KR20000048039A - 대물 렌즈 어셈블리, 광학 헤드 및 위상 보상판의 제조방법 - Google Patents

대물 렌즈 어셈블리, 광학 헤드 및 위상 보상판의 제조방법 Download PDF

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에구치나오야
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이데이 노부유끼
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Abstract

본 발명은 솔리드 이머션 렌즈를 사용하는 대물 렌즈 어셈블리에 관한 것으로, 여기서는 솔리드 이머션 렌즈의 전반사(全反射)에 기인하는 편광 상태의 분포의 불균일성을 해소한다. 대물 렌즈 어셈블리는 입사광을 집광시키는 렌즈, 렌즈에 의해 집광된 입사광의 광로 중에 배치되는 위상 보상판, 및 상기 위상 보상판을 투과하여 나온 입사광이 입사되는 솔리드 이머션 렌즈로 구성된다. 위상 보상판은 입사광의 p 편광 성분과 s 편광 성분 사이에 위상차를 발생시키며, 상기 위상차는 통과되는 광선의 경사각에 따라 가변된다. 위상 보상판은 솔리드 이머션 렌즈의 전반사에 기인하는 편광 상태의 분포의 불균일성을 보정한다.

Description

대물 렌즈 어셈블리, 광학 헤드 및 위상 보상판의 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING OBJECTIVE LENS ASSEMBLY, OPTICAL HEAD AND PHASE COMPENSATION PLATE}
본 발명은 입사광의 파장 이하의 간격으로 물체에 대향하도록 지지되는 솔리드 이머션 렌즈(solid immersion lens)를 구비한 대물 렌즈 어셈블리에 관한 것이다. 또, 그와 같은 대물 렌즈 어셈블리를 구비한 광학 헤드에 관한 것이다. 또, 솔리드 이머션 렌즈를 사용했을 때 생기는 편광 상태의 불균일성을 보정하는데 적합한 위상 보상판의 제조 방법에 관한 것이다.
미합중국 특허 제5,125,750호에 나타낸 바와 같이, 광을 이용하여 기록 재생이 행해지는 기록 매체의 고기록 밀도화를 달성하는 수법으로서, 솔리드 이머션 렌즈를 사용하여 에바네센트(evanescent)광을 이용함으로써, 회절(回折) 한계 이하의 미소한 기록 비트로의 기록 재생을 가능하게 하는 수법이 고안되어 있다.
예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 기판(100)의 위에 광자기 기록막(101)이 형성되어 이루어지는 광자기 디스크(102)의 기록 재생을 솔리드 이머션 렌즈(103)를 사용하여 행할 때는, 솔리드 이머션 렌즈(103)에 대한 입사 광속(光束)이 당해 솔리드 이머션 렌즈(103)의 렌즈 단면(103a) 또는 그 근방에 초점을 맺어, 그 대부분이 당해 렌즈 단면(103a)에서 전반사(全反射)되도록 한다.
이 때, 렌즈 단면(103a)과 광자기 디스크(102)와의 간격 t1을 충분히 좁게 하여 두면, 에바네센트광의 일부가 광자기 디스크(102)와 결합하여 렌즈 밖으로 취출되고, 당해 에바네센트광을 이용한 기록 재생이 가능해 진다.
그리고, 광자기 디스크(102)의 기록 재생시에는 광자기 디스크(102)를 고속으로 회전시키므로, 솔리드 이머션 렌즈(103)와 광자기 디스크(102)와의 사이에는 약간의 공극이 필요하다. 즉, 광자기 디스크(102)의 기록 재생시에는 솔리드 이머션 렌즈(103)와 광자기 디스크(102)와의 사이에 공기층(104)이 존재하게 된다.
그러나, 솔리드 이머션 렌즈(103)의 렌즈 단면(103a)으로부터 발생하는 에바네센트광은 렌즈 단면(103a)으로부터 멀어짐에 따라 지수함수적(指數關數的)으로 감쇄한다. 따라서, 에바네센트광이 광자기 디스크(102)에 충분히 결합하도록 하기 위해, 솔리드 이머션 렌즈(103)와 광자기 디스크(102)와의 사이의 공기층(109)의 두께(즉, 렌즈 단면(103a)과 광자기 디스크(102)와의 간격 t1)는 기록 재생에 사용하는 광의 파장 이하, 보다 바람직하게는 광의 파장의 1/4 정도 이하로 하는 것이 요망된다.
일반적으로, 광자기 디스크에 기록되어 있는 신호를 재생할 때는, 직선 편광의 레이저광을 광자기 디스크에 조사(照射)한다. 이 때, 광자기 디스크의 광자기 기록막에서 반사되어 되돌아 오는 귀환광의 편광 상태는, 광자기 기록막의 자화 상태에 따라 변화한다. 그래서, 이 귀환광의 편광 상태를 검출함으로써,광자기 디스크에 기록되어 있는 신호를 재생한다.
이와 같이, 직선 편광의 레이저광을 이용하여 광자기 디스크로부터의 신호 재생을 행하는 데 있어서, 전술한 바와 같이 솔리드 이머션 렌즈를 사용하면, 에바네센트광의 발생 과정에서, p 편광 성분과 s 편광 성분과의 사이에 위상차가 발생한다. 이 위상차는 광자기 기록막 고유의 광학 활성(극 커(polar Kerr) 효과)에 의한 편광 상태의 변화에 영향을 주므로, 귀환광의 편광 상태를 검출함으로써 얻어지는 광자기 신호에 대한 외란의 요인으로 된다. 이하, 이와 같은 위상차에 대하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 솔리드 이머션 렌즈를 사용하여 에바네센트광을 발생시킬 때는, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 입사광을 전반사시킨다. 이 때, 전반사면으로부터의 반사광에는, 입사각에 따른 진폭 변화 및 위상 변화가 생긴다. 그리고, 이하의 설명에서는, 이 전반사의 것을 TIR(Total Internal Reflection의 약자)이라고 한다.
또, 이하의 설명에서는, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면과 광자기 디스크를 공기층을 통하여 접근시킨 상태에서의 전반사의 것을 FTIR(Frustrated Total Internal Reflection의 약자)이라고 하고, TIR과 구별한다. FTIR에 있어서도, 반사광에는 입사각에 따른 진폭 변화 및 위상 변화가 생긴다. 이 FTIR에 있어서의 반사광의 진폭 변화 및 위상 변화는 TIR에 있어서의 반사광의 진폭 변화 및 위상 변화가 광자기 디스크의 개재로 영향을 받은 것이다.
여기서 먼저, TIR에 있어서의 반사광의 진폭 변화 및 위상 변화에 대하여, 도 2을 참조하여 특히 위상 변화에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 TIR에 있어서의 반사광의 p 편광 성분의 위상øp, s 편광 성분의 위상 øs, 및 이들의 위상차 øs- øp에 대하여, 입사각 의존성을 나타내고 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, TIR에 있어서의 반사광의 위상은 p 편광 성분 및 s 편광 성분과 함께, 입사각이 편광각(polarization angle), 즉 브류스터각(Brewster's angle)에 달하기 까지는 일정하다. 그리고, 여기서는 이 때의 위상을 0。로 정의하고 있다.
그리고, p 편광 성분의 위상 øp은, 입사각이 편광각일 때에 180。 진입하고, 이후, 입사각이 전반사에 달하기까지 일정하다. 그 후, 입사각이 전반사각을 넘으면, p 편광 성분의 위상은 다음으로 지연된다. 한편, s 편광 성분의 위상 øs은 입사각이 전반사각에 달하기까지 일정하고, 입사각이 전반사각을 넘게 되면, 지연되게 된다.
따라서, TIR에 있어서의 반사광의 위상차 øs- øp는 입사각이 편광각에 달하기까지는 0。, 입사각이 편광각일 때는 -180。, 그 후 입사각이 전반사각을 넘기까지는 일정하며, 입사각이 전반사각을 넘으면, 처음 감소한 후 증가한다.
다음에, 솔리드 이머션 렌즈의 단면에 광자기 디스크를 근접시켰을 때의 전반사인 FTIR에 대하여 설명한다. 그리고, 통상, 광자기 디스크의 구조로는, 흡수를 수반하는 금속 반사막이 포함되므로, 엄밀하게는, 이 전반사는 Attenuated Total Internal Reflection 이라고 하는 것이지만, 여기서 착안하고 있는 것은 어디까지나 광학 활성을 가지는 광자기 기록막이 전반사에 미치는 영향이므로, 여기서는 FTIR(Frustrated Total Internal Reflection)이라고 하고 있다.
광학 활성을 가지는 광자기 기록막이 전반사에 미치는 영향을 조사하기 위해서는, 광전자계(光電滋堺)의 벡터장(vector field) 해석이 유용하며, 그 상세한 해석 결과가 아리조나 대학 Mansuripur 로부터 OSA간행의 Optics and Photonics News, Oct. 1998에 보고되어 있다.
이에 의하면, 일반적으로 수직 자화(磁化)를 가진 광자기 기록막에 x 방향으로 편광된 레이저광을 입사시키면, 그 반사광에는 입사 레이저광의 편광 방향에 대하여 직교하는 y방향의 편광 성분(이하, 직교 편광 성분이라고 함)이 포함된다. 이 때, 레이저광의 집광에 사용되는 대물 렌즈 어셈블리가, 솔리드 이머션 렌즈를 사용하지 않는 타입의 대물 렌즈 어셈블리라면(즉, 에바네센트광을 이용하는 타입의 대물 렌즈 어셈블리가 아니라면), 상기 직교 편광 성분의 위상이 입사각에 따라 현저히 변화하는 것은 아니다. 따라서, 반사광에 포함되는 직교 편광 성분의 대물 렌즈 어셈블리 출사동(出射瞳)에서의 위상의 분포는, 대략 마찬가지이다.
그리고, 광자기 기록막의 수직 자화의 방향이 반전하면, 직교 편광 성분의 위상이 180。 시프트한다. 이 위상 변화를 편광 프리즘 등을 사용하여 분리 검출함으로써, 도메인 단위의 자화의 반전을 검출할 수 있다. 이것이, 광자기 디스크의 신호 재생의 기본 원리이다. 그리고, 반사광에 포함되는 직교 편광 성분의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 위상의 분포가 마찬가지라면, 직교 편광 성분의 위상 변화를 편광 프리즘 등을 사용하여 분리 검출하는 것은 용이하게 가능하다.
한편, 솔리드 이머션 렌즈를 사용하여 에바네센트광으로 광자기 디스크의 재생을 행한 경우, 전술한 Mansuripur에 의하면 반사광의 편광 상태가 입사각에 따라 변화하여, 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포가 마찬가지로 되게 된다. 즉, 솔리드 이머션 렌즈를 사용한 경우는, 반사광의 편광 상태가 대물 렌즈 어셈블리 출사동에서 불균일한 것으로 된다. 이 경우도, 광자기 기록막의 수직 자화의 방향이 반전하면, 직교 편광 성분의 위상은 전체로서는 180。 시프트한다. 그러나, 불균일한 편광 상태 하에서는 반사광의 직교 편광 성분의 위상 변화를 편광 프리즘 등을 사용하여 분리 검출하는 것은 곤란하다.
