KR20040088103A - 광픽업에서의 구면수차 보정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 광픽업에서의 구면수차 보정장치에 관한 것으로, 상하로 이동되는 웨지형 광학소자 또는 회전되는 웨지형 광학소자를 빔 익스팬더 구조에 추가 배치시킴으로써, 액정판으로 구면수차를 보정할 때 발생되는 대물렌즈의 액츄에이터의 비대화 현상 및 배선상의 난이도를 회피할 수 있게 되며, 또한, 1 축 액츄에이터로 렌즈를 광축 방향으로 이동시켜 구면수차를 보정할 때 발생되는 틸트 등을 회피할 수 있게 되며, 더욱이 회전 웨지형 광학소자를 이용할 경우, 1 축 직선 운동 대신 회전 운동으로 구면수차를 보정함으로써, 직선 운동에 필요한 가이드 설계 등의 기술적 어려움을 회피할 수 있게 되는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

광픽업에서의 구면수차 보정장치 {Apparatus for compensating spherical aberration in optical pick-up}

본 발명은, 광픽업에서 발생되는 구면 수차(Spherical Aberration)를 보정하기 위한 구면수차 보정장치에 관한 것이다.

광기록 기술의 고밀도 추세에 따라, 광픽업에는 보다 짧은 파장의 레이저 다이오드(Laser Diode)와, 보다 큰 개구수(NA: Numerical Aperture)를 갖는 대물 렌즈의 사용이 일반화되고 있는 데, 최근에는, 405nm의 블루 레이저 다이오드와 0.85 NA의 대물 렌즈 사용이 실용 단계에 있다.

한편, 상기와 같은 고밀도화가 진행되면서, 다양한 기술적인 어려운 문제들이 나타나고 있는 데, 그 중 대표적인 것이 대 구경 렌즈의 사용으로 인한 구면수차 발생으로, 상기 구면수차가 나타나는 원리는, 도 1에 도시한 바와 같이, 대물렌즈(10)의 중심 축 부근을 지나는 광이 모이는 초점과, 대물렌즈의 외곽을 지나는 광이 모이는 초점의 위치가 동일한 광축 상에서, 서로 다르게 나타나기 때문이다.

그리고, 이는 실제 대물렌즈가 구와는 다르기 때문에, 대물렌즈를 지나, 디스크(11)에 맺혀지는 빔 스폿의 빔 분포, 또는 위상 분포가 구형파와는 거리가 있기 때문이며, 또한 구면수차는, 레이저 파장과 광디스크의 커버 레이어(Cover Layer)의 두께에 크게 영향을 받게 된다.

또한, 레이저 다이오드마다 각각 다른 파장을 가지고, 광디스크마다 커버 레이어 두께에 차이를 가지고 있으며, 또한, 동일한 레이저 다이오드를 사용하는 경우에도, 사용 도중 작동 온도에 따라, 파장이 계속 변화하는 현상이 나타나므로, 구면수차 특성이 달라지게 된다.

한편, 구면수차가 크게 발생하는 광학계에서는, 광 기록 매질에 빔이 정확하게 집광되지 않기 때문에, 레이저 다이오드의 파워 전달이 비효율적이게 되며, 데이터 독출시에도 신호 대 잡음(S/N) 비가 나빠지게 된다.

따라서, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 사용되는 대표적인 2 가지 방법중 하나는, 도 2에 도시한 바와 같이, 일반적인 광픽업 구조에, 액정판(Liquid Crystal Plate)(18)을 삽입하여 구면수차를 보정하는 것으로, 상기 액정판(18)는, 인가 전압에 비례하여 투과하는 빔에 대해 다른 위상을 더해 주는 특성이 있다.

그리고, 상기 구면수차를 보정하기 위한 액정판은, 도 2에 도시한 바와 같이, 반경에 따라 각각 다른 전압(V1,V2,V3,V4)을 가해줄 수 있는 전극이 연결되어 있으며, 인가 전압들을 조절하여, 각 부분의 상대 위상을 조절하여, 상기 액정판과 대물렌즈를 통과하고 나온 빔이 잘 집광될 수 있도록 한다.

