JP2008046470A - 照明装置、照明方法、及び走査型光学顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】負屈折レンズにおけるエバネッセント波による高周波成分に適合した、高い空間分解能を有する照明装置、照明方法、走査型光学顕微鏡を提供する。
【解決手段】光源１０１を発した波長λ_１の発光体励起光１０８は集光レンズ１０２によって発光体１０７に集光される。発光体１０７は、基板１０４上に保持され、波長λ_１の発光体励起光１０８が照射されると、波長λ_２の蛍光を発する。発光体１０７の直径ａは波長λ_２より小さく構成されているため、この蛍光はエバネッセント波を含み、発光体１０７を点光源とする物体照明光１０９として基板１０４中を進行する。負屈折レンズ１０５は物体１０６の表面に発光体１０７の像を結ぶように配置され、これにより物体照明光１０９に含まれる伝搬光成分だけでなくエバネッセント波成分も同時に集光され、物体１０６の表面には発光体１０７とほぼ同じ大きさの微小なビームスポットが形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微鏡、カメラ、内視鏡などの光学像検出装置、光ディスク用ピックアップなどの光学的情報書き込み・読み出し装置、およびステッパー等のリソグラフィー装置に適用できる照明装置、照明方法、更には走査型光学顕微鏡に関するものである。

近年、顕微鏡、カメラ、内視鏡などの撮像光学系を用いた画像検出装置の解像能力が向上している。特に顕微鏡や光記録の分野では、ほぼ無収差の光学系が実現し、撮像光学系としての解像能力は主に可視光の回折限界によって制約されている。一方、以下の非特許文献に開示されているように、屈折率が負の値をとる光学材料（以下、適宜「負屈折材料」と呼ぶ。）が実現されている。負屈折材料を利用すれば回折限界を超える超高解像の結像（以下、適宜「完全結像」と呼ぶ。）が可能であるという提案がなされている。

非特許文献３に開示されているように、屈折率が負の値をとる場合以外でも、誘電率または透磁率の実数部が負の値であれば、特定の偏光状態の電磁波に対して負屈折的な現象が観測される。また、非特許文献５に開示されているように、フォトニック結晶のような周期構造体においては、逆格子空間でフォトニックバンドが折り返される結果、屈折率、誘電率及び透磁率が全て正の材料であるにもかかわらず、特定の波長、特定の偏光状態の電磁波に対して負屈折的な現象が観測される。

上記の事情を鑑みて、本明細書では、特定の電磁波に対して負屈折的な応答を示す材料を「負屈折を示す材料」と呼ぶことにする。「負屈折を示す材料」という表現は、負屈折材料よりも広義の概念であることは言うまでもない。

負屈折を示す材料としては、上述のフォトニック結晶の他にも、金属薄膜、カイラル物質、フォトニック結晶、メタマテリアル、左手系物質、バックワード波材料、負位相速度媒質等が知られている。

非特許文献１によれば、誘電率と透磁率の両方が負の値をとる材料は、屈折率も負の値となる。さらに、このような材料は、後述するような、いわば拡張されたスネルの法則を満足することが示されている。

図１６は、正の屈折率を有する通常の光学材料（以下、適宜「通常光学材料」と呼ぶ。）における光の屈折の様子を示している。光が媒質１から媒質２へ伝搬するとき、両媒質の境界面で屈折する。このとき、次式（１）で示すスネルの法則を満足する。

（１） ｎ_１ｓｉｎθ_ｉ＝ｎ_２ｓｉｎθ_ｒ
ここで、θ_ｉは入射角、θ_ｒは屈折角、ｎ_１は媒質１の屈折率、ｎ_２は媒質２の屈折率をそれぞれ示している。

これに対して、図１７は、媒質２の屈折率ｎ_２が負の値をとるときの光の屈折の様子を示している。図１７に示すように、入射した光は、境界面の法線に対して図１６で示す屈折方向とは反対側へ屈折されている。このとき、屈折角θ_ｒを負の値とすれば上述のスネルの法則を満足している。

図１８は、通常光学材料を用いた凸レンズ１３による結像関係を示している。物体面１１上の物点１１Ａからの光は、凸レンズ１３により、像面１２上の像点１２Ａへ集光される。レンズの屈折率が正のとき、結像（集光）するためにはレンズ表面が有限の曲率を有することが必要である。

一方、負屈折を示す材料で作られた平板（以後、適宜「負屈折レンズ」と呼ぶ。）は曲率が無限大であるにもかかわらず光を集めることができる。図１９は、負屈折レンズ１４による結像関係を示している。物体面１１上の物点１１Ｂからの光は、負屈折レンズ１４により、像面１２上の像点１２Ｂへ集光される。

