JP2007065183A

JP2007065183A - 負屈折を示す媒質及び光学系

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Publication number: JP2007065183A
Application number: JP2005249671A
Authority: JP
Inventors: Kimihiko Nishioka; 公彦西岡
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】用いる光の波長λと同程度あるいはそれよりも小さな寸法の光分配器あるいは光伝送器としての光学系を提供すること。
【解決手段】負屈折を示す媒質で形成された平行平板を複数枚（５０４，５０５）有する光学系であって、平行平板５０４，５０５は分離して配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、負屈折を示す媒質で形成された平行平板を複数枚有する光学系に関する。

光あるいは電磁波を用いた光学素子、撮像光学系、観察光学系、投影光学系、信号処理系等の光学系及びそれらを用いた光学装置が従来より知られている。これらの光学系は光あるいは電磁波の波動性のために生ずる回折の為に、解像、点像強度分布の大きさが制限される欠点があった。

そこでこの回折限界を越える結像を実現する技術として以下の非特許文献２，５等では負屈折率媒質を用いることが記されている。

図１２は、その説明図で、負屈折率媒質３０１で形成された平行平板３８０による結像を示したものである。図１２において、
ａ…物点と平板３８０の左側面の距離、ｂ…像点と平板３８０の右側面の距離
ｔ…平板３８０の厚さ、ｉ…入射角、ｒ…屈折角、ｎ_s…負屈折率媒質３０１の真空に対する屈折率、とする。

平行平板３８０の周囲の真空に対する屈折率はｎ₀であり真空の場合ｎ₀＝１である。図１２はｎ₀＝１，ｎ_s＝−１の場合を示している。

矢印は物体から出た光のうちの放射光成分を示している。非特許文献２によれば屈折の法則が成り立つから
ｎ₀sin ｉ＝ｎ_ssin ｒ …式１０１
であり、ｎ₀＝１，ｎ_s＝−１とすれば
ｒ＝−ｉ …式１０２
となる。従って、
ａ＋ｂ＝ｔ …式１０３
を満たすｔ₀′のところに放射光成分の光は像点として結像する。

一方、物点から出たエバネッセント波も式１０３を満たすｂのところで、物点と等強度になる。物体から出たすべての光が像点に集まるので回折限界を越える結像が実現する。これを完全結像と呼ぶ。完全結像は負屈折率媒質３０１の周囲が真空でなくても、式１０３かつ
ｎ_s＝−ｎ₀ …式１０４
を満たせば実現することが以下の非特許文献２により知られている。

なお４０８は撮像素子である。

一方光信号処理回路，光ＩＣ，光ＬＳＩ等では光を２つに分ける光分配器が用いられている。

図１３はその一例で光導波路を用いた光分配器５０１の例である。光源（たとえば半導体レーザー）３２１からの光は、光分配器５０１で２つに分けられ受光素子３２４に入射する。光の通過路５０２の屈折率はその周囲５０３の屈折率よりも高く構成されている。
光学系の仕組みと応用、７３−７７，１６６−１７０オプトロニクス社、２００３年 J.B.Pendry Phys.Rev.Lett., Vol.85,18(2000)3966-3969 M.Notomi Phys.Rev.B.Vol.62(2000)10696 V.G.Veselago Sov.Phys.Usp.Vol.10,509-514(1968) L.Liu and S.He Optics Express Vol.12 No.20 4835-4840(2004) 佐藤・川上オプトロニクス２００１年７月号１９７ページ Fang,etal., SCIENCE Vol.308-534(2005) ＵＳ２００３／０２２７４１５Ａ１ＵＳ２００２／０１７５６９３Ａ１

しかしながら、図１３のような導波路の場合、その寸法を小さくしていき、使用する光の波長λよりも小さくすると、光が通過路５０２から外へ漏れてしまうという欠点があった。導波路は光伝送器の一つである。

本発明は上記従来の欠点を克服しながら、たとえば用いる光の波長λと同程度あるいはそれよりも小さな寸法の光分配器あるいは光伝送器としての光学系を提供するものである。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、負屈折を示す媒質で形成された複数の平行平板を有する光学系であって、前記複数の平行平板は互いに分離して配置されている。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記複数の平行平板のうちの一組が互いに非平行に配置されている。

