KR100775943B1 - 광학소자 및 그것을 구비한 광학헤드 - Google Patents

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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

광학소자(16)는 제 1 파장을 가지는 제 1 방사빔이 통과될 때에는 제 1 파면 편차를 나타내고, 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 가지는 제 2 방사빔이 통과될 때에는 제 2 파면 편차를 나타낸다. 광학소자의 한 표면은 환형영역(52, 53, 54, 55) 형태의 위상 구조체를 가진다. 그 영역은 다른 길이의 광 경로의 비주기 패턴을 형성한다. 제 1 파장에 대한 광 경로는 제 1 파면 편차를 형성하고, 제 2 파장에 대한 광 경로는 제 2 파면 편차를 형성하며, 2개의 편차의 차이는 제 1 파장과 제 2 파장의 차이에 비례한다.
광학소자, 기록매체, 파면 수차, 광학 헤드, 방사 손실

Description

광학소자 및 그것을 구비한 광학헤드{OPTICAL ELEMENT AND OPTICAL HEAD PROVIDED THEREWITH}
본 발명은 제 1 파장을 가지는 제 1 방사빔 내의 제 1 파면(wavefront) 편차와, 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 가지는 제 2 방사빔 내의 제 2 파면 편차를 나타내는 광학소자에 관한 것이며, 광학소자는 제 1 방사빔과 제 2 방사빔의 경로 내의 표면을 가진다. 또한, 본 발명은 정보층을 가지는 광 기록매체를 주사하는 광학 헤드에 관한 것이며, 그 헤드는 방사빔을 발생하는 방사원을 포함하고, 대물계는 정보층상의 초점에 방사빔을 집속하고, 그 광학헤드는 광학소자를 포함한다.
광학 레코딩 분야에 있어서의 진보는 더 높은 정보용량과 밀도와 같은 확장된 능력을 가지는 새롭고 더 복잡한 시스템이 정규시장에 나타나는 결과를 낳았다. 이렇게 확장된 능력에 대해서 시스템의 허용 범위가 감소하게 되는 희생을 지불해야 한다. 그러한 새로운 시스템의 예로는, 새로운 광학 레코딩 시스템인 디지털 비디오 레코딩 시스템(DVR)이 있다. DVR 시스템은 약 400nm의 파장과 0.85의 개구수(numerical aperture)(NA)와 0.1mm의 표면의 기록매체를 위한 구면수차 보상(spherical aberration compensation)을 가지는 방사빔을 이용한다. 이 시스템이 650nm의 파장과 0.6의 개구수와 0.6mm의 표면의 기록매체를 위한 구면수차 보상을 가지는 방사빔을 이용하는 DVD(Digital Versatile Disk) 시스템과 비교될 때에 NA의 증가와 파장의 감소는 DVR에 대한 허용범위가 DVD에 대한 것보다 작아지게 한다. 22.5GB 디스크를 레코딩할 수 있는 DVR 시스템은 예를 들어 레이저의 온도가 변할 때에 발생할 수도 있는 파장변화에 대하여 더 민감하다. 레이저는 읽기로부터 쓰기 전원으로 스위치된다. 또한 특정한 레이저는 일단의 레이저의 평균 레이저와 다르고 평균 레이저의 파장과는 다른 파장으로 발광한다.
파장이 특정한 범위 내에서 변할 때의 원치 않는 수차의 발생은, 투도로프스키의 논문 Optics and Spectroscopy, volume 6(1959) pp.126-133에 기재된 바와 같이 노치 렌즈(notched lenses)에 기초한 구조를 이용하여 줄어들 수 있다. 그러한 노치 렌즈의 각 계단은 2π의 정수배와 같은 전송빔의 파면 내의 위상 계단을 나타내고, 인접한 계단 사이의 위상차는 2π와 같다. 노치 렌즈는 보통 렌즈와 회절 구조체의 조합으로 보여질 수 있다. 명목상의 경우, 즉, 제 1 파장에서 동작할 때에 회절 구조체는 논-제로 차(non-zero order)로 입사되는 방사선을 회절시키고, 보통 렌즈와 회절 구조체의 파장변화에 의한 조합된 광원(optical power)은 0이다. 파장의 변화의 효과가 렌즈와 구조체에 대하여 다르므로, 다른 제 2 파장으로의 변화는 초점 흐려짐(defocus)의 파면 편차를 일으킨다. A. 투도로프스키의 논문과 K. 마루야마의 논문 SPIE Vol. 2577(1995) pp 123-129에 설명된 바와 같이 이 구조가 광학 시스템의 색수차를 없어지도록 하지만, 이들 주기적인 구조체의 결점은 이것들이 일반적으로 보다 많은 개수의 작은 영역을 포함하여 그러한 구조체를 제조하기 어렵게 만든다. 더욱이, 이러한 격자들은 제0 차 회절에 대하여 100% 효율을 내도록 설계될 수 있지만, 상술한 설계에 기초한 실제적인 노치 렌즈는 이러한 구조체의 미세한 영역을 형성할 때의 제작 오차 때문에 그러한 고효율을 얻지 못한다.
