KR19980067913A - 복수의 광디스크사양들에 호환하는 대물렌즈를 구비한 광픽업 - Google Patents

복수의 광디스크사양들에 호환하는 대물렌즈를 구비한 광픽업 Download PDF

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Abstract

개시된 광픽업은 다른 파장의 광을 사용하는 복수의 광기록매체들에 호환한다. 이 광픽업은, 적어도 하나의 광원, 광원으로부터 출사된 광을, 복수의 광기록매체들 각각의 정보기록면상에 최적이 되는 광스폿으로 집광시키는 기능을 갖는 대물렌즈, 및 광스폿이 집광된 광기록매체의 정보기록면으로부터 반사되어 대물렌즈를 통과한 광을 검출하기 위한 광검출수단을 포함한다. 대물렌즈는 정점(vertex)을 중심으로 링형태의 환렌즈영역에 의해 분할되는 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역을 가지며, 여기서 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역은, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 제 1광기록매체의 재생시에 안쪽영역 및 바깥영역을 통과한 광을 제 1광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼수 있는 단일 광스폿으로 집광시키며, 안쪽영역과 바깥영역사이에 위치한 상기 환렌즈영역을 통과한 광을 제 1광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼 수 없도록 산란시키며, 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 제 2광기록매체의 재생시에는 안쪽영역 및 환렌즈영역을 통과한 광을 제 2광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼 수 있는 단일 광스폿으로 집광시키고 바깥영역을 통과한 광을 제 2광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼 수 없도록 산란시키는, 비구면형상들을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 광픽업은 또한 용이하게 제작할 수 있으므로 저렴한 가격과 좋은 양산성을 갖는다.

Description

복수의 광디스크사양들에 호환하는 대물렌즈를 구비한 광픽업
본 발명은 사양이 다른 광기록매체의 정보기록면에 광학적 스폿을 형성하는 기능을 갖는 대물렌즈를 구비한 광픽업에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, DVD, CD-R, CD 및 LD등과 같은 다수의 다른 사양의 광디스크들을 호환하는 대물렌즈를 구비한 광픽업에 관한 것이다.
영상이나 음향 또는 데이터 등의 정보를 고밀도로 기록하고 재생하기 위한 기록매체는 디스크, 카드 또는 테이프로 구성되어 있으나 디스크 형태가 주류이다. 최근, 광디스크 기기분야는 레이저디스크(LD), 콤팩트디스크(CD)로부터 디지털 비디오 디스크(DVD)로 까지 제품이 개발되어 오고 있다. 그러나, DVD, CD-R, CD 및 LD등과 같은 다수의 다른 사양의 광디스크들을 호환하여 사용할 경우, 디스크의 두께와 광파장의 변화에 의하여 광학수차가 발생한다. 따라서, 이러한 광학수차를 제거하면서도 다른 사양들에 호환하는 광픽업에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구의 결과로 다른 사양들에 호환하는 광픽업들이 제작되고 있다.
도 1a 및 도 1b는 다른 사양들에 호환하는 종래의 광픽업의 일부를 보여준다. 도 1a는 얇은 두께의 광디스크에 광을 집속하는 경우를 보여주며, 도 1b는 두꺼운 두께의 광디스크에 광을 집속하는 경우를 보여준다. 도 1a-1b에서, 참조번호 1은 홀로그램렌즈이다. 2는 굴절형 대물렌즈, 3a는 얇은 두께의 광디스크, 그리고, 3b는 두꺼운 두께의 광디스크이다. 미도시된 광원으로부터의 광선들(rays; 4)은 홀로그램렌즈(1)의 격자패턴(11)에 의해 회절되며, 그 결과로 0차(order) 광선들(40) 및 1차 광선들(41)이 발생한다. 0차 광선들(40)은 대물렌즈(2)에 의해 광디스크(3a)의 정보기록면에 집속되고, 1차 광선들(41)은 대물렌즈(2)에 의해 광디스크(3b)의 정보기록면에 집속된다. 그러므로, 도 1a-1b에 보여진 광픽업은 0차 광선들(40) 및 1차 광선들(41)을 이용하여 다른 두께의 광디스크들(3a 및 3b)에 정보를 기록하거나 읽을 수 있게 된다.
다른 종래기술로는 1995년 11월 14일자로 출원공개된 일본특허출원공개번호 평7-302437호가 있다. 이 공보에 개시된 광헤드장치의 대물렌즈는 대물렌즈의 중심을 기준으로 홀수번째의 영역(들)은 얇은 두께를 갖는 광디스크의 정보기록면에 일치하는 초점을 가지며 짝수번째의 영역(들)은 두꺼운 두께를 갖는 광디스크의 정보기록면에 일치하는 초점을 갖는다. 따라서, 얇은 두께의 광디스크의 경우, 대물렌즈의 홀수번째 영역(들)을 통과한 광이 해당 광디스크로부터 정보를 읽어내는데 이용된다. 그리고, 두꺼운 두께의 광디스크의 경우, 대물렌즈의 짝수번째 영역(들)을 통과한 광이 해당 광디스크로부터 정보를 읽어내는데 사용된다.
그러나, 도 1a-1b의 광픽업은 회절된 광선들을 이용하므로, 광이용효율이 낮아지는 문제가 있다. 즉, 홀로그램렌즈(1)에 의해 회절된 광선들중에서 0차 광선들만이 또는 1차 광선들만이 정보를 기록하거나 읽어내는데 사용되기 때문에, 이 광픽업은 입사광의 15%정도만을 이용하게 되어 광이용효율이 낮아지게 된다. 그리고, 사용하는 광디스크의 두께에 따라, 광디스크(3a 또는 3b)로부터 반사되는 0차 광선들과 1차 광선들중의 하나만이 실제 읽어낸 정보를 담고 있다. 그러므로, 정보가 실려있지 않은 광선들은 정보가 실려있는 광선들에 대한 광검출동작에 노이즈로 작용한다는 문제가 있다. 이에 더하여, 홀로그램렌즈(1)를 가공할 때에, 홀로그램패턴을 생성하기 위한 식각과정이 높은 정밀도의 공정을 요구한다. 따라서, 그 제작단가가 상승하는 문제가 있다.
