JP4544980B2

JP4544980B2 - 光学装置

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Description

本発明は、光学素子、顕微鏡、リソグラフィー光学系、光ディスク光学系等の光学系を用いた光学装置に関するものである。

従来、これらの光学系では、解像力を向上させるため、水浸あるいは油浸、あるいは固体浸などの方法により、物体側ＮＡを向上させることが提案されていた（以下の文献１を参照）。一方、通常のガラスレンズ等とは異なる屈折特性を示す物質（例えばフォトニック結晶など）に関して以下のような文献がある（非特許文献２，３及び特許文献１、２）。
光学系の仕組みと応用Ｐ７３−７７、Ｐ１６６−１７０オプトロニクス社２００３年１１月１９日刊 J.B.Pendry Phys. Rev.Lett., Vol85, 18(2000) 3966-3969 M. Notomi Phy.Rev.B.Vol62(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、オプトロニクス社刊 US 2003/0227415 A1 US 2002/0175693 A1

しかしながら、従来の方法では標本面あるいは光ディスク面、ウェハ面と、レンズ又は水、油、フォトマスクとが接触している、あるいは３０ナノメートル程度の間隔しか離れていない等、作動距離（以下ＷＤと称する）が短かすぎるため、標本やレンズ等に損傷を与えるなど実用上の問題があった。

この点に鑑みるに、例えば、本発明は、ＷＤの長いあるいは非接触の、例えば観察光学系、結像光学系、投影光学系等、各種光学系を用いた光学装置等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、物体の側から、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、前記光学素子に続いて配された結像光学系と、を有する光学装置であって、前記物体は、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子によって中間結像点として結像され、その結像された中間結像点は前記結像光学系によって再結像され、前記中間結像点から前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の像側の表面までの距離が０．１λ／Ａ（但し、Ａは前記結像光学系の中間結像点に於ける開口数である）以上である。
また、本発明の第２の態様は、物体の側から、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、前記光学素子に続いて配された結像光学系と、を有する光学装置であって、前記物体は、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子によって中間結像点として結像され、その結像された中間結像点は前記結像光学系によって再結像され、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子にもっとも近い前記結像光学系の光学面から、前記中間結像点までの距離が０．１λ／Ａ（但し、Ａは前記結像光学系の中間結像点に於ける開口数である）以上である。
また、本発明の第３の態様は、光源と、前記光源によって照射される物体と、前記物体から放射される光を伝播する負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、前記光学素子に続いて配された結像光学系と、を有する光学装置であって、前記物体は、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子によって中間結像点として結像され、その結像された中間結像点は前記結像光学系によって再結像され、前記物体と、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の前記物体側の表面との距離が０．１λ以上である。

また、本発明の第４の態様は、第１から第３の態様のいずれか１つにおいて、前記中間結像点から前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の像側の表面までの距離が0.005mm以上である。
また、本発明の第５の態様は、第１から第４の態様のいずれか１つにおいて、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の屈折率ｎは、 ―1.1＜ｎ＜―0.9の範囲にある。

また、本発明の第６の態様は、第１から第５の態様のいずれか１つにおいて、前記光学素子と前記結像光学系との間、及び前記光学素子と前記物体との間は、液体で満たされており、前記液体の屈折率をｎ_Lとし、前記光学素子の真空に対する屈折率をｎ_vとしたときに、ｎ_v＝−ｎ_Lである。
また、本発明の第７の態様は、第１から第６の態様のいずれか１つにおいて、前記結像光学系は、屈折率が正の材料でできた第２の光学素子を有し、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子は、前記第２の光学素子上に設けられている。

また、本発明の第８の態様は、第３の態様において、前記光源と前記物体との間に、前記物体を支持する透明媒体を備え、前記光源は、前記透明媒体に対して全反射をする角度で入射する。
また、本発明の第９の態様は、第１から第８の態様のいずれか１つにおいて、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の厚さｔが、（１７）０．１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ（１８）０．０１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ（１９）１１００ｎｍ≦ｔ≦２００ｍｍ（２０）１００ｎｍ≦ｔ≦５０ｍｍのいずれか１つの条件を満たす。

