KR100765741B1 - 일 매의 렌즈로 된 고개구수의 대물렌즈 및 이를 채용한광픽업장치 - Google Patents

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Abstract

일 매의 렌즈로, 0.7 이상의 고개구수에 대해 렌즈면의 최대경사각도가 55이하가 되도록 구성된 대물렌즈 및 이를 채용한 광픽업장치가 개시되어 있다. 개시된 대물렌즈는 종래의 일 매의 렌즈로 된 대물렌즈와는 달리 광학적 수차의 공차 조건을 만족하면서 0.7 이상의 고개구수를 갖도록 제작될 수 있어, 제작성 및 생산 수율이 우수하다. 본 발명에 따른 대물렌즈를 채용한 광픽업장치는 고밀도 기록/재생에 적용가능하며, 종래보다 작은 부피, 간단한 구조 및/또는 저가격화를 달성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 대물렌즈를 채용한 광픽업장치는 작동 거리를 극히 짧게 할 수 있어, first surface recording 방식을 채택할 수 있으며, 이에 따라 일반적인 의미의 기록매체의 보호층 두께만큼 광픽업장치의 두께를 박형화할 수 있다.

Description

일 매의 렌즈로 된 고개구수의 대물렌즈 및 이를 채용한 광픽업장치{Objective lens having single lens and optical pickup apparatus employing it}
도 1은 종래의 2매 렌즈로 된 대물렌즈의 일 예를 개략적으로 보인 도면,
도 2는 본 발명에 따른 대물렌즈를 채용한 광픽업장치의 일 예를 보인 도면,
도 3은 도 2의 주요부분을 개략적으로 보인 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 대물렌즈의 설계 예를 보인 도면,
도 5는 비구면식을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 대물렌즈에서의 입사 필드(field) 수차 특성을 보인 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 대물렌즈의 편심공차(Decenter)에 따른 수차 특성을 보인 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 대물렌즈의 0.3μm 디포커스에서의 MTF 특성을 보인 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 대물렌즈의 파장변화에 따른 OPD(Optical Path Difference) 및 디포커스 값을 보인 그래프,
도 10은 도 2의 광픽업장치의 복합 반사프리즘을 개략적으로 보인 사시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
50...기록매체 51...광원
61...대물렌즈 79...광검출기
120...복합 반사프리즘
본 발명은 종래의 일 매의 렌즈로 된 대물렌즈의 제한성을 극복할 수 있도록 개선된 구조를 갖는 일 매의 렌즈로 된 고개구수의 대물렌즈 및 이를 채용한 광픽업장치에 관한 것이다.
기록매체에 대해 정보 기록밀도를 높이기 위해서는 기록 및/또는 재생을 위해 기록매체에 조사되는 광스폿의 크기를 줄일 필요가 있다. 광스폿의 크기는 수학식 1에 보여진 바와 같이 사용되는 광의 파장(λ)에 비례하고, 대물렌즈의 개구수(NA)의 크기에 반비례하므로, 기록밀도는 대물렌즈의 개구수가 클수록 높아지게 된다.
광스폿의 크기 ∝ λ/NA
그런데, 일 매의 렌즈로 된 대물렌즈는 제작한계로 인하여 광학적 수차의 공차 조건( slope angle < 55, OPD 0.03λrms 기준으로 편심공차(decenter) > 4um, 틸트 > 2' )을 만족하면서 고개구수 예컨대, 0.7 이상의 개구수를 갖도록 제작되기 어렵다. 이는 제한된 렌즈의 매질과 렌즈의 구면형상이 사출에 적합하지 않은 조건으로 설계되기 때문이다. 즉, 짧은 초점거리, 고개구수를 갖는, 일 매의 렌즈로 된 대물렌즈는 구면의 곡률이 커져 유효면에서의 접선의 각도가 55도를 넘어서게 되는데, 이러한 경사 각도(slope angle)는 금형제작을 어렵게 하고 렌즈 제작시의 렌즈면 간의 편심허용도를 작게 하여 생산수율을 떨어뜨린다.
따라서, 고개구수를 가지면서도 대물렌즈의 제작과 조립공차의 확보가 용이한 대물렌즈가 필요하다. 또한, 개구수가 증가할수록 기록매체의 두께 정도에 따른 파면수차의 영향이 민감해지므로, 기록매체의 두께 즉, 기록면을 보호하는 보호층 두께를 얇게 할 필요가 있다.
한편, 본 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이, DVD(Digital Versatile Disc)는, 기록매체의 기록면을 보호하기 위하여 0.6 mm의 보호층을 가진다. DVD와 같이, 보호층 두께가 두꺼우면, 대물렌즈와 기록매체 기록면 사이의 작동거리(WD:Working Distance)를 충분히 확보할 필요가 있으므로, 보호층 두께는 일매의 렌즈로 된 대물렌즈의 소형화와 고밀도 기록을 위해 대물렌즈의 개구수를 높이는데 제한을 주고 있다. 이는 소구경화와 기록매체와의 접촉방지를 위한 충분한 작동 거리를 확보할 수 있는 대물렌즈를 제작하려면, 구면의 곡율이 커지고, 렌즈면간의 편심허용량, 화각허용량이 작아져 생산성이 나빠지기 때문이다.
