Forskere opnår optisk kohærenstomografi i meterskala for første gang

Et industri-akademisk samarbejde har opnået de første optisk kohærens tomografi (OCT) billeder af kubikmeter volumener. Med OCT's evne til at give vanskeligt tilgængelige oplysninger om materialesammensætning, struktur under overfladen, belægninger, overfladeruhed og andre egenskaber, dette fremskridt kunne åbne op for mange nye anvendelser for OLT i industrien, fremstilling og medicin. Præstationen repræsenterer også et vigtigt fremskridt i retning af at udvikle en højhastigheds-, lavpris OCT-system på en enkelt integreret kredsløbschip.

"Vores undersøgelse viser verdensrekordresultater i kubikmeter volumen billeddannelse, med mindst en størrelsesorden større dybdeområde og volumen sammenlignet med tidligere demonstrationer af tredimensionelle OCT, " sagde James G. Fujimoto fra Massachusetts Institute of Technology (MIT), Massachusetts. "Disse resultater giver en proof-of-princip demonstration for at bruge OLT i dette nye regime."

OKT, først opfundet af Fujimotos gruppe og samarbejdspartnere i 1990'erne, er nu standardbehandling inden for oftalmologi og bruges i stigende grad i kardiologi og gastroenterologi. Selvom OCT giver nyttige 3D-billeder med opløsning i mikronskala, det har været begrænset til billeddybder på blot millimeter til nogle få centimeter.

I The Optical Society's journal for high impact research, Optica , forskerne rapporterer høj hastighed, 3-D OCT-billeddannelse med 15-mikron opløsning over et 1,5-meters område. De demonstrerede den nye OLT-tilgang ved at afbilde en mannequin, en cykel og modeller af en menneskelig hjerne og kranie. De foretog også målinger af objekter i skala fra meter til mikron.

Flere skalaer over lange afstande

Ud over fordelene ved høje hastigheder og fin opløsning, OCT muliggør billeddannelse, profilering og afstandsmåling i flere dybder samtidigt og afviser herreløst lys.

"Long-range OCT er en ny række operationer, der kræver ekstremt højtydende lyskilder, integrerede optiske modtagere og signalbehandling, " sagde Fujimoto. Rækkevidde i OCT refererer til det dybdeområde, over hvilket målinger kan tages samtidigt. Det er muligt at placere midten af ​​OCT-området meget tæt på eller langt væk fra billedinstrumentet.

Den nye teknik kan være særlig nyttig til industri- og fremstillingsmiljøer, hvor det potentielt kan bruges til at overvåge processer, tage tekniske målinger og ikke-destruktivt vurdere materialer. OCT i makroskala kan også forbedre medicinsk billeddannelse, for eksempel, ved at give tredimensionelle målinger i laparoskopi eller kortlægning af strukturer såsom de øvre luftveje.

Telecom fremskridt bringer OLT forbedringer

Lyskilden, der muliggør OCT med meterrækkevidde, er en tunbar vertikal hulrumsoverfladeemitterende laser (VCSEL) udviklet af Thorlabs Inc. og Praevium Research. Den bruger en MEMS-enhed til hurtigt at ændre sig, eller feje, laserens bølgelængde over tid til at udføre det, der kaldes swept-source OCT.

"Forskning udført af vores gruppe ved MIT og vores samarbejdspartnere ved Praevium Research og Thorlabs indikerede, at sammenhængslængden af ​​VCSEL-kilden var størrelsesordener længere end andre fejede laserteknologier, der er egnede til OCT, som foreslog muligheden for langdistance-OCT-billeddannelse, " sagde Ben Potsaid fra MIT og Thorlabs Inc., medforfatter til papiret.

Selvom MIT-forskerne har eksperimenteret med VCSEL-lyskilden i flere år, lysdetektion og dataindsamling forblev en udfordring. Disse forhindringer blev overvundet af avancerede optiske komponenter designet til telekommunikationsapplikationer.

I det nye værk, forskerne brugte en ny siliciumfotonik kohærent optisk modtager udviklet af Acacia Communications, der erstattede adskillige omfangsrige OCT-komponenter med integreret optik på en lille, lavpris, enkelt-chip fotonisk integreret kredsløb (PIC). Vigtigt, PIC-modtageren understøtter de meget høje elektriske frekvenser og det brede udvalg af optiske bølgelængder, der kræves til OCT med swept source, samtidig med at den muliggør det, der er kendt som kvadraturdetektion, hvilket fordobler OCT-billedområdet for en given dataindsamlingshastighed.

"Udviklingen af ​​OLT i de tidlige 1990'ere havde stor gavn af komponenter og metoder, der blev brugt i fiberoptisk kommunikation, " sagde Fujimoto. "Og stadig, 25 år senere, fremskridt inden for den optiske kommunikationsindustri kommer fortsat OCT til gode."

I avisen, forskerne viste, at OCT med meterrækkevidde kan opnå et stærkt signal fra overflader med varierende geometri og materialer. Deres test viste også, at teknikkens ydeevne ikke har nået de grundlæggende grænser for VCSEL-laserkilden eller PIC-modtageren.

OCT-på-en-chip

Forskerne arbejder på at udvikle og udnytte endnu flere lave omkostninger, højhastighedskomponenter med det mål at fremskynde dataopsamlings- og behandlingstrinene. Dette kunne i sidste ende tillade OCT-billeddannelse i realtid ved hjælp af tilpassede integrerede kredsløbschips.

"I takt med at PIC-teknologien fortsætter med at udvikle sig, man kan realistisk forvente fulde OCT-systemer på en enkelt chip inden for de næste fem år, dramatisk sænke størrelsen og omkostningerne, " sagde Chris Doerr fra Acacia Communications, medforfatter til papiret. "Dette ville give flere mennesker over hele verden mulighed for at drage fordel af OLT og åbne op for nye applikationer."