CN101470219A - 纳米透镜及其应用的扫描显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种纳米透镜。该纳米透镜包括透明基底以及形成于基底上的不透光的金属膜，该金属膜上开有多个同心圆环，在各圆环中，自其圆心向外的第n个圆环的内半径r_ni满足：r_ni＝nr₀，r₀为预定参数，n＝1，2，...，第n个圆环的外半径满足：r_no＝r_ni+w，其中w为预定参数。该纳米透镜可具有超过λ/2的传统衍射限制的分辨率，而且其工作距离在1～100微米这一合适的区间。本发明还公开应用这种纳米透镜的扫描显微镜。

Description

纳米透镜及其应用的扫描显微镜

技术领域

本发明涉及一种纳米光学器件，尤其涉及一种纳米透镜及其应用的扫描显微镜。

背景技术

传统的光学透镜由玻璃制成，其成像分辨率受到波长限制。由Abbe确立的衍射极限表明玻璃透镜的分辨率上限为波长的1/2。事实上，透镜的成像分辨率是由其点扩展函数(point spread function，PSF)决定的。透镜的一个基本功能是将入射的平行光聚焦到焦平面的一个点上。但这个点并非一个理想点，而是一个有大小和强度分布的光斑。例如，一个不受干扰的圆形透镜聚焦所得的光斑为Airy斑，其主瓣直径为1.22λ/NA，其中λ为波长，NA为透镜的数值孔径。光斑主瓣越小，透镜的成像分辨率越高。光斑的强度分布被称为点扩展函数。

玻璃透镜的聚焦和成像是通过折射入射光实现的，所以称为折射透镜(refractive lens)。另一种透镜，Fresnel波带片，如美国专利US6,894,292B2、US6,960,773B2揭示的用于无掩模光刻的波带片，是通过有选择的过滤入射的波前(wavefront)然后让过滤后的光波在空间衍射，形成聚焦。这种透镜也被称为衍射透镜(diffractive lens)。波带片从中心到边缘由多个圆环间隔排列，其中第N个圆环的半径r与

成比例，此外，波带片的焦距多在几百微米。波带片的成像分辨率仍然受限于衍射极限，不超过波长的1/2。

近年来，随着纳米技术的发展，光与纳米结构间的相互作用得到广泛研究，纳米尺度上的成像和聚焦成为可能。具体地说，光作为电磁场，可以在金属表面激发电子气的振动。这种振动称为表面等离子(plasmon)。当金属表面具有一定的纳米结构的时候，表面等离子将被调制，成为局限于金属表面的光子或是向外传播的光子。然后这些光子可以成像或聚焦，其分辨率有望高于传统透镜的衍射极限。然而在如此微观的尺寸上设计透镜，其各种设计参数与光学性能的关系有待进一步探索。

发明内容

鉴于纳米透镜的现状，本发明一个目的是提供一种纳米透镜，其聚焦的光斑小于传统透镜，因此可以获得更高的分辨率。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种纳米透镜，包括透明基底以及形成于基底上的不透光的金属膜，该金属膜上开有多个同心圆环，在各圆环中，自其圆心向外的第n个圆环的内半径r_ni满足：r_ni＝nr₀，r₀为预定参数，n＝1，2，...，第n个圆环的外半径满足：r_no＝r_ni+w，其中w为预定参数。

在上述的纳米透镜中，各该圆环贯穿该金属膜。

在上述的纳米透镜中，各该圆环未贯穿该金属膜，且未被贯穿的金属膜厚度介于20nm～60nm之间。

在上述的纳米透镜中，r₀是介于于1～10倍的入射光波长之间。此外，w是小于入射光波长。另外，n是介于1～6之间。

在上述的纳米透镜中，该金属膜中心具有一圆孔，该圆孔位于各同心圆环的圆心。

在本发明的纳米透镜中，其焦距介于1～100微米之间。

本发明提出另一种纳米透镜，包括透明基底以及形成于基底上的不透光的金属膜，其特征在于，该金属膜上具有由多个小孔形成的阵列，各小孔的最大宽度为w，相邻小孔的中心间距为d，其中w满足：w≤2倍入射光波长，d介于2w～10w之间。

