摘要：研究人员开发了一种新的基于智能手机的数字全息显微镜，可实现精确的3D测量。高度便携式和廉价的显微镜可以帮助将3D测量功能带入更广泛的应用程序，包括教育用途和资源有限设置中的即时诊断。...

研究人员开发了一种新的基于智能手机的数字全息显微镜，可实现精确的3D测量。高度便携式和廉价的显微镜可以帮助将3D测量功能带入更广泛的应用程序，包括教育用途和资源有限设置中的即时诊断。

全息显微镜数字化全息图以提取有关样品的详细3D信息，从而可以精确测量样品表面和内部结构。但是，现有的数字全息显微镜通常需要复杂的光学系统和个人计算机进行计算，从而使它们难以运输或户外使用。

东京农业技术大学的研究团队负责人Yuki Nagahama说：“我们的数字全息显微镜使用了一个简单的光学系统，它使用3D打印机和基于智能手机的计算系统创建。” “这使其价格便宜，便携式且对各种应用程序和设置有用。”

在Optica Publishing Group杂志中应用光学，研究人员展示了基于智能手机的数字全息显微镜几乎实时捕获，重建和显示全息图的能力。用户甚至可以在智能手机屏幕上使用捏手势来放大重建的全息图像。

Nagahama说：“由于我们的全息显微镜系统可以廉价地建造，因此它可能对医疗应用有用，例如诊断发展中国家的镰状细胞疾病。” “它也可以通过允许学生在学校和家里观察活生物体来用于在各种现场环境或教育中的研究。”

基于快速智能手机的重建

数字全息显微镜通过捕获参考光束和样品散射的光之间的干扰模式来起作用。然后将全息图进行数字重构，该全息图生成3D信息，可用于测量样品的特征，甚至是表面以下的特征。

尽管以前已经开发了基于智能手机的数字全息显微镜，但可用的技术要么在单独的设备上重建全息图，要么缺乏实时重建。此限制来自大多数智能手机的限制计算和内存能力。为了在智能手机上实现快速重建，研究人员使用了一种称为带限制的双键菲涅耳衍射的方法来计算衍射模式。此方法减少了数据点的数量，从而实现了全息图的更快的计算图像重建。

Nagahama说：“当我还是一名学生时，我从事便携式数字全息显微镜工作，最初使用笔记本电脑作为计算系统。” “随着智能手机的兴起，我开始探索它们作为用于更广泛应用程序的计算系统的潜力，并考虑利用它们来完成诸如从观察到的图像中删除工件的任务，这最终塑造了该显微镜的发展。”

为了帮助便携性，研究人员使用3D打印机为光学系统创建了一个轻巧的外壳。他们还开发了一种基于Android的应用，以重建光学系统获得的全息图。

显微镜在光学系统中内置的USB摄像头的图像传感器上生成了全息图的重建图像。可以通过Android智能手机观察到此全息图，该智能手机可实时提供计算图像重建。然后在智能手机上显示重建的全息图，用户可以通过触摸屏与它进行交互。

接近实时重建

研究人员通过使用具有已知模式的准备好的对象来评估其新的显微镜系统，然后测试是否可以使用显微镜准确观察到对象上的模式。他们能够成功观察测试目标上的模式，并使用显微镜对其他样品（例如松针的横截面）进行成像。

研究人员表明，当使用带限制的双步菲涅尔衍射时，可以以每秒1.92帧的帧速率重建全息图。当观察固定对象时，这使得图像几乎是实时显示的。

接下来，他们计划使用深度学习来提高基于智能手机的显微镜产生的图像的质量。数字全息显微镜通常会在全息图重建过程中产生第二个意外图像，研究人员正在探索如何使用深度学习来删除这些不需要的图像。