EP2140298A2 - Konzept zur erfassung von bildern mit subwellenlängenauflösung - Google Patents

Konzept zur erfassung von bildern mit subwellenlängenauflösung

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Publication number
EP2140298A2
EP2140298A2 EP08735058A EP08735058A EP2140298A2 EP 2140298 A2 EP2140298 A2 EP 2140298A2 EP 08735058 A EP08735058 A EP 08735058A EP 08735058 A EP08735058 A EP 08735058A EP 2140298 A2 EP2140298 A2 EP 2140298A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical structure
pixel array
optical
evanescent field
distance
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
EP08735058A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wladimir Tschekalinskij
Stephan Junger
Norbert Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2140298A2 publication Critical patent/EP2140298A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/58—Optics for apodization or superresolution; Optical synthetic aperture systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • 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
    • G02B1/007—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 made of negative effective refractive index materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications

Definitions

  • the present invention relates to image sensors for capturing sub-wavelength resolution images and methods of making the same.
  • Such so-called left-handed materials can be obtained if one has both a negative permittivity ⁇ r and a negative permeability ⁇ r for a material, so that the refractive index n becomes negative.
  • a left-handed material for example, an ideal lens or a so-called super-lens can be built. This is characterized in that a point light source has a punctiform image, so works completely diffraction-free.
  • a classical optical system as shown in Fig. 12, is always diffraction limited.
  • FIG. 12 shows an objective 10.
  • a plane with an object to be imaged ie an object plane 12
  • An image plane 14 is located at an image-side distance or image distance f 2 to the objective 10. If an object or the object plane 12 is located in an object space with the refractive index n, then the arrangement shown in FIG. 12 results in a maximum resolution between two points at a distance d of
  • ⁇ is the wavelength of the light illuminating the object plane 12 and n'sin ⁇ is the numerical aperture of the objective 10.
  • a purely evanescent field can be observed, for example, in the case of total reflection. If an incident light beam is totally reflected at an interface of an optically denser medium to an optically thinner medium, the field can not abruptly become zero due to the condition of continuity on the side of the optically thinner medium, but falls exponentially into the half space of the optically thinner medium from. In general, the evanescent field has already disappeared at a distance of about ⁇ / 2 from the interface of the two optical media. This field in particular contains information about structures below the classical resolution limit. In order to convert evanescent field components into propagating field components, one can, for example, introduce a scattering center into the near field.
  • the evanescent field excites dipole oscillations, so that again evanescent and propagating field components arise as a result of the interaction of the scattering center with the near field of the object.
  • Another possibility is the scanning of an object surface with an optical probe with a single-mode fiber, at the end of which there is a diaphragm with a hole diameter of about 40 nanometers. The light emerging from this waveguide strikes the object plane, thereby changing its evanescent field. A remote receiver and its signal processing registers this change in the evanescent field, from which refractive index n and transmission and reflection coefficients can be calculated.
  • Various methods for measuring the near field are described, for example, in the thesis "A High-Resolution Near-Field Optical Probe for Fluorescence Measurements on Biological Samples" by Hein- rich Gotthard Frey.
  • Optical left-handed structures have been realized that map object structures in the sub-wavelength range, so-called superlenses. These optical structures with negative refractive index transmit the evanescent field of an exposed object which carries information about higher spatial frequencies (eg of structures which are smaller than the wavelength ⁇ of the light used), and make it almost loss-free from the object plane into the image plane from. These left-handed materials reconstruct the evanescent fields of subwavelength structures.
  • Magnified images with super lenses are also known, the publication "Magnifying Superlens in the visible frequency range” e.g. shows theoretical and experimental results.
  • the object of the present invention is thus to provide an improved concept for the detection of an object in the sub-wavelength range, which can provide a complete image of the object without a point-by-point scanning of the object, or a concept for increasing a resolution of diffraction-limited To provide optics.
  • an optical resolution improved with respect to diffraction-limited optics can be achieved by imaging an object by means of an optical structure with a negative refractive index onto a pixel array which is located in an image plane of the optical structure.
  • an object to be observed is brought in an object plane in a near-field distance to a first side of the optical structure with negative refractive index, wherein the object to be viewed is illuminated with monochromatic light.
  • the near-field distance between the object and the first side of the optical structure is smaller than the wavelength ⁇ of the monochromatic light according to embodiments.
  • the evanescent field resulting from the illumination of the object at the object is transmitted from the first side of the optical structure to a second opposite side thereof.
  • the pixel array is located along the second side of the left-handed optical structure to detect the transmitted evanescent field and then process it further.
  • the image sensor having the negative refractive index optical structure and pixel array is fabricated in a CMOS process.
  • the pixel array has a two-dimensional array of PN junction sensors, in particular photodiodes. The individual pixel elements of the pixel array are spaced to detect the evanescent field in the sub-wavelength range.
  • the second side of the optical structure extends from the pixel array.
  • the optical structure has a combination of structured metal layers and dielectric layers, so that the structuring achieves a negative refractive index for the wavelength of the monochromatic light or the exposure wavelength.
  • the combination of the patterned metal layers and the dielectric layers may be formed such that the optical left-handed structure is a metamaterial or a photonic crystal.
  • a metamaterial is formed from a layer stack of different dielectric materials, wherein a metal layer with microapertures is placed on an uppermost dielectric layer.
  • a microaperture is to be understood as meaning a structured opening with dimensions smaller than the illumination wavelength.
  • a structure which substantially has the characteristics of a photonic crystal will be referred to as a photonic crystal.
  • structures are meant to have periodic (metallic) structures with dimensions smaller than the exposure wavelength in a dielectric material. They therefore show only like optical properties, such as room-angle selectivity and spectral selectivity.
  • the optical structure preferably comprises at least one lowermost CMOS metal layer (CMOS metal layer) closest to the pixel array, in which the microapertures are structured, and / or a metal layer in which, in addition to the microapertures, metallic, electrical connections or metal layers are formed .
  • CMOS metal layer CMOS metal layer
  • a thickness of a CMOS metal layer is in embodiments in a range greater than or equal to 90 nm.
  • An advantage of an image sensor according to embodiments is that it enables resolution and detection of structures much smaller than the exposure wavelength ⁇ .
  • An image sensor according to embodiments can be used, for example, to simultaneously detect the entire image of an object to be examined in a microscope with sub-wave resolutions and to convert it into an electrical video signal.
  • a microscope with sub-wave resolutions according to embodiments does not need a lens, since an imaging optics is already integrated in an image sensor according to embodiments. It is possible to amplify, process and digitize an evanescent field converted into an electrical signal directly in the sensor.
