JP2003057420A - 光収束用光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 開口数が大きく収差の少ない収束光を提供す
る光収束用の光学素子を実現する。 【解決手段】 光を収束させる回折格子を複数備え、複
数の回折格子を順に経由するように光を進行させて、回
折格子ごとに光の収束度を高める構成の光学素子とす
る。回折格子としては、透過型のもののみ、反射型のも
ののみ、または両者を用いる。回折格子の配設位置は素
子の表面または内部とし、同一面に２つの回折格子を配
設する構成も可能である。得られる収束光の収束位置を
素子の出射面上としてソリッドイマージョン素子とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を収束させる光
学素子、特に、開口数の大きな収束光を提供する光学素
子に関し、例えば顕微鏡や光記録装置の光学系に利用さ
れる。

【０００２】

【従来の技術】光を用いて試料の観察を行う光学顕微鏡
や、光を用いて情報の記録、再生、消去を行う光記録装
置では、解像度や記録密度を高めるために、試料や記録
媒体の微小な範囲に光を収束させる必要がある。収束光
が形成するスポットの大きさは開口数（ＮＡ）に反比例
し、収束光のＮＡを大きくするほどスポット径を小さく
することができる。

【０００３】ＮＡは、収束光が進む媒体の屈折率ｎと収
束光がその光軸と成す最大角（最外縁の光線と光軸の成
す角）θmaxを用いて、式１で表される。 ＮＡ＝ｎ・ｓｉｎ(θmax) … 式１

【０００４】したがって、収束光が形成するスポットの
径を小さくするためには、最大角θmaxを大きくするこ
とに加えて、媒体の屈折率ｎを大きくすることが有効で
ある。顕微鏡におけるイマージョン技術は後者を利用し
たものであり、対物レンズと試料との間に高屈折率の液
体を満たすことによってＮＡを大きくしている。高屈折
率の液体としてオイルを用いるのがオイルイマージョ
ン、水を用いるのがウォーターイマージョンであり、液
体に代えて固体を用いるのがソリッドイマージョン（固
浸）である。

【０００５】ソリッドイマージョンを利用した光学素子
の代表的なものに、ソリッドイマージョンレンズ（ＳＩ
Ｌ）とソリッドイマージョンミラー（ＳＩＭ）がある。
ＳＩＬは、一般に、他の対物レンズと組み合わせて使用
される。この構成を図１５に示す。ＳＩＬ５１は半球形
であり、対物レンズ５２からの収束光を球面５１ａから
入射させて、平面５１ｂから出射させる。ＳＩＬ５１と
対物レンズ５２は、対物レンズ５２からの収束光が全て
球面５１ａに対して略垂直に入射するように配置され
る。したがって、光は球面５１ａで屈折することなくＳ
ＩＬ５１に入射して、平面５１ｂ上に収束する。このＳ
ＩＬ５１は、レンズでありながら、光を収束させるパワ
ーを発現しない形態で使用されることになる。

【０００６】ＳＩＭは、基材の表面を凸の反射面とし、
基材の内側からは凹面となるこの反射面に内側から光を
入射させることにより、反射光を収束させるようにした
ものである。ＳＩＭは単一の素子でありながら、上記の
ＳＩＬ５１と対物レンズ５２の両方の機能を有する。し
かも、屈折で光を収束させるときのような収差が生じな
いため、光を光軸上の１点に収束させ易い。ただし、単
に基材の表面を凸の反射面とするだけでは、光を出射さ
せる方向から光を入射させる反射型の素子となるため、
ソリッドイマージョンの有効性を確保することが難し
く、使用形態に大きな制約が生じる。

【０００７】光を収束させる形態で使用するＳＩＬも提
案されている（特開平１１−４５４５５号）。この構成
を図１６に示す。ＳＩＬ５３は、光を非球面形状の面５
３ａから入射させて、平面５３ｂから出射させる。ＳＩ
Ｌ５３の厚さ（平面５３ｂに垂直な方向の長さ）はレン
ズとしての焦点距離に等しく設定されており、ＳＩＬ５
３は平行光を入射面５３ａで屈折させて出射面５３ｂ上
に収束させる。

【０００８】この構成のＳＩＬ５３は、他の対物レンズ
と組み合わせて使用する必要がなく、光軸を一致させる
ことや距離を調整することも不要になって、使い易い。
しかし、収束光のＮＡを大きくすることには限界があ
る。例えば、平行光をＮＡが１の収束光にするために
は、基材の屈折率を１．８とすると、入射面５３ａに対
する最外縁の光線の入射角を６３．４°にする必要があ
り、作製がきわめて困難になる。

【０００９】本出願人は、ＳＩＬとＳＩＭの長所と短所
とを考慮して、屈折と反射の双方によって光を収束させ
るソリッドイマージョン素子を提案した（特開２０００
−１６２５０３号）。この構成を図１７に示す。この光
学素子５４は、ＳＩＭと同様に基材の表面を凸面としな
がら、この凸面５４ａの中央部のみを反射面とし周辺部
を透過面としたものである。凸面５４ａに対向する基材
の表面は平面５４ｂとされている。光学素子５４は、光
を凸面５４ａの周辺部から入射させて屈折により収束光
とし、平面５４ｂで反射して凸面５４ａの中央部に向か
わせ、凸面５４ａの中央部でさらに反射して収束度を高
め、平面５４ｂ上に収束させて、平面５４ｂから出射さ
せる。

