IT201800007424A1

IT201800007424A1 - Dispositivo e metodo per rilevare dati ottici risolti nel tempo

Info

Publication number: IT201800007424A1
Application number: IT102018000007424A
Authority: IT
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-01-23
Also published as: WO2020020805A1; EP3827278B1; EP3827278A1; US11788960B2; US20210318239A1

Description

DISPOSITIVO E METODO PER RILEVARE DATI OTTICI RISOLTI

NEL TEMPO

Campo tecnico

La presente invenzione riguarda il campo dei dispositivi e metodi per l’acquisizione di dati ottici risolti nel tempo e, in particolare, l'acquisizione di immagini risolte nel tempo.

Arte nota

Un'immagine viene acquisita illuminando il campione sotto indagine e misurando la luce che viene riflessa e/o diffusa dal campione. Mediante opportuni algoritmi, basati su modelli di propagazione dei fotoni, è possibile ottenere proprietà geometriche e ottiche (dimensione, distanza, assorbimento, diffusione, fluorescenza, ecc.) del campione stesso.

In particolare, la possibilità di acquisire immagini risolte in tempo con alta risoluzione temporale (fino a picosecondi) trova applicazione in vari campi tecnici dove è richiesto lo studio di processi dinamici caratterizzati da variazioni spaziali.

Le applicazioni emergenti che possono trarre beneficio dalla possibilità di acquisire immagini risolte nel tempo con una risoluzione temporale elevata comprendono il telerilevamento e l'imaging per il monitoraggio ambientale e, in particolare, per l'industria automobilistica. Ad esempio, la tecnica LIDAR (Light Detection and Ranging) può fornire dati sulla distanza degli oggetti determinando il tempo di volo degli impulsi laser. In particolare, l'interesse sta crescendo in campi di ricerca emergenti come i veicoli a guida autonoma, che richiedono la mappatura di scenari in rapida evoluzione.

Altri campi di applicazione includono la biologia, la medicina e la scienza dei materiali. In particolare, le immagini risolte nel tempo possono essere impiegate in indagini di spettroscopia risolte in tempo, che possono essere utilizzate per analizzare le proprietà ottiche (cioè assorbimento, dispersione, riflettività, fluorescenza) di una pluralità di materiali. In medicina e nella ricerca industriale, i mezzi altamente diffondenti (ad esempio tessuti biologici, prodotti alimentari, materiali in legno, prodotti farmaceutici e in polvere) vengono tipicamente analizzati per applicazioni che includono diagnostica e controllo di qualità. Come è noto, in medicina, molte tecniche diagnostiche si basano sullo studio di immagini acquisite mediante la propagazione della luce all'interno dei tessuti del corpo umano (ad es. Mammografia ottica, neuroimaging funzionale, ossimetria, ecc.). Le proprietà ottiche dei tessuti possono, infatti, fornire informazioni utili sulla presenza, per esempio, di tumori o altre patologie che interessano i tessuti esaminati. Altre applicazioni comprendono l’imaging funzionale e la chirurgia assistita.

La disponibilità di informazioni temporali consente di ottenere con maggiore precisione e di misurare separatamente le proprietà di assorbimento e diffusione del mezzo in cui la luce si propaga. Inoltre, in campo biomedico, la tecnica "Fluorescence Lifetime Imaging" (FLIM) consente di ottenere un'immagine di un campione basata sulle differenze nei tassi di decadimento esponenziale della fluorescenza, e in questo modo consente di ottenere importanti informazioni sul campione stesso, come pH, concentrazione di ioni (Ca +, Mg +, ecc.), accoppiamento molecolare (Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET).

L'acquisizione di immagini risolte nel tempo di un campione in esame avviene in genere in due modi distinti. Un primo approccio si basa sull'uso delle cosiddette telecamere (o videocamere) digitali che acquisiscono la luce in brevi finestre temporali. Queste comprendono tipicamente fotocamere ICCD (Intensified Charge-Coupled Device). Queste telecamere consentono di aprire una breve finestra temporale (con una larghezza minima di circa 100 ps) per rivelare la luce riflessa e/o emessa dal campione all'interno di questa finestra, a seguito di illuminazione con una sequenza temporale di impulsi luminosi. La finestra temporale può essere spostata ripetutamente nel tempo per eseguire un campionamento temporale e acquisire immagini digitali in instanti temporali successivi. Le telecamere che acquisiscono in brevi finestre temporali includono tipicamente una matrice di fotorivelatori.

Un secondo approccio è basato sull'uso di sistemi comprendenti un singolo fotorivelatore utilizzato per la scansione del campione. In questi sistemi, il campionamento temporale viene eseguito accoppiando il fotorivelatore con una scheda elettronica che può, ad esempio, implementare la tecnica nota come "Conteggio di singoli fotoni correlati nel tempo" (TCSPC).

