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Un sensor superrápido monofotónico podría lograr una nueva generación de tecnología de obtención de imágenes

Los nuevos campos científicos precisan cámaras más rápidas para obtener imágenes con resoluciones espaciales y temporales mayores. En el proyecto gammaCam se ha creado un prototipo de cámara capaz de registrar datos con una resolución monofotónica.

Tecnologías industriales

Las partículas monofotónicas son los elementos de luz más pequeños que existen. La capacidad para detectar luz a ese nivel permite crear tecnologías de obtención de imágenes con una sensibilidad extraordinaria. Es más, la capacidad para medir con precisión cuándo se detecta un fotón después de que un objeto lo emita o refleje revela información importante sobre dicho objeto. Esta información resulta fundamental para determinar, por ejemplo, la especificidad química en la microscopía de tiempo de vida de fluorescencia (FLIM). Además, contar con la capacidad para detectar las correlaciones espaciotemporales entre fotones individuales podría dar lugar a nuevos dispositivos de obtención de imágenes que mejoren la resolución de los sistemas tradicionales. En el proyecto financiado con fondos europeos gammaCam se demostró la capacidad de los sensores de imágenes CMOS en un entorno de laboratorio antes de integrar uno en un prototipo de cámara. Dicha cámara es capaz de registrar fotones en intervalos de 200 picosegundos tras su incidencia en el detector, lo cual genera una resolución impresionante. «Además de consolidar los logros técnicos generados en un proyecto anterior, logramos concretar los recursos necesarios para poner en marcha un sistema de producción a pequeña escala y ejecutamos un estudio de mercado con las aplicaciones más prometedoras», informa el coordinador del proyecto, André Stefanov, de la Universidad de Berna, entidad anfitriona del proyecto.

La construcción del detector ideal

La tecnología de obtención de imágenes ha mejorado de un tiempo a esta parte, pero aún se basa en detectar la intensidad media de la luz en cada píxel dentro del tiempo de exposición de la cámara. Las cámaras tradicionales solo pueden registrar fluctuaciones de luz menores al tiempo que se tarda en tomar una imagen, normalmente en el rango de los milisegundos. La importancia de este dato radica en que la capacidad para medir fluctuaciones en la intensidad de la luz ofrece información adicional sobre los objetos que se estudian. «Un dispositivo de obtención de imágenes ideal registra tanto el tiempo de detección como cada fotón individual en un haz de luz que incide sobre un objetivo», explica Stefanov. «Esta información espaciotemporal es fundamental para generar distintas tecnologías, como la cámara de tiempo de vuelo o la obtención de imágenes correlacionadas». Las cámaras con obturador pueden generar exposiciones de nanosegundos, pero, además de ser caras, son incapaces de detectar fotones que llegan en distintos momentos y, por tanto, no capturan toda la información espaciotemporal. En gammaCam se continuó el desarrollo de dos sensores diseñados para la obtención de imágenes cuánticas en el proyecto SUPERTWIN. Estos sensores aprovechan conjuntos de un fotodetector conocido como «diodo de avalancha de fotón único» (SPAD) que registra el tiempo de detección de cada fotón con precisión de subnanosegundos. SuperEllen posee 32 x 32 píxeles, mientras que SuperAlice tiene 224 x 272. SuperAlice también es un sensor versátil que puede registrar los tiempos de detección de fotones o simplemente contarlos. Ambos sensores se probaron con pares de fotones entrelazados a fin de dar continuidad a la evaluación de la correlación espacial de luz cuántica de SUPERTWIN. «Fue muy interesante observar las primeras mediciones de luz cuántica. Sobre todo si se tiene en cuenta que, a diferencia de SuperEllen, los múltiples píxeles de SuperAlice también permitieron caracterizar mejor la luz cuántica mediante la observación de correlaciones de largo alcance entre fotones», añade Stefanov.

Distintas aplicaciones

Las aplicaciones más probables para los sistemas SPAD se encontrarán en microscopios avanzados con los que investigar procesos moleculares fundamentales para la práctica médica. «Nuestros sensores podrían mejorar los métodos ya empleados hoy en día como microscopía de fluorescencia de lámina de luz o contribuir al desarrollo de mercados o métodos nuevos. Para lograrlo será preciso identificar toda la gama de mediciones que permiten obtener», concluye Stefanov. La cámara prototipo es portátil y, al ser relativamente fácil de instalar en los sistemas ópticos existentes, puede utilizarse directamente en entornos experimentales. SuperAlice podría fabricarse en serie en la misma fundición que el prototipo LFoundry, pero el sensor debe integrarse en una cámara fácil de utilizar para crear un producto listo para su comercialización.

Palabras clave

gammaCam, fotón, sensor, imagen, resolución, CMOS, cámara, microscopio, luz, picosegundos

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Tecnologías industriales

9 Septiembre 2014