WO2020030841A1 - Dispositivo ocular plenóptico - Google Patents

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WO2020030841A1
WO2020030841A1 PCT/ES2019/070559 ES2019070559W WO2020030841A1 WO 2020030841 A1 WO2020030841 A1 WO 2020030841A1 ES 2019070559 W ES2019070559 W ES 2019070559W WO 2020030841 A1 WO2020030841 A1 WO 2020030841A1
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lens
lens array
plenoptic
images
optical instrument
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PCT/ES2019/070559
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Manuel Martinez Corral
Genaro Saavedra Tortosa
Gabriele SCROFANI
Angel Tolosa Ruiz
Jorge GARCIA SUCERQUIA
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Universitat De Valencia
Universidad Nacional De Colombia
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Priority to JP2021505699A priority patent/JP7323139B2/ja
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G02B3/0056—Arrays characterized by the distribution or form of lenses arranged along two different directions in a plane, e.g. honeycomb arrangement of lenses

Definitions

  • the present invention is related to the field of optical devices and instruments, particularly those accessory devices that are inserted into the ocular port of said optical instruments and which are intended to improve the quality of the observation of objects or samples.
  • optical microscopy has played a key role in the development of life sciences and materials. Thanks to the advances in this section it has been possible, for example, to study diseases at the cellular level, which has marked the way for the development of medicines and treatments that have saved millions of lives.
  • Integral microscopy also called plenoptic microscopy or "lightfield" microscopy, has as its main characteristic the ability to record the 3D information of thick samples from the capture of different vertical and horizontal perspectives of the sample under study. These perspectives are obtained through spatial or temporal multiplexing of the microscope's field of vision; From such perspectives, the 3D information of the sample can be calculated using conventional algorithms developed for this purpose.
  • the series of vertical and horizontal perspectives of the Sample are acquired by means of a microlens array located in front of a digital sensor, which can be a CCD or CMOS camera.
  • Another technique used to capture the lightfield is based on the use of arrays or array of cameras.
  • the camera is understood as the set consisting of a photographic lens and a digital sensor.
  • This technique is useful in the case of applications in macroscopic image, where the resolution power is not delimited by diffraction.
  • its use in microscopy is not recommended, where diffraction is the main limiting factor of the resolution power, since the size of the aperture diaphragm of the objective is much smaller than that of the objective itself. This implies a resolution power much worse than that obtained in the case of using lens matrices.
  • Attachable devices in optical microscopes are found in the state of the art in order to improve some microscope functions.
  • the utility model of Chinese origin CN201344999 discloses a 30 magnification electronic eyepiece for optical microscope comprising an eyepiece barrel (1) and an extended neck (2), which are neatly connected, in which the front end of said eyepiece barrel (1) is placed with an eyepiece lens I (3); the rear end of said eyepiece cylinder is placed with a lens II of the eyepiece (4); an image sensor chip (5) is placed on the inside of said extended neck (2).
  • the image sensor (5) is a CCD or CMOS type sensor.
  • the advantages of the eye device revealed in this utility model is to achieve an increase of up to 30 times, changing only the electronic eyepiece 10 and 16 increases, by coupling the eyepiece barrel (1) in the eyepiece tube of an optical microscope with a transition soft;
  • this device despite being a high magnification electronic eyepiece, corresponds to a conventional eyepiece in the sense that it does not provide 3D images.
  • Another disclosure of a device similar to the one mentioned above is the Japanese patent application JP2017219590, which reveals a connection adapter (1) that can connect an image sensor to an inspection device having an optical mechanism.
  • the connection adapter (1) includes an adapter main body (4), a support (5) to which the image sensor and a support (5) can be attached inside the mounting adapter body (4) in the axial direction that passes by the center of the optical mechanism of the inspection apparatus and the center of the image sensor, and a mounting movement mechanism that allows the movable member to move.
  • the mounting movement mechanism is composed of an outer cylindrical portion (6), a guide groove (14), an elongated hole (15) and a pin (16).
  • the Spanish invention patent ES 2 622 458 describes an integral microscope, which is composed exclusively of a microscope objective, a matrix of microlenses located in the aperture diaphragm of the microscope objective, which coincides with the pupil or Fourier plane, and a CCD type sensor. Images of a sample from different perspectives are captured through the microlenses. It can be seen from this disclosure that the microscope is "integral", that is, that the technology referred to there is integrated into the microscope, where this optical instrument is already prepared to simultaneously acquire images of the sample from different perspectives and based on These generate 3D images of said sample. Therefore, the imaging device of the Spanish patent referred to cannot be adapted to a conventional microscope to make it one of the plenoptic type.
  • devices that are coupled to the ocular port of optical instruments are provided, such as in the ocular port of an optical microscope, but none of such devices is designed to obtain full 3D optical images. from an optical instrument that captures images of 2D samples.
  • the present invention provides a plenoptic eye device intended to engage in an eye port of an optical instrument configured to generate a real image of a sample in a focal plane located in a nearby region.
  • the plenopic ocular device comprises a tubular element having a first end and a second end opposite the first end, a coupling means attachable to the ocular port of the optical instrument disposed at the first end, a diaphragm located at a distance S F of a first lens array, said diaphragm and / or said first lens array being located relative to the focal plane of the ocular port, the focal plane of the ocular port being the plane where the actual image provided by the optical instrument is formed.
  • the first lens array defining a focal length f F ⁇ a second lens array located at a distance e from the first lens array and defining a focal length f E ⁇ and an array of lenses located at a distance S F 'from the second lens array, configured to capture the actual image from the optical instrument, generate a set of elementary images and send them to a recording medium with spatial discretization, where said recording medium with spatial discretization is located at a distance f L from the lens array and comprises communication means configured to transmit the set of elementary images from the lens array made external means of image processing.
