KR100616104B1 - 광대역 위상지연판 및 이를 갖는 광학소자 및/또는광헤드장치 - Google Patents

광대역 위상지연판 및 이를 갖는 광학소자 및/또는광헤드장치 Download PDF

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안준원
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Abstract

본 발명은, 입사광의 편광상태를 변환시켜 출사시키는 위상지연판에 있어서, 적어도 3장의 투명기판과, 상호 동일한 위상지연값을 가지고 상기 투명기판들 사이사이에 접착물질에 의해 각각 접착 개재되며, 각각의 조절된 광축각도(θ)의 조합으로 적어도 하나 이상의 파장대역에서 상기 입사광의 편광상태를 변환시키는 적어도 2장의 지연판을 포함하되, 상기 각 지연판의 광축각도(θ)의 조합은 상기 입사광의 스톡스 벡터 값(Si)과, 목표로 하는 상기 출사광의 스톡스 벡터 값(So)과, 상기 위상지연값(β)을 기초로 하여 다음 식
Figure 112006032063262-pat00035
(여기서, M=뮬러행렬, i=2이상의 정수, θi=제 i번째 지연판의 광축각도)
에 의해 도출되는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 제품의 신뢰성을 향상시키고, 제작비를 절감할 수 있으며, 광축각도의 오차를 보정할 수 있도록 하여 제품의 품질편차를 최소화함과 동시에, 불량률을 저하시킬 수 있고, 제조 및 생산이 용이한 광대역 위상지연판 및 이를 갖는 광학소자 및/또는 광헤드장치가 제공된다.
위상지연판, 입사광, 출사광, 지연판, 편광상태, 파장, 광대역, 지연값

Description

광대역 위상지연판 및 이를 갖는 광학소자 및/또는 광헤드장치{Random vibration wave retardation plate and Optical film and/or optical pickup device has them}
도 1은 일반적인 광헤드장치의 간략한 구성도,
도 2는 종래 광대역 위상지연판의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 광대역 위상지연판의 단면도,
도 4는 도 3의 위상지연판을 구성하는 지연판들의 광축각도 배치도,
도 5는 본 발명에 또 다른 광대역 위상지연판의 단면도,
도 6는 도 5의 위상지연판을 구성하는 지연판들의 광축각도 배치도,
도 7는 본 발명의 제1실시예에 따른 광대역 위상지연판의 지연판 광축각도 배치도,
도 8은 도 7의 광대역 위상지연판을 갖는 광헤드장치의 간략한 구성도,
도 9 및 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 광대역 위상지연판의 지연판 광축각도 배치도,
도 11은 도 9 및 도 10의 광대역 위상지연판을 갖는 광헤드장치의 간략한 구성도,
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 지연판을 포함하는 광학소자의 단면도,
도 14는 도 12 및 도 13의 광학소자를 갖는 광헤드장치의 간략한 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 위상지연판 10a,10b,10c,10d : 투명기판
11,12,13 : 지연판 15 : 접착물질
50 : 광학소자
본 발명은, 광대역 위상지연판 및 이를 갖는 광학소자 및/또는 광헤드장치에 관한 것이다.
위상지연판은 입사되는 빛의 편광방향을 원하는 형태로 변환시켜주는 것으로서, CD나 DVD 등의 광디스크로부터 정보를 읽거나 기록하는 광헤드장치에서 레이저광의 편광상태를 변환시켜주는 역할로 이용되고 있다.
일반적인 광헤드장치(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(210)에서 발생된 레이저광이 빔스프리터(220)와 시준렌즈(230) 및 대물렌즈(240)를 거쳐 광디스크(250)로 집광 유도되고, 광디스크(250)로부터의 반사광을 광검출기(260)로 수광함으로써, 광디스크(250)에 저장된 정보를 읽어낸다.
이때, 광원(210)에서 발생된 레이저광은 직선편광 상태로 광디스크(250)를 향하게 되는데, 이러한 직선편광 상태의 레이저광은 원편광으로 변환된 후 광디스 크(250)로 조사되어야 하고, 광디스크(250)에서 반사되는 원편광은 다시 직선편광으로 변환된 후 광검출기(260)로 전달되어야만 광디스크(250)에 정보를 읽어낼 수 있다.
이와 같이, 레이저광의 편광상태를 변환시키기 위해서, 광원(210)과 광디스크(250) 사이의 광로상에 위상지연판(A)이 배치되는 것이다.
한편, 근래에는 CD와 DVD의 두 광디스크의 정보를 기록하거나 재생하기 위한 CD 및 DVD 호환형 광헤드장치가 널리 이용되고 있다.
