JP2001133618A - 光伝送装置 - Google Patents

光伝送装置

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JP2001133618A JP2000124644A JP2000124644A JP2001133618A JP 2001133618 A JP2001133618 A JP 2001133618A JP 2000124644 A JP2000124644 A JP 2000124644A JP 2000124644 A JP2000124644 A JP 2000124644A JP 2001133618 A JP2001133618 A JP 2001133618A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強力な光伝送を行う装置を提供する。 【解決手段】 光伝送装置２０は、開口１２が形成され
た金属フィルム１０と、金属フィルム１０の第１の表面
１０ａに実質的に隣接して設けられた屈折率ｎd1の第１
の誘電体層１４ａと、金属フィルム１０の第２の表面１
０ｂに実質的に隣接して設けられた屈折率ｎd2の第２の
誘電体層１４ｂとを有する。第１の誘電体層１４ａの屈
折率ｎd1と、第２の誘電体層１４ｂの屈折率ｎd2とは実
質的に等しい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光学分野に関し、特
に１つ以上の開口が設けられた薄い金属フィルムを通す
ことにより光を強める伝送技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】米国特許出願番号08/979,432、1997年11
月26日提出、（以下、‘432出願）、米国特許出願番号0
9/l68,265、1998年10月8日提出、（‘265出願）、米国
特許出願番号 09/208,116、1998年12月9日提出、（以
下、‘116出願）（ここでは、まとめて「先願」と呼
び、ここでは、これら先願のそれぞれは本明細書に含ま
れる）で詳細に記述されているように、波長未満の直径
の開口が１つ以上設けられている薄い金属フィルム（す
なわち、導電性であり、重要となる波長において不透明
である）を通しての光伝送は、周期的に配列された孔を
配置すること、および／または、開口と共に金属フィル
ムの金属フィルム上に設けられた周期的な表面形状（窪
みや突起といった表面形状）により大いに強化すること
が可能である。１０００倍程のこの強化は、導電性フィ
ルムに入射する光が表面プラズモンモードと共振的に相
互作用する時に生ずる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の光伝
送装置に比べて、さらに強化された光伝送効率の光伝送
装置である。
【０００４】さらに、本発明は光伝送装置を利用して
の、新規の近接走査顕微鏡、光波長未満写真平版印刷用
マスクの新技術、波長選択フィルタ、および集光装置を
含む。
【０００５】本発明によれば、孔開き金属フィルムを通
して光伝送がなされる装置が提供される。この装置は第
１および第２の表面を有する金属フィルムと、金属フィ
ルムに設けられ第１の表面から第２の表面に連通する少
なくとも１つの開口と、第１および第２の誘電体層とを
有する。第１の誘電体層は実質的に金属フィルムの第１
の表面に隣接して設けられており、また、第２の誘電体
層は実質的に金属フィルムの第２の表面に隣接して設け
られている。第１と第２の誘電体層のそれぞれの屈折率
は、実質的に等しい。金属フィルムの１つの表面に入射
する光が金属フィルムの少なくとも１つの表面上の表面
プラズモンモードと相互作用し、金属フィルムの少なく
とも１つの開口を通ずる光伝送を強化する。装置は単一
の開口、あるいは、複数の周期的に整えられた開口を有
するものでもよく、金属フィルム表面は、さらに伝送を
強化するため、周期的な表面形状が設けられていてもい
なくてもよい。波長選択光学装置、空間光学フィルタ、
集光装置、近接走査光学顕微鏡装置、写真平版印刷用マ
スクも提供される。
【０００６】したがって本発明の目的は、金属フィルム
の両表面に実質的に隣接し、かつ、実質的に屈折率が等
しい２つの誘電体層を用い、屈折率がよく似た層のない
開口を通しての伝送に比較して伝送が強化されたよう
な、１つ以上の開口を通しての光伝送を行う装置を提供
することである。
【０００７】本発明の他の目的は、強力な光伝送を単一
の開口を通して行う装置を提供することである。
【０００８】本発明のさらなる目的は、選択された波長
で強力な光伝送を１つ以上の開口を通して行う装置を提
供することである。
【０００９】本発明の尚さらなる目的は、１つ以上の開
口を有し、強力な光伝送を行う波長選択光学装置を提供
することである。
【００１０】本発明の尚さらなる目的は、強力な光伝送
を行う空間光学フィルタを提供することである。
【００１１】本発明の尚さらなる目的は、１つ以上の開
口を有し、強力な光伝送を行う集光装置を提供すること
である。
【００１２】本発明の尚さらなる目的は、１つ以上の開
口を有し、強力な光伝送を行う近接走査光学顕微鏡装置
を提供することである。
【００１３】本発明の尚さらなる目的は、１つ以上の開
口を有し、強力な光伝送を行う写真平版印刷用マスクを
提供することである。
【００１４】本発明の他の目的は添付の図面と共に下記
記述を参照することによりさらに容易に明らかとなるで
あろう。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明の光伝送装置は、
第１および第２の表面を有する金属フィルムと、前記金
属フィルムに設けられ、前記第１の表面から前記第２の
表面に連通する少なくとも１つの開口と、前記金属フィ
ルムの前記第１の表面に実質的に隣接する第１の屈折率
の第１の誘電体層と、前記金属フィルムの前記第２の表
面に実質的に隣接する第２の屈折率の第２の誘電体層と
を有し、前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈折率
に等しく、前記金属フィルムの１つの表面に入射する光
が前記金属フィルムの少なくとも１つの表面の上の表面
プラズモンモードと相互作用し、前記金属フィルムの前
記開口の少なくとも１つを通ずる光伝送を強化する。
【００１６】この場合、前記第１の誘電体層と前記第２
の誘電体層とは同様の誘電媒体からなることとしてもよ
い。
【００１７】また、前記第１の誘電体層と前記第２の誘
電体層とは異なる誘電媒体からなることとしてもよい。
【００１８】また、前記金属フィルムの前記第１および
第２の表面のうちの少なくとも１つが、周期的な表面形
状であるとしてもよい。
【００１９】また、前記周期的な表面形状が複数の表面
特殊形状からなるものとしてもよい。
【００２０】また、前記開口の少なくとも１つが単一の
開口からなるものとしてもよい。
【００２１】また、前記開口の少なくとも１つが複数の
開口からなるものとしてもよい。
【００２２】また、前記複数の開口が周期的に配列され
ているとしてもよい。
【００２３】また、前記開口の少なくとも１つが円筒形
であるとしてもよい。
【００２４】また、前記開口の少なくとも１つがスリッ
ト状であるとしてもよい。
【００２５】また、前記開口の少なくとも１つが矩形で
あるとしてもよい。
【００２６】また、前記開口の少なくとも１つが任意の
形状であるとしてもよい。
【００２７】また、前記第１および第２の誘電体層の少
なくとも１つが選択的に可変な屈折率を有するとしても
よい。
【００２８】本発明の空間光学フィルタは、第１および
第２の表面を有する金属フィルムと、前記金属フィルム
に設けられ、前記第１の表面から前記第２の表面に連通
する少なくとも１つの開口と、前記金属フィルムの前記
第１の表面に実質的に隣接する第１の屈折率の第１の誘
電体層と、前記金属フィルムの前記第２の表面に実質的
に隣接する第２の屈折率の第２の誘電体層とを有し、前
記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈折率に等しく、
前記金属フィルムの１つの前記表面に入射する光が前記
金属フィルムの少なくとも１つの前記表面上の表面プラ
ズモンモードと相互作用し、前記金属フィルムの前記開
口の少なくとも１つを通ずる光伝送を強化し、さらに特
定範囲の波長の光のみが前記金属フィルムの前記開口を
通じて伝送されるように入射光線に関する前記金属フィ
ルムの方位を調整する手段を有する。