  • the position of the lens matrix is such that it coincides with an image focus generated by the combined focusing of the first lens array with the second lens array, so that S
  • the lens matrix comprises a microlens matrix defined with a period p and defining a focal length f L, so that the recording medium with spatial discretization is located in the focal plane of the lens matrix defined by said focal length f L.
  • the first lens array and the second lens array as a whole define a focal length f oc
  • the media of the recording medium with spatial discretization are configured to transmit the set of images by wired connection or by wireless connection.
  • the optical instrument to which the plenoptic eye device of the invention can be coupled is chosen from an optical microscope, theodolites, binocular glasses, otoscopes, dermatoscopes, and any other optical instrument provided with at least one ocular port.
  • the invention also provides an optical instrument provided with at least two ocular ports, where in the first of said ocular ports the plenoptic ocular device described hereinbefore is coupled and integrated, and in the second ocular port a coupling and / or integrates a CCD camera or similar for capturing 2D images, where the optical instrument is configured to simultaneously or independently record 3D plenoptic images with the plenoptic eye device of the invention and 2D images with the CCD camera or the like.
  • the device is an independent element of the optical instrument, therefore, it can be inserted in different instruments, provided that they have an ocular port.
  • Another advantage of the invention is that it is intended to be released releasably into the ocular port of the optical instrument.
  • the eye port is external and easily accessible, in this way the procedure of removing or inserting the device is the same as any eyepiece, which does not require the use of tools and takes no more than a few seconds to attach or remove.
  • the device developed It is able to work simultaneously with the conventional part of the optical instrument, being able to take advantage of all its utilities, such as in a microscope, in which the ease of handling samples, the use of lighting filters, the use of motorized focusing systems, or any other opto-mechanical attachment.
  • An additional advantage is that the processing of the elementary images to produce the required 3D information of the sample is carried out with conventional algorithms, easily incorporated in known external processing devices, such as computers, tablets, smartphones, etc., so which, the optical instrument does not require intervention and the application of the device of the present invention is direct and immediate.
  • Fig. 1 is a general sectional view of the plenoptic eye device.
  • Fig. 2 is an example of coupling between a microscope and the plenoptic eye device of the invention, where, in schematic form, the path of light rays through the microscope from the sample to the plenoptic eye device is shown.
  • the invention reveals a plenoptic eye device (1) which is intended to be coupled to an eye port of an optical instrument, where such optical instruments provided with an eye port can be chosen from an optical microscope, theodolites, glasses. binoculars, otoscopes, dermatoscopes, and any other optical instrument that has an eye port.
  • the plenoptic eye device (1) comprises a body in the form of a tubular element (2) which is shaped as a support structure configured to hold all the components of the device.
  • the tubular element (2) comprises a first end (2A), which corresponds to the proximal end or preferably oriented towards the ocular port of the optical instrument, and a second end (2B) corresponding to the distal end or further away from the ocular port, being therefore opposite the first end (2A).
  • the tubular element (2) is a hollow cylindrical, formed from plastic or metal and / or combinations thereof, said tubular element (2) comprising grooves, cavities, stops and / or the like configured to fix the components of the plenoptic eye device (1).
  • the coupling means (3) is configured as a narrow portion (3A) of the tubular element (2) with a suitable size such that it allows the insertion of said narrow portion (3A) into the port eyepiece, so that this narrowing of the tubular element (2) generates a shoulder (3B) that functions as an insertion limiter of the coupling means (3) in the ocular port.
  • the plenoptic eye device (1) comprises a diaphragm
  • the diaphragm (4) is an iris-like diaphragm, this preferred configuration not being a limitation within the scope of the invention.
  • lens arrangement may refer to a single lens or to the coupling or joining of two or more lenses aligned on the same optical axis, where each lens array has its optical properties. particular, for example, focal points or focal points, focal length, etc.
  • the first lens array (5) is located at a distance S F from the diaphragm (4), defining a focal length f F , and being configured as an array of field lenses, so that the visual field is increased in said first lens arrangement (5).
  • the first lens arrangement (5) comprises a single flat-convex lens, where the orientation of the convex part of the lens will depend on the position of said lens with respect to the diaphragm (4).
  • the first lens arrangement (5) is a combination of two or more convex lenses superimposed or joined together.
  • this first lens arrangement (5) can be located in a position after the diaphragm (4), that is, in a position in which the diaphragm (4) is located first in relation to the end (2A) than the first lens arrangement (5), or it can be located in a position before the diaphragm (4) first with respect to the end (2A).
  • the plenoptic eye device (1) is configured as one of the "positive" type, where the convex part is oriented towards the end (2B), while in the second case (not illustrated) the eye device is configured as one of the negative type, where the convex part of the lens array is oriented towards the end (2A).
  • the plenoptic eye device (1) comprises a second lens array (6) that is located at a distance e from the first lens array (5) and defines a focal length f E.
  • This second arrangement of lenses (6) in its simplest embodiment, comprises a single lens with a flat-convex shape, where the convex part of the lens is oriented towards the ocular port.
  • the second lens arrangement (6) is a combination of two or more convex lenses superimposed or joined together.
  • the elements that have been described up to this point are part of or would form a conventional eye device as is commonly known.
  • the first lens arrangement (5) would be the so-called field lens and the second lens array (6) would be the eye lens.
  • the plenoptic eye device (1) of the invention like a conventional eyepiece, is provided to capture a real (intermediate) image of a sample that the optical instrument generates in a focal plane located in a region close to said eye port.
  • This “near region” or proximity to the ocular port where the focal plane is generated has to do with the type of optical instrument, since, for example, in the case of a telescope, the focal plane is in the image focus of the objective of the telescope, and in the case of a microscope with a tube lens, the focal plane is in the focus image of the tube lens.
  • the eye device must be located in a region that is close to the focal plane in which the real (intermediate) image is formed to capture said real image and process it with the elements described below.
