(57)【要約】【課題】近接場光を高感度で検出できる近接場光プローブを提供する。【解決手段】照射光の波長より小さい開口部104を有する遮光部材103と、開口部104を経て入射する光を受光する受光素子101と、少なくとも開口部104と受光素子101との間に配置された、誘電率または透磁率が異方性を示す超高波数伝達媒質102と、を備える。【選択図】図２
2012007959.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射光の波長より小さい開口部を有する遮光部材と、
前記開口部を経て入射する光を受光する受光素子と、
少なくとも前記開口部と前記受光素子との間に配置された、誘電率または透磁率が異方性を示す超高波数伝達媒質と、
を備える近接場光プローブ。
【請求項２】
前記超高波数伝達媒質は、
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、
ことを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項３】
前記超高波数伝達媒質は、
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、
ことを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項４】
前記超高波数伝達媒質は、
前記照射光が真空中を伝搬する際の波数をｋ０とするとき、光の伝搬方向に垂直な平面内における波数の絶対値が０〜５ｋ０の光を伝達可能である、
ことを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項５】
前記超高波数伝達媒質の光学軸が、前記開口部と前記受光素子の受光面の少なくとも一部とを結ぶ直線と一致している、
ことを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項６】
前記開口部と前記受光素子の受光面とが、前記超高波数伝達媒質の等周波曲面の漸近曲面の法線の方向に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項７】
前記光学軸が、
前記開口部と前記受光素子の受光面のほぼ中心とを結ぶ直線と一致している、
ことを特徴とする請求項５に記載の近接場光プローブ。
【請求項８】
前記遮光部材は平坦な表面を有し、
前記開口部を中心とする前記表面の最小寸法が、前記開口部と前記受光素子との距離より大きい、
ことを特徴とする、請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項９】
前記超高波数伝達媒質は、前記受光素子の受光面に接触して配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項１０】
前記超高波数伝達媒質は、前記受光素子上に一体的に形成されている、
ことを特徴とする請求項９に記載の近接場光プローブ。
【請求項１１】
前記遮光部材は、前記超高波数伝達媒質に密着して配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項１２】
前記超高波数伝達媒質は、前記開口部を除いて、前記遮光部材により覆われている、
ことを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項１３】
前記開口部を満たすように、前記超高波数伝達媒質が配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の近接場光プローブ。
【請求項１４】
照射光の波長より小さい開口部を有する遮光部材と、
前記開口部を経て入射する光を受光する受光素子と、
少なくとも前記開口部と前記受光素子との間に配置された、誘電率または透磁率の実数部が負である超高波数伝達媒質と、
を備える近接場光プローブ。
【請求項１５】
受光素子と、
該受光素子上に設けられ、照射光の波長より小さい開口部を有する遮光部材と、
を備える近接場光プローブ。
【請求項１６】
前記遮光部材は、
前記開口部と試料との間隔を所定の値に維持するための突起部を備える、
ことを特徴とする請求項１、１４または１５に記載の近接場光プローブ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の近接場光プローブを探針として用いる、
ことを特徴とする走査型近接場光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場光を検出する近接場光プローブおよびこれを用いる走査型近接場光学顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型近接場光学顕微鏡では、従来から、微小な開口部を持つ近接場光プローブが用いられている（例えば、特許文献１参照）。この近接場光プローブは、先端が尖鋭化された石英ロッドと、その先端部を除く部分に金属被覆を施すことにより先端部に形成された光の波長よりも小さな開口部とを備え、その微小な開口部から近接場光（以下、エバネッセント光とも言う）を入射させる（漏れ込ませる）ものである。
【０００３】
しかし、特許文献１に開示の走査型近接場光学顕微鏡では、近接場光プローブの先端部の開口部から漏れ込んだエバネッセント光を、厚い結晶からなる光学フィルタ、光ファイバ、空気等を経て、近接場光プローブとは別体の光検出器で検出している。そのため、近接場光プローブに漏れ込んだエバネッセント光が、光検出器に至るまでの媒質によって減衰されて、検出が困難になることが懸念されている。なお、エバネッセント光は、エバネッセント場を形成する照射光の強度に対して、１／１０４から１／１０６と大きく減少することが知られている。そのため、このように減少したエバネッセント光が、光検出器に至るまでに更に減衰すると、検出が困難になる。
【０００４】
