ES2836431T3

ES2836431T3 - Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología, filtro espacial y sistema de imagenología que consta de dicho filtro espacial

Info

Publication number: ES2836431T3
Application number: ES16305758T
Authority: ES
Inventors: Pierre-Antoine Frugier; Patrick Mercier; Pierre Chavel; François GOUDAIL
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-06-22
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2036-06-22
Also published as: US20160377861A1; EP3109687A1; EP3109687B1; LT3109687T; JP2017028684A; FR3038193B1; JP6823948B2; US10095027B2; FR3038193A1

Abstract

Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología que comprende un sistema óptico (10) que tiene un eje óptico longitudinal (12), un detector de imagen (30) y un filtro espacial (50), estando configurado el sistema de imagenología para formar una imagen de un plano de enfoque (20) en el detector de imagen (30), comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas: a) Inicialización de una posición longitudinal (z0) del plano de enfoque (20) y de una posición longitudinal (z'0) del detector de imagen (30), conjugando el sistema óptico (10) ópticamente la posición longitudinal (z0) del plano de enfoque (20) y la posición longitudinal (z'0) del detector de imagen (30) en el eje óptico longitudinal (12); b) inicialización de una función pupilar de fase (15) del filtro espacial (50) en el plano pupilar (13) del sistema óptico (10), c) cálculo de una función de transferencia óptica (FTO) del sistema óptico (10) combinado con el filtro espacial (50), en función, por una parte, de la frecuencia espacial (f) y, por otra parte, del defecto de enfoque (Ψ); d) determinación de un mapa de contraste y de un mapa de fase, siendo igual el mapa de contraste al módulo de la función de transferencia óptica (FTO) en función, por una parte, de la frecuencia espacial (f), y, por otra parte, del defecto de enfoque (Ψ), y siendo igual el mapa de fase al argumento de la función de transferencia óptica (FTO) en función, por una parte, de la frecuencia espacial (f), y, por otra parte, del defecto de enfoque (Ψ), en el que la etapa d) comprende las siguientes etapas i) a l): i) inicialización de un umbral de contraste (C0), de un umbral de desfase (Φ0) y de un umbral de variación media del contraste (S0); j) determinación, a partir del mapa de contraste calculado en la etapa d) de un primer dominio de profundidad de enfoque (Pc), para el cual el valor del contraste es superior o igual al umbral de contraste (|C0|) en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]); k) determinación, a partir del mapa de fase calculado en la etapa d) de un segundo dominio de profundidad de enfoque (Pφ), para el cual la fase es inferior o igual al umbral de desfase (Φ0) en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]); l) determinación de un tercer dominio de profundidad de enfoque (PS), para el cual la variación media de contraste promediado en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]) es inferior o igual al umbral de 30 variación media del contraste (S0); e) determinación, a partir del mapa de contraste y del mapa de fase obtenidos en la etapa d), de un dominio de profundidad de enfoque (P) del sistema de imagenología en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]) y cálculo de un valor de extensión longitudinal (|P|) de dicho dominio de profundidad de enfoque (P), estando el dominio de profundidad de enfoque (P) determinado por intersección del primer dominio de profundidad de enfoque (Pc) con el segundo dominio de profundidad de enfoque (Pφ) y con el tercer dominio de profundidad de enfoque (PS); f) evaluación de una función de mérito de dicha función pupilar de fase del filtro espacial (50) en función del valor de extensión longitudinal (|P|) del dominio de profundidad de enfoque (P) del sistema de imagenología en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]); g) reiteración de las etapas b) a f) para otra función pupilar de fase (15) del filtro espacial (50); h) selección, a partir de una pluralidad de evaluaciones de la función de mérito que corresponden, respectivamente, a una pluralidad de funciones pupilares de fase (15) del filtro espacial (50), de una función de fase pupilar determinada, que permite al sistema de imagenología presentar un valor determinado de extensión longitudinal (|P|) del dominio de profundidad de enfoque (P) en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]).

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología, filtro espacial y sistema de imagenología que consta de dicho filtro espacial

La presente invención se refiere, de manera general, al campo de los sistemas de imagenología óptica. La presente invención se refiere, más particularmente, un sistema de imagenología que comprende un filtro espacial adaptado para modificar la profundidad de campo y/o la profundidad de enfoque de un sistema de imagenología con o sin posprocesamiento de imagen digital.

La presente invención se refiere, en particular, a un método de diseño de un sistema de imagenología que comprende un filtro espacial de tipo máscara de fase. La invención también se refiere a un sistema de imagenología que consta de dicho filtro espacial.

Antecedentes de la técnica

La figura 1 representa esquemáticamente un sistema de imagenología óptica. Simplificado al mínimo, este sistema de imagenología consta de un sistema óptico 10 y un detector de imagen 30. En el ejemplo representado, el sistema óptico 10 está constituido por una sola lente simétrica de revolución alrededor de un eje óptico 12. El sistema óptico 10 puede constar de un conjunto de varias lentes o de otros componentes ópticos. Una pupila 11 que delimita la apertura del sistema óptico 10. En general el centro O de la pupila 11 se coloca en el eje óptico 12. El detector de imagen 30 comprende al menos un detector elemental 31, 32, 33. Por detector elemental, se entiende en este caso un detector que tiene un elemento de resolución en al menos una dirección espacial. El detector de imagen 30 está dispuesto en un plano de detección 40, generalmente transversal al eje óptico 12. Una fuente de luz (no representada) ilumina un objeto situado en el espacio de objeto 200. El sistema óptico 10 forma una imagen de este objeto en el espacio de imagen 400. Más precisamente, el sistema óptico 10 conjuga ópticamente el plano de detección 40 con un plano de objeto 20. Se define la profundidad de enfoque PM del sistema de imagenología como siendo el intervalo longitudinal del espacio de imagen 400 para el cual un sistema de detección de imagen 30 dado no detecta o detecta poca falta de nitidez en la imagen detectada. Se define, en el espacio de objeto 200, la profundidad de campo PDC del sistema de imagenología a partir de la profundidad de enfoque PM aplicando las relaciones habituales de conjugación óptica. La profundidad de enfoque PM depende de las especificaciones del sistema óptico (distancia focal, conjugación óptica objeto-imagen, apertura digital), de la longitud de onda A del haz óptico y de la extensión espacial del elemento de resolución del detector de imagen 30.

Esquemáticamente, se ha representado en la figura 1 un sistema de detección 30 formado, por ejemplo, por una matriz plana de detectores elementales 31, 32, 33, o píxeles (CCD o CMOS), de una tira de píxeles o de un detector único (fotodiodo), de dimensiones predeterminadas. El píxel 31 está dispuesto en el plano de detección 40, en la intersección del eje óptico 12. El píxel 31 detecta la imagen A'0 de un punto A0 situado en la intersección del eje óptico 12 y del plano de enfoque 20. El sistema óptico 10 conjuga ópticamente el plano de enfoque 20 del espacio de objeto con el plano de detección 40 del espacio de imagen. De este modo, el plano de detección 40 es un plano transversal al eje óptico 12 y conjugado ópticamente con el plano de objeto 20. De manera análoga, un punto Ap, respectivamente Ar, situado en un plano de objeto 21, respectivamente 22, está conjugado ópticamente con un punto A'p, respectivamente A'r, situado en un plano de imagen 41, respectivamente 42. Por definición, los puntos A'r y A'p que corresponden a los extremos de la zona axial de profundidad de enfoque PM calculada geométricamente, la dimensión transversal del haz óptico que forma la imagen en el punto A'r y A'p tiene un tamaño igual al tamaño del píxel 31, en el plano de detección 40. De este modo, el sistema de detección no detecta degradación de la calidad de imagen entre los planos de objeto 20, 21 y 22. La profundidad de campo PDC corresponde geométricamente a la distancia a lo largo del eje óptico 12, entre el plano de objeto 21 y el plano de objeto 22 para los cuales la imagen a través del sistema óptico 10 tiene la dimensión transversal de un píxel 33 del sistema de detección 30.

Un análisis geométrico simple muestra que la profundidad de enfoque PM depende de parámetros tales como, en concreto: la apertura digital del sistema óptico, el tamaño característico del detector elemental y el aumento del sistema óptico.

Existen diferentes técnicas para aumentar la profundidad de campo de un sistema óptico de imagenología. Se conocen filtros espaciales de tipo apodizador colocados en el plano de la pupila del sistema óptico. Un filtro apodizador es, en general, un filtro espacial en transmisión que tiene una distribución en amplitud que permite suprimir los anillos secundarios de la figura de difracción producida por un sistema óptico en un punto de imagen.

En la figura 2, se han representado los sistemas de referencia geométricos utilizados para la evaluación de la amplitud de la respuesta a un impulso en el campo de imagen, cerca del plano de enfoque, de un sistema óptico que posee una función pupilar dada 15.

