KR102208964B1 - 근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치 - Google Patents

근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102208964B1
KR102208964B1 KR1020140066525A KR20140066525A KR102208964B1 KR 102208964 B1 KR102208964 B1 KR 102208964B1 KR 1020140066525 A KR1020140066525 A KR 1020140066525A KR 20140066525 A KR20140066525 A KR 20140066525A KR 102208964 B1 KR102208964 B1 KR 102208964B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
field
enz
material layer
field lens
Prior art date
Application number
KR1020140066525A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150137890A (ko
Inventor
경지수
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020140066525A priority Critical patent/KR102208964B1/ko
Priority to US14/727,010 priority patent/US10205864B2/en
Publication of KR20150137890A publication Critical patent/KR20150137890A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102208964B1 publication Critical patent/KR102208964B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/56—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof provided with illuminating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)

Abstract

근접장 렌즈는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 소정 파장의 광에 대해 유전 상수(dielectric constant)의 실수부(real part)가 0의 값을 나타내는 물질로 이루어진 ENZ(epsilon near zero) 물질층;을 포함한다.

Description

근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치{Near field lens and imaging apparatus including the same}
본 개시는 근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치에 대한 것이다.
최근, 기술의 고도화, 집적화, 소형화 추세에 따라, 다양한 측정 장치의 높은 민감도와 고분해능에 대한 요구는 점점 높아지고 있다.
일 예로, 광학 현미경의 분해능 한계를 극복하기 위한 연구에 관심이 모아지고 있다. 빛으로 물체를 관측하는 광학 현미경은 크기가 빛의 파장의 1/2 이하인 물체는 광학적으로 관측할 수 없다.
빛이 물체에 부딪혀 나오는 산란광은 근접장 광(near field light), 원거리장 광(far field light)을 포함한다. 근접장 광은 공간을 통해 진행해 나가지 못하고 물체의 표면에 국소화되어 있는 빛을 의미한다. 물체에 조사된 빛이 산란되어 나오는 광 중, 일부는 멀리까지 진행하여 광학 렌즈를 통해 이미지를 형성하지만, 나머지는 물체 주변에서 머물다가 아무런 정보도 전달하지 못하고 소멸된다. 빛의 파장의 약 1/2보다 작은 물체의 경우 이미지 형성을 위한 주요 정보를 포함하고 있는 산란광 대부분이 근접장 광으로, 물체 주변에만 머물러 있기 때문에 광학 현미경으로 잘 관측이 되지 않는다.
따라서, 물체 주변에 머무르는 산란광, 즉, 근접장 광을 멀리 진행하도록 조정하는 것이 광학 현미경 해상도 한계 극복의 관건이 된다.
높은 해상도를 구현하기 위해, NSOM(near field scanning optical microscopy) 장비가 많이 사용되고 있다. NSOM 장비는 근접장 광을 물체에 스캐닝 조사하는 방법을 사용한다. 이 장비는 한 번에 한 포인트만 스캔이 가능하여 대면적으로 이용하기에는 제한이 따른다.
또한, 메타 물질을 이용하여 해상 한계를 극복할 수 있는 슈퍼 렌즈(Super lens)를 구현하고자 하는 연구가 있다. 메타 물질은 자연계에 존재하지 않는 광학적 성질을 나타내는 물질로서, 서브 파장 오더의 크기의 다양한 형상의 패턴을 포함하는 인공적인 원자 구조를 포함한다. 메타 물질은 전자기파, 음파 또는 초음파에 대하여 서브파장 포커싱(subwavelength focusing)이 가능한 것으로 알려져 있으나, 그 구조가 복잡하고 난해하여, 제작이나 활용이 어렵다.
본 개시는 높은 해상도를 구현할 수 있는 근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치를 제공하고자 한다.
일 유형에 따르는 근접장 렌즈는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 소정 파장의 광에 대해 유전 상수(dielectric constant)의 실수부(real part)가 0의 값을 나타내는 물질로 이루어진 ENZ(epsilon near zero) 물질층;을 포함한다.
상기 ENZ 물질층은 상기 소정 파장의 광에 대한 유전 상수의 허수부(imaginary part)가 0.5이하의 값을 가질 수 있다.
상기 ENZ 물질층의 두께는 10㎚ 이상 1㎛ 이하일 수 있다.
상기 기판은 유전 상수가 1보다 큰 물질로 이루어질 수 있다.
상기 기판은 유전체 물질 또는 반도체 물질로 이루어질 수 있다.
상기 기판은 메타 구조를 포함할 수 있다.
상기 ENZ 물질층은 양자점(quantum dot), 염료(dye), SiO2, Al2O3, SiN, TiO2, 또는 불순물이 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 ENZ 물질층은 메타 구조를 포함할 수 있다.