一方、近年では、エバネッセント光を増幅したり、その損失を抑制したりする性質を有する負屈折率媒質が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、このような負屈折率媒質を、物体と、該物体からのエバネッセント光を漏れ込ませる開口部との間に配置してエバネッセント光を伝達させる近接場光プローブも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平４−５１７０号公報
【特許文献２】特開２００６−１３８６３３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J. B. Pendry, Physical Review Letters Vol.85, p.3966-3969 (2000)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に開示の近接場光プローブにおいても、光検出器が近接場光プローブと別体に構成されている。そのため、近接場光プローブの開口部から漏れ込んだエバネッセント光は、光検出器に至る光路に存在する厚い空気層等の媒質を通過する際に減衰して、近接場光に対する感度が低下することが懸念される。
【０００８】
したがって、かかる事情に鑑みてなされた本発明の第１の目的は、近接場光を高感度で検出できる近接場光プローブを提供することにある。また、本発明の第２の目的は、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】
【０００９】
上記第１の目的を達成する本発明に係る近接場光プローブは、
照射光の波長より小さい開口部を有する遮光部材と、
前記開口部を経て入射する光を受光する受光素子と、
少なくとも前記開口部と前記受光素子との間に配置された、誘電率または透磁率が異方性を示す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。
【００１０】
さらに、上記第１の目的を達成する本発明に係る近接場光プローブは、
照射光の波長より小さい開口部を有する遮光部材と、
前記開口部を経て入射する光を受光する受光素子と、
少なくとも前記開口部と前記受光素子との間に配置された、誘電率または透磁率の実数部が負であ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。
【００１１】
さらに、上記第１の目的を達成する本発明に係る近接場光プローブは、
受光素子と、
該受光素子上に設けられ、照射光の波長より小さい開口部を有する遮光部材と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
上記第２の目的を達成する本発明に係る走査型近接場光学顕微鏡は、
上記の本発明に係る近接場光プローブを探針として用いる、
ことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る近接場光プローブによれば、近接場光を高感度で検出することができる。また、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】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る近接場光プローブを用いる走査型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２】図１に示した近接場光プローブの基本的構成を示す模式図である。
【図３】異方性媒質の等周波数曲線を示す図である。
【図４】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５】図４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６】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７】図１に示した近接場光プローブにおける受光面と超高波数伝達媒質の光学軸との関係を説明するための図である。
【図８】図１に示した近接場光プローブの形状を説明するための図である。
【図９】図１に示した近接場光プローブを構成する超高波数伝達媒質および遮光部材の配置を説明するための図である。
【図１０】本発明の第２実施の形態に係る近接場光プローブの２つの例の構成を示す模式図である。
【図１１】本発明の第３実施の形態に係る近接場光プローブの５つの例の構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の第４実施の形態に係る近接場光プローブの構成を示す模式図である。
【図１３】本発明の第５実施の形態に係る走査型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１４】本発明の第６実施の形態に係る近接場光プローブの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００１６】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る近接場光プローブを探針として用いる走査型近接場光学顕微鏡のシステム構成を示す概略図である。この走査型近接場光学顕微鏡は、光学顕微鏡と近接場光学顕微鏡とを備えるものである。光源１１から射出された照明光は、コリメートレンズ１２によりほぼ平行光（平面波）に変換された後、ビームスプリッタ１３で反射されて対物レンズ１４により生体細胞等の試料１５に集光される。これにより、試料１５の所定の位置から応答光が放射される。試料１５は、試料台用アクチュエータ１６により一次元または二次元駆動される試料台１７に載置される。
【００１７】
