CN101299098B - 具备由显示出负折射的介质形成的光学元件的光学装置 - Google Patents

Abstract

具备由显示出负折射的介质形成的光学元件的光学装置。本发明公开一种透镜。该透镜包括：光学元件，其由折射率为正的材料形成；和显示出负折射的介质，其将上述光学元件作为基板，形成在上述光学元件上。

Description

具备由显示出负折射的介质形成的光学元件的光学装置

本申请是分案申请，原案申请的申请号为200580029841.4，国际申请号为PCT/JP2005/016338，申请日为2005年9月6日，发明名称为“具备由显示出负折射的介质形成的光学元件的光学装置”。

技术领域

本发明涉及使用了光学元件、显微镜、光刻光学系统、及光盘光学系统等光学系统的光学装置。

背景技术

以往，在这些光学系统中，为了提高分辨力，提出了通过水浸没、油浸没或者固体浸没等方法来提高物体侧NA的技术方案(参照下面的非专利文献1)。另一方面，有关显示出与普通的玻璃透镜等不同的折射特性的物质(例如光子晶体等)，有如下这样的文献(参照非专利文献2、3以及专利文献1、2、3、4)。

非专利文献1：光学系の仕組みと応用P73-77、P1 66-170オプトロニクス社2003年11月19日刊

非专利文献2：J.B.Pendry Phys.Rev.Lett.Vol85，18(2000)3966-3969

非专利文献3：M.Notomi Phy.Rev.B.Vol62(2000)10696

非专利文献4：V.G.Veselago Sov.Phys.Usp.Vol.10，509-514(1968)

非专利文献5：L.Liu and S.He Optics Express Vol.12 No.20 4835-4840(2004)

非专利文献6：佐藤·川上オプトロニクス 2001年7月号197ペ一ジ、オプトロニクス社刊

专利文献1：US 2003/0227415 A1

专利文献2：US 2002/0175693 A1

专利文献3：日本特开2003-195002

专利文献4：日本特开2004-133040

在现有的方法中，标本面、光盘面或者晶体面与透镜、水、油、以及掩模相接触，或者只离开30纳米左右的间隔等，由于动作距离(以下称为WD)过短，所以实际上具有给标本和透镜等造成损害的问题。

发明内容

本发明就是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种使用WD长的或者非接触的例如观察光学系统、成像光学系统、及投影光学系统等各种光学系统的光学装置等。

为了达成上述目的，本发明的第一方式是透镜，该透镜包括：由折射率为正的材料形成的光学元件；和显示出负折射的介质，该介质以上述光学元件为基板，形成在上述光学元件上。

本发明的第二方式是光学元件，该光学元件包括：由折射率为正的材料形成的光学元件；和显示出负折射的介质，该介质以上述光学元件为基板，形成在上述光学元件上。

本发明的第三方式是光学元件，该光学元件包括：透明的平板；和显示出负折射的介质，该介质以上述平板为基板，形成在上述平板上。

本发明的第四方式是光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件。

本发明的第五方式是光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件，通过由显示出负折射率的介质形成的光学元件，来实现高精度的成像。

本发明的第六方式是光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件，通过利用由该显示出负折射率的介质形成的光学元件所具有的完全成像的性质，来实现高精度的成像。

本发明的第七方式是光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件，通过该光学元件得到长的动作距离。

本发明的第八方式是光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件和除此之外的光学元件。

本发明的第九方式是光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件和由正折射率的介质形成的光学元件。

本发明的第十方式是光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件和由正折射率的介质形成的光学元件，在最接近上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的、由正折射率的介质形成的光学元件，与上述由显示出负折射的介质形成的光学元件之间具有间隙。

本发明的第十一方式是光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件和除此之外的多个光学元件。

本发明的第十二方式是光学系统，该光学系统将由显示出负折射的介质形成的光学元件和成像光学系统组合起来进行配置。

本发明的第十三方式的光学系统，该光学系统具有基于由显示出负折射的介质形成的光学元件的成像关系，该光学系统还具有由上述显示出负折射的介质形成的光学元件之外的光学元件。

本发明的第十四方式是光学系统，该光学系统包括基于由显示出负折射的介质形成的光学元件的成像关系和基于成像光学系统的成像关系的双方。

本发明的第十五方式是光学系统，该光学系统包括具有由显示出负折射的介质形成的光学元件的光学系统和成像光学系统，通过上述光学系统进行成像，并通过成像光学系统对该像进行再次成像。

本发明的第十六方式是光学系统，该光学系统通过成像光学系统对物体的像进行成像，并通过包括由显示出负折射的介质形成的光学元件的光学系统对该像进行再次成像。

本发明的第十七方式是光学系统，该光学系统满足下面的(8-5)式：

|Δ|＜100λ    ...(8-5)式

其中，Δ＝WD+d-t

WD是上述显示出负折射的介质到物体或者像面的距离，

d是上述显示出负折射的介质到光学系统的中间成像点的距离，

t是上述显示出负折射的介质的厚度。

本发明的第十八方式是光学系统，将成像光学系统配置在由显示出负折射的介质形成的光学元件的后方。

本发明的第十九方式是光学系统，将成像光学系统配置在由显示出负折射的介质形成的光学元件的前方。

本发明的第二十方式是光学装置，该光学装置具备光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件。

本发明的第二十一方式是光学装置，该光学装置具备光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件和除此之外的光学元件。

