JP6301937B2 - 幾何学的位相ホログラムの製造のための直接書き込みリソグラフィ - Google Patents

Description

本発明は、複屈折光学素子及び関連する製造方法に関する。

［政府支援の表明］
本発明は、少なくとも一部は、米国国立科学財団助成第０９５５１２７号によって与えられた米国政府支援を用いてなされたものである。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

［優先権の主張］
本出願は、２０１２年１０月１５日に出願されたと題する米国仮特許出願第６１／７１３，７７０号の利益を主張する。この特許文献の開示は引用することによりその全体が本明細書の一部をなすものとする。

パターン化した複屈折素子が、ディスプレイ、光通信、天文学、偏光ホログラフィ、及び偏光測定を含む多くの用途について研究されてきた。不均質な複屈折素子を具現化する１つの方法は、光配向技術を液晶材料と組み合わせて用いることである。

光配向ポリマは、サンプル上の異なる領域においては異なる光軸の方向を有することが望ましいとされ得る液晶ディスプレイ及び他の光学素子での用途において開発されてきた。光配向ポリマを、１つ以上の固定したシャドウマスクを通して照射されるＵＶランプ若しくはレーザを用いて又はホログラフィック強度干渉を用いて露光（すなわち、パターン化）させることにより、光軸方向の大部分を一様にすることができる配向されたドメインを生成することができる。偏光ホログラフィは、光軸方向が連続的に変化する配向プロファイルを生成して偏光格子を形成するのにも用いることができる。この偏光ホログラフィックリソグラフィ方法は、一般的な場合へと拡張することができる。この一般的な場合においては、任意の直線偏光マップ（例えば、空間的に変化する偏光パターン）を、多くの物理的要素の波面から生成して記録することができる。これらの方法は、通常、照射光の走査もシャドウマスク（用いられる場合）の走査も伴うことはないが、固定パターンを用いた少数の露光（例えば、１回又は２回の露光）を伴う。

光配向原理を用いた或る特定のパターン化したリターダを製造する他の方法は、何らかの方法で走査することを伴う場合があり、直接書き込みリソグラフィと呼ばれる場合がある。例えば、ｑプレート（q-plates）（又は渦リターダ）と呼ばれる或る種の波長板を、回転走査される照射ビームを生成する線状又はくさび形のアパーチャ及び／又はレンズを用いて作製することができる。この照射ビームの回転走査時には、記録媒体も同時に回転走査することができる。この方法は、１つ（又は２つ）の走査次元を用いることができ、回転対称の空間パターン及び径方向に一様な偏光パターンに制限される場合がある。同様に、円柱レンズ及び回転波長板を、記録媒体を１次元において直線的に走査しながら線状ビームを生成して、偏光格子（ＰＧ）を作り出すように配置することができる。この方法も同様に、２つの走査次元を用いることができ、１次元の空間パターンに制限される場合がある。

偏光感知媒体のための他の直接書き込み手法は、レンズによって合焦された小さな偏光スポットを走査することができる。１つの事例では、１つの直線ステージ及び１つの回転ステージを用いて、この偏光スポットを偏光感知プレートのエリアにわたって走査することができ、表面レリーフパターンを、各位置が照射される距離だけ記録することができる。

別の直接書き込み手法では、偏光スポットを３次元において走査することができるが、３つの全ての次元が、単一の要素、すなわち記録媒体マウント内で生じる場合がある。すなわち、空間走査及び偏光選択が、本来的に結合されている場合がある。矩形アパーチャを記録媒体の直前に配置して、照射スポットに、ステップ形状の強度プロファイルを有するように強制することもできる。この構成は、平面光導波路を製造するのに用いることができる。

更に別の直接書き込み手法は、コンピュータ生成型偏光ホログラムのための製造方法を提供する。この手法は、３次元のコンピュータ制御部を含むことができるが、ステップ形状の強度プロファイルを有するスポットをサンプルに作り出すのに正方形の開口絞りも必要とする場合がある。これは、「セル」と呼ばれる離散的な露光正方形のアレイを生成するのに用いこともできる。この「セル」において、偏光を一様にすることができる。この場合、近傍の「セル」の重複は有害な場合がある。したがって、段階的／離散的な走査が必要な場合がある。

更に別の直接書き込み手法では、パルスレーザを用いて、ガラス内に空間的に多様な形態の複屈折を生成することができる。「マイクロ波長板」は、したがって、離散的なスポットとして形成することができる。ステップ形状の強度を有する一様なスポットが必要とされる場合もある。

本明細書において説明する幾つかの実施形態によれば、パターン化した偏光マップの直接書き込みのための装置が、少なくとも部分的にコリメートされた光ビームを提供するように構成された光源と、少なくとも偏光方向角のコンピュータ制御される走査を可能にするように構成された偏光セレクタと、焦点面においてほぼガウス形状を有する滑らかに変化する強度を有するスポットに前記光ビームを合焦させるように構成されたレンズと、コンピュータによって制御されるように構成された２次元走査システムと、前記レンズの前記焦点面の近くに配置された偏光感知記録媒体とを含む。前記走査システムは、近傍の走査が空間的に重複して、時間平均偏光マップに連続的な変化を生成するように、前記記録媒体にわたって前記光ビームを連続的に走査するように構成されている。

幾つかの実施形態では、前記偏光感知記録媒体に送達される前記光源からの前記光の前記強度は、最大で記録パラメータ空間全体にわたってほぼ一様とすることができる。

幾つかの実施形態では、前記偏光感知記録媒体は、（多くの光配向材料と同様に）実質的に等方性の場合もあるし、（多くのアゾベンゼンポリマと同様に）複屈折の場合もある。

幾つかの実施形態では、前記光源は、直線偏光を有するコリメートされたビームを提供するように構成された紫外線（ＵＶ）レーザとすることができる。

幾つかの実施形態では、前記偏光セレクタは、回転ステージ内に配置された半波長リターダとすることができる。

幾つかの実施形態では、前記偏光セレクタは、電気光学デバイスを含みうる。幾つかの実施形態では、前記電気光学デバイスは、ポッケルスセルでありうる。幾つかの実施形態では、前記電気光学デバイスは、ファラデー回転子とすることができる。幾つかの実施形態では、前記電気光学デバイスは、液晶セルとすることができる。

幾つかの実施形態では、前記レンズは、少なくとも５倍（５×）の倍率を有する対物レンズとすることができる。

幾つかの実施形態では、前記２次元走査システムは、一対の直線並進ステージを含みうる。

幾つかの実施形態では、前記記録媒体は、直線偏光された光を感知する光配向ポリマの薄層であって、該薄層上に、複屈折材料層をその後配置することができ、該複屈折材料層のそれぞれの局所的な光軸を前記光配向ポリマにおける前記パターンに従って配向させることができるようにする、薄層とすることができる。この結果、一定不変の局所的なリタデーション及び空間的に変化する局所的な光軸を有する光学素子を得ることができる。

幾つかの実施形態では、前記記録媒体は、光配向ポリマとすることができ、上部に被覆される前記複屈折層は、液晶層とすることができる。

他の実施形態では、前記記録媒体は、それ自体偏光感知であるとともに、誘起複屈折を可能にするもの、例えば、アゾベンゼン含有ポリマを含む異性化した化学的性質を有するポリマ類とすることができる。

