KR100807786B1 - 광학 헤드 - Google Patents

Abstract

렌즈계는 렌즈, 격자 및 비주기적 위상 구조를 구비한다. 이 렌즈계는 비주기적 위상 구조와 격자의 구면수차의 온도 의존성에 의한 렌즈의 구면수차의 온도 의존성의 보상에 의해 무열화된다. 또한, 이 렌즈계는 비주기적 위상 구조의 구면수차의 파장 의존성에 의한 격자의 구면수차의 파장 의존성의 보상에 의해 구면색수차가 제거된다.

광학 헤드, 렌즈계, 비주기적 위상 구조, 구면수차, 무열화, 구면색수차

Description

광학 헤드{OPTICAL HEAD}

본 발명은, 광 기록매체의 정보층을 주사하는 광학 헤드에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이와 같은 광학 헤드에 사용되는 렌즈계에 관한 것이다.

광학 헤드 내부의 렌즈계는 방사원으로부터 발생된 방사원을 광 기록매체의 정보층 상의 스폿으로 집광시키는데 사용된다. 대물렌즈로서 사용되는 렌즈계 내부의 렌즈는 일반적으로 온도의 함수로써 변화하는 광학 특성을 가지며, 이것은 스폿 품질의 열화를 일으킬 수 있다. 국제특허출원 WO 01/48745(PHN 17870)에 개시된 것과 같이, 방사빔의 광경로에 비주기적 위상 구조(non-periodic phase structure: NPS)를 배치함으로써, 온도 변화에 대한 렌즈계의 감도가 줄어들 수 있는데, 즉 렌즈계는 무열화될 수 있다(athermalized). 이와 같은 NPS는 렌즈에 의해 도입된 파면수차를 보상하는 파면수차를 온도의 함수로써 방사빔 내부에 도입한다. 그러나, 파장의 변화가 방사빔 내부에 구면수차를 도입한다는 점에서, NPS는 렌즈계를 파장 변화에 더 민감하도록 만든다(구면색수차(spherochromatism)). 반도체 레이저들은 배치(batch)마다 상당히 다른 파장을 가질 수 있다. 광학 헤드에 보통 사용되는 650nm 레이저에 대해, 이와 같은 분산은 10nm 정도의 크기를 가질 수 있다. 따라서, 렌즈계를 무열화하기 위해 NPS를 사용하면, 구면색수차 문제가 발생될 수 있다.

렌즈계를 무열화하기 위한 또 다른 방법은, 온도가 변할 때 반도체 레이저의 파장이 변한다는 사실을 이용하는 것이다. 격자 등과 같이 방사빔을 집광시키는 주기적인 회절 구조는 구면색수차를 나타내어, 빔의 파장이 변할 때, 격자를 통과한 방사빔에 구면수차를 도입한다. 이와 같은 격자가 렌즈계 내부의 렌즈의 렌즈 표면들 중 한 개에 배치되면, 온도(따라서, 레이저 파장)가 변할 때, 렌즈에 의해 도입된 구면수차를 보상한다. 이와 같은 시스템의 문제점은, 배치마다 공칭 파장이 변할 때, 구면색수차의 오프셋이 도입되어, 보상이 더 이상 적합하지 않게 된다는 것이다.

결국, 본 발명의 목적은, 파장 변화에 대해 덜 민감하고, 이와 동시에 온도 변화에 대해 덜 민감한 렌즈계를 제공함에 있다.

상기한 목적은, 본 발명에 따른 렌즈계가 렌즈, 격자 및 비주기적 위상 구조를 구비하고, 비주기적 위상 구조와 격자의 구면수차의 온도 의존성에 의한 렌즈의 구면수차의 온도 의존성의 보상에 의해 무열화되며, 비주기적 위상 구조의 구면수차의 파장 의존성에 의한 격자의 구면수차의 파장 의존성의 보상에 의해 구면색수차가 제거되는(a-spherochromatized) 것을 특징으로 한다.

