KR100468168B1 - 광학정보기록매체를기록및/또는재생하기위한광학시스템 - Google Patents

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코니카 미놀타 홀딩스 가부시키가이샤
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Abstract

광학 정보 기록 매체에서 정보를 기록 또는 재생하기 위한 광학 시스템은 파장 λ을 갖는 광원; 대물 렌즈; 광학 시스템의 광축에 수직인 방향으로 대물 렌즈를 이동시킴으로써 대물 렌즈를 트랙킹하기 위한 트랙킹 수단; 및 적어도 하나의 플라스틱 렌즈를 포함하고 포지티브 초점 길이를 가지며, 광원으로부터 방출된 광을 대물 렌즈로 안내하기 위해 광원과 대물 렌즈 사이에 제공되는 커플링 렌즈 광학 시스템을 포함한다. 최대 트랙킹량에 대응하는 개구수에서 상기 커플링 렌즈 광학 시스템의 파면 수차의 최대 변화량은 0.02 λrms 이하이다.

Description

광학 정보 기록 매체를 기록 및/또는 재생하기 위한 광학 시스템
본 발명은 광원으로부터의 광 빔이 광학 정보 기록 표면 상으로 집광되어 그 표면 상에서 정보를 기록 및 재생하는 광학 시스템에 관한 것으로, 특히, 온도 및 습도 변화에 따른 영향이 억제되는 광학 시스템에 관한 것이다.
가장 인기 있는 광학 정보 매체의 유형인 콤팩트 디스크(CD)에서 정보를 기록/재생하기 위해, 광원으로부터 방출된 발산 광 빔은 수렴 광 빔으로 변환되고 광학 정보 기록 매체로 이미지-초점이 맞추어지는 수렴 광학 시스템용으로 다양한 광학 시스템들이 제안되어 왔다. 약 780nm의 발진 파장을 갖는 반도체 레이저가 사용되고, 광학 정보 기록 매체측에서의 개구수가 약 0.45인 단일 대물 렌즈가 사용되고, 양 표면이 구형인 유한 결합형(finite conjugation type) 광학 시스템이 일반적이다(예를 들어, 일본국 특허 공개 공보 제56314/1986호 참조). 많은 경우에, 싱글 대물 렌즈는 수지로 구성되고, 그의 온도로 인한 변화는 비교적 작은 초점 거리와 개구수로 인해 문제시되지 않았다. 또한 습도로 인한 변화와 관련해서도 약 1 내지 2％의 포화 수분 흡수율을 가진 수지가 사용되었더라도, 문제시되지 않았다.
그러나, 최근에, 광 디스크와 같은 광학 정보 기록 매체 상에 기록되는 정보 밀도가 증가되어, 광원의 파장이 감소되고, 따라서 광학 시스템 또는 대물 렌즈의 NA가 매우 증가된다. 특히, DVD의 경우, 밀도가 상당히 증가되고, 수렴 광 광학 시스템을 위해 635-650nm의 파장과 0.6의 개구수가 요구된다.
고밀도 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위해, 대물 렌즈의 큰 개구수로 인해 초점을 맞추기 위해 렌즈가 이동될 때 구면 수차가 상당히 변화되고, 또한, 트랙킹을 위해 광학 축과 수직인 방향으로 렌즈가 이동될 때 상당한 비점 수차가 발생되기 때문에, 싱글 대물 렌즈로 구성된 유한 결합형 광학 시스템은 유용하지 않다.
포커싱(focusing)과 트랙킹을 위해 광원과 대물 렌즈가 일체로 이동되는 시스템에서, 수차 변동은 없지만, 트랙킹 또는 포커싱을 위해 필요한 속도는 간단한 메카니즘에 의해서는 획득될 수 없다.
이 때문에, 대물 렌즈가 포커싱과 트랙킹을 위해 이동할 때, 이 이동에 의해 야기되는 수차 변동이 매우 억제되게 함으로써, 대물 렌즈의 측 배율(lateral magnification)의 절대 값이 선정된 값 이하로 제한되도록, 광원, 커플링 광학 시스템 및 대물 렌즈로 구성된 광학 시스템의 사용이 필요하다.
일반적으로, 커플링 광학 시스템으로서, 발산 광 빔을 평행 광 빔으로 변환시키기 위해 시준기 광학 시스템이 사용된다. 이 경우에, 커플링 광학 시스템의 측 배율(mc)은 광원의 반대 측면으로부터 관측될 때 0이다.
일반적으로, 시준기 광학 시스템으로서, 구형 유리 표면들이 서로 부착되어 있고, 최근에는, 싱글 구형 유리 렌즈가 사용되는, 2개의 소자들을 포함하는 1 그룹의 시준기 렌즈가 사용된다. 또한, 시준기 광학 시스템의 일부로서, 싱글 구형 수지 렌즈가 또한 사용된다.
또한, 반도체 레이저의 파장 변동으로 인한 영향을 감소시키기 위해, 저 분광 재료로 이루어진 포지티브 렌즈가 고 분광 재료로 이루어진 네가티브 렌즈와 결합된, 3개 이상의 소자들을 갖는 싱글 렌즈들로 구성된 다수의 시준기 광학 시스템들이 공지되어 있다.
광원의 반대 측면으로부터 관측된 측 배율(mc)이 포지티브인 커플링 광학 시스템을 사용함으로써, 광원으로부터 방출된 발산 광 빔의 발산 정도가 감소되고, 대물 렌즈의 측 배율이 0에 가까운 네가티브 값으로 세트되는 일례들은 일본 특허 공개 공보 제258573/1994호 및 제5909/1996호에 기술되어 있다.
후자의 일례에서, 더블-사이드 구형 수지 렌즈는 대물 렌즈이고, 적어도 하나의 표면이 구형인 싱글 수지 렌즈는 커플링 광학 시스템이다.
다른 일례에서, 대물 렌즈가 수지로 이루어진 경우, 광학 시스템과 대물 렌즈의 NA가 증가될 때 발생되는 문제이고, 환경 온도 변화로 인해 발생되고 포커싱에 의해 변화되는 구면 수차에 대한 대책이 설명된다.
