(57)【要約】【課題】  吸収率が低く、超高波数を高効率で伝達できる、超高波数伝達素子を提供する。【解決手段】  本発明に係る超高波数伝達素子１００は、等周波数曲線の傾きが互いに相補的である少なくとも２つの異方性媒質１０１，１０２を有し、超高波数を伝達するように２つの各異方性媒質１０１，１０２を積層してなることを特徴とする。【選択図】図１
2012211963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
等周波数曲線の傾きが互いに相補的である少なくとも２つの異方性媒質を有し、
超高波数を伝達するように前記少なくとも２つの異方性媒質を積層してなる超高波数伝達素子。
【請求項２】
前記少なくとも２つの異方性媒質を、各異方性媒質の光学軸が同じ方向となるように積層してなる、請求項１に記載の超高波数伝達素子。
【請求項３】
前記異方性媒質は、誘電率に異方性がある、請求項１又は２に記載の超高波数伝達素子。
【請求項４】
前記等周波数曲線の形状が双曲線である第１の異方性媒質と、
前記等周波数曲線の形状が楕円である第２の異方性媒質と、を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超高波数伝達素子。
【請求項５】
前記等周波数曲線の形状が楕円である前記第２の異方性媒質は、前記等周波数曲線の形状が双曲線である前記第１の異方性媒質よりも低損失である、請求項４に記載の超高波数伝達素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の超高波数伝達素子であって、
Ｎは、異方性媒質の積層数で、２以上の整数であり、θ1，θ2，・・・，θNは、各異方性媒質の等周波数曲線の法線が光学軸に対してなす角度を示し、ｄ1，ｄ2，・・・，ｄNは、前記各異方性媒質の厚さを示し、λは、前記超高波数伝達素子に入射する光の波長を示すとき、少なくとも1つの波数ベクトルについて、
【数１】
2012211963.tif 000010
を満たす、超高波数伝達素子。
【請求項７】
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、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の超高波数伝達素子と、
を備える近接場光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高波数伝達素子およびそれを用いた近接場光学顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
不確定媒質（indefinite media）を積層した構造を用いることにより、サブ波長イメージングを行うことができる（例えば、特許文献１参照）。ここで、サブ波長イメージングとは、結像に用いる光の波長より微細な光学的情報を物体面から像面へ伝達する技術である。光学顕微鏡や光記録システムなどの従来の光学系では、回折限界のために波長より小さな光学的情報を波長程度より遠方へ伝達することができなかった。近接場光学の発達により、波長より小さな光学的情報を扱うことが可能になりつつあるが、これも回折限界による制約から逃れるものではなく、光学的情報を伝達しうる距離は波長程度以下に限られる。
【０００３】
一方、メタマテリアル等により実効的な屈折率が負であるような媒質（スーパーレンズ）を用いることにより、回折限界を本質的に克服することができる（例えば、非特許文献１参照）。特許文献１に記載されている不確定媒質は、スーパーレンズの発展形と捉えることもできるが、誘電率と透磁率の両方を所定の値とする必要があるため、実現が非常に難しい構造と言える。非特許文献２には、誘電率だけが異なる複数の物質を組み合わせてサブ波長イメージングを可能とする技術が示されており、これは実現性の高い構造としてさかんに研究が進められている。具体的な構造として、金属と誘電体の多層膜が挙げられるが、金属ナノワイヤーアレイを用いても同様の原理に基づくサブ波長イメージングが可能である（例えば、非特許文献２および非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第2009/0273538号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【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 and N. Engheta, Physical Review B, Vol.74, 075103 (2006)
【非特許文献３】M. G. Silveirinha et al., Physical Review B, Vol.75, 035108 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
メタマテリアルを利用するサブ波長イメージングの技術は光学分野での応用が期待されるが、光の吸収が大きいため、結像素子を厚くすることができない。実際に設計・試作されている金属・誘電体多層膜の厚さは数百nmに留まっており、近接場光学的デバイスに対して明らかに優位であるとは言えない。一方、金属ナノワイヤーアレイの構造は吸収率が比較的低く、10μｍ程度の厚い素子が試作されているが、結像性能に劣る。このような問題は、サブ波長イメージングに限らず、超高波数を検出する検出系においても同様である。
