WO2020245488A1 - Sistema óptico de estabilización y método para mejora de la señal en medidas espectrometrícas sometidas a fluctuación mecánica - Google Patents

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WO2020245488A1
WO2020245488A1 PCT/ES2020/070375 ES2020070375W WO2020245488A1 WO 2020245488 A1 WO2020245488 A1 WO 2020245488A1 ES 2020070375 W ES2020070375 W ES 2020070375W WO 2020245488 A1 WO2020245488 A1 WO 2020245488A1
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detector
optical axis
measuring instrument
instrument
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PCT/ES2020/070375
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Inventor
Santiago PALANCO LÓPEZ
José Ramón RAMOS BARRADO
Original Assignee
Universidad De Málaga
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector

Definitions

  • the present invention falls within the technical field corresponding to measurement instrumentation using spectrometric techniques and, more specifically, in field measurement techniques, when the sample or the measuring instrument is subject to vibrations or other external mechanical fluctuations.
  • the invention describes, in this context, an optical system and a method that make it possible to improve the signals generated by optical spectrometry instruments subjected to said mechanical fluctuations.
  • the improvement of the signal-to-noise ratio (or "S / N", from the English “Signal to Noise") by accumulating the signals from light sources is a common and well-known practice in the state of the art.
  • the associated noise (N) has an essentially random or Gaussian component, equal to the standard deviation (SD) of the number of photons (n) that reaches the detector and which corresponds to the square root of said number :
  • the accumulation or the averaging of the signals allows to improve the signal-to-noise ratio, so that:
  • the present invention makes it possible to solve this need, thanks to a novel stabilization optical system and a method for improving the signal in spectral measurements that incorporates said system.
  • the present invention aims to provide a system and a method associated with it, which make it possible to obtain a series or succession of optical signals with spectral information, coming from the same point or region of a distant sample of the measuring instrument used.
  • the unequivocal linking of said spectral information to the point or region of the sample allows, among others:
  • Said object of the invention is carried out, preferably, by means of an optical stabilization system of an instrument for taking spectrometric measurements of a sample, which comprises an image detector corresponding to a total or partial field of vision of said sample.
  • said system comprises a light collecting element and two optical axes where, in a first optical axis, the light collecting element has an input focal length and an output focal length, such that the system can project images of the sample. on the image detector, smaller or equal in size than the smallest dimension of the detector; and where, in a second optical axis, the light collecting element has an output focal distance, measured along said second optical axis, which is located substantially at the input point of the measuring instrument for which it is intended to stabilize its mechanical fluctuation.
  • the system is monoaxial and comprises a light collecting element and a beam separating element, and where the beam separating element is arranged between the collecting element and the image detector; where the light collecting element has an input focal length and an output focal length, such that the system can project images of the sample onto the detector of a size less than or equal to the smallest dimension of the image detector; and where the beam separator element is adapted to separate part of the light from the sample in a first optical axis, where said light contains spectral information and is directed, when separated, towards a second optical axis substantially perpendicular to the first optical axis, so that the output focal length measured along the second optical axis is located substantially at the input point of the measuring instrument for which it is intended to stabilize its mechanical fluctuation.
  • the optical system is of the biaxial type (that is, it comprises at least two independent optical axes), the light collecting element being arranged on said optical axes.
  • the image detector comprises a matrix detector or a camera.
  • the light collecting element comprises a converging lens or a concave mirror.
  • the beam separator element comprises a dichroic mirror.
  • the detector is arranged on the first optical axis in a plane substantially perpendicular thereto.
  • the system comprises a computer for recording, storing and / or processing spectral information of the light that reaches the spectrometric measuring instrument, and information associated with the images captured by the detector and, more specifically, the spectral information and the coordinates of the measurement position in the sample.
  • the system further comprises a screen configured to graphically represent the results associated with the information recorded, stored or processed by the computer.
  • the term "computer” will be interpreted as any means of computing or computer, whether, without limitation, a personal computer, a processor, a microprocessor or the like with recording, storage and / or capacity. or information processing.
  • the term "screen” will be interpreted as any means of representation of said information, or information derived from it, by graphic means. This includes, without limitation, a monitor, a television, a graphic panel or any similar means with the capacity to represent information graphically.
  • the measuring instrument comprises a fluorescence or emission spectrometer.
  • the system comprises a source of fluorescence excitation or emission of the sample. More preferably, the excitation source is arranged collinear to the first optical axis.