幾つかの実施形態では、前記素子は、次の順序、すなわち、ＵＶレーザ、偏光セレクタ、対物レンズ、記録媒体、及び直線並進ステージに配置される。

更なる実施形態では、前記光源は、直線偏光を有するコリメートされたビームを生成するＵＶレーザとすることができる。

更なる実施形態では、前記偏光セレクタは、回転ステージ内に配置された半波長リターダとすることができる。

更なる実施形態では、前記偏光セレクタは、ポッケルスセル及び４分の１波長板とすることができ、前記４分の１波長板は、前記ポッケルスセルから出力された光を受信するように配置することができる。

更なる実施形態では、直径が約１ｍｍ以下の焦点を提供するように球面レンズを構成することができる。

更なる実施形態では、前記２次元走査システムは、高度及び方位角の双方を含む立体角内にステアリングする一対の角度傾動ミラーを含みうる。

更なる実施形態では、前記記録媒体は、直線偏光された光を感知する光配向ポリマの薄層であって、該薄層上に、液晶層をその後配置することができる、薄層とすることができる。

更なる実施形態では、前記素子は、次の順序、すなわち、ＵＶレーザ、レンズ、角度走査ミラー、偏光セレクタ、及び記録媒体に配置される。

また更なる実施形態では、前記偏光セレクタと前記記録媒体との間に、追加のビーム調整を提供することができる第２のレンズを設けることができる。

本明細書において説明する更なる実施形態によれば、装置は、複数の偏光の間で光源からの光の偏光を変化させるように構成された偏光セレクタステージと、前記光源からの前記光を合焦素子の焦点面においてスポットに合焦させるように構成された該合焦素子と、前記スポットと偏光感知記録媒体の表面とを互いに対して走査するように構成された走査ステージとを含んでなり、前記記録媒体は、前記焦点面に近接して配置されている。前記走査ステージは、近傍の走査が実質的に重複するように、前記記録媒体の前記表面に沿って少なくとも２次元において前記スポットを走査するように構成されている。前記偏光セレクタステージ及び前記走査ステージは、独立に動作して、前記偏光の変化及び前記スポットの走査をそれぞれ行うように構成されている。

幾つかの実施形態では、前記走査ステージは、前記スポットのサイズよりも小さな空間分解能を用いて前記記録媒体の前記表面に沿って前記スポットを走査するように構成することができる。

幾つかの実施形態では、前記走査ステージは、前記記録媒体の前記表面に沿って前記スポットを連続的に走査するように構成することができる。

幾つかの実施形態では、前記装置は、光軸方向プロファイルを前記記録媒体に生成するように構成することができる。前記光軸方向プロファイルは、前記複数の偏光のうちの幾つかのものの時間平均に基づいて、前記記録媒体の前記表面に沿って変化する少なくとも１つの方向において変化することができる。

幾つかの実施形態では、前記合焦素子は、約１ミリメートル以下の直径又は他の寸法を有する前記スポットを提供するように構成することができる。他の実施形態では、前記スポットは、約２００マイクロメートル以下の直径又は他の寸法を有することができる。更に他の実施形態では、前記スポットは、約５０マイクロメートル以下の直径又は他の寸法を有することができる。

幾つかの実施形態では、前記偏光セレクタステージは、選択可能な偏光方向角を提供するように、前記走査ステージから独立して制御されるように構成することができる。

幾つかの実施形態では、前記偏光セレクタステージは、回転可能なリターダ素子を含むことができ、前記偏光方向角は、前記リターダ素子の回転に応じて、前記少なくとも２次元によって規定された平面内において選択可能することができる。

幾つかの実施形態では、前記走査ステージは、前記スポットに対して前記少なくとも２次元において前記記録媒体を移動させるように構成された少なくとも２つの直線並進ステージを含みうる。

幾つかの実施形態では、前記偏光セレクタステージは、前記光源と前記合焦素子との間に配置することができる。

幾つかの実施形態では、前記走査ステージは、前記少なくとも２次元に対応するそれぞれの軸の回りに回転されるように構成された少なくとも１つのミラーを含みうる。

幾つかの実施形態では、前記走査ステージは、前記合焦素子と該合焦素子の前記焦点面との間に配置することができ、前記リターダ素子は、前記走査ステージと前記合焦素子の前記焦点面との間に配置することができる。

幾つかの実施形態では、前記装置は、前記偏光セレクタステージ及び前記走査ステージの動作から独立して、前記光源から出力される前記光の強度を変化させるように構成することができる。

幾つかの実施形態では、前記光源からの前記光は、直線偏光を有する少なくとも部分的にコリメートされた光ビームとすることができる。

幾つかの実施形態では、前記光源からの前記光は紫外線（ＵＶ）光とすることができる。

幾つかの実施形態では、前記スポットは、滑らかに変化する一定不変でない強度プロファイルを前記焦点面に有することができる。

本明細書において説明する他の実施形態によれば、直接書き込みリソグラフィ方法は、複数の偏光の間で光源からの光の偏光を変化させるステップと、前記光源からの前記光を焦点面においてスポットに合焦させるステップと、前記スポットと偏光感知記録媒体の表面とを互いに対して走査するステップとを含んでなり、前記記録媒体は、前記焦点面に近接して配置されている。前記スポットは、近傍の走査が実質的に重複するように、前記記録媒体の前記表面に沿って少なくとも２次元において走査される。前記偏光を前記変化させるステップ及び前記スポットを前記走査するステップは独立して行われる。

幾つかの実施形態では、前記スポットのサイズよりも小さな空間分解能を用いて前記記録媒体の前記表面に沿って前記スポットを走査することができる。

幾つかの実施形態では、前記記録媒体の前記表面に沿って前記スポットを連続的に走査することができる。

幾つかの実施形態では、前記走査するステップは、前記複数の偏光のうちの幾つかのものの時間平均に基づいて、前記記録媒体の前記表面に沿って変化する光軸方向プロファイルを前記記録媒体に生成することができる。

幾つかの実施形態では、選択可能な直線偏光方向角を提供するように、前記走査するステップから独立して前記偏光を変化させることができる。

幾つかの実施形態では、前記偏光方向角は、該偏光方向角が、リターダ素子の回転に応じて、前記少なくとも２次元によって規定された平面内において選択可能であるように、前記走査から独立して前記リターダ素子を回転させることによって変化させることができる。

幾つかの実施形態では、前記スポットに対して前記少なくとも２次元において前記記録媒体を移動させるステップによって前記スポットを走査することができる。

幾つかの実施形態では、前記少なくとも２次元に対応するそれぞれの軸の回りに少なくとも１つのミラーを回転させるステップによって前記スポットを走査することができる。

幾つかの実施形態では、複屈折材料層のそれぞれの局所的な光軸が前記記録媒体においてそれぞれの前記光軸方向プロファイルに従って配向されるように前記複屈折材料層を前記記録媒体上に形成することができる。

幾つかの実施形態では、前記偏光を変化させる前記ステップ及び前記スポットを走査する前記ステップから独立して前記光源からの前記光の強度を変化させることができる。

幾つかの実施形態では、直線偏光を有する少なくとも部分的にコリメートされた光ビームを、前記光源からの前記光として提供することができる。

本明細書で説明される更なる他の実施形態では、光学素子は、
その表面に沿った少なくとも１つの方向において変化する局所的な光軸方向を有する複屈折材料層を含む。前記局所的な光軸方向は、
複数の偏光の間で光源からの光の偏光を変化させ、
前記光源からの前記光を焦点面においてスポットに合焦させ、
近傍の走査が実質的に重複するように、前記焦点面に近接して配置された偏光感知記録媒体の表面に沿って少なくとも２次元において前記スポットを走査する、
ことによって形成された光軸方向プロファイルに対応し、
前記偏光を変化させること及び前記スポットを走査することは独立に実行される。

