用元光纤维缩小的内窥镜

一个元光电被优化为与相干光纤束集成，而单个光纤芯则被作为成像限制。与传统的GRIN透镜相比，MOFIE在保持22.5°的宽视场和超过30毫米的大景深的同时，实现了尖端长度的减少。资料来源： Johannes E. Fröch, Luocheng Huang, Quentin A.A. Tanguy, Shane Colburn, Alan Zhan, Andrea Ravagli, Eric J. Seibel, Karl Böhringer, Arka Majumdar

具有大视野(FoV)、长景深(DoF)和短刚尖长度的超紧凑、敏捷的内窥镜对于发展微创手术和新的实验性手术至关重要。随着这些领域的发展，对小型化和提高精度的要求逐渐变得苛刻。

在现有的内窥镜中，僵硬的尖端长度是对设备在小的迂回管道（如动脉）中灵活性的一个基本限制。它主要受制于成像所需的光学元件的尺寸。因此，迫切需要替代的解决方案来减少尖端的长度。

在发表于《eLight》的一篇新论文中，由华盛顿大学的Johannes Fröch博士和Arka Majumdar教授领导的科学家团队开发了一种减少刚性尖端长度的新型技术。

现有的解决方案包括用单根光纤或相干光纤束进行无长度和计算成像。然而，这些通常只限于较短的工作距离，而且往往对光纤的弯曲和扭曲极为敏感，影响甚至排除了精确的计算重建。

扁平元光学是光子学界一个新兴的、通用的想法，用于创建小型化的光学元件。这些是由纳米级散射器阵列组成的亚波长衍射光学元件。它们被设计用来塑造入射波面的相位、振幅和光谱响应。这种超薄的平面光学元件不仅极大地缩小了传统光学元件的尺寸，而且还能在一个表面上结合多种功能。

扁平元光学器件与大批量的半导体制造技术兼容，可以创造出一次性的光学器件。这些特性已经激发了研究人员探索元光学在内窥镜方面的潜力，包括光纤集成内窥镜，侧视单光纤扫描内窥镜，以及扫描光纤前视内窥镜。

放在相干光纤束前面的制造的元光学（左）的光学显微镜图像。元光镜的扫描电子显微镜图像（右）显示了单个散射器，它横跨设备的整个孔径。资料来源： Johannes E. Fröch, Luocheng Huang, Quentin A.A. Tanguy, Shane Colburn, Alan Zhan, Andrea Ravagli, Eric J. Seibel, Karl Böhringer, Arka Majumdar
遗憾的是，传统的元光学受到强像差的影响，使得大视场和全色成像成为挑战。有几项工作表明，标准的metalens设计不适合于同时捕捉整个可见光谱的色彩信息。

它通常会导致设计波长（如绿色）的清晰图像，但对其他颜色（红色和蓝色）则有强烈的失真/模糊。虽然一些方法，如色散工程和计算成像技术可以减少色差，但它们要么受到小孔径、低数值孔径的影响，要么需要一个计算后处理步骤，使实时视频捕获变得复杂。

同样地，在元光电之前的一个额外的光圈可以提供一个更大的视野。然而，它的代价是减少光收集和增加光学器件的厚度。到目前为止，这些限制使大多数元光学内窥镜只能进行单波长操作。

虽然，最近展示了一个元光学双光束与相干光纤束一起用于多色成像。这种多色成像不适合宽波段照明，而临床内窥镜通常就是这种情况。此外，前面的孔径被限制在125微米，工作距离很短，只有200微米。

研究小组注意到了人们对用于内窥镜的宽频带、超薄元光学的渴望。然而，使其小于光纤直径是不利的，并严重限制了光线的收集。因此，具有可接受的FoV、DoF和足够大的孔径的全色元光学内窥镜还没有实现。

在这项工作中，研究小组展示了一个反设计的元光镜，该元光镜经过优化，可以用直径为1毫米的相干光纤束捕捉实时全彩场景。该元光机可以在22.5°的视场角、大于30毫米的DoF（超过额定设计工作距离的300%）和仅有约2.5毫米的最小刚性尖端长度下进行操作。

与传统的商业梯度指数（GRIN）透镜集成光纤束内窥镜相比，这是一个减少33%的尖端长度。这是由于较短的焦距和超薄的元镜的性质。

上面的图像显示了OLED屏幕上的场景，并通过MOFIE捕获，使研究人员能够直接评估成像质量。底部三张图片显示的是在环境成像条件和实时生活捕捉下拍摄的毛虫图像，没有应用计算去卷积。资料来源： Johannes E. Fröch, Luocheng Huang, Quentin A.A. Tanguy, Shane Colburn, Alan Zhan, Andrea Ravagli, Eric J. Seibel, Karl Böhringer, Arka Majumdar
同时，保持相当的成像性能和工作距离。为了实现元光学光纤内窥镜（MOFIE）卓越的FoV、DoF和色彩性能，研究小组从系统级的角度来处理这个设计问题。

他们认为，束内单个光纤芯的直径和间距限制了可实现的图像质量，这也限制了可实现的FoV和调制传递函数（MTF）。这方面在一个自动区分框架中实现，使用多色调制传输函数（MTF）曲线下的平均体积作为优点数字。

通过确保meta-optic的MTF在光纤束的限制范围内，研究小组实现了全色操作，而不需要计算重建步骤，从而促进了实时操作。研究小组强调，其设计方法从根本上不同于传统的消色差金属网设计工作。

研究人员制定了一个优化问题，以找到全色成像的最佳解决方案。而不是试图在所有波长中实现衍射限制的性能，这可能构成一个物理上无法解决的问题。

这种方法很重要，因为它不限于这个特定的系统。它可以扩展到更大的光圈尺寸，并支持计算性的后处理步骤。为了强调这一点，他们还展示了一个具有1厘米孔径和环境光条件下全彩成像的元光镜的例子。

参考资料：Johannes E. Fröch et al, Real time full-color imaging in a Meta-optical fiber endoscope, eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00044-4