JP4947980B2 - 光学系 - Google Patents

Description

本発明は、負屈折を示す媒質及びこのような媒質で形成された光学素子を含む光学系に関する。

光あるいは電磁波を用いた光学素子、撮像光学系、観察光学系、投影光学系、信号処理系等の光学系及びそれらを用いた光学装置が従来より知られている。これらの光学系は光あるいは電磁波の波動性のために生ずる回折の為に、解像が制限される欠点があった。

そこでこの回折限界を越える結像を実現する技術として以下の非特許文献２，５等では負屈折率媒質を用いることが記されている。

図１６は、その説明図で、負屈折率媒質３０１で形成された平行平板３８０による結像を示したものである。図１６において、
ｔ₀ …物点と平板３８０の左側面の距離
ｔ₀′…像点と平板３８０の右側面の距離
ｔ…平板３８０の厚さ
ｉ…入射角
ｒ…屈折角
ｎ_s …負屈折率媒質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１６はｎ₀ ＝１，ｎ_s ＝−１の場合を示している。

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＝ｎ_s sin ｒ …式（１０１）
であり、ｎ₀ ＝１，ｎ_s ＝−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
ｎ_s ＝−ｎ₀ …式（１０４）
を満たせば実現することが以下の非特許文献２により知られている。
光学系の仕組みと応用、７３−７７，１６６−１７０ オプトロニクス社、２００３年 J.B.Pendry Phys. Rev. Lett., Vol 85,18(2000) 3966-3969 M. Notomi Phys. Rev. B. Vol 62(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 ＵＳ ２００３／０２２７４１５ Ａ１ ＵＳ ２００２／０１７５６９３ Ａ１

しかしながら非特許文献４によれば、負屈折率媒質３０１には色分散（光の振動数ωが変化すると屈折率が変化する）があることが知られている。

このために図１６の系で物点から出る光が単色光の場合は良いとしても波長幅を持った光を発する場合あるいは波長が時間的に変動する場合などでは、光の振動数によっては式（１０４）が成り立たず、ぼけた結像になる欠点があった。

なお ω＝２π／Ｔ
であり、Ｔは光あるいは電磁波の振動の周期である。

この点を鑑みるに、本発明は、色分散による結像のボケを軽減した負屈折を示す媒質及びこのような媒質で形成された光学素子を含む光学系等を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る発明は、光学系であって、各々が負屈折を示す媒質で形成された複数の光学素子を有し、前記複数の光学素子には色分散の符号が互いに異なる光学素子が含まれており、前記複数の光学素子は、光学素子の数をＮ、ｉ番目の光学素子の厚さをｔ _ｉ 、ｉ番目の光学素子の真空に対する屈折率をｎ _ｉ 、光の振動数をωとしたときの、

における左辺の各項のうちで正又は０の項だけの和をＧ _＋ 、負の項だけの和をＧ ₋ としたとき、

で定義されるＨ _Ｎ が、
０．２≦Ｈ _Ｎ ≦５
を満たす。

また、本発明の第２の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記複数の光学素子は、０．４≦Ｈ _Ｎ ≦２．５を満たす。
また、本発明の第３の態様に係る発明は、第２の態様に係る発明において、前記複数の光学素子は、０．７≦Ｈ _Ｎ ≦１．４を満たす。

また、本発明の第４の態様に係る発明は、第１乃至３の何れかの態様に係る発明において、前記複数の光学素子のうちの２つは色分散の符号が互いに異なっており、前記２つの光学素子のうち、複素屈折率の虚数部分の絶対値の大きい方の前記負屈折を示す媒質の色分散の絶対値がもう一方より大きいことを特徴とする前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を含む。
また、本発明の第５の態様に係る発明は、第１乃至３の何れかの態様に係る発明において、前記複数の光学素子のうちの２つは色分散の符号が互いに異なっており、前記２つの光学素子のうち複素屈折率の虚数部分の絶対値が大きい方の媒質の厚さが他方の媒質の厚さよりも薄い。

本発明によれば、負屈折を示す媒質及び負屈折を示す媒質で形成された光学素子を含む光学系の色分散による結像のボケを軽減できる。

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において、それぞれが負屈折率媒質３８３、３８４で形成された光学素子としての平行平板（以下、単に平板と称す）３８１，３８２を並べて配置した負屈折率媒質３８５を示している。この系において物点から出た光の放射光成分が、光の振動数ωが多少変化しても、完全結像すべき位置に結像するための条件を求めてみる。

