KR101064515B1 - 암시야 현미경 및 이를 이용한 산란광 검출 방법 - Google Patents

Abstract

암시야 현미경은, 입사빔을 조사하는 광원; 제1 영역 및 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역을 포함하며, 입사빔이 시편으로부터 산란된 산란빔을 전파하는 대물렌즈; 상기 대물렌즈를 통과한 산란빔이 전달되는 수신부; 및 상기 제1 영역 및 상기 수신부를 광학적으로 차단하는 수단을 포함할 수 있다. 이를 이용한 산란광 검출 방법은, 상기 대물렌즈를 시편에 인접하여 배치하는 단계; 시편에 입사빔을 조사하는 단계; 입사빔이 시편으로부터 산란된 산란빔을 상기 대물렌즈를 통해 수신부 방향으로 전파하는 단계; 상기 제1 영역을 상기 수신부로부터 광학적으로 차단하는 단계; 및 상기 제2 영역을 통해 전파된 산란빔을 상기 수신부에서 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

현미경, 암시야, 수직 입사, 편광, 산란

Description

암시야 현미경 및 이를 이용한 산란광 검출 방법{Dark field microscope and method for detecting scattered light using the same}

본 발명의 실시예들은 암시야 현미경 및 이를 이용한 산란광 검출 방법에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 현미경의 개략도이다. 종래 기술에 따른 현미경은 명시야(bright field) 조명 방식 및 암시야(dark field) 조명 방식에 모두 사용될 수 있다.

먼저, 종래 기술에 따른 현미경을 이용하여 명시야 조명 방식으로 시편(6)을 관찰할 수 있다. 광원(1)으로부터 나온 빔(7)은 반거울(3)에서 반사된 후 대물렌즈(5)를 거쳐 시편(6)에 입사될 수 있다. 시편(6)으로부터 반사된 빔(7)은 다시 대물렌즈(5) 및 반거울(3)을 투과하여 수신부(9)로 전달될 수 있다. 수신부(9)는 예컨대 대안렌즈 또는 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD)를 포함할 수도 있다.

다음으로, 종래 기술에 따른 현미경을 이용하여 암시야 조명 방식으로 시편(6)을 관찰할 수도 있다. 암시야 조명 방식에서는 시편(6)에서 반사되는 빔을 배 제하고 산란되는 빔(8)만으로 시편(6)을 관찰할 수 있다. 암시야 조명 방식에서, 광원(1)에서 나온 빔(7)이 반거울(3)과 대물렌즈(5)를 거쳐 시편(6)에 입사되는 과정은 명시야 조명 방식에서와 유사하다.

그러나, 암시야 조명 방식에서는 대물렌즈(5)의 중간으로 빔(7)이 입사하는 것을 차단하기 위해, 광원(1) 및 반거울(3) 사이에 불투명 가리개(2)를 삽입하여 입사 빔(7)의 가장자리 부분만이 반거울(3)에 도달하도록 한다. 또한, 반거울(3)의 가장자리 부분에 불투명 거울(4)을 삽입하여 대물렌즈(5)의 가장자리 부분으로 빔(7)이 입사하도록 한다.

대물렌즈(5)에 입사된 빔(7)은 대물렌즈(5)의 가장자리로 입사되기 때문에 시편(6)에 대해 소정의 입사각을 가진다. 만일 시편(6)에서 산란이 발생하지 않으면 시편(6)에서 반사된 빔(7)은 다시 입사 경로와 동일한 경로를 따라, 대물렌즈(5)의 가장자리 및 반거울(3)을 거쳐 전파된다. 그러나, 반거울(3)에 부착된 불투명 거울(4)에 의하여 차단되므로 반사된 빔(7)은 수신부(9)에 도달하지 못한다.

반면, 시편(6)에서 입사된 빔(7)의 산란이 발생할 경우에는, 시편(6)으로부터 임의의 방향으로 전파되는 산란광들 중 일부의 빔은 대물렌즈(5)로 포집될 수 있다. 대물렌즈(5)의 가운데 부분으로 포집된 빔(8)은 대물렌즈(5)를 통해 전파된 후 반거울(3)을 거쳐 수신부(9)로 전달될 수 있다. 따라서, 수신부(9)에서 시편(6)의 산란광에 의한 이미지를 관찰할 수 있게 된다.

