光学装置および光学装置を用いた顕微鏡
【課題】 本発明は、回折限界を超えた２次元の解像を得ることができる光学装置を提供する。
【解決手段】 被検体（ＳＡ）を観察する光学装置（１００）が、中空の球体の一部が切り取られ凸面と凹面とを有する球殻状であり、且つ被検体から発生するエバネッセント光を伝播光に変換するレンズ（ＨＬ）と、レンズの凸面側に配置され、電場が特定の偏光方向にのみ振動している光を透過する偏光領域を有し、偏光領域の偏光方向が全体として中心軸に対して軸対称になっている偏光素子（ＰＯ）と、を備える。
【解決手段】 被検体（ＳＡ）を観察する光学装置（１００）が、中空の球体の一部が切り取られ凸面と凹面とを有する球殻状であり、且つ被検体から発生するエバネッセント光を伝播光に変換するレンズ（ＨＬ）と、レンズの凸面側に配置され、電場が特定の偏光方向にのみ振動している光を透過する偏光領域を有し、偏光領域の偏光方向が全体として中心軸に対して軸対称になっている偏光素子（ＰＯ）と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置及び該光学装置を用いた顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１に示されているように、金属の薄膜を使用して回折限界を超えた光であるエバネッセント光を伝播光に変換する円筒を半分に割った半円筒形のレンズが知られている。また、この半円筒形のレンズは、エバネッセント光を伝播することにより被検体を入射光の波長よりも小さく解像する超解像で観測することを可能にしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｌｉｕ，Ｚ．ｅｔ ａｌ．Ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｈｙｐｅｒｌｅｎｓ ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ ｓｕｂ−ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｏｂｊｅｃｔｓ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ３１５，１６８６（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、半円筒形のレンズでは、円筒の軸に垂直であり光の検出面に平行な面にのみの超解像しか得ることができない。つまり、半円筒形のレンズでは一次元の超解像しか得ることができない。
そこで、二次元の超解像を得ることができる光学装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１観点の光学装置は、被検体を観察する光学装置において、中空の球体の一部が切り取られ凸面と凹面とを有する球殻状であり、且つ被検体から発生するエバネッセント光を伝播光に変換するレンズと、レンズの凸面側に配置され、電場が特定の偏光方向にのみ振動している光を透過する偏光領域を有し、偏光領域の偏光方向が全体として中心軸に対して軸対称になっている偏光素子とを備える。
【０００６】
第２観点の顕微鏡は、第１観点の光学装置と、伝播光を集光して像面に実像をつくる対物レンズと、備え、被検体がレンズの凹面側に配置されて使用される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光学装置は、不要な偏光成分の光であるＴＥ波と分離して被検体から発せられるエバネッセント光を伝播光として検出することができ、回折限界を超えた二次元の解像を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】光学装置１００の概略図である。
【図２Ａ】（ａ）は、偏光素子ＰＯの平面図である。 （ｂ）は、ハイパーレンズＨＬの平面透過図である。 （ｃ）は、図２（ｂ）のハイパーレンズＨＬのＡ−Ａ断面図である。
【図２Ｂ】エバネッセント光ＥＶの発生を説明するための図である。
【図３】エバネッセント光を説明するための図である。
【図４】ハイパーレンズの形成工程を示すフローチャートである。
【図５】クロム膜Ｃｒが形成された水晶材ウエハＳＵの斜視図である。
【図６】光学装置２００の概略図である。
【図７】光学装置３００の概略図である。
【図８】光学装置４００の概略図である。
【図９】顕微鏡５００の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施例）
図１、図２及び図３は、エバネッセント光を通して被検体を観察するための光学装置１００を説明する図である。
【００１０】
＜光学装置１００の構成＞
図１は、光学装置１００の概略図である。図２（ａ）は、偏光素子ＰＯの平面図であり、図２（ｂ）は、ハイパーレンズＨＬの平面透過図であり、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のハイパーレンズＨＬのＡ−Ａ断面図である。図３は、エバネッセント光を説明するための図である。このハイパーレンズは球殻の中心の放射方向の誘電率が負で放射方向に垂直な面内に正の誘電率を持つ。
【００１１】
図１に示されるように、光学装置１００は、照明光源ＩＬと、偏光素子ＰＯと、ハイパーレンズＨＬと、受光光学系ＬＥとにより構成されている。また、被検体ＳＡがハイパーレンズＨＬの中に配置されている。
【００１２】
照明光源ＩＬは所定の径（図では点線で示されている）を有する照明光ＬＷ１１を発し、照明光ＬＷ１１は偏光素子ＰＯに入射する。偏光素子ＰＯは入射した照明光ＬＷ１１のＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）のみを透過させて、光束ＬＷ１２として透過させる。光束ＬＷ１２は被検体ＳＡに照射される。光束ＬＷ１２が照射された被検体ＳＡの波長以下の構造による散乱光、若しくは透過光はエバネッセント光となる。このエバネッセント光のＴＭ成分はハイパーレンズＨＬによって伝播光である光束ＬＷ１３に変換される。光束ＬＷ１３は受光光学系ＬＥに入射して検出される。また、照明光ＬＷ１１の中心軸と、光束ＬＷ１２の中心軸と、光束ＬＷ１３の中心軸とは同一軸上に存在する。照明光学系が存在する場合、偏光素子ＰＯは照明光学系の瞳面に存在することが望ましい。
【００１３】
光学装置１００は、受光光学系ＬＥで二次元状に必要な偏光のみを有する光束を受光することにより、エバネッセント光の二次元状の結像を得ることができる。二次元状に必要な偏光のみを有する光束は偏光素子ＰＯにより形成されるため、偏光素子ＰＯに入射する光束はあらゆる方向に偏光を有するランダム偏光である必要がある。そのため、照明光源ＩＬでは、ランダム偏光の光束を照射する必要がある。照明光源ＩＬは例えば波長３６５ｎｍの光束を照射する。
【００１４】
偏光素子ＰＯは、図２Ａ（ａ）に示されるように、複数の偏光領域ＨＲを有している。偏光素子ＰＯは中心部に対称軸ＴＪを有しており、各偏光領域ＨＲは対称軸ＴＪに対して軸対称となるように配置されている。また、偏光領域ＨＲの磁場の透過方向ＨＨも対称軸ＴＪに対して軸対称になっている。各偏光素子ＰＯにおける磁場の透過方向は、対称軸ＴＪに対して垂直な方向に伸びている。この偏光素子ＰＯを用いることにより、このハイパーレンズＨＬを用いた結像にとってノイズとなるＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）を遮光し、ハイパーレンズによってエバネッセント波から変換された伝播光の成分であるＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）を透過する作用を持つ。
