Una collaborazione industria-accademico ha ottenuto le prime immagini di tomografia a coerenza ottica (OCT) di volumi di metri cubi. Con la capacità di OCT di fornire informazioni difficili da ottenere sulla composizione del materiale, struttura del sottosuolo, rivestimenti, rugosità superficiale e altre proprietà, questo progresso potrebbe aprire molti nuovi usi per OCT nell'industria, manifattura e medicina. Il risultato rappresenta anche un importante progresso verso lo sviluppo di un sistema ad alta velocità, sistema OCT a basso costo su un singolo chip di circuito integrato.

"Il nostro studio dimostra risultati da record mondiale nell'imaging del volume di metri cubi, con un intervallo di profondità e un volume di almeno un ordine di grandezza maggiori rispetto alle precedenti dimostrazioni di OCT tridimensionali, " ha affermato James G. Fujimoto del Massachusetts Institute of Technology (MIT), Massachusetts. "Questi risultati forniscono una dimostrazione di principio per l'utilizzo dell'OCT in questo nuovo regime".

ottobre, inventato per la prima volta dal gruppo e dai collaboratori di Fujimoto negli anni '90, è ormai lo standard di cura in oftalmologia ed è sempre più utilizzato in cardiologia e gastroenterologia. Sebbene OCT fornisca utili immagini 3D con risoluzione su scala micron, è stato limitato a profondità di imaging da pochi millimetri a pochi centimetri.

Nella rivista The Optical Society per la ricerca ad alto impatto, ottica , i ricercatori riferiscono di alta velocità, Imaging OCT 3-D con risoluzione di 15 micron su un'area di 1,5 metri. Hanno dimostrato il nuovo approccio OCT mediante l'imaging di un manichino, una bicicletta e modelli di cervello e cranio umani. Hanno anche condotto misurazioni di oggetti che vanno da metri a micron.

Scale multiple su lunghe distanze

Oltre ai vantaggi delle alte velocità e della risoluzione fine, L'OCT consente l'imaging, profilatura e misurazione della distanza a più profondità contemporaneamente, respingendo la luce diffusa.

"L'OCT a lungo raggio è una nuova gamma di operazioni che richiede sorgenti luminose ad altissime prestazioni, ricevitori ottici integrati ed elaborazione del segnale, " ha detto Fujimoto. L'intervallo in OCT si riferisce all'intervallo di profondità su cui è possibile effettuare misurazioni contemporaneamente. È possibile posizionare il centro dell'intervallo OCT molto vicino o lontano dallo strumento di imaging.

La nuova tecnica potrebbe essere particolarmente utile per ambienti industriali e manifatturieri, dove potrebbe essere potenzialmente utilizzato per monitorare i processi, prendere misurazioni tecniche e valutare i materiali in modo non distruttivo. L'OCT su larga scala potrebbe anche migliorare l'imaging medico, Per esempio, fornendo misurazioni tridimensionali in laparoscopia o mappando strutture come le vie aeree superiori.

I progressi delle telecomunicazioni portano miglioramenti OCT

La sorgente di luce che consente l'OCT della gamma di misuratori è un laser a emissione superficiale a cavità verticale sintonizzabile (VCSEL) sviluppato da Thorlabs Inc. e Praevium Research. Utilizza un dispositivo MEMS per cambiare rapidamente, o spazzare, la lunghezza d'onda del laser nel tempo per eseguire ciò che viene chiamato OCT con sorgente di scansione.

"La ricerca del nostro gruppo al MIT e dei nostri collaboratori al Praevium Research e Thorlabs ha indicato che la lunghezza di coerenza della sorgente VCSEL era ordini di grandezza più lunga di altre tecnologie laser a scansione adatte per OCT, che ha suggerito la possibilità di imaging OCT a lungo raggio, " ha affermato Ben Potsaid del MIT e Thorlabs Inc., coautore del paper.

Sebbene i ricercatori del MIT abbiano sperimentato la sorgente luminosa VCSEL per diversi anni, il rilevamento della luce e l'acquisizione dei dati sono rimasti una sfida. Questi ostacoli sono stati superati da componenti ottici avanzati progettati per applicazioni di telecomunicazioni.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno utilizzato un nuovo ricevitore ottico coerente fotonica al silicio sviluppato da Acacia Communications che ha sostituito diversi componenti OCT ingombranti con ottiche integrate su un piccolo, basso costo, circuito integrato fotonico a chip singolo (PIC). È importante sottolineare che il ricevitore PIC supporta le frequenze elettriche molto elevate e l'ampia gamma di lunghezze d'onda ottiche necessarie per l'OCT con sorgente di scansione, consentendo anche il cosiddetto rilevamento in quadratura, che raddoppia l'intervallo di imaging OCT per una data velocità di acquisizione dei dati.

"Lo sviluppo dell'OCT all'inizio degli anni '90 ha beneficiato enormemente dei componenti e dei metodi utilizzati nelle comunicazioni in fibra ottica, " disse Fujimoto. "E ancora, 25 anni dopo, i progressi nel settore delle comunicazioni ottiche continuano a avvantaggiare notevolmente OCT."

Nella carta, i ricercatori hanno dimostrato che l'OCT a metraggio può ottenere un segnale forte da superfici di diversa geometria e materiali. I loro test hanno anche indicato che le prestazioni della tecnica non hanno raggiunto i limiti fondamentali per la sorgente laser VCSEL o il ricevitore PIC.

OCT-on-a-chip

I ricercatori stanno lavorando per sviluppare e utilizzare ancora più a basso costo, componenti ad alta velocità con l'obiettivo di velocizzare le fasi di acquisizione ed elaborazione dei dati. Ciò potrebbe consentire l'imaging OCT in tempo reale utilizzando chip di circuiti integrati personalizzati.

"Mentre la tecnologia PIC continua ad avanzare, ci si può realisticamente aspettare sistemi OCT completi su un singolo chip entro i prossimi cinque anni, riducendo drasticamente le dimensioni e i costi, " ha dichiarato Chris Doerr di Acacia Communications, coautore del paper. "Ciò consentirebbe a più persone in tutto il mondo di beneficiare di OCT e di aprire nuove applicazioni".