幾つかの実施形態では、前記記録媒体は光配向層とすることができ、前記複屈折材料層は前記光配向層上にある液晶層とすることができる。

幾つかの実施形態では、前記複屈折材料層は、前記記録媒体として用いられるアゾベンゼンポリマ層とすることができる。

幾つかの実施形態では、前記局所的な光軸方向は、前記複屈折材料層の前記表面に沿って前記少なくとも１つの方向において非直線的に変化して、変化する周期性を有するパターンを規定することができる。

幾つかの実施形態では、前記複屈折材料層の中心部分における前記周期性は、その外縁部分における前記周期性よりも大きくすることができる。

幾つかの実施形態では、前記局所的な光軸方向は、前記複屈折層の前記表面に沿って前記少なくとも１つの方向において直線的に変化して、一定不変の周期性を有するパターンを規定することができる。

幾つかの実施形態では、前記局所的な光軸方向は、前記複屈折光学素子の前記表面に沿って第１の次元及び第２の次元において変化することができる。

幾つかの実施形態では、前記複屈折層は、横並びに位置決めされた隣接した第１の領域及び第２の領域を含むことができ、前記第１の領域及び前記第２の領域における前記局所的な光軸方向は、異なる周期性を有することができる。

本明細書において説明する更に他の実施形態によれば、光学素子が、変化する偏光を有する光への重複する露光に対応する複数の偏光の時間平均に従って、その表面に沿って連続的に変化する光軸方向プロファイルを有する偏光感知記録媒体を含む。前記偏光感知記録媒体は、（多くの光配向材料と同様に）実質的に等方性の場合もあるし、（多くのアゾベンゼンポリマと同様に）複屈折の場合もある。

幾つかの実施形態による他の装置及び／又は方法は、以下の図面及び詳細な説明を検討することで当業者には明らかとなるであろう。全てのそのような追加の実施形態も、上記実施形態のありとあらゆる組み合わせに加えて、この説明内に含まれるとともに本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。

本発明の幾つかの実施形態による直接書き込みリソグラフィシステムのレイアウトを示す図である。 本発明の幾つかの実施形態による幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）における空間的に変化する光軸プロファイルの例を示し、１次元幾何学的位相レンズを示す図である（図中、バーは局所的な光軸方向を示し、Φ（ｘ，ｙ）はｘ軸を基準とした光軸の角度である）。 本発明の幾つかの実施形態による幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）における空間的に変化する光軸プロファイルの例を示し、２次元幾何学的位相レンズを示す図である（図中、バーは局所的な光軸方向を示し、Φ（ｘ，ｙ）はｘ軸を基準とした光軸の角度である）。 本発明の幾つかの実施形態による幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）における空間的に変化する光軸プロファイルの例を示し、楕円偏光を含む別の例の偏光マップを示す図である。 本発明の幾つかの実施形態による幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）における空間的に変化する光軸プロファイルの例を示し、１次元幾何学的位相レンズを示す図である。 本発明の幾つかの実施形態による幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）における空間的に変化する光軸プロファイルの例を示し、２次元幾何学的位相レンズを示す図である。 本発明の幾つかの実施形態による離散境界を間に有する連続的な光軸プロファイルを含む複数の領域を有するＧＰＨの空間的に変化する光軸プロファイルの一例を示す図である。 本発明の更なる実施形態による直接書き込みリソグラフィシステムのレイアウトを示す図である。 本発明の更なる実施形態によるベクトルアポダイジング位相板（ＡＰＰ）となるように形成されたＧＰＨの実験結果を示し、所望の位相プロファイルを示す図である。 本発明の更なる実施形態によるベクトルアポダイジング位相板（ＡＰＰ）となるように形成されたＧＰＨの実験結果を示し、交差偏光子間のＧＰＨの計算された強度を示す図である。 本発明の更なる実施形態によるベクトルアポダイジング位相板（ＡＰＰ）となるように形成されたＧＰＨの実験結果を示し、交差偏光子を有する偏光光学顕微鏡におけるＧＰＨの測定された強度を示す図である。 本発明の更なる実施形態によるベクトルアポダイジング位相板（ＡＰＰ）となるように形成されたＧＰＨの実験結果を示し、製造されたＧＰＨから得られる測定された位相を示す図である。 本発明の幾つかの実施形態による異なるタイプのＧＰＨの実験結果を示し、その特異点の周囲のｑプレートを示す図である。 本発明の幾つかの実施形態による異なるタイプのＧＰＨの実験結果を示し、１つの全周期が示されている偏光格子（ＰＧ）を示す図である。 本発明の幾つかの実施形態による異なるタイプのＧＰＨの実験結果を示し、学校のマスコットを示す図である。

本発明は、本発明の実施形態が示されている添付図面を参照して以下でより十分に説明される。ただし、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書において明らかにされる実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。それとは逆に、これらの実施形態は、この開示が十分かつ完全なものとなるとともに本発明の範囲を当業者に十分伝達するように提供される。図面において、層及び領域のサイズ及び相対的なサイズは、明確にするために誇張されている場合がある。同様の参照符号は、全体を通じて同様の要素を参照する。

本明細書では第１の、第２、第３の等の用語を使用して様々な要素、構成要素、領域、層及び／又は部分について記載する場合があるが、これらの要素、構成要素、領域、層及び／又は部分は、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、単に、１つの要素、構成要素、領域、層又は部分を、別の要素、構成要素、領域、層又は部分から識別することにのみ使用される。したがって、後述する第１の要素、構成要素、領域、層又は部分を、本発明の教示から逸脱することなく第２の要素、構成要素、領域、層又は部分と呼ぶことができる。

「真下（beneath）」、「下方（below）」、「下部（lower）」、「下（under）」、「上方（above）」、「上部（upper）」等の空間的に相対的な用語が、図に示すような或る要素又は特徴部の別の要素（複数の場合もある）又は特徴部（複数の場合もある）に対する関係を説明する記述を容易にするために、本明細書において用いられる場合がある。これらの空間的に相対的な用語は、図に示す方向に加えて使用中又は動作中のデバイスの種々の方向を包括的に含むように意図されていることが理解されるであろう。例えば、図におけるデバイスが反転した場合、他の要素又は特徴部の「下方」又は「真下」又は「下」として説明された要素は、その後、それらの他の要素又は特徴部の「上方」の方向にある。したがって、例示的な用語「下方」及び「下」は、上方及び下方の双方の方向を包括的に含むことができる。デバイスは、（９０度又は他の方向に回転されて）それ以外の方向にある場合があり、本明細書において用いられる空間的に相対的な記述語がそれに応じて解釈される。加えて、或る層が２つの層の「間」にあるというとき、その或る層は、それらの２つの層の間の唯一層である可能性もあるし、１つ以上の介在する層も存在する場合もあることも理解されるであろう。

本明細書において用いられる用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的とし、本発明の限定を意図するものではない。本明細書において用いられる場合、文脈によりその他の場合が明らかに示される場合を除き、数量が特定されていないものは、単数及び複数を包含することを意図される（the singular forms “a”, “an” and “the” are intended to include the plural forms as well）。本明細書において用いられる場合、用語「備える、含む（comprises）」及び／又は「備えている、含んでいる（comprising）」が、述べられている特徴、完全体（integers）、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外しないことが更に理解されよう。本明細書において用いられる場合、用語「及び／又は（and/or）」は、関連付けられて列挙された項目のうちの１つ以上もののあらゆる組み合わせを含む。

