KR20040071229A - 광 디스크들(디브이디들)을 주사하는 대물렌즈 - Google Patents

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KR20040071229A
KR20040071229A KR10-2004-7009608A KR20047009608A KR20040071229A KR 20040071229 A KR20040071229 A KR 20040071229A KR 20047009608 A KR20047009608 A KR 20047009608A KR 20040071229 A KR20040071229 A KR 20040071229A
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헨드릭스베르나르두스에이치.더블유.
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

DVD 및 HD-DVD 광 디스크를 주사하는 대물렌즈는, 제 1 부분과 제 2 부분을 포함하며, 상기 제 1 부분은 제 1 표면과 이에 대향하는 제 2 표면을 포함하도록 형성되고, 상기 제 2 부분은 제 3 표면과 이에 대향하는 제 4 표면을 포함하도록 형성되며, 상기 제 1 표면은 렌즈 도수의 주요 부분을 제공하는 볼록 형상을 갖고, 상기 제 3 표면은 상기 제 1 표면에 끼워맞추어지도록 형성되며, 상기 제 4 표면은 대체로 비구면 표면이고, 상기 제 2 부분은 합성수지 재료로 형성되며, 상기 제 1 부분은 1.65 내지 2의 값을 지닌 굴절률 n1을 갖는 재료로 형성되고, 제 1 부분의 아베수 V1과 제 2 부분의 아베수 V0는 다음 관계(수학식 1)를 만족한다.

Description

광 디스크들(디브이디들)을 주사하는 대물렌즈{OBJECTIVE LENS FOR SCANNING OPTICAL DISKS(DVDS)}
본 발명은, 광학부재와 광학주사장치에 관한 것으로, 특히 서로 다른 포맷의 광 기록매체의 주사에 관한 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
일반적으로, 2가지의 서로 다른 비교적 높은 밀도의 포맷들, 즉 CD 포맷보다 높은 밀도의 포맷들로부터 판독할 수 있는 광학주사장치와, 이를 위한 대물렌즈를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
청색 반도체 레이저(파장, λ=405nm)의 도입으로 인해, 종래의 디지털 다기능 디스크(DVD)(적색 레이저, λ=660nm를 이용한다)에 비해 광 디스크 상에서 밀도를 더욱 증가시킬 수 있는 새로운 선택사항들이 출현하였다. 한가지 선택사항은, 고밀도-DVD(HD-DVD) 시스템으로, 이 시스템에서는 파장이 660nm에서 405nm로 줄어들지만, 디스크의 커버층의 두께가 DVD 시스템에서와 동일, 즉 0.6mm이다. 이중층 DVD는 청색 레이저를 사용하여 쉽게 판독할 수 없다. 이 이유는, 이중층 DVD에 대한 반투과층이 금, 실리콘 및 탄화 실리콘으로 제조되기 때문이다. 650nm에 대해, 이들 양 층의 반사율은 ∼30%이다. 405nm에 대해서는, 금의 흡수율이 >50%가 되고, 그것의 반사율<10%가 된다.
적색 레이저와 청색 레이저 모두를 구비한 광학주사자치를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 판독을 위해 사용되고 있는 방사빔의 파장을 변경함으로써, 스페로크로마티즘(spherochromatism)으로 인해, 대물렌즈에 의해 발생된 구면수차의 양과, 디스크의 커버층에 의해 도입된 구면수차의 양이 일반적으로 변하게 된다.
ODF2000 회의의 학회지 페이지 321-324에 게시된 N. Murao et의 논문 "Objective lenses for red and blue lasers"에는, DVD와 HD-DVD 호환용으로 사용되는 다음의 3가지 가능한 렌즈가 기재되어 있다: (1) 유리 이중렌즈, (2) 광고분자 이중렌즈 및 (3) 회절 광학부재. 유리제 이중렌즈는 제조하는데 값이 많이 들어, 대량 생산을 위한 실용적인 해결책이 되지 않는다. 회절 광학부재 해결책은, 일반적으로 DVD 구조 및 HD-DVD 구조 모두에 대해 설계 회절 차수에서 100% 효율을 갖는 이와 같은 부재를 구현하는 것이 불가능하므로, 효율의 손실을 일으킨다. 더구나, 제조 허용오차로 인해, 효율 손실이 증가된다. 제안된 광고분자 이중 렌즈는, 디스크와 마주보는 일면에 추가적인 광 고분자 물질을 갖는 유리 몰딩된 비구면 렌즈를 구비한다. 이와 같은 해결책의 단점은, 먼저 비구면 렌즈를 제조한 후, 제 2 단계로서 광 고분자 물질을 가해야 하므로, 렌즈를 더욱 더 비싸게 한다는 것이다.