また、本発明の第３の態様は、光学系であって、負屈折を示す媒質で形成されたプリズムと前記プリズムの斜面に配置された媒質を有し、前記斜面が全反射をする。

また、本発明の第４の態様は、第１の態様において、光源を有し前記光学系が光分配器である。

また、本発明の第５の態様は、第１の態様において、前記光学系が光伝送器である。

また、本発明の第６の態様は、負屈折を示す媒質であって、負屈折を示す媒質に電場又は電流を加えることにより、負屈折を示す媒質に電場を加えることにより、前記負屈折を示す媒質の屈折率、または誘電率、または透磁率を変化させる。

また、本発明の第７の態様は、負屈折を示す媒質であって、負屈折を示す媒質に磁場を加えることにより、前記負屈折を示す媒質の屈折率、または誘電率、または透磁率を変化させる。

本発明によれば、光が外に漏れるという欠点を克服しながら、たとえば用いる光の波長λと同程度あるいはそれよりも小さな寸法の光分配器あるいは光伝送器としての光学系を提供することが可能になる。

図１は本発明の第１実施形態の構成を示しており、負屈折率媒質３０１によって形成された平行平板５０４，５０５を用いた光分配器５０６の光学系の例である。

光源５０７から出た光のうち平行平板５０４の光入射面５０４Ａに入射した光は図１２の原理に従って受光器５０８にほぼ完全結像する。

一方、光源５０７から出た光のうち平行平板５０５の光入射面５０５Ａに入射した光は図１２の原理に従って受光器５０９にほぼ完全結像する。

ここで、
５０４Ｂ…平行平板５０４の光出射面、５０５Ｂ…平行平板５０５の光出射面、
ａ₁…光源５０７と光入射面５０４Ａの距離、ｂ₁…受光器５０８と光出射面５０４Ｂの距離、ｔ₁…平行平板５０４の厚さ、ａ₂…光源５０７と光入射面５０５Ａの距離、
ｂ₂…受光器５０８と光出射面５０５Ｂの距離、ｔ₂…平行平板５０５の厚さ、
ｎ_s1…平行平板５０４の真空に対する屈折率、ｎ_s2…平行平板５０５の真空に対する屈折率、ｎ₀…平行平板５０４，５０５の周囲の媒質の真空に対する屈折率、θ…光入射面５０４Ａと光入射面５０５Ａとのなす角
である。

そして
ａ₁＋ｂ₁＝ｔ₁ …式１１１
ａ₂＋ｂ₂＝ｔ₂ …式１１２
ｎ_s1＝ｎ_s2＝−ｎ₀ …式１１３
がなりたつようにａ₁，ｂ₁，ｔ₁，ａ₂，ｂ₂，ｔ₂，ｎ_s1，ｎ_s2，ｎ₀は選ぶものとする。

このようにすることで光源５０７の光は受光器５０８，５０９に分配されて入射することになる。そして完全結像が成り立つので光分配器５０６の大きさをλ並、あるいはそれ以下にした場合でも、もれる光の割合が少ないメリットがある。

もちろん光分配器５０６の光学系の大きさはλ以上であってもよい。光源５０７としては量子ドットレーザー、フォトニック結晶を用いたレーザー、フォトニック結晶を用いた導波路の光出射端、発光ダイオード、光を発する物体、光を発する像等を用いればよい。さらに光源５０７の近傍に複数個の光源があってもよい。

受光器５０８，５０９としては量子ドット、フォトダイオード、フォトニック結晶等を用いた導波路の入射端、発光素子、撮像素子等を用いればよい。受光器５０８，５０９の近傍に複数個の受光器があってもよい。

なお、図１の具体例としては、
ａ₁＝２５ｎｍ（ナノメートル）、ｂ₁＝１５ｎｍ、ｔ₁＝４０ｎｍ、ａ₂＝２２ｎｍ、
ｂ₂＝１８ｎｍ、ｔ₂＝４０ｎｍ、ｎ_s1＝−１．４、ｎ_s2＝−１．４、ｎ₀＝１．４、
θ＝９０°、λ＝４００ｎｍ
である。