其中，各该小孔例如是方孔、圆孔、、三角形孔和菱形孔其中之一。此外，w介于0.1至0.5倍入射光波长之间。

本发明还提供一种扫描显微镜，包括：光学投影系统、分束器、聚焦元件、成像系统和可动载物台，该分束器具有一入射光侧、一出射光侧和一反射光侧，该光学投影系统设于该入射光侧以向该分束器照射投影光，该聚焦元件设于该出射光侧以聚焦该分束器透射的光束，该载物台设于该聚焦元件的的出射光路径上以接收该聚焦元件所聚焦的光束，该成像系统设于该反射光侧以接收载物台上的物体反射的光束；其中，该聚焦元件是使用至少一上述的纳米透镜，且该载物台可移动以使放置于其上的待观察物品的各点被该纳米透镜照射。

本发明再提供一种扫描显微镜，包括：光学投影系统、聚焦元件、载物台、反射镜和成像系统，该聚焦元件设于该光学投影系统的出光路径上以聚焦该光学投影系统的投影光，该载物台设于聚焦元件的出射光路径上以接收该聚焦元件所聚焦的光束，并且该载物台具有一可放置待观察物品的透明载物片，该反射镜设于该载物片的透射光路径上，该成像系统设于该反射镜的反射光路径上以接收待观察物品所透射的光束，其中该聚焦元件使用至少一上述的纳米透镜，且该载物台可移动以使该待观察物品的各点被该纳米透镜照射。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，其成像分辨率已经突破了λ/2的传统衍射极限，而且其工作距离在1～100微米这一合适的区间，可应用在无掩模光刻、扫描显微镜、数字存储等领域。本发明的扫描显微镜可有较大的工作距离和较高的光强。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1A及图1B分别是本发明第一实施例的纳米透镜剖面图和俯视图。

图2A及图2B分别是本发明第二实施例的纳米透镜剖面图和俯视图。

图3是本发明第三实施例的纳米透镜剖面图。

图4是本发明第四实施例的纳米透镜剖面图。

图5A及图5B分别是本发明第五实施例的纳米透镜剖面图和俯视图。

图6A为根据本发明一个实施例的纳米透镜的出射光场仿真图。

图6B为根据本发明一个实施例的纳米透镜所形成的光场在光轴向上的分布图。

图6C为根据本发明一个实施例的纳米透镜所形成的光斑主瓣宽度沿光轴方向的变化图。

图7为根据本发明一个实施例的出射光场在z平面上几个位置的光强分布图。

图8是根据本发明一个实施例的具有纳米透镜的扫描显微镜系统框图。

图9是根据本发明一个实施例的具有纳米透镜的另一种扫描显微镜系统框图。

具体实施方式

纳米透镜由一个基底和淀积在该基底上的金属薄膜组成。基底应当能透过所使用的光或电磁波(包括微波，毫米波，近红外，红外，可见光，紫外光等)，可以是石英，塑料等。金属薄膜中有若干纳米尺寸小孔或同心圆环。其中，薄膜厚度小孔或圆环的直径和距离需满足一定条件。下面结合若干具体实施例进一步描述本发明。

图1A和图1B为本发明第一实施例的纳米透镜结构示意图。如图所示，纳米透镜10的底层为透光基底11，例如为一个玻璃片。基底上具有一层不透光的金属膜12，该金属膜12例如以蒸镀工艺形成。金属膜的厚度t₀通常不超过入射光波长λ，以免透射光的衰减太大。在一个实施例中，t₀可以是100nm。此外，金属膜的材料例如是金，银，钛，铝等。

金属膜12上开有若干个同心圆环13(图中示出4个)。圆环的个数通常为1至6个，但也可以更多。这些同心圆环13贯穿金属膜12，使得入射光可以通过，而且通过的光被聚焦形成纳米宽度的光束。这些同心圆环满足以下条件：第n(n＝1，2，3...)个圆环的内半径为：

r_ni＝nr₀      ............(1)

第n(n＝1，2，3...)个圆环的外半径为：

r_no＝r_ni+w    ...............(2)

