JP2008506982A - 径方向に及び／又は方位角方向に偏光させられた光ビームを発生させる方法及び装置 - Google Patents

Abstract

物体平面上へと投射させられるものである偏光させられた光ビームを発生させるための方法及び装置が、提供される。収束する又は発散する光ビーム（１８）が、発生させられる。その収束する又は発散する光ビームは、一軸性の複屈折性の材料を含む部材（２２，５２）を通じて投射させられるが、その複屈折性の材料は、その光ビームの光軸（１２）に対して本質的に平行な対称軸を有すると共にその部材は、その物体平面からある距離に置かれる。それによって、例えば、様々な光学的な目的に、たとえば、光学的なデータを読み取ること／書き込むことに、又は、顕微鏡法に、使用することができる径方向に偏光させられたビームを作り出すことは、可能である。

Description

本発明は、径方向に及び／又は方位角方向に偏光させられた光ビームを発生させるための方法及び装置に関する。特に、本発明は、その光ビームの述べられた偏光を基礎として相対的に狭い焦点のスポットを有する光ビームを発生させるための方法及び装置に関する。

多数の光学系において、小さい細部は、光ビームによって分解されるものである。例えば、光学ディスクの駆動装置においては、データは、データ層上へと波長λ及び開口数ＮＡのビームを集束させること、及び、レンズの開口の中へと逆戻りに反射させられる光の量を測定することによって、読み出される。同じ原理が、走査顕微鏡に適用される。これらの系における最も小さい分解可能な細部は、λ／ＮＡの程度のものである。光学的なリソグラフィーの装置のような、従来の結像系において、対物レンズのＮＡは、たいてい、走査顕微鏡用のものと同じ方式で、分解能を決定する。これらの系の全てについて、小さいＮＡから適度なＮＡまでについて、その光ビームの偏光が、あまり顕著な役割を果たさないことは、妥当性を有する。しかしながら、大きいＮＡについては、その偏光状態が、その系の分解の性質に高度に関連性のあるものである。従来、その偏光は、その系の瞳にわたって均一なもの、及び、直線のもの又は円形のもののいずれかであるように取られる。不均一な偏光状態は、焦点に近い光の分配を変える。例えば、その瞳にわたって径方向に配向させられた直線偏光を備えたビームは、相対的に狭い焦点のスポットに帰着することが、報告されている（Ｒ．Ｄｏｒｎ，Ｓ．Ｑｕａｂｉｓ，ａｎｄ Ｇ．Ｌｅｕｃｈｓ，Ｓｈａｒｐｅｒ ｆｏｃｕｓ ｆｏｒ ａ ｒａｄｉａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ９１，２３３９０１，２００３（非特許文献１）参照）。このような径方向に偏光させられたビームが、その瞳の中央の部分を遮断すること（いわゆる、アポディゼーション）によって、さらに変更させられるとき、その焦点のスポットにわたる偏光状態は、実質的に、直線のものであると共に、その系の光軸に沿って配向させられる。これは、均一な直線偏光での低いＮＡの結像に対比して、有効であるが、そこでは、その焦点のスポットにわたる偏光状態が、実質的に直線のものであると共に、その光軸に対して垂直に配向させられる。このように、ある光学系内に径方向に偏光させられた光ビームを提供することは、新規な種類の結像を可能にする。

先行技術に従って、径方向に偏光させられたビームは、生じさせることが、困難なものである。例えば、レーザーを変更することが、又は、区分された波長板を導入すると共に光学フィルターを清浄化することが、又は、複雑なコンピューターで発生させられた回折素子を使用することが、要求される。
Ｒ．Ｄｏｒｎ，Ｓ．Ｑｕａｂｉｓ，ａｎｄ Ｇ．Ｌｅｕｃｈｓ，Ｓｈａｒｐｅｒ ｆｏｃｕｓ ｆｏｒ ａ ｒａｄｉａｌｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ ９１，２３３９０１，２００３