本发明的第二十二方式是光学装置，该光学装置具备光学系统，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件和由正折射率的介质形成的光学元件。

本发明的第二十三方式是信号处理装置，该信号处理装置具有由显示出负折射的介质形成的光学元件。

本发明的第二十四方式是光盘装置，该光盘装置具有由显示出负折  射的介质形成的光学元件。

本发明的第二十五方式是投影装置，该投影装置具有由显示出负折射的介质形成的光学元件。

本发明的第二十六方式是观察装置，该观察装置具有由显示出负折射的介质形成的光学元件。

本发明的第二十七方式是摄像装置，该投像装置具有由显示出负折射的介质形成的光学元件。

本发明的第二十八方式是光学装置，该光学装置用于进行上述细微结构的成像，该光学装置包括光源、具有细微结构的部件、和由显示出负折射的介质形成的光学元件。

本发明的第二十九方式是曝光装置，该曝光装置用于对晶片进行曝光，并按顺序配置光源、光掩模和由显示出负折射的介质形成的光学元件。

本发明的第三十方式是透镜，该透镜使用光子晶体作为显示出负折射的介质，且具有曲面的光学面。

本发明的第三十一方式是光学装置，该光学装置具有由显示出负折射的介质形成的光学元件和成像光学系统，从上述成像光学系统的中间成像点到由上述显示出负折射的介质形成的光学元件的表面的距离的绝对值大于等于0.1λ/A(其中，A是中间成像点上的上述成像光学系统的数值孔径)。

本发明的第三十二方式是一种光学装置，该光学装置具有由显示出负折射的介质形成的光学元件和成像光学系统，从最接近由上述显示出负折射的介质形成的光学元件的上述成像光学系统的光学面到上述成像光学系统的中间成像点的距离的绝对值大于等于0.1λ/A(其中，A是中间成像点上的上述成像光学系统的数值孔径)。

本发明的第三十三方式是光学装置，该光学装置包括光源、具有细微结构的部件和由显示出负折射的介质形成的光学元件，上述具有细微结构的部件与上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的表面的距离大于等于0.1λ。

本发明的第三十四方式是光学装置，该光学装置包括由显示出负折射的介质形成的光学元件和成像光学系统，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下面的(17)、(18)、(19)、(20)式中的任意一个条件。

0.1mm≤t≤300mm    (17)式

0.01mm≤t≤300mm    (18)式

1100nm≤t≤200mm    (19)式

100nm≤t≤50mm    (20)式

本发明的第三十五方式是光学装置，该光学装置包括光源、具有细微结构的部件和由显示出负折射的介质形成的光学元件，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下面的(17)、(18)、(19)、(20)式中的任意一个条件。

0.1mm≤t≤300mm    (17)式

0.01mm≤t≤300mm    (18)式

1100nm≤t≤200mm    (19)式

100nm≤t≤50mm      (20)式

本发明的第三十六方式是光学装置，该光学装置具有光学系统，该光学系统具备由显示出负折射的介质形成的光学元件，该光学装置还具有如下的光学系统，该光学系统使用光子晶体作为上述显示出负折射的介质，并且与该光子晶体的旋转对称性最好的轴朝向上述光学系统的光轴方向。

本发明的第三十七方式是光学装置，该光学装置具有光学系统，该光学系统具备由显示出负折射的介质形成的光学元件，沿上述光学系统的光轴测得的光学系统的长度小于等于20m。

本发明的第三十八方式是透镜，该透镜具有曲面的光学面，使用具有负折射率的光子晶体作为负折射率介质。

本发明的第三十九方式是由显示出负折射的介质形成的透镜，该透镜的一侧是平面。

本发明的第四十方式是由显示出负折射的介质形成的透镜，该透镜具有非球面。

本发明的第四十一方式是由显示出负折射的介质形成的透镜，该透镜具有旋转非对称面。

本发明的第四十二方式是由显示出负折射的介质形成的透镜，该透镜具有扩张曲面。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式，是表示使用了负折射率介质301的反射型显微镜302的示例的图。

图2是表示图1的物镜306附近的放大图的图。

图3是本发明的另一实施方式，是表示使用了负折射率介质301的透射型显微镜315的图。

图4是表示光盘的光学系统320的实施方式的图。

图5是表示投影曝光装置的光学系统的实施方式的图。

图6是表示以往提出的紧密接触型光刻的图。

图7是在硅片326和聚合物光掩模330之间将负折射率介质301的平行平板以紧密接触或者极接近的方式配置在聚合物光掩模330上的图。

图8是表示例示了由负折射率介质构成的透镜301-2的实施方式的图。

图9是表示光子晶体340的一个示例的图。

图10是表示光子晶体340的一个示例的图。

图11是使用由具有正的负折射率的材料形成的平板450上所形成的平板形状的负折射率介质301的反射型显微镜302的示例的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。图1是本发明的一个实施方式，是使用了负折射率介质301的反射型显微镜302的示例，配置在空气中。从光源303(例如激光光源、水银灯等)射出的光通过照明透镜304和半透镜305入射到物镜306上。物镜306的NA例如大于1，就能够激励起渐逝波。物镜306包括由具有正折射率的介质形成的光学元件、例如由玻璃构成的透镜306-1、306-2。

