hasta los medios de detección.
Según la invención, cuando el cabezal óptico
comprende una fuente láser VCSEL y un detector integrado, el
sistema comprende unos medios de conexión flexible entre el cabezal
óptico y los medios de tratamiento de señal.
Otras ventajas y características de la invención
se pondrán más claramente de manifiesto a partir del examen de la
descripción detallada de un modo de realización en modo alguno
limitativo, y de los planos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es un esquema general de un
ejemplo de sistema de formación de la imagen confocal fibrada que
utiliza el cabezal en miniatura según la invención;
- la figura 2 es una vista en sección lateral de
un cabezal en miniatura según un primer ejemplo de realización;
- la figura 3 es una vista en sección del
cabezal en miniatura de la figura 2 para dos posiciones distintas
de barrido;
- la figura 4 es una vista en sección lateral de
un cabezal en miniatura según un segundo ejemplo de realización;
y
- la figura 5 es una vista en sección del
cabezal en miniatura de la figura 4 para dos posiciones distintas
de barrido.
La figura 1 representa esquemáticamente un
sistema de formación de la imagen confocal fibrado que puede incluir
un cabezal en miniatura según la invención.
El sistema comprende una fuente 1, por ejemplo
una fuente láser, adaptada para emitir una señal de excitación con
una longitud de onda capaz de generar en una muestra una señal de
retorno de fluorescencia o de retrodifusión, siendo dicha señal
transportada por una primera fibra óptica monomodo 2a hasta unos
medios de acoplamiento 3, por ejemplo un acoplador 50/50 de fibra,
previstos para dirigir la señal de excitación que procede de la
fuente 1 a una fibra óptica monomodo 2b en el extremo de la cual se
encuentra el cabezal óptico en miniatura 4 según la invención y
para dirigir la señal de retorno que procede del lugar excitado
hacia unos medios de detección 5, por ejemplo un fotodetector, con
la ayuda de una tercera fibra óptica monomodo 2c. El sistema
comprende una unidad completa 9 de mando electrónico e informático
dotada de los medios electrónicos 6 de control, de mando y de
sintonización, que permiten mandar la fuente 1, los medios de
barrido del cabezal óptico 4 y los medios de detección 5, de manera
sincronizada, a fin de conocer en particular el emplazamiento de la
señal en la muestra para permitir la construcción de una imagen en
tiempo real. La unidad 9 comprende además unos medios electrónicos
7 de amplificación, de conformado y de conversión A/D de la señal
detectada por los medios de detección 5, unos medios informáticos 8
que comprenden una tarjeta de adquisición, una tarjeta gráfica y
unos medios de visualización de las imágenes obtenidas.
Este sistema funciona globalmente de la manera
siguiente: el cabezal óptico en miniatura 4 es puesto en contacto
con una muestra a analizar, por ejemplo a través del canal operador
de un endoscopio. La fuente 1 envía una señal de excitación o haz
láser con una longitud de onda elegida en la porción de fibra 2a. El
acoplador 3 dirige la señal de excitación a la porción de fibra 2b
que conduce la señal al cabezal óptico 4 donde es barrida y
enfocada sobre una superficie de análisis (o campo de análisis) con
una profundidad determinada en la muestra. Una señal de retorno
salida de la superficie barrida en la muestra sigue el camino
inverso de la señal de excitación hasta el acoplador 3: es captada
por los medios ópticos del cabezal óptico 4, reacoplada en la
porción de fibra 2b, y después dirigida por el acoplador 3 a la
porción de fibra 2c hacia el detector 5. La señal detectada es
amplificada y convertida en una señal numérica, después tratada de
forma informática para constituir un elemento de imagen visualizada
en tiempo real.
El cabezal en miniatura según la invención se
describirá ahora con mayor detalle haciendo referencia a los
ejemplos de realización elegidos y representados en las figuras 2 a
5.
En las figuras 2 y 3, se distingue un primer
modo de realización del cabezal óptico 4 según la invención. Este
cabezal 4 es una estructura mecánica de soporte constituida por un
cuerpo hueco 16, por ejemplo un portaópticas tubular abierto en un
primer extremo 17 y cerrado de forma estanca en un segundo extremo
18. La fibra óptica 2b penetra hasta el cabezal 4 a través de la
abertura 17. El extremo de la fibra óptica 2b es solidario de una
óptica correctora 11.
En el eje del haz láser 13 que sale de la fibra
óptica 2b, después de la óptica correctora 11, se encuentra una
lente bola 12 que permite enfocar este haz láser en un punto de
excitación, el spot 19, situado en la muestra 15, que es por
ejemplo el tejido de un organismo vivo. La óptica correctora y la
lente bola permiten enfocar la luz con la profundidad de algunas
decenas de micrones en la muestra.
