JP2007518211A

JP2007518211A - 光学系

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Publication number: JP2007518211A
Application number: JP2006548558A
Authority: JP
Inventors: エフエムヘンドリクス，ローベルト; ハーウェーヘンドリクス，ベルナルデュス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2007-07-05
Also published as: US20070195676A1; KR20070015369A; WO2005071671A3; CN1910672A; WO2005071671A2; EP1709636A2

Abstract

放射ビームの光軸上に配列された光学素子を有する光学系。光学素子(2;116;202)は複屈折性材料及び、放射ビームが通過する非平坦面(4)を有する。光学系は放射ビームの偏光を制御する偏光制御系を有する。その際、光学系が光軸に垂直な断面(21;24)上で不均一となる偏光状態を有し、不均一な偏光は当該非平坦面の形状に対応する分布を有する。

Description

本発明は光学系特に、光学記録キャリアを走査する光学系に関する。

光学記録の分野では、情報は、たとえばコンパクトディスク(CD)又はデジタル多目的ディスク(DVD)のような光学記録キャリアの情報層に保存可能である。そのような光ディスクに記録可能な情報密度の増加は、光ディスク走査に使用される放射ビームの焦点スポットサイズの減少によって達成可能である。そのようなスポットサイズの減少は短波長のビーム又は、高い開口数(NA)を使用することで実現可能である。CD及びDVD光ディスクに加えて、CD又はDVDも高いデータ密度で光キャリアにデータ保存が可能な所謂ブルーレイ（商標）技術でも、現在はさらに高いレベルのデータ保存を実現するため、深紫外(DUV)光の使用に関するが開発が進んでいる。
オロン、ブリト、デビッドソン、フリーセム、応用物理学速報(Applied Physics Letters)、米国、アメリカ物理学研究所(American Institute of Physics)、2000年11月20日、第77巻、第21号、p.3322-3324 ボンゾン、クライナー、ハスマン、光学速報(Optics Letters)、第26巻、第18号、2001年、p.1424-1426 スタルダ、シャット、光学速報(Optics Letters)、第21巻、第23号、1996年、p.1948-1949

DUV放射光はおよそ300nm未満の波長領域に属する。DUV光ディスクへのデータの記録及びマスターデータの再生を行う光学系はDUV放射光波長に適した高開口数(NA)を与える光学系構成部品が要求される。一例として、波長256nmのDUVではNA=0.85が必要である。DUV放射光がDUVディスク上のデータを正確に走査するためにDUV光を十分なサイズかつ良質のスポットに集光するには高NAが必要となる。この高NAを実現するためには、適切な材料から光学構成部品を製造する必要がある。しかし、（光学的に）等方的であって適切な透明度を有しながら、所望のNAを実現するのに十分高い屈折率及び、色収差を回避する程度の光分散を有するような材料は一般にはDUV放射光波長では存在しない。

現状で、必要とされる高NAを得ることができるDUV系はトロペル（商標）対物レンズを含む多数の球面形状素子を有する。そのような系は非常に高価で、球面形状素子のわずかな変位による光学系の位置合わせのずれに弱い。

DUV放射光波長で許容可能な透明度を有する様々な異方性材料は複屈折性である。加えて、そのような複屈折性材料、たとえばサファイア(Al₂O₃)のような結晶材料、は高NAを得るのに適切な屈折率を有し、かつDUV放射光に対して適切な光分散を有する。しかし、複屈折の軸（”光学軸”とも呼ばれる）に関連して、複屈折性材料では、放射ビームは、その偏光成分の向きに依存して、それぞれ異なるように屈折する。任意の偏光を有する放射ビームでは、ビームを構成する各成分光はそれぞれ異なる屈折をして、その結果として、’正常光線(o-ray)’そして’異常光線(e-ray)’と呼ばれる、それぞれ異なる種類の光線が得られる。光学キャリア走査系内で放射ビームの成分光が同時に異なる屈折を起こすのは望ましくない。その理由は、焦点スポットの収差が光ディスク上のスポットの質を低下させ、結果としてデータ走査が不正確になるからである。

本発明の目的は、光学記録キャリア走査にDUV放射光を使用する光学系で、特に複屈折性材料で形成された光学素子を有する系の改良を提供することである。

本発明に従うと、放射ビームの経路中の光軸上に配置された光学素子を有する光学系が提供される。光学素子は複屈折性材料を有し、かつ放射ビームが通過する非平坦面を有する。放射ビームが光軸に垂直な断面上で不均一な偏光を有するように、光学系は放射ビームの偏光を制御する偏光制御系を有する。不均一な偏光分布は当該非平坦面の形状に対応する。

