KR20020027261A - 광헤드용 대물렌즈 - Google Patents

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KR20020027261A
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laser
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KR1020010061392A
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야마노우치다카시
마루야마고이치
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마츠모토 도루
아사히 고가쿠 고교 가부시키가이샤
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Abstract

광헤드용 대물렌즈는 각각의 제1 광디스크(DVD)와 제2 광디스크(CD)에 비교적 단파장을 갖는 제1 레이저 광과 비교적 장파장을 갖는 제2 레이저 광을 집광한다. 제1 광디스크의 보호층은 제2 광디스크의 보호층보다 얇다. 대물렌즈는 축외광으로 소정의 입사각으로 대물렌즈에 입사되고 0.01λ이상인 파면수차에 대응하는 축상 비점수차를 제공하는 제1 레이저 광에 대한 비점수차를 보정하고, 대물렌즈는 제2 광디스크에 집광되는 제2 레이저 광의 경우보다 제1 광디스크에 집광되는 제1 레이저 광의 경우에 코마수차가 양호하게 보정되도록 형성된다.

Description

광헤드용 대물렌즈{OBJECTIVE LENS FOR OPTICAL HEAD}
본 발명은 상이한 데이터 밀도 및/또는 보호층의 두께를 갖는 다양한 형태의 광디스크에서/로부터 데이터를 기록/재생할 수 있는 광디스크 드라이브에서 사용되는 광헤드용 대물렌즈에 관한 것이다.
광디스크에 대한 다양한 규격이 있다. 상이한 규격에 따른 상이한 광디스크는 상이한 데이터 밀도, 상이한 보호층의 두께 등을 갖을 수 있다. 예를 들어, CD 또는 CD-R은 비교적 낮은 데이터 밀도를 갖으며 보호층의 두께가 1.2mm이다. DVD는 비교적 높은 데이터 밀도를 갖으며 보호층의 두께가 0.6mm이다.
DVD의 데이터 기록/재생을 위해서는 635∼660nm의 파장을 갖는 레이저 광의 사용이 필요하다. CD-R은 반사 특성 때문에 대략 780nm의 파장을 갖는 레이저 광이 사용되어야 한다.
이러한 디스크 타입 모두는 폭 넓게 사용되고, 따라서 광디스크 드라이브가 이러한 모든 디스크 타입을 사용할 수 있는 것은 바람직하다. 상술한 바와 같이 CD또는 DVD를 위해, 이러한 디스크 드라이브에는 상이한 파장을 갖는 레이저 광을 발광하는 두 개의 레이저 다이오드가 구비되어야 한다. 디스크 드라이브의 소형화에 관련하여, 디스크 드라이브용 광시스템이 가능한 콤팩트한 것은 바람직하다. 광시스템의 크기를 축소하기 위해서, 2개의 레이저 다이오드는 단일유닛(즉, 레이저 소스유닛)에 통합될 수 있고, 광헤드의 대물렌즈는 상이한 파장을 갖는 레이저 광 중 어느 하나를 위해 기능하도록 형성될 수 있다.
하지만, 상술된 레이저소스유닛이 사용될 때에, 다음과 같은 문제가 발생한다.
일반적으로, 2개의 레이저 다이오드의 두 개의 발광점은 대물렌즈의 광축에 수직인 방향으로 정렬될 수 있다. 따라서, 대물렌즈에 입사되는 광의 각도차가 존재한다. 즉, 2개의 발광점에 의해 발광되는 레이저 광의 적어도 하나가 축외광(off-axial beam)으로서 대물렌즈에 입사된다.
바람직하게, 광시스템은 상이한 파장을 갖는 2개의 상이한 레이저 광의 수차에 대해 보정된다. 하지만, 2개 디스크의 보호층의 두께가 상이하기 때문에, 코마수차는 완전하게 보정될 수 없다. 예컨대, 코마수차가 디스크 중의 하나에 사용되고 축외광으로서 대물렌즈에 입사되는 레이저 광에 대해 완전하게 보정되지 않는다면, 디스크에서 광에 의해 형성된 광점은 충분히 작게 되지 않고, 따라서 디스크에서의 데이터 기록/재생은 실행될 수 없다.
더욱이, 레이저 발광디바이스의 구조는 출력이 더 크게 요구됨에 따라 더 크게 된다. 구조가 더 크게 되면, 레이저 발광점 사이의 거리 또한 크게 되야 한다.따라서, 데이터 기록/재생속도를 개량하기 위해 상술한 타입의 광헤드에서 비교적 고밀도가 요구되면, 발광점 사이의 거리는 크게 된다. 이 경우에, 대물렌즈에 대해 레이저 광의 입사각의 차는 크게 된다. 따라서, 축외광으로서 대물렌즈에 입사되는 적어도 하나의 레이저 광은 비교적 큰 입사각으로 대물렌즈에 입사된다. 이에 따라, 큰 수차가 발생되어 데이터 기록/재생은 실행되지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 상이한 파장을 갖는 레이저 광을 발광하는 2개의 레이저 다이오드를 겸용하는 레이저 소스유닛을 사용하는 향상된 광디스크 드라이브용 대물렌즈를 제공하는데 있다. 대물렌즈는 수차의 발생을 억제하도록 구성되어, 상이한 규격에 기초하여 복수의 광디스크에 적합한 광점을 형성한다. 본 발명은 향상된 대물렌즈가 제공되는 향상된 광헤드와 이러한 광헤드를 사용하는 광디스크 드리이브를 더욱 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광디스크 드라이브의 일부분의 개략적인 사시도,
