ES2904285T3 - Conjunto de formación de imágenes óptica y sistema con corrección de distorsión óptica - Google Patents

Abstract

Un conjunto de formación de imágenes óptica (100) para producir una imagen de un objeto (152) que se encuentra dentro de un manguito de transmisión de luz (110) que define un eje de rotación (108), en donde el conjunto de formación de imágenes óptica corrige la distorsión óptica, es ópticamente rápido, teniendo un número f de 2.0 o menos, y es telecéntrico en el espacio de objetos, comprendiendo el conjunto: un diafragma de apertura (118); al menos tres elementos de lente refractivos (112, 114, 116) dispuestos entre el objeto y el diafragma de apertura, teniendo los primeros dos de dichos al menos tres elementos de lente refractivos (112, 114, 116), vistos desde el lado de objeto, unas superficies (136, 140) que tienen al menos una de una prescripción cilíndrica y acilíndrica, teniendo el tercero de dichos al menos tres elementos de lente refractivos un centro de rotación coincidente con un eje óptico (102) que pasa a través de los tres elementos de lente refractivos (112, 114, 116) y un centro del diafragma de apertura (118); y un cuarto elemento de lente refractivo (120) dispuesto entre el diafragma de apertura y un plano de imagen (106), teniendo dicho cuarto elemento de lente refractivo unas superficies de entrada y de salida que incluyen una potencia óptica radialmente simétrica, en donde el diafragma de apertura (118) y los tres elementos de lente refractivos (112, 114, 116) definen el eje óptico (102), y en donde un rayo que sale del objeto viaja en una dirección paralela al eje óptico y pasa sustancialmente a través de un centro del diafragma de apertura (118).

Description

DESCRIPCIÓN

Conjunto de formación de imágenes óptica y sistema con corrección de distorsión óptica

Campo técnico

La presente divulgación se refiere, en general, a sistemas de medición y formación de imágenes óptica y, más específicamente, a un sistema de este tipo que se usa para calibrar el flujo de fluido a una bomba de infusión médica.

Antecedentes

Una forma de medir el caudal de un fluido es hacer que el flujo de fluido esté en una corriente continua de gotas de volumen conocido, y contar entonces el número de gotitas por unidad de tiempo para deducir el caudal. Este enfoque es muy tosco debido a que tiene una granularidad de medición igual al volumen de las gotitas, y supone que el volumen de cada gotita es el mismo a medida que esta se separa de su orificio. De hecho, este enfoque de "recuento de gotas" tiene una precisión de medición que es inadecuada para muchas aplicaciones, tales como la infusión médica. El problema de granularidad se puede eliminar si el volumen de las gotitas se puede medir en tiempo real a medida que las gotitas se forman y se separan del orificio de soporte.

Una forma de medir el volumen es capturar una imagen bidimensional de una gota colgante suspendida de su orificio y entonces medir su anchura a lo largo de varios puntos desde la punta de la gotita hasta el orificio. Si se supone una simetría de rotación, la gotita se puede representar como una serie de discos apilados, en donde el volumen de cada disco es V = nH(Anchura/2)2, en donde H es la distancia entre puntos a lo largo del eje de rotación. El volumen de la gota es la suma del volumen de todos los discos. Para obtener una precisión de volumen de gotita adecuada, es importante obtener unas estimaciones adecuadas de la anchura de la gotita. El caudal de fluido se puede determinar entonces con más precisión midiendo la tasa de cambio temporal de volumen de gotita, por ejemplo, recogiendo y procesando una serie de imágenes en una sucesión rápida, tal como una serie de imágenes de vídeo.

El proceso de formación de imágenes se ve complicado por el hecho de que la gota colgante de un tubo de infusión está encerrada en una cámara de goteo generalmente cilindrica que introduce unas cantidades enormes de distorsión óptica en la dirección en la que se va a medir la anchura de la gotita. Para complicar adicionalmente las cosas, las salpicaduras y la condensación pueden hacer que se formen gotitas de fluido en la superficie interior de la cámara de goteo, que pueden ocluir, u ocluir parcialmente, el borde de la gotita con respecto a la imagen. Por último, debido a la fabricación, el montaje e, incluso, los procesos de uso, el conjunto de formación de imágenes ha de ser capaz de tolerar cambios en la distancia entre el eje de la gota colgante y la lente sin provocar un cambio apreciable en el volumen calculado de la gotita.

En el documento US 2013/201482 A1 se divulga un sistema de formación de imágenes óptica para tubos de infusión Sumario

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un conjunto de formación de imágenes óptica de acuerdo con la reivindicación 1. Se prescribe un conjunto de formación de imágenes óptica que es ópticamente rápido, corrige la distorsión óptica introducida por un manguito coaxial con un eje de objeto y es telecéntrico en el espacio de objeto. El presente conjunto emplea combinaciones de elementos de lente cilindricos o acilíndricos y esféricos o asféricos para corregir la distorsión óptica y otras aberraciones. Además, la presente divulgación se refiere a un conjunto de formación de imágenes óptica para su uso con un tubo de infusión o, más en particular, para someter a formación de imágenes la gota colgante dentro de un tubo de infusión. El presente conjunto de formación de imágenes óptica corrige la distorsión óptica provocada por el tubo de infusión, es ópticamente rápido de tal modo que las gotitas y otros artefactos que residen en la pared del tubo de infusión están fuera de foco y no son sometidos a formación de imágenes por el sistema de formación de imágenes, y es telecéntrico, por lo que el aumento del objeto es sustancialmente independiente de la distancia entre el objeto y el primer elemento de lente.