Negli ultimi anni è stato proposto un ulteriore approccio, denominato "Single Pixel Camera". Questo approccio comporta la sostituzione della matrice di fotorivelatori con un modulatore ottico spaziale (ad esempio un dispositivo costituito da microspecchi digitali, DMD) accoppiato ad un singolo fotorivelatore. L'immagine dell'oggetto è formata da un sistema ottico (ad esempio una lente) sul modulatore ottico spaziale, le cui proprietà di riflessione/trasmissione sono regolate da uno specifico schema di modulazione. La luce emessa da esso (che corrisponde al prodotto scalare dell'immagine con lo specifico schema di modulazione) è focalizzata sul singolo fotorivelatore. Modificando lo schema di modulazione, l'immagine viene campionata nel dominio della frequenza spaziale. L'immagine dell'oggetto in esame può, infine, essere ricostruita applicando un algoritmo di inversione.

US 2006/0239336 Al descrive una fotocamera o videocamera che implementa il meccanismo della Single Pixel Camera descritto sopra. In particolare, la videocamera acquisisce direttamente le proiezioni casuali del campo di luce incidente senza prima acquisire i dati nello spazio dei pixel/voxel. In una realizzazione preferita, la videocamera impiega una matrice di micro-specchi digitali per eseguire calcoli ottici di proiezioni lineari di un'immagine su schemi spaziali binari pseudo-casuali.

Sommario dell’invenzione

Lo schema della Single Pixel Camera consente l'implementazione hardware di ciò che ci si aspetta dalla teoria matematica nota come “compressed sensing”. Secondo questa teoria nota, per le immagini che hanno una larghezza di banda ridotta nel dominio della frequenza spaziale (cioè immagini sparse), è possibile ridurre il numero di misure necessarie per ricostruire l'immagine rispetto al numero indicato dal noto teorema di campionamento di Shannon-Nyquist. Lo schema noto di Compressive Sensing è descritto, ad esempio, in R. G. Baraniuk, "Compressive Sensing [Lecture Notes]," IEEE Signal Process. Mag. 24, 118-121 (2007).

Lo schema della Single Pixel Camera descritto sopra è, quindi, particolarmente adatto in caso di immagini rappresentabili come matrici sparse. Questo è il caso delle immagini di campioni altamente diffondenti (per esempio, un tessuto biologico). In questi casi, infatti, il mezzo si comporta come un filtro passa-basso nel dominio della frequenza spaziale. Il campionamento spaziale può essere eseguito acquisendo solo i coefficienti delle frequenze spaziali comprese nella larghezza di banda di interesse.

Nello schema della Single Pixel Camera, le misurazioni sono ottenute utilizzando il modulatore digitale (cioè la matrice di microspecchi) e quindi focalizzando la luce su un singolo fotorivelatore. Pertanto, secondo questo schema, sono necessari due componenti distinti per, in primo luogo, modulare spazialmente la luce e quindi rivelare il segnale risultante.

Recentemente sono state sviluppate matrici di fotorivelatori - ad esempio matrici SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) e SiPM (Silicon PhotoMultipliers) - che consentono di ottenere una risoluzione temporale elevata, con sensibilità al singolo fotone, e in cui ogni elemento della matrice può essere selettivamente abilitato/disabilitato.

Gli inventori hanno notato che la disponibilità di tali matrici di fotorivelatori consente di realizzare un dispositivo che, con riferimento al dispositivo noto come Single Pixel Camera, consente di eliminare la necessità di un modulatore ottico spaziale. Ciò consente vantaggiosamente di realizzare un dispositivo di imaging per misure risolte nel tempo, che è economico, semplice e compatto dal punto di vista hardware.

Alla luce di quanto sopra, uno scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo per l’acquisizione di dati ottici risolti in tempo che consenta di acquisire immagini risolte nel tempo in base a differenti requisiti di risoluzione spaziale e che sia più compatto dal punto di vista hardware, di una Single Pixel Camera. Un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo corrispondente per l’acquisizione di dati ottici risolti nel tempo.

Secondo la presente invenzione, il campionamento spaziale di un'immagine viene eseguito nel dominio della frequenza spaziale. Il termine "immagine" si riferisce ad un segnale ottico, in particolare corrispondente all'intensità del campo elettromagnetico raccolto su un sensore mediante, ad esempio, un sistema ottico (ad esempio una lente), in cui il segnale proviene dall'oggetto dell’indagine quando questo è illuminato da una sorgente luminosa.

