ITUB20155205A1 - Adattatore ottico accoppiabile con un dispositivo di acquisizione di immagini ed in particolare destinato all'uso nell'osservazione microscopica. - Google Patents

Description

TITOLO: “Adattatore ottico accoppiabile con un dispositivo di acquisizione di immagini ed in particolare destinato all'uso nell'osservazione microscopica"

DESCRIZIONE

Settore tecnico

La presente invenzione riguarda un adattatore ottico accoppiabile con un dispositivo di acquisizione di immagini ed in particolare destinato all'uso nell'osservazione microscopica

Sfondo tecnologico

Sono noti nel settore adattatori ottici accoppiabili con un dispositivo di acquisizione di immagini ed in particolare destinati all'uso nell'osservazione microscopica.

Questa tipologia di adattatore permette di trasformare un dispositivo di acquisizione di immagini, ad esempio un generico telefono cellulare (tipicamente un cosiddetto smartphone) o un tablet, in un microscopio ad alta risoluzione. In particolare, dispositivi elettronici quali smartphone e tablet hanno un sistema ottico fotografico integrato, spesso capace di modificarne automaticamente la distanza focale (sistema autofocus mems|cam™ Technologies o voice coil motor). Chiaramente, l'ottica di tali dispositivi è progettata per applicazioni fotografiche macroscopiche. Per passare invece all'osservazione microscopica ad alta risoluzione occorre impiegare una lente con alta apertura numerica come elemento terminale del sistema ottico, prima del campione da analizzare.

Generalmente, l'ottica per microscopia ha la caratteristica di poter aumentare la risoluzione delle immagini per poter distinguere dettagli microscopici. La caratteristica tecnica che determina la risoluzione di un microscopio, in assenza di aberrazioni, è l'apertura numerica della lente obiettivo.

Per quanto attiene alla lente, come è noto, la sua apertura numerica (NA) è data dalle seguenti formule:

NA = /ISÌn(di) e cc=arctan(^/f) , in cui con f si intende

focale della lente e con D l'apertura della lente obiettivo. Quindi, per avere alta risoluzione occorre che il rapporto tra diametro e focale sia grande. Nel caso di mini aperture, come quella della fotocamera integrate tipicamente in smartphone o tablet, il diametro è piccolo, motivo per cui, per avere alta risoluzione, occorre avere una lente con focale molto corta.

La risoluzione dipende anche dalle aberrazioni introdotte dall'ottica. Più le dimensioni sono ridotte, più i difetti costruttivi diventano influenti e le aberrazioni introdotte dalle lenti diventano significative. Per questo motivo la scelta del tipo di lente e della sua tecnica costruttiva diventano particolarmente importanti.

Il suddetto adattatore ha lo scopo di rendere alla portata di tutti il mondo microscopico (vale a dire, con una risoluzione dell'ordine del micron) in un design generalmente compatto. L'impiego di tale adattatore può essere di svariata natura, dall'hobbistica all'analisi in diversi settori professionali in cui può essere utile l'impiego "in campo", cioè fuori dal laboratorio, di un microscopio come strumento di lavoro. Inoltre tale adattatore può trovare anche impiego per indagini in campo medico in paesi in via di sviluppo, in quanto essi comportano generalmente un limitato costo di fabbricazione.

Generalmente gli adattatori comprendono lenti macroscopiche ed altri elementi macroscopici che si integrano con l'ottica del dispositivo di acquisizione immagini, tipicamente un telefono cellulare. Tuttavia, gli adattatori di questa tipologia rendono la loro applicazione di non immediato utilizzo e soprattutto di ingombro significativo. A titolo di esempio, sono qui di seguito riportati alcune divulgazioni di adattatori noti nel settore, ma che presentano vari inconvenienti.

La pubblicazione brevettuale US 2014/0362239 Al divulga una struttura di lente che include un elastomero realizzato in forma di lente. Tale lente ha una superficie piana ed una superficie curva opposta alla superficie piana. L'elastomero della struttura di lente può essere costituito da un materiale di polidimetilsilossano (PDMS) a base polimerica. Quando la struttura di lente è applicata sulla finestra che protegge l'ottica appartenente ad un dispositivo elettronico, quale un telefono cellulare od un tablet, tale dispositivo, nella forma di realizzazione preferita, acquisisce la funzione di un microscopio portatile. Modificando i paragrafi della lente, ad esempio il raggio di curvatura, è possibile ottenere un ampio intervallo di ingrandimento.

La pubblicazione brevettuale WO 2012/058641 A2 divulga un sistema e metodi per migliorare il funzionamento delle macchine fotografiche incluse in dispositivi portatili senza fili, quali telefoni cellulari o tablet. Il sistema include un attacco ottico rilasciabile per ottenere immagini di superfici di pelle e di cavità corporee. L'attacco ottico rilasciabile comprende elementi di miglioramento ottico, quali lenti di ingrandimento, elementi diffusori di illuminazione, e filtri. Immagini possono essere osservate ed analizzate sul dispositivi portatile, oppure trasmesse ad un altro dispositivo o ad un'altra ubicazione affinché vengano analizzate da una persona o da un software. I risultati possono essere usati per fornire diagnosi o per una varietà di altre applicazioni che includono la comparazione di immagini nel tempo e prescrizioni di prodotti.

