内窥镜对微创手术的发展起到至关重要的作用。体积更小且刚性更低的内窥镜可实现更灵活的手术操作，并且对周围组织的压力更小。然而光学器件的尺寸对成像系统的小型化造成了限制。对于传统器件而言，小型化不仅受到制造方面的限制，其性能也会随着尺寸的缩小而降低。而超构光学的出现为器件的小型化开辟了一条重要的方向。
近日，来自华盛顿大学的Arka Majumdar研究团队报告了一种逆向设计的超构光学器件，它与相干光纤束相结合，使刚性尖端长度比传统的梯度折射率（GRIN）透镜减少33%。并且通过超构光纤内窥镜（MOFIE）演示了全彩色的实时视频捕获。
该工作以“Real Time Full-Color Imaging in a Meta-Optical Fiber Endoscope”为题发表在卓越计划高起点新刊eLight。
具有大视野、长景深和短刚性尖端长度的超紧凑、灵活的内窥镜是发展微创手术和新型实验手术的重要工具。随着这些领域的发展，对小型化和精度的要求越来越高。现有的内窥镜中，设备在狭小的弯曲管道（例如动脉）内，刚性尖端长度限制了其灵活性，而这又受到光学元件成像的尺寸限制。因此，迫切需要替代解决方案来减小尖端长度。虽然目前有一些使用单根光纤或相干光纤束的无透镜和计算成像解决方案。然而，通常仅限于较短的工作距离，并且对光纤的弯曲和扭曲极为敏感，难以精确计算重建。此外，复杂的计算重建通常会影响实时图像捕获。超构光学元件具有亚波长单元尺寸，可调整入射波前的相位、振幅和光谱响应，不仅大幅缩小了传统光学器件的尺寸，而且还可以在一个表面上结合多种功能。因此将超构光学引入内窥镜会极大的减少尖端长度并优化成像质量。
在这项工作中，作者展示了一种逆向设计的超构光学器件，经过优化并结合1 mm直径的相干光纤束捕获可见光中的实时全彩色场景（图1）。该器件具有22.5度的视场、> 30 mm的焦深（超过标称设计工作距离的300%）和最小的刚性尖端长度仅为 ~ 2.5 mm（有效数值孔径为0.24）。与传统的商业梯度折射率 (GRIN) 透镜集成光纤束内窥镜相比，由于超构光学具有焦距更短和超薄特性，它的尖端长度减少了33%，同时成像性能相当，工作距离保持不变。
图1：超构光纤内窥镜原理图。与传统的GRIN镜头相比，超构光学元件减小了尖端长度，同时保持22.5°的宽视场和超过30mm的大景深
双曲面超透镜在设计波长下具有衍射极限性能，而由于色差在扩展光谱范围内工作时，调制传递函数（MTF）会迅速降低。为了解决这个问题，作者使用逆向设计方法，在优化过程中将最大化多色MTF曲线下的平均体积作为品质因数，并通过自动微分框架实现。品质因数还确保MTF在很宽的波长范围内保持相似。为确保偏振不敏感操作和与大批量制造工艺的兼容性，设计简单的SiN 方形柱实现相位调制，最小特征尺寸为75nm，最大纵横比为10。其中光学显微图片和SEM如图2 (a-d) 所示。通过超构光学光纤内窥镜（MOFIE）拍摄OLED屏幕上的彩色图像如图2(g, h) 所示。在保证分辨率的同时，可以对复杂的场景进行成像，并且颜色质量在整个可见范围内都得到了完全保留。
图2：超构光学的表征。(a) 1 mm孔径超构光学器件的光学显微镜图像。(b-d) SEM 图像。(e-f) OLED 屏幕上显示的全彩色场景。(g-h) 使用超构光学光纤内窥镜在 10 mm工作距离处拍摄的相应图像。比例尺对应于1 mm。显示的图像没有计算反卷积
首先，在 10 mm 的工作距离下，通过测量棋盘图案（图3 (a,b)），确定视场约为 22.5°。在 10 mm的工作距离下以~5 mm的视野查看物体区域（人体动脉平均直径约1-3 mm）。内窥镜成像的另一个重要指标是焦深DoF，因为体内运动（例如心脏跳动）会在几十毫秒内显着改变工作距离，从而DoF较大对成像有利。作者将 OLED 屏幕放置在相应内窥镜的不同工作距离处，同时显示相同的图像，工作距离分别为7mm、10 mm（设计工作距离）、18 mm和 40 mm。可以清楚地看到，在整个33mm的范围内，实现了相同的清晰度和颜色质量（图3）。图3g展示了不同工作距离下的成像分辨率，可识别第三组元素表明线分辨率约为 50µm。
图3：MOFIE的评估
图4展示MOFIE应用于生物样品的实时全彩成像。内窥镜具有视频速度的成像能力，同时保持全色信息。在工作距离为10mm的情况下，以每秒14帧的视频速率记录了一只活的毛虫在草莓叶上面的运动。
图4：草莓叶子上的毛毛虫的全彩色视频速率成像剪辑
相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-023-00044-4（来源：中国光学微信公众号）
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