KR20010112402A - 광 픽업의 광학계 - Google Patents

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KR20010112402A
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light
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KR1020017012706A
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마루야마고이치
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마츠모토 도루
아사히 고가쿠 고교 가부시키가이샤
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Abstract

얇은 커버 타입 및 두꺼운 커버 타입 모두를 이용할 수 있는 광 픽업의 광학계. 상기 시스템은 얇은 커버 타입의 광 디스크용 단파장 레이저 광(11) 및 두꺼운 커버 타입의 광 디스크용 장파장 레이저 광(12)을 발하는 광원부, 레이저 광을 보호층을 통해서 광 디스크의 정보층에 집광시키는 대물렌즈(30)를 포함한다. 대물렌즈(30)는 입사되는 파장이 증가함에 따라서, 과잉보정방향으로 구면수차가 변하는 파장의존성을 가진 회절렌즈 구조(30a)를 가지고 있다. 광원부는 대물렌즈에 입사되는 긴 파장의 레이저 광의 발산정도가 짧은 파장의 레이저 광보다 짧은 레이저 광을 발한다. 대물렌즈는 동일한 회절 차수의 레이저 광을 위치변화없이 발한다.

Description

광 픽업의 광학계{OPTICAL SYSTEM OF OPTICAL PICK-UP}
광 디스크 장치는 디지털 정보가 기록되는 정보층과 정보층을 보호하는 투명한 보호층을 가지고 있다. 광 픽업으로 부터의 레이저 광이 모여서 보호층을 통해 정보층상의 광 스폿을 형성한다. 광 디스크 장치의 턴테이블은 그 위에 장착된 광 디스크를 회전시키고, 광 픽업이 광 디스크의 래이디얼 방향으로 이동하면서 기록된 신호를 광디스크로부터 재생하거나 광 디스크 상에 정보를 기록한다. 보호층의 두께의 차이는 턴테이블 면을 기준으로 해서 정보층의 위치를 변화시키고, 이 변화는 광 픽업과 정보층 사이의 거리를 변환시킨다.
즉, 광 픽업으로부터 광 스폿까지의 거리가 멀수록, 보호층의 두께는 더 두껍다. 예를들어, 컴팩트 디스크(CD) 또는 CD-R의 보호층의 두께는 1.2mm이고, 디지털 다기능 디스크(DVD)의 보호층의 두께는 0.6mm이므로, DVD를 CD 또는 CD-R로 교체했을 때, 광 픽업은 광 스폿을 광 픽업으로부터 보호층의 두께에서 0.6mm(공기중에서는 0.4mm)이격시킬 필요가 있다.
광축 방향으로 광 스폿을 이동시키는 방법은 두가지가 있다. 제 1 방법은 대물렌즈 상으로 입사하는 레이저 광의 발산정도를 변화시키는 것이고, 이는 물체거리를 변화시키는 것과 같다. 이를테면, 레이저 소스와 콜리메이터 렌즈 사이의 거리를 변화시키는 것은 대물거리를 변화시킨다. 제 2 방법은 입사 레이저 광을 수평으로 유지하면서 광축을 따라서 대물렌즈를 이동시키는 것이다.
제 1 방법에서, 발산이 급격하게 커짐에 따라서(대물거리가 줄어듦에 따라서), 구면수차가 급격하게 보정부족방향으로 변화하고, 이는 레이저 광의 파면을 열화시킨다. 따라서 광 스폿의 지름이 증가되고, 광학 디스크 장치가 광 디스크로부터 기록된 정보를 재생하는 것을 방해한다. 또한, 보호층이 집광 레이저 광중에 배치된 면에 평행한 면이기 때문에, 보호층의 두께가 증가함에 따라서 과잉보정방향으로 구면수차를 변화시킨다. 그러나, 발산정도의 변화에 기인한 보정부족방향으로의 구변수차의 변화는 두께 변화에 기인한 과잉보정방향으로의 변화보다 크기 때문에, 결과적으로 보정부족방향으로의 구면수차는 남아있다.
제 2 방법은 공지된 포커싱 액츄에이터를 사용할 수 있다. 광 픽업에 포커싱 액츄에이터가 제공되어서 레이저 광을 포커스 내로 유지하기 위해 광축을 따라서 대물렌즈를 이동시킨다. 따라서, 만약 포커스 액츄에이터가 0.4mm이상의 이동스트로크를 가진다면, 광 픽업은 보호층의 두께의 변화에 반응해서 광스폿을 이동시킬 수 있다. 그러나, 스트로크가 커지면, 대물렌즈의 광축의 기울어짐도 증가하기 때문에, 이 기울어짐을 방지하기 위한 복잡한 메카니즘을 필요로 하므로, 코스트를 증가시킨다.
본 발명은 보호층의 두께가 상이한 복수의 종류의 광디스크를 사용할 수 있는 광 픽업의 광학 시스템에 관한 것이다.
