什么是无透镜全息显微镜？

        一种新的显微技术有望在无需镜片的情况下对生物样本进行高质量成像和分析，并可以改变全球医疗保健的获取方式。 无透镜全息显微镜 (LHM) 可以通过小型、廉价的设备实现，这些设备非常适合即时疾病诊断、微流体评估和许多其他重要的诊断过程。这意味着这些测试可以在不发达和偏远地区的护理点进行，而无需使用先进的实验室设施。

介绍无透镜全息显微镜。 

(a) 显微镜中央横截面的装配图，包括 DIHM 方案。

(b) 取下顶盖后显微镜的透视图。

(c) 具有外部尺寸的显微镜的全局视图。

使显微镜更易于使用

        生物医学评估比任何其他技术更多地使用光学显微镜。这是因为它可以在无创检查原理下实时对显微标本进行成像。现代医学实验室使用相对笨重且价格昂贵的光学复合显微镜来进行医学成像，其高昂的价格往往取决于对复杂和精确镜头系统的需求。

        无透镜显微镜可以通过结合（有时是开源的）数字成像软件以及更小、更便宜的设备来实现。LHM 提供的这一种小型化方案，可以得到广泛采用。

        无透镜显微镜往往具有成本低、重量轻、紧凑和便携的特点。它们可以通过促进即时诊断来提高世界各地人们的诊断率和预期结果，消除重复访问诊所或冷样本储存和从偏远地区到遥远实验室的运输的需要。

        廉价和便携的显微镜还可以实现更高分辨率的全球医疗保健监测。随着人工智能现在能够分析和操作大量健康数据，基于无透镜显微镜等可访问设备的全球输入网络需要提供这些数据，以实现机器学习在公共卫生方面的好处。

全息术：丹尼斯·加博尔的“新微观原理”

        LHM 是通过使用数字手段实施 Gabor 全息术来实现的。 匈牙利裔英国物理学家丹尼斯·加博尔（Dennis Gabor）于 1948 年发明了全息显微镜（1971 年因这项工作获得诺贝尔物理学奖）。他提出了“新的微观原理”，最初是为了校正电子显微镜中的球面像差。

        最终，电子显微镜并没有利用 Gabor 的新全息方法，而是开辟了光学领域的新领域。 使用Gabor 全息术，研究人员发现他们可以光学存储相位信息。

        科学家拍摄（或以数字方式记录）在距对象一定距离处出现的场的强度。 然后可以通过将光源应用到胶片上（或数字处理图像数据）来重建对象。

        用这种技术产生的再造图像——“全息图”——很快就引起了公众的关注，全息图信息变成了某种科幻小说的比喻。

制作全息显微镜

        LHM 设备是由少量可获得的组件以极其简单的布局制成的。 相干点（球形）光源照亮样品，光线散射到传感器区域。 然后，记录数字 Gabor 全息图。 成像是由计算机在全息模型上使用数值衍射方程和数字图像处理工具进行的。

        研究人员已经确定了几种实现球形点源的方法，例如：

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• 带 LED 的物镜

• LED 本身或通过光纤或梯度折射率 (GRIN) 光学器件发光

• 通过脉冲激光辐射

• 使用超发光二极管 (SLED)

• 使用太赫兹激光器

• 带有激光二极管或激光二极管与可调透镜组合

        LHM 有两种相反的方法，用于不同的目的。

        数字全息显微镜 (DIHM) 在距离光源很近但距离数字图像传感器较远的地方照亮样品。这种技术在几何上以 5 到 20 倍的放大率投射全息图，与传统（昂贵的）医学成像技术相当。

        另一方面，片上显微镜通过在组合传感器和处理器芯片上执行的几何形状诱导放大。这导致视场 (FOV) 大致等于传感器区域的大小。片上显微镜的放大倍率受到像素几何约束而不是光学衍射的限制，理论上可以通过像素超分辨率数字成像技术进行改进。

最新的 LHM

        在西班牙巴伦西亚大学光学与验光和视觉科学实验室工作的一组研究人员最近在 Sensors 杂志 2022 年特刊的一篇论文中介绍了一种新的高性能、紧凑、低成本的 LHM 设备。用于生物医学研究的 3D 生物光子传感。

        该团队的 DIHM 显微镜将所有组件都包含在一个类似于厨房烤面包机大小的立方体结构中，可以很容易地放在背包中运输。该设备无需使用镜头即可实时获得高达 1.65 μm 的横向分辨率。也可以通过简单地改变样品在设备中的位置来修改放大率和FOV。

        中国杭州电子科技大学的工程师提出了另一种采用片上方法的高精度LHM器件。他们的工作于 2021 年发表在 Sensors 上，使用迭代相位恢复算法来评估样本信息和机器学习，以高精度识别和计数混合生物样本。

        哥伦比亚国立大学麦德林分校的物理学家最近发表的另一篇论文于 2021 年发表在《应用光学》杂志上，该论文描述了一种开源 LHM 方法，该方法可以很容易地部署到偏远和欠发达地区，以改善获得医疗保健的机会。

        使用 3D 打印和现成的材料和组件，该团队生产了一个 DIHM 设备，成本仅为 52.82 美元。开发了开源软件来处理来自设备的数据，进一步提高了全球医疗保健的可访问性。