상기 ENZ 물질층은 평판 형태를 가질 수 있다.
또한, 일 유형에 따른 근접장 광학 장치는 대상체(object)에 광을 조사하는 광원; 상기 광원에서 조사된 광이 상기 대상체에 의해 산란되며 형성된 근접장을 원거리장으로 전달하는, 상술한 어느 하나의 근접장 렌즈; 상기 근접장 렌즈를 투과한 광을 집속하는 광학 렌즈; 상기 광학 렌즈에 의해 집속된 광을 센싱하여 이를 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;를 포함한다.
상기 근접장 영상 장치는 상기 대상체가 놓이는 재물대를 더 포함하며, 상기 재물대는 상기 대상체와 상기 근접장 렌즈 간의 거리가 2㎛ 이하로 조절되도록 구성될 수 있다.
상기 광원은 중적외선(mid-IR) 대역의 광을 조사할 수 있다.
상기 근접장 영상 장치는 상기 이미지 센서로부터의 신호를 영상 신호로 변환하고, 이를 디스플레이 하는 영상 처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 근접장 렌즈는 근접장 광을 원거리장으로 전달할 수 있으며, 또한, 매우 간단한 구조를 갖다.
상기 근접장 영상 장치는 상기 근접장 렌즈를 채용하여, 물체로부터 산란되는 산란광에 대해, 근접장 광을 포함한 대부분의 광을 이미지 센서에 센싱되게 할 수 있어 물체에 대한 높은 해상도의 이미징이 가능하다. 또한, 서브 파장 크기의 물체에 대하여서도 이미징이 가능하다.
도 1은 일 실시예에 따른 근접장 렌즈의 개략적인 구조를 보인 사시도이다.
도 2는 도 1의 근접장 렌즈에 채용될 수 있는 SiO2의 파장에 따른 투과율을 보인 그래프이다.
도 3은 도 1의 근접장 렌즈에 채용될 수 있는 SiO2의 유전 상수의 실수부와 허수부를 파장에 따라 보인 그래프이다.
도 4는 도 1의 근접장 렌즈의 성능을 테스트하기 위한 셋팅으로, 메탈 슬릿이 근접장 렌즈 위에 배치된 구조를 보인다.
도 5는 메탈 슬릿에 입사된 광의 파장에 따른 투과율을 실시예에 따른 근접장 렌즈를 통해 관찰한 경우 및 근접장 렌즈 없이 관찰한 경우를 보인 그래프이다.
도 6은 실시예에 따른 근접장 렌즈와 메탈 슬릿간의 거리가 100nm, 500nm, 1000nm인 경우에 대해, 메탈 슬릿에 입사된 광의 파장에 따른 투과율을 보인 그래프이다.
도 7은 메탈 슬릿에 입사된 광의 투과율을 실시예에 따른 근접장 렌즈와 메탈 슬릿 간의 거리에 따라 보인 그래프이다.
도 8은 비교예로서, 근접장 렌즈가 없는 경우, 메탈 슬릿을 투과한 광의 진행 경로를 보인 power flow이다.
도 9는 메탈 슬릿을 투과한 광이 실시예에 따른 근접장 렌즈를 통한 진행 경로를 보인 power flow이다.
도 10은 메탈 슬릿에 입사된 광의 투과율을 실시예에 따른 근접장 렌즈에서 ENZ 물질층의 두께에 따라 보인 그래프이다.
도 11은 실시예에 따른 근접장 영상 장치의 개략적인 구성을 보인다.
도 12a는 실시예에 따른 근접장 영상 장치를 이용하여 메탈 측면을 이미징한 사진을 보이며, 도 12b는 도 12a의 점선 표시선을 따라 투과율을 보인 그래프이다.
도 13a는 비교예에 따른 영상 장치를 이용하여 메탈 측면을 이미징한 사진을 보이며, 도 13b는 도 13a의 점선 표시선을 따라 투과율을 보인 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 층, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 실시예에 따른 근접장 렌즈(100)의 개략적인 구조를 보인 사시도이다.
근접장 렌즈(100)는 기판(110)과, 기판(100) 상에 형성된 ENZ 물질층(120)을 포함한다.
ENZ 물질층(120)은 ENZ(epsilon near zero) 물질로 이루어져 있다. ENZ 물질은 유전 상수(dielectric constant)가 0에 가까운 물질을 의미하며, 본 명세서에서는 소정 파장의 광에 대해 유전 상수(dielectric constant)의 실수부(real part)가 0의 값을 갖는 물질을 지칭하는 것으로 한다.
