(57)【要約】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）、一面側（２２ａ）と一面側に対向する他面側（２２ｂ）とを有する光学構造（２２；３１；５２）を含むイメージセンサ（２０；３０；８０）、負の屈折率（ｎ）を有する光学構造（２２；３１；５２）、光学構造（２２；３１；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、イメージセンサ（２０）の光学構造（２２；３１；５２）の一面側（２２ａ）が、対象キャリア（１０８）まで単色光（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、サブ波長分解能を有する顕微鏡（１００）。【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、負の屈折率（ｎ）を有する光学構造（２２；３１；５２）、および
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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負の屈折率（ｎ）を有する光学構造（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。
【請求項１４】
対象は、単色光（１０４）によって照らされる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
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または請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
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または請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
所定の距離は、１．２μｍより小さい、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
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）を含む、光学装置。
【請求項１９】
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１８に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はサブ波長分解能でイメージを検出するためのイメージセンサと、それを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
2010524020.tif 000002
【０００３】
負の誘電率εrおよび負の透磁率μrの両方が材料に存在するとき、このようないわゆる左手系材料が得られ、屈折率ｎが負になる。このような左手系材料を用いて、例えば、理想的なレンズまたはいわゆるスーパーレンズを造ることができる。点光源は、点形状のイメージを有する、すなわち完全に回折なく機能することを特徴とする。
【０００４】
図１２に示すように、古典的な光学システムは、常に回折限界的である。
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。
2010524020.tif 000003
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。
【０００５】
方程式（１）から、古典的に、図１２に示される光学システムの分解能を上げる２つの方法があるということがわかる。一方では、例えばパターン転写において紫外線やＸ線などの短い波長λの光の照射を選択したり、空気に対して大きい屈折率ｎを有するいわゆる浸液を物体空間すなわち対物レンズ１０の左側の空間において用いることができる。しかしながら、高屈折率ｎを有する浸液の場合であっても、それが２より小さく、したがって、一般に達成可能な分解能が半波長λ／２の範囲内にある。
【０００６】
サブ波長域の分解能、すなわちλ／２より明らかに小さい分解能を有する光学システムは、従来すでに示されている。例えば、前述の回折限界は、近視野光学の方法によって回避されることができる。一般の近視野顕微鏡は、λ／１０より小さい分解能を有する。
【０００７】
光の波長λより非常に小さい対物レンズまでの観察距離において、古典的な回折理論はもはや通用しない。それ故、ここでの分解能は、回折によってもはや制限されることもない。これは、実質的に近視野顕微鏡におけるレイリーの基準を回避して、λ／２より小さい分解能を得ることを意味する。観察される対象の近くに存在している光照射領域は近接場と呼ばれる。近接場からさらなる情報を得ることができるように、いわゆるエバネセント場成分は、伝搬場成分に変換されなければならない。近接場の非伝搬性成分は、エバネセント場と一般に呼ばれる。エバネセント場は、急激に輻射体の表面法線に漏れる。このように、あらゆる照らされた対象は、エバネセント場および伝搬場を生じる。例えば、単にエバネセント場は、全反射の場合に観察されることができる。入射光ビームが光学的に薄い媒体と光学的に密な媒体との界面で完全に反射する場合、場は連続状態のために光学的に薄い媒体側で急に０になることができず、急激に光学的に薄い媒体の半空間に漏れる。一般に、エバネセント場は、２つの光学媒体の界面から約λ／２の距離で消失する。それでも、古典的な分解限度以下の構造に関する情報を含むのは、確かにこの場である。
【０００８】
