KR100848862B1 - 광학 주사장치 - Google Patents

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KR100848862B1
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헨드릭스베르나르두스에이치.더블유.
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

제 1 및 제 2 파장의 방사선에 의해 광 기록매체를 주사하되, 계단형 프로파일을 갖는 패턴소자의 패턴을 포함한 회절부(11)를 구비한 대물렌즈(10)를 갖고, 상기 제 1 파장의 방사선이 거의 회절없이 상기 회절부를 통해 투과되고 상기 대물렌즈가 상기 제 1 파장의 제 1 포커싱 특성을 갖도록, 상기 패턴소자의 계단의 전체 계단 높이는, 하기식에 의해 높이 h1의 거의 배수이고,
Figure 112002013600781-pct00014
여기서 λ1은 상기 제 1 파장이고, n은 상기 회절부를 제조하는 재료의 굴절률이고, n0는 인접매체의 굴절률이고, 상기 계단은, 제 2 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 회절되고 상기 대물렌즈가 선택된 회절 차수의 상기 제 2 파장의 방사선에 대해 상기 제 1 포커싱 특성과는 다른 제 2 포커싱 특성을 갖도록 구성되는 광학 주사장치에 있어서, 상기 패턴소자의 인접한 계단 사이의 상대적 계단 높이는, 거의 aλ1인 광 경로를 갖는 상대적 계단 높이를 갖되, 이때의 a는 정수이고, a>1, λ1이 상기 제 1 파장이어서, 상기 선택 회절 차수의 제 2 파장의 방사선을 위한 투과 효율이 개선된 것을 특징으로 하는 광학 주사장치를 제공한다.
Figure R1020027005735
광학주사장치, 회절부, 계단 프로파일, 선택 회절 차수, 투과 효율

Description

광학 주사장치{OPTICAL SCANNING DEVICE}
본 발명은, 광학 대물렌즈를 구비한 광학 주사장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 단일 광학 대물렌즈계를 사용하여 서로 다른 파장을 갖는 레이저 방사선에 의해 각각 콤팩트 디스크(CD)와 디지털 다기능 디스크(DVD) 등의 두 개의 다른 형태의 광 기록매체로부터 데이터를 기록 및 판독할 수 있는 광학 주사장치에 관한 것이지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
광학 주사장치는 서로 다른 포맷의 광 기록매체를 기록 및 재생할 수 있는 것이 바람직하다. CD는 그 중에서도 특히, CD-A(CD-audio), CD-ROM(CD-read only memory) 및 CD-R(CD-recordable)이 이용 가능하다. CD는, 약 780nm의 파장과 0.45의 개구수(NA)로 주사하도록 설계되고, DVD는 660nm 영역의 파장에서 주사하도록 설계된다. DVD를 판독하려면 일반적으로 0.6의 개구수가 사용되는 반면에, DVD를 기록하려면 0.65의 개구수가 일반적으로 요구된다.
DVD와 CD는, 투명 지지체의 두께가 달라, 서로 다른 정보층 깊이를 갖는다. DVD의 정보층 깊이는 약 0.6mm인 반면에, CD의 깊이는 약 1.2mm이다. 그래서, CD가 DVD용으로 최적화된 대물렌즈를 갖는 광학 주사장치에 의해 판독되는 경우, 대량의 구면수차가 정보층에서 생긴다. CD-ROM을 판독하기 위한 개구수(NA)를 약 0.45에서 0.38로 감소시켜서 CD-ROM과 DVD를 판독하는 단일 대물렌즈계와 660nm 파장의 레이 저빔을 사용하면 상기 구면수차가 CD-ROM에 저장된 정보의 적절한 재구성을 위한 한계치 내에 있을 경우 이 효과를 보상하는 것이 가능하다. 그러나, 아울러, 광학 주사장치에 의해 CD-R을 주사하는 경우, 상기 CD-R이 특히 그 파장에서 기록 및 판독하도록 설계되어 있기 때문에, 780nm 레이저빔이 가해져야 한다. CD-R의 경우, 유기적인 염료는 기록막으로서 사용되고, 이것의 반사 특성은 파장에 의해 상당히 변화한다. 660nm의 반사된 방사선을 위해 충분한 변조를 이루어 CD-R에 저장된 정보를 재구성하는데 어려움이 있다. DVD에서 사용된 것처럼 동일한 대물렌즈에 의해 CD를 판독하기 위해 780nm 레이저빔과 0.45의 NA를 사용하면 큰 구면수차가 생긴다. 따라서, 상기 구면수차를 소정의 방법으로 보상하여 단일 광학 대물렌즈에 의해 660nm과 780nm의 레이저 방사선을 사용하여 CD-R, CD-ROM 및 DVD를 판독 및/또는 기록할 수 있는 광학 저장장치를 달성해야 한다.
종래기술의 WO 99/57720에 공지된 동일 대물렌즈에 의해 서로 다른 파장의 레이저 방사선을 사용하여 DVD와 CD를 판독할 수 있는 시스템은, 2개의 굴절용 비구면 표면 또는 회절소자를 구비한 하나의 비구면 표면과 하나의 굴절용 구면 표면을 갖는 금형 플라스틱 렌즈를 사용한 시스템을 개시한 것이다. 상기 렌즈는, 2개의 디스크 포맷과 색수차에 대한 두께의 차이에 의해 생긴 구면수차를 교정할 수 있다.
