专利名称：成像设备和方法
技术领域：
本发明涉及成像设备和成像方法，具体涉及完美的成像领域。背景 大约1870年，德国耶拿大学物理学家恩斯特 阿贝(Ernst Abbe)建立了光学成像理论并且推导出透镜的分辨率极限。在阿贝之前，制造好的透镜是件反复试验的事情。阿
贝理论使他和他的合作者-光学仪器制造者Carl Zeiss和企业家Otto Schott,能够创
建现代光学产业。超过一百年后Carl Zeiss Jena仍然是家喻户晓的名字。所有传统的透镜具有有限的分辨率。即使用最强的显微镜也不能看到原子、分子或纳米结构；需要这种电子或原子力显微镜。光的波长设定分辨率极限，半微米用于可见光。在2000年，伦敦帝国学院的Sir John Pendry发表了一项卓越的理论结果[Pendry JB 2000 Phys. Rev. Lett. 85 3966]:由负折射材料制成的透镜(即在与正折射材料相反的方向上使光弯曲的透镜)在理论上是完美的-即由负折射材料制成的平面透镜[Veselago VG 1968 Sov. Phys. -Usp. 10 509]可以,在原理上,用无限分辨率使光成像,超越阿贝极限。从那时以来，负折射已被认为是实现完美成像的关键。负折射发生在具有负电介质￡和U两者的材料中；在其他情况下也可以实现，例如在光子晶体中[P. V. Parimi等人，Nature 426，404(2003)]，但是具有负折射的完美成像需要负e和U。负折射一直受到相当大的争议(参见J.R.Minkel，Phys.Rev.Focus 9，23(2002)评论)，但是工作在本领域中的大多数物理学家的共识是负折射是真实的。特别地，实验[J. Yao 等人，Science 321,930 (2008);J. Valentine 等人，Nature 455,376 (2008)]论证了红外光的负斯涅尔折射定律。因此，发起对完美透镜的探索并且激发了对超材料的研究的崛起，所述超材料被认为具有负折射的能力[Veselago V G 1968 Sov. Phys. -Usp. 10509](在自然材料中不容易发现的光学性质)。超材料可以被设计成表现负折射(参见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)，但是在这些情况下，由于根本原因，它们倾向于具有吸收性和窄频带。特别地，Stockman [Stockman M I 2007 Phys. Rev. Lett. 98 177404]表明负折射总是受限于小带宽并且仅可以发生在消耗性材料中。因此，在实践中，负折射材料快速地吸收光的事实彻底破坏了其成像可能性。另外，当透镜在厚度上与波长变得可比较时，容易失去超分辨率 ’仅实质上比波长薄的“穷人的透镜”显示出亚波长超越衍射极限的亚波长成像[N. Fang等人，Science 308，534 (2005)]。透镜的分辨率极限限制了制造比以往更快的计算机所需的微芯技术。芯片制造商给硅芯片上的数以亿计的微小晶体管的结构拍照。为了满足需要是越来越小的越来越多的晶体管的贪得无厌的欲望，透镜的分辨率极限迫使芯片制造商使用具有比以往更短的波长的光，这变得越来越困难。因此需要一种允许提高的分辨率的可选的成像方法。
所建议的对负折射材料的替代品包括依赖具有不确定度量的材料的超透镜[Z. Jacob、L. V. Alekseyev 和 E. Narimanov, Opt. Express 14,8247 (2006)]。这些透镜由各向异性材料制成，在各向异性材料中，e的特征值中的一个是负的；因此这些材料实现双曲几何(因而命名为超透镜)。超透镜能够使光从近场呈漏斗形穿出而没有损失亚波长细节，但是其分辨率通过其几何维度来确定，并且因此不是无限的。发明概述本公开内容的第一方面提供一种成像设备，包括a.透镜，其具有根据预定的折射率分布变化的折射率；b.源；
