KR101814425B1 - 초고분해능 렌즈 및 이를 포함하는 현미경 장치 - Google Patents

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Abstract

회절한계보다 작은 크기의 관찰대상을 보다 실용적으로 간편하게 관찰하는 것을 가능하게 하는 초고분해능 렌즈 및 이를 포함하는 현미경 장치가 개시된다.
상기 초고분해능 렌즈는 일면 상에 놓인 관찰대상에서 나온 빛 중 소멸파를 이용하여 상기 관찰대상의 상을 형성하고, 상기 관찰대상의 상을 확대할 수 있는 하이퍼렌즈층; 및 상기 하이퍼렌즈층의 타면을 덮으며 상기 하이퍼렌즈층을 지지하는 기판을 포함하되, 적어도 상기 관찰대상이 놓여질 때, 상기 하이퍼렌즈층의 상기 일면은 평면을 형성할 수 있다.

Description

초고분해능 렌즈 및 이를 포함하는 현미경 장치{SUPER-RESOLUTION LENS AND MICROSCOPIC APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 초고분해능 렌즈 및 이를 포함하는 현미경 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회절한계보다 작은 크기의 관찰대상을 보다 실용적으로 간편하게 관찰하는 것을 가능하게 하는 초고분해능 렌즈 및 이를 포함하는 현미경 장치에 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.
종래의 하이퍼렌즈는, 물체의 상을 확대시킬 수 있도록, 그 전면이 오목하게 형성된다. 이 때, 관찰 대상 물체의 상을 확대하기 위해서는 관찰 대상 물체가 하이퍼렌즈의 오목한 부분에 정확히 놓여져야 한다. 그런데, 상기와 같은 하이퍼렌즈는 수 마이크로미터 직경의 크기로 제작되는바, 하이퍼렌즈의 오목한 부분에 관찰 대상 물체를 정확히 가져다 놓는 것이 어렵다. 이에 따라, 종래에는 하이퍼렌즈의 실용성과 편리함이 저하되는 문제가 있었다.
특허문헌 1: 공개특허공보 제10-2011-0060404호 (2011년 6월 8일 공개)
본 발명의 실시예들은 하이퍼렌즈를 이용한 초고분해능 렌즈 및 현미경 장치로서, 마이크로미터 직경의 작은 영역에 관찰 대상 물체를 정확하게 가져다 놓아야 하는 어려움과 번거로움을 개선함으로써 실용성 및 편리함이 향상된 초고분해능 렌즈 및 이를 포함하는 현미경 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 초고분해능 렌즈는 일면 상에 놓인 관찰대상에서 나온 빛 중 소멸파를 이용하여 상기 관찰대상의 상을 형성하고, 상기 관찰대상의 상을 확대할 수 있는 하이퍼렌즈층; 및 상기 하이퍼렌즈층의 타면을 덮으며 상기 하이퍼렌즈층을 지지하는 기판을 포함하되, 적어도 상기 관찰대상이 놓여질 때, 상기 하이퍼렌즈층의 상기 일면은 평면을 형성하는 초고분해능 렌즈가 제공될 수 있다.
본 측면에서, 상기 하이퍼렌즈층은, 일측 외표면이 상기 일면을 이루는 평판 형상의 보조렌즈층; 및 외표면의 적어도 일부가 오목하게 형성되고, 상기 오목한 부분이 상기 보조렌즈층을 향하도록 상기 보조렌즈층의 타측에 적층되는 주렌즈층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 오목한 부분은 반구(hemisphere)형을 이룰 수 있다.
또한, 상기 보조렌즈층 및 상기 주렌즈층은, 각각 복수의 유전체층과 복수의 금속층이 서로 번갈아가며 적층되어 형성된 것일 수 있다.
또한, 상기 유전체층은 티타늄옥사이드이고, 상기 금속층은 은(Ag)일 수 있다.
또한, 상기 유전체층은 실리콘(Si)이고, 상기 금속층은 은(Ag)일 수 있다.
또한, 상기 보조렌즈층의 유전체층은 상기 주렌즈층의 유전체층과 상이한 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 금속층은 은(Ag)이고, 상기 보조렌즈층의 유전체층은 티타늄옥사이드이고, 상기 주렌즈층의 유전체층은 실리콘(Si)을 포함하는 물질일 수 있다.
또한, 상기 주렌즈층의 유전체층은 비정질 실리콘(amorphous silicon) 박막일 수 있다.
또한, 상기 보조렌즈층의 유전체층과 금속층의 개수는 상기 주렌즈층의 유전체층과 금속층의 개수와 상이할 수 있다.
또한, 상기 보조렌즈층은 6개의 유전체층과 7개의 금속층이 교대로 적층된 것이고, 상기 주렌즈층은 9개의 유전체층과 9개의 금속층이 교대로 적층된 것일 수 있다.
또한, 상기 보조렌즈층의 금속층은 30 nm, 33 nm 및 66 nm 중 어느 하나의 두께를 갖고, 상기 보조렌즈층의 유전체층은 28 nm의 두께를 가지며, 상기 주렌즈층의 유전체층과 금속층은 각각 15 nm의 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 주렌즈층은 복수의 유전체층과 복수의 금속층이 서로 번갈아가며 적층되어 형성된 것이고, 상기 보조렌즈층은 은(Ag)으로 이루어진 금속층일 수 있다.
또한, 상기 주렌즈층의 유전체층 및 금속층은 각각 15 nm의 두께를 갖고, 상기 보조렌즈층은 50 nm의 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 하이퍼렌즈층은 일측 외표면이 상기 일면을 이루도록 편평한 형태로 상기 기판에 적층되는 주렌즈층으로 이루어지며, 상기 기판은 플렉서블(flexible)하고, 상기 관찰대상이 상기 일면 상에 놓인 후 상기 하이퍼렌즈층의 상기 일면이 오목한 곡면이 되도록 휘어져 휘어진 상태로 고정될 수 있다.
또한, 상기 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 폴리이미드(polyimide) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 기판의 상기 하이퍼렌즈층과 접촉되는 표면에는 요철이 형성될 수 있다.
또한, 상기 주렌즈층은 복수의 유전체층과 복수의 금속층이 서로 번갈아가며 적층되어 형성된 것이고, 상기 유전체층은 실리콘(Si) 박막이고, 상기 금속층은 은(Ag)일 수 있다.
또한, 상기 유전체층 및 상기 금속층은 각각 15 nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 가시광선을 조사하는 광원부; 일면 상에 관찰대상이 놓이고, 상기 광원으로부터 조사된 광이 상기 일면에 입사되는 초고분해능 렌즈; 및 상기 초고분해능 렌즈의 타면으로부터 방출되는 광을 집광하는 대물렌즈를 포함하되, 상기 초고분해능 렌즈는, 상기 관찰대상에서 나온 빛 중 소멸파를 이용하여 상기 관찰대상의 상을 형성하고, 상기 관찰대상의 상을 확대할 수 있는 하이퍼렌즈층; 및 상기 하이퍼렌즈층의 타면을 덮으며 상기 하이퍼렌즈층을 지지하는 기판을 포함하고, 적어도 상기 관찰대상이 놓여질 때, 상기 하이퍼렌즈층의 상기 일면은 평면을 형성하는 현미경 장치가 제공될 수 있다.
