Ett team av experter från universitetet i Barcelona och företaget Sensofar Tech har designat en innovativ teknik för att snabbt, exakt och icke-invasivt få tredimensionella bilder av ett studieprov. Verket har publicerats i Nature Communications .
Det nya systemet kan karakterisera den tredimensionella topografin hos ett objekt med en hastighet och rumslig upplösning som överstiger prestandan hos nuvarande tekniska system för att identifiera och känna igen objekt i tre dimensioner.
Detta system är en ny utveckling inom området optisk profilometri, en teknik som är vanligt förekommande inom kvalitetskontroll och delinspektion inom olika affärssektorer, från 3D-printade komponenter till kranskärlsproteser (stentar) eller identifiering av ytdefekter eller ytjämnhet.
Optisk profilometri är en disciplin som mäter den tredimensionella profilen av objekt med hjälp av ljus. "Det är en avgörande metodik inom områden som kvalitetskontroll i industriella processer eller, i vetenskaplig skala, vid mätning av mikro- och nanostrukturer. Typiskt mäts profilen för ett mikrometriskt objekt med hjälp av ett mikroskop, som får en samling av hundratals bilder på olika höjder och plan av objektet", säger Martí Duocastella, professor vid institutionen för tillämpad fysik och medlem av UB:s Institute of Nanoscience and Nanotechnology (IN2UB).
"Detta är en process som involverar att skanna provet plan för plan, en i sig långsam process. I den nya studien presenterar vi en innovation som bygger på att drastiskt minskar insamlingstiden för denna bildsamling", tillade han.
Det nya systemet kan arbeta i mikrometerskala på relativt stora prover och i realtid (upp till 60 topografier per sekund).
"Nuvarande tekniska system kan bara uppnå dessa hastigheter på mycket tunna prover, eller på stora prover, men med låg rumslig upplösning", säger Duocastella. "Det är troligt att vårt system kan ha en mer betydande inverkan på grund av dess förmåga att karakterisera dynamiska processer. Så tack vare vår teknik kan den snabba rörelsen av en liten enhet – med en gassensor – karakteriseras i 3D, något som var omöjligt tills nu."
För att implementera den nya tekniken, "vår idé är att intelligent förhöra provet, på samma sätt som det görs i Who's Who-spelet. Hittills har profiler förvärvats genom att fråga varje plan om vi hade information:"Är provet i plan 1?,' 'Är det i plan 2?', 'I plan n?' Varje fråga involverade att göra en bild. Däremot visar vi i vår studie att det är möjligt att förhöra olika plan tillsammans:"Är provet mellan plan 1 och plan 7?" Resultatet är att vi uppnådde en enorm minskning av antalet bilder:om vi tidigare behövde hundra bilder, nu har vi nog med åtta, säger Duocastella.
Den nya tekniken kräver snabb skanning av provet och synkronisering av pulsat ljus av olika varaktighet. För snabb scanning används en ultrasnabb vätskelins – utvecklad av professor Duocastella vid Princeton University – som möjliggör scanning tusentals gånger per sekund. För synkronisering användes en in-situ programmerbar gate array (FPGA) för att generera signalen för att pulsera ljuset och fånga bilden från kameran.
En av de svåraste faserna var att försöka uppnå höga datainsamlingshastigheter. "I det här fallet är signalen som tas emot från provet svagare, och större precision i signalerna behövs. Men tack vare doktoranden Narcís Vilars arbete kunde vi övervinna dessa hinder och framgångsrikt implementera hans nya teknologi", säger Duocastella.
Studien är en del av industridoktorandprogrammet och en del av dess utveckling är baserad på European Research Council (ERC)-projektet som leds av Martí Duocastella och leds av Bosch i Gimpera Foundation (FBG).
Huvudtanken med studien har varit att designa en speciell typ av optisk profilometer baserad på projektion av ljusmönster.
"Vi arbetar för närvarande med dess implementering i andra typer av profilometrar, inklusive interferens, polarisation eller konfokalmikroskop. Vi hoppas att genom att intelligent förhöra provet kan vi ytterligare förbättra nuvarande system för att karakterisera 3D-prover med oöverträffad noggrannhet och hastighet", avslutar The team.
Mer information: Narcís Vilar et al, Snabb topografisk optisk bildåtergivning med kodad sökfokalskanning, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46267-y
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Barcelona
