KR100804071B1

KR100804071B1 - 광학주사장치

Info

Publication number: KR100804071B1
Application number: KR1020027008307A
Authority: KR
Inventors: 유리브이. 마르티노프; 베르나르두스에이치.더블유. 헨드릭스
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2008-02-18
Also published as: CN1406376A; DE60134033D1; WO2002035536A1; CN1252704C; JP2004512628A; EP1332496B1; EP1332496A1; US20030058777A1; ATE395695T1; US7236443B2; KR20020071001A; US20080037386A1

Abstract

광 기록매체(1)에 투명층(26)이 설치된 광 기록매체를 판독하기 위해 복합 대물렌즈(10)와 방사선 검출기(31)를 구비한 광학주사장치가 개시된다. 투명층(26)의 두께와 검출기(31)의 유효 반경은, 장치의 신호대 잡음비가 상당히 향상되고, 및/또는 공기 슬라이더 아래의 공기 갭의 국부적인 가열이 감소하도록 설정된다. 슬라이더 광학 헤드(40)의 사용을 용이하게 하기 위해 광 기록매체에는 윤활제가 설치된다.

광학주사장치, 기록매체, 복합 대물렌즈, 슬라이더, 근접장, 투명층

Description

광학주사장치{OPTICAL SCANNING DEVICE}

본 발명은, 적어도 한 개의 정보층을 포함하는 광 디스크 등의 광 기록매체를 주사하는 광학주사장치에 관한 것이다. 이 장치는, 방사빔을 발생하는 방사원과, 방사원과 기록매체 사이의 광 경로에 배치되어, 방사빔을 정보층 상의 스폿에 집광시키는 복합 대물렌즈계와, 방사원으로부터의 방사선을 투과시키는 광학적으로 투명한 부분을 갖는 슬라이더를 구비한다. 또한, 본 발명은 이와 같은 광학주사장치에 사용하기 위한 광 기록매체에 관한 것이다.

고용량 기록매체를 판독할 수 있는 광학주사장치의 제조가 요구되어 왔다. 예를 들면, 한 개의 디스크에 복수의 정보층을 갖는 고용량 광 디스크가 발명되었다. 더구나, 디스크 상의 데이터 마크들의 크기를 감소함으로써 이와 같은 디스크 상에 저장된 데이터의 양을 증가시킬 수도 있다. 이와 같은 데이터를 정확히 판독하기 위해서는, 비교적 짧은 파장과 예를 들면 적어도 NA<1을 갖는 고개구수(numerical aperture: NA) 대물렌즈계를 사용하는 광학주사장치가 바람직하다.

NA>1을 달성하기 위한 한 가지 방법에서는, 복합 렌즈계가 다중렌즈 대물계를 구비하는데, 이때 렌즈부재들 중의 한 개는 슬라이더 상에 배치된 제 2의 거의 평볼록의 렌즈로서, 렌즈가 디스크의 표면의 파장 λ에 속하는 높이에서 부상하도록 허용하여, 방사선에 대해 제 2 렌즈와 디스크 사이에 이버네센트 결합(evanescent coupling), 즉 소위 근접장(near-field) 배치를 제공한다. 렌즈는 일반적으로 (대체로 0.1㎛보다 작은) 1/5λ의 높이에서 부상한다. 이와 같은 렌즈를 이하에서는, 고체 침적렌즈(solid immersion lens: SIL)로 부른다. 상기한 다중렌즈 대물계는, 수차에 대해 교정된 단일 렌즈 등의 또 다른 렌즈를 구비한다. 이에 대해서는, 예를 들면 EP-A-0,867,873 및 JP-A-09161311을 참조하기 바란다.

EP-A-0,867,873의 경우에는, 기록매체가 정보층을 덮기 위해 3 내지 177㎛의 두께를 갖는 투명층을 사용하는데, 이때 이 두께는 광 디스크의 저장용량의 증가를 돕도록 선택된다. 방사선을 기록매체에 결합시키기 위해 어떠한 이버네센트 결합도 사용되지 않는데, 즉 기록매체는 원격장(far-field) 배치로 사용된다.

상기한 개시된 시스템에서는, 방사선이 광 디스크의 정보층 상에 초점이 맞추어지며, 반사된 방사선은 복합 대물렌즈계를 거쳐 적절한 검출계를 향해 다시 투과되어, 광학신호가 광 디스크 상의 정보층에 저장된 데이터를 표시하는 전기신호로 변환된다. 이와 같은 시스템의 문제점은, 검출기에 닿은 표유광(stray light)이 신호대 잡음비를 감소시킨다는 것이다.

광자기 시스템에서의 또 다른 문제점은, 디스크의 정보층과 관련된 자기 코일의 위치에 관한 것이다. 즉, 기록중에 정보층에 충분한 자기 변조를 허용하고, 원하는 데이터 주사 속도를 제공하기 위해서는, 코일이 정보층에 충분히 근접하여 배치되어야 한다. 이와 같은 문제점은, 대물렌즈계의 하부 표면과 디스크의 상부 표면 사이에 이버네센트 결합이 존재하지 않는 소위 원격장 배치에서 발생한다.

