KR20000069318A - 기록매체를 광학적으로 주사하는 장치 - Google Patents

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KR20000069318A
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헨드릭스베르나르두스헨드리쿠스비헬무스
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요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

광 기록매체(1)용 주사장치는, 방사빔(7)을 기록매체의 정보층(3) 상에 초점을 맞추기 위해 높은 개구수의 이중 렌즈 대물계(10, 11)를 구비한다. 이 기록매체에 더 근접한 대물계의 렌즈(11)는, 기록매체의 기울어짐에 응답하여 경사 서보계에 의해 기울어진다. 코마와 비점수차와 같은 방사빔의 광학 수차를 줄이기 위해서는, 상기 렌즈의 경사각이 기록매체의 경사각보다 작은 것이 바람직하다.

Description

기록매체를 광학적으로 주사하는 장치{DEVICE FOR OPTICALLY SCANNING A RECORD CARRIER}
본 발명은, 정보 평면과 투명층을 포함하는 광 기록매체를 주사하며, 방사빔을 투명층을 통해 정보층 상의 초점 스폿에 집광시키기 위한, 제 1 렌즈와, 제 1 렌즈 및 기록매체 사이에 배치된 제 2 렌즈를 갖는 대물계를 구비한 광학 주사장치에 관한 것이다.
이중 렌즈 대물계는, 투명층의 입사면을 통해 비교적 높은 개구수(numerical aperture)로 방사빔을 집광시킨다. 이와 같은 높은 개구수는 작은 초점 스폿을 발생하여, 기록매체 상의 매우 높은 밀도의 정보를 기록 및 판독할 수 있도록 한다. 기록매체에 더 근접한 대물렌즈의 제 2 렌즈는, 제 1 렌즈와 마주보는 대략 볼록 표면과, 기록매체와 마주보는 거의 평탄한 표면을 갖는다. 초점 서보계는, 주사과정 동안 정보층 상에 초점 스폿을 유지시킨다.
일본국 특허출원 제 8-315404 A에 개시된 광학 주사장치는, 제 1 렌즈의 축방향 위치를 제어하기 위한 초점 서보계와, 제 2 렌즈의 축방향 위치를 제어하기 위한 또 다른 초점 서보계를 사용한다. 이와 같은 종래의 장치가 갖는 문제점은, 투명층의 두께가 증가할 때 기록매체의 기울어짐에 대한 장치의 공차(tolerance)가 감소한다는 것이다.
결국, 본 발명의 목적은, 디스크의 기울어짐에 대해 더 큰 공차를 갖는 주사장치를 제공함에 있다.
본 발명에 따르면, 상기한 목적은, 상기 주사장치가, 투명층의 경사각(tilt angle)에 따라 대물렌즈의 광축에 대한 제 2 렌즈의 경사각을 제어하는 서보계를 구비함으로써 달성된다. 이때, 제 2 렌즈의 경사각은, 제 2 렌즈의 광축과 제 1 렌즈의 광축 사이의 각도이다. 서보계는, 제 2 렌즈와 기록매체 사이의 모든 크기의 공기 간극(air gap)에 대해 기록매체의 기울어짐에 응답하여 제 2 렌즈를 기울게 함으로써, 장치의 광학 수차(aberrations)를 줄이고 기록매체의 기울어짐에 대한 공차를 증가시킬 수 있다. 본 발명은, 비교적 큰 공기 간극과 두꺼운 투명층을 사용할 수 있도록 하여, 장치를 기록매체의 오염에도 견딜 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 주사장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 2 렌즈의 경사각은 투명층의 경사각보다 작다. 이와 같은 구성은, 기록매체의 기울어짐에 의해 방사빔 내부에 발생된 수차를 더욱 줄인다. 제 2 렌즈와 기록매체 사이의 쐐기 형태의 간극에 의해 도입된 코마(coma)는, 기록매체의 경사진 투명층을 통과시에 방사빔 내부에 도입된 코마를 보상한다.