여기서, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에 광자기 디스크를 근접시킨 상태에서, 직교 편광의 레이저광을 솔리드 이머션 렌즈에 입사했을 때, 당해 레이저광이 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 전반사되어 되돌아 오는 귀환광에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 계산한 결과를 도 3 내지 도 6에 나타낸다.
단, 여기서는, 솔리드 이머션 렌즈의 굴곡률 n = 2, 레이저광의 파장 λ = 633nm, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면과 광자기 기록막과의 공기층의 두께 t1= 100nm으로 하고, 개구수 NA = 1.6에 상당하는 입사각 53。 까지 계산하고 있다.
도 3은 귀환광의 타원률의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담(濃淡)으로 나타내고 있고, 도 3에 있어서, 최농색부(最濃色部)의 흑색 부분은 타원률 = 0。, 최담색부(最淡色部)의 백색 부분은 타원률 = 45。 이다.
도 4는 귀환광의 편광면의 회전각의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있고, 도 4에 있어서, 최농색부의 흑색 부분은 편광면의 회전각 = - 89。, 최담색부의 백색 부분은 편광면의 회전각 = 89。 이다.
도 5는 귀환광의 직교 편광 성분의 강도의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있고, 도 5에 있어서, 최농색부의 흑색 부분은 직교 편광 성분의 상대 강도 Ey 2= 0, 최담색부의 백색 부분은 직교 편광 성분의 상대 강도 Ey 2= 0.65 이다.
도 6은 귀환광의 직교 편광 성분의 강도 중, 순수하게 광자기 기록막의 광학 활성에 따라 발생한 직교 편광 성분의 강도에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있다.
도 3 내지 도 6로부터도 나타낸 바와 같이, 솔리드 이머션 렌즈를 사용한 경우, 귀환광의 편광 상태는, 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에 있어서 마찬가지는 아니고, 뷸균일한 것으로 되어 있다.
대물 렌즈 어셈블리 출사동에 있어서의 편광 상태의 불균일의 정도는, 솔리드 이머션 렌즈 단면과 광자기 기록막과의 사이의 공기층의 두께나, 솔리드 이머션 렌즈에 입사하는 광의 입사각의 최대치(입사각의 최대치는 통상은 개구수가 규정됨) 등에 의존한다.
따라서, 귀환광의 편광 상태의 분포를 극력 균일화 하려면, 공기층의 두께나 개구수 등에 제한이 생겨, 대단히 엄격한 제약을 받게 된다. 그리고, 이와 같은 제약이 솔리드 이머션 렌즈의 실용화를 도모하는 데 큰 장해로 되어 있다. 환언하면, 공기층의 두께나 개구수 등을 엄격하게 제약하지 않고, 반사광의 편광 상태의 분포를 균일화하는 것이, 솔리드 이머션 렌즈를 실용화하는 데 있어서, 해결하지 않으면 안되는 과제로 되어 있다.
본 발명은, 이상과 같은 종래의 사정을 감안하여 제안된 것이며, 솔리드 이머션 렌즈를 채용하면서, 당해 솔리드 이머션 렌즈에 있어서의 전반사에 기인하는 귀환광의 편광 상태의 불균일성을 해소한 대물 렌즈 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
또, 본 발명은 솔리드 이머션 렌즈를 채용하면서, 당해 솔리드 이머션 렌즈에 있어서의 전반사에 기인하는 귀환광의 편광 상태의 불균일성을 해소한 광학 헤드를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
또, 본 발명은, 솔리드 이머션 렌즈를 사용했을 때 생기는 편광 상태의 불균일성을 보정하는데 적합한 위상 보상판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
도 1은 솔리드 이머션 렌즈를 사용하여 광자기 디스크의 기록 재생을 행하는 모양을 나타낸 도면.
도 2는 TIR에서의 반사광의 p편광 성분의 위상 øp, s편광 성분의 위상 øs, 및 그들의 위상차 øs-øp에 대하여, 그들의 입사각 의존성을 나타낸 도면.
도 3은 종래의 솔리드 이머션 렌즈를 사용한 대물 렌즈 어셈블리에서의, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면(端面)에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광의 타원률에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 4는 종래의 솔리드 이머션 렌즈를 사용한 대물 렌즈 어셈블리에서의, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 전반사되어 되돌아 오는 귀환광의 편광면 회전각에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 5는 종래의 솔리드 이머션 렌즈를 사용한 대물 렌즈 어셈블리에서의, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 전반사되어 되돌아 오는 귀환광의 직교 편광 성분의 강도에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 6은 광자기 디스크로부터의 귀환광의 직교 편광 성분의 강도 중, 순수하게 광자기 기록막의 광학 활성에 의해 발생한 직교 편광 성분의 강도에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명을 적용한 대물 렌즈 어셈블리의 한 구성예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명을 적용한 대물 렌즈 어셈블리로 사용되는 위상 보상판의 일례를 나타낸 도면.
도 9는 광자기 디스크막 구조의 일례를 나타낸 도면.
도 10은 위상 보상판이 없는 경우에 대하여, 광자기 디스크와 솔리드 이머션 렌즈와의 사이의 공기층의 두께와, 얻어지는 광자기 신호의 변조도와의 관계를 나타낸 도면.
도 11은 실시예 1에서의 위상 보상판의 솔리드 이머션 렌즈 대향면의 면 형상을 나타낸 도면.
도 12는 실시예 1에서의 귀환광의 타원률에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 13은 실시예 1에서의 귀환광의 편광면 회전각에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 14는 실시예 1에서의 귀환광의 직교 편광 성분 강도에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 15는 실시예 2에서의 위상 보상판의 솔리드 이머션 렌즈 대향면의 면 형상을 나타낸 도면.
도 16은 실시예 2에서의 귀환광의 타원률에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 17은 실시예 2에서의 귀환광의 편광면 회전각에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 18은 위상 보상판을 사용한 경우에 대하여, 광자기 디스크의 광자기 기록막을 구성하는 제2 유전체막의 막 두께와, 얻어지는 광자기 신호의 변조도와의 관계를 나타낸 도면.
도 19는 실시예 3에 있어서, 광자기 디스크의 광자기 기록막을 구성하는 제2 유전체막의 막 두께를 92.5nm로 했을 때의 귀환광의 타원률에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 20은 실시예 4에서의 귀환광의 타원률에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 21은 실시예 5에서의 위상 보상판의 솔리드 이머션 렌즈 대향면의 면 형상을 나타낸 도면.
도 22는 실시예 5에서의 귀환광의 타원률에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 23은 실시예 5에서의 귀환광의 편광면 회전각에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 24는 실시예 5에서의 귀환광의 직교 편광 성분의 강도에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타낸 도면.
도 25는 위상 보상판 제조 공정의 제1 예를 설명하기 위한 도면이며, 기판 상에 광학 재료가 배치된 위상 보상판 재료의 일부 단면(斷面)을 나타낸 도면.
도 26은 위상 보상판 제조 공정의 제1 예를 설명하기 위한 도면이며, 위상 보상판 재료 위에 레지스트층을 형성하고, 당해 레지스트층을 원하는 위상 보상판의 면 형상에 대응하도록 노광 강도 분포를 가지게 한 전자선 빔에 의해 노광하는 모양을 나타낸 도면.
도 27은 위상 보상판 제조 공정의 제1 예를 설명하기 위한 도면이며, 레지스트층을 현상하고, 당해 레지스트층의 표면 형상을 원하는 위상 보상판의 면 형상에 대응한 형상으로 한 상태를 나타낸 도면.
도 28은 위상 보상판 제조 공정의 제1 예를 설명하기 위한 도면이며, 위상 보상판 재료를 구성하고 있는 광학 재료를 레지스트층과 함께 에칭하는 모양을 나타낸 도면.
도 29는 위상 보상판 제조 공정의 제1 예를 설명하기 위한 도면이며, 기판 상에 당해 기판보다도 굴절률이 낮은 광학 부재가 배치되고, 또한 당해 광학 부재의 기판에 접하고 있지 않은 쪽의 면이 비평면으로 된 위상 보상판을 나타낸 도면.
도 30은 위상 보상판 제조 공정의 제2 예를 설명하기 위한 도면이며, 위상 보상판 재료 위에 레지스트층을 형성하고, 당해 레지스트층을 원하는 위상 보상판의 면 형상에 대응하도록, 그레이 스케일 마스크에 의해 노광 강도 분포를 가지게 한 광 또는 전자선에 의해 노광하는 모양을 나타낸 도면.
도 31은 위상 보상판 제조 공정의 제2 예를 설명하기 위한 도면이며, 레지스트층을 현상하고, 당해 레지스트층의 표면 형상을 원하는 위상 보상판의 면 형상에 대응한 형상으로 한 상태를 나타낸 도면.
도 32는 위상 보상판 제조 공정의 제2 예를 설명하기 위한 도면이며, 위상 보상판 재료를 구성하고 있는 광학 재료를 레지스트층과 함께 에칭하는 모양을 나타낸 도면.
도 33은 위상 보상판 제조 공정의 제2 예를 설명하기 위한 도면이며, 기판 상에 당해 기판보다도 굴절률이 낮은 광학 부재가 배치되고, 또한 당해 광학 부재의 기판에 접하고 있지 않은 쪽의 면이 비평면으로 된 위상 보상판을 나타낸 도면.
도 34는 본 발명을 적용한 광학 헤드에서 사용되는 카타디옵트릭 렌즈(catadioptric lens)의 일례를 나타낸 도면.
도 35는 본 발명을 적용한 광학 헤드의 한 구성예를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 대물 렌즈 어셈블리, 2: 기판, 3: 광자기 기록막, 4: 광자기 디스크, 5: 렌즈, 6: 위상 보상판, 7: 솔리드 이머션 렌즈.
본 발명에 관한 대물 렌즈 어셈블리는, 입사광을 수속광으로 하는 렌즈와, 상기 렌즈에 의해 수속광으로 된 입사광의 광로 중에 배치된 위상 보상판과, 상기 위상 보상판을 통과하여 온 입사광이 입사되도록 이루어져 있고, 당해 입사광의 파장 이하의 간격으로 물체에 대향하도록 지지되는 솔리드 이머션 렌즈를 구비한다. 이 대물 렌즈 어셈블리에 있어서, 상기 위상 보상판은 입사광의 p 편광 성분과 s 편광 성분과의 사이에 위상차를 발생시키는 동시에, 당해 위상차가, 통과하는 광선의 경사각에 따라 상이하게 된다.