エバネセント場成分を伝播場成分に変換するために、例えば、散乱中心を近接場に導入することができる。この散乱中心において、双極子発振がエバネセント場によって励起され、その結果、再びエバネセントおよび伝搬場成分は、対象の近接場を有する散乱中心の相互作用の結果として発現する。更なる可能性はシングルモードファイバを有する光学プローブによる対象面のスキャンであり、その端部において、約４０ナノメートルの穴径を有する開口がある。この導波管を出ている光が対象面に作用し、それによりそのエバネセント場を変える。遠隔受信機およびその信号処理はエバネセント場のこの変化を記録し、そこから屈折率ｎおよび透過係数および反射係数を算出することができる。近接場を測定するさまざまな方法は、例えば、ハインリッヒ・ゴットハルト・フレイによる論文「Ｅｉｎｅ  ｈｏｃｈａｕｆｌｏｅｓｅｎｄｅ  ｏｐｔｉｓｃｈｅ  Ｎａｈｆｅｌｄ―Ｓｏｎｄｅ  ｆｕｅｒ  Ｆｌｕｏｒｅｓｚｅｎｚｍｅｓｓｕｎｇｅｎ  ａｎ  ｂｉｏｌｏｇｉｓｃｈｅｎ  Ｐｒｏｂｅｎ」に記載されている。
【０００９】
過去２、３年だけにおいて、左手系材料の理論的な特性は、冒頭部において説明したように、実験において実際に確認された。サブ波長範囲において対象構造を撮像する光学的左手系構造、いわゆる超レンズは、実現されていた。負の屈折率を有するこれらの光学構造は、（例えば使用する光の波長より小さい構造の）空間周波数に情報をもたらす照らされた対物レンズのエバネセント場を伝送して、ほぼ損失がない方法で対象面からイメージ面にそれを撮像する。これらの左手系材料は、サブ波長構造のエバネセント場を再現する。
【００１０】
現在、負の屈折率または負の透磁率μrを有する材料が自然界に存在しないことは公知である。しかしながら、これらの特性はいわゆるメタマテリアルまたはフォトニック結晶によって人工的に成し遂げられることができ、それは照明波長λより著しく小さい周期構造を有し、それにより、電磁波が有効な材料特性を経験するだけである。左手系材料の理論を確認するいくつかの実験は、以下の刊行物に記載されている。Ｈｙｅｓｏｇ  Ｌｅｅ、Ｙｉ  Ｘｉｏｎｇ、Ｎｉｃｈｏｌａｓ  Ｆａｎｇ、Ｗｅｒａｙｕｔ  Ｓｒｉｔｕｒａｖａｎｉｃｈ、Ｓｔｅｐｈａｎｅ  Ｄｕｒａｎｔ、Ｍｕｒａｌｉｄｈａｒ  Ａｍｂａｔｉ、Ｃｈｅｎｇ  ＳｕｎおよびＸｉｎｇ  Ｚｈａｎの「回折限界の下の光学超レンズ・イメージングの実現（Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｕｐｅｒｌｅｎｓ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｂｅｌｏｗ  ｔｈｅ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｌｉｍｉｔ）」、Ｗｅｎｓｈａｎ  Ｃａｉ、Ｄｅｎｔｃｈｏ  Ａ．ＧｅｎｏｖおよびＶｌａｄｉｍｉｒ  Ｍ．Ｓｈａｌａｅｖの「金属―誘電体複合材料に基づく超レンズ（Ｓｕｐｅｒｌｅｎｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｍｅｔａｌ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）」、Ｇｎｎａｄｙ  Ｓｈｖｅｔｓの「超レンズ効果に適用される静電気共振を用いたバンド工学（Ｂａｎｄ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｔｏ  ｓｕｐｅｒｌｅｎｓｉｎｇ）」。
【００１１】
超レンズで拡大した形式に表されたイメージも公知であり、刊行物「可視周波数範囲における拡大超レンズ（Ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ  Ｓｕｐｅｒｌｅｎｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒａｎｇｅ）」は、例えば理論的および実験的な結果を示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】ハインリッヒ・ゴットハルト・フレイによる論文「Ｅｉｎｅ  ｈｏｃｈａｕｆｌｏｅｓｅｎｄｅ  ｏｐｔｉｓｃｈｅ  Ｎａｈｆｅｌｄ―Ｓｏｎｄｅ  ｆｕｅｒ  Ｆｌｕｏｒｅｓｚｅｎｚｍｅｓｓｕｎｇｅｎ  ａｎ  ｂｉｏｌｏｇｉｓｃｈｅｎ  Ｐｒｏｂｅｎ」
【非特許文献２】Ｈｙｅｓｏｇ  Ｌｅｅ、Ｙｉ  Ｘｉｏｎｇ、Ｎｉｃｈｏｌａｓ  Ｆａｎｇ、Ｗｅｒａｙｕｔ  Ｓｒｉｔｕｒａｖａｎｉｃｈ、Ｓｔｅｐｈａｎｅ  Ｄｕｒａｎｔ、Ｍｕｒａｌｉｄｈａｒ  Ａｍｂａｔｉ、Ｃｈｅｎｇ  ＳｕｎおよびＸｉｎｇ  Ｚｈａｎの「回折限界の下の光学超レンズ・イメージングの実現（Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｕｐｅｒｌｅｎｓ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｂｅｌｏｗ  ｔｈｅ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｌｉｍｉｔ）」
【非特許文献３】Ｗｅｎｓｈａｎ  Ｃａｉ、Ｄｅｎｔｃｈｏ  Ａ．ＧｅｎｏｖおよびＶｌａｄｉｍｉｒ  Ｍ．Ｓｈａｌａｅｖの「金属―誘電体複合材料に基づく超レンズ（Ｓｕｐｅｒｌｅｎｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｍｅｔａｌ−ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）」
【非特許文献４】Ｇｎｎａｄｙ  Ｓｈｖｅｔｓの「超レンズ効果に適用される静電気共振を用いたバンド工学（Ｂａｎｄ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｕｓｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｔｏ  ｓｕｐｅｒｌｅｎｓｉｎｇ）」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
