Nyt teknologisk fremskridt til hurtig og effektiv 3D-billeddannelse af objekter

Et team af eksperter fra University of Barcelona og virksomheden Sensofar Tech har designet en innovativ teknologi til at opnå tredimensionelle billeder af en undersøgelsesprøve hurtigt, præcist og ikke-invasivt. Værket er blevet udgivet i Nature Communications .

Det nye system er i stand til at karakterisere den tredimensionelle topografi af et objekt med en hastighed og rumlig opløsning, der overstiger ydeevnen af ​​nuværende teknologiske systemer til at identificere og genkende objekter i tre dimensioner.

Dette system er en ny udvikling inden for optisk profilometri, en teknik, der almindeligvis anvendes i kvalitetskontrol og delinspektion i forskellige forretningssektorer, fra 3D-printede komponenter til koronarproteser (stents) eller identifikation af overfladefejl eller ruhed.

Større nøjagtighed og hastighed til at karakterisere 3D-eksempler

Optisk profilometri er en disciplin, der måler den tredimensionelle profil af objekter ved hjælp af lys. "Det er en afgørende metodik inden for områder som kvalitetskontrol i industrielle processer eller i videnskabelig målestok ved måling af mikro- og nanostrukturer. Typisk måles profilen af ​​et mikrometrisk objekt ved hjælp af et mikroskop, som opnår en samling af hundredvis af billeder i forskellige højder og planer af objektet," siger Martí Duocastella, professor ved Institut for Anvendt Fysik og medlem af UB's Institut for Nanovidenskab og Nanoteknologi (IN2UB).

"Dette er en proces, der involverer scanning af prøveplanet for fly, en iboende langsom proces. I den nye undersøgelse præsenterer vi en innovation, der er baseret på drastisk at reducere optagelsestiden for denne billedsamling," tilføjede han.

Det nye system er i stand til at fungere i mikrometerskala på relativt store prøver og i realtid (op til 60 topografier pr. sekund).

"Nuværende teknologiske systemer kan kun opnå disse hastigheder på meget tynde prøver eller på store prøver, men med lav rumlig opløsning," siger Duocastella. "Det er sandsynligt, at vores system kan have en mere betydelig indflydelse på grund af dets evne til at karakterisere dynamiske processer. Så takket være vores teknologi kan den hurtige bevægelse af en lille enhed - med en gassensor - karakteriseres i 3D, noget der var umuligt indtil nu."

Scanning af prøven tusindvis af gange i sekundet

For at implementere den nye teknologi, "er vores idé intelligent at udspørge prøven, svarende til den måde, det gøres i Who's Who-spillet. Indtil videre er profiler erhvervet ved at spørge hvert fly, om vi havde oplysninger:'Er prøven i flyet. 1?,' 'Er det i plan 2?', 'I plan n?' Hvert spørgsmål involverede at lave et billede. I modsætning hertil viser vi i vores undersøgelse, at det er muligt at udspørge forskellige planer sammen:'Er prøven mellem plan 1 og plan 7?' Resultatet er, at vi opnåede en enorm reduktion i antallet af billeder:Hvis vi før havde brug for hundrede billeder, har vi nu nok med otte," siger Duocastella.

Den nye teknik kræver hurtig scanning af prøven og synkronisering af pulserende lys af forskellig varighed. Til hurtig scanning bruges en ultrahurtig flydende linse – udviklet af professor Duocastella ved Princeton University – som tillader scanning tusindvis af gange i sekundet. Til synkronisering blev et in-situ programmerbart gate-array (FPGA) brugt til at generere signalet til at pulsere lyset og fange billedet fra kameraet.

En af de sværeste faser var at forsøge at opnå høje dataindsamlingshastigheder. "I dette tilfælde er signalet modtaget fra prøven svagere, og der er behov for større præcision i signalerne. Men takket være ph.d.-studerende Narcís Vilars arbejde var vi i stand til at overvinde disse forhindringer og med succes implementere hans nye teknologi," siger Duocastella.

Studiet er en del af industridoktorgradsprogrammet, og en del af dets udvikling er baseret på European Research Council (ERC) projekt ledet af Martí Duocastella og ledet af Bosch i Gimpera Foundation (FBG).

Hovedideen med undersøgelsen har været at designe en bestemt type optisk profilometer baseret på projektion af lysmønstre.

"Vi arbejder i øjeblikket på dens implementering i andre typer profilometre, herunder interferens, polarisering eller konfokale mikroskoper. Vi håber, at vi ved intelligent udspørgning af prøven yderligere kan forbedre nuværende systemer til at karakterisere 3D-prøver med hidtil uset nøjagtighed og hastighed," konkluderer den hold.

Flere oplysninger: Narcís Vilar et al., Hurtig topografisk optisk billeddannelse ved hjælp af kodet søgefokalscanning, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46267-y

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Barcelona