KR100805266B1 - 기록매체를 주사하는 광학 헤드 - Google Patents

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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

서로 다른 두께를 갖는 제 1 및 제 2 형태의 광 기록매체(2; 40)를 주사하는 장치는 서로 다른 파장의 제 1 및 제 2 방사빔을 발생한다. 제 1 방사빔(17)은 제 1 개구수 NA1을 갖는다. 제 2 방사빔(46)은 NA1보다 작은 유효 제 2 개구수 NA2 를 갖는다. NA2보다 작은 NA를 갖는 제 2 방사빔의 광속들은 중앙 서브빔(48)을 형성하며, 더 큰 NA를 갖는 광속들은 외부 서브빔(49)을 형성한다. 이 장치는, 제 1 방사빔에 영향을 미치지 않는 비주기적 위상 구조를 갖는다. 도입된 구면수차는 투명층들(3; 41)의 두께의 차이에 기인한 구면수차의 차이를 보상한다. 외부 서브빔(49)에 있는 광속들로부터 검출계(25) 상에 떨어지는 표유 광의 양을 줄이기 위해, 위상 구조는 제 2 방사빔(17)에 일정한 양의 초점 흐려짐을 도입한다. 이것은 외부 서브빔에 대해 중앙 서브빔의 초점을 변위시켜, 중앙 및 외부 서브빔의 강도 분포가 2개의 분리된 분포로 분할되도록 한다. 검출계의 위치와 크기가 적절히 선택되면, 검출계는 중앙 서브빔으로부터의 광속을 주로 포착하며 외부 서브빔으로부터의 광속은 포착하지 않는다. 따라서, 초점들의 변위는 제 2 방사빔의 원하는 광속들과 원치 않는 광속들의 검출계(25)의 평면에서의 공간 필터링를 허용한다.
기록매체, 광학 헤드, 중앙 서브빔, 위상 구조, 구면수차, 초점 흐려짐

Description

기록매체를 주사하는 광학 헤드{OPTICAL HEAD FOR SCANNING A RECORD CARRIER}
본 발명은, 제 1 및 제 2의 서로 다른 형태의 기록매체를 주사하는 광학 헤드에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 2가지 서로 다른 형태의 광 기록매체를 주사하며, 광학 헤드를 구비한 주사장치에 관한 것이다. 이 두가지 형태의 기록매체는 정보층과, 방사빔이 정보층을 주사할 때 통과하게 되는 투명층을 갖는다. 투명층의 두께는 2가지 형태의 기록매체에 대해 다르다. 광학 헤드는, 제 1 형태의 기록매체를 주사하기 위한 제 1 파장을 갖는 제 1 방사빔과, 제 2 형태의 기록매체를 주사하기 위한 이와 다른 제 2 파장을 갖는 제 2 방사빔을 발생하는 방사원을 포함한다. 제 1 방사빔은 정보층을 주사하기 위한 제 2 방사빔보다 큰 유효 개구수를 갖는다.
광 기록 분야의 진보에 따라, 더 높은 정보밀도를 갖는 광 기록매체가 정기적으로 시장에 소개되고 있다. 일반적으로, 이와 같은 기록매체들은 이전 세대의 기록매체를 주사하는데 사용된 것과 다른 파장과 개구수를 갖는 방사빔으로 주사되도록 설계된다. 새로운 기록매체를 위해 설계된 주사장치는 이전의 기록매체도 주사할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 따라서, 주사장치는, 각각의 기록매체에 대해 한가지씩, 2가지 형태의 방사빔을 제공할 수 있도록 구성되어야 한다. 방사빔들 의 특성은 기록매체들의 특성에 의존한다. 방사빔의 파장은, 정보가 기록되는 기록매체의 마크들의 광학 특성의 파장 의존성에 의존한다. 주사과장이 수행될 때의 해상도를 결정하는 방사빔의 파장과 개구수는 마크들의 치수에 의존한다. 방사빔의 구면수차의 보상량은 방사빔이 정보층을 주사할 때 통과하는 기록매체의 투명층의 두께에 의존한다. 예를 들면, 소위 DVD 형태의 기록매체를 주사하는데 적합한 장치는, 660 nm의 파장, 0.6의 개구수(NA) 및 0.6 mm의 기록매체 두께에 대한 구면수차 보상을 갖는 제 1 방사빔을 제공한다. 소위 CD 형태의 이전 세대의 기록매체에 기록하기 위해서는, 상기한 장치는 785 nm의 파장, 0.50의 NA 및 1.2 mm의 기록매체 기판 두께에 대한 구면수차 보상을 갖는 제 2 방사빔도 제공한다. 이 장치는, 제조비용을 낮게 유지하기 위해, 기록매체 상에 방사빔의 초점을 맞추는 한 개의 대물계를 구비하는 것이 바람직하다. 개구수의 변화는, 대물계에 입사되는 방사빔의 직경을 변화시킴으로써 달성된다.
잡지 Applied Optics, Vol. 38, No. 17, pages 3778 to 3786, 10 June 1999에 발행된 Katayama 등의 논문 "Dual-wavelength optical head with a wavelength-selective filter for 0.6- and 1.2-mm-thick-substrate optical disks"에는, DVD와 CD 형태 모두의 기록물을 주사할 수 있는 장치에 사용되는 단일 대물계를 갖는 광학 헤드가 개시되어 있다. 방사원은 DVD와 CD 기록물을 각각 주사하는 제 1 및 제 2 방사빔을 발생한다. 광학계는 방사빔들을 기록매체의 정보층 상에 초점을 맞춘다. 광학계는 비주기적 위상 구조를 갖는 평행평면판의 형태를 지닌 광학부재를 구비한다. 광학부재의 평면에서 제 1 및 제 2 방사빔의 직경은 거의 동일하다. 제 2 방사빔은 중앙의 서브빔과 외부의 서브빔을 구비하는 것으로 생각할 수 있다. 제 1 방사빔은 0.6의 제 1 개구수에서 DVD 형태의 기록매체 상에 초점이 맞추어지며, 중앙 서브빔은 0.45의 제 1 개구수에서 CD 형태의 기록매체 상에 초점이 맞추어진다. 이 위상 구조는, 위상 구조를 통과하는 방사빔 내부에 파면편차를 도입하는 광 경로들의 패턴을 형성하는 복수의 중앙 영역들을 포함한다. 위상 구조는 중앙 서브빔에 대응하는 직경을 가지며, 중앙 서브빔에 구면수차를 일으켜, 투명층들의 두께의 차이를 보상한다. 인접하는 영역들 사이의 높이 차이는, 영역들 사이의 광 경로 차이가 제 1 파장의 정수배가 되도록 하여, 위상 구조가 제 1 방사빔에 대해 활성을 갖지 않도록 하는 값을 갖는다. 위상 구조 주위의 광학부재 상에는 박막 간섭 적층체가 배치된다. 이 간섭 적층체는, 제 1 방사빔을 투과하고, 외부 서브빔을 차단하도록 설계된다. 따라서, 광학부재는 그것의 파장에 영향을 미치지 않으면서 더 큰 제 1 개구수에 해당하는 직경을 갖는 제 1 방사빔을 투과하고, 구면수차를 도입하며 더 작은 제 2 개구수에 해당하는 직경을 갖는 중앙 서브빔을 투과하며, 외부 서브빔, 즉 중앙 빔의 외부에 놓인 제 2 방사빔 내부의 광속을 차단한다.
이와 같은 종래의 광학 헤드의 문제점으로는, 위상 구조와 박막 적층체의 존재에 기인한 광학부재의 비교적 높은 비용을 들 수 있다. 더구나, 박막 적층체가 위상 구조를 투과한 부분에 대해서와 같이 적층체를 투과한 방사빔의 부분에 대해 동일한 파면 위상을 얻기 위해 제 1 방사빔에 소정의 위상전이를 도입해야만 하기 때문에, 박막 적층체가 복잡해진다.
결국, 본 발명의 목적은, 위상 구조를 갖는 더욱 더 저렴한 광학부재를 구비 한 광학 헤드를 제공함에 있다.