한편, 광원(1)에서 나오는 백색광의 편광 상태는 무작위 상태이므로, 시편(6)에 특정한 편광을 가진 빔(7)을 입사시키고자 하는 경우에는 광원(1)에서 나 온 빔(7)이 편광자(10)를 거치게 함으로써 편광 방향을 조절할 수 있다. 또한, 시편(6)으로부터 반사된 빔(7) 또는 산란된 빔(8)을 편광에 따라 선택적으로 관찰하고자 하는 경우에는, 수신부(9)의 앞 단에 검광자(11)를 위치시킬 수도 있다.

전술한 종래 기술에 따른 암시야 조명 방식에서, 광원(1)에서 나온 빔(7)이 편광자(10)를 거쳐 일정한 선편광을 유지한 채로 대물렌즈(5)의 가장자리를 거쳐 시편(6)에 입사하는 경우, 빔(7)의 입사각에 따라 빔(7)의 일 방향(예컨대, z축 방향)의 입사 성분이 기하학적인 구조에 의하여 분해될 수 있다.

도 2는 종래 기술에 따른 현미경의 대물렌즈에서 빔이 굴절되는 형태를 모식적으로 도시한 개략도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 대물렌즈(5)에 입사하는 빔(7)의 방향벡터를

라 하고, 대물렌즈(5)에 의해 굴절되어 초점으로 향하는 빔(7')의 방향벡터를

라 할 경우, 직각 좌표계를 고려하면 각각의 방향벡터는 하기 수학식 1에 따른 성분을 가질 수 있다.

상기 수학식 1에서, θ는 z축과 방향벡터

가 이루는 각도이고, Φ는 방향 벡터

를 x-y 평면상에 투영시켰을 때 x축과 이루는 각도를 의미한다.

만일 입사 빔(7)이 x축 방향으로 편광된 전기장(예컨대, p파)이라고 가정하면, 입사되는 전기장은　

와 같이 표현될 수 있다. 이 경우, 대물렌즈(5)를 거치고 난 뒤 굴절된 빔(7')의 전기장은 다음 수학식 2에 의하여 표현될 수 있다.

또한, 입사 빔(7)이 y축으로 편광된 전기장(예컨대, s파)일 경우에는 대물렌즈(5)에 입사되기 전의 전기장 성분은

와 같이 표현될 수 있다. 이 경우, 대물렌즈(5)를 통해 굴절된 빔(7')의 전기장은 다음 수학식 3에 의하여 표현될 수 있다.

즉, 대물렌즈(5)에 입사되기 전의 빔(7)과 대물렌즈(5)에 의하여 굴절되고 난 후의 빔(7') 사이에 선편광의 변화가 발생하게 된다. 암시야 조명 방식에 의한 이러한 선편광의 왜곡은, 편광에 민감하지 않은 시편(6)의 산란광 이미지 측정 또는 저배율의 대물렌즈(5)에 의한 측정에서는 큰 문제가 되지 않을 수도 있다.

그러나, 편광에 민감한 시편(6)의 산란광을 측정하는 경우 또는 고배율의 대물렌즈(5)를 채용함으로써 대물렌즈(5)에 입사된 빔(7)의 굴절이 큰 경우에는 선편광의 왜곡이 심해질 수 있다. 이러한 선편광의 왜곡은, 시편(6)에서의 편광 효과를 저감시킴으로써 측정된 이미지의 분해능 저하를 발생시킬 수 있다.

나아가, 전술한 암시야 조명 방식으로 대물렌즈(5)의 가장자리에 빔(7)을 입사시키는 경우, 배율이 큰 대물렌즈(5)에서는 배율 증가에 따른 렌즈 개구수(Numerical Aperture)의 증가로 인하여 시편(6)에 대한 빔(7')의 입사각이 더욱 커져야 한다. 그러므로 대물렌즈(5)의 개구수에 대한 제약이 생겨, 0.6 X(파장/개구수)로 표현되는 최소 분해능 저하에 따르는 문제점이 있다.

