KR100588256B1

KR100588256B1 - 광헤드용 대물렌즈

Info

Publication number: KR100588256B1
Application number: KR1019990024427A
Authority: KR
Inventors: 마루야마고이치
Original assignee: 펜탁스 가부시키가이샤
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 1999-06-26
Publication date: 2006-06-09
Also published as: WO2000000964A1; TW426803B; DE19929623A1; KR20000006498A; ID28515A; MY117429A; CN1305630A; CN1214376C; US6118594A

Abstract

대물렌즈는 굴절렌즈의 적어도 하나의 표면에 형성된 복수의 동심의 링형상의 단차를 가진 회절렌즈구조와 정(positive)의 굴절력을 가진 굴절렌즈를 포함하고 있다. 대물렌즈는 제1 및 제2 비구면(非球面)을 가지는 양쪽이 볼록한 플라스틱렌즈이다. 회절렌즈구조는 대물렌즈의 제1 표면에 형성되어 있다. 회절렌즈구조는 프레넬렌즈와 유사한데, 각각이 쐐기형 단면형상을 가진 많은 동심의 링으로 형성되어있다. 인접 링의 경계는 소정의 광로차가 주어지도록 단차져 있다. 회절렌즈구조는, 동일한 회절정도를 갖춘 상이한 파장을 가지는 적어도 2개의 광선은 상이한 두께를 갖춘 커버렌즈를 각각 구비한 적어도 2가지 종류의 광 디스크에 대한 적합한 파면을 형성하도록 하는 파장의존성을 가지고 있다.

대물렌즈, 광헤드, 굴절렌즈, 회절렌즈구조, 파장, 보정부족, 보정과잉, 입사광, 플라스틱렌즈, 광축, 구면수차, 축상색수차

Description

광헤드용 대물렌즈{OBJECTIVE LENS FOR OPTICAL PICK-UP}

도 1a는 실시예에 따른 대물렌즈의 정면도,

도 1b는 실시예에 따른 대물렌즈의 수직단면도,

도 1c는 도 1b의 일부확대도,

도 2는 실시예에 따른 대물렌즈가 장착된 광 픽업장치의 광학계의 설명도,

도 3은 DVD와 같은 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제1 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 4a, 4b 및 4c는 얇은 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제1 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 5는 CD나 CD-R과 같은 두꺼운 커버타입의 커버층을 갖춘 제1 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 6a, 6b 및 6c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제1 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 7은 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제2 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 8a, 8b 및 8c는 얇은 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제2 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 9는 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제2 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 10a, 10b 및 10c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제2 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 11은 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제3 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 12a, 12b 및 12c는 얇은 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제3 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 13은 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제3 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 14a, 14b 및 14c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제3 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 15는 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제4 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 16a, 16b 및 16c는 얇은 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제4 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 17은 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제4 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 18a, 18b 및 18c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제4 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 19는 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제5 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 20a, 20b 및 20c는 얇은 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제5 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 21은 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제5 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 22a, 22b 및 22c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제5 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 23은 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제6 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 24a, 24b 및 24c는 얇은 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제6 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 25는 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층을 갖춘 제6 실시예에 따른 대물렌즈의 렌즈도,

도 26a, 26b 및 26c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 사용될 때의 제6 실시예에 따른 대물렌즈의 다양한 수차를 도시하는 그래프,

도 27은 회절효율과 파장의 관계를 도시하는 그래프이다.

본 발명은 커버층이 상이한 두께를 가지고 있는 여러 종류의 광 디스크를 기록/재생시킬 수 있는 광 디스크 장치의 광헤드에 설치된 높은 개구수(NA)( numerical aperture)의 대물렌즈에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 굴절렌즈의 표면에 형성된 회절렌즈구조를 가지는 대물렌즈에 관한 것이다.

광 디스크는 디지털 정보가 기록되는 정보층과 정보층을 덮는 투명커버층을 포함하고 있다. 광헤드로부터의 레이저빔은 커버층을 통하여 정보층 상에 집중된다. 광헤드와 정보층 사이의 거리는 커버층의 두께에 따라 변화된다.

즉, 커버층이 두꺼워질수록 광헤드로부터 빔 스폿(beam spot)까지의 거리는 멀어진다. 예컨대, 컴팩트 디스크(CD)의 커버층이나 CD-R의 커버층이 1.2㎜의 두께를 가지고, 디지털 버서타일 디스크(DVD)의 커버층의 두께가 0.6㎜이기 때문에, DVD가 CD나 CD-R로 대체될 때 광헤드는 빔 스폿을 커버층(공기중에서 0.4㎜)에 있어서 0.6㎜ 만큼 광헤드로부터 멀리 이동시킬 필요가 있다.

대물렌즈가 이동됨에 따라 근축(paraxial) 빔 스폿이 이동되기는 하지만, 커버층의 두께의 변화는 구면수차를 변경시킨다. 광헤드가 단지 디스크가 대체될 때 대물렌즈를 이동시킨다면, 레이저 빔의 파면수차는 악화되어, 빔 스폿 크기의 직경이 증가되며, 이것은 광 디스크 장치가 CD로부터 기록된 정보를 재생하는 것을 방해한다. 예컨대, 기록된 정보가 DVD로부터 재생될 때 구면수차를 최소화시키도록 설계된 대물렌즈가 CD로부터 정보를 재생시키기 위해 사용되는 경우, 대물렌즈가 빔 스폿을 정보층과 일치시키도록 이동시키더라도 구면수차는 정보를 재생시키기에는 너무 크게 된다.

그러므로, 종래기술로써, 커버층의 두께에 따라서 대물렌즈 내로 들어가는 레이저 빔의 조건을 조절하는 광헤드가 공지되어 있다.

예를 들면, 일본 특개평 7-98431호 공보에는 그러한 광헤드가 개시되어 있다. 이 공보에 나타난 광학계는 대물렌즈의 레이저원 측에 홀로그래피 렌즈를 채용하여 레이저원으로부터의 평행 회절빔을 0차 평행 회절빔과 1차 발산 회절빔으로 나눈다. 0차 회절빔은 보다 얇은 커버층을 갖춘 광 디스크(즉, DVD)에 사용되고, 1차 회절빔은 보다 두꺼운 커버층을 갖춘 광 디스크(즉, CD 및 CD-R)에 사용된다. 홀로그래피 렌즈가 커버층의 두께에 따라 최적의 레이저 빔을 얻을 수 있도록 설계될 때 이 공보의 광헤드는 각각의 광 디스크에 대하여 회절-한계 빔 스폿을 형성할 수 있다.

그렇지만, 이 공보의 광헤드가 항상 레이저원으로부터의 레이저 빔을 0차와 1차 회절빔으로 나누어, 이들 빔 중 한번에 단지 하나의 빔만이 정보를 기록/재생시키기 위해 사용되기 때문에, 레이저광의 최대 이용효율은 40% 이하이다.

또한, 회절빔 중 하나가 정보를 기록/재생시키기 위해 사용될 때, 다른 하나의 회절빔은 불필요한 빔이 되어버려, 노이즈를 증대시킨다.

