IT202100007469A1 - Camera scheimpflug perfezionata, in particolare ma non necessariamente per uso oftalmico, con sensore di tipo cmos - Google Patents

Description

CAMERA SCHEIMPFLUG PERFEZIONATA, IN PARTICOLARE MA NON

NECESSARIAMENTE PER USO OFTALMICO, CON SENSORE DI TIPO CMOS

Campo dell'invenzione

La presente invenzione riguarda il settore degli strumenti ottici per l?esame e l?osservazione di oggetti. Pi? specificamente, ma non esclusivamente, essa riguarda un?apparecchiatura oftalmica che sfrutta la condizione di Scheimpflug per l?esame e l?osservazione della regione anteriore dell?occhio. Ancor pi? precisamente, l?invenzione riguarda una camera Scheimpflug perfezionata facente uso di un sensore di tipo CMOS.

Stato dell'arte

In ottica classica la condizione di Scheimpflug si utilizza per determinare l?inclinazione del piano immagine di un sistema ottico quando la superficie oggetto ? angolata rispetto alla normale all?asse ottico. Tale condizione ? definita dalla (ben nota) regola seguente: quando il piano su cui giace l?oggetto, il piano nodale posteriore dell'obiettivo e il piano focale si incontrano in un'unica retta, si ottiene la piena messa a fuoco dell?oggetto sul piano immagine. Tale regola deve risultare comunque in accordo con la legge di Gauss in modo che il piano oggetto risulti effettivamente a fuoco lungo tutta la sua estensione sull?immagine.

Tale regola ? per esempio utile in fotografia nell?osservazione di un oggetto la cui estensione risulti a distanze differenti dall?apparato fotografico, quindi su differenti piani focali, come per esempio l?osservazione dal basso della facciata di un edificio. Il suo inventore, il cartografo austriaco Theodore Scheimpflug, applic? la sua invenzione alla fotogrammetria e all?osservazione aerea del territorio.

In oftalmologia, lo strumento denominato come camera Scheimpflug ? un apparato che sfrutta la condizione di Scheimpflug per l?esame e l?osservazione della regione anteriore dell?occhio. L?osservazione e l?analisi densitometrica di immagini, utili per la biometria e la valutazione della luce diffusa dai mezzi trasparenti della camera anteriore dell?occhio, sono tecniche che forniscono a medici oculisti e a optometristi informazioni e misure della superfice anteriore, della superficie posteriore della cornea ed informazioni di pachimetria corneale (cio? misurazione dello spessore corneale). Nella forma pi? comune di tali strumenti una lama di luce blu (solitamente intorno ai 480 nm, lunghezza d?onda intorno alla quale ? massima la retro-diffusione delle strutture corneali) viene proiettata sulla cornea, la quale, per effetto Tindal, emette in ogni direzione una immagine della fessura che la sta attraversando in tessuto.

Questa immagine, viene ripresa da un sistema che, non potendo essere posto in ortogonale alla fessura per impedimenti di tipo anatomico quali la presenza di naso, sopracciglia e zigomi, viene posto in configurazione Scheimpflug al fine di catturare l?immagine retro-diffusa (back-scattered) della cornea. Per dare tridimensionalit? a tale misura, il sistema viene messo in rotazione al fine di catturare molteplici sezioni della cornea intorno all?asse di rotazione. Dalle sezioni cos? catturate si possono ricavare molteplici informazioni quali la curvatura della superficie corneale anteriore, curvatura della superficie corneale posteriore, la sagitta e l?elevazione delle due superfici corneali, la pachimetria corneale, la profondit? della camera anteriore, e l?ampiezza dell?angolo irido-corneale. Tutte queste informazioni sono utili all?utente sia ai fini diagnostici sia alla pianificazione chirurgica.

Nella tipica configurazione utilizzata in oftalmologia, facendo riferimento alla figura 1, la camera Scheimpflug ? generalmente composta da:

- un sistema di proiezione SP atto alla proiezione di una lama di luce che permetta di illuminare il campione irraggiato SA, cio? l?occhio;

- un sistema di ripresa SR posto ad un certo angolo di inclinazione rispetto al piano osservato;

- un sistema di elaborazione dell?immagine PU che processi i dati acquisiti dal sistema di ripresa.