빛과 물질의 상호 작용, 예를 들어, 투과, 반사, 흡수 등의 성질은 그 물질의 굴절률(refractive index, n)과 밀접한 관계가 있다. 물질의 굴절률 n은 다음과 같이 정의된다.
n2=μrεr
μr은 진공의 투자율(permeability, μ0)에 대한 상대 투자율(relative permeability)이고, εr은 진공의 유전율(permittivity, ε0)에 대한 상대 유전율(relative permittivity, εr)을 의미한다. εr은 유전 상수(dielectric constant)라고도 한다.
또한, 빛과 물질의 상호작용은 그 물질에 입사하는 빛의 성질, 즉, 파장과도 밀접한 관련이 있어, 유전 상수는 파장의 함수로 나타나며, 복소수(complex number)로 나타낼 수 있다. 진공의 유전 상수는 1이 되며, 일반적인 유전체(dielectric material)의 경우, 유전 상수의 실수부(real part)는 1보다 큰 양수이다. 금속(metal)의 경우, 유전 상수의 실수부는 음수가 될 수도 있다. 대부분의 파장 대역에서, 대부분의 물질의 유전 상수는 1보다 큰 값을 가지지만, 또한, 특정 파장에서, 유전 상수의 실수부는 0의 값을 가질 수 있다. 유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 가질 때, 특이한 광학적 성질을 나타낸다. 예를 들어, 휘어진 도파로를 빛이 손실 없이 진행할 수 있거나, 또는 파장보다 작은 영역안에 빛이 모이는(squeezing) 현상 등이 있다.
본 발명의 실시예는 원거리(far field)로 진행되지 않고 빠른 속도로 감쇄하는 소멸파(evanescent wave)인 근접장 광(near field light)을 잘 관찰할 수 있는 근접장 렌즈(near field lens)의 기능을 할 수 있도록, 유전 상수의 실수부가 0 또는 0에 매우 가까운 값을 가지는 물질로 된 ENZ 물질층(120)을 유전 상수의 실수부가 이보다 큰 기판(110) 상에 형성한 구조를 제시하고 있다. 근접장 렌즈의 작용은 도 4 내지 도 8을 참조하여 상세히 후술할 것이다.
기판(110)은 ENZ 물질층(120)에 비해 큰 유전 상수를 갖는 물질로서, 예를 들어, 유전 상수가 1보다 큰 물질로 이루어질 수 있다. 기판(110)의 재질로는 다양한 종류의 유전체 물질 또는 반도체 물질이 사용될 수 있다. 기판(110)은 실리콘 기판, 유리 기판일 수 있다.
기판(110)은 또한, 메타 구조(meta structure)를 포함할 수 있다. 메타 구조는 유전체 물질 상에 다양한 형태의 도전성 패턴 어레이를 포함하는 구조로 형성될 수 있다. 도전성 패턴 어레이는 서브 파장 오더의 작은 크기를 가질 수 있다. 도전성 패턴 어레이는 금속 물질 뿐 아니라, 그래핀(graphene), 탄소 나노 튜브(carbon nanotube), 또는, 전도성 산화물(conductive oxide)로 이루어질 수 있다. 메타 구조는 자연계에는 존재하지 않는 광학적 특성을 구현하는 구조로서, 메타 구조를 사용하는 경우, 도전성 패턴 어레이의 형상, 배치 주기, 크기나 두께 등의 설계에 따라 유전 상수의 값을 매우 크게, 또는 원하는 값을 갖도록 형성할 수 있다.
ENZ 물질층(120)은 소정 파장의 광에 대한 유전 상수의 실수부가 0의 값을 나타내는 물질로서, 또한, 상기 소정 파장의 광에 대한 유전 상수의 허수부(imaginary part)가 대략, 0.5이하의 값을 나타내는 물질로 이루어질 수 있다.
ENZ 물질층(120)의 두께는 10㎚ 이상 1㎛ 이하일 수 있다. ENZ 물질층(120)의 두께는 ENZ 물질층(120)을 이루는 물질의 구체적인 사항에 따라 다르게 정해질 수 있다. 예를 들어, 유전 상수의 실수부가 0의 값을 나타내는 상기 소정 파장이 커질수록, ENZ 물질층(120)의 두께는 이에 비례하여 크게 형성될 수 있다.
ENZ 물질층(120)은 양자점(quantum dot), 염료(dye), SiO2, Al2O3, SiN, TiO2, 또는 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있다. ENZ 물질층(120)은 평판 형태로 형성될 수 있다. 특정 파장에서 유전 상수의 실수부가 0의 값을 나타내는 성질을 이용하는 것이므로, 복잡한 패턴등이 요구되지 않는다.
ENZ 물질층(120)은 또한 메타 구조로 이루어질 수도 있다. 메타 구조는 전술한 바와 같이, 원하는 유전 상수의 값을 구현하게 하는 패턴 설계가 이론적으로 가능하다.
