KR101531102B1 - 빛의 산란을 이용한 근접장 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

광원으로부터 나오는 빛이 산란층을 통과하여 나오는 면의 근접장 빛을 제어하는 장치가 개시된다. 본 발명은 상기 면의 근접장을 제어하기 위해서 빛의 산란을 이용하여 목표 지점에 보강 간섭을 만드는 입사하는 빛의 위상을 찾는 방법이 개시된다.

Description

빛의 산란을 이용한 근접장 제어 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR MANIPULATING NEAR-FIELD USING SCATTERING CONTROL}
아래의 설명은 광학 분야에 관한 것으로 고해상도 광 초점을 생성하고, 근접장 이미징을 구현하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
기존 광학 기술은 빛 자체의 고유 특성인 회절과 산란 문제로 인해 초고해상도 이미징 혹은 초점을 형성하기 위해 필수적인 근접장을 제어할 수 없다. 기존 현미경 및 대물 렌즈 만으로는 압베(Abbe)의 법칙에 따른 회절 한계를 뛰어 넘을 수 없기 때문이다. 근접장은 빛이 회절 하면서 거리에 따라 기하급수적으로 사라지기 때문에 기존 장비의 한계를 느낀 이들은 근접장 주사 현미경(NSOM; Near field Scanning Optical Microscope)과 같은 장비를 개발하였다. 빛이 통과할 수 있는 백 나노미터 정도의 구멍을 만들어 샘플을 측정하는 이 기술은 많은 문제점을 지니고 있다. 구멍 자체를 측정하고자 하는 샘플에 직접 물리적으로 닿게 해야 하기 때문에 사용 가능한 샘플 군이 한정적이며 NSOM 팁의 구멍이 작아질수록 빛이 통과할 수 있는 모드가 사라져 빛의 효과적인 전달이 불가능해진다. 또한, 측정하고자 하는 극소광원에서 나온 빛은 NSOM (Near field Scanning Optical Microscope) 팁 자체 때문에 왜곡될 수 있으며, NSOM 팁을 측정하고자 하는 샘플의 전면적에 대해 스캔을 해야 하기 때문에 실시간 이미징이 불가능하다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 최근 플라즈몬 공학(plasmonics)이라는 새로운 분야가 대두되고 있다. 하지만 이 경우에는 특수한 금속/유전체 사이의 표면 디자인이 필수적이며 형성할 수 있는 초고해상도 초점의 위치 역시 제작된 물질에 의해 고정된다. 또한, 근접장 주사 현미경은 자연적으로 작은 사이즈의 구멍이 물리적으로 목표지점에 도달해야 한다는 단점 외에도 더 높은 해상도를 얻기 위해서는 입사되는 빛이 비현실적으로 증가해야 한다는 치명적인 한계를 지니고 있다.
현대 사회에서 대두되고 있는 나노 기술은 크게 두 가지 방법으로 실현되고 있다. 이는 화학적인 합성 방법을 이용한 바틈-업(bottom-up) 방식과 리소그래피 등의 패터닝 기술을 이용한 탑-다운(Top-down) 방식으로 구분된다. 화학적인 합성 방식은 만들 수 있는 구조물이 한정적이며 현대 사회를 이루고 있는 실질적인 나노 디바이스, 즉, 전자회로를 구성하는 데에는 현재까지 부적합하다. 이에 반해 리소그래피 등의 패터닝 방식은 대면적 나노 구조물의 제작을 가능하게 하여 현재 우리가 누리고 있는 정보 사회를 가능하게 하는 다양한 전자 칩 제작에 쓰이고 있다.
하지만 현대 사회 발전의 기동력이 되고 있는 전자회로 제작 기술은 현재 큰 장애물에 봉착하고 있다. 이는 다름이 아닌 나노패터닝에 사용되는 광학 리소그래피 자체가 압베(Abbe)의 회절 한계를 그대로 적용 받기 때문이다. 이를 극복하기 위해 더 작은 파장의 빛, 즉 자외선 영역의 빛을 사용하지 시작하였지만 제작 단가 상승 외에도 기술의 확장성(scalability)이 전무하기 때문에 현재 새로운 기술이 절대적으로 필요한 상황이다.
본 발명은 빛의 산란을 이용하여 임의의 산란층을 통과한 빛의 공간상 분포를 제어하여 초고해상도 이미징 또는 초점을 형성하기 위한 것이다.
본 발명은 임의의 두께의 산란층 내부 또는 이면에 있는 목표 시편에 초고해상도 초점을 형성하여 초고해상도 이미징 및 리소그래피를 가시광선 대역에서 가능하도록 하는 근접장을 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 이미징의 대상이 되는 샘플로부터 발산된 빛이 산란층을 통과하게 하여 근접장을 탐지기가 있는 원거리까지 전달하여 가시광선 대역에서의 실시간 이미징을 가능하게 하기 위한 것이다.
일 실시예에 따르면, 파면 조절기, 산란층 및 측정부를 포함하는 근접장 제어 장치가 제공될 수 있다. 상기 파면 조절기는 결맞는 광원으로부터의 빛의 위상을 제어할 수 있다. 상기 산란층은 상기 위상이 제어된 빛을 통과시킬 수 있다. 상기 측정부는 상기 산란층을 통과한 상기 빛이 나오는 면의 근접장을 측정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 측정부는, 상기 근접장에서 압베(Abbe)의 회절 한계보다 작은 영역에서의 상기 빛의 세기를 측정할 수 있다.
