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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bildsensoren zur Erfassung
von Bildern mit Subwellenlängenauflösung und auf
Verfahren zur Herstellung derselben.
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Schon
vor einigen Jahrzehnten sagte der russische Forscher V. Veselago
eine Existenz von Materialien mit negativen Brechzahlen n = c0/c = √εrμr voraus, wobei c0 die
Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und c die Lichtgeschwindigkeit in
einem Material bedeutet. Weiterhin bedeutet εr die
dielektrische Leitfähigkeit bzw. Permittivität
und μr die magnetische Leitfähigkeit
bzw. Permeabilität des Materials. Bei einem negativen Brechungsindex
n zeigt der Poynting-Vektor S → in die entgegengesetzte Richtung des
Wellenvektors k → und der Wellenvektor, die elektrische Feldstärke E → und
die magnetische Feldstärke H → formen ein linkshändiges
Dreibein. Daher bezeichnet man Materialien mit negativer Brechzahl
auch als so genannte linkshändige Materialien.
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Die
entgegengesetzten Richtungen von Poynting-Vektor S → und Wellenvektor k → haben
einen Energietransport entgegen der Wellen- bzw. Lichtausbreitung
zur Folge. Beim Übergang von einem linkshändigen
Material zu einem Medium mit positiver Brechzahl n wird das Licht
nicht nur zum Lot hin gebrochen, sondern sogar darüber
hinaus.
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Solche
so genannten linkhändigen Materialien können erhalten
werden, wenn man bei einem Material sowohl eine negative Permittivität εr als auch eine negative Permeabilität μr vorliegen hat, so dass die Brechzahl n
negativ wird. Mit einem solchen linkshändigen Material
lässt sich beispielsweise eine ideale Linse beziehungsweise
eine sogenannte Superlinse bauen. Diese ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine punktförmige Lichtquelle ein punktförmiges
Abbild hat, also völlig beugungsfrei arbeitet.
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Ein
klassisches optisches System, wie es in 12 gezeigt
ist, ist stets beugungsbegrenzt.
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12 zeigt
ein Objektiv
10. In einem Arbeitabstand bzw. Objektseitigen
Abstand f
1 zu dem Objektiv
10 befindet
sich eine Ebene mit einem abzubildenden Objekt, also eine Objektebene
12.
Eine Bildebene
14 befindet sich in einem bildseitigen Abstand
bzw. Bildabstand f
2 zu dem Objektiv
10.
Befindet sich ein Objekt bzw. die Objektebene
12 in einem
Objektraum mit dem Brechungsindex n, so ergibt sich mit der in
12 gezeigten
Anordnung in der Objektebene
12 eine maximale Auflösung
zwischen zwei Punkten mit Abstand d von
wobei λ die Wellenlänge
des die Objektebene
12 beleuchtenden Lichts und n·sinα die
numerische Apertur des Objektivs
10 bedeutet.
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Aus
Gleichung (1) ist ersichtlich, dass es klassisch zwei Möglichkeiten
gibt, um die Auflösung des in 12 gezeigten
optischen Systems zu erhöhen. Man kann einerseits eine
Belichtung mit einem Licht kürzerer Wellenlänge λ wählen,
wie beispielsweise in der Lithographie mit UV-Licht oder Röntgenlicht,
oder man kann im Objektraum, d. h. im Raum links vom Objektiv 10 sogenannte
Immersionsflüssigkeiten mit einer gegenüber Luft
erhöhten Brechzahl n verwenden. Jedoch selbst bei Immersionsflüssigkeiten
mit hoher Brechzahl n, ist diese kleiner als zwei und somit liegt
die im Allgemeinen erreichbare Auflösung im Bereich von
etwa einer halben Wellenlänge λ/2.
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Optische
Systeme mit einer Auflösung im Subwellenlängenbereich,
d. h. mit Auflösungen, welche deutlich kleiner sind als λ/2,
sind in der Vergangenheit bereits demonstriert worden. Die im Vorhergehenden beschriebene
Beugungsbegrenzung kann beispielsweise mit Methoden der Nahfeldoptik
umgangen werden. Gängige Nahfeldmikroskope haben eine Auflösung
von weniger als λ/10.
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In
einem Beobachtungsabstand zu den Objekten, der sehr viel kleiner
ist als die Wellenlänge λ des Lichts, gilt die
klassische Beugungstheorie nicht mehr. Somit kann hier die Auflösung
auch nicht mehr aufgrund von Beugung begrenzt sein. Das heißt,
bei Nahfeldmikroskopen umgeht man praktisch das Rayleigh-Kriterium und
erhält somit Auflösungen unterhalb von λ/2.
Dieser Bereich des Lichtfeldes, der nah an einem zu untersuchenden
Objekt liegt, wird als Nahfeld bezeichnet. Um zusätzliche
Informationen aus dem Nahfeld gewinnen zu können, muss
man sogenannte evaneszente Feldkomponenten in propagierende Feldkomponenten
umwandeln. Als evaneszentes Feld bezeichnet man im Allgemeinen die
nicht-propagierende Komponente des Nahfelds. Das evaneszente Feld
fällt exponentiell zur Oberflächennormalen des
strahlenden Körpers ab. Jedes beleuchtete Objekt erzeugt
also ein evaneszentes und ein propagierendes Feld. Ein rein evaneszentes Feld
kann man zum Beispiel im Fall von Totalreflexion beobachten. Wird
ein einfallender Lichtstrahl an einer Grenzfläche eines
optisch dichteren Mediums zu einem optisch dünneren Medium
total reflektiert, kann aufgrund der Stetigkeitsbedingung auf der
Seite des optisch dünneren Mediums das Feld nicht abrupt
Null werden, sondern es fällt exponentiell in den Halbraum
des optisch dünneren Mediums ab. Im Allgemeinen ist das evaneszente
Feld bereits in einem Abstand von ca. λ/2 von der Grenzfläche
der beiden optischen Medien verschwunden. Gerade dieses Feld enthält
aber Informationen über Strukturen unterhalb der klassischen
Auflösungsgrenze.
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Um
evaneszente Feldkomponenten in propagierende Feldkomponenten umzuwandeln,
kann man beispielsweise ein Streuzentrum in das Nahfeld einbringen.
In diesem Streuzentrum werden durch das evaneszente Feld Dipolschwingungen
angeregt, so dass wieder evaneszente und propagierende Feldkomponenten als
Ergebnis der Wechselwirkung des Streuzentrums mit dem Nahfeld des
Objekts entstehen. Eine andere Möglichkeit ist die Abtastung
einer Objektoberfläche mit einer optischen Sonde mit einer
Singlemodefaser, an deren Ende sich eine Blende mit einem Lochdurchmesser
von etwa 40 Nanometer befindet. Das aus diesen Wellenleiter austretende
Licht trifft auf die Objektebene und ändert dadurch sein
evaneszentes Feld. Ein abgesetzter Empfänger und dessen
Signalverarbeitung registriert diese Änderung des evaneszenten
Feldes, woraus sich Brechzahl n und Transmissions- und Reflexionskoeffizienten
berechnen lassen. Verschiedene Verfahren zur Messung des Nahfelds
sind beispielsweise in der Dissertation „Eine hochauflösende
optische Nahfeld-Sonde für Fluoreszenzmessungen an biologischen
Proben" von Heinrich Gotthard Frey beschrieben.
