DE102007016588B4

DE102007016588B4 - Mikroskop mit Subwellenlängenauflösung und Verfahren zum Erzeugen eines Bilds eines Objekts

Info

Publication number: DE102007016588B4
Application number: DE102007016588.0A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Tschekalinskij; Stephan Junger; Dr. Weber Norbert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: WO2008122430A9; US20100072353A1; EP2140298A2; JP5108936B2; US8300307B2; JP2010524020A; DE102007016588A1; WO2008122430A2

Abstract

Mikroskop (100) mit Subwellenlängenauflösung, mit folgenden Merkmalen: einer Lichtquelle (102) für monochromatisches Licht (104) mit einer vorbestimmten Wellenlänge (λ); einem Objektträger (108) für ein zu untersuchendes Objekt (110); und einem in CMOS-Technologie hergestellten Bildsensor (20; 30; 80) mit einer optischen Struktur (22; 31; 52) mit einer ersten Seite (22a) und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (22b), wobei die optische Struktur (22; 31; 52) eine negative Brechzahl (n) aufweist; und einem Pixelarray (24), das sich in einem vorbestimmten Abstand (d2) entlang der zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (22; 31; 52) erstreckt, wobei die erste Seite (22a) der optischen Struktur (22; 31; 52) des Bildsensors (20) in einem Nahfeldabstand (d1) kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) zu dem Objektträger (108) angeordnet ist, wobei die optische Struktur (22; 31; 52) ausgebildet ist, um ein evaneszentes Feld (42) von der ersten Seite (22a) zu der zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (22; 31; 52) zu übertragen, und eine Kombination von strukturierten Metallschichten und dielektrischen Schichten aufweist, wobei die Metallschichten so fein strukturieren sind, dass daraus resultierende Mikrostrukturen periodisch angeordnet und kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) sind und ein Abstand zwischen einer dem Pixelarray (24) nächstgelegenen Metallschicht (94-1) und dem Pixelarray (24) kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikroskope mit Subwellenlängenauflösung und auf Verfahren zum Erzeugen eines Bilds eines Objekts.
Schon vor einigen Jahrzehnten sagte der russische Forscher V. Veselago eine Existenz von Materialien mit negativen Brechzahlen n = c₀/c = √ε_rμ_r voraus, wobei c₀ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und c die Lichtgeschwindigkeit in einem Material bedeutet. Weiterhin bedeutet ε_r die dielektrische Leitfähigkeit bzw. Permittivität und μ_r die magnetische Leitfähigkeit bzw. Permeabilität des Materials. Bei einem negativen Brechungsindex n zeigt der Poynting-Vektor S → in die entgegengesetzte Richtung des Wellenvektors k → und der Wellenvektor, die elektrische Feldstärke E → und die magnetische Feldstärke H → formen ein linkshändiges Dreibein. Daher bezeichnet man Materialien mit negativer Brechzahl auch als so genannte linkshändige Materialien.
Die entgegengesetzten Richtungen von Poynting-Vektor S → und Wellenvektor k → haben einen Energietransport entgegen der Wellen- bzw. Lichtausbreitung zur Folge. Beim Übergang von einem linkshändigen Material zu einem Medium mit positiver Brechzahl n wird das Licht nicht nur zum Lot hin gebrochen, sondern sogar darüber hinaus.
Solche so genannten linkhändigen Materialien können erhalten werden, wenn man bei einem Material sowohl eine negative Permittivität ε_r als auch eine negative Permeabilität μ_r vorliegen hat, so dass die Brechzahl n negativ wird. Mit einem solchen linkshändigen Material lässt sich beispielsweise eine ideale Linse beziehungsweise eine sogenannte Superlinse bauen. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass eine punktförmige Lichtquelle ein punktförmiges Abbild hat, also völlig beugungsfrei arbeitet.
Ein klassisches optisches System, wie es in 12 gezeigt ist, ist stets beugungsbegrenzt.
12 zeigt ein Objektiv 10. In einem Arbeitabstand bzw. objektseitigen Abstand f₁ zu dem Objektiv 10 befindet sich eine Ebene mit einem abzubildenden Objekt, also eine Objektebene 12. Eine Bildebene 14 befindet sich in einem bildseitigen Abstand bzw. Bildabstand f₂ zu dem Objektiv 10. Befindet sich ein Objekt bzw. die Objektebene 12 in einem Objektraum mit dem Brechungsindex n, so ergibt sich mit der in 12 gezeigten Anordnung in der Objektebene 12 eine maximale Auflösung zwischen zwei Punkten mit Abstand d von d ≥ 0,61λ / n·sinα' (1) wobei λ die Wellenlänge des die Objektebene 12 beleuchtenden Lichts und n·sinα die numerische Apertur des Objektivs 10 bedeutet.
Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass es klassisch zwei Möglichkeiten gibt, um die Auflösung des in 12 gezeigten optischen Systems zu erhöhen. Man kann einerseits eine Belichtung mit einem Licht kürzerer Wellenlänge λ wählen, wie beispielsweise in der Lithographie mit UV-Licht oder Röntgenlicht, oder man kann im Objektraum, d. h. im Raum links vom Objektiv 10 sogenannte Immersionsflüssigkeiten mit einer gegenüber Luft erhöhten Brechzahl n verwenden. Jedoch selbst bei Immersionsflüssigkeiten mit hoher Brechzahl n, ist diese kleiner als zwei und somit liegt die im Allgemeinen erreichbare Auflösung im Bereich von etwa einer halben Wellenlänge λ/2.
Optische Systeme mit einer Auflösung im Subwellenlängenbereich, d. h. mit Auflösungen, welche deutlich kleiner sind als λ/2, sind in der Vergangenheit bereits demonstriert worden. Die im Vorhergehenden beschriebene Beugungsbegrenzung kann beispielsweise mit Methoden der Nahfeldoptik umgangen werden. Gängige Nahfeldmikroskope haben eine Auflösung von weniger als λ/10.
In einem Beobachtungsabstand zu den Objekten, der sehr viel kleiner ist als die Wellenlänge λ des Lichts, gilt die klassische Beugungstheorie nicht mehr. Somit kann hier die Auflösung auch nicht mehr aufgrund von Beugung begrenzt sein. Das heißt, bei Nahfeldmikroskopen umgeht man praktisch das Rayleigh-Kriterium und erhält somit Auflösungen unterhalb von λ/2. Dieser Bereich des Lichtfeldes, der nah an einem zu untersuchenden Objekt liegt, wird als Nahfeld bezeichnet. Um zusätzliche Informationen aus dem Nahfeld gewinnen zu können, muss man sogenannte evaneszente Feldkomponenten in propagierende Feldkomponenten umwandeln. Als evaneszentes Feld bezeichnet man im Allgemeinen die nichtpropagierende Komponente des Nahfelds. Das evaneszente Feld fällt exponentiell zur Oberflächennormalen des strahlenden Körpers ab. Jedes beleuchtete Objekt erzeugt also ein evaneszentes und ein propagierendes Feld. Ein rein evaneszentes Feld kann man zum Beispiel im Fall von Totalreflexion beobachten. Wird ein einfallender Lichtstrahl an einer Grenzfläche eines optisch dichteren Mediums zu einem optisch dünneren Medium total reflektiert, kann aufgrund der Stetigkeitsbedingung auf der Seite des optisch dünneren Mediums das Feld nicht abrupt Null werden, sondern es fällt exponentiell in den Halbraum des optisch dünneren Mediums ab. Im Allgemeinen ist das evaneszente Feld bereits in einem Abstand von ca. λ/2 von der Grenzfläche der beiden optischen Medien verschwunden. Gerade dieses Feld enthält aber Informationen über Strukturen unterhalb der klassischen Auflösungsgrenze.
Um evaneszente Feldkomponenten in propagierende Feldkomponenten umzuwandeln, kann man beispielsweise ein Streuzentrum in das Nahfeld einbringen. In diesem Streuzentrum werden durch das evaneszente Feld Dipolschwingungen angeregt, so dass wieder evaneszente und propagierende Feldkomponenten als Ergebnis der Wechselwirkung des Streuzentrums mit dem Nahfeld des Objekts entstehen. Eine andere Möglichkeit ist die Abtastung einer Objektoberfläche mit einer optischen Sonde mit einer Singlemodefaser, an deren Ende sich eine Blende mit einem Lochdurchmesser von etwa 40 Nanometer befindet. Das aus diesen Wellenleiter austretende Licht trifft auf die Objektebene und ändert dadurch sein evaneszentes Feld. Ein abgesetzter Empfänger und dessen Signalverarbeitung registriert diese Änderung des evaneszenten Feldes, woraus sich Brechzahl n und Transmissions- und Reflexionskoeffizienten berechnen lassen. Verschiedene Verfahren zur Messung des Nahfelds sind beispielsweise in der Dissertation „Eine hochauflösende optische Nahfeld-Sonde für Fluoreszenzmessungen an biologischen Proben” von Heinrich Gotthard Frey beschrieben.
