JP2010249739A - Hyper lens and optical microscope system using the same - Google Patents

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Hisakazu Kusaba
壽一 草場
Toshimichi Shintani
俊通 新谷
Hiroyuki Minemura
浩行 峯邑
Yumiko Anzai
由美子 安齋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To acquire information on the wavelength dependency of an optical characteristic of a sample by using a hyper lens in a size smaller than the wavelength of incident light. <P>SOLUTION: Each hyper lens 1007 designed and manufactured in accordance with a plurality of light source wavelengths and each light source wavelength is arranged on a lens holder 1001 of a laser microscope. A pigment 1006 of an observation object is arranged on a sample holder 1005, and incident light 1008 from a light source 1003 is made to enter, and light passing the hyper lens 1007 is received by a microscope 307 and measured by a CCD camera 309. A plurality of sample images are acquired at each light source wavelength, and the plurality of sample images are superimposed by performing position alignment or intensity alignment. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、ハイパーレンズ及びそれを用いた光学顕微鏡システムに関する。   The present invention relates to a hyper lens and an optical microscope system using the same.

光学レンズは光学顕微鏡など多くの分野で使用されている。光学顕微鏡は、対物レンズ、接眼レンズを備えるが、被観察物体は対物レンズで拡大されて実像となり、その実像が接眼レンズにより拡大される。光学レンズの分解能は光の回折限界により制限される。光の回折限界とは、光学レンズにより得られる最小の光学スポットの大きさによって決まる限界であり、回折限界をΔとすると、
Δ=λ/4NA …(1)
と書ける。ここでλは光の波長、NAは開口数である。回折限界は、例えば、光学顕微鏡においては得られる像の分解能の限界を決定し、回折限界を小さくすることにより高分解能の光学顕微鏡を得ることができる。
Optical lenses are used in many fields such as optical microscopes. The optical microscope includes an objective lens and an eyepiece, but the object to be observed is magnified by the objective lens to become a real image, and the real image is magnified by the eyepiece. The resolution of an optical lens is limited by the diffraction limit of light. The diffraction limit of light is a limit determined by the size of the minimum optical spot obtained by the optical lens. If the diffraction limit is Δ,
Δ = λ / 4NA (1)
Can be written. Here, λ is the wavelength of light, and NA is the numerical aperture. For the diffraction limit, for example, the resolution limit of an image obtained in an optical microscope is determined, and a high resolution optical microscope can be obtained by reducing the diffraction limit.

回折限界が式(1)で規定される理由は以下の通りである。3次元の空間を考え、光がz方向に伝播し、偏光の方向がx方向であるとする。これは、光の偏光方向がxy平面上の任意の方向を向いている場合は、その方向を新たにx軸と考えればよいため、一般性を失わない。光の電場Eは以下の式で書かれる。
E∝exp(−ik0z) …(2)
ここで、expは指数関数、iは虚数、k0は波数であり、k0と波長λは、
0=2π/λ …(3)
という関係で結ばれている。
The reason why the diffraction limit is defined by the formula (1) is as follows. Considering a three-dimensional space, it is assumed that light propagates in the z direction and the direction of polarization is the x direction. In this case, when the polarization direction of light is directed to an arbitrary direction on the xy plane, it is only necessary to newly consider the direction as the x axis, and thus generality is not lost. The electric field E of light is written as
E∝exp (−ik 0 z) (2)
Where exp is an exponential function, i is an imaginary number, k 0 is a wave number, and k 0 and wavelength λ are
k 0 = 2π / λ (3)
It is tied in the relationship.

z方向の波数をkz,x方向の波数をkxとすると、k0,kz,kxの関係は、
0 2=(ω/c)2=kx 2+kz 2 …(4)
である。ここでcは光速、ωは振動数である。もし、kxがω/cを超えると、kzが虚数となり、上記式(2)からわかるように、z方向に進む光の振幅が急激に減衰する。例えば顕微鏡においては、観察する物体のx方向のサイズXとkxの間には、
X∝1/kx …(5)
なる関係がある。このため、kx>ω/cの場合にz方向に進む光が急激に減衰するということは、kx>ω/cの情報、即ちX<λの情報は光がz方向に進むにつれて急激に失われることを意味する。以下、kx>k0を満たす、急激に減衰する光の成分を近接場成分と呼び、kx<k0の減衰せずに伝わる成分を伝播成分と呼ぶ。
wave number k z in the z-direction, and the wave number of the x direction and k x, k 0, k z , the relationship of k x is,
k 0 2 = (ω / c) 2 = k x 2 + k z 2 (4)
It is. Here, c is the speed of light and ω is the frequency. If k x exceeds ω / c, k z becomes an imaginary number, and as can be seen from the above equation (2), the amplitude of the light traveling in the z direction is rapidly attenuated. For example, in a microscope, between the size X and k x in the x direction of the object to be observed,
X∝1 / k x (5)
There is a relationship. For this reason, when k x > ω / c, the light traveling in the z direction is rapidly attenuated. This means that the information of k x > ω / c, that is, the information of X <λ is abrupt as the light travels in the z direction. Means lost. Hereinafter, a light component that rapidly attenuates satisfying k x > k 0 is referred to as a near-field component, and a component that is transmitted without attenuation of k x <k 0 is referred to as a propagation component.

回折限界は波長に比例するため、用いる光の波長を小さくすることにより高分解能の光学顕微鏡を実現する試みが続けられている。更なる光源の短波長化は、主に以下の2つの理由から非常に困難である。一つは、小型な光源である半導体レーザの実現が困難であること、もう一つは紫外線を吸収するサンプルが多いため、サンプルからの信号が小さくなることである。そのため、別の手法を用いて上記回折限界を超えて光を伝播する方法がいくつか提案されている。以下、代表的な例として、固浸レンズ(SIL)、近接場光、ハイパーレンズについて述べる。   Since the diffraction limit is proportional to the wavelength, attempts to realize a high-resolution optical microscope by reducing the wavelength of the light used have been continued. Further shortening of the wavelength of the light source is very difficult mainly for the following two reasons. One is that it is difficult to realize a semiconductor laser that is a small light source, and the other is that there are many samples that absorb ultraviolet rays, so that the signal from the sample becomes small. Therefore, several methods for propagating light beyond the diffraction limit using another method have been proposed. Hereinafter, a solid immersion lens (SIL), near-field light, and a hyper lens will be described as typical examples.

固浸レンズ(SIL)とは、屈折率の高い材料を選び、収差を付加しないように形状を選びつつ被観察物体と非常に近い位置に配置した固体レンズである。半球状の形状が良く用いられる。半球の平坦な側に物体を置く。屈折率がnの物質中では、実質的な開口数がn倍になり、式(1)からわかるように回折限界が1/n倍に小さくなる。レンズと観察物体が非常に近いため、通常失われてしまう近接場成分がレンズにトンネルすることができる。レンズに入った光は通常のn倍で絞られる。通常のレンズは観察物体と離れているため、レンズに届く前に近接場成分は失われてしまう。SILの材料としては高屈折率ガラス(n=1.6〜2.0)、可視光から遠赤外ではサファイア(n=1.76)、ZrO2(n=2.16)、GaP(n=3.1〜3.4)などが用いられる。このため、NAは最大で3.4である。これらに関しては、Applied Physics Letter, Vol.57, 2615-2616 (1990)(非特許文献1)で詳しく議論されている。 The solid immersion lens (SIL) is a solid lens that is selected at a position very close to the object to be observed while selecting a material having a high refractive index and selecting a shape so as not to add aberration. A hemispherical shape is often used. Place the object on the flat side of the hemisphere. In a substance having a refractive index n, the substantial numerical aperture is increased n times, and the diffraction limit is reduced 1 / n times as can be seen from the equation (1). Since the lens and the observation object are very close, a near-field component that is normally lost can tunnel to the lens. The light entering the lens is reduced by n times the normal value. Since the normal lens is far from the observation object, the near-field component is lost before reaching the lens. As a material of SIL, high refractive index glass (n = 1.6 to 2.0), sapphire (n = 1.76), ZrO 2 (n = 2.16), GaP (n = 3.1-3.4) etc. are used. For this reason, NA is 3.4 at the maximum. These are discussed in detail in Applied Physics Letter, Vol. 57, 2615-2616 (1990) (Non-Patent Document 1).

次に、近接場光を用いて上記回折限界を超える方法について説明する。近接場光を用いる方法は、大きく2つに分けられる。一つはアパーチャー型、もう一つはプラズモン型である。アパーチャー型には、例えばファイバープローブを用いるタイプ、カンチレバーを用いるタイプがある。プラズモン型の例として、Nanobeak、c-aperture、金属プローブが挙げられる。ここではプラズモン型、特にNanobeakについて説明する。   Next, a method for exceeding the diffraction limit using near-field light will be described. The method using near-field light is roughly divided into two. One is an aperture type, and the other is a plasmon type. The aperture type includes, for example, a type using a fiber probe and a type using a cantilever. Examples of the plasmon type include Nanobeak, c-aperture, and metal probe. Here, plasmon type, especially Nanobeak, will be described.

最初に、プラズモンについて説明する。プラズモンは、共鳴現象により発生する。金属内の自由電子は、電子−格子相互作用や電子−電子相互作用によって、統計的にある一定の力を受けている。一般に、ある一定の力を受けている物体は、固有振動数を持つが、光を入射すると、光の電場振動により電子は振動する。光の周波数と電子の固有振動数が一致すると、電子は大きな振動エネルギーを持つ。これをプラズモン共鳴と呼ぶ。このプラズモンの振る舞いは、金属内部と金属表面で異なる。何故ならば、表面の電子は内部の電子と異なる力を受けるからである。この表面に励起されるプラズモンを表面プラズモンと呼ぶ。理論的に、表面プラズモンは縦波であることが示され、よって表面プラズモンは光を放射することなく、金属表面に局在した電磁場である近接場光を伴って金属表面を伝播する。この伝播する波の波数、振動数、伝播距離、近接場光の強度などは、上記の入射光の条件、金属・誘電体の誘電率、金属膜の厚さ、プラズモンが発生する金属パターンのサイズなどに強く依存する。   First, plasmons will be explained. Plasmons are generated by a resonance phenomenon. Free electrons in the metal are statistically subjected to a certain force by electron-lattice interaction or electron-electron interaction. In general, an object receiving a certain force has a natural frequency. When light is incident, electrons vibrate due to the electric field vibration of the light. When the frequency of light and the natural frequency of an electron match, the electron has a large vibration energy. This is called plasmon resonance. The behavior of this plasmon differs between the metal interior and the metal surface. This is because the surface electrons are subjected to a force different from that of the internal electrons. Plasmons excited on this surface are called surface plasmons. Theoretically, surface plasmons have been shown to be longitudinal waves, so surface plasmons do not radiate light, but propagate through the metal surface with near-field light, which is an electromagnetic field localized on the metal surface. The wave number, vibration frequency, propagation distance, near-field light intensity, etc. of this propagating wave are the conditions of the incident light, the dielectric constant of the metal / dielectric, the thickness of the metal film, and the size of the metal pattern where the plasmon is generated. It depends strongly on.

プラズモンを利用して回折限界を超える方法の一つがNanobeakと呼ばれる、三角形に近い形をした金属プローブを用いる方法である。詳しくはJournal of Applied Physics, Vol.95, 3901-3906 (2004)(非特許文献2)で議論されている。このプローブに、三角形の頂点から底辺に引いた垂線に平行な方向の電場を有する偏光を入射すると、金属内の自由電子は振動するが、頂点付近での自由電子密度が大きくなるために、頂点付近において非常に局在した強い近接場光が発生する。この近接場光が回折限界以上の情報を持っている。   One of the methods of exceeding the diffraction limit using plasmons is a method using a metal probe having a shape close to a triangle called Nanobeak. Details are discussed in Journal of Applied Physics, Vol. 95, 3901-3906 (2004) (Non-Patent Document 2). When polarized light having an electric field in a direction parallel to the perpendicular drawn from the apex of the triangle to the base is incident on this probe, the free electrons in the metal vibrate, but the free electron density near the apex increases. Strong near-field light that is very localized in the vicinity is generated. This near-field light has information beyond the diffraction limit.

次に、ハイパーレンズについて説明する。ハイパーレンズは、回折限界を超える分解能を可能とする光学レンズであるが、サンプルに光を入射することによりサンプル上に形成された、入射光の波長よりも小さいサイズの近接場光を、そのサイズを拡大しながら遠方まで伝播するレンズである。ハイパーレンズは球形をしており、その球面に沿って積層された金属と誘電体の多層薄膜によって形成される。   Next, the hyper lens will be described. A hyper lens is an optical lens that enables resolution exceeding the diffraction limit, but the near-field light having a size smaller than the wavelength of the incident light, which is formed on the sample by entering the sample into the sample, is reduced in size. It is a lens that propagates far away while zooming in. The hyper lens has a spherical shape, and is formed of a multilayer thin film of metal and dielectric laminated along the spherical surface.

通常、近接場光は遠方まで伝播せず、サンプル表面から離れるに従って指数関数的に減衰するが、ここでは金属と誘電体の多層膜から成るハイパーレンズにより、レンズ内に形成されるプラズモンを伝播することによって、近接場光の情報を遠方まで伝播させる。その際、レンズが球形であることにより、近接場光は球の中心から球面の法線方向へ伝播するため、サンプル上において空間周波数が高い近接場光は、レンズの球上で低い空間周波数に変換される。このため、遠方へ伝播した光の空間周波数は低くなるが、その強弱のプロファイルは、サンプル上の近接場強度分布を反映しているため、この伝播光の強度分布を得ることにより、サンプル上の近接場強度分布、即ち、回折限界を超えた分解能の像を得ることができる。   Normally, near-field light does not propagate far, but decays exponentially as it moves away from the sample surface, but here it propagates plasmons formed in the lens by a hyperlens consisting of a multilayer film of metal and dielectric. As a result, the information of the near-field light is propagated far away. At this time, since the near-field light propagates in the normal direction of the sphere from the center of the sphere due to the spherical shape of the lens, the near-field light having a high spatial frequency on the sample has a low spatial frequency on the lens sphere. Converted. For this reason, although the spatial frequency of the light propagated far becomes low, the intensity profile reflects the near-field intensity distribution on the sample. A near-field intensity distribution, that is, an image having a resolution exceeding the diffraction limit can be obtained.