Il sistema o gruppo di proiezione SP comprende generalmente a sua volta una sorgente luminosa ad alta potenza quale Led o laser e generalmente di lunghezza d?onda tale da risultare poco penetrativa ai mezzi trasparenti dell?occhio (Es.480 nm), mezzi per la creazione di un profilo luminoso ben definito, a forma di lama, che consenta di illuminare una sottile porzione del campione irraggiato SA, e un gruppo ottico di proiezione o trasporto del profilo luminoso generato, il tutto secondo tecnologie ben note e che non esigono spiegazioni o rappresentazioni pi? dettagliate per l?esperto del ramo.

La lama di luce produce nella porzione dei tessuti investiti dalla radiazione un effetto di scattering da parte delle cellule di tessuto. Si crea cos? un?immagine luminescente delle zone irraggiate. In diversi tipi di strumento il sistema di proiezione pu? essere posto frontalmente all?occhio da osservare o anche in posizione obliqua. Il sistema o gruppo di ripresa ? composto altres? da un?ottica di ripresa che inquadri la zona desiderata e da un elemento sensibile che catturi l?informazione trasportata dal sistema ottico. Posto ad un certo angolo rispetto al canale di proiezione il sistema di ripresa ? direzionato per osservare la porzione di occhio illuminata. Tale ripresa ? posta in configurazione Scheimpflug in modo tale da osservare contemporaneamente a fuoco tutta la sezione generata dalla lama di luce. Per fare questo il piano su cui giace l?elemento che consente l?acquisizione dell?immagine deve risultare inclinato rispetto all?asse del sistema ottico secondo la regola di Scheimpflug. Tale elemento sensibile alla luce pu? essere una pellicola come negli strumenti pi? datati, oppure un sensore digitale quale il CCD negli strumenti pi? diffusi attualmente.

Infine, il sistema di elaborazione PU generalmente ? una unit? di controllo che partendo dal segnale elettrico tradotto dal sensore, attraverso algoritmi di analisi noti fornisce la ricostruzione di un?immagine bidimensionale o nel caso di un sistema rotante anche tridimensionale della sezione osservata. Dalle misurazioni effettuate su tale immagine attraverso analisi software della stessa, si ottengono dati numerici sulle caratteristiche geometriche e di densit? di ci? che si ? osservato.

Senza perdere di generalit? un sistema come quello sopra descritto, dotato o meno della parte di proiezione, pu? essere utilizzato in applicazioni diverse dalla oftalmologia per la misura e il controllo di particolari di ogni genere.

Sintesi dell?invenzione

La presente invenzione muove dall?individuazione e dallo studio di un problema nel contesto di utilizzo di sensori di tipo APS, altrimenti detti CMOS, che sono stati recentemente proposti, con insuccesso qualitativo, per l?adozione in concorrenza con -o sostituzione de - i classici sensori CCD attualmente di diffuso utilizzo.

Conseguentemente, la richiedente ? giunta a fornire una camera Scheimpflug che, secondo l?invenzione, presenta le caratteristiche essenziali della prima delle rivendicazioni annesse.

Concettualmente, l?invenzione muove dall?osservazione dell?andamento dei raggi di un sistema di ripresa noto in configurazione Scheimpflug, per il quale si pu? fare riferimento al layout schematizzato dalla figura 2.

Per esemplificare lo schema ? rappresentata la propagazione dei soli raggi principali (chief rays) passanti per il centro dello stop di apertura. Questi risultano ben rappresentativi all?interno dei vari bundle di fasci relativi ai vari campi, perch? descrivono l?andamento angolare della luce all?interno del sistema. In uscita dal sistema ottico infatti questi bundle risultano conici e la loro ampiezza ? determinata dall?apertura del sistema stesso. Di conseguenza, in condizioni in cui la focale risulti molto maggiore dell?apertura i raggi marginali risultano molto prossimi ai chief rays relativi e questi descrivono bene gli angoli di incidenza sul piano immagine.