본 측면에서, 상기 하이퍼렌즈층은, 일측 외표면이 상기 일면을 이루는 평판 형상의 보조렌즈층; 및 외표면의 적어도 일부가 오목하게 형성되고, 상기 오목한 부분이 상기 보조렌즈층을 향하도록 상기 보조렌즈층의 타측에 적층되는 주렌즈층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 하이퍼렌즈층은 일측 외표면이 상기 일면을 이루도록 편평한 형태로 상기 기판에 적층되는 주렌즈층으로 이루어지며, 상기 기판은 플렉서블(flexible)하고, 상기 관찰대상이 상기 일면 상에 놓인 후 상기 하이퍼렌즈층의 상기 일면이 오목한 곡면이 되도록 휘어져 휘어진 상태로 고정될 수 있다.
또한, 상기 기판을 휘어진 상태로 유지하는 형상변형부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 초고분해능 렌즈 및 이를 포함한 현미경 장치의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 하이퍼렌즈층을 통해 가시광선의 분해능보다 작은 크기의 관찰대상을 가시광선을 이용하여 관찰할 수 있다. 이 때, 하이퍼렌즈층에서 관찰대상이 놓아지는 표면을 곡면이 아닌 평면으로 형성함으로써 렌즈 상에서 관찰 대상이 놓일 수 있는 영역을 크게 할 수 있다. 따라서, 초고분해능 렌즈 및 이를 포함한 현미경 이용 시 관찰대상을 렌즈 상에 놓는 작업이 현저히 용이해지고, 결국 실용성과 편리함이 증대될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 현미경 장치에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1의 초고분해능 렌즈의 제1 실시예의 일 예의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 3의 초고분해능 렌즈를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1의 초고분해능 렌즈의 제1 실시예의 다른 예의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 제1 실시예의 초고분해능 렌즈의 제조 방법을 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 1의 초고분해능 렌즈의 제2 실시예의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
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 현미경 장치(10)에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 현미경 장치(10)는 광원부(110), 초고분해능 렌즈(200), 대물렌즈(120) 및 영상획득부(130)를 포함할 수 있다. 더 나아가, 필요에 따라 현미경 장치(10)는 초고분해능 렌즈(200)의 모양을 변경하여 고정할 수 있는 형상변형부(140)를 더 포함할 수 있다.
광원부(110)는 초고분해능 렌즈(200)를 향해 빛을 조사한다. 광원부(110)는 특정한 파장대의 빛을 조사하도록 구성될 수 있다. 일 예로, 광원부(110)는 가시광선을 조사할 수 있으며, 특히 파장이 400 nm 이상 700 nm이하의 대역의 가시광선을 조사할 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.
상기 광원부(110)의 후방에는 초고분해능 렌즈(200)가 제공될 수 있다. 광원부(110)로부터 방출된 빛은 초고분해능 렌즈(200)에 입사될 수 있다. 초고분해능 렌즈(200)는 그 외표면에 현미경 장치(10)의 관찰대상(S)이 놓이는 기판(220)으로서 작용할 수 있으며, 동시에, 상기 관찰대상(S)에 빛이 입사되어 발생한 소멸파(evanescent waves)를 진행파(propagating waves)로 바꾸고 관찰대상(S)의 상을 확대할 수 있다. 이에 따라, 초고분해능 렌즈(200)는 상대적으로 멀리 떨어진 곳에 원거리상을 형성할 수 있다.
구체적으로, 초고분해능 렌즈(200)는 관찰대상(S)에서 발생하는 빛 중 소멸파를 이용하여 관찰대상(S)의 원거리 상을 형성하고 상기 관찰대상(S)의 상을 확대하는 하이퍼렌즈층(210)과, 상기 하이퍼렌즈층(210)을 지지하는 기판(220)을 포함할 수 있다. 하이퍼렌즈층(210)의 일면에는 관찰대상(S)이 놓이며, 반대측 면은 기판(220)에 의해 덮일 수 있다. 하이퍼렌즈층(210)은 소멸파 성분을 증폭시켜 진행파로 변경하여 관찰대상(S)의 상을 만드는 동시에 관찰대상(S)의 상을 확대하는 주렌즈층(211)을 포함할 수 있다.
주렌즈층(211)은 비등방성 메타물질로 이루어짐으로써 빛의 소멸파 성분을 진행파로 변경할 수 있는 한편, 전면이 오목하게 형성됨으로써 상을 확대할 수 있는 층이다. 구체적으로, 주렌즈층(211)은 비등방성 메타물질은 반지름 방향의 유효 유전율(εr)과 접선 방향의 유효 유전율(εθ)이 서로 다르게 형성되는 물질로서, 특히, 반지름 방향의 유효 유전율(εr)과 접선 방향의 유효 유전율(εθ)이 서로 반대 부호가 되는 물질로 이루어지고, 전면의 오목한 부분을 중심으로 하는 환형 단면의 형상으로 만들어질 수 있다. 주렌즈층(211)의 오목한 부분을 통해 입사된 빛 중 소멸파는 주렌즈층(211)을 통과하면서 방사형으로 확대되면서 증폭되고, 주렌즈층(211)을 통과하면서 진행파로 바뀐 소멸파 성분은 주렌즈층(211)의 후면을 통해 공기 중으로 나와 관찰대상(S)과 멀리 떨어진 곳에 관찰대상(S)의 확대된 상을 형성할 수 있다. 상기와 같은 주렌즈층(211)의 작용으로 인해, 현미경 장치(10)에서 이용되는 빛의 회절한계보다 작은 크기의 관찰대상(S)이 관찰 가능해질 수 있다. 이를 위해, 관찰대상(S)은 주렌즈층(211) 전면의 오목한 부분 내에 주렌즈층(211)의 표면과 밀착된 상태로 놓일 수 있다.
필요에 따라, 하이퍼렌즈층(210)은 주렌즈층(211)으로 소멸파 성분을 전달하는 보조렌즈층(212)을 더 포함할 수 있다. 보조렌즈층(212)은 주렌즈층(211)의 전면 상에 제공될 수 있으며, 이 경우 관찰대상(S)은 보조렌즈층(212)의 전면의 표면에 놓일 수 있다. 보조렌즈층(212)은 그것의 전면을 통해 입사된 소멸파 성분을 내부적으로 전달하여 후면으로 내보낼 수 있으며, 후면으로부터 내보내진 소멸파 성분은 주렌즈층(211)의 전면으로 입사되어 진행파로 변경될 수 있다. 이 때, 보조렌즈층(212)의 후면에서 내보내진 소멸파 성분은 주렌즈층(211)의 전면 중에서 오목하게 형성된 부분을 통해 입사될 수 있다.