Come noto, il campionamento nel dominio della frequenza spaziale richiede la moltiplicazione dell'immagine per le funzioni di uno spazio vettoriale (le funzioni che costituiscono una base per lo spazio vettoriale) e una successiva integrazione. Il metodo secondo la presente invenzione si basa sull'uso di un sensore comprendente una serie di elementi sensibili risolti nel tempo, in cui detti elementi possono essere abilitati selettivamente. Gli elementi sensibili sono, per esempio, fotodiodi. In pratica, ciascuna funzione della base dello spazio vettoriale viene implementata nel sensore mediante un rispettivo schema di abilitazione per gli elementi sensibili e il segnale proveniente dagli elementi attivi è diretto ad una linea comune all'uscita del sensore. Se il sensore comprende elementi sensibili operanti in regime di singolo fotone (ad esempio, se il sensore comprende una matrice di diodi SPAD), il metodo secondo la presente invenzione viene implementato trasferendo ad un circuito di temporizzazione un segnale di uscita corrispondente alla rivelazione del primo fotone che arriva dal campione in uno qualsiasi degli elementi sensibili attivi, a seguito dell'illuminazione del campione mediante un impulso luminoso. Il circuito di temporizzazione è preferibilmente configurato per riconoscere eventi e fornire una rappresentazione digitale del tempo in cui si sono verificati o l'intervallo di tempo tra un evento di inizio ed un evento di arresto. L'evento di inizio corrisponde tipicamente al lancio dell'impulso di eccitazione della luce e l'evento di arresto corrisponde tipicamente alla rivelazione del primo fotone da parte del sensore. In particolare, il circuito di temporizzazione può essere un convertitore di un segnale di tempo in un segnale digitale (Time-to-Digital Converter, TDC), un convertitore di un segnale di tempo in un segnale di ampiezza (Time-to-Amplitude Converter, TAC) o qualsiasi circuito in grado di misurare un breve intervallo di tempo. In questo modo, l'immagine viene campionata sia nel dominio della frequenza spaziale (perché è moltiplicata per le funzioni della base e integrata dalla linea comune che collega tutti gli elementi sensibili) sia nel dominio del tempo (a causa del circuito di temporizzazione). Inoltre, viene registrato anche il profilo temporale del segnale, mediante l'implementazione della tecnica TCSPC (Time Correlated Single Photon Counting), o qualsiasi tecnica equivalente, mediante il circuito di temporizzazione, con una risoluzione di alcune decine di picosecondi.

È possibile considerare diverse basi per il campionamento spaziale, comprese le wavelet ortonormali o altri insiemi di funzioni ortonormali, come le funzioni della base di uno spazio di Fourier. Aumentando il numero di schemi implementati nel sensore è possibile aumentare la risoluzione spaziale dell'immagine acquisita, mantenendo un'alta risoluzione temporale.

Da quanto detto precedentemente deriva che il dispositivo della presente invenzione è vantaggiosamente in grado di acquisire in modo adattativo immagini con risoluzione spaziale bassa o elevata, a seconda dell'applicazione considerata. Infatti, come detto in precedenza, mentre le immagini di campioni comprendenti mezzi altamente diffondenti (ad esempio, un tessuto biologico) hanno una bassa risoluzione spaziale, in altre applicazioni, come, ad esempio, il monitoraggio ambientale e per l’assistenza alla guida autonoma delle auto, potrebbero essere necessarie risoluzioni spaziali più elevate. Relativamente ad un primo aspetto, la presente invenzione riguarda un dispositivo per acquisire dati ottici risolti in tempo; il dispositivo comprende:

- un sensore comprendente un numero di elementi sensibili configurati per rivelare un segnale luminoso in regime di singolo fotone;

- un circuito di temporizzazione collegato al numero di elementi sensibili; e

- un modulo di controllo collegato al sensore; il modulo di controllo è configurato per abilitare selettivamente gli elementi sensibili del sensore secondo un insieme di schemi di abilitazione,

in cui il circuito di temporizzazione è configurato per misurare il tempo di arrivo di un segnale in uscita dagli elementi sensibili su detta linea comune, dove il segnale di uscita è indicativo della rivelazione di un fotone del segnale luminoso da parte di uno qualsiasi degli elementi sensibili abilitati.

Preferibilmente, il sensore comprende una matrice di fotodiodi a valanga o un fotomoltiplicatore digitale in silicio.

Preferibilmente, il circuito di temporizzazione è un convertitore di un segnale di tempo in un segnale digitale.

Preferibilmente, il circuito di temporizzazione è configurato per implementare una tecnica di conteggio a singoli fotoni correlati nel tempo.

Preferibilmente, il dispositivo comprende inoltre un modulo di attivazione configurato per generare comandi per il modulo di controllo allo scopo di implementare gli schemi di abilitazione sugli elementi sensibili.

Preferibilmente, gli schemi di abilitazione rappresentano un insieme di funzioni di una base, più preferibilmente funzioni di una base ortonormale, e ancor più preferibilmente wavelet ortonormali. Secondo una modalità di realizzazione esemplificativa della presente invenzione, gli schemi di abilitazione sono schemi di Hadamard.

Preferibilmente, la connessione tra gli elementi sensibili e il circuito di temporizzazione comprende una connessione OR cablata. Secondo le modalità di realizzazione della presente invenzione, il circuito di temporizzazione è collegato a tutti gli elementi sensibili del sensore attraverso una singola connessione OR cablata.

