KR20010034527A - 광학 렌즈계 및 이러한 렌즈계를 구비한 광 주사장치 - Google Patents

광학 렌즈계 및 이러한 렌즈계를 구비한 광 주사장치 Download PDF

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엠. 브라트요세프스제이.
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요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

발산 빔(7)을 렌즈계에서 작은 스폿(18)에 초점을 맞추고 시준 렌즈(9)와 대물 렌즈(10)을 포함하는 렌즈계에서, 그 시준 렌즈는 포지티브 플라스틱 렌즈 소자(31)와 네가티브 유리 렌즈 소자(32)로 구성되어 있다. 이러한 시준 렌즈는, 대물 렌즈의 온도 의존 구면 수차를 보정한다. 이러한 렌즈계는, 주사장치와 고밀도 광 디스크(2, 3)를 읽기 및/또는 쓰기 위한 장치에 매우 적합하다.

Description

광학 렌즈계 및 이러한 렌즈계를 구비한 광 주사장치{OPTICAL LENS SYSTEM AND SCANNING DEVICE PROVIDED WITH SUCH A SYSTEM}
본 발명은 회절 한계 방사 스폿(spot)에 있는 점 모양의 방사원을 렌즈계의 영상 평면(image plane)에 상을 비추기 위한 렌즈계에 관한 것으로, 이 렌즈계는 시준 렌즈와 대물 렌즈를 포함한다. 또한, 본 발명은 정보 평면에 있는 정보를 읽기 및/또는 쓰기 위한 광 주사장치 및 이와 같은 장치를 구비한 장치에 관한 것이다.
상기 정보 평면은 광학적으로 기록 가능한 정보가 존재하거나 기억될 수 있는 디스크 또는 테이프 형태의 광 기록매체의 평면일 수도 있다. 이와 같은 기록매체는, 예를 들면, 상당히 높은 기억용량을 갖는 DVD와 같은, 잘 알려진 오디오용 콤팩트 디스크(CD) 또는 데이터용 CD ROM 또는 이로부터 얻어진 기록매체가 있다. 또한, 이때의 정보 평면은, 예를 들면 주사 현미경으로 시험할 수 있는 다른 물체의 평면일 수도 있다.
많은 정보가 기록매체에 기억되어야 하기 때문에 점점 작은 세부 항목들을 계속하여 상당히 다른 방법으로 읽을 수 있는 주사장치, 그중에서도 광 기록매체의 필요성이 증가하고 있다. 광 기록매체에 기억될 수 있는 정보량은, 특히 이러한 주사장치에 의해 정보 평면상에 형성될 수 있는 최소 주사 스폿의 크기에 의존한다. 이 주사 스폿이 작아질 수록, 정보 밀도는 커질 수 있다. 이 주사 스폿은, 이 주사 스폿이 형성되는 대물 렌즈의 영상 측면에 있는 개구수(NA), 예를 들면 NA=0.6 까지 증가하여서 감소시킬 수 있다. 이러한 대물 렌즈는, 그 주사 스폿이 실제로 원하는 형상과 크기를 갖도록 다양한 수차들에 대해 꽤 정확해야 한다.
광 주사장치용 대물 렌즈는, 작고 가벼워야 하므로 바람직하게는 비구면 형상인 하나 또는 양 굴절면의 단일 렌즈 소자로 구성한다. 비구면 렌즈 표면은, 기본 형상이 규칙적인, 예를 들면, 구면 또는 평면이지만 실제 형상은 구면 수차를 보정하기 위해서 이로부터 약간 벗어난 표면을 의미하는 것을 알 수 있다. 이러한 주사장치, 즉, DVD 또는 DVD-RAM용 소비자 장치들의 사용으로 인해, 합성 재료의 렌즈 소자는, 바람직하게는 이들 장치들에서 대물 렌즈로 사용된다. 이 합성 재료 렌즈 소자는, 유리 렌즈 소자보다 싸고, 더욱이, 보다 작은 무게를 갖는다. 이때 합성 재료 렌즈 소자의 문제점은, 이 소자가 아주 적은 온도에서 구면 수차가 없는 방법으로 설계된 사실에도 불구하고, 온도 변화시에 구면 수차를 나타낼 것이라는 것이다.