본 실시예에서는, 적어도 하이퍼렌즈층(210)의 일면에 관찰대상(S)이 놓여질 때, 하이퍼렌즈층(210)에서 관찰대상이 놓이는 표면(FS)은 평면을 형성할 수 있다. 즉, 하이퍼렌즈층(210)에서 관찰대상이 놓이는 표면(FS)은, 관찰대상(S)이 놓여지기 전이나 놓여진 후에 어떤 형상으로 유지되는지 불문하고, 적어도 그 표면에 관찰대상(S)이 놓여지는 시점에는 평면 형상으로 이루질 수 있다. 일례에 따르면, 하이퍼렌즈층(210)은 관찰대상(S)이 놓여지는 시점에는 평판 모양으로 형성되고, 그 일면에 관찰대상(S)이 놓여진 후 주렌즈층(211)의 전면이 오목하게 되는 형상으로 변형될 수 있다. 다른 예에 따르면, 별도의 형상 변형을 수반하지 않아도 되도록, 하이퍼렌즈층(210)은 그 내부에 전면이 오목하게 형성된 주렌즈층(211)을 포함하되 전면 표면은 평면 형상으로 만들어지게 구성될 수 있다. 본 실시예와 같이 하이퍼렌즈층(210)에서 관찰대상이 놓이는 표면(FS)이 평면으로 형성되는 경우, 관찰대상(S)이 주렌즈층(211) 전면의 오목한 부분 내에 직접 놓일 필요가 없다.
여기서, 하이퍼렌즈층(210)에서 관찰대상이 놓이는 표면(FS)은 주렌즈층(211)의 전면 또는 보조렌즈층(212)의 전면일 수 있다. 하이퍼렌즈층(210)의 이러한 구성을 가능하게 하는 구체적인 실시예들에 대해서는 후술하도록 한다.
초고분해능 렌즈(200)의 후방에는 대물렌즈(120)가 제공될 수 있다. 대물렌즈(120)는 광원부(110)로부터 조사되어 초고분해능 렌즈(200)를 통과한 빛을 영상획득부(130)에 입사하게 할 수 있다. 일례에 따르면, 대물렌즈(120)와 초고분해능 렌즈(200) 사이에는 유침 오일(immersion oil)이 제공될 수 있으며, 대물렌즈(120)는 유침 오일과 접하도록 위치할 수 있다. 유침 오일은 대물렌즈(120)와 하이퍼렌즈 사이의 굴절율을 매칭시킬 수 있다. 또한, 대물렌즈(120)는 x100의 개구수를 가질 수 있다.
영상획득부(130)는 대물렌즈(120)의 후방에 제공되어 대물렌즈(120)를 통과하여 입사된 빛으로부터 관찰대상(S)의 상을 영상화할 수 있다. 즉, 영상획득부(130)는 대물렌즈(120)를 통해 하이퍼렌즈에 의해 형성된 관찰대상(S)의 확대된 원거리 상을 입력받고, 이를 기초로 관찰대상(S)의 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 관찰대상(S)의 상을 영상화할 수 있다.
종래에는 가시광선의 회절한계보다 작은 크기의 물체를 관찰하기 위해서는 광학현미경이 아닌 전자현미경을 사용하여야 하나, 전자현미경의 경우 진공챔버에 수용되고 전자빔을 주사하여야 하므로 비싸고 이용이 불편하여 실용적이지 못하다. 본 실시예에 따르면, 전자빔이 아닌 가시광선을 이용하여, 하이퍼렌즈층(210)을 포함한 초고분해능 렌즈(200)를 통해 가시광선의 회절한계보다 작은 크기의 관찰대상(S)을 효과적으로 관찰할 수 있게 하는 광학현미경을 제공할 수 있다.
더 나아가, 본 실시예에서는 초고분해능 렌즈(200)에서 관찰대상이 놓이는 표면(FS)이 평면으로 형성된다. 이에 따라, 현미경 장치(10)에서 관찰하고자 하는 물체를 초고분해능 렌즈(200) 상에 놓는 작업이 현저하게 수월해질 수 있다. 종래와 같이 수 마이크로미터 직경의 특정 영역(오목한 부분) 내에 정확하게 관찰대상(S)을 놓을 필요가 없기 때문이다. 이에 따라, 초고분해능 렌즈(200)와 이를 포함하는 현미경 장치(10)의 실용성과 편리함이 더욱 향상될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 현미경 장치(10)는 형상변형부(140)를 더 포함할 수 있다. 형상 형상변형부(140)는 초고분해능 렌즈(200)의 형상을 변형시키고, 초고분해능 렌즈(200)를 변형된 상태로 고정하도록 기능할 수 있다.
구체적으로, 형상변형부(140)는 초고분해능 렌즈(200)를 구부러뜨리거나 휘게하는 장치일 수 있다. 이 경우, 초고분해능 렌즈(200)는 그 형상이 변형될 수 있게 구성된다. 예컨대, 초고분해능 렌즈(200)의 기판(220)이 플렉서블(flexible)하게 형성될 수 있다. 일례에 따르면, 형상변형부(140)는 후술되는 도 6b에 도시된 바와 같이 초고분해능 렌즈(200)의 양측 단부를 서로 가까워지게 밀 수 있게 구성된 장치일 수 있다. 이 경우, 초고분해능 렌즈(200)는 양측 단부가 안쪽으로 밀리는 것에 의해 구부러져 초고분해능 렌즈(200)에는 오목한 부분이 형성될 수 있다. 또는, 형상변형부(140)는 후술되는 도 6c에 도시된 바와 같이 초고분해능 렌즈(200)의 양측 단부를 파지하고 서로 마주보게 회전시켜 초고분해능 렌즈(200)를 오목한 형태로 변형시킬 수 있게 구성된 장치일 수 있다. 이 밖에도, 초고분해능 렌즈(200)의 형상을 변형시키고 그 상태를 유지할 수 있는 장치라면 무엇이든 형상변형부(140)로서 작용할 수 있다.
형상변형부(140)는 관찰대상(S)이 초고분해능 렌즈(200)의 일면 상에 놓여진 후에 초고분해능 렌즈(200)의 형상을 변형시킨다. 즉, 관찰대상(S)이 놓여지기 전에는 초고분해능 렌즈(200)가 편평한 판형으로 유지됨으로써 관찰대상(S)이 놓여질 외표면이 평면으로 제공될 수 있다. 이러한 초고분해능 렌즈(200)의 외표면에 관찰대상(S)이 놓여지면, 형상변형부(140)가 동작하여 초고분해능 렌즈(200)를 구부러트리거나 휘게 하여 관찰대상(S)이 놓인 부분을 오목하게 만들 수 있다. 형상변형부(140)가 동작함에 따라, 초고분해능 렌즈(200)는 전면이 오목한 형태가 되고, 동시에 관찰대상(S)이 저절로 오목한 부분의 내부에 위치하게 되는바, 초고분해능 렌즈(200)가 관찰대상(S)의 상을 확대할 수 있게 된다.
