KR100242216B1 - 고밀도 디스크용 광학 헤드 - Google Patents

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가네꼬 히사시
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Abstract

광학 디스크의 피트 깊이로 기록된 다치 데이터를 갖는 고밀도 광학 디스크 사용에 제공되는 광학 헤드이다.
본 광학 헤드는 0차 및 1쌍의 1차 회절빔을 광검출기에 제공하기 위한 광학 시스템의 초점면에 3개의 핀홀을 갖는 핀홀 부재를 포함하며, 그리하여 피트 깊이를 검출하기 위한 분해능을 개선시킨다. 광학 헤드는 빔 스폿의 직경을 감소키지 않고 초점 깊이 방향으로 분해능을 개선시킨다.

Description

고밀도 디스크용 광학 헤드
본 발명은 광학 헤드에 관한 것으로서, 특히 고밀도 광학 정보 저장 매체 또는 광디스크 파일의 판독/기록을 위한 디스크 드라이브에서 사용하는 광학 헤드에 관한 것이다.
종래 광학 헤드가 제1도에 도시되어 있다. 이 광학 헤드는 광빔을 방출하는 광원으로서 작용하는 반도체 레이저(21)와, 광빔을 회절하는 회절 격자(22)와, 광디스크 파일(20)을 향해 45° 의 각도로 광빔을 반사하는 빔 스플릿터(23)와, 광빔을 광디스크 파일(20)에 집속하는 대물렌즈(24)와, 광디스크 파일(20)로부터 반사된 광을 받아서 검출 전기 신호로 운반하는 광검출기(26)를 포함하며, 그 광학 헤드는 도시되지 않은 광디스크 드라이브에 장착된다.
전술한 바와 같이, 반도체 레이저(21)에서 방출된 광빔의 회절격자(22)를 통과하여 0차(zero-order) 회절빔 및 한쌍의 제 1차 회절빔을 포함하는 3개의 광빔을 형성하고, 상기 제 1차 회절빔은 트래킹 에러를 검출하는데 사용된다. 이들 빔들은 빔 스플릿터(23)에 의해 반사된 후 대물렌즈(24)에 의해 광디스크 파일(20)의 기록면에 집속된다.
각 회절빔은 광디스크 파일(20)에 의해 반사되어 대물렌즈(24) 및 빔 스플릿터(23)를 통과하고, 광검출기(26)의 수광면에 입사되어 검출 전기 신호로 변환된다.
전술한 과정 중에, 광디스크 파일(20)로부터 반사된 0차 회절빔은 포커싱 에러 신호의 검출을 허용하기 위해 광검출기(26)에 입사 전에 빔스플릿터(23)를 통해 전송되는 동안 비점수차(astigmatism)를 형성하게 되고, 상기 포커싱 에러 신호는 미시적 광학 스폿을 포커싱하는 데 사용되며, 그리하여 광디스크 파일(20)의 표면의 진동이 일어난다. 각 회절빔은 회전에 의해 회절 격자(22)의 배치를 확립하기 위해 회절 격자(22)에 의해 형성되어 광디스크 파일(20)에 조사되므로 정(+) 및 부(-)의 제1차 회절빔이 0차 회절빔에 대해 반대측에 위치된다. 정 및 부의 제1차 회절빔이 광디스크 파일(20)의 편심성을 추종하는 데 사용되는 트래킹 에러 신호를 검출하기 위해 사용된다.
저장 용량을 증가시키기 위해서, 그러한 광디스크에서 광디스크 파일의 저장 밀도는 트랙을 따르는 방향으로 증가되고 광디스크 파일(20)에 조사되는 0차 회절빔 또는 광학 스폿을 치수를 감소시켜 트랙 밀도를 증가하는 것이 일반적이다.
광디스크 파일(20)에 조사되는 광학 스폿의 크기는 광빔의 파장(λ) 및 대물렌즈(24)의 개구수(NA)에 따라 결정된다. 광빔의 파장(λ)을 감소시키거나 또는 대물렌즈의 개구수(NA)를 증가시킴으로써 광학 스폿의 크기를 감소시킬 수가 있다. 그러나, 이론상 광원 및 대물렌즈의 디자인에 의해 부여되는 광학스폿의 직경에는 한계가 있다.
