KR100834864B1 - 광학주사장치 - Google Patents

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KR100834864B1 KR1020027009034A KR20027009034A KR100834864B1 KR 100834864 B1 KR100834864 B1 KR 100834864B1 KR 1020027009034 A KR1020027009034 A KR 1020027009034A KR 20027009034 A KR20027009034 A KR 20027009034A KR 100834864 B1 KR100834864 B1 KR 100834864B1
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헨드릭스베르나르두스에이치.더블유.
발스예로엔
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 다음과 같은 특징을 갖는 주사장치를 제공한다: 이 시스템은, 기록 동작중의 급격한 파장 변화에 기인한 색수차가 교정되기 때문에, 제 1 포맷의 기록매체에 데이터를 기록할 수 있다. 이 시스템은 대체로 톱니 형태의 패턴을 갖는 회절부재를 구비하여, 예를 들면 단일 공정의 복제공정으로 제조될 수 있다. 이 시스템은 제 1 광 기록매체(예를 들면, DVD)를 주사하는데 높은 효율을 가지며, 제 2 광 기록매체(예를 들면, CD)를 주사하는데 만족스러운 효율을 갖는다. 렌즈는 줄어든 구면색수차를 제공하므로, 이 시스템이 파장 변동에 대처할 수 있다.
광학주사장치, 기록매체, 회절부재, 구면색수차, 회절 차수

Description

광학주사장치{OPTICAL SCANNING DEVICE}
본 발명은 광학 대물렌즈를 구비한 광학주사장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 동일한 대물렌즈계를 이용하여, 서로 다른 파장의 레이저 방사선을 각각 사용하여 콤팩트 디스크(CD)들과 디지털 다기능 디스크(DVD)들 등의 2가지 서로 다른 형태의 광 기록매체를 기록 및 판독할 수 있는 광학주사장치에 관한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광학주사장치가 서로 다른 포맷의 광 기록매체를 기록 및 재생할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. CD는, 특히 CD-A(CD-audio), CD-ROM(CD-read only memory) 및 CD-R(CD-recordable)로서 존재한다. CD는 약 780nm와 0.45의 개구수(numerical aperture: NA)의 파장을 사용하여 주사되도록 설계되며, DVD는 660nm의 범위에 있는 파장에서 주사되도록 설계된다. DVD를 판독하기 위해서는 0.6의 NA가 일반적으로 사용되는 한편, DVD에 기록하기 위해서는 0.65의 NA가 일반적으로 필요하다.
DVD들과 CD 들은 그들의 투명 기판의 두께가 달라, 서로 다른 정보층 깊이를 제공한다. DVD에 대한 정보층 깊이는 약 0.6mm인 반면에, CD에 대한 깊이는 약 1.2mm이다. 따라서, DVD에 대해 최적화된 대물렌즈를 갖는 광학주사장치로 CD를 주사하면, 정보층에서 다량의 구면수차가 발생된다. CD-ROM을 판독하기 위해 개구수(NA)를 약 0.45에서 0.38로 감소시켜, 구면수차가 CD-ROM 상에 저장된 정보 의 적절한 재구성을 위한 한계에 들어가도록 함으로써, CD-ROM 및 DVD 모두를 판독하기 위해 단일 대물렌즈계와 660nm 파장의 레이저빔을 사용할 때 이와 같은 효과를 보상할 수 있다. CD-R은 780nm의 파장에서 특정하게 기록 및 판독되도록 설계되어 있기 때문에, 추가적으로 CD-R을 광학주사장치에 의해 판독하려면, 이 파장의 레이저빔이 가해져야만 한다. CD-R에 대해서는 유기 염료가 기록막으로 사용되는데, 이 기록막의 반사 특성은 파장에 따라 현저하게 변한다. CD-R 상에 저장된 정보를 재구성하기 위해 660nm의 반사된 방사선에 대해 충분한 변조를 얻는 것은 곤란하다. CD를 판독하기 위해 DVD에 대해 사용된 것과 동일한 대물렌즈를 사용하여 780nm의 레이저빔과 0.45의 NA를 이용하면 큰 구면수차가 발생한다. 따라서, 단일 광학대물계로 660nm와 780nm의 레이저 방사선을 사용하여 CD-R, CD-ROM 및 DVD를 판독 및/또는 기록할 수 있는 광 저장장치를 얻기 위해서는, 어떻게 해서든 구면수차를 보상해야만 한다.
동일한 대물렌즈로 서로 다른 파장의 레이저 방사선을 사용하여 DVD 및 CD를 판독할 수 있는 시스템은 당업계에 공지되어 있다. WO 99/57720에는 이와 같은 시스템이 개시되어 있는데, 이 시스템은 2개의 굴절 비구면 또는 한 개의 비구면을 갖고 회절부재를 포함하는 한 개의 굴절 구면을 갖는 몰딩된 플라스틱 렌즈를 사용한다. 이 렌즈는 색수차 뿐만 아니라, 2개의 디스크 포맷에 대한 두께 차에 기인한 구면수차를 보상할 수 있다. 그러나, 플라스틱을 사용하는 주된 문제점은, 그것이 온도에 크게 민감하며, 분산이 크다는 것, 또는 이와 동등하게, 아베수(Abbe number)가 작다는 것이다. 온도의 함수로써의 플라스틱에 대한 굴절률 변화는 유리 에 대한 것보다 약 10배 정도 크다. 분산이 크다는 것은 파장 변화에 대한 감도가 크다는 것을 의미한다. 광학저장장치에서는, 파장 변화를 일으키는 다음과 같은 다수의 원인이 존재한다: 대량 생산된 레이저에 대한 레이저 파장의 확산(Δλ≒±0.5 내지 ±10nm), 레이저의 대역폭(Δλ≒2nm) 및 출력 파워에 대한 파장 의존성(Δλ/dP≒0.2nm/mW).