하나의 특정한 파장에 대하여 영향을 주지 않는 위상 구조체가 사용되는 예는, EP 0865037 A1와 R. 카따야마(Katayama)의 논문 Applied Optics volume 38(1999) pp 3778-3786에 기재되어 있다. 이러한 구조체는 DVD 기록매체를 주사하도록 설계되고 또한 CD 기록매체를 주사하는 데에도 적합한 대물 렌즈를 제작하는 데에 사용된다. 일반적으로, DVD 기록매체는, CD와 같은 이전 세대의 기록매체를 주사하는 데에 사용되는 것과는 다른 파장과 개구수의 방사빔으로 주사되도록 설계된다. 새로운 기록매체를 위한 주사 장치는 오래된 기록매체도 주사할 수 있는 것이 바람직하다. 그러므로, 주사 장치는 두 가지 형태의 방사빔을 각각의 형태의 기록매체에 공급하는데 적합해야 한다. 예를 들어, 소위 DVD 형태의 기록매체를 주사하는 데에 적합한 장치는 660nm의 파장, 0.6의 개구수(NA) 및 0.6mm의 기록매체 기판 두께에 대한 구면수차 보상을 제공하는 제 1 방사빔을 공급한다. 소위 CD 형태의 이전 세대의 기록매체를 주사하기 위하여 장치는 785nm의 파장, 0.45의 NA 및 1.2mm의 기록매체 기판 두께에 대한 구면수차 보상을 제공하는 제 2 방사빔을 공급한다. 장치는 제조단가를 낮추기 위하여 방사빔을 기록매체에 초점을 맞추는 단일 대물계가 설치되어 있다. 대물계에 배열된 위상 구조체는 계단 모양의 비주기 환형영역으로 구성되며, 각각의 환형영역은 DVD 파장 660nm에 대한 2π의 배수와 같은 위상 계단을 상승시킨다. 그러나, CD 읽기에 대하여는 다른 파장(785nm)이 사용된다. 결론적으로, 계단 모양의 위상 프로파일은 더 이상 2π의 배수와 같지 않은 위상계단으로 귀결된다. 계단들의 높이와 영역의 폭을 적절히 설계함으로써 CD의 경우에 위상 구조체에 의해 생긴 위상은 디스크의 두께에 의해 야기된 파면 수차를 회절 한계 미만으로 줄인다. 그러한 구조체가 2개의 이산파장에 대하여 파면 수차를 줄일 수 있지만, 전 범위에서 파장이 변하는 시스템 내에서 발생하는 수차를 보상할 수는 없다.
본 발명의 목적은 광학 주사 장치에 사용될 수 있고 입사된 방사빔의 파장에 따라 그 입사된 빔을 다른 특성을 가지는 다른 빔으로 변환할 수 있고 그 빔에 대하여 낮은 방사손실을 가지는 광학소자를 제공하는 데에 있다.
본 발명에 따른 목적은 정보층을 가지는 광학 기록매체를 주사하는 광학 헤드로서, 상기 광학 헤드는 상기 정보층 상의 초점에 제 1 파장을 갖는 제 1 방사빔을 집속하도록 설계된 대물계와, 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 가지는 제 2 방사빔을 발생하는 방사원과, 상기 제 1 방사빔 및 제 2 방사빔과 상호 작용하며 상기 제 1 방사빔에 제 1 파면편차를 도입하고 제 2 방사빔에 제 2 파면 편차를 도입하는 광학 소자를 구비하고, 상기 광학 소자는 상기 제 1 방사빔과 상기 제 2 방사빔의 경로에 표면을 가지며, 상기 표면은 환형영역의 형태의 위상 구조체를 포함하고, 상기 환형영역은 다른 길이의 광 경로의 비 주기패턴을 형성하고, 상기 제 1 파장에 대한 상기 광 경로는 상기 제 1 파면 편차를 형성하고, 상기 제 2 파장에 대한 상기 광 경로는 상기 제 2 파면 편차를 형성하는 광학 헤드에 있어서, 상기 제 1 파면 편차와 상기 제 2 파면 편차의 차이는 상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장의 차이에 비례하고, 상기 제 1 파장과 제 2 파장의 차이에 기인하는 상기 대물계의 수차를 보상하는 것을 특징으로 하는 광학 헤드에 의해 이루어진다.
본원발명은 파장종속 수차의 양이 제 1 파장과 제 2 파장의 차이에 거의 비례하여 증가하므로, 위상 구조체는 수차를 파장의 범위에 걸쳐서 보상할 것이다. 일반적으로, 범위의 정도는 위상 구조체가 수차를 감소시키는 계수로 곱셈된 보상하지 않는 대물렌즈의 파장의 변화에 대한 허용 범위와 동일하다. 허용범위는 보상될 렌즈의 설계에 의해 미리 결정되고 감소 계수는 보상 없는 렌즈의 제 2 파장에서의 파면과 렌즈 및 광학소자의 조합의 제 2 파장에서의 파면 오차의 비율이다.
본 발명에 따른 위상 구조체는 비주기 패턴을 가지므로, 회절 차수(order)를 형성하지 않는다. 결과적으로, 위상격자는 격자의 고유한 손실을 가지지 않는다. 그러므로, 광학소자는 방사빔의 파장에 따라 파면의 변화를 요구하는 광학 헤드에서 사용되기에 적합하다. 광학소자는 방사선 에너지의 큰 손실 없이 방사빔의 파장에 따라 요구되는 파면의 변화를 나타낸다. 일반적으로, 위상 구조체의 전체 모양은 나타난 경로차의 모양과 비슷하다.
광학소자의 바람직한 실시예에서는, 제 1 파장에 대한 광 경로들 사이의 차이는 제 2 파장의 배수이다. 그러한 경우에, 위상 구조체는 제 1 방사빔에 영향을 주지 않는다. 그것은 제 2 방사빔에서의 파면 편차를 나타낼 것이다. 그리하여, 제 1 파면 편차는 0이다.