非特許文献１１には、負屈折を示す材料で曲面形状のレンズを構成し、非等倍結像を実現する方法が示されている。しかしながら、完全結像となるための条件が非常に厳しく、負屈折を示す上に所定の屈折率勾配を有する材料が必要なため、現実的ではない。現に、世の中で実現している負屈折レンズは全て、空間的にはほぼ一様な屈折率をもち、光（電磁波）が通過する表面は平面となっている。そこで、負屈折を示す材料で作られた、空間的に一様な平板を、以後、適宜「負屈折レンズ」と呼ぶ。

ここで言う「空間的に一様」とは、電磁波の波長より大きなスケールで一様という意味である。したがって、フォトニック結晶やメタマテリアルのように人工的な構造材料で負屈折を実現する場合には、構造に起因する有効屈折率（あるいは有効誘電率、あるいは有効透磁率）が空間的に一様であることを意味する。

顕微鏡などの結像光学系において、理論的な解像度の上限値は、回折限界によって決まる。光学の教科書（例えば非特許文献２）に記載されているように、レイリーの基準によれば、分解可能な２点間の最小距離はλ／ＮＡ程度である。ここで、λは使用波長、ＮＡは開口数である。そして、回折限界よりも小さな構造は、光学系によって解像することができない。

また、液浸、油浸または固体浸の対物レンズを利用して解像度を向上させる顕微鏡や光ピックアップも提案されている。これらは実効的なＮＡを増大させている。これにより、回折限界に相当するλ／ＮＡの値を小さくしている。ここで、開口数ＮＡは、物体面が配置される媒質の屈折率より大きくすることはできない。このため、開口数ＮＡは、１．５〜２．０程度が上限である。

物体面１１上の物点１１Ａを発した光は、遠方まで到達する放射光と、物点１１Ａから波長程度の距離で減衰してしまうエバネッセント波との２つの光波で構成されている。放射光は、物体面１１上の情報のうち低周波成分に対応する。一方のエバネッセント波は、物体面１１上の情報のうち高周波成分に対応する。

放射光とエバネッセント波との境界は、１／λに相当する空間周波数である。特にエバネッセント波は、物体面内の周波数が１／λより大きい。このため、エバネッセント波は、それと垂直な光波伝搬方向の波数成分が虚数となる。このため、物体面１１から遠ざかるにつれて急速に減衰してしまう。

一方の放射光も全ての成分が光学系へ進行するわけではない。放射光の一部は、光学系内の開口によって蹴られてしまう。このため、物体面１１上の空間周波数がＮＡ／λより小さな成分のみが像面１２へ到達する。結局、結像点１２Ａへ到達する情報では、物点１１Ａが持っていた情報から高周波成分が欠落してしまう。これにより、回折による点像の広がりとなって解像度を制約する。

近年開示された非特許文献３には、負屈折材料中では上述のエバネッセント波が増幅されることが開示されている。このため、図１９に示す負屈折レンズ１４による結像において、像面１２上ではエバネッセント波の振幅が物体面１１上と同等の水準に回復されることが示されている。つまり、図１９に示す光学系では、放射光とエバネッセント波との双方が物体面１１から像面１２へ伝搬する。このため、物点１１Ｂの情報が結像点１２Ｂに完全に再現されることになる。このことは、負屈折レンズ１４を用いた結像光学系を用いれば、回折限界に制約されない完全結像が可能であることを意味する。

上述の完全結像は、理論上だけの話ではない。実際に負屈折レンズが作製され、実験の報告もされている。例えば非特許文献４では、波長より小さな金属性のコイルとロッドとを周期配列したメタマテリアルを作製している。そして、このようなメタマテリアルがマイクロ波領域で負屈折レンズとして機能することが報告されている。

また、非特許文献５には、フォトニック結晶を用いて負屈折材料を作製する方法が開示されている。誘電体中に空気ロッドを六方格子状に配列したフォトニック結晶では、実効的な屈折率が等方的かつ負になるフォトニックバンドが存在する。そして、フォトニック結晶は、フォトニックバンドに適合する周波数帯の電磁波に対して２次元の一様な負屈折材料とみなすことができる。

負屈折レンズによる完全結像に対しては、例えば非特許文献６に記載されているような理論的反論もある。このため、論争を生じた。しかしながら、近年では、非特許文献３に開示されている負屈折レンズの理論が一般に認められている。

通常光学材料を用いた光学系では、アプラナティックポイント、つまり球面収差とコマ収差が同時にゼロとなる点を作ることができる。この光学系による像は、必ず虚像になってしまう。ここで、負屈折材料を用いると、アプラナティックポイントに物体面を配置し、実像を形成することができる（例えば、非特許文献７参照）。このように、負屈折材料を用いることで、従来にないユニークな光学設計が可能となる。

また、多くの金属は、可視光に対して誘電率の実数部が負となることが知られている。例えば非特許文献９によれば、銀は波長３３０〜９００ｎｍの光に対して負の誘電率を示す。さらに、非特許文献１０によれば、らせん状の構造をもつカイラル物質にも、負屈折を示すフォトニックバンドが存在する。