일본특허출원공개된 종래기술의 경우, 대물렌즈의 홀수번째 영역(들)을 통과하는 광만을 이용하거나 그 짝수번째 영역(들)을 통과하는 광만을 이용한다. 따라서, 그 광이용효율이 낮아지게 된다. 또한, 초점이 항상 두 개이므로 정보가 실려있지 않은 광선들이 광검출에서의 노이즈로서 작용하여, 광디스크에서 반사된 광으로부터 정보를 검출하기가 용이하지 않다는 문제가 있다.
도 1a 및 도 1b는 홀로그램렌즈 및 굴절형 대물렌즈를 갖는 종래의 광픽업을 보여주는 도면,
도 2a는 본 발명에 따른 대물렌즈가 얇은 광디스크의 정보기록면에 광학적 스폿을 형성시킴을 보여주는 도면,
도 2b는 본 발명에 따른 대물렌즈가 두꺼운 광디스크의 정보기록면에 광학적 스폿을 형성시킴을 보여주는 도면,
도 2c는 광원쪽에서 대물렌즈를 바라본 도면으로서, 대물렌즈의 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역을 구분되게 보여주는 도면,
도 2d는 본 발명에 따른 이상적인 대물렌즈의 환렌즈영역 부근을 확대하여 보여주는 도면,
도 3은 두꺼운 광디스크를 재생할 때의 본 발명에 따른 대물렌즈의 종구면수차(longitudinal spherical aberration)를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대물렌즈를 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대물렌즈의 환렌즈영역 부근을 확대하여 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 대물렌즈를 채용한 단일 광원을 갖는 광픽업의 광학계를 보여주는 도면,
도 7은 도 6의 광픽업의 광학계를 변형한 예를 보여주는 도면,
도 8은 본 발명의 대물렌즈와 두 개의 광원 및 단일 광검출기를 구비한 광픽업을 보여주는 도면,
도 9는 본 발명의 대물렌즈와 두 개의 광원 및 두 개의 광검출기를 구비한 광픽업을 보여주는 도면,
도 10은 본 발명의 광픽업으로 얇은 광디스크를 재생할 때의 광검출부의 광빔분포를 보여주는 도면,
도 11은 본 발명의 대물렌즈를 사용하여 두꺼운 광디스크를 재생할때에 광검출기에서 검출된 광분포를 보여주는 도면.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 대물렌즈 30A : 얇은 광디스크
30B : 두꺼운 광디스크41,45 : 광원
43,83,105 : 광검출기47 : 편광빔분할기
A1 : 안쪽영역 A2 : 환렌즈영역
A3 : 바깥영역
본 발명의 목적은 전술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 디스크의 사양에 무관하게 신호검출이 양호한 광픽업을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 두께가 다른 적어도 두 개의 기판(substrate)을 호환하여 사용하는 대물렌즈를 제공함에 있다.
이와같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한, 복수의 광기록매체들에 호환하는 광픽업에 있어서, 적어도 하나의 광원, 상기 광원으로부터 출사된 광을, 상기 복수의 광기록매체들 각각의 정보기록면상에 최적이 되는 광스폿으로 집광시키는 기능을 갖는 대물렌즈, 및 광스폿이 집광된 광기록매체의 정보기록면으로부터 반사되어 상기 대물렌즈를 통과한 광을 검출하기 위한 광검출수단을 포함하며, 상기 대물렌즈는 정점(vertex)을 중심으로 링형태의 환렌즈영역에 의해 분할되는 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역을 가지며, 여기서 상기 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역은, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 제 1광기록매체의 재생시에 상기 안쪽영역 및 상기 바깥영역을 통과한 광을 제 1광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼수 있는 단일 광스폿으로 집광시키며, 상기 안쪽영역과 바깥영역사이에 위치한 상기 환렌즈영역을 통과한 광을 제 1광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼 수 없도록 산란시키며, 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 제 2광기록매체의 재생시에는 상기 안쪽영역 및 상기 환렌즈영역을 통과한 광을 제 2광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼 수 있는 단일 광스폿으로 집광시키고 상기 바깥영역을 통과한 광을 제 2광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼 수 없도록 산란시키는, 비구면형상들을 갖는다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한, 광을 이용하여 두께가 다른 적어도 두 개의 기판(substrate)을 호환하여 사용하는 대물렌즈는, 정점(vertex)을 중심으로 링형태의 환렌즈영역에 의해 분할되는 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역을 가지며, 여기서 상기 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역은, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 제 1기판을 사용하는 경우 상기 안쪽영역 및 상기 바깥영역을 통과한 광을 제 1기판의 뒷면으로부터 정보를 검출할 수 있는 단일 광스폿으로 집광시키며, 상기 안쪽영역과 바깥영역사이에 위치한 상기 환렌즈영역을 통과한 광을 제 1기판의 뒷면으로부터 정보를 검출할 수 없도록 산란시키며, 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 제 2기판을 사용하는 경우에는 상기 안쪽영역 및 상기 환렌즈영역을 통과한 광을 제 2기판의 뒷면으로부터 정보를 검출할 수 있는 단일 광스폿으로 집광시키고 상기 바깥영역을 통과한 광을 제 2기판의 뒷면으로부터 정보를 검출할 수 없도록 산란시키는, 비구면형상들을 갖는다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 2a-2d는 본 발명에 따른 대물렌즈(20)를 보여준다. 도 2a는 얇은 광디스크(30A)의 재생을 위하여 대물렌즈(20)의 작동거리(working distance)가 WD1일 때의 광학경로들을 보여주며, 도 2b는 두꺼운 광디스크(30B)의 재생을 위해 작동거리가 WD2일 때의 광학경로들을 보여준다. 도 2c는 광원쪽에서 대물렌즈(20)를 바라본 도면으로서, 대물렌즈(20)의 광원쪽 렌즈면(22)이 안쪽영역(A1), 환렌즈영역(A2) 및 바깥영역(A3)으로 구분됨을 보여준다. 도 2d는 대물렌즈(20)의 환렌즈영역(A2) 부근을 확대하여 보여주는 도면으로서, 이상적으로 제작된 경우의 본 발명에 따른 대물렌즈(20)를 보여준다.
