KR100953406B1

KR100953406B1 - 포커스 서보 장치

Info

Publication number: KR100953406B1
Application number: KR1020047021169A
Authority: KR
Inventors: 오쿠보아키노리; 야나기사와다쿠마
Original assignee: 파이오니아 가부시키가이샤
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2010-04-19
Also published as: CN1282952C; EP1533798A1; MXPA05000025A; TW200406121A; RU2005101636A; US7190642B2; WO2004001729A1; US20050276175A1; BR0312051A; KR20050022020A; EP1533798A4; RU2321081C2; CN1662970A; JP2004030776A; TWI245567B; AU2003243952A1

Abstract

광원으로부터 조사된 광을 대물렌즈를 통하여 기록 매체 면에 수속시키기 위한 포커스 서보 장치이다. 광의 파장을 λ, 대물렌즈의 개구수를 NA, λ/NA로 정규화된 기록 매체의 평균 런 길이 주기(average run length period)를 RL, λ/NA로 정규화된 트랙 피치를 TP, 그리고 포커스 서보 장치의 캡처 레인지(capture range)를 CR [㎛]라 하면, 다음 식이 적용된다:

0.114/(RL - 0.72) + 0.84

CR

18000(TP - 0.69)⁵ + 3.13.

포커스 서보, 개구수, 평균 런 길이 주기, 캡처 레인지,

Description

포커스 서보 장치 {FOCUS SERVO DEVICE}

본 발명은 광 디스크 기록/재생 장치의 포커스 서보 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포커스 서보의 도입 범위(lead-in range)의 분석에 기초한 캡처 레인지(capture range)를 구비하는 포커스 서보 장치에 관한 것이다.

종래의 광 기록/재생 장치에서 포커스 서보의 포커스 에러 검출 시스템은 기본적으로 포커스 에러 검출 감도를 높여, 포커스 에러 검출 범위를 넓히도록 설계되어 있다. 그러나, 이 설계에서는 이하에 설명하는 바와 같은 포커스 서보의 캡처 레인지(본원에서는 필요에 따라 "CR": 캡처 레인지(Capture Range)라고 한다)의 제약이 있다.

먼저, 포커스 서보는 외부 교란에 의해 발생된 포커스 위치의 어긋남(deviation)을 검출하여, 액추에이터를 이용하여 포커스 위치의 어긋남을 초점 심도(focus depth) 내로 유지할 필요가 있다. ㎛

이것에 관해, DVD(Digital Versatile Disc)의 규격에 의하면, 디스크의 면 흔들림(surface-runout) 또는 면 워블(surface wobble) 양은 최대 (±)0.3mm이고, 양호한 재생 신호를 얻을 수 있는 초점 심도인 ±0.23㎛ 이내의 범위에 포커스 위치를 두도록 포커스 서보가 규정되어 있다.

따라서, 포커스 에러 검출범위는 적어도 -0.23㎛ 이하 또는 +0.23㎛ 이상이어야 하며, 그렇지 않으면 포커스가 어긋날 가능성이 있다.

일반적으로, 포커스 에러 검출범위는 포커스 에러 신호(FES)의 S자 커브의 선형영역에서 CR의 약 1/2 정도이다.

그러므로, CR의 하한은 다음과 같다:

CR 하한 _DVD

0.23 × 2 × 2 = 0.92 [㎛]

또한 다층 디스크를 고려한 경우에, 포커스 서보의 CR은, 예를 들어 일본 공개특허공보 H8-315370호에 개시된 바와 같이, 층간 두께의 1/4 이하로 하는 등의 방법이 채택되고 있었다. 이 방법을, 예를 들면 개구수(NA)가 0.6인 DVD에 적용하면, DVD 규격에서는 2층간의 두께가 약 55㎛로 규정되기 때문에, 다음의 식을 적용한다:

CR 상한 _DVD

55/4 = 13.75 [㎛]

기록 용량이 더욱 증대된 블루레이 디스크(Blu-ray Disc, BD)를 예로 들면, DVD에서 정해진 ±0.23㎛ 포커스 잔류(focus residual)는 초점 심도 ∝(λ/NA²)의 비율을 사용하여 환산하면 ±0.07㎛이 되기 때문에, CR은 0.07 × 2 × 2 = 0.28㎛ 이상이어야 한다. 다층 디스크를 고려하면, DVD의 층간의 두께는 초점 심도 ∝(λ/NA²)의 비율을 사용하여 환산하면 약 17㎛가 되기 때문에, CR는 17/4 = 4.25㎛ 이하가 되어야 한다. 따라서 포커스 에러 검출 시스템의 CR 범위는 다음과 같다:

0.28 [㎛]

CR_BD

4.25 [㎛].

DVD에서는, 예를 들면 틸트 공차(tilt tolerance)가 재생 신호에 미치는 영향이 더 크기 때문에, 디포커스 마진(defocus margin), 포커스 서보의 포커스 클로즈 위치(focus close position) 등은 결코 고려되지 않았다.

도 1에는 DVD에서 디포커스에 의해 발생되는 파면수차 RMS(Root Means Square) 값 [λ]를 블루레이 디스크(BD)와 비교하여 도시하였다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 디포커스가 수차 값(aberration value)에 미치는 영향은 DVD보다 BD가 더 크다. 틸트에 의해서 발생되는 파면수차 RMS 값 [λ]에 대해서는, 도 2에 도시한 바와 같이 DVD와 BD가 실질적으로 동일한 수차 값을 갖는다.

