(57)【要約】【課題】近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造を試料に直接接触させることなく、高分解能観察可能な走査型近接場光学顕微鏡を提供する。【解決手段】本発明に係る走査型近接場光学顕微鏡100は、試料107に照明光を射出するための光照射部102と、光を受光する受光部112と、光照射102部の射出側および受光部112の入射側のうち少なくとも何れか一方に配置され、近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造と、誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達する超高波数伝達媒質106と、を備える。【選択図】図１
2012027005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に照明光を射出するための光照射部と、
光を受光する受光部と、
前記光照射部の射出側および前記受光部の入射側のうち少なくとも何れか一方に配置され、近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造と、
誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達する超高波数伝達媒質と、
を備える近接場光学顕微鏡。
【請求項２】
前記微細構造は、前記光照射部の射出側に配置されて近接場光を生成し、
前記超高波数伝達媒質は前記微細構造で生成された近接場光を伝達して前記試料に前記照明光として射出する、請求項１記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項３】
前記超高波数伝達媒質は、前記試料と前記微細構造との間に配置されており、
前記微細構造は前記受光部の入射側に配置されて前記近接場光を透過させ、
前記受光部は、前記微細構造が透過させた前記近接場光を検出する、請求項１記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項４】
前記微細構造は、前記照明光の波長よりも小さい開口部を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項５】
動作時に、前記微細構造または前記開口部と、前記超高波数伝達媒質との間隔が、前記照明光の波長以下に保たれる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項６】
動作時に、前記超高波数伝達媒質が、前記試料に接するように配置される請求項１〜５のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項７】
前記超高波数伝達媒質に対し、前記微細構造の位置を変化させるための走査部をさらに備える請求項１〜６のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項８】
前記光源と前記微細構造とが近接場光源として一体的に構成されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項９】
前記超高波数伝達媒質に対し、前記近接場光源の位置を変化させるための走査部をさらに備える請求項８に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１０】
前記近接場光源と、前記超高波数伝達媒質と、前記走査部とが、一体として構成されている請求項９に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１１】
前記受光部は対物レンズを有し、
前記対物レンズを含む光学顕微鏡をさらに備え、
前記開口部および前記超高波数伝達媒質の少なくとも一部が、前記光学顕微鏡の視野内に配置される請求項４〜１０のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１２】
前記試料に対して前記光学顕微鏡と反対側に配置された、前記試料を透過照明するための光学顕微鏡用照明部をさらに備える請求項１１に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１３】
前記光学顕微鏡用照明部が、前記近接場光源と、前記超高波数伝達媒質と、該超高波数伝達媒質に対し前記近接場光源の位置を変化させるための走査部とを有する近接場励起ユニット内に配置される請求項１２に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１４】
前記開口部が遮光部材の一部に形成され、
前記近接場光源は、前記超高波数伝達媒質に対向する側の表面に、前記光学顕微鏡用照明部による光学顕微鏡用照明光を透過する透過領域を有する請求項１２または１３に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１５】
前記光源と前記光学顕微鏡用照明部との間に、前記光学顕微鏡用照明部からの光学顕微鏡用照明光を遮蔽する遮蔽部をさらに備えた請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１６】
前記超高波数伝達媒質が、前記試料との接着性を高める処理が施された処理面を有する請求項１〜１５のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１７】
前記近接場光源の発光帯域と前記受光部の光学系の透過帯域と前記対物レンズの透過帯域とのうち少なくとも一つは、前記超高波数伝達媒質が高い解像力を示す動作帯域の一部を含む請求項６〜１６のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１８】
動作時に、前記超高波数伝達媒質に対して、前記近接場光源を、前記開口部と前記試料上の観察点とを結ぶ直線を回転軸として回転させる請求項８〜１７のいずれかに記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項１９】
前記受光部は信号光検出部をさらに備え、該検出部は、動作時に、前記近接場光源の回転の１／４周期以上の時間にわたって信号光を積分検出する請求項１８に記載の近接場光学顕微鏡
【請求項２０】
前記近接場光源は円偏光または楕円偏光を射出する請求項８〜１７のいずれかに記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項２１】
前記光源を射出した光を円偏光または楕円偏光へ変換する偏光変換素子を備えた請求項１〜１７のいずれかに記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項２２】
少なくとも２つの前記近接場光源を備え、
動作時に、複数の前記近接場光源を互いに異なるタイミングで発光させる請求項８〜２１に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項２３】
少なくとも２つの前記開口部を備えた請求項４〜２１のいずれかに記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項２４】
前記微細構造と前記超高波数伝達媒質とが一体として構成されている請求項１または２に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項２５】
前記超高波数伝達媒質の、実効的な誘電率テンソルまたは透磁率テンソルの少なくとも１つの成分の実数部の値が負である請求項１〜２４のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項２６】
前記超高波数伝達媒質の、実効的な誘電率テンソルまたは透磁率テンソルの少なくとも１つの成分の実数部の値が２５以上である請求項１〜２４のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項２７】
前記微細構造と、前記受光部とが一体として構成されている請求項１に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項２８】
試料を透過照明するための照明部と、該照明部、前記微細構造、並びに前記受光部を一体で移動させて前記超高波数伝達媒質に対する位置を変化させる走査部を備える、請求項１又は２７に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項２９】
前記微細構造と、前記受光部と、前記超高波数伝達媒質と、前記走査部とが、一体として構成されている請求項２８に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項３０】
前記微細構造は開口部を有し、該開口部は遮光部材により形成され、
前記微細構造は、前記超高波数伝達媒質に対向する側の表面に、前記照明部
による照明光を透過する透過領域を有する請求項２８または２９に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項３１】
前記受光部と前記照明部とを、同一平面上に配置した請求項２８〜３０に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項３２】
前記受光部と前記照明部との間に、前記照明部による照明光を遮蔽する遮蔽部をさらに備えた請求項２８〜３１のいずれか一項に記載の近接場光学顕微鏡。
【請求項３３】
誘電率もしくは透磁率が異方性示し、近接場光を伝達する超高波数伝達媒質を試料に密着するステップと、
前記試料に光を照射するステップと、
前記試料に密着された超高波数伝達媒質から射出される光を、微細構造を通して受光するステップと
を含むことを特徴とする試料観察方法。
【請求項３４】
前記超高波数伝達媒質と前記微細構造との間隔が、前記試料に照射する光の波長以下に保たれている請求項３３に記載の試料観察方法。
【請求項３５】
前記超高波数伝達媒質に対し、前記微細構造の位置を変化させるステップを含む請求項３３または３４に記載の試料観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光学顕微鏡、及びこれを用いた試料観察方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学的手段により微細な構造を観察する場合、得られる解像力には、光の波長および光学系の開口数によって決定される上限(回折限界)が存在する。しかしながら、近年、極めて微小な構造を観察する技術が求められるようになり、回折限界を超えて解像力を向上させる光学的手段の研究が盛んに行われてきた。
【０００３】
負屈折率、負誘電率または負透磁率媒質をレンズとして用いた光学的手段が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このようなレンズは、一般に、スーパーレンズと呼ばれている。かかる技術によれば、回折限界を超えた、極めて高い解像力でのイメージングが可能となる。また、金属と誘電体とを交互に積層することによって形成された、実効的な誘電率の符号が方向によって異なる媒質(異方性媒質)を用い、スーパーレンズと類似した効果を得る技術が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００４】