【００１５】
図２Ａ（ｂ）は、ハイパーレンズＨＬの平面透過図である。ハイパーレンズＨＬは伝搬しない光であるエバネッセント光（詳細は後述する）を伝搬光に変換することができるレンズである。ハイパーレンズＨＬは中空の球体の一部が切り取られたような球殻状のレンズであり、一方の面が凸面で、他方の面が凹面になっている。凸面の表面は銀膜Ａｇで形成されており（図中のハッチング部）、その下層は酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３で形成されている。酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の下層は銀膜Ａｇで形成される。ハイパーレンズＨＬの他方の面である凹面も球体の一部の形状になっており、表面が酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３になっている。ハイパーレンズＨＬの凹面側には半球状の空洞ＣＡが形成される。つまり、ハイパーレンズＨＬは、銀膜Ａｇと酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３とが交互に形成されることによって形成されている。
【００１６】
図２Ａ（ｃ）は、図２Ａ（ｂ）のハイパーレンズＨＬのＡ−Ａ断面図である。ハイパーレンズＨＬの内周の半径（すなわち、空洞ＣＡの半径）をｒｉとし、外周の半径はｒ０である。パイパーレンズＨＬは、例えばｒ０は０．８μｍであり、ｒｉは２４０ｎｍであり、ハイパーレンズＨＬの銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３が１６層形成され（図２（ｃ）では理解を助けるため６層で示している）、銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の各層の厚さは、約３５ｎｍである。このとき、各層の厚さの合計ｒａは５６０ｎｍとなる。また、ハイパーレンズＨＬの倍率は、ハイパーレンズＨＬの内径ｒｉとハイパーレンズＨＬの外形ｒ０との比ｒ０／ｒｉにより決まる。つまり、このハイパーレンズＨＬの倍率は０．８μｍ／２４０ｎｍ＝約３．３倍となる。
【００１７】
図２Ｂは、エバネッセント光ＥＶの発生を説明するための図である。被検体ＳＡがハイパーレンズＨＬの半球状の空洞ＣＡに配置されている。
【００１８】
−Ｚ軸方向から被検体ＳＡに入射する光束ＬＷ１２は、被検体ＳＡに照射される。その後、被検体ＳＡからは様々な光が散乱される、散乱される光の中にはエバネッセント光ＥＶがある。エバネッセント光ＥＶは被検体ＳＡへの入射光である光束ＬＷ１２の波長以下の光であり、通常は空間に伝播されないが、ハイパーレンズＨＬはエバネッセント光ＥＶを伝播光に変換させることができる。図２Ｂでは、エバネッセント光ＥＶを太い点線で示している。太い実線の矢印は伝播光である。この伝播光はハイパーレンズＨＬの凸面から外側に放射される。この伝播光のうち受光光学系ＬＥ（図１参照）に入射する光束が、光束ＬＷ３として示されている。また、ハイパーレンズＨＬはＴＭ波のみを伝播光に変換する性質をもつ。
【００１９】
光束ＬＷ２の偏光が必要な偏光のみを有する場合は、光束ＬＷ２によって発生したエバネッセント光ＥＶも必要な偏光のみを有する。そのため、偏光素子ＰＯで、対称軸ＴＪに対して軸対称に偏光が形成されている光束ＬＷ２によって発生したエバネッセント光ＥＶも軸対称の偏光として生成される。
【００２０】
＜ハイパーレンズの原理＞
ハイパーレンズＨＬがエバネッセント光を伝播する原理に関して図３を用いて説明する。
【００２１】
電磁波における周波数と波数との関係は分散関係と呼ばれ、電磁波の一種である光は以下の式で表わされる。
ｋ＝ω／ｃ・・・（１）
ここで、ωは角振動数、ｃは光速、ｋは波数である。
また、等方物質であった場合のレンズ内の二次元における分散関係を考えると、式（１）は以下のように表わされる。
ｋｒ２＋ｋθ２＝ε（ω２／ｃ２）・・・・（２）
ここで、εはレンズの誘電率、ｋｒはレンズの法線方向への波数であり、ｋθは、ｋｒに垂直な方向への波数である。（図３（ｃ）参照）
【００２２】
図３（ａ）は、光学的等方物質中における二次元の分散関係を表わしたグラフである。図３（ａ）は横軸にｋθ、縦軸にｋｒをとり、式（２）をグラフに表わしている。光学的等方物質中での波数ｋθの最大値は｜ｋθ｜であり、波数ｋθがこの値を超えた光束は、光学的等方物質中では伝わらない。この波数ｋθの大きさが｜ｋθ｜を越えた光がエバネッセント光である。
【００２３】
また、誘電率はｒ方向とθ方向とで異方性を持つ場合、ＴＭ波の分散関係は以下のように書ける。
（ｋｒ２／εθ）＋（ｋθ２／εｒ）＝ω２／ｃ２・・・・（３）
ここで、εθ＞０、εｒ＜０であるとき、式（３）は以下のように書ける。
（ｋｒ２／εθ）−（ｋθ２／｜εｒ｜）＝ω２／ｃ２・・・・（４）
【００２４】
図３（ｂ）は、εθ＞０、εｒ＜０の物質中における二次元の分散関係を表わしたグラフである。また図３（ｂ）は横軸にｋθ、縦軸にｋｒをとり、式（４）をグラフに表したものである。図３（ｂ）の双曲線は式（４）を表わしており、点線で表わしている円は式（２）を表わしている。図３（ｂ）の双曲線では、どのような波数ｋθに対しても波数ｋｒの値が存在している。そのため、εθ＞０、εｒ＜０の物質中では、光学的等方物質中では伝播しない波数ｋθの大きさが｜ｋθ｜を越えたエバネッセント光を伝播することができる。
【００２５】
図３（ｃ）または式（４）に示したような非等方的な所望の誘電率を実現する方法として層状の構造にレンズを形成する方法がある。図３（ｃ）は局所的に１軸性の非等方媒質であるハイパーレンズの例である。図３（ｃ）のハイパーレンズは球殻状に層が形成されているため全体としては１軸性とはならないが、局所的には平面の層が積み重ねられているとみなすことができるため、１軸性とみなすことができる。また、図３（ｃ）は、レンズの表面における法線方向（ｒ方向）の有効誘電率が負であり、レンズの表面における法線方向に垂直な方向（θ方向）の有効誘電率が正である。通常の物質では誘電率は正になる。しかし、金又は銀等のように特定の金属では可視光の周波数範囲でマイナスの値を示す誘電率εｍをもつものがある。これらの物質と、正の誘電率εｄを有する物質とを組み合わせた場合、εｒ及びεθの符号が逆転しているメタマテリアルと呼ばれる物質を作製することが可能である。有効誘電率の法線方向εｒ及び有効誘電率の法線に垂直な方向εθはεｍ及びεｄによって以下のように記述することができる。
【数１】
・・・（５）
【数２】
・・・（６）
ここで、ｐは金属の充填率である。充填率とは原子同士が隙間なくくっつき、原子の半径が全て同じ長さと仮定し、各格子の体積とその中に含まれる原子との体積の比をいう。ここで、例えば、銀Ａｇと酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３との多層膜を考えた場合、εｍを−２．４０１２＋０．２４８８ｉ、εｄを３．２１７としてεθとεｒとを計算することができる。金属の充填率ｐを０．５として計算した時、εθは正の値を取り、εｒは負の値をとる。
【００２６】
＜ハイパーレンズの作製方法＞
図４、図５を参照してハイパーレンズＨＬの作製方法を説明する。図４はハイパーレンズＨＬの形成工程を示すフローチャートである。図４（ａ）から図４（ｆ）はハイパーレンズＨＬの形成工程を説明するための図であり、図５のＢ−Ｂ断面図である。図５は、クロム膜Ｃｒが形成された水晶材ウエハＳＵの概略斜視図である。
【００２７】