특히, 마지막 사항은, 불가능한 경우가 아니라면, 재기록가능한 시스템에 굴절 플라스틱 렌즈의 사용을 매우 어렵게 한다. 기록 동작중에, 레이저는 수 마이크로초에 저출력으로부터 고출력으로 전환되어, 파장 변화 및 분산으로 인해 초점 흐려짐을 발생한다. 초점 액추에이터의 기계적인 대역폭이 너무 낮아 이와 같은 초점 흐려짐을 보상할 수 없으며, 그 결과, 데이터가 적절히 기록되지 않는다. 이와 같은 문제를 피하기 위해, 높은 아베수를 갖는 유리가 보통 선택되는데, 이것은 일반적으로 값이 비싸다.
복제공정으로 제조되는 통상적인 유리 렌즈에 대해서는, 렌즈 액추에이터가 일반적으로 그것이 도입하는 고정된 초점 흐려짐을 보상할 수 있기 때문에, 레이저 파장의 확산은 문제가 되지 않는다. 한편, 회절 또는 하이브리드 렌즈에서는, 이와 같은 확산이 초점 흐려짐을 일으킬 뿐만 아니라, 구면색수차를 일으켜 렌즈의 성능을 줄이므로, 문제가 될 수 있다.
또한, WO 99/57720에는 대물렌즈의 개구수로 인해 DVD 포맷의 광 기록매체에 데이터를 기록할 수 있는 시스템이 개시되어 있지 않은데, 디스크당 4.7Gbyte를 구현하기 위해 충분한 밀도에서 데이터를 적절히 기록하기 위해서는, NA가 일반적으 로 0.60으로부터 0.65로 증가되어야만 한다. 개구수의 증가는, DVD에 데이터를 판독 및 기록할 수 있으며 CD를 주사할 수 있으며, 구면수차와, 급격한 파장 변화 및 구면색수차에 기인한 초점 흐려짐이 교정된 시스템용의 대물렌즈의 설계를 훨씬 더 어렵게 만든다. 플라스틱 물질로 제조된 고 NA 렌즈는 작은 곡률반경들과 1개보다 많은 비구면을 사용해서만 구현될 수 있는데, 이것은 렌즈를 본질적으로 제조하기 더 어렵고 더 비용이 많이 들게 한다.
US 5349471에서는, 광학 데이터 저장 시스템에 사용되는 회절/굴절 하이브리드 렌즈가 개시되어 있는데, 이 렌즈는 고분산 유리로 제조되며, 이에 따라 낮은 아베수를 갖는다. 결과적으로 얻어진 증가된 종방향의 색수차는 회절 렌즈부재에 의해 보상된다. 이 종래의 대물렌즈는, 예를 들면 20nm 파장 범위에 걸친 파장 변동과 10nm에 이르는 레이저 다이오드의 대역폭을 교정할 수 있다. 그러나, 이 렌즈는 서로 다른 두께를 갖는 광 기록매체로부터 데이터를 판독 및/또는 기록하는 것이 불가능하다.
US 5838496에는, 회절 다초점 대물렌즈가 개시되어 있다. 제 1 초점은 더 낮은 회절 차수를 갖는 방사선에 의해 형성되는 반면에, 더 높은 회절차수를 갖는 방사선은 제 1 초점보다 렌즈에 더 가까운 광축 상의 제 2 초점에 수렴한다. 더구나, 렌즈는 색수차를 교정하므로, 서로 다른 두께의 투명 기판을 갖는 광 디스크로부터 데이터를 기록 및 판독할 수 있다. 그러나, 광학주사장치에서 동일한 대물렌즈를 사용하여 DVD, CD-A, CD-R 및 CD-ROM 상의 데이터를 주사할 수 있는 것이 요구되기 때문에, 이 시스템은 2가지 서로 다른 파장의 방사선에 사용하도록 설계되어 있지 않다.
EP 936604에는, 2가지 서로 다른 파장의 레이저 방사선으로 DVD, CD-R 및 CD-ROM 포맷의 디스크를 판독 및 기록하는데 적합한 광 픽업 장치가 개시되어 있다. 이를 위해, 대물렌즈 이외에, 그것의 중앙 영역에 제 1 회절부재를 갖고 그것의 외주 영역에 이와 다른 회절 구조를 지닌 제 2 회절부재를 갖는 광학부재가 사용된다. 단차가 형성된 격자 외형은 회절부재로서 선택된다. 이 광학부재의 중앙 영역은 어떠한 변화도 일으키지 않고 제 1 파장의 레이저 방사선의 투과를 허용하며, 제 2 파장의 레이저 방사선의 직경을 증가시킨다. 외주 영역은 마찬가지로 어떠한 변화도 일으키지 않고 제 1 파장의 레이저 방사선의 투과를 허용하는 동시에, 제 2 파장의 방사선이 스폿 형성에 기여하지 못하도록 한다. 이에 따라, 재 2 파장의 방사선에 사용하기 위한 NA가 원하는 값으로 줄어든다.