따라서, BD의 기록 용량만큼 기록 용량을 증가시키기 위해 대물렌즈의 개구수 NA를 종래의 DVD의 대물렌즈의 개구수 NA보다 증가시고 광원의 파장 λ를 짧게 하면, 디포커스가 재생 신호에 미치는 영향이 증대되므로, 디포커스 마진이 시스템 마진을 결정하는 데에 있어서 중요해진다.

이 경우, 종래와 같이 포커스 서보의 CR, 즉 포커스 클로즈 위치를 고려하지 않으면, 전술한 최적의 포커스 위치로부터 크게 벗어난 위치에서 클로즈할 수 있다. 이 때문에, 디포커스 마진이 감소될 수 있어 시스템이 기능하지 않을 가능성이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 대물렌즈의 개구수 NA를 증가시키고, 광원의 파장 λ를 짧게 하여 광 디스크의 기록 용량의 증대시키는 광 디스크에서, 안정된 시스템을 구축하도록 결정되는 포커스 서보의 캡처 레인지(capture range)를 갖는 광 디스크 재생 장치를 위한 포커스 서보 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적은 광원으로부터 조사된 광을 대물렌즈를 통해 기록 매체의 기록층에 수속하는 포커스 서보 장치에 있어서, 포커스를 도입하기 위한 캡처 레인지는 평균 런 길이 주기(average ren length period)에 기초하여 결정되는 하한(lower limit)과 트랙 피치(track pitch)에 기초하여 결정되는 상한(upper limit)에 의해 결정되는 포커스 서보 장치에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 포커스 서보 장치에 따르면, 포커스를 도입하기 위한 캡처 레인지에 대해, 상한은 트랙 피치의 조건에 의해 결정되고, 하한은 평균 런 길이 주기의 조건에 의해 결정된다. 상기 조건에 의해 정해진 범위를 캡처 레인지로 함으로써, 높은 NA를 갖는 픽업 광학 시스템과 단파장을 제공하는 광원을 이용하는 고밀도 고용량 광 기록 매체에 대해 충분한 디포커스 마진을 얻을 수 있는 범위 내에 포커스를 클로즈시킬 수 있다.

본 발명의 포커스 서보 장치의 일 관점에서, 상기 광의 파장을 λ, 상기 대물렌즈의 개구수를 NA, λ/NA로 정규화된 상기 기록 매체의 평균 런 길이 주기를 RL, λ/NA로 정규화된 트랙 피치를 TP, 그리고 포커스 서보 장치의 캡처 레인지를 CR[㎛]라고 하면, 다음 식을 적용한다:

0.114/(RL - 0.72) + 0.84

CR

18000(TP - 0.69)⁵ + 3.13

이 관점에 따르면, 캡처 레인지가 구체적으로 0.114/(RL- 0.72) + 0.84와 18000(TP - 0.69)⁵ + 3.13 사이의 범위인 것을 나타낸다.

본 발명의 포커스 서보 장치의 다른 관점에서는, 다음 식을 평균 런 길이 주기 RL에 적용한다:

RL = 2 × {[(평균 데이터 반전 간격/채널 비트 길이) + 0.5]의 정수부} × 채널 비트 길이 × NA/λ

이 관점에 따르면, 평균 런 길이 주기 RL이 2 × {[(평균 데이터 반전 간격/채널 비트 길이) + 0.5]의 정수부} × 채널 비트 길이 × NA/λ인 것을 나타낸다.

이 런 길이 주기가 캡처 레인지의 구체적 범위를 결정하는 하나의 요인이다. 또한, 이 관점은 상기 식의 좌변인 "평균 런 길이 주기 RL"은 그 우변인 "2 × {[(평균 데이터 반전 간격/채널 비트 길이 + 0.5]의 정수부} × 채널 비트 길이 × NA/λ"와 완전히 일치하는 경우뿐 아니라, 충분한 포커스 마진을 얻을 수 있는 것을 조건으로 상기 우변이 거의 일치하는 경우도 포함하는 의미이다.

본 발명의 포커스 서보 장치의 다른 관점에서는, 상기 광의 파장 λ가 0.395㎛ 내지 0.415㎛의 범위, 상기 대물렌즈의 개구수 NA가 0.80 내지 0.90의 범위이다. 또, 상기 정규화된 트랙 피치 TP가 0.6 이상이고 상기 평균 런 길이 주기 RL이 0.86 이상인 경우, 다음 식을 적용한다: 1.65[㎛]

CR[㎛]

3.02[㎛].

이 관점에 따르면, 단파장 광을 제공하는 광원을 사용하고, 높은 NA를 갖는 고기록 밀도, 대기록 용량의 광 기록 매체에 대한 픽업의 캡처 레인지를 결정할 수 있다.

본 발명의 이러한 작용 및 다른 이점은 이하에 설명하는 실시예로부터 명백해질 것이다.

도 1은 디포커스와 발생된 수차 값의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 2는 틸트와 발생된 수차 값의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 3은 포커스 에러 신호와 캡처 레인지의 관계를 나타낸 도면이다.

도 4는 비점 수차법(astigmatism method)을 이용한 포커스 에러 신호의 계산방법을 도시한 개략도이다.