まず、図４のステップＳ１０１において、水晶材ウエハＳＵの主面に円形の孔ＨＯのあいたクロム層Ｃｒを形成する（図４（ａ）参照）。クロム層Ｃｒは、水晶材ウエハＳＵの一方の主面に、電子ビーム蒸着又は真空蒸着を行うことによって形成される。また、円形の孔ＨＯは、クロム層Ｃｒに集束イオンビームを照射することによって形成される。
【００２８】
図５は、クロム膜Ｃｒが形成された水晶材ウエハＳＵの概略斜視図であり、図４（ａ）を３次元で表わした図である。水晶材ウエハＳＵの厚さＴＨ１は１５０μｍであり、その上に形成されているクロム層Ｃｒの厚さＴＨ２は１５０ｎｍである。また、クロム層Ｃｒには直径ＤＩの孔ＨＯ開けられている。直径ＤＩは、例えば５０ｎｍで形成されている。
【００２９】
ステップＳ１０２において、クロム層Ｃｒに形成した孔ＨＯを通して水晶材ウエハＳＵのウエットエッチングを行う（図４（ｂ）参照）。そして、水晶材ウエハＳＵに半球状の空洞ＣＡを形成する。ウエットエッチングは、フッ酸にフッ化アンモニウムを混合した液であるバッファードフッ酸または５５％フッ酸を用いて行われる。
【００３０】
ステップＳ１０３において、クロム層Ｃｒを除去する（図４（ｃ）参照）。クロム層Ｃｒは、例えば硝酸第２セリウムアンモニウムと酢酸との水溶液のエッチングで除去される。
【００３１】
ステップＳ１０４において、銀膜Ａｇを水晶材ウエハＳＵの空洞ＣＡが形成されている面に形成する（図４（ｄ）参照）。銀膜Ａｇは、蒸着またはスパッタリングにより形成される。銀膜Ａｇの形成では、低圧下により形成することにより、表面粗さができるだけ小さくなるように形成する。表面粗さは平均二乗偏差で１．３ｎｍ以内になるように形成する。
【００３２】
ステップＳ１０５において、ステップＳ１０４で形成した銀膜Ａｇ上に酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３を形成する（図４（ｅ）参照）。酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３は、蒸着またはスパッタリングにより形成される。
【００３３】
ステップＳ１０６において、さらに銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３を形成すべきかどうかを判断する。銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の層の数が足りない場合は、ステップＳ１０４に戻ってさらに銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の積層を重ねる。銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の層の数が既定の数だけ形成された場合は、ハイパーレンズＨＬの積層を終了する（図４（ｆ）参照）。光学装置１００に用いられるハイパーレンズＨＬでは、銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の層の数が合計で１６層形成される。
【００３４】
以上のような工程で、球殻状のハイパーレンズＨＬを作製することができる。ハイパーレンズＨＬの周りの水晶材は取り除いても取り除かなくてもよい。取り除く場合は、水晶材ウエハＳＵのエッチングを行って取り除く。
【００３５】
（第２実施例）
＜光学装置２００の構成＞
図６は、第２実施例である光学装置２００の概略図である。光学装置は、最終的に受光光学系で二次元に必要な偏光のみを有する光束を受光できればよい。そのため光学装置２００では、光学装置１００のように照明光源ＩＬと被検体ＳＡとの間に偏光素子ＰＯを配置する代わりに、照明光源ＩＬと被検体ＳＡとの間にハイパーレンズＨＬが配置されている。この光学装置２００の構成について図６を参照して説明する。
【００３６】
光学装置２００は、照明光源ＩＬと、偏光素子ＰＯと、ハイパーレンズＨＬと、受光光学系ＬＥとにより構成されている。また、エバネッセント光を発する被検体ＳＡはハイパーレンズＨＬの中に配置されている。
【００３７】
照明光源ＩＬにより発せられた照明光ＬＷ２１は、被検体ＳＡに照射される。照明光ＬＷ２１が照射された被検体ＳＡはエバネッセント光を発する。このエバネッセント光はハイパーレンズＨＬによって伝播光である光束ＬＷ２２に変換される。この時点で光束ＬＷ２２はランダム偏光である。その後、光束ＬＷ２２は、偏光素子ＰＯに入射する。偏光素子ＰＯは、入射した光束ＬＷ２２のＴＭ波のみを透過させて、光束ＬＷ２３として透過する。光束ＬＷ２３は受光光学系ＬＥに入射して検出される。
【００３８】
光学装置２００では、被検体ＳＡが放射した光束に対して偏光素子でＴＭ波のみを透過させる。そのため、光学装置２００は、偏光特性を変えてしまう性質を持っている被検体ＳＡを観察する場合に対して有効である。
なお、第１実施例の光学装置１００と第２実施例の光学装置２００とは、−Ｚ軸方向から被検体ＳＡに光束を照射した例である。
【００３９】
（第３実施例）
被検体ＳＡには、ハイパーレンズＨＬを通して＋Ｚ軸方向から光束を照射してもよい。＋Ｚ軸方向から光束を照射することにより、被検体ＳＡの＋Ｚ軸側表面より発したエバネッセント光を観測することができる。
【００４０】
＜光学装置３００の構成＞
図７は、光学装置３００の概略図である。光学装置３００は、照明光源ＩＬと、偏光素子ＰＯと、ハイパーレンズＨＬと、受光光学系ＬＥと、光線分光素子ＫＢとにより構成されている。また、エバネッセント光を発する被検体ＳＡはハイパーレンズＨＬの中に配置されている。
【００４１】
照明光源ＩＬにより発せられた照明光ＬＷ３１は、光線分光素子ＫＢにより反射され、光束ＬＷ３２となって偏光素子ＰＯに入射する。偏光素子ＰＯは、入射した光束ＬＷ３２の偏光を整え、光束ＬＷ３３として射出する。光束ＬＷ３３は、ハイパーレンズＨＬに入射し、ハイパーレンズＨＬを透過して被検体ＳＡに照射される。光束ＬＷ３３が照射された被検体ＳＡはエバネッセント光を発する。エバネッセント光はハイパーレンズＨＬを通して伝播光に変換され、光束ＬＷ３４としてハイパーレンズＨＬより射出される。光束ＬＷ３４は、偏光素子ＰＯによってＴＭ波成分のみを透過して光束ＬＷ３５となる。光束ＬＷ３５は光線分光素子ＫＢを透過して光束ＬＷ３６となり、受光光学系ＬＥに入射される。
【００４２】
光線分光素子ＫＢは、照明光源ＩＬから発した照明光を被検体ＳＡ側に反射又は透過させ、被検体ＳＡからの伝播光を透過又は反射する。そのため、照明光源ＩＬと受光光学系ＬＥとの配置を入れ替えて、照明光源ＩＬから−Ｚ軸方向に照明光ＬＷ３１を発し、ハイパーレンズＨＬより戻ってきた光束を光線分光素子ＫＢで−Ｘ軸方向に反射させて受光光学系ＬＥで受光させても良い。
【００４３】
（第４実施例）
＜光学装置４００の構成＞
被検体ＳＡの上部より光束を入射させる光学素子３００では、別の構成を取ることもできる。以下に光学装置４００を説明する。
【００４４】
図８は、光学装置４００の概略図である。光学装置４００は、照明光源ＩＬと、偏光素子ＰＯと、ハイパーレンズＨＬと、受光光学系ＬＥと、光線分光素子ＫＢとにより構成されている。また、エバネッセント光を発する被検体ＳＡはハイパーレンズＨＬの中に配置されている。
【００４５】
照明光源ＩＬにより発せられたランダム偏光の照明光ＬＷ４１は、光線分光素子ＫＢにより反射され、光束ＬＷ４２となってハイパーレンズＨＬを透過し、被検体ＳＡに入射する。光束ＬＷ４２が照射された被検体ＳＡはエバネッセント光を発する。エバネッセント光はハイパーレンズＨＬを透過し、ＴＭ波成分は伝播光に変換されて光束ＬＷ４３としてハイパーレンズＨＬより射出される。光束ＬＷ４３は光線分光素子ＫＢを透過し、光束ＬＷ４４となって偏光素子ＰＯに入射する。偏光素子ＰＯは、入射した光束ＬＷ４４のＴＭ波のみを透過させて光束ＬＷ４５となり、受光光学系ＬＥに入射する。