また、本発明の第１０の態様は、第１から第９の態様のいずれか１つにおいて、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子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光学系の光軸方向を向いている。

本発明によれば、十分な光学性能を得ながらＷＤの長いあるいは非接触の各種光学系を有する光学装置が実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態であり、負屈折率媒質３０１を用いた落射型顕微鏡３０２の例であり、空気中に配置されている。光源３０３（例えばレーザー光源、水銀ランプ等）から出た光は照明レンズ３０４，半透鏡３０５を通り、対物レンズ３０６に入射する。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で表した。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５０μｍである。３１２は負屈折率媒質３０１の物体側の面である。

物体３０７で散乱された光は、負屈折率媒質３０１，対物レンズ３０６，半透鏡３０５，接眼レンズ３０８を通り、眼３０９、あるいは撮像素子４０８を備えたＴＶカメラ、冷却ＣＣＤカメラ等で観察することができる。以下、この様子を詳述する。

ここで、負屈折率媒質３０１の屈折率を−１、厚さをｔ（例えば、３００μｍ）とする。ＷＤは負屈折率媒質３０１と物体３０７あるいは後述する結像部材の距離である。ＷＤについては後に詳述する。

負屈折率媒質３０１の屈折率が−１であるため、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）。

屈折の法則より、
入射角をｉ、出射角をｒとすれば
ｒ＝−ｉ …式（０−３）
である。負屈折率媒質３０１の屈折率をｎとすれば
ｓｉｎｒ＝（１／ｎ）ｓｉｎｉ …式（０−４）
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場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。

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。そして、高解像度の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＝５０μｍとすれば式（１）よりＷＤ＝２５０μｍとなり、ＷＤの長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とほぼ同等である。

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。

以上説明した考え方は本願の他の実施形態にも同様に適用される。他の実施形態でも負屈折率媒質３０１の屈折率は例えば−１である。

図３は、本発明の他の実施形態であり、負屈折率媒質３０１を用いた透過型の顕微鏡３１５を示している。図３では照明光学系３１６と対物レンズ３０６の近傍のみを拡大して図示してある。３１５は空気中に配置されている。

光源３０３の光はプリズム３１７に入り、全反射をする角度でプリズム３１７の標本３１４側の面３１８に入射する。標本３１４はこのためエバネッセント波で照明されることになる。標本３１４からの散乱光は負屈折率媒質３０１で屈折され、中間結像点ＦＦ近傍に完全結像される。そして、対物レンズ３０６により再結像されて観察される。

式（０）、（０−１）、（０−１−０）、（０−３）、…、（０−１１）、（１）、（２）、（３）、（４）、（４−１）はこの例でも同様にあてはまる。

図３及び後述の図４、図５では、ｄの値はＷＤに比べて充分小さく、かつｇの値も０に近い場合を描いてある。図１，３の光学系は、走査型の顕微鏡にも応用できる。

図４は光ディスクの光学系３２０の実施形態である。光源３２１としての半導体レーザから出た光は半透鏡３０５，対物レンズ３２２，負屈折率媒質３０１を通って光ディスク３２３に結像し、書き込みが行なわれる。対物レンズ３２２のＮＡは１を越えており、対物レンズ３２２に非接触で微小スポット光によりエバネッセント光を含めてより高密度の書き込みができる。３２０は空気中に配置されている。

負屈折率媒質３０１の結像関係は図２の実施形態で矢印の逆の方向に光を進めたと考えればよい。光ディスク３２３からの信号の読み出しの場合には、光源３２１から出た光は光ディスク３２３で散乱、負屈折率媒質３０１，対物レンズ３２２，半透鏡３０５へと進み、フォトディテクタ３２４に入る。非接触で高ＮＡでの読み出しが行なえる。