本発明の目的は、単純な手段で、瞳にわたって所望の直線偏光を備えた、及び特に瞳にわたって径方向に配向させられた直線偏光を備えた、光ビームを提供することである。

上記の目的は、独立請求項の特徴によって解決される。さらに、本発明の発展及び好適な実施形態は、従属請求項にそれらの概略が述べられる。

本発明と一致して、提供されるものは、
収束する又は発散する光ビームを発生させること；及び、一軸性の複屈折性の材料を含む部材を通じてその収束する又は発散する光ビームを投射すること：のステップを含む、物体平面へと投射されるものである偏光させられた光ビームを発生させる方法であるが、その一軸性の複屈折性の材料は、その光ビームの光軸に対して本質的に平行な対称軸を有すると共に、その部材は、その物体平面からある距離に置かれる。

複屈折性の材料は、光の偏光状態に依存する屈折率を有する。例えば、その偏光が、その一軸性で複屈折性の材料の対称軸に沿ったものであるとき、その屈折率は、ｎｅであると共に、その偏光が、その対称軸に対して垂直なものであるとき、その屈折率は、ｎｏであるが、そこでは、ｎｏ及びｎｅは、それぞれ、正常な屈折率及び異常な屈折率と呼ばれる。光のビームが、その対称軸と角度ｑで伝わるとき、その伝播方向及びその対称軸によって張られた平面に対して垂直な偏光させられた状態は、正常なモードと称されると共に、屈折率ｎｏを有する；その伝播方向及びその対称軸によって張られた平面における偏光状態は、異常なモードと称されると共に、角度θに依存する屈折率、すなわち、

を有する。一軸性の複屈折性の材料の平面の平行なスラブを通じて／の中へと、その複屈折性のスラブの対称軸が、その光軸に平行なものであるように、集束することの効果は、Ｓ．Ｓｔａｌｌｉｎｇａ，Ａｘｉａｌ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｎｕｍｅｒｉａｌ−ａｐｅｒｔｕｒｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｆｏｃｕｓ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ａ，Ｖｏｌｕｍｅ １８，２８４６−２８５９，２００１において研究されている。
その正常なモードが、その系の瞳において方位角方向に偏光させられるビームに対応するのに対して、その異常なモードが、その系の瞳において径方向に偏光させられるビームに対応するように見える。さらには、これらの二つのビームは、二つの別個の焦点が、相互のものから距離ｄΔｎ／ｎに生じるように、相互に関してデフォーカスさせられるが、そこでは、均一な厚さのスラブの場合には、ｄは、そのスラブの厚さであり、Δｎ＝ｎｅ−ｎｏであり、且つ、ｎは、平均の屈折率である。

好ましくは、その一軸性の複屈折性の材料を通じて伝えられる光は、異常なモード及び正常なモードを含むが、それらモードは、異なる焦点を有すると共に、これらのモードの一方を実質的に遮断するための空間的なフィルターが、提供される。平面の平行なスラブが、一軸性の複屈折性の材料を含む物体として使用されるとき、その異常なモード及びその正常なモードの両方が、その物体を通過することによって発生させられる。これらのモードの一方のみが、光学的なデータを処理するために使用されるものであるという場合には、他方のモードをフィルター処理することは、好都合なものであると共に、それによって、結果として生じる像における背景を低減する。

好適な実施形態に従って、その正常なモードは、その空間的なフィルターによって遮断されると共に、それによって、そのフィルターを通過した径方向に偏光させられたビームを発生させる。このような径方向に偏光させられたビームの集束は、相対的に狭い焦点のスポットに帰着する。

さらなる実施形態に従って、その異常なモードは、その空間的なフィルターによって遮断されると共に、それによって、そのフィルターを通過した、方位角方向に偏光させられたビームを発生させると共に、その方法は、方位角方向に偏光させられたビームの中へπ／２回転子を置く：ステップをさらに含むと共に、それによって、そのπ／２回転子を通過した、径方向に偏光させられたビームを発生させる。このように、この場合にもまた、径方向に偏光させられたビームは、得られるが、集束に関して述べた利点に至る。

