JP2009532729A - 収束能力を高めた固体浸漬レンズ - Google Patents

Abstract

本発明は、屈折率ｎ１を有する材料で作られた固体浸漬レンズに関し、固体浸漬レンズは、屈折率ｎ２の媒体に関する有効分離ディオプトリ（２６）と、光軸と、有効ディオプトリを通してレンズに貫入する収束性光ビーム用の虚オブジェクト焦点（Ａ）とを有し、前記虚オブジェクト焦点（Ａ）は、実像焦点（Ａ’）と共役である。ディオプトリ（２６）は、下記式で規定され、ｘ、ｙは、虚オブジェクト焦点（Ａ）に原点をもつマーク（Ａ，ｘ，ｙ）と光軸（Ａｘ）のｘ軸内のディオプトリ（２６）の点（Ｉ）の座標であり、ａは、虚オブジェクト焦点（Ａ）と虚オブジェクト焦点（Ａ）の共役点（Ａ’）との間の非ゼロの代数距離であり、ｎは、屈折率の比ｎ１／ｎ２である。ディオプトリ（２６）は平滑であり、共役点（Ａ’）は、光ビームについて有効ディオプトリ（２６）の下流にある。本発明は、光学データを記録し、読み取り、再生するのに特に有用である。

Description

本発明は、収束能力を高めた固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）に関する。前記レンズは、データ記憶を意図した光記録媒体上でデータを書き込み、かつ／または、読み出し、かつ／または、再生する領域で特に重要である。顕微鏡またはリソグラフィなどの、このレンズについての他の用途が可能である。前記ＳＩＬレンズは、装置の対物レンズの下流に設置されて、顕微鏡またはリソグラフィ機器の光学データを書き込み、かつ／または、読み出し、かつ／または、再生する。

従来のレンズは、３つのパラメータによって製造業者により規定される。パラメータの２つは、レンズの入力および出力ディオプトリ（ｄｉｏｐｔｒｅ）の曲率半径であり、３番目は、レンズ構成材料の屈折率である。これらのパラメータは、焦点距離などの、レンズの近軸特性を規定する。有限距離像オブジェクト共役化の場合、これらの従来のレンズは、角度の低い入射光線について良好な収束能力をもって動作する。入射光線の角度が増加するとすぐに、角度の広い光線が、角度の小さい光線と同じ位置に全て収束するわけではないため、従来のレンズが不完全であることがわかる。これを克服するために、非球面化と呼ばれる、点補正が、レンズ表面に付加される。

固体浸漬レンズの場合、大きな開口数が理論的に利用され、使用されるレンズは入射光線の角度によらず、できる限り完全でなければならない。《固体浸漬》という表現は、収束が起こる像焦点が、レンズの内部か、出力インタフェースか、または、さらに出力インタフェースに近いフィールド近傍のレンズの下流に、すなわち、作動波長を２πで割った値に等しい半径内にあることを意味することが想起される。同様に、前記レンズでは、ディオプトリのうちの１つのディオプトリだけが実際に使用され、その１つのディオプトリは、前記漬浸レンズ（ＳＩＬ）と協働することを意図される対物レンズの側に位置する。本明細書の残りの部分において、このディオプトリは、有効ディオプトリと呼ばれる。前記構成によって、オフセンタリングまたはミスアライメントによって生じる任意の欠陥と無関係に、虚オブジェクト焦点と実像焦点との間でできる限り完全な共役を得ることが可能である。この固体浸漬レンズは、定義上、できる限り完全な結像デバイスである。一方、特に先に述べた用途では、収束能力を改善することが要求される。例として、光記録媒体上でのデータの読み取り、および／または、書き込みに関する領域は、前記固体浸漬レンズについて所望の改善を表現するために使用される。

最近、光ディスクの記憶容量の増加についての要求が増加しており、光記録媒体のサイズの増加を想像することができないため、光記録媒体上でのデータ密度の増加の問題が起こってきている。この問題に対する１つの直接的な対応は、光記録媒体上でレーザビームによって作られる光スポットのサイズを減少させることである。収差無しの開口数ＮＡを有する１つだけの対物レンズを備えた読み取りおよび／または書き込みヘッドは、回折によって制限される、波長λのレーザビームの収束を達成することが知られている。スポットのサイズｄは、波長とレンズの開口数ＮＡだけに依存する。これらのマグニチュード（大きさ）を結びつける近似関係は、
ｄ≒１．２２λ／ＮＡ （１）
である。

前記式において、波長λの減少および／または開口数ＮＡの増加は、スポットサイズが減少すること、したがって、光記録媒体上の記録密度が増加することを可能にする。

読み取りおよび／または書き込みヘッドに対する固体浸漬レンズの付加が、以下のように開口数を増加させることも知られている。
ＮＡ＝ｎｌ．ｓｉｎ（α_ｍ） （２）
式中、ｎ１は、固体浸漬レンズの構成材料の屈折率であり、α_ｍは、レンズの光軸とマージナル半径との間の角度である。これら２つのパラメータは、固体浸漬レンズの収束能力の特徴付けを可能にする。

