JP5796056B2 - 光の散乱を用いた近接場制御装置及び方法 - Google Patents

Description

以下の説明は光学分野に関し、高解像度の光焦点を生成して近接場イメージングを実現する方法及び装置に関する。

既存の光学技術は、光そのものの固有特性である回折と散乱の問題で超高解像度イメージングあるいは焦点を形成するために必須的な近接場を制御することができない。既存の顕微鏡及び対物レンズだけではアッベ（Ａｂｂｅ）の法則による回折限界を克服できないためである。近接場は、光が回折しながら距離に応じて幾何級数的に消滅されるため、既存の装備の限界を感じたこれらは近接場走査顕微鏡（ＮＳＯＭ；Ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）のような装備を開発した。光が通過される百ナノメートル程度の孔を作ってサンプルを測定する技術は数多い問題がある。孔そのものを測定しようとするサンプルに直接物理的に接することから使用可能なサンプル群が限定的であり、ＮＳＯＭチップの孔が小さくなるほど光が通過されるモードがなくなり光を効果的に伝達することができない。また、測定しようとする極小の光源からの光はＮＳＯＭチップのことから歪曲されることがあり、ＮＳＯＭチップを測定しようとするサンプルの全面積に対してスキャンしなければならないため、リアルタイムイメージングが不可能である。このような問題を解決するために、最近ではプラズモニクス（ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ）という新しい分野が注目を浴びている。しかし、この場合には、特殊な金属／誘電体間の表面デザインが必須であり、形成される超高解像度の焦点位置も製作された物質により固定される。また、近接場走査顕微鏡は自然的に小さいサイズの孔が物理的に目標地点に達しなければならない短所があり、その他にも、さらに高い解像度を取得するためには入射される光が非現実的に増加しなければならないという限界をある。

現代社会で台頭されているナノ技術は、大きく２種類の方法により実現されている。化学的な合成方法を用いたボトムアップ（ｂｏｔｔｏｍ−ｕｐ）方式と、リソグラフィー（ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）などのパターニング技術を用いたトップダウン（Ｔｏｐ−ｄｏｗｎ）方式に区分される。化学的な合成方式は製造できる構造物が限定的であり、現代社会をなしている実質的なナノデバイス、すなわち、電子回路を構成するには適しない。一方、リソグラフィーなどのパターニング方式は、大面積なナノ構造物の製作を可能にして現在営んでいる情報社会を可能にする様々な電子チップの製作に用いられている。

しかし、今は現代社会の発展に機動力となっている電子回路の製作技術が大きい障害に直面している。これはナノパターニングに用いられる光学リソグラフィーそのものがアッベ（Ａｂｂｅ）の回折限界をそのまま適用されるためである。これを克服するためにより小さい波長の光、すなわち、紫外線領域の光を使用し始めたが、製作単価の上昇以外にも技術の拡張性が全くないことから現在は新しい技術が求められる状況である。

本発明の目的は、光の散乱を用いて任意の散乱層を通過した光の空間上分布を制御して超高解像度イメージングまたは焦点を形成する。

本発明の目的は、任意の厚さの散乱層内部または裏面にある目標試片に超高解像度の焦点を形成して超高解像度イメージング及びリソグラフィーを可視光線帯域で可能にする近接場を制御する装置及び方法を提供する。

本発明の目的は、イメージングの対象となるサンプルから発散された光が散乱層を通過するようにし、近接場を探知機のある遠距離まで伝達して可視光線帯域におけるリアルタイムイメージングを可能にする。

一実施形態に係る近接場制御方法は、波面調節器を用いてコヒーレント光源からの光の位相を制御するステップと、前記位相が制御された光を散乱層に通過させるステップと、前記散乱層を通過した前記光が出る面の近接場を測定するステップとを含む。

本発明の近接場制御方法は、前記近接場を測定した結果に応じて前記波面調節器を調節して前記光の位相を変更するステップをさらに含んでもよい。

前記近接場を測定した結果に応じて前記波面調節器を調節して前記光の位相を変更するステップは、前記波面調節器を調節して前記光の位相を変更しながら強め合う干渉が生じる位相を探索するステップと、前記強め合う干渉を起こす前記位相を記録するステップとを含んでもよい。

前記近接場を測定した結果に応じて前記波面調節器を調節して前記光の位相を変更するステップは、所望する位置に超高解像度の焦点が形成されるまで前記光の位相を変更するステップを含んでもよい。

本発明の近接場制御方法は、前記散乱層の内部または裏面にある目標試片に超高解像度の焦点を形成するステップをさらに含んでもよい。

前記散乱層を通過した前記光が出る面の近接場を測定するステップは、前記近接場でアッベ（Ａｂｂｅ）の回折限界よりも小さい領域における前記光の強度を測定するステップを含んでもよい。

前記光源は、可視光線帯域の光源を含んでもよい。

本発明の近接場イメージング装置は、平面波を出力する光源と、イメージングしようとするサンプルを付着する散乱層と、前記平面波が前記サンプル及び前記散乱層を通過して生成したスペックルに関するスペックル情報を獲得する測定部と、前記測定されたスペックル情報を分解する分析部とを備える。

前記測定部は、前記スペックルの位相を獲得するホログラフィック測定部を備えてもよい。

前記分析部は、前記測定されたスペックル情報と予め測定された入力ベイシス当たり発生した前記散乱層のスペックル情報との相関関係を算出し、前記相関関係を用いて前記サンプルに対する前記イメージを取得してもよい。

