KR20030033316A - 편광 위상보상소자 및 그 편광 위상보상소자를 이용한광픽업 장치 - Google Patents

편광 위상보상소자 및 그 편광 위상보상소자를 이용한광픽업 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 편광 위상보상소자(PPC:Polarization Phase Compensator)를 이용한 광픽업 장치는, 복굴절 매질과 등방성 매질이 결합되어 형성되며, 입사되는 빔의 파장 및 편광방향에 따라 투과되는 빔의 광경로가 조정되는 편광 위상보상소자; 및 상기 편광 위상보상소자를 통하여 입사되는 빔에 대하여, 각 빔의 파장에 적합한 광디스크에 빔을 집광시키는 대물렌즈; 를 포함한다.
여기서, 상기 편광 위상보상소자를 형성하는 복굴절 매질은 빔 진행방향의 수직한 면에 대하여 동심원 모양을 이루고, 방사방향으로 계단 형상으로 형성된다.
또한, 상기 편광 위상보상소자의 복굴절 매질이 선택됨에 있어, 상기 편광 위상보상소자에 고밀도 디스크용 빔과 저밀도 디스크용 빔이 입사되는 경우에, 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 이상 광선(extraordinary ray)의 굴절률(ne_high)이 같도록 상기 복굴절 매질이 선택된다.
또한, 상기 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 이상 광선(extraordinary ray)의 굴절률 (ne_high)이 같도록 선택되는 경우에, 입사되는 고밀도 디스크용 빔의 편광방향은 상기 이상 광선의 편광방향과 동일하다.

Description

편광 위상보상소자 및 그 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치{Polarization phase compensator and optical pick-up using the same}
본 발명은 광픽업 장치에 관한 것으로서, 특히 광디스크의 종류가 다른 이종 (異種) 디스크에 대해 데이터를 호환성 있게 기록/재생할 수 있는 광픽업 장치에 관한 것이다.
최근에는 광디스크가 고밀도화/고용량화 되어 가면서, 이를 기록/재생하기 위한 빔의 크기를 줄이기 위하여, 대물렌즈의 개구수(NA:Numerical Aperture)를 증가시키고, 레이저 빔의 파장을 줄이는 방향으로 광픽업 장치의 구성이 개발되어 왔다.
일례로, 650MB의 용량을 갖는 CD 디스크는 레이저 파장이 780nm 정도이고, 대물렌즈의 개구수는 0.45이다. 한편, 4.7GB의 대용량인 DVD 디스크는 레이저 파장이 650nm이고 대물렌즈의 개구수는 0.6이다. 그리고, CD의 디스크 기판 두께는 1.2mm인데 비해서, DVD의 경우는 0.6mm로서 DVD가 더 얇게 되어 있다. 또, 최근에 개발되고 있는 HD 디스크의 경우 한가지 제안된 사양으로서 405nm 파장에 개구수를 0.85로 하는 방식이 제안되어 있다. 이 경우의 디스크 두께는 0.1mm로서 매우 얇게 하여 디스크 경사 여유도(margin)를 확보한다.
이와 같이, 디스크의 종류에 따라서 디스크의 기판 두께가 다르므로, 한 가지 종류의 디스크에 맞게 설계된 광픽업 장치로 다른 종류의 디스크를 기록/재생하게 되면, 디스크의 두께 차이 때문에 구면수차가 크게 발생하게 되고, 광품질의 열화가 발생하여 정상적인 신호의 기록/재생이 힘들게 된다. 이에 따라, 서로 다른 기판 두께를 가진 디스크 상호 간의 호환성을 확보할 수 있는 여러 방안이 제시되고 있다.
한편, 광픽업 장치에서 디스크의 틸트가 발생되는 경우에 코마수차가 증가하게 되는데, 이러한 코마수차(W131)는 다음 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
W131= ((n2-1)/2n3)d(NA)3α
n : 디스크 굴절률
d : 디스크 두께
NA : 대물렌즈의 개구수
α: 디스크의 틸트 각도
즉, 코마수차가 디스크의 두께 d와, 대물렌즈 개구수(NA)의 세제곱에 비례하기 때문에, HD용 디스크의 경우에는 디스크의 두께를 0.1mm로 작게 함으로써 개구수(NA)가 커져서 생기는 코마수차를 보상하여 디스크의 틸트 여유를 확보하고자 하는 것이다.
