KR100551777B1 - 색수차가 보정된 광 기록 및 재생장치 - Google Patents

색수차가 보정된 광 기록 및 재생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 디스크 기록 및 재생 장치에 있어서, 특히 광 픽업이 레이저 빔의 출력 변화시 발생하는 레이저의 순간적인 파장 변화에 따른 성능 열화 현상을 보정할 있도록 한 색수차가 보정된 광 기록 및 재생장치에 관한 것이다.
본 발명 실시 예에 따른 색수차가 보정된 광 디스크의 기록 및 재생장치는, 특정 파장의 광원을 발생하는 레이저 다이오드와; 상기 발생되는 광원의 편광 방향에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시키는 빔 스플리터와; 빔을 평행 광으로 변환하는 콜리메이터 렌즈와; 입사빔을 디스크에 집광시키는 대물렌즈와; 입사빔의 파장 변화에 따라 상기 대물렌즈에서의 색수차 보정을 위해 홀로그램(HOE)이 적용된 광 경로 변경수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
콜리메이터 렌즈, 반사미러, 홀로그램, 색수차

Description

색수차가 보정된 광 기록 및 재생장치{Optical write and read apparatus for chromatism correction}
도 1은 종래 광 기록 및 재생장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명 실시 예에 따른 색수차가 보정된 광 기록 및 재생장치를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 반사미러의 홀로그램 반사면을 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
201...레이저 다이오드 202...빔 스플리터
203...콜리메이터 렌즈 205...반사미러
205a...반사면 206...대물렌즈
207...디스크
본 발명은 광 디스크 기록 및 재생 장치에 있어서, 특히 광 픽업이 레이저 빔의 출력 변화시 발생하는 레이저의 순간적인 파장 변화에 따른 성능 열화 현상을 보정할 수 있도록 한 색수차가 보정된 광 기록 및 재생장치에 관한 것이다.
광 저장장치의 배속 및 저장 밀도 증가와 함께 소비자 기호의 고급화로 고화질 동영상 처리에 대한 수요가 증가함에 따라 광 저장 디스크(Optical Disk)의 데이터 저장용량도 대용량으로 요구되고 있다.
이러한 요구로서, 블루 레이저 다이오드(BD: Blue laser Diode)급 광 픽업이 제시되고 있다. 이러한 블루 레이저급 광학 시스템에서는 고 개구수(예컨대, NA=0.85), 짧은 파장(예컨대, 405nm)의 레이저 광을 사용한다. 이로 인하여, 집광된 빔의 크기는 작아져 고밀도를 달성할 수 있지만, 이 때문에 전체 시스템의 마진(margin)이 크게 줄어든다. 예를 들어 초점 심도가 DVD에 비해서 1/3수준으로 줄어들고, 디스크 두께오차에 대한 민감도도 크게 늘어나게 된다. 또한 색수차의 영향도가 크게 늘어나게 되는데, 이에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
광 픽업는 디스크 재생에서 기록으로 전이되는 과정에서 레이저 빔의 광 출력이 크게 증가하는데, 이때, 레이저의 파장이 0.3nm에서 0.5nm정도 증가한다. 이러한 레이저 빔이 대물렌즈에 입사되면, 대물렌즈는 재질의 굴절률이 파장 의존성을 가지고 있으므로, 증가된 파장의 레이저 빔은 원래위치에서 초점거리가 조금 바뀌게 된다. 상기 초점이동은 순간적으로 이루어지므로, 대물렌즈가 포커싱 서보(focusing servo)를 하고있지만, 이를 서보가 추종하기에는 짧은 시간에 이루어지므로 어려운 문제가 있다.
따라서 포커싱 서보가 추종하기까지의 시간동안 디스크에 집광되는 빔은 디포커스(defocus)된 상태가 된다. 즉, 빔이 정상적인 상태보다는 퍼진 상태로 열화 가 되는데, 이 때문에 서보가 추종하기까지의 시간동안 정상적인 기록은 이루어지지 않는다. 이러한 현상을 색수차에 의한 기록 열화 현상이라고 하는데, 이를 해결하기 위해서 사용하는 종래의 방법으로는 다음과 같다.
도 1은 일반적인 블루 레이저 픽업의 광학계 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 블루 레이저 다이오드(BD: Blue Laser Diode)(101)에서 나온 레이저 빔은 빔 스플리터(beam splitter)(102)로 투과되고 콜리메이터 렌즈(103)를 거쳐서 평행빔이 된 다음, 빔 확장기(beam expander)(104)에 입사된다.
