JP4947889B2 - 光学系及び光学装置 - 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。
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 図１０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。

しかしながら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。

本発明は、この点に鑑みるに、例えば本願は、ＷＤの長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。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る光学系は、物体から出た光を検出する光検出手段と、前記光検出手段と前記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、前記光学素子と前記光検出手段との間に配置され、前記光学素子からの光を前記光検出手段へと導く穴を有する開口部と、を具備し、前記開口部は、前記光学素子によって屈折された光の集光位置の近傍に配置されており、前記光の波長をλ、前記開口部と前記光の集光位置との間の距離をＰとしたとき、０≦Ｐ≦１０λを満たす。
また、第２の態様に係る光学系は、第１の態様に係る光学系において、前記開口部を有するプローブをさらに具備する。
また、第３の態様に係る光学系は、第１または第２の態様に係る光学系において、前記光学系は、さらに前記物体に光を照射する照射手段を有し、前記光検出手段は、前記照射手段による照射によって前記物体から出た光を検出する。
また、第４の態様に係る光学系は、第３の態様に係る光学系において、前記光学素子は、前記照射手段と前記物体との間に配置されている。
また、第５の態様に係る光学系は、第３または第４の態様に係る光学系において、前記物体は、前記照射手段と前記光検出手段の間に配置されている。
また、第６の態様に係る光学系は、第３から第５のいずれか１つの態様に係る光学系において、前記照射手段は、エバネッセント光発生手段をさらに備える。
また、第７の態様に係る光学系は、第１から第６のいずれか１つの態様に係る光学系において、前記光検出手段は結像光学系である。
また、第８の態様に係る光学系は、第３から第７のいずれか１つの態様に係る光学系において、前記照射手段は、結像光学系である。
また、第９の態様に係る光学系は、第１から第８のいずれか１つの態様に係る光学系において、 前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を、光が複数回通過する。
また、第１０の態様に係る光学系は、第１から第９のいずれか１つの態様に係る光学系において、前記ＷＤと前記ｄとは、ｄ＜ＷＤの関係を満たす。

また、第１１の態様に係る近接場顕微鏡は、第１から第１０のいずれか１つの態様に係る光学系を備える。

また、第１２の態様に係る光ディスク装置は、第１から第１０のいずれか１つの態様に係る光学系を備える。

本発明によれば、例えばＷＤの長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ことができる。

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図１の矢印のように進み結像点ＦＦに結像する。結像点ＦＦに結像した光は開口部９０７を経て、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。

ここで開口部９０７と物体３０７の距離をＷＤとする。また、結像点ＦＦと開口部９０７の距離をＰとする。

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は結像点ＦＦと負屈折率媒質３０１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。

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。近接場顕微鏡４０１の周囲の屈折率は１である。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。

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１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
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、屈折の法則により、
ｓｉｎ ｒ＝（１／ｎ）ｓｉｎ ｉ …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。

Ｐの値は、
０≦Ｐ≦λ …式（０）
であり、結像点ＦＦは開口部９０７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≦Ｐ≦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０．４μｍ〜０．７μｍである。

このようにして、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、高解像度の近接場顕微鏡が実現できる。

なお、用途によっては、
０≦Ｐ≦１０００λ …式（０−１−０）
でもよい。

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、Ｐが０〜数十ｎｍであれば、結像性能は図１０の近接場顕微鏡とほぼ同等である。

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）と光ファイバプローブ９０４とを組合せて配置したことを特徴とする。この実施形態では負屈折率媒質３０１の像側にファイバプローブ９０４を配置した構成となっている。

さらに、負屈折率媒質３０１によって結像された物体像をファイバプローブ９０４によって検出することも特徴の一つである。また、図１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を透過することも特徴の一つとなっている。

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。

０．５（ＷＤ＋ｄ）≦ｔ≦１．５（ＷＤ＋ｄ） …式（２）
であればよい。

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

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２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２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、結像点ＦＦ近傍に完全結像される。そして、ファイバプローブ９０４により走査されて観察される。

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

図３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２と同じである。

結像点ＦＦに完全結像した標本像はカンチレバー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。

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。

図４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２と同じである。

ピンホール９１５は図２の例では開口部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、結像点ＦＦに完全結像し、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。

図５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ＤＶＤ等の光ディスク装置の例である。

光源としての半導体レーザー３２１から出た光はハーフプリズム９０２，レンズ９０３を通りガラスファイバ９０５に入射する。

ガラスファイバ９０５に入った光は開口部９０７を経て負屈折率媒質３０１に入り、完全結像が実現されて微小な光スポットを光ディスク３２３上に結像させることにより、光ディスク３２３への書き込みが行なわれる。読み出しの場合は半導体レーザー３２１からの光で照明された光ディスク３２３は光を反射し、結像点ＦＦに完全結像した光スポットをファイバプローブ９０４で拾い、ガラスファイバ９０５，レンズ９０３，ハーフプリズム９０２を経てフォトディテクター３２４により信号が検出される。

光ディスク３２３のピットが高密度でも読み書きできるのが特徴である。この例では読み出し時、負屈折率媒質３０１を逆方向に計２回光が通過している。図５の書き込み時の構造はフォトディテクター３２４を、フォトレジストを塗布したシリコンウェハーで置き換えれば走査型のリソグラフィー用の露光装置にも利用できる。

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。

図６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。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６において負屈折率媒質レンズ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７は、フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示し、図８は、フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示している。図７，図８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。

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、媒質の誘電率εが−１で、かつ、媒質の透磁率μが−１のとき、媒質の屈折率が−１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単色光の光源のほか、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。

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
５ｎｍ≦ＷＤ≦２００ｍｍ …式（８）
でも許容できる。

