WO2008020548A1 - Dispositif et procédé d'éclairage et microscope à balayage optique - Google Patents

Dispositif et procédé d'éclairage et microscope à balayage optique Download PDF

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WO2008020548A1
WO2008020548A1 PCT/JP2007/065146 JP2007065146W WO2008020548A1 WO 2008020548 A1 WO2008020548 A1 WO 2008020548A1 JP 2007065146 W JP2007065146 W JP 2007065146W WO 2008020548 A1 WO2008020548 A1 WO 2008020548A1
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light emitter
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Hiroya Fukuyama
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Olympus Corporation
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    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • G02B21/08—Condensers
    • G02B21/082—Condensers for incident illumination only

Definitions

  • Illumination device illumination method, and scanning optical microscope
  • the present invention relates to an optical image detection device such as a microscope, a camera, and an endoscope, an optical information writing / reading device such as an optical disc pick-up device, and an illumination device, an illumination method, and a lithographic device such as a stepper, Furthermore, the present invention relates to a scanning optical microscope.
  • Non-Patent Document 3 even when the refractive index takes a negative value, if the real part of the permittivity or permeability is a negative value, the electromagnetic wave in a specific polarization state On the other hand, a negative refraction phenomenon is observed.
  • Non-Patent Document 5 in a periodic structure such as a photonic crystal, the photonic band is folded in a reciprocal space, so that the refractive index, dielectric constant, and magnetic permeability are all positive. In spite of this material, a negative refraction phenomenon is observed for electromagnetic waves with specific wavelengths and specific polarization states.
  • a material that exhibits a negative refraction response to a specific electromagnetic wave is referred to as a “material exhibiting negative refraction”.
  • a material exhibiting negative refraction is a broader concept than a negative refraction material.
  • materials exhibiting negative refraction include metal thin films, kyranole materials, photonic crystals, metamaterials, left-handed materials, backward wave materials, negative phase velocity media, and the like.
  • materials having both negative values of dielectric constant and magnetic permeability has a negative value of refractive index.
  • such materials have been shown to satisfy the so-called extended Snell's law, as will be described later.
  • FIG. 16 shows how light is refracted in a normal optical material having a positive refractive index (hereinafter referred to as “normal optical material” where appropriate).
  • normal optical material having a positive refractive index
  • ⁇ is the incident angle
  • ⁇ is the refraction angle
  • ⁇ is the refractive index of medium 1
  • ⁇ is the refractive index of medium 2.
  • FIG. 17 shows how light is refracted when the refractive index n of the medium 2 takes a negative value.
  • FIG. 18 shows an imaging relationship by the convex lens 13 using a normal optical material.
  • the light from the object point 11A on 11 is condensed by the convex lens 13 onto the image point 12A on the image plane 12.
  • the refractive index of the lens is positive, it is necessary for the lens surface to have a finite curvature in order to form an image (condensation).
  • FIG. 19 shows an imaging relationship by the negative refraction lens 14. The light from the object point 11B on the object plane 11 is condensed by the negative refraction lens 14 onto the image point 12B on the image plane 12.
  • Non-Patent Document 11 shows a method of realizing a non-magnification image by forming a curved lens with a material exhibiting negative refraction.
  • it is not practical because it requires negative refraction where the conditions for complete imaging are very strict and a material having a predetermined refractive index gradient is required.
  • all negative refractive lenses realized in the world have a substantially uniform refractive index in space, and the surface through which light (electromagnetic waves) passes is flat. Therefore, a spatially uniform flat plate made of a material exhibiting negative refraction is hereinafter referred to as a “negative refraction lens” as appropriate.
  • spatial uniform means uniform on a scale larger than the wavelength of the electromagnetic wave. It is a taste. Therefore, when realizing negative refraction with artificial structural materials such as photonic crystals and metamaterials, the effective refractive index (or effective permittivity or effective permeability) due to the structure is spatially reduced. Means uniform.
  • the theoretical upper limit of resolution is determined by the diffraction limit.
  • the minimum distance between two resolvable points is about ⁇ / ⁇ .
  • ⁇ is the wavelength used and ⁇ is the numerical aperture.
  • structures smaller than the diffraction limit cannot be resolved by the optical system.
  • the light emitted from the object point 11A on the object surface 11 is composed of two light waves: a radiated light that reaches far away and an evanescent wave that attenuates at a distance of about a wavelength from the object point 11A. .
  • the emitted light corresponds to the low frequency component of the information on the object surface 11.
  • One evanescent wave corresponds to the high frequency component of the information on the object surface 11.
  • the boundary between the radiation and the evanescent wave is a spatial frequency corresponding to 1 / ⁇ .
  • evanescent waves have a frequency in the object plane greater than 1 / e.
  • the wavenumber component in the light wave propagation direction perpendicular to the evanescent wave is an imaginary number.
  • the object surface 11 decays rapidly as it moves away.
  • Non-patent document 3 disclosed in recent years discloses that the above-mentioned evanescent wave is amplified in a negative refraction material. Therefore, image formation by the negative refraction lens 14 shown in FIG. It is shown that on the image plane 12, the amplitude of the evanescent wave is recovered to a level equivalent to that on the object plane 11. That is, in the optical system shown in FIG. 19, both the radiated light and the evanescent wave propagate from the object plane 11 to the image plane 12. For this reason, the information of the object point 11B is completely reproduced at the imaging point 12B. This means that if an imaging optical system using the negative refraction lens 14 is used, complete imaging that is not restricted by the diffraction limit is possible.
  • Non-Patent Document 4 a metamaterial in which metallic coils and rods smaller than the wavelength are periodically arranged is produced. It has been reported that such a metamaterial functions as a negative refraction lens in the microwave region.
  • Non-Patent Document 5 discloses a method of producing a negative refraction material using a photonic crystal.
  • a photonic crystal in which air rods are arranged in a hexagonal lattice in a dielectric, there is a photonic band in which the effective refractive index is isotropic and negative.
  • the photonic crystal can be regarded as a two-dimensional uniform negative refraction material for electromagnetic waves in a frequency band suitable for the photonic band.
  • Non-Patent Document 6 There is a theoretical objection to the complete image formation by the negative refraction lens as described in Non-Patent Document 6, for example. This caused controversy. However, in recent years, the theory of negative refractive lenses disclosed in Non-Patent Document 3 has been generally accepted.
  • an aplanatic point that is, a point where the spherical aberration and the coma aberration become zero simultaneously.
  • the image by this optical system is always a virtual image.
  • an object plane can be arranged at an aplanatic point to form a real image (for example, see Non-Patent Document 7). In this way, a unique optical design that has never existed before can be realized by using negatively bent materials.
  • Non-Patent Document 9 silver exhibits a negative dielectric constant for light having a wavelength of 330 to 900 nm.
  • a chiral material having a helical structure also has a photonic band exhibiting negative refraction.
  • a metamaterial composed of a metal resonator array is sometimes called a left-handed material or a left-handed metamaterial. These are also included in materials exhibiting negative refraction.
  • Non-Patent Document 1 VG Veselago et al., Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968)
  • Non-Patent Document 2 E. Hecht, "Optics", 4th ed. (Addison— Wesley, Re a din g, MA, 2002)
  • Non-Patent Document 3 J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000)
  • Non-Patent Document 4 D. R. Smith et al., Phys. Rev. Lett. 84, 4184 (2000)
  • Non-Patent Document 5 M. Notomi, Phys. Rev. B62, 10696 (2000)
  • Non-Patent Document 6 P. M. Valanju et al., Phys. Rev. Lett. 88, 187401 (200
  • Non-patent document 7 D. Schurig et al., Phys. Rev. E70, 065601 (2004)
  • Non-patent document 8 DR Smith et al., Appl. Phys. Lett. 82, 1506 (2003)
  • Non-patent document 9 “Latest Optical Technology Handbook” Junhei Tsujiuchi (Asakura Shoten)
  • Non-Patent Document 10 J.B.Pendry, Science 306, 1353 (2004)
  • Non-Patent Document 11 S. A. Ramakrishna et al., Phys. Rev. B69, 115115 (20 04)
  • the negative refraction lens itself forms an image in which a high-frequency component is maintained by transmitting an evanescent wave.
  • a negative refraction lens In order to actually generate any optical image having a high-frequency component using a negative refraction lens or to detect a high-frequency component from an optical image generated from an object or the like by a negative refraction lens, There are the following problems related to the illumination method and the detection method.
