JP4975257B2

JP4975257B2 - 光学系

Info

Publication number: JP4975257B2
Application number: JP2005030644A
Authority: JP
Inventors: 芳弘河野; 公彦西岡; 良治斎藤
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2025-02-07
Also published as: JP2006215479A

Description

本発明は、負屈折を示す物質を応用した光学系に関する。

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以下の非特許文献２及び非特許文献５等では負屈折率媒質を用いることを開示している。

図１５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３８０左側面の距離
ｔ0′…像点と３８０右側面の距離
ｔ…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１５はｎ0 ＝１，ｎs ＝−１の場合を示している。

本明細書で“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 ｓｉｎｉ＝ｎs ｓｉｎｒ …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。

非特許文献５ではｔ0 ＞ｔ0′…式（２０１）の場合が示されている。この時エバネッセント波の強さは、図１６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。
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.,Vol85, 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ページオプトロニクス社刊 US 2003/0227415 A1 US 2002/0175693 A1

図１６において、Ｚ＝ｔ0 でのエバネッセント波の強度をＧ（ｔ0 ）とすればｔ0 が大きいほどＧ（ｔ0 ）の値は小さくなる。従って物点から像点までの光路上でエバネッセント波の強度は平均して弱く、外部からのノイズに弱いという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、その目的とするところは、エバネッセント波の強度を平均して高め、光学系内部、外部からのノイズ、ほこり、負屈折率を示す媒質の持つ光の吸収、散乱等に影響されにくい結像を可能とすることにある。

上記の目的を達成するために、例えば、本発明の一態様は、物点からの光を像点へと伝達する負屈折を示す媒質を含む光学系であって、前記物点から前記負屈折を示す媒質までの距離をｔ0、前記負屈折を示す媒質から前記像点までの距離をｔ0′としたとき、ｔ0 ＜ｔ0′を満たすように前記負屈折を示す媒質が配置され、前記負屈折を示す媒質で形成されたカバーグラスを備えている。

本発明によれば、エバネッセント波の強度を平均して高め、光学系内部、外部からのノイズ、ほこり、負屈折率を示す媒質の持つ光の吸収、散乱等に影響されにくい結像が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態及び参考の実施形態を詳細に説明する。まず、本発明の概略を説明する。上記したように、Ｚ＝ｔ0 でのエバネッセント波の強度をＧ（ｔ0 ）とすればｔ0が大きいほどＧ（ｔ0 ）の値は小さくなる。従って物点から像点までの光路上でエバネッセント波の強度は平均して弱く、外部からのノイズに弱いという課題があった。そこで、本実施形態では、
ｔ0 ＜ｔ0′ …式（２０２）
とすることにより、エバネッセント波の強度を平均して高め、光学系内部、外部からのノイズ、ほこり、負屈折率を示す媒質の持つ光の吸収、散乱等に影響されにくい結像を可能とする。

図１はその説明図であり、ｔ0 ＜ｔ0′としたことによりＧ（ｔ0 ）の値が図１６の場合より大きくなり、それにつれてＺ＞ｔ0 の領域でもエバネッセント波の強度が図１６の場合よりも大きくなっているのが分る。そしてこの現象は光でも、電磁波でもどちらでも成り立つ。なお本明細書ではｔ0′をｄと表記することがある。

式（２０２）に代わって、次式（２０３）を満たすとさらにノイズ等の影響を受けにくくなるので良い。

２ｔ0 ＜ｔ0′ …式（２０３）とすればなお良い。

５ｔ0 ＜ｔ0′ …式（２０４）とすればさらに良い。

実用的には
ｔ0 ＜３ｔ0′ …式（２０５）
でも効果のある場合がある。

ｔ0 ＜５ｔ0′ …式（２０６）
としても用途によっては良い。

なお図１５で像点の位置に撮像素子４０８を置けば等倍結像の撮像装置が得られる。

図２は、本発明の一実施形態であり、負屈折率媒質３０１を用いた透過型顕微鏡３１５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）から出た光は照明レンズ３０４，３０７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を越えている。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３は、図２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。