그러나, 이러한 HD용 광픽업 장치를 이용하여, 현재 널리 이용되고 있는 DVD용 디스크를 재생하는 데에는 많은 어려움이 발생된다. 왜냐하면, DVD용 광픽업 장치에 사용되는 광원의 파장은 650nm이고, 디스크의 두께가 0.6mm이기 때문에, 다음 [수학식 2]에 나타낸 바와 같은, 구면수차(W040)에 의한 파면수차가 증가하기 때문이다.
W040= ((n2-1)/8n3)d(NA)4
n : 디스크 굴절률
d : 디스크 두께
NA : 대물렌즈의 개구수
즉, 상기 [수학식 2]에서 보는 바와 같이, 구면수차가 디스크 두께에 비례하기 때문에 구면수차에 의한 파면수차(Wave Front Error)가 증가하게 되는 것이다.
예를 들어, 두께 0.1mm 디스크와, 파장 405nm의 광원 그리고 개구수(NA)0.85인 대물렌즈를 사용한 광픽업 장치로 DVD용 디스크를 재생할 때의 파면수차는, 도 1에 나타낸 바와 같으며, 약 545mλ의 값을 가진다. 이는, 일반적인 광픽업 장치에서 허용되는 파면수차인 30mλ의 기준에 비추어 10배 이상 큰 값으로서, DVD용 디스크를 재생/기록하는데 많은 어려움이 발생된다. 도 1은 종래의 HD용 디스크에 맞게 설계된 대물렌즈가 채용된 광픽업 장치를 이용하여 DVD용 디스크를 재생하는 경우에 발생되는 OPD 곡선의 예를 나타낸 도면이다.
한편, 이종 디스크 간에 발생되는 호환성에 대한 문제는 CD/DVD 호환의 경우에도 발생이 되는데, 그 해결 방안 중에서 Philips에서 발표한 'Application of Non Periodic Phase Structure(NPS) in Optical System'(ODF 2000, Tokyo)에서는 PMMA를 이용해서 위상보상소자를 제작하고, 그 위상보상소자를 사용하여 광픽업 장치를 구성함으로써, CD/DVD 호환성을 확보하였다. 도 2는 종래의 PMMA를 이용한 위상보상소자의 한 예를 나타낸 도면이다.
이때, Philips의 상기 위상보상소자를 이용하는 경우에는, DVD용 디스크에 대해서 위상이 2πm(m은 자연수)을 만족하는 조건을 이용해서 위상 계단(phase step) 들의 높이를 설계하고, 그것들을 이용해서 CD용 디스크에서 발생되는 수차를 보정하는 방식을 이용하였다.
그런데, 이와 같은 위상보상소자를 이용하여 HD/DVD 호환성을 확보하기에는 다음과 같은 어려움이 있다. 즉, PMMA와 공기의 굴절률의 차이가 너무 크기 때문에 HD용과 DVD용 사이의 여러 가지 광학적 변수들(NA, 광원의 파장, 디스크 두께)에 의해 발생되는 수차를 30mλ이하로 보상하는 것은 불가능하게 된다.
상기 Philips에서 제안한 방법을 HD/DVD 호환에 적용했을 때는 HD 에서의 위상의 2πm (m = 1, 2, 3, ...)이 되도록 물리적 높이(hm)를 설정해야 하므로 hm과 DVD 에서의 위상은 다음 [수학식 3]과 같이 주어진다.
hm= mλHD/ (nHD- 1), (m = 1, 2, 3 ...)
h : 위상 계단(phase step)의 물리적인 높이
λHD: HD용 광원의 파장
nHD: HD용 광원이 입사되는 경우의 PMMA 굴절률
Φm= Mod[2πm ×λHD×(nDVD- 1) /( λDVD×(nHD- 1)), 2π]
즉, 상기 [수학식 3]에 나타낸 바와 같이, 위상 계단(phase step) hm의 두께에 따라 위상 Φm이 변하게 되는 조건을 이용하여 최적설계를 수행할 수 있다.