이와 관련하여, 광원의 반대 측에서 관측했을 때 네가티브 측 배율(mc)을 갖는 커플링 렌즈가 사용되고, 이에 의해서 광원으로부터 방출된 발산 광 빔이 수렴 광 빔으로 변환되고, 대물 렌즈의 측 배율이 포지티브이고 0에 가까운 값으로 세트되는 일례가 일본 특허 출원 제352208/1995호에 기술되어 있다.
이 공개 공보에서, DVD와 같은 초고밀도 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위해 광학 시스템에서 요구되는, 광원의 파장 감소와, 광학 시스템 또는 대물 렌즈의 NA의 증가와 관련하여, 대물 렌즈가 수지로 이루어진 경우라도 문제를 거의 야기하지 않는 정도로 환경 온도의 변화로 발생된 구면 수차를 감소시키는 조건들이 기술되어 있다. 또한, 커플링 광학 시스템으로서, 싱글 수지 렌즈가 사용되고, 이에 의해서 환경 온도 변화로 인해 발생되는 구면 수차가 더 감소될 수 있다고 기술되어 있다.
그러나, 상술된 일례들에서는, 렌즈가 수지로 이루어진 경우, 주위 습도의 변화로 인해 발생되는 문제점들을 극복하기 위한 대책이 개시되어 있지 않으며, 따라서 광학 시스템이 DVD와 같은 고 밀도 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하는 동안 습도 변화를 허용할 수 있는 지의 여부는 분명하지 않다.
또한, 우수한 내열 및 내습 성능을 갖는 렌즈가 제공될 수 있도록, 광 디스크의 광학 시스템용으로 사용되는, 반도체 레이저로부터 방출된 광 빔을 평행 광 빔으로 변환하기 위한 시준기 렌즈로서, 거의 0인 굴절 배율을 갖는 플라스틱 렌즈 및 유리 렌즈로 이루어진 광학 시스템이 공지되어 있다(일본국 특허 공개 공보 제20377/1995호 및 제20378/1995호). 공개 공보에는 다음과 같이 설명되어 있다. (1) 무한 결합형 광학 시스템의 시준기 렌즈가 플라스틱으로 이루어질 때, 초점 길이와 백(back) 초점 길이가 온도 변화에 의해 야기된 굴절률의 변화에 의해 상당히 변동되고, 광원의 위치가 렌즈의 초점 위치로부터 벗어나서, 방출된 광 빔이 평행하지 않게 되고, 이에 의해서 광학 성능이 감소된다는 문제점이 있다.
(2) 본 발명의 효과로서, 플라스틱 렌즈의 굴절률이 변화될 때만 초점 길이와 백 초점 길이가 약간 변경되는 렌즈가 얻어질 수 있다. 따라서, 온도 변화에 대한 초점 길이의 변화가 작아서, 내열 성능이 요구될 때 이 렌즈가 사용될 수 있다. 또한, 습도 변화와 관련해서도, 렌즈의 굴절률은 수분 흡수에 따라 변화되지만, 렌즈의 초점 길이의 변화는 이 굴절률에 대해 작으므로, 이 렌즈는 또한 내습 특성을 갖는다.
상술된 항목 (1)에서, 싱글 플라스틱 시준기 렌즈만 고려할 때, 초점 길이와 백 초점 길이는 온도 변화로 인한 굴절률의 변화에 따라 변경된다는 사실이 있다. 그러나, 광원, 싱글 플라스틱 시준기 렌즈, 및 무한 결합형 대물 렌즈로 이루어진, 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위한 전체 광학 시스템에서는, 시준기 렌즈로부터 방출된 광 빔들이 온도 변화로 인한 굴절률의 변화로 인해 평행하지 않더라도, 구면 수차의 변동은 작다.
또한, 상술된 광학 시스템에서, 주위 온도가 상승할 때 수지 물질의 굴절률이 감소하기 때문에 대물 수지 렌즈는 포지티브 구면 수차를 갖는다. 한편, 싱글 시준기 렌즈에서, 온도 상승으로 인해 수지 물질의 굴절률이 감소될 때 싱글 시준기 렌즈에서 발생된 구면 수차는 작고, 온도 상승의 변동으로서, 싱글 시준기 렌즈로부터 방출된 광 빔은 백 초점 길이가 커지기 때문에 발산 광 빔이 된다. 또한, 대물 렌즈에서, 발산 광 빔이 렌즈로 입사될 때 네가티브 구면 수차가 발생된다. 따라서, 시준기 렌즈는 싱글 수지 렌즈로 구성되고, 이에 의해서 대물 수지 렌즈의 주위 온도 변화로 인한 구면 수차의 변화가 보정된다.
또한, 상술된 항목 (2)에서, 건조 또는 습한 상태에서 전체 렌즈가 균일할 때 플라스틱 렌즈의 굴절률이 거의 0이 되게 함으로써 초점 길이와 백 초점 길이의 변화가 감소된다는 사실이 있다. 그러나, 균일한 건조 상태 후의 수분 흡수 프로세스에서, 또는 균일한 수분 흡수 상태 후의 건조 프로세스에서, 렌즈에서 굴절률 분포의 불균일이 발생되고, 광축 주위의 회전 균형의 렌즈에서 구면 수차가 매우 변한다. 싱글 대물 수지 렌즈에 있어서 이 사실은 널리 공지되어 있다. (광디스크의 플라스틱 대물 렌즈의 수분 흡수 시뮬레이션, KONICA TECHNICAL REPORT 3의 74 페이지를 참조.)
또한 싱글 시준기 수지 렌즈, 또는 수지 렌즈에 있어서, 그의 굴절률, 측 배율 또는 개구수와 무관하게, 렌즈의 굴절률 분포의 변동은 싱글 대물 수지 렌즈와 동일한 방법으로 추정된다.