【００１０】この光学素子５４は、ＳＩＬと同様に光を
出射させる方向と逆の方向から光を入射させる透過型の
素子でありながら、凸面５４ａに対する光の入射角を特
に大きくしなくても大きなＮＡの収束光を提供すること
が可能である。また、ＳＩＬよりも薄い光学素子とする
ことができる。

【００１１】回折によって光を収束させる光学素子も提
案されている（特開平１０−９２００２号）。この光学
素子は、平板状の基材の一方の表面に回折格子を形成し
たものであり、この回折格子から光を入射させて収束光
としつつ、他方の表面から出射させる。

【００１２】回折により光を収束させる素子も、厚さを
適切に設定することで、ソリッドイマージョン素子とす
ることが可能である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、回折により
光を収束させる素子をソリッドイマージョン素子として
も、収束光のＮＡを大きくするには限界がある。回折角
を大きくするためには回折格子のピッチを小さくしなけ
ればならず、回折格子のピッチをあまりに小さくすると
アノマリーとよばれる現象が生じて、回折効率が著しく
低下するからである。光の波長λに対する回折格子のピ
ッチｄの比と回折効率との関係の例を図１８に示す。ｄ
／λが１．７程度以下で回折効率が急激に低下している
が、これがアノマリーである。回折格子の形状によって
回折効率の高低には差が生じるが、回折効率が略一定に
なるｄ／λの範囲は回折格子の形状には依存せず、どの
ような形状の回折格子であっても、ｄ／λが１．７程度
以下になるとアノマリーが生じる。

【００１４】図１９に示すソリッドイマージョン素子５
５で、ＮＡの大きい収束光を得ることを考える。図１９
において、（ａ）は光学素子５５の平面図、（ｂ）は断
面図であり、５６は屈折率ｎの基板、５７は基板５６の
表面５６ａに形成された回折格子である。回折格子５７
は同心円状であり、光を１点に収束させるために、回折
格子５７のピッチｄは中心から離れるほど小さく設定さ
れている。

【００１５】いま、波長λの光が回折格子５７に垂直に
入射して最外縁の光線が回折角θmaxで回折し、最外縁
の光線が入射した部位の回折格子５７のピッチをｄext
とすると、式２が成り立つ。式１と式２より式３が導か
れる。 ｄext・ｓｉｎ(θmax)＝λ／ｎ … 式２ ＮＡ＝λ／ｄext … 式３

【００１６】ここで、ＮＡを１にしようとすると、ピッ
チｄextを波長λに等しくしなければならないことにな
る。ところが、図１８に示したように、ｄ／λが１のと
きの回折効率はほとんど０であり、実際上回折は生じな
い。つまり、図１９の光学素子５５でＮＡが１の収束光
を得ることはできない。

【００１７】十分な回折効率が得られるｄ／λの下限値
は１．７程度であり、これが単一の回折格子で得られる
収束光の最大のＮＡを規定することになる。このＮＡの
最大値は式３より０．５９程度となる。光学素子５５に
よるＮＡの変化の様子を図２０に模式的に示す。これ
は、ピッチｄextを波長λの２倍としたときのものであ
り、回折格子５７による回折で光がＮＡ０．５の収束光
となって表面５６ｂに達することを示している。Ｌaxは
光軸Ａｘ上の光線、Ｌextは最外縁の光線を表す。

【００１８】上記のように、従来の光学素子では、得ら
れる収束光のＮＡを大きくすることが難しく、光スポッ
トのさらなる小径化の要求に応えられなくなっている。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、
光をＮＡの大きな収束光とする光学素子を提供すること
を目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光を内部に導き入れて収束させる光学
素子は、回折によって光を収束させる回折部を複数備
え、複数の回折部を順に経由するように光を進行させ
て、回折部ごとに光の収束度を高めるものとする。この
光学素子は、回折によって光を収束させるが、光に１回
だけ回折を生じさせるのではなく、複数の回折部で複数
回の回折を生じさせて、光の収束度を段階的に高めてい
く。上述のように単一の回折格子で得られる収束光のＮ
Ａには上限があるが、光の収束度を段階的高めること
で、収束光のＮＡをその上限を超えて大きくすることが
可能になる。

【００２０】ここで、回折部は光を透過させて透過光を
収束させるものでもよく、光を反射して反射光を収束さ
せるものでもよい。また、回折部を表面に備える構成と
してもよいし、内部に備える構成としてもよい。表面に
備える回折部と内部に備える回折部のいずれも、透過光
を回折させるものとすることができるし、反射光を回折
させるものとすることもできる。回折部を表面に備える
場合は、その回折部を透過光を回折させるものとして、
これを透過させて光を内部に導き入れる構成、つまり光
の入射面を回折部とする構成も可能である。

