ES2489965B2

ES2489965B2 - Compact optical measurement system with discretized plate

Info

Publication number: ES2489965B2
Application number: ES201330270A
Authority: ES
Inventors: Valerio Pruneri; Davide JANNER; Marc Jofre Cruanyes
Original assignee: FUNDACIO INST DE CIENCIES FOT NIQUES; Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats ICREA; Institut de Ciencies Fotoniques ICFO
Current assignee: FUNDACIO INST DE CIENCIES FOT NIQUES; Institucio Catalana de Recerca i Estudis Avancats ICREA; Institut de Ciencies Fotoniques ICFO
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2015-05-22
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: ES2489965A1

Abstract

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 2zsen{sup,-1}({la}/S) < d en la que z es la distancia entre el detector y la placa, d es el paso entre elementos, {la} 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 {mi}m{sup,2} hasta 10.000 {mi}m{sup,2}, 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.Compact optical measurement system with discretized plate. # The invention relates to a compact system for optical measurements comprising: a light source and a detection matrix, means for shaping the light beam from the source onto a plate between the source and detection matrix, the plate comprising a discretized surface spatially divided into a plurality of regions (R) comprising an element of geometric shape, in which each region meets the condition 2zsen {sup, -1} ({la} / S) < d in which z is the distance between the detector and the plate, d is the passage between elements, {la} is the wavelength of the light coming from the source, S is the length of the smaller side of an element and in the area A of each element within the region varies from 1 {mi} m {sup, 2} to 10,000 {mi} m {sup, 2}, and means to process the signals in the detection matrix and extract the phase information. The invention can be used coherent and partially coherent sources, thus being more economical, more compact and without the need for optomechanical multiplexing techniques for data acquisition.

Description

DESCRIPCIÓN DESCRIPTION

Sistema compacto de medición óptica con placa discretizada Compact optical measurement system with discretized plate

Campo de la invención Field of the Invention

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 5 pequeñas cantidades de diferentes sustancias usando una matriz de sensor de imágenes. The present invention relates to an optical sensor, and particularly to a method and system that incorporates a discretized plate designed to simultaneously study 5 small quantities of different substances using an image sensor matrix.

Estado de la técnica State of the art

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 10 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 15 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. Optical interferometers for the characterization of substances provide detailed information on optical properties. This technique is based on the phase change of the light wave on substances as a fundamental metrological principle. The phase is included within the dependence of a sine or cosine on the intensity, measured by an optical detector, and must be extracted by a process that is more complex than a simple image of the intensity, for example, by changing the phase in a controlled way and recording the variation of the intensity of the multiple values of the phase change. The disadvantages of interferometry designs for the characterization of substances include the cost of the alignment optics and the laser source, its critical positioning and the long procedure for extracting the phase information, by means of a strip analysis or a strip count.

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. 20 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 25 se clasifican en diferentes tipos como algoritmos adaptativos, redes de trabajo neurales y algoritmos genéticos. Image analysis is the extraction of significant information from images, mainly from digital images, by processing techniques. 20 Image analysis involves two processes, namely the extraction of characteristics and the classification of patterns. The extraction of the characteristics consists of acquiring high-level image information, such as information on the shape or color. The classification of patterns is the act of taking this high-level information that identifies the objects within an image. The most available pattern classification algorithms 25 are classified into different types such as adaptive algorithms, neural work networks and genetic algorithms.

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). 30 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. 35 FIG. 1 is an example of a usual device for obtaining images of a general substance. A light source (A1), such as an LED, emits an optical beam that is properly profiled by a lens system (A2) to strike a general substance (A3). 30 The substance introduces variations in the optical field on the incident wavefront. After diffraction, the wavefront is conveniently enlarged by a lens system (A4), to match the active registration area of a detection matrix (A5). The pixels of the detection matrix (A5) acquire intensity data points to form an image. 35

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 40 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. The quantitative optical information of a substance can be measured from at least one intensity diffraction pattern. Operating on the recorded intensity images the optical wavefront in the substance is reconstructed. The estimation of the optical characteristics introduced by the substance is calculated from the reconstructed wavefront. Additionally, by applying similar procedures and acquiring several intensity measurements, a 3D image of the substance can be made. These general imaging procedures aim to measure any general substance when no prior knowledge of it is available.

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 45 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 The interrogation of a large number of substances distributed across a surface with the desired accuracy and speed represents a significant and costly challenge using existing techniques. The procedures that simultaneously provide the ability to achieve a wide field of view and high resolution are suitable for multiplexed measurement. Multiplexed measurement represents a simultaneous recording of data for a

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 5 parcialmente coherentes, más económico, más compacto y sin la necesidad de técnicas de multiplexado opto-mecánico para la adquisición de datos. set of substances X (see US2011 / 0292401) in an M x N optical detection array, for example, an image sensor. However, multiplexing often requires complex opto-mechanical systems that are expensive and complicated. There is a need for a system and a procedure to simultaneously characterize small quantities of different substances that can be used with both coherent and partially coherent sources, more economical, more compact and without the need for opto-mechanical multiplexing techniques for the acquisition of data.