Erst in den letzten Jahren sind die theoretischen Eigenschaften der eingangs beschriebenen linkshändigen Materialien in Experimenten praktisch nachgewiesen worden. Es wurden optische linkshändige Strukturen realisiert, die Objektstrukturen im Subwellenlängenbereich abbilden, sogenannte Superlinsen. Diese optischen Strukturen mit negativer Brechzahl übertragen das evaneszente Feld eines belichteten Objekts, welches Informationen über höhere Ortsfrequenzen trägt (z. B. von Strukturen, die kleiner als die Wellenlänge λ des verwendeten Lichts sind), und bilden es fast verlustfrei von der Objektebene in die Bildebene ab. Diese linkshändigen Materialien rekonstruieren die evaneszenten Felder von Subwellenlängenstrukturen.
Derzeit sind keine in der Natur existierenden Materialien mit negativem Brechungsindex oder mit negativer Permeabilität μ_r bekannt. Künstlich lassen sich diese Eigenschaften jedoch mit sogenannten Metamaterialien oder photonischen Kristallen erzielen, welche kleine periodische Strukturen aufweisen, die deutlich kleiner als die Belichtungswellenlänge λ sind, so dass die elektromagnetischen Wellen nur effektive Materialeigenschaften spüren. Einige Experimente, die die Theorie linkshändiger Materialien bestätigen, sind in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben. Hyesog Lee, Yi Xiong, Nicholas Fang, Werayut Srituravanich, Stephane Durant, Muralidhar Ambati, Cheng Sun and Xiang Zhang: „Realization of optical superlens imaging below the diffraction limit”, Wenshan Cai, Dentcho A. Genov, and Vladimir M. Shalaev: ”Superlens based an metal-dielectric composites”, Gennady Shvets: „Band engineering using electrostatic resonances applications to super-lensing”.
Auch vergrößert wirkende Abbildungen mit Superlinsen sind bekannt, die Veröffentlichung ”Magnifying Superlens in the visible frequency range” z. B. zeigt theoretische und experimentielle Ergebnisse.
Während der Einsatz linkshändiger Materialien zur Erreichung von Auflösungen im Subwellenlängenbereich bekannt ist, fehlen derzeit jedoch geeignete Bildsensoren, um komplette zweidimensionale Bilder von Objektproben im Subwellenlängenbereich zu erfassen. Bei den im Vorhergehenden beschriebenen Nahfeldmikroskopen muss eine Objektprobe punktweise abgetastet werden, so dass ein punktweises zweidimensionales Abscannen der Probenoberfläche erforderlich ist, um ein komplettes Bild zu erhalten. Zudem ist das Übertragen des evaneszenten Feldes auf einen Fotoempfänger mit Hilfe zusätzlicher Optiken, wie Wellenleiter oder Linsen relativ problematisch. Das schwache und mit zunehmendem Abstand exponentiell abklingende evaneszente Feld wird durch die Übertragung auf den Fotoempfänger weiter abgeschwächt, was zu einer geringen Messgenauigkeit führt. Außerdem können bei einer herkömmlichen Nahfelddetektion lediglich statische Objekte erfasst werden, da entweder ein Belichten einer filmähnlichen Schicht oder ein Abscannen des Objekts erforderlich ist.
In Fang et al. „Sub-Diffraction-Limited Optical Imaging with a Silver Superlens. In: Science, Bd. 308, S. 534–537, wird über die Verwendung von Silber-Superlinsen zur Aufnahme von evaneszenten Feldern berichtet. In dem dort gezeigten Versuchsaufbau wurde eine in eine Chrom-Schicht eingebrachte Strukturierung dadurch mit Subwellenlängenauflösung aufgenommen, dass selbige mit monochromatischem Licht durchleuchtet wurde, und eine Silber-Superlinsenstruktur das Subwellenlängenabbild auf einen Fotoresist zur Aufnahme überträgt. Als mögliche Superlinsen werden solche mit negativer Permeabilität und Permittivität oder beidem und photonische Kristalle (vgl. letzter Absatz, Seite 534) erwähnt.
Die US 2005/0 233 493 A1 offenbart einen Bildsensor mit einer „Superlinse”, die eine negative Brechzahl aufweisen kann, und die eine erste Seite und eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite aufweist. In dem Bildsensor ist ein Pixelarray vorgesehen, das sich in einem vorbestimmten Abstand entlang der zweiten Seite der „Superlinse” erstreckt. Zur Überbrückung des Abstands werden SPP-Strukturen verwendet.
Die US 2005/0 237 384 A1 zeigt ein chirurgisches Mikroskop mit einer Lichtquelle und einem herkömmlichen Bildsensor, um ein Bild einer Objektregion aufzuzeichnen.
Die WO 2006/055 798 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Steuern der Ausbreitung einer einfallenden elektromagnetischen Strahlung, die ein Verbundmaterial mit elektromagnetisch reaktiven Zellen umfasst, deren Dimension klein relativ zu einer Wellenlänge der einfallenden elektromagnetischen Strahlung ist. Mindestens eine einer kapazitiven und einer induktiven Eigenschaft von mindestens einer der elektromagnetisch reaktiven Zellen ist zeitlich steuerbar.
In Catrysse et. al.: „An Integrated Color Pixel in 0.18 µm CMOS technology”, IEDM, 2001 wird ein CMOS-Technologieintegriertes Farbpixel mit einer Metallstruktur als Filter in den oberen Metallschichten offenbart, das es einer einfallenden optischen Welle ermöglicht, Plasmonen an der vorderen Metalloberfläche zu erzeugen, welche hernach mit Plasmonen an der Rückseite durch die Löcher in der Metallschicht koppeln, wo wieder eine Photonenemission stattfindet. Die Resonanzwellenlänge für eine solche Oberflächenplasmonen-induzierte Übertragung hinge von dem Metalltyp, dem umgebenden Dielektrikum und der Geometrie des Musters ab (vgl. letzter Absatz in Abschnitt „Discussion”).
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Mikroskop mit Subwellenlängenauflösung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Bilds eines Objekts bereitzustellen, so dass ein komplettes Bild eines Objekts ohne eine Punkt-für-Punkt-Abtastung des Objekts bereitgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikroskop mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes gemäß Anspruch 13 gelöst. Soweit im Folgenden von einem Ausführungsbeispiel die Rede ist, beispielsweise von einem Bildsensor, so ist dieses im Kontext der Anspruchsgegenstände zu verstehen.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine gegenüber beugungsbegrenzten Optiken verbesserte optische Auflösung erzielt werden kann, indem ein Objekt mittels einer optischen Struktur mit einer negativen Brechzahl auf ein Pixelarray abgebildet wird, welches sich in einer Bildebene bzw. Abbildungsebene der optischen Struktur befindet. Dazu wird gemäß Ausführungsbeispielen ein zu betrachtendes Objekt in einer Objektebene in einem Nahfeldabstand zu einer ersten Seite der optischen Struktur mit negativen Brechungsindex gebracht, wobei das zu betrachtende Objekt mit monochromatischem Licht beleuchtet wird. Der Nahfeldabstand zwischen Objekt und der ersten Seite der optischen Struktur ist gemäß Ausführungsbeispielen kleiner als die Wellenlänge λ des monochromatischen Lichts. Das aufgrund der Beleuchtung des Objekts an dem Objekt entstehende evaneszente Feld wird von der ersten Seite der optischen Struktur zu einer dieser gegenüberliegenden zweiten Seite übertragen. In einem Nahfeldabstand kleiner als die Wellenlänge des monochromatischen Lichts befindet sich entlang der zweiten Seite der optischen linkshändigen Struktur der Pixelarray, um das übertragene evaneszente Feld zu detektieren und danach weiter zu verarbeiten.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist der Bildsensor mit der optischen Struktur mit negativer Brechzahl und Pixelarray in einem CMOS-Prozess hergestellt. Dabei weist der Pixelarray ein zweidimensionales Array aus PN-Übergangssensoren, insbesondere Photodioden auf. Die einzelnen Pixelelemente des Pixelarrays sind zur Detektion des evaneszenten Feldes im Subwellenlängenbereich beabstandet.