【０００７】
本発明はこのような問題に着目し、超高波数を高効率で伝達できる、超高波数伝達素子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】
【０００８】
上記目的を達成する本発明に係る超高波数伝達素子は、
等周波数曲線の傾きが互いに相補的である少なくとも２つの異方性媒質を有し、
超高波数を伝達するように前記少なくとも２つの異方性媒質を積層してなることを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明に係る超高波数伝達素子は、
前記少なくとも２つの異方性媒質を、各異方性媒質の光学軸が同じ方向となるように積層してなることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係る超高波数伝達素子において、
異方性媒質は、誘電率に異方性があることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明に係る超高波数伝達素子は、
前記等周波数曲線の形状が双曲線である第１の異方性媒質と、
前記等周波数曲線の形状が楕円である第２の異方性媒質と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明に係る超高波数伝達素子は、
前記等周波数曲線の形状が楕円である前記第２の異方性媒質は、前記等周波数曲線の形状が双曲線である前記第１の異方性媒質よりも低損失であることを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明に係る超高波数伝達素子は、
Ｎは、異方性媒質の積層数で、２以上の整数であり、θ1，θ2，・・・，θNは、各異方性媒質の等周波数曲線の法線が光学軸に対してなす角度を示し、ｄ1，ｄ2，・・・，ｄNは、前記各異方性媒質の厚さを示し、λは、前記超高波数伝達素子に入射する光の波長を示すとき、少なくとも1つの波数ベクトルについて、
【数１】
2012211963.tif 000003
を満たすことを特徴とする。
【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、
上述のいずれかの超高波数伝達素子と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、吸収率が低く、超高波数を高効率で伝達できる、超高波数伝達素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態による超高波数伝達素子の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した超高波数伝達素子の、第１媒質および第２媒質の光学的性質を等周波数曲線として示す図である。
【図３Ａ】図１に示した超高波数伝達素子に点光源を密着させて配置した構成を示す図である。
【図３Ｂ】図１に示した超高波数伝達素子との間にギャップを設けて点光源を配置した構成を示す図である。
【図４】図１に示した超高波数伝達素子による電磁界シミュレーション結果を説明するための等周波数曲線を示す図である。
【図５】電磁界シミュレーション結果として像面上でのエネルギー密度の分布を示す図である。
【図６】図１に示した超高波数伝達素子の、第１異方性媒質および第２異方性媒質の厚さと、第２異方性媒質の誘電率とを変化させ、シミュレーションを行った結果を示す図である。
【図７】電磁界シミュレーション結果として像面上でのエネルギー密度の分布を示す図である。
【図８】図１に示した超高波数伝達素子に点光源が接して配置された場合の光線追跡図である。
【図９】金属誘電体多層膜に対して有効媒質近似を行った場合の有効誘電率の変化を充填率の関数として示した図である。
【図１０】図１に示した超高波数伝達素子を備えた近接場光学顕微鏡のシステム構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明による超高波数伝達素子およびそれを用いた近接場光学顕微鏡の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態による超高波数伝達素子の概略構成を示す斜視図である。本実施形態に係る超高波数伝達素子１００は、厚さｄ1の第１異方性媒質１０１および厚さｄ2の第２異方性媒質１０２を有する。第２異方性媒質１０２は、第１異方性媒質１０１の上に積層されている。超高波数伝達素子１００は、光学的情報をz軸方向に伝達するものである。
【００１９】
図２は、第１異方性媒質および第２異方性媒質の光学的性質を等周波数曲線として示す図である。ここで、等周波数曲線とは、周波数を一定とした場合における、波数ベクトルの各成分の変化を示すものである。図中、横軸は、波数ベクトルのｘ軸方向成分を示し、縦軸は、波数ベクトルのｚ軸方向成分を示す。第１異方性媒質１０１および第２異方性媒質１０２は、それぞれ誘電率がｚ軸を光学軸とするような異方性を示すものとする。すなわち、超高波数伝達素子１００は、光学軸が一致する向きに積層された第１異方性媒質１０１及び第２異方性媒質１０２を有するものである。後述するが、第１異方性媒質１０１及び第２異方性媒質１０２は、等周波数曲線の傾きが互いに相補的であるように選択される。このように、超高波数伝達素子１００は、等周波数曲線の傾きが互いに相補的である第１異方性媒質１０１及び第２異方性媒質１０２が、光学軸が一致する向きに、すなわち超高波数を高効率で伝達するように積層されてなる。