또한, 상기 근접장 제어 장치는 상기 산란층의 내부 또는 이면에 있는 목표 시편에 초고해상도 초점을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 파면 조절기는, 빛의 위상을 제어할 수 있는 기기 또는 위상이 제어될 수 있는 고정된 형태의 필름이 사용될 수 있다. 예를 들면, 파면 조절기는, 공간 광 변조기(spatial light modulator), 변형 거울 기기(deformable mirror device), 동적 거울 기기(dynamic mirror device), 광굴절 물질(photorefractive material) 및 홀로그래픽 위상 필름 (holographic phase film) 중 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 측정부는, 압베의 회절한계보다 작은 크기의 빛을 측정할 수 있는 구멍이나 탐침을 이용하는 기구가 사용될 수 있다. 예를 들면, 근접장 주사 현미경(NSOM: Near-field Scanning Optical Microscope), 회절 한계보다 작은 크기의 구멍이 있는 구조물, 회절한계보다 작은 크기의 발광체, 또는 꼭지점의 크기가 압베의 회절한계보다 작은 형태를 가지는 탐침을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함한 전 영역의 전자기파를 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 파면 조절기를 이용하여 결맞는 광원으로부터의 빛의 위상을 제어하는 단계, 상기 위상이 제어된 빛을 산란층에 통과시키는 단계 및 상기 산란층을 통과한 상기 빛이 나오는 면의 근접장을 측정하는 단계를 포함하는 근접장 제어 방법이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 근접장을 제어하는 방법은 상기 근접장을 측정한 결과에 따라 상기 파면 조절기를 조절하여 상기 빛의 위상을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 근접장을 측정한 결과에 따라 상기 파면 조절기를 조절하여 상기 빛의 위상을 변경하는 단계는, 상기 파면 조절기를 조절하여 상기 빛의 위상을 변경하면서 보강 간섭이 일어나는 위상을 탐색하는 단계 및 상기 보강 간섭을 일으키는 상기 위상을 기록하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 근접장을 측정한 결과에 따라 상기 파면 조절기를 조절하여 상기 빛의 위상을 변경하는 단계는, 원하는 위치에 초고해상도 초점이 형성될 때까지 상기 빛의 위상을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 파면 조절기는, 빛의 위상을 제어할 수 있는 기기 또는 위상이 제어될 수 있는 고정된 형태의 필름이 사용될 수 있다. 예를 들면, 파면 조절기는, 공간 광 변조기(spatial light modulator), 변형 거울 기기(deformable mirror device), 동적 거울 기기(dynamic mirror device), 광굴절 물질(photorefractive material) 및 홀로그래픽 위상 필름 (holographic phase film) 중 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함한 전 영역의 전자기파를 포함할 수 있다.
또 다른 일실시예에 따르면, 광원(light source), 산란층(scattering layer), 산란층의 스페클 정보(speckle information)를 획득(acquire)하는 측정부 및 측정된 스페클 정보를 분석하는 분석부를 포함하는 근접장 이미징 장치가 제공될 수 있다. 이때, 측정부는 스페클의 위상을 획득하는 홀로그래픽 측정부를 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 산란 정보가 측정된 산란층을 이용해서 근접장 이미징을 구현하는 방법이 제공될 수 있다. 근접장 이미징을 구현하는 방법은, 결맞는 광원으로부터의 빛이 산란층을 통과하여 생성한 스페클에 관한 제1 스페클 정보를 획득하는 단계, 평면파가 샘플 및 상기 산란층을 통과하여 생성한 스페클에 관한 제2 스페클 정보를 획득하는 단계 및 상기 제1 스페클 정보 및 상기 제2 스페클 정보를 이용하여 상기 샘플에 대한 이미지를 얻는 단계를 포함할 수 있다. 여기서 제1 스페클 정보를 획득하는 단계는, 결맞는 광원으로부터의 빛을 구조물을 통과시켜 입력 베이시스(input basis)의 빛으로 구성(form)하는 제1 단계, 구성된 입력 베이시스의 빛을 산란층에 통과시켜 산란시키는 제2 단계 및 산란된 빛이 생성한 스페클에 관한 입력 베이시스 스페클 정보를 획득하는 제3 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 제어 장치 및 방법에 의하면, 파면 조절기와 산란층을 이용해 산란층을 통과한 빛이 나오는 면의 근접장을 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 목표 지점들에 대한 입사 파면의 정보를 한 번 저장하면 실시간으로 입사 파면을 조절함으로써 초고해상도 광초점을 여러 지점에 동시에 형성시키거나 이동시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 산란층을 통과한 후 목표 지점에서의 근접장에서 도출되는 공간 주파수 성분들은 압베(Abbe)의 회절 한계를 뛰어 넘는 성분들을 포함 할 수 있다.
본 발명에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 제어 장치 및 방법에 의하면, 광원으로 가시광선 대역을 포함한 모든 대역의 파장을 가진 광원을 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산란층과 파면 제어기 두 개의 장비만으로 이루어진 리소그래피(lithography) 장비가 제작 가능하다.
본 발명에 따르면, 빛의 산란을 이용한 근접장 제어 장치 및 방법을 통해 나노 크기의 광초점 제어를 할 수 있다.
본 발명에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 이미징 장치 및 방법을 통해 세포 자체의 생명 현상 유지에 영향을 주지 않는 가시광선 영역대에서의 근접장 이미징이 가능하다.
본 발명에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 이미징 장치 및 방법을 통해 생성된 나노 크기의 광초점 또는 광학 패턴을 이용해서 물체를 광학적으로 포획하는 광학집게(optical tweezers) 또는 광학 제어(optical manipulation)에 이용 가능하다.
본 발명에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 이미징 장치 및 방법에 의하면, 샘플의 대면적 초고해상도 이미징을 실시간으로 구현이 가능하다.
본 발명에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 이미징 장치 및 방법에 의하면, 살아있는 세포의 동역학적인 모습에 대한 관측이 가능하다.
본 발명에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 이미징 장치 및 방법을 통해 근접장을 여러 개의 공간주파수를 포함하는 원거리장으로 변환하여 일반적인 원거리 광학 현미경으로 근접장에 대한 정보까지 관측이 가능하다.
도 1은 빛의 산란으로 인해 생기는 문제점을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 일반 광학계가 갖는 문제점을 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 3은 일반 광학계와 본 발명의 광학계의 차이점을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 제어 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 빛의 산란을 이용하여 피드백을 통해 근접장을 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 6은 산란층에 입사하는 근접장이 산란층을 거쳐 원거리장으로 변환되는 것을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 산란층에 대한 입력 베이시스 당 스페클 정보를 측정하는 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 샘플에 대한 이미지를 얻기 위해 샘플 및 산란층에 대한 스페클 정보를 획득하는 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 산란층의 스페클 정보를 통해 샘플의 근접장 이미징을 구현하는 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 빛의 산란을 이용하여 샘플의 근접장 이미징을 구현하는 방법의 흐름도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 제어 방법은 빛의 산란을 이용한 근접장 제어 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 1은 빛의 산란으로 인해 생기는 문제점을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
광원(101)에서 나오는 빛이 산란이 심한 물질(102)을 통과할 때에는 상기 빛의 경로와 위상이 상기 물질(102)의 산란 입자를 만날 때마다 무작위적으로 바뀌게 된다. 특히, 미립자의 분포가 불규칙 할 때 틴들 현상(Tyndall phenomenon)이 나타나고 빛이 진행함에 따라 직진하는 부분이 감쇠된다. 이 때, 레이저와 같이 결맞는(coherent) 광원(101)을 사용할 경우 스페클(speckle)(103)이라고 하는 반점 무늬들이 최종 산란면에 나타나게 된다. 이는 결맞는 광원에서 나온 빛이 산란이 심한 물질(102)의 산란 입자를 만나 각각의 산란 경로를 따라 서로 다른 위상을 갖게 된 빛이 보강 및 상쇄 간섭하면서 나타나는 현상이다. 이러한 산란으로 인해 일반 광학계에서는 원하는 위치에 초고해상도의 광초점을 만들기 어려웠다.
