元光纤缩小了内窥镜的尺寸 – 物理世界

被称为元光学的超薄光学元件可以缩短内窥镜的尖端长度，这是这些医疗设备的限制因素之一。 这是华盛顿大学研究人员的最新发现，他们使用逆向设计方法将尖端长度减小了三分之一。 他们还证明，内窥镜可以在整个可见光谱范围内实时捕获视频，这在以前的方法中已被证明是困难的。

内窥镜检查涉及将一根长的柔性管（由相机和光导组成）插入体内以获得内部组织的图像。 在现有的设备中，管子的顶端有一个刚性的光学部件，其长度是设备能够穿过动脉等小回旋管道的基本限制。

原则上，这个问题可以通过仅用单根光纤或一束光纤制造内窥镜来解决，但这里的问题是，沿着光纤传播的一些光会被缺陷散射并扭曲得无法辨认。 因此无法对其进行重建以获得准确的图像。 此类设备也仅限于短工作距离。

平面元光学提供了一种有前途的替代方案。 这些是亚波长衍射光学元件，包括纳米级光散射体阵列，旨在塑造入射波前的相位和振幅。 然而，又存在一个问题，因为这些元件存在强烈的像差（或模糊），使得大视场 (FoV) 和全彩色成像变得困难，而这对于临床内窥镜检查至关重要。 事实上，虽然超镜头通常会针对特定波长（例如绿色）产生清晰的图像，但它们会严重模糊其他颜色（红色和蓝色）。

尽管这些困难可以通过色散工程在一定程度上解决，但所得器件的孔径较小（例如，约125μm），工作距离短（约200μm）或需要复杂的计算后处理，这使得实际时间成像具有挑战性。

捕捉实时全彩图像

研究人员领导 约翰内斯·弗罗希 和 阿尔卡·马朱姆达尔 现在，他们可以通过逆向设计的元光学元件来解决这些挑战，他们对其进行了优化，可以使用 1 毫米直径的相干光纤束捕获实时全彩图像。 他们的系统可实现 22.5° 的 FoV、超过 30 毫米的景深 (DoF)，以及尺寸仅为 2.5 毫米的刚性尖端，即比传统商用“梯度折射率”镜头小 33%集成光纤束内窥镜。 由于更短的焦距和超薄的元光学元件，这一壮举才得以实现。

“元光学是一种光学元件，它以与我们日常生活中习惯的镜头不同的方式操纵光线，”Fröch 解释道。 “元光学不是由弯曲的玻璃表面组成，而是由影响光衍射方式的小型纳米结构组成。 这意味着我们基本上可以弯曲它并将其引导到特定方向或具有其他奇特的功能。”

他补充说，逆向设计是一种根据所需功能设计元光学结构的方法。 “我们基本上从我们希望的结果开始，然后找到最接近产生该特定结果的结构，”他告诉我们 物理世界.

元光学的方法和制造必须非常准确，研究人员表示，他们花了几年时间开发正确的软件工具和制造条件，以优化过程中的所有步骤。

非常适合内窥镜应用

利用元光学实现全色成像也极具挑战性，因为随着颜色范围的增加，分辨率通常会变得更差。 “元光学通常仅适用于一种特定波长，但当我们开始研究这一主题时，我们意识到元光纤内窥镜的分辨率最终受到相干光纤束的限制，”Fröch 说。 “因此，我们将以正确的方式权衡色彩带宽与分辨率，以实现与该应用的标准镜头相当的全彩成像。”

超薄光声成像探头安装在针内

华盛顿大学团队报告其工作 电子灯，说元光学非常适合内窥镜应用，甚至有可能被用来实现更多奇特的功能，例如高光谱成像或相差成像。 “它们确实带来了很多机会，我们现在正在与其他几个研究小组和外科医生联系，以研究其中许多可能的应用，”Fröch 透露。

然而，在实际应用出现之前，他承认仍有许多挑战需要克服。 其一，元光学器件的特性需要优化，以实现更短的尖端长度。 “我们还需要找到一种方法，将元光学器件与内窥镜更好地集成，以确保安全操作，”他说。 “最终，我们希望找到一种解决方案，能够实现元光学与光纤的低成本且可扩展的集成，从而使这些设备能够被广泛使用。”

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