ところで、上述したスーパーレンズにしても、異方性媒質にしても、得られる像には、真空中でエバネッセント波となるような空間周波数の高い情報が含まれるため、この像を従来の光学顕微鏡で観察することはできない。このような、空間周波数の高い情報を失うことなく検出するには、例えば、多層膜を曲面状に形成する技術（例えば、非特許文献２参照）等を用いるか、あるいは、近接場光学顕微鏡を用いる必要がある（例えば、特許文献１参照）。さらに、スーパーレンズにより形成された像を、近接場光学顕微鏡を用いて検出するための構成も提案されている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００５】
近接場光学顕微鏡とは、近接場光を伝搬光に変換するための素子構成によって、照明型、散乱型、集光型に大別することができる（例えば、特許文献２参照）。ここでは、図３０を参照し、散乱型の近接場光学顕微鏡９００について詳細に説明する。
【０００６】
図３０は、従来技術による近接場光学顕微鏡のシステム構成を示す概略図である。図３０に示されるように、光源９０２から射出された照明光は、コリメートレンズ９０６によりほぼ平行光(平面波)に変換された後、第１ハーフミラー９０７を経て対物レンズ９０３により試料９０１上に集光される。そして、この集光された光の一部は、試料９０１の表面近傍の光学的情報を担った状態で、プローブ９０４により散乱される。なお、試料９０１は、コンピュータ９２１、試料用コントローラ９１５および試料用アクチュエータ９１６により制御される試料台９１４上に載置され、また、プローブ９０４は、コンピュータ９２１、コントローラ９１９およびプローブ用アクチュエータ９３４により、試料上の所望の位置を観察可能に制御されている。検出器９３２は、試料９０１とプローブ９０４との間に働く原子間力によるプローブ９０４の撓みを検出し、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）制御によりプローブ９０４の先端と試料９０１の表面との距離を一定に保つ。
【０００７】
プローブ９０４により散乱された光の一部は、集光レンズ９２８、検出用結像レンズ９２９、ピンホール９３０を通って光電子増倍管９３１により検出される。このとき、プローブ９０４の先端以外の場所からの光は、ピンホール９３０により遮断されるため、プローブ９０４の先端で散乱された光は、高いＳ／Ｎ比で検出されることができる。あるいは、照射光に時間変調を与え、出力信号をロックイン検出することで、さらにＳ／Ｎ比を高めることができる。光電子増倍管９３１からの出力信号は、ロックインアンプ等のプリアンプ９３３により増幅され、これを用いて、コンピュータ９２１により画像処理が行われる。
【０００８】
一方、試料９０１に集光された光のうち試料９０１において反射された光は、再び対物レンズ９０３に入射し、第１ハーフミラー９０７で反射されて観察光学系Ｓ１へ入る。さらに第２ハーフミラー９０８により二分され、一方は結像レンズ９０９により撮像素子９１０に結像され、他方は接眼レンズ９１１によって肉眼観察できるようにされる。
【０００９】
一般に、プローブによる光学的観察の解像力は、プローブ先端の寸法と、プローブ先端から試料までの距離との、大きい方によって概ね決定される。光学顕微鏡に比べて有意に高い解像力を得るには、可視光を用いた場合、プローブ先端と試料との距離を概ね１００ｎｍ以下に保つ必要がある。このように、近接場光学顕微鏡においては、プローブ先端と試料との間隔にナノメートルスケールの制御が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１３８６３３号公報
【特許文献２】特開２００２−３４０７７１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】J. B. Pendry, Physical Review Letters Vol.85, p.3966-3969 (2000)
【非特許文献２】A. Salandrino et al., Physical Review B Vol.74, 075103 (2006)
【非特許文献３】T. Taubner et al., Science Vol.313, p.1595 (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしプローブ先端は複雑なナノ構造をしており、たとえば細胞のようなウエットな試料に利用する際はプローブ先端等の近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造は、試料へ近接させる時に、試料の凹凸や装置の振動によって試料と接触し、タンパク質等による汚染、破損が起こり、光透過性の悪化、光の局在性の劣化等を引き起こすために高分解能での観察に障害となっていた。
【００１３】
従って本発明の目的は、近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造を試料に直接接触させることなく、高分解能観察可能な走査型近接場光学顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成する本発明に係る近接場光学顕微鏡は、
試料に照明光を射出するための光照射部と、
光を受光する受光部と、
前記光照射部の射出側および前記受光部の入射側のうち少なくとも何れか一方に配置され、近接場光を生成または選択的に透過させる微細構造と、
誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達する超高波数伝達媒質と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１５】
さらに、上記目的を達成する本発明に係る試料観察方法は、
誘電率もしくは透磁率が異方性示し、近接場光を伝達する超高波数伝達媒質を試料に密着するステップと、
前記試料に光を照射するステップと、
前記試料に密着された超高波数伝達媒質から射出される光を、微細構造を通して受光するステップと
を含むことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る走査型近接場光学顕微鏡によれば、照射光の波長に相当する空間周波数よりも高い空間周波数の光学的情報を高感度で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示す概略図である。
【図２】図１に示した近接場光学顕微鏡の微細構造を構成する開口部とその周辺を示す拡大図である。
【図３】図１に示した近接場光学顕微鏡の微細構造を構成する開口部とその周辺を示す拡大図である。
【図４】光源と、開口部を備えた遮光部材とが一体として構成された近接場光源の構造を示す図である。
【図５】開口部を光源に直接設けた近接場光源の構造を示す図である。
【図６】図１に示した近接場光学顕微鏡の走査部について説明するための模式図である。
【図７】図１に示した近接場光学顕微鏡の近接場励起ユニットの概略構成の一例を示す概略図である。
【図８】図１に示した近接場光学顕微鏡における対物レンズの役割を説明するための模式図である。
【図９】光学顕微鏡観察のための透過照明を設けた近接場励起ユニットの構成の一例を示す模式図である。
【図１０】光学顕微鏡観察のための透過照明を設けた近接場励起ユニットの構成の他の例を示す模式図である。
【図１１】試料との接着性を高めるための処理を施した処理面を有する近接場励起ユニットを示す模式図である。
【図１２】照明光の周波数に対する、超高波数伝達媒質、近接場光源、および対物レンズの性能を示すグラフである。
【図１３】近接場光源を回転可能とした第１実施形態に係る近接場光学顕微鏡について説明するための模式図である。
【図１４】偏光変換手段を備える近接場光源の概略構成の一例を示す概略図である。
【図１５】２つの近接場光源を備える近接場光学顕微鏡の主要な部分を示す模式図である。
【図１６】２つの開口部を備える近接場光学顕微鏡の主要な部分を示す模式図である。
【図１７】微細構造と超高波数伝達媒質とを一体化した構造を示す模式図である。
【図１８】第２実施形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成を示す概略図である。
【図１９】第２実施形態に従う近接場光学顕微鏡の、対物レンズと光プローブユニットの動作を示す模式図であり、(a)は全体図を、(b)は開口部周辺の拡大図を示したものである。
【図２０】第２実施形態に従う近接場光学顕微鏡の、光プローブユニットと試料の配置を示す模式図であり、(a)は光プローブユニットを試料に押し当てる前、(b)は光プローブユニットを試料に押し当てた後を示す。
【図２１】本発明に従う近接場光学顕微鏡の、光学顕微鏡用の照明を行うための構成を示す模式図である。
【図２２】第２実施形態に係る近接場光学顕微鏡の、光学顕微鏡用の照明を行うための別の構成を示す模式図である。
【図２３】第２実施形態に係る近接場光学顕微鏡の、試料表面との接着性を向上させた光プローブユニットを示す模式図である。
【図２４】照明光の周波数に対する、近接場光プローブ、超高波数伝達媒質および対物レンズの性能を示したグラフである。
【図２５】第２実施形態に従う近接場光学顕微鏡の他のシステム構成を示す概略図である。
【図２６】異方性媒質の等周波数曲線を示す図である。
【図２７】実効的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体の一例を示す構造体の概念図である。
【図２８】図２７に示した金属誘電体多層膜の実効的な誘電率の成分の一例を示す図である。
【図２９】実効的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体の他の例を示す概念図である。
【図３０】従来の近接場光学顕微鏡のシステム構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明による検査装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示したものである。近接場光学顕微鏡１００は、走査部１０１と、近接場光源１０５と、超高波数伝達媒質１０６と、受光部１１２と、ハーフミラー１１３と、結像レンズ１１４と、撮像素子１１５と、光学顕微鏡用照明部（以下、光顕用照明部と称する）１１６と、を備える。超高波数伝達媒質１０６は、試料１０７と開口部１０４との間に配置される。また、超高波数伝達媒質１０６が、試料１０７に接するように配置される。受光部１１２は、対物レンズ１０８と、ダイクロイックミラー１０９と、フィルタ１１０と、受光素子１１１とを備える。
【００２０】
試料１０７に照明光を射出するための光照射部を構成する光源１０２から射出された光（波長Ｅλ）は遮光部材１０３へ照射される。遮光部材１０３には光の波長より小さな開口部１０４が設けられているため、開口部１０４を通過した光は近接場光として遮光部材１０３の裏側へしみ出す。すなわち、微細構造により構成される開口部１０４は、光照射部を構成する光源１０２の射出側に配置されて近接場光を生成する。以下、この近接場光を照明光と称する。遮光部材１０３の下方には波長より小さな間隔を介して超高波数伝達媒質１０６が配置されており、照明光の一部は超高波数伝達媒質１０６へ侵入する。