【００２０】
第１異方性媒質１０１の誘電率テンソルε^1および第２異方性媒質１０２の誘電率テンソルε^2は、下式によって表される。ただし、ε＾は、εの上に「＾(ハット)」が付いていることを示す。
【数２】
2012211963.tif 000004
ここで、ε1Tとε1Z、ε2Tとε2Zはそれぞれ異なる値をとりうる。ここでは、第１異方性媒質１０１が双曲型の分散を、第２異方性媒質１０２が楕円型の分散をそれぞれ示す場合を考える。つまり、ε1Tとε1Zは互いに異なる符号をもち、ε2Tとε2Zはともに正の値である。なお、第２異方性媒質１０２は特別な場合として、ε2T＝ε2Zの等方性媒質をも含みうることに注意されたい。
【００２１】
異方性媒質中でのＴＭ（Transverse Magnetic）波、つまり磁場がy軸方向に振動する電磁波の伝搬は、
【数３】
2012211963.tif 000005
に従うことが知られている。ここで、ｎは、超高波数伝達素子１００を構成する各媒質を区別するための変数である。図１に示した超高波数伝達素子１００は、第１異方性媒質１０１および第２異方性媒質１０２を含むため、本実施形態では、ｎには１又は２が代入される。ここでは、第ｎ媒質中での波数ベクトルをｋn＝（ｋnx，ｋny，ｋnz）として示す。ただし、波数ベクトル（およびその成分）は真空中での波数k0＝ω／ｃで、誘電率および透磁率テンソルの成分は真空中の誘電率ε0および透磁率μ0で、それぞれ規格化した値を用いている。ωは電磁波の角振動数であり、ｃは真空中での光速である。このように、周波数をある値に固定した場合、波数ベクトルの成分の軌跡（すなわち、等周波数曲線）は２次曲線を描き、第１異方性媒質１０１の等周波数曲線の形状が双曲線であり、第２異方性媒質１０２の等周波数曲線の形状が楕円であることが示される。
【００２２】
さらに、透磁率μについて数式（１）の関係が成り立てば、TE（Transverse Electric）波について同じことを示すことができる。また、ε、μの両方について数式（１）の関係が成り立てば、どちらの偏光に対しても、等周波数曲線の形状をそれぞれ双曲線、楕円にすることができる。
【００２３】
さらに、図２では、空気、ガラス、および２種類の双曲型分散を示す媒質（以下、双曲型分散媒質と称する）に対する等周波数曲線を示すが、楕円型分散を示す媒質（以下、楕円型分散媒質と称する）の一例としてガラスを、双曲型分散媒質の一例として双曲型１を参照し、これらについてさらに詳述する。従来、双曲型２のように、比較的平坦な等周波数曲線を有する媒質を調整するために金属を用いて構成されるため媒質を透過する際の光エネルギー等のロスが大きかった。
【００２４】
本発明の第２実施形態にて後述するような近接場光学顕微鏡に適用されて、結像素子として機能する場合、本実施形態に係る超高波数伝達素子１００は、観察対象である試料面（物体面）上の光学的情報を像面に伝達する。光学的情報は、様々なｋxの値をもつ波によって像面へと伝達されるが、あるｋxの値に対応する波に着目すると、この値は異なる媒質間でも変化せずに保存される。一方、媒質中でエネルギーが伝わる方向は群速度Vgの向きに一致し、それは図２に示したような等周波数曲線の法線に一致する。
【００２５】
図２では、楕円型分散媒質の一例であるガラスの曲線の法線の一つの例として、ＶgEを示す。また、双曲型分散媒質の一例である双曲型１の曲線の法線の一つの例として、ＶgHを示す。上述した数式（１）にてε1T＞０かつε1Z＜０のときに、等周波数曲線は双曲線となるが、特に、
【数４】
2012211963.tif 000006
が大きな値をとる場合には、双曲型２のように、曲率の低い、つぶれた形状となる。このとき、群速度の向きはｋxの値によらずほぼ一定方向となるため、任意の光学的情報がほとんど変化することなく物体面から像面へ伝達され、高精度のサブ波長イメージングが可能となる。しかし、金属・誘電体多層膜や金属ナノワイヤーアレイで双曲型分散を実現する場合、αを大きな値にすることは難しく、双曲型１のような形状とならざるを得ない。すると、ｋxの値の異なる波が、それぞれ像面上の異なる位置へ伝達され、結像性能が劣化してしまう。
【００２６】
そこで、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、双曲型分散媒質である第１異方性媒質１０１と楕円型分散媒質である第２異方性媒質１０２を積層させた構造を考える。図３Ａは、超高波数伝達素子１００に点光源１０３を密着させて配置した構成を示す図であり、図３Ｂは超高波数伝達素子１００との間にギャップを設けて点光源１０３を配置した構成を示す図である。図３Ａでは、第２異方性媒質１０２に密着して点光源１０３が配置されている。点光源１０３を発した光線は、図２に示したような双曲型分散を示す第１異方性媒質１０１の中と、楕円型分散を示す第２異方性媒質１０２の中では異なる向きに伝搬する。したがって、第１異方性媒質１０１及び第２異方性媒質１０２のそれぞれの誘電率テンソルと厚さを好適に設計すれば、像面上で点像１０４として光線群を集中させることが可能となる。点光源１０３は、例えば、電気双極子により構成され、エバネッセント場を生成する。
