阅读说明：本技术 使用超材料的光学成像设备及使用超材料的光学成像方法 (Optical imaging apparatus using metamaterial and optical imaging method using metamaterial ) 是由 徐旻我 李尚训 金哲基 金哉宪 李宅振 禹德夏 于 2020-03-03 设计创作，主要内容包括：本发明的一个实施例提供了一种使用超材料的光学成像设备,该光学成像设备包括：超材料阵列传感器,该超材料阵列传感器包括由超材料制成的多个单位晶格并与观察对象相邻放置；成像光束提供单元,该成像光束提供单元向超材料阵列传感器提供成像光束；控制光束提供单元,该控制光束提供单元控制提供至单位晶格的控制光束以阻挡入射在单位晶格上的成像光束；以及成像光束测量单元,该成像光束测量单元通过测量当成像光束穿过单位晶格时超材料阵列传感器的成像光束透射量和当控制光束聚焦在单位晶格上以阻挡入射在单位晶格上的成像光束时超材料阵列传感器的成像光束透射量来测量穿过单位晶格的单位晶格成像光束透射量。(An embodiment of the present invention provides an optical imaging apparatus using a metamaterial, the optical imaging apparatus including: a metamaterial array sensor including a plurality of unit cells made of a metamaterial and disposed adjacent to an observation object; an imaging beam providing unit that provides an imaging beam to the metamaterial array sensor; a control beam supply unit that controls a control beam supplied to the unit cell to block an imaging beam incident on the unit cell; and an imaging beam measuring unit that measures a unit cell imaging beam transmission amount through the unit cell by measuring an imaging beam transmission amount of the metamaterial array sensor when the imaging beam passes through the unit cell and an imaging beam transmission amount of the metamaterial array sensor when the control beam is focused on the unit cell to block the imaging beam incident on the unit cell.)

使用超材料的光学成像设备及使用超材料的光学成像方法

相关申请的交叉引用

本发明根据美国法典第35编第119节要求于2019年3月6日提交的韩国申请第10-2019-0025928号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及使用超材料的光学成像设备和使用超材料的光学成像方法，更具体地，涉及使用切换超材料(switching metamaterial)的光学成像设备和使用切换超材料的光学成像方法，该光学成像设备在使用超材料阵列的光学成像中能够克服衍射极限并调节成像光束相对于单个单位超材料的透射率。

背景技术

光学成像技术的准确性、处理精度和生产率优于任何其他方法。然而，光学成像技术已到了发展高分辨率成像技术的瓶颈，因为由于衍射极限，其分辨率不能短于波长。作为克服由于衍射极限引起的分辨率极限的方法之一，已经开发了具有负折射率的超材料，并且可以通过将超材料引入成像系统来获得超过衍射极限的高分辨率。同时，超材料是一种以金属或介电材料设计的单位晶格(unit cell)按规则阵列排列的材料(超材料阵列)，并且是一种具有诸如在自然界中不存在的超高折射率和负折射率的特性的新概念材料。

如上所述，已经报道了可以通过使观察对象与超材料接触以放大观察对象的光学特性来观察观察对象。特别地，与可见光区域不同，在太赫兹频带中，存在许多分子的固有共振(旋转、振动、分子间和分子内)频率，该固有共振频率被称为独特的指纹图谱。通过使用超材料，即使在过去无法观察到的痕量分子中，也可以放大和观察该独特的指纹图谱。当观察到具有独特的指纹图谱的分子时，使用通过使超材料的共振频率与其频率匹配来放大信号的原理。当观察对象与超材料阵列接触并且其透射率被二维扫描时，观察对象的放大的光学特性可以作为二维图像获得。近来，还研究了对超材料的光学特性进行光学控制的方法。例如，由于超材料的光学特性对近场区域中的电荷密度敏感，因此可以通过光泵浦来增加电荷密度，从而调节穿过超材料的光的透射率。

就此而言，随着观察对象的图像的空间分辨率变高，可以更精确地观察观察对象的光学特性的空间分布。光学图像的空间分辨率受到衍射极限的限制。即使在使用超材料阵列的二维成像的情况下，由于成像光束以小于或等于衍射极限的水平同时穿过相邻的超材料，因此在小于或等于衍射极限的水平仍可能看不到空间分布。