도 1은 얇은 보호층 타입의 광 디스크(제 1 광디스크)를 구비한 일 실시예에 따른 광 픽업의 광학계를 도시한 도면,
도 2는 두꺼운 보호층 타입의 광 디스크(제 2 광디스크)를 구비한 일 실시예에 따른 광 픽업의 광학계를 도시한 도면,
도 3A는 도 1의 광학계의 대물렌즈의 정면도,
도 3B는 도 3A의 대물렌즈의 가로 단면도,
도 3C는 도 3B의 확대도,
도 4는 제 1 실시예의 광학계의 렌즈 다이어그램,
도 5A 및 도 5B는 각각 제 1 광 디스크를 구비한 제 1 실시예에 따른 광학계의 구면 수차와 비점 수차를 도시한 그래프,
도 6A 및 도 6B는 각각 제 2 광 디스크를 구비한 제 1 실시예에 따른 광학계의 구면 수차와 비점 수차를 도시한 그래프,
도 7은 제 2 실시예에 따른 광학 시스템의 렌즈 다이어그램,
도 8A 및 8B는 각각 제 1 광 디스크를 구비한 제 2 실시예에 따른 광학계의 구면 수차와 비점 수차를 도시한 그래프,
도 9A 및 9B는 각각 제 2 광 디스크를 구비한 제 2 실시예에 따른 광학계의 구면 수차와 비점 수차를 도시한 그래프,
도 10은 제 3 실시예에 따른 광학계의 렌즈 다이어그램,
도 11A 및 11B는 각각 제 1 광 디스크를 구비한 제 3 실시예에 따른 광학계의 구면 수차와 비점 수차를 도시한 그래프,
도 12A 및 12B는 각각 제 2 광 디스크를 구비한 제 3 실시예에 따른 광학계의 구면 수차와 비점 수차를 도시한 그래프.
따라서, 본 발명의 목적은, 대물렌즈를 이동시키지 않고, 보호층의 두께의 변화에 따라, 광축방향으로 광 스폿을 이동시킬 수 있는 광 픽업의 광학계를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서, 제 1 보호층을 구비한 제 2 광 디스크와 제 1 보호층보다 더 두꺼운 제 2 보호층을 가진 제 2 광 디스크를 사용할 수 있는 개선된 광 픽업의 광학계가 제공되고, 이 광학계는 제 1 광 디스크에 제 1 파장을 갖는 제 1 레이저 광을 발하고, 제 2 광디스크에 제 1 파장보다 더 긴 제 2 파장을 갖는 제 2 레이저 광을 발하는 광원부, 제 1 보호층을 통해서 제 1 광 디스크의 정보층상으로 광원부로부터의 제 1 레이저 광을 집광시키고, 제 2 보호층을 통해서 제 2 광 디스크의 정보층상으로 광원부로부터의 제 2 레이저 광을 집광시키는 대물렌즈를 구비하고 있다. 이 대물렌즈에는 복수의 단차상의 동심원을 가지고 있는 회절 렌즈가 제공된다.
본 발명의 광학계는 하기의 요건 (a), (b) 및 (c)를 만족시킨다.
(a) 광원부는 대물렌즈에 입사되는 제 2 레이저 광의 발산 정도가 제 1 레이저 광의 발산정도보다 크도록 레이저 광을 발한다.
(b) 회절 렌즈 구조는 복수의 단차상의 동심원을 가지고 있어서, 구면수차가 입사광의 파장이 증가함에 따라서, 과잉보정방향으로 변화하는 파장의존성을 가진다.
(c) 대물렌즈는 대물렌즈와 제 1 및 제 2 보호층의 표면과의 사이의 거리를 일정하게 유지하면서, 동일 회절차수의 제 1 및 제 2 레이저 광을 집광한다.
상기 요건 (a)에 따라 대물렌즈상에 입사되는 레이저의 회절 발산 정도는 보호층의 두께에 따라서, 근축광 스폿을 변화시킨다. 그러나, 발산정도가 커질 때만 더 큰 발산정도를 가지고 있는 제 2 광 디스크에 대한 보정부족 방향으로의 구면 수차는 점점 커진다. 발산 정도에 의해 야기된 구면 수차를 제거하기 위해서, 회절 렌즈 구조는 요건 (b)에 설명된 바와 같은 파장의존성을 가진다.
또한, 제 1 레이저 광으로부터 제 2 레이저 광으로의 스위치는 발산정도와 그 파장을 증가시킨다. 발산정도가 더 커지면 근축광 스폿은 광원부로부터 멀리 이동하고, 구면수차를 보정부족방향으로 변화한다. 반면에 파장이 더 커지면, 회절 렌즈 구조에 의해 구면수차는 과잉보정방향으로 변화한다. 결과적으로, 레이저 광의 스위치는 구면수차를 증가시키지 않고 광축을 따라서 광 스폿을 이동시킨다.
또한, 요건 (c)에 따른 동일 회절 차수 광의 사용은 회절 렌즈 구조가 단일 회절 차수에 대해 이상적으로 되게 하고, 이는 과량을 효과적으로 사용하게 해서 회절효율을 최대화시킨다.
회절 렌즈 구조에 의해 증가된 부가적인 광 길이는 하기의 광 경로 차함수(Φ(h))로 표현된다.
Φ(h)=(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ
여기서, P2, P4, 및 P6는 2차, 4차 및 6차 회절 계수이고, h는 광축의 높이이고, λ는 입사광의 파장이다.
회절 렌즈 구조가 하기의 조건식(1)을 만족시키는 것이 바람직하다.
(1) 7<Φ(h45)/λ-P2×(h45)2<15
여기서, h45는 NA가 0.45인 광선이 회절렌즈구조를 통과하는 지점의 광축으로부터의 높이이다.
제 1 보호층의 두께가 0.6mm이고, 제 2 보호층의 두께가 1.2mm일 때, 제 1 파장 λ1및 제 2 파장 λ2는 하기의 조건(2)을 만족시키는 것이 바람직하다.
(2) 0.84<λ1/λ2<0.85
또한, 회절 렌즈 구조의 블레이즈화 파장 λB는 적어도 광축에 가까운 근방 영역에서 λ1<λB<λ2를 만족시키는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 근방영역에서의 회절렌즈 구조의 블레이즈화 파장은 하기의 조건 (3) 및 (4)를 만족시키는 것이 바람직하다.