【００２９】本発明の他の形態による空間光学フィルタ
は、第１および第２の表面を有する金属フィルムと、前
記金属フィルムに設けられ、前記第１の表面から前記第
２の表面に連通する少なくとも１つの開口と、前記金属
フィルムの前記第１の表面に実質的に隣接する第１の屈
折率の第１の誘電体層と、前記金属フィルムの前記第２
の表面に実質的に隣接する第２の屈折率の第２の誘電体
層とを有し、前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈
折率に等しく、前記金属フィルムの１つの前記表面に入
射する光が前記金属フィルムの少なくとも１つの前記表
面上の表面プラズモンモードと相互作用し、前記金属フ
ィルムの前記開口の少なくとも１つを通ずる光伝送を強
化し、さらに各開口を通じて移動する光が対応する光フ
ァイバに入るように各開口と連通して配置された光ファ
イバを有する。
【００３０】本発明の近接走査光学顕微鏡用プローブ
は、光源と光検出器を有する近接走査光学顕微鏡の集光
モードで使用する近接走査光学顕微鏡用プローブであっ
て、光源から受光するために前面が光源の近くに配置さ
れ、前記前面が第１の屈折率の第１の誘電体層を含む光
伝送装置と、前記第１の誘電体層に実質的に隣接する第
１の表面と、前記光源に向かい合う第２の表面とを有す
る金属フィルムと、前記金属フィルムに設けられ、前記
第１の表面から前記第２の表面に連通する少なくとも１
つの開口と、前記金属フィルムの前記第２の表面に実質
的に隣接する第２の屈折率の第２の誘電体層とを有し、
前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈折率に等し
く、これにより前記金属フィルムの前記第２の表面に入
射する前記光源からの光が前記金属フィルムの少なくと
も１つの前記表面上の表面プラズモンモードと相互作用
し、前記金属フィルムの前記開口の少なくとも１つを通
ずる光伝送を強化し、強化された伝送光が前記光伝送装
置を通じて前記光検出器に伝送される。
【００３１】本発明の他の形態による近接走査光学顕微
鏡用プローブは、光源と光検出器を有する近接走査光学
顕微鏡の放射モードで使用する近接走査光学顕微鏡用プ
ローブであって、光を前記光検出器に伝送するために前
面が前記光検出器の近くに配置され、前記前面が第１の
屈折率の第１の誘電体層を含む光伝送装置と、前記第１
の誘電体層に実質的に隣接する第１の表面と、前記光検
出器に向かい合っている第２の表面とを有する金属フィ
ルムと、前記金属フィルムに設けられ、前記第１の表面
から前記第２の表面に連通する少なくとも１つの開口
と、前記金属フィルムの前記第２の表面に実質的に隣接
する第２の屈折率の第２の誘電体層とを有し、前記第２
の屈折率は実質的に前記第１の屈折率に等しく、これに
より前記光源からの光が前記光伝送装置を通じて前記前
面まで伝送され、前記金属フィルムの少なくとも１つの
前記表面上の表面プラズモンモードと相互作用させるた
めに前記金属フィルムの前記第１の表面に入射され、前
記金属フィルムの前記開口の少なくとも１つを通ずる光
伝送を強化し、強化された伝送光が前記光検出器に伝送
される。
【００３２】本発明の写真平版印刷用マスクは、感光性
耐蝕膜を被覆した基板に画像を転写する写真平版印刷用
マスクであって、第１および第２の表面を有する金属フ
ィルムと、前記金属フィルムに設けられ、前記第１の表
面から前記第２の表面に連通し、転写する前記画像に対
応するパターンに配置された少なくとも１つの開口と、
前記金属フィルムの第１の表面に実質的に隣接する第１
の屈折率の第１の誘電体層と、前記金属フィルムの第２
の表面に実質的に隣接する第２の屈折率の第２の誘電体
層とを有し、前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈
折率に等しく、前記金属フィルムの１つの前記表面に入
射する光が前記金属フィルムの少なくとも１つの前記表
面上の表面プラズモンモードと相互作用し、前記金属フ
ィルム内の前記パターンに準拠して前記感光性耐蝕膜を
被覆した基板を露光するように前記金属フィルムの前記
開口の少なくとも１つを通ずる光伝送を強化し、前記画
像を転写する。
【００３３】
【発明の実施の形態】図面を参照すると、図１は、本発
明の主要な要素である薄い金属板、すなわち、金属フィ
ルムを示す図である。
【００３４】金属フィルム１０は第１の表面１０ａと第
２の表面１０ｂを有する。金属フィルム１０は少なくと
も１つの孔、すなわち、開口１２を有し、複数の開口１
２を有するものでもよい。開口１２は直径がｄであり、
金属フィルム１０に複数の周期的に配列された複数の開
口１２が形成されている場合、周期はＰである。
【００３５】金属フィルム１０は金属フィルムまたは金
属板からなるものであってもよい。金属フィルム１０を
構成する材料は、すべての金属、または、ドープ処理を
した半導体のような、重要となる波長に対して不透明な
導伝性材料で、アルミニウム、銀、金あるいはクローム
が好ましい。
【００３６】本発明では、金属フィルム１０は、単一の
開口１２、あるいは、複数の開口１２を含むものでもよ
い。さらに、金属フィルム１０は、単一の開口１２、あ
るいは、複数の開口１２を通しての光伝送を提供するた
めのどの先願の教示によって作られるものであってもよ
い。例えば、金属フィルム１０は、'432出願に記載され
ているように周期的に配置された開口１２の配列が備え
られたものでもよい。他の例として、金属フィルム１０
は、'116出願に記述されているように金属フィルム１０
の１つの面あるいは両面に周期的な表面形状（窪みや突
起といった表面形状を含む）が備えられているととも
に、単一の開口１２あるいは複数の周期的に配列された
開口１２が備えられているものであってもよい。開口１
２が単一の場合、周期的な表面形状は、金属フィルム１
０の少なくとも１つの表面に備えられているべきであ
る。開口１２が複数の場合、周期的な表面形状は、複数
の開口１２自身が周期的に配列されているのであれば、
周期的な表面形状は必ずしも必要ではないが、伝送効率
を最大にするため、金属フィルム１０の少なくとも１つ
の表面に備えられているのが好ましい。開口１２の、好
ましい大きさ、形状および配列、および、もし周期的な
表面形状があるのならば、その表面形状（周期的な表面
形状）は、金属フィルム１０の好ましい厚さだけでな
く、先願で詳細に記述されている。
【００３７】本発明は、先願で説明されている１つ以上
の金属フィルム１０の構成と組み合わせるのが好ましい
が（簡単のため、ここでは、先願についてはさらには記
述しない）、特有の開口１２の構成、および／または、
金属フィルム１０の表面形状は、本発明では重要ではな
い。むしろ、本発明で生じる、以下に記述する金属フィ
ルム１０の表面に実質的に隣接する媒体の特性が重要で
ある。
【００３８】従来、伝送効率における、孔開き金属フィ
ルム１０の表面に接する、あるいは非常に近傍の材料の
効果は十分には理解されていなかった。発明者らは、金
属フィルム１０の各面上の誘電体層の屈折率が実質的に
等しいような、導電性フィルムの２つの表面の各々に実
質的に隣接している誘電体層とすることによって、伝送
効率をさらに強化できることを見出した。
【００３９】図２は、開口１２が開けられた金属フィル
ム１０を含む本発明の光伝送装置２０の一般的な構成を
示している。金属フィルム１０は、第１の表面１０ａと
第２の表面１０ｂとを有する。屈折率ｎd1の第１の誘電
体層１４ａは、金属フィルム１０の第１の表面１０ａに
実質的に隣接して備えられている。屈折率ｎd2の第２の
誘電体層１４ｂは、金属フィルム１０の第２の表面１０
ｂに実質的に隣接して備えられている。本発明によって
提供される強化された伝送効率は、第１の誘電体層１４
ａの屈折率ｎd1が第２の誘電体層１４ｂの屈折率ｎd2と
実質的に等しい場合に、明らかとなる。
【００４０】本発明の有効性を解析するために、また、
第１の誘電体層１４ａの屈折率ｎd1と第２の誘電体層１
４ｂの屈折率ｎd2とが実質的に同等でない装置との有効
性を比較するために、零次の伝送スペクトル（すなわ
ち、準線形な入射光の試料から現れる波長に依存する光
強度）が、以下のように記録された。
【００４１】様々な相対屈折率の第１の誘電体層１４ａ
と第２の誘電体層１４ｂとを有する、図２に示すような
構成のいくつかの試料が用意された。金属フィルム１０
は、第１の誘電体層１４ａを構成するサファイアの基板
上あるいは石英の基板上に熱蒸着された、約３００ｎｍ