바람직하지 않은 비용이나 바람직하지 않은 효율 손실을 도입하지 않으면서, DVD 및 HD-DVD 등과 같은 2가지의 비교적 고밀도 포맷과 호환가능한 대물렌즈를 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 발명에 따르면, 제 1 부분과 제 2 부분을 구비하고, 상기 제 1 부분이 제1 표면과 이에 대향하는 제 2 표면을 구비하도록 형성되며, 상기 제 2 부분이 제 3 표면과 이에 대향하는 제 4 표면을 구비하도록 형성되고, 상기 제 1 표면은 렌즈 도수(lens power)의 주요 부분을 제공하는 볼록 형태를 가지며, 상기 제 3 표면은 상기 제 1 표면에 끼워맞추어지도록 형성되고, 상기 제 4 표면은 대체로 비구면 표면이며, 상기 제 2 부분은 합성수지 재료로 형성되고, 상기 제 1 부분은 1.65 내지 2의 값을 지닌 굴절률 n1을 갖는 재료로 형성되며, 제 1 부분의 아베수 V1과 제 2 부분의 아베수 V0는 다음 관계를 만족하는 광학부재가 제공된다:
본 발명은, 서로 다른 파장을 갖는 방사빔을 사용하여, DVD와 HD-DVD 등의 서로 다른 광 기록매체 포맷들로부터 데이터를 판독하는데 사용될 수 있는 대물렌즈를 제공하는 한편, 광 기록매체의 스페로크로마티즘을 교정할 수 있는 대물렌즈용의 재료의 선택을 제공한다. 굴절 표면들만이 포함되므로, 대물렌즈는 회절 광학부재들의 경우에서와 같은 효율 손실을 겪지 않는다. 더구나, 이중의 호환가능한 렌즈를 제조하는데 비교적 적은 수의 단계들이 필요하므로, 비용 효율적인 해결책이 된다.
대물렌즈에 의해 발생된 구면수차의 양이 디스크의 커버층에 의해 발생된 구면수차의 양을 보상하는 한편, 대물렌즈가 아베 사인 조건을 만족하도록 하기 위해, 한가지 재료로 제조된 굴절성 단일 부재의 대물렌즈를 사용할 수도 있을 것이다. 그러나, 이때에는 렌즈 재료의 굴절률이 1보다 큰 필요가 있을 것이다. 2보다큰 굴절률을 갖는 재료는 값이 비싸고 낮은 아베수를 갖는 경향이 있으므로, 작은 파장의 변동에 민감하다.
본 발명의 목적, 이점 및 특징은, 다음의 첨부도면에 도시된 것과 같은 이하의 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대물렌즈의 개략적 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학주사장치의 개략적 단면도이다.
상세한 설명
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대물렌즈 OL을 나타낸 것이다. 비구면 대물렌즈 OL은, 유리 몸체의 볼록 표면에 끼워맞추어져 접착되도록 형성된 합성수지 재료로 제조된 얇은 비구면 교정층을 갖는 평-구면(plano-spherical) 유리 몸체 A로 이루어진다. 이 렌즈는 US-A-4623496에 기재된 것과 유사한 방법으로 제조될 수 있으며, 이 특허의 발명내용은 참조를 위해 본 명세서 내에 포함된다.
이하에서는, 렌즈 파라미터들의 설계를 상세히 설명한다.
렌즈의 파면수차의 3차 자이델 분석을 행할 수 있다. 상기한 수지가 굴절률 n0를 갖고, 아베수 V0, 광축 상의 두께 d0, 곡률 c0(파워 K0)와, 이 층의 구면 형태로부터의 편차를 결정하는 4차 계수 G를 갖는다고 하자. 평-구면 유리 몸체(디스크에 대향하는 평탄면)는 굴절률 n1, 아베수 V1, 두께 d1과 곡률 c1(파워 K1)을 갖는한편, 디스크는 굴절률 n3, 아베수 V3와 두께 d3를 갖는다. 자유 작동거리, 즉 렌즈와 디스크 사이의 거리는 d2이다.
