JP2007519134A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

異なるタイプの光記録担体を走査するための光学系を記述する。その光学系は、多くの光学素子（ＮＰＳ１、ＮＰＳ２）を有する補償子を含む。それら光学素子（ＮＰＳ１、ＮＰＳ２は、異なる長さの光路の非周期的なパターンを形成する、階段によって分離された環状の領域を有する非周期的な位相構造（ＮＰＳ）である。光学系のレンズ系にＮＰＳの表面を有するこれらの多数の光学素子（ＮＰＳ１、ＮＰＳ２）を含むことによって、温度、入射角、その系に入射する放射の偏光、及び放射の波長のようなパラメータの変動の効果を、別のこのようなパラメータの変動の感度を引き起こすことなく、補償することは、可能である。

Description

本発明は、光学装置に、特に、異なるタイプの光記録担体を走査することに用いる光学素子を含む光学装置に、又は、カメラのような光学系における光学素子に、関する。

光学的な読み取り及び記録の分野における進歩は、より高い情報の容量及び密度のような拡張した性能を有するますます複雑な系の導入に帰着してきた。残念ながら、これらの拡張した性能と共に、それら系の公差の余裕は、減少する。

新しい光学系の例は、新しい光記録のプロトコルであるブルー・レイ・ディスクシステム（ＢＤ）である。そのＢＤシステムは、おおよそ４０５ｎｍの波長を備えた放射ビーム、０．８５の開口数（ＮＡ）、及び、０．１ｍｍの基板の厚さの記録担体についての球面収差の補償を使用する。この系を、波長６５０ｎｍの放射ビーム、０．６の開口数、及び、０．６ｍｍの記録担体の基板の厚さを使用するディジタル・バーサタイル・ディスクシステム（ＤＶＤ）と比較するとき、ＮＡにおける増加及び波長における減少は、ＢＤについての公差の余裕を、ＤＶＤについてのものよりもはるかに小さいものにする。データの密度を顕著に増加させることが可能な（２５ＧＢのディスクを記録することが可能な）、そのＢＤシステムは、そのレーザーの温度が変動するときに発生することもある波長の変動に対して、はるかにより敏感であるか、又は、そのレーザーの波長が、数ｎｍだけバッチ間で変動する。

光記録の分野における別の例では、情報は、コンパクト・ディスク（ＣＤ）及びディジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）のような光記録担体の情報層に記憶される。このような光ディスクに記憶することができる情報の密度における増加を、その光ディスク情報層を走査するために使用される放射ビームの焦点スポットの大きさを減少させることによって、達成することができる。スポットの大きさにおけるこのような減少を、その放射ビームのよい短い波長及びより高い開口数（ＮＡ）を使用することによって、達成することができる。しかしながら、増加した分解能は、光学系内における光学素子に当てはまる公差を減少させる傾向がある。これらの減少した公差は、その光ディスクを走査するための放射ビームの焦点スポットが、質における劣化に対して、より影響されやすいものにする。

光学系を、異なるタイプの光ディスクと、例えば、ＣＤ及びＤＶＤの両方と、互換性があるように、設計してもよい。このような系において、各々のタイプのディスクを走査するための適切な且つ異なる波長を備えた別個の放射ビームが、使用される。各々の放射ビームは、概して、その系内の光路の共通な部分に沿って、方向付けられ、その共通な部分に沿って、その放射ビームを、その光ディスクにおける焦点スポットへと集束させるための光学素子が、存在する。これら光学素子、例えば、対物レンズの設計の間に、そのタイプの光ディスクを走査するために使用される放射ビームが、その光ディスクにおける十分な質のスポットへと集束させられることを、保証することが必要とされると、ある問題が、発生する。

この問題は、部分的には、各々のタイプのディスクを走査するための放射ビームの異なる波長及び開口数によって、しかし、また、その放射ビームが通過する、第一のタイプの光ディスク及び第二のタイプの光ディスクの透明なカバー層の情報層の深さの間の差によっても、引き起こされる。このカバー層は、そのカバー層を通過する放射ビームを変更する。この変更は、そのカバー層によってその変更を補償すると共に達成された焦点スポットが最高の質のものであることを保証する、波面の偏差がその放射ビームへ導入されるように、その対物レンズの精密な仕様を設計するときに、考慮される。ＣＤ及びＤＶＤの場合には、このカバー層の厚さは、それぞれ、おおよそ１．２ｍｍ及び０．６ｍｍである。結果として、ＤＶＤを走査するための放射ビームを焦点スポットへと集束させるように設計された対物レンズが、ＣＤを走査するために使用されるとき、球面収差を含む波面の偏差は、ＤＶＤのカバー層によって導入される。ＣＤのカバー層が、ＤＶＤのものとは異なる深さのものであると、その焦点スポットは、減少した質のものである。