  • the system is comprised of a vehicle.
  • the system comprises optomechanics for holding the same, wherein said optomechanics is metallic and / or comprises a machinable polymer.
  • the present invention refers to a method of stabilizing an instrument for taking spectrometric measurements of a sample, which comprises the use of said instrument in combination with a system according to any of the embodiments described in the present document. .
  • said method comprises carrying out, in any technically possible order, the following steps:
  • the present invention relates to the use of a system or a method according to any of the embodiments described in the present document, in laser ablation techniques to obtain extended information of a zone of the sample, on the surface and / or or in depth.
  • Figure 1 shows an optical stabilization system according to a preferred embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows a flow chart of the method of the invention, in a preferred embodiment of the same corresponding to a control algorithm.
  • Figure 3 shows a first example of use of the invention, where a measuring instrument is mounted on a vehicle, to perform fluorescence or atomic emission measurements on a plant sample located within the field of view of said instrument.
  • Figure 4 shows a second example of the system of the invention, in a preferred embodiment thereof, where said system comprises a spectrometer for use in remote measurements.
  • FIG. 1 shows a schematic example of the optical stabilization system (1) of the invention, in a preferred embodiment thereof applied to an image detector (2) (for example, a matrix detector).
  • the optical system (1) preferably comprises a light collecting element (3) (comprising said element (3), for example, a lens or a concave mirror) and a beam separator element (4) (for example, a dichroic mirror), which share a first optical axis (5).
  • the light collector element (3) has an input focal length (6) and an output focal length (7) such that the system can project an image (8) of a size smaller than or equal to the matrix detector (2). the smallest dimension of the matrix detector (2).
  • Said image (8) preferably corresponds to a total or partial field of view (9) of a sample (10) under inspection.
  • the dimensions of the field of view (9) correspond to the amplitude of the fluctuation to be stabilized.
  • the optical system (1) of the invention is, therefore, of the monoaxial type (that is, where the combination of lenses, mirrors or other optical elements of the system (1) that allow to collect light and image are arranged on the first optical axis (5)).
  • said system (1) may have other configurations, being for example of the biaxial type, its optical elements being arranged on separate axes.
  • a monoaxial configuration it is possible to use, for example, two collinear optical subsystems, which share one or more elements such as lenses and / or mirrors, and which require a separation optics or beam splitter.
  • the monoaxial type implementations are considered advantageous compared to the biaxial ones, since the latter present errors of parallax before variations of the distance with the sample (10). That is, an optical system (1) of the monoaxial type avoids parallax errors and, therefore, the need to correct them.
  • the relationship between the input (6) and output (7) focal lengths of the light collecting element (3) and the dimensions of the field of view (9) (equivalent to fluctuation) and the size of the matrix detector (2) (equivalent to the corresponding image (8)) is given by the following equation:
  • the separating element (4) is preferably located between the collecting element (3) and the matrix detector (2), to separate part of the light from the first optical axis (5) towards a second optical axis (5 '), substantially perpendicular to the first optical axis (5).
  • the matrix detector (2) is arranged on the first optical axis (5), in a plane substantially perpendicular to it.
  • the second optical axis (5 ') contains the purely spectral information of the sample (10), the output focal distance (7) being measured along the second optical axis (5') the point where the pupil or entrance slit (11) of the measuring instrument (12) must be located for which it is intended to stabilize its mechanical fluctuation.
  • the spectral information originates in the center of the field of view (9), in the optical axis (5) of the element sensor (3), whereby its image (8) is formed on the detector (2) located in the focal plane of said sensor (3), at the output focal distance (7) on the first optical axis (5) .
  • the spectral information from the center of the field of view (9) is captured by the pick-up element (3) and directed by the separator (4) to the entrance pupil (11) of the measuring instrument (12), also located at the exit focal distance (7) of said sensor (3), measured on the second optical axis (5 ').
  • the mechanical fluctuation itself allows, through successive measurements, the acquisition of the spectral signal from different points on the surface of the sample (10), including in the field of view (9) of the pick-up element (3).
  • the procedure of the invention is based on the iteration of the measurement of the signal associated with the coordinates of the center of the field (9) on the sample (10), as well as the storage of the information related to the spectrum together with said coordinates , generating spectral data that allow averaging the different spectra or signals from a certain point of interest in the sample (10), with a required S / N confidence level. Therefore, it will be this confidence level that determines, preferably in real time, the number of iterations to be carried out in each case.