Se considera un sistema de imagenología que comprende un sistema óptico de distancia focal F que forma la imagen de un punto A0 en un punto de imagen A'0. El sistema de imagenología consta además de un filtro espacial o máscara óptica. Esta máscara óptica está dispuesta cerca del plano de la pupila del sistema óptico o en un plano ópticamente conjugado con el plano de la pupila del sistema óptico. La máscara óptica genera una función pupilar compleja 15 susceptible de modificar la respuesta a un impulso en amplitud y en fase del sistema de imagenología. Esta función pupilar compleja 15 se denota D (£ r¡), donde ,^ n son las coordenadas cartesianas en el plano 13 de la pupila 11. Se define, en este caso, un defecto de enfoque por el desfase correspondiente ^(z, Z) de la onda óptica en el borde de la pupila 13 con respecto al frente de onda del punto conjugado A'0. La pupila tiene una forma circular centrada en el eje óptico 12 y de radio máximo R. Por definición:

donde W20 representa la separación normal, expresada en número de longitudes de onda, con respecto a la esfera de referencia en el borde de pupila debido al defecto de enfoque. En la aproximación de Fresnel, la expresión de la amplitud compleja del campo electromagnético en el espacio de imagen viene dada por la ecuación (2):

Se busca determinar un filtro espacial de tipo máscara de fase que permite extender la profundidad de enfoque o, de manera equivalente, extender la profundidad de campo de un sistema de imagenología. Expresado matemáticamente, este problema vuelve a definir en el plano pupilar un perfil de fase D(Z, r¡) tal que, para un punto de objeto dado, el campo óptico cerca del punto de imagen conjugado presenta una propiedad de invariancia a lo largo del eje óptico:

d\U(x,y,z ')\2

dz = 0 Vx,y para cada z £ PM

(3)

En general, la ecuación (3) no posee solución analítica.

El problema enunciado anteriormente se puede formular de manera más simple en el caso de un sistema óptico con simetría de revolución y para un punto de objeto A situado en el campo del sistema. Se introduce un sistema de coordenadas cilindricas y se denota, en el plano de la pupila p el radio reducido, definido por p = _R con R el radio máximo de la pupila.

La ecuación (2) se reformula de este modo:

La intensidad normalizada se expresa con la forma:

donde I0 representa la intensidad en el eje limitada por la difracción, en el plano de detección del sistema de imagenología sin filtro espacial en conjugación infinito-foco.

En el caso de un sistema óptico no centrado o que tiene una apertura digital tal que la aproximación de Fresnel no se aplica, existen otros modelos de distribución de la intensidad I(Z, x, y, z) bien conocidos por el experto en la materia (véase, por ejemplo, la teoría ENZ: Extended Nijboer-Zernike).

La publicación J. Ojeda-Castaneda et al., "Ambiguity Function as a Design Tool for high focal depth", Appl. Opt., Vol.

27, No. 4, 1988 describe un filtro espacial de tipo apodizador, que modifica la amplitud de la pupila para modificar la respuesta a un impulso. Más precisamente, esta publicación compara los rendimientos de diferentes filtros apodizadores que permiten una estabilización de la respuesta para un defecto de enfoque del orden de 1A que corresponde a |^ | < 6,28. Estos filtros apodizadores en amplitud tienen como principal inconveniente inducir una atenuación de la luminosidad del sistema de imagenología y, por lo tanto, reducir fuertemente la eficacia fotométrica del sistema de imagenología.

Otra publicación describe una máscara de fase de perfil polinómico que permite estabilizar la respuesta a un impulso (PSF) según V. La publicación Cathey, E. Dowski, New Paradigm for Imaging System, Appl. Opt., Vol. 41,2002 propone, en el marco de las aproximaciones previstas, una máscara de fase que tiene una distribución espacial de fase polinómica de orden 3 en el plano de la pupila, o máscara de fase cúbica, y que introduce un defecto de amplitud superior a 20 radianes, que permite obtener una gama de desfocalización evaluada a | ^ | < 30, es decir una ganancia de desfocalización de un factor 10. No obstante, dichas máscaras de fase cúbica necesitan una deconvolución de la imagen detectada por la respuesta a un impulso (PSF) resultante. Estos resultados se han extendido en lo sucesivo a perfiles logarítmicos que presentan rendimientos análogos.

Este tipo de máscara de fase presenta otro inconveniente. Aunque la respuesta a un impulso sea casi invariable en su forma, la posición del baricentro de la respuesta a un impulso se desplaza a lo largo del eje longitudinal. Este desfase produce una distorsión significativa de la imagen que no se puede corregir, incluyendo digitalmente, ya que depende de la posición tridimensional de cada punto de objeto. Por último, estas máscaras son generalmente caras de producir, ya que generalmente deben realizarse por mecanizado con diamante.

La publicación H. Wang et al., "High Focal Depth with a Pure-Phase Apodizer", Appl. Optics, Vol. 40, No. 31, 2001, propone una máscara de fase constituida por tres anillos concéntricos que presentan saltos de fase binarios entre 0 y n. Esta máscara de fase, de fabricación simple, no produce distorsión de imagen. La aplicación de la teoría de la difracción permite calcular la distribución de intensidad a lo largo del eje óptico longitudinal del sistema óptico, para diferentes valores de los rayos normalizados a y b de los dos anillos internos. Mediante un enfoque de ensayo y error, la determinación de valores optimizados de a y b permite uniformizar la distribución axial de intensidad l(z, x=0, y=0) y extender la profundidad de campo. Sin embargo, este método no permite evaluar la distribución de intensidad en el conjunto del campo de imagen, y no garantiza, por lo tanto, rendimientos óptimos en términos de resolución espacial. Este tipo de máscara de fase encuentra aplicaciones en microscopía confocal de barrido de haz, donde se forma una imagen punto por punto. Combinada con un posprocesamiento de imagen, dicha máscara permite extender el defecto de enfoque a |^ | < 7,6 es decir una ganancia de desfocalización de un factor dos.

La utilización de dicha máscara de fase anular presenta dos limitaciones: por un lado, el rendimiento en términos de extensión de la profundidad de campo y/o de profundidad de enfoque sigue siendo limito, por otra parte, en imagenología, el criterio de invariancia de la intensidad no basta para obtener una imagen de calidad en todo el campo de imagen. Por último, la etapa de deconvolución necesita una etapa suplementaria en la cadena de procesamiento de la imagen.

El documento de patente WO 2015/004659_A1 describe un elemento óptico con dos máscaras de fase destinado a extender la profundidad de enfoque (DOF) de un sistema de imagenología en una gama limitada en términos de desenfoque. El documento FR2919733_A1 describe un sistema óptico provisto de otro dispositivo de incremento de su profundidad de campo. Por último, la publicación Yang et al. "Optimized phase pupil masks for extended depth of field", Optics Comm. Vol.272, no 1, p.56-66, 2007 describe una máscara pupilar de fase que tiene un perfil exponencial para extender la profundidad de campo de un sistema óptico.

Por otra parte, existen también métodos digitales de procesamiento de imagen para permitir aumentar la resolución espacial o el contraste de un sistema de imagenología. Sin embargo, estos métodos implican un posprocesamiento digital que es en general incompatible con la utilización directa (sin deconvolución) del sistema de imagenología. Estos métodos presentan rendimientos limitados.

Existe, por lo tanto, una necesidad de un método de diseño de filtro espacial que permita modificar (extender o reducir) la profundidad de campo y/o la profundidad de enfoque de un sistema de imagenología al tiempo que se garantiza una invariancia de la calidad de imagen en esta profundidad de campo modificada y/o profundidad de enfoque modificada. Preferentemente, el sistema de imagenología permite obtener una imagen en la zona de profundidad de campo modificada y/o de profundidad de enfoque modificada, sin posprocesamiento de imagen.

En particular, es deseable extender el intervalo de los defectos de enfoque tolerados para un sistema de imagenología existente, para facilitar la fabricación y los ajustes de enfoque de este sistema de imagenología y extender la profundidad de campo y/o la profundidad de enfoque de este sistema de imagenología sin introducir distorsión o degradación de la calidad de imagen.

Más precisamente, es deseable extender la profundidad de campo de un sistema de imagenología sin posprocesamiento de imagen para obtener una extensión de profundidad de campo al menos tan grande como en los sistemas anteriores que necesitan un posprocesamiento. Además, es deseable extender considerablemente la profundidad de campo de un sistema de imagenología que combina un filtro espacial y un posprocesamiento por comparación con los resultados obtenidos en los sistemas de la técnica anterior.