한편, 상기 방법은 비교적 정확하게 구면수차를 능동적으로 제어할 수 있다는 장점이 있으나, 대물 렌즈가 트랙킹 이동을 할 때 같이, 이동해 주지 않으면 매우 큰 구면수차가 발생되므로, 상기 액정판을 대물렌즈 바로 앞에 설치하고, 액츄에이터로 같이 연동하도록 해야 한다는 단점이 있다.

그리고, 또다른 구면수차 보정 방법에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 1 축 액츄에이터의 광픽업 구조에서, 구면수차 보정장치에 들어갈 위치로 표시한 자리에빔 익스팬더(Beam Expander) 장치를 삽입하고, 그 중 한 렌즈를 1 축 액추에이터를 광축 방향으로 조절 이동하게 된다.

이 경우, 렌즈간의 거리가 변화됨에 따라, 이 장치를 투과한 빔의 발산 각도가 변하게 되고, 이를 적절히 조절하면 대물렌즈 앞에서 적절한 위상 분포를 가져서 구면수차를 최소화할 수 있게 되는 데, 상기 방법은 전술한 바와 같이, 트래킹에 따른 구면수차 발생에 영향으로 적게 주면서, 광축에 고정적으로 설치할 수 있다는 장점이 있지만, 구면수차를 능동적으로 보정하기 위해 축 방향으로 렌즈를 이동시키게 됨에 따라, 틸트(Tilt) 등의 에러 요인이 발생하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 액츄에이터의 구조물 중량 증가와, 배선의 난이도 등의 문제를 해결함과 아울러, 틸트 발생 없이도, 구면수차를 능동적으로 보정할 수 있도록, 웨지(Wedge) 형상의 광학소자의 이동 및 회전에 의해 렌즈들간의 유효 광거리 변화를 이용하여, 구면수차를 보정하는 광픽업에서의 구면수차 보정장치를 제공하는 데, 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 광픽업에서의 구면수차 발생 원리를 설명하기 위해 도시한 것이고,

도 2는 일반적인 구면수차 보정장치가 구비된 광픽업에 대한 구성을 도시한 것이고,

도 3은 일반적인 구면수차 보정장치에서 대한 다른 실시예의 구성을 도시한 것이고,

도 4는 본 발명에 따른 광픽업에서의 구면수차 보정장치에 대한 구성을 도시한 것이고,

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 광픽업에서의 구면수차 보정장치에 대한 다른 실시예의 구성을 도시한 것이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 대물렌즈 11 : 디스크

30 : 제1 렌즈 40 : 제2 렌즈

50,60 : 제1 웨지형 광학소자 51,61 : 제2 웨지형 광학소자

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광픽업에서의 구면수차 보정장치는, 두 개의 렌즈 사이에, 웨지형 광학소자가 설치됨과 아울러, 상기 웨지형 광학소자의 이동 또는 회전에 따른 두 개의 렌즈간의 유효 광거리 변화를 이용하여, 구면수차를 보정하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 광픽업에서의 구면수차 보정장치에 대한 바람직한 실시예에 대해, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에서는, 액정판을 이용할 경우의 문제점을 해결하기 위하여 1축 액츄에이터 구조에서 이용된 빔 익스팬더(Beam Expander) 배치를 그대로 이용하되, 1 축 액츄에이터 구조에서와 같이, 구면수차의 능동적 보정을 위해 렌즈를 직접 광축 방향으로 이동시키는 대신, 두 렌즈간의 유효 광거리(Effective Optical Length)에 변화를 주어, 동일한 효과가 나타나도록 한다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 두 렌즈(30,40) 사이의 유효 광거리를 변화시키기 위한 광학소자를 배치하게 되는 데, 상기 광학소자는 굴절률 n을 가지며, 레이저빔을 투과하는 물질로 만든 웨지형 광학소자(50)를 제작되어, 두 렌즈 사이에 삽입된다.