  • the method comprises the following steps (as represented schematically in Figure 2):
  • the procedure comprises capturing an image (8) of the sample (10) with the matrix detector (2), generating and recording the spectral signal from the sample (10) with the measuring instrument (12).
  • Said sub-stages that is, image capture (8), generation and recording of spectral signal
  • the captured image (8) is subjected to a recognition process to obtain the position (9 ') on the surface of the sample (10) of the field (9) observed by the matrix detector (2) and associate its coordinates to the spectral information recorded by the measuring instrument (12).
  • the process of recognition and determination of the position (9 ') can be carried out both by exclusively analyzing the information contained in the image itself (8), and through other auxiliary means, such as for example gyroscopic, inclinometric, inertial or similar information.
  • the results obtained are stored by a computer (13) (see Figure 4), linking the spectral information to the coordinates of the measurement position (9 ') in the sample (10).
  • the newly acquired spectral signal is averaged with that obtained from previous measurements on the same coordinates of the sample (10) and, optionally, the results are graphically represented by a screen (14) (see Figure 4).
  • a screen (14) see Figure 4
  • the association of spectral information to the position (9 ') and to its ordinal position in the series of spectra makes it possible to take advantage of the fluctuation to obtain extended information from an area of the sample (10), both in surface and depth.
  • the stabilization optical system (1) is integrated into a fluorescence or emission spectrometer, which acts as a measurement instrument (12), mounted on a vehicle (15) with the In order to improve the signal affected by the oscillations of said vehicle (15), even when it is stopped.
  • the sample (10) located within the field of view (9) of the measuring instrument (12) can be at rest or oscillate due to external agents, these being predictable or not.
  • the stabilization optical system (1) is integrated into a spectrometer, which acts as a measuring instrument (12), for use in remote measurements, where an excitation source ( 16), collinear to the optical axis (5) in the example, it excites the fluorescence or the emission of an analyte from the sample (10) that is captured by a concave mirror that acts as the capture element (3) of Figure 1 Likewise, a dichroic mirror, which acts as a separating element (4), reflects the part of the spectrum with analytical interest towards the entrance slit (1 1) of a spectrometer (12), while the rest of the light is transmitted by the separator (4) towards a camera that acts as a detector (2) in Figure 1.
  • a computer (13) executes a computer program that implements the procedure of the invention (for example, the steps of Figure 2) and presents the results on a monitor (15).
  • the optomechanics for holding the different optical elements of the system (1) can be metallic or it can be made of any machinable polymer that maintains the rigidity and, therefore, the alignment of said optical elements within their design tolerance.

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Abstract

La presente invención se engloba en el campo de la instrumentación de medida por técnicas especirométricas y, concretamente, en la medida en campo cuando la muestra (10) o el instrumento de medida (12) están sometidos a fluctuaciones mecánicas. La invención se refiere, así, a un sistema (1) y a un método para mejorar la señal generada por instrumentos de espectrometría óptica y permite obtener una serie o sucesión de señales ópticas con información espectral, procedente de un mismo punto de una muestra (10) distante del instrumento de medida (12). La vinculación de una serie de datos espectrales asociados a un único punto de la muestra (10) permite, entre otros, descartar interferencias en la medida por información procedente de otros puntos de la muestra (10) y mejorar el límite de detección asociado a la precisión de la medida, mediante acumulación de medidas individuales provenientes de un mismo punto de la muestra (10).