이에 따라, 도 3에 나타낸 바와 같이, 최적설계가 수행되는 경우에도 DVD용 디스크에 대해서는 잔류 파면수차(잔류 OPD)가 55mλ로 나타난다. 도 3은 종래의 위상보상소자를 이용한 HD용 광픽업 장치를 이용하여 DVD용 디스크를 재생하는 경우에 발생되는 OPD 곡선의 예를 나타낸 도면이다. 이때, 도 3에서 '초기 OPD'란 위상보상소자를 채용하지 아니한 광픽업 장치를 이용한 경우에 발생된 파면수차로서, 도 1에 나타낸 파면수차를 나타낸다.
따라서, 이와 같은 위상보상소자가 구비된 HD용 광픽업 장치를 이용하여DVD용 디스크를 기록/재생하기에는 잔류 파면수차가 너무 크게 발생됨으로써, RF 신호의 열화가 발생되게 되는 문제점이 있다. 이에 따라, 상기와 같은 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치로는 HD/DVD 호환성을 확보할 수 없는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 여건을 감안하여 창출된 것으로서, 복굴절 물질이 채용된 편광 위상보상소자(PPC:Polarization Phase Compensator)를 사용함으로써, 이종의 광 디스크 각각에 대하여 구면수차를 보정하고, 빔의 최대 효율을 이용하여 데이터를 기록/재생할 수 있는 편광 위상보상소자 및 그 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 HD용 디스크에 맞게 설계된 대물렌즈가 채용된 광픽업 장치를 이용하여 DVD용 디스크를 재생하는 경우에 발생되는 OPD 곡선의 예를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 PMMA를 이용한 위상보상소자의 한 예를 나타낸 도면.
도 3은 종래의 위상보상소자를 이용한 HD용 광픽업 장치를 이용하여 DVD용 디스크를 재생하는 경우에 발생되는 OPD 곡선의 예를 나타낸 도면.
도 4는 일반적인 복굴절 매질에 편광된 빔이 입사되는 경우에 투과되는 빔의 진행경로를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 편광 위상보상소자의 구조를 개념적으로 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 편광 위상보상소자에 있어, 빔이 입사되는 면의 형상에 대한 투시도를 나타낸 도면.
도 7은 도 6의 B-B 라인에 대한 단면도의 예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치에 있어서, 편광 위상보상소자에 입사되는 빔의 파장과 편광방향에 따른 투과 빔의 형상을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치에 있어서, 편광 위상보상소자자체의 OPD 곡선과 그 물리적 구조를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치를 이용하여 DVD용 디스크를 재생하는 경우에 발생되는 OPD 곡선의 예를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명에 따른 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치의 광학계구성의 한 예를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
51, 71... 등방성 매질
52, 72... 복굴절 매질
73... 글라스
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 편광 위상보상소자(PPC: Polarization Phase Compensator)를 이용한 광픽업 장치는,
복굴절 매질과 등방성 매질이 결합되어 형성되며, 입사되는 빔의 파장 및 편광방향에 따라 투과되는 빔의 광경로가 조정되는 편광 위상보상소자; 및
상기 편광 위상보상소자를 통하여 입사되는 빔에 대하여, 각 빔의 파장에 적합한 광디스크에 빔을 집광시키는 대물렌즈; 를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 편광 위상보상소자를 형성하는 복굴절 매질과 등방성 매질은 입사되는 빔의 진행 방향에 대하여 순차적으로 위치되는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 편광 위상보상소자를 형성하는 복굴절 매질은 빔 진행방향의 수직한 면에 대하여 동심원 모양을 이루고, 방사방향으로 계단 형상으로 형성되는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 편광 위상보상소자의 복굴절 매질이 선택됨에 있어, 상기 편광 위상보상소자에 고밀도 디스크용 빔과 저밀도 디스크용 빔이 입사되는 경우에, 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 