전술한 시스템의 문제점은, 보통 포토리소그래피 공정으로 제조되는 단차가 형성된 격자 외형이 선택되었다는 것이다. 복제공정으로 작은 치수를 갖는 단차가 형성된 격자 외형을 만드는 것은 곤란하다. 전술한 시스템의 또 다른 문제점은, 추가적인 광학부재가 서로 다른 회절 특성을 갖는 2가지 영역을 구비한다는 것으로, 이것은 이러한 장치의 제조를 더욱 복잡하게 만든다.
결국, 본 발명의 목적은, 광 기록매체를 주사하는 개량된 광학주사장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일면에 따르면, 제 1 파장 λ1 및 제 2 파장 λ2의 방사선에 의해 제 1 정보층 깊이를 갖는 제 1 포맷 및 제 2 정보층 깊이를 갖는 제 2 포맷의 제 1 및 제 2 광 기록매체를 주사하는 광학주사장치가 제공되는데, 이때, 바람직하게는 620nm<λ1<700nm이고 740nm<λ2<820nm이며, 상기한 장치는 상기 제 1 포맷의 광 기록매체를 판독 및 기록가능하고, 적어도 한 개의 굴절부재와 적어도 한 개의 회절부재(11)를 갖고 상기 제 1 파장 λ1에 대해 NA>0.6인 개구수 NA를 갖는 대물렌즈(10)를 구비하며, 상기 회절부재는 톱니 형상의 부재의 패턴을 포함하며, 대물렌즈의 회절 및 굴절 특성은, 상기 제 1 파장의 방사선이 투과되어 상기 제 1 두께의 광 기록매체 상에 초점이 맞추어지고, 상기 제 2 파장의 방사선이 투과되어 상기 제 2 두께의 광 기록매체 상에 초점이 맞추어지며, △λ=5nm의 파장 λ1의 변화가 0.03λ1보다 작은 구면색수차를 발생하도록 선택된다.
이에 따르면, 제 1 및 제 2 파장으로 각각 제 1 및 제 2 광 기록매체의 데이터를 주사할 수 있는 광학주사장치가 얻어진다. 대물렌즈는 파장 λ1의 평행 빔을 NA>0.60인 수렴 빔으로 변화시키도록 설계되며, 이것은 시스템이 고밀도로 데이터를 기록할 수 있도록 확보한다.
본 발명은 다음의 특징을 갖는 주사장치를 제공할 수 있다:
상기한 시스템은, 기록 동작중의 급격한 파장 변화에 기인한 색수차가 교정되기 때문에, 제 1 포맷의 광 기록매체에 데이터를 기록할 수 있다.
이 시스템은 대체로 톱니 형상의 패턴을 갖는 회절부재를 구비하여, 예를 들면 단일 공정의 복제공정으로 제조될 수 있다.
이 시스템은 제 1 광 기록매체(예를 들면, DVD)를 주사하는데 높은 효율을 가지며, 제 2 광 기록매체(예를 들면, CD)를 주사하는데 만족스러운 효율을 갖는다.
상기한 렌즈는 줄어든 구면색수차를 제공하므로, 이 시스템이 파장 변동에 대처할 수 있다.
바람직하게는, Δλ=2nm인 파장 λ1의 변화로 인한 초점 흐려짐 양이 0.03λ1보다 작도록, 회절 및 굴절 특성이 더 선택된다.
이것은, 급격한 파장 변화에 기인한 초점 흐려짐이 초점 액추에이터에 의해 보상될 수 없기 때문에, 기록과정 중에 레이저의 출력을 전환하는 것에 기인한 이러한 급격한 파장 변화에 의한 초점 흐려짐 양이 줄어들도록 보장한다.
바람직하게는, 톱니 형상의 패턴 부재는 적어도 10㎛의 폭을 갖는다.
이와 같은 구성은 단일 공정의 복제공정으로 용이한 제조가능성을 보장한다. 격자 구조는 유한한 크기를 갖는 선반세공(turning) 도구를 사용하여 몰드 내부에 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 제 1 및 제 2 파장 λ1 및 λ2의 방사선에 의해 각각 제 1 및 제 2 포맷의 광 기록매체를 주사하는 광학주사장치가 제공되는데, 이 장치는 적어도 한 개의 굴절부재와 한 개의 회절부재를 갖는 광학 대물렌즈를 구비하고, 파장 λ1 및 λ2의 회절 차수 m1 및 m2가 상기 제 1 및 제 2 포맷의 광 기록매체를 주사하는데 각각 사용되도록 굴절 및 회절 특성이 선택되며, (m1, m2)는 다음의 조합 (m1, m2) = (-2, -2), (-3, -2), (-3, -3) 또는 (-4, -3)중 하나이다.