本発明の近接場イメージング装置は、コヒーレント光源からの光を通過させて入力ベイシスの光で構成する構造物をさらに含んでもよい。

前記構造物は、ＮＳＯＭチップ、金属探針、及びプラズモニクスメタ構造のうち少なくとも１つを含んでもよい。

前記散乱層は、前記サンプルがない状態で前記構造物を通過して構成された前記入力ベイシスの光を通過させて散乱させ、前記測定部は、前記散乱された光が生成したスペックルに関する入力ベイシススペックル情報を取得してもよい。

本発明に係る近接場イメージングを実現する方法は、コヒーレント光源からの光が散乱層を通過して生成したスペックルに関する第１スペックル情報を取得するステップと、平面波がサンプル及び前記散乱層を通過して生成したスペックルに関する第２スペックル情報を取得するステップと、前記第１スペックル情報及び前記第２スペックル情報を用いて前記サンプルに対するイメージを取得するステップとを含む。

前記第１スペックル情報を取得するステップは、前記コヒーレント光源からの前記光を構造物を通過させて入力ベイシスの光から構成する第１ステップと、前記構成された入力ベイシスの光を前記散乱層に通過させて散乱させる第２ステップと、前記散乱された光が生成したスペックルに関する入力ベイシススペックル情報を取得する第３ステップとを含んでもよい。

前記第１スペックル情報を取得するステップは、前記構成された入力ベイシスの光が通過する散乱層上の位置を変更しながら前記第１ステップないし前記第３ステップを行って複数の入力ベイシススペックル情報を取得するステップと、前記複数の入力ベイシススペックル情報を用いて前記第１スペックル情報を取得するステップとを含んでもよい。

前記構造物は、ＮＳＯＭチップ、金属探針、及びプラズモニクスメタ構造のうち少なくとも１つを含んでもよい。

前記第１スペックル情報及び前記第２スペックル情報を用いて前記サンプルに対するイメージを取得するステップは、前記第１スペックル情報及び前記第２スペックル情報の相関関係を算出するステップと、前記相関関係を用いて前記サンプルに対する前記イメージを取得するテップとを含んでもよい。

本発明に係る光の散乱を用いた近接場制御装置及び方法によると、波面調節器と散乱層を用いて散乱層を通過した光が出る面の近接場を制御することができる。

本発明によると、目標地点に対する入射波面の情報を一回格納すれば、リアルタイムで入射波面を調節することによって超高解像度の光焦点を様々な地点に同時形成させたり移動させることができる。

本発明によると、散乱層を通過した後、目標地点における近接場で導き出される空間周波数成分はアッベ（Ａｂｂｅ）の回折限界を克服する成分を包含することができる。

本発明に係る光の散乱を用いた近接場制御装置及び方法によると、光源として可視光線帯域を含む全ての帯域の波長を有する光源を用いることができる。

本発明によると、散乱層と波面コントローラ２つの装備からなるリソグラフィー装備が製作可能である。

本発明によると、光の散乱を用いた近接場制御装置及び方法によってナノサイズの光焦点制御を行うことができる。

本発明に係る光の散乱を用いた近接場イメージング装置及び方法によって細胞自体の生命現象の維持に影響を与えない可視光線領域における近接場イメージングを可能にする。

本発明に係る装置及び方法によって生成されたナノサイズの光焦点及び／または光学パターンは、物体を光学的に取得する光学ピンセット（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ）または光学制御（ｏｐｔｉｃａｌ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）に利用可能である。

本発明に係る光の散乱を用いた近接場イメージング装置及び方法によると、サンプルの大面積な超高解像度イメージングをリアルタイムで実現可能である。

本発明に係る光の散乱を用いた近接場イメージング装置及び方法によると、生きている細胞の動力学的な形状の観測が可能である。

本発明に係る光の散乱を用いた近接場イメージング装置及び方法によって近接場を数個の空間周波数を含む遠距離場に変換して一般的な遠距離光学顕微鏡で近接場に関する情報にいたるまで観測可能である。

光の散乱により発生する問題点を説明するための図である。 一般の光学系が有する問題点を説明するためのグラフである。 一般の光学系と本発明の光学系の差異を説明するための図である。 一実施形態に係る光の散乱を用いた近接場制御装置の構成を示す図である。 一実施形態に係る光の散乱を用いてフィードバックによって近接場を制御する方法のフローチャートである。 散乱層に入射する近接場が散乱層を経て遠距離場に変換されることを説明するための図である。 一実施形態に係る散乱層に対する入力ベイシス当たりスペックル情報を測定する装置を説明するための図である。 一実施形態に係るサンプルに対するイメージを取得するためにサンプル及び散乱層に対するスペックル情報を取得する装置を説明するための図である。 一実施形態に係る散乱層のスペックル情報によってサンプルの近接場イメージングを実現する方法を説明するための図である。 一実施形態に係る光の散乱を用いてサンプルの近接場イメージングを実現する方法のフローチャートである。

以下、実施形態を添付する図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の一実施形態に係る光の散乱を用いた近接場制御方法は、光の散乱を用いた近接場制御装置によって行われる。

図１は、光の散乱により発生する問題点を説明するための図である。

光源１０１からの光が散乱の激しい物質１０２を通過するとき、光の経路と位相が物質１０２の散乱粒子と接するたびにランダムに変化する。特に、微粒子の分布が不規則であるときチンダル現象（ｔｙｎｄａｌｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ）が現れ、光の進行よって直進する部分が減衰される。ここで、レーザのようにコヒーレント（ｃｏｈｅｒｅｎｔ）光源１０１を使用する場合、スペックル（ｓｐｅｃｋｌｅ）１０３という斑点が最終の散乱面に現れる。これはコヒーレント光源からの光が散乱の激しい物質１０２の散乱粒子と接してそれぞれの散乱経路に沿って互いに異なる位相を有する光が強め合い及び相殺干渉しながら現れる現象である。このような散乱によって一般の光学系では所望する位置に超高解像度の光焦点を作ることが困難であった。

