(57)【要約】【課題】電磁波の回折限界より微細な干渉パターンを形成すること。【解決手段】少なくとも２つの光学素子であるプリズム１０１、２０１と、少なくとも２つの光学素子であるプリズム１０１、２０１のそれぞれに電磁波を照射する照射手段と、を有し、プリズム１０１、２０１は、照射手段からの電磁波によりエバネッセント波１０３、２０３を生成するように配置され、少なくとも２つの光学素子であるプリズム１０１、２０１においてそれぞれ生成された第１のエバネッセント波１０３と第２のエバネッセント波２０３とが空間的に重畳されるように構成されている。【選択図】      図２
2007322497.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの光学素子と、
前記少なくとも２つの光学素子のそれぞれに電磁波を照射する照射手段と、を有し、
前記光学素子は、前記照射手段からの電磁波によりエバネッセント波を生成するように配置され、
前記少なくとも２つの光学素子においてそれぞれ生成された第１のエバネッセント波と第２のエバネッセント波とが空間的に重畳されるように構成されていることを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記光学素子は、前記第１のエバネッセント波と前記前記第２のエバネッセント波とが空間的に重畳され、干渉縞を形成するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
前記第１のエバネッセント波と前記第２のエバネッセント波との所定面における電場振幅をそれぞれＥ１０、Ｅ２０とし、β＝｜Ｅ１０｜／｜Ｅ２０｜としたとき、
０．１＜β＜９．９
を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
【請求項４】
前記第１のエバネッセント波と前記第２のエバネッセント波との所定面における電場振幅をそれぞれＥ１０、Ｅ２０とし、
電場振幅Ｅ１０と電場振幅Ｅ２０とのなす偏光相対角度をφとしたとき、
φ≦７８°
を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
【請求項５】
エバネッセント波を生成する前記光学素子は、プリズムと、負屈折を示す材料で構成された光学素子と、開口を設けた金属板との少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項６】
前記エバネッセント波を生成する配置は、前記光学素子の光学面において全反射を生じる配置であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学系。
【請求項７】
照射手段からの電磁波に基づいて少なくとも２つの光学素子においてそれぞれ生成された第１のエバネッセント波と第２のエバネッセント波とによる干渉縞を記録することを特徴とするホログラフィックメモリー。
【請求項８】
照射手段からの電磁波に基づいて少なくとも２つの光学素子においてそれぞれ生成された第１のエバネッセント波と第２のエバネッセント波とによる干渉縞が記録されていることを特徴とするホログラフィック記録媒体。
【請求項９】
照射手段からの波長λの電磁波に基づいて少なくとも２つの光学素子においてそれぞれ生成された第１のエバネッセント波と第２のエバネッセント波とによる干渉縞であって、周期がλ／（２ｎ）以下の前記干渉縞が記録されていることを特徴とするホログラフィック記録媒体。ただし、ｎは、前記ホログラフィック記録媒体の波長λにおける屈折率である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系に関する。より詳しくは、光計測、光加工あるいは光記録のための干渉露光光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、いわゆるナノテクノロジーの発展に伴い、ナノメートルサイズの現象を対象とする計測・加工・記録技術が注目されている。特に、遺伝子工学に代表されるバイオサイエンスの分野では、細胞内小器官やタンパク質のようなナノメートルサイズの構造体を観察・制御するといった需要が高まっており、バイオフォトニクスなどの新しい学問分野が開拓されつつある。
【０００３】
光を含む電磁波による微小構造体の観察や制御は古くから利用されてきたが、電磁波には回折限界という制約があり、電磁波の波長より小さな構造を観察・加工することができない。
【０００４】
半導体露光装置や光データストレージの領域では、より短波長の電磁波を用いることによって、露光線幅や記録ピットを微小化してきた。しかしながら、このアプローチは限界に達している。その主な理由は、深紫外線に対して透明な光学材料が非常に少ないためである。
【０００５】
また、細胞などの生体組織は紫外線によって容易に損傷を受けてしまうし、また、分光計測や蛍光を利用する場合には用いる電磁波の波長が計測対象の光学特性によって決まってしまうため、短波長化以外の方法による解像度の向上が望まれている。
【０００６】