유럽특허 제 0 727 777에는, 기록매체의 입사면을 따르는 에어 베어링(air bearing) 상에 대물계의 제 2 렌즈를 장착하여 초점 스폿에 대한 기록매체의 기울어짐의 영향을 줄이는 주사장치가 개시되어 있다는 점에 주목해야 한다. 이에 따라, 제 2 렌즈에는 기록매체와 동일한 경사가 주어진다. 그러나, 이와 같은 에어 베어링은 수십 마이크로미터보다 큰 공기 간극에 대해서는 사용될 수 없다. 더구나, 이와 같은 큰 공기 간극에 대한 경사 공차는 비교적 작다.
본 발명에 따른 주사장치의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 서보계는 각도 α를 각도 β의 일정 분율로 유지한다. 오염에 견디는 주사장치를 제공하기 위해, 상기한 일정 분율 또는 비례 상수는 0.02 내지 0.98의 범위에 놓이는 것이 바람직하다. 경사 공차를 상당히 증가시키기 위해서, 상기한 상수는 0.2 내지 0.95의 범위에 놓이는 것이 바람직하다.
이와 같은 일정 분율은, 제 2 렌즈와 기록매체 사이의 거리와 투명층의 두께에 의존하여 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 주사장치의 특정한 실시예에 있어서, 상기 제 2 렌즈와 기록매체 사이의 거리 및 상기 투명층의 두께는, 경사각 β에 무관하게, 방사빔의 코마와 비점수차(astigmatism)를 거의 제로값과 동일하게 만들도록 선택된다.
본 발명의 목적, 이점 및 특징부는, 다음의 첨부도면에 도시된 것과 같은 본발명의 바람직한 실시예에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다:
도 1은 주사장치와 기록매체를 나타낸 것이고,
도 2는 도 1에 도시된 대물계와 기록매체의 확대도이며,
도 3a는 공기 간극의 상수 c와 투명층 두께의 의존성을 나타낸 그래프이고,
도 3b는 서로 다른 경사조건에 대한 파면(wavefront) 오차를 나타낸 것이며,
도 4는 코마와 비점수차가 최소로 되는 두께비를 나타낸 그래프이고,
도 5는 대물렌즈의 구성에 대한 개략도이며,
도 6은 경사 서보계(tilt servo system)를 나타낸 것이다.
도 1은 광 기록매체(1)를 주사하는 장치를 나타낸 것이다. 기록매체는 투명층(2)을 구비하며, 이 투명층의 일면에는 정보층(3)이 배치된다. 투명층의 반대편에 있는 정보층의 일면은 보호층(4)에 의해 외부의 영향으로부터 보호된다. 장치와 마주보는 투명층의 면은 입사면(5)으로 불린다. 투명층(2)은, 정보층에 대해 기계적인 지지를 제공함으로써 기록매체에 대한 기판으로서의 역할을 수행한다. 이와 달리, 투명층은 정보층을 보호하는 유일한 기능을 갖는 반면에, 기계적 지지는 예를 들면 보호층(4) 또는 또 다른 정보층에 의해 정보층의 다른 면에 있는 층과 정보층(3)에 연결된 투명층에 의해 제공될 수도 있다. 이때, 정보는, 도면에는 도시하지 않은 거의 평행한 동심 또는 나선형 트랙으로 배치된 복수의 광학적으로 검출가능한 마크의 형태로 기록매체의 정보층(3) 내부에 저장될 수 있다. 이와 같은 마크는 임의의 광학적으로 판독가능한 형태, 예를 들면, 그것의 주위와 다른 반사계수 또는 자화방향을 갖는 복수의 피트, 또는 영역의 형태로, 또는 이들 형태의 조합으로 형성될 수 있다.
