KR100530177B1

KR100530177B1 - 회절광학소자

Info

Publication number: KR100530177B1
Application number: KR10-2002-0032805A
Authority: KR
Inventors: 다케우치슈이치; 마루야마고이치
Original assignee: 펜탁스 가부시키가이샤
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2005-11-22
Also published as: US20030039033A1; CN1391120A; KR20020094912A; CN1198164C; TW535009B; DE10226375A1; DE10226375B4; US6624941B2

Abstract

회절광학소자는 복수의 환형상 존 사이에 광축 방향의 미세 단차를 갖는 복수의 환형상 존이 베이스 부재에 형성되도록 구성된다. 상기 복수의 환형상 존은 하기 조건(1) 및 조건(2)를 각각 만족시키는 내로우 존 및 와이드 존을 포함하며,

ΔZ(i)<(1/2)×ΔE(i) . . . (1)

ΔZ(i)>(3/2)×ΔE(i) . . . (2)

여기에서, i는 상기 광축으로부터 계산된 단차의 수를 나타내고, ΔE(i)는 i번째 단차에 의해 제공된 OPD의 절대값을 나타내고, ΔZ(i)는 i번째 단차 및 (i+1)번째 단차 사이의 환형 존의 내측단부 및 외측단부에 의해, 베이스 커브에 대하여, 제공된 OPD 사이의 차이의 절대값을 나타낸다.

Description

회절광학소자{DIFFRACTION OPTICAL ELEMENT}

본 발명은 고차 회절광을 사용하는 회절광학소자 및 회절광학소자를 사용하는 광픽업용 대물렌즈에 관한 것이다.

종래에, 회절렌즈구조를 구비한 회절광학소자는 색수차 보정, 또는 온도 변화로 인한 특성의 변화에 대한 보상의 목적을 위해 굴절 렌즈와 조합하여 사용되었다. 이 회절렌즈구조는 일반적으로 그 사이에 광축 방향의 미세한 단차를 갖는 복수의 환형상 존으로 구성되어 있다. 이 회절렌즈구조는 굴절 렌즈이거나 아닐 수 있는 광소자에 형성될 수 있다. 광픽업용 광학 렌즈의 분야에서, 회절렌즈구조는 대물렌즈의 굴절면에 형성된다. 특히, 상업적으로 생산된 광픽업용 대물렌즈는 금형을 사용하여 수지로부터 형성될 수 있다.

회절렌즈구조의 환형상 존 사이의 단차는 회절광의 차수 및 광의 파장에 따라 결정된다. 회절광의 차수가 m이고, 광의 파장이 λ이라면, 단차는 m×λ의 광로차(이후로 OPD로 부른다)가 각각의 단차의 내측 및 외측 사이에서 주어지도록 결정된다. 도 6은 1차 회절광을 사용하는 종래의 회절렌즈구조의 단면도를 도시한다. 광축은 도 6의 하측에 위치되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 외부 환형상 존의 폭은 보다 작다. 도 6에서, 보다 작은 피치를 갖는 파선은 각각의 환형상 존을 통해 뻗는 라인을 나타낸다. 2개의 인접하는 파선 사이의 거리는 인접하는 존 사이의 단차에 의해 주어진 하나의 파장의 OPD에 상응한다. 즉, 도 6에 도시된 회절렌즈구조는 환형상 존 사이의 단차에서 하나의 파장의 OPD를 제공함으로써 1차 회절광을 제공한다. 긴 피치를 갖는 파선은 회절렌즈구조가 형성된 굴절렌즈의 베이스 커브를 나타낸다.

도 7a는 고차 회절광을 사용하는 종래 회절렌즈구조의 단면도를 도시한다. 도 7b는 도 7a내의 원부분 A의 확대도이다. 광축에 가까운 단차는 2개의 파장의 OPD를 제공하고, 주변 영역의 2개의 단차는 각각 3개의 파장의 OPD를 제공한다. 이러한 구성에서, 상대적으로 강한 고차 회절광이 얻어진다.

회절광학소자가 수지성형에 의해 형성된다면, 회절렌즈구조는 성형의 불량 형상 및/또는 수지 재료의 불충분한 주입으로 인해 불량이 될 수 있다. 회절 구조의 그러한 불량 형상에 의한 효과는 큰 단차에 대해서 보다 더 크고, 이에 따라 회절 효율은 낮아지게 된다. 단차가 도 6에 도시된 바와 같이 하나의 파장의 OPD를 제공한다면, 회절렌즈구조의 불량 형상의 영향은 상대적으로 작아지고, 회절 효율은 심각하게 낮아지지 않을 수 있다. 그러나, 단차가 도 7a에 도시된 바와 같이 상대적으로 크다면, 불량 상태의 정도는 파선으로 나타낸 설계된 형상에 비교하여 도 7b내의 실선에 도시된 바와 같이 상대적으로 커지게 된다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 불량 부위가 상대적으로 커진다면, 회절 효율은 상당히 낮아지게 된다.