図１Ａ、１Ｂを参照すると、図１Ａ、１Ｂは、従来の固体浸漬レンズの２つの構成を示す。

図１Ａのレンズは、特許文献１に記載される。

これらの図１Ａ、１Ｂでの、この例では、読み取りおよび／または書き込みヘッドである光学ヘッド１０が示され、光学ヘッド１０は、光記録媒体３の近くに配置される。光学ヘッド１０は、従属接続で、対物レンズ１（レンズとして図式化される）と固体浸漬レンズ２を備える。固体浸漬レンズ２は、対物レンズ１と光記録媒体３との間に挿入される。光ビーム４は、読み取りおよび／または書き込みヘッド１０から出て来るところが示され、対物レンズ１、次いで、固体浸漬レンズ２を通過し、光記録媒体３上に収束し、スポット５を形成する。空気空間８が、固体浸漬レンズ２と光記録媒体３との間に配置される。したがって、読み取りおよび／または書き込みヘッド１０は、移動するときに、光記録媒体３に接触することなく、光記録媒体３上で浮遊することができる。

図１Ａでは、固体浸漬レンズ２の有効ディオプトリ６は、光記録媒体３に対向して対物レンズ１の側にある。有効ディオプトリ６は半球である。光記録媒体３の側にある他のディオプトリ７は平坦である。図１Ａでは、読み取りおよび／または書き込みヘッド１０の開口数は、半球固体浸漬レンズ２が存在するために、対物レンズ１だけの開口数と比べてｎ１倍大きい。ｎ１は、固体浸漬レンズ２の材料の屈折率を表す。光ビーム４の光線の角度は、この、いわゆる、半球構成では、固体浸漬レンズ２の屈折率によって変わらない。球の中心とそれ自体との間で共役が生じる。スポットサイズは、半球固体浸漬レンズが存在しないときに得られるであろうサイズに比べて１／ｎ１に減少する。

図１Ｂでは、固体浸漬レンズは、収束能力の点でよりよく振舞う。読み取りおよび／または書き込みヘッド１０の対物レンズ１に面する固体浸漬レンズ２の有効ディオプトリ６は、ここでは、切頭球であり、その厚さは、球の半径より大きい。この固体浸漬レンズは、超球レンズと呼ばれる。光ビーム４の光線角度は、固体浸漬レンズを通過するときに変更される。対物レンズ１によって発生する収束と比較して、さらなる収束が起こる。共役点は、ヤング−ワイアストラス点(Young-Weierstras point)間で厳密にスティグマティックである。レンズの屈折率ｎ１および周囲媒体の屈折率ｎ２、ならびに、球の半径が固定されると、この点の対は一意である。レンズは、空気内にあり、ｎ２＝１であり得る。読み取りおよび／または書き込みヘッド１０の開口数は、超球固体浸漬レンズ２が存在するために、対物レンズ１だけの開口数と比べてｎ１^２倍大きい。スポットサイズは、超球固体浸漬レンズが存在しないときに得られるであろうサイズに比べて１／ｎ１^２に減少する。

球ディオプトリスティグマティックレンズと呼ばれる前記固体浸漬レンズを使用することによって、１より大きい開口数を有する読み取りおよび／または書き込みヘッド１０を生産することが可能である。固体浸漬レンズ２と光記録媒体３との間の空気空間８の厚さは、できる限り小さいスポット５を維持するために、できる限り低く保たれなければならない。１より大きい開口を有する、すなわち、固体浸漬レンズ２と光記録媒体３との間に位置する光ビーム４の断面は、回折制限されたスポット５の形成に積極的な役割を効果的に果たす。しかし、光ビームのこの断面の反射率は、空気ギャップ８が増加すると増加する。特許文献１は、固体浸漬レンズと光記録媒体との間のギャップを、１００ナノメートル未満において、さらに最小の場合、５０ナノメートル未満において連続して監視する方法を教示する。
米国特許第５１２５７５０号明細書（ＵＳ−Ａ−５ １２５ ７５０）

本発明の目的は、上記制限および困難さを持たない、すなわち、増大した収束能力を有する固体浸漬レンズを提案することである。

本発明のさらなる目的は、固体浸漬レンズによって対物レンズの下流の光学ヘッドで利用されるときに、スポットサイズ、より一般的には、このレンズから出る光ビームの最大断面寸法をさらに減少させることが可能であるような、固体浸漬レンズを提案することである。

これらの目的を達成するために、本発明は、より正確には、屈折率ｎ１の材料で作られた固体浸漬レンズに関し、該固体浸漬レンズは、屈折率ｎ２の媒体を備えた有効分離ディオプトリと、光軸と、有効ディオプトリを介してＳＩＬレンズに入る収束性光ビーム用の虚オブジェクト焦点とを有し、この虚オブジェクト焦点は、実像焦点と共役である、固体浸漬レンズである。有効ディオプトリは、式

