KR100741552B1 - 광학 주사장치 - Google Patents

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유트페트루스티.
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

광학 주사장치는 수렴 빔이 통과해야 하는 서로 다른 두께의 투명층들을 갖는 기록매체를 주사하도록 구성된다. 이 장치의 대물렌즈는 제 1 투명층을 통해 주사하기 위한 수렴 빔을 형성하도록 설계된다. 제 2 투명층을 통해 주사할 때, 대물렌즈는 다른 공역 거리에서 동작하여, 작은 필드를 생성한다. 이와 같은 필드는, 대물렌즈에 입사된 방사빔 내부에 구면수차를 도입하고, 대물렌즈 내부의 이 구면수차를 보상함으로써 증가된다.
광학 주사장치, 기록매체, 구면수차, 코마수차, 대물렌즈

Description

광학 주사장치{OPTICAL SCANNING DEVICE}
본 발명은, 제 1 정보층과 제 1 두께를 갖는 제 1 투명층을 구비한 제 1 형태의 기록매체를 제 1 모드에서 주사하고, 제 2 정보층과 상기 제 1 두께와 다른 제 2 두께를 갖는 제 2 투명층을 구비한 제 2 형태의 기록매체를 제 2 모드에서 주사하기 위한 광학 주사장치로서, 제 1 방사빔을 발생시키기 위한 제 1 방사원과, 제 2 방사빔을 발생시키기 위한 제 2 방사원과, 상기 제 1 모드에서 상기 제 1 정보층에 초점을 형성하기 위해 상기 제 1 투명층을 통과할 때 상기 제 1 방사빔에 도입된 구면수차에 대해 보정된 제 1 공역 세트에서 동작하도록 설계되고, 상기 제 2 모드에서 상기 제 2 정보층에 초점을 형성하기 위해 상기 제 2 투명층을 통과할 때 상기 제 2 방사빔에 도입된 구면수차에 대해 보정된 제 2 공역 세트에서 동작하도록 설계된 대물계를 구비한 광학 주사장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 정보층을 갖는 기록매체를 주사하며, 비시준된(non-collimated) 방사빔을 발생하는 방사원과, 비시준된 방사빔을 정보층 상의 초점으로 변환하는 대물계와, 대물계의 운동을 그것의 광축에 수직하게 제어하는 제어계를 구비한 광학 주사장치에 관한 것이다.
서로 다른 복수의 투명층을 갖는 기록매체를 주사하는 광학 주사장치는 미국특허 제 5 699 341호에 공지되어 있다. 이와 같은 종래의 장치가 0.6 mm 두께를 갖는 투명층을 구비한 DVD 형태의 기록매체를 주사할 때, 대물계를 투명층을 통해 시준된 방사빔을 한개의 초점에 초점을 맞춘다. 이 장치가 1.2 mm 두께의 투명층을 갖는 CD 형태의 기록매체를 주사할 때에는, 동일한 대물계가 더 두꺼운 투명층을 통해 발산하는 방사빔을 초점에 초점을 맞춘다. DVD로부터 CD로 변경할 때, 대물계에 입사된 방사빔은 시준된 방사빔 내부에 부 렌즈(negative lens)를 삽입함으로써 집광된 방사빔으로부터 발산하는 방사빔으로 변화된다. 초점이 기록매체의 원하는 트랙을 따라가도록, 서보회로는 대물계의 광축에 수직한 방향으로 중심 위치에 대한 대물계의 위치를 제어한다. 이와 같은 종래의 장치의 문제점은, 트랙킹 중에 대물계가 그것의 중심 위치로부터 멀어질 때, CD 형태의 기록매체를 주사시 대물계에 의해 형성된 초점의 품질이 열화한다는 것이다. 더구나, 종래의 장치의 디자인은 공지된 광 경로와 다른 광 경로에 적용이 불가능하다.
결국, 본 발명의 목적은, 전술한 문제점을 갖지 않은 주사장치를 제공함에 있다.
