KR20000055630A

KR20000055630A - 대물렌즈 및 그를 이용한 광픽업장치

Info

Publication number: KR20000055630A
Application number: KR1019990004369A
Authority: KR
Inventors: 김영식
Original assignee: 구자홍; 엘지전자 주식회사
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2000-09-15

Abstract

본 발명은 청색계열 광빔을 사용하는 디스크를 액세스하도록 구성된 대물렌즈에 관한 것이다.

본 발명에 따른 대물렌즈는 광빔이 입사되는쪽으로 회전타원면이 형성된 제1 렌즈면과, 제1 렌즈면에 대향하게 회전 쌍곡면이 형성된 제2 렌즈면을 구비한다.

이에따라, 본 발명에 따른 대물렌즈는 광빔의 사용파장이 청색계열인 디스크를 안정적으로 액세스하게 된다.

Description

대물렌즈 및 그를 이용한 광픽업장치 {Object Lens and Apparatus of Optical Pick-Up Using The Same}

본 발명은 광픽업장치에 관한 것으로, 특히 청색계열 광빔을 사용하는 디스크를 액세스하도록 구성된 대물렌즈 및 그를 이용한 광픽업장치에 관한 것이다.

최근, 광 기록/재생분야에 있어 기하급수 적으로 늘어나고 있는 정보를 효율적으로 처리하기 위해서 대용량의 요구가 증대되고 있다. 이러한 추세에 따라 컴팩트 디스크(Compact Disc; 이하 "CD"라 한다) 등의 보급에 이어 디지털 다기능 디스크(Digital Versatile Disk; 이하 "DVD"라 함)등과 같은 고밀도 기록매체가 개발되고 있으나, 아직 압축 동영상정보와 같은 대용량의 정보를 저장하는데는 용량이 작기 때문에 더욱 고밀도화한 매체(예를들면, 고밀도 DVD(HD-DVD)) 등의 기록매체가 요구되어진다. 이에따라, 대용량화에 대응하도록 사용파장을 짧게하고 개구수를 크게하여 빔스폿의 사이즈가 작아지게 한다. 즉, 광기록매체가 고밀도화될수록 광픽업장치에 사용되는 광빔의 파장이 짧아지게된다. 예를들어 설명하면, CD용 광빔의 경우에는 770 - 830 ㎚의 파장을 사용하고 DVD용 광빔의 경우에 635 - 660㎚의 파장을 사용하게 된다. 또한, HD-DVD용 광빔은 390 - 430㎚의 파장을 사용하게 된다. 한편, 광기록매체가 고밀도화 될 수록 디스크의 두께는 CD가 1.2㎜, DVD가 0.6㎜이고 HD-DVD는 0.3㎜로 얇아지게 된다. 이러한, 대용량화를 구현하기위해 제안된 HD-DVD용 디스크를 종래의 대물렌즈를 이용하여 액세스할 경우에는 디스크의 두께 및 광빔의 파장이 다름에 기인하여 수차가 발생하게 된다. 이로인해, 종래의 대물렌즈를 이용하여 HD-DVD를 안정적으로 액세스하기는 어려운 문제점이 도출되고 있다. 이에따라, 청색계열 광빔을 사용하는 디스크를 안정적으로 액세스하기위한 새로운 대물렌즈가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 청색계열 광빔을 사용하는 디스크를 액세스하도록 구성된 대물렌즈 및 그를 이용한 광픽업장치를 제공 하는데 있다.

도 1은 디스크의 경사에 따른 지터특성을 설명하기위해 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 대물렌즈를 도시한 도면.

도 3은 도 1의 광선수차를 설명하기위해 도시한 도면.

도 4는 도 1의 축외수차를 설명하기위해 도시한 도면.

도 5는 도 1의 시야특성을 설명하기위해 도시한 도면.

도 6은 도 1의 편심수차를 설명하기위해 도시한 도면.

도 7은 도 1의 파면수차를 설명하기위해 도시한 도면.

도 8은 본 발명에 따른 대물렌즈를 이용한 광픽업장치를 도시한 도면.