負屈折の現象では、屈折角が負であること、位相速度と群速度が逆向きであること、電場、磁場、ポインティングベクトルがこの順に左手系を形成すること等、通常光学材料とは異なるユニークな特徴がある。

負屈折を示す材料の呼称は世間一般でもまだ確立していない。このため、上述のような特徴を冠して、負位相速度媒質（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｍａｔｅｒｉａｌ（Ｍｅｄｉｕｍ））、左手系物質（Ｌｅｆｔ Ｈａｎｄｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ）、バックワード波材料（Ｂａｃｋｗａｒｄ Ｗａｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）、負屈折材料などと呼ばれることもある。本明細書では、これらを負屈折を示す材料の一種とみなして扱う。このような扱いは、上述の負屈折を示す材料の定義からいってなんら矛盾しない。

また、現象を冠した名称は、材料や構造を冠した名称と重複するものも多数存在する。例えば、金属共振器アレイからなるメタマテリアルは、左手系物質、あるいは左手系メタマテリアルなどと呼ばれることもある。これらも負屈折を示す材料に含むものとする。

このように、負屈折材料で構成される負屈折レンズを利用すれば、回折限界に拘束されない超高解像（完全結像）の結像光学系を実現できる可能性がある（例えば、非特許文献３参照）。さらに、また放射光だけを結像させる場合でもユニークな光学設計が可能である（例えば、非特許文献７参照）。

Ｖ．Ｇ．Ｖｅｓｅｌａｇｏ ｅｔ ａｌ．， Ｓｏｖ．Ｐｈｙｓ．Ｕｓｐ．１０，５０９(１９６８) Ｅ．Ｈｅｃｈｔ，"Ｏｐｔｉｃｓ"， ４ｔｈ ｅｄ． （Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ， Ｒｅａｄｉｎｇ， ＭＡ， ２００２） Ｊ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８５， ３９６６（２０００） Ｄ．Ｒ．Ｓｍｉｔｈ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８４， ４１８４（２０００） Ｍ．Ｎｏｔｏｍｉ， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６２， １０６９６（２０００） Ｐ．Ｍ．Ｖａｌａｎｊｕ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８８， １８７４０１（２００２） Ｄ．Ｓｃｈｕｒｉｇ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｅ７０， ０６５６０１（２００４） Ｄ．Ｒ．Ｓｍｉｔｈ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８２， １５０６（２００３） 「最新光学技術ハンドブック」辻内順平ら（朝倉書店） Ｊ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ， Ｓｃｉｅｎｃｅ ３０６， １３５３（２００４） Ｓ．Ａ．Ｒａｍａｋｒｉｓｈｎａ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ６９， １１５１１５（２００４）

前述のように、負屈折レンズ自体はエバネッセント波を伝達することによって高周波成分が保たれた像を形成する。しかしながら、実際に、負屈折レンズを用いて高周波成分を有する何らかの光学像を任意に生成させたり、あるいは負屈折レンズによって物体等から生成した光学像から高周波成分を検出するためには、照明方法および検出方法に関する以下のような課題がある。

まず、負屈折レンズによって物体等から生成した光学像より、所望の高周波成分を検出しようとする場合について考えてみる。負屈折レンズの完全結像は、常に等倍結像である。そして、仮にその等倍像を通常の拡大光学系によって拡大しても、その拡大像にエバネッセント波は伝達されない。したがって、高周波成分は失われ、これを拡大像から検出することは出来ない。

すなわち、ある所望の高周波成分の情報を検出するためには、検出器は負屈折レンズによる等倍像面上に直接置かれ、かつその検出器は前記所望の高周波成分以上の検出帯域（空間分解能）を有している必要がある。

この種の問題は、負屈折レンズを用いて所望の高周波成分を有する何らかの光学像を物体上に任意に生成させようとする場合においても同様に存在する。すなわち、負屈折レンズによる等倍結像面（対象とする物体の共役面）上において照明光が空間的に変調され、かつその光源（照明光源）は前記所望の高周波成分以上の変調帯域（空間分解能）を有している必要がある。

以下に、負屈折レンズによる光学像の高周波成分を検出する場合の、検出器および光源における具体的な問題を、顕微鏡を例にして説明する。通常の水浸対物レンズを有する顕微鏡の２点分解能は、約０．３μｍである。なお、波長０．５μｍ、開口数０．７５、水の屈折率１．３３３とする。

これに対して、対物レンズとして負屈折レンズを有する顕微鏡が、上記通常の顕微鏡の１０倍、すなわち０．０３μｍの２点分解能を有するためには、検出器または光源はそれ以上の分解能を有している必要がある。これは、検出器としてＣＣＤやＣＭＯＳ素子のような二次元撮像素子を用いる場合、その画素間隔（画素寸法）は０．０３μｍの半分、すなわち０．０１５μｍ以下でなければならないことを意味する。

