KR100651325B1 - 색수차 보정소자 및 그것을 이용한 광픽업장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는, DVD/CD의 빛이 입사되어도, 호환성의 확보에는 거의 영향을 미치지 않는 색수차 보정 소자를 제공한다. 또한, 그 색수차 보정 소자 상에 DVD/CD 호환용의 회절구조를 형성하여, BD의 색수차 보정과 DVD/CD의 호환성 확보를 양립하는 회절 광학 소자를 제공한다. 또한, 그 회절 광학 소자를 이용하는 것으로, 종래보다 광학계의 구성이 간단한 광픽업을 제공한다.
계단구조, 패턴, 단차, 파면수차, 회절구조

Description

색수차 보정소자 및 그것을 이용한 광픽업장치{A CHROMATIC ABERRATION CORRECTION ELEMENT AND OPTICAL PICK-UP DEVICE USING THEREOF}
도1은 본원발명의 색수차보정소자의 사시도,
도2는 본원발명의 색수차보정소자의 측면도,
도3은 BD용 대물렌즈의 406nm에서의 파면수차를 도시한 것이며,
도4는 DVD/CD에서의 스텝위상차를 도시한 것이고,
도5는 본원발명의 색수차보정소자에 의한 보정결과를 도시한 것이며,
도6 및 도7은 본원발명의 색수차보정소자가 호환성능에 미치는 영향을 계산한 결과를 도시한 것이고,
도8은 본원발명의 색수차보정소자에 DVD/CD호환 회절면을 형성한 실시예를 도시한 것이며,
도9는 상기 회절면에서의 회절효율을 계산한 결과를 도시한 것이고,
도10은 DVD 및 CD 호환 회절면의 반경대 주기와의 관계를 도시한 것이며,
도11은 본원발명에 의한 색수차보정소자를 장착한 광픽업장치를 도시한 것이다.
*도면의 주요부호에 대한 설명*
10: 색수차보정소자 11: 계단구조
13: 상면부 14: DVD 호환회절면
15: CD 호환회절면 16: BD LD
17: 2파장 레이저다이오드 18: 대물렌즈
19: 액추에이터 21: 1/2파장판
22: 회절격자 23: 다이크로익 빔스플리터
24: 홀로그램광학소자 25: 극성 빔스플리터
26: 콜리메이트렌즈 27: 리키지 미러
30: 센서렌즈 31: 공동광검출기
본 발명은 청색 레이저에 최적화된 광디스크용 대물렌즈를 이용하여, 디스크 두께, 레이저 파장이 상이한 광디스크의 호환성확보에 영향을 미치지 않는 색수차 보정소자 및 그것을 이용한 광픽업 장치를 제공한다.
종래에는 영상정보, 음성정보 또는 컴퓨터 상의 데이터를 보존하는 수단으로 서 기록용량 0.65GB의 CD, 기록용량 4.7GB의 DVD 등의 광기록매체가 보급되어 왔다. 이러한 광기록매체는 대물렌즈에 의해 집속된 광스폿을 이용하여 광디스크에 임의의 정보를 기록하거나 기록된 정보를 재생하는 광기록 재생기기로서, 기록용량은 광스폿의 크기에 의해 결정되어진다. 광스폿의 크기(S)는 수학식 1에서와 같이, 광의 파장(λ)에 비례하고, 대물렌즈의 개구수(NA, Numerical Aperture)에 반비례한다.
S ∝ λ/NA
따라서, 광디스크의 고밀도화를 위해 광디스크에 맺히는 광스폿의 크기를 줄이기 위해서는, 청자색 레이저와 같은 단파장 광원을 사용하는 것과 개구수를 0.6 이상으로 크게 하는 것이 필수적으로 요구됨을 알 수 있다. 이와 같은 대용량의 광기록매체 및 광기록장치의 예로서 청색의 파장영역(400nm)과 개구수 0.85의 대물렌즈를 이용하고, 22GB 상당의 용량확보를 만족하는 시스템이 제안되고 있다.
여기서, 광디스크의 경사각(θ), 광디스크의 굴절율(n), 광디스크의 두께(d), 대물렌즈의 개구수를 NA라 할 때, 광디스크의 경사에 의해 발생하는 코마수차 W31 은, 수학식 2와 같은 관계식으로 나타내어 질 수 있다.
Figure 112004051296056-pat00001
여기서, 광디스크의 굴절율 및 두께는 각각 광입사면으로부터 기록면에 이르는 광학 매질의 굴절율 및 두께를 나타낸다. 일반적으로 광디스크의 경사에 따른 신호의 열화특성은 레이저의 파장에 반비례하고 대물렌즈의 개구수의 세제곱에 비례하므로 디스크의 경사에 대한 공차는 밀도가 증가할수록 급격히 줄어들게 된다. 따라서 이를 보상하기 위하여 디스크의 기록밀도가 증가할수록 디스크의 두께를 감소시킴으로써 디스크의 경사특성을 보상할 수 있다. 이는 상기 [수학식 2]를 고려할 때, 광디스크의 경사에 의한 공차를 확보하려면, 고밀도화를 위해 대물렌즈의 개구수를 높임에 따라 광디스크의 두께를 줄일 필요가 있다는 것을 통해서도 확인된다. 따라서, 780nm의 파장을 구비하는 CD의 경우 1.2mm, 650nm파장을 구비하는 DVD의 경우 0.6mm로 두께를 줄였으며, 향후의 DVD보다 고밀도인 청색 레이저를 사용하는 광디스크(Blue-ray Disc, 이하 BD)는 0.1mm 두께로 될 가능성이 높다. 물론, CD의 경우 0.45에서 DVD의 경우 0.6으로 대물렌즈의 개구수가 높아졌으며, BD의 경우에는 대물렌즈의 개구수가 0.85로 될 가능성이 높다. 이와 같이 새로운 규격의 광디스크를 개발함에 있어, 문제가 되는 것은 기존 광 디스크와의 호환성이다.