광학소자의 바람직한 실시예는 제 1 파장의 2배 이상의 적어도 하나의 광 경로차를 포함한다. 모든 파면 편차는 제 1 파장과 같은 이웃하는 영역 사이의 계단 높이를 이용함으로써 실현되지만, 제 1 파장의 2배 이상의 계단 높이를 이용하는 것은 파면 편차를 형성하는 데에 필요한 영역의 개수가 감소하고 영역의 면적이 증가하는 이점이 있다. 더 큰 영역은 위상 구조체의 제조를 수월하게 한다. 하나의 파장의 계단 높이로부터 발생하는 더 작은 영역은 현재의 절단 도구의 기술로는 정확하게 제조될 수 없다. 이러한 더 작은 영역을 가지는 위상 구조체의 부정확성은 산란 때문에 방사선의 손실로 귀결된다. 본 발명에 따른 더 큰 영역은 상대적으로 더 높은 정확도와 방사선의 더 적은 손실을 가진다. 더 큰 계단에 의해 야기되는 바람직한 파면 편차의 덜 정확한 근사치는 보상되지 않는 수차를 일으킨다. 이 수차는 광 기록매체의 정보층 상에 방사빔에 의해 형성된 스폿의 질을 감소시킨다. 그러나, 큰 계단을 가지는 위상 구조체를 이용하는 주사 장치의 전체적인 성능은 작은 계단을 가지는 위상 구조체를 이용하는 주사 장치보다 좋다. 따라서, 이들의 폭을 조정함으로써 파면 수차 보정의 정도 및 제조의 용이화를 변화시킬 수 있다.
광학소자의 특별한 실시예에서는 제 1 파면 편차와 제 2 파면 편차의 차이는 초점 흐려짐에 해당한다. 초점 흐려짐은 방사빔의 반경이 2차 방정식인 파면 편차이다. 2차 방정식 형태를 제 2 파장으로 나눈 나머지는 제 2 방사빔 내의 환형영역에 의해 나타난 파면 계단에 의해 근사화될 수 있다. 초점에 의해 야기된 초점 위치의 변화는 레코더의 광학 헤드에 유리하게 사용될 수 있다. 읽기와 쓰기를 위한 높고 낮은 레벨 사이의 방사선 파워의 스위칭은 방사빔의 작은 파장의 변화를 일으킨다. 일반 대물 렌즈의 색 분산은 방사빔의 초점 스폿의 축 위치의 변화를 일으킨다. 읽기와 쓰기 사이를 스위칭할 때에 초점 서보계가 상대적으로 느리기 때문에 기록매체 상에 방사빔이 일시적으로 초점 흐려짐을 일으킨다. 더 많이 분산되어 초점이 더 심하게 흐려지므로, 짧은 파장에서 문제는 더 악화된다. 본 발명에 따른 광학 소자는 방사빔 중에 배치되면, 방사빔에서 파장의 변화로 인해 생기는 초점의 차이는 대물계의 분산에 의한 초점의 위치에 있어서의 이동을 보상할 수 있다.
광학소자의 또 다른 특별한 실시예에서는 제 1 파면 편차와 제 2 파면 편차 사이의 차이는 구면수차이다. 이러한 수차는 구색수차(spherochromatism) 즉, 설계파장과는 다른 파장으로 동작할 때에 렌즈에 의해 야기되는 구면수차를 보상하는 데에 쓰이는 것이 바람직하다. 렌즈에 의한 구색수차는 광학소자의 위상 구조체가 같은 양의 구면수차를 반대부호만 붙은 파장의 함수로서 나타낼 때에 본 발명에 따른 광학 소자에 의해 보상될 수 있다.
초점 흐려짐이나 구색수차 파면 편차를 형성하는 광학소자에 대한 2개의 파장 사이의 차이는 반도체 레이저의 파장의 변화에 의해 결정된다. 차이는 일반적으로 20nm보다 작다. 이것은 다른 종류의 기록매체를 주사하기 위한 제 1 파장 및 제 2 파장과 대조적이다. 이 파장은 CD와 DVD형의 기록매체에 대하여 약 125nm만큼 차이가 난다. 두 가지 종류의 기록매체를 주사하는 경우 파면의 보상은 두 개의 다른 파장에 대하여 이루어지므로, 초점 흐려짐과 구색수차에 대한 보상은 파장의 전범위에서 이루어진다. 이 범위는 위상 구조체에 의해 나타나는 파면 편차가 파장에 따라 변하는 범위이다. 후자의 경우에, 제 1 파장의 방사빔과 제 2 파장의 방사빔은 같은 방사원에 의해 발생된다. 제 1 파장은 제 2 파장이 변할 수도 있는 범위에 있을 수도 있다. 제 1 파장은 그 범위의 끝에 놓일 수도 있다.
또 다른 경우는 제 1 파장이 시스템에 사용될 일단의 레이저의 평균값이 되도록 취해지는 것이다. 그러면, 제 2 파장은 일단의 레이저로부터 얻어지고 광학 헤드들 중의 하나에 설치될 레이저의 실제 파장이다.
바람직한 실시예에서, 광학소자는 렌즈이고, 광학소자와 대물 렌즈의 통합을 허용한다. 그러면, 위상 구조체는 렌즈의 표면들 중의 하나에 적용될 수도 있다. 그러한 렌즈는 알려진 유리나 플라스틱 몰딩처리에 의해 또는 소위 복제기술에 의해 만들어질 수 있다. 판형 광학소자는 비슷한 방법으로 만들어질 수 있다.