이상과 같은 본 발명에 관한 대물 렌즈 어셈블리는, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 전반사되어 되돌아 온 귀환광의 편광 상태의 분포를, 위상 보상판에 의해 균일화할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 광학 헤드는, 기록 및/또는 재생에 사용하는 광의 파장 이하의 간격으로 기록 매체에 대향하도록 지지되는 솔리드 이머션 렌즈와, 기록 및/또는 재생에 사용하는 광의 광로 중에 배치된 위상 보상판을 구비한다. 여기서, 위상 보상판은, 기록 및/또는 재생에 사용하는 광의 p 편광 성분과 s 편광 성분과의 사이에 위상차를 발생시키는 동시에, 당해 위상차가, 통과하는 광선의 경사각에 따라 상이하게 된다.
그리고, 이 광학 헤드는, 솔리드 이머션 렌즈의 단면으로부터의 에바네센트 광을 이용하여, 기록 매체에 대한 기록 및/또는 재생을 행하는 동시에, 위상 보상판에 의해, 기록 및/또는 재생에 이용하는 광의 p 편광 성분과 s 편광 성분과의 사이에 위상차를 발생시킨다.
이상과 같은 본 발명에 관한 광학 헤드에서는, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 전반사되어 되돌아 온 귀환광의 편광 상태의 분포를, 위상 보상판에 의해 균일화 할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 위상 보상판의 제조 방법에 있어서, 제조의 대상으로 되는 위상 보상판은, 표면이 굴곡형상으로 되고, 입사광의 p 편광 성분과 s 편광 성분과의 사이에 위상차를 발생시키는 동시에, 당해 위상차가, 통과하는 광선의 경사각에 따라 상이하도록 이루어진 것이다. 그리고, 본 발명에 관한 위상 보상판의 제조 방법에서는, 먼저 위상 보상판의 재료 상에 레지스트층을 형성한다. 다음에, 상기 레지스트층을 원하는 위상 보상판의 면형상에 대응하도록 노광 강도 분포를 갖게 한 광 또는 전자선(電子線)에 의해 노광한다. 다음에, 상기 레지스트층을 현상하여, 레지스트층의 표면 형상을 원하는 위상 보상판의 면형상에 대응한 형상으로 한다. 그리고, 상기 위상 보상판 재료를 상기 레지스트층과 함께 에칭하여, 위상 보상판 재료의 표면을 소정의 곡면 형상으로 함으로써, 표면이 곡면 형상으로 된 위상 보상판을 제조한다.
이상과 같은 본 발명에 관한 위상 보상판의 제조 방법에 의하면, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 전반사되어 되돌아 온 귀환광의 편광 상태의 분포를 균일화하는 데 적합한 위상 보상판을 용이하게 또한 정밀도 양호하게 제조할 수 있다.
솔리드 이머션 렌즈의 유효 개구수가 비교적 큰 경우나, 솔리드 이머션 렌즈와 솔리드 이머션 렌즈에 대향하는 물체와의 간격이 비교적 큰 경우에는, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 전반사되어 되돌아온 귀환광의 편광 상태의 분포에 불균일성이 발생한다. 그러나, 본 발명에 관한 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드에서는, 이와 같은 편광 상태의 분포를, 광로 중에 배치된 위상 보상판에 의해 균일화할 수 있다.
따라서, 예를 들면, 본 발명에 관한 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드를 광자기 디스크의 재생에 사용한 경우에는, 솔리드 이머션 렌즈의 유효 개구수를 크게 해도, 또, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면과 광자기 디스크와의 간격을 비교적 크게 확보해도, 귀환광의 편광 상태 분포를 균일화할 수 있고, 그 결과, 높은 변조도의 광자기 신호가 얻어진다. 따라서, 본 발명에 관한 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드를 사용함으로써, 더한층 광자기 디스크 등 기록 매체의 고밀도화를 진행하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명에 관한 위상 보상판의 제조 방법에 의하면, 이상과 같은 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드에 사용하는 위상 보상판을, 용이하게 또한 정밀도 양호하게 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 위상 보상판의 제조 방법에 의하면, 귀환광에 포함되는 편광 상태의 분포를 정밀도 양호하게 균일화할 수 있는 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드를 저코스트로 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 기록 매체를 기록 및/또는 재생하는 장치는, 기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 파장 이하의 간격으로 기록 매체에 대항하도록 지지되는 솔리드 이머션 렌즈와, 기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 광로 중에 배치되고, 기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 위상차를 발생시키는 위상 보상판을 구비하고, 기록 매체용 기록 및 재생은 기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 편광 상태가 상기 위상 보상판에 의해 발생되는 위상차에 의존하여 보정되는 것과 동시에 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 관한 기록 매체를 기록 및/또는 재생하는 장치는, 기록 및/또는 재생에 사용되는 광을 상기 기록 매체에 대향하는 상기 솔리드 이머션 렌즈의 표면 근방에 집광시키는 렌즈를 추가로 구비하고, 상기 위상 보상판은 상기 대물 렌즈 어셈블리와 상기 솔리드 이머션 렌즈 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.
<대물 렌즈 어셈블리>
본 발명을 적용한 대물 렌즈 어셈블리의 일 구성예를 도 7에 도시한다. 이 대물 렌즈 어셈블리(1)는, 기판(2)상에 광자기 기록막(3)이 형성되어 이루어지는 광자기 디스크(4)에 대해 기록재생을 행하는 광학 헤드용 대물 렌즈 어셈블리이며, 렌즈(5)와, 위상 보상판(6)과, 솔리드 이머션 렌즈(7)를 구비한다.
이 대물 렌즈 어셈블리(1)를 사용할 때는, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)을 광자기 디스크(4)에 근접시켜, 상기 렌즈 단면(7a)과 광자기 디스크(4)와의 사이에 존재하는 공기층의 두께 t를 대물 렌즈 어셈블리(1)에 입사하는 빛의 파장 이하로 한다.
그리고, 공기층의 두께 t를 대물 렌즈 어셈블리(1)에 입사하는 광의 파장 이하로 하는 것은, 예를 들면 자기디스크에서 사용되고 있는 플라잉 헤드(flying head) 기술을 적용함으로써 실현할 수 있게 된다. 즉, 부상형(浮上型) 슬라이더에 대물 렌즈 어셈블리(1)를 탑재하여 플라잉 헤드를 구성하고, 광자기 디스크(4)를 고속으로 회전시킨다. 이 때, 플라잉 헤드와 광자기 디스크(4)와의 사이에 흐르는 공기류(空氣流)에 의해, 플라잉 헤드가 약간 부상한다. 또, 이 부상량이 대물 렌즈 어셈블리(1)에 입사하는 광의 파장 이하가 되도록 해 두면, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)과 광자기 디스크(4)와의 사이에 존재하는 공기층의 두께 t를, 대물 렌즈 어셈블리(1)에 입사하는 빛의 파장이하로 할 수 있다.
또, 이 대물 렌즈 어셈블리(1)를 사용할 때는 이렇게 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)을 광자기 디스크(4)에 근접시킨 상태에서, 직선 편광 평행 광속(光束)의 레이저광 L을 렌즈(5)에 입사한다. 이 입사 레이저광 L은 렌즈(5)에 의해 수속광으로 된 상태에서 위상 보상판(6)을 개재하여 솔리드 이머션 렌즈(7)에 입사한다.
여기서, 솔리드 이머션 렌즈(7)는 광 입사면(7b)이 반구상(半球狀)의 곡면으로 되어 있으며, 광자기 디스크(4)에 대향하는 측의 렌즈 단면(7a)이 평면으로 되어 있다. 그리고, 입사 레이저광 L은 대략 반구상의 곡면으로 된 솔리드 이머션 렌즈(7)의 광입사면(7b)에 대해 대략 수직으로 입사하고, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a) 또는 그 근방에 초점을 맺어, 그 대부분이 상기 렌즈 단면(7a)에서 전반사된다.
여기서, 솔리드 이머션 렌즈(7)는 렌즈 단면(7a)이 광자기 디스크(4)에 근접하도록 배치되어 있다. 따라서, 렌즈 단면(7a)으로부터 발생하는 에바네센트광의 일부가 광자기 디스크(4)와 결합하여 렌즈밖으로 취출되어, 광자기 디스크(4)의 광자기 기록막(3)의 영향을 받게 된다. 그 결과, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광에는, 광자기 디스크(4)의 광자기 기록막(3)의 광학활성(극 커 효과)에 기인하는 직교 편광 성분이 포함되게 된다.
이 귀환광은 입사 레이저광 L과는 반대 경로를 따르며, 솔리드 이머션 렌즈(7), 위상 보상판(6) 및 렌즈(5)를 이 순서대로 통과하여, 대물 렌즈 어셈블리(1)로부터 출사한다. 그리고, 이 귀환광의 편광 상태를 검출함으로써 광자기 디스크(4)에 기록되어 있는 신호가 재생된다.
구체적으로는, 광자기 기록막(3)의 수직 자화(磁化)의 방향이 반전되면, 귀환광에 포함되는 직교 편광 성분의 위상이 180°시프트하므로, 이 위상변화를, 예를 들면 편광 프리즘을 사용하여 분리하고, 광검출기로 검출한다. 이렇게 귀환광에 포함되는 직교 편광 성분의 위상 변화를 검출한 신호가 광자기 신호이다. 그리고, 이 광자기신호에 의해, 광자기 기록막(3)의 도메인 단위의 자화의 반전이 검출되며, 이에 의해 광자기 디스크(4)에 기록되어 있는 신호가 재생된다.
상기 대물 렌즈 어셈블리(1)에 있어서, 렌즈(5)에 의해 수속광으로 된 입사 레이저 광L의 광로중에 배치된 위상 보상판(6)은 당해 위상 보상판(6)에 입사한 광의 p 편광 성분과 s 편광 성분과의 사이에 위상차를 발생시키는 동시에, 당해 위상차가, 통과하는 광선의 경사각에 따라 상이하게 되어 있다. 또, 상기 대물 렌즈 어셈블리(1)에서는 이와 같은 위상 보상판(6)을 사용함으로써 귀환광의 편광 상태의 분포의 균일화를 도모하고 있다.
이 위상 보상판(6)의 일례를 도 8에 나타낸다. 도 8에 나타내는 위상 보상판(6)은 입사 레이저광 L의 파장에 비해 충분히 두꺼운 기판(8) 상에, 상기 기판(8)보다 굴절률이 낮은 광학 부재(9)가 배치되게 되며, 또한 당해 광학 부재(9)의 기판(8)에 접해있지 않은 쪽의 면(9a)이 비평면으로 되어 있다. 또, 이 위상 보상판(6)은 입사 레이저광 L의 파장역에서, 충분히 높은 투과율을 갖는 것이 바람직하다.
이 위상 보상판(6)에 있어서, 기판(8)의 재료는 굴절률이 높은 것이 바람직하며, 예를 들면 니오브산(niobate) 리튬(no=2.287, ne=2.203)이 바람직하다. 한편, 기판(8)상에 배치하는 광학 부재(9)는 기판(8)에 비해 굴절률이 작은 것이 바람직하다. 또, 이 광학 부재(9)는 광학적으로 균일한 광학 재료, 또는 일축성 광학 결정이 바람직하다.