  • the detector in order to detect information on a desired high-frequency component, the detector is placed directly on the equal-magnification image plane of the negative refraction lens, and the detector has a frequency higher than the desired high-frequency component. It must have a detection band (spatial resolution).
  • This kind of problem also exists when an optical image having a desired high-frequency component is arbitrarily generated on an object using a negative refraction lens. That is, the illumination light is spatially modulated on the same-magnification imaging plane (conjugate plane of the target object) by the negative refraction lens, and the light source (illumination light source) has a modulation band (above the desired high-frequency component ( It is necessary to have a spatial resolution.
  • the detector or the light source is no more than that. It is necessary to have a resolution of This means that when a two-dimensional image sensor such as a CCD or CMOS device is used as a detector, the pixel interval (pixel size) must be half of 0.03 ⁇ 111, that is, 0 ⁇ 015 m or less. To do.
  • the size of the detectors or light sources is As in the case of the above image sensor, it must be less than 0.015 111.
  • the diameter of the opening at the tip of the probe used as a detector and light source in this SNOM is about 0.05-0. This is more than 3 times larger than the conditions shown in the above example, ie, detector and light source diameters of 0.015 m or less! /.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides an illumination device, an illumination method, and a scanning optical microscope that have high spatial resolution and are suitable for high-frequency components due to evanescent waves in a negative refraction lens.
  • the purpose is to do.
  • the present invention provides:
  • a light emitter including a light emitting material that emits light when energy is applied thereto, and an optical element made of a material exhibiting negative bending, and for projecting light emitted from the light emitter onto an object
  • An illumination system wherein the light emitter is smaller in wavelength than the light emitted by the light emitter.
  • the light emitter can be characterized by being dispersed in a light emitting layer having a film shape.
  • the light emitter may include a luminescent material that emits light having a wavelength ⁇ different from the wavelength ⁇ when irradiated with excitation light having a predetermined wavelength ⁇ .
  • the light emitter may include at least one of a phosphor, a phosphor, a nonlinear optical material, and an active material such as a laser medium.
  • the light emitter includes a quantum dot laser, and the energy can be a carrier current.
  • the present invention includes a light emitting step that includes a light emitting material that emits light, and emits light by applying energy to a light emitter that is smaller than the wavelength of the light, and a material that exhibits negative refraction. And a projecting step of projecting the light having the luminous body power onto the object through an optical system including the optical element.
  • the present invention includes a scanning type comprising the above-described illumination device according to the present invention and a photodetector capable of detecting light having the same wavelength as that irradiated to the object.
  • a scanning type comprising the above-described illumination device according to the present invention and a photodetector capable of detecting light having the same wavelength as that irradiated to the object.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a lighting apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the light emitter and the substrate of the same example.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a lighting apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the light emitting layer and the substrate in the example.
  • FIG. 5 is a view showing another example of the light emitting layer according to the example.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a lighting apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing another example of the configuration of the illumination device according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a lighting apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 9 is an enlarged view for explaining a transparent bead-containing transparent body bead according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a lighting apparatus according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration example of an illumination apparatus (when a quantum dot laser is used as a light emitting layer) according to Example 6 of the present invention.
  • FIG. 12 is an enlarged view of the light emitting layer and the substrate according to the example.
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration example of a scanning fluorescence microscope according to Example 7 of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of a scanning reflective field microscope according to Example 8 of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of a scanning fluorescence microscope according to Example 9 of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing light refraction in a normal optical material.
  • FIG. 17 is a diagram showing how light is refracted in a material having a negative refractive index.
  • FIG. 18 is a diagram showing an imaging relationship by a convex lens using a normal optical material.
  • FIG. 19 is a diagram showing an imaging relationship with a negative refraction lens.
  • Fig. 1 shows a configuration of a lighting device according to the present embodiment.
  • the light source 101 is an illumination light source such as a halogen lamp, light emitting diode (LED), super luminescent diode (SLD / SuperLuminescent Diode), laser oscillator, etc. Because laser light has excellent spatial coherence, it is more energy efficient. This is more preferable because a high-density beam spot can be formed.
  • the illuminant excitation light 108 having a wavelength emitted from the light source 101 is condensed on the illuminant 107 by the condenser lens 102.
  • the phosphor 107 is a fine particle made of a fluorescent substance or phosphorescent substance that emits light having a wavelength longer than that of the excitation light when irradiated with the excitation light.
  • the size of the phosphor 107 is the fluorescence emitted by the phosphor 107. And smaller than phosphorescence wavelength.
  • the illuminant 107 for example, so-called fluorescent beads in which a plastic particle such as polystyrene is used as a base material and a fluorescent dye is contained therein can be used.
  • quantum dots that are particles of several nm in size made of a semiconductor material can also be used.
  • this quantum dot is known to emit fluorescence when irradiated with a particle force S of several nm made of CdSe (cadmium selenide), ultraviolet light or blue light.
  • Quantum dots have the advantage that they emit fluorescence with higher efficiency than ordinary fluorescent dyes and do not cause discoloration.
  • the wavelength of fluorescence can be freely controlled between 470 and 610 nm by adjusting the size between 2 and 5 nm during the production of particles.
  • the light emitter 107 is held on a substrate 104 made of an optical material such as glass or plastic.
  • the illuminant 107 is converted to a fluorescence of a wavelength.
  • the negative refraction lens 105 is arranged so as to form an image of the light emitter 107 on the surface of the object 106.
  • n and n be the refractive indices of the negative refractive lens and the external medium (air), respectively.
  • the propagating light component contained in the light 109 but also the evanescent wave component is simultaneously condensed, and a beam spot having the same size as that of the light emitter 107 is formed on the surface of the object 106.
  • various objects that require spot-like illumination can be applied as the object 106.
  • the illuminant excitation light 108 it may not be preferable for the illuminant excitation light 108 to reach the object 106.
  • the application field is photolithography and the object 106 is a photosensitive resist
  • the object 106 should be irradiated only with the object illumination light 109 and not the illuminator excitation light 108. This is because the beam spot formed by the illuminant excitation light 108 on the object 106 is larger than the beam spot formed by the object illumination light 109 on the object 106. This is because the resolution of the image is impaired.
  • a band pass filter that blocks the light emitter excitation light 108 at any position between the substrate 104 and the object 106.
  • a band-pass filter that blocks the illuminant excitation light 108 may be used as the substrate 104.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the light emitter 107 and the substrate 104 in FIG.
  • the beam waist diameter w at the focal point is about w / NA (NA represents the numerical aperture of the condensing lens 102).
  • NA represents the numerical aperture of the condensing lens 102
  • the diameter a of the light emitter 107 is small, a minute beam spot exceeding the diffraction limit can be formed on the object 106.
  • the diameter a of the illuminant 107 is too small, the fluorescence intensity becomes weak. Therefore, it is preferable that it is greater than w / 100, more preferably greater than w / 10!
  • FIG. 3 shows the configuration of the illumination device according to this example.
  • the configuration of the second embodiment is basically different from the first embodiment in that it has the same force S and the light emitting layer 201 as the first embodiment.
  • the light emitting layer 201 is a film formed on a substrate 104 in which a plurality of light emitting bodies 107 are spatially dispersed in a transparent material.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the light emitting layer 201 and the substrate 104 in FIG.
  • the light emitting layer 201 is formed by dispersing a plurality of light emitters 107 in a film made of a transparent material.
  • the illuminant 107 is very small, when only one illuminant is held on the substrate 104 as in Example 1 (FIGS. 1 and 2), the illuminant excitation light 108 It becomes difficult to match the illuminant 107 to the condensing position.
  • the light emitting layer 201 includes a plurality of light emitters 107, so that the optical axis of the illumination device can be easily aligned, and the light emitters 107 of the substrate 104 can be easily aligned. It is preferable because it is easy to hold.
  • the average distance d between the light emitters 107 is preferably larger than the beam waist diameter w.
  • the minimum distance d between the light emitters 107 is larger than the beam waist diameter w, it is more preferable mm
  • FIG. 5 shows a more preferable configuration of the light emitting layer 201 in the second embodiment.
  • reference numeral 203 denotes a light-emitting body-containing transparent bead made up of a light-emitting body 107 and a transparent body bead 202 having a transparent sphere and holding the light-emitting body 107 at its center.
  • the light emitting layer 201 in this figure is formed by dispersing a plurality of light emitter-containing transparent beads 203 in a film made of a transparent material.