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Erst
in den letzten Jahren sind die theoretischen Eigenschaften der eingangs
beschriebenen linkshändigen Materialien in Experimenten
praktisch nachgewiesen worden. Es wurden optische linkshändige
Strukturen realisiert, die Objektstrukturen im Subwellenlängenbereich
abbilden, sogenannte Superlinsen. Diese optischen Strukturen mit
negativer Brechzahl übertragen das evaneszente Feld eines
belichteten Objekts, welches Informationen über höhere
Ortsfrequenzen trägt (z. B. von Strukturen, die kleiner
als die Wellenlänge λ des verwendeten Lichts sind),
und bilden es fast verlustfrei von der Objektebene in die Bildebene
ab. Diese linkshändigen Materialien rekonstruieren die
evaneszenten Felder von Subwellenlängenstrukturen.
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Derzeit
sind keine in der Natur existierenden Materialien mit negativem
Brechungsindex oder mit negativer Permeabilität μ
r bekannt. Künstlich lassen sich
diese Eigenschaften jedoch mit sogenannten Metamaterialien oder
photonischen Kristallen erzielen, welche kleine periodische Strukturen
aufweisen, die deutlich kleiner als die Belichtungswellenlänge λ sind,
so dass die elektromagnetischen Wellen nur effektive Materialeigenschaften
spüren. Einige Experimente, die die Theorie linkshändiger
Materialien bestätigen, sind in den folgenden Veröffentlichungen
beschrieben.
Hyesog Lee, Yi Xiong, Nicholas Fang, Werayut
Srituravanich, Stephane Durant, Muralidhar Ambati, Cheng Sun and
Xiang Zhan: „Realization of optical superlens imaging below the
diffraction limit",
Wenshan Cai, Dentcho A. Genov,
and Vladimir M. Shalaev: "Superlens based an metal-dielectric composites",
Gnnady
Shvets: "Band engineering using electrostatic resonances applications
to super-lensing".
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Auch
vergrößert wirkende Abbildungen mit Superlinsen
sind bekannt, die Veröffentlichung "Magnifying Superlens
in the visible frequency range" z. B. zeigt theoretische und experimentielle
Ergebnisse.
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Während
der Einsatz linkshändiger Materialien zur Erreichung von
Auflösungen im Subwellenlängenbereich bekannt
ist, fehlen derzeit jedoch geeignete Bildsensoren, um komplette
zweidimensionale Bilder von Objektproben im Subwellenlängenbereich
zu erfassen. Bei den im Vorhergehenden beschriebenen Nahfeldmikroskopen
muss eine Objektprobe punktweise abgetastet werden, so dass ein
punktweises zweidimensionales Abscannen der Probenoberfläche
erforderlich ist, um ein komplettes Bild zu erhalten. Zudem ist
das Obertragen des evaneszenten Feldes auf einen Fotoempfänger
mit Hilfe zusätzlicher Optiken, wie Wellenleiter oder Linsen
relativ problematisch. Das schwache und mit zunehmendem Abstand
exponentiell abklingende evaneszente Feld wird durch die Übertragung
auf den Fotoempfänger weiter abgeschwächt, was
zu einer geringen Messgenauigkeit führt. Außerdem
können bei einer herkömmlichen Nahfelddedektion
lediglich statische Objekte erfasst werden, da entweder ein Belichten einer
filmähnlichen Schicht oder ein Abscannen des Objekts erforderlich
ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen verbesserten
Bildsensor für die Erfassung eines Objekts im Subwellenlängenbereich
bereitzustellen, der ein komplettes Bild des Objekts ohne eine Punkt-für-Punkt-Abtastung
des Objekts bereitstellen kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen integrierten Bildsensor mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten
Bildsensors gemäß Anspruch 14 und ein Verfahren
zum Erzeugen eines Bildes gemäß Anspruch 17 gelöst.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Mikroskop
mit einem Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
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Gemäß einem
noch weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine optische
Vorrichtung mit einer beugungsbegrenzten Optik und einem Bildsensor
gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine gegenüber
beugungsbegrenzten Optiken verbesserte optische Auflösung
erzielt werden kann, indem ein Objekt mittels einer optischen Struktur mit
einer negativen Brechzahl auf ein Pixelarray abgebildet wird, welches
sich in einer Bildebene bzw. Abbildungsebene der optischen Struktur
befindet. Dazu wird gemäß Ausführungsbeispielen
ein zu betrachtendes Objekt in einer Objektebene in einem Nahfeldabstand
zu einer ersten Seite der optischen Struktur mit negativen Brechungsindex
gebracht, wobei das zu betrachtende Objekt mit monochromatischem
Licht beleuchtet wird. Der Nahfeldabstand zwischen Objekt und der
ersten Seite der optischen Struktur ist gemäß Ausführungsbeispielen
kleiner als die Wellenlänge λ des monochromatischen
Lichts. Das aufgrund der Beleuchtung des Objekts an dem Objekt entstehende
evaneszente Feld wird von der ersten Seite der optischen Struktur
zu einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite übertragen.
In einem Nahfeldabstand kleiner als die Wellenlänge des
monochromatischen Lichts befindet sich entlang der zweiten Seite
der optischen linkshändigen Struktur der Pixelarray, um
das übertragene evaneszente Feld zu detektieren und danach
weiter zu verarbeiten.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
ist der Bildsensor mit der optischen Struktur mit negativer Brechzahl und
Pixelarray in einem CMOS-Prozess hergestellt. Dabei weist der Pixelarray
ein zweidimensionales Array aus PN-Übergangssensoren, insbesondere
Photodioden auf. Die einzelnen Pixelelemente des Pixelarrays sind
zur Detektion des evaneszenten Feldes im Subwellenlängenbereich
beabstandet.
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In
einem Abstand kleiner der Wellenlänge, wie z. B. kleiner
als 1,2 μm, bevorzugt kleiner 1 μm und noch bevorzugter
kleiner 0,8 μm, von dem Pixelarray verläuft die
zweite Seite der optischen Struktur. Gemäß Ausführungsbeispielen
weist die optische Struktur eine Kombination von strukturierten
Metallschichten und dielektrischen Schichten auf, so dass durch
die Strukturierung eine negative Brechzahl für die Wellenlänge
des monochromatischen Lichts bzw. die Belichtungswellenlänge
erzielt wird. Die Kombination der strukturierten Metallschichten
und der dielektrischen Schichten kann so ausgebildet sein, dass
es sich bei der optischen linkshändigen Struktur um ein
Metamaterial oder um einen photonischen Kristall handelt.
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Dabei
wird im Nachfolgenden davon ausgegangen, dass ein Metamaterial aus
einem Schichtstapel verschiedener dielektrischer Materialien gebildet
wird, wobei auf einer obersten dielektrischen Schicht eine Metallschicht
mit Mikroaperturen platziert ist. Dabei soll unter Mikroapertur
eine strukturierte Öffnung mit Abmessungen kleiner als
die Belichtungswellenlänge verstanden werden.
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Als
photonischer Kristall sei im Nachfolgenden eine Struktur bezeichnet,
die im Wesentlichen die Merkmale eines Photonischen Kristalls aufweist.
Insbesondere sind Strukturen gemeint, welche periodische (metallische)
Strukturen mit Abmessungen kleiner als die Belichtungswellenlänge
in einem dielektrischen Material aufweisen. Sie zeigen daher einzigartige
optische Eigenschaften, wie beispielsweise Raumwinkelselektivität
und spektrale Selektivität.
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Ein
Vorteil eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen
besteht darin, dass er eine Auflösung und Erfassung von
Strukturen ermöglicht, die viel kleiner sind als die Belichtungswellenlänge λ.