发明内容

本发明旨在提供一种使用超材料的光学成像设备，其中，在使用超材料阵列的光学成像中，可以使用控制光束来获得成像光束相对于单个单位超材料的透射量和透射率，从而获取观察对象的具有单位超材料水平的空间分辨率的光学分析图像而与成像光束的衍射极限无关；并且本发明提供一种使用超材料的光学成像方法。

本发明的技术目的不特别地限于上述目的，并且本发明所属技术领域的技术人员从以下描述中还将清楚地理解本文中未描述的其他技术目的。

根据本发明的一个方面，提供了一种使用超材料的光学成像设备，该光学成像设备包括：超材料阵列传感器，该超材料阵列传感器包括由超材料制成的多个单位晶格并与观察对象相邻放置；成像光束提供单元，该成像光束提供单元向超材料阵列传感器提供成像光束；控制光束提供单元，该控制光束提供单元控制提供至单位晶格的控制光束以阻挡入射在单位晶格上的成像光束；以及成像光束测量单元，该成像光束测量单元通过测量当成像光束穿过单位晶格时超材料阵列传感器的成像光束透射量和当控制光束聚焦在单位晶格上以阻挡入射在单位晶格上的成像光束时超材料阵列传感器的成像光束透射量来测量穿过单位晶格的单位晶格成像光束透射量。

光学成像设备还可以包括图像获取单元，该图像获取单元通过使用相对于多个单位晶格中的每一个的由成像光束测量单元测量的单位晶格成像光束透射量来获取观察对象的光学分析图像，该光学分析图像具有与构成单位晶格的超材料的尺寸相对应的空间分辨率。

构成单位晶格的超材料的尺寸可以小于成像光束的衍射极限。

控制光束可以具有预设为与构成单位晶格的超材料的尺寸相对应的光斑尺寸。

成像光束可以是太赫兹波的形式，并且控制光束可以具有在可见光波长范围内的波长。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用超材料的光学成像方法，其包括：a)向超材料阵列传感器提供成像光束，该超材料阵列传感器包括由超材料制成的多个单位晶格并与观察对象相邻放置；b)控制提供至单位晶格的控制光束以阻挡入射在单位晶格上的成像光束；以及c)通过测量当成像光束穿过单位晶格时超材料阵列传感器的成像光束透射量和当控制光束聚焦在单位晶格上以阻挡入射在单位晶格上的成像光束时超材料阵列传感器的成像光束透射量来测量穿过单位晶格的单位晶格成像光束透射量。

该光学成像方法还可以包括：d)通过使用相对于多个单位晶格中的每一个的根据操作c)测得的单位晶格成像光束透射量来获取观察对象的光学分析图像，该光学分析图像具有与构成单位晶格的超材料的尺寸相对应的空间分辨率。

构成单位晶格的超材料的尺寸可以小于成像光束的衍射极限。

控制光束可以具有预设为与构成单位晶格的超材料的尺寸相对应的光斑尺寸。

成像光束可以是太赫兹波的形式，并且控制光束可以具有在可见光波长范围内的波长。

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施例的使用超材料的光学成像设备的示意性配置的框图。

图2是在视觉上示出利用使用超材料的光学成像设备对观察对象进行成像的图。

图3是示出应用于本发明的实施例的超材料阵列的图。

图4是示出在图2所示的单位超材料中确定透射量的图。

图5示出了图示使用图2中所示的光学成像设备获取的观察对象的图像的图。

图6是示出根据一个实施例的使用超材料的光学成像设备的示例的一组图。

图7是示出根据图6所示的本发明的一个实施例的透射率的变化的图。

图8是示出根据本发明另一实施例的使用超材料的光学成像方法的过程的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明。然而，本发明可以以多种不同的形式来实现，因此不限于本文描述的实施例。另外，附图用于容易地理解本文提出的实施例，并且本文提出的技术精神不受附图限制。这样，应当理解，本发明应当被解释为扩展到包括在本发明的精神和范围内的任何变更、等同和替代。为了清楚地描述本发明，在附图中未示出与说明书无关的部分，附图中示出的每个组件的尺寸、形式和形状可以进行各种修改，并且在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。