EP-A-0,878,793에는, 자기 코일이 대물렌즈계와 디스크의 동일측에 배치되고, 디스크 상의 정보층이 0 내지 100㎛ 두께의 보호 투명층 뒤에 배치된 광자기 시스템에 대해 개시되어 있다. 자기 코일과 광 디스크 사이의 거리는 바람직하게는 적어도 20㎛로 설정된다.

본 발명의 일면에 따르면, 광학주사장치 내부의 주사 위치에 배치되었을 때, 데이터를 저장하는 정보층과 방사빔이 정보층에 도달할 때 통과하게 되는 투명층을 포함하는 광 기록매체를 주사하는데 사용되도록 구성되고, 방사빔을 발생하는 방사원과, 방사원으로부터 광 기록매체의 주사 위치로의 방사빔의 경로에 배치되어, 광 기록매체와 방사빔의 이버네센트 결합을 제공하는 대물렌즈계와, 광 기록매체에 의해 반사된 방사선을 검출하는 방사선 검출기를 구비하며, 상기 검출기가, 투명층의 두께와 결합하여, 주사중에, 반사된 표유광의 상당한 부분이 검출기의 유효 부분의 외부에 닿는 한편, 정보층에 의해 반사된 거의 모든 방사선이 상기 검출기의 유효 부분 내에 닿도록 구성된 광학주사장치가 제공된다.

종래의 시스템에서는, 방사원으로부터 광 디스크를 향해 투과된 방사선의 부분이, 광 디스크의 정보층에 도달하기 않고, 공기 갭으로부터 다시 광 경로 내부로 반사된다. 공기 갭이 작기 때문에, 공기 갭으로부터 반사된 방사선이 광 디스크의 정보층으로부터 반사된 방사선과 거의 동일한 경로를 따르게 되어, 그 상태로 복합 대물렌즈계를 거쳐 다시 투과되어 검출계 상에 닿는다. 이것은 광학주사계의 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)에 악영향을 미치어, 디스크 상에 저장된 정보의 열악한 재생을 제공하게 된다.

본 발명은, 갭으로부터 반사된 표유 방사선이 검출기의 유효 부분에 부딪치는 것을 방지하여, 상기한 장치를 사용하여 광 기록매체를 주사하는 동안, SNR에 있어서 상당한 향상을 제공할 수 있다. 용어 "상당한 부분"은 표유 방사선의 비교적 적은 양의 감소(예를 들면, 10% 또는 그 이상)를 제공하는 배치를 포함하는 것으로 의도되었지만, 50%보다 큰 값이 바람직하다. 실제로는, 이하에서 더욱 상세히 설명하는 것과 같이, 표유 방사선의 양을 90% 넘게 줄일 수 있다. 이와 동시에, "거의 모든" 원하는 방사선이 검출기의 유효 부분에 부딪치도록 하는 경로를 따르도록 확보하는 것도 가능하다. 예를 들면 흡수, 반사 및 검출기 성능의 제한으로 인해 원하는 방사선의 일부 손실이 광학계에서 불가피하기는 하지만, 이와 같은 손실은 대부분 원하는 방사선의 경로와 검출기의 위치 관계에 기인한 것이 아니며, 이 손실은 본 발명의 실시예에 있어서는 최적의 상태로 유지될 수 있다.

본 발명은 근접장 및 원격장 배치의 모든 경우에 적용가능하다. 그러나, 본 발명은 특히 근접장 배치의 경우에 적용될 수 있다. 이와 같은 경우에, 예를 들면 부상 높이 변화로 인한, 근접장 결합의 효율의 감소가 계면에서의 전반사를 일으킬 수 있으므로, 상당한 양의 표유광이 발생될 수 있다.

종래기술의 시스템에서는, 신호층과 공기 갭으로부터 반사된 방사선 사이의 코히어런트 누화가 신호대 잡음비와 서보신호의 상당한 열화를 일으킬 수 있다. 본 발명은 근접장과 원격장의 모든 경우에 이와 같은 코히어런트 누화도 줄일 수 있다.

공기 갭으로부터 낮은 코히어런트 누화를 갖기 위해서는, 다음 값보다 큰 투 명층 두께를 갖는 것이 바람직한데:

이때, λ는 방사선의 파장이고, n_cov는 커버층으로도 불리는 투명층의 굴절률이며,NA는 디스크에서의 시스템의 개구수이다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 광학주사장치 내부의 주사 위치에 배치되었을 때, 데이터를 저장하는 정보층과 방사빔이 정보층에 도달할 때 통과하게 되는 2 내지 50㎛의 두께를 갖는 투명층을 포함하는 광 기록매체를 주사하는데 사용되도록 구성되고, 방사빔을 발생하는 방사원과, 방사원과 광 기록매체의 주사 위치 사이의 광 경로에 배치된 대물렌즈계와, 광 기록매체 위의 20㎛보다 작은 높이에서 부유하며 상기 방사빔을 투과하는 투명 부분을 갖는 슬라이더와, 광 기록매체에 의해 반사된 방사선을 검출하는 방사선 검출기를 구비한 광학주사장치가 제공된다.