이러한 CD 및 DVD 호환형 광헤드장치는 일반적으로 DVD계 광디스크에 대해 650nm 파장대의 레이저광(λ1)을 사용하고, CD계 광디스크에 대해 790nm 파장대의 레이저광(λ2)을 사용하기 때문에, 위상지연판 역시 상이한 λ1 ,λ2 두 파장에 대해 편광상태를 변환시켜줄 수 있도록 마련되어야 한다. 이를 구현하기 위해서 각 파장별로 상이한 위상지연판을 사용할 수 있으나 이는 광헤드장치의 대형화와 제작비 상승을 초래한다는 문제점을 가지고 있었다.
이에 따라 최근에는 상이한 λ1, λ2 두 파장의 레이저광 편광상태를 변환시켜줄 수 있는 단일의 위상지연판(101)이 이용되고 있으며, 이에 대한 기술이 도 2와 같이, 대한민국 공개특허 제2001-0089321호에 개시되어 있다.
이 위상지연판(101)의 구성을 살펴보면, 한 쌍의 투명기판(110a,110b) 사이에 복굴절성을 갖는 유기물박막으로 이루어진 2장의 지연판(111a,111b)이 각각 광축을 교차하도록 겹쳐지고, 접착제를 사용하여 각 투명기판(110a,110b)과 지연판 (111a,111b)들이 상호 고정되어 있다.
이때, 레이저광이 첫 번째로 입사되는 지연판(111a)의 지연값은 레이저광이 두 번째로 입사되는 지연판(111b)의 지연값보다 크고, 양 지연판(111a,111b)의 지연값의 비가 1.8 내지 2.2로 하여 비교적 넓은 파장대역(광대역)에서 레이저광의 편광상태를 직선편광에서 원편광으로 변환시켜줄 수 있도록 하였다.
그런데, 이러한 종래 위상지연판에 있어서는, 두 장의 지연판이 접착제에 의해 직접 접착되어 그 접착 두께가 두껍게 형성되기 때문에, 지연판의 변형 우려가 크고, 양 지연판 중 어느 하나의 지연판이 열이나 수분 등에 의해 변형되면 나머지 지연판 역시 변형되는 문제점이 있었다. 이에 의해, 제품의 신뢰성이 저하될 뿐만 아니라 지연판 자제 소모가 증가되어 제작비 상승을 초래하는 문제점이 발생한다.
또한, 상이한 두 파장의 편광상태를 직선편광에서 원편광으로 변환시키기 위해서 양 지연판의 광축이 소정의 각도를 가지고 교차되도록 상호 접착되는데, 이때, 광축각도의 오차에 따라서 타원율 값이 좌우되기 때문에, 광축각도의 오차를 최소한으로 줄여야한다.
그러나, 종래 위상지연판은 양 지연판을 상호 접착할 때, 광축각도의 오차가 허용범위를 조금이라도 벗어난 상태에서 양 지연판이 접착되면 오차를 보정할 수 있는 방법이 없다. 따라서, 제품의 품질편차와 불량률이 높다는 문제점이 있다.
또한, 광학소자 제조분야에서 일반적으로 알려진 바와 같이, 위상지연판에서 지연판의 광축각도가 0.5°정도의 변화에도 위상지연판의 타원율 값이 급격히 떨어진다는 점을 고려할 때, 한 쌍의 지연판을 광축각도 0.5°라는 오차를 벗어나지 않 도록 접합한다는 것은 사실상 불가능하다. 이에 따라, 종래의 위상지연판은 그 제조 및 생산이 매우 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 제품의 신뢰성을 향상시키고, 제작비를 절감할 수 있으며, 광축각도의 오차를 보정할 수 있도록 하여 제품의 품질편차를 최소화함과 동시에, 불량률을 저하시킬 수 있고, 제조 및 생산이 용이한 광대역 위상지연판 및 이를 갖는 광학소자 및/또는 광헤드장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 입사광의 편광상태를 변환시켜 출사시키는 위상지연판에 있어서, 적어도 3장의 투명기판과, 상호 동일한 위상지연값을 가지고 상기 투명기판들 사이사이에 접착물질에 의해 각각 접착 개재되며, 각각의 조절된 광축각도(θ)의 조합으로 적어도 하나 이상의 파장대역에서 상기 입사광의 편광상태를 변환시키는 적어도 2장의 지연판을 포함하되 상기 각 지연판의 광축각도(θ)의 조합은 상기 입사광의 스톡스 벡터 값(Si)과, 목표로 하는 상기 출사광의 스톡스 벡터 값(So)과, 상기 위상지연값(β)을 기초로 하여
다음 식
Figure 112006032063262-pat00036

(여기서, M=뮬러행렬, i=2이상의 정수, θi=제 i번째 지연판의 광축각도)
에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 광대역 위상지연판에 의해서 달성된다.
