L’endoscopia è una tecnica cruciale per l’imaging minimamente invasivo in medicina; tuttavia, la dimensione e la rigidità dei dispositivi convenzionali ne limitano l’applicazione clinica. La necessità di miniaturizzazione e di una maggiore flessibilità dei dispositivi endoscopici impone l’adozione di componenti ottici non convenzionali, quali le metalenti.
Le metalenti sono componenti ottici piani basati su metamateriali che consentono una manipolazione controllata del fronte d’onda della radiazione elettromagnetica grazie all’ingegnerizzazione della nanostrutturazione superficiale che le compone. Tali componenti operano attraverso l’interazione con nanostrutture di dimensioni confrontabili o inferiori alla lunghezza d’onda della radiazione incidente, permettendo una drastica riduzione del volume ottico rispetto alle lenti rifrattive tradizionali.
La progettazione di questi sistemi richiede pertanto un approccio di co-simulazione in grado di coprire e correlare efficacemente le diverse scale dimensionali, dalle performance in ambiente 3D alla progettazione della struttura nanometrica.
Il punto di partenza è la definizione del profilo di fase target della metalente. Poiché la radiazione elettromagnetica proviene da un fascio di fibre ottiche e il sistema presenta una configurazione complessa, il profilo di fase ideale non può essere determinato mediante una formulazione analitica. Per questo motivo si utilizza Ansys Zemax OpticStudio® in modalità sequenziale per l’ottimizzazione e il ray tracing del sistema.
La metalente viene modellata tramite una superficie diffrattiva che rappresenta il profilo di fase aggiuntivo come una serie di polinomi radiali. L’ottimizzazione è finalizzata alla minimizzazione dello spot del fascio ottico su un campo visivo esteso, garantendo prestazioni uniformi sull’intera area di osservazione.
Al termine del processo di ottimizzazione, i coefficienti ottenuti definiscono il profilo di fase ideale della metalente. Questi dati vengono esportati e trasferiti a Lumerical per procedere con la progettazione della struttura nanometrica.
I coefficienti di fase ricavati dal software OpticStudio costituiscono il riferimento per la realizzazione del profilo nanostrutturale della metalente. In Ansys Lumerical FDTD™, ambiente dedicato alla modellazione elettromagnetica di metamateriali e nanostrutture, uno script utilizza tali coefficienti per mappare il profilo di fase target sulla griglia dei meta-atomi, che rappresentano l’unità costitutiva della nanostruttura, generalmente periodica, della metalente. In questo caso, i meta-atomi sono cilindri dielettrici disposti su un reticolo quadrato; tuttavia, essi possono assumere forme geometriche e simmetrie reticolari differenti al fine di ottenere comportamenti ottici più complessi.
Si procede quindi alla costruzione e alla simulazione tridimensionale mediante il software Lumerical FDTD dell’intera metalente, che nel caso di un diametro di 1 mm può comprendere milioni di elementi nanostrutturati. Per gestire l’elevato carico computazionale, la simulazione viene eseguita su piattaforme di High Performance Computing (HPC).
Il risultato chiave di questa fase è la distribuzione angolare dell’intensità in campo lontano (far-field), ovvero la mappa che descrive la propagazione e la diffusione della luce generata dalla metalente. Tale mappa viene successivamente convertita in un formato compatibile con Ansys Speos (.xmp) per essere utilizzata come sorgente luminosa nei successivi stadi di simulazione.
L’ultima fase del workflow consiste nell’analisi del sistema completo in uno scenario applicativo realistico mediante Ansys Speos®. Viene importato un modello CAD, ad esempio rappresentante un’arteria, al fine di ricreare un contesto fisicamente coerente con l’ambiente operativo. A ciascun elemento CAD vengono quindi associate le proprietà ottiche del materiale corrispondente.
L’analisi condotta tramite il software Speos considera le due principali funzionalità della metalente:
Attraverso la simulazione, il software Speos consente la visualizzazione dell’immagine acquisita dal sensore della telecamera, permettendo la valutazione delle prestazioni complessive del dispositivo, della qualità dell’immagine e dell’efficienza dell’illuminazione all’interno del vaso sanguigno simulato
Il workflow integrato che combina i software Zemax OpticStudio, Lumerical FDTD e Speos dimostra la possibilità di progettare e validare componenti ottici di precisione a scala nanometrica all’interno di un sistema ottico macroscopico complesso. Questo approccio consente una transizione strutturata ed efficace dall’ottimizzazione concettuale del profilo di fase alla modellazione fisica dettagliata, fino alla valutazione delle prestazioni in un ambiente realistico, accelerando in modo significativo lo sviluppo di endoscopi miniaturizzati ad alte prestazioni.