메타를 활용한 축소형 내시경

CAS 창춘광학연구소 정밀기계물리학 광출판센터

이미지: 메타 광학은 응집성 섬유 다발과의 통합에 최적화된 반면, 개별 섬유 코어는 이미징 제한으로 간주됩니다. MOFIE는 기존 GRIN 렌즈에 비해 22.5°의 넓은 화각과 30mm를 초과하는 넓은 피사계 심도를 유지하면서 팁 길이를 줄였습니다.더보기

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

넓은 시야(FoV), 긴 심도(DoF), 짧고 견고한 팁 길이를 갖춘 초소형의 민첩한 내시경은 최소 침습 수술과 새로운 실험 수술을 개발하는 데 필수적입니다. 이러한 분야가 발전함에 따라 소형화 및 정밀도 향상에 대한 요구 사항이 점점 더 까다로워지고 있습니다. 기존 내시경에서는 팁의 길이가 단단하기 때문에 동맥과 같은 작은 구불구불한 관 내에서 장치의 민첩성에 대한 근본적인 제한이 있습니다. 주로 이미징에 필요한 광학 요소의 크기에 따라 제한됩니다. 따라서 팁 길이를 줄이기 위한 대체 솔루션이 시급히 필요합니다.

워싱턴 대학의 Johannes Fröch 박사와 Arka Majumdar 교수가 이끄는 과학자 팀은 eLight에 발표된 새로운 논문에서 강성 팁 길이를 줄이기 위한 새로운 기술을 개발했습니다.

기존 솔루션에는 단일 섬유 또는 응집성 섬유 다발을 사용한 무렌즈 및 컴퓨터 이미징이 포함됩니다. 그러나 이는 일반적으로 짧은 작동 거리로 제한되며 종종 광섬유의 굽힘 및 비틀림에 극도로 민감하여 정확한 계산 재구성에 영향을 미치거나 심지어 방해하기도 합니다.

평면 메타 광학은 소형 광학 요소를 만들기 위해 포토닉스 커뮤니티에서 새롭게 떠오르는 다용도 아이디어입니다. 이는 나노 규모 산란체 배열로 구성된 하위 파장 회절 광학 요소입니다. 이는 입사 파면의 위상, 진폭 및 스펙트럼 응답을 형성하도록 설계되었습니다. 이러한 초박형 평면 광학 장치는 기존 광학 장치의 크기를 극적으로 줄일 뿐만 아니라 단일 표면에 여러 기능을 결합할 수도 있습니다.

평면형 메타광학은 대량 반도체 제조 기술과 호환되며 일회용 광학을 만들 수 있다. 이러한 특성은 이미 연구자들이 섬유 통합 내시경, 측면 관찰 단일 섬유 스캐닝 내시경 및 스캐닝 섬유 전방 관찰 내시경을 포함하여 내시경을 위한 메타 광학의 잠재력을 탐구하도록 영감을 주었습니다.

불행하게도 메타 광학은 전통적으로 강한 수차로 인해 큰 FoV 및 풀 컬러 이미징을 어렵게 만듭니다. 여러 연구에 따르면 표준 metalens 디자인은 가시 스펙트럼에 걸쳐 색상 정보를 동시에 캡처하는 데 적합하지 않습니다. 이는 일반적으로 디자인 파장(예: 녹색)에 대해 선명한 이미지를 생성하지만 다른 색상(빨간색 및 파란색)에 대해서는 강하게 수차/흐릿한 이미지를 생성합니다. 분산 엔지니어링 및 계산 이미징 기술과 같은 일부 접근 방식은 색수차를 줄일 수 있지만 조리개가 작거나 개구수가 낮거나 계산 후 처리 단계가 필요하여 실시간 비디오 캡처가 복잡해집니다. 마찬가지로, 메타 광학 앞에 추가 조리개가 있으면 더 큰 FoV를 제공할 수 있습니다. 그러나 이는 집광이 감소하고 광학 장치의 두께가 증가하는 대가를 치르게 됩니다. 지금까지 이러한 제한으로 인해 대부분의 메타 광학 내시경은 단일 파장 작동으로 제한되었습니다.

최근에는 다색 이미징을 위한 응집성 섬유 다발과 함께 메타 광학 이중선이 시연되었습니다. 이러한 다색 이미징은 임상 내시경에서 자주 사용되는 광대역 조명에는 적합하지 않습니다. 또한 전면 조리개는 125μm로 제한되었으며 작동 거리는 200μm로 짧았습니다.

연구팀은 내시경 검사를 위한 광대역, 초박형 메타광학에 대한 요구에 주목했습니다. 그러나 광섬유 직경보다 작게 만드는 것은 도움이 되지 않으며 빛 수집을 심각하게 제한합니다. 따라서 허용 가능한 FoV, DoF 및 충분한 조리개를 갖춘 풀 컬러 메타 광학 내시경은 아직 달성되지 않았습니다.