上述したように、その焦点スポットの質に影響を及ぼす光学系のパラメータは、その光学系における環境の影響を、例えば、温度における変化を、含む。このタイプの光学系は、概して、その光ディスクを走査する放射ビームの収束発散を変更するためのコリメータレンズ及びその放射ビームをその光ディスクにおける焦点スポットへと集束させるための対物レンズを含む。その光学系は、標準的な動作温度での使用のために設計されると共に、そのコリメータ及びその対物レンズを含む光学系の精密な仕様は、この標準的な温度に基づいて決定される。

この標準的な温度からの変動と共に、それら光学素子の性質は、影響を及ぼされ、その放射ビームの焦点スポットの質における減少に至る。その対物レンズの場合には、温度における変化は、そのレンズが形成される材料の屈折率、そのレンズの形状、及び、そのレンズの寸法が、変動することを引き起こす。加えて、温度におけるこの変動は、そのディスクを走査するために使用される放射ビームの波長におけるわずかな変化が生じることを引き起こす。その焦点スポットの質における結果として生じる減少は、典型的には、その放射ビームの球面収差を含む波面の偏差の形態である。

その波長が、ある一定の範囲で変動するときに発生する所望されない収差を、Ａ．Ｔｕｄｏｒｏｖｓｋｉｉによる論文の非特許文献１に記述されるような周期的な切り込み付きのレンズ構造を使用して、減少させることができる。この論文に記載された切り込み付きのレンズを、通常のレンズ及び回折構造の組み合わせとしてみることができる。そのレンズにおける各々の階段は、波長の倍数に等しい透過したビームの波面に位相の階段を導入する。その精密な方法は、その方法によってそれら所望されない収差を減少させることができるが、その論文において十分に議論されている。しかしながら、上述した光学系において、この方法を使用することには、顕著な欠点がある、すなわち、それら切り込み付きのレンズ構造が、光学系を色消しのものにすることができるとはいえ、それらは、概して、むしろ多数の小さい帯域に至る。これは、その構造の微細な周期的な帯域を維持するために高い程度の確度が要求されると、その構造を製造することが困難なものにし得る。

非周期的な位相構造（ＮＰＳ）の使用は、上述した切り込み付きのレンズデバイスと関連した問題のいくつかを減少させることができる。ＮＰＳは、異なる長さの光路の非周期的なパターンを形成する環状の領域を含む位相構造を有する。ＮＰＳは、通常、そのＮＰＳを通過する放射ビームに波面の偏差を導入すると共に、さらなる波面の偏差を導入することによって放射ビームの波面の偏差を変更するか又は補正するために使用されることもある。

特許文献１は、一つのタイプの光記録担体を走査するための光学ヘッドを記述する。設計温度で、対物レンズは、放射ビームを、その光記録担体におけるスポットへと集束させるために、配置される。その設計温度以外の温度で、その対物レンズは、その放射ビームへ波面の偏差を導入する。ＮＰＳは、さらなる波面の偏差を、その対物レンズによって導入された波面の偏差を減少させるように、その放射ビームへ導入するために、配置される。

特許文献２は、第一の、第二の、及び第三の異なるタイプの光記録担体を、それぞれ、第一の、第二の、又は第三の異なる波長の放射ビームで、走査するための光走査デバイスを記述する。対物系は、その放射ビームを、そのタイプの走査される光記録担体に集束させるために、提供される。加えて、ＮＰＳは、その放射ビームの経路に提供される。そのＮＰＳは、第一の放射ビームについては、平坦な波面、第二の放射ビームでは、球面収差の波面、及び、第三の放射ビームでは、平坦な又は球面収差の波面に近似する。

特許文献３は、第一の及び第二のタイプの光記録担体を、それぞれ、第一の及び第二の放射ビームで、走査するための光学デバイスを記述する。各々の放射ビームは、異なる開口数を有する。両方のデバイスは、第一の放射ビームに影響を及ぼさないが、第二の放射ビームに球面収差を導入するＮＰＳを含む。この導入された球面収差は、第一の及び第二の光記録担体のカバー層の厚さにおける差を通じて走査するとき、結果として生じる球面収差を補償するためのものである。

特許文献４は、異なるバッチのレーザーダイオード間のわずかな差によって通常引き起こされる、レーザーダイオードによって放出された波長におけるわずかな変動が、単一のＮＰＳを使用して補償される、光記録担体を走査するための光学デバイスを記述する。その光学デバイスを最適化した波長と異なる波長を備えた放射を使用することは、一般には、ある一定の量の球面収差の色収差を、よって、そのＮＰＳによって補正されることになる波長における差に比例するある一定の量の球面収差を、生じさせることになる。