这里r₀和w是预先给定的设计参数。通常r₀大于入射光波长λ，而w小于波长λ。但r₀也不能远大于波长，否则各个圆环之间没有相互作用。较佳地r₀介于1λ～10λ之间。

举例来说，当波长为405nm的时候，r₀可以是2-3μm，w可以是100-300nm，t₀可以是100-150nm。

图2为本发明第二实施例的纳米透镜结构示意图。纳米透镜20的底层为透光基底21，例如为一个玻璃片。基底上具有一层不透光的金属膜22，该金属膜22例如以蒸镀工艺形成。金属膜22的厚度t₁通常不超过入射光波长λ，以免透射光的衰减太大。在一个实施例中，t₁例如为100nm。此外，金属膜的材料例如是金，银，钛，铝等。

金属膜22上开有一个小孔23和若干个(图中示出2个)以该小孔23为圆心的同心圆环24。该小孔23和这些同心圆环24使得入射光可以通过，而且通过的光被聚焦形成纳米宽度的光束。小孔23的半径为w₀，w₀小于波长λ，在一个实施例中，小孔直径例如为160nm。

第n(n＝1，2，3...)个圆环的内半径满足：

r_ni＝nr₀   ............(1)

第n(n＝1，2，3...)个圆环的外半径满足：

r_no＝r_ni+w  ...............(2)

这里r₀和w是预先给定的设计参数。通常r₀大于入射光波长λ，而w小于波长λ。但r₀也不能远大于波长，否则各个圆环之间没有相互作用。较佳地r₀介于1λ～10λ之间。

举例来说，当波长为405nm的时候，r₀可以是2-3μm，w可以是100-300nm，t₁可以是100-150nm。

图3为本发明第三实施例的纳米透镜结构示意图。纳米透镜30的底层为透光基底31，例如为一个玻璃片。基底上具有一层不透光的金属膜32，该金属膜32例如以蒸镀工艺形成。金属膜32的厚度t₂通常不超过入射光波长λ，以免透射光的衰减太大。在一个实施例中，t₂例如为100nm。

金属膜32上开有若干个同心圆环33(图中示出4个)。值得指出的是，这些同心圆环33并不完全贯穿金属膜32，而是在各圆环33处残留较薄的金属膜32a。这些金属膜32a的厚度为Δt₂。一般来说，Δt₂至少为20nm，否则不能部分屏蔽入射光。但Δt₂不能太厚，一般不超过60nm，否则入射光完全被屏蔽，圆环将不起作用。即金属膜厚度在20nm～60nm之间，这种情形下通过金属表面的激发，仍能使得入射光可以通过，而且通过的光被聚焦形成纳米宽度的光束。

这些同心圆环满足以下条件：第n(n＝1，2，3...)个圆环的内半径为：

r_ni＝nr₀  ............(1)

第n(n＝1，2，3...)个圆环的外半径为：

r_no＝r_ni+w  ...............(2)

这里r₀和w是预先给定的设计参数。通常r₀大于入射光波长λ，而w小于波长λ。但r₀也不能远大于波长，否则各个圆环之间没有相互作用。较佳地r₀介于1λ～10λ之间。

举例来说，当波长为405nm的时候，r₀可以是2-3μm，w可以是100-300nm，t₂可以是100nm，Δt₂为30nm。圆环的个数通常为1至6个，但也可以更多。

图4为本发明第四实施例的纳米透镜剖面图。纳米透镜40的底层为透光基底41，例如为一个玻璃片。基底上具有一层不透光的金属膜42，该金属膜42例如以蒸镀工艺形成。金属膜42的厚度t₃通常不超过入射光波长λ，以免透射光的衰减太大。在一个实施例中，t₃例如为100nm。

