KR20040068944A - 광학주사장치 - Google Patents

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KR20040068944A
KR20040068944A KR10-2004-7009365A KR20047009365A KR20040068944A KR 20040068944 A KR20040068944 A KR 20040068944A KR 20047009365 A KR20047009365 A KR 20047009365A KR 20040068944 A KR20040068944 A KR 20040068944A
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radiation beam
axis
optical
deformation
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KR10-2004-7009365A
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더블유. 투케르테우니스
헨드릭스베르나르두스에이치.더블유.
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Publication date
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Abstract

광학주사장치는 방사빔(4)으로 정보층(2)을 주사하기 위한 것이다. 이 주사장치는, 방사빔을 공급하는 방사원(6)과, 상기 방사빔을 정보층 상에 주사 스폿으로 변환하는 렌즈계(7)와, 상기 방사원과 상기 주사 스폿 사이에 배치된 파면 변형기를 구비한다. 이 변형기는, 각각 비구면(301b, 302a)을 갖고, 상기 제 2 방사빔에서 파면 변형을 일으키기 위해 서로 선형적으로 이동가능한 2개의 부재(301, 302)를 포함한다. 본 발명에 의하면, 그 비구면들은, 상기 부재들(301, 302)의 제 1 상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 1 축(Xo)을 따라 제 1 파면 변형(Wa)을 일으키고, 제 2 상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 2 축(Yo)을 따라 제 2 파면 변형(Wb)을 일으키도록 성형되어 있다.

Description

광학주사장치{OPTICAL SCANNING DEVICE}
본 발명은, 방사빔에 의해 광 기록매체의 정보층을 주사하되, (i) 상기 방사빔을 공급하는 방사원과, (ii) 상기 방사빔을 수속 방사빔으로 변환하여 정보층의 위치에 주사 스폿을 형성하고, 광축을 갖는 제 1 대물렌즈를 구비한 렌즈계와, (iii) 상기 방사원과 상기 주사 스폿의 위치 사이에 배치되어 제 1 방사빔을 제 2 방사빔으로 변환하고, 제 1 비구면을 갖는 제 1 부재와 제 2 비구면을 갖는 제 2 부재를 포함하되, 상기 제 1 부재 및 제 2 부재가 상기 제 2 방사빔에서 파면 변형을 일으키기 위해 서로 선형적으로 이동가능한 파면 변형기를 구비한, 광학주사장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 제 1 방사빔을 제 2 방사빔으로 변환하고, 제 1 비구면을 갖는 제 1 부재와 제 2 비구면을 갖는 제 2 부재를 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 부재가 상기 제 2 방사빔에서 파면 변형을 일으키기 위해 서로 선형적으로 이동가능한 파면 변형기에 관한 것이다.
"정보층 주사"란, 정보층에 있는 정보 판독("판독모드"), 정보층에 정보 기록("기록모드") 및/또는 정보층에 있는 정보 소거("소거모드")를 하기 위해 방사빔에 의해 주사하는 것을 말한다. "정보밀도"란, 정보층의 단위 면적 당 저장된 정보량을 말한다. 특히, 그 정보밀도는, 상기 주사장치에 의해 주사되는 정보층 상에형성된 주사 스폿의 크기로 결정된다. 정보밀도는, 그 주사 스폿의 크기를 감소시켜서 증가된다. 그 스폿의 크기가 특히, 그 스폿을 형성하는 방사빔의 파장 및 개구수에 의존하기 때문에, 주사 스폿의 크기는, 개구수를 증가시킴으로써 그리고/또는 파장을 감소시킴으로써 감소될 수 있다.
광 경로를 따라 전파하는 방사빔은, 다음식에 따라 주어진 소정 형상의 파면 W을 갖는다:
여기서, "λ"과 "Φ"는, 각각 방사빔의 파장과 위상이다.
이하 "파면 수차"를 언급한다. 광축을 갖는 제 1 광학부재, 예를 들면 피사체를 화상으로 변환하기 위한 대물렌즈는, "파면 수차" Wabb를 일으킴으로써 화상을 저하시키기도 한다. 파면 수차는, 차수가 다른 소위 제르니케(Zernike) 다항식의 형태로 표현된 다른 형태를 갖는다. 파면 경사 또는 왜곡은, 제 1 차의 파면 수차의 일례이다. 필드와 디포커스의 비점수차 및 곡률은, 제 2 차의 파면 수차의 2가지 예이다. 코마수차는, 제 3 차의 파면 수차의 일례이다. 구면수차는, 제 4 차의 파면 수차의 일례이다. 상술한 파면 수차를 나타내는 수학함수에 관한 많은 정보에 대해서는, 예를 들면, 제목이 "Principles of Optics,"인 M.Born 및 E.Wolf에 의한 책의 pp.464-470(Pergamon Press 6thEd.)(ISBN 0-08-026482-4)을 참조한다.
이하 "파면 변형"을 언급한다. 광축을 갖는 제 2 광학부재, 예를 들면 비주기 위상 구조체는, 상기 방사빔에서의 "파면 변형" ΔW를 일으키기 위한 방사빔의광 경로에 배치되어도 된다. 파면 변형 ΔW은, 파면 W의 형상을 갖는 변형이다. 상기 파면 수차처럼, 상기 파면 변형은, 파면 변형 ΔW을 나타내는 수학함수가 각각 제 1, 제 2 등의 반경방향 차수를 가지면 그 방사빔의 단면의 반경의 제 1 차, 제 2 차 등의 대칭적 또는 비대칭적이어도 된다. 또한, 파면 변형 ΔW은, "평탄(flat)"하여도 된다. 즉 이것은, 상기 방사빔에서의 제 2 광학부재는 상변화가 일정하게 일어나서, 파면 변형 ΔW의 모듈로 2π를 한 후, 그 결과의 파면이 일정하다는 것을 의미한다. 용어 "평탄"은, 파면 W가 제로 상변화를 나타내는 것을 반드시 의미하는 것은 아니다. 더욱이, 그것은, 파면 변형 ΔW가 다음식으로 주어진 방사빔의 상변화 ΔΦ의 형태로 표현되는 것을 식(0a)로부터 얻어질 수 있다.
파면 변형 또는 파면 수차 중 어느 한쪽의 "OPD"는, 파면 수차 또는 파면 변형의 광 경로차(Optical Path Difference)를 말한다. 그 광 경로차 OPD의 제곱 평균 제곱근값 OPDrms은 다음식으로 주어진다:
여기서, "f"는 파면 수차 또는 파면 변형을 나타내는 수학함수이고, "r" 및 "θ"는
광축에 대해 법선인 평면에서 극좌표계(r, θ)의 극좌표이고, 이때 그 좌표계의 원점은, 그 평면과 광축의 교차점이고 대응한 광학부재의 입사동공 상에서 연장한다.
2개의 값 OPDrms,1및 OPDrms,2는,가 바람직하게는 30mλ이하인 경우, 서로 "거의 같고", 이때 30mλ는 임의로 선택되었다. 마찬가지로, 그 2개의 값 OPDrms,1및 OPDrms,2는,가 바람직하게는 30mλ이상인 경우, 서로 "거의 다르고", 이때 30mλ는 임의로 선택되었다.
파면 변형은, 파면 변형과 파면 수차의 합의 값 OPDrms가 거의 바람직하게는 30mλ이하일 경우에 방사빔에 존재하는 파면수차를 "거의 보상한다". 그래서, 그 방사빔은, "수차가 없다"고 한다.
"파면 변형기"는, 방사빔의 단면에서의 위치에 따라 경로 길이차를 일으킴으로써 파면 변형을 일으키는데 사용된다. 이러한 변형기는, 상기 빔의 파면에서의 초점 곡률을 일으킴으로써 폭주 등과 같은 방사빔의 특성을 변화시키거나 또는 경사를 일으킴으로써 그 빔의 방향을 변화시키는데 사용된다. 또한, 파면 변형기는, 원하지 않는 파면 수차를 보상하는 파면 보상기로서 동작하기도 한다.
서두에 기재된 형태의 광학주사장치에 의해 디스크 형상의 광 기록매체를 주사하는 경우, 디스크의 반경방향으로 디스크의 뒤틀림으로 인해 수속빔에서 코마수차가 발생하는 문제점이 있다. 이러한 뒤틀림으로 대물렌즈의 광축과 디스크의 법선방향 사이에서 경사가 생기게 된다. 이러한 문제점은, 정보밀도가 높은 기록매체일 경우에 아주 더 중요하고, 이때 그 기록매체에 입사하는 방사빔의 개구수는, 비교적 높다. 예를 들면, 이것은, 소위 DVD+RW 포맷의 기록매체에 대한 경우로, 이때 그 입사빔의 개구수는 대략 0.65이다.