도 5는 포커스 서보 클로즈 위치의 캡처 레인지 의존성을 나타낸 그래프이다.

도 6은 크로스토크의 평가 함수의 임계 값을 나타낸 그래프이다.

도 7은 정규화 평균 신호 진폭의 평가 함수의 임계 값을 나타낸 그래프이다.

도 8은 크로스토크와 신호 진폭 열화의 관계를 도시한 개략도이다.

도 9는 재생 한계가 될 양(+)측 포커스 위치의 정규화 트랙 피치의 의존성을 나타낸 그래프이다.

도 10은 재생 한계가 되는 음(-)측 포커스 위치의 정규화 평균 런 길이 주기의 의존성을 나타낸 그래프이다.

도 11은 캡처 레인지의 상한 값을 나타낸 그래프이다.

도 12는 캡처 레인지의 하한 값을 나타낸 그래프이다.

도 13은 광 디스크 기록/재생 장치의 일례를 도시한 개략도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 각 실시예에 대해 차례로 도면을 참조하여 설명한다.

예를 들어 BD와 같이 높은 NA의 대물렌즈와 단파장 레이저 다이오드(LD)를 사용한 경우, 전술한 바와 같이 디포커스에 의해 취득된 수차 값은 종래의 DVD 등에 비해 증대된다. 이 경우에는, BD 장치의 안정성은 디포커스 마진이 지배적이다. 또한, 구면 수차가 존재하는 경우에는, 다음 (1)항 및 (2)항에 나타내는 현상이 발생하는 것이 발견되어, BD 장치의 재생 성능을 확보하는 포커스 서보의 캡처 레인지를 규정하여야 한다.

(1) 구면 수차가 존재하는 경우, 포커스 클로즈 위치(S자 커브의 영점)는 캡처 레인지 의존성이 있다. 그러므로 포커스 클로즈 위치는 이하의 (A)에서와 같이 CR의 함수로 나타낼 수 있다.

(A)
포커스 클로즈 위치 (CR)

(2) 구면 수차가 존재하는 경우, 디포커스의 방향을 따라 디스크 상의 재생 빔 형상이 다르므로, 이하에 설명하는 바와 같이 재생 신호 열화의 주요인이 다르다.

먼저, + 방향(디스크와 대물렌즈가 멀어지는 방향)에서는, 크로스토크 증가가 재생 신호 열화의 주요인이다. 따라서 크로스토크는 아래의 (B)에서와 같이 트랙 피치(TP)의 함수로 나타낼 수 있다.

(B)
크로스토크(TP)

다음에, - 방향(디스크와 대물렌즈가 가까워지는 방향)에서는, 신호 진폭의 열화가 재생 신호 열화의 주요인이다. 따라서 신호 진폭은 (C)에서와 같이 정규화 평균 런 길이 주기 또는 사이클(RL)의 함수로 나타낼 수 있다.

(C)
신호진폭(RL)

이들 함수(A), (B), (C)부터, 안정된 재생 신호를 얻을 수 있는 캡처 레인지의 범위를 설정할 수 있다. 정규화 평균 런 길이 주기에 대해서는 도 10을 참조하여 후술한다.

(실시예)

실시예에 대해 도 3 내지 도 12를 참조하여 설명한다. 도 3은 포커스 에러 신호와 캡처 레인지의 관계를 도시한 개략도이다. 도 4는 비점 수차법을 이용한 포커스 에러 신호의 계산 방법을 도시한 개략도이다. 도 5는 포커스 서보 클로즈 위치의 캡처 레인지 의존성을 나타낸 그래프이다. 도 6은 크로스토크의 평가 함수의 임계 값을 나타낸 그래프이다. 도 7은 정규화 평균 신호 진폭의 평가 함수의 임계 값을 나타낸 그래프이다. 도 8은 크로스토크와 신호 진폭 열화의 관계를 도시한 개략도이다. 도 9는 재생 한계가 될 +측 포커스 위치의 정규화 트랙 피치 의존성을 나타낸 그래프이다. 도 10은 재생 한계가 되는 -측 포커스 위치의 정규화 평균 런 길이 주기 의존성을 나타낸 그래프이다. 도 11은 캡처 레인지의 상한 값을 나타낸 그래프이다. 도 12는 캡처 레인지의 하한 값을 나타낸 그래프이다.

(포커스 서보 클로즈 위치에 관한 검토)

일반적으로, 포커스 에러 신호(focus error signal, FES)는 검출기 상의 빔 스폿 강도 분포 I(u, v)를 적분하여 구할 수 있다. 여기서, I(u, v)는 검출기 상의 재생 빔 스폿 강도 분포이며, 파동 광학에 기초하여 아래의 식 1로 나타낼 수 있다. 또, u와 V는 검출기 상의 좌표이고, x와 y는 대물렌즈의 동공 상의 좌표이다.

[식 1]

삭제

여기서,

[식 2]
τ(x, y): 무수차(aberration-free)의 입사광

[식 3]
w_in(x, y): 사출 동공 상의 파면

[식 4]
w_out(x, y): 사출 동공과 검출기 사이에 발생된 파면

파면 수차 w(x, y)는 기하 광학(geometrical optics)에 기초하여 Zernike 다항식 U_nm, 수차 계수 A_nm, 및 디포커스의 파면 해석식 W_def(x, y)를 이용하여 식 5로 나타낼 수 있다.