또 다른 종래 기술에 따른 암시야 조명 방식으로, 대물렌즈에 의한 반사 조명 대신, 시편을 지지하는 기판의 아래에서 콘덴서 렌즈에 의해 조사되는 투과형 조명을 이용하는 방법도 있다. 그러나, 투과형 조명을 이용하는 경우에도, 산란광을 포집하는 대물렌즈의 개구수에 따른 포집각 보다 큰 각도로 빔의 입사각을 유지해야 한다. 그러므로 반사 조명을 이용하는 경우와 마찬가지로 선편광의 왜곡을 일으킨다. 또한, 대물렌즈의 외곽에 명시야 조명을 위한 광원과 별도로 암시야 조명을 위한 광원을 배치하게 되므로, 대물렌즈의 개구수 증가를 방해하여 최소 분해능을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예는 암시야 조명 방식에서 대물렌즈의 중앙 부분으로 입사빔을 조사함으로써, 대물렌즈에 의한 굴절로 인해 편광 성분이 왜곡되는 현상을 감소 또는 방지하고, 대물렌즈의 개구수(Numerical Aperture)에 대한 제약을 극복하여, 보다 높은 개구수(즉, 높은 분해능)를 갖는 대물렌즈를 사용할 수 있는 암시야 현미경을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 상기 암시야 현미경을 이용한 산란광 검출 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 암시야 현미경은, 입사빔을 조사하는 광원; 제1 영역 및 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역을 포함하며, 입사빔이 시편으로부터 산란된 산란빔을 전파하는 대물렌즈; 상기 대물렌즈를 통과한 산란빔이 전달되는 수신부; 및 상기 제1 영역 및 상기 수신부를 광학적으로 차단하는 수단을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 산란광 검출 방법은, 제1 영역 및 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역을 포함하는 대물렌즈를 시편에 인접하여 배치하는 단계; 시편에 입사빔을 조사하는 단계; 입사빔이 시편으로부터 산란된 산란빔을 상기 대물렌즈를 통해 수신부 방향으로 전파하는 단계; 상기 제1 영역을 상기 수신부로부터 광학적으로 차단하는 단계; 및 상기 제2 영역을 통해 전파된 산란빔을 상기 수 신부에서 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 암시야 현미경 및 이를 이용한 산란광 검출 방법을 이용하면, 편광에 민감한 시편의 산란광을 측정하는데 있어 입사빔이 경사각을 가지고 입사되어 기하학적으로 분리되는 것으로 인한 선편광의 왜곡을 감소 또는 방지할 수 있다. 따라서, 시편의 편광 정보를 극대화시킬 수 있다.

또한, 금이나 은과 같은 귀금속의 나노 입자와 가시광의 상호작용에 의한 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance)을 이용한 바이오 센서와 같은 시스템을 구성하는 데에 있어, 나노 입자의 형상에 따른 편광 의존성 정보를 극대화시킬 수 있다. 또한, 대물렌즈의 가장자리의 영역을 산란빔의 검출에 사용할 수 있으므로, 대물렌즈의 개구수를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 암시야 현미경의 최소 분해능을 증가시켜 단일 나노 입자 등의 관찰을 용이하게 할 수 있다.

나아가, 일 실시예에서는 대물렌즈 안에 광원을 삽입할 수 있으므로 상대적으로 소형화되고 단순한 구조로 암시야 현미경을 구성할 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

도 3은 일 실시예에 따른 암시야(dark field) 현미경의 개략도이다.

도 3을 참조하면, 암시야 현미경은 광원(21), 반거울(22), 불투명 거울(23), 불투명 가리개(24), 대물렌즈(25) 및 수신부(27)를 포함할 수 있다. 상기 암시야 현미경은 광원(21)에 의해 조사되는 입사빔(28)을 이용하여 시편(26)으로부터의 산란빔(29)을 관찰하도록 구성될 수 있다.

광원(21)은 빛을 빔 형태로 조사(irradiate)하기 위한 장치일 수 있다. 예를 들어, 광원(21)은 발광다이오드(Light Emitting Diode; LED) 또는 다른 적당한 발광 소자를 포함할 수 있다. 광원(21)에 의해 조사된 입사빔(28)은 반거울(22)에 입사될 수 있다.

광원(21) 및 반거울(22)의 사이에는 불투명 가리개(24)가 위치할 수 있다. 불투명 가리개(24)는 입사빔(28)을 부분적으로 차단하기 위한 수단으로서 실질적으로 불투명한 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 불투명 가리개(24)는 안이 뚫린 원판 형상 또는 다른 적당한 형상의 불투명한 물질로 이루어질 수 있다. 불투명 가리개(24)를 이용하여 중앙 부분의 입사빔(28)만을 반거울(22)에 입사시키고 나머지 부분은 차단할 수 있다.

