WO2006028097A1

WO2006028097A1 - 負屈折を示す媒質で形成された光学素子を備えた光学装置

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Publication number: WO2006028097A1
Application number: PCT/JP2005/016338
Authority: WO
Inventors: Kimihiko Nishioka
Original assignee: Olympus Corporation
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2005-09-06
Publication date: 2006-03-16
Also published as: KR20070039169A; US7529030B2; US20060077566A1; KR20080073794A; KR20080073795A; EP1788418A1

Abstract

　レンズが開示される。該レンズは、屈折率が正の材料でできた光学素子と、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と、を含む。

Description

明細書

負屈折を示す媒質で形成された光学素子を備えた光学装置

技術分野

[0001] 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、た光学装置に関するものである。

背景技術

[0002] 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 (以下の非特許文献 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, 3, 4)。

[0003] 非特許文献 1 :光学系の仕組みと応用 P73— 77、 P166— 170 ォプトロ-タス社 2003年 11月 19日刊

非特許文献 2 :J.B.Pendry Phys. Rev丄 ett., Vol85, 18(2000) 3966-3969

非特許文献 3 : M. Notomi Phy.Rev.B.Vol62(2000) 10696

非特許文献 4 :V. G. Veselago Sov. Phys. Usp. Vol.10, 509-514(1968)

非特許文献 5 : L. Liu and S. He Optics Express Vol.12 No.20 4835—4840(2004) 非特許文献 6 :佐藤り II上ォプトロ-タス 2001年 7月号 197ページ、ォプトロ-クス社刊

特許文献 1 : US 2003/0227415 A1

特許文献 2 : US 2002/0175693 A1

特許文献 3：特開 2003-195002

特許文献 4：特開 2004-133040

発明の開示

[0004] 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、る、ある、は 30ナノメートル程度の間隔しか離れて、な、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。

[0005] この点に鑑みるに、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。

[0006] 上記の目的を達成するために、本発明の第 1の態様は、レンズであって、屈折率が正の材料でできた光学素子と、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と、を含む。

[0007] 本発明の第 2の態様は、光学素子であって、屈折率が正の材料でできた光学素子と、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と、を含む。

[0008] 本発明の第 3の態様は、光学素子であって、透明な平板と、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と、を含む。

[0009] 本発明の第 4の態様は、光学系であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する。

[0010] 本発明の第 5の態様は、光学系であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、この負屈折率を示す媒質で形成された光学素子によって高精度の結像を実現するものである。

[0011] 本発明の第 6の態様は、光学系であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、この負屈折率を示す媒質で形成された光学素子が有する完全結像の性質を利用することによって高精度の結像を実現するものである。

[0012] 本発明の第 7の態様は、光学系であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、この光学素子によって長い作動距離が得られる。

[0013] 本発明の第 8の態様は、光学系であって、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。

[0014] 本発明の第 9の態様は、光学系であって、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。

[0015] 本発明の第 10の態様は、光学系であって、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に最も近い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。

[0016] 本発明の第 11の態様は、光学系であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、それ以外の複数の光学素子とを有する。

[0017] 本発明の第 12の態様は、光学系であって、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する。

[0018] 本発明の第 13の態様は、光学系であって、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。

[0019] 本発明の第 14の態様は、光学系であって、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。

[0020] 本発明の第 15の態様は、光学系であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を含む光学系と、結像光学系とを含み、前記光学系により結像を行い、当該像を結像光学系により再結像する。

[0021] 本発明の第 16の態様は、光学系であって、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

[0022] 本発明の第 17の態様は、光学系であって、以下の式 (8— 5)

I Δ I < 100 λ …式（8— 5)

を満たし、

A =WD + d-t

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。

[0023] である。

[0024] 本発明の第 18の態様は、光学系であって、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する。

[0025] 本発明の第 19の態様は、光学系であって、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する。

[0026] 本発明の第 20の態様は、光学装置であって、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を備える。

[0027] 本発明の第 21の態様は、光学装置であって、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光学系を備える。