형상변형부(140)는 상기와 같이 초고분해능 렌즈(200)의 형상을 변형시킨 후, 현미경 장치(10)를 통해 관찰대상(S)이 관찰되는 동안 초고분해능 렌즈(200)를 변형된 형태로 유지시킬 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 6c를 참조하여 상술된 초고분해능 렌즈(200)의 여러 실시예(200a~200c)를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 초고분해능 렌즈의 제1 실시예의 일 예(200a)의 단면도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 도 3의 초고분해능 렌즈(200a)를 나타낸 사시도이다. 또한, 도 4는 도 1의 초고분해능 렌즈의 제1 실시예의 다른 예(200b)의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 실시예에 따른 초고분해능 렌즈(200a, 200b)의 하이퍼렌즈층(210)은 평판 형상으로 형성된 보조렌즈층(212)과, 전면의 적어도 일부가 오목하게 형성된 주렌즈층(211)을 포함할 수 있다. 이 경우, 보조렌즈층(212)의 일측 외표면, 즉 전면은 관찰대상이 놓이는 표면(FS)이 될 수 있고, 보조렌즈층(212)은 그것의 전면 상에 놓여진 관찰대상(S)으로부터 산란된 빛 중 소멸파를 주렌즈층(211)에 전달하도록 구성된다. 주렌즈층(211)은 전면의 오목한 부분이 보조렌즈층(212)을 향하도록 보조렌즈층(212)의 후면에 적층되며, 보조렌즈층(212)으로부터 전달받은 소멸파 성분을 증폭시켜 진행파로 변경하는 한편 상기 오목하게 형성된 부분을 통해 관찰대상(S)의 상을 확대하여 관찰대상(S)의 원거리 상을 만든다. 이를 위해, 보조렌즈층(212)의 후면에서 나온 소멸파는 주렌즈층(211)의 상기 오목한 부분에 입사될 수 있다.
구체적으로, 주렌즈층(211)은 복수의 유전체층(211d)과 복수의 금속층(211m)이 교대로 적층된 구조를 통해 비등방성 메타물질을 형성할 수 있다. 특히, 주렌즈층(211)은 서로 적층되는 유전체층(211d)의 유전율과 금속층(211m)의 유전율을 반지름 방향의 유효 유전율(εr)과 접선 방향의 유효 유전율(εθ)이 서로 반대 부호가 되도록 설정함으로써 비등방성 메타물질을 형성할 수 있다. 순차적으로 번갈아가며 적층된 유전체층(211d)들과 금속층(211m)들의 두께가 이에 입사되는 빛의 파장보다 훨씬 작은 경우, 예컨대 파장의 수분의 일에 불과한 경우, 파동의 일반적인 성질에 의해 빛은 유전체층(211d)들과 금속층(211m)들 전체를 균일한 성질을 가진 하나의 물질로 인식하며, 하나의 유효 유전율 특성을 나타내기 때문이다.
일 실시예에 따르면, 주렌즈층(211)은 400~700 nm 파장대의 빛, 즉 가시광선에 대하여 비등방성 메타물질을 형성할 수 있다. 이에 따라, 가시광선에 기인하여 발생된 소멸파가 주렌즈층(211)으로 입사되면 감쇄되지 않고 진행파로 바뀔 수 있다.
일 예로, 주렌즈층(211)의 유전체층(211d)은 티타늄옥사이드(Ti3O5)이고, 주렌즈층(211)의 금속층(211m)은 은(Ag)일 수 있다. 이 때, 주렌즈층(211)의 유전체층(211d)과 금속층(211m)은 각각 15 nm 내지 30 nm의 두께를 가질 수 있으며, 동일한 개수의 유전체층(211d)과 금속층(211m)이 서로 번갈아가며 적층될 수 있다. 일 예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 9개의 유전체층(211d)과 9개의 금속층(211m)이 서로 번갈아가며 적층되어 주렌즈층(211)을 형성할 수 있다. 이 경우, 광원부(110)로부터 조사되는 가시광선의 파장은 바람직하게는 400~500 nm의 길이를 가질 수 있다. 더 바람직하게는, 광원부(110)로부터는 410 nm 파장의 가시광선이 조사될 수 있다.
다른 예로, 주렌즈층(211)의 유전체층(211d)은 실리콘(Si)을 포함한 물질로 이루어지고, 주렌즈층(211)의 금속층(211m)은 은(Ag)일 수 있다. 예컨대, 주렌즈층(211)의 유전체층(211d)은 스퍼터링(sputtering)을 통해 형성되는 무결정 혹은 비정질 실리콘(amorphous silicon) 박막일 수 있다. 이 경우에도, 유전체층(211d)과 금속층(211m)은 각각 15 nm 내지 30 nm의 두께를 가질 수 있으며, 각각 9개 이상의 층이 서로 번갈아가면서 적층되어 주렌즈층(211)을 형성할 수 있다. 본 예에 따라 주렌즈층(211)이 형성되는 경우, 바람직하게는 광원부(110)로부터 500~650 nm 파장의 가시광선이 조사될 수 있다.
본 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 주렌즈층(211)은 주렌즈층(211)의 유전체층(211d)들과 주렌즈층(211)의 금속층(211m)들이 적층되어 오목한 반구(hemispherical)형의 형태를 형성한 것일 수 있다. 이 경우, 광원부(110)로부터 편광되지 않은 일반 광이 조사되면, 주렌즈층(211)의 오목한 부분이 반원통형으로 형성된 경우와는 달리 2차원의 원거리상이 형성될 수 있다. 즉, 주렌즈층(211)은 소멸파의 x방향 성분뿐만 아니라 y방향의 성분도 동시에 증폭하여 확대시킬 수 있으며, 이에 따라 주렌즈층(211)의 후방에는 관찰대상(S)의 2차원 형상이 반영된 원거리상이 만들어질 수 있다.
여기서, 상기 오목한 부분을 형성하는 반구의 지름은 100 nm인 것이 바람직하나, 상기 오목한 부분의 크기가 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반구의 지름이 이보다 큰 경우, 보조렌즈층(212)의 후면에서 방출된 소멸파가 오목한 부분에 의해 형성된 빈 공간을 지나면서 주렌즈층(211)에 입사되기 전에 소실될 가능성이 있다. 따라서, 반구의 지름이 이보다 큰 경우, 후술되는 바와 같이 상기 오목한 부분 내에 지지부재(230)가 삽입되어 이용되거나, 또는 빈 공간 내에서 소멸파를 전달하는 중간자 역할을 할 수 있는 인자가 상기 오목한 부분의 표면에 함께 증착될 수 있다.