サブ波長範囲における分解能を達成するための左手系材料の使用が公知であるが、しかしながら、サブ波長範囲における対象サンプルの完全な二次元イメージを検出する適切なイメージセンサは現在のところ存在しない。先に述べた近視野顕微鏡においては、対象サンプルをポイントごとにスキャンしなければならず、その結果、完全な画像を得るために、ポイントごとの試料表面の二次元スキャンが必要である。さらに、例えば導波管やレンズのような光学部品を用いて、受光器上にエバネセント場を伝送することは、比較的問題のあることである。弱く、距離の増加と共に急激に減衰するエバネセント場は受光器上への伝送で更に弱められ、低い測定精度という結果になる。さらに、従来の近視野検出において、フィルムのような層を露出させるかまたは対象をスキャンすることが必要であるため、固定した対象だけが検出されることができる。
【００１４】
それゆえ、この発明の目的は、対象をポイントごとにスキャンすることなく対象の完全なイメージを提供することができる、サブ波長範囲における対象の検出のための改良されたコンセプト、または回折限界光学部品の分解能を強化するためのコンセプトを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的は、請求項１の特徴を有する統合イメージセンサを有する顕微鏡、請求項１３に記載の方法、および請求項１８に記載の光学装置によって達成される。
【００１６】
負の屈折率を有する光学構造により光学構造のイメージ面および／またはマッピング面にあるピクセルアレイ上へ対象を撮像することによって回折限界光学部品に関して改良された分解能を達成することができることが本発明の知見である。実施例によれば、このために、対象面において観察される対象は、負の屈折率を有する光学構造の一面までの近視野距離にもたらされ、観察される対象は単色光で照らされる。実施例によれば、対象と光学構造の一面との間の近視野距離は、単色光の波長λより小さい。対象の照明のために対象に発現しているエバネセント場は、光学構造の一面から反対側の他面に送信される。単色光の波長より小さい近視野距離において、送信されたエバネセント場を検出して処理するために、光学的左手系構造の他面に沿ってピクセルアレイがある。
【００１７】
実施例によれば、負の屈折率およびピクセルアレイを有する光学構造を有するイメージセンサは、ＣＭＯＳプロセスで作製される。ここで、ピクセルアレイは、ＰＮ接合センサ、特にフォトダイオードの二次元配列を含む。ピクセルアレイの個々の画素エレメントは、サブ波長範囲におけるエバネセント場の検出のために間隔をあけられる。
【００１８】
光学構造の他面側は、ピクセルアレイから波長より小さい距離、例えば１．２μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、さらに好ましくは、０．８μｍ未満の距離にある。実施例によれば、光学構造は、構造金属層および誘電体層の組合せを含み、その結果、単色光の波長および／または照明波長に対する負の屈折率が構造化によって達成される。光学的左手系構造がメタマテリアルまたはフォトニック結晶であるように、構造金属層および誘電体層の組合せは形成されることができる。
【００１９】
次に、メタマテリアルがさまざまな誘電材料の積層により形成されると仮定され、極小開口部を有する金属層が一番上の誘電体層上に配置される。ここで、照明波長より小さい大きさを有する構造開口部は、極小開口部によって理解される。
【００２０】
次に、実質的にフォトニック結晶の特徴を有する構造は、フォトニック結晶と呼ばれる。特に、誘電材料において照明波長より小さい大きさを有する周期的（金属的）建造から成る構造を意味している。それ故、それらは、例えば立体角選択性や分光選択性などの独特の光学的性質を呈する。
【００２１】
好ましくは、光学構造は、少なくともピクセルアレイに最も近い最下部のＣＭＯＳ金属層（ＣＭＯＳ金属１層）を含み、そこに極小開口部が形成され、および／または金属層には、極小開口部から離れて、金属的、電気的な接続または配線が、統合イメージセンサの回路素子（例えばトランジスタ）の間に形成される。実施例において、ＣＭＯＳ金属層の厚みは、９０ｎｍ以上の範囲である。
【００２２】
照明波長λより非常に小さい分解能および構造の検出を可能にすることが、実施例によるイメージセンサの効果である。実施例によるイメージセンサは、例えば、サブ波長分解能を有する顕微鏡で観察される対象の全ての画像を同時に検出し、電気的なビデオ信号に変換するために適用されることができる。撮像された対象は実施例のイメージセンサにおいてすでに統合されているため、実施例のサブ波長分解能を有する顕微鏡は対物レンズを必要としない。直接センサで電気信号に変換されるエバネセント場を増幅して、処理して、デジタル化することが可能である。
【００２３】
回折限界システムの分解能を増加することができることが、本発明の実施例の更なる効果である。これは、回折限界光学部品のイメージ面に実施例のイメージセンサを取り付けることによってなされることができる。このことにより、ほとんど波長の半分より小さい構造が解決されることができる。本発明の実施例によるイメージセンサが回折限界光学部品を有するカメラと組み合わせて用いられる場合、サブ波長範囲の分解能は光学的左手系構造の顕著な角度選択性のため達成されることができ、それはスプリアス回折割合の分離および／または抑制に至る。
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例による対象のイメージを生成する方法のフロー図である。
【図２】本発明の一実施例によるイメージセンサの斜視図である。
【図３】本発明の他の実施例によるイメージセンサの斜視図である。