[0028] 本発明の第 22の態様は、光学装置であって、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光学系を備える。

[0029] 本発明の第 23の態様は、信号処理装置であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する。

[0030] 本発明の第 24の態様は、光ディスク装置であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する。

[0031] 本発明の第 25の態様は、投影装置であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する。

[0032] 本発明の第 26の態様は、観察装置であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する。

[0033] 本発明の第 27の態様は、撮像装置であって、負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する。

[0034] 本発明の第 28の態様は、光学装置であって、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。

[0035] 本発明の第 29の態様は、露光装置であって、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、ウェハに露光を行う。

[0036] 本発明の第 30の態様は、レンズであって、負屈折を示す媒質としてフォトニック結晶を用い曲面の光学面を有する。

[0037] 本発明の第 31の態様は、光学装置であって、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. 1 λ ΖΑ (但し、 Α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。

[0038] 本発明の第 32の態様は、光学装置であって、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. 1 λ ΖΑ (但し、 Α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。

[0039] 本発明の第 33の態様は、光学装置であって、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. 1 λ以上である本発明の第 34の態様は、光学装置であって、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が以下の式 (17)、（18)ズ19)、 (20)

0. lmm≤t≤ 300mm (17)

0. 01mm≤t≤ 300mm (18)

1100nm≤t≤ 200mm (19)

100nm≤t≤50mm (20)

のいずれ力 1つの条件を満たす。

[0041] 本発明の第 35の態様は、光学装置であって、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、以下の式 (17)、（18),(19)、 (20)

0. lmm≤t≤ 300mm (17)

0. 01mm≤t≤ 300mm (18)

1100nm≤t≤ 200mm (19)

100nm≤t≤50mm (20)

のいずれ力 1つの条件を満たす。

[0042] 本発明の第 36の態様は、光学装置であって、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光学系を備える。 [0043] 本発明の第 37の態様は、光学装置であって、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 2 Om以下である。

[0044] 本発明の第 38の態様は、レンズであって、曲面の光学面を有し、負屈折率媒質として負屈折率のフォトニック結晶を用いる。

[0045] 本発明の第 39の態様は、負屈折を示す媒質で形成されたレンズであって、片側が平面である。

[0046] 本発明の第 40の態様は、負屈折を示す媒質で形成されたレンズであって、非球面を有する。

[0047] 本発明の第 41の態様は、負屈折を示す媒質で形成されたレンズであって、回転非対称面を有する。

[0048] 本発明の第 42の態様は、負屈折を示す媒質で形成されたレンズであって、拡張曲面を有する。

図面の簡単な説明

[0049] [図 1]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の例を示す図である。

[図 2]図 2は、図 1の対物レンズ 306近傍の拡大図を示す図である。

[図 3]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を示す図である。

[図 4]図 4は、光ディスクの光学系 320の実施形態を示す図である。

[図 5]図 5は、投影露光装置の光学系の実施形態を示す図である。

[図 6]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。

[図 7]図 7は、シリコンウェハー 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。

[図 8]図 8は、負屈折率媒質でできたレンズ 301— 2を示す実施形態を示す図である [図 9]図 9は、フォトニック結晶 340の一例を示す図である。 [図 10]図 10は、フォトニック結晶 340の一例を示す図である。

[図 11]図 11は、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。発明を実施するための最良の形態

[0050] 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 N

A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、例えばガラスカゝらなるレンズ 306— 1

, 306— 2力含まれて!/ヽる。

[0051] 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 30

6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 3

11と中間結像点 FFの距離を gとする。

[0052] 中間結像点 FF力も 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 50 mである。 312は負屈折率媒質 301の物体側の面である。

[0053] 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力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。

[0054] ここで、負屈折率媒質 301の屈折率を 1、厚さを t (例えば、 300 m)とする。 W

D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。

[0055] 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)。

[0056] 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

sin r= (1/n) sin i …式 (0—4)

である。

[0057] 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。すなわち、完全結像が達成される。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。