ＮＰＳが、与えられたパラメータにおける一つの変動を補正することができるとはいえ、そのレンズ及びＮＰＳが、一緒に、他のパターンにおける変動に対して敏感になることは、ＮＰＳのデバイスの欠点である。例えば、ＮＰＳが、その対物系における熱的な変動を補償するために使用されるとすれば、これは、その光学デバイスが、波長の変動に対して敏感になることを、引き起こすことができる。これらの波長の変動は、その光学系において使用されたレーザーの波長が、試料の間で数ｎｍだけ変動するという事実から発生することもある。

光記録用の光ピックアップにおいて、その対物レンズを、ＮＰＳと共に非熱的なものにすることは、使用されたレーザーの波長に依存して、所望されない波面収差を引き起こすこともある。この波長依存性は、望ましくないものであると共に熱的な補正用のＮＰＳの用途を限定し得る。

加えて、ＮＰＳが、対物レンズを、ゼロの視野の角度について色消しのものにすることができるとはいえ、非ゼロの視野の角度で、その補償は、その視野の角度に依存したものになることは、ＮＰＳのデバイスのさらなる欠点である。結果として、より大きい視野の角度での補償は、もはや最適なものではないと共に、ＮＰＳを使用して色消しにされたカメラレンズ又はズームレンズは、観察系の大きい視野については、最適なものではない。
国際公開第０１／４８７４５号パンフレット 国際公開第０２／０８２４３７号パンフレット 国際公開第０２／２９７９８号パンフレット 国際公開第０１／４８７４６号パンフレット "Ａｎ Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｗｉｔｈ ａ Ｐｈａｓｅ Ｐｌａｔｅ"，Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ｖｏｌｕｍｅ ６（１９５９）ｐｐ．１２６−１３３

本発明の一つの目的は、上述した限界を克服するために、光学系における対物レンズの性能における改善を提供することである。

本発明に従って、放射ビームと相互作用するための光学装置が、提供され、
その光学装置は、光学系及び補償子を含み、
その補償子は、第一の光学素子を含み、
その第一の光学素子は、異なる長さの光路の非周期的なパターンを形成する階段を付けられた環状の領域を含む位相構造を有し、
その補償子は、その補償子とのその放射ビームの相互作用の間に第一のパラメータの変動によって導入される第一の波面の偏差を発生させるように、配置され、その第一の波面の偏差は、その光学系とのその放射ビームの相互作用の間にその第一のパラメータの変動によって導入された波面の偏差に反対に作用するように、配置され、且つ
その補償子は、その補償子とのその放射ビームの相互作用の間に第二の異なるパラメータの変動によって導入される第二の波面の偏差を発生させるように、配置される光学装置において、
その補償子は、異なる長さの光路の非周期的なパターンを形成する階段を付けられた環状の領域を含む位相構造を有する第二の光学素子をさらに含み、
その第二の光学素子は、前記の第二の波面の偏差を減少させるために、配置される
ことを特徴とする。

その第一の及び第二の波面の偏差の効果は、各々の場合において、その放射ビームの平方自乗平均の光路差（ＲＭＳ ＯＰＤ）の点からみると、定量化可能なものである。ＲＭＳ ＯＰＤの点からみると、その第二の偏差を減少させることによって、その補償子は、変動する条件の下で、スポットに集束させられるときのそのビームの分解能を増加させる効果を有し、このようにその系の公差を増加させる。

本発明の使用によって、その補償子で、温度、入射角、偏光、及び放射の波長のようなパラメータであってもよい、その第一のパラメータの変動の効果を、上に列挙したものの別の一つであってもよい、その第二のパラメータを変動させるときに（さもなければ第一の光学素子によって引き起こされるであろう）実質的な第二の波面の偏差を引き起こすことなく、補償することは、可能である。

好ましくは、その補償子は、その補償子が存在しないときの場合と比較して、その光学装置とのその放射ビームの相互作用の間に第二のパラメータの変動によって導入された波面の偏差を増加させることなく、その光学系とのその放射ビームの相互作用の間に第一のパラメータの変動によって導入された波面の偏差を実質的に補償する。“実質的に補償すること”によって、我々は、その補償子の効力のある範囲にわたって、その結果として生じる波面の偏差のＲＭＳ ＯＰＤを、回折限界、換言すれば、７０ｍλより下まで、及び、より好ましくは、４０ｍλより下まで、減少させることを志す。

好ましくは、それら二つの光学素子は、異なる材料で作られ、それによって、補償子の様々な好適な特性を、それら光学素子の階段の高さの間に適切な関係を形成することによって、実現することができる。