삭제
이에 따르면, 제 1 및 제 2 파장 λ1 및 λ2의 방사선에 의해 제 1 및 제 2 두께의 광 기록매체를 기록 및 판독할 수 있는 매우 적합한 장치가 얻어질 수 있는 한편, (-1, -1)의 종래기술의 해결책이 배제된다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 다음의 첨부도면을 참조하여 더욱 더 상세히 설명한다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 기록매체용 주사장치의 구성요소를 개략적으로 예시한 것이고,
도 2a는 제 1 파장과 제 1 개구수를 갖는 레이저 방사선으로 제 1 두께의 광 기록매체를 주사하고, 제 2 파장과 제 2 개구수를 갖는 레이저 방사선으로 제 2 포맷의 기록매체를 주사할 수 있는 주사장치에 사용되는 단일 대물렌즈의 개략도이며,
도 2b는 링 형태의 회절 구조를 나타낸 대물렌즈의 정면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1은 광 기록매체(1)를 주사하는 후술하는 실시예에 따른 장치에 공통적인 구성요소를 개략적으로 나타낸 것이다. 이 기록매체는 본 실시예에 있어서는 예를 들어 이하에서 설명하는 것과 같이 광 디스크에 해당한다.
광 디스크(1)는 투명층(2)을 구비하고, 이것의 일면에는 적어도 한 개의 정보층(3)이 배치된다. 투명층의 반대측에 놓인 정보층의 면은 보호층(4)에 의해 환경적인 영향으로부터 보호된다. 장치에 대향하는 투명층의 면은 디스크 입사면(5)이다. 투명층(2)은 정보층 또는 정보층들에 대한 기계적 지지를 제공함으로써 광 디스크에 대한 기판으로서의 역할을 한다. 이와 달리, 투명층(2)은 정보층(3)을 보호하는 유일한 기능만을 갖는 반면에, 기계적 지지는 정보층의 다른 면에 있는 층, 예를 들면, 보호층(4) 또는 최상의 정보층에 연결된 또 다른 정보층과 투명층에 의해 제공될 수도 있다.
정보는, 도 1에 미도시된 거의 평행한 동심 또는 나선형 트랙들로 배치된 광학적으로 검출가능한 복수의 마크의 형태로 광 디스크의 정보층(3) 또는 정보층들에 저장될 수 있다. 이들 마크는, 임의의 광학적으로 판독가능한 형태, 예를 들면, 그들의 주변부와 다른 반사계수 또는 자화방향을 갖는 피트 또는 영역들의 형태, 또는 이들 형태의 조합의 형태를 가질 수 있다.
주사장치는, 렌즈계를 향해 발산하는 방사빔(7)으로 제 1 및 제 2 파장의 방사선을 방출하는, 조정가능한 반도체 레이저 또는 2개의 분리된 반도체 레이저를 구비한 방사원(6)을 포함한다. 렌즈계는 광축(13)을 따라 배치된 시준렌즈(9)와 대물렌즈(10)를 구비한다. 시준렌즈(3)는 방사원(6)에서 방출된 발산 빔(7)을 거의 평행 빔(15)으로 변환한다. 대물렌즈(10)는 도면에 패턴(11)으로 표시되고 이하에서 더욱 상세히 설명하는 회절부재를 구비한다. 대물렌즈(10)는 입사된 평행광으로 변환된 방사빔(15)을 정보층(3) 상의 스폿(18)이 되는 선택된 NA를 갖는 수렴 빔(14)으로 변환한다. 데이터 신호와, 대물렌즈(10)의 축방향 위치를 기계적으로 지정하는데 사용되는 초점 오차신호를 검출하기 위해, 검출계(16), 제 2 시준렌즈(19)와 빔 스플리터(8)가 설치된다.
도 1 및 도 2a에 도시된 회절 격자(11)는 방사원에 대향하는 대물렌즈(10) 측에 배치된다. 그러나, 이것은 이와 달리 렌즈(10)의 다른 측에 배치될 수도 있다.
도 2a는 전술한 주사장치에 사용되는 대물렌즈(10)를 개략적으로 예시한 도면이다. 주사장치는, 제 1 개구수 NA1에서 제 1 파장 λ1의 레이저 방사선(21)으로 제 1 두께의 투명 기판을 갖는 광 기록매체를 주사할 수 있다. 더구나, 이 장치는, 동일한 광학 대물렌즈(10)를 사용하여, 제 2 개구수 NA2에서 제 2 파장 λ2의 레이저 방사선(23)으로 제 2 두께의 투명층을 갖는 기록매체를 주사할 수 있다. DVD 포맷의 디스크들은, 예를 들면 620 내지 700nm, 바람직하게는 λ1=660nm의 제 1 파장 λ1의 레이저 방사선으로 주사될 수 있다. 약 0.6의 개구수가 DVD를 판독하는데 사용되며, 0.6보다 큰 값, 바람직하게는 약 0.65의 NA가 DVD에 기록하는데 사용된다. CD 포맷의 기록매체들은, 0.5보다 작은 값, 바람직하게는 0.45의 개구수를 갖는 예를 들면 740 내지 820nm, 바람직하게는 λ2=780nm의 제 2 파장 λ2의 레이저 방사선으로 주사된다. 대물렌즈(10)는, DVD 및 CD 매체 각각의 두께 31 및 33의 차이에 기인한 구면수차를 교정한다. 이 렌즈는 마찬가지로 이하에서 더욱 상세히 설명하 는 것과 같이 구면색수차와 색수차를 교정한다.