사실상, DVD에 비해 낮은 기록 밀도를 갖는 레이저 디스크의 경우에, 약 780nm의 파장을 갖는 광원과, 4.5mm의 초점 길이와 0.50의 개구수(실효 개구가 4.5mm임)를 갖는 무한 결합형 대물 렌즈가 사용되고, 시준기 렌즈로서, 17.0mm의 초점 길이와 0.14의 광원측 개구수를 갖는 렌즈가 사용된다.
대물 렌즈와 시준기 렌즈 모두의 경우에, 3-소자 렌즈를 포함하는 2-그룹과 2-소자 렌즈를 포함하는 1-그룹으로 각각 이루어진 결합 구형 유리 렌즈에 의해 회절 제한 성능이 얻어진다.
대물 렌즈의 경우, 개구수는 크고, 결합 구형 유리 렌즈는 비싸다. 따라서, 우선적으로 플라스틱 구형 렌즈가 채택된다. 이 렌즈에 이어, 시준기 렌즈의 일부로서, 다음 규격의 플라스틱 구형 렌즈가 채택된다.
사용되는 파장: 780 nm
초점 길이: 17.0 mm
실효 개구: 4.76 mm (5.7 mm)
광원측의 개구수: 0.14 (0.17)
렌즈 외경: 7.75
렌즈 재료: 아크릴 수지(포화 수분 흡수율 α = 1.0％)
표준 구면 수차: 0.031λrms 이내(NA가 0.14일 때)
(상기 실효 개구와 광원측의 개구수의 괄호의 수치 값들은 렌즈가 상술된 렌즈에 결합되는 경우에 각각 대응하고, 트랙킹량은 0.6 mm이다.)
시준기 렌즈(30)의 단면도가 도 2에 도시되어 있다.
시준기 렌즈의 고 습도 테스트 결과가 도 3에 도시되어 있다.
테스트 상태는 다음과 같다: 렌즈가 120 시간 동안 +60℃의 온도와 90％ 상대 습도의 일정한 온도와 일정한 습도의 탱크에 배치된 후, 상태는 정상 온도와 정상 습도의 환경 상태로 회복되었고, 파면 수차의 변화가 384 시간 동안 간섭계로 측정되었다. 간섭계의 광원은 He-Ne 레이저(파장이 633 nm)였다.
도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 구면 수차 성분은 건조한 중에 약 0.025 λrms 만큼 변화되었다. 이 값이 실제로 광원의 780nm 파장으로 변환될 때, 변화량은 0.02 λrms이다. 시준기 렌즈의 나머지 구면 수차가 표준 한계와 거의 동일할 때, 구면 수차의 최대량은 0.051 λrms에 도달하지만, 시준기 렌즈가 레이저 디스크용으로 사용될 수 있다. 그러나, DVD와 같은 고 밀도 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위한 광학 시스템에서, 구면 수차와 수분 흡수로 인한 변동이 염려되고, 따라서 고가의 결합 구형 유리 렌즈 또는 싱글 구형 유리 렌즈가 커플링 광학 시스템으로서 사용된다.
본 발명에서, DVD와 같은 초 고밀도 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위한 광학 시스템은 광원, 커플링 광학 시스템 및 대물 렌즈를 포함하고; 광축에 수직인 방향으로 대물 렌즈를 이동시킴으로써 트랙킹이 실행된다. 이 경우에, 커플링 광학 시스템의 일부 또는 전체가 플라스틱 렌즈로 구성되더라도, 습도 변화의 영향이 허용가능한 정도로 억제될 수 있는 광학 시스템이 획득될 수 있다.
본 발명에서, 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위한 광학 시스템은 다음 사항들을 특징으로 한다. 광학 시스템에는 광원과 대물 렌즈 사이에 배치되고, 광원으로부터 대물 렌즈로 광 빔을 안내하도록 포지티브 초점 길이를 갖는 커플링 광학 시스템이 제공되고; 광학 시스템은 커플링 광학 시스템의 광축에 수직인 방향으로 대물 렌즈를 이동시킴으로써 트랙킹을 실행하고, 커플링 광학 시스템은 적어도 하나의 플라스틱 렌즈를 포함하고, 커플링 광학 시스템에서의 플라스틱 렌즈의 수분 흡수로 인한 파면 수차의 변화의 최대량은 최대 트랙킹에 대응하는 개구수에서 0.02 λrms보다 크지 않다.
따라서, 커플링 광학 시스템에서의 플라스틱 렌즈는 0.5％ 보다 크지 않은 포화 수분 흡수율을 갖는 물질, 구체적으로 폴리올레핀(polyolefine) 수지 또는 노보넨(norbornene) 수지로 이루어진다는 점을 특징으로 한다.
광학 시스템에서, 트랙킹의 최대량은 0.1mm 내지 0.7mm이고, 대물 렌즈의 기록 매체측의 개구수 NA0은 NA0＞0.52를 만족하고, 광원의 파장 λ는 700nm 보다 크지 않다.
커플링 광학 시스템은 양호하게 싱글 플라스틱 커플링 렌즈로 이루어지고, 싱글 플라스틱 커플링 렌즈는 수분 흡수에 의한 싱글 커플링 렌즈의 파면 수차의 최대 변화량이 대물 렌즈의 최대 트랙킹에서 요구되는 개구수에서 0.02λrms 보다 크지 않다는 점을 특징으로 한다. 싱글 플라스틱 커플링 렌즈는 0.5％ 보다 크지 않은 포화 수분 흡수율을 갖는 물질, 구체적으로, 폴리올레핀 수지 또는 노보넨 수지로 이루어지고, 초점 길이 fc가 12mm ＜ fc ＜ 36mm 라는 점을 더 특징으로 한다.
도 4(a)는 커플링 광학 시스템이 구면 수차를 갖는 경우의 수차 모델을 도시한 것이다. 도면에서, 가로 축 W는 파면 수차를 나타내고, 세로 축 ρ는 대물 렌즈의 실효 개구에 의해 표준화된 광축으로부터의 거리를 나타낸다. 대물 렌즈가 광축 상에 배치될 때, 커플링 광학 시스템으로부터 방출된 파면(wavefront)에서, 광축에 대해 대칭인 범위 B의 파면이 사용된다. 그러나, 대물 렌즈가 광축에 수직인 방향으로 트랙킹에 의해 Δ만큼 이동될 때, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, Δ만큼 시프트된 범위 C의 파면이 사용된다.