によって規定され、式中、
ｘ、ｙは、デカルト座標系内の有効ディオプトリの点の座標であり、デカルト座標系の原点は虚オブジェクト焦点であり、デカルト座標系の横座標軸は光軸であり、
ａは、虚オブジェクト焦点と虚オブジェクト焦点の共役点との間の代数距離であり、この距離は非ゼロであり、
Ｌは、虚オブジェクト焦点を虚オブジェクト焦点の共役点から分離する光学経路であり、この光学経路は、一定でかつ非ゼロであり、
ｎは、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２の比であり、有効ディオプトリは平滑であり、共役点は、光ビームについて有効ディオプトリの下流にある。

光学系において、虚オブジェクト焦点は、光学系に入る収束性入射ビームの光線の、初期方向の延長の収束点に相当することが想起される。焦点は、光学系に入る光線から構築されるため実焦点と呼ばれ、この点で交差する光線の延長であるのに応じて虚焦点と呼ばれる。光学系を出る光線は、この経路をたどらない。実像焦点は、光学系を去り、かつ、入射収束性ビームから生じる光線の収束点に相当する。この焦点は、この点で交差する、出て行く光線であるため、像焦点と呼ばれ、この点で交差する光線自体であるため、実焦点と呼ばれる。

レンズは、また、有効ディオプトリに対向する別のディオプトリを備え、この他のディオプトリは、好都合には平坦である。

虚オブジェクト焦点の共役点が、他のディオプトリに位置することが好ましい。

特に、光学データの読み取り、および／または、書き込み、および／または、再生ヘッドのための用途において、固体浸漬レンズが、有効ディオプトリに近づくにつれて、外側に朝顔形に張り出るベベルドエッジ(bevelled edge)を備えることが好ましく、それにより、レンズと光学データ書き込み媒体との接触が回避される。

有効ディオプトリが、最大断面寸法を有する光ビームによって照射されると、虚オブジェクト焦点と虚オブジェクト焦点の共役点との間の代数距離は、有効ディオプトリを照射する光ビームの最大断面寸法に実質的に等しくあるべきであることが好ましい。

固体浸漬レンズは、最大断面寸法を有しており、虚オブジェクト焦点と虚オブジェクト焦点の共役点との間の代数距離が、最大断面寸法に実質的に等しいことが好ましい。

固体浸漬レンズの材料は、ダイヤモンドまたはＬａＳＦ３５ガラスであり得る。

本発明は、また、規定されたような、固体浸漬レンズと協働する対物レンズを備える光学ヘッドに関し、固体浸漬レンズの有効ディオプトリは、対物レンズの側にある。

本発明は、また、規定されたような、光学ヘッドを備える光学装置に関する。この光学装置は、光学データ用の読み取り、および／または、書き込み、および／または、再生ヘッド、顕微鏡、リソグラフィ機器であり得る。

本発明は、添付図面を参照して、例示としてだけ与えられ、いずれの点でも限定的でない実施形態の例の説明を読むことによってよりよく理解されるであろう。

以下に述べる異なる図の同一の、類似の、または、等価な部分は、図の間の相互参照を容易にするために同じ参照を保持する。

図に示される異なる部分は、図の読み易さのために、必ずしも均等な縮尺に従って描かれていない。

図２を参照すると、図２は、本発明による光学装置１００の光学ヘッド２０を装備する、本発明による固体浸漬レンズの例を示す。述べる例では、光学ヘッド２０は、読み取り、および／または、書き込みヘッドであり、光学装置１００は、光記録媒体２３上での光学情報の読み取り、および／または、書き込み、および／または、再生装置である。装置は、顕微鏡またはリソグラフィ機器とすることもできる。顕微鏡またはリソグラフィ機器タイプの装置では、光学ヘッドは、明らかに同様に構成されることになり、それが、図の数を不必要に増やさないために、前記ヘッドが明示的に示されなかった理由である。同じことが、光学装置に当てはまる。先の例と同様に、固体浸漬レンズ２２は、光学ヘッド２０の対物レンズ２１と光記録媒体２３との間に挿入される。

本発明の固体浸漬レンズ２２は、２つの対向するディオプトリを有し、２７で参照される一方のディオプトリは、光記録媒体２３の側に位置し、２６で参照される他の、いわゆる、有効ディオプトリは、光学ヘッド２０の対物レンズ２１の側にある。書き込み媒体は、電子顕微鏡では観察されるオブジェクトに、リソグラフィ機器ではパターニングされるオブジェクトによって置換えられることになる。

光学装置１００は、また、光ビーム１０２をビームスプリッタ１０３に向けて送信することを意図された光源１０１（たとえば、レーザ）を備える。光ビーム１０２は、ビームスプリッタ１０３によってコースを変えられ、光学ヘッド２０を通過した後、光記録媒体２３上に集束される。光記録媒体２３上に到達する光ビーム１０２は反射され、たとえば、フォトダイオードタイプの受信機デバイス１０４によって収集される。また光学装置１００は、光学ヘッド２０を光記録媒体２３に対して位置決めするサーボ手段１０５を備える。この装置のよく知られている部品は、本説明をより明確にするために詳細には示されない。