구체적으로는, 광학 부재(9)의 재료로서 바람직한, 굴절률이 작고 광학적으로 균일한 광학 재료로서는, 예를 들면 불화 마그네슘(n=1.38)을 들 수 있다. 또, 광학 부재(9)의 재료로서 바람직한, 굴절률이 작은 일축성 광학 결정으로서는 예를 들면 수정(水晶)을 들 수 있다. 또, 이 광학 부재(9)로서 일축성 광학결정을 사용하는 경우는 그 광학축을 솔리드 이머션 렌즈(7)의 광축에 대해 평행으로 배치하는 것이 바람직하다.
이 위상 보상판(6)은 도 7에 도시한 바와 같이, 렌즈(5)와 솔리드 이머션 렌즈(7)와의 사이에 배치된다. 따라서, 이 위상 보상판(6)에는 입사 레이저광 L의 왕로(往路)에서, 렌즈(5)에 의해 수속광으로 된 입사 레이저광이 입사되는 동시에, 당해 입사 레이저광이 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아 오는 복로(復路)에서, 발산광이 되어 되돌아 온 귀환광이 입사한다.
이 위상 보상판(6)은 당해 위상 보상판(6)에 입사한 광의 p 편광 성분과 s 편광 성분과의 사이에 위상차를 발생시키는 동시에, 당해 위상차가, 통과하는 광선의 경사각에 따라 상이하도록 되어 있다. 따라서, 전술한 대로 위상 보상판(6)에 입사하는 입사레이저광 및 귀환광은, 위상 보상판(6)을 통과할 때에, 당해 위상 보상판(6)을 통과하는 광선의 경사각에 따라 위상차를 받게 된다.
또, 상기 대물 렌즈 어셈블리(1)에서는 이와 같은 위상차를 위상 보상판(6)에 의해 발생시킴으로써, 귀환광의 편광 상태의 분포의 균일화를 도모하고 있다. 즉, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 입사 레이저광 L을 전반사시켰을 때, 전반사면으로부터의 반사광에는 입사각에 따른 위상 변화가 생기지만, 상기 대물 렌즈 어셈블리(1)에서는 이와 같은 위상 변화를 위상 보상판(6)에 의해 캔슬함으로써, 귀환광의 편광 상태의 분포가 균일하게 되도록 하고 있다.
그러나, 광자기 디스크(4)에 기록되어 있는 신호를 재생할 때는 전술한 바와 같이 예를 들면 편광 프리즘과 광검출기를 사용하여, 귀환광에 포함되는 직교 편광성분의 강도를 검출한다. 이와 같이 직교 편광 성분의 강도를 검출할 때,
Ey= Eyo+ΔEy
이므로, 광의 주파수로 시간 평균을 취하면,
<I> = <Iyo>+<ΔIy>+｜EyoΔEy｜cos{øyo-øΔy}
가 된다. 또, 상기 식의 우변의 최초 2항은 직류 바이어스 성분을 나타내고 있으며, 제3항은 광자기 신호를 나타내고 있다. 상기 식으로부터, øyo와 øΔy가 한결같이 높은 변조도의 광자기 신호를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
또, 상기 대물 렌즈 어셈블리(1)에서 위상 보상판(6)은 당해 위상 보상판(6)에 입사한 광의 p 편광 성분과 s 편광 성분과의 사이에 위상차를 발생시키는 동시에, 당해 위상차가, 위상 보상판(6)을 통과하는 광선의 경사각에 따라 상이하도록 되어 있다. 바꾸어 말하면, 위상 보상판(6)은 수속광이나 발산광이 입사되었을 때, 그 입사각에 따라 상이한 위상차를 부여한다. 따라서, 위상 보상판(6)에는 상기 식 우변 제3항의 여현(余弦)의 편각(偏角)에 포함되는 불균일성을 균일화하는 효과가 있다. 따라서, 위상 보상판(6)을 사용함으로써, 광자기 신호의 변조도를 높일 수 있게 된다.
다음에, 비교예로써 위상 보상판(6)을 사용하지 않는 대물 렌즈 어셈블리에 대해 설명하고, 그 후 위상 보상판(6)을 사용한 본 발명에 관한 대물 렌즈 어셈블리(1)의 구체적인 실시예에 대해 설명한다. 또, 이하에 설명하는 비교예 및 실시예에서는 솔리드 이머션 렌즈(7)에 입사하는 입사 레이저광의 입사각을 약 40°까지로 제한하고, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 유효 개구수를 1.3으로 하였다.
<비교예>
우선, 대상이 되는 광자기 디스크(4)의 구성을 도 9에 나타냈다. 도 9에 나타난 바와 같이, 광자기 디스크(4)는 기판(2) 상에 광자기 기록막(3)이 형성되어 이루어진다. 여기서, 광자기 기록막(3)은, 광반사막(10)과, 제1 유전체막(11)과, 자성막(12)과, 제2 유전체막(13)이 이 순서로 적층 형성된 다층막으로 이루어진다.
여기서, 광반사막(10)은, 복소(複素) 굴절률(n, k)=(1, 4, 7, 6)의 A1로 이루어지며, 막두께는 25nm으로 하였다. 제1 유전체막(11)은 굴절률n = 2.0인 SiN으로 이루어지며, 막두께는 30nm으로 하였다. 제2 유전체막(13)은 굴절률 n = 2.0인 SiN으로 이루어지며, 막두께는 100nm으로 하였다. 또, 자성막(12)은 막두께는 25nm으로 하고, 당해 자성막(12)의 자화 방향에 따라 하기 식(1-1) 또는 (1-2)로 나타내는 유전체 텐솔(tensor)의 각 성분이, ε = - 8 + 27i, ε’= 0.6 - 0.2i 로 하였다.
[식(1-1)]
[식(1-2)]
이와 같은 조건에서 도 7에 나타낸 대물 렌즈 어셈블리(1)로부터 위상 보상판(6)을 제외한 경우에 대해서, 광자기 디스크(4)와 솔리드 이머션 렌즈(7)와의 사이의 공기층의 두께 t와, 광자기 신호의 변조도와의 관계를 조사하였다. 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 위상 보상판(6)이 없는 경우, 광자기 신호의 변조도는 공기층의 두께 t가 25nm 부근일 때에 극대가 된다. 또, 공기층의 두께 t가 두꺼워지면, 광자기 신호의 변조도는 감소되고, 예를 들면, 공기층의 두께 t가 100nm일 경우, 상기 변조도는 6%이하까지 감소되어 버린다. 이것은 공기층의 영향에 의해, 귀환광의 편광 상태의 분포에 불균일성이 생기기 때문이다.
그러나, 상기 대물 렌즈 어셈블리(1)에서, 공기층의 두께 t를 대물 렌즈 어셈블리(1)에 입사하는 광의 파장 이하로 하는 것은 전술한 바와 같이 자기 디스크에서 사용되고 있는 플라이 헤드 기술을 적용함으로써 실현 가능하다. 그러나, 플라잉 헤드의 기술을 적용했다고 하더라도, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)과 광자기 디스크(4)를 지나치게 접근시켜 유지하는 것은 곤란하다.
예를 들면, 공기층의 두께 t가 100nm이라면, 그 두께를 일정하게 유지하는 것은 비교적 용이하나, 공기층의 두께 t를 25nm으로 하여, 그 두께를 일정하게 유지하는 것은 플라스틱등으로 이루어지는 기판(2)의 평탄성 등을 고려하면, 매우 곤란하다. 즉, 위상 보상판(6)이 없는 경우, 공기층의 두께 t를 약 25nm으로 하면, 광자기신호에 대해서는 높은 변조도를 얻을 수 있으나, 이 상태에서 대물 렌즈 어셈블리(1)를 안정되게 유지하여 사용하는 것은 매우 곤란하다. 한편, 공기층의 두께 t를 100nm으로 하면, 대물 렌즈 어셈블리(1)를 안정되게 지지하여 사용하는 것은 용이하나, 이 경우는 광자기 신호의 변조도가 대폭 감소되어 버린다.
<실시예 1>
본 실시예에서는 도 7에 나타낸 대물 렌즈 어셈블리(1)와 같이, 입사 레이저광 L을 수속광으로 하는 렌즈(5)와, 솔리드 이머션 렌즈(7)와의 사이에 위상 보상판(6)을 배치하였다. 또, 대상이 되는 광자기 디스크(4)로는 전술한 비교예와 같은 것을 사용하였다. 또 본 실시예에서는 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)과 광자기 디스크(4)와의 사이의 공기층의 두께 t=100nm로 하였다.
본 실시예에서 사용한 위상 보상판(6)은 도 8에 나타낸 바와 같이, 입사 레이저광 L의 파장에 비교하여 충분히 두꺼운 기판(8)에, 한쪽면이 곡면으로 된 광학 부재(9)가 접합되어 이루어진다. 이 기판(8)은, 굴절률 n=2로 광학적으로 동일한 광학 재료를 평행 평판상에 가공한 것이다. 또 이 위상 보상판(6)의 전단에 배치되는 렌즈(5)는 위상 보상판(6)을 광선이 통과할 때 발생하는 구면수차(球面收差)를 충분히 보정하도록 설계하였다.
한편, 기판(8)에 접합된 광학 부재(9)에는 일축성 광학결정인 수정을 사용하였다. 이 때, 광학 부재의 굴절률 n=1.5, 복굴절률=0.0088이다. 또, 일축성 광학결정으로 이루어지는 광학 부재(9)는 그 광학축이 솔리드 이머션 렌즈(7)의 광축에 대해 평행이 되게 하였다. 또, 이 광학 부재(9)의 한쪽 면을 평면으로 하여 기판(8)에 접합하고, 다른 쪽 면(9a)(이하, 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)이라고 함)을 곡면으로 하였다.
본 실시예에서, 위상 보상판(6)의 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)은, 광축을 중심으로 한 회전 대칭의 곡면으로 하고, 위상 보상판(6)을 구성하는 광학 부재(9)에 입사하는 광선의 경사각을 θ로 하였을 때, 기준면으로부터의 높이(새그(sag)) Z가 하기 식(2-1)에 나타난 바와 같은 면형상으로 하였다.
[식(2-1)]
Z = 225-174sinθ-107.173sin2θ+1574.94sin4θ
즉, 광학 부재(9)의 공기에 접하는 측의 단면 형상은 착안하는 광선의 입사각이 θ일 때, 하기 식(2-1)에 나타낸 sinθ의 다항식의 형태로 되어 있다.
또 여기서는, 위상 보상판(6)의 광축에 수직인 면 중, 광학 부재(9)에 접해있는 기판(8)의 표면을 기준면으로 하고 있다. 또, 상기 식(2-1)에서, 각 계수의 단위는 nm이며, tanθ는 상대동(相對瞳) 반경을 의미하고 있다.
