研究人员创造了一种创新的数字全息显微镜，它使用智能手机操作，可实现精确的3D测量。这种显微镜价格适中且高度便携，可以将3D测量技术的应用延伸到许多不同的领域，包括教育和在资源有限的地区进行现场诊断。
这种类型的全息显微镜通过数字重构全息图来揭示样本的复杂3D细节，从而能够准确测量其表面和内部结构。传统的数字全息显微镜依赖复杂的光学设置和个人计算机进行处理，使得其在户外使用时显得笨重。
“我们的数字全息显微镜采用一个简单的光学设置，使用3D打印机和基于智能手机的计算系统，”东京农业科技大学的首席研究员长濑幸表示。“这种设计使其成本低廉、便携，适用于各种应用和环境。”
在Optica出版集团的《应用光学》期刊中，研究人员展示了他们基于智能手机的数字全息显微镜几乎瞬间捕捉、重构和显示全息图的能力。用户甚至可以通过捏合智能手机屏幕来放大3D重构图像。
“由于我们的全息显微镜系统可以以低成本生产，因此在医疗领域有很大的应用潜力，比如在低收入国家诊断镰状细胞病，”长濑说。“它还可以用于各种现场研究，或通过让学生在学校和家中研究活生物体来丰富教育体验。”
快速的基于智能手机的重构
数字全息显微镜通过捕捉参考光束和来自样本的散射光之间形成的干涉图案来工作。这些全息数据随后被数字重构，提供3D信息，便于测量对象的特征，包括隐蔽在表面下的特征。
虽然之前已经推出过基于智能手机的数字全息显微镜，但现有技术要么在单独的设备上处理全息图，要么缺乏实时重构能力。这个挑战往往源于智能手机的计算能力和内存容量有限。为了实现快速重构，研究人员实施了一种称为带限双步傅里叶衍射的技术，这种方法减少了数据点的数量，以加快从全息图中重构图像的速度。
“在我当学生期间，我曾使用便携式数字全息显微镜，这些显微镜最初使用笔记本电脑进行计算，”长濑说。“随着智能手机的出现，我想探讨它们在更广泛应用中的潜力，并考虑利用它们解决观察图像中伪影去除等问题，从而引导这一显微镜的开发。”
为了增强便携性，研究人员使用3D打印机为光学组件设计了一个轻量级的外壳。他们还创建了一个Android应用程序，该应用程序能够重构光学系统捕捉到的全息图。
该显微镜在集成在光学设置中的USB相机的图像传感器上生成全息图像重构。全息图可以在Android智能手机上查看，智能手机实时执行计算图像重构。用户可以直接在智能手机的触摸屏上与重构的全息图进行交互。
几乎实时的重构
研究人员使用已知图案的测试对象测试他们的新显微镜系统，以验证显微镜是否能够准确观察该图案。他们成功分析了测试对象上的图案，并使用该设备检查了其他样本，例如松针的横截面。
团队证明，使用带限双步傅里叶衍射使得全息图的重构帧率可达每秒1.92帧，从而使得静止物体的图像显示接近实时。
展望未来，他们计划利用深度学习技术进一步提高基于智能手机的显微镜产生的图像质量。通常，数字全息显微镜在重构过程中会产生意外的次级图像，研究人员正在探讨深度学习如何帮助消除这些多余的图像。