또한, DVD의 기록밀도는 CD의 기록밀도보다 높으며, 이것은 CD 전용으로 설계된 광헤드(이하, CD 전용헤드)보다 작은 빔 스폿을 형성시키도록 DVD용 광헤드를 필요로 한다. 빔 스폿의 직경이 레이저 빔의 파장과 정(positive)의 상호관계를 가지기 때문에, DVD용 광헤드는 CD 전용헤드의 발진파장(즉, 780 내지 830㎚)보다 짧은 635 내지 665㎚의 발진파장을 가지는 레이저원을 필요로 한다. 한편, CD-R의 반사특성은 발진파장이 대략 780㎚인 레이저원을 필요로 한다.

따라서, 이 공보에 개시된 바와 같은 단일의 레이저원을 가지고 있는 광헤드는 보다 짧은 발진파장을 가지고 있는 레이저 빔을 방출하는 레이저원을 채용하고 있기 때문에, CD-R로부터 정보를 재생시킬 수 없다.

그러므로 본 발명의 목적은, 커버층의 두께가 상이한 여러가지의 광 디스크(예컨대, CD, CD-R 및 DVD) 상의 정보를 기록/재생시킬 수 있는 광헤드용 대물렌즈를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 상기된 공보에 기재된 바와 같이 종래의 광헤드보다 보다 높은 레이저 광 이용효율을 가지고 있는 대물렌즈를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기의 목적을 달성시키기 위해서, 본 발명에 따르면, 정의 굴절력을 갖춘 굴절렌즈와, 굴절렌즈의 적어도 하나의 표면에 형성된 복수의 동심 링형상 단차를 갖춘 회절렌즈구조를 포함하는 개선된 광헤드용 대물렌즈가 제공된다. 회절렌즈구조는, 동일한 회절정도를 갖춘 상이한 파장을 가지는 적어도 2개의 광선이 상이한 두께를 갖춘 커버렌즈를 각각 구비한 적어도 2가지 종류의 광 디스크에 대한 적합한 파면(波面)을 형성하도록 하는 파장의존성을 가지고 있다.

즉, 소정 차수의 회절광선은, 소정의 파장에서 소정 두께의 커버층을 갖춘 광 디스크에 적합한 파면을 형성하고, 그리고 상이한 파장에서 상이한 두께의 커버층을 갖춘 광 디스크에 적합한 파면을 형성한다.

이러한 구성으로써, 광 디스크의 커버층의 두께에 상응하는 레이저 빔의 파장의 변화는 소정 차수의 회절광이 적절하게 형성된 스폿으로 각각의 정보층 상으로 집중되도록 한다.

또한, 회절렌즈구조는, 짧은 파장의 회절광이 보다 얇은 커버를 갖춘 광 디스크에 적합한 파면을 형성하고 긴 파장의 회절광이 보다 두꺼운 커버층을 갖춘 광 디스크에 적합한 파면을 형성하도록 하는 파장의존성을 가지고 있는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는, 회절렌즈구조는 입사광의 파장이 증가됨에 따라 보정부족 방향으로 구면수차를 변화시킨다.

상기 설명된 바와 같이, 구면수차는 커버층의 두께가 증가됨에 따라 보정과잉 방향으로 변화된다. 그러므로, 보다 긴 파장의 레이저원이 보다 두꺼운 커버층을 갖춘 광 디스크용으로 사용되고, 보다 짧은 파장의 레이저원이 보다 얇은 커버층을 갖춘 광 디스크용으로 사용되는 경우, 커버층의 두께의 변화로 인한 구면수차의 변화는 회절렌즈구조의 상기 파장의존성에 의하여 보정된다.

회절렌즈구조에 의해 더해지는 광로길이의 부가량은 다음의 광로차함수 Φ(h)로 표현된다.

Φ(h) = (P₂h² + P₄h⁴ + P₆h⁶ + … )×λ

여기에서, P₂, P₄, 및 P₆은 2차, 4차, 6차의 회절계수, h는 광축으로부터의 높이, 그리고 λ는 입사광의 파장이다.

본 발명에 따른 대물렌즈는 다음의 조건 (1)을 만족시킨다.

(1) -15 < Φ(h₄₅)/λ - P₂ ×(h₄₅)² < -7

여기에서, h₄₅는 NA가 0.45인 광선이 회절렌즈구조를 가로지르는 지점의 광축으로부터의 높이이다.

또한, 바람직하게는 입사광의 파장이 증가됨에 따라 백포커스가 증가되도록 굴절렌즈와 회절렌즈구조가 전체 축상 색수차를 가지고 있다. 그러한 경우에, 다음의 조건 (2)가 만족되는 것이 바람직하다.

(2) -0.8 < ΔCA/ΔSA < -0.2

여기에서, ΔCA는 파장의 변화에 대한 근축초점의 이동량이고 ΔSA는 파장의 변화에 대한 마지널(marginal) 광선의 구면수차의 변화량이다.

본 발명에 따른 대물렌즈의 회절렌즈구조는 작은 근축파워를 가지며, 다음의 조건 (3)이 만족되는 것이 바람직하다.

(3) -0.020 < f/f_D < 0.020

여기에서, f_D는 다음 방정식으로 정의되는 회절렌즈구조의 초점거리이다.

f_D = 1/(-P₂ × 2λ)

광 디스크가 커버층의 두께가 1.2㎜와 0.6㎜인 적어도 2가지 종류의 광 디스크를 포함하는 경우, 다음의 조건 (4)가 만족되는 것이 바람직하다.

(4) 0.75 < λ₁/λ₂ < 0.87

여기에서, λ₁은 0.6㎜의 커버층을 갖춘 광디스크에 대한 광의 파장, λ₂는 1.2㎜의 커버층을 갖춘 광디스크에 대한 광의 파장이다.

또한, 광축 주위의 중심영역에서 회절렌즈구조의 블레이즈(blaze) 파장λ_B는 λ₁<λ_B<λ₂의 조건과 다음의 조건 (5) 및 (6)을 만족하면 좋다.

(5) 0.87 < λ_B/λ₂

(6) λ_B/λ₁ < 1.13

주변영역에서의 회절렌즈구조의 블레이즈 파장은 중심영역에서의 회절렌즈구조의 블레이즈 파장 λ_B보다 짧으면 좋다. 선택적으로, 회절렌즈구조가 형성되어 있는 렌즈표면의 주변영역은 단차없이 연속적인 표면일 수 있다. 주변영역은 광축으로부터의 높이가 굴절렌즈의 유효반경의 대략 85% 내지 100%의 범위 내에 있는 영역으로 정의된다.

보다 짧은 파장에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조 또는 보다 짧은 파장에 대한 수차보정된 연속표면은 주변영역 내측에 형성될 수 있다.

(실시예의 설명)

도 1a, 1b 및 1c는 실시예에 따른 대물렌즈(10)를 도시하고 있는데, 도 1a는 정면도, 도 1b는 수직단면도, 그리고 도 1c는 도 1b의 일부확대된 측면도이다. 이 대물렌즈(10)는 상이한 두께를 가지는 커버층을 구비한 여러 종류의 광 디스크(예컨대, CD, CD-R 및 DVD)를 기록/재생시킬 수 있는 광 디스크 장치의 광헤드에 적용 된다. 이 대물렌즈(10)는 광원(즉, 반도체 레이저)으로부터 방출되는 입사광을 광 디스크의 커버층을 통하여 정보층 상으로 집중시킨다.