こうした要求に応えるために、電磁波以外のプローブを利用する方法も実用化されている。例えば、電子ビームやイオンビームを用いれば、可視光を用いた場合より微細かつ高精度の加工が可能である。また、電子顕微鏡や原子間力顕微鏡によれば、可視光の波長よりはるかに微細な構造の観察が可能である。
【０００７】
最近では、近接場光学やプラズモニクスと呼ばれる光学技術が注目されている（例えば、非特許文献１）。電磁波の性質が回折限界で制約される理由は、波長に比べて微小な領域の情報を担うエバネッセント波（あるいは近接場光）が、光源から遠ざかるにつれて減衰してしまうことにある。逆に言えば、エバネッセント波が存在する（減衰していない）領域で加工や計測を行えば、回折限界に制約されずに、微細な領域を扱うことができる。
【０００８】
また、非特許文献２によれば、誘電率と透磁率が同時に負の値をとる材料（負屈折材料）中では、エバネッセント波が空間的に増幅され、回折限界を超える完全結像（Ｐｅｒｆｅｃｔ  Ｉｍａｇｉｎｇ）が可能となる。
【０００９】
デバイスの実用化に十分な性能をもつ材料はまだ見つかっていないが、エバネッセント波を積極的に増幅させることができれば、光学のみならず計測や加工においても革新的な発展をもたらすものとして期待されている。
【００１０】
バイオサイエンスに限らず様々な工学分野で、いわゆるｉｎ  ｖｉｖｏ、ｉｎ  ｓｉｔｕといった計測手法が要求されつつあり、電磁波の特徴である非侵襲性が重要になっている。また、波長によって、材料の応答性や構造体の大きさを変えられることも、電磁波ならではの利点である（非特許文献３参照）。
【００１１】
【非特許文献１】斎木敏治・戸田泰則著、「ナノスケールの光物性」オーム社、2004年
【非特許文献２】J. B. Pendry, Physical Review Letters Vol. 85, p.3966 (2000)
【非特許文献３】田村守著、「光学」、2006年2月号、p.66
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
生体組織にしても工業用デバイスにしても、それらが生体や製品の中で機能しているままの状態を計測（観察）することは、より高度な機能を解明するために必要なことである。例えば、生体から採取した細胞を観察することは、細胞の構造を解明するには重要であるが、それによって細胞の機能を知ることはできない。また、被観察物の応答や機能は周囲の環境に強く影響されることが多く、真空中や極低温下での観察にはおのずと限界がある。
【００１３】
電磁波を用いた計測や加工には、非侵襲性や物性制御といった利点がある反面、エバネッセント波の損失による回折限界という自然法則上の制約がある。近年発展しつつある近接場光学は、回折限界を克服する画期的な技術であるが、エバネッセント波（近接場光）がさほど減衰しない領域でしか適用できないという制約を伴っている。
【００１４】
これは光源、散乱体、あるいは開口（プローブ）から波長もしくは被観察物の大きさ程度の領域を意味しており、電磁波の波長が短くなるほど、あるいはより微細なものを対象とするほど厳しい制約となる。
【００１５】
加工や記録の分野においても、電磁波は非常に有用な道具であり、このことは干渉計や光データストレージの例を挙げるまでもない。レーザー光のように干渉性のよい電磁波を空間的に重ね合わせることで生じる干渉模様を、加工や記録に利用することは、電磁波特有の応用分野と言える。
【００１６】
しかしながら、従来実用化されている干渉露光も電磁波の回折限界に制限された物理現象であり、波長より微細な露光パターンを得ることはできない。電磁波を照射した微小開口の近傍では、エバネッセント波を含んだ電磁波が存在しうるが、今度は露光領域自体があまりに小さいため、加工や記録には利用できない。
【００１７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、エバネッセント波を利用することで、電磁波の回折限界より微細な干渉パターンを形成することができる光学系を提供することを目的とする。更に、これを各種光学系に応用することで、従来に比べて高性能な計測、加工、あるいは記録を行うことを可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
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、少なくとも２つの光学素子と、前記少なくとも２つの光学素子のそれぞれに電磁波を照射する照射手段と、を有し、前記光学素子は、前記照射手段からの電磁波によりエバネッセント波を生成するように配置され、前記少なくとも２つの光学素子においてそれぞれ生成された第１のエバネッセント波と第２のエバネッセント波とが空間的に重畳されるように構成されていることを特徴とする光学系を提供できる。
【００１９】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記光学素子は、前記第１のエバネッセント波と前記前記第２のエバネッセント波とが空間的に重畳され、干渉縞を形成するように配置されていることが望ましい。