De acuerdo con realizaciones ilustradas en el presente documento, se proporciona un conjunto de formación de imágenes óptica, que incluye: un eje óptico que conecta un plano de objeto y un plano de imagen; un eje de objeto dentro del plano de objeto y perpendicular al eje óptico; un primer elemento óptico con una superficie de entrada sustancialmente plana y una superficie de salida acilíndrica en donde el eje de acilindricidad se interseca con el eje óptico y es paralelo al eje de objeto; un segundo elemento óptico con una superficie de entrada sustancialmente plana y una superficie de salida acilíndrica en donde el eje de acilindricidad se interseca con el eje óptico y es paralelo al eje de objeto y la superficie de salida acilíndrica del segundo elemento óptico está separada lejos de la superficie de salida acilíndrica del primer elemento óptico; un tercer elemento óptico con superficies de entrada y de salida que tienen simetría de rotación y centradas en el eje óptico; un diafragma de apertura; y un cuarto elemento óptico con superficies de entrada y de salida que tienen simetría de rotación y centradas en el eje óptico.

CANCELADO.

En una realización, un conjunto incluye cuatro elementos de lente dispuestos de una forma tal que el conjunto de formación de imágenes óptica resultante es capaz de corregir unas cantidades grandes de distorsión óptica, es telecéntrico en el espacio de objeto, tiene un número f de 1,5 o menos. Dos de los elementos de lente tienen prescripciones asféricas y los otros dos elementos de lente tienen unas superficies acilíndricas, en donde las dos superficies acilíndricas están separadas entre sí. El conjunto de formación de imágenes óptica está bien adaptado para su uso en un sistema de medidor de caudal de líquido en el que el fluido fluye en una serie de gotitas encerradas en una cámara de goteo.

En otra disposición, un conjunto de formación de imágenes está configurado para eliminar la distorsión óptica de una imagen generada por un objeto ubicado dentro de un manguito de transmisión de luz. El conjunto incluye un primer elemento óptico que actúa en conjunto con un segundo elemento óptico; ambos elementos ópticos tienen unas superficies cilíndricas y/o acilíndricas que, conjuntamente, eliminan de la imagen la distorsión óptica.

Breve descripción de los dibujos

La naturaleza y el modo de funcionamiento del presente conjunto de formación de imágenes óptica se describirán a continuación con más detalle en la descripción detallada siguiente, tomada con las figuras de dibujo adjuntas, en las que:

la figura 1 es una vista superior esquemática del presente conjunto de formación de imágenes óptica;

la figura 2 es una vista lateral esquemática del presente conjunto de formación de imágenes óptica;

la figura 3 es una vista isométrica del objeto, el manguito alrededor del objeto y elementos de lente objetivo del presente conjunto de formación de imágenes óptica;

la figura 4 es una representación gráfica de trazado de rayos en vista superior que muestra cómo un abanico de rayos que se origina en el borde del campo en el plano de objeto se propaga a través del conjunto de formación de imágenes óptica al plano de imagen;

la figura 5 es una imagen representativa de una gota colgante dentro de un manguito que tiene gotitas de superficie interiores en las que el conjunto de formación de imágenes óptica no es ópticamente rápido;

la figura 6 es una imagen representativa de una gota colgante dentro de un manguito que tiene gotitas de superficie interiores en las que el conjunto de formación de imágenes óptica es ópticamente rápido;

las figuras 7A, 7B y 7C son una prescripción de una realización del presente conjunto de formación de imágenes óptica, creado por el programa de diseño de lentes Zemax;

las figuras 8A y 8B son gráficas del programa de diseño de lentes Zemax que ilustran la cantidad de distorsión óptica del conjunto de formación de imágenes óptica en las direcciones paralela al eje de objeto y perpendicular al eje de objeto, respectivamente, con un manguito cilíndrico ubicado alrededor del objeto;

la figura 9 son diagramas de puntos del programa de diseño de lentes Zemax que muestran el tamaño y la forma de las imágenes producidas por el presente conjunto de formación de imágenes óptica en la que el objeto consiste en funciones delta en seis ubicaciones de campo con un manguito ubicado alrededor del objeto; y la figura 10 es un diagrama de bloques que ilustra cómo se usa el presente conjunto de formación de imágenes óptica en un sistema de medición de caudal.

Descripción detallada

Ante todo, se debería apreciar que números de dibujo semejantes en diferentes vistas identifican elementos idénticos o funcionalmente similares de la presente divulgación.

Además, se entiende que la presente divulgación no se limita a la metodología, materiales y modificaciones particulares según lo descrito y cualquiera de estos puede, por supuesto, variar. También se entiende que la terminología usada en el presente documento tiene el fin de describir solo aspectos particulares y no pretende limitar el alcance de la presente divulgación, que está limitado solo por las reivindicaciones adjuntas.

A no ser que se definan de otra manera, todos los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado que entendería comúnmente un experto en la materia a la que pertenece la presente divulgación. Aunque cualquier método, dispositivo o material similar o equivalente a los descritos en el presente documento se puede usar en la práctica o en la puesta a prueba de la presente divulgación, a continuación se describen métodos, dispositivos y materiales de ejemplo.

La figura 1 es una vista superior esquemática del conjunto de formación de imágenes óptica 100, que incluye un eje óptico 102, un primer elemento de lente 112 que tiene una superficie de entrada 134 y una superficie de salida 136, un segundo elemento de lente 114 que tiene una superficie de entrada 138 y una superficie de salida 140, un tercer elemento de lente 116 que tiene una superficie de entrada 142 y una superficie de salida 144, un diafragma de apertura 118 y un cuarto elemento de lente 120 que tiene una superficie de entrada 146 y una superficie de salida 148. El plano de objeto 104 es perpendicular al eje óptico 102 y contiene al menos una porción del objeto que se está sometiendo a formación de imágenes, tal como la gota colgante 152 mostrada en la figura 3. El espacio de objeto 101 también incluye un manguito 110 que tiene un eje de rotación 108, siendo también el eje de rotación 108 sustancialmente coincidente con un objeto con simetría de rotación tal como la gota colgante 152 mostrada en la figura 3. El manguito 110 preferentemente es sustancialmente cilíndrico, se contempla que tenga una ligera forma de cono con una pendiente de aproximadamente 0,5 a 5,0° para facilitar el proceso de moldeo, y tiene una superficie interior 130 y una superficie exterior 132. La imagen producida por el conjunto de formación de imágenes óptica 100 se encuentra en el plano de imagen 106.