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본 발명의 제 2 관점은 정보층을 가지는 광 기록매체를 주사하는 장치에 관한 것이다. 장치는 본 발명에 따른 광학 헤드와 에러 정정을 위한 정보처리부를 포함한다. 파장이 변할 때의 방사빔의 향상된 정정은 검출 시스템으로부터 더 좋은 양질의 신호를 생성하게 한다. 더 좋은 양질의 신호는 에러정정 시스템에 부가되는 요구를 줄인다.
본 발명의 제 3 관점은 제 1 파장을 가지는 제 1 방사빔 및 상기 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 가지는 제 2 방사빔과 서로 작용하고, 상기 제 1 방사빔에 제 1 파면 편차를, 그리고 상기 제 2 방사빔에 제 2 파면 편차를 도입하고, 다른 길이의 광 경로의 비 주기적인 패턴을 형성하는 환형영역의 형태를 갖는 위상 구조체를 포함하는 표면을 상기 제 1 방사빔과 상기 제 2 방사빔의 경로 중에 갖고, 상기 제 1 파장에 대한 상기 광 경로가 상기 제 1 파면 편차를 형성하고, 상기 제 2 파장에 대한 상기 광 경로가 상기 제 2 파면 편차를 형성하는 광학 소자에 있어서, 상기 제 1 파면 편차와 상기 제 2 파면 편차 사이의 차이는 초점 흐려짐이고, 상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장 사이의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 광학 소자에 관한 것이다.
본 발명의 목적, 장점 및 특징은 첨부된 도면에 설명된 바와 같이 본 발명의 실시예에 대한 다음과 같은 더 특별한 설명으로부터 나타나게 될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 주사 장치를 나타낸 것이고,
도 2는 광학 소자의 단면도이며,
도 3은 방사빔의 초점 스폿 근처의 파면수차 대 정규반경을 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 주사 장치의 제 2 실시예를 나타낸 것이며,
도 5는 초점 스폿 근처의 방사빔의 파면의 단면도를 나타낸 것이고,
도 6은 제 2 실시예에서 사용되는 위상 구조체의 단면도를 나타낸 것이다.
도 1은 광 기록매체(2)를 주사하는 장치(1)를 나타낸다. 기록매체는 한 쪽 면에 정보층(4)이 배열되어 있는 투명층(3)을 포함한다. 투명층의 반대방향을 향하는 정보층 쪽은 보호층(5)에 의해 환경의 영향으로부터 보호된다. 장치를 향하는 투명층 쪽은 입사면(entrance face)(6)이라고 한다. 투명층(3)은 정보층을 위한 기계적인 지지를 제공함으로써 기록매체를 위한 기판으로서 작용한다. 또한, 정보층 의 다른 면에 의해 예를 들면, 보호층(5)에 의해 또는 더 이상의 정보층과 정보층(4)에 연결된 투명층에 의해 기계적 지지가 제공되면서, 투명층은 정보층을 보호하기 위한 단일기능만을 가질 수도 있다. 정보는, 도면에는 나타나 있지 않지만, 거의 평행하고 동심원 또는 나선형의 트랙으로 배열되고 광학적으로 검출 가능한 마크의 형태로 기록매체의 정보층(4)에 저장될 수도 있다. 마크는 광학적으로 읽힐 수 있는 형태 예를 들면, 피트의 형태 즉, 반사 계수를 받거나 주변과는 다른 자화방향을 갖거나 또는 이러한 형태의 조합의 영역 내에 있을 수 있다.
일단의 방사원으로부터 선택된 방사원들은 일반적으로 서로 다를 수도 있는 방사빔을 방출한다. 이러한 일단의 방사원에 대한 파장의 특징은 제 1 파장이라고 한다. 그 특징은 일단의 모든 방사원의 평균값이 될 수 있다. 제 2 파장은 일단으로부터 선택된 방사원의 실제적인 파장이다. 주사 장치(1)는 상기 정의된 제 1 파장과 다를 수도 있는 제 2 파장을 가지는 방사빔(7)을 발광하는 방사원을 포함한다. 도면에 도시된 방사원은 방사빔(7)을 발광하는 반도체 레이저(9)를 포함한다. 방사빔은 광 기록매체(2)의 정보층(4)을 주사하는 데에 사용된다. 빔 스플리터(13)는 광 경로 상에서 발산되는 방사빔(12)을 시준렌즈(collimator lens)(14) 쪽으로 반사하여 발산 빔(15)을 평행 빔(15)으로 변환한다. 평행 빔(15)은 투명 광학소자(16)에 입사된다. 이것은 평행 빔의 파면을 정정한다. 광학소자(16)로부터 나오는 빔(17)은 대물계(18)에 입사된다. 대물계는 하나 이상의 렌즈나 격자를 포함할 수도 있다. 대물계(18)는 광 축(19)을 가진다. 대물계(18)는 빔(17)을 수렴 빔(20)으로 변화시켜 기록매체(2)의 입사면(6)에 입사시킨다. 대물계는 방사빔이 투명층(3)의 두께를 통하여 통과하기에 적합한 구면수차 보정을 가진다. 