KR100837458B1 - 빔 정형 소자 및 그것을 이용한 광 픽업 장치 - Google Patents

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코니카 미놀타 옵토 인코포레이티드
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Abstract

반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자(BC)이며, 제1 면(S1)과 제2 면(S2)에 대해 양면 모두 정원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖는 것으로 하고, 한쪽 면을 원호 원통면으로 하고, 다른 쪽 면을 비원호 원통면으로 한다.
Figure R1020067019417
레이저 광원, 빔 정형 소자, 편광 빔 스플리터, 광축, 콜리메이터 렌즈

Description

빔 정형 소자 및 그것을 이용한 광 픽업 장치{BEAM SHAPING ELEMENT AND OPTICAL PICKUP EMPLOYING IT}
본 발명은 빔 정형 소자에 관한 것으로, 예를 들어 광 픽업 장치에 있어서 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자에 관한 것이다.
광 픽업 광학계에 이용되는 일반적인 광원은 레이저 다이오드이고, 그 출사 빔은 단면 형상이 타원형인 발산 빔이다. 이 발산 빔을 그대로 대물 렌즈에 수렴시키면, 원형의 기록 영역의 일부만이 조사되거나 기록 영역의 외부도 조사되게 되어 기록이나 재생의 정확도가 저하되게 된다. 이로 인해, 기록 매체 상에서 레이저 광의 단면 형상이 원형이 되도록 빔 정형을 행할 필요가 있다.
또한 레이저 광원으로서 청색 반도체 레이저가 최근 이용되도록 되었지만, 그 파장이 짧기 때문에 기록ㆍ재생의 신호에 요구되는 정밀도는 엄격해지고 있다. 그럼에도 불구하고, 기존의 청색 반도체 레이저의 출력은 약하기 때문에, 정밀도 좋게 기록ㆍ재생하는 데 충분한 레이저 파워를 확보할 수 없다. 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환함으로써 레이저 광의 이용 효율을 높게 하면, 이 문제를 해결하는 것이 가능하다. 따라서 이 점에 관해서도, 빔 정형 기술이 매우 중 요한 것으로 되고 있다.
빔 정형에는 프리즘을 이용하는 방법이 일반적이다. 그러나, 프리즘에서 빔 정형을 행하기 위해서는 미리 레이저 광을 콜리메이트(collimate: 시준)해 둘 필요가 있다. 그것에는 콜리메이터 렌즈가 필요하게 되지만, 예를 들어 청색 레이저에 대응하는 경우, 콜리메이터 렌즈를 빔 정형 프리즘의 광원측에 배치하면, 디스크 기판이 오차를 가졌을 때의 구면 수차의 보정을 콜리메이터 렌즈의 이동으로 행할 수 없게 되는 등의 다양한 제약이 생기게 된다.
상기한 바와 같은 문제를 피하기 위해, 빔 정형을 렌즈 면에서 행하는 빔 정형 소자가 종래부터 제안되고 있다. 예를 들어 특허문헌 1에서는 양면에 아나모픽(anamorphic) 면을 갖는 빔 정형 소자가 제안되고 있어, 특허문헌 2에서는 양면에 원통면을 갖는 빔 정형 소자가 제안되고 있다. 이들 빔 정형 소자를 이용하면, 수차를 거의 발생시키지 않고 발산 빔을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 직접 변환할 수 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평9-258099호 공보
특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2002-208159호 공보
그러나, 특허문헌 1에서 제안되어 있는 바와 같이 빔 정형 소자의 면 형상을 양면 아나모픽으로 하면 금형 가공이 곤란해진다. 따라서 대량 생산에 부적합하고, 비용 상승을 초래하게 된다. 또한, 특허문헌 2에서 제안되어 있는 빔 정형 소자는 타원 빔의 단축 방향에 빔 직경을 확대하는 타입이므로, 출사 광속의 NA(numerical aperture)가 커져 버린다. 그 결과, 빔 정형 소자의 후방에 배치되 는 광로 합파ㆍ분기용 빔 스플리터에 레이저 광이 큰 각도로 입사하게 되고, PBS(polarizing beam splitter)막 등의 막 설계가 곤란해진다. 또한, 광속이 급속히 퍼져서 빔 정형 소자와 콜리메이터 렌즈와의 거리를 충분히 확보할 수 없게 되므로, 빔 정형 소자의 후방의 광학 부품의 배치가 곤란해진다.