본 발명에 따른 대물렌즈(20)는 대물렌즈(20)의 광원쪽 렌즈면(22)의 정점(vertex; V1)을 중심으로 타원 혹은 원형의 링형태를 갖는 환렌즈영역(A2)에 의하여 대물렌즈(20)의 광원쪽 렌즈면(22)은 안쪽영역(A1), 환렌즈영역(A2) 및 바깥영역(A3)으로 분할된다. 여기서, 정점(V1)은 대물렌즈(20)의 축과 광원쪽 렌즈면(22)이 만나는 지점이다. 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)은 얇은 두께를 갖는 광디스크(30A)의 정보기록면(31A)에 최선의 초점을 형성하도록 최적화된 비구면(aspherical surface)형상을 갖는다. 또한, 안쪽영역(A1)은 두꺼운 광디스크(30B)의 정보기록면(31B)에서 약간의 구면수차를 발생시키나 두꺼운 광디스크(30B)를 재생하기에는 충분히 작은 구면수차를 갖도록 제작된다. 특히, 안쪽영역(A1)은 기존의 CD와 같은 두꺼운 광디스크(30B)의 재생에 최적화된 광학적 스폿을 제공하기 위하여 다음의 수학식 1을 만족하는 개구수(NA)를 갖는다. 650nm파장의 광을 사용하는 경우, 기존의 컴팩트디스크(CD)를 재생하기 위한 대물렌즈(20)의 개구수(NA)는 0.37이상인 것이 바람직하다.
[수학식1]
여기서, λ는 사용하는 광의 파장이며, NA는 안쪽영역(A1)의 개구수이다. 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)에 의해 최상의 초점이 형성되는 대물렌즈(20)의 작동거리를 WD1이라 하면, 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)을 투과한 광선들은 작동거리 WD1에 대하여 얇은 광디스크(30A)의 정보기록면(31A)에 최적의 스폿을 형성하며, 구면수차를 발생하지 않는다. 그리고, 대물렌즈(20)의 안쪽영역(A1)을 통과한 광선들만을 사용하는 경우, 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 컴팩트디스크(CD)와 같은 기존의 광디스크(30B)를 재생할 수 있고, 이러한 기술은 한국특허출원번호 제 96-3605호에서 기술되었다. 그러나, 기존의 광디스크들중에서 레이저디스크(LD)와 같이 더 작은 스폿이 사용되는 광디스크를 재생하기 위해서는, 개구수 0.4이상이 요구된다. 그러므로, 환렌즈영역(A2)이 안쪽영역(A1)의 비구면형상이 연장된 형태를 갖는 경우, 레이저디스크를 재생할 때에 환렌즈영역(A2)을 통과한 광선들은 레이저디스크를 재생할 수 없을 만큼 더 큰 광학적 수차를 발생시킨다. 환렌즈영역(A2)은 이 광학적 수차를 보정하기 위한 것으로서, 안쪽영역(A1)에 의해 최상의 초점이 형성되는 위치에서 환렌즈영역(A2)을 투과한 광선들이 광학적 수차를 보정하게 되는 비구면형상을 갖는다. 도 2b는 두꺼운 광디스크(30B) 재생시의 광경로를 보여주는 것으로서, 바깥영역(A3)을 투과한 광이 광디스크에 스폿을 형성하지 못하고 산란됨을 보여준다. 반면, 대물렌즈(20)의 작동거리가 WD1인 경우, 환렌즈영역(A2)을 투과한 광선들은 얇은 광디스크(30A)의 정보기록면(31A)에서 산란된다. 도 2a에서 실선으로 표시된 광학경로는, 작동거리가 WD1일 때 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)을 투과한 광선들의 광학경로이다. 점선으로 표시된 광학경로는 환렌즈영역(A2)을 투과한 광선들에 의해 형성된 광학경로로서, 광이 산란됨을 보여준다.
도 3은 두꺼운 광디스크(30B)를 재생할 때의 대물렌즈(20)의 작동거리 및 광학적 종구면수차(longitudinal spherical aberration)를 설명하기 위한 수차도이다. 대물렌즈(20)가 두꺼운 광디스크(30B)를 재생하는 경우, 안쪽영역(A1)이 구면수차를 가지고 있으므로, 광학적으로는 대물렌즈(20)를 디포커싱(defocusing)시켜 즉, 작동거리를 조정하여 최소의 광학 수차값을 갖도록 할 수 있다. 얇은 광디스크(30A)와 두꺼운 광디스크(30B)간의 디스크두께차이에 의해 생기는 구면수차계수(W40)는 다음의 수학식 2를 만족한다.
[수학식 2]
일반적으로 구면수차를 포함하는 광학수차는 다음의 수학식 3으로 표현되며,
[수학식 3]
여기서, W20은 디포커스(defocus)계수이다.
광학수차의 평방자승근은 다음의 수학식 4를 만족한다.
[수학식 4]
그러므로, 광학수차를 최소로 하는 디포커스계수의 조건은 W20= -W40이고, 실제 디포커스량은 다음의 수학식 5를 따른다.