불투명 가리개(24)를 통과한 입사빔(28)은 반거울(22)의 중앙 부분으로 입사되며, 반거울(22)의 일 면에 인접하여 위치하는 불투명 거울(23)에 의해 반사될 수 있다. 불투명 거울(23)은 입사빔(28)을 대물렌즈(25) 방향으로 반사시킬 수 있다.

대물렌즈(25)는 제1 영역(251) 및 제2 영역(252)을 가질 수 있다. 제1 영역(251)은 대물렌즈(25)의 중앙 부분에 해당하는 영역이며, 제2 영역(252)은 제1 영역(251)을 둘러싸는 형태로 대물렌즈(25)의 가장자리에 위치할 수 있다. 제1 영역(251)이 제2 영역(252)에 비해 상대적으로 대물렌즈(25)의 중앙 부분에 인접하여 위치하므로, 제1 영역(251)에 입사되는 빛은 제2 영역(252)에 입사되는 빛에 비하 여 상대적으로 적은 각도로 굴절되거나 또는 굴절되지 않은 채로 시편(26)에 조사될 수 있다.

불투명 거울(23)에 의해 반사된 입사빔(28)은 대물렌즈(25)의 제1 영역(251)으로 입사될 수 있다. 입사빔(28)은 제1 영역(251) 내에서 전파되어 대물렌즈(25)와 인접하여 위치하는 시편에 입사될 수 있다. 한편, 불투명 가리개(24)에 의하여 입사빔(28)을 부분적으로 차단한 결과, 대물렌즈(25)의 제2 영역(252)에는 입사빔(28)이 입사되지 않는다.

시편(26)은 일 실시예에 따른 암시야 현미경을 이용하여 관찰하고자 하는 임의의 물체일 수 있다. 시편(26)에 입사빔(28)이 조사되면, 시편(26)에서 입사빔(28)의 반사 및/또는 산란이 일어날 수 있다.

시편(26)에서 반사된 빔은 입사빔(28)이 입사된 경로와 동일한 경로를 따라 반대 방향으로 진행할 수 있다. 즉, 반사된 빔은 다시 대물렌즈(25)의 제1 영역(251) 및 반거울(22)을 거쳐 불투명 거울(23)로 전달되며, 불투명 거울(23)에 의하여 차단된다. 따라서, 시편(26)에서 반사된 빔은 수신부(27)로 전달되지 않는다. 즉, 불투명 거울(23)은 대물렌즈(25)의 제1 영역(251)과 수신부(27)를 광학적으로 차단할 수 있다.

한편, 입사빔(28)이 시편(26)으로부터 산란되어 생성되는 산란광은 임의의 방향으로 전파될 수 있다. 산란광들 중 일부의 산란빔(29)은 대물렌즈(25)에 의해 포집되며, 대물렌즈(25)를 통해 전파될 수 있다. 대물렌즈(25)를 통해 전파되는 산란빔(29) 중 제1 영역(251)을 통하여 전파된 산란빔(29)은 불투명 거울(23)에 의하 여 차단되며, 제2 영역(252)을 통하여 전파된 산란빔(29)만이 수신부(27)에 도달하여 검출될 수 있다.

수신부(27)는 산란빔(29)을 이용하여 시편(26)을 관찰하기 위한 수단이다. 예컨대, 수신부(27)는 대안렌즈, 전하결합소자(Charge Coupled Device; CCD), 또는 다른 적당한 장치를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 암시야 현미경은 광원(21) 및 반거울(22) 사이에 위치하는 편광자(30)를 더 포함할 수도 있다. 시편(26)과 입사빔(28) 사이의 상호작용이 입사빔(28)의 편광에 민감할 경우에는, 편광자(30)를 이용하여 입사빔(28)의 편광을 소정의 및/또는 목적하는 방향으로 조절할 수 있다. 또한, 일 실시예에서 암시야 현미경은 수신부(27) 앞 단의 검광자(31)를 더 포함할 수도 있다. 검광자(31)를 이용하여 소정의 및/또는 목적하는 편광 방향을 갖는 산란빔(29)만을 필터링하여 관찰할 수도 있다.

전술한 암시야 현미경에서는 대물렌즈(25)의 중앙 부분에 해당하는 제1 영역(251)을 통하여 입사빔(28)이 전파되므로, 입사빔(28)이 시편에 입사되는 과정에서 대물렌즈(25)에 의한 굴절로 인하여 입사빔(28)의 편광 성분이 왜곡되는 현상을 감소 또는 방지할 수 있다. 또한, 전술한 암시야 현미경에서 불투명 가리개(24) 및 불투명 거울(23)을 제외하고 사용하면, 암시야 조명 방식뿐만 아니라 명시야 조명 방식으로 시편(26)을 관찰할 수도 있다.