발명의 요약

본 발명은 회절광학소자가 고차 회절광을 사용하도록 설계되었을 지라도 회절 효율에 보다 적은 영향을 미치는 회절광학소자를 제공한다는 장점이 있다.

본 발명의 일 태양에 따라, 베이스 부재, 및 이 베이스 부재의 광축을 기준으로 동심으로 배열된 복수의 환형상 존을 포함하는 회절렌즈구조로서, 광축방향으로 뻗어 있는 미세 단차는 복수의 환형상 존 사이에 형성되며, 복수의 환형상 존은 베이스 부재의 표면에서 형성된 회절렌즈구조를 포함하는 회절광학소자가 제공된다. 상기 복수의 환형상 존은 하기 조건(1)을 만족시키는 적어도 하나의 좁은 존 및 조건(2)를 만족시키는 적어도 하나의 넓은 존을 포함하며,

ΔZ(i)<(1/2)×ΔE(i) . . . (1), 및

ΔZ(i)>(3/2)×ΔE(i) . . . (2)

상기 구성으로, 상대적으로 큰 단차가 상대적으로 큰 차수의 회절광을 사용하도록 형성될 때, 좁은 존을 형성함으로써, 불량 형상의 영향은 억제될 수 있고, 큰 단차가 종래 기술에서와 같이 서브 단차 없이 형성되는 경우보다 높은 회절 효율이 달성될 수 있다.

회절광학소자는 복수의 넓은 존 및 복수의 좁은 존을 포함하는 것이 바람직하다. 복수의 파장이 사용된다면, ΔE(i)의 값은 사용되는 파장중 최단파장과 실질적으로 동일하게 되는 것이 바람직하다. 3차 이상의 회절광이 사용된다면, 복수의 좁은 존이 한 쌍의 넓은 존 사이에 배열되는 것이 바람직하다.

선택적으로, 베이스 부재는 광투과 재료로 형성될 수 있다. 그러한 경우에, 회절렌즈구조는 투과 회절 렌즈로서 기능하도록 구성될 수 있다.

선택적으로 또는 대안으로, 베이스 부재는 비구면을 갖는 렌즈일 수 있다. 그러한 경우에, 광학 소자는 각각 상이한 데이터 기록 밀도를 갖는 적어도 2 종류의 광디스크에 상이한 파장을 갖는 적어도 2개의 광속을 집광시킬 수 있는 광픽업용 대물렌즈로서 사용될 수 있다. 렌즈 표면은 낮은 데이터 기록 밀도를 갖는 광디스크에 필요충분한 저NA의 광속이 투과되는 공용 영역 및 높은 데이터 기록밀도를 갖는 광디스크에만 필요한 고NA의 광속이 투과되는 고NA 전용 영역으로 나눌 수 있다. 이 고NA전용영역상에 형성된 회절렌즈구조의 적어도 일부는 넓은 존 및 좁은 존을 갖는 복수의 환형상 존을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따라, 베이스 부재, 및 이 베이스 부재의 광축을 기준으로 동심으로 배열된 복수의 환형상 존을 포함하는 회절렌즈구조를 포함하는 회절광학소자가 제공되고, 광축 방향으로 뻗어 있는 미세 단차는 복수의 환형상 존의 사이에 형성되며, 복수의 환형상 존은 베이스 부재의 표면에 형성된다. 회절렌즈구조는 m(1보다 큰 정수)차 회절광을 사용하도록 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 회절렌즈구조는 각각이 파장의 m배의 광로차를 거시적으로 제공하는 단차를 포함할 수 있고, 각각의 단차는 하나의 파장의 광로차를 각각 제공하는 복수의 좁은 폭 환형상 존에 의해 형성되는 복수의 서브 단차를 미시적으로 제공한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따라, 각각 상이한 데이터 기록 밀도를 갖는 적어도 2종류의 광디스크에 상이한 파장을 갖는 적어도 2개의 광속을 집광시킬 수 있는 광픽업용 대물 렌즈가 제공된다. 이러한 대물 렌즈는 포지티브 파워를 갖는 굴절 렌즈, 굴절 렌즈의 광축을 기준으로 동심으로 배열된 복수의 환형상 존을 포함하는 회절 렌즈를 포함하도록 구성될 수 있고, 미세 단차는 굴절 렌즈의 표면에 형성된 복수의 환형상 존 사이에 형성되고 광축의 방향으로 뻗어 있다. 렌즈의 굴절면은 낮은 데이터 기록 밀도를 갖는 광디스크에 필요충분한 저NA의 광속이 투과되는 공용 영역 및 높은 데이터 기록 밀도를 갖는 광디스크에 대해서만 필요한 고NA의 광속이 투과되는 고NA전용영역으로 나눌 수 있다. 고NA전용영역내에 형성된 환형상 존은 하기 조건(1)을 만족시키는 적어도 하나의 좁은 존 및 하기 조건(2)를 만족시키는 적어도 하나의 넓은 존을 포함하며,