Existen también una necesidad de un filtro espacial destinado a ser combinado con un sistema de imagenología, siendo el filtro espacial de fabricación sencilla, que permite modificar la profundidad de campo y/o de enfoque del sistema de imagenología, sin degradación de la calidad de imagen a lo largo del eje óptico longitudinal del sistema óptico.

Objeto de la invención

La invención se define en las reivindicaciones.

Para remediar el inconveniente mencionado anteriormente del estado de la técnica, la presente invención propone un procedimiento de diseño de un sistema de imagenología que comprende un sistema óptico que tiene un eje óptico longitudinal, un detector de imagen y un filtro espacial, estando configurado el sistema de imagenología para formar una imagen de un plano de enfoque en el detector de imagen, comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:

a) Inicialización de una posición longitudinal del plano de enfoque y de una posición longitudinal del detector de imagen, conjugando el sistema óptico ópticamente la posición longitudinal del plano de enfoque y la posición longitudinal del detector de imagen (30) en el eje óptico longitudinal;

b) inicialización de una función pupilar de fase del filtro espacial en el plano pupilar del sistema óptico, c) cálculo de una función de transferencia óptica del sistema óptico combinado con el filtro espacial, en función, por una parte, de la frecuencia espacial y, por otra parte, del defecto de enfoque;

d) determinación de un mapa de contraste y de un mapa de fase, siendo igual el mapa de contraste al módulo de la función de transferencia óptica en función, por una parte, de la frecuencia espacial, y, por otra parte, del defecto de enfoque, y siendo igual el mapa de fase al argumento de la función de transferencia óptica en función, por una parte, de la frecuencia espacial, y, por otra parte, del defecto de enfoque;

e) determinación, a partir del mapa de contraste y del mapa de fase obtenidos en la etapa d), de un dominio de profundidad de enfoque del sistema de imagenología en la gama útil de frecuencias espaciales y cálculo de un valor de extensión longitudinal de dicho dominio de profundidad de enfoque;

f) evaluación de una función de mérito de dicha función pupilar de fase del filtro espacial en función del valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque del sistema de imagenología en la gama útil de frecuencias espaciales;

g) reiteración de las etapas b) a f) para otra función pupilar de fase del filtro espacial;

h) selección, a partir de una pluralidad de evaluaciones de la función de mérito que corresponden, respectivamente, a una pluralidad de funciones pupilares de fase del filtro espacial, de una función de fase pupilar determinada, que permite al sistema de imagenología presentar un valor determinado de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque en la gama útil de frecuencias espaciales.

La etapa d) comprende las siguientes etapas:

i) inicialización de un umbral de contraste, de un umbral de desfase y de un umbral de variación media del contraste; j) determinación, a partir del mapa de contraste calculado en la etapa d) de un primer dominio de profundidad de enfoque, para el cual el valor del contraste es superior o igual al umbral de contraste en la gama útil de frecuencias espaciales;

k) determinación, a partir del mapa de fase calculado en la etapa d) de un segundo dominio de profundidad de enfoque, para el cual la fase es inferior o igual al umbral de desfase en la gama útil de frecuencias espaciales; l) determinación de un tercer dominio de profundidad de enfoque, para el cual la variación media de contraste promediado en la gama útil de frecuencias espaciales es inferior o igual al umbral de variación media del contraste. Más particularmente la etapa e) comprende la siguiente etapa:

m) determinación del dominio de profundidad de enfoque por intersección del primer dominio de profundidad de enfoque con el segundo dominio de profundidad de enfoque y con el tercer dominio de profundidad de enfoque, y en el que la etapa f) comprende la siguiente etapa:

n) cálculo, en función del defecto de enfoque, del contraste medio del sistema de imagenología promediado en la gama útil de frecuencias espaciales y para dicho dominio de profundidad de enfoque determinado en la etapa m);

o) evaluación de una función de mérito representativa de dicha función pupilar de fase del filtro espacial siendo la función de mérito función, por una parte, del valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque del sistema de imagenología determinada en la etapa m) y, por otra parte, del contraste medio calculado en la etapa n) en la gama útil de frecuencias espaciales.

Otras características no limitativas y ventajosa del procedimiento de diseño de un sistema de imagenología que comprende un filtro espacial de acuerdo con la invención, tomadas individualmente o según todas las combinaciones técnicamente posibles, son las siguientes:

- la pupila es de forma circular centrada en el eje óptico y la función pupilar de fase del filtro espacial es simétrica de revolución alrededor del eje óptico o con simetría de revolución parcial, estando descompuesta la función pupilar de fase del filtro espacial en sectores angulares;

- la función pupilar de fase del filtro espacial consta de una serie de valores de fase discretos;

- la función pupilar de fase del filtro espacial consta de valores de fase binarios;

- la función pupilar de fase del filtro espacial es una función polinómica de la distancia radial con respecto al centro de la pupila;

- la pupila del sistema óptico es asimétrica alrededor del eje óptico y el mapa de contraste consta de un mapa real y de un mapa imaginario;

- la etapa g) de evaluación de una función de mérito consta de una etapa de cálculo del producto del valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque por el contraste medio afectado por un coeficiente de potencia digital, siendo este coeficiente de potencia digital un número real;

- el procedimiento consta de una etapa de determinación de un valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de campo en función del valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque.

La invención propone también un filtro espacial para un sistema de imagenología según la reivindicación 10.

La invención propone también un sistema de imagenología según la reivindicación 11.

Más particularmente, según la invención el filtro espacial forma, en el plano pupilar, una máscara de fase que tiene una función pupilar de fase, siendo determinada dicha función pupilar de fase según el procedimiento de la invención de manera que el sistema óptico combinado con filtro espacial presenta un dominio de profundidad de enfoque determinado en una gama útil de frecuencias espaciales que tiene un valor de extensión longitudinal, tal como se calculó en la etapa e) anteriormente, superior, respectivamente inferior, en un factor multiplicador, respectivamente divisor, al menos igual a 10, a la profundidad de enfoque calculada geométricamente de dicho sistema de imagenología desprovisto de dicho filtro espacial.

Según un aspecto particular y ventajoso, el sistema de imagenología consta además de un sistema de adquisición de imagen adaptado para adquirir una imagen digital detectada por el detector de imagen y un sistema de procesamiento de imagen configurado para aplicar un posprocesamiento digital a la imagen digital adquirida por el sistema de adquisición de imagen, siendo el posprocesamiento digital función del filtro espacial asociado a dicho valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque y al contraste medio.

Según un modo de realización particular y ventajoso, el sistema de imagenología consta de un modulador espacial de fase, estando configurado el modulador espacial de fase para formar dicho filtro espacial y siendo dicho modulador espacial de fase modulable dinámicamente.

Descripción detallada de un ejemplo de realización

La descripción que sigue con relación a los dibujos adjuntos, dados a título de ejemplos no limitativos, permitirá comprender correctamente en qué consiste la invención y cómo puede realizarse.

En los dibujos adjuntos:

- la figura 1 representa una vista en sección longitudinal de un sistema de imagenología de la técnica anterior, sin máscara de fase, definiendo este sistema de imagenología una profundidad de enfoque y una profundidad de campo;

- la figura 2 representa esquemáticamente los sistemas de referencia geométricos utilizados para la evaluación de la respuesta a un impulso de un sistema de imagenología que tiene una función pupilar;

- la figura 3 representa un ejemplo de distribución longitudinal de intensidad en función de la distancia radial al eje óptico y en función del defecto de enfoque, cerca del plano de enfoque;

- la figura 4A representa un ejemplo de mapa de contraste en función de la frecuencia espacial y del defecto de enfoque, para un sistema de imagenología sin máscara de fase; la figura 4B representa un ejemplo de mapa de fase en el plano de imagen correspondiente al mismo sistema de imagenología sin máscara de fase;

- las figuras 5A-5R representan de las imágenes de mira de Siemens adquiridas por medio del sistema de imagenología sin máscara de fase cuyo mapa de contraste se representa en la figura 4A y el mapa de fase en la figura 4B;

- la figura 6 representa una foto de un primer ejemplo de máscara de fase según un modo de realización de la invención;

- la figura 7 representa esquemáticamente el perfil radial de fase de la máscara de fase de la figura 6;

- la figura 8A representa el mapa de contraste en función de la frecuencia espacial y del defecto de enfoque para un sistema de imagenología que comprende la máscara de fase representada en las figuras 6 y 7; la figura 8B representa una curva de perfil longitudinal de contraste promediado en la gama útil de frecuencias espaciales en función del defecto de enfoque;

- las figuras 9A-9R representan imágenes de mira de Siemens adquiridas por medio del sistema de imagenología que comprende la máscara de fase representada en las figuras 6 y 7, obteniéndose estas imágenes sin posprocesamiento;

- las figuras 10A-10R representan imágenes de mira de Siemens adquiridas experimentalmente por medio del sistema de imagenología que comprende la máscara de fase representada en las figuras 6 y 7, obteniéndose estas imágenes con posprocesamiento digital;

- la figura 11 representa esquemáticamente un segundo ejemplo de perfil radial de máscara de fase según una variante de un modo de realización de la invención;

- las figuras 12A-12R representan imágenes de mira de Siemens adquiridas por medio del sistema de imagenología que comprende la máscara de fase cuyo perfil radial de fase se representa en la figura 11, obteniéndose estas imágenes con posprocesamiento digital.

