(57)【要約】【課題】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等を提供すること【解決手段】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薄膜１０６と、発光体薄膜１０６へエネルギーである電子ビーム１０２を印加するための陰極１０１と、負屈折を示す材料で構成された負屈折レンズ１１０を含み、発光体薄膜１０６から発した光を物体に投影するための光学系と、を有することを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記発光体へエネルギーを印加するためのプローブと、
負屈折を示す材料で構成された光学素子を含み、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、を有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記発光体は、薄膜形状を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記プローブは、電子ビームを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記プローブとして、導電性材料からなり突起形状を有する電極を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項５】
光を発する発光性材料を含む発光体に、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。
【請求項６】
物体を照明する光源と、
光導電性材料よりなる光検出体と、
負屈折を示す材料で構成された光学素子を含み、前記物体から発した物体光を前記光検出体に投影する光学系と、
前記光検出体に対して前記物体光の回折限界よりも小さな領域にエネルギーを供給するためのプローブと、を有することを特徴とする光検出装置。
【請求項７】
前記光検出体は、薄膜形状を有することを特徴とする請求項６に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記プローブは、電子ビームを用いることを特徴とする、請求項６または７に記載の光検出装置。
【請求項９】
前記プローブとして、導電性材料からなり突起形状を有する電極を用いることを特徴とする、請求項６または７に記載の光検出装置。
【請求項１０】
物体を照明する照明ステップと、
前記照明によって前記物体が物体光を発する物体光放射ステップと、
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物体光を光導電性材料よりなる光検出体に投影する投影ステップと、
前記物体光が投影されることによって前記光検出体が光導電を示す光導電ステップと、
前記光検出体に対して前記物体光の回折限界よりも小さな領域にエネルギーを供給することによって前記光導電を検出する光導電検出ステップと、を有することを特徴とする光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【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ッ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、光検出装置及び光検出方法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」という表現は、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、カイラル物質、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いる。
【０００７】
図１７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）    ｎ１ｓｉｎθ１=ｎ２ｓｉｎθ２ 
ここで、θ１は入射角、θ２は屈折角、ｎ１は媒質１の屈折率、ｎ２は媒質２の屈折率をそれぞれ示している。
【０００９】
これに対して、図１８は、媒質２の屈折率ｎ２が負の値をとるときの光の屈折の様子を示している。図１８に示すように、入射した光は、境界面の法線に対して図１７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θ２を負の値とすれば上述のスネルの法則を満足している。
【００１０】
図１９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２０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く、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、回折限界によって決まる。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／ＮＡ程度である。ここで、λは使用波長、ＮＡ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ＮＡを増大させている。これにより、回折限界に相当するλ／ＮＡの値を小さくしている。ここで、開口数ＮＡ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ＮＡ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／λ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か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ＮＡ／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２０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２０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、フォトニック結晶は、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。しかしながら、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、ア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、ア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、ポインティング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（Ｍｅｄｉｕｍ））、左手系物質（Ｌｅｆｔ  Ｈａｎｄｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）、バックワード波材料（Ｂａｃｋｗａｒｄ  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いってなんら矛盾しない。