  • the minimum distance d between the light emitters 107 is equal to the diameter A of the transparent beads.
  • the diameter A By making the diameter A larger than the beam waist diameter w, it is possible to always prevent a plurality of light emitters from being present in the beam spot of one light emitter excitation light 108.
  • Example 3 of the present invention will be described.
  • the same parts as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • Example 1 (FIG. 1) and Example 2 (FIG. 3)
  • the fluorescence emitted from the light emitter 107 passes through the substrate 104, it is scattered or absorbed inside the substrate or scattered on the substrate surface.
  • the beam spot formed on the object 106 may be blurred. Therefore, as shown in FIG. 6, if the light emitter 107 is held on the back side (as viewed from the light source side) of the substrate 104, the above-mentioned blur can be prevented.
  • FIG. 7 it is possible to employ a configuration in which the negative refraction lens 105 holds the light emitter 107 without using the substrate 104.
  • FIG. 8 shows the configuration of the illumination device in this example.
  • 401 is a trap light source that emits light having a wavelength different from the emission wavelength band of the light emitter 107 and the wavelength band having excitation sensitivity.
  • Reference numeral 402 denotes trap light that also emits the trap light source power.
  • Reference numeral 403 denotes a dichroic mirror that superimposes the illuminant excitation light 108 and the trap light 402 on one beam.
  • the excitation light source 101 and the trap light source 401 are arranged in a confocal positional relationship.
  • Reference numeral 409 denotes a scanner that scans the above-described superimposed beams in a direction perpendicular to the optical axis.
  • Reference numeral 407 denotes a light emitter excitation light cut filter that is located on the object side of the transparent container 404 and blocks the light emitter excitation light 108.
  • a trap light cut filter 408 is located on the object side of the transparent container 404 and blocks the trap light 402.
  • the transparent bead 203 with the illuminant usually floats in the transparent liquid 404, but once this is irradiated with the trap light 402, the transparent bead 202 Due to the so-called optical trap effect (or optical tweezer effect), the transparent body-containing transparent beads 203 are attracted to the place where the trap light 402 is most strongly collected, that is, the position where the beam center axis 411 and the beam waist position 410 intersect (see FIG. 9). .
  • the light emitter 107 is also located at the place where the light emitter excitation light 108 is most strongly collected. This is because the light emitter 107 is positioned at the center of the transparent bead 202, and the trap light 402 and the light emitter excitation light 108 are in a confocal relationship.
  • This embodiment has a feature that the alignment of the light emitter and the light emitter excitation light is easy. That is, since it is necessary to increase the output of the object illumination light 109, the light emitter 107 is required to be placed at a position where the light emitter excitation light 108 is most strongly collected. In the case of the first and second embodiments, in order to realize this, Needed manual adjustment or means of active control using some sort of actuator. In contrast, in the present embodiment, this is automatically realized by the optical trap effect.
  • the transparent bead 203 with the illuminant also moves following the irradiation position, and as a result, the object illumination light 109 also moves, for example, 109 ′. That is, the object illumination light 109 can be scanned by scanning the illuminant excitation light and the trap light.
  • the trap light source 401 is provided independently from the excitation light source 101 in this embodiment, the transparent body beads 203 containing the light emitter are desired by the trap light 402 even when the light emitter excitation light 108 is stopped. It is possible to continue to hold the position.
  • the trap light 401 is the illuminant excitation by the trap light cut filter 408. Since the light 108 is blocked by the light emitter excitation light cut filter 407, only the object illumination light 109 reaches the object 106. These actions make it possible to control the intensity of the object illumination light 109 and the scan on the object 106 independently of each other, and the illuminator excitation light 108 and trap light 402 which are the control means. Since the object 106 does not reach the object 106, it does not disturb the action of the object illumination light 109! / ,!
  • FIG. 10 shows the configuration of the illumination device of this example.
  • 901 is a cathode that emits electrons (force sword)
  • 902 is an electron beam composed of emitted electrons
  • 903 is an anode that applies acceleration voltage to the emitted electrons (acceleration electrode)
  • 904 is an electron.
  • An electron lens that converges the beam 905 is a light emitter made of a material that emits light when irradiated with an electron beam, 104 is a substrate that functions as an optical window made of an optically transparent material, and 906 keeps the pressure of the electron beam path low.
  • any substance that emits light by irradiation of an electron beam and exhibits a so-called power sord nominence may be used.
  • materials exhibiting force sword luminescence there are fluorescent substances and phosphorescent substances.
  • a transparent conductive thin film is formed on the upper side in the drawing, that is, on the side receiving the electron beam irradiation, in order to prevent the light emitter 905 from being charged by the electron beam 902 irradiation. It is desirable to maintain the same potential as the vacuum chamber 906 and the anode 903.
  • the action of the object illumination light 109 on the substrate 104, the negative refraction lens 105, and the object 106 is the same as in the first embodiment.
  • the object 106 is not irradiated with the light emitter excitation light 108 as in the first embodiment. Therefore, even when the illuminator excitation light 108 is applied to a field such as photolithography where the resolution of the object 106 is impaired, this embodiment blocks the illuminant excitation light as in the case of the first embodiment. It is not necessary to use a band-pass filter!
  • Example 6 of the present invention will be described.
  • the same parts as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • Figure 11 shows the configuration when a quantum dot laser is used as the light-emitting layer.
  • the object illumination light 109 emitted from the light emitting layer 601 passes through the substrate 602 and is then condensed on the surface of the object 106 by the negative refraction lens 105.
  • FIG. 12 is an enlarged view of the light emitting layer 601 and the substrate 602.
  • Light emitting layer 601 has quantum dot laser 60 3 is formed, and by injecting a carrier current from the electrode 604 shown in black in the drawing, laser light is emitted from the light emitting region (active layer) shown in the hatching in the drawing.
  • the size of the light emitting region a is smaller than the laser wavelength ⁇ , a single laser beam including an evanescent wave is condensed on the surface of the object 106 by the negative refraction lens 105, and a minute beam spot exceeding the diffraction limit can be formed. It becomes.
  • the light emitting layer since light is emitted by current injection, the light source 101 and the condensing lens 102 in FIG. 1 are not required, and there is an advantage that the apparatus can be downsized. Further, as in the fifth embodiment, since the excitation light is not used, the advantage that the excitation light blocking filter is unnecessary even in an application field where the excitation light impairs the resolution of the apparatus as in lithography. There is. In addition, in the case where a plurality of quantum dot lasers are arranged, or in a modification example in which the light emitting layer is formed on the back side of the substrate or on the negative refraction lens, it can be applied in the same manner as in Example 2 and Example 3.
  • FIG. 13 shows a configuration when the illumination device according to the present invention is used as a light source for a scanning fluorescence microscope. Since the optical path from the light source 101 to the object 106 is described in the first embodiment, the description thereof is omitted here.
  • the object 106 is placed on a movable stage 108, and a predetermined area can be scanned by moving it two-dimensionally in a plane perpendicular to the optical axis.
  • the object 106 here is a specimen for a fluorescence microscope.
  • the substrate 104 also functions as the phosphor excitation light cut filter 407.
  • the object illumination light 109 emitted from the light emitting layer 201 excites and illuminates the object 106, whereby the object 106 emits object light (fluorescence) 701. Note that the phosphor excitation light 108 does not reach the object 106 because it is blocked by the phosphor excitation light cut filter 407 formed integrally with the substrate 104.
  • a part of the object light (fluorescence) 701 is collected by the object light condenser lens 702 and detected by the photodetector 704, whereby the fluorescence information of the object 106 is detected. Since the object illumination light 109 is blocked by the object illumination light cut filter 703, the object illumination light 109 reaches the light detector 704. Absent.
  • a device such as a photomultiplier tube, a photodiode, an avalanche photodiode (APD / Avalanche Photodiode), or a charge coupled device (CCD) can be used.
  • APD avalanche photodiode
  • CCD charge coupled device
  • FIG. 14 shows a configuration when the illumination device according to the present invention is used as a light source for a scanning reflective night vision microscope.
  • the optical path from the light source 101 to the object 106 is the same as in the first embodiment.
  • the configuration in which the light emitting layer 201 is formed on the object side surface (lower side in the drawing) of the substrate 104 is essentially the same as that of the third embodiment (FIG. 6).
  • the operation of the stage 108 is the same as that in the seventh embodiment. Therefore, the explanation of the individual effects of these elements is omitted.