理論的には、ハイパーレンズとは、上記kzとkxの関係が双曲線状であり、そのため分解能が原理的に無限大となるレンズである。以下、この原理を簡単に説明する。x方向の誘電率をεx、z方向の誘電率をεzとすると、kzとkxの関係は
(ω/c)2=kx 2/εz+kz 2/εx …(6)
である。ここで、εx,εz>0であれば、式(6)は楕円になり、kxが上限を持つ。これは上記の通り、回折限界を持つことを意味する。εx,εzの符号が逆であれば、式(6)は双曲線となり、kxは下限を持つが上限は持たない。このため回折限界が原理上無限大となる。
Theoretically, a hyper lens is a lens in which the relationship between k z and k x is hyperbolic, and therefore the resolution is infinite in principle. Hereinafter, this principle will be briefly described. When the dielectric constant in the x direction is ε x and the dielectric constant in the z direction is ε z , the relationship between k z and k x is
(Ω / c) 2 = k x 2 / ε z + k z 2 / ε x ... (6)
It is. Here, if ε x , ε z > 0, Expression (6) becomes an ellipse, and k x has an upper limit. This means that it has a diffraction limit as described above. If the signs of ε x and ε z are opposite, Equation (6) becomes a hyperbola, and k x has a lower limit but no upper limit. For this reason, the diffraction limit becomes infinite in principle.

εx,εzの符号を逆にする方法として、金属と誘電体の多層膜を形成する方法が提案されている。例えば、Optics Express, Vol.14, 8247-8256(非特許文献3)では、基板に設けられた半円柱状の溝に金属と誘電体からなる多層膜構造を形成する方法が提案されている。非特許文献3で議論されている構造は、基板に形成された半円柱状の溝の中に、銀と酸化アルミニウムを交互に積層した多層膜である。この構造は、近接場成分が減衰しないという利点だけではなく、溝の形状を半円柱状とすることにより、像が拡大されるという利点を持つ。この構造により、通常想定される解像度よりも3倍小さい解像度が実験的に確認されている。非特許文献3で議論されているハイパーレンズは、基板上に形成された金属/誘電体多層膜の被観察物体側の最内膜は円弧状である。このため、被観察物体としては最内膜の円弧の中に入る物体しか扱えなかった。それを解決するために、Optics Express, Vol.16, 21142-21148 (2008)(非特許文献4)では、ハイパーレンズの被観察物体側表面を平坦にしたプレーナーハイパーレンズが提案されており、シミュレーションにより解像度が2倍となることが示されている。 As a method for reversing the signs of ε x and ε z , a method of forming a multilayer film of metal and dielectric has been proposed. For example, Optics Express, Vol. 14, 8247-8256 (Non-patent Document 3) proposes a method of forming a multilayer film structure made of a metal and a dielectric in a semi-cylindrical groove provided in a substrate. The structure discussed in Non-Patent Document 3 is a multilayer film in which silver and aluminum oxide are alternately stacked in a semi-cylindrical groove formed in a substrate. This structure has not only the advantage that the near-field component does not attenuate, but also the advantage that the image is magnified by making the groove shape a semi-cylindrical shape. With this structure, a resolution three times smaller than the normally assumed resolution has been experimentally confirmed. In the hyperlens discussed in Non-Patent Document 3, the innermost film on the object side of the metal / dielectric multilayer film formed on the substrate has an arc shape. For this reason, only objects that fall within the innermost arc can be handled as objects to be observed. In order to solve this problem, Optics Express, Vol.16, 21142-21148 (2008) (Non-Patent Document 4) proposes a planar hyperlens that has a flat surface on the object side of the hyperlens and is simulated. Shows that the resolution is doubled.

ここで、ハイパーレンズから伝播した光を通常の光学顕微鏡で観察する際には、例えば通常の光学顕微鏡で用いられる油浸レンズなどを用いる必要がある。何故ならば、ハイパーレンズは、サンプル上の複素波数の情報を伝達するが、この伝播光は、ハイパーレンズの基板から空気中へ入射する際、その入射角度が大きいために、全反射するからである。基板との屈折率差が小さい油などの液体へ入射すれば、この全反射を防ぐことができる。   Here, when observing the light propagated from the hyper lens with a normal optical microscope, it is necessary to use, for example, an oil immersion lens used in a normal optical microscope. This is because the hyperlens transmits complex wave number information on the sample, but this propagating light is totally reflected when entering the air from the hyperlens substrate because of its large incident angle. is there. This total reflection can be prevented if it is incident on a liquid such as oil having a small refractive index difference from the substrate.

S. M. Mansfield and G. S. Kino, “Solid immersion microscope”, Applied Physics Letter, Vol.57, pp.2615-2616 (1990).S. M. Mansfield and G. S. Kino, “Solid immersion microscope”, Applied Physics Letter, Vol.57, pp.2615-2616 (1990). T. Matsumoto, T. Shimano, H. Saga and H. Sukeda, “Highly efficient probe with a wedge-shaped metallic plate for high density near-field optical recording”, Journal of Applied Physics, Vol.95, pp.3901-3906 (1995).T. Matsumoto, T. Shimano, H. Saga and H. Sukeda, “Highly efficient probe with a wedge-shaped metallic plate for high density near-field optical recording”, Journal of Applied Physics, Vol.95, pp.3901- 3906 (1995). Hyesog Lee, Zhaowei Liu, Yi Xiong, Cheng Sun and Xiang Zhang, “Development of optical hyperlens for imaging below the diffraction limit”, Optics Express, Vol.15, pp.15886-15891 (2007).Hyesog Lee, Zhaowei Liu, Yi Xiong, Cheng Sun and Xiang Zhang, “Development of optical hyperlens for imaging below the diffraction limit”, Optics Express, Vol.15, pp.15886-15891 (2007). Weo Wang, Hui Xing, Liang Fang, Yao Liu, Junxian Ma, Lan Lin, Changtao Wang and Xiangang Luo, “Far-field imaging device: planar hyperlens with magnification using multi-layer metamaterial”, Optics Express, Vol.16, pp.21142-21148 (2008).Weo Wang, Hui Xing, Liang Fang, Yao Liu, Junxian Ma, Lan Lin, Changtao Wang and Xiangang Luo, “Far-field imaging device: planar hyperlens with magnification using multi-layer metamaterial”, Optics Express, Vol.16, pp .21142-21148 (2008).

上記のように、光の回折限界を超えたレンズは様々提案されているが、それぞれが課題を抱えている。   As described above, various lenses that exceed the diffraction limit of light have been proposed, but each has a problem.

SILを使用する場合、分解能を高めるには高屈折率物質が必要となるが、現在知られている自然界における最大の屈折率は3程度であり、分解能を3倍以上に高めることは難しい。Nanobeakを用いる方法では、Nanobeak先端とサンプルとの間で発生した近接場光が伝播光に変換される際に強度が急激に弱くなり、レンズとして用いるには制限が大きい。   In the case of using SIL, a high refractive index substance is required to increase the resolution, but the maximum refractive index currently known in nature is about 3, and it is difficult to increase the resolution to more than three times. In the method using Nanobeak, when the near-field light generated between the Nanobeak tip and the sample is converted into propagating light, the intensity rapidly decreases, and the use as a lens is greatly limited.

ハイパーレンズでは理論上非常に高い分解能が得られ、更に近接場成分を伝播成分に変換ができるため汎用性が広がるが、金属と誘電体の多層膜構造により、その膜厚と材料の光学定数で決定される狭い波長領域でのみ、その効果を発現する。そのため、1枚のハイパーレンズでは被観察物体の持つ光学分散を知ることができない。また、伝播する近接場光の強度が弱く、近接場光が伝播光に変換される効率が悪い。また、ハイパーレンズを通して伝播した光を得るには、油浸レンズなどを用いる必要があるが、ここで用いる油などの液体の屈折率は、例えば1.3〜1.7程度である。高い空間周波数を有する近接場が伝播光に変換される場合、その伝播角はサンプル表面に近くなるので、この伝播光を光学顕微鏡で得るには、非常に大きな屈折率の液体などを、ハイパーレンズの基板と光学顕微鏡のレンズの間に満たす必要がある。しかし、そのような液体は存在しないことが課題である。   The hyper lens theoretically has a very high resolution and can convert the near-field component into a propagating component, thereby increasing versatility. However, the multilayer structure of metal and dielectric allows the film thickness and the optical constant of the material to be changed. The effect is manifested only in a narrow wavelength region to be determined. Therefore, it is impossible to know the optical dispersion of the object to be observed with a single hyper lens. In addition, the intensity of propagating near-field light is weak, and the efficiency with which the near-field light is converted into propagating light is poor. Moreover, in order to obtain the light propagated through the hyper lens, it is necessary to use an oil immersion lens or the like. The refractive index of a liquid such as oil used here is about 1.3 to 1.7, for example. When a near-field with a high spatial frequency is converted into propagating light, the propagating angle is close to the sample surface, so in order to obtain this propagating light with an optical microscope, a liquid with a very large refractive index is used as a hyper lens. Between the substrate and the lens of the optical microscope. However, the problem is that no such liquid exists.

本発明は、上記のハイパーレンズに関する2つの問題を、ハイパーレンズの構造の改良と、複数のハイパーレンズを用いること、及びそれに適したシステムを採用することによって解決する。   The present invention solves the above two problems related to the hyper lens by improving the structure of the hyper lens, using a plurality of hyper lenses, and adopting a system suitable therefor.

本発明による光学顕微鏡システムは、サンプルを保持するサンプルホルダと、それぞれ異なる波長のサンプル照射光を発生する複数の光源と、各光源の波長に適合して近接場成分を伝播成分に変換する複数のハイパーレンズと、複数の光源のうちの一つと複数のハイパーレンズのうちの一つとを対にして切り替える切り替え機構と、ハイパーレンズを透過した光が入射される顕微鏡と、顕微鏡による拡大像を撮像する撮像素子と、演算及び装置各部の制御を行う演算制御部とを備える。   An optical microscope system according to the present invention includes a sample holder that holds a sample, a plurality of light sources that generate sample irradiation light of different wavelengths, and a plurality of near-field components that convert the near-field components into propagation components in accordance with the wavelengths of the light sources. A hyper lens, a switching mechanism that switches between one of a plurality of light sources and one of a plurality of hyper lenses, a microscope that receives light transmitted through the hyper lens, and a magnified image by the microscope An image sensor and a calculation control unit that performs calculation and control of each unit of the apparatus are provided.

ハイパーレンズは、平坦な光入射面を有し、光軸を通る一つの断面で見たとき、光入射面側に中心を有する半円形あるいは略半円形の金属層あるいは誘電体層と、当該半円形あるいは略半円形の金属層あるいは誘電体層の外側に同心的に順次積層された金属層と誘電体層の交互層とからなる積層膜構造を有する。ハイパーレンズの立体形状は、半球状若しくは半円柱状である。ハイパーレンズは積層膜構造の外側に発光体層を備えていてもよい。また、光入射面に近接場成分増強用の金属パターンを有してもよい。   The hyper lens has a flat light incident surface, and when viewed in one cross section passing through the optical axis, the hyper lens has a semicircular or substantially semicircular metal layer or dielectric layer centered on the light incident surface side, and the semi-lens. It has a laminated film structure comprising metal layers and alternating layers of dielectric layers which are concentrically laminated sequentially on the outside of a circular or substantially semicircular metal layer or dielectric layer. The three-dimensional shape of the hyper lens is hemispherical or semicylindrical. The hyper lens may include a light emitter layer outside the laminated film structure. Moreover, you may have a metal pattern for a near field component reinforcement | strengthening in the light-incidence surface.

演算制御部は、切り替え機構を制御して複数の光源の各々と当該光源と対をなすハイパーレンズを順次選択して、異なる波長による複数のサンプル像を取得し、取得した複数のサンプル像から1枚のサンプル像を合成することにより、サンプルの光学特性の波長依存性の情報を入射光の波長以下のサイズで得る。   The arithmetic control unit controls the switching mechanism to sequentially select each of a plurality of light sources and a hyper lens that is paired with the light source, acquires a plurality of sample images with different wavelengths, and selects one of the acquired plurality of sample images. By combining the sample images of the sheets, information on the wavelength dependence of the optical characteristics of the sample is obtained with a size equal to or smaller than the wavelength of the incident light.

複数の光源は、典型的には、青色の光を発生する光源、緑色の光を発生する光源及び赤色の光を発生する光源である。   The plurality of light sources are typically a light source that generates blue light, a light source that generates green light, and a light source that generates red light.

本発明によると、試料の波長特性を回折限界を超える分解能で得ることができる。また、ハイパーレンズと発光層を組み合わせることにより、光学システムを簡素化し、近接場光が伝播光に変換される効率を高めることができる。   According to the present invention, the wavelength characteristic of a sample can be obtained with a resolution exceeding the diffraction limit. Further, by combining the hyper lens and the light emitting layer, the optical system can be simplified, and the efficiency with which near-field light is converted into propagating light can be increased.