【００２１】
超高波数伝達媒質１０６は、誘電率または透磁率が異方性を示し、近接場光を伝達するものである。なお、超高波数伝達媒質の光学的性能については後述する。超高波数伝達媒質１０６は、空気中では近接場光となるような照明光も伝搬光として遠方へ伝えることができ、超高波数伝達媒質１０６と試料１０７が接しているため、結局、光源１０２から発せられた光の一部を試料１０７に到達させることになる。すなわち、超高波数伝達媒質１０６は微細構造を構成する開口部１０４で生成された近接場光を伝達して試料１０７に照明光として射出する。従って開口部１０４は、試料１０７に直接接触しない。なお、超高波数伝達媒質１０６は、試料１０７に接するように配置されるものとしたが、超高波数伝達媒質１０６から射出される近接場光が減衰しない距離に試料１０７が配置されれば良い。また、超高波数伝達媒質１０６を試料１０７に押し付け、両者が接するように配置されている場合には、生細胞等の凸凹で形状が不安定な試料であっても、超高波数伝達媒質１０６と試料１０７との間隔を狭められるため、安定的に高い解像力で高精細に観察することができる。
【００２２】
ここで、試料１０７には波長Ｅλの光で励起されると波長Ｆλの蛍光を発する蛍光色素が拡散されているものとする。試料１０７中の蛍光色素は、光源１０２から開口部１０４、超高波数伝達媒質を介して照射された光によって励起される。蛍光色素は試料１０７の中に直接拡散していてもよいし、蛍光ビーズのような加工された状態で試料１０７に含まれていてもよい。あるいは、ＧＦＰ（Green Fluorescent Protein）などの蛍光タンパク質を試料１０７に結合させ、試料１０７の中の特定の部位や機能を観察できるようにしてもよい。蛍光色素が発した波長Ｆλの蛍光の一部は、対物レンズ１０８を通過したのちに、ダイクロイックミラー１０９により反射され、フィルタ１１０へ入射する。
【００２３】
一般に、蛍光色素や量子ドットを用いて蛍光を発生させる場合、励起光に対して蛍光の強度は非常に弱い。したがって図１に示すシステム構成においても、蛍光だけでなくそれより高強度の励起光も対物レンズ１０８へ入射させる。しかし、フィルタ１１０は励起光を除去し、蛍光を透過させるよう設計されているため、蛍光だけが受光素子１１１によって検出される。これらの蛍光及び励起光、又は試料を透過した透過光のように、試料１０７に関する情報（信号）を含む光を、以下、信号光と称する。受光部１１２は、試料１０７からの光（信号光）を受光するものである。
【００２４】
超高波数伝達媒質１０６によって試料１０７まで運ばれた照明光は、空気中あるいは試料中では近接場光であるため、試料１０７へ入射した点の近傍にだけ広がり、それ以上遠方へ伝わることはない。つまり、試料１０７に蛍光色素がまんべんなく拡散していたとしても、近接場光が入射した点のごく近傍にある蛍光色素だけが励起されるため、受光部１１２は照明光の波長より小さな領域の局所的な情報（今の場合は蛍光色素の空間分布）だけを検出することになる。したがって、上記のような信号光検出の過程を所定の時間だけ続ければ、試料表層の微小領域で起きている現象がどのように時間変化するかを調べることができる。
【００２５】
とりわけ、生細胞のように柔らかく形状不安定な試料に対して、こうした局所的観察を行うための手段は例がなく、本実施形態に係る近接場光学顕微鏡１００を用いることによってそうした観察が可能となる。また、試料１０７から放射された応答光は、試料１０７により反射、散乱、回折された光、あるいは照明光により励起されて試料１０７中の蛍光色素が発した蛍光であり、試料１０７中の反射率分布、光散乱係数分布、回折効率分布などの光学的物性に関する情報、あるいは蛍光色素の空間分布といった生化学的情報を保持している。以後、光学的物性に関する情報と光学的手段により検出可能な生化学的情報をまとめて「光学的情報」と呼ぶ。
【００２６】
次に、試料１０７の表面の２次元的な像を得るための方法について、やはり図１を用いて説明する。光源１０２、遮光部材１０３、および遮光部材１０３に設けられた開口部１０４は、一体として構成されていてもよく、これを近接場光源１０５と呼ぶことにする。近接場光源１０５は、試料に照明光を射出するための光照射部を構成する。開口部１０４は、近接場光を生成する微細構造により構成される。走査部１０１は、例えばモーターで駆動されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナや、ピエゾ素子を用いた電動ステージで構成されており、超高波数伝達媒質１０６の表面に沿って近接場光源１０５の位置を連続的に変化させることができる。
【００２７】
このとき、照明光が照射される試料表面の位置も変化するため、受光素子１１１により検出される信号光の光量の時間変化を試料１０７の表面上の位置に対応させることによって、試料１０７の表面の蛍光色素分布を得ることができる。走査部１０１は、本実施形態に係る近接場光学顕微鏡の動作時に、微細構造を構成する開口部１０４と、超高波数伝達媒質１０６との間隔が、照明光の波長以下に保つ。これにより、複数の観察位置のそれぞれにおける解像力を一定とするだけではなく、受光部１１２により光学的情報が正確に検出できるようにする。
【００２８】
光源１０２と開口部１０４とが独立な素子として構成されている場合には、両者を一体に移動させてもよいが、開口部１０４だけを移動させてもよい。というのは、光源１０２を発して開口部１０４へ照射される光は回折限界によって制約されているため、少なくともその波長程度の領域に広がっている。したがって、その大きな領域の中で開口部１０４を多少動かしても、開口部１０４からしみ出す近接場光（照明光）の強度はほとんど変化しないからである。
【００２９】
以上は、蛍光観察を例にとって近接場光学顕微鏡１００の動作を説明したが、それ以外の光学過程に対しても同様の機能が期待される。例えば、試料１０７の表面に凹凸がある場合、あるいは試料１０７中に密度や組成のゆらぎがある場合、照明光は試料１０７の表面で散乱される。このとき生じる散乱が、ラマン散乱などのように光周波数の変化を伴う散乱である場合には、さきほどの蛍光と同様にして、照明光と散乱光とをフィルタ１１０によって分離することができる。一方、レイリー散乱やミー散乱のような弾性散乱である場合には、そのようなフィルタ１１０の効果は期待できない。しかしながら、蛍光やラマン散乱に比べて、弾性散乱された光の強度はきわめて大きいので、信号光と一緒に検出される照明光は許容水準のノイズ光として扱うことができる。
【００３０】
他方、光顕用照明部１１６から射出された照射光は、ハーフミラー１１３、ダイクロイックミラー１０９を経て対物レンズ１０８によって試料１０７上の観察領域に照射される。そして、試料１０７に作用した光が試料１０７から放射される。この光は、その一部が再び対物レンズ１０８に入射し、特定波長の光がダイクロイックミラー１０９で反射されてフィルタ１１０を経て受光素子１１１によって受光される。ダイクロイックミラー１０９を透過した光は、ハーフミラー１１３で反射されて結像レンズ１１４により撮像素子１１５に結像される。図示しないが、撮像素子１１５の出力は、画像処理回路（図示しない）で画像処理され、モニタ等に供給される。これにより、試料１０７の状態をリアルタイムで観察することが可能となる。こうした光学的観察方法は、落射照明による従来の光学顕微鏡と同じ動作である。試料１０７が透過性を有する場合等には、試料１０７を介して光学顕微鏡と反対側に、試料１０７を透過照明するための照明手段を配置することができる。
【００３１】
図２は、本実施形態に係る微細構造を構成する開口部１０４とその周辺を示す拡大図である。遮光部材１０３には大きさｄの開口部１０４が設けられている。開口部１０４の形状は円筒、立方体、直方体など、いかなる形状でもよい。大きさを表すｄは、例えば円筒の場合には直径、立方体の場合にはそれを形成する正方形の対角線など、開口部１０４を光源側から見たときに最も大きな長さを表すものとする。ｄは光源１０２から出た光の波長Ｅλより小さく設定されており、このため光源１０２を出た光が開口部１０４を通過する際のエネルギー効率は高くない。それでもわずかな光が近接場光として遮光部材１０３の裏側にしみ出し、照明光となる。
【００３２】
近接場光は空気中を伝搬可能な伝搬光成分と、空気中では指数関数的に減衰してしまうエバネッセント波成分とを含み、開口の大きさｄが波長に比べて小さければ小さいほど、エバネッセント波成分の比が高くなる。エバネッセント波成分は遮光部材１０３から離れるにつれて指数関数的に減衰するが、遮光部材１０３と超高波数伝達媒質１０６との間隔ｇが波長Ｅλより小さければ、ある程度の強度が超高波数伝達媒質１０６へ到達する。したがって、本実施形態の近接場光学顕微鏡１００が良好に動作するためには、開口部１０４の大きさｄと、遮光部材１０３と超高波数伝達媒質１０６との間隔ｇとが、ともに照明光の波長Ｅλより小さくなければならない。
【００３３】
近接場光を生成するための微細構造として、前記開口部１０４のほかに、散乱型プローブ、ブルズアイ構造、Ｃ型開口などを用いてもよい。散乱型プローブは先端を尖らせた形状のプローブであり、この先端に光が照射されると近接場光が生成される。従来の近接場光学顕微鏡には照射モード、集光モード、散乱モードといった異なるタイプの方式が提案されているが、このうち照射モードと散乱モードは本実施形態に係る近接場光学顕微鏡１００における近接場光の生成手段として用いることができる。ブルズアイ構造は開口部１０４の周りに同心円状の溝を形成することにより、表面プラズモンを強く励起し、照明される面と反対側に強い近接場光を生成する微細構造である。Ｃ型開口も同様の効果をもたらす。
【００３４】
開口部１０４の大きさｄが小さいほど顕微鏡としての解像力を高めることができるが、光源１０２から射出される光の大部分を捨ててしまうため、得られる像が暗くなってしまう。一方、間隔ｇが小さいほど解像力と明るさの双方において有利である。図３は、やはり開口部１０４とその周辺を示す拡大図であるが、間隔ｇがゼロの場合、すなわち、遮光部材１０３が、超高波数伝達媒質１０６に接するように配置される構成を示している。前述のように、光学的性能に対する間隔ｇの影響について言えば、考えうる最良の構成と言える。
【００３５】
しかしながら、実際には超高波数伝達媒質１０６や遮光部材１０３をどんなに平坦に形成しても、表面のわずかな凹凸を避けることはできず、開口部１０４を超高波数伝達媒質１０６に対して完全に接触させ続けることは難しい。そこで、このわずかな凹凸やゴミの混入によって不可避的に生じる間隔ｇを少しでも小さくするために、遮光部材１０３を超高波数伝達媒質１０６へ押し当てて動作させることが好ましい。あるいは、開口を備えた遮光部材１０３を超高波数伝達媒質１０６と一体として構成すれば、間隔ｇを常に厳密にゼロとすることができ、上記の問題を完全に克服することができる。そのような構成をとり、さらに２次元的な像を得る必要がある場合には、今度は開口部１０４や近接場光源１０５ではなく、超高波数伝達媒質１０６自体を試料に対して走査すればよい。
【００３６】
図４は、光源１０２と、開口部１０４を備えた遮光部材１０３とが一体として構成された近接場光源１０２の構造を示す図である。近接場光学顕微鏡１００は試料１０７上の微細な構造を観察する機器であるため、動作の際に振動や対流によって光源１０２と開口部１０４との位置関係が変動すると、これによって開口部１０４から超高波数伝達媒質側へしみ出す近接場光の強度や空間分布が変化し、得られる像などの光学性能が著しく劣化するおそれがある。