상기한 주사장치는, 발산하는 방사빔(7)을 방출하는 예를 들면 반도체 레이저와 같은 방사원(6)을 구비한다. 빔 스플리터(8), 예를 들어 반투명 판은 방사선을 렌즈계를 향해 반사시킨다. 렌즈계는, 집광 렌즈(9)와, 제 1 렌즈(10) 및 제 2 렌즈(11)를 포함하는 대물계를 구비한다. 이때, 집광 렌즈(9)는 발산하는 방사빔(7)을 집광된 빔(12)으로 변화시킨다. 광축(13)을 갖는 제 1 렌즈(10)는, 집광된 방사빔(12)을 렌즈(11)에 입사하는 수렴 빔(14)으로 변환한다. 이때, 집광 렌즈(9)와 제 1 렌즈(10)는 한 개의 렌즈로 결합될 수 있다. 제 2 렌즈(11)는 입사 빔(14)을 수렴 빔(15)으로 변화시키며, 이 수렴 빔은 정보층(3) 상의 초점 스폿(16)에 도달한다. 도면에 도시된 실시예에 있어서 제 2 렌즈(11)는 평면-볼록(plano-convex) 렌즈이다. 그것의 평탄면은 투명층(2)을 마주보며 렌즈와 투명층 사이에 간극을 형성한다. 이때, 상기한 평탄면은 광학 수차를 보상하기 위해 비구면(aspherical) 외형을 가질 수 있다. 비록, 도면에는 대물렌즈(10)가 단일의 렌즈부재로 도시되어 있지만, 이 대물렌즈는 그 이상의 부재를 구비할 수 있으며, 투과 또는 반사시에 동작하는 홀로그램, 또는 방사빔을 전달하는 도파로에서 나온 방사빔을 결합하는 격자를 구비할 수도 있다. 정보층(3)에 의해 반사된 수렴 빔(15)의 방사선은 반사 빔(17)을 형성하며, 이 반사 빔은 순방향 수렴 빔(14)의 광 경로 상으로 되돌아온다. 제 1 렌즈(10)와 집광렌즈(9)는 반사된 빔(17)을 수렴하는 반사 빔(18)으로 변환하며, 빔 스플리터(8)는, 반사된 빔(18)의 적어도 일부를 검출계(19)를 향해 투과시킴으로써 순반향의 반사된 빔을 분할한다. 검출계는, 방사선을 포착하여 그것을 1개 또는 그 이상의 전기신호로 변환한다. 이들 신호 중의 한 개는 정보신호(20)로서, 이것의 값은 정보층(3)으로부터 판독된 정보를 나타낸다. 또 다른 신호는 초점오차 신호(21)로서, 이것의 값은 초점 스폿(16)과 정보층(3) 사이의 축방향의 높이차를 나타낸다. 이러한 초점오차 신호는 초점 서보 제어기(22)에 대한 입력으로 사용되고, 초점 서보 제어기는 제 1 렌즈(10) 및/또는 제 2 렌즈(11)의 축방향 위치를 제어함으로써, 초점 스폿의 축방향 위치가 정보층(3)의 평면과 거의 일치하도록 초점 스폿(16)의 축방향 위치를 조절한다.
상기한 빔 스플리터(8)는, 방사원(6)으로부터의 방사빔(7)을 투과하여 통과시키고, 반사된 빔(18)의 일부를 검출계(19)를 향해 편향시키는 격자일 수도 있다. 이와 같은 경우에, 상기 방사원(6)과 검출계(19)는, 격자의 일면에 서로 인접하도록 배치될 수 있다.