본 발명은 이와 같은 상황에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은 양호한 성능을 유지하면서 제조 용이하고 광 픽업 광학계에 적합한 빔 정형 소자 및 그것을 이용한 광 픽업 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 제1 발명의 빔 정형 소자는 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (1)을 충족시키는 것을 특징으로 한다.
삭제
1 ≤ T1/T0 ≤ 10 …(1)
단,
T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께,
T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리이다.
제2 발명의 빔 정형 소자는 단독으로 혹은 상기 제1 발명에 있어서, 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (2)를 충족시키는 것을 특징으로 한다.
0.05 ≤ R1/R2 ≤ 1.1 …(2)
단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
R2 : 빔 정형 소자의 광 출사측면의 곡률 반경이고,
광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 한다.
제3 발명의 빔 정형 소자는 단독으로 혹은 상기 제1 또는 제2 발명에 있어서, 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (3)을 충족시키는 것을 특징으로 한다.
0.45 ≤ R1/T0 ≤ 1.5 …(3)
단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리이고,
광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 한다.
제4 발명의 빔 정형 소자는 단독으로 혹은 상기 제1 내지 제3 어느 한 발명에 있어서, 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (4)를 충족시키는 것을 특징으로 한다.
0.1 ≤ R1/T1 ≤ 0.6 …(4)
단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께이고,
광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 한다.
또한, 타원 빔을 출사하는 반도체 레이저 광원과,
상기 제1 내지 제4 발명 중 어느 한 발명의 빔 정형 소자와,
상기 빔 정형 소자로부터의 광을 기록 매체에 결상시키는 대물 렌즈를 구비한 광 픽업 장치로 한다.
삭제
본 발명에 따르면, 원호 원통면과 비원호 원통면이 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖는 구성으로 되어 있으므로, 경량ㆍ소형ㆍ고성능이면서 제조가 용이하고, 광 픽업 광학계에 적절하고, 또한 높은 정형 배율을 얻을 수 있는 빔 정형 소자를 실현할 수 있다. 그리고, 본 발명에 관한 빔 정형 소자를 광 픽업 장치에 이용하면, 기록ㆍ재생의 정밀도를 향상시키는 것이 가능해지고, 또한 레이저 광의 이용 효율이 향상되므로 청색 반도체 레이저에 대응하는 것도 가능해진다.
도1A는 빔 정형 소자의 일 실시 형태(제1 실시예)를 도시하는 광학 구성도.
도1B는 빔 정형 소자의 일 실시 형태(제1 실시예)를 도시하는 광학 구성도.
도2는 도1A, 도1B의 빔 정형 소자가 레이저 광원으로부터 콜리메이터 렌즈까지의 광로 중에 배치된 상태를 도시하는 광학 구성도.
도3은 도1A, 도1B의 빔 정형 소자를 탑재한 광 픽업 장치의 주요부 구성을 도시하는 모식도.
도4는 도1A, 도1B의 빔 정형 소자를 이용할 때에 코어 두께가 설계 성능에 미치는 영향을 나타내는 그래프.
도5A는 제1 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도5B는 제1 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도6A는 제2 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도6B는 제2 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도7A는 제3 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도7B는 제3 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도8A는 제4 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도8B는 제4 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도9A는 제5 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도9B는 제5 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도10A는 제6 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도10B는 제6 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도11A는 제7 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도11B는 제7 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도12A는 제8 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도12B는 제8 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도13A는 제9 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도13B는 제9 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도14A는 제10 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도14B는 제10 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도15A는 제11 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도15B는 제11 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도16A는 제12 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도16B는 제12 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도17A는 제13 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도17B는 제13 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도18A는 제14 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
도18B는 제14 실시예의 축상 파면 수차를 나타내는 수차도.