[식 5]

삭제

여기서, n과 m 은 음이 아닌 정수이고, n

m, n-m은 짝수이며, A_nm은 상수이다. 또, 수차 특징은 n과 m의 값에 의존한다. 예를 들어 다음과 같이 적용된 다:

(n, m) = (2, 1): 디포커스

(2, 2): 비점 수차(3차)

(2, 0): 비점 수차(3차)

(3, 2): 코마 수차(3차)

(3, 1): 코마 수차(3차)

(4, 2): 구면 수차(3차).

NIKKEI ELECTRONICS(닛케이 일렉트로닉스) 제817호 등에 기재되어 있는 기록 용량 27GB인 블루레이 디스크(BD)를 예로 들어 설명하며, 이 디스크에서 트랙 피치 TP는 0.32㎛이고 최단 기록 마크 길이는 0.138㎛이다.

또, 이 디스크 시스템은 예를 들어 디지털 하이비전 방송을 2시간 이상 녹화하기 위해, DVD 한 면의 1층당 기록용량이 4.7GB인 디스크에 비해, 그 기억 용량이 약 5.7배이다. 이 대기록 용량을 실현하기 위해, 픽업을 구성하는 대물렌즈의 개구수 NA는 높게 설정되고 광원의 파장 λ는 짧게 설정된다.

이 때문에, 디포커스의 양이 동일하더라도 디포커스가 재생 신호 열화에 미치는 영향은 DVD에서 보다 BD에서 더 심하며, 그 결과 디포커스 마진이 더욱 어려운 조건(엄격한 조건)이 된다. 따라서 포커스 서보가 클로즈하는 포커스 위치(즉, 포커스 클로즈 위치)가 디스크 시스템의 안정성에 있어 중요해진다.

(포커스 클로즈 위치를 구하는 방법에 관한 검토)

포커스 클로즈 위치는 FES가 영(0)이 되는 포커스 위치이다. FES의 S자 커브선의 개념을 도 3에 나타낸다. 도 3에 도시한 바와 같이, 캡처 레인지는 S자 커브 진폭의 피크 대 피크(peak to peak)에 대응하는 포커스 위치의 거리로 결정된다. 일반적으로, 구면 수차가 발생되면 S자 커브의 형상이 무수차인 경우의 그것과 다르므로, 최상의 이미지 포인트에서 측정한 포커스 클로즈 위치가 무수차의 경우의 그것과 다르며, 이를 도 3에 나타낸다.

이제, 구면 수차가 +극성(투과층의 두께가 증가하는 방향)에 존재하는 경우의 포커스 클로즈 위치에 대해 검토한다.

전술한 바와 같이, 포커스 클로즈 위치는 식 1에서 재생 빔 스폿 강도 분포를 계산하여 구한 FES가 영(0)인 포커스 위치이다. 수차가 존재하면, 식 1의 w_in(x, y) 및 w_out(x, y)는 0이 아닌 값을 가지게 된다.

구면 수차로서 투과층의 두께 오차가 있는 경우, 수차 계수 A_nm, 식 3의 w_in(x, y)는 전술한 Zernike 다항식 U_nm을 이용하여, A₂₁U₂₁+ A₄₂U₄₂+ A₆₃U₆₃+ A₈₄U₈₄+ ‥ㅇ의 항을 가지고, 디포커스 상태에서는 w_in(x, y)는 W_def(x, y)의 항을 가진다. 따라서 식 3은, 식 6으로 나타낼 수 있다.
[식 6]

w_in(x, y) = A₂₁U₂₁+ A₄₂U₄₂+ A₆₃U₆₃+ A₈₄U₈₄+ W_def(x, y)

또, 상기 식에서 구면 수차에 대응하는 A_nm과 U_nm은 n = 8이고 m = 4인 경우까지 고려하면, 다음 식 7 및 식 8로 나타낼 수 있다.
[식 7]

삭제

[식 8]

식 7에서, NA는 대물렌즈의 개구수, n은 투과층의 굴절률, λ는 광원의 파장[㎛], ΔT[㎛]는 투과층의 두께 오차이다. 두께 오차의 극성은 두께가 증가하는 방향을 양(+)으로 한다. 또 식 8에서 t는, t = x² + y²를 충족시킨다.

삭제

디포커스에 대응하는 W_def(x, y)는 식 9 및 식 10으로 나타낼 수 있다.

[식 9]

[식 10]
defocus₀= RMS 값을 최소화 하기 위해 이동시키는 포커스 편이량 [㎛]

삭제

여기서, 식 9의 디포커스는 공기 중의 최상의 이미지 포인트에서 측정한 디포커스량 [㎛]이며, 또한 디포커스의 극성에 관하여는, 대물렌즈와 기록 면이 서로 멀어지는 방향을 양(+)으로 한다.

또한, 검출기에 도달하기까지의 집광 광학 시스템에서는 전술한 w_in(x, y)와 동일한 양의 구면 수차가 주어진다. 또한, 예를 들어 포커스 에러 신호 검출에 비점 수차법을 이용하는 경우, ±45도 방향의 비점 수차가 발생되고, 대응하는 W_as(x, y, CR)의 항이 주어지기 때문에, W_out(x, y)는 식 11로 나타낼 수 있다.

[식 11]
w_out(x, y) = w_in(x, y) + W_as(x, y, CR)

또한, 여기에서, W_as(x, y, CR)는 식 l2로 나타낼 수 있다.