実用的には式１１１，式１１２，式１１３は厳密に成り立たなくてもよく、それぞれ次式にまで緩和される。

０．８（ａ₁＋ｂ₁）≦ｔ₁≦１．２（ａ₁＋ｂ₁） …式１１１−２
０．８（ａ₂＋ｂ₂）≦ｔ₂≦１．２（ａ₂＋ｂ₂） …式１１２−２

用途によっては
０．５（ａ₁＋ｂ₁）≦ｔ₁≦１．６（ａ₁＋ｂ₁） …式１１１−３
０．５（ａ₂＋ｂ₂）≦ｔ₂≦１．６（ａ₂＋ｂ₂） …式１１２−３

でも良い場合がある。

なお図１で平行平板５０４と５０５を１つにつなげて図２に示すようなＬ字型の平行平板５１１にすることもできる。

リソグラフィー，蒸着，スパッタリング等の方法で平行平板５０４，５０５，５１１を製造することもできる。

図３は、本発明の第２実施形態の構成を示しており、図１の例でθを９０°より小さくし、５５°とした光分配器５１２の光学系である。

５０４Ａと５０５Ａとがぶつかりにくくなり、５０４Ａ，５０５Ａの面積が広くとれるので、より完全結像が実現しやすくなるメリットがある。

図２の例と同様に、平行平板５０４と５０５とを一体にしてつなげてＶの字型にしてもよい。この例でも式１１１〜式１１３−３−２は同様に成り立つ。なおθの値は９０°より大きくしてもよい。

図３の具体例としては、
ａ₁＝ａ₂＝１００ｎｍ、ｔ₁＝ｔ₂＝２００ｎｍ、ｂ₁＝ｂ₂＝１００ｎｍ
ｎ_ｓ1＝−１、ｎ_ｓ2＝１、θ＝５５°、λ＝８５０ｎｍ
である。

図４は本発明の第３実施形態の構成を示しており、図１の構成において、θを０°とした光分配器５１５の例である。この構成では光入射面５０４Ａと５０５Ａとがまったくぶつからないので光入射面５０４Ａ，５０５Ａの面積を図３の実施形態よりさらに広くとることができ、完全結像が実現しやすくなる。

この例でも式１１１〜式１１３−３−２は同様に成り立つ。また、ｎ₀の値を平行平板５０４の周囲つまりａ₁，ｂ₁の領域と、平行平板５０５の周囲つまりａ₂，ｂ₂の領域で異ならせてもよい。それぞれのｎ₀について式１１３−３−１，式１１３−３−２は成り立つ。このことは本願の他の発明にも適用できる。

図５は本発明の第４実施形態の構成を示している。図５は４つの負屈折媒質で形成された平行平板５０４，５０５，５１６，５１７を用いた光分配器５２０の例であり、光を４つに分配できる特徴がある。

図５において、５２１，５２２は受光器である。

５１６Ａ…５１６の光入射面、５１６Ｂ…５１６の光出射面
５１７Ａ…５１７の光入射面、５１７Ｂ…５１７の光出射面
ａ₃…５２１と５１６Ａの距離、ｂ₃…５２１と５１６Ｂの距離、ｔ₃…５１６の厚さ、
ａ₄…５２２と５１７Ａの距離、ｂ₄…５２２と５１７Ｂの距離、ｔ₄…５１７の厚さ
ｎ_ｓ3…５１６の真空に対する屈折率、ｎ_ｓ4…５１７の真空に対する屈折率
ｎ₀…５０４，５０５，５１６，５１７の周囲の媒質の真空に対する屈折率
θ₁…５０４Ａと５０５Ａとのなす角、θ₂…５０４Ａと５１６Ａとのなす角
θ₃…５１６Ａと５１７Ａとのなす角、θ₄…５１７Ａと５０５Ａとのなす角
である。

ａ_i，ｂ_i，ｔ_i，ｎ_si（ｉは１〜４の自然数）は、式１１１〜１１３−３−２で、添字１，２をｉでおきかえた式を満す。

平行平板５０４，５０５，５１６，５１７，を一つにつなげて矩形状にし、光源５０７を取り囲むようにしてもよい。あるいは３つ、あるいは５つ以上の平行平板をつなげて、多角形の形状に配置してもよい。

また、
ｔ_i≦ λ …式１１４
を満すようにすれば、負屈折率媒質の光吸収によって生ずる、完全結像からの結像性質の低下が少なくてよい。

式１１４は図１〜４、後述の図６の例にも適用できる。

図５の具体例としては、
ａ₁＝ａ₂＝ａ₃＝ａ₄＝６０ｎｍ、ｂ₁＝ｂ₂＝ｂ₃＝ｂ₄＝２０ｎｍ
ｔ₁＝ｔ₂＝ｔ₃＝ｔ₄＝８０ｎｍ、ｎ_ｓ1＝ｎ_ｓ2＝ｎ_ｓ3＝ｎ_ｓ4＝−１．００３
ｎ₀＝１．００３、θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝９０°、λ＝１５００ｎｍ
である。光分配器５２０の周囲の媒質は空気である。