なお、書き込み時の構成で図５に示すように光源３２１と対物レンズ３２２の間にフォトマスク３２５を配置し、光ディスク３２３をシリコンウエハー３２６で置き換え、フォトマスク３２５とシリコンウエハー３２６を光学的に共役にすればＬＳＩ製造用の投影露光装置（ステッパー等）３４９ができる。ＮＡが１を越え、エバネッセント波を用いることができるので高解像度で、かつ非接触で露光ができ都合がよい。図５で、投影露光装置の光学系は真空中に置かれている。

図４、図５の実施形態でも式（０）、（０−１）、（０−１−０）、（０−３）、…（０−１１）、（１）、（２）、（３）、（４）、（４−１）は成り立つ。

図１〜５の例では、負屈折率媒質３０１と負屈折率媒質３０１に最も近いレンズとが間を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。

図６は、従来提案されている密着型のリソグラフィーを示す図である。線幅２０ｎｍ程度の透明なポリマーフォトマスク３３０に上方から照明光が当てられると、凸部３３１の下方にエバネッセント波が発生し、シリコンウエハー３２６上のフォトレジストを感光させる。そしてＬＳＩの製造が行なわれる。ポリマーフォトマスク３３０は微細構造を有する部材である。しかし、ポリマーフォトマスク３３０とシリコンウエハー３２６は密着させねばならず、使用時にポリマーフォトマスク３３０の寿命が短かい、ポリマーフォトマスク３３０がこわれやすい等の問題があった。この問題はポリマーフォトマスクの代わりにクロムフォトマスクを用いても生じていた。

そこでこの点に鑑みるに本発明によれば負屈折率媒質３０１を用いることにより非接触で高解像度のリソグラフィーを実現できる。

図７は、その説明図であり、シリコンウエハー３２６とポリマーフォトマスク３３０の間に、ポリマーフォトマスク３３０に密着、あるいはごく接近させて負屈折率媒質３０１の平行平板を配置したものである。図７の光学系は真空中あるいは空気中に配置されている。

このようにすればポリマーフォトマスク３３０の凸部３３１の下方に発生したエバネッセント波は負屈折率媒質３０１で完全結像され、シリコンウエハー３２６上に像を作る。結像倍率は１倍である。このようにしてＷＤの大きい、高解像度のリソグラフィーが実現できる。

凸部３３１と負屈折率媒質３０１の距離をｄとすれば式（１）〜（３）、（４）、（４−１）を満たす。

対物レンズ３０６，対物レンズ３２２，投影レンズ３２８についてであるが、これらの光学系の物体側又は光ディスク側又はシリコンウエハー３２６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、あるいはそれ以下でも良い。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。

３０６、３２２、３２８等の上記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，図３，図４，図５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。

負屈折率媒質として、図８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８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。

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９は、フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示し、図１０は、フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示している。図９，図１０に示すように、フォトニック結晶３４０はλ〜数分の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−（εμ）^1/2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、誘電率εがほぼ−１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、誘電率εがほぼ−１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がほぼ−１の物質の薄膜の場合、
−１．２＜ε＜−０．８ …式（５−７）
を充たすとよい。用途によっては、
−１．６＜ε＜−０．５ …式（５−８）
でもよい。

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。

以下にＷＤについて詳述する。

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、３０６，３２２，３２８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が、図７のようなＦＦを定義できない光学系では、Ａ＝１とする。

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、３２２、３２８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３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）又は最後部（図５で言えば３２８のウエハー側）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１１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を用いた落射型顕微鏡３０２の例を示した。

４５０、３０６−１、３０６−２を合わせて３０６を形成している。中間結像点ＦＦはわずかに４５０の中に入っている。３０６−１と４５０とは接着されているが、密着させても良い。式（１２）、（１３）は４５０の屈折率に対しても適用できる。

