ES2936798T3

ES2936798T3 - Sistema y método para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana

Info

Publication number: ES2936798T3
Application number: ES20708531T
Authority: ES
Inventors: Antti Kontiola; Ari Salmi; Risto Montonen; Edward Haeggström
Original assignee: Photono Oy
Current assignee: Photono Oy
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2020-02-05
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2040-02-05
Also published as: US20220113125A1; EP3924690A1; CN113424015B; CN113424015A; FI20195098A1; US12031809B2; WO2020165495A1; EP3924690B1

Abstract

Un sistema para detectar una onda que ocurre en/sobre una membrana comprende una fuente (101) para dirigir una señal de excitación oblicuamente a la membrana y un receptor (102) para medir la interferencia entre una primera parte de la señal de excitación reflejada en una superficie frontal de la membrana y una segunda parte de la señal de excitación se reflejaron en una superficie posterior de la membrana. el sistema comprende un dispositivo de procesamiento (103) para detectar la onda en base a un cambio en la interferencia medida. La detección de la onda se basa en los cambios causados por la onda en la longitud óptica de una parte en forma de V de una ruta de propagación de la segunda parte de la señal de excitación, donde la parte en forma de V de la ruta de propagación está dentro de la membrana. . (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana

Campo técnico

La descripción se refiere a un sistema para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana, por ejemplo, en/sobre la córnea de un ojo. Así mismo, la descripción se refiere a un método para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana.

Antecedentes

En muchos casos, existe la necesidad de detectar una onda, como p. ej., una onda de membrana o una onda Lamb, que se produce en/sobre una membrana. La onda puede ser una onda estacionaria o una onda viajera. En este documento, la palabra "membrana" no se limita a estructuras sustancialmente bidimensionales cuyo grosor sea extremadamente pequeño, sino que la palabra "membrana" puede significar cualquier capa, hoja, placa de material u otra estructura cuyo grosor es significativamente menor que las otras dimensiones. La detección de una onda que se produce en/sobre una membrana se puede utilizar, por ejemplo, en mediciones de la presión ocular en las que se utiliza una excitación, como p. ej., un impulso de aire, un estallido de tono ultrasónico, una onda de choque o alguna otra excitación adecuada para deformar una córnea y, posteriormente, se obtiene una estimación de la presión del ojo en función de una onda provocada por la excitación en/sobre la córnea. Una onda que se produce en/sobre una membrana se puede detectar, por ejemplo, mediante interferometría, en la que la radiación se dirige hacia la membrana en cuestión y hacia un reflector de referencia. La onda provoca cambios en la longitud óptica de una trayectoria de propagación de la radiación reflejada en una superficie de la membrana. Así, la onda provoca cambios en la interferencia entre la radiación reflejada por el reflector de referencia y la radiación reflejada por la superficie de la membrana. Por lo tanto, la onda se puede detectar en función de los cambios de la interferencia mencionada con anterioridad. Esta técnica de detección se describe, p. ej., en el documento US 2018/0193194 A1.

En muchas aplicaciones, sin embargo, el método basado en interferometría descrito anteriormente que sirve para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana no está exento de problemas. Por ejemplo, junto con las mediciones de la presión ocular, puede ser un desafío mantener el reflector de referencia lo suficientemente estacionario con respecto al ojo que se está evaluando para que los cambios involuntarios en la posición y/u orientación del reflector de referencia con respecto al ojo no alteren demasiado la medición de la presión del ojo. Así, existe la necesidad de disponer de soluciones técnicas para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana, de modo que no sea necesario utilizar un reflector de referencia o algún otro elemento que deba estar exactamente estacionario con respecto a la membrana que transporta la onda que vaya a detectarse.

Compendio

A continuación, se presenta un compendio simplificado para proporcionar una comprensión básica de algunos aspectos de las diferentes realizaciones de la invención. El compendio no es una visión general extensa de la invención. No pretende identificar elementos clave o fundamentales de la invención ni delinear el alcance de la invención. El siguiente compendio simplemente presenta algunos conceptos de la invención de forma simplificada como introducción de una descripción más detallada de realizaciones ilustrativas y no limitantes de la invención.

