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《自然通訊》:巴塞羅那大學研究人員突破快速高效物體 3D 成像新技術

3D打印動態(tài)
2024
04/14
21:46
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2024年4月14日,南極熊獲悉,來自巴塞羅那大學和 Sensofar Tech 公司的專家團隊設計了一種創(chuàng)新技術,可以快速、準確、非侵入性地獲取研究樣本的三維圖像。新系統(tǒng)能夠表征物體的三維形貌,其速度和空間分辨率超過了當前大多數(shù)識別三維物體的技術系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)是光學輪廓測量領域的一項新發(fā)展,該技術通常應用于各個業(yè)務領域的質(zhì)量控制和零件檢測,從 3D 打印組件到冠狀動脈假體(支架)或表面缺陷或粗糙度的識別。

掃描儀正在測試。(圖片來源:巴塞羅那大學)

這項技術以題為“Fast topographic optical imagingusing encoded search focal scan/使用編碼搜索焦點掃描進行快速地形光學成像”的論文被發(fā)表在《Nature Communications》雜志上的一篇文章中,由布法羅大學物理學院的專家 Martí Duocastella 和 Narcís Vilar 以及來自 Sensofar Tech 公司的 Roger Artigues 和 Guillem Carles 聯(lián)合撰寫。



更準確、更快速地表征 3D 樣品


光學輪廓測量學是一門利用光線測量物體三維輪廓的學科。來自巴塞羅那大學應用物理系和納米科學與納米技術研究所(IN2UB)的教授Martí Duocastella表示:“在工業(yè)過程的質(zhì)量控制領域,或者在科學尺度上用于測量微觀和納米結構,這是一種至關重要的方法。通常,使用顯微鏡測量微米級物體的輪廓,顯微鏡會在不同高度和平面獲取數(shù)百幅圖像。這是一個過程——他繼續(xù)說道——涉及逐個平面地掃描樣本,這是一個本質(zhì)上很慢的過程。在這項新研究中,我們提出了一項創(chuàng)新,其基礎是大幅縮短圖像采集的采集時間!

新系統(tǒng)能夠在微米尺度上對相對較大的樣本進行實時操作(每秒最多 60 個形貌)。Duocastella 說:“當前的技術系統(tǒng)只能在非常薄的樣本或大樣本上實現(xiàn)這些速度,但空間分辨率較低。由于我們的系統(tǒng)能夠描述動態(tài)過程,因此它可能會產(chǎn)生更重大的影響。因此,借助我們的技術,可以對帶有氣體傳感器的小型設備的快速運動進行 3D 表征,這在以前是不可能的!

每秒掃描樣本數(shù)千次

負責研究的專家表示:“為了實施新技術,我們的想法是智能地詢問樣本,類似于名人錄游戲中的方式。到目前為止,輪廓是通過詢問每個平面是否有信息來獲取的:樣本在平面 1 中嗎?它在平面 2 中嗎? “在平面 n 中?每個問題都涉及制作圖像。相比之下,在我們的研究中,我們表明可以一起詢問不同的平面:“樣本在平面 1 和平面 7 之間嗎?。結果是我們極大地減少了圖像數(shù)量:如果以前我們需要一百張圖像,現(xiàn)在八張就足夠了!

新技術需要快速掃描樣品并同步不同持續(xù)時間的脈沖光。為了實現(xiàn)快速掃描,使用了由美國普林斯頓大學 Duocastella 教授開發(fā)的超快液體透鏡,每秒可以掃描數(shù)千次。為了實現(xiàn)同步,使用現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 生成信號以脈沖光并從相機捕獲圖像。

掃描系統(tǒng)的光學布局,包括顯微鏡物鏡 (MO)、分束器 (BS)、管透鏡(TL)、相機、包括 LED 的照明系統(tǒng)、準直透鏡 (CL) 和投影在樣品焦平面上的像平面圖案 (IP);電子控制使照明和掃描與采集同步,掃描是通過移動物鏡的平移臺執(zhí)行的

最困難的階段之一是嘗試實現(xiàn)高數(shù)據(jù)采集率。Duocastella 說道:“在這種情況下,從樣本接收到的信號較弱,需要更高的信號精度。然而,由于博士生Narcís Vilar 的工作,我們能夠克服這些障礙并成功實施他的新技術!

該研究是大學和研究補助金管理機構 (AGAUR) 資助的工業(yè)博士項目的一部分,其開發(fā)部分基于由 Martí Duocastella 指導、博世 i 管理的歐洲研究理事會 (ERC) 項目。金佩拉基金會(FBG)。

該研究的主要思想是設計一種基于光圖案投影的特定類型的光學輪廓儀。研究團隊總結道 “我們目前正在致力于將其應用于其他類型的輪廓儀,包括干涉、偏振或共焦顯微鏡。我們希望通過智能地詢問樣本,我們可以進一步改進當前的系統(tǒng),以前所未有的精度和速度表征 3D 樣本!


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