図２、図３に示すように、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で形成されたカバーグラス４５２が配置されている。４５３はスライドグラスである。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１７１μｍである。ｔ0 の値はこの例では１μｍである。３１２は負屈折率媒質３０１の物体側の面である。

物体としての標本３０７で散乱された光は、負屈折率媒質３０１、対物レンズ３０６、鏡４５４、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、１７０μｍ）とする。ｔ0 は負屈折率媒質３０１と標本３０７あるいは後述する結像部材の距離である。ｔ0 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、標本３０７で散乱された光線は図３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の周囲の媒質に対する比屈折率を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＝ｔ0 ＋ｄ …式（１）
のとき、負屈折率媒質３０１は、標本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。図３の例ではｇ＝０μｍである。

式（０）〜式（０−１−０）においてｇの下限を（０．１λ）／Ａ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。ｇが０〜数十ｎｍであれば、結像性能は対物レンズ３０６を標本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３０１で形成された光学素子（４５２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３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。

さらにカバーグラスを負屈折率媒質で形成し、かつ負屈折率媒質で形成されたカバーグラス４５２を標本３０７に接近させたので、エバネッセント波の減衰を最小限に止めることができ、光学系内、外からのノイズ、負屈折率媒質３０１の製造上の欠陥等があっても結像性能が低下しにくい光学系が得られる。

なおカバーグラスは光学素子の一つである。後述のペトリ皿も光学素子の一つである。

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（ｔ0 ＋ｄ）≦ｔ≦１．２（ｔ0 ＋ｄ） …式（２）
であればよい。

製品によっては
０．５（ｔ0 ＋ｄ）≦ｔ≦１．５（ｔ0 ＋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（ｔ0 ＋ｄ）≦ｔ≦４．０（ｔ0 ＋ｄ） …式（４）
でもよいことがある。

あるいは
ｔ≦０．９（ｔ0 ＋ｄ） …式（４−１）
を満たすようにすれば長めの作動距離を確保できるので良い。

以上説明した考え方は、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４は、参考の実施形態として、負屈折率媒質３０１で形成されたペトリ皿４５５を用いた倒立顕微鏡４５７の例である。空気中に配置されている接眼レンズ付近は省略し、対物レンズ付近を拡大図示してある。ペトリ皿４５５のうち光の通過する部分のみを負屈折率媒質３０１で形成してもよい。

上方の光源３０３から出た光は照明レンズ３０４を通り、標本３０７を照らす。標本３０７で散乱された光はペトリ皿４５５を通りＦＦに完全結像される。ＦＦに結像した中間像は対物レンズ３６０で再結像され３０８，４０８等で観察される。この例では
ｔ0 ＝０．１μｍ
ｔ＝５００μｍ
ｄ＝４９９．９μｍ
ｇ＝０
である。

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２、図４の光学系は走査型の顕微鏡にも応用できる。

図５は、参考の実施形態として、負屈折率媒質３０１を用いた光ディスク４５８、並びに光ディスク光学系３２０の例であり、書き込み時には３２１から出た光は３０５、レンズ４５９、プローブ４６１を通って微小開口４６２に到達する。微小開口４６２の大きさは１０〜３０ｎｍ程度でそこから出た近接場光は光ディスク４５８の負屈折率媒質３０１で構成された層４６３で完全結像され記録層４６４上に到達する。

そして書き込みが行なわれる。あるいは光ディスク４５８は別の製法で作られたリードオンリータイプでもよい。この場合上記の書き込みのプロセスは不要である。

読み出しの時には３２１，３０５，４５９，４６１，４６２，３０１と進んだ光は４６４で反射されて、３０１，４６２，４６１，４５９と進み、３０５で反射されて３２４に入る。そして情報の読み出しが行なわれる。この例では
ｇ＝１０ｎｍ
ｄ＝１０μｍ
ｔ＝１０μｍ
ｔ0 ＝０μｍ
である。