Objeto de la invención Object of the invention

Con objeto de resolver los problemas técnicos mencionados anteriormente, la presente invención proporciona un sistema compacto para mediciones ópticas que comprende: una 10 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 en la que z es la distancia entre el detector y la placa, d es el paso entre elementos, 15  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 m2 hasta 10.000 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 20 patrones de intensidad. El paso entre elementos adyacentes (d) tiene ventajosamente una longitud que varía entre 10 m y 500 m, 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. In order to solve the technical problems mentioned above, the present invention provides a compact system for optical measurements comprising: a light source and a detection matrix, means for shaping the light beam from the source onto a plate between the source and detection matrix, the plate comprising a discretized surface spatially divided into a plurality of regions each comprising an element of geometric shape, in which each region meets the condition in which z is the distance between the detector and the plate, d is the passage between elements, 15  is the wavelength of the light coming from the source, S being the length of the smaller side of a form of an element and in which the area A of each element within the region varies from 1 m2 to 10,000 m2, a processing medium to process the signals in the detection matrix and extract the information from the phase comprising a medium optical and mechanical to allow a change in the optical path, so that different intensity patterns can be registered. The passage between adjacent elements (d) advantageously has a length that varies between 10 m and 500 m, the source is preferably an LED or an LD, and the elements can be functionalized so that only certain substances adhere to them selectively. objective.

Breve descripción de los dibujos 25 Brief description of the drawings 25

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: 30 To complete the description, and in order to provide a better understanding of the invention, a set of drawings is provided. These drawings illustrate a preferred embodiment of the invention, which should not be construed as restrictive of the scope of the invention, but only as an example of how the invention can be realized. The drawings comprise the following Figures: 30

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; FIG. 1 is an example of an embodiment of the prior art of an optical device used to measure the optical properties of an object;

La FIG. 2 es un diagrama de un sistema según una forma de realización de la placa discretizada; FIG. 2 is a diagram of a system according to an embodiment of the discretized plate;

La FIG. 3 es un esquema de una forma de realización de una placa discretizada, para la 35 detección de objetos pequeños o de pequeñas cantidades de masa; FIG. 3 is a scheme of an embodiment of a discretized plate, for the detection of small objects or small amounts of mass;

La FIG. 4 es una representación de diferentes patrones de difracción a partir de una placa discretizada, registrados en la matriz de detección; FIG. 4 is a representation of different diffraction patterns from a discretized plate, registered in the detection matrix;

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 40 discretizada de prueba. FIGS. 5A - 5C show the diffraction intensity patterns recorded for red, green and blue light sources (reproduced here in grayscale images), for a discretized test plate 40.

Las FIGS. 5D - 5E muestran la intensidad y la fase recuperadas, respectivamente, para una placa discretizada de prueba. FIGS. 5D-5E show the intensity and phase recovered, respectively, for a discretized test plate.

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. 45 FIG. 6 is a flow chart illustrating how the phase information can be extracted from a substance on an element of the discretized plate. Four. Five

Descripción de la invención Description of the invention

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. The invention is based on a discretized transparent plate, that is, divided into discrete parts that form multiple regions, each region comprising a certain geometric shaped element containing a substance to be analyzed.

La placa discretizada se usa en un sistema de medición de las propiedades ópticas de las 5 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 10 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. The discretized plate is used in a system for measuring the optical properties of the 5 substances. The discretized plate allows a more reliable and faster information retrieval, to determine the optical properties of the substances, for example, the phase introduced by said analyzed substance. The discretized plate significantly amplifies and improves the speed and performance of sensor interrogation systems, and also reduces its cost. The invention can be used to easily measure the optical properties of the substances, and is simple in terms of optical components, while it is easily reconfigurable in terms of computerized analysis algorithms of the image signals.

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 15 información, la placa es discretizada en elementos con formas conocidas que producen patrones de difracción confinados espacialmente. Adicionalmente, la ventaja de una placa discretizada sobre una placa individual o continua sin divisiones es el idéntico tratamiento de todas las muestras con respecto a la preparación de la sustancia, así como la reducción de los costes debido a la menor cantidad de compuesto selectivo a usar. La placa discretizada 20 permite el recuento, la identificación y el análisis de las células individuales unidas a cada elemento, ya que evita los solapamientos de campo óptico en la matriz de detección procedentes de sustancias vecinas. La invención puede usarse en la determinación de objetos pequeños o de pequeñas cantidades de masa a partir del patrón de difracción generado. Además, tiene aplicaciones en la detección y el análisis de sustancias, explotando las 25 propiedades ópticas de las especies unidas a cada elemento de las diferentes regiones. Como ejemplos de aplicaciones, la invención es de interés en el ámbito de los sensores biológicos y químicos. Por lo tanto, la invención tiene claras aplicaciones en citometría. La citometría es una tecnología de detección basada en la luz que permite el recuento o la clasificación de células, suspendiendo las células en una corriente de un fluido o colocando las células sobre una 30 superficie. Permite un análisis multiparamétrico simultáneo de las características físicas y químicas de miles de partículas por segundo. Obtaining images of a general substance, for which no initial information knowledge is available, is computationally demanding, and therefore difficult to recover quantitatively. To simplify and significantly improve the extraction of information, the plate is discretized into elements with known shapes that produce spatially confined diffraction patterns. Additionally, the advantage of a discretized plate on an individual or continuous plate without divisions is the identical treatment of all samples with respect to the preparation of the substance, as well as the reduction of costs due to the smaller amount of selective compound to be used. . The discretized plate 20 allows the counting, identification and analysis of the individual cells attached to each element, since it avoids the optical field overlaps in the detection matrix from neighboring substances. The invention can be used in the determination of small objects or small amounts of mass from the generated diffraction pattern. In addition, it has applications in the detection and analysis of substances, exploiting the 25 optical properties of the species linked to each element of the different regions. As examples of applications, the invention is of interest in the field of biological and chemical sensors. Therefore, the invention has clear applications in cytometry. Cytometry is a light-based detection technology that allows the counting or classification of cells, by suspending the cells in a stream of a fluid or by placing the cells on a surface. It allows a simultaneous multiparameter analysis of the physical and chemical characteristics of thousands of particles per second.