の厚さの銀、あるいは金からなる。金属フィルム１０は
光学的に不透明である。ついで金属フィルム１０内に集
中イオンビーム機ミクリオン（Micrion）９５００（５
０ｋｅｖガリウムイオン、スポット径５ｎｍ）を使用し
て開口１２が配列して加工された。個々の開口１２の直
径ｄは１５０ｎｍである。開口列の周期Ｐは、０．６μ
ｍである。伝送スペクトルは分光光度計ケイリー（Ｃａ
ｒｙ）５内での垂直入射で得られた。
【００４２】記録された各試料のスペクトルを解析する
前に、本発明の有効性をより一層理解するために、１つ
以上の開口が開けられた金属フィルムを通しての強化さ
れた光伝送を発生させる物理的原理について記述する。
【００４３】先願に記述されているように、開口が開け
られた金属フィルムと、その他の一見滑らかな表面の
（すなわち、周期的表面形状の表面でない）金属フィル
ムとは、かなり明確なピークと強力に高められた伝送効
率とを伴う、全く異なった零次の伝送スペクトルを示
す。参照：T. W. Ebbesen 他、“波長未満口径の孔列に
よる驚くべき光伝送成果（Extraordinary optical tran
smission through sub-wavelength hole arrays）”,Na
ture,巻391,頁667-669, （1998年2月12日）。これらの
最大値は、金属フィルム１０の両面１０ａおよび１０ｂ
上での表面プラズモンと入射光との相互共鳴の結果生じ
る。参照：H. F. Ghaemi 他、“表面プラズモンは波長
未満径の孔を通ずる光伝送を強化する（Surface Plasmo
ns Enhance Optical Transmission Through Subwavelen
gth Holes）", Physical Review B,巻58,第11号,頁6779
-9782(1998年9月15日)。
【００４４】図３は、本発明による光伝送装置２０にお
ける、出射光線の関連配置とその表面プラズモンとの結
合状態を示す図である。本発明により作られた光伝送装
置２０を入射光線波長ベクトルｋincおよび出射光線波
長ベクトルｋoutと共に示す。波長ベクトルｋincは光伝
送装置２０の表面への垂線Ｎに対しθの角度で光伝送装
置２０に入射する。波長ベクトルｋoutは波長ベクトル
ｋincに平行である。波長ベクトルｋxは光伝送装置２０
の表面の平面内にある波長ベクトルｋincの成分であ
る。
【００４５】入射光がｐ偏光（すなわち、入射電界がｘ
軸に平行で孔開き金属フィルムユニットがｙ軸の周りに
角度θだけ回転している）場合には、周期的構造（周期
的な表面形状、または、開口の周期的配列、または、両
者の結合等）を持つ金属フィルム１０上の表面プラズモ
ンと入射光との結合は以下に示す運動量保存の法則に従
う。（参照：H. Raether,“平滑および粗な平面および
格子上における表面プラズモン（Surface Plasmons on
Smooth and Rough Surfaces and on Gratings）”,巻3,
Springer Tracts in Modern Physics （Springer 出版
社、ベルリン、1988））。
【００４６】
【数１】
【００４７】ここに
【００４８】
【数２】
【００４９】は表面プラズモン波長ベクトル；
【００５０】
【数３】
【００５１】は図３に示す金属フィルム１０の平面内に
ある入射光線ｋincの波長ベクトルの成分；
【００５２】
【数４】
【００５３】は表面構造の周期格子、例えば、正方格子
の場合には
【００５４】
【数５】
【００５５】である周期格子に相当する逆格子ベクトル
である。ここにＰは表面形状の周期であり、θは図３に
示すような入射波長ベクトルｋincと金属フィルム１０
の表面垂線Ｎ間の角度、ｉ、ｊは整数である。ベクトル
【００５６】
【数６】
【００５７】の大きさは下記分散関係式から得られる。
（参照：上記H. Raether）
【００５８】
【数７】
【００５９】ここにωは入射光線の角振動数、εmとεd
はそれぞれ金属と誘電媒体の誘電率である。いま、εm
＜０、および、｜εm｜＞εdと仮定する。これはバルク
プラズモンエネルギ以下の金属とドープ処理をした半導
体に対する場合である。参照：上記 H. Reather； M. O
rdal 他 "赤外線領域および遠赤外線領域における Al,C
o, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti および W 等
金属の光学的性質（Optical Properties of the Metal
s, Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Tiand W
in the infrared and far infrared）", Applied Opti
cs, 巻22, 第7号,頁1099-1119 （1983年4月1日）。
【００６０】伝送強度をＥおよびｋxの関数としてグレ
ースケール上に描くと、得られるエネルギ運動量（Ｅ、
ｋx）線図（分散線図として知られる）は一組の高伝送
帯を示し、この高伝送帯の組は（２）式で与えられる表
面プラズモン分散を再生する。伝送スペクトルは、金属
フィルム１０に実質的に隣接する媒体がたとえ著しく異
なる種類のものであっても、孔開き金属フィルム１０の
どちら側が照射されるかには無関係である。
【００６１】伝送スペクトルの最小値は、回折光線が回
折格子に対して接線方向に作用した時に回折格子に現れ
るWoodの異常の結果と同定される。参照：上記H.F.Ghae
mi他、；R. W. Wood,“回折格子スペクトルにおける光
の不均一分布の異常例について（On a Remarkable Case
of Uneven Distribution of Light in a Diffraction
Grating Spectrum）" Phylosophical Magazine, 巻4,頁
396-402、(1902)）およびR. W. Wood,“変則的回折格子
（Anomalous Diffraction Gratings）"Physical Revie
w, 巻48,頁928-936 (1935)）。Wood の異常の発生条件
は、
【００６２】
【数８】
【００６３】が擦過光（格子に対し接線方向）の波長ベ
クトルで置換される以外は（１）式、（２）式と同じで
ある。擦過光ベクトルの大きさは、
【００６４】
【数９】
【００６５】は隣接する媒体の屈折率である。
【００６６】Woodの異常の発生が幾何学的形状に依存す
ることにより、（Ｅ、ｋx）線図の表面プラズモン分枝
の分散に密接に関係する最小値の組合わせが得られる。
分散曲線の大部分は有限の勾配で（Ｅ、ｋx）平面を通
過するので、一定の光子エネルギＥ（あるいは一定の波
長）に対して伝送強度は入射角θが変動するにつれて最
大値、最小値を行き来する。したがって、入射角θを変
動させて、伝送光の波長または振幅を制御できる。
【００６７】逆に、Ｅ（またはλ）が変動すると、伝送
光エネルギは一定の入射角θに対して最小値、最大値を
示す。金属フィルム１０に対して光線が垂直に入射（す
なわち、θ＝０）すると、波長の最大値は（１）式と
（２）式を組み合わせた以下の式により得られる。
【００６８】
【数１０】
【００６９】同様に最小値は以下の式により得られる。
【００７０】
【数１１】
【００７１】配列の各平面に対して伝送スペクトルの中
に一組の最大値、最小値が存在する。例えば、もし金属
フィルム１０に接する媒体が、一表面については空気で
反対側がサファイアであれば、各表面に対する伝送スペ
クトル内の最大値と最小値はサファイアと空気間の屈折
率の相違で互いに識別できる。参照：上記Ebbessen他お
よび上記Ghaemi他。
【００７２】図４ないし図７を参照すると、各金属フィ
ルム１０の表面に実質的に隣接している誘電体層のそれ
ぞれの屈折率の関係がわかる。
【００７３】図４は、上述した図２の開口１２を通って
記録された、金属フィルム１０が銀のフィルムであり、
第１の誘電体層１４ａがサファイアの基板（サファイア
の屈折率：ｎd1（サファイア）√εd1〜１．７５）であ
り、また、様々な屈折率の、様々な誘電媒体が第２の誘
電体層１４ｂの異なる試料として用いられた場合の典型
的な伝送スペクトルを示す。特に、第２の誘電体層１４
ｂとして用いられた材料の例は、：空気（ｎd2＝１．
０）；水（ｎd2＝１．３３）；２つの市販の屈折率のよ
く似た液体（ｎd2＝１．４３、１．５３）；Ｃ10Ｈ7Ｃ