このような構成にすることで光ディスクとの間に式（１）により
ｄ＝ｔ …式（２０７）
の長い作動距離を取ることができ４６２の位置決めが容易になり、特に読み出し時にエバネッセント波の減衰が少ないのでほこり等の影響を受けにくいディスクを破損しにくい、高密度の光ディスク装置が得られるのである。

あるいは、光ディスク４５８は、別の製法で作られたリードオンリータイプでもよい。この場合、上記の書き込みのプロセスは不要である。

式（０）、（０−１）、（０−１−０）、（０−３）、…、（０−９）、（１）、（２）、（３）、（４）、（４−１）はこの例及び後述の図８の例でも同様にあてはまる。

図６は、光ディスク４５８を用いた光学系の別の参考の実施形態に係る光ディスク光学系３２０−２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を通って光ディスク４５８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。３２０−２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５と同じである。光ディスク４５８からの信号の読み出しの場合には、光源３２１から出た光は４６４の表面で散乱、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。

この例では
ｇ＝０
ｄ＝５μｍ
ｔ＝５μｍ
ｔ0 ＝０
である。

そして特に読み出し時にエバネッセント波の強度の強い、ノイズ等の影響を受けにくい高密度の読み出しができるのが特徴である。なお光ディスク４５８は別の製法で作ったリードオンリータイプ（読み出し専用タイプ）のものでもよい。

光源からの光は４５８の下側から投射して透過光で情報を読み出してもよい。また図７に示すように３０１を３２３と３２２の間で光軸４６７に沿って移動できるようにしてもよい。３２３への情報書き込み時には３０１を３２２−１に近づけ、３２３からの情報読み出し時には３０１を３２３に近づければ、常に物体からのエバネッセント波の強い状態で光学系を機能させられるのでノイズ等に強い光ディスク光学系が得られる。書き込み時、ｄは３０１下面と３２３の距離、ｔ0 はＦＦと３０１上面との距離、読み出し時、ｄは３０１上面とＦＦの距離、ｔ0 は３２３と３０１下面との距離であり変るので注意のこと。

このように３０１が光軸に沿って移動する構成は図８のような光ディスク光学系４６８にも適用できる。

書き込み時３０１は４６９に近接しており、光は３２１→３０５→４６２→３０１→３２３と進む。

読み出し時には３０１は３２３に近接する位置に移動し、つまり、３２１→３０５→４６２→３０１→３２３と入射した光は３２３で反射され３０１→４６２→３０５→３２４と進んで電気信号に変換される。

このように３０１が光軸上を動くことで書き込み時にも読み出し時にも光線の進行方向に応じてエバネッセント波の強い状態で光を利用できるのでノイズ等に強い光ディスク光学系が得られる。

なお、書き込み時４６２と３０１の距離はｔ0 、３０１と３２３の距離はｄであり読み込み時４６２と３０１の距離はｄ、３０１と３２３の距離はｔ0 と変わるので注意のこと。また、３０１の光学面を曲面とすれば、３０１を移動することで変倍も可能となる。

なお３０１を動かさず、４６９と３２３の中間に固定しても光ディスク光学系として動作する。

なお、図６で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、４６４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。投影露光装置の光学系は真空中に置かれている。

図６、図７、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。３０５，３２４はステッパーでは利用しない。図９の例ではｄの定義は３０１の像側の面と３２６との距離、ｔ0 の定義は３０１の上側の面と中間結像点ＦＦの距離とする。

図２、図３、図４、図６、図７、図９の例では負屈折率媒質３０１と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３０１が破損した場合でも、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。フォトマスクは微細構造を有する部材である。