また、１個または複数個の検出器あるいは光源を、物体と相対的に動かす走査によって像の信号を検出する走査型顕微鏡の場合も、それらの検出器や光源の大きさは、上記イメージセンサーの場合と同様に、０．０１５μｍ以下でなければならない。

しかしながら、そのような極めて小さな検出器や光源の製作は容易でない。例えば、現在実用化されているＣＣＤにおける最も小さな画素間隔は、約２μｍである。したがって、ＣＣＤが上記例に示した分解能、すなわち画素間隔０．０１５μｍ以下を達成するためには、今後１３０倍以上の高密度化が必要である。この技術的難易度は極めて高い。

また、現在実用化されている超解像の光学顕微鏡としてはＳＮＯＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）がある。このＳＮＯＭにおいて検出器および光源として用いられている探針先端の開口部にしても、その直径は約０．０５〜０．１μｍである。これは、上記例に示した条件、すなわち検出器および光源の直径０．０１５μｍ以下に対して３倍以上大きい。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、負屈折レンズにおけるエバネッセント波による高周波成分に適合した、高い空間分解能を有する照明装置、照明方法、走査型光学顕微鏡を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明では、
エネルギーが印加されることによって光を発する発光性材料を含む発光体と、負屈折を示す材料で構成された光学素子とを含み、前記発光体から発した光を物体に投影するための光学系とを有し、前記発光体は前記発光体が発する光の波長よりも小さいことを特徴とする照明装置を提供する。

前記発光体は、膜形状を有する発光層中に分散していることを特徴とすることができる。

前記発光体は、所定の波長λ_１の励起光を照射すると前記波長λ_１とは異なる波長λ_２の光を発する発光性材料を含むことができる。

前記発光体は、蛍光体、燐光体、非線形光学材料、レーザー媒質などの能動材料、のうち少なくともいずれか一つを含むことができる。

前記発光体は、量子ドットレーザーを含み、前記エネルギーはキャリア電流とすることができる。

また、本発明は、光を発する発光性材料を含み、前記光の波長より小さな発光体に、エネルギーを印加することによって光を放射させる発光ステップと、負屈折を示す材料で構成された光学素子を含む光学系を介して前記発光体からの光を物体に投影する投影ステップと、を有することを特徴とする照明方法を提供する。

また、本発明は、上述した本発明に係る照明装置と、前記物体に照射されるのと同じ波長の光を検出可能な光検出器と、を含むことを特徴とする走査型光学顕微鏡を提供する。

本発明によれば、負屈折レンズにおけるエバネッセント波による高周波成分に適合した、高い空間分解能を有する照明装置、照明方法、走査型光学顕微鏡を提供することができる。

以下に、本発明に係る実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本実施例にまつわる照明装置の構成を表している。光源１０１はハロゲンランプや発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ／SuperLuminescent Diode）、レーザー発振器などの照明光源であるが、レーザー光は空間的コヒーレンスに優れていることから、よりエネルギー密度の高いビームスポットを形成できる点でより好ましい。光源１０１を発した波長λ_１の発光体励起光１０８は集光レンズ１０２によって発光体１０７に集光される。発光体１０７は、励起光を照射されることによって励起光よりも長い波長の光を発する蛍光性物質や燐光性物質よりなる微小粒子であり、その大きさは発光体１０７が発する蛍光や燐光の波長よりも小さい。

発光体１０７としては、例えばポリスチレン等のプラスチック粒子をベース材とし、これに蛍光色素を含有させた所謂蛍光ビーズを用いることが出来る。また、半導体材料よりなる大きさ数ｎｍの粒子である所謂量子ドットを用いることも出来る。この量子ドットとしては特に、ＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）よりなる数ｎｍの粒子が、紫外光や青色光の照射によって蛍光を発することが知られている。量子ドットは通常の蛍光色素に比較して高い効率で蛍光を発し、かつ退色を生じないという長所がある。さらに、粒子の製作時にその大きさを２〜５ｎｍ程度の間で調整することにより、４７０〜６１０ｎｍの間で蛍光の波長を自由に制御することが出来るという長所がある。

発光体１０７はガラスやプラスチックなどの光学材料からなる基板１０４上に保持されている。波長λ_１の発光体励起光１０８が照射されると、発光体１０７は波長λ_２の蛍光を発する。発光体１０７の直径ａは波長λ_２より小さく構成されているため、この蛍光はエバネッセント波を含み、発光体１０７を点光源とする物体照明光１０９として基板１０４中を進行する。

負屈折レンズ１０５は物体１０６の表面に発光体１０７の像を結ぶように配置されている。負屈折レンズおよび外部媒質（空気）の屈折率を、それぞれｎ_１およびｎ_２として、ｎ_１＋ｎ_２＝０といういわゆる完全結像条件が満たされているものとする。つまり、物体照明光１０９に含まれる伝搬光成分だけでなくエバネッセント波成分も同時に集光され、物体１０６の表面には発光体１０７とほぼ同じ大きさのビームスポットが形成される。