또, 도 11에 상기 식(2-1)에 나타낸 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)의 면형상을 플로트한 도면을 나타낸다. 도 11에서, 횡축은 상대동 반경을 나타내고 있고, 종축은 기준면(즉 기판(8)의 표면)으로부터의 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)의 높이를 나타낸다.
이와 같은 위상 보상판(6)을 사용한 경우, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아 오는 귀환광의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에 있어서의 분포를 계산한 결과를 도 12내지 도 14에 도시하였다.
도 12는 귀환광의 타원률의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있으며, 도 12에서 최농색부의 검은 부분은 타원률 = 0°, 최담색부의 흰 부분은 타원률 = 35.6°이다
도 13은 귀환광의 편광면의 회전각의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있으며, 도 13에서, 최농색부의 검은 부분은 편광면의 회전각 = -6°, 최담색부의 흰 부분은 편광면의 회전각 = 37.4°이다.
도 14는 귀환광의 직교 편광 성분의 강도의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있으며, 도 14에서 최농색부의 검은 부분은 직교 편광성분의 상대 강도 Ey 2= 0, 최담색부의 흰 부분은 직교 편광성분의 상대강도 Ey 2= 0.13이다.
도 12 내지 도 14과, 위상 보상판을 사용하고 있지 않은 경우의 편광 상태의 분포를 나타낸 도 3내지 도 5와의 비교로부터, 위상 보상판(6)을 사용한 본 실시예에서는, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 편광 상태의 분포가 균일화되어 있음을 알 수 있다.
또, 본 실시예에서는 광자기 신호의 변조도가 약10%로 되었다. 이것은 도 10로부터도 알 수 있듯이, 위상 보상판(6)이 없는 경우에 있어서 공기층의 두께 t를 75nm으로 했을 때의 변조도보다 양호한 값이다. 즉, 위상 보상판(6)을 사용한 본 실시예에서는 공기층의 두께 t를 100nm으로 해도 약10%로 비교적 높은 변조도의 광자기 신호를 얻을 수 있게 되어 있다.
<실시예 2>
본 실시예에서는 실시예 1과 마찬가지로, 입사 레이저광 L을 수속광으로하는 렌즈(5)와, 솔리드 이머션 렌즈(7)와의 사이에 위상 보상판(6)을 배치하였다.
또, 본 실시예에서는 위상 보상판(6)의 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)의 면형상을, 광축을 중심으로 한 회전대칭의 곡면으로 하고, 위상 보상판(6)을 구성하는 광학 부재(9)에 입사하는 광선의 경사각을 θ로 했을 때, 기준면으로부터의 높이 Z가 하기 식 (2-2)으로 나타난 바와 같은 면형상으로 하였다. 다른 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다.
[식(2-2)]
Z = 245-189sinθ-114.088sin2θ+1488.38sin4θ
또, 여기서는 실시예 1과 마찬가지로, 위상 보상판(6)의 광축에 수직인 면 중, 광학 부재(9)에 접해있는 기판(8) 표면을 기준면으로 하고 있다. 또, 상기식 (2-2)에서, 각 계수의 단위는 nm이며, tanθ는 상대동 반경을 의미하고 있다.
도 15에, 상기 식 (2-2)에 나타낸 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)의 면형상을 플로트한 도면을 도시한다. 도 15에서, 횡축은 상대동 반경을 나타내고 있으며, 종축은 기준면(즉 기판(8)의 표면)으로부터의 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)의 높이를 나타내고 있다.
이와 같은 위상 보상판(6)을 사용한 경우, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 계산한 결과를 도 16 및 도 17에 나타낸다.
도 16은 귀환광의 타원률의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있으며, 도 16에서, 최농색부의 검은 부분은 타원률 = 0°, 최담색부의 흰 부분은, 타원률 = 37°이다. 또, 도 17은 귀환광의 편광면의 회전각의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있으며, 도 17에서, 최농색부의 검은 부분은 편광면의 회전각 = -6.8°, 최담색부의 흰 부분은, 편광면의 회전각 = 39.5°이다.
도 16 및 도 17과, 위상 보상판을 사용하지 않는 경우의 편광 상태의 분포를 나타낸 도 3 및 도 4과의 비교에 의해, 위상 보상판(6)을 사용한 본 실시예에서는 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에 있어서의 편광 상태의 분포가 균일화되어 있음을 알 수 있다.
또, 본 실시예에서는 광자기 신호의 변조도가 10%이상이 되었다. 이것은 도 10로부터도 알 수 있듯이, 위상 보상판(6)이 없는 경우에 공기층의 두께 t를 75nm으로 했을 때의 변조도보다 양호한 값이다. 즉, 위상 보상판(6)을 사용한 본 실시예에서는 공기층의 두께 t를 100nm으로 해도, 10%이상으로 비교적 높은 변조도의 광자기 신호를 얻을 수 있게 되어 있다.
<실시예 3>
도 9에 도시한 광자기 디스크(4)의 광자기 기록막(3)의 구성 중에서, 굴절률 n = 2의 제2 유전체막(13)(즉 최상층의 박막)의 막두께를, 100nm으로부터 변화시키고, 그외에 대해서는 실시예 1과 동일하게 했다. 또, 광자기 신호의 변조도에 대해, 제2의 유전체막(13)의 막두께에 대한 의존성을 조사하였다. 결과를 도 18로 나타내었다.
도 18에 도시한 바와 같이, 제2 유전체막(13)의 막 두께에 따라, 광자기 신호의 변조도가 변화된다. 특히, 제2 유전체막(13)의 막두께가 92.5nm일 때에는 제2 유전체막(13)의 막두께가 100nm일 때에 비하여, 광자기 신호의 변조도가 약 20%나 개선되며, 광자기 신호의 변조도는 약 12%로 되었다,
또, 제2 유전체막(13)의 막두께를 92.5nm으로 했을 때, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아 오는 귀환광의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 타원률의 분포를 계산한 결과를 도 19에 나타낸다. 또, 도 19는 귀환광의 타원률의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내며, 도 19에서, 최농색부의 검은 부분은, 타원률 = 0°, 최담색부의 흰 부분은, 타원률 = 28.5°이다.
도 19로부터 알 수 있듯이, 위상 보상판(6)을 사용하고, 또 제2 유전체막(13)의 막두께를 최적화함으로써, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광의 편광 상태의 분포는 매우 균일한 것이 된다. 그 결과, 공기층의 두께 t를 100nm 정도 확보하면서, 약12%로 상당히 높은 변조도의 광자기 신호를 얻을 수 있게 된다.
<실시예 4>
위상 보상판(6)을 구성하는 광학 부재(9)로서, 일축성 광학 결정 대신에, 굴절률 n=1.5인 광학적으로 균일한 광학 재료를 사용했다. 또, 위상 보상판(6)의 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)의 면 형상은, 실시예 2와 동일하게 했다. 또, 도 9에 나타낸 광자기 디스크(4)의 광자기 기록막(3)의 구성 중에서, 굴절률 n=2인 제2의 유전체막(13)(즉, 최상층의 박막)의 막 두께를 92.5nm로 했다. 그 밖의 조건은 실시예 2와 동일하게 했다.
이와 같은 조건에서, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사(全反射)되어 되돌아오는 귀환광의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 타원률의 분포를 계산한 결과를 도 20에 나타냈다. 그리고, 도 20은 귀환광의 타원률의 대물 렌즈 어셈블리를 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있으며, 도 20에서, 최농색부의 검은 부분은 타원률 = 0°, 최담색부의 흰 부분은 타원률 = 28.3°이다.
도 20에서 알 수 있는 바와 같이, 광학적으로 균일한 광학 재료만으로 이루어지는 위상 보상판(6)을 사용한 경우에도, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광의 편광 상태의 분포는, 상당히 균일한 것이 된다. 그리고, 이 때의 광자기 신호의 변조도는, 약 11.4%였다. 즉, 광학적으로 균일한 광학 재료만으로 이루어지는 위상 보상판(6)을 사용한 경우에도, 제2 유전체막(13)의 막 두께를 최적화해 두면, 약 11.4%로 매우 높은 변조도의 광자기 신호를 얻는 것이 가능하게 된다.
<실시예 5>
본 실시예에서는, 실시예 1 내지 4와 마찬가지로, 입사 레이저광 L을 수속광으로 하는 렌즈(5)와, 솔리드 이머션 렌즈(7)와의 사이에 위상 보상판(6)을 배치했다. 그리고, 대상이 되는 광자기 디스크(4)에는, 실시예 4와 마찬가지로, 제2 유전체막(13)의 막 두께를 92.5nm로 한 것을 사용했다. 또, 본 실시예에서는, 솔리드 이머션 렌즈 단면(7a)과 광자기 디스크(4)와의 사이의 공기층의 두께 t=100nm로 했다.
본 실시예에서 사용한 위상 보상판(6)은, 도 8에 나타낸 바와 같이, 입사 레이저광 L의 파장과 비교하여 충분히 두꺼운 기판(8) 상에, 한쪽의 면이 곡면으로 된 광학 부재(9)가 배치되어 이루어진다.
그리고, 본 실시예에서는, 기판(8)으로서, 굴절률 n=2에서 광학적으로 동일한 광학 재료를 평행 평판형으로 가공한 것을 사용했다. 그리고, 이 위상 보상판(6)의 전단(前段)에 배치되는 렌즈(5)는, 위상 보상판(6)을 광선이 통과할 때에 발생하는 구면수차를 충분히 보정하도록 설계해 두었다.
한편, 기판(8) 상에 배치되는 광학 부재(9)에는, 저굴절률에서 광학적으로 균일된 광학 재료인 불화 마그네슘을 사용했다. 이 때, 광학 부재의 굴절률 n=1.38이다. 그리고, 이 광학 부재(9)의 한쪽면을 평면으로 하고, 솔리드 이머션 렌즈(7)에 대향하는 면(솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a))을 곡면으로 했다.
그리고, 본 실시예에서는, 이와 같은 위상 보상판(6)을, 기판(8) 상에 불화 마그네슘을 퇴적시키고, 그 후, 그 표면을 에칭하여 다음에 나타내는 바와 같은 곡면 형상으로 함으로써 제작했다.
본 실시예에서, 위상 보상판(6)의 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)은, 광축을 중심으로 한 회전 대칭의 곡면으로 하고, 위상 보상판(6)을 구성하는 광학 부재(9)에 입사하는 광선의 경사각을 θ로 했을 때, 기준면으로부터의 높이 Z가 다음식 (2-3)으로 표현되는 면 형상으로 했다.
[식(2-3)]
Z = 281.75-164.43sinθ-74.1571sin2θ+1860.48sin4θ
그리고, 여기에서는 실시예 1과 마찬가지로, 위상 보상판(6)의 광축에 수직면 중, 광학 부재(9)에 접하고 있는 기판(8)의 표면을 기준면으로 하고 있다. 또, 상기식 (2-3)에 있어서, 각 계수의 단위는 nm이며, tanθ는 상대동 반경을 의미하고 있다.
