KR102161703B1 - 메타물질을 이용한 광 이미징 장치 및 방법 - Google Patents

메타물질을 이용한 광 이미징 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 메타물질로 구성되는 단위 셀을 복수개 포함하고 관찰대상과 인접하게 위치하는 메타물질 어레이 센서, 상기 메타물질 어레이 센서를 향하여 이미징 빔을 제공하는 이미징 빔 제공부, 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단되도록 상기 단위 셀에 제공되는 컨트롤 빔을 제어하는 컨트롤 빔 제공부, 그리고, 상기 단위 셀에 상기 이미징 빔이 투과되는 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미징 빔 투과량과 상기 단위 셀에 상기 컨트롤 빔이 집속되어 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단된 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미지 빔 투과량을 측정하여 상기 단위 셀을 투과하는 단위 셀 이미지 빔 투과량을 측정하는 이미징 빔 측정부를 포함하는 타물질을 이용한 광 이미징 장치를 제공한다.

Description

메타물질을 이용한 광 이미징 장치 및 방법{OPTICAL IMAGING APPARATUS AND METHOD USING METAMATERIAL}
본 발명은 메타물질을 이용한 광 이미징 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 메타물질 어레이를 이용한 광 이미징에 있어서, 회절한계를 극복하고 개별 단위 메타물질에서의 이미징 빔의 투과율을 조절할 수 있게 하는 스위칭 메타물질을 이용한 광학 이미징 장치 및 방법에 관한 것이다.
광 이미징 기술은 정확도와 가공의 정밀성 및 생산성이 그 어느 방법보다 우수하나 회절한계로 인해 그 분해능이 파장보다 짧아질 수 없기 때문에 고분해능 이미징 기술 개발의 걸림돌이 되어 왔다. 회절한계(Diffraction limit)에 의한 분해능 제약을 극복하기 위한 방법 중에 하나로서, 음의 굴절률을 갖는 메타물질이 개발되었고 메타물질을 이미징 시스템에 도입함으로써 회절한계 이상의 고분해능을 획득할 수 있다. 한편, 메타 물질은 일반적으로 금속이나 유전 물질로 설계된 단위 셀이 규칙적인 배열로 이루어진 물질(메타물질 어레이)로서 초고굴절률 및 음굴절률 등 자연계에서는 존재하지 않는 특성을 가진 신개념 소재이다.
이와 같이, 관찰대상을 메타물질에 접촉시킴으로써 관찰대상의 광학적 특성을 증폭시켜 관측할 수 있음이 보고되어 왔다. 특히 테라헤르츠 주파수 대역의 경우에 가시광선 영역과는 다르게 많은 분자들의 고유 공명 (회전, 진동, 분자간, 분자내) 주파수가 존재하며, 이를 특이 지문 스펙트럼이라고 한다. 메타물질을 이용하면 기존에는 전혀 관측할 수 없는 극미량의 분자에서도 이 특이 지문 스펙트럼을 증폭시켜 관찰하는 것이 가능하다. 특이 지문 스펙트럼을 가진 분자를 관찰할 때, 그 주파수와 메타물질의 공명주파수를 일치시킴으로써 신호가 증폭되는 원리이다. 관찰대상을 메타물질 어레이에 접촉시키고 그 투과율을 2차원 스캔하면 관찰대상의 증폭된 광학적 특성을 2차원 이미지로 얻을 수 있다. 최근에는, 메타물질의 광학적 특성을 광학적으로 조절하는 방법도 연구되고 있다. 예를 들어 메타물질의 광학적 특성은 근접장 영역의 전하밀도에 민감하게 의존하므로 광학적 펌핑으로 전하밀도를 증가시킴으로써 메타물질을 지나는 빛의 투과율을 조절할 수 있다.
