JP5108936B2 - サブ波長分解能で画像を検出するためのコンセプト - Google Patents
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Description
図12は、対物レンズ10を示す。対物レンズ10に対する作動距離または対象側距離f1において、撮像される対象を有する平面、すなわち対象面12がある。対物レンズ10までのイメージ側距離またはイメージ距離f2の位置にイメージ面14がある。対物レンズまたは対象面12が屈折率nを有する物体空間にある場合、図12に示す配置で、次式で与えられる距離dにおいて、距離dを有する2つの点の間の最高分解能が得られる。
ここで、λは対象面12を照らしている光の波長を示し、n・sinαは対物レンズ10の開口数を示す。
本発明の好ましい実施例は、添付図面に関して以下において更に詳細に説明される。
図3のイメージセンサ30は、ピクセルアレイ24から距離d2<λの位置にある積層体31の光学構造からなる。積層体は、光学構造31の他面側を形成する第1の誘電体層32、第2の誘電体層34および第3の誘電層36を含む。さらに、積層体31は、第3の誘電体層36上に形成され、極小開口部40を有する金属層38を含む。例えば、極小開口部40は、円形の極小開口部である。一般に、極小開口部40の大きさまたは直径および各々についての2つの隣接する極小開口部40の距離は、サブ波長の範囲にある。これは、極小開口部40の直径および2つの隣接する極小開口部40の距離の両方とも例えば照明波長より小さい、すなわち1.2μmより小さいことを意味する。
もちろん、負の誘電率をもたらす適当な物質特性を有する他の誘電体層32、34、36も可能である。
光学構造および/またはメタマテリアル31の一面側22aは、金属層38によって形成されるものであるが、実施例に従ってイメージセンサの用途における対象面41から近視野距離d1の位置であり、その結果、対象から生じている観察すべきエバネセント場42は、一面側22aおよび/または金属層38に達する。光学構造31の特別な特性(負の屈折率)により、図4aにおいて図式的に示されるように、エバネセント場42は光学構造31の一面側から他面側22bまで伝送に応じて増幅される。光学構造31の他面側22b上のおよび/または誘電体層32の界面上に抜け出ることで、送信されたエバネセント場42は急速に再び減衰する。それゆえに、エバネセセント場が検出される平面またはイメージ面44は、光学構造31の他面側22bからd2<λより大きく間隔を隔てるべきではない。
負の屈折率を有する図6aに示される光学構造52は、例えばSiO2のように、誘電体媒体62において周期的に配置された金属層60を含む。金属層60は、図6aの光学構造52の側面図に示されるように、例えば、極小開口部を含む。これらの極小開口部の幾何学的な形状は、多様に設計されることができ、光学構造52の目的の電磁的性質に依存する。例えば、各々に関するその大きさおよび間隔が照明波長λのオーダーおよび/または照明波長λより小さい円形の極小開口部とすることができる。隣接する金属層60間の距離lは、照明波長λのオーダーにある、および/またはそれよりも小さい。
図7は、負の屈折率を有する光学構造52の上面図と見なされることができるものである。金属層において、マイクロ素子70(白で示される)は、誘電体媒体62(黒で示される)に導入される。ここで、図7は、6つの周期的に配置されたいわゆる分割リング共振器構造を含むマイクロ素子70を有する部分を例示する。このように、図7は、図6aの側面図に示される金属的なマイクロ素子70を有するさまざまな層60の実現の考えられる形を示す平面図である。ここで、マイクロ素子70の大きさは、照明波長λより明らかに小さい。分割リング共振器70の外側および内側のリングの半径の比率を変えると、対応する共振器波長が変化する。例えばいわゆるLC負荷伝送線路のような他の構成も可能であり、全体的な伝送ができる限り可能であることが重要であることが指摘される。
まだ仕上がっていない図9に示される統合イメージセンサは、フォトダイオードアレイ24が導入された基板90、特に半導体基板を含み、図9は、フォトダイオードアレイ24のフォトダイオード26を単に例示している。ここで、フォトダイオード26は、イメージ面44に対応するか、少なくともイメージ面44に接近している平面92に配置される。
単色光源102から生じる単色光104は、例えば集光レンズなどの光学システム106を通過し、観察される構造をもつ対象キャリア108および/または観察される対象110を照射する。単色光104の波長λより小さい近視野距離d1で、統合イメージセンサ20は、実施例に従って配置される。あるいは、サンプル110は、イメージセンサ20の正面側と接触してもよい。
光学装置200は、イメージ面204を有する回折限界対物レンズ202を含む。左手系の光学構造22の一面側22aは、対物レンズ202のイメージ面204に配置される。光学構造22の他面側22bから所定の距離d2のところに、ピクセルアレイ24、特にフォトダイオードアレイがある。好ましい実施の形態によれば、図6−8に基づいて前述したように、負の屈折率を有する光学構造はフォトニック結晶および/またはフォトニック結晶のように機能している三次元構造化機構である。