(3) 0.87<λB/λ2
(4) λB/λ1<1.13
또한, 회절렌즈 구조의 동심원상 단차부에 의해 증가된 주변영역에서의 부가적인 광 경로 길이는 근방영역에서보다 짧아질 수 있다. 특정한 경우, 회절렌즈구조는 대물렌즈의 렌즈면의 근방 영역내에서만 형성되고, 그 주변 영역은 연속면으로 형성된다. 적어도, 대물렌즈의 유효지름의 85%라인의 외측 영역이 주변 영역으로 정의된다. 근방 영역과 주변 영역의 경계는 유효지름의 80%라인이 될 수 있다.광원부는 바람직하게는 제 1 레이저 광이 평행 광으로서 대물렌즈에 입사되고, 제 2 레이저 광이 발산 광으로서 대물렌즈에 입사되도록 레이저 광을 발한다.
본 발명의 제 1 실시예가 하기에 설명된다. 하기의 설명에서, 전체적인 광학계의 실시예가 우선 설명되고, 이후에 3개의 실시예가 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는 실시예에 따른 광 픽업의 광학계를 도시하고 있다. 광 픽업은 제 1 보호층을 구비한 제 1 광 디스크, 및 제 1 보호층보다 두꺼운 제 2 보호층을 구비한 제 2 광 디스크를 사용할 수 있는 광 디스크 장치에 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 디스크는 DVD(디지털 다기능 디스크)와 같은 6mm두께의 보호층을 가지고 있고, 제 2 디스크는 CD(컴팩트 디스크) 또는 CD-R(CD리코더)와 같은 1.2mm두께의 보호층을 가지고 있다. 도 1 및 도 2는 각각 제 1 광 디스크(D1) 및 제 2 광 디스크(D2)를 구비한 광디스크가 도시되어 있다. 또한, 도 3A, 3B 및 도 3C는 도 1 및 도 2의 광학계에 사용되는 대물렌즈의 개략도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 광학계는 광원부(20), 콜리메이터 렌즈(20), 대물렌즈(30) 및 신호검출부(40)를 포함한다. 광원부(10)에는 제 1 광디스크(D1)이 사용될 때 제 1 파장(λ1)을 구비한 제 1 레이저 광을 발하는 제 1 반도체 레이저(11), 제 2 광 디스크(D2)가 사용될 때 제 1 파장보다 긴 2 파장(λ2)을 구비한 제 2 레이저 광을 발하는 제 2 반도체 레이저(12), 및 반도체 레이저(11, 12)로부터 대물렌즈(30)로 제 1 및 제 2 레이저 광을 반사하는 제 1 및 제 2 광 스플리터(13, 14)가 제공된다. 회절 격자(15)는 제 2 반도체 레이저(12)와 제 2 광 스플리터(14)의 사이에 위치되어서 제 2 레이저 광을 3광 법에 의한 트래킹 에러 검출을 위한 3부분으로 분할한다.
콜리메이터 렌즈(20)는 단일 정렌즈이고, 제 1 반도체 레이저(11)로부터의 제 1 레이저 광이 도 1에 도시한 바와 같이 광이 렌즈에 입사될 때, 평행하게 되도록 설정되어 있다. 제 2 반도체 레이저(12)와 콜리메이터 렌즈(20)사이의 거리는 제 1 반도체 레이저(11)와 콜리메이터 렌즈(20)사이의 거리보다 짧다. 따라서, 제 2 반도체 레이저(11)로부터의 제 2 레이저 광은 도 2에 도시된 바와 같이 발산 광으로서 대물렌즈(30)에 입사된다. 레이저 광의 발산정도(즉, 대물 거리)가 변화되었을 때, 근축 광 스폿은 대물렌즈(30)의 이동없이 보호층내의 광축을 따라서 이동한다. 실제로, 광 디스크의 두께 변화 및 뒤틀림은 정보층을 수십μm씩 이동시킬 수 있기 때문에, 어떤 경우에는 대물렌즈가 이동할 수 있다. 짧은 이동 스트로크를 가진 일반적인 포커싱 메카니즘은 이런 이동에 응답할 수 있다.
제 1 광 디스크(D1)의 기록 밀도는 제 2 광디스크의 기록 밀도 보다 높기 때문에, 제 1 디스크(D1)의 광 스폿은 제 2 광 디스크(D2)의 광 스폿보다 작아야 한다. 파장이 짧으면 짧을수록, 스폿 지름은 작아야 한다. 이와 같이, 제 1 레이저광의 파장(λ1)은 바람직하게는 상대적으로 작은 광 스폿을 형성하기 위하여 600nm범위내에 있는 것이 바람직하다. 반면에, CD-R의 반사특성은 그 파장이 약 780nm인 레이저 광을 필요로 한다. 설명된 바와 같이 상이한 기록 밀도와 반사특성 상에서 상이한 파장을 갖는 반도체 레이저를 사용하는 것이 예상된다.
대물렌즈(30)는 평행 제 1 레이저 광을 제 1 광 디스크(D1)의 정보층으로 집광시키고, 그 위치의 변화없이 제 2 광 디스크(D2)의 정보층으로 제 2 레이저 광을 발산시킨다.
광 디스크로부터 반사된 레이저 광은 광 스플리터(14, 13)를 통해서 신호검출부(40)에 입사된다. 신호검출부(40)는 평 오목 렌즈(41), 광 스플리터(42), 한쌍의 실린더리컬 렌즈(43, 45) 및 한쌍의 렌즈(44, 46)를 포함한다. 평볼록렌즈(41)는 광 디스크로부터 반사된 광의 발산정도를 약하게 한다. 광 스플리터(42)로부터의 투과 광은 실린더리컬 렌즈(43)를 통해서 제 1 센서로 들어간다. 반면에, 광 스플리터(42)로부터 입사된 광은 실린더리컬 렌즈(45)를 통해서 제 2 센서(46)에 입사된다.