【００３７】
しかし、図４に示す近接場光源の構成をとれば、光源１０２と遮光部材１０３とが共通の筐体１１７に固定されているため、そのような性能低下が抑制され、良好な観察を行うことができる。光源１０２からの光エネルギーをより効率的に利用するためには、光源１０２と遮光部材１０３との間に集光レンズ（図示しない）を設け、光を集光させて開口部１０４へ照射することが有効である。このような構成をとる場合には、開口部１０４近傍で光が狭い領域に集光しているため、微小な開口部１０４をその領域の中心（光の強度が最大の位置）に配置させ続けるには高度な位置制御が必要となる。のみならず、振動等によって開口部１０４の位置が変動した際に、開口部１０４からしみ出す照明光の強度は大きく変化する。つまり、エネルギー効率を高めるために集光レンズ（図示しない）を設けた場合には、光源１０２と遮光部材１０３とを一体構成させて近接場光源とすることの優位性がより高まる。
【００３８】
勿論、図５に示すように、開口部１０４を光源１０２に直接設けてもよい。光源１０２としては、発光ダイオード（Light Emitting Diode: LED）、レーザーダイオード（Laser Diode: LD）、ハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀灯など、様々な種類の光源を用いることができる。これらの光源において、光を射出する領域を射出部と呼ぶことにすると、射出部１１８を覆うようにして遮光部材１０３を設け、その一部に波長より小さな開口部１０４を形成する。このようにして近接場光源１０５を構成すると、振動や熱膨張などのいかなる外的環境変化が生じても、射出部１１８と開口部１０４との位置関係が変わることがなく、安定した近接場光を生成することができる。
【００３９】
図６は、走査部１０１について説明するための模式図である。近接場光源は結合面１１９を介して走査部１０１に結合されており、電気信号が与えられると結合面１１９に沿って１軸あるいは２軸方向に移動することができる。このように近接場光源１０５が移動しながら試料（図示しない）へ照明光を照射し、試料によって散乱された信号光、あるいは試料中の蛍光色素を励起して蛍光色素が発した信号光（蛍光）を、受光部１１２によって検出することにより、試料表面の１次元あるいは２次元の空間的情報を得ることができる。近接場光源１０５の移動を円滑にするために、近接場光源１０５と超高波数伝達媒質１０６との間に潤滑油を満たすか、又はビーズを拡散させてもよい。
【００４０】
あるいは、パソコンのハードディスクドライブ（Hard Disk Drive: HDD）に用いられるフライングヘッドなどのように、流体力学的な力の作用により、近接場光源１０５と超高波数伝達媒質１０６との間隔を一定に保ちながら走査を行うこともできる。また、図７に示すように、走査部１０１、近接場光源１０５、および超高波数伝達媒質１０６を共通の筐体１１７に固定させ、あるいは内包させて、一体として近接場励起ユニット１２０を構成してもよい。このような構成を用いると、近接場光源１０５と超高波数伝達媒質１０６あるいは試料（図示しない）との間の機械的な精度が向上する上、外部より漏れこむノイズ光の影響を低減することができ、光学的性能の観点からも好ましい。
【００４１】
図８は、本実施形態に係る近接場光学顕微鏡１００における対物レンズ１０８の役割を説明するための模式図である。すでに説明したように、対物レンズ１０８は受光部１１２を構成する一部であり、試料表層を発するより多くの信号光を集める役割を担っている。一方、図１にも示したように、光学顕微鏡上に近接場光学顕微鏡１００を配置し、対物レンズ１０８を共有するように構成することも可能である。つまり、図８に示すように、光学顕微鏡の対物レンズ１０８上にスライドガラス１２１を介して試料１０７を配置し、試料表面１０７ａに超高波数伝達媒質１０６、近接場光源１０５をそれぞれ設ける。生細胞を観察する場合には、シャーレやガラスボトムディッシュ内に培養した細胞を用いることが多いので、この場合は図中のスライドガラス１２１の部分はシャーレ（ガラスボトムディッシュ）の底である。
【００４２】
図８には対物レンズ１０８の光軸ＯＡおよび視野範囲ＦＯＶが示されているが、このように、開口部１０４および超高波数伝達媒質１０６の少なくとも一部が、光学顕微鏡の視野範囲ＦＯＶ内となる構成では、視野範囲ＦＯＶ内にある試料１０７を近接場光学顕微鏡１００でも観察することで、光学顕微鏡と近接場光学顕微鏡１００により得られる試料の観察像の双方を得ることができる。とりわけ、近接場光学顕微鏡１００により観察可能な領域（視野）が狭い場合には、光学顕微鏡像をファインダーとして利用することで、観察領域の特定や移動をスムースに行うことができ操作性が向上する。光学顕微鏡と近接場光学顕微鏡１００による顕微観察は、両者の観察像を分離して検出するために、波長の異なる光源を用いる（蛍光を用いる場合には両者の励起光および蛍光が異なる波長をもつ）ことが好ましい。ただし、試料の性質などの事情で同じ波長の光源を用いたい場合には、両者の観察を時間分割で行うことができる。
【００４３】
図９は、光学顕微鏡観察のための透過照明を設けた近接場励起ユニット１２２を示す模式図である。生細胞などの（半）透明な試料を観察する際、位相差や微分干渉を利用するために透過照明を用いることが多い。そこで、近接場励起ユニット１２２内で、スキャナ固定部１２５に対して可動のスキャナ可動部１２６に（すなわち、試料１０７に対して上述した光学顕微鏡とは反対側に）透過照明用の発光素子１２３により構成される光顕用照明部をさらに設けることにより、光学顕微鏡の透過照明を行う構成を示す。近接場光学顕微鏡としての動作については改めて述べないが、光源１０２、遮光部材１０３、開口部１０４、超高波数伝達媒質１０６があれば必要な機能が発揮される。
【００４４】
一方、発光素子１２３をから発せられた透過照明光は、透過領域１２４、超高波数伝達媒質１０６を介して試料表面１０７ａへ照射される。透過領域１２４は、超高波数伝達媒質１０６に対向する側の表面に設けられ、光顕用照明部による照明光（透過照明光）を透過させる。透過領域１２４および超高波数伝達媒質１０６は、透過照明光の波長に対してのみ、透明であるか、あるいは導波可能な構造となっていればよい。図９のように、近接場光源として用いる光源１０２と、顕微鏡のための透過照明に用いる発光素子１２３により構成される光顕用照明部とを、同一面に設けることもできる。この場合、光源１０２と発光素子１２３とを半導体プロセスにより同一基板上に形成することができ、生産性を向上させることができる。
【００４５】
また、図１０に示すように、近接場光源として動作する領域と、透過照明の領域とを、遮光部材１０３により隔てるように構成すれば、近接場光学顕微鏡１００のための照明光に、光学顕微鏡のための透過照明光が混入し、光学的性能を劣化させることを抑制することができる。さらに、この遮光部材１０３を、透過照明をより効果的に行うための反射面として利用することもできる。図９及び図１０では、光顕用照明部がスキャナ可動部に設けられているが、光顕用照明部はスキャナ固定部に設けられていてもよい。なお、図示しないが、光源１０２と光顕用照明部を構成する発光素子１２３との間には、発光素子１２３からの照明光を遮蔽するため、遮蔽部を設けることができる。これにより、発光素子１２３からの照明光と、光源１０２からの照明光を分離し、観察時のノイズを減らすことができ、その結果、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を取得することができる。
【００４６】
図１１は、超高波数伝達媒質１０６の試料側表面に、試料１０７との接着性を高めるための処理を施した処理面を有する近接場励起ユニット１２２を示す模式図である。本実施形態に係る近接場光学顕微鏡１００は、試料１０７の表面の非常に小さな領域に照明光を照射することによって、従来の光学顕微鏡より高い解像力を得ることを可能としている。したがって、動作の際に超高波数伝達媒質１０６と試料１０７との相対的位置が予測不能な形で変化すると、光学的性能が劣化してしまう。そこで、超高波数伝達媒質１０６の試料側表面に、試料１０７との接着性を高めるための処理を施すことにより、光学的性能の劣化を防ぐことができる。例えば、生細胞を観察する場合、超高波数伝達媒質１０６の試料側表面にポリリジンをコーティングすることによって、生細胞との接着性を向上することができる。
【００４７】
図１２は、照明光の周波数に対する、超高波数伝達媒質１０６、近接場光源１０５、および対物レンズ１０８（受光部）の性能を示すグラフである。超高波数伝達媒質１０６については規格化解像度で、近接場光源１０５については発光強度で、対物レンズについては透過率で、それぞれ各素子の性能を表すものとする。規格化解像度とは、超高波数伝達媒質１０６が伝達しうる最大の空間周波数を、照明光の真空中での波長に相当する空間周波数で除した値である。グラフから明らかなように、それぞれのデバイスが高い性能を発揮する照明光の周波数帯域は必ずしも一致しない。しかしながら、近接場光源１０５の発光帯域が、超高波数伝達媒質１０６が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部を含んでいれば、近接場光源１０５により生成された照明光の少なくとも一部は、開口部１０４程度の大きさに絞られたまま試料表面１０７ａを照明することができ、近接場光学顕微鏡としての高い解像力を実現することができる。また、対物レンズ１０８の光学系が高い透過率を示す帯域が、超高波数伝達媒質１０６が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部を含んでいれば、試料表面１０７ａで生成した信号光を高効率で検出することができ、近接場光学顕微鏡としての高い解像力を実現することができる。
【００４８】
図１３は、近接場光源１０５を回転可能とした近接場光学顕微鏡１００について説明するための模式図である。光源１０２の射出領域と開口部１０４を結ぶ直線を回転軸ＲＡとして、近接場光源１０５が回転可能とされている。近接場光学顕微鏡１００は、動作時に、超高波数伝達媒質１０６に対して、近接場光源１０５を、開口部１０４と試料１０７上の観察点とを結ぶ直線を回転軸ＲＡとして回転させる。例えば、光源１０２がレーザーダイオードのような光の誘導放出を伴う素子により構成される場合、射出される光は波長、波面のそろったコヒーレントな光となり、偏光状態としては直線偏光となることが多い。
【００４９】
一方、超高波数伝達媒質１０６には、例えば、メタマテリアルなどのサブ波長イメージング素子（材料）を用いることができるが、これらの多くは強い偏光依存性を示し、偏光方向には高い解像力を示すものの、これと直交する方向には相対的に低い解像力を示す。そこで、図１３のように直線偏光を射出する近接場光源１０５が回転軸ＲＡのまわりに回転可能とされていれば、動作の際には様々な方向の偏光による信号光を平均化したものが検出されるため、超高波数伝達媒質１０６の偏光依存性を打ち消して良好な像を得ることができる。こうした回転動作の目的からすれば、近接場光源１０５ではなく光源１０２のみを回転させてももちろんよい。
【００５０】