試料１５から放射される応答光は、試料１５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１５中の蛍光色素が発した蛍光であり、試料１５中の反射率、光散乱係数、回折効率分布などの光学的情報、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。この応答光は、その一部が再び対物レンズ１４に入射し、ビームスプリッタ１３を経て結像レンズ１８により撮像素子１９に結像される。撮像素子１９の出力は、画像処理部２０で画像処理されて光顕観察用モニタ２１に供給される。これにより、光顕観察用モニタ２１に、試料１５の光学顕微鏡による画像が表示され、試料１５の状態をリアルタイムで観察することが可能となる。
【００１８】
また、試料１５から放射される応答光のうち、試料１５に対して対物レンズ１４とは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１００で検出される。この近接場光プローブ１００の詳細な構成については、後述する。
【００１９】
近接場光プローブ１００は、コンピュータ２２およびコントローラ２３によって制御されるプローブ用アクチュエータ２４により、試料１５上の所望の位置を観察可能に構成されている。そして、光軸に沿った方向の近接場光プローブ１００と試料１５の表面との距離を一定に保ちながら、試料１５を光軸と直交する平面内で二次元走査しながら近接場光を光電変換する。なお、近接場光プローブ１００による試料１５の二次元走査は、プローブ用アクチュエータ２４により近接場光プローブ１００を二次元駆動して行っても良いし、コンピュータ２２およびコントローラ２３の制御のもとに、プローブ用アクチュエータ２４により近接場光プローブ１００を駆動（主走査）し、それと直交する方向に試料台用アクチュエータ１６により試料台１７を一次元方向に駆動（副走査）してもよい。また、近接場光プローブ１００の位置制御をより高精度に行うために、近接場光プローブ１００と試料１５との間に働く原子間力を検知し、これをプローブ用アクチュエータ２４へフィードバックして位置制御を行ってもよい。
【００２０】
近接場光プローブ１００で光電変換された出力信号は、ロックインアンプ等のプリアンプ２５により増幅された後、コンピュータ２２により画像処理されて近接場用モニタ２６に出力される。これにより、近接場用モニタ２６に、試料１５の表面における近接場光の光強度分布情報が二次元画像として表示される。
【００２１】
ここで、近接場光プローブ１００は、試料１５の光強度分布情報として、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情報を高感度で検出することができる。したがって、対物レンズ１４を用いた光学顕微鏡によって撮像素子１９から得られる画像よりも解像力の高い画像、つまり精細な光学的情報を得ることができる。
【００２２】
以下、図１に示した近接場光プローブ１００について説明する。
【００２３】
図２は、近接場光プローブ１００の基本的構成を示す模式図である。近接場光プローブ１００は、例えば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１０１と、その受光面１０１ａ上に配置された超高波数伝達媒質１０２と、その表面に設けられた遮光部材１０３とを備える。遮光部材１０３には、近接場光を取り込むための、照明光の波長よりも小さい直径（例えば、５０ｎｍ）の微小な開口部１０４が形成されている。この近接場光プローブ１００は、試料１５への照明光の集光部分に、開口部１０４が作動距離（ＷＤ）を介して対向するように配置される。
【００２４】
図２において、試料１５の表面には、対物レンズ１４（図１参照）を含む照明光学系により照明光が集光される。ここで、照明光３１は、幾何光学的には試料１５の表面の一点に集光されるが、実際には、光の波動性によって有限のビームウエストを持つ。なお、図２には、幾何光学的な照明光３１の外縁を破線で示し、ビームウエストを持つ照明光３１の外縁を実線で示している。
【００２５】
超高波数伝達媒質１０２は、開口部１０４から漏れ込んだ光を、その光のもつ光学的情報を失うことなく受光素子１０１の受光面１０１ａへ伝達する。この超高波数伝達媒質１０２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。
【００２６】
また、超高波数伝達媒質１０２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１０２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。
【００２７】
次に、超高波数伝達媒質１０２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。
【００２８】
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。
【００２９】
【数１】
2012007959.tif 000003
【００３０】
この異方性媒質中におけるＴＭ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。
【００３１】
【数２】
2012007959.tif 000004
【００３２】
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。
【００３３】
【数３】
2012007959.tif 000005
【００３４】
図３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３（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３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。
【００３５】
図１に示した近接場光プローブ１００の基本的構成では、超高波数伝達媒質１０２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る。したがって、伝達すべき情報の精細さ（空間周波数）は、ｋＴで表される。図３（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。
【００３６】