이와 관련하여, 관찰대상의 광학적 특성의 공간적 분포는 그 이미지의 공간해상도가 높을수록 정밀하게 알 수 있는데, 광학 이미지의 공간해상도는 회절한계에 의해 제약을 받는다. 메타물질 어레이를 이용한 2차원 이미징의 경우에도 이미징 빔이 회절한계 이하로 이웃한 메타물질들을 동시에 투과하므로 회절한계 이하의 공간적 분포는 알 수 없게 되는 문제가 여전히 발생한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 주된 기술적 과제는 메타물질 어레이를 이용한 광 이미징에 있어서, 컨트롤 빔을 이용하여 개별 단위 메타물질의 이미징 빔의 투과량 및 투과율을 획득할 수 있도록 하고, 이에 따라, 이미징 빔의 회절한계와 관계없이 단위 메타물질 크기 수준의 공간해상도를 갖는 관찰대상의 광 분석 이미지를 획득할 수 있도록 하는 이용한 광 이미징 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시 예는, 메타물질로 구성되는 단위 셀을 복수 개 포함하고 관찰대상과 인접하게 위치하는 메타물질 어레이 센서, 상기 메타물질 어레이 센서를 향하여 이미징 빔을 제공하는 이미징 빔 제공부, 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단되도록 상기 단위 셀에 제공되는 컨트롤 빔을 제어하는 컨트롤 빔 제공부, 그리고, 상기 단위 셀에 상기 이미징 빔이 투과되는 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미징 빔 투과량과 상기 단위 셀에 상기 컨트롤 빔이 집속되어 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단된 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미지 빔 투과량을 측정하여 상기 단위 셀을 투과하는 단위 셀 이미지 빔 투과량을 측정하는 이미징 빔 측정부를 포함하는 타물질을 이용한 광 이미징 장치를 제공한다.
본 실시 예에 있어서, 상기 이미징 빔 측정부가 측정한 상기 복수개의 단위 셀 각각에 대한 단위 셀 이미지 빔 투과량을 이용하여 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되는 공간해상도를 갖는 상기 관찰대상의 광 분석 이미지를 획득하는 이미지 획득부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기는 상기 이미징 빔의 회절 한계보다 작을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 컨트롤 빔은 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되도록 기 설정된 스팟사이즈를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 이미징 빔은 테라헤르츠파 형태이고, 상기 컨트롤 빔은 가시광선 파장대 영역의 파장을 가질 수 있다.
또한, 상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 다른 실시예는, a) 메타물질로 구성되는 단위 셀을 복수개 포함하고 관찰대상과 인접하게 위치하는 메타물질 어레이 센서를 향하여 이미징 빔을 제공하는 단계, b) 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단되도록 상기 단위 셀에 제공되는 컨트롤 빔을 제어하는 단계, 그리고, c) 상기 단위 셀에 상기 이미징 빔이 투과되는 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미징 빔 투과량과 상기 단위 셀에 상기 컨트롤 빔이 집속되어 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단된 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미지 빔 투과량을 측정하여 상기 단위 셀을 투과하는 단위 셀 이미지 빔 투과량을 측정하는 단계를 포함하는 메타물질을 이용한 광 이미징 방법을 제공한다.
본 실시예에 있어서, d) 상기 c) 단계에 따라 측정된 상기 복수개의 단위 셀 각각에 대한 단위 셀 이미지 빔 투과량을 이용하여 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되는 공간해상도를 갖는 상기 관찰대상의 광 분석 이미지를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기는 상기 이미징 빔의 회절 한계보다 작을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 컨트롤 빔은 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되도록 기 설정된 스팟사이즈를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 이미징 빔은 테라헤르츠파 형태이고, 상기 컨트롤 빔은 가시광선 파장대 영역의 파장을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, 광 이미징에 있어서, 개별 단위 메타물질의 이미징 빔의 투과량 및 투과율을 획득할 수 있고, 회절한계와 관계없이 단위 메타물질 크기 수준으로 이미징의 공간해상도를 높인 광 분석 이미지를 획득할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 특히 테라헤르츠파 이상의 장파장 이미징에 있어서, 가시광선 영역의 컨트롤 빔과 나노 메타물질을 이용할 경우 파장보다 수백배 이상 작은 해상도를 얻을 수 있고, 또한 테라헤르츠 시간 영역 스펙트로스코피 등과 쉽게 결합하여 사용할 수 있으며, 테라헤르츠파 이상 장파장으로 생체물질을 이미징 할 때에 생체구조를 분간하기 어려운 낮은 공간해상도가 발생하는 문제를 해결할 수 있어 장파장에서의 생체물질 이미징을 용이하게 하여 의료, 제약 등의 분야에 적용될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광 이미징 장치의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광 이미징 장치를 이용하여 관찰대상을 이미징하는 것을 형상화하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 적용되는 메타물질 어레이를 설명하기 위해 도시한 도면이다
도 4는 도 2에 도시된 단위 메타물질에서의 투과량을 판정하는 것을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 광 이미징 장치를 이용하여 획득한 관찰대상의 이미지를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광 이미징 장치의 구현예를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 일 구현예에 따른 투과율 변화를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 다른 메타물질을 이용한 광 이미징 방법의 절차를 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에 나타난 각 구성요소의 크기, 형태, 형상은 다양하게 변형될 수 있고, 명세서 전체에 대하여 동일/유사한 부분에 대해서는 동일/유사한 도면 부호를 붙였다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(접속, 접촉 또는 결합)"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비 또는 마련)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 “포함(구비 또는 마련)”할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하며, 분산되어 실시되는 구성요소들은 특별한 제한이 있지 않는 한 결합된 형태로 실시될 수도 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성 요소로 명명될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광 이미징 장치(이하, 메타물질을 이용한 광 이미징 장치(100)라 함)의 개략적인 구성을 도시한 블록도이고, 도 2 메타물질을 이용한 광 이미징 장치(100)를 이용하여 관찰대상을 이미징하는 것을 형상화하여 나타낸 도면이다.