In einem Abstand kleiner der Wellenlänge, wie z. B. kleiner als 1,2 μm, bevorzugt kleiner 1 μm und noch bevorzugter kleiner 0,8 μm, von dem Pixelarray verläuft die zweite Seite der optischen Struktur. Gemäß Ausführungsbeispielen weist die optische Struktur eine Kombination von strukturierten Metallschichten und dielektrischen Schichten auf, so dass durch die Strukturierung eine negative Brechzahl für die Wellenlänge des monochromatischen Lichts bzw. die Belichtungswellenlänge erzielt wird. Die Kombination der strukturierten Metallschichten und der dielektrischen Schichten kann so ausgebildet sein, dass es sich bei der optischen linkshändigen Struktur um ein Metamaterial oder um einen photonischen Kristall handelt.
Dabei wird im Nachfolgenden davon ausgegangen, dass ein Metamaterial aus einem Schichtstapel verschiedener dielektrischer Materialien gebildet wird, wobei auf einer obersten dielektrischen Schicht eine Metallschicht mit Mikroaperturen platziert ist. Dabei soll unter Mikroapertur eine strukturierte Öffnung mit Abmessungen kleiner als die Belichtungswellenlänge verstanden werden.
Als photonischer Kristall sei im Nachfolgenden eine Struktur bezeichnet, die im Wesentlichen die Merkmale eines photonischen Kristalls aufweist. Insbesondere sind Strukturen gemeint, welche periodische (metallische) Strukturen mit Abmessungen kleiner als die Belichtungswellenlänge in einem dielektrischen Material aufweisen. Sie zeigen daher einzigartige optische Eigenschaften, wie beispielsweise Raumwinkelselektivität und spektrale Selektivität.
Ein Vorteil gemäß Ausführungsbeispielen besteht darin, dass er eine Auflösung und Erfassung von Strukturen ermöglicht, die viel kleiner sind als die Belichtungswellenlänge λ. Ein Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen kann beispielsweise angewendet werden, um in einem Mikroskop mit Subwellenauflösungen gleichzeitig das gesamte Bild eines zu untersuchenden Objekts zu erfassen und in ein elektrisches Videosignal umzuwandeln. Ein Mikroskop mit Subwellenauflösungen gemäß Ausführungsbeispielen braucht kein Objektiv, da eine Abbildungsoptik bereits in einem Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen integriert ist. Es besteht die Möglichkeit, ein in ein elektrisches Signal umgewandeltes evaneszentes Feld direkt im Sensor zu verstärken, zu verarbeiten und zu digitalisieren.
Ein weiterer Vorteil von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Auflösung eines beugungsbegrenzten Systems erhöht werden kann. Dies kann dadurch erfolgen, indem man in eine Bildebene der beugungsbegrenzten Optik einen Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen anbringt. Dadurch können Strukturen, die kleiner als etwa eine halbe Wellenlänge sind, aufgelöst werden. Wird ein Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einer Kamera mit beugungsbegrenzter Optik verwendet, kann aufgrund der ausgeprägten Winkelselektivität der optischen linkshändigen Strukturen, die zu einer Trennung beziehungsweise Unterdrückung störender Beugungsanteile führt, eine Auflösung im Subwellenlängenbereich erzielt werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Bilds eines Objekts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine perspektivische Darstellung eines Bildsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine perspektivische Darstellung eines Bildsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4a bis 4c Seitenansichten eines Metamaterials mit negativer Brechzahl, die eine Objektebene, einer Bildebene des Metamaterials, und einem Verlauf eines evaneszenten Feldes, gemäß Ausführungsbeispielen für verschiedene Evaneszenzfelderzeugungen zeigen;
5 eine Seitenansicht eines Bildsensors mit Metamaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6a eine Seitenansicht eines photonischen Kristalls mit negativer Brechzahl, und einer Objektebene und einer Bildebene des photonischen Kristalls, gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei 6b und 6c Abwandlungen von 6a gemäß 4b und 4c zeigen;
7 eine Draufsicht auf eine Metallschicht mit Split-Ring-Resonatoren gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 eine Seitenansicht eines Bildsensors mit photonischem Kristall gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 eine Seitenansicht eines mit CMOS-Technik gefertigten Schichtstapels aus Pixelarray, Metallschichten und dielektrischen Schichten, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 eine schematische Darstellung eines Mikroskops mit einem Bildsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
11a eine schematische Darstellung einer optischen Vorrichtung mit eines beugungsbegrenzten Objektivs und einem Bildsensor zur Veranschaulichungszwecken;
11b eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Darstellung von 11a zur Verdeutlichung der Winkelselektivitätseigenschaften des photonischen Kristalls in 11a; und
12 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen beugungsbegrenzten Optik.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen im Nachfolgenden dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Bildes eines beleuchteten oder leuchtenden Objekts im Subwellenlängenbereich des beleuchtenden Lichts.
In einem ersten Schritt S1 wird das zu betrachtende bzw. das zu untersuchende Objekt, welches sich auf einem Objektträger befindet, beleuchtet. Dabei findet die Beleuchtung des Objekts gemäß Ausführungsbeispielen mit einem monochromatischen Licht mit einer Wellenlänge λ von beispielsweise kleiner als 1,2 μm statt.
In einem zweiten Schritt S2 wird eine erste Seite einer optischen Struktur mit negativer Brechzahl n in einem Nahfeldabstand d₁ zu dem Objekt angeordnet.
Die beiden Schritte S1 und S2 können auf verschiedene Arten und Weisen aufeinander abgestimmt sein, so dass ein durch die Beleuchtung des Objekts objektseitig hervorgerufenes evaneszentes Lichtfeld an der ersten Seite der optischen Struktur in einem noch zu erörternden, nachfolgenden Schritt die gegenüberliegende zweite Seite der optischen Struktur erreichen kann. Drei Möglichkeiten werden im folgenden näher bezüglich der 4a bis 4c verdeutlicht, weshalb an dieser Stelle nur ganz kurz auf dieselben eingegangen wird.
Eine erste Möglichkeit besteht beispielsweise darin, dass eine Grenzfläche von einem optischen dichteren zu einem optischen dünneren Medium, wie z. B. eine Prismenfläche, nahe der Vorderseite der optischen Struktur angeordnet wird und eine Beleuchtung der Prismenfläche von dem optisch dichterem Medium aus in einem Winkel zu der Prismenfläche vorgenommen wird, bei dem Totalreflexion an der Prismengrenzfläche entsteht. Unter diesen Bedingungen bildet sich in dem optischen dünnerem Medium zwischen der Prismengrenzfläche und der Vorderseite der optischen Struktur ein evaneszentes Feld aus, das ein zu untersuchendes Objekt zwischen der Prismengrenzfläche und der Vorderseite beleuchtet. Damit das von dem Objekt in Phase oder Amplitude modulierte evaneszente Feld die erste Seite der optischen Struktur mit negativer Brechzahl n erreichen kann, kann ein Abstand d₁ zwischen dem Objekt und der ersten Seite der optischen Struktur verwendet werden, der vorzugsweise kleiner als die Wellenlänge des zur Beleuchtung verwendeten, beispielsweise monochromatischen, Lichts ist, wie z. B. ein Abstand kleiner als 1,2 μm.
Eine zweite Möglichkeit besteht beispielsweise darin, dass das Objekt in einem optischen Kontakt mit der Vorderseite der optischen Struktur steht, also z. B. dieselbe berührt, und von der der optischen Struktur abgewandten Seite beleuchtet wird. In diesem Fall entsteht ein evaneszentes Feld an Subwellenlängenöffnungen an der Vorderseite der optischen Struktur. Amplitude und Phase des evaneszenten Feldes, das an einer jeweiligen der Subwellenlängenöffnungen entsteht, hängen von elektrischen und/oder magnetischen Permeabilitäten des Objektes ab, die letzteres an der lokalen bzw. lateralen Stelle hat, die mit der jeweiligen Öffnung gerade in optischem Kontakt steht.
Eine dritte Möglichkeit besteht beispielsweise darin, dass das Objekt in einem Nahfeld zu der Vorderseite der optischen Struktur angeordnet ist, während es von der der optischen Struktur abgewandten Seite her beleuchtet wird, und zwar beispielsweise schräg, wobei in diesem Fall beispielsweise ein evaneszentes Feld an einer der optischen Struktur zugewandten Seite des Objektes entsteht, das dann die Subwellenlängenöffnungen an der Vorderseite der optischen Struktur erreicht und von denselben aus dem Fernfeld herausgefiltert wird. Damit das evaneszente Feld von dem Objekt die erste Seite der optischen Struktur mit negativer Brechzahl n erreichen kann, kann ein Abstand zwischen dem Objekt und der ersten Seite der optischen Struktur vorzugsweise kleiner als die Wellenlänge des zur Beleuchtung verwendeten, beispielsweise monochromatischen, Lichts, verwendet werden, wie z. B. ein Abstand kleiner als 1,2 μm.