또한, EP-A-936604호에는, 두 개의 서로 다른 파장의 레이저 방사선에 의해 DVD, CD-R 및 CD-ROM 포맷의 디스크를 판독 및 기록하는데 적합한 광 픽업장치가 개시되어 있다. 이를 위해, 그 중심영역에 제 1 회절격자패턴과 그 주변영역에 제 2 회절격자패턴을 갖는 광학소자가 대물렌즈와 아울러 사용되었다. 그 광학소자의 중심영역에서는, 어떠한 변화도 없이 제 1 파장의 레이저빔이 투과하지만 제 2 파장의 레이저 방사선의 지름이 증가하고, 격자가 계단(step)으로 된 프로파일을 사용하여 이를 달성한다. 또한, 상기 주변영역에서는, 어떠한 변화도 없이 제 1 파장의 레이저 방사선이 투과함과 동시에 스폿 형성으로 인한 상기 제 2 파장의 방사선이 차단된다. 이러한 구성으로, 제 2 파장의 방사선용의 NA는 원하는 값으로 감소된다. 상기 소자의 중심부는, 0번째 회절 차수의 제 1 파장 방사선을 위해 적어도 90%의 회절 효율과 첫 번째 회절 차수의 제 2 파장 방사선을 위해 적어도 70%의 회절 효율을 갖는다. 도시된 일례에서는, 4 계단의 격자 프로파일을 사용하고, 그 격자 프로파일에서의 각 계단 높이는 동일값 h1만큼의 높이로 증가한다.
본 발명의 목적은, 제 1 및 제 2 파장을 각각 사용하여 서로 다른 광 기록매체를 주사하기 위한 개선된 광학 주사장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 국면에 의하면, 제 1 및 제 2 파장의 방사선에 의해 광 기록매체를 주사하되, 계단형 프로파일을 갖는 패턴소자의 패턴을 구비한 회절부를 포함하는 광학 주사장치로서, 상기 제 1 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 비회절되고, 상기 광학 주사장치가 상기 제 1 파장에 대한 제 1 포커싱 특성을 갖도록, 패턴소자의 계단에 관계하는 전체 광 경로가 상기 제 1 파장의 배수이고, 제 2 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 회절되고, 본 장치가 선택 회절 차수의 상기 제 2 파장의 방사선을 위한 상기 제 1 포커싱 특성과 다른 제 2 포커싱 특성을 갖도록, 상기 계단이 구성되며, 상기 패턴소자의 인접한 계단 사이의 계단 높이는, aλ1인 광 경로를 갖는 계단 높이를 갖되, 이때의 a는 정수이고, a>1, λ1이 상기 제 1 파장이므로, 상기 선택 회절 차수의 제 2 파장의 방사선을 위한 투과 효율이 개선되는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치가 제공된다.
제 1 파장 aλ1의 배수인 하나 또는 그 이상의 광 경로를 갖는 적절한 상대적 계단 높이를 선택하여, 제 1 파장의 방사선은 거의 상기 회절부에 의해 비회절됨과 동시에, 상기 제 2 파장의 방사선은 상기 선택 차수로 고 회절 효율을 갖고, 또한 상기 원하는 포커싱 특성을 달성한다. 이로 인해 패턴소자에서의 상대적으로 작은 수의 계단에 의해서도 달성될 수 있어, 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 회절부는, 반사 또는 투과시에 동작할 수도 있다. 광학 주사장치에서, 상기 회절부는, 반사시에 반사의 광축 방향을 변경하는데 사용된 거울과 일체로 될 수 있다. 패턴소자의 계단의 총 계단 높이는, 투과시에, 거의 아래 식에 따른 높이 h1의 배수와 같은 것이 바람직하다.
Figure 112002013600781-pct00001
여기서, n은 상기 회절부를 제조하는 재료의 굴절률이고, n0는 인접 매체의 굴절률이며, 상기 패턴소자의 인접 계단 사이의 계단 높이는 거의 ah1인 광 경로를 갖는 계단 높이이다.
본 발명의 다른 국면에 의하면, 제 1 및 제 2 파장의 방사선과 제 1 및 제 2 개구수 각각에 의해 제 1 및 제 2 정보층 깊이를 갖는 광 기록매체를 주사하기 위한 광학 주사장치에 사용하되, 계단형 프로파일을 갖는 패턴소자의 패턴을 구비한 회절부를 가지며, 상기 제 1 파장의 방사선이 거의 상기 회절부에 의해 비회절되고, 상기 광학 주사장치가 상기 제 1 파장에 대한 제 1 포커싱 특성을 갖도록, 패턴소자의 계단에 관계하는 전체 광 경로가 상기 제 1 파장의 배수이고, 제 2 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 회절되고, 상기 광학 주사장치가 선택 회절 차수의 상기 제 2 파장의 방사선을 위한 상기 제 1 포커싱 특성과는 다른 제 2 포커싱 특성을 갖도록, 상기 계단이 구성되는 광학소자로서, 상기 패턴소자의 인접한 계단 사이의 계단 높이는, aλ1인 광 경로를 갖는 계단 높이를 갖되, 이때의 a는 정수이고, a>1, λ1이 상기 제 1 파장이므로, 상기 선택 회절 차수의 제 2 파장의 방사선을 위한 투과 효율이 개선되는 것을 특징으로 하는 광학소자를 제공한다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, 제 1 및 제 2 파장의 방사선에 의해 광 기록매체를 주사하는 광학 주사장치에 사용하기 위해 회절부를 구비한 광학소자를 설계하되, 제 1 단계에서는, 상기 제 2 파장의 방사선을 위해, i·2π인 위상 변화를 발생하는 각 톱니형 패턴소자의 최상측의 높이 h2를 갖는 일반적인 톱니형 구조에 근접하도록 회절부를 설계하고, 이때의 i는 정수이고, 상기 톱니형 구조가 상기 톱니형 구조를 나타내는 초기에 선택된 계단형 프로파일에 의해 근접되고, 제 2 단계에서는, 상기 초기에 선택된 계단형 프로파일의 위상 프로파일이 아래식의 h1'인 총 계단 높이의 계단을 갖는 서로 다르게 선택된 계단형 프로파일에 의해 근접되며,
Figure 112002013600781-pct00002
이때, λ1은 상기 제 1 파장, n은 광학소자를 제조하는 재료의 굴절률, n0는 인접 매체의 굴절률 및 k는 하나의 패턴소자 내의 복수의 서로 다른 값을 갖는 정수인 광학소자 설계방법을 제공한다.