本実施例においては、スポット状の照明を必要とする種々の対象を物体１０６として適用することが可能である。しかし、適用する分野によっては、発光体励起光１０８の物体１０６への到達が好ましくない場合がある。例えば適用分野がフォトリソグラフィであり、物体１０６が感光性レジストである場合、物体１０６には物体照明光１０９のみが照射されるべきであり、発光体励起光１０８は照射されるべきではない。なぜならば、物体照明光１０９が物体１０６上で形成するビームスポットに対して、発光体励起光１０８が物体１０６上で形成するビームスポットはより大きく、このために発光体励起光１０８はリソグラフィとしての分解能を損なうからである。したがってこのような場合は、基板１０４と物体１０６の間のいずれかの位置に、発光体励起光１０８を遮断するバンドパスフィルタを配置するのが好ましい。また、基板１０４として発光体励起光１０８を遮断するバンドパスフィルタを用いても良い。

図１において発光体１０７および基板１０４を拡大図示したのが図２である。集光レンズ１０２の球面収差がよく補正されている場合、その焦点におけるビームウエスト径ｗはλ_１／ＮＡ程度である（ＮＡは集光レンズ１０２の開口数を表す）。それに比べて発光体１０７の直径ａが小さければ、回折限界を超える微小なビームスポットを物体１０６上に形成することができる。このとき、発光体１０７の直径ａがあまり小さすぎると蛍光強度が弱くなってしまうため、ｗ／１００より大きいことが好ましく、ｗ／１０より大きいことがより好ましい。ただし、より微小なビームスポットを得るという観点からはａが小さいほど好ましく、特にａ≧ｗの場合には本発明の効果が失われるのは言うまでもない。

次に、本発明の実施例２について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図３は、本実施例にかかる照明装置の構成を表している。本実施例２の構成は基本的には前記実施例１と同じであるが、発光層２０１を有する点が異なる。発光層２０１は、透明物質に複数の発光体１０７が空間的に分散して配置され、基板１０４上に形成された膜である。

図３において発光層２０１および基板１０４を拡大図示したのが図４である。発光層２０１は、複数の発光体１０７を透明な材料よりなる膜中に分散させることによって形成している。

発光体１０７は非常に小さいので、前記実施例１（図１および図２）のように基板１０４上に保持された発光体が一つだけである場合は、発光体励起光１０８の集光位置に発光体１０７を一致させることが難しくなる。これに対して本実施例（図３および図４）は、発光層２０１が複数の発光体１０７を含むので、照明装置の光軸合わせが容易になる上に、基板１０４による発光体１０７の保持が容易になり好ましい。なぜなら、放射線硬化樹脂中に所定の密度で発光体を分散させ、これを順次基板１０４上にコーティングし、放射線を照射して樹脂を硬化させればよいからである。ただし、発光体ができるだけ均一となるように攪拌する必要がある。なおこの時、ひとつの発光体励起光１０８のビームスポット内に複数の発光体が存在すると、物体１０６における物体照明光１０９のビームスポットが大きくなり、空間分解能を損なうことになる。これを防ぐために、発光体１０７同士の平均間隔ｄ_meanはビームウエスト径ｗより大きいことが好ましい。さらに、発光体１０７同士の最小間隔ｄ_minがビームウエスト径ｗより大きいならば、さらに好ましい。

図５は、本実施例２における発光層２０１のさらに好ましい構成を表している。この図において２０３は、発光体１０７と、透明体よりなる球体でその中心部に前記発光体１０７を保持する透明体ビーズ２０２とよりなる発光体入り透明体ビーズである。この図における発光層２０１は、複数の発光体入り透明体ビーズ２０３を透明な材料よりなる膜中に分散させることによって形成している。

前記図４のように発光体１０７を発光層２０１中に直接分散させる場合、それらの間隔ｄを正確に制御することは容易でなく、特に複数の発光体１０７が互いに付着し、一つの大きなかたまりとなる現象がしばしば生じる。これに対して図５に示す本構成においては、発光体１０７同士の最小間隔ｄ_minは透明体ビーズの直径Ａに等しい。すなわち、直径Ａをビームウエスト径ｗよりも大きくすることにより、ひとつの発光体励起光１０８のビームスポット内に複数の発光体が存在することを常に防ぐことが出来る。

次に、本発明の実施例３について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。前記実施例１（図１）および実施例２（図３）において、発光体１０７を発した蛍光は基板１０４中を通過するため、基板内部での散乱や吸収、あるいは基板表面での散乱や反射を経験し、物体１０６に形成されるビームスポットがボケてしまう可能性がある。そこで図６に示されるように、基板１０４の（光源側からみて）裏側に発光体１０７を保持すれば、前記のボケが生じないようにできる。また、同じ効果を得るために、図７に示したように、基板１０４を用いず、発光体１０７を負屈折レンズ１０５が保持する構成も可能である。