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c.出口，其用于将波从设备解耦；以及d.反射体，其被设置在透镜、源和出口的周围，其中反射体和透镜的折射率分布被一起布置成将在多个方向的任何一个上发射的波从源导引至出口。似乎不可能实现单独地适用于将在多个方向的任何一个上发射的波从源导引至出口的具有折射率分布的透镜。然而，本发明人已经意识到，通过在透镜、源和出口的周围设置反射体，可能生产具有与反射体一起可以实现此功能的折射率分布的透镜。由于这是为实现具有完美分辨率的成像的关键要求，依据本公开内容的第一方面的成像设备与传统的透镜相比可以实现提高的图像分辨率。折射率分布可以采用与反射体一起可以实现此功能的任何形式。在一个实施方式中，折射率符合广义的Luneburg聚焦分布(参见以下第I节中的方程(II))。在这种情况下，间隙被设置在透镜的边缘和反射体之间。在可选的实施方式中，折射率可以符合麦克斯韦鱼眼聚焦分布(参见以下第I节中的方程(XI))。在这种情况下，反射体邻近透镜。优选地，出口与源相对。在一个实施方式中，当在平面图中观察时透镜实质上是圆形的。在这种情况下，出口优选地与源直径上相对。通过使要被成像的波能够超越衍射极限，比所述波的波长小的结构可以被成像。这使得纳米结构的成像显著地更容易，当前，需要使用极小的波长(使得结构大于波长)的光来对这些小的结构成像。因此本公开内容特别适用于在纳米光刻中使用。依据本公开内容的第一方面的成像设备能够使从源发射的多个波聚焦在出口处。通常，波是电磁波(例如但不排他地，波可以是紫外线、可见光、微波或红外线辐射)或声波。透镜可以具有三维形状如半球形，但是优选地透镜实质上是平面的(即实质上二维的)。在这种情况下，其中辐射是电磁的，光优选地是TE极化的。所谓TE极化，意味着电场指向与透镜的平面正交的方向上。只有在提供了将波从设备解耦的出口时，超越衍射极限的完美成像才是可能的。否则，所聚焦的波被反射在它们在上面改变符号的图像上；随着波的振荡平均的符号变化创建了符合标准衍射极限的模糊图像。使用出口消除该模糊图像并且允许完美成像。在一个实施方式中，出口包括用于吸收波的图像检测器。例如，但不排他地，图像检测器可以包括光阻或感光材料层、光电二极管、或CXD或CMOS像素阵列。可选择地，出口可以包括波收集器，如光纤或反射体(只要它可以实现将波从设备解耦的功能)。出口可以位于反射体的内边界内的任何位置(尽管它的位置通常依赖源的位置)。在一个实施方式中，出口被嵌入在透镜中但是优选地出口位于透镜的外表面上。这种布置有助于从成像设备传送有效图像而无需出口被嵌入在透镜中。出口可以可选地位于透镜和反射体之间的间隙中。源也可以位于反射体的边界内的任何位置但是优选地，透镜包括源和出口。在一个实施方式中，透镜、源和出口都位于同一平面上。在这种情况下，反射体通常在所述平面上的两个维度上围绕透镜、源和出口。此外或可选择地，在这种情况下，波通常源在所述平面上的多个方向的任何一个上从源发射。优选地，波沿着闭合轨迹被从源导引至出口，使得在没有出口时，波将通过透镜和反射体被导引返回至源。折射率剖面可以由结构材料/超材料提供。这是一种包含小于要被成像的光照的波长、但大于分子尺寸的结构的材料。一个实例是光子晶体纤维，也被称为微结构纤维，其在沿着纤维的玻璃上包含通气孔。然而，更优选地，折射率分布是梯度折射率分布。“梯度·折射率分布”可以被定义为逐渐地(和连续地)变化的折射率分布。这种分布可以通过掺杂或混合材料来做出(一个实例是梯度折射率光纤)。例如，但不排他地，透镜可以由二氧化硅(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围从I. 45至2。可选择地，这种分布可以通过掺杂电介质材料来做出。梯度折射率分布将不同于结构材料/超材料(以上所描述的)。通过使折射率分布为梯度折射率分布，图像分辨率不受到透镜内的任何基体结构限制。相反地，如果折射率分布由结构材料/超材料形成，基体结构可以限制图像分辨率(尽管图像分辨率仍然可能超越衍射极限)。因此，梯度折射率分布可以提供甚至更大的图像分辨率。梯度折射率分布的一个可选项是锥形波导[参见例如S.K. Yao等人，Appl.Opt. 18, 4067 (1979)]。这里逐渐变化的折射率分布通过改变在基底上的具有给定折射率的层的厚度来建立。