本発明で用いたハイパーレンズの概略図。Schematic of the hyper lens used in the present invention. 本発明のハイパーレンズを用いる際のサンプルと検出器の位置関係の説明図。Explanatory drawing of the positional relationship of the sample and detector at the time of using the hyper lens of this invention. ハイパーレンズと顕微鏡の関係図。The relationship diagram of a hyper lens and a microscope. フレネルの式によるハイパーレンズのx方向の波数とレンズを透過する光透過率の関係を示す図。The figure which shows the relationship of the light transmittance which permeate | transmits a lens with the wave number of the x direction of the hyper lens by a Fresnel formula. ハイパーレンズの空間周波数と信号強度の偏光依存性の説明図。Explanatory drawing of the polarization dependence of the spatial frequency and signal intensity of a hyper lens. ハイパーレンズのサンプル面に金属パターンを設けた場合の説明図。Explanatory drawing at the time of providing a metal pattern in the sample surface of a hyper lens. ハイパーレンズの作製プロセスの説明図。Explanatory drawing of the manufacturing process of a hyper lens. 波長の異なる光源を用いた場合の、それぞれの波長に合わせて設計したレンズの波数と透過率の関係の波長依存性を示す図。The figure which shows the wavelength dependence of the relationship between the wave number of the lens designed according to each wavelength, and the transmittance | permeability at the time of using the light source from which a wavelength differs. 光学特性の波長依存性が異なる部位を有するサンプルの説明図。Explanatory drawing of the sample which has a site | part from which the wavelength dependence of an optical characteristic differs. 設計・作製したレンズを自動的に交換する顕微鏡システムの説明図。Explanatory drawing of the microscope system which replaces | exchanges the designed and produced lens automatically. 複数光源と各光源に適合したハイパーレンズを用いて得られたサンプルの顕微鏡像。Microscopic image of a sample obtained using multiple light sources and a hyperlens suitable for each light source. 顕微鏡像を合成する際の位置合わせ及び強度合わせの説明図。Explanatory drawing of position alignment at the time of synthesize | combining a microscope image and intensity | strength alignment. 合成顕微鏡像を示す図。The figure which shows a synthetic | combination microscope image. 顕微鏡像を合成する際の位置合わせ及び強度合わせの説明図。Explanatory drawing of position alignment at the time of synthesize | combining a microscope image and intensity | strength alignment. 異なる偏光を用いて像を得るシステムの説明図。Explanatory drawing of the system which acquires an image using different polarized light. 異なる偏光を用いて得られた光学信号と、その演算の説明図。Explanatory drawing of the optical signal obtained using different polarization | polarized-light, and its calculation. 合成顕微鏡像を示す図。The figure which shows a synthetic | combination microscope image. ランダムな幅を持つ観察サンプルとそれのスキャンシステムの説明図。Explanatory drawing of an observation sample with a random width and its scanning system. 光学信号の説明図。Explanatory drawing of an optical signal. ハイパーレンズとサンプルの距離を静電容量で制御するシステムの説明図。Explanatory drawing of the system which controls the distance of a hyper lens and a sample with an electrostatic capacitance. 発光体を設けたハイパーレンズの説明図。Explanatory drawing of the hyper lens which provided the light-emitting body.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
まず、サンプルの光学分散を観察する方法について述べる。このために、本発明では構造の異なる複数のハイパーレンズを用いる。その複数のハイパーレンズの構造は、近接場光を伝播する波長領域が異なる構造とする。例えば、3つのハイパーレンズを作成し、それぞれが赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の波長の近接場光を伝播するものであり、それぞれのレンズで得られた像を重ねることにより、サンプルの有する光学特性の波長依存性を観察することができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, a method for observing the optical dispersion of the sample will be described. For this purpose, in the present invention, a plurality of hyper lenses having different structures are used. The structure of the plurality of hyperlenses is a structure in which the wavelength region for propagating near-field light is different. For example, three hyper lenses are created, each of which propagates near-field light of red (R), green (G), and blue (B) wavelengths, and the images obtained by the respective lenses are superimposed. Thus, the wavelength dependence of the optical properties of the sample can be observed.

次に、本発明で用いるハイパーレンズの設計方法について述べる。本発明のハイパーレンズは、基板上に作製された溝やピットなどの構造内に製膜した金属と誘電体の2層以上の積層膜を有する。図1(a)は、本発明のハイパーレンズの一例の断面模式図である。図1(a)は光軸を通る一つの断面であり、光入射面104は平坦面になっている。本発明のハイパーレンズは、基板101上に製膜された金属102と誘電体103の2層以上の多層膜を備える。この断面で見たとき、多層膜は、光入射面104側に中心を有する半円形あるいは略半円形の金属層あるいは誘電体層と、その外側に同心的に順次積層された金属層と誘電体層の交互層とからなる積層構造を有する。製膜する順番は、金属102が先でも誘電体103が先でもかまわない。形状の断面が円形であると、近接場成分を効率的に伝播させることができる。また、図1(b)、図1(c)にハイパーレンズの2つの実施例の上面図を示す。図1(b)に示す上面図を有するハイパーレンズは、半球状の全体形状を有する。図1(c)に示す上面図を有するハイパーレンズは、半円柱状の全体形状を有する。   Next, a design method for a hyper lens used in the present invention will be described. The hyper lens of the present invention has a laminated film of two or more layers of a metal and a dielectric film formed in a structure such as a groove or pit formed on a substrate. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of an example of the hyper lens of the present invention. FIG. 1A is a cross section passing through the optical axis, and the light incident surface 104 is a flat surface. The hyper lens of the present invention includes a multilayer film of two or more layers of a metal 102 and a dielectric 103 formed on a substrate 101. When viewed in this cross section, the multilayer film is composed of a semicircular or substantially semicircular metal layer or dielectric layer having a center on the light incident surface 104 side, and a metal layer and a dielectric that are sequentially and concentrically stacked on the outer side. It has a laminated structure composed of alternating layers. The order of film formation may be the metal 102 first or the dielectric 103 first. When the cross section of the shape is circular, the near-field component can be efficiently propagated. FIGS. 1B and 1C are top views of two embodiments of the hyper lens. The hyper lens having the top view shown in FIG. 1B has a hemispherical overall shape. The hyper lens having the top view shown in FIG. 1C has a semicylindrical overall shape.

次に、本発明のハイパーレンズと被観察物体(サンプル)との配置の関係を図2に示す。被観察物体201は本発明のハイパーレンズの2つの表面のうち、平坦な表面202に配置する。入射光203はレンズの平坦な表面202側から入射する。ハイパーレンズを透過した光204をハイパーレンズの平坦面の逆面205にある検出装置206で検出する。被観察物体201のレンズ側の最上面とハイパーレンズの平坦な表面202の間の距離は、入射光203の波長よりも短いことが望ましい。被観察物体201のレンズ側の表面とハイパーレンズの平坦な表面202の距離が波長以上となると、近接場成分がハイパーレンズに入る前に減衰するからである。   Next, FIG. 2 shows the arrangement relationship between the hyper lens of the present invention and the object to be observed (sample). The observed object 201 is arranged on a flat surface 202 of the two surfaces of the hyper lens of the present invention. Incident light 203 is incident from the flat surface 202 side of the lens. The light 204 transmitted through the hyper lens is detected by a detection device 206 on the opposite surface 205 of the flat surface of the hyper lens. The distance between the lens-side uppermost surface of the object to be observed 201 and the flat surface 202 of the hyper lens is preferably shorter than the wavelength of the incident light 203. This is because when the distance between the lens-side surface of the object to be observed 201 and the flat surface 202 of the hyper lens is equal to or greater than the wavelength, the near-field component attenuates before entering the hyper lens.

次に、本発明のハイパーレンズを顕微鏡に組み込んだ例を図3に示す。図3(a)において、被観察物体301を、入射光303側に配置されたサンプルホルダ302上に配置する。被観察物体301の直上に、本発明のハイパーレンズ304を配置する。ハイパーレンズ304はレンズホルダ305により固定する。ハイパーレンズ304を透過した光306を顕微鏡307で受けて、顕微鏡307を通った光308を検出器309で観察する。図3(b)は、ハイパーレンズ304と顕微鏡307の間に油310を満たした例を示す。油310を満たすことにより、NAが上がり、分解能が向上する。図3(c)は、ハイパーレンズ304と顕微鏡307を近接させた例を示す。ハイパーレンズ304と顕微鏡307を近接することにより、ハイパーレンズ304を透過した光306の多くの成分を顕微鏡307で受けることができる。   Next, an example in which the hyper lens of the present invention is incorporated in a microscope is shown in FIG. In FIG. 3A, an object to be observed 301 is arranged on a sample holder 302 arranged on the incident light 303 side. A hyper lens 304 of the present invention is disposed immediately above the object to be observed 301. The hyper lens 304 is fixed by the lens holder 305. The light 306 transmitted through the hyper lens 304 is received by the microscope 307, and the light 308 that has passed through the microscope 307 is observed by the detector 309. FIG. 3B shows an example in which the oil 310 is filled between the hyper lens 304 and the microscope 307. Filling the oil 310 increases the NA and improves the resolution. FIG. 3C shows an example in which the hyper lens 304 and the microscope 307 are brought close to each other. By bringing the hyper lens 304 and the microscope 307 close to each other, many components of the light 306 transmitted through the hyper lens 304 can be received by the microscope 307.

上記ハイパーレンズを設計する際、ハイパーレンズを通った後の電界の透過率のkx依存性は、フレネルの式を使って計算できる。入射する波長を一定にし、計算によりk<kxの領域でのkxで透過率がゼロでなければ、回折限界を超えた近接場成分が伝播することを意味する。ハイパーレンズに入射する光の波長によって、多層膜の金属と誘電体の材料、膜厚、多層膜の膜総数を変化させて計算を実行し、最も大きな近接場成分k>kxが伝播している構造を決定すればよい。 When designing the hyper lens, the k x dependency of the electric field transmittance after passing through the hyper lens can be calculated using the Fresnel equation. The wavelength incident constant transmittance k x in the region of calculation by k <k x is not a zero, meaning that the near-field components exceeding the diffraction limit is propagated. Depending on the wavelength of the light incident on the hyper lens, the calculation is performed by changing the metal and dielectric materials, the film thickness, and the total number of the multilayer films, and the largest near-field component k> k x is propagated. What is necessary is just to determine the structure.

フレネルの式を用いて計算した透過率の例を図4に示す。用いた入射波の波長は400nmで、ハイパーレンズの構成はAg(20nm)/Al23(20nm)、合計10層である。図4において、横軸は400nmに対応する波数k0でkxを規格化した値kx/k0、縦軸はレンズを通った後の電場の透過率である。図4からわかるように、回折限界400nmを超えた光(kx/k0>1の成分)、即ち近接場成分が伝播している。図4ではkx/k0=4(矢印の位置)で透過率が0%となっており、上記の構成では分解能が通常予想される回折限界の4倍となっていることがわかる。 FIG. 4 shows an example of transmittance calculated using the Fresnel equation. The wavelength of the incident wave used is 400 nm, and the configuration of the hyper lens is Ag (20 nm) / Al 2 O 3 (20 nm), which is a total of 10 layers. In FIG. 4, the horizontal axis represents a value k x / k 0 obtained by normalizing k x with a wave number k 0 corresponding to 400 nm, and the vertical axis represents the electric field transmittance after passing through the lens. As can be seen from FIG. 4, light (component of k x / k 0 > 1) exceeding the diffraction limit of 400 nm, that is, a near-field component propagates. Figure transmittance has become 0% at 4, k x / k 0 = 4 (arrow position), in the configuration described above it can be seen that is four times the diffraction limit resolution is normally expected.

次に、金属の選択方法を述べる。ハイパーレンズ作製用の金属は、サンプルの観察に用いる光源の波長に依存する。この波長が可視光である場合には、Au,Ag,Cu,Al,Ptの少なくとも1つを用いることが望ましい。用いる金属の選択には、金属のプラズマ周波数、導電性を考慮する必要がある。導電性が小さいと金属中で光がすぐに減衰してしまい、近接場成分を観測することができない。また、プラズマ周波数を超えた光が入射すると、光の振動に電子が追随できなくなり、この結果、プラズマ周波数以上では誘電率が正となり、金属として振舞わず、上記膜に使用できない。例えばAgのプラズマ周波数は紫外域に存在するため、赤色、青色、緑色のレーザの全てに対して使うことができる。また、例えばAuのプラズマ周波数は緑色と青色の中間付近に存在し、青色の光に対しては使うことができない。   Next, a method for selecting a metal will be described. The metal for producing the hyper lens depends on the wavelength of the light source used for observing the sample. When this wavelength is visible light, it is desirable to use at least one of Au, Ag, Cu, Al, and Pt. In selecting the metal to be used, it is necessary to consider the plasma frequency and conductivity of the metal. If the conductivity is small, light is attenuated immediately in the metal, and the near-field component cannot be observed. Moreover, when light exceeding the plasma frequency is incident, electrons cannot follow the vibration of the light. As a result, the dielectric constant becomes positive above the plasma frequency and does not behave as metal and cannot be used for the film. For example, since the plasma frequency of Ag exists in the ultraviolet region, it can be used for all red, blue, and green lasers. Further, for example, the plasma frequency of Au exists near the middle of green and blue, and cannot be used for blue light.

ハイパーレンズ作製用の金属を決定した後に、レンズ作製に用いる誘電体の種類、金属と誘電体の膜厚、多層膜の総数を決めて、フレネルの式を用いてレンズの性能を見積もる。その際、レンズの材料として用いるのに適した誘電体の種類、金属と誘電体の膜厚比を、以下の手順により簡単に見積もることができる。金属の誘電率をεm、誘電体の誘電率をεp、金属の厚さをdm、誘電体の厚さをdpとすると、これらの関係は、次のようになる。
m/dp=−Re(εm)/εp …(7)
After determining the metal for producing the hyper lens, the type of dielectric used for producing the lens, the film thickness of the metal and dielectric, and the total number of multilayer films are determined, and the lens performance is estimated using the Fresnel equation. At that time, the kind of dielectric suitable for use as a lens material and the film thickness ratio between the metal and the dielectric can be easily estimated by the following procedure. The dielectric constant of the metal epsilon m, p the dielectric constant of the dielectric epsilon, the thickness of the metal d m, and the thickness of the dielectric and d p, these relationships are as follows.
d m / d p = −Re (ε m ) / ε p (7)

ここで、Re(εm)は金属の誘電率の実部である。例えば、上記ハイパーレンズに用いる誘電体と金属の膜厚がほぼ等しい場合は、用いる金属の誘電率の実部の絶対値とほぼ等しい誘電率を持つ誘電体を用いることが望ましい。これはインピーダンスマッチング条件を意味する。 Here, Re (ε m ) is the real part of the dielectric constant of the metal. For example, when the thickness of the dielectric used for the hyper lens is substantially equal to that of the metal, it is desirable to use a dielectric having a dielectric constant substantially equal to the absolute value of the real part of the dielectric constant of the metal used. This means an impedance matching condition.

次に、被観察物体の光学特性の波長依存性を、入射光の波長以下のサイズで得るシステムについて述べる。各入射光の波長に対応した複数のハイパーレンズを用いて被観察物体を観察し、それで得た複数の像を重ねることで、被観察物体の光学特性の波長依存性の情報を、入射光の波長以下のサイズで得ることができる。各波長で得た複数の像を重ねる際には、被観察物体の観察に用いる全ての波長で観察可能である位置合わせマークが必要になる。更に、各波長で得た複数の像の強度を合わせる必要がある。何を位置合わせマークにするかはユーザーが選ぶことができるが、例えばサンプル上に位置合わせマークを付加し、そのマークを使って位置合わせができるシステムを使って位置合わせを行う。位置合わせマークはサンプル上にある傷でもよい。またサンプルホルダ上に位置合わせマークを付加しても良い。また、強度合わせに関しては、各波長で校正用サンプルを用いて校正する方法、それぞれの波長で得られた像の強度に適当な重みをかけて、それを手動で変化させて一番鮮明な像を得る方法が考えられる。校正用サンプルは、分散特性がよくわかっている材料を用いるのが望ましい。   Next, a system for obtaining the wavelength dependence of the optical characteristics of the object to be observed with a size equal to or smaller than the wavelength of the incident light will be described. Observe the object to be observed using multiple hyper lenses corresponding to the wavelength of each incident light, and superimpose multiple images to obtain information on the wavelength dependence of the optical properties of the object to be observed. It can be obtained with a size less than the wavelength. When a plurality of images obtained at each wavelength are overlaid, alignment marks that can be observed at all wavelengths used for observing the object to be observed are required. Furthermore, it is necessary to match the intensities of a plurality of images obtained at each wavelength. The user can select what is used as the alignment mark. For example, the alignment mark is added on the sample, and alignment is performed using a system that can perform alignment using the mark. The alignment mark may be a scratch on the sample. An alignment mark may be added on the sample holder. For intensity adjustment, a method of calibrating with a calibration sample at each wavelength, an appropriate weight is applied to the intensity of the image obtained at each wavelength, and it is manually changed to obtain the clearest image. The method of obtaining is conceivable. It is desirable to use a material whose dispersion characteristics are well known for the calibration sample.