La pubblicazione PLoSONE Voi.6 issue 3 el7150 "Celi-Phone-Based Platform for Biomedicai Device Development and Education Applications" (Zachary J. Smith, et al., Marzo 2011) riguarda lo sviluppo di due adattatori per un telefono cellulare commerciale che trasformano la lente integrata nel telefono e il sensore di immagini in un microscopio ad ingrandimento di 350X e uno spettrometro di luce visibile. Il microscopio è in grado di operare con modalità di trasmissione di microscopia polarizzata e ha dimostrato di avere una risoluzione di 1,5 micron e un campo visivo utile di circa 150X150 micron senza elaborazione di immagini, e di circa 350X350 micron quando si applica un'elaborazione di immagini successiva.

Sintesi dell'invenzione

Uno scopo della presente invenzione è quello di realizzare un adattatore ottico di tipo migliorato ed in grado di risolverne gli inconvenienti della tecnica nota.

Più specificamente, tale scopo è quello di mettere a disposizione un adattatore ottico che abbia un ingombro ridotto, che sia in grado di sfruttare l'ottica, l'elettronica ed il software già presenti nel dispositivo di acquisizione di immagini, e che nel contempo sia in grado di garantire una opportuna illuminazione all'oggetto da osservare.

Secondo la presente invenzione, questo ed altri scopi vengono raggiunti mediante un adattatore ottico realizzato secondo l'annessa rivendicazione indipendente.

E' da intendersi che le annesse rivendicazioni costituiscono parte integrante degli insegnamenti tecnici qui forniti nella descrizione dettagliata che segue in merito alla presente invenzione. In particolare, nelle annesse rivendicazioni dipendenti sono definite alcune forme di realizzazione preferite della presente invenzione che includono caratteristiche tecniche opzionali.

Inoltre, in forme di realizzazione esemplificative della presente invenzione, è dunque possibile mettere a disposizione un adattatore ottico avente una struttura di substrato compatta in cui è previsto un riflettore in combinazione con un sistema guida di luce che porta la radiazione generata dalla luce LED integrata nel dispositivo {in questo modo costituendone il sistema di illuminazione) in prossimità del piano oggetto di un miniobiettivo otticamente accoppiato alla lente obiettivo della camera integrata nel dispositivo elettronico. Tale miniobiettivo ha apertura numerica tale da garantire alta risoluzione per immagini microscopiche (risoluzione dell'ordine del micron) ed ha dimensione fisica radiale tale da generare una distorsione del campo fotografico limitata solo ad un suo settore, consentendo così l'individuazione su campo largo della zona del campione da ispezionare in dettaglio.

In forme di realizzazione esemplificative della presente invenzione, il substrato includente l'assieme illuminatore-microobiettivo ha un ingombro ridotto lungo la direzione dell'asse ottico {ad esempio, anche inferiore a 3 mm), e può essere facilmente integrato in una cover protettiva del dispositivo.

In forme di realizzazione esemplificative della presente invenzione, il substrato includente l'insieme illuminatore-microobiettivo può eventualmente essere fatto traslare su un supporto montato sul dispositivo, ad esempio su una cover protettiva. Questa caratteristica può permettere un rapido cambio di funzionalità ottica del dispositivo elettronico, per passare da una applicazione “standard" di fotocamera per immagini macroscopiche, all'applicazione per osservazione microscopica e viceversa.

In forme di realizzazione esemplificative della presente invenzione, l'adattatore può facilmente essere integrato con una fibra ottica per il trasferimento di immagine (image fiber) e trasformato in un endoscopio o endomicroscopio portatile.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiare dalla descrizione dettagliata che segue, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento in particolare ai disegni allegati che sono qui di seguito riepilogati.

Breve descrizione dei disegni

La figura 1 è una vista in sezione longitudinale di un adattatore ottico realizzato secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione.

La figura 2 è una vista in elevazione dell'adattatore ottico mostrato nella figura 1.

Le figure da 3 a 8 sono viste schematiche in elevazione di differenti tipologie di lenti destinate ad essere utilizzate in adattatori ottici realizzati secondo varie forme di realizzazione della presente invenzione. Le figure 9 e 10 sono viste in elevazione di due ulteriori forme di realizzazione di un adattatore ottico realizzato in conformità con la presente invenzione.

Le figure 11 e 12 sono una vista prospettica e rispettivamente una vista in pianta di una forma di realizzazione di una cover per telefono cellulare che incorpora un adattatore ottico ottenuto secondo un'altra forma di realizzazione della presente invenzione.

Le figure 13 e 14 sono viste prospettiche parziali di due ulteriori forme di realizzazione di un adattatore realizzato secondo la presente invenzione.

Le figure 15 e 16 sono viste prospettiche di due differenti cover o custodie per telefono cellulare che incorporano forme di realizzazione di un adattatore ottico realizzato secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata dell'invenzione

Con riferimento in particolare alla figura 1, è indicata nel suo complesso con 10 un adattatore ottico realizzato conformemente ad una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione.

L'adattatore 10 è accoppiabile rimovibilmente con un dispositivo di acquisizione di immagini che, a titolo di esempio non limitativo, è uno smartphone 100, Tuttavia, il dispositivo di acquisizione di immagini non deve essere necessariamente un telefono cellulare od uno smartphone, ma può essere di qualsivoglia tipologia utilizzabile in un apparecchio quale una fotocamera, un tablet, un sistema di realtà aumentata (per esempio, occhiali dotati di quest'ultima tecnologia), o simili.

Particolarmente ma non necessariamente, l'adattatore 10 è destinato all'uso nell'osservazione microscopica. Tuttavia, come sarà chiaro ad un tecnico del settore dalla lettura della presente descrizione, secondo la presente invenzione è anche concepibile realizzare adattatori ottici che ottengano un livello di ingrandimento non strettamente di tipo microscopico.