대물렌즈(10)는 제1 및 제2 비구면(11, 12)을 가지는 양 볼록의 플라스틱 렌즈이다. 회절렌즈구조는 대물렌즈(10)의 제1 표면(11) 상에 형성된다. 이 회절렌즈구조는 프레넬 렌즈와 유사하게 각각 쐐기형 단면형상을 가지는 다수의 동심 링으로 형성된다. 인접한 링 사이의 각각의 경계는 소정의 광로차가 부여된 단차로 형성된다.

도 2는 대물렌즈(10)가 설치된 광헤드의 광학계를 도시하고 있다. 이 광학계는 DVD 모듈(21), CD 모듈(22), 빔 컴바이너(23), 콜리메이터 렌즈(24), 및 대물렌즈(10)를 포함하고 있다. 각각의 모듈(21, 22)은 공통의 기판 상에 장착된 센서 및 반도체 레이저를 구비하고 있다. 대물렌즈(10)는 초점조절기구에 장착되어 광 디스크의 정보층의 위치에 대응하여 렌즈위치를 조절한다.

DVD는 얇은 커버타입 광 디스크이다. DVD의 커버층의 두께는 0.6㎜이다. DVD 상에 미세한 빔 스폿을 형성하기 위해서, 레이저 빔의 파장이 635㎚ 내지 665㎚의 범위 내에 있을 것이 요구된다. 한편, CD-R 및 CD는 두꺼운 커버타입 광 디스크이다. CD-R 또는 CD의 커버층의 두께는 1.2㎜이다. CD-R은 분광반사율로 인하여 대략 780㎚ 파장의 레이저 빔을 필요로 한다.

그러므로, DVD 모듈(21)의 반도체 레이저는 635㎚ 또는 650㎚의 레이저 빔을 방출하며, CD 모듈(22)의 반도체 레이저는 780㎚ 파장의 레이저 빔을 방출한다.

반도체 레이저로부터 방출되는 레이저 빔은 커버층(D1(실선으로 도시) 또는 D2(점선으로 도시))을 통하여 정보층 상에 집중된다. 레이저 빔(L1)은 얇은 커버층(D1)을 통하여 얇은 커버타입 광 디스크의 정보층 상으로 집중된다. 두꺼운 커버층(D2)을 가지는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 사용되는 경우, CD 모듈(22)은 레이저 빔(L2)(점선으로 도시)을 방출시키도록 작동된다. 레이저 빔(L2)은 두꺼운 커버층(D2)을 통하여 두꺼운 커버타입 광 디스크의 정보층 상으로 집중된다.

회절렌즈구조는, 본 실시예에서는 1차 회절광인 소정 차수의 회절광은 635㎚ 또는 650㎚의 파장에서 얇은 커버타입 광 디스크에 적합한 파면을 형성하고, 그리고 780㎚의 파장에서 두꺼운 커버타입 광 디스크에 적합한 파면을 형성하도록 하는 파장의존성을 가지고 있다. 본 실시예에 있어서, 회절렌즈구조는, 구면수차가 입사광의 파장이 증가됨에 따라 보정부족 방향으로 변화되도록 하는 파장의존성을 가지고 있다.

구면수차는 커버층의 두께가 증가됨에 따라 보정과잉 방향을 변화된다. 또한, 회절렌즈구조는 입사하는 레이저 빔의 파장이 증가됨에 따라 보정부족 방향으로 변화된다. 따라서, 보다 긴 파장의 레이저 빔이 두꺼운 커버타입 광 디스크에 사용되고, 보다 짧은 파장의 레이저 빔이 얇은 커버타입 광 디스크에 사용되기 때문에, 커버층의 두께의 변화로 인한 구면수차의 변화는 회절렌즈구조의 파장의존성으로 인하여 구면수차의 변화에 의해 보정된다.

Φ(h) = (P₂h² + P₄h⁴ + P₆h⁶ + … )×λ

여기에서, P₂, P₄, 및 P₆은 2차, 4차, 6차의 회절계수, h는 광축으로부터의 높이, 그리고 λ는 입사광의 파장이다. 함수 Φ(h)는, 광축으로부터의 높이가 h인 회절렌즈구조 상의 지점에서, 회절렌즈구조에 의해 회절되지 않는 것으로 간주되는 가상의 광선과 회절렌즈구조에 의해 회절되는 광선과의 사이의 광로차를 나타낸다. 그러한 표현형식에 있어서, 2차항의 계수(P₂)의 마이너스 값은 회절렌즈구조의 정의 근축파워를 나타낸다. 또한, 4차 계수(P4)가 0보다 큰 경우 광축으로부터의 거리가 증가됨으로써 부의 파워는 증가된다.

회절렌즈구조의 실제 미세형상은 다수의 동심 링을 가지고 있는 프레넬 렌즈와 같이 형성된다. 실제 형상 Φ'(h)는 다음과 같이 Φ(h)로부터 λ× m(m:정수)을 뺌으로써 정의된다.

Φ'(h) = (MOD(P₂h² + P₄h⁴ + … + C, 1) - C) ×λ_B

λ_B는 회절렌즈구조의 단차가 1 파장인 광로차를 부여하는 블레이즈 파장이고, 회절효율은 이 블레이즈 파장(λ_B)에서 최대가 된다. C는 인접 링사이의 경계에서 위상을 한정하는 상수이다(0≤C≤1). 함수 MOD(x,y)는 x가 y로 나누어질 때 나머지를 나타낸다. MOD(P₂h²+P₄h⁴+ … + C, 1)는 경계에서 0이다. 회절렌즈구조는 베이스 커브 즉 굴절렌즈의 렌즈표면 상에 형성된다. 링 영역의 경사와 단차는 광로차가 Φ'(h)로 정의되도록 설계된다.

대물렌즈(10)는 다음의 조건 (1)을 만족한다.

(1) -15 < Φ(h₄₅)/λ - P2(h₄₅)² < -7

이 조건 (1)이 만족될 때, 커버층의 두께의 변화로 인한 구면수차의 변화는 파장변화로 인한 회절렌즈구조의 구면수차의 변화에 의해 효과적으로 균형잡히게 될 수 있다. 조건 (1)의 중간항이 -15 이하로 되면, 파장변화로 인한 구면수차의 변화는 너무 크게 된다. 반도체 레이저에 의해 방출되는 레이저 빔의 파장이 개별적인 차이로 인해 약 ±5nm의 공차를 가지므로, 구면수차의 변화가 파장의 변화에 비하여 상대적으로 넓다면, 파장이 표준파장과 다른 레이저 빔을 방출하는 반도체 레이저를 사용할 수 없게 된다. 이것은 반도체 레이저의 선택을 요구하여 생산성을 저하시킨다. 그러므로, 이러한 상황을 회피하기 위해서, 회절렌즈구조에 의한 구면수차의 보정효과는 약간 부족한 정도가 바람직하다.

한편, 조건 (1)의 중간항이 -7을 넘는 경우, 파장의 변화로 인한 구면수차의 변화는 너무 작아져, 이것은 커버층의 두께의 변화로 인한 구면수차의 변화를 균형잡을 수 없게 한다. 또한, 조건 (1)의 중간항의 최적의 값은, 파장이 635㎚ 내지 665㎚인 레이저 빔이 얇은 커버타입 광 디스크에 사용되고, 파장이 780㎚인 레이저 빔이 두꺼운 커버타입 광 디스크에 사용될 때, 대략 -11이다.