이상 광선(extraordinary ray)의 굴절률(ne_high)이 같도록 상기 복굴절 매질이 선택되는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 이상 광선(extraordinary ray)의 굴절률 (ne_high)이 같도록 선택되는 경우에, 입사되는 고밀도 디스크용 빔의 편광방향은 상기 이상 광선의 편광방향과 동일한 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 이상 광선(extraordinary ray)의 굴절률 (ne_high)이 같도록 선택되는 경우에, 입사되는 저밀도 디스크용 빔의 편광방향은 빔의 진행방향 및 상기 고밀도 디스크용 빔의 편광방향과 수직인 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 편광 위상보상소자의 복굴절 매질이 선택됨에 있어, 상기 편광 위상보상소자에 고밀도 디스크용 빔과 저밀도 디스크용 빔이 입사되는 경우에, 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 정상 광선(ordinary ray)의 굴절률(no_high)이 같도록 상기 복굴절 매질이 선택되는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 정상 광선(ordinary ray)의 굴절률 (no_high)이 같도록 선택되는 경우에, 입사되는 고밀도 디스크용 빔의 편광방향은 상기 정상 광선의 편광방향과 동일한 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 정상 광선(ordinary ray)의 굴절률 (no_high)이 같도록 선택되는 경우에, 입사되는 저밀도 디스크용 빔의 편광방향은 빔의 진행방향 및 상기 고밀도 디스크용 빔의 편광방향과 수직인 점에 그 특징이 있다.
또한 상기 대물렌즈는, 고밀도 디스크용 빔과 저밀도 디스크용 빔이 입사되는 경우에, 상기 고밀도 디스크용 광학계에 맞추어 최적 설계되는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 편광 위상보상소자는, 복굴절 매질과 등방성 매질이 결합되어 형성되며, 입사되는 빔의 파장 및 편광 방향에 따라 투과되는 빔의 광경로가 조정되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 복굴절 매질과 등방성 매질은 입사되는 빔의 진행 방향에 대하여 순차적으로 위치되는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기 복굴절 매질은 빔 진행방향의 수직한 면에 방사방향으로 계단 형상으로 형성되는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 복굴절 물질이 채용된 편광 위상보상소자를 사용함으로써, 이종의 광 디스크 각각에 대하여 구면수차를 보정하고, 빔의 최대 효율을 이용하여 데이터를 기록/재생할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명에서는 복굴절 매질을 사용하여 편광 위상보상소자(PPC)를 구성함으로써 디스크 두께 차에 의하여 발생되는 구면수차를 보상하였다. 먼저, 도 4를 참조하여 복굴절 매질에 대한 편광된 빔의 투과 성질을 살펴보도록 한다. 도 4는 일반적인 복굴절 매질에 편광된 빔이 입사되는 경우에 투과되는 빔의 진행경로를 나타낸 도면이다.
복굴절 매질에 편광된 빔이 입사되면, 그 입사되는 빔의 편광방향에 따라 투과되는 빔의 진행경로가 다르게 진행된다. 즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 복굴절 매질에 대하여 x축 방향으로 편광된 빔은 복굴절 매질을 통과하면서 빔의 진행방향이 변화되지 않게 되는데, 이러한 빔을 정상 광선(ordinary ray)이라 한다. 그리고, 복굴절 매질에 대하여 y축 방향으로 편광된 빔은 복굴절 매질을 통과하면서 빔의 진행경로가 다소 변화되는데, 이러한 빔을 이상 광선(extraordinary ray)이라 한다.
그러면, 도 5를 참조하여, 먼저 이러한 복굴절 매질을 이용한 본 발명에 따른 편광 위상보상소자에 대하여 살펴보기로 한다. 도 5는 본 발명에 따른 편광 위상보상소자의 구조를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 편광 위상보상소자는 등방성 매질(51)과 복굴절 매질(52)로 구성된다. 여기서, 상기 등방성 매질(51)의 굴절률은 'n'의 값을 가지며, 상기 복굴절 매질(52)은 입사되는 빔의 편광 상태에 따라 'ne'와 'no'의 굴절률을 갖는다. 여기서, 'ne'는 상기 복굴절 매질(52)의 이상 광선에 대한 굴절률이며, 'no'는 상기 복굴절 매질(52)의 정상광선에 대한 굴절률을 각각 나타낸다.