이러한 2단계 설계 과정은, 0번째 회절 차수의 제 1 파장의 방사선에 대해 거의 최대 투과효율을 갖는 회절부를 발생하는데 유용하고, 또한 상기 선택된 보다 높은 회절 차수의 제 2 파장의 방사선에 대해서는 상대적으로 높은 효율을 확실하게 한다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, 제 1 및 제 2 파장의 방사선에 의해 광학 주사장치를 주사하되, 계단형 프로파일을 갖는 패턴소자의 패턴을 구비하는 회절부를 구비하고, 상기 제 1 파장의 방사선이 비감쇠된 0번째 회절 차수에서 상기 회절부를 통과한 후 제 1 포커싱 특성으로 포커싱되고, 상기 제 2 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 회절되어 상기 제 1 특성과는 다른 제 2 포커싱 특성으로 선택된 회절 차수의 빔이 생성되도록 상기 계단 높이를 선택하는 광학 주사장치가 제공된다. 상기 회절부를 통과하는 방사선은 상기 회절부에 대해 반사하는 방사선 또는 상기 회절부를 통해 투과된 방사선이어도 된다.
본 발명의 또 다른 국면에 의하면, 제 1 및 제 2 파장의 방사빔과 제 1 및 제 2 개구수 각각에 의해 광 기록매체를 주사하는 광학 주사장치에서 사용하되, 계단형 프로파일을 갖는 패턴소자의 패턴을 포함한 회절부를 구비하고, 상기 제 1 파장의 방사선이 비감쇠된 0번째 회절 차수에서 광학소자를 통과하여, 상기 장치에 제 1 포커싱 특성을 제공하고, 상기 제 2 파장의 방사선이 상기 광학소자에 의해 회절되어 선택된 회절 차수의 빔을 생성하여, 상기 광학 주사장치에 상기 제 1 특성과는 다른 제 2 포커싱 특성을 제공하도록 상기 계단 높이를 선택하는 광학소자가 제공된다.
제 1 파장의 방사선이 투과하기 위한 계단형 프로파일의 특성을 최적화함으로써, DVD와 같은 고밀도 기록매체를 그 파장에서 주사하는 장치의 기능을 향상시킬 수 있다.
아래의 첨부도면을 참조하여 예시에 의해서만 본 발명의 실시예들을 설명하겠다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 기록매체용 주사장치의 소자들의 개략적 설명도,
도 2a는 도 1의 주사장치에 사용하기 위한 대물렌즈의 개략적인 설명도,
도 2b는 환형 회절구조를 나타내는 도 2a의 대물렌즈의 개략적인 정면도,
도 3a는 이상적인 톱니형 격자 구조도,
도 3b는 톱니형 격자 구조에 근접하는 4계단의 계단형 격자 구조도,
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3b의 구조에 더욱 근접하는 계단형 격자 구조도이다.
도 1은 실시예에 따라 아래에 설명되는 광 기록매체(1)를 주사하는 장치에 공통인 소자들의 개략적인 설명도이다. 이 실시예에서, 상기 기록매체(1)는, 아래 예시에 의해 개시되는 것처럼 광 디스크이다.
광 디스크(1)는, 하나의 측면에 적어도 하나의 정보층(3)을 형성한 투명층(2)을 구비한다. 상기 투명층으로부터 떨어져 대향하는 정보층의 측면은, 보호층(4)에 의해 환경적인 영향으로부터 보호된다. 상기 장치에 대향하는 투명층의 측면은 디스크 입사면(5)이다. 이 투명층(2)은, 정보층 또는 정보층들에 대해 기계적인 지지를 제공하여 광 디스크용 지지체로서 작용한다. 또한, 투명층(2)은, 정보층(3)을 보호하는 유일한 기능을 가질 수도 있고, 상기 기계적 지지는 정보층의 다른 측면의 층, 이를테면 보호층(4) 또는 최상부의 정보층에 접속된 그 이상의 정보층과 투명층에 의해 제공된다.