온도변화로 인한 레이저의 파장변화는 대물렌즈의 백 포커스를 변화시키는 데, 이것은 포커스 에러를 야기시킨다. 온도변화로 인한 백 포커스의 변화가 매우 느리므로, 포커스 에러는 광헤드에서 초점 조절기구에 의해 보정될 수 있다.

한편, 레이저의 파장은 기록작업 동안 고저레벨 사이에서 레이저출력의 변환에 의해 급격하게 변화된다. 급격한 파장의 변화는 포커스 에러를 또한 야기시키며, 회절렌즈구조에 의해 완벽하게 보정될 수 없다. 따라서, 대물렌즈(10)는 초점의 이동이 감소되도록 구성되는 것이 바람직하다.

초점의 이동은 일반적으로 축상색수차를 보정함으로써 감소될 수 있다. 그렇지만, 본 실시예의 대물렌즈가 구면수차에 있어서 파장의존성을 가지고 있으므로, 반대로, 축상색수차의 완전한 보정은 최적 초점위치의 이동을 증가시킨다. 따라서 색수차의 보정은 파장변화로 인해 구면수차의 변화와 균형이 맞는다.

이를 위해, 본 실시예의 굴절렌즈와 회절렌즈구조는 전체 축상색수차를 가지고 있어서 백 포커스는 입사광의 파장이 증가됨에 따라 증가되고, 다음의 조건 (2)가 만족된다.

(2) -0.8 < ΔCA/ΔSA < -0.2

여기에서 ΔCA는 파장변화에 따른 근축초점의 이동량이고 ΔSA는 파장변화에 따른 마지널 광선의 구면수차의 변화량이다.

조건 (2)가 만족될 때, 파장의 증가는 근축초점을 렌즈로부터 멀리 이동시키고 마지널 광선에 의해 초점을 렌즈에 보다 가깝게 이동시킨다. 구면수차가 표준파장(λ₀)으로 거의 보정되면, 증가된 파장(λ₃(>λ₀))에서의 근축초점은 표준파장( λ₀)에서 근축초점보다 렌즈로부터 더 멀고, 증가된 파장(λ₃)에서의 마지널 광선에 의해 초점은 표준파장(λ₀)에서의 근축초점보다 렌즈에 더 가깝다. 그러므로, 마지널 광선에 의해 근축초점으로부터 초점까지의 평균인 최적 초점위치의 이동은 감소될 수 있다.

또한, 대물렌즈(10)는 급속한 파장변화로 인한 최적 초점위치의 이동을 감소시키도록 다음의 조건 (3)을 만족한다.

(3) -0.020 < f/f_D < 0.020

f_D = 1/(-P₂ × 2λ)

조건 (3)은 축상색수차에 대한 보정효과를 정의한다. 회절렌즈에 대한 압베 수(Abbe number)에 대응하는 값은 -3.453이다. 이 값의 부의 부호는 굴절렌즈와 비교할 때 분산의 대향개념이고 그리고 그 낮은 등급은 넓은 분산을 의미한다. 그러므로, 굴절렌즈와 결합된 작은 파워를 가진 회절렌즈구조의 사용은 색수차를 보정한다.

조건(3)이 만족될 때, 급격한 파장변화로 인한 최적 초점위치의 이동은 감소될 수 있는 반면, 커버층의 두께의 변화로 인한 구면수차의 보정효과를 유지시킨다.

레이저 빔의 파장은 다음의 조건 (4)를 만족시키도록 선택된다.

(4) 0.75 < λ₁/λ₂ < 0.87

여기에서, λ₁은 얇은 커버타입 광 디스크에 대한 레이저 빔의 파장이고, λ₂는 두꺼운 커버타입 광 디스크에 대한 레이저 빔의 파장이다.

조건 (4)가 만족될 때, 회절렌즈구조는 파장의 변화로 인해 구면수차를 충분히 변화시킨다. 파장 λ₁과 λ₂의 비율은 회절렌즈구조의 1단에 의해 야기되는 파면수차의 양을 나타낸다. 예컨대, λ₁이 650㎚, λ₂가 780㎚, 그리고 650㎚에서의 파면수차의 양이 표준값으로서 고려될 때, 780㎚에서의 1단 당 표준값에 대하여 (780 - 650)/780 = 0.1666λ의 파면수차가 부가되게 된다. 조건 (4)의 비율이 0.87보다 크다면, 단차의 에지부에 의한 광량손실로 소정의 파면수차를 얻기 위해서 회절렌즈구조의 단차수는 증가된다. 또한, 파장의 변화에 대한 구면수차의 변화량이 지나치게 커지기 때문에, 레이저 파장이 표준파장과 다른 반도체 레이저의 사용이 불가능하게 된다.

한편, 비율 λ₁/λ₂가 0.75보다 작아질 때, 이들 파장 사이의 차이는 지나치게 커지고, 평균 회절효율은 지나치게 작아진다.

최대 회절효율이 얻어지는 블레이즈 파장(λ_B)은 회절렌즈구조의 미세구조의 설계시에 선택되는 것이다. 광축 주위의 중심영역에서 회절렌즈구조의 블레이즈 파장(λ_B)은 높은 평균 회절효과를 유지시키기 위해서 λ₁<λ_B<λ ₂의 조건을 만족시 킨다. 이러한 조건으로, 예컨대, λ₁이 635㎚, λ₂가 780㎚, 그리고 λ₁과 λ₂에서의 회절효율은, λ₁과 λ₂ 사이의 임의의 파장에서 블레이즈 파장(λ_B)이 설정된다고 하더라도, 대략 90% 이상이다.

도 27은 블레이즈 파장이 635㎚, 690㎚ 또는 710㎚로 설정된 경우의 회절효율을 도시하는 그래프이다. 어떠한 경우에도, 635㎚와 780㎚에서의 회절효율은 대략 90% 이상이다. 이것은 일본 특개평 7-98431호 공보에 개시된 광학계에서의 40%에 비하면 충분히 큰 값을 나타낸다.

또한, 본 실시예의 대물렌즈(10)는 회절효율을 보다 증가시키기 위해서 다음의 조건 (5) 및 (6)을 만족시킨다.

(5) 0.87 < λ_B/λ₂

(6) λ_B/λ_l < l.13

블레이즈 파장(λ_B)이 λ₁과 λ₂의 파장 중 하나에 근접될 때, 블레이즈 파장(λ_B)으로부터 보다 먼 파장에서 회절효율은 감소된다. 조건 (5) 및 (6)이 만족될 때, 회절효율은 양쪽 파장(λ₁과 λ₂)에서 대략 95% 이상이 된다.

주변영역에서의 회절렌즈구조의 블레이즈 파장은 중심영역에서의 회절렌즈구조의 블레이즈 파장(λ_B)보다 짧다. 선택적으로, 회절렌즈구조가 형성된 렌즈표면의 주변영역은 단차없이 연속적인 표면으로 형성된다. 주변영역은 광축으로부터의 높이가 굴절렌즈의 유효반경의 85% 내지 100%의 범위 내에 있는 범위로 정의된다.