이와 같은 목적은, 본 발명에 따르면, 제 1 정보층과 제 1 두께를 갖는 제 1 투명층을 구비한 제 1 형태의 기록매체를 제 1 모드에서 주사하고, 제 2 정보층과 상기 제 1 두께와 다른 제 2 두께를 갖는 제 2 투명층을 구비한 제 2 형태의 기록매체를 제 2 모드에서 주사하기 위한 광학 주사장치로서, 제 1 방사빔을 발생시키기 위한 제 1 방사원과, 제 2 방사빔을 발생시키기 위한 제 2 방사원과, 상기 제 1 모드에서 상기 제 1 정보층에 초점을 형성하기 위해 상기 제 1 투명층을 통과할 때 상기 제 1 방사빔에 도입된 구면수차에 대해 보정된 제 1 공역 세트에서 동작하도록 설계되고, 상기 제 2 모드에서 상기 제 2 정보층에 초점을 형성하기 위해 상기 제 2 투명층을 통과할 때 상기 제 2 방사빔에 도입된 구면수차에 대해 보정된 제 2 공역 세트에서 동작하도록 설계된 대물계를 구비하고, 또한 상기 제 2 모드에서 상기 대물계로 향하는 상기 제 2 방사빔을 발산하도록 배치된 광학 주사장치에 있어서, 상기 제 2 방사빔의 코마수차를 감소시키기 위해 상기 제 2 방사빔에 구면수차를 도입하기 위한 광학 부재를 구비하고, 상기 광학 부재는 상기 방사원과 상기 대물계사이의 상기 제 2 방사빔의 방사 경로의 발산부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치에 의해 달성된다. 방사 경로는 특정한 모드에서 방사빔에 의해 따르게 되는 광 경로에 해당한다. 반경 방향의 트랙킹은 광축으로부터 멀어지도록 대물계를 변위시킴으로써 달성된다. 이와 같은 축을 벗어난(off-axis) 위치는 방사빔 내부에 코마수차를 도입하며, 이것은 초점의 품질을 저하시킨다. 제 1 모드에서는 대물계가 적당한 상 형성을 하도록 설계되어 있으므로, 즉 렌즈가 사인(sign) 조건을 따르게 되어 큰 필드(field)를 제공하기 때문에, 제 1 모드에서는 코마수차의 양이 비교적 작다. 제 2 모드에서는, 렌즈가 사인 조건을 따르지 않으므로, 코마수차의 양이 비교적 크다. 본 발명에 따르면, 제 2 모드에서 코마수차의 양은, 대물계 상에 입사되는 방사빔 내부에 코마수차 이외의 특정한 양의 수차, 즉 구면수차를 도입함으로써 감소될 수 있다. 코마수차의 감소는 제 2 모드에서 대물계의 필드를 증가시킨다. 도입되는 구면수차의 양은 바람직하게는 25 mλ rms보다 크며, 특정한 실시예에 대해서는, 30 mλ보다 큰 데, 이때, λ는 방사빔의 파장이다.
본 발명은, 단지 한개의 방사빔, 빔 스플리터 및 대물계를 갖는 경로나, 2개의 방사빔, 정 및 부 렌즈와 대물계를 갖는 경로와 같이, 방사원과 기록매체 사이에 다양한 광 경로에 적용가능하다. 한개의 방사빔이 사용될 때, 방사빔을 광축을 따라 옮기거나, 방사원과 대물계 사이에 있는 광 경로에 광 파워(optical power)를 갖는 부재, 예를 들면 렌즈를 삽입함으로써, 공역의 변화다 달성될 수 있다. 구면수차는, 별도의 광학부재 또는 변형된 빔 스플리터 또는 렌즈에 의해 도입될 수 있다.
본 발명의 또 다른 국면은, 정보층과 투명층을 갖는 기록매체를 주사하기 위한 광학 주사장치로서, 비 시준된 방사빔을 발생시키기 위한 방사원과 상기 비 시준된 방사빔을 정보층 상의 초점에 수렴시키기 위해 투명층을 통과할 때 상기 비 시준된 방사빔에 도입된 구면수차에 대해 보정된 공역 세트를 동작시키도록 설계된 대물계를 구비하는 광학 주사장치에 있어서, 상기 비 시준된 방사빔에 구면수차를 도입하기 위해 상기 방사원으로부터 상기 대물계로의 방사 경로의 비 시준된 부분에 배치되는 광학부재를 포함하며, 상기 구면수차는 정 평-구면 렌즈의 구면수차의 부호와 반대 부호를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치에 관한 것이다.
광학부재의 구면수차는 대물계의 코마수차를 감소시켜, 그것의 필드를 증가시킨다. 구면수차의 양은 바람직하게는 25 mλ보다 큰 데, 이때 λ는 방사빔의 파장이다.
상기한 주사장치는, 방사빔이 정보층 상에 수렴하기 전에 투명층을 통과하고, 투명층을 통과함에 있어서 방사빔에 의해 발생된 구면수차가 일반적으로 대물계에 의해 도입된 구면수차에 의해 보상되는 기록매체를 주사하는데 적합하다. 광학부재의 구면수차는, 바람직하게는 대물계의 구면수차의 부호와 반대인 부호를 갖는다. 또한, 이 주사장치는, 방사빔이 그 위에 직접적으로 입사되는, 즉 제 1 및 제 2 투명층이 제로값인 두께를 갖는 정보층을 주사하는데에도 적합하다.
광학부재의 구면수차의 부호는 바람직하게는, 정 평-구면 렌즈에 의해 도입된 구면수차의 부호와 반대이다.
광학부재는, 바람직하게는, 방사원으로부터 출사된 방사빔을 수렴시키는데 적합한 정 렌즈, 예를 들면 양의 광 파워를 갖는 렌즈이다. 이와 같은 렌즈는 짧은 광 경로, 이에 따라 콤팩트한 광학 헤드를 허용한다.