【００２１】さらに、２つ以上の回折部を同一の面の異
なる領域に備える構成とすることもできる。同一の面の
異なる領域に設けられた２つの回折部の一方から他方に
光を導くことは、反射面を備えることで容易に実現され
る。その反射面として別の回折部を利用することも可能
である。同一の面は光学素子の表面であってもよいし、
内部の面であってもよい。光学素子の内部の面は、光学
的に差のある２つの媒体の境界であり、一方の媒体が同
一であって面が途切れていない限り、平面であっても曲
面であっても同一の面となる。

【００２２】回折部は回折格子とすることができる。光
学素子を屈折率の異なる２種以上の基材で作製すれば、
内部に回折格子を備える構成とすることも可能である。

【００２３】光を出射させる表面において光の径が最小
になるように、光を収束させる設定とするとよい。この
ようにするとソリッドイマージョン素子となり、複数の
回折部でＮＡを大きくした収束光をそのままのＮＡで対
象物に照射して、きわめて微小なスポットを形成するこ
とができる。

【００２４】光を出射させる表面にその表面における光
の径よりも小さい開口を有する遮光部材を備え、開口か
ら光を出射させる構成としてもよい。このようにすると
収束光の中央部のみを対象物に照射することになり、複
数の回折部でＮＡを大きくした収束光が形成するスポッ
トよりも、さらに小さなスポットを形成することができ
る。

【００２５】表面の一部分が突出しており、表面の突出
した部分から光を出射させる構成としてもよい。ＮＡの
大きな収束光を提供する光学素子は、対象物に近接させ
た形態で使用することになり、僅かな傾きで対象物に接
触するおそれがあるが、対象物に対向する表面のうち光
を出射させる部分のみを突出させることで、接触のおそ
れを大幅に低減することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学素子の実施形
態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形
態の光学素子１の断面を図１に模式的に示す。光学素子
１は平板状の透明な２つの基板２１、２２を接合して作
製されている。基板２１の表面２１ａには回折格子１１
が形成されており、基板２１と基板２２の接合面２２ａ
にも回折格子１２が形成されている。回折格子１１、１
２は、図１９の（ａ）に示したものと同様に同心円状で
あり、回折格子１１の中心１１ｃと回折格子１２の中心
１２ｃは、基板２１の表面２１ａに沿う方向について一
致している。なお、図１は、光学素子１の略半分のみを
表している。

【００２７】光学素子１は、基板２１の表面２１ａの回
折格子１１から光を入射させて基板２２の表面２２ｂか
ら出射させ、その間に回折格子１１と回折格子１２で回
折を生じさせて、表面２２ｂ上に収束する収束光とす
る。回折格子１１のピッチｄ１は、透過する光を１点に
収束する光とするために、中心１１ｃから離れるほど小
さくなるように設定されており、回折格子１２のピッチ
ｄ２も、透過する光を１点に収束する光とするために、
中心１２ｃから離れるほど小さくなるように設定されて
いる。回折格子１１、１２の中心１１ｃ、１２ｃにおけ
るピッチｄ１、ｄ２は無限大であり、回折格子１１、１
２は中心１１ｃ、１２ｃでは回折を生じさせない。回折
格子１１の中心１１ｃと回折格子１２の中心１２ｃを結
ぶ直線が光学素子１の光軸Ａｘとなり、光は光軸Ａｘと
表面２２ｂの交点に収束する。

【００２８】回折格子１１で光を収束させ、その光を回
折格子１２でさらに収束させて収束度を高めることによ
り、光学素子１はＮＡの大きい収束光を提供することが
可能である。以下、平行光をＮＡが１の収束光とする場
合を例にとって、回折格子１１、１２の設定について説
明する。

【００２９】基板２１、２２の屈折率をそれぞれｎ１、
ｎ２とし、光の波長をλ、回折格子１１を透過した後の
任意の光線が光軸Ａｘと成す角（回折格子１１による回
折角）をθ１、回折格子１２を透過した後のその光線が
光軸Ａｘと成す角をθ２とすると、式４および式５の関
係が成り立つ。式４の関係を用いて式５を整理し、前述
のＮＡを表す式１の右辺と同じ形式で表現すると、式６
が得られる。 ｎ１・ｄ１・ｓｉｎ(θ１)＝λ … 式４ ｎ２・ｄ２・ｓｉｎ(θ２)−ｎ１・ｄ２・ｓｉｎ(θ１)＝λ … 式５ ｎ２・ｓｉｎ(θ２)＝（１／ｄ１＋１／ｄ２）・λ … 式６

【００３０】したがって、最外縁の光線が透過する部位
の回折格子１１、１２のピッチｄ１、ｄ２をそれぞれｄ
１ext、ｄ２extで表せば、光学素子１が平行光を収束さ
せて生成する収束光のＮＡは、式７で定まることにな
る。 ＮＡ＝（１／ｄ１ext＋１／ｄ２ext）・λ … 式７

【００３１】ＮＡの任意の値に対して式７の関係を満た
すｄ１ext、ｄ２extの組み合わせは無数に存在し、ＮＡ
を１とするためには、例えば、ｄ１ext＝ｄ２ext＝２・
λとすればよい。回折格子１１、１２のピッチｄ１、ｄ
２をこの関係を満たすようにした場合の、光学素子１に
よるＮＡの変化の様子を図２に模式的に示す。図２にお
いて、Ｌaxは光軸Ａｘ上の光線、Ｌextは最外縁の光
線、Ｌmidは光線Ｌaxと光線Ｌextの中間付近を進む光線
を表す。

