KR101637183B1 - 뉴런이 고정된 하이퍼렌즈, 뉴런 고정 장치 및 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법 - Google Patents

뉴런이 고정된 하이퍼렌즈, 뉴런 고정 장치 및 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법 Download PDF

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Abstract

뉴런 또는 하이퍼렌즈의 손상 없이 하이퍼렌즈의 표면 상에 놓여진 뉴런의 위치를 안정적으로 고정할 수 있는 뉴런이 고정된 하이퍼렌즈, 뉴런 고정 장치 및 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법이 개시된다.
상기 뉴런이 고정된 하이퍼렌즈는, 시료에서 나온 빛 중 소멸파를 이용하여 상기 관찰대상의 상을 형성하는 하이퍼렌즈로서, 일면 상에 상기 시료로서 뉴런이 놓여지고, 상기 뉴런에 하나 이상의 유전체 비드가 연결되며, 상기 일면 상의 정위치로부터 소정 거리 이격된 위치에 집속된 레이저빔이 조사되면 상기 유전체 비드가 상기 레이저빔의 초점으로 구속되는 것에 의해 상기 뉴런이 상기 정위치에 고정되는 것일 수 있다.

Description

뉴런이 고정된 하이퍼렌즈, 뉴런 고정 장치 및 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법{HYPER-LENS WITH NEURON FIXED THERON, APPARATUS FOR FIXING NEURON AND METHOD FOR FIXING NEURON ON HYPER-LENS}
뉴런이 고정된 하이퍼렌즈, 뉴런 고정 장치 및 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 뉴런 또는 하이퍼렌즈의 손상 없이 하이퍼렌즈의 표면 상에 놓여진 뉴런의 위치를 안정적으로 고정할 수 있는 뉴런이 고정된 하이퍼렌즈, 뉴런 고정 장치 및 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법에 관한 것이다.
물체의 형상을 인식하기 위해서는 먼저 물체에서 산란되는 빛(전자기파)을 이용하여 물체의 상(이미지)을 만들어야 한다. 일반적으로, 물체에서 산란되는 빛은 특성이 서로 반대인 소멸파(Evanescent wave)와 진행파(Propagating wave) 성분을 갖는다. 소멸파는 파장보다 미세한 공간 변화에 대한 정보를 가지고 있지만, 발생 후 재료 표면의 수십 나노미터 이내의 거리에서 대부분 소멸되므로 상을 만들지 못한다. 일반적으로 상은 진행파에 의해 만들어진다. 이러한 소멸파의 급격한 감쇄로 인해 광학 시스템의 분해능(Resolving power)를 제한하는 회절한계가 발생한다.
작은 크기의 물체를 관찰하기 위한 광학 시스템에서, 분해능(Resolving power)은 해당 광학 시스템을 통해 획득되는 상이 얼마나 명확하고 뚜렷이 보이는가를 나타내는 척도이다. 예를 들어, 광학 시스템의 분해능이 d 라는 것은, 두 개의 물체가 거리 d 이상 떨어져 있을 때 해당 광학 시스템을 사용하여 두 물체가 분리된 것으로 구별이 가능함을 의미한다.
일반적인 광학 이론에 따르면, 진행파를 이용하여 물체의 상을 형성하는 광학 시스템에서는, 어떠한 광학 도구를 사용하더라도 분해능은 물체의 관찰에 사용되는 빛의 파장의 1/2보다 더 줄일 수 없음이 알려져 있다. 따라서, 물체에 가시광선을 조사하여 물체의 상을 형성하는 일반 광학현미경을 사용하는 경우, 분해능은 대략 가시광선 중 가장 짧은 파장인 보라색광의 반파장 정도인 200㎚ 이하로 제한된다. 이 보다 작은 바이러스나 단분자, 또는 DNA나 뉴런 등의 생체 물질 등을 보려면, 가시광선에 비해 훨씬 짧은 파장의 전자를 사용하는 전자현미경을 사용하여야 한다.
하지만, 전자현미경은 광학현미경에 비해 사용방법이 복잡하고, 가격이 월등히 비싸다는 단점이 있다. 더 나아가, 관찰 대상이 유기체인 경우 전자빔에 의해 유기체가 사멸될 수 있고, 관찰 대상 시편이 전자 현미경의 진공 조건을 견딜 수 있도록 고체로 제작되어야 하기 때문에, 전자현미경을 이용해서는 유기체나 생체 물질을 관찰하는 것이 불가능하다.
한편, 분해능의 한계를 극복하기 위한 개선책으로, 급속히 감쇄하는 소멸파를 증폭시키거나 소멸파를 진행파로 변환하여 물체의 상을 형성하는 기술이 개발되고 있다. 예컨대, 하이퍼렌즈(Hyper-lens)는 실린더 형상의 비등방성 메타물질을 사용하여, 소멸파(evanescent waves)를 진행파(propagating waves)로 바꾸는 동시에 상을 확대시킬 수 있다. 진행파는 감쇄량이 적기 때문에, 하이퍼렌즈 후면에서 멀리 떨어진 곳에 확대된 원거리상을 만들 수 있으며, 이를 통해 가시광선의 분해능보다 작은 크기의 물체의 상을 볼 수 있다. 이 경우, 물체에서 나온 소멸파는 소멸되기 전에 하이퍼렌즈에 입사되어야 하므로, 관찰 대상 물체와 하이퍼렌즈의 전면은 수십 나노미터 이내로 근접해야 한다.