[부호의 설명]
BC : 빔 정형 소자
S1 : 제1 면(광 입사측면)
S2 : 제2 면(광 출사측면)
1 : 레이저 광원
AX : 광축
이하, 본 발명을 실시한 빔 정형 소자 등을 도면을 참조하면서 설명한다. 도1A, 도1B에 빔 정형 소자(BC)의 일 실시 형태를 광학 단면으로 도시한다. 또한, 도2에 빔 정형 소자(BC)가 레이저 광원(1)으로부터 콜리메이터 렌즈(6)까지의 광로 중에 배치된 상태를 광학 단면으로 도시하고, 도3에 빔 정형 소자(BC)를 탑재한 광 픽업 장치의 주요부 구성을 모식적으로 나타낸다. 또, 직교 좌표계(X, Y, Z)에 있어서, 레이저 광의 타원 빔 단면의 장축 방향을 X 방향, 단축 방향을 Y 방향으로 하고, 광축(AX) 방향을 Z 방향으로 하면, 도1A는 빔 정형 소자(BC)의 XZ 단면, 도1B는 빔 정형 소자(BC)의 YZ 단면, 도2와 도3은 XZ 단면을 각각 나타내고 있는 것이 된다.
도3에 도시하는 광 픽업 장치는 광 정보 기록 매체에 대해 광 정보의 기록이나 재생을 행하는 것이 가능한 광 픽업 장치이다. 레이저 광원(1)으로서는, 예를 들어 파장 407.7 ㎚의 레이저 광을 출사하는 반도체 레이저 광원(LD : laser diode)이 이용된다. 레이저 광원(1)으로부터 출사한 레이저 광은 빔 정형 소자(BC)에 입사하고, 빔 정형 소자(BC)에 의해 발산 상태 그대로 타원 빔으로부터 원형 빔(빔 단면 형상이 원형 또는 대략 원형)으로 변환된다.
이 빔 정형 소자(BC)는 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하기 위해, 타원 빔 단면의 장축 방향(X 방향)으로 빔 직경을 축소하는 타입의 빔 정형 소자이다. 그로 인해, 도1A, 도1B에 도시한 바와 같이 빔 정형 소자(BC)의 제1 면(S1)(광 입사측면)과 제2 면(S2)(광 출사측면)은 양면 모두 레이저 광의 타원 빔 단면의 장축 방향(X 방향)에만 곡률을 갖고 있고, 그 X 방향에 관하여 제1 면(S1)은 광 입사측으로 볼록면을 향한 형상으로 되어 있고, 제2 면(S2)은 광 출사측으로 오목면을 향한 형상으로 되어 있다. 또한, 제1 면(S1), 제2 면(S2) 중 한쪽 면은 원호 원통면으로 되어 있고, 다른 쪽 면은 비원호 원통면으로 되어 있다. 즉, 한쪽 면은 그 곡률을 갖는 방향의 원통면의 단면이 원호를 이루고 있고, 다른 쪽 면은 그 곡률을 갖는 방향의 원통면의 단면이 비원호를 이루고 있다.
빔 정형 소자(BC)에서 원형 빔으로 정형된 레이저 광은 미러(2)에서 상방향으로 반사된 후, 1/2 파장판(3)을 통과함으로써 S 편광으로부터 P 편광으로 변환된다. 그리고, 트래킹 에러 검출을 위해 회절 격자(4)에서 빔 분할된 후, 광로 합파ㆍ분기용 편광 빔 스플리터(5)에 입사한다. 편광 빔 스플리터(5)에서는 그 내부에 설치되어 있는 PBS(polarizing beam splitter)막(5a)을 그대로 투과하여 편광 빔 스플리터(5)로부터 출사한다. 다음에, 콜리메이터 렌즈(6)에 입사하여 평행광으로 콜리메이트되고, 1/4 파장판(10), 대물 렌즈(11)를 통과하여 광 정보 기록 매체(12)의 광학 기록면(12a) 상에서 결상한다. 광 정보 기록 매체(12)의 광학 기록면(12a)에서 반사된 레이저 광은 광로를 반대로 따라가 편광 빔 스플리터(5)에 재입사한다. 레이저 광은 상기 1/4 파장판(10)을 2회 통과하고 있으므로, PBS막(5a)에서 S 편광으로서 반사된 후, 편광 빔 스플리터(5)로부터 출사한다. 그리고, 포 커싱 에러 검출을 위해 HOE(holographic optical element)(7)에서 빔 분할된 후, 트래킹 및 포커싱 에러의 검출광을 집광하기 위한 원통 렌즈(8)를 통과하여 포토다이오드(9)에서 신호광의 검출이 행해진다.