Procedimiento

La presente divulgación propone un procedimiento para diseñar un sistema de imagenología óptica que comprende una máscara pupilar de fase que permite modificar la profundidad de campo del sistema de imagenología óptica al tiempo que se garantiza la invariancia de la calidad de imagen en esta profundidad de campo modificada. Según las aplicaciones, este procedimiento se puede implementar para extender o reducir la profundidad de campo de un sistema de imagenología óptica.

En lo sucesivo en la presente divulgación, se considera un sistema de imagenología que comprende un sistema óptico, un detector de imagen dispuesto en un plano de detección y eventualmente un filtro espacial de tipo máscara de fase dispuesto en el plano de la pupila del sistema óptico o en un plano ópticamente conjugado. El sistema de imagenología está configurado para formar una imagen de un plano de enfoque 20 en el plano de detección 40.

Los rendimientos del sistema de imagenología (con o sin máscara de fase) se evalúan por medio de un mapa de contraste que representa las variaciones del contraste no solamente en función del defecto de enfoque en el eje, sino también en función de la frecuencia espacial. La máscara de fase se representa, de este modo, como un operador de mapa de contraste del sistema de imagenología y se utiliza el método descrito a continuación para calcularlo.

Se estima la evolución de la función de transferencia óptica (FTO) del sistema óptico eventualmente combinado con la máscara de fase pupilar según el defecto de enfoque. La fTo puede ser evaluada por autocorrelación de la función pupilar para diferentes valores del defecto de enfoque. En el caso de un sistema óptico con simetría de revolución, la FTO puede, por ejemplo, deducirse directamente de la distribución de la intensidad en el eje I(Z,r,z) por la ecuación:

FTO(Z, f , z) = 2 ■ TF o TA (1(Z, r , z) ) (2.3)

Donde TF representa la transformada de Fourier y TA representa el operador de Abel:

La FTO es generalmente compleja. En lo sucesivo en la presente divulgación, se denomina mapa de contraste al módulo de la función de transferencia óptica (FTO) y mapa de fase a su argumento.

A título de ejemplo, se considera un sistema de imagenología de referencia, tal como se representa en la figura 1, que comprende una lente 10 de distancia focal F = 600 mm., que tiene una pupila circular de diámetro R=25 mm, sin máscara de fase, sin máscara de fase, que forma la imagen de un objeto situado a una distancia de Z0 = 5 m en el plano de detección situado en la posición z0 = 681,81 mm. La figura 4A representa un mapa de contraste de este sistema de imagenología de referencia en función de la frecuencia espacial f y en función del defecto de enfoque z, cerca del plano de enfoque (z0 = 681,81 mm). En las figuras 4A y 4B, se han representado las frecuencias espaciales (-fdet, fdet) que corresponden a la resolución espacial del detector de imagen, y, respectivamente, las frecuencias espaciales de corte (-fcc, fcc) que corresponden al límite teórico de difracción del sistema óptico a la longitud de onda de utilización. Se ha representado el plano de detección z=z0. Se observa en el mapa de contraste (figura 4A) que el valor del contraste decrece fuertemente para las frecuencias espaciales útiles en cuanto se produce alejamiento del plano de enfoque.

La figura 4B representa un mapa de fase que corresponde al mismo sistema de imagenología de referencia en función por un lado de la frecuencia espacial f y por otro lado del defecto de enfoque. El trazo horizontal corresponde al plano de detección z=z0. En este mapa de fase, las zonas negras corresponden a una fase nula, es decir a un contraste positivo, y las zonas blancas a una fase igual a n, es decir a una inversión de contraste. En este mapa de fase, se observa que la fase de la FTO permanece constante (fase nula) muy cerca del plano de detección (z=z0) en función de la frecuencia espacial, en concreto en la gama útil de frecuencias espaciales, en este caso [-fdet, fdet]. Para una frecuencia espacial nula, la fase del contraste también permanece constante (fase nula) a lo largo del eje óptico en la gama de defecto de enfoque representada. Sin embargo, la fase del contraste de la figura 4B varía fuertemente en cuanto se produce alejamiento del plano de detección en la gama útil de frecuencias espaciales. Este mapa de la fase explica las inversiones de contraste que aparecen en determinadas frecuencias espaciales en función del defecto de enfoque.

El mapa de contraste (figura 4A) y el mapa de fase (figura 4B) ilustran bien el hecho de que la calidad de imagen del sistema de imagenología sin máscara de fase se degrada muy rápidamente en cuanto se produce alejamiento del plano de enfoque 40.

Este nuevo enfoque permite una mejor evaluación de los rendimientos de un sistema de imagenología en función del defecto de enfoque.

La figura 5 representa una serie de adquisiciones experimentales de una mira de Siemens realizadas con el sistema de imagenología de referencia para diferentes valores de defecto de enfoque. Los ejes horizontales y verticales representan el número de píxeles en el plano del detector de imagen, en este caso compuesto por aproximadamente 1100x1100 píxeles.

Las figuras 5B, 5C, 5H, 5I, 5N, 5Q representan la imagen completa de la mira de Siemens y muestran todas las frecuencias espaciales. Las figuras 5A, 5B, 5C ilustran imágenes de una mira de Siemens dispuesta en el plano de enfoque, para un defecto de enfoque |^ | = 0. Las figuras 5D, 5E, 5F ilustran imágenes de la misma mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±7,9. Las figuras 5G, 5H, 5I ilustran imágenes de la misma mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±15.8. Las figuras 5J, 5K, 5L ilustran imágenes de la misma mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±23.7. Las figuras 5M, 5N, 5O ilustran imágenes de la misma mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±31.6. Las figuras 5P, 5Q, 5R ilustran imágenes de mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±39,4.

Las figuras 5A, 5D, 5G, 5J, 5M, 5P representan un zoom en una zona excéntrica de 250x250 píxeles en la imagen de la mira de Siemens, que corresponde a las frecuencias espaciales más bajas. Las figuras 5C, 5F, 5I, 5L, 5O, 5R representan un zoom en una zona central de 250x250 píxeles en la imagen de la mira de Siemens, que corresponde a las frecuencias espaciales más elevadas.

Se observa visualmente en estas imágenes la caída del contraste en función del defecto de enfoque pasando de la imagen 5A (|^ | = 0) a la imagen 5P (|^ | = ±39,4), siendo esta caída más acentuada en el centro de la mira (imagen 5R), es decir a las frecuencias espaciales elevadas. Se observan también visualmente en estas imágenes inversiones de contraste que se producen en función del defecto de enfoque y en función de las frecuencias espaciales.

El problema técnico de modificación de la profundidad de campo o de la profundidad de enfoque de un sistema de imagenología por medio de una máscara de fase dispuesta en el plano de la pupila o en un plano ópticamente conjugado con la pupila del sistema de imagenología, puede reformularse por medio de este mapa de contraste, eventualmente combinado con el mapa de fase. Extender la profundidad de enfoque de un sistema de imagenología vuelve a hacer invariantes los mapas de contraste y de fase a lo largo del eje longitudinal (z) a uno y otro lado de la línea z=z0 y en la gama útil de frecuencias espaciales del sistema de imagenología. La gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc] del sistema de imagenología considerado es un parámetro de entrada fijado según las necesidades, puede determinarse, en concreto, en función de la frecuencia espacial de corte del detector de imagen fdet. Preferentemente, es deseable evitar las inversiones de fase en la profundidad de campo (o en la profundidad de enfoque) y en el dominio útil de frecuencias espaciales.

De una forma general, para llevar a cabo el diseño de una máscara de fase para un sistema de imagenología, conviene definir magnitudes de entrada, que permiten especificar las propiedades buscadas para el sistema de imagenología óptica, y magnitudes de salida, para evaluar los resultados obtenidos según una función de mérito.

Para actuar específicamente sobre la profundidad de campo o sobre la profundidad de enfoque del sistema de imagenología óptica, estas magnitudes se definen de la siguiente manera.

1) Magnitudes de entrada

Para evaluar el rendimiento de diferentes máscaras de fase pupilares en el sentido de la función de transferencia óptica (FTO), se introducen parámetros de entrada, que representan criterios.