한편, 상기 웨지형 광학소자를 축 방향에 대해 수직 방향으로 이동시키면, 광축에 걸치는 웨지형 광학소자의 투과 두께가 연속적으로 증가 또는 감소하게 되므로, 두 렌즈 사이의 유효 광거리를 증가 또는 감소시키는 효과가 발생하게 되며, 상기 웨지형 물질의 굴절률이 n이고, 웨지형 광학소자의 이동에 따른 두께 변화가 Dt라면, 그에 따른 유효 광거리 변화는 (n-1) X Dt가 된다.

그리고, 상기 웨지형 광학소자(50)의 각에 의한 굴절이 생기는 것을 방지하기 위한 보정 웨지형 광학소자(51)를, 도 4에 도시한 바와 같이, 추가 배치함으로써, 구면수차 보정을 위한 장치가, 광축의 방향에 영향을 주게 되는 것을 최소화시키게 되므로, 상기 웨지형 광학소자를 이용하여, 종래의 구면수차 보정방법에서 발생된 문제점들을 최소화시킬 수 있게 된다.

즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 웨지형 광학소자의 한 면은 빔 입사면으로, 광 축에 대해 수직면을 가지고 다른 후면은 소정 경사각을 가지며, 광축에 대해서 수직으로 이동하면, 빔이 지나가는 웨지형 광학소자의 두께가 달라지게 되고, 빔이 렌즈 사이를 지나가는 유효 광거리가 달라지게 되므로, 투과 빔의 위상 및 세기 분포가 달라지게 되어, 이를 적절히 조절하여 대물렌즈에서 집광될 때 나타나는 구면수차를 보정할 수 있게 된다.

한편, 상기 빔이 웨지형 광학소자의 후면을 투과할 때 후면이 가지는 각에 의해서 빔이 굴절될 수 있는 데, 이를 최소화하기 위해 같은 경사각을 가지는 보정 웨지형 광학소자(51)를 근접 설치하게 되며, 상기 웨지형 광학소자들(50,51)은, 도 5에 도시한 바와 같이, 두 렌즈 사이에 설치된다.

그리고, 상기와 같은 렌즈 세트(30,50,51,40)는, 일반 광픽업에서 빔 익스팬더 등의 역할을 하는 구조로, 도 2에 도시한 구면수차 보정장치(18)에 배치될 수 있는 데, 본 발명에 따른 구면수차 보정장치를 도 2에 도시한 바와 같이, 구성되는 일반 광픽업에 추가 배치한 경우, 전체적인 광 경로에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 레이저 다이오드(20)로부터 발생된 S 극의 선편광을 가지는 빔이 콜리메이터 렌즈(19)를 통과하면서, 원형의 평행광으로 변환되고, 그 빔이 본 발명에따른 구면수차 보정장치(30,50,51,40)를 통과하면, 웨지형 광학소자(50)의 위치에 따라 조절된 위상 및 세기 분포를 가지게 된다.

그리고, 상기 빔은, PBS(14)에서, 반사되어 광 경로를 90 도 꺾게 되고, QWP(12)를 지나 원편광이 되고, 대물렌즈(10)에 의해 디스크 표면(11)에 집광되는데, 이때 빔의 파장과 디스크 커버 두께, 그리고 구면수차 보정장치에 의한 위상 변화 상태 등의 복합적 영향으로 특정 구면수차 값을 갖게 되며, 이에 상응하는 수치가 구면수차 보정장치에 피드백되어 능동적으로 구면수차 값을 감소시키는 동작이 이루어지게 된다.

한편, 광디스크에서 반사, 산란, 회절된 빔은, 전술한 광 경로에 반대되는 광 경로를 지나게 되는 것으로, 대물렌즈(10)를 통과한 빔은 QWP(12)를 지나, P 극의 선편광을 가지게 되고, 다시 PBS(13)에서 투과하여 포토 다이오드(17)로 검출되게 된다.