2 내지 50㎛의 두께를 갖는 투명층의 이점은, 이 투명층이 기록매체의 입사면, 즉 방사선이 기록매체에 들어갈 때 통과하는 표면에서 레이저 빔의 가열효과를 줄이는데 사용될 수 있다는 것이다. 입사면에서의 가열은, 슬라이더의 원치않는 부상 높이의 불안정 상태와, 기록매체 상에 표면 윤활제가 사용되는 경우에는, 윤활제의 원치않은 국부적인 가열을 일으킬 수 있다. 가열의 감소는, 방사빔의 전력이 비교적 높을 때, 기록매체 상에 데이터의 기록 중에 매우 중요하다. 투명층은, 입사면을 레이저 빔의 초점으로부터 적어도 1 초점 깊이(λ/NA²) 벗어나게 위치시킴으로써. 레이저 빔이 기록매체의 표면을 통과할 때 그것의 가능한 가장 작은 직경에 근접하지 않도록 하여, 입사면에서의 그것의 가열 효과의 강도를 줄인다.

따라서, 기록매체 표면 위의 10-20㎛에 이르는 높이에서 부유하는 슬라이더는, 원격장 배치에서도, 특히 광자기 시스템에서도 사용될 수 있다. 또한, 이것은, 높은 데이터 주사 속도를 얻을 수 있도록 디스크 표면에 자기 코일이 충분히 근접하여 유지되도록 하지만, 이버네센트 결합을 위해 필요한 것보다는 폭이 덜 좁은 값을 갖는 폭이 좁은 갭에 해당하기도 한다.

본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 본 발명에 따른 광학주사장치에 사용되고, 소정의 파장을 갖는 방사선과 소정의 개구수를 갖는 대물렌즈계와 함께 사용하도록 구성되며, 데이터를 저장하는 정보층과, 방사빔이 정보층에 도달할 때 거치는 투명층을 구비하되, 투명층의 외부 표면이 슬라이더로 주사될 때 주사 특성을 향상시키기 위한 윤활제 코팅을 가지며, 투명층의 두께가 최소한

이고, 이때, d는 투명층의 두께이며, λ는 방사선 파장이고, n_cov는 투명층의 굴절률이며, NA_NF는 대물렌즈계의 개구수인 광 기록매체가 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징부와 이점은, 다음의 첨부도면를 참조하여 단지 예시적으로 이하에 주어지는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다:

도 1은 본 발명의 실시예들에 따라 사용되는 광학주사장치의 전체적인 레이아웃을 개략적으로 나타낸 것이고,

도 2는 본 발명에 따라 사용된 검출기와 투명층을 구비한 복합 대물렌즈계의 단면도이며,

도 3a는 도 2에 도시된 대물렌즈계를 사용하여 광 디스크의 정보층으로부터의 방사선의 반사에 의해 발생된 검출계를 향해 반사된 방사선을 나타낸 것이고,

도 3b는 도 2에 도시된 대물렌즈계를 사용하여 SIL과 광 디스크 사이의 공기 갭으로부터의 방사선의 반사에 의해 발생된 검출계를 향해 반사된 방사선의 시뮬레이션이며,

도 4는 검출기와 다수의 사로 다른 두께의 공기 갭에 대한 초점 흐려짐(defocus)(A₂₀)의 함수로써의 검출신호의 의존성을 나타낸 것이고,

도 5는 비교적 큰 검출기 상의 표유 방사선의 초점 흐려짐(A₂₀)의 함수로써의 3개의 서로 다른 두께의 공기 갭에 대한 누화 값을 나타낸 것이며,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학주사장치에 장착된 복합 대물렌즈계의 개략적 측면도이다.

도 1은, 적어도 한 개의 정보층(3)을 덮는 외부 투명층(26)을 구비한, 본 발명에 따른 디스크의 형태를 갖는 광 기록매체(1)의 일 실시예의 단면을 나타낸 것이다. 다층 광 디스크의 경우에는, 2개 또는 그 이상의 정보층이 디스크 내부에 서로 다른 깊이로 투명층(26) 뒤에 배치된다. 투명층의 반대편에 위치한 정보층(3)의 면, 또는 다층 디스크의 경우에는 투명층(26)으로부터 가장 멀리 떨어진 층의 면 은, 보호층(4)에 의해 주위의 영향으로부터 보호된다. 장치에 대향하는 투명층의 면은 디스크 입사면(5)에 해당한다.

정보는, 도 1에는 도시되지 않은 거의 평행하거나, 동심원 또는 나선형의 트랙들로 배치된 광학적으로 검출가능한 복수의 마크의 형태로, 광 디스크(1)의 정보층(3) 또는 정보층들에 저장될 수 있다. 이들 마크들은, 임의의 광학적으로 판독가능한 형태, 예를 들면 그것의 주위와 다른 반사계수를 갖는 피트들 또는 영역들의 형태, 또는 광자기 형태를 가질 수 있다.

광학주사장치는, 발산하는 방사빔(7)을 방출하는 방사원(6), 예를 들면 반도체 레이저를 구비한다. 광 경로는, 시준렌즈(12)와, 후방 렌즈 부재(13) 및 전방 렌즈 부재(14)를 포함하는 복합 대물렌즈계(10)를 구비한다. 전방 렌즈 부재(14)는 평볼록 SIL이다. 시준렌즈(12)와 후방 렌즈 부재(13) 각각은 도 1에는 볼록 렌즈로 도시되어 있지만, 평볼록, 볼록-오목 또는 오목-볼록 렌즈 등의 다른 렌즈 형태로 사용될 수 있다. 이와 관련해서는, 후술하는 도 2에 도시된 배치를 참조하기 바란다.