본 발명의 목적은, 제 1 두께를 갖는 제 1 정보층 및 제 1 투명층을 구비한 제 1 광 기록매체를 주사하고, 제 1 두께와 다른 제 2 두께를 갖는 제 2 정보층 및 제 2 투명층을 구비한 제 2 광 기록매체를 주사하며, 제 1 파장을 갖는 제 1 방사빔과, 제 1 파장과 다른 제 2 파장을 가지며 중앙 서브빔과 외부 서브빔을 포함하는 제 2 방사빔을 발생하는 방사원과, 제 1 방사빔을 제 1 투명층을 거쳐 제 1 정보층 상의 초점에 집광시키며 제 2 방사빔을 제 2 투명층을 거쳐 제 2 정보층 상의 초점에 집광시키는 광학계와, 정보층으로부터의 제 1 및 제 2 방사빔의 방사선을 수광하며 검출 평면에 배치된 감광 영역을 포함하는 검출계를 구비하되, 상기 광학계가 비주기적인 위상 구조를 갖는 광학부재를 구비하고, 이 위상 구조가 전체적으로 평탄한 파면편차에 근사되는 파면편차를 제 1 방사빔 내부에 유발하며 제 1 및 제 2 투명층으로 인한 구면수차의 차이를 보상하는 파면편차를 중앙 서브빔 내부에 유발하는 복수의 동심 영역을 포함하는 광학 헤드에 있어서, 본 발명에 따르면, 상기 광학부재는 제 1 방사빔과 제 2 방사빔의 중앙 서브빔 및 외부 서브빔에 대해 투명하고, 중앙 서브빔의 초점이 제 2 정보층 상에 놓였을 때, 제 2 방사빔 내부에 유발된 파면편차가, 중앙 서브빔과 외부 서브빔의 방사선이 검출 평면에서 각각 중앙 강도 분포와 외부 강도 분포를 형성하고, 중앙 강도 분포와 외부 강도 분포가 실질적인 다크 영역(dark area)에 의해 분리되며, 감광 영역이 거의 중앙 분포의 방사선만을 포착하도록 하는 파면편차인 것을 특징으로 하는 광학 헤드에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 광학 헤드는, 외부 서브빔을 차단하며, 제 1 및 제 2 방사빔의 거의 전체 직경에 걸쳐 제 1 및 제 2 파장 모두의 방사선에 투명한, 공지된 광학 헤드 내부에 존재하는 것과 같은 박막 적층체를 가질 필요가 없다. 본 발명에 따른 헤드에는 박막 헤드가 필요하지 않기 때문에, 위상 구조를 포함하는 광학부재의 제조가 더 저렴해진다. 더구나, 제 1 방사빔의 정확한 위상이 제 1 방사빔이 전체 직경에 걸쳐 위상 구조의 영역들의 두께에 대한 신중한 선택에 의해 얻어질 수 있기 때문에, 박막 적층체가 존재하지 않는 것은 제 1 방사빔의 전체 직경에 걸쳐 평탄한 파면을 더욱 간단히 얻을 수 있도록 한다. 광학부재는 위상 구조를 유지할 수 있는 광학계 내부의 임의의 부재, 예를 들면 평행평면판, 빔 스플리터 또는 렌즈일 수 있다.
위상 구조는 중앙 서브빔의 구면수차의 차이를 교정하여, 제 2 정보층 위에 우수한 품질의 스폿을 제공하며, 검출 평면에 비교적 작은 크기를 갖는 중앙 강도 분포를 제공한다. 박막 적층체가 존재하지 않는 것은 제 1 개구수 외부의 제 2 방사빔의 방사선이 기록매체에 도달하도록 한다. 외부 서브빔이 제 2 투명층의 구면수차에 대해서는 교정되지 않기 때문에, 이것은 제 2 투명층의 두께 편차로 인해 비교적 큰 수차를 나타낸다. 외부 서브빔의 광속은 검출 평면에 도달하고, 여기서 중앙 강도 분포의 크기보다 실질적으로 큰 크기를 갖는 방사선 분포를 형성한다. 검출 평면에서의 두가지 방사선의 분포가 중첩되면, 중앙 및 외부 서브빔 모두의 방사선이 검출계의 감광 영역에 입사된다. 이와 같은 경우에는, 중앙 서브빔의 광속과 외부 서브 빔의 광속, 즉 제 2 개구수보다 작은 개구수를 갖는 방사선과 더 큰 개구수를 갖는 방사선을 구별하는 것이 곤란하다. 검출계가 더 큰 개구수를 갖는 광속을 포착하면, 이것은 원하는 제 2 개구수보다 큰 개구수를 갖는 제 2 기록매체를 주사하게 된다. 기록매체의 기울어짐이 개구수의 세제곱에 비례하는 코마수차 오류를 도입하기 때문에, 주사 개구수의 증가는 기록매체의 기울어짐에 대한 허용오차를 줄인다. 더구나, 외부 서브빔으로부터의 광속은 검출계에 의해 발생된 전기신호의 노이즈를 증가시킬 수 있다.
제 2 방사빔의 위상 구조에 의해 유발된 파면편차가 적절히 선택되는 경우에, 외부 서브빔이 중앙 분포에 중첩되지 않는 방사선 분포를 형성하게 된다. 이와 같은 소위 외부 강도 분포는 실질적인 다크 영역에 의해 중앙 강도 분포로부터 분리된다. 이들 2개의 분포 사이의 분리는, 제 2 방사빔 내부의 광속의 공간 필터링을 허용하는데, 이것은 주로 중앙 강도 분포의 광속을 포착하도록 검출계의 감광 영역을 배치함으로써 실현된다. 이에 따르면, 기록매체가 원하는 개구수로 주사될 수 있다. 따라서, 외부 강도 분포가 비주기적 위상 구조를 갖는 비교적 저가의 광학부재를 사용하여 검출계로부터 효과적으로 분리될 수 있다.
상기한 용어 '주로'는 감광 영역에 떨어지는 외부 강도 분포의 약 30% 미만의 강도, 바람직하게는 10% 미만의 강도를 의미한다.
외부 서브빔의 광속은, 그것이 검출계의 감광 영역에 떨어지는 것을 방지하기 위해 조리개를 사용하여 검출계 앞의 광학계에서 차단될 수 있다. 그러나, 감광 영역의 가장자리가 강도 분포의 다크 영역에 배치되어, 공간 필터링을 달성하는 것이 바람직하다. 검출계는 그것의 위치 또는 치수에 대한 엄격한 허용오차를 갖지 않고 중앙 강도 분포에 배치될 수 있다.
중앙 및 외부 강도 분포의 분리는, 제 1 및 제 2 투명층의 두께 차와 제 2 개구수의 적절한 조합에 의해 달성될 수 있다. 제 2 투명층의 두께가 제 1 투명층의 두께보다 클 때에는, 두께 차이로 인해 구면수차에 대해 교정되지 않은 외부 서브빔의 초점이 제 2 정보층의 위치로부터 대물계로부터 더 멀리 떨어진 대물계의 광축 상의 위치로 변경된다. 즉, 제 2 빔의 주연 초점(marginal focus)이 제 2 빔의 근축 초점보다 대물계에서 더 멀리 떨어진다. 중앙 서브빔의 초점이 제 2 형태의 기록매체의 제 2 정보층 상에 배치될 때, 이 서브빔의 방사선은 검출 평면에서 중앙 강도 분포를 형성한다. 외부 서브빔의 초점은 중앙 서브빔의 초점에 대해 축방향으로 변위되어, 서브빔의 방사선이 검출 평면에서 초점을 벗어나도록 함으로써, 중앙 영역과 동일한 중심을 갖는 검출 평면에서 환형의 외부 강도 분포를 형성한다. 초점 흐려짐(defocus)의 양이 정확하면, 중앙 및 외부 분포가 다크 영역에 의해 분리되어, 공간 필터링이 가능하게 된다.
특정한 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 위상 구조는 제 2 방사빔에 구면수차와 초점 흐려짐을 도입하며, 이 초점 흐려짐이 중앙의 서브빔의 초점과 외부 서브빔의 초점 사이의 축방향 거리에 영향을 미친다.