上述したように、光記録媒体２３の側にあるディオプトリ２７は、実質的に平坦である。他のディオプトリ２６は、ここでは非球面であり、有効ディオプトリである。光ビーム１０２は、収束性があり、有効ディオプトリ２６を介してＳＩＬレンズに入る。この固体浸漬レンズは、常に厳密なスティグマティズム(stigmatism；無非点収差)を実施する、すなわち、点オブジェクトと点像との間の光学経路は、レンズを通過する光線の経路に無関係である。したがって、本発明の固体浸漬レンズは、特に、球ディオプトリに対して同じタイプの共役点を使用せず、開口数と被写界深度のいずれにおいても、同じスポットサイズ利得をもたらさない。

本発明の固体浸漬レンズが、屈折率ｎ１を有する材料で作られること、および、固体浸漬レンズが、ｎ１と異なる屈折率ｎ２を有する媒体内に浸漬されることが意図されることが考えられる。一般に、ｎ２は、１の値を有する空気である。レンズ材料は、たとえば、４０５ナノメートルの波長について、その屈折率が２．４６１９であるダイヤモンドであってよく、または、レンズ材料は、たとえば、（Ｓｃｈｏｔｔカタログ基準）４０５ナノメートルの波長について、その屈折率が２．０２であるＬａＳＦ３５タイプのガラスであってよい。以降で、ｎは、比ｎ２／ｎ１を指定するために使用される。

固体浸漬レンズの有効ディオプトリ２６の形状は、式

によって規定される。式中、ｘ、ｙは、原点Ａと、レンズの光軸である横座標軸Ａｘと、レンズの子午線軸である縦座標軸とを有する、図３に示すようなデカルト座標系（Ａ，ｘ，ｙ）内の有効ディオプトリの点Ｉの座標である。有効ディオプトリは、光軸Ａｘの周りの回転面である。光軸Ａｘは、光ビームが、有効ディオプトリからレンズを通過するのに対して、有効ディオプトリの下流に向けられる。原点Ａは、光軸Ａｘ上に同様に配置される点Ａ’と共役であり、代数的マグニチュードＡＡ’は、ａで示される。このマグニチュードａは、形状係数と考えられてもよい。点Ａは、レンズの点オブジェクトまたは虚オブジェクト焦点である。点Ａ’は、レンズの他のディオプトリに位置することができる、または、点Ａ’は、浸漬されるか、または、レンズの外側にあってもよい。点Ａ’は、レンズの実像焦点に相当する。点Ａ’は、また、点像と呼ばれてもよい。マグニチュードＬは、原点Ａと原点Ａの共役点Ａ’との間の光学経路を表す。マグニチュードＬは、一定でありかつ非ゼロである。マグニチュードａもまた非ゼロである。実際に、点ＡとＡ’は、一般に、厳密なスティグマティズムを保証する

として表現されるフェルマの原理（Ｆｅｒｍａｔ’ｓ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）を立証する。

点Ｉ（ｘ，ｙ）で記述される曲線は、（ｘ−ｕ）^２＋（ｙ−ｕ）^２＝Ｒ^２の形をとることができないため、円ではない。点Ｉ（ｘ，ｙ）で記述される曲線は、円錐点でもない。式（３）が２乗される場合、量が平方根より小さいままであるため、曲線は、ｅｘ^２＋ｆｙ^２＋ｇｘｙ＋ｈｘ＋ｉｙ＋ｊ＝０の形をとることができない。

本発明によるレンズの有効ディオプトリを規定するために、マグニチュードａは、有効ディオプトリにおいて光ビームの最大断面寸法に実質的に等しくなるように、または、レンズの最大断面寸法に実質的に等しくなるように選択されてもよい。光ビームが円断面を有する場合、この最大断面寸法はその直径である。固体浸漬レンズが円である場合、最大断面寸法はその直径である。

したがって、所望の開口数と関わって、以下を見てわかるようにマグニチュードＬが得られる。

レンズの収束能力は、光記録媒体２３を照射するスポットサイズに直接影響を及ぼす。固体浸漬レンズの実像焦点におけるスポットサイズは、式（１）で与えられ、式（１）と（２）を組み合わせることによって、
ｄ’＝１．２２λ／ｎ１ｓｉｎ（α’） （５）
が与えられる。

その式が（３）で与えられる、本発明のレンズの有効ディオプトリの場合、

であり、

が得られる。

固体浸漬レンズが有る場合と無い場合の、開口数の比ＮＡ’／ＮＡは、収束能力

に変換される。ｒは、原点Ａに対して有効ディオプトリの点Ｉ（ｘ，ｙ）を分離する距離を表す。

このマグニチュードＰは、１／１−Ｌ／ｒが、Ｌのある値について１より小さくなり得るため、ｎ^２より大きい。

半球固体浸漬レンズの場合、有効ディオプトリは、

に従い、このことは、式（３）と比較して、ａ＝０およびＬ／ｒ＝ｎ＋１、Ｐ＝ｎが、効率的に得られることを意味する。この場合、ＡはＡ’と合体(merge)する。

超球固体浸漬レンズの場合、有効ディオプトリは、

に従い、このことは、式（３）と比較して、Ｌ＝０およびＰ＝ｎ^２が、効率的に得られることを意味する。

非球面有効ディオプトリを有する本発明のレンズに戻ると、収束能力はマグニチュードｒに依存する。これは、入射によって、この非球面ディオプトリに当たる光線は、開口数の異なる利得をもって屈折されることになることを意味する。マグニチュードａが一定であるとき、式（３）を満たす、無限の数の厳密にスティグマティックな有効ディオプトリが存在する。