도 2는 도 1의 근접장 렌즈(100)의 EZN 물질층(110)에 채용될 수 있는 SiO2의 파장에 따른 투과율을 보인 그래프이고, 도 3은 SiO2의 유전 상수의 실수부와 허수부를 파장에 따라 보인 그래프이다.
도 2의 그래프를 참조하면, SiO2는 입사광의 파장이 9 마이크로미터 부근에서 강한 포논 흡수(phonon absorption) 현상이 나타나며, 즉, 이 파장 대역에서 투과율의 최저점을 형성한다.
이러한 현상은 도 3의 유전 상수 그래프로도 나타낼 수 있다. 상기 포논 흡수 현상이 나타나는 파장에서, 유전 상수의 실수부가 최저점을 형성하게 되므로, 상기 9 마이크로미터 보다 조금 작은, 8 마이크로미터 부근에서 유전 상수의 실수부는 0의 값을 갖게 된다. 또한, 유전 상수의 허수부도 8 마이크로미터 부근에서 0에 가까운 매우 작은 값을 갖는다. SiO2 는 8 마이크로미터 파장 대에서 광학적 특이성을 나타내는 ENZ(epsilon near zero) 물질이 된다.
대부분의 유전체는 특정 파장에서 도 3 및 도 4의 그래프에서 나타내는 유사한 성질을 가지며, 예를 들어, Al2O3, SiN 은 약 11㎛의 파장의 광해 대해, TiO2 는 약 12.5 ㎛의 파장의 광에 대해, 유전 상수의 실수부가 거의 0이 된다.
또한, 반도체 물질도 그 도핑 정도에 따라 이러한 성질을 나타낼 수 있다.
반도체에 높은 농도로 불순물 도핑을 하게 되면, 자유 전자들이 플라즈마 상태가 되는데, 이 때 도핑된 반도체의 유전 상수는 드루드 모델을 따르게 되어 다음과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, ω는 진동수, Г는 감쇄 상수, ωp는 반도체의 플라즈마 진동수, n 은 캐리어 농도, m* 은 유효 질랑(effective mass)이다.
상기한 유전 상수의 실수부와 허수부를 그래프로 나타내면, 유전 상수의 실수부는 파장이 커짐에 따라, 양수에서 음수가 된다. 즉, 높은 불순물 도핑이 된 반도체 물질의 성질은 파장에 따라 절연체에서 도체로 바뀐다고 볼 수 있고, 이 중간에 ENZ 물질이 되는 파장 지점이 생기는 것이다.
도 4는 도 1의 근접장 렌즈(100)의 성능을 테스트하기 위한 셋팅으로, 메탈 슬릿(150)이 근접장 렌즈(100) 위에 배치된 구조를 보인다.
메탈 슬릿(150)에는 스트라이프 형태이고 폭이 w인 슬릿이 주기 p로 반복 형성되어 있다. 메탈 슬릿(150)과 근접장 렌즈(100)와의 거리는 d이다. 슬릿 폭, w 보다 긴 파장의 광은 메탈 슬릿(150)을 잘 투과하지 못하며, 즉, 메탈 슬릿(150)을 투과한 광의 형태는 급격히 소멸하는 소멸파(evanescent wave)의 성질을 갖는 근접장 광(near field light)이 된다.
본 실시예의 근접장 렌즈(100)을 이러한 메탈 슬릿(150)에 가까이 배치시키는 경우, 근접장 광은 근접장 렌즈(100)에 의해 원거리(far field)로 전달될 수 있고, 그 형태를 자세히 관찰할 수 있다.
이하의 그래프들에서, 근접장 렌즈(100)는 기판(110)을 Si로, ENZ 물질층(120)을 SiO2로 형성한 경우이다. 그리고, 메탈 슬릿(150)의 폭 w는 500㎚, 주기 p는 4.5㎛이고, 메탈 슬릿(150)과 근접장 렌즈(100) 간의 거리, d와 ENZ 물질층(120)의 두께 t는 변화시켰다.
도 5는 메탈 슬릿(150)에 입사된 광의 파장에 따른 투과율을 실시예에 따른 근접장 렌즈(100)를 통해 측정한 경우 및 근접장 렌즈 없이 측정한 경우를 보인 그래프이다.
그래프에서, 근접장 렌즈(100)를 통해 관찰한 경우를 실시예로, 근접장 렌즈 없이 관찰한 경우를 비교예로 표시하고 있다.
그래프를 참조하면, 비교예의 경우, 투과율이 전 파장 대역의 광에 대해 거의 10% 이하로 작게 나타나는 반면, 실시예의 경우, 파장 8㎛인 광에 대해 투과율이 피크(peak) 값을 형성하고 있다.
