JP4825053B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系及びそれを用いた光学装置に関するものである。

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並びに、それらを用いた光学装置には、以下のようなものがある（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、特許文献１、特許文献２参照）。

近接場ナノフォトニクス入門、Ｐ７〜Ｐ１４，Ｐ７４〜７５，Ｐ８６〜Ｐ８７ オプトロニクス社，２０００年４月２５日発行 上記の他、関連する文献として以下がある。 J.B.Pendry Phys. Rev.Lett., Vol85, 18(2000)3966-3969 M. Notomi Phy.Rev.B.Vol 62(2000) 10696 US 2003/0227415 A1 US 2002/0175693 A1 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

図１２は従来の近接場顕微鏡９０１の反射モードの構成を示す図である（非特許文献１参照）。光源３０３から出た光はハーフプリズム９０２、正の屈折率を有する物質でできた光学素子であるレンズ９０３を通り光ファイバプローブ９０４に入る。光ファイバプローブ９０４はコア９１０とクラッド９０９とからなるガラスファイバ９０５に金属コーティング９０６を施したものである。

光ファイバプローブ９０４に入った光は開口部９０７から出て観察対象としての物体３０７にあたる。物体３０７で反射された、エバネッセント波を含む光は開口部９０７を経て、ハーフプリズム９０２で反射され受光素子としてのフォトマルチプライヤ９０８に入り電気信号に変換される。

光ファイバプローブ９０４を主に横方向に走査することで電気信号から画像信号が得られる。

ここで開口部９０７と物体３０７の距離をＷＤ（Working Distance）とする。開口部９０７の大きさは数ナノメートルから数十ナノメートルである。

また、従来、結像（対象物の像の形成）、あるいは光スポットの形成を行うための各種の光学系においては、使用される光あるいは電磁波の波動性に起因する回折のため、解像力に限界があった。そこで、このような回折限界を越える結像を実現する技術として上述の非特許文献２では負屈折率媒質を用いることを開示している。

図１０はその説明図で、負屈折率媒質３０１で形成された平板３８０による結像のようすを示している。但し、
ｔ0 …物点と平板３８０左側面の距離
ｔ0′…像点と平板３８０右側面の距離
ｔ…平板３８０の厚さ
ｉ…入射角
ｒ…屈折角
ｎs …３０１の真空に対する屈折率
とする。

平板３８０の周囲の屈折率はｎ0 であり真空の場合ｎ0 ＝１である。図１０はｎ0 ＝１，ｎs ＝−１の場合を示している。

本願で“光”という言葉には電磁波も含むものとする。

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
ｎ0 ｓｉｎ ｉ＝ｎs ｓｉｎ ｒ …式（１０１）
であり、ｎ0 ＝１，ｎs ＝−１とすれば
ｒ＝−ｉ …式（１０２）
となる。従って、
ｔ0 ＋ｔ0′＝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ｔ0′のところで、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
ｎs ＝−ｎ0 …式（１０４）
を満たせば実現することが非特許文献２により知られている。

この時エバネッセント波の強さは、図１１に示すように物点からｚ方向に進むにつれて指数関数で減衰していき、負屈折率媒質３０１の内部では指数関数で増幅され、負屈折率媒質３０１を出たあと指数関数で再び減衰していく。

しかしながら、図１２の例では微弱なエバネッセント波を検出するために開口部９０７を物体３０７に数十ナノメータまで近づける必要があり、距離ＷＤが小さく、物体の種類が制限される、物体を傷つける可能性がある等の欠点があった。また、エバネッセント波は微弱であるため、ノイズが画像に入りやすい欠点があった。

本発明は、この点に鑑みるに、例えば、ＷＤが長く、ノイズの少ない光学系及びそれを用いた近接場顕微鏡等の光学装置を提供するものである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、第１の本発明によれば、光源と、
負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、
光検出用あるいは照明用の開口部材またはプローブと、を具備し、
物体から発せられたエバネッセント波の強度が、物体におけるエバネッセント波の強度よりも大きい領域に開口部材またはプローブを配置し、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と開口部材またはプローブの開口部との距離をｓ、負屈折率媒質と物体との距離をｔ0、負屈折率媒質の厚さをtとしたとき、
ｓ＜ｔ−ｔ0 …式（１９）
ｔ−ｔ0＞０ …式（２０）
を満たすことを特徴とする光学装置を提供できる。