세부적인 설명에 앞서, 본 발명의 개념에 대해 개략적으로 설명하면, 광 이미징에 있어서 이미징 빔의 회절한계 스팟사이즈가 관찰대상보다 큰 경우 관찰대상의 세부적인 공간적 형태는 이미징 되지 않는다. 본 발명은 메타물질 어레이 센서와 컨트롤 빔을 이용하여 실질적인 스팟사이즈를 단위 메타물질 수준으로 줄여서 이미지의 해상도를 높이게 되는데, 여기서, 컨트롤 빔은 단위 메타물질의 광학적 성질을 변화시켜 해당 단위 메타물질에 입사하는 이미징 빔을 투과시키거나 차단하는 역할을 한다. 또한 단위 메타물질(단위 셀)은 이미징 빔의 회절한계보다 작게 제작되고 컨트롤 빔은 단위 메타물질 각각에 따로 입사할 수 있을 만큼 작은 스팟사이즈를 가진다. 이러한 경우, 컨트롤 빔을 켜고 끄면서 발생하는 이미징 빔의 투과량 차이가 해당 단위 메타물질을 지나는 이미징 빔의 투과량에 해당하고, 컨트롤 빔의 유무에 따른 투과량 차이를 어레이의 모든 단위 메타물질에서 측정하면 실질적인 해상도가 단위 메타물질 수준인 이미지를 얻을 수 있게 된다.
도 1을 참조하면, 메타물질을 이용한 광 이미징 장치(100)는 메타물질 어레이 센서(110), 이미징 빔 제공부(120), 컨트롤 빔 제공부(130), 이미지 빔 측정부(140)를 포함하고, 이미지 획득부(150)를 더 포함할 수 있다.
메타물질 어레이 센서(110)는 메타물질로 구성되는 단위 셀(111)을 복수개 포함하고 관찰대상과 인접하게 위치하도록 구성된다. 도 2를 참조하면 메타물질 어레이 센서(110)가 관찰대상(201)과 인접하게 위치한 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 적용되는 메타물질 어레이를 설명하기 위해 도시한 도 3을 참조하면, 메타물질 어레이 센서(110)에 적용 되는 메타물질은 이미징 하고자 하는 주파수 대역에서 높은 투과율을 가지는 단위 메타물질 설계를 통해 제작될 수 있다. 이에 따라, 메타물질의 근접장 증폭에 의해 메타물질 어레이와 접촉한 관찰대상의 광학적 특성을 민감하게 관찰 가능하고, 관찰대상의 특성에 맞춰 특화된 메타물질 설계가 가능하다, 또한, 슬랏 안테나 어레이는 슬롯의 길이, 폭, 두께에 따라 투과 주파수 대역을 결정할 수 있고 근접장에서의 전자기파 증폭에 따라 민감도가 증가하므로 본 발명에 따른 메타물질 어레이 센서와 이를 포함한 메타물질을 이용한 광 이미징 장치 및 방법의 적용이 적합한 구조이다.
이미징 빔 제공부(120)는 메타물질 어레이 센서(110)를 향하여 이미징 빔을 제공하며, 여기서 이미징 빔은 도 2에 도시된 이미징 빔(202)과 같은 형태일 수 있다.