코마수차가 발생하는 상기 문제점에 대한 해결책은, 방사원과 상기 주사 스폿의 위치간의 광의 광 경로에 배치된 파면 변형기를 사용하는데 있고, 상기 변형기는 평면과 비구면을 각기 갖는 한 쌍의 판을 구비한다. 이러한 변형기는, I.Palusinski et al entitled "Lateral shift variable aberration generators", Applied Optics Vol.38(1999) pp.86-90에 의한 논설에 공지되어 있다. 그 판들은 상보적이어서 짝을 이룬 경우 광학 파워가 없는 평판으로 이루어진다. 상기 렌즈계의 광축에 수직한 일방향으로 2개의 판의 상호 선형적인 변위에 의해 선형 변위와 비구면의 형상에 의존하는 파면 변형이 발생된다.
종래의 파면 변형기의 단점은, 일방향으로만 코마수차를 보상하는데 있다. 따라서, 예를 들면 반경방향과 접선방향에서의 코마수차를 보상하기 위해서, 종래의 파면 변형기에는, 2개의 액추에이터로 제어된 2개의 세트의 판들이 구비되어야 함으로써, 그 파면 변형기의 구조를 복잡 및 값비싸게 한다.
본 발명의 일 목적은, 2개의 서로 다른 방향, 예를 들면, 반경방향과 접선방향으로 수속빔에서의 파면 변형을 정정하기 위해 비구면을 각각 갖는 한 쌍의 부재를 구비한 파면 변형기를 포함한 광학주사장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 서두에 기재된 것과 같은 광학주사장치의 상기 제 1 및 제 2 비구면은,
제 1 축을 따라 제 1 거리 상에서 상기 제 1 및 제 2 부재의 제 1 상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 1 축을 따라 제 1 파면 변형을 일으키고,
서로 다른 제 2 축을 따라 제 2 거리 상에서 상기 제 1 및 제 2 부재의 제 2상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 2 축을 따라 제 2 파면 변형을 일으키도록 성형된다.
광학주사장치에 상기와 같은 파면 변형기를 구비하는 것의 이점은, 광학주사장치가, 2개의 각각의 축을 따라 2개의 파면 변형을 각각 일으킬 수 있다는 것이다. 예를 들면, 그 주사장치의 바람직한 실시예(아래 참조)는, 대물렌즈의 광축에 대해 기록매체의 경사로 인해 수속빔에 존재하는 코마수차를 보상할 수 있다. 바람직하게, 이것에 의해, 광학주사장치에 상기 광 기록매체의 경사에 대한 비교적 큰 공차범위를 제공하게 된다.
광학주사장치의 더욱 바람직한 실시예에서는, 비구면의 형상을 실질적으로 각각 함수 S'(x,y) 및 S"(x,y)로 정의하거나, 또는 이들 형상이 동일한 경우, 함수 S(x,y)로 정의하는데, 이때, 이 함수(들) S(x,y), S'(x,y) 및/또는 S"(x,y)은,
제 3 차 코마수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 일으키기 위한 제 1 항 "(x2+y2)2"와,
비점수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 일으키기 위한 제 2 항 "x3+D3y3(이때, "D3"는 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 논제로 파라미터 상수임)"와,
제 5 차 코마수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 일으키기 위한 제 3 항 "(x2+y2)3"를 포함한다.
항 "(x2+y2)2"를 갖는 함수로 비구면 형상을 설계하는 것의 이점은, 각각 제 1 및 제 2 방향, 예를 들면 접선방향과 반경방향으로 제 1의 3차 코마수차량과 제 2의 3차 코마수차량을 일으키는데 있고, 이 수차량은 예를 들면, 기록매체의 법선방향과 대물렌즈의 광축 사이의 경사에 의해 발생한 코마수차를 보상하는데 사용될 수 있다. 이것은, 광학장치에 디스크 경사에 대해 보다 큰 공차를 제공한다.
항 "x3+D3y3"를 갖는 함수로 비구면 형상을 설계하는 것의 이점은, 각각 제 1 및 제 2 방향, 예를 들면 접선방향과 반경방향으로 제 1 비점수차량과 제 2 비점수차량을 일으키는데 있고, 이 비점수차량은 예를 들면, 대물렌즈를 제조시에 오차를 조작하는 것으로 인해 상기 방사원으로부터 주사스폿까지의 광 경로에서 발생한 비점수차를 보상하는데 사용될 수 있다. 이것은, 광학장치에 파면 왜곡의 다른 원인으로 인해 전달빔의 파면 변형에서 보다 큰 공차마진을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은, 제 1 방사빔을 제 2 방사빔으로 변환하기 위한 파면 변형기를 제공하여, 제 1 방향, 예를 들면 반경방향에 따른 제 1 파면 변형과, 서로 다른 제 2 방향, 예를 들면 접선방향에 따른 제 2 파면 변형을 상기 제 2 방사빔에서 일으키는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 서두에 기재된 것과 같은 파면 변형기의 상기 제 1 및 제 2 비구면은,
제 1 축을 따라 제 1 거리 상의 상기 제 1 및 제 2 부재의 제 1 상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 1 축을 따라 제 1 파면 변형을 일으키고,
서로 다른 제 2 축을 따라 제 2 거리 상의 상기 제 1 및 제 2 부재의 제 2 상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 2 축을 따라 제 2 파면 변형을 일으키도록 성형된다.
본 발명의 목적들, 이점 및 특징들은, 첨부도면에 도시된 것처럼, 이하의 본 발명의 더욱 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 파면 변형기를 구비한 주사장치를 나타내고,
도 2 내지 도 4는 3군데의 각 위치에서, 도 1의 선 I-I을 따라 나타낸 도 1에 도시된 파면 변형기의 바람직한 실시예의 3가지 도면을 나타내고,
도 5 내지 도 7은 도 2 내지 도 4에 도시된 선 II-II, 선 III-III 및 선 IV-IV을 따라 나타낸 도 2에 도시된 파면 변형기의 3가지 단면을 각각 나타내고,
도 8은 도 2에 도시된 파면 변형기의 대안을 나타내고,
도 9는 도 2에 도시된 파면 변형기의 다른 대안을 나타내며,
도 10은 도 1에 도시된 시준렌즈의 다른 대안을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 광학주사장치(1)를 나타낸 것으로, 이 장치는 제 1 방사빔(4)에 의해 제 1 광 기록매체(3)의 제 1 정보층(2)을 주사하는데 사용된다.
기록매체(3)는, 투명층(5)을 구비하고, 그 투명층의 일측에는 정보층(2)이 설치되어 있다. 그 투명층(5)으로부터 멀리 떨어져 대향하는 정보층(2) 측은, 보호층에 의해 환경 영향을 받지 않을 수 있다. 이 투명층(5)은, 정보층(2)을 위한 기계적 지지를 제공함으로써 기록매체(3)용 기판으로서 작용한다. 이와는 달리, 투명층(5)은, 정보층(2)을 보호하는 유일한 기능을 갖고, 상기 기계적 지지는 정보층(2)의 타측 상의 층에 의해, 예를 들면 보호층에 의해 또는 그 정보층(2)에 연결된 추가 정보층과 투명층에 의해 제공된다. 정보층(2)은, 트랙들을 포함한 기록매체(3)의 표면이다. 트랙은, 포커싱된 방사빔 또는 수속 방사빔이 따라가게 되는 경로로, 이 경로 상에, 정보를 나타내는 광학적으로 판독가능한 마크들이 배치되어 있다. 이후, 참조부호 "T"는 그러한 트랙을 나타낸다. 이 마크는, 예를 들면, 반사율 또는 그 주변과 다른 자화방향을 갖는 피트들 또는 영역들의 형태이어도 된다. 도 1을 참조하고, 기록매체(3)가 중심 C를 갖는 디스크의 형상을 갖고 그 중심 C에 대해 거의 원형인 트랙들을 포함하는 경우에, "Y"는 "반경방향", 즉 중심 C와 주사되는 트랙의 포인트사이의 방향에 평행한 기준축이고, "X"는 "접선방향", 즉 트랙에 접하고 디스크의 면에서 "반경방향"에 수직한 방향에 평행한 기준축이다. 또한, 도 1을 참조하면, "Z"는 광학주사장치(1)가 광축(12)의 기준축이다. 이때, (X, Y, Z)는 디스크(3)가 XY면에 평행할 경우, 직접 직교 좌표계이다.
단지 설명을 위해, 광 기록매체(3)가 소위 "블루 레이 디스크(BD)" 포맷의 디스크일 경우에, 투명층(5)의 두께는 대략 0.1mm이다. 또한, 기록매체(4)가 소위 DVD-포맷의 디스크일 경우에, 투명층(5)의 두께는 대략 0.6mm이다.