图2表示图1的物镜306附近的放大图。这里，将物镜306的最接近物体侧的面作为311。以FF表示物镜306的中间成像点。面311和中间成像点FF的距离为g。

在从中间成像点FF离开d的位置上配置有例如平行平板状的负折射率介质301。d表示中间成像点FF和负折射率介质的上表面310之间的距离。d的值例如是50μm。312是负折射率介质301的物体侧的面。

被物体307散射的光通过负折射率介质301、物镜306、半透镜305、以及目镜308，利用眼309或者具备摄像元件408的TV相机、制冷CCD相机等能够进行观察。下面详细描述该情况。

这里，负折射率介质301的折射率为-1，厚度为t(例如300μm)。WD是负折射率介质301与物体307或者后述的成像部件之间的距离。关于WD在后面详细描述。

由于负折射率介质301的折射率为-1，所以被物体307散射的光线如图2的箭头所示那样，进行与通常不同的折射(参照非专利文献2)。

根据折射法则，若入射角为i，出射角为r，则满足下式。

r＝-i   ...(0-3)式。

若负折射率介质301的折射率为n，则满足下式。

sin r＝(1/n)sin i    ...(0-4)式。

根据非专利文献2，当

t＝WD+d    ...(1)式

时，负折射率介质301将物体307完全成像在中间成像点FF上。即，实现完全成像。这里所说的完全成像是指不受衍射极限的影响，使包括放射光和渐逝波在内的所有作为电磁场的光进行成像。因此，等价于在FF处有物体。

定义为从FF到面311的距离的g的值满足下式，

0≤g≤λ ...(0)式，

中间成像点FF非常接近面311。这是为了有效利用渐逝波而优选的条件。从实用角度出发，有时也可以是下式。

0≤g≤10λ  ...(0-1)式

而且，λ是所使用的光的波长，当是可见光时，λ为0.35μm～0.7μm。

这样，可以进行NA＞0.1的、包括渐逝波的成像。因而能够实现高分辨率的显微镜。

而且，根据用途，还可以是下式。

0≤g≤1000λ  ...(0-1-0)式

在(0)式～(0-1-0)式中，若g的下限为0.1λ/A，则透镜表面311上的灰尘、损伤等变得模糊，恶劣影响降低，因此也是好的。另外，A是物镜306的FF中的数值孔径(NA)。

在(0)式～(0-1-0)式中，若g的下限为0.6λ/A，则透镜表面311上的灰尘、损伤等的影响进一步降低，因此是好的。

在(0)式～(0-1-0)式中，若g的下限为1.3λ/A，则透镜表面311上的灰尘、损伤等的影响进一步大幅度降低，因此是好的。

假设d＝50μm，根据(1)式，则WD＝250μm，WD较长这是以往所没有的优点，若g为0～数十nm，则成像性能大致等同于将物镜306几乎接触到物体307上的固体浸没透镜。

本发明的一个实施方式的关键点是将由负折射率介质形成的光学元件(301等)和成像光学系统(306等)组合起来进行配置。在本实施方式中构成为，将成像光学系统配置在负折射率介质301的像侧。

而且，本发明的一个实施方式的特征在于，将通过负折射率301所成像的物体像(中间成像)通过物镜306进行再成像。中间成像在图2的示例中是实像，但根据光学系统的用途还可以是虚像。并且，在图2的示例中，具有照明光和观察光沿反方向透射负折射率介质301共计两次的特征。

在上面的说明中，关于g≥0的情况进行了描述，但还可以是下式。

g＜0    ...(0-5)式

理由是，若d+g＞0  (0-6)式，则能够维持成像关系，而光学元件彼此不碰撞。所谓g＜0是指FF进入透镜(例如306-1)中。但是，若g过小，则完全成像的条件被破坏，因此优选满足下式。

-t＜g＜0  ...(0-7)式

根据用途满足下式也可以。

-3t＜g＜0  ...(0-8)式

根据光学系统有时满足下式也可以。

-10t＜g＜0  ...(0-9)式

而且，d+g＝0也可以。

若以实际长度表示g的值，则g的值为下式较好。

-100mm＜g＜0  ...(0-10)式

当g的值小于(0-10)式的下限时，透镜的制作变得困难。

若g的值满足下式也是好的。

-10mm＜g＜0  ...(0-11)式

在(0-5)式～(0-11)式中，若g的上限为(-0.1λ)/A，则能够可靠地利用渐逝波，并且透镜表面311上的灰尘、损伤等变得模糊，恶劣影响降低，所以是好的。在(0-5)式～(0-11)式中，若g的上限为(-0.6λ)/A，则透镜表面311上的灰尘、损伤等的影响进一步降低，因此是好的。