【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い超高解像（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，  Ｒｅａｄｉｎｇ，  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（２００２）
【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（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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。しかしながら、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よ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）を有している必要がある。
【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０．３μｍである。なお、波長０．５μｍ、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０．０３μｍ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０．０３μｍの半分、すなわち０．０１５μｍ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っ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、０．０１５μｍ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２μｍ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０．０１５μｍ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０．０５〜０．１μｍ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０．０１５μｍ以下に対して３倍以上大きい。
【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、光検出装置及び光検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、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、発光体へエネルギーを印加するためのプローブと、負屈折を示す材料で構成された光学素子を含み、発光体から発した光を物体に投影するための光学系と、を有することを特徴とする照明装置を提供できる。
【００４１】
また、本発明の好ましい態様によれば、発光体は、薄膜形状を有することが望ましい。
【００４２】
また、本発明の好ましい態様によれば、プローブは、電子ビームを用いることが望ましい。
【００４３】
また、本発明の好ましい態様によれば、プローブとして、導電性材料からなり突起形状を有する電極を用いることが望ましい。
【００４４】
また、本発明によれば、光を発する発光性材料を含む発光体に、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を提供できる。
【００４５】
また、本発明によれば、物体を照明する光源と、光導電性材料よりなる光検出体と、負屈折を示す材料で構成された光学素子を含み、物体から発した物体光を光検出体に投影する光学系と、光検出体に対して物体光の回折限界よりも小さな領域にエネルギーを供給するためのプローブと、を有することを特徴とする光検出装置を提供できる。
【００４６】
また、本発明の好ましい態様によれば、光検出体は、薄膜形状を有することが望ましい。
【００４７】
また、本発明の好ましい態様によれば、プローブは、電子ビームを用いることが望ましい。
【００４８】
また、本発明の好ましい態様によれば、プローブとして、導電性材料からなり突起形状を有する電極を用いることが望ましい。
【００４９】
また、本発明によれば、物体を照明する照明ステップと、照明によって物体が物体光を発する物体光放射ステップと、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物体光を光導電性材料よりなる光検出体に投影する投影ステップと、物体光が投影されることによって光検出体が光導電を示す光導電ステップと、光検出体に対して物体光の回折限界よりも小さな領域にエネルギーを供給することによって光導電を検出する光導電検出ステップと、を有することを特徴とする光検出方法を提供できる。
【発明の効果】
【００５０】
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、光検出装置及び光検出方法を提供できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下に、本発明に係る照明装置、照明方法、光検出装置及び光検出方法の実施例を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】
【００５２】
本発明の実施例１に係る電子ビーム励起型光源について説明する。図１は、本発明の実施例１に係る電子ビーム励起型光源１００の概略構成を示している。電子を放出する陰極（カソード）１０１は、放出された電子からなる電子ビーム１０２を供給する。陽極（加速電極）１０３は、放出された電子に加速電圧を印加する。電子レンズ１０４は、電子ビームを収束させる。陰極（カソード）１０１、陽極（加速電極）１０３、電子レンズ１０４はプローブに対応し、電子ビーム１０２はエネルギーに対応する。
【００５３】
偏向器１０５は、電子ビームを中心軸１１９と直交する方向に偏向させる。また、発光体薄膜１０６は、発光性の材料より構成されている。光学窓１０７は、光学的に透明な材料より構成されている。真空チャンバー１０８は、電子ビームの経路の気圧を低く保つように構成されている。真空チャンバー１０８は、陰極（カソード）１０１、陽極（加速電極）１０３、偏向器１０５を収納している。発光体薄膜１０６より発した光１０９は、負屈折材料よりなる負屈折レンズ１１０へ入射する。そして、負屈折レンズ１１０から射出した光は、物体１１１を照射する。
【００５４】
陰極１０１から発した電子よりなる電子ビーム１０２は、陽極１０３によって形成された電界によって加速される。電圧Ｅ（Ｖ）で加速された電子ビームのド・ブロイ波長λ（ｎｍ）は、次式（２）で求まる。
【００５５】
（２）    λ＝ｈ・（２ｍｅＥ）−０．５＝（１．５０４／Ｅ）０．５
ここで、ｈはプランク定数（６．６２４×１０−３４Ｊ・ｓ）、