수렴 빔(20)은 정보층(4) 위에 스폿(21)을 형성한다. 정보층(4)에 의해 반사된 방사선은 대물계(18)에 의해 거의 평행 빔(22)으로 변환되고 평행 렌즈(14)에 의해 거의 수렴 빔(24)으로 변환된 발산 빔을 형성한다. 빔 스플리터(33)는 적어도 수렴 빔(24)의 부분을 검출계(25) 쪽으로 전송함으로써 전진하는 빔과 반사되는 빔을 나눈다. 검출계는 방사선을 검출하고 전기 출력신호(26)로 변환한다. 신호처리기(27)는 이 출력 신호들을 다양한 다른 신호들로 변환한다. 이러한 신호들 중의 하나는 정보층(4)으로부터 읽혀지는 정보를 나타내는 값인 정보신호(28)이다. 정보신호는 에러정정(29)을 위한 정보처리부에 의해 처리된다. 신호 처리기(27)로부터의 다른 신호들은 초점 에러 신호와 레디얼 에러 신호(30)이다. 초점 에러 신호는 스폿(21)과 정보층(4) 사이의 높이만큼의 축 차이를 나타낸다. 레디얼 에러 신호는 스폿과 스폿 앞에 있는 정보층의 트랙의 중심 사이의 정보층(4)에서의 판의 거리를 나타낸다. 초점 에러 신호와 레디얼 에러 신호는 서보회로(31)에 인가되고, 이는 이 신호들을 초점 액추에이터와 반경방향의 액추에이터를 각각 제어하는 서보제어 신호(32)로 변환한다. 액추에이터들은 도면에 도시되지 않았다. 초점 액추에이터는 초점 방향(33)으로 대물계(18)의 위치를 제어한다. 그리하여, 스폿(21)의 실제 위치를 제어하여 정보층(4)의 판과 거의 일치하게 한다. 반경방향의 액추에이터는 대물 렌즈(18)의 위치를 방사선 방향(34)으로 제어한다. 그리하여, 스폿(21)의 방사선 위치를 제어하여 정보층(4)에서 그 앞에 위치한 트랙의 중앙선과 거의 일치하게 한다. 도면에서의 트랙은 도면에서의 판의 수직방향으로 되어 있다.
도 1에서의 대물계(18)는 이 예에 있어서 2개의 소자로 이루어지며, 제 1 렌즈(40)와 제 2 렌즈(45)는 렌즈(14)와 기록매체(2)의 위치 사이에 배열된다. 대물계(18)는 405nm의 제 1 파장의 평행 빔(17)을 NA = 0.85의 수렴 빔으로 바꾼다. 이는 투명층(3)을 통하여 정보층(4) 위에 스폿(21)을 형성한다. 자유 동작 거리 즉 디스크를 보고 있는 제 2 렌즈(45)와 디스크 사이의 거리는 0.15mm이다. 투명층(3)은 0.1mm의 두께를 가지며, 제 1 파장과 30의 아베(Abbe) 수에서 굴절률 n=1.6233를 가지는 폴리카본으로 만들어진다. 제 1 렌즈(40)는 광 축 상에서 2.319mm의 두께와 3.0mm의 입사동 직경을 가진다. 렌즈의 몸체는 굴절률 n=1.4989와 아베수 70.4를 가지는 FK5 스콧 유리로 만들어진다. 평행 렌즈를 향하는 렌즈 몸체의 볼록면은 2.07mm의 반경을 가진다. 표면(42)은 평평하다. 비구형(aspherical shape)은 유리 몸체의 꼭대기에 아크릴 도료의 얇은 층에서 실현된다. 도료는 아베수 30과 n=1.5987의 굴절률을 가진다. 광축 상의 이 층의 두께는 19미크론이다. 회전 대칭 비구면은 밀리미터로 광축의 방향으로 표면의 위치 z와 밀리미터로 광축 쪽으로의 거리 r과 r의 k제곱 계수 Bk에 대하여 다음과 같은 식으로 주어진다.
Figure 112001021106230-pct00001
B2에서 B16까지의 계수의 값은 각각 0.26447094, 0.0088460392, 0.00014902273, 0.0014305415, -0.0015440542, 0.00082680417, -0.00023319199, 2.5911741×10-5이다.
제 1 렌즈(40)와 제 2 렌즈(45) 사이의 광 축에서의 거리는 0.3556mm이다. 디스크에 대향하는 제 2 렌즈(45)는 0.977mm의 광 축 상에서의 두께를 가진다. 렌즈의 몸체는 굴절률 n=1.4989와 아베수 70.4를 가지는 FK5 스콧 유리로 만든다. 평행 렌즈를 향하는 렌즈 몸체의 볼록면은 0.85mm의 반경을 가진다. 표면(47)은 평평하다. 비구면은 유리 몸체의 꼭대기에 아크릴 도료의 얇은 층에서 실현된다. 도료는 아베수 30과 n=1.5987의 굴절률을 가진다. 광 축상의 이 층의 두께는 7미크론이다. 회전 대칭 비구면은 밀리미터로 광 축의 방향으로 표면의 위치 z와 밀리미터로 광 축 쪽으로의 거리 r과 r의 k제곱 계수 Bk에 대하여 다음과 같은 식으로 주어진다.
Figure 112001021106230-pct00002
B2에서 B16까지의 계수의 값은 각각 0.6052026, 0.21991899, 0.12419616, 0.023176954, 0.15057964, 0.56573255, -1.2308544, 0.73899785이다.
