JP2007094079A

JP2007094079A - 光学装置及び走査型顕微鏡

Info

Publication number: JP2007094079A
Application number: JP2005284204A
Authority: JP
Inventors: Kimihiko Nishioka; 公彦西岡
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】本発明は高解像の２次元あるいは３次元の画像を得ることができる光学装置を提供すること。
【解決手段】光学装置であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する光学系を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学装置及びそれを用いた走査型顕微鏡に関する。

光あるいは電磁波を用いた光学素子、撮像光学系、観察光学系、投影光学系、信号処理系等の光学系及びそれらを用いた光学装置が従来より知られている。これらの光学系は光あるいは電磁波の波動性のために生ずる回折の為に、解像、点像強度分布の大きさが制限される欠点があった。

そこでこの回折限界を越える結像を実現する技術として以下の非特許文献２，５等では負屈折率媒質を用いることが記されている。

図８はその説明図であり、負屈折率媒質３０１により形成された平行平板３８０を用いた結像を示したものである。図８において、
ＷＤ(Working Distance)…物点と平行平板３８０の左側面の距離
ｄ…像点と平行平板３８０の右側面の距離
ｔ…平行平板３８０の厚さ
ｉ…入射角
ｒ…屈折角
ｎ_s…負屈折率媒質３０１の真空に対する屈折率
とする。

平行平板３８０の周囲の真空に対する屈折率はｎ₀であり真空の場合ｎ₀＝１である。図８はｎ₀＝１，ｎ_s＝−１の場合を示している。

矢印は物体から出た光のうちの放射光成分を示している。非特許文献２によれば屈折の法則が成り立つから
ｎ₀sin ｉ＝ｎ_ssin ｒ …式（１０１）
であり、ｎ₀＝１，ｎ_s＝−１とすれば
ｒ＝−ｉ …式（１０２）
となる。従って、
ＷＤ＋ｄ＝ｔ …式（１０３）
を満たすｔ₀′のところに放射光成分の光は像点として結像する。

一方、物点から出たエバネッセント波も式（１０３）を満たすｄにおいて、物点と等強度になる。物体から出たすべての光が像点に集るので回折限界を越える結像が実現する。これを完全結像と呼ぶ。完全結像は負屈折率媒質３０１の周囲が真空でなくても、式（１０３）かつ
ｎ_s＝−ｎ₀ …式（１０４）
を満たせば実現することが以下の非特許文献２により知られている。

図８において、４０８は撮像素子である。

一方負屈折率媒質を用いた光学系として、以下の非特許文献５があるが、光ディスク用の光学系であり、２次元に広がった画像の結像用ではなかった。
光学系の仕組みと応用、７０−７３，７３−７７，１６６−１７０オプトロニクス社、２００３年 J.B.Pendry Phys.Rev.Lett.,Vol 85,18(2000)3966-3969 M.Notomi Phys.Rev.B.Vol 62(2000)10696 V.G.Veselago Sov.Phys.Usp.Vol.10,509-514(1968) L.Liu and S.He Optics Express Vol.12 No.20 4835-4840(2004) 佐藤・川上オプトロニクス２００１年７月号１９７ページ Fang,etal.,SCIENCE Vol 308 534(2005) ＵＳ２００３／０２２７４１５Ａ１ＵＳ２００２／０１７５６９３Ａ１

この点に鑑みるに本発明は、高解像の２次元あるいは３次元の画像を得ることができる光学装置及びそれを用いた走査型顕微鏡を提供するものである。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光学装置であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する光学系を備える。

また、本発明の第２の態様は、光学装置であって、光源から発した光を物体上に集光させる対物光学系と、前記光源と前記対物光学系との間に配置されていて前記物体上に集光される光点を光学的に走査させる走査型光偏向器と、前記物体からの光を検出する光検出器と、を備えており、前記対物光学系は負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する。

また、本発明の第３の態様は、光学装置であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、光源から発した光を物体上に集光させる対物光学系と、前記光源と前記対物光学系との間に配置されていて前記物体上に集光される光点を光学的に走査させる走査型光偏向器と、前記走査型光偏向器と前記対物光学系の瞳とが互いに光学的にほぼ共役となるように、前記走査型光偏向器と前記対物光学系との間に配置された瞳投影光学系と、
前記物体からの光を検出する光検出器と、を具備する。

また、本発明の第４の態様は、走査型顕微鏡であって、複数の光学特性可変光学素子を有する光学系を備える。

本発明によれば、高解像の２次元あるいは３次元の画像を得ることができる。

図１は本発明の一実施形態を示しており、負屈折率媒質３０１を用いた走査型顕微鏡５０１である。空気中に配置されており、この例では負屈折率媒質３０１は平行平板形状をしている。光源３０３（例えばガスレーザー、半導体レーザー、水銀ランプ等）から出た光は、ビームエキスパンダー５０２、ピンホール５０３、光束分割器（例えばビームスプリッター、ハーフミラー等）５０４、光偏向器５０５（例えばガルバノミラー）、瞳投影光学系５０６を通り、対物レンズ３０６、負屈折率媒質３０１を経て物体３０７に入射する。ここでは対物レンズ３０６と負屈折率媒質３０１とを合わせて対物光学系５２０と呼ぶことにする。