【００３２】回折格子１１、１２は、光路差関数を光の
波長λごとに光軸Ａｘ方向にシフトさせたブレーズ型と
することもできるし、ブレーズ型の凹凸を２段の平面で
近似したバイナリ型とすることもできる。光路差関数
φ、ブレーズ型の回折格子、バイナリ型の回折格子の例
を、図１４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す。
ブレーズ型の凹凸を多段の平面で近似したマルチレベル
型とすることも可能である。バイナリ型やマルチレベル
型の回折格子は、フォトリソグラフィによって容易に作
製することができる。

【００３３】光を表面２２ｂ上に収束させる光学素子１
はソリッドイマージョン素子であり、表面２２ｂが対象
物にきわめて近接する配置で使用することで、回折格子
１１、１２によって大きなＮＡに変換された収束光は、
表面２２ｂで小さなスポットを形成し、近接場光を介し
て、対象物上にきわめて微小なスポットを形成すること
ができる。光を表面２２ｂ上に収束させるための基板２
１の厚さと基板２２の厚さの組み合わせは無数に存在
し、基板２１、２２の厚さはその組み合わせの中から任
意に選択すればよい。基板２１を薄くするほど、光学素
子１全体の厚さを減らすことができる。

【００３４】なお、光学素子１は回折格子を２つのみ備
える構成であるが、回折格子の数を増すことで、さらに
ＮＡの大きな収束光を得ることができる。また、ここで
は２つの基板２１、２２を密接させてその接合面２２ａ
に回折格子１２を形成しているが、基板２１と基板２２
の間に空気層を介在させて、その空気層に接する面に回
折格子１２を形成してもよい。その場合、基板２１、２
２として屈折率の等しいものを用いることができる。ま
た、空気層に接する２つの表面の双方に回折格子を形成
して、回折格子の数を増すことも可能になる。

【００３５】第２の実施形態の光学素子２の断面を図３
に模式的に示す。この光学素子２は、平板状の１つの基
板２１の対向する表面２１ａ、２１ｂに、回折格子１
１、１２をそれぞれ形成したものである。回折格子１
１、１２はいずれも同心円の環状であり、表面２１ａに
沿う方向について両者の中心１１ｃ、１２ｃは一致して
いる。回折格子１１の中心１１ｃと回折格子１２の中心
１２ｃを結ぶ直線が光学素子２の光軸Ａｘである。表面
２１ａのうち回折格子１１よりも内側の部分と回折格子
１２には、金属膜や誘電体多層膜等から成る反射コート
（不図示）が設けられている。

【００３６】光学素子２は、回折格子１１から光を入射
させて、回折格子１２と表面２１ａの中央部で順に反射
することにより表面２１ｂから出射させ、その間に回折
格子１１と回折格子１２で回折を生じさせて、光軸Ａｘ
と表面２１ｂの交点に収束する収束光とする。回折格子
１２のピッチｄ２は、光を１点に収束させるために、中
心１２ｃから離れるほど小さくなるように設定されてい
る。一方、回折格子１１のピッチｄ１は一定に設定され
ており、回折格子１１の回折角はその全体にわたって一
様である。したがって、中心１１ｃを含む断面内の異な
る点を通った光線は平行に進む。回折格子１１は、中心
１１ｃから等距離の点つまり同一円周上を通る光線を光
軸Ａｘ上の１点に収束させ、中心１１ｃからの距離が異
なる円周上を通る光線を光軸Ａｘ上の異なる点に収束さ
せることになる。

【００３７】光学素子２も、回折格子１１で光を収束さ
せ、その光を回折格子１２でさらに収束させて収束度を
高めることにより、ＮＡの大きい収束光を提供すること
ができる。平行光をＮＡが１の収束光とする場合を例に
とって、回折格子１１、１２の設定について説明する。

【００３８】基板２１の屈折率をｎで表すと、式４〜式
６と同様に式４'〜式６'が成り立ち、光学素子２による
収束光のＮＡは式７'で表されることになる。なお、λ
は光の波長、θ１は回折格子１１を透過した任意の光線
が光軸Ａｘと成す角、θ２は回折格子１２で反射された
その光線が光軸Ａｘと成す角、ｄ２extは最外縁の光線
を反射する部位の回折格子１２のピッチである。 ｎ・ｄ１・ｓｉｎ(θ１)＝λ … 式４' ｎ・ｄ２・ｓｉｎ(θ２)−ｎ・ｄ２・ｓｉｎ(θ１)＝λ … 式５' ｎ・ｓｉｎ(θ２)＝（１／ｄ１＋１／ｄ２）・λ … 式６' ＮＡ＝（１／ｄ１＋１／ｄ２ext）・λ … 式７'