도 2는 광로가 전개된 상태에서의 광헤드의 광시스템의 설명도,
도 3a는 대물렌즈의 정면도,
도 3b는 도 3a에서 도시된 대물렌즈의 종단면도,
도 3c는 도 3a에 도시된 대물렌즈의 부분확대 종단면도,
도 4는 본 실시예에 따른 대물렌즈에 의해 생성된 비점수차의 사시도,
도 5는 본 실시예에 따른 대물렌즈와 광디스크의 종단면도,
도 6a는 제1 파장을 갖는 광의 사용시 대물렌즈의 정현조건과 구면수차의 그래프도,
도 6b는 제1 파장을 갖는 광의 사용시 대물렌즈의 비점수차의 그래프도,
도 7은 제1 디스크의 사용시 파면수차와 대물렌즈에 관한 광의 입사각 사이의 관계도,
도 8은 축상의 비점수차가 제거된 것 외에는 도 7과 유사한 관계도,
도 9a는 제2 파장을 갖는 광의 사용시 대물렌즈의 정현조건과 구면수차의 그래프도,
도 9b는 제2 파장을 갖는 광의 사용시 대물렌즈의 비점수차의 그래프도,
도 10은 제2 디스크의 사용시 파면수차와 대물렌즈에 관한 광의 입사각 사이의 관계도,
도 11은 축상의 비점수차가 제거된 것 외에는 도 10과 유사한 관계를 도시한 도면이다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따라, 광헤드용 대물렌즈가 제공된다. 대물렌즈는 제1 및 제2 광디스크에 제1 및 제2 레이저 광을 각각 집광한다. 제1 레이저 광은 제2 레이저 광보다 짧은 파장을 갖고, 제1 광디스크의 보호층은 제2 광디스크의 보호층보다 두껍다. 대물렌즈는 0.01λ와 동일한 파면수차에 대응하는 축상 비점수차를 제공함으로써 축외광으로서 소정의 입사각으로 대물렌즈에 입사되는 제1 레이저 광에 대한 비점수차를 보정하고, 대물렌즈는 제2 광디스크에 집광되는 제2 레이저 광의 경우보다 제1 광디스크에 집광되는 제1 레이저 광의 경우에 코마수차가 더 보정되도록 구성된다.
이러한 구성에 있어서, 제1 광디스크가 사용될 때에의 대물렌즈의 파면수차는 광이 광축과 평행하게 입사될 때의 최대값과 광이 소정의 입사각(양/음 부호와 같은 절대값)으로 입사될 때의 최소값으로 나타난다. 따라서, 광이 광축과 평행하게 입사될 때에 파면수차가 허용범위를 초과하지 않도록 비점수차의 발생량을 조정함으로서, 파면수차가 허용범위를 초과하지 않는 입사각의 범위는 연장될 수 있다.
더욱이, 제2 광디스크에서는 제1 광디스크에 작은 광점을 형성할 필요가 없다. 즉, NA를 비교적 작게 될 수 있다. 이 경우에, 구면수차 상의 축외입사에 의해서 비점수차와 코마수차의 영향은 비교적 작다. 따라서, 코마수차가 보정되지 않을 경우에도, 파면수차가 허용범위를 초과하지 않는 입사각의 범위를 확대하는 것은 가능하다.
전술한 대물렌즈가 사용될 때에, 비점수차가 제1 광디스크에 대해 최소값을 갖는 입사각으로 짧은 파장 레이저 광이 대물렌즈에 입사되면, 광이 대물렌즈의 광축과 평행하게 입사되지 않는다 하여도 제2 광디스크에 대해 허용범위 내에서 파면수차를 억제하는 것은 가능하다.
선택적으로, 제1 및 제2 광디스크에 수용된 평행광을 대물렌즈는 평행광으로서 제1 및 제2 레이저 광을 수용하고 집광하는 무한원-공역 시스템(infinite-conjugate system)일 수 있다.
더욱 선택적으로, 대물렌즈에는 대물렌즈의 굴절면의 어느 하나에 회절렌즈구조가 형성될 수 있고, 회절렌즈구조는 회절렌즈구조를 투과하는 광파장이 증가함에 따라 구면수차가 수정된 방향 하에서 변화되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따라, 제1 레이저 다이오드, 제2 레이저 다이오드 및 대물렌즈를 포함하는 광디스크 드라이브용 광헤드가 제공되며, 여기에서 제1 레이저 다이오드는 제1 레이저 광을 발광하고, 제2 레이저 다이오드는 제2 레이저 광을 발광하며, 제1 레이저 광의 파장은 제2 레이저 광의 파장보다 더 짧고, 그리고 대물렌즈는 각각의 제1 및 제2 광디스크에 제1 및 제2 레이저 광을 집광하며, 제1 광디스크의 보호층은 제2 광디스크의 보호층보다 두껍다.
대물렌즈는 0.01λ와 동일한 파면수차에 대응하는 축상 비점수차를 제공함으로써 축외광으로서 소정의 입사각으로 대물렌즈에 입사되는 제1 레이저 광에 대한 비점수차를 보정한다.
더욱이, 대물렌즈는 제2 광디스크에 집광되는 제2 레이저 광의 경우보다 제1 광디스크에 집광되는 제1 레이저 광의 경우에 코마수차가 양호하게 보정되도록 형성된다.
보다 더욱이, 제1 레이저 다이오드와 제2 레이저 다이오드는 광이 상기 대물렌즈에 입사되는 대물렌즈의 광축에 평행할 때에 형성되고 대물렌즈에 근접한 두 초점선의 어느 하나가 대물렌즈에 근접하게 연장되는 방향으로, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광이 대물렌즈에 의해 집광되는 집광점과 같이 배열된다.
선택적으로, 제1 레이저 다이오드와 제2 레이저 다이오드는 단일유닛에 결합된다.
더욱이, 제1 및 제2 레이저 다이오드의 발광점은 대물렌즈의 광축에 대해 축외 위치에서 정렬된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따라, 제1 광디스크와 제2 광디스크 중의 어느 하나를 구동시킬 수 있는 스핀들 모터, 광헤드 및 헤드 구동기구를 구비한 광디스크 드라이브가 제공된다.