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA ÓPTICO DE ESTABILIZACIÓN Y MÉTODO PARA MEJORA DE LA SEÑAL EN MEDIDAS ESPECTROMETRÍCAS SOMETIDAS A FLUCTUACIÓN MECÁNICA
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se engloba en el campo técnico correspondiente a la instrumentación de medida mediante técnicas espectrométricas y, más concretamente, en las técnicas de medida en campo, cuando la muestra o el instrumento de medida se encuentran sometidos a vibraciones u otras fluctuaciones mecánicas externas. La invención describe, en este contexto, un sistema óptico y un método que permiten mejorar las señales generadas por instrumentos de espectrometría óptica sometidos a las citadas fluctuaciones mecánicas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La mejora de la relación señal-ruido (o “S/N”, del inglés “Signal to Noise”) por acumulación de las señales procedentes de fuentes de luz es una práctica común y bien conocida en el estado de la técnica. En este tipo de señales, el ruido asociado (N) tiene una componente esencialmente aleatoria o gaussiana, igual a la desviación estándar (SD) del número de fotones (n) que llega al detector y que se corresponde con la raíz cuadrada de dicho número:
N SD = Vñ. (Ec. 1)
Por tanto, la acumulación o el promediado de las señales permite mejorar la relación señal-ruido, de modo que:
S/N = ^= = fc, (Ec. 2) lo que implica que la relación S/N mejora con la raíz cuadrada del número de fotones detectados. Aunque existen otras fuentes de ruido (centelleo, Johnson, etc.) que, por distintos motivos, limitan la mejora de la relación S/N, muchas técnicas ópticas de medida se sirven de este recurso para reducir la incertidumbre de la medida. Con este fin, todas estas técnicas extienden los tiempos de medida o promedian las señales adquiridas de distintos eventos, asumiendo que la muestra permanecerá invariante a lo largo de todo el tiempo de medida o de la serie de eventos muestreada. Sin embargo, esto no ocurre cuando la muestra no es homogénea y esta misma o el instrumento de medida utilizado se encuentran en movimiento. En estos casos, lejos de lograr una reducción de la incertidumbre, el promediado de la señal convoluciona las medidas individuales obtenidas en puntos distintos de la muestra. Por tanto, una fluctuación mecánica o movimiento relativo entre el instrumento de medida y la muestra a medir hacen inviable la mejora de la relación S/N por promediado de medidas individuales y, con ello, imposibilita el uso de un número de técnicas ópticas de caracterización que emplean este recurso. Un estudio detallado de las fuentes de ruido se proporciona, por ejemplo, en las referencias“Spectrochemical Analysis” (J.D. Ingle y S.R. Crouch, Prentice Hall, 1988) y“Principies of Instrumental Analysis” (D.A. Skoog y D.M. West, Wadsworth Publishing Co. Inc., 1997).
A la luz de las anteriores limitaciones y problemas del estado de la técnica se hace necesario, por tanto, proporcionar nuevos métodos de medida de señales procedentes de fuentes de luz en una muestra que posean una baja relación S/N, y que presenten una baja afectación ante vibraciones u otras fluctuaciones mecánicas externas.
La presente invención permite resolver dicha necesidad, gracias a un novedoso sistema óptico de estabilización y a un método para mejora de la señal en medidas espectrales que incorpora dicho sistema.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN
Para resolver los problemas del estado de la técnica anteriormente descritos, la presente invención tiene por objeto proporcionar un sistema y un método asociado al mismo, que permiten obtener una serie o sucesión de señales ópticas con información espectral, procedentes de un mismo punto o región de una muestra distante del instrumento de medida empleado. La vinculación inequívoca de dicha información espectral al punto o región de la muestra permite, entre otras:
- Descartar interferencias en la medida procedentes de la información correspondiente a otros puntos o regiones de la muestra.
- Mejorar el límite de detección asociado a la precisión de la medida, por acumulación de medidas individuales provenientes de un mismo punto de la muestra.
- Caracterizar la muestra en profundidad, por ejemplo cuando se emplean técnicas de ablación con láser. Cada medida de la serie corresponderá a una profundidad creciente bajo la superficie de la muestra si las medidas se realizan sobre un mismo punto o región.
Dicho objeto de la invención se realiza, preferentemente, mediante un sistema óptico de estabilización de un instrumento para la toma de medidas espectrométricas de una muestra, que comprende un detector de imágenes correspondientes a un campo de visión total o parcial de dicha muestra.
Ventajosamente, dicho sistema comprende un elemento captador de luz y dos ejes ópticos donde, en un primer eje óptico, el elemento captador de luz posee una distancia focal de entrada y una distancia focal de salida, tales que el sistema puede proyectar imágenes de la muestra sobre el detector de imágenes, de tamaño menor o igual que la menor dimensión del detector; y donde, en un segundo eje óptico, el elemento captador de luz posee una distancia focal de salida, medida a lo largo de dicho segundo eje óptico, que está situada sustancialmente en el punto de entrada del instrumento de medida para el que se pretende estabilizar su fluctuación mecánica.