さらなる好適な実施形態において、アポディザー（apodizer）は、径方向に偏光させられたビームの中へ置かれる。アポディザーは、その瞳の中央の部分を遮断する。それによって、実質的に直線のものであると共にその系の光軸に沿って配向させられる、その焦点のスポットにわたる偏光状態が、得られる。

平面の平行なスラブが、一軸性の複屈折性の材料を含む部材として使用されるとき、この物体の要求された厚さは、二つの焦点の間における所望の分離に依存する。それら二つの焦点の軸上の分離は、焦点深度ｎλ／ＮＡ^２よりもはるかに大きいもの、即ち、（ｄΔｎ／λ）（ＮＡ／ｎ）^２＞＞１であることが仮定される。λ＝４０５ｎｍ、ＮＡ＝０．８５、ｎ＝１．６、Δｎ＝０．１５（液晶性の材料について典型的なもの）については、厚さｄは、約１０μｍよりもはるかに大きいものでなければならないと共に、このように、５０μｍの厚さは、十分なものであることになる。

本発明に従った方法のさらなる実施形態は、

に従って入射の角度θｉと共に変動する厚さｄを有する一軸性の複屈折性の材料を含む部材を提供する：ステップを含むが、そこでは、λは、その光の波長であり、ｎｏは、その正常なモードについて屈折率であると共に、ｎｅは、その異常なモードについての屈折率であり、その実施形態は、その部材を通過したビームの中へπ／４回転子を置くステップを含むが、それによって、π／４回転子を通過した、径方向に偏光させられたビームを発生させる。この実施形態に従って、その部材は、円偏光させられた光の収束する又は発散するビームによって照射させられた、その光軸に対して実質的に平行な対称軸を備えた複屈折性の層として設計されるが、その部材は、そのビームの、方位角方向に偏光させられた成分と径方向に偏光させられた成分との間に四分の一の波長の遅延を導入する。有効な屈折率が、入射の角度θｉに依存性のものであるので、その複屈折性の層の厚さは、上に記載したような角度の関数として変動する。その複屈折性の層は、光の収束する又は発散する錐体における全ての光線について径の方向と４５度の角度を有する直線偏光のプロフィールを作り出す。４５度を超えてその偏光を回転させる回転子、たとえば、石英のような、光学的に活性な材料のスラブ、を通じてそのビームを案内することによって、径方向に偏光させられた又は方位角方向に偏光させられたビームが、作り出される。異常な及び正常な成分が作り出されると共にこれらの成分の一方のみが使用される、本発明の実施形態と比較すると、ここで議論した解決手段は、光が、光学的なデータを処理するために失われないという利点を有する。

本発明と一致して、さらに提供されるものは、収束する又は発散する光ビームを発生させるための手段；その収束する又は発散する光ビームの中に位置させられた一軸性の複屈折性の材料を含む部材：を含む、物体平面へと投射させられるものである偏光させられた光ビームを発生させるための装置であるが、その一軸性の複屈折性の材料は、その収束する又は発散する光ビームの光軸に対して本質的に平行な対称軸を有すると共に、その部材は、その物体平面からある距離にさらに位置させられる。

本発明のなおさらなる態様に従って、提供されるものは、収束する又は発散する光ビームの中へ置かれるように適合させられた一軸性の複屈折性の材料を含む部材であるが、その部材は、

に従って入射の角度θｉと共に変動する厚さｄを有すると共に、そこでは、λは、その光の波長であり、ｎｏは、その正常なモードについての屈折率であると共に、ｎｅは、その異常なモードについての屈折率である。

本発明は、本発明に従った装置を含む光学デバイスにさらに関する。

本発明のこれらの及び他の態様は、以後に記載した実施形態から明らかであると共にそれら実施形態を参照して解明されると思われる。

今、本発明を、添付する図面を参照して、一例として、より詳細に記載することにする。

図１は、本発明を説明するために使用されるものである基本的な用語を定義するための光学的な構成を示す。光ビーム１０は、光軸１２に対して平行に伝わると共に瞳の平面１６を備えたレンズ１４に入射するものである。レンズ１４は、開口数ＮＡ＝ｎｓｉｎαを備えた収束する光ビーム１８を生じさせるが、そこでは、αは、収束する光の錐体内の光線が光軸１２と作る、最も大きい角度であると共に、そこでは、ｎは、そのビームが集束させられる、媒体の屈折率である。その光の収束するビームは、層２０、例えば、光学ディスクのデータ層、上へ集束させられる。

