Endoscopes rétractables à fibres méta-optiques

Des endoscopes ultra-compacts et agiles avec un grand champ de vision (FoV), une longue profondeur de champ (DoF) et une courte longueur de pointe rigide sont essentiels pour développer des opérations peu invasives et de nouvelles chirurgies expérimentales. Au fur et à mesure que ces domaines se développent, les exigences de miniaturisation et de précision accrue deviennent progressivement exigeantes.

Dans les endoscopes existants, la longueur de pointe rigide est une limitation fondamentale de l’agilité du dispositif dans de petits conduits tortueux, tels qu’une artère. Elle est principalement contrainte par la taille des éléments optiques nécessaires à l’imagerie. Ainsi, des solutions alternatives sont nécessaires de toute urgence pour réduire la longueur de la pointe.

Dans un nouvel article publié dans eLightune équipe de scientifiques dirigée par le Dr Johannes Fröch et le professeur Arka Majumdar de l’Université de Washington ont développé une nouvelle technique pour réduire la longueur de la pointe rigide.

Les solutions existantes incluent l’imagerie sans lentille et informatique avec des fibres uniques ou des faisceaux de fibres cohérentes. Cependant, ceux-ci sont généralement limités à une courte distance de travail et souvent extrêmement sensibles à la flexion et à la torsion de la fibre optique, affectant ou même empêchant une reconstruction informatique précise.

La méta-optique plate est une idée émergente et polyvalente dans la communauté photonique pour créer des éléments optiques miniaturisés. Ce sont des éléments optiques diffractifs sous la longueur d’onde composés de réseaux de diffuseurs à l’échelle nanométrique. Ils sont conçus pour façonner la phase, l’amplitude et la réponse spectrale d’un front d’onde incident. Ces optiques plates ultrafines réduisent non seulement considérablement la taille des optiques traditionnelles, mais peuvent également combiner plusieurs fonctionnalités sur une seule surface.

Les méta-optiques plates sont compatibles avec la technologie de fabrication de semi-conducteurs à grand volume et peuvent créer des optiques jetables. Ces propriétés ont déjà inspiré les chercheurs à explorer le potentiel de la méta-optique pour l’endoscopie, y compris l’endoscopie intégrée à la fibre, l’endoscopie à balayage à fibre unique à vision latérale et l’endoscopie à vision avant à fibre à balayage.

Malheureusement, les méta-optiques souffrent traditionnellement de fortes aberrations, ce qui rend difficile l’imagerie à grand champ de vision et en couleur. Plusieurs travaux ont montré que la conception standard des métalens n’est pas adaptée pour capturer simultanément des informations de couleur sur tout le spectre visible.

Il en résulte généralement des images nettes pour la longueur d’onde de conception (par exemple, le vert), mais fortement aberrées/floues pour les autres couleurs (rouge et bleu). Alors que certaines approches telles que l’ingénierie de la dispersion et les techniques d’imagerie informatique peuvent réduire l’aberration chromatique, elles souffrent de petites ouvertures, de faibles ouvertures numériques ou nécessitent une étape de post-traitement informatique, ce qui complique la capture vidéo en temps réel.

De même, une ouverture supplémentaire avant la méta-optique peut fournir un FoV plus grand. Cependant, cela se fait au prix d’une collecte de lumière réduite et d’une épaisseur accrue de l’optique. Jusqu’à présent, ces limitations ont limité la plupart des endoscopes méta-optiques à un fonctionnement à une seule longueur d’onde.

Bien que, récemment, un doublet méta-optique ait été démontré en conjonction avec un faisceau de fibres cohérent pour l’imagerie polychromatique. Une telle imagerie polychromatique est inadaptée à un éclairage à large bande, ce qui est souvent le cas pour l’endoscopie clinique. De plus, l’ouverture frontale était limitée à 125 μm, avec une courte distance de travail de 200 μm.

L’équipe de recherche a noté un désir de méta-optique à large bande et ultra-mince pour l’endoscopie. Cependant, le rendre plus petit que le diamètre de la fibre optique n’est pas propice et limite fortement la collecte de lumière. En tant que tel, l’endoscopie méta-optique en couleur avec un FoV, un DoF et une ouverture suffisamment grande n’a pas encore été réalisée.

Dans ce travail, l’équipe de recherche a démontré une méta-optique de conception inversée optimisée pour capturer des scènes en couleur en temps réel avec un faisceau de fibres cohérentes de 1 mm de diamètre. La méta-optique permet des opérations à un FoV de 22,5°, un DoF de > 30 mm (excédant 300 % de la distance de travail de conception nominale) et une longueur de pointe rigide minimale de seulement ~ 2,5 mm.

Il s’agit d’une réduction de 33 % de la longueur de la pointe par rapport à un endoscope à faisceau de fibres intégré à lentille à gradient d’indice (GRIN) commercial traditionnel. Cela est dû à la distance focale plus courte et à la nature ultra-mince de la méta-optique.

Dans le même temps, des performances d’imagerie et une distance de travail comparables sont maintenues. Pour obtenir des performances FoV, DoF et de couleur exceptionnelles de l’endoscope à fibre méta-optique (MOFIE), l’équipe de recherche a abordé ce problème de conception d’un point de vue au niveau du système.

Ils pensaient que le diamètre et l’espacement des cœurs de fibre individuels dans le faisceau limitent la qualité d’image réalisable, ce qui limite également le FoV réalisable et la fonction de transfert de modulation (MTF). Cet aspect est mis en œuvre dans un cadre de différenciation automatique en utilisant le volume moyen sous la courbe de la fonction de transfert de modulation multichromatique (MTF) comme facteur de mérite.

En veillant à ce que la méta-optique ait une MTF dans les limites du faisceau de fibres, l’équipe de recherche a obtenu un fonctionnement en couleur sans nécessiter d’étape de reconstruction informatique, facilitant ainsi le fonctionnement en temps réel. L’équipe a souligné que son approche de conception diffère fondamentalement des efforts de conception de métalens achromatiques traditionnels.

Les chercheurs ont formulé un problème d’optimisation pour trouver la meilleure solution pour l’imagerie en couleur. C’était au lieu d’essayer d’obtenir des performances limitées par la diffraction dans toutes les longueurs d’onde, ce qui peut poser un problème physiquement insoluble.

Cette approche est importante car elle ne se limite pas à ce système particulier. Il peut être étendu à des tailles d’ouverture plus grandes et prendre en charge les étapes de post-traitement de calcul. Pour mettre cela en évidence, ils ont également démontré un exemple de méta-optique avec une ouverture de 1 cm et une imagerie en couleur dans des conditions de lumière ambiante.