  • the object illumination light 109 emitted from the light emitting layer 201 illuminates the object 106, and the object 106 emits object light (scattered light) 801 due to the scattering action on the surface or inside of the object.
  • the illuminator excitation light 108 is not blocked at the stage of illumination. Therefore, the object 106 and the object light (scattered light) 801 together with the scattered light of the illuminator excitation light 108 are simultaneously generated.
  • the above-mentioned object light is collected by the object light condenser lens 702, the illuminant excitation light cut filter 407 blocks the component of the illuminant excitation light 108, and the light is detected by the photodetector 704. Information is detected.
  • the negative refraction lens generally has a strong refractive index dispersion, by appropriately selecting the wavelength ⁇ of the illuminant excitation light 108 and the wavelength of the object illumination light 109, the negative refraction lens itself is spectrally separated.
  • a filter function can also be provided. Perfect imaging condition is satisfied for ⁇
  • the light of ⁇ forms an image at a different position from the object 106 and has a large aberration. become. Therefore, even if the illuminator excitation light cut filter 407 is not provided, the component of ⁇ , that is, the component of ⁇ , that is, by sufficiently reducing the force of placing a pinhole at the position of this filter or the light detection area of the photodetector 704, Efficiently detect only object light (scattered light) 801
  • FIG. 15 shows a configuration when the illumination device according to the present invention is used as a light source for a scanning fluorescent microscope.
  • the cathode (force sword) 901 the electron beam 902, the anode (acceleration electrode) 903, the electron lens 904, the light emitter 905, and the vacuum chamber 906 are the same as those in Example 5 (FIG. 10). is there.
  • the configuration in which the light emitter 905 is formed on the electron beam irradiation surface (upper side in the drawing) of the negative refraction lens 105 is essentially the same as that of the third embodiment (FIG. 7).
  • the object 106, the stage 108, the object light condensing lens 702, the object illumination light cut filter 703, and the photodetector 704 are the same as those in the seventh embodiment (FIG. 13). Therefore, the description of the individual actions of these elements is omitted.
  • the feature of this embodiment is that the light emitter 905 is excited by the electron beam 902, so that the light emitter excitation light cut filter is unnecessary, and the light emitter 905 is directly held on the negative refraction lens 105. Therefore, absorption, scattering, reflection, etc. by the substrate do not occur.
  • the present invention can realize high spatial resolution adapted to high-frequency components due to evanescent waves in a negative refraction lens, and in particular, an illumination device, an illumination method, a scanning optical microscope, etc. It is useful as a light source.

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Description

明 細 書
照明装置、照明方法、及び走査型光学顕微鏡
技術分野
[0001] 本発明は、顕微鏡、カメラ、内視鏡などの光学像検出装置、光ディスク用ピックアツ プなどの光学的情報書き込み '読み出し装置、およびステッパー等のリソグラフィー 装置に適用できる照明装置、照明方法、更には走査型光学顕微鏡に関するもので ある。
背景技術
[0002] 近年、顕微鏡、カメラ、内視鏡などの撮像光学系を用いた画像検出装置の解像能 力が向上している。特に顕微鏡や光記録の分野では、ほぼ無収差の光学系が実現 し、撮像光学系としての解像能力は主に可視光の回折限界によって制約されている 。一方、以下の非特許文献に開示されているように、屈折率が負の値をとる光学材料 (以下、適宜「負屈折材料」と呼ぶ。）が実現されている。負屈折材料を利用すれば回 折限界を超える超高解像の結像（以下、適宜「完全結像」と呼ぶ。）が可能であるとい う提案がなされている。
[0003] 非特許文献 3に開示されているように、屈折率が負の値をとる場合以外でも、誘電 率または透磁率の実数部が負の値であれば、特定の偏光状態の電磁波に対して負 屈折的な現象が観測される。また、非特許文献 5に開示されているように、フォトニッ ク結晶のような周期構造体においては、逆格子空間でフォトニックバンドが折り返され る結果、屈折率、誘電率及び透磁率が全て正の材料であるにもかかわらず、特定の 波長、特定の偏光状態の電磁波に対して負屈折的な現象が観測される。
[0004] 上記の事情を鑑みて、本明細書では、特定の電磁波に対して負屈折的な応答を示 す材料を「負屈折を示す材料」と呼ぶことにする。「負屈折を示す材料」とレ、う表現は 、負屈折材料よりも広義の概念であることは言うまでもない。
[0005] 負屈折を示す材料としては、上述のフォトニック結晶の他にも、金属薄膜、カイラノレ 物質、フォトニック結晶、メタマテリアル、左手系物質、バックワード波材料、負位相速 度媒質等が知られている。 [0006] 非特許文献 1によれば、誘電率と透磁率の両方が負の値をとる材料は、屈折率も負 の値となる。さらに、このような材料は、後述するような、いわば拡張されたスネルの法 則を満足することが示されてレ、る。
[0007] 図 16は、正の屈折率を有する通常の光学材料 (以下、適宜「通常光学材料」と呼ぶ 。）における光の屈折の様子を示している。光が媒質 1から媒質 2へ伝搬するとき、両 媒質の境界面で屈折する。このとき、次式（1)で示すスネルの法則を満足する。
[0008] (1) n sin e =n sin θ
1 i 2 r
ここで、 Θ は入射角、 Θ は屈折角、 ηは媒質 1の屈折率、 ηは媒質 2の屈折率をそ
i r 1 2
れぞれ示している。
[0009] これに対して、図 17は、媒質 2の屈折率 nが負の値をとるときの光の屈折の様子を