また、第２の本発明によれば、光源と、
負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、
光散乱用の微小物体と、を具備し、
物体から発せられたエバネッセント波の強度が、物体におけるエバネッセント波の強度よりも大きい領域に光散乱用の微小物体を配置し、
負屈折を示す媒質で形成された光学素子と微小物体との距離をｓ、負屈折率媒質と物体との距離をｔ0、負屈折率媒質の厚さをtとしたとき、
ｓ＜ｔ−ｔ0 …式（１９）
ｔ−ｔ0＞０ …式（２０）
を満たすことを特徴とする光学装置を提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、
光検出用の開口部材またはプローブにより検出した光を電気信号に変換する際に、負屈折を示す媒質で形成された光学素子によるエバネッセント波の増幅率を考慮することが望ましい。

本発明によれば、ＷＤが長く、ノイズの少ない光学系及びそれを用いた近接場顕微鏡等の光学装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る、負屈折率媒質３０１を用いた近接場顕微鏡４０１の構成を示す図である。動作は次のとおりである。

水銀ランプ、レーザー、半導体レーザー等の光源３０３から出た光は、照明レンズ８９０、スライドグラス８９１を通り、物体３０７を照明する。

物体３０７を通った光は、負屈折率媒質３０１を通り、光ファイバプローブ９０４に入る。光ファイバプローブ９０４はガラスファイバ９０５に金属コーティング９０６を施したものである。物体３０７で散乱された、エバネッセント波を含む光は開口部９０７を経て、光ファイバプローブ９０４、レンズ９０３を通り、プリズム８９２で反射されフォトマルチプライヤ９０８に入り電気信号に変換される。

負屈折率媒質３０１と光ファイバプローブ９０４を一体で横方向に走査あるいは負屈折率媒質３０１を物体３０７に対して固定し、光ファイバプローブ９０４単独で走査することで電気信号から画像信号が得られる。

電気信号から画像信号への変換は、信号処理装置８９４で行われる。画像信号は、コンピュータ８９５で処理され、テレビモニタ８９６に画像が表示される。負屈折率媒質３０１の物体側面３１２と物体３０７との距離をｔ0とする。図１でｔ0はＷＤに等しい。負屈折率媒質３０１の上面３１０と開口部９０７との距離をｓとする。

本実施例では、開口部９０７の位置が上面３１０にごく接近しているのが特徴であり、
ｓ＜ｔ−ｔ0 …式（１９）
ｔ−ｔ0＞０ …式（２０）
を満たす。

従って、物体３０７と開口部９０７とは、式（１０３）で表される完全結像の関係にはない。このようにすると、図１１で示されるように、エバネッセント波の強度Ｅは、物体面でのエバネッセント波の強度Ｅ０よりも強くなり、ノイズの少ない画像信号が得られるのである。また、ｔ0の値は、式（１９）、式（２０）を満たす範囲で、ある程度任意に選べるので長いＷＤを実現できるのである。

図１１の点Ｑが開口部９０７の位置におけるエバネッセント波の強度Ｅ（ｔ0＋ｔ＋ｓ）を示している。開口部９０７のｚ座標は、ｔ0＋ｔ＋ｓとなっている。

一方で、エバネッセント波の強度の増幅率は、物体３０７の空間周波数成分により異なるので、コンピュータ８９５による画像処置が必要となる。

以下、この画像処理について詳述する。物体３０７からの放射光成分については、開口部９０７が負屈折率媒質３０１の上面３１０に接近しているので、エバネッセント波に比べて強度が弱いので無視することにする。

図２のように座標系をとる。ｘ軸は０点を通り、紙面に垂直で、裏面に向かう方向を正とする。

以下のように諸量を定義する。
８９８ …開口部９０７を走査する面でｚ軸に直交する面
Ｆ（ｘ、ｙ）…物体３０７の光強度分布
ｆ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）…物体３０７の光強度分布のフーリエ変換
Ｇ（ｘ、ｙ）…検出面８９８上のエバネッセント光強度分布
ｇ（ｋ_ｘ、ｋ_ｙ）…検出面８９８上のエバネッセント光強度分布のフーリエ変換
ｋ_ｘ …物体面の物体光の空間周波数の波数のｘ成分
ｋ_ｙ …物体面の物体光の空間周波数の波数のｙ成分
ｎ0 …物体３０７と物体側面３１２との間の媒質の屈折率
ｎｓ …負屈折率媒質３０１の屈折率
ｎ1 …上面３１０と検出面８９８との間の媒質の屈折率