본 실시 형태의 빔 정형 소자(BC)와 같이, 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자에 있어서는, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖는 것으로 하고, 한쪽 면을 원호 원통면으로 하고, 다른 쪽 면을 비원호 원통면으로 하는 것이 바람직하다. 광 입사측면과 광 출사측면이 타원 빔 단면의 장축 방향(X 방향)에만 곡률을 가짐으로써, 타원 빔 단면의 장축 방향으로 빔 직경을 축소하는 빔 정형이 가능해져, 높은 정형 배율을 갖는 동시에 대량 생산에 적합한 빔 정형 소자를 실현할 수 있다. 타원 빔 단면의 장축 방향으로 빔 직경을 축소함으로써, 광 출사측의 NA(numerical aperture)를 작게 할 수 있으므로, 예를 들어 그 후방에 배치되는 콜리메이터 렌즈(6)(도3)의 곡률을 완만하게 할 수 있어 콜리메이터 렌즈(6)의 제조가 용이해진다. 편광 빔 스플리터(5)의 PBS막(5a)(도3)의 설계에 대해서도, 입사 각도가 작아짐으로써 층수의 대폭적인 저감ㆍ간소화가 가능해지고, 막 설계의 제조 오차도 작아지므로 수율 향상에 의한 제조 비용의 저감이 가능해진다. 또한, 빔 정형 소자로부터 콜리메이터 렌즈까지의 거리를 길게 할 수 있으므로, 빔 정형 소자와 콜리메이터 렌즈 사이에 빔 스플리터나 빔 분할용 DOE(diffractive optical element) 등을 용이하게 배치하는 것이 가능해진다.
빔 정형 소자의 면 형상에 관해서는, 상기한 바와 같이 원통면을 양면에 이 용함으로써, 아나모픽면을 이용한 경우에 비해 금형 가공이 대폭으로 용이해진다. 따라서 수율의 향상 및 제조 비용의 저감이 가능해지고, 빔 정형 소자의 조립 조정도 용이해진다. 또한, 한쪽 면을 원호 원통면으로 하고, 다른 쪽 면을 비원호 원통면으로 함으로써, 광학 성능상의 장점과 제조상의 장점을 모두 얻는 것이 가능해진다. 만약, 양면을 비원호 원통면으로 하면, 곡률을 갖는 방향의 면별 평행 편심 감도가 엄격해지므로, 렌즈 성형에서의 제조 수율이 악화되어, 대량 생산에 적합하지 않은 것이 된다. 또한, 양면을 원호 원통면으로 하면, 고차 수차가 크게 발생하므로 양호한 설계 성능을 얻을 수 없게 되고, 높은 정형 배율을 확보하는 것도 곤란해진다. 따라서, 빔 정형 소자는 원호 원통면과 비원호 원통면을 모두 갖는 구성이 바람직하다.
광 입사측면이 비원호 원통면이고 광 출사측면이 원호 원통면인 경우에도, 광 입사측면이 원호 원통면이고 광 출사측면이 비원호 원통면인 경우에도, 상기 효과를 얻을 수는 있지만, 제조상의 장점을 고려한 경우, 광 입사측면을 비원호 원통면으로 하고 광 출사측면을 원호 원통면으로 하는 것이 바람직하다. 또한 본 실시 형태와 같이, 타원 빔 단면의 장축 방향(X 방향)으로 빔 직경을 축소하는 타입에서는, 광 입사측면을 볼록면으로 하고 광 출사측면을 오목면으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 설계 성능이 한층 양호하고 제조가 용이한 빔 정형 소자를 얻는 것이 가능해진다.
상기한 바와 같이, 빔 정형 소자의 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖는 것으로 하고, 한쪽 면을 원호 원 통면으로 하고, 다른 쪽 면을 비원호 원통면으로 함으로써, 빔 정형 소자를 제조 용이하고 광 픽업 광학계에 적합한 구성으로 하면서, 그 경량ㆍ소형화 및 고성능화를 달성할 수 있다. 그리고, 이와 같은 빔 정형 소자를 광 픽업 장치에 이용하면, 장치 전체의 경량ㆍ소형화 및 저비용화에 기여할 수 있다. 이와 같은 효과를 균형적으로 얻는 동시에, 높은 정형 배율, 더욱 높은 광학 성능 등을 달성하기 위한 조건을 이하에 설명한다.
광원 위치와 빔 정형 소자와의 관계에 대해서는, 이하의 조건식 (1)을 충족시키는 것이 바람직하다.
1 ≤ T1/T0 ≤ 10 …(1)
단,
T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께,
T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리이다.