[0058] FFから面 311までの距離で定義される gの値は、

0≤g≤ λ …式（0)

を満たし、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ヽ条件である。実用的には

0≤g≤101 …式（0—1)

でもよい場合がある。

[0059] なお、 λは用いる光の波長であり、可視光の場合えは 0. 35 μ m〜0. 7 μ mである

[0060] 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。

[0061] なお、用途によっては、

0≤g≤10001 …式（0— 1— 0)

でもよい。

[0062] 式（0)〜式（0— 1 0)において、 gの下限を 0. Ι λ ΖΑ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、 Αは、対物レンズ 306の FFにおける開口数（NA)である。

[0063] 式 (0)〜式 (0— 1 0)で、 gの下限を 0. 6 λ ΖΑ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。

[0064] 式 (0)〜式 (0— 1 0)で、 gの下限を 1. 3 λ ΖΑ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。

[0065] 仮に d= 50 μ mとすれば式（1)より WD = 250 μ mとなり、 WDの長、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 にほぼ接触させた固体浸レンズとほぼ同等である。

[0066] 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。

[0067] 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 30 6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。

[0068] 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力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。

[0069] 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。

[0070] 10mm<g< 0 …式（0—11)

とすればなお良い。 [0071] 式（0— 5)〜式（0— 11)で、 gの上限を（一 0. 1 λ )ΖΑ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、（一 0. 6 λ ) ΖΑとすれば、ゴミ、キズ等の影響がさらに減るので良い。

[0072] 式 (0— 5)〜式 (0— 11)で gの上限を、 (- 1. 3 λ )ΖΑ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。

[0073] 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。

[0074] 0. 8 (WD + d)≤t≤l. 2 (WD+d) …式（2)

であればよい。

[0075] 製品によっては

0. 5 (WD + d)≤t≤l. 5 (WD+d) …式（3)

で許容される場合もある。

[0076] 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。

[0077] 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!、。

[0078] 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。

[0079] 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、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。

[0080] 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。 [0081] 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。

[0082] 図 3及び後述の図 4、図 5では、 dの値は WDに比べて充分小さぐかつ 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。

[0083] 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カゝら出た光は半透鏡 305,対物レンズ 322,負屈折率媒質 301を通って光ディスク 3 23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。

[0084] 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で散乱され、負屈折率媒質 301,対物レンズ 322を通過し，そして半透鏡 305によって反射された後、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。

[0085] 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をシリコンウェハー 326で置き換え、フォトマスク 325とシリコンウェハー 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、る。

[0086] 図 4、図 5の実施形態でも式 (0)、 (0- 1) , (0—1— 0)、 (0— 3)、 ··· (。一 11)、 (1 )、（2)、（3)、（4)、 (4 1)は成り立つ。

[0087] 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。

[0088] このようにすれば、例えば、物体とぶつ力つて負屈折率媒質 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。

[0089] 図 6は、従来提案されて!ヽ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に上方力も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、シリコンウェハー 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。し力し、ポリマーフォトマスク 330とシリコンウェハー 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の寿命が短力ぃ、ポリマーフォトマスク 330 力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ヽた。

[0090] 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。

[0091] 図 7は、その説明図であり、シリコンウェハー 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、は空気中に配置されて!、る。

[0092] 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によって完全結像され、シリコンウェハー 326上にフォトマスク 330の像が形成される。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一が実現できる。

[0093] 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。

[0094] 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ェハー 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を伸す効果はある力もである。

[0095] レンズ 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。

[0096] 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力つた高解像が実現できるのでなお良い。

[0097] 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。

[0098] 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。

[0099] 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、。 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、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开状でも良い。

[0100] 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。

[0101] 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はえ〜数十分の 1 λ程度の周期的な構造を持つ物質で、リソグラフィ一等によって作られる。使用される材料としては、 SiO