ｌ（ｎd2＝１．６３）である。屈折率は入射光の波長に
依存することに留意すべきであり、ここで記述される入
射光は、約５８７ｎｍの波長に概ね一致する。図４に、
各第２の誘電体層１４ｂに対するスペクトルが描かれて
いる。
【００７４】まず、第２の誘電体層１４ｂが空気（図４
中で、太い実線によって表わされている）である場合に
生じたスペクトルを考える。（３）式を用いると、図４
中の伝送ピークは、金属フィルム−空気の界面１０ｂ上
（空気の屈折率：ｎd2（空気）＝√εd2＝１；図４中で
ピークは（ｉ、ｊ）Ａあるいは（ｉ、ｊ）ｄ２と表示）
あるいは金属フィルム−サファイアの界面１０ａ上（サ
ファイアの屈折率：ｎ d1（サファイア）＝√εd1〜１．
７５；図４中でピークは（ｉ、ｊ）Ｓと表示）のいずれ
かの表面プラズモンに特定することができる。
【００７５】次に、第２の誘電体層１４ｂが、第１の誘
電体層１４ａであるサファイアの屈折率に近い材料から
なる場合に生じるスペクトルについて考える。これらの
様々な第２の誘電体層１４ｂの材料に対するスペクトル
は、図４の記号に示されているように表される。
【００７６】発明者等は、２つの金属フィルム１０の第
１の表面１０ａおよび第２の表面１０ｂに実質的に隣接
する２つの誘電体層１４ａと１４ｂとの屈折率が近づく
につれ、装置を通じての伝送強度を著しく増加させるこ
とを見出した。これは、図４にグラフで示されており、
伝送ピークは、第２の誘電体層１４ｂが、試された材料
の中で最もサファイアの屈折率に近い、屈折率がｎd2＝
１．６３である屈折率がよく似た液体の場合、最も強化
された伝送を示し、最大化される。
【００７７】２つの現象が図４において見られる。一つ
は、金属フィルム１０の第２の表面１０ｂ（（１、０）
ｄ２）に対応するピークは、（３）式より予測されるよ
うに、より長い波長へと移行する。しかしながら、そし
て驚くことに、λ＝１１００ｎｍでWoodの異常があるこ
とによるピークの歪みにも関わらず、伝送強度のピーク
が増加することが、第１の表面１０ａに対応する最長の
波長ピーク（１、０）Ｓの最も強い効果とともに観察さ
れる。換言すれば、第１の表面１０ａ上の表面プラズモ
ンモードに対応する伝送強度は、対向する第２の表面１
０ｂの表面プラズモンモードのエネルギ（波長）に影響
される。第２の表面１０ｂに実質的に隣接する誘電体層
の屈折率が増加すると、このように第１の表面１０ａに
実質的に隣接するサファイアの屈折率に近づくので、約
１１３０ｎｍでのピークの強度は、連続的に増加する。
【００７８】図５は、図４で示される結果を確認し、ま
た、拡張するものである。図５は、図２の装置を通じて
の零次の伝送スペクトルを示しており、ここでは、金属
フィルム１０は金であり、第１の誘電体層１４ａはサフ
ァイアではなく、石英（石英の屈折率：ｎd1（石英）＝
〜１．５）である。再び、様々な誘電性の材料が第２の
誘電体層１４ｂとして用いられてる。特に、第２の誘電
体層として用いられた材料の例は、：空気（ｎd2＝１．
０）；水（ｎd2＝１．３３）；４つの市販の屈折率のよ
く似た液体（ｎd2＝１．４３、１．５３、１．７１、
１．８０）；Ｃ10Ｈ7Ｃｌ（ｎd2＝１．６３）である。
図からわかるように、第２の誘電体層１４ｂが石英（こ
の場合、屈折率がｎd2＝１．５３である屈折率のよく似
た液体）の屈折率に最も近い材料を含む場合、伝送ピー
クは最も高い。
【００７９】図４と図５で示される（１．０）ピークの
顕著な特性は、金属の２つの面に（１、０）ピークが生
じる光子エネルギの差の関数として図６と図７中でまと
められている：ΔＥ＝Ｅd2（１、０）−Ｅd1（１、
０）； ｄ１＝Ｑ、Ｓ（石英、サファイア）：ΔＥを減
少させることはｎd2を増加させることに相当する：Ｅ＝
［（ｈｃ）／λ］。図６は、最大伝送の（１、０）ピー
クであるＴｍａｘを示し、第１の誘電体層ｄ１側が丸印
で、第２の誘電体層ｄ２側が四角印で、図４のサファイ
ア上に銀がある試料が白抜きの記号で、図５の石英上に
金がある試料が黒塗りの記号で示されている。金属フィ
ルム１０中の開口１２はここでは直径が光波長未満であ
るが、これらの試料で観察されたもののうち、ｎd2＝
１．００で、石英上に金がある試料の場合の、Ｔｍａｘ
＝０．７２％となる最も小さな伝送ピークは、この波長
（９５０ｎｍ）での１５０ｎｍの孔の集まりで通常予測
されるものより約３０倍大きい。この既に高い伝送は、
２つの誘電体層の屈折率が実質的に同等でΔＥ＝０であ
る場合、１０倍以上押し上げる。
【００８０】ΔＥ＜０（ｎd2＞ｎd1）側では、（１、
０）ｄ２ピーク（図６と図７中の黒塗りの四角）のピー
ク伝送は高いままであるが、（１、０）Ｑピーク（図６
と図７中の黒塗りの丸）は抑制され、ΔＥが十分に大き
く、かつ、負になる場合わずかに伝送強度が回復してい
る。上記抑制は、（１、０）Ｑピークがほとんど見られ
ないｎd2＝１．６３（図５）の伝送スペクトルにおいて
特に明らかであり、このことは、より詳細に以下に記述
される。ｎd2を前のｎd1（すなわち前のｎquartz）と同
程度に変更しての伝送強度の最大値の観察は、強化が、
実効波長（λ／ｎ d2）の減衰に起因する押し上げであ
る、誘電媒体の効果ではなく、金属フィルム１０の表面
の２つの対向する表面上での表面プラズモンモードの共
鳴によって制御されることを示唆する。
【００８１】図７は、（１、０）ピークより下側の領域
を示す。この領域は、ピークの最大値の半分での全幅
（ＦＷＨＭ：半値前幅）にわたる積分
【００８２】
【数１２】
【００８３】をとって、計算で求められた。ローレンツ
曲線（Lorenzian）といった特殊な線形状に曲線をあわ
せることをWoodの異常の存在が不可能にするため、この
現象学的な方法が用いられた。図７のデータは、図６の
データを確認する、すなわち、ΔＥ＝０の場合、伝送は
共鳴して強化されることを確認する。伝送の最大値およ
び積分されたピーク強度は、ｎd2＝１に対するそれらの
値と比較された場合、１０倍以上に強化される。このこ
とは、単なる加算的な効果は４倍程度（強度を得るため
に電界を２倍にし、２乗することから）の強化を生じる
ので、さらなる共鳴の発生を指している。ピーク幅は金
属の誘電率の虚数部分だけでなく、ピークを割り込むWo
odの異常の深さにも依存し、したがって孔の質および配
列に依存するので、（１、０）Ｑピークおよび（１、
０）Ｓピークのピーク領域が一致するという事実は、偶
然かもしれない。
【００８４】発明者等は、本発明の光伝送装置２０の伝
送スペクトルが、金属フィルム１０の第１の表面１０ａ
および第２の表面１０ｂの両方に存在する表面プラズモ
ンモードによるものと考える。例えば、各金属フィルム
１０の表面の物理的な構造が同じ場合、各表面上の表面
プラズモンモードに対応する伝送ピークは、各表面に接
触する誘電体層の屈折率の差によって互いの波長が相殺
される。本発明では、伝送は、各表面に実質的に隣接し
ている媒体の屈折率の差の減少により大幅に改善され
る。これは、各表面の表面プラズモンモードのエネルギ
が徐々に接近するようになるので、各表面の表面プラズ
モンモード間の結合を強化する。結果として、伝送効率
は１０倍程度に大いに強化される。誘電体層の適切な組
み合わせは、伝送の絶対量を調整可能にする。
【００８５】上述したように、非対称性が強いという意
味で、２つの表面プラズモンモードの共鳴は非常にまれ
である。２つの伝送ピークが互いにより近づくように動
かすにつれ、長波長ピークの伝送効率が増加し、一方、
短波長の伝送効率は強く抑制される。抑制は共鳴点で最
も強い。 これは、ΔＥ＝０で零に近づく、ΔＥ＜０の
（１、０）Ｑピークの積分された強度（石英上に金を堆
積した試料；図７における黒塗りの丸印）において明白
である。サファイア上に銀を堆積した試料（図４）の場
合も同様の傾向が見られる。（１、０）Ｓピークと
（１、０）ｄ２ピークとが近づくように動かすにつれ
（ｎd2が増加するにつれ）、（１、０）Ｓピークは強度
を驚異的に増すが、（１、０）ｄ２ピークは実際にはよ
り弱くなる。
【００８６】図７中で、サファイア上に銀がある試料
（白抜き四角）の（１．０）ｄ２ピークも、ΔＥ＝０で
零になる。非対称性は、長波長（低いエネルギ）ピーク
が金属フィルム基板上の表面プラズモンモードに対応す
るかどうか、すなわち、金属フィルム１０と液体との界
面に対応するかどうかと無関係とし、また、第１または
第２の誘電体層（ｄ１またはｄ２）が照射されるかどう
かに関わらないものとする。
【００８７】本発明の光伝送装置２０の好ましい実施形