図２ａ及び２ｂは、それぞれ、径方向の及び方位角方向の偏光が示唆される、光ビームを通じた断面を示す。それら断面は、それら光ビームの光軸に対して垂直に取られる。ある一定の点における矢印は、その点における光線についての偏光を示唆する。このように、図２ａは、径方向に偏光させられたビームを示すと共に、図２ｂは、方位角方向に偏光させられたビームを示す。

図３は、本発明を実例で説明するための光学的な構成を示す。光ビーム１０は、光軸１２に対して平行に伝わると共に望遠鏡の第一のレンズ１４に入射するものである。レンズ１４は、光軸１２に対して平行な対称軸を有する一軸性の複屈折性のスラブ２２を通過する、収束する光ビーム１８を発生させる。これは、異常な光ビーム２４及び正常な光ビーム２６への収束する光ビーム１８の分割に帰着する。異常な光ビーム２４は、第一の焦点２８を有すると共に、正常な光ビーム２６は、第二の焦点３０を有する。空間的なフィルター３２は、正常なモードを遮断すると共に、その望遠鏡の第二のレンズ３４は、平行な光ビーム３６を発生させる。その空間的なフィルターは、ピンホールとして実現される。この平行な光ビーム３６は、本質的に径方向に偏光させられた光ビームである。

図４は、本発明を実例で説明するためのさらなる光学的な構成を示す。図４に従った光学的な構成は、主として、図３に示された光学的な構成に対応する。図３に従った構成と対比して、図４に従った空間的なフィルターは、正常な光ビーム２６の焦点における小さい掩蔽３８として実現される。それによって、その正常なモードを遮断することの他に、その異常なモードの、中央の部分、即ち、光軸１２に近い光線が、また遮断される。このように、掩蔽３８は、また、アポディザーとして機能する。

図３及び４は、その正常なモードが、それぞれ、空間的なフィルター３２及び３８によって遮断される、実施形態を示す。さらなる実施形態に従って、その正常なモード及びその異常なモードの役割は、変化させられる、即ち、その異常なモードが、遮断されると共にその正常なモードが、その空間的なフィルターを通過する。これは、その望遠鏡の直後におけるビームが、方位角方向に偏光させられることを暗示する。その望遠鏡の直後における平行なビームの中に置かれる均一なπ／２の偏光の回転子によって、この方位角方向に偏光させられたビームを径方向に偏光させられたビームへと変換することは、可能である。このような偏光の回転子の板は、例えば、そのπ／２の回転を生じさせるために必要とされた厚さの石英のような光学的に活性な材料の均一なスラブである。

図５は、本発明に従った装置を示す。図５に従った配置において使用された望遠鏡は、図３に示された望遠鏡に対応する。レンズ３４を離れる平行なビームは、径方向又は方位角方向のいずれかに偏光させられる。そのビームが、方位角方向に偏光させられる場合には、π／２の回転子４０は、平行なビーム３６の中へ置かれると共に、それによって、径方向に偏光させられたビームを生じさせる。この径方向に偏光させられたビームは、対物レンズ４４によって、物体平面４６上へと集束させられる。もしかすると、アポディザー４８は、対物レンズ４４の前方に置かれる。このように生じさせられた焦点のスポット５０は、径方向に偏光させられたビームから結果として生じると共に、光軸１２に対して平行な実質的に直線偏光を有する。

