Los investigadores han desarrollado un nuevo microscopio holográfico digital basado en teléfonos inteligentes que permite mediciones 3D precisas. Los microscopios altamente portátiles y económicos pueden ayudar a llevar las capacidades de medición 3D a una amplia gama de aplicaciones, incluido el uso educativo y el diagnóstico en el lugar de atención en entornos con recursos limitados.
Los microscopios holográficos reconstruyen digitalmente hologramas para extraer información 3D detallada sobre una muestra, lo que permite mediciones precisas de la superficie y la estructura interna de la muestra. Sin embargo, los microscopios holográficos digitales existentes suelen requerir sistemas ópticos complejos y un ordenador personal para los cálculos, lo que dificulta su transporte o uso en exteriores.
“Nuestro microscopio holográfico digital utiliza un sistema óptico simple compuesto por 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 barato, portátil y adecuado para una variedad de aplicaciones y entornos”.
En Revista del Grupo Editorial Óptica ha sido aplicado 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 puede incluso utilizar un gesto de pellizco en la pantalla del teléfono inteligente para ampliar la imagen del holograma reconstruida.
“Debido a que nuestro sistema de microscopio holográfico puede fabricarse a bajo costo, podría ser potencialmente útil para aplicaciones médicas como el diagnóstico de la anemia falciforme en los países en desarrollo”, dijo Nagahama. “También se puede utilizar para investigaciones en diferentes entornos de campo o en educación, permitiendo a los estudiantes observar animales vivos 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 la muestra. Luego, el holograma se reconstruye digitalmente, creando 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 los hologramas en un dispositivo separado o carecen de reconstrucción en tiempo real. Esta limitación se debe a las limitadas capacidades informáticas y de memoria de la mayoría de los teléfonos inteligentes. Para lograr una reconstrucción rápida en un teléfono inteligente, los investigadores utilizaron un método llamado difracción de Fresnel de doble paso con banda limitada para calcular los patrones de difracción. Este enfoque reduce la cantidad de puntos de datos, lo que permite una rápida reconstrucción computacional de imágenes a partir de hologramas.
“Cuando era estudiante, trabajé en microscopios holográficos digitales portátiles, que utilizaban principalmente computadoras portátiles como sistemas informáticos”, dijo Nagahama. “Con el auge de los teléfonos inteligentes, comencé a explorar su potencial como sistemas informáticos para aplicaciones más grandes y consideré aprovecharlos para tareas como eliminar artefactos de las imágenes observadas, lo que finalmente dio forma al desarrollo de este microscopio”.
Para ayudar con 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 los hologramas adquiridos por el sistema óptico.
El microscopio genera una imagen reconstruida del holograma en el sensor de imagen de la cámara USB integrada en el sistema óptico. Este holograma se puede observar mediante un teléfono inteligente Android, que proporciona reconstrucción computacional de imágenes en tiempo real. El holograma reconstruido se muestra 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 preparado con un patrón conocido y luego probaron si el patrón del objeto podía observarse con precisión con el microscopio. Pudieron observar con éxito el patrón en el objetivo de prueba y utilizaron el microscopio para otras muestras, como la sección transversal de una aguja de pino.
Los investigadores demostraron que cuando se utilizaba difracción de Fresnel de doble paso con banda limitada, los hologramas podían reconstruirse a una velocidad de fotogramas de hasta 1,92 fotogramas por segundo. Permite la visualización de imágenes casi en tiempo real mientras se observan objetos estacionarios.
A continuación, planean utilizar el aprendizaje profundo para mejorar la calidad de las imágenes creadas con microscopios basados en teléfonos inteligentes. Los microscopios holográficos digitales a menudo producen segundas 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.