조건식 (1)의 상한을 넘으면, 빔 정형 소자가 거대화되어 비용 증가나 시스템 전체의 대형화ㆍ중량 증가를 피할 수 없게 된다. 반대로, 조건식 (1)의 하한을 넘으면, 고차 수차가 크게 발생하여 양호한 설계 성능을 확보하는 것이 곤란해진다. 또한, 제1 면의 곡률 반경이 작아지는 경향이 되기 때문에 제조가 곤란해진다.
도4에 조건식 (1) 규정의 T1/T0(정형 배율 = 2.0배, T0 = 1.6)와 설계 성능과의 관계를 그래프화하여 나타낸다. ●로 플롯된 라인은 광 입사측의 NA = 0.24의 경우의 설계 성능을 파면 수차로 나타내고 있고, ◆로 플롯된 라인은 광 입사측 의 NA = 0.22의 경우의 설계 성능을 파면 수차로 나타내고 있고, ▲로 플롯된 라인은 광 입사측의 NA = 0.20의 경우의 설계 성능을 파면 수차로 나타내고 있다. 이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 조건식 (1) 규정의 조건 범위에 있어서는, 높은 정형 배율과 양호한 설계 성능을 양립시키는 것이 가능하다. 또, 도4에 나타내는 설계 성능은 구면 수차를 무시한 것이다. 빔 정형 소자에서 발생한 구면 수차는 그 후의 콜리메이터 렌즈와의 조합에서 제거하게 되므로, 설계시에는 구면 수차는 무시하고 있고, 구면 수차 이외의 수차량으로 설계 성능을 나타내고 있다.
이하의 조건식 (1a)를 충족시키는 것이 더욱 바람직하다.
1 ≤ T1/T0 ≤ 3 …(1a)
이 조건식 (1a), 상기 조건식 (1)이 규정하고 있는 조건 범위 중에서도, 상기 관점 등을 기초로 한 더욱 바람직한 조건 범위를 규정하고 있다.
빔 정형 소자의 양면의 파워에 대해서는, 이하의 조건식 (2)를 충족시키는 것이 바람직하다.
0.05 ≤ R1/R2 ≤ 1.1 …(2)
단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
R2 : 빔 정형 소자의 광 출사측면의 곡률 반경이고,
광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 한다.
조건식 (2)의 상한을 넘으면, 고차 수차가 크게 발생하여 양호한 설계 성능을 확보하는 것이 곤란해진다. 반대로, 조건식 (2)의 하한을 넘으면, 빔 정형 소자가 거대화되어 비용 증가나 시스템 전체의 대형화ㆍ중량 증가를 피할 수 없게 된다.
이하의 조건식 (2a)를 충족시키는 것이 더욱 바람직하다.
0.35 ≤ R1/R2 ≤ 1.1 …(2a)
이 조건식 (2a)는 상기 조건식 (2)가 규정하고 있는 조건 범위 중에서도, 상기 관점 등을 기초로 한 더욱 바람직한 조건 범위를 규정하고 있다.
빔 정형 소자의 광 입사측면의 파워와 물체 거리와의 관계에 대해서는, 이하의 조건식 (3)을 충족시키는 것이 바람직하다.
0.45 ≤ R1/T0 ≤ 1.5 …(3)
단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리이고,
광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 한다.
조건식 (3)의 상한을 넘으면, 빔 정형 소자가 거대화되어 광 픽업 시스템 전체의 소형화가 곤란해진다. 반대로, 조건식 (3)의 하한을 넘으면, 제1 면의 곡률 반경이 지나치게 작아져 제조가 곤란해진다.
이하의 조건식 (3a)를 충족시키는 것이 더욱 바람직하다.
0.5 ≤ R1/T0 ≤ 1 …(3a)
이 조건식 (3a)는 상기 조건식 (3)이 규정하고 있는 조건 범위 중에서도, 상기 관점 등을 기초로 한 더욱 바람직한 조건 범위를 규정하고 있다.
빔 정형 소자의 광 입사측면의 파워와 코어 두께와의 관계에 대해서는, 이하의 조건식 (4)를 충족시키는 것이 바람직하다.
0.1 ≤ R1/T1 ≤ 0.6 …(4)
단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께이고,
광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 한다.
조건식 (4)의 상한을 넘으면, 고차 수차가 크게 발생하여 양호한 설계 성능을 확보하는 것이 곤란해진다. 반대로, 조건식 (4)의 하한을 넘으면, 빔 정형 소자가 거대화되어 광 픽업 시스템 전체의 소형화가 곤란해진다.