이와 같은 2가지 보상은 일부이거나 전부일 수 있다. 상기한 무열화는, 바람직하게는, 30K의 온도변화에 기인한 렌즈계를 통과한 방사빔의 파면의 제곱평균평방근(root-mean-square) 광경로 차이(OPD-rms)가 20mλ보다 작으며, 이때 λ는 방사빔의 파장이다. 구면색수차 제거는 바람직하게는 10nm의 파장의 변화에 기인한 OPD-rms가 재포커싱(refocusing)을 사용할 때에는 20mλ보다 작으며, 이 구면색수 차 제거는 또한 바람직하게는 3nm의 파장의 변화에 기인한 OPD-rms가 재포커싱을 사용하지 않을 때 20mλ보다 작다.

렌즈계의 바람직한 실시예는 거의 무색(achromatic)으로 만들어진다. 격자의 파워(power)는 무열화 또는 구면색수차 제거에 의해 고정되지 않은 파라미터이기 때문에, 렌즈계를 무색으로 만들기 위해 파워가 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 일면은, 광 기록매체의 정보층을 주사하고, 방사빔을 발생하는 방사원과, 정보층 상에 방사빔을 집광시키는 본 발명에 따른 렌즈계와, 정보층으로부터 발생된 방사선을 전기 검출신호로 변환하는 검출계를 구비한 광학 헤드에 관한 것이다. 무열화되고 구면색수차가 제거된 렌즈계는 광학 헤드의 온도 감도를 줄여, 헤드의 주사 정밀도를 환경적인 인자에 덜 의존하도록 하므로, 더욱 큰 신뢰성을 갖는다.

본 발명의 또 다른 일면은, 광 기록매체의 정보층을 주사하며, 본 발명에 따른 광학 헤드와, 검출신호의 오류정정용 정보 처리부를 구비한 광학 재생장치에 관한 것이다. 광학 헤드의 향상된 주사는 검출신호의 품질을 증진시키고, 기록매체로부터 판독된 정보가 교정될 수 없는 가능성을 줄인다.

본 발명의 목적, 이점 및 특징은 다음의 첨부도면에 도시된 본 발명의 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다:

도 1은 본 발명에 따른 주사장치를 나타낸 것이고,

도 2a∼도 2d는 렌즈계의 4가지 다른 실시예를 나타낸 것이며,

도 3은 승온시의 격자 및 NPS를 포함하는 대물렌즈의 파면수차를 나타낸 것이고,

도 4는 재포커싱 후의 전이된 파장에서 격자와 NPS를 포함하는 대물렌즈의 조합의 파면수차를 나타낸 것이다.

온도 효과의 보상 원리를 3개의 단계로 설명한다. 먼저, 렌즈와 격자를 포함하는 렌즈계의 무열화에 대해 고려한다. 다음에, 렌즈와 비주기적 구조를 포함하는 렌즈계의 무열화를 설명한다. 마지막으로, 렌즈, 격자 및 비주기적 위상 구조를 포함하는 본 발명에 따른 렌즈계의 무열화를 설명한다.

첫 번째 단계에서는, 렌즈계가 렌즈와 렌즈 위에 배치된 회절 격자를 구비한다. 격자는 홈이 새겨진(blazed) 형태를 가져, 격자가 거의 모든 입사 방사선을 p차 회절차수로 향하게 할 수 있다. 회절 방사선은 렌즈에 의해 포착된다. 격자는 회전 대칭으로, 다음과 같은 형태의 위상 함수 Ξ에 의해 기술된다:

이때, r은 격자의 반경방향의 좌표이고, A는 격자의 광 경로를 결정하는 계수이며, G는 격자에 의해 도입된 구면수차를 결정하는 계수이다. A의 값은 후술하는 (9) 및 (10)으로부터 알 수 있는 것과 같이, 무열화 또는 구면색수차 제거에 의해 영향을 받지 않는다. 그것의 값은 렌즈계를 무색화하는데 사용될 수 있다. 따라서, 각각의 구역 또는 격자선이 시작되는 반경방향의 위치 r_j는 다음에 의해 결정된다:

p차 차수에서의 회절에 대해, 격자의 초점 거리 F_grating은 다음 식으로 주어지는 한편,

이 차수에서 격자에 의해 발생된 구면수차의 양은 다음 식으로 주어진다:

이때, p는 회절차수이고, G는 (1)에서 정의된 계수이며, F는 전체 렌즈계의 초점 거리이고, NA는 전체 렌즈계의 해당하는 개구수이다. 본 실시예의 렌즈 설계는, 격자에 의해 도입된 구면수차가 공칭 설계 구성에서 렌즈에 의해 도입된 구면수차에 보상되도록 한다.

이하에서, 온도가 공칭 설계 구성으로부터 벗어난 경우를 고려한다. 온도가 ΔT 양 만큼 변했을 때 렌즈에 의해 도입된 구면 파면수차의 양 W_lens는 다음과 같이 주어진다:

이와 같은 파면수차는 격자 및/또는 비주기적 위상 구조의 파면수차에 의해 보상되어야만 한다. 이것은 다음과 같은 방식으로 구현될 수 있다. 온도가 증가하 면, 회절 격자가 그 위에 존재하는 렌즈가 팽창된다. 렌즈를 만들 때 사용된 물질의 선팽창 계수를 α로 주어진다고 하자. 구역 반경들 r_j는 팽창에 의해 영향을 받으므로, 다음과 같이 온도 변화 ΔT의 제 1 차수로서 표시될 수 있다:

이것은 한편으로 격자의 동작을 좌우하는 계수 A 및 G의 변화를 일으켜, 그 결과 다음과 같이 된다:

결국, (4) 및 (8)으로부터, 온도가 변할 때 회절 격자가 다음 식으로 주어지는 추가적인 양의 구면 파면수차

를 도입하게 된다:

그러나, 파장이 변할 때, 격자는 다음 식으로 주어지는 양의 구면 파면수차

를 도입한다:

이때, γ는 다음과 같이 정의된다:

그 결과, 회절 격자만을 사용하여 무열화할 때, 시스템이 구면색수차에 영향을 받게 되는데, 즉 파장이 변할 때 구면수차의 양이 변하게 된다.

두 번째 단계에서는, 렌즈계가 렌즈와 비주기적 위상 구조(NPS)를 구비한다. NPS는 방사빔의 광경로에 배치되어, 국제특허출원 WO 01/48745에 개시된 것과 같이 렌즈계를 무열화하는데 사용된다. NPS는 반경의 함수로써 변화하는 두께를 갖는 유전물질의 층을 구비하여, 다수의 동심 링을 이룬다. j번째 링은, 설계 온도에서 m_j2π의 위상 변화를 일으키는 높이 h_j를 가지며, 이때 m_j는 정수이다. 높이들 h_j 는 각각 m_jh와 같으며, m_j는 정수이고, h는 다음과 같다:

이때, λ는 파장이고, n(T₀)는 파장 λ 및 설계 온도 T₀에서의 링의 물질의 굴절률이다. 온도가 ΔT의 양만큼 변할 때, j번째 링은 modulo 2π로서 다음과 같은 위상 단차 ΔΦ_j를 발생한다:

이때, α는 유전 물질의 선팽창 계수이고, n은 굴절률이다. 열팽창도 환형 링의 폭을 증가시키지만, 폭이 넓은 구역을 갖는 NPS 구조가 고려되므로 이와 같은 영향은 무시할 수 있다. NPS는, 온도가 ΔT 만큼 변할 때 다음 식으로 주어지는 구면수차의 양

을 도입하도록 설계된다:

한편, 파장이 Δλ 양만큼 변할 때, 상기한 구조는 modulo 2π로서 다음과 같은 위상 단차를 발생한다:

(13), (14) 및 (16)으로부터, 위에서 정의된 NPS는 파장이 변할 때 다음 식으로 주어지는 양의 구면색수차

를 도입하게 된다:

이때 κ는 다음 식으로 주어진다:

회절 격자에 대해서와 마찬가지로, NPS 만을 사용하여 무열화할 때, 시스템은 구면색수차에 영향을 받게 된다. 따라서, 파장이 변할 때 구면수차가 발생한다.