物体３０７で反射された光は負屈折率媒質３０１、対物レンズ３０６、瞳投影光学系５０６、光偏向器５０５へと進み、光束分割器５０４で下方に曲げられ共焦点レンズ５０７、ピンホール５０８を通り、光検出器（例えばフォトマルチプライヤー、フォトダイオード等）３２４で受光される。

対物レンズ３０６、負屈折率媒質３０１で物体３０７上に集光された光源の像、すなわち光点は光偏向器５０５を動作させることにより、物体３０７上をｘ，ｙ方向に動く。つまり光偏向器５０５によって光点は走査される。

光検出器３２４で検出された信号は、信号処理器５０９、画像メモリー５１０を経て、テレビモニター５１１に光点の走査によって得られた２次元画像が表示される。また、瞳投影光学系５０６によって、対物光学系５２０の瞳と光偏向器５０５とは互いに共役となっている。

ピンホール５０３とピンホール５０８は物体の観察面と共役関係にある。つまり共焦点光学系を構成しており、このため物体３０７、あるいは負屈折率媒質３０１等で生ずる不要なフレア光がカットでき、コントラストの良い画像が得られる。

対物レンズ３０６のＮＡは例えば１を越えており、エバネッセント波を励起できる。対物レンズ３０６には、正の屈折率を有する媒質で形成された光学素子、例えばガラスからなるレンズ３０６−１，３０６−２が含まれている。

図２は、図１の対物レンズ３０６近傍の拡大図を示している。ここでは、対物レンズ３０６の最も物体側の面を３１１とする。対物レンズ３０６の中間結像点をＦＦで表わす。面３１１と中間結像点ＦＦの距離をｇとする。

中間結像点ＦＦからｄだけ離れた位置には例えば平行平板状の負屈折率媒質３０１が配置されている。ｄは中間結像点ＦＦと負屈折率媒質の上面３１０との距離を表す。ｄの値は例えば１０μｍである。３１２は負屈折率媒質３０１の物体側の面である。

ここで、負屈折率媒質３０１の屈折率ｎ_sを−１．０００３、厚さｔを例えば、２１０μｍとする。ＷＤは負屈折率媒質３０１と物体３０７の距離である。ＷＤについては後に詳述する。

周囲の媒質は空気なのでｎ₀＝１．０００３であり、ｎ_s＝−ｎ₀となるため、物体３０７で散乱された光線は図２の矢印で示すように通常と異なる屈折をする（非特許文献２参照）。

入射角をｉ、出射角をｒとすれば
屈折の法則より、
ｓｉｎｒ＝（ｎ₀／ｎ_s）ｓｉｎｉ …式（０−４）
である。

従って、
ｒ＝−ｉ …式（０−３）
である。

非特許文献２によれば
ｔ＝ＷＤ＋ｄ …式（１）
のとき、負屈折率媒質３０１は、物体３０７を中間結像点ＦＦに完全結像する。ここで言う完全結像とは、回折限界の影響を受けない、放射光も、エバネッセント波も含めた全ての電磁波としての光を結像することを指す。このためＦＦに物体があるのと等価となる。

ＦＦから面３１１までの距離をｇとする。

ｇの値は、
０≦ｇ≦λ …式（０）
であり、中間結像点ＦＦは面３１１に非常に接近している。これはエバネッセント波を有効に利用するために望ましい条件である。実用的には
０≦ｇ≦１０λ …式（０−１）
でもよい場合がある。

なお、λは用いる光の波長であり、可視光の場合λは０．３５μｍ〜０．７μｍである。

このようにして、ＮＡ＞１．０の、エバネッセント波を含む結像が可能となるのである。これによって高解像度の走査型顕微鏡が実現できる。

なお、用途によっては、
０≦ｇ≦１０００λ …式（０−１−０）
でもよい。

式（０）〜式（０−１−０）において、ｇの下限を０．１λ／Ａとすれば、レンズ表面３１１上のゴミ、キズ等がピンボケになり、悪影響が減るのでなお良い。但し、Ａは、対物レンズ３０６のＦＦにおける開口数（ＮＡ）である。

式（０）〜式（０−１−０）で、ｇの下限を０．６λ／Ａとすれば、ゴミ、キズ等の影響がさらに低減されるので良い。

式（０）〜式（０−１−０）で、ｇの下限を１．３λ／Ａとすれば、ゴミ、キズ等の影響がさらに大幅に減るので良い。

仮にｄ＝１０μｍとすれば式（１）よりＷＤ＝２００μｍとなり、ＷＤの良いことは従来にないメリットであり、ｇが０〜数十ｎｍであれば、結像性能は対物レンズ３０６を物体３０７に直接ほぼ密着させた固体浸レンズを用いた走査型顕微鏡とほぼ同等である。

なお走査型顕微鏡は同ＮＡの通常の顕微鏡に比べ２０％〜４０％解像が良い。

このため、固体浸レンズ並のＮＡを持つ光学系を用いて図１に示すような走査型顕微鏡５０１を作ればさらに良い解像の顕微鏡を得ることができる。

本発明の一実施形態は、負屈折率媒質で形成された光学素子（３０１等）と結像光学系（３０６等）とを組合せて配置したことがポイントである。この実施形態では負屈折率媒質３０１の像側に結像光学系を配置した構成となっている。

そして、負屈折率媒質３０１によって結像された物体像（中間結像）を対物レンズ３０６によって再結像していることが特徴である。中間結像は図２の例では実像であるが、光学系の用途によっては虚像でもよい。また、図２の例では、照明光と観察光とが逆方向に計２回、負屈折率媒質３０１を透過している特徴がある。