ΔZ(i)<(1/2)×ΔE(i) . . . (1), 및

ΔZ(i)>(3/2)×ΔE(i) . . . (2)

선택적으로 ΔE(i)의 값은 사용되는 파장의 최단파장과 실질적으로 동일하다.

(바람직한 실시예의 상세한 설명)아래에 본 발명에 따른 일 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 이 실시예에서, 광소자는 광픽업의 대물렌즈로서 설명된다.

도 1a는 본 실시예에 따른 회절 광소자의 형상을 도시하고, 도 1b는 도 1a의 원 부분의 확대도이다. 도 2a는 본 실시예에 따른 대물렌즈(10)의 정면도이고, 도 2b는 그 측단면도이다. 도 1a는 도 2b의 점선으로 된 원 F1의 확대도이다.

대물렌즈(10)는 도 2b에 도시된 바와 같이 수지로 만들어진 양면 볼록 렌즈이다. 대물렌즈의 2개의 굴절면(11,12)은 비구면이다. 표면(11)에, 도 2a에 도시된 바와 같이, 복수의 동심 환형상의 존을 갖는 회절렌즈구조가 형성되어 있다. 각각의 존의 중심은 대물 렌즈(10)의 광축이다. 즉, 상술된 회절렌즈구조는 대물 렌즈(1)의 굴절면(11)인 베이스 커브에 형성된다.

대물렌즈(10)의 표면은 2개의 부분, 즉, 중심부(Rc; 공용 영역으로 불릴 것이다); 및 나머지 주변부(즉, 공용 영역 Rc의 외측; 고NA전용영역 Rh으로 불릴 것이다)으로 구분된다.

상대적으로 낮은 기록 밀도를 갖는 CD 또는 CD-R에 데이터를 기록/판독하는 광속은 공용 영역(Rc)을 투과하여 CD 또는 CD-R에 집광된다. 상대적으로 높은 기록밀도를 갖는 DVD 에 데이터를 기록/판독하는 광속은 공용 영역(Rc) 및 고NA전용영역(Rh)을 투과하여 DVD에 집광된다. 회절렌즈구조는 공용 영역(Rc) 및 고NA전용영역(Rh) 모두에 형성된다. 공용 영역(Rc)은 값이 0.45 내지 0.50의 범위내에 있는 NA에 상응하는 경계내의 영역으로서 설정된다.

공용 영역(Rc)내에 형성된 회절렌즈구조는 1차 회절광을 사용한다. 따라서, 도 6에 도시된 구조와 유사하게, 환형상 존 사이의 각각의 단차는 약 1 파장의 OPD를 제공한다.

고NA전용영역(Rh)내에 형성된 회절렌즈구조는 m차 회절광을 사용한다(m은 1보다 큰 정수이다). 따라서, 각각의 단차는 우선, 도 1a에 예로서 도시된 바와 같이, m 배 파장의 OPD를 제공한다. 구체적으로, 도 1a에서, 도면의 하부에 도시된 단차는 2개의 파장의 OPD를 제공하고, 다른 2개의 단차는 각각 3개의 파장의 OPD를 제공한다.

고NA전용영역(Rh)내에 형성된 회절렌즈구조는 복수의 넓은 존(Rw) 및 이 넓은 존(Rw) 사이에 배열된 복수의 좁은 존(Rn)을 포함한다. 미시적으로, 도 1b에 도시된 바와 같이 좁은 환형 존(Rn)에 의해 형성된 3개의 서브 단차를 갖도록 형성되고, 각각의 서브 단차는 하나의 파장의 OPD를 제공한다.

좁은 존(Rn) 및 넓은 존(Rw)은 하기 조건(1) 및 (2)를 각각 만족하도록 형성되며,

ΔZ(i)<(1/2)×ΔE(i) . . . (1)

ΔZ(i)>(3/2)×ΔE(i) . . . (2)

여기에서, i는 광축으로부터 계산된 단차의 수를 나타내고, ΔE(i)는 i번째 단차에 의해 제공된 OPD 의 절대값을 나타내며, ΔZ(i)은 (도 1a내의 긴 피치를 갖는 파선으로 표시된) 베이스 커브에 대하여, i번째 단차 및 (i+1)번째 단차 사이의 환형상의 존의 외측단부 및 내측단부에 의해 제공된 OPD 사이의 차의 절대값을 나타낸다.