図面に明示的には示されない、さらなる実施形態に従って、空間的なフィルターを使用することは、全く要求されるものではない。代わりに、その複屈折性のスラブは、高いＮＡの結像系（光学ディスク読み出し系、走査顕微鏡、など）の対物レンズの直後に、その収束するビームの中へ置かれる。今、その物体は、両方のスポットによって照明される。その異常なスポットは、その正常なスポットがデフォーカスさせられるように、そのデータ層／関連性のある深度のスライス上へと集束させられる。これは、結果として生じる像における小さい相対的に均一な背景を引き起こすが、その背景は、データの抽出又は鮮明な像の形成について、それほど有害なものではない。しかしながら、必要とされるのであれば、その正常なスポットによる反射を、たいてい、図３、４及び５の実施形態に従って記載したようなものと同じ方式で、その光学ディスクの読み出し系／走査顕微鏡の検出の支部に置かれた空間的なフィルターを備えた望遠鏡の手段によって除去することができる。

図６は、本発明の一つの実施形態に従った光学的な部材を示す。図７は、本発明を実例で説明するための光学的な構成を示す。今でのところ記載した実施形態に従って、複屈折性の材料の平面の平行なスラブが、使用される。記載した実施形態のいずれにおいても、その光の一部は、失われる。図６に示したような実施形態に従って、入射の角度θｉと共に変動する厚さを有する、その光軸に対して実質的に平行な対称軸を備えた複屈折性の層５２が、使用される。光軸１２及び収束する光ビーム１８は、また、図６に示される。その複屈折性の層の厚さは、

に従って、その入射の角度の関数として変動するが、そこでは、λは、その光の波長であり、ｎ_ｏは、その正常なモードについての屈折率であると共に、ｎ_ｅは、その異常なモードについての屈折率である。

図７において、複屈折性の層５２、レンズ５４、及び、π／４の回転子５６を備えた構成が、示される。図７の上部に示されるように、円偏光させられた光が、複屈折性の層５２を照射するために使用されるとすれば、図７の中間に示されるように、直線偏光のプロフィールが、作り出される。その直線偏光は、その光の収束する（又は発散する）錐体における全ての光線について、径の方向と４５度の角度をなす。４５度を超えてその偏光を回転させる回転子（例えば、石英のような、光学的な活性な材料のスラブ）を通じてそのビームを案内することによって、径方向に偏光させられた又は方位角方向に偏光させられたビームが、作り出される。図７の下部において、径方向に偏光させられたビームが、示される。この解決手段の利点は、光が失われないという事実である。

この構成を、また、固体浸レンズによっても実現することができることは、留意されるべきである。そのレンズの表面が、入射する光線に対して垂直なものであるので、複屈折性の層５２及び回転子５６の両方を、レンズ５４の球面の表面上へ“堆積させる”ことができる。

本発明に従って使用された複屈折性の材料は、石英若しくはＭｇＦ_２のような、結晶性の媒体又は液晶性の媒体であることができる。その液晶性の媒体は、好ましくは、液晶性の重合体である。その複屈折性の材料として使用された石英の場合には、
その光軸付近の光線について最も顕著にそれ自体を明示する石英の光学的な活性を補償するためには、掩蔽での空間的なフィルター処理は、ピンホールでの空間的なフィルター処理よりもむしろ好適なものである。

図８は、たとえば図５に示された実施形態を基礎として、行われるものである本発明に従った方法を実例で説明するフローチャートを示す。図８に記載された実施形態に従って、収束する光ビームは、発生させられる（Ｓ０１）。その光ビームは、その光ビームの光軸に対して本質的に平行な対称軸を有する一軸性の複屈折性の材料を含む部材を通じて、投射される（Ｓ０２）。現在のところ議論された実施形態に従って、異常な及び正常なモードが、発生させられる。ステップ０３において、その正常なモードは、遮断される。ステップ０４に従って、その異常なモードは、光学的な目的のために、例えばデータの読み出し又は共焦点の顕微鏡法のために、使用される。

本発明の実施形態が、図面に示された及び上に記載された例と異なるものであることができることは、留意されることである。例えば、その複屈折性の材料を、また、発散するビームの中へ置くことができる。この場合には、その光学的な構成の残部は、それに応じて適合させられる必要がある。