광헤드는 제1 레이저 다이오드, 제2 레이저 다이오드 및 대물렌즈를 포함하며, 제1 레이저 다이오드는 제1 레이저 광을 발광하고, 제2 레이저 다이오드는 제2 레이저 광을 발광하며, 제1 레이저 광의 파장은 제2 레이저 광의 파장보다 더 짧고, 그리고 대물렌즈는 각각의 제1 및 제2 광디스크에 제1 및 제2 레이저 광을 집광하며, 제1 광디스크의 보호층은 제2 광디스크의 보호층보다 더 얇다.
대물렌즈는 0.01λ와 동일한 파면수차에 대응하는 축상 비점수차를 제공함으로써 축외광으로서 소정의 입사각으로 대물렌즈에 입사되는 제1 레이저 광에 대한 비점수차를 보정한다.
더욱이, 대물렌즈는 제2 광디스크에 집광되는 제2 레이저 광의 경우보다 제1 광디스크에 집광되는 제1 레이저 광의 경우에 양호하게 코마수차가 보정되도록 형성된다. 보다 더욱이, 제1 레이저 다이오드와 제2 레이저 다이오드는 광이 상기 대물렌즈에 입사되는 대물렌즈의 광축에 평행할 때에 형성되고 대물렌즈에 근접한 두 초점선의 어느 하나가 대물렌즈에 근접하게 연장되는 방향으로, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광이 대물렌즈에 의해 집광되는 집광점과 같이 배열된다.
헤드 구동기구는 제1 및 제2 광디스크 중 어느 하나의 반경방향으로 광헤드의 적어도 일부분을 구동한다. 대물렌즈에 근접한 초점선의 연장방향은 제1 및 제2광디스크 중 어느 하나의 접선과 일치한다.
이하, 광디스크 드라이브, 광디스크 드라이브용 광헤드, 및 광헤드용 대물렌즈가 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광디스크 드라이브(1)의 일부분의 개략적인 사시도이고, 도 2는 광로가 전개된 상태에서의 광헤드(10)의 광시스템의 설명도이다.
하기에 있어서, 두 타입의 광디스크는 제1 광디스크(D1)와 제2 광디스크(D2)로 기술된다. 제1 광디스크(D1)는 비교적 높은 데이터 밀도와 0.6mm 두께의 보호층을 갖는다. 제1 광디스크(D1)의 일예는 DVD이다. 제2 광디스크(D2)는 비교적 낮은 데이터 밀도와 1.2mm 두께의 보호층을 갖는다. 제2 광디스크(D2)의 일예는 CD 또는 CD-R이다.
광디스크 드라이브(1)는 제1 및 제2 광디스크 중의 어느 하나에 대해 데이터 기록/재생을 실행할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광디스크 드라이브(1)는 광디스크(D1 또는 D2)를 회전시키는 스핀들 모터(2)와 광헤드(10)를 포함한다. 광헤드(10)는 도시하지는 않은 구동기구에 의해서 반경방향(화살표(R)로 지시된)으로 이동가능하게 형성된다.
광헤드(10)는 레이저 모듈(11), 조준렌즈(12), 광 세이핑/스프리팅 프리즘(beam shaping/splitsting prism)(13), 센서(14), 거울(15) 및 대물렌즈(20)를 포함한다.
레이저 모듈(11)은 상이한 파장을 갖는 레이저 광을 각각 발광하는 제1 및제2 레이저 다이오드(11a)(11b)를 수용한다. 조준렌즈(12)는 레이저 다이오드(11a)(11b)에 의해 발광되는 각각의 레이저 광을 조준한다. 광 세이핑/스프리팅 프리즘(13)은 레이저 다이오드(11a)(11b)에 의해 발광되는 광의 단면형상을 조정한다. 광 세이핑/스프리팅 프리즘(13)은 또한 발광강도를 모니터링하는데 사용되는 센서(14)와 광디스크로 각각 향한 성분으로 수신광을 분할하는 기능을 한다. 거울(15)은 프리즘(13)을 투과하는 광성분 대물렌즈(20)를 통하여 디스크(D1)(D2)를 향해 반사하는데, 이것은 광디스크(D1 또는 D2)에 집광하도록 프리즘(13)에서 방사하는 레이저 광을 집광한다.
레이저 다이오드(11a)(11b)는 모듈에 통합되는데, 서로에 대해서 인접하게 배열된다. 레이저 다이오드(11a)(11b)의 발광점은 대물렌즈(20)의 광축(Ax)에 대해서 양측에 배열된다. 이에 따라, 제1 및 제2 레이저 다이오드(11a)(11b)에 의해 발광되는 제1 및 제2 레이저 광 모두는 축외광으로서 대물렌즈에 입사된다. 제1 및 제2 레이저 다이오드(11a)(11b)는 레이저 다이오드(11a)(11b)에 의해 발광되는 레이저 광에 의해서 형성된 광점이 디스크(D1) 또는 디스크(D2)의 접선에 평행방향으로 정렬되도록 배열된다.
제1 광디스크(D1)가 사용될 때, 제1 레이저 다이오드(11a)는 파장이 657nm인 제1 레이저 광(도 2에서 실선으로 표시됨)(L1)을 발광한다. 제2 광디스크(D2)가 사용될 때, 제2 레이저 다이오드(11b)는 파장이 790nm인 제2 레이저 광(도 2에서 점선으로 표시된)(L2)을 발광한다. 레이저 광(L1)(L2)은 발산선속(diverging flux)으로서 각각의 제1 및 제2 레이저 다이오드에 의해서 발광되며, 이 발산선속은 조준렌즈(12)에 의해서 조준되고 평행선속으로 변화된다. 조준된 레이저 광(L1 또는 L2)은 대물렌즈(20)에 의해서 집광되고 광 세이핑/스프리팅 프리즘(13)과 거울(15)을 통하여 광디스크(D1)의 데이터 기록면에 광점을 형성한다.
도 2에는 간략하기 위해서 광 세이핑/스프리팅 프리즘(13)과 거울(15)은 도시하지 않았다.