ここで、Ｇは、光ファイバプローブ９０４の走査によって得ることができる。Ｆが求めたい量である。ｔ０、ｔ、ｓは、測定しておくことができる既知の量である。

ここで、ｃは真空中の光速度、
ωは用いる光の振動数に２πを掛けたものである。

とすれば、非特許文献２により、
ｇ＝ｆ・ｅｘｐ（−ｋ_ｚｔ0）・ｅｘｐ（＋ｋ_ｚ’ｔ）・ｅｘｐ（−ｋ_ｚ”ｓ）
・・・式（２３）
が得られる。

従って、
ｆ＝ｇ・ｅｘｐ（＋ｋ_ｚｔ0）・ｅｘｐ（−ｋ_ｚ’ｔ）・ｅｘｐ（＋ｋ_ｚ”ｓ）
・・・式（２４）
より、物体光強度分布のフーリエ変換が求まることになる。従って、ｆを逆フーリエ変換すれば、求めたいＦが得られるのである。

以上、式（２１）以後の計算（画像処理）は、コンピュータ８９５により行われる。また、この画像処理は、物体の撮像結果に定量性を要求しない場合等、行なわなくて良い場合がある。

本実施例としては、以下のパラメータを用いている。
ｔ0 ＝２００ｎｍ
ｔ ＝１０００ｎｍ
ｓ ＝３０ｎｍ
ｎ0 ＝ １．０００２８（空気の屈折率）
ｎｓ＝−１．０００２８
ｎ1 ＝ １．０００２８（空気の屈折率）
λ ＝５００ｎｍ

なお、λは用いる光の波長である。可視光の場合、λは３８０〜７００ｎｍである。
以上、ここまでは、
ｎｓ＝−ｎ0＝−ｎ1 式（２４−２）
であった。

しかしながら、
ｎｓ≠−ｎ0 …式（２５）
でも、ノイズ軽減、ＷＤ増大の効果はある程度実現できる。式（２５）の場合でも、式（２１）〜式（２４）は適用できる。

この場合、式（１９）、（２０）に代わって、少なくとも１組のｋ_ｘ、ｋ_ｙに対して、
ｅｘｐ（−ｋ_ｚｔ0）・ｅｘｐ（＋ｋ_ｚ’ｔ）・ｅｘｐ（−ｋ_ｚ”ｓ）＞１
…式（２０−２）
を満たすと良い。

また、本発明の他の実施例に係る近接場顕微鏡におけるパラメータの例を以下に掲げる。
ｔ0 ＝４００ｎｍ
ｔ ＝１５００ｎｍ
ｓ ＝５０ｎｍ
ｎ0 ＝１．３３（水（Ｈ_２Ｏ）の屈折率）
ｎｓ＝−２
ｎ１＝１．０００２８（空気の屈折率）
λ ＝６５０ｎｍ

また、本発明のさらに他の実施例に係る近接場顕微鏡におけるパラメータの例を以下に掲げる。
ｔ0 ＝１００ｎｍ
ｔ ＝２００ｎｍ
ｓ ＝２０ｎｍ
ｎ0 ＝１．０（真空の屈折率）
ｎｓ＝−３
ｎ１＝１．０
λ ＝８００ｎｍ

本願に共通して言えることであるが、ｓについては小さいほうがエバネッセント波の増幅率が高くなるので良く、
ｓ＜３００λ …式（２５−１）
あるいは
ｓ＜３０λ …式（２５−２）
を満たすと良い。
ｓ＜３λ …式（２５−３）
を満たすとなお良い。
ｓ＜λ／３ …式（２５−４）
を満たすとさらに良い。

また、ｔ０については、負屈折率媒質３０１によってエバネッセント波が増幅される以前に小さくなりすぎないために、
ｔ０＜５００λ …式（２６）
とするのが良い。
ｔ０＜２０λ …式（２６−２）
とすればなお良い。
ｔ０＜λ …式（２６−３）
とすればさらに良い。

