eLight·封面 | 光纖內窺鏡實時全彩視頻成像

中国光学

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2023-12-31 17:50

吉林

来源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

▍撰稿：張硯曾

內窺鏡對微創手術的發展起到至關重要的作用。體積更小且剛性更低的內窺鏡可實現更靈活的手術操作，并且對周圍組織的壓力更小。然而光學器件的尺寸對成像系統的小型化造成了限制。對于傳統器件而言，小型化不僅受到制造方面的限制，其性能也會隨著尺寸的縮小而降低。而超構光學的出現為器件的小型化開辟了一條重要的方向。

近日，來自華盛頓大學的Arka Majumdar研究團隊報告了一種逆向設計的超構光學器件，它與相干光纖束相結合，使剛性尖端長度比傳統的梯度折射率（GRIN）透鏡減少33%。并且通過超構光纖內窺鏡（MOFIE）演示了全彩色的實時視頻捕獲。

該工作以“Real Time Full-Color Imaging in a Meta-Optical Fiber Endoscope”為題發表在卓越計劃高起點新刊eLight。

具有大視野、長景深和短剛性尖端長度的超緊湊、靈活的內窺鏡是發展微創手術和新型實驗手術的重要工具。隨著這些領域的發展，對小型化和精度的要求越來越高。現有的內窺鏡中，設備在狹小的彎曲管道（例如動脈）內，剛性尖端長度限制了其靈活性，而這又受到光學元件成像的尺寸限制。因此，迫切需要替代解決方案來減小尖端長度。雖然目前有一些使用單根光纖或相干光纖束的無透鏡和計算成像解決方案。然而，通常僅限于較短的工作距離，并且對光纖的彎曲和扭曲極為敏感，難以精確計算重建。此外，復雜的計算重建通常會影響實時圖像捕獲。超構光學元件具有亞波長單元尺寸，可調整入射波前的相位、振幅和光譜響應，不僅大幅縮小了傳統光學器件的尺寸，而且還可以在一個表面上結合多種功能。因此將超構光學引入內窺鏡會極大的減少尖端長度并優化成像質量。

在這項工作中，作者展示了一種逆向設計的超構光學器件，經過優化并結合1 mm直徑的相干光纖束捕獲可見光中的實時全彩色場景（圖1）。該器件具有22.5度的視場、> 30 mm的焦深（超過標稱設計工作距離的300%）和最小的剛性尖端長度僅為 ~ 2.5 mm（有效數值孔徑為0.24）。與傳統的商業梯度折射率 (GRIN) 透鏡集成光纖束內窺鏡相比，由于超構光學具有焦距更短和超薄特性，它的尖端長度減少了33%，同時成像性能相當，工作距離保持不變。

圖1：超構光纖內窺鏡原理圖。與傳統的GRIN鏡頭相比，超構光學元件減小了尖端長度，同時保持22.5°的寬視場和超過30mm的大景深

雙曲面超透鏡在設計波長下具有衍射極限性能，而由于色差在擴展光譜范圍內工作時，調制傳遞函數（MTF）會迅速降低。為了解決這個問題，作者使用逆向設計方法，在優化過程中將最大化多色MTF曲線下的平均體積作為品質因數，并通過自動微分框架實現。品質因數還確保MTF在很寬的波長范圍內保持相似。為確保偏振不敏感操作和與大批量制造工藝的兼容性，設計簡單的SiN 方形柱實現相位調制，最小特征尺寸為75nm，最大縱橫比為10。其中光學顯微圖片和SEM如圖2 (a-d) 所示。通過超構光學光纖內窺鏡（MOFIE）拍攝OLED屏幕上的彩色圖像如圖2(g, h) 所示。在保證分辨率的同時，可以對復雜的場景進行成像，并且顏色質量在整個可見范圍內都得到了完全保留。

圖2：超構光學的表征。(a) 1 mm孔徑超構光學器件的光學顯微鏡圖像。(b-d) SEM 圖像。(e-f) OLED 屏幕上顯示的全彩色場景。(g-h) 使用超構光學光纖內窺鏡在 10 mm工作距離處拍攝的相應圖像。比例尺對應于1 mm。顯示的圖像沒有計算反卷積

首先，在 10 mm 的工作距離下，通過測量棋盤圖案（圖3 (a,b)），確定視場約為 22.5°。在 10 mm的工作距離下以~5 mm的視野查看物體區域（人體動脈平均直徑約1-3 mm）。內窺鏡成像的另一個重要指標是焦深DoF，因為體內運動（例如心臟跳動）會在幾十毫秒內顯著改變工作距離，從而DoF較大對成像有利。作者將 OLED 屏幕放置在相應內窺鏡的不同工作距離處，同時顯示相同的圖像，工作距離分別為7mm、10 mm（設計工作距離）、18 mm和 40 mm。可以清楚地看到，在整個33mm的范圍內，實現了相同的清晰度和顏色質量（圖3）。圖3g展示了不同工作距離下的成像分辨率，可識別第三組元素表明線分辨率約為 50μm。