【００３９】ＮＡの任意の値に対して式７'の関係を満
たすｄ１、ｄ２extの組み合わせは無数に存在し、ＮＡ
を１とするためには、例えば、ｄ１＝ｄ２ext＝２・λ
とすればよい。また、最内縁の光線を反射する部位の回
折格子１２のピッチｄ２intは、回折格子１１の幅に応
じて定めればよく、例えば無限大とすることもできる。
回折格子１１、１２のピッチｄ１、ｄ２をこの関係を満
たすようにした場合の、光学素子２によるＮＡの変化の
様子を図４に模式的に示す。図４において、Ｌextは最
外縁の光線、Ｌintは最内縁の光線である。

【００４０】光学素子２では回折格子１１、１２を基板
２１の表面のみに形成するため、基板を重ね合わせる必
要がない。したがって、少ない工程数で効率よく作製す
ることができる。

【００４１】光学素子２の具体的な設定例を表１に示
す。なお、光路差関数φ(ｒ)のｒは光軸Ａｘからの距離
（ｍｍ）であり、回折格子１１、１２の径は直径であ
る。 ＜表１＞ 基板２１の材料：石英 基板２１の屈折率ｎ：１．４６９５９（λ＝４０５ｎｍ） 基板２１の厚さ：１ｍｍ ＮＡ：１．０ 回折格子１１の外径：４．４３８ｍｍ 回折格子１２の内径：１．８５７ｍｍ 回折格子１１、１２の光路差関数φ(ｒ)： φ(ｒ)＝C2・ｒ²＋C4・ｒ⁴＋C6・ｒ⁶＋C8・ｒ⁸＋C10・ｒ¹⁰＋C12・ｒ¹²＋C14・ｒ¹⁴ 光路差関数φ(ｒ)の係数： 回折格子１１ 回折格子１２ C2 −２．８３２９２×１０^-1 ９．３６２０３×１０^-2 C4 １．９１６０８×１０^-2 −８．２２６８８×１０^-2 C6 −１．１０２９０×１０^-3 ２．１２８０７×１０^-2 C8 ２．４３９７６×１０^-4 −３．９８３０６×１０^-3 C10 −４．２０５６５×１０^-5 ３．６０５６８×１０^-4 C12 ３．７８９２８×１０^-6 −５．３３７３２×１０^-7 C14 ３．４５６５１×１０^-8 −１．７０２４５×１０^-6

【００４２】第３の実施形態の光学素子３の断面を図５
に模式的に示す。この光学素子３は、第２の実施形態の
光学素子２を修飾して、回折格子１１と回折格子１２を
基板２１の同一の表面２１ａの異なる領域に形成したも
のである。回折格子１１、１２の中心１１ｃ、１２ｃは
一致している。光学素子３は、光を回折格子１１から入
射させて、表面２１ｂと回折格子１２で順に反射するこ
とにより表面２１ｂから出射させ、その間に回折格子１
１と回折格子１２で回折を生じさせて、光軸Ａｘと表面
２１ｂの交点に収束する収束光とする。光を段階的に収
束させる原理および回折格子１１、１２の設定は光学素
子２と同様であり、光学素子３によるＮＡの変化の様子
も図４に示したようになる。

【００４３】回折格子１１、１２を同一の面２１ａ上に
形成する光学素子３では、一度の工程で両者を作製する
ことができるため、回折格子１１、１２の相対位置を精
度よく合わせることができる。回折格子１１、１２を保
護するために、基板２１の表面２１ａ側に他の基板に備
えるようにしてもよい。その構成では、回折格子１１、
１２は内部の同一面上に存在することなる。

【００４４】光学素子３の具体的な２つの設定例を表２
および表３に示す。なお、光路差関数φ(ｒ)は表１のも
のと同形である。 ＜表２＞ 基板２１の材料：石英 基板２１の屈折率ｎ：１．４６９５９（λ＝４０５ｎｍ） 基板２１の厚さ：１ｍｍ ＮＡ：１．０ 回折格子１１の外径：３．３０４ｍｍ 回折格子１２の内径：１．８５７ｍｍ 光路差関数φ(ｒ)の係数： 回折格子１１ 回折格子１２ C2 −２．１５２３６×１０^-1 −２．１０５１２×１０^-1 C4 ９．５５５７７×１０^-3 −９．５００７０×１０^-2 C6 ９．３３８４４×１０^-4 ９．３１４０９×１０^-2 C8 −３．１７７６６×１０^-4 −５．５４７１９×１０^-2 C10 ６．０２６３６×１０^-5 １．４３４６２×１０^-2 C12 ０ ０ C14 ０ ０

【００４５】 ＜表３＞ 基板２１の材料：石英 基板２１の屈折率ｎ：１．４６９５９（λ＝４０５ｎｍ） 基板２１の厚さ：１ｍｍ ＮＡ：１．０ 回折格子１１の外径：３．３０４ｍｍ 回折格子１２の内径：１．８５７ｍｍ 光路差関数φ(ｒ)の係数： 回折格子１１ 回折格子１２ C2 −１．８３４６６×１０^-1 −３．６６９０２×１０^-1 C4 ７．０８８９１×１０^-3 ８．６４８７２×１０^-2 C6 −３．４４５２０×１０^-4 −３．０４５６４×１０^-2 C8 １．４１８９２×１０^-5 ６．４２１１５×１０^-3 C10 ０ ０ C12 ０ ０ C14 ０ ０