En la figura 1 también se muestra una leyenda para los ejes en los que se interpreta que el eje Z es el eje óptico 102, el eje Y es perpendicular al eje Z en el plano del dibujo y el eje X es perpendicular al eje Z y perpendicular al plano del dibujo. El plano de objeto 104 está en el plano X-Y en Z = 0.

Cada uno de los componentes enumerados anteriormente se describirá con más detalle con referencia a las figuras 1, 2 y 3. El primer elemento de lente 112 es un elemento óptico refractivo que tiene una superficie de entrada sustancialmente plana 134 y una superficie de salida cilíndrica o acilíndrica 136. Las superficies planas son menos costosas de producir que las superficies no planas y se deberían usar siempre que sea posible para reducir los costes de fabricación del conjunto de formación de imágenes óptica 100. Además, hacer plana la superficie de entrada 134 facilita la colocación y la sustitución del manguito 110 delante del conjunto de formación de imágenes óptica 100 de tal modo que se puedan instalar diferentes objetos delante del conjunto de formación de imágenes óptica 100, según sea necesario. La superficie de salida 136, al ser cilíndrica o acilíndrica, tiene potencia óptica en la dirección del eje Y y poca o nada de potencia óptica en el eje X.

El segundo elemento de lente 114 es un elemento óptico refractivo que tiene una superficie de entrada sustancialmente plana 138 y una superficie de salida cilíndrica o acilíndrica 140. Las superficies planas son menos costosas de producir que las superficies no planas y se deberían usar siempre que sea posible para reducir los costes de fabricación del conjunto de formación de imágenes óptica 100. La superficie de salida 140, al ser cilíndrica o acilíndrica, tiene potencia óptica en la dirección del eje Y y poca o nada de potencia óptica en el eje X.

En las figuras 1, 2 y 3, se muestra que las superficies cilíndricas/acilíndricas residen en las superficies de salida, 136 y 140, aunque podrían residir en las superficies de entrada, 134 y 138, o en una combinación de superficies de entrada y de salida tales como la superficie de entrada 134 y la superficie de salida 140 o la superficie de salida 136 y la superficie de entrada 138.

En las figuras 1, 2 y 3, ambas superficies cilíndricas/acilíndricas tienen potencia óptica en la dirección Y (es decir, perpendicular al eje óptico 102 y perpendicular al eje de objeto 108), aunque la potencia óptica podría ser, en su lugar, en la dirección X (es decir, la dirección paralela al eje de objeto 108), o una superficie cilíndrica/acilíndrica puede tener potencia óptica en la dirección Y y la otra superficie cilíndrica/acilíndrica puede tener potencia óptica en la dirección X.

El tercer elemento de lente 116 es un elemento óptico refractivo que tiene una superficie de entrada esférica o asférica 142 cuyo centro de rotación es sustancialmente coincidente con el eje óptico 102. De forma similar, la superficie de salida 144 es esférica o asférica y también tiene un centro de rotación sustancialmente coincidente con el eje óptico 102.

Un diafragma de apertura 118 está colocado entre el tercer elemento de lente 116 y el cuarto elemento de lente 120. El diafragma de apertura 118 se puede fabricar de material laminar delgado opaco, tal como láminas de plástico o metal. La abertura del diafragma de apertura 118 es nominalmente redonda, pero también puede tener otras formas, tales como cuadrada, rectangular, hexagonal, octogonal, o cualquier forma a partir segmentos de líneas y arcos arbitrarios. La abertura del diafragma de apertura 118 está nominalmente centrada en el eje óptico 102. Una distancia de un lado a un lado opuesto de la abertura del diafragma de apertura 118 puede ser de entre 1 mm y 100 mm cuando se mide a través del eje óptico 102.

Se contempla que todos los elementos de lente refractivos 112, 114, 116 y 118 se fabriquen de vidrio o de polímero tal como acrílico, policarbonato o poliestireno, aunque, en general, los materiales que tienen un índice de refracción más alto, tales como policarbonato o poliestireno, prevén una potencia óptica mayor, lo que, a su vez, facilita un diseño más compacto en el que se reduce la distancia desde el plano de objeto 104 al plano de imagen 106. Si el material elegido es polímero, cualquiera de o todos los elementos de lente 112, 114, 116 y 118 se pueden hacer a partir de un proceso de moldeo por inyección, un proceso de moldeo por compresión, un proceso de moldeo por inyección-compresión, o incluso torneado con diamante. Si el material elegido es vidrio, cualquiera de o todos los elementos de lente 112, 114, 116 y 118 se pueden fabricar con un proceso de rectificado y pulido de vidrio tradicional, un proceso de pulido avanzado tal como MRF (acabado magnetorreológico), un proceso de torneado con diamante, o con un proceso de moldeo.

Los espesores de cada uno de los elementos de lente refractivos 112, 114, 116 y 118, medidos desde el vértice de la superficie de entrada hasta el vértice de la superficie de salida a lo largo del eje óptico, pueden ser de entre 1,0 y 25,0 mm. El perímetro de los elementos refractivos 112, 114, 116 y 118 puede ser rectangular, tal como se muestra, por ejemplo, para el primer elemento de lente 112 en la figura 3, o circular, tal como se muestra, por ejemplo, para el tercer elemento de lente 116 en la figura 3, o estos pueden tener cualquier número de curvas y lados arbitrarios para facilitar la fabricación. Una distancia de un lado a un lado opuesto de cualquiera de o todos los elementos de lente refractivos 112, 114, 116 y 118 puede ser de entre 10 mm y 200 mm cuando se mide a través del eje óptico 102. Si cualquiera de o todos los elementos de lente refractivos 112, 114, 116 y 118 se hacen con un proceso de moldeo, entonces se pueden incorporar características de montaje, de alineación o de unión en el elemento de lente durante el proceso de fabricación.