La placa discretizada contiene múltiples regiones dispuestas numeradas por índices (i, j), que contienen cada una dentro de la región un elemento conformado geométricamente. Cada elemento puede funcionalizarse de forma que sea selectivo para una sustancia en particular, 35 permitiendo que se unan únicamente las sustancias seleccionadas. Por lo tanto, la información óptica de las sustancias tiene la forma I(i, j). Los elementos tienen formas geométricas definidas (por ejemplo, cuadrado, rectángulo, triángulo, círculo, anillo…) que producen un patrón de difracción delimitado en la matriz de detección. El patrón de difracción está delimitado espacialmente a un área que contiene un número específico de píxeles del sensor 40 de imágene. El tamaño de los elementos puede adaptarse para optimizar y ajustar el rendimiento de resolución del sistema de medición, como eligiendo diferentes tamaños para diferentes elementos según el tamaño particular de las sustancias que se vayan a unir a dicho elemento. Adicionalmente, la placa discretizada permite la caracterización selectiva de diferentes elementos para diferentes sustancias, o medir varios especímenes de la misma 45 sustancia para recoger estadísticas. The discretized plate contains multiple arranged regions numbered by indices (i, j), each containing within the region a geometrically shaped element. Each element can be functionalized so that it is selective for a particular substance, allowing only the selected substances to bind. Therefore, the optical information of the substances has the form I (i, j). The elements have defined geometric shapes (for example, square, rectangle, triangle, circle, ring ...) that produce a diffraction pattern delimited in the detection matrix. The diffraction pattern is spatially delimited to an area that contains a specific number of pixels of the image sensor 40. The size of the elements can be adapted to optimize and adjust the resolution performance of the measurement system, such as choosing different sizes for different elements according to the particular size of the substances to be bound to said element. Additionally, the discretized plate allows the selective characterization of different elements for different substances, or to measure several specimens of the same substance to collect statistics.

La placa discretizada es ópticamente transparente en el intervalo de longitudes de onda (λ) que varía desde los 400 nm hasta los 700 nm. Las formas geométricas de los elementos tienen unas áreas típicas (A) que varían desde 1 m2 hasta 10.000 m2. El paso entre elementos adyacentes (d) tiene un tamaño típico que varía desde 10 m hasta 500 m. Los patrones de 50 The discretized plate is optically transparent in the wavelength range (λ) that varies from 400 nm to 700 nm. The geometric shapes of the elements have typical areas (A) that vary from 1 m2 to 10,000 m2. The passage between adjacent elements (d) has a typical size ranging from 10 hastam to 500 m. 50 patterns

difracción se registran una o múltiples veces mediante el uso de una matriz de detección de intensidad a una distancia (z) de la placa de entre 100 nm y 10 mm. Los parámetros λ, A, d y z definen los elementos de la placa discretizada. Si se define S como la longitud del lado menor del borde de un elemento con una área A, cada región se diseña considerando la relación , optimizando las características de resolución de la placa discretizada. Esto permite 5 una identificación más rápida de las diferentes regiones de interés de la placa discretizada. La información óptica de interés de las sustancias se recoge usando un programa informático de reconstrucción de frente de onda. Las mediciones pueden recogerse en un modo de transmisión, en un modo de reflexión o una combinación de los mismos. diffraction is recorded once or multiple times by using an intensity detection matrix at a distance (z) of the plate between 100 nm and 10 mm. The parameters λ, A, d and z define the elements of the discretized plate. If S is defined as the length of the smaller side of the edge of an element with an area A, each region is designed considering the relationship, optimizing the resolution characteristics of the discretized plate. This allows a faster identification of the different regions of interest of the discretized plate. The optical information of interest of the substances is collected using a wavefront reconstruction software. The measurements can be collected in a transmission mode, in a reflection mode or a combination thereof.

La placa discretizada se fabrica usando materiales ópticos (por ejemplo, vidrio, polímeros como 10 PET, PEN, PDMS) transparentes en el intervalo de longitudes de onda de interés. Los elementos de cada región se forman mediante técnicas de microfabricación habituales (por ejemplo, deposición, litografía, micropunteado, grabado, estampado) y su superficie puede ser funcionalizada tal que sólo ciertas sustancias/moléculas de interés se adhieran la placa (por ejemplo, mediante proteínas de inmovilización de anticuerpos, moléculas de receptores…). Al 15 final del proceso de fabricación se obtiene una región discretizada en la que cada elemento es selectivo para una sustancia o molécula específica, mientras que en el área exterior de los elementos no hay ninguna sustancia unida. Por lo tanto, cuando la placa entre en contacto con el líquido de prueba, las sustancias/moléculas específicas quedarán atrapadas en el área de los elementos que forman una capa adicional con respecto al estado puro. La presencia de 20 esta placa introducirá una fase adicional con respecto a las regiones externas y producirá el efecto de difracción que es medido en la matriz de detección. The discretized plate is manufactured using optical materials (eg glass, polymers such as PET, PEN, PDMS) transparent in the wavelength range of interest. The elements of each region are formed by usual microfabrication techniques (for example, deposition, lithography, micropuncture, etching, stamping) and their surface can be functionalized such that only certain substances / molecules of interest adhere the plate (for example, by antibody immobilization proteins, receptor molecules ...). At the end of the manufacturing process a discretized region is obtained in which each element is selective for a specific substance or molecule, while in the outer area of the elements there is no bound substance. Therefore, when the plate comes into contact with the test liquid, the specific substances / molecules will be trapped in the area of the elements that form an additional layer with respect to the pure state. The presence of this plate will introduce an additional phase with respect to the external regions and will produce the diffraction effect that is measured in the detection matrix.