In einem dritten Schritt S3 wird das evaneszente Feld des Objekts, welches die erste Seite der optischen Struktur erreicht hat bzw. dort entsteht, von der ersten Seite zu einer zweiten Seite der optischen Struktur übertragen. Eine Übertragung des evaneszenten Felds ist durch die Verwendung eines optischen Materials mit negativer Brechzahl in einem interessierendem Wellenlängenbereich möglich. Somit kann das evaneszente Feld von der ersten Seite zu der zweiten Seite der optischen Struktur propagieren.
In einem vierten Schritt S4 wird das evaneszente Feld an der zweiten Seite der optischen Struktur durch einen Pixelarray erfasst. Dabei ist der Pixelarray entlang der zweiten Seite der optischen Struktur in einem Abstand d₂ angeordnet, der vorzugsweise kleiner als die Wellenlänge des beleuchtenden Lichts ist, d. h. d₂ < λ. Wie Eingangs bereits erwähnt wurde, klingt ein evaneszentes Feld eines Objekts relativ schnell ab, daher auch sein Name. Das ist der Grund dafür, dass für eine Nahfelddetektion sowohl der erste Abstand d₁ als auch der zweite Abstand d₂ jeweils kleiner als die Belichtungswellenlänge λ gewählt werden sollten.
1 beschreibt also ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes eines Objekts, mit einem Schritt des Belichtens des Objekts unter Anordnung einer ersten Seite einer optischen Struktur mit negativer Brechzahl in einem Nahfeldabstand zu dem Objekt, so dass ein evaneszentes Feld von dem Objekt die erste Seite erreicht und das evaneszente Feld von der ersten Seite zu einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite der optischen Struktur übetragen wird, und einem Schritt des Erfassens des evaneszenten Feldes an der zweiten Seite durch ein Pixelarray.
2 zeigt einen Bildsensor 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel zur Durchführung des anhand von 1 beschriebenen Verfahrens.
Der Bildsensor 20 weist eine optische Struktur 22 mit einer ersten Seite 22a und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite 22b auf. Die optische Struktur 22 hat eine negative Brechzahl n, d. h. n < 0. Des Weiteren umfasst der Bildsensor 20 ein Pixelarray 24, dass sich in einem vorbestimmten Abstand d₂ entlang der zweiten Seite 22b erstreckt.
Die optische Struktur 22, welche auch als linkshändige Struktur bezeichnet werden kann, ist gemäß Ausführungsbeispielen ausgebildet, um ein evaneszentes Lichtfeld E_Evan von der ersten Seite 22a zu der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 22 zu übertragen. Der Pixelarray 24 ist ausgebildet, um ein zweidimensionales Bild zu erfassen und weist dazu gemäß Ausführungsbeispielen (X·Y) Sensorelemente 26 auf, um ein zweidimensionales Bild mit X·Y Bildpunkten darstellen zu können. Die Sensorelemente 26 sind gemäß Ausführungsbeispielen als PN-Übergangssensoren ausgebildet. Dabei meint ein PN-Übergangssensor einen Sensor mit einem durch unterschiedliche Dotierung realisierten PN-Übergang. Gemäß Ausführungsbeispielen sind die PN-Übergangssensoren 26 als Photodioden ausgebildet. Das heißt, bei dem Pixelarray 24 handelt es sich gemäß Ausführungsbeispielen um einen Photodiodenarray.
Benachbarte Sensorelemente 26 des Pixelarrays 24 sind gemäß Ausführungsbeispielen 24 jeweils in einem Abstand kleiner als die Belichtungswellenlänge λ angeordnet, um Bilder eines zu untersuchenden Objekts im Subwellenlängenbereich erfassen zu können. Es mag allerdings auch sein, dass die optische Struktur vergrößernde Eigenschaften aufweist, die es ermöglichen, die Pixelgröße zu erhöhen, wie z. B. aufgrund des höheren Brechungsindex des Materials zwischen optischer Struktur und empfindlicher Fläche des Pixelsensors, wobei hierzu auf den Artikel „Magnifying superlenses in the visible frequency range” von Smolyaninov, Hung und Davis in Science, 315, 23. März 2007, S. 1699–1701 verwiesen sei.
Der vorbestimmte Abstand d₂ des Pixelarrays von der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 22 ist gemäß Ausführungsbeispielen derart eingestellt, dass ein von der ersten Seite 22a zu der zweiten Seite 22b übertragenes und aus der zweiten Seite 22b austretendes evaneszentes Feld von dem Pixelarray 24 erfasst werden kann. Beispielsweise werden Belichtungswellenlängen kleiner als 1,2 μm verwendet, und zwar beispielsweise zusammen mit CMOS-Pixelsensoren. In diesem Fall würde der Abstand d₂ beispielsweise ebenfalls kleiner als 1,2 μm gewählt werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der Abstand d₂ kleiner als 1 μm oder sogar kleiner als 0,8 μm.
Des Weiteren kann eine optische Struktur mit negativer Brechzahl, das heißt ein linkshändiges Material mittels eines sogenannten Metamaterials aufgebaut werden. Ein Metamaterial ist dabei ein zusammengesetztes Material, dessen elektromagnetische Materialeigenschaften von seiner Struktur, anstatt der spezifischen Eigenschaften des Materials oder der Materialien aus denen es besteht, abhängen. Im Nachfolgenden davon ausgegangen, dass ein Metamaterial aus einem Schichtstapel mit einer Sandwichstruktur aus mehreren dielektrischen Schichten, welche geeignete Dielektrizitätskonstanten und Schichtdicken aufweisen, gebildet wird, wobei auf einer obersten dielektrischen Schicht eine Metallschicht mit Mikroaperturen platziert ist. Dabei soll unter Mikroapertur eine strukturierte Öffnung mit Abmessungen kleiner als die Belichtungswellenlänge verstanden werden.
Ein Bildsensor 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem derart aufgebauten Metamaterial ist in 3 gezeigt.
Der Bildsensor 30 in 3 weist in einem Abstand d₂ < λ von dem Pixelarray 24 eine optische Struktur aus einem Schichtstapel 31 auf. Der Schichtstapel umfasst eine erste dielektrische Schicht 32, welche die zweite Seite der optischen Struktur 31 bildet, eine zweite dielektrische Schicht 34 und eine dritte dielektrische Schicht 36. Des Weiteren umfasst der Schichtstapel 31 auf der dritten dielektrischen Schicht 36 eine Metallschicht 38, in der sich Mikroaperturen 40 befinden. Bei den Mikroaperturen 40 handelt es sich beispielsweise um kreisförmige Mikroöffnungen. Generell liegt eine Größe bzw. ein Durchmesser der Mikroaperturen bzw. der Mikroöffnungen 40 und ein Abstand zweier benachbarter Mikroaperturen 40 zueinander im Subwellenbereich. Das heißt, sowohl Durchmesser der Mikroaperturen 40 als auch Abstände zweier benachbarter Mikroaperturen 40 sind kleiner als die Belichtungswellenlänge, d. h. kleiner als beispielsweise 1,2 μm.
Bei dem Metall der Metallschicht 38 handelt es sich beispielsweise um in CMOS-Prozessen verwendete Metalle wie z. B. Aluminium oder Kupfer. Des Weiteren sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es sich bei den in 3 kreisförmig dargestellten Mikroaperturen auch um andere Strukturen, wie beispielsweise Rechtecke, Hexagons, Gitterlinien oder dergleichen im Subwellenlängenbereich handeln kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der Sandwichstruktur aus der ersten dielektrischen Schicht 32, der zweiten dielektrischen Schicht 34 und der dritten dielektrischen Schicht 36 um eine SiO₂/SiC/SiO₂-Struktur, auf der sich die Metallschicht 38 befindet. Das heißt, sowohl die erste dielektrische Schicht 32 als auch die dritte dielektrische Schicht 36 sind SiO₂-Schichten (SiO₂ = Siliziumdioxid). Die dielektrische Schicht 34 ist eine SiC-Schicht (SiC = Siliziumcarbid). Dabei ist die Permittivität ε_r,SiC der SiC-Schicht 34 ungefähr gleich der negativen Permitivitäten ε_r,SiO2 der SiO₂-Schichten 32, 36, d. h. ε_r,SiC = –ε_r,SiO2.