本発明のＳＩＬレンズが技術的に実行可能であるために、２つの条件が満たされる必要もある。第１は、有効ディオプトリが、平滑でなければならないことであり、このことは、この有効ディオプトリを規定する曲線が１回微分可能であり、かつ、その微分係数が連続であることを意味する。換言すれば、有効ディオプトリは、全ての点で単一正接を有する。第２の条件は、光ビームが、有効ディオプトリを介してレンズに入り、他のディオプトリを介して出るために、点Ａ’が有効ディオプトリの下流に配置されなければならないことである。《有効ディオプトリの下流に配置される》という表現によって、座標系（Ａ，ｘ，ｙ）内の共役点Ａ’の横座標は、有効ディオプトリの点の横座標より代数的に大きい、または、有効ディオプトリ点の最も大きい横座標に等しいことが意味される。横座標の軸Ａｘは、光ビームが、有効ディオプトリを介してレンズに入り、他のディオプトリを介して出るために、有効ディオプトリの下流に向けられるように方向制御された。点Ａ’は、ディオプトリの全ての点の上流に厳密に配置されるわけではない。

固体浸漬レンズと光記録媒体との接触のリスクを回避するために、光記録媒体２３に最も近い固体浸漬レンズ２２の表面を減らすことが有利である。これは、２つのディオプトリ２６と２７との間で、本発明に従って、固体浸漬レンズ２２のエッジ２８をベベリングすること（斜角を付けること）によって達成され得る。ベベルドエッジ２８は、有効ディオプトリ２６に近づくにつれて、外側に朝顔形に張り出る。光ビーム１０２は、ベベルドエッジ２８を通過せず、このことは、その特性が低下しないことを意味する。

従来の固体浸漬レンズの場合と同様に、実像焦点Ａ’は、好ましくは、他のディオプトリ２７にあり、したがって、記録媒体２３上のスポットサイズは、できる限り小さい。

ここで、本発明によるＳＩＬレンズの非球面有効ディオプトリの縮閉線を、従来のレンズの半球および超球の有効ディオプトリの縮閉線と比較する。

図３を参照して、曲率半径の概念が簡潔に想起される。２つの点ＳとＳ’との間の曲線Ｉ（ｘ，ｙ）の平均曲率は、Ｓにおいて曲線に対する正接によって形成される角度と、Ｓ’において曲線に対する正接によって形成される角度との比、および、弧ＳＳ’の長さによって定量化される。平均曲率半径は、定義上、平均曲率の逆数である。ＳとＳ’が、無限に近づく場合、平均曲率の限界は、単一点Ｓにおいて曲率と呼ぶことができるものに相当する。この単一点Ｓの曲率半径は、常に、曲率の逆数である。曲率の中心は、曲率半径の自由端にある。直感的に、点Ｓにおける曲線Ｉ（ｘ，ｙ）の曲率（図３では示さず）の半径は、点Ｓの近傍で曲線Ｉ（ｘ，ｙ）に最もよく追従する円の半径である。したがって、直線の場合、曲率半径は、無限大であり、曲率は、ゼロである。円の場合、曲率は一定であり、その値は半径の逆数である。

有効ディオプトリの縮閉線は、この有効ディオプトリにおける子午曲線の縮閉線の光軸Ａｘの周りの回転によって得られる表面である。曲線の縮閉線は、曲率半径が曲線に追従するとき、曲率の全てのその中心の軌跡であることが想起される。図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、それぞれ、本発明による固体浸漬レンズの有効ディオプトリの縮閉線、従来の半球固体浸漬レンズの有効ディオプトリの縮閉線、および従来の超球固体浸漬レンズの有効ディオプトリの縮閉線を示す。これらの図において、有効ディオプトリ２６、２６’は、浸漬された実像焦点Ａ’（点像）に収束する光線ｆと共に示される。虚光線ｆ’も図４Ａおよび４Ｃに示され、これらの場合に、焦点ＡおよびＡ’が分離しているため、虚オブジェクト焦点Ａ（点オブジェクト）に集中する。