도 4는 다른 실시예에 따른 암시야 현미경을 도시한 개략도이다.

도 4를 참조하면, 암시야 현미경은 광원(41), 대물렌즈(42) 및 수신부(44)를 포함하여 구성될 수도 있다.

광원(41)은 광을 조사하기 위한 장치로서, LED 또는 다른 적당한 발광 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원(41)은 백색 LED를 포함할 수도 있다. 대물렌즈(42)는 제1 영역(421) 및 제2 영역(422)을 가질 수 있다. 제1 영역(421)은 대물렌즈(42)의 중앙 부분에 해당하는 영역이며, 제2 영역(422)은 제1 영역(421)을 둘러싸는 형태로 대물렌즈(42)의 가장자리에 위치할 수 있다.

광원(41)은 전체가 또는 부분적으로 대물렌즈(42)의 제1 영역(421) 내에 위치할 수도 있다. 예컨대, 일 실시예에서 광원(41)은 백색의 램프 빔을 다중모드 광섬유에 구속시킨 후, 광섬유의 끝단을 대물렌즈(42)의 제1 영역(421) 내에 삽입한 형태로 구성될 수도 있다.

광원(41)에 의해 조사된 입사빔(45)은 대물렌즈(42)의 제1 영역(421)을 통해 전파된 후 시편(43)에 조사될 수 있다. 시편(43)에 조사된 입사빔(45)은 시편(43)으로부터 반사 및/또는 산란될 수 있다. 이때 시편(43)으로부터 반사된 빔은 입사빔(45)의 입사 경로와 동일한 경로를 따라 반대 방향으로 반사되며, 대물렌즈(42) 내에 위치하는 광원(41)으로 인하여 수신부(44)에 도달하지 못하고 차단된다.

즉, 도 4에 도시된 실시예에서 대물렌즈(42) 내에 위치하는 광원(41)은 입사빔(45)을 조사하는 역할을 하는 것과 동시에, 시편(43)으로부터 반사 및/또는 산란되어 대물렌즈(42)의 제1 영역(421) 내를 통해 전파되는 빛을 차단하는 역할을 한다. 따라서, 별도의 차단 수단이 없이도 광원(41) 자체가 대물렌즈(42)의 제1 영 역(421)과 수신부(44)를 광학적으로 차단하는 기능을 할 수 있다.

한편, 입사빔(45)이 시편(43)으로부터 산란되어 대물렌즈(42)의 제2 영역(422)으로 입사된 산란빔(46)은 제2 영역(422) 내를 전파하여 수신부(44)로 전달될 수 있다. 수신부(44)의 구성 및 기능은 도 3을 참조하여 전술한 실시예에서와 동일하므로 자세한 설명을 생략한다.

일 실시예에서, 암시야 현미경은 광원(41)과 시편(43)사이에 위치하며 입사빔(45)의 편광을 조절하는 편광자(47)를 더 포함할 수도 있다. 편광자(47)는 광원(41)과 마찬가지로 대물렌즈(42)의 제1 영역(421) 내에 위치할 수도 있다. 또한, 일 실시예에서 암시야 현미경은 수신부(44) 앞 단의 검광자(48)를 더 포함할 수도 있다. 검광자(48)를 이용하여 소정의 및/또는 목적하는 편광 방향의 산란빔(46)만을 필터링하여 관찰할 수 있다.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 암시야 현미경을 도시한 개략도이다.

도 5를 참조하면, 암시야 현미경은 광원(51), 불투명 가리개(53), 콘덴서 렌즈(54), 대물렌즈(56) 및 수신부(59)를 포함하여 구성될 수도 있다.

일 실시예에 따른 암시야 현미경에 의하여 시편(55)을 관찰하는 경우, 시편(55)은 기판 등에 의하여 지지될 수 있다. 이때 시편(55)을 지지하기 위한 기판이 실질적으로 투명하다면, 기판의 하부에서 콘덴서 렌즈(54)를 이용하여 광원(51)의 입사빔(60)을 시편(55)에 조사하도록 구성할 수도 있다.