저장 밀도를 증가시키는 다른 기술로서, 일본특허공보 제1990-031,329호에 제안된 것과 같은 광디스크 파일의 기록면을 위한 다층 구조를 사용하는 것과, 다치 엔코드 피트를 사용하는 것이 제안되어 있다. 다치 데이터를 사용하는 광디스크 파일의 한가지 예를 들면 다치 코드의 각각의 다른 값에 대응하는 다수의 피트 깊이를 포함하는 피트 형태를 갖는 것이 있다.
다치 코드를 갖는 광디스크 파일에 대해 판독/기록 동작을 수행하기 위해서는, 광학 헤드로부터 광디스크 파일의 기록면을 향해 투사되는 광빔의 분해능을 향상시킬 필요가 있다. 광빔의 조사 방향에 대해 수직 방향 또는 광디스크 파일의 기록면을 따르는 방향에서 분해능을 향상하는 일은 대물렌즈의 개구수(NA)를 감소시키거나 또는 광빔의 파장(λ)을 감소시킴으로써 달성된다.
그러나 상기 측정이 실시될 때, 광빔의 초점 깊이는 작아지며 이것은 집속된 광빔의 직경을 감소시킴으로써, 트래킹 에러 신호와 포커싱 에러 신호를 검출하기 위해서 사용되는 광 스폿의 검출 감광성을 불리하게 저하시키거나, 상기 검출을 성취하기 어렵게 한다.
본 발명의 목적은 종래의 광학 헤드에 존재하는 문제점을 해결하고, 디스크 파일에 다치 데이터를 가진 고밀도 디스크를 사용하기 위한 광학 헤드를 제공하는 것이며, 이것은 집속될 광학 스폿의 직경을 감소시키지 않고 초점의 깊이 방향으로 분해능을 향상시킴으로써 실현된다.
제1도는 종래의 광학 헤드를 도시하는 블록도.
제2도는 본 발명의 실시예에 따른 광학 헤드의 블록도.
제3(a)도 및 제3(b)도는 각각 종래 광학 헤드와 제2도의 광학 헤드의 초점 근처에서 3차원 광강도 분포의 3차원 푸리에 변환(Fourier transform)중 2차 단면도.
제4(a)도 및 제4(b)도는 각각 2진 데이터 엔코드 피트가 형성된 종래의 디스크 파일과 4진 데이터 엔코드 피트가 형성된 디스크 파일의 단면도.
제4(c)도는 제4(b)도에 도시된 광디스크로부터 검출된 재생 신호의 다이아그램.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 광학 헤드 12 : 회절격자
16 : 광검출기 17 : 트래킹 에러검출수단
본 발명에 따른 광학 헤드는 광빔을 발사하는 광원과, 한쌍 이상의 1차 회절빔을 발생하는 광빔 회절용 회절 격자와, 상기 광학 디스크 파일로부터 한쌍의 반사빔을 발생하기 위하여 다치 엔코드 데이터를 광학 디스크 파일위에 1차 회절된 빔을 집속하기 위한 제1광학 시스템과, 한쌍의 집속된 빔을 발생하기 위해 각 초점에서 반사빔을 집속하기 위한 제 2광학 시스템과, 상기 각각의 집속된 빔에 대응하는 각 초점에서 핀홀을 갖는 핀홀 부재와, 각각의 집속된 빔에 근거한 검출 신호를 발생하기 위하여 각각의 핀홀을 통과하는 한쌍의 집속된 빔중 대응하는 빔을 각각 수신하는 하나 이상의 검출 수단을 갖는 광검출기 및, 검출 신호에 근거하여 계산 동작을 수행하고, 상기 계산 동작에 근거하여 광학헤드를 트래킹하는 트래킹 에러 신호를 발생하는 제1계산 수단을 포함한다.