図６は本発明の第５実施形態の構成を示している。この構成は、図３の例における光源５０７を取り除き、受光器５０９を取り除いた光源５０７で置き換えたものである。このような構成によれば、光は下→中央→右上と伝送され、屈曲した光路の光伝送が可能となる。矢印のついた線分は光源５０７から発せられた光のうち放射光成分の進路を表わす。

この場合でも式１１１〜式１１３−３−２は同様に成り立つ。

同様に、図１，２，４，５の実施形態においても受光器５０８，５０９の配置を変えることで光伝送器に用いることができる。

図１〜６に示した光学系は光分配器あるいは光伝送器等として光ＬＳＩ，光ＩＣ，信号処理装置，各種光学装置に用いることができる。

図７は本発明の第６実施形態の構成を示している。この構成では、負屈折率媒質で形成された全反射プリズム５３０の光学系で、光伝送器として用いられるものである。

ここでの全反射プリズム５３０は、２等辺三角形のプリズム５３１と、該プリズム５３１の斜面に設けられた媒質５３２とから形成されている。５３４は全反射プリズム５３０の入射面、５３５は全反射プリズム５３０の出射面である。ここで、
ｎ_pr…５３１の屈折率、ｎ_k…５３２の屈折率、ｎ₀…５３０の周囲の屈折率
β…三角形の相等しい頂角、α…β以外の第３番目の頂角、
ａ…５０７と５３４の距離、ｂ…５０８と５３５の距離
Ｌ₁…光軸と５３４の交点と光軸と５３３の交点との距離
Ｌ₂…光軸と５３５の交点と光軸と５３３の交点との距離
とする。

図７で左方から光軸に沿って全反射プリズム５３０に入射した光が斜面５３３で全反射するためには

を満たすことが必要である。
ここで
ｎ_pr ＜０ …式１１７
であり、ｎ_kの符号は正でも負でもよい。

また
ｎ_pr ＝ −ｎ₀ …式１１８
とすれば無収差の結像が実現できるのでよい。

光源５０７から出た光は
ａ＋ｂ＝Ｌ₁＋Ｌ₂ …式１１９
をみたす位置に結像する。

通常の正の屈折率を有する媒質で作られたプリズムと異なり、プリズム単体で結像作用を有するメリットがある。また光ＬＳＩ，結像光学系，撮像装置，信号処理装置，各種光学装置に広く用いることができる。

実用的には、光軸に対して傾斜した光も全反射させた方が良いので式１１６に代わって

を満すとよい。

を満すとなお良い。

｜β｜≦１であるから式１１６より

である。式１１６−２，式１１６−３から同様に

を得る。
式１１６，１１６−２，１１６−３のかわりに式１１６−５，１１６−６，１１６−７を満すようにしてもよい。

とすればより全反射しやすくなるので、なお良い。

実用的には多少収差が残ってもよいので式１１８に代わって、

をみたせばよい。

用途によっては

をみたせばよい。
光源５０７，受光器５０８は式１１９を満す結像関係にあるが、光源５０７，受光器５０８を実際に置く位置は式１１９から多少ずれていてもよく、
０．８（ａ＋ｂ）≦Ｌ₁＋Ｌ₂≦１．２（ａ＋ｂ） …式１１９−２
であればよい。

用途によっては
０．６（ａ＋ｂ）≦Ｌ₁＋Ｌ₂≦１．２（ａ＋ｂ） …式１１９−３
であればよい。

図７の実施形態の変形例としては
ｎ_pr＝−１、ｎ_k＝−０．５、ｎ₀＝１、β＝４５°、α＝９０°
ａ＝０．６μｍ（ミクロメータ）、ｂ＝０．５μｍ、Ｌ₁＝０．５５μｍ、
Ｌ₂＝０．５５μｍ、λ＝１．３μｍである。

他の変形例としては
ｎ_pr＝−１．５、ｎ_k＝０．６、ｎ₀＝１．５、β＝５５°、α＝７０°
ａ＝５μｍ、ｂ＝７μｍ、Ｌ₁＝６．５μｍ、Ｌ₂＝５．５μｍ、λ＝０．８μｍ
である。