ｍは電子の質量（９．１０７×１０−３１ｋｇ）、
ｅは電子の電荷（１．６０２×１０−１９Ｃ）、
である。
【００５６】
この式（２）より、例えばＥ＝１００（Ｖ）の場合はλ＝０．１２２６（ｎｍ）となる。また、Ｅ＝１（ｋＶ）の場合はλ＝０．０３８７８（ｎｍ）となる。さらに、Ｅ＝１００（ｋＶ）の場合は、λ＝０．００３８７８（ｎｍ）となる。このように、電子ビームのド・ブロイ波長は、光、例えば可視光の波長よりもはるかに短い波長になるのは周知の通りである。
【００５７】
加速された電子ビーム１０２は、電子レンズ１０４で収束される。そして、収束電子ビーム１０２ａとして発光体薄膜１０６上に照射される。このときの電子ビームの直径は、加速電圧を十分に高めると共に電子レンズ１０４によって焦点を調節することにより、容易に１ｎｍ程度まで絞ることが出来る。さらに、電子レンズ１０４として、球面収差が良好に補正されたレンズを用いることにより、電子ビームの直径を０．１ｎｍ程度まで絞ることも出来る。
【００５８】
電子ビーム１０２ａによって照射された発光体薄膜１０６の領域は、照射された電子によって励起される。これにより、スポット光源領域１０６ａとなって光１０９ａを発する。光１０９ａは、光学窓１０７を透過して負屈折レンズ１１０に入射する。そして、負屈折レンズ１１０の完全結像作用によって、スポット光源領域１０６ａは物体１１１上に投影される。この結果、スポット光源領域１０６ａの像は、物体１１１上にスポット照明領域１１１ａとして形成される。
【００５９】
このように、収束電子ビーム１０２ａと同じ直径を持つスポット光が、物体１１１上に形成される。したがって、本実施例によれば、従来なし得なかった、電子ビームで行う場合と同等の直径、すなわち直径１ｎｍないし０．１ｎｍ程度のスポット光で物体１１１上を照明することが出来る。
【００６０】
また、収束電子ビーム１０２ａは、偏向器１０５によって中心軸１１９と直交する方向に偏向させることが出来る。例えば、収束電子ビーム１０２ａが図上左側に偏向されたとき、偏向収束電子ビーム１０２ｂになる。このとき、発光体薄膜１０６のスポット光源領域１０６ａはスポット光源領域１０６ｂに移動する。
【００６１】
同様に、光１０９ａは、光１０９ｂに移動する。そして、物体１１１上のスポット照明領域１１１ａは、スポット照明領域１１１ｂに移動する。ここで、偏向器１０５による収束電子ビーム１０２ａの偏向方向および偏向量は任意に制御できる。このことから、上記作用によって物体１１１上のスポット照明領域１１１ａも任意に移動させて、走査することが可能である。このとき、走査する移動ステップも、スポット径に合わせて小さくすることが望ましい。
【００６２】
本実施例に関しては、微細で高分解能な光の照射を必要とする対象を物体１１１へ適用することにより、種々の分野への応用が可能である。すなわち、感熱性材料や感光性材料を適用すれば、半導体やマイクロマシンのような微細構造物を製造するリソグラフィー用露光装置とすることができる。また、光ディスクのような光情報機器用書き込み装置とすることもできる。
【００６３】
また、不図示の光検出器を用いて、光１０９を照射することにより物体１１１から発する反射光・透過光・散乱光・蛍光等の物体光を検出する構成とし、物体１１１として光ディスク等のような光情報機器媒体を適用すれば、光情報機器用読み取り装置とすることができる。さらに、物体１１１として光学像の観察対象を適用すれば、カメラや顕微鏡のような光学像観察装置となる。
【００６４】
これら全ての応用分野において、従来の光学的手段では光の回折限界によって達成し得なかった、電子ビームレベルの高い空間分解能を実現出来る。しかも、本実施例を電子ビームが物体１１１に直接照射される方法、構成、例えば電子顕微鏡や電子ビーム露光装置と比較すると、多くの長所がある。すなわち、照射する粒子（波動）が光であるため、電子ビームよりもエネルギーが低い。このため、物体１１１は、電子ビームを照射された場合のような損傷を受けることがない。
【００６５】
また、物体１１１を真空中に置く必要がなく、さらに気体・液体・固体を問わず、光を通す物質中でさえあれば、どんな環境中・媒質中に置いても扱うことが出来る。従って、使用上の制約が極めて少ない。さらに、電子ビームは物体１１１の表面にしか作用しないのに対して、物体１１１が透明である場合、光１０９は物体の内部にまで作用することが出来る。
【００６６】
なお、本実施例において、陰極１０１としては、電極を加熱することによって電子を放出させる熱電子放出型、高電界によって電極から電子を放出させる電界放射型等の、電子を空間中に放出する作用のあるものならば方式、構成は問わない。また、電子レンズとしては、電子線の集束を磁場によって行う電磁レンズでも、静電界によって行う静電レンズでも良い。偏向器１０５も同様に、電磁型でも静電型でも良い。
【００６７】
発光体薄膜１０６の材料としては、電子ビームの照射によって光を発する物質ならば何でも良い。例えば、電子ビームの照射によって、その物質が高いエネルギー状態に励起され、低いエネルギー状態に戻る過程で光を発するカソードルミネッセンスを示す物質でも良いし、照射された電子ビームがその物質中で減速する過程で、電子自体が光を直接発する制動放射を示す物質でも良い。
【００６８】
カソードルミネッセンスを示す物質としては、蛍光物質および燐光物質があり、いずれも適用可能である。さらに好ましくは、残光時間がより短いという理由により、燐光物質よりも蛍光物質の方が適している。この理由は、残光時間が長い場合、電子ビームの偏向走査に伴い、スポット光源領域１０６ａの面積が実質的に大きくなり、これが空間分解能の低下をもたらすからである。
【００６９】
例えば蛍光物質としては、以下のものを好適に用いることができる。
ダイヤモンド
ｈＢＮ（六方晶窒化ホウ素）
ＺｎＳ：Ａｇ
ＺｎＳ：Ａｕ，Ａｌ
ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ
ＺｎＳ：Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ
ＺｎＯ：Ｚｎ
ＺｎＧａ２Ｏ４：Ｍｎ
ＺｎＧａ２Ｏ４
（Ｚｎ０．５５，Ｃｄ０．４５）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ
（Ｚｎ０．４０，Ｃｄ０．６０）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ
（Ｚｎ０．３０，Ｃｄ０．７０）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ
（Ｚｎ０．２２，Ｃｄ０．７８）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ
【００７０】
また、燐光物質として、以下のものを好適に用いることができる。
Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕｄ
ＹＶＯ４：Ｅｕ
Ｚｎ２ＳｉＯ４：Ｍｎ，Ａｓ
ｇ−Ｚｎ３（ＰＯ４）２：Ｍｎ
ＺｎＳ：Ａｇ，Ｇａ，Ｃｌ
【００７１】