另外，在以下描述中公开的用于组件的后缀“模块”和“单元”仅被给出或可互换地使用以助于说明书的描述，并且后缀本身不赋予任何特殊的含义或功能。另外，在描述本文中提出的实施例时，当判断出与本发明有关的公知技术的具体描述模糊了本文呈现的实施例的主旨时，将省略详细描述。

在整个说明书中，在一个组件被描述为“连接(接合、接触或耦接)”到另一组件的情况下，这种描述包括一个组件被直接“连接(接合、接触或耦接)”到另一组件的情况以及一个组件被间接“连接(接合、接触或耦接)”到另一组件且又一组件设置在一个组件与另一组件之间的情况。另外，除非明确相反地描述，否则术语“包括(包含或具有)”将被理解为暗示包括所陈述的组件，但不排除任何其他组件。

本文中使用的术语用于描述具体实施例，并且不限制本发明。除非另外清楚地表示，否则单数形式包括多数形式，并且除非特别限制，否则可以以组合形式实施分布和实现的组件。在本说明书中，术语“包括”或“具有”表示存在说明书中描述的特征、数字、步骤、操作、元件、组件或其组合，并且不排除至少一个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或其组合的存在或添加。

将理解的是，尽管本文中使用的术语“第一和第二”可以用于描述各种组件，但是这些组件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个组件区分开。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一组件可以被称为第二组件，并且类似地，第二组件可以被称为第一组件。

图1是示出根据本发明的一个实施例的使用超材料的光学成像设备(以下称为使用超材料的光学成像设备100)的示意性配置的框图，图2是在视觉上示出利用使用超材料的光学成像设备100对观察对象进行成像的图。

在阐述详细描述之前，将简要描述本发明的概念。在光学成像中，当成像光束的衍射极限光斑尺寸大于观察对象的尺寸时，观察对象的详细空间形状不被成像。根据本发明，通过使用超材料阵列传感器和控制光束将实际光斑尺寸减小到单位超材料的水平来提高图像的分辨率。这里，控制光束用于改变单位超材料的光学特性，以透射或阻挡入射在单位超材料上的成像光束。另外，使单位超材料(单位晶格)小于成像光束的衍射极限，并且控制光束的光斑尺寸小到足以分别入射到每个单位超材料上。在这种情况下，通过打开和关闭控制光束而产生的成像光束的透射量之间的差与穿过单位超材料的成像光束的透射量相对应。当在阵列的所有单位超材料中测量根据控制光束的存在和缺失的透射量之间的差时，可以获得实际分辨率与单位超材料的水平相对应的图像。

参照图1，使用超材料的光学成像设备100包括超材料阵列传感器110、成像光束提供单元120、控制光束提供单元130和成像光束测量单元140，并且还可以包括图像获取单元150。

超材料阵列传感器110包括由超材料制成的多个单位晶格111并与观察对象相邻放置。参照图2，可以确认，超材料阵列传感器110与观察对象201相邻放置。

另外，参照示出了应用于本发明的实施例的超材料阵列的图3，可以通过在执行成像的频带中设计具有高透射率的单位超材料来制备应用于超材料阵列传感器110的超材料。因此，可以通过超材料的近场放大来灵敏地观察与超材料阵列接触的观察对象的光学特性。可以根据观察对象的属性设计专门的超材料。另外，在缝隙天线阵中，可以根据缝隙的长度、宽度和厚度来确定传输频带，并且可以根据近场中的电磁波的放大来提高灵敏度。因此，缝隙天线阵具有适合应用于根据本发明的超材料阵列传感器以及包括该超材料阵列传感器的使用超材料的光学成像设备和光学成像方法的结构。

成像光束提供单元120将成像光束提供至超材料阵列传感器110。这里，成像光束可以与图2所示的成像光束202具有相同的形式。

控制光束提供单元130控制提供至单位晶格111的控制光束以阻挡入射在单位晶格111上的成像光束。即，控制光束提供单元130控制该控制光束的打开或关闭。在这种情况下，控制光束可以与图2所示的控制光束203具有相同的形式。