비구면층은 얇으므로, 다음과 같은 근사가 이루어질 수 있다:
이들 근사식을 사용하면, 구면수차 SI에 대한 3차 자이델 항은 다음과 같은 것으로 밝혀졌으며:
코마수차에 대한 항은 다음과 같이 주어진다:
이때, 초점 관계는 다음과 같이 주어진다:
렌즈의 구성이 DVD의 경우나 HD-DVD의 경우에 대해 구면수차를 도입하지 않도록 하고, 아베 사인 조건을 만족시키기 위해서는, DVD의 경우에 대해 코마 항목이 제로값이 되어야 한다. 따라서, 이들 해결책은 다음과 같은 조건을 만족해야 한다:
SII(660nm)=0로부터, d1>0로 하기 위해서는, 굴절률 n1이 다음 관계를 만족해야만 하게 된다:
디스크에 대한 값인 d3=0.6mm, n3=1.58을 삽입하고, 일반적인 값 K∼0.35mm-1을 사용하면, n1>1.65가 된다.
이때, n0=n1및 V0=V1을 취하면서, SI(660nm)=0, Si(405nm)=0 및 SII(660nm)=0을 풀면, n1>2.0인 것을 알 수 있는데, 이 값은 실용적인 해결책이 아니다.
다음의 내용은 본 발명에 따라 비구면층과 유리 몸체가 서로 다른 특성을 갖는 경우에 관한 것이다. 아베수와, 660nm 및 405nm에서의 굴절률간의 실제 차이 사이에 다음과 같은 근사 관계가 성립한다:
상기한 관계를 사용하면, G와 d1을 삭제한 후 SI(660nm)=0, SI(405nm)=0 및SII(660nm)=0으로부터, n1에 대해 다음과 같은 관계가 성립하게 된다:
이때, F=1/K이다. 이때, 이 수식은 더 이상 n0를 포함하지 않는다는 점에 주목하기 바란다. F∼3mm를 취하면서, d3=0.6mm와, 대표적으로, n3=1.58 및 V3=30을 사용하여 상기한 수식을 풀면, 1.65<n1<2.0이 되도록 하기 위해서는, 다음 식이 성립한다:
이것은 단지 3차 계산식이므로, 그 결과값은 대략적인 추정값에 지나지 않는다. 따라서, 이들 결과값을 향상시키기 위해 광선추적법이 사용될 수도 있다. DVD 시스템에 대해 F=2.75mm이고 시스템의 개구수가 NA=0.65인 경우를 조사하였다. 메리트 함수(merit function)를 구축함에 있어서, DVD와 HD-DVD 구조 모두에 대해 축 상(on axis)의 0.5°에서의 파면수차를 사용하였다. 표 1은 일 실시예에 따라, 비구면층(디아크릴)이 제조되는 재료들과 디스크(폴리카보네이트)의 특성을 나타낸 것이다.
[표 1]
n(660nm) n(405nm) V
디아크릴 1.5640 1.5945 34.5
폴리카보네이트 1.5798 1.6188 29.9
표 2는 4가지 서로 다른 예시적인 유리 형태에서 대물렌즈를 규정하는 파라미터들이 나열되어 있는 것을 나타낸 것이고, 표 3은 이 4가지 실시예에 대한 대응하는 파면수차를 나타낸 것이다.
회전대칭 형상은 다음 식으로 기술될 수 있다:
이때, z는 밀리미터 단위를 갖는 광축 방향으로의 표면의 위치이고, r은 밀리미터 단위를 갖는 광축까지의 거리이며, Bk는 r의 k차 거듭제곱의 계수이다. 방사원에 대향하는 대물렌즈의 표면에 대한 B4내지 B14의 값을 4가지 모든 경우에 표 2에 나타내었다.
[표 2]
[표 3]
실시예 1 2 3 4
축상(660nm) 23.8mλ 18.9mλ 17.9mλ 18.5mλ
0.5°시야(660nm) 38.3mλ 30.4mλ 30.7mλ 31.6mλ
축상(405nm) 26.7mλ 11.8mλ 11.1mλ 11.2mλ
0.5°시야(405nm) 51.2mλ 48.0mλ 39.8mλ 35.2mλ
광선 추적 결과로부터, DVD(660nm)를 판독/기록하고 HD-DVD(405nm)를 판독/기록하는데 적합한 평-비구면 유리 레플리커(replica) 렌즈는 다음과 같은 관계를 만족하는 것이 바람직하다는 사실을 알게 되었다:
이때, d1은 밀리미터 단위로 표시된다.
