JP2013167569A - 近接場照明光学系、近接場光学顕微鏡および近接場光形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の強度分布を有する近接場光を形成することができ、光エネルギーの利用効率が高い近接場照明光学系およびこれを用いた近接場光学顕微鏡並びに近接場光形成方法を提供する。
【解決手段】近接場照明光学系１０１は、照明光を射出する光源１０２と、光源１０２から射出された照明光を空間変調する位相変調素子１０４と、誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達可能な超高波数伝達媒質１０６であって、変調素子１０４により変調された照明光Ｌが入射されるように配置された超高波数伝達媒質１０６とを備える。変調素子１０４は、空間変調された照明光が超高波数伝達媒質１０６を伝達された後に、所望の強度分布を有する近接場光を形成するように、照明光を変調する。
【選択図】図１

Description

本発明は、近接場照明光学系およびこれを用いた近接場光学顕微鏡ならびに近接場光形成方法に関する。

光の波長より小さな近接場光の光スポットを形成する技術は、近接場光学顕微鏡、光情報記録、光リソグラフィなど、多くの分野で重要となりつつある。例えば、先端の尖ったカンチレバーに波長より小さなピンホールを形成し、照明用の近接場光を生成する走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。また、レーザ光源から出射した光を先端が細い光ファイバプローブに入射させ、該光ファイバプローブの先端の数ナノメートルから数十ナノメートルの大きさの開口部から、近接場光を発生させる近接場照明光学系を有するＳＮＯＭも知られている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、等周波数曲線（等周波数曲面）が双曲線（回転双曲面）となる超高波数伝達媒質（例えば、非特許文献２参照）上にサブ波長のスリット幅のスリットを有するグレーティングを設け、このグレーティングを通して一方からレーザ光を照射することにより、超高波数伝達媒質の他方面に微小な光スポットを形成し、出射させる方法が提案されている（例えば、非特許文献３参照）。

特開２００６−１３８６３３号公報

M. Yoshikawa et al., Applied Physics Letters, Vol.88, p.161905 (2006) A. Salandrino et al., Physical Review B, Vol.74, p.075103 (2006) S. Thongrattanasiri et al., Optics Letters, Vol.34, p.890 (2009) H. A. Bethe, Physical Review, Vol.66, p.163 (1943)

しかしながら、非特許文献１に記載されているように、微小ピンホールを用いて近接場光を生成する場合、ピンホールを照明する光に対してこれを通過できる光の光量が極端に少なく、光エネルギーの利用効率が極めて低いという問題がある。非特許文献４には、光（電磁波）がその波長より小さなピンホールを通過する際のエネルギー効率が定式化されているが、これによると、光の波長をλ、ピンホールの直径をａとするとき、エネルギー効率はａ／λの６乗に比例する。したがって、ＳＮＯＭの分解能を向上させるためにピンホールの直径を小さくすると、利用できる光エネルギーは非常に小さくなるというトレードオフの関係がある。これと同様の問題は、光情報記録や光リソグラフィにも当てはまる。

また、特許文献１のような光ファイバプローブを用いた場合も、光ファイバプローブ先端の開口部が光の波長よりも小さいので、発生する近接場光はきわめて微弱となり、ピンホールを用いる場合と同様にエネルギー効率が低いという問題点を有する。

さらに、非特許文献３の方法では、微小ピンホールを用いずにサブ波長の大きさの近接場光の光スポットを形成することが開示されているが、グレーティングの細いスリットを通り抜ける光の光量は少なく、光の利用効率という観点からの改善効果は限定的である。光を入射させるグレーティング側の領域の面積は、サブ波長の微小ピンホールに比べて広くできるが、グレーティングのスリット幅が光の波長よりずっと小さいために、上記のピンホールの場合と同様に利用できる光エネルギーが非常に小さくなってしまう。

上記のような課題に鑑みて、本発明の目的は、所望の強度分布を有する近接場光を形成することができ、光エネルギーの利用効率が高い近接場照明光学系およびこれを用いた近接場光学顕微鏡ならびに近接場光形成方法を提供することにある。

上記目的を達成する第１の観点に係る近接場照明光学系の発明は、
照明光を射出する光源と、
前記光源から射出された前記照明光を空間変調する変調素子と、
誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達可能な超高波数伝達媒質であって、前記変調素子により変調された前記照明光が入射されるように配置された超高波数伝達媒質とを備え、
前記変調素子は、空間変調された前記照明光が前記超高波数伝達媒質を伝達された後に、所望の強度分布を有する近接場光を形成するように、前記照明光を変調することを特徴とするものである。

第２の観点に係る発明は、第１の観点に係る近接場照明光学系において、前記変調素子は、前記照明光を位相変調することを特徴とするものである。

第３の観点に係る発明は、第２の観点に係る近接場照明光学系において、前記変調素子は、前記照明光の波長よりも小さい最小寸法により、前記照明光を位相変調することを特徴とするものである。

第４の観点に係る発明は、第３の観点に係る近接場照明光学系において、前記変調素子は、前記超高波数伝達媒質を伝達された前記照明光が、該照明光の波長よりも直径が小さい近接場光の光スポットを形成するように、前記光源から射出された前記照明光を変調することを特徴とするものである。

第５の観点に係る発明は、第２〜４の観点の何れかに係る近接場照明光学系において、
前記変調素子は、前記照明光の射出方向に対して略直交する平面上に配置された誘電率の異なる２種類以上の誘電体を含む構造体を備えることを特徴とするものである。

第６の観点に係る発明は、第２〜５の観点の何れかに係る近接場照明光学系において、前記変調素子は、前記近接場光の前記所望の強度分布から、フーリエ変換を用いて、前記超高波数伝達媒質の前記変調素子側の面に与えるべき前記照明光の複素振幅を計算することにより設計されることを特徴とするものである。

第７の観点に係る発明は、第６の観点に係る近接場照明光学系において、前記変調素子は、前記複素振幅を２値化することにより設計されることを特徴とするものである。

第８の観点に係る発明は、第２〜７の観点の何れかに係る近接場照明光学系において、前記変調素子と前記超高波数伝達媒質とは、密着して形成されることを特徴とするものである。

第９の観点に係る発明は、第２〜８の観点の何れかに係る近接場照明光学系において、前記変調素子は、前記照明光を前記位相変調するとともに振幅変調することを特徴とするものである。

第１０の観点に係る発明は、第１の観点に係る近接場照明光学系において、前記変調素子は、前記照明光の波長よりも小さい最小寸法の並進対称な微細構造を有し、前記光源は、該光源から射出される照明光が、前記変調素子に対して前記所望の強度分布に対応した所定の強度および入射角の分布で入射するように構成されていることを特徴とするものである。

第１１の観点に係る発明は、第１０の観点に係る近接場照明光学系において、前記変調素子は前記超高波数伝達媒質と密着して形成されていることを特徴とするものである。

第１２の観点に係る発明は、第１０または１１の観点に係る近接場照明光学系において、前記変調素子は、ガラス基板上に形成されることを特徴とするものである。

第１３の観点に係る発明は、第１０〜１２の何れかの観点に係る近接場照明光学系において、前記光源から射出される照明光は、前記光源側よりも前記超高波数伝達媒質側のビーム径が狭くなる中空のテーパー形状であることを特徴とするものである。