이때, 고밀도 디스크용 광원(예컨대, 파장 405nm의 HD용 광원)에 대하여 'ne_high = n_high' 또는 'no_high = n_high'인 조건을 만족하는 적당한 물질을 선정하면, 입사되는 고밀도 디스크용 빔의 편광방향에 따라 두 물질 사이의 굴절률 차가 '0'이 되도록 할 수 있다. 이에 따라, 고밀도 디스크용 광원에 대해서는 광경로차가 발생되지 않게 되며, 파면수차의 변화가 발생되지 않게 된다.
그리고, 저밀도 디스크용 광원(예컨대, 파장 650nm의 DVD용 광원)은 그 편광방향을, 상기 고밀도 디스크용 광원의 편광방향과 90도의 차이를 갖도록, 조정함으로써 다음 [수학식 4]와 같은 파면수차의 변화를 발생시킬 수 있다.
Φm= Mod[(2π/ λDVD) ×(no - n) ×m ×d, 2π], (m = 1, 2, 3, ...)
= Mod[2π/ λDVD) ×Δn ×m ×d, 2π], (m = 1, 2, 3, ...)
여기서, Mod[Equation, 2π]는 'Equation'을 '2π'로 나누었을 때의 나머지 값을 의미한다. 또한, 상기 [수학식 4]는 HD용 광원은 이상 광선의 편광방향으로 입사되고, DVD용 광원은 정상 광선의 편광방향으로 입사되는 경우에 대하여 나타낸 것이다. 그리고, 'm'은 계단 형상으로 형성된 상기 복굴절 매질(52)의 각 층을 나타내는 것이다. 즉, 'm'의 값이 크다는 것은 상기 복굴절 매질(52)의 계단 수가 많다는 것을 것을 의미하며, 이에 따른 위상지연이 많이 발생되게 된다.
이때, [수학식 4]에 나타낸 바와 같이, DVD용 광원에 대한 위상차는 'Δn ×m ×d'에 의하여 조정이 가능하며, HD용 광원에 대한 위상차는 편광방향을 조절함으로써 위상차가 발생되지 않도록 할 수 있다. 이에 따라, 상기 복굴절 매질(52)과 등방성 매질(51)의 굴절률 및 상기 복굴절 매질(52)의 위상 계단(phase step)의 높이(d)를 조절함으로써, 편광 위상보상소자 제조에 대하여 다양한 자유도를 가지고, 파면수차를 보상할 수 있게 된다.
이러한 편광 위상보상소자를 이용하여 DVD용 광원에 대한 위상(Φm)을 구체적으로 계산한 예를 나타내면 다음과 같다. 여기서는, 'no = 1.53', 'n = 1.4755', 'd = 1㎛'에 대하여 계산하였다.
0.0838462, 0.167692, 0.251538, 0.335385, 0.419231, ...
이러한 결과를 기반으로 하여, Φm(m = 1, 2, 3, ...)들의 적절한 조합을 이용하면, DVD용 광원에 대하여 파면수차의 값을 최소화시킴으로써 잔류 파면수차를 30mλ이하로 구현할 수 있게 된다.
한편, 이와 같은 편광 위상보상소자의 실시 예에 대하여 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 6은 본 발명에 따른 편광 위상보상소자에 있어, 빔이 입사되는 면의 형상에 대한 투시도를 나타낸 도면이며, 도 7은 도 6의 B-B 라인에 대한 단면도의 예를 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 편광 위상보상소자 내에는 복굴절 매질 (72)이 빔 진행방향의 수직한 면에 대하여 동심원 모양(annular zones)을 이루고, 방사방향(radial direction)으로 계단 형상으로 형성되며, 상기 복굴절 매질(72)의 계단 형상 면은 등방성 매질(71)과 밀착되어 경계면을 형성한다. 여기서, 도면부호 73은 상기 복굴절 매질(72)과 등방성 매질(71)이 형성되는 글래스(glass)를 나타낸다.