そこでこの点に鑑みるに、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１１は、その参考の形態の説明図であり、シリコンウエハー３２６とポリマーフォトマスク３３０の間に、３２６に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３０１の形状についてであるが、図２、図３、図４、図７、図９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。

以下、実施形態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１２は、フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示し、図１３は、フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示している。図１２、図１３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、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、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。本明細書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、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するのでなお良い。

以下にｄについて詳述する。

ｄの値は
１００ｎｍ≦ｄ≦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
０ｎｍ≦ｄ≦２００ｍｍ …式（８）
でも許容できる。

１１００ｎｍ≦ｄ≦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≦ｄ≦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≦ｄ≦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。

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、４５２等の大きさを小さくすることもできるので良い。

また、ｄあるいは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。

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２で言えば対物レンズ３０６）の最前部（図２で言えばレンズ３０６−１の物体側）又は最後部（図６で言えば３２２のディスク側）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ｔ0 、ｄの値は負屈折率媒質３０１の表面から計るものとする。

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。

図１４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３０１を用いた３１５の例を示した。

４５０，３０６−１，３０６−２合わせて３０６を形成している。３０１と４５０は接着しても、密着させてもよい。

このような構成の光学系は図２、図３、図４、図５、図６等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、
ｔ0 ＋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２、図３、図４、図６で言えばそれぞれ３０６−１，３２２−１）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。

なお、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の周囲は空気又は真空等であると考えているが、水、油としてもよい。

そのため３０１の屈折率ｎは周囲が空気等の場合は周囲の媒質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わすものとする。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。

また図１、図２、図３、図５、図６、図７、図８、図９、図１１、図１５、図１６の例でｄ、又は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ｎV の値が−１でなくても良く、３０１の材料を選択しやすくなるメリットがある。但し、３０１の真空に対する屈折率をｎVとする。

この場合、水、油等の液体の屈折率をｎL とすれば、完全結像を実現するための必要条件は
ｎV ＝−ｎL …式（１５−３）
となる。

液体に対する３０１の比屈折率をｎとすれば式（９）、（１０）、（１１）は同様に適用できる。

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。

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（１）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、図２、図３、図４、図５、図６の実施形態に示されているように、結像光学系（３０６，３２２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。本明細書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、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。

式（２０２）〜（２０６）及び式（１８−１）、（１８−２）、（１８−３）、（１８−４）はすべての実施形態に適用できる。

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。

本明細書では、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．負屈折を示す媒質で形成されたカバーグラス。

１−２．負屈折を示す媒質で形成されたカバーグラスを光路中に含む顕微鏡。

２．負屈折を示す媒質で形成されたペトリ皿。

２−２．負屈折を示す媒質で形成されたペトリ皿を光路中に含む顕微鏡。

３．負屈折を示す媒質で形成された光ディスク。

３−１．記録層とその上に形成された負屈折を示す媒質の層を有する３．に従属する光ディスク。

３−２．記録層とその上に形成された負屈折を示す媒質の層を有する３．に従属する読み出し専用タイプの光ディスク。

３−３．前記負屈折を示す媒質で形成された３．乃至３−２．に従属する光ディスクを用いる光ディスク装置。

３−４．光源と微小開口と前記負屈折を示す媒質で形成された３．乃至３−３．に従属する光ディスクを有することを特徴とする光ディスク装置。

３−４−２．前記負屈折を示す媒質で形成された３．乃至３−３．に従属する光ディスクと微小開口とを順に配置し、光源を有することを特徴とする光ディスク装置。

３−５．光源と結像光学系と前記負屈折を示す媒質で形成された３．乃至３−３．に従属する光ディスクを有することを特徴とする光ディスク装置。

３−５−２．前記負屈折を示す媒質で形成された３．乃至３−３．に従属する光ディスクと結像光学系とを順に配置し光源を有することを特徴とする光ディスク装置。

４．光源と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、光ディスクとを有し、前記光ディスクへ情報を書き込む時には前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を前記光源側に移動させ、前記光ディスクから情報を読み込む時には前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を前記光ディスク側に移動させることを特徴とする光ディスク装置。

