KR20040097300A - 폴딩미러를 갖는 복합 대물렌즈 - Google Patents

폴딩미러를 갖는 복합 대물렌즈 Download PDF

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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

제 1 렌즈 부재와 제 2 렌즈 부재를 구비한 복합 대물렌즈에 있어서, 제 1 부재는 제 1 부재를 통과하는 방사빔의 방향을 내부에서 바꾸는 거울면을 구비하고, 대물렌즈는 0.65보다 큰 개구율을 가지며, 제 1 부재의 초점거리 F1이 다음 관계식에 의해 상기 대물렌즈의 초점거리 F와 관련된다:

Description

폴딩미러를 갖는 복합 대물렌즈{COMPOUND OBJECTIVE LENS WITH FOLD MIRROR}
본 발명은, 결합된 대물렌즈와 폴딩미러(fold mirror)를 구비한 광학계에 관한 것으로, 내장된 방사원을 사용하여 광 기록매체들을 주사하는 광학주사장치에 사용되는 이와 같은 렌즈에 관한 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 휴대용 장치에서 사용하기 위해서는 광학주사장치의 크기를 줄이는 것이 바람직하다. 광학계의 장착 높이를 줄임으로써 장치의 크기를 줄일 수 있다. 광학주사장치 내부의 일반적인 광학계는, 단일 렌즈 또는 복합, 즉 다수의 부재의 렌즈일 수 있는 대물렌즈와, 폴딩미러를 구비한다. 장착 높이는 대물렌즈의 전체 높이와 폴딩미러의 높이에 의해 좌우된다. 통상적인 광학주사장치에서는, 폴딩미러의 높이가 입사동 직경보다 크다.
미국 특허 5,432,763에는, 장착 높이가 줄어든 단일 대물렌즈와 폴딩미러의 복합체가 기재되어 있다. 또 다른 이와 같은 렌즈는 DE-A-19654388에 기재되어 있다.
비교적 높은 개구율(NA)의 시스템들, 즉 NA>0.65인 시스템에서는, 제조공차를 허용가능한 레벨로 완화시키기 위해 2개의 부재로 이루어진 대물계가 요구된다.
미국 특허 6,058,095에는, 결합된 폴딩미러를 갖지 않는 2개의 부재로 이루어진 고-NA 대물계 설계에 대해 기술되어 있다. 이 설계의 특징들 중에서 한가지는, 방사원에 대향하는 제 1 부재의 초점거리 F1과 전체 시스템의 전체 초점거리 F가 다음 관계를 만족한다는 점이다:
일본 특허출원 JP-A-08201698에는, 결합된 렌즈부재와 폴딩미러에 대해 기재되어 있다. 폴딩미러는 굴곡된 표면의 형태를 가지며, 이 부재는 상면만곡(field curvature)을 보상하기 위한 것이다. 이 부재는 NA=0.55의 대물렌즈와 결합하여 사용된다.
본 발명에 따르면, 제 1 렌즈 부재와 제 2 렌즈 부재를 구비한 복합 대물렌즈가 제공되는데, 제 1 렌즈 부재는 제 1 렌즈 부재를 통과하는 방사빔의 방향을 내부에서 바꾸는 거울면을 구비하고, 상기 대물렌즈는 0.65보다 큰 개구율을 가지며, 제 1 부재의 초점거리 F1이 다음 관계식에 의해 대물렌즈의 초점거리 F와 관련된다:
본 발명은, 한 개의 부재 내에 폴딩미러를 포함시킬 수 있도록 하여 이와 같은 대물계를 포함하는 광학주사장치의 장착 높이를 줄일 수 있는 한편, 제 2 부재의 중심 어긋남에 영향을 별로 받지 않으며 상당한 시야 성능(field performance)을 갖는 복수 부재로 이루어진 대물계를 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적, 이점 및 특징은 다음의 첨부도면에 예시된 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 배치된 광학주사장치의 구성요소들의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대물렌즈계의 단면도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 광학주사장치의 구성요소들을 나타낸 것으로, 2개의 부재로 이루어진 복합 렌즈가 광 기록매체(2)를 주사하는 광학 헤드에 사용된다.
