Endoscopi termoretraibili con meta

Centro editoriale leggero, Istituto di ottica di Changchun, meccanica e fisica fine, CAS

immagine: una metaottica è ottimizzata per l'integrazione con il fascio di fibre coerente, mentre i singoli nuclei di fibra sono considerati la limitazione dell'immagine. Il MOFIE raggiunge una lunghezza della punta ridotta pur mantenendo un ampio campo visivo di 22,5° e un'ampia profondità di campo superiore a 30 mm, rispetto a una lente GRIN tradizionale.vedere di più

Crediti: di Johannes E. Froch, Luocheng Huang, Quentin AA Tanguy, Shane Colburn, Alan Zhan, Andrea Ravagli, Eric J. Seibel, Karl Bohringer, Arka Majumdar

Endoscopi ultracompatti e agili con un ampio campo visivo (FoV), una lunga profondità di campo (DoF) e una punta rigida corta sono essenziali per lo sviluppo di operazioni minimamente invasive e nuovi interventi chirurgici sperimentali. Man mano che questi campi si sviluppano, i requisiti di miniaturizzazione e maggiore precisione diventano progressivamente esigenti. Negli endoscopi esistenti, la lunghezza della punta rigida rappresenta una limitazione fondamentale dell'agilità del dispositivo all'interno di piccoli condotti tortuosi, come un'arteria. È vincolato principalmente dalle dimensioni degli elementi ottici richiesti per l'imaging. Pertanto, sono urgentemente necessarie soluzioni alternative per ridurre la lunghezza della punta.

In un nuovo articolo pubblicato su eLight, un team di scienziati guidato dal dottor Johannes Fröch e dal professor Arka Majumdar dell'Università di Washington ha sviluppato una nuova tecnica per ridurre la lunghezza della punta rigida.

Le soluzioni esistenti includono l'imaging senza lenti e computazionale con fibre singole o fasci di fibre coerenti. Tuttavia, questi sono tipicamente limitati a una breve distanza di lavoro e spesso estremamente sensibili alla flessione e alla torsione della fibra ottica, influenzando o addirittura impedendo un'accurata ricostruzione computazionale.

La metaottica piatta è un'idea emergente e versatile nella comunità della fotonica per creare elementi ottici miniaturizzati. Si tratta di elementi ottici diffrattivi sub-lunghezza d'onda composti da array di scatterer su scala nanometrica. Sono progettati per modellare la fase, l'ampiezza e la risposta spettrale di un fronte d'onda incidente. Tali ottiche piatte ultrasottili non solo riducono drasticamente le dimensioni delle ottiche tradizionali, ma possono anche combinare più funzionalità su un'unica superficie.

La metaottica piatta è compatibile con la tecnologia di produzione di semiconduttori in grandi volumi e può creare ottiche usa e getta. Queste proprietà hanno già ispirato i ricercatori a esplorare il potenziale della meta-ottica per l’endoscopia, compresa l’endoscopia con fibra integrata, l’endoscopia a scansione con fibra singola con visione laterale e l’endoscopia con visione in avanti della fibra a scansione.

Sfortunatamente, la meta-ottica soffre tradizionalmente di forti aberrazioni, rendendo impegnativi i FoV di grandi dimensioni e l’imaging a colori. Diversi lavori hanno dimostrato che il design standard dei metalli non è adatto per catturare simultaneamente informazioni sul colore attraverso lo spettro visibile. Generalmente si ottengono immagini nitide per la lunghezza d'onda di progetto (ad esempio verde) ma fortemente aberrate/sfocate per gli altri colori (rosso e blu). Sebbene alcuni approcci come l'ingegneria della dispersione e le tecniche di imaging computazionale possano ridurre l'aberrazione cromatica, soffrono di aperture piccole, aperture numeriche basse o richiedono una fase di post-elaborazione computazionale, complicando l'acquisizione video in tempo reale. Allo stesso modo, un’apertura aggiuntiva prima della metaottica può fornire un FoV più ampio. Tuttavia, ciò avviene a scapito di una ridotta raccolta della luce e di un maggiore spessore dell'ottica. Finora, queste limitazioni hanno limitato la maggior parte degli endoscopi meta-ottici al funzionamento a singola lunghezza d'onda.

Sebbene, recentemente, sia stato dimostrato un doppietto meta-ottico insieme a un fascio di fibre coerenti per l'imaging policromatico. Tale imaging policromatico non è adatto per l'illuminazione a banda larga, come spesso avviene per l'endoscopia clinica. Inoltre, l'apertura frontale era limitata a 125 μm, con una breve distanza di lavoro di 200 μm.

Il gruppo di ricerca ha notato il desiderio di meta-ottica a banda larga e ultrasottile per l'endoscopia. Tuttavia, renderlo più piccolo del diametro della fibra ottica non è favorevole e limita fortemente la raccolta della luce. Pertanto, non è stata ancora raggiunta l'endoscopia meta-ottica a colori con FoV, DoF accettabili e apertura sufficientemente ampia.