【００４６】表２の設定例は画角特性を重視して設計し
たものであり、表３の設定例は偏心特性を重視して設計
したものである。画角が０．５°のときの波面収差（Ｒ
ＭＳ）は、表２の設定では１４ｍλ、表３の設定では７
３０ｍλである。また、回折格子１１と回折格子１２の
偏心が０．０２ｍｍのときの波面収差（ＲＭＳ）は、表
２の設定では１２１２ｍλ、表３の設定では１９ｍλで
ある。

【００４７】第４の実施形態の光学素子４の断面を図６
に模式的に示す。この光学素子４は、第２の実施形態の
光学素子２を修飾して、回折格子１１と回折格子１２を
基板２１の同一の表面２１ｂの異なる領域に形成したも
のである。回折格子１１、１２の中心１１ｃ、１２ｃは
一致している。光学素子４は、光を表面２１ａから入射
させて、回折格子１１、表面２１ａ、回折格子１２およ
び表面２１ａで順に反射することにより表面２１ｂから
出射させ、その間に回折格子１１と回折格子１２で回折
を生じさせて、光軸Ａｘと表面２１ｂの交点に収束する
収束光とする。光を段階的に収束させる原理および回折
格子１１、１２の設定は光学素子２と同様であり、光学
素子４によるＮＡの変化の様子も図４に示したようにな
る。

【００４８】光学素子４の具体的な設定例を表４に示
す。光路差関数φ(ｒ)は表１のものと同形である。 ＜表４＞ 基板２１の材料：石英 基板２１の屈折率ｎ：１．４６９５９（λ＝４０５ｎｍ） 基板２１の厚さ：１ｍｍ ＮＡ：１．０ 回折格子１１の外径：５．１６２ｍｍ 回折格子１２の内径：４．４３８ｍｍ 光路差関数φ(ｒ)の係数： 回折格子１１ 回折格子１２ C2 −１．５４４９８×１０^-1 −５．２１３１６×１０^-2 C4 −８．９８８４５×１０^-4 −２．２０１０２×１０^-2 C6 １．０２２２８×１０^-3 ２．９４４７５×１０^-3 C8 −８．３３４１０×１０^-5 −２．３３４３６×１０^-4 C10 ２．４９７２６×１０^-6 −６．８０１６０×１０^-9 C12 ９．５０５５５×１０^-8 ８．７９９４６×１０^-7 C14 ０ ０

【００４９】第２、第３の実施形態の光学素子２、３で
は、回折格子１１は透過光に回折を生じさせる透過型で
あり、回折格子１２は反射光に回折を生じさせる反射型
であるが、一般に、透過型の回折格子と反射型の回折格
子では格子の溝の深さの最適値が異なる。例えばバイナ
リ型とするときは、溝の深さの最適値は、透過型ではλ
・ｃｏｓ(α)／｛２・（ｎ−１）｝、反射型ではλ・ｃ
ｏｓ(α)／（４・ｎ）となる（αは入射角）。溝の深さ
が最適値から外れると回折効率が低下するため、光学素
子２、３では、回折格子１１と回折格子１２の溝の深さ
を相違させることになり、したがって、回折格子１１、
１２の形成工程が複雑になる。

【００５０】しかし、本実施形態の光学素子４では、回
折格子１１、１２はいずれも反射型であって、溝の深さ
の最適値が同じになるため、回折格子１１と回折格子１
２を同一工程で形成することができる。このため、光学
素子４は、回折格子１１、１２の相対位置を精度よく合
わせられるという光学素子３の特徴に加え、作製効率も
高いという特徴を有するものとなる。

【００５１】第５の実施形態の光学素子５の断面を図７
に模式的に示す。この光学素子５は、第２の実施形態の
光学素子２を修飾して、表面２１ｂのうち光軸Ａｘと交
差する部分を残りの部分よりも突出させて、この突出部
２１ｐの表面に光を収束させるようにしたものである。
大きなＮＡの収束光を提供する素子は、対象物にきわめ
て近接させた状態で使用することになり、僅かな傾きで
対象物と接触するおそれがあるが、このように光を出射
させる部分を突出させておくと、傾きによる接触のおそ
れを大きく低減することができる。なお、突出部を設け
ることは、第２の実施形態に限らず、第１、第３、第４
の実施形態の構成にも適用可能であり、光学素子１、
３、４を修飾しても同様の効果が得られる。

【００５２】突出部２１ｐは、周囲を加工して除去する
ことにより作製することが可能であり、第２、第４の実
施形態の光学素子２、４のように回折格子１２を表面２
１ｂに形成する場合には、同時に作製することもでき
る。突出部２１ｐの突出量は、接触を防止するために有
効で作製も容易な程度とすればよく、１０ｎｍ〜５００
μｍとするのが好ましい。

【００５３】第６の実施形態の光学素子６の断面を図８
に模式的に示す。この光学素子６は、第５の実施形態の
光学素子５の突出部２１ｐの表面に、微小な開口２３ａ
を有する遮光膜２３を備えたものである。開口２３ａ
は、光が収束する光軸Ａｘ上に位置し、収束光よりも小
径である。このように、光を出射させる表面に微小な開
口２３ａを有する遮光膜２３を設けると、収束光をさら
に細径とすることができる。