또, 도 21에, 상기식 (2-3)으로 표현되는 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)의 면 형상을 플로트한 도면을 나타냈다. 도 21에서, 횡축은 상대동 반경을 나타내고 있으며, 종축은 기준면으로부터의 솔리드 이머션 렌즈 대향면(9a)의 높이(새그(sag))를 나타내고 있다.
이와 같은 위상 보상판(6)을 사용한 경우, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 계산한 결과를 도 22 내지 도 24에 나타냈다.
도 22는, 귀환광의 타원률의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있으며, 도 22에서, 최농색부의 검은 부분은 타원률 = 0°, 최담색부의 흰 부분은 타원률 = 39.6°이다.
도 23은, 귀환광의 편광면 회전각의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있으며, 도 23에서, 최농색부의 검은 부분은 편광면의 회전각 - 6°, 최담색부의 흰 부분은 편광면의 회전각 = 37.4°이다.
도 24는, 귀환광의 직교 편광 성분의 강도에 대하여, 그 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 분포를 농담으로 나타내고 있으며, 도 24에서, 최농색부의 검은 부분은, 직교 편광 성분의 상대 강도 Ey 2= 0, 최담색부의 흰 부분은 직교 편광 성분의 상대 강도 Ey 2= 0.13이다.
도 22 내지 도 24과, 위상 보상판을 사용하고 있지 않은 경우의 편광 상태의 분포를 나타낸 도 3 내지 도 5와의 비교로부터, 위상 보상판(6)을 사용한 본 실시예에서는, 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광의 대물 렌즈 어셈블리 출사동 상에서의 편광 상태의 분포가, 매우 균일화되어 있는 것을 알 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는, 광자기 신호의 변조도가 약 12.3%로 되었다. 이는 도 10에서도 알 수 있는 바와 같이, 위상 보상판(6)이 없는 경우에서도 공기층의 두께 t를 50nm로 했을 때의 변조도에 가까운 값이다. 즉, 위상 보상판(6)을 사용하고, 또한 제2 유전체막(13)의 막 두께를 최적화한 본 실시예에서는, 공기층의 두께 t를 100nm로 해도, 약 12.3%로 매우 높은 변조도의 광자기 신호를 얻는 것이 가능하게 되어 있다.
<위상 보상판을 구성하는 광학 부재에서 발생하는 구면수차에 대하여>
상기 위상 보상판(6)을 구성하는 광학 부재(9)는, 상기 실시예와 같이, 수100nm 정도의 두께로 하는 것이 바람직하다. 이 때, 대물 렌즈 어셈블리(1)의 개구수가 그다지 크지 않으면, 이 광학 부재(9)에서 발생하는 구면수차는 무시할 수 있다. 그러나, 대물 렌즈 어셈블리(1)의 개구수가 커지면, 위상 보상판(6)을 구성하고 있는 기판(8)에서 발생하는 구면수차 외에, 수 100nm 정도의 두께라도, 광학 부재(9)에서 발생하는 구면수차도 무시할 수 없게 된다. 다음에, 이 광학 부재(9)에서 발생하는 구면수차에 대하여 설명한다.
위상 보상판(9)을 배치하는 위치를 솔리드 이머션 렌즈(7)의 렌즈 단면(7a)으로부터 계산하여, 그 길이를 광학 길이로 환산한 값을 f로 하면, 경사각 θ에서 위상 보상판(6)으로 입사되는 광선은, 광축으로부터 r=f·tanθ만 벗어난 점을 통과한다. 여기에서, 위상 보상판(6)을 구성하는 광학 부재(9)의 두께가 수100nm 정도이며, f=1mm 정도이면, 광학 부재(9)의 두께 변화에 대응하는 면의 구배(句配)는, 거의 무시할 수 있다.
따라서, 위상 보상판(6)을 구성하는 광학 부재(9)의 굴절률을 n'로 했을 때, 당해 광학 부재(9)의 내부에서의 광선의 경사각 θ'는, 굴절의 법칙으로부터 sinθ=n'sinθ'를 거의 만족시키게 된다. 한편, 반경 r점에서의 광학 부재(9)의 두께를 t(r)로 했을 때, 착안하는 광선의 광학 부재(9) 내부에서의 광로차(OPD)는, n'·t(r)/cosθ'로 나타난다.
따라서, 예를 들면, 광학 부재(9)의 굴절률 n'=1.38, 대물 렌즈 어셈블리(1)의 개구수 NA=1.3인 때, 파장 633nm를 단위로 하여 나타내면, 광학 부재(9)의 내부에서 발생하는 광로차는, 최대 0.85 파장이 된다. 그리고, 이 정도의 구면수차는, 위상 보상판(6)의 전단에 배치되는 렌즈(5)를 비구면 렌즈화하면, 위상 보상판(6)을 구성하는 기판(8)에서 발생하는 구면수차와 마찬가지로, 용이하게 보정할 수 있다.
즉, 대물 렌즈 어셈블리(1)의 개구수가 커, 위상 보상판(6)을 구성하는 광학 부재(9)에서 발생하는 구면수차를 무시할 수 없는 경우에는, 위상 보상판(6)을 구성하는 기판(8)에서 발생하는 구면수차, 및 위상 보상판(6)을 구성하는 광학 부재(9)에서 발생하는 구면수차를, 위상 보상판(6)의 전단에 배치되는 렌즈(5)를 비구면 렌즈화하여 보정하는 것이 바람직하다.
<위상 보상판의 제조 방법>
다음에, 상기 대물 렌즈 어셈블리(1)에서 사용되는 위상 보상판(6)의 제조 방법에 대하여, 제1 예를 도 25 내지 도 29을 참조하여 설명하는 동시에, 제2 예를 도 30 내지 도 33을 참조하여 설명한다.
위상 보상판(6)을 제조할 때에는, 먼저, 도 25에 나타낸 바와 같이, 기판(21) 상에 광학 재료(22)가 배치된 위상 보상판 재료(23)를 제작한다. 이 위상 보상판 재료(23)는, 예를 들면, 평판형의 기판(21) 상에 당해 기판(21)과는 굴절률이 상이한 광학 재료(22)를 퇴적시키거나, 또는, 서로 굴절률이 상이한 기판(21)과 광학 재료(22)를 접합하거나 함으로써 제작한다.
그리고, 서로 굴절률이 상이한 기판(21)과 광학 재료(22)를 접합하여 위상 보상판 재료(23)로 할 때에는, 예를 들면, 일축성 광학 결정을 광학축에 대하여 수직으로 잘라내어, 일축성 광학 결정의 박편(薄片)을 제작하고, 당해 박편을 광학 재료(22)로서 기판(21)에 접합함으로써, 위상 보상판 재료(23)로 한다.
다음에, 도 26에 나타낸 바와 같이, 기판(21) 상에 광학 재료(22)가 배치되어 이루어지는 위상 보상판 재료(23) 상에 레지스트층(24)을 형성하고, 당해 레지스트층(24)을, 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응하도록 노광 강도 분포를 가지게 한 전자선 빔에 의해 노광한다. 이 때, 레지스트층(24)의 노광은, 노광용 전자선 빔의 강도를, 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응하도록 변화시키면서, 당해 전자선 빔을 레지스트층(24)에 직접 조사하여 행한다.
다음에, 도 27에 나타낸 바와 같이, 레지스트층(24)을 현상하여, 당해 레지스트층(24)의 표면 형상을, 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응항 형상으로 한다. 그리고, 본 예에 있어서는, 도 26에 나타낸 바와 같이, 레지스트층(24)의 노광을, 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응하도록 전자선 빔의 강도를 변화시키면서, 당해 전자선 빔을 레지스트층(24)에 직접 조사함으로써 행하고 있으므로, 현상된 레지스트층(24)의 표면 형상은, 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응한 곡면 형상이 된다.
다음에, 도 28에 나타낸 바와 같이, 위상 보상판 재료(23)를 구성하고 있는 광학 재료(22)를 레지스트층(24)과 함께 에칭하여, 위상 보상판 재료(23)의 표면을 소정의 곡면 형상으로 한다. 이 때, 위상 보상판 재료(23)를 구성하고 있는 광학 재료(22)의 에칭 레이트와, 레지스트층(24)의 에칭 레이트를 거의 동일하게 해두면, 레지스트층(24)의 표면 형상이, 위상 보상판 재료(23)를 구성하고 있는 광학 재료(22)에 그대로 전사되게 된다. 그리고, 여기에서의 에칭 수법으로서는, 예를 들면, 케미컬·어시스트·이온·빔·에칭(CIBE)이 적합하다.
이상의 공정 결과, 광학 재료(22)의 표면이 곡면 형상으로 되고, 결과로서, 도 29에 나타낸 바와 같이, 당해 기판(8) 상에, 당해 기판(8)보다도 굴절률이 낮은 광학 부재(9)가 배치되어 이루어지고, 또한 당해 광학 부재(9)의 기판(8)에 접하고 있지 않은 쪽의 면(9a)이 비평면으로 된 위상 보상판(6)이 완성된다.
그리고, 상기 제조 방법에서는, 레지스트층(24)을 노광할 때에, 전자선 빔의 강도를 직접 변화시킴으로써, 노광 강도 분포를 가지게 하여 레지스트층(24)을 노광했다. 그러나, 노광 강도 분포를 가지게 하여 레지스트층(24)을 노광하는 수법은 상기 예에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 광 또는 전자선의 투과율에 분포를 가지는 그레이 스케일 마스크(Gray scale mask)를 통해, 광 또는 전자선을 레지스트층(24)에 조사함으로써, 레지스트층(24)의 노광 시에 노광 강도 분포를 가지도록 해도 된다. 그레이 스케일 마스크를 사용한 경우의 제조 공정의 예를 도 30 내지 도 33에 나타냈다.
이 경우에는, 도 30에 나타낸 바와 같이, 기판(21) 상에 광학 재료(22)가 배치되어 이루어지는 위상 보상 재료(23) 상에 레지스트층(24)을 형성하고, 당해 레지스트층(24)을 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응하도록 노광 강도 분포를 가지게 한 광 또는 전자선에 의해 노광한다. 이 때, 레지스트층(24)의 노광은, 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응하도록 광 투과율 또는 전자선 투과율에 분포를 가지는 그레이 스케일 마스크(25)를 통해, 레지스트층(24)에 광 또는 전자선을 조사함으로써 행한다.
그리고, 여기에서의 노광은 그레이 스케일 마스크(25)의 축소 노광, 그레이 스케일 마스크(25)의 확대 노광, 그레이 스케일 마스크(25)의 밀착 노광 중 어느 것이라도 된다. 또, 이와 같이 그레이 스케일 마스크(25)를 사용하여 레지스트층(24)을 노광할 때에는, 필요에 따라, 스테퍼, 프로젝터, 콘택트 얼라이너 등을 사용해도 된다.