이하의 조건식 (4a)를 충족시키는 것이 더욱 바람직하다.
0.3 ≤ R1/T1 ≤ 0.6 …(4a)
이 조건식 (4a)는 상기 조건식 (4)가 규정하고 있는 조건 범위 중에서도, 상기 관점 등을 기초로 한 더욱 바람직한 조건 범위를 규정하고 있다.
빔 정형 소자의 한쪽 면을 구성하는 비원호 원통면에 대해서는, 이하의 조건식 (5)를 충족시키는 것이 바람직하다.
-0.45 ≤ AR × fx3 ≤ 0.45 …(5)
단, AR : 원추로부터의 4차의 변형 계수의 회전 대칭 성분,
fx : 빔 정형 소자의 정형 방향(즉 레이저 광의 타원 빔 단면의 장축 방향)의 초점 거리이다.
조건식 (5)는 빔 정형 소자의 고성능화를 달성하기 위한 바람직한 조건 범위를 규정하고 있고, 조건식 (5)의 상한 또는 하한을 넘으면, 고차 수차가 발생하므로 양호한 설계 성능을 얻을 수 없게 된다. 또, 빔 정형 소자의 한쪽 면을 구성하는 비원호 원통면은 비원호면의 면 형상을 나타내는 이하의 식 (AAS)로 정의된다.
Z = (X2/Rx + Y2/Ry)/[1 + [1 - (1 + Kx)ㆍX2/Rx2 - (1 + Ky)ㆍY2/Ry2]1/2] + ARㆍ[(1 - AP)ㆍX2 + (1 + AP)ㆍY2]2 + BRㆍ[(1 - BP)ㆍX2 + (1 + BP)ㆍY2]3 + CRㆍ[(1-CP)ㆍX2 + (1 + CP)ㆍY2]4 + DRㆍ[(1 - DP)ㆍX2 + (1 + DP)ㆍY2]5 …(AAS)
단,
X, Y : 광축(AX)에 대해 수직인 평면 내에서의 직교 좌표,
Z : 좌표(X, Y)의 위치에서의 광축(AX) 방향의 변위량(면 정상점 기준),
Rx : X 방향의 근축 곡률 반경[= Rxi(i = 1, 2)],
Ry : Y 방향의 근축 곡률 반경[= Ryi(i = 1, 2)],
Kx : X 방향의 원추 계수,
Ky : Y 방향의 원추 계수,
AR, BR, CR, DR : 원추로부터의 4차, 6차, 8차, 10차의 변형 계수의 회전 대칭 성분,
AP, BP, CP, DP : 원추로부터의 4차, 6차, 8차, 10차의 변형 계수의 비회전 대칭 성분이다.
또, 상술한 각 실시 형태나 후술하는 각 실시예에는 이하의 구성 (P1) 내지(P5) 등이 포함되어 있고, 그 빔 정형 소자의 구성에 따르면, 원호 원통면과 비원호 원통면이 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖는 구성으로 되어 있으므로, 경량ㆍ소형ㆍ고성능이면서 제조가 용이하여 광 픽업 광학계에 적합하고, 또한 높은 정형 배율을 얻을 수 있는 빔 정형 소자를 실현할 수 있다. 따라서, 기록ㆍ재생의 정밀도를 향상시키는 것이 가능해지고, 또한 레이저 광의 이용 효율이 향상되므로 청색 반도체 레이저에 대응하는 것도 가능해진다.
(P1) 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자를 구비한 광 픽업 광학계이며, 상기 빔 정형 소자의 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이며, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이고, 상기 조건식 (1), (1a), (2), (2a), (3), (3a), (4), (4a), (5) 중 적어도 하나를 충족시키는 것을 특징으로 하는 광 픽업 광학계.
(P2) 상기 빔 정형 소자의 광 입사측면이 비원호 원통면이고, 상기 빔 정형 소자의 광 출사측면이 원호 원통면인 것을 특징으로 하는 상기 (P1)에 기재된 광 픽업 광학계.
(P3) 상기 빔 정형 소자의 광 입사측면이 원호 원통면이고, 상기 빔 정형 소자의 광 출사측면이 비원호 원통면인 것을 특징으로 하는 상기 (P1)에 기재된 광 픽업 광학계.