한편, 보조렌즈층(212)은 가시광선에 기인하여 발생된 소멸파를 그 크기의 감쇄 없이 주렌즈층(211)으로 전달하는 층으로서, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 주렌즈층(211)과는 달리 그 표면이 편평하게 형성될 수 있다. 이 때, 보조렌즈층(212)은 주렌즈층(211)의 오목한 부분을 덮도록 주렌즈층(211)의 전면에 적층될 수 있다. 상기의 보조렌즈층(212)은 주렌즈층(211)과 동일한 적층구조를 가질 수도 있고, 또는 상이한 적층구조를 가질 수도 있다.
이 때, 보조렌즈층(212)의 전면에는 관찰대상(S)이 밀착되게 놓일 수 있으며, 주렌즈층(211)은 상기 관찰대상(S)에서 나온 빛이 보조렌즈층(212)을 통과한 뒤 주렌즈층(211)의 상기 오목한 부분에 입사되게 구성될 수 있다. 주렌즈층(211)의 전면에는 오목한 부분이 복수개 제공될 수 있다. 이 때, 상기 복수의 오목한 부분은 격자형으로 배치되어 어레이를 형성할 수 있다. 이 경우 보조렌즈층(212)의 전면 어디에 관찰대상(S)이 놓이더라도 그 후방에는 복수의 오목한 부분 중 어느 하나가 위치할 수 있고, 결국 관찰대상(S)에서 나온 빛이 오목한 부분들 중 어느 하나에 입사될 수 있다.
일례에 따르면, 복수의 오목한 부분 중 서로 인접한 두 개의 오목한 부분 사이의 거리는 상기 오목한 부분이 형성하는 반구의 직경과 실질적으로 동일할 수 있다. 이 경우 주렌즈층(211)에 형성된 복수의 오목한 부분은 촘촘한 엠보싱 구조를 이루고, 보조렌즈층(212)의 전면에 놓인 관찰대상(S)의 위치에 관계 없이 관찰대상(S)에서 나온 빛이 어느 하나의 오목한 부분의 중심 가까이에 입사될 확률이 더 커질 수 있다. 이에 따라, 초고분해능 렌즈의 성능이 더욱 향상될 수 있다.
주렌즈층(211)의 전면에 적층되는 보조렌즈층(212)이 평판 형태로 형성되므로, 하이퍼렌즈층(210)에서 관찰대상이 놓이는 표면(FS)이 평면을 형성할 수 있다. 이는 관찰대상(S)이 상기 표면에 놓일 때뿐만 아니라, 관찰대상(S)이 놓이기 전이나 후에도 항상 유지되는 것이다. 이에 따라, 사용자가 초고분해능 렌즈를 이용하여 가시광선의 회절한계보다 작은 크기의 물체를 관찰하고자 하는 경우에도, 관찰대상(S)을 수 마이크로미터 직경의 오목한 부분에 정확히 놓을 필요가 없다. 사용자가 관찰대상(S)을 편평한 보조렌즈층(212)의 표면에 놓는 것 만으로 하이퍼렌즈층(210)은 관찰대상(S)의 확대된 상을 만들 수 있다. 따라서, 초고분해능 렌즈와 이를 포함한 현미경 장치(10)의 실용성과 편리함이 향상될 수 있다.
구체적으로, 일 실시예에 따르면, 보조렌즈층(212)은 가시광선에 대해 표면 플라즈몬(surface plasmon) 현상을 일으키는 메타물질을 형성할 수 있다. 도 2 및 도 4에는 각각 서로 다른 구성을 통해 상기와 같은 메타물질을 형성하는 보조렌즈층(212)을 포함하는 하이퍼렌즈층(210)들이 도시되었다.
도 2 및 도 3에 도시된 예에 따르면, 하이퍼렌즈층(210)은 복수의 유전체층(212d)과 복수의 금속층(212m)을 교대로 적층하여 형성된 보조렌즈층(212)을 포함할 수 있다. 이 때, 보조렌즈층(212)의 유전체층(212d)은 티타늄옥사이드이고, 보조렌즈층(212)의 금속층(212m)은 은(Ag)일 수 있다. 이 때, 보조렌즈층(212)의 금속층(212m)은 30 nm, 33 nm 및 66 nm 중 어느 하나의 두께를 갖고, 유전체층(212d)은 28 nm의 두께를 가질 수 있다. 예컨대, 보조렌즈층(212)은 33 nm의 금속층(212m), 28 nm의 유전체층(212d), 30 nm의 금속층(212m), 28 nm의 유전체층(212d) 및 33 nm의 금속층(212m)이 순차적으로 적층된 구조가 3회 반복 적층된 것일 수 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 6개의 유전체층(212d)과 7개의 금속층(212m)이 교대로 적층된 구조가 형성되며, 이 때 유전체층(212d)은 33 nm의 두께(t1), 30nm의 두께(t2) 또는 두 개의 33 nm의 금속층(212m)이 적층되어 형성된 66 nm의 두께(t3)를 가질 수 있다.
또는, 도 4에 도시된 예에 따르면, 하이퍼렌즈층(210)은 단일의 금속층(212m)으로 이루어진 보조렌즈층(212)을 포함할 수 있다. 이 경우, 보조렌즈층(212)을 이루는 금속층(212m)의 두께(t4)는 50 nm일 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나, 다른 실시예에 따르면, 보조렌즈층(212)은 주렌즈층(211)과 유사하게 가시광선에 대해 비등방성 메타물질을 형성하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 보조렌즈층(212)은 가시광선에 기인하여 발생한 소멸파를 증폭하고 진행파로 변경하여 내보낼 수 있고, 주렌즈층(211)에는 진행파가 입사될 수 있다. 주렌즈층(211)은 상기의 진행파의 진행 방향을 변경하여 관찰대상(S)의 상을 확대시킬 수 있다. 본 실시예에서, 일례에 따르면 보조렌즈층(212)의 유전체층은 티타늄옥사이드이고 금속층은 은(Ag)일 수 있다. 여기서, 각각 15 nm의 두께를 갖는 9개의 유전체층들과 9개의 금속층들이 교대로 적층되어 보조렌즈층(212)을 형성할 수 있다. 다른 예에 따르면, 보조렌즈층(212)의 유전체층은 티타늄옥사이드 대신 실리콘(Si) 박막으로 이루어지는 것도 가능하다. 보조렌즈층(212)이 상술된 예들과 같이 구성되는 경우, 바람직하게는 주렌즈층(211)의 유전체층 또한 보조렌즈층(212)의 유전체층과 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 하이퍼렌즈층(210)은 기판(220)에 의해 지지될 수 있다. 상술된 실시예들에서 이용되는 기판(220)은 광학적 특성이 우수한 석영(quartz), 유리 등의 재질로 이루어질 수 있고, 이들 재료를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이 중에서, 특히 불순물이 거의 없는 석영 기판(220)을 사용함으로써 주렌즈층(211)의 형성을 용이하게 할 수 있다. 기판(220)은 투명하게 형성됨으로써 하이퍼렌즈층(210)을 통과한 빛을 감쇄 없이 외부로 방출할 수 있다. 여기서, 투명이라 함은 광투과율이 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상인 것을 의미할 수 있다.