所述层，作为波导，限制并且支持辐射。它的厚度造成依据层剖面变化的有效折射率。优选地，透镜由各向同性电介质形成。这允许宽带光源的完美成像。优选地，源包括用于将波耦合至成像设备的装置。在一个实施方式中，源是要被成像的对象(例如纳米结构)。在这种情况下，对象可以，例如，由外部光波源照明，对象将光波反射或散射至透镜。当波通过透镜和反射体被从对象指引至出口时，对象的完美图像在出口处形成。在本公开内容的第3节中阐述的实例中，金点作为对象并且该点由聚焦的激光束照明。在本公开内容的第4节中阐述的实例中，源是同轴电缆。在这种情况下，将电缆与透镜的外表面接触并且通过电缆将微波传输到透镜中。透镜和反射体可以具有任何形状。这种形状可以通过光学保角映射(OpticalConformal Mapping) [U. Leonhardt, Science 312, 1777 (2006)]应用。在这种情况下，折射率分布和反射体的形状通过保角变换变形。通常，当在平面图中观察时反射体实质上是环形的。在这种情况下，透镜优选地位于反射体的环形域中。更优选地，透镜可以与反射体的环形域同心。在一个实施方式中，当在平面图中观察时透镜实质上是圆形的。当透镜是圆形的并且反射体是环形的时，反射体的环形域优选地具有比透镜大的半径。在这种情况下，透镜的折射率分布可以符合广义的Luneburg分布。在可选的实施方式中，反射体的环形域和透镜具有实质上相同的半径。在这种情况下，透镜的折射率分布可以符合麦克斯韦鱼眼分布。在一个实施方式中，透镜是旋转对称的并且按照由以下隐式方程给出的折射率分布n Cr)沿着半径r变化
权利要求
1.ー种成像设备，包括a.透镜，其具有根据预定的折射率分布变化的折射率；b.源；c.出口，其用于将波从所述设备解耦；以及d.反射体，其被设置在所述透镜、所述源和所述出口的周围，其中所述反射体和所述透镜的所述折射率分布被一起布置成将在多个方向的任何一个上从所述源发射的波导引至所述出ロ。
2.如权利要求I所述的成像设备，其中所述波是声波或电磁波。
3.如权利要求I或2所述的成像设备，其中所述透镜、所述源和所述出口都位于同一平面上。
4.如权利要求3所述的成像设备，其中所述反射体在所述平面上的两个维度上围绕所述透镜、所述源和所述出口。
5.如权利要求3或4所述的成像设备，其中所述波从所述源在所述平面上的多个方向的任何一个上发射。
6.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述波沿着闭合轨迹被从所述源导引至所述出口，使得在没有所述出口时，所述波将通过所述透镜和所述反射体被导引返回至所述源。
7.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述折射率分布是梯度折射率分布。
8.如权利要求7所述的成像设备，其中所述折射率分布包括掺杂电介质。
9.如权利要求I至6中的任一项所述的成像设备，其中所述折射率分布包括锥形波导。
10.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述源包括用于将波耦合进入所述设备的装置。
11.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述出口与所述源相対。
12.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述出ロ包括用于吸收所发射的波的像检测器。
13.如权利要求12所述的成像设备，其中所述像检测器包括光阻材料层、光电ニ极管、CXD或CMOS像素阵列或感光材料层。
14.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述透镜包括各向同性电介质。
15.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述透镜包括所述源和所述出ロ。
16.如权利要求15所述的成像设备，其中所述出ロ位于所述透镜的外表面。