광 기록용 주사장치에 관련된 US-A 5,474,537에서는, 대물 렌즈가 비평행, 발산 빔을 대물 렌즈로 통과시키는 렌즈에 의해 일부를 형성하는 렌즈계의 시준 렌즈를 바꿈으로써 온도 변화로 인한 구면 수차를 감소시키는 것을 제시하였다. 이러한 관련 렌즈는 캡쳐(capture) 렌즈로 언급되어 있고 더이상 시준 렌즈가 아니다. 그러나, 이 US-A 5,474,537에 제시된 것과 같은 해결책은, 대물 렌즈가 기록매체에 대해서 그 대물 렌즈를 빠르게 이동할 수 있도록 이동 가능한 슬라이드 위에 위치되는 반면에, 이 시준 렌즈는 고정되는 주사장치 또는 장치들에서 사용 불가능하다. 더구나, 이때의 대물 렌즈는 실제 결점이 있는 평행 빔으로 더이상 조사되지 않으므로, 대물 렌즈의 자유 작동 거리가 감소된다. 대물 렌즈의 자유 작동 거리는, 영상 평면, 즉 예를 들면 기록매체의 정보 평면과 이 영상 평면에 밀접한 위치에 있는 렌즈의 표면 사이의 거리를 의미한다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 목적은, 온도 변화로 인한 구면 수차 변화를 막기 위한 신규 원리를 제공하고, 이 결점들을 갖지 않는 서두에서 설명된 형태의 렌즈계를 제공하는데에 있다. 본 발명에 따른 렌즈계는, 시준 렌즈가 합성 재료의 정렌즈(positive lens) 소자와 유리의 부렌즈(negative lens) 소자를 구비하고, 그 정렌즈 소자의 배율의 절대값이 부렌즈 소자의 배율의 절대값보다 큰 것을 특징으로 한다.
이러한 렌즈계의 명목, 또는 설계, 온도에 대해서, 시준 렌즈는 대물 렌즈가 평행 빔을 조사한다는 것을 확신한다. 온도가 예를 들면 온도 증가로 변화할 경우, 큰 네가티브 dn/dT를 갖는 강력한 정렌즈는, 온도(T)의 증가로 굴절율 n이 감소하기 때문에 빔을 약간 발산하게 된다. 따라서, 대물 렌즈의 초점은 이 렌즈로부터 떨어져 이동한다. 이러한 초점 옵셋(offset)으로 인해서, 한편으로는 대물 렌즈를 통한 방사 경로가 변화하고, 다른 한편으로는 시준 렌즈와 대물 렌즈의 조합의 배율이 변화한다. 이 두 변화들은 전형적인 구면 수차의 변화가 된다. 이러한 시준 렌즈의 새로운 구성으로 인해, 그 구면 수차의 두 변화는 크게 서로 보상하여서 시준 렌즈와 대물 렌즈의 조합은, 온도 변화시에 무시해도 좋은 수차 변화를 나타낸다.
본 발명에 따른 렌즈계의 바람직한 실시예에서는, 부렌즈 소자의 재료가 그 정렌즈 소자의 네가티브 온도계수의 절대값보다 작은 포지티브 온도계수 dn/dT 절대값을 갖는 것을 특징으로 한다.
이로 인해 온도변화에 대한 보다 낳은 보정을 가져온다. 이 시준 렌즈가 합성 재료 소자와 유리 소자를 포함하므로, 이 렌즈는, 원칙적으로, 색지움 더블릿(achromatic doublet)으로서 동작하여서 이 렌즈로 대물 렌즈의 색수차도 보정 가능하다. 이 때문에, 합성 재료 소자의 파장 분산은 가능한 한 작은 것이 바람직하다.
바람직하게는, 이 렌즈계는, 정렌즈 소자의 2개의 굴절 표면이 비구면 형상의 표면인 것을 특징으로 한다.
이 방법은, 렌즈계가 설계 온도에서의 구면 수차를 잘 보정한다는 사실에 기여한다.
또한, 렌즈계는 정렌즈 소자의 재료가 폴리카보네이트이고 부렌즈 소자의 재료가 유리 SF11인 것을 특징으로 한다.
이 유리는 큰 굴절율 n과 비교적 큰 포지티브 dn/dT 값을 갖고, 또한 합성 재료 폴리카보네이트(PC)는 비교적 좋은 광 품질을 갖는다.
그러나, 이러한 렌즈계는, 또한, 바람직하게는 정렌즈 소자의 재료가 폴리메타크릴산메틸(Polymethyl methacrylate)이고 부렌즈 소자의 재료가 유리 SF11인 것을 특징으로 한다.
이때의 합성 재료 폴리메타크릴산메틸은 비교적 낮은 분산 요소를 가져서 이를 사용하여 시준 렌즈가 색지움 더블릿의 기능을 만족스럽게 달성 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 정보 평면을 주사하기 위한 광 주사장치에 관한 것이다. 이 주사장치는, 주사빔을 공급하기 위한 방사원과 이 빔을 그 정보 평면 위에 초점을 맞추기 위한 렌즈계를 구비하고, 그 렌즈계가 위에 설명된 렌즈계인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 광 기록매체의 정보 평면에 정보를 읽기 및/또는 쓰기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는, 주사 스폿을 정보 평면 위에 형성하기 위한 광 주사장치와, 그 정보 평면으로부터의 방사를 전기 신호들로 변환하기 위한 방사 민감형 검출계와, 그 주사 스폿과 정보 평면 서로에 대해서 이동하는 수단을 구비하고, 그 광 주사장치가 상기 언급된 장치인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이들 발명내용과 다른 발명내용은, 이후 설명된 실시예들로 부터 명백해지고 설명될 것이다.