더 높은 차수의 항들로 인해, 결과값이 3차 분석에서 얻어진 결과값으로부터 약간 벗어난다.
이하, 도 2를 참조한다. 특정한 제 1 실시예에서 DVD와 HD-DVD 경우를 포함하는 본 발명의 실시예들에 따르면, 서로 다른 포맷들의 광 디스크가 도시된 것과 같은 광 픽업부(OPU)를 사용하여 기록 및/또는 판독될 수도 있다. OPU의 광학 부품들은 주조된 알루미늄 등으로 제조된 강체의 하우징 내부에 유지된다. OPU가 디스크의 주사중에 디스크의 반경방향으로 배치된 직선 베어링을 따라 이동하도록, OPU가 광 기록 및/또는 재생장치에 배치된다. 주사하고자 하는 각각의 디스크는, 재생 및/또는 기록장치 내부의 모터에 의해 구동되는 회전 베어링 내부에 장착되며 OPU에 인접 배치된 평판 주사 영역에 배치되므로, 재생 및/또는 기록중에 디스크가 OPU에 대해 움직인다.
장치에 의해 주사되는 각각의 서로 다른 포맷들의 디스크는 적어도 1개의 정보층을 포함한다. 정보는, 거의 평행하거나 동심을 이루거나 나선형의 트랙들로 배치된 광학적으로 검출가능한 마크들의 형태로 광 디스크의 정보층 또는 정보층들 내부에 저장될 수 있다. 마크들은 임의의 광학적으로 판독가능한 형태, 예를 들면그것의 주변부와 다른 반사계수를 갖는 피트들 또는 영역들의 형태를 가질 수도 있다.
OPU는, 2가지 서로 다른 파장, 본 실시예에서는 대략 650nm의 파장(이하에서는 "적색 파장"으로 칭한다)과 대략 405nm의 파장(이하에서는 "청색 파장"으로 칭한다)의 방사빔을 사용하여 디스크들을 주사하는 2개의 광학 분기부를 포함한다. 그러나, 본 발명의 이와 다른 실시예들에 따른 광학주사장치는 다른 파장에서도 동작할 수 있으며 2개보다 많은 파장에서도 동작할 수 있다는 것은 자명하다.
제 1 분기부는, 소정의 파장, 본 실시예에서는 적색 파장에서 동작하여 제 1 빔(4)을 방출하는 편광 방사원(2), 예를 들면 반도체 레이저를 포함한다. 제 1 분기부는, 되돌아온 빔을 검출계(8)를 향해 반사시키는 편광 빔 스플리터(6)와, 더 평행광으로 변환된 빔을 발생하는 시준렌즈(10)를 더 구비한다.
이색성 빔 스플리터(12)는 제 1 빔(4)을 광 디스크 OD를 향해 반사시킨다. 장치의 2가지 방사빔들에 의해 공유되는 빔 스플리터(12)와 광 디스크 OD 사이의 광 경로 부분에는, 적색 파장과 청색 파장 모두에서 동작하는 1/4 파장판(14)과, 광 디스크로부터의 소정의 반경방향의 거리 바깥의 영역에서 적색 파장의 방사빔을 반사시키도록 동작하는 이색성 개구와, 본 발명에 따른 이중 빔 대물렌즈 OL이 놓인다. 이중 빔 대물렌즈는, 제한된 구면수차를 가지면서, 적색 파장에서 동작하는 이중층 DVD 디스크 등의 디스크에 있는 정보층 상의 스폿으로 평행광으로 변환된 적색 파장의 빔의 초점을 정확히 맞추고, 청색 파장에서 동작하는 HD-DVD 등의 디스크에 있는 정보층 상의 스폿에 평행광으로 변환된 청색 파장의 초점을 정확히 맞추도록 구성된다.
제 1 빔은 1/4 파장판(14)에 의해 선편광으로부터 원편광으로 편광이 변경되며, 대물렌즈 OL에 의해 디스크 OD 상의 스폿에 초점에 맞추어진다. 반사된 빔은 복귀경로를 따라가, 1/4 파장판(14)에 의해 입사빔에 수직한 선편광을 나타내는 빔으로 다시 변환되고, 검출계(8) 내부에 배치된 포토다이오드 검출기 어레이를 향해 빔 스플리터(6)에 의해 반사되어, 이 검출계에서 데이터, 초점 에러 및 트랙킹 에러신호가 검출된다. 대물렌즈 OL은, 초점 에러신호에서 유도된 서보신호에 의해 구동되어 광 디스크 OD 상의 스폿의 초점이 맞추어진 상태를 유지하고, 트랙킹 에러신호에서 유도된 서보신호에 의해 현재 판독되고 잇는 디스크 OD 상의 트랙과의 정렬을 유지한다.