상기 빔 확장기(104)는 기존의 DVD나 CD 광학계에는 없던 광 부품으로서, 블루 레이저 디스크가 고개구수의 대물렌즈(107)를 사용하는 관계로 디스크의 두께오차에 대해서 성능이 매우 민감하게 반응한다. 이러한 두께오차에 의해서 발생하는 성능열화를 보상해 주는 역할을 하는 부품이 빔 확장기(104)이다.
여기서, 빔 확장기(104)는 제 1렌즈(104a)와 제 2렌즈(104b)로 구성되며, 렌즈(104a)(104b) 사이의 간격을 조절하여 입사빔의 발산각을 조절하게 된다. 이러한 발산각의 크기는 제1렌즈(104a)와 제2렌즈(104b)간의 간격을 조절함으로써 변화된다. 예를 들면, 제1렌즈(104a)와 제2렌즈(104b)가 각각 오목렌즈 및 볼록렌즈일 경우, 두 렌즈 사이의 간격을 넓히면 발산각이 커지고, 반대로 간격을 좁히면 발산각은 작아지게 된다.
이러한 빔 확장기(103)를 통과한 빔은 반사미러(mirror)(105)를 거쳐서 대물렌즈(106)에 입사하여 디스크(107)에 집광되어 신호를 기록, 재생하게 된다. 이때 디스크(107)에 맺힌 빔은 반사되어 대물렌즈(106), 반사미러(105), 빔 확장기(104), 콜리메이터 렌즈(103)를 거쳐서 빔 스플리터(102)에 의해서 광 검출기(PD)(108)로 들어가 신호를 검출하게 된다.
이러한 광학계에서 빔의 파장 변화에 따라 발생하는 색수차를 보상하기 위한 소자가 광학계 내에 첨가되어야 하는데, 일반적으로 많이 사용하는 소자는 홀로그램 소자(HOE: Holographic Optical Emements)이다. 홀로그램을 파장변화에 따라 변화가 심한 색수차가 큰 광학소자로서 이를 적절히 설계하면 대물렌즈(106)에서 발생하는 색수차와 크기는 같고 방향은 반대인 색수차가 발생하도록 하여 서로 상쇄되도록 할 수 있다.
이러한 홀로그램에서 발생하는 색수차의 양은 홀로그램의 위상계수의 2차항, 즉 평행광이 입사했을때 출사되는 광이 발산, 혹은 수렴되는 정도의 양에 따라서 색수차의 정도도 결정된다. 따라서 홀로그램이 색수차 보정의 기능을 가질려면 어느 정도의 파워를 발생시켜야 하며, 이 파워의 양에 비례해서 보상되는 색수차의 양이 정해진다.
따라서 평행광이 입사하여 평행광이 출사하는 구역에 이런 소자를 배치하기가 힘들며, 입사 또는 출사광이 발산, 혹은 수렴하는 구역, 렌즈류 등의 표면에 홀로그램을 사용하게 된다.
일반적으로 많이 사용하는 경우는, 도 1에서 빔 확장기의 2개 렌즈 중 1개의 표면에 홀로그램을 사용하여 색보정을 하게된다. 홀로그램이 빔을 굴절시키는 파워는 대물렌즈의 색수차에 따라서 적절히 설계하고, 그 외에 렌즈 자체가 가져야 하 는 파워를 홀로그램의 파워외에 렌즈의 굴절면의 굴곡정도로 적절히 조절하여 원래 원하는 렌즈의 파워를 가지도록 조절하여 사용을 하게 된다.
그러나, 상기 빔 확장기의 렌즈 면에 홀로그램을 결합하여 색수차를 보정하는 방법의 경우 두 매의 렌즈가 사용하게 되므로, 전체 픽업의 크기가 증가하게 된다. 물론 구면수차 보상등의 목적으로 빔 확장기의 렌즈를 사용하면 상관은 없으나, 구면수차 보상의 방법으로 액정 사용 등 다른 기타 방법도 연구가 되고 있으므로 픽업의 크기를 줄이고 구조를 간단하게 하기 위해서는 빔 확장 렌즈에 홀로그램을 결합하는 방법이 아닌, 다른 부품에 결합하여 보다 구조를 간단하게 하는 것이 픽업의 소형화와 재료비 절감 등에 유리하게 된다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 홀로그램 소자를 반사미러에 결합하여, 기존의 빔 확장기를 제거하고 입사빔의 파장 변화에 따라 대물렌즈에서 발생하는 색수차를 보상할 수 있도록 한 색수차가 보정된 광 디스크 기록 및 재생장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 반사미러에서의 홀로그램 파워를 보상하여 대물렌즈에 입사하는 광이 평행광이 되도록 반사면을 일정양의 곡률로 형성한 색수차가 보정된 광 디스크 기록 및 재생장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 색수차가 보정된 광 디스크의 기록 및 재생장치는,
특정 파장의 광원을 발생하는 레이저 다이오드와;
상기 발생되는 광원의 편광 방향에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시키는 빔 분리수단과;
상기 블루 레이저 다이오드 및 대물렌즈 사이에서, 입사되는 빔을 평행 광으로 변환하는 콜리메이터 렌즈와;
입사빔을 디스크에 집광시키는 대물렌즈와;
빔의 입사 방향에 따라 대물렌즈 방향 및 그 역경로로 반사해 주며, 상기 입사빔의 파장 변화에 따라 상기 대물렌즈에서 발생하는 색수차를 보상하기 위해 홀로그램(HOE)이 적용된 광 경로 변경수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 레이저 다이오드는 블루 레이저 다이오드인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광 경로 변경수단은 반사미러로서, 상기 입사하는 평행광이 홀로그램의 파워에 의해서 수렴할 수 있도록 홀로그램 패턴이 새겨진 반사면을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광 경로 변경수단의 반사면은 홀로그램의 파워를 보상하여 대물렌즈에 입사하는 광이 평행광이 될 수 있도록 일정 곡률로 볼록하게 형성하여, 상기 홀로그램에 의해서 발생되는 파워와 상기 반사면 곡률에 의해서 발생하는 파워가 서로 크기는 같고 부호가 반대가 되도록 보상하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 색수차가 보정된 광 디스크 기록 및 재생장치를 나타낸 광학계이다.