이러한 하이퍼렌즈를 이용하면 전자빔을 이용하지 않고도 가시광선의 분해능보다 작은 크기의 물체를 관찰할 수 있다. 그러나, 종래에는 하이퍼렌즈를 이용하여 살아있는 상태의 유기체나 생체물질을 관찰하는 경우, 관찰대상을 하이퍼렌즈 상에 놓기만 하였기 때문에 상기 유기체나 생체물질이 움직여서 하이퍼렌즈 상에서 효과적인 관찰이 가능한 위치에서 벗어나고, 결국 살아있는 유기체나 생체물질의 관찰이 어렵다는 문제가 있었다.
특허문헌 1: 공개특허공보 제10-2011-0060404호 (2011년 6월 8일 공개)
본 발명의 실시예들은 뉴런이나 하이퍼렌즈에 가해지는 손상 없이 살아있는 뉴런이 정위치에 안정적으로 고정될 수 있는 하이퍼렌즈와, 이를 수행하는 뉴런 고정 장치와, 뉴런을 하이퍼렌즈에 고정하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 시료에서 나온 빛 중 소멸파를 이용하여 상기 관찰대상의 상을 형성하는 하이퍼렌즈로서, 일면 상에 상기 시료로서 뉴런이 놓여지고, 상기 뉴런에 하나 이상의 유전체 비드가 연결되며, 상기 일면 상의 정위치로부터 소정 거리 이격된 위치에 집속된 레이저빔이 조사되면 상기 유전체 비드가 상기 레이저빔의 초점으로 구속되는 것에 의해 상기 뉴런이 상기 정위치에 고정되는 뉴런이 고정된 하이퍼렌즈가 제공될 수 있다.
본 측면에서, 상기 유전체 비드는 폴리스티렌(polystyrene) 또는 유리로 이루어진 것일 수 있다.
또한, 상기 유전체 비드는 상기 유전체 비드 및 상기 뉴런 중 적어도 하나에 화학표면처리를 하는 것을 통해 상기 뉴런에 연결될 수 있다.
또한, 상기 레이저빔은 하나 이상의 가우시안 빔일 수 있다.
또한, 상기 뉴런은 살아있는 상태의 뉴런일 수 있다.
또한, 상기 소정 거리는 상기 뉴런의 크기와 비례할 수 있다.
또한, 상기 하이퍼렌즈는, 오목하게 형성된 전면이 상기 일면의 일부를 형성하고, 상기 전면 상에 상기 시료가 놓이는 렌즈층; 및 상기 렌즈층의 후면을 덮으며 상기 렌즈층을 지지하는 기판층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 렌즈층은 복수의 유전체층과 복수의 금속층이 서로 번갈아가며 적층되어 오목한 반구(hemisphere)형으로 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 정위치는 상기 오목한 반구형 곡면의 중심일 수 있다.
또한, 상기 유전체층은 실리콘(Si)이고, 상기 금속층은 은(Ag)일 수 있다.
또한, 상기 유전체층은, 스퍼터링(sputtering)을 통해 형성되는 비정질 실리콘(amorphous silicon) 박막일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 하이퍼렌즈의 일면 상에 놓인 뉴런에 연결되는 하나 이상의 유전체 비드; 레이저빔을 생성하여 방출하는 레이저빔 조사부; 및 상기 레이저빔 조사부로부터 전달된 상기 레이저빔을 집속하고, 상기 하이퍼렌즈의 일면 상의 상기 뉴런을 고정할 정위치로부터 소정 거리 이격된 위치에 상기 집속된 레이저빔을 조사하는 레이저빔 집속부를 포함하는 뉴런 고정 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 하이퍼렌즈의 일면 상에 뉴런과 하나 이상의 유전체 비드를 제공하는 단계; 상기 뉴런과 상기 하나 이상의 유전체 비드를 연결하는 단계; 레이저빔을 생성하는 단계; 및 상기 레이저빔을 집속하여 상기 하이퍼렌즈의 일면 상의 상기 뉴런을 고정할 정위치로부터 소정 거리 이격된 위치에 상기 집속된 레이저빔을 조사하는 단계를 포함하는 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 뉴런이 고정된 하이퍼렌즈, 뉴런 고정 장치 및 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 하이퍼렌즈를 이용함으로써 가시광선의 분해능보다 작은 크기의 뉴런을, 가시광선을 이용하여 관찰할 수 있다. 가시광선에 의해서는 뉴런이 죽지 않으므로, 뉴런을 살아있는 상태로 실시간 관찰하는 것이 가능해진다. 특히, 광 포획 방식을 통해 뉴런 또는 하이퍼렌즈에 손상을 가하지 않고 뉴런을 정위치에 고정할 수 있어, 살아있는 뉴런을 효과적으로 관찰할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴런 고정 장치가 포함된 현미경 장치에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1의 A 영역의 하이퍼렌즈의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 하이퍼렌즈를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
아래의 설명에서 전방(전면) 및 후방(후면)은 광원부로부터 조사된 빛의 이동 방향에 따라 지칭될 수 있다. 예컨대, 빛이 제1 구성으로부터 제2 구성을 향해 이동하는 경우, 제1 구성은 제2 구성의 전방에 위치하고 제2 구성은 제1 구성보다 후방에 위치한다고 할 수 있다. 또한, 하나의 구성에서, 빛이 입사되는 측을 전면으로 지칭하고 빛이 방출되는 측을 후면으로 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴런 고정 장치가 포함된 현미경 장치(10)에 대한 구성도이고, 도 2는 도 1의 A영역의 하이퍼렌즈(200)의 단면도를 확대하여 도시한 것이다. 또한, 도 3은 도 2의 하이퍼렌즈(200)를 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 현미경 장치는 광원부(110), 하이퍼렌즈(200), 뉴런 고정 장치(120), 영상획득부(130) 및 색선별 미러(140)를 포함할 수 있다. 여기서, 뉴런 고정 장치(120)는 레이저빔 조사부(310), 대물렌즈로서 기능하는 레이저빔 집속부(320) 및 하나 이상의 유전체 비드(330)를 포함할 수 있다.