【００４６】
光学装置４００では、照明光源ＩＬと受光光学系ＬＥ及び偏光素子ＰＯとの配置を入れ替えて使用することができる。すなわち、照明光源ＩＬから−Ｚ軸方向に照明光ＬＷ４１を発し、ハイパーレンズＨＬより戻ってきた光束を光線分光素子ＫＢで−Ｘ軸方向に反射させて受光光学系ＬＥで受光させても良い。
なお、第３実施例の光学装置３００と第４実施例の光学装置４００とは、＋Ｚ軸方向から被検体ＳＡに光束を照射した例である。
【００４７】
（第５実施例）
以上に説明した光学装置は、被検体を観察する受光光学系の像面に実像をつくる対物集光光学系を備えることにより顕微鏡として使用可能になる。以下に光学装置１００に対物集光光学系として対物レンズＴＬを備え付けた顕微鏡５００について説明する。
【００４８】
＜顕微鏡５００の構成＞
図９は、顕微鏡５００の概略構成図である。顕微鏡５００は第１実施例の光学装置１００のハイパーレンズＨＬと偏光素子ＯＰとの間に対物レンズＴＬが組み込まれて構成されている。特に図示されていないが、光学装置２００〜光学装置４００にも光学装置１００と同様に適用できる。これらの場合、偏光素子ＰＯは瞳面に配置されることが望ましい。
【００４９】
照明光源ＩＬから射出されたランダム偏光の照明光ＬＷ５１は被検体ＳＡに入射し、被検体ＳＡからエバネッセント光を出させる。エバネッセント光はハイパーレンズＨＬによって伝播光に変換され、光束ＬＷ５２となって対物レンズＴＬに向かう。光束ＬＷ５２は拡散光であるが、対物レンズＴＬでは光束ＬＷ５２を集光して光束ＬＷ５３として偏光素子ＰＯに向かわせる。偏光素子ＰＯでは光束ＬＷ５３のＴＭ波のみを透過させて、光束ＬＷ５４として受光光学系ＬＥに向かわせ、受光光学系ＬＥで光束ＬＷ５４を検出する。ここで、対物レンズＴＬは、その像面が受光光学系ＬＥくるように配置され、被検体ＳＡの像が受光光学系ＬＥに実像を作るように配置される。
【００５０】
顕微鏡５００は、被検体ＳＡを照明光ＬＷ５１の波長の回折限界を超えて解像させることができる。
【００５１】
以上実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５２】
例えば、以上の実施例では光学装置にハイパーレンズＨＬを用いていたが、スーパーレンズを用いても良い。スーパーレンズは、波数Ｋθが大きいエバネッセント光を増幅することができる素子である。スーパーレンズには３種類存在する。１種類目は、スーパーレンズが誘電率と透磁率とがともにマイナスとなる物質で構成された場合で、負の屈折率をもち、どのような偏光も透過することができる。２種類目は、スーパーレンズが、誘電率が負で透磁率が正の物質で構成された場合で、スーパーレンズはＴＭ波のエバネッセント光を透過することができる。３種類目は、スーパーレンズが、誘電率が正で透磁率が負の物質を用いて構成された場合で、スーパーレンズはＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）のエバネッセント光を透過することができる。
【００５３】
このようなスーパーレンズは倍率をかける場合、図２Ｂ等で示されたように球殻状のレンズであり、異なる金属膜が交互に形成されている。これら倍率の掛かったスーパーレンズが、ハイパーレンズＨＬに代えて配置されれば同様な効果を得ることができる。
【００５４】
また、ハイパーレンズとスーパーレンズとを組み合わせることによりエバネッセント光を増幅し、伝播光に変換するレンズを作製することも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１００、２００、３００、４００ 光学装置
５００ 顕微鏡
ＣＡ 空洞
ＩＬ 照明光源
ＫＢ 光線分光素子
ＬＥ 受光光学系
ＰＯ 偏光素子
ＴＬ 対物レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学装置及び該光学装置を用いた顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１に示されているように、金属の薄膜を使用して回折限界を超えた光であるエバネッセント光を伝播光に変換する円筒を半分に割った半円筒形のレンズが知られている。また、この半円筒形のレンズは、エバネッセント光を伝播することにより被検体を入射光の波長よりも小さく解像する超解像で観測することを可能にしている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｌｉｕ，Ｚ．ｅｔ ａｌ．Ｆａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｈｙｐｅｒｌｅｎｓ ｍａｇｎｉｆｙｉｎｇ ｓｕｂ−ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｏｂｊｅｃｔｓ． Ｓｃｉｅｎｃｅ ３１５，１６８６（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、半円筒形のレンズでは、円筒の軸に垂直であり光の検出面に平行な面にのみの超解像しか得ることができない。つまり、半円筒形のレンズでは一次元の超解像しか得ることができない。
そこで、二次元の超解像を得ることができる光学装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１観点の光学装置は、被検体を観察する光学装置において、中空の球体の一部が切り取られ凸面と凹面とを有する球殻状であり、且つ被検体から発生するエバネッセント光を伝播光に変換するレンズと、レンズの凸面側に配置され、電場が特定の偏光方向にのみ振動している光を透過する偏光領域を有し、偏光領域の偏光方向が全体として中心軸に対して軸対称になっている偏光素子とを備える。
【０００６】
第２観点の顕微鏡は、第１観点の光学装置と、伝播光を集光して像面に実像をつくる対物レンズと、備え、被検体がレンズの凹面側に配置されて使用される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の光学装置は、不要な偏光成分の光であるＴＥ波と分離して被検体から発せられるエバネッセント光を伝播光として検出することができ、回折限界を超えた二次元の解像を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】光学装置１００の概略図である。
【図２Ａ】（ａ）は、偏光素子ＰＯの平面図である。 （ｂ）は、ハイパーレンズＨＬの平面透過図である。 （ｃ）は、図２（ｂ）のハイパーレンズＨＬのＡ−Ａ断面図である。
【図２Ｂ】エバネッセント光ＥＶの発生を説明するための図である。
【図３】エバネッセント光を説明するための図である。
【図４】ハイパーレンズの形成工程を示すフローチャートである。
【図５】クロム膜Ｃｒが形成された水晶材ウエハＳＵの斜視図である。
【図６】光学装置２００の概略図である。
【図７】光学装置３００の概略図である。
【図８】光学装置４００の概略図である。
【図９】顕微鏡５００の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施例）
図１、図２及び図３は、エバネッセント光を通して被検体を観察するための光学装置１００を説明する図である。
【００１０】
＜光学装置１００の構成＞
図１は、光学装置１００の概略図である。図２（ａ）は、偏光素子ＰＯの平面図であり、図２（ｂ）は、ハイパーレンズＨＬの平面透過図であり、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のハイパーレンズＨＬのＡ−Ａ断面図である。図３は、エバネッセント光を説明するための図である。このハイパーレンズは球殻の中心の放射方向の誘電率が負で放射方向に垂直な面内に正の誘電率を持つ。