以上の説明では、ｇ≧０の場合について述べたが、
ｇ＜０ …式（０−５）
でもよい。なぜなら、ｄ＋ｇ＞０ …式（０−６）
であれば、光学素子同士がぶつかることなく結像関係を維持できるからである。ｇ＜０というのはＦＦがレンズ（例えば３０６−１）の中に入ることを意味する。ただし、ｇが小さくなりすぎると、完全結像の条件がくずれてくるので、
−ｔ≦ｇ＜０ …式（０−７）
を満たすことが望ましい。用途によっては、
−３ｔ≦ｇ＜０ …式（０−８）
を満たせばよい。光学系によっては、
−１０ｔ≦ｇ＜０ …式（０−９）
を満たせばよい場合もある。なお、ｄ＋ｇ＝０でもよい。

ｇの値を実長で示せば、−１００ｍｍ≦ｇ＜０ …式（０−１０）
とするのが良い。ｇの値が式０−１０の下限を下まわるとレンズの製作が困難になってくる。

−１０ｍｍ≦ｇ＜０ …式（０−１１）
とすればなお良い。

式（０−５）〜式（０−１１）で、ｇの上限を（−０．１λ）／Ａとすれば、エバネッセント波を確実に利用でき、かつ、レンズ表面３１１上のゴミ、キズ等がピンボケになり、悪影響が減るのでなお良い。式（０−５）〜式（０−１１）でｇの上限を、（−０．６λ）／Ａとすれば、ゴミ、キズ等の影響がさらに減るので良い。

式（０−５）〜式（０−１１）でｇの上限を、（−１．３λ）／Ａとすれば、ゴミ、キズ等の影響がさらに大幅に減るので良い。

式（１）は厳密に守られなくてもよい。負屈折率媒質３０１による像位置は負屈折率媒質３０１の屈折率の製造誤差、面精度の誤差等で式（１）からずれる場合もあるからである。

０．８（ＷＤ＋ｄ）≦ｔ≦１．２（ＷＤ＋ｄ） …式（２）
であればよい。

製品によっては
０．５（ＷＤ＋ｄ）≦ｔ≦１．５（ＷＤ＋ｄ） …式（３）
で許容される場合もある。

製品の利用条件によっては、
０．１５（ＷＤ＋ｄ）≦ｔ≦４．０（ＷＤ＋ｄ） …式（４）
でも良いことがある。

あるいは、ｔ≦０．９（ＷＤ＋ｄ） …式（４−１）
を満たすようにすれば、長めのＷＤを確保できるので良い。

図１〜２の例では、負屈折率媒質３０１と負屈折率媒質３０１に最も近いレンズ（対物レンズ３０６）とが所定の距離だけ隔てて配置されている。

このようにすれば、例えば、物体とぶつかって負屈折率媒質３０１が破損した場合でも、負屈折率媒質３０１だけを交換すれば機能を回復できるので良い。つまり、修理がしやすいのである。

対物レンズ３０６についてであるが、この光学系の物体側のＮＡは１．０以上であることが望ましいが、１．０未満でも良い。例えば０．２以上、０．８以上、あるいは０．２以下、０．８以下でもよい。なぜなら負屈折率媒質３０１によってＷＤを伸す効果はあるからである。

対物レンズ３０６の上記ＮＡは、１．１５以上とすると、高解像が実現できるので良い。さらに、上記ＮＡを１．３以上とすると、水浸対物レンズ並あるいは水浸対物レンズでは実現できなかった高解像が実現できるのでなお良い。

上記ＮＡを１．５以上とすれば、油浸対物レンズ並の高解像が実現できるのでさらに良い。

なお、負屈折率媒質３０１の形状についてであるが、図１、図２の実施形態において、負屈折率媒質３０１の形状は平行平板でなくても良い。すなわち、図３に示すように、負屈折率媒質で形成され、物体側に凹面を有するレンズ３０１−２を用いても良い。ＷＤを伸ばす効果に加えて収差補正の効果等が得られる。図３において負屈折率媒質でできたレンズ３０１−２は片側が平面で、もう一方の面が凹の曲面であるが、両凸レンズ、平凸レンズ、両凹レンズ、メニスカス凸レンズ、メニスカス凹レンズ等の形状でも良い。

負屈折率媒質でできたレンズ３０１−２の曲面の形状は、球面でも、非球面でも、自由曲面でも回転非対称面、拡張曲面等でも良い。

図１では光偏向器５０５を動かすことによって物体面のｘ，ｙ方向を走査することができる。ｚ方向を走査するのには顕微鏡のステージを上下に動かし、物体３０７自体を動かしてもよいのであるが、物体３０７が振動によって変形するために観察がしにくい、等の問題が発生する場合がある。

図４はこのような問題を解決するための走査型顕微鏡５１７の構成を示している。ここでは形状可変ミラー５１５，５１６を用いて、ピントの合う物体位置を変化させることを特徴とする。形状可変ミラー５１５，５１６は例えば静電気力で駆動する方式のものを用いることができる。上側電極を兼ねた光反射面５１８と下側電極５１９ａ，５１９ｂ，５１９ｃの間に駆動回路３００からの直流電圧を印加して電極間の静電気力により光反射面５１８を凹形状に変形することができる。