偏光制御系で制御されることで不均一な偏光を有する放射ビームによって、光学素子内の複屈折の効果を減少させることが可能となる。このことは、たとえば異なる屈折効果のような複屈折の望ましくない光学効果を減少させながら、複屈折性材料から、たとえば高NA光学素子を作製することを可能にする。

改善された光学記録キャリアからのデータ信号又は、改善された光学記録キャリアへのデータ信号の取得を可能にするため、本発明は、光学記録キャリア走査用の光学走査装置内の複屈折性光学素子への応用が可能である。

少なくともある程度の複屈折を示す光学素子はコスト効率が良い。本発明は複屈折による有害な効果を減少させながらそのような光学素子の使用を可能にする。

本発明のさらなる態様及び利点は以下に示す好適実施例の説明で明らかになる。添付の図で説明されるこれらの実施例はあくまで例示である。

図1は本発明に従った光学系の光学素子2の側部断面図を示す。光学素子2は光軸OA上に配置されている。この実施例では、光学素子は光軸OAを中心とする球面形状の光学レンズ2である。光学レンズ2は非平坦な入射光の入口面4及び平坦出射面5を有する。入射光の入口面4は光軸OAに対して回転対称の球面を有する。光学レンズ2は波長約200-300nmの深紫外(DUV)放射光に対して透明な材料を有する。この例では、光学レンズ2は結晶サファイア（化学式Al₂O₃）で形成される。サファイアは複屈折性であり、屈折率nは約1.85である。複屈折軸AB（”光学軸”とも呼ばれる）は光軸OAに平行である。

図2は光学レンズ2を、光軸OAに沿って進行する均一に直線偏光しているDUV放射光とともに図示している。ここでは、均一に偏光する放射ビームの3つの（第1、第2及び第3）典型的な成分光6,7,8が図示されている。放射ビーム（このビームは球面波でも平面波でも良い）の各成分光は、成分光が衝突し、非平坦面4を通過する場所に依存して、それぞれ異なる屈折をする。

図1を参照するとまた、光線の直線偏光の一部が光学レンズ2の円周3に対する動径成分を向き、他の一部がその接線成分となるように、第1の典型的な成分光6（この成分光はビーム中の主要な成分光を表す）が特定の場所で入射光の入口面4に衝突する。従って、第1成分光6は接線方向の偏光成分9及び動径方向の偏光成分10を有し、お互いの偏光成分は直交する。接線偏光成分9は、光学レンズ2の第1屈折率n₁に従って屈折し、正常光線11を生成する。動径偏光成分10は、光学レンズ2の第2屈折率n₂に従って屈折し、異常光線12を生成する。従って、第1成分光6は正常光線と異常光線とが混在した光線を生成する。この異常光線はスネルの法則に従わない屈折によって生成される。

光線の直線偏光が光学レンズ2の円周3に対する動径方向を向くように、第2の典型的な成分光7は特定の場所で入射光の入口面4に衝突する。この動径配向によって、第2成分光7が光学レンズ2の第2屈折率に従って屈折し、異常光線(e-ray)が生成される。異常光線は、それを生成した成分光、この場合では成分光7、の伝搬経路からずれた角度の伝搬経路を有する。

光線の直線偏光が光学レンズ2の円周3に対して接する方向を向くように、第3の典型的な成分光8は特定の場所で衝突する。この接線配向によって、第2成分光8は光学レンズ2の第1屈折率n₁に従って屈折し、正常光線(o-ray)が生成される。正常光線は、それを生成した成分光、この場合では成分光8の伝搬経路と一致する伝搬経路を有する。

光学レンズ2に衝突する放射ビームは放射場を有する。この放射場は以下の式で表すことができる。

ここで、ベクトルEは放射場を表すベクトル、ベクトルE₀は放射場の振幅を表すベクトル、ベクトルxは放射場の偏光と一致する方向の単位ベクトルである。

図3は光軸OAに沿って進行するそれぞれ異なるDUV放射光の第4典型成分光13及び第5典型成分光14に作用する光学素子2の側部断面図を概略的に図示する。簡便を期すためというのみで、第4成分光13及び第5成分光14のみを同じ図に示す。