次に、本発明の実施例４について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図８は、本実施例における照明装置の構成を表す。
本図において、４０１は、発光体１０７の発光波長帯域および励起感度を有する波長帯域とは異なる波長の光を発するトラップ光光源である。４０２は、前記トラップ光光源から発するトラップ光である。４０３は、発光体励起光１０８と前記トラップ光４０２とを、１つのビームに重ねるダイクロイックミラーである。なおここで、励起光光源１０１とトラップ光光源４０１は、共焦点をなす位置関係に配置される。４０９は、一本に重ねられた上記ビームを光軸と直交する方向にスキャンするスキャナーである。４０４は、透明材料よりなり、内部に透明液体４０５および蛍光体入り透明体ビーズ２０３を封入した透明容器である。４０７は、透明容器４０４の物体側に位置し、発光体励起光１０８を遮断する発光体励起光カットフィルタである。４０８は、透明容器４０４の物体側に位置し、トラップ光４０２を遮断するトラップ光カットフィルタである。

本実施例において、発光体入り透明体ビーズ２０３は、普段は透明液体４０４中を浮遊しているが、これに一旦トラップ光４０２が照射されると、透明体ビーズ２０２に対する所謂光トラップ効果（あるいは光ピンセット効果）により、発光体入り透明体ビーズ２０３はトラップ光４０２が最も強く集まる場所、すなわちビーム中心軸４１１とビームウエスト位置４１０の交わる位置に引き寄せられる（図９参照）。その結果、発光体１０７もまた、発光体励起光１０８が最も強く集まる場所に位置することになる。なぜならば、発光体１０７は透明体ビーズ２０２の中心に位置するからであり、さらにまた、トラップ光４０２と発光体励起光１０８とは共焦点の関係にあるからである。

本実施例は、発光体と発光体励起光との位置合わせが容易であるという特徴を有する。すなわち、物体照明光１０９の出力を高める必要から、発光体１０７は発光体励起光１０８が最も強く集まる位置に置かれる必要があるが、前記実施例１、２の場合、これを実現するためには手動調整または何らかのアクチュエーターを用いた能動制御の手段を必要とした。これに対して本実施例においては、それが光トラップ効果によって自動的に実現する。

本実施例において、ビームスポットの照射位置をスキャナー４０９によって動かすと、発光体入り透明ビーズ２０３も照射位置を追って移動し、その結果物体照明光１０９も例えば１０９’のように移動する。すなわち、発光体励起光およびトラップ光のスキャンにより、物体照明光１０９をスキャンすることが可能である。さらに本実施例は、トラップ光光源４０１を励起光光源１０１から独立させて備えているので、発光体励起光１０８を止めている状態においても、トラップ光４０２によって発光体入り透明体ビーズ２０３を所望の位置に保持し続けることが可能である。さらに本実施例においては、物体１０６に向かう３種類の光、つまりトラップ光４０１、発光体励起光１０８、および物体照明光１０９のうち、トラップ光４０１はトラップ光カットフィルタ４０８で、発光体励起光１０８は発光体励起光カットフィルタ４０７でそれぞれ遮断されるため、物体１０６に到達するのは物体照明光１０９のみである。これらの作用は、物体照明光１０９の強度および物体１０６上のスキャンを互いに独立して制御することを可能にするものであり、かつその制御手段である発光体励起光１０８およびトラップ光４０２は物体１０６に到達しないので、物体照明光１０９の作用を妨げないという特徴を有する。

次に、本発明の実施例５について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１０は、本実施例の照明装置の構成を示している。本図において、９０１は電子を放出する陰極（カソード）、９０２は放出された電子からなる電子ビーム、９０３は放出された電子に加速電圧を印加する陽極（加速電極）、９０４は電子ビームを収束させる電子レンズ、９０５は電子ビームの照射によって発光する材料よりなる発光体、１０４は光学的に透明な材料よりなる光学窓として機能する基板、９０６は電子ビームの経路の気圧を低く保つための真空チャンバー、１０９は発光体９０５より発した物体照明光、１０５は負屈折材料よりなる負屈折レンズ、１０６は光を照射する対象となる物体である。

発光体９０５の材料としては、電子ビームの照射によって光を発する所謂カソードルミネッセンスを示す物質ならば何でも良い。カソードルミネッセンスを示す材料としては、蛍光物質と燐光物質とがある。

基板１０４の形態としては、電子ビーム９０２の照射による発光体９０５の帯電を防ぐために、図上の上側、すなわち電子ビームの照射を受ける側の面に透明導電薄膜を形成し、真空チャンバー９０６および陽極９０３と同電位に保つことが望ましい。
基板１０４、負屈折レンズ１０５、および物体１０６における物体照明光１０９の作用は、前記実施例１と同様である。

本実施例においては、発光体９０５の励起手段として、励起光でなく電子ビームを用いるため、前記実施例１のように物体１０６が発光体励起光１０８の照射を受けることがない。したがって発光体励起光１０８の物体１０６への照射が分解能を損なうフォトリソグラフィのような分野に適用する場合であっても、本実施例は前記実施例１の場合のような発光体励起光を遮断するバンドパスフィルタを用いる必要がない、という特徴を有する。