상술한 바와 같이 고밀도의 기록재생을 행하기 위해 사용되는 단파장의 청색 레이저 광원은 높은 개구수를 필요로 하는 바, 이와 같은 높은 개구수는 수차의 영향을 크게 하는 문제를 일으킨다. 특히, 반도체 레이저의 파장변동에 의한 수차의 영향이 중요하다. 반도체 레이저의 파장 변동은 동작환경의 온도 또는 반도체 레이저의 발광 강도가 변화했을 때에 일어나게 된다. 일반적으로, 동작온도 25도에 있어 1도가 변화하면 파장은 ±0.07nm 전후로 변화하게 되고, 발광강도가 1mW 변화하면 파장은 ±0.04nm 전후로 변화하게 된다. 기록재생이 가능한 광픽업의 반도체 레이저는 기록시에 30mW 내지 50mW의 펄스발광을 하게 된다. 이 때문에, 순간적으로 파장이 1.2nm 내지 2nm 전후로 변화하게 된다. 2nm의 파장 변동이 순간적으로 일어나게 되면, 개구수 0.85의 대물렌즈라면 0.35um 전후의 초점위치의 차이가 생기게 된다. 이 초점위치의 차이는 대물렌즈를 이용하고 있는 재료의 굴절률이 파장에 의해 변화하기 때문에 대물렌즈 전체의 초점거리가 변화하게 되는 원인이 된다. 대물렌즈의 초점심도는 λ/(NA)2로 표시되어 초점위치 차이가 ±λ/(2NA2) 이상이 되면 기록재생에 필요한 스폿을 형성할 수 없다. λ= 410nm, NA=0.85의 경우, λ/(2NA2) = 0.28um가 생겼을 경우, 충분한 기록 재생특성을 얻을 수 없다.
따라서, 상술한 청색레이저와 같은 단파장을 사용하는 경우에 발생하게 되는 색수차를 제거하기 위해 색수차 보정을 위한 광학소자를 광로 중에 삽입할 필요가 있다. 일본공개특허공보 제2001-256672호에 그와 같은 색수차 보정소자가 광로 중 에 삽입되어 있는 것이 개시되어 있다. 상기 발명은 청색레이저를 사용하는 경우, 발생하는 색수차를 보정하기 위해 오목렌즈와 회절광학소자를 조합시킨 색수차 보정소자를 광로 중에 삽입하는 것에 의해 단파장에 의해 발생하는 색수차를 보정할 수 있도록 하고 있다.
그러나. 이와 같은 방법은 단순히 청색레이저를 사용하는 경우에 발생하는 색수차를 보정하기 위한 색수차 보정소자를 제공하는 것을 목적으로 하고 있을 뿐 DVD와 CD와의 호환을 행하기 위한 소자를 제공하고 있지 않다. 따라서, 상기 색수차 보정소자에 DVD/CD의 광이 입사되면, 광이 발산 또는 집속되어 버리기 때문에 삽입할 수 있는 부분이 한정되어 지게 되고, 이 때문에 BD광학계와 DVD/CD광학계를 통합하게 되지 못하게 되고, 광픽업이 매우 복잡하게 되는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 BD광학계와 DVD/CD광학계를 통합을 행할 수 있도록 상기 색수차 보정소자를 형성함에 있어 다른 파장을 구비한 광원과 호환을 행할 수 있는 색수차 보정소자를 제공할 필요가 있다. 또한, 광픽업장치의 단순화를 실현하기 위해 색수차보정소자 상에 BD, DVD 및 CD의 광원을 호환하기 위한 회절광학부를 상기 색수차보정소자 상에 형성하도록 함으로서 광픽업장치의 구조의 단순화를 실현하는 것이 가능하다.
본원발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본원발명의 목적은 BD, DVD 및 CD의 광이 입사해도 호환이 가능한 색수차 보정소자 및 그 소자를 장착한 광픽업장치를 제공하기 위한 것이다.
본원발명의 다른 목적은 색수차 보정 및 BD, DVD/CD의 호환을 동일한 소자 내에서 동시에 행할 수 있는 색수차 보정소자를 제공하기 위한 것이다.
본원발명의 또 다른 목적은 상기 색수차 보정소자를 사용하는 것에 의해 BD, DVD/CD의 광을 동일한 경로 상에 위치할 수 있도록 함으로서 보다 간단한 광픽업장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 바와 같은 본원발명의 목적을 달성하기 위한 본원발명의 호환형 색수차 보정소자는 고밀도 기록매체의 광의 색수차를 보정하기 위한 색수차 보정소자에 있어, 상기 색수차 보정소자는 고밀도 기록매체의 광경로 및 적어도 하나의 저밀도 기록매체의 광경로와 동일한 광경로 상에 위치하고, 상기 적어도 하나의 저밀도 기록매체의 광의 입사에 의해서도 호환성의 확보에 영향을 미치지 않도록 하는 동심원 형상의 계단구조를 구비하며, 상기 계단구조의 단차와 동심원 형상의 패턴을 조정하는 것에 의해 고밀도 기록매체의 광 및 저밀도 기록매체의 광의 호환을 가능하게 하며,
본원발명의 다른 목적을 달성하기 위해 상기 색수차 보정소자의 한 면 또는 양 면에 상기 저밀도 기록매체에 있어 상대적으로 고밀도인 제1 저밀도 기록매체의 광의 파장(λ1) 및 상대적으로 저밀도인 제2 저밀도 기록매체의 광의 파장(λ2)을 호환하기 위한 회절구조를 마련하고,
본원발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 본원발명의 광픽업장치는 상술한 호환형 색수차보정소자와; 상기 색수차보정소자에 의해 동일한 광경로를 구비하는 고밀도 기록매체의 귀환광 및 적어도 하나의 저밀도 기록매체의 귀환광을 검출하기 위한 공동검출기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 목적은 이 기술분야에서 숙련된 당업자에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
참고로, 도1은 본원발명의 색수차보정소자의 사시도이고, 도2는 본원발명의 색수차보정소자의 측면도이며, 도3은 BD용 대물렌즈의 406nm에서의 파면수차를 도시한 것이고, 도4는 DVD/CD에서의 스텝위상차를 도시한 것이며, 도5는 본원발명의 색수차보정소자에 의한 보정결과를 도시한 것이고, 도6 및 도7은 본원발명의 색수차보정소자가 호환성능에 미치는 영향을 계산한 결과를 도시한 것이며, 도8은 본원발명의 색수차보정소자에 DVD/CD호환 회절면을 형성한 실시예를 도시한 것이고, 도9는 상기 회절면에서의 회절효율을 계산한 결과를 도시한 것이며, 도10은 DVD 및 CD 호환 회절면의 반경대 주기와의 관계를 도시한 것이고, 도11은 본원발명에 의한 색수차보정소자를 장착한 광픽업장치를 도시한 것이다.