La luz salida del tejido 15 pasa de nuevo al
conjunto del cabezal óptico antes de ser reacoplada en la fibra
óptica 2b que sirve de filtrado espacial. El carácter confocal del
dispositivo que consiste en detectar sólo los fotones que proceden
de esta profundidad está asegurado por las características de la
fibra óptica 2b y del conjunto óptica correctora 11 y lente bola
12.
La fibra óptica es monomodo longitudinal para
permitir al mismo tiempo que la iluminación del tejido 15 sea lo
más homogénea posible y que el filtrado espacial de retorno sea el
mejor posible. La abertura numérica de la fibra se elige para
permitir una recogida optimizada de fotones, y para permitir,
conjuntamente con un diámetro de núcleo apropiado, un acoplamiento
de la señal de retorno en la fibra óptica 2b, y por tanto un
filtrado espacial, que sea el mejor posible. Típicamente, la
abertura numérica varía entre 0,2 y 0,4 en función de la ampliación
que se desea dar al sistema, y el diámetro de núcleo está
comprendido entre 1 y 2 \mum.
La óptica correctora 11, dispuesta entre la
fibra óptica 2b y la lente bola 12, tiene en particular por función
corregir unas aberraciones residuales de la lente bola 12 y
eventualmente minimizar las aberraciones ligadas al barrido. La
misma puede estar constituida por una o varias lentes refractivas
(dobletes, tripletes, lentes con gradiente de índice...) o
difractivas. El número de lentes está relativamente limitado de
manera que el peso desplazado cuando tiene lugar el barrido es
pequeño. Según el modo de realización de las figuras 2 y 3, la
óptica correctora 11 es solidaria de la fibra óptica 2b pero no de
la lente bola 12.
La lente bola está calada de forma estanca en un
orificio circular realizado en la claraboya de salida 20 del
cabezal óptico. Esta lente bola 12 está parcialmente dispuesta en el
exterior del cuerpo 16 de manera que cuando el cabezal 4 es clocado
sobre el tejido 15, la parte exterior de la lente bola constituye
una protuberancia que se hunde en el tejido 15.
Para realizar una imagen bidimensional del campo
observado 14, se barre el haz láser 13 de manera que el spot 19
describa este campo observado 14. Para ello, el cabezal óptico 4
comprende unos medios de barrido 10 soportados por el cuerpo 16 y
dispuestos de manera que desplacen el conjunto fibra óptica
2b-óptica correctora 11 en un plano hemisférico. El campo observado
14 es entonces un campo hemisférico o más generalmente curvo. La
óptica correctora 11 presenta una cara que encaja con la forma de la
lente bola 12 sin entrar nunca en contacto con ella. El
interespacio entre la óptica correctora 11 y la lente bola 12
permanece constante durante el barrido. Este barrido se realiza
según dos ejes que pasan por el centro de la lente bola. En la
figura 3 se aprecian dos posiciones extremas de barrido según un
eje. El ángulo de pivotamiento se elige de forma que permita un
campo observado 14 de gran dimensión y las velocidades de barrido
son tales que las imágenes son obtenidas en tiempo real (por lo
menos 10 imágenes por segundo). El sistema de barrido puede
comprender unos medios piezoeléctricos (no representados) y unos
medios MEM's (no representados) para realizar respectivamente un
barrido rápido según un primer eje con una frecuencia de
sustancialmente 4 kHz y un barrido lento según un segundo eje
perpendicular al primero a una frecuencia entre 10 y 15 Hz.
El conjunto de los elementos incluidos en el
cabezal óptico 4 presentan unas dimensiones compatibles con una
miniaturización del cabezal que debe presentar un diámetro total
exterior de 2 a 3 mm como máximo. Los elementos accionados por los
medios de barrido deben ser resistentes y capaces de responder a
unos esfuerzos mecánicos.
En el modo de realización de las figuras 2 y 3,
la lente bola 12 está desolidarizada de la fibra óptica 2b y puede
así permanecer fija. El segundo modo de realización, representado en
las figuras 4 y 5, consiste por el contrario en un conjunto
solidario compuesto por la fibra óptica 2b, por la óptica correctora
11 y por una lente bola 12. El interespacio entre la óptica
correctora 11 y la lente bola 12 está suprimido. El segundo modo
difiere también del primer modo de las figuras 2 y 3 por el hecho de
que los medios de barrido 21 y 22 están asociados a la claraboya de
salida 20 y hacen pivotar la lente bola 12 según dos ejes de
rotación que pasan por el centro de la lente bola 12.
En este caso de barrido directo sobre la lente
bola 12, se forma una película de agua 23 sobre la cara exterior de
la lente bola de manera que facilite el deslizamiento sobre la
superficie exterior del tejido 15. El agua puede ser conducida por
un conducto no representado a través del cabezal óptico 4, pero
puede también estar formada por otros medios. Se puede también
utilizar en lugar o en combinación una claraboya tal como la
definida anteriormente.