한편, 제1 실시예의 초고분해능 렌즈(200a, 200b)의 하이퍼렌즈층(210)은 주렌즈층(211)의 오목한 부분에 삽입된 지지부재(230)를 더 포함할 수 있다. 지지부재(230)는 주렌즈층(211)의 오목한 부분과 상응하는 형상과 크기로 만들어질 수 있다. 예컨대, 상기 오목한 부분이 반구형으로 형성된 경우, 지지부재(230) 또한 상기 오목한 부분과 실질적으로 같은 크기의 직경을 갖는 반구형 부재일 수 있다. 이와 같은 지지부재(230)가 주렌즈층(211)의 오목한 부분에 삽입되었을 때, 지지부재(230)의 외표면은 주렌즈층(211)의 전면 또는 기판(220)의 표면과 동일한 평면을 이룰 수 있다.
지지부재(230)의 외표면은 주렌즈층(211)의 전면에 적층된 보조렌즈층(212)의 후면과 접촉되어 보조렌즈층(212)을 지지할 수 있다. 즉, 지지부재(230)가 주렌즈층(211)의 오목한 부분에 삽입되어 보조렌즈층(212)을 지지함으로써, 주렌즈층(211)의 전면에 오목한 부분이 형성됨에도 불구하고 보조렌즈층(212)이 평면으로 형성될 수 있다. 지지부재(230)가 제공됨으로써, 보조렌즈층(212)과 주렌즈층(211)의 적층 구조가 더욱 안정적으로 형성될 수 있다.
더 나아가, 지지부재(230)는 주렌즈층(211) 전면의 오목한 부분을 채워 보조렌즈층(212)의 후면에서 방출된 소멸파를 주렌즈층(211)의 오목한 부분의 표면까지 전달할 수 있다. 지지부재(230)가 없이 오목한 부분이 빈 공간으로 이루어지는 경우, 오목한 부분 내부의 빈 공간의 크기가 수백 나노미터 이상으로 크다면 보조렌즈층(212)의 후면에서 방출된 소멸파가 주렌즈층(211)에 입사되기 전에 소실될 수 있다. 지지부재(230)는 이러한 빈 공간을 채워 소멸파가 감쇄 없이 주렌즈층(211)에 입사될 수 있게 한다.
지지부재(230)는 투명한 재질로 형성됨으로써 보조렌즈층(212)을 통과한 빛을 감쇄 없이 통과시켜 주렌즈층(211)에 전달할 수 있다. 여기서, 투명이라 함은 광투과율이 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상인 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 지지부재(230)는 광투과율이 높은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 또는 폴리이미드(polyimide) 등으로 이루어질 수 있다.
도 5에는 제1 실시예의 초고분해능 렌즈(200a, 200b)의 제조 방법을 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 제1 실시예의 초고분해능 렌즈(200a, 200b)를 제조하기 위해서는 먼저 기판(220) 상에 주렌즈층(211)을 형성할 수 있다. 상기 주렌즈층(211)의 전면에는 오목한 부분이 형성될 수 있으며, 이를 위해 주렌즈층(211)을 형성하기에 앞서 기판(220)의 전면에 주렌즈층(211)의 오목한 부분에 상응하는 형상과 크기의 함몰부를 형성할 수 있다. 상기 함몰부는 나노 임프린팅, 전자빔 밀링 또는 식각 공정 등을 통해 형성될 수 있다. 또한, 주렌즈층(211)은 상기 함몰부의 표면에 밀착되게 복수의 유전체층과 복수의 금속층을 교대로 증착함으로써 형성될 수 있다. 경우에 따라서는 유전체층은 증착 공정 대신 스퍼터링(sputtering) 공정을 통해 형성되는 것도 가능하다.
전면에 오목한 부분을 갖는 주렌즈층(211)을 형성한 뒤, 상기 오목한 부분에 지지부재(230)를 삽입할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 지지부재(230)는 반구형의 형상을 갖는 부재일 수 있다. 지지부재(230)는 상기 반구형 형상의 밑면이 주렌즈층(211)의 전면을 향하도록 배치되고, 상기 밑면이 주렌즈층(211)의 외표면을 형성할 수 있다. 지지부재(230)의 외표면은 주렌즈층(211)의 전면과 동일한 평면을 형성하고, 이는 결국 평판 형상의 보조렌즈층(212)을 형성하기 위한 기초가 될 수 있다.
주렌즈층(211) 전면의 오목한 부분에 지지부재(230)가 삽입된 상태에서, 주렌즈층(211)의 전면상에 보조렌즈층(212)을 형성할 수 있다. 이 때, 보조렌즈층(212)은 지지부재(230)의 외표면을 덮으며 적층될 수 있다. 예컨대, 금속층을 주렌즈층(211)의 전면과 지지부재(230)의 외표면에 증착하는 공정을 통해 보조렌즈층(212)을 형성할 수 있다. 필요에 따라, 보조렌즈층(212)의 유전체층을 더 증착할 수도 있다. 여기서, 보조렌즈층(212)을 구성하는 금속층 및/또는 유전체층은 평면 모양으로 증착되며, 이를 통해 결국 평판 형상의 보조렌즈층(212)이 형성될 수 있다.
보조렌즈층(212)이 주렌즈층(211)과 지지부재(230) 상에 직접 증착됨에 따라, 별도의 접합 공정 없이도 주렌즈층(211)과 보조렌즈층(212)이 서로 견고하게 결합된 구조의 하이퍼렌즈층(210)이 제조될 수 있다. 또한, 지지부재(230)를 삽입하여 주렌즈층(211) 전면의 오목한 부분을 채움으로써, 오목한 부분을 갖는 표면 상에 편평한 형상의 보조렌즈층(212)을 용이하게 형성할 수 있다.
한편, 제1 실시예의 초고분해능 렌즈(200a, 200b)의 제조 방법이 상술된 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상술된 실시예와 달리 분리 가능한 평판 부재 상에 보조렌즈층(212)을 먼저 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 증착 공정을 통해 형성된 보조렌즈층(212)의 표면에 하나 이상의 지지부재(230)를 배치한 뒤, 그 위에 주렌즈층(211)을 적층할 수 있다. 이 때, 지지부재(230)는 그 반구형 형상의 밑면이 보조렌즈층(212)의 표면과 접촉하도록 배치될 수 있다. 주렌즈층(211)이 지지부재(230)의 곡면 위에 밀착되어 적층됨으로써, 주렌즈층(211)의 전면에 지지부재(230)를 감싸는 오목한 부분이 자연적으로 형성될 수 있다. 본 실시예에 따라 초고분해능 렌즈를 제조하는 경우, 주렌즈층(211)의 오목한 부분을 더욱 용이하게 형성할 수 있다. 뿐만 아니라, 보조렌즈층(212) 상에 지지부재(230)를 복수 개 배치하는 경우 주렌즈층(211)에 오목한 부분을 한 번에 여러 개 형성할 수 있어, 초고분해능 렌즈(200a, 200b)의 제조 시 공정 효율이 향상될 수 있다.
