Forscher erreichen erstmals eine optische Kohärenztomographie im Metermaßstab

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Anonim

Eine industrie-akademische Zusammenarbeit hat die ersten optischen Kohärenztomographie (OCT) -Bilder von Kubikmetern Volumen erreicht. Da die OCT schwer zugängliche Informationen über Materialzusammensetzung, Untergrundstruktur, Beschichtungen, Oberflächenrauhigkeit und andere Eigenschaften liefern kann, könnte dieser Fortschritt viele neue Anwendungen für OCT in Industrie, Fertigung und Medizin eröffnen. Die Errungenschaft stellt auch einen wichtigen Fortschritt bei der Entwicklung eines OCT-Hochgeschwindigkeitssystems mit hoher Geschwindigkeit auf einem einzigen integrierten Schaltungschip dar.

"Unsere Studie demonstriert Weltrekord-Ergebnisse bei der Darstellung von Kubikmeter Volumen mit mindestens einer Größenordnung größeren Tiefenbereichs und Volumen verglichen mit früheren Demonstrationen des dreidimensionalen OCT", sagte James G. Fujimoto vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), Massachusetts. "Diese Ergebnisse liefern einen Machbarkeitsnachweis für den Einsatz von OCT in diesem neuen Regime."

Das OCT, das in den 1990er Jahren von Fujimotos Gruppe und Mitarbeitern erfunden wurde, ist heute der Standard in der Augenheilkunde und wird zunehmend in der Kardiologie und Gastroenterologie eingesetzt. Obwohl das OCT nützliche 3D-Bilder mit einer Auflösung im Mikrometerbereich liefert, war es auf Abbildungstiefen von nur wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern beschränkt.

In der Optical Society-Fachzeitschrift Optica berichten die Forscher von einer Hochgeschwindigkeits-3D-OCT-Bildgebung mit einer Auflösung von 15 Mikrometern über einen Bereich von 1, 5 Metern. Sie demonstrierten den neuen OCT-Ansatz, indem sie eine Puppe, ein Fahrrad und Modelle eines menschlichen Gehirns und Schädels abbildeten. Sie führten auch Messungen von Objekten im Größenbereich von Metern bis Mikrometern durch.

Mehrere Skalen über große Entfernungen

Zusätzlich zu den Vorteilen hoher Geschwindigkeiten und feiner Auflösung ermöglicht OCT die gleichzeitige Abbildung, Profilierung und Abstandsmessung in mehreren Tiefen bei gleichzeitiger Abweisung von Streulicht.

"Long-Range-OCT ist eine neue Art von Betrieb, der extrem leistungsstarke Lichtquellen, integrierte optische Empfänger und Signalverarbeitung benötigt", sagte Fujimoto. Range in OCT bezieht sich auf den Tiefenbereich, über den gleichzeitig Messungen durchgeführt werden können. Es ist möglich, die Mitte des OCT-Bereichs sehr nahe am oder weit weg vom Bildgebungsinstrument zu positionieren.

Die neue Technik könnte besonders nützlich für industrielle und Fertigungsumgebungen sein, wo sie möglicherweise zur Überwachung von Prozessen, zur Durchführung technischer Messungen und zur zerstörungsfreien Materialbewertung eingesetzt werden könnte. Macro-Scale-OCT könnte auch die medizinische Bildgebung verbessern, beispielsweise durch dreidimensionale Messungen in der Laparoskopie oder Kartierung von Strukturen wie dem oberen Atemweg.

Telecom Fortschritte bringen OCT-Verbesserungen

Die Lichtquelle, die OCT im Meterbereich ermöglicht, ist ein abstimmbarer oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), der von Thorlabs Inc. und Praevium Research entwickelt wurde. Es verwendet ein MEMS-Gerät, um die Wellenlänge des Lasers im Laufe der Zeit schnell zu ändern oder zu durchlaufen, um eine so genannte Swept-Source-OCT durchzuführen.

"Untersuchungen unserer Gruppe am MIT und unserer Mitarbeiter bei Praevium Research und Thorlabs zeigten, dass die Kohärenzlänge der VCSEL-Quelle um Größenordnungen länger war als bei anderen für OCT geeigneten gewobbelten Lasertechnologien, was die Möglichkeit einer langreichweitigen OCT-Bildgebung nahelegte." sagte Ben Potsaid von MIT und Thorlabs Inc., Mitautor der Zeitung.

Obwohl die MIT-Forscher seit mehreren Jahren mit der VCSEL-Lichtquelle experimentieren, blieb die Lichtdetektion und Datenerfassung eine Herausforderung. Diese Hürden wurden durch moderne optische Komponenten für Telekommunikationsanwendungen überwunden.

In der neuen Arbeit verwendeten die Forscher einen neuen kohärenten optischen Silizium-Photon-Empfänger, der von Acacia Communications entwickelt wurde und mehrere sperrige OCT-Komponenten durch integrierte Optik auf einer winzigen, kostengünstigen photonischen integrierten Einchip-Schaltung (PIC) ersetzte. Wichtig ist, dass der PIC-Empfänger die sehr hohen elektrischen Frequenzen und den weiten Bereich optischer Wellenlängen unterstützt, die für die Swept-Source-OCT erforderlich sind, während er auch eine so genannte Quadraturdetektion ermöglicht, die den OCT-Bildbereich für eine gegebene Datenerfassungsgeschwindigkeit verdoppelt.

"Die Entwicklung von OCT in den frühen 1990er Jahren hat von Komponenten und Methoden in der faseroptischen Kommunikation profitiert", sagte Fujimoto. "Und trotzdem, 25 Jahre später, kommen Fortschritte in der optischen Kommunikationsindustrie weiterhin der OCT sehr zugute."

In der Studie zeigten die Forscher, dass OCT mit Meter-Bereich ein starkes Signal von Oberflächen unterschiedlicher Geometrie und Materialien erhalten kann. Ihre Tests zeigten auch, dass die Leistungsfähigkeit der Technik die grundlegenden Grenzen für die VCSEL-Laserquelle oder den PIC-Empfänger nicht erreicht hat.

OCT-auf-einem-Chip

Die Forscher arbeiten daran, noch kostengünstigere Hochgeschwindigkeitskomponenten zu entwickeln und zu verwenden, um die Schritte der Datenerfassung und -verarbeitung zu beschleunigen. Dies könnte schließlich eine Echtzeit-OCT-Bildgebung unter Verwendung von kundenspezifischen integrierten Schaltungschips ermöglichen.

"Da die PIC-Technologie immer weiter voranschreitet, kann man realistische Full-OCT-Systeme innerhalb der nächsten fünf Jahre auf einem einzigen Chip erwarten, was die Größe und die Kosten dramatisch senkt", sagte Chris Doerr von Acacia Communications, Co-Autor der Studie. "Damit könnten mehr Menschen auf der ganzen Welt vom OCT profitieren und neue Anwendungen eröffnen."

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