2やアクリル、ポリカーボネート等の合成樹脂を含む誘電体、あるいは GaAsなどである。ここでえは使用する光の波長である。図中の X, Υ, Z方向の繰返しの周期 Sx , Sy , Szの値が λ〜数十分の 1 λ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 ζ方向を光学系の光軸とするのが良い。

[0102] Ζ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。

[0103] Sx , Sy , Szは次式のいずれかを満すことが望ましい。

[0104] X /10< Sx < λ …式（5— 1)

l /10< Sy < λ ···式（5— 2)

l /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。

[0105] 用途によっては、 /30<Sx <4^ ···式（5— 4)

l/30<Sy <4λ ···式（5— 5)

/30<Sz <4 ···式（5— 6)

のいずれかを満せばよい。

[0106] 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、媒質の比透磁率が負のとき、真空に対する媒質の屈折率が

[数 1]

[0107] になることが知られている。

[0108] 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。

[0109] 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、ほぼ 1の誘電率 εを持つ材料で形成された薄膜の場

-1. 2く 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。

[0110] 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力これに限らず連続スペクトルを出射する光源、白色光源、単色光の和、あるいは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を用いてもかまわな、。

[0111] 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. 1 πι〜3/ζπι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. 6 μ m以下にすれば、解像が向上するのでなお良い。 [0112] 以下に WDについて詳述する。

[0113] WDの値は

100nm≤WD≤20mm …式（7)

とするのが良い。

[0114] 式 (7)の下限を下回ると WD (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。

[0115] 製品によっては

20nm≤ WD≤ 200mm …式（8)

でち許容でさる。

[0116] 11 OOnm≤ 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。

[0117] 0. 01mm≤WD≤ 200mm …式（8— 0— 2)

とすれば、なお使いやすぐ光学装置の WDを決める機構が簡単になるので良い。

[0118] 0. 1 mm≤WD≤ 200mm …式（8— 0— 3)

とすれば、さらに使いやすぐ光学装置の機械的精度もさらに下げられるので良い。

[0119] また、

WD>d …式（8— 1)

を満すことが望ましい。

[0120] tの値が同じなら式（1)により、 dの値は小さいほど WDを大きくできる力もである。

[0121] WD>0. Id …式（8— 2)

でも製品によっては許容できる。

[0122] 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。

[0123] 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。

[0124] 式（8— 2— 1)で、 dの下限を 0. 1 λ ΖΑとすれば、 FFはレンズ 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。

[0125] 式（8— 2— 1)で、 dの下限を 0. 6 λ ΖΑ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。

[0126] 式（8— 2— 1)で、 dの下限を 1. 3 λ ΖΑ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。

[0127] 但し、 Αは光学系の点 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= lとする。

[0128] 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っための枠構造が簡単になり良、。

[0129] 式（8— 2— 2)で、 dの上限を（一 0. 1 λ )ΖΑ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、。

[0130] 式（8— 2— 2)で、 dの上限を（― 0. 6 λ )ΖΑとすれば、ゴミ、キズ等の影響がさらに減るので良い。

[0131] 式（8— 2— 2)で、 dの上限を（― 1. 3 λ )ΖΑ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。

[0132] 但し、 Αは、点 FFにおける結像光学系 306、 322、 328等の開口数 (NA)である。

[0133] ここで、光学面上のゴミ、キズ等の結像性能への影響につ!、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力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。

[0134] そして、その距離は少なくとも 0. 1 λ ΖΑ以上あることが望ましい。そして、 0. 6 λ Ζ

Αあるいは 1. 3 λ ΖΑ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。

[0135] 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、。顕微鏡のステージ等はその一例である。

[0136] 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、あるヽは 0となる。

[0137] 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のウェハー側）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、。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。

[0138] 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。

[0139] 平板 450、レンズ 306— 1、 306— 2を合わせて対物レンズ 306を形成している。中間結像点 FFはわずかに平板 450の中に入って!/、る。レンズ 306— 1と平板 450とは接着されているが、密着させても良い。後述する式（12)、（13)は平板 450の屈折率に対しても適用できる。