図２は、一般の光学系が有する問題点を説明するためのグラフである。

図２においてＸ軸は空間周波数を指示し、Ｙ軸は光学的伝達関数（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を指示する。一般の光学系は、そのシステムの光学的な伝達関数によって決定される最大空間周波数ｋ０内の空間周波数成分のみを制御する。例えば、一般の光学系では最大空間周波数ｋ０よりも小さい空間周波数成分２１０のみを制御する。従来の光学系を使用すると、ｋ０よりも大きい領域２２０では遠距離場で自由空間にある波長ベクトルは消滅し、結果的には到達されない。散乱過程で最も注目すべき点は、いずれか特定値の空間周波数を有する光が散乱層に初めて入射したとしても、結果的に出てくる光の空間周波数成分は空間周波数空間の全領域に広がっている点である。一実施形態によると、散乱を用いて低い空間周波数成分の入射光を調節して既存の光学系で調節できなかった高い空間周波数成分の光を制御することができる。

図３は、一般の光学系と本発明の実施形態に係る光学系の差異を説明するための図である。

図３Ａを参考すると、従来の光学系ではアッベ（Ａｂｂｅ）の回折限界を克服することができないため最も小さい焦点を作ることには限界がある。アッベの法則によると、光学顕微鏡の分解能ｄはＡｂｂｅの法則によって数式（１）のように光の波長（λ）に比例する

（１）

ここで、ｎは媒質の屈折率、αは開口角である。波長が短いほど分解能のサイズが小さくなり、分解能が良好になる。光学顕微鏡の場合、最も短い可視光線（約２００ｎｍ）を用いてもその分解能は０．１μｍよりも良好にならない。すなわち、従来の光学系はカットオフ（ｃｕｔｏｆｆ）周波数内で遠距離場のみを制御することができる。カットオフ周波数内の各波長ベクトルの位相が目標地点と一致すると、半波長の幅を有する回折が制限された焦点３３１を取得することができる。言い換えれば、入射された光３１１は散乱層３２１を通過して目標地点に制限された焦点３３１を形成する。

図３Ｂを参考すると、平面波が任意の散乱層に入射されるとき、波長は散乱されて電波（ｓｐｅｃｋｌｅ）形態と消散（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ）形態を含むそれぞれ異なる波長に変化する。任意の混合された位相を有するそれぞれの波長ベクトルは、サブ波長空間モードを含むスペックル３３２に現れる。言い換えれば、散乱過程でいずれかの特定値の空間周波数を有する光３１２が散乱層３２２に初めて入射したとしても結果的に出てくる光の空間周波数成分は空間周波数の全領域に広がる。

図３Ｃを参考すると、目標位置で作用する波面を調節すると、結果波動ベクトルは目標位置でサブ波長焦点を構成するために強め合う干渉が生じる。すなわち、波面を制御することによって散乱により近接場を制御することで、超高解像度の焦点を任意の位置に形成することができる。言い換えれば、本発明は、散乱を用いて低い空間周波数成分の入射光３１３を調節して既存の光学系では調節できなかった高い空間周波数成分の光を制御することができる。したがって、光の基本単位ごとに波面の調節された入射光３１３が散乱層３２３を通過して目標地点に超高解像度の焦点３３３を形成することができる。

図４は、一実施形態に係る光の散乱を用いた近接場制御装置の構成を示す図である。

図４を参考すると、一実施形態に係る近接場制御装置４００は、波面調節器４２０、散乱層４３０及び測定部４４０を備える。

ここで、波面調節器４２０は、光の位相を制御することのできる機器または位相が制御され得る固定された形態のフィルムを用いててもよい。例えば、波面調節器４２０は、空間光変調器、変形鏡機器、動的鏡機器、光屈折物質及びホログラフィック位相フィルムのうちの１つを含んでもよい。

光が進行する経路順に作動順序を説明すると、レーザのようにコヒーレント光源４１０からの光が波面調節器４２０で位相が制御される。ここで、光源４１０は可視光線帯域の光源を含んでもよい。共鳴現象を用いるプラズモニクス（ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ）、そして、ゼロモード（ｚｅｒｏ−ｍｏｄｅ）導波管を用いる近接場走査顕微鏡（ＮＳＯＭ）の場合は波長に対する制限条件があるものの、本発明に係る実施形態は、可視光線、赤外線、及び極超短波など全ての帯域の波長に同様に適用できる。

一実施形態によると、波面調節器４２０で光の波面が制御されてもよい。波面調節器４２０は、入射波面の種類を表現できる基本単位を設定した後、それぞれの基本単位に対して目標地点で強め合う干渉をなすように位相を変更してもよい。一実施形態によると、基本単位はそれぞれの空間周波数であってもよい。他の一実施形態によると、基本単位はピクセルであってもよい。

位相の制御された光または波面の制御された光は散乱層４３０を通過してもよい。一実施形態によると、位相が制御された光または波面が制御された光は、散乱層４３０の内部または裏面にある目標試片４３２に超高解像度の焦点を形成する。