DVD는 0.60의 NA를 필요로 하는 반면, CD나 CD-R에 대하여는 0.45의 NA로 충분하다. 0.45의 NA 바깥의 레이저 빔은, 역으로, CD나 CD-R의 재생에 나쁜 영향을 가진다. 0.6의 NA를 가지는 레이저 빔은 CD나 CD-R용으로는 지나치게 작은 빔 스폿을 형성한다. 그러므로, 바람직하게 주변영역은 DVD의 전용으로 된다. 주변영역의 블레이즈 파장이 중심부위보다 짧을 때, CD나 CD-R에 대한 회절효율은 감소되고 DVD에 대한 회절효율은 증가된다. 주변영역이 수차가 DVD용으로 보정된 연속적인 표면일 때, 주변영역은 DVD용의 레이저 빔을 집중시키도록 작용된다.

또한, 정의 굴절렌즈의 구면수차는 굴절율의 감소로 인하여 온도가 상승됨에 따라 보정과잉 방향으로 변화되고, 반도체 레이저는 온도의존성을 가져서 방출된 레이저의 파장은 온도가 상승됨에 따라 증가된다. 온도가 상승될 때, 굴절렌즈는 보정과잉 방향으로 구면수차를 변화시키고, 반도체 레이저로부터 방출되는 광의 파장이 증가되기 때문에 회절렌즈구조는 보정부족 방향으로 구면수차를 변화시킨다. 따라서, 굴절렌즈 및 회절렌즈구조에 의해 야기되는 구면수차의 변화는 서로 균형이 잡힐 수 있다.

그러므로, 대물렌즈(10)가 온도가 상승됨에 따라 굴절율이 감소되는 수지로 만들어지는 경우, 바람직하게 회절렌즈구조는 중심영역에서뿐만 아니라 주변영역에서도 형성된다. 그러한 경우에, 바람직하게 주변영역에서의 회절렌즈구조는 DVD에 대한 레이저 빔의 회절효율을 증가시키기 위해서 중심영역에서의 회절렌즈구조보다 짧은 블레이즈 파장을 가진다.

상기 언급된 구조에 따른 6개의 실시예가 이하 설명된다. 실시예의 대물렌 즈(10)는, DVD와 같은 0.6㎜ 두께의 커버층을 가지는 얇은 커버타입 광 디스크 및 CD, CD-R과 같은 1.2㎜ 두께의 커버층을 가지는 두꺼운 커버타입 광 디스크의 양쪽 모두에 호환성을 가지도록 설계된다. 회절렌즈구조는, 제1, 제2, 제3 및 제4 실시예에서는 제1 표면 상에 형성되고, 제5 및 제6 실시예에서는 제2 표면 상에 형성된다.

실시예 1

도 3은, 실시예 1에 따른 대물렌즈(10)와, 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층(D₁)을 도시하고 있다. 도 5는 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층(D₂)을 갖춘 대물렌즈(10)를 도시하고 있다. 그 수치구성은 표 1에 나타내고 있다. 면번호 #1, #2는 대물렌즈(10)를 나타내고 있으며, 면번호 #3, #4는 광 디스크의 커버층을 나타내고 있다.

표 1에서, NA는 개구수, f(단위:㎜)는 전체 초점거리, f_D(단위:㎜)는 회절렌즈구조의 초점거리, ω(단위:도)는 반화각(half angle of view), λ₁(단위:㎚)은 얇은 커버타입 광 디스크에 대한 파장, λ₂(단위:㎚)는 두꺼운 커버타입 광 디스크에 대한 파장, λ_B(단위:㎚)는 블레이즈 파장, h₄₅(단위:㎚)는 NA가 0.45인 광선이 회절렌즈구조를 가로지르는 지점의 광축으로부터의 높이, r(단위:㎜)은 표면의 곡률반경(비구면의 정점에서의 값), d₁(단위:㎜)은 얇은 커버타입 광 디스크에 대한 광축을 따른 표면들 사이의 거리, d₂(단위:㎜)는 두꺼운 커버타입 광 디스크에 대한 거 리, nλ는 파장(λ㎚)에서 굴절율, 그리고 νd는 압베 수를 나타낸다.

제1 표면(11)(면번호 #1)의 기본곡선은 비구면이다. 기본곡선은 회절렌즈구조를 포함하지 않은 굴절렌즈의 형상으로 형성된다. 제2 표면(12)(면번호 #2)은 또한 비구면이다. 비구면은 다음 방정식으로 표현된다.

X(h)는 SAG, 즉 광축으로부터의 높이가 h인 표면의 한 지점에서 접선평면으로부터의 곡선의 거리이다. C는 표면의 정점의 곡률(1/r), K는 원추계수(conic constant), A₄, A₆, A₈, A₁₀ 및 A₁₂는 4차, 6차, 8차, 10차, 12차의 비구면계수이다. 대물렌즈(10)의 제1 및 제2 표면의 상수(K)와 계수(A₄ 내지 A₁₂)는 다음의 표 2에 나타내고 있다.

또한, 표 2는 회절렌즈구조를 형성하는 광로차함수 Φ(h)의 2차, 4차, 6차, 8차, 및 10차(P₂, P₄, P₆, P₈, P₁₀)의 계수이다.

λ₁=650㎚ NA 0.60 f=3.30㎜ f_D=330.53㎜ ω=1.0° h₄₅=1.49㎜(#1) λ₂=780㎚ NA 0.45 f=3.32㎜ ω=1.0° λ_B=710㎚
면번호	r	d1	d2	n650	n780	νd
#1	2.117	2.400	2.400	1.54082	1.53677	55.6
#2	-7.254	1.592	1.222
#3	∞	0.600	1.200
#4	∞

	면번호 #1	면번호 #2
K	-0.4400	0.0000
A₄	-0.2560×10^-2	0.1882×10^-1
A₆	-0.8470×10^-3	-0.5235×10^-2
A₈	0.8800×10^-4	0.3275×10^-3
A₁₀	-0.7500×10^-5	0.3235×10^-4
A₁₂	-0.6200×10^-5	0.0000
P₂	-2.3272
P₄	-1.5289
P₆	-5.5184×10^-1
P₈	1.5292×10^-1
P₁₀	-1.6178×10^-2

도 4a 내지 4c는, 얇은 커버타입 광 디스크가 650㎚의 파장으로 사용될 때 제1 실시예에 따른 대물렌즈의 3차 수차를 도시하고 있다. 도 4a는 파장 650㎚에서의 구면수차(SA) 및 정현조건(SC)을 도시하고 있다. 도 4b는 파장 650㎚, 645㎚ 및 655㎚에서의 구면수차로 나타나는 색수차를 도시하고 있다. 그리고 도 4c는 비점수차(S:새지털(sagittal), M:메리디오널(Meridional))를 도시하고 있다.

도 4a 및 4b에서의 세로축은 개구수(NA)를, 그리고 도 4c에서의 세로축은 화상높이(Y)를 나타내고 있다. 도 4a 내지 4c 각각에 있어서 가로축의 단위는 ㎜이다. 도 6a, 6b 및 6c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 780㎚의 파장으로 사용될 때 도 4a, 4b 및 4c와 마찬가지의 그래프이다.

도 4a 및 6a에 도시된 바와 같이 구면수차는 650㎚ 및 780㎚ 양쪽으로 충분하게 보정되어 있다.

