Аннотация
Наиболее важным оптическим компонентом волоконно-оптического эндоскопа является объектив. Поэтому разработка ультракомпактного объектива является залогом создания ультратонкого волоконно-оптического эндоскопа с высоким качеством визуализации. В этой работе мы используем фемтосекундную лазерную 3D-печать для разработки серии микрообъективов с различным оптическим дизайном.
Разрешение изображения и характеристики поля зрения напечатанных микрообъективов были исследованы с помощью численного моделирования и экспериментов. Впервые на торцевой поверхности одного оптического волокна для формирования изображений напечатано несколько микрообъективов с разными полями зрения, что обеспечивает идеальную интеграцию оптического волокна и линз объектива. Эта работа демонстрирует большой потенциал фемтосекундной лазерной 3D-печати в изготовлении микрооптических систем и предоставляет надежное решение для разработки ультратонкого волоконного эндоскопа.
Введение
Эндоскоп — это распространенный инструмент для осмотра на основе визуализации. Эндоскоп может быть введен в узкий канал для наблюдения за внутренним состоянием исследуемой структуры. В области медицины эндоскоп позволяет врачам наблюдать за морфологическими и патологическими изменениями в полостях человеческого тела и внутренних, а также эндоскоп широко используется в диагностике и минимально инвазивной хирургии.
В промышленности эндоскопы широко используются для дефектоскопии трубопроводов, аэрокосмической промышленности, искусственном интеллекте и других областях. В результате стремительного развития технологий микро- и нанотехнологической обработки размеры типичного эндоскопа значительно уменьшились, однако современные эндоскопы все еще не могут в полной мере удовлетворить требования к эндоскопической визуализации некоторых ультратонких труб, используемых в медицине и промышленности. Исследователи разрабатывают инновационные методы уменьшения размеров эндоскопов при сохранении требуемого качества визуализации в различных областях применения.
Несколько технологий микрообработки широко используются в области микрооптики, включая алмазное точение, сверхточное фрезерование, сверхточную полировку, магнитореологическую полировку и полировку ионным пучком. Хотя эти технологии обладают достаточно высокой точностью обработки, они не могут быть использованы для изготовления многолинзовых микросистем. Поэтому разработка нового метода микрообработки и прецизионной сборки микрооптики имеет важное исследовательское значение.
Фемтосекундная лазерно-индуцированная двухфотонная полимеризация (ДФП) — это оптический аддитивный метод микрообработки, который на сегодняшний день является самым точным. ДФП широко используется в микро/нанофотонике, микроэлектромеханических системах (МЭМС) и микрофлюидике. Поскольку вероятность возникновения ДФП прямо пропорциональна квадрату плотности фотонов, этот нелинейный пороговый эффект ограничивает область полимеризации и даже может нарушить дифракционный предел Аббе. Таким образом, размер напечатанного элемента может достигать 100 нм и менее.
В настоящее время многие исследовательские группы работают над созданием микрооптических систем с помощью ДФП, включая наборы микролинз, оптические фазовые пластины, волоконные решетки, волоконные соединители и волоконные интерферометры. ДФП также может использоваться для изготовления сложной оптики произвольной формы высокого качества. ДФП может быть использована для точного добавления воздушных зазоров, что позволяет изготавливать группы микролинз. По сравнению с традиционными методами изготовления линз ДФП предлагает большую гибкость микрообработки и может реализовать прямую интеграцию нескольких микролинз, что решает проблемы сборки.
В данной работе ДФП используется для печати серии микрообъективов и исследованы морфология и качество изображения этих линз, которые полностью совпадают с результатами численного моделирования. В итоге были изготовлены четыре микролинзы с различными полями зрения (FOV), которые были впервые интегрированы в торцевую поверхность одного волокна для формирования изображения для одновременной эндоскопической визуализации. Таким образом, данная работа обеспечивает надежное решение для разработки ультратонких оптических волоконных эндоскопов.
Дизайн и производство линз
- Оптический дизайн
Рисунок 1 – Оптический дизайн микрообъективов после оптимизации в Zemax. Красные метки обозначают входной зрачок микрообъективов. Желтые линии обозначают положение плоскости изображения. (масштабная линейка: 100 мкм).
Для моделирования и оптимизации микрообъективов для эндоскопии в данной работе использовался режим Sequential коммерческой программы оптического дизайна Zemax. Схема оптического дизайна микрообъективов показана на рисунке 1, где синяя, зеленая и оранжевая линии представляют трассировку лучей в различных областях FOV. Все четыре объектива имеют структуру дублета. Входной зрачок группы линз расположен у первой линзы, что ограничивает угол луча изображения.