L'adattatore 10 comprende un supporto 12 di applicabile in modo rimovibilmente accoppiabile con il dispositivo di acquisizione di immagini che, nella forma di realizzazione illustrata, è lo smartphone 100. Il supporto 12 comprende un substrato 15 realizzato di materiale sostanzialmente trasparente. Preferibilmente il substrato 15 è rigido e può essere realizzato in un sol pezzo o come una pluralità di strati o pezzi uniti tra loro, ad esempio mediante un adesivo otticamente trasparente.

Il substrato 15 ha una superficie prossimale 14 destinata ad essere rivolta verso lo smartphone 100. Nell'esempio di realizzazione illustrato, la superficie prossimale 14 è destinata ad essere appoggiata sullo smartphone 100 (tipicamente in corrispondenza della faccia posteriore di quest'ultimo). In particolare, la superficie prossimale 14 è sagomata in modo tale da essere combaciante con la superficie dello smartphone 100 su cui tale superficie prossimale 14 è destinata ad essere appoggiata. Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 1 e 2, la superficie prossimale 14 è sostanzialmente piana, tuttavia, come sarà discusso nel seguito della presente descrizione, può anche essere curva.

Inoltre il substrato 15 ha una superficie distale 16 distanziata dalla superficie prossimale 14. La superficie distale 16 è destinata ad essere rivolta verso un oggetto da osservare 200. In modo preferito, come sarà descritto nel seguito, la superficie distale 16 è realizzata altresì per essere anche appoggiata sull'oggetto da osservare 200. Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 1 e 2, la superficie distale 16 è sostanzialmente piana, tuttavia, come sarà discusso nel seguito della presente descrizione, può anche essere curva.

Ulteriormente, il supporto 12 comprende inoltre un obiettivo 20 situato in una sede 18 ricavata nel substrato 15. L'obiettivo 20 è affacciato verso un obiettivo fotografico 102 del dispositivo di acquisizione di immagini, in particolare dello smartphone 100. Nella forma di realizzazione illustrata, la sede 18 è passante attraverso il substrato 15 ed attraversa, da una parte, la superficie prossimale 14 e, dall'altra parte, la superficie distale 16, creando un alloggiamento in cui è inserito l'obiettivo 20.

In particolare, nell'uso, l'obiettivo 20 è a contatto o a breve distanza dal vetro di copertura di tale obiettivo fotografico 102, con asse ottico parallelo allo stesso asse ottico dell'obiettivo fotografico 102, in modo da realizzare un sistema ottico capace di aumentare gli ingrandimenti ottenibili normalmente dallo smartphone 100. Dunque l'obiettivo 20 non è necessariamente coassiale con l'asse ottico dell'obiettivo fotografico 102 integrato nello smartphone 100. In ogni caso è opportuno che sia comunque posizionato all'interno del campo di vista dell'obiettivo fotografico 102 integrafo con il dispositivo elettronico.

Inoltre, l'obiettivo 20 atto ad essere inserito all'interno del substrato 15 non deve necessariamente essere composto dallo stesso materiale del substrato 15 stesso.

Il supporto 12 comprende inoltre un riflettore 22 situato lateralmente rispetto all'obiettivo 20. Il riflettore 22 è predisposto per essere affacciato ad una sorgente di luce, ad esempio una sorgente di luce LED 104, integrata nello smartphone 100. Inoltre il riflettore 22 è configurato per convogliare in direzione obliqua la luce emessa dalla sorgente di luce LED 104 attraverso il substrato 15, dirigendola trasversalmente verso l'obiettivo 20 ed assialmente oltre la superficie distale 16. In particolare, la luce emessa dalla sorgente di luce LED 104 è deviata dal riflettore 22 in prossimità del fuoco dell'obiettivo 20, contribuendo a realizzare un microscopio episcopico con illuminazione obliqua, incidente lateralmente rispetto all'obiettivo 20.

Grazie a queste caratteristiche tecniche, l'adattatore 10 ha un ingombro ridotto, è in grado di sfruttare l'ottica, l'elettronica ed il software già presenti nel dispositivo di acquisizione di immagini, e nel contempo è in grado di garantire una opportuna illuminazione all'oggetto da osservare 200.

La scelta della lente (o delle lenti) che compone (o compongono) l'obiettivo 20 e la determinazione della sua (o della loro) tecnica costruttiva è significativa per garantire valide prestazioni dal punto di vista ottico. La capacità di autofocus del sistema fotografico del dispositivo di acquisizione di immagini, in questo caso dello smartphone 100, permette l'automatica calibrazione della divergenza del fascio di luce raccolto, in modo da ottimizzare la messa a fuoco. In particolare, secondo forme di realizzazione esemplificative della presente invenzione, l'accoppiamento dell'obiettivo 20 (che può realizzare dunque un micro-obiettivo) con l'obiettivo fotografico del dispositivo elettronico crea un sistema ottico simile alla versione più semplice di un microscopio con ottiche corrette all'infinito.

Con riferimento in particolare alle figure da 3 a 8, sono illustrate a titolo di esempio qui di seguito alcune tipologie e varianti di obiettivi 20 destinati ad essere utilizzati in abbinamento con un adattatore ottico secondo la presente invenzione.

Preferibilmente, l'obiettivo 20 può avere diametro inferiore a 2 mm e una focale inferiore o dell'ordine di grandezza del proprio diametro, permettendo così una risoluzione massima di circa 0,6 micron, alla lunghezza d'onda della luce visibile. Più generalmente, l'impiego di una obiettivo 20 con focale corta {vale a dire, inferiore a circa 3-4 mm) permette di avere un ingrandimento ottico che aumenta l'ingrandimento software dovuto al crop factor.