En una realización preferente de la invención, el sistema es monoaxial y comprende un elemento captador de luz y un elemento separador de haz, y donde el elemento separador de haz está dispuesto entre el elemento captador y el detector de imágenes; donde el elemento captador de luz posee una distancia focal de entrada y una distancia focal de salida, tales que el sistema puede proyectar imágenes de la muestra sobre el detector de tamaño menor o igual que la menor dimensión del detector de imágenes; y donde el elemento separador de haz está adaptado para separar parte de la luz procedente de la muestra en un primer eje óptico, donde dicha luz contiene información espectral y se dirige, al separarse, hacia un segundo eje óptico sustancialmente perpendicular al primer eje óptico, de forma que la distancia focal de salida medida a lo largo del segundo eje óptico está situada sustancialmente en el punto de entrada del instrumento de medida para el que se pretende estabilizar su fluctuación mecánica.
En otra realización preferente de la invención, el sistema óptico es de tipo biaxial (es decir, comprende al menos dos ejes ópticos independientes), estando el elemento captador de luz dispuesto sobre dichos ejes ópticos.
En otra realización preferente de la invención, el detector de imágenes comprende un detector matricial o una cámara. En otra realización preferente de la invención, el elemento captador de luz comprende una lente convergente o un espejo cóncavo.
En otra realización preferente de la invención, el elemento separador de haz comprende un espejo dicroico.
En otra realización preferente de la invención, el detector se dispone sobre el primer eje óptico en un plano sustancialmente perpendicular al mismo.
En otra realización preferente de la invención, el sistema comprende un ordenador para el registro, almacenamiento y/o procesamiento de información espectral de la luz que alcanza el instrumento de medida espectrométrica, y de información asociada a las imágenes captadas por el detector y, más concretamente, a la información espectral y a las coordenadas de la posición de medida en la muestra. Preferentemente, el sistema comprende además una pantalla configurada para representar gráficamente los resultados asociados a la información registrada, almacenada o procesada por el ordenador. En el contexto de la presente invención, el término “ordenador” se interpretará como cualquier medio de computación o computador, ya sea, sin limitación, un ordenador de tipo personal, un procesador, un microprocesador o similar con capacidad de registro, almacenamiento y/o procesamiento de información. Asimismo, el término“pantalla” se interpretará como cualquier medio de representación de dicha información, o de información derivada de la misma, por medios gráficos. Ello incluye, sin limitación, un monitor, una televisión, un panel gráfico o cualquier medio similar con capacidad de representación gráfica de información.
En otra realización preferente de la invención, el instrumento de medida comprende un espectrómetro de fluorescencia o de emisión.
En otra realización preferente de la invención, el sistema comprende una fuente de excitación de fluorescencia o emisión de la muestra. Más preferentemente, la fuente de excitación se dispone colinealmente al primer eje óptico.
En otra realización preferente de la invención, el sistema está comprendido en un vehículo. En otra realización preferente de la invención, el sistema comprende optomecánica de sujeción del mismo, donde dicha optomecánica es metálica y/o comprende un polímero mecanizable.
En un segundo aspecto, la presente invención se refiere a un método de estabilización de un instrumento para la toma de medidas espectrométricas de una muestra, que comprende el uso de dicho instrumento en combinación con un sistema según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento.
Ventajosamente, dicho método comprende la realización, en cualquier orden técnicamente posible, de las siguientes etapas:
- Capturar una imagen de la muestra con el detector y registrar la señal espectral procedente de la muestra con el instrumento de medida.
- Procesar y reconocer la imagen capturada para obtener la posición en la superficie de la muestra del campo de visión observado por el detector y asociar sus coordenadas a la información espectral registrada por el instrumento de medida.
- Almacenar los resultados obtenidos en el paso anterior mediante un ordenador, relacionando la información espectral con las coordenadas de la posición de medida en la muestra.
- Repetir los pasos anteriores una pluralidad de veces hasta alcanzar un determinado nivel de confianza S/N, y promediar la información espectral adquirida con las medidas realizadas sobre las mismas coordenadas de la muestra.
En un tercer aspecto, la presente invención se refiere al uso de un sistema o de un procedimiento según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento, en técnicas de ablación láser para obtener información extendida de una zona de la muestra, en superficie y/o en profundidad.
Las realizaciones anteriores no han de entenderse como limitativas del ámbito de protección de la invención, comprendiendo dicho ámbito cualquier combinación técnicamente posible de las mismas, siempre que estas no resulten mutuamente excluyentes.
Asimismo, la expresión“sustancialmente” o“aproximadamente”, aplicada a cualquiera de los términos empleados en el presente documento, se entenderá como idéntica o comprendida en un margen de variación de un 10% superior o inferior. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las anteriores y otras características y ventajas se comprenderán más plenamente a partir de la descripción detallada de la invención, así como de los ejemplos de realización preferente referidos a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 muestra un sistema óptico de estabilización según una realización preferente de la invención. La Figura 2 muestra un diagrama de flujo del método de la invención, en una realización preferente de la misma correspondiente a un algoritmo de control.