Andere dielektrische Schichten 32, 34, 36 mit geeigneten Materialeigenschaften, die zu einer negativen Brechzahl führen, sind natürlich ebenfalls denkbar.
Eine Seitenansicht des Metamaterials bzw. des Schichtstapels 31 aus den dielektrischen Schichten 32, 34, 36 und der Metallschicht 38 ist in 4a gezeigt.
Die durch die Metallschicht 38 gebildete erste Seite 22a der optischen Struktur bzw. des Metamaterials 31 befindet sich bei Anwendungen eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen in einem Nahfeldabstand d₁ von einer Objektebene 41, damit ein von dem zu untersuchenden Objekt ausgehendes evaneszentes Feld 42 die erste Seite 22a bzw. die Metallschicht 38 erreicht. Durch die speziellen Eigenschaften der optischen Struktur 31 (negative Brechzahl) wird das evaneszente Feld 42 beim Übertragen von der ersten Seite zu der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 31 verstärkt, so wie es in 4a schematisch angedeutet ist. Beim Austritt an der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 31 bzw. an der Grenzfläche der dielektrischen Schicht 32 nimmt das übertragene evaneszente Feld 42 wieder schnell ab. Daher sollte die Ebene bzw. die Bildebene 44, wo das evaneszente Feld detektiert wird, nicht weiter als d₂ < λ von der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 31 beabstandet sein.
Wie in 4a dargestellt, fällt die Feldstärke des evaneszenten Feldes 42 zwischen der Objektebene 41 und der Metallschicht 38 exponentiell ab und trifft dann auf die optische Struktur bzw. die Superlinse 31, die aus der strukturierten Metallschicht 38 und den dielektrischen Schichten 32, 34, 36 besteht. Diese optische Struktur 31 überträgt das evaneszente Feld 42 ohne Verluste bis zur zweiten Seite 22b, wo die Feldstärke des übertragenen evaneszenten Feldes 42 wieder abklingt. Daher sollte der Abstand d₂ zwischen der zweiten Seite 22b und der Bildebene 44, wo das evaneszente Feld registriert wird, kleiner als die Belichtungswellenlänge λ sein, damit die Feldstärke nicht so gering ist.
4a bezog sich somit auf die oben erwähnte dritte Möglichkeit zur Evaneszenzfelderzeugung, wonach das Objekt 41 in einem Nahfeldabstand d₁ zu der Vorderseite 38 der optischen Struktur 31 angeordnet ist, während es von der der optischen Struktur 31 abgewandten Seite her beleuchtet wird, und zwar beispielsweise schräg zur Vorderseite 38, wobei in diesem Fall beispielsweise ein evaneszentes Feld 42 an einer der optischen Struktur zugewandten Seite 41 des Objektes entsteht, das dann die Subwellenlängenöffnungen an der Vorderseite 38 der optischen Struktur 31 erreicht und von den Superlinsenöffnungen in derselben aus dem Fernfeld herausgefiltert wird.
4b bezieht sich auf die vorerwähnte erste Möglichkeit zur Evaneszenzfelderzeugung, wonach eine Grenzfläche 45 von einem optischen dichteren Medium, nämlich hier exemplarisch einem Prisma 46 zu einem optischen dünneren Medium 47 nahe der Vorderseite 22a der optischen Struktur 31 angeordnet wird und eine Beleuchtung der Prismenfläche 45 von dem optisch dichterem Medium aus in einem Winkel α zu der Prismenfläche 45 vorgenommen wird, bei dem Totalreflexion an der Prismengrenzfläche 45 entsteht. Unter diesen Bedingungen bildet sich in dem optischen dünnerem Medium 47 zwischen der Prismengrenzfäche 45 und der Vorderseite 22a der optischen Struktur 31 das evaneszente Feld 42 aus, das ein zu untersuchendes Objekt 48 zwischen der Prismengrenzfläche 45 und der Vorderseite 22a beleuchtet. Das von dem Objekt 48 in Phase oder Amplitude modulierte evaneszente Feld 42 erreicht die erste Seite 22a der optischen Struktur 31 mit negativer Brechzahl n.
Auf die vorerwähnte zweite Möglichkeit zur Evaneszenzfelderzeugung bezieht sich beispielsweise 4c. Das Objekt 48 befindet sich hier in einem optischen Kontakt mit der Vorderseite 38 der optischen Struktur 31, wie z. B. durch Berührung. Beleuchtet wird von der der optischen Struktur 31 abgewandten Seite aus. In diesem Fall entsteht das evaneszentes Feld an den Subwellenlängenöffnungen an der Vorderseite 22a der optischen Struktur 31. Amplitude und Phase des evaneszenten Feldes, das an einer jeweiligen der Subwellenlängenöffnungen entsteht, hängen von elektrischen und/oder magnetischen Permeabilitäten des Objektes 48 ab, die letzteres an der lokalen bzw. lateralen Stelle hat, die mit der jeweiligen Öffnung 49 gerade in optischem Kontakt steht.
5 zeigt eine Seitenansicht des bereits in 3 gezeigten integrierten Bildsensors 30. Der Chip bzw. der Bildsensor 30 umfasst eine strukturierte Metallschicht 38 und drei dielektrische Schichten 32, 34, 36, die zusammen ein Material mit negativer Dielektrizitätskonstante ε_r bilden. In 5 liegt die Objektebene 41 sehr nahe, d. h. in einem Nahfeldabstand, an der Metallschicht 38, die Abbildungsebene 44 liegt wiederum sehr nahe an dem Fotodiodenarray 24 bzw. der Fotodiodenarray 24 liegt direkt in der Abbildungsebene 44. Der Fotodiodenarray 24 erstreckt sich in einem Abstand d₂ < λ entlang der zweiten 22b Seite der optischen Struktur 31.
Neben den beschriebenen Metamaterialien besteht eine weitere Möglichkeit, ein linkshändiges Material mit negativer Brechzahl zu erzeugen, in der Herstellung einer dreidimensionalen periodischen Struktur, deren periodisch angeordnete Elemente Abmessungen und Abstände zueinander aufweisen, die kleiner als die Wellenlänge λ des beleuchtenden Lichts sind. Solche dreidimensionalen periodischen Strukturen können gemäß Ausführungsbeispielen beispielsweise sog. photonische Kristalle sein oder optische Strukturen, die sich wie ein photonischer Kristall erhalten. Im Nachfolgenden werden derartige Strukturen allgemein als photonische Kristalle bezeichnet.
Photonische Kristalle umfassen strukturierte Halbleiter, Gläser oder Polymere und zwingen Licht mittels ihrer spezifischen Struktur dazu, in der sich für eine Bauteilfunktion notwendigen Art und Weise im Medium auszubreiten. Es sind periodische dielektrische und/oder metallische Strukturen, deren Periodenlänge so eingestellt ist, dass sie die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in ähnlicher Weise beeinflussen, wie das periodische Potential in Halbleiterkristallen die Ausbreitung von Elektronen.
Eine optische Struktur 52, die sich praktisch wie ein photonischer Kristall verhält, ist in 6a gezeigt.
Die in 6a gezeigte optische Struktur 52 mit negativer Brechzahl umfasst periodisch angeordnete Metallschichten 60 in einem dielektrischen Medium 62, wie z. B. SiO₂. Die Metallschichten 60 weisen beispielsweise Mikroöffnungen auf, so wie es in der Seitenansicht der optischen Struktur 52 in 6a angedeutet ist. Die geometrische Form dieser Mikroöffnungen kann vielfältig ausgestaltet sein und hängt von den gewünschten elektromagnetischen Eigenschaften der optischen Struktur 52 ab. Möglich sind beispielsweise kreisförmige Mikroöffnungen, deren Abmessungen und Abstände zueinander in der Größenordnung von der Belichtungswellenlänge λ bzw. kleiner als die Belichtungswelle λ sind. Ein Abstand l zwischen benachbarten Metallschichten 60 liegt ebenfalls in der Größenordnung der Belichtungswellenlänge λ bzw. ist kleiner als diese.
Auch hier wird, um ein beispielsweise von der Objektebene 41 ausgehendes auf die erste Seite eintreffendes oder an der ersten Seite entstehendes evaneszentes Feld von der ersten Seite 22a der optischen Struktur 52 zu der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 52 zu transportieren, die erste Seite 22a in einem Nahfeldabstand d₁ kleiner als die Belichtungswellenlänge λ von der Objektebene 41 platziert. Die Bildebene 44, in der vorzugsweise der Pixelarray 24 platziert wird, erstreckt auch bei dem in 6a gezeigten Ausführungsbeispiel der optischen Struktur 52 in einem Abstand d₂ kleiner als die Belichtungswelle λ von der zweiten Seite 22b.
