Los investigadores han desarrollado un nuevo microscopio holográfico digital basado en teléfonos inteligentes que permite realizar mediciones 3D precisas. Un microscopio altamente portátil y asequible puede ayudar a llevar las capacidades de medición 3D a una amplia gama de aplicaciones, incluido el uso educativo y la evaluación de enfoques en entornos con recursos limitados.
Los microscopios holográficos reconstruyen digitalmente el holograma para extraer información 3D detallada sobre la muestra, lo que permite mediciones precisas de la superficie y la estructura interna de la muestra. Sin embargo, los microscopios holográficos digitales actuales suelen requerir sistemas ópticos complejos y una computadora personal para los cálculos, lo que dificulta su transporte o uso en exteriores.
“Nuestro microscopio holográfico digital utiliza un sistema óptico simple construido con una impresora 3D y un sistema de cálculo basado en un teléfono inteligente”, dijo Yuki Nagahama, líder del equipo de investigación de la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio. “Esto lo hace económico, portátil y útil para una variedad de aplicaciones y entornos”.
En Revista del Grupo Editorial Óptica aplicar óptica, Los investigadores demuestran la capacidad de un microscopio holográfico digital basado en un teléfono inteligente para capturar, reconstruir y mostrar hologramas casi en tiempo real. El usuario también puede utilizar un gesto de pellizco en la pantalla del teléfono inteligente para ampliar la imagen del holograma reconstruida.
“Dado que nuestro sistema de microscopio holográfico puede fabricarse a bajo costo, podría ser potencialmente útil para aplicaciones clínicas, como el diagnóstico de la anemia de células falciformes en los países en desarrollo”, dijo Nagahama. “También se puede utilizar para investigación en diferentes entornos de campo o en educación, permitiendo a los estudiantes observar organismos en la escuela y en casa”.
Reconstrucción rápida basada en teléfonos inteligentes
Los microscopios holográficos digitales funcionan capturando el patrón de interferencia entre un haz de referencia y la luz dispersada por una muestra. Luego, el holograma se reconstruye digitalmente, produciendo información 3D que puede usarse para medir las propiedades de la muestra, incluso debajo de la superficie.
Aunque ya se han desarrollado microscopios de holografía digital basados en teléfonos inteligentes, las tecnologías disponibles reconstruyen el holograma en un dispositivo separado o carecen de reconstrucción en tiempo real. Esta limitación se debe principalmente a la limitada capacidad informática y de memoria de los teléfonos inteligentes. Para lograr una reconstrucción rápida en un teléfono inteligente, los investigadores utilizaron un enfoque llamado difracción de Fresnel de doble paso con banda limitada. Este método reduce la cantidad de puntos de datos, lo que permite una reconstrucción computacional de imágenes más rápida a partir de hologramas.
“Cuando era estudiante, trabajé en un microscopio holográfico digital portátil, que inicialmente usaba una computadora portátil como sistema informático”, dijo Nagahama. “Con el auge de los teléfonos inteligentes, comencé a explorar su potencial como sistemas informáticos para aplicaciones más amplias y a considerar aprovecharlos para tareas como la eliminación de patrones de las imágenes observadas, lo que finalmente dio forma al desarrollo de este microscopio”.
Para facilitar la portabilidad, los investigadores crearon una carcasa liviana para el sistema óptico utilizando una impresora 3D. También desarrollaron una aplicación basada en Android para reconstruir hologramas capturados por un sistema óptico.
El microscopio crea una imagen reconstruida del holograma en el sensor de imagen de una cámara USB integrada en el sistema óptico. Este holograma se puede ver en un teléfono inteligente Android, lo que proporciona una reconstrucción de imágenes computacional en tiempo real. El holograma construido se muestra luego en el teléfono inteligente, donde los usuarios pueden interactuar con él a través de la pantalla táctil.
Reconstrucción casi en tiempo real
Los investigadores evaluaron su nuevo sistema de microscopía utilizando un objeto producido con un patrón conocido y luego probaron si el patrón del objeto podía visualizarse con precisión con el microscopio. Pudieron observar con éxito el patrón en el objetivo de prueba y también utilizaron el microscopio para obtener imágenes de otras muestras, como secciones transversales de agujas de pino.
Los investigadores demostraron que utilizando la difracción de Fresnel de doble paso con banda limitada, los hologramas podían reconstruirse a velocidades de cuadro de hasta 1,92 cuadros por segundo. Esto permitió que las imágenes se mostraran casi en tiempo real mientras se observaban objetos estacionarios.
A continuación, planean utilizar el aprendizaje profundo para mejorar la calidad de las imágenes producidas con un microscopio basado en un teléfono inteligente. Los microscopios holográficos digitales a menudo producen otras imágenes no deseadas durante la reconstrucción de hologramas, y los investigadores están explorando cómo se puede utilizar el aprendizaje profundo para eliminar estas imágenes no deseadas.