説明を簡単にするためにｔ₀′＝０つまり像点は平板３８２の右側の面上にあるものとする。

図１において、ｘ軸は紙面の表から裏面に向う方向が正である。ｙ軸は上方が正、ｚ軸は右側が正であり、平板３８１，３８２の光入出射面はｚ軸に垂直となっている。

ｔ₁ …平板３８１の厚さ
ｔ₂ …平板３８２の厚さ
θ₀ …平板３８１の光線の入射角
θ₁ …平板３８１左面での光線の屈折角
θ₂ …平板３８２左面での光線の屈折角
ｈ…平板３８２右面での光線高
ｎ₀ …平板３８１，３８２の周囲の媒質の真空に対する屈折率
ｎ₁ …平板３８１の真空に対する屈折率
ｎ₂ …平板３８２の真空に対する屈折率
とする。ｎ₀ ，ｎ₁ , ｎ₂ はいずれもωの関数である。このとき次式が成り立つ。

ｔ₀ tan θ₀ ＋ｔ₁ tan θ₁ ＋ｔ₂ tan θ₂ ＝ｈ …式（１０６）
放射光成分が無収差で結像するためにはｈ＝０である必要がある。屈折の法則より
ｎ₀ sin θ₀ ＝ｎ₁ sin θ₁ ＝ｎ₂ sin θ₂ …式（１０７）
ほぼ完全結像を実現するためには
ｔ₀ ＝ｔ₁ ＋ｔ₂ …式（１０８）
とすればよい。

θ₀ が１に比べて小さい場合を考え、式（１０６），（１０７）を近似し、かつｈ＝０とおいて、
ｔ₀ θ₀ ＋ｔ₁ θ₁ ＋ｔ₂ θ₂ ＝０ …式（１０９）
ｎ₀ θ₀ ＝ｎ₁ θ₁ ＝ｎ₂ θ₂ …式（１１０）
式（１０８），（１１０）を用いて、式（１０９）からθ₀ ，θ₁ ，θ₂ ，ｔ₀ を消去すると、

を得る。

ここでほぼ完全結像するためにはｎ₁ ，ｎ₂ はいずれも−ｎ₀ に近い値である必要があるから
ｎ₁ ＝−ｎ₀ ＋Δｎ₁ …式（１１２）
ｎ₂ ＝−ｎ₀ ＋Δｎ₂ …式（１１３）

と置くことができる。式（１１２），（１１３）を式（１１１）に代入し、

式（１１４），（１１５）を考慮して近似すると
ｔ₁ Δｎ₁ ＋ｔ₂ Δｎ₂ ＝０ …式（１１７）
Δωで両辺を割って、Δω→０の極限を取れば

を得る。

これが、ｎ₁ ，ｎ₂ がωの変化によって変化する時、つまり負屈折率媒質３８３、３８４が色分散を有する時に、放射光成分が完全結像すべき点に到達するための条件である。

従って、波長幅を持つ光が物体から放出されている場合でも式（１１８）を満たせば放射光成分の色収差は近似的に無くなり、ほぼ完全結像が実現できるのである。

図１の系でほぼ完全結像を実現するための条件をまとめておくと式（１０８），（１１２），（１１３），（１１４），（１１５），（１１８）ということになる。

当然のことではあるが、ｔ₁ ＞０，ｔ₂ ＞０であるから、式（１１８）が成り立つためには

とは異符号でなければならない。つまり平板３８１を形成する負屈折率媒質３８３の色分散と、平板３８２を形成する負屈折率媒質３８４の色分散とは符号が反対であることが必要である。

でＨを定義する。式（１１８）が成り立つ場合、Ｈ＝１である。実用的には色収差は多少残っていても良いので
０．７≦Ｈ≦１．４ …式（１３１）
であればよい。

使用する光学製品の条件によっては
０．４≦Ｈ≦２．５ …式（１３２）
でもよい。光学製品の利用目的によっては
０．２≦Ｈ≦５ …式（１３３）
でも許される場合がある。

これまでの説明ではｔ₀′＝０の場合について説明してきたが、

の場合でも式（１０８）を
ｔ₀ ＋ｔ₀′＝ｔ₁ ＋ｔ₂ …式（１０８−２）
で置きかえれば式（１１８）は成り立つ。

あるいは図２のように、平板３８１と平板３８２の間にｔ₁′のすき間がある場合でも式（１０８）を
ｔ₀ ＋ｔ₀′＋ｔ₁′＝ｔ₁ ＋ｔ₂ …式（１０８−３）
で置きかえれば式（１１８）は成り立つ。