次に、被観察物体の光学特性の波長依存性のうち、入射する光の波長以下のサイズの情報を強調して得る方法を述べる。金属と誘電体の積層体からなるハイパーレンズでは、入射する光の偏光方向によって得られる光学特性が異なる。即ち、TM光を入射すると近接場成分は遠方まで伝播するが、TE光を入射すると近接場成分はすぐに減衰する。ここで、TM光は、例えば半円柱状のハイパーレンズの場合は、半円柱の軸に沿った方向に対して磁場が垂直な方向を向いた光であり、TE光は半円柱の軸に対して磁場が平行な方向を向いた光である。光の伝播方向はこのTE光とTM光で記述できる。TM光を被観察物体に入射して本発明のハイパーレンズを用いると、回折限界を超えた情報を得ることができるが、もともとのバックグラウンドの光が大きいため、回折限界を超えた情報が通常伝播してくる成分に埋もれてしまう。そこで、2つの偏光に対するハイパーレンズの特性を測定し、それらを差し引きすることで、近接場成分のみの効果を測定する。   Next, a description will be given of a method for emphasizing information having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light in the wavelength dependence of the optical characteristics of the object to be observed. In a hyper lens made of a laminate of a metal and a dielectric, the optical characteristics obtained differ depending on the polarization direction of incident light. That is, when TM light is incident, the near-field component propagates far, but when TE light is incident, the near-field component is immediately attenuated. Here, for example, in the case of a semi-cylindrical hyperlens, TM light is light in which the magnetic field is directed in a direction perpendicular to the direction along the axis of the semi-cylinder, and TE light is relative to the axis of the semi-cylinder. The light is directed in a parallel direction. The light propagation direction can be described by the TE light and TM light. When TM light is incident on the object to be observed and the hyper lens of the present invention is used, information exceeding the diffraction limit can be obtained. However, since the background light is large, information exceeding the diffraction limit is usually used. It is buried in the component that propagates. Therefore, the effect of only the near-field component is measured by measuring the characteristics of the hyper lens with respect to the two polarized lights and subtracting them.

上記の工程を、図5を用いて以下に示す。始めに、ハイパーレンズの曲面と逆側の平坦な面に観察物体を置き、特定の波長のTM波を入射し、CCDカメラなどの撮像装置により強度を測定する。この強度をITMとする。次に、TE波を入射して強度を測定する。この強度をITEとする。TM波とTE波の入射位置をそろえるために位置合わせマークをサンプル上に作っておき、その位置合わせマークを使って位置合わせを行う。位置合わせ後に近接場成分以外の成分を差し引くが、ITMとITEでは得られる信号強度が異なる。そこで、ITMとITEをフーリエ変換し、そのフーリエ変換後の値をF(ITM)とF(ITE)とする。 The above process will be described below with reference to FIG. First, an observation object is placed on a flat surface opposite to the curved surface of the hyper lens, a TM wave having a specific wavelength is incident, and the intensity is measured by an imaging device such as a CCD camera. This strength is ITM . Next, the TE wave is incident and the intensity is measured. This strength is assumed to be ITE . In order to align the incident positions of the TM wave and the TE wave, an alignment mark is made on the sample, and alignment is performed using the alignment mark. After alignment, components other than the near-field component are subtracted, but the signal strength obtained is different between I TM and I TE . Therefore, the Fourier transform of I TM and I TE, the value after the Fourier transform and F (I TM) and F (I TE).

図5(a)に、F(ITM)とF(ITE)を示す。図5(a)の横軸を空間周波数、縦軸を透過電場の信号強度をフーリエ変換した成分とすると、TM偏光を入射すると回折限界以上の情報が伝播するため、F(ITM)は空間周波数が2π/λ以上でも信号強度がゼロにならない。一方、TE偏光を入射すると回折限界以上の情報は伝播しないため、F(ITE)は空間周波数が2π/λで信号強度がゼロになり、上記のF(ITE)がバックグラウンド光となる。伝播する近接場成分の信号強度をあげるため、F(ITM)とF(ITE)が線形であると仮定し、TE波成分に重みをかけてF(ITM)−αF(ITE)という量を考えて、F(ITM)−αF(ITE)の2π/λ<(空間周波数)部分の和が最小なるようにαを決定するシステムを構築する。実際にαを決定してF(ITM)−αF(ITE)を求めた例を図5(b)に示す。空間周波数が2π/λ以上の成分、即ち大きさがλよりも小さい成分の信号強度が大きくなり、近接場成分をよく測定できる。用いる偏光方向は、レンズの形状と、被観察物体の形状の両方による。レンズの形状が半円柱状ならば、TE偏光とTM偏光を用いればよい。レンズの形状が半球状ならば、サンプルの形状によって入射する偏光の方向を変化させる必要がある。 FIG. 5A shows F (I TM ) and F (I TE ). When the horizontal axis in FIG. 5A is the spatial frequency and the vertical axis is the component obtained by Fourier transforming the signal intensity of the transmitted electric field, information exceeding the diffraction limit is propagated when TM polarized light is incident, and therefore F (I TM ) is a space. The signal strength does not become zero even when the frequency is 2π / λ or more. On the other hand, since information beyond the diffraction limit does not propagate when TE polarized light is incident, F (I TE ) has a spatial frequency of 2π / λ, the signal intensity becomes zero, and the above F (I TE ) becomes background light. . In order to increase the signal intensity of the propagating near-field component, it is assumed that F (I TM ) and F (I TE ) are linear, and the TE wave component is weighted and F (I TM ) −αF (I TE ) In consideration of the above quantity, a system for determining α so that the sum of 2π / λ <(spatial frequency) portions of F (I TM ) −αF (I TE ) is minimized is constructed. FIG. 5B shows an example in which α is actually determined and F (I TM ) −αF (I TE ) is obtained. The signal intensity of a component having a spatial frequency of 2π / λ or more, that is, a component having a magnitude smaller than λ is increased, and the near-field component can be measured well. The polarization direction used depends on both the shape of the lens and the shape of the object to be observed. If the lens has a semi-cylindrical shape, TE polarized light and TM polarized light may be used. If the shape of the lens is hemispherical, it is necessary to change the direction of incident polarized light depending on the shape of the sample.

次に、全体の信号に対する近接場成分の信号を増加させる方法を述べる。これは、ハイパーレンズの観察物体側の表面に、入射する光の波長以下のサイズの金属パターンを作製することによって実現できる。ハイパーレンズを作成する際に構成要素として金属を用いると、金属による光の散逸が起こる。このため、レンズから出た光の近接場成分は非常に弱くなり、回折限界を超えた情報が失われてしまう。上記で述べた、入射する光の波長以下の金属パターンや金属の構造物に光が入射すると、金属内の自由電子は振動するが、先端付近での自由電子密度が大きくなるために、先端付近において局在した強い近接場光が発生する、つまりプラズモンが集中する。上記金属パターンにより、プラズモンが集中し、近接場光を増強して金属により失われた分を補償し、高いS/N比を得ることができる。   Next, a method for increasing the signal of the near-field component with respect to the entire signal will be described. This can be realized by forming a metal pattern having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light on the surface of the hyper lens on the observation object side. If a metal is used as a component when creating a hyper lens, light dissipation due to the metal occurs. For this reason, the near-field component of the light emitted from the lens becomes very weak, and information exceeding the diffraction limit is lost. When light is incident on a metal pattern or metal structure with a wavelength shorter than the wavelength of the incident light described above, free electrons in the metal vibrate, but the free electron density near the tip increases. Strong near-field light localized in the region is generated, that is, plasmons are concentrated. By the metal pattern, plasmons are concentrated, and the near-field light is enhanced to compensate for the loss by the metal, and a high S / N ratio can be obtained.

プラズモンを増強させる金属パターンのサイズ、形状は、入射する光の波長に依存する。このため、プラズモンを増強させる金属パターン構造はいくつか考えられるが、例えば三角形状が考えられる。また、配置する金属パターンの数も何種類か考えられるが、例えば2個が考えられる。また、金属パターンのハイパーレンズ側の頂点又は面と、ハイパーレンズの最内側金属半球の中心との距離は、ハイパーレンズに入射する波長以下であることが望ましい。この距離が入射光の波長以上となると、近接場成分が減衰してしまい、近接場増強素子として機能しなくなる。プラズモンの集中はハイパーレンズを構成する金属のうち、最内側金属のサイズを入射する波長より小さくすることによっても実現できる。基板上に作製した金属パターンの概念図を図6に示す。図6には、金属パターンの形状が三角形の場合を示している。ハイパーレンズ601の略平坦化された表面側に、三角形状の金属パターンを形成する。図6(a)は断面図、図6(b)はハイパーレンズが半球状の場合の上面図、図6(c)はハイパーレンズが溝状の場合の上面図である。図6では、ハイパーレンズの平坦な表面から順に金属層603、誘電体層604を交互に積層している。   The size and shape of the metal pattern that enhances plasmons depend on the wavelength of incident light. For this reason, several metal pattern structures that enhance plasmons are conceivable. For example, a triangular shape is conceivable. Moreover, although the number of the metal patterns to arrange | position is considered, several types are considered, for example. The distance between the apex or surface of the metal pattern on the hyper lens side and the center of the innermost metal hemisphere of the hyper lens is preferably equal to or shorter than the wavelength incident on the hyper lens. When this distance is greater than or equal to the wavelength of the incident light, the near-field component is attenuated and does not function as a near-field enhancing element. Plasmon concentration can also be realized by making the size of the innermost metal out of the metals constituting the hyper lens smaller than the incident wavelength. The conceptual diagram of the metal pattern produced on the board | substrate is shown in FIG. FIG. 6 shows a case where the shape of the metal pattern is a triangle. A triangular metal pattern is formed on the substantially flattened surface side of the hyper lens 601. 6A is a cross-sectional view, FIG. 6B is a top view when the hyper lens is hemispherical, and FIG. 6C is a top view when the hyper lens is groove-shaped. In FIG. 6, metal layers 603 and dielectric layers 604 are alternately laminated in order from the flat surface of the hyper lens.

ハイパーレンズに、サイズが入射する光の波長以下の金属パターンを形成するには、作製するハイパーレンズの2つの表面のうち、被観察物体側の表面が略平坦である必要がある。以下、ハイパーレンズの作製法の概略を述べる。始めにリソグラフィーやナノインプリントを用いて基板へのパターン描画を行う。基板としてはガラス基板、Si基板、半導体基板、樹脂基板などが考えられる。次に、反応性イオンエッチングによって基板にパターンに従った半球状あるいは半円柱状の窪みを形成する。次に、形成した窪みに金属と誘電体を交互に製膜する。製膜方法にはスパッタリング法、蒸着法、化学蒸着法(CVD法)が考えられる。最後に、被観察物体側の平坦化を行う。平坦化の方法には、ミリング、反応性イオンエッチング、化学的機械的研磨が(CMP)が考えられる。CMPでは、プラスチック上の研磨も可能である。   In order to form a metal pattern having a size equal to or smaller than the wavelength of incident light on the hyper lens, it is necessary that the surface on the object to be observed side of the two surfaces of the hyper lens to be manufactured is substantially flat. Hereinafter, an outline of a method for manufacturing a hyper lens will be described. First, pattern drawing is performed on the substrate using lithography or nanoimprint. As the substrate, a glass substrate, a Si substrate, a semiconductor substrate, a resin substrate, and the like are conceivable. Next, a hemispherical or semi-cylindrical depression according to the pattern is formed on the substrate by reactive ion etching. Next, a metal and a dielectric are formed alternately in the formed depression. As the film forming method, a sputtering method, a vapor deposition method, and a chemical vapor deposition method (CVD method) can be considered. Finally, the object side is flattened. As the planarization method, milling, reactive ion etching, and chemical mechanical polishing (CMP) can be considered. In CMP, polishing on plastic is also possible.

次に、近接場成分増強用の金属パターンを設けた本発明のハイパーレンズを使って被観察物体をスキャンする方法を述べる。スキャンすることによって比較的大きな被観察物体を観察できる。金属パターンを設けたハイパーレンズを使ったスキャンの方法には、被観察物体と金属パターンを物理的に接触させながらスキャンする方法と、被観察物体と金属パターンを物理的に接触させずにスキャンする方法がある。被観察物体と金属パターンを物理的に接触させながらスキャンする場合は、被観察物体を保持するサンプルホルダを機械的に制御しながらスキャンしていく。被観察物体と金属パターンを物理的に接触させずにスキャンする方法には、被観察物体が導電性を持つ場合は、被観察物体と金属パターンを物理的に接触させずに、その2つの間の静電容量を測定することにより、間隔を制御する方法がある。   Next, a method of scanning an object to be observed using the hyper lens of the present invention provided with a metal pattern for enhancing the near-field component will be described. A relatively large object to be observed can be observed by scanning. The scanning method using the hyper lens provided with the metal pattern includes a method of scanning while physically contacting the object to be observed and the metal pattern, and scanning without physically contacting the object to be observed and the metal pattern. There is a way. When scanning while physically observing the object to be observed and the metal pattern, scanning is performed while mechanically controlling the sample holder holding the object to be observed. In the method of scanning without physically touching the object to be observed and the metal pattern, if the object to be observed has conductivity, the object to be observed and the metal pattern are not in physical contact with each other. There is a method of controlling the interval by measuring the capacitance of the.