• primera condición en el límite inferior del contraste (C0)

Se define un valor de un umbral de contraste mínimo C0 deseado en cualquier punto del mapa de contraste de la FTO, para una gama útil de frecuencias espaciales [-fc;fc] determinada.

• segunda condición en el valor de desfase máximo (O0) de la FTO

Se define un valor de un umbral de desfase O0 que limita los desfases autorizados en el mapa de fase de la FTO en la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc].

Por ejemplo, si se fija O0 igual a 0 rad., no se autoriza ningún desfase en la FTO en la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc] determinada. Si se fija O0 igual a 2*pi rad., se autoriza cualquier desfase en la FTO, en particular las inversiones de contraste, en la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc] determinada.

• tercera condición en la variación media del contraste (S0)

Se define un valor de un umbral S0 que limitan las variaciones longitudinales del contraste promediado en la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc].

Por ejemplo, si se fija S0 igual al 35 %, el contraste medio del mapa de contraste no debe fluctuar en más del 35 % en la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc] determinada.

2) Magnitudes de salida

Para poder comparar los rendimientos de diferentes máscaras de fase pupilares en un sistema de imagenología, se definen dos criterios en función de la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc] determinada, y en función de los valores de los umbrales (C0, $0, S0) seleccionados:

• Valor de la extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque (|P|)

El dominio de profundidad de enfoque P se define en este caso por la intersección de varios dominios, definidos ellos mismos a partir de las condiciones fijadas por C0, $0 y S0. Más precisamente, la extensión longitudinal |P| del dominio de profundidad de enfoque P es igual al valor absoluto del dominio de profundidad de enfoque P, de donde:

|P| = |Pc n Ps fl P9I con Pc, Ps y P9 definidos de la siguiente manera.

o Pc se define como la mayor zona longitudinal para la cual la primera condición definida por C0 se cumple en el mapa de contraste en toda la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc]. Se puede interpretar Pc como una medida de un primer dominio de profundidad de enfoque en un criterio de mantenimiento de una resolución mínima longitudinalmente, más o menos importante según el valor conservado para el límite C0. En el,caso en que C0 es nulo |P| = |Ps f P9I.

° P9 se define como la mayor zona longitudinal para la cual la segunda condición definida por O0 se cumple en el mapa de fase. Se puede interpretar P9 como una medida de un segundo dominio de profundidad de enfoque en un criterio opcional de limitación de los desfases de la FTO en una zona longitudinal del mapa de fase y en la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc]. En el caso en que O0 vale 2*pi, P9 se considera como infinito o no limitante, en este caso |P| = |Pc f Ps|.

|° Ps se define como la mayor zona longitudinal para la cual la condición S0 se cumple en el mapa de contraste; en caso de discontinuidad, la mayor extensión que cumple el criterio se conserva. Se puede interpretar Ps como una medida de un tercer dominio de profundidad de enfoque en un criterio de mantenimiento longitudinal de una forma de respuesta a un impulso (PSF), más o menos estricto según el valor del umbral S0 definido. En el caso en que S0 es nulo, no se autoriza ninguna variación de contraste. En el caso en que S0 es igual al 100 %, se autoriza cualquier variación de contraste y Ps se considera como infinito o no limitante, en este caso: |P| = |Pc f P^.

• Contraste medio (C)

C - { \F T O \) zez_(p) y / e [ - / c ,f_c]

C representa el contraste medio del sistema de imagenología en la zona del mapa de contraste correspondiente al dominio de profundidad de enfoque P. Se puede interpretar C como un indicador de la calidad de imagen del sistema de imagenología en el dominio de profundidad de enfoque P asociado.

Por ejemplo, se considera el sistema de imagenología de referencia constituido por un sistema óptico sin máscara de fase cuyo mapa de contraste se representa en la figura 4A.

Para los valores de C0 = 1 %, O0 = 0 rad. y S0 = 35 %, se obtiene |P| = |Ps| = 0,55 mm y C = 74 % para una gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc] determinada por fc = fdet = 67 (pares de líneas por milímetro o pl/mm).

3) Ejemplo de cálculo

C0, O0 y S0 son parámetros que permiten al diseñador elegir las características del sistema de imagenología deseado, respectivamente la calidad de la función de transferencia de modulación FTM y/o la invariancia de esta.

En un primer ejemplo de aplicación, se elige un valor del 1 % para el umbral de contraste mínimo C0, un valor de O0 igual a 0 rad. (dicho de otro modo, las inversiones de contraste no están autorizadas) y un valor del 35 % para el umbral de variación de contraste S0.

En un segundo ejemplo de aplicación, se prioriza el umbral de variación de contraste S0 con respecto a la condición en el primer umbral de contraste mínimo C0=0 %. Esto vuelve a priorizar un sistema de imagenología que presenta una extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque que puede ser importante, pero en un posible detrimento de la resolución espacial. Dicho sistema de imagenología (que tiene una calidad de imagen relativamente peor) puede necesitar un posprocesamiento por deconvolución de la imagen detectada.

En otro ejemplo, se puede elegir un límite inferior de contraste C0 elevado. Esta elección vuelve a priorizar la resolución espacial con respecto a la extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque. Dicho sistema de imagenología es susceptible de proporcionar una imagen de buena calidad sin necesitar deconvolución de la imagen detectada.

Los parámetros C0, O0 y S0 permiten determinar las magnitudes de salida (|P| y C) que cuantifican la respuesta del sistema de imagenología, en función del defecto de enfoque y en función de la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc].

El diseñador fija el valor de fc, y a continuación elige los valores de entrada de los parámetros C0, O0 y S0. Sin embargo, para un sistema de imagenología dado, no hay unicidad de la solución de una máscara de fase que permita cumplir las condiciones impuestas para un mismo conjunto de valores C0, O0 y S0. La selección de una máscara de fase pertinente resulta de un proceso de optimización y de la evaluación de una función de mérito asociada al proceso de optimización.

Diferentes sistemas de imagenología basados en la combinación de un mismo sistema óptico y de un mismo detector de imagen, en una conjugación óptica determinada, con diferentes máscaras de fase pupilares son simulados. Estos diferentes sistemas de imagenología pueden ser evaluados por un procedimiento de optimización o de minimización, en función de los dos parámetros siguientes: por una parte, una medida de la extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque que corresponde a |P| y, por otra parte, una medida de la calidad de imagen media que corresponde a C, obtenida por el sistema de imagenología provisto de su máscara de fase pupilar.

Un algoritmo de optimización permite buscar el o los perfiles de máscara de fase pupilar (o de transmisión) D(£, n) en la ecuación 2.1, permiten modificar, por ejemplo, aumentar, el valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque |P| y/o el contraste medio C. Este cálculo puede implementar una optimización no lineal clásica (de tipo Gauss-Newton, o Levenberg-Marquardt, por ejemplo) o también un algoritmo tipo genético (NDS, Rango, Torneo, Ruleta sesgada u otro).

La utilización de un algoritmo de optimización se basa en general en un cálculo de una función de mérito a partir del valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque |P| y/o del contraste medio C.

El procedimiento propuesto puede, por ejemplo, permitir estabilizar la respuesta del sistema para defectos de enfoque muy importantes, al tiempo que se preserva la resolución espacial del sistema.

También es posible obtener fuertes extensiones del dominio de profundidad de campo o de profundidad de enfoque al tiempo que se conserva una resolución espacial muy aceptable sin posprocesamiento.

De manera análoga, el procedimiento puede ser utilizado para reducir fuertemente el valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque o de profundidad de campo de un sistema de imagenología, por ejemplo, en una aplicación de microscopía resuelta según el eje longitudinal.

El procedimiento es aplicable a la definición de cualquier tipo de familia de máscaras de fase:

- máscara de fase con simetría de revolución, que presenta un perfil radial que comprende saltos de fase binarios o cuantificados, o un perfil radial polinómico;

- máscara de fase con simetría de revolución parcial cuyo perfil puede descomponerse en sectores angulares de dimensiones variables, presentando cada sector angular un perfil radial que comprende saltos de fase binarios o cuantificados o un perfil radial polinómico.

Una vez insertada en el sistema óptico para el que se ha diseñado, la máscara de fase pupilar (o máscara de fase) diseñada mediante el procedimiento confiere una profundidad de campo modificada o una profundidad de enfoque modificada, en función de los valores impuestos por el diseñador para los parámetros de entrada (C0, O0, S0).

En un primer ejemplo de aplicación (figura 6-9), el acoplamiento de una máscara de fase pupilar que se deriva del procedimiento descrito anteriormente permite extender el dominio de profundidad de campo de un sistema de imagenología para alcanzar un defecto de enfoque |^ |~40 rad. sin distorsión de la imagen detectada y con una conservación de las frecuencias espaciales tal que un posprocesamiento no es obligatorio para obtener una imagen aprovechable. La profundidad de enfoque del sistema de imagenología es, de este modo, modificada inmediatamente por la inserción de esta máscara de fase pupilar.