本発明のさらなる特徴及び利点は、添付する図面を参照してなされた、一例としてのみ与えられた、以下の本発明の好適な実施形態の記載から明らかになると思われる。

図１は、光記録担体２を走査するためのデバイス１を示す。その記録担体は、透明層３を含み、その透明層の一方の側には、情報層４が、配置される。透明層３から離れて面する情報層４の側は、保護層５によって環境の影響から保護される。そのデバイスに面する透明層３の側は、入射表面６と呼ばれる。透明層３は、情報層４についての機械的支持を提供することによって、その記録担体用の基板として作用する。あるいは、透明層３は、その機械的支持が、情報層４の他方の側における層によって、例えば、保護層５によって、又は、さらなる情報層及びその情報層に接続された透明層によって、提供される一方で、情報層４を保護する機能だけを有してもよい。情報を、図に示さない実質的に平行な、同心の、又は螺旋のトラックに配置された光学的に検出可能なマークの形態で、その記録担体の情報層４に記憶してもよい。それらマークは、いずれの光学的に読み取り可能な形態であってもよく、例えば、ピット、若しくは環境と異なる反射係数若しくは磁化の方向を備えた領域の形態であってもよく、又は、これらの形態のいずれの組み合わせであってもよい。

走査デバイス１は、放射ビーム７を放出する放射源を含む。図１に示した放射源は、放射ビーム７を放出する、半導体レーザー９を含む。放射ビーム７は、光記録担体２の情報層４を走査するために使用される。ビームスプリッター１３は、発散する放射ビーム１２を、その光路に、発散するビーム１２をコリメートされたビーム１５に変換するコリメータレンズ１４に向かって、反射させる。コリメートされたビーム１５は、透明な補償子１６に入射し、その補償子は、そのコリメートされたビームの波面を変更する。補償子１６から来るビーム１７は、対物系１８に入射する。

対物系１８は、一つ以上のレンズ及び／又は回折格子を含んでもよい。対物系１８は、光軸１９を有する。対物系１８は、ビーム１７を、記録担体２の入射表面６に入射する、収束するビーム７０へ変化させる。対物系１８は、透明層３の厚さを通じたその放射ビームの通過に適合させた球面収差の補正を有する。収束するビーム２０は、情報層４にスポット２１を形成する。その情報層によって反射させられた放射は、対物系１８によって、実質的にコリメートされたビーム２３へと、及びその後、コリメータレンズ１４によって、収束するビーム２４へと、変換させられる、発散するビーム２２を形成する。ビームスプリッター１３は、収束するビーム２４の少なくとも一部を検出系２５に向かって透過させることによって、前進の且つ反射させられたビームを分離する。

検出系２５は、その放射を捕捉すると共にそれを電気的な出力信号２６へと変換する。信号処理装置２７は、これらの出力信号を、様々な他の信号へ変換する。それら信号の一つは、情報信号２８であり、その信号の値は、情報層４から読み取られた情報を表す。その情報信号は、誤差補正用の情報処理ユニットによって処理される。情報処理装置２７からの他の信号は、焦点誤差信号及び径方向誤差信号３０である。

焦点誤差信号は、スポット２１と情報層４との間の高さにおける軸上の差を表す。径方向誤差信号は、スポット２１とスポット２１によって追跡される情報層４におけるトラックの中心との間の情報層４の平面における距離を表す。焦点誤差信号及び径方向誤差信号は、これらの信号を、それぞれ焦点アクチュエータ及び径方向アクチェータを制御するためのサーボ制御信号３２へ変換する、サーボ回路３１へ供給される。それらアクチュエータを、図１に示さない。その焦点アクチュエータは、焦点の方向３３における対物系１８の位置を制御し、それによって、スポット２１の現実の位置を、それが、情報層４の平面と実質的に一致するように、制御する。その径方向アクチュエータは、径の方向３４における対物系１８の位置を制御し、それによって、スポット２１の径方向の位置を、それが、情報層４において追跡されるトラックの中心線と実質的に一致するように、制御する。図におけるトラックは、図の平面に対して垂直な方向に走る。

図２は、本発明の実施形態に従って配置された例示的な補償子１６の断面図を示す。補償子１６は、二つの相補的なＮＰＳの素子ＮＰＳ１、ＮＰＳ２を含む。各々のＮＰＳの素子は、透明な板５０、６０を含み、その板の一つの表面は、光軸１９のまわりに回転対称である位相構造を含む。この例では、ＮＰＳ１の位相構造は、中央の領域５１及び二つの同心の環状の領域５２、５３を有する。環状の領域５２、５３は、中央の領域５１の高さより下の高さｈ_ｊを備えた環である。同様に、ＮＰＳ２用の位相構造は、中央の領域５４及び二つの同心の環状の領域５５、５６を有する。環状の領域５５、５６は、中央の領域５４の高さより上の高さｂ_ｊを備えた環である。図２におけるそれら領域の高さは、板５０、６０の厚さ及び径方向の広がりに関して誇張されることは、留意されるべきである。さらには、帯域の数が、この特定の例において三個であるとはいえ、一般には、それは、いずれの数の帯域でもあり得ることは、留意されるべきである。その補償が持続するべきである領域についての帯域の数及びそれらのそれぞれの広がりは、好ましくは、両方のＮＰＳの素子について同じである。

