Novo avanço tecnológico para imagens 3D rápidas e eficientes de objetos

Dispositivo facilita a caracterização da estrutura tridimensional de objetos de forma muito mais rápida, precisa e econômica do que outros sistemas. Crédito:Universidade de Barcelona

Uma equipe de especialistas da Universidade de Barcelona e da empresa Sensofar Tech desenvolveram uma tecnologia inovadora para obter imagens tridimensionais de uma amostra de estudo de forma rápida, precisa e não invasiva. O trabalho foi publicado na Nature Communications .

O novo sistema é capaz de caracterizar a topografia tridimensional de um objeto com velocidade e resolução espacial que supera o desempenho dos atuais sistemas tecnológicos de identificação e reconhecimento de objetos em três dimensões.

Este sistema é um novo desenvolvimento no campo da perfilometria óptica, técnica comumente aplicada no controle de qualidade e inspeção de peças em diversos setores de negócios, desde componentes impressos em 3D até próteses coronárias (stents) ou identificação de defeitos superficiais ou rugosidades.

Mais precisão e velocidade para caracterizar amostras 3D

A perfilometria óptica é uma disciplina que mede o perfil tridimensional de objetos utilizando luz. “É uma metodologia crucial em áreas como o controle de qualidade em processos industriais ou, em escala científica, na medição de micro e nanoestruturas. Normalmente, o perfil de um objeto micrométrico é medido por meio de um microscópio, que obtém uma coleção de centenas de imagens em diferentes alturas e planos do objeto", diz Martí Duocastella, professor do Departamento de Física Aplicada e membro do Instituto de Nanociência e Nanotecnologia (IN2UB) da UB.

“Este é um processo que envolve a digitalização da amostra plano por plano, um processo inerentemente lento. No novo estudo, apresentamos uma inovação que se baseia na redução drástica do tempo de aquisição desta coleção de imagens”, acrescentou.

O novo sistema é capaz de operar em escala micrométrica em amostras relativamente grandes e em tempo real (até 60 topografias por segundo).

“Os sistemas tecnológicos atuais só conseguem atingir essas velocidades em amostras muito finas, ou em amostras grandes, mas com baixa resolução espacial”, diz Duocastella. "É provável que o nosso sistema possa ter um impacto mais significativo devido à sua capacidade de caracterizar processos dinâmicos. Assim, graças à nossa tecnologia, o movimento rápido de um pequeno dispositivo - com um sensor de gás - pode ser caracterizado em 3D, algo que era impossível até agora."

Verificando a amostra milhares de vezes por segundo

Para implementar a nova tecnologia, “nossa ideia é interrogar a amostra de forma inteligente, à semelhança do que é feito no jogo Who's Who. Até agora, os perfis são adquiridos perguntando a cada avião se tínhamos a informação:'A amostra está no avião? 1?,' 'Está no plano 2?', 'No plano n?' Cada questão envolveu a criação de uma imagem. Em contraste, no nosso estudo mostramos que é possível interrogar diferentes planos em conjunto:'A amostra está entre o plano 1 e o plano 7?' O resultado é que conseguimos uma redução enorme no número de imagens:se antes precisávamos de cem imagens, agora bastam oito”, afirma Duocastella.

A nova técnica requer varredura rápida da amostra e sincronização de luz pulsada de diferentes durações. Para uma digitalização rápida, é usada uma lente líquida ultrarrápida – desenvolvida pelo professor Duocastella da Universidade de Princeton – que permite digitalizar milhares de vezes por segundo. Para sincronização, um array de portas programáveis in-situ (FPGA) foi usado para gerar o sinal para pulsar a luz e capturar a imagem da câmera.

Uma das fases mais difíceis foi tentar atingir altas taxas de aquisição de dados. “Neste caso, o sinal recebido da amostra é mais fraco e é necessária maior precisão nos sinais. Porém, graças ao trabalho do aluno de doutorado Narcís Vilar, conseguimos superar esses obstáculos e implementar com sucesso seu novo tecnologia", diz Duocastella.

O estudo faz parte do programa de doutorado industrial e parte do seu desenvolvimento é baseado no projeto do European Research Council (ERC) dirigido por Martí Duocastella e gerido pela Fundação Bosch i Gimpera (FBG).

A ideia principal do estudo foi projetar um tipo particular de perfilômetro óptico baseado na projeção de padrões de luz.

"Atualmente estamos trabalhando em sua implementação em outros tipos de perfilômetros, incluindo microscópios de interferência, polarização ou confocal. Esperamos que, ao interrogar a amostra de forma inteligente, possamos melhorar ainda mais os sistemas atuais para caracterizar amostras 3D com precisão e velocidade sem precedentes", conclui o equipe.

Mais informações: Narcís Vilar et al, Imagem óptica topográfica rápida usando varredura focal de pesquisa codificada, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46267-y
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Barcelona

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Física