Secondo altre modalità di realizzazione della presente invenzione, gli elementi sensibili del sensore sono suddivisi in un numero predefinito di sottoinsiemi, ciascun sottoinsieme comprendente un dato numero di elementi sensibili e in cui ciascun sottoinsieme di elementi sensibili è collegato ad un rispettivo circuito di temporizzazione, attraverso una rispettiva connessione OR cablata. Per quanto concerne un secondo aspetto, la presente invenzione fornisce un metodo per acquisire dati ottici risolti in tempo, ed il metodo comprende:

a) fornire un sensore comprendente un numero di elementi sensibili;

b) abilitare selettivamente gli elementi sensibili secondo uno schema di abilitazione appartenente ad un insieme di schemi di abilitazione predeterminati;

c) fornire agli elementi sensibili un segnale luminoso;

d) rivelare un fotone del segnale luminoso da uno qualsiasi degli elementi sensibili abilitati e fornire un corrispondente segnale di uscita su una linea comune che collega gli elementi sensibili ad un circuito di temporizzazione; e

e) mediante il circuito di temporizzazione, misurare il tempo di arrivo del segnale di uscita,

in cui il metodo prevede la ripetizione delle fasi da b) a e) per ciascuno schema di abilitazione appartenente all'insieme di schemi di abilitazione predeterminati.

Preferibilmente, il segnale luminoso è un segnale luminoso fornito da un oggetto illuminato da un impulso di luce, e il metodo prevede inoltre, per ciascuno schema di abilitazione dell'insieme di schemi di abilitazione, di illuminare l'oggetto tramite un numero di impulsi di luce e la ripetizione delle fasi da c) a e) per un numero di volte corrispondente al numero di impulsi di luce.

Preferibilmente, la fase e) comprende l’implementazione di una tecnica di conteggio a singoli fotoni correlati nel tempo.

Preferibilmente, gli schemi di abilitazione sono schemi di Hadamard e il metodo comprende inoltre l'applicazione di una trasformata di Hadamard inversa per ottenere immagini risolte nel tempo dell'oggetto.

Opportunamente, il metodo comprende inoltre la selezione dell’insieme predeterminato di schemi di abilitazione sulla base della risoluzione spaziale richiesta.

Breve descrizione delle figure

La presente invenzione risulterà più chiara dalla seguente descrizione dettagliata, fornita a titolo di esempio e non di limitazione, da leggersi con riferimento alle figure allegate, in cui: - La figura 1 mostra schematicamente uno scenario di applicazione esemplificativo per la presente invenzione;

- la figura 2 è uno schema a blocchi esemplificativo di un dispositivo secondo le modalità di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 3 è un diagramma di flusso che illustra le fasi del metodo secondo la presente invenzione;

- la figura 4 illustra una configurazione di misura utilizzata dagli inventori per eseguire prove sul dispositivo di figura 2; e

- la Figura 5 mostra i risultati di una verifica sperimentale eseguita dagli inventori con la configurazione di misura di Figura 4.

Descrizione dettagliata delle modalità di realizzazione preferite dell'invenzione

La Figura 1 mostra schematicamente uno scenario di applicazione esemplificativo del dispositivo di acquisizione di dati ottici risolti in tempo secondo la presente invenzione. Il dispositivo di rivelazione (o rivelatore) secondo la presente invenzione è mostrato in figura 1 associato al numero di riferimento 10. In questo scenario esemplificativo, un oggetto campione 20 sotto esame è illuminato da una sorgente luminosa (ad esempio un laser). In particolare, la sorgente di luce è configurata preferibilmente per emettere periodicamente un impulso di luce con una certa frequenza di ripetizione. Ad ogni impulso di luce incidente sull'oggetto campione 20, la luce che proviene dall'oggetto 20 viene poi focalizzata sul dispositivo 10 attraverso un sistema ottico 30, rappresentato per semplicità nella figura 1 da una singola lente. La sorgente luminosa può essere un qualsiasi tipo di laser impulsato. La durata dell'impulso, la frequenza di ripetizione e la larghezza di banda spettrale possono essere scelti in base alla particolare applicazione. A titolo di esempio, un laser a diodi impulsato che emette impulsi di circa 100 ps, alla lunghezza d'onda di 650 nm, con una frequenza di ripetizione di 40 MHz può essere utilizzato per la caratterizzazione di tessuti biologici. Un laser supercontinuo in fibra, configurato per fornire impulsi con durata dell'ordine dei ps ad una frequenza di ripetizione variabile da 2 a 80 MHz, può essere utilizzato, combinato con un adeguato filtro spettrale, per l'imaging dei tempi di vita di una fluorescenza o la caratterizzazione di un tessuto biologico. Diodi laser impulsati o laser a stato solido (ad esempio erbio) nella regione spettrale sicura per gli occhi possono essere convenientemente utilizzati per applicazioni di telemetria.

La Figura 2 mostra uno schema a blocchi del dispositivo di rivelazione 10 secondo le modalità di realizzazione della presente invenzione.

Preferibilmente, il dispositivo di rivelazione 10 comprende un sensore 101 comprendente a sua volta una pluralità di elementi sensibili (denominati in seguito "pixel") disposti in una matrice. A titolo di esempio, la Figura 2 mostra una matrice di 4x4 elementi sensibili. Secondo la presente invenzione, i pixel del sensore 101 operano preferibilmente in regime di singolo fotone. Inoltre, preferibilmente, ciascun pixel può essere attivato e disattivato in modo selettivo, come verrà descritto di seguito in maggior dettaglio. Ad esempio, il sensore 101 può comprendere una matrice di fotodiodi a valanga (SPAD) o un fotomoltiplicatore digitale in silicio (dSiPM).