この図２で、平板３８１と平板３８２を合わせて負屈折率媒質３８６と呼ぶことにする。負屈折率媒質でできた平板が３枚以上、Ｎ枚ある場合でも同様に式（１１８）に代わり、

が成り立ち、
式（１０８）に代わり、
ｔ₀ ＋ｔ₀′＋ｔ₁′＋ｔ₂′…＋ｔ_N-1′＝ｔ₁ ＋ｔ₂ ＋…ｔ_N …式（１０８−４）
が成り立ち、
式（１１２）に代わり、
ｎ_i ＝−ｎ₀ ＋Δｎ_i …式（１１２−２）
が成り立ち、
式（１１４）に代わり、

が成り立てば、放射光成分の色収差を除去し、ほぼ完全結像が実現できるのである。但し
ｎ_i …ｉ番目の負屈折率媒質の真空に対する屈折率
ｔ_i …ｉ番目の負屈折率媒質の厚さ
ｔ_i′…ｉ番目の負屈折率媒質の平板とｉ＋１番目の負屈折率媒質の平板との間隔
である。

図４に平板３８１がＮ枚存在する場合の構成を示している。

但し、３８１−ｉ，３８１−Ｎ…負屈折率媒質で形成された光学素子
３８３−ｉ，３８３−Ｎ…負屈折率媒質
である。

式１１８−２の左辺の各項のうちで正又は０の項だけの和をＧ₊ 、負の項だけの和をＧ_- とする。Ｈ_N を次式で定義すると

式（１１８−２）が成り立つ場合Ｈ_N ＝１である。実用的には色収差は多少残っていても良いので
０．７≦Ｈ_N ≦１．４ …式（１４１）
であればよい。

使用する光学製品の条件によっては
０．４≦Ｈ_N ≦２．５ …式（１４２）
でもよい。光学製品の利用目的によっては
０．２≦Ｈ_N ≦５ …式（１４３）
でも許される場合がある。

以上の物体から出る光のうちの放射光成分について解像力向上のための条件を導いてきたが、エバネッセント波についても

の条件で考えると、物体から離れるにつれて、正の屈折率媒質ではエバネッセント波は指数関数的に減衰し、負の屈折率媒質ではエバネッセント波は指数関数的に増幅される。そして負の屈折率の絶対値が大きいほどエバネッセント波の増幅は大きくなるので、式（１１７）を満たせばエバネッセント波は、負屈折率媒質３８４の右側面でωによらずほぼ同じ振幅を有することになり、図１の系では完全結像に近づくのである。

従って式（１１８），（１３１），（１３２），（１３３）及び式（１４１），（１４２），（１４３）はエバネッセント波の結像についても近似的に好ましい条件となるのである。

色分散

が正で、ｎ_i ＜０の負屈折率媒質としてはフォトニック結晶が挙げられる（非特許文献３参照）。

色分散

が負で、ｎ＜０の物質としては、特定の波長域（振動数領域）で吸収を示す物質が挙げられる。

図３はそのような物質の複素屈折率ｎ_i ^*＝ｎ_i −ｊｋ_i の１例である。

ｎ_i は複素屈折率の実数部分
ｋ_i は複素屈折率の虚数部分
右辺第２項のｊは虚数単位である。

図３の点Ｐでは光の振動数ω₀ でｎ_i ＜０かつ

となる。

従ってフォトニック結晶とω＝ω₀ で図３の点Ｐに相当する物質を組合せて、３８３，３８４等に用いれば式（１１８），（１３１），（１３２），（１３３），（１４１），（１４２），（１４３）を満たすことができる。

一方、図３の点Ｑでは

であるから別の物質でω＝ω₀ で

となるものを選んで

の物質と組合せで負屈折率媒質３８３，３８４等に用いても式（１１８），（１３１），（１３２），（１３３）、式（１４１），（１４２），（１４３）を満たすことができる。

負屈折率媒質に、カーボンナノチューブを用いてもよい。同素材は光学特性を人工的に変えられるので、有利である。

図１あるいは図２のように２枚の負屈折率媒質からなる系の場合、それぞれの媒質の複素屈折率の虚数部分ｋ_i のうちで｜ｋ_i ｜の大きい方の厚さを小さくする方が光あるいは電磁波の吸収が小さくなるので良い。従って式（１１８）より｜ｋ_i ｜の大きい方の

を大きく選ぶとよい。

同様に３枚以上の負屈折率媒質を含む系においても、そのうちの

の符号の異なる２枚を取り出したとき、上記の関係を満たす組があるようにすると光あるいは電磁波の損失が減るので良い。ここで、“組”とは取り出した２枚を指す。

図１に示す実施形態で、平板３８１，３８２は接着剤等で接着されていてもよい。あるいは密着配置されていてもよい。あるいは平板３８１と３８２の一方を基板とし、もう一方をその上に蒸着等で形成してもよい。