第１４の観点に係る発明は、第１０〜１３の何れかの観点に係る近接場照明光学系において、前記所望の強度分布は、前記照明光の波長よりも小さい直径を有する光スポットであることを特徴とするものである。

第１５の観点に係る発明は、第１〜１４の何れかの観点に係る近接場照明光学系において、前記超高波数伝達媒質の異方軸が、前記変調素子の変調面に略垂直であることを特徴とするものである。

第１６の観点に係る発明は、第１〜１５の何れかの観点に係る近接場照明光学系において、前記照射光が真空中を伝搬する際の波数により規格化した前記超高波数伝達媒質の異方軸に直交する平面内における波数の絶対値が、０以上５未満の光を伝達可能であることを特徴とするものである。

第１７の観点に係る発明は、第１〜１６の何れかの観点に係る近接場照明光学系において、前記超高波数伝達媒質の等周波数曲面が回転双曲面であることを特徴とするものである。

上記目的を達成する第１８の観点に係る近接場光学顕微鏡の発明は、
照明光を射出する光源と、
前記光源から射出された前記照明光を変調する変調素子と、
誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達可能な超高波数伝達媒質であって、前記変調素子により変調された前記照明光が入射されるように配置された超高波数伝達媒質と、
前記超高波数伝達媒質に入射する前記照明光を走査する走査部と、
前記試料からの光を受光する受光部と、
を備え、
前記変調素子は、前記超高波数伝達媒質を伝達された前記照明光が、該照明光の波長よりも小さい近接場光の光スポット光を形成するように、前記光源から射出された前記照明光を位相変調し、前記試料は前記近接場光を散乱し、または、前記近接場光を受けて光を発することを特徴とするものである。

上記目的を達成する第１９の観点に係る近接場光学顕微鏡の発明は、
照明光を射出する光源と、
前記照明光の波長よりも小さい最小寸法の並進対称な微細構造を有し、前記照明光を変調する変調素子と、
誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達可能な超高波数伝達媒質であって、前記変調素子により変調された前記照明光が入射されるように配置された超高波数伝達媒質と、
前記変調素子に対して、前記光源をからの前記照明光を走査する走査部と、
前記試料からの光を受光する受光部と、
を備え、
前記変調素子と前記超高波数伝達媒質とは互いに固定され、前記光源は、該光源から射出される照明光が、前記超高波数伝達媒質を伝達された後、該照明光の波長よりも小さい近接場光の光スポットを形成するように、前記変調素子に対して所定の強度および入射角の分布で入射し、前記試料は前記近接場光を散乱し、または、前記近接場光を受けて光を発することを特徴とする近接場光学顕微鏡。

第２０の観点に係る発明は、第１９の観点に係る近接場光学顕微鏡において、前記光源から射出される照明光は、前記光源側よりも前記超高波数伝達媒質側のビーム径が狭くなる中空のテーパー形状であることを特徴とするものである。

上記目的を達成する第２１の観点に係る近接場光形成方法の発明は、
照明光を空間変調し、
前記空間変調された照明光を、誘電率または透磁率が異方性を示し近接場光を伝達可能な超高波数伝達媒質に入射させ、
前記超高波数伝達媒質を伝達された後に、前記空間変調に応じた所望の強度分布を有する近接場光を形成させることを特徴とするものである。

本発明によれば、変調素子が照明光を変調して、超高波数伝達媒質を伝達された照明光が所望の強度分布を有する近接場光を形成するように構成されるので、所望の強度分布を有する近接場光を形成することができ、光エネルギーの利用効率が高い近接場照明光学系を提供することができる。

第１実施の形態に従う近接場照明光学系の構成を示す図である。 図１の超高波数伝達媒質の等周波数曲線を示す図である。 微小光源から超高波数伝達媒質に入射した光の像がボケる様子を模式的に示す図である。 超高波数伝達媒質を伝達される照明光による微小光スポットの形成を模式的に示す図である。 シミュレーションに用いた光学系の構成のモデルを示す図である。 図１の位相変調素子の構造を示す図である。 シミュレーションにより得られた観察面でのエネルギー密度分布を示す図である。 図１の位相変調素子と超高波数伝達媒質とを一体とする部材の断面を示す斜視図である。 図１の位相変調素子の位相変調面と超高波数伝達媒質の異方軸との配置関係を説明するための模式図である。 超高波数伝達媒質の楕円の等周波数曲線を示す図である。 第２実施の形態に従う位相変調素子と超高波数伝達媒質とを一体とする部材の断面を示す斜視図である。 第３実施の形態に従う位相変調素子と超高波数伝達媒質とを一体とする部材の断面を示す斜視図である。 第４実施の形態に従う近接場照明光学系の位相変調素子と超高波数伝達媒質とを含む部材の断面図である。 本発明の第５実施形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示す図である。 図１４における位相変調素子と超高波数伝達媒質の位置関係を説明するための模式図である。 図１５ａの微小光スポットのｘ軸方向の強度分布を示す図である。 第６実施の形態に従う位相変調素子の構造の一例を示す図である。 第７実施の形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示す図である。 図１７の微小光スポット生成部材を拡大して示す図である。 図１７の近接場照明光学系により形成される微小光スポットの強度分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、第１実施の形態に従う近接場照明光学系の構成を示す図である。近接場照明光学系１０１は、光源１０２と、遮光部材１０３と、位相変調素子１０４と、超高波数伝達媒質１０６を備える。

光源１０２には、例えば、レーザダイオード等が用いられる。光源１０２の照明光Ｌの出射側には、超高波数伝達媒質１０６が配置され、超高波数伝達媒質１０６の光源１０２側の面には、外周を遮光部材１０３で囲まれた、位相変調素子１０４が配置されている。位相変調素子１０４は、超高波数伝達媒質１０６を伝達され出射する照明光が、その出射側において照明光の波長よりも微小な構造を有する近接場光（一般に「エバネッセント波」とも呼ぶ）を形成するように照明光を位相変調するために、照明光の波長よりも小さい最小寸法を有する。位相変調素子１０４の位相変調面は、例えば、照明光の射出方向に対して略直交する平面上に配置された誘電率の異なる２種類以上の誘電体を含む構造体により構成される。ここで、誘電体の一つは空洞とすることもできる。すなわち、空洞は誘電体であるとみなすことができる。超高波数伝達媒質１０６は、誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達可能な部材である。

以下に、位相変調素子１０４と超高波数伝達媒質１０６との構成および作用についてシミュレーションを用いて説明する。図２は、図１の超高波数伝達媒質１０６の等周波数曲線を示す図である。図２およびそれ以降のシミュレーションでは簡単のため２次元のモデルを用いているが、３次元の場合にも同様に説明できる。以下では、光源１０２は、波長３６５ｎｍのレーザ光を出射するものとする。超高波数伝達媒質１０６は、例えば、金属・誘電体多層膜や金属ナノワイヤーアレイを用いて構成することができる。金属・誘電体多層膜の例として、図２には、ＡｇとＡｌ_２Ｏ_３を交互に積層した多層膜構造の等周波数曲線を示す。等周波数曲線とは、その媒質中で所定の周波数の光に許される波数ベクトルｋの成分間の関係を軌跡として表したものであり、図２では、真空中での波数で規格化した値が図示されている。等周波数曲線とサブ波長イメージングとの関係については、非特許文献２およびその中の引用文献に詳しく説明されている。