대물렌즈(30)에 입사된 레이저 광의 대물포인트로부터 대물렌즈(30)의 전측주점까지의 대물 거리(s), 후측주점으로부터 이미지 포인트까지의 이미지 거리(S'), 대물렌즈(30)의 초점 거리(30)는 하기의 방정식을 만족시킨다.
예를들어, f=3.6mm일 때, 제 1 레이저 광의 이미지 거리(s')는
s'=3.6mm으로 된다.
평행 제 1 레이저 광의 대물거리는 무한이기 때문이다. 제 1 레이저 광이 보호층의 두께가 0.6mm인 제 1 광 디스크(D1)에 사용되고, 제 2 레이저 광이 보호층의 두께가 1.2mm인 제 2 광 디스크(D2)에 사용된다. 이와 같이, 제 2 광은 제 1 레이저 광의 광 스폿으로부터 0.4mm떨어져서 광 스폿을 형성해야 한다면(즉, 보호층에서의 0.6mm와 같다), 제 2 레이저 광의 이미지 거리(s')는 4.0mm이 될 것이다. 초점 길이(f)가 상수라고 가정하면,
제 2 레이저 광의 대물 거리(s)는 36mm이 된다. 제 1 및 제 2 반도체 레이저와 콜리메이터 렌즈 사이의 위치관계는 상술된 대물렌즈의 조건을 만족하도록 설정된다.
그러나, 광 픽업의 대물렌즈와 같이 구면수차와 코마를 보정한 렌즈는 대물거리의 변화에 따라서 구면 수차를 변화시킨다. 평행 제 1 레이저 광에 대해 구면수차가 보정되면, 구면 수차는 발산된 제 2 레이저 광에 대해 보정부족방향으로 커진다. 보정부족방향으로 구면수차를 보정하기 위해서 회절 렌즈구조는 대물렌즈(30)의 제 1 표면(30a)에 형성된다. 회절 렌즈 구조의 구면 수차 작용이 파장에 비례하기 때문에, 발산정도의 변화에 의해 야기된 구면수차를 상쇄시키는 구면 수차의 파장의존성을 제공하는 것이 가능하다.
대물렌즈(30)의 상세는 도 3A, 3B 및 3C를 참조로 설명될 것이다. 도 3A는 대물렌즈(30)의 정면도이고, 도 3B는 횡단면도, 그리고 도 3C는 제 1면(30a)의 확대도이다.
PMMA와 같은 플라스틱으로 제조된 대물렌즈(30)는 제 1 및 제 2 면(30a, 30b)를 가진 양면이 볼록한 렌즈이다. 회절 렌즈 구조는 제 1 면(30a)의 중심부(31)에만 형성된다. 도 3A에 도시된 바와 같이, 회절렌즈구조는 프레즈넬 구조와 유사하게 형성되고, 각각이 부분 웨지상을 하고 있는 다수의 동축원으로, 프레즈넬 렌즈와 유사하게 형성된다. 인접한 원 사이의 각각의 경계는 소정의 광 경로 차를 준 단차로 형성된다. 제 1 면(30a)의 주변 영역(32)은 연속 구면으로 형성된다.
CD나 CD-R과 같은 제 2 광 디스크(D2)에는 0.45의 NA이면 충분한 반면에 DVD와 같은 제 1 광 디스크(D1)는 0.60의 NA를 필요로 한기 때문에, NA 0.45에 대응하는 유효지름의 내측인 중심부(31)는 제 1 및 제 2 광 디스크(D1, D2)모두의 공통 영역이다. 이와 같이, 회절 렌즈 구조는 제 1 및 제 2 디스크(D1, D2)모두에 대해서 수차를 줄이도록 중심부에 형성된다.
반면에, 0.45의 NA의 내측의 레이저 광이 제 2 광디스크(D2)에 대해서 너무 작은 광 스폿을 형성하기 때문에, NA 0.45에 대응하는 유효 지름의 외측인 주변 영역(32)은 제 1 광디스크(D1)에 대해서 배타적인(exclusive)영역이다. 이 실시예에서, 주변 영역(32)은 단차가 없는 연속구면으로 형성되어 있다. 실제 회절 렌즈구조는 아무리 정교하게 제조되었더라도 분명하게 상(shape)에러가 있고, 이는 광량을 손실시킨다. 주변 영역(32)의 연속면은 상에러에 기인한 광량의 손실을 방지한다.
NA 0.45에 대응하는 유효지름은 대물렌즈(30)의 최대 유효지름의 85%라인과 동일하다.
회절렌즈 구조는 파장이 증가함에 따라 과잉보정방향으로 구면수차가 변하는 파장의존도를 가지고 있다. 또한, 굴절렌즈는 입사광의 발산정도가 커짐에 따라서 보정부족방향으로 변화한다. 따라서, 파장이 비교적 긴 레이저 광이 비교적 큰 발산 정도를 가질 때, 굴절 렌즈에 의해 야기된 구면 수차의 변화는 회절렌즈구조에 의해 야기된 구면수차의 변화에 의해 상쇄될 수 있다.
회절렌즈구조에 의해 더해진 추가적인 광 경로 길이는 하기의 광 경로 차 함수(Φ(h))로 표현될 수 있다.
Φ(h)=(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ
여기서 P2, P4및 P6는 2차, 4차, 및 6차 회절 계수이고, h는 광축으로부터의 높이이고, λ는 입사광의 파장의 길이이다. 함수(Φ(h))는, 광축으로부터의 높이가 h인 회절렌즈구조의 한 지점에서, 격자에 의해 굴절되지 않는 것으로 가정된 가상의 선과, 격자에 의해 굴절되도록 가정된 선 사이의 광 경로차를 나타낸다. 이 식에서, 제 2 차 계수(P2)의 음수값은 회절렌즈 구조의 양의 근축광을 나타낸다. 또한, 4차 계수(P4)가 제로보다 클 때, 광축으로부터의 거리가 증가해서 음의 파워가 증가한다.
