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光纤内窥镜实时全彩视频成像

内窥镜在微创手术的发展中起到了至关重要的作用。 更小、刚性更小的内窥镜允许更灵活的手术操作，对周围组织的压力更小。 然而，光学器件的尺寸限制了成像系统的小型化。 对于传统设备，小型化不仅受到制造的限制，而且性能也会随着尺寸的缩小而下降。 元光学的出现为器件小型化开辟了重要方向。

最近，来自华盛顿大学的 Arka Majumdar 的研究团队报告了一种逆向工程元光学，与相干光纤束相结合，与传统的梯度折射率 (GRIN) 透镜相比，刚性尖端长度减少了 33%。 并通过光纤内窥镜 (MOFIE) 演示了全彩色实时视频捕获。

该工作以“Real Time Full-Color Imaging in a Meta-Optical Fiber Endoscope”为题发表在卓越计划新期刊eLight上。

具有大视野、长景深和短刚性尖端长度的超紧凑、灵活的内窥镜是开发微创和新颖实验程序的重要工具。 随着这些领域的发展，对小型化和精密化的要求越来越高。 在现有的内窥镜中光纤光谱仪 工作原理，设备的灵活性受到狭窄和弯曲管道（如动脉）内刚性尖端长度的限制，而这又受到成像光学器件尺寸的限制。 因此，迫切需要减少尖端长度的替代解决方案。 尽管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，它们通常仅限于较短的工作距离，并且对光纤弯曲和扭曲极为敏感，使得精确重建变得困难。 此外，复杂的计算重建通常会影响实时图像捕获。 具有亚波长单元尺寸的元光学元件可以调节入射波前的相位、振幅和光谱响应，不仅大大减小了传统光学器件的尺寸，而且还在单个表面上结合了多种功能。 因此，将元光学引入内窥镜可以大大减少尖端长度并优化成像质量。

在这项工作中，作者展示了一种经过优化的逆向工程元光学器件，并与直径为 1 毫米的相干光纤束相结合，以在可见光下捕获实时全彩色场景（图 1）。 该设备具有 22.5 度的视野、>30 毫米的焦深（超过标称设计工作距离的 300%）和仅约 2.5 毫米的最小刚性尖端长度（有效数值孔径 0.24）。 与传统的商用渐变折射率（GRIN）镜头集成光纤束内窥镜相比，由于元光学的焦距更短和超薄特性，其尖端长度减少了 33%，而成像性能与工作距离保持不变。

图1：元纤维镜示意图。与传统的GRIN镜头相比光纤光谱仪 工作原理，元光学在保持22.5°的宽视场和超过30mm的大景深的同时，缩短了尖端长度

双曲超透镜在设计波长下具有衍射极限性能，而调制传递函数 (MTF) 在扩展光谱范围内工作时会由于色差而迅速降低。 为了解决这个问题，作者在优化过程中采用逆向设计的方法，将多色MTF曲线下的平均体积最大化作为品质因数，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。 为了确保偏振不敏感操作和与大批量制造工艺的兼容性，通过设计最小特征尺寸为 75 nm 和最大纵横比为 10 的简单 SiN 方柱来实现相位调制。光学显微照片和 SEM 如图所示.2（广告）。 超光学光纤内窥镜（MOFIE）在 OLED 屏幕上捕获的彩色图像如图 2（g，h）所示。 可以在保持分辨率的同时对复杂场景进行成像，并且在整个可见范围内完全保留颜色质量。

图 2：超光学特性。 (a) 1 mm 孔径元光学器件的光学显微镜图像。 (bd) SEM 图像。 (ef) OLED 屏幕上显示的全彩色场景。 (gh) 在 10 mm 的工作距离下使用元光学纤维镜拍摄的相应图像。 比例尺对应于 1 mm。显示的图像未计算反卷积

首先，通过在 10 mm 的工作距离处测量棋盘图案（图 3 (a,b)），确定视野约为 22.5°。 在 10 毫米的工作距离（人体动脉的平均直径为 ~ 1-3 毫米）下，以约 5 毫米的视野查看物体区域。 内窥镜成像的另一个重要指标是焦深DoF，因为体内的运动（如心跳）会在几十毫秒内显着改变工作距离，因此较大的DoF有利于成像。 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，工作距离为7mm、10mm（设计工作距离）、18mm和40mm。 可以清楚地看到，在整个 33 毫米范围内实现了相同的清晰度和色彩质量（图 3）。 图 3g 展示了不同工作距离下的成像分辨率，III 族元素的识别表明线分辨率约为 50 µm。

图 3：MOFIE 评价

图 4 显示了应用于生物样品的 MOFIE 实时全彩色成像。 内窥镜具有视频速度成像功能，同时保持全彩色信息。 在 10 毫米的工作距离下，以每秒 14 帧的视频速率记录了一只活毛虫在草莓叶子上的运动。

图 4：草莓叶上毛毛虫的全彩色视频速率成像片段