도1 내지 도2를 참고하여, 본원발명의 색수차보정소자를 설명하면 다음과 같다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본원발명의 색수차보정소자(10)는 그 한 면에 동심원 형상의 계단구조(11)를 가지도록 형성되어 있다. 본원발명은 상기 계단구조(11)의 단차(d)와 동심원 형상의 패턴을 최적화 하는 것에 의해 색수차 보정을 실현하는 것과 동시에 고밀도 기록매체의 광 및 적어도 하나의 저밀도 기록매체의 광의 호환성 확보에도 영향을 미치지 않는 색수차보정소자(10)를 제공하도록 한다.
이하 본원발명의 일 실시예에 있어 서술되는 상기 저밀도 기록매체는 적어도 2개의 기록매체로 분리될 수 있는 바, 본원발명의 일 실시예에서는 상대적으로 고밀도인 제1저밀도 기록매체와 상대적으로 저밀도인 제2저밀도 기록매체로 분리하여 본원발명을 기술하기로 한다. 즉, 본 실시예에 있어서 상기 고밀도 기록매체는 파장이 405nm인 단파장을 구비하고, 개구수가 0.85인 BD를 사용하고, 상기 저밀도 기록매체 중 상대적으로 고밀도인 제1저밀도 기록매체는 파장이 650nm이고, 개구수가 0.6인 DVD를 사용하며, 상대적으로 저밀도인 제2저밀도 기록매체는 파장이 780nm이 고, 개구수가 0.4인 CD를 사용하여 기술하도록 한다.
본 발명에 의한 색수차보정소자(10)를 구체적으로 설명하면, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 색수차보정소자(10)는 투명한 플라스틱 기판 상에 동심원 형상의 계단구조(11)가 마련되도록 한다. 상술한 색수차보정소자(10)의 재료로서는 본 실시예에서는 플라스틱을 사용하고 있으나, 그 재료는 이에 한정되지 않고 투명한 유리기판을 사용하는 것도 가능하다.
상기 계단구조(11)의 단차(d)는 고밀도 기록매체의 광인 BD용 대물렌즈의 설계중심 파장을 λ0, 그 파장에서의 플라스틱 재료의 굴절율을 n0로 한 경우, 다음의 관계식을 만족하도록 하여 설계된다.
d = m0 λ0/(n0 - 1)(m0는 정수)
상기 [수학식 3]의 조건을 만족할 때, 상기 색수차보정소자(10)에 파장이 λ0인 평행광이 입사하여도 단차간에 생기는 위상차는 λ0의 정수배가 되어 투과광에는 영향을 미치지 않게 된다. 이러한 단차를 구비하는 색수자보정소자(10)에 파장(λ0 + △λ)의 광이 입사하게 되면, 1단차 주위에 발생하는 위상차는 d(n0 - 1)/( λ0 + △λ)≒{d(n0 - 1)/λ0}(1 - △λ/λ0) = m0(1 - △λ/λ0)(여기서, λ0 ≫ △λ)로 된다. 따라서, 실질적인 위상차는 - m0(△λ/λ0)로 된다. 상기 실질적인 위상차 - m0(△λ/λ0)가 △λ의 파장변화에 의해 대물렌즈에 발생하는 색수차를 보정하도록 동심원 형상의 패턴을 최적화 시키게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예인 색수차 보정 소자(10)에 상기 저밀도 기록매체에 있어 상대적으로 고밀도인 DVD 기록재생광의 파장(λ1), 상대적으로 저밀도인 CD 기록재생광의 파장(λ2)가 입사했을 경우, 각 파장에서의 플라스틱 재료의 굴절률을 n1, n2로 했을 때 각각의 위상차는, d(n1 - 1)/λ1 = m1 + α, d (n1 - 1)/λ2 = m2 + β가 된다(다만, m1, m2는 정수, -0. 5< α<0.5, -0. 5< β<0.5). 여기서, 본 발명의 색수차 보정소자(10)의 일 실시예는 이 실질적인 위상차(α, β)가 가능한한 작게 되는 m0(즉, 단차량 d)를 선택하는 것에 의해, BD에 있어서의 대물렌즈의 색수차 보정을 가능하게 하며, 더욱이 DVD/CD의 호환성 확보에 악영향을 주지 않는 색수차보정소자(10)를 실현할 수 있게 된다.
이하, 도면을 중심으로 본원발명의 일 실시예에 기초하여 색수차보정소자(10)에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 도 3은 중심 파장이 405㎚으로 설계된 BD전용 대물렌즈의 406㎚에 있어서의 파면 수차를 나타낸다. 이 파면 수차의 주성분은 동(瞳)반경 r의 2승에 비례하는 디포커스 성분이며, 토탈 파면수차는 약 0.145 λrms이다. 여기서, 상기 디포커스 성분은, 광픽업의 오토포커스에 의해 보정이 가능하지만, 재생시부터 기록시에의 변화에 수반하는 급격한 파장 변동에 대해서는 광픽업의 액츄에이터가 추종할 수 없게 되기 때문에, 이러한 디포커스 성분을 포함하여 보정할 필요가 있다.