무열화와 구면색수차의 저감을 위해서는, 회절 격자와 NPS 모두가 필요하다. 따라서, 제 3 단계에서는, 렌즈계가 렌즈, 회절 격자 및 비주기적 위상 구조를 구비한다.

ΔT의 온도 변화에 기인한 구면수차의 양 W_T와 렌즈계의 파장 변화 Δλ에 기인한 구면수차의 양 W_λ는 다음과 같이 주어진다:

이때, 렌즈에 의해 도입된 구면색수차는 NPS 및 격자의 구면색수차에 비해 작기 때문에 무시된다. NPS와 격자가 다음과 같은 방식으로 설계될 때,

전체 시스템은 무열화되고(따라서, 온도가 변할 때 구면수차가 도입되지 않는다) 구면색수차가 제거되게 된다.

회절 구조의 파워가 상기한 식에 의해 아직 고정되지 않기 때문에, 렌즈계가 무색으로 만들어질 수도 있다. 렌즈와 격자가 다름 식을 만족할 때 렌즈계가 무색이 된다:

이때, K₀와 K₁은 각각 렌즈 및 격자의 파워이고, V₀와 V₁은 각각 렌즈와 격자의 아베수(Abbe number)이다. 광학부재의 파워는 1/f이고 f는 이 부재의 초점 거리이다. 격자 등의 회절부재의 파워는 파장이 증가하면 증가하는 반면에, 렌즈 등의 굴절부재의 파워는 파장이 증가하면 감소한다. 격자의 아베수 V₁은 -3.452이고, 일반적인 유리로 제조된 렌즈의 아베수 V₀는 20 내지 95의 범위에 놓이며, 플라스틱 렌즈의 아베수 V₀는 35 내지 65의 범위에 놓인다. V₁의 크기가 항상 V₀의 크기보다 작기 때문에, 상기한 식 (23)을 만족하기 위해서는 K₁이 K₀보다 작아야만 한다. 따라서, 격자는 비교적 낮은 파워를 가져야만 하며, 이것은 그것의 제조 가능성을 향상시킨다.

격자와 비주기적 구조는 이들 부재들의 일체화를 용이하게 하기 위해 동일한 물질로 제조될 수 있다. 이들 부재에 대해 플라스틱 COC가 사용될 때, 다음과 같은 수치가 얻어진다. COC는 λ=650nm에 대해 굴절률 n=1.5309를 갖고, 선팽창 계수 α=60x10^-6/K와 dn/dT=10x10^-5/K를 갖는다. 이것을 (11) 및 (18)에 대입하면, κ/λ=-1.87이 얻어지므로,

이 된다.

그 결과, 이와 같은 물질에 대해 회절 격자는 온도가 변할 때 렌즈에 의해 도입된 구면수차의 65%를 보상해야 하며, NPS는 나머지 35%를 보상해야만 한다. 이때, 이것은 일차적으로 얻어진 근사로 Δλ 및 ΔT의 임의의 값에 대해 성립된다는 점에 주목하기 바란다. (24) 및 (25) 식에서 동일한 크기의 계수 -0.65 및 -0.35는 렌즈계의 제조 가능성을 향상시킨다.

상기한 격자 및 비주기적 구조는 유리 및 플라스틱 등과 같은 서로 다른 물 질로 제조될 수도 있는데, 이것은 (24) 및 (25) 식에 다른 계수를 제공한다. 마찬가지로, 렌즈는 유리 또는 플라스틱으로 제조될 수도 있다. 렌즈계의 바람직한 실시예에 있어서는, 렌즈, 격자 및 비주기적 구조가 동일한 물질, 예를 들면 COC로 제조되며, 바람직하게는 한 개의 광학부재 내부에 일체화된다.