Такой подход гарантирует, что весь свет, проходящий через вторую линзу, будет принят первой линзой, что минимизирует влияние света, проходящего непосредственно через вторую линзу, на конечное изображение. Диаметр входного зрачка четырех объективов установлен на уровне 100 мкм, а плоскость изображения имеет форму круга диаметром менее 100 мкм. Подробные параметры линз приведены в таблице 1. Учитывая погрешности в размерах, которые могут возникнуть при изготовлении, к каждому краю каждой линзы добавляется запас в 2%, что приводит к незначительному увеличению размера входного зрачка менее чем на 2 мкм.
Параметры микрообъективов
| FOV | Диафрагменное число | Фокусное расстояние | Диаметр плоскости изображения |
| 20° | 2 | 200 мкм | 69.7 мкм |
| 30° | 1.67 | 167 мкм | 90.2 мкм |
| 40° | 1.1 | 110 мкм | 80.5 мкм |
| 50° | 0.95 | 95 мкм | 90.0 мкм |
Для борьбы с аберрациями используется узкополосное освещение в диапазоне длин волн 550 ± 10 нм, что позволяет уменьшить влияние хроматических аберраций. Помимо хроматических аберраций, объектив должен устранять все монохроматические аберрации, включая дефокусировку, сферические аберрации, кому, астигматизм, кривизну поля и дисторсию.
После оптимизации окончательные конструкции могут эффективно устранить большинство монохроматических аберраций. Среди всех монохроматических аберраций наиболее важными являются кривизна поля и дисторсия, что необходимо учитывать при проектировании микрообъективов. Обе аберрации сильно зависят от FOV: кривизна поля пропорциональна квадрату FOV, а искажение пропорционально третьей степени FOV. Поэтому для оптической системы с большим FOV эти аберрации очень трудно исправить. Однако благодаря асферической конструкции линз дисторсия хорошо контролируется в пределах 3%, а кривизна поля контролируется в пределах 5 мкм (рисунок 1). Диаграммы на рисунке 1 указывают на дифракционно-ограниченные характеристики (с числом Штреля больше 0,8) большинства микрообъективов с различными FOV.
Производство линз
На основе рассчитанных параметров была создана 3D-модель объектива с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (CAD). Разработанная 3D-модель была сначала напечатана на стеклянной подложке с покрытием из оксида индия-олова с помощью ДФП. Печать проводилась послойно. Интервал между слоями и расстояние между линиями составляли 0,2 мкм и 0,3 мкм соответственно. Фемтосекундный лазер имел центральную длину волны 780 нм, длительность импульса 100 фс и частоту повторения 80 МГц. Фемтосекундные лазерные импульсы фокусировались с помощью 25-кратного масляно-иммерсионного объектива с числовой апертурой 0,8. Разрешение изготовления 3D-печатной системы ДФП в направлениях X, Y и Z достигает 100 нм, 100 нм и 300 нм, соответственно. Точность ДФП сильно зависит от энергии лазерного импульса и скорости сканирования. При оптимизации энергии лазерного импульса (0,2 нДж) и скорости сканирования (50 мм/с) достигается идеальный результат изготовления.
Дисперсия материала является еще одним важным параметром при проектировании высококачественных оптических систем. Поскольку объективы эндоскопов были напечатаны с использованием фоторезиста одного типа, продольные и поперечные хроматические аберрации не могут быть эффективно скорректированы. Для наибольшего уменьшения хроматических аберраций был для печати выбран IP-S фоторезист (Nanoscribe GmbH, Германия) (
Результаты и обсуждения
Для количественной характеристики морфологии напечатанных линз использовался интерферометр полного спектра Atometrics EX230, с помощью которого измерялся рельеф поверхности каждой линзы. Затем результаты измерений сравнивались с теоретическим рельефом поверхности. На рисунке 2а показана разработанная равномерная асферическая поверхность 10-го порядка, где радиус кривизны асферической поверхности составляет 88,6 мкм. На рис. 2b показан рельеф поверхности напечатанной линзы, полученный с помощью оптической интерферометрии, где радиус кривизны составляет 87,2 мкм.
Среднеквадратичное отклонение между расчетными и измеренными результатами составляет 349 нм. Эта погрешность в основном вызвана процессом послойной печати, а также последующей структурной усадкой или деформацией в процессе разработки. Основными факторами, вызывающими эти ошибки, являются мощность используемого лазера, скорость сканирования, поверхностное натяжение фоторезиста и процесс улетучивания. Поэтому для улучшения качества печати необходимо многократно оптимизировать перечисленные выше параметры изготовления.
Ознакомиться с каталогом Atometrics можно здесь.
Рисунок 2 – Схема тестирования рельефа поверхности линзы. (a) Рельеф поверхности разработанной линзы. (b) Рельеф поверхности напечатанной линзы, полученный с помощью метода оптической интерферометрии.
Компания INSCIENCE занимается поставкой решений в области 3D-печати микрообъективов.
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
