快速高效物体3D成像的新技术突破

来自巴塞罗那大学和Sensofar Tech 公司的专家团队设计了一种创新技术，可以快速、准确、非侵入性地获取研究样本的三维图像。新系统能够表征物体的三维形貌，其速度和空间分辨率超过了当前识别和识别三维物体的技术系统的性能。

该系统是光学轮廓测量领域的一项新发展，该技术通常应用于各个业务领域的质量控制和零件检测，从 3D 打印组件到冠状动脉假体(支架)或表面缺陷或粗糙度的识别。这项技术创新发表在《自然通讯》杂志上的一篇文章中，由布法罗大学物理学院的专家 Martí Duocastella 和 Narcís Vilar 以及来自 Sensofar Tech 公司的 Roger Artigues 和 Guillem Carles 签署。

更准确、更快速地表征 3D 样品

光学轮廓测定法是一门利用光测量物体三维轮廓的学科。 “在工业过程的质量控制或科学规模的微米和纳米结构测量等领域，这是一种至关重要的方法。通常，测微物体的轮廓是使用显微镜来测量的，显微镜会获得物体不同高度和平面的数百张图像的集合，”布法罗大学应用物理系教授兼研究所成员 Martí Duocastella 说纳米科学和纳米技术(IN2UB)。

“这是一个过程——他继续说道——涉及逐个平面地扫描样本，这是一个本质上很慢的过程。在这项新研究中，我们提出了一项创新，其基础是大幅缩短图像采集的采集时间。”

新系统能够在微米尺度上对相对较大的样本进行实时操作(每秒最多 60 个形貌)。 “当前的技术系统只能在非常薄的样本或大样本上实现这些速度，但空间分辨率较低”，Duocastella 说。 “由于我们的系统能够描述动态过程，因此它可能会产生更重大的影响。因此，借助我们的技术，可以对带有气体传感器的小型设备的快速运动进行 3D 表征，这在以前是不可能的”。

每秒扫描样本数千次

为了实施新技术，“我们的想法是智能地询问样本，类似于名人录游戏中的方式。到目前为止，轮廓是通过询问每个平面是否有信息来获取的：“样本在平面 1 中吗?”、“它在平面 2 中吗?”、“在平面 n 中?”每个问题都涉及制作图像。相比之下，在我们的研究中，我们表明可以一起询问不同的平面：“样本在平面 1 和平面 7 之间吗?”。结果是我们极大地减少了图像数量：如果以前我们需要一百张图像，现在八张就足够了，”专家说。

新技术需要快速扫描样品并同步不同持续时间的脉冲光。为了实现快速扫描，使用了由美国普林斯顿大学 Duocastella 教授开发的超快液体透镜，每秒可以扫描数千次。为了实现同步，使用现场可编程门阵列 (FPGA) 生成信号以脉冲光并从相机捕获图像。

最困难的阶段之一是尝试实现高数据采集率。 “在这种情况下，从样本接收到的信号较弱，需要更高的信号精度。然而，由于博士生 Narcís Vilar 的工作，我们能够克服这些障碍并成功实施他的新技术。”Duocastella 说道。

该研究是大学和研究补助金管理机构 (AGAUR) 资助的工业博士项目的一部分，其开发部分基于由 Martí Duocastella 指导、博世 i 管理的欧洲研究理事会 (ERC) 项目。金佩拉基金会(FBG)。

该研究的主要思想是设计一种基于光图案投影的特定类型的光学轮廓仪。 “我们目前正在致力于将其应用于其他类型的轮廓仪，包括干涉、偏振或共焦显微镜。我们希望通过智能地询问样本，我们可以进一步改进当前的系统，以前所未有的精度和速度表征 3D 样本。”该团队总结道。

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