図５は、本発明の一実施形態に係る、負屈折率媒質３８５を用いた落射型蛍光顕微鏡３０２の例であり、空気中に配置されている。光源３０３（例えばレーザ光源、キセノンランプ、水銀ランプ等）から出た励起光は照明レンズ３０４、ダイクロイックミラー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６は、図５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３８５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３８５の物体側の面である。

物体３０７から発せられた蛍光は、負屈折率媒質３８５、対物レンズ３０６、ダイクロイックミラー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、撮像することができる。以下、この様子を詳述する。

ここで、負屈折率媒質３８３，３８４の屈折率をおよそ−１、厚さをｔ（例えば、３００μｍ）とする。ＷＤは負屈折率媒質３８５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３８３，３８４の屈折率がおよそ−１であるため、物体から発せられた蛍光の光線は図６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３８３，３８４のいずれかの、周囲の媒質に対する比屈折率をｎとすれば
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）
ｔ＝ｔ₁ ＋ｔ₂ …式（１−１）
のとき、負屈折率媒質３８５は、物体３０７を中間結像点ＦＦに完全結象する。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色分散を除去した光学素子（３８５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。蛍光は数十ｎｍの波長幅を有することが多いので色分散の除去効果がある。

そして、負屈折率媒質３８５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６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６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３８３，３８４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でも良い。

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）
でもよいことがある。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３８３，３８４の屈折率は例えば−１である。

図７は、本発明の他の実施形態であり、負屈折率媒質３８５を用いた透過型の顕微鏡３１５を示している。図７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３８５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。負屈折率媒質３８５の色分散が除去されているので３０３に波長幅がある場合でも鮮明な画像が得られる。

図７及び後述の図８、図９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５、図７の光学系は、走査型の顕微鏡にも応用できる。

図８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３０５−２、対物レンズ３２２、負屈折率媒質３８５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。光学系３２０は空気中に配置されている。

負屈折率媒質３８５の結像関係は図１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３８５、対物レンズ３２２、半透鏡３０５−２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。負屈折率媒質３８５の色分散が除去されているので光源３２１に波長変動があっても高密度の記録、再生ができるメリットがある。

なお、書き込み時の構成で図９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９で投影露光装置の光学系は真空中に置かれている。負屈折率媒質３８５の色分散が除去されているので、光源に波長幅、波長変動等がある場合でも高精度のリソグラフィーが実現できる。

図８、図９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５〜図９の例では、平板３８２とこの平板３８２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３８２、３８３が破損した場合でも、負屈折率媒質３８２、３８３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１０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３８５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１１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１１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３８５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３８５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３８５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以上とすれば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３８３，３８４の形状についてであるが、図５、図６、図７、図８、図９の実施形態において、負屈折率媒質３８３，３８４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１２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１２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、もう一方の面が凸の曲面のレンズと両凸レンズの接合された平凹レンズであるが、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。図５、６、７、８、９、１１の実施形態で負屈折率媒質３８５の代わりに負屈折率媒質３８６を用いてもよい。あるいは３枚以上の負屈折率媒質を含む色分散の除去された光学系を用いてもよい。

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３８３，３８４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１３は、フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示し、図１４は、フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示している。図１３、図１４に示すように、フォトニック結晶３４０はλ〜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 、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〜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−（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。

用いる光の波長としては既に述べた例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）
を満たすことが望ましい。

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）
でも良い。

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１１のようなＦＦの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、負屈折率媒質からなる平板３８２と上部のレンズ系との距離を広げやすくなるので、平板３８２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に係る開口数（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３８２とレンズの最も負屈折率媒質３８２寄りの面（図６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３８５をレンズ（図７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３８３，３８４等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５で言えば対物レンズ３０６）の最前部（図５で言えばレンズ３０６−１の物体側）又は最後部（図９で言えば投影レンズ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３８３，３８４を設ける場合でもＷＤ，ｄの値は負屈折率媒質３８３，３８４の表面から計るものとする。

図１５に正の屈折率を有する材料でできた平板４５０の上に形成した平板形状の負屈折率媒質３８３，３８４を用いた落射型蛍光顕微鏡３０２の例を示した。

４５０，３０６−１，３０６−２合わせてレンズ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は接着されているが、密着させてもよい。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７、図８、図９、図１１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（８−４−１）
まで許容できる。利用条件によっては
｜Δ｜＜１００λ …式（８−５）
まで許容できる。