상기 파장은 근접장 렌즈(100)에 채용된 SiO2 물질이 ENZ 성질을 나타내는 파장이다. 즉, 근접장 렌즈(100)에 SiO2 물질을 ENZ 물질층(120)에 채용한 경우, 파장 8㎛의 광에 의해 형성된 근접장은 근접장 렌즈(100)를 통해 잘 관찰할 수 있게 된다.
도 5의 그래프는 메탈 슬릿(150)과 근접장 렌즈(100) 간의 거리 d를 0으로 한 경우이다. 거리 d에 따라 근접장 렌즈(100)의 성능은 다소 다르게 나타날 수도 있다.
도 6은 실시예에 따른 근접장 렌즈(100)와 메탈 슬릿(150)간의 거리가 100nm, 500nm, 1000nm인 경우에 대해, 메탈 슬릿(150)에 입사된 광의 파장에 따른 투과율을 보인 그래프이다.
그래프를 참조하면, 8㎛ 파장 대역에서 투과율의 피크가 나타나며, 다만, d가 커질수록, 피크 위치에서의 투과율은 작아지고 있다.
도 7은 메탈 슬릿(150)에 입사된 광의 투과율을 실시예에 따른 근접장 렌즈(100)와 메탈 슬릿(150) 간의 거리에 따라 보인 그래프이다.
메탈 슬릿(150)에는 파장 8㎛인 광이 입사된 경우로서, 거리가 커짐에 다라 투과율은 작아지고 있다.
도 6과 도 7을 참조할 때, 근접장 렌즈(100)와 메탈 슬릿(150) 간의 거리, 즉, 근접장 렌즈(100)와 관측 대상인 물체 간의 거리는 적정 범위 이내로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 2㎛ 이내로 할 수 있으며, 또한, 바람직하게는 0.5㎛ 이내로 할 수 있고, 0으로 하는 것도 가능하다. 다만, 이 범위는 근접장 렌즈(100)에 ENZ 물질층(120)의 재질에 따라 달라질 수 있다.
본 실시예의 근접장 렌즈(100)가 근접장 광을 원거리로 전달할 수 있음은 다음의 power flow를 통해 더욱 명확히 볼 수 있다.
도 8은 비교예로서, 근접장 렌즈가 없는 경우, 메탈 슬릿(150)을 투과한 광의 진행 경로를 보인 power flow이다.
메탈 슬릿(150)을 통과한 광의 흐름을 살펴보면, 대부분의 광이 소용돌이(vortex) 형태로 국소화(localize) 되어 있는 것을 볼 수 있다.
도 9는 메탈 슬릿(150)을 투과한 광이 실시예에 따른 근접장 렌즈(100)를 통한 진행 경로를 보인 power flow이다.
그래프를 참조하면, 근접장 렌즈(100)가 있는 경우, 도 7의 그래프에서 나타나는 광 흐름의 소용돌이(vortex) 형태는 나타나지 않으며, 근접장 렌즈(100)를 지나며, 원거리로 진행되고 있음을 볼 수 있다.
도 10은 메탈 슬릿(150)에 입사된 광의 투과율을 실시예에 따른 근접장 렌즈(100)에서 ENZ 물질층(120)의 두께에 따라 보인 그래프이다.
그래프는 FDTD 방법을 사용하는 전산모사 결과와 실험결과를 함께 보이고 있다. 근접장 렌즈(100)와 메탈 슬릿(150) 간의 거리는 0으로 한 경우이다. ENZ 물질층(120)의 두께가 커짐에 따라 투과율은 증가하다가 다시 감소한다. 이로부터 ENZ 물질층(120)의 두께를 조절하여 근접장 광을 가져오는 양 조절할 수 있음을 알 수 있다. 이는 결국 해상도에 영향을 미친다. 즉, 투과도가 높을수록 근접장을 많이 가져오기 때문에 더 선명해진다. 다만, 아주 두꺼워지면 오히려 투과도가 감소하는데, 그 이유는 ENZ 물질 유전율의 허수 부분에서 오는 손실(loss) 때문이다.
도 11은 실시예에 따른 근접장 영상 장치(1000)의 개략적인 구성을 보인다.
근접장 영상 장치(1000)는 대상체(OBJ)에 광을 조사하는 광원(1100), 광원(1100)에서 조사된 광이 대상체(OBJ)에 의해 산란되며 형성된 근접장을 원거리장으로 전달하기 위한 근접장 렌즈(100), 근접장 렌즈(100)를 투과한 광을 집속하는 광학 렌즈(1300), 광학 렌즈(1300)에 의해 집속된 광을 센싱하여 이를 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서(1500)를 포함한다.