따라서, 상술한 이유로 인하여 이 색수차를 보정하기 위해, 본원발명의 일 실시예에서는 투명한 광학 플라스틱 재료 ZEONEX330R를 이용하여 색수차 보정 소자를 구성하도록 한다. 이 재료는, 파장(λ= 405㎚)에 있어서의 굴절률이 n0=1.525, 파장(λ1=655㎚)에 있어서의 굴절률이 n1 = 1.507, 파장(λ2 = 785㎚)에 있어서의 굴절률이 n2 = 1.503이다. 여기서, 상기 [수학식 3]에 의해 단차량을 d = m0 λ0 /(n0-1)로 했을 때의 λ1, λ2의 파장에 대해서 발생하는 위상차(α, β)와 m0의 관계를 계산한 결과가 도4에 도시되어 진다. 이 도면에서 도시된 바와 같이, m0 = 10일 때에, 위상차(α, β)가 함께 작아지는 것을 알 수 있다. 즉, m0 = 10일 때 d = 7.7um가 되는 것을 알 수 있다.
여기서, m0 = 10일 때, △λ= 1㎚에서 발생하는 위상차는 -0.025(λ0)가 된다. △λ= 1㎚에서, 1단차 주위에 상기 위상차가 발생하는 것으로부터, 도 1에 나 타나는 파면 수차를 보정하도록 동심원의 패턴을 최적화한다. m0=10의 경우, 반경(r)에 대해서 파면 수차가 0.025(λ0) 증가할 때 마다 단차를 1단 늘리도록 패턴을 구성한다. 각각의 경우의 구체적인 소자의 두께와 반경의 관계를 표 1에 도시하고 있다.
Figure 112004051296056-pat00002
상기 표에 의해 개시되어 있는 색수차보정소자(10)에 의한 보정효과를 도5에 의해 살펴보면, 도5a는 본원발명의 일 실시예인 색수차보정소자가 없는 경우를 도시하며, 도5b는 색수차보정소자가 있는 경우를 도시하고 있다. 도5a에 의하면, 보정소자가 없는 경우, 각 파장의 최적 집접위치에서의 각 파장의 파면수차에 비해, 훨씬 큰 파면수차가 발생하는 것을 알 수 있고, 도5b에서 보정소자가 있는 경우에는 각 파장의 최적 집접위치에서의 파면수차와 거의 유사한 파면수차를 구비하고 있는 것을 알 수 있는 바, 상기 색수차보정소자(10)에 의해 전체 파면수차의 양이 충분히 보정되고 있음을 알 수 있다.
또한, 종래 색수차보정소자(10)에 DVD/CD의 광이 입사되면, 광이 발산 또는 집속되어 버리는 문제가 발생하여 전체 파면수차가 증가하는 문제가 있었는 바, 본원발명의 색수차보정소자(10)에 의해서는 그 동심원 형상의 패턴과 함께 단차의 크기를 조절하도록 함으로서 상술한 전체 파면수차가 증가하는 것을 막을 수 있다. 이러한 작용효과가 도6 및 도7에 도시되어 진다.
상술한 작용효과를 살펴보기 전에, DVD/CD의 호환은 BD전용 대물렌즈에 발산광을 입사하는 것으로 실현될 수 있는 바, 본원발명의 실시예에서는 DVD 파장이 λ1 = 655nm, 디스크 두께가 0.6mm, CD는 파장이 λ2 = 785nm, 디스크 두께가 1.2mm를 사용하고 있다. 이러한 각각의 파장, 디스크 두께의 차이에 의해 생기는 수차를 보정하도록 최적화된 발산광이 상기 색수차보정소자(10)를 투과하는 것에 의해 호환성능이 열화할 가능성이 있는 바, 본 실시예에서는 DVD의 개구수를 0.65, CD의 개구수를 0.45로 하고, 이 조건을 만족하는 범위의 반경(r)은 DVD는 r〈 1.18, CD는 r〈 0.89 로 하여 입사하는 발산광을 최적화하여 투과파면수차를 계산하도록 하 였다.
이하 도면을 참조하면, 도6a는 색수차보정소자가 없는 경우 DVD의 파면수차를 도시하고 있으며, 도6b는 색수차보정소자가 있는 경우의 DVD의 파면수차를 도시하고 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 색수차보정소자가 없는 경우에는 DVD의 파면수차가 약 0.020 λrms의 값을 가지나, 색수차보정소자가 있는 경우에는 DVD의 파면수차가 약 0.026 λrms의 값을 가지게 되어 전체 파면수차가 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 이와 같은 파면수차의 증가는 색수차보정소자(10)가 있는 경우에는 단차(d)에 의해 발생하는 계단형상의 위상차에 의해 전체파면수차가 증가하기 때문에 발생하는 것이다.
이와 같은 형상은 CD의 경우를 도시하고 있는 도7a 및 도7b에 의해서도 확인되어진다. 도면에 의하면, 도7a는 색수차보정소자가 없는 경우를 도시하고 있는 것으로 파면수차가 0.011 λrms의 값을 가짐을 알 수 있으나, 도7b에 의한 경우에는 파면수차가 0.020 λrms의 값을 가지게 되어 전체 파면수차가 상기 DVD와 마찬가지로 소정량 증가하고 있음을 알 수 있다. 상술한 도면에서 도시된 바와 같이, DVD/CD 호환의 경우 전체 파면수차의 값이 증가하고는 있으나 그 증가 값이 파면수차의 마레이샤르조건(파면수차〈 0.07 λrms)을 만족할 뿐 아니라, 기록계에 대한 조건(파면수차〈 0.033 λrms)을 만족하고 있다는 점에서 기록재생특성에는 특별한 문제를 가져오지 않는다. 이러한 값을 얻을 수 있는 것은 단차(d)를 DVD, CD에 발 생하는 위상차가 가능한한 작아지도록 선택하였기 때문에 가능한 것이다. 따라서, 본원발명에 의한 색수차보정소자를 이용하는 것으로 DVD, CD의 호환성확보에 영향을 미치지 않고 BD의 색수차를 보정하는 것이 가능하게 된다.