【００１１】
図１に示されるように、光学装置１００は、照明光源ＩＬと、偏光素子ＰＯと、ハイパーレンズＨＬと、受光光学系ＬＥとにより構成されている。また、被検体ＳＡがハイパーレンズＨＬの中に配置されている。
【００１２】
照明光源ＩＬは所定の径（図では点線で示されている）を有する照明光ＬＷ１１を発し、照明光ＬＷ１１は偏光素子ＰＯに入射する。偏光素子ＰＯは入射した照明光ＬＷ１１のＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）のみを透過させて、光束ＬＷ１２として透過させる。光束ＬＷ１２は被検体ＳＡに照射される。光束ＬＷ１２が照射された被検体ＳＡの波長以下の構造による散乱光、若しくは透過光はエバネッセント光となる。このエバネッセント光のＴＭ成分はハイパーレンズＨＬによって伝播光である光束ＬＷ１３に変換される。光束ＬＷ１３は受光光学系ＬＥに入射して検出される。また、照明光ＬＷ１１の中心軸と、光束ＬＷ１２の中心軸と、光束ＬＷ１３の中心軸とは同一軸上に存在する。照明光学系が存在する場合、偏光素子ＰＯは照明光学系の瞳面に存在することが望ましい。
【００１３】
光学装置１００は、受光光学系ＬＥで二次元状に必要な偏光のみを有する光束を受光することにより、エバネッセント光の二次元状の結像を得ることができる。二次元状に必要な偏光のみを有する光束は偏光素子ＰＯにより形成されるため、偏光素子ＰＯに入射する光束はあらゆる方向に偏光を有するランダム偏光である必要がある。そのため、照明光源ＩＬでは、ランダム偏光の光束を照射する必要がある。照明光源ＩＬは例えば波長３６５ｎｍの光束を照射する。
【００１４】
偏光素子ＰＯは、図２Ａ（ａ）に示されるように、複数の偏光領域ＨＲを有している。偏光素子ＰＯは中心部に対称軸ＴＪを有しており、各偏光領域ＨＲは対称軸ＴＪに対して軸対称となるように配置されている。また、偏光領域ＨＲの磁場の透過方向ＨＨも対称軸ＴＪに対して軸対称になっている。各偏光素子ＰＯにおける磁場の透過方向は、対称軸ＴＪに対して垂直な方向に伸びている。この偏光素子ＰＯを用いることにより、このハイパーレンズＨＬを用いた結像にとってノイズとなるＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）を遮光し、ハイパーレンズによってエバネッセント波から変換された伝播光の成分であるＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）を透過する作用を持つ。
【００１５】
図２Ａ（ｂ）は、ハイパーレンズＨＬの平面透過図である。ハイパーレンズＨＬは伝搬しない光であるエバネッセント光（詳細は後述する）を伝搬光に変換することができるレンズである。ハイパーレンズＨＬは中空の球体の一部が切り取られたような球殻状のレンズであり、一方の面が凸面で、他方の面が凹面になっている。凸面の表面は銀膜Ａｇで形成されており（図中のハッチング部）、その下層は酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３で形成されている。酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の下層は銀膜Ａｇで形成される。ハイパーレンズＨＬの他方の面である凹面も球体の一部の形状になっており、表面が酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３になっている。ハイパーレンズＨＬの凹面側には半球状の空洞ＣＡが形成される。つまり、ハイパーレンズＨＬは、銀膜Ａｇと酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３とが交互に形成されることによって形成されている。
【００１６】
図２Ａ（ｃ）は、図２Ａ（ｂ）のハイパーレンズＨＬのＡ−Ａ断面図である。ハイパーレンズＨＬの内周の半径（すなわち、空洞ＣＡの半径）をｒｉとし、外周の半径はｒ０である。パイパーレンズＨＬは、例えばｒ０は０．８μｍであり、ｒｉは２４０ｎｍであり、ハイパーレンズＨＬの銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３が１６層形成され（図２（ｃ）では理解を助けるため６層で示している）、銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の各層の厚さは、約３５ｎｍである。このとき、各層の厚さの合計ｒａは５６０ｎｍとなる。また、ハイパーレンズＨＬの倍率は、ハイパーレンズＨＬの内径ｒｉとハイパーレンズＨＬの外形ｒ０との比ｒ０／ｒｉにより決まる。つまり、このハイパーレンズＨＬの倍率は０．８μｍ／２４０ｎｍ＝約３．３倍となる。
【００１７】
図２Ｂは、エバネッセント光ＥＶの発生を説明するための図である。被検体ＳＡがハイパーレンズＨＬの半球状の空洞ＣＡに配置されている。
【００１８】
−Ｚ軸方向から被検体ＳＡに入射する光束ＬＷ１２は、被検体ＳＡに照射される。その後、被検体ＳＡからは様々な光が散乱される、散乱される光の中にはエバネッセント光ＥＶがある。エバネッセント光ＥＶは被検体ＳＡへの入射光である光束ＬＷ１２の波長以下の光であり、通常は空間に伝播されないが、ハイパーレンズＨＬはエバネッセント光ＥＶを伝播光に変換させることができる。図２Ｂでは、エバネッセント光ＥＶを太い点線で示している。太い実線の矢印は伝播光である。この伝播光はハイパーレンズＨＬの凸面から外側に放射される。この伝播光のうち受光光学系ＬＥ（図１参照）に入射する光束が、光束ＬＷ３として示されている。また、ハイパーレンズＨＬはＴＭ波のみを伝播光に変換する性質をもつ。
【００１９】
光束ＬＷ２の偏光が必要な偏光のみを有する場合は、光束ＬＷ２によって発生したエバネッセント光ＥＶも必要な偏光のみを有する。そのため、偏光素子ＰＯで、対称軸ＴＪに対して軸対称に偏光が形成されている光束ＬＷ２によって発生したエバネッセント光ＥＶも軸対称の偏光として生成される。
【００２０】
＜ハイパーレンズの原理＞
ハイパーレンズＨＬがエバネッセント光を伝播する原理に関して図３を用いて説明する。
【００２１】
電磁波における周波数と波数との関係は分散関係と呼ばれ、電磁波の一種である光は以下の式で表わされる。
ｋ＝ω／ｃ・・・（１）
ここで、ωは角振動数、ｃは光速、ｋは波数である。
また、等方物質であった場合のレンズ内の二次元における分散関係を考えると、式（１）は以下のように表わされる。
ｋｒ２＋ｋθ２＝ε（ω２／ｃ２）・・・・（２）
ここで、εはレンズの誘電率、ｋｒはレンズの法線方向への波数であり、ｋθは、ｋｒに垂直な方向への波数である。（図３（ｃ）参照）
【００２２】
図３（ａ）は、光学的等方物質中における二次元の分散関係を表わしたグラフである。図３（ａ）は横軸にｋθ、縦軸にｋｒをとり、式（２）をグラフに表わしている。光学的等方物質中での波数ｋθの最大値は｜ｋθ｜であり、波数ｋθがこの値を超えた光束は、光学的等方物質中では伝わらない。この波数ｋθの大きさが｜ｋθ｜を越えた光がエバネッセント光である。
【００２３】
また、誘電率はｒ方向とθ方向とで異方性を持つ場合、ＴＭ波の分散関係は以下のように書ける。
（ｋｒ２／εθ）＋（ｋθ２／εｒ）＝ω２／ｃ２・・・・（３）
ここで、εθ＞０、εｒ＜０であるとき、式（３）は以下のように書ける。
（ｋｒ２／εθ）−（ｋθ２／｜εｒ｜）＝ω２／ｃ２・・・・（４）
【００２４】