図３は、本発明の一実施形態に係る、負屈折率媒質３０１を用いた近接場顕微鏡４０１−２の反射モードの構成を示す図である。動作は次のとおりである。

水銀ランプ、レーザー、半導体レーザー等の光源３０３から出た光はハーフプリズム９０２、レンズ９０３を通り光ファイバプローブ９０４に入る。光ファイバプローブ９０４はガラスファイバ９０５に金属コーティング９０６を施したものである。

光ファイバプローブ９０４に入った光は開口部９０７から出て負屈折率媒質３０１を通り物体３０７にあたる。物体３０７で反射された、エバネッセント波を含む光は開口部９０７を経て、ガラスファイバ９０５を通り、ハーフプリズム９０２で反射されフォトマルチプライヤ９０８に入り電気信号に変換される。

負屈折率媒質３０１と光ファイバプローブ９０４を一体で横方向に走査あるいは負屈折率媒質３０１を物体３０７に対して固定し、光ファイバプローブ９０４単独で走査することで電気信号から画像信号が得られる。この例では負屈折率媒質３０１を逆方向に計２回光が通過している。

フォトマルチプライヤ９０８以降の信号処理は、図１の例と同じである。反射モードの光学系のため物体３０７が不透明でも観察できるメリットがある。

図４は、本発明の他の実施形態であり、負屈折率媒質３０１を用いた透過型の近接場顕微鏡３１５を示している。図４では照明光学系３１６と負屈折率媒質３０１の近傍のみを拡大して図示してある。

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の物体３１４側の面３１８に入射する。観察対象としての物体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。物体３１４からの散乱光は負屈折率媒質３０１で屈折され、開口部９０７に入る。そして、光ファイバプローブ９０４により走査されて観察される。フォトマルチプライヤ９０８以後の信号処理は、図１の例と同じである。

式（１９）、（２０）、（２０−２）、（２１）〜（２４）はこの例でも同様にあてはまる。本構成によれば、照明光によるノイズを低減できる。

図５は、本発明の他の実施形態であり、光散乱用の微小物体としてのカンチレバー９１１を用いた原子間力顕微鏡型近接場顕微鏡９１２である。カンチレバー９１１の代わりに微小球を用いてもよい。照明光学系３１６の構成は図４と同じである。

物体３１４から発せられた光はカンチレバー９１１の先端により散乱される。このときの散乱光がレンズ３０６に入り、図示していないフォトマルチプライヤに入射し、電気信号に変換される。電気信号の処理は、図１の例と同じである。

カンチレバー９１１を負屈折率媒質３０１と一体、あるいは別体で物体３１４に対して走査することで物体像が得られる。従来の原子間力顕微鏡型近接場顕微鏡に比べ作動距離（ＷＤ）を長くとれるのがメリットである。式（１９）、（２０）、（２０−２）、（２１）〜（２４）は、この例にも同様にあてはまる。

図６は、ピンホール９１５を有する板９１６（開口部材）と、負屈折率媒質３０１を併用した近接場顕微鏡９１８である。照明光学系３１６の構成は図４と同じである。

ピンホール９１５は図４の例における開口部９０７と同等の役割をはたし、板９１６を負屈折率媒質３０１と一緒に、あるいは負屈折率媒質３０１とは別に、物体３１４に対して主に横方向に走査することで画像が得られる。ピンホール９１５の大きさは数ｎｍ〜数十ｎｍである。

物体３１４から発した光は、ピンホール９１５を通過してフォトマルチプライヤ９０８に入り、電気信号に変換される。そしてそれを画像処理することで画像が得られる。フォトマルチプライヤ９０８以後の信号処理は、図１の例と同じである。式（１９）、（２０）、（２０−２）、（２１）〜（２４）は、この例でも同様にあてはまる。

なお、負屈折率媒質３０１の形状についてであるが、図１，図３，図４，図５，図６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。

図７に示すように負屈折率媒質で形成され、かつ物体側に凸面を有する負屈折率媒質レンズ３０１−３を用いても良い。図７において負屈折率媒質レンズ３０１−３は片側が平面で、もう一方の面が凸の曲面であるが、両凸レンズ、平凹レンズ、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。

負屈折率媒質レンズ３０１−３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。

なお、負屈折率媒質レンズ３０１−３の屈折率は−１でなくともよい。

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８は、フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示し、図９は、フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示している。図８、図９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 、ＴｉＯ₂ 、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あるいは透磁率μが負、例えば−１の物質等を用いてもよい。