En otro ejemplo de aplicación (figura 11-12), otra máscara de fase pupilar permite extender el dominio de profundidad de campo de manera considerable para alcanzar un defecto de enfoque |^ |~90 rad. sin distorsión de la imagen. Sin embargo, en este caso, un posprocesamiento de imagen puede ser deseable para obtener una imagen que presenta las características de resolución deseada. La profundidad de enfoque del sistema de imagenología es, por lo tanto en este caso también, modificada inmediatamente por la inserción de esta otra máscara de fase pupilar.

La máscara de fase pupilar puede estar diseñada para colocarse próxima al plano pupilar del sistema óptico o en un plano conjugué de este mediante otro sistema óptico.

El procedimiento se puede aplicar a cualquier tipo de sistemas de imagenología. Integra en la entrada los criterios deseados en el sistema de imagenología y tiene en cuenta los parámetros del sistema a optimizar: apertura digital, distancia focal, distancia de enfoque, longitud de onda o gama espectral del haz óptico de imagenología.

En el primer ejemplo de aplicación, se busca un aumento de la profundidad de enfoque de un sistema de imagenología, que no necesita obligatoriamente posprocesamiento de la imagen adquirida.

A título de ejemplo ilustrativo y nulamente limitativo, se calcula una función de mérito de la forma m(C,P) = C■|P|Y: donde |P| representa, para cada sistema de imagenología el valor de la extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque, es decir de la zona longitudinal donde el criterio da invariancia se respeta. Experimentalmente, el factor de potencia y es un número real. Esta función de mérito puede implementarse en un algoritmo de optimización que puede ser, por ejemplo, un algoritmo genético. Otros algoritmos de optimización conocidos por el experto en la materia pueden utilizarse, tales como un algoritmo de optimización de múltiples criterios.

• Primer ejemplo de aplicación

Se detalla en este caso un primer ejemplo de realización concerniente a un sistema de imagenología que comprende un sistema óptico formado por un doblete que tiene una distancia focal de 600 mm. este sistema óptico está diafragmado para funcionar a la apertura F/12, con un radio R de la pupila igual a 25 mm. Las imágenes se realizan a la longitud de onda A = 532 nm. El detector de imagen es una matriz de 2048 x 2048 píxeles, siendo el tamaño de un píxel elemental un cuadrado de 7,4 micras de lado. El sistema de imagenología está en conjugación 5m-681,81 mm, estando situado el detector de imagen en el plano de imagen del doblete. La máscara de fase pupilar está dispuesta contra uno de los diópteros del sistema óptico, cerca de su plano pupilar. La frecuencia de corte conservada es fc = 45 pl/mm (pares de líneas por mm).

Se eligen valores de parámetros siguientes: C0 = 1 %, O0 = 0 rad y S0 = 35 % en la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc] del sistema de imagenología.

Se elige un algoritmo de optimización de tipo genético, basado en una función de mérito m(C, P) = C • PY con un valor Y = 1,6.

Se parte de un banco de perfiles predefinidos y se determina, para cada perfil predeterminado, el valor de la función de mérito asociada.

Durante la ejecución del algoritmo de optimización, un aumento de |P| significa que el valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque del sistema de imagenología aumenta, y/o un aumento del contraste medio C significa que la calidad de imagen aumenta en este dominio de profundidad de enfoque y en la gama útil de frecuencias espaciales.

Se determina de este modo una primera máscara de fase (figura 6) que tiene un perfil con simetría de revolución alrededor del eje óptico del sistema óptico, que presenta anillos con saltos de fases binarios entre n y 2n. El perfil de fase de la máscara de fase utilizado se representa en corte en la figura 7. Esta máscara de fase tiene un radio máximo R de 25 mm y consta de aproximadamente 80 anillos de fase.

Más precisamente, la tabla siguiente indique los saltos de fase de los anillos de fase binarios en función de la distancia radial (u) en la máscara pupilar de fase:

continuación

La figura 7 representa el perfil radial de fase utilizado para la fabricación del primer ejemplo de máscara pupilar de fase tal como se define en la tabla anteriormente.

Se observa que una máscara que tiene un perfil de fase complementario, es decir que tiene, para cada anillo, una fase de signo opuesto y de mismo módulo que en la tabla anteriormente, produce un resultado idéntico.

Además, Además, una máscara de fase que tiene un perfil de fase desplegado, por ejemplo, de manera creciente o decreciente partiendo del centro hacia el exterior, en el que, para cada anillo, el valor de la fase es igual al valor indicado en la tabla anteriormente módulo 2n produce también un resultado idéntico.

Por último, una máscara que consta de una combinación de valores de fase idénticos, complementarios y/o módulo 2n produce también un resultado idéntico.

La figura 8A representa el mapa de contraste para un sistema de imagenología que comprende la máscara de fase, cuyo perfil de fase se representa en la figura 7 en función de la frecuencia espacial f y del defecto de enfoque z. Comparada con la figura 4A, se observa un aumento del contraste C(f, z) en la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc]. La figura 8A permite determinar el dominio de profundidad de enfoque Pc, asociado al criterio C0 conservado: |PC| = 8,36 mm (correspondiente a |^|~40). La figura 8B representa una curva de perfil longitudinal de contraste promediado Cfc(z) en la gama útil de frecuencias espaciales [-fc; fc] en función del defecto de enfoque. La figura 8B permite determinar el dominio de profundidad de enfoque Ps en función del umbral S0 predeterminado, en este caso |Ps | = 7,88 mm. De manera análoga, se determina el dominio de profundidad de enfoque Po, asociado al criterio O0 conservado, se encuentra en este caso: |P<p |= 8,26 mm.

Se deduce el dominio de profundidad de enfoque P de la intersección del dominio de profundidad de enfoque Pc, del dominio de profundidad de enfoque Po y del dominio de profundidad de enfoque Ps.

Se señala que el dominio de profundidad de enfoque Pc y/o Ps y/o P9 y/o P no es, en general, simétrico con respecto al plano de enfoque (Z=Z0).

De este modo, la adición de la máscara que tiene el perfil radial de la figura 7 hace aparecer un valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque, es decir un intervalo longitudinal de extensión |P| = |Pc DI P^s |= 7,88 mm. Con magnitudes de entrada C0 y S0 idénticas, el sistema sin máscara tiene un valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque |P| = |Pc DI Pq DI P^s| = |P^s| = 0,65 mm. De este modo se ha obtenido un aumento de la extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque de un factor superior a 10, sin posprocesamiento. En la práctica, el aumento de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque no induce ninguna distorsión de la imagen; permite una conservación de las frecuencias espaciales tal que un posprocesamiento no es obligatorio para obtener una imagen aprovechable. La adición de este primer ejemplo de máscara de fase en un sistema de imagenología permite, por lo tanto, modificar inmediatamente el dominio de profundidad de enfoque (o de manera equivalente, en aplicación de las fórmulas de conjugación óptica, modificar el dominio de profundidad de campo) y sin afectar significativamente a la luminosidad del sistema de imagenología.

Las figuras 9A-9R representan imágenes de mira de Siemens adquiridas por medio del sistema de imagenología que comprende el primer ejemplo de máscara de fase representado en las figuras 6 y 7, obteniéndose estas imágenes sin posprocesamiento. Las figuras 9A a 9R se obtienen para los mismos defectos de enfoque respectivamente que las figuras 5A a 5R, siendo la única diferencia entre las figuras 5 y 9 la adición de la máscara de fase para la figura 9.

Las imágenes adquiridas experimentalmente están en concordancia con las simulaciones de este sistema de imagenología.

En la figura 9A en el plano de enfoque del sistema de imagenología con máscara de fase, se observa una caída del contraste por comparación con la figura 5A del mismo sistema de imagenología sin componente óptico. No obstante, para un defecto de enfoque importante en la figura 9P (correspondiente a |^|~40), se observa una muy clara mejora del contraste comparada con la figura 5P. Gracias a este sistema de imagenología con máscara de fase (tal como se representa en la figura 7) y sin posprocesamiento de imagen, se obtiene efectivamente una invariancia del contraste de las imágenes en una gama extendida de frecuencias espaciales.

Con la misma máscara de fase y el mismo sistema de imagenología óptica que el descrito en relación con la figura 7, se aplica a las imágenes detectadas y digitalizadas, una etapa suplementaria de posprocesamiento digital. Este posprocesamiento se basa, por ejemplo, en un procesamiento de tipo filtrado de Wiener por la PSF media del sistema de imagenología provisto de la máscara de fase resultante del procedimiento de cálculo y del algoritmo de optimización. De manera alternativa, un posprocesamiento de deconvolución de tipo Lucy-Richardson o deconvolución ciega se puede aplicar basándose en una PSF media en el campo y sin hipótesis en la máscara de fase seleccionada.