【００２７】
図３Ｂに示すように、第２異方性媒質１０２と点光源１０３との間にギャップを設けて配置した場合であっても同様に、両異方性媒質の誘電率テンソル及び厚さを好適に設計することで、像面上で点像１０４として光線群を集中させることが可能となる。この場合、第２異方性媒質１０２及び点光源１０３のギャップの大きさは、例えば、２５ｎｍであり、電気双極子等で構成される点光源１０３からのエバネッセント場が減衰しない程度の距離として定められる。
【００２８】
以下、図３Ｂ及び図４を参照して、有限要素法に基づいた電磁界シミュレーション結果について説明する。解析モデルは図３Ｂに示す構造であり、第１異方性媒質１０１の厚さｄ1と第２異方性媒質１０２の厚さｄ2とをｄ1＋ｄ2＝１，０００ｎｍのもとで変化させた。それぞれの媒質の誘電率テンソルは、
ε1T＝ε2T＝ε2Z＝１０＋ｉ，  ε1Z＝−１０＋ｉ    ・・・（３）
とした。これらの値に対応する等周波数曲線は、図４に示す双曲型および楕円型３である。点光源（点光源物体）１０３としてｘ方向に振動する電気双極子を用い、周波数を６００ＴＨｚ（真空中の波長に換算して５００ｎｍ）とした。また、光源１０３と第１異方性媒質１０１、および第２異方性媒質１０２と点像１０４の形成される像面との間のギャップはともに２５ｎｍである。
【００２９】
図５は、像面上でのエネルギー密度の分布を示す図である。それぞれの媒質の厚さを、双曲型ではｄ1＝１，０００ｎｍ、ｄ2＝０ｎｍ、複合型ではｄ1＝７００ｎｍ、ｄ2＝３００ｎｍ、楕円型ではｄ1＝０ｎｍ、ｄ2＝１，０００ｎｍとした。双曲型と楕円型に対し、複合型においてより良好な単一ピークが得られていることがわかる。点像の品質を定量化するため、中央（ｘ＝０ｎｍ）のピークの半値全幅（full width at half maximum, FWHM）を算出したところ、双曲型の１６９ｎｍに対し、複合型では１３１ｎｍであった。
【００３０】
さらに、第１異方性媒質１０１および第２異方性媒質１０２の厚さと、第２異方性媒質１０２の誘電率とを変化させ、同じ条件のシミュレーションを行った結果を図６に示す。縦軸は図５に示した像面上でのエネルギー密度の変化のＦＷＨＭを示し、横軸は楕円型の分散を示す媒質の厚さを示す。第２異方性媒質１０２の誘電率は、εZ＝１０に固定し、εTをεT＝３，５，１０と変化させた。これらの値に対応する等周波数曲線は図４の楕円型１、２、及び３であるが、εTの値が大きくなるほど群速度の傾きθが大きくなるため、双曲型分散媒質を補償するのに必要な楕円型分散媒質は薄くてよい。この関係は図６の結果に反映されており、εTが大きいほど、ＦＷＨＭを最小にする楕円型分散媒質の厚さは薄くなっていることがわかる。εTの値がいずれの場合であっても、双曲型媒質または楕円型媒質のいずれか一方のみで構成された媒質よりも点像の品質は良好であった。たとえば、εT＝３の場合、楕円型分散媒質の厚さが４００ｎｍおよび５００ｎｍの構造で最小のＦＷＨＭとなる１１８ｎｍが得られた。
【００３１】
本実施形態による超高波数伝達素子１００を、第２実施形態として後述したような近接場光学顕微鏡に適用することで、近接場光学顕微鏡の結像性能が向上される（点像１０４のサイズが小さくなる）理由は、エネルギー伝搬の向きに沿って行った光線追跡（図３Ｂ）によって説明された。この因果関係が正しいことを示すため、超高波数伝達素子１００を構成する積層構造の層数を変化させて、同様の電磁界シミュレーションを行った。図５および図６に示したように、第２異方性媒質１０２の誘電率がε2T＝ε2Z＝１０＋ｉのとき、最小のＦＷＨＭ（１３１ｎｍ）を与える構造は、第１異方性媒質１０１の厚さが７００ｎｍ、第２異方性媒質１０２の厚さが３００ｎｍであった。この条件を変えずに、超高波数伝達素子１００全体の層数を変えて、同様の電磁界シミュレーションを行った。
【００３２】
電磁界シミュレーションにおいて、各層の厚さを、点光源１０３に近い方から順に以下のように設定した。
２層構造：双曲型７００ｎｍ／楕円型３００ｎｍ
３層構造：双曲型３５０ｎｍ／楕円型３００ｎｍ／双曲型３５０ｎｍ
４層構造：双曲型３５０ｎｍ／楕円型１５０ｎｍ／双曲型３５０ｎｍ／楕円型１５０ｎｍ
これらの構造を電気双極子（点光源１０３）で励振した場合の、像面におけるエネルギー密度分布を図７に示す。層の数によらず、すべての設定について、ほぼ同一の分布が得られており、双曲型と楕円型の分散をもつ媒質が（エネルギー伝搬に基づく）光線追跡的な観点で相補的に機能していることがわかる。
【００３３】
ここで、本実施形態に係る超高波数伝達素子１００の作用を明確にするために、図８を参照して、超高波数伝達素子１００中の光線追跡図について説明する。図８は、図３Ａと同様に点光源１０３が第１異方性媒質１０１に接して配置された場合の光線追跡図を示す。点光源１０３からは無数の光線が射出するが、光軸に関して対称な２本の光線のみを図示する。点光源１０３から射出される所定の光線がどの向きに伝搬するかは、図４の等周波数曲線から求めることができる。あるｋxの値をもつ光線（光波）は、例えば楕円型３の分散関係を示す媒質中では、図４の等周波数曲線で与えられるｋzの値と、図中の矢印ＶgEで与えられる群速度の向き（等周波数曲線の法線方向に等しい）にしたがって伝搬する。楕円型分散媒質中を伝搬してきた光線が双曲型分散媒質へ入射する際には、波面の連続性が保たれるためにｋxの値は変化しない。したがって、楕円型分散媒質の場合と同様にして双曲型分散媒質中でのｋzの値と群速度の方向を求めることができる。今、図８に示すように、双曲型分散を示す第１媒質の厚さをｄ1、群速度の傾きをθ1、楕円型分散を示す第２媒質の厚さをｄ2、群速度の傾きをθ2とすると、