通常の等方的な媒質ではｘ軸方向とｚ軸方向は等価なので、等周波数曲線は図２に破線で示すような円（３次元の場合には球面）となる。波長３６５ｎｍの光に対するＡｇの誘電率は−２．５６＋０．６０ｉ、Ａｌ_２Ｏ_３の誘電率は３．２２であり、これらを同じ厚さで積層したときの有効誘電率は、ε_ｘ＝０．３３＋０．３０ｉ、ε_ｚ＝−１０．７＋１５．６ｉとなる。有効誘電率の実数部がｘ軸方向とｚ軸方向とで異なる符号をとるため、等周波数曲線は図２に示すような双曲線（３次元の場合には回転双曲面）となる。

真空中では、ｋ_ｘの絶対値が１より大きい光には伝搬モード（対応するｋ_ｚの値）がないため、いわゆる近接場光となり、これによって回折限界が生じる。一方、超高波数伝達媒質１０６（ＡｇとＡｌ_２Ｏ_３の多層膜）の場合には、任意のｋ_ｘに対してこれに対応するｋ_ｚの値が必ず存在するため、ｘ軸上のどんなに微細な光学的情報もｚ軸方向へ伝搬させることが可能となる。つまり、回折限界が存在しないので、近接場光も伝播することができる。所定のｋ_ｘの値をもつ光の群速度の向きは、等周波数曲線の法線（図２のν_ｇ１〜ν_ｇ３）で与えられる。超高波数伝達媒質１０６の等周波数曲線はわずかながら曲率を持つため、例えばｋ_ｘ＝０の場合とｋ_ｘ＝３の場合とでは、群速度の向きがわずかに異なっている。

例えば、超高波数伝達媒質１０６に入射する光を、位相変調素子１０４ではなく、ピンホールのような（波長に比べて）微細な構造で変調すると、そこには様々なｋ_ｘの値をもつ光の空間モードが含まれているが、これらはｚ方向へ伝搬するにつれてｘ方向には互いに位置ズレが生じ、超高波数伝達媒質１０６を通過したのちに形成されるピンホールの像はボケてしまう。超高波数伝達媒質１０６が薄い場合には、ｘ方向の位置ズレも小さいので良好なピンホール像が得られるものの、超高波数伝達媒質１０６が厚くなると、この位置ズレが蓄積し、ピンホール像がしだいにボケてしまう。

この様子を、図３に模式的に示す。微小光源（ピンホール）１２１から発する光のうち、超高波数伝達媒質１０６を伝搬するｋ_ｘの絶対値が異なる３本の光線Ｌ_１１〜Ｌ_１３（伝搬光）が図示されている。光線Ｌ_１１〜Ｌ_１３は、図２のν_ｇ１〜ν_ｇ３にそれぞれ対応しており、光線Ｌ_１２は０＜ｋ_ｘ＜１を満たすｋ_ｘに対応する光線である。３つの光線は群速度の向きが異なるため、超高波数伝達媒質１０６中を伝搬するにつれて光線群は広がってゆく。超高波数伝達媒質１０６を通過してのちに、外部（真空中）では、光線Ｌ_１１および光線Ｌ_１２は、図２の真空に対する等周波数曲線の法線の方向へ進行する。一方、光線Ｌ_１３は超高波数伝達媒質１０６の外部では近接場光となるため、超高波数伝達媒質１０６から遠方へは伝わらない。

図４は、超高波数伝達媒質１０６を伝達される照明光による微小光スポットの形成を模式的に示す図であり、本発明に係る基本的な考え方を説明するものである。光線Ｌ_２１〜Ｌ_２３は、図２および図３で用いた３つの異なるｋ_ｘの値に対応する光線（超高波数伝達媒質１０６を通る伝搬光）である。各光線は超高波数伝達媒質１０６の上面の異なる位置から発し、超高波数伝達媒質１０６を通過し下面の同じ位置から出射するようにされている。ここでは簡単のために光線という概念を用いたが、フーリエ光学の理論によれば、個々の光線は無限に広がった平面波に対応し、これら無数の平面波の重ね合わせが実際に観測される光の振幅分布に一致する。つまり、この重ね合わせに相当する光の振幅および位相の分布を、超高波数伝達媒質１０６の上面に与えれば、その下面には照明光の波長よりも直径の小さい微小光スポット１２２が生じることになる。図３における超高波数伝達媒質１０６の下面に生じる光の複素振幅分布が何らかの手段で得られたとすると、図４における超高波数伝達媒質１０６の上面に与えるべき照明光の複素振幅分布はその複素共役であることが容易にわかる。

このような方法で微小光スポット１２２が得られることを確認するため、図５に示すような光学系の構成のモデルを用いて、電磁界シミュレーションを行った。電磁界シミュレーションには、有限要素法を用いた市販ソフトウェア（COMSOL社製「COMSOL Multiphysics」）を利用した。この光学系の構成では、幅６μm、高さ６μｍの超高波数伝達媒質１０６の上面を遮光部材１０３で被覆し、その一部に幅１．９５μｍの位相変調素子１０４を設けた。超高波数伝達媒質１０６としては、ＡｇとＡｌ_２Ｏ_３の多層膜を想定し、前述の有効誘電率をもつ有効媒質とした。また、遮光部材１０３にはＡｌを用い、厚さは１００ｎｍとした。位相変調素子１０４の代わりに、位相変調素子１０４の中心に対応する位置に幅５０ｎｍの開口を設け当該開口以外を遮光した場合も、比較例として解析した。いずれの場合にも入射光Ｌは波長３６５ｎｍとし、ｘ方向に直線偏光した平面波とした。入射光Ｌの電場の値は１Ｖ/ｍである。超高波数伝達媒質１０６の下面から距離ｄの位置に観察面Ｓｏを設け、観察面Ｓｏにおけるエネルギー密度の分布を調べた。距離ｄを変化させればこの分布は変化するが、エネルギー密度が最も高くなる観察面Ｓｏを選ぶものとした。

位相変調素子１０４の構造を図６に示す。与えるべき位相変調は、幅５０ｎｍの開口を通過した光の分布（階段関数）をフーリエ変換し、これに図２の等周波数曲線から求めた伝達関数を乗じて逆フーリエ変換したものとした。伝達関数とは、ｅｘｐ（ｉｋ_ｚｚ）で与えられる関数で、波動光学的な複素振幅透過率に相当する。ｚは超高波数伝達媒質１０６の厚さを表し、図５に示したように６μｍとした。このように計算して得られる複素関数は連続的な位相変化を示すが、位相変調素子１０４の構造を単純なものとするために、位相を２値化するとともにその分布を離散化した。すなわち、位相が０〜πのときにはπ／２とし、π〜２πのときには３π／２とした。また、空間的な分布に関しては、ｘ軸方向を照明光の波長より小さい５０ｎｍ間隔の最小寸法に分割し、１つの間隔の中でπ／２の位相が大きな領域を占めていれば、その間隔は全て位相がπ／２であるものとした（位相が３π／２の場合も同様）。すでに述べたように、計算して得られた位相分布に対して、実際には複素共役をとる必要があるが、このように位相を２値化した場合にはその必要がないことは明らかである。このようにして得られた位相分布を与えるための位相変調素子１０４の構造の例を図６に示している。この位相変調素子１０４では、２値化された位相に応じて５０ｎｍの間隔ごとに誘電体１３１または空洞１３２が配置される。誘電体１３１の誘電率（７．９８）と位相変調素子１０４の厚さ（１００ｎｍ）は、波長３６５ｎｍの光が誘電体１３１と空洞１３２とを通過した際に生じる位相差が、概ねπとなるように設定されている。