或る要素又は層が、別の要素若しくは層「の上にある」、別の要素若しくは層「に接続されている」、別の要素若しくは層「に結合されている」、又は別の要素若しくは層「に隣接している」というとき、その或る要素又は層は、その別の要素若しくは層の直接上にある、その別の要素若しくは層に直接接続されている、その別の要素若しくは層に直接結合されている、又はその別の要素若しくは層に直接隣接していることもあるし、介在する要素又は層が存在する場合もあることが理解されるであろう。これとは対照的に、或る要素が、別の要素若しくは層「の直接上にある」、別の要素若しくは層「に直接接続されている」、別の要素若しくは層「に直接結合されている」、又は別の要素若しくは層「に直に隣接している」というとき、介在する要素又は層は存在しない。しかしながら、いかなる場合にも、「の上にある」又は「の直接上にある」は、或る層が、下にある層を覆うことを必要とすると解釈されるべきではない。

本発明の実施形態は、本明細書において、本発明の理想的な実施形態（及び中間構造）の概略説明図を参照して説明される。したがって、例えば、製造技法及び／又は公差の結果としての説明図の形状からの変化が予想される。そのため、本発明の実施形態は、本明細書において示す領域の特定の形状に限定されるものと解釈されるべきではなく、例えば、製造の結果として得られる形状の変化を含むことになる。したがって、図に示す領域は、その本質が概略的であり、それらの形状は、デバイスの領域の実際の形状を示すように意図されておらず、本発明の範囲を限定するように意図されていない。

他に規定のない限り、本明細書において用いられる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者により一般に理解される意味と同じ意味を有する。一般に用いられる辞書において定義される用語等の用語が、関連する技術分野及び／又は本開示での意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において、理想化された、又は過度に形式張った意味で明確に定義される場合を除き、そのような意味で解釈されることにはならないことが更に理解されよう。

本発明の幾つかの実施形態は、（本明細書では、偏光マップとも呼ばれる）不均質な偏光パターンを生成するための直接書き込みリソグラフィシステム、方法、及び装置を提供する。この不均質な偏光パターンは、光学リターダ等の一種のパターン化した複屈折素子を作製するのに用いることができる。特に、本明細書において説明する本発明の実施形態は、偏光マップの３次元において（例えば、３つの自由度を有する）コンピュータ制御される走査を介して、任意の不均質な光軸方向プロファイルを有するパターン化したリターダを作製する方法、システム、及び装置を提供する。本明細書において説明するような実施形態は、幾つかの従来技術の手法よりも高い能力及び低い複雑度を有することができる。作製することができるパターン化した複屈折素子は、幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）と呼ばれる場合がある。このＧＰＨは、他の素子が匹敵することができない有利な特性を有することができる。さらに、ビームの走査及びその偏光方向の設定を行うのに３つの制御次元又は制御範囲を用いることによって、大幅に高い精度及び分解能を可能とすることができ、素子の実体版を最初に得る必要なく、ＧＰＨ素子の作製を可能にすることができる。

図１は、本発明の幾つかの実施形態による直接レーザ書き込みシステム１００を示している。図１の実施形態の動作は、次のとおりである。図１に示すように、コリメートされるとともに直線偏光された、光源（紫外線（ＵＶ）レーザ光源等）１０１からの光が、（半波長リターダ１０５として示されている）偏光セレクタステージ上に入射するように提供される。この偏光セレクタステージは、コンピュータ制御される回転マウントに取り付けられ、リターダ１０５は、ＸＹ平面に対して垂直な軸の回りに回転可能となっている。このリターダ１０５は、コンピュータ制御される回転マウント内に取り付けられているので、出力される光ビームは、直線偏光された光ビームの偏光軸の回転によって達成される選択可能な直線偏光方向角を用いて（すなわち、図１におけるＸＹ平面内で）直線偏光される。（対物レンズ１１０として示されている）合焦素子が、この光ビームを記録媒体１１５の表面上に比較的小さなスポット１２１として合焦させるように位置決めされている。この光ビームは、半波長リターダ１０５の回転によって決まる方向角を用いて実質的に直線偏光されている。

記録媒体１１５は、直線偏光された光を感知する光配向ポリマの薄層とすることができる。２つのコンピュータ制御される直線並進ステージ１２０を含む２次元走査システムが、記録媒体１１５のエリア内の照射の位置を決定する。３つのコンピュータ制御される要素（すなわち、リターダ１０５及び２つの直線並進ステージ１２０を含む回転マウント）は、記録媒体１１５の表面に沿って所望のエリアにわたりスポット１２１を走査するように時間とともに変化する。このエリアにおいては、時間平均直線偏光マップが、光配向ポリマ１１５上に方向プロファイルとして露光される。（複数の場合もある）任意の走査プロファイルを用いることができ、この走査プロファイルは、ラスタ、スパイラル、又は同心円を含むが、これらに限定されるものではない。偏光感知記録媒体１１５に送達される光源１０１からの照射の強度は、幾つかの実施形態では、記録パラメータ空間全体に至るまでの間、ほぼ一様とすることができる。ただし、光源１０１からの照射の強度は、他の実施形態では、追加の制御ファクタを提供するために変化させることができることが理解されるであろう。

本発明の幾つかの実施形態の１つの特徴は、ｘ次元、ｙ次元、及び／又は回転次元においてスポット１２１の近傍の連続的な走査を意図的に重複させることである。この重複は、照射スポット１２１のサイズよりも小さな空間分解能を有する偏光マップ（したがって、光軸プロファイル）を記録媒体１１５に生成することができる。なぜならば、記録媒体１１５は、幾つかの又は全ての照射偏光の時間平均に影響されるからである。例えば、本発明の実施形態は、ほぼ数マイクロメートル以下の空間分解能を達成するのに用いることができる。したがって、液晶（又は他の複屈折）材料がこのパターン化した光配向層（又は他のパターン化した表面）１１５の上に被覆されると、被覆された材料の局所的な光軸は、パターン化した配向表面１１５における方向プロファイルに従うことになる。その結果として得られる素子は、一定不変の局所的なリタデーション及び空間的に変化する光軸を有することになり、本明細書において幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）と呼ばれる。

ＧＰＨは、不均質な局所的光軸を有する特定の種類のパターン化したリターダである。より具体的には、ＧＰＨは、幾何学的位相（又はパンチャラトナム・ベリー（Pancharatnam-Berry）位相）を変調することによって物体波（又はその共役）の位相を再構成することができる複屈折（又はダイクロイック、若しくはそれらの２つの何らかの組み合わせ）光学素子である。幾何学的位相は、光路長差の効果の結果として得られる動的位相ではなく、偏光状態の変化の結果として得られる。特に、ＧＰＨは、光路長及び動的位相を変化させることによって光位相差を生み出すのではなく、光学場の偏光を操作し、それによって、幾何学的位相を操作することによって光位相差を導入することができる。幾つかの要素はこの説明に当てはまるが、そのような要素を製造する際に課題が存在していた。ＧＰＨは、そのエリア全体にわたってほぼ一定不変のリタデーションを有する所望の位相差プロファイルに正比例する光軸方向角Φ（ｘ）又はΦ（ｘ，ｙ）を有する。