도 1의 장치는 405nm의 제 1 파장에서 동작하도록 설계된다. 대상을 최적화하는 제 1 파장과 다른 제 2 파장을 사용하는 것은 일반적으로 구색수차의 일정량을 높이므로, 구면수차의 일정량은 실재 파장(제 2 파장)과 설계 파장(제 1 파장) 사이의 파장의 차이에 비례한다. 그러나, 본 발명에 따른 광학소자(16)는, 제 2 파장을 갖는 방사빔이 통과할 때에 보상하는 파면 편차를 나타낸다. 파면 편차는 구면수차의 형태를 가지며, 구면수차의 양은 실재 파장(제 2 파장)과 설계 파장(제 1 파장) 사이의 파장의 차이에 비례한다. 대물계에 입사된 방사빔(17)의 구면수차의 양은 적절히 선택되어 광학소자(16)와 대물계(18)에 의해 방사빔에 나타나는 파장 변화로 인한 조합된 구면수차는 서로 거의 보상한다. 광학소자(16)와 대물계(18)에 의해 생길 수 있는 구면 수차는 파장의 차이에 비례하므로, 이 보상은 다양한 방사원에 의해 발광되는 제 2 파장의 전 범위에 걸쳐서 나타난다.
도 2는 광학소자(16)의 단면을 나타낸다. 광학소자는 한 쪽 면이 위상 구조체이고 광 축(19)에 대하여 회전대칭인 투명판(50)을 포함한다. 위상 구조체는 중앙영역(51)과 4개의 동심환형 영역(52, 53, 54, 55)을 가진다. 환형영역(52, 54)은 중앙영역(51)의 높이 이상의 h1의 높이를 가진 링이다. 환형영역(53)은 중앙영역의 높이 이상의 h2의 높이를 가진 링이다. 도면에서의 영역의 높이는 판(50)의 두께와 방사연장에 대하여 과장되어 있다. 환형영역(55)은 중앙영역(51)과 같은 높이를 가진다. 높이 h1과 h2는 다음과 같은 식으로 주어지는 높이 h의 정수배 m이다.
Figure 112001021106230-pct00003
여기서, λ1은 제 1 (설계) 파장이고, n1은 파장 λ1에서의 환형영역의 물질의 굴절률이다. 각각의 환형 0들은 제 1 방사빔에서의 2π의 배수의 위상변화를 나타내므로, 위상 구조체는 제 1 방사빔의 파면을 변화시키지 않는다.
일단의 방사원으로부터의 특정한 방사원의 방사빔은 설계파장 λ1과 다를 수도 있는 파장 λ2를 가진다. 환형영역에 의해 나타난 위상변화가 2π의 배수가 아니므로, 이 방사빔의 파면은 광학소자에 의해 영향을 받을 것이다. 계단 높이 h에 대 한 위상차 Δφ는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112001021106230-pct00004
여기서, n1은 파장 λ1에서의 굴절률이고, Δn은 파장이 λ1에서 λ2 로 변할 때의 굴절률의 변화이다. 수식의 근사치는 Δn이 λ2-λ1에 비례하는 남는 항에 비하여 무시할 만하게 작다는 가정에 기초한다.
예로서, 설계 파장(제 1 파장)은 다시 λ1=405nm이고 방사빔의 실제 파장(제 2 파장)은 λ2=415nm이다. 파장에서의 10nm의 차이의 결과로서, 대물계(18)는 33.7mλRMS 구면 파면 수차를 나타낸다. 예에서의 위상 구조체는 405nm의 파장에서 굴절률 n=1.59869를 가지는 디아크릴로 만들어진다.
그 때에 λ1에서 위상의 2π계단을 높이는 위상 구조체에서 위상 계단의 높이는 h=0.6765㎛이다. 계단높이 h와 위상 구조체에서의 각각의 링의 해당 폭은 구면수차를 현저하게 줄일 수 있다. 위상 구조체의 특정한 실시예에서, 영역(52∼55)에 대한 m의 값은 각각 0, 2, 4, 2 및 0이고, 광학소자(26)의 축위치에서의 제 2 방사빔의 반경에 정규화된 반경으로 표현되는 환형영역(52∼55)의 방사연장은 각각의 0.267∼0.493, 0.493∼0.873, 0.873∼0.953, 0.953∼1.00이다.
광학소자에 의해 나타나는 계단형 파면 편차는 바람직한 구면수차의 근사치이다. 도 3은 λ2에서의 초점 스폿(47)에 근사한 파장 파면 수차 대 방사빔의 정규화된 반경을 나타낸다. 광학소자(16)가 제 2 방사빔에서 파면 수차를 나타내지 않는 경우를 위하여 점선(60)은 파면 수차를 나타낸다. 광학소자가 상술한 위상 구조체를 가지는 경우를 위하여 실선(61)은 나머지 파면 수차를 나타낸다. 이제 전체 시스템의 파면 수차는 구 파면 수차 33.7mλRMS로부터 12.5mλRMS로 줄어들므로 2.7의 계수가 감소한다. λ2 = 415nm(여기서, Δλ = 10nm)인 경우를 생각해도, 대물렌즈(18)에 의한 구면수차의 원인과 위상 구조체(16)에 의한 구면수차의 원인은 파장의 차이(λ2 - λ1)에 비례하므로, 같은 감소 계수는 λ2에 대한 다른 파장 값에 대한 획득이다.
