專利名稱：成像設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像設(shè)備和成像方法，具體涉及完美的成像領(lǐng)域。背景 大約1870年，德國(guó)耶拿大學(xué)物理學(xué)家恩斯特 阿貝(Ernst Abbe)建立了光學(xué)成像理論并且推導(dǎo)出透鏡的分辨率極限。在阿貝之前，制造好的透鏡是件反復(fù)試驗(yàn)的事情。阿
貝理論使他和他的合作者-光學(xué)儀器制造者Carl Zeiss和企業(yè)家Otto Schott,能夠創(chuàng)
建現(xiàn)代光學(xué)產(chǎn)業(yè)。超過(guò)一百年后Carl Zeiss Jena仍然是家喻戶曉的名字。所有傳統(tǒng)的透鏡具有有限的分辨率。即使用最強(qiáng)的顯微鏡也不能看到原子、分子或納米結(jié)構(gòu)；需要這種電子或原子力顯微鏡。光的波長(zhǎng)設(shè)定分辨率極限，半微米用于可見(jiàn)光。在2000年，倫敦帝國(guó)學(xué)院的Sir John Pendry發(fā)表了一項(xiàng)卓越的理論結(jié)果[Pendry JB 2000 Phys. Rev. Lett. 85 3966]:由負(fù)折射材料制成的透鏡(即在與正折射材料相反的方向上使光彎曲的透鏡)在理論上是完美的-即由負(fù)折射材料制成的平面透鏡[Veselago VG 1968 Sov. Phys. -Usp. 10 509]可以,在原理上,用無(wú)限分辨率使光成像,超越阿貝極限。從那時(shí)以來(lái)，負(fù)折射已被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)完美成像的關(guān)鍵。負(fù)折射發(fā)生在具有負(fù)電介質(zhì)￡和U兩者的材料中；在其他情況下也可以實(shí)現(xiàn)，例如在光子晶體中[P. V. Parimi等人，Nature 426，404(2003)]，但是具有負(fù)折射的完美成像需要負(fù)e和U。負(fù)折射一直受到相當(dāng)大的爭(zhēng)議(參見(jiàn)J.R.Minkel，Phys.Rev.Focus 9，23(2002)評(píng)論)，但是工作在本領(lǐng)域中的大多數(shù)物理學(xué)家的共識(shí)是負(fù)折射是真實(shí)的。特別地，實(shí)驗(yàn)[J. Yao 等人，Science 321,930 (2008);J. Valentine 等人，Nature 455,376 (2008)]論證了紅外光的負(fù)斯涅爾折射定律。因此，發(fā)起對(duì)完美透鏡的探索并且激發(fā)了對(duì)超材料的研究的崛起，所述超材料被認(rèn)為具有負(fù)折射的能力[Veselago V G 1968 Sov. Phys. -Usp. 10509](在自然材料中不容易發(fā)現(xiàn)的光學(xué)性質(zhì))。超材料可以被設(shè)計(jì)成表現(xiàn)負(fù)折射(參見(jiàn)Smith D R、Pendry J B和Wiltshire MC K 2004 Science 305 788 以及 Soukoulis C M、Linden S 和 Wegener M 2007 Science315 47)，但是在這些情況下，由于根本原因，它們傾向于具有吸收性和窄頻帶。特別地，Stockman [Stockman M I 2007 Phys. Rev. Lett. 98 177404]表明負(fù)折射總是受限于小帶寬并且僅可以發(fā)生在消耗性材料中。因此，在實(shí)踐中，負(fù)折射材料快速地吸收光的事實(shí)徹底破壞了其成像可能性。另外，當(dāng)透鏡在厚度上與波長(zhǎng)變得可比較時(shí)，容易失去超分辨率 ’僅實(shí)質(zhì)上比波長(zhǎng)薄的“窮人的透鏡”顯示出亞波長(zhǎng)超越衍射極限的亞波長(zhǎng)成像[N. Fang等人，Science 308，534 (2005)]。透鏡的分辨率極限限制了制造比以往更快的計(jì)算機(jī)所需的微芯技術(shù)。芯片制造商給硅芯片上的數(shù)以億計(jì)的微小晶體管的結(jié)構(gòu)拍照。為了滿足需要是越來(lái)越小的越來(lái)越多的晶體管的貪得無(wú)厭的欲望，透鏡的分辨率極限迫使芯片制造商使用具有比以往更短的波長(zhǎng)的光，這變得越來(lái)越困難。因此需要一種允許提高的分辨率的可選的成像方法。