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。本願ではこれらの負屈折率媒質、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あるいは透磁率μが負の物質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又は透磁率μが負の物質の場合、次式を満たすと良い。

ε’＝ε／εｃ …式（５−６−１）
μ’＝μ／μｃ …式（５−６−２）
で、ε’、μ’を定義する。
但し、
εｃは、ｔ０の部分の媒質の誘電率
μｃは、ｔ０の部分の媒質の透磁率
である。

この時、
−１．２＜ε’＜−０．８ …式（５−７）
を満たすとよい。用途によっては、
−１．６＜ε’＜−０．５ …式（５−８）
でもよい。透磁率がほぼ−１の物質の薄膜の場合は、式（５−７）、式（５−８）のε’をμ’で置き換えれば良い。また、本願で完全結像という用語を用いた場合、１００％完全結像が行われない場合も含むものとする。例えば、回折限界の数倍結像性能が向上している場合も完全結像に含むものとする。結像性能が回折限界よりも数十％向上している場合も完全結像に含むものとする。

用いる光の波長としては実施形態で述べたものの他、これら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しやすいのでなお良い。

ＷＤがある程度確保できるのであればｔ0 は小さいほど良いのであるが
ｔ0 ≦１００００λ …式（１８−１）
あるいは、
ｔ0 ≦１０００λ …式（１８−２）
でも製品によっては許容できる。

ｔ0 ≦１００λ …式（１８−３）
とすればエバネッセント波を有効に利用でき良い。

ｔ0 ≦５λ …式（１８−４）
とすればさらに良い。

ｔ0 の値を小さくすることで、負屈折率媒質３０１の大きさを小さくすることもできるので良い。

また、ｔ0 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を透明な平板上に形成し、配置してもよい。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。

また、負屈折率媒質３０１の屈折率をｎｓとすると、ｎｓ＜０である。負屈折率媒質３０１が平行平板の場合、理想的にはｎｓ／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ｎｓ／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。

−１．１＜ｎｓ／ｎ０＜−０．９ …式（９）
ｎｓ／ｎ０の値が上記をはずれると、解像度が低下する。製品によっては
−１．５＜ｎｓ／ｎ０＜−０．５ …式（１０）
であれば良い。

用途によっては
−３＜ｎｓ／ｎ０＜−０．２ …式（１１）
でも良い場合がある。

なお本願の実施例に共通して言えることであるが、負屈折率媒質３０１の周囲は空気又は真空、水、油等としてもよい。

また図１、図３、図４、図５、図６、図７の例でｔ0 の部分を水、油等の液体で満たしてもよい。このようにするとｎｓ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。

負屈折率媒質３０１の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作りやすく、取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。

取扱いが容易で結像性能の良い光学装置が得られる。

空気の真空に対する屈折率をｎA とする。１気圧、波長５００ｎｍのときｎA ＝１．０００２８１８である。

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作動距離を大きく取る方がよい。式（１９）から作動距離はｔと同程度の値となる。従って
０．１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ …式（１５−２）
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（１６−２）
でも許容される。

用途によっては
１１００ｎｍ≦ｔ≦２００ｍｍ …式（１７）
あるいは負屈折率媒質３０１に光の吸収がある場合などでは
３０ｎｍ≦ｔ≦５０ｍｍ …式（１８）
でも許容できる場合がある。

また式１５−２あるいは１６−２を満せば、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、光学装置組立時の取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（１７）、（１８）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４参照）。

なお、負屈折率媒質を含む光学系の光軸に沿って計った長さは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。

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、近接場顕微鏡等がある。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（ｈｅａｄ ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ：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、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。

本発明は、また以下のような種々の特徴を備えたものである。
（付記）
２０．光源と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、光検出用あるいは照明用の開口部材またはプローブと、を具備し、物体から発せられたエバネッセント波の強度が、物体におけるエバネッセント波の強度よりも大きい領域に前記開口部材またはプローブを配置したことを特徴とする光学装置。

２０−１．光源と、光検出用あるいは照明用のプローブと、物体と前記開口部材またはプローブとの間に配置された負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、を具備し、物体から発せられたエバネッセント波の強度が、物体におけるエバネッセント波の強度よりも大きい領域に前記開口部材またはプローブを配置したことを特徴とする光学装置。