【００２０】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記第１のエバネッセント波と前記第２のエバネッセント波との所定面における電場振幅をそれぞれＥ１０、Ｅ２０とし、β＝｜Ｅ１０｜／｜Ｅ２０｜としたとき、
０．１＜β＜９．９
を満足することが望ましい。
【００２１】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記第１のエバネッセント波と前記第２のエバネッセント波との所定面における電場振幅をそれぞれＥ１０、Ｅ２０とし、電波振幅Ｅ１０と電波振幅Ｅ２０とのなす偏光相対角度をφとしたとき、
φ≦７８°
を満足することが望ましい。
【００２２】
また、本発明の好ましい態様によれば、エバネッセント波を生成する前記光学素子は、プリズムと、負屈折を示す材料で構成された光学素子と、開口を設けた金属板との少なくともいずれか一つであることが望ましい。
【００２３】
また、本発明の好ましい態様によれば、前記エバネッセント波を生成する配置は、前記光学素子の光学面において全反射を生じる配置であることが望ましい。
【００２４】
また、本発明によれば、照射手段からの電磁波に基づいて少なくとも２つの光学素子においてそれぞれ生成された第１のエバネッセント波と第２のエバネッセント波とによる干渉縞を記録することを特徴とするホログラフィックメモリーを提供できる。
【００２５】
また、本発明によれば、照射手段からの電磁波に基づいて少なくとも２つの光学素子においてそれぞれ生成された第１のエバネッセント波と第２のエバネッセント波とによる干渉縞が記録されていることを特徴とするホログラフィック記録媒体を提供できる。
【００２６】
また、本発明によれば、照射手段からの波長λの電磁波に基づいて少なくとも２つの光学素子においてそれぞれ生成された第１のエバネッセント波と第２のエバネッセント波とによる干渉縞であって、周期がλ／（２ｎ）以下の前記干渉縞が記録されていることを特徴とするホログラフィック記録媒体を提供できる。ただし、ｎは、前記ホログラフィック記録媒体の波長λにおける屈折率である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明にかかる光学系によれば、電磁波の回折限界より微細な干渉パターンを形成することができ、これを各種光学系に応用することで、従来に比べて高性能な計測、加工、あるいは記録を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明にかかる光学系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】
【００２９】
エバネッセント波を作り出す最も古典的で簡便な方法は、全反射を利用することである。図１はプリズムにおける全反射を説明するための模式図である。プリズム１０１は一般にガラスやプラスチックなどの光学材料で構成され、その形状は、三角柱や三角錐が一般的であるが、これら以外の形状であっても構わない。
【００３０】
本明細書では、電磁波の一種である光を用いた微細干渉模様について説明するが、本発明自体はもちろん電磁波全般に対して適用できるものである。
【００３１】
プリズム１０１の一つの面（図では辺）１０４から入射した光１０２は、プリズム１０１の別の面１０５に入射角θで照射される。プリズム１０１の屈折率をｎＰ、外部媒質（以後、空気として説明する）の屈折率をｎＡとすると、プリズム１０１の空気に対する相対屈折率はｎ＝ｎＰ／ｎＡで表される。よく知られたスネルの法則を用いると、ｎsinθ＞１となるような入射角θに対して、光は空気中へ屈折することができずに全反射される。
【００３２】
波動光学的には、プリズム１０１中では光１０２の波数が相対屈折率の分だけ空気中での波数より大きくなり、結果的に空気中では存在しえない光となったために全反射が起きる。光はその伝搬を表す波数ベクトルｋｋをもっており、その絶対値を波数ｋと呼ぶ。空気中での波数ベクトルをｋｋ＝（ｋｘ、ｋｙ、ｋｚ）、プリズム１０１中での波数ベクトルをｋｋ′＝（ｋｘ′、ｋｙ′、ｋｚ′）とすると、マックスウェル方程式から以下の関係式が得られる。
【００３３】
【数１】
2007322497.tif 000003
ここで、ωは光１０２の角振動数、ｃは真空中での光速である。
【００３４】
また、光がプリズム１０１から空気中へ屈折するとき、波面が連続になるためには、
ｋｙ′＝ｋｙ  かつ  ｋｚ′＝ｋｚ    ・・・（２）
でなければならない。
【００３５】
したがって、数式（１）および数式（２）より、
ｋｘ′２  ＜（ｎ２―１）・（ｋｙ′２＋ｋｚ′２）    ・・・（３）
となるような光においては、ｋｘ２＜０、つまりｋｘが虚数となり、伝搬光として空気中へは屈折できないことになる。数式（３）はスネルの法則から得られる前記不等式ｎsinθ＞１と等価であり、このとき光１０２は全反射され、そのエネルギー反射率は１００％となる。
【００３６】
一方、虚数成分ｋｘをもつ空気中の屈折波は、エネルギーを運ばないエバネッセント波１０３となり、その振幅（あるいは強度）は屈折面１０５から離れるにつれて指数関数的に減衰する。
【００３７】