도 2는 일반 광학계가 갖는 문제점을 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
도 2에서 X축은 공간 주파수를 지시하고, Y축은 광학적 전달 함수(Optical Transfer Function)를 지시한다. 일반 광학계는 그 시스템의 광학적 전달 함수(Optical Transfer Function)에 의해 결정되는 최대 공간 주파수 k 0 내의 공간 주파수 성분만 제어할 수 있다. 예를 들어, 일반 광학계에서는 최대 공간 주파수 k 0 보다 작은 공간 주파수 성분(210)만 제어할 수 있다. 기존의 광학계를 사용하면 k 0 보다 큰 영역(220)에서는 원거리장에서 자유 공간에 있는 파장 벡터는 소멸하여 결과적으로 도달할 수 없다. 산란과정에서 가장 주목해야 할 점은 어떠한 특정한 값의 공간 주파수를 갖는 빛이 산란층에 처음 입사하였더라도 결과적으로 나오는 빛의 공간 주파수 성분들은 공간 주파수 공간의 전 영역에 퍼져 있다는 점이다. 일 실시예에 따르면, 산란을 이용하여 낮은 공간 주파수 성분의 입사 빛을 조절하여 기존 광학계로 조절할 수 없었던 높은 공간 주파수 성분의 빛을 제어할 수 있다.
도 3은 일반 광학계와 본 발명의 실시예에 따른 광학계의 차이점을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3(a)를 참고하면, 기존의 광학계에서는 압베(Abbe)의 회절 한계를 뛰어 넘을 수 없기 때문에 가장 작은 초점을 만드는데 한계가 있다. 압베의 법칙에 의하면 광학 현미경의 분해능 d는 Abbe의 법칙에 의해 수학식 1 과 같이 빛의 파장(λ)에 비례한다
Figure 112013093708678-pat00001
여기서 n은 매질의 굴절율, α는 개구각이다. 파장이 짧을수록 분해능의 크기가 작아지며, 분해능이 좋아진다. 광학현미경의 경우 가장 짧은 가시광선(약 200 nm)을 사용하더라도 그 분해능은 0.1 ㎛보다 좋아질 수가 없다. 즉, 기존의 광학계는 컷오프(cutoff) 주파수 내에서 원거리장만을 제어할 수 있다. 컷오프 주파수 내의 각 파장 벡터의 위상이 목표 지점에 일치하면, 반파장의 폭을 갖는 회절이 제한된 초점(331)을 얻을 수 있다. 다시 말해서, 입사된 빛(311)은 산란층(321)을 통과하여 목표 지점에 제한된 초점(331)을 형성한다.
도 3(b)를 참고하면, 평면파가 임의의 산란층에 입사할 때, 파장은 산란되고 전파(speckle) 형태와 소산(evanescent) 형태를 포함하는 각각의 다른 파장으로 변한다. 뒤섞인 임의의 위상을 갖는 각각의 파장 벡터는 서브파장(subwavelength) 공간 모드를 포함하는 스페클(speckle)(332)로 나타난다. 다시 말하자면, 산란 과정에서 어떠한 특정한 값의 공간 주파수를 갖는 빛(312)이 산란층(322)에 처음 입사하였더라도 결과적으로 나오는 빛의 공간 주파수 성분들은 공간 주파수의 전 영역에 퍼지게 된다.
도 3(c)를 참고하면, 목표 위치에서 작용하는 파면을 조절하면, 결과 파동 벡터는 목표 위치에서 서브 파장 초점을 구성하기 위해 보강 간섭이 일어날 수 있다. 즉, 파면을 제어함으로써 산란을 통해 근접장을 제어함으로써 초고해상도 초점을 임의의 위치에 형성할 수 있다. 다시 말하자면, 본 발명은 산란을 이용하여 낮은 공간 주파수 성분의 입사 빛(313)을 조절하여 기존 광학계로는 조절할 수 없었던 높은 공간 주파수 성분의 빛의 제어가 가능하다. 따라서, 빛의 기본 단위별로 파면이 조절된 입사 빛(313)이 산란층(323)을 통과하여 목표 지점에 초고해상도 초점(333)을 형성할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 빛의 산란을 이용한 근접장 제어 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 일 실시예에 따른 근접장 제어 장치(400)는 파면 조절기(420), 산란층(430) 및 측정부(440)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 파면 조절기는, 빛의 위상을 제어할 수 있는 기기 또는 위상이 제어될 수 있는 고정된 형태의 필름이 사용될 수 있다. 예를 들면, 파면 조절기는, 공간 광 변조기(spatial light modulator), 변형 거울 기기(deformable mirror device), 동적 거울 기기(dynamic mirror device), 광굴절 물질(photorefractive material) 및 홀로그래픽 위상 필름 (holographic phase film) 중 하나를 포함할 수 있다.
빛이 진행하는 경로대로 작동 순서를 설명하면, 레이저와 같이 결맞는(coherent) 광원(410)에서 나온 빛이 파면 조절기(420)에서 위상이 제어될 수 있다. 이 때, 상기 광원(410)은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다. 공명현상을 이용하는 플라즈몬공학(plasmonics), 그리고 제로 모드(zero-mode) 도파관을 사용하는 근접장 주사 현미경(NSOM)의 경우 파장에 대한 제한조건이 있지만 본 발명에 따른 실시예는 가시광선, 적외선 및 극초단파 등 모든 대역의 파장에 똑같이 적용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 파면 조절기(420)에서 빛의 파면이 제어될 수 있다. 상기 파면 조절기는 입사 파면의 종류를 표현할 수 있는 기본 단위를 설정한 후 각각의 기본 단위에 대해 목표 지점에서 보강 간섭을 이루도록 위상을 변경할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 기본 단위는 각각의 공간 주파수로 할 수 있다. 다른 일 실시예에 따르면, 상기 기본 단위는 픽셀이 될 수 있다.
상기 위상이 제어된 빛 또는 파면이 제어된 빛은 산란층(430)에 통과될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 위상이 제어된 빛 또는 파면이 제어된 빛은 상기 산란층의 내부 또는 이면에 있는 목표 시편(432)에 초고해상도 초점을 형성할 수 있다.