Pueden medirse simultáneamente múltiples sustancias independientes, ya que las perturbaciones ópticas introducidas en el frente de onda están confinadas espacialmente y no interfieren entre sí. Por ejemplo, cada perturbación ocupa un pequeño número de píxeles en la 25 matriz de detección. Por lo tanto, la invención permite el multiplexado de más de una medición para múltiples muestras de la misma sustancia. También permite la caracterización de otras sustancias diferentes. Multiple independent substances can be measured simultaneously, since the optical disturbances introduced in the wavefront are spatially confined and do not interfere with each other. For example, each disturbance occupies a small number of pixels in the detection matrix. Therefore, the invention allows multiplexing of more than one measurement for multiple samples of the same substance. It also allows the characterization of other different substances.

Una apertura de amplitud simple se define como una o más áreas transparentes en una pantalla. Las áreas transparentes y la pantalla se denominan por sus áreas A y B. En el caso 30 general, cualquiera o ambas puede trasmitir la luz con cambios en la amplitud i/o la fase, la disposición se denomina apertura de amplitud de fase. Sean A y B fracciones de transmisión r12 y r22 respectivamente de la luz incidente sobre ellas, y A produce un cambio de fase Δ con respecto a B. Los casos particulares son la apertura de fase pura, con r1 = r2 =1 y Δ  0; y la amplitud pura con r1 = 0 y r2 = 1. El patrón de difracción debido a una apertura de fase pura es 35 conciliador con el debido a la correspondiente apertura de amplitud simple, pero con un término sinusoidal superpuesto. Por lo tanto, usando la analogía entre la fase pura y la apertura de amplitud pura, el tamaño del patrón de difracción de una única apertura es inversamente proporcional a su longitud lateral (S) y proporcional a la longitud de onda (λ). En la matriz de detección, el ancho entre mínimos entre aperturas adyacentes es inversamente proporcional a 40 la separación de apertura (d). Considerando la situación de iluminación uniforme de las aperturas, la geometría puede hacerse para aislar, en la matriz de detección, los patrones de difracción de cada apertura a partir de los adyacentes, tomando así de una vez todas las mediciones de los elementos individuales. A simple amplitude aperture is defined as one or more transparent areas on a screen. The transparent areas and the screen are named by their areas A and B. In the general case, either or both can transmit the light with changes in the amplitude and / or the phase, the arrangement is called the phase amplitude opening. Let A and B be fractions of transmission r12 and r22 respectively of the incident light on them, and A produces a phase change Δ with respect to B. The particular cases are the opening of pure phase, with r1 = r2 = 1 and Δ   0; and the pure amplitude with r1 = 0 and r2 = 1. The diffraction pattern due to a pure phase opening is conciliatory with that due to the corresponding simple amplitude opening, but with a superimposed sinusoidal term. Therefore, using the analogy between the pure phase and the pure amplitude aperture, the size of the diffraction pattern of a single aperture is inversely proportional to its lateral length (S) and proportional to the wavelength (λ). In the detection matrix, the width between minimums between adjacent openings is inversely proportional to the opening separation (d). Considering the situation of uniform illumination of the openings, the geometry can be made to isolate, in the detection matrix, the diffraction patterns of each opening from the adjacent ones, thus taking all the measurements of the individual elements at once.

Consideremos que tenemos una distancia de propagación z desde la placa discretizada hasta 45 la matriz de detección. La distancia de propagación óptima maximiza la evolución del campo óptico que atraviesa cada elemento sin superponerse en la matriz de detección la contribución de elementos adyacentes. La distancia óptima depende en parte del tamaño de las características de cada región de la placa discretizada, y viene dada por la relación . Por lo tanto, la mayoría de la información es extraída a partir de una medición separada por la 50 distancia óptima, definida anteriormente. Consider that we have a propagation distance z from the discretized plate to the detection matrix. The optimum propagation distance maximizes the evolution of the optical field that crosses each element without superimposing on the detection matrix the contribution of adjacent elements. The optimal distance depends in part on the size of the characteristics of each region of the discretized plate, and is given by the relationship. Therefore, most of the information is extracted from a measurement separated by the optimum distance, defined above.

Consideremos que colocamos una lente después de la placa discretizada con una distancia focal (f). La matriz de detección se coloca cerca del foco pero desplazada una distancia denominada desenfoque (ds), de forma que las diferentes características se muestren correctamente en la matriz de detección. Según aumenta el desenfoque disminuye la validez de las aproximaciones de primer orden, pero también disminuye el ruido. El desenfoque óptimo 5 depende en parte del tamaño de la apertura de la que se están obteniendo imágenes, según . Como se ha comentado, dado un desenfoque, la relación debe mantenerse para evitar el solapamiento de patrones de difracción adyacentes sobre la matriz de detección. Consider that we place a lens after the discretized plate with a focal length (f). The detection matrix is placed near the focus but displaced a distance called blur (ds), so that the different characteristics are displayed correctly in the detection matrix. As blurring increases, the validity of first-order approximations decreases, but noise also decreases. The optimal blur 5 depends in part on the size of the aperture from which images are being obtained, according to. As mentioned, given a blur, the relationship must be maintained to avoid overlapping adjacent diffraction patterns on the detection matrix.