그리고, 본 발명에 따른 구면수차 보정장치는 도 5에 도시한 바와 같이, 회전 웨지형 광학소자(60)로 대체될 수도 있는 데, 상기 회전 웨지형 광학소자(60)는, 회전축을 광축과 평행하게 두고, 그 두께를 연속적으로 또는 단계적으로 변화시킨 기구 형상으로, 정면의 형상은, 도 6에 도시한 바와 같으며, 이 장치를 이용할 경우, 전술한 바 있는 웨지형 광학소자가 광축에서 수직한 방향의 일축 직선 운동을 하게 되는 동일한 효과를, 광축과 평행한 회전축을 중심으로 회전하는 운동으로 얻을 수 있다.

이때, 구면수차 보정을 연속적으로 해야 하는 경우, 회전 방향에 대해서 일정한 각을 가지고 두께가 변하도록 설계하고, 이때 후면이 가지는 각에 의해서 투과 빔이 굴절되는 것을 보정하기 위한 보정 웨지형 광학소자(61)를 추가한다.

만일, 구면수차 보정을 위한 렌즈간의 유효 광거리 변화가 불연속적으로 이루어져도 된다면, 도 6에 도시한 바와 같이, 계단 형식을 가지는 회전 웨지형 광학소자를 설계하여 이용할 수 있으며, 이 경우는 보정 웨지형 광학소자가 별도로 요구되지 않는다.

이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면, 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 또다른 다양한 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

상기와 같이 구성 및 이루어지는 본 발명에 따른 광픽업에서의 구면수차 보정장치는, 상하로 이동되는 웨지형 광학소자 또는 회전되는 웨지형 광학소자를 빔 익스팬더 구조에 추가 배치시킴으로써, 액정판으로 구면수차를 보정할 때 발생되는 대물렌즈의 액츄에이터의 비대화 현상 및 배선상의 난이도를 회피할 수 있게 되며, 또한, 1 축 액츄에이터로 렌즈를 광축 방향으로 이동시켜 구면수차를 보정할 때 발생되는 틸트 등을 회피할 수 있게 되며, 더욱이 회전 웨지형 광학소자를 이용할 경우, 1 축 직선 운동 대신 회전 운동으로 구면수차를 보정함으로써, 직선 운동에 필요한 가이드 설계 등의 기술적 어려움을 회피할 수 있게 되는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (5)

1. 두 개의 렌즈 사이에, 웨지형 광학소자가 설치됨과 아울러,

   상기 웨지형 광학소자의 이동 또는 회전에 따른 두 개의 렌즈간의 유효 광거리 변화를 이용하여, 구면수차를 보정하는 광픽업에서의 구면수차 보정장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 두 개의 렌즈 사이에는, 수직 이동에 의해 광 경로의 길이를 가변시키기 위한 제1 웨지형 광학소자와, 상기 제1 웨지형 광학소자에 의해 왜곡되는 광 빔을 보정하기 위한 제2 웨지형 광학소자가 설치되는 것을 특징으로 하는 광픽업에서의 구면수차 보정장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제1 웨지형 광학소자의 입사면은, 수평면이고, 투과면은 소정 각도의 경사면인 것을 특징으로 하는 광픽업에서의 구면수차 보정장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 두 개의 렌즈 사이에는, 회전에 의해 광 경로의 길이를 가변시키기 위한 제1 웨지형 광학소자와, 상기 제1 웨지형 광학소자에 의해 왜곡되는 광 빔을 보정하기 위한 제2 웨지형 광학소자가 설치되는 것을 특징으로 하는 광픽업에서의 구면수차 보정장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 두 개의 렌즈 사이에는, 회전에 의해 광 경로의 길이를 가변시키기 위한 계단 형식을 갖는 회전 웨지형 광학소자가 설치되는 것을 특징으로 하는 광픽업에서의 구면수차 보정장치.