2
示している。図 17に示すように、入射した光は、境界面の法線に対して図 16で示す 屈折方向とは反対側へ屈折されている。このとき、屈折角 Θ を負の値とすれば上述 のスネルの法則を満足して!/、る。
[0010] 図 18は、通常光学材料を用いた凸レンズ 13による結像関係を示している。物体面
11上の物点 11Aからの光は、凸レンズ 13により、像面 12上の像点 12Aへ集光され る。レンズの屈折率が正のとき、結像 (集光）するためにはレンズ表面が有限の曲率 を有することが必要である。
[0011] 一方、負屈折を示す材料で作られた平板 (以後、適宜「負屈折レンズ」と呼ぶ。）は 曲率が無限大であるにもかかわらず光を集めることができる。図 19は、負屈折レンズ 14による結像関係を示している。物体面 11上の物点 11Bからの光は、負屈折レンズ 14により、像面 12上の像点 12Bへ集光される。
[0012] 非特許文献 11には、負屈折を示す材料で曲面形状のレンズを構成し、非等倍結 像を実現する方法が示されている。しかしながら、完全結像となるための条件が非常 に厳しぐ負屈折を示す上に所定の屈折率勾配を有する材料が必要なため、現実的 ではない。現に、世の中で実現している負屈折レンズは全て、空間的にはほぼ一様 な屈折率をもち、光（電磁波）が通過する表面は平面となっている。そこで、負屈折を 示す材料で作られた、空間的に一様な平板を、以後、適宜「負屈折レンズ」と呼ぶ。
[0013] ここで言う「空間的に一様」とは、電磁波の波長より大きなスケールで一様という意 味である。したがって、フォトニック結晶やメタマテリアルのように人工的な構造材料で 負屈折を実現する場合には、構造に起因する有効屈折率 (あるいは有効誘電率、あ るいは有効透磁率）が空間的に一様であることを意味する。
[0014] 顕微鏡などの結像光学系において、理論的な解像度の上限値は、回折限界によつ て決まる。光学の教科書 (例えば非特許文献 2)に記載されているように、レイリーの 基準によれば、分解可能な 2点間の最小距離は λ /ΝΑ程度である。ここで、 λは使 用波長、 ΝΑは開口数である。そして、回折限界よりも小さな構造は、光学系によって 解像することができない。
[0015] また、液浸、油浸または固体浸の対物レンズを利用して解像度を向上させる顕微鏡 や光ピックアップも提案されている。これらは実効的な ΝΑを増大させている。これに より、回折限界に相当する λ /ΝΑの値を小さくしている。ここで、開口数 ΝΑは、物 体面が配置される媒質の屈折率より大きくすることはできない。このため、開口数 ΝΑ は、 1. 5〜2. 0程度が上限である。
[0016] 物体面 11上の物点 11Aを発した光は、遠方まで到達する放射光と、物点 11Aから 波長程度の距離で減衰してしまうエバネッセント波との 2つの光波で構成されている。 放射光は、物体面 11上の情報のうち低周波成分に対応する。一方のエバネッセント 波は、物体面 11上の情報のうち高周波成分に対応する。
[0017] 放射光とエバネッセント波との境界は、 1/ λに相当する空間周波数である。特に エバネッセント波は、物体面内の周波数が 1 /えより大きい。このため、エバネッセン ト波は、それと垂直な光波伝搬方向の波数成分が虚数となる。このため、物体面 11 力、ら遠ざかるにつれて急速に減衰してしまう。
[0018] 一方の放射光も全ての成分が光学系へ進行するわけではない。放射光の一部は、 光学系内の開口によって蹴られてしまう。このため、物体面 11上の空間周波数が Ν Α/ λより小さな成分のみが像面 12へ到達する。結局、結像点 12Aへ到達する情 報では、物点 11Aが持っていた情報から高周波成分が欠落してしまう。これにより、 回折による点像の広がりとなって解像度を制約する。
[0019] 近年開示された非特許文献 3には、負屈折材料中では上述のエバネッセント波が 増幅されることが開示されている。このため、図 19に示す負屈折レンズ 14による結像 において、像面 12上ではエバネッセント波の振幅が物体面 11上と同等の水準に回 復されることが示されている。つまり、図 19に示す光学系では、放射光とエバネッセン ト波との双方が物体面 11から像面 12へ伝搬する。このため、物点 11Bの情報が結像 点 12Bに完全に再現されることになる。このことは、負屈折レンズ 14を用いた結像光 学系を用いれば、回折限界に制約されない完全結像が可能であることを意味する。
[0020] 上述の完全結像は、理論上だけの話ではない。実際に負屈折レンズが作製され、 実験の報告もされている。例えば非特許文献 4では、波長より小さな金属性のコイル とロッドとを周期配列したメタマテリアルを作製している。そして、このようなメタマテリア ルがマイクロ波領域で負屈折レンズとして機能することが報告されている。
[0021] また、非特許文献 5には、フォトニック結晶を用いて負屈折材料を作製する方法が 開示されている。誘電体中に空気ロッドを六方格子状に配列したフォトニック結晶で は、実効的な屈折率が等方的かつ負になるフォトニックバンドが存在する。そして、フ オトニック結晶は、フォトニックバンドに適合する周波数帯の電磁波に対して 2次元の 一様な負屈折材料とみなすことができる。
[0022] 負屈折レンズによる完全結像に対しては、例えば非特許文献 6に記載されているよ うな理論的反論もある。このため、論争を生じた。し力、しながら、近年では、非特許文 献 3に開示されている負屈折レンズの理論が一般に認められている。
[0023] 通常光学材料を用いた光学系では、ァプラナティックポイント、つまり球面収差とコ マ収差が同時にゼロとなる点を作ることができる。この光学系による像は、必ず虚像 になってしまう。ここで、負屈折材料を用いると、ァプラナティックポイントに物体面を 配置し、実像を形成することができる（例えば、非特許文献 7参照）。このように、負屈 折材料を用いることで、従来にないユニークな光学設計が可能となる。
[0024] また、多くの金属は、可視光に対して誘電率の実数部が負となることが知られてい る。例えば非特許文献 9によれば、銀は波長 330〜900nmの光に対して負の誘電 率を示す。さらに、非特許文献 10によれば、らせん状の構造をもつカイラル物質にも 、負屈折を示すフォトニックバンドが存在する。
[0025] 負屈折の現象では、屈折角が負であること、位相速度と群速度が逆向きであること 、電場、磁場、波数ベクトルがこの順に左手系を形成すること等、通常光学材料とは 異なるユニークな特徴がある。
[0026] 負屈折を示す材料の呼称は世間一般でもまだ確立していない。このため、上述の ような特徴を冠して、負位相速度媒質（Negative Phase Velocity Material (M edium) )、左手系物質（Left Handed Material)、バックワード波材料（Backwar d Wave Material)、負屈折材料などと呼ばれることもある。本明細書では、これら を負屈折を示す材料の一種とみなして扱う。このような扱いは、上述の負屈折を示す 材料の定義からレ、つてなんら矛盾しなレ、。
[0027] また、現象を冠した名称は、材料や構造を冠した名称と重複するものも多数存在す る。例えば、金属共振器アレイからなるメタマテリアルは、左手系物質、あるいは左手 系メタマテリアルなどと呼ばれることもある。これらも負屈折を示す材料に含むものと する。
[0028] このように、負屈折材料で構成される負屈折レンズを利用すれば、回折限界に拘束 されな!/、超高解像 (完全結像）の結像光学系を実現できる可能性がある（例えば、非 特許文献 3参照）。さらに、また放射光だけを結像させる場合でもユニークな光学設 計が可能である（例えば、非特許文献 7参照）。
[0029] 非特許文献 1 : V. G. Veselago et al. , Sov. Phys. Usp. 10, 509(1968) 非特許文献 2 : E. Hecht, "Optics" , 4th ed. (Addison— Wesley, Re a din g, MA, 2002)
非特許文献 3 :J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000)
非特許文献 4 : D. R. Smith et al. , Phys. Rev. Lett. 84, 4184 (2000) 非特許文献 5 : M. Notomi, Phys. Rev. B62, 10696 (2000)
非特許文献 6 : P. M. Valanju et al. , Phys. Rev. Lett. 88, 187401 (200
2)
非特許文献 7 : D. Schurig et al. , Phys. Rev. E70, 065601 (2004) 非特許文献 8 : D. R. Smith et al. , Appl. Phys. Lett. 82, 1506 (2003) 非特許文献 9：「最新光学技術ハンドブック」辻内順平ら (朝倉書店）
非特許文献 10 : J. B. Pendry, Science 306, 1353 (2004)
非特許文献 11 : S . A. Ramakrishna et al. , Phys. Rev. B69, 115115 (20 04)
[0030] 前述のように、負屈折レンズ自体はエバネッセント波を伝達することによって高周波 成分が保たれた像を形成する。し力、しながら、実際に、負屈折レンズを用いて高周波 成分を有する何らかの光学像を任意に生成させたり、あるいは負屈折レンズによって 物体等から生成した光学像から高周波成分を検出するためには、照明方法および 検出方法に関する以下のような課題がある。
[0031] まず、負屈折レンズによって物体等から生成した光学像より、所望の高周波成分を 検出しょうとする場合について考えてみる。負屈折レンズの完全結像は、常に等倍結 像である。そして、仮にその等倍像を通常の拡大光学系によって拡大しても、その拡 大像にエバネッセント波は伝達されない。したがって、高周波成分は失われ、これを 拡大像から検出することは出来ない。