上述成像光束可以是太赫兹波的形式，并且上述控制光束可以具有可见光波长范围内的波长，但是本发明不限于此。

成像光束测量单元140通过测量当成像光束穿过单位晶格111时超材料阵列传感器110的成像光束透射量和当控制光束聚焦在单位晶格111上以阻挡入射在单位晶格111上的成像光束时超材料阵列传感器110的成像光束透射量来测量穿过单位晶格的单位晶格成像光束透射量。

参照示出在图2所示的单位超材料中确定透射量的图4，通过使用控制光束提供单元130，可以将控制光束聚焦在一个单位晶格上，以仅切换成像光束在一个单位晶格中的透射。打开和关闭的透射量之间的差可以对应于在一个单位晶格中的透射。换句话说，在超材料阵列传感器110的情况下，当聚焦在单位晶格上的控制光束被关闭时，透射量增加，并且当聚焦在单位晶格上的控制光束被打开时，透射量减少。透射量之间的差成为成像光束相对于单位晶格的透射量401。当打开控制光束时超材料阵列传感器110的透射量成为成像光束相对于除该单位晶格之外的其余单位晶格的透射量402。

图像获取单元150通过使用相对于多个单位晶格111中的每一个的由成像光束测量单元140测量的单位晶格成像光束透射量来获取观察对象的光学分析图像，该光学分析图像具有与构成单位晶格111的超材料的尺寸相对应的空间分辨率。

参照图5，可以在x-y平面上获取与观察对象附接的超材料阵列传感器110的二维扫描图像。当通过执行二维扫描重复确定单位超材料(单位晶格)中的透射率时，可以获取具有作为一个像素的单位超材料的尺寸的图像，并且可以将空间分辨率确定为单位超材料的尺寸。因此，在当前的太赫兹电磁波区域中，目前尚无超过光学极限的1/10000规模的显微镜技术。因此，本发明可以使用纳米超材料阵列和可见光控制光束应用于在红外和太赫兹区域中以实现高分辨率。

同时，构成单位晶格111的超材料的尺寸可以小于成像光束的衍射极限。另外，控制光束可以具有预设为与构成单位晶格111的超材料的尺寸相对应的光斑尺寸。参照图2，可以确认，构成单位晶格111的超材料的尺寸与控制光束203的衍射极限光斑尺寸204相对应。

图6是示出根据一个实施例的使用超材料的光学成像设备100的一组图，图7是示出根据图6所示的本发明的一个实施例的透射率的变化的图。

根据本发明的一个实施例，单位超材料可以被设计为在光学上切换截止频带的透射率。作为透射率切换机制，存在多种方法，包括通过热效应进行折射率调节以及通过电荷的光激发形成导电通道来进行碰撞电离。如图6所示，在半导体基板602上制造的缝隙天线阵601可以实现为使用光激发来控制太赫兹波603的频带中的透射率。

具体地，在半导体基板602上制造的由金属制成的缝隙天线阵601以共振频率传输太赫兹波603。如在图6A中所示的控制光束关闭的情况下，当控制光束没有入射在缝隙天线阵601上时，在基板导带604和基板价带605中不激发电荷。然而，如在图6B中所示的控制光束打开的情况下，当具有带隙能量以上的控制光束606入射在缝隙天线阵601上时，在基板导带607和基板价带608之间的基板中激发电荷，并且太赫兹波的传输被激发的电荷阻挡。

如图6所示，当使用太赫兹波作为成像光束相对于在半导体基板上制造的缝隙天线阵测量透射率时，可以对控制光束的波长进行选择以使得控制光束的能量大于或等于基板的带隙能量。当控制光束关闭时，与缝隙的共振频率相对应的太赫兹波被传输。另一方面，当控制光束打开时，控制光束激发基板中的电荷，从而阻挡了太赫兹波的传输。当通过打开和关闭控制光束来分析透射率差时，如图7所示，可以获得成像光束相对于相应的单个单位超材料的透射率。

如上所述，本发明可以适合于使用大于或等于太赫兹波的长波长的成像。当使用可见光区域中的控制光束和纳米超材料时，可以获得比波长小至少几百倍的分辨率。另外，本发明可以容易地与太赫兹时域光谱组合并使用。当使用大于或等于太赫兹波的长波长对生物材料进行成像时，低的空间分辨率(其使得难以区分生物学结构)具有局限性。因此，通过促进长波长生物材料的成像，本发明可以用于诸如医药领域中。