この縮閉線は、有効ディオプトリの特質を表す。この縮閉線が、図４Ｂの場合と同様に、ドット（Ｄで示される）である場合、これは、有効ディオプトリが、球であることを意味し、このドットＤは点Ａと合体し、点Ａは点Ａ’とそれ自体合体する。図４Ｃでは、このドットＤは、点ＡおよびＡ’から分離される。このドットＤは、焦点ＡおよびＡ’より小さい横座標を有する。図４Ａでは、縮閉線Ｄ’は、実質的にＶ形状の曲線であり、そのドットＤ１は、光軸Ａｘの近傍ｘで曲線Ｉ（ｘ，ｙ）の輪郭に最もよく追従する円の中心を表す。このドットＤ１は、曲率の近軸中心および有効ディオプトリ２６の１次近似を形成する。有効ディオプトリ２６の縮閉線の形状は、光軸Ａｘの両側に広がる半立方放物線の形状に類似していることが示され得る。この半立方放物線は、円錐の一般的な縮閉線であり、これは、有効ディオプトリ２６が、円錐による２次近似を有し、その式が、式（３）に存在する根の２次に制限された展開式を生成することによって、容易に得られることを立証する。

本発明によるレンズの有効ディオプトリが、点ＡおよびＡ’の対について、厳密にスティグマティックであると考えられた。実像焦点Ａ’で完全に収束する場合、収差はゼロである。一方、Ａを通過する光軸Ａｘに直交する面内のＡの近傍の点Ｂが、どのような条件下で、Ａ’を通過する光軸Ａｘに直交する面内に位置する、Ａ’の近傍の点Ｂ’において完全に共役となるか、を解析することが重要である。この完全な共役は、無収差レンズを特徴付ける。図３が参照され得る。

ＢとＢ’との間に共役点が存在する場合、

と書かれ得る。式中、ｄＬは、一定である。

次いで、２点ＢとＢ’をリンクする、アッベ(Abbe)に対してよく知られている条件が入れられる。

および

と書く。式

ならびに、式

が、書かれ得る。

点Ｂ’が角度α１と共に変動することが確認される。

本発明の固体浸漬レンズは、無収差(aplanatic)ではなく、一方、超球固体浸漬レンズは、無収差である。半球浸漬レンズも、無収差ではなかった。

同様に、同じ光学経路微分法を使用することによって、Ａの近傍の光軸Ａｘ上に位置する点Ｃと、光軸Ａｘに属し、かつ、Ａ’に近い点Ｃ’との間の共役保存条件を解析することが可能である。これは、ハーシェルの条件（Ｈｅｒｓｃｈｅｌ’ｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）として知られる以下の式（１４）をもたらす。

および

と書く。これは、

を与える。

したがって、全ての構成においてＣと共役の点Ｃ’は、角度αに依存する。本発明の固体浸漬レンズは、光軸Ａｘに沿ってスティグマティズムを維持しない。点Ｃは光軸Ａｘ上にある。

以下の２つの図５Ａ、５Ｂは、４０５ｎｍの波長において、それぞれ、ＬａＳＦ３５ガラス（屈折率ｎ１＝２．０９）およびダイヤモンド（屈折率ｎ１＝２．４６）で、本発明による固体浸漬レンズを生産するための最適化チャートである。横座標軸に沿って、式（３）のマグニチュードＬが見出され、縦座標軸に沿って、レンズの有効ディオプトリを照射する光ビームの開口数が見出される。選択されるマグニチュードは、ａ＝１である。任意の単位が使用される。太線の曲線の下の細線として示される別の曲線は、対物レンズと協働する本発明による非球面レンズ用の考えられる大域的な開口数を表す。太線の曲線の上には、本発明のレンズが先に説明したように実行可能でないため、得ることができない開口数が示される。ゼロ横座標軸を通過する直線は、超球固体浸漬レンズ（Ｌ＝０）を特徴付けるため排除される。マグニチュードａが選択され、チャートが、材料、波長、および対物レンズの開口数に関してコンピュータによってプロットされると、必要とされる全てのことは、所与の用途に適する大域的な開口数を選択すること、および、レンズのマグニチュードＬを導出することである。次いで、有効ディオプトリが従う式が得られる。そして、前記レンズは、その有効ディオプトリが完全に決定されるため、モールディングまたは機械加工によって作製され得る。

ここで図６Ａ〜６Ｇを参照すると、本発明による例示的な固体浸漬レンズを、従来の超球および半球の固体浸漬レンズと比較を行いながら述べる。

空気中で使用され、その開口数ＮＡが０．４５であり、ＬａＳＦ３５ガラス（屈折率ｎ１が２．０９である）の従来の超球固体浸漬レンズと協働する対物レンズを備える光学ヘッドについて述べる。ＳＩＬレンズの収束能力は、ｎ１^２、すなわち、４．３６８１である。このレンズの有効ディオプトリが図６Ａに示される。光学ヘッドの開口数ＮＡ’は、ｎ１^２ＮＡ、すなわち、１．９７である。上述したように、虚オブジェクト焦点はＡと呼ばれ、レンズの実像焦点はＡ’と呼ばれ、距離ＡＡ’は、−１になるように選択される。ＳＩＬレンズは、その原点がＡであり、横座標軸がレンズの光軸であり、縦座標軸がレンズの子午線軸であるデカルト座標系（Ａ，ｘ，ｙ）内に設置される。実像光線は、実線として示され、点Ａ’を通過する。虚オブジェクト光線は、点線として示され、点Ａを通過する。