삭제
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그리고, 상기 투명기판은 적어도 4장으로 마련되며, 상기 지연판들은 적어도 3장으로 마련되어 각각 상기 투명기판을 사이에 접착 개재되는 것이 효과적이다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 분야에 따라, 적어도 하나 이상 파장대역의 광을 출사하는 광원과, 상기 광을 광기록매체에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 광기록매체에서 반사되는 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드장치에 있어서, 상기 광원과 상기 대물렌즈 사이의 광로 중에는 상기 광대역 위상지연판이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광헤드장치에 의해서도 달성된다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 또 다른 분야에 따라, 적어도 어느 한 파장대의 입사광을 회절시키는 회절격자 및/또는 홀로그램층을 갖는 광학소자에 있어서, 상기 입사광의 입사측에는 상기 광대역 위상지연판이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광학소자에 의해서도 달성된다.
또한, 상기 목적은 본 발명의 또 다른 분야에 따라, 적어도 하나 이상 파장대역의 광을 출사하는 광원과, 상기 광을 광기록매체에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 광기록매체에서 반사되는 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드장치에 있어서, 상기 광원과 상기 대물렌즈 사이의 광로 중에는 상기 광학소자가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광헤드장치에 의해서도 달성된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 광대역 위상지연판의 단면도이고, 도 4는 도 3의 위상지연판을 구성하는 지연판들의 광축각도 배치도이다. 이 들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 위상지연판(1)은 적어도 두 장의 지연판(11,12)이 적어도 세 장의 투명기판(10a,10b,10c) 사이에 각각 접착물질(15)에 의해 적층 개재되어 있는 구조를 갖는다.
이들 지연판(11,12)들은 복굴절성을 갖는 유기물박막을 이용하여 필름형태로 제작된다. 이때, 유기물박막은 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리알릴레이트, 폴리에테르술폰, (지환족) 폴리올레핀, 폴리(메타)아크릴레이트, 폴리에테르이미드 중 어느 하나 또는 이들의 중합체에 복굴절성을 부여하여 위상지연기능을 갖도록 함으로써 제조될 수 있다.
그리고, 이들 지연판(11,12)들은 각 투명기판(10a,10b,10c) 사이에 각각 접착물질(15)에 의해 고정되기 때문에, 각 지연판(11,12)은 그 형태를 견고하게 유지하여 변형이 방지된다.
이와 같이, 각 지연판들이 각 투명기판에 접착된 상태에서 광학적 수차 변형량을 실험한 데이터가 도 15에 그래프로 도시되어 있다. 이 도면에서 ◆는 종래 지연판들을 직접 접착하였을 때의 광학적 수차 변형량을 나타낸 것이며, ■는 본 발명에 따라 지연판들이 각각 투명기판에 접착된 경우의 광학적 수차 변형량을 나타낸 것이다. 이때, 투명기판을 추가하는 구성외의 조건은 동일하며, 그래프에서 볼수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 위상지연판의 지연판들의 광학적 수차 변형 이 현격하게 낮은 것을 확인할 수 있다.
한편, 이들 지연판(11,12)들은 상호 동일한 위상지연값(β)을 갖는 상태에서 각 지연판(11,12)들의 광축각도(θ)가 후술할 스톡스 변수 및 뮬러 행렬에 의한 계산에 의해 상호 소정의 각도로 배치됨으로써, 광대역 파장의 레이저광에 대해서 편광상태를 원하는 형태로 적절히 변환시켜주게 된다.
즉, 적어도 두 장의 지연판(11,12)들의 동일한 위상지연값(β)과 각 지연판(11,12)들의 광축각도(θ)와의 연관관계를 이용하여 레이저광의 편광상태를 변환시킬 수 있는 것인데, 이는 이하의 식들에 의해 정의될 수 있다.
일반적으로 광의 편광상태는 네 개의 양의 항으로 기술할 수 있는데, 먼저 레이저광의 편광상태를 식으로 표현하면 아래의 식 1 및 식 2와 같이 표현된다.
Figure 112005069349314-pat00002
식-1
Figure 112005069349314-pat00003
식-2
여기서,
Figure 112005069349314-pat00004
이다.
이들 식-1과 식-2를 그대로 이용하면, 레이저광의 스톡스 변수(Stokes parameters)를 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005069349314-pat00005
식-3
Figure 112005069349314-pat00006
식-4
Figure 112005069349314-pat00007
식-5
Figure 112005069349314-pat00008
식-6
이들 식-3 내지 식-6을 근거로 레이저광의 대표적인 각 편광 상태를 스톡스 벡터로 표현하면 아래 표-1과 같다.