Un objetivo de este posprocesamiento es, por ejemplo, mejorar la resolución o la relación señal a ruido de la imagen.

Las figuras 10A a 10R muestran los resultados de este posprocesamiento de imágenes aplicado a las imágenes detectadas y digitalizadas tales como las representadas en las figuras 9A a 9R, y para los mismos defectos de enfoque respectivamente que las figuras 9A a 9R, siendo la única diferencia entre las figuras 9 y 10 la etapa suplementaria de posprocesamiento para la figura 10.

Se constata en las figuras 10A-10R que la mira de Siemens ya no aparece borrosa, sino perfectamente nítida, en la misma gama de defecto de enfoque hasta |^ |~40 incluyendo en el centro de la mira (figuras 10C, 10F, 10I, 10D, 10O, 10R), es decir para frecuencias espaciales elevadas.

• Segundo ejemplo de aplicación

En el segundo ejemplo de aplicación, se prioriza el umbral de variación de contraste S0 con respecto a la condición en el umbral de contraste C0. Esto vuelve a priorizar un sistema de imagenología que presenta un valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de enfoque |P| que puede ser importante, pero en un posible detrimento de la resolución espacial. Dicho sistema de imagenología (que tiene una calidad de imagen relativamente peor) puede necesitar un posprocesamiento por deconvolución de la imagen detectada.

Más precisamente, en este segundo ejemplo de aplicación, se elige el mismo sistema óptico y el mismo detector de imagen que en el primer ejemplo de aplicación. El radio de la pupila se lleva a 50 mm (número de apertura F/6) y las magnitudes de entrada se fijan a C0 = 0 %, O0 = 0 rad. y S0 = 65 %. El valor C0 = 0 % no plantea limitación en el umbral de contraste mínimo. El valor O0 = 0 rad. mantiene la limitación en el mapa de fase (sin inversión de contraste). El valor del umbral S0 = 65 % es relativamente elevado y autoriza variaciones más importantes del contraste medio en la gama útil de frecuencias espaciales. El perfil en fase encontrado de esta manera tiene un perfil radial representado esquemáticamente en la figura 11. Este segundo ejemplo de máscara de fase tiene un radio máximo de 50 mm y consta de aproximadamente sesenta anillos de fase que presentan saltos de fase binarios entre n y 2 n.

Las figuras 12A a 12R muestran imágenes de mira de Siemens adquiridas por medio del sistema de imagenología que comprende el segundo ejemplo de máscara de fase, cuyo perfil de fase radial se representa en la figura 11. Las imágenes 12A a 12R se han obtenido con un posprocesamiento del mismo tipo que el aplicado en las figuras 10A-10R.

Las imágenes 12A, 12B, 12C ilustran imágenes de una mira de Siemens para un defecto de enfoque | ^ | = ±0,239 rad. Las figuras 12D, 12E, 12F ilustran imágenes de la misma mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±18,7 rad. Las figuras 12G, 12H, 12I ilustran imágenes de la misma mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±37,7 rad. Las figuras 12J, 12K, 12L ilustran imágenes de la misma mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±56,7 rad. Las figuras 12M, 12N, 12O ilustran imágenes de la misma mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±75,7 rad. Las figuras 12P, 12Q, 12R ilustran imágenes de una mira de Siemens para un defecto de enfoque |^ | = ±94,7 rad.

Este segundo ejemplo de máscara de fase permite un aumento de profundidad de campo que corresponde a un defecto de enfoque de |^|~97.

• Variantes y otros ejemplos de aplicación

En una variante, se optimiza el perfil de la máscara pupilar de fase con varias longitudes de onda o en una gama espectral de longitudes de onda. Esta variante encuentra, en concreto, aplicaciones en los sistemas ópticos utilizados en una amplia gama espectral, por ejemplo, el visible o en aparatos de espectrometría.

Una aplicación de esta variante se refiere a la fabricación de lentes oftálmicas, en las que el dióptero externo de la lente oftálmica se fabrica para formar una máscara de fase, para modificar la profundidad de campo del sistema de imagenología constituido por la lente oftálmica, la parte anterior del ojo y el cristalino, siendo el detector de imagen la retina del usuario. En otra aplicación del dominio de la oftalmología, la máscara de fase se graba directamente en un cristalino natural o sintético, por ejemplo, mediante un procedimiento de tratamiento oftalmológico con láser. De este modo, un aumento de la profundidad de campo permite ventajosamente compensar una reserva de acomodación muy reducida en determinados pacientes.

En otra aplicación, se determina un perfil de máscara de fase para un sistema de imagenología óptica según el procedimiento descrito anteriormente pero con otro objetivo: el filtrado selectivo de determinadas frecuencias espaciales. Para ello, se determinan la o las frecuencias espaciales para las cuales se desea un contraste por debajo del valor umbral.

En otra aplicación, puede ser deseable reducir la profundidad de campo de un sistema de imagenología. Este caso se presenta, por ejemplo, en microscopía, cuando se desea obtener imágenes resueltas en profundidad con una resolución inferior a la profundidad de campo habitual del sistema de imagenología. El acoplamiento de una máscara de fase permite modificar la profundidad de campo sin reducir la resolución espacial en esta zona limitada.

El procedimiento de la invención interactúa ventajosamente con un software de cálculo de sistema óptico, tal como el software Zemax o un equivalente. De este modo, el diseñado de un sistema de imagenología dispone de un software que permite a la vez combinar una simulación del trazado de rayos en el sistema de imagenología y una optimización de un compromiso entre la calidad de imagen y la profundidad de campo (o de la profundidad de enfoque).

Dispositivo

El filtro espacial se presenta ventajosamente en forma de una máscara de fase destinada a ser insertada en un sistema de imagenología existente. Si la pupila del sistema óptico es accesible, este filtro espacial está dispuesto, preferentemente, en el plano pupilar o cerca del plano pupilar. Si la pupila del sistema óptico es accesible, se dispone otro sistema óptico (con lentes, con espejo u otro) de manera que el filtro espacial esté conjugado ópticamente con el plano pupilar del sistema de imagenología. De forma opcional, este otro sistema óptico puede producir un aumento óptico. De este modo, se realiza una función pupilar de fase en combinación con el sistema de imagenología.

La máscara de fase se puede realizar fácilmente mediante diferentes técnicas de fabricación: por ejemplo, por litografía o por ataque iónico o incluso por mecanizado con diamante de un soporte. Dicha máscara de fase puede replicarse fácilmente mediante moldeo para una producción en serie a bajo coste. Se determina en función del índice de refracción del material óptico del soporte, correspondiendo el espesor al desfase deseado a la longitud de onda A de utilización. En un ejemplo de realización, el soporte de la máscara de fase está constituido por una lámina de vidrio con caras planas y paralelas. De manera alternativa y particularmente ventajosa, la máscara de fase se puede fabricar directamente en un dióptero del sistema óptico.

En un ejemplo de aplicación, la máscara de fase obtenida según el procedimiento descrito anteriormente se realiza directamente en la cara convexa de una lente oftálmica. En este caso, siendo el detector de imagen el ojo de una persona, se prioriza un diseño de máscara de fase que no necesita posprocesamiento de imagen.

En el caso de una máscara constituida por anillos de fase con saltos de fase binarios, por ejemplo, entre 0 et n, es muy fácil y poco costoso fabricar anillos que introducen un desfase D de 0 o n en transmisión. En el caso de una máscara constituida por anillos de fase con saltos de fases discretos de n/N, donde N es un número entero superior o igual a 2, el procedimiento de fabricación se realiza en general por etapas sucesivas y es más costoso de realizar comparado con una máscara de fase binaria.

Una máscara pupilar puede realizarse en una lámina de un material refractivo a la longitud de onda de utilización mediante técnicas conocidas de fotolitografía con una excelente precisión transversal y de desfase. Las tolerancias de fabricación no plantean dificultades particulares al experto en la materia en el dominio de la fabricación de componentes para microelectrónica u optoelectrónica. Esta máscara se puede replicar a continuación por moldeo con numerosos ejemplares y con muy bajo coste de fabricación.