  • the invention comprises a lens array (7) coupled to the tubular element (2), located at a distance S F 'from the second lens array (6), where the position of said lens array (7) is such that it coincides with an image focus generated by the combined focusing of the first lens array (5) with the second lens array (6).
  • the lens array (7) defines a focal length f L and is configured to capture the real (enlarged) image from the optical instrument, in particular, the image provided by the combination of the first lens array (5) and the second array lens (6), generate a set of elementary images and send them to a recording medium with spatial discretization (8).
  • the lens matrix (7) comprises an array of lenses arranged on the same plane, so that the optical axes of each of the lenses are all parallel to each other and perpendicular to the plane of the lenses.
  • the lenses of the matrix are defined with a size or a period p, and a focal length f L. It is important to note that when the lens matrix (7) is a matrix of microlenses, each of the microlenses has a focal length f L, so that all focal distances form a common focal plane that is located at a focal distance also called f L. In this focal plane the recording medium with spatial discretization is preferably located (8).
  • the means of recording and spatial discretization (8) is preferably located at the second end (2B) of the body (2), such that it coincides with the focal plane of the lens matrix (7), as stated above. , and is configured to register a set of perspective images that in previous paragraphs have been referred to as elementary images, which come from the lens array (7), and to transmit said set of images to external image processing means by means of communication included in said means of registration and spatial discretization (8).
  • the means of recording and spatial discretization (8) is selected from a CMOS sensor or a CCD sensor and / or any other means of recording with spatial discretization capable of recording the set of perspective images from the matrix of lenses (7).
  • the diaphragm (4) is located in such a way and has a size that operates as a field diaphragm, which guarantees the optimal use of a sensor area of the recording medium and spatial discretization (8).
  • the communication means provided in the means of registration and spatial discretization (8) can send the registered images to the external image processing means through wired connections of the USB type, camera link, or others, or through links Wireless WiFi, ZigBee IEEE 802.15.4, bluetooth, or any other type.
  • Such image processing means can be a computer, a tablet or a Smartphone.
  • a focal length f oc of the eye device can be calculated as a whole using the classical equations of geometric optics: fFfE
  • the diameter f of the aperture of the diaphragm (4) when it is configured as a field diaphragm, and which achieves the maximum performance of the device is defined by:
  • the aperture of the diaphragm can be circular, quadrangular, rectangular, hexagonal, or polygonal in general as long as it allows to find an effective diameter f.
  • the parameters f oc , f L and p are selected to provide an increase such that the plenoptic eye device (1) produces the number of elementary images required according to the desired characteristics: the greater the number of elementary images, greater depth of field and lower resolution (and vice versa).
  • a situation that optimizes resolution and depth of field is one in which the lens matrix (7) provides a maximum of between 3 and 5 images.
  • the lens matrix (7) is two-dimensional, and may have, for example, 5x5 lenses.
  • 5x5 elementary images or, in other words, 5 elementary images along a Cartesian direction would be provided.
  • Figure 2 shows a diagram of an example of coupling the plenoptic eye device (1) in the eye port of a microscope that operates on an object 0 (x, y), where the image is captured by a lens (10) of said instrument, where said objective has at least one set of lenses to focus and produce the real image 0 '(x, y) of the object 0 (x, y) observed, and an aperture diaphragm (1 1) for regulate the amount of light.
  • the actual image provided by the optical instrument, 0 '(x, y) is formed on the plane of the diaphragm (4) of the plenoptic eye device (1).
  • the first lens array (5) and the second lens array (6) provide an image of the object 0 (x, y) at infinity, and an image of the aperture diaphragm at a distance S F 'of the second lens arrangement (6).
  • the invention also provides an optical instrument provided with at least two ocular ports, where in the first of said ocular ports the plenoptic ocular device (1) is coupled and as described hereinbefore, and in the second ocular port it is coupled and / or integrates a CCD or similar camera for capturing 2D images, where the optical instrument is configured to simultaneously or independently record 3D full-optical images with the plenoptic eye device (1) and 2D images with the CCD camera or the like.
  • This provides an optical instrument capable of providing 2D images and 3D plenoptic images of the sample at the same time or separately. It should be considered that parts of the invention, especially those corresponding to the processing of the images that arrive at the means of registration and spatial discretization (8), can be implemented in hardware, software, firmware or a combination thereof; as well as implementing multiple steps or methods in software or firmware stored in a memory and executed by an instruction execution system suitable for this purpose

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Abstract

Dispositivo ocular plenóptico (1) previsto para acoplarse en un puerto ocular de un instrumento óptico, configurado para generar una imagen real de una muestra en un plano focal ubicado en una región próxima a dicho puerto ocular; dicho dispositivo ocular plenóptico está configurado para capturar dicha imagen real, generar un conjunto de imágenes elementales y enviarlas a un medio de registro con discretización espacial (8), que a su vez comprende unos medios de comunicación configurados para transmitir el conjunto de imágenes elementales hacía unos medios de procesamiento de imágenes externos. El dispositivo ocular plenóptico (1) comprende un elemento tubular (2), un medio de acoplamiento (3), un diafragma (4), un primer arreglo de lentes (5), un segundo arreglo de lentes (6), una matriz de lentes (7) y un medio de registro con discretización espacial (8).

Description

DISPOSITIVO OCULAR PLENÓPTICO
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se encuentra relacionada con el campo de los dispositivos e instrumentos ópticos, particularmente con aquellos dispositivos accesorios que son insertables en el puerto ocular de dichos instrumentos ópticos y que están previstos para mejorar la calidad de la observación de los objetos o muestras.
ESTADO DE LA TÉCNICA
En el campo de la óptica se han desarrollado instrumentos para estudiar elementos, materiales o cuerpos celestes mejorando la imagen obtenida de los mismos y así determinar sus propiedades características.
Particularmente, la microscopía óptica ha jugado un papel clave en el desarrollo de las ciencias de la vida y los materiales. Gracias a los avances en este apartado ha sido posible, por ejemplo, estudiar enfermedades a nivel celular, lo que ha marcado el camino para el desarrollo de medicamentos y tratamientos que han salvado millones de vidas.