본 발명에 따르면, 회절의 제한은 광빔을 수신할 때 초점 깊이 방향의 분해능이 향성되고, 광빔을 검출할 때 초점 깊이 방향의 분해능이 거의 2배로 된다는 것에 영향을 받게 됨으로써, 검출된 각 피트의 깊이 차이는 종래기술의 대응되는 값의 반까지 감소하게 된다.
따라서 2진 데이터가 기록되는 종래의 광학 디스크와 비교할 때, 피트 깊이의 차이는 종래 기술의 피트 깊이와 동일하게 선택될 수 있으므로, 본 발명에 따른 광학 디스크로부터 데이터가 판독될 수 있고, 4진 데이터가 종래기술의 기록밀도보다 2배 더 기록된다.
핀홀 부재를 제공함으로써 본 발명에 따른 광빔의 초점 깊이 방향의 분해능이 향상되기 때문에, 집속된 광빔의 직경 감소와 대물렌즈의 개구수를 증가시키거나 광빔의 파장을 감소시키는 것에 의한 초점 깊이의 감소가 필요하지 않게 된다. 즉, 본 발명에 따른 광학 헤드에서 트래킹 에러 검출수단은 검출 감도를 감소시키지 않고 만족스러운 트래킹 에러 신호를 제공할 수 있다.
본 발명의 상술된 목적, 특징 및 장점은 다음의 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이다.
이제, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하겠다. 본 발명의 실시예에 따른 제2도의 광학 헤드(10)는 트래킹 에러 신호(G1)와 포커싱 에러 신호(G2)를 제공하기 위하여 도시되지 않은 광학 디스크 드라이브 위에 장착된다.
광학 헤드(10)는 광빔을 발사하는 광원(11)과, 광원(11)으로부터 광빔을 회절하는 회절격자(12)와, 회절빔을 광 디스크 파일(20)을 향해 반시시키는 빔스플릿터 또는 45° 반사 미러(13)와, 반사빔을 광 디스크 파일(20)위에 집속하는 대물렌즈(14)와, 광 디스크 파일로부터 반사된 빔들중 상응하는 하나의 빔을 통과시키기 위해 각각 3개의 핀홀을 갖는 핀홀 부재(15)와, 검출된 전기 신호(S1, S2)를 운송하기 위해 핀홀 부재(15)를 관통하는 광빔을 수광하는 광검출기(16)를 포함한다.
상기 방식으로 구성된 광학 헤드(10)에 있어서, 광원(11)으로부터 발사된 광빔을 포커싱 렌즈로서 작용하는 대물렌즈(14)에 의해 광 디스크 파일(20)에 포커싱된다. 특히, 광 디스크 파일(20)으로부터 반사된 광빔을 다시 대물렌즈(14)를 통해 투과되며, 대물렌즈(14)는 대물렌즈를 통해 투과되는 광빔이 광검출기(16)쪽으로 향하도록 배치된다. 대물렌즈(14)는 도시되지 않은 렌즈 구동수단에 의해 광 디스크 파일(20)의 저장 표면에 수직하고 디스크 파일(20)의 트랙에 수직한 방향으로 상호 운동할 수 있도록 배치된다. 렌즈 구동 수단을 아래에 기술되는 트래킹 에러검출수단(17)과 포커싱 에러검출수단(18)으로부터 공급되는 검출 신호(G1, G2)에 따라 광 디스크 드라이브에서 제어기에 의해 제어된다.
광학 헤드(10)의 상술한 장치 외에, 광검출기(16)는 검출 신호(S1, S2)에 기초하여 각각 트래킹 에러 신호(G1) 및 포커싱 에러 신호(G2)를 계산하는 트래킹 에러 검출수단(17) 및 포커싱 에러 검출수단(18)에 검출 신호(S1, S2)를 전달한다.
광검출기(16)는 회절격자(12)에 의해 발생된 ±1차 회절빔과 0차 회절빔에 대응하는 반사빔을 수용하는 3개의 수광 수단을 포함한다. ±1차 회절빔에 대해 광검출기(16)의 두 개의 수광수단으로부터 검출된 신호(S1)에 따라, 트래킹 에러 검출수단(17)은 트래킹 에러 신호(G1)를 전달하기 위해 이들 검출 신호를 감산한다. 트래킹 에러 신호(G1)에 기초하여 렌즈 구동 수단의 동작을 제어함으로써, 광학 헤드가 광 디스크 파일(20)의 편심을 추종하는 것을 허용한다.