[수학식 5]
여기서, 안쪽영역의 개구수(NA), 디스크굴절율(n) 및 디스크두께(d)의 변화는 다음과 같다: NA=0.38, n=1.58 그리고 d=0.6mm. 8.3μm만큼 디포커스된 상황에서, 두꺼운 광디스크(30B)에 대하여 최상의 스폿을 형성하며 구면수차가 발생하지 않도록 환렌즈영역(A2)을 설계하면, 도 3과 같은 종구면수차도를 얻을 수 있다. 이 경우, 광축에서의 디포커스량인 8.3μm에 의해 안쪽영역(A1)이 만드는 초점거리 및 환렌즈영역(A2)이 만드는 초점거리간의 차이는 8.3μm가 되며, 초점거리는 안쪽영역(A1)이 3.3025mm이고 환렌즈영역(A2)이 3.3111mm이다.
대물렌즈(20)의 작동거리를 WD1에서 환렌즈영역(A2)을 투과한 광선들에 의한 광학적 수차를 거의 0으로 만드는 WD2로 변경시키는 경우, 환렌즈영역(A2)을 투과한 광선들은 도 2b에서 실선으로 표시된 광학경로를 형성하여, 두꺼운 광디스크(30B)의 정보기록면(31B)에 최적의 스폿을 형성한다. WD2가 두꺼운 광디스크(30B)의 재생을 위해 최적화된 작동거리가 되면, 환렌즈영역(A2)은 사용되는 광의 이용효율을 증대시키며 개구수 또한 증대시킨다. 이 경우, 안쪽영역(A1)은 두꺼운 광디스크(30B)를 재생하기에 충분히 작은 구면수차를 유지한다. 안쪽영역(A1)에 의해 발생된 구면수차는 최소가 되며, 통상적으로 대략 0.07λrms 정도의 값을 갖는다. 따라서, 안쪽영역(A1) 및 환렌즈영역(A2)을 통과한 광빔은, 환렌즈영역(A2)이 안쪽영역(A1)이 연장된 비구면형상을 가질 때에 비해, 광학수차의 증가없이 15%이상 감소된 크기의 스폿을 두꺼운 광디스크(30B)의 정보기록면(31B)에 형성시킨다. 따라서, CD뿐만 아니라 고밀도가 요구되는 기존의 LD와 같은 광기록매체의 재생도 가능하게 된다. 이때 바깥영역(A3)을 투과하는 광은 산란되어 두꺼운 광디스크(30B)의 정보기록면(31B)에 형성되는 광스폿에 영향을 주지 않게 된다. 바깥영역(A3)을 투과하는 광의 광학경로는 도 2b에서 점선으로 표시되었다. 따라서, 한 개의 광스폿을 정보기록면(31B)에 형성시킬 수 있게된다. 도 2a 및 도 2b에 관련하여 설명된 작동거리들의 예는 각각 WD1=1.897, WD2=1.525이다.
기록된 정보를 읽어내는 경우, 얇은 광디스크(30A)는 상대적으로 짧은 파장의 광을 이용하며, 두꺼운 광디스크(30B)는 짧은 파장의 광과 상대적으로 긴 파장의 광 둘 다를 이용할 수 있다. 얇은 광디스크(30A)는 두꺼운 광디스크(30B)에 비하여 대물렌즈(20)로부터 가까운 거리에 그 정보기록면(31A)을 갖는다. 그러므로, 얇은 디스크(30A)가 DVD이고 두꺼운 디스크(30B)가 CD, LD 또는 CD-R인 경우, 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)은 DVD의 정보기록면에 최적화된 비구면형상을 가지며, 안쪽영역(A1) 및 환렌즈영역(A2)은 CD, LD 또는 CD-R의 정보기록면에 대하여 정보를 재생가능하도록 수차가 보정되고 작동거리가 최적화된 비구면형상을 갖는다. 이러한 영역들(A1, A2 및 A3)중에서, 환렌즈영역(A2)은 비구면을 표현하는 다음의 수학식 6에 의해 그 비구면형상이 결정된다.
[수학식 6]
수학식 6에서, Z는 대물렌즈(20)의 정점(V1)을 지나면서 광축에 수직한 면으로부터 광원쪽 렌즈면(22)까지의 거리이며, h는 대물렌즈(20)의 축으로부터 수직한 특정 지점까지의 거리이고, R은 비구면형상을 결정하는데 기준이 되는 곡률이다. Zoffset은 환렌즈영역(A2)이 안쪽영역(A1)과 만드는 단차를 표현하기 위하여 새로이 도입한 매개변수이다. 수학식 6은 당업자에게 잘 알려진 것이므로, 더 이상의 설명은 생략하였다. 환렌즈영역(A2)은 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)에 비하여 돌출한 형태를 갖거나, 또는 움푹한 형태를 가질수 있다. 돌출한 형태의 환렌즈영역(A2)은 도 2d에서 확대 도시되었다. 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)이 갖는 비구면형상들은 위의 수학식 6에서 오프셋성분(Zoffset)을 제거하면 얻을 수 있다. 환렌즈영역(A2)의 폭은 상대적으로 두꺼운 광디스크의 재생에 최적화된 스폿을 제공하도록 결정되며, 광원으로부터의 광선들이 입사하는 대물렌즈(20)의 입사면(22)의 대략 15%를 차지한다. 정량적으로 표현하는 경우, 환렌즈영역(A2)의 폭은 대략 100∼200μm의 범위를 갖는다.
영역들(A1, A2 및 A3)에 최적의 비구면형상들을 제공하기 위하여 얻어진 데이터가 아래의 표 1에서 보여졌다.