[0140] 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。

[0141] 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、 I Δ I の値が大きいほど結像状態は悪くなる。

[0142] I Δ I < 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。

[0143] 実用的には製品によっては

I Δ I < 10 λ …式（8— 4—1) まで許容できる。

[0144] 利用条件によっては、 I Δ Iく 100 λ …式（8— 5)

まで許容できる。

[0145] 式（8—4—1)〜（8— 5)の | Δ |の下限を、 0. 1 λ ΖΑ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、場合がある。

[0146] また、負屈折率媒質 301の屈折率を ηとすると、 η< 0である。これまで述べた実施形態では η=— 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 η= 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 η

=一 1にできな!/、こともあり、この時次式を満すことが望まし!/、。

[0147] - 1. 1 <η< -0. 9 …式（9)

ηの値が上記の範囲をはずれると、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<η< -0. 5 …式（10)

であれば良い。

[0148] WDを大きく取るためだけなどの用途では

- 3<η< -0. 2 …式（11)

でも良い場合がある。

[0149] 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 Νとすると、 Νは大きいほど解像度が上がるので良い。

[0150] N≥l. 3 …式（12)

とすれば、広い用途に利用できる。

[0151] N≥l. 7 …式（13)

とすればなお良い。

[0152] 式（12)、（13)で Ν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。

[0153] N≥l. 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。 [0154] なお、本願の実施形態に共通して言えることである力負屈折率媒質 301の周囲は空気または真空であると考えて、る。

[0155] 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度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ぐ取り扱いも容易となるので良い。

[0156] 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、てもよ、。

[0157] 取り扱いが容易で結像性能の良い光学装置が得られる。

[0158] 負屈折率媒質 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のとき、 nA = 1. 00 02818である。

[0159] 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。

[0160] 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。

[0161] 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、 _nv の値が一 1でなくても良ぐ負屈折率媒質 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 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。

[0162] 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（1

1)は同様に適用できる。

[0163] 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。

[0164] 式（1)から WDは tと同程度の値となる。従って、

0. lmm≤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《なる。

[0165] 製品によっては、

0. 01mm≤t≤ 300mm …式（18)

でも許容される。

[0166] 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。

[0167] 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。

[0168] 式（19)、（20)で、 tの上限値を 0. Olmmとすれば、蒸着あるいはスパッタリング等により負屈折率媒質を薄膜として製造する可能性も出てくるので良い。

[0169] 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)。

[0170] 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!、のでなぉ良、。

[0171] 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（3 06、 322, 328等）【こ対する物^; (FF、 321、 325等）ある!/ヽ ίま像^; (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。

[0172] また、本願で完全結像と!/、う用語を用いた力これは 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。 [0173] 本発明によれば、十分な光学性能を得ながら WDの長、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。

[0174] 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。

[0175] 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。

[0176] 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。

[0177] 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、口ボットの眼、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、惑星探查機のカメラ、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、ァライナー、光プローブ型顕微鏡等がある。デジカメ、カード型デジ力入テレビカメラ、 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。

[0178] 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。

[0179] 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- 一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。

[0180] 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。

[0181] 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。

[0182] 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。

[0183] 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、ノソコン、パソコンのキーボード、マウス、タツ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。

[0184] 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。

[0185] 情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。

[0186] 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、ウェハー、光デイスク、銀塩フィルム、等は結像部材の例である。

[0187] 拡張曲面の定義は以下の通りである。

[0188] 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、 1つだけの対称面を有する非球面、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。

[0189] 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。

[0190] 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。

[0191] 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。

[0192] 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。

[0193] 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。

[0194] 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。

[0195] 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。 [0196] 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、光ピックァップの光学系がある。

[0197] 光学素子とはレンズ、非球面レンズ、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。

産業上の利用可能性

[0198] 本発明によれば、十分な光学性能を得ながら WDの長、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。

Claims

請求の範囲

[I] 屈折率が正の材料でできた光学素子と、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と、を含むことを特徴とするレンズ。

[2] 屈折率が正の材料でできた光学素子と、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と、を含むことを特徴とする光学素子。