본 발명은 광 기록매체(2)를 주사하는 본 발명에 따른 장치(1)를 나타낸 것이다. 기록매체는 투명층(3)을 구비하며, 이 투명층의 일면에는 정보층(4)이 배치된다. 투명층의 반대측에 놓인 정보층의 면은 보호층(5)에 의해 환경적인 영향으로부터 보호된다. 장치에 대향하는 투명층의 면은 입사면(6)으로 불린다. 투명층(3)은 정보층에 대한 기계적 지지를 제공함으로써 기록매체에 대한 기판으로의 역할을 한다. 이와 달리, 투명층은 정보층을 보호하는 유일한 기능을 갖는 한편, 기계적 지지가 정보층의 다른 면에 있는 층, 예를 들면 보호층(5)에 의해 또는 정보층(4)에 연결된 또 다른 정보층과 투명층에 의해 주어질 수도 있다. 정보는, 도면에는 도시되지 않은 거의 평행한, 동심의 또는 나선형으로 배치된 광학적으로 검출가능한 복수의 마크의 형태로 기록매체의 정보층(4)에 저장될 수 있다. 이들 마크는, 임의의 광학적으로 판독가능한 형태, 예를 들면, 그것의 주변부와 다른 반사계수 또는 자화 방향을 갖는 복수의 피트, 또는 영역의 형태, 또는 이들 형태의 조합의 형태를 가질 수 있다.

주사장치(1)는 방사빔(12)을 방출하는 방사원(11)을 구비한다. 방사원은 반도체 레이저일 수 있다. 빔 스플리터(13)는 발산하는 방사빔(12)을 시준렌즈(14)와 대물계(18)를 포함하는 렌즈계를 향해 반사시킨다. 시준렌즈(14)는 발산하는 빔(12)을 평행 빔(15)으로 변환시킨다. 평행 빔(15)은 대물계(18)에 입사된다. 대물계는, 바람직하게는 격자, NPS와 1개 이상의 렌즈 및/또는 거울을 구비한다. 대물계(18)는 광축(19)을 갖는다. 대물계(18)는 빔(15)을 기록매체(2)의 입사면(60에 입사되는 수렴 빔(20)으로 변화시킨다. 대물계는, 투명층(3)의 두께를 통해 방사빔을 통과시키도록 구성된 구면수차 교정값을 갖는다. 수렴 빔(20)은 정보층(4)에 스폿(21)을 형성한다. 정보층(4)에 의해 반사된 방사선은 발산 빔(22)을 형성하며, 이것은 대물계(18)에 의해 거의 평행 빔(23)으로 변화된 후, 시준렌즈(14)에 의해 수렴 빔(24)으로 변환된다. 빔 스플리터(13)는, 수렴 빔(24)의 저어도 일부를 검출계(25)를 향해 투과시킴으로써, 전방 빔과 반사 빔을 분리한다. 검출계(26)는 방사선을 포착하고, 그것을 전기 출력신호(26)로 변환한다. 신호처리기(27)는 이들 출력신호를 다양한 다른 신호로 변환한다. 이들 신호들 중에서 한 개는 정보신호(28)로서, 그것의 값은 정보층(4)에서 판독된 정보를 표시한다. 정보신호는 오류정정용 정보처리부(29)에 의해 처리된다. 신호처리기(27)로부터의 다른 신호들은 초점 오차신호와 래디얼 오차신호(30)이다. 초점 오차신호는 스폿(21)과 정보층(4) 사이의 축방향 높이차를 나타낸다. 래디얼 오차신호는 스폿(21)과 스폿에 의해 뒤따르게 되는 정보층 내부의 트랙의 중심 사이에 있는 정보층(4)의 평면에서의 거리를 표시한다. 이들 초점 오차신호와 래디얼 오차신호는 서보회로(31)에 공급되고, 이 서보회로는 이들 신호를 초점 액추에이터와 래디얼 액추에이터를 각각 제어하는 서보 제어신호(32)로 변환한다. 이들 액추에이터들은 도면에 도시하지 않았다. 초점 액추에이터는, 초점 방향(33)으로 대물계(18)의 위치를 제어하여, 스폿(21)의 실제 위치가 정보층(4)의 평면과 거의 일치하도록 스폿의 위치를 제어한다. 래디얼 액추에이터는 반경 방향(34)으로 대물렌즈(18)의 위치를 제어하여, 스폿(21)의 반경방향의 위치가 정보층(4) 내부에 뒤따르게 되는 트랙의 중심선과 거의 일치하도록 스폿의 위치를 제어한다. 도면에서 트랙은 도면의 평면에 수직한 방향으로 위치한다.