態が、図２に示されている。装置２０は、第１の表面１
０ａ、第２の表面１０ｂ、および、少なくとも１つの開
口１２が開けられた金属フィルム１０を含む。第１の誘
電体層１４ａは金属フィルム１０の第１の表面１０ａに
実質的に隣接して備えられており、第２の誘電体層１４
ｂは金属フィルム１０の第２の表面１０ｂに実質的に隣
接して備えられている。伝送強度は、第１の誘電体層１
４ａの屈折率ｎd1が第２の誘電体層１４ｂの屈折率ｎd2
と実質的に等しいことを確保することで最も強化され
る。この著しく改善された伝送強化は、広く配列された
開口１２だけでなく少数の開口１２あるいは単一の開口
１２の場合でさえも生じる。
【００８８】図２は、各金属フィルム１０の表面に実質
的に隣接している固体の誘電体層を図示しているように
見えるが、誘電体層の物理的な状態（固体、液体、気
体）によって発明が制限されていないことに注目すべき
であり、また、図２は、任意の物理的な状態の誘電体層
を図示することが意図されている。したがって、例え
ば、発明は、両表面が空気あるいは真空で囲まれた、独
立した金属フィルム１０、固体の材料および気体、また
は、真空の屈折率が実質的に等しい場合に限り、金属フ
ィルム１０の一方の面側上が固体あるいは液体の誘電体
層で、金属フィルム１０の他方の面側上が気体あるいは
真空の金属フィルム１０を含む。しかしながら、実際的
見地から言えば、固体の基板上に薄い金属フィルム１０
を堆積させることにより薄い金属フィルム１０を用意す
るのが一般的に最も容易であり、したがって、２つの誘
電体層のうちの１つは、多くの場合（必ずしもではない
が）固体の材料である。
【００８９】少なくとも１つの開口１２を備えた金属フ
ィルム１０は別として、本発明は、金属フィルム１０の
２つの表面のうちの１つに各々実質的に隣接している、
屈折率が実質的に等しい２つの誘電体層を必要とする。
本発明によれば、誘電体層が金属フィルム１０の表面と
物理的に接触している場合、あるいは、誘電体層と金属
フィルム１０の間の距離が、誘電体層と金属フィルム１
０の間にある媒体内での表面プラズモンの減衰長さ、す
なわち、浸透深さ未満あるいは等しい場合、誘電体層
は、金属フィルム１０の表面に「実質的に隣接」してい
る。
【００９０】さらに、本発明によれば、第１の誘電体層
１４ａと第２の誘電体層１４ｂのそれぞれの誘電率は、
以下の場合“実質的に等しい”とみなす。伝送ピークは
（３）式によれば屈折率（ｉ、ｊ）の各セットに対して
生じる。さらに、金属フィルム１０の各表面は、その金
属フィルム１０の表面に実質的に隣接している誘電体層
の屈折率に依存する金属フィルム１０自身のピークのセ
ットを生成する。
【００９１】各金属フィルム１０の表面に対応する２つ
のピークのピーク波長（あるいはピーク光子エネルギ）
が、２つの波長のうちの長い波長の方の半値全幅（すな
わち、ピークの（伝送における）最大振幅での、（波長
における）ピークの幅）以下の差である場合、第１の誘
電体層１４ａの屈折率ｎd1と第２の誘電体層１４ｂの屈
折率ｎd2とは実質的に等しいとみなされる。例えば、図
５での、第２の誘電体層１４ｂが空気（太い実線によっ
て表示された）である伝送スペクトルを考える。よく知
られた関係Ｅ＝［（ｈｃ）／λ］を用いると、金属−空
気の表面（（１、０）Ａ）および金属−石英の表面
（（１、０）Ｑ）の（１、０）ピークにおけるピークエ
ネルギが約０．７ｅＶによって分けられるのに対して、
金属−空気の表面（（１、０）Ａ）および金属−石英の
表面（（１、０）Ｑ）の両方の（１、０）ピークの半値
全幅は、０．１５ｅＶ以下である。従って、ピークエネ
ルギ（０．７ｅＶ）の差が半値全幅以上（＜０．１５ｅ
Ｖ）であるので、空気とサファイアの屈折率は“実質的
に等しい”とみなされず、また、これらの２つの誘電性
材料は本発明によって提示された、強化された伝送を生
じない。対照的なのは、第２の誘電体層１４ｂが、屈折
率ｎd2＝１．５３の、屈折率がよく似た液体であり、
（１、０）Ｑピークと（１、０）ｄ２ピークのピークエ
ネルギが一致し、ΔＥ＝０、すなわち、ΔＥ＜半値全幅
の場合である。この最適な場合（ΔＥ＝０）は、２つの
最大の表面プラズモンの強化を示す。長波長の伝送ピー
クで強化が生じることが注目されるべきである。実際
に、短波長ピークにおいては、ΔＥが０（図７を参照）
に向かうにつれ、伝送は消える傾向にある。
【００９２】第１の誘電体層１４ａおよび第２の誘電体
層１４ｂに用いられた材料は、伝送される光の波長にお
いて透明な、すべての誘電性の試料（空気あるいは真空
を含む）である。材料は固体、液体あるいは気体であ
る。誘電体材料の適切な例としては、サファイア、石
英、ガラス、ポリマ（ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸）の
ような）、マグネシウムフッ化物、二酸化ケイ素、窒化
ケイ素、極度にドープ処理された半導体、液晶、水、空
気および有機溶剤を含むが、限定されるものではない。
誘電性材料の屈折率は一定であってもよいし、あるい
は、‘265出願に記述されるように、屈折率は選択的に
可変であってもよい。誘電体層１４ａおよび１４ｂは任
意の厚さであってもよいが、金属フィルム１０の表面上
の表面プラズモンのエバネッセント波の浸透深さと少な
くとも同等の厚さ（例えば、一般的に、約１００ｎｍか
ら２００ｎｍの厚さは空気または石英の誘電体層に適切
である）が好ましい。
【００９３】さらに、第１の誘電体層１４ａと第２の誘
電体層１４ｂは同じ材料であってもよいが、ほとんど実
質的に等しい屈折率を有する限り、第１の誘電体層１４
ａと第２の誘電体層１４ｂは異なる材料でもよい。製造
することを考慮すると、第１の誘電体層１４ａと第２の
誘電体層１４ｂに異なる誘電性の２つの媒体を使用して
装置を構成するほうがしばしばより容易であるため、第
１の誘電体層１４ａと第２の誘電体層１４ｂに異なる材
料を使用して、本発明によって提示された伝送強度を利
用する技量は、重要である。例えば、固体の石英の基板
上で銀のフィルムのように薄い金属フィルム１０を堆積
させることは比較的簡単である。しかし、石英で金属フ
ィルム１０（基板の反対側）の残りの表面を被覆するこ
とはより困難である。それゆえ、石英の屈折率と実質的
に等しい屈折率を有している、適用が容易な別の材料
（ＰＭＭＡのように）が、代わりに適用されるものであ
ってもよい。この方法により、本発明の強化された伝送
効率は、容易に製造された装置で実現できる。
【００９４】光伝送は、可視光、紫外線、赤外線、遠赤
外線、またマイクロ波領域を含む広範囲の波長の光で操
作可能であり、操作する波長は、開口／表面形状配列の
周期性およびｎd1およびｎd2によって決定される。
【００９５】上述された本発明の光伝送装置２０は、多
くの応用が可能であり、そのいくつかを以下に記述す
る。
【００９６】１つ以上の開口１２を有する金属フィルム
１０（そして、任意に、少なくとも１つの表面が周期的
な表面形状を示している）の伝送スペクトルは、表面上
の入射光の角度に依存する。この角度への依存性は、こ
こで記述される、改善された相互表面連結を備えた光伝
送装置２０と結合して、図８に示されるような波長選択
光学フィルタ７０をもたらす。上述したように構成され
た光伝送装置２０は、基板といったような、支持部材７
２に搭載されるのが好ましく、また、支持部材７２は回
転可能な軸７４に搭載されるのも好ましい。この光学フ
ィルタの改善された性能は、独立した金属フィルム１０
（すなわち、金属フィルム１０の第１の表面１０ａおよ
び第２の表面１０ｂは同じ気体あるいは真空に接してい
る）場合、あるいは、そうでなければ、金属フィルム１
０の両方の表面が、実質的に等しい屈折率の誘電性の材
料に実質的に隣接している（好ましくは被覆されてい
る）場合のいずれかにおいて、達成される。もし必要で
あるのならば、周期的な表面形状はさらに金属フィルム
１０上に備えられていてもよいが、必須ではない。破線
は光学フィルタ７０の表面に対する法線Ｎを表し、光学
フィルタ７０への入射光角度は法線Ｎに対する角度θで
表す。光学フィルタ７０を回転調整して入射角θを変更
し、光伝送が角度の関数としてピークになる波長を選択
的に変動することができる。この性質を利用して、１つ
以上の開口１２と周期的表面形状を有する、少なくとも
１つの表面を有する金属フィルム１０を含み、所定の入
射角を得るように調整できる光学フィルタを形成でき
る。フィルタの入射角が変動するにつれフィルタを通じ
る伝送光の波長もまた変動し、その値は選択した入射角
