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박정우 교수팀, 이중 초점 메타렌즈 기반 광음향 현미경 개발
- 등록일
- 2026-09-21 16:12
- 작성자
- 관리자
- 조회수
- 337
- 게시기간
- 2026-09-21 ~ 2031-09-30
의생명융합공학과 박정우 교수팀은 렌즈나 광학 부품을 물리적으로 움직이지 않고 전기 신호만으로 초점을 전환할 수 있는 이중 초점 메타렌즈 기반 광음향 현미경 기술을 개발했다.
이번 연구는 POSTECH 노준석 교수팀, 김철홍 교수팀과의 공동연구로 수행됐다. 박정우 교수는 김홍윤 박사, 박은우 박사과정생과 함께 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 광학 분야 국제학술지 ‘Light: Science & Applications‘(IF: 23.4, JCR 2.8 % in Optics)에 게재됐다.
광학 해상도 광음향 현미경은 빛을 미세하게 집속해 마이크로미터 수준의 고해상도 생체 영상을 획득할 수 있다. 다만 초점 심도가 짧아 깊이가 다른 구조를 동시에 선명하게 영상화하기 어렵다는 한계가 있다.
연구팀은 빛의 편광 상태에 따라 서로 다른 두 깊이에 초점을 형성하는 메타렌즈와 전기적으로 제어 가능한 액정 소자를 결합했다. 이를 통해 별도의 기계적 움직임 없이 초점 위치를 빠르게 전환하는 시스템을 구현했다.
개발된 시스템은 약 1.2 mm의 축 방향 영상 범위에서 3.7 μm 수준의 높은 횡방향 해상도를 구현했다. 또한 각막 손상을 유도한 동물 모델에 적용해 서로 다른 깊이에 분포하는 미세혈관과 신생혈관을 고해상도로 영상화함으로써 생체 내 적용 가능성을 확인했다.
이번 연구는 메타광학 기술과 광음향 영상을 융합해 기존 광학 현미경의 제한된 초점 심도를 효과적으로 확장했다는 점에서 의미가 있다. 향후 이 기술은 안과 질환을 비롯한 다양한 생체조직의 고해상도 3차원 영상과 소형·고성능 바이오메디컬 영상 시스템 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
*Title of original paper: Electrically switchable dual-focus metalens for depth-extended in vivo photoacoustic imaging of ophthalmic vascular disease
*Abstract
High-resolution three-dimensional imaging is essential for visualizing fine biological details. Unlike conventional optical imaging, photoacoustic (PA) imaging provides volumetric imaging by capturing time-of-flight ultrasound waves generated from optical absorption within tissues. Optical-resolution photoacoustic microscopy achieves micron-scale lateral resolution through tight optical focusing but suffers from a shallow depth of focus. To address this, non-diffracting beams (e.g., Bessel and needle beams) have been explored, but they introduce high side lobes that reduce the signal-to-noise ratio and distribute laser energy over a larger volume, reducing signal intensity. Here, we present an electrically modulated dual-focus metalens-based photoacoustic microscopy (meta-PAM) system designed to enhance axial coverage (1.2 mm) while preserving high lateral resolution (3.7 μm) in three-dimensional imaging. Our system features a silicon nitride nanostructured metalens that switches between two diffraction-limited focal modes at a visible wavelength without mechanical movement, with focal switching voltages of 0.87 V and 1.03 V and a response time of 250 ms. We demonstrate its effectiveness by imaging a chemically induced corneal burn in rat eyes, successfully monitoring neovascularization with high resolution across the entire eye depth range. Our compact yet effective system provides building blocks for future high-resolution volumetric imaging with an improved signal-to-noise ratio.
*Journal: Light: Science & Applications
*Weblink: https://www.nature.com/articles/s41377-026-02365-8
<사진 왼쪽부터 포스텍 김홍윤 박사, 포스텍 박은우 박사과정생, 경북대 박정우 교수, 포스텍 김철홍 교수, 포스텍 노준석 교수>
이번 연구는 POSTECH 노준석 교수팀, 김철홍 교수팀과의 공동연구로 수행됐다. 박정우 교수는 김홍윤 박사, 박은우 박사과정생과 함께 공동 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 광학 분야 국제학술지 ‘Light: Science & Applications‘(IF: 23.4, JCR 2.8 % in Optics)에 게재됐다.
광학 해상도 광음향 현미경은 빛을 미세하게 집속해 마이크로미터 수준의 고해상도 생체 영상을 획득할 수 있다. 다만 초점 심도가 짧아 깊이가 다른 구조를 동시에 선명하게 영상화하기 어렵다는 한계가 있다.
연구팀은 빛의 편광 상태에 따라 서로 다른 두 깊이에 초점을 형성하는 메타렌즈와 전기적으로 제어 가능한 액정 소자를 결합했다. 이를 통해 별도의 기계적 움직임 없이 초점 위치를 빠르게 전환하는 시스템을 구현했다.
개발된 시스템은 약 1.2 mm의 축 방향 영상 범위에서 3.7 μm 수준의 높은 횡방향 해상도를 구현했다. 또한 각막 손상을 유도한 동물 모델에 적용해 서로 다른 깊이에 분포하는 미세혈관과 신생혈관을 고해상도로 영상화함으로써 생체 내 적용 가능성을 확인했다.
이번 연구는 메타광학 기술과 광음향 영상을 융합해 기존 광학 현미경의 제한된 초점 심도를 효과적으로 확장했다는 점에서 의미가 있다. 향후 이 기술은 안과 질환을 비롯한 다양한 생체조직의 고해상도 3차원 영상과 소형·고성능 바이오메디컬 영상 시스템 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
*Title of original paper: Electrically switchable dual-focus metalens for depth-extended in vivo photoacoustic imaging of ophthalmic vascular disease
*Abstract
High-resolution three-dimensional imaging is essential for visualizing fine biological details. Unlike conventional optical imaging, photoacoustic (PA) imaging provides volumetric imaging by capturing time-of-flight ultrasound waves generated from optical absorption within tissues. Optical-resolution photoacoustic microscopy achieves micron-scale lateral resolution through tight optical focusing but suffers from a shallow depth of focus. To address this, non-diffracting beams (e.g., Bessel and needle beams) have been explored, but they introduce high side lobes that reduce the signal-to-noise ratio and distribute laser energy over a larger volume, reducing signal intensity. Here, we present an electrically modulated dual-focus metalens-based photoacoustic microscopy (meta-PAM) system designed to enhance axial coverage (1.2 mm) while preserving high lateral resolution (3.7 μm) in three-dimensional imaging. Our system features a silicon nitride nanostructured metalens that switches between two diffraction-limited focal modes at a visible wavelength without mechanical movement, with focal switching voltages of 0.87 V and 1.03 V and a response time of 250 ms. We demonstrate its effectiveness by imaging a chemically induced corneal burn in rat eyes, successfully monitoring neovascularization with high resolution across the entire eye depth range. Our compact yet effective system provides building blocks for future high-resolution volumetric imaging with an improved signal-to-noise ratio.
*Journal: Light: Science & Applications
*Weblink: https://www.nature.com/articles/s41377-026-02365-8
<사진 왼쪽부터 포스텍 김홍윤 박사, 포스텍 박은우 박사과정생, 경북대 박정우 교수, 포스텍 김철홍 교수, 포스텍 노준석 교수>
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