그러면, 도 7 및 도 8를 참조하여 본 발명에 따른 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치의 이종 디스크에 대한 호환성에 대하여 살펴보도록 한다. 도 8은 본 발명에 따른 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치에 있어서, 편광 위상보상소자에 입사되는 빔의 파장과 편광방향에 따른 투과 빔의 형상을 나타낸 도면이다.
여기서는, 이종 디스크에 대한 호환성을 설명함에 있어, 입사되는 고밀도 디스크용 빔과 저밀도 디스크용 빔으로 HD용 빔(파장 405nm)과 DVD용 빔(파장 650nm)이 입사되는 경우를 예로 설명하기로 한다.
도 7을 참조하여 설명하면, 등방성 매질(71)은 파장 405nm에 대해서 굴절률 n_405를 가지는 물질이며, 파장 650nm에 대해서는 굴절률 n_650을 가진다. 그리고, 복굴절 매질(72)은 파장 405nm에 대해서는 입사되는 빔의 편광방향에 따라서 no_405와 ne_405의 굴절률을 가지며, 파장 650nm에 대해서는 입사되는 빔의 편광방향에 따라서 no_650과 ne_650의 굴절률을 갖는다. 여기서 no는 정상 광선 (ordinary ray)에 대한 굴절률을 나타내며, ne는 이상 광선(extraordinary ray)에 대한 굴절률을 각각 나타낸다.
그러면, 먼저 상기 n_405와 ne_405가 같게 되도록 등방성 매질(71)과 복굴절 매질(72)을 선택하여 편광 위상보상소자를 제작한 경우에 대하여 살펴 보기로 한다. 이때, 파장 405nm 빔은 상기 등방성 매질(71)과 복굴절 매질(72)에서 굴절률이 같아지기 때문에, 파장 405nm의 빔은 아무런 영향이 없이 투과하게 된다.
한편, 파장 650nm의 빔이 입사됨에 있어, 상기 파장 405nm 빔의 편광방향에 수직한 방향(정상 광선의 편광방향)으로 편광된 빔이 입사되면, 상기 등방성 매질 (71)에서는 굴절률이 n_650이 되며, 복굴절 매질(72)에서는 굴절률이 no_650이 된다. 이에 따라, 파장 650nm의 빔에 대해서는 상기 등방성 매질(71)과 복굴절 매질(72)에서 서로 다른 굴절률을 느끼게 되고, 편광 위상보상소자의 형상에 의하여 빔의 광경로가 조정되어 구면수차를 보정할 수 있게 된다.
즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 파장 405nm 빔의 경우에는 편광 위상보상소자에 입사되는 빔의 파면(incident wave front)과 투과되는 빔의 파면(transmitted wave front)이 동일하게 전파된다. 그러나, 파장 650nm 빔의 경우에는 편광 위상보상소자에 입사되는 빔의 파면은 직선인데 반하여, 편광 위상보상소자를 투과되는 빔의 파면은 곡선으로 전파됨을 알 수 있다. 이는, 편광 위상보상소자 내의 복굴절 매질과 등방성 매질의 형상에 의해 발생되는, 빔의 진행경로에 따른 굴절률 차에 의한 효과이며, 이에 따라 구면수차를 보정할 수 있게 되는 것이다.
한편, 또 다른 실시 예로서, 상기 n_405와 no_405가 같게 되도록 등방성 매질(71)과 복굴절 매질(72)을 선택하여 편광 위상보상소자를 제작한 경우에 대하여 살펴 보기로 한다. 이때, 파장 405nm 빔의 편광방향을 정상 광선의 편광방향과 동일하게 하여 입사시키면, 상기 등방성 매질(71)과 복굴절 매질(72)에서 굴절률이 같아지기 때문에, 파장 405nm의 빔은 아무런 영향이 없이 투과하게 된다.