광학주사장치(1)는, 방사원(6)과, 광축(12)을 갖는 렌즈계(7)와, 파면 변형기(30)를 구비한다. 이하, "ZO"는 광축을 말한다. 이 장치(1)는, 빔 스플리터(8), 시준렌즈(9), 검출계(10), 서보계(11), 포커스 액추에이터(도 1에 미도시됨), 반경방향 액추에이터(도 1에 미도시됨) 및 오류정정용 정보처리부(14)를 더 구비한다.
상기 방사원(6)은, 상기 기록매체(3)의 정보층(2)에 주사하기 위한 방사빔(4)을 공급하도록 배치된다. 이 방사원(6)은, 선택된 파장 λ의 방사빔(4)을 출사하는 적어도 반도체 레이저를 구비하는 것이 바람직하다. 단지 설명을 위해, 그 파장 λ은, 기록매체(3)가 BD 포맷 디스크 및 DVD 포맷 디스크일 경우에 각각 405nm 및 660nm인 것이 바람직하다. 더욱이, 상기 방사원(6)에는, 상기 중심 방사빔(4)으로부터 -1 및 +1차 회절된 방사빔으로서 (도 1에 미도시된) 제 1 인접 방사빔과 제 2 인접 방사빔을 형성하기 위한 (도 1에 미도시된) 격자구조가 설치되어도 된다.
상기 빔 스플리터(8)는 시준렌즈(9)를 향해 방사빔(4)을 반사시킨다. 바람직하게, 그 빔 스플리터(8)는 광축(12)에 대해 경사진 평면 평행판으로 구성된다.
시준렌즈(9)는, 상기 방사빔(4)을 시준된 방사빔(14)으로 변환한다.
상기 렌즈계(7)는, 그 시준빔(14)을 수속 방사빔(16)으로 변환하여 정보층(2)의 위치에 주사스폿(17)을 형성한다. 이 수속빔(16)은 개구수 NA를 갖는다. 단지 설명을 위해, 광 기록매체(3)가 소위 BD 포맷의 디스크일 경우에, 그 수속빔(16)의 개구수 NA는 판독모드와 기록모드 모두에 대해 대략 0.85이다. 기록매체(3)가 소위 DVD 포맷의 디스크일 경우에, 그 수속빔(16)의 개구수 NA는 판독모드일 경우에는 대략 0.60이고, 기록모드일 경우에는 대략 0.65이다.
상기 렌즈계(7)는, 입사면(18a)과 출사면(18b)을 갖는 제 1 대물렌즈(18)를 구비한다. 이 렌즈계(7)는, 제 2 대물렌즈(도 1에 미도시됨)를 더 구비하여도 되고, 그 경우에 개구수 NA는 대략 0.85인 것이 바람직하다. 대물렌즈(18)와 함께 제 2 대물렌즈는, 대물렌즈(18)로만 구성된 단일 렌즈계보다 광학부재의 상호 위치에서 보다 큰 공차를 갖는 것이 바람직한 이중 렌즈계로 이루어진다. 제 2 대물렌즈는, 대물렌즈(18)에 대향하는 볼록면과, 정보층(2)의 위치에 대향하는 평면을 갖는 평볼록 렌즈로 형성된다. 또한, 상기 제 1 및/또는 상기 제 2 대물렌즈(들)의 입사면 및/또는 출사면은, 예를 들면, "Designs and manufacturing of far-field high NA objective lenses for optical recording"라고 하는 B.H.W.Hendriks 및 P.G.J.M.Nuyens에 의한 413-414, SPIE 3749(1999)의 논설에 공지된 공정을 사용하여, 예를 들면, 구면수차를 보상하기 위해 비구면으로 만곡되는 것이 바람직하다. 이때, 다른 종류의 파면 변형은, 비구면 렌즈들을 설계하여 정정될 수 있다. 그러나, 이와 같은 정정은, 그 렌즈들을 설계할 때 미리 정해진 파라미터에 의존한다. 즉 그것은, 파면 변형기(30)에 의해 일어난 서보 정정과는 대조된 것처럼, 광학주사장치의 실제 소자의 구성에 상관없이 변함없이 같다(아래 참조).
주사시에, 전방향 수속 방사빔(16)은, 정보층(2)에서 반사되어, 상기 전방향 수속 방사빔(16)의 광 경로 상에 되돌아오는 후방 발산 방사빔(21)을 형성한다. 렌즈계(7)는, 그 후방향 방사빔(21)을 전방향 시준 방사빔(22)으로 변환한다. 시준렌즈(9)는, 상기와 같은 후방향 시준 방사빔을 후방향 비시준 방사빔(23)으로 변환한다. 빔 스플리터(8)는, 그 후방향 방사빔(23)의 적어도 일부를 검출계(10)를 향하여 전송함으로써 그 후방향 방사빔(23)으로부터 전방향 방사빔(4)을 분리한다.
검출계(10)는, 상기 후방향 방사빔(23)의 일부를 포획하여 한 개 이상의 전기신호로 변환하도록 배치된다. 그 신호들 중 하나는, 정보신호 Sdata이고, 이 신호의 값은 정보층(2)으로부터 주사된 정보를 나타낸다. 이 정보신호 Sdata는, 상기 정보층(2)으로부터 추출된 정보의 오류 정정을 위한 정보처리부(14)에 의해 처리된다. 상기 검출계(10)로부터의 다른 신호들은, 포커스 오차신호 Sfocus와 반경방향 트랙킹 오차신호 Sradial이다. 그 신호 Sfocus의 값은, 주사스폿(12)과 정보층(2) 사이의 광축(12)을 따라서의 축방향 높이차를 나타낸다. 그 신호 Sfocus는, 특히 G.Bouwhuis,J.Braat, A. Huijser et al, "Principles of Optical Disc Systems", pp. 75-80(Adam Hilger 1985)(ISBN 0-85274-785-3)에 의한 책에 공지된, 일반적으로 사용된 "비점수차법"으로 형성된다. 그 신호 Sfocus는, 그 주사스폿(17)을 정보층(2) 내부의 포커스에 유지하는데 사용된다. 이 신호 Sradial의 값은, 주사스폿(17)과, 이 주사스폿이 뒤따라가게 되는 이 정보층에서의 트랙의 중심과의 사이의 정보층(2)의 평면에서의 거리를 나타낸다. 그 신호 Sradial는, 특히 상기 G.Bouwhuis et al., pp.70-73에 의한 책에 공지된, 일반적으로 사용된 "radial push-pull method"으로 형성된다. 이 신호 Sradial는, 주사스폿(17)을 정보층(2)의 트랙 상에 유지하는데 사용된다.
서보계(11)는, 상기 신호 Sfocus와 Sradial에 따라, 포커스 액추에이터 및 반경방향 액추에이터를 각각 제어하기 위한 제어신호 신호 Scontrol를 제공하도록 배치된다. 상기 포커스 액추에이터는, 광축(12)(축 Z)에 평행한 방향(25)으로 렌즈계(7)의 위치를 제어하여, 상기 정보층(2)의 평면과 거의 일치하도록 주사스폿(17)의 위치를 제어한다. 반경방향 액추에이터는, 반경방향(축 Y)에 평행한 방향(26)으로 렌즈계(7)의 위치를 제어하여, 정보층(2)에서 뒤따라가게 되는 트랙의 중심선과 거의 일치하도록 주사스폿(17)의 반경방향 위치를 제어한다.
파면 변형기(30)는, 방사원(6)과 기록매체(3)의 위치 사이에 배치되고 입력 방사빔을 출력 방사빔으로 변환한다. 도 1에 도시된 광학주사장치의 실시예에서는, 상기 시준렌즈(9)와 렌즈계(7) 사이에 파면 변형기(30)를 배치하고, 이때의 입력 빔과 출력빔은, 각각 시준빔(14)과 방사빔(15)이다.
또한, 파면 변형기(30)는, (도 1에는 도시되지 않고 도 4 및 도 5에는 도시된) 제 1 비구면과 제 2 비구면을 갖는 (도 1에는 도시되지 않고 이하 도 2에는 도시된) 제 1 부재와 제 2 부재를 구비한다. 그 제 1 및 제 2 부재는, 방사빔(15)에서 파면 변형을 일으키기 위해 서로 선형적으로 이동가능하다.