Ein Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen
kann beispielsweise angewendet werden, um in einem Mikroskop mit
Subwellenauflösungen gleichzeitig das gesamte Bild eines
zu untersuchenden Objekts zu erfassen und in ein elektrisches Videosignal
umzuwandeln. Ein Mikroskop mit Subwellenauflösungen gemäß Ausführungsbeispielen braucht
kein Objektiv, da eine Abbildungsoptik bereits in einem Bildsensor
gemäß Ausführungsbeispielen integriert
ist. Es besteht die Möglichkeit, ein in ein elektrisches
Signal umgewandeltes evaneszentes Feld direkt im Sensor zu verstärken,
zu verarbeiten und zu digitalisieren.
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Ein
weiterer Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass eine Auflösung eines beugungsbegrenzten
Systems erhöht werden kann. Dies kann dadurch erfolgen,
indem man in eine Bildebene der beugungsbegrenzten Optik einen Bildsensor
gemäß Ausführungsbeispielen anbringt. Dadurch
können Strukturen, die kleiner als etwa eine halbe Wellenlänge
sind, aufgelöst werden. Wird ein Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Kamera mit beugungsbegrenzter
Optik verwendet, kann aufgrund der ausgeprägten Winkelselektivität
der optischen linkshändigen Strukturen, die zu einer Trennung
beziehungsweise Unterdrückung störender Beugungsanteile
führt, eine Auflösung im Subwellenlängenbereich
erzielt werden.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden
nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 ein
schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines
Bilds eines Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
perspektivische Darstellung eines Bildsensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Bildsensors gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4a bis
c Seitenansichten eines Metamaterials mit negativer Brechzahl, die
eine Objektebene, einer Bildebene des Metamaterials, und einem Verlauf
eines evaneszenten Feldes, gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung für verschiedene Evaneszenzfelderzeugungen
zeigen;
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5 eine
Seitenansicht eines Bildsensors mit Metamaterial gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6a eine
Seitenansicht eines photonischen Kristalls mit negativer Brechzahl,
und einer Objektebene und einer Bildebene des photonischen Kristalls,
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Wobei 6b und 6c Abwandlungen
von 6a gemäß 4b und 4c zeigen;
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7 eine
Draufsicht auf eine Metallschicht mit Split-Ring-Resonatoren gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
Seitenansicht eines Bildsensors mit photonischem Kristall gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 eine
Seitenansicht eines mit CMOS-Technik gefertigten Schichtstapels
aus Pixelarray, Metallschichten und dielektrischen Schichten, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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10 eine
schematische Darstellung eines Mikroskops mit einem Bildsensor gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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11a eine schematische Darstellung einer optischen
Vorrichtung mit eines beugungsbegrenzten Objektivs und einem Bildsensor
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
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11b eine schematische Darstellung eines Ausschnitts
der Darstellung von 11a zur Verdeutlichung der Winkelselektivitätseigenschaften
des photonischen Kristalls in 11a;
und
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12 eine
schematische Darstellung einer herkömmlichen beugungsbegrenzten
Optik.
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Bezüglich
der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei
den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleich oder
gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen
und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen
im Nachfolgenden dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander
austauschbar sind.
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1 zeigt
ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines
Bildes eines beleuchteten oder leuchtenden Objekts im Subwellenlängenbereich
des beleuchtenden Lichts.
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In
einem ersten Schritt S1 wird das zu betrachtende bzw. das zu untersuchende
Objekt, welches sich auf einem Objektträger befindet, beleuchtet.
Dabei findet die Beleuchtung des Objekts gemäß Ausführungsbeispielen
mit einem monochromatischen Licht mit einer Wellenlänge λ von
beispielsweise kleiner als 1,2 μm statt.
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In
einem zweiten Schritt S2 wird eine erste Seite einer optischen Struktur
mit negativer Brechzahl n in einem Nahfeldabstand d1 zu
dem Objekt angeordnet.
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Die
beiden Schritte S1 und S2 können auf verschiedene Arten
und Weisen aufeinander abgestimmt sein, so dass ein durch die Beleuchtung
des Objekts objektseitig hervorgerufenes evaneszentes Lichtfeld
an der ersten Seite der optischen Struktur in einem noch zu erörternden,
nachfolgenden Schritt die gegenüberliegende zweite Seite
der optischen Struktur erreichen kann. Drei Möglichkeiten
werden im folgenden näher bezüglich der 4a bis 4c verdeutlicht,
weshalb an dieser Stelle nur ganz kurz auf dieselben eingegangen wird.
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Eine
erste Möglichkeit besteht beispielsweise darin, dass eine
Grenzfläche von einem optischen dichteren zu einem optischen
dünneren Medium, wie z. B. eine Prismenfläche,
nahe der Vorderseite der optischen Struktur angeordnet wird und
eine Beleuchtung der Prismenfläche von dem optisch dichterem
Medium aus in einem Winkel zu der Prismenfläche vorge nommen
wird, bei dem Totalreflexion an der Prismengrenzfläche
entsteht. Unter diesen Bedingungen bildet sich in dem optischen
dünnerem Medium zwischen der Prismengrenzfäche
und der Vorderseite der optischen Struktur ein evaneszentes Feld
aus, das ein zu untersuchendes Objekt zwischen der Prismengrenzfläche
und der Vorderseite beleuchtet. Damit das von dem Objekt in Phase oder
Amplitude modulierte evaneszente Feld die erste Seite der optischen
Struktur mit negativer Brechzahl n erreichen kann, kann ein Abstand
d1 zwischen dem Objekt und der ersten Seite
der optischen Struktur verwendet werden, der vorzugsweise kleiner
als die Wellenlänge des zur Beleuchtung verwendeten, beispielsweise monochromatischen,
Lichts ist, wie z. B. ein Abstand kleiner als 1,2 μm.
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Eine
zweite Möglichkeit besteht beispielsweise darin, dass das
Objekt in einem optischen Kontakt mit der Vorderseite der optischen
Struktur steht, also z. B. dieselbe berührt, und von der
der optischen Struktur abgewandten Seite beleuchtet wird. In diesem
Fall entsteht ein evaneszentes Feld an Subwellenlängenöffnungen
an der Vorderseite der optischen Struktur. Amplitude und Phase des
evaneszenten Feldes, das an einer jeweiligen der Subwellenlängenöffnungen
entsteht, hängen von elektrischen und/oder magnetischen
Permeabilitäten des Objektes ab, die letzteres an der lokalen
bzw. lateralen Stelle hat, die mit der jeweiligen Öffnung gerade
in optischem Kontakt steht.
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Eine
dritte Möglichkeit besteht beispielsweise darin, dass das
Objekt in einem Nahfeld zu der Vorderseite der optischen Struktur
angeordnet ist, während es von der der optischen Struktur
abgewandten Seite her beleuchtet wird, und zwar beispielsweise schräg,
wobei in diesem Fall beispielsweise ein evaneszentes Feld an einer
der optischen Struktur zugewandten Seite des Objektes entsteht,
das dann die Subwellenlängenöffnungen an der Vorderseite
der optischen Struktur erreicht und von denselben aus dem Fernfeld
herausgefiltert wird. Damit das evaneszente Feld von dem Ob jekt
die erste Seite der optischen Struktur mit negativer Brechzahl n
erreichen kann, kann ein Abstand zwischen dem Objekt und der ersten
Seite der optischen Struktur vorzugsweise kleiner als die Wellenlänge
des zur Beleuchtung verwendeten, beispielsweise monochromatischen, Lichts,
verwendet werden, wie z. B. ein Abstand kleiner als 1,2 μm.
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In
einem dritten Schritt S3 wird das evaneszente Feld des Objekts,
welches die erste Seite der optischen Struktur erreicht hat bzw.
dort entsteht, von der ersten Seite zu einer zweiten Seite der optischen
Struktur übertragen. Eine Übertragung des evaneszenten
Felds ist durch die Verwendung eines optischen Materials mit negativer
Brechzahl in einem interessierendem Wellenlängenbereich
möglich. Somit kann das evaneszente Feld von der ersten
Seite zu der zweiten Seite der optischen Struktur propagieren.