[식 12]
W_as(x, y, CR) = NA²/λ · CR · xy

식 11 및 식 12부터 알 수 있듯이, w_out(x, y)는 식 13에 나타낸 바와 같이 CR의 함수로 나타낼 수 있다.

[식 13]
w_out(x, y) = w'_out(x, y, CR)

따라서 식 l은 다음의 식 14로 나타낼 수 있기 때문에, I(u.v)가 CR에 의존하는 함수임을 알 수 있다.

[식 14]

삭제

여기서, 도 4에 나타낸 바와 같이 4분할 검출기(10)를 사용하는 비점 수차법의 FES와 관련하여, FES는 I(u, v, CR)를 검출하는 관련 검출소자(10a~10d)에서 검출한 값(S1~S4)을 이용하여 가산기(11)에서 연산한 (S1+ S3)과 가산기(12)에서 계산한 (S2 + S4)로부터 감산기(13)에서 (S1 + S3) - (S2 + S4)를 계산하여 구할 수 있다.

상기 방식으로 구한 FES가 0인 포커스 위치는 포커스 서보의 클로즈 위치가 되기 때문에, 포커스 서보 클로즈 위치는 CR 의존성을 갖는 것을 알 수 있다.

BD에서 가정한 구면 수차의 양은, 문헌 Jpn. J. Phys. Vo1. 39(2000) pp 775~778에 따르면, BD에서처럼 투과층(커버층)이 0.lmm인 광 디스크에서는 디스크 면 내의 투과층 두께 편차가 약 ±3㎛로 예상된다. 이에 더해, 대물렌즈 또는 기타 광학 시스템의 잔존 구면 수차의 RMS 값은 약 20mλ이고, 이 구면 수차의 양은 약 ±2㎛ 두께 오차로 환산된다. 따라서 최악의 조건으로는, 구면 수차가 두께 오차에 상당하는 5㎛로 가정된다.

따라서, 식 7에서 ΔT = +5 [㎛]인 경우, 포커스 서보 클로즈 위치의 CR 의존성을 나타내는 함수는 식 14를 계산함으로써 구할 수 있으며, 이하의 근사 함수인 식 15로 나타낼 수 있다.

[식 15]
f_close(CR) = -0.29/(CR + 0.5)²- 0.038 [㎛]

도 5는 식 15를 그림으로 전개한 것을 보여주며, 세로축은 포커스 서보 클로즈 위치 [㎛]이며, 가로축은 캡처 레인지 [㎛]이다. 여기서, 도 5의 영(0)점은 최상의 이미지 포인트이다.

(재생 신호 열화 요인의 평가 함수에 관한 검토)

다음에, 재생 한계가 되는 포커스 위치를 구하기 위해 재생 신호 열화 요인에 대해 검토한다. 재생 신호 열화 요인으로는 크로스토크의 증가와 신호 진폭의 열화가 상정된다. 따라서, 관련 특성을 나타내는 평가 함수는 다음과 같다.

(i) 크로스토크 평가 함수

크로스토크는 인접 트랙의 신호가 재생 트랙의 신호에 누설함으로써 발생된다. 여기서, 크로스토크량은 트랙 피치 TP에 따라 변화하며, 식 16으로 나타낼 수 있다.

[식 16]
크로스토크(TP) = 인접 트랙 상의 광 강도/재생 트랙 상의 광 강도 [dB]

삭제

상기 식 16은 구체적으로 식 17에 나타낸 함수이다.

[식 17]

삭제

여기서, u'와 v'는 λ/NA로 정규화된 디스크 상의 좌표이며, v'는 반경 반향의 좌표이고, u'는 접선 방향의 좌표이다. 식 17에서, 분자의 적분 범위 (Adjacent_Track)는 인접 트랙에 대응하는 반경 방향의 범위이고, 분모의 적분 범위 (Main_Track)는 재생 트랙에 대응하는 반경 방향의 범위이다. 또, f(x, y)는 사출 동공상의 복소 진폭 분포이며, 식 2와 식 3을 이용하여, 식 18로 나타낼 수 있다.

[식 18]

삭제

(ii) 신호 진폭 평가 함수

신호 진폭 열화에 영향을 미치는 것은 MTF(Modulation Transfer Function)의 열화이다. 여기서는, 정규화 평균 런 길이 주기 RL은 식 19과 같이 정의되고, 그 주기에 대응하는 주파수에서의 MTF를 이용하여 신호 진폭의 평가 함수를 나타낸다. 또, [x]는 x보다 크지 않은 최대 정수를 의미한다. 평균 데이터 반전 간격(average length of data inversion)은 재생 신호를 이진화한 후의 1에서 0 또는 0에서 1까지의 거리의 평균이다.

[식 19]
정규화 평균 런 길이 주기 RL

= 2 × {[(평균 데이터 반전 간격/채널 비트 길이) + 0.5]의 정수부}

× 채널 비트 길이 × NA/λ

정규화 평균 런 길이 주기 RL에 대응하는 정규화 주파수를 식 20으로 나타낸다고 하면, MTF는 식 21로 나타낼 수 있다. 여기서 f*은 f의 복소 공액 함수이다.
[식 20]
s = 1/정규화 평균 런 길이 주기

삭제

[식 21]

삭제

상기 식을 이용하여, 신호 진폭의 함수는 식 22로 나타낼 수 있다.