상기 실시예는 m0 = 10일 때의 파면수차의 값을 계산한 결과를 나타낸 것이다. 다른 실시예로서 m0 = 20일 때의 파면수차의 값을 계산하면, DVD의 파면수차가 0.029 λrms가 되는 것을 알 수 있다. 이 값은 α= 0.1일 때의 값에 의한 결과이고, α값이 그 이상이 되면, DVD의 파면수차의 값이 기록계에 대한 조건인 0.033 λrms을 초과하게 되어진다. 따라서, 상기 α, β의 값은 절대치가 0.1이하로 되는 값을 선택하는 것이 바람직하다.
덧붙여, 상기 본원발명의 색수차보정소자(10) 상에 DVD/CD의 호환을 가능하게 하기 위한 회절구조를 형성하는 것이 가능하다. 이 실시예를 도8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도8을 참조하여 본 실시예에서는 상기 색수차보정소자(10)의 동심원 형상의 계단구조(11) 상의 단차의 상면(13)에 CD의 파장(λ2 = 785nm)을 회절하여 BD/DVD의 파장에 대해서는 거의 회절성분을 갖지 않게 설계된 CD호환용 회절면(15)과 단차구조의 반대측면(12)에 DVD의 파장(λ1 = 655nm)을 회절하여 BD/CD의 파장에 대해서는 거의 회절성분을 갖지 않게 설계된 DVD호환용 회절면(14)을 구비하도록 설계한다.
상기 CD호환용 회절면(15)과 DVD호환용 회절면(14)의 설계는, CD호환용 회절면(15)의 경우, 그 단차깊이(d2)가 다음과 같은 수학식을 만족하도록 설계한다.
d2 = m2 λ0/(n0 - 1)(다만, m2는 정수)
한편, DVD호환용 회절면(14)의 경우, 그 단차깊이(d1)가 다음과 같은 수학식을 만족하도록 설계한다.
d1 = m1 λ0/(n0 - 1)(다만, m1는 정수)
상기 DVD호환용 회절면(14)의 설계에 있어, 상기 단차깊이(d1)는 1스텝깊이를 도시하는 것으로 전체적으로 5스텝 유사브레이징 구조를 이루도록 형성한다. 상술한 [수학식 4],[수학식 5]를 만족하도록 회절구조가 형성된 색수차보정소자에 대하여, BD의 파장(λ0)의 광은 거의 회절하지 않고 0차광이 그 주성분(90% 이상)을 이루게 되고, DVD/CD의 경우에는 1차 회절광이 그 주성분으로 이루어지게 된다.
상술한 본원발명의 일 실시예에서 상기 색수차보정소자(10)는 그 재료를 ZEONEX330R로 하여 각각의 회절구조에서의 m1, m2에 대한 DVD/CD의 1차회절광의 효율을 계산한 결과를 도9에 도시하고 있다. 도9a 및 도9b는 DVD의 호환용 회절면에서의 회절효율을 계산한 결과이고, 도9c 및 도9d는 CD의 호환용 회절면에서의 회절효율을 계산한 결과를 도시하고 있다.
상기 도면을 참조하면, m1 = 2일 때, 즉, d1 = 1.54um 일 때, DVD의 회절효율은 84% 가 되고, CD의 회절효율은 거의 0에 가깝게 되는 것을 알 수 있으며, m2 = 5일 때, 즉, d2 = 3.85um일 때, DVD의 회절효율은 거의 0이 되고, CD의 회절효율은 40%가 됨을 알 수 있다. 이러한 계산 결과로부터 상기 단차의 홈깊이(d1, d2)를 선택하도록 하는 것에 의해 DVD 파장(λ1)만을 회절하는 DVD호환용 회절면과, CD의 파장(λ2)만을 회절하는 CD호환용 회절면을 실현하는 것이 가능하다. 여기서, CD의 회절효율이 40%라면 DVD와 비교하여 그 수치는 비록 낮지만, 재생만의 경우에는 특별히 문제가 되어지지 않고, 또 기록에 있어서도 고출력 LD를 이용하면 기록이 가능하기 때문에 효율에 있어서는 문제가 되어 지지 않는다.
본원발명의 일 실시예에 따른 DVD 호환형 회절면(14)과 CD 호환형 회절면 (15)을 각각 최적화하여 회절구조의 주기(p)와 반경(r)과의 관계를 도10과 같이 결정했다. 도10a는 DVD호환용 회절면에 관한 것이고, 도10b는 CD호환용 회절면을 도시하고 있다. 상술한 도면과 같은 주기(p) 및 홈깊이(d1, d2)를 구비하는 회절구조를 양면에 구비한 DVD/CD 호환소자를 상기 본원발명의 색수차보정소자(10)와 별도의 광로 상에 구비해도 그 효과는 같지만 광픽업장치의 구조의 단순화를 가져오기 위해 상기 색수차보정소자(10) 상에 일체화되도록 구비함으로서 비용절감과 소형화를 실현할 수 있다.
또한, 상기 실시예의 색수차보정소자(10)를 광픽업장치에 적용하는 것에 의해, 보다 간소화된 BD/DVD/CD호환형 광픽업을 가능하게 한다. 도11에 본원발명에 의한 색수차보정소자를 장착한 광픽업의 일 실시예를 도시한다.
종래의 광픽업장치에서는, BD의 색수차보정소자(10)를 DVD/CD의 광로 상에 배치할 수 없었기 때문에, BD용 검출기와 DVD/CD용 검출기를 따로 구비하여야만 하였다. 이 때문에 이에 관련된 광학 소자가 각각의 검출기에 대해서 필요하게 되어, 광학계도 상당히 복잡했다.
이에 비해, 본원발명의 일 실시예의 광픽업은, BD의 색수차보정소자(10)를 DVD/CD의 광로 상에 배치해도 호환성 확보에 영향을 주지 않기 때문에, BD/DVD/CD 의 광로를 공통화할 수 있고, 검출기(31)를 공통화할 수 있다. 이 때문에 광학 소자도 공통화할 수 있고, 광학계를 간단하게 구성할 수 있다.
이하, 도11을 참조하여, 본원발명의 일 실시예인 색수차보정소자가 장착된 광픽업장치의 구성을 구체적으로 살펴보기로 한다. 먼저, 일반적인 광픽업 장치에 사용되는 부품과 그 기능을 간략히 살펴보고, 상기 광픽업장치의 작용을 살펴보기로 한다.