次に、本発明の実施例６について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。発光層として量子ドットレーザーを用いる場合の構成を、図１１に示す。発光層６０１を発した物体照明光１０９は基板６０２を通ったのち、負屈折レンズ１０５によって物体１０６の表面に集光される。発光層６０１および基板６０２を拡大図示したのが図１２である。発光層６０１には量子ドットレーザー６０３が形成されており、図中に黒色で示した電極６０４からキャリア電流が注入されることによって、図中に斜線で示した発光領域（活性層）からレーザー光が射出される。発光領域の大きさａがレーザー波長λより小さい場合、エバネッセント波を含むレーザー光が、負屈折レンズ１０５によって物体１０６の表面に集光され、回折限界を超える微小なビームスポットの形成が可能となる。

発光層として量子ドットレーザーを用いる場合には、電流注入によって発光するため、図１の光源１０１および集光レンズ１０２が不要となり、装置を小型化できるという利点がある。また、前記実施例５と同様に、励起光を用いないため、リソグラフィのように励起光が装置の分解能を損なうような適用分野であっても、励起光遮断フィルタが不要である、という利点がある。その他、量子ドットレーザーを複数配列させる場合や、発光層を基板の裏側もしくは負屈折レンズ上に形成する、などの変形例についても、実施例２および実施例３と同様に適用できる。

次に、本発明の実施例７について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本発明に係る照明装置を走査型蛍光顕微鏡用の光源として利用する場合の構成を図１３に示す。光源１０１から物体１０６までの光路に関しては実施例１に記載されているので、ここでは説明を省略する。物体１０６は可動式のステージ１０８上に設置されており、光軸と直交する方向の面内で２次元的に移動させることで所定の領域を走査できるようになっている。なお、ここでの物体１０６は、蛍光顕微鏡用の標本である。また、基板１０４は蛍光体励起光カットフィルタ４０７としての機能を兼ねている。

発光層２０１から発した物体照明光１０９は物体１０６を励起照明し、これにより物体１０６は物体光（蛍光）７０１を発する。なお、蛍光体励起光１０８は、基板１０４と一体に作られた蛍光体励起光カットフィルタ４０７によって遮断されるので、物体１０６には到達しない。

前記物体光（蛍光）７０１の一部を物体光集光レンズ７０２で集め、光検出器７０４で検出することによって、物体１０６の蛍光情報が検出される。なお、物体照明光１０９は、物体照明光カットフィルタ７０３によって遮断されるので、光検出器７０４には到達しない。

以上の検出動作を、ステージ１０８を動作させて繰り返すことにより、蛍光顕微鏡像が観察される。実施例１で説明されているように、物体１０６に照射されるビームスポットは回折限界を超える微小なものなので、前記計測によって超解像イメージングが可能である。ここで、蛍光体励起光カットフィルタ４０７および物体照明光カットフィルタ７０３としては、例えば色ガラスによる吸収フィルタや誘電体多層膜フィルタ、あるいは回折格子などを用いることができる。また、光検出器７０４としては光電子増倍管、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ／Avalanche Photodiode）、電荷結合素子（ＣＣＤ）などのデバイスを用いることができる。

次に、本発明の実施例８について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本発明に係る照明装置を走査型反射暗視野顕微鏡用の光源として利用する場合の構成を図１４に示す。この中で、光源１０１から物体１０６までの光路に関しては前記実施例１と同様である。発光層２０１を基板１０４の物体側面（図上で下側）に形成する構成については、本質的に前記実施例３（図６）と同様である。ステージ１０８の作用については前記実施例７と同様である。したがって、これら要素の個別の作用については説明を省略する。

発光層２０１から発した物体照明光１０９は物体１０６を照明し、物体の表面や内部における散乱作用により、物体１０６は物体光（散乱光）８０１を発する。なお、本実施例において照明の段階では発光体励起光１０８は遮断されず、したがって物体１０６は物体光（散乱光）８０１と共に発光体励起光１０８の散乱光も同時に生じる。上記物体光を物体光集光レンズ７０２で集め、発光体励起光カットフィルタ４０７で散乱光中の発光体励起光１０８の成分を遮断し、光検出器７０４で検出することにより、反射暗視野情報が検出される。

負屈折レンズは一般に強い屈折率分散を持つので、発光体励起光１０８の波長λ_１と物体照明光１０９の波長λ_２とを適切に選ぶことによって、負屈折レンズ自身に分光フィルタの機能を持たせることもできる。λ_２に対して完全結像条件が満たされている場合、λ_１の光は物体１０６とは異なる位置に結像するとともに大きな収差を持つことになる。そこで、仮に発光体励起光カットフィルタ４０７がない場合でも、このフィルタの位置にピンホールを配置するか、あるいは光検出器７０４の光検出面積を十分小さくすることによって、λ_２の成分、すなわち物体光（散乱光）８０１のみを効率よく検出することができる。