다음에, 도 31에 나타낸 바와 같이, 레지스트층(24)을 현상하여, 레즈스트층(24)의 표면 형상을, 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응한 형상으로 한다. 그리고, 본 예에서는, 도 30에 나타낸 바와 같이, 레지스트층(24)의 노광을, 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응하도록 광 투과율 또는 전자선 투과율에 분포를 가지는 그레이 스케일 마스크(25)를 통해 행하고 있으므로, 현상된 레지스트층(24)의 표면 형상은, 원하는 위상 보상판(6)의 면 형상에 대응한 곡면 형상이 된다.
다음에, 도 32에 나타낸 바와 같이, 위상 보상판 재료(23)를 구성하고 있는 광학 재료(22)를 레지스트층(24)과 함께 에칭하여, 위상 보상판 재료(23)의 표면을 소정의 곡면 형상으로 한다. 이 때, 위상 보상판 재료(23)를 구성하고 있는 광학 재료(22)의 에칭 레이트와, 레지스트층(24)의 에칭 레이트를 거의 동일하게 해두면, 레지스트층(24)의 표면 형상이, 위상 보상판 재료(23)를 구성하고 있는 광학 재료(22)에 그대로 전사되게 된다. 그리고, 여기에서의 에칭 수법으로서는, 예를 들면, 케미컬·어시스트·이온·빔·에칭(CIBE)이 적합하다.
이상의 공정 결과, 광학 재료(22)의 표면이 곡면 형상으로 되고, 결과로서, 도 33에 나타낸 바와 같이, 기판(8) 상에, 당해 기판(8)보다도 굴절률이 낮은 광학 부재(9)가 배치되어 이루어지며, 또한 당해 광학 부재(9)의 기판(8)에 접하고 있지 않은 쪽의 면(9a)이 비평면으로 된 위상 보상판(6)이 완성된다.
<광학 헤드>
다음에, 본 발명을 적용한 광학 헤드의 실시 형태에 대하여 설명한다. 그리고, 여기에서는, 광자기 디스크(4)에 대하여 기록 재생을 행하는 광학 헤드로서, 광자기 디스크(4)의 기록 재생에 사용하는 광의 파장 이하의 간격으로 광자기 디스크(4)에 대향하도록 지지되는 솔리드 이머션 렌즈로서, 도 34에 나타낸 바와 같은 반사 광학계를 가지는 카타디옵트릭 렌즈(31)를 구비한 광학 헤드를 예로 든다. 그리고, 이 카타디옵트릭 렌즈(31)는, 반사 광학계를 가지기 때문에, 솔리드 이머션 미러로 칭해지는 일도 있다.
도 34에 나타낸 카타디옵트릭 렌즈(31)는, 요면(凹面) 굴절면으로 이루어지는 제1면(S1)과, 평면 미러로 이루어지는 제2면(S2)과, 요면 비구면 미러로 이루어지는 제3면(S3)과, 전반사 평면으로 되는 제4면(S4)을 가진다. 이 카타디옵트릭 렌즈(31)에 입사된 입사 광속은, 먼저, 요면 굴절면으로 이루어지는 제1면(S1)에서 확대되어, 평면 미러로 이루어지는 제2면(S2)으로 입사된다. 다음에, 제2면(S2)에서 반사되어, 요면 비구면 미러로 이루어지는 제3면(S3)으로 입사된다. 다음에, 제3면(S3)에서 반사되어, 제2면(S2)의 중앙에 형성된 개구를 통해 제4면(S4) 또는 그 근방에 초점을 맺는다.
그리고, 제4면(S4) 또는 그 근방에 초점을 이은 광은, 그 대부분이 당해 제4면(S4)에서 전반사된다. 이 때, 제4면(S4)과 광자기 디스크(4)와의 간격을 충분히좁혀 두면, 상기 솔리드 이머션 렌즈(7)를 사용한 경우와 마찬가지로, 에바네센트광의 일부가 광자기 디스크(4)와 결합하여 렌즈 밖으로 꺼내져, 당해 에바네센트광을 이용한 기록 재생이 가능하게 된다.
이와 같은 카타디옵트릭 렌즈(31)를 구비한 광학 헤드의 일례를 도 35에 나타냈다. 이 광학 헤드(40)는 광자기 디스크(4)에 대하여 기록 재생을 행하기 위한 것이며, 에바네센트광을 이용함으로써, 회절 한계 이하의 미소한 기록 피트에서의 기록 재생이 가능하게 되어 있다.
여기에서, 기록 재생의 대상이 되는 광자기 디스크(4)는 기판(2) 상에 광자기 기록막(3)이 형성되어 이루어지며, 당해 광자기 기록막(3)측이 광학 헤드(4)에 대향하도록 배치된다. 즉, 상기 광학 헤드(40)는 광자기 디스크(4)의 기판(2)측이 아니라, 광자기 기록막(3)측에 배치된다. 이는, 이 광학 헤드(40)가 에바네센트광을 이용하여 기록 재생을 행하기 위해, 광학 헤드(40)와 광자기 디스크(4)의 광자기 기록막(3)과의 간격을 충분히 좁힐 필요가 있기 때문이다.
이 광학 헤드(40)는, 부상형(浮上型) 슬라이더로서 기능하는 유리 기반(基盤)과, 레이저 광원으로부터의 레이저광을 전파하는 단일 모드의 광파이버(42)와, 광파이버(42)로부터 출사된 레이저광을 반사하는 가동(可動) 미러(43)와, 가동 미러(43)에 의해 반사된 레이저광이 입사되도록 배치된 프리즘(44)과, 프리즘(44)으로부터 출사된 레이저광이 입사되도록 배치된 위상 보상판(45)과, 위상 보상판(45)을 투과해온 레이저광을 평행광으로 하기 위한 콜리메이터 렌즈(46)와, 콜리메이터 렌즈(46)에 의해 평행광으로 된 레이저광이 입사되는 카타디옵트릭 렌즈(31)와, 카타디옵트릭 렌즈(31)의 결상점(結像点) 주위에 배치된 자계 발생용 코일(47)을 구비하고 있다.
이 광학 헤드(40)에 있어서, 카타디옵트릭 렌즈(31)는 제1면(S1), 제2면(S2) 및 제3면(S3)을 구성하는 제1 렌즈 매질(媒質)(31A)과, 제4면(S4)을 구성하는 제2 렌즈 매질(31B)을 구비하고 있으며, 제1 렌즈 매질(31A)에 의해 구성되는 제2면(S2)을 포함하는 평면에, 제2 렌즈 매질(31B)이 접합되어 있다.
그리고, 이 제2 렌즈 매질(31B)은, 유리 기반(41)의 일부에 의해 구성되어 있다. 즉, 유리 기반(41)은 카타디옵트릭 렌즈(31)의 일부를 겸하고 있으며, 카타디옵트릭 렌즈(31)는, 제1 렌즈 매질(31A)을 유리 기반(41)에 접합함으로써 구성되어 있다.
또, 카타디옵트릭 렌즈(31)의 일부를 겸하고 있는 유리 기반(41)에는, 자계 발생용 코일(47)이 매설되어 있다. 이 자계 발생용 코일(47)은 광자기 디스크(4)에 대한 기록 시에, 광자기 디스크(4)에 대하여 기록 자계를 인가하기 위한 것이며, 카타디옵트릭 렌즈(31)의 결상점 주위를 에워싸도록 형성되어 있다. 따라서, 카타디옵트릭 렌즈(31)에 입사된 레이저광은 자계 발생용 코일(47)의 중앙에서, 유리 기반(41)의 단면에 결상된다. 그리고, 이와 같은 자계 발생용 코일(47)은, 예를 들면, 박막 프로세스에 의해 박막 코일 패턴을 유리 기반(41)에 매설함으로써 형성된다.
이 광학 헤드(40)를 사용하여 광자기 디스크(4)에 대하여 기록 재생을 행할 때에는, 광자기 디스크(4)를 회전 구동시켜, 당해 광자기 디스크(4) 상에서, 광학 헤드(40)를 부상시킨다. 이 때, 도시하지 않지만, 탄성 부재에 의해 탄성을 가지게 한 상태에서 유리 기반(41)을 지지하고, 유리 기반(41)과 광자기 디스크(4)와의 간격이, 광파이버(42)로부터 출사되는 레이저광의 파장 이하, 보다 바람직하게는 100nm 정도 이하로 유지되도록 해둔다.
그리고, 광학 헤드(40)를 광자기 디스크(4) 상에서 부상시킨 상태에서, 레이저 광원으로부터 레이저광을 출사하고, 당해 레이저광을 광파이버(42)에 의해 전파한다. 광파이버(42)에 의해 전파되고, 당해 광파이버(42)로부터 출사된 레이저광은, 가동 미러(43)에 의해 반사된다.
그리고, 가동 미러(43)에 의해 반사된 레이저광은 프리즘(44)에 입사되고, 이 레이저광은 프리즘(44)의 내부에서 반사되어 되돌아와, 위상 보상판(45)으로 인도된다. 이 위상 보상판(45)은, 상기 대물 렌즈 어셈블리(1)의 위상 보상판(6)에 상당하는 것이며, 입사광의 p편광 성분과 s편광 성분과의 사이에 위상차를 발생시키는 동시에, 당해 위상차가 통과하는 광선의 경사각에 따라 상이하도록 되어 있다.
그리고, 위상 보상판(45)을 투과한 레이저광은, 콜리메이터 렌즈(46)에 의해 평행광으로 된 다음, 카타디옵트릭 렌즈(31)에 입사된다. 카타디옵트릭 렌즈(31)에 입사된 레이저광은, 먼저, 요면 굴절면으로 이루어지는 제1면(S1)에서 확대되어, 평면 미러로 이루어지는 제2면(S2)으로 입사된다. 다음에, 제2면(S2)에서 반사되어, 요면 비구면 미러로 이루어지는 제3면(S3)으로 입사된다. 다음에, 제3면(S3)에서 반사되어, 제2면(S2)의 중앙에 형성된 개구를 통해 제4면(S4)의 전반사 평면상 또는 그 근방에 결상된다.
이 때, 레이저광의 대부분은 제4면(S4)에서 전반사되지만, 이 때, 제4면(S4)과 광자기 디스크(4)와의 간격을 레이저광의 파장 이하로 유지하도록 하고 있으므로, 에바네센트광의 일부가 광자기 디스크(4)와 결합하여 렌즈 밖으로 꺼내진다. 그리고, 이 광학 헤드(40)에서는, 이 에바네센트광을 이용하여 광자기 디스크(4)에 대한 기록 재생을 행한다.
그리고, 기록 시에는, 전술한 바와 같이 에바네센트광을 광자기 디스크(4)에 결합시키는 동시에, 자계 발생용 코일(47)에 전류를 흘려 자계를 발생시켜, 에바네센트광이 광자기 디스크(4)와 결합되고 있는 부분에 자계를 인가한다. 이에 따라, 광자기 디스크(4)에 대하여 광자기 기록을 행한다.
여기에서, 광자기 기록 방식은, 기록할 정보 신호에 대응시켜 광자기 디스크(4)에 인가할 자계의 강도를 변조하는 자계 강도 변조 방식이라도, 기록할 정보 신호에 대응시켜 광자기 디스크(4)에 조사하는 광의 강도를 변조하는 광강도 변조 방식이라도 된다.