このような構成の光学系は、図３、図４、図５、図７の例にも適用できる。

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＝△ …式（８−３）
とした時、｜△｜の値が大きいほど結像状態は悪くなる。

｜△｜＜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
｜△｜＜１０λ …式（８−４−１）
まで許容できる。

利用条件によっては、｜△｜＜１００λ …式（８−５）まで許容できる。

式（８−４−１）〜（８−５）の｜△｜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、負屈折率媒質３０１の屈折率をｎとすると、ｎ＜０である。これまで述べた実施形態ではｎ＝−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＝−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＝−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。

−１．１＜ｎ＜−０．９ …式（９）
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
−１．５＜ｎ＜−０．５ …式（１０）
であれば良い。

ＷＤを大きく取るためだけなどの用途では
−３＜ｎ＜−０．２ …式（１１）
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、４、５で言えばそれぞれ３０６−１、３２２−１、３２８−１）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、高解像が実現でき良い。

なお、本願の実施形態に共通して言えることであるが、負屈折率媒質３０１の周囲は空気または真空であると考えている。

そのため、負屈折率媒質３０１の屈折率Ｎは、周囲が空気の場合には空気に対する比屈折率を表すものとし、周囲が真空の場合には、真空に対する屈折率を表すものとする。周囲を真空にすると、短波長の真空紫外光を用いることができること、空気のゆらぎによる解像の低下がないこと等により、良い結像性能が得られる。周囲を空気とすれば光学装置が製造しやすく、取り扱いも容易となるので良い。

光学装置のうち、負屈折率媒質３０１の周辺の光路だけを真空とし、光学装置の残りの部分は空気中に置いてもよい。

取り扱いが容易で結像性能の良い光学装置が得られる。

負屈折率媒質３０１の真空に対する屈折率をｎ_v、
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_v＝−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_v＝−１．０ …式（１６）
である。

また、図１、図２、図３、図４、図５、図７、図８、図１１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_v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_v＝−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、
１００ｎｍ≦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、３２２，３２８等）に対する物点（ＦＦ、３２１、３２５等）あるいは像点（３０８の前の実像、ＦＦ、３２４上の像等）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。

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、レーザ走査型顕微鏡、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）
上記した具体的な実施形態から以下の構成を有する発明を抽出することが可能である。

１負屈折を示す媒質で形成されたことを特徴とするレンズ。

１−１負屈折を示す媒質で形成されたことを特徴とする片側が平面のレンズ。

１−２負屈折を示す媒質で形成されたことを特徴とする両凹、または両凸のレンズ。

１−３負屈折を示す媒質で形成されたことを特徴とするメニスカスレンズ。

１−４負屈折を示す媒質で形成されたことを特徴とする非球面のレンズ。

１−５負屈折を示す媒質で形成されたことを特徴とする回転非対称面のレンズ。

１−６負屈折を示す媒質で形成されたことを特徴とする拡張曲面を有するレンズ。

１−７屈折率が正の材料でできた光学素子を有し、前記光学素子を基板として前記光学素子上に形成された負屈折を示す媒質、を有するレンズ。

１−８屈折率が正の材料でできた光学素子を有し、前記光学素子を基板として前記光学素子上に形成された負屈折を示す媒質、を有する光学素子。

１−９透明な平板を有し、前記平板を基板として前記平板上に形成された負屈折を示す媒質、を有する光学素子。

１−１０屈折率が正の材料でできた透明な平板を有し、前記平板を基板として前記平板上に形成された負屈折を示す媒質、を有する光学素子。

２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系。

３負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、それ以外の光学素子とを有することを特徴とする光学系。

３−１負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、正の屈折率の媒質で形成された光学素子とを有することを特徴とする光学系。

