KR20060030509A

KR20060030509A - 광학 장치

Info

Publication number: KR20060030509A
Application number: KR1020067000346A
Authority: KR
Inventors: 베르나르두스 에이치. 더블유. 헨드릭스
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2003-07-09
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-04-10
Also published as: EP1647017B1; US20060251378A1; DE602004018929D1; CN100377235C; JP2007519134A; ATE420435T1; US20090161520A1; WO2005006320A1; EP1647017A1; US7564763B2; CN1816855A

Abstract

각종 광 기록 매체를 주사하는 광학 시스템이 개시되어 있다. 광학 시스템은 다수의 광학부재(NPS1, NPS2)를 갖는 보상기를 포함한다. 광학부재(NPS1, NPS2)는 스텝에 의해 분리된 환형 영역을 갖는 비-주기적 위상 구조(NPS)이며, 다른 길이의 광로의 비-주기적 패턴을 형성한다. 광학 시스템의 렌즈계에 NPS 면을 갖는 이들 복수의 광학부재(NPS1, NPS2)를 포함하는 것에 의해, 다른 파라미터의 변화에 민감하지 않도록 하면서, 온도, 입사각, 시스템 입사 방사 빔의 편파, 방사 파장과 같은 파라미터의 변화의 효과를 보상하는 것이 가능하다.

광학 장치, 광학 시스템, 광학부재, 보상기, 위상 구조, 비-주기적 패턴, 광로, 파면 편이, 굴절률, 정보층, 주사

Description

광학 장치{OPTICAL ARRANGEMENT}

본 발명은 광학 장치에 관한 것으로, 특히, 다른 종류의 광학 기록 매체의 스캐닝에 사용되는 광학 소자를 포함하는 광학 장치, 또는 카메라와 같은 광학 시스템에서의 광학 소자에 관한 것이다.

광 판독 및 기록 분야의 발전에 따라, 높은 정보 용량 및 밀도와 같은 확장된 용량을 가지고 점차 복잡해지고 있는 시스템이 도입되었다. 불행히도, 이들 확장된 용량에 기인하여 시스템의 허용 오차의 여유도가 감소된다.

새로운 광학 시스템의 예로서는 새로운 광 기록 프로토콜인 블루-레이 디스크 (BD) 시스템이 있다. BD 시스템은 405nm의 파장, 0.85의 개구수(NA), 0.1mm 기판 두께의 기록 매체에 대한 구면 수차 보상능을 갖는 방사 빔을 사용한다. 이 시스템을 650nm의 파장, 0.6의 개구수, 및 0.6mm의 기록 매체 기판 두께를 갖는 방사 빔을 사용하는 DVD(digital versatile disk) 시스템과 비교하면, 개구수 증가 및 파장 감소로 인해 BD의 허용 오차 여유도가 DVD에 비해 크게 작아진다. 데이터 밀도를 크게 증가시킬 수 있는(25GB 디스크를 기록할 수 있는) BD 시스템은 레이저 온도 변화시 또는 레이저 파장이 회분 간에(from batch to batch) 수 nm 만큼 변화할 때 야기될 수 있는 파장 변화에 매우 민감하다.

광 기록 분야의 다른 예에서, 정보는 컴팩트 디스크(CD) 또는 DVD와 같은 광 기록 매체의 정보층에 저장된다. 이러한 광 디스크에 저장될 수 있는 정보의 밀도 증가는 광 디스크의 정보층의 주사에 사용되는 방사 빔의 초점 크기를 감소시키는 것으로 얻어질 수 있다. 이러한 초점 크기 감소는 보다 짧은 파장과 보다 높은 개구수의 방사빔을 사용하는 것으로 얻어질 수 있다. 그러나, 증가된 해상도는 광학 시스템 내의 광학 소자에 적용되는 허용 오차를 감소시키는 경향이 있다. 이러한 감소된 허용 오차는 광 디스크의 주사을 위한 방사 빔의 초점이 품질 저하에 보다 민감하게 한다.