このような解析モデルにより得られる観察面Ｓｏでのエネルギー密度分布を図７に実線で示す。比較のため、位相変調素子１０４に代えて、幅５０ｎｍ程度の微小開口を設けた場合の結果も破線で併せて示している。微小開口を用いた場合には、エネルギー密度のピーク値は約１×１０^−１３Ｊ／ｍ^３、エネルギー密度の半値全幅は１２０ｎｍであった。これに対して、位相変調素子１０４を用いた場合には、エネルギー密度のピーク値は約１．６×１０^−１２Ｊ／ｍ^３、エネルギー密度の半値全幅は６０ｎｍであった。つまり、位相変調素子１０４を用いた方が、エネルギー密度が１６倍高くなっており、より明るい光スポットが形成できることがわかる。さらに、エネルギーピークの半値全幅が概ね半分になっており、位相変調素子１０４を用いた方が、より微小な光スポットを形成できることもわかる。

位相変調素子１０４およびその動作原理を説明するため、上述のシミュレーションでは、専ら１次元の位相変調を用いた。図８は、このシミュレーションに基づく本実施の形態の位相変調素子１０４と超高波数伝達媒質１０６とを密着して形成した部材の断面を示す斜視図である。位相変調素子１０４は、ｘｙ平面に平行な面内にｘ軸方向に延びる誘電率の異なる複数の角柱用の誘電体材料を、ｙ軸方向に配列することにより、位相を１次元的に変調するための構成である。細長い角柱状の誘電体材料を交互に並べることにより、これを通過する光に位相変調を施すことができる。これによって、超高波数伝達媒質１０６からは、ｙ軸方向に延びる照明光の波長よりも狭い細線状の近接場光が形成される。本実施の形態では、細線が所望の強度分布である。

図９は、図１の位相変調素子１０４の位相変調面と超高波数伝達媒質１０６の異方軸との配置関係を説明するための模式図である。超高波数伝達媒質１０６は一般に１軸異方性を示す場合が多い。つまり、超高波数伝達媒質１０６の誘電率テンソルが対角行列となるように座標系をとると、その３つの対角成分のうち１つが他の２つと異なる値をもつ。ここでは、誘電率のｘ成分とｙ成分とが等しく（ε_Ｔとする）、ｚ成分（ε_Ｚ）がこれとは異なる値をとるものとする。このようにとった座標系において、ｚ軸を異方軸と呼ぶことにする。図２に示したように、超高波数伝達媒質１０６であるための条件は、ε_Ｔが正の値を、ε_Ｚが負の値を、それぞれとることである。一方、位相変調素子１０４において異なる誘電率の異なる材料を配列する面を位相変調面Ｓｍと呼ぶことにする。フーリエ変換により超高波数伝達媒質１０６の上面に与えるべき複素振幅分布を算出するプロセスは、位相変調素子１０４により変調された光が超高波数伝達媒質１０６の異方軸方向へ伝搬することを前提にしている。したがって、超高波数伝達媒質１０６の下面に所望の光強度分布の近接場光を形成するためには、異方軸が位相変調面Ｓｍに垂直であることが望ましい。ただし、両者の関係が垂直からわずかにずれていたとしても、所望の光強度分布に近い分布を得ることはできる。特に、微小光スポット１２２（ただし、この場合はｘｚ面内の１次元のスポット）を形成する場合には、異方軸が位相変調面Ｓｍに垂直な場合と比較して、微小スポット１２２の形成される位置がわずかにずれるものの、微小光スポット１２２は形成可能である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、超高波数伝達媒質１０６を出射する照明光が１次元的な光スポット（細線状の光源）を形成するように、位相変調素子１０４が誘電率の異なる誘電体を用いて照明光を位相変調するので、超高波数伝達媒質１０６から照明光の波長よりも狭い細線状の照明光を形成することができる。位相変調素子１０４の光源１０２からの照明光が入射する入射面は照明光の波長よりも大きく、位相変調素子１０４を構成する誘電体は、光源１０２からの照明光を遮光するものではないので、光エネルギーの利用効率が高い近接場照明光学系１０１を提供することができる。また、位相変調素子１０４を２種類の誘電体を用いて構成したことにより、製造が容易である。

なお、第１実施の形態では、超高波数伝達媒質１０６は、図２で示したような双曲線（３次元の場合回転双曲面）の等周波数曲線（面）を有するものとしたが、これに限られない。例えば、楕円（３次元の場合回転楕円面）の等周波数曲線（面）を有する超高波数伝達媒質を用いることも可能である。図１０は、ε_Ｚを真空中の誘電率に対するｚ軸（光学軸）方向の相対誘電率とし、ε_Ｔをｚ軸方向に垂直な方向の相対誘電率としたときの、ε_Ｔ＝１，ε_Ｚ＝１の場合（真空中における分散）、ε_Ｔ＝９，ε_Ｚ＝９の場合（以下、高屈折率）、およびε_Ｔ＝１，ε_Ｚ＝２５の場合（以下、通常異方性）についての等周波数曲線を示している。波数ベクトルｋ_Ｚおよびｋ_Ｔは、図２と同様に真空中での波数で規格化した値を図示している。

真空中における分散では、前述のようにｋ_Ｔの絶対値が１より大きい光は伝搬モードが無く近接場光となる。一方、図１０の通常異方性の場合は、｜ｋ_Ｔ｜≦５の範囲の光は、ｋ_Ｔに対応するｋ_Ｚの値が存在するので、ｚ方向へ伝搬できる。等周波数曲線上にある各点は、波として伝搬しうる電磁波の波数ベクトルを表しているので、この各点において電磁波の群速度が規定される。図２の場合と同様に、ｋ_Ｔの値を持つ群速度の向きは等周波数曲線の法線で与えられる。図１０から解るように、伝搬可能なｋ_Ｔの範囲（図１０においては、ｋ_Ｔの絶対値が０以上５未満の範囲）を大きくした通常異方性の材料では、等周波数曲線上の多くの点で群速度が光学軸（ｚ軸）に近い向きをもつことがわかる。この傾向は、楕円のｋ_Ｔ方向を長くするほど顕著になる。

一方、図１０の高屈折率に対する等周波数曲線は、屈折率が３の誘電体を表している。しかし、ガラスやプラスチックなどの光学材料（誘電体）は、可視光に対して概ね１．３〜２．１程度の屈折率を有し、屈折率が３を超えるような光学材料は、自然界に存在しない。
これに対し、例えば、人工的な構造に由来する誘電率異方性を有する媒質を用いると、ｚ軸方向の実効的な誘電率ε_Ｚを９（解像力を３倍に向上できる値）よりずっと大きくすることができ、高屈折率材料を用いる場合よりもｋ_Ｔの絶対値の大きな近接場光を伝達できる。