범위 C의 파면은 대물 렌즈의 광축에 대해 비대칭이고, 실제로 코마(coma)가 발생된다.
도 4(a)의 파면 W는 다음과 같이 표현된다:
[식 1]
W = Aρ 4
여기서 A는 계수이다. 대물 렌즈가 광축에 수직인 트랙킹에 의해 Δ만큼 이동될 때, 파면 W는 다음과 같이 표현된다:
[식 2]
W = A(ρ - Δ)4
= Aρ 4 - 4Aρ 3 + …
제1 항은 구면 수차를 나타내고, 제2 항은 코마를 나타낸다. 즉, 식 2는 기록/재생 성능에 매우 영향을 주는 코마가 트랙킹에 의해 발생됨을 나타낸다.
구면 수차 성분 Wsa와 파면 수차의 rms 값의 코마 성분 Wcm은 다음과 같이 표현된다:
[수학식 1]
Figure pat00023
[수학식 2]
Figure pat00024
다음 규격의 DVD용 대물 렌즈가 종래의 시준기 렌즈와 결합하여 사용된다고 추정된다.
사용되는 파장: 635 nm
초점 길이: 3.36 mm
실효 개구: 4.03 mm
디스크측의 개구수; 0.6
렌즈 외경: 5.8 mm
17.0 mm의 초점 길이를 갖는 시준기 렌즈에 필요한 광원측상의 NA는 대물렌즈의 트랙킹량이 0일 때 0.118이고, 트랙킹 최대량이 0.5mm일 때 0.148이다. NA = 0.118일 때 ρ = 1 이고, 트랙킹 최대량에 대응하는 Δ가 Δ max일 때,
Δ max = (0.148 - 0.118) / 0.118 = 0.25.
DVD의 트랙킹의 최대량은 0.1 - 0.7 mm로 추정된다. 현재, 디스크의 편심률이 엄격하게 제어되고, 따라서, DVD의 트랙킹의 최대량은 약 0.2 mm가 바람직하다. 그러나, 차후에, 표준 외의 기록/재생 디스크들의 요청이 증가되면, 이 경우에, 트랙킹의 최대량은 가능한 한 크게 될 필요가 있다고 추정된다. 그러나, 0.7 mm 보다 클 때, 전체 사이즈가 커지게 되어서, 트랙킹 메카니즘의 만족스러운 기계적인 특성들을 획득하기가 어렵게 된다.
NA가 0.14일 때, 건조시의 시준기 렌즈의 파면 수차의 구면 수차 성분의 변화량은 0.025λrms이고, 구면 수차 성분이 NA의 4번째 배율에 비례하기 때문에, 구면 수차 성분의 변화량은 NA가 0.118일 때 0.0127λrms가 된다.
따라서, A가 수학식 1로부터 얻어진다.
[수학식 3]
Figure pat00025
수학식 2로부터, 트랙킹에 의해 발생된 코마 성분은 다음과 같이 주어진다.
[수학식 4]
Figure pat00026
한편, 시준기 렌즈의 나머지 표준 구면 수차는 파장 635nm 이고 NA가 0.118인 조건 하에서 0.0127 λrms 보다 크지 않다.
따라서, 트랙킹이 0.5 mm일 때, 0.02λrms의 코마가 더 발생된다. 이 때문에, 시준기 렌즈와 대물 렌즈에 코마가 없더라도, 0.04λrms의 코마가 수분 흡수 및 건조에 의한 시준기 렌즈의 구면 수차의 변동과 나머지 구면 수차에 의해 발생된다. 광 디스크에서, 이 코마는 인접 트랙 방향으로 발생되지만, DVD에서는, 트랙 피치가 매우 밀접하고 레이저 디스크의 트랙 피치보다 좁기 때문에, 도 2에 도시된 일례의 시준기 렌즈는 사용될 수 없다.
일반적으로, 대물 렌즈에서, 개구수가 크기 때문에, 코마는 싱글 구형 렌즈 또는 커플링 렌즈에 좌우되지 않고 렌즈의 편심률에 의해 발생되고, 코마의 표준은 일반적으로 0.03 λrms 보다 크지 않다. 또한, 때때로 대물 렌즈에서 발생된 코마는 대물 렌즈를 기울임으로써 보정된다. 그러나, 대물 렌즈를 트랙킹함으로써 발생된 코마는 코마가 트랙킹량에 대응해서 발생되기 때문에 보정될 수 없다.
0.03 λrms 보다 작은 최대 트랙킹량에 대응해서 발생된 코마를 억제하기 위해, 커플링 광학 시스템의 나머지 구면 수차의 표준이 동일하면, 수분 흡수 및 건조에 의해 구면 수차가 Wsa, a 만큼 변동될 때, 또한 트랙킹이 실행될 때 발생되는 코마 성분 Wcm, a'는 0.01 λrms 보다 작게 될 필요가 있다.
수학식 3과 수학식 4로부터 다음 수학식이 얻어진다.
[수학식 5]
Figure pat00027
따라서, Wsa, a = 0.0063 λrms이다.
이 값은 0.5 mm의 최대 트랙킹량에 대응해서 개구수가 0.148일 때 구면 수차 성분의 변화가 0.016 λrms임을 의미한다.
즉, DVD와 같은 고밀도 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위한 광학 시스템의 커플링 광학 시스템에서, 최대 트랙킹량에 대응하는 개구수(예를 들면, 0.5 mm)에서, 구면 수차 이외의 수차들을 고려할 때, 수분 흡수 및 건조에 의해 야기된 과도 파면 수차의 변화량은 약 0.02 λrms 보다 작을 수 있다.
플라스틱 렌즈들 또는 최대 트랙킹 시간에 대응하는 개구수에서의 플라스틱 렌즈들을 포함하는 렌즈 시스템의 파면 수차의 최대 변화량을 측정하는 방법이 이하에 기술된다.