在(0-5)式～(0-11)式中，若g的上限为(-1.3λ)/A，则透镜表面311上的灰尘、损伤等的影响进一步大幅度降低，因此是好的。

不严格遵守式(1)也可以。这是由于通过负折射率介质301所成的像位置有时因为负折射率介质301的折射率的制造误差、面精度的误差等而偏离(1)式。

只要满足下式即可。

0.8(WD+d)≤t≤1.2(WD+d)    (2)式

根据制品有时也允许下式。

0.5(WD+d)≤t≤1.5(WD+d)    (3)式

根据制品的利用条件，有时满足下式也可以。

0.15(WD+d)≤t≤4.0(WD+d)    (4)式

或者若满足下式，则能够确保加长的WD，因此是好的。

t≤0.9(WD+d)    ...(4-1)式

上面说明的想法在本申请的其他实施方式中也同样适用。即使是其他实施方式，负折射率介质301的折射率也例如是-1。

图3是本发明的另一实施方式，表示使用了负折射率介质301的透射型显微镜315的示例。在图3中，仅将照明光学系统316和物镜306附近放大表示进行图示。315配置在空气中。

光源303的光入射到棱镜317上，以进行全反射的角度入射至棱镜317的标本314侧的面318上。由此标本314被渐逝波照亮。来自标本314的散射光由负折射率介质301折射，在中间成像点FF附近进行完全成像。而且，通过物镜306进行再成像而被观察。

式(0)、(0-1)、(0-1-0)、(0-3)、...、(0-11)、(1)、(2)、(3)、(4)、(4-1)在本示例中也同样适用。

在图3及后述的图4、图5中，描述了d的值与WD相比十分小，并且g的值也接近0的情形。图1、图3的光学系统也能够应用于扫描型显微镜。

图4是光盘的光学系统320的实施方式。从作为光源321的半导体激光器射出的光通过半透镜305、物镜322、以及负折射率介质301，而在光盘323上成像，进行写入。物镜322的NA大于1，以非接触物镜322的方式通过微小的点光，能够进行包括渐逝光在内的更高密度的写入。320配置在空气中。

负折射率介质301的成像关系可以认为是光沿图2的实施方式中箭头的相反方向行进。当从光盘323读出信号时，从光源321射出的光被光盘323散射，通过负折射率介质301、物镜322，并且被半透镜305反射后，射入光电探测器324中。能够按照非接触方式以高NA进行读出。

而且，如图5所示，写入时的结构在光源321和物镜322之间配置光掩模325，用硅片326替换光盘323，若光掩模325和硅片326光学共轭，则LSI制造用的投影曝光装置(步进曝光装置等)349能够实现。由于NA大于1就能够使用渐逝波，所以能够以高分辨率且以非接触方式进行曝光，情景较好。在图5中，投影曝光装置的光学系统配置在真空中。

在图4、图5的实施方式中式(0)、(0-1)、(0-1-0)、(0-3)、...、(0-11)、(1)、(2)、(3)、(4)、(4-1)也成立。

在图1～图5的示例中，负折射率介质301和与负折射率介质301最接近的透镜被隔开间隔进行配置。

这样，例如即使与物体碰撞而使负折射率介质301发生破损的情况下，仅更换负折射率介质301就能够恢复功能，因此是好的。即、易于修理。

图6是表示以往提出的紧密接触型光刻的图。当线宽20nm左右的透明的聚合物光掩模330受到来自上方的照明光照射时，在凸部331的下方产生渐逝波，使硅片326上的光致抗蚀剂感光。然后进行LSI的制造。聚合物光掩模330是具有细微结构的部件。但是，必须使聚合物光掩模330和硅片326紧密接触，使用中存在聚合物光掩模330的寿命短、聚合物光掩模330容易损坏等问题。该问题即使在使用铬光掩模代替聚合物光掩模的情况些也会产生。

因此，鉴于这一点，根据本发明，通过使用负折射率介质301，能够以非接触方式实现高分辨率的光刻。

图7是其说明图，在硅片326和聚合物光掩模330之间以紧密接触或者以极接近聚合物光掩模330的方式配置负折射率介质301的平行平板。图7的光学系统配置在真空中或者空气中。

这样，在聚合物光掩模330的凸部331的下方所产生的渐逝波通过负折射率介质301完全成像，光掩模330的像形成在硅片326上。成像倍率为1倍。这样，能够实现WD大且高分辨率的光刻。

若凸部331和负折射率介质301之间的距离为d，则满足(1)～(3)、(4)、(4-1)式。

关于物镜306、物镜322、以及投影透镜328，它们的光学系统的物体侧或者光盘侧或者硅片326侧的NA优选为0.1以上，但不足1.0也可以。例如0.2以上或者其以下也可以。理由是通过负折射率介质301具有延长WD的效果。

若透镜306、322、328等的上述NA为1.15以上，则由于能够实现高析像，因此是好的。

另外，若使上述的NA为1.3以上，则能够实现水浸没透镜和/或水浸没物镜所不能实现的高析像，因此也是好的。

若使上述的NA为1.5以上，则能够实现油浸没物镜和的高析像，因此特别好。

而且，关于负折射率介质301的形状，在图1、图2、图3、图4、以及图5的实施方式中，负折射率介质301的形状还可以不是平行平板状。

如图8所示，作为负折射率介质，由负折射率介质形成，还可以使用在物体侧具有凹面的透镜301-2。在延长WD效果基础上还能得到像差补正的效果等。在图8中，由负折射率介质形成的透镜301-2的单侧为平面，另一面为凹陷的曲面，但还可以为双凸透镜、平凸透镜、双凹透镜、月牙形凸透镜、以及月牙形凹透镜等的形状。