図２のＮＰＳの構造を考慮して、仮にｈ_ｊ（ＮＰＳ１のステップｊの高さ）が、

に等しいものであり、ここで、ｍ_ｊは、整数であり、λは、その波長であり、且つ、ｎ_１は、そのＮＰＳが作られる材料の屈折率であるとする。

同様に、仮にｂ_ｊ（ＮＰＳ２のステップｊの高さ）が、

に等しいものであり、ここで、ｑ_ｊは、整数であり、λは、その波長であり、且つ、ｎ_２は、そのＮＰＳが作られる材料の屈折率であるとする。

各々の階段が、ゼロの入射角を有する平坦な波面がそのＮＰＳを通過するとき、２πの整数倍の位相のステップを生じさせることに留意すること。

そのビームの波長が変化するとき、それらＮＰＳの構造の階段は、

に等しい（２πを法とした）位相の変化を生じさせ、ここで

は、各々の材料の分散である。

同様に、その光学系の温度が変化するとき、それらＮＰＳの構造の階段は、

に等しい（２πを法とした）位相の変化を生じさせ、ここで、αは、各々の材料の熱膨張係数であり、且つ、

は、各々の材料の屈折率の温度係数である。

以下にさらに詳細に記載される、本発明の例においては、第一のＮＰＳ、ＮＰＳ１は、ＰＭＭＡ（ポリ（メタクリル酸メチル））で作られると共に第二のＮＰＳ、ＮＰＳ２は、Ｓｃｈｏｔｔ（登録商標）社のガラスのＢＫ７を材料として作られる。表１において、ＰＭＭＡ及びＳｃｈｏｔｔ（登録商標）社のガラスのＢＫ７の性質を、４０５ｎｍの波長で表にまとめる。

一つのＮＰＳの素子のみが存在すると共にその素子がＰＭＭＡで作られる先行技術の事例を考慮すると、

ことが、見出される。

Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４０（２００１），ｐｐ．６５４８−６５６０，Ｓｅｃｔｉｏｎ ２ＡにおけるＢＨＷ Ｈｅｎｄｒｉｋｓ、ＪＥ ｄｅ Ｖｒｉｅｓ及びＨＰ Ｕｒｂａｃｈによる論文“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ”において、一つのＮＰＳの素子で、対物レンズ及び補償子（ＮＰＳ）を含む光学装置の温度依存性を、どのようにして実質的に減少させることができるかが、記載されている。上の式（５）における第三の式から、当然、このＮＰＳが、１ｎｍの波長のシフトについては、１４．６℃の温度変化についてのものと同じ波面収差を生じさせるということになる。結果として、熱的な効果を補償する、記載したＮＰＳは、波長の変動にもまた相対的に敏感である。

本発明の第一の実施形態において、補償子には、波長の変動に対する改善された鈍感性が提供される。この実施形態においては、補償子は、図２に示すもののような二つのＮＰＳの素子ＮＰＳ１、ＮＰＳ２で作られ、ここでそれら二つの素子は、異なる屈折率及び異なる屈折率の温度係数を有する、異なる材料で作られる。一つの例において、第一の素子ＮＰＳ１は、ＰＭＭＡで作られると共に第二の素子ＮＰＳ２は、Ｓｃｈｏｔｔ（登録商標）社のガラスのＢＫ７で作られる。

その補償子を波長の変動に実質的に独立なものするために、式（３）の右手側は、ゼロに実質的に等しいように配置される。よって、ここではＫとして参照される比ｍ_ｊ／ｑ_ｊは、

の要件を満足する。

式（６）の右手側は、一般に、実数であるので、それらＮＰＳの構造に、動作の改善された主要なモードを提供するために、Ｋの値は、好ましくは、それが二つの整数の割り算として書かれることを可能にするために、有理数に丸められる。表１で設定された材料については、当然、Ｋは、おおよそ−１に等しいということになる。これを、例えば、有理数−１／１によって近似することができ、よって、Ｋ＝−１を選択してもよい。このように、それらＮＰＳの構造は、好ましくは、ｍ_ｊ＝−ｑ_ｊである、よって、比Ｋ＝ｍ_ｊ／ｑ_ｊ＝−１であると共にそれら二つのＮＰＳの構造の各々の帯域ｊについてこのように定数であるように配置される。表１に設定された材料については、当然、

であるということになる。

これから、それら二つの相補的なＮＰＳの素子を含む光学系の波長依存性を、単一のＮＰＳの事例と比較して、（この例では、２００を超える因子だけ）顕著に減少させることを、理解することができる。