측정 오브젝트가 168 시간 동안 +60℃ 온도와 90％ 상대 습도 하의, 일정한 온도와 습도의 탱크에 저장된 후에, 오브젝트의 파면 수차는 25℃의 정상 온도와 50％ 상대 습도의 정상 습도로 복귀한 후 384 시간 동안 간섭계에 의해 측정되고, 최대 파면 수차와 최소 파면 수차 간의 차이가 파면 수차의 최대 변화량으로서 정의된다.
여기서, 최대 트랙킹 시간에 대응하는 개구수는 플라스틱 렌즈들 또는 플라스틱 렌즈들을 포함하는 렌즈 시스템의 광원 측의 개구수, 즉, 대물 렌즈의 트랙킹에 의해 변화될 수 있는 최대 휘도 선속에 대응하는 개구수를 의미한다.
도 5는 전체 광학 시스템을 도시한 것이다. 여기서, 최대 트랙킹 시간에 대응하는 커플링 렌즈(13)의 개구수는 도면에서 "A"로 표시된다. 이에 덧붙여서, 도면의 "B"는 트랙킹량이 "0"일 때의 개구수를 나타내고, 개구수에 대응하는 휘도 선속의 최 외부(EP : extreme periphery)의 광 빔은 대물 렌즈(16)의 정보 기록 매체(7) 측에서의 개구수 NA0에 대응하도록 개구-스톱(5 : aperture-stop)에 의해 조절된다. 여기서, 도면의 "A"의 시간의 휘도 선속의 최외부의 광빔은 도면의 "B"의 시간의 휘도 선속의 최외부의 광빔이 트랙킹에 의해 Δmax 만큼 수직으로 시프트되는 경우와 동일하다.
예를 들면, 도 6에 도시된 트위만-그린(Twyman-Green) 간섭계를 사용하여 파면 수차의 측정이 행해진다. 파면 수차 측정에서, 실제 광학 정보 기록 매체의 기록/재생 광학 시스템용으로 사용되는 광원의 파장과 동일한 파장이 사용된다.
그러나, 간섭계의 광원의 파장이 실제 광학 정보 기록 매체의 기록/재생 광학 시스템용으로 사용되는 광원과 동일하지 않을 때, 파면 수차는 다음의 방법으로 측정될 수 있다: 보정 플레이트(CP : correction plate)가 간섭계의 기준 오목 거울(CM)과 측정 오브젝트(13) 사이에 삽입되거나, 측정 오브젝트의 측 배율이 시프트되어서, 파장 보정과 동일한 효과가 달성되게 한다. 또한, 측정 결과는 또한 광학 디자인 시뮬레이션에 의해 변환될 수 있다.
수지 물질의 특성을 향상시킴으로써 광학 정보 기록 매체용 기록/재생 광학 시스템을 구현하기 위해, 포화 수분 흡수율 α는 0.5％ 보다 작을 수 있다. 또한, 커플링 렌즈의 나머지 구면 수차 성분의 표준을 충분히 만족시키기 위해 α = 0％가 양호하다. 포화 수분 흡수율의 테스트 방법으로서, ASTM(American Society for Testing Materials) D570(테스트 조건: 하나의 샘플이 일주일 동안 23℃ 물에 방치됨)이 사용되었다.
α가 0.5％ 미만인 광학용 수지 물질들이 다양하게 있다. 비교적 작은 복굴절을 갖는 수지로서, Nihon Zeon Co.의 Zeonex(상품명)또는 Mitsui Petrochemical Industries의 APEL(상품명)과 같은 폴리올레핀 수지, 또는 Japan Synthetic Rubber Co.의 ARTON(상품명)로 표시된 노보넨 수지가 양호하다.
DVD용 대물 렌즈로서, 다음 특성들이 요구된다: 1.0mm 보다 큰 작업 거리가 0.6mm의 두께를 갖는 디스크 상에서 유지되고 전체 사이즈는 가능한 한 작다. 또한, CD용으로, 동일한 대물 렌즈가 재생을 위해 광축을 따라 이동될 때 1.2mm 두께의 디스크의 경우 1.6mm의 최소 이동 거리가 필요하다.
상술된 경우를 고려할 때, 무한 결합형 구형 싱글 대물 렌즈가 대물 렌즈용으로 사용되는 경우에, 1.8 내지 5mm의 초점 길이가 요구되고, 초점 길이를 2.4 내지 4.5mm로 세트하는 것이 양호하다.
1.8mm의 초점 길이는 DVD의 독점적 사용을 위해 필요한 최소 이동 거리가 유지되는 경우에 대응하고, 5mm의 초점 길이는 DVD와 CD가 서로 교환될 수 있는 경우에 대응하고, 플라스틱 렌즈는 측 게이트 몰딩 시스템(side gate molding system)에 의해 제조된다. 초점 길이가 길어지면, 광학 시스템의 전체 사이즈가 커지게 된다. 또한, 초점 길이가 짧아지면, 큰 굴절률을 갖는 특정 유리 물질을 사용하는 몰딩이 필요하게 된다.
전체 광학 시스템의 측 배율 mt는 -1/10 내지 -1/4이고, -1/8 내지 -1/5로 세트되는 것이 보다 양호하다.
상술된 요구사항으로부터, 대물 렌즈가 무한 결합형인 경우에, 커플링 광학 시스템의 초점 길이 fc는 7.2mm ＜ fc ＜ 50mm이고, 12mm ＜ fc ＜ 36mm가 보다 양호하다.
또한, 일반적으로, 대물 렌즈는 포커싱을 위해 광축을 따라 이동된다. 이 경우에, 대물 렌즈의 측 배율 ｜mo｜가 클 때, 포커싱에 의한 대물 렌즈의 구면 수차의 변동이 문제가 된다. 따라서, ｜mo｜＜ 1/10이 양호하다.