Los algoritmos de extracción de imágenes identifican todas las partes relevantes en la imagen resuelta para recoger la información de interés. Un algoritmo de extracción puede basarse en 10 técnicas de reconstrucción del campo óptico, aprovechando la correlación entre la forma conocida del elemento de la placa y los patrones de difracción registrados por la matriz de detección. Adicionalmente, el algoritmo de extracción de información puede usar técnicas de reconocimiento de patrón de imágenes con las que es posible cuantificar la sustancia basándose en las formas conocidas de los elementos de la placa discretizada y los patrones de 15 difracción registrados por la matriz de detección. Image extraction algorithms identify all relevant parts in the resolved image to collect the information of interest. An extraction algorithm can be based on 10 optical field reconstruction techniques, taking advantage of the correlation between the known shape of the plate element and the diffraction patterns recorded by the detection matrix. Additionally, the information extraction algorithm can use image pattern recognition techniques with which it is possible to quantify the substance based on the known forms of the discretized plate elements and the diffraction patterns recorded by the detection matrix.

Un campo de onda se determina a partir de su amplitud (o intensidad) y de su fase. La información registrada sobre la matriz de detección sólo es sensible a la intensidad. La aplicación de la metodología de reconstrucción digital del campo de onda permite la recuperación de la información sobre la amplitud y la fase del frente de onda. Usando un patrón 20 de intensidad único es posible reconstruir el campo óptico, ya que existe una relación unívoca, gobernada por la difracción de onda, entre el campo que atraviesa la sustancia y su patrón de intensidad de difracción. Los algoritmos habituales de reconstrucción del campo de onda que usan un patrón de difracción único se ocupan de aplicar restricciones al soporte del objeto, determinadas por la forma del objeto. Además, habitualmente, los algoritmos de reconstrucción 25 emplean más de un patrón de intensidad de difracción. Por tanto, el algoritmo es computacionalmente más rápido y más simple, o no se requieren restricciones del objeto. A wave field is determined from its amplitude (or intensity) and its phase. The information recorded on the detection matrix is only intensity sensitive. The application of the digital wave field reconstruction methodology allows the recovery of the amplitude and wavefront phase information. Using a single intensity pattern 20 it is possible to reconstruct the optical field, since there is a unique relationship, governed by wave diffraction, between the field that the substance passes through and its diffraction intensity pattern. The usual wave field reconstruction algorithms that use a unique diffraction pattern are concerned with applying restrictions to the object support, determined by the shape of the object. Furthermore, usually, reconstruction algorithms 25 employ more than one diffraction intensity pattern. Therefore, the algorithm is computationally faster and simpler, or no object restrictions are required.

Pueden obtenerse diferentes imágenes de difracción de la misma sustancia, operando individualmente o en una combinación de los parámetros del conjunto (z, λ, n, θ). Los parámetros del conjunto significan: z es la distancia entre la placa y la matriz de detección; λ es 30 la longitud de onda óptica operativa; n es el índice de refracción de la sustancia; y θ es el ángulo incidente de los rayos ópticos. Different diffraction images of the same substance can be obtained, operating individually or in a combination of the set parameters (z, λ, n, θ). The parameters of the set mean: z is the distance between the plate and the detection matrix; λ is 30 the operative optical wavelength; n is the refractive index of the substance; and θ is the incident angle of the optical rays.

Por ejemplo, una fuente de luz ilumina una placa discretizada que contiene las sustancias o las cantidades que se van a medir. Ópticamente es simple obtener diferentes configuraciones para el conjunto (z, λ, n, θ), produciendo así al menos un patrón de intensidad de difracción. Se 35 obtienen diferentes patrones de difracción registrados mediante la introducción de diferentes posiciones, por ejemplo, z1 y z2, que pueden variar desde 100 nm hasta 10 mm, con respecto a la matriz de detección, por ejemplo, un sensor de imágenes. Alternativamente, se obtienen diferentes patrones de difracción mediante el uso de diferentes longitudes de onda ópticas en el espectro ultravioleta, visible o infrarrojo, por ejemplo λ1 y λ2. También se obtienen diferentes 40 patrones de difracción modificando el índice de refracción de un medio a lo largo del camino óptico, por ejemplo n1 y n2. Además, se producen diferentes patrones de difracción para distintos ángulos incidentes de un rayo óptico, que pueden abarcar desde 0 hasta 180º, por ejemplo, θ1 y θ2. Finalmente, se registran diferentes patrones de difracción para diferentes posiciones, longitudes de onda óptica e índices de refracción, o combinaciones de los mismos, 45 que requieren al menos dos mediciones. For example, a light source illuminates a discretized plate that contains the substances or quantities to be measured. It is optically simple to obtain different configurations for the set (z, λ, n, θ), thus producing at least one diffraction intensity pattern. Different diffraction patterns registered are obtained by introducing different positions, for example, z1 and z2, which can vary from 100 nm to 10 mm, with respect to the detection matrix, for example, an image sensor. Alternatively, different diffraction patterns are obtained by using different optical wavelengths in the ultraviolet, visible or infrared spectrum, for example λ1 and λ2. Different diffraction patterns are also obtained by modifying the refractive index of a medium along the optical path, for example n1 and n2. In addition, different diffraction patterns are produced for different incident angles of an optical beam, which can range from 0 to 180 °, for example, θ1 and θ2. Finally, different diffraction patterns are recorded for different positions, optical wavelengths and refractive indices, or combinations thereof, which require at least two measurements.