図4は本発明の実施例に従った、不均一な偏光を有するDUV放射光の断面図を図示する。この例では、不均一な偏光は実質的に接線方向の偏光である。光軸OAに沿って進行する放射ビームは光軸OAに垂直な円状断面21を有する。偏光の接線分布は断面21上で不均一であり、光学レンズ2の球面形状に対応する。図4で図示されているように、断面21は複数の扇形22に分割可能である。放射ビームの接線方向の偏光は各扇形22内に接線方向の偏光成分23を有する。各異なる接線方向の偏光成分23は少なくとも複数の当該扇形22の各異なる偏光方向と整合する。光軸に対する1回転で、放射ビームは実質的に光軸OAに対して回転対称となる接線形式の偏光を有する。実質的に接線方向の偏光というのは、各接線方向の偏光成分23は近似的に光軸OAを中心とする円に対して接するということを意味する。

再度図3を参照すると、光軸OAに沿って進行し、図4で図示されたのと同様な実質的に接線方向の偏光を有する放射ビームは第4の典型的な成分光13を有する。第4の典型的な成分光13は光学レンズ2の入射光の入口面4に垂直ではない角度で衝突する。放射ビームの接線方向の偏光のため、光学素子2によって、第4の典型的な成分光13は第1屈折率n₁に従って第1屈折角αで屈折する。第4の典型的な成分光13の偏光の接線方向17は光学軸ABに垂直な面内にある。これにより、屈折した第4の典型的成分光13は実質的に純粋な正常光線となり、異常光線の成分は生成されないか、又は減少する。

図5は、本発明の異なる実施例に従った、図4とは異なる不均一な偏光を有する放射ビームの断面を図示する。この例では、不均一な偏光は実質的に動径方向の偏光である。光軸OAに沿って進行する放射ビームは光軸OAに垂直な円状の断面24を有する。偏光の動径分布は断面24内で不均一であり、光学レンズ2の球面形状に対応する。図5で図示されているように、断面24は複数の扇形26に分割可能である。放射ビームの動径方向の偏光は各扇形26内に動径方向の偏光成分28を有する。各異なる動径方向の偏光成分28は当該扇形26の少なくともいくつかの中の各異なる偏光方向に整合する。光軸に対する1回転で、放射ビームは実質的に光軸OAに対して回転対称となる動径形式の偏光を有する。実質的に動径方向の偏光というのは、各動径方向の偏光成分28は近似的に光軸OAを中心とする円の半径と一致することを意味する。

再度図3を参照すると、光軸OAに沿って進行し、図5で図示されたとの同様に実質的に動径方向の偏光を有する、先述のビームとは異なる放射ビームは第5の典型的な成分光14を有する。第5の典型的な成分光14は光学素子2の入射光の入口面4に、それとは垂直ではない角度で衝突する。放射ビームの動径方向の偏光のため、光学素子2によって、第5の典型的な成分光14は第2屈折率n₂に従って第2屈折角βで屈折する。第5の典型的な成分光14の偏光の動径方向20は光学軸AB及び光学素子2内を光線が進行する方向と実質的に一致する面内にある。これにより、屈折した第5の典型的成分光14は実質的に純粋な異常光線となり、正常光線の成分は生成されないか、又は減少する。この異常光線はスネルの法則に従わない屈折によって生成される。

図6は接線方向の偏光30を有する放射ビームの形成を概略的に図示している。

不均一な偏光を有する放射ビームは放射ビームのそれぞれ異なるTEモード(TEM)を使用することで形成可能である。式(2)はTEM₀₁のラゲール-ガウスモードを表している。TEM₀₁のラゲール-ガウスモードは水平偏光のTEM₀₁34と垂直偏光のTEM₁₀のエルミート-ガウスモード36との和と見なすことができる。

図7から図14は本発明の実施例に従った偏光分布を生成するための様々な別の偏光制御系を図示する。放射ビームが接線方向の偏光を有するように、それぞれの場合での偏光制御系は放射ビームの偏光を制御する。本発明で説明が与えられているすべての実施例では、放射ビームは波長約200nmから300nmの範囲内である。

図7は、図6で図示された不均一な偏光を有する放射ビームを生成する手順を用いた、本発明の実施例で使用可能な放射ビーム光源37を概略的に図示する。この図及び以下の説明は非特許文献1に基づく。

放射ビーム光源37は放射ビームの出力カプラとなるバックミラー38及びフロントミラー39を有するレーザー共振器を有する。フロントミラー39は特定の波長の放射光に対して所定の透明度を有する。ゲイン媒体40は特定の波長の放射光を生成する。この放射光はフロントミラー39で反射され、光軸OAに沿って進行し、整合された放射光ビームを生成するアパーチャ42を通過する。整合された放射光ビームは任意の偏光を有し、その偏光は複屈折性ビーム変位素子43で調節される。