도 1에 도시된 장치는 상기한 기록매체(2)보다 더 두꺼운 투명층을 갖는 제 2 형태의 기록매체를 주사하도록 구성될 수도 있다. 이 장치는 제 2 형태의 기록매체를 주사하기 위해 상기한 방사빔(12) 또는 이와 다른 파장을 갖는 방사빔을 사용할 수 있다. 이 방사빔의 NA는 기록매체의 형태에 맞추어 변형될 수 있다. 대물계의 구면수차 보상은 이에 따라 변형되어야만 한다.

도 1에 도시된 대물계(18)는 660nm의 파장에서 동작하기 위해 0.65의 NA를 갖는 단일 렌즈로 이루어진다. 렌즈는 COC(Topas)로 제조된다. 이 COC의 굴절률은 n=1.5309이고, 선팽창 계수 α는 60x10^-6/K인 한편, 온도의 함수로써의 굴절률의 변화 β, 즉 β=dn/dT는 -10x10^-5/K이다. 대물렌즈의 입사동 직경은 3.3mm이다.

도 2는 대물렌즈의 4가지 다른 실시예를 나타낸 것이다. 도 2a는 격자와 NPS가 없는 대물렌즈(39)를 갖는 실시예 1을 나타낸 것이다. 도 2b는 대물렌즈(39')와 격자(45)를 갖는 실시예 2를 나타낸 것이다. 도 2c는 대물렌즈(39")와 NPS(50)를 갖는 실시예 3을 나타낸 것이다. 도 2d는 대물렌즈(39"'), 격자(45') 및 NPS(50')를 갖는 실시예 4를 나타낸 것이다. 실시예 2, 3 및 4는 도 1을 설명하기 전의 부분에서 설명한 3가지 경우에 해당한다. 실시예 4는 본 발명에 따른 실시예에 해당 한다. 대물렌즈(39∼39"')의 광축 상의 두께는 2.194mm이다. 각각의 대물렌즈는 방사원을 대향하는 표면(40, 40', 40", 40"')과 기록매체에 대향하는 표면(41, 41', 41", 41"')을 갖고, 모든 표면들은 비구면이다. 표면의 회전 대칭 형태는 다음 식으로 기술될 수 있다:

이때, z는 밀리미터 단위를 갖는 광축의 방향으로의 표면의 위치이고, r은 밀리미터 단위를 갖는 광축까지의 거리이며, B_k는 r의 k 승의 계수이다. 방사원에 대향하는 대물렌즈의 표면에 대한 B2 내지 B12의 값을 표 1에 모든 4가지 실시예에 대해 표로 나타내었다. 기록매체에 대향하는 대물렌즈의 표면(41, 41', 41", 41"')은 각각 계수 -0.1114228, 0.02852619, -0.0046668186, -0.0036752428, 0.0063619582, -0.007503492, 0.0046641069 및 -0.0010757204로 주어지는 동일한 형태를 갖는다. 대물렌즈와 기록매체의 입사면(6) 사이의 거리는 자유작업 거리(free-working distance) FWD로 정의되며, 표 1에 나타내었다. 기록매체의 투명층(3)은 0.6mm의 두께를 갖고, 굴절률 n=1.5796과, 67x10^-6/K의 선팽창 계수 α를 갖는 폴리카보네이트로 제조되는 한편, 온도의 함수로써의 굴절률의 변화 β, 즉 β=dn/dT는 -11x10^-5/K이다. 20℃의 설계 온도 T₀에서, 렌즈는 기록매체(2)의 투명층(3)에 대해 정확한 구면수차 보상을 갖는다. 대물렌즈의 온도가 T₀에서 벗어날 때, 렌즈의 형태와 굴절률 값의 변화는 온도 변화에 비례하여 방사빔 내부에 도입되는 추가적인 구면수차 를 일으킨다. 이와 같은 수차는 투명층(3)에 의해 도입된 구면수차의 보상을 위해서는 필요하지 않으므로, 이 수차는 초점 스폿(21)의 품질을 열화시킨다.