また、上に記載されなかった均等物及び変更物が、添付する特許請求の範囲において定義される、本発明の範囲から逸脱することなく、用いられることもある。

以下に続く特許請求の範囲におけるいずれの符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈するべきではない。動詞“を含むこと”の使用及びそれの活用が、いずれの請求項においても定義されたものの他に、いずれの他の要素の存在をも排除するものではないことは、自明なことであると思われる。ある要素に先立つ単語“ある”は、複数のこのような要素の存在をも排除するものではない。

−図１は、本発明を説明するために使用されるものである基本的な用語を定義するための光学的な構成を示す； −図２ａ及び２ｂは、それぞれ、径方向の及び方位角方向の伝播が示唆される、光ビームを通じた断面を示す； −図３は、本発明を実例で説明するための光学的な構成を示す； −図４は、本発明を実例で説明するためのさらなる光学的な構成を示す； −図５は、本発明に従った装置を示す； −図６は、本発明の一つの実施形態に従った光学的な部材を示す； −図７は、本発明を実例で説明するための光学的な構成を示す； −図８は、本発明に従った方法を実例で説明するフローチャートを示す。

Claims (9)

1. 物体平面へと投射される偏光させられたビームを発生させる方法であって、
   当該方法は、
   収束する又は発散する光ビームを発生させるステップ；及び
   一軸性の複屈折性の材料を含む部材を通じて該収束する又は発散する光ビームを投射するステップ：
   を含み、
   該一軸性の複屈折性の材料は、該光ビームの光軸に対して本質的に平行な対称軸を有し、且つ、
   該部材は、該物体平面からある距離に置かれる、方法。
2. 前記一軸性の複屈折性の材料を通じて伝えられる光は、異常なモード及び正常なモードを含み、
   該モードは、異なる焦点を有し、且つ、
   空間的なフィルターは、これらのモードの一方を実質的に遮断するために提供される、請求項１に記載の方法。
3. 前記正常なモードは、前記空間的なフィルターによって遮断され、それによって、前記フィルターを通過した、径方向に偏光させられたビームを発生させる、請求項２に記載の方法。
4. 前記異常なモードは、前記空間的なフィルターによって遮断され、それによって、前記フィルターを通過した、方位角方向に偏光させられたビームを発生させ、且つ、
   当該方法は、前記径方向に偏光させられたビームの中へπ／２の回転子を置くステップ：をさらに含み、それによって、該π／２の回転子を通過した、径方向に偏光させられたビームを発生させる、請求項２に記載の方法。
5. アポディザーは、径方向に偏光させられたビームの中へ置かれる、請求項１に記載の方法。
6. 当該方法は、
   

   

   に従って入射の角度θｉと共に変動する厚さｄを有する一軸性の複屈折性の材料を含む部材を提供するステップ：
   を含み、λは、前記光の波長であり、ｎｏは、前記正常なモードについての屈折率であり、且つ、ｎｅは、前記異常なモードについての屈折率であり、且つ、
   当該方法は、前記部材を通過したビームの中へπ／４の回転子を置くステップを含むと共に、それによって、該π／４の回転子を通過した、径方向に偏光させられたビームを発生させる、請求項１に記載の方法。
7. 物体平面へと投射される偏光させられた光ビームを発生させる装置であって、
   当該装置は、
   収束する又は発散する光ビームを発生させる手段；
   該収束する又は発散する光ビームの中に位置させられた一軸性の複屈折性の材料を含む部材：
   を含み、
   該一軸性の複屈折性の材料は、該収束する又は発散する光ビームの光軸に対して本質的に平行な対称軸を有し、
   該部材は、該物体平面からある距離にさらに位置させられる、装置。
8. 収束する又は発散する光ビームの中へと置かれるために適合させられた一軸性の複屈折性の材料を含む部材であって、
   当該部材は、
   

   

   に従って入射の角度θｉと共に変動する厚さｄを有し、λは、該光の波長であり、ｎ_ｏは、正常なモードについての屈折率であり、且つ、ｎ_ｅは、異常なモードについての屈折率である、部材。
9. 請求項７に記載の装置を含む光学デバイス。

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