図３（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。
【００３７】
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３（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、受光素子１０１および開口部１０４は、超高波数伝達媒質１０２の光学軸が、開口部１０４と受光素子１０１の受光面１０１ａ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。
【００３８】
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３（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（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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
図３（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３（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。
【００４３】
【数４】
2012007959.tif 000006
【００４４】
図３（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。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、より小さな受光素子１０１によって効率的に検出することができる。したがって、受光素子１０１は開口部１０４を通る光学軸上に設置すると良い。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、受光素子１０１の一部および開口部１０４を結ぶ直線が、漸近曲面の法線に平行となるように受光素子１０１を設置することも有効である。
【００４５】
正負異方性の場合は、任意（ただし実数）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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。そのため、受光素子１０１および開口部１０４は、超高波数伝達媒質１０２の光学軸が、開口部１０４と受光素子１０１の受光面１０１ａの少なくとも一部とを結ぶ直線と一致するように設置してある。また、開口部１０４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１０１ａを設置することも有効である。
【００４８】
以上のことから、異方性媒質を用いて超高波数伝達媒質１０２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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
【数５】
2012007959.tif 000007
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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４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４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、下式で与えられる。
【００５５】
【数６】
2012007959.tif 000008
【００５６】
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３２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５に示す。
【００５７】
図５は、図４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。
【００５８】
【数７】
2012007959.tif 000009
【００５９】
図５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。
【００６０】
図６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４１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４２（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、図４と同様に、ｒ，ａ≪λ（λは照射光の波長）のときは、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。
【００６１】
図６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。
【００６２】
【数８】
2012007959.tif 000010
【００６３】
式（８）から明らかなように、金属ナノロッドアレイ４１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。
【００６４】
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。
【００６５】
次に、近接場光プローブ１００における受光素子１０１の受光面１０１ａと超高波数伝達媒質１０２の光学軸と開口部１０４の関係について説明する。
【００６６】