由负折射率介质形成的透镜301-2的曲面形状可以是球面、非球面、以及自由曲面，还可以是旋转非对称面、扩张曲面等。

以下，对可以作为本发明共通的内容进行叙述。作为负折射率介质301的具体的物质列举出光子晶体。图9是表示光子晶体340的第一具体示例，图10是表示光子晶体340的第二具体示例。如图9、图10所示，光子晶体340是具有λ～数十分之一λ左右的周期的结构的物质，通过光刻等进行制作。作为所使用的材料是含有SiO₂、丙稀、以及聚碳酸酯等合成树脂的电介质、或者GaAs等。这里，λ是所使用的光的波长。图中的X、Y、Z方向的重复的周期Sx、Sy、Sz的值具有λ～数十分之一λ左右的值。已经公知在光子晶体的带端附近能够实现负折射率(参照非专利文献3)。可以将图中的z方向作为光学系统的光轴。

Z轴是光子晶体的旋转对称性最好的轴的方向。

Sx、Sy、Sz优选为满足下式中的任一式。

λ/10＜Sx＜λ    ...(5-1)式

λ/10＜Sy＜λ    ...(5-2)式

λ/10＜Sz＜λ    ...(5-3)式

Sx、Sy、Sz的值超过上限或者小于下限，作为光子晶体的功能就消失了。

根据用途，Sx、Sy、Sz满足下式中的任一式即可。

λ/30＜Sx＜4λ  ...(5-4)式

λ/30＜Sy＜4λ  ...(5-5)式

λ/30＜Sz＜4λ  ...(5-6)式

关于负折射率介质，已经公知：介质的电介常数ε为负，并且介质的相对磁导率μ为负时，介质相对于真空的折射率为下面的数式1。

$-\sqrt{\mathrm{\ϵ\μ}}$ (数式1)

此外，作为负折射率介质，可以使用显示出负折射的物质、近似显示出负折射的物质，例如银、金、以及铜等薄膜，关于特定的偏光方向还可以使用显示出负折射率的物质、电介常数ε大致为-1的物质的薄膜等。

此外，有时将负折射率介质称为左手系列材料(Left handedmaterial)。在本申请中，包括所有这些负折射率介质、左手系列材料、近似显示出负折射的物质、关于特定的偏光方向显示出负折射率的物质、以及电介常数ε大致为-1的物质的薄膜等，并称为显示出负折射的介质。表示完全成像的物质也包括在显示出负折射的介质中。并且，在由具有大致为-1的电介常数ε的材料形成的薄膜的情况下，满足下式就可以。

-1.2＜ε＜-0.8    ...(5-7)式

根据用途还可以是下式。

-1.6＜ε＜-0.5  ...(5-8)式

作为所用光的光波，在实施方式中叙述了主要使用单色光的示例，但不限定于此，还可以使用下述光源：射出连续光谱的光源、白色光源、单色光的和、或超辐射发光二极管等的低相干光源。

作为波长，可以使用在空气中也可传送的波长，从光源容易得到的观点等出发，可以使用0.1μm～3μm的波长。若是可见波长，由于更加容易使用，因此是好的。若波长为0.6μm以下，则提高了析像，因此也是好的。

下面，对WD进行详细叙述。

WD的值为下式即可。

100nm≤WD≤20mm    ...(7)式

当超过(7)式的下限时，WD(动作距离)过小，难以进行处理。当超过(7)式的上限时，负折射率介质过大，在成本、加工方面是不利的。并且，作为光学装置其尺寸变得过大这一点也会成为问题。

根据产品，还可以允许下式。

20nm≤WD≤200mm    ...(8)式

若为下式，则可以得到更加容易使用的光学装置。

1100nm≤WD≤200mm    ...(8-0-1)式

若为下式，则由于容易使用、且确定光学装置的WD的机构变得简单，因此是好的。

0.01mm≤WD≤200mm    ...(8-0-2)式

若为下式，则由于更加容易使用、且光学装置的机械精度也进一步下降，因此是好的。

0.1mm≤WD≤200mm    ...(8-0-3)式

另外，WD优选为满足下式。

WD＞d    (8-1)式

若t的值相同，则通过式(1)可以得出，d的值越小WD变得越大。

根据产品，还能够允许下面的(8-2)式。

WD＞0.1d  ...(8-2)式

由于通过减小d的值，还能够减小306、322、以及328等的透镜的大小，因此是好的。

另外，为了使分辨率变好，优选为d的值满足下面的(8-2-1)式，

d≥0    ...(8-2-1)式

但根据用途，d的值还可以是下面的(8-2-2)式。

d＜0    ...(8-2-2)式

在(8-2-1)式中，若d的下限为0.1λ/A，则FF接近透镜306-1侧，从而易于利用渐逝波，并且面310上的灰尘、损伤等变得模糊，降低了其恶劣影响，因此也是好的。