[0032] すなわち、ある所望の高周波成分の情報を検出するためには、検出器は負屈折レ ンズによる等倍像面上に直接置かれ、かつその検出器は前記所望の高周波成分以 上の検出帯域 (空間分解能）を有している必要がある。
[0033] この種の問題は、負屈折レンズを用いて所望の高周波成分を有する何らかの光学 像を物体上に任意に生成させようとする場合においても同様に存在する。すなわち、 負屈折レンズによる等倍結像面（対象とする物体の共役面）上において照明光が空 間的に変調され、かつその光源 (照明光源）は前記所望の高周波成分以上の変調 帯域 (空間分解能)を有してレ、る必要がある。
[0034] 以下に、負屈折レンズによる光学像の高周波成分を検出する場合の、検出器およ び光源における具体的な問題を、顕微鏡を例にして説明する。通常の水浸対物レン ズを有する顕微鏡の 2点分解能は、約 0· 3 H mである。なお、波長 0· 5 m、開口数 0. 75、水の屈折率 1. 333とする。
[0035] これに対して、対物レンズとして負屈折レンズを有する顕微鏡が、上記通常の顕微 鏡の 10倍、すなわち 0. 03 mの 2点分解能を有するためには、検出器または光源 はそれ以上の分解能を有している必要がある。これは、検出器として CCDや CMOS 素子のような二次元撮像素子を用いる場合、その画素間隔（画素寸法）は 0. 03 ^ 111 の半分、すなわち 0· 015 m以下でなければならないことを意味する。 [0036] また、 1個または複数個の検出器あるいは光源を、物体と相対的に動かす走査によ つて像の信号を検出する走査型顕微鏡の場合も、それらの検出器や光源の大きさは 、上記イメージセンサーの場合と同様に、 0. 015 111以下でなければならない。
[0037] しかしながら、そのような極めて小さな検出器や光源の製作は容易でない。例えば 、現在実用化されている CCDにおける最も小さな画素間隔は、約 2 mである。した がって、 CCDが上記例に示した分解能、すなわち画素間隔 0. 015 111以下を達成 するためには、今後 130倍以上の高密度化が必要である。この技術的難易度は極め て高い。
[0038] また、現在実用化されている超解像の光学顕微鏡としては SNOM (Scanning
Near field Optical Microscope)がある。この SNOMにおいて検出器および 光源として用いられている探針先端の開口部にしても、その直径は約 0. 05-0. 1 である。これは、上記例に示した条件、すなわち検出器および光源の直径 0. 01 5 m以下に対して 3倍以上大き!/、。
[0039] 本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、負屈折レンズにおけるエバネ ッセント波による高周波成分に適合した、高い空間分解能を有する照明装置、照明 方法、走査型光学顕微鏡を提供することを目的とする。
発明の開示
[0040] 上述した課題を解決し、 目的を達成するために、本発明では、
エネルギーが印加されることによって光を発する発光性材料を含む発光体と、負屈 折を示す材料で構成された光学素子とを含み、前記発光体から発した光を物体に投 影するための光学系とを有し、前記発光体は前記発光体が発する光の波長よりも小 さいことを特徴とする照明装置を提供する。
[0041] 前記発光体は、膜形状を有する発光層中に分散して!/、ることを特徴とすること力 Sで きる。
[0042] 前記発光体は、所定の波長 λ の励起光を照射すると前記波長 λ とは異なる波長 λ の光を発する発光性材料を含むことができる。
2
[0043] 前記発光体は、蛍光体、燐光体、非線形光学材料、レーザー媒質などの能動材料 、のうち少なくともいずれか一つを含むことができる。 [0044] 前記発光体は、量子ドットレーザーを含み、前記エネルギーはキャリア電流とするこ と力 Sできる。
[0045] また、本発明は、光を発する発光性材料を含み、前記光の波長より小さな発光体に 、エネルギーを印加することによって光を放射させる発光ステップと、負屈折を示す 材料で構成された光学素子を含む光学系を介して前記発光体力 の光を物体に投 影する投影ステップと、を有することを特徴とする照明方法を提供する。
[0046] また、本発明は、上述した本発明に係る照明装置と、前記物体に照射されるのと同 じ波長の光を検出可能な光検出器と、を含むことを特徴とする走査型光学顕微鏡を 提供する。 本発明によれば、負屈折レンズにおけるエバネッセント波による高周波 成分に適合した、高い空間分解能を有する照明装置、照明方法、走査型光学顕微 鏡を提供すること力 Sできる。
図面の簡単な説明
[0047] [図 1]本発明の実施例 1に係る照明装置の構成例を示す図である。
[図 2]同上実施例の発光体および基板の拡大図である。
[図 3]本発明の実施例 2に係る照明装置の構成例を示す図である。
[図 4]同上実施例の発光層および基板の拡大図である。
[図 5]同上実施例に係る発光層の他の一例を示す図である。
[図 6]本発明の実施例 3に係る照明装置の構成例を示す図である。
[図 7]同上実施例に係る照明装置の他の構成例を示す図である。
[図 8]本発明の実施例 4に係る照明装置の構成例を示す図である。
[図 9]同上実施例に係る発光体入り透明体ビーズを拡大して説明する図である。
[図 10]本発明の実施例 5に係る照明装置の構成例を示す図である。
[図 11]本発明の実施例 6に係る照明装置 (発光層として量子ドットレーザーを用いる 場合)の構成例を示す図である。
[図 12]同上実施例に係る発光層および基板の拡大図である。
[図 13]本発明の実施例 7に係る走査型蛍光顕微鏡の構成例を示す図である。
[図 14]本発明の実施例 8に係る走査型反射喑視野顕微鏡の構成例を示す図である [図 15]本発明の実施例 9に係る走査型蛍光顕微鏡の構成例を示す図である。
[図 16]通常光学材料における光の屈折を示す図である。
[図 17]負の屈折率を有する材料における光の屈折の様子を示す図である。
[図 18]通常光学材料を用いた凸レンズによる結像関係を示す図である。
[図 19]負屈折レンズによる結像関係を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0048] 以下に、本発明に係る実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、 この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
実施例 1
[0049] 図 1は、本実施例にまつわる照明装置の構成を表している。光源 101はハロゲンラ ンプゃ発光ダイオード（LED)、スーパールミネッセントダイオード（SLD/SuperLumi nescent Diode)、レーザー発振器などの照明光源である力 レーザー光は空間的コ ヒーレンスに優れていることから、よりエネルギー密度の高いビームスポットを形成で きる点でより好ましい。光源 101を発した波長え の発光体励起光 108は集光レンズ 1 02によって発光体 107に集光される。発光体 107は、励起光を照射されることによつ て励起光よりも長い波長の光を発する蛍光性物質や燐光性物質よりなる微小粒子で あり、その大きさは発光体 107が発する蛍光や燐光の波長よりも小さい。
[0050] 発光体 107としては、例えばポリスチレン等のプラスチック粒子をベース材とし、これ に蛍光色素を含有させた所謂蛍光ビーズを用いることが出来る。また、半導体材料よ りなる大きさ数 nmの粒子である所謂量子ドットを用いることも出来る。この量子ドットと しては特に、 CdSe (セレン化カドミウム）よりなる数 nmの粒子力 S、紫外光や青色光の 照射によって蛍光を発することが知られている。量子ドットは通常の蛍光色素に比較 して高い効率で蛍光を発し、かつ退色を生じないという長所がある。さらに、粒子の製 作時にその大きさを 2〜5nm程度の間で調整することにより、 470〜610nmの間で 蛍光の波長を自由に制御することが出来るとレ、う長所がある。
[0051] 発光体 107はガラスやプラスチックなどの光学材料からなる基板 104上に保持され ている。波長え の発光体励起光 108が照射されると、発光体 107は波長え の蛍光
1 2 を発する。発光体 107の直径 aは波長え より小さく構成されているため、この蛍光は エバネッセント波を含み、発光体 107を点光源とする物体照明光 109として基板 104 中を進行する。
[0052] 負屈折レンズ 105は物体 106の表面に発光体 107の像を結ぶように配置されてい る。負屈折レンズおよび外部媒質（空気）の屈折率を、それぞれ nおよび nとして、 n
1 2 1
+ n = 0といういわゆる完全結像条件が満たされているものとする。つまり、物体照明
2
光 109に含まれる伝搬光成分だけでなくエバネッセント波成分も同時に集光され、物 体 106の表面には発光体 107とほぼ同じ大きさのビームスポットが形成される。
[0053] 本実施例においては、スポット状の照明を必要とする種々の対象を物体 106として 適用することが可能である。しかし、適用する分野によっては、発光体励起光 108の 物体 106への到達が好ましくない場合がある。例えば適用分野がフォトリソグラフィで あり、物体 106が感光性レジストである場合、物体 106には物体照明光 109のみが 照射されるべきであり、発光体励起光 108は照射されるべきではない。なぜならば、 物体照明光 109が物体 106上で形成するビームスポットに対して、発光体励起光 10 8が物体 106上で形成するビームスポットはより大きぐこのために発光体励起光 108 はリソグラフィとしての分解能を損なうからである。したがってこのような場合は、基板 1 04と物体 106の間のいずれかの位置に、発光体励起光 108を遮断するバンドパスフ ィルタを配置するのが好ましい。また、基板 104として発光体励起光 108を遮断する バンドパスフィルタを用いても良レ、。