ここまでに説明したように超高波数伝達媒質１０２では、光は、等方性媒質と異なり、主に光学軸方向を中心とした比較的狭い角度内に分布する。特に材料設計により、等周波曲線（面）の楕円の形状が図３（ａ）の細実線のように扁平な形状となるようにした場合や、双曲線の形状を、図３（ｂ）の漸近線の傾きの絶対値をより小さくして、漸近線がｋＴ軸と（漸近曲面がｋｘｋｙ平面と）略平行となるようにした場合に、光はより狭い角度内に分布する。この場合は、開口部１０４と受光面１０１ａとの位置関係に注意が必要である。すなわち、開口部１０４に入った光は光学軸方向を中心とした比較的狭い角度内に分布する。そのため、受光素子１０１および開口部１０４を、図７（ａ）に示すように、超高波数伝達媒質１０２の光学軸Ｏが、開口部１０４と受光素子１０１の受光面１０１ａ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と、近接場光プローブ１００の検出感度を高めることができる。
【００６７】
より好ましくは、図７（ｂ）に示すように、開口部１０４を通る超高波数伝達媒質１０２の光学軸Ｏ上に、受光素子１０１の受光面１０１ａのほぼ中心部が位置するように構成する。このように構成すれば、近接場光プローブ１００の検出感度を高めることができる。すなわち、開口部１０４から超高波数伝達媒質１０２内に漏れ込んだ光は、これまでに説明したように超高波数伝達媒質１０２の光学軸Ｏに近い方向に伝達されるため、受光面１０１ａのほぼ中心部が、開口部１０４を通る光学軸Ｏ上に配置すれば、開口部１０４から超高波数伝達媒質１０２内に漏れ込んだ光のより多くのエネルギーを受光素子１０１へ伝達することができ、近接場光プローブ１００の検出感度を高めることができる。なお、受光素子１０１の受光感度が受光面１０１ａ上の位置により異なる場合には、好ましくは、受光感度の最も高い点が、開口部１０４を通る光学軸Ｏ上に位置するように構成する。
【００６８】
次に、近接場光プローブ１００の形状について説明する。
【００６９】
図８は、近接場光プローブ１００の形状を模式的に示す図である。図８（ａ）に示す近接場光プローブ１００は、円形状または多角形状の受光素子１０１の受光面１０１ａ上に、受光素子１０１の形状に合わせて超高波数伝達媒質１０２が形成されている。超高波数伝達媒質１０２は、試料を観察する際に、試料に最も近接する先端部が先細に形成され、その先端部に遮光部材１０３により開口部１０４が形成されている。なお、遮光部材１０３は、受光素子１０１の受光面１０１ａとの接合面および開口部１０４を除く全体に形成されている。
【００７０】
図８（ｂ）および（ｃ）に示す近接場光プローブ１００は、試料を観察する際に、試料に最も近接する遮光部材１０３の形状が平坦面形状となっており、かつ、その平坦面形状の開口部１０４を中心とする最小寸法ａが、開口部１０４から受光素子１０１までの距離ｈよりも大きくなっている。つまり、試料に最も近接する先端部が尖っていない。この形状の場合、試料との衝突による開口部１０４の破損および近接場光プローブ１００の破損を防止できる効果がある。
【００７１】
すなわち、近接場光プローブ１００は、例えば図８（ｂ）に矢印Ｃで示す方向に移動されて、試料表面上で走査される。その際、遮光部材１０３の端部分Ａが、試料の凸部に衝突する確率が高くなる。しかし、衝突によって、仮に端部分Ａが破損した場合でも、端部分Ａは開口部１０４から離れているので、通常の走査速度では開口部１０４が破損することはない。また、近接場光プローブ１００の全体の機械的強度は、遮光部材１０３の平坦面の最小寸法ａのみで決まるものではなく、遮光部材１０３や超高波数伝達媒質１０２の剛性が同じであれば、開口部１０４から受光素子１０１までの距離ｈによって変わる。例えば、最小寸法ａが非常に大きくても、距離ｈがそれ以上に大きければ、全体として細長い形状となって、試料との衝突に対する機械的な耐性が低くなる。
【００７２】
したがって、試料と対向する遮光部材１０３の平坦面の最小寸法ａは、少なくとも開口部１０４から受光素子１０１までの距離ｈよりも大きいことが、機械的強度を高める上で好ましい。この最小寸法ａは、例えば、遮光部材１０３の平坦面形状が正方形の場合、その正方形の一辺の長さであり、平坦面形状が円形であれば、その直径である。また、遮光部材１０３の平坦面の形状が、図８（ｃ）に示すような長方形の場合は、その最小寸法ａは短辺の長さである。つまり、機械的強度を高めるには、遮光部材１０３の試料と対向する平坦面の形状に応じて、その形状に含まれる様々な長さのうち、開口部１０４を中心とする最小寸法ａが、距離ｈよりも大きくするのが好ましい。
【００７３】
また、このように機械的強度を高めれば、近接場光プローブ１００の使用にあたって、試料との衝突を避けるために、近接場光プローブ１００の高さ方向（距離ｈの方向）の位置を高精度で制御することなく、試料の表面を走査することが可能となり、走査制御が容易になる利点もある。なお、試料と対向する遮光部材１０３を平坦面とする場合、エッジ部を面取りして、破損をより効果的に防止すようにしてもよい。
【００７４】
次に、近接場光プローブ１００を構成する超高波数伝達媒質１０２および遮光部材１０３の配置について、図９（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
【００７５】
図９（ａ）に示す近接場光プローブ１００は、受光素子１０１と超高波数伝達媒質１０２との間に誘電体からなる中間層１０６を介在させたものである。このように、受光素子１０１の受光面１０１ａ上に、中間層１０６を介して超高波数伝達媒質１０２を設ければ、超高波数伝達媒質１０２を形成する際の自由度を向上できる利点がある。なお、この場合、開口部１０４から漏れ込んだ近接場光は、中間層１０６で若干減衰されるが、超高波数伝達媒質１０２中では効率よく伝達されるので、効率よく検出することが可能となる。なお、このような中間層１０６は、超高波数伝達媒質１０２と遮光部材１０３との間に介在させることも可能である。この場合は、遮光部材１０３を形成する際の自由度を向上できる利点がある。勿論、中間層１０６は、受光素子１０１と超高波数伝達媒質１０２との間、および超高波数伝達媒質１０２と遮光部材１０３との間の両方に介在させてもよい。
【００７６】
