メタ光ファイバーによる内視鏡の小型化 – Physics World

メタオプティクスとして知られる極薄の光学素子により、内視鏡の先端の長さを短縮できますが、これはこれらの医療機器の制限要因の XNUMX つです。 これは、ワシントン大学の研究者らによる最新の発見であり、研究者らは逆設計アプローチを使用して先端の長さを XNUMX 分の XNUMX に縮小しました。 また、内視鏡が可視スペクトル全体にわたってリアルタイムでビデオをキャプチャできることも実証しましたが、これは以前のアプローチでは困難であることがわかっていました。

内視鏡検査では、長くて柔軟なチューブ (カメラとライトガイドで構成される) を体内に挿入して内部組織の画像を取得します。 既存の装置では、チューブの先端には硬い光学部品が取り付けられており、その長さが、動脈などの小さな入り組んだ管路を通って移動できる装置にとって根本的な制限となっている。

原理的には、この問題は、単一の光ファイバーまたはファイバーの束のみから内視鏡を作成することで解決できますが、ここでの障害は、ファイバーを伝わる光の一部が欠陥によって散乱され、認識できないほど歪んでしまうことです。 したがって、正確な画像を取得するために再構成することはできません。 このようなデバイスはまた、短い作動距離に制限されます。

フラットメタオプティクスは、有望な代替手段を提供します。 これらは、入射波面の位相と振幅を整形するように設計されたナノスケール光散乱体アレイで構成されるサブ波長の回折光学素子です。 ただし、これらの要素には強い収差 (またはぼやけ) が発生し、臨床内視鏡にとって重要な広い視野 (FoV) やフルカラーのイメージングが困難になるという問題が再びあります。 実際、メタレンズは通常、特定の波長 (たとえば緑) に対して鮮明な画像を生成しますが、他の色 (赤と青) は強くぼやけます。

これらの問題は分散工学によってある程度解決できますが、結果として得られるデバイスは、開口部が小さい（たとえば約 125 μm）、作動距離が短い（約 200 μm）、または複雑な計算による後処理が必要になるため、現実的な問題が発生します。時間のイメージングは​​困難です。

リアルタイムのフルカラー画像のキャプチャ

主導の研究者 ヨハネス・フロヒ および アルカ・マジュムダル 同社は、直径 1 mm のコヒーレント ファイバー束でリアルタイムのフルカラー画像をキャプチャするために最適化した逆設計のメタオプティクス要素を使用して、これらの課題を解決できる可能性があります。 同社のシステムは、FoV 22.5°、被写界深度 (DoF) 30 mm 以上、およびわずか 2.5 mm の剛性チップを実現します。つまり、従来の市販の「屈折率分布型」レンズよりも 33% 小型です。統合されたファイバーバンドル内視鏡。 この偉業は、より短い焦点距離と極薄のメタ光学のおかげで可能になりました。

「メタ光学とは、私たちが日常生活で慣れ親しんでいるレンズとは異なる方法で光を操作する光学素子です」とフレーシュ氏は説明します。 「メタオプティクスは、湾曲したガラス表面の代わりに、光の回折に影響を与える小さなナノ構造で構成されています。 これは、本質的にそれを曲げて特定の方向に操縦したり、他のエキゾチックな機能を持たせたりできることを意味します。」

逆設計は、必要な機能に基づいてメタ光学の構造を設計するアプローチである、と彼は付け加えた。 「私たちは基本的に、望む結果から始めて、次にその特定の結果に最も近い結果をもたらす構造を見つけます」と彼は言います。 物理学の世界.

メタオプティクスのアプローチと製造は非常に正確である必要があり、研究者らは、プロセスのすべてのステップを最適化するために適切なソフトウェアツールと製造条件の開発に数年を費やしたと述べています。

内視鏡用途に最適

メタオプティクスを使用してフルカラーイメージングを実現することも、色の範囲が増加するにつれて通常は解像度が悪くなるため、非常に困難です。 「メタオプティクスは多くの場合、特定の XNUMX つの波長に対してのみ機能しますが、このテーマに取り組み始めたとき、メタオプティック ファイバー内視鏡の解像度は最終的にはコヒーレントなファイバー束によって制限されることに気づきました」と Fröch 氏は言います。 「したがって、このアプリケーションの標準レンズに匹敵するフルカラーイメージングを達成するために、適切な方法で色帯域幅と解像度をトレードオフすることになります。」

極薄の光音響イメージングプローブが針の中に収まる

ワシントン大学のチームがその成果を報告 eライト氏は、メタオプティクスは内視鏡用途に完全に適しており、ハイパースペクトルイメージングや位相コントラストイメージングなど、よりエキゾチックな機能を実現するために活用できる可能性さえあると述べています。 「それらは本当に多くの機会をもたらします。私たちは現在、他のいくつかの研究グループや外科医と連絡を取り、これらの可能性のある応用の多くに取り組んでいます」とフロシュ氏は明らかにします。

しかし、現実世界のアプリケーションが日の目を見る前に、克服する必要のある課題がまだたくさんあることを彼は認めています。 まず、先端の長さをさらに短くするには、メタオプティクスの特性を最適化する必要があります。 「安全な操作を確保するために、メタオプティクスと内視鏡をより適切に統合する方法を見つける必要もあります」と彼は言います。 「最終的には、メタオプティクスと光ファイバーを低コストでスケーラブルに統合して、デバイスを広く利用できるようにするソリューションを見つけたいと考えています。」

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/meta-optical-fibres-downsize-endoscopes/