상기와 같은 얇은 보호층 두께에 대한 요구를 충족할 수 있으며 일매의 렌즈로 된 대물렌즈의 제한성을 극복할 수 있도록, 일본 특허공개 평10-123410호에는 도 1에 도시된 바와 같이 2매의 렌즈로 된 대물렌즈(10)가 제안되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 대물렌즈(10)는 입사광을 집속시키기 위한 제1렌즈(11)와 이 제1렌즈(11)와 기록매체(1) 사이에 배치되어 대물렌즈(10)의 개구수를 증가시키기 위한 제2렌즈(13)로 구성되고, 적색 파장 예컨대, 635 nm 파장의 광을 사용하는 경우에 조립공차를 확보하기 위하여, 곡율을 4개의 렌즈면에 분배하여 0.7 이상의 고개구수를 달성할 수 있도록 되어 있다.
상기 대물렌즈(10)는 최소한 1개의 비구면을 구비하며, 색수차를 줄이기 위해 저분산 소재를 사용하는데, d선에서의 아베수(abbe's number)가 40 이상인 저분산 소재를 사용하여 0.7 이상의 개구수, 아베수 60 이상의 저분산 소재를 사용하여 개구수 0.8 이상의 개구수를 달성할 수 있도록 되어 있다.
상기 대물렌즈(10)는, 광이 입사되는 쪽에 위치된 제1렌즈(11)의 초점거리를 f1, 2매의 렌즈(11)(13)의 합성된 초점거리 즉, 대물렌즈(10)의 전체 초점거리를 f라 할 때, 1.7 < f1/f < 2.5를 만족한다.
또한, 상기 대물렌즈(10)는 개구수(NA)에 대한 기록면을 보호하기 위한 투명보호층 두께(T)가 수학식 2의 조건을 만족할 때, 수차 보정이 가능하도록 되어 있다.
Figure 112001018596789-pat00001
또한, 상기 대물렌즈(10)는 2개의 렌즈(11)(13) 중 렌즈면의 곡율이 큰 렌즈의 굴절율을 n1, 곡율이 작은 렌즈의 굴절율을 n2라 할 때, n1>n2를 만족하도록 되 어 있다.
또한, 상기 대물렌즈(10)는 입사되는 광 빔의 직경을 BW, 작동 거리를 WD'라 할 때, 1.0 ≤BW < 4.5, 0.05 ≤WD를 만족하고, 광빔의 직경(BW)와 작동거리(WD')는 대물렌즈(10)의 개구수(NA)에 대해 수학식 3의 조건을 만족하도록 되어 있다.
Figure 112001018596789-pat00002
상기한 바와 같은 종래의 대물렌즈(10)는 DVD보다 얇은 보호층 두께를 갖는 기록매체에 대하여 0.8 이상의 고개구수를 실현할 수 있으며, 2매의 렌즈(11)(13)로 구성되어, 얇은 보호층 두께 요구를 충족하면서 일매의 렌즈로 된 대물렌즈의 제한성을 극복할 수 있다.
그런데, 2매의 렌즈로 구성된 종래의 대물렌즈(10)는 두 렌즈(11)(13) 사이의 거리 즉, 에어 갭(air gap)을 일정하게 유지시키는 홀더가 필요하다.
따라서, 2매의 렌즈(11)(13)로 된 종래의 대물렌즈(10)는 고개구수를 가짐으로 인해 홀더 조립시에 두 렌즈(11)(13) 사이의 거리 공차 및 경사 공차가 매우 엄격하며, 이로 인해 생산수율이 악화되는 문제가 있다. 더욱이, 2매의 렌즈(11)(13)를 일체화하여 구동시켜 포커스 제어 등을 하는 액츄에이터가 필요하므로, 기록/재생장치가 복잡해지고 거대해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 종래 의 일 매의 렌즈로 된 대물렌즈의 제한성 및 2매의 렌즈로 된 대물렌즈의 문제점을 극복할 수 있도록 개선된 구조를 갖는 일 매의 렌즈로 된 고개구수의 대물렌즈 및 이를 채용한 광픽업장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대물렌즈는 일매의 렌즈로 이루어지고, 작동거리가 그 중심 두께보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대물렌즈는, 일매의 렌즈로 이루어지고, 그 중심 두께가 그 유효 직경 크기의 0.8배 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광픽업장치는, 소정 파장의 광빔을 생성 출사하는 광원과; 상기 광원쪽에서 입사되는 광빔을 집속시켜 기록매체의 기록면에 광스폿을 형성시키는 대물렌즈와; 상기 기록매체의 기록면에서 반사된 광빔을 수광하는 광검출기;를 포함하는 광픽업장치에 있어서, 상기 대물렌즈는, 일매의 렌즈로 이루어지고, 작동거리가 상기 대물렌즈의 중심 두께보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광픽업장치는, 소정 파장의 광빔을 생성 출사하는 광원과; 상기 광원쪽에서 입사되는 광빔을 집속시켜 기록매체의 기록면에 광스폿을 형성시키는 대물렌즈와; 상기 기록매체의 기록면에서 반사된 광빔을 수광하는 광검출기;를 포함하는 광픽업장치에 있어서, 상기 대물렌즈는, 일매의 렌즈로 이루어지고, 상기 대물렌즈의 중심 두께가 그 유효 직경 크기의 0.8배 이상인 것을 특징으로 한다.