[3] 透明な平板と、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と、を含むことを特徴とする光学素子。

[4] 前記透明な平板が屈折率が正の材料でできていることを特徴とする請求項 3に記載の光学素子。

[5] 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。

[6] 負屈折率を示す媒質で形成された光学素子によって高精度の結像を実現したことを特徴とする、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する光学系。

[7] 負屈折率を示す媒質で形成された光学素子が有する完全結像の性質を利用することによって高精度の結像を実現したことを特徴とする、前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有する光学系。

[8] 負屈折を示す媒質で形成された光学素子を有し、この光学素子によって長い作動距離が得られ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。

[10] 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。

[II] 前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子が曲面を有するレンズであることを特徴とする請求項 10に記載の光学系。

[12] 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に最も近い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。

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

[14] 前記複数の光学素子がレンズであることを特徴とする請求項 13に記載の光学系。

[15] 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。

[16] 前記結像光学系に対する物点ある!、は像点から前記結像光学系までの距離が有限距離であることを特徴とする請求項 13に記載の光学系。

[17] 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ことを特徴とする光学系。

[18] 前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子以外の光学素子の数が複数であることを特徴とする請求項 17に記載の光学系。

[19] 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] 前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子によって結像された像が虚像であることを特徴とする請求項 19に記載の光学系。

[21] 負屈折を示す媒質で形成された光学素子を含む光学系と、結像光学系とを含み、前記光学系により結像を行、、当該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] 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。

[23] 前記光学系で結像される物体が 2次元ある、は 3次元の形状を有することを特徴とする請求項 5に記載の光学系。

[24] 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請求項 5に記載の光学系。

[25] 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請求項 5に記載の光学系。

[26] 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請求項 9に記載の光学系。 [27] 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請求項 15に記載の光学系。

[28] 光学系であって、以下の式（0— 1 0)または式（0— 5)

0≤g≤10001 …式（0— 1— 0)

g< 0 …式 (0 5)

を満たし、

gは前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子の像点と前記結像光学系の入射面との間の距離、

であることを特徴とする請求項 15に記載の光学系。

[29] 光学系であって、以下の式 (4)

0. 15 (WD + d)≤t≤4. 0 (WD+d) …式（4)

を満たし、

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

であることを特徴とする請求項 15に記載の光学系。

[30] 前記負屈折を示す媒質の屈折率が以下の式 (11)

- 3<n< -0. 2 …式（11)

を満たすことを特徴とする請求項 5に記載の光学系。

[31] 前記負屈折を示す媒質の屈折率が以下の式 (11)

- 3<n< -0. 2 …式（11)

を満たすことを特徴とする請求項 9に記載の光学系。

[32] 前記負屈折を示す媒質の屈折率が以下の式 (11)

- 3<n< -0. 2 …式（11)

を満たすことを特徴とする請求項 15に記載の光学系。

[33] 物体側ある!/、は像側ある、は中間結像点での前記光学系の NA(Numerical Apertu re)が 0. 2を超える値であることを特徴とする請求項 5に記載の光学系。

[34] 物体側ある!/、は像側ある、は中間結像点での前記光学系の NA(Numerical Apertu re)が 0. 2を超える値であることを特徴とする請求項 9に記載の光学系。

[35] 物体側ある!/、は像側ある、は中間結像点での前記光学系の NA(Numerical Apertu re)が 0. 2を超える値であることを特徴とする請求項 15に記載の光学系。

[36] 前記負屈折を示す媒質と物体または像との距離が以下の式 (8)

20nm≤ WD≤ 200mm …式（8)

を満たし、

であることを特徴とする請求項 5に記載の光学系。

[37] 光学系であって、以下の式（8— 2)

WD>0. Id …式（8— 2)

を満たし、

であることを特徴とする請求項 15に記載の光学系。

[38] 光学系であって、以下の式（8— 5)

I Δ I < 100 λ …式（8— 5)