La Figura 3 muestra un primer ejemplo de uso de la invención, donde un instrumento de medida se encuentra montado sobre un vehículo, para realizar medidas de fluorescencia o emisión atómica en sobre una muestra vegetal localizada dentro del campo de visión de dicho instrumento.
La Figura 4 muestra un segundo ejemplo del sistema de la invención, en una realización preferente de la misma, donde dicho sistema comprende un espectrómetro para su uso en medidas a distancia.
Listado de referencias numéricas de las figuras:
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DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Se expone, a continuación, una descripción detallada de la invención referida a diferentes realizaciones preferentes de la misma, basadas en las Figuras 1-4 del presente documento. Dicha descripción se aporta con fines ilustrativos, pero no limitativos de la invención reivindicada.
La Figura 1 muestra un ejemplo esquemático del sistema (1) óptico de estabilización de la invención, en una realización preferente de la misma aplicada a un detector (2) de imágenes (por ejemplo, un detector matricial). El sistema (1) óptico comprende, preferentemente, un elemento (3) captador de luz (comprendiendo dicho elemento (3), por ejemplo, una lente o un espejo cóncavo) y un elemento (4) separador de haz (por ejemplo, un espejo dicroico), que comparten un primer eje óptico (5). El elemento (3) captador de luz posee una distancia focal de entrada (6) y una distancia focal de salida (7) tales que el sistema puede proyectar sobre el detector matricial (2) una imagen (8) de tamaño menor o igual que la menor dimensión del detector matricial (2). Dicha imagen (8) corresponde, preferentemente, a un campo de visión (9) total o parcial de una muestra (10) bajo inspección. Las dimensiones del campo de visión (9) corresponden a la amplitud de la fluctuación que se pretende estabilizar.
Preferentemente, el sistema óptico (1) de la invención es, por tanto, de tipo monoaxial (es decir, donde la combinación de lentes, espejos u otros elementos ópticos del sistema (1) que permiten recoger luz e imagen se encuentran dispuestos sobre el primer eje óptico (5)). No obstante, en otras realizaciones de la invención, dicho sistema (1) puede presentar otras configuraciones, siendo por ejemplo de tipo biaxial, estando sus elementos ópticos dispuestos en ejes separados. En una configuración monoaxial es posible emplear, por ejemplo, dos subsistemas ópticos colineales, que comparten uno o varios elementos tales como lentes y/o espejos, y que precisan de una óptica de separación o divisor de haz. En todo caso, las realizaciones de tipo monoaxial se consideran ventajosas frente a las biaxiales, dado que estas últimas presentan errores de paralaje ante variaciones de la distancia con la muestra (10). Es decir, un sistema óptico (1) de tipo monoaxial evita los errores de paralaje y, por tanto, la necesidad de corregirlos. La relación entre las distancias focales de entrada (6) y de salida (7) del elemento (3) captador de luz y las dimensiones del campo de visión (9) (equivalentes a la fluctuación) y el tamaño del detector (2) matricial (equivalente a la imagen (8) correspondiente) viene dada por la siguiente ecuación:
Distancia focal de salida (7)
Tamaño del detector (2) = Imagen (8) = Campo de visión (9) x Distancia focal de entrada (6)'
(Ec. 3)
El elemento separador (4) se sitúa preferentemente entre el elemento captador (3) y el detector matricial (2), para separar parte de la luz del primer eje óptico (5) hacia un segundo eje óptico (5’), sustancialmente perpendicular al primer eje óptico (5). Asimismo, el detector (2) matricial se dispone sobre el primer eje óptico (5), en un plano sustancialmente perpendicular al mismo.