(P4) 상기 빔 정형 소자의 광 입사측면이 볼록면이고, 상기 빔 정형 소자의 광 출사측면이 오목면인 것을 특징으로 하는 상기 (P1) 내지 (P3) 중 어느 한 항에 기재된 광 픽업 광학계.
(P5) 또한 상기 빔 정형 소자에서 원형 빔으로 변환된 레이저 광을 콜리메이트하는 콜리메이터 광학계를 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (P1) 내지 (P4) 중 어느 한 항에 기재된 광 픽업 광학계.
이하, 본 발명을 실시한 빔 정형 소자의 광학 구성 등을 콘스트럭션 데이터 등을 예로 들어 더 구체적으로 설명한다. 여기서 예로 드는 제1 내지 제14 실시예는 전술한 실시 형태(도1A, 도1B)에 대응하는 광학 구성을 수치 실시예로서 구체화한 것이며, 그 중에서도 제1 실시예는 상기 실시 형태와 같은 형상을 갖는 수치 실시예이다.
표1 내지 표14에 제1 실시예 내지 제14 실시예의 콘스트럭션 데이터를 나타내고, 표15에 각 조건식 규정의 매개 변수에 대응하는 데이터를 각 실시예에 대해 나타낸다. 각 콘스트럭션 데이터에 있어서, λ는 설계 파장(㎚), fx는 X 방향의 초점 거리, fy는 Y 방향의 초점 거리, 광 입사측(NAx)은 레이저 광이 입사하는 측 에서의 X 방향의 개구수, 광 출사측(Nx)은 레이저 광이 출사하는 측에서의 X 방향의 개구수, W는 잔존 수차(mλrms)이다. 단, X 방향은 타원 빔 단면의 장축 방향이고, Y 방향은 타원 빔 단면의 단축 방향이다.
또한, 각 콘스트럭션 데이터에 있어서, Si(i = 0, 1, 2)는 물체측으로부터 세워 i번째의 면이고, 예를 들어 S0은 물체면에 상당하는 레이저 광원(1)의 발광면, S1은 빔 정형 소자(BC)의 광 입사측면(제1 면), S2는 빔 정형 소자(BC)의 광 출사측면(제2 면)이다. 또한, Rxi(i = 0, 1, 2)는 면(Si)의 X 방향의 근축 곡률 반경(㎜)이고, Ryi(i = 0, 1, 2)는 면(Si)의 Y 방향의 근축 곡률 반경(㎜)이다. Ti(i = 0, 1)는 면(Si)과 면(Si + 1) 사이의 축상면 간격(㎜)이고, Ni(i = 0, 1)는 축상면 간격(Ti)에 위치하는 매질의 파장(λ)에 대한 굴절률이다. *표가 부여된 면(Si)은 비원호 원통면이며, 비원호면의 면 형상을 나타내는 상기 식 (AAS)로 정의된다. 표1 내지 표14 중에, 각 실시예의 비원호면 데이터를 함께 나타낸다. 단, 표기가 없는 항의 계수는 0이고, 모든 데이터에 관하여 E - n = × 10-n, E + n = ×10+n이다.
도5A, 도5B 내지 도18A, 도18B는 제1 내지 제14 실시예에 각각 대응하는 수차도이고, 파장(λ) = 407.7 ㎚의 광선에 대한 축상 파면 수차를 나타내고 있다. 단, 도5A, 도5B 내지 도18A, 도18B에 있어서, A는 Y 방향의 파면 수차, B는 X 방향의 파면 수차를 각각 나타내고 있다. 또한, 각 수차도가 나타내는 설계 성능은 구면 수차를 무시한 것이다. 빔 정형 소자에서 발생한 구면 수차는 그 후의 콜리메 이터 렌즈와의 조합으로 제거하게 되므로, 설계시에는 구면 수차는 무시하고 있고, 구면 수차 이외의 수차량으로 설계 성능을 나타내고 있다.
[표1]
Figure 112006068108317-pct00001
[표2]
Figure 112006068108317-pct00002
[표3]
Figure 112006068108317-pct00003
[표4]
Figure 112006068108317-pct00004
[표5]
Figure 112006068108317-pct00005
[표6]
Figure 112006068108317-pct00006
[표7]
Figure 112006068108317-pct00007
[표8]
Figure 112006068108317-pct00008
[표9]
Figure 112006068108317-pct00009
[표10]
Figure 112006068108317-pct00010
[표11]
Figure 112006068108317-pct00011
[표12]
Figure 112006068108317-pct00012
[표13]
Figure 112006068108317-pct00013
[표14]
Figure 112006068108317-pct00014
[표15]
Figure 112006068108317-pct00015

Claims (13)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (2)를 충족시키는 것을 특징으로 하는 빔 정형 소자.