を満たし、

A =WD + d-t

tは、前記負屈折を示す媒質の厚さ。

であることを特徴とする光学系。

[39] 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。

[40] 請求項 39に記載の光学系を有することを特徴とする光学装置。

[41] 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。

[42] 請求項 41の光学系を有することを特徴とする光学装置。 [43] 光学系であって、以下の式（12)

N≥l. 3 …式（12)

を満たし、

Nは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光学素子の屈折率であることを特徴とする請求項 15に記載の光学系。

[44] 請求項 1に記載のレンズを含むことを特徴とする光学系。

[45] 請求項 2〜4のいずれか 1つに記載の光学素子を含むことを特徴とする光学系。

[46] 前記光学系は結像光学系を含み、前記基板は前記結像光学系の一部を構成する請求項 44に記載の光学系。

[47] 前記光学系は結像光学系を含み、前記基板は前記結像光学系の一部を構成する請求項 45に記載の光学系。

[48] 前記光学系は結像光学系を含み、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請求項 44に記載の光学系。

[49] 前記光学系は結像光学系を含み、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請求項 45に記載の光学系。

[50] 前記負屈折を示す媒質で形成された光学素子と、光学系を構成する他の光学素子とが接着されている力密着されているか、あるいは一体ィ匕されていることを特徴とする請求項 9に記載の光学系。

[51] 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を備えたことを特徴とする光学装置。

[52] 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光学系を備えた光学装置。

[53] 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光学系を備えたことを特徴とする光学装置。

[54] 請求項 15に記載の光学系を有することを特徴とする光学装置。

[55] 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装置

[56] 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ディスク装置 [57] 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投影装置。

[58] 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装置。

[59] 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装置。

[60] 更に正の屈折率を持つ媒質で形成された光学素子と、撮像素子とを含むことを特徴とする請求項 59に記載の撮像装置。

[61] 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。

[62] 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

、ウェハーに露光を行うことを特徴とする露光装置。

[63] 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請求項 61に記載の光学装置。

[64] 前記負屈折を示す媒質の屈折率 nが以下の式 (11)

- 3<n< -0. 2 …式（11)

を満たすことを特徴とする請求項 61に記載の光学装置。

[65] 前記負屈折を示す媒質と像面との距離が以下の式 (8)

20nm≤ WD≤ 200mm …式（8)

を満たし、

WDは、前記負屈折を示す媒質と物体または像面との距離である、

であることを特徴とする請求項 61に記載の光学装置。

[66] 以下の式（8— 2)

WD>0. Id …式（8— 2)

を満たし、

WDは、前記負屈折を示す媒質と物体または像面との距離、

dは、前記負屈折を示す媒質と光学系の中間結像点との距離、

であることを特徴とする請求項 61に記載の光学装置。

[67] 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は、請求項 2乃至 4のいずれか 1つの構造を有することを特徴とする、前記微細構造の結像を行なうことを特徴とする光学装置。

[68] 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請求項 5、 9、 15 のいずれ力 1つに記載の光学系。

[69] 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請求項 61に記載の光学装置。

[70] 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曲面の光学面を有することを特徴とするレンズ。

[71] 使用する光が単色光であることを特徴とする請求項 5、 9、 15のいずれか 1つに記載の光学系。

[72] 使用する光が単色光であることを特徴とする請求項 61に記載の光学装置。

[73] 使用する光の波長が 0. 1 μ m以上 3 μ m以下であることを特徴とする請求項 5、 9、

15のいずれ力 1つに記載の光学系。

[74] 使用する光の波長が 0. 1 m以上 3 m以下であることを特徴とする請求項 61に記載の光学装置。

[75] 請求項 5、 9、 15のいずれ力 1つに記載の光学系を備え、さらに光源を有することを特徴とする光学装置。

[76] エバネッセント波を結像に用いることを特徴とする請求項 5、 9、 15のいずれか 1つに記載の光学系。

[77] エバネッセント波を結像に用いることを特徴とする請求項 61に記載の光学装置。

[78] 前記負屈折を示す媒質と、物体ある!/、は結像部材あるいは微細構造を有する部材との距離が可変できることを特徴とする請求項 5、 9、 15のいずれか 1つに記載の光学系を備えた光学装置。