광원부(110)는 하이퍼렌즈(200)를 향해 빛을 조사한다. 광원부(110)는 특정한 파장대의 빛을 조사하도록 구성될 수 있다. 일 예로, 광원부(110)는 가시광선을 조사할 수 있다. 즉, 광원부(110)가 조사하는 빛의 파장은 400 nm 이상 700 nm 이하일 수 있다. 다만 광원부(110)가 조사하는 빛이 상술된 것으로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 광원부(110)는 가시광선보다 짧은 파장대의 자외선 또는 긴 파장대의 적외선을 조사하는 것도 가능하다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 광원부(110)가 조사하는 빛을 가시광선(IL)으로서 기술하나, 이로 인해 본 발명이 한정되지 않는다.
한편, 광원부(110)에서 조사되는 빛(IL)은 편광되지 않은 일반 광일 수 있다. 이 경우, 결국 광원부(110)에서는 400~700 nm의 파장대의 편광되지 않은 가시광선, 즉 자연 그대로의 빛이 조사될 수 있다. 이에 따라 현미경 장치(10)는 광 스펙트럼의 선별적 선택을 위한 컬러 필터나 편광을 위한 편광 필터 등이 별도로 구비하지 않을 수 있으며, 더욱 간단한 구성으로서 제공될 수 있다.
상기 광원부(110)의 후방에는 하이퍼렌즈(200)가 제공될 수 있다. 광원부(110)로부터 방출된 빛은 하이퍼렌즈(200)에 입사될 수 있다. 하이퍼렌즈(200)는 현미경 장치(10)의 관찰 대상인 시료가 놓이는 기판으로서 작용할 수 있으며, 시료에 빛이 입사되어 발생한 소멸파(evanescent waves)를 진행파(propagating waves)로 바꾸는 동시에, 시료의 상을 확대함으로써 상대적으로 멀리 떨어진 곳에 원거리상을 형성할 수 있다.
본 발명에서 시료는 관찰 대상물을 의미하며, 가시광선(IL)의 분해능보다 작은 크기(서브 회절한계)의 유기체 또는 생체 물질일 수 있다. 예컨대, 시료는 뉴런, DNA, 박테리아, 바이러스, 단분자 세포 및 리피드(lipid) 중 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 하이퍼렌즈(200)는 그 외표면 상에 시료가 직접 놓이는 렌즈층(210)과, 상기 렌즈층(210)을 지지하는 기판층(220)을 포함할 수 있다.
렌즈층(210)은 전면의 중앙 부분이 오목하게 형성된 형태의 하이퍼렌즈층을 포함하여 구성될 수 있다. 하이퍼렌즈층은, 전술된 바와 같이, 관찰 대상인 시료에 조사되어 산란된 빛 중 소멸파를 이용하여 시료의 상을 형성하는 렌즈층으로서, 더 구체적으로는 소멸파 성분을 진행파로 변경하는 동시에 빛의 진행방향을 바꿔 상을 확대하여 출력하는 렌즈층을 지칭한다. 렌즈층(210)은 상기 오목한 부분을 중심으로 하는 환형 단면을 가질 수 있으며, 복수의 유전체층(212)과 복수의 금속층(214)이 서로 번갈아가면서 적층된 구조를 통해 비등방성 메타물질을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 렌즈층(210)은 400~700 nm 파장대의 빛에 대하여 비등방성 메타물질을 형성할 수 있다. 이에 따라, 가시광선(IL)으로부터 발생된 소멸파가 렌즈층(210)으로 입사되면 감쇄되지 않고 진행파로 바뀔 수 있다.
일 예로, 유전체층(212)은 티타늄옥사이드(Ti3O5)이고, 금속층(214)은 은(Ag)일 수 있다. 유전체층(212)과 금속층(214)은 각각 30 nm의 두께를 가질 수 있으며, 동일한 개수의 유전체층(212)과 금속층(214)이 서로 번갈아가며 적층될 수 있다. 일 예로, 9개의 유전체층(212)과 9개의 금속층(214)이 서로 번갈아가며 적층되어 렌즈층(210)을 형성할 수 있다. 이 경우, 광원부(110)로부터 조사되는 가시광선(IL)의 파장은 바람직하게는 400~500 nm의 길이를 가질 수 있다. 더 바람직하게는, 광원부(110)로부터는 410 nm 파장의 가시광선(IL)이 조사될 수 있다.
다른 예로, 유전체층(212)은 실리콘(Si)이고, 금속층(214)은 은(Ag)일 수 있다. 이 때, 실리콘의 유전체층(212)은 스퍼터링(sputtering)을 통해 형성되는 무결정 혹은 비정질 실리콘(amorphous silicon)일 수 있다. 유전체층(212)과 금속층(214)은 각각 15 nm의 두께를 가질 수 있으며, 각각 9개 이상의 층이 서로 번갈아가면서 적층되어 렌즈층(210)을 형성할 수 있다. 본 예에 따라 렌즈층(210)이 형성되는 경우, 바람직하게는 광원부(110)로부터 500~650 nm 파장의 가시광선(IL)이 조사될 수 있다.