[0054] 図 1において発光体 107および基板 104を拡大図示したのが図 2である。集光レン ズ 102の球面収差がよく補正されている場合、その焦点におけるビームウェスト径 w はえ /NA程度である（NAは集光レンズ 102の開口数を表す）。それに比べて発光 体 107の直径 aが小さければ、回折限界を超える微小なビームスポットを物体 106上 に形成することができる。このとき、発光体 107の直径 aがあまり小さすぎると蛍光強 度が弱くなつてしまうため、 w/100より大きいことが好ましぐ w/10より大きいことが より好まし!/、。ただし、より微小なビームスポットを得ると!/、う観点からは aが小さ!/、ほど 好ましぐ特に a≥wの場合には本発明の効果が失われるのは言うまでもない。
実施例 2
[0055] 次に、本発明の実施例 2について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の 符号を付し、重複する説明は省略する。図 3は、本実施例にかかる照明装置の構成 を表している。本実施例 2の構成は基本的には前記実施例 1と同じである力 S、発光層 201を有する点が異なる。発光層 201は、透明物質に複数の発光体 107が空間的 に分散して配置され、基板 104上に形成された膜である。
[0056] 図 3において発光層 201および基板 104を拡大図示したのが図 4である。発光層 2 01は、複数の発光体 107を透明な材料よりなる膜中に分散させることによって形成し ている。
[0057] 発光体 107は非常に小さいので、前記実施例 1 (図 1および図 2)のように基板 104 上に保持された発光体が一つだけである場合は、発光体励起光 108の集光位置に 発光体 107を一致させることが難しくなる。これに対して本実施例（図 3および図 4)は 、発光層 201が複数の発光体 107を含むので、照明装置の光軸合わせが容易にな る上に、基板 104による発光体 107の保持が容易になり好ましい。なぜなら、放射線 硬化樹脂中に所定の密度で発光体を分散させ、これを順次基板 104上にコーティン グし、放射線を照射して樹脂を硬化させればよいからである。ただし、発光体ができる だけ均一となるように攪拌する必要がある。なおこの時、ひとつの発光体励起光 108 のビームスポット内に複数の発光体が存在すると、物体 106における物体照明光 10 9のビームスポットが大きくなり、空間分解能を損なうことになる。これを防ぐために、発 光体 107同士の平均間隔 d はビームウェスト径 wより大きいことが好ましい。さらに mean
、発光体 107同士の最小間隔 d がビームウェスト径 wより大きいならば、さらに好ま mm
しい。
[0058] 図 5は、本実施例 2における発光層 201のさらに好ましい構成を表している。この図 において 203は、発光体 107と、透明体よりなる球体でその中心部に前記発光体 10 7を保持する透明体ビーズ 202とよりなる発光体入り透明体ビーズである。この図に おける発光層 201は、複数の発光体入り透明体ビーズ 203を透明な材料よりなる膜 中に分散させることによって形成している。
[0059] 前記図 4のように発光体 107を発光層 201中に直接分散させる場合、それらの間隔 dを正確に制御することは容易でなぐ特に複数の発光体 107が互いに付着し、一つ の大きなかたまりとなる現象がしばしば生じる。これに対して図 5に示す本構成におい ては、発光体 107同士の最小間隔 d は透明体ビーズの直径 Aに等しい。すなわち
min
、直径 Aをビームウェスト径 wよりも大きくすることにより、ひとつの発光体励起光 108 のビームスポット内に複数の発光体が存在することを常に防ぐことが出来る。
実施例 3
[0060] 次に、本発明の実施例 3について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の 符号を付し、重複する説明は省略する。前記実施例 1 (図 1)および実施例 2 (図 3)に おいて、発光体 107を発した蛍光は基板 104中を通過するため、基板内部での散乱 や吸収、あるいは基板表面での散乱や反射を経験し、物体 106に形成されるビーム スポットがボケてしまう可能性がある。そこで図 6に示されるように、基板 104の（光源 側からみて)裏側に発光体 107を保持すれば、前記のボケが生じないようにできる。 また、同じ効果を得るために、図 7に示したように、基板 104を用いず、発光体 107を 負屈折レンズ 105が保持する構成も可能である。
実施例 4
[0061] 次に、本発明の実施例 4について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の 符号を付し、重複する説明は省略する。図 8は、本実施例における照明装置の構成 を表す。
本図において、 401は、発光体 107の発光波長帯域および励起感度を有する波長 帯域とは異なる波長の光を発するトラップ光光源である。 402は、前記トラップ光光源 力も発するトラップ光である。 403は、発光体励起光 108と前記トラップ光 402とを、 1 つのビームに重ねるダイクロイツクミラーである。なおここで、励起光光源 101とトラッ プ光光源 401は、共焦点をなす位置関係に配置される。 409は、一本に重ねられた 上記ビームを光軸と直交する方向にスキャンするスキャナーである。 404は、透明材 料よりなり、内部に透明液体 405および蛍光体入り透明体ビーズ 203を封入した透 明容器である。 407は、透明容器 404の物体側に位置し、発光体励起光 108を遮断 する発光体励起光カットフィルタである。 408は、透明容器 404の物体側に位置し、ト ラップ光 402を遮断するトラップ光カットフィルタである。
[0062] 本実施例において、発光体入り透明体ビーズ 203は、普段は透明液体 404中を浮 遊しているが、これに一旦トラップ光 402が照射されると、透明体ビーズ 202に対する 所謂光トラップ効果（あるいは光ピンセット効果）により、発光体入り透明体ビーズ 203 はトラップ光 402が最も強く集まる場所、すなわちビーム中心軸 411とビームウェスト 位置 410の交わる位置に引き寄せられる（図 9参照）。その結果、発光体 107もまた、 発光体励起光 108が最も強く集まる場所に位置することになる。なぜならば、発光体 107は透明体ビーズ 202の中心に位置するからであり、さらにまた、トラップ光 402と 発光体励起光 108とは共焦点の関係にあるからである。
[0063] 本実施例は、発光体と発光体励起光との位置合わせが容易であるという特徴を有 する。すなわち、物体照明光 109の出力を高める必要から、発光体 107は発光体励 起光 108が最も強く集まる位置に置かれる必要がある力 前記実施例 1、 2の場合、 これを実現するためには手動調整または何らかのァクチユエ一ターを用いた能動制 御の手段を必要とした。これに対して本実施例においては、それが光トラップ効果に よって自動的に実現する。
[0064] 本実施例において、ビームスポットの照射位置をスキャナー 409によって動かすと、 発光体入り透明ビーズ 203も照射位置を追って移動し、その結果物体照明光 109も 例えば 109'のように移動する。すなわち、発光体励起光およびトラップ光のスキャン により、物体照明光 109をスキャンすることが可能である。さらに本実施例は、トラップ 光光源 401を励起光光源 101から独立させて備えているので、発光体励起光 108を 止めている状態においても、トラップ光 402によって発光体入り透明体ビーズ 203を 所望の位置に保持し続けることが可能である。さらに本実施例においては、物体 106 に向かう 3種類の光、つまりトラップ光 401、発光体励起光 108、および物体照明光 1 09のうち、トラップ光 401はトラップ光カットフィルタ 408で、発光体励起光 108は発 光体励起光カットフィルタ 407でそれぞれ遮断されるため、物体 106に到達するのは 物体照明光 109のみである。これらの作用は、物体照明光 109の強度および物体 1 06上のスキャンを互いに独立して制御することを可能にするものであり、かつその制 御手段である発光体励起光 108およびトラップ光 402は物体 106に到達しないので 、物体照明光 109の作用を妨げな!/、と!/、う特徴を有する。
実施例 5
[0065] 次に、本発明の実施例 5について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の 符号を付し、重複する説明は省略する。図 10は、本実施例の照明装置の構成を示し ている。本図において、 901は電子を放出する陰極（力ソード）、 902は放出された電 子からなる電子ビーム、 903は放出された電子に加速電圧を印加する陽極 (加速電 極）、 904は電子ビームを収束させる電子レンズ、 905は電子ビームの照射によって 発光する材料よりなる発光体、 104は光学的に透明な材料よりなる光学窓として機能 する基板、 906は電子ビームの経路の気圧を低く保っための真空チャンバ一、 109 は発光体 905より発した物体照明光、 105は負屈折材料よりなる負屈折レンズ、 106 は光を照射する対象となる物体である。
[0066] 発光体 905の材料としては、電子ビームの照射によって光を発する所謂力ソードノレ ミネッセンスを示す物質ならば何でも良!/、。力ソードルミネッセンスを示す材料として は、蛍光物質と燐光物質とがある。
[0067] 基板 104の形態としては、電子ビーム 902の照射による発光体 905の帯電を防ぐた めに、図上の上側、すなわち電子ビームの照射を受ける側の面に透明導電薄膜を形 成し、真空チャンバ一 906および陽極 903と同電位に保つことが望ましい。