Secondo una modalità di realizzazione della presente invenzione, tutti i pixel sono collegati ad un singolo circuito condiviso di temporizzazione 102. Il circuito di temporizzazione 102 può essere, ad esempio, un convertitore di un segnale di tempo in un segnale digitale (TDC). La connessione tra gli elementi sensibili e il circuito di temporizzazione 102 è preferibilmente implementata come una connessione OR cablata, in particolare come una linea di collegamento a catodo comune. Quando un fotone viene rivelato da uno dei pixel abilitati del sensore 101, questo pixel fornisce un segnale di uscita sulla connessione al circuito di temporizzazione 102. Nella configurazione di linea a catodo comune citata sopra, all’istante della rivelazione di un fotone, il pixel può fornire un impulso di corrente al suo terminale anodico e la corrente fornita al catodo subisce un breve impulso. Il circuito di temporizzazione 102 è configurato per misurare il tempo di arrivo dei singoli fotoni dall'oggetto in esame misurando il tempo di arrivo del corrispondente segnale di uscita rispetto ad un segnale di sincronizzazione che indica un tempo di riferimento. Il tempo di riferimento è in genere il tempo di emissione del corrispondente impulso luminoso proveniente dalla sorgente luminosa considerata. Preferibilmente, il circuito di temporizzazione 102 è configurato per implementare la tecnica TCSPC menzionata sopra e per generare un istogramma (indicato con la lettera "H" nella figura 2) che rappresenta l’andamento temporale della luce proveniente dall'oggetto campione a seguito dell'illuminazione impulsata.

Il dispositivo di rivelazione 10 comprende inoltre, preferibilmente, un modulo di controllo 103, collegato al sensore 101, che è configurato per implementare uno schema di abilitazione fornito da un modulo di attivazione 104. Il modulo di attivazione 104 riceve lo schema come un input e lo trasferisce al modulo di controllo 103 con un insieme appropriato di comandi. Il modulo di controllo 103 e il modulo di attivazione 104 possono essere implementati nello stesso hardware.

Più in particolare, il modulo di controllo 103 è preferibilmente configurato per abilitare/disabilitare i pixel del sensore 101 in modo selettivo. L'attivazione selettiva dei pixel viene preferibilmente eseguita sulla base di un insieme di schemi di abilitazione P (i), i = 1, ..., M, dove ciascuno schema di abilitazione viene implementato nei pixel mediante una serie di comandi forniti al modulo di controllo 103. L’insieme di schemi di abilitazione P (i) rappresenta un insieme di M funzioni di una base predefinita atte a rappresentare il segnale da campionare secondo la nota tecnica del compressed sensing già menzionata sopra (dove M è un numero intero maggiore di 1 e i è un indice intero). Più preferibilmente, le funzioni predefinite della base sono funzioni ortonormali. Ad esempio, le funzioni della base possono essere wavelet ortonormali o funzioni della base di uno spazio di Fourier. Il modulo di attivazione 104 è preferibilmente configurato per generare e memorizzare i comandi usati per implementare gli schemi di abilitazione P (i), i = 1, ..., M dal modulo di controllo 103 ai pixel del sensore 101.

Il metodo, secondo la presente invenzione, è implementato dal dispositivo di rivelazione 10 descritto sopra e verrà descritto qui di seguito con riferimento al diagramma di flusso di Figura 3.