본 발명의 제 1 국면에 의하면, 제 1 및 제 2 비구면은, (i) 제 1 축을 따라 제 1 거리에 대한 제 1 및 제 2 부재의 제 1 상호 선형 변위가 파면 변형기의 출력 방사빔에서 상기 제 1 축을 따라 제 1 파면 변형 Wa을 일으키고, (ii) 서로 다른 제 2 축을 따라 제 2 거리에 대한 상기 제 1 및 제 2 부재의 제 2 상호 선형 변위가 그 출력 방사빔에서 상기 제 2 축을 따라 제 2 파면 변위를 일으키도록 성형된다. 또한, 제 1 비구면의 형상을 실질적으로 함수 S'(x,y)로 정의하고 상기 제 2 비구면의 형상을 실질적으로 함수 S"(x,y)로 정의하고, 이 함수들 S'(x,y) 및 S"(x,y)은 다음식으로 구해진다:
여기서, "(x, y)"는 작업평면 XoYo에서 그 좌표계 XoYo의 카테시안 좌표이고, 이 좌표계는, 상기 광축(12)과 상기 작업평면의 교차점(O) 상의 그 원점을 갖고, Xo축 및 Yo축은 각각 선형 변위가 일어나는 상기 제 1 및 제 2 축이고, "a1"과 "a2"는 제 1 상호 선형 변위일 경우에 Xo축에 따른 제 1 및 제 2 부재의 각각의 변위이고, "b1"과 "b2"는 제 2 상호 선형 변위일 경우에 Yo축에 따른 제 1 및 제 2 부재의 각각의 변위이고, "n1"과 "n2"는 제 1 및 제 2 부재의 각각의 광학 굴절률이며, "S'(x,y)" 및 "S"(x,y)"는 제 1 및 제 2 비구면을 갖는 각각의 형상을 나타낸다. 단지 설명을 위해, 도 1에 도시된 실시예에서, Xo축과 Yo축 모두는, (O, Xo, Yo, Zo)이 직접 직교 기본좌표이도록 광축(12)에 수직한다. 이때, 이하에서는, 주어진 표면의 형상을, 그 표면의 실제 형상 Sactual이 다음 조건: 0.9S<Sactual<1.1S을 만족한다는 것을 의미하는 함수 S로 "거의 정의한다". 그 표면의 실제 형상 Sactual은 다음 조건: 0.95S<Sactual<1.05S를 만족시키는 것이 바람직하다. 그 표면의 실제 형상 Sactual은 다음 조건: 0.99S<Sactual<1.01S를 만족시키는 것이 바람직하다.
이때, (O, Xo, Yo, Zo)에서, 파면 변형 Wa및 Wb은 각각 Xo축과 Yo축에 있다. 또한, 이때 (O, Xo, Yo, Zo)에서, Xo축 또는 Yo축을 따라 변위에 비례하는 거리는, 이 변위가 Xo축 또는 Yo축과 동일한 방향에 있을 경우 각각 양의 부호를 갖고, 이 변위가 Xo축 또는 Yo축과 반대방향에 있을 경우 각각 음의 부호를 갖는다.
상기 식(1a)로 정의한 것과 같은 비구면의 바람직한 실시예에서는, 이들 표면의 형상이 거의 동일하고 함수 S(x, y)로 거의 정의된다. 그래서, 이 실시예에서는, S(x,y)=S'(x,y)=S"(x,y)이다. 그 비구면의 더욱 바람직한 실시예에서는, 제 1 및 제 2 부재의 광학 굴절률은 동일하다. 그래서, 본 실시예에서는, n1=n2=n이다. 본 실시예에서, 상기 함수 S(x,y)는 다음식으로 구해진다는 것이 밝혀졌다:
여기서, "a" 및 "b"는 각각 상기 제 1 및 제 2 변위이고, "n"은 제 1 및 제 2 비구면의 광학 굴절률이고, "S(x,y)"는 제 1 및 제 2 비구면의 각각의 형상을 나타낸다. 이때, 본 실시예에서, 거리 "a" 및 "b"는 다음 조건을 만족한다:
a=a1-a2.
b=b1-b2.
단지 설명을 위해, 도 1에 도시된 광학주사장치(1)의 실시예에서는, 파면 변형기(30)를 사용하여, 예를 들어 기록매체(3)의 경사로 인해 수속빔(16)에 존재하는 Xo축을 따라 제 1의 3차 코마수차량 W1과 Yo축을 따라 제 2의 3차 코마수차량 W2를 보상한다. 이때, 상기 수속빔의 코마수차의 존재는, 기록매체(3)의 표면(5a)부터 주사스폿(17)까지 투명층(5)을 횡단하는 방사빔에 코마수차가 존재한다는 것을 의미한다. 또한, 기록매체(3)의 (예를 들면, 도 2에 도시된) 트랙 T의 주사시에, 광학주사장치(1)는, 그 트랙 T의 접선방향(X)과 반경방향(Y)이 Xo축 및 Yo축에 각각 평행하도록 배향될 수 있다. 그래서, 파면 변형기(30)는, 반경방향과 접선방향 모두에 있어서 3차 코마수차를 보상할 수 있다.
본 실시예에서, 광학주사장치(1)는, 코마수차 검출기(33), 제어회로(31) 및 파면 변형기(30)를 구비한 코마수차 보상기(19)를 구비한다.
코마수차 검출기(33)는, 2개의 검출신호(35)를 제공하는데, 그 하나는 코마수차량 W1을 나타내고, 또 하나는 코마수차량 W2를 나타낸다. 본 실시예에서는, 코마수차 검출기(33)가 경사 검출기(33)이고, 검출신호(35)가 경사신호이다. 이 경사 검출기(33)는, 방사빔(34)을 기록매체(3)를 향해 방출하고, 기록매체(3)에 의해 접선방향과 반경방향으로 반사된 방사빔의 각도를 검출한다. 상기 평면에서의 그 반사된 빔의 스폿의 위치는, 각도에 대한 측정값이므로, 기록매체(3)의 경사에 대한 측정값이다. 그 접선방향 및 반경방향에서 측정된 경사값이 바로 코마수차량 W1과 W2에 각각 비례한다. 경사 검출기(33)는, 그 측정된 값을 경사신호(35)로 변환한다. 이때, 상기 경사 검출기(33)는 임의의 형태이어도 된다. 도 1에 도시된 상기 경사 검출기(33)의 다른 구성은, 제어회로(31)의 일부로서 형성된 경사 검출기이고, 이때의 그 경사신호는 검출계(10)의 출력신호들의 조합으로부터 얻어진다.
제어회로(31)는, 상기 경사신호(35)에 응답하여, 상기 파면 변형기(30)를 제어하기 위한 제어신호(32)를 제공하도록 구성된다.
본 실시예에에서, 파면 변형기(30)는, 상기 경사신호(35)에 응답하여, 코마수차량 W1과 W2를 보상하기 위해 방사빔(15)에서의 Xo축 및 Yo축을 따라 파면 변형 Wa과 Wb을 일으켜서 상기 시준빔(14)을 방사빔(15)으로 변환시키는데, 이때, Wa, Wb, W1, W2는 다음식을 만족한다.
달리 말하면, 파면 변형기(30)는, 방사빔(15)이 거의 수차가 없는, 본 실시예에서는 코마수차가 없도록 배치된다. 상기 설명에서, "거의 수차가 없다"는 것의 의미는, 파면 변형기(30)로부터 출사하는 (본 실시예에서는 시준빔(15)) 방사빔에서의 결과적인 수차량(즉, 본 실시예에서는 Wa+W1또는 Wb+W2)의 값 OPDrms이 30mλrms미만인 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 15mλrms 미만을 말한다.
도 2 내지 도 4는 파면 변형기(30)의 3가지 각각의 구성에서 도 1에 나타낸 선 I-I을 따라 보여진 도 1에 도시된 파면 변형기(30)의 실시예의 3가지 도면을 나타낸 것이다. 도 5는 도 2에 나타낸 선 II-II을 따라 보여진 도 2에 도시된 파면 변형기(30)의 단면도이다. 도 6은 도 3에 나타낸 선 III-III을 따라 보여진 도 3에 도시된 파면 변형기(30)의 단면도이다. 도 7은 도 4에 나타낸 선 IV-IV를 따라 보여진 도 4에 도시된 파면 변형기(30)의 단면도이다.
도 2 내지 도 7에 도시된 것처럼, 상기 파면 변형기(30)는, 본 실시예에서 제 1 판(301) 및 제 2 판(302)으로 각각 구성된 제 1 및 제 2 부재를 구비한다. 또한, 이 파면 변형기(30)는, 상기 판(301, 302)을 지지하는 몸체(50)를 구비한다. 도 2에 도시된 것처럼, 파면 변형기(30)는, (미도시된) 제어수단에 의해 상기 제 1 및 제 2 선형 변위를 가능하게 하는 4개의 위치지정수단(60a, 60b, 60c, 60d)을 더 구비한다.
도 5에 도시된 것처럼, 상기 판 301은 시준렌즈(9)에 대향하는 입사면(301a)과 상기 판 302에 대향하는 출사면(301b)을 갖는다. 이 출사면(301b)은, (아래에 설명된 것처럼) 비구면적으로 만곡되어 있다. 본 실시예에서, 이 입사면(301a)은, 거의 평면이다. 이때, 본 실시예에서 상기 평면의 입사면(30)은, 작업평면 XoYo에 해당한다.