超高波数伝達媒質１０６として楕円（３次元の場合回転楕円面）の等周波数曲線（面）を有するものを用いた場合でも、本実施の形態で説明したと同様の方法により、照明光が超高波数伝達媒質１０６を伝達された後に、微小光スポットを形成するように位相変調素子１０４を構成することができる。これにより、第１実施の形態と同様の効果を有する近接場照明光学系１０１が得られる。また、以下の実施の形態においても、超高波数伝達媒質として、楕円（回転対称楕円面）の踏襲波数曲線（面）を有する媒質を使用できる。

（第２実施の形態）
図１１は、第２実施の形態に従う近接場照明光学系の位相変調素子１０４と超高波数伝達媒質１０６とを一体とする部材の断面を示す斜視図である。本実施の形態は、第１実施の形態において、位相変調素子１０４を１次元的ではなく、２次元的に構成したものである。具体的には、位相変調素子１０４を、ｘ軸方向およびｙ軸方向に延びる複数の境界面で区画され２次元的に配置された、誘電率の異なる誘電体からなる矩形のブロックで構成する。矩形のブロックの最小寸法は、照明光の波長よりも小さい。誘電率の異なる材料を、２次元的に並べることにより、これを通過する光を２次元的に変調する。

超高波数伝達媒質１０６の下面に例えば所望の強度分布として微小光スポット（２次的なスポット（点））を形成させる場合を考える。光スポットが微小であるということは、一般にはｘｙ平面内の微小な領域に局在することを意味する。したがって、超高波数伝達媒質１０６の上面に与えるべき複素振幅分布（前述したフーリエ変換により計算される）は、ｘｙ平面内における２次元の分布となる。位相変調素子１０４の２次元的に配列した誘電体による誘電率分布によって、この複素振幅分布を模することで、超高波数伝達媒質１０６の下面に所望の光スポットを形成することができる。これによって、近接場光学顕微鏡等で利用可能な近接場光の微小光スポットが得られる。なお、図１１の構成によって形成できる光の分布は、微小光スポットに限定されるものではない。超高波数伝達媒質１０６の下面に形成したい所望の光強度分布に対して、その上面（位相変調素子１０４側の面）に与えるべき複素振幅分布を、全く同様の方法で算出することができる。

（第３実施の形態）
図１２は、第３実施の形態に従う近接場照明光学系の位相変調素子１０４と超高波数伝達媒質１０６とを一体とする部材の断面を示す斜視図である。本実施の形態では、第２実施の形態において、誘電率の異なる材料を矩形のブロックではなく、円環状に配置した位相変調素子１０４が示されている。この構造で形成できる光強度分布は、回転対称な分布に限られるが、例えば円形の微小光スポットなどを形成することができる。本質的に２次元の分布である微小光スポットを形成する場合でも、１次元の複素振幅分布を計算してこれを回転させることにより位相変調素子１０４の構造を決定することができるので、位相変調素子１０４の設計が容易である。

（第４実施の形態）
図１３は、第４実施の形態に従う近接場照明光学系の位相変調素子１０４と超高波数伝達媒質１０６とを含む部材の断面図である。本実施の形態は、第１実施の形態において、超高波数伝達媒質１０６上に遮光部材１０３と位相変調素子１０４とを形成するのではなく、ガラス基板１２３上に、蒸着あるいはスパッタリングにより遮光部材１０３を形成する。次に、エッチングにより遮光部材１０３の一部を除去し、誘電体層から成る位相変調素子１０４で置き換える。その後、超高波数伝達媒質１０６を遮光部材１０３および位相変調素子１０４上（図１３において下側）に形成する。なお、超高波数伝達媒質１０６は別の基板上に形成しておき、遮光層へ貼り合わせたのちに基板を除去してもよい。

図６では、誘電体１３１と空洞１３２の誘電率差を利用して位相変調を与える構成としたが、もちろん誘電率の異なる２種類の誘電体を利用することもできる。この場合には、空洞がないので、超高波数伝達媒質１０６を構成する際の加工プロセスをより自由に選ぶことができる。また、誘電率の異なる３種類以上の誘電体（うち一種類は空洞でもよい）を用いれば、より精細な位相変調を与えることが可能となる。

本実施の形態によれば、ガラス基板１２３上に、遮光部材１０３と位相変調素子１０４とを形成し、さらに、超高波数伝達媒質１０６を形成し、または、超高波数伝達媒質１０６と貼り合わせるので、第１実施の形態の近接場照明光学系に比べ製造が容易である。さらに、位相変調素子１０４および超高波数伝達媒質１０６はガラス基板１２３により支持されるため、超高波数伝達媒質１０６を薄くすることができる。したがって、光の透過率の低い超高波数伝達媒質１０６による照明光の減衰を少なくし、微小光スポット１２２の強度を高めることができる。なお、本実施の形態は、第２および第３実施の形態のように、位相変調素子１０４を２次元的に構成した場合にも適用可能である。

（第５実施の形態）
図１４は、本発明の第５実施形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示すものである。近接場光学顕微鏡１００は、走査部１０５と、光源１０２と、遮光部材１０３と、位相変調素子１０４と、超高波数伝達媒質１０６と、受光部１１２と、ハーフミラー１１３と、結像レンズ１１４と、撮像素子１１５と、光学顕微鏡用照明部（以下、光顕用照明部と称する）１１６と、を備える。

光源１０２には、例えば、レーザダイオード等が用いられる。この場合、照射される光は１ｍｍ程度のビーム径をもつ。光源１０２のレーザ光の出射側には、外周部を遮光部材１０３で囲まれた、位相変調素子１０４が配置される。位相変調素子１０４は、超高波数伝達媒質１０６を伝達され試料１０７に出射する照明光が試料表面で微小な光スポットを形成するように、照明光を位相変調するための照明光の波長よりも小さい微細構造を有する。位相変調素子１０４は、第２および第３実施の形態と同様に２次元的に配置された誘電体と空洞、または、異なる誘電率を有する２種類以上の誘電体で構成できる。また、位相変調素子１０４の幅は、照明光の波長よりも大きく、例えば、数μｍ〜数十μｍとすることができる。

また、走査部１０５は、例えばモーターで駆動されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナや、ピエゾ素子を用いた電動ステージで構成されており、超高波数伝達媒質１０６の表面に沿って、遮光部材１０３および位相変調素子１０４の位置を連続的に変化させることができる。走査部１０５は遮光部材１０３および位相変調素子１０４のみを変位させても良く、遮光部材１０３および位相変調素子１０４とともに光源１０２を変位させても良い。後者の場合、光源１０２、遮光部材１０３、および、位相変調素子１０４は、一体として構成されていても良い。これによって、超高波数伝達媒質１０６に対して、位相変調素子１０４で変調された照明光が走査される。

超高波数伝達媒質１０６は、試料１０７と位相変調素子１０４との間に配置される。位相変調素子１０４と超高波数伝達媒質１０６との間には、超高波数伝達媒質１０６上で位相変調素子１０４を走査させるために、光源１０２からの照明光の波長よりも狭い間隙（ギャップ）が設けられる。一方、超高波数伝達媒質１０６は、スライドガラス１１７に載置された試料１０７の上部から試料１０７に密着して配置されるカバーガラスとしても機能する。超高波数伝達媒質１０６は、第１実施の形態の超高波数伝達媒質１０６と同様に構成することができる。