複屈折性ビーム変位素子43は整合された放射ビームを、垂直直線偏光を有する放射ビーム44と水平直線偏光を有する放射ビーム45とに分配する。垂直直線偏光を有する放射ビーム44の進行方向は光軸OAからある角度で変位している。結合した不連続位相素子46は水平直線偏光放射ビーム44及び垂直直線偏光放射ビーム45を調節する。

結合した位相素子46は第1不連続位相素子46を有する。この不連続位相素子は垂直偏光を有する放射ビームに垂直偏光するTEM₁₀のエルミート-ガウスモード47を導入する。結合した位相素子46はさらに第2不連続位相素子を有する。この不連続位相素子は水平偏光を有する放射ビームに水平偏光するTEM₀₁モードを導入する。両方の導入されたTEMモード47,48は、図6で説明した、接線方向に偏光した放射ビームの形成のモードと同様である。

バックミラー38は垂直偏光するTEM₁₀のエルミート-ガウスモード47を有する放射ビームと、水平偏光するTEM₀₁モードを有する放射ビームの両方を反射する。反射によって、ビームは偏光した放射ビーム47,48を再結合する複屈折性ビーム変位素子43に向かい、実質的に接線方向の偏光を有する放射ビーム49を形成する。複屈折性ビーム変位素子中では、垂直偏光したTEM₁₀のエルミート-ガウスモード47を有する放射ビームの光路長と水平偏光したTEM₀₁モード48を有する放射ビームの光路長には差があるので、整合板50はバックミラー38と光路長のこの差を補償する複屈折性ビーム変位素子43との間に設置される。実質的に接線方向の偏光を有するビーム49は、放射ビーム光源からフロントミラー39を通り、光軸OAに沿って放出される。

図8は本発明のさらに実施例に従った別な偏光制御系を図示する。この実施例では、偏光制御系は、光軸OAに沿って配置されている半波長板54である第1偏光素子を有する。半波長板54は光軸OAを中心に取り、複数のそれぞれ異なる部位55を有する。各部位55は近似的に光軸OAに対して扇形55の形状で、光軸OAに沿って進行する放射ビームの偏光に対してそれぞれ異なる調節を行う。好適には、少なくとも4つの扇形55が存在し、各扇形は半波長板54を均等に分割する。各扇形55はそれぞれ異なる方向を有する偏光軸53を有する。この実施例では4つの扇形が存在する。

この実施例中の放射ビームは最初均一に偏光した水平方向の直線偏光を有する。偏光軸53が均一な水平直線偏光放射ビームの領域にそれぞれ異なる調節を行うことで実質的に接線方向の不均一な偏光放射ビームを形成するように、半波長板54は光学系内に配置されている。

図9は本発明のさらに別な実施例に従った、別な偏光制御系を図示する。この実施例では、サブ波長回折格子56を含む偏光素子が使用される。回折格子56は、近似的に光軸OAが中心となるような円を形成するように交互に配置されている、複数の曲率を有する金属片57とスリット58とを有する。金属片57及びスリット58は光軸OAに垂直なサブ波長回折格子56の面内で曲がっている。各金属片57及び各スリットの幅は放射ビームの波長未満であり、幅は光軸OAからの半径に垂直な方向に取っている。この実施例では、放射ビームは最初均一な円偏光であり、サブ波長回折格子56によって実質的に接線方向の不均一な偏光に調節される。

図10は、図9の偏光素子の使用によって生成され、接線方向の不均一な偏光を有する調節放射ビームの断面を図示している。接線方向の偏光のうちの接線方向の偏光成分の方向は図10中の光軸OAの周りを回る矢印59で示されている。不均一な偏光放射ビームを生成するようなサブ波長回折格子の使用に関するさらに詳細な情報は非特許文献2に含まれている。