또는, 상술된 주렌즈층(211)과 보조렌즈층(212)을 각각 별도로 제조한 후에 접착제 등을 이용하여 접합하는 방법도 이용될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 도 1의 초고분해능 렌즈의 제2 실시예(200c)의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6a를 참조하면, 제2 실시예에 따른 초고분해능 렌즈(200c)의 하이퍼렌즈층(210)은 주렌즈층(211)으로 이루어질 수 있다. 이 때, 주렌즈층(211)은 편평한 형태로 기판(220)에 적층된다. 여기서, 편평한 형태로 적층된다는 것은, 그 외표면에 오목하거나 볼록한 부분이 형성되지 않고 외표면이 평면을 형성한다는 것을 의미할 수 있다. 이 경우 주렌즈층(211)의 일측 외표면, 즉 전면이 관찰대상이 놓이는 표면(FS)이 될 수 있고, 주렌즈층(211)은 그것의 전면 상에 놓여진 관찰대상(S)으로부터 산란된 빛 중 소멸파 성분을 증폭시켜 진행파로 변경할 수 있다. 주렌즈층(211)의 구체적인 구성 및 작용에 대해서는 상술된 내용을 원용하도록 한다.
한편, 본 실시예에서 기판(220)은 플렉서블(flexible)하게 형성된다. 상기 플렉서블한 기판(220)은 아무런 힘도 가해지지 않을 때는 도 6a에 도시된 바와 같이 편평한 형태로 유지되고, 힘이 가해지는 경우 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이 구부러지거나 휘어지도록 구성될 수 있다. 이 경우에도 하이퍼렌즈층(210)을 통과한 빛을 감쇄 없이 외부로 방출할 수 있도록, 기판(220)은 투명하게 형성됨으로써 있다. 즉, 플렉서블한 기판(220)은 광투과율이 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 기판(220)은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 폴리이미드(polyimide) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. PDMS 또는 폴리이미드는 고무와 같이 잘 휘어지면서도 높은 광투과율을 가져 빛의 투과성이 우수하다. 또한, 유리나 석영과 유사한 굴절율을 갖는바, 광학적으로 유리나 석영의 우수한 대체재가 될 수 있다.
본 실시예에서, 플렉서블한 기판(220) 중 하이퍼렌즈층(210)과 접촉되는 표면에는 요철이 형성될 수 있다. 상기와 같은 요철은 PDMS 또는 폴리이미드로 이루어진 기판(220)을 표면처리하여 얻어질 수 있다. 하이퍼렌즈층(210), 즉 주렌즈층(211)은 상기 요철이 형성된 표면 상에 복수의 유전체층(211d)과 복수의 금속층(211m)을 교대로 증착함으로써 형성될 수 있다. 상기 요철을 통해 플렉서블한 기판(220)과 주렌즈층(211)이 견고하게 결합될 수 있으며, 따라서 초고분해능 렌즈(200c)의 내구성이 향상될 수 있다.
플렉서블한 기판(220)이 휘어지거나 구부러지면, 그 일측에 적층된 주렌즈층(211)도 기판(220)의 형상에 상응하게 휘어지거나 구부러진다. 주렌즈층(211)이 특정 형태로 휘어지거나 구부러지면, 주렌즈층(211)의 전면에는 오목한 곡면이 형성될 수 있다. 주렌즈층(211)의 전면에 형성된 오목한 곡면은 주렌즈층(211) 내부에서 전달되는 빛의 방향을 변경하여 관찰대상(S)의 상을 확대시킬 수 있다.
상기 플렉서블한 기판(220)은 관찰대상(S)이 하이퍼렌즈층(주렌즈층, 211)의 표면에 놓이는 시점에는 편평하게 유지되다가, 관찰대상(S)이 주렌즈층(211)의 전면 상에 놓인 후에 휘어질 수 있다. 이 때, 기판(220)은 하이퍼렌즈층(210)에서 관찰대상이 놓이는 표면(FS), 즉 주렌즈층(211)의 전면이 오목한 곡면이 되는 형태로 휘어지거나 구부러질 수 있다. 예컨대, 도 6b에서는 기판(220)의 양측에서 면에 평행한 방향으로 압축하는 힘(화살표 참조)이 가해져 관찰대상이 놓이는 표면(FS)이 오목한 곡면이 되도록 기판(220)이 구부러진 예가 도시되었고, 도 6c에서는 기판(220)을 아래로 볼록하게 휘는 힘(화살표 참조)이 가해져 관찰대상이 놓이는 표면(FS)이 오목하게 되도록 기판(220)이 휘어진 예가 도시되었다. 주렌즈층(211)의 전면이 오목한 곡면으로 변형하면, 그 위에 놓여진 관찰대상(S)이 저절로 주렌즈층(211)의 오목한 부분 내에 위치하게 된다. 기판(220)이 상기와 같이 휘어지거나 구부러진 후, 현미경 장치(10)를 통해 관찰대상(S)이 관찰되는 동안 기판(220)은 형상이 변형된 상태로 고정될 수 있다.