도 1에 도시되지 않은 거의 평행한 동심형 또는 나선형 트랙으로 배치된 광학적으로 검출 가능한 마크들의 형태로 광 디스크의 정보층(3) 또는 정보층들에 정보를 기록한다. 상기 마크는, 피트, 또는 반사 계수나 그들의 주변과 다른 자화 방향을 갖는 영역의 형태와 같은 임의의 광학적으로 판독 가능한 형태이거나 이들 형태의 조합이어도 된다.
상기 주사장치는, 렌즈계를 향해 발산 방사빔(7)으로 제 1 파장과 제 2 파장의 방사선을 방출하는 튜닝 가능한 반도체 레이저 또는 2개의 분리된 반도체 레이저를 구비하는 방사원(6)을 구비한다. 상기 렌즈계는, 광축(13)을 따라 배치된 시 준렌즈(9)와 대물렌즈(10)를 구비한다. 상기 시준렌즈(9)는 상기 방사원(6)으로부터 방출된 발산빔(7)을 실질적으로 시준된 빔(15)으로 변환한다. 상기 대물렌즈(10)는, 회절소자를 구비하고, 이 회절소자는 패턴(111)에 의해 도면에 나타내는데 이를 이하에서 더욱 상세히 설명하겠다. 대물렌즈(10)는, 입사 시준 방사빔(15)을 선택된 NA를 갖는 수속빔(14)으로 변환하여, 정보층(3) 상에 스폿(18)이 나타나게 된다. 데이터 신호와, 대물렌즈(10)의 축방향 위치를 기계적으로 조정하는데 사용된 포커스 오류신호를 검출하려면, 검출계(16), 제 2 시준렌즈(19) 및 빔 스플리터(8)가 제공된다.
도 1 및 도 2a에 도시된 것처럼 상기 회절격자(11)는, 상기 방사원에 대향하는 대물렌즈(10)의 측면에 배치된다. 그러나, 이와는 달리, 상기 회절격자는 렌즈(10)의 다른 표면에 배치되어도 된다.
도 2a는 상술한 주사장치에 사용하기 위한 대물렌즈(10)의 개략적인 설명도이다. 상기 주사장치는, 제 1 정보층 깊이를 갖는 광 기록매체를 제 1 개구수의 제 1 파장의 레이저 방사선(21)에 의해 주사할 수 있다. 또한, 상기 장치는, 제 2 정보층 깊이를 갖는 기록매체를 동일한 광학 대물렌즈(10)를 사용하여 제 2 개구수의 제 2 파장의 레이저 방사선(23)에 의해 주사할 수 있다. DVD 포맷의 디스크는, 약 620 내지 700nm 사이, 바람직하게는 λ1=660nm에서 제 1 파장 λ1의 레이저 방사선에 의해 주사되어도 된다. 약 0.6의 개구수가 DVD 판독을 위해 사용되고, 0.6이상의 NA, 바람직하게는 0.65가 DVD 기록을 위해 적용된다. CD 포맷의 기록매체는, 0.5 이하, 바람직하게는 0.45의 개구수를 갖는 약 740 내지 820nm 사이, 바람직하 게는 λ2=780nm의 제 2 파장 λ2의 레이저 방사선에 의해 주사된다. 상기 대물렌즈(10)는 DVD 및 CD 매체의 투명층의 두께(31, 33) 차이에 의해 생긴 구면수차를 각각 교정한다. 또한, 이 대물렌즈는 구면 색수차와 색수차를 교정한다.
본 발명의 이 실시예에서는, 단일 대물소자를 사용하는 서로 다른 포맷의 디스크에 하이브리드 렌즈, 즉 무한 공역 모드에서 회절 및 굴절소자를 조합한 렌즈를 사용하여 데이터를 판독 및 기록한다. 이러한 하이브리드 렌즈는, 예를 들면, 리소그래피 공정 또는 다이아몬드 회전에 의해 굴절 렌즈의 표면 중 하나에 격자 프로파일을 가하여 형성될 수 있다.
상기 대물렌즈(10)는, 볼록-볼록 렌즈로서 도시되어 있지만, 평-볼록 또는 볼록-오목 렌즈 등의 다른 렌즈 소자 형태도 사용되어도 된다. 이 실시예에서는, 대물렌즈(10)를 단일 렌즈이지만, 2개 또는 그 이상의 소자를 포함한 복합 렌즈이어도 된다. 예를 들면, 대물렌즈(10)는, 굴절용 대물렌즈 소자와 평 렌즈 회절소자를 구비한다. 또한, 상기 회절소자는, 대물렌즈로부터 이격된 광학소자 위에, 예를 들면 1/4파장판 또는 빔 스플리터 위에 설치된다.
도 2b는 회절구조를 나타내는 대물렌즈(10)의 개략적인 정면도이다. 원형 격자구조는, 상기 렌즈의 중심을 향해 폭이 점차 증가하면서 동축방향으로 링형 패턴 소자의 패턴으로 이루어졌다는 것을 알 수 있다. 각 패턴소자는, 소위 상기 회절소자의 구역을 정의한다. 무한 공역 구성으로 양 파장에 대해 렌즈를 동작시킬 수 있도록, 상기 렌즈는 DVD와 CD 파장에 대해 서로 다른 양의 구면수차를 발생하여, 디스크 두께 차이를 교정한다. 상기 회절소자로 인하여 상기 대물렌즈에 의해 생긴 구면수차 차이는, m1λ1-m2λ2에 비례하여, m1과 m2는 각각 λ1과λ2의 레이저 방사선의 회절 차수이다. 디스크 두께 차이의 효과를 교정할 수 있도록 하기 위해, 상기 용어 m1λ1-m2λ2는, 0과 서로 달라야 하므로 적어도 하나의 파장의 방사선에 대해 논제로(non-zero) 회절 차수가 선택된다.