이하, 다음의 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다:
도 1은 본 발명에 따른 주사장치를 나타낸 것이고,
도 2는 대물렌즈의 변위의 함수로 수차를 나타낸 그래프이며,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 주사장치의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 주사장치의 일 실시예를 나타낸 것이다. 이 장치는, 짧은 파장에서 제 1 형태의 기록매체 상의 정보를 판독하거나 기록하기 위한 매우 효율적인 광 경로와, 긴 파장에서 제 2 형태의 기록매체를 판독하기 위한 광 경로를 갖는다. 매우 효율적인 광 경로는, 예를 들면 650 nm의 제 1 파장의 선평광된 발산 방사빔(2)을 방출하는 방사원(1), 예를 들면 반도체 레이저를 구비한다. 빔 정형기(beam shaper)(3)는 빔(2)의 타원의 단면을 더욱 원에 가까운 단면으로 변화시킨다. 격자(4)는 두개의 회절된 빔과 비회절된 빔을 형성한다. 회절된 빔은 트랙용으로 사용된다. 간략을 기하기 위해 이 도면에는 비회절된 빔만이 도시되어 있다. 줄여서 방사빔으로 불리는 3개의 방사빔은 방사빔에 대해 높은 투과도를 갖는 편광 빔 스플리터(5)를 통과한다. 시준 렌즈(6)는 방사빔(2)을 시준된 빔(7)으로 변환한다. 이색(dichroic) 빔 스플리터(8)는 제 1 파장에 대해 높은 투과율을 가지며 낮은 감쇠를 갖는 시준된 빔(7)을 통과시킨다. 시준된 빔(7)의 선 편광은 1/4 파장판(9)에 의해 원 편광으로 변한다. 이색 창(dichroic aperture)(10)은 그것의 전체 단면을 통해 시준된 빔(7)을 통과시킨다. 도면에서는 한 개의 대물렌즈(11)로 도시된 대물계는 시준된 빔(7)을 기록매체(13)를 주사하기 위한 수렴 빔(12)으로 변화시킨다. 대물렌즈는, 도면에 도시된 렌즈와 같이 한개의 렌즈부재로 구성될 수 있지만, 2개의 광학부재를 구비할 수 있다. 기록매체는, 제 1의 고밀도 형태를 갖고, 예를 들면 0.6 mm의 두께를 갖는 투명층(14)과, 수렴 빔(12)이 그 위에서 초점(16)이 맞추어지는 정보층(15)을 구비한다. 정보층(15)으로부터 반사된 방사선은 빔 12 및 17의 광 경로를 따라 되돌아온다. 1/4 파장판(9)은, 원 편광을 전방 방향의 시준된 빔(7)의 선 편광에 수직한 선 편광으로 변화시킨다. 반사된 빔은 시준 렌즈(6)에 의해 수렴되고, 편광 빔 스플리터(5)에 의해 반사된다. 실린더 렌즈(17)는 반사된 빔에 비점수차를 도입한다. 광 경로에 있는 부 렌즈(18)는 초점(16)의 위치의 조정을 용이하게 한다. 이때, 렌즈 17 및 18은 한개의 광학부재로 일체화될 수 있다. 반사된 빔은 검출계(19)에 입사되어, 초점(16)의 위치를 조정하기 위한 제어신호를 도출할 수 있는 출력신호와, 정보층(15) 내부에 기억된 정보를 나타내는 정보신호를 발생한다.
제 2 형태의 기록매체를 주사하는데 사용되는 제 2 모드의 광 경로는, 예를 들어 780 nm의 제 2 파장의 선편광된 발산하는 방사빔(21)을 방출하는 방사원(20), 예를 들면 반도체 레이저를 포함한다. 방사원 1 및 20은 2개의 방사빔을 발생하는 한개의 방사원으로 생각할 수 있다. 격자(22)는 격자 4와 유사한 방식으로 3개의 빔을 생성한다. 회절 빔 스플리터(23)는 빔을 투과시킨다. 정 렌즈(24)는 방사빔(21)의 폭주(vergence)를 약간 발산하는 빔(25)으로 줄인다. 발산 빔(25)은 이색 빔 스플리터(8)에 의해 반사된다. 1/4 파장판(9)은 빔의 선 편광을 원 편광으로 변화시킨다. 이색 창(10)은, 빔의 서로 다른 파장으로 인해, 시준된 빔 7보다 작은 단면에 걸쳐 빔을 투과시킨다. 그 결과, 대물렌즈(11)는 발산하는 빔(25)을 발산하는 빔 12보다 작은 개구수를 갖는 수렴 빔(26)으로 변화시킨다. 수렴 빔(26)은 제 2 형태의 기록매체(27)를 주사하는데 적합하다. 이 기록매체는 예를 들어 1.2 nm의 두께를 갖는 투명층(28)과 정보층(29)을 구비한다. 기록매체 13 및 27은, 반투명 정보층(15)을 갖는 한개의 2층 기록매체로 도시되어 있지만, 이들 기록매체는 서로 다른 두께의 투명층을 갖는 별개의 단층 기록매체일 수도 있다. 수렴하는 빔(26)은 정보층(29)에 초점(30)을 형성한다. 정보층(29)으로부터 발사된 방사선은 빔 26 및 25의 경로상으로 되돌아오며, 이 방사선의 일부는 회절 빔 스플리터(23)에 의해 검출계 19와 유사한 기능을 갖는 검출계(31)를 향해 굴절된다.