  • Another advantage of embodiments of the present invention is that resolution of a diffraction limited system can be increased. This can be done by mounting an image sensor according to embodiments in an image plane of the diffraction-limited optics. As a result, structures smaller than about half a wavelength can be resolved. If an image sensor according to embodiments of the present invention is used in conjunction with a camera with diffraction As a result of the pronounced angular selectivity of the optical left-handed structures, which leads to a separation or suppression of interfering diffraction components, resolution in the sub-wavelength range can be achieved.
  • FIG. 1 shows a schematic flow diagram of a method for generating an image of an object according to an embodiment of the present invention DPg;
  • FIG. 2 is a perspective view of an image sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view of an image sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4a-c are side views of a negative refractive index meta material showing an object plane, an image plane of the metamaterial, and an evanescent field trace, according to embodiments of the present invention for different evanescent field generations;
  • FIG. 5 shows a side view of an image sensor with metamaterial according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6a is a side view of a negative refractive index photonic crystal, and an object plane and an image plane of the photonic crystal, according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 6b and 6c show modifications of FIG. 6a according to FIGS. 4b and 4c;
  • FIG. 7 is a plan view of a metal layer with split-ring resonators according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a side view of a photonic crystal image sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 shows a side view of a layer stack of pixel array, metal layers and dielectric layers produced using CMOS technology, according to one exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic representation of a microscope with an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 11 a shows a schematic representation of an optical device having a diffraction-limited objective and an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. IIb is a schematic representation of a detail of the illustration of Fig. IIa to illustrate the angular selectivity properties of the photonic crystal in Fig. IIa;
  • Fig. 12 is a schematic representation of a conventional diffraction-limited optics.
  • FIG. 1 shows a schematic flow diagram of a method for producing an image of an illuminated or luminous object in the sub-wavelength range of the illuminating light.
  • a first step Sl the object to be examined or the object to be examined, which is located on a slide, is illuminated.
  • the illumination of the object takes place according to exemplary embodiments with a monochromatic light having a wavelength ⁇ of, for example, less than 1.2 ⁇ m.
  • a first side of an optical structure with negative refractive index n is arranged at a near field distance di to the object.
  • the two steps S1 and S2 can be matched to one another in various ways, so that an evanescent light field caused by the object's illumination on the first side of the optical structure in a subsequent step to be discussed, the opposite second side of the optical structure can reach.
  • Three possibilities will be clarified in more detail below with reference to FIGS. 4a to 4c, for which reason they will be discussed very briefly at this point.
  • a first possibility consists, for example, in arranging an interface from an optically denser to an optically thinner medium, such as a prism surface, near the front of the optical structure and illuminating the prism surface from the optically dense surface.
  • rem medium is made at an angle to the prism surface at which total reflection occurs at the prism interface.
  • an evanescent field is formed in the optical thinner medium between the prism boundary surface and the front surface of the optical structure, illuminating an object to be examined between the prism interface and the front surface.
  • a distance di between the object and the first side of the optical structure may be used, which is preferably smaller than the wavelength of the light used, for example, monochromatic light, such as a distance less than 1.2 microns.
  • a second possibility for example, is that the object is in optical contact with the front of the optical structure, e.g. the same touches, and is illuminated by the side facing away from the optical structure.
  • an evanescent field of sub-wavelength openings is created at the front of the optical structure.
  • the amplitude and phase of the evanescent field arising at a respective one of the subwavelength apertures depend on electrical and / or magnetic permeabilities of the object having the latter at the local or lateral location which is in direct optical contact with the respective aperture.
  • a third possibility is, for example, that the object is arranged in a near field to the front of the optical structure, while it is illuminated from the side facing away from the optical structure, for example obliquely, in which case, for example, an evanescent field is formed on a side of the object facing the optical structure, which then reaches the subwavelength apertures on the front side of the optical structure and originates from the same from the far field. is filtered out.
  • a distance between the object and the first side of the optical structure may preferably be smaller than the wavelength of the light used for illumination, for example monochromatic light, used, such as a distance less than 1.2 microns.
  • a third step S3 the evanescent field of the object, which has reached the first side of the optical structure or arises there, is transmitted from the first side to a second side of the optical structure.
  • Transmission of the evanescent field is possible through the use of a negative refractive index optical material in a wavelength range of interest.
  • the evanescent field can propagate from the first side to the second side of the optical structure.
  • a fourth step S4 the evanescent field on the second side of the optical structure is detected by a pixel array.
  • the pixel array along the second side of the optical structure is arranged at a distance d 2 , which is preferably smaller than the wavelength of the illuminating light, ie d 2 ⁇ .
  • a distance d 2 is preferably smaller than the wavelength of the illuminating light, ie d 2 ⁇ .
  • FIG. 1 describes a method for producing an image of an object, comprising a step of exposing the object to a first side of a negative refractive index optical structure at a near field distance to the object such that an evanescent field from the object is the first side and the evanescent field is transmitted from the first side to a second side of the optical structure opposite the first side, and a step of detecting the evanescent field on the second side by a pixel array.
  • FIG. 2 shows an image sensor 20 according to an exemplary embodiment of the present invention for carrying out the method described with reference to FIG. 1.
  • the image sensor 20 has an optical structure 22 with a first side 22a and a second side 22b opposite the first side.
  • the optical structure 22 has a negative refractive index n, ie n ⁇ 0.
  • the image sensor 20 comprises a pixel array 24 that extends at a predetermined distance d 2 along the second side 22 b.
  • the optical structure 22 which may also be referred to as a left-handed structure, is configured in accordance with embodiments to transmit an evanescent light field E EVan from the first side 22a to the second side 22b of the optical structure 22.
  • the pixel array 24 is designed to capture a two-dimensional image and has, according to embodiments (X'Y), sensor elements 26 in order to be able to display a two-dimensional image with X'Y pixels.
  • the sensor elements 26 are designed according to embodiments as PN junction sensors.
  • a PN junction sensor means a sensor with a PN junction realized by different doping.
  • the PN junction sensors 26 are formed as photodiodes. That is, the pixel array 24 is a photodiode array according to embodiments.
  • Adjacent sensor elements 26 of the pixel array 24 are each arranged at a distance smaller than the exposure wavelength ⁇ according to embodiments 24 in order to be able to acquire images of an object to be examined in the sub-wavelength range.
  • the optical structure has magnifying properties that it to increase the pixel size, such as due to the higher index of refraction of the material between the optical structure and the sensitive area of the pixel sensor, with reference to the article "Magnifying Superlenses in the Flexible Frequency Ranks" by Smolyaninov, Hung and Davis in Science, 315 , March 23, 2007, pp. 1699-1701.
  • the predetermined distance d 2 of the pixel array from the second side 22 b of the optical structure 22 is set such that an evanescent field transmitted from the first side 22 a to the second side 22 b and exiting from the second side 22 b from the pixel array 24 can be detected.