所建議的對(duì)負(fù)折射材料的替代品包括依賴具有不確定度量的材料的超透鏡[Z. Jacob、L. V. Alekseyev 和 E. Narimanov, Opt. Express 14,8247 (2006)]。這些透鏡由各向異性材料制成，在各向異性材料中，e的特征值中的一個(gè)是負(fù)的；因此這些材料實(shí)現(xiàn)雙曲幾何(因而命名為超透鏡)。超透鏡能夠使光從近場(chǎng)呈漏斗形穿出而沒(méi)有損失亞波長(zhǎng)細(xì)節(jié)，但是其分辨率通過(guò)其幾何維度來(lái)確定，并且因此不是無(wú)限的。發(fā)明概述本公開(kāi)內(nèi)容的第一方面提供一種成像設(shè)備，包括a.透鏡，其具有根據(jù)預(yù)定的折射率分布變化的折射率；b.源；
·
c.出口，其用于將波從設(shè)備解耦；以及d.反射體，其被設(shè)置在透鏡、源和出口的周圍，其中反射體和透鏡的折射率分布被一起布置成將在多個(gè)方向的任何一個(gè)上發(fā)射的波從源導(dǎo)引至出口。似乎不可能實(shí)現(xiàn)單獨(dú)地適用于將在多個(gè)方向的任何一個(gè)上發(fā)射的波從源導(dǎo)引至出口的具有折射率分布的透鏡。然而，本發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到，通過(guò)在透鏡、源和出口的周圍設(shè)置反射體，可能生產(chǎn)具有與反射體一起可以實(shí)現(xiàn)此功能的折射率分布的透鏡。由于這是為實(shí)現(xiàn)具有完美分辨率的成像的關(guān)鍵要求，依據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的第一方面的成像設(shè)備與傳統(tǒng)的透鏡相比可以實(shí)現(xiàn)提高的圖像分辨率。折射率分布可以采用與反射體一起可以實(shí)現(xiàn)此功能的任何形式。在一個(gè)實(shí)施方式中，折射率符合廣義的Luneburg聚焦分布(參見(jiàn)以下第I節(jié)中的方程(II))。在這種情況下，間隙被設(shè)置在透鏡的邊緣和反射體之間。在可選的實(shí)施方式中，折射率可以符合麥克斯韋魚眼聚焦分布(參見(jiàn)以下第I節(jié)中的方程(XI))。在這種情況下，反射體鄰近透鏡。優(yōu)選地，出口與源相對(duì)。在一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)在平面圖中觀察時(shí)透鏡實(shí)質(zhì)上是圓形的。在這種情況下，出口優(yōu)選地與源直徑上相對(duì)。通過(guò)使要被成像的波能夠超越衍射極限，比所述波的波長(zhǎng)小的結(jié)構(gòu)可以被成像。這使得納米結(jié)構(gòu)的成像顯著地更容易，當(dāng)前，需要使用極小的波長(zhǎng)(使得結(jié)構(gòu)大于波長(zhǎng))的光來(lái)對(duì)這些小的結(jié)構(gòu)成像。因此本公開(kāi)內(nèi)容特別適用于在納米光刻中使用。依據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容的第一方面的成像設(shè)備能夠使從源發(fā)射的多個(gè)波聚焦在出口處。通常，波是電磁波(例如但不排他地，波可以是紫外線、可見(jiàn)光、微波或紅外線輻射)或聲波。透鏡可以具有三維形狀如半球形，但是優(yōu)選地透鏡實(shí)質(zhì)上是平面的(即實(shí)質(zhì)上二維的)。在這種情況下，其中輻射是電磁的，光優(yōu)選地是TE極化的。所謂TE極化，意味著電場(chǎng)指向與透鏡的平面正交的方向上。只有在提供了將波從設(shè)備解耦的出口時(shí)，超越衍射極限的完美成像才是可能的。否則，所聚焦的波被反射在它們?cè)谏厦娓淖兎?hào)的圖像上；隨著波的振蕩平均的符號(hào)變化創(chuàng)建了符合標(biāo)準(zhǔn)衍射極限的模糊圖像。使用出口消除該模糊圖像并且允許完美成像。在一個(gè)實(shí)施方式中，出口包括用于吸收波的圖像檢測(cè)器。例如，但不排他地，圖像檢測(cè)器可以包括光阻或感光材料層、光電二極管、或CXD或CMOS像素陣列?？蛇x擇地，出口可以包括波收集器，如光纖或反射體(只要它可以實(shí)現(xiàn)將波從設(shè)備解耦的功能)。