대물렌즈(11)는, 제 1 모드에서 제 1 파장을 갖는 시준된 빔(7)을 투명층(14)을 통해 정보층(15) 상의 초점(16)에 수렴시킨다. 투명층(14)을 통과시 수렴 빔(12)에 의해 발생된 구면수차는 대물렌즈(11)에서 보상된다. 대물렌즈는 사인 조건을 따른다. 기록매체의 특정한 실시예에 있어서 투명층(14)이 존재하지 않으면, 대물렌즈는 구면수차를 보상하지 않아야 한다. 제 2 모드에서는, 방사빔이 투명층 (14)의 두께와 다른 두께를 갖는 투명층(28)을 통과한다. 따라서, 제 2 모드에서는 대물렌즈(11)가 제 1 모드에서보다 또 다른 양의 구면수차를 보상해야 한다. 이와 같은 서로 다른 보상은, 입사 빔(25)을 발산하도록 함으로써, 투명층의 추가적인 두께를 보상하는 추가적인 구면수차를 대물렌즈에 도입함으로써 달성된다. 그러나, 이와 같은 경우에 대물렌즈는 사인 조건을 따르지 않는다.
정보층 상에 초점을 유지하고, 뒤따르게 될 정보층 내부의 트랙의 중심에 초점의 중심을 유지하기 위해, 대물렌즈(11)는 각각 그것의 광축에 평행하고 수직한 방향으로 이동할 수 있다. 대물렌즈의 이동은, 제 1 모드에서 주사할 때에는 검출계 19로부터 초점의 위치정보를 수신하고, 제 2 모드에서 주사할 때에는 검출계 31로부터 초점의 위치정보를 수신하는 서보회로(32)에 의해 제어된다. 이하에서는, 달리 언급하지 않는 한, 변위는 중심 위치로부터 대물렌즈의 광축에 수직하고 트랙의 유효 방향에 수직한 방향으로의 변위를 의미한다. 중심 위치는, 대물렌즈의 광축이 대물계에 입사한 빔 7 또는 25의 중심 광속과 일치하는 위치에 해당한다. 제 1 모드에서는, 대물렌즈(11)에 입사된 빔(7)이 평행광으로 되며, 그 결과, 대물렌즈의 변위가 렌즈의 광학 특성에 영향을 미치지 않는다. 제 2 모드에서는, 대물렌즈가 사인 조건을 따르지 않기 때문에, 대물렌즈 상에 빔(25)이 평행광으로 되지 않으며, 대물렌즈의 변위가 수렴하는 빔(26) 내부에 코마수차를 일으킨다. 코마수차의 양은 대물렌즈의 설계와 변위의 크기에 의존한다. 코마수차는 대물렌즈의 필드를 줄인다.
대물렌즈의 필드는, 본 발명에 따르면 발산하는 빔(25) 내부에 구면수차를 도입함으로써 증가될 수 있다. 구면수차는, 통과하는 빔에 구면수차에 대응하는 위상 변화를 부여하는, 광 파워를 갖지 않은 광학판에 의해 도입될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 광 경로 내부의 구성요소의 수가 증가하지 않으며, 방사빔의 광 경로 내부에 이미 존재하는 부재, 예를 들면, 격자 22 또는 23 또는 렌즈 24에 의해 구면수차가 도입된다. 위치에 의존하는 두께를 갖는 코팅을 사용하여 격자를 통과하는 광 경로를 변경함으로써 격자들이 변형될 수 있다. 렌즈 24는 다른 디자인을 선택함으로써, 예를 들면 렌즈를 비구면으로 만듦으로써 변형될 수 있다. 이 와 같은 렌즈는, 위치에 의존하는 두께를 갖는 얇은 코팅이 구면 렌즈에 발라지는, 플라스틱 몰딩 또는 소위 복제공정에 의해 제조될 수 있다. 발산하는 빔(25) 내부에 도입하고자 하는 구면수차 W40의 양은, 광축에 수직한 방향으로의 대물렌즈의 최대 변위와, 코마수차의 원하는 축소값에 의존한다. 이것은 다음과 같은 형태로 표현될 수 있다:
Figure 112001006710852-pct00001
이때, W31은 대물렌즈에 의해 기인한 코마수차의 원하는 축소값이고, x는 대물렌즈의 변위이며, R은 대물렌즈의 입사동(entrance pupil)의 반경을 나타낸다. 실제적으로는, R은 대물렌즈의 유효 단면의 반경과 거의 동일하다. 단일 렌즈의 대물렌즈계의 입사동의 평면은 일반적으로 렌즈의 광축에 수직하고 렌즈의 중심을 통과하는 면으로 취할 수 있다. W40과 W31은 자이델 계수(Seidel coefficient)이다. 구면수차의 평균 제곱근(root-mean-square) 값이 사용될 때, 이 수식은 다음과 같이 된다:
Figure 112001006710852-pct00002
W40의 부호는 비 교정된 정 구면렌즈의 구면수차의 부호와 반대이다.