본 발명의 본 실시예에서는, 단일 대물렌즈를 사용한 (파장 λ1 및 λ2의 방사선에 의한) 서로 다른 포맷의 디스크 상에의 판독 및 기록은, 무한공역 모드(infinite-conjugate mode)에서 하이브리드 렌즈, 즉 회절 및 반사부재들을 결합한 렌즈를 사용하여 달성된다. 제조하기가 용이한 강건하고도 경제적인 해결책은, 다이아몬드 선반세공을 사용하여 몰드 내부에 회절 구조를 포함시킴으로써 달성될 수 있다. 이에 따르면, 렌즈가 단일 공정의 복제공정으로 제조될 수 있다. 다이아몬드 선반세공 장치의 선단부 치수는 일반적으로 약 5㎛이다. 따라서, 10㎛보다 작은 구조는 제조하기가 곤란하며, 10 또는 바람직하게는 20㎛보다 큰 패턴 부재들을 갖는 대물렌즈를 설계하는 것이 유리하다. 바람직한 실시예에 있어서는, 저가의 고분산 유리가 사용된다.
도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회절 구조를 예시한 대물렌즈(10)의 개략적 정면도이다. 이때, 원형 격자 구조에는 렌즈의 중심을 향해 폭을 점차 증가시키면서 복수의 동축으로 링 형태를 갖는 패턴 부재들의 패턴이 사용되는 것을 알 수 있다.
단일 대물렌즈를 사용하여 파장 λ1 및 λ2의 방사선으로 데이터를 주사하는 것은, 예를 들면, 선택된 제 1 회절 차수의 방사선 λ1과 선택된 제 2 회절 차수의 방사선 λ2가 스폿 형성을 위해 사용되도록 대물렌즈의 회절부재를 설계함으로써 달성될 수 있다.
단차가 형성된 격자 구조를 채용함으로써, 특정한 파장의 방사선이 이상적으로 회절을 겪지 않고 회절부재를 투과할 수 있으므로, 이 파장으로 완전히 투과된 0차 회절차수가 데이터를 주사하는데 사용될 수 있다. 그러나, 이와 같은 단차가 형성된 격자 외형의 구조는 톱니 형상의 격자 외형에 비해 훨씬 작다. 예를 들면 단일 공정의 복제공정으로 이와 같은 단차가 형성된 격자 구조를 제조하는 것은, 다이아몬드 선반세공 도구의 유한한 선단부 치수로 인해 이 구조가 둥그렇게 되는 것으로 인해 투과 효율의 손실을 초래할 수 있다. 따라서, 후술하는 실시예에 대해서는 톱니형 홈이 새겨진(blazed) 격자 구조가 선택되었다. 이와 같은 경우에는, 파장 λ1 및 λ2의 방사선으로 주사하기 위해 더 높은 회절 차수 m1 및 m2(m1, m2>0)가 사용된다. 이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 설계에 대해 설명한다.
홈 높이 h를 갖는 홈이 새겨진 회절부재에 대해, 파장 λ를 사용할 때 차수 m에서의 회절 효율은 다음과 같다:
Figure 112002022255293-pct00001
이때, sinc(x)는 sinc(x)=sin(x)/x로 정의되며, n은 렌즈 물질의 굴절률이다. 효율 eff는 회절과정으로 인한 방사선의 강도의 투과 효율로 정의된다. 광학주사장치는 제 1 포맷의 광 기록매체 상에 데이터를 판독 및 기록할 수 있어야만 하므로, 파장 λ1의 방사선에 대해 매우 높은 회절효율이 요구된다. 제 2 포맷의 기록매체 상의 데이터를 판독할 수 있기 위해서는, 파장 λ2의 방사선에 대해 적절히 높 은 효율을 얻는 것으로 충분하다. 따라서, 차수 m1 및 파장 λ1에서 회절 효율 eff>95%를 필요로 하며, 차수 m2 및 파장 λ2에서 eff>35%를 필요로 한다. 따라서, 상기 수식 (1)과 함께, 다음과 같은 관계를 알 수 있다:
Figure 112002022255293-pct00002
n(λ1)≒n(λ2)이기 때문에, 수식 (2)는 다음과 같이 근사될 수 있다:
Figure 112002022255293-pct00003
회절부재의 분산은 굴절부재의 분산에 비해 훨씬 크며, 반대 부호를 갖는다. 따라서, 무색 하이브리드 렌즈는 굴절부재와 회절부재를 결합하여 설계될 수 있다. K0를 회절렌즈의 배율(power)이라 하고, K1을 굴절렌즈의 배율이라 하자. 한 개의 회절렌즈와 한 개의 굴절렌즈를 갖는 무색 하이브리드 렌즈에 대해서는, 다음 관계를 만족한다:
Figure 112002022255293-pct00004
이때, Vi는 아베수이다. 굴절 및 회절 분산에 대해 반대 부호의 결과로써, 격자 외형은 λ1 방사선에 대해 사용된 전체 개구수에 걸쳐 확장되어야 하며, 더 작은 λ2 개구수로 제한되어서는 안된다. 종래의 렌즈에서는, 혹시나 있을 수 있는 파장 변화의 범위가 렌즈 액추에이터에 의해 기계적으로 교정될 수 있는 양의 초점 흐려짐 을 도입한다. 그러나, 하이브리드 렌즈에서는, 전체 분산이 훨씬 더 크다. λ2 개구수의 중앙 영역으로 제한된 굴절부재를 갖는 렌즈는, 이 중앙 영역과 외주 영역에서 서로 다른 양의 초점 흐려짐을 겪는다. λ1의 방사선으로 데이터를 주사하기 위해, 중앙 영역과 외주 영역 모두가 사용되며, 스폿 열화를 방지하기 위해, 굴절부재가 전체 λ1 개구수에 걸쳐 확장된다.