[표 1]
렌즈표면 곡율 비구면계수 두께 굴절율
안쪽영역(A1)/바깥영역(A3) 2.13482 K : -0.425667A : -0.822095E-03B : -0.249645E-03C : -0.106803E-03D : -0.194864E-03Zoffset: 0.0 1.795 1.5864
환렌즈영역(A2) 2.14101 K : -0.425667A : -0.362745E-03B : -0.259541E-03C : -0.665620E-03D : -0.620804E-03Zoffset: -0.0012 1.795 1.5864
광디스크쪽렌즈면(24) -14.39337 K : 8.578602A : 0.897734E-02B : -0.341346E-02C : -0.762226E-03D : -0.665163E-04
광디스크 0 1.2/0.6 1.58
전술의 수학식 6과 표 1에 의해 영역들(A1, A2 및 A3)의 비구면형상들이 결정되는 경우, 도 4에서 보인 것 처럼, 점선으로 표시된 환렌즈영역(A2)의 비구면을 연장한 면은 안쪽영역(A1)의 비구면보다 대물렌즈(20)의 정점(V1)으로부터 멀리 있게된다.
그러나, 비구면형상의 영역들(A1, A2 및 A3)을 대물렌즈(20)의 광원쪽 렌즈면에 용이하게 형성하기 위해서는, 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)을 1차적으로 가공한 이후에 환렌즈영역(A2)을 가공하는 것이 바람직하다. 따라서, 링형태의 환렌즈영역(A2)은 안쪽영역(A1)과 접하는 부분 또는 바깥영역(A3)과 접하는 부분에 단차를 갖게 된다. 도 4는 안쪽영역(A1)과 환렌즈영역(A2)이 접하는 부분에 단차가 존재하도록 가공된 대물렌즈(20)를 보여주며, 도 5는 환렌즈영역(A2)과 바깥영역(A3)이 접하는 부분에 단차가 존재하도록 가공된 대물렌즈(20')를 보여준다. 이러한 단차는 안쪽영역(A1)을 통과하는 광선들과 환렌즈영역(A2)을 통과하는 광선들간의 광경로차이들에 의한 수차를 발생시킨다. 이 단차는 광원으로부터 출사되는 상대적으로 긴 파장의 광 혹은 두꺼운 광디스크의 재생을 위한 광에 대하여 안쪽영역(A1)을 통과하는 광선들(rays)과 환렌즈영역(A2)을 통과하는 광선들간의 광경로차이들에 의한 광학수차를 제거할 수 있는 높이를 갖는다. 특히, 단차의 높이는 환렌즈영역(A2)을 통과하는 광선과 대물렌즈(20)의 광축을 통과하는 광선간의 광경로차이가 사용하는 광이 갖는 파장의 정수배가 되는 광경로차를 갖도록 결정된다. 이러한 단차의 높이는 전술의 수학식 6에서의 오프셋(Zoffset) 및 환렌즈영역(A2)이 갖는 폭을 고려하여 광경로차이들에 의한 광학수차를 제거할 수 있는 값으로 결정된다. 바람직하게는 단차의 높이는 대물렌즈의 굴절율에 따라 대략 1μm∼1.5μm 정도이다.
도 6은 본 발명에 따른 대물렌즈(20 또는 20')를 채용한 광픽업을 보여준다. 도 6의 광픽업은 전형적인 광학계구조를 갖는 것으로, 본 발명에 따른 대물렌즈(20 또는 20')를 사용하여 동일한 파장의 광을 사용하는 여러 종류의 사양이 다른 광디스크들에 호환한다. 광원(41)은 특정 파장의 레이저광을 출사한다. 광검출기(43)는 두꺼운 광디스크(30B)의 재생시에 대물렌즈(20 또는 20')의 바깥영역(A3)을 투과한 광을 검출하지 않도록 설계된다. 다시 말하면, 광검출기(43)는 대물렌즈(20)의 안쪽영역(A1) 및 환렌즈영역(A2)을 통과한 광에 대해서만 광검출을 수행하도록 설계된다.
설명의 명료함을 위해, 도 6의 광픽업이 대물렌즈(20)를 구비하며 아울러 광원(41)이 650nm 파장의 광을 출사하는 경우를 설명한다. 광원(41)으로부터 출사되는 650nm파장의 광선들은 광분할기(42)에서 반사된다. 광분할기(42)는 입사광의 대략 50% 반사시키며, 반사된 광선들은 시준(collimating)렌즈(70)에 의해 거의 평행하게 된다. 시준렌즈(70)를 사용하면 광원쪽으로부터 대물렌즈(20)로 입사하는 광선들을 거의 평행하게 만들 수 있으므로 보다 안정적인 재생동작을 수행할 수 있게 된다. 얇은 디스크(30A), 예를 들면, DVD에 대한 재생동작을 수행하는 경우, 시준렌즈(70)를 투과한 광선들은 대물렌즈(20)에 의해 얇은 디스크(30A)의 정보기록면(31A)에 빔스폿형태로 집광된다. 이 때, 대물렌즈(20)는 작동거리 WD1을 가지며 도 6에서 실선으로 표시 되었다. 그러므로, 650nm파장의 광선들은 도 6에서 실선으로 표시된 광경로를 형성한다. 얇은 디스크(30A)의 정보기록면(31A)에서 반사된 광은 대물렌즈(20), 시준렌즈(70)를 통과한 다음, 광분할기(42)로 입사한다. 광분할기(42)는 이 입사광이 대략 50%를 투과시키며, 투과된 광은 광검출렌즈(44)에 의해 광검출기(43)에 집광된다. 이 경우, 대물렌즈(20)의 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)을 통과한 광빔은 얇은 디스크(30A)의 정보기록면(31A)에 정보를 읽어낼수 있는 크기(size)의 스폿(spot)을 형성한다. 반면에, 대물렌즈(20)의 환렌즈영역(A2)을 통과한 광빔은 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)을 통과한 광빔에 의한 스폿의 위치로부터 디스크상에서 대략 5μm만큼 벗어난 위치에 산란된 형태의 띠를 형성시킨다. 따라서, 환렌즈영역(A2)을 투과한 광빔은 광검출기(43)에 의해 검출되지 않게 될 뿐만 아니라 얇은 디스크(30A)에 대한 유효한 재생신호에 대한 노이즈로도 작용하지 않게 된다.