편광 상태 스톡스 벡터
수평 직선편광 상태 [1 1 0 0]t
수직 직선편광 상태 [1 -1 0 0]t
선편광 각도 +45도 일때 [1 0 1 0]t
선평광 각도 -45도 일때 [1 0 -1 0]t
우회전 원편광 상태 [1 0 0 1]t
좌회전 원편광 상태 [1 0 0 -1]t
표-1
즉, 레이저광의 편광상태를 표-1에서 볼 수 있는 바와 같이, 네 개의 항(스톡스 벡터)으로 표현할 수 있는 것이다. 여기서, 레이저광의 편광상태는 다양한 각도와 상태로 형성될 수 있으며, 이는 전술한 식-3 내지 식-4에 의해 스톡스 벡터 값으로 얻어질 수 있다.
따라서, 출사되는 레이저광의 편광상태를 변환하고자 한다면, 해당 입사 레이저광의 스톡스 벡터를 원하는 출사광의 편광상태에 해당하는 스톡스 벡터로 변환 시키면 된다.
예를 들면, 표-1의 범주에서 위상지연판(1)으로 입사되는 수평편광 상태의 레이저광이 좌회전 원편광상태로 변환되어 출사되도록 하기 위해서는 입사되는 레이저광의 스톡스 벡터 [1 1 0 0]t를 좌회전 원편광상태에 해당하는 스톡스 벡터 [1 0 0 -1]t 로 변환시켜주면 원하는 편광상태의 변환을 이룰 수 있는 것이다.
이러한 스톡스 벡터는 편광광과 부분편광에 모두 적용될 수 있는 속성이 있으며, 이 스톡스 벡터와 뮬러 행렬(Muller matrix)을 이용하면, 각 지연판(11,12,13)들의 광축각도(θ)와 위상지연값(β)의 연관관계에 따른 출사되는 레이저광의 편광상태를 아래의 식-7 및 식-8에 의해 표현할 수 있다.
먼저, 복굴절이 가진 뮬러 행렬의 전달함수는 아래 식-7과 같다.
Figure 112005069349314-pat00009
식-7
이러한, 식-7의 전달함수를 이용하여 예컨대 지연판(11,12)이 적어도 두 장 이상으로 마련된다고 가정하면, 각 지연판들의 광축각도(θ)와 위상지연값(β)에 대한 특성은 다음 식-8에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112005069349314-pat00010
식-8
이때, M=뮬러행렬, i=2이상의 정수, θi=제 i번째 지연판의 광축각도이다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 어느 한 형태의 입사광 편광상태(Si)에 대해 변환된 출사광의 편광상태(So)를 얻기 위해서는, 각 지연판(11,12)들의 광축각도(θ1,θ2)와 위상지연값(β)을 식-8에 대입하면서 변화시켜 가면, 원하는 출사광의 편광상태(So)를 얻을 수 있는 것이다.
이러한, 식-7 및 식-8을 이용하여 전술한 도 3에 도시된 바와 같이, 지연판(11,12)이 두 장으로 마련된다고 가정하면, 각 지연판(11,12)의 광축각도(θ1,θ2)와, 위상지연값(β)에 대한 특성은 다음 식-9에 의해 계산될 수 있다.
So=M(θ2, β)M(θ1, β)Si 식-9
한편, 식-7 및 식-8을 이용하여 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 지연판이 세 장으로 마련된다고 가정하면, 각 지연판(11,12,13)의 광축각도(θ1,θ2,θ3)와, 위상지연값(β)에 대한 특성은 다음 식-10에 의해 계산될 수 있다.
So=M(θ3, β)M(θ2, β)M(θ1, β)Si 식-10
즉, 어느 한 형태의 입사광 편광상태(Si)에 대해 변환된 출사광의 편광상태 (So)를 얻기 위해서는, 복수의 지연판(11,12,13, ...)들의 광축각도(θ1,θ2,θ3, ...)와 위상지연값(β)을 식-8에 대입하면서 변화시켜가면, 복수의 지연판(2장 이상의 지연판)들로 구성되는 위상지연판을 제조할 수 있다.
이러한 구성과 이론 및 식들을 근거로 전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 다양한 광대역 위상지연판(1)을 제작할 수 있으며, 아래에 대표적인 예로 3장의 지연판(11,12,13)을 이용하여 직선편광 상태의 입사광을 원편광 상태의 출사광으로 변환시키는 위상지연판(1)과, 직선편광 상태의 입사광을 편향된 직선편광으로 변환시키는 위상지연판(1)의 예를 들어보았다.
<실시예 1>
본 실시예에 따른 위상지연판(1a)은 도 7에 도시된 바와 같이, 네 장의 투명기판(10a,10b,10c,10d)들 사이에 각각 제1 내지 제3지연판(21,22,23)들이 상호 동일한 위상지연값(β)을 갖는 상태에서 그 광축각도(θ1,θ2,θ3)가 각각 θ1=15°, θ2=15°, θ3=75°로 배치되며, 접착물질(15)에 의해 도 5와 같은 형태로 각 투명기판(10a,10b,10c,10d)에 고정되어 있다.