그리고, 파장 650nm의 빔이 입사됨에 있어, 상기 파장 405nm 빔의 편광방향에 수직한 방향(이상 광선의 편광방향)으로 편광된 빔이 입사되면, 상기 등방성 매질(71)에서는 굴절률이 n_650이 되며, 복굴절 매질(72)에서는 굴절률이 ne_650이 된다. 이에 따라, 파장 650nm의 빔에 대해서는 상기 등방성 매질(71)과 복굴절 매질(72)에서 서로 다른 굴절률을 느끼게 되고, 편광 위상보상소자의 형상에 의하여 빔의 진행경로가 조정되어 구면수차를 보정할 수 있게 된다.
한편, 입사되는 고밀도 디스크용 빔과 저밀도 디스크용 빔의 편광방향을 선택함에 있어서는, 선평광된 빔을 발광하는 레이저 다이오드를 사용함으로써 간단하게 해결할 수 있다. 이때, 발광되는 빔의 편광방향을 고려하여 레이저 다이오드를 셋팅할 수도 있으며, λ/2 판(plate)을 이용하여 편광방향을 회전시킴으로써, 입사되는 빔의 편광방향을 선택적으로 조정할 수도 있다.
또한, 대물렌즈를 설계함에 있어서도, 고밀도 디스크용 광학계에 맞는 최적 설계만을 고려하면 된다. 즉, 대물렌즈의 설계는 고밀도 디스크용 광학계에 맞추어 설계하고, 저밀도 디스크용 광학계에 대한 문제는 편광 위상보상소자를 통하여 구면수차를 보정할 수 있게 됨으로써, 광학계 구성에 있어서도 편리함이 있다.
이상의 설명에서와 같은 편광 위상보상소자를 채용한 광픽업 장치를 이용한 경우의 위상 보상에 대하여 도 9 및 도 10에 나타내었다. 도 9는 본 발명에 따른 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치에 있어서, 편광 위상보상소자의 형상에따라, DVD용 디스크를 재생하는 경우에 보상되는 OPD 곡선의 예를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치를 이용하여 DVD용 디스크를 재생하는 경우에 발생되는 OPD 곡선의 예를 나타낸 도면이다.
즉, 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 복굴절 매질의 형상에 따라 위상 지연이 발생되고, 이에 따라 DVD용 광원에 대한 잔류 파면수차를 줄일 수 있음을 알 수 있다. 도 9의 윗 곡선(Upper)은 편광 위상보상소자(PPC)의 물리적 구조를 나타낸 것이고, 아랫 곡선(Lower)은 편광 위상보상소자에 의해 위상 지연이 발생되는 것을 나타낸 것이다.
그리고 한 예로서, 본 발명에 따른 편광 위상보상소자를 이용하면, 선택된 복굴절 매질 및 등방성 매질에 따라 DVD용 광원에 대하여 잔류 표면수차를 23.5mλ이하로 보상할 수 있었다. 도 10에서 '초기 OPD'는 편광 위상보상소자(PPC)를 사용하지 않은 경우의 파면수차를 나타낸 것이고, '잔류 OPD'는 편광 위상보상소자(PPC )를 사용한 경우에 발생되는 파면수차를 나타낸 것이다.
이에 따라, 본 발명에 따른 편광 위상보상소자가 채용된 광픽업 장치를 이용하면 HD/DVD 호환성을 확보할 수 있게 된다. 도 11은 이와 같은 편광 위상보상소자가 채용된 광픽업 장치의 광학계 구성의 한 예를 나타낸 것이다.
한편, HD/DVD 호환성을 확보하기 위해서는 복굴절 매질과 등방성 매질로 구성되는 홀로그램 소자(HOE:Holographic Optical Element)를 이용하여 파면수차를 보상할 수도 있다.