근축초점은 입사광의 파장이 증가됨에 따라 백 포커스가 증가되도록 이동된다. 파장의 +5㎚ 만큼의 변화에 의한 근축초점의 이동량(ΔCA)은 도 4b에서 650㎚ 및 655㎚의 곡선의 하단부 사이의 폭으로 표시된다. 파장의 +5㎚ 만큼의 변화에 의한 마지널 광선의 구면수차의 변화량(ΔSA)은, 650㎚의 곡선의 하단부와, 하단부가 650㎚의 곡선의 하단부까지 이동되도록 655㎚의 곡선으로부터 평행이동된 곡선의 상단부와의 사이의 폭으로 표시된다. 이들 값의 비율이 조건 (2)를 만족시키기 때문에, 도 4b에서 650㎚ 및 655㎚의 곡선은 세로축과 교차되며, 이것은 파장의 급속한 변화로 인한 최적 초점위치의 이동량을 나타낸다.

제1 실시예의 상기 설명된 수치구성에 있어서, 710㎚에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조는 유효반경의 전체영역 내의 제1 표면에 형성된다. 한편, 주변영역은 얇은 커버타입 광 디스크에 대하여 최적화될 수 있다. 제1 실시예의 대물렌즈는 1.98㎜의 유효반경과 NA 0.6에서 3.3㎜의 초점거리를 가지고 있다. 두꺼운 커버타입 광 디스크에 요구되는 반경은 1.49㎜이고, 그 초점거리는 NA 0.45에서 3.32㎜이다. 따라서, 주변영역은 광축으로부터의 높이가 제1 실시예에서의 유효반경의 75.5% 내지 100%의 범위 내에 있는 영역으로 정의된다.

얇은 커버타입 광 디스크에 대하여 주변영역을 최적화시키기 위해서, 이 주변영역은 650㎚에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조 또는 650㎚에 대한 수차로 보정된 연속표면으로 형성될 수 있다. 주변영역이 연속표면으로 형성될 때, 710㎚에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조는 중심영역에 형성된다. 중심영역은 중심 원형부위 및 제1 내지 제15 링형상 단차를 포함하고 있다. 제16 링은 주변영역 즉 표 3에서 이어지는 계수에 의해 정의되는 회전방향으로 대칭적인 비구면을 덮는다. D는 광축에서의 렌즈표면과 광축방향을 따른 주변영역의 렌즈표면 사이의 변화량이다.

r = 2.09903

K = -0.44

A₄ = -8.73×10^-4

A₆ = -1.26×10^-4

A₈ = -6.17×10^-5

A₁₀ = 6.67×10^-6

A₁₂ = -6.20×10^-6

Δ = -0.01923

실시예 2

도 7은, 제2 실시예의 대물렌즈(10)와 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층(D₁)을 도시하고 있다. 도 9는 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층(D₂)을 갖춘 대물렌즈(10)를 도시하고 있다. 제2 실시예의 수치구성은 표 4에 나타내고 있다. 표 5는 제1 및 제2 표면의 원추계수와 비구면계수, 그리고 제1 표면에 형성된 회절렌즈구조의 회절계수를 나타내고 있다.

도 8a 내지 8c는 얇은 커버타입 광 디스크가 635㎚의 파장으로 사용될 때 제2 실시예에 따른 대물렌즈의 여러 수차를 도시하고 있다. 도 10a 내지 10c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 780㎚의 파장으로 사용될 때의 여러 수차를 도시하고 있다.

λ₁=635㎚ NA 0.60 f=3.50㎜ f_D=350.00㎜ ω=1.0° h₄₅=1.58㎜(#1) λ₂=780㎚ NA 0.50 f=3.52㎜ ω=1.0° λ_B=690㎚
면번호	r	d1	d2	n650	n780	νd
#1	2.278	2.928	2.928	1.54142	1.53677	55.6
#2	-6.508	1.521	1.153
#3	∞	0.600	1.200
#4	∞

	면번호#1	면번호#2
K	-0.4400	0.0000
A₄	-0.1890×10^-2	0.2349×10^-1
A₆	-0.3510×10^-3	-0.7437×10^-2
A₈	0.8300×10^-5	0.8432×10^-3
A₁₀	-0.1250×10^-5	0.1949×10^-4
A₁₂	-0.3860×10^-5	0.0000
P₂	-2.2497
P₄	-1.1709
P₆	-3.3665×10^-1
P₈	1.1948×10^-1
P₁₀	-1.9838×10^-2

제2 실시예의 상기 설명된 수치구성에 있어서, 690㎚에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조는 유효반경의 전체영역 내의 제1 표면에 형성된다. 한편, 주변영역은 얇은 커버타입 광 디스크에 대하여 최적화될 수 있다. 제2 실시예의 대물렌즈는 2.1㎜의 유효반경과 NA 0.6에서 3.5㎜의 초점거리를 가지고 있다. 두꺼운 커버타입 광 디스크에 요구되는 반경은 1.76㎜이고, 그 초점거리는 NA 0.50에서 3.52㎜이다. 따라서, 주변영역은 광축으로부터의 높이가 제2 실시예에서의 유효반경의 83.8% 내지 100%의 범위 내에 있는 영역으로 정의된다.

얇은 커버타입 광 디스크에 대하여 주변영역을 최적화시키기 위해서, 이 주변영역은 635㎚에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조 또는 635㎚에 대한 수차로 보정된 연속표면으로 형성될 수 있다.

실시예 3

도 11은, 제3 실시예의 대물렌즈(10)와 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층(D₁)을 도시하고 있다. 도 13은 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층(D₂)을 갖춘 대물렌즈(10)를 도시하고 있다. 제3 실시예의 수치구성은 표 6에 나타내고 있다. 표 7은 제1 및 제2 표면의 원추계수와 비구면계수, 그리고 제1 표면에 형성된 회절렌즈구조의 회절계수를 나타내고 있다.

도 12a 내지 12c는 얇은 커버타입 광 디스크가 635㎚의 파장으로 사용될 때 제3 실시예에 따른 대물렌즈의 여러 수차를 도시하고 있다. 도 14a 내지 14c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 780㎚의 파장으로 사용될 때의 여러 수차를 도시하고 있다.

λ₁=635㎚ NA 0.60 f=3.50㎜ f_D=∞ ω=1.0° h₄₅=1.58㎜(#1) λ₂=780㎚ NA 0.50 f=3.53㎜ ω=1.0° λ_B=690㎚
면번호	r	d1	d2	n650	n780	νd
#1	2.203	2.400	2.400	1.54142	1.53677	55.6
#2	-8.367	1.781	1.423
#3	∞	0.600	1.200
#4	∞

	면번호#1	면번호#2
K	-0.4400	0.0000
A₄	-0.1800×10^-2	0.1746×10^-1
A₆	-0.1500×10^-3	-0.4844×10^-2
A₈	-0.9100×10^-4	0.5863×10^-3
A₁₀	0.1150×10^-4	-0.2529×10^-4
A₁₂	-0.3860×10^-5	0.0000
P₂	0.0
P₄	-1.2621
P₆	-1.4187×10^-1
P₈	2.7738×10^-2
P₁₀	-5.6149×10^-3

제3 실시예의 상기 설명된 수치구성에 있어서, 690㎚에 대해 블레이즈된 회 절렌즈구조는 유효반경의 전체영역 내의 제1 표면에 형성된다. 한편, 주변영역은 얇은 커버타입 광 디스크에 대하여 최적화될 수 있다. 제3 실시예의 대물렌즈는 2.1㎜의 유효반경과 NA 0.6에서 3.5㎜의 초점거리를 가지고 있다. 두꺼운 커버타입 광 디스크에 요구되는 반경은 1.765㎜이고, 그 초점거리는 NA 0.50에서 3.55㎜이다. 따라서, 주변영역은 광축으로부터의 높이가 제2 실시예에서의 유효반경의 84.0% 내지 100%의 범위 내에 있는 영역으로 정의된다.

