KR100592860B1 - 렌즈 제조 방법 - Google Patents

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KR100592860B1
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Abstract

정확하게 형상을 형성하고, 효율적이면서 저렴하게 제조할 수 있는 렌즈와 그 제조 방법 및 광학 픽업을 제공하는 것을 목적으로 한다.
입사면(20a)로부터 입사된 빛을 집광시키기 위한 기하 광학부(20)와, 기하 광학부(20)의 입사면(20a)과 출사면(20b)에 형성되어 있고, 입사광을 더 집광시키기 위한 회절 광학부(21)를 구비하고, 상기 회절 광학부(21)는, 미리 형성된 상기 기하 광학부(20)의 입사면(20a)과 출사면(20b)에 수지를 접합시킴으로써 형성된다.
회절 광학부, 렌즈, 기하 광학부, 광학 픽업, 수지 접합

Description

렌즈 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING LENS}
도 1은 종래의 브레이즈 홀로그램 일체 성형 렌즈의 제조 장치의 일례를 나타내는 구성도.
도 2는 도 1에서의 금형을 제조하는 모습을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 광학 픽업의 양호한 실시예를 나타내는 시스템도.
도 4는 본 발명의 렌즈의 양호한 실시예를 나타내는 단면도.
도 5는 도 4의 렌즈에서의 기하 광학부를 제조하는 모습을 나타내는 구성도.
도 6은 도 4의 렌즈에서의 회절 광학부를 제조하는 모습을 나타내는 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 광학 픽업
11 : 광원
14 : 대물 렌즈
20 : 기하 광학부
20a : 입사면
20b : 출사면
21 : 회절 광학부
D : 광 디스크
본 발명은 렌즈와 그 제조 방법 및 광학 픽업의 개량에 관한 것으로, 특히 정확하면서도 효율적으로 제조할 수 있는 렌즈와 그 제조 방법 및 광학 픽업에 관한 것이다.
현재, DVD(디지탈 비디오 디스크)로 대표되는 바와 같이, 광 디스크의 고밀도화가 진행되고 있고, 이 고밀도화를 실현하기 위해서는, 레이저의 단파장화, 빔 스폿 사이즈의 소형화가 요구된다. 이 빔 스폿을 작게 하기 위해서는, 높은 개구수(이하 「NA」)의 렌즈가 필요해진다. 여기서, 렌즈의 개구수를 올리기 위해서는, 렌즈의 직경을 크게 하면 되지만, 광학 픽업등의 소형의 메카니컬데크에 내장하는 경우에는, 렌즈의 크기는 제한되어 버린다. 특히, 직경이 작은 렌즈로 그 곡률 반경을 크게 하면, 그 제고가 곤란하게 된다. 그래서, 높은 NA의 렌즈를 얻기 위해 비구면 렌즈인 기하 광학부의 입사면과 출사면에 브레이즈 홀로그램인 회절 광학부를 형성한 소위 홀로그램 일체 성형 렌즈가 사용되고 있다. 또한, 홀로그램 일체 성형 렌즈는, 하나의 렌즈로 2개의 촛점을 얻을 수 있도록 하기 위한 대물 렌즈로도 사용되고 있다.
여기서, 종래의 홀로그램 일체 성형 렌즈를 제조하기 위한 렌즈 제조 장치를 도 1에 도시한다. 도 1의 (a)의 렌즈 제조 장치(1)는, 상측 금형(2), 하측 금형(3), 몸통형(4)등을 구비하고 있다. 상측 금형(2)과 하측 금형(3)에는 렌즈의 형상을 갖는 중공부가 형성되어 있고, 이 중공부에 렌즈의 재료인 유리가 공급된다. 상측 금형(2)은 몸통형(4)에 따라 화살표 Y방향으로 이동 가능하게 설치되어 있고, 유리에 압력을 가할 수 있다.