出口可以位于反射體的內(nèi)邊界內(nèi)的任何位置(盡管它的位置通常依賴源的位置)。在一個(gè)實(shí)施方式中，出口被嵌入在透鏡中但是優(yōu)選地出口位于透鏡的外表面上。這種布置有助于從成像設(shè)備傳送有效圖像而無(wú)需出口被嵌入在透鏡中。出口可以可選地位于透鏡和反射體之間的間隙中。源也可以位于反射體的邊界內(nèi)的任何位置但是優(yōu)選地，透鏡包括源和出口。在一個(gè)實(shí)施方式中，透鏡、源和出口都位于同一平面上。在這種情況下，反射體通常在所述平面上的兩個(gè)維度上圍繞透鏡、源和出口。此外或可選擇地，在這種情況下，波通常源在所述平面上的多個(gè)方向的任何一個(gè)上從源發(fā)射。優(yōu)選地，波沿著閉合軌跡被從源導(dǎo)引至出口，使得在沒(méi)有出口時(shí)，波將通過(guò)透鏡和反射體被導(dǎo)引返回至源。折射率剖面可以由結(jié)構(gòu)材料/超材料提供。這是一種包含小于要被成像的光照的波長(zhǎng)、但大于分子尺寸的結(jié)構(gòu)的材料。一個(gè)實(shí)例是光子晶體纖維，也被稱為微結(jié)構(gòu)纖維，其在沿著纖維的玻璃上包含通氣孔。然而，更優(yōu)選地，折射率分布是梯度折射率分布?！疤荻取ふ凵渎史植肌笨梢员欢x為逐漸地(和連續(xù)地)變化的折射率分布。這種分布可以通過(guò)摻雜或混合材料來(lái)做出(一個(gè)實(shí)例是梯度折射率光纖)。例如，但不排他地，透鏡可以由二氧化硅(折射率I. 45)和氮化硅(折射率2)的混合物形成并且梯度折射率分布范圍從I. 45至2?？蛇x擇地，這種分布可以通過(guò)摻雜電介質(zhì)材料來(lái)做出。梯度折射率分布將不同于結(jié)構(gòu)材料/超材料(以上所描述的)。通過(guò)使折射率分布為梯度折射率分布，圖像分辨率不受到透鏡內(nèi)的任何基體結(jié)構(gòu)限制。相反地，如果折射率分布由結(jié)構(gòu)材料/超材料形成，基體結(jié)構(gòu)可以限制圖像分辨率(盡管圖像分辨率仍然可能超越衍射極限)。因此，梯度折射率分布可以提供甚至更大的圖像分辨率。梯度折射率分布的一個(gè)可選項(xiàng)是錐形波導(dǎo)[參見(jiàn)例如S.K. Yao等人，Appl.Opt. 18, 4067 (1979)]。這里逐漸變化的折射率分布通過(guò)改變?cè)诨咨系木哂薪o定折射率的層的厚度來(lái)建立。所述層，作為波導(dǎo)，限制并且支持輻射。它的厚度造成依據(jù)層剖面變化的有效折射率。優(yōu)選地，透鏡由各向同性電介質(zhì)形成。這允許寬帶光源的完美成像。優(yōu)選地，源包括用于將波耦合至成像設(shè)備的裝置。在一個(gè)實(shí)施方式中，源是要被成像的對(duì)象(例如納米結(jié)構(gòu))。在這種情況下，對(duì)象可以，例如，由外部光波源照明，對(duì)象將光波反射或散射至透鏡。當(dāng)波通過(guò)透鏡和反射體被從對(duì)象指引至出口時(shí)，對(duì)象的完美圖像在出口處形成。在本公開(kāi)內(nèi)容的第3節(jié)中闡述的實(shí)例中，金點(diǎn)作為對(duì)象并且該點(diǎn)由聚焦的激光束照明。在本公開(kāi)內(nèi)容的第4節(jié)中闡述的實(shí)例中，源是同軸電纜。在這種情況下，將電纜與透鏡的外表面接觸并且通過(guò)電纜將微波傳輸?shù)酵哥R中。透鏡和反射體可以具有任何形狀。這種形狀可以通過(guò)光學(xué)保角映射(OpticalConformal Mapping) [U. Leonhardt, Science 312, 1777 (2006)]應(yīng)用。在這種情況下，折射率分布和反射體的形狀通過(guò)保角變換變形。通常，當(dāng)在平面圖中觀察時(shí)反射體實(shí)質(zhì)上是環(huán)形的。在這種情況下，透鏡優(yōu)選地位于反射體的環(huán)形域中。更優(yōu)選地，透鏡可以與反射體的環(huán)形域同心。在一個(gè)實(shí)施方式中，當(dāng)在平面圖中觀察時(shí)透鏡實(shí)質(zhì)上是圓形的。當(dāng)透鏡是圓形的并且反射體是環(huán)形的時(shí)，反射體的環(huán)形域優(yōu)選地具有比透鏡大的半徑。在這種情況下，透鏡的折射率分布可以符合廣義的Luneburg分布。在可選的實(shí)施方式中，反射體的環(huán)形域和透鏡具有實(shí)質(zhì)上相同的半徑。在這種情況下，透鏡的折射率分布可以符合麥克斯韋魚眼分布。在一個(gè)實(shí)施方式中，透鏡是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的并且按照由以下隱式方程給出的折射率分布n Cr)沿著半徑r變化