散乱層４３０を通過した光は、散乱層４３０の通過した光が出る面４３１で測定部４４０によって近接場が測定される。一実施形態によると、測定部４４０は、近接場走査顕微鏡（ＮＳＯＭ）、回折限界よりも小さいサイズの孔がある構造物、回折限界よりも小さいサイズの発光体、または、頂点のサイズがアッベの回折限界よりも小さい形態を有する探針を含んでもよい。近接場走査顕微鏡（ＮＳＯＭ）は、消散波の特性を用いて遠距離場解像度の限界を克服して測定可能な顕微鏡である。近接場走査顕微鏡（ＮＳＯＭ）を利用すると、空間的及び時間的に高い解像度を有して測定することができる。ここで、近接場でアッベ（Ａｂｂｅ）の回折限界よりも小さい領域における光の強度が測定される。

近接場制御装置が作動する順に本発明を説明すると、近接場制御装置４００の波面調節器４２０は、レーザのようにコヒーレント光源４１０から出た光の位相を制御する。一実施形態によると、波面調節器４２０は光の波面を制御する。一実施形態によると、波面調節器４２０は、空間光変調器、変形鏡機器、動的鏡機器、光屈折物質、及びホログラフィック位相フィルムのうちの１つを含んでもよい。

散乱層４３０は、位相が制御された光または波面が制御された光を通過させる。一実施形態によると、散乱層４３０は使用される光の波長よりも小さいサイズを有する粒子または構造物で構成された複雑な任意の散乱構造を用いて生成される。例えば、酸化亜鉛ナノ粒子（ＺｎＯ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ）またはスプレーペイント（ｓｐｒａｙ ｐａｉｎｔ）を用いて生成されてもよい。

測定部４４０は、散乱層４３０を通過した光を散乱層４３０の前記通過した光が出る面４３１で近接場を測定する。一実施形態によると、測定部４４０は、アッベの回折限界よりも小さいサイズの光を測定することのできる孔や探針を用いる機構を用いもよい。例えば、近接場走査顕微鏡（ＮＳＯＭ）、回折限界よりも小さいサイズの孔がある構造物、回折限界よりも小さいサイズの発光体、または、頂点のサイズがアッベの回折限界よりも小さい形態を有する探針を含んでもよい。ここで、近接場でアッベ（Ａｂｂｅ）の回折限界よりも小さい領域における光の強度が測定される。

一実施形態によると、近接場制御装置４００は記録部４５０をさらに備えてもよい。記録部４５０は、測定部４４０で測定された光の強度に応じて散乱層４３０の目標地点で強め合う干渉をなすそれぞれの波面の基本単位に対する位相を記録する。より詳細に、記録部４５０は、測定部４４０で測定された光の強度に応じてフィードバックして波面調節器４２０で入射される光の基本単位に対して波面を調節して目標地点４３２で強め合う干渉をなす位相を測定して記録してもよい。このようなフィードバックにより入射される光の各基本単位の最適化された波面または位相を記録し、基本単位を重複して散乱層４３０に入射させることで所望する地点に所望する偏光の光を取得することができる。ここで、光焦点を所望する各地点に対して最適化された位相情報を記録した後、それぞれの空間周波数に適する位相を付与することによって任意の地点に光焦点を形成することができる。

図５は、一実施形態に係る光の散乱を用いてフィードバックによって近接場を制御する方法のフローチャートである。

図５を参考すると、一実施形態に係る光の散乱を用いて近接場を制御する方法を提供する。まず、ステップＳ５０１において、波面調節器を用いてコヒーレント光源からの光の位相を制御する。例えば、レーザのようにコヒーレント光源からの光が波面調節器に入射されてもよい。光源は可視光線帯域の光源を含む。ここで、波面調節器が入射される光の基本単位ごとに位相を制御してもよい。または、波面調節器が入射される光の基本単位ごとに波面を調節してもよい。ここで、基本単位はピクセルであってもよい。

次に、ステップＳ５０２において、位相が制御された光を散乱層に通過させる。例えば、位相が制御された光が通過する散乱層は、酸化亜鉛ナノ粒子またはスプレーペイントであってもよい。

次に、ステップＳ５０３において、散乱層を通過した光が出る面の近接場における光の強度を測定する。例えば、光が出る面の近接場は目標地点の近接場であってもよい。ここで、目標地点は光焦点の形成地点であってもよい。一実施形態によると、近接場は、近接場走査顕微鏡（ＮＳＯＭ）、量子ドット（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）測定装置のうちの１つによって測定される。

一実施形態によると、入射波面の種類を表現することのできる基本単位を設定してもよい。例えば、それぞれの空間周波数が基本単位に設定されてもよい。その次に、それぞれの基本単位に対して目標地点（例えば、焦点形成を所望する地点）で強め合う干渉が行われる位相を測定する。

次に、ステップＳ５０４において、所望する位置に超高解像度の焦点が形成されたかを判断する。例えば、超高解像度の焦点であるか否かは、基本単位の光の位相を変更した後に測定した近接場の光強度が基本単位の光の各位相を変更する前の近接場の光強度よりも解像度が高いか否かを比較することで判断する。または、超高解像度の焦点であるか否かは、各基本単位の光の位相を変更して最も高い解像度の焦点を有する場合の位相であるものと判断してもよい。または、超高解像度の焦点であるか否かは、アッベ（Ａｂｂｅ）の回折限界を克服する空間周波数成分からなっているか否かに応じて判断する。アッベの回折限界は、可視光線を使用する限り、その波長が極めて短くても分解能は０．２ｕｍに過ぎず、この分解能では確実に物体を拡大して観察できる倍率は僅か３、０００倍であり、これ以上はいくらレンズとその絞りを研究するとしても、はっきりしない像が拡大されるだけである。