렌즈층(210)의 오목한 중앙 부분에는 시료가 놓일 수 있다. 이 경우, 시료는 렌즈층(210)의 최외층과 밀착되게 위치할 수 있다. 이에 따라 렌즈층(210)과 시료는 광원부(110)로부터 방출되는 빛의 파장의 수분의 일 정도의 거리에 위치할 수 있다. 시료에 조사되어 산란된 빛 중 소멸파는 렌즈층(210)으로 입사되고, 렌즈층(210)을 통과하면서 방사형으로 확대되면서 증폭된다. 렌즈층(210)을 통과하면서 진행파로 바뀐 소멸파 성분은 기판층(220)을 통과하고, 그 후 공기 중으로 나와 렌즈층(210)의 후면에서 멀리 떨어진 곳에 시료의 확대된 상을 형성할 수 있다.
본 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 렌즈층(210)은 유전체층(212)들과 금속층(214)들이 적층되어 반구(hemispherical)형의 형태를 형성한 것일 수 있다. 이 경우, 광원부(110)로부터 편광되지 않은 일반 광이 조사되면, 반원통형의 렌즈층(210)과는 달리 2차원의 원거리상이 형성될 수 있다. 즉, 렌즈층(210)은 소멸파의 x방향 성분뿐만 아니라 y방향의 성분도 동시에 증폭하여 확대시킬 수 있으며, 이에 따라 렌즈층(210)의 후방에는 시료의 2차원 형상이 반영된 원거리상이 만들어질 수 있다. 또한, 반구형 렌즈층(210)의 오목한 부분에 시료가 놓이는 경우, 렌즈층(210)의 반구형 형상에 의해서 모세관현상과 유사한 원리에 의한 힘이 시료에 작용하여 시료를 안쪽으로 끌어당긴다. 이에 따라, 시료가 렌즈층(210)의 오목한 공간 내에서 렌즈층(210)의 최외층 상에 밀착된 상태로 효과적으로 유지될 수 있다.
기판층(220)은 렌즈층(210)을 지지하며, 렌즈층(210)을 통과한 빛을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 기판층(220)은 석영(quartz)으로 이루어질 수 있다.
하이퍼렌즈(200)의 후방에는 대물렌즈(320)가 제공될 수 있다. 상기 대물렌즈(320)는 후술되는 바와 같이 뉴런 고정 장치(120)의 레이저빔 집속부로서 기능할 수 있다. 즉, 대물렌즈(320)는 후술되는 뉴런 고정 장치(120)의 일부를 구성할 수 있다.
대물렌즈(320)는 광원부(110)로부터 조사되어 하이퍼렌즈(200)를 통과한 빛을 영상획득부(130)에 입사하게 할 수 있다. 이를 위해 대물렌즈(320)는 하이퍼렌즈(200)의 후면을 향할 수 있다. 일례에 따르면, 대물렌즈(320)와 하이퍼렌즈(200) 사이에는 유침 오일(immersion oil)이 제공될 수 있으며, 대물렌즈(320)는 유침 오일과 접하도록 위치할 수 있다. 유침 오일은 대물렌즈(320)와 하이퍼렌즈(200) 사이의 굴절율을 매칭시킬 수 있다. 또한, 대물렌즈(320)는 1.2 내지 1.4의 개구수(NA)를 가질 수 있다.
영상획득부(130)는 대물렌즈(320)의 후방에 제공되어 대물렌즈(320)를 통과하여 입사된 빛으로부터 시료의 상을 영상화할 수 있다. 즉, 영상획득부(130)는 대물렌즈(320)를 통해 하이퍼렌즈에 의해 형성된 시료의 확대된 원거리 상을 입력받고, 이를 기초로 시료의 상을 영상으로 변환하여 출력할 수 있다. 일례에 따르면, 영상획득부(130)는 카메라와 같은 이미징 장치일 수 있다. 구체적으로, 영상획득부(130)는 CCD 카메라(Charge-Coupled Device camera) 모듈일 수 있으며, CCD 카메라 모듈은 밀폐된 공간에 있는 집광 장치들의 배열을 가지며, 입사되는 빛의 광자 에너지의 패턴을 이산적인 아날로그 신호로 변환하게 한다. 이를 통해, CCD 카메라 모듈은 시료의 상을 영상화할 수 있다.
한편, 전술된 바와 같이 시료는 가시광선(IL)의 분해능보다 작은 크기(이하, 서브 회절한계 크기)의 유기체 또는 생체 물질일 수 있다. 이 때, 상기의 유기체 또는 생체 물질은 살아있는 생명체일 수 있다. 그리고 상기 살아있는 유기체 또는 생체 물질은 하이퍼렌즈(200)의 렌즈층(210)의 전면에 직접 놓여짐으로써 본 실시예의 현미경 장치(10)를 통해 영상화될 수 있다.
특히, 시료는 살아있는 하나 이상의 뉴런(S)일 수 있다. 뉴런(S)은 줄기 두께가 약 150 nm 정도이고, 시냅스와 시냅스 사이의 간격은 약 30~50 nm 범위이다. 본 실시예의 현미경 장치(10)는 이러한 뉴런(S)의 구조보다 큰 분해능을 가지므로, 이를 이용하여 뉴런(S)의 시냅스 구조를 관찰하는 것이 가능하다. 더 나아가, 뉴런(S)을 살아있는 상태로 관찰할 수 있는바, 시냅스를 통해 전달되는 신경전달물질을 영상화 하는 것도 가능하다.