도 4는 고밀도 기록매체(71)에 읽고 쓰기 위한 본 발명에 따른 주사 장치의 실시예(70)를 나타낸다. 기록매체는 100㎛ 두께의 투명층(73)에 의해 방사선 입사측 상에 보호되는 쓰기가능 정보층(72)을 포함한다. 정보층의 다른 쪽 기판(74)은 기계적인 힘을 기록매체에 제공한다. 장치(70)는 특히 읽기 레벨과 더 높은 쓰기 레벨 사이에서 방사원(76)의 출력파워를 제어하는 제어회로를 포함한다. 방사원은 읽기 레벨에서 동작할 때에 405nm의 파장으로 제 1 발산 방사빔(77)과 쓰기 레벨에서 동작할 때에 407nm의 파장으로 제 2 방사빔(77')을 공급하는 반도체 레이저이다. 반면에, 읽기 레벨에서의 파장은 407nm이고, 쓰기 레벨에서의 파장은 405nm이다. 빔 스플리터(78)는 발산 방사빔(77)을 시준렌즈(79) 쪽으로 반사하고, 발산 빔(77)을 평행 빔(80)으로 변환한다. 평행 빔(80)은 제 1 렌즈(82)와 제 2 렌즈(83)를 포함하고 0.85의 NA을 가지는 대물계(81)에 입사된다. 대물계(81)는 광 축(84)을 가진다. 대물계(81)는 빔(80)을 기록매체(71)로 입사되는 수렴 빔(85)으로 변화시킨다. 대물계는 투명층(73)의 두께를 통하여 방사빔이 통과하도록 적응된 구면수차를 정정한다. 수렴 빔(85)은 정보층(72) 위에 초점 스폿(86)을 형성한다. 정보층(72)에 의해 반사되는 방사선은 대물계(81)에 의해 거의 평행 빔(87)으로 변환되는 발산 빔을 형성하고, 이어서 평행 렌즈(79)에 의해 수렴 빔(88)으로 변환된다. 빔 스플리터(78)는 적어도 수렴 빔(88)의 일부분을 검출계(89) 쪽으로 전송함으로써 전진 빔과 반사 빔을 나눈다. 검출계는 방사선을 검출하고, 그것을 전기 출력신호(90)로 변환한다. 신호 처리기(91)는 도 1에 나타난 신호 처리기(27)와 유사하게 이 출력신호들을 다양한 다른 신호들로 변환한다.
방사선 출력을 읽기 레벨에서 쓰기 레벨로 바꾸자마자 방사빔(80)의 파장이 2nm와 같은 Δλ만큼 바뀔 때에 대물계(81)의 특별한 설계의 분산은 120mλ RMS에 해당하는 0.36㎛의 초점 흐려짐의 원인이 된다. 초점 깊이 λ/(2NA2)가 단지 0.28㎛라는 것이 주지되어야 한다. 도 5는 방사빔에서 정규화된 반경의 함수로서 초점 스폿(86) 근처의 방사빔의 파면의 단면도이다. 초점 흐려짐은 선 95로 나타내어진다.
대물계는 장치(70)에 본 발명에 따른 위상 구조체(97)를 설치함으로써 비색수차화 된다. 위상 구조체는 대물계의 평행 빔(80)이 입사되는 표면인 제 1 렌즈(82)의 표면(86)에 배열된다. 위상 구조체는 5개의 환형영역과 중앙영역으로 구성된다. 높이는 위상 구조체의 중앙으로부터 방사 빔의 외측 반경 쪽으로 계단 단위로 증가한다. 도 6은 광 축(84) 상의 중심으로부터 1.5mm의 외측 반경 쪽으로의 위상 구조체의 단면도이다. 위상 구조체는 디아크릴(diacryl)로 만들어지고 반복기술에 의해 렌즈(82)의 몸체의 적용된다. 위상 구조체는 비구면(86)을 형성하기 위한 비구형 몰드(aspheric mould)에 결합될 수도 있다. 디아크릴의 굴절률 n은 405nm의 파장에서 1.59869이다. 환형영역의 반경, 각 영역의 높이 및 그 영역을 통과한 후의 방사빔의 상대 위상은 표 1에 주어진다.
시작 영역(mm) 끝 영역(mm) 높이 m*h (㎛) m 상대위상 (라디안)
0.0 0.5 0 0 0
0.5 0.73 4.7355 9 -0.2793
0.73 0.99 15.5595 23 -0.7136
0.99 1.23 27.7365 41 -1.2722
1.23 1.40 39.9135 59 -1.8307
1.40 1.50 50.0610 74 -2.2961
렌즈 표면의 기울기를 고려하면, 판의 표면 상의 위상 구조체에 대한 계산된 표 1에서의 값은 약간 정정될 것이다. 각각의 영역의 높이는 0.6965㎛과 같은 높이 h의 정수배 m이다. 이는 405nm의 파장에 대하여 2π의 상대 위상을 일으키는 높이이다. 따라서, 위상 구조체는 제 1 방사빔(77)의 파면에 영향을 주지 않는다. 파장이 Δλ만큼 변할 때에 h의 계단의 높이는 다음과 같은 상대위상 φ를 나타낸다.
Figure 112001021106230-pct00005
디아크릴에 대하여 Δn/Δλ = -3.3×10-4nm-1이므로, φ에 대한 굴절률의 변화 Δn의 영향은 파장변화의 영향보다 더 작은 크기의 오더이다. 표 1의 가장 오른쪽에 있는 컬럼은 등호에 따라 계산된 상대위상을 나타낸다. 방사빔(77')에서 위상 구조체에 의해 나타나는 계단형 파면은 도 5에서 선(96)으로 나타난다. 파면은 대물계(81)의 분산에 의해 다른 부호로 야기되는 초점 흐려짐(95)에 접근한다. 계단형 파면이 근사치이므로, 초점 흐려짐의 보상은 완벽하지 않고, 더 높은 차수의 항의 22mλ RMS의 나머지 파면 오차는 초점 스폿(86) 근처의 방사빔(85)에 남아 있다. 읽기 레벨로부터 쓰기 레벨로 바꿈으로써 RMS 파면 오차를 120mλ로부터 22mλ로 줄일 때에 위상 구조체(97)는 대물계의 분산에 따른 초점 스폿의 위치의 변화를 보상한다. 22mλRMS 파면 오차는 위상 구조체의 불완전한 보상에 기인한다.