なお図１〜７で１点鎖線が光学系としての光軸を表わすものとする。太い矢印は光の進む方向を示している。

本発明の光学系は光回路，光ＩＣ，光ＬＳＩ等の光信号処理系に用いるとよい。

本発明は、紫外光，可視光，近赤外光，赤外光，遠赤外光，テラヘルツ波，マイクロ波等に利用すると良い。負屈折率媒質の持つ色収差の影響を軽減するためには単一波長の光あるいは波長域の狭い光（例えば幅１００ｎｍ以下）を用いると良い。

以下、本発明に共通して言える内容を述べる。負屈折率媒質３０１の具体的な物質としてはフォトニック結晶が挙げられる。図８は、フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示し、図９は、フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示している。図８，図９に示すように、フォトニック結晶３４０はλ〜数十分の１λ程度の周期的な構造を持つ物質で、リソグラフィー等によって作られる。材質はＳｉＯ₂アクリル、ポリカーボネート等の合成樹脂などの誘電体、ＧａＡｓ等である。ここでλは使用する光の波長である。図中のＸ，Ｙ，Ｚ方向の繰返しの周期Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚの値がλ〜数十分の１λ程度の値を持つ。フォトニック結晶のバンド端近傍で負屈折率を実現することができることが知られている（非特許文献３を参照のこと）。図のｚ方向を光学系の光軸とするのが良い。

Ｚ軸はフォトニック結晶の回転対称性の最も良い軸の方向である。

Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚは次式のいずれかを満すことが望ましい。

λ／１０＜Ｓｘ＜λ …式５−１
λ／１０＜Ｓｙ＜λ …式５−２
λ／１０＜Ｓｚ＜λ …式５−３
Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚの値が上限を越えても下限を下回ってもフォトニック結晶として機能しなくなる。

用途によっては、
λ／３０＜Ｓｘ＜４λ …式５−４
λ／３０＜Ｓｙ＜４λ …式５−５
λ／３０＜Ｓｚ＜４λ …式５−６
のいずれかを満せばよい。

図８、図９は３次元のフォトニック結晶の例であるが、２次元のフォトニック結晶を用いてもよい。

負屈折率媒質についてであるが、媒質の比誘電率εが負で、かつ、媒質の比誘電率μが負のとき、媒質の屈折率が

になることが知られている。
また、負屈折率媒質としては、負屈折を示す物質、近似的に負の屈折を示す物質、例えば銀、金、銅等の薄膜、特定の偏光方向について負屈折率を示す物質、誘電率εが負の物質の薄膜等を用いてもよい。

また、負屈折率媒質のことを左手系材料（Left handed material）と呼ぶこともある。本願ではこれら負屈折率媒質、左手系材料、近似的に負の屈折を示す物質、特定の偏光方向について負屈折率を示す物質、誘電率εが負の物質の薄膜等をすべて含めて負屈折を示す媒質と呼ぶことにする。完全結像を示す物質も負屈折を示す媒質に含まれる。また、誘電率εが負の物質の薄膜の場合、
ε＝−ε_c …式５−６−９
を満すとほぼ完全結像が実現するので良い。また実用的には、
−１．２ε_c≦ε≦−０．８ε_c …式５−７
を満すとよい。用途によっては、
−１．７ε_c≦ε≦−０．５ε_c …式５−８
でもよい。

但しε_cは誘電率εの物質の薄膜と接する媒質、あるいは周囲の媒質の誘電率である。

また、負屈折率媒質の屈折率が製造誤差等で所望の値にならない場合がある。たとえば屈折率を−１にしたいのであるが、実際に製作された負屈折率媒質の屈折率は−１．１であった、というような場合である。このような事態に対処するためには例えば次のようにするのが良い。

図１０，図１１は、その一例であり、電気光学効果あるいは磁気光学効果を有する材料で作ったフォトニック結晶に電場あるいは磁場を加えられるようにした構成である。

５４０…電気光学効果を有する物質で作ったフォトニック結晶、５４１…電極
５４２…抵抗、５４３…可変抵抗、５４４…スイッチ、５４５…直流電源
５５０…磁気光学効果を有するフォトニック結晶、５５１…コイル、５５２…鉄芯
図１０ではフォトニック結晶５４０に２つの電極５４１を通じて電場が加えられるようになっており、加える電場の強さは可変抵抗５４３で変化させることができる。このようにすることでフォトニック結晶５４０の屈折率が電場の強さによって変化するので、屈折率を所望の値に一致させることができるのである。