코마수차를 줄이기 위한 구면수차의 유효성은 다음과 같이 설명할 수 있다. 대물렌즈(11)가 거리 x에 걸쳐 변위될 때, 발산 빔(25)의 수차가 발생된 파면은 대 물렌즈(11)에 대해 크기 x 만큼 중심에서 벗어난다. 구면수차는 r4에 비례하기 때문에, 중심에서 벗어남은 (r-x)4에 대한 발산 빔의 파면의 의존성을 일으키는데, 이때 r은 동공(pupil)의 반경이다. 이와 같은 의존성에 있어서 항 r3x는 코마수차에 대한 특징값에 대항한다. 따라서, 구면수차를 갖는 파면이 중심에서 벗어나는 것은 코마수차를 도입하게 된다. 수차의 부호가 일치하면, 부여된 구면수차를 사용하여 중심을 벗어난 빔(25)에 의해 발생된 코마수차는 제 2 모드에서의 그것의 축을 벗어난 사용으로 인해 대물렌즈(11)에 의해 발생된 코마수차의 일부 또는 모두를 상쇄한다.
제 2 모드에서 발산하는 빔(25) 내부에 도입된 구면수차는 대물렌즈(11) 내부에서 보상되어야 한다. 렌즈 설계는 제 1 모드에서 적절한 상 형성의 요구조건에 의해 고정되기 때문에, 이와 같은 렌즈 설계는 상기한 목적을 위해 변형되지 않을 수 있다. 구면수차를 보상하기 위한 바람직한 방법은, 정확한 양의 구면수차가 대물렌즈(11)에 의해 발생되도록 빔의 폭주를 변경하는 것이다. 이와 같은 보상은 기록매체의 투명층을 통과하는 통로에 대한 구면수차의 보상에 추가된다. 일반적으로, 투명층을 보상하기 위한 구면수차는 발산하는 빔(25) 내부에 도입된 구면수차를 보상하기 위한 구면수차와 동일한 부호를 갖는다. 발산도에 있어서의 실제적인 변화는, 실험적으로 결정되거나 광선추적으로부터 유도될 수 있다. 발산도를 변경하기 위한 간단한 방법은, 방사원(20)과 대물렌즈(11) 사이의 거리를 변화시키는 것이다.
일례로, 대물렌즈는 1.3 mm의 동공 반경 R, 0.3 mm의 최대 변위 x와, 제 2 모드에서 0.45의 개구수를 갖는다. 제 1 모드에서, 대물렌즈는 공역 세트 (-∞, f)에서 동작하는데, 이때 f는 대물렌즈의 초점 거리이다. 대물렌즈로부터 51 mm의 거리에 있으며 0.3 mm 만큼 변위된 점 발생원으로부터 조사된 통상적인 대물렌즈의 코마수차는 34 mλ rms이다. 34 mλ rms로부터 16 mλ rms로의 코마수차의 감소를 원한다. 18 mλ rms의 필요한 보상은, 대물렌즈에 입사하는 발산 빔 내부에 도입된 구면수차에 의해 제공되어야 한다. 아래에서 설명하는 이유로 인해, 이 보상은 3 mλ rms가 더 높아야 하는데, 즉 21 mλ rms가 되어야 한다. 상기한 수식에 따르면, 21 mλ rms의 코마계수의 보상은 14 mλ rms의 구면수차를 필요로 한다. 발산하는 빔 내부에 도입된 이와 같은 구면수차는, 51 mm로부터 47 mm로 점 발생원의 거리를 줄임으로써 대물렌즈 내부에 도입된다. 줄어든 점 발생원의 거리는 대물렌즈의 코마수차를 3 mλ만큼 증가시킨다. 따라서, 코마수차는 34 + 3 = 37 mλ rms로부터 16 mλ rms로 줄어든다. 제 2 모드에서는, 대물렌즈가 공역 세트 (v,b)에서 동작하는데, 이때 대물 거리 v는 -47 mm이며, 상 거리 b는 f보다 약간 크다.