Der Feldstärkeverlauf des evaneszenten Feldes ergibt sich bei der in 6a gezeigten Ausführungsform in ähnlicher Weise, wie es anhand von 4a im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde. Das heißt, durch die optische Struktur bzw. den photonischen Kristall 52 mit negativer Brechzahl wird ein an der ersten Seite 22a eintreffendes evaneszentes Feld bei der Übertragung durch die optische Struktur 22 zu deren zweiten Seite 22b hin verstärkt. Dieser Effekt der Verstärkung von Nahfeldwellen wird beispielsweise in C. Lou et. al, „Subwavelength imaging in photonic chrystals”, beschrieben.
Ähnlich den 4a–4c zeigen 6b und 6c weitere Evaneszenzfelderzeugungsmöglichkeiten in dem Zusammenhang mit einem photonischen Kristall. Bezüglich näherer Details wird auf die Beschreibung der Figuren 4b und 4c verwiesen.
7 zeigt eine mögliche Ausführungsform von in den Metallschichten 60 realisierten Mikroelementen.
7 kann als eine Draufsicht auf die optische Struktur 52 mit negativer Brechzahl gesehen werden. In ein dielektrisches Medium 62 (schwarz dargestellt) sind in metallischen Schichten Mikroelemente 70 (weiß dargestellt) eingebracht. Dabei zeigt 7 exemplarisch einen Ausschnitt mit sechs periodisch angeordneten Mikroelementen 70, die eine sog. Split-Ring-Rensonator-Struktur aufweisen. 7 zeigt also eine Draufsicht einer möglichen Realisierungsform der in 6a in einer Seitenansicht gezeigten verschiedenen Schichten 60 mit metallischen Mikroelementen 70. Die Abmessungen der Mikroelemente 70 sind dabei deutlich kleiner als die Belichtungswellenlänge λ. Ändert man das Verhältnis der Radien des äußeren und des inneren Kreises eines Split-Ring-Rensonators 70, so ändert sich die entsprechende Resonator-Wellenlänge. Es sei hervorzuheben, dass auch andere Strukturen, wie beispielsweise so genannte LC-Loaded Transmission Lines, möglich sind, wobei wichtig ist, dass eine gesamte Transmission möglichst hoch ist.
8 zeigt zusammenfassend ein unter Verwendung einer anhand von 6 und 7 beschriebenen optischen Struktur 52 resultierenden in CMOS-Technik realisierten integrierten Bildsensor 80, der an dieser Stelle nicht näher beschrieben werden soll, da er sich im Aufbau lediglich durch das verwendete linkshändige Material 52 von dem anhand von 5 beschriebenen Bildsensor unterscheidet.
Bildsensoren basierend auf den im Vorhergehenden beschriebenen linkshändigen Materialien (Metamaterialien und dreidimensionale photonische Kristalle) lassen sich mit CMOS-Prozessen, wie beispielsweise einen CMOS-Opto-Prozess, realisieren, ohne dass zusätzliche Prozessschritte oder weitere Bearbeitungen erforderlich sind.
Ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Bildsensors auf einem Substrat umfasst gemäß Ausführungsbeispielen einen Schritt des Erzeugens eines Photodiodenarrays 24 an einer Substratoberfläche des Substrats und ein Aufbringen einer optischen Struktur mit einer negativen Brechzahl auf den Photodiodenarray, so dass sich der Photodiodenarray in einem vordefinierten Abstand d₂ entlang der optischen Struktur erstreckt, wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das Aufbringen der optischen Struktur ein Aufbringen eines Schichtstapels aus wenigstens einer dielektrischen Schicht und einer Metallschicht, wobei die wenigstens eine Metallschicht Mikrostrukturen aufweist, die Abmessungen und Abstände zwischen zwei benachbarten Mikrostrukturen aufweisen, die eine Übertragung eines evaneszenten Feldes durch die optische Struktur erlauben.
Ein Zwischenprodukt eines CMOS-Herstellungsprozesses eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen ist schematisch in 9 gezeigt.
Der in 9 gezeigte, noch nicht fertig hergestellte, integrierte Bildsensor umfasst ein Substrat 90, insbesondere ein Halbleitersubstrat, in dem ein Photodiodenarray 24 eingebracht ist, wobei 9 lediglich exemplarisch eine Photodiode 26 des Photodiodenarrays 24 zeigt. Dabei sind die Photodioden 26 in einer Ebene 92 angeordnet, die der Bildebene 44 entspricht, oder die zumindest sehr nahe zu der Bildebene 44 verläuft.
Die nicht fertig gestellte optische Struktur in 9 weist einen Schichtstapel aus metallischen Schichten 94 und dielektrischen Schichten 96 auf. 9 zeigt lediglich exemplarisch vier metallische Schichten 94-1 bis 94-4 und drei dielektrische Schichten 96-1 bis 96-3. Je nach Ausführungsform kann die Schichtanzahl von dem in 9 gezeigten Beispiel abweichen.
Bei einem Metamaterial mit einer Metallschicht auf der ersten Seite 22a und einem darauf folgenden Schichtstapel aus drei dielektrischen Schichten wird also lediglich die Metallschicht 94-4 verbleiben und die nicht benötigten Metallschichten 94-1 bis 94-3 werden im Rahmen des CMOS-Prozesses komplett entfernt. Zusätzlich wird die obere Metallschicht 94-4 noch mit den beschriebenen Mikroöffnungen versehen. In Verbindung mit den drei verbleibenden dielektrischen Schichten 96-1 bis 96-3, die entsprechende Dielektrizitätskonstanten ε_r aufweisen, entsteht ein linkshändiges Material, insbesondere ein Metamaterial, mit negativer Brechzahl, wie es im Vorhergehenden bereits anhand der 3 bis 5 beschrieben wurde.
Bei aktuellen CMOS-Prozessen besteht andererseits auch die Möglichkeit, auch die tieferliegende Metallschichten 94-1 bis 94-3 so fein zu strukturieren, dass daraus resultierende Mikrostrukturen bzw. Mikroelemente periodisch angeordnet und kleiner als die Belichtungswellenlänge λ sind. Dies ermöglicht es, dreidimensionale periodische Strukturen mit Eigenschaften von photonischen Kristallen direkt auf einem Chip zu erzeugen. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, sind die einzelnen Mikroelemente bzw. Mikrostrukturen der strukturierten Metallschichten kleiner als die Belichtungswellenlänge λ, so dass ein dreidimensionaler photonischer Kristall entsteht, der als linkshändiges Material wirkt.
Bei sämtlichen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Photodiodenarray 24 vorzugsweise sehr nahe an der letzten Schicht 94-1 der Struktur platziert, wobei der Abstand d₂ kleiner als die Belichtungswellenlänge λ ist. Jede einzelne Photodiode 26 registriert dann nur einen entsprechenden Anteil des evaneszenten Feldes des zu untersuchenden Objekts und in Verbindung mit einer Signalverarbeitung entsteht, wie bei herkömmlichen bildgebenden Sensoren eine zweidimensionale Abbildung des Objekts (in 9 nicht gezeigt).
Schematische Ansichten von durch CMOS-Prozesse realisierte Bildsensoren mit linkshändigen optischen Strukturen und Pixelarrays gemäß Ausführungsbeispielen wurden bereits anhand von 3, 5 und 8 erläutert.
Nachdem im Vorhergehenden Herstellung und Aufbau von Bildsensoren gemäß Ausführungsbeispielen detailliert erläutert wurden, werden im Nachfolgenden anhand von 10 und 11 Anwendungsmöglichkeiten von Bildsensoren gemäß Ausführungsbeispielen erläutert.
10 zeigt ein Mikroskop 100, welches insbesondere ein Subwellenlängenmikroskop bzw. Nahfeldmikroskop ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Von einer monochromatischen Lichtquelle 102 ausgehendes monochromatisches Licht 104 tritt durch ein optisches System 106, wie z. B. einen Kondensor, und beleuchtet dann einen Objektträger 108 mit einer zu untersuchenden Struktur bzw. einem zu untersuchenden Objekt 110. In einem Nahfeldabstand d₁ kleiner als die Wellenlänge λ des monochromatischen Lichts 104 ist ein integrierter Bildsensor 20 gemäß Ausführungsbeispielen angeordnet. Alternativ kann die Probe 110 sich auch in Kontakt zu einer Vorderseite des Bildsensors 20 befinden.