광원(51)의 입사빔(60)은 콘덴서 렌즈(54)를 통해 전파되어 시편(55)으로 입 사될 수 있다. 광원(51) 및 콘덴서 렌즈(54)의 사이에는 입사빔(60)을 부분적으로 차단하는 제1 불투명 가리개(53)가 위치할 수 있다. 제1 불투명 가리개(53)를 이용하여 콘덴서 렌즈(54)의 중앙 부분으로 전파되는 입사빔(60)만을 시편(55)에 조사함으로써, 시편(55)에 조사되는 입사빔(60)의 편광의 왜곡을 감소 또는 방지할 수 있다.

입사빔(60)이 시편(55)에 입사되면, 입사빔(60)이 시편(55)을 투과하여 계속 진행되거나 또는 시편(55)으로부터 입사빔(60)이 산란되는 등의 현상이 발생하게 된다.

시편(55)에서 투과 및/또는 산란된 입사빔(60)은 대물렌즈(56)에 입사될 수 있다. 대물렌즈(56)는 제1 영역(561) 및 제2 영역(562)을 가질 수 있다. 제1 영역(561)은 대물렌즈(56)의 중앙 부분에 해당하는 영역이며, 제2 영역(562)은 제1 영역(561)을 둘러싸는 형태로 대물렌즈(56)의 가장자리에 위치할 수 있다.

시편(55)을 투과하여 진행하는 빔은 대물렌즈(56)의 중앙 부분인 제1 영역(561)으로 입사될 수 있다. 그러나 대물렌즈(56)의 제1 영역(561) 내에는 제2 불투명 가리개(57)가 위치하여, 제1 영역(561) 내로 입사된 빔을 차단할 수 있다. 따라서, 제1 영역(561)으로 입사된 빛은 수신부(59)에 도달하지 못한다. 제2 불투명 가리개(57)를 이용하여 제1 영역(561)과 수신부(59)를 광학적으로 차단함으로써, 명시야 이미지를 제거할 수 있다.

한편, 시편(55)으로부터 산란된 산란광들 중 일부의 산란빔(61)은 대물렌즈(56)의 제2 영역(562)으로 입사될 수 있다. 제2 영역(562)으로 입사된 산란 빔(61)은 제2 영역(562) 내를 전파하여 수신부(59)로 전달될 수 있다. 따라서, 수신부(59)를 이용하여 산란빔(61)에 의한 시편(55)의 암시야 이미지를 관찰할 수 있다.

일 실시예에서, 암시야 현미경은 광원(51)과 제1 불투명 가리개(53)사이에 위치하며 입사빔(60)의 편광을 조절하는 편광자(52)를 더 포함할 수도 있다. 또한, 암시야 현미경은 수신부(59) 앞 단의 검광자(58)를 더 포함할 수도 있다. 검광자(58)를 이용하여 소정의 및/또는 목적하는 편광 방향의 산란빔(61)만을 필터링하여 관찰할 수 있다.

도 6은 금(Au) 나노 입자와 빛의 상호작용에 의한 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance; LSPR)에서 발생하는 산란효율의 이산 쌍극자 근사(Discrete Dipole Approximation; DDA) 전산 모사 결과를 도시한 그래프이다.

도 6에서 가로축은 파장을 나타내며, 세로축은 산란 단면적(scattering cross section)을 단위 면적으로 나눈 값인 산란 효율을 나타낸다. 산란효율 및 DDA에 대해서는, 2005년 출간된 "Dependence of the Enhanced Optical Scattering Efficiency Relative to That of Absorption for Gold Metal Nanorods on Aspect Ratio, Size, End-Cap Shape, and Medium Refractive Index"의 제목을 갖는 이경석 및 Mostafa A. El-Sayed 공저의 논문 등으로부터 당업자에게 용이하게 이해될 수 있어 본 명세서에서는 상세한 설명을 생략한다.

금, 은, 또는 구리 등과 같은 귀금속 원소로 이루어진 나노 디스크(nano- disk) 또는 나노 막대(nano-rod)와 같은 미세 구조물에 가시광 또는 근적외선광을 조사하면, 미세 구조체 내의 자유 전자의 운동이 조사된 빛의 특정 주파수에 공명을 일으켜, 특정 파장에서 빛의 흡수 또는 산란이 급격하게 커지는 현상이 발생할 수 있다. 이를 LSPR이라고 지칭한다.