形状可変ミラー５１６も動作原理は同じである。同時に２つの可変形状ミラー５１５、５１６を変形させて用いることで、ピントの合うｚ方向位置を動かしつつ、かつｚ方向走査で生ずる光学系の収差変動を小さくできるメリットがある。

形状可変ミラー５１５，５１６の代わりに、形状の変化しない可変焦点ミラー、可変焦点レンズ等を用いてもよい。可変焦点ミラー、可変形状ミラー、可変焦点レンズ、可変収差レンズ等はいずれも光学特性可変光学素子の１例である。

図１、図４ではいずれも落射型の走査型顕微鏡について述べたが、これらに限らず透過型の走査型顕微鏡の光学系に負屈折率媒質を用いてもよい。

図１、図４等の例で、光源として、レーザー光のような単色光を用いれば、負屈折率媒質３０１のもつ色分散の影響が出にくくなり、高解像の光学装置、走査型顕微鏡が得られるので良い。

以下に、ＷＤについて詳細に説明する。ＷＤの値は
１００ｎｍ≦ＷＤ≦２０ｍｍ …式（７）
とするのが良い。

式（７）の下限を下回ると作動距離が小さくなりすぎ、扱いにくい。式（７）の上限を上回ると負屈折率媒質が大きくなりすぎ、コスト、加工上、不利である。また光学装置としての寸法が大きくなりすぎる点も問題となってくる。

製品によっては
２０ｎｍ≦ＷＤ≦２００ｍｍ …式（８）
でも許容できる。

１１００ｎｍ≦ＷＤ≦２００ｍｍ …式（８−０−１）
とすれば、さらに使いやすい光学装置が得られる。

０．０１ｍｍ≦ＷＤ≦２００ｍｍ …式（８−０−２）
とすれば、なお使いやすく、光学装置のＷＤを決める機構が簡単になるので良い。

０．１ｍｍ≦ＷＤ≦２００ｍｍ …式（８−０−３）
とすれば、さらに使いやすく、光学装置の機械的精度もさらに下げられるので良い。

また、
ＷＤ＞ｄ …式（８−１）
を満たすことが望ましい。

ｔの値が同じなら式（１）により、ｄの値は小さいほどＷＤを大きくできるからである。

ＷＤ＞０．１ｄ …式（８−２）
でも製品によっては許容できる。

ｄの値を小さくすることで、３０６等のレンズの大きさを小さくすることもできるので良い。

また、ｄの値は解像度を良くするためには、
ｄ≧０ …式（８−２−１）
を満たすことが望ましいが、用途によっては、
ｄ＜０ …式（８−２−２）
でもよい。

式（８−２−１）で、ｄの下限を０．１λ／Ａとすれば、ＦＦは、レンズ３０６−１側に近づき、エバネッセント波が利用しやすくなり、かつ、面３１０上のゴミ、キズ等がピンボケになり、悪影響が減るのでなお良い。

式（８−２−１）で、ｄの下限を０．６λ／Ａとすれば、さらにエバネッセント波を利用しやすくなるので、解像を向上させやすくなり、かつ、ゴミ、キズ等の影響もさらに減らせるのでよい。

式（８−２−１）で、ｄの下限を１．３λ／Ａとすれば、さらに大幅にエバネッセント波を利用しやすくなるので、解像を向上させやすくなり、かつ、ゴミ、キズ等の影響もさらに大幅に減らせるのでよい。但し、Ａは光学系のＦＦにおける開口数である。

式（８−２−１）で、ｄの下限を０．００５ｍｍとすれば、負屈折率媒質３０１と上部のレンズ系との距離を広げやすくなるので、負屈折率媒質３０１と上部のレンズ系との距離を保つための枠構造が簡単になり良い。

式（８−２−２）で、ｄの上限を（−０．１λ）／Ａとすれば、面３１０上のゴミ、キズ等がピンボケになり悪影響が減るのでなお良い。

式（８−２−２）で、ｄの上限を（−０．６λ）／Ａとすれば、ゴミ、キズ等の影響がさらに減るので良い。

式（８−２−２）で、ｄの上限を（−１．３λ）／Ａとすれば、ゴミ、キズ等の影響がさらに大幅に減るので良い。

但し、Ａは、結像光学系３０６等のＦＦにおける開口数（ＮＡ）である。ここで、光学面上のゴミ、キズ等の結像性能への影響についてまとめておく。すでに、ｇ、ｄの条件式で説明したように、ＦＦから直前あるいは直後の光学面までの距離が大きいほど、その光学面のゴミ、キズ等の影響は小さくなる。ここで言う距離は、光学的な長さ（空気換算長）である。

そして、その距離は少なくとも０．１λ／Ａ以上あることが望ましい。そして、０．６λ／Ａあるいは１．３λ／Ａ以上あればなお良い。上記の光学面には負屈折率媒質の表面も含まれる。

また、ＷＤの値は、光学装置の機械的構造を工夫すること等で、可変できるようにしておくことが望ましい。顕微鏡のステージ等はその一例である。

また、負屈折率媒質３０１とレンズの最も負屈折率媒質３０１寄りの面（図２で言えば面３１１）とが接着されていてもよい。あるいは、負屈折率媒質３０１をレンズ（図２で言えば３０６−１）を基板として形成しても良い。これらの場合、ｄの値は近似的に０、あるいは０となる。