【図４ａ】エバネセント場生成のための対象面を示す本発明の実施例による負の屈折率を有するメタマテリアルの側面図である。
【図４ｂ】エバネセント場生成のためのメタマテリアルのイメージ面を示す本発明の実施例による負の屈折率を有するメタマテリアルの側面図である。
【図４ｃ】エバネセント場生成のためのエバネセント場のコースを示す本発明の実施例による負の屈折率を有するメタマテリアルの側面図である。
【図５】本発明の一実施例によるメタマテリアルを有するイメージセンサの側面図である。
【図６ａ】本発明の一実施例による負の屈折率を有するフォトニック結晶およびフォトニック結晶の対象面および画像面の側面図である。
【図６ｂ】図４ｂに対応する図６ａのバリエーションを示す側面図である。
【図６ｃ】図４ｃに対応する図６ａのバリエーションを示す側面図である。
【図７】金属層上に分割リングを有する本発明の一実施例による共振器の上面図である。
【図８】本発明の一実施例によるフォトニック結晶を有するイメージセンサの側面図である。
【図９】本発明の一実施例によるＣＭＯＳ技術で作製されるピクセルアレイ、金属層および誘電体層の積層体の側面図である。
【図１０】本発明の一実施例によるイメージセンサを有する顕微鏡の図解図である。
【図１１ａ】回折限界を有する対物レンズと本発明の一実施例によるイメージセンサとを有する光学装置の図解図である。
【図１１ｂ】図１１ａのフォトニック結晶の角度選択度特性を示すための図１１ａの一部を示す図解図である。
【図１２】従来の回折限界光学部品の図解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下の説明に関して、異なる実施例において同じであるか類似の作用の機能要素には同一参照番号が与えられている点に留意すべきであり、それ故、これらの機能要素の説明は以下において例示される各種実施形態において相互に交換可能である。
【００２６】
図１は、照射光のサブ波長範囲において、光が当てられたか発光する対象の画像を生成する方法の概略フロー図を示す。
【００２７】
第１ステップＳ１において、対象キャリアにある観察または検査される対象に光が当てられる。実施例によれば、対象の照明は、例えば１．２μｍより小さい波長を有する単色光によって行われる。
【００２８】
第２ステップＳ２において、負の屈折率ｎを有する光学構造の一面側は、対象に対して近視野距離ｄ1に配置される。
【００２９】
２つのステップＳ１およびＳ２はさまざまな方法で互いに調整することができ、その結果、光学構造の一面側の対象側において対象の照明によって生じるエバネセント光場は、さらに述べられる次のステップの光学構造の対向する他面側に達することができる。以下に、３つの可能性が図４ａ〜４ｃに関してより詳細に例示され、それがこの段階で非常に手短に取扱われる理由である。
【００３０】
例えば、第１の可能性は、光学構造の正面側に近い、プリズム表面のように、光学的に密な媒体から光学的に薄い媒体に界面を配置し、プリズム表面に関して全反射がプリズム界面で発現する角度で例えば光学的に密な媒体からプリズム表面の照明を行うことにある。これらの条件下で、プリズム界面と表面との間において観察される対象を照らすエバネセント場が、プリズム界面と光学構造の表面との間において光学的に薄い媒体に生じる。対象によって位相または大きさの点で変調されるエバネセント場が負の屈折率ｎを有する光学構造の一面側に達することができるように、対象と、例えば好ましくは照明のために使用される単色光の波長より小さい光学構造の一面側との間の距離ｄ1、例えば１．２μｍより小さい距離が使われることができる。
【００３１】
例えば、第２の可能性は、対象が光学構造の表面に光学的接触をする、すなわち、例えばそれに接触し、光学構造から間隔をおいて向き合う側から照らされるということでもよい。この場合、エバネセント場は、光学構造の表面上のサブ波長開口部で発現する。サブ波長開口部のそれぞれの１つで発現しているエバネセント場の振幅および位相は、対象の誘電率および／または透磁率に依存し、後者は現在それぞれの開口部と光学的接触をしている部分的および／または側面的な位置にある。
【００３２】
例えば、第３の可能性は、対象が、例えば、光学構造の正面に関して近視野的に配置されて、光学構造から間隔を隔てて横面から斜めに照らされ、この場合、例えば、光学構造の正面側のサブ波長開口部に達して、それにより遠距離からフィルタリングされるときに、エバネセント場は、光学構造に向いている対象側に発現する。対象からのエバネセント場が負の屈折率ｎを有する光学構造の一面側に達することができるように、対象と光学構造の一面側との間の距離としては、例えば、１．２μｍより短い距離のように、好ましくは、照明に用いられる単色光の波長より短いものが用いられる。
【００３３】
第３のステップＳ３において、それは光学構造の一面側に達しておよび／またはそこで発現する対象のエバネセント場は、光学構造の一面側から他面側に伝送される。エバネセント場の伝送は、興味のある波長範囲における負の屈折率を有する光学材料を用いることにより可能である。したがって、エバネセント場は、光学構造の一面側から他面側まで伝播することができる。
【００３４】
第４のステップＳ４において、光学構造の他方面側のエバネセント場は、ピクセルアレイによって検出される。ここで、ピクセルアレイは距離ｄ2で光学構造の他面側に沿って配列され、それは照明光の波長より小さい、すなわちｄ2＜λであることが好ましい。すでに最初に述べたように、対象のエバネセント場は比較的急速に減衰し、それがこの名前の由来である。これは、近視野検出のために、第１の距離ｄ1および第２の距離ｄ2が各々照明波長λより小さく選択されなければならないという事実の理由である。
【００３５】
