JP2009540388A - 色収差式回折光学素子コレクタ、これを有する光学的システム、ならびに関連方法 - Google Patents

Abstract

光学部品は、複数の周期を有する回折構造体を有する基板を備え、複数の周期のうちの少なくとも１つの周期が複数のステップを有し、複数のステップの高さが少なくとも１つの周期において非単調的に増大する。光学部品は、少なくとも２つの波長、たとえば３つの波長とともに用いられ、単一の基板上にあり、すべての波長に対して少なくとも５０％の効率を与えるものである。

Description

本発明に係る実施形態は、色収差式の回折光学素子（Diffractive Optical Element: ＤＯＥ）コレクタ（補正装置）に関する。とりわけ本発明は、複数の波長を用いたＤＯＥコレクタ、これに関連するシステム、ならびに関連する方法に関する。

数多くの用途において、複数の波長、すなわち少なくとも２つの波長について用いられる単一の対物レンズが必要されている。したがって、対物レンズの色収差は許容レベルまで補正する必要がある。

たとえば、より大量の光学的記憶容量を実現するためには、ビームサイズを小さくすることが必要となる。より短い波長でより開口数の大きい対物レンズを用いることにより、ビームサイズを小さくすることができる。しかしながら、波長が短くなるほど、光エネルギは大きくなる。このため、より短い波長を用いた場合、従来式の媒体のいくつかは破損する可能性がある。したがって、従来式の媒体を機能させるために、特定の媒体のために設計された波長光を機能させる必要性が依然としてある。

１つの特定の用途は、高密度デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）装置や、これと互換性のあるＤＶＤフォーマットおよびコンパクトディスク（ＣＤ）フォーマットである。こうした装置において、フォーマット間で対応すべき光学的条件に数多くの相違点がある。たとえば、これら３つのフォーマットは、波長、開口数、回折限界スポットサイズ、作動距離、および媒体厚みがそれぞれ異なる。

ＨＤ−ＤＶＤ装置は、たとえば約３８０ｎｍ〜４２０ｎｍの青色光で、開口数が約０．８５で、回折限界スポットサイズが０．５８μｍで、作動距離が約０．３ｍｍ以上で、媒体厚みが約０．０８７５ｍｍを採用する。ＤＶＤ装置は、たとえば約６３０ｎｍ〜６８０ｎｍの赤色光で、開口数が約０．６で、回折限界スポットサイズが１．３２μｍで、作動距離が約０．４ｍｍ以上で、媒体厚みが約０．６ｍｍを採用する。またＣＤ装置は、たとえば約７８０ｎｍ〜８２０ｎｍの赤外光（ＩＲ）で、開口数が約０．４５で、回折限界スポットサイズが２．１１μｍで、作動距離が約０．５ｍｍ以上で、媒体厚みが約１．２ｍｍを採用する。

従来式の解決手法は、青色光に対して強い０次効率を有し、赤色光に対して強い１次効率を有する１次の位相関数、および赤外光に対して強い１次効率を有する２次の位相関数を有する表面を採用することである。これを実現するためには、厚みのあるＤＯＥを用いる必要がある。たとえば青色波長に対する２πの整数倍である位相レベルを用いるために、ＤＯＥ透過のための位相遅延は次式で表される。

ここでｎは青色光に対するＤＯＥの屈折率であり、ｄはＤＯＥの厚みであり、λは青色光の波長である。屈折率に対応し、各波長に対する２π倍の厚みＤは、次式で表される。

したがって、ＤＯＥがたとえば４０７ｎｍ（青色光）の光を通過させ、６５０ｎｍ（赤色光）に対応する１次の位相関数と、７８５ｎｍ（赤外光）に対応する２次の位相関数を分離するように設計された場合、７８５ｎｍは４０７ｎｍのほぼ２倍近いので、７８５ｎｍ（赤外光）に影響を与えるが４０７ｎｍには影響を与えないレベルを特定する必要がある。位相レベルは、青色光に影響を与えない整数（Ｍ）倍の厚み（Ｄ）で決定される。これにより、特にＩＲの場合、５０％未満の比較的に小さい効率を有する。その結果、ほとんどの部品材料に対して、部品は極めて厚くなり、その効率は相当に低くなる。

２つまたは３つの波長に回折する１つの表面を用いる上記解決手法において、第１の波長（たとえば６５０ｎｍ）における１次の位相関数に対する位相レベルは、（２πの係数倍である）０次の位相遅延、あるいは他の２つの波長（たとえば４０５ｎｍおよび７８５ｎｍ）のほぼ０次の位相遅延に相当するように選択される。また、第２の波長（たとえば７８５ｎｍ）における２次の位相関数に対する位相レベルは、他の２つの波長（たとえば４０５ｎｍおよび７８５ｎｍ）のほぼ０次の位相遅延に相当するように選択される。媒体中で分散が生じることはなく、その屈折率が１．４６であるときの位相レベルを前提とする。簡略化のため、青色光に関する上記ＭおよびＤの解（答）のみを検討する。２次の位相関数を検討し、４０倍以下の厚みに限定し、赤色光に対する位相角がプラスマイナス２０％の範囲にあるＭを探したとき、この条件を満足する５つのＭの値がある。しかし、これらの位相レベルは、赤外光に対する４位相回折について位相角０°、９０°、１８０°および２７０°に近い位相角を与えるものでなければならない。５つの値のうちの３つの値だけが目標とする値のプラスマイナス２０％の範囲に属する。すなわちバイナリ回折部品以外の回折部品は、Ｍが４０でＤが４０７ｎｍである、すなわち３５ｍｍ以上であるように作製する必要がある。