시준렌즈(12)는 발산하는 방사빔(7)을 대체로 평행광의 빔(16)으로 변환한다. 평행광이란, 시스템의 광축에 거의 평행한 빔을 의미한다. 본 실시예에서는, 시준렌즈(12)의 위치가 고정되어 있지만, 원하는 정보층 위치 상에 빔 스폿의 초점을 유지하기 위해, 시준렌즈가 초점 서보 동작을 사용하여 축방향으로 움직일 수도 있다.

제 2 렌즈는 빔 16을 후방 렌즈 부재(13)와 전방 렌즈 부재(14) 사이에서 수렴하는 빔(17)으로 변환한다. 후방 렌즈 부재(13)는, 본 실시예에 있어서는, 원하는 정보층 상에 빔 스폿의 초점을 유지하기 위해 초점 서보 동작에 의해 축방향으로 이동가능하지만, 전방 렌즈(14)에 대해 고정될 수도 있다. SIL인 전방 렌즈 부재(14)의 효과는, 빔이 디스크의 입사면(5)에 들어갈 때, 구면수차를 도입하지 않도록 하거나 원치않는 구면수차를 줄이면서, 시스템의 개구수를 더욱더 증가시킴으로써, SIL을 사용하지 않고 달성되는 효과에 비해, 투명층(26) 내부에서의 빔의 집광을 증진시키는 것이다. 따라서, 빔은 복합 대물렌즈(10)에 의해 광 디스크(1) 내부의 정보층(3) 상의 점에 초점이 맞추어진다.

반사된 빔은, 전방 렌즈 부재(14)와 후방 렌즈 부재(13) 사이에서 크게 발산하는 빔(20)으로부터, 후방 렌즈 부재와 시준렌즈(12) 사이에서의 평행 광(21)으로, 그리고 검출계(24) 상에 입사되는 수렴하는 반사빔(22)으로, 대응하는 역의 단계로 복합 대물렌즈(10)에 의해 변환된다.

검출계(24)는 방사선을 포착하여, 그것을 전기신호들로 변환한다. 이들 신호들 중에서 한 개는 정보신호로서, 그것의 값은 광 디스크(1)의 정보층(3)으로부터 판독된 데이터를 표시한다.

대물렌즈는, 적절한 치수를 갖는 공기 베어링 슬라이더(미도시)를 사용하여, 방사선의 1 파장의 범위 안에서, 일반적으로는 1㎛ 내에서, 상부 디스크의 입사면에 근접하여 유지된다. 계면의 마찰특성을 향상시키기 위해, 윤활제(27)가 투명층(26) 위에 코팅된다. 이에 따라, 디스크의 입사면은 전방 렌즈 부재(14)에 대향하는 윤활제 코딩의 표면으로 구성된다. 윤활제는, Fomblin^TM 및 Zdol^TM으로 알려진 것 등과 같은 폴리풀루오로폴리에테르로 이루어질 수 있다. 디스크를 윤활제의 용액에 침적코팅함으로써 형성된 윤활제는 일반적으로 1 nm보다 작은 두께를 갖는 균일한 층을 구성한다. 윤활제의 도포를 향상시키기 위해, 투명층의 상단 표면은 윤활제를 도포하기 전에 다이아몬드 유사 탄소(diamond-like carbon)의 하드 코팅으로 처리될 수 있다.

도 2는 전술한 것과 같은 2-렌즈 대물렌즈계를 구비한 광학주사장치를 나타낸 것이다. 시준 렌즈 부재(12)는 볼록렌즈이고, 후방 렌즈 부재(13)는 볼록렌즈이며, 전방 렌즈 부재(14)는 구면 평볼록 SIL이다. SIL(14)과 윤활제 코팅된 투명층(26)의 위치는 함께 공기 갭(30)을 형성한다.

도 2에 도시된 방사빔(7)의 전형적인 외부 광속(8)이 대물렌즈계(10)에 입사하고, 시준렌즈 부재(12)에 입사하여, 점 A에서 광축을 향해 굴절된다. 그후, 이 광속은 제 1 렌즈 부재(13)에 입사되고, 제 1 렌즈 부재에 의해 점 B에서 광축을 향해 더 굴절된다. 이 광속은 제 2 렌즈 부재를 빠져나와, 점 C에서 SIL(14)의 입사면에 입사된다. 본 실시예에 있어서는, 광속이 SIL의 입구, 공기 갭(30) 또는 투명층(26)에서 눈에 뜨게 굴절되지는 않는다. 당업계에 공지된 것과 같이, 추가적인 초점맞춤을 제공하는 SIL의 또 다른 배치가 본 발명의 골격 내에서 적용될 수 있다는 점을 덧붙이고 싶다. 대물렌즈계에 입사되는 방사선은, 렌즈 12, 13, 14에 의해 광 디스크(1)의 정보층(3) 상의 점(19)에 초점이 맞추어진다.

렌즈 12, 13, 14는 방사된 광속을 대응하는 역의 과정으로 검출계를 향해 변환시키며, 이것의 유효 부분(31)을 사시도로 나타내었는데, 이때 방사선이 포착되 어, 광 디스크(1)의 정보층 상의 데이터에 대응하는 전기신호로 변환된다.