    0.05 ≤ R1/R2 ≤ 1.1 …(2)
    단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
    R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
    R2 : 빔 정형 소자의 광 출사측면의 곡률 반경이고,
    광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 함.
  4. 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (1) 및 조건식 (2)를 충족시키는 것을 특징으로 하는 빔 정형 소자.
    1 ≤ T1/T0 ≤ 10 …(1)
    단,
    T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께,
    T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리임.
    0.05 ≤ R1/R2 ≤ 1.1 …(2)
    단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
    R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
    R2 : 빔 정형 소자의 광 출사측면의 곡률 반경이고,
    광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 함.
  5. 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (3)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 빔 정형 소자.
    0.45 ≤ R1/T0 ≤ 1.5 …(3)
    단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
    R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
    T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리이고,
    광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 함.
  6. 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (1) 및 조건식 (3)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 빔 정형 소자.
    1 ≤ T1/T0 ≤ 10 …(1)
    단,
    T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께,
    T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리임.
    0.45 ≤ R1/T0 ≤ 1.5 …(3)
    단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
    R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
    T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리이고,
    광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 함.
  7. 제3항에 있어서, 이하의 조건식 (3)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 빔 정형 소자.
    0.45 ≤ R1/T0 ≤ 1.5 …(3)
    단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
    R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
    T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리이고,
    광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 함.
  8. 제4항에 있어서, 이하의 조건식 (3)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 빔 정형 소자.
    0.45 ≤ R1/T0 ≤ 1.5 …(3)
    단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
    R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
    T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리이고,
    광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 함.
  9. 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (1) 및 조건식 (4)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 빔 정형 소자.
    1 ≤ T1/T0 ≤ 10 …(1)
    단,
    T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께,
    T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리이고,
    또한,
    0.1 ≤ R1/T1 ≤ 0.6 …(4)
    단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
    R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
    T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께이고,
    광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 함.
  10. 삭제
  11. 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (2) 및 조건식 (4)를 충족시키는 것을 특징으로 하는 빔 정형 소자.
    0.05 ≤ R1/R2 ≤ 1.1 …(2)
    0.1 ≤ R1/T1 ≤ 0.6 …(4)
    단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
    R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
    R2 : 빔 정형 소자의 광 출사측면의 곡률 반경,
    T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께이고,
    광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 함.
  12. 반도체 레이저 광원으로부터 출사한 레이저 광을 타원 빔으로부터 원형 빔으로 변환하는 빔 정형 소자이며, 그 광 입사측면과 광 출사측면에 대해 양면 모두 타원 빔 단면의 장축 방향에만 곡률을 갖고, 한쪽 면이 원호 원통면이고, 다른 쪽 면이 비원호 원통면이며, 이하의 조건식 (3) 및 조건식 (4)를 충족시키는 것을 특징으로 하는 빔 정형 소자.
    0.45 ≤ R1/T0 ≤ 1.5 …(3)
    0.1 ≤ R1/T1 ≤ 0.6 …(4)
    단, 타원 빔 단면의 장축 방향에 대해,
    R1 : 빔 정형 소자의 광 입사측면의 곡률 반경,
    T0 : 반도체 레이저 광원과 빔 정형 소자 사이의 축상 광학 거리,
    T1 : 빔 정형 소자의 코어 두께이고,
    광 입사측으로 볼록 또는 광 출사측으로 오목해지는 면의 곡률 반경을 플러스로 하고, 광 입사측으로 오목 또는 광 출사측으로 볼록해지는 면의 곡률 반경을 마이너스로 함.
  13. 타원 빔을 출사하는 반도체 레이저 광원과,
    제3항 내지 제9항, 제11항 또는 제12항 중 어느 한 항에 기재된 빔 정형 소자와,
    상기 빔 정형 소자로부터의 광을 기록 매체에 결상시키는 대물 렌즈를 구비한 광 픽업 장치.
KR1020067019417A 2004-03-24 2005-03-14 빔 정형 소자 및 그것을 이용한 광 픽업 장치 KR100837458B1 (ko)

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