Debido a la reflexión de Fresnel, cada superficie de los elementos de lente refractivos 112, 114, 116 y 118 reflejará de vuelta aproximadamente el 4 % de la luz que incide sobre la misma, dando como resultado un desempeño luminoso disminuido y una luz difusa que puede formar destellos u otros artefactos en la imagen que pueden corromper el proceso de procesamiento de imágenes. Un revestimiento antirreflectante se puede instalar sobre algunas o todas las superficies de los elementos de lente refractivos 112, 114, 116 y 118 para reducir la reflectancia de la superficie de Fresnel a menos de 1 %. El revestimiento antirreflectante puede ser un revestimiento antirreflectante de banda ancha, o puede ser una pila de películas de interferencia de múltiples capas.

Además, el revestimiento en la superficie de entrada 134 del primer elemento óptico 112 debería tener propiedades de resistencia a la abrasión debido a que será necesario sustituir la cámara de goteo 300 al inicio de cada infusión. Asimismo, la resistencia a la abrasión es beneficiosa debido a que la cámara de goteo está muy cerca de la superficie de entrada 134, que se puede rayar o dañar cuando se instala la cámara de goteo 300.

El manguito 110 está rodeando el plano de objeto 104 y el objeto 152. En la realización preferida, el manguito sustancialmente cilíndrico 110 no es parte del conjunto de formación de imágenes óptica 100, sino que, en cambio, reside en el espacio de objeto 101 y se usa para encerrar, encapsular o contener de otro modo el objeto 152. El manguito 110 es sustancialmente transparente o translúcido a la luz que se usa para someter a formación de imágenes el objeto 152 y se puede hacer de un polímero tal como acrílico, policarbonato, poliestireno o vinilo. El manguito 110 puede ser parte de un equipo de administración de infusiones, tal como el hecho por Baxter International, Inc. Si el manguito 110 es parte de un equipo de administración de infusiones, entonces el manguito se conoce como una cámara de goteo y el objeto 152 es una gota colgante que reside dentro de la cámara de goteo y centrada o casi centrada en el eje óptico 102. La cámara de goteo de manguito 110 está nominalmente centrada en el eje de objeto 108 y tiene un radio interior de 7,8 mm y un radio exterior de 8,8 mm, aunque la cámara de goteo de manguito puede tener otros radios en el intervalo de 1,0 mm a 100 mm.

La cámara de goteo de manguito 110 introduce una distorsión óptica grave a lo largo del eje Y que ha de ser compensada por el conjunto de formación de imágenes óptica 100 para una medición precisa de la anchura del objeto 152. Es decir, para obtener los mejores resultados, la imagen del objeto 152 en el plano de imagen 106 debería estar sustancialmente libre de distorsión óptica.

La cámara de goteo de manguito 110 se fabrica generalmente con un proceso de moldeo por inyección de bajo coste. Para reducir los costes de fabricación, el molde usado puede tener imperfecciones superficiales que imparten imperfecciones superficiales en el manguito cilíndrico que pueden aparecer en la imagen del objeto 152. Además, se espera que la cámara de goteo de manguito 110 pueda tener líneas de costura, líneas de flujo e imperfecciones por partículas, que pueden aparecer, todas ellas, en la imagen.

Cuando los fluidos están fluyendo a través del manguito 110 durante el funcionamiento, es decir, cuando las gotitas del objeto 152 se están formando y separando dentro de la cámara de goteo de manguito, salpicaduras procedentes del depósito de fluido en la parte inferior de la cámara de goteo de manguito se pueden asentar sobre la superficie interior 130 del manguito dentro del campo de visión del conjunto de formación de imágenes óptica 100. Además, a lo largo de períodos de tiempo prolongados, el fluido que fluye a través del manguito 110 se puede evaporar, y posteriormente, condensarse en la superficie interior 130 del manguito 110 dentro del campo de visión del conjunto de formación de imágenes óptica 100. Esta condensación puede aparecer como una colección de gotitas estrechamente separadas y perjudicar significativamente la capacidad de un conjunto de formación de imágenes convencional para someter a formación de imágenes el interior del manguito 110. Tanto las salpicaduras como la condensación mencionadas anteriormente se muestran en la figura 3 como las gotitas de pared lateral 154.

Otro reto al que hace frente el conjunto de formación de imágenes óptica 100 es la colocación del manguito 110 o, más en particular, la ubicación del eje de objeto 108 y el objeto 152 en relación con el conjunto de formación de imágenes óptica 100. Es decir, debido a la inestabilidad y la flexibilidad de una cámara de goteo de magüito de vinilo 110, la distancia entre el eje de objeto 108 y la superficie de entrada 134 del primer elemento de lente 112 puede variar varios milímetros. Este problema dimensional se agrava siempre que la cámara de goteo de manguito 110 se sustituye con otro componente semejante, como tiene lugar habitualmente cuando termina una infusión y comienza otra. Debido a que el aumento de una lente varía habitualmente con la variación de la distancia de objeto, el aumento variable provocará que el tamaño de imagen varíe y el volumen calculado del objeto de gota colgante 152 no sea preciso, lo que provocará, a su vez, que el caudal calculado no sea preciso tampoco.