[식 22]
정규화 평균 신호 진폭(s)

= 수차를 고려한 경우의 fmtf(s)/무수차 시의 fmtf(s)[dB]

(구체적인 예)

이들 크로스토크와 신호 진폭의 평가 함수를, 2.7GB의 기록 용량을 갖는 블루레이 디스크인 광 디스크에 적용하는 구체적인 예에 대하여 설명한다.

각각의 평가 함수의 값이 재생 한계가 되는 때에 구한 임계 값은, 기본적으로 DVD의 파라미터를 사용하여 스칼라 회절 시뮬레이션을 수행하였을 때 지터가 15%가 되는 값으로 한다.

크로스토크는 주로 방사상 틸트(반경 방향의 틸트)에 의해 생기기 때문에, 방사상 틸트를 증가시키면서 검토하였다. 그 결과, 도 6에 나타낸 바와 같이, 방사상 틸트가 0.75도인 경우에 지터가 15%이고, 이 때의 크로스토크 평가 함수는 -16dB 이다.

신호 진폭은 디포커스시키면서 검토하였다. 디포커스를 이용하는 이유는 탄젠셜 틸드(접선 방향의 틸트)를 이용하면 재생 신호의 위상 편이에 영향을 미칠 수 있어 신호 진폭의 열화가 재생 신호 열화를 정확하게 나타낼 수 없기 때문이다. 시스템이 디포커스되면, 크로스토크도 발생하지만 평가를 DVD보다 트랙 피치가 더 넓은 상태에서 수행하기 때문에, 크로스토크의 영향을 감소시킨다. 이 경우, 도 7에 도시한 바와 같이, 디포커스가 0.9㎛인 때 지터가 15%이다. 이 때, 신호 진폭 평가 함수는 -3dB 이다.

따라서 크로스토크 평가 함수와 신호진폭 평가 함수가 각각 도 6과 도 7에 도시한 바와 같은 임계 값을 가질 때의 포커스 위치를 구함으로써, 재생 한계가 되는 포커스 위치를 구할 수 있다.

27GB의 기록 용량을 갖는 블루레이 디스크인 광 디스크에서, 트랙 피치 TP는 0.32㎛이고 최단 기록 마크 길이 T_min은 0.138㎛이다. 이 경우, 정규화 TP는 0.672이고 정규화 평균 런 길이 주기 RL은 기록 부호화 방식인 17 PP에 기초하기 때문에 0.868이 된다. 이 경우, 포커스 위치를 변화시키고 크로스토크와 신호 진폭을 식 17과 식 22를 이용하여 평가하면, 도 8에 나타내는 결과가 된다. 도 8로부터 재생 한계가 되는 포커스 위치는 식 23과 식 24로 나타낼 수 있음을 알 수 있다.

[식 23]
양(+)의 방향의 재생 한계 포커스 위치 = +0.05 [㎛]

이 경우에, 크로스토크 증가가 지배적인 요인이다

[식 24]
음(-)의 방향의 재생 한계 포커스 위치 = -0.21 [㎛]

이 경우, 신호 진폭 열화가 지배적인 요인이 된다.

이 결과로부터 포커스의 방향에 따라 재생 한계의 포커 스위치를 결정하는 요인이 다른 것을 알 수 있다.

이상에서 구한 재생 한계가 되는 포커스 위치보다 안정되게 재생 가능한 최적 포커스 서보 클로즈 위치를 구할 수 있다. 그러므로, 최적 포커스 서보 클로즈 위치에 포커스가 클로즈할 수 있도록 하는 CR을 갖는 포커스 서보 장치를 이용하면, 안정된 재생 신호를 얻을 수 있어, 포커스 서보의 어긋남(이탈)을 방지할 수 있다.

다음에, 전술한 조건에 기초하여 캡처 레인지의 구체적인 값을 구한다. 재생 한계의 포커 스위치와 최적 포커스 서보 클로즈 위치의 사이에는 약 0.11㎛의 디포커스 마진이 필요하다. 세부사항은 서보 잔류(servo residual) 0.04㎛, 전기 시스템의 오프셋 0.02㎛, 픽업 조정 오차 0.05㎛이며, 합계 O.11㎛이다.

식 23의 재생 한계 포커스 위치로부터 추정된 디포커스 마진은 - 0.06㎛ 이다. 이것을 식 15에 대입하면, 양(+)의 방향의 재생 한계에 대응하는 3.13㎛의 CR 값을 얻는다. 이 값은 CR의 상한이다. 마찬가지로, 식 24의 재생 한계 포커스위치로부터 추정된 디포커스 마진은 - 0.10㎛이 된다. 이것을 식 15에 대입하면, 음(-)의 방향의 재생 한계에 대응하는 1.66㎛의 CR 값을 얻는다. 이 값이 CR의 하한이다. 따라서, CR의 범위는 식 25로 나타낼 수 있다.

[식 25]
1.66

CR [㎛]

3.13

CR이 식 25를 충족시키는 범위에 포커스 서보를 설계함으로써, 안정된 재생 신호를 얻을 수 있는 포커스 위치에 포커스 서보를 클로즈할 수 있게 되어, 안정된 광 디스크의 기록/재생 시스템이 가능하다.