Convencionalmente la microscopía óptica se ha centrado en la obtención de imágenes 2D de las muestras observadas; sin embargo, en tiempos recientes, se han venido implementando microscopios que incorporan algún tipo de tecnología que permite la obtención de imágenes 3D de las muestras microscópicas.
Entre las opciones para proveer imágenes 3D de dichas muestras microscópicas se encuentran la microscopía confocal, microscopía holográfica digital, microscopía estructurada, y microscopía integral, entre otras. La microscopía integral, también llamada microscopía plenóptica o microscopía “lightfield”, tiene como principal característica la capacidad para registrar la información 3D de muestras gruesas a partir de la captura de diferentes perspectivas verticales y horizontales de la muestra en estudio. Estas perspectivas son obtenidas por medio del multiplexado espacial o temporal del campo de visión del microscopio; a partir de tales perspectivas, la información 3D de la muestra puede ser calculada utilizando algoritmos convencionales desarrollados para este fin. En la versión más compleja de microscopía integral, la serie de perspectivas verticales y horizontales de la muestra son adquiridas por medio de una matriz de microlentes ubicada en frente de un sensor digital, el cual puede ser una cámara CCD o CMOS.
Otra técnica utilizada para la captura del lightfield se basa en el uso de matrices o arreglo de cámaras. Se entiende por cámara al conjunto formado por un objetivo fotográfico y un sensor digital. Esta técnica es útil en el caso de aplicaciones en imagen macroscópica, donde el poder de resolución no está delimitado por la difracción. Sin embargo, no es recomendable su uso en microscopía, donde la difracción es el principal factor limitante del poder de resolución, ya que el tamaño del diafragma de apertura del objetivo es mucho menor que el del propio objetivo. Esto implica un poder de resolución mucho peor que el que se obtiene en el caso de usar matrices de lentes.
A pesar del desarrollo que se ha alcanzado en el campo de la microscopía integral, los sistemas para obtención de imágenes 3D que se conocen hasta el momento son esencialmente montajes voluminosos de laboratorio, cuya aplicación práctica está condicionada a la adaptación de las muestras a las condiciones que un montaje de este tipo impone.
Por lo tanto, no se han explorado opciones que permitan adaptar fácilmente un microscopio 2D para obtener imágenes 3D plenópticas.
En el estado de la técnica se encuentran dispositivos acoplables en microscopios ópticos con el fin de mejorar algunas funciones del microscopio. Por ejemplo, el modelo de utilidad de origen chino CN201344999 divulga un ocular electrónico de 30 aumentos para microscopio óptico que comprende un cañón de ocular (1) y un cuello extendido (2), que están conectados ordenadamente, en el que el extremo frontal de dicho cañón de ocular (1) está colocado con una lente de ocular I (3); el extremo posterior de dicho cilindro del ocular está colocado con una lente II del ocular (4); en la parte interna de dicho cuello extendido (2) está colocado un chip sensor de imagen (5). Preferiblemente, el sensor de imagen (5) es un sensor del tipo CCD o CMOS.
Las ventajas del dispositivo ocular revelado en este modelo de utilidad es lograr un aumento de hasta 30 veces, cambiando solamente el ocular electrónico 10 y 16 aumentos, acoplando el cañón de ocular (1) en el tubo del ocular de un microscopio óptico con una transición suave; sin embargo, este dispositivo, a pesar de ser un ocular electrónico de alto aumento, corresponde con un ocular convencional en el sentido de que no proporciona imágenes 3D. Otra divulgación de un dispositivo similar al anteriormente señalado es la solicitud de patente de origen japonés JP2017219590, la cual revela un adaptador de conexión (1) que puede conectar un sensor de imagen a un dispositivo de inspección que tenga un mecanismo óptico. El adaptador de conexión (1) incluye un cuerpo principal adaptador (4), un soporte (5) al que puede acoplarse el sensor de imagen y un soporte (5) dentro del cuerpo adaptador de montaje (4) en la dirección axial que pasa por el centro del mecanismo óptico del aparato de inspección y el centro del sensor de imagen, y un mecanismo de movimiento de montaje que permite que el miembro móvil se mueva. El mecanismo de movimiento de montaje está compuesto por una porción cilindrica exterior (6), una ranura de guía (14), un orificio alargado (15) y un pasador (16). El adaptador de conexión (1) divulgado en esta solicitud japonesa permite la unión de un sensor de formación de imágenes a un aparato de inspección provisto de un dispositivo óptico, mejorando la facilidad de uso; sin embargo, no proporciona más que una imagen 2D, en ningún caso proporciona un conjunto de escenas 3D de la muestra observada en el microscopio previsto con dicho dispositivo.
La patente invención de origen español ES 2 622 458 describe un microscopio integral, que está compuesto exclusivamente por un objetivo de microscopio, una matriz de microlentes situadas en el diafragma de apertura del objetivo de microscopio, que coincide con el plano pupilar o de Fourier, y un sensor de tipo CCD. A través de las microlentes se captan imágenes de una muestra desde diferentes perspectivas. Puede verse de esta divulgación que el microscopio es “integral”, es decir, que la tecnología allí referida está integrada en el microscopio, donde este instrumento óptico ya viene preparado para adquirir de manera simultánea imágenes de la muestra desde diferentes perspectivas y con base en éstas generar imágenes 3D de dicha muestra. Por lo tanto, el dispositivo para la formación de imágenes de la patente española referida no se puede adaptar a un microscopio convencional para convertirlo en uno del tipo plenóptico.
Como ha podido observarse a partir de la divulgación del estado de la técnica, se han previsto dispositivos acoplables al puerto ocular de instrumentos ópticos, tal como en el puerto ocular de un microscopio óptico, pero ninguno de tales dispositivos está concebido para obtener imágenes 3D plenópticas a partir de un instrumento óptico que captura imágenes de las muestras en 2D.