４−２．光源と、結像光学系と、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、光ディスクとを有し、前記光ディスクへ情報を書き込む時には前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を光源側に移動させ、前記光ディスクから情報を読み込む時には前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を前記光ディスク側に移動させることを特徴とする光ディスク装置。

５．光源と、前記光源によって照明される物体と、結像光学系と、前記結像光学系に近接して置かれた負屈折を示す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装置。

５−２．光源と、前記光源によって照明される微細構造を有する物体と、結像光学系と、前記結像光学系に近接して置かれた負屈折を示す媒質で形成された部材とを有する投影露光装置。

６．光源と、前記光源によって照明されている物体と、前記物体の近傍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有し、前記物体の結像を行うことを特徴とする光学装置。

７．光源と、前記光源によって照明されている微細構造を有する物体と、前記物体近傍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有し、前記微細構造を有する物体の結像をウエハー上に行うことを特徴とする投影露光装置。

８．光源により照明されている物体あるいは光を発する物体または像と、前記物体または像の後方に前記物体または像に近接して配置された負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、前記物体または像の像を結像することを特徴とする光学系。

８−２．前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子が移動可能であることを特徴とする
８．に記載の光学系。

８−３．負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、前記光学素子が移動することを特徴とする光学系。

８−４．負屈折を示す物質で形成された光学素子を有し、前記光学素子が移動可能であり、さらに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ことを特徴とする光学系。

９．負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、式（２０６）を満たす位置に前記光学素子が配置されていることを特徴とする光あるいは電磁波を用いる光学系。

９−２．さらに正の屈折率で形成された光学素子を有する８．に記載の光学系。

９−３．さらに正の屈折率で形成された光学素子複数個を有する８．に記載の光学系。

９−４．さらに前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の前方あるいは後方に結像光学系を有する８．に記載の光学系。

１０．負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、式（１８−１）を満たす位置に前記光学素子が配置されていることを特徴とする光あるいは電磁波を用いる光学系。

１０−２．さらに正の屈折率で形成された光学素子を有する１０．に記載の光学系。

１０−３．さらに正の屈折率で形成された光学素子複数個を有する１０．に記載の光学系。

１０−４．さらに前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の前方あるいは後方に結像光学系を有する１０．に記載の光学系。

１１．前記光学系あるいは光学装置の光入射側あるいは出射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１−２、２−２、３−３、３−５、３−５−２、４、４−２、５、５−２、のいずれか、あるいは８．ないし１０−４に記載のもの。

１２．前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の形状が平行平板であることを特徴とする１．乃至１０．に記載のもの。

１２−２．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１．乃至１０．に記載のもの。

１３．撮像素子を有する１．ないし１０−４．の光学系を有する光学装置。

１４．光、または電磁波を用いることを特徴とする１．乃至１３．の光学素子、あるいは光学系あるいは光学装置。

１５．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１４に記載のもの。

１６．前記負屈折を示す媒質がフォトニック結晶であることを特徴とする１．乃至１５．に記載のもの。

１７．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１．乃至１６に記載のもの。

１８．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。

１８−１．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。

１８−２．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。

１８−３．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。

１８−４．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。

１８−５．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。

１８−６．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。

１８−７．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。

１８−８．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。

１８−９．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。

１８−１０．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。

１９．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。

２０．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。

２１−１．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。

２１−１−０．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。

２１−１−１．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。

２２．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。

２２−０．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。

２２−１．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。

２２−１−１．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。

２２−２．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。

２２−３．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。

２２−４．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１９乃至２２−３のいずれかに記載のもの。

２２−５．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１９乃至２２−４に記載のもの。

２２−１０．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１９乃至２２−５に記載のもの。

２２−１１．式（０−１−０）または式（０−５）を満たすことを特徴とする１９乃至２２−１０のいずれかに記載のもの。

２２−１２．式（４）を満たすことを特徴とする１９乃至２２−１１のいずれかに記載のもの。

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
２２−１３．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１９乃至２２−１２のいずれかに記載のもの。