式（８−４−１）〜（８−５）の｜Δ｜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３８３又は３８４等の屈折率を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３８３又は３８４等が平行平板の場合、理想的にはｎ＝−１である。しかし実際には負屈折率媒質３８３又は３８４等の製作誤差、使用波長のズレなどでｎ＝−１にできないこともあり、このときに次式を満たすことが望ましい。

−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５、図８、図９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、高解像が実現できるので良い。

式（０−４），（９），（１０），（１１）で屈折率ｎは周囲が空気の場合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わすものとする。つまり周囲の媒質に対する比屈折率である。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３８５又は負屈折率媒質３８６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良い。

取扱いが容易で結像性能の良い光学装置が得られる。３８３，３８４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（２０）
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（２１）
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ＷＤを大きく取る方が良い。式（１）からＷＤはｔと同程度の値となる。従って、
０．１ｍｍ≦ｔ≦３００ｍｍ …式（１５）
とするのが良い。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）
でも許容される。

用途によっては
１１００ｎｍ≦ｔ≦２００ｍｍ …式（１７）
あるいは
１００ｎｍ≦ｔ≦５０ｍｍ …式（１８）
でも許容できる場合がある。

また式（１５）あるいは（１６）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出てくるので良い。

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。

また、本願の図５，図７，図８，図９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。なおＮ枚の負屈折率媒質で形成された光学素子がある場合、式（１），（０−７），（０−８），（０−９），（２），（３），（４），（８−３）において、ｔを

で置きかえれば同様に適用できる。Ｎは１以上の整数である。また同じケースで、式（１５），（１６），（１７），（１８）は、ｔをｔ_i で置きかえれば適用できる。

また同じケースで式（０−４），（９），（１０），（１１）はｎを

で置きかえれば成り立つ。

図１６、図４に示すように像点の位置に撮像素子（例えばＣＣＤ，Ｃ−ＭＯＳ等の固体撮像素子）を配置してもよい。

小型で高性能の光学装置（撮像装置）が実現できる。

本願で光という語を用いた場合、電磁波も含むものとする。また本願で完全結像という用語を用いたが、これは１００％完全な結像が行なわれない場合（例えば５０％解像が向上している）も含むものとする。つまり、例えば通常の回折限界よりはある程度解像力は向上している、というような場合も含めるものとする。

図５、６、７、８、９、１１、１２、１５の例に於いて、ＷＤの部分（負屈折率媒質と物体との間の部分）あるいはｄの部分を水又は油等で充たしてもよい。

水又は油等の真空に対する屈折率をｎ_Ｌとすれば、完全結像を実現するためには、負屈折率媒質３８３、３８４の真空に対する屈折率を−ｎ_Ｌとすればよい。このようにすれば、負屈折率媒質３８３、３８４の屈折率は−１でなくともよくなり、材料の選択の自由度が広がるのでよい。ｎをｎ_１／ｎ_Ｌあるいはｎ_２／ｎ_Ｌで置き換えれば、式９、１０、１１は同様に成り立つ。

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（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）
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できる。

１．負屈折を示す媒質にカーボンナノチューブを用いたことを特徴とする負屈折を示す媒質。

２．１．に記載の媒質を用いた光学素子。

３．各々が負屈折を示す媒質で形成された複数の光学素子を有し、
前記複数の光学素子には色分散が異なる光学素子が含まれていることを特徴とする光学系。

３−２．各々が負屈折を示す媒質で形成された複数の光学素子を有し、
前記複数の光学素子には色分散の符号が互いに異なる光学素子が含まれていることを特徴とする光学系。

３−３．式（１４３）を満たす３または３−２に記載の光学系。

４．各々が負屈折を示す媒質で形成された２個の光学素子を含む光学系であって、前記２個の光学素子の各々の色分散の符号が互いに異なっていることを特徴とする光学系。

４−２．式（１３３）を満たす４に記載の光学系。

５．前記光学素子を形成する負屈折を示す媒質がフォトニック結晶または、特定の光あるいは電磁波の振動数領域で吸収を示す物質を含むことを特徴とする３．乃至４−２のいずれか１つに記載の光学系。

５−１．前記光学素子を形成する負屈折を示す媒質がフォトニック結晶と、特定の光あるいは電磁波の振動数領域で吸収を示す物質を含むことを特徴とする３乃至４−２のいずれか１つに記載の光学系。

５−１−２．前記複数の光学素子がフォトニック結晶を含む負屈折を示す媒質で形成される光学素子と、特定の光あるいは電磁波の振動数領域で吸収を示す物質を含む負屈折を示す媒質で形成される光学素子とを含むことを特徴とする３乃至４−２のいずれか１つに記載の光学系。