기록매체(2)는, 그것의 일면에 적어도 1개의 정보층이 배치된 투명층을 포함하는 광 디스크의 형태를 갖는다. 투명층의 반대측의 정보층의 면은 보호층에 의해 외부의 영향으로부터 보호된다. 장치에 대향하는 투명층의 면은 입사면으로 불린다. 투명층은, 정보층(들)에 대해 기계적 지지를 제공함으로써 기록매체에 대한 기판으로서의 역할을 한다. 이와 달리, 투명층은 정보층(들)을 보호하는 유일한 기능을 갖는 한편, 기계적인 지지가 정보층(들)의 다른 면에 있는 층, 예를 들면 보호층에 의해 제공될 수도 있다. 정보는, 거의 평행하거나, 동심을 이루거나 나선형의 트랙들로 배치된 광학적으로 검출가능한 마크들의 형태로 기록매체의 정보층(들)에 저장될 수 있다. 이들 마크는, 광학적으로 판독가능한 형태, 예를 들면, 피트들의 형태, 또는 그들의 주변부와 다른 반사계수 또는 자화 방향을 갖는 영역들의 형태, 또는 이들 형태의 조합의 형태를 가질 수도 있다.
주사장치는, 방사빔(6)을 방출하는 반도체 레이저(4)의 형태를 갖는 선편광된 방사원을 구비한다. 방사빔은 광 기록매체(2)의 정보층(들)을 주사하는데 사용된다. 편광 빔 스플리터 미터(8)는, 광 경로 상의 발산하는 방사빔(6)을 시준렌즈(10)를 향해 통과시키고, 이 시준렌즈는 발산 빔(6)을 평행광으로 변환된 빔(12)으로 변환한다. 이 빔(12)은 1/4 파장 리타더(retarder) 판(14)을 투과하며, 이 리타더 판은 방사빔을 변환하여 원편광된 빔을 형성한다. 개구 조리개(aperture stop)(16)는, 대물렌즈계(18, 22)의 입사동 D1(도 2 참조)을 한정한다. 대물렌즈계는 2개 이상의 렌즈들 및/또는 격자를 구비할 수도 있다. 도 1에 도시된 대물계는, 본 실시예에서는, 2개의 부재, 즉 제 1 렌즈(18)와, 제 1 렌즈(18)와 기록매체(2)의 위치 사이에 배치된 제 2 렌즈(22)로 구성된다. 제 1 렌즈 부재는 거울면이 형성된 외면을 갖는 내부 폴딩미러(28)를 사용하여 빔을 90°반사시키고, 평행광으로 변환된 빔(12)을 제 2 렌즈 부재(22)에 입사하는 수렴 빔으로 변화시키며, 제 2 렌즈 부재(22)는 빔을 기록매체(2)의 입사면에 입사하는 더욱 크게 수렴하는 빔으로 변환한다. 이 크게 수렴하는 빔은 현재 주사되고 있는 정보층 상에 스폿(24)을 형성한다.
정보층에 의해 반사된 방사빔은 발산하는 원편광된 빔을 형성하고, 이 빔은 대물계(28, 22)에 의해 거의 평행광으로 변환된 빔으로 변환된다. 1/4 파장판(14)은 이 빔을 변환하여, 원래 방출된 빔에 대해 수직 편광을 갖는 선편광된 빔을 형성한다. 이 빔은 굴절되어 시준렌즈에 의해 수렴 빔을 형성한다. 빔 스플리터(8)는 수렴 빔의 대부분을 검출계(26)를 향해 투과시킴으로써, 전방 및 반사 빔을 분리한다. 검출계(26)는 방사빔을 포착하고, 이 방사빔을 신호처리회로들에 의해 처리되는 전기 출력신호로 변환한다. 이들 신호 중에서 한 개는, 정보층에서 판독된 정보를 나타내는 값을 갖는 정보신호와, 초점 에러신호와 래디얼 에러신호를 생성하기 위한 것이다.