フォトニック結晶５４０の製作に用いることができる電気光学効果を有する材料としては、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃，ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃，ＫＤＰ（ＫＤ₂ＰＯ₄）等がある。フォトニック結晶５４０としてはフォトニック結晶の他、電気光学効果を有する負屈折を示す媒質であれば用いることができる。

図１０でフォトニック結晶の代わりに負屈折を示す媒質を用いてもよい。

誘電率εあるいは透磁率μの値を変化させたい場合も同様に負屈折を示す媒質に電場を加えてやればよい。

図１１では、フォトニック結晶５５０に加える磁場の強さを変えることによって、フォトニック結晶５５０の屈折率を変化させて所望の値にできるようになっている。

フォトニック結晶５５０の製作に用いることができる磁気光学効果を有する材料としては、アモルファスガドリニウム・コバルト，鉛ガラス等がある。

フォトニック結晶５５０としてはフォトニック結晶の他、磁気光学効果を有する負屈折を示す媒質であれば用いることができる。

図１１でフォトニック結晶の代わりに負屈折を示す媒質を用いてもよい。

誘電率ε、あるいは透磁率μの値を変化させたい場合も、同様に負屈折を示す媒質に磁場を加えてやればよい。

以上では、電場又は磁場を加えたが、その代わりにフォトニック結晶等、負屈折を示す媒質に電流を加えて、屈折率、誘電率ε、透磁率μのいずれかを変化させてもよい。

用いる光の波長としては主に単色光の光源のほか連続スペクトルの光源、白色光源、複数の単色光の和、スーパールミネッセントダイオード等の低コヒーレンス光源等を用いてもかまわない。

また本願で光という用語を用いた場合、任意の振動数の電磁波も含むものとする。特に波長をλとするとき、
１００ｎｍ≦λ≦２０ｃｍ …式２８０
の電磁波について用いると、実用上メリットが大きい。

また波長としては空気中でも伝送可能なこと、光源が入手しやすいこと等から、０．１μｍ〜３μｍを用いるとさらによい。可視波長ならばさらに利用しやすいので良い。波長を０．６μｍ以下にすれば、点像強度分布が小さくなるのでなお良い。

なお、負屈折率媒質を含む光学系の光軸に沿って計測した長さは２０ｍ以下とすれば、光学系及び光学装置が製作しやすいのでなお良い。

また、本願で完全結像という用語を用いたが、これは１００％完全な結像が行われない場合も含むものとする。つまり、例えば、通常の回折効果よりは点像強度分布が小さくなっているというような場合も含めるものとする。

最後に、本実施形態で用いられる技術用語の定義を述べておく。

光学装置とは、光学系あるいは光学素子を含む装置のことである。光学装置単体で機能しなくてもよい。つまり、装置の一部でもよい。

光学装置には、撮像装置、観察装置、表示装置、照明装置、信号処理装置、光情報処理装置、投影装置、投影露光装置、等が含まれる。

撮像装置の例としては、フィルムカメラ、デジタルカメラ、ＰＤＡ用デジタルカメラ、ロボットの眼、レンズ交換式デジタル一眼レフカメラ、テレビカメラ、動画記録装置、電子動画記録装置、カムコーダ、ＶＴＲカメラ、携帯電話のデジタルカメラ、携帯電話のテレビカメラ、電子内視鏡、カプセル内視鏡、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、監視装置のカメラ、各種センサーの眼、録音装置のデジタルカメラ、人工視覚、レーザー走査型顕微鏡、投影露光装置、ステッパー、アライナー、光プローブ型顕微鏡等がある。デジカメ、カード型デジカメ、テレビカメラ、ＶＴＲカメラ、動画記録カメラ、携帯電話のデジタメカメラ、携帯電話のテレビカメラ、車載カメラ、人工衛星のカメラ、惑星探査機のカメラ、宇宙探査機のカメラ、録音装置のデジタルカメラなどはいずれも電子撮像装置の一例である。

観察装置の例としては、顕微鏡、望遠鏡、眼鏡、双眼鏡、ルーペ、ファイバースコープ、ファインダー、ビューファインダー、コンタクトレンズ、眼内レンズ、人工視覚等がある。

表示装置の例としては、液晶ディスプレイ、ビューファインダー、ゲームマシン（ソニー社製プレイステーション）、ビデオプロジェクター、液晶プロジェクター、頭部装着型画像表示装置（ｈｅａｄｍｏｕｎｔｅｄｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）、ＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯電話、人工視覚等がある。