이 위상지연값과 광축각도의 조합은 직선편광 상태의 입사광을 원편광 상태의 출사광으로 변환시켜주는 조합으로서, 약 600nm 내지 800nm 파장대의 어느 한 파장의 직선 입사광을 원편광으로 변환하여 출사시킬 수 있는 조합의 예이다.
이때, 제1 내지 제3지연판(21,22,23)은 해당 광축각도에 맞게 각 투명기판(10a,10b,10c,10d)들 사이에 각각 접착되는데, 이 접착과정에서 어느 하나의 지연판이 다른 지연판과 잘못된 광축각도로 접착되면, 나머지 하나의 지연판을 접착할 때 이를 보정할 수 있다.
한편, 선평광을 원편광으로 변환시켜주는 위상지연판(1a)에 있어서 그 성능을 좌우하는 것은, 출사광의 타원율이 1에 가까운 거의 원 상태와, 어느 하나의 지연판(21,22,23)의 광축각도 오차에 따른 타원율 값의 최소변화를 꼽을 수 있다. 여기서, "타원율"은 출사광인 원편광의 장축과 단축의 비를 말한다.
본 실시예에 따른 광대역 위상지연판(1a)의 타원율 특성과, 도 2에 도시된 종래 광대역 위상지연판(1a)의 타원율 특성을 비교해 본 결과, 각각 아래의 그림-1a 및 그림-1b와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
Figure 112005069349314-pat00011
그림-1a
위 그림-1a에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 광대역 위상지연판(1a)은 600nm 내지 800nm 파장대의 어느 한 파장의 직선 입사광을 원편광으로 변환하여 출사할 때, 제3지연판(23)의 광축각도가 75°±2°범위(즉, 73°~77°)의 오차에서도 타원율의 변화가 1±0.1의 범위에 포함됨을 확인 할 수 있었다. 여기서, 타원율 1은 완벽한 원편광을 의미하며, 타원율이 1±0.1 범위에서는 거의 원을 의미한다.
Figure 112005069349314-pat00012
그림-1b
그리고, 위 그림-1b에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래 광대역 위상지연판(1a)은 600nm 내지 800nm 파장대의 어느 한 파장의 직선 입사광을 원편광으로 변환하여 출사할 때, 지연판(111b)의 광축각도θ2가 75°±2°범위(즉, 73°~77°)의 오차에서 타원율의 변화가 1±0.1의 범위를 벗어남을 알 수 있었다.
또한, 본 실시예에 따른 광대역 위상지연판(1a)은 아래 그림-2에서 확인 할 수 있는 바와 같이, CD 및 DVD 호환형 광헤드장치에서 사용되는 790nm 파장대의 레이저광과 650nm 파장대의 레이저광에서 입사된 상이한 두 파장(λ1, λ2) 직선편광을 타원율이 거의 1에 가까운 값의 밀도분포를 갖는 원편광으로 출사시킨다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 위상지연판(1a)은 CD 및 DVD 호환형 광헤드장치의 위상지연판으로 매우 적합함을 알 수 있다.
Figure 112005069349314-pat00013
Figure 112005069349314-pat00014
<파장=650nm, 타원율=1.08> <파장=790nm, 타원율=0.99>
그림-2
이러한 위상지연판(1a)이 적용된 CD 및 DVD 호환형 광헤드장치의 한 형태가 도 8에 도시되어 있다. 이 광헤드장치(60)는 상이한 두 파장의 레이저광을 발생시키는 DVD계 광원(61a)과 CD계 광원(61b)을 가지고 있으며, 각 광원(61a,61b)에서 발생된 레이저광은 회절격자(62a,62b)에서 3빔으로 형성된 후 빔스프리터(63a,63b)와 시준렌즈(64) 및 대물렌즈(65)를 거쳐 광디스크(5)로 집광 유도된다. 그리고, 광디스크(5)로부터의 반사광은 다시 대물렌즈(65)와 시준렌즈(64) 및 빔스프리터 (63b)를 거쳐 광검출기(66)로 수광됨으로써, 광디스크(5)에 저장된 정보를 읽어낸다.
이때, 전술한 위상지연판(1a)이 광로상에 설치(도면상으로는 빔스프리터(63b)와 시준렌즈(64) 사이영역)되어 DVD계 광원(61a)과 CD계 광원(61b)에서 발생된 상이한 두 파장(λ1,λ2)의 직선편광을 원편광으로 변환시키게 되는 것이다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 광대역 위상지연판(1a)은 넓은 광대역에서도 직선편광을 원편광으로 원활하게 변환시켜줄 뿐만 아니라, 지연판(21,22,23)의 광축각도의 오차 범위가 크더라도 광대역에서 타원률값의 변화가 최소화된 상태로 직선편광을 원편광으로 변환시켜줄 수 있음이 확인되었다. 또한, 본 실시에에 따른 위상지연판(1a)은 CD 및 DVD 호환형 광헤드장치의 위상지연판으로 매우 적합함이 확인되었다.