溶融シリカの屈折率は波長が大きくなるほど減少し（すなわち正分散）するため、上述の簡略化したケースに比して、実際の問題はよりいっそう深刻である。すなわち溶融シリカの屈折率は、Ｄが４０５ｎｍであるとき１．４７０であり、Ｄが７８５ｎｍであるとき１．４５３である。次式（３）で表す位相遅延比を参照すると明らかに理解されるように、この分散により青色光と赤外光の波長がよりいっそう接近して調和（harmonic）しやすくなる。

分散がなければ、すなわちｎ_Ｂ＝ｎ_ＩＲであれば、上記位相遅延比は１．９３となるが、溶融シリカの場合には２．０１となる。これらの屈折率を用いた場合、Ｍを青色光に対する整数であるとして選択した場合、赤外光に対する位相値はすべて、Ｍが７５未満のすべての値に対して０°または１８０°のいずれかのプラスマイナス２０％の範囲に入り、４レベルＤＯＥを実現する場合であっても少なくとも６５μｍの厚みを有するＤＯＥを必要とする。

したがって溶融シリカを用いた場合、従来のアプローチは、６５μｍ以上の極めて厚い回折構造体を用いなければ、赤外光のバイナリＤＯＥに限定されるものである。こうしたバイナリＤＯＥは、効率が極めて低く、４レベルＤＯＥの効率と大まかに比較した場合、４０％未満となる。ＤＯＥの厚みが増すと、作製がより困難となり、波長変化により影響を受けやすくなるといったさまざまな問題が生じ、エッチング深度および周期のアスペクト比に起因するシャドウイングなどの性能上の問題が生じる。

米国特許第６６８７０３７号明細書

したがって本発明の実施形態は、従来技術が有する問題点や短所に起因する１つまたはそれ以上の問題を実質的に克服するＤＯＥコレクタ、関連するシステムおよび方法に関するものである。

本発明の実施形態の特徴は、波長に適当な焦点距離を与えるＤＯＥコレクタを提供することである。

本発明の実施形態の別の特徴は、単一基板上にＤＯＥコレクタを提供することである。

本発明の実施形態のさらに別の特徴は、作製が容易なＤＯＥコレクタを提供することである。

本発明の上述の特徴または他の特徴のうちの少なくとも１つは、下記の光学部品を提供することにより実現され、この光学部品は、複数の周期を有する回折構造体を有する基板を備え、複数の周期のうちの少なくとも１つの周期が複数のステップを有し、複数のステップの高さが少なくとも１つの周期において非単調的に増大する。

基板が溶融シリカであってもよい。複数のステップがλ／（ｎ−１）の実質的な倍数であってもよい。２πを係数とするデザイン波長が光学部品の中心から離れて増大するものであってもよい。

光学部品が第１の波長λ１および第２の波長λ２を用い、基板が次式を実質的に満足する屈折率ｎを有するものであってもよい。

光学部品が第３の波長λ３を用い、第３の波長λ３が第１の波長λ１と第２の波長λ２の間であってもよい。

光学部品は、第１の波長の０次回折光に対して少なくとも７５％の効率を有し、第２の波長の１次回折光に対して少なくとも４４％の効率を有していてもよい。

ステップ高さが第１の波長のハーモニックの１ラジアン内であってもよい。

少なくとも１つの周期における複数のステップのうちの少なくとも１つのステップがより高い隣接するステップおよびより低い隣接するステップを有するものであってもよい。

ステップ高さは実質的にデザイン波長のハーモニックスであってもよい。少なくとも１つのステップ上にサブステップをさらに有するものであってもよい。少なくとも１つの周期における高さステップ高さが、デザイン波長の実質的なハーモニックスから１ラジアン未満だけずれていてもよい。

本発明の上述の特徴または他の特徴のうちの少なくとも１つは、下記の光学ヘッドを提供することにより実現され、この光学ヘッドは、第１および第２の波長で光を出力するように構成された光源と、第１の波長の光を第１の光学媒体タイプ上に集光し、第２の波長の光を第２の光学媒体タイプ上に集光するように構成されたレンズと、光源とレンズの間に配置された請求項１〜１３のいずれか１に記載の光学部品と、第１および第２の波長の光を検出するように構成された受光器とを備える。

光学部品がレンズに隣接して配置されていてもよい。光源は、第３の波長で光を出力するように構成され、レンズは、第３の波長の光を第３の光学媒体タイプ上に集光するように構成されるものであってもよい。

第１の波長が最も短い波長であり、光学部品が第１の波長の実質的なハーモニックスであるステップ高さを有するものであってもよい。

第１の波長が約３８０ｎｍ〜約４２０ｎｍであり、第２の波長が約６３０ｎｍ〜約６８０ｎｍであり、第３の波長が約７８０ｎｍ〜約８２０ｎｍであってもよい。

光学部品およびレンズが第１の焦点距離および第１の開口数を有する第１の波長の光と、第２の焦点距離および第２の開口数を有する第２の波長の光と、第３の焦点距離および第３の開口数を有する第３の波長の光とを形成するものであってもよい。

本発明に係る第１の実施形態によるＤＯＥコレクタの概略側面図である。 補正すべきレンズが位置合わせされた図１のＤＯＥコレクタの概略側面図である。 本発明に係る第２の実施形態によるＤＯＥコレクタの概略側面図である。 本発明に係る第３の実施形態によるＤＯＥコレクタの概略平面図である。 異なる波長に対する部分的概略図である。 異なる波長に対する部分的概略図である。 本発明に係る実施形態による単一表面ＤＯＥコレクタのための回折デザインの部分的概略図である。 本発明に係る実施形態によるＤＯＥコレクタをデザインするために用いられる択一的なエッチング深度を示す。 本発明に係る実施形態によるＤＯＥコレクタの実際の位相および所望の位相の間のラジアンの差異をプロットしたものである。 本発明に係る実施形態によるＤＯＥコレクタの概略平面図である。 本発明に係る実施形態によるＤＯＥコレクタを有する光ヘッドの概略図である。 ＢＤに用いられる図７に示す光ヘッド内の本発明に係る実施形態によるＤＯＥコレクタおよびレンズの詳細側面図である。 ＤＶＤに用いられる図７に示す光ヘッド内の本発明に係る実施形態によるＤＯＥコレクタおよびレンズの詳細側面図である。 ＣＤに用いられる図７に示す光ヘッド内の本発明に係る実施形態によるＤＯＥコレクタおよびレンズの詳細側面図である。 本発明に係る実施形態による図７に示す光ヘッドを有する光ディスクドライブの概略図である。 図９の光ディスクドライブを有するコンピュータの概略正面図である。 図９の光ディスクドライブを有する携帯型デバイスの概略正面図である。 図９の光ディスクドライブを有するシステムの概略斜視図である。