홀로그램 일체 성형 렌즈를 제조할 때는, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 중공부에 유리가 공급된 후, 성형 가능한 온도가 될 때까지 상측 금형(2)과 하측 금형(3)이 가열된다. 그리고, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 상측 금형(2)이 화살표 Y2 방향으로 이동하여 가압 성형하면, 유리에 금형 형상이 전사된다. 그 후, 유리가 냉각되어, 홀로그램 일체 성형 렌즈가 완성된다.
여기서, 상측 금형(2)과 하측 금형(3)은 렌즈 형상이 정확히 형성되는 것이 요구된다. 도 2에는 금형을 성형하는 모습을 나타내고 있다. 또한, 상측 금형(2)과 하측 금형(3)과의 성형 프로세스는 동일하므로, 도 2에는 하측 금형(3)의 성형만 언급하고 상측 금형(2)의 성형 프로세스에 대해서는 그 설명을 생략한다. 도 2의 (a)에서, 하측 금형(3)은 가공층(3a), 모재(3b)로 이루어져 있고, 가공층(3a)의 재료는 예를 들면 백금(Pt)이나 이리듐(Ir)등의 귀금속막으로 이루어져 있다. 이것은 유리의 융점이 높기 때문에, 성형시 유리에 융착되지 않는 재료로 구성할 필요가 있기 때문이다. 이 가공층(3a)에 대해 다이아몬드등으로 이루어지는 바이트(5)가 회절 광학부의 형상을 절삭해간다. 그리고, 예를 들면 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 가공층(3a)을 소정 형상으로 가공한 후, 그 표면에 보호층(6)을 형성하여, 회절 광학부의 형상이 변하지 않도록 하고 있다.
그러나, 상술된 바와 같이 백금(Pt)이나 이리듐(Ir) 등의 절삭성이 나쁜 귀금속으로 이루어진 가공층을 절삭 가공하면, 바이트의 마모가 심하다고 하는 문제가 있다. 한편, 이 문제를 해소하기 위해 금형의 재료를 절삭성이 좋은 재료, 예를 들면 무전해 니켈 도금으로 변경하면, 상기 기술한 바와 같이 유리의 융점이 높기 때문에 성형시에 금형 재료가 융착해 버리거나 마모가 심하다고 하는 문제가 있다.
그래서 본 발명은 상기 과제를 해소하여, 높은 개구수를 구비한 렌즈를 정확하게 형성하고, 효율적이고 또한 염가로 제조할 수 있는 렌즈와 그 제조 방법 및 광학 픽업을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적은, 입사면으로부터 입사된 빛을 집광시키기 위한 기하 광학부와, 상기 기하 광학부의 입사면과 출사면에 설치된 회절 광학부로 이루어지고, 상기 회절 광학부는 상기 기하 광학부와 다른 재료로 형성되어 있는 렌즈에 의해 달성된다. 이 경우에 있어서, 기하 광학부의 입사면과 출사면에, 기하 광학부와는 다른 재료인 예를 들면 수지로 이루어지는 회절 광학부가 접합되어 있다. 이에 따라, 용이하게 회절 광학부를 형성할 수 있다.
또한, 상기 목적은, 상기 기하 광학부를 형성하는 재료를 상기 기하 광학부의 형상을 구비한 금형 내에 삽입하고, 이 금형을 프레스 가공함으로써 기하 광학부를 형성하고, 상기 회절 광학부의 형상이 형성되어 있는 금형 내에 상기 회절 광학부의 재료를 유입하며, 그 금형 내에 상기 형성된 기하 광학부를 삽입하여, 기하 광학부와 회절 광학부를 접합하는 렌즈 제조 방법에 의해 달성된다.
이 경우에 있어서는, 미리 형성한 기하 광학부의 입사면과 출사면에, 예를 들면 수지를 접합하여 회절 광학부를 형성한다. 이에 따라, 기하 광학부에 용이하게 회절 광학부를 형성할 수 있다.