특정한 실시예에 있어서는, 위상 구조가 중앙 서브빔에 초점 흐려짐을 도입한다. 위상 구조의 크기는 광학부재의 평면에 있는 중앙 서브빔의 단면적으로 제한될 수 있다. 광학 헤드의 초점 서보계는 중앙 서브빔의 초점이 제 2 정보층의 평면에 놓이도록 하며, 외부 서브빔의 초점은 이 평면보다 대물계에 더 근접하게 배 치되거나 이 대물계로부터 더 멀리 떨어져 배치된다.
또 다른 실시예에 있어서, 위상 구조는 외부 서브빔에 초점 흐려짐을 도입한다. 이에 따라, 위상 구조는 제 2 방사빔의 전체 직경에 걸쳐 연장된다. 대물계의 방향으로 외부 서브빔의 초점이 변위된 경우에, 구면수차가 도입되는 위상 구조의 부분에 초점 흐려짐이 도입되지 않으면, 구면수차를 도입하기 위한 위상 구조의 복잡성이 줄어들게 된다.
제 1 방사빔에 미치는 위상 구조의 영향이 줄어드는데, 즉, 바람직하게는, 위상 구조의 인접하는 영역들의 광경로들 사이의 차이가 제 1 파장의 정수배와 거의 동일한 경우에, 위상 구조는 전체적으로 평탄한 파면편차를 도입하게 된다.
바람직하게는, 초점 흐려짐의 양은 적정한 크기의 다크 영역을 갖도록 적어도 12.5㎛이다.
본 발명의 또 다른 일면은, 2가지 형태의 광 기록매체를 주사하며, 상기한 광학 헤드와, 오류정정용 정보처리부를 구비한 주사장치에 관한 것이다. 제 2 형태의 기록매체를 주사할 때 검출기 상의 표유 광(stray light)의 양의 감소는, 검출계에 의해 발생되고 기록매체로부터 판독된 정보를 표시하는 전기 정보신호의 노이즈를 줄인다. 또한, 위상 구조는, 제 2 기록매체의 틸트 마진(tilt margin)을 증가시킴으로써, 방사빔 내부의 코마수차의 양과, 관련된 트랙-트랙의 누화 및 심볼간 간섭을 줄인다. 정보신호의 더 높은 품질은 신호 내부의 오류의 수를 줄임으로써, 오류정정용 정보처리부에 부과된 요구사항을 줄이게 된다.
본 발명의 목적, 이점 및 특징은, 다음의 첨부도면에 도시된 것과 같은, 본 발명의 이하의 바람직한 실시예의 더욱 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 주사장치를 나타낸 것이고,
도 2는 종래의 위상 구조를 갖는 광학부재를 나타낸 것이며,
도 3a 및 도 3b는 종래의 위상 구조와 본 발명에 따른 위상 구조에 대한 검출계의 평면에서의 방사선 분포를 나타낸 것이고,
도 4는 주사장치의 광경로의 개략적 단면도이며,
도 5는 강도 분포를 갖는 4분면 검출기를 나타낸 것이고,
도 6은 광학부재의 단면과 2개의 서로 다른 파장 λ1 및 λ2에 대한 그것의 광경로 차이를 나타낸 것이며,
도 7은 위상 구조에 경사 영역들을 갖는 광학부재에 대한 도 6과 동일한 도면을 나타낸 것이다.
도 1은 제 1 형태의 제 1 광 기록매체(2)와 제 2 형태의 제 2 기록매체(40)를 주사하는 장치(1)를 나타낸 것이다. 도시된 실시예에 있어서, 제 1 형태는 디지털 다기능 디스크(DVD)이며, 제 2 형태는 기록가능한 콤팩트 디스크(CD)이다. 기록매체 2는 그것의 일면에 정보층(4)이 배치되는 투명층(3)을 구비한다. 투명층의 반대쪽에 있는 정보층의 면은 보호층(5)에 의해 환경적인 영향으로부터 보호된다. 장치를 마주보는 투명층의 면은 입사면(6)으로 불린다. 투명층(3)은 정보층에 대해 기계적 지지를 제공함으로써 기록매체에 대한 기판으로부터의 역할을 한다. 이와 달리, 투명층은 정보층을 보호하는 유일한 기능만을 갖는 한편, 정보층에 대한 기계적인 지지는 정보층의 다른 면에 있는 층, 예를 들면 보호층(5) 또는 또 다른 정보층과 정보층(4)에 연결된 투명층에 의해 제공될 수도 있다. 정보는, 도면에 표시되지 않은, 거의 평행하거나, 동심원 또는 나선형의 트랙들로 배치된 광학적으로 검출가능한 복수의 마크의 형태로 기록매체의 정보층(4) 내부에 저장될 수 있다. 이들 마크는, 광학적으로 판독가능한 임의의 형태, 예를 들면, 피트, 또는 그것의 주변부와는 다른 반사계수 또는 자화방향을 갖는 영역들의 형태, 또는 이들 형태의 조합의 형태를 가질 수 있다.
주사장치(1)는, 서로 다른 파장을 갖는 제 1 및 제 2 방사빔 7 및 8을 방출할 수 있는 방사원을 구비한다. 도면에 도시된 방사원은, 방사빔 7 및 8을 방출하는 2개의 반도체 레이저 9 및 10을 구비한다. 빔 결합기(11), 예를 들면 반투명 판은 2개의 빔 7 및 8의 경로를 한 개의 광경로로 결합한다. 2개의 방사원은 단일 기판 상에 결합될 수 있으며, 2개의 방사원이 충분히 서로 근접한 경우에는 빔 결합기(11)가 없어도 된다. 제 1 방사빔(7)은 제 1 형태의 광 기록매체(2)를 주사하는데 사용된다. 제 2 방사빔(8)은 제 2 형태의 광 기록매체(40)를 주사하는데 사용된다. 제 2 빔 스플리터(13)는 빔 합성기(11)에서 온 발산하는 방사빔(12)을 시준렌즈(14)를 향하는 광 경로 상으로 반사시키며, 이 시준렌즈는 발산하는 빔(12)을 평행 빔(15)으로 변환한다. 평행 빔(15)은, 평행 빔의 파면을 변형하는 투명 광학부재(16) 상에 입사된다. 광학부재(16)에서 발생된 빔(17)은 대물계(18) 상에 입사된 다. 대물계는 1개 또는 그 이상의 렌즈 및/또는 격자들을 구비할 수 있다. 투명 광학부재(16)는 대물계(18) 내부에 일체화될 수 있다. 대물계(18)는 광축(19)을 갖는다. 대물계(18)는 빔 17을 기록매체(1)의 입사면(6)에 입사되는 수렴 빔(20)으로 변경한다. 대물계는, 투명층(3)의 두께를 통해 제 1 방사빔을 통과시키도록 구성된 구면수차 교정을 갖는다. 수렴 빔(20)은 제 1 기록매체(2)의 정보층(4)에 스폿(21)을 형성한다. 정보층(4)에 의해 반사된 방사선은 발산하는 빔(22)을 형성하며, 이것은 대물계(18)에 의해 거의 평행한 빔(23)으로 변형된 후, 시준렌즈(14)에 의해 수렴 빔(24)으로 변형된다. 빔 스플리터(13)는, 수렴 빔(24)의 적어도 일부를 검출계(25)를 향해 투과시킴으로써 순방향 빔과 반사 빔을 분리한다. 검출계는 검출평면(25')에 놓인 감광 영역을 구비한다. 검출계의 감광 영역은 방사선을 포착하여, 그것을 전기 출력신호(26)로 변환한다. 신호 처리기(27)는 이들 출력신호를 다양한 다른 신호로 변환한다. 이들 신호 중 한 개는 정보신호(28)로서, 그것의 값은 정보층(4)에서 판독된 정보를 표시한다. 정보신호는 오류정정용 정보처리부(29)에 의해 신호처리된다. 신호 처리기(27)로부터의 다른 신호들은 초점 오차신호와 래디얼 오차신호이다. 초점 오차신호는 스폿(21)과 정보층(4) 사이의 축방향 높이차를 표시한다. 래디얼 오차신호는, 스폿(21)과 스폿에 의해 뒤따르게 될 정보층 내부의 트랙의 중심 사이의 정보층(4)의 평면에서의 거리를 표시한다. 초점 오차신호와 래디얼 오차신호는 서보회로(31)로 공급되며, 이 서보회로는 이들 신호를 초점 액추에이터와 래디얼 액추에이터를 각각 제어하는 서보 제어신호(31)로 각각 변환한다. 이들 액추에이터를 도면에는 도시하지 않았다. 초점 액추에이터는, 초점 방향(33) 으로 대물계(18)의 위치를 제어함으로써, 스폿(21)의 축방향 위치가 정보층(4)의 평면과 거의 일치하도록 이 위치를 제어한다. 래디얼 액추에이터는, 반경 방향(34)으로 대물렌즈의 위치를 제어함으로써, 스폿(21)의 반경 방향의 위치가 정보층(4) 내부에 뒤따르게 될 트랙의 중심선과 거의 일치하도록 이 위치를 제어한다. 도면에서 트랙들은 도면의 평면에 수직한 방향으로 존재한다.