あるいは、負屈折率媒質３０１を透明な平板上に形成し、この透明な平板が結像に用いるレンズの一部をなすように配置してもよい。配置する場所としては、結像レンズ系（図１で言えば対物レンズ３０６）の最前部（図１で言えばレンズ３０６−１の物体側）が良い。基板として用いるレンズ、あるいは平板は正の屈折率を有する材料で作れば低コストで製作できるので良い。以上のように、基板上に負屈折率媒質３０１を設ける場合でもＷＤ、ｄの値は負屈折率媒質３０１の表面から計測するものとする。

図５に、正の屈折率を有する材料で形成された平板４５０の上に形成した平板形状の負屈折率媒質３０１を用いた顕微鏡対物レンズの例を示した。

平板４５０，レンズ３０６−１，３０６−２を合わせて対物レンズ３０６を形成している。中間結像点ＦＦはわずかに平板４５０の中に入っている。レンズ３０６−１と平板４５０とは接着されているが、密着させても良い。後述の式（１２）、（１３）は平板４５０の屈折率に対しても適用できる。

また完全結像の条件、式（１）からのずれについてであるが、
ＷＤ＋ｄ−ｔ＝Δ …式（８−３）
とした時、｜Δ｜の値が大きいほど結像状態は悪くなる。

｜Δ｜＜λ …式（８−４）
であればある程度の結像状態の低下でおさえられる。

実用的には製品によっては
｜Δ｜＜１０λ …式（８−４−１）
まで許容できる。

利用条件によっては、｜Δ｜＜１００λ …式（８−５）まで許容できる。

式（８−４−１）〜（８−５）の｜Δ｜の下限を、０．１λ／Ａとすれば、ＷＤが長めに確保できる等のメリットがあるので良い場合がある。

また、これまで述べた実施形態ではｎ_s／ｎ₀＝−１であった。負屈折率媒質３０１が平行平板の場合、理想的にはｎ_s／ｎ₀＝−１である。しかし実際には負屈折率媒質３０１の製作誤差、使用波長のズレなどでｎ_s／ｎ₀＝−１にできないこともあり、この時次式を満すことが望ましい。

ｎの値が上記をはずれると、完全結像が成り立たなくなり、解像度が低下する。製品によっては

であれば良い。

ＷＤを大きく取るためだけなどの用途では

でも良い場合がある。

負屈折率媒質に最も近いレンズ又は光学素子（図１で言えば３０６−１）の屈折率をＮとすると、Ｎは大きいほど解像度が上がるので良い。

Ｎ≧１．３ …式（１２）
とすれば、広い用途に利用できる。

Ｎ≧１．７ …式（１３）
とすればなお良い。

式（１２）、（１３）でＮの上限値を１．８２とすれば、ガラスの吸収（着色）が少なくなるので良い。

Ｎ≧１．８６ …式（１３−１）
とすれば、着色はあるものの、高解像が実現できるので良い。

負屈折率媒質３０１の真空に対する屈折率をｎ_s、空気の真空に対する屈折率をｎ_Aとする。１気圧、波長５００ｎｍのとき、ｎ_A＝１．０００２８１８である。

光学装置の周囲が空気の場合の理想的な完全結像のための必要条件は、
ｎ_s＝−ｎ_A …式（１５）
である。

光学装置の周囲が真空の場合の理想的な完全結像のための必要条件は、
ｎ_s＝−１．０ …式（１６）
である。

また、図１、図２、図３、図４、図５の例でｄまたはＷＤの部分を水、油等の液体で満たしても良い。このようにすると、ｎ_sの値が−１でなくても良く、負屈折率媒質３０１の材料を選択しやすくなるメリットがある。その場合、水、油等の液体の屈折率をｎ_Lとすれば、完全結像を実現するための必要条件は、
ｎ_s＝−ｎ_L …式（１５−３）
となる。

液体に対する負屈折率媒質３０１の比屈折率をｎとすれば、式（９）、式（１０）、式（１１）は（ｎ_s／ｎ₀）をｎで置きかえれば同様に適用できる。

ｔの値について述べる。実用上、光学装置の使い勝手を良くするために、ＷＤを大きくとるほうが良い。

式（１）からＷＤはｔと同程度の値となる。従って、
０．１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ …式（１７）
とするのがよい。ｔの値が上限を越えると、光学装置が大きくなり、製造しにくくなる。

製品によっては、
０．０１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ …式（１８）
でも許容される。

用途によっては、
１１００ｎｍ≦ｔ≦２００ｍｍ …式（１９）
あるいは、
３０ｎｍ≦ｔ≦５０ｍｍ …式（２０）
でも許容できる場合がある。

また、式（１７）あるいは式（１８）を満たせば、光学素子としての負屈折率媒質の機械的強度が増すので、光学装置の組み立て時の取り扱いが楽になるので良い。あるいは、負屈折率媒質を支える基板が不要になる可能性もでてくるので良い。

式（１９）、（２０）で、ｔの上限値を０．０１ｍｍとすれば、負屈折率媒質を薄膜として蒸着あるいはスパッタリング等で製造する可能性も出てくるので良い。

例えば、フォトニック結晶を自己クローニング法で製作することが考えられる（非特許文献６参照）。

なお、負屈折率媒質を含む光学系の光軸に沿って計測した長さは２０ｍ以下とすれば、光学系及び光学装置が製作しやすいのでなお良い。

また、本願の図１、図２、図３、図４、図５の実施形態に示されているように、結像光学系３０６等に対する物点（ＦＦ）と、結像光学系までの距離はいずれも有限である特徴がある。