En este documento, la palabra "geométrico/a", cuando se usa como prefijo, expresa un concepto geométrico que no forma parte necesariamente de ningún objeto físico. El concepto geométrico puede ser, por ejemplo, un punto geométrico, una línea geométrica recta o curva, un plano geométrico, una superficie geométrica no plana, un espacio geométrico, o cualquier otra entidad geométrica sin dimensión, uni, bi o tridimensional.

De conformidad con la invención, se proporciona un nuevo sistema para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana, p. ej., en/sobre la córnea de un ojo. La membrana puede ser cualquier capa de material, una hoja, una placa u otra estructura cuyo grosor sea significativamente menor que el de las otras dimensiones. Un sistema según la invención comprende:

- una fuente para dirigir una señal luminosa o ultrasónica hacia la membrana, y

- un receptor para medir la interferencia entre una primera parte de la señal reflejada en una superficie delantera de la membrana y una segunda parte de la señal reflejada en una superficie trasera de la membrana, y

- un dispositivo de procesamiento para detectar la onda en función de los cambios en la interferencia medida.

La fuente y el receptor están situados oblicuamente entre sí, de modo que la señal se dirige en oblicuo hacia la membrana cuando el receptor recibe la primera y la segunda partes reflejadas de la señal.

La detección de la onda que se produce en la membrana se basa en los cambios provocados por la onda en la longitud de una parte en forma de V de la trayectoria de propagación de la segunda parte de la señal antes mencionada, en donde la parte en forma de V de la trayectoria de propagación está dentro de la membrana. La forma en que la onda cambia la longitud de la parte en forma de V mencionada anteriormente se explica más adelante en este documento con referencia a las figuras.

Como la detección de la onda se basa en la interferencia entre la primera parte de la señal reflejada en la superficie delantera de la membrana y la segunda parte de la señal reflejada en la superficie trasera de la membrana, no hay necesidad de que haya un reflector de referencia y/u otro elemento que deba ser exactamente estacionario con respecto a la membrana que lleva la onda que vaya a detectarse.

De conformidad con la invención, también se proporciona un nuevo método para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana, p. ej., en/sobre la córnea de un ojo. Un método según la invención comprende:

- dirigir oblicuamente una señal luminosa o ultrasónica hacia la membrana, y

- medir la interferencia entre una primera parte de la señal reflejada en una superficie delantera de la membrana y una segunda parte de la señal reflejada en una superficie trasera de la membrana, y

- detectar la onda en función de un cambio en la interferencia medida.

Varias realizaciones a modo de ejemplo y no limitantes se describen en las reivindicaciones dependientes adjuntas.

Las realizaciones ilustrativas y no limitantes tanto en cuanto a construcciones como a métodos de operación, junto con los objetos adicionales y ventajas de las mismas, se entienden mejor a partir de la siguiente descripción de realizaciones ilustrativas específicas cuando se leen junto con los dibujos adjuntos.

Los verbos "comprender" e "incluir" se utilizan en este documento como limitaciones abiertas que ni excluyen ni requieren la existencia de características no citadas. Las características enumeradas en las reivindicaciones dependientes se pueden combinar libremente entre sí a menos que se indique explícitamente lo contrario. Así mismo, debe entenderse que el uso de "un" o "una", es decir, una forma singular, a lo largo de este documento no excluye una pluralidad.

Breve descripción de las figuras

Las realizaciones ilustrativas y no limitantes de la invención y sus ventajas se explican con mayor detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1a ilustra un sistema según una realización ilustrativa y no limitante para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana,

las figuras 1 b-1 d ilustran el principio operativo del sistema ilustrado en la figura 1 a, y

la figura 2 muestra un diagrama de flujo de un método según una realización ilustrativa y no limitante para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana.

