雙層偏振無(wú)關(guān)消色差超構(gòu)表面陣列減小顯微內(nèi)窺鏡中探頭尺寸

近日，浙江大學(xué)、上海航天控制技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Scientific Reports期刊上發(fā)表了題為“Double-layer polarization-independent achromatic metasurface array for optical fiber bundle coupling in microendoscope”的最新論文，提出了一種類似于昆蟲并列型復(fù)眼的雙層偏振無(wú)關(guān)消色差超構(gòu)表面陣列（PIAMA），以將圖像耦合到顯微內(nèi)窺鏡的光纖束（OFB）中。與通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的光學(xué)折射透鏡或難以校正成像場(chǎng)邊緣的離軸像差的梯度折射率（GRIN）透鏡相比，緊湊超薄的PIAMA可以在保證成像質(zhì)量的同時(shí)，大大減小顯微內(nèi)窺鏡中探頭的尺寸。

顯微內(nèi)窺鏡在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用，為從難以到達(dá)的地方獲取圖像信息提供了解決方案。例如，在早期癌癥篩查中，顯微內(nèi)窺鏡系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示活體成像結(jié)果，避免了對(duì)活檢組織進(jìn)行病理切片成像的耗時(shí)和復(fù)雜操作。由于OFB極薄、柔軟和可彎曲的特性，基于OFB的管狀顯微內(nèi)窺鏡被廣泛應(yīng)用。對(duì)于光纖顯微內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，探頭的微型化和高分辨率是兩個(gè)重要問(wèn)題，將圖像耦合到OFB的物鏡決定了成像質(zhì)量和探頭的體積。每根光纖整齊地排列在纖維束中作為一個(gè)像點(diǎn)?？紤]到OFB的特殊特性，圖像耦合需要滿足寬視場(chǎng)（FOV）、圖像空間的高遠(yuǎn)心度和零色差的要求。傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)必須使用多個(gè)球面透鏡才能達(dá)到上述設(shè)計(jì)要求，這無(wú)疑難以使其進(jìn)一步微型化。

隨著電子束蝕刻和納米壓印光刻技術(shù)等精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展，介電超構(gòu)表面以其對(duì)電磁波的振幅、相位和偏振的超強(qiáng)控制能力，為替代傳統(tǒng)體積龐大的光學(xué)元件提供了一條新途徑。近年來(lái)，在平面透鏡、渦流束發(fā)生器、全息顯示器等各個(gè)領(lǐng)域，人們對(duì)超構(gòu)表面進(jìn)行了越來(lái)越多的優(yōu)秀研究。此外，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理、生物傳感和成像領(lǐng)域設(shè)備的微型化，Pro. Cusano團(tuán)隊(duì)在光纖尖端集成了相位梯度等離子體超構(gòu)表面，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的波前處理，并在多模光纖端面集成了全介電熒光增強(qiáng)超構(gòu)表面，以實(shí)現(xiàn)“光纖上的實(shí)驗(yàn)室”（Lab-on-fiber）。在成像系統(tǒng)中，通過(guò)優(yōu)化相位分布，研究人員設(shè)計(jì)了用于消除各種單色像差（如球差和彗差）的超構(gòu)透鏡。然而，由于超構(gòu)表面對(duì)不同頻率電磁波的響應(yīng)各不相同，因此要完全克服色差仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

在本文中，作者們提出了一種類似于昆蟲并列型復(fù)眼的雙層偏振無(wú)關(guān)消色差超構(gòu)表面陣列（PIAMA），以將圖像耦合到顯微內(nèi)窺鏡中的OFB中。PIAMA的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1b所示，它由兩層構(gòu)成，分別具有不同的功能和用途。第一層是校正色差的光偏轉(zhuǎn)器，允許不同入射角的光垂直進(jìn)入第二層。同時(shí)，第二層的單元是消色差和消球差的超構(gòu)透鏡，它們完全相同，并且與圖像空間中理論上零遠(yuǎn)心的光纖的數(shù)值孔徑（NA）相匹配。在PIAMA中，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)于OFB中的一根光纖。因此，PIAMA中的單元數(shù)量和排列與OFB一致。例如，如果OFB中的光纖按圖1c所示的六邊形包層排列，則單元也應(yīng)按六邊形排列。文中設(shè)計(jì)的PIAMA中每個(gè)單元的直徑為30μm，圖像空間中的NA為0.287。超構(gòu)表面陣列固定在OFB端面前方50μm處，將像點(diǎn)傳輸?shù)搅硪欢恕IAMA可以通過(guò)在二氧化硅襯底的兩側(cè)蝕刻各向同性二氧化鈦（TiO2）納米柱來(lái)制造，以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)為470nm、530nm和630nm時(shí)的消色差相位分布。他們提供了一種在PIAMA中設(shè)計(jì)每個(gè)單元的方法，并通過(guò)時(shí)域有限差分（FDTD）方法對(duì)入射角為20°的單元的特性進(jìn)行了理論研究和數(shù)值驗(yàn)證。結(jié)果很好地說(shuō)明了PIAMA兩層結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)和聚焦功能。與通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的光學(xué)折射透鏡或難以校正成像場(chǎng)邊緣的離軸像差的GRIN透鏡相比，緊湊超薄的PIAMA可以在保證成像質(zhì)量的同時(shí)，大大減小顯微內(nèi)窺鏡中探頭的尺寸。此外，盡管PIAMA具有雙層結(jié)構(gòu)，但來(lái)自兩層的納米柱的位置并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此在實(shí)際制造中不需要考慮由未對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題引起的誤差。

圖1 自然并列型復(fù)眼及本文提出的PIAMA原理示意圖

圖2 在470 nm、530 nm和630 nm波長(zhǎng)時(shí)的PIAMA的仿真結(jié)果

綜上所述，本文提出了一種用于顯微內(nèi)窺鏡中OFB耦合的雙層偏振無(wú)關(guān)消色差超構(gòu)表面陣列。提出的PIAMA以昆蟲并列型復(fù)眼結(jié)構(gòu)為例，在二氧化硅襯底兩側(cè)刻蝕出專門設(shè)計(jì)的各向同性圓形或環(huán)形TiO2納米柱，雙層PIAMA中的每個(gè)單元實(shí)現(xiàn)了將不同入射方向的入射光聚焦到OFB端面的功能。第一層考慮了納米柱的角色散，使入射光發(fā)生無(wú)色差偏轉(zhuǎn)，使光垂直入射第二層。第二層被設(shè)計(jì)為消除球差和色差的超構(gòu)透鏡。通過(guò)使用一個(gè)入射角為20°的單元，在距PIAMA為50 μm的焦平面上獲得了一個(gè)接近衍射極限的光斑，驗(yàn)證了提出的設(shè)計(jì)方法?？傊?，本研究工作表明，與顯微內(nèi)窺鏡探頭中的折射透鏡或GRIN透鏡相比，采用緊湊型超薄超構(gòu)表面陣列可滿足圖像空間中的寬視場(chǎng)、消色差和高遠(yuǎn)心度要求，無(wú)需龐大的體積和昂貴的設(shè)計(jì)。盡管還需要進(jìn)一步的工作來(lái)驗(yàn)證雙層PIAMA用于臨床應(yīng)用的性能和可行性，但它為生物光學(xué)的微型化提供了一個(gè)更有效的替代方案。

審核編輯：郭婷