中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

专注于为医疗器械研发与生产服务

2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

 

超构透镜发展微型成像系统: 医疗自动化制造设备展提醒内窥镜设计工程师需要知道其发展趋势及挑战

2022-07-12

近日,季华实验室科研团队联合湖南大学等机构以 "Dielectric Metalens for Miniaturized Imaging Systems: Progress and Challenges"为题在 Light: Science & Applications 发表综述文章,论述了超构透镜在微型化成像系统中的研究进展和面临的挑战。超构透镜及成像系统均为内窥镜设计中的关键组件,内窥镜产业的多元化多科室需求产品逐步成为未来医疗市场的主题曲,医疗自动化制造设备展Medtec China今年自2016年起布局医疗电子,从最初的电子部件、电机&传动控制展区到2021年首开的高端医疗设备设计与制造专区,一大批高质量展商加盟,经过多年的积淀,2022年有源医疗装备核心部件展区应运而生,展区将覆盖光学组件,内窥镜部件,激光器,成像解决方案 ,芯片传感,集成电路,连接器线束,电源电机,软件配套等展品和相关企业。



图1 论文内容概览:全介质超构透镜在微型成像系统中的优势及其进一步发展面临的挑战

传统光学的轻薄化难题

光学成像在航空航天探索、工业视觉、消费电子和医学成像等领域均有广泛应用。光学折射透镜是成像系统的关键元件。它利用透镜材料的弯曲界面发生的光折射效应,将一个点发出的光线重新汇聚到一个像点。从波动光学的角度看,折射透镜的成像依赖于光线传播路径的相位累积。由于成像原理、材料等因素限制,单个折射透镜的成像效果有限,因此高性能的成像系统往往包含各种复杂的透镜和光学元件组合。随着现代生产生活的发展,人们对轻量化、小型化光学成像系统的需求对成像技术发展提出了新的挑战。



图2 看似简单小巧的手机镜头实际上包含了复杂的光学结构

超构透镜——颠覆性成像技术

超构透镜是实现透镜成像功能的超构表面(又称“超表面”)(名词解释)。它基于亚波长的人工结构单元对入射光的相位等参量进行局域调控(即每个位置空间的单元引入相互独立的相位突变),从而构建聚焦波面对应的相位分布,最终实现透镜聚焦或成像的功能。与传统光学透镜相比,超构透镜是平面结构,具备超轻超薄(微米/亚微米厚度)等特征,有望实现高度集成的成像系统。因此,超构透镜是近年来最热门的研究领域之一。其中全介质超构透镜由于更高的聚焦和成像效率,比包含金属的超构透镜更受研究人员的青睐。



图3 超构透镜聚焦原理

除了内窥镜的高精尖技术, 医疗自动化制造设备展Medtec China内窥镜部件供应商也将在现场带来内窥镜镜头、功能内窥镜测试平台、OVM 6946内窥镜模组、4K内窥镜摄像系统、电子肾盂膀胱输尿管镜等,点击快速预登记。

超构透镜的优势

光波通过超构透镜单元之后的相位依赖于单元的形状尺寸和入射光场参量(强度、相位、波长、偏振等),因此超构透镜具备高自由度的电磁调控能力,具备以下显著优势:

(1)单透镜的消像差成像

传统光学球面镜在大数值孔径情况下球差难以消除,而具备双曲相位分布的超构透镜在大数值孔径下仍具备天然的消球差特性,有利于满足显微镜等应用的高分辨率成像需求。同时大视场成像中的彗差、场曲、像散等轴外像差问题也已经通过发展多种简单特殊结构得以消除。此外,利用超构单元的色散调控能力可实现多波长或连续带宽的消色差成像性能,尤其在光场相机等基于透镜阵列的成像系统中有重大利用价值。近年来研究人员对影响消色差带宽的因素进行了讨论,不断提高超构透镜的消色差性能。



图4 单个传统球面镜的成像存在 (a)球差、(b) 彗差、(c)场曲、(d) 像散等像差,因此需要透镜级联等手段以消除这些像差;单片超构透镜可实现(e)-(h) 所示消像差成像

(2)单透镜的多功能复用

超构透镜灵活多样的设计原理也赋予了其功能复用性能,可以集多个光学元件的功能于一身,从而以单透镜实现三维成像、偏振成像、变焦镜头、光学全息、光学运算等传统复杂光学系统的功能。比如,为实现实时偏振成像,传统的分振幅成像系统通常包括多个分束器、起偏器、相位板、透镜组、探测器等元件,体积庞大难以压缩,而一片集成于一个图像传感器的超构透镜便可实现相应功能,极大程度上简化了系统。