도 1은 광 주사장치에 구비된 광 기록매체를 읽기 및/또는 쓰기 위한 장치의 실시예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 장치와 본 주사장치를 위한 본 발명에 따른 렌즈계의 제 1 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 설계되지 않은 렌즈계를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 렌즈계의 제 2 실시예를 나타낸 것이다.
도 5는 이 렌즈계의 제 3 실시예를 나타낸 것이다.
도 6은 이 렌즈계의 제 4 실시예를 나타낸 것이다.
도 7은 이 렌즈계에서 사용하기 위한 합성체 대물 렌즈를 나타낸 것이다.
도 1은 방사 단면에서 둥글고 디스크형인 기록매체(1)의 부분을 나타낸 것이다. 이 기록매체는 투명층(2)을 갖고, 이 투명층의 일 측면은 정보층(3)이 형성된다. 투명층(2)으로부터 멀리 떨어진 그 정보층(3)의 일 측면은, 보호 코팅(4)에 의해 환경 영향으로부터 보호될 수 있다. 또, 이 주사장치에 대향하는 투명층(2)의 일 측면(5)은 입사면으로 언급되어 있다. 이때의 투명층은 기록매체의 지지부로서 기능을 하고 그 정보층용 기계적 지지부로 구성된다. 또한, 이 투명층(2)이 정보층을 보호하는 역할을 하고, 그 기계적 지지부가, 정보층의 타 측면의 층, 예를 들면, 두 정보층을 갖는 기록매체의 경우에, 보호 코팅(4) 또는 제 2 정보층과 그 정보층(3) 위에 형성된 투명층으로 구성되는 것이 가능하다. 이때의 정보는, 기록매체의 정보층(3)에 있는 광학적으로 검출 가능한 영역의 형태로 구성될 수도 있고, 그 검출 가능한 영역은 도 1에는 도시되지 않고 단면으로 나타낸 도면의 평면에 수직인 동심형 또는 나선형 트랙들을 거의 평행하게 정렬되어 있다. 또한 이 영역은, 각각 광학적으로 검출가능한 형상일 수도 있고, 예를 들면 반사계수 또는 자화 방향이 환경 또는 이들 형태의 조합의 것과는 다른 피트들 또는 영역들일 수도 있다.
이 주사장치는, 방사원, 예를 들면, 발산 방사빔(7), 주사빔을 방출하는 반도체 레이저를 포함한다. 이 빔은 빔 스플리터(8), 예를 들면, 반 투명 거울에 의해 렌즈계로 반사된다. 이 렌즈계는, 개략적으로 도시한 시준 렌즈(9)와 대물 렌즈(10)를 구비한다. 이때, 시준 렌즈는, 발산 빔을 시준 빔(14)으로 변환한다. 또, 광축(15)을 갖는 대물 렌즈(10)는, 그 시준 빔을 수속빔(17)으로 변환하여, 주사 스폿인 방사 스폿(18)에 있는 이 빔을 정보층(3) 위에 초점을 맞춘다. 이때, 대물 렌즈는, 단일 렌즈 소자로 도면에 나타내었지만 이와는 달리 투과 또는 반사시에 동작하는 홀로그램뿐만 아니라 복수의 렌즈 소자들도 구비할 수도 있다. 시준 렌즈, 물체, 방사원의 방출 표면, 및 영상을 사용하여, 그 주사 스폿(18)은 무한으로 공역(conjugate)되고 대물 렌즈는 평행 빔을 수신한다.