  • exposure wavelengths smaller than 1.2 ⁇ m are used, for example together with CMOS pixel sensors.
  • the distance d 2 would also be selected, for example, smaller than 1.2 microns. In other embodiments, the distance d 2 is less than 1 ⁇ m or even less than 0.8 ⁇ m.
  • a negative refractive index optical structure that is, a left-handed material can be constructed by means of a so-called metamaterial.
  • a metamaterial is a composite material whose electromagnetic material properties depend on its structure, rather than the specific properties of the material or materials of which it is made.
  • a metamaterial is formed from a layer stack having a sandwich structure of a plurality of dielectric layers, which have suitable dielectric constants and layer thicknesses, wherein a metal layer with microapertures is placed on an uppermost dielectric layer.
  • Micro-aperture should be understood to mean a structured aperture with dimensions smaller than the exposure wavelength.
  • the image sensor 30 in FIG. 3 has an optical structure of a layer stack 31 at a distance d 2 ⁇ from the pixel array 24.
  • the layer stack comprises a first dielectric layer 32 which forms the second side of the optical structure 31, a second dielectric layer 34 and a third dielectric layer 36.
  • the layer stack 31 on the third dielectric layer 36 comprises a metal layer 38 in which Microapertures 40 are located.
  • the microapertures 40 are, for example, circular micro-openings.
  • a size or a diameter of the microapertures or of the micro-openings 40 and a spacing of two adjacent microapertures 40 relative to one another are in the sub-wavelength range. That is, both the diameter of the microapertures 40 and distances between two adjacent microapertures 40 are smaller than the exposure wavelength, ie smaller than, for example, 1.2 ⁇ m.
  • the metal of the metal layer 38 is, for example, metals used in CMOS processes, e.g. Aluminum or copper. Furthermore, it should be pointed out at this point that the microapertures shown in circular fashion in FIG. 3 can also be other structures such as rectangles, hexagons, grid lines or the like in the sub-wavelength range.
  • FIG. 4a A side view of the metamaterial or the layer stack 31 from the dielectric layers 32, 34, 36 and the metal layer 38 is shown in FIG. 4a.
  • the first side 22a of the optical structure or of the metamaterial 31 formed by the metal layer 38 is located in a near field distance di from an object plane 41, so that an evanescent field 42 emanating from the object to be examined is the first side 22a or reaches the metal layer 38.
  • the evanescent field 42 is amplified during the transmission from the first side to the second side 22b of the optical structure 31, as is indicated schematically in FIG. 4a.
  • the transmitted evanescent field 42 again decreases rapidly. Therefore, the plane or image plane 44 where the evanescent field is detected should be no further than d 2 ⁇ from the second side 22 b of the optical structure 31.
  • the field strength of the evanescent field 42 exponentially drops between the object plane 41 and the metal layer 38, and then strikes the optical structure or superlens 31, which consists of the structured metal layer 38 and the dielectric layer Layers 32, 34, 36 consists.
  • This optical structure 31 transmits the evanescent field 42 without losses to the second side 22b, where the field strength of the transmitted evanescent field 42 dies down again. Therefore, the distance d 2 between the second side 22b and the image plane 44 where the evanescent field is registered should be smaller than the exposure wavelength ⁇ , so that the field strength is not so small.
  • the object 41 is arranged at a near field distance di to the front side 38 of the optical structure 31, while it is illuminated by the side facing away from the optical structure 31; namely, for example, obliquely to the front side 38, in which case, for example, an evanescent field 42 is formed on an optical structure facing side 41 of the object, which then reaches the sub-wavelength openings on the front side 38 of the optical structure 31 and from the super lens openings in the same from the Far field is filtered out.
  • Fig. 4b refers to the aforementioned first possibility for evanescent field generation, according to which an interface 45 of an optically denser medium, namely here a prism 46 to an optical thinner medium 47 near the front side 22a of the optical structure 31 is arranged and an illumination of the prism surface 45 is made of the optically denser medium at an angle ⁇ to the prism surface 45, in which total reflection at the prism boundary surface 45 is formed.
  • the evanescent field 42 is formed, illuminating an object 48 to be examined between the prism boundary surface 45 and the front side 22a.
  • the evanescent field 42 modulated by the object 48 in phase or amplitude reaches the first side 22a of the optical structure 31 with negative refractive index n.
  • Fig. 4c refers to the aforementioned second possibility for evanescence field generation.
  • the object 48 is here in optical contact with the front side 38 of the optical structure 31, such as by touch. Illuminated is from the optical structure 31 side facing away.
  • the evanescent field is formed at the subwavelength apertures on the front face 22a of the optical structure 31.
  • the amplitude and phase of the evanescent field formed at each of the subwavelength apertures depend on electrical and / or magnetic permeabilities of the object 48 having the latter at the local or lateral position which is in optical contact with the respective opening 49.
  • FIG. 5 shows a side view of the integrated image sensor 30 already shown in FIG. 3.
  • the chip or image sensor 30 comprises a structured metal layer 38 and three dielectric layers 32, 34, 36 which together form a material having a negative dielectric constant ⁇ r .
  • the object plane 41 is very close, ie at a near field distance, to the metal layer 38, the imaging plane 44 in turn lies very close to the photodiode array 24 or the photodiode array 24 lies directly in the imaging plane 44.
  • the photodiode array 24 extends at a distance d 2 ⁇ along the second 22 b side of the optical structure 31.
  • a left handed negative refractive index material is to produce a three-dimensional periodic structure whose periodically arranged elements have dimensions and spacings which are smaller than the wavelength ⁇ of the illuminating light.
  • Such three-dimensional periodic structures may be, for example, what are known as photonic crystals or optical structures which are present in accordance with exemplary embodiments how to get a photonic crystal.
  • photonic crystals are generally referred to as photonic crystals.
  • Photonic crystals include structured semiconductors, glasses or polymers and, by virtue of their specific structure, force light to propagate in the medium in the manner necessary for a device function. They are periodic dielectric and / or metallic structures whose period length is adjusted to affect the propagation of electromagnetic waves in a similar manner as the periodic potential in semiconductor crystals affects the propagation of electrons.
  • FIG. 6a An optical structure 52 that behaves virtually like a photonic crystal is shown in FIG. 6a.
  • the negative refractive index optical structure 52 shown in FIG. 6a includes periodically arranged metal layers 60 in a dielectric medium 62, such as SiO 2 .
  • the metal layers 60 have, for example, micro-openings, as indicated in the side view of the optical structure 52 in FIG. 6a.
  • the geometric shape of these micro-openings can be varied and depends on the desired electromagnetic properties of the optical structure 52. Possible, for example, circular micro-openings whose dimensions and distances from one another are on the order of magnitude of the exposure wavelength ⁇ or smaller than the exposure wave ⁇ .