Los párrafos anteriores ilustrado la necesidad de que el conjunto de formación de imágenes óptica 100 tenga el conjunto de características siguiente: 1) el conjunto de formación de imágenes óptica 100 ha de ser telecéntrico en el espacio de objeto para que el aumento no cambie con la variación de la distancia superficial del objeto a la entrada; 2) el conjunto de formación de imágenes óptica 100 ha de ser ópticamente rápido, del orden de F/1,5 o más rápido, de tal modo que las gotitas de pared lateral 154 y otros artefactos no deseados dentro de la cámara de goteo de manguito 110 estén fuera de foco y no aparezcan en la imagen; y 3) la distorsión óptica introducida por el manguito 110 es eliminada por el conjunto de formación de imágenes óptica 100. Una característica deseable adicional es que el conjunto de formación de imágenes óptica 100 sea lo más compacto posible, es decir, por ejemplo, que la distancia entre el plano de objeto 104 y el plano de imagen 106 sea pequeña, tal como menor que 150 mm. El presente conjunto de formación de imágenes óptica 100 tiene estas cuatro características deseables, cuyas funciones se describen en los párrafos siguientes.

La telecentricidad en el espacio de objeto 101 es aquella condición en la que el rayo que sale del objeto 152 que se propaga en paralelo al eje óptico 102 pasa a través del centro del diafragma de apertura 118. En la figura 4, se observa que ese rayo particular, también denominado rayo principal, es el rayo 164C, que sale del objeto en la ubicación 160 en una dirección sustancialmente paralela al eje óptico 102 y posteriormente pasa a través del diafragma de apertura 118 en la ubicación 119. Obsérvese que la ubicación 119 está sustancialmente en el centro del diafragma de apertura 118 y el rayo principal 164C se interseca con el eje óptico 102 en la ubicación 119.

La condición de telecentricidad de espacio de objeto se determina mediante la potencia óptica del tercer elemento de lente 116 y la distancia óptica entre el tercer elemento de lente 116 y el plano de objeto 104, así como la distancia óptica entre el tercer elemento de lente 116 y el diafragma de apertura 118.

Como se ha descrito anteriormente, la cámara de goteo 110 introduce cantidades inutilizantes de distorsión óptica que son eliminadas por el conjunto de formación de imágenes óptica 100. Esta compensación de distorsión óptica se logra con el primer elemento óptico 112 actuando en conjunto con el segundo elemento óptico 114. Ambos de estos elementos ópticos tienen unas superficies cilíndricas y/o acilíndricas (es decir, la superficie de lente de salida 136 y la superficie de lente de salida 140) que, conjuntamente, eliminan de la imagen la distorsión óptica. Los intentos iniciales de diseñar el conjunto de lente de compensación de distorsión utilizaron solo un elemento óptico que tiene una o dos superficies cilíndricas y/o acilíndricas; intuitivamente, este enfoque parecía razonable debido a que el manguito 110 es solo un componente óptico (exterior a la lente propiamente dicha) y la distorsión que este introduce debería ser contrarrestada con solo un elemento de lente que tiene una superficie cilíndrica o acilíndrica. Sin embargo, se halló que todos los diseños que utilizaron solo un elemento que tiene una superficie cilíndrica o acilíndrica no se pudieron hacer ópticamente rápidos y/o telecéntricos, o adolecieron de una calidad de imagen deficiente.

Además de requerir dos elementos de lente para la corrección de distorsión óptica (en concreto, el primer elemento de lente 112 y el segundo elemento de lente 114), las superficies cilíndricas/acilíndricas de estos dos elementos de lente preferentemente están separadas físicamente una de otra una distancia considerable, tal como 4 mm o más. Esta separación permite aprovechar las características de corrección de distorsión de una superficie cilíndrica/acilíndrica contra la segunda superficie cilíndrica/acilíndrica. Es decir, debido a que las dos superficies acilíndricas/cilíndricas (por ejemplo, 136 y 140) están separadas, sus efectos de compensación de aberración no son simplemente aditivos, sino que, en su lugar, interaccionan para producir términos de compensación de distorsión de orden superior. Esta interacción es uno de los componentes clave del presente conjunto 100.

El conjunto de formación de imágenes óptica 100 preferentemente es ópticamente rápido, como se ha hecho notar anteriormente, por lo que los oscurecimientos que residen dentro de la cámara de goteo del manguito 110, o los oscurecimientos que residen o bien en la superficie interior 130 o bien en la superficie exterior 132 están fuera de foco y no aparecen en la imagen. Estos oscurecimientos no aparecen en la imagen si el conjunto de formación de imágenes óptica tiene una velocidad óptica menor que aproximadamente F/2,0 o, preferentemente, menor que F/1,5.

Habitualmente, no es difícil diseñar una lente que tenga un número f de 2,0 o menos, aunque el diseño de una lente de este tipo se vuelve difícil si el tamaño de campo de objeto o de imagen es grande, o si están presentes aberraciones sustanciales y estas se han de eliminar. Ambas de estas condiciones están presentes en el presente entorno operativo y el conjunto de formación de imágenes óptica 100 proporciona preferentemente una calidad de imagen adecuada a lo largo de todo el campo a la velocidad óptica requerida. Esto se logra con el tercer elemento óptico 116 y el cuarto elemento óptico 120, ambos de los cuales tienen unas superficies de entrada y de salida que tienen una potencia óptica radialmente simétrica. Estas cuatro superficies pueden ser de naturaleza esférica, aunque se puede obtener una calidad de imagen mejor si son asféricas, tales como una lente asférica descrita por un polinomio de octavo orden, aunque también se pueden usar polinomios de orden inferior - tales como de sexto orden.

El diámetro de la abertura del diafragma de apertura 118 también desempeña un papel en la definición de la velocidad óptica del conjunto de formación de imágenes óptica 100. En términos generales, cuanto mayor es la anchura de la abertura, más rápida es la lente, aunque una abertura más grande permite, en general, que rayos sometidos a una aberración más alta alcancen la imagen, dando como resultado una calidad de imagen más deficiente.