도 2는 대물렌즈와 기록매체(1)의 일부를 확대하여 나타낸 것이다. 이때, 제 1 렌즈(10)의 광축을 점선(23)으로 나타내었다. 제 2 렌즈(11)의 광축(24)은 상기한 광축(23)에 대해 각도 α로 기울어진다. 기록매체(1) 또한 기울어지며, 그것의 입사면(5)에 대한 법선(25)은 광축(23)과 각도 β를 이룬다. 기록매체가 특정한 순간에 경사각 β를 나타낼 때, 바람직하게는, 제 2 렌즈(11)는 코마를 줄이기 위해 각도 α=cβ에 걸쳐 기울어질 때 기록매체를 따르게 되며, 이때 α 및 β는 다음 식을 만족한다.
이때, n1및 n3는 제 2 렌즈(11)와 투명층(2)의 물질에 대한 굴절률이며, d2와 d3는 제 2 렌즈(11)와 투명층(2) 사이의 공기 간극의 두께이다. 이때, 공기 간극의 두께는 광축(23)을 따라 측정된다. 굴절률 n1및 n3가 동일할 때, 각도 α 및 β 사이의 관계는 다음과 같다.
도 3a는, 1.58인 투명층의 굴절률 n3와 0.6 mm(점선) 및 0.1 mm(실선)인 투명층의 두께 d3에 대해 간극 두께 d2의 함수로서의 상기 수학식 2에 따른 α 및 β 사이의 비례 상수 c를 나타낸 것이다. 이때, 상수 c는 상기 수학식 2의 우변의 분율과 동일하다. 도면으로부터, 공기 간극을 증가시키고 투명층의 두께를 줄이기 위해서는 β에 대한 각도 α의 비율을 줄어야 한다는 것을 알 수 있다. 상기 수학식 1 및 w는 단지 가장 낮은 차수의 수차를 사용하여 도출된 것이다. 이때, 이 수학식에서 c 값의 정밀도는 ±0.15이다.
d2/d3 NA=0.85 NA=0.85 NA=0.85 NA=0.60
n3=1.45 n3=1.58 n3=1.80 n3=1.58
0.1 0.84 0.71 0.58 0.78
0.2 0.66 0.55 0.45 0.63
0.3 0.54 0.45 0.36 0.53
0.4 0.46 0.38 0.31 0.46
0.5 0.40 0.33 0.26 0.40
0.6 0.35 0.29 0.23 0.36
0.7 0.31 0.26 0.21 0.33
0.8 0.28 0.24 0.19 0.30
0.9 0.26 0.21 0.17 0.27
1.0 0.24 0.20 0.16 0.25
상기 표 1은, 더 높은 차수의 수차를 사용하여 계산되었기 때문에, 더욱 정확한 c 값을 제공한다. 이때, 제 2 렌즈는, 제 1 렌즈와 마주보는 제 2 렌즈의 표면의 곡률 중심 주위로 경사진다. 이 값은 n3=1.58인 경우에 광선 추적(ray tracing)에 의해 결정되었으며 ±0.02의 정밀도를 갖는다.
도 3b는, 1°의 기록매체 경사 β와, 0.6 mm의 투명층(2) 두께와, 4가지 서로 다른 간극 크기, 즉 2㎛(원을 갖는 선), 25㎛(사각형을 갖는 선), 50㎛(삼각형을 갖는 선) 및 75㎛(교차선을 갖는 선)에 대해 경사각 α의 함수로서의 초점 스폿(16)에서의 RMS 파면 오차를 나타낸 것이다. 상기한 제 2 렌즈의 굴절률 n1은 최적화되었으며, 2, 25, 50 및 75㎛의 간극 크기의 경우에 각각 1.571, 1.499, 1.486 및 1.457의 값을 갖는다. 상기한 투명층은, 0.58의 굴절률 n3와 0.6 mm의 두께 d3를 갖는 폴리카보네이트로 제조된다. 상기한 제 2 렌즈가 공지된 주사장치에서와 같이 기록매체의 경사를 따르게 되면, 즉 α=β이면, 도면으로부터, α=1°일 때, 50㎛의 간극에 대해 파면 수차는 85mλ인 것을 알 수 있다. 제 2 렌즈를 기울이지 않는, 즉 α=0인 주사장치는, 50㎛의 간극에 대해 430mλ의 파면 수차를 갖는다. 이 값은 대부분의 주사장치에 대해 허용될 수 없다. 본 발명에 따른 장치는, β=1°일 때 α를 조정한다. 이 경우에, 잔여 수차는 14mλ이다. 이 값은, 기록매체의 경사각을 따르는 종래의 주사장치의 85mλ에 비해 6배 이상 낮고, 제 2 렌즈가 기록매체의 경사각을 따르지 않는 종래의 장치의 430mλ에 비해 30배 만큼 낮다. 이와 같은 경우에, 본 발명에 따르면, 제 2 렌즈(11)의 경사각 α는 기록매체의 경사각 β를 뒤따라 α를 거의 0.83β로 유지하여야 한다. 이때, 14mλ의 잔여 수차는 더 높은 차수의 코마에 의해 발생된다.