また、本発明のハイパーレンズの断面形状は半円形または半楕円形であることが望ましい。半円形にすることにより、レンズから出た近接場成分を伝播させる。また、半楕円形でも近接場成分を伝播できる。   Moreover, it is desirable that the cross-sectional shape of the hyper lens of the present invention is a semicircular shape or a semi-elliptical shape. By making it semicircular, the near-field component emitted from the lens is propagated. Moreover, a near-field component can be propagated even in a semi-elliptical shape.

ハイパーレンズによって形成された伝播光を光学顕微鏡で得るために、油浸レンズを用いず、ハイパーレンズに発光体層を付加してもよい。ハイパーレンズの外球面の外側に、発光体層を設けると、発光体層が伝播光を吸収し、一般的には波長の異なる光を発する。この光は、ハイパーレンズで変換された伝播光の伝播方向によらず、全立体角方向へ伝播する。このことにより、この光はハイパーレンズの基板へ浅い角度で入射するため、全反射せずに空気中へ伝播する。   In order to obtain the propagation light formed by the hyper lens with an optical microscope, a light emitter layer may be added to the hyper lens without using the oil immersion lens. When a light emitter layer is provided outside the outer spherical surface of the hyper lens, the light emitter layer absorbs propagating light and generally emits light having a different wavelength. This light propagates in all solid angle directions regardless of the propagation direction of the propagation light converted by the hyper lens. As a result, since this light is incident on the hyperlens substrate at a shallow angle, it propagates into the air without being totally reflected.

この発光体として、例えば高分子や半導体量子ドットなどの蛍光体を用いることができる。発光体層は、ハイパーレンズの中心から、少なくとも光源波長よりも遠い場所に設置することが必要である。何故ならば、ハイパーレンズの中心から、光源波長以下の部分、即ち近接場領域においては、光のプロファイルの空間周波数が高い。このため、近接場領域に発光体層を設置すると、発光体層から発生した伝播光の中で、高い空間周波数を有する成分は減衰するため、光学顕微鏡で得られる分解能が小さくなってしまうからである。   As this light emitter, for example, a phosphor such as a polymer or a semiconductor quantum dot can be used. It is necessary to install the luminous body layer at a location far from at least the light source wavelength from the center of the hyper lens. This is because the spatial frequency of the light profile is high in the portion below the light source wavelength from the center of the hyper lens, that is, in the near-field region. For this reason, when a light emitter layer is installed in the near-field region, the component having a high spatial frequency in the propagating light generated from the light emitter layer is attenuated, so that the resolution obtained by the optical microscope is reduced. is there.

更に、発光体層を用いることにより、空間周波数が低いバックグラウンド光を除去することができる。光源波長をλ1、発光体層から発する蛍光の波長をλ2とすると、一般的には、λ1<λ2である。ハイパーレンズの基板から出射する光は、この2つの波長の光の混合である。ここで、油浸レンズを用いない場合、λ1の光のうち、高い空間周波数の成分は全反射により基板から出射しないため、基板から出射するのは低い空間周波数の成分のみである。一方、λ2の光は、低い空間周波数と高い空間周波数の両方を含む。ここで、光学顕微鏡に光学フィルタを設置し、波長λ1のみの光の像と、波長λ2のみの光の像を得る。像上のある一点のλ1,λ2の光の強度をそれぞれI(λ1),I(λ2)とすると、適切な値αを採用して、I(λ2)−αI(λ1)とすることにより、サンプル上で入射光の波長よりも高い空間周波数であった成分の光のみの像を得ることができる。通常、近接場光の強度は弱いため、高い空間周波数成分の信号は、低い空間周波数成分のバックグラウンド信号に埋もれ、像のS/Nが低くなるが、この演算により、高S/Nの高分解能な像を得ることができる。発光体層と近接場成分増強用金属パターンを併用してもよい。 Furthermore, by using the light emitting layer, background light having a low spatial frequency can be removed. The light source wavelength lambda 1, and the wavelength of fluorescence emitted from the phosphor layer and lambda 2, is generally a λ 12. The light emitted from the hyperlens substrate is a mixture of these two wavelengths. Here, when the oil immersion lens is not used, the high spatial frequency component of the light of λ 1 is not emitted from the substrate due to total reflection, so that only the low spatial frequency component is emitted from the substrate. On the other hand, the light of λ 2 includes both a low spatial frequency and a high spatial frequency. Here, an optical filter is installed in the optical microscope to obtain an image of light having only the wavelength λ 1 and an image of light having only the wavelength λ 2 . If the intensities of light at one point λ 1 and λ 2 on the image are I (λ 1 ) and I (λ 2 ), respectively, an appropriate value α is adopted and I (λ 2 ) −αI (λ 1 ), It is possible to obtain an image of only the component light having a spatial frequency higher than the wavelength of the incident light on the sample. Usually, since the intensity of the near-field light is weak, a signal having a high spatial frequency component is buried in a background signal having a low spatial frequency component, and the S / N of the image is lowered. A resolution image can be obtained. A phosphor layer and a near-field component enhancing metal pattern may be used in combination.

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。
[実施例1]
本発明の光学顕微鏡システムを用いて被観察物体の色情報を、入射光の波長以下のサイズで得る方法を説明する。図1(a)、図1(b)に形状を示した半球状のハイパーレンズを、赤色レーザ、青色レーザ、緑色レーザそれぞれの波長で性能が最大になるように設計を行った。赤色レーザの光源はHe−Neで波長633nm、緑色の光源はYAGレーザの2倍波で波長532nm、青色レーザの光源はHe−Cdレーザで波長405nmを用いた。スポット径は赤色レーザが2μm、緑色レーザが1μm、青色レーザが1μmである。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[Example 1]
A method for obtaining color information of an object to be observed with a size equal to or smaller than the wavelength of incident light using the optical microscope system of the present invention will be described. The hemispherical hyperlens shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) was designed to maximize performance at the wavelengths of the red laser, blue laser, and green laser. The red laser light source used was He—Ne with a wavelength of 633 nm, the green light source used was a YAG laser double wave with a wavelength of 532 nm, and the blue laser light source used was a He—Cd laser with a wavelength of 405 nm. The spot diameter is 2 μm for the red laser, 1 μm for the green laser, and 1 μm for the blue laser.

基板への半球の作製、誘電体/金属膜の製膜、被観察物体側表面の略平坦化までの手順は以下の通りである。始めに、厚さが1mmの基板上に半球状の窪みを形成した。基板にはSiO2を用いた。半球パターンの形成は、スタンパを用いる方法で行った。図7に、その手順を示す。 The procedure from the production of the hemisphere to the substrate, the formation of the dielectric / metal film, and the substantially flattening of the surface of the object to be observed is as follows. First, a hemispherical depression was formed on a substrate having a thickness of 1 mm. SiO 2 was used for the substrate. The hemispherical pattern was formed by a method using a stamper. FIG. 7 shows the procedure.

まず図7(a)に示すように、SiO2基板701上にCr層702、レジスト層703を順に塗布し、レーザ描画によりレジスト層703上に直径1μmの円形パターンを描画した。次に、図7(b)に示すように現像し、更に図7(c)に示すように、描画した部分のCr層702を反応性イオンエッチング(RIE)により取り除いた。そしてSiO2基板701に対してウェットエッチングを行い、図7(d)のように半球状の窪み704を形成した。半球状の窪み704の直径は2.0μmであった。半球状の窪み704の直径はSiO2基板701に描画する円形パターンの半径によって決まる。最後に、図7(e)に示すように、レジスト層703及びCr層702を除去した。上記により形成された半球の窪み704を原版として、原版にNi蒸着及びNiメッキを施して原版の半球を転写し、図7(f)に示すようにスタンパ706を形成した。スタンパ706を用いて、射出成型法により、ガラス基板707に塗布したUV樹脂708にスタンパ706の半球を転写し、図7(g)に示すように半球状の窪み709を形成した。 First, as shown in FIG. 7A, a Cr layer 702 and a resist layer 703 were sequentially applied on a SiO 2 substrate 701, and a circular pattern having a diameter of 1 μm was drawn on the resist layer 703 by laser drawing. Next, development was performed as shown in FIG. 7B, and the drawn Cr layer 702 was removed by reactive ion etching (RIE) as shown in FIG. 7C. Then, wet etching was performed on the SiO 2 substrate 701 to form a hemispherical depression 704 as shown in FIG. The diameter of the hemispherical depression 704 was 2.0 μm. The diameter of the hemispherical depression 704 is determined by the radius of the circular pattern drawn on the SiO 2 substrate 701. Finally, as shown in FIG. 7E, the resist layer 703 and the Cr layer 702 were removed. Using the hemispherical depression 704 formed as described above as an original, Ni was vapor-deposited and Ni-plated on the original to transfer the original hemisphere to form a stamper 706 as shown in FIG. Using the stamper 706, the hemisphere of the stamper 706 was transferred to the UV resin 708 applied to the glass substrate 707 by injection molding to form a hemispherical depression 709 as shown in FIG.

次に基板への金属、誘電体の製膜をスパッタリング法で行った。プラズマ周波数を考慮して、ハイパーレンズに使用した金属は、青色レーザ用ハイパーレンズにはAg、緑色レーザ用ハイパーレンズにはAu、赤色レーザ用ハイパーレンズにはAuを用いた。青色レーザ用ハイパーレンズの膜構造はAg(20nm)/Al23(20nm)、合計10層で半径400nm、緑色レーザ用ハイパーレンズの膜構造はAu(20nm)/Al23(20nm)合計10層で半径400nm、赤色レーザ用ハイパーレンズの膜構造はAu(20nm)/Al23(20nm)合計10層で半径400nmとした。最後に、ハイパーレンズの被観察物体側表面を平坦化するために、樹脂の研磨も可能である機械的化学的研磨(CMP)を行った。 Next, a metal or dielectric film was formed on the substrate by sputtering. Considering the plasma frequency, the metal used for the hyper lens was Ag for the blue laser hyper lens, Au for the green laser hyper lens, and Au for the red laser hyper lens. The film structure of the hyper lens for blue laser Ag (20nm) / Al 2 O 3 (20nm), a total of 10 layers in radius 400 nm, the film structure of the green laser for hyper lens Au (20nm) / Al 2 O 3 (20nm) A total of 10 layers had a radius of 400 nm, and the red laser hyperlens film structure had a total of 10 layers of Au (20 nm) / Al 2 O 3 (20 nm) with a radius of 400 nm. Finally, in order to flatten the surface of the hyperlens to be observed, mechanical chemical polishing (CMP) that can polish the resin was performed.

準備した上記3つのハイパーレンズに、被観察物体側からレーザを入射した場合の、フレネルの式を用いた透過率の計算結果を図8に示す。横軸は波数のx成分であるkxを入射した光の波数k0で規格化した値kx/k0、縦軸は電場強度の透過率である。図8(a)が青色レーザ用ハイパーレンズの計算結果、図8(b)が緑色レーザ用ハイパーレンズの計算結果、図8(c)が赤色レーザ用ハイパーレンズの計算結果である。図中の矢印は、電場強度の透過率がゼロになる規格化波数である。上記計算により、青色レーザ用ハイパーレンズの分解能は回折限界の4倍に、緑色レーザ用ハイパーレンズの分解能は回折限界の4倍に、赤色用ハイパーレンズの分解能は回折限界の5倍になることがわかった。 FIG. 8 shows the calculation result of the transmittance using the Fresnel equation when a laser is incident on the prepared three hyperlenses from the observed object side. The horizontal axis value k x / k 0 normalized wave number k 0 of the light incident to k x is the x component of the wave number, and the vertical axis represents the transmittance of the electric field strength. FIG. 8A shows the calculation result of the blue laser hyperlens, FIG. 8B shows the calculation result of the green laser hyperlens, and FIG. 8C shows the calculation result of the red laser hyperlens. The arrow in the figure represents the normalized wave number at which the electric field intensity transmittance is zero. According to the above calculation, the resolution of the blue laser hyperlens is 4 times the diffraction limit, the resolution of the green laser hyperlens is 4 times the diffraction limit, and the resolution of the red hyperlens is 5 times the diffraction limit. all right.

次に、上記3つのハイパーレンズを用いて、3種類の色素の観察を行った。使用した色素は、495nmに励起波長を持つフルオレセインイソチオシアネート、555nmに励起波長を持つローダミン、650nmに励起波長を持つAlexa Fluor 647である。図9に示すように、3種類の色素をサンプルホルダ901上に周期的に並べた。902がフルオレセインイソチオシアネート、903がローダミン、904がAlexa Fluor 647である。また、905が位置合わせマークである。色素の大きさは直径1μm、色素間の間隔は200nmとした。   Next, three types of dyes were observed using the three hyperlenses. The dyes used were fluorescein isothiocyanate having an excitation wavelength at 495 nm, rhodamine having an excitation wavelength at 555 nm, and Alexa Fluor 647 having an excitation wavelength at 650 nm. As shown in FIG. 9, three types of dyes were periodically arranged on the sample holder 901. 902 is fluorescein isothiocyanate, 903 is rhodamine, and 904 is Alexa Fluor 647. Reference numeral 905 denotes an alignment mark. The size of the dye was 1 μm in diameter, and the distance between the dyes was 200 nm.

次に、観察について述べる。本発明のハイパーレンズをレーザ顕微鏡に組み込んだ。図10に、本発明のハイパーレンズを組み込んだ顕微鏡システムの概略図を示す。各色に対応した3枚のハイパーレンズは、1つの黒色プラスチック板(レンズホルダ)1001に配置し、機械的に移動できるように、横方向制御装置1002で制御した。3色のレーザは光源部1003に配置し、光は1つの出射口から同じ光軸上に出るようにした。3種類のレーザ光のうち使わないレーザ光は遮光板で遮光するようにした。遮光には、遮光板交換装置1013を用いた。実際には、黒色プラスチック板1001及び遮光板の制御は、演算制御部1004としてのパーソナルコンピュータ(PC)上で行い、使用したい波長を決めてPC上のボタンをクリックすれば、その波長に対応したハイパーレンズに自動的に切り替わり、遮光板も切り替わって光源部1003からその波長のレーザ光が出射するようにした。   Next, observation will be described. The hyper lens of the present invention was incorporated into a laser microscope. FIG. 10 shows a schematic diagram of a microscope system incorporating the hyper lens of the present invention. Three hyper lenses corresponding to each color were placed on one black plastic plate (lens holder) 1001 and controlled by a lateral control device 1002 so that they could be moved mechanically. The three colors of lasers are arranged in the light source unit 1003 so that the light exits on the same optical axis from one exit port. Of the three types of laser light, unused laser light is shielded by a light shielding plate. A light shielding plate exchanging device 1013 was used for light shielding. Actually, the black plastic plate 1001 and the light shielding plate are controlled on a personal computer (PC) as the arithmetic control unit 1004. If a wavelength to be used is determined and a button on the PC is clicked, the corresponding wavelength is selected. The lens is automatically switched to the hyper lens, and the light shielding plate is also switched so that the laser light of that wavelength is emitted from the light source unit 1003.