L?inclinazione del piano 1 dell?oggetto (piano sezione corneale) rispetto all?asse ottico determinato dalla posizione del gruppo ottico di ripresa, composto dalle lenti 2 e 3, determina in funzione anche alla focale degli obiettivi stessi, l?inclinazione del corretto piano immagine. I chief rays relativi ai vari fasci di campo si intersecano sul diaframma 4 (che materializza il cosiddetto stop di apertura che restringe il diametro del cono ottico) formando angoli simmetrici rispetto all?asse ottico. Nell?incidenza con il piano inclinato del sensore 5 questi stessi raggi formano angoli A1, A2, A3, rispetto alla normale al piano, che risultano incrementali lungo l?asse di inclinazione e mai ortogonali rispetto al piano stesso.

Il problema rilevato ? quello che si pone quando genericamente in un apparato di osservazione tipo quello descritto sopra si voglia utilizzare quale sensore per la ripresa dell?immagine un dispositivo tale da avere una dipendenza della sensibilit? di recepire il segnale luminoso dall? angolo dei fasci di luce incidente. Tutti i sensori hanno una diversa resa o efficienza a seconda dell?angolo del fascio incidente, ma soprattutto sensori di tipo APS o altrimenti detti CMOS.

Questo tipo di sensori cos? come i CCD sfruttano l?effetto fotoelettrico per tradurre l?informazione luminosa in un segnale elettrico. La differente tecnologia e struttura delle parti, alla base di questi due tipi di sensore li rende per? estremamente diversi come caratteristiche di acquisizione e trasduzione del segnale e conseguentemente capaci di prestazioni diverse.

Alcune di queste capacit? come velocit? di acquisizione (frame rate alto) e costo relativamente basso renderebbero i sensori CMOS interessanti da introdurre in vari tipi di strumento di tipo commerciale e non. In questi fotodiodi per? ogni elemento sensibile denominato pixel ? accompagnato da un convertitore che trasforma l'energia luminosa in voltaggio, e spesso anche da un amplificatore di segnale, un riduttore di rumore e circuiti di digitalizzazione, cosicch? il segnale in uscita dal sensore risulti in formato digitale. Tutti questi altri circuiti intorno al fotodiodo riducono lo spazio dedicato alla cattura della luce.

Questo fa s? che a paragone dei CCD tutti i sensori di tipo APS o CMOS abbiano angoli di accettazione del segnale luminoso molto bassi e di conseguenza una sensibilit? angolare molto ridotta. Tale prerogativa ? rappresentata dai grafici di figura 3, che mostrano in modo comparativo (grafico di sinistra per sensore CCD, grafico di destra per sensore CMOS) e per punti l?andamento della soglia percentuale di sensibilit? in funzione dell?angolo di incidenza sul piano del sensore.

Considerando una soglia di sensibilit? attorno all?80%, ? evidente che ove il sensore CCD offra adeguata sensibilit?, e quindi luminosit?, su un ampio intervallo angolare, il sensore CMOS mostra un forte decadimento prestazionale gi? su angoli superiori a circa 13?. Pertanto, utilizzare sensori CMOS, che hanno angoli di accettazione pi? ridotti, per apparati nei quali il piano del sensore risulti gi? posto ad angoli consistenti, circostanza che pu? portare ad avere fasci di campo con incidenze elevate, crea il problema di avere una bassa sensibilit? media o comunque una distribuzione non uniforme di sensibilit? rispetto alla luce incidente. Questo tipicamente causa sull?immagine ottenibile un effetto cosiddetto di tipo vignetting (macchie che scuriscono l?immagine) non uniforme e non assial-simmetrico che risulta di difficile gestione ai fini di una processazione.

Il problema si pone in forma ancora maggiore in sistemi che lavorino in condizioni di scarsa luminosit? o con aperture del sistema ottico ridotte rispetto alla dimensione del sensore stesso. In questo caso oltretutto i vari fasci di campo provenienti dallo stop del sistema hanno angoli di incidenza sul piano immagine gi? ampi ma che aumentano progressivamente in direzione dell?inclinazione dello stesso rispetto all?asse ottico.