このように、図１は、負の屈折率を有する光学構造の一面側を対象まで近視野距離の位置に配置すると共に、対象を照らすステップを用いて、対象のイメージを生成する方法を示し、その結果、対象からのエバネセント場は一面側に達し、エバネセント場は光学構造の一面側からそれに対向する他面側に伝送され、ピクセルアレイによって他面側でエバネセント場を検出するステップを含む。
【００３６】
図２は、図１に基づいて記載される方法を実行するための本発明の一実施例のイメージセンサ２０を示す。
【００３７】
イメージセンサ２０は、一面側２２ａおよび一面側に対向する他面側２２ｂを有する光学構造２２を含む。光学構造２２は、負の屈折率ｎ、すなわちｎ＜０を有する。さらに、イメージセンサ２０は、所定の距離ｄ2で他面側２２ｂに沿って広がるピクセルアレイ２４を含む。
【００３８】
実施例によれば、左手系構造とも呼ばれる光学構造２２は、光学構造２２の一面側２２ａから他面側２２ｂにエバネセント光場ＥEvanを伝送するように形成される。実施例によれば、ピクセルアレイ２４は、二次元イメージを検出するために形成され、このために、Ｘ・Ｙ像点によって二次元イメージを表すことができるように、（Ｘ・Ｙ）センサエレメント２６を含む。実施例によれば、センサエレメント２６は、ＰＮ接合センサとして形成される。ここで、ＰＮ接合センサは、異なるドーピング法によって実現されるＰＮ接合を有するセンサを意味する。実施例によれば、ＰＮ接合センサ２６は、フォトダイオードとして形成される。実施例によれば、これは、ピクセル領域２４がフォトダイオードアレイであることを意味する。
【００３９】
サブ波長範囲において観察される対象のイメージを検出することができるように、ピクセルアレイ２４の隣接するセンサエレメント２６は、実施例に従って、各々、照明波長λより小さい距離で配置される。しかしながら、光学構造は拡大特性を有し、それは、例えば光学構造およびピクセルセンサの感知面との間の材料のより高い屈折率のために、画素サイズを増加させることができ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、３１５、２００７年３月２３日、第１６９９頁―第１７０１頁のＳｍｏｌｙａｎｉｎｏｖ、ＨｕｎｇおよびＤａｖｉｓによる「可視周波数領域における拡大超レンズ（ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ  ｓｕｐｅｒｌｅｎｓｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒａｎｇｅ）」が参照される。
【００４０】
光学構造２２の他面側２２ｂからのピクセルアレイの所定の距離ｄ2は、実施例によれば、一面側２２ａから他面側２２ｂに伝送され、他面側２２ｂから励起され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ことができるように調整される。例えば、１．２μｍより小さい照明波長が、例えば、ＣＭＯＳピクセルセンサと共に使用される。この場合、距離ｄ2も、例えば、１．２μｍより小さくなるように選択される。他の実施例において、距離ｄ2は、１μｍより小さいかまたは０．８μｍよりさらに小さい。
【００４１】
さらに、負の屈折率を有する光学構造、すなわち左手系材料は、いわゆるメタマテリアルによって構成されることができる。ここでメタマテリアルは複合材料、その特性が材料固有の特性ではなくその構造によるものである強磁性体、またはそれらからなる材料である。次に、メタマテリアルは、適当な誘電率および厚みを有するいくつかの誘電体層からなるサンドイッチ構造を有する積層形状をしていると推定され、一番上の誘電体層に極小開口部を有する金属層が配置される。ここで、極小開口部は、照明波長より小さい大きさを有する構造開口部を意味することである。
【００４２】
このように作製されるメタマテリアルを有する実施例によるイメージセンサ３０は、図３に示される。
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。
【００４３】
例えば、金属層３８の金属は、例えばアルミニウムまたは銅のように、ＣＭＯＳプロセスで使用する金属である。さらに、図３に円として例示する極小開口部は、例えば長方形、六角形、格子線状など、サブ波長範囲の他の形状でもよいことをここで指摘しておく。
【００４４】
実施例によれば、第１の誘電体層３２、第２の誘電体層３４および第３の誘電体層３６のサンドイッチ構造は、ＳｉＯ2／ＳｉＣ／ＳｉＯ2構造であり、その上に金属層３８がある。これは、第１の誘電体層３２および第３の誘電体層３６の両方ともＳｉＯ2（二酸化ケイ素）層であることを意味する。誘電体層３４は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）層である。ここで、ＳｉＣ層３４の誘電率εr,SiCは、ＳｉＯ2層３２、３６の負の誘電率εr,SiO2にほぼ等しく、すなわちεr,SiC＝−εr,SiO2である。
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。
【００４５】
メタマテリアルおよび／または誘電体層３２、３４、３６および金属層３８の積層体３１の側面図が、図４ａに示される。
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。
【００４６】
図４ａに図示したように、エバネセント場４２の強さは、対象面４１と金属層３８との間で急激に低下し、構造金属層３８および誘電体層３２、３４、３６を含む光学構造および／または超レンズ３１に影響を与える。この光学構造３１は、エバネセント場４２をいかなる損失もなく他面側２２ｂに伝送し、そこで、送信されたエバネセント場４２の場の強さは再び減衰する。それゆえに、エバネセント場が現われる他面側２２ｂとイメージ面４４との間の距離ｄ2は、場の強さが非常に低くならないように、照明波長より小さくすべきである。
【００４７】