따라서, mo가 0이 아닐 때, 커플링 광학 시스템의 대물 렌즈 측으로부터 관측된 측 배율 mc가 다음 식으로부터 획득된다:
mc = mo/mt
본 발명의 실시예들은 이하에 설명된다. 실시예들에서 사용된 파장은 635nm이다. 테이블의 심볼들은 다음을 나타낸다.
ri: 광원으로부터 i번째 렌즈 표면의 정점에서의 곡률 반경
di: 광원으로부터 i번째 렌즈의 표면 간격
ni: 광원으로부터 i번째 렌즈의 렌즈 물질의 굴절률
fc: 시준기 렌즈의 초점 길이
fo: 대물 렌즈의 초점 길이
U: 광학 시스템의 오브젝트와 이미지 간의 거리
T: 광학 시스템의 제1 표면으로부터 관측될 때 광원까지의 거리
표면의 정점이 원점이고, 정점의 곡률이 C이고, 원뿔 계수가 K이고, 비구면 표면의 계수가 Ai이고, 비구면 표면의 멱지수가 Pi(≥4)일 때, 비구면 표면의 형태는 다음 식으로 표현된다.
[수학식 6]
Figure pat00028
제1 실시예
커플링 광학 시스템으로서, 광원(1)으로부터의 휘도 선속이 평행 광 빔으로 변환되는 시준기 렌즈(3)가 채택되고, 이는 무한 결합형 대물 렌즈(6)와 결합된다.
fc = 25.2 mm이고, fo = 3.37 mm 일 때, mt = -1/7.5, T = -22.557 mm, U = 35.973 mm 이다.
Figure pat00029
비구면 계수
제4 표면
Figure pat00030
= -7.09000 × 10-1
제6 표면
Figure pat00031
= -9.90670 × 10-1
A1 = 6.06760 × 10-3 P1 = 4.0000
A2 = 2.43360 × 10-4 P2 = 6.0000
A3 = 6.88550 × 10-6 P3 = 8.0000
A4 = -5.62880 × 10-6 P4 = 10.0000
제7 표면
Figure pat00032
= -2.73090 × 10-1
A1 = 9.23170 x 10-3 P1 = 4.0000
A2 = -4.00540 × 10-3 P2 = 6.0000
A3 = 8.31010 × 10-4 P3 = 8.0000
A4 = -7.33530 × 10-5 P4 = 10.0000
제1 실시예의 단면도가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서, 광원(1)으로부터 방출된 광 빔은 커버 유리(2)를 통과하고, 시준기 렌즈(3)를 통과하여, 거의 시준되는 광 빔으로 변하고, 개구-스톱(5)에 의해 선정된 광 빔으로 제한되고 대물 렌즈(6)로 입사된다. 대물 렌즈(6)에 입사된 광 빔은 투명 기판(7)을 통해 정보 기록 표면(8)에 수렴된다. 광학 시스템에서, 파면 수차의 변화 시뮬레이션의 결과들은, 시준기 렌즈(3)가 설계 값(비수차)으로 되는 경우의 트랙킹량에 대해서, 그리고, 0.5mm의 트랙킹량을 고려하여, 시준기 렌즈의 5.04mm의 실효 개구에 대해, 시준기 렌즈 자체가 0.02λrms의 3차의 구면 수차를 갖는 경우에 대해서 도 7에 각각 도시되어 있다.
시준기 렌즈(3)가 비수차를 가질 때, 파면 수차는 트랙킹에 의해 변화되지 않는다. 한편, 시준기 렌즈(3)가 3차의 구면 수차를 가질 때, 파면 수차는 트랙킹에 의해 감소된다.
도 8은 광학 시스템의 온도가 30℃만큼 상승될 때(ΔT = 30℃), 트랙킹량에 대한 파면 수차의 변화 시뮬레이션의 결과를 도시한 것이다. 이 경우에, 시준기 렌즈(3)와 대물 렌즈(6)가 수지로 이루어지기 때문에, 굴절률들은 각각 -0.0036만큼 변화된 것으로 추정된다. 전체 광학 시스템의 구면 수차가 변화되더라도, 트랙킹에 의한 파면 수차의 변화는 작다.
시준기 렌즈(3)는 0.1％ 보다 작은 포화 수분 흡수율 α를 갖는 물질로 이루어진다. 도 9는 168 시간 동안 +60℃ 온도와 90％ RH 상대 습도의 일정한 온도 및 습도의 탱크에 시준기 렌즈(3)가 저장된 후, 상태가 정상 온도 및 정상 습도 환경 상태로 복구되고, 파면 수차의 변화가 간섭계에 의해 측정된 결과들을 도시한 것이다. 광원(1)으로서, 633nm 파장의 He-Ne 레이저가 사용되기 때문에, 파장은 설계 작업 파장과 거의 동일하여서 변환을 방지한다. 측정 편의상, 광축의 최외부의 휘도 선속과 일치되는 개구-스톱이 사용된다. 이 상태에서, 전체 파면 수차와 파면 수차의 구면 수차 성분의 변동은 0.005λrms보다 작고, 모든 변동이 구면 수차 변동이라고 추정되더라도, 이들은 0.015λrms보다 작다.
상술된 바와 같이 또한 도 7, 도 8 및 도 9에서 명백하게 알 수 있는 바와 같이, DVD와 같은 고 밀도 매체에서라도 습도 변화로 인한 트랙킹 특성의 퇴화는 작고, 우수한 온도 특성을 갖는 광학 시스템이 저렴하게 구현될 수 있다.
제2 실시예
도 10에 도시된 커플링 광학 시스템으로서, 광원(1)으로부터의 휘도 선속이 수렴 광 빔으로 변환되는 커플링 렌즈(13)가 채택되고, 수렴 광 빔을 위해 결합되는 대물 렌즈(16)와 결합된다.
fc = 18.1 mm, f0 = 3.80 mm.
커플링 렌즈(13)의 대물 렌즈 측으로부터 관측된 이미징 배율 mc와 대물 렌즈(16)의 배율 mo는 각각
mc = -0.63, mo = 1/12 (단, mt = -1/7.5, T = -26.84 mm, U = 40.18 mm)이다.