Concettualmente, l?invenzione prevede dunque di introdurre un componente ottico che condizioni/devii mediamente gli angoli dei chief rays (raggi principali) relativi ai vari fasci di campo in modo da ridurli rispetto alla normale al piano del sensore su cui incidono e farli rientrare in un range nel quale si pu? sfruttare la sensibilit? elevata assicurata anche dal sensore CMOS.

Breve descrizione delle figure

Le caratteristiche e i vantaggi della camera Scheimpflug con sensore di tipo CMOS secondo la presente invenzione risulteranno pi? chiaramente dalla descrizione che segue di sue forme realizzative, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:

? la figura 1 rappresenta schematicamente la configurazione generale di una camera Scheimpflug utilizzata in oftalmologia;

? la figura 2 mostra il layout ottico di un sistema di ripresa noto in configurazione Scheimpflug;

? la figura 3 rappresenta comparativamente grafici di sensibilit? rispetto all?incidenza angolare della radiazione sul piano del sensore, rispettivamente per un sensore di tipo CCD e per un sensore di tipo CMOS.

? la figura 4 mostra il layout ottico di un sistema di ripresa Scheimpflug configurato secondo l?invenzione; e

? la figura 5 rappresenta comparativamente esempi di immagini ricavate con un sistema di ripresa Scheimpflug adottante un sensore CMOS e rispettivamente ottenute senza e con la configurazione della presente invenzione.

Descrizione dettagliata dell?invenzione

Come detto, concettualmente, secondo la presente invenzione, si prevede di inserire sul percorso ottico di ripresa dei mezzi in grado di deviare differenzialmente gli angoli del fascio rendendoli pi? vicini alla normale al piano del sensore.

Con riferimento in particolare alla figura 4, nella quale analogamente alla gi? citata figura 2 e in ossequio alla tecnica nota si notano il piano del sensore 5, in questo caso un sensore CMOS, una delle lenti 3 e lo stop/diaframma 4, tali mezzi, interposti tra lo stop e il piano del sensore, comprendono ad esempio e preferibilmente un componente 6 con caratteristiche di prisma ottico scelto in modo da deviare i fasci di campo con una deviazione media tale da operare un avvicinamento alla normale al piano 5, realizzando tuttavia questa deviazione in modo differenziale per i singoli angoli di campo, cio? variando la deviazione in funzione dell?angolazione di questa rispetto al piano del sensore, considerato in assoluto a monte del componente 6.

Nel layout della forma realizzativa illustrata il piano osservato risulta a 45? ed il sistema ? orientato di conseguenza secondo la regola di Scheimpflug per ottenere una corretta messa a fuoco sul piano immagine. Il componente 6 ? progettato in modo tale da non alterare l?ingrandimento del sistema, e a tal fine pu? vantaggiosamente comprendere una lamina piano parallela composta da due mezzi (diottri) n1, n2 consecutivi (secondo l?asse ottico), ad indice di rifrazione differente che viene introdotta nel percorso ottico in prossimit? del piano del sensore 5.

Sempre secondo tale forma realizzativa la superficie di interfaccia fra i due diottri n1, n2 che compongono la lamina 6 ? curva, ad esempio e preferibilmente con una curvatura sferica e proporzionando opportunamente la differenza di indice di rifrazione dei due diottri (differenza che pu? ad esempio essere compresa tra 0.15 e 0.20) ed il raggio di curvatura della superficie di interfaccia interna si ottiene una deviazione differenziata (cio? con angoli diversi) dei raggi principali dei vari fasci di campo.