３−１−０負屈折を示す媒質で形成された曲面を有する光学素子と、正の屈折率の媒質で形成された光学素子とを有することを特徴とする光学系。

３−１−１負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、正の屈折率の媒質で形成された光学素子とを有し、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の最も近接した正の屈折率の媒質で形成された光学素子と、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子との間に隙間があることを特徴とする光学系。

４負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、結像光学系とを組み合わせて配置したことを特徴とする光学系。

４−０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を有し、さらに前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子以外に光学素子を有する光学系。

４−１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。

４−１−１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み、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子による結像が虚像であることを特徴とする光学系。

４−２負屈折を示す媒質で形成された光学そしを含む光学系により物体の像を結像し、その像を結像光学系により再結像することを特徴とする光学系。

４−３結像光学系により物体の像を結像し、その像を負屈折を示す媒質で形成された光学素子を含む光学系により再結像することを特徴とする光学系。

４−４２乃至４−３のいずれかにおいて、物体が２次元あるいは３次元の形状を有することを特徴とする。

４−５前記負屈折を示す媒質を光が２回通過することを特徴とする２乃至４−４。

４−１０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２乃至４−５。

４−１１２乃至４−１０のいずれかにおいて、式（０−１−０）または式（０−５）を満たすことを特徴とする。

４−１２２乃至４−１１のいずれかにおいて、式（４）を満たすことを特徴とする。

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
４−１３２乃至４−１２のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質の屈折率がおよそ−１であることを特徴とする。

４−１３−１２乃至４−１２のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質の屈折率が
−１でなく、かつ式（１１）を満たすことを特徴とする。

４−１４２乃至４−１２のいずれかにおいて、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。

４−１５２乃至４−１４のいずれかにおいて、前記光学系の物体側あるいは像側あるいは中間結像のＮＡが０．２を超える値であることを特徴とする。

４−１６２乃至４−１４のいずれかにおいて、前記光学系の物体側あるいは像側あるいは中間結像のＮＡが１．０未満であることを特徴とする。

４−１７２乃至４−１４のいずれかにおいて、前記光学系の物体側あるいは像側あるいは中間結像のＮＡが１以上を超える値であることを特徴とする。

４−１７−１２乃至４−１４のいずれかにおいて、前記光学系の物体側あるいは像側あるいは中間結像のＮＡが１．１５を超える値であることを特徴とする。

４−１７−２２乃至４−１４のいずれかにおいて、前記光学系の物体側あるいは像側あるいは中間結像のＮＡが１．3を超える値であることを特徴とする。

４−１７−３２乃至４−１４のいずれかにおいて、前記光学系の物体側あるいは像側あるいは中間結像のＮＡが１．５を超える値であることを特徴とする。

４−１８２乃至４−１７−３のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質と物体または像との距離が式（８）を満たすことを特徴とする。

