《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(lái)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(guò)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(cè)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(cè)，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(cè)試,。（圖片來(lái)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(lái)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(cè)量學(xué)是一門利用光線測(cè)量物體三維輪廓的學(xué)科。來(lái)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(guò)程的質(zhì)量控制領(lǐng)域,，或者在科學(xué)尺度上用于測(cè)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(cè)量微米級(jí)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(guò)程——他繼續(xù)說(shuō)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(guò)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(duì)相對(duì)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(shuō)：“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(guò)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(duì)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�,！�

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(wèn)樣本，類似于名人錄游戲中的方式,。到目前為止,，輪廓是通過(guò)詢問(wèn)每個(gè)平面是否有信息來(lái)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(wèn)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(wèn)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?gòu)垐D像,，現(xiàn)在八張就足夠了�,！�

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(guó)普林斯頓大學(xué) Duocastella 教授開(kāi)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(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 生成信號(hào)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(guò)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(shuō)道：“在這種情況下,，從樣本接收到的信號(hào)較弱，需要更高的信號(hào)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),�,！�

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(kāi)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(guò)智能地詢問(wèn)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�,！