近接場光源や光源を回転させる場合、その効果を得るためには少なくとも１／４回転する時間、すなわち、近接場光源１０５の回転の１／４周期以上の時間にわたって積算された光を検出する必要がある。したがって、受光部１１２は、さらに信号光検出部（図示しない）をさらに備える。そして、近接場光源１０５（光源１０２）の回転速度が、信号光検出部（例えば、フォトダイオード、光電子増倍管などの検出器で構成される）の応答速度より遅い場合には、検出器側で積分するなどの動作を行う。
【００５１】
あるいは、図１４のように、近接場光源１０５の中に、直線偏光を円偏光あるいは楕円偏光へと変換する偏光変換手段１２７を設けても、同様の効果を得ることができる。偏光変換手段１２７としては、電気光学効果を示す光学結晶や液晶素子を用いることができ、これらは電気信号に応じて材料としての光学特性が変化することで偏光状態を変化させる。つまり、機械的な回転動作等をすることがないため、振動の影響や動作速度の低下を招く心配がない。また、動作の最中に偏光状態を調整して得られる像を最適化することも可能である。
【００５２】
図１５は、２つの近接場光源を備える近接場光学顕微鏡の主要な部分を示す模式図であるが、２つの近接場光源１０５ａ及び１０５ｂを備えている。２つの近接場光源１０５ａ及び１０５ｂは共通のベース１２８に固定されており、走査部１０１によりベース１２８が移動すると、近接場光源１０５ａおよび近接場光源１０５ｂは、点Ａ１およびＡ２をそれぞれ照射することで、対応する試料表面１０７ａ上の点Ｂ１およびＢ２をそれぞれ走査する。点Ｂ１と点Ｂ２からの信号光はともに信号光検出部１１２により検出されるが、波長あるいは偏光状態によって区別することができる。あるいは、時間分割やロックイン検出によって区別してもよい。近接場励起ユニット１２２は非常に小さなデバイスであるため、走査部１０１の設計、超高波数伝達媒質１０６の機械的強度、あるいは動作速度の要請などによって、走査可能な領域を制約される場合がある。図１５の構成を用いれば、近接場光源１０５ａによって領域Ａを、近接場光源１０５ｂによって領域Ｂを、それぞれ走査することになる。このように、走査部１０１により走査すべき領域は、近接場光源１０５が１つの場合の略半分でよく、こうした制約の下でも広い視野を確保することができる。
【００５３】
また、２つの近接場光源１０５ａ及び１０５ｂを交互に、すなわち、異なるタイミングで発光させるといった電気的制御は極めて高速に行うことができるため、走査領域を狭くすることによって動作を高速化することができる。図１５には近接場光源が２つある場合を図示しているが、もちろん近接場光源を３つ以上設けてもよく、近接場光源の数が多いほど、走査範囲の低減や高速化といった効果は大きくなる。さらに、近接場光源を２つ用いる場合と同様の効果は、図１６に示すように、少なくとも２つの開口を設けることによっても得ることができる。この構成では、光源は１つあればよいので、近接場光学顕微鏡の製造コストを低く抑えることができる。
【００５４】
図１７は、微細構造（開口）と超高波数伝達媒質とを一体化した構造を示す模式図である。光源１０２により照明された、微細構造を構成する開口部１０４は、波長より小さな光のスポットを形成し、この光は超高波数伝達媒質１０６によりほとんど拡散することなく試料１０７の表面へ伝達される。こうして伝達された光によって試料１０７の表面で生じる蛍光あるいは散乱光の一部は、対物レンズ１０８へ入射し、検出手段（図示せず）により検出される。この構成では、微細構造、超高波数伝達媒質１０６、および試料１０７の間にギャップが一切ないため、試料１０７の表面の照明領域を極めて小さくすることができ、より微小な領域の光学情報を検出することができる。
【００５５】
また、試料１０７に対して微細構造と超高波数伝達媒質１０６の一体構造を移動させることにより、試料１０７の表面の２次元像を得ることもできる。この際、光源１０２は同じ位置に固定されているため、光源１０２を動かすことにより生じる各種のノイズ要因（振動による電力変動など）を排除することができる。また、超高波数伝達媒質１０６は一般に幅１００μｍ、厚さ数μｍ程度の小さなデバイスであるため、非常に軽量であり、これを動かすことによる走査は機械的な面でのメリット（スキャナの小型化、高速化など）が多い。
【００５６】
上述した実施形態において、超高波数伝達媒質１０６と試料１０７との位置関係は、ほぼ共通となっている。従来のプローブ型顕微鏡（近接場光学顕微鏡、原子間力顕微鏡など）では、観察すべき試料１０７のごく近傍でプローブを走査する必要があるため、生細胞のような非常に柔らかく不安定な形状を有する試料を観察することは不可能であるか、あるいは可能だとしても極めて高度な制御技術を必要とする。しかしながら、本実施形態に係る近接場光学顕微鏡１００のシステム構成においては、超高波数伝達媒質１０６がいわばカバーガラスの機能を兼ねており、これを試料１０７へ押し当てることによって試料表面１０７ａを平坦化した状態に維持することができる。従来の常識から言えば、カバーガラスとプローブ型顕微鏡とは相容れないものであった。なぜなら、プローブ型顕微鏡では、ある水準の分解能を得るために、プローブを試料のごく近傍（分解能程度の距離）まで近づける必要があるのに対し、カバーガラスはその役割（試料表面１０７ａの平坦化）を果たすために分解能よりもずっと大きな厚み（少なくとも数μｍ以上）を持たねばならないからである。
【００５７】
本実施形態に用いられる超高波数伝達媒質１０６は、光の波長よりずっと小さな光スポットを数μｍかそれ以上の距離まで伝達することができるため、これをカバーガラスとして用いることで上記のようなプローブ型顕微鏡の制約を取り除くことができる。つまり、超高波数伝達媒質１０６は、本実施形態による近接場光学顕微鏡１００においてプローブ型顕微鏡の高い解像力及びカバーガラスの機械的強度を兼ね備えたキーデバイスとして機能する。本明細書中で、近接場光源１０５あるいは微細構造（開口部１０４）の位置を変えることにより試料１０７を走査する構成が示されているが、実際に走査するのは試料１０７ではなく硬く平坦な超高波数伝達媒質１０６である。したがって、近接場光源１０５あるいは微細構造の超高波数伝達媒質１０６に対する位置は、あらかじめ設定された手順で変化させればよく、動作の際にその位置を知る必要はない。つまり、従来のプローブ型顕微鏡のようにプローブと試料との相対位置を知るための手段（原子間力検出手段、光てこ、共振器など）を設ける必要がなく、顕微鏡システムを劇的に小型化・低コスト化・高速化することが可能となる。
【００５８】
（第２実施形態）
図１８は、本発明の第２実施形態に従う近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示したものである。図１８において、近接場光学顕微鏡２００は、試料２０１に照明光を射出するための光照射部を構成する光源２０２および対物レンズ２０３を含む光学系、近接場光プローブ２０４と、試料２０１と微細構造２２３を含む近接場光プローブ２０４との間に配置された、超高波数伝達媒質２０５とを備える。なお、近接場光学顕微鏡２００は、光プローブ２０４を用いるため、光プローブ顕微鏡とも称されうる。
【００５９】
光源２０２から射出された照射光は、コリメートレンズ２０６によって略平行光に変換された後、第１ハーフミラー２０７を介して対物レンズ２０３によって試料２０１上の観察領域に集光される。これにより、試料２０１の所定の位置から応答光が放射される。
【００６０】
試料２０１から放射された応答光は、その一部が再び対物レンズ２０３に入射し、第１ハーフミラー２０７で反射されて観察光学系Ｓ１へ入る。さらに第２ハーフミラー２０８により二分され、一方は結像レンズ２０９により撮像素子２１０に結像され、他方は接眼レンズ２１１によって肉眼観察できるようにされる。
【００６１】
撮像素子２１０の出力は、画像処理部２１２で画像処理が施されて光学顕微鏡観察用モニタ２１３に供給される。これにより、光学顕微鏡観察用モニタ２１３に、試料２０１の光学顕微鏡による画像が表示され、試料２０１の状態をリアルタイムで観察することが可能となる。第１実施形態と同様に、こうした光学的観察方法は、落射照明による従来の光学顕微鏡と同じ動作であり、試料２０１が透過性を有する場合等には、試料２０１を介して光学顕微鏡と反対側に、試料２０１を透過照明するための照明部を配置することができる。
【００６２】
試料２０１を支持する試料台２１４は試料用コントローラ２１５が制御するアクチュエータ２１６によって自在に移動させることができる。したがって、単色性のよい光源(レーザーダイオードなど)を用いて、レーザー走査顕微鏡や共焦点顕微鏡、あるいは蛍光顕微鏡の構成としてもよい。
【００６３】
試料２０１から放射された応答光のうち、試料２０１に対して対物レンズ２０３と反対側に放射された応答光は、その一部の近接場光が近接場光プローブ２０４により検出され、電気信号に変換される。また、図１８に示す近接場光学顕微鏡２００は、微細構造２２３並びに受光部２２４を一体で移動させて、超高波数伝達媒質２０５に対する近接場光プローブ２０４の位置を変化させるための走査部を構成するスキャナ２１８をさらに備える。また、近接場光プローブ２０４と、超高波数伝達媒質２０５と、上記スキャナ２１８とは、図中、点線で示される光プローブユニット２１７を構成する。
【００６４】
光プローブユニット２１７の動作については後述するが、光プローブユニット２１７は、試料２０１を直接走査することなしに、試料２０１の表面の光学的情報(反射率分布、透過率分布、散乱強度分布、回折効率分布、蛍光タンパク質の濃度分布など)を、照射光の波長より微細な空間分布であるサブ波長の精度で検出することのできるイメージングデバイスである。スキャナ２１８は、プローブ用コントローラ２１９の制御下で超高波数伝達媒質２０５の表面を走査する。これにより、受光部２２４から２次元の画像信号を得ることができる。受光部２２４からの画像信号は、プリアンプ２２０で増幅され、制御・表示用コンピュータ２２１へ送られる。
【００６５】
図１９を用いて、対物レンズ２０３と光プローブユニット２１７の動作について説明する。なお、図１８と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。図１９(a)に示すように、照射光は、ガラス２２２を介して試料２０１へ照射される。超高波数伝達媒質２０５は、剛性のある広い平面からなるプローブ面２０５ａおよびサンプル面２０５ｂを有し、プローブ面２０５ａは近接場光プローブ２０４に、サンプル面２０５ｂは試料２０１に、それぞれ対向するように配置されている。ここで、超高波数伝達媒質２０５bは、試料２０１に接するように配置されている。超高波数伝達媒質２０５は、サンプル面２０５ｂ、つまり試料２０１の表面２０１ａの近傍の近接場光を含む光学的情報を、高精細でプローブ面２０５ａへ伝達することができる。ここで用いた「高精細で」というのは、「回折限界で決まる光学的な解像力を超えて」という意味である。プローブ面２０５ａに伝達された光学的情報には、試料２０１の表面２０１ａの微細な構造や光学的性質に関する情報が含まれており、近接場光プローブ２０４によってこれを検出する。近接場光プローブ２０４は、受光部２２４、及び微細構造２２３を有する。微細構造２２３は、受光部２２４の入射側に配置されると共に、近接場光を選択的に透過させるための、遮光部材２２３ｂに設けられた開口部２２３ａを有する。さらに、受光部２２４は、微細構造２２３が透過させた近接場光を検出する。従って開口部２２３aは、試料２０１に直接接触しない。なお、超高波数伝達媒質２０５のサンプル面２０５ｂは、試料２０１に接するように配置されるものとしたが、試料２０１の表面２０１ａの近傍の近接場光を含む光学的情報が減衰しない距離に試料１０７が配置されれば良い。また、サンプル面２０５ｂを、試料２０１に押し付け、両者が接するように配置されている場合には、生細胞等の凸凹で形状が不安定な試料であっても、超高波数伝達媒質１０６と試料１０７との間隔を狭められるため、安定的に高い解像力で高精細に観察することができる。