４−１９２乃至４−１８のいずれかにおいて、式（８−２）を満たすことを特徴とする。

４−２０２乃至４−１９のいずれかにおいて、式（８−５）を満たすことを特徴とする。

４−２１２乃至４−２０のいずれかにおいて、負屈折を示す媒質で形成された光学素子の後方に結像光学系を配設したことを特徴とする。

４−２２上記４−２１の光学系を有することを特徴とする光学装置。

４−２３上記４−２１の光学系を有することを特徴とする顕微鏡。

４−２４上記４−２１の光学系を有することを特徴とする落射型顕微鏡。

４−２５上記４−２１の光学系を有することを特徴とする透過型顕微鏡。

４−２６上記４−２１の光学系を有することを特徴とする観察装置。

４−２７上記４−２１の光学系を有することを特徴とする撮像装置。

４−２７−１上記４−２１の光学系を有することを特徴とする走査型顕微鏡。

４−２８２乃至４−２０のいずれかにおいて、負屈折を示す媒質で形成された光学素子の前方に結像光学系を配設したことを特徴とする。

４−２９上記４−２８の光学系を有することを特徴とする光学装置。

４−３０上記４−２８の光学系を有することを特徴とする光ディスク装置。

４−３１上記４−２８の光学系を有することを特徴とする投影露光装置。

４−３２上記４−２８の光学系を有することを特徴とする投影装置。

４−３３上記４−２８の光学系を有することを特徴とする信号処理装置。

４ー３４上記４−２８の光学系を有することを特徴とする撮像装置。

４−３５上記２乃至４−２０の光学系を有することを特徴とする光学装置。

４−３６２乃至４−３５のいずれかにおいて、式（１２）を満たすもの。

４−３７２乃至４−３５のいずれかにおいて、負の屈折を示す媒質で形成された光学素子は前記１乃至１−１０のいずれかの構成を有する。

４−３８１−７乃至１−１０のレンズまたは光学素子を有し、前記基板が、前記結像光学系あるいは光学系の一部を構成することを特徴とする２乃至４−３６。

４−３９１−７乃至１−１０のレンズまたは光学素子を有し、前記基板が、前記結像光学系あるいは光学系の一部を構成し、前記基板が負屈折を示す媒質に対して物体と反対側にあることを特徴とする２乃至４−３６。

４−３９−１１−７乃至１−１０のレンズまたは光学素子を有し、前記基板が、前記結像光学系あるいは光学系の一部を構成し、かつ前記基板が前記結像光学系を構成する光学素子と接着されていることを特徴とする２乃至４−３６。

４−３９−２前記負屈折率を示す媒質と光学系を構成する光学素子とが接着あるいは一体化されていることを特徴とする３乃至４−３６。

４−４０前記基板の屈折率が式（１２）を満たす４−３８。

４−４１−１負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する結像光学系。

４−４１−２負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、それ以外の光学素子とを有する結像光学系。

４−４１−３負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、正の屈折率の媒質で形成された光学素子とを有する結像光学系。

４−４２−１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撮像光学系。

４−４２−２負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、それ以外の光学素子とを有することを特徴とする撮像光学系。

４−４２−２−１負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、それ以外の光学素子と撮像素子を有することを特徴とする撮像光学系。

４−４２−３負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、正の屈折率の媒質で形成された光学素子とを有することを特徴とする撮像光学系。

４−４２−３−１負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、正の屈折率の媒質で形成された光学素子と撮像素子とを有することを特徴とする撮像光学系。

４−４３−１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観察光学系。

４−４３−２負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、それ以外の光学素子とを有することを特徴とする観察光学系。

４−４３−３負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、正の屈折率の媒質で形成された光学素子とを有することを特徴とする観察光学系。

４−４４−１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信号処理光学系。

４−４４−２負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、それ以外の光学素子とを有することを特徴とする信号処理光学系。

４−４４−３負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、正の屈折率の媒質で形成された光学素子とを有することを特徴とする信号処理光学系。

５光源と微細構造を有する部材と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子とを有し、前記微細構造の結像を行うことを特徴とする光学装置。

５−０−１光源と微細構造を有する部材と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子とを順に配置し、前記微細構造の結像を行うことを特徴とする光学装置。

５−１光源とフォトマスクと負屈折を示す媒質で形成された光学素子とを順に配置し、ウエハーに露光を行うことを特徴とする露光装置。

５−２５乃至５−１のいずれかにおいて、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。

５−３式（４）を満たすことを特徴とする５−２。

但しＷＤは、前記負屈折を示す媒質と像面またはウエハーまでの距離
ｄは、前記負屈折を示す媒質と微細構造を有する部材またはフォトマスク
の距離
ｔは、前記負屈折を示す媒質の厚さ、である。

５−４５乃至５−３のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質の屈折率がおよそ−１であることを特徴とする。

５−４−１５乃至５−３のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質の屈折率が−１でなく、かつ式（１１）を満たすことを特徴とする。