도 2는 2개의 부재로 이루어진 대물계(18, 22)를 더욱 상세한 단면도로 나타낸 것이다. 복합 렌즈(18, 22)는 비교적 높은 개구율, 즉 0.65보다 큰 개구율을 갖는다. 더욱 바람직하게는, 복합 렌즈(18, 22)는 0.8보다 큰 개구율을 갖는다.
제 1 렌즈 부재(18)는 일체로 몰딩된 플라스틱 재료로부터 형성될 수도 있다. 이 부재(18)는, 제 1 광축(31) 상에 중심을 둔 제 1 렌즈 표면(30)과, 제 2 광축(33) 상에 중심을 둔 제 2 렌즈 표면(32)을 포함한다. 제 1 및 제 2 광축들은 서로 수직하게 배치된다. 평판 거울면(28)은, 제 1 및 제 2 광축들 각각과 45°로 배치되고, 2개의 광축들이 교차하는 지점과 일치한다. 제 1 렌즈 부재(18)는 굴절률 n1을 갖고, 제 1 렌즈 부재 내부의 빔은 NA1의 개구율을 갖는다.
도 2에는, 입사동이 거리 D1으로 도시되어 있다. 제 1 부재(18)의 제 2 렌즈 표면(32)에서 출사시의 빔의 반경이 도 2에는 거리 D2로 표시된다. 제 1 렌즈 표면(30)의 정점과 2개의 광축들의 교차점 사이의 축방향 거리가 도 2에 거리 d1으로 표시되어 있다. 제 2 렌즈 표면(32)의 정점과 2개의 광축들이 교차하는 지점 사이의 거리가 도 2에는 거리 d2로 표시되어 있다. 제 1 광축(32)에 평행하게 측정하였을 때, 제 1 렌즈 표면(30)과 디스크(2)의 위치의 입사면 사이의 최단 거리가 도 2에는 거리 d3로 표시되어 있다. 제 2 광축(33)에 평행하게 측정하였을 때, 제 2 렌즈 표면(32)과 디스크의 입사면 사이의 최장 거리가 도 2에는 거리 D4로 표시되어 있다. 제 1 렌즈 표면(30)은 제 1 광축을 중심으로 회전대칭을 이루며 곡률반경 R1을 갖는다. 제 1 렌즈 표면(30)은, 그것의 단면의 불연속 및/또는 개구 조리개(16)로서의 역할을 하는 불투명한 환형 덮개 등과 같은, 렌즈(18)의 입사동 D1을 한정하는 물리적인 특징부를 포함하는 것이 바람직하다.
입사동에서의 제 1 렌즈 표면의 처짐(sag), sag1, 즉 렌즈의 정점으로부터 방사원에서 렌즈에 입사하는 광속 방향으로 측정하였을 때, 제 1 렌즈 표면(30)의 정점과 렌즈의 입사동 사이의 거리는, 일반적으로 양의 값을 갖지만, 제로값이거나 음의 값을 가질 수도 있다.
제 2 렌즈 표면(32)은, 제 2 광축을 중심으로 회전대칭을 이루며, 곡률반경 R2를 갖는다. 출사 빔의 반경에서의 제 2 표면의 처짐, sag2, 즉 렌즈의 정점으로부터 방사원에서 렌즈를 통과하는 광속의 방향과 반대의 방향으로 측정하였을 때, 렌즈의 입사동과 일치하는 최외 광속들이 렌즈 부재(18)를 벗어나는 지점까지의 축방향 거리는, 일반적으로 양의 값을 갖지만, 제로값이거나 음의 값을 가질 수도 있다.
제 2 렌즈 부재(22)는, 평볼록(plano-convex) 렌즈 부재로서, 몰딩된 플라스틱 재료로 제조될 수도 있다. 그러나, 제 2 렌즈 부재는 볼록-볼록 또는 볼록-오목구조를 가질 수도 있다는 점에 주목하기 바란다. 제 2 렌즈 부재(22)는 굴절률 n2를 갖고, 제 2 렌즈 내부의 빔은 제 2 렌즈 부재 내에서 NA2의 개구율을 갖는다.