図３（ｂ）は、εθ＞０、εｒ＜０の物質中における二次元の分散関係を表わしたグラフである。また図３（ｂ）は横軸にｋθ、縦軸にｋｒをとり、式（４）をグラフに表したものである。図３（ｂ）の双曲線は式（４）を表わしており、点線で表わしている円は式（２）を表わしている。図３（ｂ）の双曲線では、どのような波数ｋθに対しても波数ｋｒの値が存在している。そのため、εθ＞０、εｒ＜０の物質中では、光学的等方物質中では伝播しない波数ｋθの大きさが｜ｋθ｜を越えたエバネッセント光を伝播することができる。
【００２５】
図３（ｃ）または式（４）に示したような非等方的な所望の誘電率を実現する方法として層状の構造にレンズを形成する方法がある。図３（ｃ）は局所的に１軸性の非等方媒質であるハイパーレンズの例である。図３（ｃ）のハイパーレンズは球殻状に層が形成されているため全体としては１軸性とはならないが、局所的には平面の層が積み重ねられているとみなすことができるため、１軸性とみなすことができる。また、図３（ｃ）は、レンズの表面における法線方向（ｒ方向）の有効誘電率が負であり、レンズの表面における法線方向に垂直な方向（θ方向）の有効誘電率が正である。通常の物質では誘電率は正になる。しかし、金又は銀等のように特定の金属では可視光の周波数範囲でマイナスの値を示す誘電率εｍをもつものがある。これらの物質と、正の誘電率εｄを有する物質とを組み合わせた場合、εｒ及びεθの符号が逆転しているメタマテリアルと呼ばれる物質を作製することが可能である。有効誘電率の法線方向εｒ及び有効誘電率の法線に垂直な方向εθはεｍ及びεｄによって以下のように記述することができる。
【数１】
・・・（５）
【数２】
・・・（６）
ここで、ｐは金属の充填率である。充填率とは原子同士が隙間なくくっつき、原子の半径が全て同じ長さと仮定し、各格子の体積とその中に含まれる原子との体積の比をいう。ここで、例えば、銀Ａｇと酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３との多層膜を考えた場合、εｍを−２．４０１２＋０．２４８８ｉ、εｄを３．２１７としてεθとεｒとを計算することができる。金属の充填率ｐを０．５として計算した時、εθは正の値を取り、εｒは負の値をとる。
【００２６】
＜ハイパーレンズの作製方法＞
図４、図５を参照してハイパーレンズＨＬの作製方法を説明する。図４はハイパーレンズＨＬの形成工程を示すフローチャートである。図４（ａ）から図４（ｆ）はハイパーレンズＨＬの形成工程を説明するための図であり、図５のＢ−Ｂ断面図である。図５は、クロム膜Ｃｒが形成された水晶材ウエハＳＵの概略斜視図である。
【００２７】
まず、図４のステップＳ１０１において、水晶材ウエハＳＵの主面に円形の孔ＨＯのあいたクロム層Ｃｒを形成する（図４（ａ）参照）。クロム層Ｃｒは、水晶材ウエハＳＵの一方の主面に、電子ビーム蒸着又は真空蒸着を行うことによって形成される。また、円形の孔ＨＯは、クロム層Ｃｒに集束イオンビームを照射することによって形成される。
【００２８】
図５は、クロム膜Ｃｒが形成された水晶材ウエハＳＵの概略斜視図であり、図４（ａ）を３次元で表わした図である。水晶材ウエハＳＵの厚さＴＨ１は１５０μｍであり、その上に形成されているクロム層Ｃｒの厚さＴＨ２は１５０ｎｍである。また、クロム層Ｃｒには直径ＤＩの孔ＨＯ開けられている。直径ＤＩは、例えば５０ｎｍで形成されている。
【００２９】
ステップＳ１０２において、クロム層Ｃｒに形成した孔ＨＯを通して水晶材ウエハＳＵのウエットエッチングを行う（図４（ｂ）参照）。そして、水晶材ウエハＳＵに半球状の空洞ＣＡを形成する。ウエットエッチングは、フッ酸にフッ化アンモニウムを混合した液であるバッファードフッ酸または５５％フッ酸を用いて行われる。
【００３０】
ステップＳ１０３において、クロム層Ｃｒを除去する（図４（ｃ）参照）。クロム層Ｃｒは、例えば硝酸第２セリウムアンモニウムと酢酸との水溶液のエッチングで除去される。
【００３１】
ステップＳ１０４において、銀膜Ａｇを水晶材ウエハＳＵの空洞ＣＡが形成されている面に形成する（図４（ｄ）参照）。銀膜Ａｇは、蒸着またはスパッタリングにより形成される。銀膜Ａｇの形成では、低圧下により形成することにより、表面粗さができるだけ小さくなるように形成する。表面粗さは平均二乗偏差で１．３ｎｍ以内になるように形成する。
【００３２】
ステップＳ１０５において、ステップＳ１０４で形成した銀膜Ａｇ上に酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３を形成する（図４（ｅ）参照）。酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３は、蒸着またはスパッタリングにより形成される。
【００３３】
ステップＳ１０６において、さらに銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３を形成すべきかどうかを判断する。銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の層の数が足りない場合は、ステップＳ１０４に戻ってさらに銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の積層を重ねる。銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の層の数が既定の数だけ形成された場合は、ハイパーレンズＨＬの積層を終了する（図４（ｆ）参照）。光学装置１００に用いられるハイパーレンズＨＬでは、銀膜Ａｇ及び酸化アルミニウム膜Ａｌ２Ｏ３の層の数が合計で１６層形成される。
【００３４】
以上のような工程で、球殻状のハイパーレンズＨＬを作製することができる。ハイパーレンズＨＬの周りの水晶材は取り除いても取り除かなくてもよい。取り除く場合は、水晶材ウエハＳＵのエッチングを行って取り除く。
【００３５】
（第２実施例）
＜光学装置２００の構成＞
図６は、第２実施例である光学装置２００の概略図である。光学装置は、最終的に受光光学系で二次元に必要な偏光のみを有する光束を受光できればよい。そのため光学装置２００では、光学装置１００のように照明光源ＩＬと被検体ＳＡとの間に偏光素子ＰＯを配置する代わりに、照明光源ＩＬと被検体ＳＡとの間にハイパーレンズＨＬが配置されている。この光学装置２００の構成について図６を参照して説明する。
【００３６】
光学装置２００は、照明光源ＩＬと、偏光素子ＰＯと、ハイパーレンズＨＬと、受光光学系ＬＥとにより構成されている。また、エバネッセント光を発する被検体ＳＡはハイパーレンズＨＬの中に配置されている。
【００３７】
照明光源ＩＬにより発せられた照明光ＬＷ２１は、被検体ＳＡに照射される。照明光ＬＷ２１が照射された被検体ＳＡはエバネッセント光を発する。このエバネッセント光はハイパーレンズＨＬによって伝播光である光束ＬＷ２２に変換される。この時点で光束ＬＷ２２はランダム偏光である。その後、光束ＬＷ２２は、偏光素子ＰＯに入射する。偏光素子ＰＯは、入射した光束ＬＷ２２のＴＭ波のみを透過させて、光束ＬＷ２３として透過する。光束ＬＷ２３は受光光学系ＬＥに入射して検出される。
【００３８】
光学装置２００では、被検体ＳＡが放射した光束に対して偏光素子でＴＭ波のみを透過させる。そのため、光学装置２００は、偏光特性を変えてしまう性質を持っている被検体ＳＡを観察する場合に対して有効である。
なお、第１実施例の光学装置１００と第２実施例の光学装置２００とは、−Ｚ軸方向から被検体ＳＡに光束を照射した例である。
【００３９】
（第３実施例）
被検体ＳＡには、ハイパーレンズＨＬを通して＋Ｚ軸方向から光束を照射してもよい。＋Ｚ軸方向から光束を照射することにより、被検体ＳＡの＋Ｚ軸側表面より発したエバネッセント光を観測することができる。
【００４０】
＜光学装置３００の構成＞