Figure pat00033
비구면 계수
제3 표면
Figure pat00034
= -4.13770
제4 표면
Figure pat00035
= -6.11760 × 10-1
A1 = 2.60960 × 10-5 P1 = 4.0000
제6 표면
Figure pat00036
= -9.01750 × 10-1
A1 = 5.40980 × 10-3 P1 = 4.0000
A2 = 2.97160 × 10-4 P2 = 6.0000
A3 = 1.63600 × 10-5 P3 = 8.0000
A4 = -2.71680 × 10-6 P4 = 10.0000
제7 표면
Figure pat00037
= -2.25470 × 10
A1 = 1.19200 × 10-2 P1 = 4.0000
A2 = -4.39840 × 10-3 P2 = 6.0000
A3 = 8.74010 × 10-4 P3 = 8.0000
A4 = -7.46390 × 10-5 P4 = 10.0000
제2 실시예의 단면도가 도 10에 도시되어 있다. 도 10에서, 광원(1)으로부터 방출된 광 빔은 커버 유리(2)를 통과하고, 커플링 렌즈(13)를 통과하여, 수렴되는 광 빔으로 변한 다음, 개구-스톱(5)에 의해 선정된 광 빔으로 제한되고 대물 렌즈(16)로 입사된다. 대물 렌즈(16)에 입사된 광 빔은 투명 기판(7)을 통해 정보 기록 표면(8) 상에서 더 수렴된다. 이 광학 시스템에서, 파면 수차의 변화 시뮬레이션의 결과들은 커플링 렌즈(13)가 설계 값(비수차)으로서 생각되는 경우의 트랙킹량에 대해서, 그리고 0.5mm의 트랙킹량을 고려하여, 커플링 렌즈(13)의 실효 개구에 대해, 커플링 렌즈 자체가 0.02λrms의 3차의 구면 수차를 갖는 경우에 대해서 도 11에 각각 도시되어 있다.
커플링 렌즈(13)가 비수차를 가질 때, 파면 수차는 트랙킹에 의해 변화된다. 이 수차는 외관상으로는 광원이 대물 렌즈(16)의 광축으로부터 벗어날 때 발생되는 축외(off-axial) 수차를 주로 포함하고, 대물 렌즈(16)의 사인(sine) 조건에 대한 어긋남이 공지된 방법으로 보정되는 경우에는, 비점 수차가 주 성분이다. 한편, 커플링 렌즈(13)가 3차의 구면 수차를 가질 때, 비점 수차 외에 코마가 트랙킹에 의해 감소된다.
도 12는 광학 시스템의 온도가 30℃만큼 상승될 때(ΔT = 30℃), 트랙킹량에 대한 파면 수차의 변화 시뮬레이션의 결과를 도시한 것이다. 이 경우에, 커플링 렌즈(13)와 대물 렌즈(16)가 모두 수지로 이루어지기 때문에, 굴절률들은 각각 -0.0036만큼 변화된 것으로 추정된다. 전체 광학 시스템의 구면 수차가 변화되더라도, 트랙킹에 의한 파면 수차의 변화는 작다.
커플링 렌즈(13)는 0.1％ 보다 작은 포화 수분 흡수율 α를 갖는 물질로 이루어진다. 도 13은 168 시간 동안 +60℃ 온도와 90％ RH 상대 습도의 일정한 온도 및 습도의 탱크에 커플링 렌즈(13)가 보관된 후, 렌즈 상태가 정상 온도 및 정상 습도 환경 상태로 복구된 다음, 파면 수차의 변화가 간섭계에 의해 측정된 결과를 도시한 것이다. 광원(1)으로서, 633nm 파장의 He-Ne 레이저가 사용되기 때문에, 파장은 변환을 방지할 수 있도록 설계된 파장과 거의 동일하다. 측정 편의상, 광축의 최외부의 휘도 선속과 일치되는 개구-스톱(5)이 사용된다. 이 상태에서, 전체 파면 수차와 파면 수차의 구면 수차 성분의 변동은 0.005λrms 보다 작고, 모든 변동이 구면 수차 변동이라고 추정되더라도, 0.015λrms 보다 작다.
상술된 바와 같이 또한 도 11, 도 12 및 도 13에서 명백하게 알 수 있는 바와 같이, DVD와 같은 고 밀도 매체에서라도 습도 변화로 인한 트랙킹 특성의 퇴화는 작고, 우수한 온도 특성을 갖는 광학 시스템이 저렴하게 구현될 수 있다.
상술된 실시예들에서 대물 렌즈의 측 배율 mo = 0이고 mo ＞ 0인 경우들이 도시되었지만, mo ＜ 0인 경우도 상술된 바와 동일하다.
즉, 광원으로부터의 광 빔이 발산 광 빔으로 변환되고, 발산 광 빔을 위해 결합된 대물 렌즈와 결합되는 커플링 렌즈가 채택될 수 있다.
또한, 커플링 광학 시스템이 싱글 렌즈로 구성된 경우가 상술되어 있다. 그러나, 커플링 광학 시스템이 다수의 싱글 렌즈들로 구성되고, 몇몇 렌즈들이 색채 수차를 보정하도록 수지로 이루어질 때, 수지 렌즈는 상술된 조건들을 만족시킨다.
또한, 커플링 광학 시스템에서 플라스틱 렌즈의 수분 흡수로 인한 파면 수차의 최대 변화량이 최대 트랙킹에 대응하는 개구수가 0.02λrms 보다 작게 하기 위해, 외부 형태, 두께를 고려함으로써, 또는 저 포화 수분 흡수율의 수지 물질을 이용하는 것 외에 외부 형태 또는 렌즈 표면에 수분 흡수를 완화시키는 물질을 코팅함으로써 수분 흡수/건조 프로세스에서의 굴절률 분포의 영향을 제거하는 방법, 또는 유사한 방법들이 사용될 수 있다.
CD가 DVD로서 사용되는 타입의 기록/재생 광학 시스템에서, 커플링 광학 시스템을 광축을 따라 이동시킴으로써, 커플링 광학 시스템의 광원 측에서의 개구수가 클 때 파면 수차의 최대 변화량을 고려하여 본 발명이 달성될 수 있다.