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

2 : 대물렌즈 4 : 디스크

6 : 시준렌즈 8 : 반사미러

10 : 빔스프리터 12 : 청색레이저 다이오드

14 : 광검출기

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 대물렌즈는 광빔이 입사되는쪽으로 회전타원면이 형성된 제1 렌즈면과, 제1 렌즈면에 대향하게 회전 쌍곡면이 형성된 제2 렌즈면을 구비한다.

또한, 본 발명에 따른 대물렌즈를 이용한 광픽업장치는 광빔을 디스크상의 한점에 집속하도록 양면이 비구면으로 형성된 대물렌즈와, 청색레이저 다이오드와 대물렌즈 사이에 위치하여 상기 광빔의 경로를 형성하는 광경로 형성수단을 구비한다.

상기 목적외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명 하기로 한다.

디스크 시스템의 기록/재생에 사용되는 대물렌즈는 일정한 시야내에서 회절한계 성능을 만족해야 한다. 회절한계는 수차가 양호하게 보정되어 회절효과에 의해서 상점의 크기가 결정되는 상태로 실효치(Root Mean Square;이하 "RMS"라 한다) 파면수차가 λ/14 이하인 마셜표준(Marechal Criterion)을 만족하여야 한다. 디스크에 기록된 디지탈신호는 원래 비트 "0", "1"에 대응하는 전기신호의 로우 레벨과 하이 레벨로 구성되는 위상정보이다. 이러한 재생신호의 비트 클럭에 동기를 걸어 오실로스코프상에 나타내게될 때 이를 "아이패턴(Eye Pattern)"이라 부르게 된다. 이러한 아이패턴은 디스크에 관한 디지탈 신호의 표준적인 평가방법이 된다. 실제로, 아이(Eye)의 휘선에는 다수의 천이점과 관련한 휘선이 중첩되어 천이타이밍의 평균 클럭(Clock)으로부터 오차가 생겨 아이 선폭이 넓어지게 된다. 이때, 아이의 선폭넓이는 "지터(Jitter)"라 불리운다. 이러한 지터는 기계적 지터와 광학적 지터로 대별된다. 특히, 광학적 지터는 유한한 빔사이즈, 광학수차, 레이저 잡음 및 크로스토크 등에 의해서 발생하게되며 광학계의 설계시 매우 중요한 요소가 된다. 한편, 수차에는 구면수차, 비점수차, 코마수차등이 있으며 비점수차는 최적 포커스(Focus)시 지터에 미치는 영향이 적으므로 구면수차와 코마수차에 대해서 보정될 필요가 있다. 이에따라, 구면수차 및 코마수차를 보정하도록 본 발명에 따른 대물렌즈는 비구면을 가지도록 설게하는 것이 바람직하다. 이때, 디스크의 경사에 따른 탄젠셜 틸트값에 대하여 대칭적으로 분포하는 지터특성이 도 1에 도시되어 있다. 이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여 2개의 비구면으로 구성된 본 발명에 따른 대물렌즈에 대하여 살펴보기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 대물렌즈(2)는 광원방향으로 회전타원면으로 형성된 제1 렌즈면(2a)과, 제1 렌즈면(2a)에 대향하게 회전 쌍곡면으로 형성된 제2 렌즈면(2b)을 구비한다. 본 발명에 따른 대물렌즈(2)는 구면수차와 코마수차를 보정하도록 정현조건을 만족시키게 된다. 또한, 2개의 수차를 완전히 보정하는데는 2면의 비구면을 필요로 하므로 본 발명에 따른 제1 및 제2 렌즈면(2a,2b)은 비구면으로 형성하는 것이 바람직하다. 이를위해, 양면 비구면 렌즈는 광범위한 굴절률 재료를 사용하여 표 1에 나타난바와같은 사양을 만족해야 한다.

양면 비구면 렌즈의 사양

파 장	410 (㎚)
초점거리	3.3 (㎜)
개 구 수	0.65
배 율	∞
작동거리	1.5 (㎜)
축상수차	≤ 0.04 RMS λ
축외수차(상고 60㎛에서)	≤ 0.07 RMS λ

이 경우 굴절율 N을 고정하면, 구면 단렌즈의 자유도는 3개이므로 초점거리(f)와 작동거리(WD)를 지정할 때 제1 면의 곡률과 중심두께의 적(Cv·t)은 수학식 1과 같은 관계를 가지게 된다.