이 실시예에서는, λ1을 사용하여 DVD에 데이터를 주사하기 위해 0번째 차수로, λ2을 사용하여 CD에 데이터를 주사하기 위해 첫 번째 차수를 선택한다. 상기 0번째 차수의 λ1의 방사선의 투과 효율을 최대화하려면, DVD에 대한 투과 효율이 CD에 대한 투과 효율보다 더욱 중요하므로, 상기 회절소자는 계단형 격자 프로파일을 가져, 상기 계단이 2π의 거의 배수인 위상 변화를 도입하도록 상기 계단 높이를 선택한다. 이와 동시에, 선택된 회절 차수, 예를 들면 첫 번째 차수의 λ2의 투과 효율이 CD로부터 데이터를 신뢰성 있게 판독하는데 충분해야 한다.
λ2의 방사선에 대한 고효율은, 톱니형 홈이 새겨진 격자 구조(sawtooth-like blazed grating structure)에 의해 이상적으로 달성될 것이다. 이러한 이상적인 격자의 일 구역에서 패턴소자의 프로파일은, 도 3a에 도시되어 있다. 상기와 같이 홈이 새겨진 격자를 사용하고, 각 패턴소자의 전체 높이를 적절하게 선택하여, 특정 회절 차수의 방사선의 투과 효율을 최대화할 수 있는 반면에, 나머지 회절 차수에 대한 투과 효율은 감소된다. 예를 들면, 상기 톱니형 격자가 첫 번째 회절 차수의 투과 효율에 대해 최적화되는 경우에, 최적화된 격자 프로파일은 구역마다의 최고 측면의 높이 h2를 가지므로 상기 선택된 λ2의 파장에 대해 2π의 위상 변화를 발생한다.
상기 첫 번째 회절 차수에 대해 최적화된 톱니 구조는, 계단형 프로파일에 의해 근접될 수 있어, 상기 위상 프로파일은 j-1≤xP≤j일 경우 (c.f. Dammann, Optik 31(1972), p.95)의 아래식 (1)으로 주어진다.
Figure 112002013600781-pct00003
여기서, j=1, 2, ...P이고, P는 톱니형 구조의 일 구역에 근접하도록 사용된 계단의 수이다. 4계단 근사값에 대해 도 3b에 도시된 상기 결과의 구조는, 모든 상대적 계단 높이가 동일한 구조이다. 이 근사값에 의해 이룰 수 있는 회절 효율 eff는 아래식 (2)로 주어진다.
Figure 112002013600781-pct00004
상기 효율 eff는, 상기 회절 과정으로 인한 방사선 세기의 투과 효율로서 정의된다.
그래서, 계단이 상기 홈이 새겨진(blazed) 격자에 근접하도록 선택되면 될수록, 상기 제 2 파장 λ2의 회절에 대해 이룰 수 있는 효율은 더 커진다.
그러나, 상기 회절소자의 패턴소자마다 상기 대물렌즈(10)의 보다 높은 제조효율을 달성하기 위해서 가능성이 가장 낮은 계단의 수를 사용하는 것이 바람직하 다. 예를 들면, 선택된 회절 차수의 λ2의 방사선에 대한 특정 최소 투과효율이 달성될 경우, 필요한 구역 당 계단의 수는 아래에 설명되는 것처럼 도출될 수 있다. 또한, 광학소자의 제조 공정에 의해 한정되도록 구역 당 최대 계단의 수가 주어질 경우, 선택된 회절 차수의 λ2의 방사선에 대한 투과 효율이 도출될 수도 있다.
또한, λ1의 방사선에 대해 투과 효율을 최대화하려면, 상기 격자구조는, 2π의 거의 배수인 위상 변화를 얻도록 선택된 각 전체 계단 높이 h1'에 따라 계단화된다. 이와 같이, 전체 계단 높이 h1'는 아래식 (3)에 의해 높이 h1의 배수가 되도록 결정된다.
Figure 112002013600781-pct00005
여기서, n은 렌즈 재료의 굴절률이고, n0는 (공기일 경우 n0=1) 인접 매체의 굴절률이다. 그러나, 전체 계단 높이 h1'에 의한 계단은, (λ1이 λ2의 배수가 아닐 경우) λ2의 방사선에 대해 2π의 배수를 갖는 위상 변화를 얻지 못한다. 반대로, 각 계단에 의해 발생된 위상차는, φ2=2π(b+c)를 만족하고, 이때 b는 상기 프로파일의 계단에 걸쳐서 변화하는 정수이고, c는 상기 프로파일의 계단에 걸쳐서 변화하지 않는 1미만이고 0보다 큰 비정수이다.
표 1은 λ2의 방사선에 대해 높이 h1의 배수인 전체 계단 높이 h1'의 계단에 의해 얻어진 위상변화를 나타낸 것이다. 여기서, 대물렌즈의 굴절률 n은, 예시된 목적을 위해 λ1과 λ2의 방사선에 대해 n=1.65로 가정한다. 이 예시에서 λ1 과 λ2는, 각각 660nm 및 780nm이다.