図４ａはこのように、上述の第３のエバネセント場発生に関連し、それによれば対象４１は光学構造３１の正面側３８まで近視野距離ｄ1の位置に配置され、光学構造３１から見て外方向に向く側から、例えば正面側３８に対して斜め方向に照明が当てられ、この場合、エバネセント場４２は、例えば、光学構造に向いている対象の側４１に発現し、光学構造３１の正面側３８のサブ波長開口部に達して、その中の超レンズ開口部によって遠距離場から除去される。
【００４８】
図４ｂはエバネセント場発生の第１の可能性に関するものであり、それによれば、光学的に密な媒体、すなわちここではプリズム４６から光学的に薄い媒体への界面４５が、光学構造３１の正面側２２ａの近傍に配置され、プリズム表面４７の照明が、光学的により密な媒体からプリズム界面４５で全反射が発生するプリズム表面４５に対して角度αで行われる。これらの条件下では、プリズム界面４５と正面側２２ａとの間において観察される対象４８を照らすエバネセント場は、プリズム界面４５と光学構造３１の正面側２２ａとの間の光学的により薄い媒体４７に形成される。対象４８によって位相および振幅が調整されたエバネセント場４２は、負の屈折率ｎを有する光学構造３１の一面側２２ａに達する。
【００４９】
例えば、図４ｃは、エバネセント場生成の上述の第２の可能性に関連するものである。ここで、対象４８は、例えば接触などにより、光学構造３１の正面側３８に光学的に接触する。照明は、光学構造３１から離れて面している側から行われる。この場合、エバネセント場は、光学構造３１の正面側２２ａにおけるサブ波長開口部で発現する。サブ波長開口部のそれぞれの一つで発現するエバネセント場の振幅および位相は、対象の誘電率および／または透磁率に依存し、後者は現在それぞれの開口部４９と光学的に接触している部分的および／または横方向の位置にある。
【００５０】
図５は、すでに図３に示されている統合イメージセンサ３０の側面図を示す。チップまたはイメージセンサ３０は、構造金属層３８および全体として負の誘電率εrを有する材料で形成される３つの誘電体層３２、３４、３６を含む。図５において、対象面４１は金属層３８に非常に近い、すなわち近視野距離であって、イメージ面４４もフォトダイオードアレイ２４に非常に近く、および／またはフォトダイオードアレイ２４は画像面４４に直接配置されている。フォトダイオードアレイ２４は、距離ｄ2＜λで光学構造３１の他面側２２ｂに沿って広がっている。
【００５１】
上述のメタマテリアルは別として、負の屈折率を有する左手系材料を作製する、すなわち互いに照明光の波長λより小さい大きさおよび間隔をもって周期的に配置された素子である三次元周期構造を作製するさらなる可能性がある。実施例によれば、このような三次元周期構造は、いわゆるフォトニック結晶またはフォトニック結晶のようにふるまっている光学構造であってもよい。以下に、この種の構造は、一般的に、フォトニック結晶と呼ばれる。
【００５２】
フォトニック結晶は、構造半導体、ガラスまたはポリマーを含み、それらの特定の構造によって、光を媒体のデバイス機能のために必要な方法で広げさせる。それらは周期的な誘電体および／または金属構造であり、半導体の結晶の周期ポテンシャルが電子の伝達に関して振舞うのと類似の様式で電磁波の伝達に影響するように、その周期長は調整される。
【００５３】
フォトニック結晶のように実質的にふるまっている光学構造５２が図６ａに示される。
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。
【００５４】
例えば、対象面４１から生じていて、一面側に影響を与えているかまたは一面側で発現しているエバネセント場を光学構造５２の一面側２２ａから光学構造５２の他面側２２ｂに伝送するために、一面側２２ａは、ここで対象面４１から照明波長λより小さい近視野距離ｄ1の位置に配置される。ピクセルアレイ２４が好ましく配置されるイメージ面４４は、この実施例では、図６ａに示される光学構造５２の他面側２２ｂから照明波長λより小さい距離ｄ2の位置に広がっている。
【００５５】
図６ａに示す実施例において、エバネセント場の強さの経路は、図４ａに基づいて以前にすでに記載されたのと同様の結果になる。これは、一面側２２ａに影響を与えているエバネセント場が、光学構造２２による他面側２２ｂへの伝送において光学構造２２および／または負の屈折率を有するフォトニック結晶５２によって増幅されることを意味する。近視野波の増幅のこの効果は、Ｃ．Ｌｏｕ等に「フォトニック結晶におけるサブ波長イメージング（Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｉｎ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｈｒｙｓｔａｌｓ）」と記載されている。
【００５６】
図４ａ−４ｃと同様に、図６ｂおよび図６ｃはフォトニック結晶と関連して更にエバネセント場発生の可能性を示す。より詳細には、図４ｂおよび４ｃについて説明している。
【００５７】
図７は、金属層６０において実現されるマイクロ素子の１つの可能な実施例を示す。
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。
【００５８】
要約すると、図８は、ＣＭＯＳ技術を用いて、図６および図７に基づいて記載した光学構造５２の使用により実現される統合イメージセンサ８０を示すものであり、その構造において、使用される左手系材料５２に関して、図５に基づいて記載されているイメージセンサと異なるだけであるので、ここでは更に詳細に記載されていない。
【００５９】
先に述べた左手系材料（メタ材料および三次元フォトニック結晶）に基づくイメージセンサは、付加的な工程段階または更なる処理を必要とすることなく、例えばＣＭＯＳ光プロセスなどのＣＭＯＳプロセスによって実現されることができる。