ビデオプロジェクター、液晶プロジェクター、等は投影装置でもある。

照明装置の例として、カメラのストロボ、自動車のヘッドライト、内視鏡光源、顕微鏡光源等がある。

信号処理装置の例としては、携帯電話、パソコン、ゲームマシン、光ディスクの読取・書込装置、光計算機の演算装置、光インターコネクション装置、光情報処理装置、光ＬＳＩ、光コンピュータ、ＰＤＡ等がある。

情報発信装置とは、携帯電話、固定式の電話、ゲームマシン、テレビ、ラジカセ、ステレオ等のリモコンや、パソコン、パソコンのキーボード、マウス、タッチパネル等の何らかの情報を入力し、送信することができる装置を指す。

撮像装置のついたテレビモニター、パソコンのモニター、ディスプレイも含むものとする。

情報発信装置は、信号処理装置の中に含まれる。

撮像素子は、例えばＣＣＤ、撮像管、固体撮像素子、写真フィルム、フォトレジスト等を指す。また、平行平面板はプリズムの１つに含まれるものとする。観察者の変化には、視度の変化を含むものとする。被写体の変化には、被写体となる物体距離の変化、物体の移動、物体の動き、振動、物体のぶれ等を含むものとする。撮像素子、ウエハー、光ディスク、銀塩フィルム、等は結像部材の例である。

拡張曲面の定義は以下の通りである。

球面、平面、回転対称非球面のほか、光軸に対して偏心した球面、平面、回転対称非球面、あるいは対称面を有する非球面、対称面を１つだけ有する非球面、対象面のない非球面、自由曲面、微分不可能な点、線を有する面等、いかなる形をしていても良い。反射面でも、屈折面でも、光になんらかの影響を与えうる面ならば良い。

本発明では、これらを総称して拡張曲面と呼ぶことにする。

結像光学系とは、撮像光学系、観察光学系、投影光学系、投影露光光学系、表示光学系、信号処理用光学系等を指す。

撮像光学系の例としてはデジタルカメラの撮像用レンズがある。

観察光学系の例としては顕微鏡光学系、望遠鏡光学系等がある。

投影光学系の例としてはビデオプロジェクターの光学系、リソグラフィー用の光学系、光ディスクの読み出し、書き込み光学系、光ピックアップの光学系等がある。

投影露光光学系の例としてはリソグラフィー用の光学系がある。

表示光学系の例としてはビデオカメラのビューファインダーの光学系がある。

信号処理光学系の例としては光ディスクの読み出し、書き込み光学系、光ピックアップの光学系、光ＬＳＩの光学系がある。

光学素子とはレンズ、非球面レンズ、鏡、ミラー、プリズム、自由曲面プリズム、回折光学素子（ＤＯＥ）、不均質レンズ等を指すものとする。平行平板も光学素子のひとつである。

（付記）
１．負屈折を示す媒質で形成された複数の平行平板を有する光学系であって、前記複数の平行平板は互いに分離して配置されている事を特徴とする光学系。

２．負屈折を示す媒質で形成された複数の平行平板を有する光学系であって、前記複数の平行平板のうちの一組が結合され一体化されていることを特徴とする光学系。

３．負屈折を示す媒質で形成された複数の平行平板を有する光学系であって、前記複数の平行平板のうちの一組が結合されＶ字形、あるいはＬ字形に一体化されていることを特徴とする光学系。

