近日，浙江大學、上海航天控制技術研究所等機構的研究人員組成的團隊在Scientific Reports期刊上發表了題為“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眼的雙層偏振無關消色差超構表面陣列（PIAMA），以將圖像耦合到顯微內窺鏡的光纖束（OFB）中。與通常結構復雜、體積龐大的光學折射透鏡或難以校正成像場邊緣的離軸像差的梯度折射率（GRIN）透鏡相比，緊湊超薄的PIAMA可以在保證成像質量的同時，大大減小顯微內窺鏡中探頭的尺寸。

顯微內窺鏡在工業和醫療領域都發揮著重要作用，為從難以到達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，顯微內窺鏡系統可以實時顯示活體成像結果，避免了對活檢組織進行病理切片成像的耗時和復雜操作。由于OFB極薄、柔軟和可彎曲的特性，基于OFB的管狀顯微內窺鏡被廣泛應用。對于光纖顯微內窺鏡系統，探頭的微型化和高分辨率是兩個重要問題，將圖像耦合到OFB的物鏡決定了成像質量和探頭的體積。每根光纖整齊地排列在纖維束中作為一個像點。考慮到OFB的特殊特性，圖像耦合需要滿足寬視場（FOV）、圖像空間的高遠心度和零色差的要求。傳統光學系統必須使用多個球面透鏡才能達到上述設計要求，這無疑難以使其進一步微型化。

隨著電子束蝕刻和納米壓印光刻技術等精密加工技術的不斷發展，介電超構表面以其對電磁波的振幅、相位和偏振的超強控制能力，為替代傳統體積龐大的光學元件提供了一條新途徑。近年來，在平面透鏡、渦流束發生器、全息顯示器等各個領域，人們對超構表面進行了越來越多的優秀研究。此外，為了實現信號處理、生物傳感和成像領域設備的微型化，Pro. Cusano團隊在光纖尖端集成了相位梯度等離子體超構表面，以實現先進的波前處理，并在多模光纖端面集成了全介電熒光增強超構表面，以實現“光纖上的實驗室”（Lab-on-fiber）。在成像系統中，通過優化相位分布，研究人員設計了用于消除各種單色像差（如球差和彗差）的超構透鏡。然而，由于超構表面對不同頻率電磁波的響應各不相同，因此要完全克服色差仍然是一個重大挑戰。

在本文中，作者們提出了一種類似于昆蟲并列型復眼的雙層偏振無關消色差超構表面陣列（PIAMA），以將圖像耦合到顯微內窺鏡中的OFB中。PIAMA的詳細結構如圖1b所示，它由兩層構成，分別具有不同的功能和用途。第一層是校正色差的光偏轉器，允許不同入射角的光垂直進入第二層。同時，第二層的單元是消色差和消球差的超構透鏡，它們完全相同，并且與圖像空間中理論上零遠心的光纖的數值孔徑（NA）相匹配。在PIAMA中，每個單元對應于OFB中的一根光纖。因此，PIAMA中的單元數量和排列與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，則單元也應按六邊形排列。文中設計的PIAMA中每個單元的直徑為30μm，圖像空間中的NA為0.287。超構表面陣列固定在OFB端面前方50μm處，將像點傳輸到另一端。PIAMA可以通過在二氧化硅襯底的兩側蝕刻各向同性二氧化鈦（TiO2）納米柱來制造，以實現波長為470nm、530nm和630nm時的消色差相位分布。他們提供了一種在PIAMA中設計每個單元的方法，并通過時域有限差分（FDTD）方法對入射角為20°的單元的特性進行了理論研究和數值驗證。結果很好地說明了PIAMA兩層結構的偏轉和聚焦功能。與通常結構復雜、體積龐大的光學折射透鏡或難以校正成像場邊緣的離軸像差的GRIN透鏡相比，緊湊超薄的PIAMA可以在保證成像質量的同時，大大減小顯微內窺鏡中探頭的尺寸。此外，盡管PIAMA具有雙層結構，但來自兩層的納米柱的位置并不是一一對應的關系，因此在實際制造中不需要考慮由未對準問題引起的誤差。

圖1 自然并列型復眼及本文提出的PIAMA原理示意圖

圖2 在470 nm、530 nm和630 nm波長時的PIAMA的仿真結果

綜上所述，本文提出了一種用于顯微內窺鏡中OFB耦合的雙層偏振無關消色差超構表面陣列。提出的PIAMA以昆蟲并列型復眼結構為例，在二氧化硅襯底兩側刻蝕出專門設計的各向同性圓形或環形TiO2納米柱，雙層PIAMA中的每個單元實現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，使入射光發生無色差偏轉，使光垂直入射第二層。第二層被設計為消除球差和色差的超構透鏡。通過使用一個入射角為20°的單元，在距PIAMA為50 μm的焦平面上獲得了一個接近衍射極限的光斑，驗證了提出的設計方法。總之，本研究工作表明，與顯微內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表面陣列可滿足圖像空間中的寬視場、消色差和高遠心度要求，無需龐大的體積和昂貴的設計。盡管還需要進一步的工作來驗證雙層PIAMA用于臨床應用的性能和可行性，但它為生物光學的微型化提供了一個更有效的替代方案。

審核編輯：郭婷