Smartphone-Mikroskop rekonstruiert schnell 3D-Hologramme

Forscher haben ein neues Smartphone-basiertes digitales holografisches Mikroskop entwickelt, das präzise 3D-Messungen ermöglicht. Das äußerst tragbare und kostengünstige Mikroskop könnte dazu beitragen, 3D-Messfunktionen in einem breiteren Anwendungsbereich einzusetzen, darunter in der Bildung und bei Point-of-Care-Diagnostik in ressourcenbeschränkten Umgebungen.

Holografische Mikroskope rekonstruieren Hologramme digital, um detaillierte 3D-Informationen über eine Probe zu extrahieren und so präzise Messungen der Oberfläche und der inneren Strukturen der Probe zu ermöglichen. Bestehende digitale holografische Mikroskope erfordern jedoch in der Regel komplexe optische Systeme und einen PC für die Berechnungen, was ihren Transport oder ihre Verwendung im Freien erschwert.

„Unser digitales holografisches Mikroskop verwendet ein einfaches optisches System, das mit einem 3D-Drucker erstellt wurde, und ein Berechnungssystem, das auf einem Smartphone basiert“, sagte Forschungsteamleiter Yuki Nagahama von der Tokyo University of Agriculture and Technology. „Dadurch ist es kostengünstig, tragbar und für eine Vielzahl von Anwendungen und Umgebungen nützlich.“

In der Zeitschrift Angewandte Optik, die Forscher zeigen die Fähigkeit des Smartphone-basierten digitalen holografischen Mikroskops, Hologramme nahezu in Echtzeit zu erfassen, zu rekonstruieren und anzuzeigen. Der Benutzer kann sogar mit einer Pinch-Geste auf dem Smartphone-Bildschirm das rekonstruierte Hologrammbild vergrößern.

„Da unser holografisches Mikroskopsystem kostengünstig gebaut werden kann, könnte es möglicherweise für medizinische Anwendungen nützlich sein, beispielsweise zur Diagnose der Sichelzellenanämie in Entwicklungsländern“, sagte Nagahama. „Es könnte auch für die Forschung in verschiedenen Feldumgebungen oder in der Bildung eingesetzt werden, indem es Schülern ermöglicht, lebende Organismen in der Schule und zu Hause zu beobachten.“

Schnelle Rekonstruktion per Smartphone

Digitale holografische Mikroskope erfassen das Interferenzmuster zwischen einem Referenzstrahl und dem von der Probe gestreuten Licht. Das Hologramm wird dann digital rekonstruiert, wodurch 3D-Informationen generiert werden, mit denen sich die Merkmale der Probe messen lassen, auch die unter der Oberfläche liegenden.

Obwohl bereits früher Smartphone-basierte digitale Holographiemikroskope entwickelt wurden, rekonstruieren die verfügbaren Technologien die Hologramme entweder auf einem separaten Gerät oder es fehlt ihnen die Echtzeit-Rekonstruktion. Diese Einschränkung ergibt sich aus der begrenzten Rechen- und Speicherkapazität der meisten Smartphones.

Um eine schnelle Rekonstruktion auf einem Smartphone zu erreichen, verwendeten die Forscher zur Berechnung der Beugungsmuster einen Ansatz namens bandbegrenzte Doppelschritt-Fresnel-Beugung. Diese Methode reduziert die Anzahl der Datenpunkte und ermöglicht so eine schnellere rechnerische Bildrekonstruktion aus Hologrammen.

„Als Student habe ich an tragbaren digitalen holografischen Mikroskopen gearbeitet, bei denen zunächst Laptops als Computersystem verwendet wurden“, sagte Nagahama. „Mit dem Aufkommen der Smartphones begann ich, ihr Potenzial als Computersysteme für breitere Anwendungen zu erkunden und überlegte, sie für Aufgaben wie das Entfernen von Artefakten aus beobachteten Bildern einzusetzen, was letztendlich die Entwicklung dieses Mikroskops prägte.“

Um die Tragbarkeit zu verbessern, erstellten die Forscher mithilfe eines 3D-Druckers ein leichtes Gehäuse für das optische System. Außerdem entwickelten sie eine Android-basierte Anwendung zur Rekonstruktion der vom optischen System erfassten Hologramme.

Das Mikroskop erzeugt ein rekonstruiertes Bild des Hologramms auf dem Bildsensor einer im optischen System eingebauten USB-Kamera. Dieses Hologramm kann vom Android-Smartphone aus beobachtet werden, das eine rechnergestützte Bildrekonstruktion in Echtzeit ermöglicht. Das rekonstruierte Hologramm wird dann auf dem Smartphone angezeigt, wo Benutzer über den Touchscreen damit interagieren können.

Nahezu Echtzeit-Rekonstruktion

Die Forscher evaluierten ihr neues Mikroskopiesystem, indem sie ein präpariertes Objekt mit einem bekannten Muster verwendeten und dann testeten, ob das Muster auf dem Objekt mit dem Mikroskop genau beobachtet werden konnte. Sie konnten das Muster auf dem Testobjekt erfolgreich beobachten und verwendeten das Mikroskop auch, um andere Proben abzubilden, wie etwa den Querschnitt einer Kiefernnadel.

Die Forscher zeigten, dass sich mit Hilfe der bandbegrenzten Fresnel-Doppelschrittbeugung Hologramme mit einer Bildrate von bis zu 1,92 Bildern pro Sekunde rekonstruieren ließen. Dies ermöglichte die Anzeige von Bildern bei der Beobachtung stationärer Objekte nahezu in Echtzeit.

Als nächstes wollen sie Deep Learning einsetzen, um die Qualität der mit dem Smartphone-Mikroskop erzeugten Bilder zu verbessern. Digitale holografische Mikroskope erzeugen bei der Hologrammrekonstruktion oft zweite unbeabsichtigte Bilder, und die Forscher untersuchen, wie sich diese unerwünschten Bilder mithilfe von Deep Learning entfernen lassen.