컨트롤 빔 제공부(130)는 단위 셀(111)에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단되도록 단위 셀(111)에 제공되는 컨트롤 빔을 제어한다. 즉, 컨트롤 빔 제공부(130)는 컨트롤 빔 온오프를 제어한다. 여기서 컨트롤 빔은 도 2에 도시된 컨트롤 빔(202)과 같은 형태일 수 있다.
상술한 이미징 빔은 테라헤르츠파 형태이고, 상술한 컨트롤 빔은 가시광선 파장대 영역의 파장을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이미지 빔 측정부(140)는 단위 셀(111)에 상기 이미징 빔이 투과되는 경우의 메타물질 어레이 센서(110)의 이미징 빔 투과량과 단위 셀(111)에 상기 컨트롤 빔이 집속되어 단위 셀(111)에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단된 경우의 메타물질 어레이 센서(110)의 이미지 빔 투과량을 측정하여 상기 단위 셀을 투과하는 단위 셀 이미지 빔 투과량을 측정한다.
도 2에 도시된 단위 메타물질에서의 투과량을 판정하는 것을 설명하기 위해 도시한 도 4를 참조하면, 컨트롤 빔 제공부(130)를 이용하여 컨트롤 빔을 단위 셀 하나에 집속하여 해당 단위 셀에서의 이미징 빔의 투과만을 스위칭 할 수 있고, 스위칭 온/오프 간의 투과량 차이가 해당 단위 셀에서의 투과에 해당할 수 있다. 다시 말해, 메타물질 어레이 센서(110)의 경우 단위 셀에 집속되는 컨트롤 빔을 끄면 투과량이 증가하고 켜면 투과량이 감소하는데, 그 투과량의 차이가 컨트롤 빔이 집속되고 있는 단위 셀에 대한 이미징 빔의 투과량(401)이 되고, 컨트롤 빔을 켰을 때의 메타물질 어레이 센서(110)의 투과량이 상기 단위 셀을 제외한 나머지 단위셀들에 대한 이미징 빔 투과량(402)이 된다.
이미지 획득부(150)는 이미징 빔 측정부(140)가 측정한 상기 복수개의 단위 셀(111) 각각에 대한 단위 셀 이미지 빔 투과량을 이용하여 단위 셀(111)을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되는 공간해상도를 갖는 상기 관찰대상의 광 분석 이미지를 획득한다.
도 5를 참조하면, 관찰대상이 부착된 메타물질 어레이 센서(110)를 X-Y 평면상에서 2차원 스캔한 이미지를 획득할 수 있다. 단위 메타물질(단위 셀)에서의 투과율 판정을 2차원 스캔하며 반복하면 단위 메타물질 크기를 한 픽셀로 하는 이미지를 얻을 수 있고, 공간해상도는 단위 메타물질 크기로 결정된다. 따라서, 현재 테라헤르츠 전자기파 영역에서는 1/10000 스케일로 광학한계를 뛰어넘는 현미경 기술이 현재 존재하지 않는 바, 본 발명은 나노 메타물질 어레이와 가시광 콘트롤 빔을 이용하여 적외선, 테라헤르츠 영역에서 초고해상도를 달성하는 데 적용 가능할 수 있다.
한편, 단위 셀(111)을 구성하는 메타물질의 크기는 상기 이미징 빔의 회절 한계보다 작을 수 있다. 또한, 상기 컨트롤 빔은 단위 셀(111)을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되도록 기 설정된 스팟사이즈를 가질 수 있다. 도 2를 참조하면, 단위 셀(111)을 구성하는 메타물질의 크기와 컨트롤 빔(203)의 회절한계 스팟사이즈(204)가 대응되도록 마련된 것을 확인할 수 있다.
도 6은 메타물질을 이용한 광 이미징 장치(100)의 구현예를 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 일 구현예에 따른 투과율 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따라, 관심 주파수 대역의 투과율을 광학적으로 스위칭 할 수 있도록 단위 메타물질 설계할 수 있고, 투과율 스위칭 메커니즘으로는 전하의 광여기를 통한 전도채널 형성하여, 열적 효과에 의한 굴절률 튜닝, 임팩트 이온화 등 다양한 방법이 존재하며, 도 6에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(602) 위에 제작된 슬랏 안테나 어레이(601)의 경우 광여기를 이용하여 테라헤르츠파(603) 대역의 투과율 조절이 가능하도록 구현할 수 있다.