しかしながら、屈折面１０５から波長程度の距離では有限の振幅が残っているので、図２に示されるように光源１１０からの光を用いて別のプリズム２０１によって反対側からもエバネッセント波２０３を発生させれば、エバネッセント波同士が干渉して強度のコントラストを生じる。なお、図２では、便宜上光源１１０をそれぞれ２つ描いているが、従来の干渉計と同様に、同一の光源１１０からの光を分割して用いることが望ましい。
【００３８】
エバネッセント波による干渉をさらに詳しく調べるために、プリズム１０１中の光および面１０５を介して空気中へ浸み出したエバネッセント波の波数ベクトルを図示したのが、図３の（ａ）および図３の（ｂ）である。
【００３９】
ただし、簡単のため、波数ベクトルのｚ成分はゼロとした。プリズム１０１中では、波数ベクトルの全成分が実数なので、波数ベクトルｋｋ′1とそのｘおよびｙ成分ｋ′1ｘおよびｋ′1ｙの関係は容易に図示できる。
【００４０】
一方、空気中での波数ベクトルｋｋ１では、ｙ成分ｋ１ｙは実数であるが、ｘ成分ｋ１ｘは虚数なので、図３の（ａ）と同様には図示できない。そこで、ｘ軸とｙ軸の両方に垂直な方向に虚数軸３０３をとり、図３の（ｂ）のように図示した。
【００４１】
ｘ軸に平行な点線は波面の連続性を表ししており、屈折の前後でｋｙが変化しない（数式（２））ことを保障している。図中の２つの同心円３０１および３０２は半径がそれぞれｎＰω／ｃおよびｎＡω／ｃである。つまり、プリズム１０１中および空気中での光の分散関係を表している。
【００４２】
ｋ′1ｙが比較的小さい場合は、点線が２つの同心円をともに横切るので、プリズム１０１中でも空気中でも全ての成分が実数の波数ベクトルをもち、伝搬光として存在できる。しかしながら、ｋ′1ｙが大きくなって数式（３）を満たす場合には、図３のように空気中での分散関係を示す円を点線が横切らなくなり、プリズム１０１中では伝搬光であるが、空気中ではエバネッセント波としてしか存在しえなくなることを表している。
【００４３】
プリズム２０１に対しても同様の波数ベクトルを考えることができ、図３と同様にして、プリズム２０１中での伝搬光および空気中でのエバネッセント波２０３の波数ベクトルを図示することができる。図４には波数ベクトルを簡略化して図示した。
【００４４】
図４の（ａ）はプリズム１０１から浸み出したエバネッセント波１０３を、（ｂ）はプリズム２０１から染み出したエバネッセント波２０３を、（ｃ）はこれらの重ね合わせによって得られる光を表している。
【００４５】
数式（１）からもわかるように、空気中でエバネッセント波となる光は、ｙｚ平面内において回折限界を超える精細な形状や情報を担っており（以後、超解像と表現する）、そのためにｘ方向には虚数の波数成分を持っている。干渉模様を表す波数ベクトルＫＫは、干渉に関わる光の波数ベクトルの差で表され、図４の場合にはＫＫ＝ｋｋ１−ｋｋ２である。
【００４６】
波数ベクトルＫＫを成分ごとに表せば、実数成分をもつｙ方向（ｙｚ面内）についてはＫｙ＝ｋ１ｙ−ｋ２ｙとなる。ｋ１ｙおよびｋ２ｙはともに超解像なので、図２に示されるように波数のｙ成分が互いに逆向きとなるように干渉させれば、干渉模様もまた超解像となる。
【００４７】
一方のｘ成分については、波数ベクトルの虚数である成分ｋ１ｘとｋ２ｘとを単純に和や差をとることはできないが、以下に示すように、干渉現象の物理的な制約を課すことによって計算可能となる。
【００４８】
図２に示されるように、２つのプリズム１０１および２０１から染み出すエバネッセント波１０３および２０３の干渉を考える。プリズムの相対する面１０５および２０５の間隔を２ｗとし、点線で示した中間面を座標のｙｚ平面（ｘ＝０）にとる。
【００４９】
プリズム１０１およびプリズム２０１から浸み出すエバネッセント波の電場振幅ＥＥ１（ｒ，ｔ）およびＥＥ２（ｒ，ｔ）は、面１０５におけるエバネッセント波１０３の電場振幅をＥＥ１０、面２０５におけるエバネッセント波２０３の電場振幅をＥＥ２０、それぞれの波数ベクトルをｋｋ１＝ｉｋｘｘ＋ｋｙｙおよびｋｋ２＝−ｉｋｘｘ−ｋｙｙとして、
【００５０】
ＥＥ１（ｒ,ｔ）＝ＥＥ１ｅｘｐ｛ｉ（ｋｋ１・ｒ−ωｔ）｝
＝ＥＥ１０ｅｘｐ｛−ｋｘ（ｘ＋ｗ）＋ｉ（ｋｙｙ−ωｔ）｝  …（４-１）
ＥＥ２（ｒ,ｔ）＝ＥＥ２ｅｘｐ｛ｉ（ｋｋ２・r−ωｔ）｝
＝ＥＥ２０ｅｘｐ｛（ｋｘ（ｘ−ｗ）＋ｉ（−ｋｙｙ−ωｔ））｝  …（４-２）
となる。ただし、ｘとｙはそれぞれ、ｘ軸とｙ軸方向の単位ベクトルである。
【００５１】
干渉模様の強度分布は、数式（４）で表される電場振幅同士の和を２乗し、時間平均することによって計算することができ、結果は以下のようになる。なお、ＥＥはベクトルを表している。
【００５２】
【数２】
2007322497.tif 000004
【００５３】
αは干渉パターンのコントラストに関わるパラメータで、ｙを変化させたときの強度の最大値をＩＭＡＸ、最小値をＩＭＩＮ、干渉模様のコントラストをＣとすれば、次式の関係がある。
【００５４】
【数３】
2007322497.tif 000005
【００５５】
次に、波数ベクトルと座標を波長で規格化して、波長によらない表現に変換する。つまり、
ξ＝ｘ／λ、η＝ｙ／λ、
κｘ＝ｋｘλ／２π、κｙ＝ｋｙλ／２π    ・・・（７）