구면수차의 필요한 양의 계산이 1.3 mm의 동공 반경과 동일한 반경을 갖는 발산하는 빔에 대해 행해졌다. 그러나, 발산하는 빔은 바람직하게는 동공 반경 R보다 큰 반경 R1을 가지므로, 빔이 동공과 스트로크(stroke) 모두를 수용해야 한다. 구면수차가 빔 반경의 4 제곱으로 증가하므로, 반경 R1을 갖는 발산 빔의 구면수차 는 다음과 같아야 한다:
Figure 112001006710852-pct00003

이때, W40(rms,R)은 반경 R을 갖는 파면에 대한 구면수차의 rms 값이다. 발산하는 빔의 반경 R1이 동공 반경 R에 대물렌즈의 스트로크 x를 더한 값과 거의 동일한 경우에, 방사원(1)의 방사 파워가 효율적으로 사용된다. 빔 반경 1.3 mm에 대한 14 mλ rms 구면수차는 다음과 같이 된다:
Figure 112001006710852-pct00004
바람직한 실시예에 있어서, 발산하는 빔은 타원으로, 입사동에서의 그것의 단면은 유효 트랙 방향에 수직한 방향으로 R+x의 장축을 갖고, 그것에 수직한 방향으로 R의 단축을 갖는다.
이때, 구면수차에 대한 수식 W40 및 W40(rms)은 근사값이라는 점에 주목하기 바란다. 구면수차에 대한 더욱 정확한 값은 광선추적에 의해 얻어질 수 있다. 상기한 경우에, 14 mλ rms 대신에 15 mλ rms의 발산 빔의 구면수차가 필요하며, 개방경(full aperture)에 대해서는 32 mλ rms 대신에 30 mλ rms가 필요하다. W40(rms)에 대한 수식의 정밀도는, 비교적 긴 초점 거리 f와 낮은 개구수 NA(f=2.75mm 및 NA=0.45)에 대해서는 10%보다 크고, 비교적 짧은 초점 거리와 높은 개구수(f=1.8 mm와 NA=0.50)에 대해서는 약 30% 우수하다.
코마수차의 상쇄의 상한값은 격자(22)에 의해 형성된 회절된 빔 내부의 수차의 허용가능한 증가에 의해 결정된다. 회절된 빔은, 발산 빔(25)의 그것과 다른 렌즈(24)와 대물렌즈(11)를 통과하는 경로를 따른다. 그 결과, 발산하는 빔(25)의 코마수차가 줄어들면, 회절된 빔 내부의 코마수차가 증가한다. 회절된 빔을 형성하지 않는 장치에 있어서, 코마수차는 더 크게, 예를 들면 4 또는 8배 보상될 수 있다. 이와 같은 경우에, 상쇄는 다른 더 높은 차수의 수차의 증가에 의해 제한을 받는다. 전술한 예에 있어서, 코마수차를 34 mλ rms로부터 7 mλ rms로 줄이려면, 발산 빔(25)의 개방경에 85 mλ rms의 구면수차가 도입되어야 한다. 이 경우에, 수렴하는 빔(26) 내부의 전체 수차는 15 mλ rms가 된다. 코마수차의 추가적인 축소가 가능하다. 그러나, 코마수차의 축소보다는 비점수차와 더 높은 차수의 코마수차의 증가가 더 크기 때문에, 수렴하는 빔의 더 높은 총 수차를 발생하게 된다.
도 2는 대물렌즈의 변위의 함수로 대물렌즈(11)에 의해 발생된 코마수차를 나타낸 그래프이다. 라인 35는 발산하는 빔(25) 내부에 도입된 추가적인 구면수차가 없는 대물렌즈의 코마수차의 양을 나타낸 것이다. 라인 36은 35와 비슷하지만, 본 발명에 따라 구면수차가 도입된 것이다. 라인 37은 추가적인 구면수차가 없는 수렴 빔(26) 내부의 광학수차의 전체량을 나타낸 것이고, 라인 38은 추가적인 구면수차를 갖는 광학수차의 전체량을 나타낸 것이다.
하기 표 1은 4가지 다른 경우에 대한 수차를 나타낸 것으로, 첫번째 경우는 전술한 그래프에서 설명한 예에 해당한다.
1.2 mm에 대한 대물렌즈 f 및 NA 코마수차 mλ rms 0.3 mm 반경방향 스트로크 코마수차 mλ rms 0.3 mm 반경방향 스트로크 더 짧은 방사원 거리 W40 mλ rms 2배 축소 W40 mλ rms 2배 축소 개방경
f=2.75 mm NA=0.45 34 37 14 32
f=2.75 mm NA=0.50 47 51 21 48
f=1.8 mm NA=0.45 58 68 20 61
f=1.8 mm NA=0.50 79 93 27 82

상기한 표의 첫번째의 가장 좌측의 열은 4가지 경우에 대해 제 2 모드에서, 즉 1.2 mm의 두께를 갖는 투명층을 통해 주사할 때 대물렌즈의 초점 거리 f와 개구수 NA를 나타낸다. 두번째 열은 대물렌즈가 0.3 mm 만큼 변위되었을 때 대물렌즈에 의해 발생된 코마수차의 양을 나타낸 것이다. 세번째 열도 코마수차의 양을 나타내지만, 시준렌즈에 의해 도입된 구면수차를 보상하기 위해 방사원과 대물렌즈 사이의 거리가 감소된 경우이다. 두번째 및 세번째 열의 값은 광선추적에 의해 결정되었다. 세번째 열에 주어진 코마수차의 양은 4가지 모든 경우에 대해 약 2배 만큼 줄여진 것이다. 네번째 열은 방사원과 대물렌즈 사이에 있는 시준렌즈에 의해 도입되어야 하는 구면수차 W40의 필요한 양을 나타낸다. 네번째 열에 있는 값은 W40(rms)에 대한 상기한 수식에 의해 결정되었다. 마지막 열은, 대물렌즈에 입사된 빔이 대물렌즈의 변위를 수행하기 위한 충분한 폭을 가질 때, 시준렌즈에 의해 도입되어야 하는 구면수차의 양을 나타낸다. 표 1에 있어서 네번째 경우의 광속추적에 따르면, 79 mλ rms로부터 39 mλ rms로 감소하는데에는 W40(rms)에 대한 수식에 의해 결정된 것과 같이 27 mλ rms 대신에 35 mλ rms W40이 필요하다는 것이 밝혀졌다.