광 디스크 파일(20)으로부터 반사된 0차 회절빔은 광검출기(16)에 도달하기 전에 45˚ 반사 미러(13)를 통해 투과하고 핀홀부재(15)를 통과하여 0차 회절빔에 대해 제공된 광검출기(16)의 수광수단에 입사된다. 45˚ 반사 미러(13)를 통과하는 동안 0차 회절빔의 반사는 제1도에 도시된 좌-우 방향 및 제2도의 평면을 통과하는 전-후방 방향에서 수렴 위치를 상쇄하거나 또는 비점수차를 발생시킨다. 0차 회절빔에 대해 광검출기(16)에 제공된 수광수단은 4개의 부분으로 분할되며, 이것은 비점수차에 따라 검출 신호(S2)의 변화를 일으킨다. 포커싱에러검출수단(18)은 0차 회절빔을 수용하고 포커싱 에러 신호(G2)를 전달한다. 포커싱 에러 신호(G2)는 렌즈 구동 장치의 동작을 제어하는데 사용됨으로써, 대물렌즈(14)가 광디스크 파일(20)의 표면의 진동을 추종하는 것을 허용한다.
핀홀 부재(15)는 중심부분에 핀홀이 형성된 박막으로 구성된다. 핀홀부재(15)는 광디스크 파일(20)로부터 반사된 빔이 대물렌즈(4)에 의해 형상화되는 광검출기(16)의 수광 수단의 전방 위치에서 3개의 핀홀을 구비한다. 따라서, 광디스크 파일(20)로부터 반사된 빔은 핀홀부재(15)에 형성된 각 핀홀을 통과하는 동안 형상화된 후, 광검출기(16)상에 입사된다.
회절 제한은 화상 광학 시스템과 비교할 때, 검출 광학 시스템에서 핀홀 부재(15)를 통해 빔을 수용함으로써 특히, 대물렌즈(4)에 의해 실행된 회절과 핀홀 부재(15)에 의해 실행된 회절에 의해 두배의 효과가 있다는 사실을 주목해야 한다. 전체 점 화상 분포 함수는 화상 광학 시스템과 검출 광학 시스템의 곱에의해 주어진다. 따라서, 점 화상 분포함수의 2승 효과 (squaring effect)는 공간 주파수 영역에서는 자기 함수이기 때문에, 그 대역폭은 2배의 값으로 넓어진다.
이때, 대물렌즈(14)의 초점 깊이 방향(또는 반사광의 진행방향)의 분해능은 상기 대역폭내에서 2배로 된다. 이러한 방식으로, 피트 깊이 차이를 감소시켜서, 종래의 광학 헤드에서 사용되는 값의 1/2로 검출할 수 있다.
제3(a)도 및 제3(b)도에는 제1도 및 제2도에 각각 도시된 광검출기(16)의 초점 부근에서 3차원 광강도 분포의 3차원 푸리에 변환중 2차원 프리파일을 도시한 것이다. 상기 도면에서, z-축은 대물렌즈(14)의 초점 깊이 방향을 나타내고, x-축은 z-축에 수직한 방향이며, 이때μ 와 η 은 각각 z-축 및 x-축 방향에서의 공간 주파수를 나타낸다. 각 공간축 방향에서 공간 분해능은 상기 푸리에 변환축에 따르는 방향의 대역폭에 의해 결정된다.
