メタ付き縮小内視鏡

Aug 23, 2023

2023 年 6 月 7 日

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中国科学院による

広い視野 (FoV)、長い被写界深度 (DoF)、および短い硬質先端長を備えた超小型で機敏な内視鏡は、低侵襲手術や新しい実験的手術の開発に不可欠です。 これらの分野の発展に伴い、小型化と高精度化への要求はますます厳しくなっています。

既存の内視鏡では、先端の長さが硬いため、動脈などの曲がりくねった管内でのデバイスの機敏性が根本的に制限されています。 これは主に、イメージングに必要な光学素子のサイズによって制限されます。 したがって、チップの長さを短縮するための代替解決策が緊急に必要とされています。

eLight に掲載された新しい論文の中で、ワシントン大学のヨハネス・フローシュ博士とアルカ・マジュムダル教授が率いる科学者チームは、硬い先端の長さを短縮するための新しい技術を開発しました。

既存のソリューションには、レンズレスおよび単一ファイバーまたはコヒーレントファイバー束を使用したコンピュテーショナルイメージングが含まれます。 ただし、これらは通常、短い作動距離に制限されており、多くの場合、光ファイバーの曲げやねじれに非常に敏感であり、正確な計算による再構成に影響を与えたり、妨げることさえあります。

フラットメタオプティクスは、小型光学素子を作成するための、フォトニクスコミュニティにおける新たな多用途のアイデアです。 これらは、ナノスケールの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。 これらは、入射波面の位相、振幅、スペクトル応答を形成するように設計されています。 このような極薄の平面光学素子は、従来の光学素子のサイズを大幅に縮小するだけでなく、単一の表面に複数の機能を組み合わせることができます。

フラット メタオプティクスは、大量の半導体製造技術と互換性があり、使い捨ての光学部品を作成できます。 これらの特性はすでに研究者らに、ファイバー一体型内視鏡、側方視型単一ファイバー走査型内視鏡検査、走査型ファイバー前方視型内視鏡などの内視鏡検査におけるメタオプティクスの可能性を探求するきっかけを与えています。

残念なことに、メタオプティクスは伝統的に強い収差に悩まされており、大きな FoV やフルカラーのイメージングを困難にしています。 いくつかの研究により、標準のメタレンズ設計は可視スペクトル全体にわたる色情報を同時に捕捉するのには適していないことが示されています。

通常、設計波長 (緑など) では鮮明な画像が得られますが、他の色 (赤と青) では強く収差/ぼやけます。 分散工学や計算によるイメージング技術などのいくつかのアプローチは色収差を低減できますが、小さな口径や低い開口数に悩まされるか、計算による後処理ステップが必要となり、リアルタイムのビデオキャプチャが複雑になります。

同様に、メタオプティックの前に絞りを追加すると、より大きな FoV を提供できます。 ただし、集光量が減少し、光学系の厚さが増加するという代償が伴います。 これまでのところ、これらの制限により、ほとんどのメタオプティクス内視鏡は単一波長での動作に制限されてきました。

ただし、最近、メタオプティックダブレットが多色イメージング用のコヒーレントファイバーバンドルと組み合わせて実証されました。 このような多色イメージングは​​、臨床内視鏡検査でよく見られる広帯域照明には適していません。 さらに、前面開口は 125 μm に制限され、作動距離は 200 μm と短くなりました。

研究チームは、内視鏡検査用の広帯域で超薄型のメタオプティクスが求められていることに注目しました。 ただし、光ファイバーの直径よりも小さくすることは役に立たず、集光が大幅に制限されます。 そのため、許容可能な FoV、DoF、および十分な大きさの開口を備えたフルカラーのメタ光学内視鏡検査はまだ実現されていません。

この研究で研究チームは、直径 1 mm のコヒーレント ファイバー束を使用してリアルタイムのフルカラー シーンをキャプチャするために最適化された逆設計のメタオプティックを実証しました。 メタオプティックにより、FoV 22.5°、DoF > 30 mm (公称設計作動距離の 300% を超える)、およびわずか ~ 2.5 mm の最小剛性チップ長での操作が可能になります。

これは、従来の市販の屈折率分布型 (GRIN) レンズ一体型ファイバーバンドル内視鏡と比較して、先端長が 33% 短縮されます。 これは、焦点距離が短いことと、メタオプティックの超薄型の性質によるものです。

同時に、同等の結像性能と作動距離が維持されます。 メタオプティカル ファイバー内視鏡 (MOFIE) の卓越した FoV、DoF、および色のパフォーマンスを達成するために、研究チームはシステム レベルの観点からこの設計問題に取り組みました。

彼らは、バンドル内の個々のファイバ コアの直径と間隔が達成可能な画質を制限し、それが達成可能な FoV と変調伝達関数 (MTF) も制限すると考えていました。 この側面は、多色変調伝達関数 (MTF) 曲線の下の平均体積を性能指数として使用する自動微分フレームワークで実装されます。

メタオプティックの MTF がファイバー束の制限内であることを保証することで、研究チームは計算による再構成ステップを必要とせずにフルカラー操作を実現し、リアルタイム操作を容易にしました。 チームは、その設計アプローチが従来の無彩色メタレンズ設計の取り組みとは根本的に異なることを強調しました。

研究者らは、フルカラー イメージングに最適なソリューションを見つけるために最適化問題を定式化しました。 これは、物理的に解決できない問題を引き起こす可能性があるすべての波長で回折限界の性能を達成しようとする代わりに行われました。

このアプローチはこの特定のシステムに限定されないため重要です。 これは、より大きな開口サイズに拡張でき、計算による後処理ステップをサポートします。 これを強調するために、彼らはまた、周囲光条件下での 1 cm の開口部とフルカラーイメージングを備えたメタオプティックの例を実証しました。

詳しくは： Johannes E. Fröch et al、メタ光ファイバー内視鏡におけるリアルタイムフルカラーイメージング、eLight (2023)。 DOI: 10.1186/s43593-023-00044-4

中国科学院提供