在(8-2-1)式中，若d的下限为0.6λ/A，则变得更加易于利用渐逝波，因此容易提高析像，并且还进一步降低了灰尘、损伤等的影响，因此是好的。

在(8-2-1)式中，若d的下限为1.3λ/A，则由于变得更加易于大幅度地利用渐逝波，因此容易提高析像，并且还进一步大幅度地降低了灰尘、损伤等的影响，因此是好的。

但是，A是光学系统的点FF中的数值孔径，但在图7那样的不能定义FF的光学系统中，A＝1。

在(8-2-1)式中，若d的下限为0.005mm，则容易扩大负折射率介质301和上部透镜系统的距离，因此用于保持负折射率介质301和上部透镜系统之间的距离的框架结构变得简单，从而是好的。

在(8-2-2)式中，若d的上限为(-0.1λ)/A，则面310上的灰尘、损伤等变得模糊，降低了其影响，因此也是好的。

在(8-2-2)式中，若d的上限为(-0.6λ)/A，则进一步降低了灰尘、损伤等的影响，因此是好的。

在(8-2-2)式中，若d的上限为(-1.3λ)/A，则进一步大幅度地降低了灰尘、损伤等的影响，因此是好的。

另外，A是点FF中成像光学系统306、322、以及328等的数值孔径(NA)。

这里，是将光学面上的灰尘、损伤等对成像性能影响汇总起来。如已经用g、d的条件式进行了说明那样，从FF到之前一个或者之后一个的光学面的距离越大，该光学面的灰尘、损伤等的影响变得越小。这里所说的距离是光学上的长度(空气换算长度)。

而且，优选为其距离至少也要在0.1λ/A以上。并且，若在0.6λ/A或者1.3λ/A以上，则也是好的。在上述的光学面中还包括负折射率介质的表面。

此外，由于致力研究光学装置的机械结构等，因此WD的值优选为可变。显微镜的载物台等是其一个例子。

此外，负折射率介质301和透镜最靠近负折射率介质301的面(拿图2来说是面311)还可以接合。或者，还可以将负折射率介质301形成为，作为透镜(拿图3来说是透镜306-1)的基板。在这些情况下，d的值近似为0或者为0。

或者，将负折射率介质301形成在透明的平板上，并配置成使该透明平板成为用于成像的透镜的一部分。作为配置的位置可以是成像透镜系统(拿图1来说为物镜306)的最前部(拿图1来说为透镜306-1的物体侧)或者最后部(拿图5来说为328的晶片侧)。用作基板的透镜或者平板若用具有正折射率的材料制成，则以低成本就能够制作，因此是好的。即使在基板上设置负折射率介质301的情况下，WD、d的值也从负折射率介质301的表面进行测量。

图11使用由具有正折射率的材料形成的平板450上所形成的平板形状的负折射率介质301的反射型显微镜302的示例。

使平板450、透镜306-1、以及306-2一起形成物镜306。中间成像点FF略微进入平板450中。透镜306-1和平板450接合，但也可以紧密接触。后述的式(12)、(13)对平板450的折射率也能适用。

这样结构的光学系统也能适用于图3、图4、图5、以及图7的示例。

此外，完全成像的条件从(1)式偏离，当为(8-3)式时，|Δ|的值越大，成像状态越差。

WD+d-t＝Δ  ...(8-3)式

若满足(8-4)，则能抑制某种程度的成像状态的降低。

|Δ|＜λ    ...(8-4)式

在实际使用中，根据产品，可允许下式。

|Δ|＜10λ    ...(8-4-1)式

根据使用条件，可允许下式。

|Δ|＜100λ    ...(8-5)式

若使(8-4-1)式～(8-5)式中的|Δ|的下限为0.1λ/A，则有时具有能够确保WD加长等的优点，因此是好的。

此外，当负折射率介质301的折射率为n时，n＜0。在到此为止叙述的实施方式中，n＝-1。在负折射率介质301为平行平板的情况下，理想的是n＝-1。但是，实际上由于负折射率介质301的制作误差、使用波长的移位等，有时不能达到n＝-1，此时优选满足下式。

-1.1＜n＜-0.9    ...(9)式

若n的值在上述的范围内，则完全成像不成立，分辨率降低。根据产品，满足下式即可。

-1.5＜n＜-0.5    ...(10)式

在只是为了加大WD等的用途中，有时满足下式即可。

-3＜n＜-0.2    (11)式

当最接近负折射率介质的透镜或者光学元件(拿图1、4、以及5来说，分别是306-1、322-1、以及328-1)的折射率为N时，由于N越大，分辨率越高，因此是好的。

若满足下式，则能够使用于广泛的用途中。

N≥1.3    ...(12)式

满足下式也是好的。

N≥1.7    ...(13)式

在(12)、(13)式中，若N的上限值为1.82，则玻璃的吸收(着色)变少，因此是好的。

若满足下式，则虽然有着色，但能够实现高析像，因此是好的。

N≥1.86    (13-1)式

而且，考虑负折射率介质301周围是空气或者真空，这在本申请的实施方式中可以说是共通的。

因此，负折射率介质301的折射率n在周围为空气的情况下表示相对于空气的相对折射率，在周围为真空的情况下表示相对于真空的折射率。当周围为真空时，能够使用短波长的真空紫外光，并且不会由于空气的波动而降低分辨率等，从而得到良好的成像性能。若周围为空气，则光学装置容易制造，处理也变得容易，因此是好的。