Descripción de realizaciones ilustrativas y no limitantes

Los ejemplos específicos proporcionados en la siguiente descripción no deben interpretarse como limitantes del alcance y/o la aplicabilidad de las reivindicaciones adjuntas. Las listas y grupos de ejemplos proporcionados en la siguiente descripción no son exhaustivos a menos que se indique explícitamente lo contrario.

La figura 1a ilustra un sistema según una realización ilustrativa y no limitante para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana 107. En la situación de ejemplo que se muestra en la figura 1 a, la membrana 107 es la córnea de un ojo 106. La onda que se desplaza a lo largo de la membrana 107 se ilustra en las figuras 1b, 1c, y 1d, que muestran una vista en corte de la membrana 107 en diferentes momentos tü, t¹y t², donde t²> t¹> tü. El sistema ilustrado en la figura 1 a comprende una fuente 101 para dirigir una señal hacia la membrana 107. La fuente 101 puede comprender, por ejemplo, una fuente de luz 104 que puede ser, por ejemplo, una fuente de láser como, p. ej., un láser emisor de superficie de cavidad vertical "VCSEL" para emitir la señal. En este caso ilustrativo, la señal es un haz de luz, p. ej., un rayo láser. La fuente 101 puede comprender además un sistema de lentes para enfocar el haz de luz en la membrana 107. El haz de luz se enfoca ventajosamente sobre una superficie delantera de la membrana 107 o detrás de la superficie delantera. La superficie delantera es la superficie de la membrana 107 a la que llega primero la señal. El diámetro de un punto de radiación, p. ej., un punto láser, sobre la superficie de la membrana 107 puede estar en el intervalo, p. ej., de 0,5 mm a 6 mm. También es posible que la señal sea algún otro frente de onda que se propaga, p. ej., un frente de onda de ultrasonido. El sistema comprende un receptor 102 para medir la interferencia entre una primera parte de la señal reflejada en la superficie delantera de la membrana 107 y una segunda parte de la señal reflejada en la superficie trasera de la membrana 107. En las figuras 1 b-1d, la primera parte de la señal se representa con una flecha de línea discontinua y la segunda parte de la señal se representa con una flecha de línea de rayas y puntos. En casos ilustrativos en los que la señal es radiación electromagnética, p. ej., un rayo láser, el receptor 102 puede comprender, por ejemplo, un sistema de lentes y un sensor multipunto que comprende una matriz de elementos sensores 105. Cada elemento sensor puede ser, por ejemplo, un fotodiodo o un fototransistor. También es posible que el receptor 102 comprenda un dispositivo de carga acoplada "CCD". El sistema comprende además un dispositivo de procesamiento 103 para detectar la onda en función de los cambios en la interferencia medidos por el receptor 102. En un sistema según una realización ilustrativa y no limitante, el receptor 102 comprende un fotodiodo dual o una matriz de fotodiodos, donde se utiliza la detección diferencial de los fotodiodos adyacentes para mejorar la sensibilidad.

La fuente 101 y el receptor 102 están colocados oblicuamente entre sí, de modo que la señal se dirige en oblicuo hacia la membrana 107 cuando el receptor 102 recibe la primera y la segunda partes reflejadas de la señal. En un sistema según una realización ilustrativa y no limitante, la fuente 101 y el receptor 102 están situados oblicuamente entre sí, de manera que un ángulo a entre la dirección de transmisión de la fuente 101 y la dirección de recepción del receptor 102 está en el intervalo de 15 a 120 grados. En un sistema según una realización ilustrativa y no limitante, el ángulo a está en el intervalo de 45 a 90 grados.