金属膜42上开有一个小孔43和若干个(图中示出2个)以该小孔43为圆心的同心圆环44。值得指出的是，这些同心圆环43并不完全贯穿金属膜42，而是在各圆环43处残留较薄的金属膜42a。这些金属膜42a的厚度为Δt₃。一般来说，Δt₃至少为20nm，否则不能部分屏蔽入射光。但Δt₃不能太厚，一般不超过60nm，否则入射光完全被屏蔽，圆环将不起作用。即金属膜厚度在20nm～60nm之间，这种情形下通过金属表面的激发，仍能使得入射光可以通过，而且通过的光被聚焦形成纳米宽度的光束。该小孔43和这些同心圆环44使得入射光可以通过，而且通过的光被聚焦形成纳米宽度的光束。此外，小孔43的半径为w₀，小于波长λ。

第n(n＝1，2，3...)个圆环的内半径满足：

r_ni＝nr₀  ............(1)

第n(n＝1，2，3...)个圆环的外半径满足：

r_no＝r_ni+w  ...............(2)

这里r₀和w是预先给定的设计参数。通常r₀大于入射光波长λ，而w小于波长λ。但r₀也不能远大于波长，否则各个圆环之间没有相互作用。较佳地r₀介于1λ～10λ之间。

举例来说，当波长为405nm的时候，r₀可以是2-3μm，w可以是100-300nm，t₃可以是100nm，Δt₃为30nm。圆环的个数通常为1至6个，但也可以更多。

本发明的纳米透镜并不限于上述的同心圆环结构，当纳米尺寸的小孔组成小孔阵列时，也能产生类似的聚焦效果。图5为本发明第五实施例的纳米透镜结构示意图。纳米透镜50的底层为透光基底51，例如为一个玻璃片。基底上具有一层不透光的金属膜52，该金属膜52例如以蒸镀工艺形成。金属膜52的厚度t₄通常不超过入射光波长λ，以免透射光的衰减太大。在一个实施例中，t₄例如为100nm。

金属膜52上具有由若干个小孔53组成的阵列，这些小孔53使得入射光可以通过，而且通过的光被聚焦形成纳米宽度的光束。小孔可以是方孔，圆孔，或其他形状如三角形和菱形。小孔53的最大宽度为w，相邻小孔的中心间距为d。通常w不超过2倍波长，常用的为0.1至0.5倍波长。而d通常为2w至10w。在一个实施例中，w为40nm，d为80nm。

下面来说明本发明的纳米透镜的成像特点。

图6A为一个纳米透镜所聚焦形成的光场仿真图。该纳米透镜的与第二实施例所示纳米透镜类似，区别在于该透镜只包括一个圆环和一个小孔，更具体而言，小孔直径w₀＝160nm，圆环内径3微米，外径3.2微米，金属薄膜的厚度t₁为100nm。光从透镜的基底21(参照图2A)背面垂直入射，波长405nm，圆偏振。入射和出射光场由TEMPEST仿真得到。TEMPEST是一个严格求解麦克斯韦(Maxwell)方程的计算软件，用于三维电磁场的数值仿真。

图6B是该纳米透镜所形成的光场在光轴向上的分布。光轴沿z方向，垂直于纳米透镜，通过中心小孔的圆心。为清晰起见，假设纳米透镜的表面是z＝0的平面。图6B画出了沿光轴分布的光场强度I。由图6A和图6B可见，出射光场在距离金属表面0.5，1.1，1.8，2.7，4.3微米处聚焦形成窄光束。

图6C是光斑主瓣宽度沿z方向的变化。在距离金属表面1.8，2.7和4.3微米处，光斑宽度(FWHM，即半高宽)约为200-320纳米，即入射光波长的1/2。因此纳米透镜的工作距离，即焦距，可以选为1.8，2.7或4.3微米。当把感光物体置于其中一个工作距离处时，即可曝光得到所需的像素。在其他例子中，根据入射光波长和几何参数的不同，纳米透镜的焦距可在1～100微米之间变化。

图7为图6所示的出射光场在几个z平面上的光强分布。光斑的直径一般定义为峰值左右两个1/2峰值间的距离，即FWHM(full width at half maximum)。由图可见，在工作距离(即聚焦平面到纳米透镜的距离)为1.8，2.7，4.3微米处，光斑直径为200-320纳米。在工作距离1.8微米处，光斑小于数值孔径为1的理想透镜所能聚焦产生的光斑(0.52λ＝210纳米)。所以该纳米透镜的成像分辨率高于传统光学的透镜，包括波带片。