本発明のさらなる実施例では、偏光制御系は第1偏光素子及び第2偏光素子を有する。第1偏光素子はこれまでに紹介した実施例における半波長板54と同様の半波長板で、第2偏光素子はこれまでに紹介した実施例におけるサブ波長回折格子56と同様のサブ波長回折格子である。この同様な半波長板及びサブ波長回折格子の特徴に関しては、これまでに紹介した実施例での説明がここでも当てはまる。この実施例では、半波長板は均一な円偏光を均一と不均一との中間状態にある偏光に変換するように配置されている。中間的偏光の放射ビームは水平及び垂直の成分を有する。2つの成分の分布は、実質的に不均一な接線方向の偏光放射ビームの接線方向の偏光成分の分布と近似的には同様である。サブ波長回折格子は、中間的偏光を実質的に不均一な接線方向を向く放射ビームに変換するように配置させる。接線方向の偏光を有するこの放射ビームの強度は、これまでに紹介した実施例のサブ波長回折格子によって生成された接線方向に偏光する放射ビーム強度よりもおよそ50%大きい。

図11は本発明のさらに別な実施例に従った偏光制御系を概略的に図示している。この実施例では、偏光制御系は液晶素子の1次元アレイを有する。偏光系は、紫外光特にたとえば紫外放射光ビームに対して耐性を有し、当該光に対して透明な液晶セル72である。液晶セル72はそれぞれ異なる第1整合板60及び第2整合板62を有する。第1整合板及び第2整合板は光軸OAに沿ってお互い整合し、所定の空間63で隔てられている。液晶素子のアレイはこの空間63を埋め、第1板60の内部面65及び第2板62の内部面66に接触している。内部面65と接触する液晶素子が整合して一連の同心円64を形成するように、第1整合板60は調製される。内部面66と接触する液晶素子が整合して一連の平行線68を形成するように、第2整合板62は準備される。

図12は液晶セル72における液晶素子の相対的な配置を概略的に図示している。液晶素子はそれぞれ異なる動径方向配置及び/又は軸方向配置を有する。液晶セルは第1整合板60及び第2整合板62の中心を通る光軸OA上に配置される。図12は光軸OAに沿って第1整合板60の内部面65から第2整合板62の内部面66を見た概略図である。平行線68が水平になるように第2整合板62は準備される。前述のように、同心円64を形成するため、液晶素子は第1整合板60の内部面65上で配置される。図12では最外部の円が図示されている。光軸OAに平行な方向に沿って、液晶素子が同心円64との整合状態から平行線68との整合状態へ円滑な回転遷移70になるように、液晶素子はそれぞれ異なる動径配向を有する。

図13及び図14は、前述のように配置された液晶セル72によって実行された、初期の偏光放射ビームから不均一偏光への変換を概略的に図示している。

図13では、放射ビームは均一な水平直線偏光74を初期偏光にとる。放射ビームは光軸OAに沿って進行し、液晶セル72は水平直線偏光74を不均一な偏光に変換する。この図の例では、変換されたビームは実質的に動径方向の偏光76である。平行線78が垂直で、放射ビームが第1整合シート60の同心円64に衝突する前に第2整合板66の平行線78に衝突するように、液晶セル72は配置される。第1整合板60及び第2整合板62との間で円滑な回転遷移となる液晶素子のアレイは、放射ビームのそれぞれ異なる領域における直線偏光の水平配向を回転させる。

図14では、放射ビームは均一な垂直直線偏光78を初期偏光にとる。放射ビームは光軸OAに沿って進行し、液晶セル72は垂直直線偏光78を不均一な偏光に変換する。この図の例では、変換されたビームは実質的に接線方向の偏光80である。平行線78が垂直で、放射ビームが第1整合シート60の同心円64に衝突する前に第2整合板66の平行線78に衝突するように、液晶セル72は配置される。第1整合板60及び第2整合板62との間の円滑な回転遷移となる液晶素子のアレイは、放射ビームのそれぞれ異なる領域における直線偏光の垂直配置を回転させる。液晶アレイによる放射ビームの偏光変換に関するさらに詳細な情報は非特許文献3に含まれる。

図15aは本発明に従った均一な偏光を有する放射ビームの断面を図示している。

図15bは本発明に従った不均一な偏光を有する放射ビームの断面を図示している。

図15aは本発明に従った、位相調節を有する均一な偏光を有する放射ビームの断面を図示している。

図15aから図15cのすべてでは、放射ビームは、ビーム断面の中心にある光軸OAに沿って進行する。説明のため、1対の軸82及び軸84を用いて断面を図示する。ビーム断面は円形、回転対称であり、光軸OAに垂直である。

図15aを参照すると、前述のような、たとえば本発明の実施例における初期偏光のような均一な偏光を有する放射ビームの断面86は、その中心部において高い発光強度88を有する。