Con referencia a los dibujos, la FIG. 2 es un diagrama en bloque de un sistema según una forma de realización de la invención. La forma de realización considerada está dispuesta con una fuente de luz para que incida adecuadamente sobre la placa discretizada, ópticamente transparente, que contiene diferentes sustancias. La fuente puede ser, por ejemplo, un LED (un 50 With reference to the drawings, FIG. 2 is a block diagram of a system according to an embodiment of the invention. The embodiment considered is arranged with a light source so that it adequately impacts the discretized, optically transparent plate, which contains different substances. The source can be, for example, an LED (a 50

diodo emisor de luz) o un LD (un diodo de láser), pero también una fuente de banda ancha, como luz ambiental o luz solar. La forma geométrica de los elementos de la placa discretizada mejora los diferentes patrones de difracción separables. Un sensor de imágenes registra los diferentes patrones de difracción. light emitting diode) or an LD (a laser diode), but also a broadband source, such as ambient light or sunlight. The geometric shape of the discretized plate elements improves the different separable diffraction patterns. An image sensor records the different diffraction patterns.

Una fuente (B1) proporciona un haz óptico que incide apropiadamente sobre la placa 5 discretizada (B2). La placa contiene sustancias en cada elemento que producen diferentes patrones de difracción confinados, mediante la configuración de combinaciones del conjunto (z, λ, n, θ). La matriz de detección (B3) registra los patrones de difracción, amplificados apropiadamente por los componentes ópticos, por ejemplo lentes. A source (B1) provides an optical beam that appropriately strikes the discretized plate 5 (B2). The plate contains substances in each element that produce different confined diffraction patterns, by configuring combinations of the set (z, λ, n, θ). The detection matrix (B3) registers the diffraction patterns, appropriately amplified by the optical components, for example lenses.

La FIG. 3 es un esquema de una forma de realización preferida de la placa discretizada. Los 10 elementos se colocan en cada región, marcada como E. Se considera que las formas geométricas cuadradas tienen un área (A) y un paso (d). El sustrato que la sostiene es ópticamente transparente, permitiendo que el haz entrante de referencia se propague en su longitud, marcado como R. Según se propaga el campo óptico a una distancia suficiente, de 100 nm a 10 mm, el campo óptico de referencia se mezcla con la información introducida por el 15 campo óptico emitido desde los elementos. Dicho posicionamiento cercano de los campos de la referencia y del elemento permite el uso de fuentes con baja coherencia espacial. No es necesario usar fuentes de elevada coherencia, dado que la única restricción es que se conserve la coherencia espacial dentro del área de cada región. FIG. 3 is a scheme of a preferred embodiment of the discretized plate. The 10 elements are placed in each region, marked as E. The square geometric shapes are considered to have an area (A) and a step (d). The substrate that supports it is optically transparent, allowing the incoming reference beam to propagate in its length, marked as R. As the optical field propagates at a sufficient distance, from 100 nm to 10 mm, the optical reference field is mixing with the information entered by the optical field emitted from the elements. Said close positioning of the reference and element fields allows the use of sources with low spatial coherence. It is not necessary to use sources of high coherence, since the only restriction is that spatial coherence is preserved within the area of each region.

La FIG. 4 es una representación de diferentes patrones de difracción a partir de la placa 20 discretizada, registrados sobre la matriz de detección. Nótese que los patrones de difracción individuales procedentes de los elementos no se solapan en el plano de la matriz de detección. También se registran diferentes patrones de difracción para diferentes configuraciones del conjunto (z, λ, n, θ). FIG. 4 is a representation of different diffraction patterns from discretized plate 20, recorded on the detection matrix. Note that the individual diffraction patterns from the elements do not overlap in the plane of the detection matrix. Different diffraction patterns are also registered for different set configurations (z, λ, n, θ).

La FIG. 5 muestra los patrones de la intensidad de difracción a partir de una placa discretizada, 25 registrados experimentalmente. La placa consiste en elementos cuadrados de alúmina depositada (Al2O3) de aproximadamente 50 nm de altura (equivalentes a la diferencia de camino óptico producido por las sustancias de interés) y 35 m de longitud lateral con 70,5 m de paso. La luz procedente de LEDs rojo, verde y azul incide convenientemente sobre la placa. Las intensidades difractadas de los campos ópticos se registran a una distancia de 1 mm, con 30 un sensor de imágenes en color de 2,2 m de paso de los píxeles, para el rojo FIG. 5A, el verde FIG. 5B y el azul FIG. 5C. Los patrones de intensidad de difracción contienen información separable de cada elemento cuadrado. Un algoritmo de reconstrucción de campo simple es capaz de recuperar las propiedades ópticas de cada elemento. La información de la intensidad de la FIG. 5D y de la fase de la FIG. 5E de cada elemento es recuperada con 35 respecto a la referencia que rodea a cada elemento. La información puede obtenerse gracias a que cada parte del haz de luz que atraviesa un elemento cuadrado se ha mezclado únicamente con el campo óptico de referencia que rodea al elemento. FIG. 5 shows the diffraction intensity patterns from a discretized plate, 25 registered experimentally. The plate consists of square elements of deposited alumina (Al2O3) of approximately 50 nm in height (equivalent to the difference of optical path produced by the substances of interest) and 35 lateralm of lateral length with 70.5 m of passage. The light from red, green and blue LEDs conveniently hits the board. The diffracted intensities of the optical fields are recorded at a distance of 1 mm, with a color image sensor 2.2 m of pixel pitch, for red FIG. 5A, the green FIG. 5B and blue FIG. 5C. Diffraction intensity patterns contain separable information from each square element. A simple field reconstruction algorithm is capable of recovering the optical properties of each element. The intensity information of FIG. 5D and of the phase of FIG. 5E of each element is retrieved with respect to the reference that surrounds each element. The information can be obtained thanks to the fact that each part of the beam of light passing through a square element has been mixed only with the optical reference field surrounding the element.