상기 목적은, 광 빔을 출력하는 광원과, 상기 광원으로부터의 광 빔을 분리하는 광분리 수단과, 상기 광분리 수단으로부터의 광 빔을 광학 기록 매체의 신호 기록면에 집속시키는 대물 렌즈와, 상기 신호 기록면에서 반사된 광 빔의 복귀광을 검출하는 광검출부를 구비하고, 상기 대물 렌즈는 기하 광학부와 회절 광학부로 이루어지고, 상기 기하 광학부와 회절 광학부가 다른 재료로 형성되어 있는 광학 픽업에 의해 달성된다.
이 경우에 있어서, 대물 렌즈가 기하 광학부의 입사면과 출사면에, 기하 광학부와는 다른 재료의 수지로 이루어지는 회절 광학부가 접합되어 있다. 이에 따라, 기하 광학부에 용이하게 회절 광학부를 형성할 수 있고, 염가로 높은 개구수로 구면 수차가 적은 렌즈를 이용함으로써 광학 픽업의 고성능화, 저비용화를 꾀할 수 있다.
이하, 본 발명의 양호한 실시예를 첨부 도면에 기초하여 상세히 설명한다.
또, 이하에 상술된 실시예는 본 발명의 양호한 구체예이므로, 기술적으로 바람직한 여러가지의 한정이 부가되어 있지만, 본 발명의 범위는 이하의 설명에서 특별히 본 발명을 한정하는 취지의 기재가 없는 한, 이들 형태로 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 광학 픽업의 양호한 실시예를 나타내는 구성도로서, 도 3을 참조하여 광학 픽업(10)에 대해 상세하게 설명한다.
도 3의 광학 픽업(10)은 광원(11), 광분리 수단으로서의 빔 분할기(12), 콜리메이터 렌즈(13), 대물 렌즈(14), 광검출기(15)등을 구비하고 있다.
광원(11)은 광 디스크 D에 대해 정보를 기록 및/또는 재생을 하기 위한 레이저 광(파장λ=650㎚)을 출사하는 것으로, 반도체 레이저 소자에 의해 구성되어 있다. 광원(11)으로부터 출사된 레이저 광은 빔 분할기(12)에 입사된다. 빔 분할기(12)에는 빔 분할기막(12a)이 형성되어 있고, 빔 분할기막(12a)은 광축에 대해 약 45도 경사져 있다. 이 빔 분할기(12)는 입사한 레이저 광을 콜리메이터 렌즈(13)로 출사한다.
콜리메이터 렌즈(13)는 입사된 레이저 광을 평행광으로 하여 대물 렌즈(14)에 출사하고, 대물 렌즈(14)는 레이저 광을 광 디스크 D의 신호 기록면 D1에 집광시킨다. 광 디스크 D의 신호 기록면에서 반사된 복귀광은 대물 렌즈(14), 콜리메이터 렌즈(13), 빔 분할기(12)에 입사하고, 빔 분할기막(12a)에서 반사되어, 광검출기(15)에 입사된다. 광 검출기(15)는 복귀광을 전기 신호로 변환하여, 판독 신호등을 출력한다.
도 4에는 대물 렌즈의 양호한 실시예의 단면도를 도시한다.
도 4의 대물 렌즈(14)는, 기하 광학부(20)와 회절 광학부(21)로 이루어져 있다. 기하 광학부(20)는 비구면 렌즈로서 예를 들면 유리로 이루어져 있다. 기하 광학부(20)는 볼록 렌즈로서, 입사면(20a)으로부터 입사된 레이저 광을 집광한다. 기하 광학부(20)에서의 입사면(20a)과 출사면(20b)의 표면에는 각각 입사면측 회절 광학부(21a)와 출사면측 회절 광학부(21b)가 형성되어 있다. 이 입사면측 회절 광학부(21a)와 출사면측 회절 광학부(21b)로 이루어지는 회절 광학부(21)는 예를 들면 CR39(열경화성 수지)나, 광 경화성 수지(자외선 경화 수지등)등의 수지로 이루어져 있다. 또한 회절 광학부(21)는 브레이즈형(톱니 모양)으로 형성되어 있다.