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In
einem vierten Schritt S4 wird das evaneszente Feld an der zweiten
Seite der optischen Struktur durch einen Pixelarray erfasst. Dabei
ist der Pixelarray entlang der zweiten Seite der optischen Struktur
in einem Abstand d2 angeordnet, der vorzugsweise
kleiner als die Wellenlänge des beleuchtenden Lichts ist,
d. h. d2 < λ.
Wie Eingangs bereits erwähnt wurde, klingt ein evaneszentes
Feld eines Objekts relativ schnell ab, daher auch sein Name. Das
ist der Grund dafür, dass für eine Nahfelddetektion
sowohl der erste Abstand d1 als auch der
zweite Abstand d2 jeweils kleiner als die
Belichtungswellenlänge λ gewählt werden
sollten.
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1 beschreibt
also ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes eines Objekts, mit
einem Schritt des Belichtens des Objekts unter Anordnung einer ersten
Seite einer optischen Struktur mit negativer Brechzahl in einem
Nahfeldabstand zu dem Objekt, so dass ein evaneszentes Feld von
dem Objekt die erste Seite erreicht und das evaneszente Feld von
der ersten Seite zu einer der ersten Seite gegenüberliegenden
zweiten Seite der optischen Struktur übetragen wird, und einem
Schritt des Erfassens des evaneszenten Feldes an der zweiten Seite
durch ein Pixelarray.
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2 zeigt
einen Bildsensor 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zur Durchführung des anhand
von 1 beschriebenen Verfahrens.
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Der
Bildsensor 20 weist eine optische Struktur 22 mit
einer ersten Seite 22a und einer der ersten Seite gegenüberliegenden
zweiten Seite 22b auf. Die optische Struktur 22 hat
eine negative Brechzahl n, d. h. n < 0. Des Weiteren umfasst der Bildsensor 20 ein
Pixelarray 24, dass sich in einem vorbestimmten Abstand
d2 entlang der zweiten Seite 22b erstreckt.
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Die
optische Struktur 22, welche auch als linkshändige
Struktur bezeichnet werden kann, ist gemäß Ausführungsbeispielen
ausgebildet, um ein evaneszentes Lichtfeld EEvan von
der ersten Seite 22a zu der zweiten Seite 22b der
optischen Struktur 22 zu übertragen. Der Pixelarray 24 ist
ausgebildet, um ein zweidimensionales Bild zu erfassen und weist
dazu gemäß Ausführungsbeispielen (X·Y)
Sensorelemente 26 auf, um ein zweidimensionales Bild mit
X·Y Bildpunkten darstellen zu können. Die Sensorelemente 26 sind
gemäß Ausführungsbeispielen als PN-Übergangssensoren
ausgebildet. Dabei meint ein PN-Übergangssensor einen Sensor
mit einem durch unterschiedliche Dotierung realisierten PN-Übergang.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die
PN-Übergangssensoren 26 als Photodioden ausgebildet.
Das heißt, bei dem Pixelarray 24 handelt es sich
gemäß Ausführungsbeispielen um einen
Photodiodenarray.
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Benachbarte
Sensorelemente 26 des Pixelarrays 24 sind gemäß Ausführungsbeispielen 24 jeweils
in einem Abstand kleiner als die Belichtungswellenlänge λ angeordnet,
um Bilder eines zu untersuchenden Objekts im Subwellenlängenbereich
erfassen zu können. Es mag allerdings auch sein, dass die
optische Struktur vergrößernde Eigenschaften aufweist,
die es ermöglichen, die Pixelgröße zu
erhöhen, wie z. B. aufgrund des höheren Brechungsindex
des Materials zwischen optischer Struktur und empfindlicher Fläche
des Pixelsensors, wobei hierzu auf den Artikel „magnifying
superlenses in the visible frequency range" von Smolyaninov, Hung
und Davis in Science, 315, 23. März 2007, S. 1699–1701 verwiesen
sei.
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Der
vorbestimmte Abstand d2 des Pixelarrays
von der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 22 ist gemäß Ausführungsbeispielen
derart eingestellt, dass ein von der ersten Seite 22a zu
der zweiten Seite 22b übertragenes und aus der
zweiten Seite 22b austretendes evaneszentes Feld von dem
Pixelarray 24 erfasst werden kann. Beispielsweise werden
Belichtungswellenlängen kleiner als 1,2 μm verwendet,
und zwar beispielsweise zusammen mit CMOS-Pixelsensoren. In diesem
Fall würde der Abstand d2 beispielsweise
ebenfalls kleiner als 1,2 μm gewählt werden. Bei
anderen Ausführungsbeispielen ist der Abstand d2 kleiner als 1 μm oder sogar kleiner
als 0,8 μm.
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Des
Weiteren kann eine optische Struktur mit negativer Brechzahl, das
heißt ein linkshändiges Material mittels eines
sogenannten Metamaterials aufgebaut werden. Ein Metamaterial ist
dabei ein zusammengesetztes Material, dessen elektromagnetische
Materialeigenschaften von seiner Struktur, anstatt der spezifischen
Eigenschaften des Materials oder der Materialien aus denen es besteht,
abhängen. Im Nachfolgenden davon ausgegangen, dass ein
Metamaterial aus einem Schichtstapel mit einer Sandwichstruktur
aus mehreren dielektrischen Schichten, welche geeignete Dielektrizitätskonstanten
und Schichtdicken aufweisen, gebildet wird, wobei auf einer obersten
dielektrischen Schicht eine Metallschicht mit Mikroaperturen platziert
ist. Dabei soll unter Mikroapertur eine strukturierte Öffnung
mit Abmessungen kleiner als die Belichtungswellenlänge
verstanden werden.
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Ein
Bildsensor 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel
mit einem derart aufgebauten Metamaterial ist in 3 gezeigt.
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Der
Bildsensor 30 in 3 weist
in einem Abstand d2 < λ von dem Pixelarray 24 eine
optische Struktur aus einem Schichtstapel 31 auf. Der Schichtstapel
umfasst eine erste dielektrische Schicht 32, welche die zweite
Seite der optischen Struktur 31 bildet, eine zweite dielektrische
Schicht 34 und eine dritte dielektrische Schicht 36.
Des Weiteren umfasst der Schichtstapel 31 auf der dritten
dielektrischen Schicht 36 eine Metallschicht 38,
in der sich Mikroaperturen 40 befinden. Bei den Mikroaperturen 40 handelt
es sich beispielsweise um kreisförmige Mikroöffnungen.
Generell liegt eine Größe bzw. ein Durchmesser
der Mikroaperturen bzw. der Mikroöffnungen 40 und
ein Abstand zweier benachbarter Mikroaperturen 40 zueinander
im Subwellenbereich. Das heißt, sowohl Durchmesser der
Mikroaperturen 40 als auch Abstände zweier benachbarter
Mikroaperturen 40 sind kleiner als die Belichtungswellenlänge,
d. h. kleiner als beispielsweise 1,2 μm.
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Bei
dem Metall der Metallschicht 38 handelt es sich beispielsweise
um in CMOS-Prozessen verwendete Metalle wie z. B. Aluminium oder
Kupfer. Des Weiteren sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass
es sich bei den in 3 kreisförmig dargestellten
Mikroaperturen auch um andere Strukturen, wie beispielsweise Rechtecke,
Hexagons, Gitterlinien oder dergleichen im Subwellenlängenbereich
handeln kann.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
handelt es sich bei der Sandwichstruktur aus der ersten dielektrischen Schicht 32,
der zweiten dielektrischen Schicht 34 und der dritten dielektrischen
Schicht 36 um eine SiO2/SiC/SiO2-Struktur, auf der sich die Metallschicht 38 befindet.