図９（ｂ）に示す近接場光プローブ１００は、超高波数伝達媒質１０２を、接着層１０７を介して受光素子１０１の受光面１０１ａ上に接着したものである。このように構成すれば、開口部１０４から受光素子１０１までの空間を、薄い接着層１０７を除いて超高波数伝達媒質１０２で占めることができる。これにより、近接場光の検出感度を向上させることができる。
【００７７】
図９（ｃ）に示す近接場光プローブ１００は、受光素子１０１の受光面１０１ａ上に、超高波数伝達媒質１０２を直接形成したものである。すなわち、受光素子１０１は、上述したように各種のフォトダイオードで形成することができる。この場合、受光素子は、一般に半導体プロセスによって基板上に形成されるので、基板上に受光素子が形成された状態で、さらにスパッタリングや蒸着により金属誘電体多層膜からなる超高波数伝達媒質１０２を形成する。
【００７８】
このように、受光素子１０１の受光面１０１ａ上に、超高波数伝達媒質１０２を直接形成すれば、受光素子１０１と超高波数伝達媒質１０２との間には、隙間や接着層、あるいは中間層が一切介在しない。したがって、近接場光の検出感度をきわめて高くできる。また、受光素子１０１上に超高波数伝達媒質１０２を形成した状態で、スパッタリングや蒸着によって遮光部材１０３を形成し、その後、集光イオンビームによって開口部１０４を形成することができる。これにより、開口部１０４から受光素子１０１までの空間を全て超高波数伝達媒質１０２で満たすことができ、近接場光の検出感度をさらに向上させることが可能となる。
【００７９】
図９（ｄ）に示す近接場光プローブ１００は、図９（ｃ）の構成において、さらに、超高波数伝達媒質１０２の側面全周を遮光部材１０３で覆ったものである。つまり、受光素子１０１と超高波数伝達媒質１０２との間、および超高波数伝達媒質１０２と遮光部材１０３の間に一切の隙間がなく、さらに、超高波数伝達媒質１０２を開口部１０４と受光面１０１ａとを除いて、遮光部材１０３で全て覆った密閉構造としたものである。このように構成すれば、開口部１０４から漏れ込んだ近接場光の不所望な減衰を防止できる他、受光すべき近接場光が超高波数伝達媒質１０２の側面等から外部へ漏れ出すのを防止できるとともに、外部からのノイズ光の侵入を防止することができる。したがって、近接場光の検出感度をより向上できる。
【００８０】
上述したように、本発明の第１実施の形態に係る近接場光プローブ１００においては、受光素子１０１の受光面１０１ａ上に、超高波数伝達媒質１０２と、照射光の波長よりも小さい寸法の開口部１０４を有する遮光部材１０３とを配置し、開口部１０４から漏れ込んだ近接場光を、超高波数伝達媒質１０２を経て受光素子１０１で受光するようにしている。したがって、近接場光を高感度で検出することができる。これにより、走査型近接場光学顕微鏡においては、試料の光強度分布情報として、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詳細な光学的情報を高感度で得ることができる。
【００８１】
（第２実施の形態）
次に、本発明の第２実施の形態に係る近接場光プローブについて説明する。近接場光プローブの解像力は、近接場光を漏れ込ませる開口部の大きさによって、実質的に決定される。したがって、非常に小さい開口部を形成して、試料表面に密着させた状態で、近接場光を観察することができれば、きわめて高い解像度が得られることになる。
【００８２】
しかし、実際には、開口部を通して所定の光エネルギーを伝達させるためには、開口部に所定の大きさがなければならず、また、試料を走査するなどの目的のためには、開口部と試料表面とがある程度離れている必要がある。さらに、開口部を形成する遮光部材は、照射光が透過しないだけの厚さを有する必要がある。その結果、遮光部材が厚さをもつことにより、近接場光プローブが検出すべき近接場光は、開口部を通過する際にも減衰してしまう、というトレードオフの関係がある。
【００８３】
開口部の径および遮光部材と試料との間隔は、現在の技術レベルでは、ともに小さくても１０ｎｍ程度である。一方、遮光部材の厚さは、遮光部材を構成する物質と照射光の波長に大きく依存するが、金属の場合は、可視光に対して概ね５０ｎｍ以上、好ましくは１００ｎｍ以上である。近接場光は、光源（散乱光の場合は散乱体）からの距離とともに指数関数的に減衰し、同じ周波数をもつ伝搬光の波長程度の距離でほぼ消えてしまう。そのため、遮光部材の厚さが１００ｎｍの場合は、可視光帯域の近接場光が開口部を通過する際に、そのエネルギーは数分の１から数十分の１に減少する。
【００８４】
以上の点を考慮すると、上述した第１実施の形態に係る近接場光プローブ１００において、中間層や接着層をなくすことに加えて、開口部１０４における近接場光の減衰を抑制することは、近接場光の検出効率を向上させる上で重要である。本発明の第２実施の形態に係る近接場光プローブにおいては、第１実施の形態に係る近接場光プローブ１００において、開口部１０４を超高波数伝達媒質で満たす。
【００８５】
図１０（ａ）および（ｂ）は、第２実施の形態に係る近接場光プローブの２つの例の構成を示す模式図である。図１０（ａ）に示す近接場光プローブ１１０は、第１実施の形態の係る近接場光プローブの構成において、開口部１０４に、超高波数伝達媒質１０２と同じ構成の超高波数伝達媒質１１２を満たしたものである。このように構成することで、試料表面から開口部１０４に到達した近接場光を、理論上は損失させることなく受光素子１０１の受光面１０１ａへ伝達できるので、きわめて高効率な近接場光プローブを実現することができる。
【００８６】
図１０（ｂ）に示す近接場光プローブ１２０は、図１０（ａ）に示した構成の近接場光プローブ１１０において、開口部１０４を、超高波数伝達媒質１０２とは異なる構成の超高波数伝達媒質１２２で満たしたものである。つまり、第１実施の形態の係る近接場光プローブの構成において、受光素子１０１と開口部１０４との間の空間、および、開口部１０４の内部の空間は、大きさが異なる上に、近接場光を伝達する距離も異なる。そのため、本実施の形態に係る近接場光プローブ１２０においては、開口部１０４の内部を満たす超高波数伝達媒質１２２は、近接場光が開口部１０４という狭い領域を効率よく通過できるように構成され、受光素子１０１と開口部１０４との間の空間を満たす超高波数伝達媒質１０２は、上述したように、より広い空間をより長い距離だけ近接場光が伝達できるように構成される。このように、それぞれの空間を異なるタイプの超高波数伝達媒質１０２，１２２で満たし、両者が接する領域で効率よく接続することで、全体としての光の伝達効率を高くでき、より受光感度の高い近接場光プローブを実現することが可能となる。