Figure 112002013600781-pct00006
표 1 : 780nm의 레이저 방사선이 사용될 경우 h1의 배수인 높이 h1'의 계단으로 얻어진 위상변화
여기서, λ1과 λ2는, 매우 근접하고(즉, 1/2<λ1/λ2<1), 계단 값 m이 1일 경우의 c 값은, m이 증가함에 따라 c가 1에 근접한 값으로 되돌아가기 전의 값으로 근접하게 감소되므로, 1에 근접할 것이다. 그래서, 계단 값 m=1,2,...등의 첫 번째 시리즈는 c가 0에 근접한 값으로 감소되기 전에 존재할 것이다. 표 1에 도시된 예시에서는, 이 첫 번째 시리즈가 m=1,2,3,4,5,6으로 구성된다. 일반적으로, 첫 번째 시리즈는, m=1...M으로 구성되고, 이때 m은 모두 아래식 (4)를 만족하는 값이다.
mλ1>(m-1)λ2 (4)
설계 공정의 그 이상의 단계에서는, 도 3b에 도시된 계단형 격자 프로파일이 h1의 거의 배수인 계단 높이 h1'만 사용되도록 그 이상으로 근접된다. 이로 인해 첫 번째 회절 차수의 λ2의 방사선의 투과 효율이 약간 감소하지만, 0번째 회절 차수의 λ1의 방사선이 거의 100% 효율로 투과한다. 양호한 근사값을 얻으려면, 먼저 특정 계단 수에 대한 계단형 함수에 의해 상기 톱니형 격자 구조에 근접하여서 생기는 위상 프로파일을 상기 식(1)에 의해 계산한다.
계단 높이 h1'에서 높이 h1'의 배수인 양호한 근사값을 얻으려면, 표 1에 열거된 것처럼 λ2의 방사선의 투과에 대한 그러한 계단에 의해 얻어진 위상 변화를 본다. 전체 계단 높이가 비교적 작고, 상대적 계단 높이가 패턴소자 내에서 갑자기 점프하지 않도록 하기 위해서, 선택 가능한 계단은 상기 식(4)에 의해 정의된 첫 번째 시리즈의 계단들로 한정되는 것이 바람직하다.
이것을 일례로서 첫 번째 차수의 회절에 대한 2-계단 근사값을 더욱 상세히 설명하고, 그에 대한 본 발명에 따른 해결책은 표 2에 표시되어 있다.
Figure 112002013600781-pct00007
표 2 : 2단계 근사치에 대한 계단 프로파일
그 결과, 이상적인 프로파일의 첫 번째 계단의 (2π의 단위당) 위상변화는 0.25이다. 그래서, 0.25에 근접한 위상 변화를 얻는 h1의 단위당 전체 계단 높이 h1'이 필요하다. 표 1로부터, 0.231의 위상 변화가 생기는 계단의 높이 h1'=5h1 에서, 가장 좋은 매칭을 한다. 0.75의 위상 변화를 얻는 전체 계단 높이일 경우, 0.692의 위상 변화가 생기는 계단 높이 h1'=2h1'에서 가장 좋은 매칭을 한다. 이 2-계단 근사값 예에서, 제 1 근사값에 의해 제 2 파장에 대해 달성된 효율은 40.5%로, 이는 높이 h1의 배수인 높이 h1'의 계단으로 계단형 프로파일에 더욱 근접함으로써 39.9%까지만 감소된다. 한편, 0h1의 한 계단 높이 다음의 1h1가 사용될 경우, 그 결과의 효율은 단지 첫 번째 회절 차수의 780nm 방사선에 대해 8.8%일뿐이다.
본 발명에 따라 상기 제 1 근사값과 대조하면, 그 결과의 계단 프로파일은 더 이상 일정하게 계단 높이가 증가하지 않는다, 즉 인접 계단에 대해 하나의 계단의 높이를 정의할 경우, 그 결과의 하나의 구역 내의 계단 높이는 복수의 다른 값을 포함한다.
인접 계단 사이의 상대적인 계단 높이가 거의 ah1, 이때 a가 정수이고 a>1인 상대적 높이를 포함하는 패턴소자를 설계함으로써, λ2에 대한 성능에 대해 격자의 효율은, 모든 상대적인 계단 높이가 h1인 해결책과 비교해볼 때 상당히 개선될 수 있다.
표 3 및 표 4는, 각각 3 계단 및 4 계단 패턴일 경우에 본 발명에 따른 해결 책을 나타낸 것이다.
Figure 112002013600781-pct00008
표 3 : 3 계단 근사값에 대한 계단 프로파일
Figure 112002029185517-pct00021
표 4 : 4 계단 근사값에 대한 계단 프로파일
도 3c는 4 계단에 대한 계단 프로파일의 결과 예시도이다. 오른편에 높이 h1'는, 높이 h2'의 단위 당 주어진다. 그 결과, 780nm 방사선에 대한 위상 변화 c는, 제 1 내지 제 4 계단에 대해 각각 0.077, 0.385, 0.692 및 0.846이다. 도 3c의 왼쪽편에 있는 제 1 계단에서는, 가장 큰 전체 계단 높이를 가짐과 동시에, 패턴소자 내의 c에 대해 가장 작은 값을 발생한다. 도 3b에 도시된 제 1 근사값의 일정한 상대적 계단 높이에 따라 변화하는 단조로운 상승구조(monotonically ascending structure)가, 도 3c에 도시된 상기 결과의 제 2 근사값의 프로파일에서 서로 다른 상대적 단계 높이에 따라 변화하는 단조로운 하강구조(monotonically dscending structure)로 반전되었다는 것을 알 수 있다.