多くの光学素子は、ＧＰＨとして形成することができる。これらの光学素子は、レンズ、プリズム、表面レリーフ素子、回折光学素子、及びマイクロオプティクスを含むが、これらに限定されるものではない。ＧＰＨに変換されると、それらのホログラフィック版は、たいへんコンパクトであり、多くの場合に追加の有利な特徴を有する薄膜とすることができる。本発明の実施形態に従って形成することができる素子は、コンピュータ生成型ＧＰＨ、すなわちＣＧ−ＧＰＨと呼ばれる場合がある。ＧＰＨは偏光ホログラムのサブセットであることに留意されたい。

本発明の幾つかの実施形態では、ＧＰＨの表面に沿った位置の関数としての局所的な光軸方向の非線形変化は、ＧＰＨの全体的な効果がレンズ効果を提供するものとなり得るように、連続的に変化する周期性を有するパターンを規定することができる。図２Ａは、１次元において変化するそれぞれの方向角Φ（ｘ）を有する局所的な光軸２３０ａによって規定される光軸プロファイルを有する本発明の幾つかの実施形態によるＧＰＨ２２５ａの一例を示している。パターンΛ（ｘ）の局所的な周期は変化し、中心における周期は縁部の周期よりも大きい。一例として、この関数は、近似的にΦ（ｘ）＝ｋπｘ^２とすることができる。ここで、「ｋ」は、ＧＰＨ２２５ａの焦点距離に関係した非ゼロの定数である。このパターンは、偏光感知円柱レンズとして機能するＧＰＨ２２５ａの１つの特定の例を表している。

図２Ｂは、２次元において変化するそれぞれの方向角Φ（ｘ，ｙ）＝ｋπ（ｘ^２＋ｙ^２）を有する局所的な光軸２３０ｂによって規定された光軸プロファイルを有する本発明の幾つかの実施形態によるＧＰＨ２２５ｂの別の例を示している。図２ＢのＧＰＨ２２５ｂは、偏光感知球面レンズとして動作することができる。図２Ａ及び図２Ｂの例の双方、並びに同様の合焦／非合焦特性を有する他の例は、幾何学的位相（ＧＰ）レンズと呼ばれる場合がある。これらのＧＰレンズ２２５ａ、２２５ｂは、コンピュータの制御下で生成することができるので、円偏光についてほぼ１００％の効率を有するとともに薄膜であるという追加の利益を有する実質的に無収差のレンズを作製することができることに留意すべきである。さらに、大きなサイズの光学部品類（すなわち、４インチ以上の直径を有する）の製造をより容易にすることができるとともに、重量を削減することができる。図２Ｃは、楕円偏光を含む別の例の偏光マップ２２５ｃを示している。

非線形光軸プロファイルを有する図２Ａ及び図２Ｂの例に示すように、ＧＰＨ２２５ａ、２２５ｂは、標準的な偏光格子（ＰＧ）をより複雑にしたものとみなすことができ、その表面に沿ったその格子周期Λの１次元又は２次元の変化を有するものとみなすことができる。ＧＰＨの局所的な光軸は、例えば、ＧＰＨが、その厚さにわたって回転される分子構造を有するキラル液晶層である実施形態では、第３の次元において（例えば、その厚さにわたって）変化させることもできる。

別の観点から見ると、標準的な偏光格子は、線形位相プロファイル、例えば、図３Ａの偏光格子（ＰＧ）３２５ａ及び図３Ｂの偏光格子（ＰＧ）３２５ｂに示すようなΦ（ｘ）＝πｘ／Λ又はΦ（ｙ）＝πｙ／Λを実施する、ＧＰＨの単なる特定の例にすぎないとみなすことができる。ここで、Λは、一定不変の格子周期である。これに関連して、ＰＧ３２５ａ、３２５ｂは、本発明の実施形態に従って形成することができるＧＰＨの一種又は一タイプとみなすことができる。

図２Ａ〜図２Ｃ並びに図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明したもの等の幾つかのＧＰＨプロファイルは、十分連続的に変化しているが、他のものは、間に離散境界を有する領域内で連続的な変化を有する場合があることが理解されるであろう。例えば、図４に示すプロファイルは、それぞれの連続的な光軸プロファイルの間に離散境界を有する２つ以上の領域（領域Ａ ４２５ａ、領域Ｂ ４２５ｂ、領域Ｃ ４２５ｃ）を示している。図４では、領域Ａ ４２５ａ、領域Ｂ ４２５ｂ、領域Ｃ ４２５ｃが横並びに位置決めされ、離散境界４２９が、領域Ａ ４２５ａと領域Ｂ ４２５ｂとの間、領域Ｂ ４２５ｂと領域Ａ ４２５ａとの間、及び領域Ａ ４２５ａと領域Ｃ ４２５ｃとの間にある。これらの領域Ａ ４２５ａ、領域Ｂ ４２５ｂ、領域Ｃ ４２５ｃのそれぞれは、光軸方向及び／又は周期性に関して異なる光軸プロファイルを含みうる。

図５は、本発明の更なる実施形態による直接レーザ書き込みシステムを示している。図５の実施形態の動作は、次のとおりである。図５に示すように、コリメートされるとともに直線偏光された、（ＵＶレーザ５０１として示されている）光源からの光が、半波長リターダ５０５上に入射するように提供される。（レンズ５１０として示されている）合焦素子が、この光を記録媒体５１５上に比較的小さなスポット５２１として合焦させるように位置決めされている。この光は、半波長リターダ５０５の回転によって決まる偏光方向角を用いて実質的に直線偏光することができる。幾つかの実施形態では、第２のレンズ又は他の合焦素子を半波長リターダ５０５と記録媒体５１５との間に設けて、追加のビーム調整を提供することもできる。２次元走査システム５２０は、２つのコンピュータ制御される角度走査ミラー５２０ａ及び５２０ｂ（例えば、走査検流計ミラーシステム）によって実施される。これらのミラーは、レンズ５１０からの光を受け取って、記録媒体５１５のエリア上への照射の立体角内の方向（したがって、位置）を決定するように配置されている。図５では、ミラー５２０ａ、５２０ｂはそれぞれ、異なる軸（例えば、Ｘ軸及びＹ軸）の回りに回転可能である。ただし、他の実施形態では、Ｘ軸及びＹ軸の双方の回りに回転可能な単一のミラーを用いることができる。記録媒体５１５は、直線偏光された光を感知する光配向ポリマの薄層とすることができる。コンピュータ制御される回転マウント内に取り付けられたリターダ５０５は、その直線偏光の偏光軸の回転によって選択可能な直線偏光方向角（すなわち、図５におけるＸＹ平面内の直線偏光方向角）をもたらすために、角度走査ミラー５２０ａ、５２０ｂからの実質的に直線偏光された光を受け取るように配置されている。３つのコンピュータ制御される要素（すなわち、リターダ５０５及び角度走査ミラーステージ５２０を含む回転マウント）は、時間平均直線偏光マップが光配向ポリマ上に方向プロファイルとして露光されるように、時間とともに変化し、記録媒体５１５内の所望のエリアが走査される。（複数の場合もある）任意の走査プロファイルを用いることができ、この走査プロファイルは、ラスタ、スパイラル、又は同心円を含むが、これらに限定されるものではない。偏光感知記録媒体５１５に送達される光源５０１からの照射の強度は、記録パラメータ空間全体に至るまでの間、ほぼ一様とすることができ、及び／又は追加の制御ファクタを提供するために変化させることができる。