还可以是，在光学装置中仅负折射率介质301周围的光路为真空，光学装置的剩余部分放置在空气中。

可得到容易处理且成像性能好的光学装置。

使负折射率介质301相对于真空的折射率为nv，相对于空气的折射率为nA。在1大气压、波长500nm时，nA＝1.002818。

在光学装置的周围为空气的情况下，为了进行理想的完全成像的必要条件为下式。

nv＝-nA    ...(15)式

在光学装置的周围为真空的情况下，为了进行理想的完全成像的必要条件为下式。

nv＝-1.0    ...(16)式

此外，在图1、图2、图3、图4、图5、图7、图8、以及图11的例子中，还可以用水、油等液体充满d或WD的部分。这样的话，具有nv的值也可以不是-1、且容易选择负折射率介质301的材料的优点。在该情况下，若使水、油等液体的折射率为nL，则用于实现完全成像的必要条件为下式。

nv＝-nL    (15-3)式

若使负折射率介质301相对于液体的相对折射率为n，则(9)式、(10)式、以及(11)式也可以同样适用。

对t的值进行叙述。实际使用中，为了使光学装置便于使用，WD取越大越好。

从(1)可得出WD是与t同等程度的值。因此满足下式较好。若t的值超过上限，则光学装置变大，难以制造。

0.1mm≤t≤300mm    ...(17)式

根据产品，还允许下式。

0.01mm≤t≤300mm    ...(18)式

根据用途，有时可以允许满足下面的(19)式或者(20)式。

1100nm≤t≤200mm    ...(19)式

100nm≤t≤50mm    ...(20)式

此外，若满足(17)式或者(18)式，则增加作为光学元件的负折射率介质的机械强度，因此光学装置组装时的处理变得轻松，从而是好的。或者，可能不需要用于支承负折射率介质的基板，从而是好的。

在(19)式、(20)式中，若使t的上限值超过0.01mm，则也有通过蒸镀或者喷溅等来制造负折射率介质作为薄膜的可能性，因此是好的。

例如，可以考虑到利用自身克隆(cloning)法来制造光子晶体(参照非专利文献6)。

而且，若沿包括负折射率介质的光学系统的光轴所测量到的长度为20m以下，则光学系统和光学装置容易制作，因此也是好的。

此外，如本申请的图1、图3、图4、以及图5的实施方式所示那样，相对于成像光学系统(306、322、以及328等)的物点(FF、321、以及325等)或者像点(308前的实像、FF、以及324上的像等)的特征在于，上述物点和像点任何一个到成像光学系统的距离都是有限的。

此外，在本申请中使用了称为完全成像的用语，但本申请还包括不进行100％的完全的成像的情况，例如提高50％析像的情况。即、例如还包括分辨力比通常的衍射极限提高某种程度这样的情况。

根据本发明，能够实现既可得到充分的光学性能又具有WD较长或者非接触的各种光学系统的光学装置。

最后，叙述本实施方式所使用的技术用语的定义。

所谓光学装置是指包括光学系统或者光学元件的装置。以光学装置单体不能发挥作用也可以。即，还可以是装置的一部分。

在光学装置中包括：摄像装置、观察装置、显示装置、照明装置、信号处理装置、光信息处理装置、投影装置、以及投影曝光装置等。

作为摄像装置的例子具有：胶片相机、数码相机、PDA用数码相机、机器人(robot)眼、镜头更换式数码单反相机、电视摄像机、动画记录装置、电子动画记录装置、可携式摄像机、VTR(磁带)摄像机、便携式电话的数码相机、便携式电话的电视摄像机、电子内窥镜、胶囊型内窥镜、车载摄像机、人工卫星的摄像机、行星探测机的摄像机、宇宙探测机的摄像机、监视装置的摄像机、各种传感器眼、录音装置的数码相机、人工视觉、激光扫描型显微镜、投影曝光装置、步进曝光装置、调节器(aligner)和光探针型显微镜等。数码相机、卡型数码相机、电视摄像机、VTR摄像机、动画记录摄像机、便携式电话的数码相机、便携式电话的电视摄像机、车载摄像机、人工卫星的摄像机、行星探测机的摄像机、宇宙探测机的摄像机、以及录音装置的数码相机等的任一个都是电子摄像装置的一个例子。

作为观察装置的例子具有：显微镜、望远镜、眼镜、双眼镜、放大镜、纤维式观摩器、取景器(finder)、观景器(view finder)、接触式透镜、隐形眼镜和人工视觉等。

作为显示装置的例子具有：液晶显示器、观景器、游戏机(索尼公司制play station)、视频投影机、液晶投影机、头带型图像显示装置(head mounted display：HMD)、PDA(便携式信息终端)、便携式电话和人工视觉等。