によって、規格化座標ξ、η、および規格化波数κｘ、κｙを導入する。
【００５６】
プリズム表面における波面の連続性はκｙ＝ｎsinθと表すことができ、また、数式（１）に対応する分散関係は、
κｙ２−κｘ２＝１  つまり  κｘ＝（ｎ２sin２θ−１）１／２    ・・・（８）
となる。
【００５７】
数式６で表される干渉パターンのコントラストは、規格化座標および規格化周波数を用いて以下のように表現される。
Ｃ＝αｅｘｐ(−４πκｘ｜ξ｜)    ・・・（９）
【００５８】
いくつかの規格化波数κｘ（図中では単にκと表示されている）の値に対して、規格化座標ξとコントラストＣの関係を示したのが図５である。ただし、α＝１とした。これは、プリズム１０１およびプリズム２０１から浸み出すエバネッセント波の強度が等しく、なおかつ偏光方向が一致した状態で干渉させることに相当する。
【００５９】
κの値によらず、規格化座標ξの原点、つまり２つのプリズムの中間面では最大のコントラストＣ＝１が得られているが、κが大きくなるにつれて、比較的大きなコントラストの得られる領域が狭くなっている。
【００６０】
この傾向を実際の露光動作について説明すると、以下のようになる。すなわち、プリズム１０１およびプリズム２０１の間に感光材料などを配置して干渉模様を記録するような場合、記録したい領域がξ方向に大きくなるほど、κを小さくする必要がある。
【００６１】
κをどの程度にするかは要求されるコントラストによって異なるが、例えば波長と同じ厚み（｜ξ｜≦０．５）の感光材料にコントラストが５０％以上の干渉模様を記録するためには、κ≦０．１とすればよい。
【００６２】
また、半波長の厚み（｜ξ｜≦０．２５）の感光材料にコントラストが２０％以上の干渉模様を記録するためには、κ≦０．５とすればよい。
【００６３】
図６は、κ＝０．１のときに、α＝０．１〜１．０に対して、規格化座標ξとコントラストＣの関係を示したものである。感光材料の厚みにも依存するため一概には言えないものの、一般的なコントラストの要求として概ねα≧αＭＩＮ＝０．２であることが好ましい。
【００６４】
一方、２つのエバネッセント波の偏光方向が等しい場合、振幅比をβ≡｜Ｅ２０｜／｜Ｅ１０｜とすれば、数式（５）に示されているαの定義より、
【００６５】
【数４】
2007322497.tif 000006
の関係が得られる。
【００６６】
αＭＩＮ＝０．２を数式１０へ代入すれば、０．１≦β≦９．９となる。また、０．３≦β≦３．７を満足すれば、αＭＩＮ＝０．５となってより大きなコントラストが得られるので、より好ましい。０．５≦β≦２．０を満足すれば、αＭＩＮ＝０．８となってさらに大きなコントラストが得られるので、さらに好ましい。
【００６７】
反対に、振幅比がβ＝１の場合に、許容な偏光方向を計算することもできる。β＝１なので｜Ｅ２０｜＝｜Ｅ１０｜であり、Ｅ１０とＥ２０のなす角をφとすれば、数式（５）より、α＝２ｃｏｓφが得られる。
【００６８】
このときα≧０．２であるためには、φ≦７８°であればよいことが容易に計算できる。また、φ≦６０°の場合には、α≧０．５となってより大きなコントラストが得られるので、より好ましい。φ≦３７°の場合には、α≧０．８となってさらに大きなコントラストが得られるので、さらに好ましい。
【００６９】
エバネッセント波による干渉露光をより効率的に行うために、負屈折レンズを利用することは有効である。負屈折レンズは、屈折率が負の値となる負屈折率物質、あるいは誘電率と透磁率のいずれか一方が負の値となる物質からなる平板であり、後者の場合にはＴＥ偏光かＴＭ偏光の電磁波に対してのみ負屈折レンズとして機能する。
【００７０】
フォトニック結晶や金属メタマテリアルなどの構造材料を用いる場合には、構造材料を構成する個々の材料ではなく、構造材料としての有効屈折率、有効誘電率もしくは有効透磁率が負の値をとれば、負屈折レンズの機能を持つことができる。所定の電磁波に対して負屈折レンズを構成しうるこれらの材料を総称して、本明細書では負屈折材料と呼ぶことにする。
【００７１】
負屈折レンズにはエバネッセント波を増幅する性質があるので、これを利用すればエバネッセント波間の光学的干渉を容易に生じさせることができる。図７の（ａ）は、２つの負屈折レンズ７０１および７０２を用いて、エバネッセント波による干渉露光を行うための光学系である。光源７０３おおび７０５からはあらゆる方向へ射出する光のうち、干渉領域７０４へ達するエバネッセント波７０６による干渉を説明する。
【００７２】
図７の（ａ）の光学系は、屈折率ｎＡの外部媒質中に配置されており、負屈折レンズ７０１および負屈折レンズ７０２は屈折率ｎＳ＝−ｎＡの負屈折材料からなる厚さ２ｗの平板である。負屈折レンズ間の距離が２ｗ、光源７０３から負屈折レンズ７０１までの距離と、光源７０５から負屈折レンズ７０２までの距離はともにｗとなるように配置されている。
【００７３】
図７の（ｂ）のグラフはエバネッセント波の強度分布であり、光源７０３から右の方向へ伝わる光が実線で、光源７０５から左の方向へ伝わる光が点線でそれぞれ示されている。
【００７４】