제3(a)도에 도시된 것과 같은 종래의 광학 시스템에서, μ-방향의 대역폭은 4NA/λ이고, 반면에 η=방향의 대역폭은 2(1-(1-NA2)/λ이다. 제2도의 광학 헤드(10)를 구비한 광학 시스템에서, 광디스크 파일(20)로부터 반사된 광빔은 검출 광학 시스템에서 반사된 광빔의 화상 포인트에 배치되는 핀홀 부재(15)를 통해 검출되기 때문에, 회절 효과는 2중으로 감지된다. 따라서, 전체 점 화상 분포함수는 화상 광학 시스템과 검출 영상 시스템을 곱함으로써 주어진다. 따라서, μ=방향의 대역폭은 8NA/λ이고, η-방향의 대역폭은 8(1-(1-NA2)1/2)/λ이다. 다시말해서, 대역폭은 μ-방향과 η-방향 모두에 있어, 2배의 값으로 넓어진다. 따라서, 초점 깊이 방향에서 대역폭은 2배의 값으로 넓어진다.
제4(a)도 제4(b)도에는 내부에 기록된 다치 데이터를 갖는 디스크에 피트 깊이가 도시되어 있다. 2진 데이터 엔코드 디스크(제4(a)도)에 대한 피트 깊이의 차와 비교하면, 4진 데이터 엔코드 디스크내 유니트 피트 깊이는 제4(b)도에 도시된 2진 데이터 엔코드 디스크내 피트 깊이의 1/2과 같음을 알 수 있다. 이것은 제4(a)도에 도시된 2진 데이터 엔코드 디스크로부터 재생될 수 있는 종래의 광학 헤드에서 대물렌즈의 초점 깊이를 비교할 때, 제4(b)도에 도시된 4진 데이터 엔드 디스크로부터의 재생은 제4(b)도에 도시된 디스크로부터 재생되는 신호를 나타내는 제4(c)도에 도시된 종래 헤드의 초점 깊이의 1/2되는 초점깊이만을 요구한다는 사실을 의미한다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 광학 헤드(10)는 핀홀 부재(15)를 통하여 반사되는 광이 광검출기(16)에서 수용되기 때문에, 종래 기술에서와 같은 동일한 개구수의 대물렌즈(14)를 사용하는 것에 의해, 초점 깊이 방향의 분해능이 종래 값의 2배로 향상될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 검출 될 수 있는 피트 깊이 차이는 종래 값의 1/2로 삭감될 수 있다. 이것은 제4(b)도에 도시된 4진 데이터를 포함하는 광학 디스크 파일로부터 기록된 데이터를 효과적으로 판독할 수 있게 해준다.
제2도에서 도시된 광학 시스템의 동작에서, 광원(11)으로부터 발사된 광은 0차 및, 한쌍의 1차 회절 빔으로서 회절격자(12)를 투과하여, 45° 반사 미러(13)에 의해 반사된 후, 대물렌즈(14)에 의해 광학 디스크 파일(20)의 기록면에 집광된다. 상기 본 실시예에 따라 사용되는 광학 디스크 파일(20)은 그 내부에 4진 데이터 엔코드 피트를 갖는다. 상기 광학 디스크 파일(20)로부터 반사되는 광은 상기 대물렌즈(14)를 다시 투과하여, 상기 핀홀 부재(15) 내에 형성되는 핀홀의 위치에서 형상화되고, 이어서 상기 핀홀을 통과하여 광검출기(16)에 입사된다.
상술된 절차가 진행되는 동안, 회절격자(12)에 의해 형성되는 ±1차 회절빔은 검출 신호(S1)를 발생시키기 위해 광검출기(16)내 각각의 수용수단에 의해 수용된다. 상기 검출 신호(S1)에 따라, 트래킹 에러검출수단(7)는 트래킹 에러신호(G1)를 유도하고, 상기 에러신호(G1)는 광학 디스크 유도장치에 연관된 제어기로 인도된다. 에러의 존재가 회절빔의 위치에서 발견되면, 렌즈 구동수단은 광학 디스크 파일(20) 내의 트랙에 수직한 방향으로 대물렌즈(14)를 구동함으로써 빔이 상기 디스크를 조사하는 위치를 조절한다.