특정 파장의 광원을 발생하는 블루 레이저 다이오드(201)와, 상기 발생되는 광원의 편광 방향에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시키는 빔 스플리터(202)와, 빔을 평행 광으로 변환하는 콜리메이터렌즈(203)와, 색수차를 보정하기 위해 홀로그램 반사면(205a)에 홀로그램(HOE)(205b)이 배치되고 일정 곡률로 갖고 입사빔을 수직으로 반사하는 반사미러(205)와, 입사빔을 디스크(207)에 집광시키는 대물렌즈(206)와, 디스크(207)로부터 반사되는 빔을 전기적 신호로 검출하기 위한 광 검출기(PD)(208)로 구성된다.
상기와 같이 구성되는 색수차 보정을 위한 광 기록 및 재생장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 블루 레이저 다이오드(BD: Blue Laser Diode)(201)는 고 개구수(NA=0.85), 짧은 파장(405nm)의 레이저 빔을 발생하게 된다. 상기 블루 레이저 다이오드(201)로부터 발생되는 레이저 빔은 빔 스플리터(beam splitter)(202)에 입사되는데, 빔 스플리터(202)는 입사빔의 편광 방향에 따라 반사 또는 투과시키며, 상기 레이저 다이오드(202)로부터 입사되는 입사빔을 투과시켜 준다.
그리고, 빔 스플리터(202)를 투과한 입사빔은 콜리메이터 렌즈(203)를 거쳐서 평행빔이 된 다음 반사미러(205)에 입사된다.
이러한 평행 빔은 반사미러(mirror)(205)의 홀로그램 반사면(205a)에 새겨진 도 3과 같은 홀로그램 패턴(205b)에 의해 발산 또는 수렴하게 되며, 일정 곡률을 갖는 홀로그램 반사면(205a)에 의해 대물렌즈(206)에 평행광으로 입사된다.
이때, 입사빔은 대물렌즈(206)를 통해 디스크(207)에 집광되어 신호를 기록, 재생하게 된다. 여기서, 홀로그램 패턴(205b)은 파장 변화에 따라 변화가 심한 색수차가 큰 광학소자로서, 대물렌즈(206)에서 발생되는 색수차와 크기는 같고 방향은 반대인 색수차가 발생되도록 하여 서로 상쇄시켜 줄 수 있어 색수차를 보상하게 된다.
그리고, 디스크(107)에 맺힌 빔은 반사되어 대물렌즈(206), 반사미러(205), 콜리메이터 렌즈(203)를 거쳐서 빔 스플리터(202)에 의해서 광 검출기(PD)(208)로 들어가 신호를 검출하게 된다.
이러한 광학계는 대부분의 픽업이 구조적으로 광학 부품들이 베이스에 수평으로 배치되고 반사미러(205)에 의해서 광이 수직으로 꺾여서 대물렌즈(206)를 통해서 디스크(207)에 입사되는 구조를 갖는다.
이에 따라 필수적인 광학 부품의 하나인 반사미러(205)의 홀로그램 반사면(205a)에 홀로그램을 적용하게 됨에 따라, 입사하는 평행광은 홀로그램 파워에 의해 발산 또는 수렴하게 된다.
다시 말하면, 홀로그램 반사면(205a)에는 도 3에 도시된 바와 같이 홀로그램 패턴(205b)이 형성된다. 여기서, 홀로그램 패턴(205b)는 예컨대 서로 다른 크기의 계란형 형상으로 새겨진 구조이다.