図１を参照して上述したように、従来技術よりも優れた本発明の実施形態の１つの特徴は、ｘ次元、ｙ次元、及び／又は回転次元において近傍の連続的な走査を意図的に実質的に重複させることである。この重複は、照射スポットのサイズよりも小さな空間分解能を有する偏光マップ、したがって、光軸プロファイルを生成することができる。なぜならば、記録媒体は、幾つかの又は全ての照射偏光の時間平均に影響されるからである。したがって、図１の実施形態と同様に、液晶材料がこの光配向層又は他のパターン化した記録媒体上に被覆されると、その局所的な光軸は、パターン化した光配向層における方向プロファイルに従うことになる。その結果として得られる幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）素子は、一定不変の局所的なリタデーション及び空間的に変化する光軸を有することになる。

非限定的な代表的実験例として、図６Ａ〜図６Ｄ及び図７Ａ〜図７Ｃは、図５に示すような本発明の更なる実施形態に従って生成された幾つかのＧＰＨプロファイルを示している。図６Ａは、コロナグラフ望遠鏡において用いことができるベクトルアポダイジング位相板（ベクトルＡＰＰ）の所望の位相プロファイル６０１を示している。図示した位相プロファイル６０１は、ＧＰＨの光軸方向プロファイルΦ（ｘ，ｙ）に記録されたものである。図６Ｂは、交差偏光子間における図６ＡのＧＰＨの計算された強度６０２を示している。図６Ｃ及び図６Ｄは、交差偏光子間で観察されたＧＰＨの測定された強度６０３及び測定された位相プロファイル６０４をそれぞれ示している。図６Ｃ及び図６Ｄの結果に示すスポットサイズは、ほぼ２００μｍであった。これは、サイズがほぼ５０μｍの特徴部を記録するのに用いることができる。

図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の実施形態に従って生成されたプロファイル７０１、７０２、７０３の更なる例を示し、（図７Ａに示す）その特異点の周囲のｑプレート７０１と、（図７Ｂに示す）ＰＧの１つの全周期７０２と、（図７Ｃに示す）大学のマスコットの画像７０３とを含む。図７Ｃにおける結果は、記録媒体におけるほぼ５０μｍのスポットサイズを用いて形成されたものであり、最小の特徴部のサイズ（すなわち、分解能）は、範囲５μｍ〜１０μｍであった。本発明の実施形態は、ほぼ数マイクロメートル以下の空間分解能と、数ミリラジアン（ｍｒａｄ）以下の方向角分解能とを実現するのに用いることができる。

本発明のまた更なる実施形態は、本明細書において説明したＧＰＨ素子を用いたマスク製造方法を提供する。特に、ＧＰＨ素子は、上記で説明した製造方法を用いて形成することができ、このＧＰＨ素子は、例えば、米国特許出願第１２／５９６，１６８号においてホログラフィック形成ＰＧマスク及び他の関連要素に関して説明されているような近接リソグラフィ原理を用いてＧＰＨコピーを形成するためにマスクとして用いることができる。この米国特許出願の開示内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。幾つかの実施形態では、ＧＰＨ素子は、ＵＶ波長用に調整及び／又は最適化することができ、ＵＶランプと、光配向ポリマを用いて被覆されたコピー基板との間に配置することができ、このコピー基板の近くに位置決めすることができる。ＧＰＨコピー基板をＧＰＨマスクを通して照射することによって、ＧＰＨマスクに当初形成されていた偏光パターンをコピー基板に転写することができる。コピー基板は、当初、上記に説明した本発明の実施形態に従って露光されたように、その後処理することができる（例えば、複屈折材料層は、上記で同様に説明したように、コピー基板の表面上に形成することができ、コピー基板の表面上のパターンに配向することができる）。

したがって、意図的な重複及び３つ以上の制御範囲を有する連続的な走査を用いて記録材料層をパターン化することによって、幾つかの又は全ての照射偏光の時間平均に基づいて、照射スポットサイズよりも小さな空間分解能を有する偏光マップを記録媒体に生成することができる。このように、液晶層又は他の複屈折材料層をパターン化した記録表面上に被覆して、その局所的な光軸が、パターン化した方向プロファイルに従い、一定不変の局所的なリタデーションと、空間的に変化するか又は不均質な光軸とを有するパターン化したリターダを提供するようにすることができる。

本明細書では、偏光感知記録媒体が光配向ポリマであり、上部に被覆される複屈折層が液晶層である実施形態に関して主に説明するが、他の記録媒体も用いることができることが理解されるであろう。例えば、記録媒体は、それ自体偏光感知であるとともに、アゾベンゼン含有ポリマを含む異性化した化学的性質を有するポリマ類等の誘起複屈折を可能にするものとすることができる。換言すれば、偏光記録材料は、多くの光配向材料と同様に実質的に等方性とすることもできるし、多くのアゾベンゼンポリマと同様に複屈折とすることもできる。幾つかの実施形態では、偏光感知記録媒体は、平面的な薄膜又はプレートであるが、他の実施形態では、偏光感知記録媒体は、非平面、例えば、曲面とすることができる。

本発明の実施形態に従って製造されたＧＰＨは、例えば、米国特許出願第１２／５９６，１８９号及び第１３／６４６，１６６号に記載されているような収色性ＰＧ及びＭＴＲの技法を用いると、広帯域スペクトルを有することができる。これらの米国特許出願の開示内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。

「コンピュータ制御される」という語句は、本明細書において用いられるとき、光学機械要素を制御するのに適した任意の電気制御システム（例えば、ＵＳＢを介してモータドライバ回路に接続されたデジタルコンピュータ）を指すことができる。本明細書において説明する本発明の幾つかの実施形態は、連続的な走査を行うものであるが、他の実施形態では、電気的に制御されるシャッタをレーザの出力に配置して、照射タイミングを制御することもできる。

幾つかの実施形態では、１つ以上の固定したミラーを主要な要素のうちの幾つかの間、例えば、レンズの前又は後に追加することができる。幾つかの実施形態では、２次元の制御を有する単一の傾動ミラーを用いることができる。これは、例えば、圧電性微細ステアリングミラーに当てはまる。

幾つかの実施形態では、レンズから得られるスポットは、ガウス関数等の円対称強度プロファイルを有することができる。他の実施形態では、レンズから得られるスポットは、楕円又は直線状を含む別の形状とすることができる。より一般的には、レンズからの出力としてのビームによって規定されるスポットは、滑らかに変化する一定不変でない強度プロファイルを有することができ、様々な形状を規定することができる。

幾つかの実施形態では、光源からの光は単一のビームである。他の実施形態では、光源からの光は、記録媒体エリアにおける複数のスポットが所与の時点において照射されるように、上記で説明した後続の光学部品類を通じて並列に制御される複数のビームとすることができる。（偏光感知記録媒体に送達されるような）光源からの光の強度は、最大で記録パラメータ空間全体にわたって近似的に又は実質的に一様とすることができる。

本発明の実施形態では、入射光は、任意の偏光、波長、又は角発散を用いて全面的に又は部分的に偏光させることができる。本発明の実施形態は、実質的に一軸性の複屈折膜、実質的に二軸性の複屈折膜、又はいずれでもない（すなわち、全体的な光軸を有しない複合リターダ）複屈折膜を提供することができる。

幾つかの実施形態では、光源は楕円偏光された光又は部分的に偏光された光（例えば、或るレーザダイオード及びＬＥＤ光源からの光等）とすることができることが理解されるであろう。