이때, 렌즈의 후면초점거리(Back Focus; 이하 "BF"라 한다)는 디스크의 두께(t)를 디스크의 굴절율(N) 나눈값에 작동거리를 더한값을 가지게 된다.

한편, 상기 제1 및 제2 렌즈면이 비구면 렌즈로 형성되어 있으므로 비구면 렌즈에 대해서 살펴 보기로 한다. 비구면 렌즈들은 수학식 2에 나타난 비구면식에 의해 정의된다.

여기에서 Z는 광축상으로부터 높이 r에서의 비구면에 대한 세그(Sag)값, Cv는 광축으로 부터의 렌즈면의 곡률이며 K는 코닉(Conic)상수, A 내지 D는 비구면 계수를 의미한다.

또한, 본 발명에 따른 대물렌즈의 곡률반경, 중심두께 및 비구면계수가 표 2에 나타나 있다.

대물렌즈의 곡률반경, 중심두께 및 비구면계수

	반 경	두 께	비구면계수
제1 비구면	2.12797	3.07	K = -0.531411
			A = 0.11765E-2
			B = -0.191582E-4
			C = 0.464321E-4
			D = -0.617716E-5
제2 비구면	-8.88144		K = -139.742502
			A = 0.14265E-1
			B = -0.309946E-2
			C = -0.557485E-3
			D = 0.290175E-3
작 동 거 리		1.173433

이때, 도 3에 본 발명에 따른 대물렌즈의 광선 수차도가 도시되어 있다. 도 3의 (a)에는 제1 비구면(2a)의 탄젠셜(Tangential)방향 및 사지탈(Sagital) 방향의 광선수차도가 도시되어 있으며, 도 3의 (b)에는 제2 비구면(2b)의 탄젠셜방향 및 사지탈 방향의 광선수차도가 도시되어 있다. 이 경우, 횡축단위는 환산동좌표, 종축은 풀 스케일(Full Scale)을 1㎛로 표시하기 때문에 축상수차는 무시할 정도로 작음을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 대물렌즈의 축외수차(반화각 1°)가 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 (a)에 도시된바와같이 비점수차는 상고 50㎛에서 15㎛가 된다. 이때, 어느 정도의 상면만곡은 자동초점서보를 이용하는 광학계에서는 허용된다. 도 4의 (b)에 도시된바와같이 왜곡(Distortion)은 거의 존재하지 않음을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 대물렌즈의 RMS파면수차는 도 5에 도시된바와같이 상고 60㎛에서 마셜표준에 도달하게 된다. 상기와같이 설계로 얻은 성능을 실현하는 데에는 제조시 동반되는 가공오차가 있어도 정현 성능을 유지하지 못하면 의미가 없게된다. 이에따라, 비구면렌즈의 경우 복수 굴절면간에 편심이 생기면 축상코마가 발생하게 되어 정현 조건을 성립시키지 못하게 된다. 이에따라, 비구면렌즈는 플라스틱이나 유리의 사출성형에 의해 대량생산되어 지나 성형시 형상의 편심을 최대한 허용하는 설계가 요망된다. 따라서, 도 6에 도시된바와같이 중심두께가 3.07㎜인 렌즈에서 발생하는 코마가 수차의 차수별로 표시되어 진다. 이때, 횡축은 상대동좌표를 의미한다. 이것으로부터 3차코마와 5차 이상의 고차코마의 부호가 서로 반대이므로 양자가 균형을 맞추어 총코마량을 최소화하는 것이 가능하다. 양면 비구면의 자유도는 단렌즈를 정현화 하는데 이용하므로 편심오차 감도에 관한 최적화에 필요한 자유도는 베이스의 단렌즈 중심두께를 조절하는 등의 근축관계 조정으로 구하지 않으면 안된다. 따라서, 편심오차감도를 최소화하는 중심두께는 한 개밖에 존재하지 않는다. 도 7의 (a)는 최적 중심두께에 의한 정현 양면 비구면 렌즈의 편심량을 변화시킬 때 발생하는 코마를 파면수차로 측정한 것이다. 약 140㎛에서의 편심이 0.07 RMSλ에 도달하는 것을 알 수 있다. 도 7의 (b)는 동렌즈의 제1 면과 제2 면을 경사시킬 때 발생하는 코마를 비교한 것으로 약 5분 경사시 0.07 RMSλ에 도달한다. 따라서, 중심두께를 최적화한 정현 비구면 렌즈는 충분히 작은 편심오차 감도를 가지게 된다.