に基づいて選択できる。光学フィルタ７０による伝送
は、金属フィルム１０の各面の誘電体層の実質的に等し
い屈折率によって強化されることが重要である。
【００９７】上記の波長選択機能を有する光学フィルタ
７０は、紫外線、可視光線および長波長光線に対して使
用することができる。この光学フィルタ７０の利点は、
出射光と入射光とが同一線上となるので、減衰が生じる
全反射装置に比べて、光線を再指向する必要が無いこと
である（参照：上記H.Raether）。
【００９８】本発明が提供する光学フィルタの他の変形
例として空間光学フィルタがある。空間光学フィルタ
は、フィルタの表面に沿った選択した位置で波長、およ
び／または、伝送光の強度の変動を行い得るフィルタで
ある。
【００９９】本発明の空間光学フィルタは上記のよう
に、周期的表面形状を含む表面特殊形状が周期的開口と
不整合、および／または、非同調である光伝送装置２０
を利用する。表面特殊形状と開口間の整合性、および／
または、位相差を変えることにより、'116出願に示され
ているように、任意の指定位置でフィルタを通じて伝送
された伝送光の波長、および／または、強度を制御する
ことができる。例えば、周期的に配置された表面特殊形
状は金属フィルム１０上において、いかなる指定位置に
おいても周期的に配置した開口１２と同調、または、非
同調するように位置させることができる。この配置にお
いて、表面特殊形状、すなわち、周期的表面形状が、周
期的に配置された開口１２と同調している場所では開口
１２を通じて強い伝送が生じる。また、表面特殊形状が
周期的に配置された開口１２と同調していない場所で
は、開口１２を通じての強い伝送は発生しない。
【０１００】本発明の空間光学フィルタは、固定して搭
載することもできるし、また、もし不整合、および／ま
たは、非同調配列の影響と角度伝送依存性とを組み合わ
せたいのであれば、空間光学フィルタは、図８に示すよ
うに回転可能に搭載することができる。
【０１０１】１つ以上の開口１２を有し、任意に少なく
とも１つの表面特殊形状の金属フィルム１０の表面を備
えた本発明の光伝送装置２０は、従来の網配列、すなわ
ち、赤外線またはマイクロ波領域においてフィルタとし
て使用された粗な網、または、ワイヤー列と比較して、
光学フィルタとして改善された波長選択性を示す。参
照：R.Ulrich,"金属メッシュの遠赤外線領域特性とその
構造（Far-Infraed Properties Of Metallic Mesh And
Its Complimentary Structure）", Infrared Physics,
巻7、頁 37-55 (1967)； L.C.Botten 他,"共振領域にお
ける誘導性グリッド：理論と実験（Inductive Grids In
The Resonant Region:Theory And Experiment）", Int
ernational Journal of Infrared and Millimeter Wave
s,巻6,第7号,頁511-575(1985)。
【０１０２】さらに、材料がギャップ内のエネルギを除
いて全ての波長において不活性、または、透過性である
光子バンドギャップ配列と異なり、本発明は結合が生ず
る波長を除いた全ての波長において不透明な材料を利用
できる。
【０１０３】本発明の他の用途として図９と図１０に示
す集光装置がある。Iincidentの矢印で表示される光が
光伝送装置２０に入射する。光伝送装置２０は誘電性の
基板１４ｂ上に堆積した金属フィルム１０を有する。図
９に示すように、金属フィルム１０は複数の開口１２を
備え、かつ、金属フィルム１０は、少なくともその１つ
の表面上に配置された周期的配列の表面形状４０を含む
周期的表面特殊形状をさらに備え、金属フィルム１０の
第１の表面１０ａに光が入射するのが好ましい。集光
は、金属フィルム１０を通じての伝送後、複数の開口１
２を通じて、好ましくは各開口１２にできるだけ近く連
通するように対応して設けられた複数の光ファイバ８０
に移動する。あるいは、図１０に示すように、単一の開
口１２を金属フィルム１０に設けても良い。ここでは単
一の光ファイバ８０が単一の開口１２と連通して集光し
ており、光が１つの光ファイバ８０に伝送される。
【０１０４】本発明によれば、金属フィルム１０が実質
的に開口１２の光ファイバ８０の端面に隣接（好ましく
は接触している）して備えられ、光ファイバ８０の材料
の屈折率と実質的に等しい屈折率の誘電体層が備えられ
ている場合に最高の特性が達成される。
【０１０５】図９および図１０に示される集光器におい
て、開口１２を通り光ファイバ８０に入る光の強度は、
上記のように本発明の光伝送装置２０により強化され
る。
【０１０６】開口１２の縦横比は重要ではなく、上記の
ように強力集光の波長を決定するには表面特殊形状４０
の周期が重要である（参照：例えば上記の（３）式およ
び（４）式）。
【０１０７】以前は光波長未満の光ファイバに光を導く
ことは困難であった。光の方向を決めるのに複雑なレン
ズおよび調節装置が使用された。本発明においては、開
口のある面の表面範囲よりも多くの光が開口を伝送する
ため、金属開口と表面特殊形状の配列が集光器のように
作用する。結果的に、ファイバ（もし開口が光波長未満
の径ならばその長さのファイバを含む）への光の導入が
効率的になる。実際に本発明の集光器は、本発明に使用
された１つ以上の開口１２と、屈折率が実質的に等しく
金属フィルム１０の各面側に実質的に隣接する誘電体層
との組合わせに対する、開口１２のみの列を利用する集
光器よりなお一層効率的である。
【０１０８】単一開口を有する構造表面の他の用途とし
ては、近接走査光学顕微鏡法（ＮＳＯＭ：Near-field S
canning Optical Microscopy）における用途がある。図
１１ないし図１３のそれぞれは本発明により製造した近
接走査光学顕微鏡装置を示す図である。
【０１０９】図１１および図１２に示すように（分解図
には、様々な金属フィルムおよび誘電体層が示されてい
る）、光源９０は支持材（図示せず）に支えられた試料
９２を通じて、集光器として作用するプローブ１００に
光を伝送する。プローブ１００は前面１０２を有する光
伝送装置である。上記の光伝送装置２０で利用された金
属フィルム１０に相当する金属フィルム１０４を、例え
ば堆積により、装置の前面１０２に固定する。独立した
間に挟まる誘電体層を用いてもよいが、プローブ１００
の前面１０２が、金属フィルム１０４に実質的に隣接す
る第１の誘電体層としての役割を果たすのが好ましい。
金属フィルム１０４はプローブ１００が集めた光の強度
を増すために、単一の波長未満径の開口１０６と、好ま
しくは配列された窪み等の表面特殊形状１０８を含む。
このような表面形状１０８が備えられる場合、表面形状
１０８は、プローブ１００の前面１０２に面する、金属
フィルム１０４の表面上に備えられるのが好ましい。第
１の誘電体層の屈折率と実質的に等しい屈折率の第２の
誘電体層１１０は、図示されるているように金属フィル
ム１０４に実質的に隣接している。
【０１１０】図１１に矢印で示すように、プローブ１０
０が集めた光は、プローブ１００を通じて従来公知のＮ
ＳＯＭ信号処理作業に送られる。周期的な表面形状（も
し、用いられるなら）は、試料に対面する金属フィルム
１０４側に設けてもよいし、あるいは、試料の反対側で
プローブ１００の前面１０２に隣接する金属フィルム１
０４側に設けてもよいことに注目すべきである。
【０１１１】図１３は本発明による近接走査光学顕微鏡
装置の他の実施例の構造を示す図である。ここで、プロ
ーブ１００は、集光器（集光モード）としてではなく、
光源（放射モード）として作用する。プローブ１００の
構造は図１１および図１２に示すものと同様である。図
１３の矢印で示すように、光はプローブ１００に入り前
面１０２に向かう。
【０１１２】光は、金属フィルム１０４に実質的に隣接
して備えられた、屈折率が実質的に等しい２つの誘電体
層１０２および１１０と結合する（また、もし、備えら
れているなら、金属フィルム１０４上の表面形状１０８
の周期的な配列とも結合する）。続いて、光は前面１０
２上の単一の波長未満径の開口１０６を経由して試料９
２を通り、従来から行われている信号処理のため光検出
器９４に伝送される。本発明によれば、上記のＮＳＯＭ
実施形態のすべてにおいて、金属フィルム１０４の両方
の表面が、屈折率が実質的に等しい誘電体層に実質的に
隣接している場合、最も高い伝送強度は達成される。
【０１１３】ＮＳＯＭの解像度は開口の寸法により決定