多媒体视频投影机、液晶投影机等也是投影装置。

作为照明装置的例子具有：照相机的闪光灯、汽车的头灯、内窥镜光源、以及显微镜光源等。

作为信号处理装置的例子具有：便携式电话、个人计算机、游戏机、光盘的读取/写入装置、光计算器的运算装置、光互连装置、光信息处理装置、光LSI、光计算机、以及PDA等。

作为信息发送装置是指下面这些能够进行信息输入、发送的任意一个装置：便携式电话、固定式电话、游戏机、电视、收录音机、以及立体声设备等的遥控器、和个人计算机、个人计算机的键盘、鼠标、以及触摸面板等。

信息发送装置还包括摄像装置所带的电视监视器、个人计算机的监视器、以及显示器。

信息发送装置被包含在信号处理装置中。

摄像元件是指例如CCD、摄像管、固体摄像元件、以及相片胶卷等。此外，假设平行面板是包含在棱镜中的一种。观察者的变化包括观察角度的变化。被摄体的变化包括：作为被摄体的物体的距离的变化、物体的移动、物体的活动、振动、物体的摆动等。摄像元件、晶片、光盘、和银盐胶卷等是成像部件的例子。

扩张曲面的定义按如下所述进行。

除了是球面、平面、以及旋转对称非球面之外，还可以是：具有相对于光轴偏心的球面、平面、旋转对称非球面或者对称面的非球面；只具有一个对称面的非球面；没有对称面的非球面；自由曲面；以及具有不可微分的点、线的面等任何形状的面。反射面、折射面、只要是对光施以某些影响的面即可。

在本发明中，将上述的面总括起来称为扩张曲面。

作为成像光学系统是指摄像光学系统、观察光学系统、投影光学系统、投影曝光光学系统、显示光学系统、以及信号处理用光学系统等。

作为摄像光学系统的例子有数码相机的摄像用镜头。

作为观察光学系统的例子有显微镜光学系统、望远镜光学系统等。

作为投影光学系统的例子有视频投影机的光学系统、光刻用的光学系统、光盘读出/写入光学系统和光拾取器的光学系统等。

作为投影曝光光学系统的例子有光刻用的光学系统。

作为显示光学系统的例子有视频摄像机的观景器的光学系统。

作为信号处理光学系统的例子有光盘的读出/写入光学系统、光拾取器的光学系统。

所谓光学元件是指非球面透镜、反光镜、棱镜、自由曲面棱镜、衍射光学元件(DOE)、以及不均质透镜等。平行平板也是光学元件的一种。

产业的可利用性

根据本发明，能够实现既可得到充分的光学性能又具有WD较长或者非接触的各种光学系统的光学装置。

Claims (18)

1.一种光学系统，其特征在于，该光学系统具有由显示出负折射的介质形成的光学元件，通过该光学元件得到长的动作距离WD，该光学系统满足下面的(8-5)式：

|Δ|＜100λ                ...(8-5)式

其中，Δ＝WD+d-t

WD是上述显示出负折射的介质到物体或者像面的距离，

d是上述显示出负折射的介质到光学系统的中间成像点的距离，

t是上述显示出负折射的介质的厚度，

λ是所使用的光的波长。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，该光学系统使用光子晶体作为显示出负折射的介质。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统具有以使用光子晶体作为显示出负折射的介质为特征的曲面的光学面。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，与所述光子晶体的旋转对称性最好的轴朝向上述光学系统的光轴方向。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，沿上述光学系统的光轴测得的光学系统的长度小于等于20m。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，上述显示出负折射的介质是显示出完全成像性质的介质。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，由负折射率介质形成的光学元件是将透镜作为基板而形成的。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，由负折射率介质形成的光学元件和透镜接合。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，由负折射率介质形成的光学元件是将平板作为基板而形成的。

10.根据权利要求7或8所述的光学系统，其特征在于，所述由负折射率介质形成的透镜具有非球面、旋转非对称面、扩张曲面中的任一种。 

11.一种光学装置，该光学装置包括成像光学系统和权利要求1所述的光学系统，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下式，

0.1mm≤t≤300mm    ...(17)式。

12.一种光学装置，该光学装置包括成像光学系统和权利要求1所述的光学系统，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下式，

0.01mm≤t≤300mm    ...(18)式。

13.一种光学装置，该光学装置包括成像光学系统和权利要求1所述的光学系统，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下式，

1100nm≤t≤200mm    ...(19)式。

14.一种光学装置，该光学装置包括成像光学系统和权利要求1所述的光学系统，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下式，

100nm≤t≤50mm      ...(20)式。

15.一种光学装置，该光学装置包括光源、具有细微结构的部件和权利要求1所述的光学系统，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下式，

0.1mm≤t≤300mm     ...(17)式。

16.一种光学装置，该光学装置包括光源、具有细微结构的部件和权利要求1所述的光学系统，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下式，

0.01mm≤t≤300mm     ...(18)式。

17.一种光学装置，该光学装置包括光源、具有细微结构的部件和权利要求1所述的光学系统，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下式，

1100nm≤t≤200mm    ...(19)式。

18.一种光学装置，该光学装置包括光源、具有细微结构的部件和 权利要求1所述的光学系统，上述由显示出负折射的介质形成的光学元件的厚度t满足下式，

100nm≤t≤50mm    ...(20)式。 

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