LSPR은 귀금속의 종류뿐만 아니라 미세 구조체의 형상, 미세 구조체를 감싸고 있는 매질의 굴절률 등에 매우 민감하게 반응한다. 예컨대, 동일한 부피를 갖는 미세 구조체의 형상이 원형 또는 구형으로부터 타원형 또는 막대형으로 바뀌는 경우, 공명이 발생하는 파장은 장파장 쪽으로 이동하며 산란 세기는 급격하게 커질 수 있다.

도 6에 도시된 모사 결과에서는, 두께가 약 50nm이며 직경이 약 150nm인 금(Au)으로 이루어진 나노 디스크, 및 가로가 약 200nm이고 세로가 약 100nm인 금(Au)으로 이루어진 나노 막대를 사용하는 경우를 상정하였다. 또한, 나노 디스크 및 나노 막대의 부피는 동일하게 설정하였다. 이때 나노 구조체에 입사하는 빛의 파장은 약 400nm 내지 약 1200nm이고, 나노 막대의 장축에 평행한 방향으로 편광된 빛을 나노 구조체의 수직축에 대하여 각 조별로 입사시켰다.

도 6에서 3개의 그래프(600, 610, 620)는 나노 디스크에 각각 0˚, 30˚ 및 50˚의 각도로 빛이 입사된 경우의 산란 결과이다. 또한 도 6에서 다른 3개의 그래프(630, 640, 650)는 나노 막대에 각각 0˚, 30˚ 및 50˚의 각도로 빛이 입사된 경우의 산란 결과이다.

그래프(600, 610, 620)에 나타나는 바와 같이, 나노 디스크의 경우 산란이 발생하는 중심 파장은 빔의 입사각에 상관없이 약 750nm 정도이고. 산란 효율의 세기는 수직 입사(600)의 경우 약 11 정도이다. 반면, 그래프(630, 640, 650)를 참조하면, 동일한 부피의 나노 막대의 경우 중심 파장은 약 960nm 정도로 이동하며, 수직 입사(630)의 경우 산란효율의 세기는 약 18 정도로 나노 디스크에 비하여 높은 것을 확인할 수 있다.

하지만 나노 구조체에 입사하는 빛이 나노 구조체와 일정한 각도를 가지고 입사하는 경우, 각도에 따른 편광 성분의 분리가 발생하여 산란 효율의 값이 감소한다. 나노 디스크의 경우 수평 방향으로는 원형의 모양이어서 편광의 방향에 의존하지 않지만, 입사빔의 경사에 따른 수직 방향의 편광이 생김으로 인하여 산란효율의 감소가 발생한다.

하지만 나노 디스크의 경우에는 나노 막대의 경우에 비해 산란효율의 감소 정도가 상대적으로 덜하다. 이는 나노 막대의 경우 수직 방향의 편광 성분 분리와 함께 나노 막대의 단축 방향의 편광 성분에 의한 감소가 더해져서 산란효율의 세기가 급격히 줄어들기 때문이다. 그래프(650)에서 볼 수 있듯이, 입사각이 50˚인 경우에는 산란 효율이 나노 디스크보다 낮아지게 되어 나노 막대 변형에 의한 산란 효율의 증대를 기대할 수 없게 된다.

이러한 입사각의 증대는 전술한 바와 같이 대물렌즈의 개구수(Numerical Aperture; NA) 증가와 관련이 있다. 일 예로, 배율이 약 20배인 대물렌즈의 NA는 약 0.4로써 입사각으로 환산하면 약 23.6˚이다. 한편, 배율이 약 50배인 대물렌즈의 경우 NA는 약 0.75, 입사각은 약 48.6도다. 또한, 배율이 약 100배인 대물렌즈 의 경우 NA는 약 0.9이고 입사각은 약 64.2도가 된다.

이와 같이 나노 구조체와 같은 미세한 입자를 관측하기 위해 고배율의 대물렌즈를 사용할 경우 NA가 커져서 기존 암시야 조명의 입사각이 커지는 효과를 일으킨다. 따라서, 도 6에 도시된 모사 결과와 같이 나노 막대 변형에 따른 산란 효율 감소 효과를 야기시킨다. 대물렌즈의 NA가 작을수록 이러한 감소 효과는 줄어들지만, 대물렌즈의 NA가 작으면 분해능이 저하되어 배율이 낮아지므로 나노 구조체를 관찰할 수 없게 된다.