[79] 前記負屈折を示す媒質と、物体ある!/、は結像部材あるいは微細構造を有する部材との距離が可変であることを特徴とする請求項 61に記載の光学装置。

[80] 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 5、 9、 15のいずれか

1つに記載の光学系を備えた光学装置。

[81] 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請求項 5、 9、 15のいずれか 1つに記載の光学系を備えた光学装置。

[82] 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請求項 61に記載の光学装置。

[83] 前記負屈折を示す媒質が平行平板であることを特徴とする請求項 2乃至 4の、ずれか 1つに記載の光学素子。

[84] 前記負屈折を示す媒質の厚さ tが以下の式 (17)、（18)、（19)、 (20)

0. lmm≤t≤ 300mm …式（17)

0. 01mm≤t≤ 300mm …式（18)

1100nm≤t≤ 200mm …式（19)

100nm≤t≤50mm …式（20)

の!、ずれかを満たすことを特徴とする請求項 1に記載のレンズ。

[85] 前記負屈折を示す媒質の厚さ tが以下の式 (17)、（18)、（19)、 (20)

0. lmm≤t≤ 300mm …式（17)

0. 01mm≤t≤ 300mm …式（18)

1100nm≤t≤ 200mm …式（19)

100nm≤t≤50mm …式（20)

のいずれかを満たすことを特徴とする請求項 2乃至 4のいずれか 1つに記載の光学素子。

[86] 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力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. 1 λ ΖΑ (但し、 Αは中間結像点での前記結像光学系の開口数である）以上であることを特徴とする光学装置。

[87] 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. 1 λ /Α (但し、 Aは中間結像点での前記結像光学系の開口数である）以上であることを特徴とする光学装置。

[88] 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. 1 λ以上であることを特徴とする光学装置。

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が以下の式 (17)、（18),(19)、 (20)

0. lmm≤t≤ 300mm (17)

0. 01mm≤t≤ 300mm (18)

1100nm≤t≤ 200mm (19)

100nm≤t≤50mm (20)

の!、ずれかを満たすことを特徴とする光学装置。

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、以下の式 (17)、 (18),

(19)、 (20)

0. lmm≤t≤ 300mm (17)

0. 01mm≤t≤ 300mm (18)

1100nm≤t≤ 200mm (19)

100nm≤t≤50mm (20)

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。

[91] 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最も回転対称性の良、軸が前記光学系の光軸方向を向、て、る光学系を備えたことを特徴とする光学装置。

[92] 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。

[93] 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請求項 5、 6、 9、 15、 16, 21、 22、 24、 25、 26、 27、 28及び 43の!ヽずれ力 1つに記載の光学系。

[94] 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請求項 61または 62に記載の光学装置。

[95] 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請求項 68に記載の光学系。 [96] 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請求項 69に記載の光学装置。

[97] 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請求項 76に記載の光学系。

[98] 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請求項 77に記載の光学装置。

[99] 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請求項 5、 9、 15、 21、 22、 28、 43の!ヽずれ力 1つに記載の光学系。

[100] 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請求項 61または 62に記載の光学装置。

[101] 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請求項 76に記載の光学系。

[102] 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請求項 77に記載の光学装置。

[103] 負屈折率媒質として負屈折率を持つフォトニック結晶を用いたことを特徴とする曲面の光学面を有するレンズ。

[104] 負屈折を示す媒質で形成されたレンズであって、片側が平面であることを特徴とするレンズ。

[105] 負屈折を示す媒質で形成されたレンズであって、非球面を有することを特徴とするレンズ。

[106] 負屈折を示す媒質で形成されたレンズであって、回転非対称面を有することを特徴とするレンズ。

[107] 負屈折を示す媒質で形成されたレンズであって、拡張曲面を有することを特徴とするレンズ。