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。

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。

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とファイバプローブ９０４とが密着あるいは接着されていてもよい。

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。

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９に正の屈折率を有する材料でできた平板３５０を基板としてその上に形成した負屈折率媒質３０１を用いた近接場顕微鏡４０１の例を示した。このような構成の光学系は、図２、図３、図４、図５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＝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（８−５）
まで許容できる。

条件によっては、λ≦｜Δ｜＜２０λ …式（８−５−１）としてもよい場合もある。

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のうちのほとんどでは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。

平板３５０の屈折率をＮとすると、Ｎは小さいほど解像度が上がるので良い。

Ｎ≦２ …式（１２）
とすれば、広い用途に利用できる。

Ｎ≦１．６ …式（１３）
とすればなお良い。

上記した実施形態によれば、ＷＤの長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ことができる。

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、負屈折率物質３０１の屈折率ｎは周囲が空気の場合には空気に対する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空気のゆらぎによる解像度の低下がなく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。

負屈折率物質３０１の真空に対する屈折率をｎV 、空気の真空に対する屈折率をｎA とする。

１気圧、波長５００ｎｍ（ナノメートル）のとき、ｎA＝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
ｎV ＝−ｎA 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
ｎV ＝−１．０ 式（１６）である。

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．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、
を具備することを特徴とする光学系。

１−１．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、
を具備することを特徴とする光学系。

２．光源と、
光検出用あるいは照明用の開口部材またはプローブと、
物体と、前記開口部材またはプローブとの間に配置され、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、
を具備することを特徴とする光学装置。

３．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、
を具備することを特徴とする光学系。

３−１．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、
を具備することを特徴とする光学系。

４．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、
を具備することを特徴とする光学装置。

５．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１〜４のいずれか１つに記載の光学装置。

５−１．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１〜４のいずれか１つに記載の光学装置。

６．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１〜５−１のいずれか１つに記載の光学装置。

７．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１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

８．屈折率が正の材料で形成された透明平板を有し、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透明平板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１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

９．実施形態の式（0-1-0）を満たすことを特徴とする１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

１０．実施形態の式（３）を満たすことを特徴とする１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

１１．実施形態の式（８）を満たすことを特徴とする１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

１２．実施形態の式（８−２）を満たすことを特徴とする１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

１３．実施形態の式（８−２−１）を満たすことを特徴とする１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

１４．実施形態の式（８−５）を満たすことを特徴とする１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

１５．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１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

１６．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１〜６のいずれか１つに記載の光学装置。

１７．受光素子を有することを特徴とする１〜１６のいずれか１つに記載の光学装置。

１８．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１〜１７のいずれか１つに記載の光学装置。

１９．使用する光は単色光であることを特徴とする１〜１７のいずれか１つに記載の光学装置。

２０．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１〜１７のいずれか１つに記載の光学装置。

２１．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１〜１７のいずれか１つに記載の光学装置。

２１−１．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２１に記載の光学装置。

２２．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１〜１５のいずれか１つに記載の光学装置。

２３．１、１−１、３、３−１のいずれか１つに記載の光学系を備えたことを特徴とする近接場顕微鏡。

２３−１．前記光学装置は近接場顕微鏡であることを特徴とする２、４のいずれか１つに記載の光学系を備えたことを特徴とする光ディスク装置。

２４．１、１−１のいずれか１つに記載の光学系を備えたことを特徴とする光ディスク装置。

２４−１．前記光学装置は光ディスク装置であることを特徴とする２記載の光学装置。

２５．１、１−１のいずれか１つに記載の光学系を備えたことを特徴とする露光装置。

２５−１．前記光学装置は露光装置であることを特徴とする２に記載の光学装置。

２６．さらに正の屈折率を有する物質で形成された光学素子を有することを特徴とする１〜４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。 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を示す図である。 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。 本発明の他の実施形態であり、負屈折率媒質３０１を用いたＤＶＤ等の光ディスク装置の例を示す図である。 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。 正の屈折率を有する材料でできた平板３５０を基板としてその上に形成した負屈折率媒質３０１を用いた近接場顕微鏡４０１の例を示す図である。 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 負屈折率物質
３０３ 光源
３０７ 物体
４０１ 近接場顕微鏡
９０２ ハーフプリズム
９０３ レンズ
９０４ 光ファイバプローブ
９０７ 開口部
９０８ フォトマルチプライヤ
ＦＦ 結像点

Claims (12)

1. 物体から出た光を検出する光検出手段と、
   前記光検出手段と前記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、
   前記光学素子と前記光検出手段との間に配置され、前記光学素子からの光を前記光検出手段へと導く穴を有する開口部と、を具備し、
   前記開口部は、前記光学素子によって屈折された光の集光位置の近傍に配置されており、 前記光の波長をλ、前記開口部と前記光の集光位置との間の距離をＰとしたとき、０≦Ｐ≦１０λを満たすことを特徴とする光学系。
2. 前記開口部を有するプローブをさらに具備したことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記光学系は、さらに前記物体に光を照射する照射手段を有し、
   前記光検出手段は、前記照射手段による照射によって前記物体から出た光を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
4. 前記光学素子は、前記照射手段と前記物体との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
5. 前記物体は、前記照射手段と前記光検出手段の間に配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光学系。
6. 前記照射手段は、エバネッセント光発生手段をさらに備えることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 前記光検出手段は結像光学系であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学系。
8. 前記照射手段は、結像光学系であることを特徴とする請求項３から７のいずれか一項に記載の光学系。
9. 前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を、光が複数回通過することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光学系。
10. 前記ＷＤと前記ｄとは、ｄ＜ＷＤの関係を満たすことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光学系。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の光学系を備えた近接場顕微鏡。
12. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の光学系を備えた光ディスク装置。

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