【００６６】
図１９(b)は、図１９(a)の開口部２２３ａ周辺の構造を拡大して示した図であり、開口部２２３aの径φおよび開口部２２３ａとプローブ面２０５ａとの間隔δは、照射光の波長より小さい。照射光として可視光を用いる場合、開口部２２３ａの径φは、２０〜２００ｎｍ程度とするのが好ましい。また、開口部２２３ａとプローブ面２０５ａとの間隔δは、２００ｎｍ以下とするのが好ましい。
【００６７】
微細構造２２３の開口部２２３ａから漏れこみ、受光面２２４ａを有する受光部２２４により検出される光は、開口部２２３ａのごく近傍の光に限られるので、近接場光プローブ２０４はプローブ面２０５ａ、すなわち試料２０１の表面２０１ａを非常に高い解像力で観察することができる。なお、受光部２２４は、アバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード、ショットキーフォトダイオード等の公知の高感度の半導体受光素子からなる受光素子とすることができる。
【００６８】
ここで、受光部２２４は必ずしも開口部２２３ａと一体である必要はなく、図２５に示すように、開口部２２３ａからの光を検出できる位置か、光学系、導波路等で誘導された延長線上にあってもよい。また、図２５に示すように、近接場光プローブは、開口型である必要はなく、散乱効率の高い鋭い先端または微粒子を用いて光を散乱させる散乱型プローブ２０４ａを用いてもよい。なお、図２５において、上述した図３０と同様の構成には、図３０の参照符号から７００を差し引いた参照符号を付して示す。また、開口部２２３ａおよび超高波数伝達媒質２０５の少なくとも一部は、光学顕微鏡の視野内に配置されるものとする。
【００６９】
上述したように、超高波数伝達媒質２０５と、微細構造２２３並びに受光部２２４を有する近接場光プローブ２０４と、走査部であるスキャナ２１８は、光プローブユニット２１７として一体に構成されている。スキャナ２１８は固定部２２５と可動部２２６とから構成され、可動部２２６は、固定部２２５に対し、プローブ用コントローラ２１９の制御下において位置を変えられるようになっている。超高波数伝達媒質２０５は、固定部２２５に固定されており、近接場光プローブ２０４は、可動部２２６に固定されている。そして、スキャナ２１８をコントローラ２１９により制御することで、超高波数伝達媒質２０５に対して近接場光プローブ２０４の位置を変えることができる。光プローブユニット２１７の構成としては、１つの筐体内に超高波数伝達媒質２０５と近接場光プローブ２０４とスキャナ２１８とが格納されていてもよいし、あるいはこれらが共通の支柱に固定されていてもよい。いずれにしても、機械的な動作の上で必要なことは、超高波数伝達媒質２０５とスキャナ２１８の固定部２２５とが、筐体や支柱を介して互いに固定されていることと、近接場光プローブ２０４とスキャナ２１８の可動部２２６とが互いに固定されていることである。
【００７０】
次に具体的な走査の方法について説明する。光学的な観察のために重要なことは、前述のように、微細構造２２３により構成される開口部２２３ａと、プローブ面２０５ａとの間隔δを照明光の波長以下の間隔に保つことである。走査の際にこの間隔が変化すると、観察する場所によって解像力が変化するだけでなく、プローブ面２０５ａ上に形成された光学的情報を正確に検出することができなくなってしまう。固定部２２５と可動部２２６との位置の変化は、プローブ面２０５ａと平行な平面(ｘｙ平面)内でだけ可能なように、スキャナ２１８は構成されており、この平面の法線(z軸)の方向には固定されている。また、近接場光プローブ２０４の遮光部材２２３ｂと超高波数伝達媒質２０５のプローブ面２０５ａとの間隔は、近接場光プローブ２０４の性能(受光感度や解像力)が最も高くなるように設定されている。さらに、近接場光プローブ２０４が実際に走査するのは、試料２０１の表面２０１ａではなく、超高波数伝達媒質２０５の極めて平滑な表面であるプローブ面２０５ａである。したがって、試料２０１の表面２０１ａの形状や観察環境によらず、高い検出性能を保ちながら走査することができる。従来の近接場光学顕微鏡では、試料２０１の凹凸を考慮してz軸方向にきわめて高精度の位置制御をする必要があったが、図１９の構成では何らこうした位置制御をする必要はなく、機械的にｘｙ平面内を走査することができる。
【００７１】
図２０(a),(b)は、光プローブユニット２１７と試料２０１との配置を示す模式図である。図２０(a)に示すように、生細胞などの生物組織を生きた状態で観察する場合、試料２０１の表面２０１ａは柔らかい上に形状不安定であり、近接場光プローブ２０４で観察するのは難しい。本実施形態による光プローブユニット２１７は、剛性のある広い底面をもつので、この底面を試料２０１の表面２０１ａに押し当てても破損することがない。また、この底面は平面形状なので、図２０(b)に示すように、試料２０１に押し当てて密着させることによって、観察すべき試料２０１の表面２０１ａを略平面状に変形させることができる。光学的な機能として、超高波数伝達媒質２０５はともに平面であるサンプル面２０５ｂからプローブ面２０５ａへ高精細な像を伝達することができるので、近接場光プローブ２０４がプローブ面２０５ａを走査することによって試料２０１の表面２０１ａの光学的情報を観察することができる。また、光プローブユニット２１７底面を試料２０１に密着させることによって、近接光を低減させる空気層を薄くすることができるため、より微弱な近接光の損失が少なく、高解像力で観察することができる。
【００７２】
図２１は、図１９に示した光プローブユニット２１７の他の構成を示す模式図であり、基本的には、図１９の構成において近接場光プローブ２０４に発光素子２２７を設けたものである。図１８では、近接場光プローブ２０４と落射照明による光学顕微鏡を併用するシステム構成を示したが、生物組織などの透明試料を観察する場合には、透過照明を行うことが多い。図２１に示す構成は、光プローブユニット２１７内に、試料２０１を透過照明するための照明部である発光素子２２７が配置されている。しかも、試料２０１の観察領域にきわめて近接した位置である光プローブユニット２１７内に発光素子２２７が配置されているため、従来の顕微鏡照明用光源より格段に効率のよい照明が可能である。なお、図示しないが、受光部２２４と発光素子２２７との間には、照明光を遮蔽するため、遮蔽部を設けることができる。これにより、照明光が受光部２２４に入ることを遮断し、ノイズを減らすことができ、その結果、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を取得することができる。
【００７３】
また、近接場光プローブ２０４は、超高波数伝達媒質２０５に対向する側の表面に、照明部２２７による照明光を透過する透過領域２２３ｃを有する。このように、近接場光プローブ２０４の底面を遮光部材２２３ｂで覆うのではなく、底面の一部に照明光を透過させる透過領域２２３ｃが設けられているため、光学顕微鏡の透過照明を効果的に行うことができる。このような透過領域２２３ｃを設けることができるのは、近接場光プローブ２０４と試料２０１との間に、有限の厚さの超高波数伝達媒質２０５が配置されているためである。なお、発光素子２２７は光学顕微鏡用の照明部であるが、近接場光プローブ２０４用の照射部を兼ねてもよい。
【００７４】
図２１において、受光部２２４と照明部２２７とは、同一平面上に配置される。このように構成すれば、半導体プロセスによって基板上に受光部２２４を形成する際に、同一平面上の発光素子２２７を同時に形成することができる。近接場光プローブ２０４は微小なデバイスであるため、複数の素子を一体に形成することで、製造コストを大幅に抑制することができる。
【００７５】
図２２は、図１９に示した光プローブユニット２１７の更に他の構成を示す模式図であり、基本的には、図２１の構成において、発光素子２２７を近接場光プローブ２０４の側面に移動させたものである。遮光部材２２３ｂは、発光素子２２７からの照明光を試料２０１の観察領域へ向けて反射させるための照明反射面２２３ｃを有する。このように、遮光部材２２３ｂの形状を工夫することで、その表面２２３ｃを照明用反射面として利用することができる。遮光部材２２３ｂには通常、金属が用いられるが、金属は可視光に対して高い反射率を示すので、照明用反射面２２３ｃを介しても高い効率の照明を行うことができる。発光素子２２７からの直接的な照明だけでなく、照明用反射面２２３ｃによる反射光をも利用することで、照明効率の向上が期待されるほか、発光素子２２７の配置に関する設計上の自由度が高くなる。なお、図２１において説明したとおり、受光部２２４と発光素子２２７との間に、照明光を遮蔽するための遮蔽部を設けることもできる。
【００７６】
図２３は、図１９に示した光プローブユニット２１７の更に別の構成を示す模式図である。図２３において、光プローブユニット２１７は、試料２０１との接着性を高める処理が施された面２０５ｃを有する超高波数伝達媒質２０５を備える。このように構成すれば、光プローブユニット２１７と試料２０１との接着性を高め、より高精度の観察を行うことが可能となる。例えば、生細胞を観察する場合、超高波数伝達媒質２０５のサンプル面２０５ｂにポリリジンをコーティングすることによって、処理が施されたサンプル面２０５ｃと生細胞との接着性を向上することができる。
【００７７】
近接場光プローブ２０４、超高波数伝達媒質２０５および対物レンズ２０３の性能については、図１２に示すグラフと同様の関係が認められる。図１２における近接場光源の発光強度に対応する変数が、近接場光プローブ２０４の受光感度である。近接場光プローブ２０４は通常、所定の周波数の照射光に対して設計されており、照射光の周波数がこれより低くなるほど、開口部２２３ａを通過できる光量が低下する。一方、周波数が高くなると、開口部２２３ａを通過する光量自体は増大するが、プローブ２０４内部の光学材料の透過率が低下したり、あるいは受光部２２４の受光感度が低下したりすることにより、近接場光プローブ２０４としての受光感度は低下する。しかしながら、近接場光プローブ２０４の受光感度の高い帯域が、超高波数伝達媒質２０５が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部と重複していれば、試料表面２０１ａで生成した信号光を高感度で受光することができ、近接場光学顕微鏡としての高い解像力を実現することができる。また、第１実施形態と同様に、対物レンズ２０３の光学系が高い透過率を示す帯域が、超高波数伝達媒質２０５が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部を含んでいれば、試料表面２０１ａで生成した信号光を高効率で検出することができ、近接場光学顕微鏡としての高い解像力を実現することができる。
【００７８】