Por acción del elemento separador (4), el segundo eje óptico (5’) contiene la información puramente espectral de la muestra (10), siendo la distancia focal de salida (7) medida a lo largo del segundo eje óptico (5’) el punto donde se debe ubicar la pupila o rendija de entrada (11) del instrumento de medida (12) para el que se pretende estabilizar su fluctuación mecánica. Independientemente de la fluctuación mecánica sufrida por el dicho instrumento de medida (12) y/o de la muestra (10), la información espectral se origina en el centro del campo de visión (9), en el eje óptico (5) del elemento captador (3), por lo que su imagen (8) se forma sobre el detector (2) situado en el plano focal de dicho captador (3), a la distancia focal de salida (7) sobre el primer eje óptico (5). Del mismo modo, la información espectral procedente del centro del campo de visión (9) es captada por el elemento captador (3) y dirigida por el separador (4) a la pupila de entrada (11) del instrumento de medida (12), situada también a la distancia focal de salida (7) de dicho captador (3), medida sobre el segundo eje óptico (5’). La propia fluctuación mecánica permite, mediante medidas sucesivas, la adquisición de la señal espectral de distintos puntos de la superficie de la muestra (10) comprendidos en el campo de visión (9) del elemento de captación (3). Así, el procedimiento de la invención se basa en la iteración de la medida de la señal asociada a las coordenadas del centro del campo (9) sobre la muestra (10), así como al almacenamiento de la información relativa al espectro junto con dichas coordenadas, generando datos espectrales que permiten promediar los distintos espectros o señales provenientes de un determinado punto de interés en la muestra (10), con un nivel de confianza S/N requerido. Por tanto, será este nivel de confianza el que determine, preferentemente en tiempo real, el número de iteraciones a realizar en cada caso.
En una realización preferente de la invención, el método comprende los siguientes pasos (según se representa de forma esquemática en la Figura 2):
En un primer paso, el procedimiento comprende capturar una imagen (8) de la muestra (10) con el detector matricial (2), generar y registrar la señal espectral procedente de la muestra (10) con el instrumento de medida (12). Las citadas subetapas (esto es, captura de imagen (8), generación y registro de señal espectral), pueden realizarse tanto de forma sustancialmente simultánea o sincronizada, como asincrona, en diferentes realizaciones de la invención.
En un segundo paso, la imagen (8) capturada se somete a un proceso de reconocimiento para obtener la posición (9’) en la superficie de la muestra (10) del campo (9) observado por el detector matricial (2) y asociar sus coordenadas a la información espectral registrada por el instrumento de medida (12). En diferentes realizaciones de la invención, el proceso de reconocimiento y determinación de la posición (9’) puede realizarse tanto por análisis exclusivamente de la información contenida en la propia imagen (8), como a través de otros medios auxiliares, tales como por ejemplo de información giroscópica, inclinométrica, inercial o similar.
En un tercer paso, los resultados obtenidos son almacenados por un ordenador (13) (ver en Figura 4), vinculando la información espectral a las coordenadas de la posición (9’) de medida en la muestra (10).
En un cuarto paso, se promedia la señal espectral recién adquirida con la obtenida de medidas previas sobre las mismas coordenadas de la muestra (10) y, opcionalmente, los resultados se representan gráficamente mediante una pantalla (14) (ver en Figura 4). Alternativamente, en técnicas de ablación con láser, la asociación de la información espectral a la posición (9’) y a su ordinal en la serie de espectros permite aprovechar la fluctuación para obtener información extendida de una zona de la muestra (10), tanto en superficie como en profundidad.
Ejemplos de uso de la invención
En un primer ejemplo de uso la invención (Figura 3), el sistema (1) óptico de estabilización se integra en un espectrómetro de fluorescencia o emisión, que actúa como instrumento de medida (12), montado en un vehículo (15) con el fin de mejorar la señal afectada por las oscilaciones propias de dicho vehículo (15), aun estando este detenido. La muestra (10) situada dentro del campo de visión (9) del instrumento de medida (12), puede estar en reposo o bien oscilar debido a agentes externos, siendo estos predecibles o no.
En un segundo ejemplo de la invención (Figura 4), el sistema (1) óptico de estabilización se integra en un espectrómetro, que hace de instrumento de medida (12), para su uso en medidas a distancia, donde una fuente de excitación (16), colineal al eje óptico (5) en el ejemplo, excita la fluorescencia o la emisión de un analito de la muestra (10) que es captada por un espejo cóncavo que hace las funciones del elemento captador (3) de la Figura 1. Asimismo, un espejo dicroico, que hace de elemento separador (4), refleja la parte del espectro con interés analítico hacia la rendija (1 1) de entrada de un espectrómetro (12), mientras el resto de la luz es transmitida por el separador (4) hacia una cámara que hace las funciones de detector (2) en la Figura 1. Un ordenador (13) ejecuta un programa informático que implementa el procedimiento de la invención (por ejemplo, los pasos de la Figura 2) y presenta los resultados en un monitor (15).