【００５４】光学素子６は、遮光膜２３の材料となるク
ロム等の金属を表面２１ｂにあらかじめ蒸着しておき、
光学素子５と同様にして作製することができる。開口２
３ａの形成にもフォトリソグラフィを用いればよい。開
口２３ａの大きさは５００ｎｍ以下とするのが好まし
い。

【００５５】第７の実施形態の光学素子７の断面を図９
に模式的に示す。この光学素子７は、第３の実施形態の
光学素子３の回折格子１１、１２の設定を変えて、光学
素子３と同じＮＡの収束光を得るようにしたものであ
る。前述のように、収束光のＮＡを所望の値にし得る回
折格子１１、１２のピッチｄ１、ｄ２の組み合わせは無
数にあり、これはその１例である。

【００５６】回折格子１１と回折格子１２は互いに連続
するように表面２１ａに形成されている。回折格子１１
は、中心１１ｃから離れるほどピッチｄ１が小さくなる
ように設定されており、最外縁の光線を透過させる部位
のピッチｄ１extは波長λの２倍、最内縁の光線を透過
させる部位となる内周上のピッチｄ１intは波長λの４
倍である。回折格子１２も同様に設定されており、最外
縁の光線を反射する部位となる外周上のピッチｄ2extは
波長λの２倍、最内縁の光線を反射する部位のピッチｄ
１intは波長λの４倍である。

【００５７】光学素子７によるＮＡの変化の様子を図１
０に模式的に示す。図４に示した光学素子３によるＮＡ
の変化の様子と比較して明らかなように、変化の過程は
相違しているが、最終的に得られる収束光のＮＡは同じ
である。

【００５８】第８の実施形態の光学素子８の断面を図１
１に模式的に示す。この光学素子８も、第３の実施形態
の光学素子３の回折格子１１、１２の設定を変えたもの
である。ただし、この光学素子８は、第１の実施形態の
光学素子１と同じＮＡの収束光を生成する。

【００５９】回折格子１１と回折格子１２は互いに連続
するように表面２１ａに形成されており、回折格子１２
は環状ではなく円状である。回折格子１１のピッチｄ１
は一定で波長λの２倍である。回折格子１２は、その半
径の１／２の点で回折の正負が逆になるように設定され
ており、１／２の半径の円周上でのピッチは無限大、最
外縁の光線を反射することになる外周上のピッチｄ２ex
tは波長λの２倍、最内縁の光線を反射することになる
光軸Ａｘ上（中心１２ｃ上）のピッチｄaxも波長λの２
倍である。

【００６０】光学素子８によるＮＡの変化の様子を図１
２に模式的に示す。図２に示した光学素子１によるＮＡ
の変化の様子と比較して明らかなように、変化の過程は
相違しているが、最終的に得られる収束光のＮＡは同じ
である。第２〜第７の実施形態では、ＮＡの大きな円錐
状の収束光からＮＡの小さな円錐状の部分を除いた収束
光を生成する場合を示したが、類似の構成でありながら
回折格子１１、１２の設定次第で、本実施形態の光学素
子９のように、ＮＡの小さな部分が除かれていない収束
光を生成することも可能である。

【００６１】第９の実施形態の光学素子９の断面を図１
３に模式的に示す。この光学素子９は、第２の実施形態
の光学素子２を修飾して、表面２１ｂの外側かつ表面２
１ｂの近傍に光を収束させるようにしたものである。す
なわち、光学素子９はソリッドイマージョン素子ではな
い。それでも、回折格子１１と回折格子１２で段階的に
ＮＡを高めるようにしているため、表面２１ｂから光の
収束位置までの距離が１μｍ〜１ｍｍの範囲で、ＮＡが
０．５〜１．０の収束光を得ることが可能であり、対象
物まで距離を十分に確保しながら、対象物上のきわめて
微小な範囲を照明することができる。なお、光を表面２
１ｂの外側に収束させることは、第２の実施形態に限ら
ず、第１、第３〜第８の実施形態の構成にも適用可能で
あり、光学素子１、３〜４を修飾しても同様の効果が得
られる。

【００６２】上記の各実施形態の光学素子は、ＮＡの大
きな収束光を提供することができる上、平板状であるた
め取り扱い易く、他の光学素子との光軸合わせも容易で
ある。したがって、顕微鏡や光記録装置の光学系に好適
である。なお、各実施形態で掲げた構成や設定は本発明
の例示に過ぎず、例えば、第２、第３の実施形態の光学
素子２、３の構成を組み合わせて回折格子を３つ備える
光学素子とし、ＮＡが１を超える収束光を得ることもで
きる。また、ここでは、回折格子によって光を回折させ
る構成としたが、ホログラムを利用して回折を生じさせ
るようにしてもよい。

【００６３】

【発明の効果】回折によって光を収束させる回折部を複
数備え、複数の回折部を順に経由するように光を進行さ
せて、回折部ごとに光の収束度を高めるようにした本発
明の光学素子は、ＮＡの大きな収束光、つまり微小なス
ポットを形成する収束光を提供することができる。しか
も、曲面のない平板状の光学素子とすることが可能であ
り、作製や取り扱いも容易である。