ステップＳ５０４において、所望する位置に超高解像度の焦点が形成されていないと判断される場合、再びステップＳ５０１に復帰する。この場合、ステップＳ５０１で測定装置によって測定された結果に応じて波面調節器で光の位相を変更する。例えば、波面調節器に入射される光の基本単位ごとに目標地点で強め合う干渉が生じるよう位相を変更する。ステップＳ５０１は、波面調節器に入射される光の基本単位ごとに波面調節器を調節して位相を変更しながら強め合う干渉が生じる位相を探索するステップ、及び強め合う干渉を起こす位相を記録するステップをさらに含んでもよい。より詳細には、測定装置を介して測定された結果に応じて、入射される光の基本単位ごとに波面調節器で位相を変更しながら強め合う干渉が生じる基本単位の位相を探すことができる。基本単位は、目標地点で重なって超高解像度の焦点を完成することができる。強め合う干渉が生じる基本単位の位相を記録して格納すると、リソグラフィー工程時にリアルタイムで入射波面を調節することで超高解像度の光焦点を様々な地点に同時形成させたり移動させることができる。

一実施形態によると、ステップＳ５０１ないしＳ５０４は所望する位置に超高解像度の焦点が形成されるまで繰り返し行われてもよい。例えば、所望する位置に超高解像度の焦点が形成されるまで、ステップＳ５０１で波面調節器を用いて光の位相を変更し、散乱層を通過した光の近接場を測定し（Ｓ５０３）、所望する位置に超高解像度の焦点が形成されたかを判断（Ｓ５０４）する。

一実施形態によると、所望する焦点位置（目標位置）の光の強度を続けて測定し、これをフィードバックする過程を連続的に行う。

ステップＳ５０４において、所望する位置に超高解像度の焦点が形成されたと判断される場合、光の散乱を用いて近接場を制御する方法は終了する。フィードバック過程によって各基本単位と最適化された位相を全て記録した後、これを重複して散乱層に入射させると、所望する地点に所望する偏光の光を取得することができる。フィードバック過程によって光焦点を所望する各地点に対して最適化された位相情報を記録した後、各空間周波数に適する位相を付与することで任意の地点に光焦点を形成することができる。一実施形態によると、波面調節器が調節される空間周波数成分はアッベの回折限界によって決定されるが、散乱層を通過した後、結果的に導き出される空間周波数成分はこれを克服する成分を複数含んでいる。

図６は、散乱層に入射する近接場が散乱層を経て遠距離場に変換されることを説明するための図である。

一般的に散乱層そのものの動きがない場合、特定パターンの光を入射させたとき発生するスペックルのパターンは常に一定である。すなわち、各スペックルパターンはそれぞれの特定入射光の波面に対応する。このような特性を用いて近接場イメージングを実現することができる。

特定の入射波面が散乱層を通過した後に生じるスペックルパターンは常に一定のパターンを有する。このような特定の入射波面を空間上で分解すると、入射波面の２次元平面は数多くの点に表してもよい。ここで、各空間上の点に対応するスペックルの情報を測定すると、任意の入射波面が散乱層を通過したとき生じるスペックル情報によって任意の入射波面を再構成することができる。ここで、スペックルはコヒーレント光の干渉現象により生じることから、スペックルパターンの位相を考慮して測定しなければ、正確なイメージ再構成を行うことができない。

光の散乱を用いた近接場イメージ測定方法は、進行に応じて幾何級数的に消える近接場の場合、散乱層を通過した後に遠距離を進行することのできる遠距離場に変換される。このような特性を用いて一般的な遠距離光学顕微鏡でも測定しようとする物体の近接場に関する情報まで取得することができる。

図６を参考すると、高い空間周波数成分の近接場６２１を散乱層６１０に散乱させ、一般の光学系で測定できる低い空間周波数成分の遠距離場６２３に変形させる。近接場６２１を含む波面６２２が散乱層６１０に入射すると、散乱を介して数個の空間周波数を含んでいる遠距離場６２３に変換される。ここで、当該の遠距離場６２３は散乱層６１０の反対面にスペックルとして現れてもよい。

図７は、一実施形態に係る散乱層に対する入力ベイシス当たりスペックル情報を測定する装置を説明するための図である。

図７を参考すると、光の進行経路に応じて散乱層のスペックル情報を測定する装置を説明する。一実施形態によると、レーザのようなコヒーレント光源７２０から出た入射波面７２１を入力ベイシスで構成する構造物７３０を通過させ、当該の構造物７３０を通過した光７２２は散乱層７１０を通過した後発生するスペックル７２３の情報について測定部７４０を用いて測定する。一実施形態によると、測定部７４０は、一般的な顕微鏡システムによってスペックルのパターン情報を取得し、ホログラフィック測定部を介してスペックルの位相まで測定できる。一実施形態によると、構造物７３０はコヒーレント光源７２０からの入射波面７２１を通過させて入力ベイシスの光７２２から構成されてもよい。ここで、構造物７３０はそれぞれの波面を空間上で分解するＮＳＯＭチップ、金属探針、及びプラズモニクスメタ構造のうち少なくとも１つである。入力ベイシスを形成する構造物７３０を移動させながら散乱層７１０の全ての表面に対して位置ごとに発生するスペックルを測定する。スペックルの情報が測定された散乱層７１０にサンプルを付着して平面波を入射させることでサンプルの近接場イメージを取得することができる。すなわち、散乱層７１０の散乱情報を全て測定した後には当該の散乱層７１０を超高解像度イメージング装備として用いる。