도 1의 장치는, 본 발명에 따르면 제 2 형태의 제 2 기록매체(40)도 주사하도록 구성된다. 이 기록매체는 제 1 기록매체(2)보다 두꺼운 투명층(41)과, 정보층(42), 보호층(43) 및 입사면(44)을 구비한다. 이 장치는 정보 평면(42)을 주사하기 위해 제 2 방사빔(8)을 사용한다. 제 2 방사빔의 개구수(NA)는 정보층(42)을 주사하기 위한 초점 스폿(47)을 형성하는데 적합한 NA를 갖는 수렴 빔(45)을 얻도록 구성된다. NA에 대한 적절한 값은, DVD형 기록매체에 대해서는 0.6의 제 1 개구수 NA1이고 기록가능한 CD형 기록매체에 대해서는 0.5의 제 2 개구수 NA2이다. 일반적으로, 제 2 방사빔(46)은 수렴 빔(45)을 형성하는데 필요한 것보다 큰 직경을 갖는다. 수렴 빔(45)을 형성하는 제 2 방사빔(46)의 부분은 중앙 서브빔(48)으로 불리고, 중앙 서브빔 주위에 있는 제 2 방사빔의 환형 부분은 외부 서브빔(49)으로 불린다.
투명층의 서로 다른 파장 및 서로 다른 두께로 인해, 대물계(18)의 구면수차 보상은 투명층(41)의 두께에 맞추어 변형되지 않는다. 광학부재(16)는 제 2 방사빔이 광학부재를 통과할 때 다른 무엇보다도 구면수차의 형태를 갖는 파면편차를 도입하도록 설계된다. 대물계에 입사된 중앙 서브빔(48) 내부에 도입된 구면수차는, 광학부재(16)와 대물계(18)에 의해 방사빔 내부에 도입된 결합된 구면수차가 투명층(41)을 통과할 때 방사빔에 의해 초래된 구면수차를 보상하도록 선택된다.
도 2는 일례로서 광학부재(16)의 광축(19)을 통한 단면을 나타낸 것이다. 광학부재는 투명판(50)을 구비하며, 이 투명판의 일면(51)에는 광축(19)을 중심으로 회전대칭을 이루는 위상 구조(52)가 설치된다. 위상 구조는 중앙 영역(53)과 8개의 동심을 이루는 환형 영역(54∼61)을 갖는다. 이들 영역은 서로 다른 높이를 갖는데, 이것은 광학부재를 투과한 방사빔의 광속들의 서로 다른 광경로들을 초래한다. 도면에 도시된 영역들의 높이는 투명판(50)의 두께 및 반경방향의 크기에 대해 과장 도시하였다. 후술하는 것과 같이, 위상 구조의 적절한 설계는, 파장 λ1 및 λ2를 갖는 제 1 및 제 2 방사빔에 소정의 파면편차의 도입을 허용한다. 도 1에 도시된 장치의 실시예에 있어서는, 위상 구조가 제 1 방사빔에 어떠한 파면편차도 도입하지 않지만, 제 2 방사빔의 중앙 서브빔에 구면수차와 어쩌면 초점 흐려짐도 도입하는 한편, 제 2 방사빔의 외부 서브빔에 어떠한 파면편차도 도입하지 않는다.
위상 구조에 의해 도입된 파면편차가 적절히 선택되지 않으면, 검출계의 평면에서의 강도 분포는 도 3a에 도시된 것과 같은 분포(70)의 형태를 갖는다. 이 분포는 중앙에서 가장 높은 강도를 가지며, 중앙에서 밖으로 감소하는 강도를 갖는다. 점선의 원(71)은, NA2보다 작은 개구수를 갖는 광속들, 즉 중앙 서브빔(48)으로부터의 광속들이 놓이며, 검출계에 의해 포착되어야만 하는 광속들이 놓이는 원이다. 외부 서브빔(49)으로부터의 광속들은 일부가 이 원의 내부에 일부가 이 원의 외부에 놓이며, 검출계에 의해 발생된 전기신호에 노이즈를 발생하여, 장치의 허용오차를 줄인다. 검출계가 중앙 서브빔(48)으로부터의 광속만을 포착하도록 검출계를 배치하는 것은 곤란하다.
도 3b는 적절히 설계된 위상 구조를 사용할 때 제 2 방사빔의 검출계(25)의 평면에서의 방사선 분포(70')를 나타낸 것이다. 검출계의 평면에서, 중앙 강도 분포(72)와 환형의 외부 강도 분포(73)는 링 형태의 다크 영역(74)에 의해 구별 및 분리될 수 있다. NA2보다 작은 개구수를 갖는 중앙 서브빔으로부터의 광속들은 중앙 분포(72)로 제한된다. 더 큰 개구수를 갖는 외부 서브빔으로부터의 광속은 외부 분포(74) 내부에 속한다. 본 발명에 따른 위상 구조는 2가지 분포의 적절한 분리를 제공하여, 원하는 광속들과 원치 않는 광속들의 정확한 공간 분리를 허용한다. 다크 링(dark ring)은, 검출계의 감광 영역의 실제 치수에 비교적 무관하게, 검출계의 적절한 배치를 허용한다. 정보층 상의 중앙 서브빔의 초점과 외부 서브빔의 초점의 위치의 축방향 이동이 다크 영역의 형성을 용이하게 한다는 것이 밝혀졌다.
중앙 서브빔의 초점과 외부 서브빔의 초점 사이에 초점 오프셋을 도입하는 효과를 도 4를 참조하여 설명한다. 시준렌즈(14)를 선 80으로 표시하였으며, 대물계(18)를 선 81로, 정보층(42)을 선 82로, 검출 평면(25')을 선 83으로 표시하였다. 검출계의 감광 영역의 크기를 굵은 선 84로 표시하였다. 광축을 점선 85로 표시하였다. 이와 같은 도면에 대해, 광학부재는 대물렌즈 내에 일체화된 것으로 간주한다. 이 설명의 첫 번째 부분은, 기록매체(40)가 방사선을 정보층(42)으로 통과 시키는 투명층(41)을 갖지 않는다고 가정한다. NA2보다 작은 NA에 속하는 방사빔의 반경에 있는 광속(86)은 대물계(81)에 의해 광축(85)에 위치한 정보층(82)에 초점이 맞추어진다. 반사된 후에, 광속들은 대물계(81)에 의해 평행광으로 변환되고 시준렌즈(80)에 의해 수렴되어 광축 상의 검출 평면(83)을 교차한다. 광속 87은 NA2보다 작은 NA에 속하는 방사빔의 반경에 위치하며, 대물계에 입사하기 전에, 광속 86에 평행하게 진행한다. 대물계에 의해 주어진 초점 흐려짐의 양은 NA<NA2를 갖는 중앙 서브빔 내부의 광속들과 NA>NA2를 갖는 외부 서브빔 내부의 광속들에 대해 다르다. 도 4에 도시된 예는, 중앙 서브빔에 대해서보다 외부 서브빔에 대해 더 큰 초점거리를 갖는 대물계를 나타낸 것이다. 중앙 서브빔의 초점 흐려짐이 대물계와 중앙 서브빔 사이의 거리를 증가시키면, 2개의 초점 사이의 거리 Δz는 음의 값으로 여겨진다. 도면에 있어서 Δz의 값은 음이다.