幾つかの実施形態では、光源調整光学部品類を対物レンズの前の任意の箇所に配置することができる。この光源調整光学部品は、ビームエキスパンダ、空間フィルタ、開口絞り、及び／又は固定した偏光素子を含むが、これらに限定されるものではない。例えば、光源は、実質的に未偏光の又は部分的に偏光されたランプ又はＬＥＤとすることができ、この場合、固定した偏光素子（例えば、偏光子）が、偏光セレクタの前又はその一部として追加される。

幾つかの実施形態では、偏光セレクタステージは、１つ以上の機械的に回転する波長板及び／又は偏光子を含みうる。他の実施形態では、偏光セレクタステージは、ポッケルスセル、可変液晶リターダ、又は音響光学変調器等の電気的に制御可能な複屈折を有する素子を含みうる。更なる実施形態では、電気的に制御可能な偏光素子、機械的に制御可能な偏光素子、及び固定した偏光素子の組み合わせを偏光セレクタステージ内で用いることができる。

本明細書において説明するように、「リターダ」及び「波長板」という術語は区別なく用いることができ、次の追加の用語、すなわち、一軸性、二軸性、又は不均質のいずれの「リタデーションプレート」、「補償膜」、及び「複屈折プレート」も、別段の指定がない限り同等とみなされることが理解されるであろう。本明細書において説明するようなリターダは、広帯域（すなわち、アクロマティック）とすることもできるし、狭帯域（すなわち、クロマティック）とすることもできる。したがって、本明細書において説明するようなリターダは、旋光若しくは複屈折リタデーション、又はそれらの任意の組み合わせを介して偏光変化を行うことができる。幾つかの実施形態では、本明細書において説明するリターダは、当該リターダを通過する光の伝播方向に大きな影響を与えない又は伝播方向を大きく変更しないものとすることができる。幾つかの実施形態では、本明細書において説明するリターダは、印加された電圧に反応することができる。

本発明の実施形態は、本明細書では、液晶（ＬＣ）材料に関して説明されている。液晶は、分子の秩序だった配列が存在する液体を含みうる。通常、長形状（ロッド状）又はフラット形状（ディスク状）のいずれかを有する液晶（ＬＣ）分子は、等方性とすることができる。等方性分子の配列の結果、バルクＬＣは、多くの場合、その機械的特性、電気的特性、磁気的特性、及び／又は光学的特性における異方性等のその物理特性における異方性を示する。ロッド状又はディスク状の性質の結果、ＬＣ分子の方向の分布は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の光学的用途において重要な役割を果たすことができる。これらの用途では、ＬＣ配向は、配向表面によって規定することができる。配向表面は、ＬＣが制御可能な方法で表面に対して配向するように取り扱うことができる。

液晶は、本明細書において用いられるとき、ネマティック相、キラルネマティック相、スメクティック相、強誘電相、及び／又は別の相を有することができる。加えて、複数の光重合性ポリマを配向層として用いて、本明細書において説明した光学層を作製することができる。これらの材料は、光重合性であることに加えて、ＬＣに対して不活性とすることができ、ＬＣデバイスの動作温度の範囲（例えば、約−５０℃〜約１００℃）にわたって安定した配向を提供し、本明細書において説明した製造方法と適合するであろう。液晶配向の方法の追加の例は、Crawford他に対する米国特許第７，１９６，７５８号においても説明されている。さらに、本明細書において説明した幾つかの構造は、スピンコーティングプロセスと液晶材料とのバランスを通じた精密な製造を必要とする場合がある。

「透過性」又は「透明」の基板又は素子は、本明細書において用いられるとき、入射光の少なくとも一部がそれらの基板又は素子を通過することを可能にすることができることが当業者によって理解されるであろう。換言すれば、本明細書において説明する透過性素子又は透明素子は、完全に透明である必要はなく、等方性吸収特性若しくはダイクロイック吸収特性を有する場合があり、及び／又は入射光の一部を別の方法で吸収する場合がある。透明基板は、幾つかの実施形態では、ガラス基板とすることができる。また、「重合性液晶」は、重合することができる比較的低分子量の液晶材料を指す場合があり、本明細書において「反応性メソゲン」として説明される場合もある。これとは対照的に、「非反応性液晶」は、重合化することができない比較的低分子量の液晶材料を指す場合がある。

本明細書では、幾つかの実施形態は、ネマティック液晶材料に関して説明されているが、本発明の実施形態による他の手段によって光学的効果を達成することも可能である。例えば、サブ波長構造を有する等方性材料が、形状複屈折をもたらすことができ、上記で説明したのと同じ又は同様の方法で構造化することができる。別の例では、アゾベンゼン含有ポリマを、偏光感知性を有するとともに、上記で説明したのと同じ又は同様の方法で構造化することができる複屈折を示すように構成することができる。換言すれば、本明細書では、液晶層内にネマティックダイレクタ方向によって提供されるような光軸に関して主として説明されているが、本明細書において説明したような光軸は、より一般的には、材料特性を指すことができることが理解されるであろう。したがって、本発明の実施形態は、本明細書において説明した特定の材料に限定されるものではなく、本明細書において説明したように機能するありとあらゆる材料層を実施することができることが理解されるであろう。

本明細書において、上記の説明及び図面に関連して多くの異なる実施形態が開示されてきた。これらの実施形態の全ての組合せ及び部分的組合せをそのまま説明し示すことは、過度に繰返しが多くわかりにくいものとなることが理解されよう。したがって、図面を含む本明細書は、本明細書において説明される実施形態並びにそれらを作成し用いる方式及びプロセスの全ての組合せ及び部分的組合せの完全な明細書を構成すると解釈されるものとし、任意のそのような組合せ又は部分的組合せに対する特許請求を支持するものとする。

本明細書において説明した幾つかの実施形態は、幾何学的位相素子を製造するのに用いることができる。幾何学的位相素子は、１つ以上の次元において及び／又は任意の方法で変化する光軸方向を有し、それによって、幾何学的位相を制御するような方法で入射光の偏光に影響を与える等方性光学素子である。この変化は、線形の、非線形の、及び連続した又は不連続の光軸の変化を含むが、これらに限定されるものではない。幾つかの場合には、変化する光軸方向は、ホログラフィ技法を用いて記録媒体又は他の配向表面をパターン化することによって生成することができ、この場合は、この素子は、幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）素子又は単にＧＰＨと呼ばれる場合がある。しかしながら、本明細書において説明したような幾何学的位相素子は、ホログラフィック干渉及び他の様々な形態のリソグラフィを含む様々な方法によって作製することもでき、したがって、本明細書において説明した「ホログラム」は、ホログラフィック干渉、すなわち「ホログラフィ」による作製に限定されるものではない。

図面及び明細書に、本発明の実施形態が開示され、特定の用語が使用されているが、それらの用語は、一般的であって説明的な意味でのみ用いられ、限定の目的では用いられていない。本発明の範囲は、後続する特許請求の範囲に規定されている。

Claims (38)