더욱이, 도 2에서, 모든 광디스크(D1)(D2) 뿐만 아니라 모든 광(L1)(L2)는 오버레이방식으로 도시되었다. 하지만, 실제 사용에서, 광디스크(D1)(D2) 상 만이 즉시 사용될 수 있고, 어느 하나의 레이저 광(L1)(L2)은 사용되는 광디스크에 따라 사용된다. 즉, 제1 광디스크(D1)가 사용될 때, 제1 레이저 다이오드(11a)가 657nm인 파장을 갖는 레이저 광(L1)을 발광하기 위해 작동되고, 그리고 제2 광디스크(D2)가 사용될 때, 제2 레이저 다이오드(11b)은 790nm인 파장을 갖는 레이저 광(L2)을 발광하기 위해 작동된다.
레이저 광(L1 또는 L2)은 광디스크(D1 또는 D2)에 의해서 반사되고, 대물렌즈(20)에 입사된다. 반사광은 대물렌즈(20)에 의해 평행광선속으로 변환되고, 조준렌즈(12)를 투과하고 그결과 집광되며, 복합광요소를 통해 레이저 모듈(11)로 향한다. 복합광요소는 도 1에서 도시하지 않았지만, 광 세이핑/스프리팅 프리즘(13)과 대물렌즈(20) 사이에서 배열되고, 반사광을 분할하고, 분할된 성분을 복수의 수광디바이스로 향하게 하고, 이 수광디바이스는 포커싱에러신호, 트래킹에러신호, 및 재생신호를 검출하기 위해서, 레이저 모듈(11) 내에 제공된다.
상술하면, 포커싱에러신호를 검출하기 위해서, 소위더블나이프에지방법(double knife edges method)이 사용되고, 트래킹에러신호를 검출하기 위해 소위 위상차방법(phase difference method) 또는 푸쉬-풀방법(push-pull method)이 사용된다. 이러한 구성에 있어서, DVD, CD 및 CD-R의 어느 하나가 사용된다. 상술한 신호검출방법은 공지되어 있고, 이러한 방법의 일예는 일본 공개특허 평성 11-53759에 기술되어 있다.
광헤드(10)에는, 광점이 포커싱에러신호와 트래킹에러신호에 기초하여 광디스크의 데이터 트랙 상에 광을 정확히 위치되도록 액튜에이터(도시하지 않음)는 대물렌즈(20)를 구동하기 위해 제공된다.
도 3a 내지 도 3c는 대물렌즈(20)의 구조가 도시되어 있다. 도 3a는 정면도이고, 도 3b는 그 종단면도이고, 도 3c는 대물렌즈(20)의 종단면된 부분 확대도이다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 대물렌즈(20)는 양볼록이고, 단일요소렌즈이다. 조준렌즈 측에 있는 제1 면(21)은 회절렌즈구조가 형성되는 회전대칭비구면이다. 광 디스크 측에 있는 제2 면(22)은 배율이 위치와 방향에 따라 전압이 상이한 변형 토릭면이다. 상술하면, 변형 토릭면은 광축에 대해 비대칭인 만곡면이고, 주경선에 따른 그 단면은 원호가 아니다.
대물렌즈(20)의 제1 면(21)에는, 회절렌즈구조가 형성된다. 회절렌즈구조는 도 3a에 도시된 바와 같이 대물렌즈(20)의 광축과 동심인 복수의 동심형 환대(環帶)를 포함한다. 공지된 프레스넬 렌즈 구조에서와 마찬가지로, 환대의 경계에는, 광축에 평행방향으로 뻗어 있는 단차부가 형성된다.
대물렌즈(20)의 제1 면(21)은 공용영역(RC)과 공용영역(RC)를 둘러싸는 고NA(개구수) 전용영역(RE)으로 구분된다. 공용영역(RC)은 제2 디스크(D2)에 광점을 형성하는 광이 투과하는 영역이다. 제2 디스크(D2)의 데이터 밀도가 비교적 낮기 때문에, 비교적 저NA(개구수)는 제2 디스크(D2)에 충분하다. 고NA 전용영역(RE)은 제1 디스크(D1)에 광점을 형성하는 광이 투과하는 영역이다. 제1 디스크(D1)의 데이터 밀도가 비교적 높기 때문에, 비교적 고NA는 제1 디스크(D1)에 요구된다. 이 실시예에서, 회절렌즈구조는 공용영역(RC)과 고NA 전용영역(RE)을 포함하는 제1 면(21)의 전체 영역에서 형성된다.
제1 면(21)에 형성된 회절렌즈구조는 회절렌즈구조를 투과하는 광파장이 증가할 때에 구면수차가 보정부족 방향으로 변화되는 특성을 갖는다. 일반적으로, 광헤드의 구면수차는 광디스크의 보호층의 두께가 증가할 때에 과잉수정된 방향으로 변화한다. 비교적 얇은 보호층을 갖는 제1 디스크(D1)에서는 단파장을 갖는 레이저 광이 사용되고, 비교적 두꺼운 보호층을 갖는 제2 디스크(D2)에서는 장파장을 갖는 레이저 광이 사용된다.
이 실시예에서, 회절렌즈구조는 제1 레이저 광(L1)에 대해 구면수차를 보정한다. 파장이 증가할 때에, 구면수차는 보정부족 방향으로 변화하는 회절렌즈구조에 의해 제공된 구면수차가 보정된 방향으로 변화하므로, 디스크가 제2 디스크(D2)에서 제1 디스크(D1)로 변화될 때에 과잉수정된 방향으로 변화되는 구면수차는 회절렌즈구조에 의해 제공되는 구면수차에 의해서 제거될 수 있다.
더욱이, 제2 면(22)이 변형 토릭면으로서 형성되기 때문에, 대물렌즈(20)는대물렌즈(20)에 직교로(즉, 광축(Ax)에 평행하게) 입사되는 광에 대해 소정의 비점수차를 제공한다. 상술하면, 제1 레이저 다이오드(11a)에 의해 발광되는 제1 레이저 광(L1)이 제1 디스크(D1)에 집광될 때에, 대물렌즈(20)는 0.01λ[rms] 이상의 파면수차에 대응하는 비점수차를 제공하며, 이에 따라 소정의 입사각으로 대물렌즈(20)에 입사되는 축외광에 대한 비점수차는 보정된다.