그런데, 이 광학 헤드(40)에 있어서, 가동 미러(43)에는 액추에이터를 장착해 두고, 당해 액추에이터를 구동함으로써, 가동 미러(43)에 의한 레이저광의 반사각을 변화시킬 수 있도록 해둔다. 가동 미러(43)에 의한 레이저광의 반사각을 변화시키면, 카타디옵트릭 렌즈(31)로 입사되는 입사 광속의 경사각이 변화된다. 그 결과, 카타디옵트릭 렌즈(31)의 제4면(S4)에서의 결상점이, 가동 미러(43)의 동작 방향으로 이동된다.
즉, 이 광학 헤드(40)에서는, 가동 미러(43)에 의한 레이저광의 반사각을 변화시킴으로써, 카타디옵트릭 렌즈(31)의 제4면(S4)에서의 결상점을, 가동 미러(43)의 동작 방향으로 주사하는 것이 가능하게 되어 있다. 이를 이용함으로써, 이 광학 헤드(40)에서는, 예를 들면, 이른바 시야 내 액세스나 시야 내 트래킹을 행하는 것이 가능하게 되어 있다.
그리고, 여기에서는, 광자기 디스크(4)에 조사하는 레이저광을 집광하는 카타디옵트릭 렌즈(31)를 포함하는 광학계의 부분을 중심으로 설명하고, 그 밖의 광학계의 상세에 대해서는 설명을 생략했다. 그러나, 실제로는, 광학 헤드(40)에는 광자기 디스크(4)에 의해 반사되어 되돌아온 귀환광을 검출하는 광학계 등도 형성되어 있음은 물론이다.
이상과 같은 본 발명을 적용한 광학 헤드(40)에서는, 기록 재생에 사용하는 레이저광의 광로 중에 위상 보상판(45)을 배치함으로써, 카타디옵트릭 렌즈(31)의 제4면(S4)에서 전반사되어 되돌아오는 귀환광의 편광 상태의 분포를, 전술한 실시예와 마찬가지로, 균일화할 수 있다. 따라서, 이 광학 헤드(40)에서는, 위상 보상판(45)의 광학 특성이나 형상 등을 최적으로 설정함으로써, 얻어지는 광자기 신호의 변조도를 높일 수 있다.
그리고, 상기 광학 헤드(40)에는, 솔리드 이머션 렌즈로서, 반사 광학계를 가지는 카타디옵트릭 렌즈(31)를 사용했지만, 본 발명에 관한 광학 헤드에서는, 반사 광학계를 갖지 않은 솔리드 이머션 렌즈를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우에는, 예를 들면, 광학 헤드(40)에서의 카타디옵트릭 렌즈(31), 위상 보상판(45) 및 콜리메이터 렌즈(46) 대신에, 도 7에 나타낸 바와 같은 투과형의 솔리드 이머션 렌즈(7)를 구비한 대물 렌즈 어셈블리(1)를 사용한다.
또, 이상의 설명에서는, 기록 매체로서 광자기 디스크를 예로 들었지만, 본 발명은, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 전반사하여 되돌아오는 귀환광의 편광 상태 분포의 불균일성이 문제가 되는 경우에 널리 적용 가능하고, 대상이 되는 기록 매체는 광자기 디스크에 한정되지 않는다.
솔리드 이머션 렌즈의 유효 개구수가 비교적 큰 경우나, 솔리드 이머션 렌즈와 솔리드 이머션 렌즈에 대향하는 물체와의 간격이 비교적 큰 경우에는, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면에서 전반사되어 되돌아온 귀환광의 편광 상태의 분포에 불균일성이 발생한다. 그러나, 본 발명에 관한 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드에서는, 이와 같은 편광 상태의 분포를, 광로 중에 배치된 위상 보상판에 의해 균일화할 수 있다.
따라서, 예를 들면, 본 발명에 관한 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드를 광자기 디스크의 재생에 사용한 경우에는, 솔리드 이머션 렌즈의 유효 개구수를 크게 해도, 또, 솔리드 이머션 렌즈의 렌즈 단면과 광자기 디스크와의 간격을 비교적 크게 확보해도, 귀환광의 편광 상태 분포를 균일화할 수 있고, 그 결과, 높은 변조도의 광자기 신호가 얻어진다. 따라서, 본 발명에 관한 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드를 사용함으로써, 더한층 광자기 디스크 등 기록 매체의 고밀도화를 진행하는 것이 가능하게 된다.
또, 본 발명에 관한 위상 보상판의 제조 방법에 의하면, 이상과 같은 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드에 사용하는 위상 보상판을, 용이하게 또한 정밀도 양호하게 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 위상 보상판의 제조 방법에 의하면, 귀환광에 포함되는 편광 상태의 분포를 정밀도 양호하게 균일화할 수 있는 대물 렌즈 어셈블리나 광학 헤드를 저코스트로 제공하는 것이 가능하게 된다.

Claims (18)

  1. 입사광을 수속(收束)하는 렌즈와,
    상기 렌즈에 의해 수속된 입사광의 광로 중에 배치된 위상 보상판(位相補償板)과,
    상기 위상 보상판을 투과하여 나온 입사광이 입사되며, 상기 입사광의 파장 이하의 간격으로 물체에 대향하도록 지지되는 솔리드 이머션 렌즈(solid immersion lens)
    를 구비하고,
    상기 위상 보상판은 입사광의 p 편광 성분과 s 편광 성분 사이에 위상차를 발생시키며, 상기 위상차는 통과되는 광선의 경사각에 따라 가변되는 대물 렌즈 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위상 보상판이 광학적으로 균일한 광학 재료로 형성되는 대물 렌즈 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위상 보상판이 일축성 광학 결정으로 형성되는 대물 렌즈 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 위상 보상판을 구성하는 일축성 광학 결정의 광학축이 상기 솔리드 이머션 렌즈의 광축과 대략 평행한 대물 렌즈 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상 보상판은 굴절률이 상이한 복수의 부재로 이루어지는 대물 렌즈 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 위상 보상판에는 기판 상에 상기 기판보다 굴절률이 낮은 부재가 배설되며, 상기 위상 보상판은 기판에 접하지 않는 쪽의 면이 비평면으로 형성되는 대물 렌즈 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입사광이 입사되는 광입사면과 상기 광입사면 상에 상기 입사광을 출사하는 출사하는 상기 위상 보상판의 출사광면 중 적어도 한쪽이 상기 광축을 중심으로 하여 회전 대칭인 곡면으로 형성되는 대물 렌즈 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 대물 렌즈 어셈블리의 광축에 수직인 위상 보상판의 면을 기준면으로 하고, 상기 위상 보상판에 입사되는 광선의 경사각을 θ라고 하면, 상기 기준면으로부터 잰 상기 곡면의 높이가 sin θ의 다항식으로 표현되는 대물 렌즈 어셈블리.
  9. 기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 파장 이하의 간격으로 기록 매체에 대향하도록 지지되는 솔리드 이머션 렌즈와,
    기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 광로 중에 배치되고, 상기 광의 p 편광 성분과 s 편광 성분 사이에 위상차를 발생시키되 상기 위상차가 투과되는 광선의 경사각에 따라 상이한 값을 갖는 위상 보상판
    을 구비하고,
    상기 솔리드 이머션 렌즈의 단면으로부터의 에바네센트(evanescent)광은 기록 매체를 기록 및/또는 재생하는 데 사용되며, 상기 위상 보상판은 기록 및/또는 재생에 사용하는 광의 p 편광 성분과 s 편광 성분 사이에 위상차를 발생시키는 광학 헤드.
  10. 제9항에 있어서,
    기록 및/또는 재생에 사용하는 광을 상기 솔리드 이머션 렌즈의 기록 매체 대향면 상 또는 그 근방에 집광시키는 렌즈를 추가로 구비하고,
    상기 위상 보상판은 상기 렌즈와 상기 솔리드 이머션 렌즈의 사이에 배치되는
    광학 헤드.
  11. 굴곡면을 가지며, 입사광의 p 편광 성분과 s 편광 성분 사이에 위상차를 발생시키되 상기 위상차가 투과되는 광의 경사각에 따라 상이한 값을 갖는 위상 보상판의 제조 방법에 있어서,
    상기 위상 보상판 재료 상에 레지스트층을 형성하는 단계,
    상기 레지스트층을 위상 보상판의 원하는 표면 형상에 대응하도록 노광 강도 분포를 갖는 광 또는 전자선(電子線) 빔에 의해 노광하는 단계,
    상기 레지스트층의 표면 형상을 위상 보상판의 원하는 표면 형상에 대응하도록 상기 레지스트층을 현상하는 단계, 및
    곡면을 구비한 위상 보상판을 제조하기 위해, 상기 위상 보상판 재료의 표면을 미리 정해진 곡면 형상이 되도록, 상기 레지스트층을 따라 상기 위상 보상판 재료를 에칭하는 단계
    를 포함하는 위상 보상판의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 노광은 전자선 빔에 의해 행해지며, 상기 레지스트층의 노광시에 상기 노광 강도 분포를 갖도록 상기 전자선 빔의 강도가 변하는 위상 보상판의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 레지스트층의 노광시에 상기 노광 강도 분포를 갖도록 상기 광 또는 전자선 빔의 투과율의 분포를 가진 그레이 스케일 마스크를 통하여 광 또는 전자선 빔이 레지스트층에 조사(照射)되는 위상 보상판의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 위상 보상판 재료는 상기 기판과는 굴절률이 상이한 광학 재료를 기판 상에 적층시켜 제조되는 위상 보상판의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 위상 보상판 재료는 서로 굴절률이 상이한 복수의 광학 부재를 접합하여 제조되는 위상 보상판의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광학 재료 중 적어도 하나가 일축성 광학 결정을 광학축에 대하여 수직으로 절결함으로써 제작되는 위상 보상판의 제조 방법.
  17. 기록 매체를 기록 및/또는 재생하는 장치에 있어서,
    기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 파장 이하의 간격으로 기록 매체에 대항하도록 지지되는 솔리드 이머션 렌즈와,
    기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 광로 중에 배치되고, 기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 위상차를 발생시키는 위상 보상판
    을 구비하고,
    기록 매체용 기록 및 재생은 기록 및/또는 재생에 사용되는 광의 편광 상태가 상기 위상 보상판에 의해 발생되는 위상차에 의존하여 보정되는 것과 동시에 수행되는
    기록 및/또는 재생 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    기록 및/또는 재생에 사용되는 광을 상기 기록 매체에 대향하는 상기 솔리드 이머션 렌즈의 표면 근방에 집광시키는 렌즈를 추가로 구비하고,
    상기 위상 보상판은 상기 대물 렌즈 어셈블리와 상기 솔리드 이머션 렌즈 사이에 배치되는
    기록 및/또는 재생 장치.
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