상기 산란층을 통과한 상기 빛은 상기 산란층(430)의 상기 통과된 빛이 나오는 면(431)에서 측정부(440)에 의해 근접장이 측정될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 측정부는 근접장 주사 현미경(NSOM: Near-field Scanning Optical Microscope), 회절 한계보다 작은 크기의 구멍이 있는 구조물, 회절한계보다 작은 크기의 발광체, 또는 꼭지점의 크기가 압베의 회절한계보다 작은 형태를 가지는 탐침을 포함할 수 있다. 근접장 주사 현미경(NSOM)은 소산파(evanescent wave)의 특성을 이용하여 원거리장(far field) 해상도 한계를 넘어 측정 가능한 현미경이다. 근접장 주사 현미경(NSOM)을 이용하면, 공간적 및 시간적으로 높은 해상도를 가지고 측정을 할 수 있다. 이때, 상기 근접장에서 압베(Abbe)의 회절 한계보다 작은 영역에서의 상기 빛의 세기가 측정될 수 있다.
근접장 제어 장치가 작동하는 순서대로 본 발명을 설명하면, 상기 근접장 제어 장치(400)의 파면 조절기(420)는 레이저와 같이 결맞는(coherent) 광원(410)에서 나온 빛의 위상을 제어할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 파면 조절기(420)는 빛의 파면을 제어한다. 일 실시예에 따르면, 상기 파면 조절기(420)는, 공간 광 변조기(spatial light modulator), 변형 거울 기기(deformable mirror device), 동적 거울 기기(dynamic mirror device), 광굴절 물질(photorefractive material) 및 홀로그래픽 위상 필름 (holographic phase film) 중 하나를 포함할 수 있다.
산란층(430)은 상기 위상이 제어된 빛 또는 파면이 제어된 빛을 통과시킨다. 일 실시예에 따르면, 산란층(430)은 사용되는 빛의 파장보다 작은 크기를 가진 입자들 또는 구조물로 구성된 복잡한 임의의 산란 구조를 이용하여 생성될 수 있다. 예를 들면, 산화아연 나노입자(ZnO nanoparticles) 또는 스프레이 페인트(spray paint)를 이용하여 생성될 수 있다.
측정부(440)는 상기 산란층을 통과한 상기 빛을 상기 산란층(430)의 상기 통과된 빛이 나오는 면(431)에서 근접장을 측정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 측정부(440)는 압베의 회절한계보다 작은 크기의 빛을 측정할 수 있는 구멍이나 탐침을 이용하는 기구가 사용될 수 있다. 예를 들면, 근접장 주사 현미경(NSOM: Near-field Scanning Optical Microscope), 회절 한계보다 작은 크기의 구멍이 있는 구조물, 회절한계보다 작은 크기의 발광체, 또는 꼭지점의 크기가 압베의 회절한계보다 작은 형태를 가지는 탐침을 포함할 수 있다. 이때, 상기 근접장에서 압베(Abbe)의 회절 한계보다 작은 영역에서의 상기 빛의 세기를 측정할 수 있다.
일 실시예에 따르면 상기 근접장 제어 장치는 기록부(450)를 더 포함할 수 있다. 기록부(450)는 상기 측정부에서 측정된 빛의 세기에 따라 산란층의 목표 지점에서 보강 간섭을 이루는 각각의 파면의 기본 단위에 대한 위상을 기록할 수 있다. 보다 상세하게, 기록부(450)는, 상기 측정부에서 측정된 빛의 세기에 따라 피드백(Feedback)하여 파면 조절기에서 입사되는 빛의 기본 단위에 대해 파면을 조절하여 목표 지점(432)에서 보강 간섭을 이루는 위상을 측정하여 기록할 수 있다. 이러한 피드백을 통해 입사되는 빛의 각 기본 단위의 최적화된 파면 또는 위상을 기록하고 상기 기본 단위들을 중첩하여 산란층에 입사시키면 원하는 지점에 원하는 편광의 빛을 얻을 수 있다. 이 때, 광초점을 원하는 각각의 지점에 대해 최적화된 위상 정보를 기록한 후 각각의 공간주파수에 적합한 위상을 부여함으로써 임의의 지점들에 광초점을 형성시킬 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 빛의 산란을 이용하여 피드백을 통해 근접장을 제어하는 방법의 흐름도이다.
도 5를 참고하면, 일 실시예에 따라, 빛의 산란을 이용하여 근접장을 제어하는 방법이 제공될 수 있다. 먼저, 단계(501)에서 파면 조절기를 이용하여 결맞는 광원으로부터의 빛의 위상을 제어한다. 예를 들어, 레이저와 같이 결맞는 광원으로부터 나오는 빛이 파면 조절기에 입사할 수 있다. 상기 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함할 수 있다. 이 때, 파면 조절기가 상기 입사되는 빛의 기본 단위 별로 위상을 제어할 수 있다. 또는, 파면 조절기가 상기 입사되는 빛의 기본 단위 별로 파면을 조절할 수 있다. 여기서 상기 기본 단위는 픽셀이 될 수 있다.
다음으로, 단계(502)에서, 상기 위상이 제어된 빛을 산란층에 통과시킨다. 예를 들어, 상기 위상이 제어된 빛이 통과하는 산란층은 산화아연 나노입자(ZnO nanoparticles) 또는 스프레이 페인트(spray paint)가 될 수 있다.
다음으로, 단계(503)에서, 상기 산란층을 통과한 상기 빛이 나오는 면의 근접장에서의 빛의 세기를 측정한다. 예를 들어, 상기 빛이 나오는 면의 근접장은 목표 지점의 근접장이 될 수 있다. 이 때, 목표 지점은 광초점을 만들고자 하는 지점이 될 수 있다. 일 실시예에 따르면 상기 근접장은 근접장 주사 현미경(NSOM: Near-field Scanning Optical Microscope), 양자 점(quantum dot) 측정 장치 중 하나에 의해 측정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 입사 파면의 종류를 표현할 수 있는 기본 단위를 설정할 수 있다. 예를 들어, 각각의 공간 주파수가 상기 기본 단위로 설정될 수 있다. 그 다음, 상기 각각의 기본 단위에 대해 목표 지점(예를 들어, 초점이 형성되기를 원하는 지점)에서 보강 간섭이 이루어지는 위상을 측정할 수 있다.
