▍撰稿：張硯曾

內(nèi)窺鏡對(duì)微創(chuàng)手術(shù)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。體積更小且剛性更低的內(nèi)窺鏡可實(shí)現(xiàn)更靈活的手術(shù)操作，并且對(duì)周?chē)M織的壓力更小。然而光學(xué)器件的尺寸對(duì)成像系統(tǒng)的小型化造成了限制。對(duì)于傳統(tǒng)器件而言，小型化不僅受到制造方面的限制，其性能也會(huì)隨著尺寸的縮小而降低。而超構(gòu)光學(xué)的出現(xiàn)為器件的小型化開(kāi)辟了一條重要的方向。

近日，來(lái)自華盛頓大學(xué)的Arka Majumdar研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種逆向設(shè)計(jì)的超構(gòu)光學(xué)器件，它與相干光纖束相結(jié)合，使剛性尖端長(zhǎng)度比傳統(tǒng)的梯度折射率（GRIN）透鏡減少33%。并且通過(guò)超構(gòu)光纖內(nèi)窺鏡（MOFIE）演示了全彩色的實(shí)時(shí)視頻捕獲。

該工作以“Real Time Full-Color Imaging in a Meta-Optical Fiber Endoscope”為題發(fā)表在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight。

具有大視野、長(zhǎng)景深和短剛性尖端長(zhǎng)度的超緊湊、靈活的內(nèi)窺鏡是發(fā)展微創(chuàng)手術(shù)和新型實(shí)驗(yàn)手術(shù)的重要工具。隨著這些領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)小型化和精度的要求越來(lái)越高?，F(xiàn)有的內(nèi)窺鏡中，設(shè)備在狹小的彎曲管道（例如動(dòng)脈）內(nèi)，剛性尖端長(zhǎng)度限制了其靈活性，而這又受到光學(xué)元件成像的尺寸限制。因此，迫切需要替代解決方案來(lái)減小尖端長(zhǎng)度。雖然目前有一些使用單根光纖或相干光纖束的無(wú)透鏡和計(jì)算成像解決方案。然而，通常僅限于較短的工作距離，并且對(duì)光纖的彎曲和扭曲極為敏感，難以精確計(jì)算重建。此外，復(fù)雜的計(jì)算重建通常會(huì)影響實(shí)時(shí)圖像捕獲。超構(gòu)光學(xué)元件具有亞波長(zhǎng)單元尺寸，可調(diào)整入射波前的相位、振幅和光譜響應(yīng)，不僅大幅縮小了傳統(tǒng)光學(xué)器件的尺寸，而且還可以在一個(gè)表面上結(jié)合多種功能。因此將超構(gòu)光學(xué)引入內(nèi)窺鏡會(huì)極大的減少尖端長(zhǎng)度并優(yōu)化成像質(zhì)量。

在這項(xiàng)工作中，作者展示了一種逆向設(shè)計(jì)的超構(gòu)光學(xué)器件，經(jīng)過(guò)優(yōu)化并結(jié)合1 mm直徑的相干光纖束捕獲可見(jiàn)光中的實(shí)時(shí)全彩色場(chǎng)景（圖1）。該器件具有22.5度的視場(chǎng)、> 30 mm的焦深（超過(guò)標(biāo)稱(chēng)設(shè)計(jì)工作距離的300%）和最小的剛性尖端長(zhǎng)度僅為 ~ 2.5 mm（有效數(shù)值孔徑為0.24）。與傳統(tǒng)的商業(yè)梯度折射率 (GRIN) 透鏡集成光纖束內(nèi)窺鏡相比，由于超構(gòu)光學(xué)具有焦距更短和超薄特性，它的尖端長(zhǎng)度減少了33%，同時(shí)成像性能相當(dāng)，工作距離保持不變。

圖1：超構(gòu)光纖內(nèi)窺鏡原理圖。與傳統(tǒng)的GRIN鏡頭相比，超構(gòu)光學(xué)元件減小了尖端長(zhǎng)度，同時(shí)保持22.5°的寬視場(chǎng)和超過(guò)30mm的大景深

雙曲面超透鏡在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)下具有衍射極限性能，而由于色差在擴(kuò)展光譜范圍內(nèi)工作時(shí)，調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）會(huì)迅速降低。為了解決這個(gè)問(wèn)題，作者使用逆向設(shè)計(jì)方法，在優(yōu)化過(guò)程中將最大化多色MTF曲線下的平均體積作為品質(zhì)因數(shù)，并通過(guò)自動(dòng)微分框架實(shí)現(xiàn)。品質(zhì)因數(shù)還確保MTF在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的SiN 方形柱實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，最小特征尺寸為75nm，最大縱橫比為10。其中光學(xué)顯微圖片和SEM如圖2 (a-d) 所示。通過(guò)超構(gòu)光學(xué)光纖內(nèi)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(shí)，可以對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)景進(jìn)行成像，并且顏色質(zhì)量在整個(gè)可見(jiàn)范圍內(nèi)都得到了完全保留。

圖2：超構(gòu)光學(xué)的表征。(a) 1 mm孔徑超構(gòu)光學(xué)器件的光學(xué)顯微鏡圖像。(b-d) SEM 圖像。(e-f) OLED 屏幕上顯示的全彩色場(chǎng)景。(g-h) 使用超構(gòu)光學(xué)光纖內(nèi)窺鏡在 10 mm工作距離處拍攝的相應(yīng)圖像。比例尺對(duì)應(yīng)于1 mm。顯示的圖像沒(méi)有計(jì)算反卷積

首先，在 10 mm 的工作距離下，通過(guò)測(cè)量棋盤(pán)圖案（圖3 (a,b)），確定視場(chǎng)約為 22.5°。在 10 mm的工作距離下以~5 mm的視野查看物體區(qū)域（人體動(dòng)脈平均直徑約1-3 mm）。內(nèi)窺鏡成像的另一個(gè)重要指標(biāo)是焦深DoF，因?yàn)轶w內(nèi)運(yùn)動(dòng)（例如心臟跳動(dòng)）會(huì)在幾十毫秒內(nèi)顯著改變工作距離，從而DoF較大對(duì)成像有利。作者將 OLED 屏幕放置在相應(yīng)內(nèi)窺鏡的不同工作距離處，同時(shí)顯示相同的圖像，工作距離分別為7mm、10 mm（設(shè)計(jì)工作距離）、18 mm和 40 mm?？梢郧宄乜吹剑谡麄€(gè)33mm的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了相同的清晰度和顏色質(zhì)量（圖3）。圖3g展示了不同工作距離下的成像分辨率，可識(shí)別第三組元素表明線分辨率約為 50μm。

圖3：MOFIE的評(píng)估

圖4展示MOFIE應(yīng)用于生物樣品的實(shí)時(shí)全彩成像。內(nèi)窺鏡具有視頻速度的成像能力，同時(shí)保持全色信息。在工作距離為10mm的情況下，以每秒14幀的視頻速率記錄了一只活的毛蟲(chóng)在草莓葉上面的運(yùn)動(dòng)。

圖4：草莓葉子上的毛毛蟲(chóng)的全彩色視頻速率成像剪輯

| 論文信息 |

Fr?ch, J. E., Huang, L., Tanguy, Q. A., et al. Real time full-color imaging in a Meta-optical fiber endoscope. eLight 3, 13 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00044-4

閱讀原文