此外，纳米透镜的光斑直径取决于多个变量，包括入射光波长，金属膜的材料，金属膜的厚度，圆环的几何参数等。一般的说，入射光波长越短，金属膜越厚，圆环直径越大，则光斑直径越小。

当纳米透镜用于半导体无掩模光刻工艺中时，感光物体可以是半导体光刻工艺中使用的光刻胶，由此可以形成光斑直径大小的曝光点，由大量纳米透镜组成的透镜阵列即可形成所需的曝光图案。

纳米透镜也可以用于光学扫描显微镜，如激光扫描共聚焦显微镜(laserscanning confocal microscopy)和近场扫描光学显微镜(near-field scanningoptical microscopy，NSOM)。下面举若干个扫描显微镜的例子来说明纳米透镜的应用。

如图8所示，一个使用上述纳米透镜的扫描显微镜包括：光学投影系统101、分束器102、作为聚焦元件的至少一纳米透镜103、显微镜或望远镜104、载物台105、以及光检测器106、计算机107。其中显微镜或望远镜104、光检测器106以及计算机组成成像系统。其工作原理如下：光学投影系统101获得一光源(图未示)所提供的光100，并射出投影光至分束器102，由分束器102将一部分投影光(平行光或会聚光)直接透射至纳米透镜103，纳米透镜103将入射光会聚成一个小于入射光波长λ的光斑，并将光斑投到载物台105上的待观察的样品120上。要观察的样品平面与纳米透镜出射面的距离为纳米透镜103的工作距离，也即其焦距。光斑被要观察的样品点散射，返回纳米透镜103，然后被分束器102转向显微镜或望远镜104。成像后被光检测器106(如数字相机或摄像机等)采集，探测到的信号送入计算机107处理。

载物台105为移动平台，移动平台可在计算机107的控制下带动样品120移动，这样所要观察的样品的每个点都被纳米透镜103照射，反射光强被计算机107记录。将每一点的反射信号连在一起，就得到了样品的显微图像。

在上述本发明扫描显微镜中，样品被一个光斑所照射，成像分辨率约为光斑的直径。相比之下，在传统的扫描显微镜中，样品被一束从小孔中出射的光斑所照射。因为出射光斑的尺寸约为小孔直径，所以在小孔小于所用波长的情况下，成像分辨率可高于衍射极限。但从亚波长小孔中出射的光斑发散很快，所以样品必须放置在距小孔很近的地方，也就是说，其工作距离很短。通常，工作距离小于50纳米。另外，从亚波长小孔中出射的光斑强度很弱，为入射光的10^-2～10^-5。这样，在信号采集的时候，就必须使用高灵敏度的相机或探测器，并进行长时间的信号累加。由于以上两个因素，传统扫描显微镜的扫描成像速度很慢，小孔所在的探头有很大的与样品碰撞的危险。

不仅如此，很短的工作距离限制了扫描显微镜的应用。例如，生物显微镜需要对细胞成像，而细胞通常大于1微米。这样扫描显微镜只能得到细胞表面的像，不能得到至关重要的内部的像。

而本发明将纳米透镜作为扫描显微镜的探头，光斑从纳米透镜出射，则工作距离长至1～100微米。例如图8所示的纳米透镜可以实现长达4.4微米的工作距离，而且光斑强度高。这样的扫描显微镜成像速度大大提高，与样品碰撞的危险大大减少，成像范围也大大提高。用于生物显微镜时，可以得到整个细胞的像。

图9是在应用纳米透镜的另一种扫描显微镜。其中扫描显微镜包括：光学投影系统201、作为聚焦元件的至少一纳米透镜202、透明载物片203、反射镜204、载物台205、显微镜或望远镜206、以及光检测器207、计算机208。其中显微镜或望远镜206、光检测器207以及计算机208组成成像系统。其工作原理如下：光学投影系统201获得一光源(图未示)所提供的光200，并射出投影光至至纳米透镜202，纳米透镜202将入射光会聚成一个小于入射光波长λ的光斑，并将光斑投到载物台205上的待观察的透明样品220上。要观察的样品平面与纳米透镜出射面的距离为纳米透镜202的工作距离，也即其焦距。光斑被要观察的样品220透射，经载物片203和其下方的反射镜204反射向显微镜或望远镜206。成像后被光检测器207(如数字相机或摄像机等)采集，探测到的信号送入计算机208处理。