대물렌즈(20)에 의해 제공되는 비점수차가 0.05λ[rms]의 파면수차에 대응하는 량 이하인 것은 바람직하다. 비점수차의 변화는 광의 입삭각의 제곱에 비례한다. 비점수차가 상한값를 초과할 때, 레이저 다이오드와 조준렌즈 사이에서 위치에러가 있고 대물렌즈에 대한 광의 입사각이 지정값으로부터 차가 있다면, 비점수차는 초과하여 변화될 수 있다. 따라서, 대물렌즈(20)에 의해 제공되는 비점수차가 상한값를 초과하면, 조립에러는 억제되고, 이에 따라, 각 광요소는 고정밀도로 위치된다.
더욱이, 대물렌즈(20)는 코마수차가 제2 광(L2)의 축외광에 제공되도록 형성된다. 따라서, 제2 레이저 광의 입사각은 비교적 크게 설정될 수 없고, 레이저 다이오드(11b)는 실제로 대물렌즈(20)의 광축에 위치된다. 이러한 경우에, 파면수차는 파장에 역으로 비례하고, NA의 제곱에 비례한다. 이러한 조건 하에서, 레이저 광(L1)에 대한 축상 비점수차가 0.05λ[rms]의 파면수차에 대응하는 량을 초과하면, 레이저 광(L2)에 대한 비점수차는 0.027λ[rms]의 파면수차에 대응하는 량을 초과한다. 그것은 비점수차가 너무 넓게 되어 바람직하지 않으며, 따라서 비점수차가 상한값를 초과하지 않는 것이 좋다.
비점수차의 방향성은 레이저 다이오드(11a)(11b) 및 광디스크(D1)(D2)의 배면에 대해서 도 4에 도시되어 있다.
도 4에서, 동일한 평면에 있고, 서로 직교하며, 광축에 수직인 Y축과 Z축이 표시되어 있다. 대물렌즈(20)는 근방향의 포지티브 파워(positive power)가 Y축 방향으로 포지티브 파워보다 크도록 형성되어 있다. 따라서, 광축(Ax)에 평행한 방향을 따라 대물렌즈(20)에 입사한 광선속은 대물렌즈에 근접하고 Y축 방향으로 뻗어 있는 제1 초점선(F1)과 제1 초점선(F1)보다 대물렌즈(20)로부터 더 멀리 있고, Z축 방향으로 뻗어 있는 제2 초점선(F2)를 형성한다.
제1 및 제2 레이저 다이오드(11a, 11b)는 제1 및 제2 레이저 다이오드(11a)(11b)에 의해 각각 발광되는 광의 집광점이 제1 초점선으로 즉, Y축 방향으로 정렬되도록 배열된다. 더욱이, 광헤드(10)는 제1 초점선이 광디스크(D1)(D2)의 접선에 평행하게 뻗어있도록 위치된다.
더욱이, 대물렌즈(20)는 제2 레이저 다이오드(11b)에 의해 발광되는 레이저 광이 제2 디스크(D2)에 집광되는 비교하여 제1 레이저 다이오드(11a)에 의해 발광되는 레이저 광이 제1 디스크(D1)에 집광될 때의 코마수차가 양호하게 보정되도록 설계된다.
상술한 회절렌즈구조를 사용하여 제1 및 제2 디스크(D1, D2)에 대한 구면수차가 보정되면, 코마수차는 디스크(D1, D2) 모두에서 보정될 수 없다. 따라서, 실시예에서, 비교적 큰 NA를 요구하는 제1 광디스크(D1)에서 만이, 코마수차가 보정된다.
코마수차가 제1 광디스크에 관련하여 보정되면, 입사각으로 기인한 파면수차의 변화는 실제로 비점수차에 좌우된다. 따라서, 비점수차가 소정의 입사각에 의해 대물렌즈(20)에 입사되는 축외광에 대해 보정되면, 소정의 각도로 입사되는 축외광의 파면수차는 작은 량으로 억제될 수 있다. 하지만, 비점수차는 단지 제1 초점선을 따르는 방향에서 즉, Y축 방향에서 보정될 수 있고, 입사광의 입사각이 Z축 성분을 갖으면, 비점수차는 증가한다. 따라서, 두 개의 집광점은 Y축을 따라 정렬되야 하고, 따라서 제1 및 제2 레이저 다이오드(11a)(11b) 또한 Y축 방향을 따라 정렬되어야 한다.
제2 광디스크(D2)에서는 제1 광디스크에서와 같이 광점의 크기를 작게 감소시킬 필요는 없고, 따라서 NA를 비교적 적게 될 수 있다. 이와 같이, 코마수차가 보정되지 않을 경우에도, 비교적 광 입사각의 넓은 범위는 허용파면수차가 초과됨없이 설정될 수 있다. 따라서, 최소값의 비점수차를 갖는 입사각으로 레이저의 광이 대물렌즈(20)에 입사되도록 제1 레이저 다이오드(11a)가 정렬되면, 제2 레이저 다이오드(11b)에 의해 발광되는 레이저 광이 일정한 각으로(즉, 직교하지 않게) 대물렌즈(20)에 입사된다 하여도, 파면수차는 허용범위 내에 있을 수 있다. 상술한 바와 같이, 양 디스크에서, 파면수차는 허용범위 내에서 억제된다.
두 개의 집광점이 정렬되는 방향(즉, 제1 초점선(F1)의 방향)이 광디스크(D1)(D2)에 대한 접선을 따라 정렬될 때, 제1 레이저 다이오드(11a)에 의해서 발광되고, 광디스크(D1)에 의해서 반사되는 광을 수광하는 수광요소 및 제2 레이저 다이오드(11b)에 의해서 발광되고, 광디스크(D2)에 의해서 반사되는 광을수광하는 다른 수광요소는 서로 이격되게 배열될 수 있다.