도 5에 도시된 것처럼, 상기 판 302는, 상기 판 301의 출사면(301b)에 대향하는 입사면(302a)과 대물렌즈(18)에 대향하는 출사면(302b)을 갖는다. 이 입사면(302a)은 (아래에 설명된 것처럼) 비구면적으로 만곡되어 있다. 본 실시예에서, 출사면(302b)은, Xo축과 Yo축에 거의 평행한 평면이다.
이때, 본 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 비구면은, 출사면(301b)과 입사면(302a)으로 구성된다. 또한, 이때 본 실시예에서, 상기 비구면(301b, 302a)은, 동일한 형상을 갖는다(따라서 상기 식(1b)를 만족한다).
단지 설명을 위해, 상기 판(301, 302)은, 플라스틱, 예를 들면, 지정 PMMA 하에서 상업적으로 일반적으로 공지된 재료로 제조될 수 있고, 이때의 광학 굴절률은 예를 들면 1.5066이다.
상기 몸체(50)는, 상기 판(301, 302)을 아래에 설명된 것처럼 설치된 몸체(50)를 통한 개구를 형성하도록 구성된 4개의 내벽 50a 내지 50d를 갖는다. 설명상, 상기 몸체(50)는 알루미늄으로 제조된다.
이때, 도 2 및 도 5에서, 파면 변형기(30)의 제 1 구성은, 평면 평행판을 형성하도록 서로 짝을 이루는 상기 판(301, 302)의 구성에 해당한다. 도 3 및 도 6에서, 파면 변형기(30)의 제 2 구성은, 그 판들 사이에서 제 2 상호 선형 변위일 경우에 상기 판(301, 302)의 구성에 해당한다. 도 4 및 도 7에서, 파면 변형기(30)의 제 3 구성은, 이판들 사이에서 제 2 상호 선형 변위일 경우에 상기 판(301, 302)의 구성에 해당한다.
(도 2 및 도 5에 도시된) 파면 변형기(30)의 제 1 구성에 있어서, 상기 판(301, 302)은 서로 짝을 이룬다. 이 판들 사이에는 제 1 갭이 있고, 이때의 높이 "h"는 본 구성에서 거의 상수값 h0인 Zo축을 따라 있다. 그 높이 hO의 값의 선택은 아래에 설명된다. 또한, 상기 판(301)과 상기 몸체(30) 사이에 제 2 갭이 있는데, 도 5에 도시된 것처럼, 이때의 높이 "d"는 거의 상수이다. 단지 설명을 위해, 상기 높이 d는, 대표적으로 0.3mm이다. 이때, 이러한 제 1 구성에서는, 전체 두께 D, 즉 상기 판 301의 두께, 제 1 갭 및 Zo축에 따른 상기 판 302의 두께의 합은, 거의 일정하다. 단지 설명을 위해, 상기 전체 두께 D는 대략 2mm이다. 또한, 이러한 파면 변형기(30)의 제 1 구성에서, 기본좌표(O, Xo, Yo, Zo)에서의 표면(301a, 301b, 302a, 302b)의 위치는 각각 0, S(x, y) 및 h0+S(x, y)이다.
파면 변형기(30)(도 3 및 도 6에 도시됨)의 제 2 구성에서, 상기 판 302는 Xo축의 거리 "a" 상에서 이동되고, 상기 판 301은 고정된, 즉 상기 제 1 구성에서의 위치에서보다 (O, Xo, Yo, Zo)의 동일한 위치에 있다. 상기 거리 "a"값의 선택은, 아래에 설명된다. 이때, 제 2 구성에서, 상기 판 301과 302 사이의 높이 h는, 상기 표면 301b, 302a의 비구면성 때문에 더 이상 거의 일정하지 않다. 이것에 의해 상기 판(301)의 출사면(301b)으로부터 출사하는 방사빔에 대해 광 경로가 서로 달라지게 된다. 이 때문에, 제 2 구성에서, 파면 변형 Wa은, 더 설명된 것처럼, 코마수차량 W1을 정정하기 위해 방사빔(15)에서 일어나게 된다.
파면 변형기(30)(도 4 및 도 7에 도시됨)의 제 3 구성에서, 상기 판 302는 Yo축의 거리 "b" 상에서 이동되고, 상기 판 301은 고정된다, 즉 상기 제 1 구성에서의 위치에서보다 (O, Xo, Yo, Zo)의 동일한 위치에 있다. 상기 거리 "b"값의 선택은, 아래에 설명된다. 이때, 제 2 구성에서, 상기 판 301과 302 사이의 높이 h는, 상기 표면 301b, 302a의 비구면성 때문에 더 이상 거의 일정하지 않다. 이것에 의해 상기 판(301)의 출사면(301b)으로부터 출사하는 방사빔에 대해 광 경로가 서로 달라지게 된다. 이 때문에, 제 3 구성에서, 파면 변형 Wb는, 지금 설명된 것처럼,코마수차량 W2를 정정하기 위해 방사빔(15)에서 일어나게 된다.
상기 비구면(301b, 302a) 형상의 설계를, Xo축과 Yo축을 따라 각각 보상되는 3차 코마수차량 W1과 W2이 다음식과 같이 나타낸 특별한 경우로 설명하겠다:
여기서, "(x, y)"는 상기 작업평면 XoYo의 카테시안 좌표이고, "A1" 및 "A2"는, (x, y)의 면에서 보면 일정하고 상기 디스크형 기록매체(3)의 경사 각도의 값에 의존하는 2개의 파라미터이다. 이하에서, "S1"은 식(1b)와 이러한 특별한 경우에 대해 구해진 함수 "S"를 말한다.
식(3)을 식(2)에 대입하면, (O, Xo, Yo, Zo)기본좌표에서 다음식이 얻어진다:
식(1b)를 식(4)에 대입한 후, 함수 S1(x,y)은 다음식으로 주어진다:
여기서, "C1"은 (x,y)에서 논제로 파라미터 상수이다.
따라서, 상기 비구면(301b, 302a)의 형상은, 본 예에서 식(5)의 파마미터 C1의 값을 선택하여 설계될 수 있다. 그 변위 거리 "a" 및 "b"는 식(5)를 식(1b)에대입함으로써 공지되어 다음식으로 주어진다.
그래서, 그 변위 거리 "a" 및 "b"의 선택은, 파라미터 A1, A2,(n-1)의 선택 및 파라미터 C1에 의존한다. 더욱이, 2개의 주어진 3차 코마수차량 W1및 W2값, 즉 2개의 주어진 파라미터 A1, A2의 값에 대해, 파라미터 C1와 거리 "a" 및 "b"의 값을 선택할 때 트레이드 오프이다. 예를 들면, 큰 파라미터 C1값을 선택하면, 비구면(301b)은 비교적 높이가 큰 피크 대 피크 값으로 설계된다. 이것에 의해 그 면(302a)의 곡률이 중요해짐으로써, 그 판(302)을 설치하기 어렵게 한다. 이에 비해, 큰 거리 "a" 또는 "b"값의 선택은, 큰 진폭으로 몸체(50)내에서 상기 판(302)을 변위시키는 것을 필요로 함으로써, 그 파면 변형기(30)를 제조하기 어렵게 한다. 단지 설명상, 거리 "a" 및 "b"의 값은 -0.3∼+0.3mm에 포함된다.
더욱이, (도 5에 도시된) 높이 h의 값 h0는, 비구면(301b, 302a)의 상호 위치지정을 가능하도록 선택되어야 한다. 이때, 그 h0값의 선택은, 거리 "a" 및 "b"에 대한 판(302)의 변위와 파라미터 C1에 의존한다. 그래서, 큰 값 h0에 의해 상기 판(302)을 고정판(301)과 접촉하지 않고서 변위시킬 수 있다. 그러나, 이때, 거리 "a" 및 "b"에 대한 판(302)의 변위도 상기 판 301과 302 사이의 갭의 높이에 의존하는 비점수차량 W3을 발생한다. 서로 다른 값 h0을 갖는 식(5)로부터 광선 추적 시뮬레이션을 하였다. 이들 시뮬레이션 결과를 아래 표 1에 나타내었다. 표 1은 서로 다른 값 h0에 대해, 코마수차량 W1및 W2와 구면수차량 W3의 제곱 평균 제곱근 값 W1,rms, W2,rms및 W3,rms를 각각 나타내고, 이때 비구면(301b, 302a)의 형상은 식(5)와 다음 조건: a=0.05mm, b=0.05mm, C1=0.001mm-1, φ=3mm 및 λ=405mm에 따른 함수 S1로 정의되고, 여기서 "φ" 및 "λ"는 각각 시준빔(14)의 직경 및 파장이다. 이때, 코마수차와 비점수차는, 예를 들면 M.Born,pp.469-470에 의한 책에 공지된 것처럼 제르니케(Zernike) 계수의 형태로 표현되었다.