Das heißt, sowohl die erste dielektrische Schicht 32 als
auch die dritte dielektrische Schicht 36 sind SiO2-Schichten (SiO2 =
Siliziumdioxid). Die dielektrische Schicht 34 ist eine
SiC-Schicht (SiC = Siliziumcarbid). Dabei ist die Permittivität εr,Sic der SiC-Schicht 34 ungefähr
gleich der negativen Permitivitäten εr,SiO2 der
SiO2-Schichten 32, 36,
d. h. εr,Sic = –εr,SiO2.
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Andere
dielektrische Schichten 32, 34, 36 mit
geeigneten Materialeigenschaften, die zu einer negativen Brechzahl
führen, sind natürlich ebenfalls denkbar.
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Eine
Seitenansicht des Metamaterials bzw. des Schichtstapels 31 aus
den dielektrischen Schichten 32, 34, 36 und
der Metallschicht 38 ist in 4a gezeigt.
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Die
durch die Metallschicht 38 gebildete erste Seite 22a der
optischen Struktur bzw. des Metamaterials 31 befindet sich
bei Anwendungen eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen
in einem Nahfeldabstand d1 von einer Objektebene 41,
damit ein von dem zu untersuchenden Objekt ausgehendes evaneszentes
Feld 42 die erste Seite 22a bzw. die Metallschicht 38 erreicht.
Durch die speziellen Eigenschaften der optischen Struktur 31 (negative
Brechzahl) wird das evaneszente Feld 42 beim Übertragen
von der ersten Seite zu der zweiten Seite 22b der optischen
Struktur 31 verstärkt, so wie es in 4a schematisch
angedeutet ist. Beim Austritt an der zweiten Seite 22b der
optischen Struktur 31 bzw. an der Grenzfläche
der dielektrischen Schicht 32 nimmt das übertragene
evaneszente Feld 42 wieder schnell ab. Daher sollte die
Ebene bzw. die Bildebene 44, wo das evaneszente Feld detektiert
wird, nicht weiter als d2 < λ von
der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 31 beabstandet
sein.
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Wie
in 4a dargestellt, fällt die Feldstärke
des evaneszenten Feldes 42 zwischen der Objektebene 41 und
der Metallschicht 38 exponentiell ab und trifft dann auf
die optische Struktur bzw. die Superlinse 31, die aus der
strukturierten Metallschicht 38 und den dielektrischen
Schichten 32, 34, 36 besteht. Diese optische Struktur 31 überträgt
das evaneszente Feld 42 ohne Verluste bis zur zweiten Seite 22b,
wo die Feldstärke des übertragenen evaneszenten
Feldes 42 wieder abklingt. Daher sollte der Abstand d2 zwischen der zweiten Seite 22b und
der Bildebene 44, wo das evaneszente Feld registriert wird,
kleiner als die Belichtungswellenlänge λ sein,
damit die Feldstärke nicht so gering ist.
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4a bezog
sich somit auf die oben erwähnte dritte Möglichkeit
zur Evaneszenzfelderzeugung, wonach das Objekt 41 in einem
Nahfeldabstand d1 zu der Vorderseite 38 der
optischen Struktur 31 angeordnet ist, während
es von der der optischen Struktur 31 abgewandten. Seite
her beleuchtet wird, und zwar beispielsweise schräg zur
Vorderseite 38, wobei in diesem Fall beispielsweise ein
evaneszentes Feld 42 an einer der optischen Struktur zugewandten
Seite 41 des Objektes entsteht, das dann die Subwellenlängenöffnungen
an der Vorderseite 38 der optischen Struktur 31 erreicht
und von den Superlinsenöffnungen in derselben aus dem Fernfeld
herausgefiltert wird.
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4b bezieht
sich auf die vorerwähnte erste Möglichkeit zur
Evaneszenzfelderzeugung, wonach eine Grenzfläche 45 von
einem optischen dichteren Medium, nämlich hier exemplarisch
einem Prisma 46 zu einem optischen dünneren Medium 47 nahe
der Vorderseite 22a der optischen Struktur 31 angeordnet
wird und eine Beleuchtung der Prismenfläche 45 von
dem optisch dichterem Medium aus in einem Winkel α zu der Prismenfläche 45 vorgenommen
wird, bei dem Totalreflexion an der Prismengrenzfläche 45 entsteht.
Unter diesen Bedingungen bildet sich in dem optischen dünnerem
Medium 47 zwischen der Prismengrenzfäche 45 und
der Vorderseite 22a der optischen Struktur 31 das
evaneszente Feld 42 aus, das ein zu untersuchendes Objekt 48 zwischen
der Prismengrenzfläche 45 und der Vorderseite 22a beleuchtet.
Das von dem Objekt 48 in Phase oder Amplitude modulierte
evaneszente Feld 42 erreicht die erste Seite 22a der
optischen Struktur 31 mit negativer Brechzahl n.
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Auf
die vorerwähnte zweite Möglichkeit zur Evaneszenzfelderzeugung
bezieht sich beispielsweise 4c. Das
Objekt 48 befindet sich hier in einem optischen Kontakt
mit der Vorderseite 38 der optischen Struktur 31,
wie z. B. durch Berührung. Beleuchtet wird von der der
optischen Struktur 31 abgewandten Seite aus. In diesem
Fall entsteht das evaneszentes Feld an den Subwellenlängenöffnungen
an der Vorderseite 22a der optischen Struktur 31.
Amplitude und Phase des evaneszenten Feldes, das an einer jeweiligen
der Subwellenlängenöffnungen entsteht, hängen
von elektrischen und/oder magnetischen Permeabilitäten
des Objektes 48 ab, die letzteres an der lokalen bzw. lateralen
Stelle hat, die mit der jeweiligen Öffnung 49 gerade
in optischem Kontakt steht.
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5 zeigt
eine Seitenansicht des bereits in 3 gezeigten
integrierten Bildsensors 30. Der Chip bzw. der Bildsensor 30 umfasst
eine strukturierte Metallschicht 38 und drei dielektrische
Schichten 32, 34, 36, die zusammen ein
Material mit negativer Dielektrizitätskonstante εr bilden. In 5 liegt
die Objektebene 41 sehr nahe, d. h. in einem Nahfeldabstand,
an der Metallschicht 38, die Abbildungsebene 44 liegt
wiederum sehr nahe an dem Fotodiodenarray 24 bzw. der Fotodiodenarray 24 liegt
direkt in der Abbildungsebene 44. Der Fotodiodenarray 24 erstreckt
sich in einem Abstand d2 < λ entlang
der zweiten 22b Seite der optischen Struktur 31.
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Neben
den beschriebenen Metamaterialien besteht eine weitere Möglichkeit,
ein linkshändiges Material mit negativer Brechzahl zu erzeugen,
in der Herstellung einer dreidimensionalen periodischen Struktur,
deren periodisch angeordnete Elemente Abmessungen und Abstände
zueinander aufweisen, die kleiner als die Wellenlänge λ des
beleuchtenden Lichts sind. Solche dreidimensionalen periodischen
Strukturen können gemäß Ausführungsbeispielen
beispielsweise sog. photonische Kristalle sein oder optische Strukturen,
die sich wie ein photonischer Kristall erhalten. Im Nachfolgenden
werden derartige Strukturen allgemein als photonische Kristalle
bezeichnet.