본 실시예에서의 제 2 광학 분기부는, 제 1 빔의 파장과 다른 소정의 파장, 본 실시예에서는 청색 파장에서 동작하여 제 2 빔(18)을 방출하는 편광 방사원(16), 예를 들면 반도체 레이저를 구비한다. 제 2 빔에 대한 광 경로는, 검출기 어레이 시스템(22)에서 초점 및 래디얼 트랙킹 에러신호 발생을 위해 복귀 빔의 방향을 바꾸는 편광 빔 스플리터(20)와, 제 2 빔을 거의 평행광으로 변환하는 시준렌즈(24)를 구비한다. 제 2 빔은 이색성 거울(12)에 의해 거의 전부가 투과되고, 1/4 파장판(14)에 의해 선편광으로부터 원편광으로 편광이 변경되어, 디스크 OD에 있는 정보층 상의 스폿으로 초점이 맞추어진다. 반사된 빔은 복귀경로를 따르게 되고, 1/4 파장판(14)에 의해 입사빔에 수직한 선편광을 나타내는 비므로 다시 변환된 후, 검출계(22) 내부의 포토다이오드 검출기 어레이를 향해 빔스플리터(20)에 의해 반사되어, 검출계에서 데이터 신호와 트랙킹 및 초점 에러신호가 검출된다. 대물렌즈 OL은, 초점 에러신호에서 유도된 서보신호에 의해 구동되어 광 디스크 OL과 검출기 어레이 상에 스폿의 초점이 맞추어진 상태를 유지하고, 트랙킹 에러신호에서 유도된 서보신호에 의해, 현재 주사되고 있는 트랙과의 정렬을 유지한다.
적색 및 청색 파장의 모든 경우에 사용되는 대물렌즈 OL의 개구율(NA)은, 0.5보다 크며, 바람직하게는 0.55보다 크다. 일 실시예에서는, 0.6의 NA가 사용된다. 이와 다른 실시예에서는, 0.65의 NA가 사용된다.
전술한 실시예들은 본 발명의 예시적인 실시예로서 해석되어야 한다. 본 발명의 또 다른 실시예들이 상정될 수 있다. 한 개의 실시예와 관련하여 설명한 모든 특징부가 다른 실시예에서도 사용될 수 있다는 것은 자명하다. 더구나, 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 위에서 설명하지 않은 동등물과 변형예가 채용될 수도 있다.

Claims (8)

  1. 제 1 부분과 제 2 부분을 구비하고, 상기 제 1 부분이 제 1 표면과 이에 대향하는 제 2 표면을 구비하도록 형성되며, 상기 제 2 부분이 제 3 표면과 이에 대향하는 제 4 표면을 구비하도록 형성되고, 상기 제 1 표면은 렌즈 도수의 주요 부분을 제공하는 볼록 형태를 가지며, 상기 제 3 표면은 상기 제 1 표면에 끼워맞추어지도록 형성되고, 상기 제 4 표면은 대체로 비구면 표면이며, 상기 제 2 부분은 합성수지 재료로 형성되고, 상기 제 1 부분은 1.65 내지 2의 값을 지닌 굴절률 n1을 갖는 재료로 형성되며, 제 1 부분의 아베수 V1과 제 2 부분의 아베수 V0는 다음 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 광학부재:
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 부분은 평-볼록 부분인 것을 특징으로 하는 광학부재.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 표면은 대체로 구형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광학부재.
  4. 제 1항, 제 2항 및 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 부분은 유리 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 광학부재.
  5. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 부분의 굴절률 n1및 아베수 V1과 제 2 부분의 아베수 V0는 다음 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 광학부재:
  6. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 부분의 굴절률 n1과 두께 d1은 다음 관계를 만족하며,
    9.96≤6.99n1-d1≤10.32
    이때 d1은 밀리미터 단위로 표시되는 것을 특징으로 하는 광학부재.
  7. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 기재된 광학부재를 구비한 것을 특징으로 하는광학주사장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 광학부재는 0.5보다 큰 개구율을 갖는 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
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