도 6에 도시된 종래 구조에서, 제1 단차 및 제2 단차 사이의 환형상의 존의 외측단부 및 내측단부에 의해 제공된 OPD는 각각 +0.5λ 및 -0.5λ이다. 따라서, 이러한 존에 대하여, ΔZ(1)=1λ이다. ΔZ는 더 외부의 존에 대하여도 유사하게 계산될 수 있다. 반면, 이 단차에 의해 제공된 ΔE(i)은 모두 1λ이다. 따라서, 도 6에 도시된 예에서, i의 값에 관계없이, ΔZ(i)=ΔE(i)이고, 조건 (1) 및 (2)를 만족하는 환형상의 존을 갖지 않는다.

도 7a에 도시된 종래 구조에서, 제1 단차 및 제2 단차 사이의 환형상의 존의 외측단부 및 내측단부에 의해 제공된 OPD는 각각 +1.5λ 및 -1.5λ이다. 따라서, 이러한 존에 대하여, ΔZ(1)=3λ이다. ΔZ는 외부 존에 대하여 유사하게 계산될 수 있다. 반면, 이 단차에 의해 제공된 ΔE(i)은 i가 1일 때 2λ이고, i≥2일 때, 3λ이다. 따라서, 도 7a에 도시된 예는 조건 (1) 및 조건 (2)를 만족하는 환형상의 존을 갖지 않는다.

도 1a에 도시된 구조에서, 좁은 존(Rn)은 내측단부 및 외측단부에 의해 형성된 OPD가 실질적으로 동일하도록 형성되고, 그래서, ΔZ(i)는 실질적으로 제로이다. 도 1a에 있어서, 제1 단차 내지 제5 단차가 각각 ST1, ST2, ST3, ST4 및 ST5로 표시되어 있다. 넓은 존(Rw), 예를 들어, 도 1a에서의 제2 단차(ST2)와 제3 단차(ST3) 사이의 넓은 존(RW2)은 제2 단차(ST2) 및 제3 단차(ST3) 사이의 환형상의 존의 내측단부(E1) 및 외측단부(E2)에 의해 형성된 OPD가 각각 +1.5λ 및 -1.5λ가 되도록 형성된다. 따라서, 이러한 존에 대하여, ΔZ(2)=3λ이다. ΔZ는 다른 넓은 존에 대하여 유사하게 계산될 수 있다. 따라서, i=1,3,4,6,7,. . . 에 대하여, ΔZ(i)는 실질적으로 제로이고, 반면에 i=2,5,. . . 에 대하여 ΔZ(i)는 3λ이다. 한편, 각각의 단차에서 제공된 ΔE(i)는 i의 값에 관계없이 1λ이다. 따라서, 도 1a에 도시된 구조에서, 좁은 존(Rn)은 조건 (1)을 만족시키고, 반면, 넓은 존(Rw)은 조건 (2)를 만족시킨다. 상술된 설명에서, 도면의 최하단부에 도시된 단차는 설명을 단순하기 위하여 제1 단차(즉, i=1)로 나타낸다. 도 1a에서 예를 들어 도시된 부분이 고NA전용영역의 부분이기 때문에, i의 실제값은 공용 영역(Rc)내의 단차의 수를 포함한 더 큰 값이다.

ΔZ(i) 및 ΔE(i)의 값은 보다 큰 데이터 기록밀도를 갖는 디스크에 대한 파장을 사용하여 계산된다.

상술된 구성에 따라서, 상대적으로 고차의 회절광을 사용하기 위해 상대적으로 큰 단차가 좁은 존(Rn)을 형성함으로써 형성될 때, 실선에 의해 도 1b에 도시된 불량 형상의 영향이 억제될 수 있고, 도 7a에 도시된 바와 같이 큰 단차가 서브 단차 없이 형성되는 경우보다 높은 회절 효율이 달성될 수 있다.

예를 들어, 하나의 파장의 OPD를 제공하는 고NA전용영역(Rh)내의 회절렌즈구조가 도 6에 도시된 바와 같이 형성된다면, 대물 렌즈의 광 사용 효율은 (코팅 손실등을 포함하여) 대체적으로 87.8%가 된다. 또한, 고NA전용영역(Rh)내의 회절렌즈구조가 도 7a에 도시된 바와 같이 형성된다면, 즉, 단차가 서브 단차 없이 파장의 3배의 OPD를 제공한다면, 광 사용 효율은 85.6%가 된다. 서브 단차가 도 1a에 도시된 바와 같이 도입된다면, 광 사용 효율은 87.7%가 된다. 따라서, 이러한 경우에, 고차의 회절광이 사용될 지라도, 1차 회절광이 사용되는 때와 실질적으로 동일한 광 사용 효율이 유지될 수 있다.