また、本願で完全結像という用語を用いたが、これは１００％完全な結像が行われない場合、例えば５０％解像が向上している場合、も含むものとする。つまり、例えば、通常の回折限界よりは解像力はある程度向上している、というような場合も含めるものとする。

以下、本発明に共通して言える内容を述べる。負屈折率媒質３０１の具体的な物質としてはフォトニック結晶が挙げられる。図６は、フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示し、図７は、フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示している。図６、図７に示すように、フォトニック結晶３４０はλ〜数十分の１λ程度の周期的な構造を持つ物質で、リソグラフィー等によって作られる。材質はＳｉＯ₂、アクリル、ポリカーボネート等の合成樹脂などの誘電体、ＧａＡｓ等である。ここでλは使用する光の波長である。図中のＸ，Ｙ，Ｚ方向の繰返しの周期Ｓx ，Ｓy ，Ｓz の値がλ〜数十分の１λ程度の値を持つ。フォトニック結晶のバンド端近傍で負屈折率を実現することができることが知られている（非特許文献３を参照のこと）。図のｚ方向を光学系の光軸とするのが良い。

Ｚ軸はフォトニック結晶の回転対称性の最も良い軸の方向である。

Ｓx ，Ｓy ，Ｓz は次式のいずれかを満たすことが望ましい。

λ／１０＜Ｓx ＜λ …式（５−１）
λ／１０＜Ｓy ＜λ …式（５−２）
λ／１０＜Ｓz ＜λ …式（５−３）
Ｓx ，Ｓy ，Ｓz の値が上限を越えても下限を下回ってもフォトニック結晶として機能しなくなる。

用途によっては、
λ／３０＜Ｓx ＜４λ …式（５−４）
λ／３０＜Ｓy ＜４λ …式（５−５）
λ／３０＜Ｓz ＜４λ …式（５−６）
のいずれかを満たせばよい。

負屈折率媒質についてであるが、媒質の比誘電率εが負で、かつ、媒質の比透磁率μが負のとき、媒質の屈折率が

になることが知られている。

また、負屈折率媒質としては、負屈折を示す物質、近似的に負の屈折を示す物質、例えば銀、金、銅等の薄膜、特定の偏光方向について負屈折率を示す物質、らせん構造を持つ物質、誘電率εが負の物質の薄膜等を用いてもよい。

また、負屈折率媒質のことを左手系材料（Left handed material）と呼ぶこともある。本願ではこれら負屈折率媒質、左手系材料、近似的に負の屈折を示す物質、特定の偏光方向について負屈折率を示す物質、らせん構造を持つ物質、誘電率εが負の物質の薄膜等をすべて含めて負屈折を示す媒質と呼ぶことにする。完全結像を示す物質も負屈折を示す媒質に含まれる。また、誘電率εが負の物質の薄膜の場合、
ε＝−ε_c …式（５−６−９）
を満たすとほぼ完全結像が実現するので良い。また実用的には
−１．２ε_c≦ε≦−０．８ε_c …式（５−７）
を満たすとよい。用途によっては、
−１．７ε_c≦ε≦−０．５ε_c …式（５−８）
でもよい。

但し、ε_cは誘電率εの物質の薄膜と接する媒質、あるいは薄膜の周囲の媒質の誘電率である。

用いる光の波長としては主に単色光を用いた例を実施形態で述べたが、これに限らず連続スペクトルの光源、白色光源、複数の単色光の和、スーパールミネッセントダイオード等の低コヒーレンス光源等を用いてもかまわない。

波長としては空気中でも伝送可能なこと、光源が入手しやすいことから等から、０．１μｍ〜３μｍを用いるのがよい。可視波長ならばさらに利用しやすいので良い。波長を０．６μｍ以下にすれば、解像が向上するのでなお良い。また本願で光という用語を用いた場合、電磁波も含むものとする。

最後に、本実施形態で用いられた技術用語の定義を述べておく。

光学装置とは、光学系あるいは光学素子を含む装置のことである。光学装置単体で機能しなくてもよい。つまり、装置の一部でもよい。

光学装置には、撮像装置、観察装置、表示装置、照明装置、信号処理装置、光情報処理装置、投影装置、投影露光装置、等が含まれる。

撮像装置の例としては、フィルムカメラ、デジタルカメラ、ＰＤＡ用デジタルカメラ、ロボットの眼、レンズ交換式デジタル一眼レフカメラ、テレビカメラ、動画記録装置、電子動画記録装置、カムコーダ、ＶＴＲカメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、電子内視鏡、カプセル内視鏡、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、監視装置のカメラ、各種センサーの眼、録音装置のデジタルカメラ、人工視覚、走査型顕微鏡、投影露光装置、ステッパー、アライナー、光プローブ型顕微鏡等がある。デジカメ、カード型デジカメ、テレビカメラ、ＶＴＲカメラ、動画記録カメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、録音装置のデジタルカメラなどはいずれも電子撮像装置の一例である。

観察装置の例としては、顕微鏡、望遠鏡、眼鏡、双眼鏡、ルーペ、ファイバースコープ、ファインダー、ビューファインダー、コンタクトレンズ、眼内レンズ、人工視覚等がある。