ｄ1tanθ1＋ｄ2tanθ2＝０      ・・・（４）
のときに２つの光線は双曲型分散媒質の上側表面で、例えば、後述する本発明の第２実施形態のような、超高波数伝達素子１００を備える近接場光学顕微鏡の光軸を通ることになる。
【００３４】
ここで、数式（４）は、Ｎ層の異方性媒質が積層された超高波数伝達素子について一般化することができる。超高波数伝達素子を構成するＮ個（Ｎは２以上）の異方性媒質の、それぞれの等周波数曲線の法線が光学軸に対してなす角度をθ1，θ2，・・・，θN、各異方性媒質の厚さをｄ1，ｄ2，・・・，ｄNとするとき、
【数５】
2012211963.tif 000007
となるような波数ベクトルが超高波数伝達素子を経て光学情報を伝達する。
【００３５】
つまり、双曲型分散媒質の上側表面（像面）上に理想的な点像が形成される。ただし、群速度の傾きθは符号も考慮して定義され、例えば図８の例では、θ1＜０，θ2＞０である。以上は説明の都合上、１つの点光源に対する結像を議論したが、楕円型分散媒質の下側表面（物体面）に多数の点光源が分布している場合でも個々の点光源について、同様の関係が成り立つ。つまり、数式（５）が成り立つ場合には、物体面上の２次元的な光学的情報が、像面へ高精度に伝達される。
【００３６】
以上は、点光源１０３に対する結像の議論であったが、現実的な光源には有限の大きさが必ずあり、したがって、光線にも有限の太さがある。光源を射出した多数の光線の中心が像面上で１点に集まったとしても、光線自身に太さがあるため、分解能は有限の値（各光線の太さ程度）となる。逆に言えば、結像システムの分解能をδとすると、δ程度の太さをもつ光線の集合度で結像性能を議論することになる。顕微鏡や光記録システムの光学系を設計する際、光線収差が波長程度にまで小さくなると、収差補正によってそれ以上の性能向上は望めず、得られる分解能やスポット径は回折限界によって決まる。これと同じで、太さδの光線をどれだけ近くに結像させるかという設計上の目標値は、δを目安とすればよい。したがって、現実の光学系設計では、
｜ｄ1tanθ1＋ｄ2tanθ2|＜δ      ・・・（６）
が満たされていればよい。サブ波長イメージングを可能とする結像素子では、δは一般に波長λより小さい。従来の、高性能の光学顕微鏡の場合、δの値はλ／２以上であり、より高い分解能を実現することは難しかった。
【００３７】
数式（６）の左辺が大きいほど結像性能が低下し、分解能はこの左辺の値に略等しくなる。従って、従来の光学顕微鏡（分解能は回折限界により、最良でもλ／２）に比べて良好な分解能を得るには、少なくとも１つの波数ベクトルにおいて、下式を満たす必要がある。
【数６】
2012211963.tif 000008
ここで、Ｎは、異方性媒質の積層数で、２以上の整数であり、θ1，θ2，・・・，θNは、各異方性媒質の等周波数曲線の法線が光学軸に対してなす角度を示し、ｄ1，ｄ2，・・・，ｄNは、各異方性媒質の厚さを示し、λは、超高波数伝達素子に入射する光の波長を示す。尚、    数式（７）は、実際に波数ベクトルのある限られた範囲において満たされる。
【００３８】
図４に示したように、双曲型と楕円型の等周波数曲線は、定義域内の任意のｋxに対して傾きの符号が異なっており、伝搬により生じる光線の横方向のシフト量を互いに補償できる関係にある。このような関係を相補的という言葉で表現する。つまり、双曲型分散媒質と楕円型分散媒質とは相補的な媒質であると言える。必ずしも群速度の傾きの絶対値が一致する必要はなく、双方の媒質中での群速度の傾き（θ1およびθ2）に応じて、数式（６）を満たすように厚さｄ1およびｄ2を決めればよい。同様に、異方性媒質の積層数が３以上の場合、各層の異方性媒質中での群速度の傾きθiに応じて、数式（７）を満たすように、厚さｄiが定められればよい。図４に示したように、隣接する異方性媒質の等周波数曲線の形状が異なるということは、数式（６）または数式（７）が満たされるのは、所定のｋxの範囲に限られることを意味する。数式（６）または数式（７）を満たすｋxの範囲は大きいほど望ましいが、仮にこの範囲がさほど大きくない場合でも、物体面上の光学的情報に含まれる空間周波数が概ねこの範囲に含まれるようにしておけば、良好な結像性能を得ることができる。
【００３９】
また、本実施形態においては積層される各異方性媒質の光学軸が完全に一致する場合で考えたが、これは各異方性媒質の光学軸が同じ方向に積層している場合の一態様である。ここで、各異方性媒質の光学軸が同じ方向に積層しているというのは、各異方性媒質の光学軸が完全に一致しなくとも（７）式を満たす程度に揃っていることを意味し、必ずしも厳密に各光学軸が一致する場合に限られない。好ましくは、前記各異方性媒質の光学軸が一致する向きに揃っているとなお良く、この場合、図４に示されているように、光軸であるｋｘ=0を中心にして、正と負で対称な形状になるため、正と負の波数ベクトルにおいて伝搬により生じる光線の進行方向が対称となり、より超高葉数の伝達するための異方性媒質の積層の設計や制御がしやすくなる。
【００４０】
