Een industrie-academische samenwerking heeft de eerste optische coherentietomografie (OCT) beelden van kubieke metervolumes opgeleverd. Met het vermogen van OCT om moeilijk te verkrijgen informatie over materiaalsamenstelling te verstrekken, ondergrondse structuur, coatings, oppervlakteruwheid en andere eigenschappen, deze vooruitgang zou vele nieuwe toepassingen voor LGO in de industrie kunnen openen, fabricage en geneeskunde. De prestatie betekent ook een belangrijke vooruitgang in de richting van de ontwikkeling van een snelle, low-cost OCT-systeem op een enkele chip met geïntegreerde schakelingen.

"Onze studie toont wereldrecordresultaten in beeldvorming van kubieke metervolumes, met ten minste een orde van grootte groter dieptebereik en volume vergeleken met eerdere demonstraties van driedimensionale OCT, " zei James G. Fujimoto van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), Massachusetts. "Deze resultaten bieden een proof-of-principle demonstratie voor het gebruik van OCT in dit nieuwe regime."

OKT, voor het eerst uitgevonden door Fujimoto's groep en medewerkers in de jaren negentig, is nu de standaardzorg in de oogheelkunde en wordt in toenemende mate gebruikt in de cardiologie en gastro-enterologie. Hoewel OCT bruikbare 3D-beelden biedt met een resolutie op micronschaal, het is beperkt tot beelddiepten van slechts millimeters tot enkele centimeters.

In het tijdschrift The Optical Society voor high impact research, optiek , de onderzoekers rapporteren hoge snelheid, 3D OCT-beeldvorming met een resolutie van 15 micron over een gebied van 1,5 meter. Ze demonstreerden de nieuwe LGO-aanpak door een mannequin af te beelden, een fiets en modellen van een menselijk brein en schedel. Ze voerden ook metingen uit van objecten variërend in schaal van meter tot micron.

Meerdere schalen over lange afstanden

Naast de voordelen van hoge snelheden en fijne resolutie, OCT maakt beeldvorming mogelijk, profilering en afstandsmeting op meerdere diepten tegelijk terwijl strooilicht wordt tegengegaan.

"Long-range OCT is een nieuwe reeks operaties die extreem krachtige lichtbronnen vereist, geïntegreerde optische ontvangers en signaalverwerking, "Zei Fujimoto. Bereik in OCT verwijst naar het dieptebereik waarover gelijktijdig metingen kunnen worden uitgevoerd. Het is mogelijk om het midden van het OCT-bereik zeer dicht bij of ver weg van het beeldvormende instrument te plaatsen.

De nieuwe techniek zou bijzonder nuttig kunnen zijn voor industriële en productieomgevingen, waar het mogelijk kan worden gebruikt om processen te bewaken, technische metingen uitvoeren en materialen niet-destructief evalueren. LGO op macroschaal zou ook de medische beeldvorming kunnen verbeteren, bijvoorbeeld, door middel van driedimensionale metingen in laparoscopie of het in kaart brengen van structuren zoals de bovenste luchtwegen.

Telecomvooruitgang brengt LGO-verbeteringen

De lichtbron die OCT met een meterbereik mogelijk maakt, is een afstembare verticale holte-oppervlakte-emitterende laser (VCSEL), ontwikkeld door Thorlabs Inc. en Praevium Research. Het gebruikt een MEMS-apparaat om snel te veranderen, of vegen, de golflengte van de laser in de loop van de tijd om de zogenaamde swept-source OCT uit te voeren.

"Onderzoek door onze groep bij MIT en onze medewerkers bij Praevium Research en Thorlabs gaf aan dat de coherentielengte van de VCSEL-bron orden van grootte langer was dan die van andere swept lasertechnologieën die geschikt zijn voor OCT, die de mogelijkheid van LGO-beeldvorming op lange afstand suggereerde, " zei Ben Potsaid van MIT en Thorlabs Inc., co-auteur van de krant.

Hoewel de MIT-onderzoekers al enkele jaren experimenteren met de VCSEL-lichtbron, lichtdetectie en data-acquisitie bleven een uitdaging. Deze hindernissen werden overwonnen door geavanceerde optische componenten die zijn ontworpen voor telecommunicatietoepassingen.

In het nieuwe werk de onderzoekers gebruikten een nieuwe coherente optische siliciumontvanger voor fotonica, ontwikkeld door Acacia Communications, die verschillende omvangrijke OCT-componenten verving door geïntegreerde optica op een kleine, goedkoop, fotonische geïntegreerde schakeling met één chip (PIC). belangrijk, de PIC-ontvanger ondersteunt de zeer hoge elektrische frequenties en het brede scala aan optische golflengten die nodig zijn voor swept-source OCT, terwijl het ook mogelijk maakt wat bekend staat als kwadratuurdetectie, die het OCT-beeldvormingsbereik verdubbelt voor een bepaalde data-acquisitiesnelheid.

"De ontwikkeling van LGO in het begin van de jaren negentig heeft enorm geprofiteerd van componenten en methoden die worden gebruikt in glasvezelcommunicatie, "zei Fujimoto. "En toch, 25 jaar later, vooruitgang in de optische communicatie-industrie blijft OCT enorm ten goede komen."

In de krant, de onderzoekers toonden aan dat OCT met een meterbereik een sterk signaal kan verkrijgen van oppervlakken met verschillende geometrie en materialen. Hun tests gaven ook aan dat de prestaties van de techniek de fundamentele limieten voor de VCSEL-laserbron of PIC-ontvanger niet hebben bereikt.

OKT-op-een-chip

De onderzoekers werken aan het ontwikkelen en gebruiken van nog meer goedkope, high-speed componenten met als doel het versnellen van de data-acquisitie en verwerkingsstappen. Dit zou uiteindelijk real-time OCT-beeldvorming mogelijk kunnen maken met behulp van aangepaste geïntegreerde circuitchips.

"Naarmate de PIC-technologie zich verder ontwikkelt, men kan realistisch gezien binnen de komende vijf jaar volledige OCT-systemen op een enkele chip verwachten, drastisch verminderen van de grootte en de kosten, " zei Chris Doerr van Acacia Communications, co-auteur van de krant. "Hierdoor zouden meer mensen over de hele wereld kunnen profiteren van OCT en nieuwe toepassingen kunnen openen."