図15bを参照すると、たとえばこれまで紹介した実施例の半波長板54、サブ波長回折格子56又は液晶セル72によって生成される、不均一な接線方法を向く偏光を有する放射ビームの断面90は、その中心で低い発光強度92を有する。低発光強度領域92は環状の高発光強度領域94で囲まれている。この低発光強度領域92は、光軸OAの周りで放射ビームが1回転することで位相特異点が導入されたためである。本発明の光学系において、このような位相特異点を有する接線方向に偏光した放射ビームは、結果として当該ビームを集光するときに生成される焦点スポットの収差を引き起こす。

図15cは位相特異点が除去された不均一な偏光を有する放射ビームの断面96を図示している。断面96の中心部では、図15aでの均一に偏光する放射ビームの断面における高発光強度領域と同様な高発光強度領域が存在する。位相特異点を除去するため、放射ビームに対して位相調節が導入される。次式は導入された位相調節を有する放射ビームを表す。

ここで、ベクトルxは第1軸82方向の単位ベクトルで、ベクトルyは垂直な第2軸方向の単位ベクトルを表し、そしてφは極座標における角度座標を表す。

図16は本発明の実施例に従った位相調節素子を概略的に図示している。この位相調節素子は、位相特異点を有する放射ビームに位相調節を導入するために配置されている。この実施例における位相調節素子は、放射ビームに位相因子exp(iφ)を付加して位相特異点を除去する位相板99である。位相板99は円形であり、光軸OAを中心にするように配置されている。位相板99は光軸OAに平行な方向に動径厚さを有する。動径厚さは、最小厚さ101から最大厚さ104まで、光軸OAの周りを回りながら一定の割合で増大する。最小厚さ101及び最大厚さ104はそれぞれ放射ビームの最小及び最大光路長に対応する。最小厚さ101と最大厚さ104とは光軸OAに平行な方向での動径段差高さhで接続している。最小光路長と最大光路長との差が放射ビームの1波長、この例では約256nmが好適である、になるように高さhが決定される。これは放射ビームの一位相周期、つまり放射ビームの位相ステップ2πに対応する。

図17は本発明に従った光学記録キャリアを走査する光学走査装置を概略的に図示している。光学走査装置は本発明の光学系の実施例を含む。この光学走査装置の素子及び系は本発明の実施例に従った前記素子及び系と同様なものである。そのような素子又は系については、当該装置に関連するそれらの参照番号は前述の実施例で用いられた参照番号に200を増やした数字をここでは用いることにする。そのような素子及び系の特徴に関するこれまでの説明はここでも当てはまる。

好適には波長約256nmの均一な円偏光を有する放射ビーム103を生成する放射ビーム光源102は光軸OAに沿って配置されている。当該例では、放射ビーム光源102はレーザーである。偏光系は円偏光を実質的に不均一な接線方向の偏光に変換する。偏光系は図8で説明されたのと同様の半波長板254を有する。当該半波長板は円偏光の放射ビーム103を中間的な偏光に変換する中間的な偏光放射ビームは、接線方向の偏光放射ビームの接線方向の偏光成分の分布と近似的には同様な分布を有する成分を有する。偏光系はさらに図9で説明されたのと同様なサブ波長回折格子256を有する。当該回折格子は中間的な偏光を実質的に不均一な接線方向の偏光に変換する。位相調節素子は図16で説明したのと同様の位相板299であり、接線方向に偏光する放射ビームに位相因子を付加することで放射ビームの位相特異点を除去する。集光系105は埋め込まれたシュバルツシルド対物(BSO)レンズ106を有する。BSOレンズはカタディオプトリック設計を使用し、非球面ミラー107を有する。BSOレンズは水晶で形成され、当該例の場合約0.65のNAを有する。集光系はまた、図1で説明したものと同様の光学レンズ202を有する。当該実施例の光学レンズは複屈折性半球レンズである。集光系105は接線方向に偏光する放射ビームを光学記録キャリア、たとえば光ディスクの情報層108上の焦点スポット109に集光する。光軸OAの周りを接線方向に偏光する放射ビームが1回転することは光軸OAを中心とする光学レンズ202の円形状に対応する。前述のように、このことによって、接線方向に偏光する放射ビームの成分光が、この場合正常光線のみを生成して異常光線を生成しないことが保証される。よって、焦点スポット109は光学レンズ202の複屈折による収差に苦しむことがなくなり、良質となる。光ディスクの情報キャリア108上への放射ビームの集光に続いて、放射ビームは光軸OAに沿って後方に反射され、選択ミラー111によって検出及び記録系112へ向かうように反射される。検出及び記録系112は反射された放射ビームを受光し、当該放射ビームによって伝送される情報層108のデータを解釈する。加えて、検出及び記録系112は如何なる焦点スポット109の整合エラーをも情報層108のトラックで特定する。