本実施形態に記載される超高波数伝達素子は、とりわけ、用いる光の波長に比べて精細な光学的情報を伝達させるべく設計されているので、数式（７）を満たす波数ベクトルが｜ｋx｜≧１の範囲にあることが望ましい。等周波数曲線はｋxの偶関数であるから、このことは、少なくとも２つのｋxの値に対して数式（７）が満たされることを意味する。さらに、図４からわかるように、ｋx＝０の近傍ではθ1≒θ2≒０となることから、数式（７）が満たされる。このように、互いに１以上離れた３つのｋxの値に対して数式（７）が満たされる場合、等周波数曲線の形状（双曲線および楕円）が滑らかであることと考え合わせれば、比較的広いｋxの値の範囲に対して数式（７）の左辺が小さな値となり、良好な結像性能を得ることができる。もちろん、より多くのｋxの値に対して数式（７）が満たされれば、それだけ良好な結像性能が期待される。
【００４１】
双曲型分散媒質や楕円型分散媒質などの異方性媒質が、金属誘電体多層膜や金属ナノワイヤーアレイで実現できることはすでに述べたが、その具体的な例について説明する。非特許文献２や非特許文献３に示されているように、金属誘電体多層膜に対して有効媒質近似を行った場合の有効誘電率は、以下の数式で与えられる。
【数７】
2012211963.tif 000009
ここで、εMは金属の誘電率、εDは誘電体の誘電率であり、fは金属の充填率（filling factor）、つまり媒質全体の体積に占める金属の体積比を表す。
【００４２】
上述した金属誘電体多層膜の一例として、ＡｇとＡｌ2Ｏ3の多層膜を考える。波長３６５ｎｍにおける誘電率は、
εM＝−２．４＋０．２４９ｉ，εD＝３．２２        
であるので、これらを数式（８）へ代入し、得られるεTおよびεZの実数部の値をfの関数としてグラフに示したのが図９である。そして、０＜ｆ＜０．４３の範囲ではεT＞０,εZ＞０であり、媒質は楕円型分散媒質としてふるまうことがわかる。一方、０．４３＜ｆ＜０．５７の範囲ではεT＞０,εZ＜０となり、媒質は双曲型分散媒質としてふるまう。このように、材料や動作帯域（波長）が決まっていても、充填率を変化させることによって等周波数曲線の形状を大きく変化させることができる。さらに、材料や動作帯域を変えれば、さらに多様な有効媒質を得ることができる。金属ナノワイヤーアレイに対する有効媒質近似の取り扱いについても、非特許文献３をはじめ、多くの文献に記載されている。
【００４３】
本実施形態では異方性を示す材料を用いているが、異方性の程度という観点からすると、楕円型分散を示す異方性媒質よりも双曲型分散を示す異方性媒質の方が特異な性質であるとみなすことができる。例えば誘電率の異なる誘電体を用いて、多層膜やワイヤーアレイの構造を構成すると、多くの場合でεTおよびεZがともに正の値をとり、楕円型分散を示すが、双曲型分散を示すことはない。金属はある限られた帯域で負の誘電率を示すが、例えば、結像を行う所定範囲の帯域で負の誘電率を示す金属を用いて所定の異方性構造を構成したときに限って、εTおよびεZの一方を負とする、つまり双曲型分散を得ることができる。このことは、多層膜構造については数式（８）に示されており、例えばεMとεDがともに正の値である場合、０以上１以下の範囲の充填率ｆに対して、εTおよびεZはいずれも正の値しかとらないことがわかる。ワイヤーアレイについても非特許文献３などに示されている式を用いて同じように説明することができる。
【００４４】
上記の事情により、楕円型分散は比較的容易に得ることができ、図９の例でもより広い範囲の充填率に対して楕円型分散が得られている。しかも、双曲型分散の領域に比べて充填率の値が小さいこともわかり、これは金属の比率が低く、低損失であることを意味している。そもそも、上述のように透明な２種類の誘電体だけで楕円型分散を得ることができるので、この場合にはほぼ非損失となる。金属が必須であり損失が不可避な双曲型分散に対して、非損失あるいは低損失な楕円型分散を組み合わせて結像性能を向上させる構成は、損失の面でも好ましい。図５では、双曲型に対して混合型の結像性能が向上する例を示した。図５ではいずれの媒質にも同程度の損失があるとしてシミュレーションを行ったが、実際に媒質を設計する際には楕円型分散媒質の方が損失の低い媒質として設計することができる。
【００４５】
このように、本実施形態に係る超高波数伝達素子１００によれば、双曲型分散の媒体と、光エネルギー等の損失の少ない楕円型分散の媒体とを光学軸が同じ向きに積層して超高波数伝達素子を形成するので、全体として損失を低く抑え、高効率に伝達することができる。従って、結像素子として用いた場合に、優れた結像性能を有する厚い光学素子を提供することができる。超高波数伝達素子が一定以上の厚さで形成されることで、後述する近接場光学顕微鏡等への実装に際して、生産性が向上すると共に、光学素子としての耐久性が向上する。
【００４６】
（第２実施形態）
図１０は、上述したような超高波数伝達素子を備えた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２００は、走査部２０１と、近接場光源２０５と、超高波数伝達素子２０６と、受光部２１２と、ハーフミラー２１３と、結像レンズ２１４と、撮像素子２１５と、光学顕微鏡用照明部（以下、光顕用照明部と称する）２１６と、を備える。超高波数伝達素子２０６は、試料２０７と開口部２０４との間に配置される。受光部２１２は、対物レンズ２０８と、ダイクロイックミラー２０９と、フィルタ２１０と、受光素子２１１とを備える。