载物台205为移动平台，移动平台在计算机208控制下带动样品220移动，这样所要观察的样品的每个点都被纳米透镜202照射，反射光强被计算机208记录。将每一点的反射信号连在一起，就得到了样品的显微图像。

综上所述，本发明的纳米透镜与传统的光学透镜相比，其成像分辨率已经突破了λ/2的传统衍射极限，而且其工作距离在1～100微米这一合适的区间，可应用在无掩模光刻、扫描显微镜、数字存储等领域。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (13)

1、一种纳米透镜，包括透明基底以及形成于基底上的不透光的金属膜，该金属膜上开有多个同心圆环，在各圆环中，自其圆心向外的第n个圆环的内半径r_ni满足：r_ni＝nr₀，r₀为预定参数，n＝1，2，...，第n个圆环的外半径满足：r_no＝r_ni+w，其中w为预定参数。

2、如权利要求1所述的纳米透镜，其特征在于，各该圆环贯穿该金属膜。

3、如权利要求1所述的纳米透镜，其特征在于，各该圆环未贯穿该金属膜，且未被贯穿的金属膜厚度介于20nm～60nm之间。

4、如权利要求1～3任一项所述的纳米透镜，其特征在于，r₀介于1～10倍的入射光波长之间。

5、如权利要求1～3任一项所述的纳米透镜，其特征在于，w小于入射光波长。

6、如权利要求1～3任一项所述的纳米透镜，其特征在于，n介于1～6之间。

7、如权利要求1～3任一项所述的纳米透镜，其特征在于，该金属膜中心具有一圆孔，该圆孔位于各同心圆环的圆心。

8、如权利要求1所述的纳米透镜，其特征在于，该纳米透镜的焦距介于1～100微米之间。

9、一种纳米透镜，包括透明基底以及形成于基底上的不透光的金属膜，其特征在于，该金属膜上具有由多个小孔形成的阵列，各小孔的最大宽度为w，相邻小孔的中心间距为d，其中w满足：w≤2倍入射光波长，d介于2w～10w之间。

10、如权利要求9所述的纳米透镜，其特征在于，各该小孔是方孔、圆孔、、三角形孔和菱形孔其中之一。

11、如权利要求9所述的纳米透镜，其特征在于，w介于0.1至0.5倍入射光波长之间。

12、一种扫描显微镜，包括：光学投影系统、分束器、聚焦元件、成像系统和可动载物台，该分束器具有一入射光侧、一出射光侧和一反射光侧，该光学投影系统设于该入射光侧以向该分束器照射投影光，该聚焦元件设于该出射光侧以聚焦该分束器透射的光束，该载物台设于该聚焦元件的的出射光路径上以接收该聚焦元件所聚焦的光束，该成像系统设于该反射光侧以接收载物台上的物体反射的光束；其中，

该聚焦元件包括至少一纳米透镜，其是权利要求1或9所述的纳米透镜，且该载物台可移动以使放置于其上的待观察物品的各点被该纳米透镜照射。

13、一种扫描显微镜，包括：光学投影系统、聚焦元件、载物台、反射镜和成像系统，该聚焦元件设于该光学投影系统的出光路径上以聚焦该光学投影系统的投影光，该载物台设于聚焦元件的出射光路径上以接收该聚焦元件所聚焦的光束，并且该载物台具有一可放置待观察物品的透明载物片，该反射镜设于该载物片的透射光路径上，该成像系统设于该反射镜的反射光路径上以接收待观察物品所透射的光束，其中，

该聚焦元件包括至少一纳米透镜，其是权利要求1或9所述的纳米透镜，该载物台可移动以使该待观察物品的各点被该纳米透镜照射。

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