La optomecánica de sujeción de los distintos elementos ópticos del sistema (1) puede ser metálica o se puede construir de cualquier polímero mecanizable que mantenga la rigidez y, por tanto, el alineamiento de dichos elementos ópticos dentro de la tolerancia de diseño de estos.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Sistema (1) óptico de estabilización de un instrumento (12) para la toma de medidas espectrométricas de una muestra (10), que comprende un detector (2) de imágenes (8) correspondientes a un campo de visión (9) total o parcial de dicha muestra
(10);
y caracterizado por que dicho sistema (1) comprende un elemento (3) captador de luz y un elemento (4) separador de haz y donde el elemento (4) separador de haz está dispuesto entre el elemento captador (3) y el detector (2) de imágenes;
donde el elemento (3) captador de luz posee una distancia focal de entrada (6) y una distancia focal de salida (7), tales que el sistema (1) puede proyectar imágenes (8) de la muestra (10) sobre el detector (2) de tamaño menor o igual que la menor dimensión del detector matricial (2);
y donde el elemento (4) separador de haz está adaptado para separar parte de la luz procedente de la muestra (10) en un primer eje óptico (5), donde dicha luz contiene información espectral y se dirige, al separarse, hacia un segundo eje óptico (5’) sustancialmente perpendicular al primer eje óptico (5), de forma que la distancia focal de salida (7) medida a lo largo del segundo eje óptico (5’) está situada sustancialmente en el punto de entrada (11) del instrumento de medida (12) para el que se pretende estabilizar su fluctuación mecánica.
2.- Sistema (1) según la reivindicación anterior, donde el detector (2) de imágenes (8) comprende un detector matricial o una cámara.
3.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el elemento (3) captador de luz comprende una lente o un espejo cóncavo.
4 Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el elemento (4) separador de haz comprende un espejo dicroico.
5.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el detector (2) se dispone sobre el primer eje óptico (5) en un plano sustancialmente perpendicular al mismo.
6.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende: - un ordenador (13) para el registro, almacenamiento y/o procesamiento de información espectral de la luz que alcanza el instrumento (12) de medida espectrométrica, y de información asociada a las imágenes (8) captadas por el detector (2); y/o
- una pantalla (14) configurada para representar gráficamente los resultados asociados a la información registrada, almacenada o procesada por el ordenador (13).
7.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho sistema es de tipo monoaxial, estando el elemento (3) captador de luz y el elemento (4) separador de haz dispuestos sobre el primer eje óptico (5); o donde dicho sistema (1) es de tipo biaxial, estando sólo uno de dichos elementos (3, 4) dispuesto sobre el primer eje óptico (5).
8.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el instrumento de medida (12) comprende un espectrómetro de fluorescencia o de emisión.
9.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una fuente de excitación (16) de fluorescencia o emisión de la muestra (10).
10.- Sistema (1) según la reivindicación anterior, donde la fuente de excitación (16) se dispone colinealmente al primer eje óptico (5).
1 1.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho sistema (1) está comprendido en un vehículo (15).
12.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende optomecánica de sujeción de dicho sistema (1), y donde dicha optomecánica es metálica y/o comprende un polímero mecanizable.
13.- Sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en combinación con un instrumento de medida (12) espectrométrica.
14.- Método de estabilización de un instrumento (12) para la toma de medidas espectrométricas de una muestra (10), que comprende el uso de dicho instrumento (12) y de un sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores;
donde dicho método comprende la realización de las siguientes etapas: - capturar una imagen (8) de la muestra (10) con el detector (2) y registrar la señal espectral procedente de la muestra (10) con el instrumento de medida (12);
- procesar y reconocer la imagen (8) capturada para obtener la posición (9’) en la superficie de la muestra (10) del campo de visión (9) observado por el detector (2) y asociar sus coordenadas a la información espectral registrada por el instrumento de medida (12);
- almacenar los resultados obtenidos en el paso anterior mediante un ordenador (13), relacionando la información espectral con las coordenadas de la posición (9’) de medida en la muestra (10).
- repetir los pasos anteriores una pluralidad de veces hasta alcanzar un determinado nivel de confianza S/N, y promediar la información espectral adquirida con las medidas realizadas sobre las mismas coordenadas de la muestra (10).
15.- Uso de un sistema (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1-13 o de un método según la reivindicación 14 en técnicas de ablación láser para obtener información extendida de una zona de la muestra (10), en superficie y/o en profundidad.
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