これらの光が伝搬光である場合には、左右いずれの方向へ伝わる成分も光線７０６のように光路を表すことが可能であるが、エバネッセント波の場合には実空間で光路が定義されないので図示することはできない。
【００７５】
しかしながら、本実施例では説明の都合上、エバネッセント波を光線７０６のように図示する。光源７０３および７０５を射出したエバネッセント波は、外部媒質中では減衰し、負屈折レンズ中では増幅して、グラフに示されるような強度分布を与える。ただし、光源７０３および７０５を射出する際の強度が等しいものとして図示した。
【００７６】
図７では、いわゆる完全結像が実現している。干渉領域７０４は、負屈折レンズ７０１が光源７０３を結像する像面であると同時に、負屈折レンズ７０２が光源７０５を結像する像面にもなっている。
【００７７】
干渉領域７０４では、図２〜４で説明したようなエバネッセント波同士の干渉が生じており、光線７０６の波長より精細な干渉模様が形成される。しかしながら、負屈折レンズを用いた場合には、光源７０３および７０５におけるエバネッセント波とほぼ同じ強度のエバネッセント波が干渉に寄与しており、減衰する過程のエバネッセント波が干渉模様を形成するプリズムの場合（図１〜４）に比べてはるかに効率のよい露光が可能である。
【００７８】
図８の（ａ）、（ｂ）は、図７の変形例として、負屈折レンズ間の距離を半分のｗとした場合を示している。光源７０３を射出したエバネッセント波７０６と光源７０５を射出したエバネッセント波７０７とが干渉領域７０４において干渉模様を形成する。
【００７９】
図８の配置では外部媒質中での減衰より負屈折レンズ中での増幅の寄与が大きいため、干渉領域７０４では、光源７０３および７０５を射出する際に比べて、約２．７倍の強度をもつエバネッセント波が干渉に寄与する。
【００８０】
図９の（ａ）、（ｂ）は、さらに図８の変形例として、光源から負屈折レンズまでの距離を半分のｗ／２とした場合を示している。光源７０３を射出したエバネッセント波７０６と光源７０５を射出したエバネッセント波７０７とが干渉領域７０４において干渉模様を形成する。
【００８１】
図９の（ａ）の配置では外部媒質中での減衰より負屈折レンズ中での増幅の寄与がさらに大きいため、干渉領域７０４では、光源７０３および７０５を射出する際に比べて、約７．４倍の強度をもつエバネッセント波が干渉に寄与する。
【００８２】
ただし、図８および図９の干渉領域におけるエバネッセント波の強度算出では、κｗ＝１とした。例えば数式４などからもわかるように、波数成分ｋｘあるいはκの絶対値が大きいほど、エバネッセント波の減衰や増幅が激しいので、変形例による強度の増大効果も大きくなる。
【００８３】
例えば、光学系全体をγ倍に拡大してκｗ＝γとすれば、図８および図９の干渉領域７０４におけるエバネッセント波の強度はそれぞれｅγ倍およびｅ２γ倍となる。
【００８４】
図７〜９の説明で用いた光源７０３は、必ずしもそれ自身が発光する光源である必要はない。例えば、以下のものを光源として用いることができる。
（１）他の白色光源や単色光源からの照明光を拡散する任意の物体
（２）照明光を回折する回折格子やホログラム
（３）照明光（励起光）を吸収して蛍光を発する蛍光体
（４）非線形光学効果により高調波やラマン散乱光を発する物質
【００８５】
光源７０３が発光、反射、屈折、回折、散乱のいずれを行う場合でも、光源７０３が発光しているものとして回折理論が適用できる（ホイヘンスの原理）ので、本発明の効果が期待できる。
【００８６】
回折格子やホログラムによる回折光を光源７０３からの発光として用いる場合には、有限可算個の波数ベクトルだけを発生させることができるので、エバネッセント波間の干渉模様を制御しやすい。光源に関する前記具体例は、光源７０５に対しても全く同様にあてはまる。
【実施例２】
【００８７】
次に本発明の実施例２にかかるホログラフィックメモリーについて説明する。本発明による微細な干渉露光を積極的に活用する方法として、図１０にホログラフィックメモリーの光学系を示す。光源８０１はガスレーザー、固体レーザー、半導体レーザー、発光ダイオードなどの比較的単色性に優れた光源である。
【００８８】
光源を射出した光は２つのレンズ８０２および８０３により構成されるビームエキスパンダにより、そのビーム系を拡大された状態で、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）８０４へ入射し、互いに偏光状態が直行する参照光８１４および情報光８１３に分離される。
【００８９】
参照光８１４は１／２波長板８０５によって情報光８１３と同じ偏光状態とされ、ミラー８０６で反射されたのちに、物体板８０７および負屈折レンズ８０８を介して、記録媒体８０９へ照射される。
【００９０】
一方の情報光８１３は、ミラー８１０で反射されたのち、空間光変調器（ＳＬＭ）８１１および負屈折レンズ８１２を介して、記録媒体８０９へ照射される。
【００９１】
物体板８０７は、図７〜９の光源に相当するもので、この場合は自ら発光する光源を含まないが、拡散板、回折格子、ホログラム、蛍光板などを用いることができる。ＳＬＭ８１１は液晶表示素子、ＤＭＤ、フォトマスクなどを用いることができ、記録媒体８０９へ記録すべきディジタル情報を１次元または２次元的に空間変調して表示する。