실시예 4

도 15는, 제4 실시예의 대물렌즈(10)와 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층(D₁)을 도시하고 있다. 도 17은 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층(D₂)을 갖춘 대물렌즈(10)를 도시하고 있다. 제4 실시예의 수치구성은 표 8에 나타내고 있다. 표 9는 제1 및 제2 표면의 원추계수와 비구면계수, 그리고 제1 표면에 형성된 회절렌즈구조의 회절계수를 나타내고 있다.

도 16a 내지 16c는 얇은 커버타입 광 디스크가 650㎚의 파장으로 사용될 때 제4 실시예에 따른 대물렌즈의 여러 수차를 도시하고 있다. 도 18a 내지 18c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 780㎚의 파장으로 사용될 때의 여러 수차를 도시하고 있다.

λ₁=650㎚ NA 0.60 f=3.50㎜ f_D=∞ ω=1.0° h₄₅=1.58㎜(#1) λ₂=780㎚ NA 0.50 f=3.53㎜ ω=1.0° λ_B=710㎚
면번호	r	d1	d2	n650	n780	νd
#1	2.193	2.300	2.300	1.54082	1.53677	55.6
#2	-8.740	1.831	1.471
#3	∞	0.600	1.200
#4	∞

	면번호#1	면번호#2
K	-0.4400	0.0000
A₄	-0.2530×10^-2	0.1316×10^-1
A₆	0.2110×10^-3	0.3070×10^-2
A₈	-0.6630×10^-4	-0.3534×10^-2
A₁₀	0.8400×10^-5	0.9045×10^-3
A₁₂	-0.5800×10^-5	0.0000
P₂	0.0
P₄	-1.3766
P₆	-2.0032×10^-1
P₈	3.7560×10^-2
P₁₀	-1.0539×10^-3

제4 실시예의 상기 설명된 수치구성에 있어서, 710㎚에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조는 유효반경의 전체영역 내의 제1 표면에 형성된다. 한편, 주변영역은 얇은 커버타입 광 디스크에 대하여 최적화될 수 있다. 주변영역은 광축으로부터의 높이가 제3 실시예뿐만 아니라 제4 실시예에서의 유효반경의 84.0% 내지 100%의 범위 내에 있는 영역으로 정의된다.

얇은 커버타입 광 디스크에 대하여 주변영역을 최적화시키기 위해서, 이 주변영역은 650㎚에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조 또는 650㎚에 대한 수차로 보정된 연속표면으로 형성될 수 있다.

실시예 5

도 19는, 제5 실시예의 대물렌즈(10)와 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층(D₁)을 도시하고 있다. 도 21은 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층(D₂)을 갖춘 대물렌즈(10)를 도시하고 있다. 제5 실시예의 수치구성은 표 10에 나타내고 있다. 표 11은 제1 및 제2 표면의 원추계수와 비구면계수, 그리고 제1 표면에 형성된 회절렌즈구조의 회절계수를 나타내고 있다.

도 20a 내지 20c는 얇은 커버타입 광 디스크가 635㎚의 파장으로 사용될 때 제5 실시예에 따른 대물렌즈의 여러 수차를 도시하고 있다. 도 22a 내지 22c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 780㎚의 파장으로 사용될 때의 여러 수차를 도시하고 있다.

λ₁=635㎚ NA 0.60 f=3.50㎜ f_D=∞ ω=1.0° h₄₅=1.23㎜(#2) λ₂=780㎚ NA 0.50 f=3.53㎜ ω=1.0° λ_B=690㎚
면번호	r	d1	d2	n650	n780	νd
#1	2.199	1.930	1.930	1.54142	1.53677	55.6
#2	-9.484	2.042	1.685
#3	∞	0.600	1.200
#4	∞

	면번호#1	면번호#2
K	-0.4400	0.0000
A₄	-0.9330×10^-3	0.1600×10^-1
A₆	-0.3370×10^-4	-0.2886×10^-2
A₈	-0.5210×10^-4	0.1721×10^-3
A₁₀	0.7400×10^-5	0.2300×10^-6
A₁₂	-0.3100×10^-5	0.0000
P₂		0.0
P₄		-5.2894
P₆		9.3630×10^-1
P₈		-5.9940×10^-2
P₁₀		1.8211×10^-4

제5 실시예의 상기 설명된 수치구성에 있어서, 690㎚에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조는 유효반경의 전체영역 내의 제2 표면에 형성된다. 한편, 주변영역은 얇은 커버타입 광 디스크에 대하여 최적화될 수 있다. 주변영역은 광축으로부터의 높이가 제3 실시예뿐만 아니라 제5 실시예에서의 유효반경의 84.0% 내지 100%의 범위 내에 있는 영역으로 정의된다.

실시예 6

도 23은, 제6 실시예의 대물렌즈(10)와 얇은 커버타입 광 디스크의 커버층(D₁)을 도시하고 있다. 도 25는 두꺼운 커버타입 광 디스크의 커버층(D₂)을 갖춘 대물렌즈(10)를 도시하고 있다. 제6 실시예의 수치구성은 표 12에 나타내고 있다. 표 13은 제1 및 제2 표면의 원추계수와 비구면계수, 그리고 제1 표면에 형 성된 회절렌즈구조의 회절계수를 나타내고 있다.

도 24a 내지 24c는 얇은 커버타입 광 디스크가 650㎚의 파장으로 사용될 때 제6 실시예에 따른 대물렌즈의 여러 수차를 도시하고 있다. 도 25a 내지 25c는 두꺼운 커버타입 광 디스크가 780㎚의 파장으로 사용될 때의 여러 수차를 도시하고 있다.

λ₁=650㎚ NA 0.60 f=3.50㎜ f_D=202.10㎜ ω=1.0° h45=1.23㎜(#2) λ₂=780㎚ NA 0.50 f=3.53㎜ ω=1.0° λ_B=710㎚
면번호	r	d1	d2	n650	n780	νd
#1	2.207	1.930	1.930	1.54082	1.53677	55.6
#2	-10.066	2.042	1.685
#3	∞	0.600	1.200
#4	∞

	면번호#1	면번호#2
K	-0.4400	0.0000
A₄	-0.8170×10^-3	0.1600×10^-1
A₆	-0.3070×10^-4	-0.2930×10^-2
A₈	-0.4850×10^-4	0.1875×10^-3
A₁₀	0.6320×10^-5	-0.1225×10^-5
A₁₂	-0.2820×10^-5	0.0000
P₂		-3.8063
P₄		-5.3042
P₆		9.2234×10^-1
P₈		-5.7284×10^-2
P₁₀		-3.4616×10^-4

제6 실시예의 상기 설명된 수치구성에 있어서, 710㎚에 대해 블레이즈된 회절렌즈구조는 유효반경의 전체영역 내의 제2 표면에 형성된다. 한편, 주변영역은 얇은 커버타입 광 디스크에 대하여 최적화될 수 있다. 주변영역은 광축으로부터의 높이가 제3 실시예뿐만 아니라 제6 실시예에서의 유효반경의 84.0% 내지 100%의 범위 내에 있는 영역으로 정의된다.