무한 공역식으로 양 파장 λ1 및 λ2에 대해 렌즈의 동작을 가능하게 하기 위해서는, 디스크 두께차에 기인한 구면수차가 파장 λ1 및 λ2와 회절 차수 m1 및 m2의 사용에 기인한 회절부재에 의해 도입된 구면수차에 의해 보상된다.
회전대칭의 회절부재는 다음 형태의 위상 함수에 의해 기술될 수 있다:
Figure 112002022255293-pct00005
이때, r은 반경 좌표이고, A 및 G는 색수차와 구면수차에 각각 관련된 회절 파워 계수이다. 따라서, 각각의 구역이 시작되는 위치 ri는 다음 식으로 주어진다:
Figure 112002022255293-pct00006
(약한 파워를 갖는) 회절부재에 의해 발생된 구면수차에 기여하는 주요 항은 다음 식으로 주어진다:
Figure 112002022255293-pct00007
이때, F는 초점거리이고 NA는 하이브리드 렌즈의 개구수이다. 따라서, λ1, m1 및 λ2, m2에서 사용될 때 구면수차의 차이는 다음 식으로 주어진다:
Figure 112002022255293-pct00008
제 1 및 제 2 포맷의 디스크들 사이의 디스크 두께 차 Δd에 기인하여 발생된 구면수차는 다음과 같다:
Figure 112002022255293-pct00009
이때, np는 디스크의 굴절률이다. 이와 같은 수차를 보상하기 위해, δW+ΔW≒0를 목표로 하며, 따라서, 수식 (8) 및 (9)를 이용하면,
Figure 112002022255293-pct00010
파장 변화에 대한 시스템의 감도도 제한되는 것이 바람직하다. 전술한 것과 같이, 대량 생산된 레이저에 대한 제조 허용오차로 인한 파장의 확산은 약 5 내지 10nm이다. 하이브리드 렌즈에 대해, 이것은 렌즈의 배율의 변화에 의한 초점 흐려짐을 일으킬 뿐만 아니라, 구면색수차도 일으킨다. 회절차수 m1의 방사선에 대해 파장 변화 Δλ에 의한 구면색수차에 의해 도입된 광경로 차이(optical path difference: OPD)의 제곱평균평방근은 다음과 같이 주어진다:
Figure 112002022255293-pct00011
파장 λ1을 사용하여 데이터를 주사하기 위해서는 OPD<0.03λ의 제한된 구면 색수차가 필요하다. λ2를 사용하여 주사하기 위한 개구수 NA는 λ1을 사용하여 주사하기 위한 것보다 실질적으로 작기 때문에, 파장 λ2에 대한 구면색수차가 덜 엄격하다. 수식 (10) 및 (11)을 사용하면 다음을 얻을 수 있다:
Figure 112002022255293-pct00012
따라서,
Figure 112002022255293-pct00013
λ1=660nm, λ2=780nm, Δλ=5nm, Δd=0.6mm, np=1.58 및 NA=0.65에 대해, 최종적으로 다음 관계가 얻어진다(｜m1｜>0에 대해):
Figure 112002022255293-pct00014
이것을 수식 (3)의 효율 요구량과 조합하면, (｜m1｜>0에 대해) 다음이 얻어진다:
Figure 112002022255293-pct00015
양의 구역 간격(ri>0)을 갖기 위해서는, 계수 A가 양의 값을 가져야만 한다. 더구나, 회절부재의 배율 Ko는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112002022255293-pct00016
렌즈 설계를 무색으로 만들기 위해서는, K0가 양의 값이어야만 한다. 따라 서, n은 음의 값이어야 한다. 따라서, 조건 (15)를 만족하는 회절 차수의 유일한 조합은.
Figure 112002022255293-pct00017
최종적으로, 다음 관계가 성립하면,
Figure 112002022255293-pct00018
A/G<0이다. A/G>0일 때에 비해 A/G<0일 때 구역 간격이 더 크다. 더 큰 구역 간격이 바람직한데, 이것은 이 경우가 부재의 제조를 더욱 효율적으로 하기 때문이다.
이때, 광학 대물렌즈는 상업적으로 입수가능한 ZEMAXTM 등의 렌즈 설계 소프트웨어의 도움으로 설계됨으로써, 파장 λ1 및 λ2에서 주사하는데 사용된 회절 차수 m1 및 m2가 수식 (17)에 주어진 해결책에 따라 선택된다. 파장 λ1 및 λ2, 초점 거리 F, 렌즈의 치수 등과 같은 파라미터 세트가 지정되며, 급격한 파장 변화, 구면수차와 구면색수차에 의해 결과적으로 얻어진 초점 흐려짐의 양을 최소화하기 위해 유도된 메리트 함수(merit function)를 사용하는 프로그램에 의해 최적화된다.