５−５５乃至５−３のいずれかにおいて、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。

５−６５乃至５−５のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質と像面との距離が式（８）を満たすことを特徴とする。

５−７５乃至５−６のいずれかにおいて、式（８−２）を満たすことを特徴とする。

５−８５乃至５−７のいずれかにおいて、式（８−５）を満たすことを特徴とする。

５−８−１前記５乃至５−７のいずれかにおいて、負の屈折を示す媒質で形成された光学素子は前記１−８乃至１−１０のいずれかの構成を有する。

５−９１乃至５−８−１のいずれかにおいて、負屈折を示す媒質としてフォトニック結晶を用いたことを特徴とする。

５−９−１１乃至５−８のいずれかにおいて、負屈折を示す媒質としてフォトニック結晶を用い、かつフォトニック結晶のＺ軸が光学素子あるいは光学系の光軸方向を向いていることを特徴とする。

５−１０式（５−４）または式（５−５）または式（５−６）を満たすことを特徴とする５−９。

５−１１１乃至５−１０のいずれかにおいて、使用する光が単色光であることを特徴とする。

５−１２１乃至５−９のいずれかにおいて、使用する光の波長が０．１μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする。

５−１２−１２乃至５−１２のいずれかにおいて、光源を有することを特徴とする。

５−１３２乃至５−１２のいずれかにおいて、光源と前記光源の光によって物体あるいは結像部材が照明されることを特徴とする。

５−１４１乃至４−１５あるいは４−１７乃至５−１３のいずれかにおいて、エバネッセント波を結像に用いることを特徴とする。

５−１５２乃至５−１４のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質と、物体あるいは結像部材までの距離が可変できることを特徴とする。

６−１０．１乃至５−１５のいずれかにおいて、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。

６−１１．１乃至５−１５のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質の周囲は真空であることを特徴とする。

６−１１−１．１乃至５−１５のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質の周囲の屈折率が１であることを特徴とする。

６−１１−２．１乃至５−１５のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質の周囲あるいはその一部が液体であることを特徴とする。

６−１２．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が平行平板であることを特徴とする１−８乃至１−１０、または４−１１乃至５−１７。但し４−３７，４−３８、５−８−１は除く。

６−１３．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６−１２。

７−１．負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、
結像光学系と、を有し、
前記結像光学系の中間結像点から前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の表面までの距離の絶対値が０．１λ／Ａ（但し、Ａは前記結像光学系の中間結像点に於ける開口数である）以上であることを特徴とする光学装置。

７−２．負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、
結像光学系と、を有し、
前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子にもっとも近い前記結像光学系の光学面から、前記結像光学系の中間結像点までの距離の絶対値が０．１λ／Ａ（但し、Ａは前記結像光学系の中間結像点に於ける開口数である）以上であることを特徴とする光学装置。

７−３．光源と、
微細構造を有する部材と、
負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、を有し、
前記微細構造を有する部材と、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の表面との距離が０．１λ以上であることを特徴とする光学装置。

７−４．負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、
結像光学系と、を有し、
前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の厚さｔが、
（１７）０．１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ
（１８）０．０１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ
（１９）１１００ｎｍ≦ｔ≦２００ｍｍ
（２０）１００ｎｍ≦ｔ≦５０ｍｍ
のいずれか１つの条件を満たすことを特徴とする光学装置。

７−５．光源と、
微細構造を有する部材と、
負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、を有し、
前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の厚さｔが、
（１７）０．１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ
（１８）０．０１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ
（１９）１１００ｎｍ≦ｔ≦２００ｍｍ
（２０）１００ｎｍ≦ｔ≦５０ｍｍ
のいずれか１つの条件を満たすことを特徴とする光学装置。

７−６．負屈折を示す媒質で形成された光学素子を備えた光学系を有し、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光学系の光軸方向を向いていることを特徴とする光学装置。