다음으로, 단계(504)에서, 원하는 위치에 초고해상도 초점이 형성되었는지 판단한다. 예를 들어, 초 고해상도 초점인지 여부는 기본 단위의 빛의 위상을 변경한 후에 측정한 근접장의 빛의 세기가 기본 단위의 빛의 각각의 위상을 변경하기 전의 근접장의 빛의 세기보다 해상도가 높아졌는지 여부를 비교해서 판단할 수 있다. 또는, 초고해상도 초점인지 여부는 각 기본단위 빛의 위상을 변경하여 가장 높은 해상도의 초점을 갖는 경우의 위상인 것으로 판단할 수 있다. 또는, 초고해상도 초점인지 여부는 압베(Abbe)의 회절 한계를 뛰어 넘는 공간 주파수 성분으로 이루어진 것인지 여부로 판단할 수 있다. 압베의 회절 한계는 가시광선을 사용하는 한 그 파장이 아무리 짧더라도 분해능은 0.2㎛에 지나지 않는다는 것으로 이 분해능으로서는 확실하게 물체를 확대해 볼 수 있는 배율은 기껏해야 3,000배가 한도이고, 그 이상은 아무리 렌즈와 그 짜맞춤을 연구해도 흐리게 된 상이 확대될 뿐이라는 것이다.
단계(504)에서 원하는 위치에 초고해상도 초점이 형성되지 않은 것으로 판단된 경우, 다시 단계(501)로 돌아간다. 이 경우, 다시 단계(501)에서, 상기 측정 장치에 의해 측정된 결과에 따라 파면 조절기에서 빛의 위상을 변경한다. 예를 들어, 상기 파면 조절기에 입사되는 빛의 기본 단위 별로 목표 지점에서 보강 간섭이 일어나도록 위상을 변경한다. 상기 단계(501)는 상기 파면 조절기에 입사되는 빛의 기본 단위 별로 파면 조절기를 조절하여 위상을 변경하면서 보강 간섭이 일어나는 위상을 탐색하는 단계 및 상기 보강 간섭을 일으키는 위상을 기록하는 단계를 더 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 상기 측정 장치를 통해 측정된 결과에 따라서 상기 입사되는 빛의 기본 단위 별로 파면 조절기에서 위상을 변경하면서 보강 간섭이 일어나는 기본 단위의 위상을 찾을 수 있다. 상기 기본 단위는 목표 지점에서 중첩되어 초 고해상도 초점을 완성할 수 있다. 보강 간섭이 일어나는 상기 기본 단위의 위상을 기록하여 저장하면, 리소그래피(lithography) 공정시 실시간으로 입사 파면을 조절함으로써 초 고해상도 광 초점을 여러 지점에 동시에 형성시키거나 이동시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단계(501-504)는 원하는 위치에 초고해상도 초점이 형성될 때까지 반복 수행될 수 있다. 예를 들어, 원하는 위치에 초고해상도 초점이 형성될 때까지 단계(501)에서 파면 조절기를 이용하여 빛의 위상을 변경하고, 산랑층을 통과한 빛의 근접장을 측정하고(단계(503)), 원하는 위치에 초고해상도 초점이 형성되었는지를 판단(단계(504))할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 원하는 초점 위치(목표 위치)의 빛의 세기를 계속 측정하고, 이를 피드백하는 과정을 연속적으로 수행할 수 있다.
단계(504)에서 원하는 위치에 초고해상도 초점이 형성된 것으로 판단된 경우 빛의 산란을 이용하여 근접장을 제어하는 방법은 종료된다. 피드백 과정을 통해 각 기본 단위와 최적화된 위상을 모두 기록한 이후에 이들을 중첩하여 산란 층에 입사시키면 원하는 지점에 원하는 편광의 빛을 얻을 수 있다. 상기 피드백 과정을 통해 광 초점을 원하는 각각의 지점에 대해 최적화된 위상 정보를 기록한 후 각각의 공간주파수에 적합한 위상을 부여함으로써 임의의 지점들에 광 초점을 형성시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 파면 조절기가 조절할 수 있는 공간 주파수 성분들은 압베의 회절 한계에 의해 결정되지만, 산란층을 통과한 후 결과적으로 도출되는 공간 주파수 성분들은 이를 뛰어넘는 성분들을 다수 포함하고 있다.
도 6은 산란층에 입사하는 근접장이 산란층을 거쳐 원거리장으로 변환되는 것을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
일반적으로 산란층 자체의 움직임이 없을 경우, 특정 패턴의 빛을 입사시켰을 때 발생되는 스페클의 패턴은 항상 일정하다. 즉, 각각의 스페클 패턴들은 각각의 특정 입사 빛의 파면에 대응될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 근접장 이미징을 구현할 수 있다.
특정 입사 파면이 산란층을 통과한 후 생기는 스페클 패턴은 항상 일정한 패턴을 갖는다. 이러한 특정 입사 파면을 공간상에서 분해하면, 입사 파면의 2차원 평면은 수많은 점들로 표현할 수 있다. 이때 각각의 공간상의 점들에 대응되는 스페클의 정보를 측정한다면, 임의의 입사 파면이 산란층을 통과했을 때 생기는 스페클 정보를 통해 해당 임의의 입사 파면을 재구성할 수 있다. 이때 스페클은 결맞는(coherent) 빛의 간섭 현상으로 인해 생기므로, 스페클 패턴의 위상도 고려하여 측정해야 정확한 이미지 재구성이 될 수 있다.
빛의 산란을 이용한 근접장 이미지 측정 방법은, 진행에 따라 기하급수적으로 사라지는 근접장의 경우, 산란층을 통과한 뒤 원거리를 진행할 수 있는 원거리장으로 변환된다는 것이다. 이러한 특성을 이용하여 일반적인 원거리 광학 현미경으로도 측정하고자 하는 물체의 근접장에 대한 정보까지 얻을 수 있다.