대물 렌즈(14)의 입사면(20a)으로부터 입사된 레이저 광은, 입사측 회절 광학부(21a)에서 거의 모든 레이저 광이 회절되고 집광되어 기하 광학부(20)로 입사된다. 기하 광학부(20)는 입사한 빛을 볼록 렌즈의 작용에 의해 집광하고, 출사면측 회절 광학부(21b)로 입사된다. 출사측 회절 광학부(21b)에서는 입사광의 거의 모든 광량을 회절함으로써 더욱 집광한다. 따라서, 대물 렌즈(14)는 높은 NA를 얻을 수 있고, 예를 들면 도 4의 폭L=3.035(㎜), 직경φ=5.76(㎜)로 형성된 대물 렌즈(14)는 NA=0.85로 할 수 있다.
여기서, 이와 같이 입사광의 거의 모든 광량을 회절하기 위해서는, 회절 광학부(21)의 깊이가 600㎚∼700㎚, 피치가 0.020㎜∼0.340㎜이 되도록 형성되어 있고, 깊이와 피치가 직경 방향으로 변화하도록, 구체적으로는 대물 렌즈(14)의 중앙으로부터 외주측을 향해 피치가 작고, 또한 깊이가 얕아지도록 형성되어 있다.
도 5과 도 6은 대물 렌즈(14)를 제조하는 모습을 나타내는 구성도이고, 도 5과 도 6을 참조하여 대물 렌즈(14)의 제조 프로세스(복제법)에 대해 상세하게 설명한다. 대물 렌즈(14)의 제조 프로세스는 주로 기하 광학부(20)의 제조 프로세스와, 회절 광학부(21)의 제조 프로세스로 나누어진다. 우선, 도 5을 참조하여 기하 광학부(20)의 제조 프로세스에 대해 설명한다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 기하 광학부(20)와 거의 동일 형상으로 형성된 공간을 갖는 상측 금형(31)과 하측 금형(32)으로 이루어지는 금형(30)을 준비하여, 그 공간 내에 유리가 삽입된다.
이 때, 삽입되는 유리는 미리 정해진 양으로서 구형상으로 형성되어 있다. 그리고, 금형(30)과 유리와의 융착성을 회피하기 위해, 금형(30) 내에 불활성 가스를 주입하고, 그 후 유리가 성형 가능한 온도가 될 때까지 가열된다. 유리가 소정의 점성을 가질 때까지 가열된 후, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 예를 들면 상측 금형(31)이 화살표 Y2방향으로 이동하고 유리에 압력을 가하여 프레스 성형된다. 그 후, 유리가 서냉 및 급냉되어, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같은 기하 광학부(20)가 완성된다.
이어서 도 6을 참조하여 회절 광학부(21)의 제조 프로세스에 대해 설명한다. 또한, 도 6에서는 하측 금형(40)에 의해 도 4의 기하 광학부(20)의 입사면(20a)에 회절 광학부(21)를 형성하는 경우만을 언급하고 있지만, 출사면(20b)에 대해서도 도시하지 않은 상측 금형에 의해 회절 광학부(21)가 형성된다.
우선, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 회절 광학부(21)의 형상을 형성하는 하측 금형(40)을 준비한다. 이 하측 금형(40)은 스테인레스계 재료나 초경합금(텅스텐 카바이트)등에 무전해 니켈 도금을 실시한 것으로 이루어져 있다. 하측 금형(40)에는 이 무전해 니켈 도금층을 다이아몬드등으로 이루어지는 바이트로 싱글포인트 터닝으로써 절삭 가공하여, 회절 광학부(21)의 형상이 형성되어 있다. 이 재료를 금형에 이용함으로써, 하측 금형(40)의 절삭성이 향상하고, 회절 광학부(21)의 형상을 용이하게 작성할 수 있다. 또한, 회절 광학부(21)는 수지에 의해 형성되기 때문에, 유리에 비해 비교적 낮은 온도에서 형성하는 것이 가능하고, 이와 같은 재료로 금형을 형성하더라도 성형시에 여기 저기에 재료가 융착해 버릴 염려가 없다.