權(quán)利要求
1.ー種成像設(shè)備，包括a.透鏡，其具有根據(jù)預(yù)定的折射率分布變化的折射率；b.源；c.出口，其用于將波從所述設(shè)備解耦；以及d.反射體，其被設(shè)置在所述透鏡、所述源和所述出口的周圍，其中所述反射體和所述透鏡的所述折射率分布被一起布置成將在多個(gè)方向的任何一個(gè)上從所述源發(fā)射的波導(dǎo)引至所述出ロ。
2.如權(quán)利要求I所述的成像設(shè)備，其中所述波是聲波或電磁波。
3.如權(quán)利要求I或2所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡、所述源和所述出口都位于同一平面上。
4.如權(quán)利要求3所述的成像設(shè)備，其中所述反射體在所述平面上的兩個(gè)維度上圍繞所述透鏡、所述源和所述出口。
5.如權(quán)利要求3或4所述的成像設(shè)備，其中所述波從所述源在所述平面上的多個(gè)方向的任何一個(gè)上發(fā)射。
6.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述波沿著閉合軌跡被從所述源導(dǎo)引至所述出口，使得在沒(méi)有所述出口時(shí)，所述波將通過(guò)所述透鏡和所述反射體被導(dǎo)引返回至所述源。
7.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述折射率分布是梯度折射率分布。
8.如權(quán)利要求7所述的成像設(shè)備，其中所述折射率分布包括摻雜電介質(zhì)。
9.如權(quán)利要求I至6中的任一項(xiàng)所述的成像設(shè)備，其中所述折射率分布包括錐形波導(dǎo)。
10.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述源包括用于將波耦合進(jìn)入所述設(shè)備的裝置。
11.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述出口與所述源相対。
12.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述出ロ包括用于吸收所發(fā)射的波的像檢測(cè)器。
13.如權(quán)利要求12所述的成像設(shè)備，其中所述像檢測(cè)器包括光阻材料層、光電ニ極管、CXD或CMOS像素陣列或感光材料層。
14.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡包括各向同性電介質(zhì)。
15.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡包括所述源和所述出ロ。
16.如權(quán)利要求15所述的成像設(shè)備，其中所述出ロ位于所述透鏡的外表面。
17.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，還包括在所述透鏡的邊緣和所述反射體之間的間隙。
18.如權(quán)利要求I至16中的任一項(xiàng)所述的成像設(shè)備，其中所述反射體鄰近所述透鏡。
19.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中當(dāng)在平面圖中觀察時(shí)所述反射體實(shí)質(zhì)上是環(huán)形的。
20.如權(quán)利要求19所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡位于所述反射體的環(huán)形域中。
21.如權(quán)利要求19或20所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡與所述反射體的所述環(huán)形域同心。
22.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中當(dāng)在平面圖中觀察時(shí)所述透鏡實(shí)質(zhì)上是圓形的。