제 1 부재 내부에 폴딩미러의 합체를 허용하고, 디스크에 대향하는 대물계의 제 2 부재의 중심 어긋남에 대해 거의 영향을 받지 않으며 상당한 시야 성능을 갖는 2개의 부재로 이루어진 대물렌즈(18, 22)는, 방사원에 대향하는 제 1 부재의 초점거리 F1과 전체 대물계의 초점거리 F가 관계식을 만족한다:
바람직하게는, 제 1 부재의 수단에 의해 개량된 제조공차의 이점을 제공하기 위해서는, 다음 관계식도 적용된다:
성능 향상을 위해, 제 1 부재(18)의 두께 d1과 d2는 다음 관계식들을 충족한다:
더구나, 향상된 장착높이 축소를 위해, 제 1 부재(18)와 관하 거리 d3및 d4는 다음 관계식을 만족한다:
제 1 렌즈 부재의 초점거리 F1은 다음 관계식에 의해 제 1 및 제 2 렌즈 표면들(30, 32)의 곡률반경들 R1, R2와 관련된다:
부호 규약은, (도 2에 도시된 실시예에서와 같이) 2개의 표면이 볼록할 때, 제 1 표면(30)의 반경 R1이 양인 반면에, 제 2 표면(320의 반경 R2가 음이 되도록 선택된다.
전체 대물계의 초점거리 F는 다음 관계식으로 주어진다:
이때, NA는 전체 대물렌즈(18, 22)의 개구율이다.
이하의 표 1에는, 본 발명에 따른 제 1 렌즈 부재의 9개의 다른 실시예들의 특성이 나열되어 있다. 이들 실시예들의 개구율은 0.85이며, 방사빔은 405nm의 파장을 갖는다. 디스크의 커버층은 0.1mm의 두께를 갖고 폴리카보네이트(굴절률 1.622)로 제조된다. 한편, 표 2에는 이를 실시예와 관련된 더욱 상세한 특성값들이 나열되어 있다.
실시예 1 내지 8에서는, 제 1 부재(18)가 PMMA(굴절률 1.506)로 제조되고 제 2 부재(22)가 폴리카보네이트(굴절률 1.622)로 제조된다. 실시예 9에서는, 이들 두가지 부재가 COC(굴절률 1.550)로 제조된다. 모든 실시예들에서, 제 2 부재(220의 입사면은 비구면인 반면에, 출사면은 평탄하다. 이와 같은 평탄한 전방 면(facet)과 디스크 사이의 거리는 모든 실시예에서 0.075mm이다. 모든 실시예들에서 제 1 부재(18)는 비구면의 제 1 렌즈 표면(30)을 갖는다. 실시예 1 내지 실시예 3에 대해서는, 제 1 부재의 제 2 렌즈 표면(32)이 평탄한 반면에, 나머지 실시예에 대해서는, 이 표면이 비구면이다.
[표 1] 모든 거리는 [mm]로 표시된다:
[표 2] 모든 두께는 [mm]로 표시된다:
상기한 표들을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예들의 전술한 실시예들과 관련하여, 다음과 같은 추가적인 관계식이 적용된다:
전술한 실시예들 중에서, 본 발명의 실시예들에 적용될 수 있는 추가적인 특징부들을 예시하기 위해 실시예 4를 더욱 더 상세히 설명한다. 제 1 부재(18) 상의 2개의 비구면 표면들(30, 32)의 회전 대칭 형상과 제 2 부재(22)의 입사면 상의 비구면 표면은 다음과 같은 식으로 기술될 수 있다:
이때, z는 밀리미터 단위를 갖는 광축 방향으로의 표면의 위치이고, r은 밀리미터 단위를 갖는 광축까지의 거리이며, R은 표면의 반경이고, r0는 정규화 반경이고, Bk는 r의 k승의 계수이다.
제 1 렌즈 표면(30)에 대해, R의 값은 1.077mm인 반면에, 정규화 반경 r0는 1.0mm이다. 이 표면에 대한 B4내지 B16의 값은 각각 -1.2272049, 25.404755, -322.03916, 2344.2049, -9920.327, 22580.5, -21393.565이다.