【００６０】
実施例によれば、基板上に統合イメージセンサを作製する方法は、基板の板面上にフォトダイオードアレイ２４を作製し、フォトダイオードアレイ上へ負の屈折率を有する光学構造を適用して、フォトダイオードアレイが所定の距離ｄ2で光学構造に沿って広がるようにするステップであって、フォトダイオードアレイを作製し光学構造を適用するステップは、ＣＭＯＳプロセスの一部である。
【００６１】
実施例によれば、光学構造を適用することは、少なくとも一つの誘電体層および金属層の積層体を適用することを含み、少なくとも一つの金属層は、光学構造を通してエバネセント場が伝送可能な大きさと隣接する微細構造の間隔を有する微細構造を含む。
【００６２】
実施例によるイメージセンサのＣＭＯＳ作製プロセスの中間生成物は、図９に図式的に示される。
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。
【００６３】
図９の未完成の光学構造は、金属層９４および誘電体層９６の積層体を含む。図９は、４つの金属層９４−１〜９４−４および３つの誘電体層９６−１〜９６−３を単に例示する。実施例に応じて、層数は、図９に示される実施例と異なっていてもよい。
【００６４】
一面側２２ａ上の金属層および次の３つの誘電体層の積層体を有するメタマテリアルの場合、金属層９４−４だけが残り、不必要な金属層９４−１〜９４−３はＣＭＯＳプロセスの枠組み内で完全に除去される。さらに、上の金属層９４−４は、記載されている極小開口部も備えている。対応する比誘電率εrを有する３つの残りの誘電体層９６−１〜９６−３に関連して、負の屈折率を有する左手系材料、特にメタマテリアルが、図３〜５に基づいて前述したように成長する。
【００６５】
一方では、現在のＣＭＯＳプロセスにおいて、そこから得られる微細構造および／またはマイクロ素子が周期的に配置され、照明波長λより小さくなるように微細な方法で下層の金属層９４−１〜９４−３を構築する可能性がある。これは、直接チップ上にフォトニック結晶の特性を有する三次元周期構造を作成することを可能にする。すでに前述したように、構造金属層の個々のマイクロ素子または微細構造は照明波長λより小さく、その結果、左手系材料として作用している三次元フォトニック結晶が成長する。
【００６６】
すべての前述の実施例において、フォトダイオード領域２４は、好ましくは、構造の最後の層９４−１に非常に密接に、照明波長λより小さい距離ｄ2で配置される。すべてのフォトダイオード２６は、観察される対象のエバネセント場の対応する部分を記録するだけであり、（図９に示されない）対象の二次元画像は、従来のイメージセンサにおけるのと同様に、信号処理に関連して作成される。
【００６７】
実施例によれば、ＣＭＯＳプロセスによって実現される左手系光学構造およびピクセルアレイを有するイメージセンサの概略図は、図３、５および図８に基づいてすでに説明されている。
【００６８】
前述において詳細に本発明の実施例に従ってイメージセンサの生産および構造を説明した後に、実施例によるイメージセンサの考えられる応用が、図１０および１１に基づいて以下に説明される。
【００６９】
図１０は顕微鏡１００を示し、特に、本発明の一実施例によるサブ波長顕微鏡または近視野顕微鏡である。
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。
【００７０】
イメージセンサ２０は画像処理システム１１２に連結され、それは、モニタなどの出力手段１１４に接続される。イメージセンサ２０によって含まれる左手系の光学構造２２は、メタマテリアルまたはフォトニック結晶であってもよいものであるが、観察される対象１１０から生成されるか、観察される対象１１０に依存してセンサ２０の正面側に発現するエバネセント場を、空間周波数またはスペース周波数を制限することなく、光学構造２２の他面側または裏面側またはイメージ面に伝達する。急速に減衰しているエバネセント場による損失をできるだけ低く保つように、フォトダイオードアレイ２４は、イメージ面４４および／または光学構造の他面側２２ｂに関する波長λより小さい距離ｄ2の位置にある。画像処理システム１１２は、フォトダイオードアレイによって検出されるすべてのフォトダイオード２６の信号を処理してデジタル化し、取付けられたモニタ１１４に画像を生成する。
【００７１】
測定対象を非常に繊細なプローブでポイントごとにスキャンする従来の近視野顕微鏡とは対照的に、本発明の実施例によるイメージセンサを有するサブ波長顕微鏡は、観察される対象の全体の画像が検出されて、電気的なビデオ信号に変換することができるという効果がある。さらに、例えば細菌培養組織等の動く対象は、実施例に従ってイメージセンサによって観察することができる。フィルム状の層を照らすときに、または、対象をスキャンするときに、動くイメージの検出は可能でない。
【００７２】
実施例によるイメージセンサのさらなる応用は、回折限界の対物レンズの分解能の改良にある。この目的で、本発明の実施例は、光学装置に対物レンズ、負の屈折率を有する光学構造を提供し、光学構造の一面側は回折限界光学部品およびピクセルアレイのイメージ面に配置され、それは光学構造の一面側の反対側の他面側に沿って所定の距離で広がっている。ここで、対物レンズは、例えば５つの焦点距離以上離れたところにある遠隔対象面に調整される。
【００７３】
このような光学装置２００は、図式的に図１１ａに示される。
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。
【００７４】