또한, 더 이상 단조로운(monotonically) 상승 또는 하강 차순으로가 아닌 계단 프로파일을 제공하는 것이 가능하다. 예를 들면, 상기 4 계단의 예에서 제 4 계단은, h1'=1h1 대신에 계단 높이 h1'=8h1만큼 근접될 수 있을 것이다. 하지만, 상기 결과의 근사값은 저효율을 가지고, 그러한 형상은 어떠한 경우에도 제조하는데 더욱 어렵다. 그러나, 상기 방법이 파라미터가 서로 다른 경우에 적용될 경우, 단조롭지 않은 하강 형상의 프로파일로 보다 좋은 근사값이 생길 수도 있다.
상술한 실시예에서는 DVD 및 CD 포맷의 매체를 주사하는 주사장치를 설명하였지만, 상기 주사장치는 상기와는 달리 주사하려고 하는 임의의 다른 형태의 광 기록매체에 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 상술한 실시예에서는 660nm 및 780nm 레이저 방사선이 사용되었지만, 광 기록매체를 주사하는데 적합한 임의의 다른 파장의 조합이 사용되어도 된다는 것을 알 수 있을 것이다.
상기 상술한 실시예에서처럼, 상기 격자구조가 렌즈의 만곡된 표면에 직접 형성되는 경우, 상기 방사선은 어디든지 수직한 구조에는 입사하지 않고, 상기 계단 높이는 상기 표면의 곡률을 보상하도록 교정되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 이러한 높이 교정으로 곡률이 가장 큰 모서리에서 대략 10%일 수 있다. 이와 유사한 교정이, M.A.Golub, "Generalized conversion from the phase function to the blazed surface-relief profile of diffractive optical elements", in J.Opt.Soc.Am.A16(1999) p1194-1201에 기재되어 있다.
여기서는, 상기 용어 "근접한" 또는 "근사값"이 근사값 가능 범위를 포함하려는데 사용되는 경우, 상기 정의는 임의의 경우에 서로 다른 형태의 광 기록매체 를 주사하기 위한 목적을 달성하는 광학 주사장치의 실용적인 실시예를 제공하는데 충분한 근사값을 포함한다는 것을 알 수 있다.

Claims (17)

  1. 제 1 및 제 2 파장의 방사선에 의해 광 기록매체를 주사하되, 계단형 프로파일을 갖는 패턴소자의 패턴을 구비한 회절부를 포함하는 광학 주사장치로서,
    상기 제 1 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 비회절되고, 상기 광학 주사장치가 상기 제 1 파장에 대한 제 1 포커싱 특성을 갖도록, 패턴소자의 계단에 관계하는 전체 광 경로가 상기 제 1 파장의 배수이고,
    상기 제 2 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 회절되고, 상기 광학 주사장치가 선택 회절 차수의 상기 제 2 파장의 방사선을 위한 상기 제 1 포커싱 특성과 다른 제 2 포커싱 특성을 갖도록, 상기 계단이 구성되고,
    상기 패턴소자의 인접한 계단 사이의 계단 높이는, aλ1인 광 경로를 갖는 계단 높이를 갖되, 이때의 a는 정수이고, a>1, λ1이 상기 제 1 파장이어서, 상기 선택 회절 차수의 제 2 파장의 방사선을 위한 투과 효율이 개선된 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴소자는 투과 동작을 하도록 구성되고, 하나의 패턴소자의 계단의 전체 계단 높이는 하기식에 따른 높이 h1의 배수와 같고,
    Figure 112007047718918-pct00010
    여기서, n은 상기 회절부를 제조하는 재료의 굴절률이고, n0는 인접 매체의 굴절률이며, 상기 패턴소자의 인접 계단 사이의 계단 높이는 ah1인 광 경로를 갖는 계단 높이인 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴소자 내의 상기 계단 높이는, 복수의 서로 다른값을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전체 계단 높이는, φ2=2π(b+c)를 만족하는 상기 제 2 파장의 방사선의 위상차를 각각 발생하도록 선택되고, 여기서 상기 b는 상기 패턴소자의 계단에 걸쳐서 변화하는 정수이고, 상기 c는 상기 패턴소자의 계단에 걸쳐서 변화하는 1미만의 비정수인 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 c는 상기 패턴소자에 걸쳐서 단조롭게(monotonically) 증가하거나 단조롭게(monotonically) 감소하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 (b+c)는, 상기 패턴소자에 걸쳐서 단조롭게(monotonically) 증가하거나 단조롭게(monotonically) 감소하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 패턴소자의 일단에서의 계단은 상기 패턴소자에서의 가장 큰 전체 계단 높이를 갖고, 상기 계단은 상기 패턴소자에서의 c에 대해 가장 작은값을 갖는 위상차를 발생하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴소자의 일단에서의 계단은, 상기 제 2 파장의 방사선에 대해 2π의 배수인 위상차를 발생하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절부에 의해 생긴 상기 제 1 및 제 2 파장의 방사선에 대해 발생된 구면수차의 차이는 상기 광학 주사장치에 의해 주사되는 제 1 및 제 2 광 기록매체에서 발생된 구면수차의 차이를 보상하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  10. 제 1 및 제 2 파장의 방사선과 제 1 및 제 2 개구수 각각에 의해 제 1 및 제 2 정보층 깊이를 갖는 광 기록매체를 주사하기 위한 광학 주사장치에 사용하되, 계단형 프로파일을 갖는 패턴소자의 패턴을 구비한 회절부를 포함하는 광학소자로서,