図18は本発明の光学系の異なる実施例に従った光学素子の動作を概略的に図示している。複屈折性対物レンズ114及び、これまでに紹介した実施例における複屈折性半球レンズと同様の複屈折性半球レンズ116は光軸OAに沿って配置され、たとえば光ディスクのような光学記録キャリアを走査する光学走査系の集光系を構築する。複屈折性対物レンズ114はサファイア(Al₂O₃)で形成され、光軸OAに対して回転対称で、球面115を有する。球面115の曲率の比は、製品の品質が受容可能な許容値におさまりうる程度に十分小さい値である。曲面115は、約1.513の高い屈折率を有するシリコンゴムで形成された非球面層で被覆されている。複屈折性対物レンズ114は約1.1のNAを有し、約1.6mmの入射瞳直径を有する。実質的に接線方向の偏光を有する放射ビームは複数の成分光120を有する。成分光は光軸OAに沿って進行し、複屈折性対物レンズ114及び複屈折性半球レンズ116によって焦点スポット122に集光される。接線方向に偏光する放射ビームが複屈折性半球レンズ116内では正常光線しか生成しないため、焦点スポット122はこれまでに紹介された実施例同様に良質である。光軸OAに沿った光学レンズ116と光ディスクの基板層（図示していない）との距離はせいぜいおよそ放射ビームの1波長程度である、当該実施例の場合では256nmである。

複屈折性対物レンズ114が代わりに水晶で形成される場合、対物レンズは約0.9という低いNAを取り、当該実施例の光学走査装置で使用するのに十分高いNAは得られない。

図7から図10、及び図15から図18を用いて説明された本発明の素子及び実施例は不均一な放射ビームが実質的に接線方向の偏光になるような機能を有するように準備される。本発明の別な実施例では、図7から図10、及び図15から図18を用いて説明された本発明の素子及び実施例は、不均一な放射ビームが実質的に動径方向の偏光になるような機能を有するように前述の実施例とは異なった最適の状態で準備される。上述の実施例は本発明の図示によって理解されるだろう。さらに別の実施例も予想される。

本発明の光学系の素子は他の材料で形成しても良いことが予想される。たとえば、複屈折性対物レンズ及び複屈折性半球レンズはサファイアよりも高い屈折率を有する別な材料で形成されて良い。

加えて、光学系は、たとえば接線方向又は動径方向の偏光を有する不均一放射ビームを生成する別な偏光制御系を有して良いことが予想される。

さらに一実施例における液晶素子のアレイ中のいくつかは放射ビームの偏光を変換するため、別な軸及び/又は動径配置を有して良いことが予想される。

本発明の実施例を説明する位相板は代わりに、放射ビームに位相調節を導入する別な位相調節素子であって良いことが予想される。

本発明の実施例における集光系は1つ以上の対物レンズを有する光学素子、複屈折性半球レンズ及びBSOレンズを有する。他の光学素子は本発明に従った光学系のそのような集光系に含まれて良いことが予想される。

上述の実施例では、本発明の実施例における光学系の素子は波長200nmから300nmのDUV放射光で正確に機能するように設計されている。しかし、本発明は、複屈折性レンズ、特に放射ビームが通過する非平坦面屈折面を有するレンズが使用される系であれば、如何なる光学系に対しても応用可能であることが予想される。

如何なる一実施例に関連する特性は単独で使用しても又、当該実施例の他の特性と組み合わせても良いし、他の実施例の1つ以上の特性と組み合わせても良いし、又異なる実施例の組み合わせも可能であることは理解できるだろう。さらに、前述されなかった均等なもの及び修正もまた、添付の請求項によって定義される本発明の技術的範囲から離れることなく実施可能である。