La máscara de fase también puede generarse dinámicamente en un componente activo tal como un modulador espacial de fase, por ejemplo, a base de una matriz de cristales líquidos o de un espejo deformable, en el que una fase local variable a demanda puede estar controlada a través de un módulo electrónico. Este modo de realización es particularmente interesante en los sistemas de imagenología que tienen una apertura variable y/o una distancia focal variable o una respuesta espectral variable, por ejemplo, las cámaras provistas de un diafragma de apertura variable, de un zoom o un microscopio de aumento variable o incluso un espectrómetro. En este caso, se calculan de antemano una serie de máscaras de fase optimizadas para una serie de valores de apertura y/o de distancia focal y/o de aumento y/o de gama espectral, y se controla el modulador espacial de fase para generar la máscara de fase optimizada correspondiente a las condiciones de utilización deseadas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología que comprende un sistema óptico (10) que tiene un eje óptico longitudinal (12), un detector de imagen (30) y un filtro espacial (50), estando configurado el sistema de imagenología para formar una imagen de un plano de enfoque (20) en el detector de imagen (30), comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas:

a) Inicialización de una posición longitudinal (zo) del plano de enfoque (20) y de una posición longitudinal (z'0) del detector de imagen (30), conjugando el sistema óptico (10) ópticamente la posición longitudinal (zo) del plano de enfoque (20) y la posición longitudinal (z'o) del detector de imagen (30) en el eje óptico longitudinal (12);

b) inicialización de una función pupilar de fase (15) del filtro espacial (50) en el plano pupilar (13) del sistema óptico (10),

c) cálculo de una función de transferencia óptica (FTO) del sistema óptico (10) combinado con el filtro espacial (50), en función, por una parte, de la frecuencia espacial (f) y, por otra parte, del defecto de enfoque (V); d) determinación de un mapa de contraste y de un mapa de fase, siendo igual el mapa de contraste al módulo de la función de transferencia óptica (FTO) en función, por una parte, de la frecuencia espacial (f), y, por otra parte, del defecto de enfoque (V), y siendo igual el mapa de fase al argumento de la función de transferencia óptica (FTO) en función, por una parte, de la frecuencia espacial (f), y, por otra parte, del defecto de enfoque (V), en el que la etapa d) comprende las siguientes etapas i) a l):

i) inicialización de un umbral de contraste (Co), de un umbral de desfase (Oo) y de un umbral de variación media del contraste (So);

j) determinación, a partir del mapa de contraste calculado en la etapa d) de un primer dominio de profundidad de enfoque (Pc), para el cual el valor del contraste es superior o igual al umbral de contraste (|Co|) en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]);

k) determinación, a partir del mapa de fase calculado en la etapa d) de un segundo dominio de profundidad de enfoque (P<p), para el cual la fase es inferior o igual al umbral de desfase (Oo) en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]);

l) determinación de un tercer dominio de profundidad de enfoque (P^s), para el cual la variación media de contraste promediado en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]) es inferior o igual al umbral de variación media del contraste (So);

e) determinación, a partir del mapa de contraste y del mapa de fase obtenidos en la etapa d), de un dominio de profundidad de enfoque (P) del sistema de imagenología en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]) y cálculo de un valor de extensión longitudinal (|P|) de dicho dominio de profundidad de enfoque (P), estando el dominio de profundidad de enfoque (P) determinado por intersección del primer dominio de profundidad de enfoque (Pc) con el segundo dominio de profundidad de enfoque (P9) y con el tercer dominio de profundidad de enfoque (PS);

f) evaluación de una función de mérito de dicha función pupilar de fase del filtro espacial (50) en función del valor de extensión longitudinal (|P|) del dominio de profundidad de enfoque (P) del sistema de imagenología en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]);

g) reiteración de las etapas b) a f) para otra función pupilar de fase (15) del filtro espacial (50);

h) selección, a partir de una pluralidad de evaluaciones de la función de mérito que corresponden, respectivamente, a una pluralidad de funciones pupilares de fase (15) del filtro espacial (50), de una función de fase pupilar determinada, que permite al sistema de imagenología presentar un valor determinado de extensión longitudinal (|P|) del dominio de profundidad de enfoque (P) en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]).

2. Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología según la reivindicación 1, en el que la etapa f) comprende la siguiente etapa:

n) cálculo, en función del defecto de enfoque (V), del contraste medio (C) del sistema de imagenología promediado en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]) y para dicho dominio de profundidad de enfoque (P) determinado en la etapa e);

o) y en el que en la etapa de evaluación de una función de mérito de dicha función pupilar de fase (15) del filtro espacial (50), la función de mérito es función, por una parte, del valor de extensión longitudinal (|P|) del dominio de profundidad de enfoque (P) del sistema de imagenología determinado en la etapa e) y, por otra parte, del contraste medio (C) calculado en la etapa n) en la gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]).

3. Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que la pupila es de forma circular centrada en el eje óptico (12), y en el que la función pupilar de fase (15) del filtro espacial (5o) es simétrica de revolución alrededor del eje óptico (12) o con simetría de revolución parcial, estando descompuesta la función pupilar de fase del filtro espacial (50) en sectores angulares.

4. Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la función pupilar de fase (15) del filtro espacial consta de una serie de valores de fase discretos.

5. Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología según la reivindicación 4, en el que la función pupilar de fase (15) del filtro espacial consta de valores de fase binarios.

6. Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología según una de las reivindicaciones 1 a 2, en el que la función pupilar de fase (15) del filtro espacial es una función polinómica de la distancia radial con respecto al centro de la pupila.

7. Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología según una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la pupila del sistema óptico es asimétrica alrededor del eje óptico.

8. Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la etapa g) de evaluación de una función de mérito consta de una etapa de cálculo del producto del valor de extensión longitudinal (|P|) del dominio de profundidad de enfoque (P) por el contraste medio (C) afectado por un coeficiente de potencia digital (y), siendo este coeficiente de potencia digital (y) un número real.

9. Procedimiento de diseño de un sistema de imagenología según una de las reivindicaciones 1 a 8, que consta de una etapa de determinación de un valor de extensión longitudinal del dominio de profundidad de campo en función del valor de extensión longitudinal (|P|) del dominio de profundidad de enfoque (P).

10. Filtro espacial (50) para un sistema de imagenología que comprende un detector de imagen y un sistema óptico (10) que tiene un plano pupilar (13), estando el filtro espacial (50) destinado a colocarse en el plano pupilar (13) o en un plano ópticamente conjugado con el plano pupilar (13), siendo el filtro espacial (50) simétrico de revolución alrededor del eje óptico, el filtro espacial (50) consta aproximadamente de sesenta a 80 anillos de fase que presentan saltos de fase binarios entre n y 2 n, formando el filtro espacial (50) una máscara de fase en el plano pupilar adaptada para modificar un mapa de contraste y/o un mapa de fase del sistema de imagenología en un dominio de profundidad de enfoque (P) y en una gama útil de frecuencias espaciales ([-fc; fc]), siendo igual el mapa de contraste al módulo, siendo igual, respectivamente, el mapa de fase a la fase, de la función de transferencia óptica (FTO) del sistema óptico (10) combinado con el filtro espacial (50) en función, por una parte, de la frecuencia espacial (f), y, por otra parte, del defecto de enfoque (V), el filtro espacial (50) dispuesto en el plano de la pupila del sistema óptico o en un plano ópticamente conjugado con el plano de la pupila del sistema óptico forma, en el plano pupilar (13), una máscara de fase que tiene una función pupilar de fase (15), siendo determinada dicha función pupilar de fase (15) según el procedimiento de la reivindicación 1, permitiendo el filtro espacial (50) combinado con el sistema óptico (10) obtener un valor de extensión longitudinal (|P|) del dominio de profundidad de enfoque (P) superior, en un factor multiplicador al menos igual a 10, a la profundidad de enfoque (PM) calculada geométricamente de dicho sistema de imagenología desprovisto de dicho filtro espacial (50).

11. Sistema de imagenología, que comprende:

- un sistema óptico (10);

- un detector de imagen (30); y

- un filtro espacial (50) según la reivindicación 10, dispuesto cerca de un plano pupilar (13) del sistema óptico (10) o en un plano conjugado ópticamente con el plano pupilar (13) del sistema óptico (10);

- estando configurado el sistema de imagenología para formar una imagen de un plano de enfoque (20) en el detector de imagen (30).

12. Sistema de imagenología según la reivindicación 11, que consta además de un sistema de adquisición de imagen adaptado para adquirir una imagen digital detectada por el detector de imagen (30) y un sistema de procesamiento de imagen configurado para aplicar un posprocesamiento digital a la imagen digital adquirida por el sistema de adquisición de imagen, siendo el posprocesamiento digital función del filtro espacial (50) asociado a dicho valor de extensión longitudinal (|P|) del dominio de profundidad de enfoque (P) y al contraste medio (C).

13. Sistema de imagenología según la reivindicación 11, que consta de un modulador espacial de fase, estando configurado el modulador espacial de fase para formar dicho filtro espacial (50) y siendo dicho modulador espacial de fase modulable dinámicamente.