이하에서는, 수식 (17)에 주어진 (m1, m2)의 5가지 결과 각각에 대해 한 개씩, 렌즈 설계에 대한 5가지 다른 예를 설명한다.
이하에서 설명되는 5가지 실시예에서는, DVD 및 CD 포맷의 디스크를 주사하기 위해 파장 λ1=660nm 및 λ2=780nm의 방사선이 각각 사용된다. DVD 및 CD의 디스 크들은 폴리카보네이트로 제조되며, λ1에서 1.5796과 λ2에서 1.5733의 굴절률을 갖는다. 이들 실시예의 광학 시스템은, 각각 NA=0.65 및 0.45의 수렴 빔에서 파장 λ1 및 λ2를 갖는 방사빔의 평행 빔을 변화시킨다. 모든 5가지 실시예에서 대물렌즈는 한 개의 비구면과 한 개의 평탄면을 갖는다. 비구면은 볼록면을 갖는 유리 렌즈 몸체 위에 박막 아크릴층을 도포하여 실현된다. λ1 배치에서의 자유 작업 거리 fwd1을 이들 5가지 실시예에 대해 표 2에 나타내었다. 렌즈는 광축 상에서 2.53nm의 두께를 갖고, 3.58nm의 입사동 직경을 갖는다. 렌즈 몸체는 λ1에 대해 n=1.7757의 굴절률과 26의 아베수를 갖는 SFL56 쇼트 유리(schott glass)로 제조된다. 시준렌즈를 향하는 렌즈 몸체의 볼록면은 2.43mm의 반경을 갖는다. 아크릴층은 λ1에 대해 n=1.5640의 굴절률과 30의 아베수를 갖는다. 광축 상에서 이 층의 두께는 19㎛이다. 회전 대칭 비구면 형상은 다음 식으로 기술될 수 있다:
Figure 112002022255293-pct00019
이때, z는 광축의 방향으로의 표면의 위치를 밀리미터 단위로 나타낸 것이고, r은 밀리미터 단위를 갖는 광축까지의 거리이며, Bk는 r의 k 승의 계수이다. 전술한 5가지 실시예에 대한 계수 B2 내지 B16의 값을 표 1에 나타내었다.
회절 구조에 의해 도입된 위상 φ(r)은 다음 식으로 주어진다:
Figure 112002022255293-pct00020
이때, m은 회절 차수이고, r은 밀리미터 단위를 갖는 광축까지의 거리이며, 계수 A, G 및 H는 전술한 5가지 실시예에 대해 표 2에 나타내었다.
회절부재에 의해 도입된 위상 함수는 다음과 같이 근사될 수 있다:
Figure 112002022255293-pct00021
본 발명의 이들 실시예에 있어서, 계수 A 및 G는 다음 조건을 만족한다:
10/(F·mm)<｜A｜<1000/(F·mm) 및
Figure 112002022255293-pct00022
이때, F는 초점거리이다.
더욱 바람직하게는, 계수 A 및 G는 다음 범위에 속한다:
50/(F·mm)<｜A｜<500/(F·mm) 및
Figure 112002022255293-pct00023
파장 λ2의 방사선에 대해, 입사동 직경 epd2와 자유 작업거리 fwd2를 5가지 다른 예에 대해 표 2에 나타내었다. 렌즈 몸체에 대한 굴절률은 λ2에 대해서는 n=1.7658이며, 아크릴층에 대한 굴절률은 λ2에 대해 n=1.5588이다.
[표 1]
굴절 표면을 표시하는 계수들
Figure 112002022255293-pct00024

[표 2]
입사동 직경에서의 회절 표면, 자유 작업거리를 표시하는 계수들
Figure 112002022255293-pct00025

표 3은 5가지 실시예 각각에 대한 결과 특성을 나타내고 있다.
[표 3]
수식 (17)에 주어진 결과 집합의 예에 대한 특성들
Figure 112002022255293-pct00026
첫 번째 열은 각각 제 1 및 제 2 파장에 대해 사용된 회절 차수 m1 및 m2를 나타낸다. 두 번째 열에서, 초점 흐려짐의 양은 Δλ=2nm의 파장 변화에 대해 주어진 것이다. Δλ=2nm의 매우 급격한 파장 변화는 기록과정 중에 레이저의 파워의 변화로부터 발생될 수 있다. 결과적으로 얻어진 초점 흐려짐의 양은 5가지 모든 실시예에 대해 0.03λ1보다 작다. 이것은, 렌즈 초점 액추에이터 자체가 변화가 너무 빠르기 때문에 결과적으로 얻어진 초점 흐려짐을 보상할 수 없으므로, λ1의 방사선을 사용하여 적절히 기록되도록 보장한다. 세 번째 열은, 예를 들면 레이저의 제조 허용오차에 의해 발생된 Δλ=5nm의 파장 변화에 기인한 구면색수차의 양을 나타낸다. 결과적으로 얻어진 값들은 모두 0.03λ1 미만이다. 네 번째 및 여섯 번째 열에 는, 2가지 파장 λ1 및 λ2의 방사선에 대한 회절 계수가 주어져 있다. 다섯 번째 열은 파장 λ2에서 주사하기 위한 디스크 두께 차에 기인한 고차 수차의 양을 나타낸다. 마찬가지로, 결과적으로 얻어진 값은 0.03λ2 미만인데, 이것은 파장 λ2의 방사선을 사용한 기록매체의 적절한 주사를 보장한다. 일곱 번째 및 여덟 번째 열에는, 대물렌즈 구역들의 총수와 최소의 구역의 구역 간격이 주어져 있다.
