메타광섬유로 내시경 소형화 - 피직스월드

메타광섬유로 내시경 소형화 - 피직스월드

타임 스탬프 : 26 년 2023 월 4 일 오전 45:XNUMX

새로운 장치는 22.5°의 넓은 시야와 30mm를 초과하는 큰 피사계 심도를 유지하면서 팁 길이를 줄였습니다.
메타광섬유 내시경 메타광학은 응집성 광섬유 번들과의 통합에 최적화되어 있습니다. 새로운 장치는 22.5°의 넓은 시야와 30mm를 초과하는 큰 피사계 심도를 유지하면서 팁 길이를 줄였습니다. (제공: JE Fröch, L Huang, QAA Tanguy, S Colburn, A Zhan, A Ravagli, EJ Seibel, K Böhringer 및 A Majumdar)

메타광학(meta-optics)으로 알려진 초박형 광학 소자는 이러한 의료 기기의 제한 요소 중 하나인 내시경의 팁 길이를 줄일 수 있습니다. 그것은 팁 길이를 XNUMX/XNUMX로 줄이기 위해 역 설계 방식을 사용한 워싱턴 대학의 연구원들의 최신 발견입니다. 그들은 또한 내시경이 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 실시간으로 비디오를 캡처할 수 있음을 입증했는데, 이는 이전 접근 방식으로는 어려웠던 것으로 입증되었습니다.

내시경 검사는 내부 조직의 이미지를 얻기 위해 길고 유연한 튜브(카메라와 라이트 가이드로 구성됨)를 체내에 삽입하는 것입니다. 기존 장치에서 튜브는 단단한 광학 구성 요소로 기울어져 있으며, 그 길이는 동맥과 같은 작은 나선형 덕트를 통해 이동할 수 있는 장치에 근본적인 제한 사항입니다.

원칙적으로 이 문제는 단일 광섬유 또는 광섬유 다발로 내시경을 만들어 해결할 수 있지만 여기서 걸림돌은 광섬유 아래로 이동하는 일부 빛이 결함에 의해 산란되고 인식할 수 없을 정도로 왜곡된다는 것입니다. 따라서 정확한 이미지를 얻기 위해 재구성할 수 없습니다. 이러한 장치는 또한 짧은 작동 거리로 제한됩니다.

평평한 메타 광학은 유망한 대안을 제공합니다. 이들은 입사 파면의 위상과 진폭을 형성하도록 설계된 나노스케일 광산란 어레이로 구성된 서브파장 회절 광학 요소입니다. 그러나 이러한 요소가 강한 수차(또는 흐림)로 인해 큰 시야(FoV)와 풀 컬러 이미징을 어렵게 만드는 문제가 다시 발생합니다. 이는 임상 내시경 검사에 매우 중요합니다. 실제로 메탈렌즈는 일반적으로 특정 파장(예: 녹색)에 대해 선명한 이미지를 생성하지만 다른 색상(빨간색 및 파란색)은 강하게 흐리게 합니다.

이러한 어려움은 분산 공학으로 어느 정도 해결할 수 있지만 결과 장치는 작은 구멍(예: 약 125µm), 짧은 작동 거리(약 200µm) 또는 복잡한 계산 후 처리가 필요합니다. 시간 이미징 도전.

실시간 풀 컬러 이미지 캡처

연구원 주도 요하네스 프뢰히 및 아르카 마줌다르 이제 1mm 직경의 일관된 섬유 번들로 실시간 풀 컬러 이미지를 캡처하도록 최적화된 역설계된 메타 광학 요소로 이러한 문제에 대한 솔루션을 가질 수 있습니다. 그들의 시스템은 22.5°의 FoV, 30mm 이상의 피사계 심도(DoF) 및 2.5mm에 불과한 견고한 팁을 허용합니다. 즉, 기존의 상용 "그라데이션 인덱스" 렌즈보다 33% 더 작습니다. 통합 섬유 다발 내시경. 짧은 초점 거리와 초박형 메타 광학 덕분에 이러한 위업이 가능합니다.

장치의 광학 현미경 및 주사 전자 현미경 이미지
장치 특성화 왼쪽: 간섭성 섬유 다발 앞에 배치된 메타 광학의 광학 현미경 이미지. 오른쪽: 제작된 장치의 주사 전자 현미경 이미지. (제공: JE Fröch 외)

"Meta-optics는 우리가 일상 생활에서 사용하는 렌즈와 다른 방식으로 빛을 조작하는 광학 요소입니다."라고 Fröch는 설명합니다. "곡선 유리 표면 대신 메타 광학은 빛이 회절되는 방식에 영향을 미치는 작은 나노 구조로 구성됩니다. 이것은 본질적으로 그것을 구부리고 특정 방향으로 조종하거나 다른 이국적인 기능을 가질 수 있음을 의미합니다.”

역설계는 필요한 기능을 기반으로 메타광학의 구조를 설계하는 접근법이라고 그는 덧붙였다. "우리는 기본적으로 원하는 결과로 시작한 다음 특정 결과를 가장 근접하게 생성할 구조를 찾습니다."라고 그는 말합니다. 물리 세계.

메타광학의 접근과 제조는 매우 정확해야 하며 연구원들은 프로세스의 모든 단계를 최적화하기 위해 올바른 소프트웨어 도구와 제조 조건을 개발하는 데 수년을 보냈다고 말했습니다.

내시경 용도에 완벽하게 적합

일반적으로 색상 범위가 증가함에 따라 해상도가 떨어지기 때문에 메타 광학으로 풀 컬러 이미징을 달성하는 것도 매우 어렵습니다. "Meta-optics는 종종 하나의 특정 파장에서만 작동하지만 이 주제에 대한 작업을 시작했을 때 meta-optic 섬유 내시경의 해상도가 궁극적으로 일관된 섬유 번들에 의해 제한된다는 것을 깨달았습니다."라고 Fröch는 말합니다. "따라서 우리는 이 애플리케이션을 위한 표준 렌즈에 필적하는 풀 컬러 이미징을 달성하기 위해 올바른 방법으로 색상 대역폭과 해상도를 절충할 것입니다."

워싱턴 대학교 팀은 이라이트, 메타 광학은 내시경 응용 프로그램에 완벽하게 적합하며 초분광 이미징 또는 위상차 이미징과 같은 훨씬 더 이국적인 기능을 실현하는 데 잠재적으로 활용될 수 있다고 말합니다. Fröch는 "그들은 정말 많은 기회를 열어주고 있으며 우리는 현재 여러 다른 연구 그룹 및 외과 의사와 접촉하여 이러한 가능한 많은 응용 프로그램을 연구하고 있습니다."라고 밝혔습니다.

그러나 실제 응용 프로그램이 빛을 보기 전에 극복해야 할 과제가 여전히 많다는 점을 인정합니다. 하나는 더 짧은 팁 길이를 달성하기 위해 meta-optics의 특성을 최적화해야 한다는 것입니다. "우리는 또한 안전한 작동을 보장하기 위해 메타 광학을 내시경과 더 잘 통합하는 방법을 찾아야 합니다."라고 그는 말합니다. "궁극적으로, 우리는 장치에 널리 액세스할 수 있도록 광섬유와 메타 광학의 저비용 및 확장 가능한 통합을 허용하는 솔루션을 찾고 싶습니다."

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