La FIG. 6 es un diagrama de flujo que ilustra cómo puede extraerse la información de la fase a partir de una sustancia según la invención. Cada elemento de la sustancia introduce una 40 distribución de diferencia de fases en el frente de onda. La fase del frente de onda óptico evoluciona según se propaga el haz. Se establecen diferentes configuraciones del conjunto (z, λ, n, θ) y se registran las imágenes de difracción. Los algoritmos de reconstrucción del frente de onda o de reconocimiento del patrón estiman la distribución de la fase sobre la placa. FIG. 6 is a flow chart illustrating how the phase information can be extracted from a substance according to the invention. Each element of the substance introduces a phase difference distribution in the wavefront. The phase of the optical wavefront evolves as the beam propagates. Different configurations of the set (z, λ, n, θ) are established and diffraction images are recorded. The wavefront reconstruction or pattern recognition algorithms estimate the distribution of the phase on the plate.

Ejemplo 1: fuente de luz blanca de baja coherencia y algoritmo de reconstrucción del 45 frente de onda. Example 1: low coherence white light source and 45 wavefront reconstruction algorithm.

En una forma de realización, el campo óptico entrante procede del entorno circundante, por ejemplo, luz ambiental luz solar o de una fuente blanca de banda ancha. El campo óptico es apropiadamente colimado e incide sobre la placa discretizada. La placa contiene elementos In one embodiment, the incoming optical field comes from the surrounding environment, for example, ambient sunlight or a white broadband source. The optical field is properly collimated and affects the discretized plate. The plate contains elements

para producir una difracción confinada. Con objeto de aumentar el número de los diferentes patrones de intensidad de difracción registrados con una matriz de detección, se interpolan componentes ópticos capaces de (re)configurar el conjunto (z, λ, n, θ). La matriz de detección de la intensidad es un sensor de imágenes en color. Entonces se procesan los datos de intensidad usando procedimientos de recuperación de fase parcialmente coherentes. En los 5 algoritmos se insertan parámetros tales como longitud de onda, tamaño del píxel y distancias de desenfoque, para producir información cuantitativa de las sustancias. to produce a confined diffraction. In order to increase the number of different diffraction intensity patterns registered with a detection matrix, optical components capable of (re) configuring the assembly (z, λ, n, θ) are interpolated. The intensity detection matrix is a color image sensor. The intensity data is then processed using partially consistent phase recovery procedures. In the 5 algorithms, parameters such as wavelength, pixel size and blur distances are inserted to produce quantitative information on substances.

Ejemplo 2: fuente de LD o de láser aleatorio y algoritmo de reconocimiento del patrón de imagen. Example 2: source of LD or random laser and image pattern recognition algorithm.

En otra forma de realización, la fuente óptica entrante es un LD o un láser aleatorizado. La 10 placa contiene diferentes sustancias unidas a cada elemento. El haz óptico que incide sobre la placa es divergente. Entre la fuente y la matriz de detección, los componentes ópticos controlan los ajustes de propagación para producir diferentes patrones de intensidad de difracción. La matriz de detección para medir la intensidad es un sensor de imágenes monocromático. Las imágenes de intensidad de difracción registradas son procesadas con algoritmos de 15 reconocimiento del patrón. La imagen difractada de cada elemento individual se compara con una base de datos de patrones de difracción. El patrón que mejor se ajuste identifica a la sustancia en estudio. In another embodiment, the incoming optical source is an LD or a randomized laser. The plate contains different substances attached to each element. The optical beam that strikes the plate is divergent. Between the source and the detection matrix, the optical components control the propagation settings to produce different diffraction intensity patterns. The detection matrix for measuring intensity is a monochrome image sensor. The diffraction intensity images recorded are processed with pattern recognition algorithms. The diffracted image of each individual element is compared with a database of diffraction patterns. The pattern that best fits identifies the substance under study.

Ejemplo 3: fuente de LED de múltiples colores y diseño de la forma de realización. Example 3: multi-color LED source and design of the embodiment.