【００９２】
記録媒体８０９は、フォトポリマー、フォトリフラクティブ材料、有機色素などの感光材料からなる記録層を、ガラスやプラスチックなどの透明基板で固定した構造を有する。銀塩のような無機感光材料を用いてもよいが、比較的大きなディジタル情報を記録する場合には、体積ホログラムを記録できる半透明な感光材料が好ましい。
【００９３】
記録媒体８０９内部において、参照光８１４と情報光８１３とが重なり合う領域には干渉模様が形成され、これが記録層にホログラムとして記録される。記録媒体８０９が半透明で記録層が１００μｍ程度以上の厚みをもつ場合には、記録されるホログラムが体積ホログラムとなる。このため、角度多重、シフト多重、位相コード多重、スペックル多重、波長多重などの多重記録によって超高密度のデータ記録を行うことが可能となる。
【００９４】
物体板８０７としては、ＳＬＭ８１１と同様の表示素子を用いてもよい。このとき、物体板８０７を介して参照光８１４に空間光変調を施すことによっても、多重記録を行うことができる。
【００９５】
従来のホログラフィックメモリーでは、記録容量を増大させる上で、光の回折による２通りの制約があった。一つは、ＳＬＭ８１１に一度に記録できるディジタル情報に対する制約である。
【００９６】
ＳＬＭ８１１を構成する画素間のピッチを小さくしてゆけば、微細加工の技術的制約は別にして、いくらでも大量の情報を表示できる。しかしながら、光源８０１を射出する光の波長より小さな画素ピッチになるとＳＬＭ８１１で変調された情報の一部はエバネッセント波となり、記録媒体８０９へ到達できない。これを空間変調の限界と呼ぶことにする。
【００９７】
他の一つの制約は、多重記録における選択性であり、こちらもまた光の回折限界に起因する。先に挙げた各種多重化方式はいずれもホログラム（回折格子）のブラッグ選択性によるものであり、このブラッグ選択性はホログラムを形成する３次元的な干渉模様のピッチによって決まる。
【００９８】
この干渉模様のピッチは反射型ホログラムのときに最も短くなり、記録に用いる光の波長をλ、記録層の屈折率をｎとして、λ／２ｎ程度である。
【００９９】
なお、波長をλとしたときに真空中では干渉縞の最小周期がλ／２となる。しかしながら、感光材料などの材料中（屈折率ｎ）では実効的な波長がλ／ｎとなる。このため、干渉縞の最小周期は、上述したようにλ／２ｎとなる。
【０１００】
したがって、λ／２ｎピッチの干渉模様に対する選択性でしか、ホログラムを多重記録することはできない。これを多重化の限界と呼ぶことにする。
【０１０１】
本発明によるホログラフィックメモリーの記録光学系（図１０）では、ＳＬＭ８１１に表示された変調パターンを負屈折レンズ８１２で記録媒体８０９へ結像させているので、原理的には解像限界や回折限界が存在しない。
【０１０２】
従来の記録光学系では減衰して失われてしまうエバネッセント波成分も、負屈折レンズ８１２内部で空間的に増幅されて像面（記録媒体）へ到達するので、ＳＬＭ８１１の画素ピッチをいくら細かく（小さく）しても原理的には結像可能である。負屈折レンズ８１２を用いることによって、空間変調の限界を排除するか、少なくとも記録性能を大幅に向上することができる。
【０１０３】
すでに、図４等において説明したように、エバネッセント波同士によって形成される干渉模様は、光の波長よりも、さらに微細な模様とすることができる。したがって、図１０に示された記録光学系により記録媒体８０９に記録されるホログラムは、λ／２ｎピッチの干渉模様よりも、さらに高い選択性を示す。
【０１０４】
この結果として従来のホログラフィックメモリーよりも多数のホログラムを同一領域に多重記録することができる。負屈折レンズ８０８および負屈折レンズ８１２を用いることによって、多重化の限界を排除するか、少なくとも記録性能を大幅に向上することができる。
【０１０５】
（変形例）
図１１は、ホログラフィックメモリーに負屈折レンズを用いる変形例を示したものである。符号および光路の説明は図１０とほぼ同じなので、重複する説明は省略する。図１０の光学系と異なる点は、参照光８１４と情報光８１３とが互いに反対側から記録媒体８０９へ照射されている点である。
【０１０６】
図１２は、図１１の物体板８０７からＳＬＭ８１１までの光路を拡大図示したものである。図７と同じように、エバネッセント波同士の干渉模様を形成させる領域が、２つの負屈折レンズの像面になっている。つまり、干渉模様の強度およびコントラストが記録媒体中の記録位置によらず均一となるので、一様な露光時間や感光感度で記録再生を行うことができる。
【０１０７】
また、上述したようなホログラフィックメモリーシステムにおいて、記録すべきディジタル情報は、ホログラムとして記録媒体８０９に記録される。ホログラムは情報光８１３と参照光８１４による３次元の光学的な干渉パターンである。
【０１０８】
光学系と記録媒体の構成、記録波長、情報光の変調パターンに応じて、場所ごとに異なる周期、向き、コントラストを有している。ただし、従来のホログラフィックメモリーシステムでは伝搬光のみを用いて記録を行うため、形成される干渉パターンはλ／２ｎ以上の周期を有している。