電子ビームにおける制動放射としては、電子が誘電率の異なる媒質へ入射する時に媒質境界面から放射される遷移放射（ＯＴＲ／Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）がある。遷移放射を生じさせる物質としては、金属でも誘電体でも良い。金属のときは、例えば、銀やアルミニウムやステンレスが適用可能である。
【００７２】
遷移放射光を光源として用いることのメリットは、残光時間が極めて短いことである。偏向走査に伴う空間分解能の低下を抑制する上で残光時間の短い方が望ましいことは、前述の通りである。例えば、通常の蛍光物質における残光時間は１ｍｓ〜１μｓ程度、高速応答型の蛍光物質でも２ｎｓ（＝２×１０−９秒）程度である。これに対して、遷移放射光における残光時間はｐｓ、すなわち１０−１２秒程度であり、はるかに短くすることができる。
【００７３】
次に、上述した構成のうちの発光体薄膜１０６について説明する。なお、以下に示す各実施例における構成要素のうち、先に示した実施例と共通する要素には同じ符号を記し、重複する説明は省略する。
【００７４】
図２は、実施例１において、特に発光体薄膜１０６としてカソードルミネッセンスを示す物質を用いる場合の好ましい形態である導電層付き発光体薄膜１１４の概略構成を示している。
【００７５】
本図において、導電層１１２は、発光体薄膜１０６を帯電させた電子を取り除く機能を有する。透明導電層１１３は、発光体薄膜１０６を透過した電子を取り除くとともに発光体薄膜１０６から発する光１０９を透過させる。なお、導電層１１２と透明導電層１１３は、図１における陽極１０３および真空チャンバー１０８と同じ電位に保たれていることが望ましい。
【００７６】
導電層付き発光体薄膜１１４を用いると、真空チャンバー１０８内の電位をほぼ一定にできる。このため、電子ビーム１０２の経路が不要な電界に乱されて、照射位置がずれることを低減できるという効果がある。さらに、仮に発光体薄膜１０６の表面が帯電しても、その電子は導電層１１２を介して速やかに取り除かれる。
【００７７】
また、発光体薄膜１０６に照射された電子ビームの一部が発光体薄膜１０６を通り抜けたとしても、その電子は透明導電層１１３を介して速やかに取り除かれる。したがって、発光体薄膜１０６と光学窓１０７とは、電子ビーム１０２の照射によって帯電することがない。この結果、真空チャンバー１０８内、特に発光体薄膜１０６付近の電位は常に一定に保たれる、という効果を奏する。
【００７８】
導電層１１２としては、導電性を有し、かつ図上で上から照射される電子ビームを遮ることなく、その下の発光体薄膜１０６に到達させる性質が必要である。そのための材料としては、炭素、金、白金、またはアルミニウムを用い、これを厚さ１０数ｎｍ以下に成膜することが望ましい。
【００７９】
透明導電層１１３としては、導電性を有し、かつ発光体薄膜１０６で発した光を遮ることなく、その下の光学窓１０７に到達させる必要がある。そのための材料としては、酸化亜鉛系材料、酸化インジウム系材料、または酸化スズ系材料が好適である。
【００８０】
酸化亜鉛系材料の場合は、ＺｎＯにＡｌ２Ｏ３を数％添加したＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）またはＺｎＯにＧａ２Ｏ３を数％添加したＧＺＯ（Ｇａｌｌｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）が望ましい。酸化インジウム系材料の場合は、Ｉｎ２Ｏ３に数％のＳｎＯ２を添加したＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）が望ましい。酸化スズ系材料の場合は、酸化スズにフッ素を添加したＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ  ｄｏｐｅｄ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）が望ましい。
【００８１】
次に、本発明に係る照明装置を備える顕微鏡の例を説明する。図３は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）用光学像観察ユニット１１８の概略構成を示している。ＳＥＭの真空チャンバーにおける標本室１１５内には、顕微鏡標本１１６が載置されている。光検出器１１７は、光が照射されることによって顕微鏡標本１１６が発する物体光１２０を検出する。
【００８２】
ＳＥＭ用光学像観察ユニット１１８は、ＳＥＭの標本室１１５に対して着脱自在に構成されている。そして、ＳＥＭ用光学像観察ユニット１１８を装着した場合は図１の説明で示した様に電子ビームレベルの高い空間分解能での光学像観察が可能になる。すなわち、一台のＳＥＭによってＳＥＭ像観察だけでなく、高分解能の光学像観察も可能になるという利点がある。
【００８３】
なお、図３における物体光１２０は、顕微鏡標本１１６からの透過光として描いている。しかしながら、これに限られず、光検出器１１７の種類と配置を適切に選ぶことにより、蛍光、反射光、前方散乱光、後方散乱光、ラマン散乱光等、顕微鏡標本１１６が発するあらゆる種類の物体光１２０を検出することが可能である。
【００８４】
次に、発光体薄膜を光学窓兼用負屈折レンズに形成した電子ビーム励起型光源について説明する。図４は、実施例１における光学窓および負屈折レンズの好ましい形態である、発光体薄膜を光学窓兼用負屈折レンズに形成した電子ビーム励起型光源１２１の概略構成を示している。
【００８５】
本図において、光学窓兼用負屈折レンズ１２２の上面側に発光体薄膜１０６が形成されると同時に、真空チャンバー１０７に装着されている。これにより、図１における光学窓１０７と負屈折レンズ１１０の機能を兼ねることができる。
【００８６】
これにより、ガラス等の通常の光学材料で作られた光学窓１０７を用いないため、光学窓部分で生ずるおそれのある吸収・散乱・反射等による悪影響を避けることができる。また、光学窓を構成する材料の不均一性に起因する光路の乱れの影響も避けることができる。
【実施例２】
【００８７】
次に、本発明の実施例２に係る電子ビーム励起型光源について説明する。実施例１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５は、超小型電子銃による電子ビーム励起型光源２００の概略構成を示している。また、図６は、光学窓と超小型電子銃との斜視構成を示している。図７は、電子ビーム励起型光源２００の超小型電子銃の断面構成を示している。
【００８８】
図５において、金属ケース２０１は、シール材２０２により、その内部を気密に保たれている。光学窓２０３は、透明な材料より構成され、光を透過するとともに中央に電子銃を載置するための基板である。超小型電子銃２０４は、エミッタ基板層２０５と、ゲート電極層２０６と、電子レンズ電極層２０７とを有している。
【００８９】
そして、エミッタ外部配線２１１は、エミッタ基板層２０５を外部回路（不図示）に接続する。同様に、ゲート外部配線２１２は、ゲート電極層２０６を外部回路（不図示）に接続する。電子レンズ外部配線２１３は、電子レンズ電極層２０７を外部回路（不図示）に接続する。