이상에서, 상기 대물렌즈는 개구수가 0.8 이상 일 때, 작동거리가 하기의 식을 만족하도록 된 것이 바람직하다.
WD ≤ αBW - 0.2 T
여기서, WD는 작동거리(working distance), BW는 입사되는 광빔의 직경, T는 렌즈의 중심 두께, α=1/(2tanθ), θ=Arcsin(NA)이다.
상기 기록매체는, first surface recording 방식을 적용한 구조 예컨대, 40 nm 내지 100 μm 범위의 보호층 두께를 가지는 것이 비람직하다.
한편, 복수의 프리즘으로 이루어지고, 상기 광원쪽에서 입사된 광빔을 그 복수 프리즘의 면들 사이의 각도차를 이용하여 광빔의 높이 방향 크기를 축소하여 진행시킨 후에, 높이 방향과 수직인 수평 평면에 대해 45°미만의 각을 이루는 면에서 반사시켜 높이 방향으로 위치된 상기 대물렌즈로 향하도록 하는 복합 반사프리즘;을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 대물렌즈 및 이를 채용한 광픽업장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하에서는 본 발명에 따른 대물렌즈가 광픽업장치에 채용되는 경우를 예를 들어 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 대물렌즈를 채용한 광픽업장치의 일 실시예를 개략적으로 보인 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 광픽업장치의 일부분을 도시한 정면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광픽업장치는, 소정 파장의 광빔을 생성 출사하는 광원(51)과, 상기 광원(51)에서 출사되어 입사되는 광빔을 집속시켜 기록매체(50)의 기록면(50a) 상에 광스폿을 형성하는 대물렌즈(61)와, 기록매체(50)의 기록면(50a)에서 반사된 광빔을 수광하여 광전변환하는 광검출기(79)를 포함하여 구성된다.
상기 광원(51)으로는 소정 파장 예컨대, 780 nm, 650 nm 또는 청색파장(예컨대, 405 nm)의 광을 출사하는 반도체 레이저를 구비할 수 있다.
상기 대물렌즈(61)는, 일 매의 렌즈로, 가능한 한 짧은 작동 거리(WD)를 가져 광픽업장치를 박형화할 수 있도록, 상기 대물렌즈(61)의 중심 두께보다 작은 작동 거리를 갖도록 구성된다. 상기 대물렌즈(61)는 상기 대물렌즈(61)의 중심 두께가 그 유효 직경 크기의 0.8배 이상의 크기인 조건을 만족하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 대물렌즈(61)는 그 개구수(NA)가 0.8 이상(0.8≤NA)일 때, 작동거리(WD)가 수학식 4를 만족하도록 된 것이 바람직하다. 여기서, 작동거리(WD)는 대물렌즈(61)의 렌즈면에서 기록매체(50)의 광입사면(일반적으로 보호층 표면)까지의 거리이다. 물론, 상기 대물렌즈(61)는 소형 고배율의 광학계를 필요로 하는 시스템에도 적용 가능한데, 이 경우 작동거리(WD)는 대물렌즈(61)의 렌즈면에서 물체면(초점면)까지의 거리이다.
Figure 112001018596789-pat00003
여기서, WD는 작동 거리(Working Distance), BW는 입사되는 광빔의 직경, T는 렌즈의 중심 두께, α= 1/(2tanθ), θ= Arcsin(NA)이다.
상기 대물렌즈(61)는 0.6 이상의 개구수 특히, 0.8 이상의 개구수를 가지는 것이 바람직하다. 상기 대물렌즈(61)는 1.5 mm 이하의 유효 직경을 가지며, 1.8 이상의 굴절율을 갖는 재질로 형성된 것이 바람직하며, 상기 대물렌즈(61)는 광학적인 수차를 제거하고, 렌즈면 사이의 편심공차(Decenter)를 크게 하기 위하여, 양면이 모두 비구면으로 형성된 것이 바람직하다. 또한, 상기 대물렌즈(61)의 최대 경사각은 제작성을 고려하여, 55도 미만 보다 바람직하게는, 50도 내지 55도 사이의 값인 것이 바람직하다.
본 발명자들은 본 발명에 따른 대물렌즈(61)가 도 4에 도시된 바와 같이, 개구수 0.85, 중심두께 T=1.4mm, 유효경 BW=1.5mm로 될 때, 작동거리 WD= 0.15mm에서 최적화될 수 있음을 확인하였다. 이때, 대물렌즈(61) 면의 최대 경사각은 51°이다.
표 1은 대물렌즈(61)의 광원(51)쪽에서 광이 입사되는 비구면1과 그 광이 출사되는 비구면2의 설계 데이터 예를 보인 것이다. 표 1의 데이터는 파장 650 nm에서 굴절율 1.92288인 글래스 재질을 사용하고, 기함수의 비구면을 사용하여 설계한 값이다.