表示装置の例としては、液晶ディスプレイ、ビューファインダー、ゲームマシン（ソニー社製プレイステーション）、ビデオプロジェクター、液晶プロジェクター、頭部装着型画像表示装置（ｈｅａｄｍｏｕｎｔｅｄｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話、人工視覚等がある。

ビデオプロジェクター、液晶プロジェクター、等は投影装置でもある。

照明装置の例としては、カメラのストロボ、自動車のヘッドライト、内視鏡光源、顕微鏡光源等がある。

信号処理装置の例としては、携帯電話、パソコン、ゲームマシン、光ディスクの読取・書込装置、光計算機の演算装置、光インターコネクション装置、光情報処理装置、光ＬＳＩ、光コンピュータ、ＰＤＡ等がある。

情報発信装置とは、携帯電話、固定式の電話、ゲームマシン、テレビ、ラジカセ、ステレオ等のリモコンや、パソコン、パソコンのキーボード、マウス、タッチパネル等の何らかの情報を入力し、送信することができる装置を指す。

撮像装置のついたテレビモニター、パソコンのモニター、ディスプレイも含むものとする。

情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。

撮像素子は、例えばＣＣＤ、撮像管、固体撮像素子、写真フィルム等を指す。また、平行平面板はプリズムの１つに含まれるものとする。観察者の変化には、視度の変化を含むものとする。被写体の変化には、被写体となる物体距離の変化、物体の移動、物体の動き、振動、物体のぶれ等を含むものとする。撮像素子、ウエハー、光ディスク、銀塩フィルム、等は結像部材の例である。

拡張曲面の定義は以下の通りである。

球面、平面、回転対称非球面のほか、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは対称面を有する非球面、対称面を１つだけ有する非球面、対称面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点、線を有する面等、いかなる形をしていても良い。反射面でも、屈折面でも、光になんらかの影響を与えうる面ならば良い。

本発明では、これらを総称して拡張曲面と呼ぶことにする。

結像光学系とは、撮像光学系、観察光学系、投影光学系、投影露光光学系、表示光学系、信号処理用光学系等を指す。

撮像光学系の例としてはデジタルカメラの撮像用レンズがある。

観察光学系の例としては顕微鏡光学系、望遠鏡光学系等がある。

投影光学系の例としてはビデオプロジェクターの光学系、リソグラフィー用の光学系、光ディスクの読み出し、書き込み光学系、光ピックアップの光学系等がある。

投影露光光学系の例としてはリソグラフィー用の光学系がある。

表示光学系の例としてはビデオカメラのビューファインダーの光学系がある。

信号処理光学系の例としては光ディスクの読み出し、書き込み光学系、光ピックアップの光学系がある。

光学素子とはレンズ、非球面レンズ、鏡、ミラー、プリズム、自由曲面プリズム、回折光学素子（ＤＯＥ）、不均質レンズ等を指すものとする。平行平板も光学素子のひとつである。

（付記）
１．負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する光学系を備えたことを特徴とする走査型顕微鏡。

２．負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、正の屈折率を有する光学素子とを有する光学系を備えた走査型顕微鏡。

３．負屈折を示す媒質で形成された光学素子による結像関係と、結像光学系による結像関係との両方を含むことを特徴とする光学系を備えた走査型顕微鏡。

４−１．光源から発した光を物体上に集光させる対物光学系と、前記光源と前記対物光学系との間に配置されていて前記物体上に集光される光点を光学的に走査させる走査型光偏向器と、前記物体からの光を検出する光検出器と、を備えており、前記対物光学系は負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有することを特徴とする走査型顕微鏡。

４−１−１．光源から発した光を物体上に集光させる対物光学系と、
前記光源と前記対物光学系との間に配置されていて前記物体上に集光される光点を光学的に走査させる走査型光偏向器と、
前記走査型光偏向器と前記対物光学系の瞳とが互いに光学的にほぼ共役となるように、それらの間に配置された瞳投影光学系と、
前記物体からの光を検出する光検出器と、を備えており、
前記対物光学系は負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有することを特徴とする走査型顕微鏡。

４−２．前記光源が、レーザーであることを特徴とする付記４−１．に記載の走査型顕微鏡。

４−３．前記走査型光偏向器と前記光検出器との間に、前記物体と光学的に共役であるピンホールが配置されていることを特徴とする付記４−１．又は４−２．に記載の走査型顕微鏡。

４−４．前記光源と前記走査型光偏向器との間に光束分割器が配置されていて、該光束分割器と前記光検出器との間に、前記物体と光学的に共役であるピンホールが配置されていることを特徴とする付記４−１．乃至４−３．に記載の走査型顕微鏡。

４−５．前記走査型顕微鏡が落射型であることを特徴とする付記１．乃至４−４．に記載の走査型顕微鏡。

４−６．前記走査型顕微鏡が透過型であることを特徴とする付記１．乃至４−４．に記載の走査型顕微鏡。

４−７．前記対物光学系が負屈折を示す媒質で形成された光学素子と正の屈折率を有する光学素子を有することを特徴とする４−１．の走査型顕微鏡。

４−８．前記対物光学系が負屈折を示す媒質で形成された光学素子による結像関係と、結像光学系による結像関係との両方を含むことを特徴とする４−１．の走査型顕微鏡。

４−９．前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子が平行平板であることを特徴とする１．乃至４−８．に記載のもの。