La detección de la onda se explica a continuación con referencia a las figuras 1b-1d. En la situación que se muestra en la figura 1 b, la onda aún no ha llegado al área irradiada de la membrana 107. La interferencia entre la primera y la segunda partes de la señal viene determinada por la longitud de onda de la señal y la longitud de una parte A-B-C en forma de V de la trayectoria de propagación de la segunda parte de la señal. En casos ilustrativos en los que la señal es radiación electromagnética, p. ej., un rayo láser, se supone que el término "longitud" incluye el efecto del índice de refracción del material de la membrana 107. Como se muestra en las figuras 1 b-1 d, la parte en forma de V de la trayectoria de propagación está dentro de la membrana 107. En la situación que se muestra en la figura 1c, la onda ha llegado a la zona excitada de la membrana 107. Como se ilustra en las figuras 1b y 1c, la distancia A-B es mayor en la situación mostrada en la figura 1c que en la situación mostrada en la figura 1b y la distancia B-C es sustancialmente la misma en las situaciones mostradas en las figuras 1b y 1c. En la situación que se muestra en la figura 1d, la onda se ha movido más en la dirección de propagación que en la situación que se muestra en la figura 1c. Como se ilustra en las figuras 1 d-1 d, las distancias A-B y B-C son más cortas en la situación mostrada en la figura 1d que en las situaciones mostradas en las figuras 1b y 1c. La variación descrita anteriormente en la longitud de la parte A-B-C en forma de V de la trayectoria de propagación de la segunda parte de la señal provoca cambios en la interferencia entre la primera y la segunda partes de la señal. Como se ilustra en las figuras 1b-1d, la variación en la longitud de la parte A-B-C en forma de V es más fuerte cuando la distancia entre el punto A, donde la segunda parte de la señal entra en la membrana 107, y el punto C, donde la segunda parte de la señal sale de la membrana 107, es sustancialmente la longitud de la onda que se produce en/sobre la membrana.

Un sistema según una realización ilustrativa y no limitante comprende una estructura de soporte 108 dispuesta para soportar mecánicamente la fuente 101 y el receptor 102, de modo que el ángulo a mencionado anteriormente que se muestra en la figura 1a es variable. Esto permite que un usuario del sistema seleccione el ángulo a para que la distancia entre el punto A, donde la segunda parte de la señal entra a la membrana 107, y el punto C, donde la segunda parte de la señal sale de la membrana 107, sea sustancialmente la longitud de la onda que se produce en/sobre la membrana.

En un sistema según una realización ilustrativa y no limitante, el dispositivo de procesamiento 103 está configurado para estimar el índice de variación de la interferencia medida. El índice de variación se puede expresar, p. ej., en Hz. En algunos casos ilustrativos, el índice de variación puede ser, por ejemplo, superior a 1 kHz.

En un sistema según una realización ilustrativa y no limitante, el dispositivo de procesamiento 103 está configurado para estimar la velocidad de desplazamiento de la onda basándose en el índice de variación de la interferencia medida y en los datos prealmacenados que indican la longitud de la onda. También es posible que haya dos puntos de medición simultáneamente en la membrana a una distancia conocida entre sí, y la velocidad de desplazamiento se estima en función de la distancia conocida y una diferencia de tiempo entre los respectivos cambios que se producen en las interferencias medidas para los dos puntos de medición.