    상기 제 1 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 비회절되고, 상기 광학 주사장치가 상기 제 1 파장에 대한 제 1 포커싱 특성을 갖도록, 패턴소자의 계단에 관계하는 전체 광 경로가 상기 제 1 파장의 배수이고,
    제 2 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 회절되고, 상기 광학 주사장치가 선택 회절 차수의 상기 제 2 파장의 방사선을 위한 상기 제 1 포커싱 특성과 다른 제 2 포커싱 특성을 갖도록, 상기 계단이 구성되고,
    상기 패턴소자의 인접한 계단 사이의 계단 높이는, aλ1인 광 경로를 갖는 계단 높이를 갖되, 이때의 a는 정수이고, a>1, λ1이 상기 제 1 파장이므로, 상기 선택 회절 차수의 제 2 파장의 방사선을 위한 투과 효율이 개선된 것을 특징으로 하는 광학소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 패턴소자는 투과 동작을 하도록 구성되고, 하나의 패턴소자의 계단의 전체 계단 높이는 하기식에 따른 높이 h1의 배수와 같고,
    Figure 112007047718918-pct00011
    여기서, n은 상기 회절부를 제조하는 재료의 굴절률이고, n0는 인접 매체의 굴절률이며, 상기 패턴소자의 인접 계단 사이의 계단 높이는 ah1인 광 경로를 갖는 계단 높이인 것을 특징으로 하는 광학소자.
  12. 제 1 및 제 2 파장의 방사선에 의해 광 기록매체를 주사하는 광학 주사장치에 사용하기 위해 회절부를 구비한 광학소자를 설계하는 방법으로서,
    제 1 단계에서는, 상기 제 2 파장의 방사선을 위해, i·2π인 위상 변화를 발생하는 각 톱니형 패턴소자의 최상측의 높이 h2를 갖는 일반적인 톱니형 구조에 근접하도록 회절부를 설계하고, 이때의 i는 정수이고, 상기 톱니형 구조가 상기 톱니형 구조를 나타내는 초기에 선택된 계단형 프로파일에 의해 근접되고,
    제 2 단계에서는, 상기 초기에 선택된 계단형 프로파일의 위상 프로파일이 아래식의 h1'인 총 계단 높이의 계단을 갖는 서로 다르게 선택된 계단형 프로파일에 의해 근접되며,
    Figure 112007047718918-pct00012
    이때, λ1은 상기 제 1 파장, n은 광학소자를 제조하는 재료의 굴절률, n0는 인접 매체의 굴절률 및 k는 하나의 패턴소자 내의 복수의 서로 다른 값을 갖는 정수인 것을 특징으로 하는 광학소자 설계방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 초기에 선택된 계단형 프로파일은, j-1≤xP≤j 이고 j=1,2,...P 일 경우, 하기식에 의해 정의된 프로파일과 같은 위상 프로파일을 갖되,
    Figure 112007047718918-pct00013
    여기서, P는 각 패턴소자에서의 계단의 수이고, i는 정수인 것을 특징으로 하는 광학소자 설계방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 광학소자를 상기 설계에 따라 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학소자 설계방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광학소자는 대물렌즈인 것을 특징으로 하는 광학소자 설계방법.
  16. 제 1 및 제 2 파장의 방사선에 의해 광학 주사장치를 주사하되, 계단형 프로파일을 갖는 패턴소자의 패턴을 구비하는 회절부를 포함하는 광학 주사장치로서,
    상기 제 1 파장의 방사선이 비감쇠된 0번째 회절 차수에서 상기 회절부를 통과한 후 제 1 포커싱 특성으로 포커싱되고,
    상기 제 2 파장의 방사선이 상기 회절부에 의해 회절되어 상기 제 1 포커싱 특성과는 다른 제 2 포커싱 특성으로 선택된 회절 차수의 빔이 생성되도록,
    상기 계단형 프로파일의 계단 높이가 선택된 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  17. 제 1 및 제 2 파장의 방사빔과 제 1 및 제 2 개구수 각각에 의해 광 기록매체를 주사하는 광학 주사장치에서 사용하되, 계단형 프로파일을 갖는 패턴소자의 패턴을 포함한 회절부를 포함하는 광학소자로서,
    상기 제 1 파장의 방사선이 비감쇠된 0번째 회절 차수에서 상기 광학소자를 통과하여, 상기 광학 주사장치에 제 1 포커싱 특성을 제공하고,
    상기 제 2 파장의 방사선이 상기 광학소자에 의해 회절되어 선택된 회절 차수의 빔을 생성하여, 상기 광학 주사장치에 상기 제 1 포커싱 특성과는 다른 제 2 포커싱 특성을 제공하도록,
    상기 계단형 프로파일의 계단 높이가 선택된 것을 특징으로 하는 광학소자.
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