트래킹에러신호를 검출하기 위해서, 적어도 한 쌍의 광수신요소는 서로 이격된 각각의 광디스크의 반경에 대응하는 방향을 따라 구비되어야 한다. 따라서, 레이저 다이오드(11a)(11b)가 반경방향을 따라 정렬되면, 적어도 4 개의 광수신요소가 광디스크의 반경에 대응하는 방향으로 뻗어있는 선상에 정렬되어야 한다. 이러한 배열은 4 개의 광수신요소가 서로에 대해서 간섭할 수 있기 때문에 구성하기가 어렵다. 레이저 다이오드(11a)(11b)가 광디스크에 대한 접선과 평행방향으로 정렬되면, 이러한 결점은 해결된다.
비점수차는 단지 제1 초점선(f1)(즉, Y축 방향)을 따르는 방향으로 보정된다. 따라서, 광헤드가 유한 시스템이면 그리고 입사각이 변화되면 대물렌즈가 트래킹하기 위해 방사방향(Z축 방향)으로 이동될 때에, 비교적 큰 비점수차가 발생되고 파면수차는 허용범위을 초과할 수 있다. 이러한 시스템에서는 트래킹을 위한 필요한 이동범위는 커버될 수 없다.
이 실시예에서, 평행광선속은 대물렌즈(20)에 입사되고, 대물렌즈(20)는 무한원-공역 시스템으로 형성된다. 따라서, 대물렌즈(20)가 트래킹을 위해 방사방향으로 이동할 경우에도, 광의 입사각은 변화되지 않고, 비점수차는 생성되지 않는다. 따라서, 트래킹을 위한 대물렌즈(20)의 충분한 이동범위는 파면수차의 허용범위을 초과함없이 획득될 수 있다.
대물렌즈(20)의 복수의 실시예가 기술된다. 도 5에는 대물렌즈(20), 제1 및 제2 광디스크(D1)(D2)가 도시되어 있다. 수치는 표 1에 표시되어 있다.
이 실시예에서, 대물렌즈(20)의 제1 면(21)은 공용영역(RC)과 고NA 전용영역(RE)으로 구분된다. 공용영역(RC)는 0≤h＜1.69(mm)의 영역으로 정의되고, 고NA 전용영역(RE)은 1.69≤h의 영역으로 정의되며, 여기서 h는 대물렌즈(20)의 광축에 대한 높이를 나타낸다. 공용영역(RC)와 고NA 전용영역(RE)에서는 상이한 광로길이차(光路長差) 함수에 의해서 정의된 회절렌즈구조가 형성된다. 더욱이, 공용영역(RC)와 고NA 전용영역의 베이스 커브(회절렌즈구조를 제외한 렌즈 면의 형상)는 개별계수에 의해 정의된 개별비구면이다. 대물렌즈(20)의 제2 면(22)은 회절렌즈구조로 형성되지 않은 변형 토릭면이다.
상술하면, 제1 면(21)의 베이스 커브를 형성하는 회전대칭비구면의 형상은 아래의 식에 의해서 정의된다.
여기서, X(h)는 SAG이고, 즉 광축으로부터의 높이가 h이고, 광축에서 접평면에 대한 면 상의 일점거리이다.
C는 광축상 비구면의 곡률(1/r)을 나타낸다.
k는 원뿔상수이고, A4, A6, A8, A10그리고 A12는 각각의 4번째, 6번째, 8번째, 10번째, 및 12번째 차수의 비구면계수이다.
제2 면(22)의 형상(즉, 변형 토릭면)은 아래 식에 의해서 정의된다.
여기서, X(X,Y)는 SAG이고, Y와 Z의 좌표가 (Y, Z)이고, 광축에서 접평면에 대한 면 상의 일점거리이다.
Cy와 Cz는 광축 상에서, 각각의 Y축 및 Z축 방향으로의 면 상의 곡률을 나타낸다.
k는 원뿔상수이고, A4, A6, A8, A10그리고 A12는 각각의 4번째, 6번째, 8번째, 10번째, 및 12번째 차수의 비구면계수이고, 및
h는이다.
회절렌즈구조에 의해 부가되는 광로길이 부가량 ψ(h)은 아래의 광로차 함수에 의해서 표현된다.
여기서, P2, P4그리고 P6는 2번째, 4번째, 6번째 차수의 계수이다.
h는 광축으로부터의 높이를 나타낸다.
m은 회절차수를 나타내고, 그리고
λ는 사용파장을 나타낸다. 광로차함수(h)는 광축으로부터의 높이(h)에서, 회절렌즈구조를 투과하지 않은 광가상선의 광로길이와 회절렌즈구조에 의해 회절된 광선의 광로길이 사이에서의 차이다. 다시 말하면, 광로차함수(h)는 회절렌즈구조에 의해 회절된 각 광선의 광로길이 부가량을 나타낸다. 부가길이의 양의 부호는 광축에서 연장된 광로길이를 나타낸다.
회절렌즈의 실제 미세형상은 광로차 광로차함수(h)에서 파장(λ)의 정수배를 제거함으로써 결정된다. 즉, 제1 차 회절광이 사용될 때, 환대의 내측과 환대의 외측은 일파장의 광로차를 구비하고, 인접하는 환대 사이의 단차가 입사광에 일파장의 광로길이차를 제공하도록 각 환대 폭은 결정된다.
표 1에서, 공용영역(RC)의 베이스 커브 및 공용영역(RC)에서의 회절렌즈구조와, 고NA 전용영역(RE)의 베이스 커브 및 고NA 전용영역(RE)에서의 회절렌즈구조를 정의하는 계수와, 면 사이의 거리, 사용되는 파장에 대한 굴절률, 제2 면(22)를 정의하는 계수가 표시되어 있다.