두꺼운 디스크(30B), 예를 들면, CD, LD에 대한 재생동작을 수행하는 경우, 시준렌즈(70)를 투과한 광선들은 대물렌즈(20)에 의해 두꺼운 디스크(30B)의 정보기록면(31B)에 빔스폿형태로 집광된다. 이 때, 대물렌즈(20)는 작동거리 WD2를 가지며 도 6에서 점선으로 표시 되었다. 이 경우의 광선들은 도 6에서 점선으로 표시된 광학경로를 형성한다. 이 경우, 대물렌즈(20)의 안쪽영역(A1) 및 환렌즈영역(A2)을 통과한 광빔은 두꺼운 디스크(30B)의 정보기록면에 정보를 읽어낼수 있는 크기(size)의 스폿을 형성한다. 반면에, 대물렌즈(20)의 바깥영역(A3)을 통과한 광빔은 안쪽영역(A1) 및 환렌즈영역(A2)을 통과한 광빔에 의한 스폿의 위치로부터 벗어난 위치를 가지며 상대적으로 약한 세기를 갖는 스폿을 형성시킨다. 그러므로, 광검출기(43)는 대물렌즈(20)의 안쪽영역(A1) 및 환렌즈영역(A2)을 통과한 광빔을 이용하여 두꺼운 디스크(30B)로부터 정보를 읽어낼 수 있게 된다. 보다 상세하게는, 안쪽영역(A1)을 통과한 광은 두꺼운 광디스크(30B)의 정보기록면(31B)상에서 구면수차를 발생시키나, 두꺼운 광디스크(30B)를 재생하기에 충분히 작으며 광축에서의 구면수차량만큼 디포커스시킴에 의해 최소화된 광학수차를 유지할 수 있다. 이렇게 작동거리가 10μm 내외로 조정된 상태에서 환렌즈영역(A2)의 렌즈곡율과 비구면계수가 더 이상의 구면수차를 발생시키지 않도록 무수차 광학계로 보정되어진다. 그러면, 광학수차는 증기되지 않으면서도 개구수를 증가시키고 스폿의 크기를 축소시킬 수 있게 된다. 따라서, 레이저디스크(LD)와 같이 CD보다 고밀도를 요구하는 기존의 광디스크를 재생할 수 있다. 참고로, LD를 재생할려면 1.2μm 수준의 스폿크기가 요구되며, CD는 1.4μm의 스폿크기를 필요로한다. DVD는 0.9μm 수준의 스폿크기를 요구한다. 결국, 본 발명은 간단한 구조의 광픽업으로 DVD, LD, CD등과 같은 다양한 광디스크들을 재생할 수있게 한다.
도 10은 얇은 디스크(30A)를 사용하는 경우에 광검출기(43)에서의 광빔분포를 보여준다. 도 10에서, 어둡게된 부분들은 대물렌즈(20)의 안쪽영역(A1) 및 바깥영역(A3)을 투과한 광에 의한 것으로, 유효한 재생신호로서 검출된다. 그러나, 어둡게된 부분들 사이의 밝은 부분은 대물렌즈(20)의 환렌즈영역(A2)을 투과한 광이 광검출기(43)에서 검출되지 않는 것을 보여주고 있는 것으로, 유효한 재생신호로서 검출되지 않는다. 도 11은 본 발명의 대물렌즈(20 또는 20')를 사용하여 두꺼운 광디스크(30B)를 재생하는 경우에 광검출기(43)에서 검출된 광분포를 보여준다. B1은 광검출기에서 안쪽영역(A1)을 투과한 광의 분포이고, B2는 환렌즈영역(A2)을 투과한 광의 분포이며, B3는 바깥영역(A3)을 투과한 광의 분포이다. 도 11을 통해 B1 및 B2의 분포를 이루는 광은 광검출기(43)에서 유효한 신호로 검출되나, B3의 분포를 이루는 광은 유효한 재생신호로서 검출되지 않음을 알 수 있다.
도 7은 도 6의 광학계의 변형을 보여준다. 도 7에서, 유닛(40)은 광원(41)과 광검출기(43)가 하나의 모듈로 구성된다. 홀로그램형 광분할기(50)는 광이용효율을 고려하여 편광홀로그램으로 이루어지며, 파장판(60)의 사용에 의해 높은 광이용효율을 얻을 수 있게 된다. 파장판(60)을 사용하지 않는 경우에는 편광홀로그램을 일반 홀로그램으로 대체하는 것이 바람직하다. 광원(41)으로부터의 650nm파장의 광선들은 홀로그램형 광분할기(50) 및 파장판(60)을 투과한 다음, 시준렌즈(70)에 의해 평행광선들이 된다. 대물렌(20)는 시준렌즈(70)로부터 입사하는 광을 얇은 광디스크(30a)의 정보기록면(31A) 또는 두꺼운 광디스크(30B)의 정보기록면(31B)에 광스폿의 형태를 집속시킨다. 이러한 도 7의 광픽업에서, 대물렌즈(20)에 관련한 내용은 도 6에서와 동일하므로 그 설명을 생략한다. 정보기록면(31A 또는 31B)에서 반사된 광은 최종적으로 홀로그램형 광분할기(50)에 의해 광검출기(43)에 집광된다.