被観察物体として、サンプルホルダ1005に上記3種類の色素1006を並べ、その直上にハイパーレンズ1007を設置した。ハイパーレンズ1007は黒色プラスチック板1001に固定されている。入射光1008を入射し、ハイパーレンズ1007を通過した光1009を顕微鏡307で受けて、顕微鏡307を通過した光1011をCCDカメラ309で観測した。観測したデータは演算制御部1004に格納した。本実施例では、ハイパーレンズ1007と顕微鏡307の間をイマージョンオイル310で満たした。光学顕微鏡307とハイパーレンズ1007の間を、屈折率がガラスとほぼ等しいイマージョンオイル310で満たすことにより、全反射する成分を減らすことができる。   As the object to be observed, the above three kinds of dyes 1006 were arranged in a sample holder 1005, and a hyper lens 1007 was installed immediately above. The hyper lens 1007 is fixed to the black plastic plate 1001. Incident light 1008 was incident, light 1009 that passed through the hyper lens 1007 was received by the microscope 307, and light 1011 that passed through the microscope 307 was observed by the CCD camera 309. The observed data was stored in the calculation control unit 1004. In this embodiment, the space between the hyper lens 1007 and the microscope 307 is filled with the immersion oil 310. By filling the space between the optical microscope 307 and the hyper lens 1007 with the immersion oil 310 whose refractive index is almost equal to that of glass, the total reflection component can be reduced.

測定は、レーザ光源とハイパーレンズを入れ替えながら行った。始めに青色レーザと青色レーザ用レンズを使って測定をした。演算制御部1004としてのPCの画面をクリックして青色レーザとレンズを選択し、測定を行った。それが終わると、緑色レーザ及び緑色レーザ用レンズを使って測定を行い、最後に赤色レーザ及び赤色レーザ用レンズを使って測定を行った。   The measurement was performed while exchanging the laser light source and the hyper lens. First, measurement was performed using a blue laser and a blue laser lens. A blue laser and a lens were selected by clicking on the PC screen as the arithmetic control unit 1004, and measurement was performed. After that, measurements were performed using a green laser and a green laser lens, and finally measurements were performed using a red laser and a red laser lens.

図11にそれぞれの波長で得られた像を示す。図11(a)が青色レーザの測定結果、図11(b)が緑色レーザの測定結果、図11(c)が赤色レーザの測定結果である。計算結果からの予想通り、どの波長でも分解能以下の構造が観測できた。図11(a)では、フルオレセインイソチオシアネート1102の励起波長が495nmであり、青色の波長405nmよりも大きいため、青色レーザ用ハイパーレンズで観測すると少々不鮮明な像が得られた。図11(b)で、ローダミン1104は励起波長が555nmにあるため、はっきりと像が見えるが、フルオレセインイソチオシアネート1102の励起波長が495nmであるため、フルオレセインイソチオシアネート1102の像もぼやけて見える。図11(c)では、Alexa Fluor 647のみ観測された。   FIG. 11 shows images obtained at the respective wavelengths. FIG. 11A shows the measurement result of the blue laser, FIG. 11B shows the measurement result of the green laser, and FIG. 11C shows the measurement result of the red laser. As expected from the calculation results, structures below the resolution could be observed at any wavelength. In FIG. 11A, since the excitation wavelength of fluorescein isothiocyanate 1102 is 495 nm and is longer than the blue wavelength of 405 nm, a slightly unclear image was obtained when observed with a blue laser hyperlens. In FIG. 11 (b), rhodamine 1104 has an excitation wavelength of 555 nm, so that an image can be clearly seen. In FIG. 11 (c), only Alexa Fluor 647 was observed.

3種類の測定の後に、得られた3つの像を重ね合わせるために、位置合わせと強度合わせが必要になる。位置合わせマークとして、横2μm、縦5μmの直線を2本ずつ2組、サンプルホルダ901上に作製した。この位置合わせマーク905はレーザ描画により作製した。   After the three types of measurements, alignment and intensity adjustment are required to superimpose the three images obtained. Two sets of two straight lines each having a width of 2 μm and a length of 5 μm were prepared on the sample holder 901 as alignment marks. This alignment mark 905 was produced by laser drawing.

位置合わせ、強度合わせの手順を図12に示す。始めに用いる波長の数、波長の大きさを指定する。本実施例では赤色、緑色、青色であるので、3と入力した。次にそれぞれの波長でサンプルの測定を行った。それぞれの波長で得られた像のデータをCCDカメラで取り込み、演算制御部内のメモリに格納した。そして、得られた3つのデータをディスプレイ上に表示した。次に、ディスプレイ上でそれぞれの位置合わせマーク2点を、サンプル上の同じ点を示す点として、カーソルによって指定した。この2点により、2つの像上の座標(x,y)を共通化することができる。位置合わせの後に、得られた像の強度を合わせる係数αB,αG,αRを指定した。αBB+αGG+αRRである。この係数は手動で設定して演算を行い、被観察物体の像が最も鮮明になるように設定した。値は、αB=0.2,αG=0.5,αR=0.4であった。 FIG. 12 shows the procedure for alignment and intensity alignment. Specify the number of wavelengths to be used at the beginning and the size of the wavelength. In this embodiment, red, green, and blue are used, so 3 is entered. Next, the sample was measured at each wavelength. Image data obtained at each wavelength was captured by a CCD camera and stored in a memory in the arithmetic control unit. The obtained three data were displayed on the display. Next, each of the two alignment marks on the display was designated by the cursor as a point indicating the same point on the sample. With these two points, the coordinates (x, y) on the two images can be shared. After the registration, coefficients α B , α G , and α R for matching the intensities of the obtained images were designated. is α B I B + α G I G + α R I R. This coefficient was set manually to perform calculation, and set so that the image of the object to be observed became clearest. The values were α B = 0.2, α G = 0.5, α R = 0.4.

結果を図13に示す。上記により、色素の色情報を含めた、光学分解能を超えた分解能を持つ像が得られた。   The results are shown in FIG. As a result, an image having a resolution exceeding the optical resolution including the color information of the dye was obtained.

スタンパを作製する際の基板に、半導体、Si基板、樹脂を用いても同様の結果が得られた。   Similar results were obtained even when a semiconductor, a Si substrate, or a resin was used as the substrate for manufacturing the stamper.

なお、測定系として、図3(a)、図3(c)のような配置も考えられる。図3(a)では、ハイパーレンズ304と顕微鏡307の間は空気である。このため、図3(b)の配置に比べて得られる像の鮮明さは低いが、近接場成分の情報を含む像が得られた。また、図3(c)では図3(b)とほぼ同じ結果が得られた。   In addition, as a measurement system, arrangement | positioning like Fig.3 (a) and FIG.3 (c) is also considered. In FIG. 3A, the space between the hyper lens 304 and the microscope 307 is air. For this reason, although the sharpness of the image obtained compared with the arrangement of FIG. 3B is low, an image including information on the near-field component was obtained. Further, in FIG. 3C, almost the same result as in FIG. 3B was obtained.

また、断面形状を楕円形状にしたハイパーレンズを用いて、同様の実験系、測定方法、被観察物体に対して測定を行ったところ、断面形状が円形のハイパーレンズを用いた場合に比べて解像度は低いが、ほぼ同等の結果が得られた。   In addition, when a hyper lens with an elliptical cross-section was used to measure the same experimental system, measurement method, and observed object, the resolution was higher than when a hyper lens with a circular cross-section was used. Although it was low, almost the same result was obtained.

[実施例2]
本発明の光学顕微鏡システムを用いて被観察物体の色情報を、入射光の波長以下のサイズで得る他の実施例について説明する。実験系、測定法、用いたハイパーレンズ、用いた被観察物体は実施例1と同じであるが、3つの像の強度合わせの際に、校正用サンプルを用いた点が異なる。今回は校正用サンプルとして、分散特性が良くわかっているAl平板(縦横1μm、厚さ10nm)を用いた。校正用サンプルは、分散特性がよくわかっているものを用いるのが望ましい。
[Example 2]
Another embodiment will be described in which the color information of the object to be observed is obtained with a size smaller than the wavelength of the incident light using the optical microscope system of the present invention. The experimental system, the measurement method, the hyper lens used, and the object to be observed were the same as in Example 1, except that a calibration sample was used when the intensity of the three images was adjusted. This time, an Al flat plate (longitudinal and transverse 1 μm, thickness 10 nm) with well-known dispersion characteristics was used as a calibration sample. It is desirable to use a calibration sample whose dispersion characteristics are well known.

強度合わせのフローチャートを図14に示す。手順は実施例1とほぼ同じであるが、波長の数を指定した後に校正用サンプルのAlの透過強度を青色レーザ、緑色レーザ、赤色レーザの各波長で測定して演算制御部のメモリに格納した。そして、位置合わせの後に、校正用サンプルにより得られた各色での透過強度と比較して、得られた3つの像の強度を合わせる係数αを指定した。青色レーザに対応する被観察物体像の強度をIB、緑色レーザに対応する被観察物体像の強度をIG、赤色レーザに対応する被観察物体像の強度をIRとし、Alの青色レーザでの透過強度とIBとの比をαB、Alの緑色レーザでの透過強度とIGとの比をαG、Alの赤色レーザでの透過強度とIBとの比をαRとすると、全体の像は、αBB+αGG+αRRである。本実施例ではαB=0.17、αG=0.61,αR=0.35で、実施例1とほぼ同等であった。以上により、実施例1とほぼ同等の結果が得られた。 FIG. 14 shows a flowchart for adjusting the intensity. The procedure is almost the same as in Example 1, but after specifying the number of wavelengths, the transmission intensity of Al of the calibration sample is measured at each wavelength of the blue laser, green laser, and red laser, and stored in the memory of the arithmetic control unit. did. Then, after the alignment, a coefficient α for matching the intensities of the three obtained images was specified in comparison with the transmission intensities of the respective colors obtained by the calibration sample. Intensity I B of the observed object image corresponding to the blue laser, the intensity of the observed object image corresponding to the green laser I G, the intensity of the observed object image corresponding to the red laser and I R, a blue laser of Al the ratio of the transmitted intensity and the transmitted intensity and I B of the red laser ratio of alpha G, Al between transmitted intensity and I G of the ratio between I B green laser α B, Al α R and in Then, the whole image is α B I B + α G I G + α R I R. In this example, α B = 0.17, α G = 0.61, and α R = 0.35, which were almost the same as those in Example 1. As a result, almost the same result as in Example 1 was obtained.

[実施例3]
次に、上面から見たとき図1(c)に示すように溝状となっている半円柱状のハイパーレンズを使った実施例を述べる。ハイパーレンズの作製に用いた材料は実施例1と同じである。溝状のレンズを作るために、レーザ描画で基板上に幅2μm、長さ1mmの矩形の溝を描いた。その後のハイパーレンズの作製手順は実施例1と同じである。本実施例のハイパーレンズの断面形状は図1(a)に示され、上面図は図1(c)に示されている。表面の最内側金属上に観察物体を置いた。基板101はガラス基板、金属102は青色レーザ用には銀、緑色レーザと赤色レーザ用には金を用いた。誘電体103はAl23とした。ハイパーレンズが半円柱形状の場合、入射光の偏光方向によって、ハイパーレンズの性能が変化する。即ち、半円柱の軸に対して電場が平行(TM偏光)の場合は近接場光成分を伝えるハイパーレンズとして働くが、半円柱の軸に対して電場が垂直(TE偏光)の場合は通常のハイパーレンズとして働き、近接場成分を伝えることができない。これを利用して、同じ観察物体をTM偏光で測定した時の透過光の強度からTE偏光で観察した場合の透過光の強度を差し引くと、近接場成分のみを観察できる。
[Example 3]
Next, an embodiment using a semi-cylindrical hyperlens having a groove shape as shown in FIG. The material used to fabricate the hyper lens is the same as in Example 1. In order to make a groove-shaped lens, a rectangular groove having a width of 2 μm and a length of 1 mm was drawn on the substrate by laser drawing. Subsequent hyper lens fabrication procedures are the same as in Example 1. The cross-sectional shape of the hyper lens of this example is shown in FIG. 1A, and the top view is shown in FIG. An observation object was placed on the innermost metal on the surface. The substrate 101 was a glass substrate, and the metal 102 was silver for a blue laser, and gold for a green laser and a red laser. The dielectric 103 is Al 2 O 3 . When the hyper lens has a semi-cylindrical shape, the performance of the hyper lens changes depending on the polarization direction of the incident light. That is, when the electric field is parallel to the axis of the semi-cylinder (TM polarized light), it works as a hyper lens that transmits the near-field light component, but when the electric field is perpendicular to the axis of the semi-cylindrical (TE polarized light) It works as a hyper lens and cannot transmit near-field components. By utilizing this, if the intensity of transmitted light when observed with TE polarized light is subtracted from the intensity of transmitted light when the same observation object is measured with TM polarized light, only the near-field component can be observed.

顕微鏡の構成例を図15に示す。顕微鏡の構成は、図10に示した実施例1の構成とほぼ同じであるが、偏光方向を選択するために、光源部1003のレーザ出射口のすぐ後に偏光子1514が設置され、レーザ顕微鏡307の観察口に検光子1515が設置されている。また、顕微鏡307による像をCCDカメラ309で撮像し、信号を得た。用いた観察物体1006は100nmピッチのライン・アンド・スペースで、全長が700nmである。   A configuration example of the microscope is shown in FIG. The configuration of the microscope is almost the same as the configuration of the first embodiment shown in FIG. 10, but a polarizer 1514 is installed immediately after the laser emission port of the light source unit 1003 to select the polarization direction, and the laser microscope 307. An analyzer 1515 is installed at the observation port. Further, an image obtained by the microscope 307 was picked up by the CCD camera 309 to obtain a signal. The observation object 1006 used is a line and space with a pitch of 100 nm, and the total length is 700 nm.

