Microscópio baseado em smartphone reconstrói rapidamente hologramas 3D

Pesquisadores desenvolveram um novo microscópio holográfico digital baseado em smartphone que permite medições 3D de precisão. O microscópio altamente portátil e barato pode ajudar a levar as capacidades de medição 3D para uma gama mais ampla de aplicações, incluindo usos educacionais e diagnósticos no ponto de atendimento em ambientes com recursos limitados.

Os microscópios holográficos reconstroem hologramas digitalmente para extrair informações 3D detalhadas sobre uma amostra, permitindo medições precisas da superfície e das estruturas internas da amostra. No entanto, os microscópios holográficos digitais existentes normalmente exigem sistemas ópticos complexos e um computador pessoal para cálculos, o que os torna difíceis de transportar ou usar ao ar livre.

“Nosso microscópio holográfico digital usa um sistema óptico simples criado com uma impressora 3D e um sistema de cálculo baseado em um smartphone”, disse o líder da equipe de pesquisa Yuki Nagahama da Universidade de Agricultura e Tecnologia de Tóquio. “Isso o torna barato, portátil e útil para uma variedade de aplicações e configurações.”

No diário Óptica Aplicada, os pesquisadores demonstram a capacidade do microscópio holográfico digital baseado em smartphone de capturar, reconstruir e exibir hologramas quase em tempo real. O usuário pode até usar um gesto de pinça na tela do smartphone para dar zoom na imagem do holograma reconstruído.

“Como nosso sistema de microscópio holográfico pode ser construído de forma barata, ele pode ser potencialmente útil para aplicações médicas, como o diagnóstico de anemia falciforme em países em desenvolvimento”, disse Nagahama. “Ele também pode ser usado para pesquisa em vários ambientes de campo ou na educação, permitindo que os alunos observem organismos vivos na escola e em casa.”

Reconstrução rápida baseada em smartphone

Os microscópios holográficos digitais funcionam capturando o padrão de interferência entre um feixe de referência e a luz espalhada da amostra. O holograma é então reconstruído digitalmente, o que gera informações 3D que podem ser usadas para medir as características da amostra, mesmo aquelas abaixo da superfície.

Embora microscópios de holografia digital baseados em smartphones tenham sido desenvolvidos anteriormente, as tecnologias disponíveis reconstroem os hologramas em um dispositivo separado ou não têm reconstrução em tempo real. Essa limitação surge da capacidade restrita de computação e memória da maioria dos smartphones.

Para obter uma reconstrução rápida em um smartphone, os pesquisadores usaram uma abordagem chamada difração de Fresnel de passo duplo com banda limitada para calcular os padrões de difração. Esse método reduz o número de pontos de dados, permitindo uma reconstrução computacional mais rápida de imagens a partir de hologramas.

“Quando eu era estudante, trabalhei em microscópios holográficos digitais portáteis, que inicialmente usavam laptops como sistema de computação”, disse Nagahama. “Com o surgimento dos smartphones, comecei a explorar seu potencial como sistemas de computação para aplicações mais amplas e considerei aproveitá-los para tarefas como remover artefatos de imagens observadas, o que acabou moldando o desenvolvimento deste microscópio.”

Para ajudar na portabilidade, os pesquisadores criaram um invólucro leve para o sistema óptico usando uma impressora 3D. Eles também desenvolveram um aplicativo baseado em Android para reconstruir os hologramas adquiridos pelo sistema óptico.

O microscópio gera uma imagem reconstruída do holograma no sensor de imagem de uma câmera USB embutida no sistema óptico. Este holograma pode ser observado pelo smartphone Android, que fornece reconstrução computacional de imagem em tempo real. O holograma reconstruído é então exibido no smartphone, onde os usuários podem interagir com ele por meio da tela sensível ao toque.

Reconstrução quase em tempo real

Os pesquisadores avaliaram seu novo sistema de microscopia usando um objeto preparado com um padrão conhecido e, em seguida, testando se o padrão no objeto poderia ser observado com precisão com o microscópio. Eles foram capazes de observar com sucesso o padrão no alvo de teste e também usaram o microscópio para obter imagens de outras amostras, como uma seção transversal de uma agulha de pinheiro.

Os pesquisadores mostraram que ao usar difração de Fresnel de passo duplo com banda limitada, os hologramas podem ser reconstruídos a uma taxa de quadros de até 1,92 quadros por segundo. Isso permitiu que as imagens fossem exibidas quase em tempo real ao observar objetos estacionários.

Em seguida, eles planejam usar o aprendizado profundo para melhorar a qualidade das imagens geradas com o microscópio baseado em smartphone. Microscópios holográficos digitais frequentemente geram segundas imagens não intencionais durante a reconstrução do holograma, e os pesquisadores estão explorando como o aprendizado profundo pode ser usado para remover essas imagens indesejadas.