광속 87은 정보층(82)과 광축의 교차점으로부터 떨어진 거리 Δz에서 광축을 교차하게 된다. 그러나, 정보층에서의 반사는 광속을 대물계(81)로 방향을 바꾼다. 대물계(81)와 시준렌즈(8)는 광속이 검출 평면(83)의 뒤에서 광축을 교차하도록 한다. 영역의 크기가 충분히 작으면, 이 광속은 감광 영역(84)에 의해 잡히지 않는다. 근축 계산으로부터, 정보 평면(82) 상의 개구수 NA를 갖는 광속(87)은 다음 식으로 주어지는 높이 h에서 검출 평면(83)을 교차한다:
Figure 112002021680553-pct00001
이때, F0와 Fc는 각각 대물계와 시준렌즈의 초점거리이다. 다음 식을 만족할 때, NA2보다 큰 NA에 속하는 광속은 반경 Rd를 감광 영역(84)에 떨어지지 않게 된다:
Figure 112002021680553-pct00002
Rd=50㎛, Fobj=2.75mm, Fservo=11mm 및 NA2=0.50일 때, Δz의 절대값 ｜Δz｜는 12.5㎛보다 커야만 한다.
기록매체가 서로 다른 두께의 투명층 3 및 41을 구비할 때, 광속들은 기록매체의 형태에 의존하는 구면수차의 양을 유발한다. 투명층의 두께의 차이 Δd로 인해 발생하는 구면수차는 Wdisc(ρ)로 주어지는데, 이때 ρ는 NA2 상에서 정규화된 동공 좌표이고, 즉 ρ=1은 NA2에 해당한다. 이 예에서, 광학부재 상의 위상 구조는 중앙 서브빔, 즉 NA<NA2를 갖는 광속의 Wdisc(ρ)를 보상하며, 중앙 서브빔에 대해서도 Δz와 동일한 초점의 축방향 이동에 대응하는 초점 흐려짐을 도입한다. 외부 서브빔은 두께의 차이 Δd가 보상되지 않으며 초점도 이동하지 않는다. 수차가 존재하는 경우에, 외부 서브빔은 수차가 없이 초점 위치로부터 거리 Δzb만큼 변위된 그거의 최상의 초점 위치를 갖는다. 중앙 서브빔의 초점과 외부 서브빔의 초점 사이의 축방향 거리가 다음 식을 만족할 때, 외부 서브빔의 광속은 감광성 표면(84)에 부딪치지 않는다:
Figure 112002021680553-pct00003
값 Δzb의 추정값은 3차 수차만을 고려하여 얻어질 수 있다. 두께의 차이 Δd로 인한 파면수차 Wdisc(ρ)와 외부 서브빔의 초점의 초점 오프셋 Δzb로 인한 파면수차로 구성되는 전체 파면수차 W(ρ)는 다음 식으로 주어진다:
Figure 112002021680553-pct00004
이때,
Figure 112002021680553-pct00005
이 식에서, n은 투명층(41)의 굴절률이다. 상기한 식 (5) 및 (6)에서의 파면수차는 자이델 다항식의 항으로 표현된다. 파면수차의 Wdisc(ρ)에 비례하는 구면수차 항은 NA<NA2에 대해서는 위상 구조에 의해 보상되는 한편, 더욱이 Δz의 초점 오프셋은 위상 구조에 의해 발생된다. 외부 서브빔에 대한 최상의 초점의 위치는, 초점 흐려짐 위치 Δzb의 함수로써의 외부 서브빔의 광경로 차이(optical path difference: OPD)의 최소화로부터 찾을 수 있다:
Figure 112002021680553-pct00006
이때, ρ1=NA1/NA2이다. 최소의 OPD는 다음 값에 대해 얻어진다:
Figure 112002021680553-pct00007
n=1.58, NA2=0.5, ρ1=1.2 및 Δd=0.6mm에 대해, 거리 Δzb는 34.7㎛이 된다. 도 4에 도시된 광학계의 더욱 정밀한 광선추적(race-trace) 분석에 따르면, Δzb가 34.8㎛이다. 구면수차의 존재로 인해 외부 초점이 광학계로부터 떨어져 이동하는 경우에는, Δzb의 값이 양이 된다.
이 예에 적용된 수식 (2) 및 (3)에 따르면 중앙 서브빔의 초점과 외부 서브빔의 초점 사이의 12.5㎛의 최소 거리가 얻어진다. 이것이 외부 서브빔의 초점의 위치, 즉 Δzb가 34.8㎛와 같다는 것과 결합되면, 외부 서브빔의 광속들이 검출계의 감광성 표면 상에 떨어지지 않도록 위상 구조에 의해 중앙 서브빔에 도입되어야 하는 초점 흐려짐 Δz의 양은 다음을 만족해야만 한다:
Δz<22.3㎛ 또는 Δz>47.3㎛.
이와 같은 특정한 예에서는, Δz=0일 때 적당한 초점 흐려짐이 얻어지며, 이때 위상 구조는 초점 흐려짐을 도입하지 않는다. Δz에 대한 바람직한 값은 광학부재의 제조 가능성에 의존한다.
상기한 위상 구조의 동심원 영역들의 폭이 넓은 경우에, 광학부재를 제조하기가 더욱 용이하다. W(ρ)의 경사가 더 작으면, 이들 영역들의 폭이 더 넓어진다. 3차 수차에 따르면, 위상 구조가 Δz의 초점 흐려짐 양을 도입할 때, 위상 구조에 의해 보상되어야 하는 파면수차 W(ρ)는 다음 식으로 주어진다는 것이 밝혀졌다:
Figure 112002021680553-pct00008
Δz가 다음과 같이 주어졌을 때,
Figure 112002021680553-pct00009
W(1)=0이 된다. 이와 같은 W의 값에 대해, 파면은 적절히 평탄하며, 위상 구조가 양호하게 제조될 수 있다. 상기한 예에 대해, 이것은 Δz=14.2㎛을 제공한다. W(1)>0일 때에는, 파면의 경사가 더 작아져, 제조 가능성을 더욱 향상시키지만, 공간 필터링의 품질을 줄인다. 이와 달리, W(1)<0일 때, 공간 필터링이 향상되지만, 제조 가능성이 악화된다. Δz에 대한 바람직한 값은 파면이 가장 작은 최대 경사를 갖는 값이다.
본 실시예에 있어서, 대물계(10)는, 파장 λ1=660nm를 갖는 입사된 평행 빔을 투명층(3)을 통해 정보층 상에 스폿을 형성하는 NA=0.6인 수렴 빔으로 초점을 맞추는 단일 렌즈를 갖는다. 본 실시예에 있어서 자유 작업거리(free working distance)는 1.290mm이다. 투명층의 두께는 0.6mm이며, 굴절률 n=1.5803을 갖는 폴리카보네이트로 제조된다. 렌즈는 광축 상에서 1.922의 두께를 갖고 3.3mm의 입사동 직경을 갖는다. 렌즈의 몸체는, 굴절률 n=1.7767을 갖는 SFL 쇼트(Schott) 유리로 제조된다. 시준렌즈를 향하는 렌즈 몸체의 볼록면은 2.32mm의 반경을 갖는다. 렌즈는, 제 1 투명층(3) 내부에 제 1 방사빔에 의해 초래된 구면수차를 보상하기 위해 비구면 형태를 갖는다. 비구면 형태는 유리 몸체 위에 아크릴의 박막을 사용하여 구현된다. 래커(lacquer)는 n=1.5646의 굴절률을 갖는다. 광축 상에서 이 층의 두께는 22 마이크로미터이다. 회전 대칭의 비구면 형태는 다음 식으로 주어진다:
Figure 112002021680553-pct00010
이때, z는 방사원으로부터 기록매체로의 방향으로 광축을 따른 표면의 위치를 밀리미터 단위로 측정한 것이고, r은 광축까지의 거리를 밀리미터 단위로 나타낸 것이며, Bk는 r의 k승의 계수이다. 계수 B2 내지 B14의 값은 본 실시예에 있어서는 각각 0.24134835, 0.0051012159, -0.00098850422, 0.00060334583, -0.00021740397, 1.9331367x10-5 및 1.6587855x10-6이다.