Por lo tanto, se hace evidente la necesidad de proporcionar un dispositivo acoplable y/o integrable en el puerto ocular de un instrumento óptico de observación subjetiva, tal como por ejemplo un microscopio óptico, donde dicho dispositivo permita obtener, en un solo disparo o toma, múltiples imágenes plenópticas de muestras 3D desde diferentes perspectivas.
DESCRIPCIÓN
Para superar las necesidades o vacíos en el estado de la técnica, la presente invención proporciona un dispositivo ocular plenóptico previsto para acoplarse en un puerto ocular de un instrumento óptico configurado para generar una imagen real de una muestra en un plano focal ubicado en una región próxima a dicho puerto ocular, el dispositivo ocular plenóptico comprende un elemento tubular que tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, un medio de acoplamiento acoplable al puerto ocular del instrumento óptico dispuesto en el primer extremo, un diafragma ubicado a una distancia SF de un primer arreglo de lentes, estando dicho diafragma y/o dicho primer arreglo de lentes ubicados con relación al plano focal del puerto ocular, siendo el plano focal del puerto ocular el plano donde se forma la imagen real proporcionada por el instrumento óptico, y el primer arreglo de lentes definiendo una distancia focal fF\ un segundo arreglo de lentes ubicado a una distancia e del primer arreglo de lentes y que define una distancia focal fE\ y una matriz de lentes ubicada a una distancia SF' del segundo arreglo de lentes, configurada para capturar la imagen real procedente del instrumento óptico, generar un conjunto de imágenes elementales y enviarlas a un medio de registro con discretización espacial, donde dicho medio de registro con discretización espacial está ubicado a una distancia fL de la matriz de lentes y comprende unos medios de comunicación configurados para transmitir el conjunto de imágenes elementales provenientes de la matriz de lentes hacía unos medios de procesamiento de imágenes externos.
En realizaciones alternativas la posición de la matriz de lentes es tal que coincide con un foco imagen generado por la focalización combinada del primer arreglo de lentes con el segundo arreglo de lentes, de manera que S
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En realizaciones preferidas la posición de la matriz de lentes es tal que coincide con un plano imagen generado por la focalización combinada del primer arreglo de lentes con el segundo arreglo de lentes, de manera que SF = rp(fE~e) y donde z es la
Figure imgf000006_0002
distancia entre la pupila de salida del instrumento óptico y el diafragma del ocular plenóptico. En otras realizaciones preferidas la matriz de lentes comprende una matriz de microlentes definida con un periodo p y que define una distancia focal fL, de manera que el medio de registro con discretización espacial está ubicado en el plano focal de la matriz de lentes definido por dicha distancia focal fL.
En otras realizaciones aún más alternativas del dispositivo ocular plenóptico, el primer arreglo de lentes y el segundo arreglo de lentes en su conjunto definen una distancia focal foc, y en donde el diafragma, cuando está configurado como un diafragma de campo, comprende una abertura circular de diámetro f, de manera que foc
Figure imgf000007_0001
f = p ·.
En realizaciones alternativas del dispositivo ocular plenóptico de la invención, los medios de comunicación del medio de registro con discretización espacial están configurados para transmitir el conjunto de imágenes por conexión alámbrica o por conexión inalámbrica.
En otras realizaciones, el instrumento óptico al que el dispositivo ocular plenóptico de la invención se puede acoplar se escoge entre un microscopio óptico, teodolitos, anteojos binoculares, otoscopios, dermatoscopios, y cualquier otro instrumento óptico provisto de al menos un puerto ocular.
La invención también prevé un instrumento óptico provisto de al menos dos puertos oculares, donde en el primero de dichos puertos oculares se acopla y/o integra el dispositivo ocular plenóptico hasta aquí descrito, y en el segundo puerto ocular se acopla y/o integra una cámara CCD o similar para la captura de imágenes 2D, donde el instrumento óptico se configura para registrar simultanea o independientemente imágenes plenópticas 3D con el dispositivo ocular plenóptico de la invención e imágenes 2D con la cámara CCD o similar.
Una de las ventajas conseguidas con la invención descrita es que el dispositivo es un elemento independiente del instrumento óptico, por lo tanto, puede ser insertado en instrumentos diferentes, siempre que éstos cuenten con un puerto ocular.
Otra de las ventajas de la invención, es que está previsto para acoplarse liberablemente en el puerto ocular del instrumento óptico. El puerto ocular es externo y fácilmente accesible, de esta manera el procedimiento de quitar o insertar el dispositivo es igual que un ocular cualquiera, que no requiere del uso de herramientas y tarda no más que unos segundos en acoplarse o retirarse. Además, al ser dispuesto en el puerto ocular, el dispositivo desarrollado es capaz de trabajar simultáneamente con la parte convencional del instrumento óptico, pudiendo aprovechar todas las utilidades del mismo, tal como en un microscopio, en el cual se puede aprovechar la facilidad de manipulación de muestras, el uso de filtros de iluminación, la utilización de sistemas de enfoque motorizados, o cualquier otro aditamento opto-mecánico.
Una ventaja adicional es que el procesamiento de las imágenes elementales para producir la requerida información 3D de la muestra es llevado a cabo con algoritmos convencionales, fácilmente incorporados en dispositivos de procesamiento externos conocidos, tal como ordenadores, tablets, smartphones, etc., por lo cual, el instrumento óptico no requiere de intervención y la aplicación del dispositivo de la presente invención es directa e inmediata.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben considerarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:
La Fig. 1 es una vista general en corte del dispositivo ocular plenóptico.