【００９０】
エミッタボンディングワイヤー２０８は、エミッタ基板層２０５とエミッタ外部配線２１１とを接続する。ゲートボンディングワイヤー２０９は、ゲート電極層２０６とゲート外部配線２１２とを接続する。電子レンズボンディングワイヤー２１０は、電子レンズ電極層２０７と電子レンズ外部配線２１３とを接続する。
【００９１】
陰極（エミッタ）２１４は、円錐形状またはピラミッド形状を有し、先端より電子を放出する。ゲート２１５は、エミッタ２１４の先端部に高電界を生成することによりエミッタ先端から電子を放出させ、これを電界放射型陰極として機能させる。電子レンズ２１６は、エミッタ先端から放出された電子ビームを絞る静電型のレンズである。
【００９２】
絶縁層２１７は、エミッタ基板層２０５とゲート電極層２０６と電子レンズ電極層２０７との間を電気的に絶縁している。なお、金属ケース２０１内部の気密空間２０１ａは、電子ビームの流れを妨げないように気圧が低く保たれている。
【００９３】
エミッタ２１４内の電子は、ゲート２１５によって作られた高電界によってエミッタ２１４の先端から放出され、電子ビーム１０２になる。電子ビーム１０２は、電子レンズ２１６によって収束され、収束電子ビーム１０２ａになる。収束電子ビーム１０２ａは、発光体薄膜１０６上に照射される。
【００９４】
電子ビーム１０２ａによって照射された発光体薄膜１０６の領域は、照射された電子によって励起され、スポット光源領域１０６ａとなって光１０９ａを発する。光１０９ａは、光学窓２０３を透過して負屈折レンズ１１０に入射する。入射した光は、負屈折レンズ１１０の完全結像作用によって物体１１１上に投影される。その結果、スポット光源領域１０６ａの像が物体１１１上にスポット照明領域１１１ａとして形成される。
【００９５】
実施例２に示している電子ビーム励起型光源２００は、電子ビーム１０２ａを偏向させる機能を備えていない点が実施例１と異なっている。その他の構成に関しては、実施例１に示した電子ビーム励起型光源１００と共通の特長を有する。
【００９６】
さらに、電子ビーム励起型光源２００は、非常な小型化が可能という特長を有する。超小型電子銃２０４は、図６、図７に示すように積層構造より構成されている。このため、製造する際には、半導体やマイクロマシンの製造技術であるリソグラフィ、エッチング、蒸着、スパッタリング等の手法が適用できる。この結果、電子ビーム励起型光源２００は、非常に小型化できる。
【００９７】
例えば、ゲート２１５や電子レンズ２１６の内径としては５００ｎｍ〜２μｍ程度、エミッタ２１４の高さとしては５００ｎｍ〜２μｍ程度の大きさである。したがって、超小型電子銃２０４としては縦１ｍｍ×横１ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ程度とする小型化が可能である。
【００９８】
そして、この様な電子銃におけるエミッタ２１４と発光体薄膜１０６との適切な間隔は１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。このため、電子ビーム励起型光源２００の寸法としては、外径３ｍｍ〜１０ｍｍ、厚さ３ｍｍ〜８ｍｍ程度とする小型化が可能である。本実施例は、このように小型なので、特に小型化が必要とされる内視鏡や光情報機器用書き込み装置、および同読み取り装置等への応用に適している。
【００９９】
また、本実施例においては、電子ビーム１０２ａを安定化する上で、エミッタ２１４の形状、製法、および材料が重要である。エミッタ２１４の形状としては、先端が鋭く尖った円錐またはピラミッド形等の角錐または針状であり、先端部の曲率半径は１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【０１００】
エミッタ２１４の製法および材料としては、エミッタ２１４を蒸着やスパッタリングにより製造する場合は、ニオブ、モリブデン、およびジルコニウムが望ましい。また、材料としてはシリコンも使用可能である。その場合の製法は、反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ／ＲＩＥ）または異方性ウェットエッチング（Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｅｔｃｈｉｎｇ／ＯＤＥ）が望ましい。
【０１０１】
また、材料として炭素の六員環および五員環よりなるカーボンナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ／ＣＮＴ）やカーボンナノホーン（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｈｏｒｎ）も使用可能である。
【０１０２】
実施例１における導電層付き発光体薄膜１１４で説明したときと同じ理由により、本実施例においても、発光体薄膜１０６の表面には導電層を成膜することが望ましい。本実施例においては実施例１とは異なり、発光体薄膜１０６に対して電子ビーム１０２ａが照射される面と光１０９ａが発せられる面とが同一面（図５における下側の面）である。
【０１０３】
このため、電子ビームと光との両方が透過するような導電層をこの面に成膜する必要がある。したがって、導電層の材料として金属を用いる場合、金属に対する光の透過率は電子ビームよりも低いので、光を透過させるための条件として、導電層の厚さを５ｎｍ以下とすることが望ましい。
【０１０４】
また、導電層の材料として前述の酸化亜鉛系材料、酸化インジウム系材料、または酸化スズ系材料のような透明導電材料を用いる場合は、電子ビームを透過させるための条件として、導電層の厚さを１０数ｎｍ以下とすることが望ましい。
【０１０５】
図５における発光体は、カソードルミネッセンス性材料よりなる発光体薄膜１０６として説明したが、これに限られない。本実施例においては、上述のように電子ビーム１０２ａが照射される面と光１０９ａが発せられる面とが同一面なので、薄膜形状でなくバルク形状の発光体でも使用可能である。この場合は、物性的に薄膜化が難しいカソードルミネッセンス性材料でも使用出来るという効果がある。なお、さらに好ましくは、この場合でも、表面に導電層を成膜することが望ましいという点は前記各実施例の場合と同様である。
【０１０６】
エミッタ外部配線２１１、ゲート外部配線２１２、および電子レンズ外部配線２１３は、いずれも光学窓２０３上に存在し、光１０９ａの一部を遮光してしまう。したがって、遮光の割合を減らすために、これらの配線の幅は細いことが望ましい。また、配線を透明導電材料で形成すると、さらに望ましい。
【０１０７】
図８は、実施例２における超小型電子銃の好ましい形態である偏向器付き超小型電子銃２２０の概略断面構成を示している。また、図９は偏向器の電極形状を示している。図８において、静電型の電子ビーム偏向器２１８は、電子ビームを偏向させる。また、偏向器電極層２１９が形成されている。
【０１０８】
偏向器付き超小型電子銃２２０は、実施例２における超小型電子銃２０４に対して、偏向器２１８が付加されている。そして、円周上に配置された四つの偏向器２１８ａ，２１８ｂ，２１８ｃ，２１８ｄへの印加電圧によって、収束電子ビーム１０２ａを中心軸１１９と直交する任意の方向へ偏向できる。