Se citarán ahora a continuación, tres ejemplos
posibles de dimensionado del cabezal en miniatura de barrido láser
según la invención:
\vskip1.000000\baselineskip
- Campo fuente: 500 \mum x 500 \mum
- Ángulo de barrido (\theta, \phi):
+/-3,7º
- Abertura numérica de la fibra óptica 2b: ON =
0,25
- Diámetro del núcleo de la fibra óptica 2b:
\diameter_{núcleo} = 2,1 \mum
- Diámetro de la lente bola 12:
\diameter_{L} = 2 mm
- Distancia extremo de la
fibra-centro de la lente bola \leq 3,8 mm
- Abertura numérica de la lente bola: ON_{L} =
1,25 en el agua
- Ampliación del sistema óptico: G = 5
- Campo visualizado 14 en el tejido 15: 100
\mum x 100 \mum
- Diámetro del spot 19 enfocado en el tejido:
limitado por la difracción en todo el campo.
\vskip1.000000\baselineskip
- Campo fuente: 500 \mum x 500 \mum
- Ángulo de barrido (\theta, \phi): +/-
6,22º
- Abertura numérica de la fibra óptica 2b: ON =
0,4
- Diámetro de núcleo de la fibra óptica 2b:
\diameter_{Núcleo} = 1,31 \mum
- Diámetro de la lente bola 12:
\diameter_{L} = 2 mm
- Distancia extremo de la
fibra-centro de la lente bola \leq 2,29 mm
- Abertura numérica de la lente bola: ON_{L} =
1,20 en el agua
- Ampliación del sistema óptico: G = 3
- Campo visualizado 14 en el tejido 15: 166
\mum x 166 \mum
- Diámetro del spot 19 enfocado en el tejido:
limitado por la difracción en todo el campo.
\vskip1.000000\baselineskip
- Campo fuente: 300 \mum x 300 \mum
- Ángulo de barrido (\theta, \phi): +/-
7,5º
- Abertura numérica de la fibra óptica 2b: ON =
0,4
- Diámetro de núcleo de la fibra óptica 2b:
\diameter_{núcleo} = 1,31 \mum
- Diámetro de la lente bola 12:
\diameter_{L} = 1 mm
- Distancia extremo de la
fibra-centro de la lente bola \leq 1,14 mm
- Abertura numérica de la lente bola: ON_{L} =
1,20 en el agua
- Ampliación del sistema óptico: G = 3
- Campo visualizado 14 en el tejido 15: 100
\mum x 100 \mum
- Diámetro del spot 19 enfocado en el tejido:
limitado por la difracción en todo el campo.
\vskip1.000000\baselineskip
El ejemplo 1 con respecto al ejemplo 2 presenta
una mayor ampliación y por consiguiente mejores resoluciones
lateral y axial, pero en detrimento del campo de observación. El
ejemplo 3 con respecto al ejemplo 2 posee un campo visualizado
menos importante, pero un volumen más pequeño (\diameter = 1 mm en
lugar de 2 mm) y por consiguiente una mejor accesibilidad. Otra
ventaja de la invención es que, en los dos casos de barrido
descritos anteriormente, la amplitud de barrido es pequeña, por
tanto un diseño más fácil de realizar. Por consiguiente, el
dimensionado del sistema deberá estar adaptado al objeto de
estudio, al campo de aplicación y al modo de funcionamiento que
puede ser o bien un modo de formación de la imagen por fluorescencia
o bien un modo de formación de la imagen en retrodifusión.
El sistema según la invención permite obtener
una imagen confocal en tiempo real (aproximadamente 10 imágenes/s)
de muy buena calidad óptica y homogénea en todo el campo; y esto por
medio de un cabezal en miniatura (diámetro de algunos mm) de
barrido láser. Dicha configuración debe permitir visualizar unos
lugares difíciles de acceso in vivo en el hombre o el animal
sin invasividad (caso endoscópico) o con muy poca invasividad (caso
de microincisiones).
Evidentemente, la invención no está limitada a
los ejemplos que acaban de ser descritos y numerosas disposiciones
pueden ser aportadas a estos ejemplos sin apartarse por ello del
marco de la invención. En efecto, cuando la fuente puntual (fibra
óptica, VCSEL), la óptica correctora y la lente bola son solidarias,
se pueden prever unos modos de barrido según los cuales los medios
de barrido están en acoplamiento directo con la fuente puntual
(primer modo) y/o con la óptica correctora.