도 3은 본 발명에 따른 주사장치의 일 실시예를 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 구성요소와 유사한 도면의 구성요소는 동일한 도면부호를 갖는다. 이 실시예는 도 1에 도시된 실시예보다 더욱 콤팩트하게 제조될 수 있다. 제 1 모드에서 제 1 형태의 광 기록매체를 주사하기 위해 사용된 광 경로는 발산하는 방사빔(51)을 방출하는 방사원(50), 예를 들면 반도체 레이저를 포함한다. 격자(52)를 통과한 후, 발산하는 빔은 이색 빔 스플리터(53)에 의해 반사되고 시준렌즈(55)에 의해 시준된 빔(54)으로 수렴한다. 대물렌즈(11)는 시준된 빔(54)을 정보층(15) 상의 초점으로 변환하도록 설계된다. 정보층(15)에 의해 반사된 방사선은 빔 54 및 51의 경로 상으로 되돌아와, 격자(52)에 의해 일부가 굴절되어 검출계(56) 상에 입사되는 서브빔을 형성한다. 검출계는 초점(16)의 위치를 제어하는 출력신호와 정보층(15) 내부에 기억된 정보를 나타내는 정보신호를 발생한다. 소위 1- 또는 2-스폿 후코(Foucault)법을 사용하여 초점오차 신호가 형성될 수 있다.
제 2 모드에서 제 2 형태의 기록매체를 주사하기 위한 광 경로는 발산하는 방사빔(59)을 방출하는 방사원(58), 예를 들면 반도체 레이저를 포함한다. 방사원에 인접하게 배치된 시준렌즈(60)는, 방사원에 의해 방출된 방사선의 전체량의 비 교적 큰 부분을 집광하여, 발산하는 빔(61)을 형성한다. 이 시준렌즈(60)는, 발산하는 빔(59)의 단면을 타원으로부터 원 형태로 변화시키고 빔 내부의 비점수차를 줄이는 빔 정형기의 기능을 가질 수도 있다. 시준렌즈(60)의 시준 및 빔 정형 기능에 의한 방사원(58)으로부터 발생된 방사선의 향상된 수광으로 인해, 도 3에 도시된 실시예는 제 2 모드에서 정보를 판독 및 기록하는데 매우 적합하게 된다. 발산 빔(61)의 경로에 배치된 격자(62)는 도 1에 도시된 격자(4)와 유사한 방식으로 3개의 빔을 형성한다. 편광 빔 스플리터(63)는 발산하는 빔(61)을 이색 빔 스플리터(53)로 반사하며, 이 스플리터는 거의 감쇠되지 않은 빔을 통과시킨다. 시준렌즈(60), 격자(62) 및 빔 스플리터(63)는 한개의 구성요소로 일체화될 수 있다. 시준렌즈(55)는 들어온 수렴 빔(61)을 들어온 빔보다 적은 발산도를 갖는 또 다른 발산 빔(64)으로 수렴시킨다. 제 2 모드에서는, 대물렌즈(11)가 설계 공역에서 동작하지 않으며, 기록매체(27)의 투명층(28)의 추가적인 두께를 보상하는 구면수차를 도입한다. 정보층(29)에 의해 반사된 방사원은 입사 빔의 경로를 따라 되돌아와, 편광 빔 스플리터(63)와 빔 내부에 비점수차를 도입하는 렌즈(65)를 통해 검출계(64)로 주어진다.