전술한 실시예에 있어서는, DVD 및 CD 포맷의 기록매체를 주사하기 위한 주사장치가 설명되었지만, 이 주사장치는 이와 달리 주사하고자 하는 임의의 다른 형태의 광 기록매체에 대해서도 사용될 수 있다는 것은 자명하다. 전술한 실시예에 있어서는, 660nm 및 780nm의 레이저 방사선이 사용되었지만, 광 기록매체를 주사하는데 적합한 임의의 다른 파장의 조합의 사용될 수도 있다는 것은 자명하다.

Claims (11)

  1. 제 1 파장 λ1 및 제 2 파장 λ2의 방사선에 의해 각각 제 1 정보층 깊이를 갖는 제 1 포맷 및 제 2 정보층 깊이를 갖는 제 2 포맷의 제 1 및 제 2 광 기록매체를 주사하는 광학 주사장치로서,
    상기 광학 주사장치는, 상기 제 1 포맷의 광 기록매체를 판독 및 기록가능하고,
    적어도 한 개의 굴절부재와 적어도 한 개의 회절부재(11)를 갖고 상기 제 1 파장 λ1에 대해 NA>0.6인 개구수 NA를 갖는 대물렌즈(10)를 구비하며,
    상기 회절부재는 톱니 형상 부재의 패턴을 포함하고,
    상기 대물렌즈의 회절 및 굴절 특성이,
    상기 제 1 파장의 방사선이 투과되어 제 1 두께의 광 기록매체 상에 초점이 맞추어지고,
    상기 제 2 파장의 방사선이 투과되어 제 2 두께의 광 기록매체 상에 초점이 맞추어지며,
    Δλ=5nm인 파장 λ1의 변화가 0.03λ1보다 작은 구면 색수차를 발생하도록 선택된 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    620nm<λ1<700nm 및 740nm<λ2<820nm인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 및 굴절 특성은, Δλ=2nm인 파장 λ1의 변화로 인한 초점 흐려짐 양이 0.03λ1보다 작도록 더 선택된 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 톱니 형상의 패턴 부재는 적어도 10㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광 기록매체의 정보층 깊이의 차이 Δd는 0.5 내지 0.7mm이고, Δd에 기인한 구면수차가 상기 제 1 및 제 2 포맷의 광 기록매체를 주사하기 위해 파장 λ1 및 λ2와 회절 차수 m1 및 m2를 각각 사용하는 것에 의해 기인한 회절부재의 구면수차에 의해 보상되도록 상기 회절 및 굴절 특성이 더 선택됨으로써, 파장 λ2를 사용한 상기 제 2 포맷의 광 기록매체의 주사에 대하여 0.03λ2보다 양호한 보상 정밀도가 얻어지는 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 및 굴절 특성은, 각각 적어도 95% 및 35%의 파장 λ1 및 λ2의 방사선으로 상기 제 1 및 제 2 포맷의 광 기록매체를 주사하는 회절 효율이 얻어지도록 더 선택되는 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 파장λ1 및 제 2 파장λ2의 방사선에 대한 다음의 회절 차수 m1 및 m2는, (m1, m2)=(-1, -1), (-2, -2), (-3, -2), (-3, -3) 또는 (-4, -3) 중 하나가, 각각 상기 제 1 및 제 2 포맷의 광 기록매체를 주사하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 톱니 형상의 패턴 부재는, 적어도 50㎛의 폭을 갖고, 각각 파장 λ1 및 λ2의 방사선으로 상기 제 1 및 제 2 포맷의 광 기록매체를 각각 주사하는 회절 차수 m1 및 m2의 다음의 조합 (m1, m2) = (-3, -2) 및 (-4, -3)중 하나가 사용되도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 대물렌즈는 고분산 유리 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 대물렌즈는 상기 제 1 및 제 2 포맷의 광 기록매체를 주사하기 위해 무한공역 모드에서 사용되는 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  11. 제 1 및 제 2 파장 λ1 및 λ2의 방사선에 의해 각각 제 1 및 제 2 포맷의 광 기록매체를 주사하고, 적어도 한 개의 굴절부재와 한 개의 회절부재를 갖는 광학 대물렌즈를 구비하는 광학 주사장치로서,
    굴절 및 회절 특성은 파장 λ1 및 λ2의 회절 차수 m1 및 m2가 상기 제 1 및 제 2 포맷의 광 기록매체를 주사하는데 각각 사용되도록 선택되고,
    (m1, m2)는, 다음의 조합 (m1, m2) = (-2, -2), (-3, -2), (-3, -3) 또는 (-4, -3)중 하나인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
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