표 1에서, 제1 광디스크(D1)가 사용될 때, 각각의 NA1, f1, λ1는 개구수, 대물렌즈(20)(단위:mm)의 초점거리 및 파장(단위:nm)이다. 더욱이, 제2 디스크(D1)가 사용될 때, 각각의 NA2, f2, λ2는 개구수, 대물렌즈의 초점거리(단위:mm), 파장(단위:nm)이다.
도 6a는 657nm의 파장에서, 제1 광디스크(D1)에 대한 실시예에 따른 구면수차(SA)와 대물렌즈의 정현조건(SC)을 나타낸다. 도 6b는 제1 광디스크(D1)가 사용될 때의 비점수차(DS:세지탈(sagittal), DM: 메리디오날(meridional))를 나타낸다. 수평축은 수차의 양(단위: mm)을 표시하고, 도 6a의 수직축은 NA를 표시하고, 도 6b의 수직축은 Y축 방향으로 이미지 높이 Y를 표시한다.
도 7은 대물렌즈(20)에 대해 제1 레이저 다이오드(11a)에 의해서 발광되는 광의 입사각과 제1 디스크(D1)가 사용될 때의 파면수차(rms 값) 사이의 관계를 나타낸다. 제1 광디스크(D1)에서, 비점수차는 소정의 입사각을 가지는 축외광에 의해 보정되고, 더욱이 코마수차 또한 보정된다. 이에 따라, 광이 수직(입사각: 0°)으로 입사할 때에 구면수차는 최대값 0.022λ을 갖고, 입사각이 ±0.58°일 때에 최대값 0.016λ을 갖는다. 파면수차는 입사각 ±0.88°에서 0.030λ에 도달하고, 이 범위 ±0.88°의 범위 내에서, 허용범위 내에서 파면수차는 억제된다.
대물렌즈(20)가 비점수차를 제공하지 않도록 형성되면, 제1 디스크(D1)에서의 파면수차는 도 8에 도시된 바와 같다. 이 경우에, 파면수차는 입사각이 ±0.73°일 때에 상한값 0.030λ에 도달한다.
여기서 파면수차는 허용범위 내에서 억제되는 입사각의 범위가 대물렌즈(20)에 축상 비점수차를 제공함으로써 연장된다는 것을 도 7과 도 8을 비교함으로써 이해될 것이다.
도 9a는 790nm의 파장에서, 제2 광디스크에 대한 실시예에 따라 대물렌즈의 구면수차(SA)와 정현조건(SC)을 나타낸다. 도 9b는 제2 광디스크(D2)가 사용될 때에 비점수차(DS:세지탈(sagittal), DM: 메리디오날(meridional))를 나타낸다.
도 10은 대물렌즈(20)에 대해 제2 레이저 다이오드(11b)에 의해서 발광되는 광의 입사각과 제2 디스크(D2)가 사용될 때의 파면수차(rms 값) 사이의 관계를 나타낸다. 제2 광디스크(D2)에서, 코마수차는 보정되지 않는다. 이에 따라, 구면수차는 입사각의 절대값이 증가함에 따라 증가한다. 파면수차는 입사각이 ±0.67°에서 최대값 0.030λ에 도달한다. 이에 따라, 파면수차는 입사각이 상술한 범위( ±0.67°)내에 있을 경우에 허용범위 내에서 억제된다.
대물렌즈(20)가 비점수차를 제공하지 않도록 형성되면, 제2 디스크(D2)에서의 파면수차는 도 11에 도시된 바와 같다. 이 경우에, 파면수차는 입사각이 ±0.68°일 때에 상한값 0.030λ에 도달한다. 이에 따라, 제2 광디스크가 사용될 때에, 비점수차를 제공하는 대물렌즈의 경우와 비점수차를 제공하지 않는 대물렌즈의 경우에 약간의 차이가 있다.
축상 비점수차가 제공되지 않으면, 사용되는 어느 하나의 광디스크(D1, D2)에 대해서 0.030λ보다 작은 파면수차를 유지하려는 입사각의 상한값은 0.73°+ 0.68°= 1.41°이다. 즉 제1 레이저와 제2 레이저의 입사각의 차가 1.41°보다 크면, 광점을 제1 및 제2 광디스크(D1, D2)의 적어도 어느 하나에 대해 충분하게 작게 만들 수 없다.
축상 비점수차가 이 실시예와 같이 제공되면, 사용되는 어느 하나의 광디스크(D1, D2)에 대해서 0.030λ보다 작은 파면수차를 유지하려는 입사각의 상한값은 0.88°+ 0.67°= 1.55°이다. 이에 따라, 제1 레이저 광과 제2 레이저 광의 입사각의 허용차는 더 크다. 이러한 구성은 두 개의 레이저 다이오드가 레이저 다이오드의 출력밀도를 증가시키기 위해서 서로 이격되도록 배열될 때에 적용될 수 있다.
발광점 사이의 거리가 400㎛ 이고 조준랜즈의 초점거리가 23mm일 때에, 두 레이저 광의 입사각의 차는 0.75°이다. 이 경우에, 비점수차는 제공될 필요가 없다.
하지만, 비점수차가 제공되지 않을 때, 입사각의 범위는 비교적 작고, 따라서 비교적 높은 위치정밀도가 요구된다. 더욱이, 레이저 다이오드의 배열이 0.030λ의 파면수차의 허용범위로 결정되면, 이러한 결과로써 파면수차는 광요소의 제조/조립의 에러 때문에 허용범위를 초과할 수 있다.
비점수차가 대물렌즈(20)에 의해 제공되면, 어느 하나의 디스크에 대해 0.020λ 이상이 아닌 파면수차를 억제할 수 있는데, 이것은 다른 광요소에 대한 허용제조/조립 에러를 증가시킨다.