이러한 편광에 의존하는 나노 구조체의 산란 관찰에 있어서 입사빔의 암시야 조명에 따른 편광분리 문제는 종래 기술에 따른 현미경에서 사용하는 대물렌즈에서는 필연적인 결과이다.

그러나 실시예들에 따른 암시야 현미경을 이용할 경우, 대물렌즈의 NA에 대한 제약을 극복할 수 있으므로 보다 높은 NA(즉, 고분해능)을 갖는 대물렌즈를 사용할 수 있다. 그 결과, 고배율을 이용하여야 관찰이 가능한 현상(예컨대, 단일 나노입자에서 산란되는 산란광)을 관찰할 수 있는 이점이 있다.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 현미경의 개략도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 현미경의 대물렌즈에서 빔이 굴절되는 형태를 모식적으로 도시한 개략도이다.

도 3은 일 실시예에 따른 암시야 현미경의 개략도이다.

도 4는 다른 실시예에 따른 암시야 현미경의 개략도이다.

도 5는 또 다른 실시예에 따른 암시야 현미경의 개략도이다.

도 6는 이산 쌍극자 근사(Discrete Dipole Approximation) 전산 모사 기법을 이용하여 금(Au) 나노입자와 빛의 상호작용에 의한 국소 표면 플라즈몬 공정에서 발생하는 산란효율의 모사 결과를 도시한 그래프이다.

Claims (12)

1. 입사빔을 조사하는 광원;

   제1 영역 및 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역을 통하여 시편을 향해 입사빔을 전파하고, 입사빔이 시편으로부터 산란된 산란빔을 상기 제2 영역을 통하여 전파하는 대물렌즈;

   상기 대물렌즈의 상기 제2 영역을 통과한 산란빔이 전달되는 수신부; 및

   상기 제1 영역에 입사된 산란빔을 차단하기 위하여 상기 제1 영역 및 상기 수신부를 광학적으로 차단하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 암시야 현미경.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 광원 및 상기 대물렌즈 사이에 위치하는 반거울; 및

   상기 광원 및 상기 반거울 사이에 위치하며 상기 광원의 입사빔을 부분적으로 차단하는 불투명 가리개를 더 포함하며,

   상기 제1 영역 및 상기 수신부를 광학적으로 차단하는 수단은, 상기 반거울에 인접하여 위치하며 상기 광원의 입사빔을 상기 대물렌즈를 향해 반사하는 불투명 거울인 것을 특징으로 하는 암시야 현미경.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 영역 및 상기 수신부를 광학적으로 차단하는 수단과 상기 광원은 서로 일체화되어 형성되며 상기 대물렌즈의 상기 제1 영역 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 암시야 현미경.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 광원 및 시편 사이에 위치하며 상기 광원의 입사빔을 시편에 조사하는 콘덴서 렌즈; 및

   상기 광원 및 상기 콘덴서 렌즈 사이에 위치하며 상기 광원의 입사빔을 부분적으로 차단하는 불투명 가리개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암시야 현미경.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 제1 영역 및 상기 수신부를 광학적으로 차단하는 수단은, 상기 대물렌즈의 상기 제1 영역 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 암시야 현미경.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 광원 및 시편 사이에 위치하는 편광자; 및

   상기 대물렌즈 및 상기 수신부 사이에 위치하는 검광자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암시야 현미경.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 수신부는 대안렌즈 또는 전하결합소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 암시야 현미경.
9. 제1 영역 및 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역을 포함하는 대물렌즈를 시편에 인접하여 배치하는 단계;

   상기 제1 영역을 통하여 시편에 입사빔을 조사하는 단계;

   입사빔이 시편으로부터 산란된 산란빔을 상기 대물렌즈에 입사시키는 단계;

   상기 제1 영역에 입사된 산란빔을 차단하는 단계;

   상기 제2 영역에 입사된 산란빔을 상기 제2 영역을 통해 수신부 방향으로 전파하는 단계; 및

   상기 제2 영역을 통해 전파된 산란빔을 상기 수신부에서 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 검출 방법.
10. 삭제
11. 제 9항에 있어서,

    상기 시편에 입사빔을 조사하는 단계 전에, 편광자를 이용하여 입사빔의 편광을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 검출 방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 제2 영역을 통해 전파된 산란빔을 상기 수신부에서 수신하는 단계 전에, 검광자를 이용하여 산란빔을 편광에 따라 필터링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산란광 검출 방법.

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