In modo preferito, nell'obiettivo 20 impiegato, l'apertura numerica NA può essere vantaggiosamente nel range fra circa 0,2 e circa 0,8 permettendo quindi un'alta risoluzione (micrometrica e sub-micrometrica).

Nella forma di realizzazione illustrata, l'obiettivo 20 può comprendere una micro-lente oppure una pluralità di microlenti. Ad esempio, l'obiettivo 20 comprende una matrice di micro-lenti {ad esempio, di dimensioni laterali inferiori a circa 2-3 mm) e dotata di elevata apertura numerica NA (ad esempio, maggiore di circa 0,2).

Secondo quanto illustrato a titolo di esempio nella figura 3, nell'uso l'obiettivo 20 è a contatto o a breve distanza dal vetro di copertura 103 dell'obiettivo fotografico 102, con asse ottico parallelo allo stesso asse ottico dell'obiettivo fotografico 102, in modo da realizzare un sistema capace di aumentare gli ingrandimenti dello smartphone 100. Particolarmente, l'obiettivo 20 dotato di alta apertura numerica e caratterizzato da un diametro inferiore all'apertura ottica dell'obiettivo 102, essendo inserito nel substrato 15 {che ha preferibilmente le superfici 14, 16 piane), permette l'osservazione del campo fotografico largo proprio del sistema ottico integrato nello smartphone 100 anche in presenza di tale obiettivo 20 posizionato di fronte all'obiettivo fotografico 102. Più in dettaglio, secondo quanto mostrato nelle figura 3, la luce i cui raggi sono rappresentati dalle linee tratteggiate, attraversa il substrato 15, il vetrino 103 appartenente all'obiettivo fotografico 102 dispositivo di acquisizione di immagini (in questo caso, lo smartphone 100), e la lente interna 104 dell'obiettivo fotografico 102 del dispositivo 100, per raggiungere il sensore di immagini 105. La luce proveniente dal campo lontano intercettata dalla zona interna al substrato 15, in cui è posizionato l'obiettivo 20 per microscopia, non viene raccolta dal sensore 105 e risulta una zona d'ombra.

Secondo quanto mostrato a titolo di esempio nelle figure 3, 4 e 5, l'obiettivo 20 realizza un micro-obiettivo ad alta apertura numerica NA che interseca solo una parte della radiazione incidente dal campo largo visto dall'obiettivo 102 integrato nel dispositivo elettronico 100. Per questo motivo è possibile vedere il campo largo caratteristico della fotocamera del dispositivo elettronico, con una zona d'ombra corrispondente all'angolo solido occupato dal micro-obiettivo realizzato dall'obiettivo 20. In questo modo, avvicinando il dispositivo al campione da osservare è possibile trovare la giusta posizione reciproca tra campione e microscopio portatile, senza distogliere l'attenzione dallo schermo. Si noti che il substrato 12 nel quale viene inserito l'obiettivo 20 può anche prevedere che almeno una delle superficie 14, 16 sia curva (invece che essere piana come nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 1 e 2 e 3). A titolo esemplificativo, la curvatura di tale superficie è rivolta verso l'esterno del substrato 15. In base a quanto rappresentato nelle figure 4 e 5, soltanto la superficie distale 16 è curva. In ogni caso, secondo ulteriori varianti, la superficie prossimale 14 può essere dotata di analoga curvatura {dalla parte del vetrino 103 del dispositivo) . La curvatura della superficie del supporto permette di avvicinare il campo lontano visto dal sensore della fotocamera al di fuori della zona d'ombra generata dall'obiettivo 20, qui rappresentato con la linea in alto tratteggiata. In questo modo è possibile ottenere l'ingrandimento del campo lontano esterno a quello osservato attraverso il micro-obiettivo, di un fattore generalmente < 30x, ed individuare meglio la zona in cui si trova il campione che si vuole osservare ad alta risoluzione. Questo accorgimento accorcia la focale del sistema ottico fotografico, così da semplificare ulteriormente il posizionamento del campo microscopico senza dover distogliere lo sguardo dallo schermo del dispositivo.

In una versione preferita, l'obiettivo 20 comprende una microlente di tipo gradient index (GRIN) rod lens che consente ottime prestazioni ottiche in termini di aberrazioni e di planarità del campo immagine per l'apertura numerica (NA) ottenibile, cioè fino a 0,5-0,6, garantendo un ridotto diametro del componente. Nella configurazione in cui si impiega una lente GRIN come elemento terminale del micro-obiettivo è possibile osservare direttamente anche campioni liquidi, gel o immersi in liquido, a differenza di sistemi che impiegano lenti con superfici esterne curve disegnate per lavorare in aria in cui il funzionamento dipende dalla differenza di indice di rifrazione all'interfaccia curva, e che quindi non possono funzionare in liquido dato quest'ultimo ha in generale un indice di rifrazione sensibilmente diverso da 1. Il sistema con lente GRIN, al contrario, può funzionare anche con l'obiettivo a contatto con un liquido dato che la deflessione della luce è graduale ed è data dalla variazione di indice di rifrazione interno al mezzo. Ciò fa sì che il supporto, insieme con il micro-obiettivo con elemento di lente GRIN può anche essere parte di una cover per immersione che garantisce la tenuta ai liquidi.

Chiaramente è possibile variare il fattore di ingrandimento e di conseguenza la larghezza del campo di vista microscopico impiegando lenti GRIN rod con diverse distribuzioni dell'indice di rifrazione lungo la direzione radiale del rod.