도 3은 도 2a 내지 도 2b에 도시된 대물 렌즈를 사용하는 광픽업의 구성을 개략적으로 도시한다.

도 3에 도시된 광픽업은 DVD 광원 모듈(21), CD 광원 모듈(22), 빔 콤바이너(23), 콜리메이팅 렌즈(24) 및 대물렌즈(10)를 포함한다. DVD 광원 모듈(21) 및 CD 광원 모듈(22)의 각각은 일체식으로 장착된 레이저 다이오드 및 광센서를 구비한 모듈이다.

상대적으로 긴 파장을 갖는 광속은 CD 또는 CD-R용으로 사용되고, 반면 상대적으로 짧은 파장을 갖는 광속은 DVD용으로 사용된다. 실시예에 따라, DVD 광원 모듈(21)은 654nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 방사하는 레이저 다이오드를 갖고, CD 광원 모듈(22)은 790nm의 파장을 갖는 레이저 빔을 방사하는 레이저 다이오드를 갖는다.

DVD가 사용될 때, DVD 광원 모듈(21)이 사용된다. 도 3에, DVD의 보호층이 실선으로 도시되어 있다. DVD 광원 모듈(21)에 의해 방사된 레이저 빔은 도 3에 실선으로 도시된 바와 같이 DVD의 (보호층의 우측에 해당하는) 데이터 기록 표면상에 집광된다.

CD(또는 CD-R)가 사용될 때, CD 광원 모듈(22)이 사용된다. 도 3에, CD(또는 CD-R)의 보호층이 파선으로 도시되어 있다. CD 광원 모듈(22)에 의해 방사된 레이저 빔은 도 3의 파선으로 도시된 바와 같이 CD(또는 CD-R)의, 보호층의 우측에 해당하는 데이터 기록 표면상에 집광된다. 도 3에는 디스크상의 데이터의 기록/판독에 기여하는 광속만이 나타나 있다는 것에 주목해야 한다.

공용 영역(Rc)내에 형성된 회절렌즈구조는 1차 회절광의 회절율이 복수의 파장에 대하여 가장 높도록 설정된다(본 실시예에서, 2개의 파장: 654nm 및 790nm).

또한, 공용 영역(Rc)내의 회절렌즈구조는 DVD(두께: 0.6mm) 및 CD(또는 CD-R)(두께:1.2mm)의 보호층의 두께의 차이로 인한 구면수차의 변화가 사용된 광속의 파장을 654nm 및 790nm 사이에서 전환시킴으로써 보정되도록 설정된다.

광학 디스크의 보호층을 포함하는 전체 광학 시스템의 구면수차는 보호층의 두께가 더 두꺼워짐에 따라 과도보정되는 방향으로 변화한다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 보호층이 얇은 DVD가 사용될 때, 단파장을 갖는 광속이 사용되고, 보호층이 두꺼운 CD가 사용될 때, 장파장을 갖는 광속이 사용된다. 이러한 사실로 볼 때, 회절렌즈구조는 파장 의존성을 갖도록, 즉, 파장이 증가할 때 구면수차가 부족보정되는 방향으로 변화하도록 설계된다. 이러한 구성에서, 회절 렌즈구조를 적절하게 설계함으로써, 보호층의 두께가 증가함에 따라 과도보정되는 방향으로 변화하는 구면수차가, 파장이 654nm 에서 790nm로 증가함에 따라 부족보정되는 방향으로 변화하는 회절렌즈구조의 구면수차에 의해 상쇄될 수 있다.

고NA전용영역(Rh)내에 형성된 회절렌즈구조는 656nm의 파장을 갖는 광속을 집광하는 기능과 790nm의 파장을 갖는 광속을 갖는 확산시키는 기능을 가지도록 설계된다. 고NA전용영역(Rh)의 OPD 함수 및 베이스 커브는 654nm의 파장을 갖는 광속이 DVD상에 충분히 집광되도록 결정된다. 또한, 본 발명에 따라, 고NA전용영역(Rh)내에 형성된 회절렌즈구조는 레이저 빔의 파장이 변화함에 따라 발생될수 있는 색수차 및 온도 변화로 인한 굴절률 및/또는 형상의 변화에 기초한 수차를 보상하도록 설계된다. 회절렌즈구조를 사용하여 직경 크기제한 함수 및 수차 보상 함수를 실현하기 위해, 고차 회절광을 사용할 필요가 있다. 본 실시예에 따른 대물 렌즈에서 회절렌즈구조는 우선 상기 함수가 실현되도록 파장의 복수배의 OPD를 제공하고, 반면에 서브 단차를 미시적으로 사용하여, 회절 효율의 열화를 방지한다.