【００６４】回折部を表面に備える構成とすると、回折
部の作製が容易になり、回折部を内部に備える構成とす
ると、断面が円形の入射光束を全て集光することができ
て、光の利用効率の高い光学素子とすることができる。
また、２つ以上の回折部を同一の面の異なる領域に備え
る構成とすると、回折部を一度に作製することができ
て、作製効率が向上する。

【００６５】回折部を回折格子とすると、回折部の設計
および作製が容易である。

【００６６】光を出射させる表面において光の径が最小
になるように、光を収束させる設定とすると、ソリッド
イマージョン素子となって、複数の回折部でＮＡを大き
くした収束光をそのままのＮＡで対象物に照射して、き
わめて微小なスポットを形成することができる。

【００６７】光を出射させる表面にその表面における光
の径よりも小さい開口を有する遮光部材を備え、開口か
ら光を出射させる構成とすると、複数の回折部でＮＡを
大きくした収束光が形成するスポットよりも、さらに小
さなスポットを形成することができる。

【００６８】表面の一部分が突出しており、表面の突出
した部分から光を出射させる構成とすると、近接する対
象物との接触のおそれを大幅に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態の光学素子の構成を模式的に
示す縦断面図。

【図２】 第１の実施形態の光学素子による光のＮＡの
変化の例を模式的に示す図。

【図３】 第２の実施形態の光学素子の構成を模式的に
示す縦断面図。

【図４】 第２、第３および第４の実施形態の光学素子
による光のＮＡの変化の様子の例を模式的に示す図。

【図５】 第３の実施形態の光学素子の構成を模式的に
示す縦断面図。

【図６】 第４の実施形態の光学素子の構成を模式的に
示す縦断面図。

【図７】 第５の実施形態の光学素子の構成を模式的に
示す縦断面図。

【図８】 第６の実施形態の光学素子の構成を模式的に
示す縦断面図。

【図９】 第７の実施形態の光学素子の構成を模式的に
示す縦断面図。

【図１０】 第７の実施形態の光学素子による光のＮＡ
の変化の例を模式的に示す図。

【図１１】 第８の実施形態の光学素子の構成を模式的
に示す縦断面図。

【図１２】 第８の実施形態の光学素子による光のＮＡ
の変化の例を模式的に示す図。

【図１３】 第９の実施形態の光学素子の構成を模式的
に示す縦断面図。

【図１４】 光路差関数の例とこれに対応するブレー
ズ型の回折格子およびバイナリ型の回折格子の構成を模
式的に示す縦断面図。

【図１５】 対物レンズと組み合わせて使用する従来の
ソリッドイマージョンレンズの構成を模式的に示す縦断
面図。

【図１６】 従来の他のソリッドイマージョンレンズの
構成を模式的に示す縦断面図。

【図１７】 ソリッドイマージョンレンズとソリッドイ
マージョンミラーの機能を併せ持つ従来の光学素子の構
成を模式的に示す縦断面図。

【図１８】 光の波長に対する回折格子のピッチの比と
回折効率との関係の例を模式的に示す図。

【図１９】 回折格子によって光を収束させる光学素子
の構成を模式的に示す平面図および縦断面図。

【図２０】 図１９の光学素子による光のＮＡの変化の
例を模式的に示す図。

【符号の説明】

１、２、３、４、５、６、７、８、９ 光学素子 １１、１２ 回折格子 １１ｃ、１２ｃ 回折格子中心 ２１、２２ 基板 ２１ｐ 基板突出部 ２１ａ、２１ｂ、２２ｂ 基板表面 ２２ａ 基板接合面 ２３ 遮光膜 ２３ａ 遮光膜開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H049 AA03 AA04 AA07 AA08 AA44 AA57 AA65 5D119 AA11 AA22 AA38 EB02 JA46

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を内部に導き入れて収束させる光学素
   子において、 回折によって光を収束させる回折部を複数備え、複数の
   回折部を順に経由するように光を進行させて、回折部ご
   とに光の収束度を高めることを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 少なくとも１つの回折部が光を透過させ
   て透過光を収束させることを特徴とする請求項１に記載
   の光学素子。
3. 【請求項３】 少なくとも１つの回折部が光を反射して
   反射光を収束させることを特徴とする請求項１に記載の
   光学素子。
4. 【請求項４】 少なくとも１つの回折部を表面に備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
5. 【請求項５】 少なくとも１つの回折部を内部に備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
6. 【請求項６】 少なくとも２つの回折部を同一の面の異
   なる領域に備えることを特徴とする請求項１に記載の光
   学素子。
7. 【請求項７】 少なくとも１つの回折部が回折格子であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
8. 【請求項８】 光を出射させる表面において光の径が最
   小になるように、光を収束させることを特徴とする請求
   項１に記載の光学素子。
9. 【請求項９】 光を出射させる表面にその表面における
   光の径よりも小さい開口を有する遮光部材を備え、開口
   から光を出射させることを特徴とする請求項１に記載の
   光学素子。
10. 【請求項１０】 表面の一部分が突出しており、表面の
    突出した部分から光を出射させることを特徴とする請求
    項１に記載の光学素子。