면 곡률반경(mm)
비구면1 0.8055
K=-0.697423 A1=0.823886E-01 A2=0.495811E-01 A3=-.790679E-01 A4=0.124781E+01 A5=-.647190E+01 A6=0.172477E+02 A7=-.238351E+02 A8=0.143298E+02 A9=-.260214E+01
비구면2 -0.31853
K=-0.769675E+20 A1=0.525921E+01 A2=-.111088E+03 A3=0.932496E+03 A4=-.296183E+04 A5=-.156004E-04 A6=-.767350E-05 A7=-.273314E-05 A8=-.756518E-06 A9=0.708817E-09
표 1에서, K는 상기 제1 및 제2비구면의 원추 상수, A1 ~ A9는 비구면 계수이다.
상기 제1 및 제2비구면에 대한 비구면식은 도 5에 도시된 바와 같이, 비구면의 정점으로부터의 깊이를 Z(h)라 할 때, 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112001018596789-pat00004
여기서, h는 광축으로부터의 높이, R은 곡률 반경이다.
상기와 같이 설계된 본 발명에 따른 대물렌즈(61)는 다음과 같은 특성을 가진다.
도 6은 본 발명에 따른 대물렌즈(61)에서의 입사 필드(field) 수차 특성을 보인 것이다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 대물렌즈(61)는, 입사 필드 각도 1.5도에 대해 0.06λrms 이하의 수차를 유지한다.
도 7은 본 발명에 따른 대물렌즈(61)의 편심공차(Decenter)에 따른 수차 특성을 보인 것이다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 대물렌즈(61)는 ±5μm에서 0.035λrms의 수차를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 대물렌즈(61)의 0.3μm 디포커스에서의 MTF 특성을 보인 것으로, 대물렌즈 즉, 광학계를 전달함수로 보고 입력신호에 대한 출력신호를 공간 주파수의 신호크기 함수로 나타낸 것이다. 일반적으로, 도 8에 점선으로 나타 낸 바와 같이, 입력신호를 하나의 정현파로 볼 때, 저 주파수일 경우는 신호의 크기변화가 거의 없다가, 고주파수에 대해서는 회절한계에(점선) 의하여 신호크기의 변화가 심하게 나타나며, 렌즈의 수차특성 등의 성능이 우수할수록 이 회절한계에 가깝게 된다. 본 발명에 따른 대물렌즈(61)의 경우는, 고주파수에 대해 신호크기의 변화가, 도 8에 실선으로 나타낸 바와 같이, 회절한계에 가까운 특성이 있다. 즉, 본 발명에 따른 대물렌즈(61)는 우수한 수차특성을 가진다.
도 9는 본 발명에 따른 대물렌즈(61)의 파장변화에 따른 디포커스와 그에 따른 수차 변화량(OPD:Optical Path Difference)을 보여준다. 도 9를 참조하면, 일반적인 DVD 대물렌즈에서는 파장변화 ±2nm에서 초점심도의 1/2 정도 까지의 디포커스 량을 허용하고 있는데, 0.001λrms의 수차 변화량을 허용하고 있는 본 발명의 대물렌즈는 이를 만족하고 있다.
도 6 내지 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 파장변화량 ±2nm에서 대물렌즈(61)의 디포커스량은 0.180μm이다. 파장 650 nm, NA 0.85이고 초점심도 δ~ 0.45 μm를 가정할 때, 상기 디포커스량 0.180μm는 0.40δ에 해당한다. 또한, OPD = 0.035λrms의 수차를 기준으로 대물렌즈(61)의 두께 공차는 9μm, 대물렌즈(61)의 앞면과 뒷면의 면간 틸트는 4분으로 일반적인 DVD용 대물렌즈의 제작 공차 정보를 만족한다. 여기서, 일반적으로, DVD용 대물렌즈 제작공차는 제조업체에 의해 정해지고 있으나, 개략적으로, slop angle < 55, OPD 0.03λrms 기준으로 편심공차 > 4um, 틸트 > 2' 정도를 설계시 사용하고 있다.
도 6 내지 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 광학적 수차의 공차 조건을 만족하면서도, 고개구수 예컨대, 0.8 이상의 개구수를 가지는 일 매의 렌즈로 된 대물렌즈를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 0.7 이상의 고개구수에 대해 55°미만의 최대 경사각도 예컨대, 개구수 0.85에 대해, 51°의 최대 경사각도의 렌즈면을 갖는 대물렌즈를 얻을 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 대물렌즈(61)는 액츄에이터(65)에 의해 포커싱 및 트랙킹 방향으로 제어된다. 상기 액츄에이터(65)의 기본 구조는 본 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 여기서는 그 자세한 설명 및 도시를 생략한다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광픽업장치는, 광원(51) 및 광검출기(79)가 배치된 평면에 대하여 대략 수직인 높이 방향으로 대물렌즈(61)를 배치하는 동시에, 광픽업장치를 보다 박형화할 수 있도록 복합 반사프리즘(100)을 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 복합 반사프리즘(100)은 상기 광원(51)쪽에서 입사된 광빔을 그 복수의 프리즘의 면들 사이의 각도차를 이용하여 광빔의 높이 방향 크기를 축소하여 진행시킨 후에, 높이 방향과 수직인 수평 평면에 대해 45°미만의 각을 이루는 면에서 반사시켜 높이 방향으로 위치된 상기 대물렌즈(61)로 향하도록 한다. 상기 복합 반사프리즘(100)은 그 복합 반사프리즘(100)을 경유하여 대물렌즈(61)쪽으로 출사되는 광빔을 광원(51)쪽에서 복합 반사프리즘(100)에 입사될 때의 크기로 유지시키거나 그보다 커지도록 하는 동시에 광픽업장치의 두께를 최소화할 수 있도록 최적화된 것이 바람직하다. 이러한 복합 반사프리즘(100)에 대해서는 본 출원인에 의해, 대한민국 특허출원 제2001-23343호(출원일:2001. 4. 30, 발명의 명칭:복합 반사프리즘 및 이를 채용한 광픽업장치)에 제안된 바 있다. 따라서, 복합 반사프리즘(100)의 구성 및 그 기능은 상기 특허출원 제2001-23343호의 내용을 참조하는 것으로 하고, 여기서는 그 자세한 설명을 생략하며, 구체적인 예만을 한정하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 상기 복합 반사프리즘(100)은 예를 들어, 광빔을 진행시키는데 기여하는 3개의 측면이 이등변삼각형 구조를 이루는 제1삼각 프리즘(120)과, 광빔을 진행시키는데 기여하는 4개의 면이 마름모 구조를 이루며 상기 제1삼각 프리즘(120)에 대해 기울어지게 배치된 롬보이드 프리즘(140)과, 상기 제1삼각 프리즘(120)과 롬보이드 프리즘(140) 사이에 삽입 설치되는 직각삼각형 구조의 제2삼각 프리즘(130)으로 이루어질 수 있다.