도 6을 참고하면, 높은 공간 주파수 성분의 근접장(622)을 산란층(610)에 산란시켜 일반 광학계로 측정할 수 있는 낮은 공간 주파수 성분의 원거리장(623)으로 변형시킬 수 있다. 근접장을 포함한 파면(622)이 산란층(610)에 입사하면, 산란을 거쳐 여러 개의 공간 주파수를 포함하고 있는 원거리장으로 변환될 수 있다. 이때, 해당 원거리장(623)은 산란층의 반대면에 스페클로 나타날 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 산란층에 대한 입력 베이시스 당 스페클 정보를 측정하는 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 빛의 진행 경로에 따라 산란층의 스페클 정보를 측정하는 장치를 설명할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 레이저와 같은 결맞는(coherent) 광원(720)에서 나온 입사 파면(721)을 입력 베이시스(input basis)로 구성해줄 구조물(730)을 통과시키고, 해당 구조물을 통과한 빛(722)은 산란층(710)을 통과한 후 발생하는 스페클(723)의 정보를 측정부(740)를 통해 측정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 측정부(740)는 일반적인 현미경 시스템을 통해 스페클의 패턴 정보를 획득하고 홀로그래픽 측정부를 통해 스페클의 위상까지 측정할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 구조물(730)은 결맞는 광원(720)으로부터의 빛(721)을 통과시켜 입력 베이시스(input basis)의 빛(722)으로 구성(form)할 수 있다. 여기서, 구조물(730)은 각각의 파면을 공간상에서 분해할 수 있는 NSOM(Near-field Scanning Optical Microscope) 팁, 금속 탐침 및 플라즈모닉(plasmonic) 메타 구조 중 적어도 하나가 될 수 있다. 입력 베이시스(input basis)를 형성하는 구조물(730)을 이동시키면서 산란층의 모든 표면에 대해서 각각의 위치별로 발생되는 스페클을 측정할 수 있다. 상기 스페클의 정보가 측정된 산란층에 샘플을 올려놓고 평면파를 입사시킴으로써 상기 샘플의 근접장 이미지를 얻을 수 있다. 즉, 산란층의 산란 정보를 모두 측정한 이후에는 해당 산란층을 초고해상도 이미징 장비로 사용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 구조물(730)을 통해 구성된 입력 베이시스의 빛이 통과하는 산란층 상의 위치를 변경하면서 입력 베이시스의 위치 별로 스페클 정보를 측정하여 복수 개의 입력 단위 스페클 정보를 획득할 수 있다. 이때, 산란층의 산란 정보를 측정하기 위한 입력 베이시스(input basis)의 위치 별 스페클 정보의 측정 과정에는 산란층의 전 면적에 대한 순차적인 스캐닝(scanning)이 요구될 수 있다. 또는, 여러 장의 스페클 패턴에 대한 측정이 필요할 수 있다. 이러한 측정은 실제 이미징을 실시하기 전의 준비 단계이며 해당 산란층에 대한 입력 베이시스의 위치 별 스페클의 정보가 한 번 측정된 이후에는 해당 과정의 반복은 불필요하다. 일 실시예에 따르면, 산란층에 대한 입력 베이시스의 위치 별 스페클의 정보를 한 번 기록한 이후에는 측정하고자 하는 샘플을 산란층 위에 올려 놓고 단 한 장의 스페클을 측정하여 샘플의 전면적에 대한 이미지를 초고해상도 이미징으로 한 번에 얻을 수 있다. 이때 측정 가능한 샘플의 크기는 산란층의 정보를 측정한 입력 베이시스(input basis)가 포괄한 영역을 전부 포함하므로 대면적 초고해상도 이미징을 실시간으로 구현할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 샘플에 대한 이미지를 얻기 위해 샘플 및 산란층에 대한 스페클 정보를 획득하는 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 8을 참고하면, 입력 베이시스(input basis)당 발생된 스페클이 측정된 산란층(810) 표면에 이미징 하고자 하는 샘플(830)을 올려 놓고 광원(820)으로부터 나오는 평면파(821)를 입사시킨 후 발생되는 스페클(822)을 측정부(840)에서 측정한다. 이때 측정된 스페클과 미리 측정된 입력 베이시스(input basis)당 발생된 스페클과의 상관 관계(correlation)를 계산하면 해당 상관 관계(correlation) 값 자체를 샘플(830)의 이미지로 할 수 있다. 다시 말해, 각 입력 베이시스(input basis)에 해당되는 스페클의 정보로 샘플이 올려진 상태에서 얻은 스페클(822)의 정보를 분해할 수 있다. 이때 샘플이 올려진 상태에서 얻은 스페클 자체는 회절 한계 내에서 표현되는 크기를 갖지만 샘플(830)의 근접장 성분이 원거리장으로 변환된 성분을 포함하고 있으므로 초고해상도 이미징이 가능하다.
기존의 근접장을 사용하는 NSOM(Near-field Scanning Optical Microscope) 및 플라즈모닉스(plasmonics)와 달리 물리적으로 빛이 통과할 수 있는 구멍의 크기를 제한하거나 금속 메타구조의 공명 현상을 사용하지 않아, 살아있는 세포 등의 동역학적인 모습에 대해서도 관측이 가능하며, 측정 시간을 단축할 수 있다. 또한, 산란을 이용하여 측정하고자 하는 샘플(830)의 고해상도 부분의 정보를 포함하고 있는 높은 공간 주파수 성분의 빛을 산란층에 산란시켜 일반 광학계로 측정할 수 있는 낮은 공간 주파수 성분의 빛(822)으로 변형시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 근접장 이미징 장치는 평면파(plane wave)를 출력(output)하는 광원(light source), 이미징 하려는 샘플을 올려놓는 산란층(scattering layer), 평면파가 샘플 및 산란층을 통과하여 생성(generate)한 스페클에 관한 스페클 정보(speckle information)를 획득(acquire)하는 측정부 및 측정된 스페클 정보를 분해하는 분석부(850)를 포함할 수 있다. 상기 평면파를 출력하는 광원은 결맞는(coherent) 광원을 사용할 수 있다. 상기 측정부는 스페클의 패턴을 획득하는 일반 현미경 시스템 및 스페클의 위상을 획득하는 홀로그래픽 측정부를 포함할 수 있다. 상기 분석부(850)는 측정된 스페클 정보와 미리 측정된 입력 베이시스(input basis) 당 발생한 상기 산란층의 스페클 정보와의 상관관계(correlation)를 계산하고, 상기 상관관계를 이용하여 유사도를 판단함으로써 샘플에 대한 이미지를 얻을 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 산란층의 스페클 정보를 통해 샘플의 근접장 이미징을 구현하는 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 근접장 이미징 장치의 분석부를 통해 샘플에 대한 이미지를 얻을 수 있다. 먼저, 미리 측정된 입력 베이시스 당 발생한 산란층의 스페클 정보와 샘플이 부착된 산란층의 스페클 정보(924)의 유사도를 판단하기 위해 상관관계(correlation)를 계산하고, 상관관계를 이용해서 샘플에 대한 이미지를 얻을 수 있다. 일반적으로 산란층 자체의 움직임이 없을 경우, 특정 패턴의 빛을 입사시켰을 때 발생되는 스페클의 패턴은 항상 일정하다. 즉, 각각의 스페클 패턴들은 각각의 특정 입사 빛의 파면에 대응될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 근접장 이미징을 구현할 수 있다.