회절렌즈 구조의 실제미세상은 다수의 동심원을 가진 프레넬 렌즈와 같이 정의된다. 실제 상(Φ'(h))은 하기의 식과 같이 Φ(h)로부터 λ×m(m:정수)을 뺌으로써 정의된다.
Φ'(h)=(MOD(P2h2+P4h4+…+C, 1)-C)×λB
기호 λB는 격자의 단차부가 일 파장만큼 광경로차를 주는 블레니즈화 파장이다. 회절 효율은 블레니즈화 파장(λB)에서 최대가 된다. 기호(C)는 인접 원(0≤C<1)사이의 경계에서 위상을 나타내는 상수이다. 함수 MOD(x, y)는 x가 y로 나누어질 때 나머지를 나타낸다. MOD(P2h2+P4h4+…+C, 1)는 인접 원의 경계에서, 제로와 같다. 회절렌즈 구조는 굴절렌즈의 렌즈표면상에 형성된다. 원 영역의 기울기 및 단차는 광 경로 차이가 Φ'(h)로 정의되도록 설계된다.
대물렌즈(30)는 하기의 조건(1)을 만족한다.
(1) 7<Φ(h45)/λ-P2×(h45)2<15
여기서 h45는 NA가 0.45인 광선이 회절 렌즈를 투과하는 지점에서의 광축으로부터의 높이이다.
조건 (1)은 전체 광 함수(Φ(h45)/λ)에서 파워 함수(P2×(h45)2) 를 빼서 나온 회절렌즈 구조의 구면수차 보정 효과를 정의한다. NA가 0.45보다 큰 주변 광은 제 2 광디스크(D2)에 사용되지 않기 때문에, 조건(1)은 NA 0.45를 기준으로 사용한다. 만약 조건 (1)의 간섭항이 7보다 작아지면, 회절렌즈 구조에 의한 구면수차 보정 효과는 발산정도의 변화에 의한 구면수차의 변화를 상쇄시키기에는 너무 작아지고, 이는 구면수차를 보정부족방향에 남겨둔다. 반면에, 조건(1)의 간섭항이 15를 초과하면, 회절 렌즈 보정 함수의 구면 수차는 지나치게 커지고, 이는 구면수차를 과잉보정방향에 남겨둔다.
제 1 광디스크(D1)의 보호층의 두께가 0.6mm이고, 제 2 광 디스크(D2)의 보호층의 두께가 1.2이면, 제 1 레이저 광의 파장(λ1)과 제 2 레이저 광의 파장(λ2)은 하기의 조건(2)을 만족시킨다.
(2) 0.81<λ1/λ2<0.85
조건(2)는 1차 회절광에 대해 높은 회절 효율을 유지하는 동안 구면 수차 보정 효과를 얻기에 충분한 범위를 지정하고 있다. 조건(2)의 비율이 0.81보다 작으면, 파장(λ1과 λ2)사이의 차가 너무 커져서 평균 회절 효율을 높이 유지하는 것을 어렵게 하고, 이는 동심원의 수를 증가시켜서, 소정의 구면 수차 보정 효과가 회절 효율을 만들고 제거하는 것을 어렵게 하는 상태가 되게 한다.
또한, 회절렌즈 구조의 블레이즈화 파장(λB)은 중심부(31)에서 순서대로 λ1<λB<λ2를 만족시켜서높은 평균 회절 효율을 유지한다. 블레이즈화 파장(λB)이 λ1와 λ2사이의 범위의 외측으로 설정되면, 블레이즈화 파장(λB)으로부터의 추가적인 파장에서의 회절 효율은 상당히 줄어든다. 예를들어, λ1이 650nm이고, λ2가780nm이면, λ1및 λ2에서의회절 효율은 각각 100% 및 90%이고, 반면에 λB이 600nm일 때, λ1및 λ2에서의 회절 효율은 각각 98% 및 83%이다.
또한, 본 실시예의 대물렌즈(30)는 중심부(31)에서 하기의 조건(3) 및 (4)를 만족시킨다.
(3) 0.87<λB/λ2
(4) λB/λ1<1.13
조건 (3) 및 (4)가 만족될 때, 1차 회절광의 회절 효율은 제 1 및 제 2 레이저 광 모두 높이 유지할 수 있다. 조건(3)이 만족되지 않으면, 제 2 레이저 광의 굴절 효율은 95%를 하회한다. 만약 조건(4)가 만족되지 않으면, 제 1 레이저 광은 95%를 하회한다.
상술한 바와 같이, 주변 영역(32)은 본 실시예에서, 연속 구면으로 형성된다. 그러나, 회절렌즈 구조가 주변 영역(32)내에 형성될 수 있다. 이 경우에, 주변 영역(32)에서의 회절렌즈 구조는 제 1 레이저 광을 가지고 제 1 광 디스크(D1)에 대해서 최적화된다. 주변 영역(32)에서의 회절렌즈 구조의 2차 계수(P2)는 음수를 갖는다. 이는 회절 렌즈 구조에 양의 굴절 파워를 제공함으로써 축사색수차를 보상한다.