상기 제1삼각 프리즘(120)은, 대물렌즈(61)의 광축 방향 즉, 광픽업장치의 높이 방향을 hi, 그에 수직인 수평 평면을 ho라 할 때, 광원(51)쪽으로부터 광빔이 입사되는 제1투과면(121)과, 그 제1투과면(121)을 통해 입사된 광빔을 수평 평면(ho)에 대해 아래쪽으로 기울어지게 반사시키는 제1면(125)을 구비한다. 이때, 상기 제1삼각 프리즘(120)은 제1면(125)에 입사되는 광빔이 내부 전반사될 수 있도록 예를 들어, 직각 이등변삼각형 구조로 형성된 것이 바람직하다.
상기 롬보이드 프리즘(140)은 제1삼각 프리즘(120)의 제1면(125)에서 내부 전반사에 의해 아래쪽으로 비스듬히 반사되고 그 롬보이드 프리즘(140) 내부로 입사된 광빔을 위쪽으로 기울어지게 내부 전반사시키는 제2면(141)과, 제2면(141)의 높이 방향(hi) 위쪽에 배치되어 제2면(141)쪽에서 입사된 광빔을 내부 전반사시키는 동시에 광빔의 높이 방향(hi) 크기를 축소시킬 수 있는 거리만큼 떨어진 제3면(145)과, 상기 제3면(145)에서 반사되어 입사되는 광빔을 높이 방향(hi)으로 반사시키는 제4면(149)을 구비한다. 이때, 높이 방향(hi)으로 서로 마주하는 제2 및 제3면(141)(145) 사이의 거리는 제1삼각 프리즘(120)의 제1투과면(121)으로 입사되는 광빔의 직경보다 작은 것이 바람직하다. 이와 같이, 제2 및 제3면(141)(145) 사이의 거리를 작게 함으로써, 광빔의 높이 방향(hi) 크기를 축소하여 수평 평면(ho)에 나란하게 도파시키는 것이 가능하다. 한편, 상기 제4면(149)은 수평 평면(ho)에 대해 45°미만 바람직하게는, 20° 내지 40° 범위내 예컨대, 30°의 각을 이루는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제4면(149)은, 롬보이드 프리즘(140)의 구조 상 입사되는 광빔에 대해 내부 전반사 조건을 만족하기 않으므로, 전반사 코팅된 것이 바람직하다.
상기 제2삼각 프리즘(130)은 제1삼각 프리즘(120)의 제1면(125)에서 아래쪽으로 비스듬히 반사된 광빔이 직진하여 상기 롬보이드 프리즘(140) 내부로 입사되도록 한다.
상기와 같이 구성된 복합 반사프리즘(100)은 상기 광원(51)쪽에서 입사된 광빔을 제1삼각 프리즘(120)과 롬보이드 프리즘(140)의 면들 사이의 각도차를 이용하여 액츄에이터(65) 하단부에서 광빔의 높이 방향(hi) 크기를 축소하여 진행시킨 후에 반사시켜 높이 방향(hi)으로 위치된 대물렌즈(61)를 향하여 진행시키도록 배치된 것이 바람직하다.
즉, 상기 복합 반사프리즘(100)이 입사된 광빔을 롬보이드 프리즘(140)의 제2 및 제3면(141)(145) 사이에서 높이 방향(hi) 크기를 축소하여 도파시키는 구조를 가지므로, 높이 방향(hi)으로 볼 때, 상기 복합 반사프리즘(100)의 제1삼각 프리즘(120)은 롬보이드 프리즘(140)보다 상방으로 돌출되어 있다. 따라서, 보다 박형의 광픽업장치를 형성하기 위하여, 상기 복합 반사프리즘(100)을 롬보이드 프리즘(140) 특히, 롬보이드 프리즘(140)의 제3면(145)에 대응하는 부분만이 액츄에이터(65) 하단부에 위치하도록 배치하고, 이러한 배치가 가능하도록 액츄에이터(65)를 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 롬보이드 프리즘(140)을 배치하면, 상기 대물렌즈(61)의 적어도 일부가 상기 광원(51)으로부터 출사되어 상기 복합 반사프리즘(100)에 입사되는 광빔보다 낮게 위치될 수 있어, 광픽업장치의 두께에 영향을 미치는 복합 반사프리즘(100)의 유효 두께는 실질적으로 제2 및 제3면(141)(145) 사이의 거리가 된다.