【０１０９】
記録媒体８０９は、フォトポリマーやフォトリフラクティブ結晶などの感光材料からなる記録層を、ガラスやプラスチックなどの記録再生光に対して透明な材料からなる基板で挟んだ構成をとるのが一般的である。
【０１１０】
また、記録層の厚みムラや記録媒体自体の変形を防ぐために、比較的剛性の高い基板を用いることが好ましい。記録層を構成する感光材料は、積算露光量に応じて屈折率が変化して体積位相型ホログラムを形成できる材料が最も多く利用されている。しかしながら、これ以外にもフォトクロミズム、フォトブリーチング、ホールバーニングなどによって記録される材料を用いてもよい。
【０１１１】
また、図１３は、プリズムと負屈折レンズを用いてエバネッセント波間の干渉を形成する例を示すものである。図１および図２と共通の符号を用いている。プリズム１０１、負屈折レンズ９０１（厚さｄ）、干渉領域９０３、負屈折レンズ９０２（厚さｄ′）、およびプリズム２０１が、図に示されるようにａ、ｂ、ｂ′、およびａ′の間隔で配置されている。
【０１１２】
干渉領域９０３を境にして左右の光学系は、負屈折レンズの完全結像条件ａ＋ｂ＝ｄおよびａ′＋ｂ′＝ｄ′を満たすように配置されている。つまり、プリズム１０１およびプリズム２０１で生成されたエバネッセント波は、干渉領域９０３においてそれぞれのプリズムを発したときと同じ強度をもち、効率的に干渉模様を形成することができる。
【０１１３】
プリズムにおいて全反射が起きている場合には、負屈折レンズ側へはエバネッセント波だけが射出するため、不要な伝搬光によるノイズ等を気にすることなく良質な干渉模様を形成できるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
以上のように、本発明にかかる光学系は、電磁波の回折限界より微細な干渉パターンを形成することができ、例えば、光加工あるいは光記録のための干渉露光光学系に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】実施例１におけるプリズムによる全反射を説明する図である。
【図２】２つのプリズムによる全反射を説明する図である。
【図３】伝搬光とエバネッセント波の波数ベクトルを示す図である。
【図４】エバネッセント波の波数ベクトルを示す図である。
【図５】干渉コントラストの空間分布を表すグラフである。
【図６】干渉コントラストの空間分布を表すグラフである。
【図７】負屈折レンズを介したエバネッセント波の干渉を説明する図である。
【図８】負屈折レンズを介したエバネッセント波の干渉を説明する図である。
【図９】負屈折レンズを介したエバネッセント波の干渉を説明する図である。
【図１０】実施例２におけるホログラフィックメモリーの記録光学系を示す図である。
【図１１】ホログラフィックメモリーの記録光学系を示す図である。
【図１２】ホログラフィックメモリーの記録光学系の拡大図である。
【図１３】プリズムと負屈折レンズを用いてエバネッセント波間の干渉を形成する他の光学系を示す図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１０１、２０１                    プリズム
１１０  光源
１０２、２０２、７０６、７０７    光（光線）
１０３、２０３                    エバネッセント波
１０４、１０５、２０５            プリズムの面
３０１                            プリズム中での分散関係
３０２                            外部媒質（空気）中での分散関係
３０３                            虚数軸
７０１、７０２、８０８、８１２    負屈折レンズ
７０３、７０５、８０１            光源
７０４                            干渉領域
８０２、８０３                    レンズ
８０４                            偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
８０５                            １／２波長板
８０６、８１０、８１５            ミラー
８０７                            物体板
８０９                            記録媒体
８１１                            空間光変調器（ＳＬＭ）
８１３                            情報光
８１４                            参照光
【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】
2007322497.tif 000017
【図１２】
2007322497.tif 000018
【図１３】
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