수치 실현

아래에, 본 실시예에 따른 대물 렌즈의 수치 데이터가 설명될 것이다. 본 실시예에 따른 대물 렌즈는 0.6mm 두께의 보호층을 갖는 DVD 및 1.2mm 두께의 보호층을 갖는 CD(CD-R) 모두를 위해 사용되는 광픽업용이다.

아래의 표 1은 본 실시예에 따른 대물 렌즈의 수치 데이터를 나타낸다.

대물 렌즈의 제1 표면(광원측 표면)은 광학축으로부터의 높이 h가 0≤h<1.538(mm)인 공용 영역(Rc) 및 광학축으로부터의 높이 h가 1.538≤h≤2.023(mm)인 고NA전용영역(Rh)으로 구분된다. 공용 영역(Rc) 및 고NA전용영역(Rh)에서 상이한 OPD 함수에 의해 표현되는 회절렌즈구조가 각각 형성된다. 공용 영역(Rc)의 베이스 커브(즉, 회절렌즈구조를 제외한 렌즈 표면의 형상) 및 고NA전용영역(Rh)의 베이스 커브 또한 상이하고, 이 2 개 모두는 상이한 계수에 의해 형성된 비구면이다.

대물 렌즈의 제2 표면(디스크측 표면)은 회절렌즈구조가 형성되지 않은 비구면이다.

이러한 실시예에서, 고NA전용영역(Rh)내에 제공된 4개의 넓은 존이 존재한다. 넓은 존에 제공된 거시적 단차는 파장의 5배이다. 각각의 단차는 좁은 존에 의해 형성된 서브 단차로 나누어지고, 각각은 하나의 파장의 OPD를 제공한다. 따라서, 인접하는 넓은 존 사이에서 4개의 좁은 환형상의 존이 배열된다.

회절렌즈구조에 의해 더해지는 추가 광로는 아래에 표시된 OPD(광로차) 함수 Φ(h)에 의해 표현된다.

Φ(h)=(P ₂ h ² +P ₄ h ⁴ +P ₆ h ⁶ +. . . )×m×λ

여기에서, Pn은 n(n은 짝수이다)차 OPD 함수 계수를 나타내고, m은 회절 차수를 나타내며, λ은 파장을 나타낸다.

OPD 함수 Φ(h)은 광축에 대한 높이가 h인 대물 렌즈상의 포인트에서, 회절렌즈구조에 의해 회절되지 않는 광속의 광로 및 회절렌즈구조에 의해 회절된 광속의 광로의 차를 나타낸다.

비구면은 아래의 다항식으로 표현된다.

여기에서, X(h)는 광축에 대한 높이가 h인 비구면상의 포인트와 광축이 비구면을 가로지르는 포인트에서의 비구면에 접하는 평면 사이의 거리를 나타내는 SAG 양이다. C는 광축상의 비구면의 곡률(=1/r)을 나타내고, κ는 원뿔 계수이고, A₄, A₆, A₈, A₁₀, 및 A₁₂는 4차, 6차, 8차, 10차 및 12차 비구면 계수이다.

표 1에서, 베이스 커브를 정의하는 계수, 대물 렌즈의 제1 표면(즉, 광원측표면)의 공용 영역(Rc)의 회절렌즈구조, 고NA전용영역내의 회절렌즈구조를 정의하는 계수, 광축상의 인접한 표면 사이의 거리, 굴절률, 및 비구면인 제2 표면을 정의하는 계수가 제공되어 있다.

표 2에 존 번호 N이 광축측으로부터 할당된 각각의 환형상의 존의 내측단부의 광축으로부터의 높이 hin, 및 외측단부의 광축으로부터의 높이 hout가 나타나 있고, 광축을 포함하는 원형상 존은 존 번호 0으로 표시되어 있다. 따라서, i번째 단차의 외측의 존은 i번째 존이다. 또한, 표 2에서, 각각의 환형상 존의 외측단부에서의 OPD 함수 Φ(hout)의 값이 나타나 있다. 표 2에서, hin 및 hout에 대한 값의 단위는 mm이고, OPD 함수 Φ(hout)의 값은 파장의 단위로 표시된다. 존 0-14는 공용 영역(Rc)내에 형성되고, 존 15-35(표 3 참조)는 고NA전용영역(Rh)내에 형성된다.

표 3은 각각의 환형상 존의 내측단부의 광축으로부터의 높이 hin 및 외측단부의 광축으로부터의 높이 hout를 나타내고 있다. 또한, 표 3에서, 각각의 환형상 존의 외측단부를 투과한 광선에 대한 OPD 함수 Φ(hout)의 값 및 접면상에 투영된 각각의 존의 폭 W가 나타나 있다.