５−２．前記の負屈折を示す媒質で形成される光学素子が特定の光あるいは電磁波の振動数領域で吸収を示す、種類の異なる物質を含むことを特徴とする３乃至４−２のいずれか１つに記載の光学系。

５−２−２．前記複数の光学素子が特定の光あるいは電磁波の振動数領域で吸収を示す第１の物質を含む負屈折を示す媒質で形成される光学素子と、特定の光あるいは電磁波の振動数領域で吸収を示す第２の物質を含む負屈折を示す媒質で形成される光学素子と、を含むことを特徴とする３乃至４−２のいずれか１つに記載の光学系。

６．各々が負屈折を示す媒質で形成された複数の光学素子を備えた光学系であって、
前記複数の光学素子は、所定の関係を満足する２つの光学素子を含み、
前記所定の関係は、色分散の符号が互いに異なり、一方の複素屈折率の虚数部分の絶対値が他方の複素屈折率の虚数部分の絶対値より大きく、かつ、前記複素屈折率の虚数部分の絶対値が大きい方の媒質の色分散の絶対値が他方の色分散の絶対値よりも大きい、という関係であることを特徴とする光学系。

６−１．２つの負屈折を示す媒質で形成された光学素子を含み、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の色分散の符号が互いに異なり、かつ複素屈折率の虚数部分の絶対値の大きい方の媒質の色分散の絶対値がもう一方より大きいことを特徴とする前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を含む光学系。

６−２．各々が負屈折を示す媒質で形成された複数の光学素子を含む光学系であって、
前記複数の光学素子のうちの２つは色分散の符号が互いに異なっており、前記２つの光学素子のうち複素屈折率の虚数部分の絶対値が大きい方の媒質の色分散の絶対値が、他方の媒質の色分散の絶対値よりも大きいことを特徴とする光学系。

６−３．各々が負屈折を示す媒質で形成された複数の光学素子を含む光学系であって、
前記複数の光学素子のうちの２つは色分散の符号が互いに異なっており、
前記２つの光学素子のうち複素屈折率の虚数部分の絶対値が大きい方の媒質の厚さが他方の媒質の厚さよりも薄いことを特徴とする光学系。

７．前記光学素子の形状が平行平板であることを特徴とする２乃至６−３のいずれか１つに記載の光学素子または光学系。

７−２．前記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２乃至６−３のいずれか１つに記載の光学素子または光学系。

８．用いる光、または電磁波が、振動数に巾を持つ光、または電磁波である３乃至７−２のいずれか１つに記載のものを備えた光学装置。

９．用いる光、または電磁波が、振動数が変化あるいは変動する光、または電磁波である３乃至７−２のいずれか１つに記載のものを備えた光学装置。

１０．３乃至７−２のいずれか１つに記載の光学系に撮像素子を組合せた光学装置。

１１．正の屈折率を有する媒質で形成された光学素子を有する３乃至１０のいずれか１つに記載の光学系または光学装置。

１２．前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する光学系と結像光学系とを組み合わせ配置したことを特徴とする光学系または３乃至１０のいずれか１つに記載の光学系または光学装置。

１３．光源と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系とを有し、前記微細構造の結像を行うことを特徴とする光学装置。

１４．前記負屈折を示す媒質が負屈折率媒質であることを特徴とする１乃至１３のいずれか１つに記載の光学素子または光学系または光学装置。

１５．負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、撮像素子とを有する光学装置。

１６．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媒質で形成された光学素子と撮像素子とを有する光学装置。

１７．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。

１７−１．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。

１７−２．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。

１７−３．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。

１７−４．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。

１７−５．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。

１７−６．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。

１７−７．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。

１７−８．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。

１７−９．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。

１７−１０．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。

１８．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。

１９．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。

１９−１．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。

１９−１−１．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。

２０．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。

２０−０．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。

２０−１．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。

２０−２．負屈折を示す媒質で形成された光学素子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。

２０−３．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により再結像することを特徴とする光学系。

２０−４．１８乃至２０−３のいずれか１つの光学系において、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。

２０−５．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１８乃至２０−４のいずれか１つに記載の光学系。

２０−６．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１８乃至２０−５のいずれか１つに記載の光学系。

２０−７．１８乃至２０−６のいずれか１つにおいて、式（０−１−０）または式（０−５）を満たすことを特徴とする光学系。

２０−８．１８乃至２０−７のいずれか１つにおいて、式（４）を満たすことを特徴とする光学系。

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
２０−９．１８乃至２０−８のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−９−１．１８乃至２０−８のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−１０．１８乃至２０−８のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−１１．１８乃至２０−１０のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−１２．１８乃至２０−１０のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−１３．１８乃至２０−１０のいずれか１つにおいて、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以上であることを特徴とする光学系。