23.如依賴于權(quán)利要求19至21中的任ー項(xiàng)的的權(quán)利要求22所述的成像設(shè)備，其中所述反射體的所述環(huán)形域的半徑比所述透鏡的大。
24.如依賴于權(quán)利要求19至21中的任一項(xiàng)的權(quán)利要求22所述的成像設(shè)備，其中所述反射體的所述環(huán)形域和所述透鏡具有實(shí)質(zhì)上相同的半徑。
25.如權(quán)利要求22至24中的任一項(xiàng)所述的成像設(shè)備，其中所述出ロ與所述源是直徑上相対的。
26.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡包括ニ氧化硅和/或氮化硅。
27.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡是旋轉(zhuǎn)対稱的并且按照由以下隱式方程給出的折射率分布n (r)沿著半徑r變化
28.如權(quán)利要求27所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡具有最大折射率，IV其符合以下方程
29.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡實(shí)質(zhì)上是平面的。
30.如權(quán)利要求29所述的成像設(shè)備，其中所述波是電磁波，所述電磁波的電場(chǎng)分量實(shí)質(zhì)上與所述透鏡的平面垂直。
31.如任ー項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的成像設(shè)備，其中所述透鏡的介電常數(shù)等于其折射率的平方。
32.ー種使用成像設(shè)備的成像方法，所述成像設(shè)備包括a.透鏡，其具有根據(jù)預(yù)定的折射率分布變化的折射率；b.源；c.出口，其用于將波從所述設(shè)備解耦；以及d.反射體，其被設(shè)置在所述透鏡、所述源和所述出口的周圍，所述方法包括在多個(gè)方向上從所述源發(fā)射波；使用所述透鏡和所述反射體將所發(fā)射的波導(dǎo)引至所述出口 ；以及使用所述出口將所導(dǎo)引的波的至少一部分從所述設(shè)備解耦。
33.如權(quán)利要求32所述的成像方法，其中從所述源發(fā)射波的步驟包括從所述源全方向地發(fā)射波。
34.如權(quán)利要求32或33所述的成像方法，還包括將多個(gè)波聚焦在所述出ロ處。
35.如權(quán)利要求32至34中的任一項(xiàng)所述的成像方法，其中所述透鏡、所述源和所述出ロ都位于同一平面上。
36.如權(quán)利要求32至35中的任一項(xiàng)所述的成像方法，其中所述透鏡實(shí)質(zhì)上是平面的。
37.如權(quán)利要求36所述的成像方法，其中所述波是電磁波，所述電磁波的電場(chǎng)分量實(shí)質(zhì)上與所述透鏡的平面垂直。
38.如權(quán)利要求36或37所述的成像方法，其中所述波是在所述透鏡的平面中從所述源發(fā)射的。
全文摘要
傳統(tǒng)的成像設(shè)備的分辨率受到衍射極限的限制。能夠?qū)崿F(xiàn)超越衍射極限的分辨率的‘完美’成像設(shè)備被認(rèn)為不可能實(shí)施。然而，本公開(kāi)內(nèi)容提供一種成像設(shè)備，其能夠?qū)崿F(xiàn)超越衍射極限的改進(jìn)的分辨率并且可以在實(shí)踐中實(shí)施。所述成像設(shè)備包括a.透鏡，其具有根據(jù)預(yù)定的折射率分布變化的折射率；b.源；c.出口，其用于將波從設(shè)備解耦；和d.反射體，其被設(shè)置在透鏡、源和出口的周圍，其中反射體和透鏡的折射率分布被一起布置成將在多個(gè)方向的任何一個(gè)上發(fā)射的波從源導(dǎo)引至出口。
文檔編號(hào)G02B3/00GK102834757SQ201080052819
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2010年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者尤爾弗·倫哈特, 托馬斯·泰科, 盧卡斯·海茨曼·加夫列利, 米歇爾·利普森 申請(qǐng)人:圣安德魯斯大學(xué)評(píng)議會(huì), 馬薩里克大學(xué), 康奈爾大學(xué)