또한, 주변 영역(32)에서의 굴절 렌즈 구조의 블레이즈화 파장은 제 1 레이저 광의 파장(λ1)에 가깝게 중심부(31)에서보다 짧아야 한다. 주변 영역(32)의 블레이즈화 파장은 중심부(31)보다 짧으면, 이는 제 1 레이저 광에 대해서 회절 효율을 증가시키고, 제 2 레이저 광에 대해서는 감소시킨다. 따라서, 주변 영역(32)은 제 1 레이저 광에 대해서 조리개의 기능을 하고, 이는 제 2 광 디스크(D2)상의 광 스폿이 너무 작아지는 것을 방지한다. 주변 영역(32)의 블레이즈화 파장은 제 1 레이저 광의 파장(λ1)보다 짧을 때, 개구 효과는 커진다.
또한, 주변 영역(32)에서의 회절 렌즈 구조를 정의하는 고차 계수(P4, P6)가 음의 수를 가질 때, 열 팽창에 기인한 수차의 변화 및 온도 변화에 기인한 대물렌즈(30)의 굴절 계수의 변화는 온도 변화에 기인한 반도체 레이저의 파장 변이에 의해 야기된 구면 수차의 변화로 상쇄될 수 있다. 이 경우, 주변 영역(32)은 제 2 레이저 광에 대해서, 큰 수차를 가지기 때문에, 제 2 레이저 광의 NA를 제한한다.
본 실시예에 따른 광 픽업의 광학계의 세개의 구체적인 실시예가 후술된다.
제 1 실시예
도 4는 제 1 광 디스크(D1)에 대한, 제 1 실시예의 광학계의 렌즈 다이어그램이다. 광학계는 단일 합성유닛으로 도시된 광스플리터(13, 14), 콜리메이터 렌즈(20) 및 대물렌즈(30)를 포함한다. 회절 렌즈 구조는 제 1 실시예에서, 대물렌즈(30)의 제 1 표면(30a)의 중심부 상에만 형성된다. 렌즈 다이어그램에 회절 격자는 도시되지 않았슴에 주목해야 한다. 하기의 설명에서, 주변 영역은 회절 렌즈 구조를 가진 표면으로 설명된다. 그러나, 주변 영역은 단일 원을 포함하고, 이는 실질적으로 연속면으로 고려된다.
제 1 실시예의 기본 구성이 표 1에 설명된다. 표면번호1 및 표면번호2는 광 스플리터(13, 14), 표면번호3 및 표면번호4는 콜리메이터 렌즈(20), 표면번호5 및 표면번호6은 대물렌즈(30)를 나타내고, 표면번호7 및 표면번호8은 광 디스크(D1, D2)의 보호층을 나타낸다.
표 1에서, λ1은 제 1 광 디스크(D1)의 제 1 레이저 광의 파장을 나타내고, λ2는 제 2 광 디스크(D2)의 제 2 레이저 광의 파장을 나타내고, fcl및 fol(단위:mm)은 각각 파장(λ1)에서의 콜리메이터 렌즈 및 대물렌즈의 초점길이를 나타내고, fc2및 fo2(단위: mm)는 각각 파장(λ2)에서의 콜리메이터 렌즈 및 대물렌즈의 초점길이를 나타내고, M1은 파장(λ1)에서의 배율, M2는 파장(λ2)에서의 배율을 나타내고, do1(단위:mm)은 제 1 반도체 레이저로부터 광스플리터까지의 거리를 나타내고, do2(단위:mm)은 제 2 반도체 레이저로부터 광스플리터까지의 거리를 나타내고, ht는 제 1 표면(30a)의 최대 유효 지름을 나타내고, h45는 NA가 0.45인 광선이 굴절 렌즈 구조를 통과하는 지점의 광축으로부터의 높이를 나타낸다.
또한, r(단위:mm)은 렌즈면의 곡률반경(비구면에 대해서는 최고점에서의 값)을 나타내고, d(단위:mm)는 광축에 따른 각 면사이의 간격을 나타내고, nλ는 파장(λnm)에서의 굴절계수를 나타낸다. d7에 대해서는, 좌측의 값은 제 1 광디스크(D1)이 사용될 때 유효하고, 우측의 값은 제 2 광디스크(D2)의 값이 사용될 때 유효하다.
제 1 실시예에서, 콜리메이터 렌즈(20)의 제 2 표면(표면번호4), 대물렌즈(30)의 제 1 표면(30a:표면번호5)의 베이스 커브 및 제 2 표면(30b:표면번호6)는 원추 구면이다. 베이스 커브는 회절 렌즈 구조가 없는 거시적인 형상이다. 원추 구면은 하기의 식으로 표현된다.
X(h)는 SAG 즉, 광축으로부터의 높이가 h인 면상의 한 지점에서의 접면으로부터의 커브의 거리이다. 기호 c는 표면의 정점에서의 곡률(1/r)이고, k는 원뿔 상수, A4, A6, A8, A10, A12는 및 Δ는 각각 4차, 6차, 8차, 10차, 12차의 구면 계수이다. 상수 K 및 계수(A4내지 A12)는 하기의 표2에 도시된다. 대물렌즈(30)의 제 1 표면(30a)상에서, 중심부(0≤h<1.98)의 베이스 커브는 주변 영역(1.98≤h)의 베이스커브와는 차이가 있고, 표 2는 각각 이들 영역의 계수를 나타내고 있다.
중심부에서의 회절렌즈 구조의 블레이즈화 파장은 710nm이고, 반면에 주변영역에서는 650nm이다. 표 3은 중심부 및 주변 영역 각각에 대한 계수(P0, P2, P4, P6, 및 P8)를 나타낸다. 회절 렌즈 구조는 10개의 동심원상 단차부를 포함한다. 원 번호가 0인 영역은 그 원형의 영역이 광축을 포함하고, 원 번호가 1 내지 9인 영역은 원 영역이다. 0 내지 8인 원 번호는 중심부에 속하고, 원 번호(9)는 주변 영역에 속한다. 표 4에 나타난 바와 같이, 각각의 원은 광축으로부터의 높이가 hL인 내부 경계 및 광축으로부터의 높이가 hH인 외부 경계로 한정된다.