図６Ｂは、図６Ａに示す超球固体浸漬レンズから、本発明の非球面浸漬レンズを得るのに使用される最適化曲線を示す。パラメータａの値は、−１のままである。任意のマグニチュードで表現される光学経路のパラメータＬは、変化させられ、これらの値Ｌおよびａによって得られる有効ディオプトリを有するＳＩＬレンズの収束能力の変動が観察される。Ｐｉで示す範囲は、前記有効ディオプトリを得ることが技術的に可能でない領域を示す。本発明による固体浸漬レンズの範囲に相当する２つの範囲Ｐ１、Ｐ２もまた示される。真っ直ぐな点線は、図６Ａの超球固体浸漬レンズの収束能力のレベルを表す。プロットされた最適化曲線は、光学ヘッドの所与の対物レンズおよび固体浸漬レンズの材料の屈折率に固有であることが留意される。

図６Ｃは、パラメータＬが２．３の最適化値をとるときの、図６Ｂの最適化曲線から得られる本発明による固体浸漬レンズの例示的な有効ディオプトリを示す。図６Ｂでは、この値は点Ｏで識別される。光学ヘッド（対物レンズ＋ＳＩＬレンズ）の開口数ＮＡ’は、２．０８に等しく、一方、その値は、図６Ａの超球固体浸漬レンズに関して１．９７であった。

ここで、その開口数ＮＡが０．７であり、ＬａＳＦ３５ガラス（屈折率ｎ１が２．０９である）の従来の固体浸漬レンズと協働する対物レンズを備える光学ヘッドが考えられる。レンズの収束能力は、ｎ１、すなわち、２．０９である。このレンズの有効ディオプトリは、図６Ｄに示される。光学ヘッドの開口数ＮＡ’は、ｎ１ＮＡ、すなわち、１．４６３である。距離ＡＡ’は、ここでは、ゼロ（ａ＝０）であり、点Ａは点Ａ’と合体する。固体浸漬レンズは、デカルト座標系（Ａ，ｘ，ｙ）内に設置される。実像光線が示され、点Ａ’に収束する。実像光線は、虚オブジェクト光線と合体する。

図６Ｅは、図６Ｄに示す半球固体浸漬レンズから、本発明の非球面浸漬レンズを得るのに使用される最適化曲線を示す。任意のマグニチュードで表現される光学経路パラメータＬは、変化させられ、これらの値Ｌおよびａ＝０によって得られる有効ディオプトリを有するレンズの収束能力の変動が観察される。Ｐｉで示す範囲は、前記有効ディオプトリを生産することが技術的に可能でない領域を示す。本発明による固体浸漬レンズの範囲に相当する２つの範囲Ｐ１、Ｐ２もまた示される。真っ直ぐな点線は、図６Ｄの半球固体浸漬レンズの収束能力を表す。

図６Ｆは、パラメータＬが−０．８の最適化値をとるときの、図６Ｅの最適化曲線から得られる本発明による固体浸漬レンズの有効ディオプトリの第１の例を示す。図６Ｅでは、この値は点Ｏ１で識別される。光学ヘッドの開口数ＮＡ’は、２．０６であり、一方、その値は、図６Ｄの半球固体浸漬レンズに関して１．４６３であった。

図６Ｇは、パラメータＬが３．５の最適化値をとるときの、図６Ｅの最適化曲線から得られる本発明によるレンズの有効ディオプトリの第２の例を示す。図６Ｅでは、この値は点Ｏ２で識別される。光学ヘッドの開口数ＮＡ’は、２．０７であり、一方、その値は、図６Ｄの半球固体浸漬レンズに関して１．４６３であった。

図６Ｃ、６Ｆ、６Ｇでは、有効ディオプトリが平滑な曲線によって規定されること、および、点Ａ’（−１）の横座標が、有効ディオプトリの点のそれぞれの横座標より大きいことが見てわかる。有効ディオプトリの点の最大の横座標が識別された。本発明によるレンズの有効ディオプトリを得るのに必要とされる２つのさらなる条件が満たされる。

本発明による固体浸漬レンズのいくつかの実施形態が、詳細に示され、述べられたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更および修正が、実施形態に対して行われてもよいことが理解されるであろう。