도 4는 h=1.40mm 내지 h=2.00mm 의 범위내의, 즉, 고NA전용영역(Rh)의 실질적으로 외측단부에 대해 공용 영역(Rc)의 주변부에서의 베이스 커브에 대한 회절렌즈구조의 SAG 양을 도시하는 그래프이다. h=h_B=1.538에서의 큰 단차는 공용 영역(Rc) 및 고NA전용영역(Rh) 사이의 경계를 나타낸다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 존 #15,#20,#25 및 #30은 넓은 존(Rw)이고, 존 #16-19, #21-24 및 #26-29는 좁은 존(Rn)이다. 도 4에 도시된 바와 같이, ΔE(i)은 i의 값에 관계없이 일정하다(즉, 1λ이다). ΔZ(i)은 i가 16-19, 21-24 , 26-29일 때 실질적으로 제로이고, i가 15,20,25,30일 때 ΔZ(i)는 실질적으로 5λ이다. 따라서, 좁은 존(Rn)은 조건(1)을 만족시키고, 넓은 존(Rw)은 조건(2)를 만족시킨다.

도 5는 (파선으로 표시된) 비교예에 따른 대물 렌즈 및 (실선으로 표시된) 실시예에 따른 대물 렌즈를 사용하는 CD 상의 광량 분포를 도시하는 그래프이다. 수직 축에서, 광량비는 광축상의 광량이 1로 나타나도록 정규화된다. 수평축은 광축에 대한 거리를 나타낸다. CD에 대한 빔 스폿의 경계 부근의 광량을 도시하기 위해, 수직축만이 0.005의 상한선을 나타내고, 그래서, 광축에 가까운 부분에서의 광량은 상한선보다 훨씬 더 크기 때문에 그래프에 도시되지 않는다.

비교예는 고NA전용영역(Rh)내에 형성된 존의 단차가 하나의 파장의 OPD를 제공하도록 구성되고, 다른 구성은 상기 실시예의 구성과 동일하다. 비교예에 따라, 수차가 잘 보정된다면, 광속 크기는 CD(또는 CD-R)가 사용될때 충분히 제한될 수 없다. 따라서, CD에 대한 빔 스폿의 경계 부근의 (즉, 높이 h가 5 내지 10㎛인 범위의) 부분상에 입사되는 광량 분포는 상대적으로 커지게 된다.

본 실시예에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이, CD에 대한 빔 스폿의 경계 부근의 (즉, 높이 h가 5 내지 10 ㎛인 범위의) 부분상의 입사광의 광량 분포는 비교예의 광량 분포보다 약한 레벨로 억제될 수 있다. 또한, DVD가 사용될 때 온도 및/또는 파장의 변화로 인한 파면수차의 변화는 또한 잘 억제될 수 있다.

본 발명에 의하면, 고차의 회절광을 사용하는 경우에도, 거시적으로 복수 파장분의 광로차를 주는 단차를 1 파장분만큼씩 단차 형상으로 형성함으로써, 성형시에 형상의 불량의 영향을 적게 할 수 있고, 그래서 회절효율이 높은 회절광학소자를 제공할 수 있다.

도 1a는 실시예에 따른 회절광학소자의 형상을 도시하는 도면,

도 1b는 도 1a의 원 부분의 확대도,

도 2a는 실시예에 따른 대물렌즈의 정면도이고, 도 2b는 그 측단면도,

도 3은 실시예에 따른 대물렌즈를 사용하는 광픽업의 광 시스템의 개략 구성도,

도 4는 실시예에 따른 대물렌즈에 형성된 회절렌즈구조의 SAG 양을 도시하는 그래프,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 대물렌즈에 의해 집광되는 CD용 파장을 가지는 광량 분포를 도시하는 그래프,

도 6은 종래 회절광학소자의 구조를 도시하는 도면, 및

도 7a는 종래 회절광학소자의 형상을 도시하는 도면,

도 7b는 도 7a내의 원 부분의 확대도.

Claims

베이스 부재; 및

상기 베이스 부재의 광축을 기준으로 동심으로 배열된 복수의 환형상 존을 포함하는 회절렌즈구조로서, 상기 광축의 방향으로 뻗어 있는 미세 단차는 상기 복수의 환형상 존 사이에 형성되고, 상기 복수의 환형상 존은 상기 베이스 부재의 표면에 형성된 회절렌즈구조;를 포함하고,

상기 복수의 환형상 존은 하기 조건(1)을 만족시키는 적어도 하나의 좁은 존 및 하기 조건 (2)를 만족시키는 적어도 하나의 넓은 존을 포함하며,

ΔZ(i)<(1/2)×ΔE(i) . . . (1)

ΔZ(i)>(3/2)×ΔE(i) . . . (2)