２０−２．光源と、光検出用あるいは照明用のプローブと、物体と前記開口部材またはプローブとの間に配置された負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、を具備し、式（１９，かつ２０），または式２０−２を満たすことを特徴とする光学装置。

３０．光源と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、光検出用あるいは照明用の開口部材またはプローブと、を具備し、前記開口部材またはプローブにより検出した光を電気信号に変換する際に、負屈折を示す媒質で形成された光学素子によるエバネッセント波の増幅率を考慮することを特徴とする光学装置。

３０−１．光源と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、光検出用あるいは照明用の開口部材またはプローブと、前記開口部材またはプローブにより検出された光を電気信号に変換する変換素子とを具備し、該電気信号を画像信号に変換する際に、負屈折を示す媒質で形成された光学素子によるエバネッセント波の増幅率を考慮することを特徴とする光学装置。

３０−２．光源と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、光検出用あるいは照明用の開口部材またはプローブと、前記開口部材またはプローブにより検出された光を電気信号に変換する変換素子とを具備し、該電気信号を画像信号に変換する際に、負屈折を示す媒質で形成された光学素子によるエバネッセント波の増幅率を考慮することを特徴とする光学装置。

３０−３．光源と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、光検出用あるいは照明用の開口部材またはプローブと、前記開口部材またはプローブにより検出された光を電気信号に変換する変換素子とを具備し、該電気信号を画像信号に変換する際に、式２４．に従うことを特徴とする光学装置。

４０．光源と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、光散乱用の微小物体と、を具備し、物体から発せられたエバネッセント波の強度が、物体におけるエバネッセント波の強度よりも大きい領域に前記光散乱用の微小物体を配置したことを特徴とする光学装置。

４０−１．光源と、光散乱用の微小物体と、物体と、前記微小物体との間に配置され、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、前記微小物体により散乱された光を集光する光学系と、前記光学系により集光された光を電気信号に変換する変換素子と、を具備し、物体から発せられたエバネッセント波の強度が、物体におけるエバネッセント波の強度よりも大きい領域に前記光散乱用の微小物体を配置したことを特徴とする光学装置。

４０−１−１．前記電気信号を画像信号に変換する際に、負屈折を示す媒質で形成された光学素子によるエバネッセント波の増幅率を考慮することを特徴とする４０−１．の光学装置。

５０．前記物体に対して前記開口部材またはプローブまたは前記微小物体を走査することを特徴とする２０．〜４０−１−１．のいずれか１つに記載の光学装置。

５１．前記物体に対して前記開口部材またはプローブまたは微小物体を、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子と共に走査することを特徴とする２０．〜４０−１−１．のいずれか１つに記載の光学装置。

５２．式２５を満たすことを特徴とする２０．乃至５１．のいずれか１つに記載の光学装置。

５３．式２６または式１８−１を満たすことを特徴とする２０．乃至５１．のいずれか１つに記載の光学装置。

６０．前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子は平行平板であることを特徴とする２０．〜５１.のいずれか１つに記載の光学装置。

６０−１．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)のいずれかを満たす２０．乃至６０のいずれか１つに記載の光学装置。

６１．屈折率が正の材料で形成された光学素子を有し、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子は、前記屈折率が正の材料で形成された光学素子を基板として前記基板上に形成されていることを特徴とする２０．〜６０．のいずれか１つに記載の光学装置。

６５．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２０．〜６１．のいずれか１つに記載の光学装置。

６６．前記負屈折を示す媒質を光が複数回通過することを特徴とする２０．〜６５．のいずれか１つに記載の光学装置。

６７．受光素子を有することを特徴とする２０．〜６６のいずれか１つに記載の光学装置。

６８．前記負屈折を示す媒質と、前記物体までの距離は可変である２０．〜６７のいずれか１つに記載の光学装置。

６９．使用する光は単色光であることを特徴とする２０．〜６８.のいずれか１つに記載の光学装置。

７０．使用する光の波長は0.1μｍ以上かつ３μｍ以下であることを特徴とする２０．〜６９.のいずれか１つに記載の光学装置。

７１．前記負屈折を示す媒質はフォトニック結晶であることを特徴とする２０．〜７０．のいずれか１つに記載の光学装置。

７１−１．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７１．に記載の光学装置。

７１−２．式（５−４）、（５−５）、（５−６）のいずれか１つを満たすことを特徴とする７１に記載の光学装置。

７２．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２０〜７０．のいずれか１つに記載の光学装置。

７２−２．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２０．乃至７０．のいずれか１つに記載の光学装置。