이러한 홀로그램 반사면(205a)에 입사되는 평행광이 홀로그램 파워에 의해 수렴되는데, 상기의 홀로그램은 일예로서 위상 함수로 표현할 경우, 입사된 평행빔이 홀로그램을 반사했을 때의 광의 위상(φ)은 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112004000467667-pat00001
여기서, r은 홀로그램의 중심에서의 거리인 극좌표이며, n은 위상의 차수이고, Cn은 각 차수의 계수이다.
상기 홀로그램은 소정의 파워를 가지므로 렌즈의 역할을 하게 된다. 이때의 렌즈의 초점 거리(f)를 구하는 식은 수학식 2와 같다.
f=-0.5/C2
즉, 초점거리(f)는 상기의 위상함수의 계수 중 2차항(C2)의 계수와 상관관계가 있으므로, 상기 초점거리(f)를 만족하도록 입사빔이 수렴 또는 발산하게 된다.
또한, 반사미러(205)의 홀로그램 반사면(205a)를 거쳐 대물렌즈(206)에 입사하는 광이 일정 이상의 광 성능을 확보할 수 있어야 한다. 이를 위해 반사미러(205)를 통해 반사되어 대물렌즈(206)에 입사되는 광이 평행광이 되도록 상기 반사미러(205)의 홀로그램 반사면(205a)에 약간의 곡률 즉, 볼록 형상으로 형성시켜 주어서 해결할 수 있다. 즉, 홀로그램 반사면(205a)의 일정 곡률에 의해서 홀로그램 파워를 보상해 주게 된다.
여기서, 홀로그램 파워를 보상하기 위한 홀로그램 반사면(205a)이 일정 곡률(R)을 가졌다고 한다면, 그 면의 초점거리(f)는 f=-0.5×R로 표현된다. 따라서 상기 수학식 2에 나타난 홀로그램에 의해서 발생되는 파워와 상기 반사면(205a)의 곡률(R)에 의해서 발생하는 파워가 서로 크기는 같고 부호가 반대가 되도록 하면 보상이 된다.
다시 말하면, 반사미러(205)의 홀로그램에서 발생되는 색수차의 양은 콜리메이터 렌즈(203)를 통과한 평행광이 입사했을 때, 출사되는 광이 발산 혹은 수렴되는 정도의 양에 따라 색수차의 정도가 결정되기 때문에, 상기의 홀로그램이 색수차의 보정의 기능에 비례하는 파워를 발생시켜 주는 것이 바람직하다. 이에 따라 기존의 빔 확장기가 수행하는 색수차 보정 기능을 반사미러(205)의 홀로그램에서 수행하게 되므로 빔 확장기를 제거할 수 있다. 그리고, 구면수차 보상 기능은 다른 광학 부품으로 수행하는 것이 바람직하다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시 예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 색수차 보정이 가능한 광 기록 및 재생장 치는 반사미러에 홀로그램을 적용하고 반사면에 소정 곡률로 형성시켜 줌으로써, 픽업의 전체 크기와 높이 등을 축소시킬 수 있다. 또 부품의 수를 감소시킴으로써, 제작 비용을 절감할 수 있다.

Claims (4)

  1. 특정 파장의 광원을 발생하는 레이저 다이오드와;
    상기 발생되는 광원의 편광 방향에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시키는 빔 분리수단과;
    상기 블루 레이저 다이오드 및 대물렌즈 사이에서, 입사되는 빔을 평행 광으로 변환하는 콜리메이터 렌즈와;
    입사빔을 디스크에 집광시키는 대물렌즈와;
    빔의 입사 방향에 따라 대물렌즈 방향 및 그 역경로로 반사해 주며, 상기 입사빔의 파장 변화에 따라 상기 대물렌즈에서 발생하는 색수차를 보상하기 위해 홀로그램(HOE)이 적용된 광 경로 변경수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차 보정이 가능한 광 기록 및 재생장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드는 블루 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 색수차가 보정된 광 기록 및 재생 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광 경로 변경수단은 반사미러로서, 상기 입사하는 평행광이 홀로그램의 파워에 의해서 수렴할 수 있도록 홀로그램 패턴이 새겨진 반사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 색수차가 보정된 광 기록 및 재생 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 광 경로 변경수단의 반사면은 홀로그램의 파워를 보상하여 대물렌즈에 입사하는 광이 평행광이 될 수 있도록 일정 곡률로 볼록하게 형성하여, 상기 홀로그램에 의해서 발생되는 파워와 상기 반사면 곡률에 의해서 발생하는 파워가 서로 크기는 같고 부호가 반대가 되도록 보상하는 것을 특징으로 하는 색수차가 보정된 광 기록 및 재생 장치.
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