방사빔이 전술한 것과 같이 SIL(14)을 통과할 때, 입사하는 방사선의 일부가 공기 갭(30)에 의해 광 경로로, 따라서 검출기의 유효 부분(31)으로 되반사된다. 그러나, 투명층(26)의 적절한 두께와 검출기(31)의 크기를 선택함으로써, 공기 갭에 의해 반사된 광속의 적어도 상당한 비율, 바람직하게는 거의 모두가 검출기(31)로 입사되지 않도록, 광 디스크(1)의 정보층(3)에 의해 반사된 광속에 대해, 공기 갭(30)에 의해 반사된 광속의 초점 흐려짐을 얻을 수 있다.

공기 갭(30)과의 계면에서 SIL 내부의 방사빔(7)의 광속의 반사는 NA가 증가함에 따라 증가한다. NA>1을 갖는 광속은 전반사에 의해 계면에서 반사된다. 빔 부분 32로 불리는, 계면에서 반사된 방사빔의 부분은 도 2에 해칭된 영역으로 표시하였다. 이 빔 부분(32)은 SIL(14) 내부에서 초점 F에 집광된 후, SIL(14) 및 제 2 렌즈 부재(13)에 의해 초점 흐려짐이 발생한 다음, 제 1 렌즈 부재(12)에 의해 검출기(31) 뒤에 있는 점 G에 초점이 맞추어진다. 검출기의 평면에서, 빔 부분(32)은 (비록 전기 검출 신호에 기여하지 않는 부분인 비방사선 검출 부분 등의 검출기 부분에 부딪칠 수는 있지만) 검출기의 반경 r_d를 갖는 유효 부분(31)에는 부딪치지 않는다. 이에 따라, 검출기(31)는 정보층(3)에 의해 반사된 방사빔의 광속만을 검출하며, 공기 갭(30)에 의해 반사된 광속을 검출하지 않게 된다. 이와 같은 구성은 검출신호의 신호대 잡음비를 향상시킨다.

이와 같은 결과는 유효 검출기 반경 r_d와 투명층(26)의 두께를 적절히 구성 함으로써 달성될 수 있다. 즉, 투명층(26)의 두께는 특정한 범위에 속하도록 선택되어야 하며, 검출기 크기가 제한되어야만 한다. 이들 파라미터의 값들은, 모든 광학 기록계에 대해, NA 및 λ 등의 시스템 파라미터의 정확한 선택에 의존하는 형태로 표현될 수 있다.

투명층(26)의 최소 두께와 검출기(31)의 반경은 광속 추적(ray trace) 계산에 근거하여 다음과 같이 추정될 수 있다.

도 2에 도시된 광속을 고려해보자. 시스템이 NA_NF>1인 전체 개구수를 갖는다고 하자. 반사된 광속은 회절제한된 상으로 검출기 상에 초점이 맞추어지는데, 이것은 이와 같은 배치가 정보매체와 공기 갭으로부터 반사된 광속들 간에 최상의 선택성을 보장하기 때문이다. 신호 열화를 피하기 위해서는, 검출기 크기가 검출기(31) 상의 스폿 크기보다 실질적으로 더 커야만 한다. 검출기 상에 광속의 초점을 맞추는 렌즈가 NA_det의 개구수를 갖는 경우에, 바람직한 검출기 반경 r_d는 다음과 같이 추정될 수 있다:

공기 갭 상에서의 그것의 입사각 θ가 1<(n sinθ)<NA_AF로 정의되는 링 내부에 놓이는 디스크 상에 초점이 맞추어진 광속들은 더 높은 반사계수를 갖는 공기 갭으로부터 반사되며, 신호대 잡음비 열화면에서 보면 비교적 더욱 더 해롭다. 'n'은 각도 θ가 결정되는 물질의 굴절률이다. 빔 부분(32)의 광속이 검출기를 정확히 빗나가게 하기 위해서는, 이들 광속이 검출기 표면 뒤에 거리 Δl에 놓인 점 G에 수렴해야만 하는데, 이때,

이다.

(A)에서 치환하면,

투명층(26)이 SIL(14)의 굴절률 n_SIL과 대체로 같지 않은 굴절률 n_cov를 갖는다고 가정하면, 공기 갭(30)으로부터 반사된 가상 소스는, 다음 값 만큼 정보층(3) 상의 스폿에 대해 변위된다:

이때, d는 투명층(26)의 두께이다.

SIL의 존재는 스폿이 검출기 측에서 다음 값만큼 변위되도록 한다:

이 값을 수학식 (c)에 치환하면, 투명층(26)의 최소 두께에 대한 값은 다음 과 같이 얻어진다:

(제르니케 계수의 항으로서의) 검출기 상의 초점 흐려짐의 값 A₂₀은 다음 식으로 주어진다:

따라서, 상기한 수학식 (B)에 주어진 Δl을 치환하면:

상기한 수학식 (A)에 주어진 r_d를 치환하면:

예를 들면, NA_NF=1.4에 대해

이와 같은 근축 분석의 결과는 회절의 수치 모델링에 의해 더 확인된다. 도 3a는 광 디스크(1)의 정보층에서 반사되어 검출기에 초점에 맞추어진 빔의 광 강도 를 나타낸 것이다. 도 3b는 동일한 검출기에 초점이 맞추어진 3λ 초점 흐려짐(A₂₀)의 값을 갖는 링 1<(n sinθ)<NA_NF에 대응하는 광 강도를 나타낸 것이다. 이에 따르면, 3λ의 초점 흐려짐을 가질 때, 검출기는, 도 3a에 도시된 스폿보다 크지만 공기 갭(30)에 의해 반사된 빛의 링보다 작으며 도 3b에 링으로 나타낸 크기를 가짐으로써, 광 디스크(1)의 정보층(3)에 의해 반사된 광속만을 수집할 수 있다. 이에 따라, 공기 갭(30)에 의해 반사된 표유 광속이 검출기를 빗나간다.