다음의 표 14는, 조건 (1), (2), (3), (4), (5) 및 (6)에 대한 제1 내지 제6 실시예의 값을 나타낸다. 모든 실시예가 조건 (1)을 만족시키고 있으므로, 커버층의 두께의 변화로 인한 파면수차의 열화는 감소될 수 있다. 조건 (2) 및 (3)은 모든 실시예에 있어서 만족되며, 이것은 파장의 급격한 변화로 인한 최적 초점위치의 이동량을 감소시킨다. 모든 실시예가 조건 (4), (5) 및 (6)을 만족시키고 있으므로, 파장의 변화로 인한 구면수차 및 축상색수차의 변화는 잘 균형잡힐 수 있으며, 이들 실시예의 대물렌즈는 최적 초점위치의 이동량을 더욱더 감소시킬 수 있다.

	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6
조건 (1) Φ(h₄₅)/λ-P₂×(h₄₅)²	-10.6	-0.36	0.010	0.833	0.910	1.092
조건 (2) ΔCA/ΔSA	-9.7	-0.26	0.010	0.814	0.885	1.087
조건 (3) f/f_D	-9.4	-0.50	0.000	0.814	0.885	1.087
조건 (4) λ₁/λ₂	-10.2	-0.43	0.000	0.833	0.910	1.092
조건 (5) λ_B/λ₂	-9.2	-0.78	0.000	0.814	0.885	1.087
조건 (6) λ_B/λ₁	-9.3	-0.47	0.017	0.833	0.910	1.092

이상 설명하였듯이, 이 발명에 의하면, 상이한 커버층의 두께에 기인하는 구면수차의 변화를, 회절렌즈구조의 구면수차의 변화에 의해 균형잡을 수 있어, 광 이용효율이 높은 광헤드용의 대물렌즈를 단일의 렌즈로 제공할 수 있다. 따라서, 이 발명을 DVD, CD-R 호환계에 적용한 경우에는, 대물렌즈 주위의 가동부분을 적게 할 수 있어 장치의 컴팩트화, 고속화가 도모된다.

Claims

정의 굴절력을 가지는 굴절렌즈; 및

상기 굴절렌즈의 적어도 하나의 렌즈표면에 형성된 복수의 동심 링형상 단차를 가지는 회절렌즈구조;를 포함하고 있으며,

상기 회절렌즈구조는, 동일한 회절 차수의 상이한 파장을 가지는 적어도 2개의 광선이 상이한 두께를 가지는 커버층을 각각 구비한 적어도 2 종류의 광 디스크에 대한 적합한 파면을 형성하도록 하는 파장의존성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 1 항에 있어서, 상기 회절렌즈구조는, 제1 파장의 회절광이 보다 얇은 커버층을 가지는 광 디스크에 대한 적합한 파면을 형성하고 그리고 제2 파장의 회절광이 보다 두꺼운 커버층을 가지는 광 디스크에 대한 적합한 파면을 형성하도록 하는 파장의존성을 가지고 있으며, 상기 제1 파장은 상기 제2 파장보다 짧은 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 1 항에 있어서, 상기 회절렌즈구조는, 입사광의 파장이 증가됨에 따라 구면수차가 보정부족 방향으로 변화되도록 하는 파장의존성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 1 항에 있어서, 다음의 조건 (1):

(1) -15 < Φ(h₄₅)/λ - P₂×(h₄₅)² < -7

이 만족되며, 여기에서, h₄₅는 NA가 0.45인 광선이 상기 회절렌즈구조와 교차하는 지점의 광축으로부터의 높이이고, λ는 상기 광선의 파장이고, 그리고 P₂는 상기 회절렌즈구조에 의해 더해지는 광로길이의 부가량이 다음의 광로차함수 Φ(h):

Φ(h) = (P₂h² + P₄h⁴ + P₆h⁶ + … )×λ

로 표현될 때의 2차 계수이며, 여기에서, P₄ 및 P₆은 4차 및 6차의 계수이고, 그리고 h는 광축으로부터의 높이인 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 1 항에 있어서, 상기 굴절렌즈와 상기 회절렌즈구조는, 입사광의 파장이 증가됨에 따라 백 포커스가 증가되도록 하는 전체 축상 색수차를 가지고 있으며, 다음의 조건 (2):

(2) -0.8 < ΔCA /ΔSA < -0.2

가 만족되며, 여기에서, ΔCA는 파장의 변화에 대한 근축초점의 이동량이고, 그리고 ΔSA는 상기 파장의 변화에 대한 마지널 광선의 구면수차의 변화량인 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 1 항에 있어서, 다음의 조건 (3):

(3) -0.020 < f/f_D < 0.020

이 만족되며, 여기에서, f는 상기 보다 짧은 파장에서 상기 대물렌즈의 전체 초점거리이고, f_D는 상기 보다 짧은 파장에서 상기 회절렌즈구조의 초점거리로서, 다음의 방정식으로 정의되며:

f_D = 1/(-P₂ × 2λ)

여기에서 P₂는 상기 회절렌즈구조에 의해 더해지는 광로길이의 부가량이 다음의 광로차함수 Φ(h):

Φ(h) = (P₂h² + P₄h⁴ + P₆h⁶ + … )×λ

로 표현될 때의 2차계수이며, 여기에서, P₄ 및 P₆은 4차 및 6차의 계수이고, h는 광축으로부터의 높이이고, 그리고 λ는 입사광의 파장인 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 1 항에 있어서, 상기 회절렌즈구조는 다음의 조건 (4):

(4) 0.75 < λ₁/λ₂ < 0.87

를 만족시키도록 설계되며, 여기에서, λ₁은 0.6㎜의 커버층을 가지는 상기 광디스크에 대한 상기 광선의 파장이고, λ₂는 1.2㎜의 커버층을 가지는 상기 광디스크에 대한 상기 광선의 파장인 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 7 항에 있어서, 광축 주위의 중심영역에서 상기 회절렌즈구조의 블레이즈 파장λ_B는 λ₁<λ_B<λ₂의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 8 항에 있어서, 상기 중심영역에서 상기 회절렌즈구조의 블레이즈 파장 λ_B는 다음의 조건 (5) 및 (6):

(5) 0.87 < λ_B/λ₂

(6) λ_B/λ₁ < 1.13

을 만족시키는 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 8 항에 있어서, 주변영역에서의 상기 회절렌즈구조의 블레이즈 파장은 상기 중심영역에서의 상기 회절렌즈구조의 상기 블레이즈 파장λ_B보다 짧은 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.
제 1 항에 있어서, 상기 회절렌즈구조가 형성된 렌즈표면의 주변영역은 단차가 없는 연속면이고, 상기 주변영역은 광축으로부터의 높이가 상기 회절렌즈의 유효반경의 85% 내지 100%의 범위 내에 있는 영역으로 정의되는 것을 특징으로 하는 광헤드용 대물렌즈.