도 9를 참고하면, 입력 베이시스의 제1 위치(922)에 대한 산란층(911)의 스페클 정보와 입력 베이시스의 제2 위치(923)에 대한 산란층(922)의 스페클 정보와의 조합은 샘플이 부착된 산란층(910)에 평면파를 입사시킨 후 획득한 스페클 정보가 될 수 있다. 여기서 산란층(910), 산란층(911) 및 산란층(912)은 동일한 산란층이다. 샘플의 근접장 이미징은 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보(924)를 분석하여 얻을 수 있다. 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보(924)를 분석하면 입력 베이시스의 제1 위치(922)에 대한 산란층의 스페클 정보와 입력 베이시스의 제2 위치(923)에 대한 산란층의 스페클 정보를 합친 스페클 정보가 될 수 있다. 이때, 샘플의 근접장 이미징은 입력 베이시스의 제1 위치와 제2 위치의 조합된 입력(921)이 될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보(924)를 분석하는 것은 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보와 미리 측정된 입력 베이시스(input basis) 당 발생한 산란층의 스페클 정보와의 상관관계(correlation)를 계산하고, 상기 상관관계를 이용하여 상기 샘플에 대한 상기 이미지를 얻을 수 있다. 이때, 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보와 미리 측정된 입력 베이시스(input basis) 당 발생한 산란층의 스페클 정보와의 상관관계(correlation)를 계산하면, 해당 상관관계 값 자체가 샘플의 근접장 이미지가 될 수 있다. 여기서 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보는 회절 한계 내에서 표현되는 크기를 갖지만, 샘플의 근접장 성분이 원거리장으로 변환된 성분을 포함하고 있으므로, 초고해상도 이미징이 가능하다.
도 10은 일 실시예에 따른 빛의 산란을 이용하여 샘플의 근접장 이미징을 구현하는 방법의 흐름도이다. 도 10을 참고하면, 산란층을 이용하여 샘플의 근접장 이미징을 구현하는 방법이 개시된다. 일 실시예에 따르면, 근접장 이미징을 구현하는 방법은 결맞는 광원으로부터의 빛이 산란층을 통과하여 생성한 스페클에 관한 제1 스페클 정보를 획득하는 단계, 평면파가 샘플 및 상기 산란층을 통과하여 생성한 스페클에 관한 제2 스페클 정보를 획득하는 단계 및 상기 제1 스페클 정보 및 상기 제2 스페클 정보를 이용하여 상기 샘플에 대한 이미지를 얻는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 결맞는 광원은 레이저가 될 수 있다.
단계(S1010)에서, 제1 스페클 정보를 획득하는 단계는 산란층에 대한 입력 베이시스의 위치 별 스페클 정보를 획득하는 단계가 될 수 있다. 보다 상세하게, 제1 스페클 정보를 획득하는 단계는 상기 결맞는 광원으로부터의 상기 빛을 구조물을 통과시켜 입력 베이시스(input basis)의 빛으로 구성(form)하는 제1 단계, 상기 구성된 입력 베이시스의 빛을 상기 산란층에 통과시켜 산란시키는 제2 단계 및 상기 산란된 빛이 생성한 스페클에 관한 입력 베이시스 스페클 정보를 획득하는 제3 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 구조물은 각각의 파면을 공간상에서 분해할 수 있는 NSOM(Near-field Scanning Optical Microscope) 팁, 금속 탐침 및 플라즈모닉(plasmonic) 메타 구조 중 적어도 하나가 될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 입력 베이시스(input basis)를 형성하는 구조물을 이동시키면서 상기 제1단계, 제2 단계 및 제3 단계를 반복하여 산란층의 모든 표면에 대해서 각각의 위치별로 발생되는 스페클을 측정할 수 있다. 제1 스페클 정보를 획득하는 단계(S1010)는 실제 이미징을 실시하기 전의 준비 단계로, 해당 산란층에 대한 입력 베이시스의 위치 별 스페클의 정보가 한 번 측정된 이후에는 해당 과정의 반복은 불필요하다.
단계(S1020)에서, 제2 스페클 정보를 획득하는 단계는 샘플을 제1 스페클 정보가 획득 된 산란층에 부착하고 평면파를 입사시켜 발생한 스페클 정보를 획득하는 단계가 될 수 있다. 이때, 스페클 정보는 일반 현미경 시스템을 통해 스페클의 패턴 무늬를 획득하고, 홀로그래픽 측정부를 통해 스페클의 위상을 획득할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 스페클의 정보가 측정된 산란층에 이미징 하고자 하는 샘플을 올려놓고 평면파를 입사시킴으로써 상기 샘플의 근접장 이미지를 얻을 수 있다. 즉, 산란층의 제1 스페클 정보를 모두 측정한 이후에는 해당 산란층을 초고해상도 이미징 장비로 사용할 수 있다.
단계(S1030)에서, 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 제2 스페클 정보를 미리 준비된 입력 베이시스의 위치 별 제1 스페클 정보로 분해함으로써 분석을 할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 근접장 이미징 장치의 분석부를 통해 샘플에 대한 이미지를 얻을 수 있다. 일반적으로 산란층 자체의 움직임이 없을 경우, 특정 패턴의 빛을 입사시켰을 때 발생되는 스페클의 패턴은 항상 일정하다. 즉, 각각의 스페클 패턴들은 각각의 특정 입사 빛의 파면에 대응될 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 근접장 이미징을 구현할 수 있다. 입력 베이시스의 제1 위치에 대한 산란층의 스페클 정보와 입력 베이시스의 제2 위치에 대한 산란층의 스페클 정보와의 조합은 샘플이 부착된 산란층에 평면파를 입사시킨 후 획득한 스페클 정보가 될 수 있다. 샘플의 근접장 이미징은 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보를 분석하여 얻을 수 있다. 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보를 분석하면 입력 베이시스의 제1 위치에 대한 산란층의 스페클 정보와 입력 베이시스의 제2 위치에 대한 산란층의 스페클 정보를 합친 스페클 정보가 될 수 있다. 이때, 샘플의 근접장 이미징은 입력 베이시스의 제1 위치와 제2 위치의 조합된 입력이 될 수 있다.
단계(S1040)에서, 단계(S1030)에서 분해된 정보를 통해 샘플에 대한 근접장 이미지를 구현할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 샘플이 부착된 산란층에서 획득된 스페클 정보와 미리 획득된 입력 베이시스(input basis) 당 발생한 상기 산란층의 스페클 정보와의 상관관계(correlation)를 계산하고, 상기 상관관계를 이용하여 유사도를 판단함으로써 샘플에 대한 이미지를 얻을 수 있다. 이때, 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보를 분석하는 것은 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보와 미리 측정된 입력 베이시스(input basis) 당 발생한 산란층의 스페클 정보와의 상관관계(correlation)를 계산하고, 상기 상관관계를 이용하여 상기 샘플에 대한 상기 이미지를 얻을 수 있다. 여기서, 샘플이 부착된 산란층에서 획득한 스페클 정보와 미리 측정된 입력 베이시스(input basis) 당 발생한 산란층의 스페클 정보와의 상관관계(correlation)를 계산하면, 해당 상관관계 값 자체가 샘플의 근접장 이미지가 될 수 있다.