상기 수학식 1 및 2는 방사빔 내부의 코마를 줄인다. 이 대신에, 비점수차를 줄일 수도 있다. 이와 같은 경우에, α 및 β 사이의 관계는 다음과 같다.
n1과 n3가 같은 때,
상기한 간극 d2와 투명층 두께 d3가 다른 식을 만족할 때 코마와 비점수차 모두가 최소화된다.
상기 수학식 3, 4 및 5는 단지 가장 낮은 차수의 수차를 사용하여 도출된 것이다.
도 4는 1.58의 n3(폴리카보네이트)에 대해 수학식 5의 d3에 대한 d2의 비율을 나타낸 것이다. 이 도면으로부터, 최소의 코마 및 비점수차와 d3에 대한 d2의 양의 값의 비율을 얻기 위해서는, 제 2 렌즈(11)의 굴절률 n1이 투명층(2)의 굴절률 n3보다 작아야 한다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, n1=1.50이고 n3=1.58일 때, d2=0.05 d3가 되어, 투명층이 0.5 mm의 두께를 갖고 있을 때 25㎛의 간극이 사용되어야 한다.
기록매체가 2가지 수직 방향으로 경사를 나타낼 수 있을 때, 2가지 수직 방향으로 2가지 값의 경사각 β와 이에 대응하는 2가지 경사각 α가 존재한다. 상기한 고려사항은 이 양 방향에 적용된다. α와 β 사이의 관계는 양 방향에 대해 동일할 수 있지만, 예를 들어 한가지 방향으로의 경사에 대해 최소의 코마를 얻고 수직한 방향으로의 경사에 대해 최소의 비점수차를 얻기 위해 이들 관계가 달라질 수도 있다.
도 5는 렌즈(10, 11)를 갖는 대물계의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다. 이 구조는, 방사빔(12)을 통과시키기 위한 구멍을 구비한 기저판(29) 위에 장착된다. 렌즈(10)는, 렌즈(10)를 그것의 광축(13)을 따라 움직이게 하는 초점 액추에이터(32)에 의해 기저판(29)에 연결된 홀더(1) 내부에 장착된다. 이 초점 액추에이터는, 1개 또는 그 이상의 압전 액추에이터 또는 홀더(31)의 스프링 서스펜션을 갖는 리니어 전자기 모터를 구비할 수 있다. 또한, 상기한 초점 액추에이터(32)는, 기록매체(1) 상의 트랙을 따르도록 광축에 수직한 방향으로 초점 스폿(16)을 움직이기 위해 광축(13)에 수직한 방향으로 홀더를 움직이는 기능을 갖고 있다. 이 초점 액추에이터(32)는 초점 서보 제어기(22)에 의해 제어된다.
