La Tecnologia Correlation Plenoptic Imaging (CPI) sfrutta le correlazioni quantistiche spazio-temporali della luce per realizzare imaging 3D. Il CPI consente di rifocalizzare in post-processing immagini di oggetti fuori fuoco, aumentare la profondità di campo, ricostruire immagini tridimensionali, senza perdere risoluzione spaziale, a differenza dei dispositivi per imaging plenottico tradizionali. Inoltre, il CPI consente di ottenere una combinazione di risoluzione e profondità di campo non ottenibile con altri sistemi di imaging.
Stato del brevetto
Numero di priorità
102016000027106
Data di priorità
15/03/2016
Licenza
INTERNAZIONALE
Mercato
Interazioni con medici, biologi, esperti delle tecnologie del settore e ditte produttrici di strumentazione ottica, hanno suffragato l’idea di considerare l’imaging microscopico biomedico come il campo più promettente per l’applicazione della tecnologia CPI.
Il volume di mercato internazionale dei microscopi è stimato intorno ad 8 miliardi di dollari all’anno (SAM), di cui circa 590 milioni relativi ai microscopi confocali (SOM). Il mercato complessivo dei dispositivi di imaging ammonta a oltre 500 miliardi di dollari (TAM).
Problema
I dispositivi di imaging plenottico consentono contemporaneamente di acquisire l’immagine di una scena e misurare la direzione di propagazione della luce; ne consegue la capacità di rifocalizzare, a posteriori, parti fuori fuoco della scena, e di ricostruire immagini 3D con un apparato compatto, di costo contenuto e di facile utilizzo. Malgrado il crescente impiego in campi come la microscopia biomedica, l’ispezione industriale, l’imaging dallo spazio, i dispositivi plenottici allo stato dell’arte sono intrinsecamente limitati da un forte compromesso tra il guadagno di precisione sulla misura della direzione della luce e la conseguente perdita di risoluzione dell’immagine. L’effettivo utilizzo degli attuali dispositivi risulta pertanto fortemente limitato, soprattutto in quei contesti in cui sono necessarie risoluzioni microscopiche. Lo sviluppo di un dispositivo di imaging plenottico che superi il compromesso tra la risoluzione dell’immagine e la profondità del volume ricostruito in 3D, determinata dalla risoluzione direzionale, riveste un rilevante interesse sociale. Un dispositivo del genere può infatti essere integrato in strumenti di diagnosi medica, oltre che di ricerca scientifica. Di particolare interesse per il settore della microscopia biomedica è la capacità di ottenere un’immagine 3D ad alta risoluzione con tempi di acquisizione molto più brevi rispetto alle attuali tecnologie.
Limiti attuali tecnologie / Soluzioni
L’imaging plenottico fornisce uno strumento per ottenere immagini 3D con un sistema compatto, economico e facile da usare. Tuttavia, le applicazioni dei dispositivi plenottici allo stato dell’arte sono limitate dall’intrinseca perdita di risoluzione. La misura della direzione della luce, alla base della capacità di imaging 3D, richiede la possibilità di discriminare tra almeno 9 direzioni della luce che si propaga nella scena. Questo, tuttavia, si traduce in una perdita di risoluzione almeno di un fattore 3, il che può essere inaccettabile, soprattutto nel contesto della microscopia. Il problema della perdita di risoluzione è solitamente affrontato, restando nel contesto dell’imaging plenottico, attraverso algoritmi di ricostruzione delle immagini. Tuttavia, questi algoritmi sono impegnativi dal punto di vista computazionale, e le immagini risultanti sono non deterministiche e dipendenti dall’algoritmo scelto. Altri metodi di imaging 3D che assicurano alta risoluzione richiedono al tempo stesso un apparato più complesso e (stereoscopia), scansioni.
Killer Application
Il campo di applicazione più promettente della tecnologia proposta è rappresentato dall’imaging microscopico di campioni biomedicali. In questo campo, la tecnologia CPI soddisfa il bisogno di fornire immagini tridimensionali ad alta risoluzione, acquisite a velocità anche 10 volte superiore a quella degli attuali dispositivi. Grazie alla sua capacità di rifocalizzare parti sfocate dell’immagine, un dispositivo CPI consente di ottenere immagini di campioni tridimensionali a risoluzione confrontabile a quella dei microscopi confocali allo stato dell’arte, ma con un campo volumetrico più esteso.
Tecnologia e nostra soluzione
La tecnologia CPI è basata su un principio di funzionamento completamente diverso rispetto all’imaging tradizionale: mentre in quest’ultimo viene misurata l’intensità della luce, CPI si basa sulla misura delle correlazioni quantistiche spazio-temporali, intrinseche nella luce. Tale misura viene realizzata utilizzando due sensori disgiunti: uno dedicato all’acquisizione dell’immagine della scena, uno all’acquisizione dell’informazione direzionale. Ne deriva la capacità dei dispositivi CPI di superare la limitazione intrinseca ai convenzionali dispositivi di imaging plenottico, e di raggiungere una combinazione di risoluzione dell’immagine e profondità di campo senza precedenti. In particolare, la CPM consente di ottenere immagini alla massima risoluzione consentita dall’ottica fisica (il “limite di diffrazione”), pur mantenendo tutte le peculiarità tipiche dell’imaging plenottico, ovvero, la capacità di rifocalizzazione, a posteriori, e di ricostruzione 3D della scena.
Vantaggi
CPI consente di ottenere immagini tridimensionali, caratterizzate da un’alta risoluzione, di volumi con un’estensione longitudinale potenzialmente 10 volte superiore rispetto alla profondità di campo dell’immagine a fuoco. Questo, insieme alle velocità di acquisizione attese, risolve tutte le attuali problematiche dell’imaging plenottico, ed apre nuovi possibili campi di applicazione, tra cui l’imaging non invasivo in vivo.
Roadmap
TRL
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