４−１０．式（０−１−０）、または式（０−５）を満たす１．乃至４−９．に記載のもの。

４−１１．式（４）を満たすことを特徴とする１．乃至４−１０．に記載のもの。

但しＷＤは、前記負屈折を示す媒質と物体または像面までの距離
ｄは、前記負屈折を示す媒質と光学系の中間結像点までの距離
ｔは、前記負屈折を示す媒質の厚さ
４−１２．前記負屈折を示す媒質の屈折率が式（１１）を満たすことを特徴とする１．乃至４−１１．に記載のもの。

４−１３．前記対物光学系の物体側あるいは中間結像のＮＡが１以上であることを特徴とする１．乃至４−１２．に記載のもの。

４−１４．前記対物光学系の物体側あるいは中間結像のＮＡが１未満であることを特徴とする１．乃至４−１２．に記載のもの。

４−１５．前記対物光学系が式（８−５）を満たすことを特徴とする１．乃至４−１４．に記載のもの。

４−１６．前記負屈折を示す媒質の周囲は空気であることを特徴とする１．乃至４−１５．に記載のもの。

４−１７．前記負屈折を示す媒質あるいは前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の厚さが式（１７）、（１８）、（１９）、（２０）のいずれかを満たす１．乃至４−１６．に記載のもの。

４−１８．光軸方向に走査を行う４−１．の走査型顕微鏡。

５−１．前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子が曲面形状の光学面を有することを特徴とする１．乃至４−１７．に記載のもの。

６．前記負屈折を示す媒質が負屈折率媒質であることを特徴とする１．乃至５−１．に記載のもの。

７．前記負屈折を示す媒質がフォトニック結晶であることを特徴とする１．乃至６．に記載のもの。

７−１．前記負屈折を示す媒質としてフォトニック結晶を用い、かつ当該フォトニック結晶の回転対称性の最も良い軸が前記対物光学系の光軸方向を向いていることを特徴とする１．乃至５−１．に記載のもの。

８．前記負屈折を示す媒質が完全結像の性質を示す媒質であることを特徴とする１．乃至７−１．に記載のもの。

９．前記負屈折を示す媒質が誘電率が負の物質の薄膜であることを特徴とする１．乃至８．に記載のもの。

９−１．前記負屈折を示す媒質が誘電率が負の物質の薄膜であり、かつ式（５−８）を満たすことを特徴とする１．乃至８．に記載のもの。

１０−１．複数の光学特性可変光学素子を有する光学系を備えた走査型顕微鏡。

１０−２．光源から発した光を物体上に集光させる対物光学系と、
前記光源と前記対物光学系との間に配置されていて前記物体上に集光される光点を光学的に走査させる走査型光偏向器と、
前記物体からの光を検出する光検出器と、を備えており、光路中に複数の光学特性可変光学素子を有することを特徴とする走査型顕微鏡。

１１．光学特性可変光学素子と負屈折を示す媒質で形成された光学素子とを有する光学系を備えた走査型顕微鏡。

１１−１．光学特性可変光学素子を備え、前記光学特性可変光学素子の光偏向作用の変化により光軸方向に走査を行う、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する光学系を備えた走査型顕微鏡。

１２．光学特性可変光学素子を備えた４−１．の走査型顕微鏡。

１２−１．光学特性可変光学素子を備え、前記光学特性可変光学素子の光偏向作用の変化により光軸方向に走査を行う、４−１．の走査型顕微鏡。

１３．光、または電磁波を用いることを特徴とする１．乃至１２−１．の顕微鏡。

本発明の一実施形態に係る走査型顕微鏡の構成を示す図である。図１の対物レンズ３０６近傍の拡大図を示す図である。負屈折率媒質として物体側に凹面を有するレンズ３０１−２を用いた構成を示す図である。本発明の他の実施形態に係る走査型顕微鏡の構成を示す図である。図５に、正の屈折率を有する材料で形成された平板４５０の上に形成した平板形状の負屈折率媒質３０１を用いた顕微鏡対物レンズの例を示す図である。フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示す図である。フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示す図である。従来技術について説明するための図である。

符号の説明

３０１負屈折率媒質
３０３光源
３０６対物レンズ
３０７物体(標本)
３２４光検出器
５０１走査型顕微鏡
５０２ビームエキスパンダ
５０３ピンホール
５０４光束分割器
５０５光偏向器
５０６瞳投影光学系
５０７共焦点レンズ
５０８ピンホール
５０９信号処理器
５１０画像メモリ
５１１テレビモニター
５２０対物光学系

Claims

負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する光学系を備えたことを特徴とする光学装置。
光源から発した光を物体上に集光させる対物光学系と、前記光源と前記対物光学系との間に配置されていて前記物体上に集光される光点を光学的に走査させる走査型光偏向器と、前記物体からの光を検出する光検出器と、を備えており、前記対物光学系は負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有することを特徴とする光学装置。
負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、光源から発した光を物体上に集光させる対物光学系と、
前記光源と前記対物光学系との間に配置されていて前記物体上に集光される光点を光学的に走査させる走査型光偏向器と、
前記走査型光偏向器と前記対物光学系の瞳とが互いに光学的にほぼ共役となるように、前記走査型光偏向器と前記対物光学系との間に配置された瞳投影光学系と、
前記物体からの光を検出する光検出器と、
を具備することを特徴とする光学装置。
複数の光学特性可変光学素子を有する光学系を備えたことを特徴とする走査型顕微鏡。