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Photonische
Kristalle umfassen strukturierte Halbleiter, Gläser oder
Polymere und zwingen Licht mittels ihrer spezifischen Struktur dazu,
in der sich für eine Bauteilfunktion notwendigen Art und
Weise im Medium auszubreiten. Es sind periodische dielektrische
und/oder metallische Strukturen, deren Periodenlänge so
eingestellt ist, dass sie die Ausbreitung von elektromagnetischen
Wellen in ähnlicher Weise beeinflussen, wie das periodische
Potential in Halbleiterkristallen die Ausbreitung von Elektronen.
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Eine
optische Struktur 52, die sich praktisch wie ein photonischer
Kristall verhält, ist in 6a gezeigt.
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Die
in 6a gezeigte optische Struktur 52 mit
negativer Brechzahl umfasst periodisch angeordnete Metallschichten 60 in
einem dielektrischen Medium 62, wie z. B. SiO2.
Die Metallschichten 60 weisen beispielsweise Mikroöffnungen
auf, so wie es in der Seitenansicht der optischen Struktur 52 in 6a angedeutet
ist. Die geometrische Form dieser Mikroöffnungen kann vielfältig
ausgestaltet sein und hängt von den gewünschten
elektromagnetischen Eigenschaften der optischen Struktur 52 ab.
Möglich sind beispielsweise kreisförmige Mikroöffnungen,
deren Abmessungen und Abstände zueinander in der Größenordnung
von der Belichtungswellenlänge λ bzw. kleiner
als die Belichtungswelle λ sind. Ein Abstand 1 zwischen
benachbarten Metallschichten 60 liegt ebenfalls in der
Größenordnung der Belichtungswellenlänge λ bzw.
ist kleiner als diese.
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Auch
hier wird, um ein beispielsweise von der Objektebene 41 ausgehendes
auf die erste Seite eintreffendes oder an der ersten Seite entstehendes
evaneszentes Feld von der ersten Seite 22a der optischen Struktur 52 zu
der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 52 zu
transportieren, die erste Seite 22a in einem Nahfeldabstand
d1 kleiner als die Belichtungswellenlänge λ von
der Objektebene 41 platziert. Die Bildebene 44,
in der vorzugsweise der Pixelarray 24 platziert wird, erstreckt
auch bei dem in 6a gezeigten Ausführungsbeispiel
der optischen Struktur 52 in einem Abstand d2 kleiner
als die Belichtungswelle λ von der zweiten Seite 22b.
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Der
Feldstärkeverlauf des evaneszenten Feldes ergibt sich bei
der in 6a gezeigten Ausführungsform
in ähnlicher Weise, wie es anhand von 4a im
Vorhergehenden bereits beschrieben wurde. Das heißt, durch
die optische Struktur bzw. den photonischen Kristall 52 mit
negativer Brechzahl wird ein an der ersten Seite 22a eintreffendes
evaneszentes Feld bei der Übertragung durch die optische
Struktur 22 zu deren zweiten Seite 22b hin verstärkt.
Dieser Effekt der Verstärkung von Nahfeldwellen wird beispielsweise
in C. Lou et. al, „Subwavelength imaging in photonic chrystals",
beschrieben.
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Ähnlich
den 4a–4c zeigen 6b und 6c weitere
Evaneszenzfelderzeugungsmöglichkeiten in dem Zusammenhang
mit einem photonischen Kristall. Bezüglich näherer
Details wird auf die Beschreibung der Figuren 4b und 4c verwiesen.
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7 zeigt
eine mögliche Ausführungsform von in den Metallschichten 60 realisierten
Mikroelementen.
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7 kann
als eine Draufsicht auf die optische Struktur 52 mit negativer
Brechzahl gesehen werden. In ein dielektrisches Medium 62 (schwarz
dargestellt) sind in metallischen Schichten Mikroelemente 70 (weiß dargestellt)
eingebracht. Dabei zeigt 7 exemplarisch einen Ausschnitt
mit sechs periodisch angeordneten Mikroelementen 70, die
eine sog. Split-Ring-Rensonator-Struktur aufweisen. 7 zeigt
also eine Draufsicht einer möglichen Realisierungsform
der in 6a in einer Seitenansicht gezeigten
verschiedenen Schichten 60 mit metallischen Mikroelementen 70.
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Die
Abmessungen der Mikroelemente 70 sind dabei deutlich kleiner
als die Belichtungswellenlänge λ. Ändert
man das Verhältnis der Radien des äußeren
und des inneren Kreises eines Split-Ring-Rensonators 70, so ändert
sich die entsprechende Resonator-Wellenlänge. Es sei hervorzuheben,
dass auch andere Strukturen, wie beispielsweise so genannte LC-Loaded
Transmission Lines, möglich sind, wobei wichtig ist, dass
eine gesamte Transmission möglichst hoch ist.
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8 zeigt
zusammenfassend ein unter Verwendung einer anhand von 6 und 7 beschriebenen
optischen Struktur 52 resultierenden in CMOS-Technik realisierten
integrierten Bildsensor 80, der an dieser Stelle nicht
näher beschrieben werden soll, da er sich im Aufbau lediglich
durch das verwendete linkshändige Material 52 von
dem anhand von 5 beschriebenen Bildsensor unterscheidet.
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Bildsensoren
basierend auf den im Vorhergehenden beschriebenen linkshändigen
Materialien (Metamaterialien und dreidimensionale photonische Kristalle)
lassen sich mit CMOS-Prozessen, wie beispielsweise einen CMOS-Opto-Prozess,
realisieren, ohne dass zusätzliche Prozessschritte oder
weitere Bearbeitungen erforderlich sind.
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Ein
Verfahren zum Herstellen eines integrierten Bildsensors auf einem
Substrat umfasst gemäß Ausführungsbeispielen
einen Schritt des Erzeugens eines Photodiodenarrays 24 an
einer Substratoberfläche des Substrats und ein Aufbringen
einer optischen Struktur mit einer negativen Brechzahl auf den Photodiodenarray,
so dass sich der Photodiodenarray in einem vordefinierten Abstand
d2 entlang der optischen Struktur erstreckt,
wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses
sind.
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Gemäß Ausführungsbeispielen
umfasst das Aufbringen der optischen Struktur ein Aufbringen eines Schichtstapels
aus wenigstens einer dielektrischen Schicht und einer Metallschicht,
wobei die wenigstens eine Metallschicht Mikro strukturen aufweist,
die Abmessungen und Abstände zwischen zwei benachbarten
Mikrostrukturen aufweisen, die eine Übertragung eines evaneszenten
Feldes durch die optische Struktur erlauben.
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Ein
Zwischenprodukt eines CMOS-Herstellungsprozesses eines Bildsensors
gemäß Ausführungsbeispielen ist schematisch
in 9 gezeigt.
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Der
in 9 gezeigte, noch nicht fertig hergestellte, integrierte
Bildsensor umfasst ein Substrat 90, insbesondere ein Halbleitersubstrat,
in dem ein Photodiodenarray 24 eingebracht ist, wobei 9 lediglich
exemplarisch eine Photodiode 26 des Photodiodenarrays 24 zeigt.
Dabei sind die Photodioden 26 in einer Ebene 92 angeordnet,
die der Bildebene 44 entspricht, oder die zumindest sehr
nahe zu der Bildebene 44 verläuft.
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Die
nicht fertig gestellte optische Struktur in 9 weist
einen Schichtstapel aus metallischen Schichten 94 und dielektrischen
Schichten 96 auf. 9 zeigt
lediglich exemplarisch vier metallische Schichten 94-1 bis 94-4 und
drei dielektrische Schichten 96-1 bis 96-3. Je
nach Ausführungsform kann die Schichtanzahl von dem in 9 gezeigten
Beispiel abweichen.