图5 基于超构透镜的偏振成像研究示例。不同偏振的入射光通过超构透镜之后分别聚焦到不同焦点,从而同时获得不同偏振的图像。

图源:Yan, C. et al. Midinfrared real-time polarization imaging with all-dielectric metasurfaces. Applied Physics Letters 114, 161904 (2019). Figure 1

(3)与CMOS工艺兼容的制备过程

超构透镜由于其小特征尺寸和平面结构特征,一般采用光刻手段等制备,与现有CMOS制备工艺兼容。因此,不仅可利用半导体工艺的高精度实现多个超构透镜的精密对准,还有望实现超构透镜在图像传感器件表面的制备集成。

超构透镜在微型成像系统中的应用难题

(1)超构透镜的性能局限

尽管目前超构透镜研究在大孔径、大视场、大宽带和高效率等方面都分别有重要进展,但兼容这四大特性的超构透镜方面还有很大研究空间。比如:(a) 大数值孔径超构透镜的聚焦效率目前受到制备能力的限制还有很大提升空间;(b) 由于消除球差和彗差的相位条件不一致,同时具备大数值孔径和大视场的单片超构透镜还有待实现;(c)效率暂且不论,大尺寸、大数值孔径的宽带消色差透镜目前仍然是学术界公认的难题。



图6 超构透镜性能需要平衡孔径、视场、宽带和效率等参数,同时实现大孔径、大视场、大宽带和高效率仍有难度

(2)高性能超构透镜的高效率设计优化
上述超构透镜的性能局限在一定程度上是其设计方法导致的。超构透镜一般设计方法是结构单元填充,即根据目标相位分布从庞大的数据中挑选合适的微纳结构置于合适位置。因此可能导致超构透镜存在制造约束(比如过小的间距、过高的深宽比等)带来的性能限制。此外,这种常规设计方法涉及海量的预处理计算和仿真。所幸,随着计算机技术的发展, 高性能超构透镜的智能设计已呈快速发展之势。但与此同时,科研人员也不可停下进一步优化设计原理的脚步。



图7 智能设计超构透镜与商业镜头成像效果对比

图源:Tseng, E., Colburn, S., Whitehead, J. et al. Neural nano-optics for high-quality thin lens imaging. Nat Commun 12, 6493 (2021). Figure

(3)大面积超构透镜的高效率制备生产

部分成像系统(比如AR/VR眼镜等)要求透镜的幅面至少达到厘米量级。然而,由于该尺度的超构透镜(尤其是针对可见光波段)通常包括数以百万乃至千万计的单元结构,在设计优化和版图阶段面临海量数据处理问题,此外,非周期性亚微米特征尺寸结构的制备往往需要电子束刻蚀等时间金钱成本均高昂的技术手段,很难实现经济高效的大面积制备。目前研究表明,发展步进式光刻和纳米压印技术有望解决这一难题。

(4)超构透镜成像系统的集成与封装

超构透镜成像系统的应用少不了透镜-芯片的传感封装模块。目前已有研究通过堆叠技术和光学胶手段实现超构透镜与图像传感芯片的集成与封装。然而,超构透镜的CMOS兼容特性并未有效利用,目前仅有少量研究实现超构表面与图像传感芯片的一体化制备和集成。图像传感器表面的超构透镜制备与封装技术仍需发展,此外,还应考虑封装玻璃引入的平板像差问题、超构透镜封装的热稳定性和力学稳定性等。 总结与展望

医疗自动化制造设备展Medtec China了解到目前我国内窥镜市场几乎被国外的内窥镜公司垄断,因此内窥镜的研究对我国医疗设备的发展有着重要的意义。超构透镜在对入射光的高自由度调控方面具有独特的优势,从而使得传统光学极难甚至不可能实现的超轻薄微型成像系统成为可能。尽管目前超构透镜的成像性能和实现方法还存在一定的局限性,其反过来也指明了进一步研究的方向,并已发展出许多新型成像系统。相信研究人员针对上述难题和挑战努力进一步优化设计原理,提升透镜加工技术,将能明显提升超构透镜的成像性能,实现轻薄化的紧凑光学成像系统。

来源:LightScienceApplications