Resumiendo, el primer elemento de lente 112 y el segundo elemento de lente 114 se usan para corregir la distorsión óptica introducida por el manguito 110; el tercer elemento de lente 116 y el diafragma de apertura 118 se usan para controlar la telecentricidad de espacio de objeto del conjunto de formación de imágenes óptica 100, y el tercer elemento de lente 116 y el cuarto elemento de lente 120 con el diafragma de apertura 118 se usan para proporcionar una calidad de imagen adecuada con un número f bajo.

La figura 3 muestra una aplicación del conjunto de formación de imágenes óptica 100 en la que se mide el caudal de fluido de un equipo de administración de infusiones. En una configuración de este tipo, el objeto es la gota colgante 152 suspendida de un orificio 150, ambos de los cuales están ubicados sustancialmente en el eje de objeto 108. Durante el funcionamiento, el tamaño de la gota colgante 152 crece a medida que el fluido de infusión fluye, entonces se separa del orificio 150 cuando alcanza su peso terminal, y entonces crece y se separa repetidamente hasta que se ha administrado el volumen deseado de fluido. Debido a que el volumen de la gotita es menor que un mililitro, varios miles de gotas crecen y se separan en el transcurso de una infusión.

Durante el transcurso de una infusión, se pueden formar unas gotitas 154 en la superficie interior de la cámara de goteo de manguito 110. Estas gotitas 154 pueden resultar de salpicaduras procedentes de la gotita que cae en el depósito de fluido en la parte inferior de la cámara de goteo. Debido a que el transcurso de una infusión puede durar varias horas, el fluido se puede evaporar de la gota colgante 152 y del depósito de fluido en la parte inferior de la cámara de goteo. Si la temperatura de la superficie interior 130 es lo suficientemente baja, entonces algo del fluido evaporado se puede condensar en la superficie interior 130 y presentarse como unas gotitas 154.

Si la velocidad óptica del conjunto de formación de imágenes óptica 100 es relativamente bajo (es decir, un número f alto), entonces las gotitas 154 estarán en foco, o parcialmente en foco, en el plano de imagen 106. Por ejemplo, la figura 5 muestra una imagen de la gota colgante 152 en presencia de las gotitas 154 de la superficie interior 130 cuando la velocidad del conjunto de formación de imágenes óptica 100 es de solo f/5,6. Obsérvese que las imágenes de las gotitas 154 son fácilmente discernibles. Lo que es peor, algunas de las gotitas 154 se encuentran en el borde de la imagen de la gota colgante 152, lo que hará, en el software de procesamiento de imágenes, que el tamaño de la gota colgante 152 parezca ser mayor de lo que realmente es y que los cálculos de medición de flujo de fluido produzcan unos resultados no precisos.

La figura 6 muestra una imagen de la gota colgante 152 con el mismo conjunto de gotitas 154 residiendo en la superficie interior 130 que se hizo para la imagen de la figura 5. Sin embargo, la imagen de la figura 6 se hizo con un conjunto de formación de imágenes óptica 100 que tiene una velocidad óptica de f/1,4. Obsérvese que las imágenes de las gotitas 154 son apenas perceptibles y el borde de la imagen de la gota colgante 152 tiene un contraste y una fidelidad adecuados. El software de procesamiento de imagen será capaz de calcular el tamaño de la gota colgante 152 con una precisión adecuada.

Una de tales realizaciones del conjunto de formación de imágenes óptica 100 se diseñó con Zemax (Radiant Zemax, LLC, Redmond Washington, EE. U^u .). La prescripción del conjunto se da en las figuras 7A, 7B y 7C. Los aspectos destacados del diseño mostrado en la figura 7A incluyen: una trayectoria total de 108,1 mm (la distancia desde el plano de objeto 104 al plano de imagen 106), un radio de diafragma de 7,5 mm, un n.° F de funcionamiento de 1,40, una anchura de campo de objeto máximo de 8,8 mm, un aumento de -0,526, y la longitud de onda de la luz es de 825 nm. La calidad de imagen se estableció para optimizarse en seis ubicaciones de campo de objeto, que son, en pares X, Y, en milímetros: (0,0, 0,0), (4,0, 0,0), (0,0, 3,0), (0,0, 5,5), (8,8, 0,0) y (6,0, 3,5).

En la figura 7B, se ve que el modelo óptico consiste en un plano de objeto "OBJ" y un plano de imagen "IMA", un diafragma de apertura "STO" y otras once superficies. La superficie 1 es una superficie de referencia usada por Zemax para la optimización de telecentricidad. Las superficies 2 y 3 son la superficie interior 130 y la superficie exterior 132 del manguito transparente 110, que se hace de PVC. Las superficies 4 y 5 son la superficie de entrada 134 y la superficie de salida 136 del primer elemento de lente 112, que se hace de poliestireno (PS). Las superficies 6 y 7 son la superficie de entrada 138 y la superficie de salida 140 del segundo elemento de lente 114, que también se hace de poliestireno. Las superficies 8 y 9 son la superficie de entrada 142 y la superficie de salida 144 del tercer elemento de lente 116, que también se hace de poliestireno. Por último, las superficies 11 y 12 son la superficie de entrada 146 y la superficie de salida 148 del cuarto elemento de lente 120, que también se hace de poliestireno. Más abajo en la figura 7B y en la figura 7C, se ve que tanto la superficie de entrada 134 del primer elemento de lente como la superficie de entrada 138 del segundo elemento de lente no tienen curvatura alguna y, de hecho, son planas. Tanto la superficie de salida 136 del primer elemento de lente como la superficie de salida 140 del segundo elemento de lente tienen prescripciones acilíndricas. Ambas superficies del tercer elemento de lente 116 y el cuarto elemento de lente 120 son asféricas.