【００４７】
試料２０７に照明光を射出するための光照射部を構成する光源２０２から射出された光（波長Ｅλ）は遮光部材２０３へ照射される。遮光部材２０３には光の波長より小さな開口部２０４が設けられているため、開口部２０４を通過した光は近接場光として遮光部材２０３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２０４は、光照射部を構成する光源２０２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２０３の下方には波長より小さな間隔を介して超高波数伝達素子２０６が配置されており、照明光の一部は超高波数伝達素子２０６へ侵入する。
【００４８】
超高波数伝達素子２０６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、超高波数伝達素子の光学的性能については後述する。超高波数伝達素子２０６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るため、結局、光源２０２から発せられた光の一部を試料２０７に到達させることになる。すなわち、超高波数伝達素子２０６は微細構造を構成する開口部２０４で生成された近接場光を伝達して試料２０７に照明光として射出する。
【００４９】
ここで、試料２０７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２０７中の蛍光色素は、光源２０２から開口部２０４、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２０７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２０７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２０７に結合させ、試料２０７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２０８を通過したのちに、ダイクロイックミラー２０９により反射され、フィルタ２１０へ入射する。
【００５０】
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１０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２０８へ入射させる。しかし、フィルタ２１０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２１１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２０７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２１２は、試料２０７からの光（信号光）を受光するものである。
【００５１】
超高波数伝達素子２０６によって試料２０７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２０７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２０７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２１２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。
【００５２】
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２００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２０７から放射された信号光は、試料２０７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２０７中の蛍光色素が発した蛍光であり、試料２０７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生化学的情報をまとめて「光学的情報」と呼ぶ。
【００５３】
次に、試料２０７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１０を用いて説明する。光源２０２、遮光部材２０３、および遮光部材２０３に設けられた開口部２０４は、一体として構成されていてもよく、これを近接場光源２０５と呼ぶことにする。近接場光源２０５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２０４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２０１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、超高波数伝達素子２０６の表面に沿って近接場光源２０５の位置を連続的に変化させることができる。
【００５４】