조건(1)에 포함된 항의 값은 하기와 같이 표3에서 찾을 수 있다.
Φ(h45)/λ=9.0774
P2(h45)2=0.0
주변 영역의 광경로차함수(Φ(h))는 주변 영역의 실제상이 베이스 커브에 파장의 9배만큼 광 거리를 더한다는 것을 나타낸다. 더 상세하게는, 주변 영역은 표 5로 정의된 구면 즉, 광 경로를 따라서 중심부의 베이스 커브로부터 10.8169μm만큼 이동된 주변 영역이다. 이동량은 하기의 방정식에서 찾을 수 있다.
-9.0×650nm/(1-1.54082)=10.8169μm
도 5A 및 도 5B는 제 1 광 디스크(D1)가 650nm의 파장에서 사용될 때, 제 1 실시예에 따른 대물 렌즈(30)의 3차 수차를 도시하고 있다. 도 5A는 구면 수차(SA) 및 정현조건(SC), 도 5B는 비점수차(S: 새지털(sagittal), M:메리디오널(Meridional))을 도시한다. 도 5A의 세로축은 개구수(NA)를 나타내고, 도 5B의 세로축은 이미지의 높이(Y)를 나타낸다. 또한, 가로축은 수차의 량을 나타낸다. 도 5A의 세로축 및 가로축의 단위는 "mm"이다. 도 6A 및 6B는 제 2 광디스크(D2)가 파장 785nm에서 사용될 때, 대물렌즈(30)의 구면수차 및 비점수차를 나타낸다.
제 2 실시예
도 7은 제 1 광 디스크(D1)의 제 2 실시예의 광학계를 렌즈 다이어그램이다. 도 7에서는, 콜리메이터 렌즈(20), 대물렌즈(30) 및 제 1 광 디스크(D1)만이 도시된다. 제 2 실시예에서 회절 렌즈 구조는 대물렌즈(30)의 제 1 표면(30a)의 중심부 및 주변 영역모두에 형성된다.
제 2 실시예의 기본 구조는 표 6에 설명된다. 표면번호(1, 2)는 콜리메이터 렌즈(2)를 나타내고, 표면 번호(5, 6)는 광 디스크(D1, D2)의 보호층을 나타낸다.
제 2 실시예에서, 콜리메이터 렌즈(20)의 제 2 표면(표면번호 2), 제 1 표면(30a)의 베이스 커브 및 제 2 표면(30b)은 원추구면이다. 각각의 구면에 대한 상수(k) 및 계수(A4내지 A12)가 표 7에 도시되어 있다.
중심부의 회절렌즈구조의 블레이즈화된 파장은 710nm이고, 반면에 주변 영역에서는 650nm이다. 표 8은 중심부 및 주변 영역 각각에 대해서 계수(P0, P2, P4, P6, 및 P8)를 나타내고 있다. 회절렌즈 구조는 15개의 동심원상 단차부를 포함한다. 원 번호가 0인 영역은 그 원형의 영역이 광축을 포함하는 중심부이고, 원 번호가 1 내지 14인 영역은 원 영역이다. 0 내지 7인 원 번호는 중심부에 속하고, 원 번호(8 내지 14)는 주변 영역에 속한다. 각각의 원은 표 9에 나타난 바와 같이 한정된다.
조건(1)에 있는 항의 값은 하기와 같이 표8에서 찾을 수 있다.
Φ(h45)/λ=-3.1365
P2(h45)2=-13.0045
중심부의 최외측의 원(원 번호 7)과 주변부의 최내측의 원(원 번호8) 사이의 경계는 최외각 원의 15μm만큼의 두께를 광축방향으로 더한 단차부를 구비하고 있다.
도 8A 및 도 8B는 650nm의 파장에서 제 1 광 디스크(D1)를 사용할 때, 제 2 실시예에 따른 대물렌즈(30)의 구면수차 및 비점수차를 나타내고 있다. 도 9A 및 도 9B는 파장 780nm에서 제 2 광 디스크(D2)가 사용될 때, 대물렌즈(30)의 구면 수차 및 비점수차를 나타내고 있다.
제 3 실시예
도 10은 제 1 광 디스크(D1)에 대한 제 3 실시예의 광학계의 렌즈 다이어그램이다. 도 10에는, 대물렌즈(30) 및 제 1 광디스크(D1)만이 도시된다. 제 3 실시예에서 회절 렌즈 구조는 대물렌즈(30)의 제 1 표면(30a)의 중심부에만 형성된다.
제 2 실시예의 기본 구조가 표 10에 나타나 있다. 표 10에서, 표면번호(1, 2)는 대물렌즈(30)를 나타내고, 표면번호(3, 4)는 광 디스크(D1, D2)의 보호층을 나타낸다. 또한, 제 3 실시예에서만은 do1및 do2는 각각 파장(λ1및 λ2)에서 대물렌즈(30)의 대물거리를 나타낸다.
제 3 실시예에서, 대물렌즈(30)의 제 1 표면(30a;표면번호 1) 및 제 2 표면(30b;표면번호 2)은 원뿔구면이다. 각각의 구면에 대한 상수 K 및 계수(A4내지 A12)는 하기의 표 11에 도시된다.
중심부내의 회절렌즈구조의 블레이즈화 파장은 710nm이고 주변 영역에서는 650nm이다. 표 12는 중심부와 주변 영역 각각의 계수(P0, P2, P4, P6, 및 P8)를 나타내고 있다. 회절렌즈 구조는 9개의 동심원상 단차부를 포함한다. 원 번호가 0인 영역은 그 원형의 영역이 광축을 포함하는 중심부이고, 원 번호가 1 내지 8인 영역은 원 영역이다. 0 내지 7인 원 번호는 중심부에 속하고, 원 번호(8)는 주변 영역에속한다. 각각의 원은 표 13에 나타난 바와 같이 한정된다.