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Bei
einem Metamaterial mit einer Metallschicht auf der ersten Seite 22a und
einem darauf folgenden Schichtstapel aus drei dielektrischen Schichten
wird also lediglich die Metallschicht 94-4 verbleiben und
die nicht benötigten Metallschichten 94-1 bis 94-3 werden
im Rahmen des CMOS-Prozesses komplett entfernt. Zusätzlich
wird die obere Metallschicht 94-4 noch mit den beschriebenen
Mikroöffnungen versehen. In Verbindung mit den drei verbleibenden
dielektrischen Schichten 96-1 bis 96-3, die entsprechende
Dielektrizitätskonstanten εr aufweisen,
entsteht ein linkshändiges Material, insbesondere ein Metamaterial,
mit negati ver Brechzahl, wie es im Vorhergehenden bereits anhand
der 3 bis 5 beschrieben wurde.
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Bei
aktuellen CMOS-Prozessen besteht andererseits auch die Möglichkeit,
auch die tieferliegende Metallschichten 94-1 bis 94-3 so
fein zu strukturieren, dass daraus resultierende Mikrostrukturen
bzw. Mikroelemente periodisch angeordnet und kleiner als die Belichtungswellenlänge λ sind.
Dies ermöglicht es, dreidimensionale periodische Strukturen
mit Eigenschaften von photonischen Kristallen direkt auf einem Chip
zu erzeugen. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, sind
die einzelnen Mikroelemente bzw. Mikrostrukturen der strukturierten
Metallschichten kleiner als die Belichtungswellenlänge λ,
so dass ein dreidimensionaler photonischer Kristall entsteht, der
als linkshändiges Material wirkt.
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Bei
sämtlichen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
wird das Photodiodenarray 24 vorzugsweise sehr nahe an
der letzten Schicht 94-1 der Struktur platziert, wobei
der Abstand d2 kleiner als die Belichtungswellenlänge λ ist.
Jede einzelne Photodiode 26 registriert dann nur einen
entsprechenden Anteil des evaneszenten Feldes des zu untersuchenden
Objekts und in Verbindung mit einer Signalverarbeitung entsteht, wie
bei herkömmlichen bildgebenden Sensoren eine zweidimensionale
Abbildung des Objekts (in 9 nicht gezeigt).
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Schematische
Ansichten von durch CMOS-Prozesse realisierte Bildsensoren mit linkshändigen
optischen Strukturen und Pixelarrays gemäß Ausführungsbeispielen
wurden bereits anhand von 3, 5 und 8 erläutert.
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Nachdem
im Vorhergehenden Herstellung und Aufbau von Bildsensoren gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert wurden,
werden im Nachfolgenden anhand von 10 und 11 Anwendungsmöglichkeiten von
Bildsensoren gemäß Ausführungsbeispielen
erläutert.
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10 zeigt
ein Mikroskop 100, welches insbesondere ein Subwellenlängenmikroskop
bzw. Nahfeldmikroskop ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Von
einer monochromatischen Lichtquelle 102 ausgehendes monochromatisches
Licht 104 tritt durch ein optisches System 106,
wie z. B. einen Kondensor, und beleuchtet dann einen Objektträger 108 mit
einer zu untersuchenden Struktur bzw. einem zu untersuchenden Objekt 110.
In einem Nahfeldabstand d1 kleiner als die
Wellenlänge λ des monochromatischen Lichts 104 ist
ein integrierter Bildsensor 20 gemäß Ausführungsbeispielen
angeordnet. Alternativ kann die Probe 110 sich auch in
Kontakt zu einer Vorderseite des Bildsensors 20 befinden.
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Der
Bildsensor 20 ist mit einem Bildverarbeitungssystem 112 gekoppelt,
welches wiederum mit einer Ausgabeeinrichtung 114, wie
beispielsweise einem Monitor verbunden ist. Die von dem Bildsensor 20 umfasste
linkshändige optische Struktur 22, welche ein
Metamaterial oder ein photonischer Kristall sein kann, überträgt
das von dem zu untersuchenden Objekt 110 ausgehende oder
das von dem zu untersuchenden Objekt 110 abhängige
an der Vorderseite des Sensors 20 entstehende evaneszente
Feld ohne Beschneidung hoher Ortsfrequenzen bzw. Raumfrequenzen
zur zweiten Seite bzw. Rückseite der optischen Struktur 22 bzw.
in die Abbildungsebene. Das Photodiodenarray 24 befindet
sich in einem Abstand d2 von weniger als
einer Wellenlänge λ zur Abbildungsebene 44 bzw.
zur zweiten Seite 22b der optischen Struktur, um Verluste
durch das schnell abklingende evaneszente Feld möglichst
gering zu halten. Das Bildverarbeitungssystem 112 verarbeitet
und digitalisiert das von dem Photodiodenarray erfasste Signal jeder
einzelnen Photodiode 26 und erzeugt ein Bild für
den angeschlossenen Monitor 114.
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Gegenüber
herkömmlichen Nahfeldmikroskopen, welche Messobjekte mit
einer sehr feinen Sonde nur punktweise abtasten, weist ein Subwellenlängenmikroskop
mit einem Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung den Vorteil auf, dass das gesamte Bild
des zu untersuchenden Objekts erfasst und in ein elektrisches Videosignal
umgewandelt werden kann. Des Weiteren können auch bewegte
Objekte, wie beispielsweise Bakterienkulturen oder ähnliches
mittels eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen untersucht
werden. Bei einer Belichtung einer filmähnlichen Schicht
oder bei einem Abscannen eines Objekts ist eine Bewegtbilderfassung
nicht möglich.
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Eine
weitere Anwendung eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen
besteht in einer Verbesserung einer Auflösung von beugungsbegrenzten
Objektiven. Dazu schaffen Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung eine optische Vorrichtung mit einem Objektiv, einer optischen
Struktur mit einer negativen Brechzahl, wobei eine erste Seite der
optischen Struktur in einer Bildebene der beugungsbegrenzten Optik
angeordnet ist, und einem Pixelarray, das sich in einem vorbestimmten
Abstand entlang einer der ersten Seite der optischen Struktur gegenüberliegenden
zweiten Seite erstreckt. Das Objektiv ist dabei beispielsweise auf eine
entfernte Objektebene in einem Abstand von beispielsweise mehr fünf
Brennweiten eingestellt.
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Eine
solche optische Vorrichtung 200 ist schematisch in 11a gezeigt.
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Die
optische Vorrichtung 200 umfasst ein beugungsbegrenztes
Objektiv 202 mit einer Bildebene 204. Die erste
Seite 22a einer linkshändigen optischen Struktur 22 ist
in der Bildebene 204 des Objektivs 202 angeordnet.
In einem vordefinierten Abstand d2 von der
zweiten Seite 22b der optischen Struktur 22 befindet
sich ein Pixelarray 24, insbesondere ein Photodiodenarray.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei der optischen Struktur mit negativer Brechzahl
um einen photonischen Kristall bzw. eine dreidimensionale strukturierte
Struktur, die sich wie ein photonischer Kristall verhält,
so wie sie im Vorhergehenden anhand der 6–8 beschrieben
wurde.
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Herkömmliche
optische Systeme haben eine begrenzte Auflösung von etwa
einer halben Wellenlänge, was auf Beugung an dem Objektiv 202 bzw.
den Durchmesser der Eintrittspupille des Systems zurückzuführen ist.