Las figuras 8A y 8B son representaciones gráficas de la distorsión óptica presente en la imagen en la dirección X (paralela al eje de objeto 108) y la dirección Y (perpendicular al eje de objeto 108). En la dirección X, la distorsión es de solo unas pocas decenas de micrómetros hasta una distancia de campo de aproximadamente 5 mm. En la dirección Y, la distorsión es de solo unas pocas decenas de micrómetros hasta una distancia de campo radial de aproximadamente 4 mm. Obsérvese que, en la dirección Y, la distorsión no está definida a distancias de campo radiales mayores que el radio de la superficie interior 130 del manguito 110.

La figura 9 es una colección de diagramas de puntos de imagen para las seis ubicaciones de campo de objeto indicadas anteriormente, y optimizada por Zemax. Obsérvese que la escala es de 400 um, que es la altura y la anchura de cada una de las seis gráficas. El valor eficaz de anchura de cada uno de los seis puntos es sustancialmente menor que 100 um. Debido a que un píxel de un sensor de imagen de CCD o CMOS es habitualmente de 10 um o menos, los bordes del objeto de gota colgante 152 se someterán a formación de imágenes a través de aproximadamente diez píxeles, lo que es ideal para localizar el borde de la imagen del objeto con una precisión inferior al píxel con algoritmos de procesamiento de imagen avanzados.

La figura 10 muestra cómo el presente conjunto de formación de imágenes óptica 100 se puede usar como parte de un medidor de caudal 200 de un dispositivo de infusión médica para medir el caudal del fluido infundido. El medidor de caudal incluye una bolsa 312 o recipiente de fluido que se va a infundir, una gota colgante 152 de fluido de infusión cuyo caudal se va a medir, una cámara de goteo 300 con un orificio de salida 310 y un tubo de salida 308 que porta fluido de infusión a un paciente.

Como se observa en la figura 10, el medidor de caudal 200 también incluye una luz de fondo 202 que se usa para iluminar la gota colgante 152 de fluido de infusión, el conjunto de formación de imágenes óptica 100, un sensor de imagen 204 ubicado en el plano de imagen 106, un bus de comunicación 212 en la salida del sensor de imagen 204 porta datos de imagen a un dispositivo de procesamiento digital 206 que, a su vez, está conectado a través de un bus de comunicación 220 a un elemento de memoria 208 que se usa para almacenar unos datos de imagen 216, otros datos 214 y unas instrucciones de procesamiento 210.

Durante el funcionamiento, el fluido de infusión sale lentamente de la bolsa de fluido 312 y forma una gota colgante 152 dentro de la cámara de goteo 300. A continuación, la luz de fondo 202 se usa para iluminar la gota colgante 152 a través del manguito 110 de la cámara de goteo 300. La luz 203 que pasa a través del manguito 110 es recogida entonces por el conjunto de formación de imágenes óptica 100, que forma entonces una imagen de la gota colgante 152 en el sensor de imagen 204. La salida del sensor de imagen 204 son datos de imagen pixelados en forma de matriz bidimensional de datos de números enteros, en donde los datos de números enteros corresponden al brillo de la imagen en cada ubicación de la matriz. Esta matriz digital de datos de brillo se transmite entonces a través del bus de comunicación 212 al procesador 206 que procesa los datos de matriz de imagen para 1) hallar el borde de la imagen de la gota colgante 152 dentro de la matriz, y 2) calcular el volumen de la gota colgante 152 en el instante particular en el que la imagen fue capturada por el sensor de imagen 204. Conocer el instante exacto en el que imágenes sucesivas son capturadas por el sensor de imagen 204 y calcular de forma precisa el volumen de la gota colgante 152 en cada fotograma sucesivo permite calcular la tasa de cambio temporal de la gota colgante 152, que es el caudal del fluido.

Se mencionó anteriormente que una realización compacta del conjunto de formación de imágenes óptica 100 es más deseable que una realización que no es compacta. En algunas configuraciones, se puede lograr una realización más compacta insertando un espejo plegable en el conjunto, tal como entre el tercer elemento de lente 116 y el cuarto elemento de lente 120. Habitualmente, el espejo plegable está centrado en el eje óptico 102 e inclinado con un ángulo de 45° con respecto al eje óptico 102, por lo que la trayectoria de formación de imágenes se curva 90°. Esto puede reducir aproximadamente un 30 % la anchura de la envolvente que ocupa el conjunto de formación de imágenes óptica 100, aunque ello aumentará el tamaño en una dirección ortogonal. Pero este aumento de tamaño en una dirección ortogonal no aumentará, en general, el tamaño global del medidor de caudal 200, debido a que otros componentes de medidor de caudal en la dirección ortogonal restringirán el tamaño del medidor de caudal 200 en esta dimensión.

Se mencionó anteriormente que el aumento en relación con la figura 7A era de -0,526. El signo menos significa que la imagen se invierte con respecto al objeto. De hecho, se ve que el vértice de la gota colgante 152 en la figura 3 es en la dirección hacia abajo, mientras que se ve que la imagen de la gota colgante en las figuras 5 y 6 es en la dirección hacia arriba. La magnitud del aumento, 0,526, significa que el tamaño de la imagen es solo el 52,6 % del tamaño del objeto, lo que es deseable debido a que se puede usar un sensor de imagen 204 más pequeño y menos costoso como parte del medidor de caudal 200. El signo del aumento del conjunto de formación de imágenes óptica 100 será, en general, negativo, aunque la magnitud del aumento se puede adaptar al tamaño del sensor de imagen 204 y puede estar entre 0,1 y 10,0.

