Schrumpfende Endoskope mit metaoptischen Fasern

Ultrakompakte, agile Endoskope mit großem Sichtfeld (FoV), großer Schärfentiefe (DoF) und kurzer Länge der starren Spitze sind für die Entwicklung minimalinvasiver Operationen und neuer experimenteller Operationen unerlässlich. Mit der Weiterentwicklung dieser Bereiche werden die Anforderungen an Miniaturisierung und erhöhte Präzision immer anspruchsvoller.

Bei bestehenden Endoskopen stellt die starre Spitzenlänge eine grundlegende Einschränkung der Beweglichkeit des Geräts in kleinen gewundenen Kanälen wie einer Arterie dar. Sie wird hauptsächlich durch die Größe der für die Bildgebung erforderlichen optischen Elemente eingeschränkt. Daher sind alternative Lösungen zur Reduzierung der Spitzenlänge dringend erforderlich.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in eLighthat ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Dr. Johannes Fröch und Prof. Arka Majumdar von der University of Washington eine neuartige Technik zur Reduzierung der starren Spitzenlänge entwickelt.

Bestehende Lösungen umfassen linsenlose und computergestützte Bildgebung mit einzelnen Fasern oder kohärenten Faserbündeln. Diese sind jedoch typischerweise auf einen kurzen Arbeitsabstand beschränkt und reagieren oft extrem empfindlich auf Biegungen und Verdrehungen der optischen Faser, was eine genaue rechnerische Rekonstruktion beeinträchtigt oder sogar ausschließt.

Flache Metaoptiken sind eine aufstrebende und vielseitige Idee in der Photonik-Community zur Herstellung miniaturisierter optischer Elemente. Hierbei handelt es sich um diffraktive optische Elemente im Subwellenlängenbereich, die aus Streuanordnungen im Nanomaßstab bestehen. Sie sind darauf ausgelegt, die Phase, Amplitude und spektrale Reaktion einer einfallenden Wellenfront zu formen. Solche ultradünnen flachen Optiken verkleinern nicht nur die Größe herkömmlicher Optiken erheblich, sondern können auch mehrere Funktionalitäten in einer einzigen Oberfläche vereinen.

Flache Metaoptiken sind mit der Halbleiterfertigungstechnologie für große Stückzahlen kompatibel und können Einwegoptiken herstellen. Diese Eigenschaften haben Forscher bereits dazu inspiriert, das Potenzial der Metaoptik für die Endoskopie zu erkunden, einschließlich der faserintegrierten Endoskopie, der seitwärts gerichteten Einzelfaser-Scanning-Endoskopie und der vorwärtsgerichteten Scan-Faser-Endoskopie.

Leider leiden Metaoptiken traditionell unter starken Aberrationen, was ein großes Sichtfeld und eine Vollfarbbildgebung zu einer Herausforderung macht. Mehrere Arbeiten haben gezeigt, dass das Standard-Metalens-Design für die gleichzeitige Erfassung von Farbinformationen im gesamten sichtbaren Spektrum ungeeignet ist.

Dies führt typischerweise zu gestochen scharfen Bildern bei der Designwellenlänge (z. B. Grün), bei anderen Farben (Rot und Blau) jedoch zu starken Aberrationen/Unschärfen. Während einige Ansätze wie Dispersionstechnik und computergestützte Bildgebungstechniken die chromatische Aberration reduzieren können, leiden sie entweder unter kleinen Aperturen oder niedrigen numerischen Aperturen oder erfordern einen rechnerischen Nachbearbeitungsschritt, was die Videoaufnahme in Echtzeit erschwert.

Ebenso kann eine zusätzliche Blende vor der Metaoptik für ein größeres FoV sorgen. Allerdings geht dies mit einer verringerten Lichtsammlung und einer größeren Dicke der Optik einher. Bisher haben diese Einschränkungen dazu geführt, dass die meisten Endoskope mit Metaoptik auf den Betrieb mit nur einer Wellenlänge beschränkt sind.

Allerdings wurde kürzlich ein metaoptisches Dublett in Verbindung mit einem kohärenten Faserbündel für die polychromatische Bildgebung demonstriert. Eine solche polychromatische Bildgebung ist für eine breitbandige Beleuchtung, wie sie in der klinischen Endoskopie häufig der Fall ist, ungeeignet. Darüber hinaus wurde die vordere Apertur auf 125 μm begrenzt, bei einem kurzen Arbeitsabstand von 200 μm.

Das Forschungsteam stellte einen Wunsch nach breitbandigen, ultradünnen Metaoptiken für die Endoskopie fest. Allerdings ist es nicht förderlich, ihn kleiner als den Durchmesser der optischen Faser zu machen, und schränkt die Lichtsammlung stark ein. Daher wurde eine vollfarbige metaoptische Endoskopie mit akzeptablem FoV, DoF und ausreichend großer Apertur noch nicht erreicht.

In dieser Arbeit demonstrierte das Forschungsteam eine invers gestaltete Metaoptik, die für die Erfassung von Vollfarbszenen in Echtzeit mit einem kohärenten Faserbündel von 1 mm Durchmesser optimiert ist. Die Metaoptik ermöglicht den Betrieb bei einem FoV von 22,5°, einem DoF von > 30 mm (mehr als 300 % des nominalen Arbeitsabstands) und einer minimalen starren Spitzenlänge von nur ~ 2,5 mm.

Dies entspricht einer Reduzierung der Spitzenlänge um 33 % im Vergleich zu einem herkömmlichen kommerziellen Faserbündelendoskop mit Gradientenindexlinse (GRIN). Dies ist auf die kürzere Brennweite und die ultradünne Beschaffenheit der Metaoptik zurückzuführen.

Gleichzeitig bleiben vergleichbare Abbildungsleistung und Arbeitsabstand erhalten. Um eine außergewöhnliche FoV-, DoF- und Farbleistung des metaoptischen Faserendoskops (MOFIE) zu erreichen, ging das Forschungsteam dieses Designproblem aus der Perspektive der Systemebene an.

Sie gingen davon aus, dass der Durchmesser und der Abstand der einzelnen Faserkerne innerhalb des Bündels die erreichbare Bildqualität einschränken, was auch den erreichbaren FoV und die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) begrenzt. Dieser Aspekt wird in einem automatischen Differenzierungsrahmen implementiert, der die durchschnittliche Lautstärke unter der Kurve der multichromatischen Modulationstransferfunktion (MTF) als Gütefaktor verwendet.

Indem sichergestellt wurde, dass die Metaoptik eine MTF innerhalb der Grenzen des Faserbündels aufweist, erreichte das Forschungsteam einen Vollfarbbetrieb, ohne dass ein rechnerischer Rekonstruktionsschritt erforderlich war, und erleichterte so den Echtzeitbetrieb. Das Team betonte, dass sich sein Designansatz grundlegend von den traditionellen Designbemühungen für achromatische Metalllinsen unterscheidet.

Die Forscher formulierten ein Optimierungsproblem, um die beste Lösung für die Vollfarbbildgebung zu finden. Dies geschah statt zu versuchen, eine beugungsbegrenzte Leistung in allen Wellenlängen zu erreichen, was ein physikalisch unlösbares Problem darstellen könnte.

Dieser Ansatz ist wichtig, da er nicht auf dieses spezielle System beschränkt ist. Es kann auf größere Blendengrößen erweitert werden und unterstützt rechnerische Nachbearbeitungsschritte. Um dies hervorzuheben, demonstrierten sie auch ein Beispiel einer Metaoptik mit einer 1-cm-Apertur und Vollfarbbildgebung unter Umgebungslichtbedingungen.