始めに青色レーザ及び青色レーザ用ハイパーレンズを使って測定した。演算制御部1004上の画面をクリックして青色レーザ及び青色レーザ用ハイパーレンズを選択し、測定を行った。青色レーザを用いた測定結果を図16に示す。図16(a)に、TM波の場合の電場強度1601、TE波の場合の電場強度1602を示す。横軸はライン・アンド・スペースの端からの距離Δ、縦軸が検出した電場強度である。上述のように、TM波に比べて、TE波の全体の強度は小さい。そこで、この強度を合わせるシステムを用いて、電場強度を調節し、バックグラウンド成分を差し引いた。本実施例では、得られた信号強度をフーリエ変換して、F(ITM)−αF(ITE)の2π/λ<(空間周波数)部分の和が最小なるようにαを調整した。本実施例ではα=0.7であった。図16(b)に、TM波での電場強度からTE波での電場強度を差し引いた結果を示す。図16(b)から分かるように、明らかにS/Nが増大した。 First, measurement was performed using a blue laser and a hyperlens for blue laser. The screen on the arithmetic control unit 1004 was clicked to select a blue laser and a hyper lens for the blue laser, and measurement was performed. The measurement result using a blue laser is shown in FIG. FIG. 16A shows the electric field strength 1601 in the case of TM waves and the electric field strength 1602 in the case of TE waves. The horizontal axis represents the distance Δ from the end of the line and space, and the vertical axis represents the detected electric field intensity. As described above, the overall intensity of the TE wave is smaller than that of the TM wave. Therefore, the electric field intensity was adjusted using a system for matching the intensity, and the background component was subtracted. In this example, the obtained signal intensity was Fourier transformed to adjust α so that the sum of 2π / λ <(spatial frequency) portion of F (I TM ) −αF (I TE ) is minimized. In this example, α = 0.7. FIG. 16B shows the result of subtracting the electric field strength at the TE wave from the electric field strength at the TM wave. As can be seen from FIG. 16B, the S / N clearly increased.

この後、レーザを緑色レーザ、赤色レーザに変えて測定を行った。図16(c)、図16(d)に緑色レーザと緑色レーザ用ハイパーレンズを用いた測定結果を、図16(e)、図16(f)に赤色レーザと赤色レーザ用ハイパーレンズを用いた測定結果を示す。緑色レーザの場合もS/Nの増大が見られた。赤色レーザの場合は、本発明のハイパーレンズを用いても分解能が100nmを超えないため、S/Nは増大しなかった。   Thereafter, measurement was performed by changing the laser to a green laser and a red laser. FIGS. 16C and 16D show the measurement results using the green laser and the green laser hyperlens, and FIGS. 16E and 16F show the red laser and the red laser hyperlens. The measurement results are shown. An increase in S / N was also observed in the case of the green laser. In the case of a red laser, the S / N ratio did not increase because the resolution did not exceed 100 nm even when the hyper lens of the present invention was used.

[実施例4]
より鮮明な像を得るために、サンプル面に金属パターンを設けたハイパーレンズを用いて近接場成分を増強させた測定例について説明する。本実施例の実験系は実施例1と同じであり、図10に示した顕微鏡システムを用いた。
[Example 4]
In order to obtain a clearer image, a measurement example in which the near-field component is enhanced by using a hyper lens provided with a metal pattern on the sample surface will be described. The experimental system of this example is the same as that of Example 1, and the microscope system shown in FIG. 10 was used.

近接場増強パターンは正三角形状とし、数は2個とした。半球状のハイパーレンズを用い、ハイパーレンズの略平坦化された表面上に、図6(a)の断面図及び図6(b)の平面図に示すように、正三角形の金属パターン602を、三角形の先端が観察物体側に向くよう形成した。先端の尖った物体にTM波を入射するとプラズモンが増強されるため、レンズに入る前に近接場成分が増強され、レンズ中を通る過程で弱められる分を補償できる。三角形のパターンに用いる金属の材料、幅、長さは、用いる波長により決まる。今回は青色レーザ用ハイパーレンズの平坦面に、Auを用いて厚み55nm、一辺の長さが100nmの正三角形の金属パターンを形成した。緑色レーザ用ハイパーレンズの平坦面には、Auを用いて厚み75nm、一辺の長さが150nmの正三角形の金属パターンを形成した。赤色レーザ用ハイパーレンズの平坦面には、Auを用いて85nm、一辺の長さが200nmの正三角形の金属パターンを形成した。   The near-field enhancement pattern was an equilateral triangle, and the number was two. Using a hemispherical hyper lens, an equilateral triangular metal pattern 602 is formed on the substantially flattened surface of the hyper lens as shown in the cross-sectional view of FIG. 6A and the plan view of FIG. The triangular tip was formed to face the observation object. When a TM wave is incident on an object with a sharp tip, plasmons are enhanced, so that the near-field component is enhanced before entering the lens, and the amount weakened in the process of passing through the lens can be compensated. The metal material, width, and length used for the triangular pattern are determined by the wavelength used. This time, an equilateral triangular metal pattern having a thickness of 55 nm and a side length of 100 nm was formed on the flat surface of the blue laser hyper lens using Au. On the flat surface of the green laser hyperlens, a regular triangular metal pattern having a thickness of 75 nm and a side length of 150 nm was formed using Au. On the flat surface of the red laser hyperlens, an equilateral triangular metal pattern having a length of 85 nm and a side of 200 nm was formed using Au.

測定した観察物体は実施例1と同じである。実験手順も実施例1と同じであり、青色レーザ、緑色レーザ、赤色レーザを順に照射して測定し、その3つの像を重ね合わせた。結果を図17示す。実施例1に比べてより鮮明な像が得られた。   The observed observation object is the same as in Example 1. The experimental procedure was also the same as in Example 1, and measurements were performed by sequentially irradiating a blue laser, a green laser, and a red laser, and the three images were superimposed. The results are shown in FIG. Compared with Example 1, a clearer image was obtained.

[実施例5]
次に、平坦面に近接場成分増強用の金属パターンを有するハイパーレンズを用いて、金属パターンと被観察物体と接触させながら1次元スキャンした測定例について説明する。実験系、用いたハイパーレンズは実施例1とほぼ同じである。ただし、サンプルホルダ制御を圧電素子で行った。金属パターンは実施例4と同じものを用いた。被観察物体として、ポリカーバネード上に形成したライン・アンド・スペースを用いた。
[Example 5]
Next, a measurement example in which a one-dimensional scan is performed using a hyper lens having a metal pattern for enhancing a near-field component on a flat surface while bringing the metal pattern into contact with an object to be observed will be described. The experimental system and the hyper lens used are almost the same as those in Example 1. However, the sample holder control was performed with a piezoelectric element. The same metal pattern as in Example 4 was used. As the object to be observed, a line and space formed on a polycarbonate was used.

図18(a)に示すように、スペースの幅を左から200nm、150nm、100nm、150nmとしてランダムに振った。ライン・アンド・スペースの全体の幅は1μmで、ハイパーレンズの幅400nmよりも十分に大きく取った。   As shown in FIG. 18 (a), the width of the space was randomly changed from the left to 200 nm, 150 nm, 100 nm, and 150 nm. The total width of the line and space was 1 μm, which was sufficiently larger than the width of the hyper lens of 400 nm.

実験系における、実施例1と違う点を図18(b)に示す。図18(b)に示すように、ハイパーレンズ1801上に作製した金属パターン1802と被観察物体1803を物理的に接触させて、被観察物体1803を置いているサンプルホルダ1804を光軸に対して垂直な方向に駆動することにより、1次元スキャンを実行した。サンプルホルダ1804の移動距離は、サンプルホルダの下に圧電素子1805を付加し、その圧電素子1805のXY軸方向の電圧を印加することにより制御した。圧電素子1805による移動の位置精度は5nm程度であった。   FIG. 18B shows a difference from the first embodiment in the experimental system. As shown in FIG. 18B, the metal pattern 1802 fabricated on the hyper lens 1801 and the object to be observed 1803 are brought into physical contact, and the sample holder 1804 on which the object to be observed 1803 is placed is placed with respect to the optical axis. A one-dimensional scan was performed by driving in the vertical direction. The moving distance of the sample holder 1804 was controlled by adding a piezoelectric element 1805 below the sample holder and applying a voltage in the XY axis direction of the piezoelectric element 1805. The positional accuracy of the movement by the piezoelectric element 1805 was about 5 nm.

レーザ及びハイパーレンズは実施例1同様に、青色、緑色、赤色の順に交換しながら観察を行った。始めに青色レーザを使って得られた信号強度を図19(a)に示す。検出器にはCCDを用いた。スキャン範囲は座標をライン・アンド・スペースの左端を0として、0〜1.5μmとした。図19(a)において、ピーク1901が幅200nmのスペースに、ピーク1902が幅150nmのスペースに、ピーク1903が幅100nmのスペースに対応する。緑色レーザ、赤色レーザを使って観察した結果を図19(b)、図19(c)に示す。緑色レーザでは、分解能が120nm程度であり、信号強度が小さくなっている。また、赤色レーザでは分解能が200nm程度であるため、200nmのスペースのみ観察可能であった。
以上より、レンズよりも十分大きい被観察物体も観察可能であることがわかった。
The laser and the hyper lens were observed in the same manner as in Example 1 while changing the order of blue, green, and red. First, the signal intensity obtained by using the blue laser is shown in FIG. A CCD was used as the detector. The scan range was set to 0 to 1.5 μm, with the left edge of the line and space being 0. In FIG. 19A, a peak 1901 corresponds to a space having a width of 200 nm, a peak 1902 corresponds to a space having a width of 150 nm, and a peak 1903 corresponds to a space having a width of 100 nm. The observation results using the green laser and the red laser are shown in FIGS. 19 (b) and 19 (c). The green laser has a resolution of about 120 nm and a low signal intensity. In addition, since the red laser has a resolution of about 200 nm, only a 200 nm space can be observed.
From the above, it was found that an object to be observed that is sufficiently larger than the lens can be observed.

[実施例6]
次に、平坦面に近接場成分増強用の金属パターンを有するハイパーレンズを用いて、被観察物体上で接触させずに1次元スキャンした測定例について説明する。実験系の構成、用いたハイパーレンズは実施例1、5とほぼ同じである。観察物体として、図18(a)に示す形状で、導電性をもったAuのライン・アンド・スペース2003を用いた。ライン・アンド・スペース2003は、実施例5と同様に、スペースの幅を左から200nm、150nm、100nm、150nmとしてランダムに振った。ライン・アンド・スペースの全体の幅は1μmで、ハイパーレンズの幅400nmよりも十分に大きく取った。
[Example 6]
Next, a measurement example in which a hyper lens having a near-field component enhancing metal pattern on a flat surface is used and one-dimensional scanning is performed without contacting the object to be observed will be described. The configuration of the experimental system and the hyper lens used are almost the same as in Examples 1 and 5. As the observation object, conductive line and space 2003 having the shape shown in FIG. 18A was used. The line and space 2003 was shaken at random with the width of the space being 200 nm, 150 nm, 100 nm, and 150 nm from the left as in Example 5. The total width of the line and space was 1 μm, which was sufficiently larger than the width of the hyper lens of 400 nm.

図20(a)に、実験系における実施例5と違う点を示す。ハイパーレンズに形成した金属パターン1802とライン・アンド・スペース2003を電気的に接続し、その間の静電容量を計測して間隔を制御した。金属パターン1802と被観察物体2003はCu線2006を使って接続した。静電容量の測定にはキャパシタンスブリッジ2007を用いた。サンプルホルダ1804の移動は、サンプルホルダ1804の下に圧電素子1805を付加し、圧電素子1805のXY軸方向の電圧を印加することにより制御した。圧電素子1805による移動の位置精度は5nmである。   FIG. 20A shows a difference from Example 5 in the experimental system. The metal pattern 1802 formed on the hyper lens and the line and space 2003 were electrically connected, and the capacitance between them was measured to control the interval. The metal pattern 1802 and the object to be observed 2003 were connected using a Cu wire 2006. A capacitance bridge 2007 was used for the capacitance measurement. The movement of the sample holder 1804 was controlled by adding a piezoelectric element 1805 below the sample holder 1804 and applying a voltage in the XY axis direction of the piezoelectric element 1805. The positional accuracy of movement by the piezoelectric element 1805 is 5 nm.

静電容量は、金属パターンとライン・アンド・スペースの間の距離に反比例する。本実施例で用いているライン・アンド・スペースの静電容量を予め計算し、金属パターンとライン・アンド・スペースの最上部間の距離が10nmになる値を求めた。実際にスキャンする段階では、静電容量が上記計算で求めた値を超えないように、調整しながらスキャンした。例えば青色の場合は、近接場成分増強用の金属パターンの一辺が100nm、真空の誘電率が8.85×10-12(m-1F)であるので、近接場増強用金属パターンとスペース部分の静電容量は3.83(nF)となる。図20(b)に得られた静電容量のプロファイルを示す。スキャン範囲は座標をライン・アンド・スペースの左端を0として、0〜1.5μmとした。横軸が被観察物体の左からの距離、横軸が静電容量である。 The capacitance is inversely proportional to the distance between the metal pattern and the line and space. The capacitance of the line and space used in this example was calculated in advance, and the value at which the distance between the metal pattern and the top of the line and space was 10 nm was determined. In the actual scanning stage, scanning was performed while adjusting so that the capacitance did not exceed the value obtained by the above calculation. For example, in the case of blue, since one side of the near-field component enhancing metal pattern is 100 nm and the vacuum dielectric constant is 8.85 × 10 −12 (m −1 F), the near-field enhancing metal pattern and the space portion Has a capacitance of 3.83 (nF). FIG. 20B shows the obtained capacitance profile. The scan range was set to 0 to 1.5 μm, with the left edge of the line and space being 0. The horizontal axis is the distance from the left of the observed object, and the horizontal axis is the capacitance.

レーザ、ハイパーレンズは実施例1と同様に、青色、緑色、赤色の順に交換しながら観察を行った。その結果、得られた信号強度の揺らぎが実施例5の場合に比べて小さかった。これは、非接触でさらに静電容量により詳細にz方向の間隔を制御したためである。以上により、静電容量を用いると非接触で1次元スキャンを行いながら、ハイパーレンズのサイズよりも大きい観察物体を観察可能であることがわかった。   The laser and the hyper lens were observed in the same manner as in Example 1 while exchanging in the order of blue, green and red. As a result, the fluctuation of the obtained signal intensity was small compared to the case of Example 5. This is because the distance in the z direction is controlled in detail by capacitance without contact. From the above, it has been found that an observation object larger than the size of the hyper lens can be observed while performing a one-dimensional scan without contact when the electrostatic capacitance is used.