上の事例が、光学系を、その光学装置の波長の依存性を実質的に増加させることなく、その補償子の存在によって、非熱的にしてもよいものであるとはいえ、本発明の使用によって他の効果を達成することは、可能である。

本発明の第二の実施形態においては、光学系を、その系の温度依存性を増加させることなく、色消しのものにすることができる。Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４０（２００１），ｐｐ．６５４８−６５６０，Ｓｅｃｔｉｏｎ ２ＢにおけるＢＨＷ Ｈｅｎｄｒｉｋｓ、ＪＥ ｄｅ Ｖｒｉｅｓ及びＨＰ Ｕｒｂａｃｈによる論文“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ”において、一つのＮＰＳの素子で、対物レンズ及び補償子（ＮＰＳ）を含む光学装置の色の依存性を、どのようにして実質的に減少させることができるかが、記載されている。上の式（５）における第三の式から、当然、このＮＰＳが、１４．６℃の温度変化については、１ｎｍの波長のシフトについてのものと同じ波面収差を生じさせるということになる。結果として、色の効果を補償する、記載したＮＰＳは、温度の変動にもまた相対的に敏感である。

この第二の実施形態においては、補償子は、図２に示すもののような二つのＮＰＳの素子ＮＰＳ１、ＮＰＳ２で作られ、ここでそれら二つの素子は、異なる屈折率、異なる熱膨張係数、及び異なる屈折率の温度係数を有する、異なる材料で作られる。この実施形態においては、比Ｋ＝ｍ_ｊ／ｑ_ｊは、式（４）の右手側が、ゼロに実質的に等しいように、配置される。よって、この比は、

によって与えられる。

表１で設定された材料については、当然、式（８）の右手側は、０．０７４に等しいということになる。重ねて、Ｋの値は、好ましくは、それが二つの整数の割り算として書かれることを可能にするために、有理数に丸められる。この例では、Ｋを、例えば、有理数１／１３によって近似することができ、よって、Ｋ＝１／１３を選択してもよい。このように、それらＮＰＳの構造は、好ましくは、ｍ_ｊ＝１及びｑ_ｊ＝１３である、故に、比Ｋ＝ｍ_ｊ／ｑ_ｊ＝１／１３であると共にそれら二つのＮＰＳの構造の各々の帯域ｊについてこのように定数であるように配置される。

さらには、第三の実施形態に従って、それらＮＰＳの素子の材料及び値Ｋの適切な選択によって、光学装置を同時に色消しのもの且つ非熱的なものにすることは、可能である。例えば、その光学系が、色消しのものであるが、非熱的なものではないとき、第一の実施形態で記載したような補償子を、実質的に色消しのもの且つ非熱的なものである光学装置を生産するために、配置することができる。

本発明の第四の実施形態においては、補償子には、視野の角度の変動に対する改善された鈍感性が提供される。

その放射ビームの非ゼロの視野の角度θについて、それらＮＰＳの構造の階段は、

に等しい（２πを法とした）位相の変化を生じさせ、ここで、θは、視野の角度である。

式（９）を、

によって近似することができる。

以下にさらに詳細に記載される、本発明の例においては、第一のＮＰＳ、ＮＰＳ１は、ＰＭＭＡで作られると共に第二のＮＰＳ、ＮＰＳ２は、ポリカーボネートで作られる。表２において、ＰＭＭＡ及びポリカーボネートの性質を、５５０ｎｍの波長で表にまとめる。

ＰＭＭＡで作られる一つのＮＰＳの素子のみが存在する先行技術の事例を考慮すると、

である。

Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４０（２００１），ｐｐ．６５４８−６５６０，Ｓｅｃｔｉｏｎ ２Ｂ及び２ＣにおけるＢＨＷ Ｈｅｎｄｒｉｋｓ、ＪＥ ｄｅ Ｖｒｉｅｓ及びＨＰ Ｕｒｂａｃｈによる論文“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎｐｅｒｉｏｄｉｃ ｐｈａｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ”において、一つのＮＰＳの素子で、対物レンズ及び補償子（ＮＰＳ）を含む光学装置の色の依存性を、どのようにして実質的に減少させることができるかが、記載されている。上の式（１１）における第三の式から、当然、色の効果を補償する、記載したＮＰＳが、視野の角度の変動にもまた相対的に敏感であるということになる。

本発明の第四の実施形態においては、補償子は、図２に示すもののような二つの相補的なＮＰＳの素子ＮＰＳ１、ＮＰＳ２で作られ、ここでそれら二つの素子は、異なる屈折率を有する、異なる材料で作られる。一つの例においては、ＮＰＳ１は、ＰＭＭＡで作られると共にＮＰＳ２は、ポリカーボネートで作られる。その補償子を視野の角度に実質的に独立なものするために、式（８）の右手側は、ゼロに実質的に等しいように配置される。よって、比Ｋ＝ｍ_ｊ／ｑ_ｊは、