17.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，还包括在所述透镜的边缘和所述反射体之间的间隙。
18.如权利要求I至16中的任一项所述的成像设备，其中所述反射体邻近所述透镜。
19.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中当在平面图中观察时所述反射体实质上是环形的。
20.如权利要求19所述的成像设备，其中所述透镜位于所述反射体的环形域中。
21.如权利要求19或20所述的成像设备，其中所述透镜与所述反射体的所述环形域同心。
22.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中当在平面图中观察时所述透镜实质上是圆形的。
23.如依赖于权利要求19至21中的任ー项的的权利要求22所述的成像设备，其中所述反射体的所述环形域的半径比所述透镜的大。
24.如依赖于权利要求19至21中的任一项的权利要求22所述的成像设备，其中所述反射体的所述环形域和所述透镜具有实质上相同的半径。
25.如权利要求22至24中的任一项所述的成像设备，其中所述出ロ与所述源是直径上相対的。
26.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述透镜包括ニ氧化硅和/或氮化硅。
27.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述透镜是旋转対称的并且按照由以下隐式方程给出的折射率分布n (r)沿着半径r变化
28.如权利要求27所述的成像设备，其中所述透镜具有最大折射率，IV其符合以下方程
29.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述透镜实质上是平面的。
30.如权利要求29所述的成像设备，其中所述波是电磁波，所述电磁波的电场分量实质上与所述透镜的平面垂直。
31.如任ー项前述权利要求所述的成像设备，其中所述透镜的介电常数等于其折射率的平方。
32.ー种使用成像设备的成像方法，所述成像设备包括a.透镜，其具有根据预定的折射率分布变化的折射率；b.源；c.出口，其用于将波从所述设备解耦；以及d.反射体，其被设置在所述透镜、所述源和所述出口的周围，所述方法包括在多个方向上从所述源发射波；使用所述透镜和所述反射体将所发射的波导引至所述出口 ；以及使用所述出口将所导引的波的至少一部分从所述设备解耦。
33.如权利要求32所述的成像方法，其中从所述源发射波的步骤包括从所述源全方向地发射波。
34.如权利要求32或33所述的成像方法，还包括将多个波聚焦在所述出ロ处。
35.如权利要求32至34中的任一项所述的成像方法，其中所述透镜、所述源和所述出ロ都位于同一平面上。
36.如权利要求32至35中的任一项所述的成像方法，其中所述透镜实质上是平面的。
37.如权利要求36所述的成像方法，其中所述波是电磁波，所述电磁波的电场分量实质上与所述透镜的平面垂直。
38.如权利要求36或37所述的成像方法，其中所述波是在所述透镜的平面中从所述源发射的。
全文摘要
传统的成像设备的分辨率受到衍射极限的限制。能够实现超越衍射极限的分辨率的‘完美’成像设备被认为不可能实施。然而，本公开内容提供一种成像设备，其能够实现超越衍射极限的改进的分辨率并且可以在实践中实施。所述成像设备包括a.透镜，其具有根据预定的折射率分布变化的折射率；b.源；c.出口，其用于将波从设备解耦；和d.反射体，其被设置在透镜、源和出口的周围，其中反射体和透镜的折射率分布被一起布置成将在多个方向的任何一个上发射的波从源导引至出口。
文档编号G02B3/00GK102834757SQ201080052819
公开日2012年12月19日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月23日
发明者尤尔弗·伦哈特, 托马斯·泰科, 卢卡斯·海茨曼·加夫列利, 米歇尔·利普森 申请人:圣安德鲁斯大学评议会, 马萨里克大学, 康奈尔大学