1. 複数の偏光の間で光源からの光の偏光を変化させるように構成された偏光セレクタステージと、
   前記光源からの前記光をその焦点面でスポットに合焦させるように構成された合焦素子と、
   前記スポットの近傍の走査が空間的に重複するように、前記焦点面に近接して配置された偏光感知記録媒体の表面に沿って少なくとも２次元において前記スポットを走査し、前記重複する間に前記記録媒体を露光した前記複数の偏光のうちの幾つかのものの時間平均に従って、前記記録媒体の前記表面に沿って変化する光軸方向プロファイルを、前記記録媒体に生成するように構成された走査ステージと
   を含んでなり、
   前記偏光セレクタステージ及び前記走査ステージは、前記偏光の変化及び前記スポットの走査をそれぞれ独立して行うように構成されている、装置。
2. 前記走査ステージは、前記スポットのサイズよりも小さな空間分解能を用いて前記記録媒体の前記表面に沿って前記スポットを走査するように構成されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記走査ステージは、前記記録媒体の前記表面に沿って前記スポットを連続的に走査するように構成されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記偏光セレクタステージは、選択可能な直線偏光方向角を提供するように、前記走査ステージから独立して制御されるように構成されている、請求項１に記載の装置。
5. 前記偏光セレクタステージは、回転可能なリターダ素子を含み、前記偏光方向角は、前記リターダ素子の回転に応じて、前記少なくとも２次元によって規定された平面内において選択可能である、請求項４に記載の装置。
6. 前記走査ステージは、前記スポットに対して前記少なくとも２次元において前記記録媒体を移動させるように構成された少なくとも２つの直線並進ステージを含む、請求項４に記載の装置。
7. 前記偏光セレクタステージは、前記光源と前記合焦素子との間に配置されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記走査ステージは、前記少なくとも２次元に対応するそれぞれの軸の回りに回転されるように構成された少なくとも１つのミラーを含む、請求項４に記載の装置。
9. 前記走査ステージは、前記合焦素子と該合焦素子の前記焦点面との間に配置され、前記偏光セレクタステージは、前記走査ステージと前記合焦素子の前記焦点面との間に配置されている、請求項８に記載の装置。
10. 前記光源からの前記光は、直線偏光を有する少なくとも部分的にコリメートされた光ビームを含む、請求項４に記載の装置。
11. 前記光源からの前記光は紫外線光を含む、請求項１０に記載の装置。
12. 前記光源はレーザ光源を含む、請求項１０に記載の装置。
13. 前記スポットは、滑らかに変化する強度プロファイルを前記焦点面に有する、請求項１０に記載の装置。
14. 前記装置は、前記偏光セレクタステージ及び前記走査ステージの動作から独立して、前記光源から出力される前記光の強度を変化させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
15. 直接書き込みリソグラフィ方法であって、
    複数の偏光の間で光源からの光の偏光を変化させるステップと、
    前記光源からの前記光を焦点面においてスポットに合焦させるステップと、
    前記スポットの近傍の走査が空間的に重複するように、前記焦点面に近接して配置された偏光感知記録媒体の表面に沿って少なくとも２次元において前記スポットを走査するステップであって、前記重複する間に前記記録媒体を露光した前記複数の偏光のうちの幾つかのものの時間平均に従って、前記記録媒体の前記表面に沿って変化する光軸方向プロファイルを、前記記録媒体に生成する、走査するステップと
    を含んでなり、
    前記偏光を変化させる前記ステップは、前記スポットを走査する前記ステップから独立している、直接書き込みリソグラフィ方法。
16. 前記走査するステップは、前記スポットのサイズよりも小さな空間分解能を用いて前記記録媒体の前記表面に沿って前記スポットを走査することを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記走査するステップは、前記記録媒体の前記表面に沿って前記スポットを連続的に走査するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記偏光を変化させるステップは、選択可能な直線偏光方向角を提供するように、前記走査するステップから独立して前記偏光を制御することを含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記偏光を変化させるステップは、前記偏光方向角が、リターダ素子の回転に応じて、前記少なくとも２次元によって規定された平面内で選択可能であるように、前記リターダ素子を回転させることを更に含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記スポットを走査するステップは、前記スポットに対して前記少なくとも２次元において前記記録媒体を移動させることを含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記スポットを走査するステップは、前記少なくとも２次元に対応するそれぞれの軸の回りに少なくとも１つのミラーを回転させることを含む、請求項１８に記載の方法。
22. 直線偏光を有する少なくとも部分的にコリメートされた光ビームを、前記光源からの前記光として提供するステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
23. 前記光源からの前記光は紫外線光を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記光源はレーザ光源を含む、請求項２２に記載の方法。
25. 前記スポットは、滑らかに変化する強度プロファイルを前記焦点面に有する、請求項２２に記載の方法。
26. 前記偏光を変化させる前記ステップ及び前記スポットを走査する前記ステップから独立して、前記光源からの前記光の強度を変化させるステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
27. 複屈折材料層の局所的な光軸が前記記録媒体において前記光軸方向プロファイルに従って配向されるように、前記複屈折材料層を前記記録媒体上に形成するステップを更に含む、請求項１５に記載の方法。
28. 光学素子の製造方法であって、
    その表面に沿った少なくとも１つの方向において変化する局所的な光軸方向を有する複屈折材料層を提供するステップを含んでおり、
    前記局所的な光軸方向は、
    複数の偏光の間で光源からの光の偏光を変化させ、
    前記光源からの前記光を焦点面においてスポットに合焦させ、
    近傍の走査が空間的に重複するように、前記焦点面に近接して配置された偏光感知記録媒体の表面に沿って少なくとも２次元において前記スポットを走査し、前記重複する間に前記記録媒体を露光した前記複数の偏光のうちの幾つかのものの時間平均に従って、前記記録媒体の前記表面に沿って変化する光軸方向プロファイルを、前記記録媒体に規定する
    ことによって形成された光軸方向プロファイルに対応しており、
    前記偏光を変化させることと前記スポットを走査することとが独立に実行されるものである、光学素子の製造方法。
29. 前記記録媒体は光配向層を含む、請求項２８に記載の製造方法。
30. 前記複屈折材料層は、前記記録媒体の前記表面上に形成された液晶層を含む、請求項２９に記載の製造方法。
31. 前記複屈折材料層は、前記記録媒体として用いられるアゾベンゼンポリマ層を含む、請求項２８に記載の製造方法。
32. 前記局所的な光軸方向は、前記複屈折材料層の前記表面に沿って前記少なくとも１つの方向において非直線的に変化して、変化する周期性を有するパターンを規定する、請求項２８に記載の製造方法。
33. 前記複屈折材料層の中心部分における前記周期性は、その外縁部分における前記周期性よりも大きい、請求項３２に記載の製造方法。
34. 前記局所的な光軸方向は、前記複屈折材料層の前記表面に沿って前記少なくとも１つの方向において直線的に変化して、一定不変の周期性を有するパターンを規定する、請求項２８に記載の製造方法。
35. 前記局所的な光軸方向は、前記複屈折材料層の前記表面に沿った、第１の次元及び第２の次元において変化する、請求項２８に記載の製造方法。
36. 前記複屈折材料層は、横並びに位置決めされて隣接した、第１の領域及び第２の領域を含み、該第１の領域及び該第２の領域における前記局所的な光軸方向は、異なる周期性を有する、請求項２８に記載の製造方法。
37. 前記複数の偏光の間で前記光の偏光を変化させるステップは、前記複数の偏光のうちの幾つかのものの時間平均に従って変化する前記光軸方向プロファイルを記録するように前記スポットを走査する間に、独立に制御されて実行される、請求項１５に記載の方法。
38. 前記偏光セレクタステージは、前記複数の偏光のうちの幾つかのものの時間平均に従って変化する前記光軸方向プロファイルを記録する前記スポットを走査する間に、前記複数の偏光の間で前記光の偏光を独立して変化させるように構成されている、請求項１に記載の装置。