本発明に係る上記特徴および利点等は、当業者が添付図面を参照しつつ以下の詳細な実施形態を参酌すれば容易に理解される。

本発明の例示的な実施形態を図示する添付図面を参照しながら、本発明の実施形態についてより詳細に以下説明する。ただし、本発明は異なる態様で実現することができ、以下説明する実施形態に限定して解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態はその開示内容が明瞭かつ十分に当業者に発明の概念を伝えるように開示されるものである。同様の参照符号が同様の部品に対しては、同様の符号を用いて参照される。

上述のように、４０５ｎｍおよび７８５ｎｍの波長光を利用するとき、ＤＯＥコレクタのために溶融シリカを用いることには問題が生じることがある。すなわち、溶融シリカの４０５ｎｍおよび７８５ｎｍの波長光の位相遅延比が１：２となり極めて接近して、調和的（ハーモニック：harmonic）構造を有する量産性のある実際的なバイナリレンズしか製造することができず、赤外光に対する効率が４０％未満と極めて不十分であるためである。第３の波長光を適正に回折しつつ、件の２つの波長光の間の位相遅延比が高周波にあまりにも接近しないようにするための解決手段が必要である。

高周波による影響の問題に対処するための、本発明に係る第１の実施形態によるＤＯＥコレクタ５が図１に図示されている。ＤＯＥコレクタ５は、第１および第３の波長光が実質的に同等に取り扱われるように、より調和的な位相遅延を与える第１の部材中には第１の回折部品１２を設け、第１および第３の波長光が実質的に異なるように取り扱われるに、あまり調和的でない位相遅延を与える第２の部材中には第２の回折部品１４を設けた基板１０を備える。このとき、第１の部材は下記の式で表されるより調和的な位相遅延を与える。

たとえば基板１０は、溶融シリカなどの調和的な位相遅延材料（調和位相遅延材料）であり、これに第１の回折部品１２がエッチングされ、基板１０の対向面上にはあまり調和的でない位相遅延材料（非調和位相遅延材料）１６が設けられ、その中に第２の回折部品１４が形成される。非調和位相遅延材料１６としてポリマなどのエンボス加工可能な材料を用い、エンボス加工可能な材料に第２の回折部品１４をスタンプ加工してもよい。

従前より、特定の波長に対する高効率の０次ビームを与える回折部品を設計する際、回折構造体がその波長における光に影響を与えないように、すなわち位相遅延が無視できるように、回折部品のエッチング深度はその波長の２π倍に設定される。本発明の実施形態によれば、赤色光を用いるための第１の回折部品１２を設計する際、赤外光は実際には青色光の高周波光であるので、この回折部品のエッチング深度は、青色光ではなく赤外光の波長の２π倍に限定される。換言すると、回折部品のエッチング深度は、青色光の波長の４π倍に限定される。４π倍に近い膜厚値を特定した後、赤色光に対して４π倍の分数的位相値またはこれに近い値における位相値を与える膜厚値が選択される。たとえば溶融知れかにおいて、１６倍位相レベル構造体が提供された場合、赤色光に対する目標とする位相値は（２πの係数倍として）次式で与えられる。

ここでｉは０〜１５である。

非調和位相遅延側においては、赤外光のための高効率の第１次光が得られるように、第２の回折部品が設計されている。第２の回折部品は、これにより影響を受けない各波長光（ここでは青色光と赤色光）に対する最大位相誤差を選択することにより設計される。そして最大位相誤差内にあって、２πの整数倍に等しいすべてのレベルが青色光のために決定される。各波長光の最大位相誤差は同一であってもよい。赤色光に対する２πの最大位相誤差の範囲内にないレベルは排除される。最終的に、残ったレベルが赤外光に対し方程式（１）に基づいて選択される。非調和位相遅延材料は、適当な分散を有するＴｉＯ_２、ＳＵ−８、紫外線（ＵＶ）硬化性ポリマ、または熱硬化性ポリマであってもよい。

上述の条件を満足するさまざまなレベルを用いて、両方の回折部品を作製することができ、効率的なＤＯＥコレクタを製造することができる。たとえば溶融シリカを用い、６６０ｎｍの波長光のみが１次光に回折され、４０５ｎｍおよび７８５ｎｍの波長光は実質的に０次に配向される場合、すなわちエッチング深度が７８５ｎｍの２π倍とし、２０°誤差の範囲内でＭを２０未満に限定した場合、４０５ｎｍに対してＭ＝０，Ｍ＝２，Ｍ＝１４，Ｍ＝１６の４レベルがこれらの条件を満足する。赤外光に対してしたように、２０°誤差の範囲内で青色光の正確に２π倍ではないエッチング深度を考慮することにより、実際には、より良好な性能が実現される。この方法を用いたとき、溶融シリカ材料の最大エッチング深度が９μｍである場合、実際の回折光学部品は４〜１２レベルを有する溶融シリカに形成することができる。上述の紫外線硬化性ポリマなどの薄膜の最大エッチング深度が１５μｍであった場合、回折光学部品は４〜８レベルを有することができる。繰り返しになるが、エッチング深度に対する限定は、アスペクト比に起因するシャドウイングおよびベクトル回折効果によるものである。