２０−１３−１．１８乃至２０−１０のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−１３−２．１８乃至２０−１０のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−１３−３．１８乃至２０−１０のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−１４．１８乃至２０−１３のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−１５．１８乃至２０−１４のいずれか１つにおいて、式（８−２）を満たすことを特徴とする光学系。

２０−１６．１８乃至２０−１５のいずれか１つにおいて、式（８−５）を満たすことを特徴とする光学系
２０−１７．１８乃至２０−１６のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−１８．上記２０−１７の光学系を有することを特徴とする光学装置。

２０−１９．上記２０−１７の光学系を有することを特徴とする顕微鏡。

２０−２０．上記２０−１７の光学系を有することを特徴とする落射型顕微鏡。

２０−２１．上記２０−１７の光学系を有することを特徴とする透過型顕微鏡。

２０−２２．上記２０−１７の光学系を有することを特徴とする観察装置。

２０−２３．上記２０−１７の光学系を有することを特徴とする撮像装置。

２０−２３−１．上記２０−１７の光学系を有することを特徴とする走査型顕微鏡。

２０−２４．１８乃至２０−１６のいずれか１つにおいて、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光学系。

２０−２５．上記２０−２４の光学系を有することを特徴とする光学装置。

２０−２６．上記２０−２４の光学系を有することを特徴とする光ディスク装置。

２０−２７．上記２０−２４の光学系を有することを特徴とする投影露光装置。

２０−２８．上記２０−２４の光学系を有することを特徴とする投影装置。

２０−２９．上記２０−２４の光学系を有することを特徴とする信号処理装置。

２０−３０．上記２０−２４の光学系を有することを特徴とする撮像装置。

２０−３１．上記２０−２４の光学系を有することを特徴とする光学装置。

２０−３２．１８乃至２０−３１いずれか１つにおいて、式（１２）を満たすもの。

２０−３３．１８乃至２０−３１のいずれか１つにおいて、負の屈折を示す媒質で形成された光学素子は前記１７乃至１７−１０のいずれか１つの構成を有するもの。

２０−３４．１７−７乃至１７−１０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１８乃至２０−３２のいずれか１つに記載のもの。

２０−３５．１７−７乃至１７−１０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１８乃至２０−３２のいずれか１つに記載のもの。

２０−３５−１．１７−７乃至１７−１０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１８乃至２０−３２のいずれか１つに記載のもの。

２０−３５−２．前記負屈折を示す媒質と光学系を構成する光学素子とが接着されていることを特徴とする１９乃至２０−３２のいずれか１つに記載のもの。

２０−３６．前記基板の屈折率が式（１２）を満たす２０−３４に記載のもの。

２０−３７−１．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。

２０−３７−２．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。

２０−３７−３．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結像光学系。

２０−３８−１．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。

２０−３８−２．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。

２０−３８−３．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。

２０−３９−１．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。

２０−３９−２．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。

２０−３９−３．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。

２０−４０−１．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。

２０−４０−２．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。

２０−４０−３．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。

２１．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。

２１−０−１．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。

２１−１．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。

２１−２．２１乃至２１−１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が平行平板であることを特徴とするもの。

２１−３．式（４）を満たすことを特徴とする２１−２に記載のもの。

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。

２１−４．２１乃至２１−３のいずれか１つにおいて、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もの。

２１−４−１．２１乃至２１−３のいずれか１つにおいて、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もの。

２１−５．２１乃至２１−３のいずれか１つにおいて、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もの。

２１−６．２１乃至２１−５のいずれか１つにおいて、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もの。

２１−７．２１乃至２１−６のいずれか１つにおいて、式（８−２）を満たすことを特徴とするもの。

２１−８．２１乃至２１−７のいずれか１つにおいて、式（８−５）を満たすことを特徴とするもの。

２１−８−１．前記２１乃至２１−７のいずれか１つにおいて、負の屈折を示す媒質で形成された光学素子は前記１７−８乃至１７−１０のいずれか１つの構成を有するもの。

２１−９．１７乃至２１−８−１のいずれか１つにおいて、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もの。

２１−９−１．１７乃至２１−８のいずれか１つにおいて、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もの。

２１−１０．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２１−９に記載のもの。

２１−１１．１７乃至２１−１０のいずれか１つにおいて、使用する光が単色光であることを特徴とするもの。

２１−１２．１７乃至２１−９のいずれか１つにおいて、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もの。