전술한 링 강도 대신에, 서브파장 공기 갭으로부터 반사된 광속의 강도의 실제 분포를 사용한 더욱 상세한 분석을 행하였다. 공기 갭(30)으로부터 반사된 방사선 강도 분포를 사용하여, 검출기에 의해 수집된 방사선의 전체 강도를 공기 갭의 3가지 서로 다른 두께에 대해 계산하였다. 초점 흐려짐 A₂₀에 대한 검출기에 의해 검출된 신호의 의존성을 40, 100 및 400 nm의 공기 갭에 대해 도 4에 그래프로 나타내었다. 검출기의 크기는 상기한 수학식 (A)로 주어지며, 이때 NA_det의 값은 계산시에 0.1로서 선택되었다. A₂₀의 값이 0이면, 각각의 공기 갭에 의해 반사된 표유 광의 90 내지 95%가 검출기에 닿아, 신호대 잡음비를 감소시킨다는 것을 알 수 있다. 40 내지 400 nm의 이들 공기 갭에 의해 반사된 빛의 대략 10% 만이 검출기에 닿도록 보장하기 위해서는, 7.5λ의 초점 흐려짐 값 (A₂₀)이 필요하다. 이와 같은 더욱 상세한 분석에 근거할 때, 투명층 두께 d에 대한 기준값은 다음과 같아진다:

투명층의 최대 두께는 광학주사장치에 있어서의 SIL(14)과 광 디스크(1) 각각의 기하구조에 의해 제한된다. 최대값은 다음과 같이 추정될 수 있다.

사용시에, SIL(14)은 도 6에 참조번호 40으로 개략적으로 나타낸 공기 베어링 슬라이더 위에 놓인다. 광학주사장치가 광자기 주사장치인 일 실시예에 있어서는, 슬라이더가 자기 코일(미도시)도 구비한다. 디스크 상에 투명층(26)의 존재로 인해, 슬라이더의 출사면에서의 스폿 직경은 D가 된다. 광학주사장치의 동작 중에, 슬라이더(40)는 '피치(pitch)', 즉 광 디스크 표면에 대한 경사를 공통적으로 갖는다. 피치의 통상적인 값은 0.15 내지 0.2 mrad이다. 그 결과, 스폿의 전방 및 후방에 위치한 외연 광속(marginal beam)에 대한 공기 갭 두께가 다르므로, 근접장 결합 효율의 차이를 발생한다.

허용가능한 공기 갭 두께 차이를 15nm로 가정하면, D는 100㎛보다 작아야 한다. 시스템이 광자기(Magneto Optic: MO) 판독에 사용되고 슬라이더(40)의 저면에 박막 코일(미도시)을 갖는 경우에는, 이 표면에서의 빔 직경은 코일의 구경에 의해 제한되며, 50㎛보다 작아야만 한다. 이것은 (그것의 굴절률에 의존하는) 투명층(26)의 두께를 15-20㎛으로 제한한다.

투명층 두께와 검출기 크기의 신중한 선택에 의해, 공기 갭에 의해 반사된 방사선의 상당한 비율이 검출기(31)의 유효 부분의 외부에 닿을 수 있다는 것을 알 수 있다. 상당한 부분이란, 광학주사장치의 데이터 수집의 성능을 향상시키도록 하는 양으로 생각된다. 예를 들어, 공기 갭에 의해 반사된 방사선의 최소한 50%가 검출기의 유효 부분 외부에 닿으면, 이것은 주사장치의 데이터 검출 능력을 향상시키며, 이에 따라 신호대 잡음비를 향상시키게 된다. 바람직하게는, 투명층 두께와 검출기 크기의 값은, 공기 갭에 의해 반사된 방사선의 90%가 검출기(31)의 유효 영역의 외부에 닿도록 선택된다.

전술한 것과 같이, 이와 같은 광학주사장치의 또 다른 문제점은, 신호층과 공기 갭에 의해 반사된 빛 사이의 코히어런트 누화이다. 이와 같은 누화는 검출기 크기에 거의 무관하다는 것이 밝혀졌다. 전술한 것과 같은 반경을 갖는 검출기 상에서, 마찬가지로 40, 100 및 400nm의 3가지 공기 갭으로부터 반사된 빛의 초점 흐려짐(A₂₀)의 함수로써의 투명층으로부터의 코히어런트 누화의 값을 계산하였으며, 이 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5는 (전술한 것과 같은 방식으로 도 4에서 얻어진) 2.5λ, 3.5λ 및 7.5λ의 초점 흐려짐 값(A₂₀)에 대해, 따라서 (위에서 계산한) 각각 1.6㎛, 2.3㎛ 및 4.6㎛의 투명층(26) 두께에 대해, 코히어런트 누화가 상당히 줄어들었다는 것을 나타낸다.