次に、本発明の実施例９について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。本発明に係る照明装置を走査型蛍光顕微鏡用の光源として利用する場合の構成を図１５に示す。この中で、陰極（カソード）９０１、電子ビーム９０２、陽極（加速電極）９０３、電子レンズ９０４、発光体９０５、および真空チャンバー９０６は、前記実施例５（図１０）と同様である。発光体９０５を負屈折レンズ１０５の電子ビーム照射面（図上で上側）に形成する構成については、本質的に前記実施例３（図７）と同様である。物体１０６、ステージ１０８、物体光集光レンズ７０２、物体照明光カットフィルタ７０３、および光検出器７０４は、前記実施例７（図１３）と同様である。したがって、これら要素の個別の作用については説明を省略する。

本実施例の特徴は、発光体９０５を電子ビーム９０２で励起するために、発光体励起光カットフィルタが不要であること、および発光体９０５が負屈折レンズ１０５上に直接保持されているので、基板による吸収、散乱、反射等が生じないことである。

上記実施例７〜９では、実施例２の光励起型発光層または実施例５の電子ビーム励起型発光体を用いた照明装置で走査顕微鏡を構成する方法について説明したが、実施例６の量子ドットレーザーを用いた照明装置でも全く同様にして走査顕微鏡を構成することができる。

以上のように、本発明は、負屈折レンズにおけるエバネッセント波による高周波成分に適合した高い空間分解能を実現することが可能であり、特に、照明装置、照明方法、走査型光学顕微鏡などの光源として有用である。

本発明の実施例１に係る照明装置の構成例を示す図である。 同上実施例の発光体および基板の拡大図である。 本発明の実施例２に係る照明装置の構成例を示す図である。 同上実施例の発光層および基板の拡大図である。 同上実施例に係る発光層の他の一例を示す図である。 本発明の実施例３に係る照明装置の構成例を示す図である。 同上実施例に係る照明装置の他の構成例を示す図である。 本発明の実施例４に係る照明装置の構成例を示す図である。 同上実施例に係る発光体入り透明体ビーズを拡大して説明する図である。 本発明の実施例５に係る照明装置の構成例を示す図である。 本発明の実施例６に係る照明装置（発光層として量子ドットレーザーを用いる場合）の構成例を示す図である。 同上実施例に係る発光層および基板の拡大図である。 本発明の実施例７に係る走査型蛍光顕微鏡の構成例を示す図である。 本発明の実施例８に係る走査型反射暗視野顕微鏡の構成例を示す図である。 本発明の実施例９に係る走査型蛍光顕微鏡の構成例を示す図である。 通常光学材料における光の屈折を示す図である。 負の屈折率を有する材料における光の屈折の様子を示す図である。 通常光学材料を用いた凸レンズによる結像関係を示す図である。 負屈折レンズによる結像関係を示す図である。

符号の説明

１０１ 光源
１０２ 集光レンズ
１０４ 基板
１０５ 負屈折レンズ
１０６ 物体
１０７ 発光体
１０８ 発光体励起光
１０９ 物体照明光
２０１ 発光層
２０２ 透明体ビーズ
２０３ 発光体入り透明ビーズ
４０１ トラップ光光源
４０２ トラップ光
４０３ ダイクロイックミラー
４０７ 発光体励起光カットフィルタ
４０８ トラップ光カットフィルタ
９０１ 陰極
９０２ 電子ビーム
９０３ 陽極
９０４ 電子レンズ
９０５ 発光体
９０６ 真空チャンバー
６０１ 発光層
６０２ 基板
６０３ 量子ドットレーザー
６０４ 電極

Claims (7)

1. エネルギーが印加されることによって光を発する発光性材料を含む発光体と、負屈折を示す材料で構成された光学素子とを含み、前記発光体から発した光を物体に投影するための光学系とを有し、前記発光体は前記発光体が発する光の波長よりも小さいことを特徴とする照明装置。
2. 前記発光体は、膜形状を有する発光層中に分散していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記発光体は、所定の波長λ_１の励起光を照射すると前記波長λ_１とは異なる波長λ_２の光を発する発光性材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記発光体は、蛍光体、燐光体、非線形光学材料、レーザー媒質などの能動材料、のうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記発光体は、量子ドットレーザーを含み、前記エネルギーはキャリア電流であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 光を発する発光性材料を含み、前記光の波長より小さな発光体に、エネルギーを印加することによって光を放射させる発光ステップと、負屈折を示す材料で構成された光学素子を含む光学系を介して前記発光体からの光を物体に投影する投影ステップと、を有することを特徴とする照明方法。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置と、前記物体に照射されるのと同じ波長の光を検出可能な光検出器と、を含むことを特徴とする走査型光学顕微鏡。

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