제 2 렌즈 표면(32)에 대해서는, R의 값이 -2.452mm인 반면에, 정규화 반경 r0는 0.8mm이다. 이 표면에 대한 B4내지 B16의 값은, 각각 0.30668874, -5.3977186,46.80716, -102.58899, -645.43643, 3792.223, -5471.5526이다. 축상의 제 1 부재(18)와 제 2 부재(22) 사이의 거리는 0.05mm이다. 제 2 부재(22)의 축상 두께는 0.342mm이다.
제 2 부재(22)의 입사면에 대해서는, R의 갑이 0.338mm인 한편, 정규화 반경 r0는 0.35mm이다. 이 표면에 대한 B4내지 B16의 값은 각각 -0.09902575, 0.90152635, -4.0445013, 10.373491, -14.93898, 11.348149 및 -3.465529이다.
전술한 파라미터들은 실시예 4와 관련된 상세한 렌즈 설계의 결과값이지만, 이와 유사한 처리가 나머지 실시예들에도 적용될 수도 있다는 점에 주목하기 바란다.
또한, 본 발명은 전술한 본 발명의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 추가적인 실시예들을 상정할 수 있으며, 이들 실시예도 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 범주에 속한다는 점에 주목하기 바란다.

Claims (9)

  1. 제 1 렌즈 부재와 제 2 렌즈 부재를 구비한 복합 대물렌즈에 있어서,
    상기 제 1 부재는 제 1 부재를 통과하는 방사빔의 방향을 내부에서 바꾸는 거울면을 구비하고, 상기 대물렌즈는 0.65보다 큰 개구율을 가지며, 상기 제 1 부재의 초점거리 F1이 다음 관계식에 의해 상기 대물렌즈의 초점거리 F와 관련되는 것을 특징으로 하는 복합 대물렌즈:
    .
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 거울면은 평판 거울면인 것을 특징으로 하는 복합 대물렌즈.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    대물렌즈의 초점거리 F는 1mm보다 작은 것을 특징으로 하는 복합 대물렌즈.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    인 것을 특징으로 하는 복합 대물렌즈.
  5. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 부재는, 제 1 광축을 따라 배치된 제 1 렌즈 표면과, 제 1 광축에 거의 수직한 제 2 광축을 따라 배치된 제 2 렌즈 표면을 구비하고, 상기 제 1 및 제 2 광축들은 거울면을 따르는 한 개의 점에서 일치하는 것을 특징으로 하는 복합 대물렌즈.
  6. 제 5항에 있어서,
    이고,
    이때, d1은 제 1 렌즈 표면의 정점과 2개의 광축들이 일치하는 지점 사이의 거리이고, sag1은 입사동 D1에 위치한 제 1 렌즈 표면의 처짐을 나타내는 것을 특징으로 하는 복합 대물렌즈.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    이고,
    이때, d2는 제 2 렌즈 표면의 정점과 2개의 광축들이 일치하는 지점 사이의 거리이고, sag1은 입사동 D1에 위치한 제 1 렌즈 표면의 처짐을 나타내며, NA1은 제 1 부재에서의 빔의 개구율이고, n1은 제 1 부재의 굴절률이며, D2는 입사동 D1에서 제 1 표면에 입사하는 평행광으로 변환된 광속의 제 2 표면 상의 출사 지점에 대응하는 제 2 표면의 반경이며, sag2는 반경 D2에서의 제 2 표면의 대응하는 처짐을 나타내는 것을 특징으로 하는 복합 대물렌즈.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 기재된 대물렌즈를 구비하고, 대물렌즈를 통과하여 광 기록매체를 주사하는 방사빔을 발생하는 방사원을 구비한 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 기재된 복합 대물렌즈를 구비하고,
    d3<d4이며,
    이때, d3는 제 1 광축에 평행하게 측정하였을 때 제 1 렌즈 표면의 가장 근접한 지점과 기록매체의 위치 사이의 최단 거리이고, d4는 제 2 광축에 평행하게 측정하였을 때 제 2 렌즈 표면과 기록매체의 위치 사이의 최장 거리인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
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