상기와 같이 살아 움직이는 뉴런(S)을 효과적으로 관찰하기 위해서는, 뉴런(S)이 하이퍼렌즈(200)의 외표면의 정위치(P)에 고정되는 것이 필요하다. 여기서, 정위치(P)는 하이퍼렌즈(200)의 렌즈층 전면의 오목한 부분 내부에 위치할 수 있으며, 바람직하게는 오목한 부분의 바닥면의 중심에 위치할 수 있다. 예컨대, 상기 오목한 부분이 도 3에 도시된 바와 같이 반구형 형태를 갖는 경우, 바닥 구면의 중심이 정위치(P)가 될 수 있다. 상기 정위치(P)에 뉴런(S)이 위치하는 경우, 하이퍼렌즈(200)의 소멸파 증폭 및 상의 확대 효과가 최대가 될 수 있다.
뉴런(S) 고정 장치(120)는 상기와 같이 살아 움직이는 뉴런(S)을 하이퍼렌즈(200) 전면의 정위치(P)에 고정할 수 있다. 이 때, 뉴런(S) 고정 장치(120)는 유전체 비드(330)에 집속한 레이저빔(LB)이 조사될 때, 반사와 굴절을 통해 생기는 모멘텀 차이로 인해 유전체 비드(330)가 레이저빔(LB)의 초점으로 구속되는 성질을 이용하여 뉴런(S)을 고정할 수 있다. 이를 위해, 전술한 바와 같이, 뉴런(S) 고정 장치(120)는 레이저빔 조사부(310), 레이저빔 집속부(320) 및 하나 이상의 유전체 비드(330)를 포함할 수 있다.
레이저빔 조사부(310)는 레이저빔(LB)을 생성하고 이를 방출할 수 있다. 여기서, 레이저빔 조사부(310)에서 생성되는 레이저빔(LB)은 가우시안 빔(Gaussian beam)일 수 있다. 가우시안 빔은 그 초점이 빔의 직경이 최소가 되는 지점에서 형성될 수 있어, 후술되는 유전체 비드(330)를 특정 위치에 효과적으로 구속할 수 있다. 또한, 레이저빔 조사부(310)에서 생성되는 레이저빔(LB)은 적외선으로 이루어질 수 있다. 예컨대, 레이저빔(LB)은 1064 nm 길이의 파장을 갖는 적외선으로 이루어질 수 있다. 레이저빔 조사부(310)는 싱글 트랩, 즉 하나의 가우시안 빔을 조사하도록 구성되거나, 또는 레이저빔(LB)을 복수 개의 가우시안 빔으로 형성하여 조사하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 레이저빔 조사부(310)는 레이저빔(LB)을 생성하는 레이저빔 생성부와, 상기 레이저빔 생성부에서 생성되어 방출된 빛의 이동 방향을 제어하여 레이저빔(LB)을 레이저빔 집속부(320)에 입사시키는 광학계를 포함할 수 있다. 레이저빔 조사부(310)가 복수의 레이저빔(LB)을 조사하도록 구성된 경우, 레이저빔 생성부가 복수개로 제공될 수 있다. 각각의 레이저빔 생성부는 하나의 레이저빔(LB)을 생성하고, 여러 개의 레이저빔 생성부가 동시에 레이저빔을 생성하여 방출함으로써 복수의 레이저빔(LB)을 조사할 수 있다. 상기 광학계는 하나 이상의 미러와 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 필요에 따라, 상기 광학계에 포함된 렌즈들은 빔 익스팬더(beam expander) 또는 빔 스티어링 파트(beam steering part)로서 작용할 수 있다.
레이저빔 집속부는 입사된 레이저빔(LB)을 집속하여 초점을 형성하고 하이퍼렌즈(200)에 입사시킬 수 있다. 여기서, 상술된 대물렌즈(320)가 레이저빔 집속부로서 기능할 수 있다. 즉, 대물렌즈(320)는 그것을 통해 집속된 레이저빔(LB)이 하이퍼렌즈(200)의 오목한 부분에 놓여진 유전체 비드(330)에 조사되어 광 트랩을 형성할 수 있도록 레이저빔(LB)을 유전체 비드(330)로 포커싱하는 기능을 담당한다.
한편, 유전체 비드(330)는 유전물질로 이루어진 마이크로 또는 나노 스케일의 구형체이다. 예컨대, 유전체 비드(330)는 폴리스티렌(polystyrene) 또는 유리로 이루어진 구형체일 수 있다.
상기와 같은 유전체 비드(330)는 시료로서의 뉴런(S)에 연결될 수 있다. 일례에 따르면, 뉴런(S)과 유전체 비드(33)의 연결을 위해 유전체 비드(330) 및 뉴런(S) 중 적어도 하나에는 화학적 표면처리가 수행될 수 있다. 예컨대, 유전체 비드(330)은 아민(NH2)계열의 화학물질로 표면처리를 하고, 뉴런(S)의 단부에는 카르복실(COOH) 계열의 화학물질로 표면처리를 할 수 있다. 이 경우, 유전체 비드(330)의 표면에는 아민기(-NH2) 꼬리가, 뉴런(S)의 단부에는 카르복실기(-COOH) 꼬리가 형성될 수 있으며, 상기 아민기 꼬리와 상기 카르복실기 꼬리는 이온결합될 수 있다. 이에 따라 유전체 비드(330)가 뉴런(S)의 단부에 견고하게 접합될 수 있다. 이 때, 카르복실기 꼬리는 뉴런(S)의 양측 단부에 모두 형성될 수 있으며, 이 경우 각각의 단부에 유전체 비드(330)가 연결될 수 있다. 카르복실기 꼬리와 아민기 꼬리가 서로를 끌어당기는 힘에 의해, 유전체 비드(330)는 자연스럽게 뉴런(S)의 단부에 연결될 수 있다. 도 2 및 도 3에서는 한 쌍의 유전체 비드(330)가 소정의 길이를 갖는 뉴런(S)의 길이방향 양 단부에 각각 연결된 예가 도시되었다. 그러나, 유전체 비드(330)의 개수와 뉴런(S)과의 연결 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
유전체 비드(330)는, 이에 집속된 레이저빔(LB)이 조사되면, 레이저빔(LB)의 강도가 가장 높은 부분, 즉 레이저빔(LB)의 초점을 향해 끌려올 수 있다. 이에 따라, 유전체 비드(330)는 레이저빔(LB)의 초점에 구속되어 결국 그 위치가 고정될 수 있다. 유전체 비드(330)가 레이저빔(LB)의 초점에 구속됨에 따라, 유전체 비드(330)와 연결된 뉴런(S) 또한 소정 위치에 구속될 수 있다.