  • a distance 1 between adjacent metal layers 60 is also in the order of magnitude of the exposure wavelength ⁇ or smaller than this.
  • the image plane 44 in which preferably the pixel array 24 is placed, also extends, in the exemplary embodiment shown in FIG. 3 a, the optical structure 52 at a distance 0 2 smaller than the exposure wave ⁇ from the second side 22 b.
  • the field intensity profile of the evanescent field results in the embodiment shown in FIG. 6a in a similar manner as already described above with reference to FIG. 4a. That is, by the optical structure or the photonic crystal 52 having a negative refractive index, an evanescent field arriving at the first side 22a is amplified upon transmission through the optical structure 22 toward the second side 22b thereof.
  • This effect of amplifying near-field waves is described, for example, in C. Lou et. al, "Subwavelength imaging in photonic chrystals".
  • FIGS. 6b and 6c show further evanescent field generation possibilities in the context of a photonic crystal. For further details, reference is made to the description of Figures 4b and 4c.
  • FIG. 7 shows a possible embodiment of microelements realized in the metal layers 60.
  • FIG. 7 can be seen as a top view of the negative refractive index optical structure 52.
  • a dielectric medium 62 shown in black
  • microelements 70 shown in white
  • FIG. 7 shows by way of example a section with six periodically arranged microelements 70, which have a so-called split-ring-resonator structure. 7 thus shows a plan view of a possible realization form of the various layers 60 with metallic microelements 70 shown in a side view in FIG. 6 a.
  • the dimensions of the micro-element 70 are significantly smaller than the exposure wavelength ⁇ . Changing the ratio of the radii of the outer and inner circle of a split-ring resonator 70 changes the corresponding resonator wavelength.
  • other structures such as so-called LC-Loaded Transmission Lines, are possible, wherein it is important that an overall transmission is as high as possible.
  • FIG. 8 shows in summary a built-in image sensor 80 realized using CMOS technology, using an optical structure 52 described with reference to FIGS. 6 and 7, which will not be described in more detail here, since it is only structurally configured. used to distinguish left-handed material 52 from the image sensor described with reference to FIG. 5.
  • Image sensors based on the previously described left-handed materials can be realized with CMOS processes, such as a CMOS opto-process, without the need for additional process steps or further processing.
  • a method of fabricating an integrated image sensor on a substrate comprises, according to embodiments, a step of generating a photodiode array 24 on a substrate surface of the substrate and applying a negative refractive index optical structure to the photodiode array such that the photodiode array is at a predefined distance d 2 extends along the optical structure, wherein the generating and the applying are parts of a CMOS process.
  • the application of the optical structure comprises applying a layer stack comprising at least one dielectric layer and one metal layer, wherein the at least one metal layer comprises microstructures. having structures that have dimensions and spacings between two adjacent microstructures that allow an evanescent field to be transmitted through the optical structure.
  • FIG. 9 An intermediate product of a CMOS manufacturing process of an image sensor according to embodiments is shown schematically in FIG. 9.
  • the integrated image sensor, not yet produced, shown in FIG. 9 comprises a substrate 90, in particular a semiconductor substrate, in which a photodiode array 24 is introduced, wherein FIG. 9 merely shows a photodiode 26 of the photodiode array 24 by way of example.
  • the photodiodes 26 are arranged in a plane 92 which corresponds to the image plane 44, or at least runs very close to the image plane 44.
  • the unfinished optical structure in FIG. 9 has a layer stack of metallic layers 94 and dielectric layers 96.
  • FIG. 9 merely shows by way of example four metallic layers 94-1 to 94-4 and three dielectric layers 96-1 to 96-3. Depending on the embodiment, the number of layers may differ from the example shown in FIG. 9.
  • CMOS processes it is also possible to structure the underlying metal layers 94-1 to 94-3 so finely that resulting microstructures or microelements are arranged periodically and smaller than the exposure wavelength ⁇ .
  • the individual microelements or microstructures of the structured metal layers are smaller than the exposure wavelength ⁇ , so that a three-dimensional photonic crystal is produced which acts as a left-handed material.
  • the photodiode array 24 is preferably placed very close to the final layer of the structure 94-1, wherein the distance d 2 is less than the exposure wavelength ⁇ .
  • Each individual photodiode 26 registers only a corresponding proportion of the evanescent field of the object to be examined and, in conjunction with signal processing, as in conventional imaging sensors, a two-dimensional image of the object is produced (not shown in FIG. 9).
  • FIG. 10 shows a microscope 100, which is in particular a sub-wavelength microscope or near-field microscope, according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Monochromatic light 104 emanating from a monochromatic light source 102 passes through an optical system 106, e.g. a condenser, and then illuminates a slide 108 having a structure to be examined or object 110 to be examined.
  • an integrated image sensor 20 At a near field distance di smaller than the wavelength ⁇ of the monochromatic light 104, an integrated image sensor 20 according to embodiments is arranged.
  • the sample 110 may also be in contact with a front side of the image sensor 20.
  • the image sensor 20 is coupled to an image processing system 112, which in turn is connected to an output device 114, such as a monitor.
  • the photodiode array 24 is located at a distance d 2 of less than a wavelength ⁇ to the imaging plane 44 and to the second side 22b of the optical structure in order to minimize losses due to the rapidly decaying evanescent field.
  • the image processing system 112 processes and digitizes the signal from each photodiode 26 sensed by the photodiode array and generates an image for the connected monitor 114.
  • a sub-wavelength microscope with an image sensor according to embodiments of the present invention has the advantage that the entire image of the object to be examined can be detected and converted into an electrical video signal. Furthermore, moving objects such as bacteria cultures or the like can also be examined by means of an image sensor according to embodiments. When exposing a film-like layer or when scanning an object, motion capture is not possible.
  • an image sensor is to improve a resolution of diffraction-limited lenses.
  • embodiments of the present invention provide an optical device having an objective, an optical structure having a negative refractive index, wherein a first side of the optical structure is arranged in an image plane of the diffraction-limited optics, and a pixel array extending along a predetermined distance one of the first side of the optical structure opposite second side extends.
  • the lens is set, for example, to a distant object plane at a distance of, for example, more than five focal lengths.
  • Such an optical device 200 is shown schematically in Fig. IIa.
  • the optical device 200 comprises a diffraction-limited objective 202 with an image plane 204.
  • the first side 22a of a left-handed optical structure 22 is arranged in the image plane 204 of the objective 202.
  • a pixel array 24 At a predefined distance d 2 from the second side 22b of the optical structure 22 is a pixel array 24, in particular a photodiode array.
  • the optical structure having a negative refractive index is a photonic crystal or a three-dimensional structured structure which looks like a photonic crystal as described above with reference to FIGS. 6-8.