半球固体浸漬レンズを備える光学ヘッドを示す図である。 超球固体浸漬レンズを備える光学ヘッドを示す図である。 本発明の固体浸漬レンズをそれ自体装備する、本発明による光学ヘッドを装備する本発明による光学装置を示す図である。 本発明による固体浸漬レンズの有効ディオプトリの一部分であって、実光線および虚光線が一部分を通過する、有効ディオプトリの一部分を示す図である。 本発明による固体浸漬レンズおよびその有効ディオプトリ縮閉線を示す図である。 従来の半球固体浸漬レンズの有効ディオプトリおよびその縮閉線を示す図である。 従来の超球固体浸漬レンズの有効ディオプトリおよびその縮閉線を示す図である。 本発明による固体浸漬レンズの有効ディオプトリを決定するのに使用されるチャートである。 本発明による固体浸漬レンズの有効ディオプトリを決定するのに使用されるチャートである。 超球固体浸漬レンズの例を示す図である。 図６Ａの固体浸漬レンズから導出された、本発明の固体浸漬レンズの有効ディオプトリを決定するための最適化曲線を示す図である。 図６Ｂの曲線から得られた固体浸漬レンズの有効ディオプトリの例を示す図である。 半球固体浸漬レンズの例を示す図である。 図６Ｄの固体浸漬レンズから導出された、本発明の固体浸漬レンズの有効ディオプトリを決定するのに使用される最適化曲線を示す図である。 図６Ｄの曲線から得られた固体浸漬レンズの有効ディオプトリを示す図である。 図６Ｄの曲線から得られた固体浸漬レンズの有効ディオプトリを示す図である。

符号の説明

２０ 光学ヘッド
２１ 対物レンズ
２２ 固体浸漬レンズ
２３ 光記録媒体
２６、２７ ディオプトリ
１００ 光学装置
１０１ 光源
１０２ 光ビーム
１０３ ビームスプリッタ
１０４ 受信機デバイス
１０５ サーボ手段
Ａｘ 光軸
Ａ 虚オブジェクト焦点
Ａ’ 実像焦点

Claims (10)

1. 屈折率ｎ１を有する材料で作られた固体浸漬レンズであり、屈折率ｎ２の媒体から分離する有効ディオプトリ（２６）と、光軸（Ａｘ）と、前記有効ディオプトリを介して前記レンズに入る収束性光ビーム用の虚オブジェクト焦点（Ａ）とを有し、前記虚オブジェクト焦点は、実像焦点（Ａ’）と共役であるような、固体浸漬レンズであって、
   前記有効ディオプトリ（２６）は、式
   

   

   によって規定され、式中、
   ｘ、ｙは、デカルト座標系（Ａ，ｘ，ｙ）内の前記有効ディオプトリ（２６）の点（Ｉ）の座標であり、前記デカルト座標系（Ａ，ｘ，ｙ）の原点は前記虚オブジェクト焦点（Ａ）であり、前記デカルト座標系（Ａ，ｘ，ｙ）の横座標軸は前記光軸（Ａｘ）であり、
   ａは、前記虚オブジェクト焦点（Ａ）と前記虚オブジェクト焦点（Ａ）の共役点（Ａ’）との間の代数距離であり、前記距離は非ゼロであり、
   Ｌは、前記虚オブジェクト焦点（Ａ）を前記虚オブジェクト焦点（Ａ）の共役点（Ａ’）から分離する光学経路であり、前記光学経路は、一定でかつ非ゼロであり、
   ｎは、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２の比である
   こと、
   および、前記有効ディオプトリ（２６）は平滑であり、前記共役点（Ａ’）は、前記光ビームについて前記有効ディオプトリ（２６）の下流にあることを特徴とする固体浸漬レンズ。
2. 前記有効ディオプトリ（２６）に対向する別のディオプトリ（２７）を備え、前記他のディオプトリは実質的に平坦であることを特徴とする請求項１に記載の固体浸漬レンズ。
3. 前記虚オブジェクト焦点（Ａ）の前記共役点（Ａ’）は、前記他のディオプトリ（２７）にあることを特徴とする請求項２に記載の固体浸漬レンズ。
4. 前記有効ディオプトリ（２６）に近づくにつれて、外側に朝顔形に張り出るベベルドエッジ（２８）を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体浸漬レンズ。
5. 前記有効ディオプトリが、最大断面寸法を有する光ビームによって照射されると、前記虚オブジェクト焦点（Ａ）と前記虚オブジェクト焦点（Ａ）の共役点（Ａ’）との間の前記代数距離（ａ）は、前記有効ディオプトリ（２６）を照射する前記光ビームの前記最大断面寸法に実質的に等しいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の固体浸漬レンズ。
6. 最大断面寸法を有しており、前記虚オブジェクト焦点（Ａ）と前記虚オブジェクト焦点（Ａ）の共役点（Ａ’）との間の前記代数距離が、前記最大断面寸法に実質的に等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の固体浸漬レンズ。
7. 構成材料は、ダイヤモンドまたはＬａＳＦ３５ガラスであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の固体浸漬レンズ。
8. 請求項１から７のいずれか一項による、固体浸漬レンズ（２２）と協働する対物レンズ（２１）を備える光学ヘッド（２０）であって、前記固体浸漬レンズの前記有効ディオプトリ（２６）は、前記対物レンズ（２１）の側にあることを特徴とする光学ヘッド。
9. 請求項８に記載の光学ヘッド（２０）を備えることを特徴とする光学装置（１００）。
10. 光学データ用の読み取り、および／または、書き込み、および／または、再生装置、顕微鏡、リソグラフィ機器であることを特徴とする請求項９に記載の光学装置（１００）。

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