본 실시예에서, 레이저빔 조사부(310)는, 뉴런(S)을 상술된 정위치(P)에 오게 하는 위치에 유전체 비드(330)가 구속되도록 레이저빔(LB)을 조사할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저빔 조사부(310)에 의해 조사된 레이저빔(LB)은 그 초점이 상술된 정위치(P)에서 소정 거리(d) 이격된 위치에 오도록 조사될 수 있다. 이에 따라 뉴런(S)의 단부와 연결된 유전체 비드(330)가 레이저빔(LB)의 초점으로 구속되고, 그와 연결된 뉴런(S)이 정위치(P) 상에 고정될 수 있다. 이 때, 상기 소정 거리(d)는, 뉴런(S)의 크기에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어 상기 소정 거리(d)는 관찰대상이 되는 뉴런(S)의 예상 길이의 1/2만큼의 거리일 수 있으며, 뉴런(S)의 크기에 비례할 수 있다.
또한, 레이저빔 조사부(310)는 뉴런(S)이 관찰되는 시간 동안 계속하여 레이저빔(LB)을 조사할 수 있다. 유전체 비드(330)를 향해 레이저빔(LB)이 조사되는 동안 유전체 비드(330)는 레이저빔(LB)의 초점으로 구속되며, 결국 뉴런(S)을 관찰하는 전체 시간 동안 뉴런(S)의 위치가 안정적으로 고정될 수 있다.
더 나아가, 레이저빔 조사부(310)는 복수의 레이저빔(LB)을 조사하도록 구성될 수 있다. 이 때, 조사되는 레이저빔(LB)의 개수는 뉴런(S)에 연결된 유전체 비드(330)의 개수와 동일하며, 하나의 유전체 비드(330)에 대해 하나의 레이저빔(LB)이 조사될 수 있다. 각각의 유전체 비드(330)는 그에 조사된 레이저빔(LB)의 초점으로 구속되고, 복수의 유전체 비드(330)들이 각각의 위치에 고정되는 것에 의해 뉴런(S)이 정위치(P) 상에 더욱 안정적으로 고정될 수 있다. 상기 조사되는 복수의 레이저빔(LB)들은 동시에 조사될 수 있으며, 이를 위해 상술된 바와 같이 레이저빔 조사부(310)에 포함된 복수의 레이저빔 생성부가 각각 하나의 레이저빔(LB)을 동시에 생성하여 방출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 레이저빔 조사부(310)에 포함된 레이저빔 생성부는 펨토세컨드 레이저(femtosecond laser)일 수 있다. 펨토세컨드 레이저를 이용하는 경우, 출력되는 레이저빔(LB)의 강도를 pN(pico newton) 단위로 매우 세밀하게 조절 가능하다. 이와 같은 세밀한 강도 조절을 통해, 살아있는 뉴런(S)을 향해 조사되는 레이저빔(LB)의 강도를 적절하게 조절함으로써 뉴런(S)의 손상을 방지할 수 있다.
상술된 바와 같이 광 트랩 기술이 적용된 뉴런(S) 고정 장치(120)를 이용하면, 뉴런(S)이 하이퍼렌즈(200)의 오목한 부분 내에 안정적으로 고정될 수 있다. 특히, 살아있는 뉴런(S)이 손상될 염려가 적어진다. 더 나아가, 상기 뉴런(S) 고정 장치(120)는 뉴런(S)에 유전체 비드(330)를 연결하고 상기 유전체 비드(330)에 레이저빔(LB)을 조사함으로써 뉴런(S)을 고정하므로 하이퍼렌즈(200)의 성능 저하나 파손을 유발할 염려가 없어, 지는바, 상기 고정 장치(120)는 실용성 있는 장치로서 제공될 수 있다.
한편, 색선별 미러(140)는 뉴런(S) 고정 장치(120)와 영상획드부 사이에 제공되어 뉴런(S) 고정 장치(120)에서 조사되는 레이저빔(LB)은 반사하고 광원부(110)로부터 조사되어 하이퍼렌즈(200)와 대물렌즈를 통과한 가시광선(IL)을 통과시켜 영상획득부로 전달할 수 있다. 색선별 미러(140)는 하이퍼렌즈(200)를 통과한 가시광선(IL)을 집광하는 대물렌즈(320)가 뉴런(S) 고정 장치(120)의 레이저빔 집속부로서 이용되는 경우, 뉴런(S) 고정 장치(120)의 레이저빔 조사부(310)로부터 조사된 레이저빔(LB)은 대물렌즈(320)로 안내하는 한편 시료의 상을 형성하기 위한 가시광선(IL)의 경로를 방해하지 않는다.