２２−１３−１．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１９乃至２２−１２のいずれかに記載のもの。

２２−１４．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１９乃至２２−１２に記載のもの。

２２−１５．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１９乃至２２−１４のいずれかに記載のもの。

２２−１６．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１９乃至２２−１４のいずれかに記載のもの。

２２−１７．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１９乃至２２−１４のいずれかに記載のもの。

２２−１７−１．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１９乃至２２−１４のいずれかに記載のもの。

２２−１７−２．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１９乃至２２−１４のいずれかに記載のもの。

２２−１７−３．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１９乃至２２−１４のいずれかに記載のもの。

２２−１８．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１９乃至２２−１７−３のいずれかに記載のもの。

２２−１９．式（８−２）を満たすことを特徴とする１９乃至２２−１８のいずれかに記載のもの。

２２−２０．式（８−５）を満たすことを特徴とする１９乃至２２−１９のいずれかに記載のもの。

２２−２１．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１９乃至２２−２０のいずれかに記載のもの。

２２−２２．上記２２−２１の光学系を有することを特徴とする光学装置。

２２−２３．上記２２−２１の光学系を有することを特徴とする顕微鏡。

２２−２４．上記２２−２１の光学系を有することを特徴とする落射型顕微鏡。

２２−２５．上記２２−２１の光学系を有することを特徴とする透過型顕微鏡。

２２−２６．上記２２−２１の光学系を有することを特徴とする観察装置。

２２−２７．上記２２−２１の光学系を有することを特徴とする撮像装置。

２２−２７−１．上記２２−２１の光学系を有することを特徴とする走査型顕微鏡。

２２−２８．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１９乃至２２−２０のいずれかに記載のもの。

２２−２９．上記２２−２８の光学系を有することを特徴とする光学装置。

２２−３０．上記２２−２８の光学系を有することを特徴とする光ディスク装置。

２２−３１．上記２２−２８の光学系を有することを特徴とする投影露光装置。

２２−３２．上記２２−２８の光学系を有することを特徴とする投影装置。

２２−３３．上記２２−２８の光学系を有することを特徴とする信号処理装置。

２２−３４．上記２２−２８の光学系を有することを特徴とする撮像装置。

２２−３５．上記１９乃至２２−２０の光学系を有することを特徴とする光学装置。

２２−３６．式（１２）を満たすことを特徴とする１９乃至２２−３５のいずれかに記載のもの。

２２−３７．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１９乃至２２−３５のいずれかに記載のもの。

２２−３８．１８−７乃至１８−１０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１９乃至２２−３６に記載のもの。

２２−３９．１８−７乃至１８−１０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１９乃至２２−３６に記載のもの。

２２−３９−１．１８−７乃至１８−１０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１９乃至２２−３６に記載のもの。

２２−３９−２．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あるいは１体化されていることを特徴とする２０乃至２２−３６に記載のもの。