Der Bildsensor 20 ist mit einem Bildverarbeitungssystem 112 gekoppelt, welches wiederum mit einer Ausgabeeinrichtung 114, wie beispielsweise einem Monitor verbunden ist. Die von dem Bildsensor 20 umfasste linkshändige optische Struktur 22, welche ein Metamaterial oder ein photonischer Kristall sein kann, überträgt das von dem zu untersuchenden Objekt 110 ausgehende oder das von dem zu untersuchenden Objekt 110 abhängige an der Vorderseite des Sensors 20 entstehende evaneszente Feld ohne Beschneidung hoher Ortsfrequenzen bzw. Raumfrequenzen zur zweiten Seite bzw. Rückseite der optischen Struktur 22 bzw. in die Abbildungsebene. Das Photodiodenarray 24 befindet sich in einem Abstand d₂ von weniger als einer Wellenlänge λ zur Abbildungsebene 44 bzw. zur zweiten Seite 22b der optischen Struktur, um Verluste durch das schnell abklingende evaneszente Feld möglichst gering zu halten. Das Bildverarbeitungssystem 112 verarbeitet und digitalisiert das von dem Photodiodenarray erfasste Signal jeder einzelnen Photodiode 26 und erzeugt ein Bild für den angeschlossenen Monitor 114.
Gegenüber herkömmlichen Nahfeldmikroskopen, welche Messobjekte mit einer sehr feinen Sonde nur punktweise abtasten, weist ein Subwellenlängenmikroskop mit einem Bildsensor gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung den Vorteil auf, dass das gesamte Bild des zu untersuchenden Objekts erfasst und in ein elektrisches Videosignal umgewandelt werden kann. Des Weiteren können auch bewegte Objekte, wie beispielsweise Bakterienkulturen oder ähnliches mittels eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen untersucht werden. Bei einer Belichtung einer filmähnlichen Schicht oder bei einem Abscannen eines Objekts ist eine Bewegtbilderfassung nicht möglich.
Eine weitere Anwendung eines Bildsensors gemäß obiger Ausführungsbeispielen besteht in einer Verbesserung einer Auflösung von beugungsbegrenzten Objektiven. Es kann eine optische Vorrichtung mit einem Objektiv und einer optischen Struktur mit einer negativen Brechzahl geschaffen werden, wobei eine erste Seite der optischen Struktur in einer Bildebene der beugungsbegrenzten Optik angeordnet ist, und einem Pixelarray, das sich in einem vorbestimmten Abstand entlang einer der ersten Seite der optischen Struktur gegenüberliegenden zweiten Seite erstreckt. Das Objektiv ist dabei beispielsweise auf eine entfernte Objektebene in einem Abstand von beispielsweise mehr fünf Brennweiten eingestellt.
Eine solche optische Vorrichtung 200 ist schematisch in 11a gezeigt.
Die optische Vorrichtung 200 umfasst ein beugungsbegrenztes Objektiv 202 mit einer Bildebene 204. Die erste Seite 22a einer linkshändigen optischen Struktur 22 ist in der Bildebene 204 des Objektivs 202 angeordnet. In einem vordefinierten Abstand d₂ von der zweiten Seite 22b der optischen Struktur 22 befindet sich ein Pixelarray 24, insbesondere ein Photodiodenarray. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der optischen Struktur mit negativer Brechzahl um einen photonischen Kristall bzw. eine dreidimensionale strukturierte Struktur, die sich wie ein photonischer Kristall verhält, so wie sie im Vorhergehenden anhand der 6–8 beschrieben wurde.
Herkömmliche optische Systeme haben eine begrenzte Auflösung von etwa einer halben Wellenlänge, was auf Beugung an dem Objektiv 202 bzw. den Durchmesser der Eintrittspupille des Systems zurückzuführen ist. Das Rayleigh-Kriterium definiert genau die Auflösungsgrenze für ein Objektiv unter Betrachtung einer schwarz-weißen-periodischen Linienstruktur. Der Mindestabstand d zweier noch auflösbarer Linien ist dann so definiert, dass das Maximum des Beugungsbildes eines ersten Spalts mit einem ersten Minimum des Beugungsbildes eines zweiten benachbarten Spaltes zusammenfällt. Das bedeutet für zwei bezüglich eines Betrachtungswinkels dicht zusammenliegende Punkte 206, 208 im Unendlichen, wie z. B. zwei Fixsterne, das eine Lichtintensitätsverteilung 210 in der Bildebene 204 des Objektivs 202 kein Auflösen der beiden Objekte ermöglicht, da sich entsprechende Beugungsbilder bzw. Beugungsscheibchen 212a, b stark überlappen. Ein Beugungsbild jedes Objektpunktes besteht aus mehreren Beugungsordnungen (k = 0, k = ±1, k = ±2 usw.) mit Minima und Maxima, wie es in 11a schematisch gezeigt ist, so dass entsprechende Beugungsscheibchen 212a, b entstehen.
Mit Hilfe eines Bildsensors 20 mit einem photonischen Kristall gemäß Ausführungsbeispielen und einem Photodiodenarray 24, ergibt sich die Möglichkeit, Beugungsanteile des von den Objektpunkten 206, 208 ausgehenden Lichts bei der Abbildung durch das photonische Kristall auf das Photodiodenarray zu verkleinern, so dass ein Lichtanteil höherer Beugungsordnungen (k = ±1, k = ±2 usw.) sehr gering wird. Photonische Kristalle sind stark selektiv bezüglich des Einfallswinkels von Licht. Die Mikroelemente des photonischen Kristalls 52 lassen nur in sehr schmale Raumwinkelbereichen einfallendes Licht durch und dämpfen aus anderen Richtungen stammendes Beugungslicht stark. Erklären lässt sich das folgendermaßen, wobei Bezug auf 11b genommen wir, die einen Teil des Abbildungsweges von 11a zeigt, und zwar einen Teil jenseits der Bildebene, also im photonischen Kristall, und dort lediglich eine lateral auf eine Superlinsenöffnung begrenzten Teil. Wie in dem Fall von 6, befinden sich die Öffnungen 308 in den Metallschichten 310 des photonischen Kristalls auf einer gemeinsamen Achse 312, die parallel zur optischen Achse des Systems von 11a sein kann, und zudem durch ein Pixel, wie z. B. eine Photodiode, 316 des Sensors 24 verläuft. Die Öffnungen 308 bilden nun zusammen einen Sub-Wellenlängen-Wellenleiter 319, der die vorerwähnte starke Raumwinkelselektivität erzielt, und der das an der eingangsseitigen Öffnung 308 ₁ entstehende evaneszente Feld zum Pixel 316 überträgt. Durch die Sub-Wellenlangen-Wellenleitereigenschaften bzw. durch die starke Winkelselektivität des Sub-Wellenlängen-Wellenleiters 319 werden Beugungsanteile des übertragenen Lichts unterdrückt, so dass auf den Sensor 24 bzw. auf das Pixel 316 kein störendes Beugungslicht einfällt. Auf diese Weise „sieht” des Sensor 24 durch eine Art „Röhrchenarray” 52 mit Röhrchen 319 das Bild des beugungsbegrenzten Objektivs 202 ohne die störenden Beugungseffekte.
Nach der optischen Filterung durch den photonischen Kristall 52 besteht daher die Möglichkeit, zwei benachbarte Lichtquellen 206, 208, deren Abstand d unter dem Rayleigh-Kriterium liegt, noch aufzulösen, da das durch den photonischen Kristall 52 gefilterte Lichtfeld einen kleineren Anteil an Beugungslicht hat, als das Licht direkt hinter dem beugungsbegrenzten Objektiv 202. Das Photodiodenarray 24 registriert das evaneszente Feld, das weniger störendes Beugungslicht beinhaltet als das Feld direkt hinter dem Objektiv 202. Somit kann von dem Pixelarray 24, wie durch Bezugseichen 214 angedeutet, beispielsweise nur noch die 0-te Beugungsordnung des einfallenden Lichts registriert werden, nachdem höhere Beugungsordnungen durch das optische Kristall 52 herausgefiltert wurden.
Zusammenfassend wurden oben also Bildsensoren gezeigt, die als optisch-elektrische Hybridstruktur aufgebaut sind und ein linkshändiges Material umfassen. Dieses linkshändige Material kann beispielsweise durch ein Metamaterial oder ein dreidimensionalen photonischen Kristall gebildet sein, wobei beide in sandwichartiger Form aus mikrostrukturierten Metallschichten und dielektrischen Schichten mit definierten Dielektrizitätskonstanten ε_r, sowie einem Photodiodenarray bestehen. Sowohl Bildsensoren mit einem Metamaterial als auch Bildsensoren mit einem photonischen Kristall können integriert in CMOS-Technologie hergestellt werden, ohne dass zusätzliche Prozessschritte erforderlich sind. Ein gemäß Ausführungsbeispielen aufgebauter Bildsensor arbeitet mit einer monochromatischen Lichtquelle mit einer Belichtungswellenlänge λ und kann eine Auflösung von besser als λ/10 aufweisen.