従来の光学システムはほぼ波長の半分の限られた分解能を有し、それは対物レンズ２０２の回折および／またはシステムの入射瞳の直径に起因する。白黒の周期的線構造を見るときに、レイリーの基準は正確に対物レンズの分解限度を定める。第１のギャップの回析画像の最大値が第２の隣接するギャップの回析画像の第１の最小値と一致するように、２つのまだ解決可能なラインの最小距離ｄが定められる。例えば２つの恒星のように、観測角度に関して互いに無限に近い２つの点２０６，２０８に対して、これは、対応する回析画像または回析スライス２１２ａ，ｂは強く重複するため、対物レンズ２０２のイメージ面２０４の光強度分布２１０が２つの対象を分離することを許さないことを意味する。図１１ａに図式的に示すように、各対象点の回析画像は極小値および極大値を有するいくつかの回析次数（ｋ＝０、ｋ＝±１、ｋ＝±２等）を含み、対応する回折スライス２１２ａ，ｂが生成される。
【００７５】
実施例によるフォトニック結晶およびフォトダイオードアレイ２４を有するイメージセンサ２０を用いて、フォトニック結晶によるフォトダイオードアレイ上への結像において、対象点２０６、２０８から生じている光の回析比率を低下させる可能性が生まれ、その結果、より高い回折次数（ｋ＝±１、ｋ＝±２等）の光の比率は非常に少なくなる。フォトニック結晶は、光の入射角に関して、強く選択的である。フォトニック結晶５２のマイクロ素子は、非常に狭い立体角範囲だけの光を伝送して、他方向から発生する回析光を強く減衰させる。これは、以下の通りに説明されることができ、参照は図１１ｂになされ、それは図１１ａのイメージ部分、すなわちイメージ面の後ろの部分、すなわちフォトニック結晶内において、そこで超レンズの開口部を横方向に制限される部分のみを示す。光学構造の金属層の開口部３０８は、各々、通常、適宜成形された開口部３０８の最大の開口部の広がりに対応する開口部の直径を有する。円形の開口部については、開口部の直径がこのように円の直径に対応し、矩形の開口部については矩形の対角線に対応する。実施例によれば、隣接する金属層３１０の開口部３０８は、光学構造の立体角選択性を達成するために、開口部の直径より小さいことによって各々に関して横方向にオフセットされるように配置されることができる。図６の場合のように、フォトニック結晶の金属層３１０における開口部３０８は共通軸線３１２上にあり、それは図１１ａのシステムの光路と平行で、例えばセンサ２４のフォトダイオードなどの画素を通るものであってもよい。開口部３０８は、一緒に、前述した強い立体角選択性を達成し、入力側開口部３０８−１に生成されるエバネセント場を画素３１６に伝送するサブ波長導波管３１９を形成する。サブ波長導波管特性によっておよび／またはサブ波長導波管３１９の強い角度選択性によって、透射光の回析比率は抑制され、その結果、スプリアスの回析光はセンサ２４および／または画素３１６に影響を与えない。このようにして、スプリアスの回析効果なしで、センサ２４は、管３１９を有する一種の「チューブアレイ」５２を通して、回折限界対物レンズ２０２のイメージを「見る」。
【００７６】
フォトニック結晶５２による光学フィルタリングの後、フォトニック結晶５２によってフィルタリングされる光照射野の回折光の比率は回折限界の対物レンズ２０２のすぐ後の光より少ないので、その間隔ｄがレイリーの基準以下の２つの隣接した光源２０６、２０８を分離することができる。フォトダイオードアレイ２４は、対物レンズのすぐ後よりもスプリアスの少ない回折光を有するエバネセント場を記録する。それ故、参照番号２１４によって示されるように、入射光の第０回析次数だけが、例えば、ピクセルアレイ２４によって記録されることができる。なぜならば、より高い回析次数はオプティカル結晶５２によってフィルタリングされるからである。
【００７７】
要約すると、本発明は、このように、光電気ハイブリッド構造として構成され、左手系材料を含むイメージセンサに関するものである。この左手系材料は、たとえば、フォトダイオードアレイと同様にマイクロ構造の金属層および規定の比誘電率εrを有する誘電体層を含むメタマテリアルまたは三次元フォトニック結晶によってサンドイッチ状に形成されることができる。メタマテリアルを有するイメージセンサおよびフォトニック結晶を有するイメージセンサの両方とも、付加的な工程段階を必要とせずに、ＣＭＯＳ技術で一体的に作製することができる。実施例に従って構成されたイメージセンサは、照明波長λを有する単色光源によって動き、λ／１０より良好な分解能を有する。
【００７８】
弱い場であり、その強度が照射された対象からの距離とともに急激に減衰するエバネセント場は、直ちに、左手系材料の下流のフォトダイオードアレイによる損失なしで検出されることができる。なぜならば、実施例によれば、左手系材料およびフォトダイオードアレイのマッピング平面または他面側の間の距離は照明波長λより小さいからである。
【００７９】
望遠鏡のようなやり方で回折限界の対物レンズと共にイメージセンサを使用するときに、左手系材料による非近接場からのエバネセント場のフィルタリングのため、回折光のスプリアス割合の分離および／または抑制に基づいて分解能向上を達成することは可能である。
【００８０】
（近視野）顕微鏡検査の分野において、対象を撮像するために従来の光学は必要でない。構造金属層、誘電体層およびフォトダイオードの組合せは、λ／１０より小さい構造を分解することができるハイブリッド素子を可能にする。検討された対象の点別スキャンは必要でない。
【００８１】
最後に、これらのコンポーネントは変えることができるため、本発明がそれぞれ記載され、入手できるコンポーネントに限られていないと指摘される。ここで使用する表現は、特定の実施例を記載するものであって、限定的な意味に用いられているわけではない。単数または不定冠詞が説明におよび請求項において用いられるとき、明らかに全体の前後関係において指摘されない限り、複数のこれらの素子にも関連する。また、その逆も同様である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２】
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