La Fig. 2 es un ejemplo de acoplamiento entre un microscopio y el dispositivo ocular plenóptico de la invención, donde, de forma esquematizada, se muestra la trayectoria que siguen los rayos de luz a través del microscopio desde la muestra hasta el dispositivo ocular plenóptico.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE UN EJEMPLO DE REALIZACIÓN
En la siguiente descripción detallada se exponen numerosos detalles específicos en forma de ejemplos para proporcionar un entendimiento minucioso de las enseñanzas relevantes. Sin embargo, resultará evidente para los expertos en la materia que las presentes enseñanzas pueden llevarse a la práctica sin tales detalles.
De acuerdo con una realización preferida, la invención revela un dispositivo ocular plenóptico (1) el cual está previsto para acoplarse en un puerto ocular de un instrumento óptico, donde tales instrumentos ópticos dotados con puerto ocular pueden escogerse entre un microscopio óptico, teodolitos, anteojos binoculares, otoscopios, dermatoscopios, y cualquier otro instrumento óptico que cuente con un puerto ocular. Según puede observarse en la figura 1 , el dispositivo ocular plenóptico (1) comprende un cuerpo en forma de elemento tubular (2) el cual se conforma como una estructura de soporte configurada para sujetar todos los componentes del dispositivo. El elemento tubular (2) comprende un primer extremo (2A), que corresponde al extremo proximal o preferiblemente orientado hacia el puerto ocular del instrumento óptico, y un segundo extremo (2B) que corresponde al extremo distal o más alejado del puerto ocular, siendo por lo tanto opuesto al primer extremo (2A). En realizaciones preferidas, el elemento tubular (2) es un cilindrico hueco, conformado a partir de plástico o metal y/o combinaciones de éstos, comprendiendo dicho elemento tubular (2) ranuras, cavidades, topes y/o similares configurados para fijar los componentes del dispositivo ocular plenóptico (1).
En el primer extremo (2A) y previsto en el elemento tubular (2) se dispone un medio de acople
(3) a puerto ocular configurado, como su nombre lo indica, para acoplar el dispositivo ocular plenóptico (1) al puerto ocular del instrumento óptico. En la realización mostrada en la figura 1 , el medio de acople (3) se configura como una porción estrecha (3A) del elemento tubular (2) con un tamaño adecuado tal que permita la inserción de dicha porción estrecha (3A) en el puerto ocular, de manera que este estrechamiento del elemento tubular (2) genera un hombro (3B) que funciona como limitador de inserción del medio de acople (3) en el puerto ocular.
Como se observa en la figura 1 , el dispositivo ocular plenóptico (1) comprende un diafragma
(4), el cual tiene por función regular la cantidad de luz que llega a un primer arreglo de lentes
(5), separado una distancia de dicho diafragma (4). La ubicación del diafragma (4) le permite ser configurado como un diafragma de campo. En realizaciones preferentes, el diafragma (4) es un diafragma de tipo iris, no siendo esta configuración preferente una limitante dentro del alcance de la invención.
Es importante aclarar que, dentro del contexto de la invención, el término arreglo de lentes puede hacer referencia a una única lente o al acoplamiento o unión de dos o más lentes alineadas sobre un mismo eje óptico, donde cada arreglo de lentes tiene sus propiedades ópticas particulares, por ejemplo, los puntos focales o focos, la longitud focal, etc.
Por otro lado, el primer arreglo de lentes (5) está ubicado a una distancia SF del diafragma (4), definiendo una distancia focal fF, y estando configurado como un arreglo de lentes de campo, de manera que el campo visual es aumentado en dicho primer arreglo de lentes (5). En realizaciones simplificadas, el primer arreglo de lentes (5) comprende una única lente de forma plano-convexa, donde la orientación de la parte convexa del lente dependerá de la posición de dicha lente con respecto del diafragma (4). En otras realizaciones el primer arreglo de lentes (5) es una combinación de dos o más lentes convexas superpuestas o unidas entre sí. Como es conocido en los oculares convencionales, este primer arreglo de lentes (5) se puede ubicar en una posición posterior al diafragma (4), es decir, en una posición en la que el diafragma (4) está ubicado primero en relación al extremo (2A) que el primer arreglo de lentes (5), o se puede ubicar en una posición anterior al diafragma (4) en primer lugar con respecto al extremo (2A). En el primero de estos casos, como el enseñado en la figura 1 , el dispositivo ocular plenóptico (1) está configurado como uno del tipo“positivo”, donde la parte convexa se orienta hacia el extremo (2B), mientras que en el segundo caso (no ilustrado) el dispositivo ocular está configurado como uno del tipo negativo, donde la parte convexa del arreglo de lentes se orienta hacia el extremo (2A).
Por otro lado, y como también se ve en la figura 1 , el dispositivo ocular plenóptico (1) comprende un segundo arreglo de lentes (6) que se ubica a una distancia e del primer arreglo de lentes (5) y define una distancia focal fE. Este segundo arreglo de lentes (6), en su realización más simple, comprende una sola lente de forma plano-convexa, donde la parte convexa del lente se orienta hacia el puerto ocular. En otras realizaciones, el segundo arreglo de lentes (6) es una combinación de dos o más lentes convexas superpuestas o unidas entre sí.
Los elementos que se han descrito hasta este punto hacen parte o conformarían un dispositivo ocular convencional como es comúnmente conocido. De esta manera el primer arreglo de lentes (5) sería la denominada lente de campo y el segundo arreglo de lentes (6) sería la lente de ojo.