Das evaneszente Feld, das ein schwaches Feld ist und dessen Intensität sich exponentiell mit dem Abstand von dem beleuchteten Objekt verringert, kann unmittelbar und ohne Verluste nach dem linkshändigen Material durch das Photodiodenarray detektiert werden, da der Abstand zwischen der Abbildungsebene beziehungsweise der zweiten Seite des linkshändigen Materials und dem Photodiodenarray gemäß Ausführungsbeispielen kleiner als die Belichtungswellenlänge λ ist.
Bei der Verwendung eines Bildsensors gemäß Ausführungsbeispielen zusammen mit einem beugungsbegrenzten Objektiv in Teleskop-mäßiger Anwendung besteht die Möglichkeit, aufgrund der Filterung des evaneszenten Feldes aus dem Fernfeld durch das linkshändige Material eine Auflösungsverbesserung zu erzielen, die auf einer Trennung beziehungsweise Unterdrückung des störenden Anteils des Beugungslichtes beruht.
Im Bereich der (Nahfeld-)Mikroskopie wird zum Abbilden eines Objekts keine konventionelle Optik benötigt. Eine Kombination von strukturierten Metallschichten, dielektrischen Schichten und einem Fotodiodenarray, ermöglicht ein Hybridelement, das Strukturen kleiner als λ/10 auflösen kann. Ein punktweises Abscannen des zu untersuchenden Objekts ist nicht erforderlich.

Claims

Mikroskop (100) mit Subwellenlängenauflösung, mit folgenden Merkmalen: einer Lichtquelle (102) für monochromatisches Licht (104) mit einer vorbestimmten Wellenlänge (λ); einem Objektträger (108) für ein zu untersuchendes Objekt (110); und einem in CMOS-Technologie hergestellten Bildsensor (20; 30; 80) mit einer optischen Struktur (22; 31; 52) mit einer ersten Seite (22a) und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (22b), wobei die optische Struktur (22; 31; 52) eine negative Brechzahl (n) aufweist; und einem Pixelarray (24), das sich in einem vorbestimmten Abstand (d₂) entlang der zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (22; 31; 52) erstreckt, wobei die erste Seite (22a) der optischen Struktur (22; 31; 52) des Bildsensors (20) in einem Nahfeldabstand (d₁) kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) zu dem Objektträger (108) angeordnet ist, wobei die optische Struktur (22; 31; 52) ausgebildet ist, um ein evaneszentes Feld (42) von der ersten Seite (22a) zu der zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (22; 31; 52) zu übertragen, und eine Kombination von strukturierten Metallschichten und dielektrischen Schichten aufweist, wobei die Metallschichten so fein strukturieren sind, dass daraus resultierende Mikrostrukturen periodisch angeordnet und kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) sind und ein Abstand zwischen einer dem Pixelarray (24) nächstgelegenen Metallschicht (94-1) und dem Pixelarray (24) kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) ist.
Mikroskop gemäß Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle (102) ausgebildet ist, eine die erste Seite (22a) der optischen Struktur (22; 31; 52) bildende, sich in dem Nahfeldabstand (d₁) kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) zu dem Objektträger (108) befindliche und Subwellenlängenöffnungen aufweisende der Metallschichten schräg zu beleuchten, so dass ein an einer der optischen Struktur zugewandten Seite des zu untersuchenden Objekts entstehendes evaneszentes Feld die Subwellenlängenöffnungen erreicht, oder das Mikroskop ein optisch dichteres Medium mit einer Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium aufweist und die Lichtquelle (102) ausgebildet ist, die Grenzfläche von dem optisch dichteren Medium aus zu beleuchten, so dass ein sich durch Totalreflexion an der Grenzfläche entstehendes evaneszentes Feld das zu untersuchende Objekt zwischen der Grenzfläche und der ersten Seite (22a) der optischen Struktur (22; 31; 52) beleuchtet, durch das zu untersuchende Objekt (22a) in Phase oder Amplitude moduliert wird und die erste Seite (22a) der optischen Struktur erreicht, oder wobei der Objektträger (108) so ausgebildet ist, dass sich das zu untersuchende Objekt mit einer die erste Seite (22a) der optischen Struktur (22; 31; 52) bildenden und Subwellenlängenöffnungen aufweisenden der Metallschichten in Berührung befindet, so dass Amplitude und Phase eines evaneszenten Feldes, das an den Subwellenlängenöffnungen entsteht, von elektrischen und/oder magnetischen Permeabilitäten des zu untersuchenden Objekts an den jeweiligen Subwellenlängenöffnungen abhängt.
Mikroskop gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Struktur ein Metamaterial (31) aufweist.
Mikroskop gemäß Anspruch 3, wobei das Metamaterial (31) einen Schichtstapel aus dielektrischen Schichten (32, 34, 36) und einer Metallschicht (38) mit Mikroaperturen (40) als die Mikrostrukturen aufweist, wobei Abmessungen der Mikroaperturen (40) und Abstände zwischen benachbarten Mikroaperturen Größenordnungen aufweisen, so dass ein evaneszentes Feld (42) an der ersten Seite (22a) zur zweiten Seite (22b) übertragbar ist.
Mikroskop gemäß Anspruch 4, wobei die Abmessungen und Abstände kleiner als 1,2 μm sind.
Mikroskop gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Struktur einen photonischen Kristall (52) aufweist.
Mikroskop gemäß Anspruch 6, wobei die Mikrostrukturen eine dreidimensionale periodische Struktur bilden.
Mikroskop gemäß Anspruch 7, bei dem die dreidimensionalen periodisch angeordneten Mikrostrukturen als Split-Ring-Resonatoren ausgebildet sind.
Mikroskop gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pixelarray (24) ein Array von PN-Übergangssensoren aufweist.
Mikroskop gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Pixelarray (24) ein Fotodiodenarray ist.
Mikroskop gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorbestimmte Abstand des Pixelarrays (24) von der zweiten Seite (22b) so eingestellt ist, dass ein von der ersten Seite (22a) zu der zweiten Seite (22b) übertragenes und aus der zweiten Seite austretendes evaneszentes Feld von dem Pixelarray (24) erfassbar ist.
Mikroskop gemäß Anspruch 11, wobei der vorbestimmte Abstand (d₂) kleiner als 1,2 μm ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Bildes eines Objekts, mit folgenden Schritten: Belichten des Objekts mit monochromatischem Licht vorbestimmter Wellenlänge (λ) unter Anordnung einer ersten Seite (22a) einer optischen Struktur (22, 31; 52) mit negativer Brechzahl (n) wenigstens in einem Nahfeldabstand (d₁) zu dem Objekt, so dass ein durch das Objekt moduliertes evaneszentes Feld (42) an der ersten Seite (22a) zu einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (22, 31; 52) übertragen wird; und Erfassen des evaneszenten Feldes (42) an der zweiten Seite (22b) durch ein Pixelarray (24), wobei die optische Struktur mit negativer Brechzahl und das Pixelarray (24) einen in einer CMOS-Technologie hergestellten Bildsensor bilden, und wobei die optische Struktur (22; 31; 52) ausgebildet ist, um ein evaneszentes Feld (42) von der ersten Seite (22a) zu der zweiten Seite (22b) der optischen Struktur (22; 31; 52) zu übertragen, und eine Kombination von strukturierten Metallschichten und dielektrischen Schichten aufweist, wobei die Metallschichten so fein strukturieren sind, dass daraus resultierende Mikrostrukturen periodisch angeordnet und kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) sind und ein Abstand zwischen einer dem Pixelarray (24) nächstgelegenen Metallschicht (94-1) und dem Pixelarray (24) kleiner als die Wellenlänge (λ) des monochromatischen Lichts (104) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die erste Seite (22a) der optischen Struktur (22, 31; 52) in einem Abstand kleiner als 1,2 μm von dem Objekt angeordnet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das Pixelarray (24) in einem vorbestimmten Abstand (d₂) entlang der zweiten Seite (22b) angeordnet wird, wobei der vorbestimmte Abstand des Pixelarrays (24) von der zweiten Seite (22b) so eingestellt wird, dass ein von der ersten Seite (22a) zu der zweiten Seite (22b) übertragenes und aus der zweiten Seite austretendes evaneszentes Feld von dem Pixelarray (24) erfasst werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei der vordefinierte Abstand kleiner als 1,2 μm ist.