그런데, 홀로그램 소자(HOE)를 이용하는 경우에는, 편광 위상보상소자(PPC)에 비하여 동심원(annular zones)의 수를 많이 형성시켜야 됨에 따라, 그 제조상에 어려움이 있다. 또한, 홀로그램 소자(HOE)를 이용하는 경우에는, 회절에 의한 효과를 이용하여 파면수차를 보상하기 때문에 편광 위상보상소자(PPC)를 이용하는 경우에 비하여 광효율이 낮아지게 되는 단점이 있다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 편광 위상보상소자 및 그 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치에 의하면, 복굴절 물질이 채용된 편광 위상보상소자를 사용함으로써, 이종의 광 디스크 각각에 대하여 구면수차를 보정하고, 빔의 최대 효율을 이용하여 데이터를 기록/재생할 수 있는 장점이 있다.

Claims (13)

  1. 복굴절 매질과 등방성 매질이 결합되어 형성되며, 입사되는 빔의 파장 및 편광 방향에 따라 투과되는 빔의 광경로가 조정되는 편광 위상보상소자(PPC: Polarization Phase Compensator); 및
    상기 편광 위상보상소자를 통하여 입사되는 빔에 대하여, 각 빔의 파장에 적합한 광디스크에 빔을 집광시키는 대물렌즈; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 편광 위상보상소자를 형성하는 복굴절 매질과 등방성 매질은 입사되는 빔의 진행 방향에 대하여 순차적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 편광 위상보상소자를 형성하는 복굴절 매질은 빔 진행방향의 수직한 면에 대하여 동심원 모양을 이루고, 방사방향으로 계단 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 편광 위상보상소자의 복굴절 매질이 선택됨에 있어, 상기 편광 위상보상소자에 고밀도 디스크용 빔과 저밀도 디스크용 빔이 입사되는 경우에, 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 이상 광선(extraordinary ray)의 굴절률(ne_high)이 같도록 상기 복굴절 매질이 선택되는 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 이상 광선(extraordinary ray)의 굴절률 (ne_high)이 같도록 선택되는 경우에, 입사되는 고밀도 디스크용 빔의 편광방향은 상기 이상 광선의 편광방향과 동일한 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 이상 광선(extraordinary ray)의 굴절률 (ne_high)이 같도록 선택되는 경우에, 입사되는 저밀도 디스크용 빔의 편광방향은 빔의 진행방향 및 상기 고밀도 디스크용 빔의 편광방향과 수직인 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 편광 위상보상소자의 복굴절 매질이 선택됨에 있어, 상기 편광 위상보상소자에 고밀도 디스크용 빔과 저밀도 디스크용 빔이 입사되는 경우에, 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 정상 광선(ordinary ray)의 굴절률(no_high)이 같도록 상기 복굴절 매질이 선택되는 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 정상 광선(ordinary ray)의 굴절률(no_high)이 같도록 선택되는 경우에, 입사되는 고밀도 디스크용 빔의 편광방향은 상기 정상 광선의 편광방향과 동일한 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 등방성 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 굴절률(n_high)과, 복굴절 매질에 대한 고밀도 디스크용 빔의 정상 광선(ordinary ray)의 굴절률(no_high)이 같도록 선택되는 경우에, 입사되는 저밀도 디스크용 빔의 편광방향은 빔의 진행방향 및 상기 고밀도 디스크용 빔의 편광방향과 수직인 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 대물렌즈는, 고밀도 디스크용 빔과 저밀도 디스크용 빔이 입사되는 경우에, 상기 고밀도 디스크용 광학계에 맞추어 최적 설계되는 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자를 이용한 광픽업 장치.
  11. 복굴절 매질과 등방성 매질이 결합되어 형성되며, 입사되는 빔의 파장 및 편광 방향에 따라 투과되는 빔의 광경로가 조정되는 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 복굴절 매질과 등방성 매질은 입사되는 빔의 진행 방향에 대하여 순차적으로 위치되는 것을 특징으로 하는 편광 위상보상소자.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 복굴절 매질은 빔 진행방향의 수직한 면에 방사방향으로 계단 형상으로 형성되는 것을 특징으로 편광 위상보상소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100371996C (zh) * 2003-10-24 2008-02-27 上海乐金广电电子有限公司 偏光相位补偿元件及应用该元件的光记录播放器

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