  • a light intensity distribution 210 in the image plane 204 of the lens 202 does not allow resolution of the two objects, since corresponding diffraction images or diffraction slices 212a, b overlap strongly.
  • Photonic crystals are highly selective with respect to the angle of incidence of light.
  • the microelements of the photonic crystal 52 transmit incident light only in very narrow solid angle regions and strongly attenuate diffraction light originating from other directions. This can be explained as follows, with reference to Fig. IIb, which shows part of the mapping path of Fig.
  • the openings 308 of the metal layers of the optical structure each have an opening diameter which generally corresponds to a maximum opening extent of an arbitrarily shaped opening 308.
  • the opening diameter thus corresponds to a circle diameter, with a rectangular opening of a rectangular diagonal, etc.
  • the openings 308 of adjacent metal layers 310 can be arranged laterally offset from one another by less than the opening diameter in order to achieve a solid angle selectivity of the optical structure. As in the case of FIG.
  • the openings 308 in the metal layers 310 of the photonic crystal are on a common axis 312, which may be parallel to the optical axis of the system of FIG. 11a, and also through a pixel, such as a Photodiode, 316 of the sensor 24 extends.
  • the apertures 308 now together form a sub-wavelength waveguide 319 which achieves the aforementioned strong solid angle selectivity and which transmits the evanescent field resulting at the entrance-side aperture 308: to the pixel 316.
  • the sensor 24 "sees” through a type of "tube array” 52 with tube 319 the image of the diffraction limited objective 202 without the disturbing diffraction effects.
  • the photonic crystal 52 After the optical filtering by the photonic crystal 52, therefore, it is possible to still dissolve two adjacent light sources 206, 208 whose distance d is below the Rayleigh criterion, since the light field filtered by the photonic crystal 52 has a smaller fraction of diffraction light. as the light just behind the diffraction-limited lens 202.
  • the photodiode array 24 registers the evanescent field, which includes less interfering diffraction light than the field directly behind the lens 202.
  • the pixel array 24 as indicated by reference 214, for example, only the 0th diffraction order of incident light are registered after higher diffraction orders have been filtered out by the optical crystal 52.
  • the present invention thus relates to image sensors which are constructed as an optical-electrical hybrid structure and comprise a left-handed material.
  • This left-handed material may be formed, for example, by a metamaterial or a three-dimensional photonic crystal, both consisting of a sandwich-like form of microstructured metal layers and dielectric layers having defined dielectric constants ⁇ r and a photodiode array.
  • Both image sensors with a metamaterial and image sensors with a photonic crystal can be integrated with CMOS technology without the need for additional process steps.
  • An image sensor constructed in accordance with embodiments operates with a monochromatic light source having an exposure wavelength ⁇ and may have a resolution of better than ⁇ / 10.
  • the evanescent field which is a weak field and whose intensity decreases exponentially with the distance from the illuminated object, can be detected immediately and without loss of the left-handed material by the photodiode array, since the distance between the imaging plane and the second side of the left-handed Material and the photodiode array according to embodiments is smaller than the exposure wavelength ⁇ .

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Abstract

Description

Konzept zur Erfassung von Bildern mit Subwellenlängenauflö- sung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bildsensoren zur Erfassung von Bildern mit Subwellenlängenauflösung und auf Verfahren zur Herstellung derselben.
Schon vor einigen Jahrzehnten sagte der russische Forscher V. Veselago eine Existenz von Materialien mit negativen Brechzahlen n = co/c = Vεrμr voraus, wobei Co 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 Wellenvek- tors 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.
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.
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 Su- perlinse bauen. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass eine punktförmige Lichtquelle ein punktförmiges Abbild hat, also völlig beugungsfrei arbeitet.
Ein klassisches optisches System, wie es in Fig. 12 gezeigt ist, ist stets beugungsbegrenzt .
Fig. 12 zeigt ein Objektiv 10. In einem Arbeitabstand bzw. Objektseitigen Abstand fi zu dem Objektiv 10 befindet sich eine Ebene mit einem abzubildenden Objekt, also eine Ob- jektebene 12. Eine Bildebene 14 befindet sich in einem bildseitigen Abstand bzw. Bildabstand f2 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 Fig. 12 gezeigten Anordnung in der Objektebene 12 eine maximale Auflösung zwischen zwei Punkten mit Abstand d von
^ 0,6U d≥ : (1)
wobei λ die Wellenlänge des die Objektebene 12 beleuchtenden Lichts und n'sinα die numerische Apertur des Objektivs 10 bedeutet.
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass es klassisch zwei Möglichkeiten gibt, um die Auflösung des in Fig. 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. Optische Systeme mit einer Auflösung im Subwellenlängenbe- reich, d.h. mit Auflösungen, welche deutlich kleiner sind als λ/2, sind in der Vergangenheit bereits demonstriert worden. Die im Vorhergehenden beschriebene Beugungsbegren- zung kann beispielsweise mit Methoden der Nahfeldoptik umgangen werden. Gängige Nahfeldmikroskope haben eine Auflösung von weniger als λ/10.
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 evaneszen- tes 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 Me- diums 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 a- ber Informationen über Strukturen unterhalb der klassischen Auflösungsgrenze . 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 evanes- zentes 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 Hein- rieh Gotthard Frey beschrieben.
Erst in den letzten Jahren sind die theoretischen Eigenschaften der eingangs beschriebenen linkshändigen Materialien in Experimenten praktisch nachgewiesen worden. Es wur- den 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 Ortsfre- quenzen 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.
Derzeit sind keine in der Natur existierenden Materialien mit negativem Brechungsindex oder mit negativer Permeabilität μr 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 on metal-dielectric composites", Gnnady Shvets: "Band engineering using elec- trostatic resonances applications to super-lensing".
Auch vergrößert wirkende Abbildungen mit Superlinsen sind bekannt, die Veröffentlichung "Magnifying Superlens in the visible frequency ränge" z.B. zeigt theoretische und expe- rimentielle Ergebnisse.
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 Subwel- lenlängenbereich 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 Übertra- gen 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.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Konzept für die Erfassung eines Objekts im Subwellenlängenbereich bereitzustellen, der ein komplettes Bild des Objekts ohne eine Punkt-für-Punkt-Abtastung des Objekts bereitstellen kann, oder ein Konzept zur Steigerung eines Auflösungsvermögens von beugungsbegrenzten Optiken bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Mikroskop mit einem integrierten Bildsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 13 und eine optische Vorrichtung gemäß Anspruch 18 gelöst.
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 Nahfeldab- stand 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 de- tektieren und danach weiter zu verarbeiten. 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 .
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 struktu- rierten 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.