정보를 쓰거나 읽는 동안에, 기록매체는 모터(27)에 의해 구동된 샤프트(28)를 통해 회전하여서 주사 스폿(18)에 의해 정보 트랙을 주사한다. 이 기록매체에 대한 주사 스폿을 도 1의 도면의 평면에 수직한 방향으로 이동함으로써, 모든 동심형 트랙들, 또는 완전한 나선형 트랙을 주사할 수 있다. 마지막에 언급된 이동은, 상기 방향으로 이동 가능한 슬라이드 위에 적어도 대물 렌즈를 포함하는 주사장치 또는 이 주사장치의 일부분을 제공함으로써 실현할 수 있다. 정보를 읽고 있을 때, 정보층(3)에 의해 반사된 수속 빔(17)의 방사는, 연속적인 정보 영역들에 기억된 정보로 변조된다. 이 반사된 방사는, 그 투사된 수속 빔(17)의 경로를 따라 되돌아가는 반사 빔(20)으로 구성된다. 대물 렌즈(10)와 시준 렌즈(9)는 그 반사되고 변조된 수속 빔을 수속 반사 빔(21)으로 변환하고, 빔 스플리터(8)는 그 빔(21)의 일부를 방사 민감형 검출계(22)로 통과시킨다. 이때, 검출계는 이 빔의 방사를 하나 이상의 전기 신호들로 변환한다. 이들 신호들 중의 하나는 정보 평면으로부터 읽은 정보를 나타낸 정보 신호(23)이다. 다른 신호는 정보 평면(3)에 대하여 초점(18)의 가능한 축방향 편차를 나타내는 초점 오차 신호(34)이다. 이때의 초점 오차 신호는, 다양하고 공지된 방법으로 발생할 수 있고, 대물 렌즈용 축방향 엑츄에이터(미도시됨)를 구동하는 초점 제어 회로(25)용 입력 신호로서 사용되어서, 그 초점(18)의 축방향 위치는 정보층(3)의 평면과 일치한다. 그 검출계에 의해 공급된 다른 신호는, 주사 스폿의 중심과 순간적 읽기 정보 트랙의 중심선 사이에 가능한 편차를 나타내는 트랙킹 오차 신호이다. 이 신호는, 또한 다양하고 공지된 방법으로 발생할 수 있고, 주사 스폿(18)의 중심이 읽혀진 트랙의 중심선과 일치하는 방법으로 방사 액츄에이터를 구동하는 방사 제어 회로(미도시됨)용 입력 신호로서 사용된다.
정보를 정보층에 기록하고 있을 때, 방사원에 의해 방출된 빔(7)은, 기록될 정보 신호로 변조된다. 이때의 변조는 이 빔의 경로에 정렬된 별도의 변조기, 예를 들면, 기록된 정보 신호에 의해 구동되는 음향 광학 변조기에 의해 실현할 수도 있다. 또한, 정보를 기록하고 있을 때, 검출계(22)는 초점 오차 신호와 트랙킹 오차 신호를 공급한다. 그래서, 정보층으로 부터 판독된 정보 신호는, 예를 들면 기록매체에 이전에 구성되고 실제 정보를 기록하는데 사용된 어드레스들과 같은 데이터에 관한 정보를 포함한다.
대물 렌즈는, 유리 렌즈와 비교할 때 합성 재료의 가격과 무게의 장점 때문에 합성 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 더구나, 대물 렌즈는, 2개의 비구면 굴절 표면을 갖고, 주사 빔은 그 투명층에 있는 수속 빔이기 때문에, 기록 매체의 투명층(2)에 의해 일어난 구면 수차를 보정하는 방법으로 설계되는 것이 바람직하다. 이 합성 재료 대물 렌즈는, 예를 들면, 몰딩 공정에 의해 만들어질 수 있고, 비교적 간단한 방법으로 비구면 형상의 표면으로 구성될 수 있다. 이러한 렌즈가 몰딩되는 경우, 용도는 네가티브의 원하는 렌즈 표면인 그와 같은 다이(die)의 내부 표면을 갖는 다이로 만들어진다. 이러한 형태들의 렌즈를 위한 알려진 재료는, 폴리메타크릴산메틸(PMMA) 또는 폴리카보네이트(PC)가 있다. 합성 재료의 비구면 형상의 표면의 형성은, 유리 렌즈 소자를 위해 필요한 것처럼, 방해가 되는 분쇄 및 연마 공정을 하지 않게 될 수 있는 장점을 갖는다.
그러나, 합성 재료 대물 렌즈는, 온도 변화에 민감하다. 특히, 온도 변화로 일어나는 합성 재료의 굴절율의 변화는 렌즈의 광학 작용의 변화를 일으킨다. 더욱이, 온도 변화는 렌즈의 형상의 변화가 될 수도 있다. 온도 변화와 동시에, 굴절율의 변화는, 형상의 변화보다 광학 작용에 관해 상당히 크게 영향을 미친다. 이 온도 변화는, 주로 구면 수차의 변화가 된다. 명목 또는 설계, 온도에서의 구면 수차를 갖지 않는 방법으로 설계된 합성 재료 대물 렌즈는, 실제 아주 적은 온도로부터 벗어나는 온도에서의 구면 수차를 갖을 것이고 이때의 수차의 크기가 온도 편차에 의해 결정된다. 특히, 구면 수차의 변화는 큰 개구수, 예를 들면 상기 DVD와 같은 큰 정보 밀도를 갖는 광 기록매체을 읽는데 필요한 NA=0.6를 갖는 투사 렌즈들에서 일어난다.