La fuente de entrada está formada por la combinación de diferentes LED de colores o de un 20 LED multicolor. Los campos ópticos de entrada son filtrados espacialmente con una apertura. La placa contiene elementos cuadrados de 35 m del lado, con los centros separados 70,5 m, para producir patrones de difracción controlados. Sólo hay una fuente de luz encendida a la vez. Para obtener diferentes patrones de difracción se registran las mediciones usando las diferentes fuentes de color, a una distancia de 1 mm de la placa discretizada. Los patrones de 25 difracción se registran con una matriz de detección monocromática, por ejemplo, un sensor de imágenes monocromático. Claramente, las mediciones de intensidad se identifican con las diferentes fuentes de color. Un ejemplo del patrón difractado por las formas cuadradas se proporciona en la FIG. 5. La Tabla 1 contiene un ejemplo de los parámetros de diseño para esta forma de realización. 30 The input source is formed by the combination of different colored LEDs or a multi-colored LED. The optical input fields are spatially filtered with an aperture. The plate contains 35 cuadradosm square elements on the side, with 70.5 separadosm separate centers, to produce controlled diffraction patterns. There is only one light source on at a time. To obtain different diffraction patterns the measurements are recorded using the different color sources, at a distance of 1 mm from the discretized plate. The diffraction patterns are registered with a monochromatic detection matrix, for example, a monochrome image sensor. Clearly, intensity measurements are identified with the different color sources. An example of the pattern diffracted by the square shapes is provided in FIG. 5. Table 1 contains an example of the design parameters for this embodiment. 30

Fuente de luz Light source: LED multicolor Multicolor LED

Distancia entre la fuente de luz y la apertura Distance between light source and opening: En las proximidades In the proximitys

Diámetro de la apertura Opening diameter: 150 m 150 m

Distancia entre la apertura y la placa Distance between opening and plate: 30 mm 30 mm

Forma geométrica de los elementos Geometric shape of the elements: Cuadrado Square

Área de los elementos (A) Area of the elements (A): 1.225 m2 1,225 m2

Paso de los elementos (d) Step of the elements (d): 70,5 m 70.5 m

Distancia hasta la matriz de detección (desde la placa discretizada) Distance to detection matrix (from discretized plate): 1 mm 1 mm

Área de la matriz de detección Detection Matrix Area: 5 mm x 5 mm 5 mm x 5 mm

Tamaño de pixel de la matriz de detección Pixel size of the detection array: 2,2 m x 2,2 m 2.2 xm x 2.2 m

Los parámetros presentados en la Tabla 1 permiten el multiplexado de muchos elementos en paralelo. Pueden medirse 25.000 elementos en paralelo, usando para cada uno 200 píxeles. The parameters presented in Table 1 allow multiplexing of many elements in parallel. 25,000 elements can be measured in parallel, using 200 pixels for each.

Ejemplo 4: placa discretizada para el recuento y el análisis de células Example 4: discretized plate for cell count and analysis

En otra forma de realización, la fuente de entrada óptica es un LED UV a 350 nm. La placa contiene elementos con formas diferentes entre sí. El paso entre elementos es de 20 m y el 5 área es de 25 m2. Las sustancias se tiñen con fluoróforos selectivos. El haz óptico que incide sobre la placa discretizada es divergente, procedente de una apertura de 150 m de diámetro. La separación entre la placa discretizada y la matriz de detección es de 1 mm. La matriz de detección para la medición de la intensidad es un sensor de imágenes en color. Las imágenes de intensidad de difracción registradas contienen información fluorescente. El número de 10 células presente es recogido por los algoritmos de procesado de imagen, por ejemplo, algoritmos de segmentación de imagen. In another embodiment, the optical input source is a UV LED at 350 nm. The plate contains elements with different shapes from each other. The passage between elements is 20 m and the 5 area is 25 m2. The substances are stained with selective fluorophores. The optical beam that strikes the discretized plate is divergent, from an opening of 150 m in diameter. The separation between the discretized plate and the detection matrix is 1 mm. The detection matrix for intensity measurement is a color image sensor. The diffraction intensity images recorded contain fluorescent information. The number of 10 cells present is collected by the image processing algorithms, for example, image segmentation algorithms.

En este texto, el término “comprende” y sus derivados (tal como “que comprende”, etc.) no debería interpretarse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deberían interpretarse como que excluyen la posibilidad de que lo que se describe y se define pueda 15 incluir elementos, etapas adicionales, etc. In this text, the term “comprises” and its derivatives (such as “comprising”, etc.) should not be construed in an exclusive sense, that is, these terms should not be construed as excluding the possibility that what is described and defined may include elements, additional steps, etc.

Por otro lado, la invención no se limita obviamente a la(s) forma(s) de realización específica(s) descrita(s) en este documento, sino que también incluye cualquier variación que pueda ser considerada por cualquier persona experta en la técnica (por ejemplo, relativa a la elección de materiales, tamaño, componentes, configuración, etc.), dentro del ámbito general de la 20 invención según se define en las reivindicaciones. On the other hand, the invention is obviously not limited to the specific embodiment (s) described in this document, but also includes any variation that may be considered by any person skilled in the art. (for example, regarding the choice of materials, size, components, configuration, etc.), within the general scope of the invention as defined in the claims.

Claims

1. Compact system for optical measurements comprising:

a) a light source and an array of detectors;

b) means for shaping the light beam from the source onto a plate between the source and the detection matrix; 5

c) where the plate comprises a discretized surface spatially divided into a plurality of regions, each region being provided with an element of a geometric shape, in which each region meets the condition in which z is the distance between the detector and the plate , d is the passage between elements,  is the wavelength of the light coming from the source, S is the length of the minor side of the element and where the area A of each element within the region varies from 1 m2 to 10,000 m2;

d) means to process the signals in the detection matrix and extract the information from the phase.

2. System according to claim 1 further comprising optical and mechanical means to allow a change in the optical path such that different diffraction patterns can be recorded.

3. System according to claims 1 or 2, wherein the passage between adjacent elements (d) has a length that varies between 10 µm and 500 µm.

4. System according to any of the preceding claims wherein the source is an LED or an LD. twenty

5. System according to any one of the preceding claims in which the elements are functionalized so that only certain target substances adhere to them.