근접장 렌즈(100)는 기판(110)과 기판(110) 상에 형성된 ENZ 물질층(120)을 포함하는 구조이다. 기판(110)으로는 유전 상수가 1보다 큰 재질로서, 다양한 종류의 유전체 물질, 또는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 또한, 메타 구조를 포함할 수도 있다. ENZ 물질층(120)은 특정 파장에서 유전 상수의 실수부가 0의 값을 나타내는 물질로 이루어진다. ENZ 물질층(120)은 양자점(quantum dot), 염료(dye), SiO2, Al2O3, SiN, TiO2, 또는 불순물이 도핑된 반도체 물질을 포함할 수 있고, 또한, 메타 구조를 포함할 수도 있다.
광원(1100)은 근접장 렌즈(100)의 성능에 적합한 파장 대역의 광을 조사하도록 구성된다. 광원(1100)은 ENZ 물질층(120)의 유전 상수의 실수부가 0이 되는 상기 특정 파장을 포함하는 대역의 광을 조사하도록 구성될 수 있으며, 예를 들어, 중적외선 대역(mid-IR)의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, ENZ 물질층(120)의 특징에 따라, 가시광선, 근적외선(near IR), 테라헤르츠 파, 마이크로파 등의 대역의 광원이 사용될 수도 있다. 광원(1100)은 LD(laser diode), LED(light emitting diode), SLD(super luminescent diode)등의 광원을 포함할 수 있다.
광원(1100)과 대상체(OBJ) 사이에는 밴드 패스 필터가 더 구비될 수도 있으며, 또한, 광원(1100)에서의 광이 대상체(OBJ)를 향하게 하기 위한, 다양한 광학 부재들이 더 배치될 수 있다.
또한, 근접장 영상 장치(1000)는 대상체(OBJ)가 놓이는 재물대(1200)를 더 포함할 수 있으며, 재물대(1200)와 근접장 렌즈(100)간의 거리, d가 조절되는 구성이 채용될 수 있다. 예를 들어, 재물대(1200)는 대상체(OBJ)와 근접장 렌즈(100) 사이의 거리 d가 0에서 2㎛ 사이의 범위에서 조절되도록 구성될 수도 있다.
광학 렌즈(1300)는 근접장 렌즈(100)를 통과한 광을 이미지 센서(1500)로 포커싱 한다.
광학 렌즈(1300)는 하나의 렌즈로 도시되었으나 이는 예시적인 것이고, 복수개로 구성되는 것도 가능하다.
이미지 센서(1500)는 광학 렌즈(1300)에 의해 집속된 광을 전기적 신호로 변환하는 것으로, 예를 들어, CCD 이미지 센서 또는 CMOS 이미지 센서일 수 있다.
또한, 근접장 영상 장치(1000)는 이미지 센서(1500)로부터의 신호를 영상 신호로 처리하는 영상 처리부(1700)를 더 포함할 수 있다. 영상 처리부(1700)는 예를 들어, 이미지 센서(1500)로부터의 신호를 영상 신호로 변환하는 신호 처리부, 영상 신호에 따른 영상을 표시하는 디스플레이부, 신호 처리부에서 형성한 영상 데이터를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.
광원(1100)으로부터 대상체(OBJ)에 조사되어 대상체(OBJ)에 의해 산란된 광은 대상체(OBJ)에 대한 다양한 정보를 담고 있다. 대상체(OBJ)에 의해 산란된 광은, 근접장 광을 포함하여 대부분이 근접장 렌즈(100)에 의해 이미지 센서(1500)에 센싱될 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 근접장 영상 장치(1000)는 대상체(OBJ)에 대해 높은 해상도의 이미징이 가능하다.
도 12a는 실시예에 따른 근접장 영상 장치(1000)를 이용하여 메탈 측면을 이미징한 사진을 보이며, 도 12b는 도 12a의 점선 표시선을 따라 투과율을 보인 그래프이다.
또한, 도 13a는 비교예에 따른 영상 장치를 이용하여 메탈 측면을 이미징한 사진을 보이며, 도 13b는 도 13a의 점선 표시선을 따라 투과율을 보인 그래프이다.
비교예의 영상 장치는 도 11의 근접장 영상 장치(1000)에서 근접장 렌즈(100)를 대신하여, 이 위치에, ENZ 물질층(120)이 형성되지 않은 실리콘 기판을 배치한 구조로 하였다.