２１−１２−１．１８乃至２１−１２のいずれかにおいて、光源を有することを特徴とするもの。

２１−１３．１８乃至２１−１２のいずれか１つにおいて、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もの。

２１−１４．１７乃至２０−１５あるいは２０−１７乃至２１−１３のいずれか１つにおいて、エバネッセント波を結像に用いることを特徴とするもの。

２１−１５．１８乃至２１−１４のいずれか１つにおいて、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もの。

２２−１０．１７乃至２１−１５のいずれか１つにおいて、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もの。

２２−１１．１７乃至２１−１５のいずれか１つにおいて、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もの。

２２−１２．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１７−８乃至１７−１０、または２０−１１乃至２１−１７に記載のもの。但し２１−８−１は除く。

２２−１３．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（１５）、（１６）、（１７）、（１８）のいずれかを満たす１７乃至２２−１２のいずれか１つに記載のもの。

２３−１．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以上であることを特徴とする光学系を備えた光学装置。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。

２３−２．負屈折を示す媒質で形成された光学素子と結像光学系を有し、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子に最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以上であることを特徴とする光学系を備えた光学装置。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。

２３−３．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。

２３−４．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が式（１５）、（１６）、（１７）、（１８）のいずれか１つを満たすことを特徴とする光学系を備えた光学装置。

２３−５．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が式（１５）、（１６）、（１７）、（１８）のいずれか１つを満たすことを特徴とする光学装置。

２３−６．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、かつフォトニック結晶の最も回転対称性の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系を備えた光学装置。

２３−７．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もの。

２４−１．１７乃至２３−７のいずれか１つにおいて、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もの。

２４−２．１７乃至２３−７のいずれか１つにおいて、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もの。

本発明の一実施形態において、光学素子としての平行平板３８１，３８２を並べて配置してなる光学素子としての負屈折率媒質３８５を示す図である。 図１に示す構成の変形例を示す図である。 特定の波長域（振動数領域）で吸収を示す物質の複素屈折率ｎ_i ^*＝ｎ_i −ｊｋ_i の１例を示す図である。 平板３８１がＮ枚存在する場合の構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る、負屈折率媒質３８５を用いた落射型蛍光顕微鏡３０２の例を示す図である。 図５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３８５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の実施形態を示す図である。 ＬＳＩ製造用の投影露光装置（ステッパー等）３４９の実施形態を示す図である。 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。 非接触で高解像度のリソグラフィーの実施形態の説明図である。 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の実施形態を示す図である。 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４５０の上に形成した平板形状の負屈折率媒質３８３，３８４を用いた落射型蛍光顕微鏡３０２の例を示す図である。 回折限界を越える結像を実現する技術について説明するための図である。

符号の説明

３０３…光源、
３０４…照明レンズ、
３０５…ダイクロイックミラー、
３０６…対物レンズ、
３０７…物体（標本）、
３０８…接眼レンズ、
３０９…眼、
３４０…フォトニック結晶、
３８１…平行平板、
３８２…平行平板、
３８３…負屈折率媒質、
３８４…負屈折率媒質、
３８５…負屈折率媒質。

Claims (5)

1. 各々が負屈折を示す媒質で形成された複数の光学素子を有し、
   前記複数の光学素子には色分散の符号が互いに異なる光学素子が含まれており、
   前記複数の光学素子は、光学素子の数をＮ、ｉ番目の光学素子の厚さをｔ _ｉ 、ｉ番目の光学素子の真空に対する屈折率をｎ _ｉ 、光の振動数をωとしたときの、
   

   

   における左辺の各項のうちで正又は０の項だけの和をＧ _＋ 、負の項だけの和をＧ ₋ としたとき、
   

   

   で定義されるＨ _Ｎ が、
   ０．２≦Ｈ _Ｎ ≦５
   を満たすことを特徴とする光学系。
2. 前記複数の光学素子は、
   ０．４≦Ｈ _Ｎ ≦２．５
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記複数の光学素子は、
   ０．７≦Ｈ _Ｎ ≦１．４
   を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 前記複数の光学素子のうちの２つは色分散の符号が互いに異なっており、
   前記２つの光学素子のうち、複素屈折率の虚数部分の絶対値の大きい方の前記負屈折を示す媒質の色分散の絶対値がもう一方より大きいことを特徴とする前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光学系。
5. 前記複数の光学素子のうちの２つは色分散の符号が互いに異なっており、
   前記２つの光学素子のうち複素屈折率の虚数部分の絶対値が大きい方の媒質の厚さが他方の媒質の厚さよりも薄いことを特徴とすることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光学系。

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