４．負屈折を示す媒質で形成された平行平板を３枚以上有する光学系であって、前記平行平板の一部が結合され多角形に一体化されていることを特徴とする光学系。

５．前記平行平板のうちの一組が互いに非平行に配置されていることを特徴とする１乃至４の光学系。

６．前記平行平板のうちの一組が互いに直角に配置されていることを特徴とする１乃至４の光学系。

７．前記平行平板のうちの一組のなす角が９０度より大きく配置されていることを特徴とする１乃至４の光学系。

８．前記平行平板のうちの一組のなす角が９０度より小さく配置されていることを特徴とする１乃至４の光学系。

９．光源と受光器を有し、式１１１−３、１１２−３のいずれかを満たす１乃至８の光学系。

１０．式１１３−３−１、１１３−３−２のいずれかを満たす１乃至８の光学系。

１１．前記光学系の大きさが用いる光の波長以下である１乃至８の光学系。

１２．式１１４を満たす１乃至８の光学系。

１３．負屈折を示す媒質で形成されたプリズムと前記プリズムの斜面に配置された媒質を有し、前記斜面が全反射をする光学系。

１４．負屈折を示す媒質で形成されたプリズムと前記プリズムの斜面に配置された媒質を有し、式１１６かつ式１１７を満たす光学系。

１５．式１１８−３を満たす１３の光学系。

１６．光源と受光器を有し、式１１９−３を満たす１３の光学系。

１７．光源を有し、前記光学系が光分配器であることを特徴とする１乃至１２の光学系。１８．前記光学系が光伝送器であることを特徴とする１乃至１６の光学系。

１９．前記負屈折を示す媒質が負屈折率媒質であることを特徴とする１乃至１８の光学系。

２０．前記負屈折を示す媒質が式５−６−９を満たし、誘電率が負の媒質であることを特徴とする１乃至１８の光学系。

２１．前記負屈折を示す媒質がフォトニック結晶であることを特徴とする１乃至２０の光学系。

２２．前記負屈折を示す媒質としてフォトニック結晶を用い、かつ当該フォトニック結晶の回転対称性の最も良い軸が前記光学系の光軸方向を向いていることを特徴とする１乃至２１の光学系。

２３．前記負屈折を示す媒質が完全結像の性質を示す媒質であることを特徴とする１乃至２２の光学系。

２４．用いる光が、単一の波長を持つ光である１乃至２３の光学系。

２５．１乃至２３の光学系を用いた光ＬＳＩ。

２６．１乃至２４の光学系を用いた信号処理装置。

２７．１乃至２４の光学系を用いた光学装置。

２８．負屈折を示す媒質に電場又は電流を加えることにより、前記負屈折を示す媒質の屈折率、または誘電率、または透磁率を変化させることを特徴とする負屈折を示す媒質。

２９．電場又は電流を加えるための電極を有する２８の光学系。

３０．負屈折を示す媒質に磁場を加えることにより、前記負屈折を示す媒質の屈折率、または誘電率、または透磁率を変化させることを特徴とする負屈折を示す媒質。

３１．磁場を加えるためのコイルを有する３０の光学系。

３２．２８乃至３１で負屈折を示す媒質が負屈折率媒質である。

３３．２８乃至３１で負屈折を示す媒質がフォトニック結晶である。

本発明の第１実施形態の構成を示す図である。本発明の第１実施形態の変形例を示す図である。本発明の第２実施形態の構成を示す図である。本発明の第３実施形態の構成を示す図である。本発明の第４実施形態の構成を示す図である。本発明の第５実施形態の構成を示す図である。本発明の第６実施形態の構成を示す図である。フォトニック結晶３４０の第１の具体例を示す図である。フォトニック結晶３４０の第２の具体例を示す図である。電気光学効果あるいは磁気光学効果を有する材料で作ったフォトニック結晶に電場あるいは磁場を加えられるようにした構成（その１）である。電気光学効果あるいは磁気光学効果を有する材料で作ったフォトニック結晶に電場あるいは磁場を加えられるようにした構成（その２）である。従来技術の第１の構成を示す図である。従来技術の第２の構成を示す図である。

符号の説明

５０４平行平板
５０４Ａ光入射面
５０４Ｂ光出射面
５０５平行平板
５０５Ａ光入射面
５０５Ｂ光出射面
５０６光分配器
５０７光源
５０８受光器
５０９受光器

Claims

負屈折を示す媒質で形成された複数の平行平板を有する光学系であって、前記複数の平行平板は互いに分離して配置されている事を特徴とする光学系。
前記複数の平行平板のうちの一組が互いに非平行に配置されていることを特徴とする請求項１記載の光学系。
負屈折を示す媒質で形成されたプリズムと、前記プリズムの斜面に配置された媒質とを有し、前記斜面が全反射をすることを特徴とする光学系。
光源を有し、前記光学系が前記光源からの光を分配する光分配器であることを特徴とする請求項１記載の光学系。
前記光学系が光伝送器であることを特徴とする請求項１記載の光学系。
負屈折を示す媒質に電場又は電流を加えることにより、前記負屈折を示す媒質の屈折率、または誘電率、または透磁率を変化させることを特徴とする負屈折を示す媒質。
負屈折を示す媒質に磁場を加えることにより、前記負屈折を示す媒質の屈折率、または誘電率、または透磁率を変化させることを特徴とする負屈折を示す媒質。