광학부재(16)는, 660nm에서 1.4891의 굴절률을 갖는 평탄한 PMMA 판으로 제조된 비주기적 위상 구조로서, 시준렌즈에 대향하는 대물렌즈의 측에 배치된다. 광축(19)으로부터 제 2 개구수에 속하는 반경까지 구역 높이 분포는 0h, 5h, 4h, 3h, 2h, 3h, 4h, 5h 및 0h이며, 이때 높이 h1=1.349㎛이다. 구역 경계는 각각 0.3322mm, 0.4893mm, 0.6241mm, 0.7728mm, 1.1537mm, 1.2413mm, 1.3010mm, 1.3497mm, 1.3900mm이며, 최종 반경은 제 2 개구수와 일치한다. 서보 렌즈의 초점 거리는 Fservo=11mm이다.
인접하는 영역들 사이의 높이차는 다음 식으로 주어지는 높이 h1의 배수 m과 동일하다:
Figure 112002021680553-pct00011
이때, λ1은 제 1 파장이고, n1은 파장 λ1에서의 환형 영역의 물질의 굴절률이다. 배수 m은 임의의 정수값, 예를 들면 -1, 0 또는 1일 수 있다. 중앙 영역(53)의 높이에 대한 동심 영역들의 높이는 h1의 0, 5, 4, 3, 2, 3, 4, 5 및 0배이다. 광학부재를 가로지르는 파장 λ1을 갖는 제 1 방사빔에서 위상 구조의 인접하는 영역들에 의해 도입된 광경로 차이(OPD)는 mh1(n1-1)인데, 이것은 mλ1과 동일하다. 그 결과, 상기한 위상 구조는 제 1 방사빔에 평탄한 파면편차를 도입한다. 즉, 위상 구조는 제 1 방사빔의 파면에 영향을 미치지 않는다.
CD 판독/기록 동작에 대해, 파장은 NA=0.5에서 λ2=780nm이다. 대물렌즈의 복제층(replica layer)의 이와 같은 파장에 대한 굴절률은 1.5589이고, 대물렌즈의 유리 몸체는 1.7661이며, PMMA 판은 1.4862이고, 폴리카보네이트 투명층(41)은 1.5735이다. 투명층(41)의 두께는 1.2mm이다, 자유 작업 거리는 0.9550mm이다. 이 경우에, NA=0.5를 만족하는 입사동 반경은 1.3900mm이다.
제 2 방사빔이 광학부재(16)를 통과할 때, 방사빔이 λ1과 다른 파장 λ2를 갖고 동심 영역에 의해 도입된 광경로 차이가 λ2의 배수가 아니기 때문에, 파면이 영향을 받는다. 이하, 도 2의 특정한 위상 구조에 대해 이들 차이를 결정한다. 동 심 영역들의 물질은 폴리메틸메타크릴산(PMMA)으로서, 660nm인 λ1에 대해서는 1.3891의 굴절률 n1을 갖고, 785nm의 λ2에 대해서는 1.4862의 굴절률 n2를 갖는다. 하기 표 1은 λ2로 나눈 광경로 차이 OPD의 분수값, 즉 mh1의 단차 높이에 대한 {mh1(n2-1)modλ2}λ2와 1 내지 6의 값을 갖는 m을 나타낸 것이다. 이때, 이 표에서 가장 큰 높이가 가장 작은 OPD를 제공한다는 점에 주목하기 바란다.
m {OPDmodλ2}/λ2
1 2 3 4 5 6 0.8411 0.6823 0.5234 0.3645 0.2057 0.0468

환형 영역들의 높이와 반경방향의 크기는, 1.2의 투명층에 의해 파장 λ2 및 0.5의 NA2를 갖는 수렴 빔(45)에 도입된 구면수차와, 빔(45)에 대물계(18)에 의해 도입된 수차의 합과 동일한 양의 구면수차를 도입하도록 선택되었다. 이와 같은 합계는, 기록매체들의 투명층의 두께의 차이에 기인한 구면수차의 차이와 같다. 대물계의 구면 색수차(sphero-chromatism), 즉 파장이 λ1에서 λ2로 변할 때 대물계에 의해 도입된 구면수차의 변화는, 두께의 차이에 기인한 구면수차의 차이보다 작은 크기를 가지며, 이것은 전술한 차이값에 포함되는 것으로 생각된다. 본 발명에 따 르면, 제르니케 다항식(Zernike polynomial)의 항으로 0.30λ의 초점 흐려짐 양이 추가된다. 초점 흐려짐의 양의 부호는, 중앙 빔의 초점과 대물렌즈 사이의 거리가 더 크다는 것을 나타낸다.
상기한 위상 구조는, 투명층들 3 및 41 사이의 두께차를 보상하고, λ1으로부터 λ2로의 파장의 변화에 기인한 대물렌즈에 의해 도입된 구면수차의 변화, 즉 대물계의 구면 색수차를 보상하는데 필요한 양의 구면수차를 중앙 서브빔에 도입한다. 또한, 이 위상 구조는 W(1)=0에 대응하는 14.2㎛의 초점 오프셋 Δz을 발생하는 양의 초점 흐려짐을 중앙 서브빔에 도입한다.
자유 작업 거리가 18.4㎛ 더 컸다면, 광선추적 계산에 따라 NA>0.5인 빔의 최상의 초점 위치가 얻어졌을 것이다. 따라서, 검출계에 근접하여 위치한 외부 서브빔의 초점은 검출 평면의 뒤에 놓여, 검출 평면에 80㎛의 내부 반경을 갖는 환형 방사선 분포를 생성한다. 반경 Rd=50㎛인 감광 영역을 갖는 검출계가 사용될 때, 이러한 분포는 공간 필터링을 허용한다. 이와 같은 검출계를 사용할 때, 내부 빔과 외부 빔 사이의 초점 오프셋의 절대값은 11.3㎛보다 큰 것이 바람직하다.
전술한 위상 구조의 실시예에 있어서, 외부 서브빔의 최상의 초점 위치는 내부 서브빔의 초점 위치보다 대물렌즈로부터 18.4㎛ 더 멀리 떨어져, 80㎛의 최대 검출기 반경을 허용한다. 전체 NA1 개구수에 걸쳐 비주기적 위상 구조를 확장함으로써, 중앙 서브빔과 외부 서브빔 사이의 초점 오프셋이 증가될 수 있다. NA<NA2에 대한 비주기적 위상 구조를 이전의 실시예에서 동일하다고 하자. 이 비주기적 위상 구조는 NA>NA2의 영역, 즉 r>1.39mm에서 3개의 단차로 구성된다. 이들 단자 사이의 동심 영역들은 1.39-1.48mm, 1.48-1.57mm 및 1.57-1.65mm의 변위를 갖는다. 이들 단차의 높이는 각각 2h1, 1h1 및 0h1이다. 이 비주기적 위상 구조의 외부 부분은 평탄한 입사된 외부 서브빔을 전체적으로 발산 빔에 근사되는 빔으로 변환한다. 외부 서브빔에 대한 대물렌즈의 대물 거리는 마이너스 무한대로부터 l=-1260.4mm로 변한다. 따라서, 상 거리에서의 결과적으로 얻어지는 초점 이동 Δzb는 다음 식으로 주어져,
Figure 112002021680553-pct00012
Δzb=6.0㎛을 제공한다. 그 결과, 대물렌즈와 디스크 사이의 자유 작업거리가 중앙 서브빔의 초점에 대해 18.4㎛+6.0㎛=24.4㎛ 만큼 증가되었을 때, 외부 서브빔의 최상의 초점 위치가 얻어진다. 이에 따라, 최대의 허용된 검출기 직경은 105㎛으로 증가된다.