En un sistema según una realización ilustrativa y no limitante, el dispositivo de procesamiento 103 está configurado para controlar la fuente 101 y modificar la longitud de onda de la señal y para estimar el grosor de la membrana 107 en función de la interferencia medida con diferentes longitudes de onda de la señal. El grosor se indica con una T en las figuras 1b-1d. En este caso ilustrativo, la fuente 101 puede comprender, por ejemplo, un láser emisor de superficie de cavidad vertical "VCSEL" para implementar un barrido de longitud de onda de la señal. La longitud de onda de la señal emitida por un VCSEL se puede cambiar modificando la corriente eléctrica del VCSEL. Así, un VCSEL se puede accionar con pulsos en rampa de corriente eléctrica en modulación de intensidad directa, y la propiedad intrínseca del VCSEL produce una salida de barrido de longitud de onda a través del efecto de autocalentamiento. La señal emitida por un VCSEL tiene una longitud de coherencia larga que permite medir grosores de membranas cuyos grosores son de pocos milímetros, mientras que un escaneo de longitud de onda obtenido cambiando la corriente eléctrica del VCSEL permite detectar interferencias de luz blanca para anchos de coherencia de algunos cientos de micrómetros. El sistema puede comprender un entrehierro que sirva de referencia para la determinación del grosor. Los datos que indican el grosor que se determina pueden obtenerse con la ayuda de la transformación de Fourier de la señal de interferencia medida. Como la medición no se realiza de forma perpendicular sino oblicua, el efecto de la oblicuidad, es decir, un error de coseno, se compensa ventajosamente en la estimación del grosor. Para otro ejemplo, la estimación del grosor puede basarse, por ejemplo, en un modelo de referencia prealmacenado obtenido con experimentos realizados con membranas de referencia que tenían grosores predeterminados, donde el modelo de referencia indica el comportamiento de la interferencia en función de la longitud de onda de la señal y en función del grosor de la membrana, es decir, la interferencia = f(A, T), siendo A la longitud de onda de la señal y siendo T el grosor de la membrana. El modelo de referencia se puede implementar, p. ej., con una tabla de consulta bidimensional. El efecto del índice de refracción del material de la membrana se puede incluir en el modelo de referencia. El grosor de la membrana se puede estimar hallando un valor para el grosor del modelo de referencia, de modo que el comportamiento de la interferencia indicada por el modelo de referencia en función de la longitud de onda sea lo más cercano posible al comportamiento de la interferencia medida en función de la longitud de onda. También es posible que el grosor de la membrana se estime con un modelo matemático basado en la teoría de la óptica ondulatoria. El modelo matemático proporciona la estimación del grosor cuando se proporcionan como datos de entrada los parámetros que indican el comportamiento de la interferencia medida en función de la longitud de onda.

El dispositivo de procesamiento 103 se puede implementar con uno o más circuitos de procesador, cada uno de los cuales puede ser un circuito de procesador programable provisto del software apropiado, un procesador de hardware especializado como, por ejemplo, un circuito integrado específico de la aplicación "ASIC", o un procesador de hardware configurable como, por ejemplo, una matriz de puertas programable por campo "FPGA". Así mismo, el dispositivo de procesamiento 103 puede comprender uno o más circuitos de memoria, cada uno de los cuales puede ser, por ejemplo, un circuito "RAM" de memoria de acceso aleatorio.

La figura 2 muestra un diagrama de flujo de un método según una realización ilustrativa y no limitante para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana. El método comprende las siguientes acciones:

- acción 201: dirigir una señal en oblicuo hacia la membrana, y

- acción 202: medir la interferencia entre una primera parte de la señal reflejada en una superficie delantera de la membrana y una segunda parte de la señal reflejada en una superficie trasera de la membrana, y - acción 203: detectar la onda en función de un cambio en la interferencia medida.

En un método según una realización ilustrativa y no limitante, la señal se dirige oblicuamente hacia la membrana, de manera que un ángulo p entre la dirección de llegada de la señal hasta la membrana y una perpendicular geométrica de la membrana está en el intervalo de 7 a 60 grados. El ángulo p se ilustra en las figuras 1 b-1 d. En un método según una realización ilustrativa y no limitante, el ángulo p mencionado anteriormente está en el intervalo de 22 a 45 grados. En un método según una realización ilustrativa y no limitante, el ángulo p mencionado anteriormente se selecciona de manera que la distancia entre un punto donde la segunda parte de la señal entra en la membrana y otro punto donde la segunda parte de la señal sale de la membrana es sustancialmente la longitud de la onda.

Un método según una realización ilustrativa y no limitante comprende estimar el índice de variación de la interferencia medida.

Un método según una realización ilustrativa y no limitante comprende estimar la velocidad de desplazamiento de la onda en función del índice de variación de la interferencia medida y de los datos prealmacenados que indican la longitud de la onda.

Un método según una realización ilustrativa y no limitante comprende modificar una longitud de onda de la señal y estimar el grosor de la membrana en función de la interferencia medida correspondiente a diferentes longitudes de onda de la señal.