一実施形態によると、構造物７３０によって構成された入力ベイシスの光が通過する散乱層７１０上の位置を変更しながら入力ベイシスの位置ごとにスペックル情報を測定し、複数の入力単位スペックル情報を取得する。ここで、散乱層７１０の散乱情報を測定するための入力ベイシスの位置ごとのスペックル情報の測定過程において、散乱層７１０の全面積に対する順次的スキャニングが要求される。または、数枚のスペックルパターンの測定が必要なこともある。このような測定は、実際イメージングを実施する前の準備ステップであり、当該の散乱層７１０に対する入力ベイシスの位置ごとのスペックル情報が一回測定された後には当該過程を繰り返し行う必要がない。一実施形態によると、散乱層７１０に対する入力ベイシスの位置ごとのスペックル情報を一回記録した後には測定しようとするサンプルを散乱層７１０上に付着してただ一枚のスペックルを測定してサンプルの全面積に対するイメージを超高解像度イメージングとして一回に取得することができる。ここで、測定可能なサンプルのサイズは、散乱層７１０の情報を測定した入力ベイシスが包括した領域を全て含むため、大面積な超高解像度イメージングをリアルタイムで実現できる。

図８は、一実施形態に係るサンプルに対するイメージを取得するためにサンプル及び散乱層に対するスペックル情報を取得する装置を説明するための図である。

図８を参考すると、入力ベイシス当たり発生したスペックルが測定された散乱層８１０の表面にイメージングしようとするサンプル８３０を付着して光源８２０からの平面波８２１を入射させた後に発生するスペックル８２２を測定部８４０で測定する。ここで、測定されたスペックルと予め測定された入力ベイシス当たり発生したスペックルとの相関関係を算出すると、当該の相関関係値そのものをサンプル８３０のイメージにすることができる。言い換えれば、各入力ベイシスに該当するスペックルの情報でサンプルが付着された状態で取得したスペックル８２２の情報を分解することができる。ここで、サンプルが付着された状態で取得されたスペックル８２２そのものは回折限界内で表現されるサイズを有するが、サンプル８３０の近接場成分が遠距離場に変換された成分を含んでいるため超高解像度イメージングが可能である。

従来における近接場を使用するＮＳＯＭ及びプラズモニクス（ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ）とは異なって物理的に光が通過できる孔のサイズを制限したり、金属メタ構造の共鳴現象を使用しないため、生きている細胞などの動力学的な形状についても観測可能であり、測定時間も短縮される。また、散乱を用いて測定しようとするサンプル８３０の高解像度部分の情報を含んでいる高い空間周波数成分の光を散乱層８１０に散乱させ、一般の光学系で測定できる低い空間周波数成分の光８２２に変形させることができる。

一実施形態によると、近接場イメージング装置は、平面波８２１を出力する光源８２０、イメージングしようとするサンプル８３０を付着する散乱層８１０、平面波がサンプル８３０及び散乱層８１０を通過して生成されたスペックル８２２に関するスペックル情報を獲得する測定部８４０、及び測定されたスペックル情報を分解する分析部８５０を備える。平面波８２１を出力する光源８２０は、コヒーレント光源を用いてもよい。測定部８４０はスペックル８２２のパターンを獲得する一般顕微鏡システム及びスペックル８２２の位相を獲得するホログラフィック測定部を含んでもよい。分析部８５０は、測定されたスペックル情報と予め測定された入力ベイシス当たり発生した散乱層８１０のスペックル情報との相関関係を算出し、相関関係を用いて類似度を判断することでサンプル８３０に対するイメージを取得することができる。

図９は、一実施形態に係る散乱層のスペックル情報によってサンプルの近接場イメージングを実現する方法を説明するための図である。

一実施形態によると、近接場イメージング装置の分析部を介してサンプルのイメージを取得する。まず、予め測定された入力ベイシス当たり発生した散乱層のスペックル情報とサンプルが付着された散乱層のスペックル情報９２４の類似度を判断するために相関関係を算出し、相関関係を用いてサンプルに対するイメージを取得する。一般的に散乱層そのものの動きがない場合、特定パターンの光を入射させたとき発生するスペックルのパターンは常に一定である。すなわち、それぞれのスペックルパターンはそれぞれの特定入射光の波面に対応する。このような特性を用いて近接場イメージングを実現することができる。

図９を参考すると、入力ベイシスの第１位置９２２に対する散乱層９１１のスペックル情報と入力ベイシスの第２位置９２３に対する散乱層９１２のスペックル情報との組合はサンプルが付着された散乱層９１０に平面波を入射させた後に獲得したスペックル情報である。ここで、散乱層９１０、散乱層９１１及び散乱層９１２は同じ散乱層である。サンプルの近接場イメージングは、サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報９２４を分析して取得する。サンプルが付着された散乱層９１０で獲得したスペックル情報９２４を分析すれば、入力ベイシスの第１位置９２２に対する散乱層９１１のスペックル情報と入力ベイシスの第２位置９２３に対する散乱層９１２のスペックル情報を合わせたスペックル情報であってもよい。ここで、サンプルの近接場イメージングは、入力ベイシスの第１位置９２２と第２位置９２３の組合わせた入力９２１である。