[표 1]
따라서, 상기 값 h0은 상기 고정 판(302)에 접촉되지 않고서 상기 판(301)을 변위시키도록 충분히 높게 선택되어야 한다. 또한, 상기 판(301)의 변위도 낮은 구면수차량 W3를 발생시키도록 충분히 낮아야 한다. 상기 값 h0는 5.1㎛보다 커야 한다는 것이 밝혀졌다.
상술한 실시예들과 관련하여 다양한 변동 및 변형은 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 이용되어도 된다는 것을 알 수 있을 것이다.
특히, 도 1 내지 도 7에 도시된 파면 변형기(30)는, 접선방향(X)의 코마수차 이외에 파면 변형을 변형하도록 구성되어도 된다. 이때, 카테시안 좌표(x,y)에 대해 식(1b)를 도출함으로써, 파면 변형 Wa(x,y) 및 Wb(x,y)은 다음 조건을 만족시켜야 한다.
식(7a)는 다음과 같이 단순화될 수 있다:
여기서, "B"는 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다. 그래서, 단지 파면 변형 Wa(x,y) 및 Wb(x,y)이 식(7b)를 만족시키기만 하면 식(1b)를 푸는 함수 Si(x,y)이다.
표 2는 Xo축 및 Yo축(괄호안에 나타냄)의 다양한 형태의 파면 변형 Wa(x,y) 및 Wb(x,y)과, (예를 들면, M.Born, pp. 469-470에 의한 책에 공지된 것처럼) 제르니케 계수의 형태의 그들 각각의 표시 Wa(x,y) 및 Wb(x,y)과, 대응한 카테시안 좌표 x, y에 대해 이들 표시의 도함수를 나타낸다. 이때, 파면 변형의 표시 Wa(x,y) 및 Wb(x,y)는, 예를 들면 M.Born, pp. 469-470에 의한 책에 공지된 것처럼 제르니케 계수이다. 표 2에서, "Wa,b(x,y)"는 파면 변형 "Wa(x,y)" 및/또는 파면 변형 "Wb(x,y)"을 말한다.
[표 2]
(거리 "a" 및 "b"가 동일한 경우, 즉 a=b인 경우) 식(7b)과 표 2로부터, 다음 함수 Si(x,y)(여기서, i=2, 3...)에 의해 파면 변형 Wa(x,y) 및 Wb(x,y)를 일으킬 수 있다는 것이 밝혀졌다.
경사의 형태로 파면 변형 Wa(x,y) 및 Wb(x,y)를 일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S2(x,y)로 정의된다:
여기서, "C2" 및 "D2"는, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
비점수차의 형태로 파면 변형 Wa(x,y)과 경사의 형태로 파면 변형 Wb(x,y)를일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S3(x,y)로 정의된다:
여기서, "C3" 및 "D3"는, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
선 코마수차의 형태로 파면 변형 Wa(x,y)과 경사의 형태로 파면 변형 Wb(x,y)를 일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S4(x,y)로 정의된다:
여기서, "C4" 및 "D4"는, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
경사의 형태로 파면 변형 Wa(x,y)과 비점수차의 형태로 파면 변형 Wb(x,y)를 일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S5(x,y)로 정의된다:
여기서, "C5" 및 "D5"는, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
비점수차의 형태로 파면 변형 Wa(x,y)과 Wb(x,y)를 일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S6(x,y)로 정의된다:
여기서, "C6" 및 "D6"는, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
선 코마수차의 형태로 파면 변형 Wa(x,y)과 비점수차의 형태로 파면 변형 Wb(x,y)를 일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S7(x,y)로 정의된다:
여기서, "C7" 및 "D7"는, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
경사의 형태로 파면 변형 Wa(x,y)과 선 코마수차의 형태로 파면 변형 Wb(x,y)를 일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S8(x,y)로 정의된다:
여기서, "C8" 및 "D8"는, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
비점수차의 형태로 파면 변형 Wa(x,y)과 선 코마수차의 형태로 파면 변형Wb(x,y)를 일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S9(x,y)로 정의된다:
여기서, "C9" 및 "D9"는, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
선 코마수차의 형태로 파면 변형 Wa(x,y)과 Wb(x,y)를 일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S10(x,y)로 정의된다:
여기서, "C10" 및 "D10"는, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
제 5 차 코마수차의 형태로 파면 변형 Wa(x,y)과 Wb(x,y)를 일으키기 위해서, 비구면의 형상은, 다음식으로 주어진 함수 S11(x,y)로 정의된다:
여기서, "C11"은, 카테시안 좌표 "x" 및 "y"의 면에서 보면 논제로 파라미터 상수이다.
이때, 식(1a)에 관하여 정의된 함수 S'(x,y) 및 S"(x,y)는, 동일한 파면 변형 Wa(x,y)과 Wb(x,y)를 일으키기 위해서 상기 함수 Si(x,y)(여기서, i=1,2,...)와동일한 항을 가져도 된다.
이때, 그 함수 S1(x,y) 내지 S11(x,y)는 Palusinski에 의한 상기 논설에 개시되어 있지 않다.
함수 Si(i=0,1,2...,)에 관하여 상술한 파면 변형기의 다른 구성에서, 이들 함수는, 대응한 비구면의 일부에 대해서는 논제로 상수 파라미터 "q"와 그 표면의 나머지 부분에 대해서는 제로인 적어도 계단함수 Q(x,y)를 구비하여도 된다. 그 파라미터 "q"는, mλ/(n-1)와 대략 같고, 이때 "λ"는 파면 변형기의 입력 방사빔의 파장이고, "m"은 정수값이고 "n"은 해당 판의 굴절률이다. 이에 따라서, 그 해당 판은, 예를 들면, W.J.Smith, "Modern Optical Engineering"에 의한 책(McGraw-Hill, 2d Ed.), pp.257-258에 공지된 프레넬 렌즈와 같은 방법으로 변형된다(ISBN 0-07-059174-1). 이때, 함수 S'(x,y) 및 S"(x,y)도 상기와 같은 계단함수 Q를 구비하여도 된다.
도 8은 참조번호 30'로 나타낸 도 2에 도시된 파면 변형기(30)와는 다른 구성을 나타낸다. 도 8에 도시된 것처럼, 파면 변형기(30')는, 몸체(50'), 제 1 지지부재(51'), 판(301, 302)에 설치된 제 2 지지부재(52'), 및 도 1에 도시된 파면 변형기의 실시예에서 제어회로(31)의 제어신호(32)에 의해 제어된 4개의 위치지정수단(60a', 60b', 60c', 60d')을 구비한다. 4개의 위치지정수단 각각은, 예를 들면 위치지정수단(60c')은, 자석, 예를 들면 자석(70c'), 2개의 고정부재, 예를 들면 부재(71c', 72c'), 스프링 예를 들면 스프링(73c')으로 구성된 제어수단을 구비한다. 더욱이, 상기 지지부재(51', 52')에는, 제 1 코일(81') 및 제 2 코일(82')이 각각 설치되어 있다.
본 발명에 따르고 도 1을 참조하여 파면 변형기의 개선점으로서, 파면 변형기에는, 참고로 여기에 포함된 PHN 17.844에 공지된 위치 검출기가 설치되어 있다. 이때, 실제로, 수차 보상기(30)에 의해 일어난 파면 변형 Wa과 Wb은, 상기 일어난 변형이 대물렌즈(18)의 광축(12)에 대해 정확히 중심에 있으면 코마수차량 W1과 W2를 보상하기만 할 것이다. 이 보상은, 파면 변형 Wa및 Wb가 시준빔(14)의 축 상의 중심에 있고 대물렌즈(18)가 반경방향 트랙킹 때문에 주사되는 트랙의 반경방향(Y)으로 변위되면 정확하지 않다.
본 발명에 따르고 도 1을 참조하여 광학주사장치의 다른 대안에서, 파면 변형기(30)는, 방사원과, 시준빔(14)의 광 경로에서의 위치 이외의 주사스폿의 위치 사이의 빛의 광 경로에 배치되어도 된다. 이때, 상기 판(301, 302)의 형상은, 파면 변형기가 배치되는 광 경로에서 방사빔의 크기로 되도록 구성되어야 한다. 설명상, 도 9는 참조부호 301', 302'로 나타낸 도 5에 도시된 판(301, 302)과는 다른 구성을 나타낸다. 도 9에 도시된 것처럼, 상기 판(301', 302')은 발산 방사빔의 광 경로에 배치되고, 그 표면(301a', 301b', 302a', 302b')은 전파 축을 따라 방사빔의 가변 크기로 되도록 구성된다. 일례로서, 이러한 다른 구성에는, 대물렌즈(18)가 일체로 되어 있고, 이때, 후자는 본 발명에 따른 제 1 비구면과 제 2 비구면을 갖는 제 1 부재 및 제 2 부재로 구성된다. 이와는 달리, 파면 변형기(30)는, 상기 주사장치(1)의 다른 광학 구성요소, 예를 들면 시준렌즈(9) 또는 빔 스플리터(8)와 일체로 되어도 된다.