이에 의해, 광축각도의 오차 범위를 넓게 형성하여 제품의 품질편차와 불량률을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 제품을 간단하게 제조함으로써 의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 제1 내지 제3지연판(21,22,23)들이 상호 동일한 위상지연값(β)을 가지게 되면, 위상지연판(1a)을 제조할 때 단일의 지연값을 갖는 원자재 필름만을 이용할 수 있으므로 재료비를 절감할 수 있다.
또한, 제1 내지 제3지연판(21,22,23)들이 네 장의 투명기판(10a,10b,10c,10d)들 사이에 각각 접착물질(15)에 의해 고정되기 때문에, 제1 내지 제3지연판(21,22,23)이 그 형태를 견고하게 유지할 수 있다.
그리고, 설령 제1 내지 제3지연판(21,22,23) 중 어느 하나의 지연판이 변형되더라도 나머지 지연판들은 변형되지 않기 때문에, 변형된 지연판만을 교체할 수 있다. 이에 의해, 제품의 신뢰성이 향상되며, 아니라 지연판 자제 소모를 줄일 수 있다.
<실시예 2>
본 실시예에 따른 위상지연판(1b)은 도 9에 도시된 바와 같이, 네 장의 투명기판(10a,10b,10c,10d)들 사이에 각각 제1 내지 제3지연판(31,32,33)들이 상호 동일한 위상지연값(β)을 갖는 상태에서 그 광축각도(θ1,θ2,θ3)가 각각 θ1=120°, θ2=15°, θ3=75°로 배치되며, 접착물질(15)에 의해 도 5와 같은 형태로 각 투명기판(10a,10b,10c,10d)에 고정되어 있다.
이 위상지연값과 광축각도의 조합은 직선편광 상태의 입사광을 거의 수평방향으로 편향된 직선편광 상태의 출사광으로 변환시켜주는 조합으로서, 약 600nm 내지 800nm 파장대의 어느 파장의 직선 입사광을 원편광으로 변환하여 출사시킬 수 있는 조합의 예이다.
본 실시예 역시, 제1 내지 제3지연판(31,32,33)은 해당 광축각도에 맞게 각 투명기판(10a,10b,10c,10d)들 사이에 각각 접착되는데, 이 접착과정에서 어느 하나의 지연판이 다른 지연판과 잘못된 광축각도로 접착되면, 나머지 하나의 지연판을 접착할 때 이를 보정할 수 있다.
이러한 광축각도(θ1,θ2,θ3) 조합을 갖는 본 실시예에 따른 광대역 위상지연판(1b)은 아래 그림-3에서 확인 할 수 있는 바와 같이, CD 및 DVD 호환형 광헤드장치에서 사용되는 790nm 파장대의 레이저광과 650nm 파장대의 레이저광에서 동일한 방향의 직선편광으로 입사되는 상이한 두 파장(λ1, λ2)의 레이저광을 상호 편향각도의 차이를 갖도록 편향된 직선편광으로 변환시켜 출사시킨다.
Figure 112005069349314-pat00015
Figure 112005069349314-pat00016
<파장=650nm, 편향각도=-15> <파장=790nm, 편향각도=-8도>
그림-3
한편, 도 10은 약 600nm 내지 800nm 파장대의 어느 파장의 직선 입사광을 거의 수직방향으로 편향된 직선편광 상태의 출사광으로 변환시켜주는 위상지연판(1c)조합으로서, 제1 내지 제3지연판(41,42,43)들이 상호 동일한 위상지연값(β)을 갖 는 상태에서 그 광축각도(θ1,θ2,θ3)가 각각 θ1=15°, θ2=51°, θ3=75°로 배치되며, 변환된 두 파장의 수직편광이 그림-4와 같은 편향 각도 차이를 나타낸다.
Figure 112005069349314-pat00017
Figure 112005069349314-pat00018
<파장=650nm, 편향각도=105도> <파장=790nm, 편향각도=98도>
그림-4
위의 그림-3 및 그림-4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 또 다른 위상지연판(1b,1c)은 각 지연판(31,32,33 또는 41,42,43)의 광축각도(θ1,θ2,θ3)조합을 적절히 조절함으로써, 상이한 두 파장의 레이저광이 동일한 방향의 수평 직선편광으로 입사될 때, 각 파장의 레이저광이 상호 상이한 각도로 편향된 수평 직선편광 또는 수직 직선편광으로 변환시킬 수 있다. 그리고, 편향된 직선편광은 그림-3 및 그림-4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 편향각도의 차이가 확연하게 나타난다.
이러한 본 실시예에 따른 위상지연판(1b,1c)은 도 11에 도시된 바와 같은 광헤드장치에 적용될 수 있다.