한편, 광 디스크 파일(20)로부터 반사된 0차 회절빔은 45° 반사 미러(13)로 비점수차를 형성한 후, 광검출기(16)내 수광 수단중 하나에 입사됨으로써 검출 신호(S2)를 전달한다. 검출 신호(S2)에 따라, 포커싱 에러검출수단(18)은 광 디스크 드라이브와 연관된 제어기에 응용되는 포커싱 에러 신호(G2)를 유도한다. 만약, 에러의 존재가 포커스의 깊이에서 발견된다면, 렌즈 구동수단은 광 디스크 파일(20)의 기록면에 수직한 방향으로 대물렌즈(14)를 구동하여 광빔의 포커스 깊이를 조정한다.
광 검출기(16)가 핀홀 부재(15)를 통해 광 디스크 파일(20)로부터 반사빔을 수광하기 때문에, 2배의 회절 제한 효과가 작용하여 반사빔을 수광할 때 포커스의 깊이 방향의 분해능을 개선시키게 된다. 이러한 방식에서, 광 디스크파일(20)로부터 4진 데이터가 검출되고, 재생 신호로서 광 디스크 드라이브와 연관된 제어기까지 운반된다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에서는 광검출기(16) 근처의 위치에 핀홀부재(15)가 배치됨으로써 광디스크 파일(20)로부터 반사빔이 핀홀을 통해서 수광되어, 이러한 빔의 수광 동안에 2개의 인자에의해 반사빔의 포커스 깊이 방향으로 분해능이 개선되도록 해준다. 이러한 방식에서, 검출될 수 있는 피트 깊이의 차는 종래 값의 1/2까지 감소될 수 있다. 다라서, 4진 데이터는 종래의 2진 데이터를 갖는 광디스크 파일의 2배의 밀도로 기록되는 고밀도 광디스크 파일로부터 정보를 판독하는 것이 가능하게 된다. 초점 깊이 방향의 분해능은 광 디스크 파일의 기록면상에 집속되는 광빔의 스폿 직경을 감소시킴없이 개선되기 때문에, 신뢰할 수 있는 방식으로 트래킹 에러 및 포커싱 에러를 검출하는 것이 가능하다.
상술한 실시예는 단지 예로서 기술했기 때문에, 본 발명은 이러한 실시예에만 제한되지 않고 본 발명의 범위내에서 당분야 기술자에 의해 상기 실시예를 근거로 하여 용이하게 다양한 변형 및 변화가 이루어질 수 있을 것이다.

Claims (3)

  1. 광빔을 발사하는 광원과, 광학 헤드에 연관되어 배치되며 1쌍 이상의 1차 회절빔을 발생하기 위해 광빔을 회절하는 회절 격자와, 광디스크 파일로부터 1쌍의 반사빔을 발생하기 위해 다치 엔코드 데이터를 갖는 광디스크 파일위에 1차 회절빔을 집속하는 제1광학 시스템과, 1쌍의 집속된 빔을 발생하기 위해 각 초점에서 반사빔을 집속하는 제2광학 시스템과, 상기 집속된 빔의 각각에 대응하는 각 초점에서 핀홀을 갖는 핀홀부재와, 각각의 집속된 빔에 근거하여 검출 신호를 발생하기 위해 각 핀홀을 통과하는 1쌍의 집속된 빔에 대응하는 빔을 각각 수용하는 1쌍 이상의 검출 수단을 갖는 광검출기와, 그 검출 신호에 근거하여 계산 동작을 수행하고 상기 계산 동작에 근거하여 광학 헤드를 트래킹하기 위한 트래킹 에러 신호를 발생하는 제1계산 수단을 포함하는 광학 헤드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1계산 수단은 검출 신호에 감산 동작을 실행하는 광학 헤드.
  3. 제1항에 있어서, 포커싱 에러 신호를 발생하는 제2계산 수단을 더 포함하며, 상기 회절 격자는 0차 회절빔이 그 내부를 투과하도록 허용하고, 핀홀부재 및 광검출기는 광디스크 파일로부터 반사되며 상기 제1및 제2광학 시스템을 통해 투과되는 0차 회절빔을 위한 다른 핀홀과 다른 검출 수단을 가지며, 상기 다른 검출수단은 0차 회절빔으로부터 다른 검출 신호를 발생하고, 상기 다른 검출신호는 제2계산 수단으로 공급되는 광학 헤드.
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