本発明の第２の実施形態によれば、たとえば溶融シリカなどの低分散材料を用いて、調和波長光のうちの１つを回折し、別の波長光を部分的に回折し、他の調和波長光を透過させることができる。溶融シリカ内の利用可能な位相レベルの具体例を以下の表に示す。すべての位相遅延は、（２πの係数倍とした）波長で与えられ、４０５ｎｍの波長光に対して０または１波長（２π）で与えられる。

こうして得られた効率的な回折部品は、６６０ｎｍの波長光に対する５レベルの均一に離間した回折部品および７８５ｎｍの波長光に対するバイナリ回折部品に相当する。

溶融シリカ単体の上記構造は、特定の用途において十分な回折効率を有する。上記具体例では、この部品に対するスカラ回折効率は、４０５ｎｍの波長光に対しては１００％、６６０ｎｍの波長光に対しては８７％、そして７８５ｎｍの波長光に対しては４０％である。７８５ｎｍの波長光に対してより大きな回折効率が必要であれば、７８５ｎｍの０レベルまたはπレベルが溶融シリカ部品に与えられるので、７８５ｎｍの波長光に対する回折効率を増大させるためには、ポリマ側にほんの数レベルのみが必要とされる。たとえばポリマ側が２レベル（すなわち０波長および０．２５波長）、あるいは０波長から０．５波長の間で等間隔に離間した３レベル（すなわち０波長、１／６波長および１／３波長）を有していてもよい。これは、結果として、７８５ｎｍの波長光に対してはそれぞれ４レベルまたは６レベルを有する効率的回折部品を与えるものとなる。

７８５ｎｍの波長光に対して溶融シリカに０レベルまたはπレベルを与えることにより、ポリマを遙かに薄く作製することができる。たとえば第１の実施形態において、溶融シリカおよび二相多孔質粘弾性（ＢＰＶＥ）ポリマなどのポリマを用いて、溶融シリカ部分が８．７μｍの厚みを有し、ポリマ部分が１６μｍの厚みを有する。この結果、４０５ｎｍ、６６０ｎｍおよび７８５ｎｍの波長光に対してそれぞれ９４％、８１％および６９％の複合的回折効率が得られる。第２の実施形態によれば、同一材料を用い、溶融シリカ部分が７．７８μｍの厚みを有し、ポリマ部分が６．３４μｍの厚みを有するとき、４０５ｎｍおよび６６０ｎｍの両方の波長光に対してほぼ０次ラジアンの位相値が得られ、７８５ｎｍの波長光に対してほぼ０．２５波長の位相遅延が得られる。このとき、４０５ｎｍ、６６０ｎｍおよび７８５ｎｍの波長光に対してそれぞれ９６％、７８％および８０％の複合的回折効率が得られる。

第２の実施形態における両方の部分は、共通する波長光を回折するので、２つの部品の間の位置合わせは、第１の実施形態の場合より重要である。たとえばウエハ−ウエハ・ボンディングすることや、溶融シリカ部分上に対応する部材と係合する位置合わせ部材を有するポリマ部品を射出モールド成形すること、および溶融シリカ部分の表面上に直接的にポリマ部品を復元することなど、位置合わせは、数多くの手法で実現することができる。

第１および第２の回折部品のそれぞれは、３つの波長光の少なくとも１つに対して２π以上の位相レベルの違いを有するものであってもよい。２つ以上の材料を用いた場合、第２および第３の波長光は、実質的に調和的（ハーモニック）な関係を有し、第１の材料中では調和的であり、第２の材料中ではあまり調和的でないものとすることができる。第２の材料中における第２および第３の波長光の間の位相遅延比は、約１．９５未満であってもよいし、約２．０５より大きくてもよい。第１の材料中における第２および第３の波長光の間の位相遅延比は、約１．９５〜約２．０５であってもよい。

図２は、ほぼ球面形状を有する補正すべきレンズ２４が位置合わせされた図１のＤＯＥコレクタを図示するものである。いずれの実施形態も採用することができる。位置合わせするための一般的な手法が、「集積化されたマイクロ光学サブシステム（Integrated Micro-Optical Subsystems）」と題する米国特許第6,426,829号に開示されている。図２から明らかなように、基板２０はパターン形成され、エッチングされて、孔２２が形成されている。この孔２２がレンズ２４を収容し、レンズは半田などの接着剤２６を用いることにより孔内に固定することができる。図２に示すように、レンズ２４を研磨して、その表面２５を平坦化し、基板２０の表面とほぼ均一となるようにしてもよいし、あるいは当初の形態のままにしておいてもよい。そして図２に図示のように、基板２０はＤＯＥコレクタ５と位置合わせされ、たとえば接合部材３０を用いて、これらの構成部品を一体に固定することができる。ＤＯＥコレクタ５および基板２０は、複数の部品として、たとえばウエハレベルで位置合わせし、固定することができる。そして、最終的な光学部品３５は、複数の最終的な光学部品３５を含むウエハをライン３８に沿って分断することにより形成することができる。

すなわち、本発明の第１の実施形態によれば、３つの波長光とともに用いられるＤＯＥコレクタ５は、より調和的な位相遅延材料内に第１の回折部品を設けるとともに、あまり調和的でない位相遅延材料内に第２の回折部品を設けることにより形成することができる。たとえば、波長間の調和的な関係が２であるとして、あまり調和的でない位相遅延材料内における位相遅延比は１．９５より小さく、または２．０５より大きいものであり、より調和的な位相遅延材料においては上記範囲内であってもよい。ＤＯＥコレクタ５は、いずれかの方向に面していてもよい。図１に示すＤＯＥコレクタ５は、一方の表面をエンボス処理した単一の基板上に配設されるが、本発明によれば、ＤＯＥコレクタ５は、適当な材料からなる基板を一体的に固定して形成されるか、あるいは基板とは分離していてもよい。さらに調和的位相遅延部材および非調和的位相遅延部材の両方を基板の対向する表面上に配設してもよいし、基板が非調和的位相遅延部材であってもよい。