【００８７】
（第３実施の形態）
次に、本発明の第３実施の形態に係る近接場光プローブについて説明する。上述した第１および第２実施の形態では、超高波数伝達媒質として双曲型あるいは楕円型の分散を示す異方性媒質を用いた近接場光プローブを例示した。しかし、本発明に係る近接場光プローブは、超高波数伝達媒質として上記以外の媒質、例えば、誘電率または透磁率の実数部が負の媒質、つまり負の誘電率または透磁率を示す等方性媒質により構成された超高波数伝達媒質を用いて構成することもできる。
【００８８】
負の誘電率（透磁率）を示す媒質による結像作用は、一般に完全レンズ（あるいはスーパーレンズ）と呼ばれている。その動作原理については、例えば、非特許文献１に記載されている。誘電率と透磁率とがともに負になると、屈折率も負となって超高波数伝達媒質として機能する。また、誘電率または透磁率の一方だけが負であっても、特定の偏光状態に対しては超高波数伝達媒質として機能する。本明細書では、これらをまとめて負の媒質と呼ぶことにする。
【００８９】
負の媒質中では、エネルギーの伝達する向きにエバネッセント波が増幅される。本発明の近接場光プローブにおいて、開口部から受光素子までの空間あるいはその一部に負の媒質を設けると、負の媒質中でエバネッセント波が増幅される効果によって、開口部近傍の近接場光を高効率で受光素子へ伝達することができる。負の媒質を用いて結像を行う場合には、非特許文献１に示されているように、インピーダンスの整合や波数の異なる成分間の位相の整合に配慮する必要がある。しかし、近接場光プローブの場合には、点像を形成する必要がないので、波数の高い成分を効率よく伝達あるいは増幅しさえすればよい。
【００９０】
図１１（ａ）〜（ｅ）は、第３実施の形態に係る近接場光プローブの５つの例の構成を示す模式図である。図１１（ａ）に示す近接場光プローブ１３０は、第１実施の形態の係る近接場光プローブの構成において、受光素子１０１と開口部１０４との間および開口部１０４に、それぞれ負の媒質で構成された超高波数伝達媒質１３１を設けたものである。図１１（ｂ）に示す近接場光プローブ１３０は、図１１（ａ）において、受光素子１０１と開口部１０４との間の超高波数伝達媒質を、第１実施の形態の場合と同様に、異方性媒質で構成された超高波数伝達媒質１０２としたものである。図１１（ｃ）に示す近接場光プローブ１３０は、図１１（ｂ）とは逆に、受光素子１０１と開口部１０４との間の超高波数伝達媒質を、負の媒質で構成された超高波数伝達媒質１３１とし、開口部１０４を満たす超高波数伝達媒質を、異方性媒質で構成された超高波数伝達媒質１０２としたものである。
【００９１】
また、図１１（ｄ）に示す近接場光プローブ１３０は、図１１（ｃ）において、受光素子１０１と負の媒質で構成された超高波数伝達媒質１３１との間に空気層１３２を介在させたものである。図１１（ｄ）の構成の場合、非特許文献１にも記載されているように、負の媒質からなる超高波数伝達媒質１３１による結像には、レンズの厚さに応じて理想的な伝達距離がある。したがって、開口部１０４と受光面１０１ａとの距離が、この理想的な伝達距離に等しい場合、開口部１０４から漏れ込んだ光は、破線で示すように受光面１０１ａ上に収束する。
【００９２】
また、図１１（ｅ）に示す近接場光プローブ１３０は、図１１（ｄ）において、受光素子１０１と負の媒質で構成された超高波数伝達媒質１３１との間、および超高波数伝達媒質１３１と遮光部材１０３との間に、空気層１３２を介在させたものである。超高波数伝達媒質１３１による結像において、レンズの厚さに応じた理想的な伝達距離は、このように２つに分割されていてもよい。この場合にも、開口部１０４から漏れ込んだ光は、破線で示すように受光面１０１ａ上に収束する。
【００９３】
図１１（ｄ）および図１１（ｅ）に示す空気層１３２は、誘電体で満たすこともできる。例えば負の媒質として屈折率が−ｎ（ただしｎ＞０）である媒質を用いる場合、空気層１３２を屈折率ｎの誘電体で満たす方が、受光面１０１ａ上でよりよく収束する。さらに、負の媒質と誘電体のインピーダンスの値が近ければ近いほど、負の媒質と誘電体との境界面における反射によって失われる（あるいは迷光となる）光が少なくてよい。
【００９４】
しかし、近接場光プローブ１３０は、開口部１０４の近傍の光エネルギーを受光素子１０１へ伝達することが目的である。したがって、近接場光プローブ１３０は、必ずしも上記の結像関係を満たす必要はないが、上記の結像関係を満足すれば、光エネルギーを受光面１０１ａ上の狭い領域に効率よく集めることができる。これにより、受光効率の向上や受光素子１０１の小型化といった性能の向上が期待される。なお、図１１（ａ）〜（ｅ）において、開口部１０４は、観察条件や所望の伝達特性等に応じて、その全部あるいは一部を超高波数伝達媒質で満たすように、超高波数伝達媒質の充填率を設定することができる。また、図１１（ａ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）においては、開口部１０４の超高波数伝達媒質を省略することもできる。
【００９５】
（第４実施の形態）
図１２は、本発明の第４実施の形態に係る近接場光プローブの構成を示す模式図である。この近接場光プローブ１４０は、上述した実施の形態における近接場光プローブの受光素子と同様の受光素子１４１の受光面１４１ａ上に、遮光部材１４２を設け、この遮光部材１４２に、照射光の波長よりも小さい直径の微小な開口部１４３を形成したものである。
【００９６】
