研究人员开发出一款基于智能手机的新型数字全息显微镜，可实现精确的3D测量。这款高度便携且价格低廉的显微镜有助于将3D测量功能带入更广泛的应用领域，包括教育用途和资源有限环境下的即时诊断。

全息显微镜通过数字方式重建全息图，提取样本的详细三维信息，从而精确测量样本的表面和内部结构。然而，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，因此难以运输或在户外使用。

“我们的数字全息显微镜采用了用3D打印机创建的简单光学系统和基于智能手机的计算系统，”东京农业技术大学的研究团队负责人YukiNagahama说道。“这使得它价格低廉、便携且适用于各种应用和环境。”

在《应用光学》杂志上，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捉、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合手势来放大重建的全息图像。

Nagahama表示：“由于我们的全息显微镜系统造价低廉，因此可能在医疗领域大有裨益，例如诊断发展中国家的镰状细胞病。它还可用于各种野外环境的研究或教育，让学生在学校和家中观察活体生物。”

基于智能手机的快速重建

数字全息显微镜的工作原理是捕捉参考光束与样品散射光之间的干涉图案。然后对全息图进行数字重建，生成可用于测量样品特征(甚至是表面以下的特征)的3D信息。

虽然之前已经开发出基于智能手机的数字全息显微镜，但现有技术要么在单独的设备上重建全息图，要么缺乏实时重建。这种限制源于大多数智能手机的计算和内存容量有限。

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双阶菲涅尔衍射的方法来计算衍射图案。这种方法减少了数据点的数量，从而能够更快地从全息图进行计算图像重建。

“当我还是一名学生时，我曾研究过便携式数字全息显微镜，它最初使用笔记本电脑作为计算系统，”Nagahama说道。“随着智能手机的兴起，我开始探索它们作为更广泛应用的计算系统的潜力，并考虑利用它们来完成诸如从观察到的图像中去除伪影之类的任务，这最终塑造了这款显微镜的发展。”

为了便于携带，研究人员使用3D打印机为光学系统制作了一个轻型外壳。他们还开发了一款基于Android的应用程序来重建光学系统获取的全息图。

显微镜在光学系统内置的USB摄像头的图像传感器上生成全息图的重建图像。Android智能手机可以观察到该全息图，该智能手机提供实时计算图像重建。重建的全息图随后显示在智能手机上，用户可以通过触摸屏与其进行交互。

近实时重建

研究人员使用一个具有已知图案的预备物体来评估他们的新显微镜系统，然后测试能否用显微镜准确观察物体上的图案。他们能够成功观察测试目标上的图案，并且还使用显微镜对其他样本进行成像，例如松针的横截面。

研究人员表明，当使用带限双阶菲涅尔衍射时，全息图可以以高达每秒1.92帧的帧速率重建。这使得在观察静止物体时几乎可以实时显示图像。

接下来，他们计划利用深度学习来提高基于智能手机的显微镜生成的图像的质量。数字全息显微镜在全息图重建过程中经常会产生第二个不想要的图像，研究人员正在探索如何使用深度学习来去除这些不需要的图像。

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