Encolhendo endoscópios com meta

Aug 22, 2023

Light Publishing Center, Instituto Changchun de Óptica, Mecânica Fina e Física, CAS

imagem: Uma meta-óptica é otimizada para integração com o feixe de fibra coerente, enquanto os núcleos de fibra individuais são considerados como a limitação de imagem. A MOFIE atinge um comprimento de ponta reduzido enquanto mantém um amplo campo de visão de 22,5° e uma grande profundidade de campo superior a 30 mm, em comparação com uma lente GRIN tradicional.Veja mais

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

Endoscópios ultracompactos e ágeis com um grande campo de visão (FoV), longa profundidade de campo (DoF) e comprimento curto da ponta rígida são essenciais para o desenvolvimento de operações minimamente invasivas e novas cirurgias experimentais. À medida que esses campos se desenvolvem, os requisitos de miniaturização e maior precisão tornam-se progressivamente exigentes. Nos endoscópios existentes, o comprimento da ponta rígida é uma limitação fundamental da agilidade do aparelho em pequenos dutos tortuosos, como uma artéria. É limitado principalmente pelo tamanho dos elementos ópticos necessários para a geração de imagens. Assim, soluções alternativas são urgentemente necessárias para reduzir o comprimento da ponta.

Em um novo artigo publicado no eLight, uma equipe de cientistas liderada pelo Dr. Johannes Fröch e pelo Prof Arka Majumdar, da Universidade de Washington, desenvolveu uma nova técnica para reduzir o comprimento da ponta rígida.

As soluções existentes incluem imagens sem lentes e computacionais com fibras únicas ou feixes de fibras coerentes. No entanto, estes são tipicamente limitados a uma curta distância de trabalho e muitas vezes extremamente sensíveis à flexão e torção da fibra óptica, afetando ou mesmo impedindo a reconstrução computacional precisa.

A meta-óptica plana é uma ideia emergente e versátil na comunidade fotônica para criar elementos ópticos miniaturizados. Estes são elementos ópticos difrativos de sub-comprimento de onda compostos de matrizes de dispersão em nanoescala. Eles são projetados para moldar a fase, a amplitude e a resposta espectral de uma frente de onda incidente. Essa ótica plana ultrafina não apenas reduz drasticamente o tamanho da ótica tradicional, mas também pode combinar várias funcionalidades em uma única superfície.

A meta-óptica plana é compatível com a tecnologia de fabricação de semicondutores de alto volume e pode criar óptica descartável. Essas propriedades já inspiraram os pesquisadores a explorar o potencial da meta-óptica para endoscopia, incluindo endoscopia com fibra integrada, endoscopia de varredura de fibra única com visão lateral e endoscopia de visão frontal com fibra de varredura.

Infelizmente, a meta-óptica tradicionalmente sofre de fortes aberrações, tornando um grande FoV e imagens em cores um desafio. Vários trabalhos mostraram que o design de metalens padrão é inadequado para capturar informações de cores simultaneamente em todo o espectro visível. Isso normalmente resulta em imagens nítidas para o comprimento de onda do projeto (por exemplo, verde), mas fortemente aberradas/desfocadas para outras cores (vermelho e azul). Embora algumas abordagens, como engenharia de dispersão e técnicas de imagem computacional, possam reduzir a aberração cromática, elas sofrem de pequenas aberturas, baixas aberturas numéricas ou exigem uma etapa de pós-processamento computacional, complicando a captura de vídeo em tempo real. Da mesma forma, uma abertura adicional antes da meta-óptica pode fornecer um FoV maior. No entanto, isso ocorre com o custo de coleta de luz reduzida e aumento da espessura da ótica. Até agora, essas limitações restringiram a maioria dos endoscópios meta-ópticos à operação de comprimento de onda único.

Embora, recentemente, um doublet meta-óptico tenha sido demonstrado em conjunto com um feixe de fibras coerente para imagens policromáticas. Essa imagem policromática é inadequada para iluminação de banda larga, que é frequentemente o caso da endoscopia clínica. Além disso, a abertura frontal foi limitada a 125 μm, com uma curta distância de trabalho de 200 μm.

A equipe de pesquisa notou um desejo por meta-óptica ultrafina e de banda larga para endoscopia. No entanto, torná-lo menor que o diâmetro da fibra óptica não é propício e limita severamente a coleta de luz. Como tal, endoscopia meta-óptica colorida com FoV aceitável, DoF e abertura grande o suficiente ainda não foi alcançada.