上述したように、近接場光学顕微鏡が高い解像度を示す光学デバイスとして動作するためには、近接場光プローブ２０４の透過帯域(近接場光プローブ２０４が高い受光感度を示す周波数の領域)が、超高波数伝達媒質２０５が高い解像力(規格化解像度)を示す動作帯域の少なくとも一部を含む。透過帯域としては、例えば、ピーク強度の−３ｄＢ以上の透過率をもつ帯域が使われる。
【００７９】
さらに、図１８に示すように、対物レンズ２０３は、光学顕微鏡観察のために設けられているが、光プローブユニット２１７による試料観察用の光照射部の一部を兼ねている。このように、第１実施形態と同様に、光学顕微鏡と光プローブユニット２１７とで対物レンズ２０３を共用することで、システム全体を小型化することができる。光プローブユニット２１７への照射光を独立して設ける必要がある場合には、そのための光源を光学顕微鏡光学系の中に設け、対物レンズ２０３を介して試料２０１へ照射する構成が可能である。
【００８０】
図２４に示されるように、対物レンズ２０３は通常、可視光全域を透過するように設計されているが、周波数があまり高くなると、対物レンズ１０３を構成するガラスなどの光学材料が光を透過しなくなる。逆に、周波数があまり低くなると、光学材料の屈折率が設計上の値からずれるために、有効な透過光量が減少したり、収差の増大により対物レンズ１０３としての性能が低下したりする。
【００８１】
したがって、近接場光学顕微鏡が高い解像度を示す光学デバイスとして動作するためには、照射部の光学系の透過帯域は、超高波数伝達媒質２０５が高い解像力を示す動作帯域の少なくとも一部を含んでいるのが好ましい。特に光プローブユニット２１７に対する照射部の光学系を構成する対物レンズ２０３は一般に構成するレンズ枚数が多いため、目的とする波長域での透過率を上げるため多層コーティングが施され、そのため透過帯域が制限されている。仮に対物レンズ２０３の透過率が低い帯域で使用する場合であっても、高出力の光源を用いることによって正常な動作を行うことはできる。しかし、この場合には、光源の大型化、照射光による発熱、ノイズ光の増大といった問題が生じることになる。
【００８２】
対物レンズ２０３を共用する一例として、試料２０１を蛍光観察する場合について説明する。図１９に示すように、対物レンズ２０３を通して励起光を照射し、これを吸収した試料２０１(蛍光色素)が発する蛍光を応答光として光プローブユニット２１７が検出する。この際、試料２０１を透過した励起光は、通常はノイズ光となり、蛍光観察を阻害する。しかも、通常、励起光は蛍光の１０４〜１０６倍というきわめて強い強度をもつため、蛍光観察では図１９のような透過照明を用いることは稀である。しかし、図２４に示すように、超高波数伝達媒質は強い周波数選択性を示すため、励起光を反射・吸収し、蛍光を透過する強力なフィルタとして機能するため、透過照明による蛍光観察を効率的に行うことができる。  
【００８３】
ここで、本発明における超高波数伝達媒質の光学的性能について詳述する。超高波数伝達媒質１０５は、少なくとも２つの異なる材料により構成され、所定の周波数に対して極めて高い解像度を示すようにされている。周波数の変化に応じて、個々の材料の誘電率(透磁率)が僅かに変化しても、超高波数伝達媒質１０６、２０５、３０２の実効的な誘電率(透磁率)は大きく変化する。このため、超高波数伝達媒質１０６、２０５、３０２が高い解像度を示す帯域は狭い。
【００８４】
上述したように、超高波数伝達媒質１０６、２０５、３０２は、試料側の面、つまり試料１０７、２０１、３０１の表面１０７ａ、２０１ａ、３０１ａの近傍の光学的情報を、プローブ側（第１実施形態では光源１０２側の面）面２０５ａへ伝達することができる。この超高波数伝達媒質１０６、２０５、３０２は、例えば、メタマテリアルと呼ばれる人工構造体により実効的な誘電率、透磁率、あるいは屈折率を負とした媒質で構成することができる。これにより、空気中では減衰して伝えることのできないエバネッセント波を、伝達あるいは増幅することが可能となる。
【００８５】
また、超高波数伝達媒質１０６、２０５、３０２は、強い異方性を有する媒質を用いて構成することができる。このような異方性は、例えば金属と誘電体とを光の波長より短い周期で交互に積層した構造により発現させることができる。あるいは、メタマテリアルにより実効的な屈折率を極めて大きな値とされた媒質を用いて、超高波数伝達媒質を構成することもできる。また、誘電率がｘｙ面内とｚ軸方向とで、ともに正の値をとったとしても、ｚ軸方向の誘電率が大きい場合は、回折限界を限定的にではあるが緩和することができる。
【００８６】
次に、超高波数伝達媒質１０６、２０５、３０２を構成可能な異方性媒質の分散特性について説明する。なお、以下の説明において、誘電率ε(誘電率テンソルε＾の各成分)および透磁率μ(透磁率テンソルμ＾の各成分)は、それぞれ真空中の誘電率ε０および透磁率μ０に対する比(相対誘電率および相対透磁率)で表すことにする。ただし、ε＾は、εの上に「＾(ハット)」が付いていることを示す。同様に、μ＾は、μの上に「＾(ハット)」が付いていることを示す。
【００８７】
電気的に１軸異方性を示す異方性媒質において、光学軸の方向をｚ軸とする。光学軸とは、媒質の電磁気学的性質に関する用語であり、光学系の光軸とは全く別の用語である。本明細書では、誘電率あるいは透磁率が１軸性の異方性、つまり対称軸が１つだけあるような異方性をもつ場合を扱っており、この対称軸を光学軸と呼ぶことにする。ただし、ｘ軸方向とｙ軸方向とで多少εに違いがあっても、同様に超高波数伝達媒質としての性質を持つものであれば、どのようなものでも良い。例えば、ｋｘ−ｋｚ平面上の等周波曲線と、ｋｙ−ｋｚ平面上の等周波曲線とが、ともにｋｚ軸上に短軸をもつ楕円で、半長軸の長さが５ｋ０以上である場合や、ｋｘ−ｋｚ平面上の等周波曲線と、ｋｙ−ｋｚ平面上の等周波曲線とが、ともに双曲線である場合なども、超高波数伝達媒質である。光学軸であるｚ軸に垂直な平面内ではどの方向も等価であるから、この平面内で任意の方向をｘ軸とし、ｘ軸およびｚ軸に垂直な方向をｙ軸とする。このように座標系を定義すると、電気的１軸異方性を示す媒質の誘電率テンソルは以下のように表される。
【００８８】
【数１】
2012027005.tif 000003
【００８９】
この異方性媒質中におけるＴＭ（Transverse Magnetic）波の伝搬について考える。ＴＭ波とは、磁場がｙ軸方向を向いた電磁波の状態を意味するものとする。ＴＭ波に対する波動方程式において、波数ベクトルｋおよび角振動数ωをもつ単色平面波を仮定すると、以下のような分散関係が得られる。
【００９０】
【数２】
2012027005.tif 000004
【００９１】
式（３）は、波数ベクトルｋをｘｙ平面へ投影したベクトルの絶対値である。なお、ｋ０は、真空中を伝搬する角振動数ωの光波の波数であり、以下のように表される。
【数３】
2012027005.tif 000005
【００９２】
図２６は、様々なεＴおよびεＺの値を与えたときに、式（２）を満足するようなｋＴとｋＺの軌跡を描いた等周波数曲線である。図２６(a)は、εＴ＝１，εＺ＝１の場合（真空中における分散）、εＴ＝９，εＺ＝９の場合（以下、高屈折率）、およびεＴ＝１，εＺ＝２５の場合（以下、通常異方性）についての等周波曲線を示している。等周波曲線、あるいは等周波曲面は、ある周波数に対して、媒質中を伝搬する電磁波がとりうる波数ベクトルを示したものである。波数ベクトルは一般に３次元のベクトルであるから、３つの成分（ｋｘ，ｋｙ，ｋｚ）をもち、電磁波としての存在が許される波数ベクトルの軌跡は曲面となる。一方、図２６のように、波数ベクトルの２つの成分ｋＴおよびｋｚにのみ着目する場合には、この２つの成分として許される値の組は、平面内の曲線として表すことができる。
【００９３】
超高波数伝達媒質として、異方性を有する媒質を用い、その光学軸(ｚ軸)を像の伝達方向と一致させた場合、伝達すべき情報の精細さ(空間周波数)は、ｋＴで表される。図２６(a)において、真空中の分散では、｜ｋＴ｜≦ｋ０のときにｋＴに対応するｋＺの値が存在する。このような光学的情報を担った光波は、ｚ方向へ伝搬できることを意味している。しかし、｜ｋＴ｜＞ｋ０では、対応するｋＺの値が存在しない。たがって、このような情報を担った光波は、ｚ方向へは伝搬できない（形成される像に寄与しない）。式（２）から、この場合はｋＺが純虚数、つまりｚ方向には指数関数的に減衰するエバネッセント波となっていることがわかる。このように、空間周波数の高い光学的情報が失われ、伝達された像が元の物体（光源）と異なる現象を回折限界と呼び、光学顕微鏡の解像力を制限する1つの要素になっている。
【００９４】
図２６(a)において、通常異方性の場合は、｜ｋＴ｜≦５ｋ０の範囲で、ｋＴに対応するｋＺの値が存在する。このような光学的情報を担った光波は、ｚ方向へ伝搬できることを意味している。したがって、真空の場合に比べて伝達し得る空間周波数の上限が５倍になり、光学系の解像力を向上することが可能となる。
【００９５】
等周波曲線上にある各点は、波として伝搬しうる電磁波の波数ベクトルを表しているので、この各点において電磁波の群速度が規定される。電磁波の数学的な取り扱いによれば、群速度は等周波曲線の法線の向きに一致する。群速度の向きを図２６(a)に矢印で示した。伝搬可能なｋＴの範囲を大きくした通常異方性の材料では、等周波曲線上の多くの点で群速度が光学軸（ｚ軸）に近い向きをもつことがわかる。この傾向は、楕円のｋＴ方向を長くするほど顕著になる。したがって、受光部および開口部は、超高波数伝達媒質の光学軸が、開口部と受光部の受光面の少なくとも一部とを結ぶ直線と一致するように設置する。
【００９６】
一方、ガラスやプラスチックなどの光学材料（誘電体）は、可視光に対して概ね１．３〜２．１程度の屈折率を有し、屈折率が３を超えるような光学材料は、自然界に存在しない。図２６(a)の高屈折率に対する等周波曲線は、屈折率が３の誘電体を表している。この場合、伝達し得るｋＴの上限は、真空中の場合に比べて３倍になる。公知の液浸レンズや固体浸レンズなどでは、高い屈折率による実効的な開口数（Numerical Aperture: NA）の増大を用いて顕微鏡の解像力を向上させている。しかしながら、高屈折率材料による解像力は、媒質として用いる材料の屈折率程度までであり、真空中の結像に対して３倍を超える解像力は得られない。
【００９７】
これに対し、例えば、人工的な構造に由来する誘電率異方性を有する媒質を用いると、ｚ軸方向の実効的な誘電率εＺを９(解像力を３倍に向上できる値)よりずっと大きくすることができ、高屈折率材料を用いる場合よりも高い解像力を得ることができる。
【００９８】
ここで、一般に、光学顕微鏡で用いる照射光(照明光)の波長をλとすると、その解像力の限界は概ねλ／２であると言われている。これは、｜ｋＴ｜≦ｋ０の波数をもつ光を伝達できるレンズで結像する場合、物体面上の２つの点光源の像が２つの点像として認識できるときの、点光源間の最小距離が、概ねλ／２であることを意味している。
【００９９】
一方、顕微鏡で観察可能な構造の最小寸法は、物体面から像面へ伝達できる波数ｋＴの上限に反比例すると考えられる。したがって、｜ｋＴ｜≦５ｋ０の波数の光を全て伝達可能な光学素子を用いれば、波長の約１／１０という微細な構造を光学的に観察できる、非常に高性能の顕微観察装置を実現することが可能となる。
【０１００】