Inoltre, con una opportuna scelta della distribuzione dell'indice di rifrazione lungo la direzione radiale del corpo cilindrico della lente (descrivibile in prima approssimazione con la funzione matematica n(r) di seguito riportata) e della lunghezza di tale cilindro è possibile ottenere distanze di lavoro per tale micro-obiettico del valore desiderato. Al fine di impiegare tale sistema ottico anche per osservazione di preparati per microscopia su vetrino, quindi con copertura trasparente di spessore dell'ordine di 0.15mm - 0.25mm, o di elementi immersi in liquido e/o corpi tridimensionali di profondità pari a qualche decimo di millimetro, è quindi opportuno considerare i parametri di n(r } e lunghezza tali da ottenere una distanza di lavoro pari ad almeno 0.25mm in materiale con indice di rifrazione di circa 1.45. Un esempio di distribuzione radiale che garantisce tale caratteristica tecnica per una GRIN rod di lunghezza di 2.15mm (+0.1mm) e diametro Imm è il seguente:

n{r) = ti04- ?:,tt n^r<4>,

in cui nO = 1.629, nr2 = -0.34 , nr4 = 0.062.

Secondo quanto mostrato a titolo di esempio nella figura 6, l'obiettivo 20 può comprendere una pluralità di microlenti aventi diametro inferiore a quello dell'obiettivo fotografico 102 dello smartphone 100. Le microlenti fra di loro sovrapposte possono avere superfici piane oppure curve. Nella variante illustrata nella figura 6, l'obiettivo 20 può comprendere una lente del tipo GRIN rod con l'aggiunta opzionale di una lente a superficie curva posizionata ad un suo estremo.

Secondo quanto mostrato a titolo di esempio nella figura 7, il substrato 15 può essere costituito da una pluralità di strati sottili 15.1, 15.n di spessore controllato, e l'obiettivo 20 comprende a sua volta una pluralità di microlenti 20.1, ... ,20.m, ciascuna di esse essendo fissata ad un rispettivo strato sottile 15.1, ..., 15.n. Le microlenti 20.1, ..., 20.m che si associano agli strati 15.1, ..., 15.n possono per esempio essere formate per stampaggio, possono essere incollate sugli strati 15.1, ..., 15.n o possono essere ottenute per deposizione di materiale trasparente. Inoltre, gli strati sottili 15.1, ..., 15.n possono anche essere a superfici piane e senza fori, atti ad operare come lamine distanziatrici ad indice di rifrazione diverso da 1, oppure possono essere a superfici piane e dotate di almeno un sede per l'alloggiamento di una rispettiva microlente 20.1, ... , 20.m.

Secondo quanto mostrato a titolo di esempio nella figura 8, il substrato 15 può essere strutturato in maniera anche più complessa, in cui esso può comprendere una pluralità di sottostrati con elementi a superfici curve, planari o forate {non numerati); a loro volta, questi elementi possono essere forati o strutturati per alloggiare l'obiettivo 20 (o microlenti 20.1, ... , 20.m) a risoluzione più alta come descritto in precedenza.

Come ulteriore accorgimento opzionale relativo all'obiettivo 20, per aumentare il contrasto dell'immagine è possibile introdurre un diaframma di apertura, eventualmente regolabile, che limiti la luce incidente sull'obiettivo fotografico 102 da regioni esterne alla lente che genera alti ingrandimenti. In tal caso la sede 18 per l'obiettivo 20 può essere resa a pareti opache, in modo da ridurre la raccolta di luce che potrebbe provenire da direzioni laterali così riducendo il contrasto dell'immagine microscopica.

Opzionalmente, le superfici dell'obiettivo 20 possono essere ricoperte con un rivestimento antiriflettente, in modo tale da incrementare il contrasto e migliorare il rapporto segnale/rumore.

Per quanto attiene al riflettore 22, esso comprende preferibilmente un prisma 23, ad esempio a sezione triangolare, che opera riflessione totale interna o sfrutta una superficie metallizzata o resa riflettente da ricoprimento ad alta riflettanza. Nella forma di realizzazione illustrata, il prisma 23 presenta un lato obliquo atto a deviare la luce proveniente dalla sorgente di luce LED 104, Il lato obliquo è preferibilmente orientato a circa 45° rispetto alla superficie distale 16.

In modo vantaggioso, il riflettore 22 è dimensionabile, in particolare in termini di distanze, curvatura o inclinazione a seconda dalle specifiche dimensionali dei dispositivi elettronici a cui si vuole applicare l'adattatore ottico 10. Inoltre, scegliendo anche opportunamente la distanza reciproca tra riflettore 22 e l'oggetto da osservare 200, la radiazione viene in buona parte convogliata internamente al substrato 15 che porta l'obiettivo 20 e che, essendo costituito da materiale sostanzialmente trasparente, diventa in questo modo una unità con funzionalità opto-meccaniche.

Preferibilmente il supporto 12 è montato su una struttura di sostegno, ad esempio una cover o custodia protettiva 24, configurata per essere montata in modo rimovibile sullo smartphone 100, Tuttavia in ulteriori varianti realizzative, come è evidente per un tecnico del settore, la struttura di sostegno può anche non essere un custodia protettiva, ma avere una forma e funzione di tipo differente da quest'ultima.