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２１１により検出される信号光の時間変化を試料２０７の表面上の位置に対応させることによって、試料２０７の表面の蛍光色素分布等を得ることができる。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２０４と、超高波数伝達素子２０６との間隔は、照明光の波長以下に保たれる。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２１２により光学的情報が正確に検出できるようにする。
【００５５】
光源２０２と開口部２０４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２０４だけを移動させてもよい。というのは、光源２０２を発して開口部２０４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２０４を多少動かしても、開口部２０４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。
【００５６】
以上は、蛍光観察を例にとって近接場光学顕微鏡２００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２０７の表面に凹凸がある場合、あるいは試料２０７中に密度や組成のゆらぎがある場合、照明光は試料２０７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２１０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２１０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。
【００５７】
他方、光顕用照明部２１６から射出された照射光は、ハーフミラー２１３、ダイクロイックミラー２０９を経て対物レンズ２０８によって試料２０７上の観察領域に照射される。そして、試料２０７に作用した光が試料２０７から放射される。この光は、その一部が再び対物レンズ２０８に入射し、特定波長の光がダイクロイックミラー２０９で反射されてフィルタ２１０を経て受光素子２１１によって受光される。ダイクロイックミラー２０９を透過した光は、ハーフミラー２１３で反射されて結像レンズ２１４により撮像素子２１５に結像される。図示しないが、撮像素子２１５の出力は、画像処理（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２０７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２０７が透過性を有する場合等には、試料２０７を介して光学顕微鏡と反対側に、試料２０７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。
【００５８】
このように、本実施形態による近接場光学顕微鏡によれば、超高波数伝達素子２０６により、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。このため、従来の近接場光学顕微鏡よりも高解像度で試料を観察することができる。なお、図１０に示した構成では、微細構造を構成する開口部２０４を試料２０７と光源２０２との間、すなわち、光照射部である光源２０２の射出側に配置した。しかし、開口部２０４は、試料２０７と受光部２１２との間、すなわち、受光部２１２の入射側に配置することも可能である。
【００５９】
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。第１実施形態では、２層の異方性媒質が積層されて形成された超高波数伝達素子について図面を参照しながら説明した。しかし、例えば、図７で電磁界シミュレーション結果に示したように、３層以上の異方性媒質を積層させて超高波数伝達素子を製造することももちろん可能である。
【００６０】
第２実施形態では、本発明に係る超高波数伝達素子が近接場光学顕微鏡装置に備えられるものとして説明した。しかし、本発明に係る超高波数伝達素子の用途は、近接場光学顕微鏡装置に限定されるものではなく、高分解能での観察が必要とされる様々な検査装置にも適用されうることは明らかである。
【００６１】
第１実施形態では、TM波に関する高分解能性について述べてきたが、数式（１）に示したεに関する条件をμに適用すれば、TE波に関して同じことがいえる。そして、数式（１）に示した条件がε、μの両方に対してあてはまる場合はTM、TEの両方の成分について高分解能性を得ることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１００、２０６  超高波数伝達素子
１０１、１０２  異方性媒質
１０３  点光源
１０４  点像
【図１】
2012211963.tif 000011
【図２】
2012211963.tif 000012
【図３Ａ】
2012211963.tif 000013
【図３Ｂ】
2012211963.tif 000014
【図４】
2012211963.tif 000015
【図５】
2012211963.tif 000016
【図６】
2012211963.tif 000017
【図７】
2012211963.tif 000018
【図８】
2012211963.tif 000019
【図９】
2012211963.tif 000020
【図１０】
2012211963.tif 000021