공기 갭으로부터 낮은 코히어런트 누화를 갖기 위해서는, 다음 값보다 큰 투명층 두께를 갖는 것이 바람직하다:

코히어런트 누화를 더욱 더 줄이기 위해, 반사방지 코팅이 투명층 위에 도포될 수 있다.

지금까지는, 검출기 상의 스폿의 회절제한된 상 형성만을 고려하였는데, 이것은 이와 같은 구성이 최소의 검출기의 사용을 허용하여, 신호대 잡음비에 있어서 최상의 향상을 얻을 수 있도록 하기 때문이다. 일반적으로, 광학계에서는 검출기 상의 스폿이 회절제한되지 않으며, 더 큰 크기를 갖는다. 시스템은, 비점수차 서보 렌즈, 푸코(Focault) 또는 스폿 크기 초점 에러 검출 구조와 조합하여 4분면 검출기를 가질 수 있다. 따라서, 스폿의 크기와, 이에 따라 검출기의 크기는 특정한 시스템에 행해진 선택에 의해, 예를 들어, 비점수차 초점 에러 검출의 경우에는 최소착란원(the circle of least confusion)의 크기에 의해, 또는 스폿 크기 검출 구성의 경우에는 초점이 흐려진 스폿의 크기에 의해, 결정된다. 본 발명에 따르면, 공기 갭으로부터의 반사에 기인한 스폿은 검출기 크기보다 충분히 커야만 한다. 특히, 이 빛의 90%가 검출기를 빗나가게 하기 위해서는, 그것의 통상적인 치수 D_d가 다음 관계를 만족해야만 한다:

예를 들면, 현재의 광학 헤드에서 사용된 통상적인 검출기 크기 D_d=120㎛과 NA_det=0.1, NA_NF=1.4, n_cov=1.8에 대해, 투명층의 두께는 d≥8.7㎛이어야 한다.

신호대 잡음비의 열화 이외에, 이와 같은 시스템에 있어서 공기 갭으로부터의 반사는 초점오차 신호의 s-곡선의 겉보기 시프트를 일으킬 수 있다. 이것을 방지하기 위해, 본 발명의 또 다른 국면에서는, 검출기에 추가적인 세그먼트 세트를 사용하는 것이 제안된다. 다층 광 디스크와 함께 동작하도록 의도된 이와 같은 검출기의 다수의 실시예에 EP 0 777 217 A2에 기재되어 있다.

전술한 실시예에 있어서는, 이버네센트 결합을 허용할 수 있을 정도로 충분히 작은 공기 갭을 제공하기 위해 슬라이더가 사용된다. 또 다른 실시예에 있어서는, 광자기 기록가능한 디스크에 대한 자기장 변조 시스템에서 자기 코일에 대해 낮은 부상 높이를 제공하기 위해 슬라이더가 사용된다. 이 경우에, 슬라이더는 20㎛보다 낮은 높이, 바람직하게는 10㎛보다 낮은 높이에서 부유한다. 더욱 바람직하게는, 공기 갭은 1-2㎛의 범위를 갖는다. 투명층이 존재하지 않으면, 디스크의 상단 표면과 공기 갭 내부의 공기 막은 국부적으로 가열되어, 슬라이더의 부유 불안정을 일으킬지도 모른다. 윤활제가 디스크 상에 도포된 경우에는, 이 윤활제가 너무 가열되어 그것의 열화를 일으킬 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 적절한 두께를 갖는 디스크 상에 투명층을 설치함으로써, 국부적인 가열 효과가 줄어들 수 있다. 이때, 디스크의 상단 표면을 통과할 때의 빔이 그것의 최소 직경에 놓이지 않도록, 투명층은 그것의 두께가 빔의 초점깊이보다 커야만 한다. 전술한 것과 같이, 공기 베어링 슬라이더와의 계면의 마찰특성을 향상시키기 위해 윤활제 코팅이 추가될 수도 있다.

슬라이더의 실시예에 있어서, 투명층의 투께는 약 2㎛으로부터 50㎛까지 광 범위한 범위에서 선택될 수 있다. 이때, 이 층이, 판독 중에 이 층 위에서의 반사로부터 코히어런트 광학 누화를 피하기에 충분한 두께를 갖도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 원격장의 경우에, 이 두께를 7 내지 50㎛ 사이에서 선택하는 것이 바람직하다. 특정한 실시예로서, λ=405nm 및 (광 디스크 표면에서) NA=0.85에 대해, 이 값은 약 20-30㎛이고, λ=405nm 및 (광 디스크 표면에서) NA=1.4에 대해, 이 값은 약 7-15㎛이다.

광 디스크 상에 투명층을 사용하여 국부적인 가열을 감소시키는 것은 전술한 근접장의 경우에도 유용한데, 이 경우에는 투명층의 두께가 2 내지 15㎛인 바람직하다.

전술한 실시예에서 사용된 공기 베어링 슬라이더는 적어도 일부가 투명하고, 빔이 그것을 통과할 때 방사빔의 특성이 변경되며, 이때 슬라이더는 전술한 것과 같은 평볼록 렌즈를 가질 수 있다. 이와 달리, 슬라이더는 다중렌즈 대물계의 2개 또는 그 이상의 렌즈를 구비할 수 있는데, 이것은 더 높은 개구수를 얻기 위해 사용될 수 있다.