본 발명에 따르고 도 1을 참조하는 광학주사장치의 또 다른 대안에서, 파면 변형기(30)는, 제 1 및 제 2 부재가 Zo축을 따라, 즉 대물렌즈(18)의 광축을 따라 서로 선형으로 변위되도록 배치되어도 된다.
본 발명에 따르고 도 1을 참조하는 광학주사장치의 또 다른 대안에서, 렌즈계(7)로 입사하는 방사빔은, 높은 림(rim) 강도를 가져서 주사스폿(17)의 크기를 감소시키므로 정보층(2)의 정보밀도를 증가시킨다. 본 설명에서, "림 강도"란, 그 빔의 중심에서의 강도로 나눈 광축에 대해 법선인 빔의 단면의 림에서의 강도를 의미한다. "높은 림 강도"란, 림 강도가 70%보다 크고, 바람직하게는 80%, 보다 바람직하게는 90%인 것을 의미한다. 이때, 그 림 강도는, 100%보다 커도 된다.
그 방사빔의 림 강도를 증가시키는 일 방법은, 시준렌즈의 개구수를 감소시키는데 있다. 그러나, 이러한 감소로 인해, 광 기록매체에 대한 광 경로 전력 효율이 감소될 것이다. 본 설명에서, "광 기록매체에 대한 광 경로 전력효율"이란, 주사스폿, 즉 방사원으로부터 방출된 방사빔의 광 전력으로 나뉜 정보층에 입사되는 방사빔의 광 전력과 같은 비율을 의미한다.
개구수를 감소시키지 않고서 림 강도를 증가시키는 다른 방법은, 렌즈계(7)와 검출계(10) 상에 소위 소위 "평탄한 강도의 렌즈(flat intensity lens)"를 배치하여, 그 단면의 중심부로부터 외부로 렌즈계(7)에 입사하는 방사빔의 (광축(12)에 대해 법선인) 단면에서의 광을 재분배한다.
본 설명에서, "평탄한 강도의 렌즈"란, 렌즈에 입사하는 빔을 재분배하는 렌즈를 의미하므로, 그 렌즈의 입사동공 내의 빔의 강도 프로파일이 예를 들면 가우시안 형태일 경우, 그 렌즈의 출사동공내의 강도 프로파일이 평탄하다. "재분배"란, 그 빔의 광선의 반경방향 위치를 조절하는 것을 의미하므로, 렌즈의 입사동공 내의 빔의 강도가 만곡된 프로파일을 가질 경우, 그 렌즈로부터 방출되는 빔의 강도는, 렌즈의 출사동공 내의 거의 평탄한 프로파일을 갖는다. 그 평탄한 강도의 렌즈는, 예를 들면, B.Roy Frieden에 의한 논설, "Lossless Conversion of a Plane Laser Wave to a Plane Wave of Uniform Irradiance", Applied Optics vol.4 pp 1400-1403(1965)에 공지되어 있다. 본 실시예에서, 평탄한 강도의 렌즈는, 주사장치(1)의 또 다른 광학부재와 일체로 되어도 된다.
다음에, 그 평탄한 강도의 렌즈는, 시준렌즈와 일체로 되어 있다. 도 10은 도 1에 도시된 시준렌즈(9)의 다른 실시예 9'를 나타낸 것으로, 여기서 평탄한 강도의 렌즈는 그 내부에 일체와 되어 있다. 도 10에 도시된 것처럼, 시준렌즈(9')는, 발산 방사빔(4)을, 양쪽이 시준되고 그 단면의 중심부로부터 외부로 렌즈계(7)에 입사하는 방사빔의 (광축(12)에 대해 법선인) 단면에서 재분배된 광을 갖는 방출빔으로 변환하도록 설계된 양-비구면 부재이다. 그 시준렌즈(9')는, Z축(광축의 방향)을 따라 두께가 27mm이고, 직경이 35mm인 입사동공을 갖는다. 그 시준렌즈(9')의 개구수는, 405nm의 파장에서 0.146이다. 시준렌즈(9')의 렌즈 몸체는, 파장 405nm의 1.55와 같은 굴절률을 갖는 COC로 이루어진다. 시준렌즈(9')의제 1 및 제 2 표면의 회전 대칭형 비구면 형상은 다음식으로 주어진다:
여기서, "H(r)"은 밀리미터 단위의 시준렌즈(9')의 광축의 표면 위치이고, "r"은 밀리미터 단위의 광축까지의 거리이고, "Bk"는 H(r)의 k 자승의 계수이다. 방사원에 대향하는 제 1 면일 경우, 그 계수 B2,B4,B6,B8,B10,B12,B14,B16,B18,B20,B22,B24,B26,B28및 B30의 값은, 각각 0.25583407, 0.0024113233, -0.0043423133, 0.016023344, -0.053352877, 0.11303222, -0.16416941, 0.16820646, -0.12356421, 0.065342503, -0.024663664, 0.0064819753, -0.0011269311, 0.00011650879 및 -5.4244402E-6이다. 기록매체의 위치에 대향하는 제 2 면일 경우에, 그 계수 B2,B4,B6,B8,B10,B12,B14,B16,B18,B20,B22,B24,B26,B28및 B30의 값은, 각각 0.41351033, -0.058694854, -0.038306221, 0.00192283, 0.0080543539, -0.00018338671, -0.00014543317, -0.0028289724, 0.0021498723, 1.1288654E-005, -0.0007894134, 0.00049423085, -0.00015052765, 2.4089198E-5 및 -1.6294741E-6이다.
그 평탄한 강도의 렌즈만이 림 강도를 증가시키는 이점을 갖지만, 그것은 그 렌즈가 주사장치(1)의 다른 광학부재에 대해 정렬 오류에 민감하여서, 방사빔(14)에서 코마 파면수차 Wabb를 일으키게 된다는 단점을 갖는다. 예를 들면, X축을 따라 방사원(6)의 5㎛의 선형 변위이면, 그 수차 Wabb의 값 OPDrms는, 제 3차 코마수차에 대해 86mλ이고 제 5 차 코마수차에 대해서는 26mλ이다. 또한, 예를 들면,렌즈(9')의 제 1 면과 제 2 면의 중심들 사이에서 1㎛의 선형 변위이면, 그 수차 Wabb의 값 OPDrms는 제 3 차 코마수차에 대해 106mλ이고 제 5 차 코마수차에 대해서는 39mλ이다. 또한, 예를 들면, 렌즈(9')의 제 1 면에 대한 법선과 제 2 면에 대해 법선 사이에서 각도 변위가 0.03°이면, 그 수차 Wabb의 값 OPDrms는 제 3 차 코마수차에 대해 133mλ이고 제 5 차 코마수차에 대해서는 34mλ이다.
상기 장치의 비정렬 공차를 증가시키기 위해서, 파면 변형기(30)는, 상기 평탄한 강도의 렌즈(9')의 제 1 면과 제 2 면 사이를 제외하고는, 방사원(6)과 검출계(10) 사이에 배치된다. 더욱 구체적으로는, 파면 변형기(30)는, 비정렬일 경우 그 평탄한 강도의 렌즈만에 의해 일어난 코마수차 Wabb를 보상하도록 설계된다. 이와 같이, 그것은, 파면 변형기(30)의 제 1 판 및 제 2 판(301, 302)의 표면(301b, 302a)의 형상이 다음에 의해 주어진 함수 S12(x,y)로 정의된 식(5)와 식(8j)로부터 도출될 수 있다.
또한, 그것은, X축의 변위 "a" 또는 Y축의 변위 "b"에 대해 상기 판(302)을 변위시킴으로써, 그 파면 변형기(30)에 의해 일어난 2개의 파면 변형 Wa및 Wb은 다음에 의해 주어진 식(1b)로부터 도출될 수 있다.
상기 파면 변형 Wa및 Wb은, 제르니케 계수의 형태로 나타낼 수 있다. 예를 들면, X축의 그 변형 Wa은 다음과 같이 나타내어도 된다:
여기서, "A11", "A31" 및 "A51"은, 다음을 갖는 제르니케 다항식 "Z11", "Z31" 및 "Z51"과 관련된 계수이다.