図３は、本発明に係る別の実施形態によるＤＯＥコレクタ３００を図示するものである。図３に示すように、ＤＯＥコレクタ３００は、２つの基板３１０，３２０を有し、各基板３１０，３２０は、その上に回折部品３１２，３２２をそれぞれ有する。図３に示す特定の具体例において、２つの基板３１０，３２０は、その間に配置された接合部材３３０を用いて固定することができる。当然に、スペーサウエハの形成など、他の任意の固定手法を用いることができる。

図４は、単一回折構造体としてのＤＯＥコレクタ４００を図示するものである。ＤＯＥコレクタ４００は、その表面において、たとえばガラス製基板である基板４１０の上に設けたＢＰＶＥなどのポリマに形成した回折部品を有するものであってもよい。先の実施形態では、青色光など１つの波長光がＤＯＥコレクタ４００を直線的に通過し、２つまたはそれ以上の波長光が回折される。単一回折構造体を用いた場合、２つの位相関数は一体に多重化（multiplexed）されるものであってもよい。その結果、６μｍのエッチング深度を有する１２〜１５μｍ厚の層などの深いエッチング深度を有する膜厚の層を得ることになる。

多重化された位相関数を形成する際、反復離散的軸上（Iterative Discrete On-axis：ＩＤＯ）アルゴリズムや放射対称（ＲＳ）ＩＤＯアルゴリズムなどの既知のアルゴリズムを用いて、多重化された位相関数を同時に決定することができる。択一的には、それぞれの位置における位相をＩＤＯアルゴリズムで決定し、参照テーブルを形成することができる。その後、これらの２つの線形位相関数を、他の２つの波長の６３通りの異なる位相値に対して組み合わせることができる。たとえば赤色光に対して８通りの異なる位相値を量子化することができる。そして、赤色光に対する８通りの異なる位相値のそれぞれに対して、赤外光に対する８通りの異なる位相値を決定することができる。その後、位相値のそれぞれに対して、最大効率を与えるエッチング深度を決定して記憶することができる。

溶融シリカのみを用いた場合、ＤＯＥコレクタ４００の位相深さを大きくして、青色光と赤外光に対する屈折率における微小な差異を必然的に増大することができる。しかし、上述のように、構造体をより深くすると、より多くのプロセス過程を要し、より多くの製造誤差が生じ得る。さらに、より深い構造体は、波長変化により影響を受けやすい。ただし、青色光に対する複数の調和的理想的エッチング深度から異ならせることにより、赤外光および赤色光の効率を増大させるために、青色光の効率が多少犠牲となる。

追加的または択一的に、２つの異なるマスクを用いて、すなわち一方のマスクで理想より多少深い位相深さまでエッチングし、他方のマスクで理想より多少浅い位相深さまでエッチングして、青色光の位相深さと同様にエッチングすることができる。その差異は青色光に対して２πの約１／８倍より小さくともよい。これはマクロステップとなり、すなわち実質的に青色光の２πハーモニックスであるステップ高さを有し、マイクロステップ、たとえば実質的に青色光の２πハーモニックスより小さいステップ高さを有する。当然に、必ずしもすべての周期がマイクロステップを有する必要はなく、そして／または必ずしもすべての周期が複数のハーモニックスとは一致しないステップ高さを有する必要はない。

図５Ａ〜図５Ｃは、同一スケールで、同一周期において赤色光の１次回折光を与える位相関数、赤外光の１６次回折光を与える位相関数、および青色光の高効率の０次光と、赤色光の１次回折光と、赤外光の１６次回折光とを与える最終的な回折デザインを概略的に示すものである。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、これらの波の（２πの係数倍とした）値に基づいて位相関数が図示されており、図５Ｃは実際のステップ高さに基づいた回折部品が図示されている。青色光に対する強い０次光についての単一の線形グレーティングは、図示されていないが、波はすべて効率的に０であるので、極力平坦な表面である。この特定の具体例おいて、図５Ａに示す１周期において、図５Ｂに示す１６周期あり、図５Ｃに示す８周期存在する。

図５Ａに図示されているように、赤色光に対する１次回折光を与える位相関数は、緩やかに変化する位相を有する一方、図５Ｂに示すように、赤外光に対する１６次回折光を与える位相関数は、１次光に対するすべての位相レベルを確実に通過するように、速い（短い）格子周期を有し、微小周期を有するブレーズド格子に相当するものであってもよい。ＩＤＯを用いて、全体の深さに制限を設けて、たとえば６４箇所（図５Ｂの位相関数に対して４ステップおよび図５Ａにおいて１６ステップ）の位置においてサンプル収集した格子周期を形成し、実際の位相関数に適用することが可能な参照テーブルを作成することができる。単一の連続的構造体を形成するのではなく、光学的エッチング深度が２πより大きい場合、位相関数は各波長に対して量子化することができる。たとえば、各周期を４ステップまたは８ステップに分割することができる。

したがって、図５Ｃに示す単一回折部品のための回折デザインは、２πより大きい深度を有する量子化された離散的レベルを有していてもよい。このとき２つの異なる位相関数が１次光および１６次光を最適化する。ここで明らかなように、回折部品はいずれかの方向において２πで変化する隣接ステップを有していてもよく、ステップの絶対値は単調関数ではない。複合的な回折部品の位相関数が単調に増大する場合、実際の装置で用いられるエッチング深度はない。すなわち、極大値または極小値があってもよい。