위상 구조를 갖는 광학부재는 소위 복제공정을 사용하여 제조될 수 있는데, 예를 들면, 디아크릴(Diacryl)의 래커층이 기판 상에 적층되고, 위상 구조 외형의 음각을 구비한 몰드에 의해 성형되어, UV 조사에 의해 경화된다. 이와 달리, 광학부재는, 그것의 절반이 위상 구조의 외형을 구비한 몰드에서 전체 부재를 주입성형하여 제조될 수도 있다. 이 광학부재는 반사시에 동작할 수도 있다. 이와 같은 경우에, h1에 대한 전술한 식은 h1=λ1/2로 치환되어야 하며, 표 1이 이에 따라 변형되 어야 한다. 실제로 제조된 광학부재에 의해 도입된 파면은, 광학부재 앞과 뒤의 방사빔의 파면의 측정이나, 위상 구조의 동심 영역들의 높이 및 크기의 측정에 의해 결정될 수 있다. 후자의 경우에, 초점 흐려짐 및 구면수차 항을 포함하는 다항식 함수는 위상 구조의 치수로부터 계산된 단차가 형성된 파면을 거쳐 조정된다.
도 1에 도시된 광학 헤드의 실시예는, 당업계에 공지된 비점수차법을 사용하여 초점 오차신호(30)를 형성하도록 변형될 수 있다. 더구나, 광학 헤드는 빔 스플리터(13)와 검출계(25) 사이의 제 1 및 제 2 방사빔의 광경로에 배치된 렌즈(90)를 구비한다. 이 렌즈는 제 2 파장에서 1.5734의 굴절률을 갖는 폴리카보네이트로 제조된다. 이것은 광축 상에서 0.9mm의 두께를 갖는다. 렌즈의 한쪽 표면은 15.5mm의 반경을 갖는 원통형이며, 다른 표면은 3.44mm의 반경을 갖는 구면이다. 이 렌즈(90)는 중앙 서브빔이 검출 평면(25')의 0.299mm 앞과 0.355mm 뒤에 놓인 2개의 초점 라인을 구성하게 한다. 중앙 서브빔의 초점이 정보층(42) 상에 놓이는 경우에, 대체로 원형인 소위 최소 착란의 스폿(spot of least confusion)은 검출 평면에 존재하며, 55㎛의 기하학적 직경 D를 갖는다. 이 스폿은 도 3b에서 중앙 강도 분포 782에 해당한다. 비점수차 초점 라인은 2D의 길이를 갖는다. 도 5는 4분면 검출기의 형태를 갖는 검출계(25)의 일 실시예의 감광 영역(92) 상의 중앙 강도 분포((1)의 위치를 나타낸 것이다. 영역 92는 2개의 라인 94에 의해 분리된 4개의 동일한 크기의 서브 영역(93)으로 분할된다. 렌즈(90)의 원통의 축은 라인 94의 방향과 45°의 각을 이룬다. 그 결과, 초점 라인들은 정사각형 검출기의 변들에 대해 45°로 배향되며, 감광 영역이 정사각형인 경우에는 L·L의 크기를 가져야 하는데, 이때 L은 약 sqrt(2)·D 또는 그 이상이다. 이와 같은 검출기의 실시예에 있어서, 영역(92)의 크기는 100㎛x1000㎛이다. 도면에는 검출 평면에서의 외부 강도 분포(95)가 도시되어 있다. 외부 강도 분포의 방사선이 감광 영역에 떨어지는 것을 방지하기 위해서는, 외부 강도 분포의 내경이 약 sqrt(2)·L 또는 그 이상이어야 한다. 본 실시예에 있어서, 내경은 약 sqrt(2)·100㎛=142㎛ 또는 그 이상이어야만 한다. 외부 방사빔의 붙잡힌 방사선의 양이 전술한 양을 초과하지 않는 경우에는, 감광 영역의 가장자리들이 작은 거리만큼 외부 방사선 분포로 확장될 수 있다. 원하는 내경을 얻기 위해서는, 대물계에 의해 형성된 중앙 서브빔의 초점과 외부 서브빔의 초점 t이의 거리는 적어도 16㎛이어야만 한다. 이와 같은 초점 오프셋은 전술한 실시예에서 계산된 초점 오프셋과 동일한 정도의 크기를 갖는다.
파면을 약간 교정함으로써 공간 필터링이 더욱 더 향상될 수 있다. 이것을 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다. 도 6의 상단 도면은 위상 구조의 반경의 함수로써의 h1의 단위를 갖는 위상 구조의 영역의 높이 h를 나타내고 있다. 이때, 도 6 및 도 7에 도시된 반경들은 전술한 실시예에서의 영역들의 반경들과 정확히 일치하지 않을 수 있다는 점에 주목하기 바란다. 도 6에 도시된 위상 구조는 향상된 공간 필터링을 위한 특징을 포함하지 않는다. 반경은 방사빔 내부의 광속의 개구수 NA의 항으로 표시되며, 광속은 방사빔의 중앙 광속으로부터 반경과 동일한 거리에 위치한다. 소위 사인 조건을 만족하는 렌즈에 대한 공기에서의 반경 r과 개구수 NA 사이의 관계는 NA=r/f로 주어지는데, 이때 f는 대물계(18)의 초점 거리이다. 이 도면에는 CD와 DVD에 대해 각각 0.5 및 0.6의 NA가 도시되어 있다. 외부 영역(60)은 제 로 높이를 갖고 NA2까지 확장되는 영역(62)에 놓인다. 제로 높이의 영역 63과 함께, 이 영역은 영역 61을 형성한다. 도 6의 중앙 도면에 있는 실선 64는 위상 구조에 의해 제 1 방사빔에 도입된 OPD 또는 파면편차를 나타낸 것으로, OPD는 λ1의 단위를 갖고 빔의 중앙 광속의 광경로에 관련된다. 영역 54 내지 60의 OPD들은 음의 값을 갖는데, 이것은 광속들이 도 2에 도시된 위상 구조에 의해 지연되기 때문이다. 즉, 위상 구조의 형태는 부분적으로 오목한 형태이며, 도입된 파면편차는 볼록한 형태이다. 중앙 도면에 있는 점선 65는 광학부재를 통과한 후 제 1 방사빔에 도입된 파면편차를 나타낸 것이다. 파면편차는 전체적으로 그리고 국부적으로 평탄한데, 이것은 광학부재가 제 1 방사빔에 영향을 미치지 않는다는 것을 나타낸다. 대물계(18)는 제 1 방사빔에 의해 제 1 형태의 기록매체의 투명층(3)에 초래된 구면수차를 보상하기 위해 필요한 양의 구면수차를 도입한다. 따라서, 제 1 방사빔은 광학부재(16)와 대물계(18)를 통과한 후 제 1 형태의 기록매체에 대해 정확하게 보상된다.
광학부재에 의해 제 2 방사빔에 도입된 파면편차를 도 6의 하단 도면에 실선 66으로 도시하였다. 종축을 따른 OPD는 λ2의 단위로 주어진다. 점선-실선 곡선 67-68은 기록매체의 투명층의 두께차에 기인한 구면수차의 차이이다. 이와 같은 구면수차의 차이는, NA2=0.50까지, 즉 제 2 형태의 기록매체가 주사될 때의 제 2 방사빔의 개구수까지 광학부재(16)에 의해 보상되어야만 한다. 하단의 도면에는, 단차가 형성된 파면(66)이 전체적으로 원하는 구면수차(67)에 근사되는 것을 나타내고 있 다. 그러나, 이와 같은 근사는 국부적인 레벨, 즉 동심 영역들의 레벨에서는 정확하지 않아, 각각의 영역인 평탄한 파면편차를 제공하는 한편, 이 영역에 대한 원하는 파면편차는 대체로 평탄하지 않다. 국부적인 레벨에서의 이와 같은 불일치는, 하단의 도면에 톱니형 라인(69)으로 나타낸 것과 같이, 구면수차의 교정이 완전하지 않게 한다. 이 라인은 λ2의 단위로 측정된 초점 스폿(47) 근처의 파면이다. 이 파면은 정정하고자 하는 파면(67)과 광학부재의 실제 파면 정정(66) 사이의 차이에 해당한다.