도 8은 본 발명의 대물렌즈(20 또는 20')와 두 개의 광원(41,45) 및 단일 광검출기(43)를 구비한 광픽업을 도시한다. 광원(41)은 650nm 파장의 레이저광을 출사하며, 광원(45)은 780nm파장의 레이저광을 출사한다. 광원(41)을 사용하는 경우, 출사되는 광선들은 도 8에서 실선으로 표시된 광학경로를 형성하며, 이 경우의 대물렌즈(20)는 실선으로 표시되었다. 광원(45)을 사용하는 경우, 출사되는 광선들은 점선으로 표시된 광학경로를 형성하며, 이 경우의 대물렌즈(20)는 점선으로 표시되었다. 대물렌즈(20)에 의해 두꺼운 광디스크(30B) 또는 얇은 광디스크(30A)에 집광되는 광스폿은 도 6에 관련하여 전술한 바와 동일하다. 광분할기(46)는 색분리가능한 광분할기로서, 광원(41)으로부터의 광을 투과시키며 광원(45)으로부터의 광을 반사시킨다. 광분할기(46)에서 반사된 광은 편광빔분할기(47)로 입사한다. 편광빔분할기(47)는 직선편광된(linearly polarized) 광을 투과 또는 반사시키는 광학적 특성을 갖는 것으로, 650nm 파장의 광과 780nm파장의 광에 대하여 모두 동작하는 광학적 특성을 갖는다. 편광빔분할기(47)는 광분할기(46)로부터 입사하는 광을 투과시키며, 투과된 광은 1/4파장판(60)에 의해 원형편광상태로 되며, 이 광은 대물렌즈(20)에 의해 얇은 광디스크(30A) 또는 두꺼운 광디스크(30B)의 정보기록면에 집광된다. 정보기록면에서 반사되는 광은 대물렌즈(20) 및 시준렌즈(70)를 통과한 다음, 1/4파장판(60)에 의해 직선편광된 광으로 된다. 이 광은 편광빔분할기(47)에서 반사되며, 반사된 광은 광검출렌즈(44)에 의해 광검출기(43)에 집광된다. 이러한 편광빔분할기(47)는 파장판(60)을 사용하지 않는 경우에는 입사광을 부분적으로 투과 및 반사시키는 광분할기로 대체된다.
도 9는 본 발명의 대물렌즈와 두 개의 광원 및 두 개의 광검출기를 구비한 광픽업을 도시한다. 도 9에서, 참조번호 41은 650nm파장의 광원이며, 83은 광원(41)에 대응하는 광검출기, 80은 광원(41) 및 광검출기(83)로 구성된 단일 유닛이다. 45 및 105는 각각 780nm파장의 광을 위한 광원 및 광검출기이며, 110은 광분할기이다. 다른 광학소자들은 동일한 참조번호를 갖는 도 8의 대응하는 광학소자와 동일하다. 광검출기(105)는 광검출기(45)와는 달리 일반적으로 통용되는 광검출기소자를 그대로 채용할 수 있다. 이러한 도 9의 광픽업의 광학계는 도 8에 관련한 설명에 근거하여 당업자들이 잘 이해할 것이므로, 그 구체적인 설명은 생략한다.
이상에서는 광픽업에 관련하여 본 발명의 대물렌즈를 설명하였으나, 본 발명의 대물렌즈를 현미경이나 광픽업평가장치 등에 적용할 수 있음은 당업자에게 명백하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광픽업은 디스크의 두께 또는 기록밀도에 관계없이 다른 사양들에 호환가능하므로 사용하는 디스크로부터 양호한 독출신호를 얻을 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 대물렌즈는 사출등을 이용하여 저렴한 가격으로 제작할 수 있다. 특히, 광디스크 호환을 위하여 두 개 이상의 파장들을 사용해야 하는 경우에도 단일의 대물렌즈와 단일 광검출기를 사용하여 광픽업을 구성할 수 있게 한다.

Claims (23)

  1. 복수의 광기록매체들에 호환하는 광픽업에 있어서,
    적어도 하나의 광원;
    상기 광원으로부터 출사된 광을, 상기 복수의 광기록매체들 각각의 정보기록면상에 최적이 되는 광스폿으로 집광시키는 기능을 갖는 대물렌즈; 및
    광스폿이 집광된 광기록매체의 정보기록면으로부터 반사되어 상기 대물렌즈를 통과한 광을 검출하기 위한 광검출수단을 포함하며,
    상기 대물렌즈는 정점(vertex)을 중심으로 링형태의 환렌즈영역에 의해 분할되는 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역을 가지며,
    여기서 상기 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역은, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 제 1광기록매체의 재생시에 상기 안쪽영역 및 상기 바깥영역을 통과한 광을 제 1광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼수 있는 단일 광스폿으로 집광시키며, 상기 안쪽영역과 바깥영역사이에 위치한 상기 환렌즈영역을 통과한 광을 제 1광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼 수 없도록 산란시키며, 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 제 2광기록매체의 재생시에는 상기 안쪽영역 및 상기 환렌즈영역을 통과한 광을 제 2광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼 수 있는 단일 광스폿으로 집광시키고 상기 바깥영역을 통과한 광을 제 2광기록매체의 정보기록면으로부터 정보를 읽어낼 수 없도록 산란시키는, 비구면형상들을 갖는, 광픽업.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 대물렌즈는 제 2광기록매체의 재생시에는 상기 안쪽영역을 통과한 광이 제 2광기록매체의 정보기록면에 최소의 광학수차를 갖는 광스폿으로 집광되도록 하는 작동거리를 갖는 광픽업.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 안쪽영역의 비구면형상은, 안쪽영역을 통과한 광이, 제 1광기록매체의 재생시에는 제 1광기록매체의 정보기록면에 최적의 광스폿으로 집광되고, 제 2광기록매체의 재생시에는 제 2광기록매체의 정보기록면에 최소의 광학수차를 갖는 광스폿으로 집광되게 하는 형상인 광픽업.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 환렌즈영역의 비구면형상은, 환렌즈영역을 통과한 광이, 제 2광기록매체의 재생시에는 제 2광기록매체의 정보기록면에 구면수차없는 광스폿으로 집광되게 하는 형상인 광픽업.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 환렌즈영역이 갖는 초점거리와 상기 안쪽영역이 갖는 초점거리간의 차이(ΔZ)는 다음의 관계식에 의해 결정되는 디포커스(defocus)량과 동일하며,
    ΔZ = -(2W40)/(NA)2
    여기서, NA는 안쪽영역의 개구수, W40은 구면수차계수인 광픽업.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 대물렌즈의 상기 안쪽영역의 개구수는 최소한 0.3이상을 유지하는 광픽업.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 대물렌즈의 상기 환렌즈영역은, 제 2광기록매체의 재생시에 상기 안쪽영역 및 상기 환렌즈영역이 제 2광기록매체의 정보기록면에 최적화된 스폿을 형성할 수 있게 하는 개구수를 갖는 광픽업.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 안쪽영역, 상기 환렌즈영역 및 상기 바깥영역은 상기 대물렌즈의 광원쪽 렌즈면에 형성된 광픽업.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 환렌즈영역의 비구면을 연장한 면은 상기 안쪽영역의 비구면에 있는 정점으로부터 멀리있는 광픽업.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 환렌즈영역의 폭은 대략 100∼200μm의 범위를 갖는 광픽업.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 환렌즈영역의 표면적은 대물렌즈 입사면의 대략 15%인 광픽업.