され、径が小さい程解像度が向上する。しかし実際に
は、上記のように波長未満径の開口の伝送量は（ｄ／
λ）4で減少し、発生する信号の強度が非常に低くなる
ため、達成できる解像度には実際上の限度がある。した
がって、より良い解像度を達成するために開口がより小
さく作られるにつれて、本発明の単一の波長未満径の開
口１０６によるＮＳＯＭプローブ（周期的な表面形状と
組み合わせて）にて行われる強い光伝送は、周期的表面
形状とあいまって従来のＮＳＯＭに比べるとますます有
利となる。それは本発明の光伝送は、開口１０６の表面
積に線形的に依存し、波長は開口１０６を取り巻く表面
特殊形状の周期と規則性によってのみ決定されるからで
ある。換言すれば、本発明のＮＳＯＭプローブは上記の
（ｄ／λ）4での依存性に妨害されない。
【０１１４】図１４および図１５に示す他の実施例で
は、１つ、または、複数個の開口を有する本発明による
光伝送装置２０を使用し、金属マスク内の周期的表面特
殊形状と開口の配置を工夫して、波長未満写真平板印刷
用の新規のマスクを作ることができる。
【０１１５】マスク２００は１つ以上の開口１２４を有
する金属フィルム１２０を含んでいる。金属フィルム１
２０の第１の表面１２０ａは、例えば第１の誘電体層１
３０に金属フィルム１２０を堆積して、実質的に第１の
誘電体層１３０に隣接して設けられている。もし、さら
なる伝送強度が望まれるのであれば、金属フィルム１２
０の少なくとも１つの表面上に周期的表面形状を構成す
るように、窪み等の複数の周期的に配置された表面特殊
形状１２６が金属フィルム１２０の少なくとも１つの表
面上に設けられる。このような表面特殊形状１２６が設
けられた場合、表面特殊形状１２６は、光１５０が入射
する金属フィルム１２０の表面１２０ｂ上に設けられる
のが好ましい。第１の誘電体層１３０の屈折率と実質的
に等しい屈折率の第２の誘電体層１４０は、実質的に金
属フィルム１２０の第２の表面１２０ｂに隣接して設け
られている。開口１２４の直径よりずっと大きい波長λ
を有する入射光１５０が、マスク２００に向けられる。
入射光１５０は、金属フィルム１２０と組み合わせられ
ている第１と第２の誘電体層１３０および１４０によっ
て与えられる相互表面結合と結合し、もし設けられてい
るのであれば、周期的表面形状とも結合し、（λ／２）
よりずっと小さい特異形状を持つ写真石版画像を作るた
めに、開口１２４を通り金属フィルム１２０に投影され
る。マスクを通して伝送された強度は、屈折率が実質的
に等しい第１と第２の誘電体層の存在によって大いに強
化される。
【０１１６】本発明の写真石版作業を例示するため、感
光材料を塗布した基板１６０上の文字Ｈの写しと二つの
点を図１４と図１５に示す。転写する画像（この場合文
字Ｈ）に対応する配置で、スリット状の開口１２４ａが
金属フィルム１２０内に形成される。さらに、円形また
は点状の開口１２４ｂが、二つの点の画像として作られ
る。光１３０はマスク２００を指向し、ついで光は上記
のように、屈折率が実質的に等しい第１と第２の誘電体
層による（もし設けられているのであれば、表面特殊形
状１２６がもたらした周期的表面形状にもよる）増強さ
れた伝送効果と共に、開口１２４ａと１２４ｂを通り伝
送される。その結果、感光性耐蝕膜被覆の基板１６０が
希望した画像１４２のパターンで露光される。
【０１１７】本発明の写真石版印刷用マスクは、強度の
紫外線およびＸ線源を使用することなく、感光性材料上
に波長未満の幅の点または線を描くことができる。強い
線源の代わりに、通常の紫外線源または可視光線源さえ
も使用できる。さらに、本発明ではＸ線感光性耐蝕膜の
代わりに、従来の感光材料、例えば紫外線感光性または
可視光感光性耐蝕膜を使用できる。
【０１１８】以上ある種の用途における各種の光伝送装
置につき記述、例示してきたが、当業者には明らかなよ
うに、ここに添付する請求の範囲に依ってのみ限定され
る本発明の精神および広い教義から逸脱することなく変
更、修正が可能である。
【０１１９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による装置
においては、強力な光伝送が行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いられる孔開き金属フィルムの斜視
図である。
【図２】金属フィルムの表面のうちの１つに実質的に隣
接している第１の誘電体層と金属フィルムの別の表面に
実質的に隣接している第２の誘電体層とを有する孔開き
金属フィルムを含む、本発明によって構成された光伝送
装置の断面図である。
【図３】本発明による光伝送装置に関する入射および出
射光の幾何学的配置を示す概略斜視図である。
【図４】金属フィルムは銀のフィルムであり、第１の誘
電体層がサファイアの基板である場合の、図２で示され
た光伝送装置の、第２の誘電体層に用いられた様々な誘
電媒体用の零次伝送スペクトルを示すグラフである。
【図５】金属フィルムは金のフィルムであり、第１の誘
電体層が石英の基板である場合の、図２で示された光伝
送装置の、第２の誘電体層に用いられた様々な誘電媒体
用の零次伝送スペクトルを示すグラフである。
【図６】ピークエネルギの差ΔＥを関数とした、図４お
よび図５における様々な（１、０）ピークの、ピーク伝
送強度の変化を示すグラフである。
【図７】ΔＥを関数とした、ピークの最大値の半分での
全幅にわたって積分された、図４および図５における様
々な（１、０）ピークとなる領域の変化を示すグラフで
ある。
【図８】光の入射角を変更して通過する光の伝送を選択
的に変更する装置を示す斜視概略図で、かかる装置は波
長選択光学フィルタとして有効である。
【図９】本発明による集光器の概略斜視図である。
【図１０】本発明による集光器の概略斜視図である。
【図１１】本発明による近接走査光学顕微鏡用プローブ
の概略斜視図で、プローブは集光モードで操作されてい
る。
【図１２】本発明による近接走査光学顕微鏡用プローブ
の概略分解図である。
【図１３】本発明による近接走査光学顕微鏡用プローブ
の概略斜視図で、プローブは放射モードで操作されてい
る。
【図１４】写真石版印刷用マスクとして利用される、本
発明の光伝送装置の概略斜視図である。
【図１５】本発明を使用した写真石版印刷用マスクによ
り、光電性被覆を有する基板上に転写された最終的パタ
ーンを示す斜視概略図である。
【符号の説明】
１０、１０４、１２２ 金属フィルム １０ａ、１２０ａ 第１の表面 １０ｂ、１２０ｂ 第２の表面 １２、１０６、１２４ａ、１２４ｂ 開口 １４ａ、１３０ 第１の誘電体層 １４ｂ、１１０、１４０ 第２の誘電体層 ２０ 光伝送装置 ７０ 光学フィルタ ７２ 支持部材 ７４ 軸 ８０ 光ファイバ ９０ 光源 ９２ 試料 ９４ 光検出器 １００ プローブ １０２ 前面 １０８、１２６ 表面特殊形状 １４２ 画像 １６０ 基板 １５０ 入射光 ２００ マスク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｆ 1/00 Ｇ０３Ｆ 1/00 Ｚ Ｇ１２Ｂ 21/06 Ｇ１２Ｂ 1/00 ６０１Ｃ (72)発明者 テイ ジン キム アメリカ合衆国、 ニュージャージー 08540、 プリンストン、 インディペン デンス ウェイ ４ エヌ・イー・シー・ リサーチ・インスティテューテュ・インク 内 (72)発明者 テェニカ ティオ アメリカ合衆国、 ニュージャージー 08540、 プリンストン、 インディペン デンス ウェイ ４ エヌ・イー・シー・ リサーチ・インスティテューテュ・インク 内 (72)発明者 ヘンリー レゼック アメリカ合衆国、 ニュージャージー 08540、 プリンストン、 インディペン デンス ウェイ ４ エヌ・イー・シー・ リサーチ・インスティテューテュ・インク 内 (72)発明者 アジット クリシュナ アメリカ合衆国、 ニュージャージー 08540、 プリンストン、 インディペン デンス ウェイ ４ エヌ・イー・シー・ リサーチ・インスティテューテュ・インク 内 Ｆターム(参考） 2H048 AA07 AA12 AA18 AA23 2H052 AA07 AC18 2H079 AA08 AA12 BA01 CA07 CA24 DA01 2H095 AA10 AB30 AD00 BA10 2K002 AA01 AB12 AB30 BA01 CA30 HA23

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光伝送装置であって、 第１および第２の表面を有する金属フィルムと、 前記金属フィルムに設けられ、前記第１の表面から前記