Claims (18)
- サブ波長分解能を有する顕微鏡(100)であって、
所定の波長(λ)を有する単色光(104)のための光源(102)、
観察される対象(110)のための対象キャリア(108)、および
イメージセンサ(20;30;80)を含み、
前記イメージセンサ(20;30;80)は、
一面側(22a)および一面側と対向する他面側(22b)を含み、少なくとも構造金属層(38)および全体として負の屈折率(n)を有する3つの誘電体層(32;34;36)を含む光学構造(22;31;52)、および
単色光(104)の波長(λ)より小さい所定の間隔(d2)で光学構造(22;31;52)の他面側(22b)に沿って広がるピクセルアレイ(24)を含み、
イメージセンサ(20)の光学構造(22;31;52)の一面側(22a)は、対象キャリア(108)に対して単色光(104)の波長(λ)より小さい近視野距離(d1)の位置に配置された、顕微鏡。 - 光学構造(22;31;52)は、光学構造(22;31;52)の一面側(22a)から他面側(22b)にエバネセント場(42)を伝送するために形成される、請求項1に記載の顕微鏡。
- 光学構造は、メタマテリアル(31)を含む、請求項1または請求項2に記載の顕微鏡。
- メタマテリアル(31)は、誘電体層(32、34、36)および極小開口部(40)を有する金属層(38)の積層体を含み、極小開口部(40)の大きさおよび隣接する極小開口部の間の距離は、一面側(22a)のエバネセント場(42)が他面側(22b)に伝送できるオーダーを有するものである、請求項3に記載の顕微鏡。
- 前記大きさおよび前記距離は、1.2μmより小さい、請求項4に記載の顕微鏡。
- 光学構造は、フォトニック結晶(52)を含む、請求項1または請求項2に記載の顕微鏡。
- フォトニック結晶(52)は、マイクロ素子(70)を含む三次元周期構造によって形成され、マイクロ素子の距離および大きさは、一面側(22a)のエバネセント場が他面側(22b)に伝送されるようなオーダーを有するものである、請求項6に記載の顕微鏡。
- 三次元で、周期的に配置されたマイクロ素子は、分割リング共振器として形成される、請求項7に記載の顕微鏡。
- ピクセルアレイ(24)は、PN接合センサのアレイを含む、請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の顕微鏡。
- ピクセルアレイ(24)は、フォトダイオードアレイである、請求項1ないし請求項9のいずれかに記載の顕微鏡。
- ピクセルアレイ(24)の他面側(22b)までの所定の距離は、一面側(22a)から他面側(22b)に伝送され、他面側を励起させるエバネセント場がピクセルアレイ(24)によって検出されるように調整される、請求項1ないし請求項10のいずれかに記載の顕微鏡。
- 所定の距離(d2)は、1.2μmより小さい、請求項11に記載の顕微鏡。
- 対象のイメージを形成する方法であって、
対象から少なくとも近視野距離(d1)の位置に配置される、少なくとも構造金属層(38)および全体として負の屈折率(n)を有する3つの誘電体層(32;34;36)を含む光学構造(22;31;52)の一面側(22a)を有し、対象に光を当てて、対象によって変調される一面側(22a)のエバネセント場(42)を一面側に対向する光学構造(22;31;52)の他面側(22b)に伝送するステップ、および
光学構造(22;31;52)の他面側(22b)のエバネセント場を単色光の波長(λ)より小さい間隔(d 2 )で他面側(22b)に沿って配置されるピクセルアレイ(24)によって検出するステップを含む、方法。 - 光学構造(22;31;52)の一面側(22a)は、対象から1.2μmより小さい距離に配置される、請求項13に記載の方法。
- ピクセルアレイ(24)は、他面側(22b)に沿って所定の距離(d2)で配置され、他面側(22b)からのピクセルアレイ(24)の所定の距離は、エバネセント場が一面側(22a)から他面側(22b)に伝送され、他面側からの励起がピクセルアレイ(24)によって検出されるように調整される、請求項13に記載の方法。
- 所定の距離は、1.2μmより小さい、請求項15に記載の方法。
- 回折限界光学部品の分解能を改善する光学装置(200)であって、
回折限界光学部品(202)、
光学構造(52)の立体角選択性を達成するために、光学構造(52)の一面側(22a)が回折限界光学部品(202)のイメージ面に配置され、光学構造(52)は開口部(308)を有する隣接する金属層(310)を含み、開口部(308)は開口部の広がりを有し、隣接する金属層(310)の開口部(308)の横方向のオフセットが開口部の広がりより小さい、負の屈折率(n)を有する光学構造(52)、および
一面側(22a)に対向する光学構造(52)の他面側(22b)に沿って所定の距離(d2)で広がるピクセルアレイ(24)を含み、
所定の距離(d 2 )は、照明波長(λ)より小さい、光学装置。 - 隣接する金属層(310)の開口部(308)が、光学構造(52)の立体角選択性を達成するために共通軸(312)上にある、請求項17に記載の光学装置。
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