대물 렌즈의 구면 수차의 온도 의존 변화를 보상하기 위해서, 시준 렌즈는 본 발명에 따라 사용되고, 이 시준 렌즈는 합성 재료로 된 강력한 정렌즈 소자와 유리로 된 부렌즈 소자로 구성되어 있다. 도 2는 본 발명에 따른 렌즈계의 제 1 실시예를 나타낸 것이다. 또한, 이 도면에서, 시준 렌즈는, 참조번호 9로 나타내고, 대물 렌즈는 참조번호 10으로 나타낸다. 또한, 이 도면은 기록매체의 투명 지지부(2)와 정보층(3)을 나타낸다. 또 참조번호 30은 방사원(6)의 방사 방출 표면의 축방향 위치를 나타낸다. 또한, 대물 렌즈의 물체 주 지점 P, 영상 주 지점 P', 물체 초점 F 및 영상 초점 F'을 나타낸다. 이 포지티브 합성 재료 렌즈 소자는 참조번호 31로 나타내고, 네가티브 유리 렌즈 소자는 참조번호 32로 나타낸다. 이들 렌즈 소자들은, 연대적으로 방사원으로부터의 빔을 시준 빔으로 변환하도록 설계 온도에서의 배율을 갖는다.
합성체 시준 렌즈는 다음과 같이 동작한다. 큰 네가티브 dn/dT를 갖는 강력한 정렌즈 소자(31)는, 예를 들면, 굴절율 n이 보다 작아지기 때문에 온도 증가시에, 그 빔(41)을 약간 발산하게 될 것이다. 이에 따라, 이 빔(17)의 초점은, 대물 렌즈(10)로부터 더 멀어질 것이다. 이 초점 변화는 두가지 효과를 갖는다. 첫번째로, 대물 렌즈를 통한 광선들의 광 경로는, 온도 증가의 결과로서 변화된 합성 재료 대물 렌즈의 굴절율로 인하여 변화하고, 이 렌즈의 구면 수차를 변화시킨다. 굴절율의 감소시에, 포지티브 구면 수차일 것인데, 이는 빔의 가장자리 광선들이, 근축 초점보다 대물 렌즈로부터 더 멀리 떨어진 지점에 있는 광축(15)을 가로지를 것이다는 것을 의미한다. 이때, 근축 초점은, 광축을 따라 근접하게 연장한 근축 광선들이 광축을 가로지르는 지점이다. 렌즈계(9)에 존재하는 빔(17)의 굴절율 변화에 의해 일어난 파면의 변화(ΔWc)는, 다음과 같은 표현에 의해 매우 좋은 근사값으로 정의된다.
여기서, D는 렌즈를 통한 가장자리 광선의 기하학적인 경로 길이이고, d는 축방향 광선의 경로 길이이다. 표준 대물 렌즈의 경우, D-d 값은 네가티브이고 이것은 디포커싱(defocusing)을 정의하는 제 2 차 항과 구면 수차를 정의하는 제 4 차 항에 적용한다.
두번째로, 초점의 옵셋은, 시준 렌즈와 대물 렌즈의 조합의 배율을 변화시키는 효과가 있다. 대물 렌즈는, 충분히 큰 영상 시야를 가져야만 하기 때문에 Abbe 사인(sine)을 따라야 하므로, 근축 영역 외부의 Herschel 조건을 따를 수 없다. Herschel in Phil. Trans.Roy.Soc.111,p.226,1821에서 설명된 후자의 조건은, 배율이 변할 경우 영상이 날카로워질 것이라는 것이 확실하다. 그러나, Herschel 조건을 따르는 대물 렌즈는, 광 기록매체용 주사장치에서 사용하기 위해 매우 작은 영상 시야를 갖는다. 이와 같이, 배율의 변화는 구면 수차를 일으켜서 파면 변화 ΔWsf를 다음식에 의해 일으킨다.
여기서, α와 α'는 물체 공간 및 영상 공간 각각에 있는 가장자리 광선들이 광축으로 연장하는 각도들이다. 상기 Abbe 사인 조건으로 인해, 이들 각도들은 서로 다음식을 통해 관련되어 있다.
여기서, β'는 조합된 시준 렌즈와 대물 렌즈의 역배율이다.
시준 렌즈의 새로운 구성으로 인해, 구면 수차의 2개의, 포지티브 및 네가티브 변화를 서로 크게 보상하여서 그 시준 렌즈와 대물 렌즈 조합으로 온도 변화시에 구면 수차의 거의 어떠한 변화도 없다.