구체적으로, 반도체 기판(602) 위에 제작된 금속 슬랏 안테나(601)의 경우 공진주파수의 테라헤르츠파(603)를 투과시킨다. 도 6의 (a)에 도시된 컨트롤 빔 오프의 경우와 같이, 슬랏 안테나(601)에 입사되지 않는 경우 기판 전도대(604)와 기판 가전자대(605)에 전하가 여기되지 않지만, 도 6의 (b)에 도시된 컨트롤 빔 온의 경우와 같이, 이 슬랏 안테나(601)에 밴드갭 에너지 이상의 컨트롤 빔(606)을 입사시킬 경우 컨트롤 빔에 의해 기판 전도대(607)와 기판 가전자대(608) 사이에 기판에 전하가 여기되고 여기된 전하에 의해 테라헤르츠파의 투과가 차단되게 된다.
도 6과 같이 테라헤르츠파를 이미징 빔으로 하여 반도체 기판 위에 제작된 슬랏 안테나에 대해 투과율을 측정하는 경우에 있어서, 컨트롤 빔은 그 에너지가 기판의 밴드갭 에너지 이상이 되도록 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 컨트롤 빔을 끈 경우에는 슬랏의 공진주파수에 해당하는 테라헤르츠파가 투과하게 된다. 반면 컨트롤 빔을 켠 경우에는 컨트롤 빔이 기판에 전하를 여기시키므로 테라헤르츠파의 투과를 차단하게 된다. 컨트롤 빔을 켜고 끄면서 투과율의 차이를 분석하면 도 7에 도시된 바와 같이 해당 개별 단위 메타물질에 대한 이미징 빔의 투과율을 구할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명은 특히 테라헤르츠파 이상의 장파장 이미징에 적합할 수 있다. 가시광선 영역의 컨트롤 빔과 나노 메타물질을 이용할 경우 파장보다 수백배 이상 작은 해상도를 얻을 수 있다. 또한 테라헤르츠 시간 영역 스펙트로스코피 등과 쉽게 결합하여 사용할 수 있다. 테라헤르츠파 이상 장파장으로 생체물질을 이미징 할 때 생체구조를 분간하기 어려운 낮은 공간해상도가 제약이 되었던 만큼 본 발명은 장파장에서의 생체물질 이미징을 용이하게 하여 의료, 제약 등의 분야에서 활용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 다른 메타물질을 이용한 광 이미징 방법의 절차를 도시한 흐름도로서, 본 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광 이미징 방법은 앞서 도 1 내지 도 7을 참조하여 설명한 메타물질을 이용한 광 이미징 장치(100)를 이용한 광 이미징 방법에 해당한다. 따라서, 이하에서는 상술한 설명과 중복되는 내용은 생략하도록 하며, 하기한 모든 절차들은 상술한 메타물질을 이용한 광 이미징 장치(100)에 의해 또는 메타물질을 이용한 광 이미징 장치(100)가 수행하는 기능들을 의미한다.
본 실시예에 따른 메타물질을 이용한 광 이미징 방은 a) 메타물질로 구성되는 단위 셀을 복수개 포함하고 관찰대상과 인접하게 위치하는 메타물질 어레이 센서를 향하여 이미징 빔을 제공하는 단계(S110), b) 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단되도록 상기 단위 셀에 제공되는 컨트롤 빔을 제어하는 단계(S120), 그리고, c) 상기 단위 셀에 상기 이미징 빔이 투과되는 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미징 빔 투과량과 상기 단위 셀에 상기 컨트롤 빔이 집속되어 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단된 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미지 빔 투과량을 측정하여 상기 단위 셀을 투과하는 단위 셀 이미지 빔 투과량을 측정하는 단계(S130)를 포함하는 메타물질을 이용한 광 이미징 방법을 제공한다.