図２６(b)は、誘電率テンソル中に現れる２種類の成分εＴおよびεＺの符号が異なる場合について、式（２）の等周波曲線を図示したものである。つまり、εＴ＜０かつεＺ＞０の場合(以後、負正異方性と称す)と、εＴ＞０かつεＺ＜０の場合(以後、正負異方性と称す)とを示したものである。図２６(b)の点線は、双曲線の漸近線を示している。漸近線は、正負異方性の場合は式（５）で、負正異方性の場合は式（６）で表される。前述のように、ｘ軸とｙ軸とは等価であるから、３次元空間では双曲線が回転双曲面となり、漸近線が円錐面となる。ｘ軸方向とｙ軸方向とで多少εに違いがある場合には、双曲線およびその漸近線に対応する曲面が回転体とはならないが、このような場合も含めて、以後、双曲面および漸近曲面と称す。
【０１０１】
【数４】
2012027005.tif 000006
【０１０２】
図２６(b)の正負異方性に対して光波の群速度の方向を矢印で示した。群速度の方向は、光学軸の方向を中心とし、式（５）で表される２つの漸近線の法線の方向までの範囲に分布している。したがって、受光部は開口部を通る光学軸上に設置する必要がある。式（５）の漸近線の係数を小さくし、漸近線がｋｘ軸に近づく（漸近曲面がｋｘｋｙ平面に近づく）ように材料設計を行えば、光波をより光学軸方向へ集中させ、より小さな受光部によって効率的に検出することができる。また、光波の多くは漸近曲面の法線に近い角度で伝搬する。したがって、受光部および開口部は、漸近曲面の法線に平行で、かつ超高波数伝達媒質の光学軸が、開口部と受光部の受光面の少なくとも一部とを結ぶ直線と一致するように設置する。
【０１０３】
正負異方性の場合は、任意(但し実数)のｋＴに対応するｋＺの値が実数として存在するので、理論上、いくらでも高い空間周波数をもつ光学的情報を担った光波を伝搬させることができる。
【０１０４】
これに対し、負正異方性の場合は、真空中の光波伝搬とは対照的に、｜ｋＴ｜＜１のときに光波はエバネッセント波(ｋＺが純虚数)となるため、｜ｋＴ｜≧１の範囲の光学的情報が全て伝達されることになる。そのため、負正異方性を示す媒質を介してイメージングを行う場合は、｜ｋＴ｜＜１に相当する光学的情報が失われて、良好な結像性能を得ることは難しくなる。
【０１０５】
しかしながら、波長よりも小さい直径の開口部を通過した光波を伝搬させる場合は、開口部を通過した段階で、｜ｋＴ｜＜１に相当する光学的情報は少なく、光波を形成する光学的情報には、｜ｋＴ｜≧１の範囲の高い空間周波数が多い。したがって、負正異方性を示す媒質中で｜ｋＴ｜＜１の空間周波数成分が失われることによる影響は比較的少なく、光学的情報の良好な伝達を行うことが可能となる。この場合、伝搬方向の主要部は、軸方向を中心とする双曲面の漸近曲面の法線方向である。漸近曲面がよりｘｙ平面に近づくように材料設計を行うことで、より光学軸方向に伝搬光を集中させることができる。受光部および開口部は、超高波数伝達媒質の光学軸が、開口部と受光部の受光面の少なくとも一部とを結ぶ直線と一致するように設置する。さらに、開口部から双曲面の漸近曲面の法線方向に延長した線上に受光面設置することが有効である。
【０１０６】
以上のことから、異方性媒質を用いて超高波数伝達媒質を構成すれば、その分散特性から以下に説明するような効果が得られる。つまり、公知の液浸レンズや固体浸レンズでは、光学系としての解像力を３倍程度までしか向上することができない。これに対し、実効的な誘電率に異方性がある媒質を用い、その光学軸の方向に光学的情報を伝達させるようにすれば、例えば光学軸と垂直な面内の波数が０〜５ｋ０の範囲の光波を伝搬させることができ、光学系の解像力を５倍に向上することが可能となる。また、実効的な誘電率にさらに強い異方性があり、誘電率テンソルの成分が光軸方向と光軸に垂直な平面内とで異符号となるような媒質を用いれば、光学系の解像力をさらに向上することができ、解像力に理論上の制約がなくなる。
【０１０７】
このように、誘電率テンソルに異符号の成分が存在する場合は、負正異方性と正負異方性とに大別することができる。そして、負正異方性を示す媒質は、近接場光プローブのような開口部を通過した光波を集めるようなデバイスに対して用いることができ、正負異方性を示す媒質は、近接場光プローブだけでなく一般のイメージングデバイスのための結像素子として用いることができる。
【０１０８】
以上、ＴＭ波について説明したが、ＴＥ波(電場がｙ軸方向を向いた電磁波の状態)に対しても、誘電率と透磁率とを置き換えれば、全く同様である。つまり、実効的な透磁率に異方性があり、その光学軸の方向にｚ軸をとれば、透磁率テンソルは式（４）のように表されるので、ＴＥ波に対する分散関係は、式（５）のようになる。
【０１０９】
【数５】
2012027005.tif 000007
【０１１０】
したがって、μＴ＞０かつμＺ＜０により正負異方性が、μＴ＜０かつμＺ＞０により正負異方性が、それぞれ実現する。
【０１１１】
上記のＴＭ波に対する異方性の説明では、式（２）においてμｙ＞０であることを前提としていた。しかし、μｙ＜０でも、強い異方性があれば、光の伝達は可能である。すなわち、上述した説明から明らかなように、μｙ＜０を前提にすると、誘電率が正負異方性をもつ場合、つまりεＴ＞０かつεＺ＜０の場合は、｜ｋＴ｜≧１を満足する光が伝達可能となる。また、誘電率が負正異方性をもつ場合、つまりεＴ＜０かつεＺ＞０の場合は、任意のｋＴをもつ光が伝達可能となる。このことはＴＥ波に対しても同様で、εｙ＜０を前提とすれば、透磁率が正負異方性をもつ場合、つまりμＴ＞０かつμＺ＜０の場合は、｜ｋＴ｜≧１を満足する光が伝達可能となり、透磁率が負正異方性をもつ場合、つまりμＴ＜０かつμＺ＞０の場合は、任意のｋＴをもつ光が伝達可能となる。
【０１１２】
以下、実効的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体について説明する。図２７は、その一例の構造体の概念図である。この構造体は、金属３１と誘電体３２とを交互に積層してなる金属誘電体多層膜３３からなる。図２７において、金属３１の誘電率をεｍ、誘電体３２の誘電率をεｄとし、それぞれを厚さｄｍ、ｄｄで交互に積層した場合、厚さｄｍ、ｄｄがともに照射光の波長よりも十分小さければ、金属誘電体多層膜３３の全体を電磁気学的には均質な異方性媒質とみなすことができる。そして、この異方性媒質の実効的な誘電率テンソルは、下式（９）で与えられる。
【０１１３】
【数６】
2012027005.tif 000008
【０１１４】
式（６）において、可視光を含む光学周波数帯では、金属３１の多くは誘電率εｍ(の実数部)が負の値をとり、誘電体の誘電率εｄ(の実数部)は正の実数となる。したがって、積層する各層の厚さｄｍ、ｄｄを適切に選ぶことによって、金属誘電体多層膜３３の実効的な誘電率の成分を正にも負にもすることができる。この金属誘電体多層膜３３の実効的な誘電率の成分の一例を図２８に示す。
【０１１５】
図２８は、図２７において、金属誘電体多層膜３３の金属３１を銀、誘電体３２を酸化アルミニウムとし、金属誘電体多層膜３３の全体の厚さに占める金属３１の割合ｄを下式（１０）により変化させた場合の実効的な誘電率の成分Ｒｅ（εＴ）およびＲｅ（εＺ）を例示するものである。なお、照射光の波長は、３６５ｎｍおよび５１７ｎｍとした。
【０１１６】
【数７】
2012027005.tif 000009
【０１１７】
図２８の場合は、照射光の波長が３６５ｎｍのとき、０．４７≦ｄ≦０．５５の範囲で、Ｒｅ（εＴ）＞０かつＲｅ（εＺ）＜０となり、照射光の波長が５１７ｎｍのとき、０．２６≦ｄ≦０．７４の範囲で、Ｒｅ（εＴ）＜０かつＲｅ（εＺ）＞０となる。このように、金属３１と誘電体３２との材料を適切に選ぶことにより、所定の波長（周波数）の光に対して、誘電率テンソルのある成分、あるいは、全ての成分を正や負の値にすることができる。
【０１１８】
図２９は、実効的な誘電率に異方性をもたせる人工的な構造体の他の例を示す概念図である。この構造体は、金属ナノロッドアレイ３０１により人工的な異方性媒質を構成したもので、照射光の波長より小さな断面をもつ円柱状の金属ナノロッド３０２（半径をrとし、長さは波長よりも十分長いものとする）を、波長より小さな周期ａで正方格子として配列したものである。この場合、３６と同様に、ｒ，ａ≪λ(λは照射光の波長)の時は、電磁気学的には異方性をもつ均質媒質とみなすことが許される。
【０１１９】
図２９に示す金属ナノロッドアレイ４１の構造から明らかなように、異方性媒質としての光学軸はｚ軸(金属ナノロッド４２の対称軸と同じ方向)に一致する。ここで、金属ナノロッド４２が十分に長ければ、光学軸方向には電流が流れる(金属中の自由電子が運動できる）ので、金属の種類に依存する電気的応答がある。この場合、金属ナノロッド４２を構成する金属材料の電気伝導度をσ、プラズマ周波数をωＰとすると、金属ナノロッドアレイ４１を均質な異方性媒質とみなしたときの誘電率の光学軸方向の成分は、下式で与えられる。
【０１２０】
【数８】
2012027005.tif 000010
【０１２１】
式（１１）から明らかなように、金属ナノロッドアレイ４２の場合は、金属の種類(ωＰおよびσ)、アレイの構造(ａおよびｒ)、あるいは角振動数ωを適切に選ぶことにより、光学軸方向の実効的な誘電率を正にも負にもすることができる。
【０１２２】
一方、光の周波数帯域では、金属および誘電体にかかわらず、自然界のほとんどの物質は、磁気的な応答を示さない。このため、上記の多層膜やナノロッドのような構造体で透磁率に異方性をもたせることができない。しかし、近年においては、人工的な構造体を用いて、光の周波数帯域で透磁率を変化できる媒質が提案され、実効的な透磁率の実数部を負の値にすることが可能となっている。その一例として、メタマテリアルと呼ばれる人工構造体の一種であるスプリットリング共振器が知られている。
【０１２３】
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、図１７に示す第２実施形態の構成において、試料上の１点を経過観察する場合には、スキャナおよびプローブ用コントローラはなくてもよい。
【符号の説明】
【０１２４】
１００、２００  近接場光学顕微鏡
１０３、２２３ｂ  遮光部材
１０４、１２３ａ  開口部
１０６、２０５  超高波数伝達媒質
１０８、２０３  対物レンズ
１１２、２２４  受光部
【図１】
2012027005.tif 000011
【図２】
2012027005.tif 000012
【図３】
2012027005.tif 000013
【図４】
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【図５】
2012027005.tif 000015
【図６】
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【図７】
2012027005.tif 000017
【図８】
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【図９】
2012027005.tif 000019
【図１０】
2012027005.tif 000020
【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】
2012027005.tif 000030
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
2012027005.tif 000039
【図３０】
2012027005.tif 000040