BD LD(16): 청색 디스크용 레이저 다이오드(파장 405nm).
2파장 레이저 다이오드(TWIN LD(17)): DVD용 광 655nm 및 CD용 광 785nm를 방출하는 2파장 레이저 다이오드.
1/2 파장판(HWP(21)): 빛의 극의 방향을 변화시키는 1/2 파장판(half wave plate).
회절격자(GT(22)): 트래킹 에러 신호를 검출하기 위해 디스크 상에 서브스팟을 형성하는 회절격자(grating).
홀로그램광학소자(HOE(24)): DVD 및 CD의 광축을 결합하기 위한 홀로그램광학소자(holographic optical element).
다이크로익 빔스플리터(Dichroic BS(23)): DVD 및 CD의 광과 BD의 광을 결합시키기 위한 다이크로익 빔스플리터(dichroic beam splitter).
극성 빔스플리터(PBS(25)): 디스크용 빔을 반사하거나 디스크로부터 빔을 투 과시키는 극성 빔스플리터(polarized beam splitter).
콜리메이트 렌즈(CL(26)): 평행빔을 형성시키는 콜리메이트 렌즈(collimate lens).
리키지 미러(Leakage mirror(27)): FPD에 의해 광의 강도를 검출하기 위해 90%의 반사율과 10%의 투과율을 구비하는 미러.
프론트 모니터 포토 검출기(FPD(28)): 디스크 상의 광의 강도를 제어하기 위한 프론트 모니터 포토 검출기(front monitor photo detector).
액체크리스탈소자(LCE): 디스크 두께 에러 또는 2중 층 디스크에 의해 발생하는 구면수차를 보정하기 위한 액체크리스탈소자(liquid crystal element).
1/4파장판(QWP): 선형으로부터 원형으로 광의 극을 변형시키기 위한 1/4파장판(quarter wave plate).
센서렌즈(SL(30)): 포커스 에러 신호를 검출하기 위한 센서렌즈(sensor lens).
광검출기(PDIC(31)): 독취 신호 및 포커스/트래킹 에러 신호를 검출하기 위한 광검출기(photo detector with integrated circuit).
상술한 부품과 본원발명의 색수차보정소자(10)가 장착된 광픽업장치의 작용을 도11을 참고하여 살펴보면 다음과 같다. 우선, BD 광원의 기록재생을 살펴보기로 한다. 청색 레이저 디스크의 기록재생시에는 BD용의 광원인 BD LD(16)를 이용한다. BD LD(16)로부터 방사되는 광은 1/2파장판(21), 회절격자(22) 및 다이크로 익 빔스플리터(Dichroic BS)를 투과하여, 극성 빔스플리터(25)에서 반사되어 콜리메이트렌즈(CL)에서 평행광으로 변환되어진다. 여기서, 1/2파장판(21)은 극성 빔스플리터(25)에서 거의 빛이 반사되도록 입사광의 편광방향을 조정하기 위해 이용되고 있지만, BD LD(16)의 설치방향에 따라서는 반드시 요구되어지는 것은 아니다. 또한, 회절격자(22)는 회절광에 의한 서브 스팟(sub spot)을 디스크 상에 형성하고, 회절 푸쉬-풀(differential push-pull) 법에 따라 트래킹을 실시하기 위해 요구된다. 다이크로익 빔스플리터(23)는 408nm 부근의 파장을 거의 90% 이상 투과시키고, 655nm 및 785nm 부근의 파장을 거의 90%이상 반사시키는 역할을 행하고, BD의 기록재생광 및 DVD/CD의 기록재생광을 합성시키는 역할을 행한다.
상기 콜리메이트 렌즈(26)를 투과한 평행빔은 리키지 미러(27)에 의해 광의 일부(10%정도)는 투과되어, 집광렌즈(32)에 의해 프론트 모니터 포토 검출기(28)에 집광된다. 이 프론트 모니터 포토 검출기(28)에 집광되는 신호를 모니터링 하는 것에 의해, BD LD(16)의 발광강도를 제어하여, 안정된 기록재생을 실시할 수 있도록 한다. 상기 리키지 미러(27)에 의해 반사되는 반사광은 상기 액정크리스탈소자(LCE) 및 1/4파장판(QWP)이 결합된 소자(29)를 투과한 후, 본 발명의 색수차보정소자(10)를 투과하여, 대물렌즈(18)에 의해 청색 레이저 디스크에 집광된다. 여기서, 액정크리스탈소자(LCE)는 디스크 커버층의 두께오차에 의한 구면수차나, 2층 디스크에 의한 구면수차를 보정하기 위한 것이고, 1/4파장판(QWP)은 직선편광을 엔(円)편광으로 변환시키기 위한 것이다. 본원발명의 색수차보정소자(10)는 재생-기 록의 변환시에 생기는 모드호프(mode hop)에 의한 파장변화를 보정하도록 한다.
상기 디스크로부터의 반사광은 1/4파장판에 의해 입사광과 직교하는 방향의 직선 편광으로 변환되어 극성 빔스플리터(25) 및 센서렌즈(30)를 투과하여 공동광검출기(31)에 의해 집광된다. 여기서, 센서렌즈(30)는 비점수차법에 의해 포커스에러신호를 검출하기 위해 실린더형상의 렌즈로 형성되어 있다. 상기 공동 광검출기(31)에 의해 재생신호와, 포커스/트랙킹 제어용의 에러신호가 검출되고, 제어신호는 액추에이터 구동회로(19)에 피드백되어 안정된 기록재생을 할 수 있도록 액추에이터를 제어한다.
한편, DVD의 기록재생시에는 DVD용의 광원인 2파장 레이저 다이오드(17) 가운데 655nm의 광원을 이용한다. 상기 2파장 레이저 다이오드(17)로부터 발산되는 방사광은 회절격자(22) 및 홀로그램광학소자(24)를 투과한 후, 다이크로익 빔스플리터(23) 및 극성 빔스플리터(25)에서 반사되어, 콜리메이트 렌즈(26)에서 평행광으로 변환되어진다. 여기서, 홀로그램 광학소자(24)는 DVD의 파장에 대해서는 작용하지 않도록 설계되어 있기 때문에 투과광에는 영향을 주지 않는다. 또한, 회절격자(22)는 회절광에 의한 서브 스팟(sub spot)을 디스크 상에 형성하여 회절 푸쉬풀(differential push-pull) 법에 따라 트래킹을 실시하기 위해 필요하다.