이와 같이 상술한 실시예에서, 비점수차는 변경 토릭소스로 대물렌즈의 제2 면을 형성함으로써 생성된다. 하지만, 본 발명은 이러한 구성으로 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 대물렌즈가 사출 성형프로세스에 의해 제조되면, 제2 면은 회전대칭면으로서 설계되지만, 몰드의 온도분포, 사출된 수지물질의 온도조정등과 같은 성형프로세스의 다양한 조건을 조정함으로써 비점수차를 생성할 수 있다.

Claims (9)

  1. 제1 광디스크의 보호층이 제2 광디스크의 보호층보다 두껍고, 제1 레이저 광이 제2 레이저광보다 더 짧은 파장을 갖으며, 상기 제1 및 제2 광디스크에 상기 제1 및 제2 레이저 광을 집광하는 광헤드용 대물렌즈에 있어서,
    상기 대물렌즈는 0.01λ(rms) 이상인 파면수차에 상당하는 축상 비점수차를 제공함으로써, 축외광으로서 소정의 입사각으로 상기 대물렌즈에 입사하는 제1 레이저 광에 대해 비점수차를 보정하며; 그리고
    상기 대물렌즈는 제2 광디스크에 집광되는 제2 레이저광의 경우보다 제1 광디스크에 집광되는 제1 레이저 광의 경우에 코마수차가 양호하게 보정되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대물렌즈는 평행광으로서 제1 및 제2 레이저 광을 수광하고, 제1 및 제2 광디스크에 수광된 상기 평행광속을 집광하는 무한원-공역 시스템인 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 대물렌즈는 상기 대물렌즈의 굴절면 중의 어느 하나에 회절렌즈구조가 형성되고, 상기 회절렌즈구조는 상기 회절렌즈구조를 투과하는 광파장이 증가함에따라 보정부족방향으로 변화되도록 구면수차가 보정부족방향으로 변화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 대물렌즈.
  4. 제1 레이저 광을 발광하는 제1 레이저 다이오드와;
    상기 제1 레이저 광의 파장이 제2 레이저 광의 파장보다 더 길고 제2 레이저광을 발광하는 제2 레이저 다이오드와; 및
    제1 광디스크의 보호층이 제2 광디스크의 보호층보다 더 얇고, 상기 제1 및 제2 광디스크에 상기 제1 및 제2 레이저 광을 각각 집광하는 대물렌즈를 구비하는 광디스크 드라이브용 광헤드에 있어서,
    상기 대물렌즈는 0.01λ(rms) 이상인 파면수차에 상당하는 축상 비점수차를 제공함으로써, 축외광으로서 소정의 입사각으로 상기 대물렌즈에 입사되는 제1 레이저 광에 대해 비점수차를 보정하고,
    상기 대물렌즈는 제2 레이저광이 제2 광디스크에 집광되는 경우보다 제1 레이저광이 제1 광디스크에 집광되는 경우에 코마수차가 양호하게 보정되도록 형성되고,
    상기 제1 레이저 다이오드와 상기 제2 레이저 다이오드는, 광이 상기 대물렌즈에 입사되는 대물렌즈의 광축에 평행할 때에 형성될 수 있고 상기 대물렌즈에 더 근접한 두 초점선 중의 어느 하나가 연장되는 방향으로 상기 제1 레이저 광과 상기 제2 레이저 광이 상기 대물렌즈에 의해 집광되는 집광점이 배열되도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 광헤드.
  5. 제 4 항에 있어서.
    광헤드는 평행광으로서 제1 및 제2 레이저 광을 수광하고, 제1 및 제2 광디스크에 수광된 상기 평행광속을 집광하는 무한원-공역 시스템인 것을 특징으로 하는 광헤드.
  6. 제 4 항에 있어서,
    광헤드에는 상기 대물렌즈의 굴절면 중의 어느 하나에 회절렌즈구조가 형성되고, 상기 회절렌즈구조는 상기 회절렌즈구조를 투과하는 광파장이 증가함에 따라 보정부족방향으로 변화되도록 구면수차가 보정부족방향으로 변화되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광헤드.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 다이오드와 상기 제2 레이저 다이오드는 단일유닛에 결합된 것을 특징으로 하는 광헤드.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레이저 다이오드의 발광점은 상기 대물렌즈의 광축에 대해 축외광 위치에서 정렬되는 것을 특징으로 하는 광헤드.
  9. 제1 광디스크 및 제2 광디스크 중의 어느 하나를 회전시킬 수 있는 스핀들 모터;
    제1 레이저 광을 발광하는 제1 레이저 다이오드와, 제1 레이저 광의 파장이 제2 레이저광의 파장보다 더 짧고 제2 레이저 광을 발광하는 제2 레이저 다이오드를 포함하는 광헤드; 및
    제1 광디스크의 보호층이 제2 광디스크의 보호층보다 얇고, 상기 제1 및 제2 광디스크에 제1 및 제2 레이저 광을 각각 집광하는 대물렌즈; 를 구비하는 광디스크 드라이브에 있어서,
    상기 대물렌즈는 제2 레이저광이 제2 광디스크에 집광되는 경우보다 제1 레이저광이 제1 광디스크에 집광되는 경우에 코마수차가 양호하게 보정되도록 형성되고,
    상기 제1 레이저 다이오드와 상기 제2 레이저 다이오드는, 광이 상기 대물렌즈에 입사되는 대물렌즈의 광축에 평행할 때에 형성될 수 있고 상기 대물렌즈에 더 근접한 두 초점선 중의 어느 하나가 연장되는 방향으로 상기 제1 레이저 광과 상기 제2 레이저 광이 상기 대물렌즈에 의해 집광되는 집광점이 배열되도록 정렬되고,
    헤드구동기구는 상기 제1 및 제2 광디스크 중의 어느 하나의 반경방향으로 상기 광헤드의 적어도 일부분을 구동시키고,
    상기 대물렌즈에 근접한 상기 초점선의 연장방향은 상기 제1 및 제2 광디스크의 상기 어느 하나에 대해 접선과 일치하는 것을 특징으로 하는, 광디스크 드라이브.
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