홀더(33)를 2가지 수직한 방향으로 기울기 위해 상기 렌즈(11)는 경사 액추에이터(34)에 의해 홀더(31)에 연결된 홀더(33) 내부에 장착된다. 이 액추에이터(34)는, 원을 따라 120°간격으로 배치된 3개의 압전 액추에이터 또는 홀더(33)의 스프링 서스펜션을 갖는 3개의 리니어 전자기 모터를 구비할 수 있다. 상기한 홀더 31과 34 사이에는 2개의 거리센서(35)가 장착된다. 이들 센서의 출력신호는, 렌즈 10과 11 사이의 거리와 2가지 수직 방향으로의 광축(13)에 대한 렌즈(11)의 경사를 나타내는 신호를 발생할 수 있도록 한다. 이때, 거리센서는, 예를 들면 용량성 또는 유도형과 같은 임의의 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기한 액추에이터(34)는, 반사된 빔(18)에 존재하는 구면수차를 나타내는 신호에 의해 제어되어, 광축(13)을 따라 렌즈(10)에 대해 렌즈(11)를 움직일 수 있다.
경사 센서는, 방사원(36), 비교적 낮은 개구수를 갖는 렌즈(37)와 4분면 검출기(quadrant detector)(38)를 구비한다. 이 렌즈(37)는, 방사원(36)으로부터 발생된 방사선을 기록매체(1)를 향해 평행한 빔으로 수렴시키며, 기록매체로부터 반사된 방사선은 검출기(38) 상의 스폿에 수렴한다. 검출기(38) 상의 스폿의 위치를 결정함으로써, 기저판(29)에 대한 기록매체의 경사를 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 주사장치의 경사 서보계에 대한 일 실시예를 나타낸 것이다. 신호처리기(40)는 경사 검출기(38)로부터 1개 또는 그 이상의 출력신호 S38을 신호처리하여, 2개의 경사신호 St1및 St2를 생성하는데, 이들 값은 2가지 수직한 방향으로의 기록매체(1)의 경사각 β1및 β2를 나타낸다. 회로(41)는, 이들 값 β1및 β2를 상기 수학식 1, 2, 3 또는 4와 표 1에 의해 주어지거나 광선 추적에 의해 얻어진 비례상수와 곱하여, 출력신호로서 렌즈(11)의 원하는 경사각 α1및 α2의 2개의 값을 공급한다. 거리 센서(35)의 출력신호 S35는 신호처리기(42)에서 신호처리되어 2가지 경사신호를 발생하는데, 이들 값은 2가지 수직한 방향으로의 렌즈(11)의 실제 경사각을 나타낸다. 차분 증폭기는, 실제 경사각을 나타내는 신호처리회로(42)의 해당하는 출력신호로부터 원하는 경사각을 나타내는 회로(41)의 출력신호를 감산한다. 2가지 수직 방향에 대한 차분 증폭기의 출력신호는 구동기(44)로 공급되며, 이 구동기는 액추에이터(34)의 움직임을 제어한다.

Claims (5)

  1. 정보 평면과 투명층을 포함하는 광 기록매체를 주사하며, 방사빔을 투명층을 통해 정보층 상의 초점 스폿에 집광시키기 위한, 제 1 렌즈와, 제 1 렌즈 및 기록매체 사이에 배치된 제 2 렌즈를 갖는 대물계를 구비한 광학 주사장치에 있어서, 상기 투명층의 경사각에 따라 대물렌즈의 광축에 대한 제 2 렌즈의 경사각을 제어하는 서보계를 구비한 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈의 경사각은 상기 투명층의 경사각보다 작은 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈의 경사각 α는 상기 투명층의 경사각 β에 비례하며, 이때 비례상수는 α와 β에 무관한 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 비례상수는, 상기 제 2 렌즈 및 기록매체 사이의 거리와, 상기 투명층의 두께에 의존하는 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈와 기록매체 사이의 거리 및 상기 투명층의 두께는, 경사각 β에 무관하게, 방사빔의 코마와 비점수차를 거의 제로값과 동일하게 만들도록 선택된 것을 특징으로 하는 광학 주사장치.
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