میکروسکوپ موبایلی: خلق سریع هولوگرام‌های سه‌بعدی

میکروسکوپ دیجیتال هولوگرافیک مبتنی بر گوشی هوشمند

محققان یک میکروسکوپ دیجیتال هولوگرافیک جدید مبتنی بر گوشی هوشمند توسعه داده‌اند که امکان اندازه‌گیری‌های دقیق سه‌بعدی را فراهم می‌کند. این میکروسکوپ قابل حمل و ارزان‌قیمت می‌تواند به گسترش قابلیت‌های اندازه‌گیری سه‌بعدی در کاربردهای متنوع، از جمله استفاده‌های آموزشی و تشخیص در محل در محیط‌های با منابع محدود، کمک کند.

میکروسکوپ‌های هولوگرافیک با بازسازی دیجیتال هولوگرام‌ها، اطلاعات دقیق سه‌بعدی درباره نمونه را استخراج می‌کنند و امکان اندازه‌گیری‌های دقیق از سطح و ساختارهای داخلی نمونه را فراهم می‌آورند. با این حال، میکروسکوپ‌های دیجیتال هولوگرافیک موجود معمولاً به سیستم‌های نوری پیچیده و یک کامپیوتر شخصی برای محاسبات نیاز دارند که این امر حمل و استفاده از آن‌ها در فضای باز را دشوار می‌سازد.

یuki Nagahama، رهبر تیم تحقیقاتی از دانشگاه کشاورزی و فناوری توکیو، گفت: “میکروسکوپ دیجیتال هولوگرافیک ما از یک سیستم نوری ساده ساخته شده با پرینتر سه‌بعدی و یک سیستم محاسباتی مبتنی بر گوشی هوشمند استفاده می‌کند.” او افزود: “این ویژگی آن را ارزان، قابل حمل و مفید برای انواع کاربردها و محیط‌ها می‌سازد.”

قابلیت‌های میکروسکوپ دیجیتال هولوگرافیک

در نشریه Applied Optics گروه انتشارات Optica، محققان توانایی میکروسکوپ دیجیتال هولوگرافیک مبتنی بر گوشی هوشمند را در ضبط، بازسازی و نمایش هولوگرام‌ها در تقریباً زمان واقعی نشان می‌دهند. کاربر حتی می‌تواند با استفاده از ژست زوم در صفحه نمایش گوشی، تصویر هولوگرام بازسازی شده را بزرگنمایی کند.

Nagahama گفت: “از آنجایی که سیستم میکروسکوپ هولوگرافیک ما می‌تواند به‌طور ارزان‌قیمت ساخته شود، می‌تواند به‌طور بالقوه برای کاربردهای پزشکی، مانند تشخیص بیماری سلول داسی در کشورهای در حال توسعه مفید باشد.” او همچنین افزود: “این میکروسکوپ می‌تواند برای تحقیقات در محیط‌های میدانی مختلف یا در آموزش استفاده شود و به دانش‌آموزان این امکان را بدهد که موجودات زنده را در مدرسه و خانه مشاهده کنند.”

بازسازی سریع مبتنی بر گوشی هوشمند

میکروسکوپ‌های دیجیتال هولوگرافیک با ضبط الگوی تداخل بین یک پرتو مرجع و نوری که از نمونه پراکنده می‌شود، کار می‌کنند. سپس هولوگرام به‌طور دیجیتال بازسازی می‌شود که اطلاعات سه‌بعدی تولید می‌کند و می‌توان از آن برای اندازه‌گیری ویژگی‌های نمونه، حتی ویژگی‌های زیر سطح استفاده کرد. اگرچه میکروسکوپ‌های دیجیتال هولوگرافیک مبتنی بر گوشی هوشمند قبلاً توسعه یافته‌اند، اما فناوری‌های موجود یا هولوگرام‌ها را بر روی دستگاه‌های جداگانه بازسازی می‌کنند یا از بازسازی در زمان واقعی برخوردار نیستند. این محدودیت ناشی از ظرفیت محاسباتی و حافظه محدود اکثر گوشی‌های هوشمند است.

بازسازی سریع تصاویر با میکروسکوپ‌های دیجیتال هولوگرافیک

برای دستیابی به بازسازی سریع تصاویر روی گوشی‌های هوشمند، محققان از رویکردی به نام تفرق فرسنیل دو مرحله‌ای با محدودیت باند استفاده کردند تا الگوهای تفرق را محاسبه کنند. این روش تعداد نقاط داده را کاهش می‌دهد و امکان بازسازی سریع‌تر تصاویر محاسباتی از هولوگرام‌ها را فراهم می‌آورد.

یکی از محققان در این باره گفت: “زمانی که دانشجو بودم، روی میکروسکوپ‌های دیجیتال هولوگرافیک قابل حمل کار می‌کردم که در ابتدا از لپ‌تاپ‌ها به عنوان سیستم محاسباتی استفاده می‌کردند. با ظهور گوشی‌های هوشمند، شروع به بررسی پتانسیل آن‌ها به عنوان سیستم‌های محاسباتی برای کاربردهای گسترده‌تر کردم و به این فکر افتادم که از آن‌ها برای حذف آثار ناخواسته از تصاویر مشاهده شده استفاده کنم که در نهایت به توسعه این میکروسکوپ منجر شد.”

برای کمک به قابلیت حمل، محققان یک بدنه سبک برای سیستم نوری با استفاده از چاپگر سه‌بعدی طراحی کردند. آن‌ها همچنین یک برنامه مبتنی بر اندروید توسعه دادند تا هولوگرام‌های به دست آمده از سیستم نوری را بازسازی کنند. میکروسکوپ یک تصویر بازسازی شده از هولوگرام را بر روی حسگر تصویر یک دوربین USB که در سیستم نوری تعبیه شده است، تولید می‌کند. این هولوگرام می‌تواند توسط گوشی هوشمند اندروید مشاهده شود و بازسازی تصویر محاسباتی را به صورت آنی ارائه دهد. سپس هولوگرام بازسازی شده بر روی گوشی هوشمند نمایش داده می‌شود و کاربران می‌توانند از طریق صفحه لمسی با آن تعامل کنند.

بازسازی تقریباً آنی

محققان سیستم میکروسکوپی جدید خود را با استفاده از یک شیء آماده با الگوی شناخته شده ارزیابی کردند و سپس آزمایش کردند که آیا الگوی موجود بر روی شیء می‌تواند به دقت با میکروسکوپ مشاهده شود یا خیر. آن‌ها توانستند الگوی هدف آزمایشی را با موفقیت مشاهده کنند و همچنین از میکروسکوپ برای تصویربرداری از نمونه‌های دیگر، مانند مقطع یک سوزن کاج، استفاده کردند.

محققان نشان دادند که با استفاده از تفرق فرسنیل دو مرحله‌ای با محدودیت باند، هولوگرام‌ها می‌توانند با نرخ فریم تا ۱.۹۲ فریم در ثانیه بازسازی شوند. این امر امکان نمایش تصاویر را در تقریباً زمان واقعی هنگام مشاهده اشیاء ثابت فراهم می‌کند. در مرحله بعد، آن‌ها قصد دارند از یادگیری عمیق برای بهبود کیفیت تصاویر تولید شده با میکروسکوپ مبتنی بر گوشی هوشمند استفاده کنند. میکروسکوپ‌های دیجیتال هولوگرافیک اغلب در حین بازسازی هولوگرام، تصاویر ناخواسته‌ای تولید می‌کنند و محققان در حال بررسی این هستند که چگونه می‌توان از یادگیری عمیق برای حذف این تصاویر ناخواسته استفاده کرد.