一実施形態によると、サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報９２４を分析することは、サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報と予め測定された入力ベイシス当たり発生した散乱層のスペックル情報との相関関係を算出し、相関関係を用いてサンプルに対するイメージを取得する。ここで、サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報と予め測定された入力ベイシス当たり発生した散乱層のスペックル情報との相関関係を算出すると、当該の相関関係値そのものがサンプルの近接場イメージであってもよい。ここで、サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報は回折限界内のサイズを有するが、サンプルの近接場成分が遠距離場に変換された成分を含んでいることから超高解像度イメージングが可能である。

図１０は、一実施形態に係る光の散乱を用いてサンプルの近接場イメージングを実現する方法のフローチャートである。図１０を参考すると、散乱層を用いてサンプルの近接場イメージングを実現する方法が開示されている。一実施形態によると、近接場イメージングを実現する方法は、コヒーレント光源からの光が散乱層を通過して生成したスペックルに関する第１スペックル情報を取得するステップ、平面波がサンプル及び前記散乱層を通過して生成したスペックルに関する第２スペックル情報を取得するステップ、及び前記第１スペックル情報及び前記第２スペックル情報を用いて前記サンプルに対するイメージを取得するステップを含む。ここで、コヒーレント光源はレーザであってもよい。

ステップＳ１０１０において、第１スペックル情報を取得するステップは、散乱層に対する入力ベイシスの位置ごとのスペックル情報を取得するステップである。より詳細には、第１スペックル情報を取得するステップは、コヒーレント光源からの光を構造物を通過させて入力ベイシスの光に構成する第１ステップ、構成された入力ベイシスの光を散乱層に通過させて散乱させる第２ステップ、及び散乱された光が生成したスペックルに関する入力ベイシススペックル情報を取得する第３ステップを含む。ここで、構造物は、それぞれの波面を空間上で分解することのできるＮＳＯＭチップ、金属探針、及びプラズモニクスメタ構造のうち少なくとも１つであってもよい。一実施形態によると、入力ベイシスを形成する構造物を移動させながら第１ステップ、第２ステップ及び第３ステップを繰り返して散乱層の全ての表面に対して位置ごとに発生するスペックルを測定する。第１スペックル情報を取得するステップＳ１０１０は、実際イメージングを実施する前の準備ステップとして、当該の散乱層に対する入力ベイシスの位置ごとのスペックル情報が一回測定された後には当該する過程を繰り返す必要はない。

ステップＳ１０２０において、第２スペックル情報を取得するステップは、サンプルを第１スペックル情報が獲得された散乱層に付着して、平面波を入射させて発生したスペックル情報を取得するステップである。ここで、スペックル情報は、一般顕微鏡システムによってスペックルのパターンを獲得し、ホログラフィック測定部によりスペックルの位相を獲得する。一実施形態によると、スペックルの情報が測定された散乱層にイメージングしようとするサンプルを付着して平面波を入射させることでサンプルの近接場イメージを取得することができる。すなわち、散乱層の第１スペックル情報を全て測定した後には当該の散乱層を超高解像度イメージング装備に使用することができる。

ステップＳ１０３０において、サンプルが付着された散乱層で獲得した第２スペックル情報を予め準備された入力ベイシスの位置ごとの第１スペックル情報に分解することによって分析する。一実施形態によると、近接場イメージング装置の分析部によりサンプルに対するイメージを取得する。一般的に、散乱層そのものの動きがない場合、特定パターンの光を入射させたとき発生するスペックルのパターンは常に一定である。すなわち、各スペックルパターンはそれぞれの特定入射光の波面に対応する。このような特性を用いて近接場イメージングを実現することができる。入力ベイシスの第１位置に対する散乱層のスペックル情報と入力ベイシスの第２位置に対する散乱層のスペックル情報との組合は、サンプルが付着された散乱層に平面波を入射させた後に獲得したスペックル情報である。サンプルの近接場イメージングは、サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報を分析して取得する。サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報を分析すれば、入力ベイシスの第１位置に対する散乱層のスペックル情報と入力ベイシスの第２位置に対する散乱層のスペックル情報とを合わせたスペックル情報であってもよい。ここで、サンプルの近接場イメージングは、入力ベイシスの第１位置と第２位置の組合わせた入力である。

ステップＳ１０４０において、ステップＳ１０３０で分解された情報によってサンプルに対する近接場イメージを実現することができる。一実施形態によると、サンプルが付着された散乱層で獲得されたスペックル情報と予め獲得された入力ベイシス当たり発生した散乱層のスペックル情報との相関関係を算出し、相関関係を用いて類似度を判断することでサンプルに対するイメージを取得する。ここで、サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報を分析することは、サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報と予め測定された入力ベイシス当たり発生した散乱層のスペックル情報との相関関係を算出し、相関関係を用いてサンプルに対するイメージを取得することができる。ここで、サンプルが付着された散乱層で獲得したスペックル情報と予め測定された入力ベイシス当たり発生した散乱層のスペックル情報との相関関係を算出すると、当該の相関関係値そのものがサンプルの近接場イメージになり得る。

本発明に係る散乱層に対する入力ベイシスの位置ごとのスペックル情報を一回記録した後には、測定しようとするサンプルを散乱層上に付着し、ただ一枚のスペックルを測定してサンプルの全面積に対するイメージを超高解像度イメージングで一回に取得することができる。ここで、測定可能なサンプルのサイズは散乱層の情報を測定した入力ベイシスが包括した領域を全て含むため、大面積な超高解像度イメージングをリアルタイムで実現することができる。