In particolare il supporto 12 è montato in modo mobile sulla custodia protettiva 24 fra una condizione operativa, in cui l'obiettivo 20 è affacciato all'obiettivo fotografico 102 e il riflettore 22 è affacciato alla sorgente di luce LED 104, e una condizione inoperativa, in cui l'obiettivo 20 e il riflettore 22 sono allontanati dall'obiettivo fotografico 102 e dalla sorgente di luce LED 104. Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 11 e 12, il supporto 12 è traslabile in modo guidato all'interno di una finestra 25 ottenuta all'interno della custodia protettiva 24.

Nella configurazione illustrata nelle figure 11 e 12, il supporto 12 includente il substrato 15, l'obiettivo 20 e il riflettore 22 può traslare dalla condizione operativa alla condizione inoperativa anche con una corsa ridotta, ad esempio soltanto di alcuni millimetri. In questo modo, viene consentito un rapido e semplice cambio di funzionalità dello smartphone 100, da macchina fotografica macroscopica a microscopio digitale ad alta risoluzione.

Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 11 e 12, il supporto 12 comprende una pluralità di gruppi ottici 26, ciascuno di tali gruppi includendo un rispettivo obiettivo 20 ed un associato riflettore 22 aventi proprietà ottiche fra loro differenti. In particolare, il supporto 12 è spostabile fra una pluralità di condizioni operative, in ciascuna di tali condizioni operative soltanto un gruppo ottico 26 presentando il proprio obiettivo 20 e il proprio riflettore 22 allineato con l'obiettivo fotografico 102 e rispettivamente con la sorgente di luce LED 104. In questo modo, è possibile sfruttare la possibilità di traslazione delle unità ottiche per ottenere un adattatore 10 con funzionalità selezionabili in modo discreto, in cui vi è una pluralità di obiettivi 20, eventualmente con diverse caratteristiche e/o proprietà ottiche.

Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 11 e 12, il substrato 15 reca un elemento di presa, ad esempio una sporgenza 28, afferrabile da un utente in modo tale da effettuarne lo spostamento fra le differenti condizioni operative. In particolare, la sporgenza 28 è realizzata come un cursore. Preferibilmente tale cursore è posizionato su uno o due lati della custodia 24, estendendosi oltre lo smartphone 100, in modo da semplificarne lo spostamento anche quando l'oggetto da osservare 200 è in prossimità dell'obiettivo 20, senza doverlo allontanare dal dispositivo per agire sulla superficie in cui è posizionato il substrato 15. In particolare, la sporgenza o cursore 28 attraversa la custodia 24 ed è aggettante oltre i bordi esterni della custodia 24.

In alternativa a quanto sopra esposto, lo spostamento del supporto 12 sulla custodia 24 fra le differenti condizioni operative può essere motorizzato, ad esempio mediante motore elettrico lineare.

In ulteriori forme di realizzazione, il supporto 12 può essere montato girevolmente sulla custodia 24. Secondo un esempio non illustrato, il substrato può realizzato come una elemento girevole intorno ad un asse centrale, in modo supportato dalla struttura di sostegno. Intorno all'asse centrale sono disposte a raggiera i differenti gruppi ottici includenti il rispettivo obiettivo e il corrispondente riflettore atti, di volta in volta, ad essere ruotati in posizione rivolta verso l'obiettivo fotografico e la sorgente di luce del dispositivo di acquisizione di immagini. In questa configurazione, è opportuno che l'asse centrale si trovi in posizione disallineata ed allontanata dall'apertura ottica del dispositivo di acquisizione di immagini.

Preferibilmente anche quando l'adattatore 10 opera nella modalità di funzionamento “microscopio", le caratteristiche di visione nel campo largo proprie della modalità fotografica possono essere in gran parte conservate. In questo modo viene consentito di trovare il campione da osservare ad alti ingrandimenti con facilità e precisione, ed è dunque reso possibile anche effettuare video che mostrano il passaggio da una scala macroscopica a quella microscopica, mantenendo il dispositivo molto poco invasivo.

Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 11 e 12, il supporto 12 presenta due gruppi ottici 26, ciascuno di tali gruppi includendo una rispettivo obiettivo 20 ed un associato riflettore 23 ed avendo proprietà ottiche fra loro differenti. Fra tali gruppi ottici 26 è realizzata sul substrato 15 un'apertura 30 attraverso cui l'obiettivo fotografico 102 e la sorgente di luce LED 104 si affacciano attraverso il substrato 15 verso l'esterno, quando il supporto 12 è spostato nella condizione inoperativa.

Preferibilmente, possono essere previste degli elementi di guida, ad esempio sporgenze lamellari 31 aggettanti dal substrato 15 ed opportunamente dimensionate. Gli elementi di guida, in questa forma di realizzazione le sporgenze lamellari 31, sono inseribili in apposite feritoie 33 realizzate dentro la custodia 24. In particolare tali feritoie 33 possono essere realizzate il attraverso il bordo interno della finestra 25, quando il supporto 12 si trova in una delle condizioni operative.

Preferibilmente il substrato 15 ha un alloggiamento 32 situato nel cammino ottico della luce di illuminazione diretta dal riflettore 22 verso il piano oggetto dell'obiettivo 20. Nell'alloggiamento 32 sono inseribili elementi ottici addizionali configurati per filtrare o diffondere la luce di illuminazione diretta dal riflettore 22 verso il piano oggetto dell'obiettivo 20. In particolare, tale alloggiamento 32 ha una sede che interseca il cammino ottico di illuminazione. Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 13 e 14, siccome sono previsti due gruppi ottici (ivi non numerati), ciascuno di essi includendo un rispettivo obiettivo 20 ed un associato riflettore 22, il substrato 15 prevede altresì una coppia di alloggiamenti 32.