상기 콜리메이트렌즈(26)를 투과한 평행빔은 리키지 미러(27)에 의해 광의 일부(10%)가 투과되어, 집광렌즈(28)에 의해 프론트 모니터 포토 검출기(28)에 집광된다. 이 프론트 모니터 포토 검출기(28)로부터의 신호를 모니터링하는 것에 의해, 2파장 레이저 다이오드의 발광강도를 제어하여, 안정된 기록 재생을 실시할 수 있도록 한다. 반사광은 액정크리스탈소자(LCE) 및 1/4파장판(QWP)이 결합되어 있는 소자(29)를 투과한 후, 본원발명의 색수차보정소자(10)를 투과하여, 대물렌즈(18)에 의해 DVD 디스크에 집광된다. 여기서, DVD에 대해서는 액정크리스탈소자(LCE)에 의한 구면수차보정은 필요하지 않기 때문에, 액정크리스탈소자(LCE)를 구동할 필요는 없다. 1/4파장판(QWP)은 직선편광을 엔(円)편광으로 변환시킨다. 상기 본원발명의 색수차보정소자(10)에 의해 형성된 호환성확보를 위한 회절구조에 의해, 입사광을 평행광으로부터 발산광으로 변환시켜 DVD디스크의 기록재생을 가능하게 한다.
상기 디스크로부터의 반사광은 1/4파장판(QWP)에 의해 입사광과 직교하는 방향의 직선편광으로 변환되어 극성 빔스플리터(25) 및 센서렌즈(30)를 투과하여 공동광검출기(31)에 집광된다. 여기서, 센서렌즈(30)는 비점수차법에 의해 포커스에러신호를 검출하기 위해 실린더 형상의 렌즈로 형성된다. 상기 공동광검출기(31)에 의해 재생신호와 포커스/트래킹 제어용의 에러 신호가 검출되고, 제어신호는 액추에이터 구동회로(19)로 피드백되어 안정된 기록 재생을 할 수 있도록 액추에이터를 제어한다.
한편, CD의 기록재생시에는 CD용의 광원인 2파장 레이저 다이오드(17) 가운 데 785nm의 광원을 이용한다. 상기 2파장 레이저 다이오드(17)로부터 발산되는 방사광은 회절격자(22) 및 홀로그램광학소자(24)를 투과한 후, 다이크로익 빔스플리터(23) 및 극성 빔스플리터(25)에서 반사되어, 콜리메이트 렌즈(26)에서 평행광으로 변환되어진다. 여기서, 홀로그램 광학소자(24)는 CD의 파장에 대해 회절작용이 발생하도록 설계되어 있기 때문에 평행광의 각도가 DVD와 거의 같은 방향이 되도록 투과광의 각도를 변환한다. 또한, 회절격자(22)는 회절광에 의한 서브 스팟(sub spot)을 디스크 상에 형성하여 3 스팟 법에 따라 트래킹을 실시하기 위해 필요하다.
상기 콜리메이트렌즈(26)를 투과한 평행빔은 리키지 미러(27)에 의해 광의 일부(10%)가 투과되어, 집광렌즈(28)에 의해 프론트 모니터 포토 검출기(28)에 집광된다. 이 프론트 모니터 포토 검출기(28)로부터의 신호를 모니터링하는 것에 의해, 2파장 레이저 다이오드의 발광강도를 제어하여, 안정된 기록 재생을 실시할 수 있도록 한다. 반사광은 액정크리스탈소자(LCE) 및 1/4파장판(QWP)이 결합되어 있는 소자(29)를 투과한 후, 본원발명의 색수차보정소자(10)를 투과하여, 대물렌즈(18)에 의해 CD 디스크에 집광된다. 여기서, CD에 대해서는 액정크리스탈소자(LCE)에 의한 구면수차보정은 필요하지 않기 때문에, 액정크리스탈소자(LCE)를 구동할 필요는 없다. 1/4파장판(QWP)은 직선편광을 엔(円)편광으로 변환시킨다. 상기 본원발명의 색수차보정소자(10)에 의해 형성된 호환성확보를 위한 회절구조에 의해, 입사광을 평행광으로부터 발산광으로 변환시켜 CD디스크의 기록재생을 가능 하게 한다.
상기 디스크로부터의 반사광은 1/4파장판(QWP)에 의해 입사광과 직교하는 방향의 직선편광으로 변환되어 극성 빔스플리터(25) 및 센서렌즈(30)를 투과하여 공동광검출기(31)에 집광된다. 여기서, 센서렌즈(30)는 비점수차법에 의해 포커스에러신호를 검출하기 위해 실린더 형상의 렌즈로 형성된다. 상기 공동광검출기(31)에 의해 재생신호와 포커스/트래킹 제어용의 에러 신호가 검출되고, 제어신호는 액추에이터 구동회로(19)로 피드백되어 안정된 기록 재생을 할 수 있도록 액추에이터를 제어한다.
상술한 바와 같이, 본원발명의 색수차보정소자를 장착한 광픽업장치를 사용하는 것에 의해, 광픽업장치의 구성을 간단히 할 수 있다. 특히, 검출기를 공동으로 형성할 수 있도록 함으로서 장치의 구성을 단순화 시킬 수 있다는 점에서 본원발명의 특징이 있다고 할 것이다. 상술한 장치의 구성은 일반적인 장치의 구성을 도시한 것으로서 본원발명의 한 실시예에 불과할 뿐 본원발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 본원발명에 의한 색수차보정소자를 사용하는 것에 의해 단일의 대물렌즈를 사용하도록 하여 BD, DVD, CD의 호환이 가능한 광픽업장치를 제공할 수 있 으며, 또한, 상기 색수차보정소자에 상기 DVD, CD의 호환을 행하기 위한 회절구조를 마련하도록 함으로서, 보다 구성이 간단하며, 효율이 좋은 광픽업장치를 제공하는 것을 가능하게 한다.