図１５ａは、位相変調素子１０４と超高波数伝達媒質１０６の位置関係を説明するための模式図である。位相変調素子１０４と超高波数伝達媒質１０６との間のギャップ（ｇ）は小さいほど望ましい。このギャップが形成する空間では光の波長で決まる波数よりも大きな波数成分は近接場光となって減衰するが、このときの減衰の程度は波数が大きいほど大きい。図１５（ｂ）は、ｘ軸に対する微小光スポットの光強度分布を示している。このグラフにおいて、横軸は超高波数伝達媒質１０６の下面でのｘ方向の位置を、縦軸は光強度を示している。ギャップがない場合は曲線（１）のように鋭いピークを示すが、ギャップ（ｇ）が大きくなるにつれて、（１）から（２）、（３）へと次第にぼやけたスポットとなる。超高波数伝達媒質１０６の試料１０７側に出射される微小な光スポットの大きさｗは、概ねギャップ（ｇ）に等しい。

試料１０７としては、例えば、波長Ｅλの光で励起されると波長Ｆλの蛍光を発する蛍光色素が拡散されているものを用いることができる。試料１０７中の蛍光色素は、光源１０２から位相変調素子１０４、超高波数伝達媒質１０６を介して伝達される照明光により形成された近接場光の微小光スポット１２２によって励起される。蛍光色素は試料１０７の中に直接拡散していてもよいし、蛍光ビーズのような加工された状態で試料１０７に含まれていてもよい。あるいは、ＧＦＰ（Green Fluorescent Protein）などの蛍光タンパク質を試料１０７に結合させ、試料１０７の中の特定の部位や機能を観察できるようにしてもよい。

受光部１１２は、対物レンズ１０８と、ダイクロイックミラー１０９と、フィルタ１１０と、受光素子１１１とを備える。ダイクロイックミラー１０９は、試料１０７で発生して、カバーガラス１１７および対物レンズ１０８を通過した蛍光の一部を受光素子１１１に向けて反射させ、光顕用照明部１１６から射出された照射光を試料１０７に向けて透過させる光学特性を有する。また、フィルタ１１０は、ダイクロイックミラー１０９で反射された光から励起光を除去し、蛍光を透過させる。受光素子１１１は、フィルタ１１０を通過した蛍光を検出する。

光源１０２から射出された光（波長Ｅλ）は、位相変調素子１０４へ照射される。位相変調素子１０４を通過した光は、位相変調素子１０４により位相変調を受けて、超高波数伝達媒質１０６に入射する。超高波数伝達媒質１０６を伝達された光は、超高波数伝達媒質１０６に接する試料１０７に、近接場光の微小な光スポットを形成する。これによって、試料１０７中の蛍光色素が励起され、蛍光が発生する。

一般に、蛍光色素や量子ドットを用いて蛍光を発生させる場合、励起光に対して蛍光の強度は非常に弱い。したがって図１４に示すシステム構成においても、蛍光だけでなくそれより高強度の励起光も対物レンズ１０８へ入射する。しかし、フィルタ１１０は励起光を除去し、蛍光を透過させるよう設計されているため、蛍光だけが受光素子１１１によって検出される。

超高波数伝達媒質１０６によって試料１０７まで運ばれた照明光は、空気中あるいは試料中では近接場光であるため、試料１０７へ入射した点の近傍にだけ広がり、それ以上遠方へ伝わることはない。つまり、試料１０７に蛍光色素がまんべんなく拡散していたとしても、近接場光が入射した点のごく近傍にある蛍光色素だけが励起されるため、受光部１１２は照明光の波長より小さな領域の局所的な情報（この場合は蛍光色素の空間分布）だけを検出することになる。したがって、上記のような信号光検出の過程を所定の時間だけ続ければ、試料表層の微小領域で起きている現象がどのように時間変化するかを調べることができる。

このとき、走査部１０５による走査により、照明光が照射される試料表面の位置も変化させ、受光素子１１１により検出される信号光の光量の時間変化を試料１０７の表面上の位置に対応させることによって、試料１０７の表面の蛍光色素分布を得ることができる。

一方、ハーフミラー１１３と、結像レンズ１１４と、撮像素子１１５と、光顕用照明部１１６とは、試料１０７の状態をリアルタイムで観察するための光学系である。光顕用照明部１１６から射出された照射光は、ハーフミラー１１３、ダイクロイックミラー１０９を経て対物レンズ１０８によって試料１０７上の観察領域に照射される。そして、試料１０７に作用した光が試料１０７から放射される。この光は、その一部が再び対物レンズ１０８に入射し、特定波長の光がダイクロイックミラー１０９で反射されてフィルタ１１０を経て受光素子１１１によって受光される。ダイクロイックミラー１０９を透過した光は、ハーフミラー１１３で反射されて結像レンズ１１４により撮像素子１１５に結像される。撮像素子１１５の出力は、画像処理回路（図示しない）で画像処理され、モニタ等に供給される。こうした光学的観察方法は、落射照明による従来の光学顕微鏡と同じ動作である。試料１０７が透過性を有する場合等には、試料１０７を介して光学顕微鏡と反対側に、試料１０７を透過照明するための照明手段を配置することができる。

以上は、蛍光観察を例にとって近接場光学顕微鏡１００の動作を説明したが、それ以外の光学過程に対しても同様の作用が期待される。例えば、試料１０７の表面に凹凸がある場合、あるいは試料１０７中に密度や組成のゆらぎがある場合、照明光は試料１０７の表面で散乱される。このとき生じる散乱が、ラマン散乱などのように光周波数の変化を伴う散乱である場合には、さきほどの蛍光と同様にして、照明光と散乱光とをフィルタ１１０によって分離することができる。一方、レイリー散乱やミー散乱のような弾性散乱である場合には、そのようなフィルタ１１０の効果は期待できない。しかしながら、蛍光やラマン散乱に比べて、弾性散乱された光の強度はきわめて大きいので、信号光と一緒に検出される照明光は許容水準のノイズ光として扱うことができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、位相変調素子１０４が、光源１０２から射出された照明光を位相変調し、超高波数伝達媒質１０６を伝達された照明光が、該照明光の波長よりも小さい光スポットを形成するようにした。したがって、位相変調素子１０４の光源１０２からの照明光が入射する入射面は照明光の波長よりも大きく、位相変調素子１０４を構成する誘電体は、光源１０２からの照明光を遮光するものではないので、光エネルギーの利用効率が高い近接場光学顕微鏡観察が可能となる。

なお、本実施の形態で、超高波数伝達媒質１０６と試料１０７とは接するものとしたが、近接場光の伝達される照明光の波長より短い距離であれば、離して配置することも可能である。

（第６実施の形態）
図１６は、第６実施の形態に係る位相変調素子１０４の構造の一例を示す図である。本実施の形態は、第１実施の形態において、位相変調素子１０４を、２種類の誘電体（第１の誘電体１３３、第２の誘電体１３４）と遮光材料１３５とによって構成したものである。遮光材料１３５としては、金属や半導体、あるいは透明樹脂に色素や微粒子を分散させた材料を用いることができる。この位相変調素子１０４へ入射した光は、位相だけでなく振幅（強度）も変調される。したがって、より緻密な光の変調を行うことができ、形成される光強度分布（微小光スポット）もより正確なものとすることができる。遮光材料１３５を半透明とすることで光を一部透過させることも可能である。