En un método según una realización ilustrativa y no limitante, la señal se produce con una fuente láser, p. ej., un láser emisor de superficie de cavidad vertical.

En un método según una realización ilustrativa y no limitante, la interferencia se mide con una matriz de elementos sensores.

Los ejemplos específicos no limitantes proporcionados en la descripción expuesta no deben interpretarse como limitantes del alcance y/o aplicabilidad de las reivindicaciones adjuntas. Así mismo, cualquier lista o grupo de ejemplos presentados en este documento no es exhaustiva a menos que se indique explícitamente lo contrario.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana, comprendiendo el sistema:

- una fuente (101) para dirigir una señal luminosa o ultrasónica hacia la membrana, y

- un receptor (102) para medir la interferencia entre una primera parte de la señal reflejada en una superficie delantera de la membrana y una segunda parte de la señal reflejada en una superficie trasera de la membrana, en donde la fuente y el receptor se sitúan oblicuamente entre sí, de modo que la señal se dirige en oblicuo hacia la membrana cuando el receptor recibe la primera y la segunda partes reflejadas de la señal, caracterizado por que el sistema comprende un dispositivo de procesamiento (103) para detectar la onda en función de un cambio en la interferencia medida.

2. Un sistema según la reivindicación 1, en donde la fuente y el receptor están situados oblicuamente entre sí, de manera que un ángulo (a) entre la dirección de transmisión de la fuente y la dirección de recepción del receptor está en un intervalo de 15 a 120 grados.

3. Un sistema según la reivindicación 2, en donde la fuente y el receptor están situados oblicuamente entre sí, de manera que el ángulo (a) está en un intervalo de 45 a 90 grados.

4. Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 -3, en donde el sistema comprende una estructura de soporte (108) dispuesta para soportar mecánicamente la fuente (101) y el receptor (102), de modo que el ángulo (a) entre la dirección de transmisión de la fuente y la dirección de recepción del receptor es variable.

5. Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 -4, en donde el dispositivo de procesamiento está configurado para controlar la fuente para modificar una longitud de onda de la señal y para estimar un grosor (T) de la membrana en función de la interferencia medida con diferentes longitudes de onda de la señal.

6. Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 -5, en donde la fuente (101) comprende una fuente de láser.

7. Un sistema según la reivindicación 6, en donde la fuente de láser es un láser emisor de superficie de cavidad vertical.

8. Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 -7, en donde el receptor comprende una matriz de elementos sensores (105).

9. Un método para detectar una onda que se produce en/sobre una membrana (107), comprendiendo el método: - dirigir (201) una señal luminosa o ultrasónica hacia la membrana, y

- medir (202) la interferencia entre una primera parte de la señal reflejada en una superficie delantera de la membrana y una segunda parte de la señal reflejada en una superficie trasera de la membrana,

en donde la señal se dirige (201) oblicuamente hacia la membrana, caracterizado por que el método comprende detectar (203) la onda en función de un cambio en la interferencia medida.

10. Un método según la reivindicación 9, en donde la señal se dirige oblicuamente hacia la membrana, de modo que un ángulo (p) entre la dirección de llegada de la señal hasta la membrana y una perpendicular geométrica de la membrana está en un intervalo de 7 a 60 grados.

11. Un método según la reivindicación 10, en donde el ángulo (p) está en un intervalo de 22 a 45 grados.

12. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9-11, en donde el método comprende seleccionar un ángulo (p) entre la dirección de llegada de la señal hasta la membrana y una perpendicular geométrica de la membrana, de modo que la distancia entre un punto (A), donde la segunda parte de la señal entra en la membrana, y otro punto (C), donde la segunda parte de la señal sale de la membrana, es sustancialmente una longitud de onda.

13. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9-12, en donde el método comprende modificar la longitud de onda de la señal y estimar el grosor de la membrana en función de la interferencia medida correspondiente a diferentes longitudes de onda de la señal.

14. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9-13, en donde la señal se produce con una fuente láser.

15. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 9-14, en donde la interferencia se mide con una matriz de elementos sensores.