상기의 플렉서블한 기판(220)의 형상 변형 및 고정은 전술된 형상변형부(140)에 의해 수행될 수 있다. 형상변형부(140)는 주렌즈층(211)의 전면에 관찰대상(S)이 놓일 때 까지는 기판(220)을 편평한 상태로 유지하고, 관찰대상(S)이 놓인 후 기판(220)에 힘을 가하기 시작하여 기판(220)의 형상을 변형시키도록 제어될 수 있다. 또한, 형상변형부(140)는 관찰 도중에는 계속하여 기판(220)에 힘을 가하여 기판(220)을 변형된 형상으로 유지하고, 관찰이 완료된 후에 기판(220)에 힘을 가하는 것을 중지하도록 제어될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 주렌즈층(211)이 기판(220) 상에 편평한 형태로 적층되고 관찰대상(S)이 하이퍼렌즈층(210)에 놓일 때 기판(220)은 편평한 상태로 유지되므로, 관찰대상(S)이 놓이는 시점에 하이퍼렌즈층(210)에서 관찰대상이 놓이는 표면(FS)이 평면을 형성할 수 있다. 그 이후, 기판(220)의 형상이 변형됨에 따라 주렌즈층(211)에 오목한 부분이 형성되고, 상기 오목한 부분에 관찰대상(S)이 들어가게 된다. 결국 주렌즈층(211)을 통해 관찰대상(S)의 상이 확대될 수 있어 초고분해능 렌즈가 하이퍼렌즈로서 작용할 수 있다. 이에 따라, 사용자는 관찰대상(S)을 수 마이크로미터 직경의 오목한 부분에 정확히 놓을 필요 없으며, 평면의 하이퍼렌즈층(210) 표면에 관찰대상(S)을 놓는 것 만으로 하이퍼렌즈층(210)이 작동할 수 있다. 따라서, 초고분해능 렌즈와 이를 포함한 현미경 장치(10)의 실용성과 편리함이 향상될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 초고분해능 렌즈 및 이를 포함하는 현미경 장치를 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
120: 대물렌즈 130: 영상획득부
140: 형상변형부 200, 200a, 200b: 초고분해능 렌즈
210: 하이퍼렌즈층 220: 기판
211: 주렌즈층 211d: 주렌즈층의 유전체층
211m: 주렌즈층의 금속층 212: 보조렌즈층
212d: 보조렌즈층의 유전체층 212m: 보조렌즈층의 금속층
230: 지지부재 S: 관찰대상

Claims (23)

  1. 일면 상에 놓인 관찰대상에서 나온 빛 중 소멸파를 이용하여 상기 관찰대상의 상을 형성하고, 상기 관찰대상의 상을 확대할 수 있는 하이퍼렌즈층; 및
    상기 하이퍼렌즈층의 타면을 덮으며 상기 하이퍼렌즈층을 지지하는 기판을 포함하되,
    적어도 상기 관찰대상이 놓여질 때, 상기 하이퍼렌즈층의 상기 일면은 평면을 형성하고,
    상기 하이퍼렌즈층은 일측 외표면이 상기 일면을 이루도록 편평한 형태로 상기 기판에 적층되는 주렌즈층으로 이루어지며,
    상기 기판은 플렉서블(flexible)하고, 상기 관찰대상이 상기 일면 상에 놓인 후 상기 하이퍼렌즈층의 상기 일면이 오목한 곡면이 되도록 휘어져 휘어진 상태로 고정되는
    초고분해능 렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이퍼렌즈층은,
    일측 외표면이 상기 일면을 이루는 평판 형상의 보조렌즈층; 및
    외표면의 적어도 일부가 오목하게 형성되고, 상기 오목한 부분이 상기 보조렌즈층을 향하도록 상기 보조렌즈층의 타측에 적층되는 주렌즈층을 포함하는 초고분해능 렌즈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 오목한 부분은 반구(hemisphere)형을 이루는 초고분해능 렌즈.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 보조렌즈층 및 상기 주렌즈층은, 각각 복수의 유전체층과 복수의 금속층이 서로 번갈아가며 적층되어 형성된 것인 초고분해능 렌즈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유전체층은 티타늄옥사이드이고, 상기 금속층은 은(Ag)인 초고분해능 렌즈.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 유전체층은 실리콘(Si)이고, 상기 금속층은 은(Ag)인 초고분해능 렌즈.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 보조렌즈층의 유전체층은 상기 주렌즈층의 유전체층과 상이한 물질로 이루어진 초고분해능 렌즈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속층은 은(Ag)이고,
    상기 보조렌즈층의 유전체층은 티타늄옥사이드이고,
    상기 주렌즈층의 유전체층은 실리콘(Si)을 포함하는 물질인 초고분해능 렌즈.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 주렌즈층의 유전체층은 비정질 실리콘(amorphous silicon) 박막인 초고분해능 렌즈.
  10. 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조렌즈층의 유전체층과 금속층의 개수는 상기 주렌즈층의 유전체층과 금속층의 개수와 상이한 초고분해능 렌즈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 보조렌즈층은 6개의 유전체층과 7개의 금속층이 교대로 적층된 것이고,
    상기 주렌즈층은 9개의 유전체층과 9개의 금속층이 교대로 적층된 것인 초고분해능 렌즈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 보조렌즈층의 금속층은 30 nm, 33 nm 및 66 nm 중 어느 하나의 두께를 갖고, 상기 보조렌즈층의 유전체층은 28 nm의 두께를 가지며,
    상기 주렌즈층의 유전체층과 금속층은 각각 15 nm의 두께를 갖는 초고분해능 렌즈.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 주렌즈층은 복수의 유전체층과 복수의 금속층이 서로 번갈아가며 적층되어 형성된 것이고,
    상기 보조렌즈층은 은(Ag)으로 이루어진 금속층인 초고분해능 렌즈.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 주렌즈층의 유전체층 및 금속층은 각각 15 nm의 두께를 갖고,
    상기 보조렌즈층은 50 nm의 두께를 갖는 초고분해능 렌즈.
  15. 삭제
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및 폴리이미드(polyimide) 중 어느 하나로 이루어진 초고분해능 렌즈.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 상기 하이퍼렌즈층과 접촉되는 표면에는 요철이 형성된 초고분해능 렌즈.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 주렌즈층은 복수의 유전체층과 복수의 금속층이 서로 번갈아가며 적층되어 형성된 것이고,
    상기 유전체층은 실리콘(Si) 박막이고, 상기 금속층은 은(Ag)인 초고분해능 렌즈.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 유전체층 및 상기 금속층은 각각 15 nm의 두께를 갖는 초고분해능 렌즈.
  20. 가시광선을 조사하는 광원부;
    일면 상에 관찰대상이 놓이고, 상기 광원부로부터 조사된 광이 상기 일면에 입사되는 초고분해능 렌즈; 및
    상기 초고분해능 렌즈의 타면으로부터 방출되는 광을 집광하는 대물렌즈를 포함하되,
    상기 초고분해능 렌즈는,
    상기 관찰대상에서 나온 빛 중 소멸파를 이용하여 상기 관찰대상의 상을 형성하고, 상기 관찰대상의 상을 확대할 수 있는 하이퍼렌즈층; 및
    상기 하이퍼렌즈층의 타면을 덮으며 상기 하이퍼렌즈층을 지지하는 기판을 포함하고,
    적어도 상기 관찰대상이 놓여질 때, 상기 하이퍼렌즈층의 상기 일면은 평면을 형성하고,
    상기 하이퍼렌즈층은 일측 외표면이 상기 일면을 이루도록 편평한 형태로 상기 기판에 적층되는 주렌즈층으로 이루어지며,
    상기 기판은 플렉서블(flexible)하고, 상기 관찰대상이 상기 일면 상에 놓인 후 상기 하이퍼렌즈층의 상기 일면이 오목한 곡면이 되도록 휘어져 휘어진 상태로 고정되는
    현미경 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 하이퍼렌즈층은,
    일측 외표면이 상기 일면을 이루는 평판 형상의 보조렌즈층; 및
    외표면의 적어도 일부가 오목하게 형성되고, 상기 오목한 부분이 상기 보조렌즈층을 향하도록 상기 보조렌즈층의 타측에 적층되는 주렌즈층을 포함하는 현미경 장치.
  22. 삭제
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 기판을 휘어진 상태로 유지하는 형상변형부를 더 포함하는 현미경 장치.
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