이와 같이, 본 발명은 상기 서술된 본 발명의 실시예에 한하지 않고 자유로운 변경 및 수정이 가능하다. 본 발명의 자유스러운 변경은 상술된 상세한 설명의 실시예에 한정되지 않고 당업자에 의해 이하 서술되는 특허청구범위를 넘지않는 범위 내에서 자유로운 변경이 가능하다.

Claims (8)

  1. 고밀도 기록매체의 광의 색수차를 보정하기 위한 광픽업용 색수차 보정소자에 있어,
    색수차를 보정함과 동시에 고밀도 기록매체의 광 및 적어도 하나의 저밀도 기록매체의 광의 입사에 의한 호환성을 확보할 수 있도록, 적어도 어느 한 면에 동심원 형상의 계단구조를 마련하고, 상기 계단구조의 단차와 동심원 형상의 패턴을 조정하는 것에 의해 상기 고밀도 기록매체의 색수차를 보정함과 동시에 상기 고밀도 기록매체의 광 및 저밀도 기록매체의 광의 호환성을 확보하고,
    상기 색수차 보정소자의 동심원 형상의 계단구조의 단차(d)는,
    상기 고밀도 기록매체의 광의 파장을 λ0로, 그 파장(λ0)에서의 소자의 굴절률을 n0로 할 때, 다음의 식을 만족하고,
    d = m0 ×λ0/(n0 - 1) (m0는 정수)
    상기 저밀도 기록매체에 있어 상대적으로 고밀도인 제1 저밀도 기록매체의 광의 파장을 λ1로, 그 파장(λ1)에서의 소자의 굴절률을 n1로 할 때, 다음의 식을 만족하며,
    d(n - 1)/λ1 = m1 + α(m1은 정수, -0.1〈 α〈 0.1)
    상기 저밀도 기록매체에 있어 상대적으로 저밀도인 제2 저밀도 기록매체의 광의 파장을 λ2로, 그 파장(λ2)에서의 소자의 굴절률을 (n2)로 할 때, 다음의 식을,
    d(n2 - 1)/λ2 = m2 + β(m2는 정수, -0.1〈 β〈 0.1)
    동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 호환형 색수차보정소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고밀도 기록매체의 광의 파장을 λ0로, 그 파장(λ0)에서의 소자의 굴절률을 n0로 할 때, 상기 계단구조의 단차(d)는 다음의 식을 만족하고,
    d = m0 ×λ0/(n0 - 1) (m0는 정수)
    이 때, 파장 λ0 + △λ의 광이 입사한 경우, 1단차 주위에 발생하는 위상차가 다음과 같이 됨으로,
    d(n0 - 1)/(λ0 + △λ) ≒ {d(n0 - 1) / λ0}(1 - △λ/λ0)
    = m0(1 - △λ/λ0).(λ0 ≫ △λ)
    상기 색수차 보정소자의 동심원 형상의 계단구조의 동심원 형상의 패턴은,
    상기 색수차보정소자의 반경에 대해 파면수차가 - m0(1 - △λ/λ0) 증가할 때마다 단차를 1단 늘리도록 상기 동심원 형상의 패턴을 구성하는 것을 특징으로 하는 호환형 색수차보정소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 색수차보정소자의 1단차 주위에 발생하는 실질적인 위상차는 - m0(△λ/λ0)이고, 이 경우, 상기 색수차 보정소자의 동심원 형상의 계단구조의 동심원 형상의 패턴은, 상기 색수차보정소자의 반경에 대해 파면수차가 m0(△λ/λ0)증가할 때마다 단차를 1단 늘리도록 상기 동심원 형상의 패턴을 구성하는 것을 특징으로 하는 호환형 색수차보정소자.
  4. 제1항에 따른 색수차 보정소자의 한 면 또는 양 면에 상기 저밀도 기록매체에 있어 상대적으로 고밀도인 제1 저밀도 기록매체의 광의 파장(λ1) 및 상대적으로 저밀도인 제2 저밀도 기록매체의 광의 파장(λ2)을 호환채용하기 위한 회절구조가 마련되는 것을 특징으로 하는 호환형 색수차보정소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 색수차 보정소자의 동심원 형상의 계단 구조의 상면에 상기 저밀도 기록매체의 광의 파장을 호환하기 위한 회절구조가 마련되는 것을 특징으로 하는 호환형 색수차보정소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 색수차 보정소자의 한 면 또는 양 면에 마련되는 상기 회절구조의 단차높이는,
    상기 저밀도 기록매체에 있어 상대적으로 고밀도인 제1 저밀도 기록매체의 광을 호환하기 위한 회절구조의 단차높이(d1)는 다음의 식을 만족하고,
    d1 = m1 ×λ0/(n0 - 1) (m1은 정수, λ0는 고밀도 기록매체의 광의 파장, n0는 파장(λ0)에 있어서의 소자의 굴절률)
    상기 저밀도 기록매체에 있어 상대적으로 저밀도인 제2 저밀도 기록매체의 광을 호환하기 위한 회절구조의 단차높이(d2)는 다음의 식을,
    d2 = m2 ×λ0/(n0 - 1) (m2는 정수, λ0는 고밀도 기록매체의 광의 파장, n0는 파장(λ0)에 있어서의 소자의 굴절률)
    만족하는 것을 특징으로 하는 호환형 색수차보정소자.
  7. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 색수차보정소자를 통과하는 고밀도 기록매체의 광은 0차광, 상기 저밀도 기록매체의 광은 1차광을 선택하는 것을 특징으로 하는 호환형 색수차보정소자.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 호환형 색수차보정소자; 및
    상기 색수차보정소자에 의해 동일한 귀환광경로를 구비하는 고밀도 기록매체의 귀환광 및 적어도 하나의 저밀도 기록매체의 귀환광을 검출하기 위한 공동검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
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