図７は、光学装置３００の概略図である。光学装置３００は、照明光源ＩＬと、偏光素子ＰＯと、ハイパーレンズＨＬと、受光光学系ＬＥと、光線分光素子ＫＢとにより構成されている。また、エバネッセント光を発する被検体ＳＡはハイパーレンズＨＬの中に配置されている。
【００４１】
照明光源ＩＬにより発せられた照明光ＬＷ３１は、光線分光素子ＫＢにより反射され、光束ＬＷ３２となって偏光素子ＰＯに入射する。偏光素子ＰＯは、入射した光束ＬＷ３２の偏光を整え、光束ＬＷ３３として射出する。光束ＬＷ３３は、ハイパーレンズＨＬに入射し、ハイパーレンズＨＬを透過して被検体ＳＡに照射される。光束ＬＷ３３が照射された被検体ＳＡはエバネッセント光を発する。エバネッセント光はハイパーレンズＨＬを通して伝播光に変換され、光束ＬＷ３４としてハイパーレンズＨＬより射出される。光束ＬＷ３４は、偏光素子ＰＯによってＴＭ波成分のみを透過して光束ＬＷ３５となる。光束ＬＷ３５は光線分光素子ＫＢを透過して光束ＬＷ３６となり、受光光学系ＬＥに入射される。
【００４２】
光線分光素子ＫＢは、照明光源ＩＬから発した照明光を被検体ＳＡ側に反射又は透過させ、被検体ＳＡからの伝播光を透過又は反射する。そのため、照明光源ＩＬと受光光学系ＬＥとの配置を入れ替えて、照明光源ＩＬから−Ｚ軸方向に照明光ＬＷ３１を発し、ハイパーレンズＨＬより戻ってきた光束を光線分光素子ＫＢで−Ｘ軸方向に反射させて受光光学系ＬＥで受光させても良い。
【００４３】
（第４実施例）
＜光学装置４００の構成＞
被検体ＳＡの上部より光束を入射させる光学素子３００では、別の構成を取ることもできる。以下に光学装置４００を説明する。
【００４４】
図８は、光学装置４００の概略図である。光学装置４００は、照明光源ＩＬと、偏光素子ＰＯと、ハイパーレンズＨＬと、受光光学系ＬＥと、光線分光素子ＫＢとにより構成されている。また、エバネッセント光を発する被検体ＳＡはハイパーレンズＨＬの中に配置されている。
【００４５】
照明光源ＩＬにより発せられたランダム偏光の照明光ＬＷ４１は、光線分光素子ＫＢにより反射され、光束ＬＷ４２となってハイパーレンズＨＬを透過し、被検体ＳＡに入射する。光束ＬＷ４２が照射された被検体ＳＡはエバネッセント光を発する。エバネッセント光はハイパーレンズＨＬを透過し、ＴＭ波成分は伝播光に変換されて光束ＬＷ４３としてハイパーレンズＨＬより射出される。光束ＬＷ４３は光線分光素子ＫＢを透過し、光束ＬＷ４４となって偏光素子ＰＯに入射する。偏光素子ＰＯは、入射した光束ＬＷ４４のＴＭ波のみを透過させて光束ＬＷ４５となり、受光光学系ＬＥに入射する。
【００４６】
光学装置４００では、照明光源ＩＬと受光光学系ＬＥ及び偏光素子ＰＯとの配置を入れ替えて使用することができる。すなわち、照明光源ＩＬから−Ｚ軸方向に照明光ＬＷ４１を発し、ハイパーレンズＨＬより戻ってきた光束を光線分光素子ＫＢで−Ｘ軸方向に反射させて受光光学系ＬＥで受光させても良い。
なお、第３実施例の光学装置３００と第４実施例の光学装置４００とは、＋Ｚ軸方向から被検体ＳＡに光束を照射した例である。
【００４７】
（第５実施例）
以上に説明した光学装置は、被検体を観察する受光光学系の像面に実像をつくる対物集光光学系を備えることにより顕微鏡として使用可能になる。以下に光学装置１００に対物集光光学系として対物レンズＴＬを備え付けた顕微鏡５００について説明する。
【００４８】
＜顕微鏡５００の構成＞
図９は、顕微鏡５００の概略構成図である。顕微鏡５００は第１実施例の光学装置１００のハイパーレンズＨＬと偏光素子ＯＰとの間に対物レンズＴＬが組み込まれて構成されている。特に図示されていないが、光学装置２００〜光学装置４００にも光学装置１００と同様に適用できる。これらの場合、偏光素子ＰＯは瞳面に配置されることが望ましい。
【００４９】
照明光源ＩＬから射出されたランダム偏光の照明光ＬＷ５１は被検体ＳＡに入射し、被検体ＳＡからエバネッセント光を出させる。エバネッセント光はハイパーレンズＨＬによって伝播光に変換され、光束ＬＷ５２となって対物レンズＴＬに向かう。光束ＬＷ５２は拡散光であるが、対物レンズＴＬでは光束ＬＷ５２を集光して光束ＬＷ５３として偏光素子ＰＯに向かわせる。偏光素子ＰＯでは光束ＬＷ５３のＴＭ波のみを透過させて、光束ＬＷ５４として受光光学系ＬＥに向かわせ、受光光学系ＬＥで光束ＬＷ５４を検出する。ここで、対物レンズＴＬは、その像面が受光光学系ＬＥくるように配置され、被検体ＳＡの像が受光光学系ＬＥに実像を作るように配置される。
【００５０】
顕微鏡５００は、被検体ＳＡを照明光ＬＷ５１の波長の回折限界を超えて解像させることができる。
【００５１】
以上実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５２】
例えば、以上の実施例では光学装置にハイパーレンズＨＬを用いていたが、スーパーレンズを用いても良い。スーパーレンズは、波数Ｋθが大きいエバネッセント光を増幅することができる素子である。スーパーレンズには３種類存在する。１種類目は、スーパーレンズが誘電率と透磁率とがともにマイナスとなる物質で構成された場合で、負の屈折率をもち、どのような偏光も透過することができる。２種類目は、スーパーレンズが、誘電率が負で透磁率が正の物質で構成された場合で、スーパーレンズはＴＭ波のエバネッセント光を透過することができる。３種類目は、スーパーレンズが、誘電率が正で透磁率が負の物質を用いて構成された場合で、スーパーレンズはＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）のエバネッセント光を透過することができる。
【００５３】
このようなスーパーレンズは倍率をかける場合、図２Ｂ等で示されたように球殻状のレンズであり、異なる金属膜が交互に形成されている。これら倍率の掛かったスーパーレンズが、ハイパーレンズＨＬに代えて配置されれば同様な効果を得ることができる。
【００５４】
また、ハイパーレンズとスーパーレンズとを組み合わせることによりエバネッセント光を増幅し、伝播光に変換するレンズを作製することも可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１００、２００、３００、４００ 光学装置
５００ 顕微鏡
ＣＡ 空洞
ＩＬ 照明光源
ＫＢ 光線分光素子
ＬＥ 受光光学系
ＰＯ 偏光素子
ＴＬ 対物レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体を観察する光学装置において、
中空の球体の一部が切り取られ凸面と凹面とを有する球殻状であり、且つ前記被検体から発生するエバネッセント光を伝播光に変換するレンズと、
前記レンズの凸面側に配置され、電場が特定の偏光方向にのみ振動している光を透過する偏光領域を有し、前記偏光領域の偏光方向が全体として中心軸に対して軸対称になっている偏光素子と、
を備える光学装置。
【請求項２】
照明光を前記被検体に照射する照明光源と、
前記被検体を観察する受光光学系と、を備え、
前記照明光源、前記レンズ、前記偏光素子および前記受光光学系の順に配置されている請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
照明光を照射する照明光源と、
前記被検体を観察する受光光学系と、
前記照明光を前記被検体側に反射又は透過させ前記被検体からの前記伝播光を透過又は反射させる光線分割素子と、を備え、
前記照明光が、前記照明光源、前記光線分割素子、前記偏光素子、前記レンズの順に透過又は反射し、
前記被検体からの前記エバネッセント光が、前記伝播光となって前記レンズを透過し、
