Метаоптичні волокна зменшують ендоскопи – Physics World

Ультратонкі оптичні елементи, відомі як метаоптика, можуть зменшити довжину наконечника ендоскопів, що є одним із обмежувальних факторів цих медичних пристроїв. Це останній висновок дослідників з Університету Вашингтона, які використали інверсний підхід, щоб зменшити довжину наконечника на третину. Вони також демонструють, що ендоскоп може записувати відео в режимі реального часу в повному видимому спектрі, що виявилося складним з попередніми підходами.

Ендоскопія передбачає введення в тіло довгої гнучкої трубки (що складається з камери та світловода) для отримання зображень внутрішніх тканин. У існуючих пристроях трубка закінчується жорстким оптичним компонентом, довжина якого є фундаментальним обмеженням для проходження пристрою через невеликі звивисті протоки, такі як артерії.

В принципі, цю проблему можна вирішити, зробивши ендоскоп лише з одного оптичного волокна або пучка волокон, але проблема полягає в тому, що частина світла, що проходить по волокнах, розсіюється через дефекти та спотворюється до невпізнання. Тому його неможливо реконструювати для отримання точного зображення. Такі пристрої також обмежені короткими робочими відстанями.

Плоска метаоптика є перспективною альтернативою. Це субхвильові дифракційні оптичні елементи, що містять нанорозмірні матриці розсіювачів світла, призначені для формування фази та амплітуди хвильового фронту, що падає. Однак знову виникає проблема в тому, що ці елементи страждають від сильних аберацій (або розмиття), що ускладнює велике поле зору (FoV) і повнокольорове зображення – те, що критично важливо для клінічної ендоскопії. Дійсно, хоча металензи зазвичай створюють чіткі зображення для певної довжини хвилі (скажімо, зеленого), вони сильно розмивають інші кольори (червоний і синій).

Хоча ці труднощі можна певною мірою вирішити за допомогою дисперсійної техніки, отримані пристрої страждають від малих отворів (близько 125 мкм, наприклад), мають короткі робочі відстані (близько 200 мкм) або вимагають складної обчислювальної пост-обробки, що робить реальні складне зображення часу.

Зйомка повнокольорових зображень у реальному часі

Дослідники під керівництвом о Йоганнес Фрьох та Арка Маджумдар тепер може мати рішення для цих проблем за допомогою метаоптичного елемента зворотного дизайну, який вони оптимізували для захоплення повнокольорових зображень у реальному часі за допомогою пучка когерентних волокон діаметром 1 мм. Їхня система забезпечує кут огляду 22.5°, глибину різкості (DoF) понад 30 мм і жорсткий наконечник розміром лише 2.5 мм, тобто на 33% менше, ніж традиційний комерційний об’єктив із градієнтним індексом. інтегровані пучкові ендоскопи. Подвиг можливий завдяки меншій фокусній відстані та надтонкій метаоптиці.

«Метаоптика — це оптичні елементи, які маніпулюють світлом у різні способи для лінз, до яких ми звикли в повсякденному житті», — пояснює Фрех. «Замість вигнутої скляної поверхні метаоптика складається з невеликих наноструктур, які впливають на дифракцію світла. Це означає, що ми можемо, по суті, зігнути його та спрямувати в певному напрямку або мати інші екзотичні функції».

Інверсний дизайн — це підхід, при якому структура метаоптики розробляється на основі необхідної функціональності, додає він. «По суті, ми починаємо з результату, якого бажаємо, а потім знаходимо структуру, яка найбільш точно дасть цей конкретний результат», — розповідає він. Світ фізики.

Підхід і виготовлення метаоптики повинні бути дуже точними, і дослідники кажуть, що вони витратили кілька років на розробку правильних програмних засобів і умов виготовлення, щоб оптимізувати всі етапи процесу.

Ідеально підходить для ендоскопічних застосувань

Досягнення повнокольорового зображення за допомогою метаоптики також є надзвичайно складним, оскільки роздільна здатність зазвичай стає гіршою зі збільшенням діапазону кольорів. «Метаоптика часто працює лише для однієї певної довжини хвилі, але коли ми почали працювати над цією темою, ми зрозуміли, що роздільна здатність метаоптичного волоконного ендоскопа в кінцевому підсумку обмежена когерентним пучком волокон», — говорить Фрех. «Таким чином, ми б поміняли смугу пропускання кольорів і роздільну здатність у правильний спосіб, щоб отримати повнокольорове зображення, яке можна порівняти зі стандартними об’єктивами для цієї програми».

Ультратонкий фотоакустичний датчик зображення вміщується всередині голки

Команда Вашингтонського університету звітує про свою роботу в eLight, каже, що метаоптика ідеально підходить для ендоскопічних застосувань і навіть потенційно може бути використана для реалізації набагато більш екзотичних функцій, таких як гіперспектральне зображення або зображення з фазовим контрастом. «Вони справді відкривають багато можливостей, і зараз ми контактуємо з кількома іншими дослідницькими групами та хірургами, щоб працювати над багатьма з цих можливих застосувань», — розповідає Фрьох.

Однак перед тим, як реальні додатки побачать світ, він визнає, що є ще багато проблем, які потрібно подолати. По-перше, властивості метаоптики потрібно оптимізувати, щоб досягти ще меншої довжини наконечника. «Нам також потрібно знайти спосіб кращої інтеграції метаоптики з ендоскопом для забезпечення безпечної роботи», — говорить він. «Зрештою, ми хочемо знайти рішення, яке забезпечить недорогу та масштабовану інтеграцію метаоптики з оптичним волокном, щоб пристрої могли бути широко доступними».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/meta-optical-fibres-downsize-endoscopes/