Das Rayleigh-Kriterium definiert genau die Auflösungsgrenze
für ein Objektiv unter Betrachtung einer schwarz-weißen-periodischen
Linienstruktur. Der Mindestabstand d zweier noch auflösbarer
Linien ist dann so definiert, dass das Maximum des Beugungsbildes
eines ersten Spalts mit einem ersten Minimum des Beugungsbildes
eines zweiten benachbarten Spaltes zusammenfällt. Das bedeutet
für zwei bezüglich eines Betrachtungswinkels dicht
zusammenliegende Punkte 206, 208 im Unendlichen,
wie z. B. zwei Fixsterne, das eine Lichtintensitätsverteilung 210 in
der Bildebene 204 des Objektivs 202 kein Auflösen
der beiden Objekte ermöglicht, da sich entsprechende Beugungsbilder
bzw. Beugungsscheibchen 212a, b stark überlappen.
Ein Beugungsbild jedes Objektpunktes besteht aus mehreren Beugungsordnungen
(k = 0, k = ±1, k = ±2 usw.) mit Minima und Maxima,
wie es in 11a schematisch gezeigt ist,
so dass entsprechende Beugungsscheibchen 212a, b entstehen.
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Mit
Hilfe eines Bildsensors 20 mit einem photonischen Kristall
gemäß Ausführungsbeispielen und einem
Photodiodenarray 24, ergibt sich die Möglichkeit,
Beugungsanteile des von den Objektpunkten 206, 208 ausgehenden
Lichts bei der Abbildung durch das photonische Kristall auf das
Photodiodenarray zu verkleinern, so dass ein Lichtanteil höherer
Beugungsordnungen (k = ±1, k = ±2 usw.) sehr gering
wird. Photonische Kristalle sind stark selektiv bezüglich
des Einfallswinkels von Licht. Die Mikroelemente des photonischen
Kristalls 52 lassen nur in sehr schmale Raumwinkelbereichen
einfallendes Licht durch und dämpfen aus anderen Richtungen
stammendes Beugungslicht stark. Erklären lässt
sich das folgendermaßen, wobei Bezug auf 11b genommen wir, die einen Teil des Abbildungsweges
von 11a zeigt, und zwar einen Teil
jenseits der Bildebene, also im photonischen Kristall, und dort
lediglich eine lateral auf eine Superlinsenöffnung begrenzten
Teil. Wie in dem Fall von 6, befinden
sich die Öffnungen 308 in den Metallschichten 310 des
photonischen Kristalls auf einer gemeinsamen Achse 312,
die parallel zur optischen Achse des Systems von 11a sein kann, und zudem durch ein Pixel, wie
z. B. eine Photodiode, 316 des Sensors 24 verläuft.
Die Öffnungen 308 bilden nun zusammen einen Sub-Wellenlängen-Wellenleiter 319,
der die vorerwähnte starke Raumwinkelselektivität
erzielt, und der das an der eingangsseitigen Öffnung 3081 entstehende evaneszente Feld zum Pixel 316 überträgt.
Durch die Sub-Wellenlängen-Wellenleitereigenschaften bzw.
durch die starke Winkelselektivität des Sub-Wellenlängen-Wellenleiters 319 werden
Beugungsanteile des übertragenen Lichts unterdrückt,
so dass auf den Sensor 24 bzw. auf das Pixel 316 kein
störendes Beugungslicht einfällt. Auf diese Weise „sieht"
des Sensor 24 durch eine Art „Röhrchenarray" 52 mit
Röhrchen 319 das Bild des beugungsbegrenzten Objektivs 202 ohne
die störenden Beugungseffekte.
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Nach
der optischen Filterung durch den photonischen Kristall 52 besteht
daher die Möglichkeit, zwei benachbarte Lichtquellen 206, 208,
deren Abstand d unter dem Rayleigh-Kriterium liegt, noch aufzulösen,
da das durch den photonischen Kristall 52 gefilterte Lichtfeld
einen kleineren Anteil an Beugungslicht hat, als das Licht direkt
hinter dem beugungsbegrenzten Objektiv 202. Das Photodiodenarray 24 registriert
das evaneszente Feld, das weniger störendes Beugungslicht
beinhaltet als das Feld direkt hinter dem Objektiv 202.
Somit kann von dem Pixelarray 24, wie durch Bezugseichen 214 angedeutet,
beispielsweise nur noch die 0-te Beugungsordnung des einfallenden
Lichts registriert werden, nachdem höhere Beugungsordnungen
durch das optische Kristall 52 herausgefiltert wurden.
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Zusammenfassend
befasst sich die vorliegende Erfindung also mit Bildsensoren, die
als optisch-elektrische Hybridstruk tur aufgebaut sind und ein linkshändiges
Material umfassen. Dieses linkshändige Material kann beispielsweise
durch ein Metamaterial oder ein dreidimensionalen photonischen Kristall
gebildet sein, wobei beide in sandwichartiger Form aus mikrostrukturierten
Metallschichten und dielektrischen Schichten mit definierten Dielektrizitätskonstanten εr, sowie einem Photodiodenarray bestehen.
Sowohl Bildsensoren mit einem Metamaterial als auch Bildsensoren
mit einem Photonischen Kristall können integriert in CMOS-Technologie
hergestellt werden, ohne dass zusätzliche Prozessschritte
erforderlich sind. Ein gemäß Ausführungsbeispielen
aufgebauter Bildsensor arbeitet mit einer monochromatischen Lichtquelle
mit einer Belichtungswellenlänge λ und kann eine
Auflösung von besser als λ/10 aufweisen.
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Das
evaneszente Feld, das ein schwaches Feld ist und dessen Intensität
sich exponentiell mit dem Abstand von dem beleuchteten Objekt verringert,
kann unmittelbar und ohne Verluste nach dem linkshändigen Material
durch das Photodiodenarray detektiert werden, da der Abstand zwischen
der Abbildungsebene beziehungsweise der zweiten Seite des linkshändigen
Materials und dem Photodiodenarray gemäß Ausführungsbeispielen
kleiner als die Belichtungswellenlänge λ ist.
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Bei
der Verwendung eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen
zusammen mit einem beugungsbegrenzten Objektiv in Teleoskop-mäßiger
Anwendung besteht die Möglichkeit, aufgrund der Filterung des
evaneszenten Feldes aus dem Fernfeld durch das linkshändige
Material eine Auflösungsverbesserung zu erzielen, die auf
einer Trennung beziehungsweise Unterdrückung des störenden
Anteils des Beugungslichtes beruht.
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Im
Bereich der (Nahfeld-)Mikroskopie wird zum Abbilden eines Objekts
keine konventionelle Optik benötigt. Eine Kombination von
strukturierten Metallschichten, dielektrischen Schichten und einem
Fotodiodenarray, ermöglicht ein Hybrid element, das Strukturen
kleiner als λ/10 auflösen kann. Ein punktweises
Abscannen des zu untersuchenden Objekts ist nicht erforderlich.
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Abschließend
ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf
die jeweiligen beschriebenen Bauteile oder die erläuternden
Vorgehensweisen beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren
variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich
dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben
und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung
und in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel
verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser
Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas anderes
deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Hyesog Lee,
Yi Xiong, Nicholas Fang, Werayut Srituravanich, Stephane Durant,
Muralidhar Ambati, Cheng Sun and Xiang Zhan: „Realization
of optical superlens imaging below the diffraction limit" [0012]
- - Wenshan Cai, Dentcho A. Genov, and Vladimir M. Shalaev: "Superlens
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- - Gnnady Shvets: "Band engineering using electrostatic resonances
applications to super-lensing" [0012]
- - „magnifying superlenses in the visible frequency
range" von Smolyaninov, Hung und Davis in Science, 315, 23. März
2007, S. 1699–1701 [0054]