    第２の表面に連通する少なくとも１つの開口と、 前記金属フィルムの前記第１の表面に実質的に隣接する
    第１の屈折率の第１の誘電体層と、 前記金属フィルムの前記第２の表面に実質的に隣接する
    第２の屈折率の第２の誘電体層とを有し、 前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈折率に等し
    く、前記金属フィルムの１つの表面に入射する光が前記
    金属フィルムの少なくとも１つの表面の上の表面プラズ
    モンモードと相互作用し、前記金属フィルムの前記開口
    の少なくとも１つを通ずる光伝送を強化する光伝送装
    置。
  2. 【請求項２】 前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体
    層とは同様の誘電媒体からなる、請求項１に記載の光伝
    送装置。
  3. 【請求項３】 前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体
    層とは異なる誘電媒体からなる、請求項１に記載の光伝
    送装置。
  4. 【請求項４】 前記金属フィルムの前記第１および第２
    の表面のうちの少なくとも１つが、周期的な表面形状で
    ある請求項１に記載の光伝送装置。
  5. 【請求項５】 前記周期的な表面形状が複数の表面特殊
    形状からなる、請求項４に記載の光伝送装置。
  6. 【請求項６】 前記開口の少なくとも１つが単一の開口
    からなる、請求項１に記載の光伝送装置。
  7. 【請求項７】 前記開口の少なくとも１つが複数の開口
    からなる、請求項１に記載の光伝送装置。
  8. 【請求項８】 前記複数の開口が周期的に配列されてい
    る、請求項７に記載の光伝送装置。
  9. 【請求項９】 前記開口の少なくとも１つが円筒形であ
    る、請求項１に記載の光伝送装置。
  10. 【請求項１０】 前記開口の少なくとも１つがスリット
    状である、請求項１に記載の光伝送装置。
  11. 【請求項１１】 前記開口の少なくとも１つが矩形であ
    る、請求項１に記載の光伝送装置。
  12. 【請求項１２】 前記開口の少なくとも１つが任意の形
    状である、請求項１に記載の光伝送装置。
  13. 【請求項１３】 前記第１および第２の誘電体層の少な
    くとも１つが選択的に可変な屈折率を有する、請求項１
    に記載の光伝送装置。
  14. 【請求項１４】 空間光学フィルタであって、 第１および第２の表面を有する金属フィルムと、 前記金属フィルムに設けられ、前記第１の表面から前記
    第２の表面に連通する少なくとも１つの開口と、 前記金属フィルムの前記第１の表面に実質的に隣接する
    第１の屈折率の第１の誘電体層と、 前記金属フィルムの前記第２の表面に実質的に隣接する
    第２の屈折率の第２の誘電体層とを有し、 前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈折率に等し
    く、前記金属フィルムの１つの前記表面に入射する光が
    前記金属フィルムの少なくとも１つの前記表面上の表面
    プラズモンモードと相互作用し、前記金属フィルムの前
    記開口の少なくとも１つを通ずる光伝送を強化し、 さらに特定範囲の波長の光のみが前記金属フィルムの前
    記開口を通じて伝送されるように入射光線に関する前記
    金属フィルムの方位を調整する手段を有する空間光学フ
    ィルタ。
  15. 【請求項１５】 空間光学フィルタであって、 第１および第２の表面を有する金属フィルムと、 前記金属フィルムに設けられ、前記第１の表面から前記
    第２の表面に連通する少なくとも１つの開口と、 前記金属フィルムの前記第１の表面に実質的に隣接する
    第１の屈折率の第１の誘電体層と、 前記金属フィルムの前記第２の表面に実質的に隣接する
    第２の屈折率の第２の誘電体層とを有し、 前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈折率に等し
    く、前記金属フィルムの１つの前記表面に入射する光が
    前記金属フィルムの少なくとも１つの前記表面上の表面
    プラズモンモードと相互作用し、前記金属フィルムの前
    記開口の少なくとも１つを通ずる光伝送を強化し、 さらに各開口を通じて移動する光が対応する光ファイバ
    に入るように各開口と連通して配置された光ファイバを
    有する空間光学フィルタ。
  16. 【請求項１６】 光源と光検出器を有する近接走査光学
    顕微鏡の集光モードで使用する近接走査光学顕微鏡用プ
    ローブであって、 光源から受光するために前面が光源の近くに配置され、
    前記前面が第１の屈折率の第１の誘電体層を含む光伝送
    装置と、 前記第１の誘電体層に実質的に隣接する第１の表面と、
    前記光源に向かい合う第２の表面とを有する金属フィル
    ムと、 前記金属フィルムに設けられ、前記第１の表面から前記
    第２の表面に連通する少なくとも１つの開口と、 前記金属フィルムの前記第２の表面に実質的に隣接する
    第２の屈折率の第２の誘電体層とを有し、 前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈折率に等し
    く、これにより前記金属フィルムの前記第２の表面に入
    射する前記光源からの光が前記金属フィルムの少なくと
    も１つの前記表面上の表面プラズモンモードと相互作用
    し、前記金属フィルムの前記開口の少なくとも１つを通
    ずる光伝送を強化し、強化された伝送光が前記光伝送装
    置を通じて前記光検出器に伝送される近接走査光学顕微
    鏡用プローブ。
  17. 【請求項１７】 光源と光検出器を有する近接走査光学
    顕微鏡の放射モードで使用する近接走査光学顕微鏡用プ
    ローブであって、 光を前記光検出器に伝送するために前面が前記光検出器
    の近くに配置され、前記前面が第１の屈折率の第１の誘
    電体層を含む光伝送装置と、 前記第１の誘電体層に実質的に隣接する第１の表面と、
    前記光検出器に向かい合っている第２の表面とを有する
    金属フィルムと、 前記金属フィルムに設けられ、前記第１の表面から前記
    第２の表面に連通する少なくとも１つの開口と、 前記金属フィルムの前記第２の表面に実質的に隣接する
    第２の屈折率の第２の誘電体層とを有し、 前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈折率に等し
    く、これにより前記光源からの光が前記光伝送装置を通
    じて前記前面まで伝送され、前記金属フィルムの少なく
    とも１つの前記表面上の表面プラズモンモードと相互作
    用させるために前記金属フィルムの前記第１の表面に入
    射され、前記金属フィルムの前記開口の少なくとも１つ
    を通ずる光伝送を強化し、強化された伝送光が前記光検
    出器に伝送される近接走査光学顕微鏡用プローブ。
  18. 【請求項１８】 感光性耐蝕膜を被覆した基板に画像を
    転写する写真平版印刷用マスクであって、 第１および第２の表面を有する金属フィルムと、 前記金属フィルムに設けられ、前記第１の表面から前記
    第２の表面に連通し、転写する前記画像に対応するパタ
    ーンに配置された少なくとも１つの開口と、 前記金属フィルムの第１の表面に実質的に隣接する第１
    の屈折率の第１の誘電体層と、 前記金属フィルムの第２の表面に実質的に隣接する第２
    の屈折率の第２の誘電体層とを有し、 前記第２の屈折率は実質的に前記第１の屈折率に等し
    く、前記金属フィルムの１つの前記表面に入射する光が
    前記金属フィルムの少なくとも１つの前記表面上の表面
    プラズモンモードと相互作用し、前記金属フィルム内の
    前記パターンに準拠して前記感光性耐蝕膜を被覆した基
    板を露光するように前記金属フィルムの前記開口の少な
    くとも１つを通ずる光伝送を強化し、前記画像を転写す
    る写真平版印刷用マスク。
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