이 광헤드장치(60')는 상이한 두 파장(λ1,λ2)을 발생시키는 광원(61')으로부터 출사된 레이저광이 회절격자(62')와 홀로그램층(63') 및 위상지연판(1b,1c)을 갖는 광학소자(A')와, 시준렌즈(64') 및 대물렌즈(65')를 거쳐 DVD 또는 CD인 광디스크(5')로 집광 유도된다.
이때, 위상지연판(1b,1c)은 상이한 두 파장의 직선편광을 각각 편향된 직선편광으로 변환시키게 되며, 편향된 양 직선편광 중 선택된 어느 하나의 편향 직선편광이 해당 광디스크(5')로 전달되는 것이다. 여기서, 두 파장의 편향각도는 전술한 바와 같이, 확연하게 차이가 나기 때문에, 광헤드장치(60')의 편광 선택성이 향상된다.
그리고, 광디스크(5')로부터의 반사광은 다시 대물렌즈(65')와 시준렌즈(64') 및 광학소자를 거쳐 광검출기(66')로 수광됨으로써, 광디스크(5')에 저장된 정보를 읽어낸다.
이때, 광학소자(A')에 형성된 홀로그램층(63')은 선택된 파장의 광에 대해 그 진행 방향을 편향시켜서 광검출기(66')로 수광될 수 있도록 하는 것으로서, 별도의 빔스프리터를 마련하지 않는 컴팩트형 광헤드장치에 널리 이용되고 있다.
이와 같은, 광헤드장치(60')는 두 파장의 광에 대한 편향각도 차이가 있어야만 광검출기(66')의 위치를 조절하여, 홀로그램층(63')에서 선택된 어느 하나의 광이 광검출기(66')로 수광될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 위상지연판(1b,1c)의 경우 두 파장의 편향각도가 확연한 차이를 가지므로 이러한 형태의 광헤드장치(60')에 매우 적합하게 적용된다.
한편, 본 발명에 따르면 도12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 회절격자(55)와 함께 적어도 2장의 지연판(51,52)이 적어도 네장의 투명기판(10a,10b,10c,10d) 사이에 각각 접착물질에 의해 적층된 구조의 광학소자(50)도 제작할 수 있다.
이러한 광학소자(50)는 근래 CD 및 DVD 호환형 광헤드장치에서 많이 이용되는 기술 중 하나로서, 상이한 두 파장의 입사광 λ1, λ2 중 어느 하나의 파장(도면에서는 λ1이 회절됨)을 선택적으로 회절 시키는 기능을 하기 위한 것이다.
λ1, λ2중 선택된 회절 대상의 입사광은 지연판들을 통과하면서 그 편광상태가 회절조건과 일치하도록 변환된 다음 회절격자(55)를 통과하게 되는데, 이때, 본 발명에 따른 지연판(51,52)을 통과한 두 파장의 출사광 편향각도 차이가 크게 형성되므로, 입사광에 대한 선택적 회절현상이 보다 정확하게 이루어진다.
여기서, 회절격자(55)의 구조는 도면에 도시된 바와 같은 단층 회절격자(55) 구조이거나, 회절격자(55)가 복수 층으로 구성된 다층 회절격자 구조를 가질 수도 있다.
이러한 광학소자(50)가 적용된 CD 및 DVD 호환형 광헤드장치의 한 형태가 도 14에 도시되어 있다. 이 광헤드장치(60")는 상이한 두 파장의 레이저광을 발생시 키는 DVD계 광원(61a")과 CD계 광원(61b")을 가지고 있으며, 각 광원(61a",61b")에서 발생된 레이저광은 빔스프리터(63a",63b")와 시준렌즈(64") 및 대물렌즈(65")를 거쳐 광디스크(5")로 집광 유도된다.
그리고, 광디스크(5")로부터의 반사광은 다시 대물렌즈(65")와 시준렌즈(64") 및 빔스프리터(63b")를 거쳐 광검출기(66")로 수광됨으로써, 광디스크(5")에 저장된 정보를 읽어낸다.
이때, 전술한 광학소자(50)가 광로상에 설치(도면상으로는 양 빔스프리터(63a",63b" 사이영역)되어 DVD계 광원(61a")과 CD계 광원(61b")에서 발생된 상이한 두 파장(λ1,λ2)의 직선편광을 원편광으로 변환시킴과 동시에, 두 파장 중 선택된 어느 한 파장에 대해서 3빔으로 회절시키게 되는 것이다.