도 8을 참조하면, 청색계열 광빔을 발생하는 청색레이저 다이오드(12)와, 상기 청색계열 광빔을 디스크(4)상의 임의의 한점에 집속하는 대물렌즈(2)와, 대물렌즈(2)와 청색레이저 다이오드(12) 사이에 위치하여 청색레이저 다이오드(12)에서 진행하는 광빔은 투과시킴과 아울러, 반사광빔은 반사시키는 빔스프리터(Beam Splitter;10)와, 빔스프리터(10)와 대물렌즈(2) 사이에 위치하여 광경로를 수직으로 반사시키는 반사미러(8)와, 반사미러(8)와 빔스프리터(10) 사이에 위치하여 광빔을 평행하게 진행시키는 시준렌즈(6)를 구비한다. 청색 레이저 다이오드(Laser Diode;12 이하 "LD"라 한다)에서 방사된 광빔은 빔 스프리터(10)를 투과하여 시준렌즈(6)에의해 평행빔으로 된다. 반사미러(8)에 의해 입사광빔이 반사되어 광경로가 수직으로 진행하게 된다. 반사미러(8)를 경유한 광빔은 대물렌즈(2)에 의해 디스크(4)상의 한점으로 집속된다. 디스크(4)에서 반사된 빔은 역입사경로를 경유하여 빔스프리터(10)에서 반사된다. 빔스프리터(10)에서 반사된 광빔은 광검출기(14)에 입사됨에의해 디스크(4)에 기록된 정보를 재생하게 된다. 한편, 본 발명에 따른 대물렌즈를 이용한 광픽업장치는 설계자의 의도에 따라 빔스프리터(10)를 편광 빔스프리터(Polarizing Beam Splitter; 이하 "PBS"라 한다)로 대체하고, λ/4판을 추가로 설치하여 광효율을 향상시킬수 있을 것이다.

상술한바와같이, 본 발명에 따른 대물렌즈는 사용파장이 청색계열(410±20㎚)이고 개구수(NA)가 0.65이며, 디스크의 두께가 0.3㎜인 디스크를 액세스 하는데 적용 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 대물렌즈를 이용한 광픽업장치는 광디스크의 집적도를 높일수 있으며 디스크의 경사에 의한 성능열화가 매우 작아 안정된 성능을 확보할수 있게된다.

상술한 바와같이, 본 발명에 따른 대물렌즈 및 그를 이용한 광픽업장치는 광빔의 사용파장이 청색계열인 디스크를 안정적으로 액세스 할수 있는 장점이 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자 라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims

사용하는 광빔의 파장이 390 내지 430㎚이고, 두께가 0.3㎜인 디스크를 개구수가 0.65로 액세스하는 광픽업장치의 대물렌즈에 있어서,

상기 광빔이 입사되는쪽으로 회전타원면이 형성된 제1 렌즈면과,

상기 제1 렌즈면에 대향하게 회전 쌍곡면이 형성된 제2 렌즈면을 구비하는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 및 제2 렌즈면이 비구면인 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
청색계열 광빔을 발생하는 청색레이저 다이오드를 구비하는 광픽업장치에 있어서,

상기 광빔을 디스크상의 한점에 집속하도록 양면이 비구면으로 형성된 대물렌즈와,

상기 청색레이저 다이오드와 상기 대물렌즈 사이에 위치하여 상기 광빔의 경로를 형성하는 광경로 형성수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 대물렌즈를 이용한 광픽업장치
제 3 항에 있어서,

상기 대물렌즈가,

상기 광경로 형성수단 쪽으로 회전타원면이 형성된 제1 비구면과,

상기 제1 비구면에 대향하게 회전 쌍곡면이 형성된 제2 비구면을 구비하는 것을 특징으로 하는 대물렌즈를 이용한 광픽업장치.