본 발명에 따라, 산란층에 대한 입력 베이시스의 위치 별 스페클의 정보를 한 번 기록한 이후에는 측정하고자 하는 샘플을 산란층 위에 올려 놓고 단 한 장의 스페클을 측정하여 샘플의 전면적에 대한 이미지를 초고해상도 이미징으로 한 번에 얻을 수 있다. 이때 측정 가능한 샘플의 크기는 산란층의 정보를 측정한 입력 베이시스(input basis)가 포괄한 영역을 전부 포함하므로 대면적 초고해상도 이미징을 실시간으로 구현할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
410: 광원
420: 파면 조절기
430: 산란층
440: 측정부

Claims (18)

  1. 근접장 제어 방법에 있어서,
    파면 조절기를 이용하여 결맞는 광원으로부터의 빛의 위상을 제어하는 단계;
    상기 위상이 제어된 빛을 산란층에 통과시키는 단계; 및
    상기 산란층을 통과한 상기 빛이 나오는 면의 근접장을 측정하는 단계
    를 포함하고
    상기 산란층을 통과한 상기 빛이 나오는 면의 근접장을 측정하는 단계는,
    상기 근접장에서 압베(Abbe)의 회절 한계보다 작은 영역에서의 상기 빛의 세기를 측정하는 단계
    를 포함하는 근접장 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 근접장을 측정한 결과에 따라 상기 파면 조절기를 조절하여 상기 빛의 위상을 변경하는 단계
    를 더 포함하는 근접장 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 근접장을 측정한 결과에 따라 상기 파면 조절기를 조절하여 상기 빛의 위상을 변경하는 단계는,
    상기 파면 조절기를 조절하여 상기 빛의 위상을 변경하면서 보강 간섭이 일어나는 위상을 탐색하는 단계; 및
    상기 보강 간섭을 일으키는 상기 위상을 기록하는 단계
    를 포함하는 근접장 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 근접장을 측정한 결과에 따라 상기 파면 조절기를 조절하여 상기 빛의 위상을 변경하는 단계는,
    원하는 위치에 초고해상도 초점이 형성될 때까지 상기 빛의 위상을 변경하는 단계
    를 포함하는 근접장 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 산란층의 내부 또는 이면에 있는 목표 시편에 초고해상도 초점을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 근접장 제어 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 가시광선 대역의 광원을 포함하는 근접장 제어 방법.
  8. 평면파(plane wave)를 출력(output)하는 광원(light source);
    이미징 하려는 샘플을 올려놓는 산란층(scattering layer);
    상기 평면파가 상기 샘플 및 상기 산란층을 통과하여 생성(generate)한 스페클에 관한 스페클 정보(speckle information)를 획득(acquire)하는 측정부; 및
    상기 측정된 스페클 정보를 분해하는 분석부
    를 포함하는 근접장 이미징 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 스페클의 위상을 획득하는 홀로그래픽 측정부
    를 포함하는 근접장 이미징 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 분석부는,
    상기 측정된 스페클 정보와 미리 측정된 입력 베이시스(input basis) 당 발생한 상기 산란층의 스페클 정보와의 상관관계(correlation)를 계산하고,
    상기 상관관계를 이용하여 상기 샘플에 대한 이미지를 얻는
    근접장 이미징 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    결맞는 광원으로부터의 빛을 통과시켜 입력 베이시스(input basis)의 빛으로 구성(form)하는 구조물
    을 더 포함하는 근접장 이미징 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구조물은,
    NSOM 팁, 금속 탐침, 및 플라스모닉 메타 구조 중 적어도 하나
    를 포함하는 근접장 이미징 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 산란층은,
    상기 샘플이 없는 상태에서, 상기 구조물을 통과하여 구성된 상기 입력 베이시스(input basis)의 빛을 통과시켜 산란시키고,
    상기 측정부는,
    상기 산란된 빛이 생성한 스페클에 관한 입력 베이시스(input basis) 스페클 정보를 획득하는
    근접장 이미징 장치.
  14. 결맞는 광원으로부터의 빛이 산란층을 통과하여 생성한 스페클에 관한 제1 스페클 정보를 획득하는 단계;
    평면파가 샘플 및 상기 산란층을 통과하여 생성한 스페클에 관한 제2 스페클 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 제1 스페클 정보 및 상기 제2 스페클 정보를 이용하여 상기 샘플에 대한 이미지를 얻는 단계를 포함하는 근접장 이미징을 구현하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 스페클 정보를 획득하는 단계는,
    상기 결맞는 광원으로부터의 상기 빛을 구조물을 통과시켜 입력 베이시스(input basis)의 빛으로 구성(form)하는 제1 단계;
    상기 구성된 입력 베이시스의 빛을 상기 산란층에 통과시켜 산란시키는 제2 단계; 및
    상기 산란된 빛이 생성한 스페클에 관한 입력 베이시스 스페클 정보를 획득하는 제3 단계
    를 포함하는 근접장 이미징을 구현하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 스페클 정보를 획득하는 단계는,
    상기 구성된 입력 베이시스(input basis)의 빛이 통과하는 산란층 상의 위치를 변경하면서 상기 제1 단계 내지 상기 제3 단계를 수행하여 복수 개의 입력 베이시스(input basis) 스페클 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 복수 개의 입력 베이시스(input basis) 스페클 정보를 이용하여 상기 제1 스페클 정보를 획득하는 단계
    를 포함하는 근접장 이미징을 구현하는 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 구조물은,
    NSOM 팁, 금속 탐침, 및 플라스모닉 메타 구조 중 적어도 하나를 포함하는
    근접장 이미징을 구현하는 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 제1 스페클 정보 및 상기 제2 스페클 정보를 이용하여 상기 샘플에 대한 이미지를 얻는 단계는,
    상기 제1 스페클 정보 및 상기 제2 스페클 정보의 상관관계(correlation)를 계산하는 단계; 및
    상기 상관관계를 이용하여 상기 샘플에 대한 상기 이미지를 얻는 단계
    를 포함하는 근접장 이미징을 구현하는 방법.
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Scattering Lens Resolves sub-100 nm Structures with Visible Light, E.G. van Putten et al. 2011.3.21. *
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