Des chercheurs ont développé un nouveau microscope holographique numérique pour smartphone qui permet des mesures 3D de précision. Ce microscope très portable et peu coûteux pourrait contribuer à étendre les capacités de mesure 3D à un plus large éventail d’applications, notamment les utilisations pédagogiques et les diagnostics au point de service dans les environnements aux ressources limitées.
Les microscopes holographiques reconstruisent numériquement des hologrammes pour extraire des informations 3D détaillées sur un échantillon, ce qui permet des mesures précises de la surface et des structures internes de l’échantillon. Cependant, les microscopes holographiques numériques existants nécessitent généralement des systèmes optiques complexes et un ordinateur personnel pour les calculs, ce qui les rend difficiles à transporter ou à utiliser à l’extérieur.
« Notre microscope holographique numérique utilise un système optique simple créé avec une imprimante 3D et un système de calcul basé sur un smartphone », a déclaré Yuki Nagahama, chef de l’équipe de recherche de l’Université d’agriculture et de technologie de Tokyo. « Cela le rend peu coûteux, portable et utile pour une variété d’applications et de paramètres. »
Dans le journal Optique appliquée, les chercheurs démontrer Le microscope holographique numérique pour smartphone permet de capturer, reconstruire et afficher des hologrammes en temps quasi réel. L’utilisateur peut même utiliser un geste de pincement sur l’écran du smartphone pour zoomer sur l’image holographique reconstruite.
« Notre système de microscope holographique étant peu coûteux à construire, il pourrait être utile pour des applications médicales, comme le diagnostic de la drépanocytose dans les pays en développement », a déclaré M. Nagahama. « Il pourrait également être utilisé pour la recherche sur le terrain ou dans l’enseignement en permettant aux étudiants d’observer des organismes vivants à l’école et à la maison. »
Reconstruction rapide à partir d’un smartphone
Les microscopes holographiques numériques fonctionnent en capturant le motif d’interférence entre un faisceau de référence et la lumière diffusée par l’échantillon. L’hologramme est ensuite reconstruit numériquement, ce qui génère des informations 3D qui peuvent être utilisées pour mesurer les caractéristiques de l’échantillon, même celles situées sous la surface.
Bien que des microscopes holographiques numériques basés sur des smartphones aient déjà été développés, les technologies disponibles ne permettent pas de reconstruire les hologrammes sur un appareil séparé ou ne permettent pas de les reconstruire en temps réel. Cette limitation résulte de la capacité de calcul et de mémoire limitée de la plupart des smartphones.
Pour obtenir une reconstruction rapide sur un smartphone, les chercheurs ont utilisé une approche appelée diffraction de Fresnel à double pas à bande limitée pour calculer les motifs de diffraction. Cette méthode réduit le nombre de points de données, ce qui permet une reconstruction informatique plus rapide des images à partir des hologrammes.
« Quand j’étais étudiant, je travaillais sur des microscopes holographiques numériques portables, qui utilisaient initialement des ordinateurs portables comme système informatique », a déclaré Nagahama. « Avec l’essor des smartphones, j’ai commencé à explorer leur potentiel en tant que systèmes informatiques pour des applications plus larges et j’ai envisagé de les exploiter pour des tâches telles que la suppression d’artefacts sur les images observées, ce qui a finalement façonné le développement de ce microscope. »
Pour faciliter la portabilité, les chercheurs ont créé un boîtier léger pour le système optique à l’aide d’une imprimante 3D. Ils ont également développé une application Android pour reconstruire les hologrammes acquis par le système optique.
Le microscope génère une image reconstituée de l’hologramme sur le capteur d’image d’une caméra USB intégrée au système optique. Cet hologramme peut être observé par le smartphone Android, qui fournit une reconstruction informatique de l’image en temps réel. L’hologramme reconstitué est ensuite affiché sur le smartphone, où les utilisateurs peuvent interagir avec lui via l’écran tactile.
Reconstruction en temps quasi réel
Les chercheurs ont évalué leur nouveau système de microscopie en utilisant un objet préparé avec un motif connu, puis en vérifiant si le motif sur l’objet pouvait être observé avec précision au microscope. Ils ont pu observer avec succès le motif sur la cible de test et ont également utilisé le microscope pour imager d’autres échantillons tels qu’une coupe transversale d’une aiguille de pin.
Les chercheurs ont montré que la diffraction de Fresnel à double pas et à bande limitée permettait de reconstruire des hologrammes à une fréquence d’images allant jusqu’à 1,92 images par seconde. Cela permettait d’afficher des images presque en temps réel lors de l’observation d’objets stationnaires.
Ensuite, ils prévoient d’utiliser l’apprentissage profond pour améliorer la qualité des images générées avec le microscope basé sur le smartphone. Les microscopes holographiques numériques génèrent souvent des images secondaires non désirées lors de la reconstruction de l’hologramme, et les chercheurs étudient comment l’apprentissage profond pourrait être utilisé pour supprimer ces images indésirables.
Plus d’informations :
Yuki Nagahama, Affichage de zoom interactif dans un microscope holographique numérique basé sur un smartphone pour l’imagerie 3D, Optique appliquée (2024). DOI: 10.1364/AO.532972