Microscopio doble de metalentes de alta resolución mejora capacidades diagnósticas

Las metalentes representan un avance revolucionario en la tecnología óptica. A diferencia de los objetivos de microscopio tradicionales, que se basan en superficies de vidrio curvadas, las metalentes utilizan estructuras nanométricas para manipular la luz a un nivel submicrométrico. Su diseño ultrafino, ligero y plano permite que las metalentes superen el volumen de las lentes convencionales, lo que las hace ideales para su integración en dispositivos electrónicos y sistemas de imagen compactos. Sin embargo, a pesar de su prometedor potencial para las tecnologías ópticas de última generación, las metalentes se enfrentan a importantes obstáculos en las aplicaciones prácticas de microscopía. Un desafío clave es la presencia de aberraciones fuera del eje, que limitan gravemente el campo de visión (CdV) y la resolución de las metalentes. El equilibrio entre la resolución y el CdV ha impedido hasta ahora que las metalentes alcancen los niveles de rendimiento de los microscopios tradicionales. Si bien algunos diseños anteriores de metalentes han alcanzado una resolución submicrónica, suelen tener CdV extremadamente restringidos, lo que limita su aplicación práctica. Ahora, una nueva configuración de doblete de metalente combinada con iluminación anular puede superar estas aberraciones fuera del eje y brindar imágenes de campo amplio de alta resolución sin precedentes, incluso en un prototipo compacto y altamente integrado.

Investigadores de la Universidad de Nanjing (Nanjing, China) han presentado una solución innovadora que mejora significativamente el rendimiento de las metalentes en microscopía. Su estudio, publicado en Advanced Photonics, presenta un microscopio basado en metalentes que ofrece un amplio campo de visión (CdV) e imágenes de alta resolución dentro de un diseño compacto. Los investigadores abordaron las limitaciones inherentes de las metalentes mediante el uso de una configuración de doblete, que consiste en dos metalentes colocadas en lados opuestos de un sustrato de sílice transparente, combinado con iluminación anular. Las dos metalentes cuentan con nanoaletas de nitruro de silicio, diseñadas como cuadrados de alta relación de aspecto con dimensiones precisas, dispuestas a intervalos meticulosamente calculados. Esta configuración reduce eficazmente las aberraciones fuera del eje y, al mismo tiempo, mejora la resolución, optimizando el rendimiento de la imagen. Este logro es un gran avance, ya que los investigadores pudieron resolver características que los sistemas de metalentes anteriores no podían detectar.

Para validar aún más la eficacia de su enfoque, el equipo desarrolló un prototipo altamente compacto. El dispositivo alcanzó un extraordinario campo de visión (CdV) de 1 mm y una resolución de medio paso de 620 nm. Cabe destacar que el diseño incorporó metasuperficies no solo para fines de imagen, sino también para generar la iluminación anular, lo que mejoró aún más la compacidad del sistema. Con tan solo 4 cm × 4 cm × 5 cm, el prototipo es mil veces más pequeño y ligero que los microscopios estándar. Los investigadores utilizaron su metamicroscopio para obtener imágenes de células de cáncer de cuello uterino, capturando con éxito imágenes de diversas etapas de progresión del cáncer dentro del mismo campo de visión. Esto permitió al sistema revelar características celulares importantes, como el agrandamiento, la deformación y la división nuclear. La capacidad de observar estos detalles en un amplio campo de visión proporciona a los profesionales médicos una visión integral de las muestras de tejido, lo que podría mejorar la precisión diagnóstica.

Esta tecnología es muy prometedora para aplicaciones que requieren portabilidad e imágenes de alto rendimiento. Entre sus posibles usos se incluyen la imagenología biomédica en entornos con recursos limitados, la monitorización móvil de la salud y la investigación en exteriores, donde los microscopios tradicionales resultarían poco prácticos. Su potencial de integración con dispositivos microelectrónicos también podría permitir su uso en tecnologías emergentes, como sistemas avanzados de automatización clínica o biomédica. En resumen, este desarrollo representa un gran avance en la creación de sistemas prácticos de imagenología basados en metalentes que pueden competir con la óptica convencional, ofreciendo ventajas considerables en cuanto a tamaño, peso y capacidad de integración. Este enfoque no solo allana el camino para microscopios más compactos, sino que también abre las puertas al diseño de otros metadispositivos de alto rendimiento para diversas aplicaciones ópticas.

“Nuestro microscopio de metalentes, con un campo de visión (CdV) de hasta 150 μm y una resolución de medio paso de 310 nm, supera con creces la resolución más alta jamás registrada en metamicroscopía”, afirmó el Dr. Tao Li, autor correspondiente. “Nuestros resultados experimentales demuestran bioimágenes microscópicas de alta calidad, comparables a las obtenidas con microscopios tradicionales, en un prototipo compacto, lo que destaca sus posibles aplicaciones en entornos portátiles y prácticos”.