여기서, 상기 복합 반사프리즘(100)쪽에서 대물렌즈(61)쪽으로 출사되는 광빔의 크기가 상기 복합 반사프리즘(100)에 입사되는 광빔의 크기와 대략 같거나 큰 직경을 갖는 것이 바람직함을 고려할 때, 최적화된 복합 반사프리즘(100)의 롬보이드 프리즘(140)부분의 두께는 제4면(149)이 수평 평면(ho)에 대해 이루는 각에 의존한다. 따라서, 상기 제4면(149)이 수평 평면(ho)에 대해 이루는 각을 작게 하는 만큼 광픽업장치의 높이 방향(hi) 두께를 줄일 수 있다.
상기와 같은 복합 반사프리즘(100)을 채용하면, 광원(51)쪽에서 복합 반사프 리즘(100)으로 입사되는 큰 직경의 입사 광빔은 액츄에이터(65) 하단을 그 직경보다 낮게 통과하고, 롬보이드 프리즘(140)의 제4면(149)에서 반사되면서 원래의 광빔 직경으로 복원될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 광픽업장치는, 광원(51)과 복합 반사프리즘(100) 사이의 광로 상에 광빔의 진행 경로를 변환하는 광로변환기를 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 광로변환기는 도 2에 도시된 바와 같이, 입사 광빔을 편광 성분에 따라 투과 및 반사시키는 편광빔스프리터(55)와, 입사 광빔의 편광을 바꾸어주는 파장판(57)으로 이루어질 수 있다. 상기 파장판(57)은 광원(51)에서 출사되는 광 파장에 대해 1/4 파장판인 것이 바람직하다. 상기 광로변환기로는 광빔을 소정 비율로 투과 및 반사시키는 빔스프리터를 구비할 수도 있다.
본 발명에 따른 광픽업장치는 상기 광원(51)과 복합 반사프리즘(100) 사이의 광로 상에, 광원(51)에서 출사되는 발산 광빔을 평행 광빔으로 바꾸어주는 콜리메이팅렌즈(53)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 바와 같은 콜리메이팅렌즈(53)와 빔스프리터형 광로변환기를 구비하는 경우, 상기 광로변환기와 광검출기(79) 사이에는, 기록매체(50)에서 반사되고 대물렌즈(61), 복합 반사프리즘(100) 및 광로변환기를 순차로 경유하여 광검출기(79)로 향하는 광빔을 집속하기 위한 집속렌즈(71)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 비점수차법에 의해 포커스 에러신호를 검출하도록 광로변환기와 광검출기(79) 사이의 광로 상에, 입사광빔에 비점수차를 유발하는 실린더리컬렌즈(73)와 입사 광빔을 약간 확산시키는 요크 렌즈(75)로 이루어진 비점수차렌즈유니트를 더 구비할 수 있다.
한편, 도 2에서 참조번호 59는 광원(51)의 출사 광량을 모니터링하기 위한 모니터링 광검출기이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 광픽업장치에서 광원(51)에서 출사되고 콜리메이팅렌즈(53) 및 광로변환기를 투과한 소정 직경의 광빔은 복합 반사프리즘(100)의 제1삼각 프리즘(120)의 제1투과면(121)에 대략적으로 수직 입사된다. 이 광빔은 제1삼각 프리즘(120)의 제1면(125)에서 내부 전반사되어 수평 평면(ho)에 대해 아래쪽으로 기울어지게 직진하여 롬보이드 프리즘(140)의 제2면(141)에 전반사 조건을 만족하는 각도로 입사된다. 광빔은 제2면(141)에서 내부 전반사되는 동시에 그 직경이 확대되며, 다시 제1투과면(121)에 입사되는 광빔의 직경보다 가깝게 위치한 롬보이드 프리즘(140)의 제3면(145)에서 내부 전반사되어 입사 광빔을 전반사시키도록 코팅 형성된 롬보이드 프리즘(140)의 제4면(149)쪽으로 진행한다. 제1삼각 프리즘(120)쪽에서 롬보이드 프리즘(140)쪽으로 입사되어 도파되는 광빔은 상기 제4면(149)을 만날 때까지, 롬보이드 프리즘(140)의 기하학적 구조 및 제1삼각 프리즘 및 롬보이드 프리즘(120)(140)의 배치 구조에 의해 그 광빔의 직경은 확대되고, 높이 방향(hi) 크기는 축소된 채로 수평 평면(ho)과 나란한 방향으로 도파된다. 그리고, 제4면(149)에 입사된 광빔은 수평 평면(ho)에 대해 45°미만의 각을 이루는 제4면(149)에서 원래의 직경으로 복원 또는 원래의 직경보다 큰 직경으로 대물렌즈(61)쪽으로 반사된다.