렌즈계의 실시예 2 및 4는 회절 격자 45 및 45'을 각각 구비한다. 이 격자는 방사원에 대향하는 렌즈의 표면 상에 존재한다. 격자를 정의하는 계수 A 및 G(수식 (1) 참조)를 표 1에 나타내었다. 이 격자는 거의 모든 빛이 p=-1 차수로 회절되는 홈이 새겨진 형태를 갖는다.

렌즈계의 실시예 3 및 4는 각각 NPS 50 및 50'을 포함한다. 비주기적 위상 구조는 광축(19) 주위로 회전 대칭을 이룬다. NPS는 방사원에 대향하는 대물렌즈의 표면에 존재하고, 렌즈와 동일한 물질, 본 실시예에 있어서는 COC로 제조된다. 위 상 구조는 중앙 영역(51)과 4개의 동심을 이루는 환형 영역(52, 53, 54, 55)을 갖는다. 환형 영역들 52, 53 및 54는 중앙 영역(51)의 높이보다 큰 높이 h₁, h₂ 및 h ₃를 갖는 링이다. 도면에 있어서 이들 영역의 높이는 두께와 표면(40")의 반경 크기에 비해 과장 도시되어 있다. 판(50)은 링들과 동일한 물질로 제조될 수도 있다. 이들 높이들 h_j는 각각 m_jh와 동일하며, 이때 m_j는 정수이고 h_j는 식 (12)에 의해 주어진다. NPS가 COC로 제조된 이와 같은 특정한 실시예에 있어서는, 높이 h는 1.2432㎛이다. 환형 영역들 각각이 설계 온도에서 방사빔 내부에 m_j2π의 상 변화를 도입하므로, 이 위상 구조는 방사빔의 파면을 변화시키지 않는다. 온도가 변할 때, 단차가 형성된 위상 구조가 형태를 변화시킨다. 따라서, 링들의 높이는 (선팽창 계수 α에 비례하여) 변하게 된다. 단차들이 폭이 넓도록 선택되었기 때문에, 환형 영역들의 폭의 변화는 무시할 수 있는 효과를 갖는다. 이 구조의 물질의 굴절률도 (β=dn/dT에 비례하여) 변한다. 그 결과, 환형 영역들을 통한 광 경로들의 길이는 위상 구조의 온도에 의존한다. 이와 같은 효과에 의해 도입된 위상 변화는 다음과 같다(참조: 수식 (13)):

4개의 환영 영역들 51, 52, 53, 54 및 55의 반경방향의 크기는 각각 0.0∼0.48mm, 0.48∼0.85mm, 0.85∼1.47mm, 1.47∼1.60mm, 1.60∼1.65mm이다. 표 1에는 가지 렌즈 구성에 대한 값 m_j를 나타내었다.

