Усадочные эндоскопы с мета

Световой издательский центр, Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики, CAS

Изображение: Метаоптика оптимизирована для интеграции с пучком когерентных волокон, тогда как ограничением изображения являются отдельные сердцевины волокна. MOFIE имеет уменьшенную длину кончика, сохраняя при этом широкое поле зрения 22,5° и большую глубину резкости, превышающую 30 мм, по сравнению с традиционными линзами GRIN.посмотреть больше

Авторы и права: Йоханнес Э. Фроч, Луоченг Хуанг, Квентин А.А. Танги, Шейн Колберн, Алан Чжан, Андреа Равальи, Эрик Дж. Сейбель, Карл Борингер, Арка Маджумдар

Сверхкомпактные и маневренные эндоскопы с большим полем зрения (FoV), большой глубиной резкости (DoF) и коротким жестким кончиком необходимы для разработки минимально инвазивных операций и новых экспериментальных операций. По мере развития этих областей требования к миниатюризации и повышению точности становятся все более требовательными. В существующих эндоскопах длина жесткого кончика является фундаментальным ограничением маневренности устройства в небольших извилистых протоках, таких как артерии. В первую очередь это ограничивается размером оптических элементов, необходимых для формирования изображений. Таким образом, срочно необходимы альтернативные решения для уменьшения длины наконечника.

В новой статье, опубликованной в eLight, группа ученых под руководством доктора Йоханнеса Фрёха и профессора Арки Маджумдара из Вашингтонского университета разработала новый метод уменьшения длины жесткого наконечника.

Существующие решения включают безлинзовую и компьютерную визуализацию с использованием одиночных волокон или когерентных пучков волокон. Однако они обычно ограничены коротким рабочим расстоянием и часто чрезвычайно чувствительны к изгибу и перекручиванию оптического волокна, что влияет или даже исключает точную вычислительную реконструкцию.

Плоская метаоптика — это новая и универсальная идея в фотонике, позволяющая создавать миниатюрные оптические элементы. Это субволновые дифракционные оптические элементы, состоящие из наноразмерных матриц рассеивателей. Они предназначены для формирования фазы, амплитуды и спектрального отклика падающего волнового фронта. Такая ультратонкая плоская оптика не только значительно уменьшает размер традиционной оптики, но также может сочетать множество функций на одной поверхности.

Плоская метаоптика совместима с технологией крупносерийного производства полупроводников и может создавать одноразовую оптику. Эти свойства уже вдохновили исследователей на изучение потенциала метаоптики для эндоскопии, включая эндоскопию с интегрированным волокном, сканирующую эндоскопию с одним волокном с боковым обзором и сканирующую волоконную эндоскопию с прямым обзором.

К сожалению, метаоптика традиционно страдает от сильных аберраций, что затрудняет получение изображений с большим полем зрения и полноцветными изображениями. Несколько работ показали, что стандартная конструкция металинзы не подходит для одновременного захвата цветовой информации во всем видимом спектре. Обычно это приводит к получению четких изображений для расчетной длины волны (например, зеленого), но с сильными аберрациями/размытием для других цветов (красного и синего). Хотя некоторые подходы, такие как дисперсионная инженерия и методы компьютерной визуализации, могут уменьшить хроматическую аберрацию, они либо страдают от маленькой апертуры, низкой числовой апертуры, либо требуют этапа вычислительной постобработки, что усложняет захват видео в реальном времени. Аналогично, дополнительная апертура перед метаоптической оптикой может обеспечить большее поле зрения. Однако за это приходится платить уменьшением светосилы и увеличением толщины оптики. До сих пор эти ограничения ограничивали работу большинства метаоптических эндоскопов только на одной длине волны.

Хотя недавно был продемонстрирован метаоптический дублет в сочетании с когерентным пучком волокон для полихроматической визуализации. Такая полихроматическая визуализация непригодна для широкополосного освещения, что часто имеет место при клинической эндоскопии. Кроме того, передняя апертура была ограничена 125 мкм при коротком рабочем расстоянии 200 мкм.

Исследовательская группа отметила потребность в широкополосной и ультратонкой метаоптике для эндоскопии. Однако делать его меньше диаметра оптического волокна нежелательно и серьезно ограничивает сбор света. Таким образом, полноцветная метаоптическая эндоскопия с приемлемым полем обзора, глубиной резкости и достаточно большой апертурой еще не достигнута.