도 2의 실시예에서, 정렌즈 소자(31)는 PMMA로 만들어지고, 부렌즈 소자(32)는 Schott 회사의 광학 유리 카탈로그의 그 형명 SF11로 알려진 고굴절 플린트(flint) 유리로 만들어진다. 이때, 대물 렌즈는 PMMA로 만들어진다. 시준 렌즈의 물체 초점은 22.0mm이고, 대물 렌즈의 영상 초점은 3.3mm이다. 이 렌즈 소자들의 크기 및 이들 사이의 거리에 대해 말하면, 도면에서는 5mm의 눈금 정도로 나타내었다.
도 2의 실시예의 경우, 구면 수차 변화 ΔOPD=+9.6mλ는 -30°의 온도변화에서 일어나고 구면 수차 변화 -11.0mλ는 +30°의 온도변화에서 일어난다. 이를 비교하기 위해서, 도 3은 PMMA의 단일 시준 렌즈(40)로 구성하고, PMMA로 구성하는 대물 렌즈(41)를 나타내고, 그 렌즈계는 온도변화에 대해 될 수 있는대로 만족스럽게 보상된다. 대물 렌즈의 영상 초점은 3.3mm이고 또 대물 렌즈의 물체 초점은 22.0mm이다. 도 3의 눈금은, 눈금 정도의 비교로 부터 명백한 것처럼 도 2의 눈금으로부터 약간 벗어난다. 도 3에서의 렌즈계의 경우, 구면 수차 변화 ΔOPD=+26mλ는 -30°의 온도 변화에서 일어나고, 구면 수차 변화 ΔOPD=-33mλ는 +30°온도 변화에서 일어나며, 그 수차 변화들은 도 2의 렌즈계의 변화들보다 상당히 크다.
도 2의 실시예와 계속하여 설명되는 실시예들에서, 유리 SF11는 부렌즈 소자의 재료로서 선택하였다. 이 유리 대신에, 다른 유리로 대체하여 선택할 수도 있다. 그러나, 가장 가능한 보상은, 유리 소자가 가능한 큰 포지티브 dn/dT 값을 가질 경우 달성된다. 사실, 큰 네가티브 dn/dT를 갖는 포지티브 합성 렌즈 소자(31) 뿐만 아니라 네가티브 유리 렌즈 소자도 대물 렌즈(10)의 온도 보상에 기여한다. 높은 포지티브 dn/dT 값의 유리들은, 예를 들면, Schott 회사의 SF6 또는 SF11과 같은 고굴절 플린트 유리이다.
도 4는 포지티브 합성 재료 렌즈 소자(35)가 PMMA 대신에 PC로 만들어진다는 점에서 상기 도면의 것과는 다른 본 발명에 따른 렌즈계의 실시예를 나타낸 것이다. 이 실시예의 경우, 구면 수차 변화 ΔOPD=+11.4mλ는 -30°의 온도 변화에서 일어나고, 구면 수차 변화 -14.3mλ는 +30°온도 변화에서 일어난다. 이들 구면 수차 변화를 도 2의 렌즈계의 변화들과 비교할 수 있다.
그러나, 도 4의 렌즈계는, 도 2에 도시된 렌즈계 보다 파장 변화에 따른 초점 옵셋에 더 민감하다. 이 파장 변화는, 다이오드 레이저를 이 레이저의 온도 변화시의 방사원으로 갖는 여기서의 형태의 주사장치에서 발생할 수도 있다. 이때의 초점 옵셋은, 될 수 있는 대로 작고 가벼워야만 하는 단일 대물 렌즈가 주로 파장 변화에 대한 보정을 할 수 없다는 사실의 결과이다. 이러한 렌즈계의 파장 의존도를 줄이기 위해서, 유리한 방법은, 새로운 시준 렌즈가 합성 재료 소자와 유리 렌즈 소자를 구비하는 사실로 만들 수도 있다. 합성 재료 렌즈 소자가 작고, 파장, 분산 요소 dn/dλ를 갖는다면, 이러한 시준 렌즈에서의 조합은 색수차 보정 기능을 달성할 수도 있다. 큰 온도 분산 요소 dn/dT와 작은 파장 분산 요소 dn/dλ 의 두 요소를 갖는 재료는, 예를 들면, PMMA이다. 이때, 재료 PC는 큰 dn/dT를 갖지 않을 뿐만 아니라 큰 dn/dλ를 갖지 않아서 파장 변화를 보상해야 할 경우 그 렌즈계의 용도에 덜 적합하다. 이는, PC 렌즈 소자(35)로 도 4에 도시된 렌즈계의 설계에 있어서, 파장 변화의 결과인 초점 옵셋 dz/dλ이 시준 렌즈와 대물 렌즈의 조합의 경우 250nm/nm이고, 시준 렌즈, 대물 렌즈 및 기록매체의 투명층(2)의 조합인 경우 230nm/nm이며, 또한 이들 값은, 도 2에 도시된 PMMA 렌즈 소자(31)로 설계한 경우105nm/nm 및 125nm/nm이다는 사실로 설명된다. 그러므로, 도 2의 렌즈계는, 바람직한 실시예이다. 또한, 도 3의 렌즈계는, 작은 파장 변화가 예상대로가 아니거나 단지 작은 파장 변화이고 온도 천이가 너무 크지 않다면 만족스럽게 사용 가능하다.