그래서, 파면 변형 Wa의 값 OPDrms는와 같다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 그 값 C12및 D12을 적절히 선택함으로써, 코마 파면 변형 Wa은 비정렬일 경우에 평탄한 강도의 렌즈만에 의해 일어난 코마수차 Wabb를 거의 보상하기도 한다. 다음에, 상기 판(301, 302)은, 그 값 C12가 0이고, 그 값 D12가 0.03, h0=50㎛인 경우로 설계되었다. 수치적인 시뮬레이션에 의해, 그 변위 "a" 또는 "b"가 50㎛이고, 그 파면 Wa또는 "Wb"의 값 OPDrms는 각각 제 3차 코마수차에 대해서는 77mλ이고, 제 5 차 코마수차에 대해서는 15mλ이다. 이와 같이, 광학주사장치(1)에서의 파면 변형기(30)를 사용하여, 그 수속 방사빔(16)은, 비정렬이 일어나는 경우라도 거의 코마수차가 없고, 높은 림 강도를 갖는다. 달리 말하면, 그 주사장치(1)는, 보다 높은 정보밀도를 갖는 광 기록매체를 주사하게 하면서 보다 높은 비정렬 공차를 갖는다.
더욱이, 도 1 내지 도 7에 도시된 파면 변형기(30)는, 도 1에 도시된 광학주사장치(1) 외의 광학장치에 대한 파면 변형을 변형하는데 사용된다. 이를테면, 파면 변형기는, 줌렌즈에 적합하다. 즉, 그 파면 변형기는, 줌렌즈의 초점길이를 변화시키기 위해서 디포커스의 형태로 파면 변형을 발생시킴으로써, 초점 길이를 조정가능하게 한다.

Claims (10)

  1. 방사빔에 의해 광 기록매체의 정보층을 주사하고,
    상기 방사빔을 공급하는 방사원과,
    상기 방사빔을 수속 방사빔으로 변환하여 정보층의 위치에 주사 스폿을 형성하고, 광축을 갖는 제 1 대물렌즈를 구비한 렌즈계와,
    상기 방사원과 상기 주사 스폿의 위치 사이에 배치되어 제 1 방사빔을 제 2 방사빔으로 변환하고, 제 1 비구면을 갖는 제 1 부재와 제 2 비구면을 갖는 제 2 부재를 포함하되, 상기 제 1 부재 및 제 2 부재가 상기 제 2 방사빔에서 파면 변형을 일으키기 위해 서로 선형적으로 이동가능한 파면 변형기를 구비한 광학주사장치에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 비구면은,
    제 1 축을 따라 제 1 거리 상에서 상기 제 1 및 제 2 부재의 제 1 상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 1 축을 따라 제 1 파면 변형을 일으키고,
    서로 다른 제 2 축을 따라 제 2 거리 상에서 상기 제 1 및 제 2 부재의 제 2 상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 2 축을 따라 제 2 파면 변형을 일으키도록 성형된 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 비구면의 형상을 실질적으로 함수 S'(x,y)로 정의하고 상기 제 2 비구면의 형상을 실질적으로 함수 S"(x,y)로 정의하고, 이 함수들 S'(x,y) 및 S"(x,y)은 다음식으로 구해지는 것을 특징으로 하는 광학주사장치:
    여기서, "(x, y)"는 작업평면 XoYo에서 그 좌표계 XoYo의 카테시안 좌표이고, 이 좌표계는, 상기 광축(12)과 상기 작업평면의 교차점(O) 상의 그 원점을 갖고, Xo축 및 Yo축은 각각 선형 변위가 일어나는 상기 제 1 및 제 2 축이고, "a1"과 "a2"는 제 1 상호 선형 변위일 경우에 Xo축에 따른 제 1 및 제 2 부재의 각각의 변위이고, "b1"과 "b2"는 제 2 상호 선형 변위일 경우에 Yo축에 따른 제 1 및 제 2 부재의 각각의 변위이고, "n1"과 "n2"는 제 1 및 제 2 부재의 각각의 광학 굴절률이며, "S'(x,y)" 및 "S"(x,y)"는 제 1 및 제 2 비구면을 갖는 각각의 형상을 나타낸다.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 비구면의 형상이 거의 동일하고 다음에 의해 구해진 함수 S(x,y)로 거의 정의되는 것을 특징으로 하는 광학주사장치:
    여기서, "a" 및 "b"는 각각 상기 제 1 및 제 2 변위이고, "n"은 제 1 및 제 2 비구면의 광학 굴절률이고, "S(x,y)"는 제 1 및 제 2 비구면의 각각의 형상을 나타낸다.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 함수(들) S(x,y), S'(x,y) 및/또는 S"(x,y)은,
    제 3 차 코마수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 일으키기 위한 제 1 항 "(x2+y2)2",
    경사의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 일으키기 위한 제 2 항 "x2+D2y2(이때, "D2"는 카테시안 좌표(x,y)의 면에서 논제로 파라미터 상수임)",
    비점수차 및 경사의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 각각 일으키기 위한 제 3 항 "x3+D3y2(이때, "D3"는 카테시안 좌표(x,y)의 면에서 논제로 파라미터 상수임)",
    선 코마수차 및 경사의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 각각 일으키기 위한 제 4 항 "x4+D4y2(이때, "D4"는 카테시안 좌표(x,y)의 면에서 논제로 파라미터 상수임)",
    경사 및 비점수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 각각 일으키기 위한 제 5 항 "x2+D5y3(이때, "D5"는 카테시안 좌표(x,y)의 면에서 논제로 파라미터 상수임)",
    비점수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 일으키기 위한 제 6 항 "x3+D6y3(이때, "D6"는 카테시안 좌표(x,y)의 면에서 논제로 파라미터 상수임)",
    선 코마수차 및 비점수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 각각 일으키기 위한 제 7 항 "x4+D7y3(이때, "D7"는 카테시안 좌표(x,y)의 면에서 논제로 파라미터 상수임)",
    경사 및 선 코마수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 각각 일으키기 위한 제 8 항 "x2+D8y4(이때, "D8"는 카테시안 좌표(x,y)의 면에서 논제로 파라미터 상수임)",
    비점수차 및 선 코마수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 각각 일으키기 위한 제 9 항 "x3+D9y4(이때, "D9"는 카테시안 좌표(x,y)의 면에서 논제로 파라미터상수임)",
    선 코마수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 일으키기 위한 제 10 항 "x4+D10y4(이때, "D10"는 카테시안 좌표(x,y)의 면에서 논제로 파라미터 상수임)", 또는
    제 5 차 코마수차의 형태로 상기 제 1 및 제 2 파면 변형을 일으키기 위한 제 11 항 "(x2+y2)3"를 포함한 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  5. 제 2 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 함수(들) S(x,y), S'(x,y) 및/또는 S"(x,y)은,
    mλ/(n-1)(여기서, "λ"는 파면 변형기가 배치된 광 경로에서의 방사빔의 파장이고, "m"은 정수값이고, "n"은 해당 부재의 굴절률임)와 거의 같은 그 해당 비구면의 일부를 위한 논제로 상수 파라미터 및,
    그 비구면의 나머지 부분을 위한 제로와 같은 적어도 계단 함수 Q(x,y)를 포함한 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  6. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수속 방사빔의 림 강도를 증가시키는 평탄한 강도의 렌즈를 더 구비하고, 상기 제 1 및 제 2 비구면은, 상기 제 1 및/또는 제 2 파면 변형(들)이 상기 평탄한 강도의 렌즈에 의해 일어난 코마 파면수차를 실질적으로 보상가능하도록 성형된 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  7. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 방사빔에 존재하는 제 1 파면수차 및 제 2 파면 변형을 보상하고,
    상기 제 1 제 2 파면수차를 각각 나타내는 제 1 검출신호 및 제 2 검출신호를 제공하는 수차 검출기와,
    상기 검출신호에 응답하여, 상기 제 2 방사빔이 거의 수차가 없도록 상기 제 1 파면 변형과 상기 제 2 파면 변형을 일으키도록 배치된 상기 파면 변형기를, 포함한 수차 보상기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출계는, 포커스 오차신호 및/또는 반경방향 트랙킹 오차신호를 제공하도록 배치되고, 상기 검출계는 서보회로와, 상기 포커스 오차신호 및/또는 상기 반경방향 트랙킹 오차신호에 응답하여 상기 정보층의 위치 및/또는 주사되는 상기 정보층의 트랙의 위치에 대해 상기 주사스폿의 위치를 제어하는 액추에이터를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    오차정정을 위한 정보처리부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  10. 제 1 방사빔을 제 2 방사빔으로 변환하고, 제 1 비구면을 갖는 제 1 부재와 제 2 비구면을 갖는 제 2 부재를 포함하되, 상기 제 1 및 제 2 부재가 상기 제 2 방사빔에서 파면 변형을 일으키기 위해 서로 선형적으로 이동가능한 파면 변형기에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 비구면은,
    제 1 축을 따라 제 1 거리 상의 상기 제 1 및 제 2 부재의 제 1 상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 1 축을 따라 제 1 파면 변형을 일으키고,
    서로 다른 제 2 축을 따라 제 2 거리 상의 상기 제 1 및 제 2 부재의 제 2 상호 선형 변위가 상기 제 2 방사빔에서 상기 제 2 축을 따라 제 2 파면 변형을 일으키도록 성형된 것을 특징으로 하는 파면 변형기.
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