Nella forma di realizzazione illustrata nella figura 14, il substrato 15 presenta uno spessore (vale a dire, una distanza fra la superfici 14, 16) in corrispondenza di uno dei gruppi ottici 26, associato ad uno degli obiettivi 20, differente rispetto allo spessore presentato dall'altro dei gruppi ottici 26, associato all'altro degli obiettivi 20. Questo accorgimento può facilitare l'individuazione del corretto piano focale per ciascun obiettivo 20 dei gruppi ottici 26 e può esser particolarmente utile quando sullo stesso substrato 15 sono ubicati obiettivi 20 con distanze di lavoro diverse, per poter avere il medesimo piano di appoggio e permettere in entrambi i casi una facile messa a fuoco dell'oggetto da osservare 200. Per esempio, tale accorgimento può risultare utile in una configurazione in cui sono presenti nello stesso substrato un primo obiettivo avente un fattore di ingrandimento pari a 120x {di ridotta distanza di lavoro) ed un secondo obiettivo avente un fattore di ingrandimento di 30x, con distanza lavoro maggiore.

In ulteriori varianti di realizzazione non illustrate, è possibile posizionare simultaneamente una pluralità di obiettivi 20 aventi una elevata apertura numerica in parallelo, di fronte all'obiettivo fotografico 102 e atti a cooperare simultaneamente con un medesimo riflettore 22; in questo modo si possono avere più campi di vista microscopici con ingrandimenti diversi,

Nella forma di realizzazione illustrata nella figura 9 e 10, la superficie distale 16 può essere rivestita da uno strato o film sottile di copertura 34 trasparente, eventualmente rimuovibile, con funzionalità di protezione e di distanziatore per permettere l'osservazione del campione a contatto con tale distanziale, facilitando l'uso dello strumento. Come discusso in precedenza, l'adattatore 10 -che ha un ingombro molto contenuto ed in cui vi sono distanze di lavoro inferiori al mm per l'obiettivo (20) -fa sì che sia possibile appoggiare la superficie dell'oggetto da osservare 200 sullo strato di copertura 34 {eventualmente rimuovibile qualora si volesse vedere attraverso vetrini di spessore comparabile allo strato di copertura 34). Ad esempio, lo spessore dello strato di copertura 34 è compreso nel range 0.05 mm - 0.5 mm ed è posizionatile sopra all'obiettivo fotografico 102 per poter osservare la superficie di corpi posti a contatto od in prossimità di esso.

Lo strato di copertura 34 può essere una pellicola trasparente auto-aderente (ad esempio, del tipo impiegato per proteggere i display dei dispositivi elettronici) che riveste la superficie dell'obiettivo 20 oppure che presenta un foro 36 in corrispondenza della superficie dell'obiettivo 20, e funzionare dunque solo da distanziatore. Questo strato di copertura 34 può esser facilmente rimosso qualora si volessero osservare campioni in preparato standard per microscopia, ricoperti da vetrino copri oggetto, sia in trasmissione che in luce riflessa. Con una configurazione del genere il campione da analizzare sarebbe a contatto o in stretta prossimità del dispositivo, senza avere distanziali meccanici che sporgono in modo sensibile (spessore comparabile col corpo del dispositivo elettronico stesso) dal corpo del dispositivo di acquisizione di immagini.

Secondo la forma di realizzazione illustrata nella figura 15, il supporto 12 è solidale con una parete di fondo 38 della custodia 24 scorrevole rispetto al resto di quest'ultima. Opzionalmente, la parte di fondo 38 è più lunga lungo la direzione di traslazione e avrà possibilità di essere bloccata in corrispondenza delle posizioni che permettono l'allineamento ottico desiderato dell'obiettivo 20 rispetto all'obiettivo fotografico 102 dello smartphone 100.

Secondo la forma di realizzazione illustrata nella figura 16, il supporto 12 è incernierato alla custodia 24, in modo da essere portato fra la condizione operativa (in cui l'obiettivo 20 e il riflettore 22 sono sovrapposti all'obiettivo fotografico 102 e alla sorgente di luce LED 104) e la condizione non operativa (in cui il substrato 12 è ribaltato all'esterno della custodia 24, allontanando l'obiettivo 20 e il riflettore 22 dall'obiettivo fotografico 102 e dalla sorgente di luce LED 104).

Secondo una ulteriore forma di realizzazione non illustrata, l'adattatore può comprendere un endoscopio, vale a dire un microobiettivo ed una guida di luce, ad esempio un fascio di fibre ottiche. La guida di luce è accoppiata otticamente da una parte con il microobiettivo e dall'altra parte con l'obiettivo 20, in modo tale da trasferire l'immagine raccolta dal microobiettivo sul piano oggetto dell'obiettivo 20, attraverso il fascio di fibre ottiche.

Preferibilmente il micro obiettivo del microendoscopio comprende un elemento di tipo GRIN, ad esempio un GRIN rod. Particolarmente tale GRIN rod può avere una lunghezza pari a circa 1⁄2 pitch o suoi multipli, o altri tipi di micro sistemi ottici. In tale configurazione, il sistema complessivo diventa un endoscopio portatile flessibile integrabile su dispositivo di acquisizione di immagini del tipo smartphone o tablet.

L'impiego di un fascio di fibre ottiche e di GRIN rod lens può permettere di avere endoscopi di diametro inferiore al millimetro, mantenendo elevata risoluzione ottica.