Se mencionó anteriormente que la longitud de onda de la luz en relación con la figura 7A era de 825 nm. La longitud de onda de la luz usada ha de ser producible por la luz de fondo 202, transmisible por todos los elementos ópticos del conjunto de formación de imágenes óptica 100, transmisible por el manguito 110, y el sensor de imagen 204 ha de ser sensible a la misma. El sensor de imagen 204 es, en general, un dispositivo de silicio y es sensible a longitudes de onda entre 400 nm y 1100 nm; la luz de fondo puede consistir en una o más fuentes de LED (diodo de emisión de luz), que puede emitir luz entre 400 nm y 900 nm; y la mayoría de los elementos ópticos refractivos pueden transmitir la luz en las bandas espectrales visible y de IR cercano, incluyendo las longitudes de onda de 400 nm a 1100 nm. Por lo tanto, el intervalo de longitudes de onda de luz que se pueden usar con el conjunto de formación de imágenes óptica 100 puede ser de 400 nm a 900 nm.

Como se observa en la figura 4, el espesor central del cuarto elemento de lente 120 es bastante grueso, siendo de un espesor de 8,32 mm como se prescribe en la figura 7B. Los elementos de lente de polímero que tienen un espesor grande pueden ser difíciles de moldear con una fidelidad adecuada debido a la cantidad grande de contracción que experimenta la porción central del elemento de lente en relación con la porción exterior, más delgada, a medida que la lente se enfría después de moldearse. Para remediar esto, el cuarto elemento de lente 120 se puede dividir en dos elementos de lente más delgados separados. Esto tiene la desventaja de unos costes de material y de montaje aumentados, pero también proporciona dos grados de libertad adicionales que se pueden usar para mejorar la calidad de imagen con la adición de las dos superficies de un quinto elemento de lente.

Habiendo descrito de este modo el concepto básico de la invención, será bastante evidente para los expertos en la materia que se pretende presentar la divulgación detallada anterior solo a modo de ejemplo, y no es limitante. A los expertos en la materia se les ocurrirán diversas alteraciones, mejoras y modificaciones, y las mismas están dirigidas a estos, aunque no se indique de forma expresa en el presente documento.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un conjunto de formación de imágenes óptica (100) para producir una imagen de un objeto (152) que se encuentra dentro de un manguito de transmisión de luz (110) que define un eje de rotación (108), en donde el conjunto de formación de imágenes óptica corrige la distorsión óptica, es ópticamente rápido, teniendo un número f de 2.0 o menos, y es telecéntrico en el espacio de objetos, comprendiendo el conjunto:

un diafragma de apertura (118);

al menos tres elementos de lente refractivos (112, 114, 116) dispuestos entre el objeto y el diafragma de apertura, teniendo los primeros dos de dichos al menos tres elementos de lente refractivos (112, 114, 116), vistos desde el lado de objeto, unas superficies (136, 140) que tienen al menos una de una prescripción cilíndrica y acilíndrica, teniendo el tercero de dichos al menos tres elementos de lente refractivos un centro de rotación coincidente con un eje óptico (102) que pasa a través de los tres elementos de lente refractivos (112, 114, 116) y un centro del diafragma de apertura (118); y

un cuarto elemento de lente refractivo (120) dispuesto entre el diafragma de apertura y un plano de imagen (106), teniendo dicho cuarto elemento de lente refractivo unas superficies de entrada y de salida que incluyen una potencia óptica radialmente simétrica,

en donde el diafragma de apertura (118) y los tres elementos de lente refractivos (112, 114, 116) definen el eje óptico (102), y

en donde un rayo que sale del objeto viaja en una dirección paralela al eje óptico y pasa sustancialmente a través de un centro del diafragma de apertura (118).

2. El conjunto según la reivindicación 1 en donde un espesor de cada uno de los elementos de lente refractivos (112, 114, 116) a lo largo del eje óptico es mayor o igual a 1,0 mm.

3. El conjunto según la reivindicación 1 en donde la superficie de entrada (134) de un primer elemento de lente (112) es plana.

4. El conjunto según la reivindicación 1 en donde al menos uno de los elementos de lente refractivos (116) tiene una superficie (142) que tiene simetría radial.

5. El conjunto según la reivindicación 4 en donde la superficie (142) que tiene simetría radial es una superficie esférica.

6. El conjunto según la reivindicación 4 en donde la superficie (142) que tiene simetría radial es una superficie asférica.

7. El conjunto según la reivindicación 1 en donde al menos uno de los elementos de lente refractivos (112, 114, 116) está hecho de un material polimérico.

8. El conjunto según la reivindicación 1 en donde al menos uno de los elementos de lente refractivos (112, 114, 116) está fabricado con un proceso de moldeo.

9. El conjunto según la reivindicación 1, en donde el objeto es una gota de líquido colgante.

10. El conjunto según la reivindicación 1, en donde dos de los elementos de lente refractivos (116, 120) tienen unas superficies de entrada y de salida que tienen una potencia óptica radialmente simétrica de tal modo que el conjunto tiene un número f de 2,0 o menos.

11. El conjunto según la reivindicación 1, en donde la distancia desde el plano de objeto (104) al plano de imagen (106) es de 200 mm o menos.

12. El conjunto según la reivindicación 1 en donde la magnitud de la disposición de dichos al menos tres elementos de lente refractivos (112, 114, 116) tiene un aumento que es menor que 1,0.

13. El conjunto según la reivindicación 1, en donde los cuatro elementos de lente refractivos (112, 114, 116, 120) están dispuestos de forma que corrigen unas cantidades grandes de distorsión óptica y tienen un número f de 1,5 o menos, en donde dos de dichos cuatro elementos de lente refractivos tienen prescripciones asféricas, y los otros dos de dichos elementos de lente refractivos tienen unas superficies acilíndricas y en donde dichas dos superficies acilíndricas están separadas entre sí.