도 12a, 도 13a의 사진들은 Au와 Si의 경계면(BS)을 포함하는 영역 일부를 이미징한 것이며, 도 12a, 도 13a에 표시된 점선을 따라 투과율을 도시한 도 12b, 도 13b의 그래프로부터 각각의 분해능을 확인할 수 있다. 분해능은 투과율이 그 최대값의 90%에서 10%로 변하는 거리로서, 각각 12㎛, 18㎛로 나타난다. 즉, 실시예의 근접장 영상 장치(1000)를 사용한 경우, 비교예의 경우보다 분해능이 우수함을 알 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100...근접장 렌즈 110...기판
120...ENZ 물질층 150...메탈 슬릿
1000...근접장 영상 장치 1100...광원
1200...재물대 1300...광학 렌즈
1500...이미지 센서 1700...영상 처리부

Claims (19)

  1. 대상체에 의해 형성된 근접장 광을 원거리장으로 전달하는 것으로, 기판과,상기 기판 상에 배치되며, 소정 파장의 광에 대해 유전 상수(dielectric constant)의 실수부(real part)가 0의 값을 나타내는 물질로 이루어진 ENZ(epsilon near zero) 물질층을 포함하는 근접장 렌즈;
    상기 대상체가 탑재되며, 상기 근접장 렌즈가 소정 범위의 투과율을 갖도록 상기 대상체와 상기 ENZ 물질층과의 거리가 조절되도록 구성되는 재물대;를 포함하는 근접장 영상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 ENZ 물질층은 상기 소정 파장의 광에 대한 유전 상수의 허수부(imaginary part)가 0.5이하의 값을 갖는 근접장 영상 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ENZ 물질층의 두께는 10㎚ 이상 1㎛ 이하인 근접장 영상 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유전 상수가 1보다 큰 물질로 이루어진 근접장 영상 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 유전체 물질 또는 반도체 물질로 이루어진 근접장 영상 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 메타 구조를 포함하는 근접장 영상 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 ENZ 물질층은 양자점(quantum dot), 염료(dye), SiO2, Al2O3, SiN, TiO2, 또는 도핑된 반도체 물질을 포함하는 근접장 영상 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 ENZ 물질층은 메타 구조를 포함하는 근접장 영상 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 ENZ 물질층은 평판 형태를 가지는 근접장 영상 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 대상체(object)에 광을 조사하는 광원;
    상기 근접장 렌즈를 투과한 광을 집속하는 광학 렌즈;
    상기 광학 렌즈에 의해 집속된 광을 센싱하여 이를 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;를 더 포함하는 근접장 영상 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 재물대는 상기 대상체와 상기 근접장 렌즈 간의 거리가 2㎛ 이하로 조절되도록 구성되는 근접장 영상 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제10항에 있어서,
    상기 광원은 중적외선(mid-IR) 대역의 광을 조사하는 근접장 영상 장치.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 이미지 센서로부터의 신호를 영상 신호로 변환하고, 이를 디스플레이 하는 영상 처리부를 더 포함하는 근접장 영상 장치.
KR1020140066525A 2014-05-30 2014-05-30 근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치 KR102208964B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140066525A KR102208964B1 (ko) 2014-05-30 2014-05-30 근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치
US14/727,010 US10205864B2 (en) 2014-05-30 2015-06-01 Near field lens and imaging apparatus including same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140066525A KR102208964B1 (ko) 2014-05-30 2014-05-30 근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150137890A KR20150137890A (ko) 2015-12-09
KR102208964B1 true KR102208964B1 (ko) 2021-01-28

Family

ID=54701510

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140066525A KR102208964B1 (ko) 2014-05-30 2014-05-30 근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10205864B2 (ko)
KR (1) KR102208964B1 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101974253B1 (ko) * 2016-12-30 2019-05-02 한국과학기술원 초고분해능 광학 현미경 및 이를 이용한 광학 이미지 생성 방법
KR102129862B1 (ko) * 2018-12-11 2020-07-03 포항공과대학교 산학협력단 메타 렌즈, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 광학 장치
CN110453183A (zh) * 2019-08-01 2019-11-15 上海理工大学 一种近零介电常数可控基底及其制备方法
US20210271000A1 (en) * 2020-02-28 2021-09-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Meta-optical device and electronic apparatus including the same
CN111897174B (zh) * 2020-07-31 2023-10-27 国家纳米科学中心 一种平面透镜聚焦器件及调控焦距的方法
CN111900545B (zh) * 2020-08-16 2021-05-04 西安电子科技大学 含有非均匀厚度enz超材料夹心层的高定向性平凹透镜

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003114184A (ja) 2001-10-04 2003-04-18 Hitachi Ltd 近接場光発生装置
US20110158575A1 (en) * 2009-12-30 2011-06-30 Cornell University Extraordinary light transmission apparatus and method
US20120013890A1 (en) * 2009-02-27 2012-01-19 Masahiro Watanabe Pattern inspection device of substrate surface and pattern inspection method of the same