대물렌즈(61)에 입사된 광빔은 대물렌즈(61)에 의해 집속되어 기록매체(50)의 기록면(50a) 상에 광스폿으로 형성된다.
기록매체(50)의 기록면(50a)에서 반사된 광빔은 상기와 반대의 경로로 대물렌즈(61) 및 복합 반사프리즘(100)을 경유하여 광로변환기로 입사되고, 광로변환기의 편광빔스프리터(55)에서 반사된다. 이 반사된 광빔은 집속렌즈(71) 및 비점수차렌즈(73)(75) 등을 경유하여 광검출기(79)에 수광된다.
한편, 이상에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 광픽업장치가 입사된 광빔을 제1삼각 프리즘(120)의 제1면(125)에서 내부 전반사시키도록 구성된 복합 반사프리즘(100)과 프리즘형 광로변환기를 구비하는 것으로 설명 및 도시하였는데, 상기 제1면(125)에서 입사 광빔이 소정 비율로 투과 및 반사되도록 복합 반사프리즘(100)을 구성하고, 제1면(125)에서 투과된 광빔을 검출하도록 광검출기(79) 및/또는 모니터용 광검출기(79)를 배치하면, 프리즘형 광로변환기를 생략시키는 것이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 광픽업장치에는 빔스프리터형 광로변환기 대신에 홀로그램소자(미도시)를 사용할 수도 있는데, 이와 같이, 광로변환기로 홀로그램소자를 구비하는 경우, 광원(51), 홀로그램소자 및 광검출기(79)는 광모듈로 구성될 수 있다. 이때, 홀로그램소자는 예를 들어, 광원(51)쪽에서 입사된 광빔은 직진 투과시키고, 기록매체(50)에서 반사되어 입사된 광빔은 회절 투과시켜 광원(51) 일측에 배치된 광검출기(79)로 향하도록 형성될 수 있다. 상기 광모듈에 대해서는 본 기술 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같으므로, 여기서는 그 자세한 설명 및 도시를 생략한다.
본 발명에 따른 광픽업장치가, 상기와 같이 광모듈을 구비하면, 도 2의 광학 적 구조를 갖는 경우보다 소형화가 가능하다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 광픽업장치는 짧은 작동 거리를 갖는 본 발명에 따른 대물렌즈(61)를 채용하므로 박형화될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 광픽업장치는 대물렌즈(61)의 작동 거리가 짧으므로, first surface recording 방식의 기록매체를 기록/재생할 수 있다. 여기서, first surface recording 방식이란 일반적인 의미의 보호층을 가지지 않는 기록매체(50)에 적용되는 것으로, 광입사면이 바로 기록면(50a)이거나, 기판(50c) 상에 형성된 기록면(50a)을 먼지나 스크래치 등으로부터 보호하기 위해 기록면(50a) 상에 얇은 두께 예컨대, 40 nm 내지 100 μm 정도의 보호막(50b)을 형성하여, 대물렌즈(61)의 작동거리를 일반적인 의미의 보호층(예를 들어, DVD 경우 기판을 나타내는 것으로, 0.6mm 두께)의 두께만큼 짧게 할 수 있어, 박형의 광픽업장치를 구성할 수 있는 방식을 말한다.
이상에서는 본 발명에 따른 대물렌즈(61)가 도 2를 참조로 설명한 광픽업장치에 채용되어 광픽업장치를 박형화할 수 있는 것으로 설명 및 도시하였는데, 본 발명에 따른 대물렌즈(61)는 광픽업장치 이외에도 짧은 작동 거리를 필요로 하는 어느 광학 시스템에나 채용 될 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명에 따른 광픽업장치의 광학적 구성은 도 3에 한정되지 않으며, 다양하게 변형될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 일 매의 렌즈로 된 대물렌즈는, 0.7 이상의 고개구수에 대해 렌즈면의 최대경사각도가 55이하가 되도록 구성되므로, 종래의 일 매의 렌즈로 된 대물렌즈와는 달리 광학적 수차의 공차 조건을 만족하면서 0.7 이상의 고개구수를 갖도록 제작될 수 있어, 제작성 및 생산 수율이 우수하다. 또한, 본 발명에 따른 일 매의 렌즈로 된 대물렌즈는 종래의 2매의 렌즈로 된 대물렌즈에 비해 구조가 간단하다.
따라서, 본 발명에 따른 대물렌즈를 채용한 광픽업장치는 고밀도 기록/재생에 적용가능하며, 종래보다 작은 부피, 간단한 구조 및/또는 저가격화를 달성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 대물렌즈를 채용한 광픽업장치는 작동 거리를 극히 짧게 할 수 있어, first surface recording 방식을 채택할 수 있으며, 이에 따라 일반적인 의미의 기록매체의 보호층 두께만큼 광픽업장치의 두께를 박형화할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 대물렌즈를 채용한 광픽업장치는 복합 반사프리즘을 더 구비하면, 보다 박형화될 수 있다.