본 실시예에 있어서, d) 상기 c) 단계에 따라 측정된 상기 복수개의 단위 셀 각각에 대한 단위 셀 이미지 빔 투과량을 이용하여 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되는 공간해상도를 갖는 상기 관찰대상의 광 분석 이미지를 획득하는 단계(S140)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기는 상기 이미징 빔의 회절 한계보다 작을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 컨트롤 빔은 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되도록 기 설정된 스팟사이즈를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 이미징 빔은 테라헤르츠파 형태이고, 상기 컨트롤 빔은 가시광선 파장대 영역의 파장을 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 메타물질 어레이 센서로 초고해상도 이미징을 달성하는 방법에 대한 것이다. 본 발명에서는 메타물질 어레이 센서와 관찰대상을 접촉시키고 그 투과율을 측정하는 이미징용 광학 빔과 함께 단위 메타물질에서의 이미징 빔의 투과율을 개별적으로 스위칭하는 컨트롤 광학 빔을 이용하고, 단위 메타물질을 스위칭 할 때 생기는 이미징 빔의 투과율 차이를 이차원 스캔하여 이미지를 얻는다. 얻어지는 이미지는 이미징 빔의 회절한계와는 무관하게 단위 메타물질 크기만큼의 공간해상도를 가지므로 단위 메타물질의 크기가 회절한계보다 작은 메타물질 어레이를 이용함으로써 초고해상도 이미징을 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따라, 이미징 빔의 투과율을 스위칭 할 수 있는 컨트롤 빔을 한 개의 단위 메타물질에 집속한다. 컨트롤 빔을 켜고 끔에 따라 발생하는 투과된 이미징 빔의 세기 차이는 해당 단위 메타물질을 투과하는 이미징 빔의 세기에 해당한다. 메타물질 어레이의 모든 단위 메타물질에 대해서 같은 측정을 하면 어레이 면적에서 이미징 빔의 회절한계와는 무관하게 단위 메타물질 크기만큼의 공간해상도를 갖는 이미지를 얻게 된다.
상술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 메타물질로 구성되는 단위 셀을 복수개 포함하고 관찰대상과 인접하게 위치하는 메타물질 어레이 센서;
    상기 메타물질 어레이 센서를 향하여 테라헤르츠파 형태의 이미징 빔을 제공하는 이미징 빔 제공부;
    상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단되도록 상기 단위 셀에 제공되며 가시광선 파장대 영역의 파장을 갖는 컨트롤 빔을 제어하는 컨트롤 빔 제공부;
    상기 단위 셀에 상기 이미징 빔이 투과되는 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미징 빔 투과량과 상기 단위 셀에 상기 컨트롤 빔이 집속되어 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단된 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미지 빔 투과량의 차이를 이용하여 상기 단위 셀을 투과하는 단위 셀 이미지 빔 투과량을 측정하는 이미징 빔 측정부; 및
    상기 이미징 빔 측정부가 측정한 상기 복수개의 단위 셀 각각에 대한 단위 셀 이미지 빔 투과량을 이용하여 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되는 공간해상도를 갖는 상기 관찰대상의 광 분석 이미지를 획득하는 이미지 획득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질을 이용한 광 이미징 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기는 상기 이미징 빔의 회절 한계보다 작은 것을 특징으로 하는 메타물질을 이용한 광 이미징 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤 빔은 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되도록 기 설정된 스팟사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 메타물질을 이용한 광 이미징 장치.
  5. 삭제
  6. a) 메타물질로 구성되는 단위 셀을 복수개 포함하고 관찰대상과 인접하게 위치하는 메타물질 어레이 센서를 향하여 테라헤르츠파 형태의 이미징 빔을 제공하는 단계;
    b) 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단되도록 상기 단위 셀에 제공되며 가시광선 파장대 영역의 파장을 갖는 컨트롤 빔을 제어하는 단계;
    c) 상기 단위 셀에 상기 이미징 빔이 투과되는 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미징 빔 투과량과 상기 단위 셀에 상기 컨트롤 빔이 집속되어 상기 단위 셀에 입사되는 상기 이미징 빔이 차단된 경우의 상기 메타물질 어레이 센서의 이미지 빔 투과량의 차이를 이용하여 상기 단위 셀을 투과하는 단위 셀 이미지 빔 투과량을 측정하는 단계; 및
    d) 상기 c) 단계에 따라 측정된 상기 복수개의 단위 셀 각각에 대한 단위 셀 이미지 빔 투과량을 이용하여 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되는 공간해상도를 갖는 상기 관찰대상의 광 분석 이미지를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메타물질을 이용한 광 이미징 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기는 상기 이미징 빔의 회절 한계보다 작은 것을 특징으로 하는 메타물질을 이용한 광 이미징 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 컨트롤 빔은 상기 단위 셀을 구성하는 메타물질의 크기에 대응되도록 기 설정된 스팟사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 메타물질을 이용한 광 이미징 방법.
  10. 삭제
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