본 발명에 따른 구면수차가 제 2 모드에서만 사용되는 광 경로의 일부분에 도입되어야만 한다. 따라서, 시준렌즈(55)는 제 1 모드 및 제 2 모드 모두에서 사용되기 때문에 덜 적합하다. 더욱 적합한 구성요소는 시준렌즈(60)이다. 이러한 구성요소는 바람직하게는 전술한 빔 정형 기능으로 인해 비구면이기 때문에, 비용을 증가시키지 않으면서 본 발명에 따른 구면수차가 이 구성요소 내부에 용이하게 포함될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 주사장치의 또 다른 실시예를 나타낸 것이다. 도 1에 도시된 구성요소와 유사한 이 도면의 구성요소는 동일한 도면부호를 갖는다. 주사장치는 수렴 빔(12)에 의해 기록매체(39)를 주사한다. 기록매체(39)는 기판(40)과 그 위에 적층된 정보층(15)을 포함한다. 정보층은 파장의 차수의 두께를 갖는 투명층에 의해 보호될 수 있다. 대물렌즈(11)는 정보층(15) 위에 방사 빔(2)의 초점을 맞추도록 설계된다. 대물렌즈는 사인 조건을 따르기 때문에, 큰 필드를 갖는다. 구면수차가 발산하는 빔(25) 내부에 도입되고, 반대 부호를 갖는 동일한 양의 구면수차가 대물렌즈 내부에서 보상되는 경우에, 필드가 더욱 증가될 수 있다. 구면수차는 바람직하게는 빔 스플리터(5) 상의 박막층(41)을 사용하여 발산하는 빔 내부에 도입되며, 이 층은 이 층 위의 위치의 함수로써 변화하는 광 경로를 갖는다. 바람직하게는, 대물렌즈의 설계시에 구면수차를 포함시킴으로써, 대물렌즈의 구면수차가 도입된다.

Claims (9)

  1. 제 1 정보층과 제 1 두께를 갖는 제 1 투명층을 구비한 제 1 형태의 기록매체를 제 1 모드에서 주사하고, 제 2 정보층과 상기 제 1 두께와 다른 제 2 두께를 갖는 제 2 투명층을 구비한 제 2 형태의 기록매체를 제 2 모드에서 주사하기 위한 광학 주사장치로서,
    제 1 방사빔을 발생시키기 위한 제 1 방사원과,
    제 2 방사빔을 발생시키기 위한 제 2 방사원과,
    상기 제 1 모드에서 상기 제 1 정보층에 초점을 형성하기 위해 상기 제 1 투명층을 통과할 때 상기 제 1 방사빔에 도입된 구면수차에 대해 보정된 제 1 공역 세트에서 동작하도록 설계되고, 상기 제 2 모드에서 상기 제 2 정보층에 초점을 형성하기 위해 상기 제 2 투명층을 통과할 때 상기 제 2 방사빔에 도입된 구면수차에 대해 보정된 제 2 공역 세트에서 동작하도록 설계된 대물계를 구비하고, 또한 상기 제 2 모드에서 상기 대물계로 향하는 상기 제 2 방사빔을 발산하도록 배치된 광학 주사장치에 있어서,
    상기 제 2 방사빔의 코마수차를 감소시키기 위해 상기 제 2 방사빔에 구면수차를 도입하기 위한 광학 부재를 구비하고, 상기 광학 부재는 상기 방사원과 상기 대물계사이의 상기 제 2 방사빔의 방사 경로의 발산부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 부재는 정 렌즈, 격자 또는 위치 의존 광 경로를 갖는 박막층인 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 대물계는 구면수차를 도입하며, 상기 대물계와 상기 광학부재의 구면수차는 반대 부호를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광학부재의 상기 구면수차는 정 평-구면 렌즈의 구면수차와 반대 부호를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 모드에서 상기 제 1 및 제 2 방사원과 상기 대물계 사이의 광 경로에 제 1 시준렌즈가 배치되고, 구면수차를 도입하기 위한 상기 광학부재는 상기 제 2 모드에서만 상기 제 2 방사원과 상기 대물계 사이의 광 경로에 배치된 제 2 시준렌즈인 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광학부재는,
    Figure 112006094577091-pct00005
    와 동일한 양의 구면수차의 W40(rms)을 도입하고,
    이때, W31(rms)은 상기 제 2 모드에서 거리 x 만큼 변위될 때 상기 대물계에 의해 도입된 코마수차를 감소시키는 소정 량의 코마수차이고, x는 상기 대물계의 광축에 수직한 방향으로 중심 위치로부터 대물계의 변위이며, R은 상기 대물계의 입사동(入射瞳)의 반경인 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 방사빔은 입사동의 평면에서 R보다 큰 반경 R1을 갖고, 상기 광학부재는 방사빔 내부에,
    Figure 112006094577091-pct00006
    와 동일한 양의 구면수차를 도입하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  9. 정보층과 투명층을 갖는 기록매체를 주사하기 위한 광학 주사장치로서, 비 시준된 방사빔을 발생시키기 위한 방사원과 상기 비 시준된 방사빔을 상기 정보층 상의 초점에 수렴시키기 위해 상기 투명층을 통과할 때 상기 비 시준된 방사빔에 도입된 구면수차에 대해 보정된 공역 세트를 동작시키도록 설계된 대물계를 구비하는 광학 주사장치에 있어서,
    상기 비 시준된 방사빔에 구면수차를 도입하기 위해 상기 방사원으로부터 상기 대물계로의 방사 경로의 비 시준된 부분에 배치되는 광학부재를 포함하며, 상기 구면수차는 정 평-구면 렌즈의 구면수차의 부호와 반대 부호를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
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