【０１０９】
偏向器付き超小型電子銃２２０を上述の超小型電子銃２０４の代わりに図５の電子ビーム励起型光源に用いれば、超小型化が可能であることをはじめとする各利点を保ったまま、実施例１と同様な、照明領域の走査が可能になる。
【実施例３】
【０１１０】
次に、本発明の実施例３に係る針型電極による光源について説明する。実施例１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、本実施例の針型電極による光源３００の概略構成を示している。また、図１１は、針型電極による光源３００のうちの光学窓と発光体薄膜を示している。
【０１１１】
本図において、カンチレバー３０１は、針型電極を保持し、かつこれを発光体薄膜１０６に対して位置決めしている。針型電極３０２は、導電体で形成されている。また、電極３０３は、針型電極３０２と対になって発光体薄膜１０６の両面から電圧を印加するためのものである。また、電極３０３は、この電極を外部回路（不図示）に接続するための外部配線の機能も有している。さらに、電極３０３は、発光体薄膜１０６から発する光１０９を透過させる透明導電層でもある。
【０１１２】
針型電極３０２の先端部３０２ａは、先端が鋭く尖った円錐または角錐または針状で、その曲率半径は１０ｎｍ以下であることが望ましい。先端部３０２ａは、発光体薄膜１０６に対して接触させても良いし、トンネル電流が流れる距離、すなわち１ｎｍ以下程度の間隔をもって離しても良い。さらに好ましくは、カンチレバー３０１としてバイモルフ型圧電アクチュエーターのような駆動素子を用い、先端部３０２ａと発光体薄膜１０６との間隔を任意に制御出来る用に構成することが望ましい。
【０１１３】
針型電極の先端部３０２ａが発光体薄膜１０６に接触している場合、その接触面の大きさは直径にして数ｎｍ以下の状態である。この状態で針型電極３０２と透明導電層３０３との間に電圧を印加する。これにより、発光体薄膜１０６の接触部分が光を発し、この領域がスポット光源領域１０６ａとなる。
【０１１４】
また、先端部３０２ａが発光体薄膜１０６から離れている場合、針型電極３０２と透明導電層３０３との間にトンネル電圧を印加する。これにより、先端部３０２ａから最も近い位置に存在する発光体薄膜１０６をなす原子または分子の一つと針型電極３０２との間にトンネル電流が流れる。これに伴い前記原子または分子の一つがトンネル発光を呈する。なお、針型電極３０２はプローブに対応し、トンネル電流やトンネル電圧はエネルギーに対応する。
【０１１５】
この場合、トンネル発光を呈した前記原子または分子の一つがスポット光源領域１０６ａとなる。スポット光源領域１０６ａから発した光１０９ａの像が、光学窓１０７および負屈折レンズ１１０を介して物体１１１上にスポット照明領域１１１ａとして形成される作用は、実施例１および実施例２と同様である。
【０１１６】
本実施例に示した針型電極による光源３００は、スポット照明領域１１１ａを走査する機能を備えていない点が実施例１と異なる。その他の構成は、実施例１に示した電子ビーム励起型光源１００と共通の特長を有する。
【０１１７】
さらに、針型電極による光源３００は、実施例２に示した超小型電子銃による電子ビーム励起型光源２００と同様に、非常な小型化が可能という特長を有する。小型化の理由は、発光体薄膜１０６に電圧を印加する手段が針型電極３０２と透明導電層３０３であるため、いずれも小型化が容易だからである。
【０１１８】
また、この針型電極による光源３００は、針型電極の先端部３０２ａが発光体薄膜１０６に接触している場合、安定した発光が可能という特長を有する。一般的に物質の表面状態を原子レベルで安定に保つことは容易ではない。このため、電圧印加が発光体の表面への電子ビームの照射によってなされる場合に比較して、発光体薄膜１０６に接触した針型電極３０２を介してなされる方が、作用が発光体の表面状態に依存しないという点で不安定要因がより少ない。この結果、安定した発光が可能である。
【０１１９】
さらに、針型電極による光源３００は、先端部３０２ａが発光体薄膜１０６から離れている場合、原子または分子レベルの極めて微小なスポット光源領域１０６ａを形成する。したがって、物体１１１上におけるスポット照明領域１１１ａとして、原子または分子レベルの極めて高い空間分解能が実現可能であるという特長を有する。極めて高い空間分解能の理由は、トンネル電流によって生じるトンネル発光は、発光体薄膜１０６をなす原子または分子の一つにおいて生じるからである。
【０１２０】
本実施例においては、スポット光源領域１０６ａの面積を小さくし、さらに発光作用を安定化する上で、針型電極３０２の形状、製法、および材料が重要である。形状、製法、および材料に関する好ましい条件は、上記実施例２に示したエミッタ２１４の場合と同様である。透明導電層３０３として好ましい条件は、実施例１に示した透明導電層１１３の場合と同様である。
【０１２１】
金属ケース２０１内部の気密空間２０１ｂは、針型電極３０２と発光体薄膜１０６との接触状態をより安定に保つために、気圧が低く保たれているか、あるいは不活性ガスが封入されていることが望ましい。
【０１２２】
発光体薄膜１０６の材料としては、エレクトロルミネッセンスを示す物質が適している。エレクトロルミネッセンス材料としては、電界印加型エレクトロルミネッセンス材料でも、電流注入型エレクトロルミネッセンス材料でも良い。
【０１２３】
例えば、電圧印加型エレクトロルミネッセンス材料としては、以下のものを好適に用いることができる。
ダイヤモンド
ＺｎＳ：Ｃｕ
ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｃｌ
ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｉ
ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｐｂ
ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ
ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｍｎ
ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｍｎ，Ｃｌ
ＺｎＳ−ＺｎＳｅ：Ｃｕ，Ｂｒ
ＺｎＳｅ：Ｃｕ，Ｃｌ
ＺｎＳｅ：Ｍｎ
ＺｎＳ−ＺｎＳｅ：Ｃｕ，Ａｌ
ＺｎＳ：ＰｒＦ３
ＺｎＳ：ＮｄＦ３
ＺｎＳ：ＳｍＦ３
ＺｎＳ：ＥｕＦ３
ＺｎＳ：ＴｂＦ３
ＺｎＳ：ＤｙＦ３
ＺｎＳ：ＨｏＦ３
ＺｎＳ：ＥｒＦ３
ＺｎＳ：ＴｍＦ３
ＺｎＳ：ＹｂＦ３
ＺｎＳ：ＣｒＦ３
ＺｎＳ：ＭｎＦ２
ＢａＴｉＯ３
ＳｒＴｉＯ３
ＴｉＯ２
【０１２４】
図１２は、実施例３における針型電極による光源の好ましい形態である、アクチュエーター付き針型電極による光源３０４の概略構成を示している。また、図１３は、光源３０４の針型電極周辺部の詳細形状を示している。
【０１２５】
