Een team van experts van de Universiteit van Barcelona en het bedrijf Sensofar Tech hebben een innovatieve technologie ontworpen om snel, nauwkeurig en niet-invasief driedimensionale beelden van een onderzoeksmonster te verkrijgen. Het werk is gepubliceerd in Nature Communications .

Het nieuwe systeem is in staat de driedimensionale topografie van een object te karakteriseren met een snelheid en ruimtelijke resolutie die de prestaties van de huidige technologische systemen voor het identificeren en herkennen van objecten in drie dimensies overtreft.

Dit systeem is een nieuwe ontwikkeling op het gebied van optische profilometrie, een techniek die veel wordt toegepast bij kwaliteitscontrole en onderdeelinspectie in diverse bedrijfstakken, van 3D-geprinte componenten tot coronaire prothesen (stents) of het identificeren van oppervlaktedefecten of ruwheden.

Meer nauwkeurigheid en snelheid om 3D-voorbeelden te karakteriseren

Optische profilometrie is een discipline die het driedimensionale profiel van objecten meet met behulp van licht. “Het is een cruciale methodologie op gebieden als kwaliteitscontrole in industriële processen of, op wetenschappelijke schaal, bij het meten van micro- en nanostructuren. Meestal wordt het profiel van een micrometrisch object gemeten met behulp van een microscoop, die een verzameling van honderden afbeeldingen op verschillende hoogtes en vlakken van het object", zegt Martí Duocastella, hoogleraar aan de afdeling Technische Natuurkunde en lid van het Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (IN2UB) van de UB.

"Dit is een proces waarbij het monster vlak voor vlak wordt gescand, een inherent langzaam proces. In het nieuwe onderzoek presenteren we een innovatie die is gebaseerd op het drastisch verkorten van de acquisitietijd van deze beeldverzameling", voegde hij eraan toe.

Het nieuwe systeem kan op micrometerschaal werken op relatief grote monsters en in realtime (tot 60 topografieën per seconde).

"De huidige technologische systemen kunnen deze snelheden alleen bereiken op zeer dunne monsters, of op grote monsters, maar met een lage ruimtelijke resolutie", zegt Duocastella. “Het is waarschijnlijk dat ons systeem een ​​grotere impact kan hebben vanwege zijn vermogen om dynamische processen te karakteriseren. Dankzij onze technologie kan de snelle beweging van een klein apparaat – met een gassensor – in 3D worden gekarakteriseerd, iets dat was tot nu toe onmogelijk."

Het monster duizenden keren per seconde scannen

Om de nieuwe technologie te implementeren, "is ons idee om het monster op intelligente wijze te ondervragen, vergelijkbaar met de manier waarop dit wordt gedaan in het Who's Who-spel. Tot nu toe werden profielen verkregen door aan elk vliegtuig te vragen of we informatie hadden:'Is het monster in het vliegtuig?' 1?,' 'Is het in vlak 2?', 'In vlak n?' Bij elke vraag ging het om het maken van een afbeelding. In ons onderzoek laten we daarentegen zien dat het mogelijk is om verschillende vlakken samen te ondervragen:'Bevindt het monster zich tussen vlak 1 en vlak 7?' Het resultaat is dat we een enorme reductie van het aantal beelden hebben gerealiseerd:hadden we voorheen honderd beelden nodig, nu hebben we er met acht genoeg”, zegt Duocastella.

De nieuwe techniek vereist een snelle scanning van het monster en synchronisatie van gepulseerd licht van verschillende duur. Voor snel scannen wordt een ultrasnelle vloeistoflens gebruikt, ontwikkeld door professor Duocastella aan de Princeton University, waarmee duizenden keren per seconde kan worden gescand. Voor de synchronisatie werd een in-situ programmeerbare poortarray (FPGA) gebruikt om het signaal te genereren om het licht te pulseren en het beeld van de camera vast te leggen.

Een van de moeilijkste fasen was het proberen hoge data-acquisitiesnelheden te bereiken. "In dit geval is het signaal dat van het monster wordt ontvangen zwakker en is er een grotere precisie in de signalen nodig. Dankzij het werk van promovendus Narcís Vilar hebben we deze obstakels echter kunnen overwinnen en zijn nieuwe systeem met succes kunnen implementeren technologie", zegt Duocastella.

De studie maakt deel uit van het industriële doctoraatsprogramma en een deel van de ontwikkeling ervan is gebaseerd op het project van de European Research Council (ERC), onder leiding van Martí Duocastella en beheerd door de Bosch i Gimpera Foundation (FBG).

Het hoofdidee van het onderzoek was het ontwerpen van een bepaald type optische profilometer, gebaseerd op de projectie van lichtpatronen.

"We werken momenteel aan de implementatie ervan in andere soorten profilometers, waaronder interferentie-, polarisatie- of confocale microscopen. We hopen dat we, door het monster op intelligente wijze te ondervragen, de huidige systemen verder kunnen verbeteren om 3D-monsters met ongekende nauwkeurigheid en snelheid te karakteriseren", concludeert de ploeg.

Meer informatie: Narcís Vilar et al, Snelle topografische optische beeldvorming met behulp van gecodeerde zoekfocale scan, Nature Communications (2024). DOI:10,1038/s41467-024-46267-y

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Universiteit van Barcelona