《自然通訊》：巴塞羅那大學(xué)研究人員突破快速高效物體 3D 成像新技術(shù)

2024年4月14日，南極熊獲悉，來自巴塞羅那大學(xué)和 Sensofar Tech 公司的專家團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種創(chuàng)新技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)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(dāng)前大多數(shù)識(shí)別三維物體的技術(shù)系統(tǒng)的性能。該系統(tǒng)是光學(xué)輪廓測量領(lǐng)域的一項(xiàng)新發(fā)展，該技術(shù)通常應(yīng)用于各個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的質(zhì)量控制和零件檢測，從 3D 打印組件到冠狀動(dòng)脈假體（支架）或表面缺陷或粗糙度的識(shí)別。

△掃描儀正在測試。（圖片來源：巴塞羅那大學(xué)）

這項(xiàng)技術(shù)以題為“Fast topographic optical imagingusing encoded search focal scan/使用編碼搜索焦點(diǎn)掃描進(jìn)行快速地形光學(xué)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(xué)物理學(xué)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。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46267-y

更準(zhǔn)確、更快速地表征 3D 樣品

光學(xué)輪廓測量學(xué)是一門利用光線測量物體三維輪廓的學(xué)科。來自巴塞羅那大學(xué)應(yīng)用物理系和納米科學(xué)與納米技術(shù)研究所（IN2UB）的教授Martí Duocastella表示：“在工業(yè)過程的質(zhì)量控制領(lǐng)域，或者在科學(xué)尺度上用于測量微觀和納米結(jié)構(gòu)，這是一種至關(guān)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(huì)在不同高度和平面獲取數(shù)百幅圖像。這是一個(gè)過程——他繼續(xù)說道——涉及逐個(gè)平面地掃描樣本，這是一個(gè)本質(zhì)上很慢的過程。在這項(xiàng)新研究中，我們提出了一項(xiàng)創(chuàng)新，其基礎(chǔ)是大幅縮短圖像采集的采集時(shí)間。”

新系統(tǒng)能夠在微米尺度上對相對較大的樣本進(jìn)行實(shí)時(shí)操作（每秒最多 60 個(gè)形貌）。Duocastella 說：“當(dāng)前的技術(shù)系統(tǒng)只能在非常薄的樣本或大樣本上實(shí)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(dòng)態(tài)過程，因此它可能會(huì)產(chǎn)生更重大的影響。因此，借助我們的技術(shù)，可以對帶有氣體傳感器的小型設(shè)備的快速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行 3D 表征，這在以前是不可能的?！?/div>

每秒掃描樣本數(shù)千次

負(fù)責(zé)研究的專家表示：“為了實(shí)施新技術(shù)，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(gè)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(gè)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(jié)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?！?/div>

新技術(shù)需要快速掃描樣品并同步不同持續(xù)時(shí)間的脈沖光。為了實(shí)現(xiàn)快速掃描，使用了由美國普林斯頓大學(xué) 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(shí)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(jī)捕獲圖像。

△掃描系統(tǒng)的光學(xué)布局，包括顯微鏡物鏡 (MO)、分束器 (BS)、管透鏡(TL)、相機(jī)、包括 LED 的照明系統(tǒng)、準(zhǔn)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(dòng)物鏡的平移臺(tái)執(zhí)行的

最困難的階段之一是嘗試實(shí)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(shí)施他的新技術(shù)?！?/div>

該研究是大學(xué)和研究補(bǔ)助金管理機(jī)構(gòu) (AGAUR) 資助的工業(yè)博士項(xiàng)目的一部分，其開發(fā)部分基于由 Martí Duocastella 指導(dǎo)、博世 i 管理的歐洲研究理事會(huì) (ERC) 項(xiàng)目。金佩拉基金會(huì)（FBG）。

該研究的主要思想是設(shè)計(jì)一種基于光圖案投影的特定類型的光學(xué)輪廓儀。研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)道 “我們目前正在致力于將其應(yīng)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(jìn)一步改進(jìn)當(dāng)前的系統(tǒng)，以前所未有的精度和速度表征 3D 樣本。”