フーリエ変換により算出される複素振幅分布は、本来、その振幅も位相も連続的な値をとっている。図６の例では、位相を２値化（π／２または３π／２で近似）して変調し、振幅は全て等しいものとした。このような近似をすることで、本来形成されるべき微小光スポットとはわずかに異なる分布が形成される。これに対して、本実施の形態では、さらに、複素振幅分布の振幅に応じて遮光材料１３５による振幅変調を加えることで、より正確な微小光スポットを形成することが可能となる。

なお、図１６のような位相変調素子１０４の構造は、第１実施の形態の位相変調素子１０４だけでなく、第２実施の形態から第４実施の形態の位相変調素子１０４にも適用することができる。さらに、これらの位相変調素子１０４を、第５実施の形態の位相変調素子１０４に適用することもできる。

（第７実施の形態）
図１７は第７実施の形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示したものである。本実施の形態の近接場光学顕微鏡１００は、第５実施の形態に係る近接場光学顕微鏡と近接場照明光学系１５１の構成が異なっている。近接場照明光学系１５１は、光源１５２、ガラス基板１５３、回折格子である変調素子１５４、超高波数伝達媒質１５６、および、光源１５２からの照明光を走査する走査部１５７を含んで構成される。ガラス基板１５３、変調素子１５４および超高波数伝達媒質１５６は、一体の部材（以下、微小光スポット生成部材１５８と呼ぶ）として構成されている。

図１８は、図１７の微小光スポット生成部材１５８を拡大して示す図である。ガラス基板１５３と超高波数伝達媒質１５６との間に、変調素子１５４が形成される。この部材は、ガラス基板１５３上に、変調素子１５４として機能する回折格子を形成し、さらにその上に超高波数伝達媒質１５６を接合することにより生成することができる。ガラス基板１５３は、光源１５２からの照明光Ｌｄに高い透過性を有していることが好ましい。変調素子１５４は、光源１５２からの照明光Ｌｄの波長よりも小さい周期構造の回折格子を有する。また、超高波数伝達媒質１５６は、誘電率または透磁率が異方性を示す部材であり、より具体的には等周波数曲線が双曲型を示す媒質である。超高波数伝達媒質１５６の異方軸は、変調素子１５４の回折面に略垂直である。超高波数伝達媒質１５６中では回折限界が存在しないため、回折限界よりも精細な周期構造を有する回折格子からの回折光を伝搬することが可能である。

光源１５２は、光源１５２側よりも前記試料１０７側のビーム径が狭くなる中空のテーパー状のビームＬｄ（以下、簡単のためドーナツ型ビームＬｄと呼ぶ）を、微小光スポット生成部材１５８に向けて射出する。ドーナツ型ビームＬｄは回折限界に制約された空間変調されたビームでよく、従来の光学系（例えば誘導放出制御（ＳＴＥＤ）顕微鏡用の光学系）で形成することができる。光源１５２の照明光のドーナツ型の変調と、変調素子１５４による変調との合成は、超高波数伝達媒質１５６を伝搬したのちに微小光スポットを形成するように、あらかじめ設計されている。

変調素子１５４は並進対称性をもつ形状であるため、そのどの位置にドーナツ型ビームＬｄを照射しても、超高波数伝達媒質１５６の出射面であってドーナツ型ビームＬｄの光軸上に微小光スポット１５９を形成する。つまり、走査部１５７により光源１５２を変位させ、ドーナツ型ビームＬｄを走査させることで、微小光スポットを超高波数伝達媒質１５６に接する試料面上で移動させることができる。超高波数伝達媒質１５６の厚さは、例えば、１μｍ程度でよく、十分な透過率を得ることができる。また、任意の厚さのガラス基板１５３を用いることができるので、カバーガラスとしての十分な強度を得ることができる。その他の構成は、第５実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

図１９は、図１７の近接場照明光学系１５１により形成される微小光スポットの強度分布を、２次元シミュレーションにより算出したものである。このシミュレーションでは、照明光の波長を３６５ｎｍ、変調素子１５４を構成する回折格子の周期を１００ｎｍ、超高波数伝達媒質１５６の厚さを１μｍ、有効誘電率を、ε_Ｔ＝１＋０．０１ｉ，ε_Ｚ＝−１０＋０．０１ｉとした。また、ドーナツ型のビームＬｄの代わりに、ガラス基板１５３と変調素子１５４との間に、幅３００ｎｍの２つのスリットを３００ｎｍの間隔で配置して、光源１５２側から入射光を照射するものとした。また、これら２つのスリットに入射する照明光の強度および入射角の空間分布は、超高波数伝達媒質１５６を通過した照明光が微小な光スポットを形成するようにあらかじめ数値計算により設定される。このシミュレーションから２次元で表現したドーナツ型ビームＬｄの光軸位置に、半値幅が約３０ｎｍの微小光スポットが形成できることがわかる。

上記は、２次元シミュレーションに基づく結果であるが、３次元空間でもドーナツ型ビームと並進対称性を有する変調素子１５４を用いて同様の微小光スポット１５９の形成が可能と考えられる。その場合、変調素子１５４は、照明光の波長より小さい円柱、直方体または多角柱を正方格子状または六方格子状に配列させ微細構造を有するものとすることができる。あるいは、微小な球体をランダムに配置することにより、より製造が容易となる。

第５実施の形態では、空間的に均一な照明光Ｌに対して位相変調素子１０４のみによって変調を与えていた。このため、位相変調素子１０４自体は並進対称性のない複雑な構造となった。本実施の形態では、並進対象性を有する変調素子１５４と、変調素子１５４に照射される照明光の入射角および強度の空間的分布とを組み合わせることによって、移動可能な微小光スポット１５９を生成するものである。

以上説明したように、本実施の形態によれば、照明光の波長よりも小さい最小寸法の並進対称性のある微細構造を有する変調素子１５４を備え、超高波数伝達媒質１５６を伝達される照明光が照明光の波長よりも小さい光スポットを形成するように、光源１５２から射出される照明光を、変調素子１５４に応じたドーナツ型のビーム形状としたので、超高波数伝達媒質１５６を伝達された照明光は近接場光の微小光スポット１５９を形成する。このとき、変調素子１５４には、ドーナツ型ビームＬｄにより照明光の波長よりも幅の広い範囲が照射されるので、ピンホールを用いて近接場光を生成する場合に比べ、エネルギーの利用効率が高い。また、変調素子１５４は周期構造を有するので、上述のように微小光スポット生成部材１５８に対して光源１５２を変位させることで、試料１０７上で微小光スポット１５９を走査させることができる。さらに、第１〜６実施の形態における位相変調素子１０４に比べて構造が簡単なので、製造が容易となる。また、微小光スポット生成部材１５８はガラス基板１５３を有するため、超高波数伝達媒質１５６を薄くすることができる。したがって、超高波数伝達媒質１５６による照明光の減衰を少なくし、微小光スポット１５９の強度を高めることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、各実施の形態においてシミュレーションに用いた数値、例えば、光源からの照明光の波長やビーム径、位相変調素子、超高波数伝達媒質および回折格子等の幅および厚さ等は例示に過ぎない。