Il metodo della presente invenzione prevede, prima di iniziare ad acquisire un'immagine dell'oggetto campione 20, di scegliere l'insieme di schemi di abilitazione P (i), i = 1, ..., M. Quindi, il modulo di controllo 103 preferibilmente abilita/disabilita gli elementi sensibili del sensore 101 secondo un primo schema di abilitazione P (1) del gruppo scelto di schemi di abilitazione (fase 301). A questo punto, al fine di acquisire un'immagine dell'oggetto 20, una sorgente luminosa (ad esempio, un laser) illumina l'oggetto campione 20, in particolare emettendo un breve impulso di luce, avente, ad esempio, una larghezza temporale da diversi femtosecondi fino a pochi nanosecondi (fase 302). Il segnale proveniente dall'oggetto campione 20, in risposta all'impulso luminoso, viene inviato al rivelatore 10 ed in particolare al sensore 101 attraverso il sistema ottico 30 (fase 303). Quando il primo fotone viene rivelato da uno qualsiasi degli elementi sensibili abilitati del sensore 101, un segnale di uscita, che può essere un impulso di corrente, viene generato sulla linea che collega il sensore 101 al circuito di temporizzazione 102 (fase 304). Il tempo di arrivo di questo impulso di corrente viene misurato dal circuito di temporizzazione 102 (fase 305) rispetto al tempo di emissione dell’impulso di luce dalla sorgente. Questa misura può essere utilizzata per implementare la nota tecnica TCSPC che si basa ulteriormente sulla disposizione dei tempi di arrivo dei fotoni rivelati in una serie di intervalli temporali al fine di generare l'istogramma che rappresenta il comportamento temporale della luce proveniente dal campione. A questo punto, le fasi 302-305 vengono preferibilmente ripetute. In particolare, l'oggetto 20 sotto indagine viene ripetutamente illuminato mediante un numero di impulsi luminosi pari a L (in cui L è un numero intero maggiore di 1), in cui detti impulsi vengono periodicamente emessi dalla sorgente durante una finestra temporale predeterminata o finché non viene raggiunto un livello predeterminato di segnale rivelato. Durante questa finestra temporale, il circuito di temporizzazione 102 misura preferiblilmente il tempo di arrivo degli impulsi di corrente generati dal pixel che, di volta in volta, rivela il primo fotone proveniente dall'oggetto campione 20, quando questo viene colpito dagli impulsi luminosi. Preferibilmente, secondo la tecnica TCSPC, il circuito di temporizzazione 102 fornisce le informazioni per organizzare i dati misurati nell'istogramma già descritto sopra, che rappresenta, in funzione del tempo, l'integrale nello spazio del segnale proveniente dall'oggetto campione 20 moltiplicato per lo schema di abilitazione specifico P (1) utilizzato per abilitare/disabilitare gli elementi sensibili del sensore 101. Una volta che sono state raccolte le misurazioni relative a tutti gli impulsi di luce L (fase 306), la procedura sopra descritta relativa alle fasi 301- 306 viene preferibilmente ripetuta per ciascuno schema di abilitazione P (i) dell'insieme considerato di schemi di abilitazione.

In questo modo, il segnale proveniente dall'oggetto in esame viene campionato nello spazio e nel tempo con elevata risoluzione temporale. L'immagine dell'oggetto può quindi essere ricostruita applicando un'operazione di trasformazione inversa o altre tecniche, come la tecnica descritta in M.F. Duarte, M.A. Davenport, D. Takhar, J.N. Laska, T.S.T. Sun, K.F. Kelly e R.G. Baraniuk, "Single-Pixel Imaging via Compressive Sampling," IEEE Signal Process. Mag.25, (2008). Applicando l'operazione di trasformazione inversa, viene preferibilmente ottenuta una serie di immagini dell'oggetto in funzione del tempo acquisite in brevi finestre temporali.

Secondo le modalità di realizzazione della presente invenzione, gli schemi usati per abilitare gli elementi di rivelazione del sensore 101 possono essere, ad esempio, schemi di Hadamard, che sono descritti ad esempio in Nam Huynh et al., "Single-pixel optical camera for video rate ultrasonic imaging", Vol 3, No. 1, gennaio 2016, Optica, pagina 27 in combinazione con supplemento 1, pagina 2. In questo caso, al termine della procedura di rivelazione descritta sopra, applicando una trasformata inversa di Hadamard è possibile ottenere una serie di immagini dell'oggetto in esame in funzione del tempo, acquisite in brevi finestre temporali. Questa operazione è nota e non sarà ulteriormente descritta qui di seguito.

Gli inventori hanno eseguito alcune verifiche sperimentali di un prototipo del rivelatore secondo la presente invenzione. In particolare, gli inventori hanno utilizzato una sorgente laser supercontinua per generare impulsi luminosi della durata di circa 10 ps con una frequenza di ripetizione di circa 2 MHz. La radiazione emessa dal laser viene selezionata spettralmente per ottenere una banda spettrale stretta intorno ad una lunghezza d'onda specifica e accoppiata ad una fibra ottica. L'estremità della fibra è collegata ad un collimatore che fornisce un fascio collimato di circa 2 mm di diametro.

Il rivelatore si basa su un fotomoltiplicatore digitale in silicio (dSiPM) commerciale progettato per radiazioni ad alta energia, che è stato modificato e configurato per fornire una matrice di 16x16 pixel realizzati da fotodiodi a valanga a singolo fotone (SPAD). Gli SPAD, che possono essere attivati o disattivati, sono collegati tramite una linea comune a un TDC integrato nel rilevatore. Un segnale di sincronizzazione viene inviato dal laser al rivelatore per fornire un appropriato riferimento temporale. Quando uno qualsiasi degli SPAD attivi rivela il primo fotone, il TDC misura il tempo tra il segnale di sincronizzazione e il segnale di valanga. Un contatore integrato conta il numero di fotoni rilevati dall'intera matrice. La distribuzione di eventi di singolo fotone è organizzata in un insieme di intervalli temporali e genera un istogramma che rappresenta il comportamento temporale della luce proveniente dal campione. Questa procedura è conforme all'implementazione standard del noto metodo TCSPC. L'apparato di misura mostrato in figura 4 si riferisce ad una prova sperimentale eseguita dagli inventori. La figura 4 comprende una vista dall'alto ed una vista laterale espansa della configurazione sperimentale. La verifica sperimentale riguarda l'imaging di fluorescenza risolta in tempo. In questo esperimento è stata utilizzata una sorgente laser 41, la cui emissione è stata impostata a 630 nm con una larghezza di banda di 5 nm. Il fascio di luce attraversa due volte una cuvetta 42 riempita con un colorante fluorescente (Nile Blue). Il doppio passaggio della luce all'interno della cuvetta è stato ottenuto attraverso una linea di ritardo comprendente uno specchio 43 posto a 40 cm di distanza dalla cuvetta. Il fascio riflesso dallo specchio 43 era leggermente inclinato in modo che il segnale di fluorescenza originato dal passaggio del fascio riflesso (indicato dal simbolo di riferimento B2 nella figura 4) nella cuvetta 42 fosse separato temporalmente e spazialmente dal segnale di fluorescenza originato dal passaggio del fascio entrante nella cuvetta (indicato dal simbolo di riferimento B1 in Figura 4). Un filtro passa-alto con lunghezza d'onda di taglio a 650 nm è stato posizionato davanti al rivelatore 10 per rimuovere la luce di eccitazione.