３軸の圧電アクチュエーター３０５は、針型電極３０２を直交する３方向へ駆動する。圧電アクチュエーター３０５は、Ｘ軸の圧電アクチュエーター３０５ｘと、Ｙ軸の圧電アクチュエーター３０５ｙと、Ｚ軸の圧電アクチュエーター３０５ｚとを有している。
【０１２６】
アクチュエーター付き針型電極による光源３０４は、前記針型電極による光源３００に３軸圧電アクチュエーター３０５を付加した構成である。Ｘ軸の圧電アクチュエーター３０５ｘおよびＹ軸の圧電アクチュエーター３０５ｙによって針型電極３０２を発光体薄膜１０６に対してｘｙ面内の方向に走査させることが出来る。また、Ｚ軸の圧電アクチュエーター３０５ｚにより、針型電極の先端部３０２ａと発光体薄膜１０６との間隔を任意に制御することが出来る。アクチュエーター付き針型電極による光源３０４を用いると、針型電極による光源３００の各利点を保ったまま、実施例１と同様な、照明領域の走査が可能になる。
【実施例４】
【０１２７】
次に、本発明の実施例４に係る光検出器について説明する。実施例１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。まず、本実施例の光検出器の説明に先立ち、撮像管の動作原理を説明する。
【０１２８】
図１４は、一般的な撮像管４００の動作原理を説明する等価回路である。本図において、光電変換膜（ターゲット）４０１は、光導電性材料よりなる。光電変換膜（以下、適宜「ターゲット」という。）４０１の面４０１ＥＢには電子ビーム１０２が照射され、面４０１ＯＩには光学像が照射される。
【０１２９】
ターゲット４０１内の１画素とみなされる領域４０１ＰＸは、電子ビーム１０２の断面積に相当し、かつ電子ビーム照射面４０１ＥＢと光学像照射面４０１ＯＩとの間でｃ−ｒ時定数回路を形成している。
【０１３０】
透明導電膜４０２は、光学像照射面４０１ＯＩと密着して形成されている。光学像を形成するレンズ４０４からは、光学像を形成する光線４０３が射出される。また、直流電源４０５と、負荷抵抗ＲＬ４０６とが接続され、端部に出力信号端子４０７が形成されている。
【０１３１】
ターゲット４０１上には、画素領域４０１ＰＸが多数存在し、並列に配置されている。画素領域４０１ＰＸの抵抗ｒは、照射される光線４０３の強度によって変化する。透明導電膜４０２には、ターゲット電圧ＶＴが印加されている。
【０１３２】
ターゲット４０１の電子ビーム照射面４０１ＥＢには、電子ビーム１０２が照射され、電子ビーム１０２の走査によって画素領域４０１ＰＸが順番にオンまたはオフされてゆく。そして、オンされている画素の信号が、負荷抵抗４０６を介して出力信号端子４０７から取り出される。
【０１３３】
電子ビーム１０２が画素領域４０１ＰＸの一つに照射されると、スイッチが閉じたことになり、キャパシタｃは充電される。このため、電子ビーム照射面４０１ＥＢの電位は電子が放射される陰極１０１と同じになり、この図の場合は０Ｖとなる。
【０１３４】
次に、画素領域４０１ＰＸから電子ビーム１０２が離れると、スイッチは開いたことになり、キャパシタｃに充電された電荷は抵抗ｒを通して放電する。画素に当たる光が強い場合は、抵抗ｒが低くなるために早く放電して、電子ビーム照射面４０１ＥＢの電位は高くなる。画素に当たる光が弱い場合は、抵抗ｒが高くなるためにほとんど放電せず、電子ビーム照射面４０１ＥＢの電位の上昇はわずかである。
【０１３５】
次に決まった所定の時間の経過後に電子ビーム１０２が再び照射されると、各画素領域４０１ＰＸの面４０１ＥＢで上昇した電位は再び陰極電位にまで落とされる。このとき、キャパシタｃを充電する分の電荷が信号電流として負荷抵抗４０６に流れる。そして、そこで生じた電圧降下が信号電圧として出力信号端子４０７から取り出される。このようにして撮像管４００は、各画素領域４０１ＰＸごとの光電変換信号を、時系列的に出力信号端子４０７より出力する。
【０１３６】
図１５は、実施例４に係る撮像管型光検出器４０８の概略構成を示している。また、図１６は、撮像管型光検出器４０８の光学窓とターゲットを示している。ここで、光源４０９は、照明光４１０を照射する。照明光４１０で照明された光情報検出対象物体４１１は、物体光４１２を発する。
【０１３７】
撮像管型光検出器４０８の構成は、実施例１の図１に示した電子ビーム励起型光源１００と類似しているが、電子ビーム１０２の照射対象が発光体薄膜１０６でなく光導電性材料よりなる光電変換膜（ターゲット）４０１であること、常に透明電極４０２を有すること、直流電源４０５、負荷抵抗４０６および出力端子４０７を有すること、が異なる。これらの構成により、撮像管型光検出器４０８は、図１４で説明した一般的な撮像管４００と同様に、光学像の光電変換機能を有する。
【０１３８】
一方、光情報検出対象物体４１１が発した物体光４１２は、負屈折レンズ１１０を介してターゲット４０１の光学像照射面４０１ＯＩ側に結像する。この結果、結像した光学像はターゲット４０１において光電変換され、その信号は出力信号端子４０７から取り出される。
【０１３９】
撮像管型光検出器４０８における収束電子ビーム１０２ａは、実施例１の電子ビーム励起型光源１００における収束電子ビームと同様に、直径１ｎｍないし０．１ｎｍ程度に絞られる。収束電子ビーム１０２ａがターゲットの電子ビーム照射面４０１ＥＢに照射され、照射された領域が画素領域４０１ＰＸとなる。
【０１４０】
画素領域４０１ＰＸは、負屈折レンズ４１１の完全結像作用により、光情報検出対象物体４１１上の画素共役領域４１１ａと共役関係にある。これはすなわち、収束電子ビーム１０２ａと同じ直径を持つ光検出器が、光情報検出対象物体４１１上の光を検出することを意味する。このように、プローブに対応する陰極１０１からは、光検出体であるターゲット４０１に対して物体光の回折限界よりも小さな領域に収束電子ビーム１０２ａ（エネルギー）を供給している。
【０１４１】
したがって、本実施例によれば、従来なし得なかった、電子ビームで行う場合と同等の直径、すなわち直径１ｎｍないし０．１ｎｍ程度の大きさの光検出器で、光情報検出対象物体４１１上の光の強度分布を検出することが出来る。また、収束電子ビーム１０２ａは、偏向器１０５によって中心軸１１９と直交する方向に偏向させることが出来る。その作用および効果は、実施例１の場合と同様である。
【０１４２】
本実施例においては、微細で高分解能な光の検出を必要とする対象を光情報検出対象物体４１１へ適用することにより、種々の分野への応用が可能である。すなわち、光情報検出対象物体４１１として光ディスク等のような光情報機器媒体を適用すれば、光情報機器用読み取り装置となり、また光学像の観察対象を適用すれば、カメラや顕微鏡のような光学像観察装置となる。
【０１４３】
なお、図１５における物体光４１２は光情報検出対象物体４１１からの透過光として描いたが、光源４０９の種類と配置を適切に選ぶことにより、蛍光、反射光、前方散乱光、後方散乱光、ラマン散乱光等、光情報検出対象物体４１１が発するあらゆる種類の物体光を検出することが可能である。
【０１４４】
また、図１５においては陰極１０１の電位を０Ｖ、透明電極４０２を正の電位（ＶＴ）としたが、陰極１０１を負の電位、透明電極４０２を０Ｖとしても良い。また、陰極を負、透明電極を正としても良い。
【０１４５】