여기에서, i는 상기 광축으로부터 계산된 단차의 수를 나타내고, ΔE(i)는 i번째 단차에 의해 제공된 OPD의 절대값을 나타내고, ΔZ(i)는 i번째 단차 및 (i+1)번째 단차 사이의 환형 존의 내측단부 및 외측단부에 의해, 베이스 커브에 대하여, 제공된 OPD 사이의 차이의 절대값을 나타내는 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
제 1 항에 있어서, 복수의 넓은 존 및 복수의 좁은 존을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
제 1 항에 있어서, 상기 ΔE(i)의 값은 사용되는 파장중 최단파장과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
제 1 항에 있어서, 복수의 좁은 존은 한 쌍의 넓은 존 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
제 1 항에 있어서,

상기 베이스 부재는 광 투과 재료로 형성되고, 상기 회절렌즈구조는 투과형 회절 렌즈로 기능하는 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
제 5 항에 있어서, 상기 베이스 부재는 비구면을 갖는 렌즈인 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
제 6 항에 있어서,

상기 회절광학소자는 각각 상이한 데이터 기록밀도를 갖는 적어도 2종류의 광디스크에 상이한 파장을 갖는 적어도 2개의 광속을 집광할 수 있는 광픽업의 대물 렌즈로서 사용되고,

상기 렌즈는 낮은 데이터 기록밀도를 갖는 광디스크에 필요충분한 저NA의 광속이 투과되는 공용 영역 및 높은 데이터 기록밀도를 갖는 광디스크에만 필요한 고NA의 광속이 투과되는 고NA전용영역을 갖는 비구면을 구비하며,

상기 고NA전용영역에 형성된 상기 회절렌즈구조의 적어도 일부는 상기 적어도 하나의 넓은 존 및 상기 적어도 하나의 좁은 존을 갖는 복수의 환형상 존을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
베이스 부재; 및

상기 베이스 부재의 광축을 기준으로 동심으로 배열된 복수의 환형상 존을 포함하는 회절렌즈구조로서, 상기 광축의 방향으로 뻗어 있는 미세 단차는 상기 복수의 환형상 존 사이에 형성되고, 상기 복수의 환형상 존은 상기 베이스 부재의 표면에 형성된 회절렌즈구조;를 포함하고,

상기 회절렌즈구조는 m차(m은 1 보다 큰 정수) 회절광을 사용하고,

상기 회절렌즈구조는 작용하는 파장의 m배의 광로차를 각각이 1차적으로 제공하는 단차를 포함하고, 각각의 단차는 하나의 파장의 광로차를 각각 제공하는 복수의 좁은 폭의 환형상 존에 의해 형성된 복수의 서브 단차를 미시적으로 제공하는 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
각각 상이한 데이터 기록밀도를 갖는 적어도 2 종류의 광디스크에 상이한 파장을 갖는 적어도 2개의 광속을 집광시킬 수 있는 광픽업용 대물렌즈에 있어서, 상기 광픽업용 대물렌즈는,

포지티브 파워를 갖는 굴절 렌즈;

상기 굴절 렌즈의 광축을 기준으로 동심으로 배열된 복수의 환형상 존을 포함하는 회절렌즈구조로서, 상기 광축 방향으로 뻗어 있는 미세 단차는 상기 복수의 환형상 존 사이에 형성되고, 상기 복수의 환형상 존은 상기 굴절 렌즈의 표면에 형성된 회절렌즈구조;를 포함하고,

상기 렌즈의 굴절면은 낮은 데이터 기록밀도를 갖는 광디스크에 필요충분한 저NA의 광속이 투과되는 공용 영역 및 높은 데이터 기록밀도를 갖는 광디스크에만 필요한 고NA의 광속이 투과되는 고NA전용영역으로 구분되고,

고NA전용영역내에 형성된 환형상 존은 하기 조건(1)을 만족시키는 적어도 하나의 좁은 존 및 하기 조건 (2)를 만족시키는 적어도 하나의 넓은 존을 포함하며,

ΔZ(i)<(1/2)×ΔE(i) . . . (1)

ΔZ(i)>(3/2)×ΔE(i) . . . (2)

여기에서, i는 상기 광축으로부터 계산된 단차의 수를 나타내고, ΔE(i)는 i번째 단차에 의해 제공된 OPD의 절대값을 나타내고, ΔZ(i)는 i번째 단차 및 (i+1)번째 단차 사이의 환형 존의 내측단부 및 외측단부에 의해, 베이스 커브에 대하여, 제공된 OPD 사이의 차이의 절대값을 나타내는 것을 특징으로 하는 광픽업용 대물 렌즈.
제 9 항에 있어서, 상기 ΔE(i)의 값은 사용되는 파장중 최단파장과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 광픽업용 대물 렌즈.