Dabei wird im Nachfolgenden davon ausgegangen, dass ein Me- tamaterial aus einem Schichtstapel verschiedener dielektrischer Materialien gebildet wird, wobei auf einer obersten dielektrischen Schicht eine Metallschicht mit Mikroapertu- ren platziert ist. Dabei soll unter Mikroapertur eine strukturierte Öffnung mit Abmessungen kleiner als die Be- lichtungswellenlänge verstanden werden.
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 einzig- artige optische Eigenschaften, wie beispielsweise Raumwin- kelselektivität und spektrale Selektivität.
Vorzugsweise umfasst die optische Struktur wenigstens eine unterste, dem Pixelarray am nächsten gelegene CMOS- Metallschicht (CMOS Metalll Schicht), in der die Mikroaper- turen strukturiert sind, und/oder eine Metallschicht, in der, neben der Mikroaperturen, metallische, elektrische Verbindungen bzw. Leiterbahnen zwischen Schaltungselementen (z.B. Transistoren) des integrierten Bildsensors strukturiert sind. Eine Dicke einer CMOS-Metallschicht liegt bei Ausführungsbeispielen in einem Bereich größer als oder gleich 90 nm.
Ein Vorteil eines Bildsensor 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 ei- nem 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.
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 Ausführungsbeispie- len 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 beugungsbe- grenzter Optik verwendet, kann aufgrund der ausgeprägten Winkelselektivität der optischen linkshändigen Strukturen, die zu einer Trennung beziehungsweise Unterdrückung störender Beugungsanteile führt, eine Auflösung im Subwellenlän- genbereich erzielt werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich- nungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Bilds eines Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- düng;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Bildsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Bildsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 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 verschie- dene Evaneszenzfelderzeugungen zeigen;
Fig. 5 eine Seitenansicht eines Bildsensors mit Metama- terial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 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 Fig. 6b und 6c Abwandlungen von Fig. 6a gemäß Fig. 4b und 4c zeigen;
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Metallschicht mit Split- Ring-Resonatoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Bildsensors mit photoni- schem Kristall gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 eine Seitenansicht eines mit CMOS-Technik gefertigten Schichtstapels aus Pixelarray, Metall- schichten und dielektrischen Schichten, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Mikroskops mit einem Bildsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. IIa eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung mit eines beugungsbegrenzten Objek- tivs und einem Bildsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. IIb eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Darstellung von Fig. IIa zur Verdeutlichung der Winkelselektivitätseigenschaften des photonischen Kristalls in Fig. IIa; und
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen beugungsbegrenzten Optik.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispie- len gleich oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen im Nachfolgenden dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander aus- tauschbar sind.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Bildes eines beleuchteten oder leuchtenden Objekts im Subwellenlängenbereich des beleuch- tenden Lichts.
In einem ersten Schritt Sl 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.
In einem zweiten Schritt S2 wird eine erste Seite einer op- tischen Struktur mit negativer Brechzahl n in einem Nahfeldabstand di zu dem Objekt angeordnet.
Die beiden Schritte Sl 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 fol- genden näher bezüglich der Figuren 4a bis 4c verdeutlicht, weshalb an dieser Stelle nur ganz kurz auf dieselben eingegangen wird.
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 dichte- rem Medium aus in einem Winkel zu der Prismenfläche vorgenommen 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 eva- neszente Feld die erste Seite der optischen Struktur mit negativer Brechzahl n erreichen kann, kann ein Abstand di 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.
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.
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 beispiels- weise 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 her- ausgefiltert wird. Damit das evaneszente Feld von dem Objekt 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 vorzugs- weise kleiner als die Wellenlänge des zur Beleuchtung verwendeten, beispielsweise monochromatischen, Lichts, verwendet werden, wie z.B. ein Abstand kleiner als 1,2 μm.
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.
In einem vierten Schritt S4 wird das evaneszente Feld an der zweiten Seite der optischen Struktur durch einen Pixel- array 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 di als auch der zweite Abstand d2 jeweils kleiner als die Belichtungswellenlänge λ gewählt werden sollten.
Fig. 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.
Fig. 2 zeigt einen Bildsensor 20 gemäß einem Ausführungs- beispiel der vorliegenden Erfindung zur Durchführung des anhand von Fig. 1 beschriebenen Verfahrens.
Der Bildsensor 20 weist eine optische Struktur 22 mit einer ersten Seite 22a und einer der ersten Seite gegenüberlie- genden 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 .
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 Ausfüh- rungsbeispielen 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 Photo- diodenarray.
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 vi- sible frequency ränge" von Smolyaninov, Hung und Davis in Science, 315, 23. März 2007, S. 1699-1701 verwiesen sei.
Der vorbestimmte Abstand d2 des Pixelarrays von der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 22 ist gemäß Ausführungs- beispielen 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.
Des Weiteren kann eine optische Struktur mit negativer Brechzahl, das heißt ein linkshändiges Material mittels eines sogenannten Metamaterials aufgebaut werden. Ein Metama- terial ist dabei ein zusammengesetztes Material, dessen e- lektromagnetische 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 Abmessun- gen kleiner als die Belichtungswellenlänge verstanden werden. Ein Bildsensor 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem derart aufgebauten Metamaterial ist in Fig. 3 gezeigt.
Der Bildsensor 30 in Fig. 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 Mikroapertu- ren 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.
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 Fig. 3 kreisförmig dargestellten Mikroaperturen auch um andere Strukturen, wie beispielsweise Rechtecke, Hexagons, Gitterlinien oder dergleichen im Subwellenlängenbereich handeln kann.
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 Permitivi- täten εr,Sio2 der Siθ2-Schichten 32, 36, d.h. εr/Sic = -εr,Si02-
Andere dielektrische Schichten 32, 34, 36 mit geeigneten Materialeigenschaften, die zu einer negativen Brechzahl führen, sind natürlich ebenfalls denkbar.
Eine Seitenansicht des Metamaterials bzw. des Schichtsta- pels 31 aus den dielektrischen Schichten 32, 34, 36 und der Metallschicht 38 ist in Fig. 4a gezeigt.
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 di 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 evanes- zente Feld 42 beim Übertragen von der ersten Seite zu der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 31 verstärkt, so wie es in Fig. 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 ü- bertragene 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.
Wie in Fig. 4a dargestellt, fällt die Feldstärke des eva- neszenten 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 struk- turierten 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 evanes- zente Feld registriert wird, kleiner als die Belichtungswellenlänge λ sein, damit die Feldstärke nicht so gering ist .
Fig. 4a bezog sich somit auf die oben erwähnte dritte Möglichkeit zur Evaneszenzfelderzeugung, wonach das Objekt 41 in einem Nahfeldabstand di zu der Vorderseite 38 der opti- sehen 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.