[実施例7]
ハイパーレンズ上に発光体層を設けた実施例について説明する。作製したハイパーレンズを図21に示す。作製方法は上記の方法と同じであるが、基板上に作製する半球形のピットの半径を5μmとした。また、誘電体を製膜する前に、発光体層2101としてローダミン分子を2μm蒸着した。その後、Al23を2.5μmスパッタし、更にAg(20nm)/Al23(20nm)のセットを10セット積層した。このことにより、作製したハイパーレンズは緑色の波長帯の近接場光を伝播することができる。
[Example 7]
An example in which a phosphor layer is provided on a hyper lens will be described. The produced hyper lens is shown in FIG. The manufacturing method is the same as the above method, but the radius of the hemispherical pit formed on the substrate is 5 μm. In addition, rhodamine molecules were deposited by 2 μm as the luminous body layer 2101 before forming the dielectric. Thereafter, Al 2 O 3 was sputtered with 2.5 μm, and 10 sets of Ag (20 nm) / Al 2 O 3 (20 nm) were laminated. Thus, the produced hyper lens can propagate near-field light in the green wavelength band.

このレンズで、ピッチが100nmの回折格子を観察した。この回折格子の上に、図21のレンズを置き、レンズの裏面から出射される光を光学顕微鏡によって観察した。ここで、レンズの裏面と光学顕微鏡の対物レンズの間は空気とした。また、光学顕微鏡には、対物レンズと対眼レンズの間に波長フィルタを挿入できるようにした。光源として、YAGレーザを用いた。   With this lens, a diffraction grating having a pitch of 100 nm was observed. The lens shown in FIG. 21 was placed on the diffraction grating, and light emitted from the back surface of the lens was observed with an optical microscope. Here, air was used between the back surface of the lens and the objective lens of the optical microscope. In addition, a wavelength filter can be inserted between the objective lens and the eye lens in the optical microscope. A YAG laser was used as the light source.

まず、600nm以下の波長の光をカットする波長フィルタを挿入して、顕微鏡像を得た。この像をCCDカメラで撮影し、像をコンピュータに格納した。この像を像1と名付ける。次に、600nm以上の波長の光をカットする波長フィルタで、上記と同じように像を得た。この像を像2と名付ける。   First, a wavelength filter for cutting light having a wavelength of 600 nm or less was inserted to obtain a microscopic image. This image was taken with a CCD camera and stored in a computer. This image is named Image 1. Next, an image was obtained in the same manner as described above using a wavelength filter that cuts light having a wavelength of 600 nm or more. This image is named Image 2.

像1は、発光体層2101のローダミンから発した蛍光による光学像であり、像2はYAGレーザの波長の光学像である。コンピュータには、この2つの像の強度プロファイルを差し引く機能を有するプログラムを組み込んだ。   Image 1 is an optical image by fluorescence emitted from rhodamine of the luminescent layer 2101, and image 2 is an optical image of the wavelength of the YAG laser. The computer incorporated a program having a function of subtracting the intensity profiles of the two images.

コンピュータ上で、像1、像2のそれぞれの2点を、サンプル上の同じ点を示す点として、カーソルによって指定した。この2点により、2つの像上の座標(x,y)を共通化することができる。次に、像の強度プロファイルを差し引く係数αを指定した。係数αは、像1、像2の上の座標(x,y)における強度をそれぞれI1(x,y),I2(x,y)とすると、I1(x,y)−αI2(x,y)の演算をするための係数である。ここでは、αの値を幾つか手動で設定し、回折格子の像が最も鮮明に得られる値を探した。その結果、αが0.2において、像が最も鮮明になった。この理由は、バックグラウンド光による像である像2を差し引くことにより、像1の中の高い空間周波数成分のみを像上に示したことに起因する。 On the computer, two points of image 1 and image 2 were designated by the cursor as points indicating the same point on the sample. With these two points, the coordinates (x, y) on the two images can be shared. Next, a coefficient α for subtracting the image intensity profile was specified. The coefficient α is I 1 (x, y) −αI 2 , where intensities at coordinates (x, y) on the images 1 and 2 are I 1 (x, y) and I 2 (x, y), respectively. This is a coefficient for calculating (x, y). Here, several values of α were manually set, and a value was obtained where the diffraction grating image was most clearly obtained. As a result, when α was 0.2, the image became clearest. This reason is due to the fact that only the high spatial frequency component in the image 1 is shown on the image by subtracting the image 2 which is an image by the background light.

発光体層2101の材料として、CdSeを用いた実験も行った。用いたハイパーレンズの膜、光学顕微鏡、観察サンプル、波長フィルタ、YAGレーザは、上記と同じである。その結果、αを0.08とした際に、最も回折格子の像が鮮明に得られた。   An experiment using CdSe as a material of the light emitting layer 2101 was also conducted. The hyper lens film, optical microscope, observation sample, wavelength filter, and YAG laser used are the same as described above. As a result, the image of the diffraction grating was most clearly obtained when α was 0.08.

101:基板、102:金属、103:誘電体、201:被観察物体、203:入射光、206:検出器、301:被観察物体、302:サンプルホルダ、303:入射光、304:ハイパーレンズ、305:レンズホルダ、307:光学顕微鏡、309:検出器、310:油、601:ハイパーレンズ、602:金属パターン、603:金属層、604:誘電体層、901:サンプルホルダ、905:位置あわせマーク、1001:レンズホルダ、1002:横方向制御装置、1003:光源部、1004:演算制御部、1005:サンプルホルダ、1006:被観察物体、1007:ハイパーレンズ、1013:遮光板交換装置、1514:偏光子、1515:検光子、1801:ハイパーレンズ、1802:金属パターン、1803:被観察物体、1804:サンプルホルダ、1805:圧電素子、2007:キャパシタンスブリッジ、2101:発光体層 101: substrate, 102: metal, 103: dielectric, 201: object to be observed, 203: incident light, 206: detector, 301: object to be observed, 302: sample holder, 303: incident light, 304: hyper lens, 305: Lens holder, 307: Optical microscope, 309: Detector, 310: Oil, 601: Hyper lens, 602: Metal pattern, 603: Metal layer, 604: Dielectric layer, 901: Sample holder, 905: Alignment mark , 1001: Lens holder, 1002: Lateral direction control device, 1003: Light source unit, 1004: Calculation control unit, 1005: Sample holder, 1006: Object to be observed, 1007: Hyper lens, 1013: Shading plate exchange device, 1514: Polarization 1515: Analyzer, 1801: Hyper lens, 1802: Metal pattern, 1803: Observation object, 1804: sample holder, 1805: a piezoelectric element, 2007: capacitance bridge, 2101: phosphor layer

Claims (14)

サンプルを保持するサンプルホルダと、
それぞれ異なる波長のサンプル照射光を発生する複数の光源と、
各光源の波長に適合して近接場成分を伝播成分に変換する複数のハイパーレンズと、
前記複数の光源のうちの一つと前記複数のハイパーレンズのうちの一つとを対にして切り替える切り替え機構と、
前記ハイパーレンズを透過した光が入射される顕微鏡と、
前記顕微鏡による拡大像を撮像する撮像素子と、
演算及び装置各部の制御を行う演算制御部とを備え、
前記ハイパーレンズは、平坦な光入射面を有し、光軸を通る一つの断面で見たとき、前記光入射面側に中心を有する半円形あるいは略半円形の金属層あるいは誘電体層と、当該半円形あるいは略半円形の金属層あるいは誘電体層の外側に同心的に順次積層された金属層と誘電体層の交互層とからなる積層膜構造を有し、
前記演算制御部は、前記切り替え機構を制御して前記複数の光源の各々と当該光源と対をなすハイパーレンズを順次選択して、異なる波長による複数のサンプル像を取得し、取得した複数のサンプル像から1枚のサンプル像を合成することにより、サンプルの光学特性の波長依存性の情報を入射光の波長以下のサイズで得ることを特徴とする光学顕微鏡システム。
A sample holder for holding the sample;
A plurality of light sources for generating sample irradiation light of different wavelengths,
A plurality of hyper lenses that convert near-field components into propagating components according to the wavelength of each light source,
A switching mechanism for switching one of the plurality of light sources and one of the plurality of hyper lenses in pairs;
A microscope on which light transmitted through the hyper lens is incident;
An image sensor for capturing an enlarged image by the microscope;
An arithmetic control unit that controls the arithmetic and device parts,
The hyper lens has a flat light incident surface, and when viewed in one cross section passing through the optical axis, a semicircular or substantially semicircular metal layer or dielectric layer having a center on the light incident surface side, and Having a laminated film structure composed of alternating metal layers and dielectric layers, which are concentrically laminated on the outside of the semicircular or substantially semicircular metal layer or dielectric layer;
The arithmetic control unit controls the switching mechanism to sequentially select each of the plurality of light sources and a hyper lens paired with the light source, obtain a plurality of sample images with different wavelengths, and obtain the plurality of samples An optical microscope system characterized in that, by synthesizing one sample image from an image, information on the wavelength dependence of the optical properties of the sample is obtained in a size equal to or smaller than the wavelength of incident light.
請求項1に記載の光学顕微鏡システムにおいて、前記複数の光源は青色の光を発生する光源、緑色の光を発生する光源及び赤色の光を発生する光源であることを特徴とする光学顕微鏡システム。   2. The optical microscope system according to claim 1, wherein the plurality of light sources are a light source that generates blue light, a light source that generates green light, and a light source that generates red light. 請求項1に記載の光学顕微鏡システムにおいて、前記ハイパーレンズは立体形状が半球状若しくは半円柱状であることを特徴とする光学顕微鏡システム。   The optical microscope system according to claim 1, wherein the hyper lens has a hemispherical shape or a semicylindrical shape. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学顕微鏡システムにおいて、前記ハイパーレンズは前記積層膜構造の外側に発光体層を有することを特徴とする光学顕微鏡システム。   4. The optical microscope system according to claim 1, wherein the hyper lens has a light emitting layer on an outer side of the laminated film structure. 5. 請求項4に記載の光学顕微鏡システムにおいて、前記発光体は蛍光体であることを特徴とする光学顕微鏡システム。   5. The optical microscope system according to claim 4, wherein the light emitter is a phosphor. 請求項1に記載の光学顕微鏡システムにおいて、前記ハイパーレンズは、前記光入射面に近接場成分増強用の金属パターンを有することを特徴とする光学顕微鏡システム。   2. The optical microscope system according to claim 1, wherein the hyper lens has a near-field component enhancing metal pattern on the light incident surface. 3. 請求項1に記載の光学顕微鏡システムにおいて、各波長で得られたサンプル像上の少なくとも2点を指定することにより、全てのサンプル像に共通の座標を決定することを特徴とする光学顕微鏡システム。   2. The optical microscope system according to claim 1, wherein coordinates common to all sample images are determined by designating at least two points on the sample image obtained at each wavelength. 請求項1に記載の光学顕微鏡システムにおいて、前記複数のサンプル像の強度を調節する機構を有することを特徴とする光学顕微鏡システム。   2. The optical microscope system according to claim 1, further comprising a mechanism for adjusting the intensity of the plurality of sample images. 請求項1に記載の光学顕微鏡システムにおいて、各波長光を2種類の偏光に切り替えてサンプルに照射し、各偏光で得られた2つのサンプル像を演算して当該波長に対するサンプル像を取得することを特徴とする光学顕微鏡システム。   2. The optical microscope system according to claim 1, wherein each wavelength light is switched to two types of polarized light and irradiated to the sample, and two sample images obtained with each polarized light are calculated to obtain a sample image corresponding to the wavelength. An optical microscope system characterized by 請求項9に記載の光学顕微鏡システムにおいて、前記サンプルホルダを駆動する駆動部を備え、前記駆動部による光軸に垂直な方向への前記サンプルホルダの駆動に同期して光強度変化を検出することを特徴とする光学顕微鏡システム。   The optical microscope system according to claim 9, further comprising a drive unit that drives the sample holder, and detecting a change in light intensity in synchronization with driving of the sample holder in a direction perpendicular to the optical axis by the drive unit. An optical microscope system characterized by 請求項9に記載の光学顕微鏡システムにおいて、前記ハイパーレンズとサンプルとの間の静電容量を測定する測定部を有し、前記駆動中に前記測定部による測定値を用いて前記ハイパーレンズとサンプルの間の距離を一定に保つことを特徴とする光学顕微鏡システム。   The optical microscope system according to claim 9, further comprising a measurement unit that measures a capacitance between the hyper lens and the sample, and using the measurement value obtained by the measurement unit during the driving, the hyper lens and the sample. An optical microscope system characterized by maintaining a constant distance between the two. 平坦な光入射面と、
光軸を通る一つの断面で見たとき、前記光入射面側に中心を有する半円形あるいは略半円形の金属層あるいは誘電体層と、当該半円形あるいは略半円形の金属層あるいは誘電体層の外側に同心的に順次積層された金属層と誘電体層の交互層とからなる積層膜構造と、
前記積層膜構造の外側に形成された発光体層とを有し、
立体形状が半球状若しくは半円柱状であることを特徴とするハイパーレンズ。
A flat light incident surface;
A semicircular or substantially semicircular metal layer or dielectric layer having a center on the light incident surface side when viewed in one section passing through the optical axis, and the semicircular or substantially semicircular metal layer or dielectric layer A laminated film structure composed of alternating layers of metal layers and dielectric layers laminated concentrically sequentially outside
A phosphor layer formed outside the laminated film structure;
A hyperlens having a three-dimensional shape that is hemispherical or semicylindrical.
請求項12に記載のハイパーレンズにおいて、前記発光体は蛍光体であることを特徴とするハイパーレンズ。   The hyperlens according to claim 12, wherein the light emitter is a phosphor. 平坦な光入射面と、
光軸を通る一つの断面で見たとき、前記光入射面側に中心を有する半円形あるいは略半円形の金属層あるいは誘電体層と、当該半円形あるいは略半円形の金属層あるいは誘電体層の外側に同心的に順次積層された金属層と誘電体層の交互層とからなる積層膜構造と、
前記光入射面に形成された近接場成分増強用の金属パターンとを有し、
立体形状が半球状若しくは半円柱状であることを特徴とするハイパーレンズ。
A flat light incident surface;
A semicircular or substantially semicircular metal layer or dielectric layer having a center on the light incident surface side when viewed in one section passing through the optical axis, and the semicircular or substantially semicircular metal layer or dielectric layer A laminated film structure composed of alternating layers of metal layers and dielectric layers laminated concentrically sequentially outside
A near-field component enhancing metal pattern formed on the light incident surface,
A hyperlens having a three-dimensional shape that is hemispherical or semicylindrical.
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