図６Ａは、本発明に係る実施形態によるＤＯＥコレクタのエッチング深度を図示するものである。Ｘ軸はＤＯＥコレクタの中心から外方向にｍｍ単位で、Ｙ軸はエッチング深度（ステップ高さ）をμｍ単位で図示されている。より濃いプロットはエッチング深度が深いデザインのもので、たとえば最大エッチング深度（ステップ高さ）が８μｍで、これは青色光の１０倍ハーモニックスであり、より浅いプロットはエッチング深度が浅いデザインのもので、たとえば最大エッチング深度（ステップ高さ）が４μｍで、これは青色光の６倍ハーモニックスである。図６Ａから明らかなように、これらの構造体は、２の係数でほぼ関連する特徴を有するが、これらのデザインは、特定のデザインに対して最適化される。図６Ａから明らかなように、たとえば０．３６ｍｍポイントの周囲において、深い構造体および浅い構造体は若干増加しており、マイクロステップを有する。

波長の感度と全体的な効率をバランス調整する際、エッチング深度は８〜１０倍ハーモニックスの範囲にある。たとえば溶融シリカ内の１０倍ハーモニックスは、少なくとも６４％の赤外光効率、少なくとも７９％の赤色光効率、および少なくとも６４％の青色光効率を与えるものであってもよい。すなわち、３つすべての波長光に対する単一回折表面の効率は、たとえば４４％、５０％、７０％であって、少なくとも約４０％より大きく、青色光に対する効率は、たとえば９０％であって、少なくとも約７５％より大きい。

また、たとえばＢＰＶＥなどの溶融シリカより分散的な材料からなる基板に、上記デザインを用いてもよい。これらのより分散的な基板は、赤外光効率をさらに改善する。赤色光と青色光の間の位相差が約１〜２％で、赤外光と青色光の間の位相差が約２〜３％である任意の適当で動作可能な材料が有用であり得る。さらに、青色光に対する理想的なハーモニック量子化を、こうした材料に適用することができる。

図６Ｂは、５つのマスク、すなわち３２通りの可能性のある位相レベルを用いたデザインで採用された青色位相差をラジアンで示すものである。これらの差は、実際の位相と理想的な位相の間のものであり、理想的な回折における位相誤差である。青色光と赤外光の間の位相差の増大に加えて、赤色光と赤外光の間の干渉を防止するように位相オフセット（位相ずれ）を選択するようにしてもよい。これらの位相差はすべて、１ラジアン、すなわち１／６倍の波より小さい。全体部品にわたるオフセットがあまりも大きい場合、効率が損なわれ、光学部品は青色光に対して実質的に調和すべきである。

図６Ｃは、本発明に係る実施形態によるＤＯＥコレクタの概略的な平面図である。異なる領域は、異なる回折構造体を有するか、回折構造体を有さず、異なるより小さいビームはこれらの領域に入射することはない。とりわけ中央領域６６２は、３つすべての波長光のために設計され、中間環帯（アニュラス）６６４は赤色光および青色光のみのために設計され、外側環帯６６６は青色光のみのために設計されて、回折構造体を有さない。赤外光を排除することにより、ハーモニック格子およびより小さいエッチング深度を用いることができる。追加的または択一的に、ＤＯＥコレクタの中心に金属などの掩蔽物（obscuration）６６８があってもよい。

図７は、２以上の波長光を用い、上述の任意の実施形態により作製された共通ＤＯＥコレクタ６００と、共通の対物レンズ６２０とを有する光学ヘッド７００の概略的な側面図である。光学ヘッド７００は、光学式記憶媒体のための実装部品８００に隣接して設けられる。

光学ヘッド７００は、第１、第２および第３の光源７１０，７２０，７３０を有する。第１のレンズ７４０は、第１、第２および第３の光源からの光をコリメートするものであるが、実際には、各波長光は個別のレンズを用いてコリメートしてもよい。コリメートされた光は、第１のビームスプリッタ７５０によりＤＯＥコレクタ６００および対物レンズ６２０に向けられ、実装部品８００上の光学式記憶媒体に照射される。光学式記憶媒体で反射した光は、対物レンズ６２０およびＤＯＥコレクタ６００を通り、第１のビームスプリッタ７５０を通過する。光は第２のレンズ７８０により光検出器７９０に集光される。図７においては、第１の光源７１０から出射された光が図示されている。

３つの光源を独立して設けたとき、第２および第３の光源７２０，７３０からの光を第１のレンズに配向するために、第２および第３のビームスプリッタ７６０，７７０を設けてもよい。択一的には、３つのすべての波長光を出射する単一光源を用いると、第２および第３のビームスプリッタ７６０，７７０を省略することができる。

図８Ａ〜図８Ｃは、ＤＯＥコレクタ６００、およびＢＤ６３０、ＤＶＤ６４０、ＣＤ６５０のそれぞれを操作するための対物レンズ６２０の概略的な側面図である。図から明らかなように、ＢＤ６３０に対する開口数は最大であり、ＢＤ６３０は最も薄い光学式記憶媒体である。またＣＤ６５０に対する開口数は最小であり、ＣＤ６５０は最も厚い光学式記憶媒体である。

図９は、本発明に係る実施形態による光ヘッド７００を有する光ディスクドライブ９００を示すものである。光学式記憶媒体は回転子９２０上に実装されていてもよい。光ヘッド７００は、光学式記憶媒体を横断するように回転子９２０に対して並進移動することができる。コントローラ９１０は、焦点合わせ、トラッキング、回転動作および並進動作を制御することができる。このコントローラは、光ヘッド７００から出力された情報を再生して、記録信号を光ヘッド７００に送信することができる。本発明に係る実施形態によれば、光ディスクドライブは異なる光媒体を取り扱うことができる。