７−７負屈折を示す媒質で形成された光学素子を備えた光学系を有し、前記光学系の光軸に沿って計った光学系の長さが２０ｍ以下であることを特徴とする。

８−１１乃至８−０のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質は、負屈折率媒質であることを特徴とする。

８−２１乃至８−０のいずれかにおいて、前記負屈折を示す媒質は完全結像の性質を示す媒質であることを特徴とする。

本発明の一実施形態であり、負屈折率媒質３０１を用いた落射型顕微鏡３０２の例である。図１の対物レンズ３０６近傍の拡大図を示す図である。本発明の他の実施形態であり、負屈折率媒質３０１を用いた透過型の顕微鏡３１５を示す図である。光ディスクの光学系３２０の実施形態である。投影露光装置の光学系の実施形態である。従来提案されている密着型のリソグラフィーを示す図である。シリコンウエハー３２６とポリマーフォトマスク３３０の間に、ポリマーフォトマスク３３０に密着、あるいはごく接近させて負屈折率媒質３０１の平行平板を配置した図である。負屈折率媒質でできたレンズ３０１−２を示す実施形態である。フォトニック結晶３４０の一例を示す図である。フォトニック結晶３４０の一例を示す図である。正の負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を用いた落射型顕微鏡３０２の例を示す図である。

符号の説明

３０１…負屈折率媒質、３０２…落射型顕微鏡、３０３…光源、３０４…照明レンズ、３０５…半透鏡、３０６…対物レンズ、３０６−１、３０６−２…レンズ、３０７…物体（標本）、３０８…接眼レンズ、３０９…眼、３４０…フォトニック結晶。

Claims

物体の側から、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、前記光学素子に続いて配された結像光学系と、を有する光学装置であって、
前記物体は、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子によって中間結像点として結像され、その結像された中間結像点は前記結像光学系によって再結像され、
前記中間結像点から前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の像側の表面までの距離が０．１λ／Ａ（但し、Ａは前記結像光学系の中間結像点に於ける開口数である）以上であることを特徴とする光学装置。
物体の側から、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、前記光学素子に続いて配された結像光学系と、を有する光学装置であって、
前記物体は、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子によって中間結像点として結像され、その結像された中間結像点は前記結像光学系によって再結像され、
前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子にもっとも近い前記結像光学系の光学面から、前記中間結像点までの距離が０．１λ／Ａ（但し、Ａは前記結像光学系の中間結像点に於ける開口数である）以上であることを特徴とする光学装置。
光源と、前記光源によって照射される物体と、前記物体から放射される光を伝播する負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、前記光学素子に続いて配された結像光学系と、を有する光学装置であって、
前記物体は、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子によって中間結像点として結像され、その結像された中間結像点は前記結像光学系によって再結像され、
前記物体と、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の前記物体側の表面との距離が０．１λ以上であることを特徴とする光学装置。
前記中間結像点から前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の像側の表面までの距離が0.005mm以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学装置。
前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の屈折率ｎは、 ―1.1＜ｎ＜―0.9の範囲にあることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光学装置。
前記光学素子と前記結像光学系との間、及び前記光学素子と前記物体との間は、液体で満たされており、前記液体の屈折率をｎ_Lとし、前記光学素子の真空に対する屈折率をｎ_vとしたときに、ｎ_v＝−ｎ_Lであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光学装置。
前記結像光学系は、屈折率が正の材料でできた第２の光学素子を有し、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子は、前記第２の光学素子上に設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の光学装置。
前記光源と前記物体との間に、前記物体を支持する透明媒体を備え、
前記光源は、前記透明媒体に対して全反射をする角度で入射することを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の厚さｔが、
（１７）０．１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ
（１８）０．０１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ
（１９）１１００ｎｍ≦ｔ≦２００ｍｍ
（２０）１００ｎｍ≦ｔ≦５０ｍｍ
のいずれか１つの条件を満たすことを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の光学装置。
前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子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光学系の光軸方向を向いていることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の光学装置。