이상에서는 27GB 기록 용량을 갖는 블루레이 디스크인 광 디스크의 CR을 설명하였다. 이 CR은 트랙 피치 또는 정규화 평균 런 길이 주기의 함수로 나타낼 수 있으며, 다음에 이것에 대하여 설명한다.

전술한 바와 같이, + 방향의 재생한계가 되는 포커스위치는 크로스토크가 지배적 요인이기 때문에 트랙 피치 의존성이 있으며, λ/NA로 정규화된 트랙 피치 TP를 파라미터로서 식 26의 근사함수로 나타낼 수 있다. 도 9는 식 26을 도시한 것이며, 도 9에서 영점은 최상의 이미지 포인트이다.

[식 26]
focus₊(TP) = 280(TP - 0.7)⁵ + 0.05 [㎛]

또, - 방향의 재생한계가 되는 포커스 위치[㎛]에 대해서는, 신호 진폭 열화가 지배적 요인이기 때문에, λ/NA로 정규화된, 정규화 평균 런 길이 주기 RL을 파라미터로서 식 27의 근사함수로 나타낼 수 있다. 도 10은 식 27을 도시한 것이며, 도 10에서 영점은 최상의 이미지 포인트이다.

[식 27]
focus_-(RL) = 0.054/(RL - 0.45) - 0.34 [㎛]

여기서, 전술한 필요 디포커스 마진(Margin)이 O.11㎛ 이기 때문에, 필요 디포커스 마진을 확보할 수 있는 CR 값[㎛]이 취할 수 있는 범위는 식 15, 식 26, 및 식 27을 이용하여, 식 28의 관계식으로 나타낼 수 있다.

[식 28]
focus_-(RL) + Margin

fclose(CR)

focus₊(TP) - Margin

따라서, 식 29의 관계식을 충족시키는 CR의 범위를 선택할 수 있다.

[식 29]
0.054/(RL - 0.45) - 0.23

-0.29/(CR + 0.5)² - 0.038

280(TP - 0.7)⁵ - 0.06

이 관계식을 충족시키는 CR [㎛]을 구함으로써, 도 11에 나타낸 바와 같이 정규화 트랙 피치에 대한 캡처 레인지의 상한 값과, 도 12에 나타낸 바와 같이 정규화 평균 런 길이에 대한 캡처 레인지의 하한 값을 구할 수 있다. CR의 상한 값과 하한 값의 함수를 이용하여 CR의 범위를 식 30으로 나타낼 수 있다.

[식 30]
CR 하한 값(RL)

CR

CR 상한 값 (TP)

또한 식 30은 식 29로부터 유도된 CR의 상한 값과 하한 값의 근사함수를 이용하여 식 31로 나타낼 수 있다.

[식 31]
0.114/(RL - 0.72) + 0.84

CR [㎛]

18000(TP - 0.69)⁵ + 3.13

삭제

따라서, CR의 값을 식 29를 충족시키는 범위 내, 또는 식 31을 충족시키는 범위 내가 되도록 선택함으로써, 재생 성능을 확보하는 포커스 서보의 실현이 가능하다.

블루레이 시스템에서, 광원의 파장 λ는 0.395와 0.415㎛ 사이의 범위에서 적용되고, 대물렌즈의 개구수 NA는 0.80과 0.90 사이의 범위에서 적용된다. 이 경우, 특히 디포커스 마진이 좁지만, 본 발명의 포커스 서보를 이용함으로써 안정된 시스템을 제공할 수 있다.

현재의 마스터링 기술로는 트랙 피치가 0.29㎛ 이하인 경우, 안정되게 기록 매체를 준비하기 어렵다. 또, 광원의 파장 λ가 0.405㎛, 대물렌즈의 개구수 NA가 0.85인 픽업을 사용하면, 최단 마크 길이가 0.l38㎛ 이하의 기록 마크로는 안정된 재생 신호를 얻는 것은 곤란하다. 따라서, 이들 한계 값을 기초로 정규화 트랙 피치 TP와 평균 런 길이 주기 RL을 구하면, TP는 0.60 이상이고 RL은 0.86 이상이다. 특히 정규화 트랙 피치 TP와 정규화 평균 런 길이 주기 RL의 전술한 상기의 범위에서는, 포커스 서보의 캡처 레인지 CR[㎛]의 범위가 전술한 바와 같이 1.65

CR

3.02를 충족시키면, 구면 수차 등의 공차(tolerance)가 존재하는 경우에도 충분한 디포커스 마진을 확보할 수 있으므로, 안정된 시스템의 제공이 가능하다.

전술한 실시예에서는, 기억 용량이 27GB인 블루레이 디스크인 광학 디스크에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 기록 매체의 트랙 피치나 기록 선밀도, 부호화 방식, 기록 매체의 종류 등에 무관하게 적용 가능하다. 또한, 재기록 가능형 뿐만 아니라, 1회 기록 복수회 판독형, 및 재생 전용 매체에도 적용 가능하다. 또, 본 발명은 단일 기록층 뿐만 아니라, 다층에도 적용할 수 있다.

본 실시예에서는, 포커스 에러 검출 방법으로서 비점 수차법을 예로 들었다. 하지만, 본 발명은 포커스 에러 검출 방법 뿐 아니라 다른 방법에도 적용 가능하다.

전술한 실시예에서는 광 디스크에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 카드형 기록 매체나, 고체 기록 매체 등 매체의 형상에 상관없이 적용 가능하다.