図１０は、光ディスクドライブ９００、モニタ１０１０、およびキーボードなどの入力装置１０２０を有するコンピュータ１０００の正面図である。図１１は、光ディスクドライブ９００および表示装置１１１０を有する携帯型装置１１００の正面図である。携帯型装置１１００は、たとえばラップトップコンピュータや携帯型の光ディスクプレーヤ／リコーダであってもよい。図１２は、光ディスクドライブ９００を含む光ディスクプレーヤ／リコーダ１２００と、光ディスクプレーヤ／リコーダに優先または無線で接続される別個の表示装置１２１０とを備えたシステムの斜視図である。

ＤＯＥコレクタの任意の実施形態をウエハレベルで作製することができる、すなわち複数のＤＯＥコレクタを作製した後、個々のＤＯＥコレクタに分断できることについて留意すべきである。さらに、図２を参照して説明したように、こうした分断の前工程または後工程において、ウエハ上でＤＯＥ作製されたコレクタは、光ヘッドの他の光学部品とともに固定あるいは垂直方向に積層される。ＤＯＥコレクタは、リソグラフィック技術作製ウエハ工程を用いた生産を含む、任意の既知のリソグラフィック技術を用いて作製することができる。さらに、図２の屈折レンズは、球状レンズとして図示されているが、本発明に基づいてウエハレベルで作製可能なマイクロレンズを採用することができる。

上記実施形態の任意の実施形態において開口数（ＮＡ）を調整するために、散乱領域を形成してより長い波長の光の一方または両方、すなわち７８５ｎｍの光、または７８５ｎｍおよび６６０ｎｍの光の両方を散乱させて、これらの波長における有効開口数を抑制してもよい。たとえば７８５ｎｍの光に対する有効開口数を低減するため、上述のデザイン手法を用いることができるが、７８５ｎｍの光のための所望の位相関数はバイナリ格子となり、このバイナリ格子は十分に高い空間周波数を有するため、ディスクでの信号出力を実質的に低減するのに十分な程度に大きい領域に７８５ｎｍの光を回折する。

本発明のＤＯＥコレクタの任意の上記実施形態において、追加的な回折部品を設けて、青色光の波長の微小変化などの分散を補正してもよいし、あるいは、こうした補正をＤＯＥコレクタ内で用いられる回折部品の１つに取り込んでもよい。こうした分散補正により、焦点距離を適当な位置に維持することができる。

図面において、層および領域の寸法は、理解しやすくするために誇張して図示されている。なお、部品または層が別の部品または層に対して、「上に（on）」、「接続された（connected to）」、または「連結された（coupled to）」と記載した場合には、直接的に「上に」、「接続された」、または「連結された」場合と、介在する部品または層が存在する場合とを含み得ることを理解されたい。これとは異なり、部品が別の部品または層に対して、「直接上に（on）」、「直接接続された（connected to）」、または「直接連結された（coupled to）」と記載した場合には、介在する部品または層が存在しない。さらに層が別の層の「下方（under）」または「上方（above）」にあると記載した場合には、
「直接下方」または「直接上方」にある場合と、１つ以上の介在する部品または層が存在する場合とを含み得ることを理解されたい。さらに、層が２つの層の「間に（between）」にあると記載したとき、２つの層の間にその層だけが存在する場合と、１つまたはそれ以上の介在する層が存在する場合とがある。この明細書における「そして／または（and/or）」なる用語は、列挙された関連項目の１つまたはそれ以上の任意のすべての組み合わせを含むものである。

「第１（first）」および「第２（second）」なる用語を用いて、さまざまな部品、構造体、構成部品、領域、層および／または区域を記述し、これらの部品、構造体、構成部品、領域、層および／または区域は、これらの用語により限定されるものではない。これらの用語は、１つの部品、構造体、構成部品、領域、層および／または区域を区別するためだけに用いられるものではない。すなわち以下に説明する第１の部品、構造体、構成部品、領域、層および／または区域は、例示的な実施形態の開示内容を逸脱することなく、第２の部品、構造体、構成部品、領域、層および／または区域と記載され得る。

「直下に（beneath）」、「下方に（below）」、「下側に（lower）」、「上方に（above）」、「上側に（upper）」などの空間的関係を示す用語は、図面を参照したとき、１つの部品または構造物を他の部品または構造物の関係を説明しやすくするためのものである。空間的関係を表す用語は、図面に示す方向に加えて、使用または操作されるデバイスのさまざまな方向を含むことを意図されている点につき理解されたい。別の部品や層の「下方」または「下側」と記載された部品や層は、たとえば図中のデバイスが反転（上下逆転）したとき、別の部品や層の「上方」に配向される。すなわち、例示的な用語「下方に」は、上方および下方の両方の配向を含み得る。デバイスは、その他の方向に配向（９０°または他の配向方向に回転）させることができ、これに応じて空間相対的な記述を解釈することができる。

ここで用いられる表現は、特定の実施形態のみを記述するためのものであり、例示的な実施形態を限定することを意図したものではない。ここで用いられるように、単数形の「１つの（a, an）」や「その（the）」は、内容から明らかに単数形でない限り、複数の形態を同様に含み得る。また明細書で記載された「備える（comprises）」および／または「備え（comprising）」なる用語は、記述された特徴部品、整数、ステップ、操作、部品、および／または構成部材の存在を特定するが、他の特徴部品、整数、ステップ、操作、部品、構成部材および／またはこれらのグループを排除するものではない点につき理解されたい。