基板 104、負屈折レンズ 105、および物体 106における物体照明光 109の作用は 、前記実施例 1と同様である。
[0068] 本実施例においては、発光体 905の励起手段として、励起光でなく電子ビームを 用いるため、前記実施例 1のように物体 106が発光体励起光 108の照射を受けること がない。したがって発光体励起光 108の物体 106への照射が分解能を損なうフォトリ ソグラフィのような分野に適用する場合であっても、本実施例は前記実施例 1の場合 のような発光体励起光を遮断するバンドパスフィルタを用いる必要がな!/、、とレ、う特徴 を有する。
実施例 6
[0069] 次に、本発明の実施例 6について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の 符号を付し、重複する説明は省略する。発光層として量子ドットレーザーを用いる場 合の構成を、図 11に示す。発光層 601を発した物体照明光 109は基板 602を通つ たのち、負屈折レンズ 105によって物体 106の表面に集光される。発光層 601およ び基板 602を拡大図示したのが図 12である。発光層 601には量子ドットレーザー 60 3が形成されており、図中に黒色で示した電極 604からキャリア電流が注入されること によって、図中に斜線で示した発光領域 (活性層）からレーザー光が射出される。発 光領域の大きさ aがレーザー波長 λより小さい場合、エバネッセント波を含むレーザ 一光が、負屈折レンズ 105によって物体 106の表面に集光され、回折限界を超える 微小なビームスポットの形成が可能となる。
[0070] 発光層として量子ドットレーザーを用いる場合には、電流注入によって発光するた め、図 1の光源 101および集光レンズ 102が不要となり、装置を小型化できるという利 点がある。また、前記実施例 5と同様に、励起光を用いないため、リソグラフィのように 励起光が装置の分解能を損なうような適用分野であっても、励起光遮断フィルタが不 要である、という利点がある。その他、量子ドットレーザーを複数配列させる場合や、 発光層を基板の裏側もしくは負屈折レンズ上に形成する、などの変形例についても、 実施例 2および実施例 3と同様に適用できる。
実施例 7
[0071] 次に、本発明の実施例 7について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の 符号を付し、重複する説明は省略する。本発明に係る照明装置を走査型蛍光顕微 鏡用の光源として利用する場合の構成を図 13に示す。光源 101から物体 106までの 光路に関しては実施例 1に記載されているので、ここでは説明を省略する。物体 106 は可動式のステージ 108上に設置されており、光軸と直交する方向の面内で 2次元 的に移動させることで所定の領域を走査できるようになつている。なお、ここでの物体 106は、蛍光顕微鏡用の標本である。また、基板 104は蛍光体励起光カットフィルタ 407としての機能を兼ねている。
[0072] 発光層 201から発した物体照明光 109は物体 106を励起照明し、これにより物体 1 06は物体光（蛍光） 701を発する。なお、蛍光体励起光 108は、基板 104と一体に作 られた蛍光体励起光カットフィルタ 407によって遮断されるので、物体 106には到達 しない。
[0073] 前記物体光（蛍光） 701の一部を物体光集光レンズ 702で集め、光検出器 704で 検出することによって、物体 106の蛍光情報が検出される。なお、物体照明光 109は 、物体照明光カットフィルタ 703によって遮断されるので、光検出器 704には到達し ない。
[0074] 以上の検出動作を、ステージ 108を動作させて繰り返すことにより、蛍光顕微鏡像 が観察される。実施例 1で説明されているように、物体 106に照射されるビームスポッ トは回折限界を超える微小なものなので、前記計測によって超解像イメージングが可 能である。ここで、蛍光体励起光カットフィルタ 407および物体照明光カットフィルタ 7 03としては、例えば色ガラスによる吸収フィルタや誘電体多層膜フィルタ、あるいは 回折格子などを用いることができる。また、光検出器 704としては光電子増倍管、フォ トダイオード、アバランシェフオトダイオード（APD/Avalanche Photodiode)、電荷結 合素子（CCD)などのデバイスを用いることができる。
実施例 8
[0075] 次に、本発明の実施例 8について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の 符号を付し、重複する説明は省略する。本発明に係る照明装置を走査型反射暗視 野顕微鏡用の光源として利用する場合の構成を図 14に示す。この中で、光源 101か ら物体 106までの光路に関しては前記実施例 1と同様である。発光層 201を基板 10 4の物体側面（図上で下側）に形成する構成については、本質的に前記実施例 3 (図 6)と同様である。ステージ 108の作用については前記実施例 7と同様である。したが つて、これら要素の個別の作用につ!/、ては説明を省略する。
[0076] 発光層 201から発した物体照明光 109は物体 106を照明し、物体の表面や内部に おける散乱作用により、物体 106は物体光（散乱光） 801を発する。なお、本実施例 において照明の段階では発光体励起光 108は遮断されず、したがって物体 106は 物体光 (散乱光） 801と共に発光体励起光 108の散乱光も同時に生じる。上記物体 光を物体光集光レンズ 702で集め、発光体励起光カットフィルタ 407で散乱光中の 発光体励起光 108の成分を遮断し、光検出器 704で検出することにより、反射暗視 野情報が検出される。
[0077] 負屈折レンズは一般に強い屈折率分散を持つので、発光体励起光 108の波長 λ と物体照明光 109の波長え とを適切に選ぶことによって、負屈折レンズ自身に分光
2
フィルタの機能を持たせることもできる。 λ に対して完全結像条件が満たされている
2
場合、 λ の光は物体 106とは異なる位置に結像するとともに大きな収差を持つこと になる。そこで、仮に発光体励起光カットフィルタ 407がない場合でも、このフィルタ の位置にピンホールを配置する力、、あるいは光検出器 704の光検出面積を十分小さ くすることによって、 λ の成分、すなわち物体光（散乱光） 801のみを効率よく検出す
2
ること力 Sでさる。
実施例 9
[0078] 次に、本発明の実施例 9について説明する。上記実施例と同一の部分には同一の 符号を付し、重複する説明は省略する。本発明に係る照明装置を走査型蛍光顕微 鏡用の光源として利用する場合の構成を図 15に示す。この中で、陰極 (力ソード） 90 1、電子ビーム 902、陽極（加速電極） 903、電子レンズ 904、発光体 905、および真 空チャンバ一 906は、前記実施例 5 (図 10)と同様である。発光体 905を負屈折レン ズ 105の電子ビーム照射面（図上で上側）に形成する構成については、本質的に前 記実施例 3 (図 7)と同様である。物体 106、ステージ 108、物体光集光レンズ 702、 物体照明光カットフィルタ 703、および光検出器 704は、前記実施例 7 (図 13)と同様 である。したがって、これら要素の個別の作用については説明を省略する。
[0079] 本実施例の特徴は、発光体 905を電子ビーム 902で励起するために、発光体励起 光カットフィルタが不要であること、および発光体 905が負屈折レンズ 105上に直接 保持されているので、基板による吸収、散乱、反射等が生じないことである。
[0080] 上記実施例 7〜9では、実施例 2の光励起型発光層または実施例 5の電子ビーム 励起型発光体を用いた照明装置で走査顕微鏡を構成する方法について説明したが 、実施例 6の量子ドットレーザーを用いた照明装置でも全く同様にして走査顕微鏡を 構成すること力 Sでさる。
産業上の利用可能性
[0081] 以上のように、本発明は、負屈折レンズにおけるエバネッセント波による高周波成 分に適合した高い空間分解能を実現することが可能であり、特に、照明装置、照明 方法、走査型光学顕微鏡などの光源として有用である。

Claims

請求の範囲
[1] エネルギーが印加されることによって光を発する発光性材料を含む発光体と、負屈 折を示す材料で構成された光学素子とを含み、前記発光体から発した光を物体に投 影するための光学系とを有し、前記発光体は前記発光体が発する光の波長よりも小 さいことを特徴とする照明装置。
[2] 前記発光体は、膜形状を有する発光層中に分散して!/、ることを特徴とする請求項 1 に記載の照明装置。
[3] 前記発光体は、所定の波長 λ の励起光を照射すると前記波長 λ とは異なる波長 λ の光を発する発光性材料を含むことを特徴とする請求項 1または 2に記載の照明
2
装置。
[4] 前記発光体は、蛍光体、燐光体、非線形光学材料、レーザー媒質などの能動材料 、のうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項 1に記載の照明装置。
[5] 前記発光体は、量子ドットレーザーを含み、前記エネルギーはキャリア電流であるこ とを特徴とする請求項 1に記載の照明装置。
[6] 光を発する発光性材料を含み、前記光の波長より小さな発光体に、エネルギーを 印加することによって光を放射させる発光ステップと、負屈折を示す材料で構成され た光学素子を含む光学系を介して前記発光体からの光を物体に投影する投影ステ ップと、を有することを特徴とする照明方法。
[7] 請求項 1に記載の照明装置と、前記物体に照射されるのと同じ波長の光を検出可 能な光検出器と、を含むことを特徴とする走査型光学顕微鏡。
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