메타

메타광학(meta-optics)으로 알려진 초박형 광학 요소는 내시경 팁 길이를 줄일 수 있으며, 이는 이러한 의료 기기의 제한 요소 중 하나입니다. 이는 팁 길이를 1/3로 줄이기 위해 역설계 접근 방식을 사용한 워싱턴 대학교 연구원들의 최신 연구 결과입니다. 그들은 또한 내시경이 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 실시간으로 비디오를 캡처할 수 있다는 것을 보여 주었는데, 이는 이전 접근 방식에서는 어려웠던 것으로 입증되었습니다.

내시경검사는 길고 유연한 튜브(카메라와 광 가이드로 구성)를 체내에 삽입하여 내부 조직의 영상을 얻는 것입니다. 기존 장치에서는 튜브의 끝 부분이 단단한 광학 구성 요소로 되어 있는데, 그 길이는 동맥과 같은 작은 구불구불한 관을 통해 장치가 이동할 수 있는 데 근본적인 제한이 됩니다.

원칙적으로 이 문제는 단일 광섬유나 섬유 다발로 내시경을 만들어 해결할 수 있지만, 여기서 문제는 섬유를 따라 이동하는 빛의 일부가 결함에 의해 산란되고 인식할 수 없을 정도로 왜곡된다는 것입니다. 따라서 정확한 이미지를 얻기 위해 재구성할 수 없습니다. 이러한 장치는 또한 짧은 작동 거리로 제한됩니다.

평면형 메타광학은 유망한 대안을 제공합니다. 이는 입사 파면의 위상과 진폭을 형성하도록 설계된 나노 규모 광 산란 배열로 구성된 파장 이하 회절 광학 요소입니다. 그러나 이러한 요소는 강한 수차(또는 흐림)로 인해 넓은 시야(FoV) 및 풀 컬러 이미징을 어렵게 한다는 문제가 있습니다. 이는 임상 내시경 검사에 매우 중요합니다. 실제로 금속 렌즈는 일반적으로 특정 파장(예: 녹색)에 대해 선명한 이미지를 생성하지만 다른 색상(빨간색과 파란색)은 강하게 흐리게 합니다.

이러한 어려움은 분산 엔지니어링을 통해 어느 정도 해결될 수 있지만 결과 장치는 작은 조리개(예: 약 125μm)로 인해 어려움을 겪거나 작동 거리가 짧거나(약 200μm) 복잡한 계산 후 처리가 필요하므로 실제 시간 이미징이 어렵습니다.

Johannes Fröch와 Arka Majumdar가 이끄는 연구원들은 이제 직경 1mm의 응집성 섬유 다발로 실시간 풀 컬러 이미지를 캡처하도록 최적화한 역설계 메타 광학 요소를 사용하여 이러한 과제에 대한 솔루션을 갖게 되었습니다. 이 시스템은 22.5°의 FoV, 30mm가 넘는 심도(DoF), 단 2.5mm에 불과한 견고한 팁을 허용합니다. 즉, 기존 상업용 "그라디언트 인덱스" 렌즈보다 33% 더 작습니다. 통합 섬유 다발 내시경. 더 짧은 초점 거리와 초박형 메타 광학 덕분에 이러한 위업이 가능합니다.

Fröch는 “메타 광학은 우리가 일상 생활에서 사용하는 렌즈와는 다른 방식으로 빛을 조작하는 광학 요소입니다.”라고 설명합니다. “곡선 유리 표면 대신에 메타광학은 빛이 회절되는 방식에 영향을 미치는 작은 나노구조로 구성됩니다. 이는 본질적으로 이를 구부리고 특정 방향으로 조종하거나 다른 이국적인 기능을 가질 수 있음을 의미합니다.”

역설계는 필요한 기능을 기반으로 메타광학의 구조를 설계하는 접근 방식이라고 그는 덧붙입니다. "우리는 기본적으로 우리가 원하는 결과부터 시작하여 그 특정 결과를 가장 밀접하게 생성할 구조를 찾습니다."라고 그는 Physics World에 말했습니다.

메타광학의 접근 방식과 제작은 매우 정확해야 하며 연구원들은 공정의 모든 단계를 최적화하기 위해 올바른 소프트웨어 도구와 제작 조건을 개발하는 데 수년을 보냈다고 말합니다.

일반적으로 색상 범위가 증가함에 따라 해상도가 악화되기 때문에 메타 광학을 사용하여 풀 컬러 이미징을 달성하는 것도 매우 어렵습니다. Fröch는 "메타 광학은 종종 하나의 특정 파장에서만 작동하지만 이 주제에 대해 작업을 시작했을 때 메타 광학 섬유 내시경의 해상도가 궁극적으로 응집성 섬유 다발에 의해 제한된다는 것을 깨달았습니다."라고 말합니다. "따라서 우리는 이 응용 분야의 표준 렌즈에 필적하는 풀 컬러 이미징을 달성하기 위해 올바른 방법으로 색상 대역폭과 해상도를 절충할 것입니다."