상술된 하측 금형(40)에 회절 광학부(21)의 재료가 되는 수지가 공급된다. 그 후, 수지에 대해 진공 탈포를 행하고, 금형이 축 CL을 중심으로 화살표 R11 방향으로 고속 회전한다. 이에 따라, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 하측 금형(40)상에 회절 광학부(21)만을 형성해야 할 양의 수지를 남길 수 있다.
이어서, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이 도포되어 있는 수지 위에 도 5에서 제조된 기하 광학부(20)를 실을 수 있다. 이에 따라, 기하 광학부(20)의 입사면(20a) 상에 회절 광학부(21a)가 접합된다.
그리고, 도 6의 (d)에 도시된 바와 같이 수지의 재료로서 자외선 경화 수지를 사용한 경우에는, 수지에 자외선을 조사하거나, 또는 열경화 수지를 사용한 경우에는, 금형에 열을 가하여, 수지를 경화시킨다. 이에 따라, 도 6의 (e)에 도시된 바와 같이 기하 광학부(20)의 입사면(20a)에 회절 광학부(21)를 형성할 수 있다.
상기 실시예에 따르면, 높은 개구수로서 투과 파면수차가 양호한 렌즈(14)를 제조할 수 있다. 또한, 기하 광학부(20)와 회절 광학부(21)를 구비한 렌즈(14)를 제조할 때에, 기하 광학부(20)와 회절 광학부(21)를 각각 형성함으로써, 회절 광학부(21)의 형상을 정확하게 전사할 수 있음과 함께 염가로 제조할 수 있다. 또한, 이 회절 광학부(21)를 형성하기 위한 금형(40)의 가공이 용이해져, 효율적으로 렌즈(14)를 제조할 수 있다. 또한, 효율적이면서 염가로 제조된 렌즈(14)를 대물 렌즈에 사용함으로써, 광학 픽업(10) 전체의 비용을 내릴 수 있다.
그런데, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다. 도 5와 도 6에서, 대물 렌즈(14)를 소위 복제법으로 제조한 경우에 대해 설명했지만, 유리로 이루어지는 기하 광학부(20)를 회절 광학부(21)의 사출 성형형(成形型) 내에 삽입하고, 그 주변에 수지를 사출 성형하는 소위 인서트 성형법에 의해 제조해도 된다.
또한, 도 5와 도 6의 렌즈(14)는 높은 개구수의 대물 렌즈(14)에 대해 설명하고 있지만, 예를 들면 2촛점 렌즈등의 기하 광학부(20)와 회절 광학부(21)를 조합시킨 렌즈에도 적용할 수 있다.
또한, 도 3에서 이 렌즈를 광학 픽업(10)의 대물 렌즈(14)로서 사용하고 있지만, 빛을 집광하는 렌즈, 예를 들면 촬상계의 렌즈에도 적용할 수 있다. 또한, 도 4의 대물 렌즈(14)는 2개의 프로세스에 따라 제조되지만, 이 2개의 프로세스는 금형을 변경하는 것만으로 동일 기계에 의해 제조할 수 있다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면 정확하게 형상을 형성하고, 효율적이면서 염가로 제조할 수 있는 렌즈와 이 제조 방법 및 광학 픽업을 제공할 수 있다.

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  7. 기하 광학부와 회절 광학부로 이루어지는 렌즈의 제조 방법에 있어서,
    상기 기하 광학부를 형성하는 재료를 상기 기하 광학부의 형상을 갖는 금형 내에 삽입하고, 상기 금형을 프레스 가공하여 상기 기하 광학부를 형성하는 공정; 및
    상기 회절 광학부의 형상이 형성되어 있는 금형 내에 상기 회절 광학부의 재료를 유입하고, 상기 금형 내에 상기 형성된 기하 광학부를 삽입하여, 상기 기하 광학부와 상기 회절 광학부를 접합하는 공정
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 회절 광학부를 형성할 때, 상기 금형을 상기 렌즈의 광축을 중심으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 렌즈 제조 방법.
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