Claims (34)

  1. 일매의 렌즈로 이루어지고, 작동거리가 그 중심 두께보다 작으며,
    상기 중심 두께는 그 유효 직경 크기의 0.8배 이상인 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 0.8 이상의 개구수를 가지는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 중심 두께는 그 유효 직경 크기의 0.8배 이상인 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  5. 일매의 렌즈로 이루어지고, 그 중심 두께가 그 유효 직경 크기의 0.8배 이상인 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  6. 제5항에 있어서, 0.8 이상의 개구수를 가지는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  7. 제1항 또는 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 개구수가 0.8 이상 일 때, 작동거리가 WD ≤ αBW - 0.2 T (여기서, WD는 작동거리(working distance), BW는 입사되는 광빔의 직경, T는 렌즈의 중심 두께, α=1/(2tanθ), θ=Arcsin(NA)이다)을 만족하도록 된 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  8. 제7항에 있어서, 1.5 mm 이하의 유효 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  9. 제7항에 있어서, 1.8 이상의 굴절율을 갖는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  10. 제7항에 있어서, 렌즈면의 최대 경사각은, 50도 내지 55도 사이의 값인 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  11. 제1항 또는 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 비구면을 구비하는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  12. 제1항 또는 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 1.5 mm 이하의 유효 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  13. 제1항 또는 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 1.8 이상의 굴절율을 갖는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  14. 제1항 또는 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 렌즈면의 최대경사각은 50도 내지 55도 사이의 값인 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  15. 소정 파장의 광빔을 생성 출사하는 광원과; 상기 광원쪽에서 입사되는 광빔을 집속시켜 기록매체의 기록면에 광스폿을 형성시키는 대물렌즈와; 상기 기록매체의 기록면에서 반사된 광빔을 수광하는 광검출기;를 포함하는 광픽업장치에 있어서,
    상기 대물렌즈는, 일매의 렌즈로 이루어지고, 작동거리가 상기 대물렌즈의 중심 두께보다 작으며,
    상기 대물렌즈의 중심 두께는 그 유효 직경 크기의 0.8배 이상인 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서, 상기 대물렌즈는 0.8 이상의 개구수를 가지는 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 대물렌즈의 중심 두께는 그 유효 직경 크기의 0.8배 이상인 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  19. 소정 파장의 광빔을 생성 출사하는 광원과; 상기 광원쪽에서 입사되는 광빔을 집속시켜 기록매체의 기록면에 광스폿을 형성시키는 대물렌즈와; 상기 기록매체의 기록면에서 반사된 광빔을 수광하는 광검출기;를 포함하는 광픽업장치에 있어서,
    상기 대물렌즈는, 일매의 렌즈로 이루어지고, 상기 대물렌즈의 중심 두께가 그 유효 직경 크기의 0.8배 이상인 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 대물렌즈는 0.8 이상의 개구수를 가지는 것을 특징으 로 하는 광픽업장치.
  21. 제15항 또는 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 개구수가 0.8 이상 일 때, 작동거리가 WD ≤ αBW - 0.2 T (여기서, WD는 작동거리(working distance), BW는 입사되는 광빔의 직경, T는 렌즈의 중심 두께, α=1/(2tanθ), θ=Arcsin(NA)이다)를 만족하도록 된 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 대물렌즈는 1.5 mm 이하의 유효 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 대물렌즈는, 1.8 이상의 굴절율을 갖는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  24. 제21항에 있어서, 상기 대물렌즈의 최대 경사각은, 50도 내지 55도 사이의 값인 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  25. 제15항 또는 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대물렌즈는 2개의 비구면을 구비하는 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  26. 제15항 또는 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대물렌즈는 1.5 mm 이하의 유효 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  27. 제15항 또는 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대물렌즈는 1.8 이상의 굴절율을 갖는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  28. 제15항 또는 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대물렌즈의 최대경사각은 50도 내지 55도 사이의 값인 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  29. 제15항 또는 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기록매체는, first surface recording 방식을 적용한 구조인 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  30. 제29항에 있어서, 상기 기록매체는 40 nm 내지 100 μm 범위의 보호층 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  31. 제29항에 있어서, 복수의 프리즘으로 이루어지고, 상기 광원쪽에서 입사된 광빔을 그 복수 프리즘의 면들 사이의 각도차를 이용하여 광빔의 높이 방향 크기를 축소하여 진행시킨 후에, 높이 방향과 수직인 수평 평면에 대해 45°미만의 각을 이루는 면에서 반사시켜 높이 방향으로 위치된 상기 대물렌즈로 향하도록 하는 복합 반사프리즘;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  32. 제31항에 있어서, 상기 대물렌즈의 적어도 일부는 상기 광원으로부터 출사되어 상기 복합 반사프리즘에 입사되는 광빔보다 낮게 위치된 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  33. 제15항 또는 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 프리즘으로 이루어지고, 상기 광원쪽에서 입사된 광빔을 그 복수 프리즘의 면들 사이의 각도차를 이용하여 광빔의 높이 방향 크기를 축소하여 진행시킨 후에, 높이 방향과 수직인 수평 평면에 대해 45°미만의 각을 이루는 면에서 반사시켜 높이 방향으로 위치된 상기 대물렌즈로 향하도록 하는 복합 반사프리즘;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 대물렌즈의 적어도 일부는 상기 광원으로부터 출사되어 상기 복합 반사프리즘에 입사되는 광빔보다 낮게 위치된 것을 특징으로 하는 광픽업장치.
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