ターゲット４０１の材料としては、光導電性材料ならば何でも良く、特に撮像管に用いられているターゲット膜が適している。例えば、以下のものを好適に使用することができる。
三硫化アンチモン膜      （Ｓｂ２Ｓ３）
一酸化鉛膜              （ＰｂＯ）
セレン化カドミウム膜    （ＣｄＳｅ）
サチコン膜              （Ｓｅ―Ａｓ―Ｔｅ）
ニュービコン膜  （｛ＺｎＳｅ―（Ｚｎ１―ｘＣｄｘＴｅ）１―ｙ（Ｉｎ２Ｔｅ３）ｙ｝）
アモルファスセレン膜    （ａ―Ｓｅ）
スーパーハーピコン膜    （Ｓｅ―Ａｓ―Ｔｅ）
アモルファスシリコン膜  （ａ―Ｓｉ）
【０１４６】
なお、上記のように、実施例１に示した照明装置における発光体薄膜１０６をターゲット４０１に代えて、さらに光電変換信号検出回路を付加することによって、実施例４に示した光検出装置となるのと同様に、前記実施例２・実施例３においても、ターゲット４０１および光電変換信号検出回路の適用により、高い空間分解能を有する光検出装置となることは言うまでもない。
【０１４７】
また、上記照明装置におけるスポット照明領域１１１ａおよび上記光検出装置における画素共役領域４１１ａは、いずれの大きさも直径１ｎｍないし０．１ｎｍ程度という小ささであるから、これらの両方を一つの物体に対して適用し、スポット照明領域１１１ａと画素共役領域４１１ａを一致させることにより、極めて優れた共焦点光学系を構成できることも言うまでもない。
【０１４８】
さらに、本発明は上記実施例に何ら制約されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな応用が可能であることも言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
以上のように、本発明は、負屈折レンズを有し、高い空間分解能を有する照明装置、光検出装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明の実施例１に係る電子ビーム励起型光源の概略構成を示す図である。
【図２】実施例１における導電層付き発光体薄膜の概略構成を示す図である。
【図３】実施例１における電子顕微鏡用光学像観察ユニットの概略構成を示す図である。
【図４】実施例１における発光体薄膜を光学窓兼用負屈折レンズに形成した電子ビーム励起型光源の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係る超小型電子銃による電子ビーム励起型光源の概略構成を示す図である。
【図６】実施例２における超小型電子銃の斜視構成を示す図である。
【図７】実施例２における超小型電子銃の断面構成を示す図である。
【図８】実施例２における偏向器つき超小型電子銃の断面構成を示す図である。
【図９】実施例２における偏向器の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施例３に係る針型電極による光源の概略構成を示す図である。
【図１１】実施例３における発光体薄膜の概略構成を示す図である。
【図１２】実施例３におけるアクチュエーター付き針型電極による光源の概略構成を示す図である。
【図１３】実施例３における針型電極周辺部の概略構成を示す斜視図である。
【図１４】撮像管の等価回路を説明する図である。
【図１５】本発明の実施例４に係る撮像管型検出器の概略構成を示す図である。
【図１６】実施例４における光学窓とターゲットの断面構成を示す図である。
【図１７】通常光学材料における光の屈折を示す図である。
【図１８】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１９】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２０】負屈折レンズによる結像関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１００  電子ビーム励起型光源
１０１  陰極（カソード）
１０２  電子ビーム
１０２ａ  収束電子ビーム（非偏向時）
１０２ｂ  収束電子ビーム（偏向時）
１０３  陽極（加速電極）
１０４  電子レンズ
１０５  電子ビーム偏向器
１０６  発光体薄膜
１０６ａ  スポット光源領域（非偏向時）
１０６ｂ  スポット光源領域（偏向時）
１０７  光学窓
１０８  真空チャンバー
１０９  照明光
１１０  負屈折レンズ
１１１  物体  
１１１ａ  スポット照明領域（非偏向時）
１１１ｂ  スポット照明領域（偏向時）
１１２  導電層
１１３  透明導電層
１１４  導電層付き発光体薄膜
１１５  電子顕微鏡標本室（真空チャンバー）
１１６  顕微鏡標本
１１７  光検出器
１１８  電子顕微鏡用光学像観察ユニット
１１９  中心軸
１２０  物体光
１２１  発光体薄膜を光学窓兼用負屈折レンズに形成した電子ビーム励起型光源
１２２  光学窓兼用負屈折レンズ
２００  超小型電子銃による電子ビーム励起型光源
２０１  金属ケース
２０１ａ  気密空間（真空）
２０１ｂ  気密空間（真空または不活性ガス封入）
２０２  シール材
２０３  光学窓兼電子銃基板
２０４  超小型電子銃
２０５  エミッタ基板層
２０６  ゲート電極層
２０７  電子レンズ電極層
２０８  エミッタボンディングワイヤー
２０９  ゲートボンディングワイヤー
２１０  電子レンズボンディングワイヤー
２１１  エミッタ外部配線
２１２  ゲート外部配線
２１３  電子レンズ外部配線
２１４  陰極（エミッタ）
２１５  ゲート
２１６  電子レンズ（静電型）
２１７  絶縁層
２１８  電子ビーム偏向器（静電型）
２１９  偏向器電極層
２２０  偏向器付き超小型電子銃
３００  針型電極による光源
３０１  カンチレバー
３０２  針型電極
３０２ａ  針型電極先端部
３０３  外部配線兼透明導電層
３０４  アクチュエーター付き針型電極による光源
３０５  圧電アクチュエーター（３軸）
３０５ｘ  圧電アクチュエーター（ｘ方向）
３０５ｙ  圧電アクチュエーター（ｙ方向）
３０５ｚ  圧電アクチュエーター（ｚ方向）
４００  撮像管
４０１  ターゲット（光導電体膜）
４０１ＥＢ  ターゲット（光導電体膜）電子ビーム照射面
４０１ＯＩ  ターゲット（光導電体膜）光学像照射面
４０１ＰＸ  ターゲット（光導電体膜）画素領域
４０１ＰＸａ  画素領域（非偏向時）
４０１ＰＸｂ  画素領域（偏向時）
４０２  透明電極
４０３  光線
４０４  結像レンズ
４０５  直流電源
４０６  負荷抵抗
４０７  出力端子
４０８  撮像管型光検出器
４０９  光源
４１０  照明光
４１１  光情報検出対象物体
４１１ａ  画素共役領域（非偏向時）
４１１ｂ  画素共役領域（偏向時）
４１２  物体光
４１２ａ  物体光（非偏向時）
４１２ｂ  物体光（偏向時）
４１３  光学窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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