本発明の実施例に従った光学素子の側部断面図を示す。本発明に従った光学素子の上面図を示す。それぞれ異なる不均一な偏光を有する放射ビームに作用する光学素子の側部断面図を示す。本発明に従った不均一な偏光を有する放射ビームの断面図を示す。図4とは異なる不均一な偏光を有する放射ビームの断面図を示す。放射ビームの不均一な偏光の形成を概略的に図示する。不均一な偏光を有する放射ビームを生成する放射ビーム光源の概略図を示す。本発明の実施例に従った偏光制御系の偏光素子を図示する。本発明の実施例に従った偏光制御系の図9とは異なる偏光素子を図示する。本発明の実施例に従った不均一な偏光を有する放射ビームの断面図を図示する。本発明の実施例に従った偏光系の構成部品を概略的に図示する。本発明の実施例に従った偏光系の液晶素子の相対的な配置を概略的に図示する。本発明の偏光系によって最初の偏光が不均一な偏光へ変換するのを概略的に図示する。本発明の偏光系によって最初の偏光が不均一な偏光へ変換するのを概略的に図示する。本発明に従った均一な偏光を有する放射ビームの断面図を図示する。本発明に従った不均一な偏光を有する放射ビームの断面図を図示する。本発明に従った均一な偏光及び位相調節を有する放射ビームの断面図を図示する。本発明の実施例に従った位相調節素子を図示する。本発明に従った光学記録キャリアを走査する光学系を概略的に図示する。本発明に従った光学系の光学素子の動作を概略的に図示する。

Claims

光学記録キャリアを走査する光学系であって、
前記光学系は放射ビームの経路中の光軸上に配置されている光学素子を有する光学系を有し、
前記光学素子は複屈折性材料を有し、
前記光学素子は前記放射ビームが通過する非平坦面を有し、
前記光学系は、前記放射ビームが前記光軸に垂直な断面上で不均一な偏光を有するように前記放射ビームの偏光を制御する偏光制御系を有し、
前記不均一偏光は前記非平坦面の形状に対応する分布を有する、
ことを特徴とする光学系。
請求項1に記載の光学系であって、
前記断面中の複数の扇形における前記ビームが実質的に接線方向の偏光を有し、
前記偏光は少なくとも複数の前記扇形におけるそれぞれ異なる方向で整合している、
ことを特徴とする光学系。
請求項1に記載の光学系であって、
前記断面の複数の扇形において前記ビームの偏光が実質的に動径方向の偏光を有し、
前記偏光は前記扇形の少なくともいくつかの中のそれぞれ異なる方向で整合している、
ことを特徴とする光学系。
請求項2又は3に記載の光学系であって、前記非平坦面の形状は前記光軸に対して回転対称であることを特徴とする光学系。
上記請求項のうちいずれかの請求項に記載された光学系であって、前記光学系は前記光軸と実質的に平行な光学軸を有することを特徴とする光学系。
上記請求項のうちいずれかの請求項に記載された光学系であって、
前記偏光制御系は複数の異なる部位を有する第1偏光素子を有し、
各部位は前記放射ビームの偏光に対してそれぞれ異なる調節をするように配置されている、
ことを特徴とする光学系。
請求項4に記載の光学系であって、前記第1偏光素子は前記光軸に対して扇形の形状でアレンジされている少なくとも4つの部位を有することを特徴とする光学系。
上記請求項のうちいずれかの請求項に記載された光学系であって、
前記偏光制御系は液晶素子のアレイを有し、
前記液晶素子はそれぞれ異なる動径方向の配置、及び/又は軸方向の配置を有する、
ことを特徴とする光学系。
上記請求項のうちいずれかの請求項に記載された光学系であって、前記偏光制御系は、初期の実質的に均一な前記放射ビームの偏光を前記不均一偏光に変換する偏光系を有することを特徴とする光学系。
請求項7に記載の光学系であって、前記初期偏光は直線偏光であることを特徴とする光学系。
請求項7に記載の光学系であって、
前記初期偏光は円偏光であって、
前記偏光制御系は：
前記円偏光を中間状態の偏光に変換する第1偏光素子；及び、
前記中間的偏光を前記不均一偏光に変換する第2偏光素子；
を有する、
ことを特徴とする光学系。
請求項9に記載の光学系であって、前記第2偏光素子は回折格子であることを特徴とする光学系。
上記請求項のうちいずれかの請求項に記載された光学系であって、
前記光学系は位相調節素子を有し、
前記位相調節素子は前記放射ビームに位相調節を導入する、
ことを特徴とする光学系。
請求項13に記載の光学系であって、
前記放射ビームは実質的に1波長分であり、
前記位相調節は実質的に前記波長を1位相周期とする、
ことを特徴とする光学系。
上記請求項のうちいずれかの請求項に記載された光学系であって、前記放射ビームは紫外線ビームであることを特徴とする光学系。
上記請求項のうちいずれかの請求項に記載された光学系であって、前記光学素子はレンズであることを特徴とする光学系。
上記請求項のうちいずれかの請求項に記載された光学系を有する光学記録キャリアを走査する光学走査装置。