Il confronto tra la figura 4 e la precedente figura 2 rende evidente come la deviazione operata dal componente 6 sia tale da ridurre tutti gli angoli indicati con A1, A2, A3 nella figura 2, determinando angoli A1?, A2? e A3? (figura 4) con valori ridotti a pochi gradi (<10?), e persino prossimi allo zero (si noti l?angolo A1? ridotto a circa 2?), e cio? approssimando per quanto possibile la normale al piano del sensore. Si nota altres? che la deviazione sia quantitativamente maggiore quanto pi? l?angolo del raggio in assenza di deviazione ? (sarebbe) maggiore, come si nota dall?angolo A3 di figura 2 relativo al raggio principale esterno che incide sulla regione pi? distante del sensore; il relativo raggio principale deviato nella configurazione secondo l?invenzione (angolo A3? di figura 4) ? s? quello che mantiene la maggiore distanza angolare rispetto alla normale al piano (angolo comunque ridotto ampiamente al di sotto dei 10?), ma comunque grazie alla deviazione quantitativamente pi? elevata in raffronto con gli altri raggi principali rappresentati. Ovviamente, come detto, la rappresentazione con i soli chief rays ? da intendersi come una semplificazione a fini di chiarezza descrittiva e illustrativa, dalla quale l?esperto del ramo comprende pienamente la natura del fenomeno fisico nella sua completezza e rigore.

La deviazione ? in grado dunque di portare la radiazione tutta all?interno dell?angolo di accettazione in cui il sensore CMOS assicura un?adeguata performance in termini di luminosit? e assenza di vignetting con il risultato ben comprensibile dall?esame della figura 5 nella quale l?immagine a destra ? quella ottenuta con l?adozione del componente di deviazione 6, mentre l?immagine di sinistra ? quella che a parit? di condizioni si ottiene utilizzando il settore CMOS con il percorso ottico indisturbato come in figura 2.

Grazie alla presente invenzione viene dunque aperta la possibilit? di un pieno utilizzo dei sensori CMOS nell?ambito tecnico di riferimento, con risultati prestazionali comparabili o persino migliori rispetto ai sensori CCD, ma con tutti i vantaggi che la tecnologia CMOS comporta in termini principalmente di maggiore velocit? di acquisizione e costi inferiori. Bench? il ragionamento sia stato fatto con riferimento ai sensori CMOS, ? altres? evidente che esso si applica in generale a qualsiasi tipologia di sensore presente o futura con caratteristiche di diversa resa o efficienza a seconda dell?angolo del fascio incidente.

Per ridurre al minimo le aberrazioni introdotte, il componente 6 pu? essere preferibilmente disposto in posizione tiltata e decentrata rispetto all?asse ottico. In pratica, considerando l?interfaccia sferica come generata da un diottro n2 a calotta sferica, il cui piano secante o generatore ? il piano di uscita della radiazione, quest?ultimo ? inclinato (e con esso il piano di ingresso della radiazione definito dall?altro diottro n1) rispetto al piano normale all?asse ottico. Inoltre, la calotta lavora (cio? intercetta la radiazione) in una regione decentrata, cio? prossima alla congiunzione con il piano secante/generatore.

Come ovvio per l?esperto del ramo, in un sistema nel quale l?angolo del piano osservato ed il conseguente piano immagine risultassero diversi da quelli utilizzati nel layout di riferimento menzionato (angolo di 45?), il risultato di deviazione desiderato potr? essere ottenuto adattando le caratteristiche dei diottri e/o la curvatura dell?interfaccia interna del componente.

Qualora ci fosse necessit? di rendere il componente/lamina 6 un elemento con potere effettivo all?interno del sistema le superfici esterne della lamina potranno eventualmente essere a loro volta curve e quindi il componente assumere la forma di un doppietto.

Al di l? del contesto sopra descritto e a cui si ? fatto riferimento, il problema risolto dall?invenzione si presenta anche nell?ambito di sistemi di ripresa di tipo telecentrico o bi-telecentrico. Anche se in questi sistemi infatti, i chief rays relativi ai vari campi di vista risultano paralleli fra loro, dovranno avere un angolo di incidenza rispetto al piano del sensore CMOS elevato per soddisfare la condizione di Scheimpflug. La presente invenzione, con gli opportuni adattamenti sul piano realizzativo, pu? dunque parimenti essere adottata per far s? che tali fasci di campo siano deviati in modo da avvicinarsi il pi? possibile all?incidenza ortogonale sul piano del sensore.