La figura 5 mostra due immagini acquisite in brevi finestre temporali del segnale di fluorescenza emesso dal colorante all'interno della cuvetta. L'immagine in alto a sinistra nella Figura 5 (etichettata come "Im1") mostra la traccia del raggio laser in ingresso, mentre l'immagine in alto a destra (etichettata come "Im2") di Figura 5 mostra la traccia del raggio laser riflesso dallo specchio. Le due immagini sono ritardate di 5 ns l'una dall'altra. La Figura 5 mostra anche i profili temporali S1, S2 estratti dal pixel ad intensità più alta di ogni immagine. S1 indica il profilo temporale del pixel di intensità più alta nell'immagine Im1, mentre S2 indica il profilo temporale del pixel di intensità più alta nell'immagine Im2. La verifica sperimentale dimostra la capacità del metodo e del rivelatore, secondo la presente invenzione, di registrare un'immagine risolta nello spazio e nel tempo.

Secondo la presente invenzione, la selezione della serie di schemi di abilitazione eseguita nella fase 301 descritta sopra, può essere adattata al campione. In effetti, la selezione del tipo e/o il numero di schemi di abilitazione può essere basata sulla risoluzione spaziale richiesta, che può variare in base all'applicazione specifica. In particolare, può essere richiesta una risoluzione spaziale più elevata, ad esempio nelle applicazioni LIDAR o in microscopia. In questo caso, viene utilizzato un numero maggiore di schemi. D'altra parte, una risoluzione spaziale inferiore potrebbe essere sufficiente in altre applicazioni che implicano ad esempio la propagazione della luce in mezzi altamente diffondenti, come i tessuti biologici. In questo caso, pochi schemi forniscono già una ricostruzione approssimativa del profilo spaziale.

Vantaggiosamente, secondo queste modalità di realizzazione della presente invenzione, è possibile regolare il tempo di acquisizione in funzione della risoluzione spaziale richiesta. Inoltre, adattando gli schemi alle proprietà dell'oggetto campione (ad esempio morfologia, proprietà ottiche, ecc.), è possibile ottimizzare il tempo di acquisizione. L'adattamento può essere semplicemente fornito dalla selezione del numero "migliore" di schemi prima di acquisire l'immagine o può essere fornito durante l'acquisizione, modificando il numero ed il tipo di schemi di abilitazione spaziale sulla base delle misurazioni precedenti. L'adattamento potrebbe richiedere la definizione di una funzione di merito che ottimizzi il processo a seconda dell'applicazione specifica. Ad esempio, la funzione di merito potrebbe dipendere dal contenuto delle informazioni, come la nitidezza dell'immagine o il rapporto segnalerumore, e potrebbe tenere conto dei possibili vincoli sul tempo di acquisizione.

Secondo altre modalità di realizzazione vantaggiose della presente invenzione, i pixel del sensore 101 possono essere suddivisi in un numero predefinito di sottoinsiemi, ciascun sottoinsieme comprendente un dato numero di pixel. Ciascun sottoinsieme di pixel viene poi collegato ad un rispettivo circuito di temporizzazione attraverso una rispettiva connessione OR cablata, preferibilmente usando una connessione a catodo comune. Ciò consente vantaggiosamente di parallelizzare l'operazione di rivelazione e di migliorare la frequenza di quadro per applicazioni che presentano scenari in rapida evoluzione. Selezionando il numero di sottoinsiemi di pixel secondo queste modalità di realizzazione della presente invenzione, è possibile adattare il tempo di acquisizione ottenibile alle esigenze dell'utente. Inoltre, questa divisione in sottoinsiemi può essere utilizzata per esplorare un'ulteriore dimensione come la lunghezza d'onda. Infatti, attraverso un elemento dispersivo come un reticolo di diffrazione, è possibile fare l'immagine su ciascun sottoinsieme di pixel ad una diversa lunghezza d'onda per ottenere un ipercubo multispettrale risolto in tempo.