前記伝播光が、前記偏光素子、前記光線分割素子、前記受光光学系の順に透過又は反射するように配置されている請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
照明光を照射する照明光源と、
前記被検体を観察する受光光学系と、
前記照明光を前記被検体側に反射又は透過させ前記被検体からの前記伝播光を透過又は反射させる光線分割素子と、を備え、
前記照明光が、前記照明光源、前記光線分割素子、前記レンズの順に透過又は反射し、
前記被検体からの前記エバネッセント光が、前記伝播光となって前記レンズを透過し、
前記伝播光が、前記光線分割素子、前記偏光素子、前記受光光学系の順に透過又は反射するように配置されている請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記レンズが、局所的に１軸性の非等方媒質であり、前記レンズの表面における法線方向の誘電率が負であり、前記レンズの表面における法線方向に垂直な方向の誘電率が正であるハイパーレンズである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記ハイパーレンズは、誘電率が負である第１膜と誘電率が正である第２膜とが交互に積層されることにより形成される請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記第１膜は銀を材質とし、前記第２膜は酸化アルミニウムを材質とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記レンズが、負の誘電率と、正の透磁率とを有し、前記エバネッセント波を増幅して伝播光に変換する第１のスーパーレンズである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項９】
前記偏光素子の偏光領域がＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）のみを透過する請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記レンズが、正の誘電率と、負の透磁率とを有し、前記エバネッセント波を増幅して伝播光に変換する第２のスーパーレンズである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記偏光素子の偏光領域がＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）を透過する請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
請求項５から請求項１１のいずれか一項に記載の光学装置と、
前記伝播光を集光して前記被検体を観察する受光光学系の像面に実像をつくる対物集光光学系と、備え、
前記被検体が前記レンズの凹面側に配置されて使用される顕微鏡。
【請求項１】
被検体を観察する光学装置において、
中空の球体の一部が切り取られ凸面と凹面とを有する球殻状であり、且つ前記被検体から発生するエバネッセント光を伝播光に変換するレンズと、
前記レンズの凸面側に配置され、電場が特定の偏光方向にのみ振動している光を透過する偏光領域を有し、前記偏光領域の偏光方向が全体として中心軸に対して軸対称になっている偏光素子と、
を備える光学装置。
【請求項２】
照明光を前記被検体に照射する照明光源と、
前記被検体を観察する受光光学系と、を備え、
前記照明光源、前記レンズ、前記偏光素子および前記受光光学系の順に配置されている請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
照明光を照射する照明光源と、
前記被検体を観察する受光光学系と、
前記照明光を前記被検体側に反射又は透過させ前記被検体からの前記伝播光を透過又は反射させる光線分割素子と、を備え、
前記照明光が、前記照明光源、前記光線分割素子、前記偏光素子、前記レンズの順に透過又は反射し、
前記被検体からの前記エバネッセント光が、前記伝播光となって前記レンズを透過し、
前記伝播光が、前記偏光素子、前記光線分割素子、前記受光光学系の順に透過又は反射するように配置されている請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
照明光を照射する照明光源と、
前記被検体を観察する受光光学系と、
前記照明光を前記被検体側に反射又は透過させ前記被検体からの前記伝播光を透過又は反射させる光線分割素子と、を備え、
前記照明光が、前記照明光源、前記光線分割素子、前記レンズの順に透過又は反射し、
前記被検体からの前記エバネッセント光が、前記伝播光となって前記レンズを透過し、
前記伝播光が、前記光線分割素子、前記偏光素子、前記受光光学系の順に透過又は反射するように配置されている請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記レンズが、局所的に１軸性の非等方媒質であり、前記レンズの表面における法線方向の誘電率が負であり、前記レンズの表面における法線方向に垂直な方向の誘電率が正であるハイパーレンズである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記ハイパーレンズは、誘電率が負である第１膜と誘電率が正である第２膜とが交互に積層されることにより形成される請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記第１膜は銀を材質とし、前記第２膜は酸化アルミニウムを材質とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記レンズが、負の誘電率と、正の透磁率とを有し、前記エバネッセント波を増幅して伝播光に変換する第１のスーパーレンズである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項９】
前記偏光素子の偏光領域がＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）のみを透過する請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記レンズが、正の誘電率と、負の透磁率とを有し、前記エバネッセント波を増幅して伝播光に変換する第２のスーパーレンズである請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記偏光素子の偏光領域がＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）を透過する請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
請求項５から請求項１１のいずれか一項に記載の光学装置と、
前記伝播光を集光して前記被検体を観察する受光光学系の像面に実像をつくる対物集光光学系と、備え、
前記被検体が前記レンズの凹面側に配置されて使用される顕微鏡。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２２７４２２（Ｐ２０１１−２２７４２２Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９９５５７（Ｐ２０１０−９９５５７）
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２３日（２０１０．４．２３）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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