JP2012132886A (ja) 2010-12-24 2012-07-12 Konica Minolta Holdings Inc 金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法及び金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08204379A (ja) * 1995-01-24 1996-08-09 Mitsubishi Cable Ind Ltd 電波吸収体
JP2004198636A (ja) 2002-12-17 2004-07-15 Olympus Corp 光学系及びそれを用いた光学装置
WO2004079428A1 (ja) * 2003-03-03 2004-09-16 Nikon Corporation 顕微鏡デジタル画像取得システム
JP4642921B2 (ja) * 2008-07-31 2011-03-02 Ｈｏｙａ Ｃａｎｄｅｏ Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ株式会社 偏光素子
KR20110027543A (ko) 2009-09-09 2011-03-16 연세대학교 산학협력단 음굴절률 메타물질을 이용한 능동형 위상 보정 방법, 이를 이용한 노광 이미징 장치와 시스템 및 음굴절률 메타물질을 이용하는 노광 이미징 장치의 분해능 개선방법
CN102549328B (zh) * 2009-09-30 2014-09-17 日本电气株式会社 光学元件、光源装置以及投射显示装置
KR101706693B1 (ko) * 2009-12-30 2017-02-14 삼성전자주식회사 근접 필드 포커싱을 이용한 무선 전력 전송 장치
US8983251B2 (en) * 2011-12-09 2015-03-17 Rochester Institute Of Technology Electro-optical waveguide apparatuses and methods thereof
US9244268B2 (en) * 2013-02-14 2016-01-26 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Actively tunable polar-dielectric optical devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003114184A (ja) 2001-10-04 2003-04-18 Hitachi Ltd 近接場光発生装置
US20120013890A1 (en) * 2009-02-27 2012-01-19 Masahiro Watanabe Pattern inspection device of substrate surface and pattern inspection method of the same
US20110158575A1 (en) * 2009-12-30 2011-06-30 Cornell University Extraordinary light transmission apparatus and method
JP2012132886A (ja) 2010-12-24 2012-07-12 Konica Minolta Holdings Inc 金属薄膜上誘電体の光学特性測定方法及び金属薄膜上誘電体の光学特性測定装置

Also Published As

Publication number Publication date
US10205864B2 (en) 2019-02-12
KR20150137890A (ko) 2015-12-09
US20150346477A1 (en) 2015-12-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102208964B1 (ko) 근접장 렌즈 및 이를 포함하는 영상 장치
Yachmenev et al. Metallic and dielectric metasurfaces in photoconductive terahertz devices: a review
DE102007016588B4 (de) Mikroskop mit Subwellenlängenauflösung und Verfahren zum Erzeugen eines Bilds eines Objekts
Zhang et al. Single nanoparticle couplers for plasmonic waveguides
Yao et al. Imaging visible light using anisotropic metamaterial slab lens
Zhang et al. Plasmon-induced-transparency in subwavelengthstructures
CN210072117U (zh) 纳米线栅结构和荧光各向异性增强装置
US20140090118A1 (en) Probes for multidimensional nanospectroscopic imaging and methods of fabrication thereof
CN113200512B (zh) 一种小间隙金属纳米腔结构、制备方法及设备
US20140321805A1 (en) Ultra-flat plasmonic optical horn antenna
Lin et al. Enhanced laser action from smart fabrics made with rollable hyperbolic metamaterials
Guo et al. Imaging of sub-surface nanostructures by dielectric planer cavity coupled microsphere lens
KR101613581B1 (ko) 광 검출 장치 및 광 검출 방법
DE10335533A1 (de) Berührungsloser Dehnungssensor
US11092547B2 (en) Device and method for observing a fluorescent sample
Melentiev et al. Light transmission asymmetry and optical diode
KR101067368B1 (ko) 광섬유 인듐비소 박막 테라헤르츠파 발생 장치 및 제조 방법
Imura et al. Two-photon imaging of localized optical fields in the vicinity of silver nanowires using a scanning near-field optical microscope
Li Anomalous transport of light in photonic crystal
Maia et al. Rectification and gate tuning of the hyperbolic plasmon-phonon polaritons in the graphene-hexagonal boron nitride metamaterial
TW201104238A (en) Tunable silver nanoparticle surface plasmon waveguide
Li et al. Hyperbolic Metamaterial Photonic Funnels
KR101666742B1 (ko) 이미징 렌즈 구조물, 이의 형성 방법 및 이를 포함하는 광학 이미징 시스템
Seo et al. Back-focal plane scanning spectroscopy for investigating the optical dispersion of large-area two-dimensional photonic crystal fabricated by capillary force lithography
Ren Manipulating Light and Matter with Non-Conventional Metamaterials

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right