Fig. 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 zwi- sehen 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. Auf die vorerwähnte zweite Möglichkeit zur Evaneszenzfel- derzeugung bezieht sich beispielsweise Fig. 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 eva- neszentes Feld an den Subwellenlängenöffnungen an der Vorderseite 22a der optischen Struktur 31. Amplitude und Phase des evaneszenten Feldes, das an einer jeweiligen der Sub- Wellenlängenöffnungen 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.
Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht des bereits in Fig. 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 Fig. 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 Fotodiodenar- ray 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.
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.
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.
Eine optische Struktur 52, die sich praktisch wie ein photonischer Kristall verhält, ist in Fig. 6a gezeigt.
Die in Fig. 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 Fig. 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.
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 di 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 Fig. βa gezeigten Ausführungsbeispiel der optischen Struktur 52 in einem Abstand 02 kleiner als die Belichtungswelle λ von der zweiten Seite 22b.
Der Feldstärkeverlauf des evaneszenten Feldes ergibt sich bei der in Fig. 6a gezeigten Ausführungsform in ähnlicher Weise, wie es anhand von Fig. 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.
Ähnlich den Fig. 4a - 4c zeigen Fig. 6b und 6c weitere Eva- neszenzfelderzeugungsmöglichkeiten in dem Zusammenhang mit einem photonischen Kristall. Bezüglich näherer Details wird auf die Beschreibung der Figuren Fig. 4b und 4c verwiesen.
Fig. 7 zeigt eine mögliche Ausführungsform von in den Metallschichten 60 realisierten Mikroelementen.
Fig. 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 Fig. 7 exemplarisch einen Ausschnitt mit sechs periodisch angeordneten Mikroelementen 70, die eine sog. Split-Ring-Rensonator-Struktur aufweisen. Fig. 7 zeigt also eine Draufsicht einer möglichen Realisierungsform der in Fig. 6a in einer Seitenansicht gezeigten verschiedenen Schichten 60 mit metallischen Mikroelementen 70. Die Abmessungen der Mikroelernente 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 ent- sprechende 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.
Fig. 8 zeigt zusammenfassend ein unter Verwendung einer anhand von Fig. 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 ver- wendete linkshändige Material 52 von dem anhand von Fig. 5 beschriebenen Bildsensor unterscheidet.
Bildsensoren basierend auf den im Vorhergehenden beschriebenen linkshändigen Materialien (Metamaterialien und drei- dimensionale photonische Kristalle) lassen sich mit CMOS- Prozessen, wie beispielsweise einen CMOS-Opto-Prozess, realisieren, ohne dass zusätzliche Prozessschritte oder weitere Bearbeitungen erforderlich sind.
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.
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.
Ein Zwischenprodukt eines CMOS-Herstellungsprozesses eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen ist schematisch in Fig. 9 gezeigt.
Der in Fig. 9 gezeigte, noch nicht fertig hergestellte, integrierte Bildsensor umfasst ein Substrat 90, insbesondere ein Halbleitersubstrat, in dem ein Photodiodenarray 24 eingebracht ist, wobei Fig. 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.
Die nicht fertig gestellte optische Struktur in Fig. 9 weist einen Schichtstapel aus metallischen Schichten 94 und dielektrischen Schichten 96 auf. Fig. 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 Fig. 9 gezeig- ten Beispiel abweichen.
Bei einem Metamaterial mit einer Metallschicht auf der ersten Seite 22a und einem darauf folgenden Schichtstapel aus drei dielektrischen Schichten wird also lediglich die Me- tallschicht 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 die- lektrischen 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 Fig. 3 bis 5 beschrieben wurde.
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 pho- tonischer Kristall entsteht, der als linkshändiges Material wirkt .
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 Fig. 9 nicht gezeigt) .
Schematische Ansichten von durch CMOS-Prozesse realisierte Bildsensoren mit linkshändigen optischen Strukturen und Pi- xelarrays gemäß Ausführungsbeispielen wurden bereits anhand von Fig. 3, 5 und Fig. 8 erläutert.
Nachdem im Vorhergehenden Herstellung und Aufbau von BiId- sensoren gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung detailliert erläutert wurden, werden im Nachfolgenden anhand von Fig. 10 und 11 Anwendungsmöglichkeiten von Bildsensoren gemäß Ausführungsbeispielen erläutert. Fig. 10 zeigt ein Mikroskop 100, welches insbesondere ein Subwellenlängenmikroskop bzw. Nahfeldmikroskop ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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 di 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.
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 ent- stehende 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.
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 umge- wandelt 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 Be- wegtbilderfassung nicht möglich.
Eine weitere Anwendung eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen besteht in einer Verbesserung einer Auflösung von beugungsbegrenzten Objektiven. Dazu schaffen Ausfüh- rungsbeispiele 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.
Eine solche optische Vorrichtung 200 ist schematisch in Fig. IIa gezeigt.
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 Fig. 6 -8 beschrieben wurde.
Herkömmliche optische Systeme haben eine begrenzte Auflö- sung 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 Linienstruk- tur. 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 überlap- pen. Ein Beugungsbild jedes Objektpunktes besteht aus mehreren Beugungsordnungen (k=0, k=±l, k=±2 usw.) mit Minima und Maxima, wie es in Fig. IIa schematisch gezeigt ist, so dass entsprechende Beugungsscheibchen 212a, b entstehen.
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 Photodioden- array zu verkleinern, so dass ein Lichtanteil höherer Beugungsordnungen (k=±l, 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 Fig. IIb genommen wir, die einen Teil des Abbildungsweges von Fig. IIa zeigt, und zwar einen Teil jenseits der Bildebene, also im photonischen Kristall, und dort lediglich eine lateral auf eine Superlinsenöffnung begrenzten Teil. Die Öffnungen 308 der Metallschichten der optischen Struktur weisen jeweils einen Öffnungsdurchmesser auf, der im Allgemeinen einer maximalen Öffnungsausdehnung einer beliebig geformten Öffnung 308 entspricht. Bei kreisförmigen Öffnungen entspricht der Öffnungsdurchmesser also einem Kreisdurchmesser, bei einer rechteckigen Öffnung einer Rechtecksdiagonale, usw.. Gemäß Ausführungsbeispielen können die Öffnungen 308 benachbarter Metallschichten 310 um weniger als den Öffnungsdurchmesser zueinander lateral versetzt angeordnet sein, um eine Raumwinkelselektivität der optischen Struktur zu erzielen. Wie in dem Fall von Fig. 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 Fig. IIa 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 ein- gangsseitigen Öffnung 308: entstehende evaneszente Feld zum Pixel 316 überträgt. Durch die Sub-Wellenlängen- Wellenleitereigenschaften bzw. durch die starke Winkelse- lektivität 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.