In tale configurazioni per endoscopia o microendoscopia la sorgente di luce LED associata al dispositivo (ad esempo, uno smartphone) può trasferire la luce in prossimità dell'estremità terminale di una ulteriore guida di luce diversa da quella impiegata per il trasporto dell'immagine. Tale ulteriore guida di luce può essere una fibra ottica rigidamente connessa al fascio di fibre che trasporta l'immagine riflessa dal campione verso il sensore della fotocamera.

Le performance ottiche complessive dei sistemi microscopico, endoscopico o micro-endoscopico possono essere migliorate introducendo microlenti asferiche correttive per correggere le aberrazioni dei microobiettivi (GRIN rod lenses). Queste lenti possono essere realizzate per esempio sfruttando tecniche di microlavorazione quali fotolitografia a due fotoni o per ablazione di materiale tramite impulsi laser e successivo etching chimico per ottenere elevata accuratezza dimensionale.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Adattatore ottico (10) accoppiabile con un dispositivo di acquisizione di immagini (100) e in particolare destinato all'uso nell'osservazione microscopica; detto adattatore (10) comprendendo un supporto (12) di materiale sostanzialmente trasparente ed accoppiabile rimovibilmente con detto dispositivo (100); detto supporto (12) avendo una superficie prossimale (14) destinata ad essere rivolta verso detto dispositivo (100) ed una superficie distale (16) distanziata da detta superficie prossimale (14) e destinata ad essere rivolta verso un oggetto da osservare (200); detto supporto (12) avendo: un substrato (15) otticamente sostanzialmente trasparente, un obiettivo (20) situato in una sede (18) ottenuta in detto substrato (15) ed affacciata verso l'obiettivo (102) di detto dispositivo (100), e un riflettore (22) situato lateralmente rispetto a detto obiettivo (20) e predisposto per essere affacciato ad una sorgente di luce (104) integrata in detto dispositivo (100) e convogliare la luce emessa da detta sorgente di luce (104) in una direzione obliqua, trasversalmente verso detto obiettivo (20) ed assialmente oltre detta superficie distale (16).
2. 2. Adattatore secondo la rivendicazione 1, in cui detto substrato (15) è realizzato in un sol pezzo.
3. 3. Adattatore secondo la rivendicazione 1, in cui detto substrato (15) è realizzato da una pluralità di strati (15.1, ..., 15.n) uniti fra di loro,
4. 4. Adattatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto substrato (15) presenta almeno una superficie curva atta a accorciare la distanza focale del campo fotografico raccolto da detto obiettivo fotografico (102) di detto dispositivo (100), esternamente dall'angolo solido di radiazione intersecato da detto obiettivo(20)
5. 5. Adattatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto obiettivo (20) comprende almeno una micro-lente,
6. 6. Adattatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta micro-lente è del tipo GRIN rod.
7. 7. Adattatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto riflettore (22) comprende un prisma (23) che presenta preferibilmente un lato obliquo atto a deviare detta luce.
8. 8. Adattatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una struttura di sostegno (24) destinata ad essere montata rimovibilmente su detto dispositivo (10); detto supporto (12) essendo montato mobile su detta struttura di sostegno (24) fra una condizione operativa, in cui detto obiettivo (20) è predisposta per essere affacciato all'obiettivo esterno (102) e il riflettore (22) è predisposto per essere affacciato alla sorgente di luce (104), e una condizione inoperativa, in cui l'obiettivo (20) e il riflettore (22) sono predisposti per essere allontanati dall'obiettivo esterno (102) e dalla sorgente di luce (104).
9. 9. Adattatore secondo la rivendicazione 8, in cui il substrato (12) comprende almeno una coppia di gruppi ottici (26), ciascuno di detti gruppi ottici (26) includendo un rispettivo obiettivo (20) ed un associato riflettore (22) aventi proprietà ottiche fra loro differenti; il supporto (12) è spostabile fra una coppia di condizioni operative, in ciascuna di tali condizioni operative soltanto un gruppo ottico (26) presentando il proprio obiettivo (20) e il proprio riflettore (22) predisposti per essere allineati con l'obiettivo fotografico (102) e rispettivamente con la sorgente di luce LEO (104).
10. 10. Adattatore secondo la rivendicazione 9, in cui fra detti gruppi ottici (26) è realizzata sul substrato (15) un'apertura (30) attraverso cui l'obiettivo fotografico (102) e la sorgente di luce LED (104) sono destinati ad affacciarsi attraverso il substrato (15) verso l'esterno, quando il supporto (12) è spostato nella condizione inoperativa.
11. 11. Adattatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il substrato (15) ha almeno un alloggiamento (32) situato nel cammino ottico della luce di illuminazione diretta dal riflettore (22) verso il piano oggetto dell'obiettivo (20); in detto almeno un alloggiamento (32) essendo inseribile almeno un elemento ottico addizionale configurato per filtrare o diffondere detta luce.
12. 12. Adattatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la superficie distale (16) è rivestita da uno strato di copertura (34) trasparente, eventualmente rimuovibile, con funzionalità di protezione.
13. 13. Adattatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un microobiettivo ed una guida di luce accoppiata otticamente, da una parte, con detto microobiettivo e, dall'altra parte, con l'obiettivo (20), in modo tale da essere in grado di trasferire l'immagine raccolta dal microobiettivo sul piano oggetto dell'obiettivo (20), attraverso detta guida di luce.
14. 14. Adattatore secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre una ulteriore guida di luce accoppiata otticamente, da una parte, con il riflettore (22) e, dall'altra parte in grado trasferire la luce di illuminazione proveniente da detto riflettore dirigendola verso il piano oggetto di detto microbiettivo.