조건(1)에 있는 항의 값은 하기와 같이 표8에서 찾을 수 있다.
Φ(h45)/λ=9.301
P2(h45)2=0.000
도 11A 및 도 11B는 650nm의 파장에서 제 1 광 디스크(D1)를 사용할 때, 제 2 실시예에 따른 대물렌즈(30)의 구면수차 및 비점수차를 나타내고 있다. 도 12A 및 도 12B는 파장 780nm에서 제 2 광 디스크(D2)가 사용될 때, 대물렌즈(30)의 구면 수차 및 비점수차를 나타내고 있다.
제 3 실시예의 대물렌즈는 제 1 광 디스크의 무수차 평행 레이저 광 및 제 2 광 디스크의 무수차 발산 레이저 광이 요구된다. 이와같이, 콜리메이터 렌즈는 바람직하게는 두개의 반도체 레이저 각각에 장착된다. 또한, 콜리메이터 렌즈의 구면은 반도체 레이저의 보호판이나 광 광의 분기합성을 위한 프리즘과 같은 평행평면판에 의한 영향을 고려해서 설계되어야 한다.
표 14는 조건(1) 내지 조건(4)와 제 1, 제 2 및 제 3 실시예와의 관계를 도시하고 있다. 모든 실시예는 모든 조건을 만족한다.

Claims (9)

  1. 제 1 보호층을 구비한 제 1 광 디스크 및 상기 제 1 보호층보다 두꺼운 제 2 보호층을 구비한 제 2 광 디스크를 이용할 수 있는 광 픽업의 광학계에 있어서, 상기 광학계는,
    상기 제 1 광 디스크용 제 1 파장을 갖는 제 1 레이저 광 및 상기 제 1 파장보다 긴 상기 제 2 광 디스크용 제 2 파장을 구비한 제 2 레이저 광을 발하는 광원부; 및
    상기 제 1 레이저 광을 상기 광원부로부터 상기 제 1 광 디스크의 정보층상으로 상기 제 1 보호층을 통해서 집광하고, 상기 제 2 레이저 광을 상기 광원부로부터 상기 제 2 광 디스크의 정보층상으로 상기 제 2 보호층을 통해서 집광하는 대물렌즈;를 포함하고,
    상기 대물렌즈에는, 입사광의 파장이 증가함에 따라서 구면수차가 오버측으로 변하도록 복수의 계단형 동심원을 가진 회절 렌즈 구조가 제공되고,
    상기 대물렌즈에 입사된 상기 제 2 레이저 광의 발산 정도는 상기 제 1 레이저 광의 발산 정도보다 크고,
    상기 대물렌즈는, 상기 대물렌즈와 상기 제 1 및 제 2 보호층의 표면 사이의 거리를 일정하게 유지하면서, 동일한 회절 차수의 제 1 및 제 2 레이저 광을 집광하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서, 조건(1)7<Φ(h45)/λ-P2×(h45)2<15 이 만족되고,
    여기서, h45는 NA가 0.45인 광선이 상기 회절렌즈구조를 통과하는 지점의 광축으로부터의 높이이고, λ는 상기 광의 파장이고, P2는 회절 렌즈 구조에 의해 증가된 부가적인 광 길이가 하기의 광 경로 차함수(Φ(h))로 표현될 때, 2차 계수이고,
    Φ(h)=(P2h2+P4h4+P6h6+…)×λ
    여기서, P4, 및 P6는 4차 및 6차 회절 계수이고, h는 광축으로부터의 높이인 것을 특징으로 하는 광학계.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 보호층의 두께는 0.6mm이고, 상기 제 2 보호층의 두께는 1.2mm이고, 상기 제 1 파장(λ1) 및 상기 제 2 파장(λ2)은 조건
    (2) 0.81<λ1/λ2<0.85
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 회절 렌즈구조의 블레이즈화 파장(λB)은 적어도 광축에 가까운 중심부에서 λ1<λB<λ2를 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 중심부에서 상기 회절렌즈구조의 상기 블레이즈화 파장(λB)은 조건
    (3) 0.87<λB/λ2
    (4) λB/λ1<1.13
    을 만족하는 것을 특징으로 하는 광학계
  6. 제 4 항에 있어서, 주변 영역에서 상기 회절 렌즈 구조의 원상 단차부에 의해 증가된 부가적인 광경로길이는 상기 중심부에서 보다 짧은 것을 특징으로 하는 광학계.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 회절 렌즈구조는 상기 대물렌즈의 렌즈 표면의 중심부내에 형성되고, 상기 렌즈 표면의 주변 영역은 연속면으로 형성되고, 상기 대물렌즈의 유효지름의 적어도 85%라인의 외측의 영역이 상기 주변 영역으로 정의되는 것을 특징으로 하는 광학계.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 광원부는 상기 제 1 레이저 광이 상기 대물렌즈에 평행광으로 입사되고, 상기 제 2 레이저 광이 상기 대물렌즈에 발산 광으로 입사되도록 상기 레이저 광을 발하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  9. 양의 굴절 파워를 갖는 굴절 렌즈; 및
    상기 굴절 렌즈의 적어도 하나의 표면에 형성된 복수의 동심원상의 단차부을 가진 회절 렌즈 구조;를 포함하고,
    상기 회절 렌즈 구조는 입사광의 파장이 증가함에 따라서, 구면수차가 과잉보정방향으로 변하는 파장의존성을 가진 것을 특징으로 하는 광학계용 대물렌즈.
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