종래에는 유기체 또는 생체 물질의 나노 구조를 관찰하기 위해서는 광학현미경이 아닌 전자현미경을 사용하여야 하나, 전자현미경의 경우 진공챔버에 수용되고 전자빔이 주사되는 것에 의해 유기체나 생체 물질이 죽어버리게 되어 이들을 살아있는 상태로 관찰하는 것이 불가능하다. 또한, 종래의 STROM, PALM 등의 현미경을 통해 살아있는 상태의 유기체나 생체 물질을 관찰하는 것이 가능은 하지만, 이러한 장치들은 수천장에서 수만장의 정적인 이미지를 획득한 후 이들을 하나로 편집한 영상을 제공하는 방식인바, 살아있는 생명체의 움직임을 실시간으로 관찰하는 것은 어렵다. 이와는 달리, 본 실시예에 따른 현미경 장치(10)에서는 진공챔버가 필요 없고, 뉴런(S)과 같은 유기체 또는 생체 물질에 자외선이나 적외선보다 에너지가 낮은 가시광선(IL)이 조사되기 때문에 유기체 또는 생체 물질을 살아 움직이는 상태로 관찰이 가능하다. 또한 시료의 영상이 실시간으로 획득되며 동영상으로서 얻어질 수도 있다. 그 결과, 움직이는 유기체 또는 생체 물질(S)의 영상을 더욱 효율적인 관찰이 가능해진다.
결국, 본 실시예의 현미경 장치(10)를 이용하면 뉴런(S)과 같은 서브 회절한계 크기의 유기체 또는 생체 물질을 초고해상도로 영상화 하는 것이 가능하고, 동시에, 이를 살아있는 생명체의 상태로 관찰할 수 있다. 즉, 서브 회절한계 크기의 유기체 또는 생체 물질의 나노구조와 움직임에 대한 초고해상도 영상을 실시간으로 획득할 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 초고해상도의 실시간 영상이 비교적 간단한 구성의 현미경 장치(10)를 이용하여 획득될 수 있다. 특히, 편광되거나 필터링 되지 않은 자연 그대로의 가시광선(IL)을 이용하여 서브 회절한계 크기의 유기체나 생체 물질을 관찰할 수 있으므로, 사용자의 편의성과 사용성이 향상될 수 있다.
또한, 상술된 뉴런(S) 고정 장치(120)에서는 단지 유전체 비드(330)를 뉴런(S)에 연결시키고 상기 유전체 비드(330)에 포커싱된 레이저빔(LB)을 조사하는 것만으로 뉴런(S)을 하이퍼렌즈(200) 상에서 안정적으로 고정할 수 있다. 이에 따라 뉴런(S)을 하이퍼렌즈(200)에 고정하는 작업이 간단해지고 편리해질 수 있고, 결국 뉴런(S)을 관찰하기 위한 현미경 장치(10)의 사용성이 더욱 증대될 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 상술된 뉴런(S) 고정 장치(120)를 이용하여 하이퍼렌즈(200)에 뉴런(S)을 고정하는 방법의 실시예를 설명한다. 도 4는 일 실시예에 따른 뉴런(S) 고정 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 하이퍼렌즈(200) 상에 뉴런(S)과 하나 이상의 유전체 비드(330)를 제공하고(S410), 뉴런(S)과 유전체 비드(330)를 연결할 수 있다(S420). 상술된 단계에서, 뉴런(S)과 유전체 비드(330)는 하이퍼렌즈(200)의 오목한 부분 내에 놓여질 수 있다. 또한, 뉴런(S)과 유전체 비드(330)를 연결하기 위해, 뉴런(S)과 유전체 비드(330) 중 적어도 하나에 화학표면처리를 수행할 수 있다. 유전체 비드(330)와 뉴런(S)을 하이퍼렌즈(200) 상에 제공하는 단계와 유전체 비드(330)와 뉴런(S)을 연결하는 단계는 순서에 관계 없이 수행될 수 있다. 예컨대, 도시된 것과는 반대로, 유전체 비드(330)를 뉴런(S)에 먼저 연결한 뒤, 유전체 비드(330)와 뉴런(S)의 결합체를 하이퍼렌즈(200)의 오목한 부분에 놓는 것도 가능하다.
한편, 레이저빔 조사부(310)에서는 레이저빔(LB)을 생성하고 이를 레이저빔 집속부(대물렌즈, 320)로 전달할 수 있다(S430). 본 단계에서, 레이저빔 조사부(310)는 하나의 가우시안 빔을 생성할 수도 있고, 또는 복수의 가우시안 빔을 생성하여 방출할 수도 있다. 상기 가우시안 빔은 적외선으로 이루어질 수 있다.