약 6의 배만큼의 초점 흐려짐을 감소시키는 것은 2nm의 파장 이동에 대하여 결정되지만, 그러한 감소는 파장이동의 더 큰 영역에 적용된다. 왜냐하면, 대물계(81)에 의해 나타나는 초점 흐려짐과 비주기 위상 구조체에 의해 나타나는 초점 흐려짐 모두가 파장의 이동에 비례하기 때문이다. 일반적으로, 위상 구조체의 사용은 감소 계수와 같은 계수에 의해 대물계의 허용범위를 증가시킨다. 이 예에서 보상이 없는 대물계는 400nm로부터 410nm까지의 파장범위에 대하여 적절히 동작하도록 설계되면, 위상 구조체에 의한 보상은 범위를 375nm~435nm로 6배만큼 증가시킨다. 제 1 예에서는 구색 수차에 대한 감소 계수는 2.7이고, 대물계의 400nm로부터 410nm로의 허용범위는 392nm~418nm으로 확장될 것이다. 더 큰 파장의 차이에서 파장의 차이에 선형적이지 않은 효과는 굴절률의 파장종속과 같이 중요하게 된다. 그것은 파장이 변하는 범위를 제한할 수도 있다.
위상 구조체의 분산보상은 대물계의 렌즈에 대한 더 높은 분산유리의 사용을 허용한다. 이것은 일반적으로 더 싸다. 위상 구조체는 렌즈(82)에 대한 몰드로 결합될 수 있으므로, 위상 구조체는 주사 장치의 값을 증가시키지 않는다.
위상 구조체를 포함하는 광학소자는 광학 시스템을 비구색수차화하거나 비색수차화하는 데에 사용될 수도 있다. 예를 들어, 대물계가 격자를 포함할 때에 위상 구조체는 격자의 분산을 보상하는 데에 사용될 수 있다. 광학소자의 상술한 실시예가 전송에 사용되더라도, 본 발명이 반사에 사용되는 광학소자에도 적용될 수 있다는 것은 명백하다.

Claims (11)

  1. 정보층을 가지는 광학 기록매체를 주사하는 광학 헤드로서, 상기 광학 헤드는 상기 정보층 상의 초점에 제 1 파장을 갖는 제 1 방사빔을 집속하도록 설계된 대물계와, 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 가지는 제 2 방사빔을 발생하는 방사원과, 상기 제 1 방사빔 및 제 2 방사빔과 상호 작용하며 상기 제 1 방사빔에 제 1 파면편차를 도입하고 제 2 방사빔에 제 2 파면 편차를 도입하는 광학 소자를 구비하고,
    상기 광학 소자는 상기 제 1 방사빔과 상기 제 2 방사빔의 경로에 표면을 가지며, 상기 표면은 환형영역의 형태의 위상 구조체를 포함하고, 상기 환형영역은 다른 길이의 광 경로의 비 주기패턴을 형성하고, 상기 제 1 파장에 대한 상기 광 경로는 상기 제 1 파면 편차를 형성하고, 상기 제 2 파장에 대한 상기 광 경로는 상기 제 2 파면 편차를 형성하는 광학 헤드에 있어서,
    상기 제 1 파면 편차와 상기 제 2 파면 편차의 차이는 상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장의 차이에 비례하고, 상기 제 1 파장과 제 2 파장의 차이에 기인하는 상기 대물계의 수차를 보상하는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 파장에 대한 상기 광 경로 사이의 차이는 상기 제 1 파장의 배수인 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 배수 중 적어도 하나는 2이거나 또는 더 큰 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 파면 편차와 상기 제 2 파면 편차 사이의 차이는 초점 흐려짐인 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 파면 편차와 상기 제 2 파면 편차 사이의 차이는 구면수차인 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 적어도 한 개의 격자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 소자는 적어도 격자 및 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  9. 삭제
  10. 정보를 갖는 광 기록매체를 주사하는 주사장치로서, 상기 주사 장치는 청구항 제1항에 기재된 광학 헤드와, 에러 정정을 위한 정보처리부를 구비한 것을 특징으로 하는 주사장치.
  11. 제 1 파장을 가지는 제 1 방사빔 및 상기 제 1 파장과는 다른 제 2 파장을 가지는 제 2 방사빔과 서로 작용하고, 상기 제 1 방사빔에 제 1 파면 편차를, 그리고 상기 제 2 방사빔에 제 2 파면 편차를 도입하고, 다른 길이의 광 경로의 비 주기적인 패턴을 형성하는 환형영역의 형태를 갖는 위상 구조체를 포함하는 표면을 상기 제 1 방사빔과 상기 제 2 방사빔의 경로 중에 갖고, 상기 제 1 파장에 대한 상기 광 경로가 상기 제 1 파면 편차를 형성하고, 상기 제 2 파장에 대한 상기 광 경로가 상기 제 2 파면 편차를 형성하는 광학 소자에 있어서,
    상기 제 1 파면 편차와 상기 제 2 파면 편차 사이의 차이는 초점 흐려짐이고, 상기 제 1 파장과 상기 제 2 파장 사이의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
KR1020017010723A 1999-12-24 2000-12-19 광학소자 및 그것을 구비한 광학헤드 KR100775943B1 (ko)

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EP99204521.1 1999-12-24
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