７２−３．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２０．乃至７０．のいずれか１つに記載の光学装置。

７２−４．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２０．乃至７０．のいずれか１つに記載の光学装置。

７３．前記光学装置が近接場顕微鏡であることを特徴とする２０乃至７２−４のいずれか１つに記載の光学装置。

７５．前記近接場顕微鏡が反射型であることを特徴とする７３．の光学装置。

７６．前記近接場顕微鏡が透過型であることを特徴とする７３．の光学装置。

７７．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光学系を備えた２０乃至７３のいずれか１つに記載の光学装置。

７８．光源が、レーザであることを特徴とする２０乃至７３のいずれか１つに記載の光学装置。

７９．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２０．乃至７３のいずれか１つに記載の光学装置。

８０．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２０．乃至７３のいずれか１つに記載の光学装置．

本発明の一実施形態に係る、負屈折率媒質３０１を用いた近接場顕微鏡４０１の構成を示す図である。 物体面と負屈折率媒質と検出面との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る、負屈折率媒質３０１を用いた近接場顕微鏡４０１の構成を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態であり、負屈折率媒質３０１を用いた透過型の近接場顕微鏡３１５を示す図である。 本発明の別の実施形態であり、光散乱用の微小物体としてのカンチレバー９１１を用いた原子間力顕微鏡型近接場顕微鏡９１２を示す図である。 ピンホール９１５を有する板９１６と負屈折率媒質３０１を併用した近接場顕微鏡３１８を示す図である。 物体側に凸面を有する負屈折率媒質レンズ３０１−３を用いた実施形態を示す図である。 負屈折率媒質３０１の具体的な物質としてのフォトニック結晶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。 負屈折率媒質３０１を用いた具体的な構成を説明するための図である。 エバネッセント波の強さが変化する様子を示す図である。 従来の近接場顕微鏡９０１の構成を示す図である。

符号の説明

３０１ 負屈折率媒質
３０３ 光源
３０７ 物体
３１０ 上面
３１２ 物体側面
３１４ 物体
３１５ 近接場顕微鏡
３１７ プリズム
３１８ 面
４０１ 近接場顕微鏡
４０１−２ 近接場顕微鏡
８９０ 照明レンズ
８９１ スライドグラス
８９４ 信号処理装置
８９５ コンピュータ
８９６ テレビモニタ
８９８ 検出面
９０２ ハーフプリズム
９０３ レンズ
９０４ 光ファイバプローブ
９０５ ガラスファイバ
９０６ 金属コーティング
９０７ 開口部
９０８ フォトマルチプライヤ
９１１ カンチレバー
９１２ 原子間力顕微鏡近接場顕微鏡

Claims (3)

1. 光源と、
   負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、
   光検出用あるいは照明用の開口部材またはプローブと、を具備し、
   物体から発せられたエバネッセント波の強度が、前記物体におけるエバネッセント波の強度よりも大きい領域に前記開口部材または前記プローブを配置し、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子と前記開口部材または前記プローブの開口部との距離をｓ、前記負屈折率媒質と物体との距離をｔ0、前記負屈折率媒質の厚さをtとしたとき、
   ｓ＜ｔ−ｔ0 …式（１９）
   ｔ−ｔ0＞０ …式（２０）
   を満たすことを特徴とする光学装置。
2. 光源と、
   負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、
   光散乱用の微小物体と、を具備し、
   物体から発せられたエバネッセント波の強度が、前記物体におけるエバネッセント波の強度よりも大きい領域に前記光散乱用の微小物体を配置し、
   前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子と前記微小物体との距離をｓ、前記負屈折率媒質と物体との距離をｔ0、前記負屈折率媒質の厚さをtとしたとき、
   ｓ＜ｔ−ｔ0 …式（１９）
   ｔ−ｔ0＞０ …式（２０）
   を満たすことを特徴とする光学装置。
3. 光検出用の前記開口部材または前記プローブにより検出した光を電気信号に変換する際に、負屈折を示す媒質で形成された光学素子によるエバネッセント波の増幅率を考慮することを特徴とする請求項１に記載の光学装置。

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