例示的な実施形態の理想化された実施例（および中間的構造体）を概略的に示した断面図を参照して、例示的な実施形態を説明した。よって、たとえば製造方法および／または公差などについて、図示したものとは異なる場合があり得る。すなわち、例示的な実施形態は、図示された領域の特定形状に限定して解釈すべきではなく、むしろたとえば製造方法から得られる形状の変形例を含み得る。たとえば、矩形として図示された領域は、通常、円形または湾曲した特徴物を有し、および／または埋設領域から非埋設領域のバイナリ変化ではなく、端部における埋設濃度の勾配を含むものである。同様に、埋設により形成された埋め込み領域は、埋め込み領域と埋設がなされる表面の間の領域における埋設を形成してもよい。すなわち、図に示す領域は、本質的には概略的であって、その形状は実際のデバイスの領域の形状を示すことを意図したものではなく、例示的な実施形態の範囲を限定することを意図したものでもない。

特に言及がなければ、ここで用いられるすべての用語（技術的および科学的用語を含む）は、例示的な実施形態の技術分野における当業者が共通に理解する意味と同一の意味を有する。一般に用いられる辞書で定義された用語は、特に明示的に定義されていなければ、当該技術分野の文脈における意味と一致する意味を有するものとして解釈すべきであって、理想的または全体的に形式的に意味に解釈すべきではないことを理解されたい。

特定の用語を用いて、本発明の実施形態について説明したが、これらの用語は一般的で記述的な意味でのみ解釈すべきであって、限界して解釈すべきものではない。たとえば、球面レンズについて説明したが、他の形状、異なる位置合わせ機構を用いてもよい。第１ないし第３の波長は、波長が互いに異なることを意味するものであって、波長の互いに対する特定の順序を示唆するものではない。したがって、当業者ならば、添付クレームに記載された本発明の精神および範疇から逸脱することなく、形態および詳細におけるさまざまな変形例が理解される。

５：ＤＯＥコレクタ、１０：基板、１２：第１の回折部品、１４：第２の回折部品、２０：基板、２２：孔、２４：レンズ、２６：接着剤、３０：接合部材、３５：光学部品。

Claims (22)

1. 複数の周期を有する回折構造体を有する基板を備え、
   複数の周期のうちの少なくとも１つの周期が複数のステップを有し、
   複数のステップの高さが少なくとも１つの周期において非単調的に増大することを特徴とする光学部品。
2. 基板が溶融シリカであることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
3. 複数のステップがλ／（ｎ−１）の実質的な倍数であることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
4. ２πを係数とするデザイン波長が光学部品の中心から離れて増大することを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
5. 光学部品が第１の波長λ１および第２の波長λ２を用い、
   基板が次式を実質的に満足する屈折率ｎを有することを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
   

   
6. 光学部品は、第１の波長の０次回折光に対して少なくとも７５％の効率を有し、第２の波長の１次回折光に対して少なくとも４４％の効率を有することを特徴とする請求項５に記載の光学部品。
7. ステップ高さが第１の波長のハーモニックの１ラジアン内であることを特徴とする請求項５に記載の光学部品。
8. 光学部品が第３の波長λ３を用い、
   第３の波長λ３が第１の波長λ１と第２の波長λ２の間であることを特徴とする請求項５に記載の光学部品。
9. 少なくとも１つの周期における複数のステップのうちの少なくとも１つのステップがより高い隣接するステップおよびより低い隣接するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
10. ステップ高さは実質的にデザイン波長のハーモニックスであることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
11. 少なくとも１つのステップ上にサブステップをさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の光学部品。
12. 少なくとも１つの周期における高さステップ高さが、デザイン波長の実質的なハーモニックスから１ラジアン未満だけずれていることを特徴とする請求項１に記載の光学部品。
13. 光学部品におけるステップ高さの大多数がデザイン波長の実質的なハーモニックスから１ラジアン未満だけずれていることを特徴とする請求項１２に記載の光学部品。
14. 第１および第２の波長で光を出力するように構成された光源と、
    第１の波長の光を第１の光学媒体タイプ上に集光し、第２の波長の光を第２の光学媒体タイプ上に集光するように構成されたレンズと、
    光源とレンズの間に配置された請求項１〜１３のいずれか１に記載の光学部品と、
    第１および第２の波長の光を検出するように構成された受光器とを備えたことを特徴とする光学ヘッド。
15. 光学部品がレンズに隣接して配置されたことを特徴とする請求項１４に記載の光学ヘッド。
16. 光源は、第３の波長で光を出力するように構成され、
    レンズは、第３の波長の光を第３の光学媒体タイプ上に集光するように構成されたことを特徴とする請求項１４に記載の光学ヘッド。
17. 第１の波長が最も短い波長であり、
    光学部品が第１の波長の実質的なハーモニックスであるステップ高さを有することを特徴とする請求項１６に記載の光学ヘッド。
18. 第１の波長が約３８０ｎｍ〜約４２０ｎｍであり、第２の波長が約６３０ｎｍ〜約６８０ｎｍであり、第３の波長が約７８０ｎｍ〜約８２０ｎｍであることを特徴とする請求項１６に記載の光学ヘッド。
19. 光学部品およびレンズが第１の焦点距離および第１の開口数を有する第１の波長の光と、第２の焦点距離および第２の開口数を有する第２の波長の光と、第３の焦点距離および第３の開口数を有する第３の波長の光とを形成することを特徴とする請求項１６に記載の光学ヘッド。
20. 第１の波長が最も短い波長であり、
    光学部品が第１の波長の実質的なハーモニックスであるステップ高さを有することを特徴とする請求項１４に記載の光学ヘッド。
21. 第１の波長が約３８０ｎｍ〜約４２０ｎｍであり、第２の波長が約６３０ｎｍ〜約６８０ｎｍであることを特徴とする請求項２０に記載の光学ヘッド。
22. 光学部品およびレンズが第１の波長の光に第２の波長の光とは異なる焦点距離および開口数を与えることを特徴とする請求項１４に記載の光学ヘッド。

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