图8是示出根据本发明另一实施例的使用超材料的光学成像方法的过程的流程图。根据本实施例的使用超材料的光学成像方法与利用使用超材料的光学成像设备100(已参照图1至图7对光学成像设备100进行了描述)的光学成像方法相对应。因此，在下文中，将省略与以上描述相同的内容，并且以下所有过程表示由使用超材料的光学成像设备100执行的功能。

根据本实施例的使用超材料的光学成像方法提供了一种使用超材料的光学成像方法，其包括：a)向包括由超材料制成的多个单位晶格并与观察对象相邻放置的超材料阵列传感器提供成像光束(S110)；b)控制提供至单位晶格的控制光束以阻挡入射在单位晶格上的成像光束(S120)；以及c)通过测量当成像光束穿过单位晶格时超材料阵列传感器的成像光束透射量和当控制光束聚焦在单位晶格上以阻挡入射在单位晶格上的成像光束时超材料阵列传感器的成像光束透射量来测量穿过单位晶格的单位晶格成像光束透射量(S130)。

在本实施例中，光学成像方法还可以包括：d)通过使用相对于多个单位晶格中的每一个的根据操作c)测得的单位晶格成像光束透射量来获取观察对象的具有与构成单位晶格的超材料的尺寸相对应的空间分辨率的光学分析图像(S140)。

在本实施例中，构成单位晶格的超材料的尺寸可以小于成像光束的衍射极限。

在本实施例中，控制光束可以具有预设为与构成单位晶格的超材料的尺寸相对应的预设光斑尺寸。

在本实施例中，成像光束可以是太赫兹波的形式，并且控制光束可以具有在可见光波长范围内的波长。

如上所述，本发明涉及一种使用超材料阵列传感器实现超高分辨率成像的方法。在本发明中，通过使超材料阵列传感器和观察对象彼此接触并且将用于测量其透射率的成像光束与用于在单位超材料中单独切换成像光束透射率的控制光束一起使用，通过对在切换单位超材料时产生的成像光束的透射量之间的差进行二维扫描来获取图像。由于所获取的图像具有与单位超材料的尺寸一样大的空间分辨率，而与成像光束的衍射极限无关，因此通过使用单位超材料的尺寸小于衍射极限的超材料阵列，可以实现超高分辨率成像。

根据本发明的实施例，能够切换成像光束的透射率的控制光束聚焦在一个单位超材料上。通过打开和关闭控制光束而产生的透射成像光束的强度之间的差对应于穿过相应的单位超材料的成像光束的强度。当对超材料阵列中的所有单位超材料进行相同的测量时，无论阵列区域中的成像光束的衍射极限如何，都将获得具有与单位超材料的尺寸一样大的空间分辨率的图像。

根据本发明，在光学成像中，可以获得成像光束相对于单个单位超材料的透射量和透射率，并且可以获得成像的空间分辨率提高到单位超材料的尺寸的水平的光学分析图像而与衍射极限无关。

另外，根据本发明，在使用大于或等于太赫兹波的长波长的成像中，当使用可见光区域中的控制光束和纳米超材料时，可以获得比波长小至少几百倍的分辨率。此外，本发明可以容易地与太赫兹时域光谱组合并使用。当使用大于或等于太赫兹波的长波长对生物材料进行成像时，可以解决出现低空间分辨率(其使得难以区分生物学结构)的问题。因此，通过促进长波长生物材料的成像，本发明可以用于诸如医药领域。

应当理解，本发明的效果不特别限于上述效果，并且本发明包括可以从本发明的详细描述或权利要求书中描述的本发明的配置得出的所有效果。

本发明的描述旨在说明，并且本领域技术人员将理解，在不改变本发明的技术精神或基本特征的情况下，可以以其他详细形式容易地修改本发明。因此，上述实施例应被理解为示例性而非限制性的。本发明的范围应该由所附权利要求书而不是由详细描述来限定，并且从权利要求书的含义和范围及其等同物得出的所有改变或修改都应被解释为包括在本发明的范围内。