Es de destacar que el dispositivo ocular plenóptico (1) de la invención, al igual que un ocular convencional, está previsto para capturar una imagen real (intermedia) de una muestra que el instrumento óptico genera en un plano focal ubicado en una región próxima a dicho puerto ocular. Esta“región próxima” o proximidad al puerto ocular donde se genera el plano focal tiene que ver con el tipo de instrumento óptico, puesto que, por ejemplo, en el caso de un telescopio, el plano focal está en el foco imagen del objetivo del telescopio, y en el caso de un microscopio con lente de tubo, el plano focal está en el foco imagen de la lente de tubo. Por este motivo, el dispositivo ocular debe estar ubicado en una región que es próxima al plano focal en el que se forma la imagen real (intermedia) para capturar dicha imagen real y procesarla con los elementos que se describirán a continuación. Como puede verse en la figura 1 , la invención comprende una matriz de lentes (7) acoplada al elemento tubular (2), ubicada a una distancia SF' del segundo arreglo de lentes (6), donde la posición de dicha matriz de lentes (7) es tal que coincide con un foco imagen generado por la focalización combinada del primer arreglo de lentes (5) con el segundo arreglo de lentes (6). La matriz de lentes (7) define una distancia focal fL y está configurada para capturar la imagen real (aumentada) proveniente del instrumento óptico, en particular, la imagen proporcionada por la combinación del primer arreglo de lentes (5) y el segundo arreglo de lentes (6), generar un conjunto de imágenes elementales y enviarlas a un medio de registro con discretización espacial (8).
En realizaciones preferidas, la matriz de lentes (7) comprende una matriz de lentes dispuestas sobre un mismo plano, de forma que los ejes ópticos de cada una de las lentes son todos paralelos entre sí y perpendiculares al plano de las lentes. Las lentes de la matriz están definidas con un tamaño o un periodo p, y una distancia focal fL. Es importante destacar que cuando la matriz de lentes (7) es una matriz de microlentes, cada una de la microlentes tiene una distancia focal fL, de manera que todas las distancias focales forman un plano focal común que se encuentra ubicado a una distancia focal también denominada fL. En este plano focal se ubica preferiblemente el medio de registro con discretización espacial (8).
El medio de registro y discretización espacial (8) se encuentra preferiblemente ubicado en el segundo extremo (2B) del cuerpo (2), de tal manera que coincide con el plano focal de la matriz de lentes (7), como se ha dicho anteriormente, y está configurado para registrar un conjunto de imágenes en perspectiva que en párrafos anteriores se han denominado como imágenes elementales, las cuales provienen de la matriz de lentes (7), y para transmitir dicho conjunto de imágenes hacía unos medios de procesamiento de imágenes externos mediante unos medios de comunicación comprendidos en dicho medio de registro y discretización espacial (8).
En realizaciones preferentes, el medio de registro y discretización espacial (8) se selecciona a partir de un sensor CMOS o un sensor CCD y/o cualquier otro medio de registro con discretización espacial capaz de registrar el conjunto de imágenes en perspectiva provenientes de la matriz de lentes (7). A su vez, el diafragma (4) está ubicado de tal manera y tiene un tamaño tal que opera como un diafragma de campo, lo cual garantiza el aprovechamiento óptimo de un área sensora del medio de registro y discretización espacial (8). Los medios de comunicación previstos en el medio de registro y discretización espacial (8) pueden enviar las imágenes registradas hacia los medios de procesamiento de imágenes externos a través de conexiones alámbricas del tipo USB, camera link, u otras, o bien por medio de enlaces inalámbricos tipo WiFi, ZigBee IEEE 802.15.4, bluetooth, o de cualquier otro tipo. Tales medios de procesamiento de imágenes pueden ser un ordenador, una tableta o un Smartphone.
Es importante destacar que para lograr el máximo aprovechamiento del dispositivo ocular plenóptico (1) de la invención, tanto en resolución como en campo visual, se han establecido unas expresiones matemáticas que permiten establecer el diámetro f de la abertura del diafragma (4), cuando dicho diafragma (4) se configura como diafragma de campo, de manera tal que el conjugado del diámetro f a través de los arreglos de lentes posteriores, es decir, a través del primer arreglo de lentes (5) y del segundo arreglo de lentes (6) tenga el tamaño de la matriz de lentes (7).
Teniendo en cuenta que, como se ha definido en párrafos anteriores, e es la distancia entre el primer arreglo de lentes (5) y el segundo arreglo de lentes (6), fF la distancia focal del primer arreglo de lentes (5) y fE la distancia focal del segundo arreglo de lentes (6), se puede calcular una distancia focal foc del dispositivo ocular como conjunto haciendo uso de las ecuaciones clásicas de la óptica geométrica: fFfE
foc (
ÍF+ÍE-e 1)
También es posible calcular la posición del plano focal objeto SF, es decir, la distancia entre el primer arreglo de lentes (5) y el diafragma (4)
Figure imgf000012_0001
y la posición del plano focal imagen SF' , es decir, la distancia entre el segundo arreglo de lentes (6) y la matriz de lentes (7)
Figure imgf000012_0002
Donde z es la distancia desde la pupila de salida del instrumento óptico hasta el diafragma del ocular.
Ahora bien, el diámetro f de la abertura del diafragma (4), cuando este se configura como diafragma de campo, y que consigue el máximo rendimiento del dispositivo se halla definido por:
F = R g (4)
Es importante anotar que al referirse a diámetro f se hace referencia al diámetro efectivo, ya que la abertura del diafragma puede ser circular, cuadrangular, rectangular, hexagonal, o poligonal en general siempre que permita hallar un diámetro f efectivo.
De acuerdo con lo anterior, los parámetros foc, fL y p se seleccionan para brindar un aumento tal que el dispositivo ocular plenóptico (1) produzca el número de imágenes elementales requeridas de acuerdo con las características deseadas: a mayor número de imágenes elementales, mayor profundidad de campo y menor resolución (y viceversa). Una situación que optimiza la resolución y la profundidad de campo es aquella en la que la matriz de lentes (7) proporciona un máximo de entre 3 y 5 imágenes.
En las realizaciones mostradas, la matriz de lentes (7) es bidimensional, pudiendo tener, por ejemplo, 5x5 lentes. En tal caso se proporcionaría 5x5 imágenes elementales o, dicho de otra manera, 5 imágenes elementales a lo largo de una dirección cartesiana.