(광 디스크 기록/재생 장치)

본 발명에 관련되는 광 디스크 기록/재생 장치(20)에 대해 도 13을 참조하여 설명한다. 디스크(21)는 규격으로 정해진 범위 내에 면 흔들림 또는 면 워블을 가지고, 픽업(22)은 전술한 바와 같은 포커스 서보 등의 제어를 위한 캡처 레인지를 가진다.

픽업(22)으로부터의 포커스 에러 신호와 트래킹 에러 신호는 포커스 에러/트래킹 에러 검출회로(23)에 의해 검출될 수 있다. 트래킹 에러 신호의 검출 방법으로는 3 스폿법(tree spot method) 등이 있고, 포커스 에러 신호의 검출 방법으로는 비점 수차법 등이 있으며, 아무 방법이나 이용할 수 있다. 또, 회전수를 소정의 회전수로 제어하는 스핀들 서보가 있다. 회전수의 오차는 재생 신호의 클록 또는 모터에 설치된 주파수 발생기에 의해 얻을 수 있다.

이들 에러 신호에 기초하여, 픽업 제어 회로(25) 내의 드라이브 컨트롤러(24)에 의해 픽업(22)의 대물렌즈 위치가 포커스 서보와 트래킹 서버에 대해 제어되고, 모터구동 제어회로(26)에 의해 스핀들 모터(27)의 회전이 제어된다. 또한 슬라이더를 사용하여 광 디스크의 반경 방향에서의 픽업(22) 위치를 정하는 위치 결정 서보가 있으며, 상기 위치는 픽업(22)의 위치 정보, 광 디스크의 트랙 주소 신호 등을 사용하여 제어된다.

본 발명에 따른 포커스 서보 장치는 전술한 캡처 레인지를 구비하고 있어, 기록 용량이 27GB인 블루레이 디스크인 광 디스크에 이 장치를 적용함으로써, 안정된 커스 서보의 도입과 포커스 서보의 실현이 가능하다.

본 발명에 따른 포커스 서보 장치를 적용한 광 디스크 기록/재생 장치(20)는 포커스 서보 시스템, 트래킹 서보 시스템, 및 스핀들 서보 시스템 뿐 아니라 기록/재생 신호 처리 시스템과 신호 입력/출력 시스템 등의 광 디스크 재생/기록 장치에 필요한 다른 기구들을 구비하는 것은 물론이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 포커스 서보 장치에 따르면 필요한 디포커스 마진을 확보할 수 있는 포커스 위치에서 포커스 서보를 클로즈 하도록 캡처 레인지를 최적화하는 것이 가능하다. 그러므로, 광 기록 매체에 대한 기록/재생을 실행할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예에 한정되는 것이 아니며, 청구의 범위 및 명세서 전체로부터 판독할 수 있는 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않는 범위에서 변경될 수 있다. 이러한 변경을 수반하는 포커스 서보 장치도 또한 본 발명의 기술 범위에 포함되는 것이다.

본 발명에 따른 포커스 서보 장치는 각종 정보를 고밀도로 기록 가능한 DVD 등의 소비자용 또는 산업용 고밀도 광 디스크에 적용될 수 있으며, 또한 DVD 플레이어, DVD 레코더 등에도 적용 가능하다. 또, 고 NA의 픽업 광학 시스템과 단파장 광을 제공하는 광원을 이용하는 고기록 밀도, 대기록 용량의 광 기록 매체에도 적용 가능하다.

Claims

광원으로부터 조사된 광을 대물렌즈를 통하여 기록매체의 기록층 상에 수속시키기(focusing) 위한 포커스 서보 장치로서,

초점을 도입하기 위한 캡처 레인지(capture range)가, 평균 런 길이 주기(average run length period)에 기초하여 결정되는 하한, 및 트랙 피치에 기초하여 결정되는 상한에 의해 결정되는 것으로,

상기 광의 파장을 λ, 상기 대물렌즈의 개구수를 NA, λ/NA로 정규화된 기록 데이터의 평균 런 길이 주기를 RL, λ/NA로 정규화된 상기 트랙 피치를 TP, 그리고 상기 포커스 서보 장치의 캡처 레인지를 CR [㎛]라고 하면, 다음 식:

0.114/(RL - 0.72) + 0.84
CR
18000(TP - 0.69)⁵ + 3.13

이 적용되는 것을 특징으로 하는 포커스 서보 장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 평균 런 길이 주기 RL에 대해 다음 식:

RL = 2 × {[(평균 데이터 반전 간격/채널 비트 길이) + 0.5]의 정수부} × 채널 비트 길이 × NA/λ

이 적용되는 것을 특징으로 하는 포커스 서보 장치.
제3항에 있어서,

상기 광의 파장 λ가 0.395㎛ 내지 0.4l5㎛ 범위이고,

상기 대물렌즈의 개구수 NA가 0.80 내지 0.90 범위인 것을 특징으로 하는 포커스 서보 장치.
제4항에 있어서,

상기 정규화 트랙 피치 TP가 0.6 이상이고 상기 평균 런 길이 주기 RL이 0.86 이상인 경우에, 상기 캡처 레인지(CR)는 다음 식:

1.65[㎛]
CR[㎛]
3.02[㎛]

이 적용되는 것을 특징으로 하는 포커스 서보 장치.