전술한 것과 같은 투명층(26)은, 예를 들면 UV 경화가능한 수지의 스핀코팅을 사용하거나, 일부의 높은 굴절률을 갖는 물질, 예를 들면 SiO₂/Si₃N₄의 스퍼터링에 의해 제조될 수 있다.

스핀코팅은 1.52 정도의 낮은 굴절률을 갖는 평활한 층을 형성한다. 이것은 개구수 NA를 1.35 내지 1.4의 최대값으로 제한하지만, 근접장의 응용에 대해서는 1.6 또는 그 이상이 바람직하다. 더구나, 스핀코팅이 사용될 때, 추가적인 하드코 팅을 사용하는 것이 바람직하다.

스핀코팅은, 높은 굴절률을 갖고, 충분한 경도를 갖는 투명층을 형성한다.

적절한 투명층을 제조하기 위해 다른 적절한 물질 또는 공정이 사용될 수 있다는 것은 자명하다.

첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서, 전술한 실시예와 관련하여 다양한 변형 및 변화가 채용될 수 있다는 것이 예상된다.

Claims

광학주사장치 내부의 주사 위치에 배치되었을 때, 데이터를 저장하는 정보층(3)에 도달하도록 방사빔을 통과시키는 투명층(26)을 포함하는 광 기록매체(1)를 주사하는데 사용되도록 구성되고, 방사빔(7)을 발생하는 방사원(6)과, 그 방사원과 상기 광 기록매체의 주사 위치 사이에 배치되어, 공기 갭(30)을 거쳐 광 기록매체와 이버네센트 결합을 제공하는 대물렌즈계(10)와, 광 기록매체에 의해 반사된 방사선을 검출하는 방사선 검출기(31)를 구비하며, 상기 검출기(31)의 위치와 치수가 투명층(26)의 두께를 갖는 광 기록매체와 함께 작동하도록 구성되어, 상기 정보층에서 반사된 모든 방사선이 상기 검출기의 유효 부분 내부에 닿는 경로를 따르는, 광학주사장치에 있어서,

상기 검출기(31)의 위치와 치수가 상기 투명층(26)의 두께를 갖는 광 기록매체와 함께 작동하도록 구성되어, 주사중에 공기 갭(30)에서 반사된 표유 방사선의 적어도 50%가 상기 검출기의 유효 부분의 외부에 닿는 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
삭제
제 1항에 있어서,

공기 갭(30)에서 반사된 표유 방사선의 적어도 90%가 검출기의 유효 부분 외부에 닿는 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 표유 방사선은 대물렌즈계(10)와 공기 갭(30) 사이의 계면에 의해 반사되며, 이때 그 계면에서의 방사빔의 개구수는 1보다 큰 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

상기 광 기록매체(1)는 기록가능한 광 기록매체인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

상기 검출기는 투명층(26)과 함께 작동하도록 구성되고, 상기 투명층의 두께 d는 적어도
이고,

이때 λ는 방사선의 파장이며, n_cov는 투명층의 굴절률이고, NA_NF는 대물렌즈계(10)의 개구수인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 7항에 있어서,

상기 검출기는 투명층(26)과 함께 작동하도록 구성되고, 상기 투명층의 두께 d는 적어도
이고,

이때 λ는 방사선의 파장이며, n_cov는 투명층의 굴절률이고, NA_NF는 대물렌즈계(10)의 개구수인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

상기 검출기는 투명층(26)과 함께 작동하도록 구성되고, 상기 투명층(26)의 두께는 적어도 1.6㎛인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

상기 검출기는 투명층(26)과 함께 작동하도록 구성되고, 상기 투명층(26)의 두께는 적어도 2.3㎛인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

상기 검출기는 투명층(26)과 함께 작동하도록 구성되고, 상기 투명층(26)의 두께는 적어도 4.6㎛인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

상기 검출기 반경 r_d는
보다 작고,

이때, λ는 방사선의 파장이며, NA_det가 검출기 상에 방사선을 포커싱하는 렌즈(12)의 개구수인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

상기 검출기는 투명층(26)과 함께 작동하도록 구성되고, 상기 투명층(26)의 두께는 20㎛보다 작은 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

대물렌즈계(10)는 고체 침적렌즈(14)를 구비한 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 14항에 있어서,

상기 고체 침적렌즈(14)는 부분적으로 구형이고, 동일한 반경 및 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 14항에 있어서,

상기 검출기는 투명층(26)과 함께 작동하도록 구성되고, 상기 투명층(26)의 굴절률은 고체 침적렌즈(14)의 굴절률과 다른 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

상기 대물렌즈계(10)의 개구수는 1보다 큰 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
삭제
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제 1항에 있어서,

상기 검출기의 유효 부분의 크기 D_d는,

이고, 여기서, d는 투명층(26)의 두께이고, NA_NF 는 대물렌즈계(10)의 개구수, n_cov는 투명층(26)의 굴절률, NA_det는 검출기 상에 방사선을 포커싱하는 렌즈의 개구수인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 15항에 있어서,

상기 검출기는 투명층(26)과 함께 작동하도록 구성되고, 상기 투명층(26)의 굴절률은 고체 침적렌즈(14)의 굴절률과 다른 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
제 1항에 있어서,

상기 장치는 광 기록매체(1)를 구비한 것을 특징으로 하는 광학주사장치.