双层偏振无关消色差超构表面阵列减小显微内窥镜中探头尺寸

近日，浙江大学、上海航天控制技术研究所等机构的研究人员组成的团队在Scientific Reports期刊上发表了题为“Double-layer polarization-independent achromatic metasurface array for optical fiber bundle coupling in microendoscope”的最新论文，提出了一种类似于昆虫并列型复眼的双层偏振无关消色差超构表面阵列（PIAMA），以将图像耦合到显微内窥镜的光纤束（OFB）中。与通常结构复杂、体积庞大的光学折射透镜或难以校正成像场边缘的离轴像差的梯度折射率（GRIN）透镜相比，紧凑超薄的PIAMA可以在保证成像质量的同时，大大减小显微内窥镜中探头的尺寸。

显微内窥镜在工业和医疗领域都发挥着重要作用，为从难以到达的地方获取图像信息提供了解决方案。例如，在早期癌症筛查中，显微内窥镜系统可以实时显示活体成像结果，避免了对活检组织进行病理切片成像的耗时和复杂操作。由于OFB极薄、柔软和可弯曲的特性，基于OFB的管状显微内窥镜被广泛应用。对于光纤显微内窥镜系统，探头的微型化和高分辨率是两个重要问题，将图像耦合到OFB的物镜决定了成像质量和探头的体积。每根光纤整齐地排列在纤维束中作为一个像点。考虑到OFB的特殊特性，图像耦合需要满足宽视场（FOV）、图像空间的高远心度和零色差的要求。传统光学系统必须使用多个球面透镜才能达到上述设计要求，这无疑难以使其进一步微型化。

随着电子束蚀刻和纳米压印光刻技术等精密加工技术的不断发展，介电超构表面以其对电磁波的振幅、相位和偏振的超强控制能力，为替代传统体积庞大的光学元件提供了一条新途径。近年来，在平面透镜、涡流束发生器、全息显示器等各个领域，人们对超构表面进行了越来越多的优秀研究。此外，为了实现信号处理、生物传感和成像领域设备的微型化，Pro. Cusano团队在光纤尖端集成了相位梯度等离子体超构表面，以实现先进的波前处理，并在多模光纤端面集成了全介电荧光增强超构表面，以实现“光纤上的实验室”（Lab-on-fiber）。在成像系统中，通过优化相位分布，研究人员设计了用于消除各种单色像差（如球差和彗差）的超构透镜。然而，由于超构表面对不同频率电磁波的响应各不相同，因此要完全克服色差仍然是一个重大挑战。

在本文中，作者们提出了一种类似于昆虫并列型复眼的双层偏振无关消色差超构表面阵列（PIAMA），以将图像耦合到显微内窥镜中的OFB中。PIAMA的详细结构如图1b所示，它由两层构成，分别具有不同的功能和用途。第一层是校正色差的光偏转器，允许不同入射角的光垂直进入第二层。同时，第二层的单元是消色差和消球差的超构透镜，它们完全相同，并且与图像空间中理论上零远心的光纤的数值孔径（NA）相匹配。在PIAMA中，每个单元对应于OFB中的一根光纤。因此，PIAMA中的单元数量和排列与OFB一致。例如，如果OFB中的光纤按图1c所示的六边形包层排列，则单元也应按六边形排列。文中设计的PIAMA中每个单元的直径为30μm，图像空间中的NA为0.287。超构表面阵列固定在OFB端面前方50μm处，将像点传输到另一端。PIAMA可以通过在二氧化硅衬底的两侧蚀刻各向同性二氧化钛（TiO2）纳米柱来制造，以实现波长为470nm、530nm和630nm时的消色差相位分布。他们提供了一种在PIAMA中设计每个单元的方法，并通过时域有限差分（FDTD）方法对入射角为20°的单元的特性进行了理论研究和数值验证。结果很好地说明了PIAMA两层结构的偏转和聚焦功能。与通常结构复杂、体积庞大的光学折射透镜或难以校正成像场边缘的离轴像差的GRIN透镜相比，紧凑超薄的PIAMA可以在保证成像质量的同时，大大减小显微内窥镜中探头的尺寸。此外，尽管PIAMA具有双层结构，但来自两层的纳米柱的位置并不是一一对应的关系，因此在实际制造中不需要考虑由未对准问题引起的误差。

图1 自然并列型复眼及本文提出的PIAMA原理示意图

图2 在470 nm、530 nm和630 nm波长时的PIAMA的仿真结果

综上所述，本文提出了一种用于显微内窥镜中OFB耦合的双层偏振无关消色差超构表面阵列。提出的PIAMA以昆虫并列型复眼结构为例，在二氧化硅衬底两侧刻蚀出专门设计的各向同性圆形或环形TiO2纳米柱，双层PIAMA中的每个单元实现了将不同入射方向的入射光聚焦到OFB端面的功能。第一层考虑了纳米柱的角色散，使入射光发生无色差偏转，使光垂直入射第二层。第二层被设计为消除球差和色差的超构透镜。通过使用一个入射角为20°的单元，在距PIAMA为50 μm的焦平面上获得了一个接近衍射极限的光斑，验证了提出的设计方法。总之，本研究工作表明，与显微内窥镜探头中的折射透镜或GRIN透镜相比，采用紧凑型超薄超构表面阵列可满足图像空间中的宽视场、消色差和高远心度要求，无需庞大的体积和昂贵的设计。尽管还需要进一步的工作来验证双层PIAMA用于临床应用的性能和可行性，但它为生物光学的微型化提供了一个更有效的替代方案。

审核编辑：郭婷