  12. 제 1항에 있어서, 다른 파장들의 광들을 출사하는 복수의 광원들을 구비한 광픽업.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 복수의 광원들로부터 출사되는 복수의 상기 광들 각각에 대하여 편광분할특성을 나타내는 광분할수단을 구비한 광픽업.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 광원이 디지털 다기능 디스크(DVD)에 적합한 파장의 광을 출사하는 경우, 상기 제 1광기록매체는 DVD이며 상기 제 2광기록매체는 컴팩트디스크(CD)와 레이저디스크(LD)중의 하나인 광픽업.
  15. 제 1항에 있어서, 디지털 다기능 디스크(DVD)에 적합한 파장의 광을 출사하는 광원과 기록가능한 컴팩트디스크(CD-R)에 적합한 파장의 광을 출사하는 광원을 사용하는 경우, 상기 제 1광기록매체는 DVD이며 상기 제 2광기록매체는 컴팩트디스크(CD), 기록가능한 컴팩트디스크 및 레이저디스크(LD)중의 하나인 광픽업.
  16. 제 1항에 있어서, 적어도 두 개의 광원들을 사용하며 제 1광기록매체 및 제 2광기록매체를 호환하여 재생하는 경우, 단일 광검출기를 사용하여 제 1광기록매체 및 제 2광기록매체로부터의 광을 광학적 정보로서 검출하는 광픽업.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 대물렌즈는, 상기 환렌즈영역과 상기 안쪽영역이 만나는 부분에 형성되며, 제 2광기록매체를 재생하는 경우에, 상기 대물렌즈의 광축을 통과하는 광선과 환렌즈영역을 통과하는 광선들간의 광경로차이가 광원으로부터 출사되는 광이 갖는 파장의 정수배가 되도록 만드는 단차를 포함하는 광픽업.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 단차의 높이는 대략 1.0∼1.5μm인 광픽업.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 대물렌즈는, 상기 환렌즈영역과 상기 바깥영역이 만나는 부분에 형성되며, 제 2광기록매체를 재생하는 경우에, 상기 대물렌즈의 광축을 통과하는 광선과 환렌즈영역을 통과하는 광선들간의 광경로차이가 광원으로부터 출사되는 광이 갖는 파장의 정수배가 되도록 만드는 단차를 포함하는 광픽업.
  20. 광을 이용하여 두께가 다른 적어도 두 개의 기판(substrate)을 호환하여 사용하는 대물렌즈에 있어서,
    정점(vertex)을 중심으로 링형태의 환렌즈영역에 의해 분할되는 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역을 가지며,
    여기서 상기 안쪽영역, 환렌즈영역 및 바깥영역은, 상대적으로 얇은 두께를 갖는 제 1기판을 사용하는 경우 상기 안쪽영역 및 상기 바깥영역을 통과한 광을 제 1기판의 뒷면으로부터 정보를 검출할 수 있는 단일 광스폿으로 집광시키며, 상기 안쪽영역과 바깥영역사이에 위치한 상기 환렌즈영역을 통과한 광을 제 1기판의 뒷면으로부터 정보를 검출할 수 없도록 산란시키며,
    상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 제 2기판을 사용하는 경우에는 상기 안쪽영역 및 상기 환렌즈영역을 통과한 광을 제 2기판의 뒷면으로부터 정보를 검출할 수 있는 단일 광스폿으로 집광시키고 상기 바깥영역을 통과한 광을 제 2기판의 뒷면으로부터 정보를 검출할 수 없도록 산란시키는, 비구면형상들을 갖는, 대물렌즈.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 환렌즈영역이 갖는 초점거리와 상기 안쪽영역 및 상기 바깥영역이 갖는 초점거리간의 차이(ΔZ)는 다음의 관계식에 의해 결정되는 디포커스(defocus)량과 동일하며,
    ΔZ = -(2W40)/(NA)2
    여기서, NA는 안쪽영역의 개구수, W40은 구면수차계수인 대물렌즈.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 대물렌즈는, 상기 환렌즈영역과 상기 안쪽영역이 만나는 부분에 형성되며, 제 2기판를 사용하는 경우에, 상기 대물렌즈의 광축을 통과하는 광선과 환렌즈영역을 통과하는 광선들간의 광경로차이가 사용하는 광이 갖는 파장의 정수배가 되도록 만드는 단차를 포함하는 대물렌즈.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 대물렌즈는, 상기 환렌즈영역과 상기 바깥영역이 만나는 부분에 형성되며, 제 2기판를 사용하는 경우에, 상기 대물렌즈의 광축을 통과하는 광선과 환렌즈영역을 통과하는 광선들간의 광경로차이가 사용하는 광이 갖는 파장의 정수배가 되도록 만드는 단차를 포함하는 대물렌즈.
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