Il metodo della presente invenzione consente di implementare una videocamera risolta nel tempo basata sull'approccio del compressive sensing. Il metodo è stato implementato in un dispositivo prototipo che è stato validato sperimentalmente mediante monitoraggio spaziale e temporale della propagazione della luce attraverso un colorante fluorescente. Lo schema proposto implementa i noti vantaggi del compressive sensing in un hardware economico, semplice e compatto. Infatti, tutte le sottounità e le fasi funzionali necessarie sono state unificate in un unico dispositivo: la modulazione spaziale, l'integrazione spaziale e la rivelazione sono tutti eseguiti nello stesso chip, senza la necessità di un modulatore spaziale esterno.

Come discusso sopra, l'approccio proposto è adattativo in quanto fornisce la possibilità di adattare il processo di acquisizione alla risoluzione spaziale richiesta e al tempo disponibile.

Inoltre, l'approccio è basato su un rivelatore il cui componente più complesso, vale a dire il circuito di temporizzazione, è condiviso tra un numero di pixel o anche tra tutti i pixel, mantenendo comunque una precisa sincronizzazione temporale dei fotoni attraverso tutti gli elementi sensibili. Ciò consente di semplificare la circuiteria richiesta per ciascun pixel e quindi di aumentare il fattore di utilizzo (filling factor) del rivelatore. Inoltre, il numero di pixel può essere notevolmente aumentato, mentre il costo di fabbricazione si riduce a causa della minore area di silicio richiesta rispetto alle implementazioni che utilizzano un singolo circuito di temporizzazione per ciascun pixel. Un altro vantaggio è dato dal volume limitato di dati da trasferire rispetto alle configurazioni che utilizzano un circuito di temporizzazione per ciascun pixel. Infine, è possibile un'acquisizione dei dati molto veloce.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo (10) per la rivelazione di segnali ottici risolti nel tempo che comprende: - un sensore (101) comprendente una molteplicità di elementi sensibili configurati per rivelare un segnale luminoso in regime di singolo fotone; - un circuito di temporizzazione (102) collegato a detti elementi sensibili attraverso una linea comune; e - un modulo di controllo (103) collegato a detto sensore (101), essendo detto modulo di controllo (103) configurato per abilitare selettivamente detti elementi sensibili di detto sensore (101) secondo un insieme di schemi di abilitazione (P (i)), in cui detto circuito di temporizzazione è configurato per misurare il tempo di arrivo di un segnale di uscita da detti elementi sensibili su detta linea comune, detto segnale di uscita essendo indicativo della rivelazione di un fotone di detto segnale luminoso da uno qualsiasi di detti elementi sensibili abilitati.
2. Il dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui il sensore (101) comprende una matrice di fotodiodi a valanga o un fotomoltiplicatore digitale in silicio.
3. Il dispositivo secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui il circuito di temporizzazione (102) è un convertitore da un segnale di tempo ad un segnale digitale.
4. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti schemi di abilitazione (P (i)) rappresentano un insieme appartenente ad una base di funzioni.
5. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito di temporizzazione è collegato a tutti gli elementi sensibili di detto sensore (101) attraverso una singola connessione OR cablata.
6. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detti elementi sensibili di detto sensore (101) sono suddivisi in un numero predefinito di sottoinsiemi, comprendendo ciascun sottoinsieme un dato numero di elementi sensibili e in cui ciascun sottoinsieme di elementi sensibili è collegato ad un rispettivo circuito di temporizzazione attraverso una rispettiva connessione OR cablata.
7. Un metodo per rivelare segnali ottici risolti in tempo, comprendendo il metodo: a) fornire un sensore (101) comprendente un numero di elementi sensibili; b) abilitare selettivamente detti elementi sensibili secondo uno schema di abilitazione (P (i)) appartenente ad un insieme di schemi di abilitazione predeterminati; c) fornire a detti elementi sensibili un segnale luminoso; d) rivelare un fotone di detto segnale di luce mediante uno qualsiasi di detti elementi sensibili abilitati a fornire un corrispondente segnale di uscita su una linea comune che collega detti elementi sensibili ad un circuito di temporizzazione; e e) con detto circuito di temporizzazione, misurare il tempo di arrivo di detto segnale di uscita, in cui il metodo prevede di ripetere le azioni da b) a e) per ciascuno schema di abilitazione appartenente a detto insieme di schemi di abilitazione predeterminati.
8. Il metodo secondo la rivendicazione 7, in cui detto segnale di luce è un segnale di luce prodotto da un oggetto illuminato da un impulso di luce e detto metodo comprende inoltre, per ciascuno schema di abilitazione di detto insieme di schemi di abilitazione, l’illuminazione dell'oggetto mediante un numero di impulsi di luce e la ripetizione delle azioni da c) a e) per un numero di volte corrispondente a detto numero di impulsi di luce.
9. Il metodo secondo la rivendicazione 8, in cui l’azione e) comprende l’implementazione della tecnica di conteggio di singoli fotoni correlati nel tempo.
10. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, in cui esso comprende inoltre la selezione di detto insieme predeterminato di schemi di abilitazione sulla base della risoluzione spaziale desiderata.