도 2의 바람직한 실시예에서는, 물체 평면으로부터 정보층(3)의 평면까지의 다른 평면들을 참조번호 50-58로 나타내고, 이때의 파라미터, 즉
- 평면들의 축방향 곡률 C,
- 이 평면들 사이의 축방향 거리 di,
- 이 평면들의 영역에 있는 빔의 직경 Di 및
- 굴절율 n
는, 다음의 값들을 갖는다.
이 렌즈계의 기하학적 길이는 42.36086 mm이고, 대물 렌즈의 초점 길이는 3.3mm이며, 시준 렌즈의 초점 길이는 22.0mm이다.
이러한 렌즈계는, 아래와 같은 특징을 갖는 4개의 비구면 형상의 표면 51, 52, 55 및 56을 갖는다.
여기서, Y는 비구면 형상의 표면의 지점과 광축 사이의 수직 거리이고, Z는 광축상의 투사 지점과 비구면 형상의 표면을 갖는 광축의 교차 지점 사이의 거리이며, a2i는 비구면 계수이다. 다른 비구면 형상의 표면의 계수들의 값은 다음과 같다.
도 5는, PMMA의 포지티브 합성 재료 렌즈 소자(37)와 SF11의 네가티브 유리 소자(38)로 구성된 시준 렌즈가 온도 변화에 대해 매우 정확한 보정을 하는 렌즈계의 실시예를 나타낸 것이다. -30°의 온도 변화에서는 구면 수차 변화 ΔOPD=4.5mλ이고, +30°의 온도 변화에서는 구면 수차 변화 ΔOPD=-10.3mλ이다. 그러나, 이 렌즈계의 경우, 시준 렌즈와 대물 렌즈의 조합의 경우 dz/dλ=155nm/nm이고, 시준 렌즈와 대물 렌즈 및 기록매체의 투명층(2)의 조합의 경우 dz/dλ=135nm/nm이다. 따라서, 도 5의 렌즈계는 도 2의 렌즈계보다 파장 변화에 대해 아주 조금 보정한다. 또한, 도 5의 렌즈계에서, 시준 렌즈는 22.0mm의 초점 길이를 갖고, 대물 렌즈는 3.3mm의 초점 길이를 갖는다.
도 6은, 포지티브 합성 재료 소자(45)와 네가티브 유리 소자의 위치를 바꾸었다는 점에서 앞에서 말한 실시예와 구별된 렌즈계의 실시예를 나타낸 것이다. 이 렌즈계는, 도 2, 도 4 및 도 5의 렌즈계보다 더욱 소형이지만 온도 및 파장 변화에 대해 조금 덜 만족스러운 보정을 한다. 도 6의 렌즈계의 경우, -30°의 온도 변화에서는 구면 수차 변화 ΔOPD=+12.9mλ이고, +30°의 온도 변화에서는 구면 수차 변화 ΔOPD=-16.3mλ이다. 또한, 시준 렌즈와 대물 렌즈의 조합의 경우 dz/dλ=175nm/nm이고, 시준 렌즈와 대물 렌즈 및 기록매체의 투명층(2)의 조합의 경우 dz/dλ=155nm/nm이다.
상술한 렌즈계의 실시예에서, 대물 렌즈는 단일 렌즈 소자로 구성한다. 이러한 렌즈계는, 0.6까지 영상 개구를 가질 수 있고, 오디오 CD 보다 상당히 높은 정밀도를 갖는 DVD와 같은 광 기록매체를 읽는데 적합하다. 이때, 정보 밀도가 더욱 증가되어, 예를 들면 광 기록매체 상의 디지털 비디오 신호를 기록하면, 이 렌즈계의 개구수는, 예를 들면 NA=0.85까지 더욱 증가한다. 대물 렌즈의 가격이 너무 높아지고 영상 시야가 너무 작아지는 일 없이 NA 를 증가시키는 바람직한 방법은, 실제 대물 렌즈 소자와 기록매체 사이에 평 볼록 렌즈 소자를 제공하는 것이다. 또한, 고체 침지 렌즈 또는 슬라이더 렌즈로 언급된 평 볼록 렌즈 소자는, 기록매체로부터의 매우 짧은 거리와 아울러, 조금 큰 거리, 예를 들면 300㎛로 구성할 수 있다. 그래서, 대물계의 수속 기능은, 실제 대물 렌즈 소자 및 평 볼록 렌즈 소자를 가로질러 퍼지는 기능을 한다. 이때, 평 볼록 렌즈 소자의 장점은, 이 소자가 방사빔에서 거의 조금 수차를 일으킨다는 것이다.
