Méta

Les éléments optiques ultrafins appelés méta-optiques peuvent réduire la longueur de la pointe des endoscopes, ce qui constitue l'un des facteurs limitants de ces dispositifs médicaux. C'est la dernière découverte de chercheurs de l'Université de Washington, qui ont utilisé une approche de conception inverse pour réduire d'un tiers la longueur de la pointe. Ils démontrent également que l’endoscope peut capturer des vidéos en temps réel sur tout le spectre visible, ce qui s’est avéré difficile avec les approches précédentes.

L'endoscopie consiste à insérer un long tube flexible (constitué d'une caméra et d'un guide de lumière) dans le corps pour obtenir des images des tissus internes. Dans les dispositifs existants, le tube est doté d'un composant optique rigide, dont la longueur constitue une limitation fondamentale à la capacité du dispositif à se déplacer dans de petits conduits alambiqués tels que des artères.

En principe, ce problème peut être résolu en fabriquant un endoscope à partir d'une seule fibre optique ou d'un faisceau de fibres, mais le problème ici est qu'une partie de la lumière qui traverse les fibres est dispersée par des défauts et est déformée de manière méconnaissable. Il ne peut donc pas être reconstruit pour obtenir une image précise. De tels appareils sont également limités à de courtes distances de travail.

La méta-optique plate constitue une alternative prometteuse. Il s'agit d'éléments optiques diffractifs sub-longueurs d'onde comprenant des réseaux de diffuseurs de lumière à l'échelle nanométrique conçus pour façonner la phase et l'amplitude d'un front d'onde incident. Il existe cependant à nouveau un problème dans la mesure où ces éléments souffrent de fortes aberrations (ou flous), ce qui rend difficiles l'imagerie à grand champ de vision (FoV) et en couleur, ce qui est essentiel pour l'endoscopie clinique. En effet, alors que les lentilles métalliques produisent généralement des images nettes pour une longueur d'onde spécifique (par exemple le vert), elles brouillent fortement les autres couleurs (rouge et bleu).

Bien que ces difficultés puissent être résolues dans une certaine mesure par l'ingénierie de la dispersion, les dispositifs résultants souffrent de petites ouvertures (environ 125 µm, par exemple), ont des distances de travail courtes (environ 200 µm) ou nécessitent un post-traitement informatique compliqué, ce qui rend réel- l'imagerie temporelle est un défi.

Les chercheurs dirigés par Johannes Fröch et Arka Majumdar pourraient désormais avoir une solution à ces défis grâce à un élément méta-optique de conception inversée qu'ils ont optimisé pour capturer des images couleur en temps réel avec un faisceau de fibres cohérent de 1 mm de diamètre. Leur système permet un FoV de 22,5°, une profondeur de champ (DoF) de plus de 30 mm et une pointe rigide qui ne mesure que 2,5 mm, soit 33 % plus petite que les objectifs commerciaux traditionnels à « indice de gradient ». endoscopes à faisceau de fibres intégrés. L’exploit est possible grâce à la focale plus courte et à la méta-optique ultra fine.

«Les métaoptiques sont des éléments optiques qui manipulent la lumière d'une manière différente des lentilles auxquelles nous sommes habitués dans la vie quotidienne», explique Fröch. « Au lieu d’une surface de verre incurvée, les méta-optiques sont composées de petites nanostructures qui affectent la façon dont la lumière est diffractée. Cela signifie que nous pouvons essentiellement le plier et l’orienter dans des directions spécifiques ou lui offrir d’autres fonctionnalités exotiques.

La conception inverse est une approche dans laquelle la structure de la méta-optique est conçue en fonction de la fonctionnalité requise, ajoute-t-il. "Nous commençons essentiellement par le résultat que nous souhaitons, puis trouvons la structure qui produira ce résultat particulier le plus fidèlement possible", explique-t-il à Physics World.

L'approche et la fabrication des méta-optiques doivent être très précises et les chercheurs affirment avoir passé plusieurs années à développer les bons outils logiciels et les bonnes conditions de fabrication pour optimiser toutes les étapes du processus.

Obtenir une imagerie en couleur avec la méta-optique est également extrêmement difficile, car la résolution se détériore généralement à mesure que la gamme de couleurs augmente. «La méta-optique ne fonctionne souvent que pour une longueur d'onde spécifique, mais lorsque nous avons commencé à travailler sur ce sujet, nous avons réalisé que la résolution de l'endoscope à fibre méta-optique était finalement limitée par le faisceau de fibres cohérent», explique Fröch. « Nous équilibrerions ainsi la bande passante couleur avec la résolution de la bonne manière pour obtenir une imagerie couleur comparable aux objectifs standard pour cette application. »