제 2 방사빔의 불완전한 교정은, 검출계(25)에 의한 기록매체(40)로부터 복귀한 방사빔의 검출에 영향을 미친다. 광학부재(16)로부터 들어와 검출계를 향해 진행하는 빔의 파면이 평탄하지 않으면, 시준렌즈(14)가 광속의 초점을 맞추어 방사빔의 중앙 광속과 검출계의 교차점 상에서 빔을 정확하게 형성한다. 광학부재가 구면수차로 인한 파면의 위상 에러를 거의 줄이기는 하지만, 파면의 구배 또는 경사를 변경시키지는 않는다. 파면 상의 국부적인 법선이 방사빔 내부의 광속의 방향이기 때문에, 광속의 방향은 톱니형 프로파일(69) 상의 법선으로부터 구할 수 있다. 구면수차가 정정되는 프로파일(69)에 대응하는 방향은, 구면수차가 정정되지 않은 프로파일(67)에 대한 것과 동일하다. 약 0.35보다 작은 NA에 대해서는, 광속이 약 0.35보다 큰 NA를 갖는 광속보다 대물계(18)에 더 근접하게 방사빔의 중앙 광속을 교차한다. 이것은 검출 평면에서 중앙 및 외부 강도 분포의 폭이 넓어지게 한다.
도 7은, 도 6과 동일한 도면이지만, 위상 구조는 향상된 공간 필터링을 위한 특징을 구비한다. 위상 구조의 단면은 도 5에 도시된 상단 도면에 도시되어 있다. 이 구조는 도 6에 도시된 것과 같이 영역 54 내지 57에 평평한 상부면을 갖는다. 영역 58', 59' 및 60'은 평평한 상부면 대신에, 경사진 상부면을 갖는다. 마찬가지로, 영역 60'은 경사진 상부면을 갖는다. 도 7에 도시된 중앙 도면에는, 제 1 방사빔에 대한 파면(65')이 투명층(3)을 횡단할 때 제 1 방사빔에 의해 초래된 구면수차를 보상하는데 필요한 평탄한 파면에 전체적으로 근사하는 것이 도시되어 있다. 그러나, 국부적으로, 이와 같은 보상은 영역들 각각이 거의 평탄한 파면을 형성하는 영역 53 내지 57에 대해서만 정확하다. 이러한 보상은, 도면에 도시된 것과 같이, 파면에 작은 톱니를 나타내는 영역들 58' 내지 60'과 62'에 대해서는 완전하지 않다. 이와 같은 불완전한 보상은, 기록매체(2)를 주사하는데 중요하지 않은 스폿의 열화에 해당하는 소위 스폿의 슈트렐(Strehl) 강도를 1.00으로부터 0.93으로 줄인다.
도 7의 하단 도면은 제 2 방사빔에 대한 영역들의 OPD를 나타낸 것이다. 통상적인 위상 구조와 유사하게, 영역들 53 내지 57의 보상이 완전하지 않다. 영역들 58' 내지 61'에 있는 위상 구조의 상부면의 경사는, 구면수차(67)의 차이와 국부적으로 동일한 파면을 구성하도록 선택되어, 거의 완전한 보상을 제공한다. 이것은 도면에서 NA=0.35와 0.5 사이에 평탄한 파면(69)으로 도시되어 있다. NA보다 큰 개구수를 갖는 광속에 대한 영역 63에는 보상이 존재하지 않아, 구면수차에 대한 파면 특성에 큰 구배를 발생한다. 영역 60'으로부터 영역 61로의 보상의 전환은, NA2=0.50에서 OPD(69')에 있어서의 굴곡으로 하단 도면에 나타낸 파면의 구배에 불 연속을 일으킨다. 0.35 내지 0.50의 NA를 갖는 광속들은 중앙 광속과 검출 평면의 교점을 향한다. 이들 광속들은 약 0.35보다 작은 NA를 갖는 광속에 근접하게, 검출계(25) 상에 적절히 초점을 맞춘다. 0.50보다 큰 NA를 갖는 광속들은 대물계로부터 멀리 떨어진 위치를 향한다. 광속들의 방향을 바꾸는 효과는, 중앙 및 외부 강도 분포에 광속들을 더욱 강하게 집중시키는 것으로, 이것은 2가지 강도 분포 사이에 폭이 더 넓으며 및/또는 더 어두운 영역과, 향상된 공간 필터링을 제공하게 된다.
상기한 위상 격자는 도 1에 도시된 실시예에 있어서는 투명판(50) 상이나 투명판 내부에 배치되지만, 이 위상 격자는, 시준렌즈(14), 특히 그것이 입방체(cube) 빔 스플리터인 경우에는, 빔 스플리터(13), 또는 대물계(18) 등의 임의의 다른 광학부재 상에 또는 그것의 내부에, 바람직하게는 방사원(10)에 대향하는 대물계(18)의 렌즈의 표면 상에 배치될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 제 1 두께를 갖는 제 1 정보층 및 제 1 투명층을 구비한 제 1 광 기록매체를 주사하고, 제 1 두께와 다른 제 2 두께를 갖는 제 2 정보층 및 제 2 투명층을 구비한 제 2 광 기록매체를 주사하며,
    제 1 파장을 갖는 제 1 방사빔과, 제 1 파장과 다른 제 2 파장을 가지며 중앙 서브빔과 외부 서브빔을 포함하는 제 2 방사빔을 발생하는 방사원과,
    제 1 방사빔을 제 1 투명층을 거쳐 제 1 정보층 상의 초점에 집광시키며 제 2 방사빔을 제 2 투명층을 거쳐 제 2 정보층 상의 초점에 집광시키는 광학계와,
    정보층으로부터의 제 1 및 제 2 방사빔의 방사선을 수광하며 검출 평면에 배치된 감광 영역을 포함하는 검출계를 구비하되,
    상기 광학계가 비주기적인 위상 구조를 갖는 광학부재를 구비하고, 이 위상 구조가 전체적으로 평탄한 파면편차에 근사되는 파면편차를 제 1 방사빔 내부에 유발하며 제 1 및 제 2 투명층으로 인한 구면수차의 차이를 보상하는 파면편차를 중앙 서브빔 내부에 유발하는 복수의 동심 영역을 포함하는 광학 헤드에 있어서,
    상기 광학부재는 제 1 방사빔과 중앙 서브빔 및 외부 서브빔에 대해 투명하고,
    중앙 서브빔의 초점이 제 2 정보층 상에 놓였을 때, 제 2 방사빔 내부에 유발된 파면편차가, 중앙 서브빔과 외부 서브빔의 방사선이 검출 평면에서 각각 중앙 강도 분포와 외부 강도 분포를 형성하고, 중앙 강도 분포와 외부 강도 분포가 다크 영역에 의해 분리되며, 감광 영역이 중앙 분포의 방사선만을 포착하도록 하는 파면편차인 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감광 영역은 강도 분포의 다크 영역에 배치된 가장자리를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 위상 구조는 전체적으로 광학수차 및 초점 흐려짐에 근사되는 파면편차를 제 2 방사빔 내부에 유발하고, 초점 흐려짐은 중앙 서브빔의 초점과 외부 서브빔의 초점 사이의 축방향 거리를 변화시키는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 위상 구조는 중앙 서브빔에 초점 흐려짐을 도입하는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 위상 구조는 외부 서브빔에 초점 흐려짐을 도입하는 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  6. 제 1항에 있어서,
    중앙 서브빔의 초점과 외부 서브빔의 초점 사이의 축방향 거리는 적어도 12.5㎛인 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
  7. 2가지 형태의 광 기록매체를 주사하는 주사장치에 있어서,
    청구항 1에 기재된 광학 헤드와, 오류정정용 정보처리부를 구비한 것을 특징으로 하는 주사장치.
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