또한, 본 발명은, 시준 렌즈를 포지티브 합성 재료 렌즈 소자와 네가티브 유리 소자로 사용할 수 있는, 즉 합성체 대물 렌즈를 갖는 렌즈계에서 사용할 수도 있다. 실례로서, 도 7은 보다 큰 크기의 합성 대물 렌즈(60)와 이 렌즈를 통한 광선 경로들의 실시예를 나타낸 것이다. 이때의 대물 렌즈 소자는, 참조번호 61로 나타내고, 평 볼록 렌즈는 62로 나타낸다. 이때의 대물 렌즈 소자(61)는, 도 7에 나타낸 것과 같이, 비구면 형상의 표면을 갖는 평 볼록 소자일 수 있고, 비구면 형상의 볼록 표면(64)과 비구면 형상의 오목 표면(65)을 갖는 렌즈 소자가 바람직하다. 또한, 그 대물 렌즈 소자(61)는, 평 볼록 렌즈 소자(62)와 투명층(2)에 의해 일어난 구면 수차를 보상하는 방법에 있어서 알려진 방법으로 설계할 수 있으므로, 초점 근처 주사빔 또는 주사 스폿(18)은, 본질적으로 구면 수차가 없다. 또한, 평 볼록 렌즈 소자(62)의 볼록면(66)은, 비구면인 것이 바람직하다. 그래서, 수차 보정을 복수의 렌즈 표면에 의해 확실하게 할 수 있어서 보다 낳고 간단한 보정이 가능해진다. 평 볼록 슬라이더 렌즈 소자를 갖는 대물 렌즈의 더욱 상세 내용에 대해서는, 이와 같은 대물 렌즈를 구비한 주사장치가 설명된 EP-A 0 727 777을 참조한다.
본 발명은 광 기록매체에 정보를 읽기 및/또는 쓰기 위한 장치에서의 용도를 참조하여 설명한 사실은, 이 출원이 이에 한정되는 것이 아니다라는 것을 의미한다. 또한, 본 발명은, 고해상도에서 주사가 일어나는 어느 장소에서든지 사용할 수도 있으므로, 작은 주사 스폿을 사용할 수도 있다. 이 실시예들은, 매우 높은 해상도의 주사 광 현미경 또는 다양한 응용을 위한 고해상도의 광 감시 장치들이 있다.

Claims (8)

  1. 회절 한계 방사 스폿에 있는 점 모양의 방사원을 렌즈계의 영상 평면에 상을 비추고, 시준 렌즈와 대물 렌즈를 포함하는 렌즈계에 있어서,
    상기 시준 렌즈는, 합성 재료의 정렌즈 소자와 유리의 부렌즈 소자를 구비하고, 상기 정렌즈 소자의 배율의 절대값이 부렌즈 소자의 배율의 절대값보다 큰 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부렌즈 소자의 재료는, 상기 정렌즈 소자의 네가티브 온도계수의 절대값보다 작은 포지티브 온도계수 dn/dT 절대값을 갖고, 여기서 n은 관련 렌즈 소자의 재료의 굴절율이고, T는 온도인 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 정렌즈 소자의 2개의 굴절 표면은 비구면 형상의 표면인 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 정렌즈 소자의 재료는 폴리카보네이트이고, 상기 정렌즈 소자의 재료는 유리 SF11인 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 정렌즈 소자의 재료는 폴리메타크릴산메틸(Polymethyl methacrylate)이고, 부렌즈 소자의 재료가 유리 SF11인 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈는, 포지티브 볼록-오목 렌즈 소자와, 그것의 영상 측면상에 구성된 평 볼록 렌즈 소자의 형태인 보조 소자로 구성된 것을 특징으로 하는 렌즈계.
  7. 주사빔을 공급하기 위한 방사원과, 이 주사빔을 그 정보 평면의 주사 스폿에 초점을 맞추기 위한 렌즈계를 구비하는 정보 평면을 주사하되,
    상기 렌즈계가 상기 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 것과 같은 렌즈계인 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  8. 광 기록매체의 정보 평면에 정보를 읽기 및/또는 쓰기를 하고, 주사 스폿을 정보 평면 위에 형성하기 위한 광 주사장치와, 그 정보 평면으로부터의 방사를 전기 신호들로 변환하기 위한 방사 민감형 검출계와, 상기 주사 스폿과 정보 평면 서로에 대해서 이동하는 수단을 구비한 장치에 있어서,
    상기 광 주사장치는, 상기 제 7 항에언급된 것과 같은 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
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