이와 같은, 광헤드장치(60")에서는 전술한 바와 같이, 광학소자(50)의 지연판(51,52,53)을 통과한 두 파장의 출사광 편향각도 차이가 크게 형성되므로, 입사광에 대한 선택적 회절현상이 보다 정확하게 이루어진다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 광대역 위상지연판은 넓은 광대역에서도 직선편광을 원편광으로 원활하게 변환시켜줄 뿐만 아니라, 지연판의 광축각도의 오차 범위가 크더라도 광대역에서 타원률값의 변화가 최소화된 상태로 직선편광을 원편광으로 변환시켜줄 수 있음이 확인되었다. 또한, 본 실시에에 따른 위상지연판은 CD 및 DVD 호환형 광헤드장치의 위상지연판으로 매우 적합함이 확인되었다.
그리고, 본 발명에 따른 위상지연판 및 이를 갖는 광학소자 및/또는 광헤드장치는 위상지연판을 구성하는 복수의 지연판이 복수의 투명기판들 사이에 각각 접착물질에 의해 고정되기 때문에, 지연판들의형태가 변형 없이 견고하게 유지된다.
따라서, 설령 복수의 지연판 중 어느 하나의 지연판이 변형되거나 잘못된 광축각도로 접착되더라도 나머지 지연판들에 영향을 주지않기 때문에, 변형되었거나 잘못된 광축각도를 갖는 지연판만을 투명기판으로부터 분리하여 교체할 수 있다.
이에 의해, 제품의 신뢰성이 향상되며, 아니라 지연판 자제 소모를 줄여 제작비를 절감할 수 있다. 또한, 광축각도의 오차범위를 넓게 가져가면서 타원율 값의 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 제품의 품질편차와 불량률을 현격하게 감소시킬 수 있으며, 제조 및 생산을 비교적 용이하게 할 수 있다.
전술 및 실시예에서는 본 발명에 따른 지연판의 구성을 2장 또는 3장의 지연판으로 설명하고, 입사광의 대역을 두 파장 대역으로 설명하고 있지만, 본 발명에 따르면, 지연판의 구성은 위상지연판의 두께가 허락되는 범위에서 3장 이상으로 구성될 수도 있으며, 입사광의 역시 두 파장대 이상 파장대의 입사광에 대해 편광상태를 원하는 상태로 변환할 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명에 따른 위상지연판은 그 적용이 전술 및 도면에 도시한 광학소자 및 광헤드장치에 국한되는 것이 아니고, 본 발명에 따른 위상지연판의 위상지연 작용을 필요로 하는 다양한 광학소자 및 광헤드장치에 적용될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 제품의 신뢰성을 향상시키고, 제작비를 절감할 수 있으며, 광축각도의 오차를 보정할 수 있도록 하여 제품의 품질편차를 최소화함과 동시에, 불량률을 저하시킬 수 있고, 제조 및 생산이 용이한 광대역 위상지연판 및 이를 갖는 광학소자 및/또는 광헤드장치가 제공된다.

Claims (6)

  1. 입사광의 편광상태를 변환시켜 출사시키는 위상지연판에 있어서,
    적어도 3장의 투명기판과,
    상호 동일한 위상지연값을 가지고 상기 투명기판들 사이사이에 접착물질에 의해 각각 접착 개재되며, 각각의 조절된 광축각도(θ)의 조합으로 적어도 하나 이상의 파장대역에서 상기 입사광의 편광상태를 변환시키는 적어도 2장의 지연판을 포함하되,
    상기 각 지연판의 광축각도(θ)의 조합은 상기 입사광의 스톡스 벡터 값(Si)과, 목표로 하는 상기 출사광의 스톡스 벡터 값(So)과, 상기 위상지연값(β)을 기초로 하여
    다음 식
    Figure 112006032063262-pat00037
    (여기서, M=뮬러행렬, i=2이상의 정수, θi=제 i번째 지연판의 광축각도)
    에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 광대역 위상지연판.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투명기판은 적어도 4장으로 마련되며, 상기 지연판들은 적어도 3장으로 마련되어 각각 상기 투명기판을 사이에 접착 개재되는 것을 특징으로 하는 광대역 위상지연판.
  4. 적어도 하나 이상 파장대역의 광을 출사하는 광원과, 상기 광을 광기록매체에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 광기록매체에서 반사되는 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드장치에 있어서,
    상기 광원과 상기 대물렌즈 사이의 광로 중에는 상기 제1항 또는 제3항의 광대역 위상지연판이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광헤드장치.
  5. 적어도 어느 한 파장대의 입사광을 회절시키는 회절격자 및/또는 홀로그램층을 갖는 광학소자에 있어서,
    상기 입사광의 입사측에는 상기 제1항 또는 제3항의 광대역 위상지연판이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 광학소자.
  6. 적어도 하나 이상 파장대역의 광을 출사하는 광원과, 상기 광을 광기록매체에 집광시키는 대물렌즈와, 상기 광기록매체에서 반사되는 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드장치에 있어서,
    상기 광원과 상기 대물렌즈 사이의 광로 중에는 상기 제5항의 광학소자가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광헤드장치.
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