の要件を満足する。表２で設定された材料については、当然、この式の右手側は、−０．９３９６に等しいということになる。重ねて、Ｋの値は、好ましくは、それが二つの整数の割り算として書かれることを可能にするために、有理数に丸められる。この例では、Ｋを、例えば、有理数−１５／１６によって近似することができる。このように、それらＮＰＳの構造は、好ましくは、１６ｍ_ｊ＝−１５ｑ_ｊである、故に、比Ｋ＝ｍ_ｊ／ｑ_ｊ＝−１５／１６であると共にそれら二つのＮＰＳの構造の各々の帯域ｊについてこのように定数であるように配置される。表２から、当然、

であるということになる。

これらの式から、それら二つの相補的なＮＰＳの素子を含む光学系の視野の角度の依存性を、単一のＮＰＳの事例と比較して、（この例では、５０を超える因子だけ）顕著に減少させることを、理解することができる。

本発明の第五の実施形態においては、その系の色の性質に影響することなく、その系の視野の依存性を減少させる補償子が、提供される。その補償子を波長の変動に実質的に独立なものするために、式（３）の右手側は、ゼロに実質的に等しいように配置される。よって、比Ｋ＝ｍ_ｊ／ｑ_ｊは、上の式（６）で設定された要件を満足する。

さらには、本発明の第六の実施形態に従って、それらＮＰＳの素子の材料及びＫの値の適切な選択によって、光学装置を同時に色消しのもの且つ減少した視界の依存性を有するものにすることは、可能である。例えば、その光学系が、色消しのものであるが、視野の変動に敏感であるとき、第五の実施形態で記載したような補償子は、実質的に色消しのものであると共に減少した視界の依存性を有する光学装置に帰着する。

本発明の第七の実施形態においては、一つを超える相補的なＮＰＳの素子を含むと共にその系において偏光における変化の効果を補償するために使用することができる補償子が、提供される。この実施形態においては、補償子は、図２に示すもののような二つのＮＰＳの素子ＮＰＳ１、ＮＰＳ２で作られ、ここでそれら二つの素子は、異なる屈折率及び異なる屈折率の偏光の係数を有する、異なる材料で作られる。

そのビームの偏光ｐにおける変化は、典型的には、屈折率における変化に至ることになる。その放射ビームの偏光における変化Δｐについては、それらＮＰＳの構造の階段は、

に等しい（２πを法とした）位相の変化を生じさせ、ここで

は、各々の材料の屈折率の偏光の係数である。

偏光の変化に実質的に独立に動作するように配置された補償子の場合には、式（１４）の右手側は、ゼロに実質的に等しいように配置される。よって、Ｋの値は、

によって、与えられる。

重ねて、Ｋの値は、好ましくは、それが二つの整数の割り算として書かれることを可能にするために、有理数に丸められる。

上述した実施形態から、その放射の波面を、一つを超えるＮＰＳの使用によって、変更することができることを導き出すことは、可能であり、ここで階段の高さｈ_ｊ及びｂ_ｊの比は、ｊの値にかかわらず、実質的に定数のパラメータＫに等しい。定数Ｋの値を、その波面変更子の光学的な機能に依存して、適切に選択することができる。

多数のＮＰＳの素子の配置の適切な操作によって補償することができる多くの他のモードがある。

上述した実施形態が、例としてのみ与えられると共に本発明が、それらにおける具体的な細部に限定されないことは、認められると思われる。

上述した実施形態に関係して、及び、図１に示したような光ピックアップの事例において、第一のＮＰＳ、ＮＰＳ１を、例えばコリメータレンズ１４に、又は、別個の板に、形成することができることに留意すること。第二のＮＰＳ、ＮＰＳ２を、例えば、対物レンズ１８のレンズの一つに、又は、別個の板に、形成することができる。

さらに、それらＮＰＳの素子を、上述した効果のいくつか又は全てを補償するために適切な性質を備えたいずれの適切な透明な材料から作ることができることは、認められると思われる。本発明は、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、又はガラスのＢＫ７に限定されない。

さらには、二つを超えるＮＰＳの素子の使用が、その光学デバイスが、多くのモードで動作することを可能とすることになることは、認められると思われる。例えば、二つ以上のモードを有する、例えば、第一のモードで波長における変化の効果を補償すると共に第二のモードで温度における変化を補償するための、光ピックアップ又は記録デバイスに、補償子を含んでもよい。これは、二つの付加的なＮＰＳの素子が、その光学デバイスで使用されることを、要求するであろう。重ねて、それら二つの動作モードが、波長、温度、入射角、及び偏光における変化の効果を補償する、代替の組み合わせを、予想することができる。