２２−４０．前記基板の屈折率が式（１２）を満たす２２−３８に記載のもの。

２２−４１−１．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。

２２−４１−２．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。

２２−４１−３．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。

２２−４２−１．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。

２２−４２−２．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。

２２−４２−２−１．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。

２２−４２−３．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。

２２−４２−３−１．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。

２２−４３−１．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。

２２−４３−２．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。

２２−４３−３．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。

２２−４４−１．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。

２２−４４−２．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。

２２−４４−３．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。

２３．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。

２３−０−１．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。

２３−１．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。

２３−２．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２３乃至２３−１のいずれかに記載のもの。

２３−３．式（４）を満たすことを特徴とする２３−２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。

２３−４．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２３乃至２３−３のいずれかに記載のもの。

２３−４−１．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２３乃至５−３のいずれかに記載のもの。

２３−５．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２３乃至２３−３のいずれかに記載のもの。

２３−６．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２３乃至２３−５のいずれかに記載のもの。

２３−７．式（８−２）を満たすことを特徴とする２３乃至２３−６のいずれかに記載のもの。

２３−８．式（８−５）を満たすことを特徴とする２３乃至２３−７のいずれかに記載のもの。

２３−８−１．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２３乃至２３−７のいずれかに記載のもの。

２３−９．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１８乃至２３−８−１のいずれかに記載のもの。

２３−９−１．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１８乃至２３−８のいずれかに記載のもの。

２３−１０．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２３−９に記載のもの。

２３−１１．使用する光が単色光であることを特徴とする１８乃至２３−１０のいずれかに記載のもの。

２３−１２．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１８乃至２３−９のいずれかに記載のもの。

２３−１２−１．光源を有することを特徴とする１９乃至２３−１２のいずれかに記載のもの。

２３−１３．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１９乃至２３−１２のいずれかに記載のもの。

２３−１４．エバネッセント波を結像に用いることを特徴とする１８乃至２２−１５あるいは２２−１７乃至２３−１３のいずれかに記載のもの。

２３−１５．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１９乃至２３−１４のいずれかに記載のもの。

２４−１０．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１８乃至２３−１５のいずれかに記載のもの。

２４−１１．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１８乃至２３−１５のいずれかに記載のもの。

２４−１１−２．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１８乃至２３−１５のいずれかに記載のもの。

２４−１２．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１８−８乃至１８−１０、または２２−１１乃至２３−１７に記載のもの（但し２２−３７、２２−３８、２３−８−１は除く）。

２４−１３．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（１５）、（１６）、（１７）、（１８）のいずれかを満たす１８乃至２４−１２に記載のもの。

２５−１．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）。

２５−２．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）。

２５−３．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。

２５−４．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）のいずれかを満たすことを特徴とする光学系を備えた光学装置。

２５−５．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）のいずれかを満たすことを特徴とする光学装置。

２５−６．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。

２５−７．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光学装置。

２６−１．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１８に記載のもの。

２６−２．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１８乃至２６−１のいずれかに記載のもの。

本発明の概略を説明するための図である。本発明の一実施形態として、負屈折率媒質３０１を用いた透過型顕微鏡３１５の例を示す図である。図２の対物レンズ３０６近傍の拡大図を示す図である。参考の実施形態として、負屈折率媒質３０１で形成されたペトリ皿４５５を用いた倒立顕微鏡４５７の例を示す図である。参考の実施形態として、負屈折率媒質３０１を用いた光ディスク４５８、並びに光ディスク光学系３２０の例を示す図である。光ディスク４５８を用いた光学系の別の参考の実施形態を説明するための図である。光ディスク４５８を用いた光学系のさらに別の参考の実施形態を説明するための図である。光ディスク４５８を用いた光学系のさらに別の参考の実施形態を説明するための図である。参考の実施形態として、投影露光装置（ステッパー等）３４９の構成を示す図である。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。参考の実施形態として、リソグラフィーの構成を示す図である。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の具体例を示している。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３０１を用いた透過型顕微鏡３１５の例を示す図である。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。

符号の説明

３０１負屈折率媒質
３０３光源
３０４照明レンズ
３０６対物レンズ
３０７標本
３０８接眼レンズ
４５２負屈折率媒質で形成されたカバーグラス
４５４鏡

Claims

物点からの光を像点へと伝達する負屈折を示す媒質を含む光学系であって、
前記物点から前記負屈折を示す媒質までの距離をｔ0、前記負屈折を示す媒質から前記像点までの距離をｔ0′としたとき、
ｔ0 ＜ｔ0′
を満たすように前記負屈折を示す媒質が配置され、
前記負屈折を示す媒質で形成されたカバーグラスを備えることを特徴とする光学系。