Inoltre, ancorch? si sia fatto riferimento al contesto elettivo dell?oftalmologia, il principio di base dell?invenzione pu? in linea di principio essere sfruttato in altri ambiti diagnostici e tecnologici. Ad esempio, la configurazione Scheimpflug pu? essere utilizzata nella moderna metrologia per apparati in grado di osservare oggetti da angolazioni diverse dalla normale, quindi capaci di consentire misure secondo le pi? svariate tecniche di triangolazione. Questi trovano impiego ad esempio nel controllo di processo dei particolari in catena di montaggio. Infatti la ricostruzione 3D di oggetti e la misura degli stessi con tecniche di luce strutturata e non, ? richiesta in molteplici campi dell?industria in situazioni nelle quali l?apparato di misura non pu? posizionarsi ortogonalmente all?oggetto da osservare. Si possono trovare applicazioni metrologiche a questa tecnica in altri campi quali la densitometria o la velocimetria di ammassi liquidi o gassosi.

La presente invenzione ? stata in definitiva fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. ? da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall?ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Un dispositivo per la cattura di immagini di un campione disposto su un piano illuminato del campione, il dispositivo comprendendo un gruppo ottico di ripresa con un sistema di lenti definente un asse ottico e un piano principale, e un sensore di immagine disposto su un piano del sensore (5) atto a catturare la radiazione luminosa emessa dal campione illuminato per ricavarne immagini del campione, in cui il piano illuminato del campione, il piano principale del sistema di lenti e il piano del sensore (5) sono configurati in una disposizione Scheimpflug, in cui detto gruppo ottico di ripresa comprende mezzi di deviazione ottica (6) intercettanti il percorso della radiazione luminosa in prossimit? di detto sensore e configurati per deviare detta radiazione riducendo in media l?angolo di incidenza dei raggi principali rispetto alla normale al piano del sensore.

2. Il dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di deviazione ottica comprendono un componente con caratteristiche di prisma ottico atto a deviare detta radiazione in modo differenziale in funzione dell?angolazione della radiazione, a monte del componente, rispetto al piano del sensore.

3. Il dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detto componente comprende una lamina piano parallela comprendente due diottri (n1, n2) consecutivi, ad indice di rifrazione differente, introdotta nel percorso ottico in prossimit? del piano del sensore (5).

4. Il dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detti diottri (n1, n2) sono separati da una superficie di interfaccia curva.

5. Il dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detta superficie di interfaccia ha una curvatura sferica.

6. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5, in cui detti due diottri (n1, n2) hanno una differenza in indice di rifrazione compresa tra 0.15 e 0.20.

7. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui detto componente (6) ? disposto in posizione inclinata e decentrata rispetto a detto asse ottico.

8. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sensore ? un sensore CMOS.

9. Il dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, configurato per la cattura di immagini della regione anteriore di un occhio umano e comprendente: un gruppo ottico di proiezione di detta radiazione luminosa sull?occhio, comprendente una sorgente luminosa ad alta potenza configurata per emettere una radiazione di lunghezza d?onda atta a massimizzare la retro-diffusione delle strutture corneali dell?occhio, e mezzi per la creazione di un profilo luminoso a forma di lama atto a illuminare una sottile porzione dell?occhio; detto gruppo ottico di ripresa; e un?unit? di controllo atta a ricostruire un?immagine di una o pi? strutture della regione anteriore dell?occhio sulla base di segnali ricevuti da detto sensore.

10. Un procedimento per la cattura di immagini di un campione disposto su un piano illuminato del campione, attraverso un gruppo ottico di ripresa con un sistema di lenti definente un piano principale e un sensore di immagine disposto su un piano del sensore (5) catturante la radiazione luminosa emessa dal campione illuminato per ricavarne immagini del campione, in cui il piano illuminato del campione, il piano principale del sistema di lenti e il piano del sensore (5) sono configurati in una disposizione Scheimpflug, in cui in detto gruppo ottico di ripresa il percorso della radiazione luminosa viene deviato riducendo in media l?angolo di incidenza dei raggi principali rispetto alla normale al piano del sensore.