また、超高波数伝達媒質は、試料に接するように配置されるものとしたが、超高波数伝達媒質から射出される近接場光が減衰しない距離に試料が配置されていても良い。近接場光が減衰しない距離の一例として、試料が、超高波数伝達媒質から照明光の波長よりも短い所定の距離に配置されていれば、近接場光が試料まで到達することがすることができる。超高波数伝達媒質を試料と密着させ、両者が接するように配置されている場合には、生細胞等の凸凹で形状が不安定な試料であっても、超高波数伝達媒質と試料との間隔を狭められるため、安定的に高い解像力で高精細に観察することができる。

さらに、第１〜第６実施の形態では、試料上に形成されるのは、細線またはひとつの微小光スポットとしたが、複数スポットや所望の強度分布により試料を照明することも可能である。

本発明において光は可視光のみならず、紫外線、赤外線、マイクロ波等の電磁波をも含むものとする。

１００ 近接場光学顕微鏡
１０１ 近接場照明光学系
１０２ 光源
１０３ 遮光部材
１０４ 位相変調素子
１０５ 走査部
１０６ 超高波数伝達媒質
１０７ 試料
１０８ 対物レンズ
１０９ ダイクロイックミラー
１１０ フィルタ
１１１ 受光素子
１１２ 受光部
１１３ ハーフミラー
１１４ 結像レンズ
１１５ 撮像素子
１１６ 光学顕微鏡用照明部（光顕用照明部）
１１７ スライドガラス
１２１ 微小光源（ピンホール）
１２２ 微小光スポット
１２３ ガラス基板
１３１ 誘電体
１３２ 空洞
１３３ 第１の誘電体
１３４ 第２の誘電体
１３５ 遮光材料
１５１ 近接場照明光学系
１５２ 光源
１５３ ガラス基板
１５４ 変調素子
１５６ 超高波数伝達媒質
１５７ 走査部
１５８ 微小光スポット生成部材
１５９ 微小光スポット

Claims (21)

1. 照明光を射出する光源と、
   前記光源から射出された前記照明光を空間変調する変調素子と、
   誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達可能な超高波数伝達媒質であって、前記変調素子により変調された前記照明光が入射されるように配置された超高波数伝達媒質とを備え、
   前記変調素子は、空間変調された前記照明光が前記超高波数伝達媒質を伝達された後に、所望の強度分布を有する近接場光を形成するように、前記照明光を変調することを特徴とする近接場照明光学系。
2. 前記変調素子は、前記照明光を位相変調することを特徴とする請求項１に記載の近接場照明光学系。
3. 前記変調素子は、前記照明光の波長よりも小さい最小寸法により、前記照明光を位相変調することを特徴とする請求項２に記載の近接場照明光学系。
4. 前記変調素子は、前記超高波数伝達媒質を伝達された前記照明光が、該照明光の波長よりも直径が小さい近接場光の光スポットを形成するように、前記光源から射出された前記照明光を変調することを特徴とする請求項３に記載の近接場照明光学系。
5. 前記変調素子は、前記照明光の射出方向に対して略直交する平面上に配置された誘電率の異なる２種類以上の誘電体を含む構造体を備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の近接場照明光学系。
6. 前記変調素子は、前記近接場光の前記所望の強度分布から、フーリエ変換を用いて、前記超高波数伝達媒質の前記変調素子側の面に与えるべき前記照明光の複素振幅を計算することにより設計されることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載の近接場照明光学系。
7. 前記変調素子は、前記複素振幅を２値化することにより設計されることを特徴とする請求項６に記載の近接場照明光学系。
8. 前記変調素子と前記超高波数伝達媒質とは、密着して形成されることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載の近接場照明光学系。
9. 前記変調素子は、前記照明光を前記位相変調するとともに振幅変調することを特徴とする請求項２〜８のいずれか一項に記載の近接場照明光学系。
10. 前記変調素子は、前記照明光の波長よりも小さい最小寸法の並進対称な微細構造を有し、前記光源は、該光源から射出される照明光が、前記変調素子に対して前記所望の強度分布に対応した所定の強度および入射角の分布で入射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の近接場照明光学系。
11. 前記変調素子は前記超高波数伝達媒質と密着して形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の近接場照明光学系。
12. 前記変調素子は、ガラス基板上に形成されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の近接場照明光学系。
13. 前記光源から射出される照明光は、前記光源側よりも前記超高波数伝達媒質側のビーム径が狭くなる中空のテーパー形状であることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の近接場照明光学系。
14. 前記所望の強度分布は、前記照明光の波長よりも小さい直径を有する光スポットであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の近接場照明光学系。
15. 前記超高波数伝達媒質の異方軸が、前記変調素子の変調面に略垂直であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか一項に記載の近接場照明光学系。
16. 前記超高波数伝達媒質は、前記照射光が真空中を伝搬する際の波数により規格化した前記超高波数伝達媒質の異方軸に直交する平面内における波数の絶対値が、０以上５未満の光を伝達可能である請求項１〜１５のいずれか一項に記載の近接場照明光学系。
17. 前記超高波数伝達媒質の等周波数曲面が回転双曲面であることを特徴とする請求項１〜１６の何れか一項に記載の近接場照明光学系。
18. 照明光を射出する光源と、
    前記光源から射出された前記照明光を変調する変調素子と、
    誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達可能な超高波数伝達媒質であって、前記変調素子により変調された前記照明光が入射されるように配置された超高波数伝達媒質と、
    前記超高波数伝達媒質に入射する前記照明光を走査する走査部と、
    試料からの光を受光する受光部と、
    を備え、
    前記変調素子は、前記超高波数伝達媒質を伝達された前記照明光が、該照明光の波長よりも小さい近接場光の光スポット光を形成するように、前記光源から射出された前記照明光を位相変調し、前記試料は前記近接場光を散乱し、または、前記近接場光を受けて光を発することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
19. 照明光を射出する光源と、
    前記照明光の波長よりも小さい最小寸法の並進対称な微細構造を有し、前記照明光を変調する変調素子と、
    誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達可能な超高波数伝達媒質であって、前記変調素子により変調された前記照明光が入射されるように配置された超高波数伝達媒質と、
    前記変調素子に対して、前記光源をからの前記照明光を走査する走査部と、
    試料からの光を受光する受光部と、
    を備え、
    前記変調素子と前記超高波数伝達媒質とは互いに固定され、前記光源は、該光源から射出される照明光が、前記超高波数伝達媒質を伝達された後、該照明光の波長よりも小さい近接場光の光スポットを形成するように、前記変調素子に対して所定の強度および入射角の分布で入射し、前記試料は前記近接場光を散乱し、または、前記近接場光を受けて光を発することを特徴とする近接場光学顕微鏡。
20. 前記光源から射出される照明光は、前記光源側よりも前記超高波数伝達媒質側のビーム径が狭くなる中空のテーパー形状であることを特徴とする請求項１９に記載の近接場光学顕微鏡。
21. 照明光を空間変調し、
    前記空間変調された照明光を、誘電率または透磁率が異方性を示し近接場光を伝達可能な超高波数伝達媒質に入射させ、
    前記超高波数伝達媒質を伝達された後に、前記空間変調に応じた所望の強度分布を有する近接場光を形成させる近接場光形成方法。

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