Nou avenç tecnològic per obtenir imatges d’objectes en 3D de manera ràpida i eficaç
Un equip d’experts de la Universitat de Barcelona i de l’empesa Sensofar Tech han dissenyat una tecnologia innovadora per obtenir imatges tridimensionals d’una mostra d’estudi d’una manera ràpida, precisa i no invasiva. El nou sistema és capaç de caracteritzar la topografia tridimensional d’un objecte amb una velocitat i resolució espacial que supera les prestacions dels sistemes tecnològics actuals per identificar i reconèixer objectes en tres dimensions.
Aquest sistema és un nou avenç en l’àmbit de la perfilometria òptica, una tècnica que s’aplica habitualment en el control de qualitat i la inspecció de peces en diversos sectors empresarials, des dels components fabricats amb impressores 3D, les pròtesis coronàries (stents), o la identificació de defectes o rugositats en superfícies. La innovació tecnològica es publica ara en un article de la revista Nature Communications signat pels experts Martí Duocastella i Narcís Vilar, de la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona, i Roger Artigues i Guillem Carles, de l’empresa Sensofar Tech.
Un equip d’experts de la Universitat de Barcelona i de l’empesa Sensofar Tech han dissenyat una tecnologia innovadora per obtenir imatges tridimensionals d’una mostra d’estudi d’una manera ràpida, precisa i no invasiva. El nou sistema és capaç de caracteritzar la topografia tridimensional d’un objecte amb una velocitat i resolució espacial que supera les prestacions dels sistemes tecnològics actuals per identificar i reconèixer objectes en tres dimensions.
Aquest sistema és un nou avenç en l’àmbit de la perfilometria òptica, una tècnica que s’aplica habitualment en el control de qualitat i la inspecció de peces en diversos sectors empresarials, des dels components fabricats amb impressores 3D, les pròtesis coronàries (stents), o la identificació de defectes o rugositats en superfícies. La innovació tecnològica es publica ara en un article de la revista Nature Communications signat pels experts Martí Duocastella i Narcís Vilar, de la Facultat de Física de la Universitat de Barcelona, i Roger Artigues i Guillem Carles, de l’empresa Sensofar Tech.
Més precisió i velocitat per caracteritzar les mostres 3D
La perfilometria òptica és una disciplina que mesura el perfil tridimensional dels objectes mitjançant la llum. «És una metodologia decisiva en àmbits com el control de qualitat en processos industrials o, a escala científica, en la mesura de les micro i nanoestructures. Típicament, la mesura del perfil d’un objecte micromètric s’aconsegueix mitjançant un microscopi, amb el qual s’obté una col·lecció de centenars d’imatges a diferents alçades i plans de l’objecte», detalla Martí Duocastella, catedràtic del Departament de Física Aplicada i membre de lʼInstitut de Nanociència i Nanotecnologia de la UB (IN2UB).
«Aquest és un procés —continua el catedràtic— que implica l’escaneig de la mostra pla a pla, un procés intrínsecament lent. En el nou treball presentem una innovació que consisteix a reduir dràsticament el temps d’adquisició d’aquesta col·lecció d’imatges».
El nou sistema és capaç d’operar a escala micromètrica en mostres relativament grans i a temps real (fins a 60 topografies per segon). «Els sistemes tecnològics actuals només poden aconseguir aquestes velocitats en mostres molt primes o bé en mostres grans però a baixa resolució espacial», apunta Martí Duocastella. «És probable que el nostre sistema pugui tenir un impacte més important per la capacitat que té de caracteritzar processos dinàmics. Així, gràcies a la nostra tecnologia, el moviment ràpid d’un petit dispositiu —com un sensor de gasos— el podem caracteritzar en 3D, cosa que fins ara era impossible».
Escanejar la mostra milers de vegades per segon
Per poder implementar la nova tecnologia, «la nostra idea és interrogar de manera intel·ligent la mostra, de manera similar a com es fa en el joc Qui és qui? Fins ara, els perfils s’obtenien preguntant si teníem informació en cada pla: «La mostra és al pla 1?», «És al pla 2?», «És al pla n?»... Cada pregunta representava haver de fer una imatge. En canvi, en el nostre treball demostrem que és possible interrogar conjuntament diferents plans: «La mostra es troba entre el pla 1 i el pla 7?» El resultat és que aconseguim una reducció enorme en el nombre d’imatges: si abans necessitàvem cent imatges, ara amb vuit en tenim prou!», assenyala l’expert.
La nova tècnica requereix l’escaneig ràpid de la mostra i la sincronització de llum polsada de diferents durades. Per a l’escaneig ràpid, es fa servir una lent líquida ultraràpida —desenvolupada pel catedràtic Duocastella a la Universitat de Princeton— que permet l’escaneig milers de vegades per segon. Per portar a terme la sincronització, s’empra una matriu de portes programable in situ (FPGA), que genera el senyal per polsar la llum i capturar la imatge de la càmera.
Una de les fases amb més dificultats va ser intentar aconseguir velocitats d’adquisició de dades altes. «En aquest cas, el senyal que es rep de la mostra és més dèbil i es necessita més precisió en els senyals. Gràcies, però, a la feina de l’estudiant de doctorat Narcís Vilar, vam poder superar aquests entrebancs i implementar exitosament la nova tecnologia», apunta Duocastella.
El nou treball s’emmarca dins el programa de doctorat industrial finançat per l’Agència de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR) i una part del desenvolupament de l’estudi es basa en el projecte del Consell Europeu de Recerca (ERC) dirigit per Martí Duocastella i gestionat per la Fundació Bosch i Gimpera (FBG).
La idea principal del treball s’ha dissenyat per a un tipus particular de perfilòmetre òptic basat en la projecció de patrons de llum. «Actualment estem treballant per implementar-lo en altres tipus de perfilòmetres, tot incloent-hi microscopis d’interferència, de polarització o confocals. Esperem que, mitjançant la interrogació intel·ligent de la mostra, puguem continuar millorant els sistemes actuals per caracteritzar mostres en 3D amb una precisió i velocitat sense precedents», conclou l’equip.
Article de referència:
Vilar, Narcís; Artigas, Roger; Duocastella, Martí; Carles, Guillem. «Fast topographic optical imaging using encoded search focal scan», Nature Communications, març de 2024. Doi: 10.1038/s41467-024-46267-y.
Galeria multimèdia