레이저빔 집속부(320)는 상기 레이저빔(LB)을 집속하여 뉴런(S)을 고정하고자 하는 위치로부터 소정 거리 이격된 위치에 레이저빔(LB)을 조사할 수 있다(S440). 포커싱된 레이저빔(LB)이 특정 위치에 조사됨에 따라, 유전체 비드(330)는 상기 레이저빔(LB)의 초점을 향해 끌려들어가 레이저빔(LB)의 초점으로 구속되고, 상기 유전체 비드(330)와 연결된 뉴런(S)의 위치가 정위치(P) 상에 고정될 수 있다. 여기서, 뉴런(S)을 고정하고자 하는 위치는 하이퍼렌즈(200)의 오목한 부분의 바닥 곡면의 중심일 수 있으며, 상기 이격된 거리는 뉴런(S)의 크기에 따라 결정될 수 있다. 본 단계에서, 레이저빔 조사부(310)로부터 복수의 레이저빔(LB)이 생성되어 전달된 경우, 레이저빔 집속부(320)는 복수의 레이저빔(LB)을 각각 그에 대응되는 유전체 비드(330)에 포커싱할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 뉴런이 고정된 하이퍼렌즈, 뉴런 고정 장치 및 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10: 현미경 장치 110: 광원부
200: 하이퍼렌즈 210: 렌즈층
212: 유전체층 214: 금속층
220: 기판층 120: 뉴런 고정 장치
310: 레이저빔 조사부 320: 대물렌즈, 레이저빔 집속부
330: 유전체 비드 130: 영상획득부
140: 색선별 미러 S: 뉴런
IL: 가시광선 LB: 레이저빔

Claims (13)

  1. 시료에서 나온 빛 중 소멸파를 이용하여 상기 시료의 상을 형성하는 하이퍼렌즈로서,
    일면 상에 상기 시료로서 뉴런이 놓여지고,
    상기 뉴런에 하나 이상의 유전체 비드가 연결되며,
    상기 일면 상의 정위치로부터 소정 거리 이격된 위치에 집속된 레이저빔이 조사되면 상기 유전체 비드가 상기 레이저빔의 초점으로 구속되는 것에 의해 상기 뉴런이 상기 정위치에 고정되고,
    상기 유전체 비드는 상기 유전체 비드 및 상기 뉴런 중 적어도 하나에 화학표면처리를 하는 것을 통해 상기 뉴런에 연결되는
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 비드는 폴리스티렌(polystyrene) 또는 유리로 이루어진 것인
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저빔은 하나 이상의 가우시안 빔인
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 뉴런은 살아있는 상태의 뉴런인
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정 거리는 상기 뉴런의 크기와 비례하는
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이퍼렌즈는,
    오목하게 형성된 전면이 상기 일면의 일부를 형성하고, 상기 전면 상에 상기 시료가 놓이는 렌즈층; 및
    상기 렌즈층의 후면을 덮으며 상기 렌즈층을 지지하는 기판층을 포함하는
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 렌즈층은 복수의 유전체층과 복수의 금속층이 서로 번갈아가며 적층되어 오목한 반구(hemisphere)형으로 형성된 것인
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 정위치는 상기 오목한 반구형 곡면의 중심인
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 유전체층은 실리콘(Si)이고, 상기 금속층은 은(Ag)인
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  11. 시료에서 나온 빛 중 소멸파를 이용하여 상기 시료의 상을 형성하는 하이퍼렌즈로서,
    일면 상에 상기 시료로서 뉴런이 놓여지고,
    상기 뉴런에 하나 이상의 유전체 비드가 연결되며,
    상기 일면 상의 정위치로부터 소정 거리 이격된 위치에 집속된 레이저빔이 조사되면 상기 유전체 비드가 상기 레이저빔의 초점으로 구속되는 것에 의해 상기 뉴런이 상기 정위치에 고정되고,
    상기 유전체 비드는 상기 유전체 비드 및 상기 뉴런 중 적어도 하나에 화학표면처리를 하는 것을 통해 상기 뉴런에 연결되고,
    상기 하이퍼렌즈는,
    오목하게 형성된 전면이 상기 일면의 일부를 형성하고, 상기 전면 상에 상기 시료가 놓이는 렌즈층; 및
    상기 렌즈층의 후면을 덮으며 상기 렌즈층을 지지하는 기판층을 포함하고,
    상기 렌즈층은 복수의 유전체층과 복수의 금속층이 서로 번갈아가며 적층되어 오목한 반구(hemisphere)형으로 형성되며,
    상기 유전체층은 실리콘(Si)이고, 상기 금속층은 은(Ag)이고,
    상기 유전체층은, 스퍼터링(sputtering)을 통해 형성되는 비정질 실리콘(amorphous silicon) 박막인
    뉴런이 고정된 하이퍼렌즈.
  12. 하이퍼렌즈의 일면 상에 놓인 뉴런에 연결되는 하나 이상의 유전체 비드;
    레이저빔을 생성하여 방출하는 레이저빔 조사부; 및
    상기 레이저빔 조사부로부터 전달된 상기 레이저빔을 집속하고, 상기 하이퍼렌즈의 일면 상의 상기 뉴런을 고정할 정위치로부터 소정 거리 이격된 위치에 상기 집속된 레이저빔을 조사하는 레이저빔 집속부를 포함하고,
    상기 유전체 비드는 상기 유전체 비드 및 상기 뉴런 중 적어도 하나에 화학표면처리를 하는 것을 통해 상기 뉴런에 연결되는 뉴런 고정 장치.
  13. 하이퍼렌즈의 일면 상에 뉴런과 하나 이상의 유전체 비드를 제공하는 단계;
    상기 뉴런과 상기 하나 이상의 유전체 비드를 연결하는 단계;
    레이저빔을 생성하는 단계; 및
    상기 레이저빔을 집속하여 상기 하이퍼렌즈의 일면 상의 상기 뉴런을 고정할 정위치로부터 소정 거리 이격된 위치에 상기 집속된 레이저빔을 조사하는 단계를 포함하고,
    상기 유전체 비드는 상기 유전체 비드 및 상기 뉴런 중 적어도 하나에 화학표면처리를 하는 것을 통해 상기 뉴런에 연결되는 하이퍼렌즈에 뉴런을 고정하는 방법.
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