さらに、二つを超える効果が、補償され、各々の付加的な効果が、連続的に付加的なＮＰＳの素子によって補償される、光学系を予見することは、可能であろう。

さらには、ＮＰＳ１及びＮＰＳ２において、それら階段の高さは、それぞれ、（外側の帯域に関して）正のもの及び負のものである。ＮＰＳ１又はＮＰＳ２のいずれかの階段の高さが、別個の素子が行う機能又は補償に依存して、正のもの又は負のものであり得ることは、認められるべきである。

いずれか一つの実施形態に関係して記載したいずれの特徴を、単独で、又は、記載した他の特徴との組み合わせで、使用してもよく、且つ、また、いずれの他の実施形態の一つ以上の特徴との組み合わせで、又は、いずれの他の実施形態のいずれの組み合わせでも、使用してもよいことは、理解されることである。さらには、上述してない均等物及び変更物もまた、添付する特許請求の範囲に定義される、本発明の範囲から逸脱することなく、用いてもよい。

本発明の一つの形態に従った光学素子を含む走査光学デバイスを示す。 図１の光学素子の拡大された断面図を示す。

Claims (11)

1. 放射ビームと相互作用する光学装置であって、
   当該光学装置は、光学系及び補償子を含み、
   該補償子は、第一の光学素子を含み、
   該第一の光学素子は、異なる長さの光路の非周期的なパターンを形成する階段を付けられた環状の領域を含む位相構造を有し、
   該補償子は、該補償子との該放射ビームの相互作用の間に第一のパラメータの変動によって導入される第一の波面の偏差を発生させるように、配置され、
   該第一の波面の偏差は、該光学系との該放射ビームの相互作用の間に該第一のパラメータの変動によって導入された波面の偏差に反対に作用するように、配置され、且つ
   該補償子は、該補償子との該放射ビームの相互作用の間に第二の異なるパラメータの変動によって導入される第二の波面の偏差を発生させるように、配置される
   光学装置において、
   該補償子は、異なる長さの光路の非周期的なパターンを形成する階段を付けられた環状の領域を含む位相構造を有する第二の光学素子をさらに含み、
   該第二の光学素子は、該第二の波面の偏差を減少させるように、配置される
   ことを特徴とする光学装置。
2. 前記第一の光学素子及び前記第二の光学素子は、異なる材料から形成される、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第一の光学素子の前記環状の領域は、ｈ_ｊの階段の高さによって階段を付けられ、且つ、前記第二の光学素子の前記環状の領域は、ｂ_ｊの階段の高さによって階段を付けられ、且つ、
   前記第一の光学素子は、各々の前記環状の領域について前記階段の高さｈ_ｊが、
   

   

   に実質的に等しいように、配置され、
   ｍ_ｊは、整数であり、λは、波長であり、且つ、ｎ_１は、前記第一の光学素子が作られる材料の屈折率であり、且つ、
   前記第二の光学素子は、各々の前記環状の領域について前記階段の高さｂ_ｊが、
   

   

   に実質的に等しいように、配置され、
   ｑ_ｊは、整数であり、λは、波長であり、且つ、ｎ_２は、前記第二の光学素子が作られる材料の屈折率である、請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記第一の光学素子及び前記第二の光学素子は、対応して配置された環状の領域を有し、且つ、
   前記階段の高さｈ_ｊ、ｂ_ｊは、相互に関係付けられる、請求項３に記載の光学装置。
5. 前記階段の高さｈ_ｊ、ｂ_ｊは、実質的に定数のパラメータＫによって、関係付けられ、
   該定数のパラメータＫの値は、前記それぞれの光学素子の補償する機能に依存する、請求項４に記載の光学装置。
6. 

   である、請求項５に記載の光学装置。
7. 

   であり、且つ、
   前記第二のパラメータは、前記放射ビームの波長である、請求項５又は６に記載の光学装置。
8. 

   であり、
   α_１及びα_２は、前記第一の光学素子及び前記第二の光学素子が作られる材料の熱膨張係数であり、且つ、
   

   

   及び
   

   

   は、前記第一の光学素子及び前記第二の光学素子が作られる材料の屈折率の温度係数であり、且つ、
   前記第二のパラメータは、当該光学装置の温度である、請求項５又は６に記載の光学装置。
9. 

   であり、且つ、
   前記第二のパラメータは、前記放射ビームの入射角である、請求項５又は６に記載の光学装置。
10. 

    であり、且つ、
    

    

    及び
    

    

    は、前記第一の光学素子及び前記第二の光学素子が作られる材料の屈折率の偏光係数であり、且つ、
    前記第二のパラメータは、前記放射ビームの偏光である、請求項５又は６に記載の光学装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学装置を含む光走査デバイスであって、
    当該光学装置は、放射源を使用して、情報層を有する光記録担体を走査するように、配置される、光走査デバイス。

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