En la figura 2 se presenta un esquema de un ejemplo de acoplamiento del dispositivo ocular plenóptico (1) en el puerto ocular de un microscopio que opera sobre un objeto 0(x, y), donde la imagen es captada por un objetivo (10) de dicho instrumento, donde dicho objetivo tiene, al menos, un conjunto de lentes para enfocar y producir la imagen real 0'(x, y) del objeto 0(x, y) observado, y un diafragma de apertura (1 1) para regular la cantidad de luz. La imagen real proporcionada por el instrumento óptico, 0'(x, y), se forma sobre el plano del diafragma (4) del dispositivo ocular plenóptico (1). Como se observa en la citada figura, el primer arreglo de lentes (5) y el segundo arreglo de lentes (6) proporcionan una imagen del objeto 0(x, y) en el infinito, y una imagen del diafragma de apertura a una distancia SF' del segundo arreglo de lentes (6). La invención también proporciona un instrumento óptico provisto de al menos dos puertos oculares, donde en el primero de dichos puertos oculares se acopla y/o integra el dispositivo ocular plenóptico (1) hasta acá descrito, y en el segundo puerto ocular se acopla y/o integra una cámara CCD o similar para la captura de imágenes 2D, donde el instrumento óptico se configura para registrar simultanea o independientemente imágenes plenópticas 3D con el dispositivo ocular plenóptico (1) e imágenes 2D con la cámara CCD o similar. De esta manera se provee un instrumento óptico capaz de proporcionar imágenes 2D e imágenes plenópticas 3D de la muestra al tiempo o separadamente. Hay que considerar que partes de la invención, especialmente las correspondientes al procesamiento de las imágenes que llegan al del medio de registro y discretización espacial (8), pueden implementarse en hardware, software, firmware o una combinación de los mismos; así como implementar múltiples pasos o métodos en software o firmware almacenado en una memoria y ejecutado por un sistema de ejecución de instrucciones adecuado para tal fin

Claims

REVINDICACIONES
1. Dispositivo ocular plenóptico (1) previsto para acoplarse en un puerto ocular de un instrumento óptico configurado para generar una imagen real de una muestra en un plano focal ubicado en una región próxima a dicho puerto ocular, estando el dispositivo ocular plenóptico (1) caracterizado porque comprende: un elemento tubular (2) que tiene un primer extremo (2A) y un segundo extremo (2B) opuesto al primer extremo (2A);
un medio de acoplamiento (3) acoplable al puerto ocular del instrumento óptico dispuesto en el primer extremo (2A);
un diafragma (4) ubicado a una distancia SF de un primer arreglo de lentes (5), estando dicho diafragma (4) y/o dicho primer arreglo de lentes (5) ubicados con relación al plano focal del puerto ocular, y el primer arreglo de lentes (5) que define una distancia focal fF\
un segundo arreglo de lentes (6) ubicado a una distancia e del primer arreglo de lentes (5) y que define una distancia focal fE\ y
una matriz de lentes (7) ubicada a una distancia SF' del segundo arreglo de lentes (6), y configurada para capturar la imagen real procedente del instrumento óptico, generar un conjunto de imágenes elementales y enviarlas a un medio de registro con discretización espacial (8); donde dicho medio de registro con discretización espacial (8) está ubicado a una distancia fL de la matriz de lentes (7) y comprende unos medios de comunicación configurados para transmitir el conjunto de imágenes elementales provenientes de la matriz de lentes (7) hacia unos medios de procesamiento de imágenes externos.
2. Dispositivo ocular plenóptico (1) según reivindicación 1 , donde la posición de la matriz de lentes (7) es tal que coincide con un foco imagen generado por la focalización combinada del primer arreglo de lentes (5) con el segundo arreglo de lentes (6), de manera que
Figure imgf000015_0001
3. Dispositivo ocular plenóptico (1) según reivindicación 1 , donde la posición de la matriz de lentes (7) es tal que coincide con un plano imagen generado por la focalización combinada del primer arreglo de lentes (5) con el segundo arreglo de lentes (6), de manera que
Figure imgf000016_0001
siendo z la distancia desde la pupila de salida del instrumento óptico hasta el diafragma del ocular.
4. Dispositivo ocular plenóptico (1) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, donde la matriz de lentes (7) comprende una matriz de microlentes definida con un periodo p y que define una distancia focal fL, de manera que el medio de registro con discretización espacial (8) está ubicado en un plano focal de la matriz de lentes (7) definido por dicha distancia focal fL.
5. Dispositivo ocular plenóptico (1) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes donde el dispositivo ocular formado por el primer arreglo de lentes (5) y el segundo arreglo de lentes (6) en su conjunto define una distancia focal foc, y donde el diafragma (4), cuando está configurado como diafragma de campo, comprende una abertura circular, cuadrada o hexagonal, de diámetro efectivo f, de manera que
ÍFÍE
toe =
ÍF+ÍE-e <P = vfL
6. Dispositivo ocular plenóptico (1) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes donde: los medios de comunicación del medio de registro con discretización espacial (8) están configurados para transmitir el conjunto de imágenes por conexión alámbrica o por conexión inalámbrica.
7. Dispositivo ocular plenóptico (1) según cualquiera de las reivindicaciones precedentes donde el instrumento óptico se escoge entre un microscopio óptico, teodolitos, anteojos binoculares, otoscopios, dermatoscopios, y cualquier otro instrumento óptico provisto de al menos un puerto ocular.
8. Instrumento óptico provisto de al menos dos puertos oculares, donde en el primero de dichos puertos oculares se acopla y/o integra el dispositivo ocular plenóptico (1) de las reivindicaciones 1 a 6, y en el segundo puerto ocular se acopla y/o integra una cámara CCD o similar para la captura de imágenes 2D, donde el instrumento óptico se configura para registrar simultanea o independientemente imágenes plenópticas 3D con el dispositivo ocular plenóptico (1) e imágenes 2D con la cámara CCD o similar.
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