このように構成すれば、開口部１４３に到達した近接場光のエネルギーを失うことなく受光素子１４１へ伝達することができ、近接場光の検出効率および検出感度をきわめて高くできる。すなわち、超高波数伝達媒質は、理想的には任意の波数ｋＴに対して伝達効率１００％であるが、実際には、金属による光吸収や誘電体による誘電損失、表面反射、あるいは界面の凹凸による光散乱などがある。したがって、超高波数伝達媒質を省略すれば、それによる減衰（吸収）や損失がなくなる分、開口部１４３に漏れ込んだ近接場光を効率よく受光素子１４１に伝達することができる。
【００９７】
（第５実施の形態）
図１３は、本発明の第４実施の形態に係る走査型近接場光学顕微鏡のシステム構成を示す概略図である。この走査型近接場光学顕微鏡は、図１に示した走査型近接場光学顕微鏡において、光学顕微鏡の要素が除去され、図８（ａ）に示した構成の近接場光プローブ１００を探針として用いて試料１５を観察するものである。そのため、照明レンズ等を含む照明手段５１が設けられ、これにより試料１５に照明光を集光するように構成されている。なお、その他の構成は、図１に示した走査型近接場光学顕微鏡と同様であるので、同一構成要素には、同一参照符号を付して説明を省略する。
【００９８】
図１３に示す走査型近接場光学顕微鏡によると、図１に示した走査型近接場光学顕微鏡と同様に、光学顕微鏡で得られる画像よりも解像力の高い精細な光学的情報を有する画像を得ることができる。
【００９９】
（第６実施の形態）
図１４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第６実施の形態に係る近接場光プローブの構成を示す模式図である。図１４（ａ）に示す近接場光プローブ１５０は、図２に示した構成の近接場光プローブにおいて、遮光部材１０３の試料側の表面に、突起部１５１を設けたものである。突起部１５１は、図１４（ｂ）〜（ｄ）に試料側から見た図を示すように、開口部１０４の周辺に複数の半球状突起１５２を設けたり（図１４（ｂ））、開口部１０４を完全に取り囲むようにリング状突起１５３を設けたり（図１４（ｃ））、開口部１０４を挟んで、試料１５の走査方向と平行に２列の平行突起１５４ａ，１５４ｂを設けたりして構成される（図１４（ｄ））。なお、突起部１５１は、遮光部材１０３と同一材料で形成することもできるし、遮光部材１０３と異なる材料で形成することもできる。
【０１００】
このように、遮光部材１０３の試料側の表面に突起部１５１を設ければ、突起部１５１が試料１５と接触することにより、開口部１０４と試料１５との間隔を常に一定に保つことができ、近接場光プローブ１５０としての受光感度を高く維持することができる。
【０１０１】
つまり、図２に示した構成の近接場光プローブにおいて、超高波数伝達媒質１０２、遮光部材１０３、開口部１０４および受光素子１０１は、開口部１０４から所定の距離にある試料１５の表面からの散乱光を最も効率よく検出できるように設計される。そのため、この近接場光プローブを用いて十分に高い解像力で試料を観察するためには、近接場光プローブの開口部と試料との間隔を、開口部の大きさと同程度に保つ必要がある。
【０１０２】
一方、開口部１０４と試料１５があまり近づきすぎると、近接場光プローブと試料１５との接触により、開口部１０４の周辺が破損したり、剥離した試料１５の一部が開口部１０４を塞いだりして、良好な観察ができなくなる場合がある。また、開口部１０４と試料１５との間隔が観察（走査）の際に変化すると、開口部１０４を経て受光素子１０１により検出される光量が変化し、正確な観察ができなくなる場合がある。したがって、開口部１０４と試料１５との間隔は、開口部１０４の大きさと同程度、より好ましくは開口部１０４の大きさよりわずかに小さい値に安定に保つ必要がある。
【０１０３】
本実施の形態に係る近接場光プローブ１５０によれば、遮光部材１０３に設けられた突起部１５１が試料１５と接触することにより、開口部１０４と試料１５との間隔が常に一定に保たれるので、近接場光プローブ１５０としての受光感度を高く維持することができる。特に、図１４（ｂ）に示したように、突起部１５１を半球状突起１５２で構成する場合は、試料１５と接する部分の面積を小さくできるので、接触による試料１５側の磨耗を抑制することができる。また、図１４（ｃ）に示したように、突起部１５１をリング状突起１５３で構成する場合は、特に試料１５が剥離し易い場合に、剥離した試料１５の一部が開口部１０４を塞ぐのを防ぐことができる。また、図１４（ｄ）に示したように、突起部１５１を２列の平行突起１５４ａ，１５４ｂで構成する場合は、試料１５の観察する領域に突起１５４ａ，１５４ｂが触れるのを防止できる。
【０１０４】
なお、図１４（ａ）は、突起部１５１以外の構成として、図２に示した近接場光プローブの構成を例示するものであり、このような突起部１５１は、上述した実施の形態で説明した他の構成の近接場光プローブにも有効に適用することができる。
【０１０５】
本発明は、上記実施の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１２において、開口部１４３に、第２実施の形態や第３実施の形態で説明したように、超高波数伝達媒質を設けてもよい。これにより、開口部１４３での近接場光の減衰を防止でき、より高効率かつ高感度の近接場光プローブを得ることができる。さらに、図１３に示した走査型近接場光学顕微鏡では、図８（ａ）に示した構成の近接場光プローブ１００を用いているが、本発明に係るその他の近接場光プローブを用いることも、勿論可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０  近接場光プローブ
１０１，１４１  受光素子
１０１ａ，１４１ａ  受光面
１０２，１１２，１２２  超高波数伝達媒質
１０３，１４２  遮光部材
１０４，１４３  開口部
１５１  突起部
【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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