실시예들과 특성들로부터 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라, 커플링 광학 시스템의 플라스틱 렌즈가 수분 흡수에 의한 파면 수차의 퇴화가 작은 물질로 이루어질 때, 커플링 렌즈와 대물 렌즈가 각각 싱글 렌즈들로 이루어지더라도, 트랙킹에 의한 파면 수차의 퇴화가 억제됨으로써, DVD와 같은 고 밀도 정보 기록 매체를 재생하기 위한 바람직한 광학 시스템이 획득될 수 있다.
도 1은 본 발명의 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위한 광학 시스템의 제1 실시예의 광학적 배치를 도시한 도면.
도 2는 종래의 시준기 렌즈의 일례를 도시한 단면도.
도 3은 도 2의 시준기 렌즈 싱글 바디의 고습도 테스트 결과들을 도시한 그래프.
도 4는 커플링 광학 시스템이 구면 수차(spherical aberration)를 갖는 경우 트랙킹의 영향을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위한 광학 시스템의 일례의 전체 시스템을 도시한 개략도.
도 6은 파면 수차(wave front aberration)를 측정하는데 사용된 트위만-그린(Twyman-Green) 간섭계의 구성을 도시한 광학 경로도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 광학 시스템에서의 트랙킹에 의한 파면 수차의 변화를 도시한 그래프.
도 8은 본 발명의 제1 실시예의 광학 시스템에서 광학 시스템의 온도가 30℃ 상승할 때 트랙킹량에 대한 파면 수차의 변화를 도시한 그래프.
도 9는 본 발명의 제1 실시예의 광학 시스템에서의 시준기 렌즈의 환경의 변화에 의한 파면 수차의 변화를 도시한 그래프.
도 10은 본 발명의 광학 정보 기록 매체를 기록/재생하기 위한 광학 시스템의 제2 실시예의 광학적 배치를 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 제2 실시예의 광학 시스템에서의 트랙킹에 의한 파면 수차의 변화를 도시한 그래프.
도 12는 본 발명의 제2 실시예의 광학 시스템에서 광학 시스템의 온도가 30℃ 상승할 때 트랙킹량에 대한 파면 수차의 변화를 도시한 그래프.
도 13은 본 발명의 제2 실시예의 광학 시스템에서의 시준기 렌즈의 환경 변화로 인한 파면 수차의 변화를 도시한 그래프.

Claims (15)

  1. 광학 정보 기록 매체에서 정보를 기록 또는 재생하기 위한 광학 시스템에 있어서,
    (a) 파장 λ을 갖는 광원;
    (b) 대물 렌즈;
    (c) 상기 광학 시스템의 광축에 수직인 방향으로 상기 대물 렌즈를 이동시킴으로써 상기 대물 렌즈를 트랙킹(tracking)하기 위한 트랙킹 수단; 및
    (d) 적어도 하나의 플라스틱 렌즈를 포함하고 포지티브 초점 길이를 가지며, 상기 광원으로부터 방출된 광을 상기 대물 렌즈로 안내하기 위해 상기 광원과 상기 대물 렌즈 사이에 제공되는 커플링 렌즈 광학 시스템(coupling lens optical system)을 포함하고,
    상기 커플링 렌즈 광학 시스템의 최대 트랙킹량에 대응하는 개구수에서의 파면 수차(wavefront aberration)의 최대 변화량은 0.02λrms 이하인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 커플링 렌즈 광학 시스템에 포함된 상기 플라스틱 렌즈의 포화 수분 흡수율은 0.5％ 이하인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 커플링 렌즈 광학 시스템에 포함된 상기 플라스틱 렌즈는 폴리올레핀(polyolefine) 수지 또는 노보넨(norbornene) 수지 중 하나에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 트랙킹 수단의 상기 최대 트랙킹량은 0.1 mm 내지 0.7 mm인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광학 정보 기록 매체측의 상기 대물 렌즈의 개구수 NA0은 관계식 NA0 ＞ 0.52을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광원의 파장 λ은 700nm 이하인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  7. 광학 정보 기록 매체에서 정보를 기록 또는 재생하기 위한 광학 시스템에서 사용되며, 포지티브 초점 길이를 가지며, 광원으로부터 방출된 광을 대물 렌즈로 안내하기 위해, 파장 λ를 갖는 광원과, 기록 또는 재생을 위해 상기 광학 시스템의 광축에 수직인 방향으로 트랙킹을 위해 이동하는 대물 렌즈 사이에 제공되는 커플링 렌즈 광학 시스템으로서,
    플라스틱 렌즈를 포함하고;
    상기 커플링 렌즈 광학 시스템의 최대 트랙킹량에 대응하는 개구수에서의 파면 수차의 최대 변화량은 0.02λrms 이하인 것을 특징으로 하는 커플링 렌즈 광학 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 커플링 렌즈 광학 시스템에 포함된 상기 플라스틱 렌즈의 포화 수분 흡수율은 0.5％ 이하인 것을 특징으로 하는 커플링 렌즈 광학 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 커플링 렌즈 광학 시스템에 포함된 상기 플라스틱 렌즈는 폴리올레핀 수지 또는 노보넨 수지 중 하나에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 커플링 렌즈 광학 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 광학 정보 기록 매체측의 상기 대물 렌즈의 개구수 NA0은 관계식 NA0 ＞ 0.52을 만족하는 것을 특징으로 하는 커플링 렌즈 광학 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 상기 광원의 파장 λ은 700nm 이하인 것을 특징으로 하는 커플링 렌즈 광학 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 상기 커플링 렌즈 광학 시스템은 플라스틱 싱글 렌즈인 것을 특징으로 하는 커플링 렌즈 광학 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 플라스틱 싱글 렌즈의 포화 수분 흡수율은 0.5％ 이하인 것을 특징으로 하는 커플링 렌즈 광학 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 플라스틱 싱글 렌즈는 폴리올레핀 수지 또는 노보넨 수지 중 하나에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 커플링 렌즈 광학 시스템.
  15. 제12항에 있어서, 상기 플라스틱 싱글 렌즈의 초점 길이 fc는 관계식 12mm ＜ fc ＜ 36mm을 만족하는 것을 특징으로 하는 커플링 렌즈 광학 시스템.
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