میکروسکوپ هولوگرافیک موبایلی: انقلاب علمی ارزان و جیبی! 🤩

میکروسکوپ دیجیتالی هولوگرافیک، رفیقی نو برای گوشی‌های هوشمند

محققین عزیز، موفق به ساخت یک میکروسکوپ دیجیتالی هولوگرافیک جدید شده‌اند که با گوشی‌های هوشمند کار می‌کند و امکان اندازه‌گیری‌های سه‌بعدی با دقت بالا را فراهم می‌کند. این میکروسکوپ، هم جمع‌وجور و قابل حمل است و هم قیمت مناسبی دارد. این اختراع می‌تواند به گسترش توانایی‌های اندازه‌گیری سه‌بعدی در زمینه‌های مختلف، از جمله آموزش و تشخیص بیماری‌ها در مکان‌هایی با امکانات محدود، کمک شایانی کند.

میکروسکوپ‌های هولوگرافیک با استفاده از بازسازی دیجیتالی هولوگرام‌ها، اطلاعات دقیق سه‌بعدی از نمونه‌ها را استخراج می‌کنند و امکان اندازه‌گیری‌های دقیق از سطح و ساختارهای داخلی نمونه را فراهم می‌کنند. با این حال، میکروسکوپ‌های دیجیتالی هولوگرافیک معمولاً به سیستم‌های نوری پیچیده و یک کامپیوتر شخصی برای انجام محاسبات نیاز دارند، که این موضوع حمل و استفاده از آن‌ها در فضاهای باز را با مشکل مواجه می‌کند.

یوکی ناگاهاما، سرپرست تیم تحقیقاتی از دانشگاه کشاورزی و فناوری توکیو، گفت: «میکروسکوپ دیجیتالی هولوگرافیک ما شامل یک سیستم نوری ساده است که با استفاده از چاپگر سه‌بعدی ساخته شده و از یک سیستم محاسباتی مبتنی بر گوشی هوشمند استفاده می‌کند.» وی افزود: «این ویژگی، آن را ارزان، قابل حمل و مناسب برای کاربردها و محیط‌های متنوع می‌سازد.»

ویژگی‌های میکروسکوپ دیجیتالی هولوگرافیک

در مجله Applied Optics از انتشارات Optica، محققان توانایی میکروسکوپ دیجیتالی هولوگرافیک مبتنی بر گوشی هوشمند را در ثبت، بازسازی و نمایش هولوگرام‌ها تقریباً در لحظه نشان دادند. کاربر حتی می‌تواند با استفاده از قابلیت زوم در صفحه نمایش گوشی، تصویر هولوگرام بازسازی شده را بزرگ‌نمایی کند.

ناگاهاما گفت: «از آن‌جایی که سیستم میکروسکوپ هولوگرافیک ما می‌تواند با هزینه‌ای کم ساخته شود، می‌تواند در کاربردهای پزشکی، مثل تشخیص بیماری سلول داسی در کشورهای در حال توسعه، بسیار مفید باشد.» او همچنین اضافه کرد: «این میکروسکوپ می‌تواند برای تحقیقات در محیط‌های میدانی مختلف یا در آموزش مورد استفاده قرار گیرد و به دانش‌آموزان این امکان را بدهد که زنده جان‌ها را در مدرسه و خانه مشاهده کنند.»

بازسازی سریع با گوشی هوشمند

میکروسکوپ‌های دیجیتالی هولوگرافیک با ثبت الگوی تداخل بین یک پرتو مرجع و نوری که از نمونه پراکنده می‌شود، کار می‌کنند. سپس هولوگرام به‌طور دیجیتالی بازسازی می‌شود که اطلاعات سه‌بعدی تولید می‌کند و می‌توان از آن برای اندازه‌گیری ویژگی‌های نمونه، حتی ویژگی‌های زیر سطح، استفاده کرد. اگرچه میکروسکوپ‌های دیجیتالی هولوگرافیک مبتنی بر گوشی هوشمند پیش‌تر هم توسعه یافته بودند، اما فناوری‌های موجود یا هولوگرام‌ها را روی دستگاه‌های جداگانه بازسازی می‌کردند یا بازسازی در زمان واقعی نداشتند. این محدودیت ناشی از توان محاسباتی و حافظه محدودِ بیشتر گوشی‌های هوشمند است.

بازسازی سریع تصاویر با میکروسکوپ‌های دیجیتالی هولوگرافیک

برای رسیدن به بازسازی سریع تصاویر روی گوشی‌های هوشمند، محققان از روشی به نام تفرق فرسنل 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 می‌کند.

یکی از محققان در این باره گفت: «وقتی دانشجو بودم، روی میکروسکوپ‌های دیجیتالی هولوگرافیکی کار می‌کردم که در ابتدا از لپ‌تاپ‌ها به عنوان سیستم محاسباتی استفاده می‌کردند. با ظهور گوشی‌های هوشمند، شروع به بررسی توانایی 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 انجامید.»

برای کمک به قابلیت حمل، محققان یک بدنه سبک وزن برای سیستم نوری با استفاده از چاپگر سه‌بعدی طراحی کردند. آن‌ها همچنین یک برنامه مبتنی بر اندروید ساختند 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 مشخص ارزیابی کردند و سپس آزمایش کردند که آیا الگوی موجود بر روی شیء می‌تواند با دقت توسط میکروسکوپ دیده 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 فرسنل دو مرحله‌ای با محدودیت باند، هولوگرام‌ها می‌توانند با سرعت ۱.۹۲ فریم در ثانیه بازسازی شوند. این موضوع امکان نشان دادن تصاویر را تقریباً در زمان واقعی هنگام مشاهده اشیاء ثابت فراهم می‌کند. در مرحله بعد، آن‌ها قصد دارند که از یادگیری عمیق برای بهبود کیفیت تصاویر تولید شده با میکروسکوپ مبتنی بر گوشی هوشمند استفاده کنند. میکروسکوپ‌های دیجیتالی هولوگرافیک اغلب در حین بازسازی هولوگرام، تصاویر ناخواسته‌ای ایجاد می‌کنند و محققان در حال بررسی این موضوع هستند که چگونه می‌توان از یادگیری عمیق برای حذف این تصاویر ناخواسته استفاده کرد.