구성	Δλ=3nm (재포커싱 없음)	ΔT=30℃	Δλ=10nm (재포커싱)
렌즈	36.5mλ	23.2mλ	4.8mλ
렌즈+격자	8.2mλ	22.8mλ	8.9mλ
렌즈+NPS	36.6mλ	18.6mλ	13.5mλ
렌즈+격자+NPS	13.2mλ	13.3mλ	11.4mλ

표 2는 3가지 서로 다른 설정에 대해 렌즈에 의해 도입된 파면수차의 광경로 차이의 제곱평균평방근 값을 나타내고 있다. 첫 번째 설정은, 대물렌즈계의 재포커싱이 없이 파장이 Δλ=3nm만큼 변한 경우로서, 수차는 렌즈계의 색수차에 대한 측정값이다. 두 번째 설정은 온도가 ΔT=30℃만큼 변한 경우로서, 수차는 온도 변화에 대한 렌즈계의 감도의 측정값이다. 마지막 설정은 대물렌즈계가 재포커싱되는 동안 파장이 10nm만큼 변한 경우로서, 수차의 렌즈계의 구면색수차에 대한 측정값이다. 이때, 표 1의 4가지 렌즈 구성을 설계하는데 있어서, 렌즈계를 최적화하기 위해 상기한 3가지 설정을 메리트 함수(merit function)로 고려하였다는 점에 주목하기 바란다.

표 2에서, 격자와 NPS가 없는 렌즈는 색수차를 갖고 온도 변화에 민감한 한편, 거의 구면색수차를 갖지 않는다. 격자를 포함하는 렌즈계는 무색성을 갖도록 용이하게 제조될 수 있는 한편, 상당한 양의 구면색수차를 도입하지 않고는 온도 의존성을 거의 줄일 수 없다. NPS를 포함하는 렌즈계는 색수차가 존재한다. 온도 의존성을 어느 정도 줄일 수 있기는 하지만, 구면색수차가 감소되도록 유지하기 위해서는 이와 같은 감소량이 제한된다. 마지막으로, 격자와 NPS를 포함하는 렌즈계 는 본 발명에 따란 실시예로서, 렌즈계는 거의 무색성이고, 무열화되며 구면색수차가 제거된다.

도 3은 온도가 ΔT=30℃ 만큼 증가된 경우에 대해 격자와 NPS를 포함하는 렌즈계에 대한 광경로 차이를 나타낸 것이다. 도 3a에서는, 광경로 차이에 대한 NPS의 기여를 판정하기 위해 NPS의 기여를 제거한 반면에, 도 3b에서는 이와 같은 기여를 고려하였다.

도 4는 파장이 10nm 만큼 변한 경우에 대해 격자와 NPS를 포함하는 렌즈계에 대한 광경로 차이를 나타낸 것이다. 다시, 도 4a에서는, 광경로 차이에 대한 NPS의 기여를 판정하기 위해 NPS의 기여를 제거한 반면에, 도 4b에서는 이와 같은 기여를 고려하였다. 이들 도면은, 격자와 NPS의 조합이 렌즈의 온도 변화에 기인한 구면수차의 감소를 허용하는 동시에, 구면색수차가 낮게 유지된다는 것을 나타내고 있다.

Claims (4)

1. 렌즈, 격자 및 비주기적 위상 구조를 구비하는 렌즈계로서, 비주기적 위상 구조와 격자의 구면수차의 온도 의존성에 의한 렌즈의 구면수차의 온도 의존성의 보상에 의해 무열화되며,

   비주기적 위상 구조의 구면수차의 파장 의존성에 의한 격자의 구면수차의 파장 의존성의 보상에 의해 구면색수차가 제거된 것을 특징으로 하는 렌즈계.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 렌즈계는 실질적으로 무색으로 만들어진 것을 특징으로 하는 렌즈계.
3. 광 기록매체의 정보층을 주사하는 광학 헤드로서, 방사빔을 발생하는 방사원과, 정보층 상에 방사빔을 집광시키는 청구항 1 기재의 렌즈계와, 정보층으로부터 발생된 방사선을 전기 검출신호로 변환하는 검출계를 구비한 것을 특징으로 하는 광학 헤드.
4. 광 기록매체의 정보층을 주사하는 광학 재생장치로서, 청구항 3 기재의 광학 헤드와, 검출신호의 오류정정용 정보 처리부를 구비한 것을 특징으로 하는 광학 재생장치.

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