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 Be- zugseichen 214 angedeutet, beispielsweise nur noch die 0-te Beugungsordnung des einfallenden Lichts registriert werden, nachdem höhere Beugungsordnungen durch das optische Kristall 52 herausgefiltert wurden.
Zusammenfassend befasst sich die vorliegende Erfindung also mit Bildsensoren, die als optisch-elektrische Hybridstruktur aufgebaut sind und ein linkshändiges Material umfassen. Dieses linkshändige Material kann beispielsweise durch ein Metamaterial oder ein dreidimensionalen photonischen Kris- tall 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 pho- tonischen 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 ei- ne Auflösung von besser als λ/10 aufweisen.
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.
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.
Im Bereich der (Nahfeld-) Mikroskopie wird zum Abbilden eines Objekts keine konventionelle Optik benötigt. Eine Kom- bination von strukturierten Metallschichten, dielektrischen Schichten und einem Fotodiodenarray, ermöglicht ein Hybridelement, das Strukturen kleiner als λ/10 auflösen kann. Ein punktweises Abscannen des zu untersuchenden Objekts ist nicht erforderlich.
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.

Claims

Patentansprüche
1. Mikroskop (100) mit Subwellenlängenauflösung, mit folgenden Merkmalen:
einer Lichtquelle (102) für monochromatisches Licht (104) mit einer vorbestimmten Wellenlänge (λ) ;
einem Objektträger (108) für ein zu untersuchendes Objekt .(110) ; und
einem Bildsensor (20; 30; 80) mit
einer optischen Struktur (22; 31; 52) mit einer ersten Seite (22a) und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (22b) , wobei die optische Struktur (22; 31; 52) eine negative Brechzahl (n) aufweist; und
einem Pixelarray (24), das sich in einem vorbestimm- ten Abstand (d2) entlang der zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (22; 31; 52) erstreckt,
wobei die erste Seite (22a) der optischen Struktur (22; 31; 52) des Bildsensors (20) in einem Nahfeldabstand (di) kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) zu dem Objektträger (108) angeordnet ist.
2. Mikroskop gemäß Anspruch 1, wobei die optische Struktur (22; 31; 52) ausgebildet ist, um ein evaneszentes Feld (42) von der ersten Seite (22a) zu der zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (22; 31; 52) zu übertragen.
3. Mikroskop gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Struktur ein Metamaterial (31) aufweist.
4. Mikroskop gemäß Anspruch 3, wobei das Metamaterial (31) einen Schichtstapel aus dielektrischen Schichten
(32, 34, 36) und einer Metallschicht (38) mit Mikroa- perturen (40) aufweist, wobei Abmessungen der Mikroa- perturen (40) und Abstände zwischen benachbarten Mikroaperturen Größenordnungen aufweisen, so dass ein evaneszentes Feld (42) an der ersten Seite (22a) zur zweiten Seite (22b) übertragbar ist.
5. Mikroskop gemäß Anspruch 4, wobei die Abmessungen und Abstände kleiner als 1,2 μm sind.
6. Mikroskop gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Struktur einen photonischen Kristall (52) aufweist.
7. Mikroskop gemäß Anspruch 6, wobei der photonische Kristall (52) durch eine dreidimensionale periodischen Struktur gebildet ist, die Mikroelemente (70) aufweist, deren Abstände und Abmessungen eine Größenordnung aufweisen, so dass ein evaneszentes Feld an der ersten Seite (22a) zur zweiten Seite (22b) über- tragbar ist.
8. Mikroskop gemäß Anspruch 7, bei dem die dreidimensionalen periodisch angeordneten Mikroelemente als Split-Ring-Resonatoren ausgebildet sind.
9. Mikroskop gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pixelarray (24) ein Array von PN- Übergangssensoren aufweist.
10. Mikroskop gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Pixelarray (24) ein Fotodiodenarray ist.
11. Mikroskop gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorbestimmte Abstand des Pixelarrays (24) von der zweiten Seite (22b) so eingestellt ist, dass ein von der ersten Seite (22a) zu der zweiten Seite (22b) übertragenes und aus der zweiten Seite austretendes evaneszentes Feld von dem Pixelarray (24) erfassbar ist.
12. Mikroskop gemäß Anspruch 11, wobei der vorbestimmte Abstand (d2) kleiner als 1,2 μm ist.
13. Verfahren zum Erzeugen eines Bildes eines Objekts, mit folgenden Schritten:
Belichten des Objekts unter Anordnung einer ersten Seite (22a) einer optischen Struktur (22, 31; 52) mit negativer Brechzahl (n) wenigstens in einem Nahfeldabstand (di) zu dem Objekt, so dass ein durch das Objekt moduliertes evaneszentes Feld (42) an der ersten Seite (22a) zu einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (22, 31; 52) übertragen wird; und
Erfassen des evaneszenten Feldes (42) an der zweiten Seite (22b) durch ein Pixelarray (24) .
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Objekt durch ein monochromatisches Licht (104) beleuchtet wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die erste Seite (22a) der optischen Struktur (22, 31; 52) in einem Abstand kleiner als 1,2 μm von dem Objekt angeordnet wird.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Pixelarray (24) in einem vorbestimmten Abstand
(d2) entlang der zweiten Seite (22b) angeordnet wird, wobei der vorbestimmte Abstand des Pixelarrays (24) von der zweiten Seite (22b) so eingestellt wird, dass ein von der ersten Seite (22a) zu der zweiten Seite (22b) übertragenes und aus der zweiten Seite austretendes evaneszentes Feld von dem Pixelarray (24) erfasst werden kann.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der vordefinierte Abstand kleiner als 1,2 μm ist.
18. Optische Vorrichtung (200) zur Verbesserung einer Auflösung von beugungsbegrenzten Optiken, mit folgenden Merkmalen:
einer beugungsbegrenzten Optik (202);
einer optischen Struktur (52) mit einer negativen Brechzahl (n) , wobei eine erste Seite (22a) der optischen Struktur (52) in einer Bildebene der beugungsbegrenzten Optik (202) angeordnet ist, und wo- bei die optische Struktur (52) benachbarte Metallschichten (310) mit Öffnungen (308) aufweist, wobei die Öffnungen (308) eine Öffnungsausdehnung aufweisen, und wobei ein lateraler Versatz der Öffnungen (308) benachbarter Metallschichten (310) kleiner ist als die Öffnungsausdehnung, um eine Raumwinkelselektivität der optischen Struktur (52) zu erzielen; und
einem Pixelarray (24), das sich in einem vorbestimmten Abstand (d2) entlang einer der ersten Seite (22a) gegenüberliegenden zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (52) erstreckt.
19. Optische Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Öffnungen (308) benachbarter Metallschichten (310) auf einer gemeinsamen Achse (312) liegen, um eine Raumwinkelselektivität der optischen Struktur (52) zu erzielen.
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