本発明の実施形態は、多様なコンピュータ手段によって行うことができるプログラム命令の形態で実現されても良く、かかるプログラム命令は、コンピュータ読み出し可能媒体に記録されてもよい。前記コンピュータ読み出し可能媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などを単独または組み合わせたものを含んでもよい。前記媒体に記録されるプログラム命令は、本発明のために特別に設計して構成されたものでもよく、コンピュータソフトウェア分野の技術を有する当業者にとって公知のものであり使用可能なものであってもよい。

以上のように本発明を限定された実施形態と図面によって説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような記載から多様な修正及び変形が可能である。

したがって、本発明の範囲は、説明された実施形態に限定されて定められるものではなく、特許請求の範囲及び特許請求の範囲と均等なものなどによって定められるものである。

４１０：光源
４２０：波面調節器
４３０：散乱層
４４０：測定部

Claims (18)

1. 近接場制御方法において、
   波面調節器を用いてコヒーレント光源からの光の位相を制御するステップと、
   前記位相が制御された光を散乱層の一側から他側に通過させるステップと、
   前記散乱層を通過した前記光が出る前記他側の面の近接場を測定するステップと、
   を含むことを特徴とする近接場制御方法。
2. 前記近接場を測定した結果に応じて前記波面調節器を調節して前記光の位相を変更するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の近接場制御方法。
3. 前記近接場を測定した結果に応じて前記波面調節器を調節して前記光の位相を変更するステップは、
   前記波面調節器を調節して前記光の位相を変更しながら強め合う干渉が生じる位相を探索するステップと、
   前記強め合う干渉を起こす前記位相を記録するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の近接場制御方法。
4. 前記近接場を測定した結果に応じて前記波面調節器を調節して前記光の位相を変更するステップは、所望する位置に超高解像度の焦点が形成されるまで前記光の位相を変更するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の近接場制御方法。
5. 前記散乱層の内部または裏面にある目標試片に超高解像度の焦点を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の近接場制御方法。
6. 前記散乱層を通過した前記光が出る前記他側の面の近接場を測定するステップは、前記近接場でアッベ（Ａｂｂｅ）の回折限界よりも小さい領域における前記光の強度を測定するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の近接場制御方法。
7. 前記光源は、可視光線帯域の光源を含むことを特徴とする請求項１に記載の近接場制御方法。
8. 平面波を出力する光源と、
   イメージングしようとするサンプルを付着する散乱層と、
   前記平面波が前記サンプル及び前記散乱層の一側から他側に通過して前記他側に生成されるスペックルに関するスペックル情報を獲得する測定部と、
   前記測定されたスペックル情報を分解する分析部と、
   を備えることを特徴とする近接場イメージング装置。
9. 前記測定部は、前記スペックルの位相を獲得するホログラフィック測定部を備えることを特徴とする請求項８に記載の近接場イメージング装置。
10. 前記分析部は、前記測定されたスペックル情報と予め測定された入力ベイシス当たり発生した前記散乱層のスペックル情報との相関関係を算出し、
    前記相関関係を用いて前記サンプルに対する前記イメージを取得することを特徴とする請求項８に記載の近接場イメージング装置。
11. コヒーレント光源からの光を通過させて入力ベイシスの光で構成する構造物をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の近接場イメージング装置。
12. 前記構造物は、ＮＳＯＭチップ、金属探針、及びプラズモニクスメタ構造のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の近接場イメージング装置。
13. 前記散乱層は、前記サンプルがない状態で前記構造物を通過して構成された前記入力ベイシスの光を通過させて散乱させ、
    前記測定部は、前記散乱された光が生成したスペックルに関する入力ベイシススペックル情報を取得することを特徴とする請求項１１に記載の近接場イメージング装置。
14. コヒーレント光源からの光が散乱層の一側から他側に通過して前記他側に生成されるスペックルに関する第１スペックル情報を取得するステップと、
    平面波がサンプル及び前記散乱層の一側から他側に通過して前記他側に生成されるスペックルに関する第２スペックル情報を取得するステップと、
    前記第１スペックル情報及び前記第２スペックル情報を用いて前記サンプルに対するイメージを取得するステップと、
    を含むことを特徴とする近接場イメージングを実現する方法。
15. 前記第１スペックル情報を取得するステップは、
    前記コヒーレント光源からの前記光を構造物を通過させて入力ベイシスの光から構成する第１ステップと、
    前記構成された入力ベイシスの光を前記散乱層に通過させて散乱させる第２ステップと、
    前記散乱された光が生成したスペックルに関する入力ベイシススペックル情報を取得する第３ステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１４に記載の近接場イメージングを実現する方法。
16. 前記第１スペックル情報を取得するステップは、
    前記構成された入力ベイシスの光が通過する散乱層上の位置を変更しながら前記第１ステップないし前記第３ステップを行って複数の入力ベイシススペックル情報を取得するステップと、
    前記複数の入力ベイシススペックル情報を用いて前記第１スペックル情報を取得するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１５に記載の近接場イメージングを実現する方法。
17. 前記構造物は、ＮＳＯＭチップ、金属探針、及びプラズモニクスメタ構造のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１５に記載の近接場イメージングを実現する方法。
18. 前記第１スペックル情報及び前記第２スペックル情報を用いて前記サンプルに対するイメージを取得するステップは、
    前記第１スペックル情報及び前記第２スペックル情報の相関関係を算出するステップと、
    前記相関関係を用いて前記サンプルに対する前記イメージを取得するテップと、
    を含むことを特徴とする請求項１４に記載の近接場イメージングを実現する方法。

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