Claims (20)
1. Cabezal óptico confocal en miniatura (4) para
un sistema de formación de imagen confocal, en particular
endoscópica, comprendiendo dicho cabezal (4):
- -
- una fuente puntual para producir un haz luminoso (13), y
- -
- una lente bola (12) dispuesta en el extremo del cabezal óptico (4), para hacer converger dicho haz luminoso (13) en un punto de excitación (19) situado en un campo observado (14) subsuperficial de una muestra (15), estando la abertura numérica de esta lente y las dimensiones de la fuente puntual adaptadas para asegurar la confocalidad del conjunto,
caracterizado porque comprende además
unos medios de barrido (10, 21, 22) para desplazar la fuente puntual
en rotación según dos ejes que pasan por el centro de la lente
bola, de manera que el punto de excitación (19) barra dicho campo
observado, estando esta lente bola (12) parcialmente dispuesta en el
exterior del cuerpo (16) que constituye el cabezal óptico (4) de
manera que cuando este cabezal óptico (4) es colocado sobre la
muestra (15), la parte exterior de la lente bola constituye una
protuberancia que se hunde en la muestra (15).
2. Cabezal óptico según la reivindicación 1,
caracterizado porque, cuando tiene lugar el barrido, la
fuente puntual pivota independientemente de la lente bola.
3. Cabezal óptico según la reivindicación 2,
caracterizado porque, cuando tiene lugar el barrido, la
distancia entre la fuente puntual y el centro de la lente bola se
mantiene constante de manera que el campo observado (14) es
curvo.
4. Cabezal óptico según la reivindicación 1,
caracterizado porque, cuando tiene lugar el barrido, la
fuente puntual es solidaria de la lente bola.
5. Cabezal óptico según la reivindicación 4,
caracterizado porque comprende además unos medios para
introducir un líquido (23) entre la superficie exterior de la lente
bola y la muestra de manera que facilite el deslizamiento de la
lente bola sobre la muestra.
6. Cabezal óptico según la reivindicación 4,
caracterizado porque comprende además una fina lámina curva
rígida, a modo de claraboya ideada para permitir que la lente bola
se deslice sobre la muestra.
7. Cabezal óptico según cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque los medios de
barrido (21, 22) actúan directamente sobre la lente bola.
8. Cabezal óptico según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios
de barrido (10) actúan directamente sobre la fuente puntual.
9. Cabezal óptico según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
además unos medios ópticos correctores (11) solidarios de la fuente
puntual y dispuestos entre esta fuente puntual y la lente bola (12)
para corregir unas aberraciones residuales de la lente bola.
10. Cabezal óptico según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios
de barrido comprenden unos medios para realizar unos barridos según
dos ejes de rotación de la lente bola de manera que se obtenga una
imagen bidimensional en tiempo real.
11. Cabezal óptico según la reivindicación 10,
caracterizado porque el barrido según uno de los ejes de
rotación alcanza una frecuencia sustancialmente de 4 kHz.
12. Cabezal óptico según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios
de barrido comprenden unos micromotores.
13. Cabezal óptico según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios
de barrido comprenden unos elementos piezoeléctricos.
14. Cabezal óptico según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios
de barrido comprenden unos medios micromecánicos de tipo MEM's.
15. Cabezal óptico según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende
la parte terminal de una fibra óptica adaptada para conducir el haz
luminoso desde una fuente exterior, constituyendo el haz luminoso
que emerge de la fibra la fuente puntual.
16. Cabezal óptico según la reivindicación 15,
caracterizado porque la fibra óptica es monomodo con un
diámetro de núcleo y una abertura numérica que permiten un filtrado
espacial de la señal de retorno y asegurando por tanto la
confocalidad del cabezal.
17. Cabezal óptico según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque la fuente
puntual está constituida por una fuente láser del tipo VCSEL, que
presenta una abertura numérica y un diámetro de salida de cavidad
compatible con un sistema confocal, y asociada a un detector
dispuesto detrás de la cavidad del VCSEL.
18. Sistema de formación de imagen confocal, que
comprende:
- -
- un cabezal (4) óptico confocal de barrido integrado;
- -
- una fuente (1, 2a, 2b) adaptada para emitir un haz luminoso;
- -
- unos medios de detección (5) de una señal emitida;
- -
- unos medios (9) electrónicos e informáticos de mando y de tratamiento de la señal emitida adaptados para reconstruir una imagen confocal de un campo visualizado,
caracterizado porque el cabezal óptico
(4) es según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
19. Sistema según la reivindicación 18,
caracterizado porque comprende una fibra óptica (2a)
conectada a una fuente láser (1) y unos medios de acoplamiento (3)
para acoplar dicha fibra (2a) con la fibra óptica de transporte (2b)
hasta y desde el cabezal óptico (4) y una fibra de transporte (2c)
de la señal emitida hasta los medios de detección.
20. Sistema según la reivindicación 18,
caracterizado porque, comprendiendo el cabezal óptico una
fuente láser VCSEL y un detector integrado, el sistema comprende
unos medios de conexión flexible entre el cabezal óptico y los
medios de tratamiento de señal.
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