광학 시스템은 예컨대, CD 및 DVD와 같은 다른 종류의 광 디스크에 모두 적용되도록 설계될 수 있다. 이러한 시스템에서, 각 종류의 디스크의 주사을 위한 적절하면서도 상이한 파장을 갖는 별도의 방사 빔이 사용된다. 각 방사 빔은 방사 빔을 광 디스크상의 초점에 집속하기 위한 광학 소자가 놓여 있는 시스템 내 광로의 공통부를 따라 진행된다. 대물 렌즈와 같은 광학 소자의 설계시, 소정의 광 디스크의 주사에 사용되는 방사 빔이 광 디스크 상의 양호한 품질의 스폿에 확실히 집속되는 것이 필요하기 때문에, 문제가 발생한다.

이 문제는 각종의 디스크의 주사을 위한 방사 빔의 파장 및 개구수가 상이한 것에 의해 부분적으로 야기되지만, 방사 빔이 통과하는 제1 및 제2 종류의 광 디스크의 투명 커버층의 정보층 깊이 간의 차이에 의해서도 기인된다. 이 커버층은 이 커버층을 통과하는 방사 빔을 변형시킨다. 이 변형은 방사 빔에 파면 편이를 도입하여 커버층에 의한 변형을 보상하고 획득된 초점이 최상의 품질을 확보하도록 대물 렌즈의 상세 사양을 설계할 때 고려된다. CD와 DVD의 경우, 이 커버층의 두께 는 각각 대략 1.2mm와 0.6mm이다. 결국, DVD 주사 방사 빔을 초점에 집속하도록 설계된 대물 렌즈가 CD의 주사에 사용되면, 구면 수차를 포함하는 파면 편이가 방사 빔에 도입되어 DVD의 커버층에 의해 도입된 파면 편이를 보상한다. CD의 커버층은 DVD의 커버층과 다른 깊이를 가지므로, 초점의 품질은 저하된다.

전술한 바와 같이, 초점의 품질에 영향을 미치는 광학 시스템의 파라미터들로서는 광학 시스템 상의 온도 변화와 같은 환경적 영향이 있다. 이 종류의 광학 시스템은 통상 광 디스크를 주사하는 방사 빔의 수렴도 변경을 위한 시준 렌즈와 방사빔을 광 디스크 상의 초점에 집속하기 위한 대물 렌즈를 포함한다. 상기 광학 시스템은 표준 작동 온도에서 사용되도록 설계되며, 시준 렌즈 및 대물 렌즈를 포함하는 광학 소자의 정밀한 사양은 상기 표준 온도를 기초로 결정된다.

상기 표준 온도로부터의 변화에 의해 광학 소자의 특성이 영향을 받아 방사 빔의 초점의 품질을 저하시키게 된다. 대물 렌즈의 경우, 온도 변화는 렌즈 형성 재료의 굴절률, 렌즈 형태 및 렌즈 치수의 변화를 가져온다. 또한, 이 온도 변화는 디스크의 주사에 사용되는 방사 빔의 파장에 미소 변화를 가져온다. 초점 품질의 결과적인 저하는 전형적으로 방사 빔의 구면 수차를 포함하는 파면 편이의 형태에 있다.

파장이 소정 범위로 변화할 때 생기는 원치 않는 수차는 Optics and Spectroscopy의 volume 6(1959), 126-133 페이지에 소개된 A. Tudorovskii에 의한 "위상판을 갖는 대물 렌즈"의 논고에 설명된 바와 같은 주기적 노치형 렌즈 구조를 사용하여 감소될 수 있다. 이 논고에서 설명된 노치형 렌즈는 일반 렌즈와 회절형 구조를 조합한 것으로 볼 수 있다. 렌즈 내의 각 스텝은 파장의 배수에 상응하는 전파 빔의 파면에 위상 스텝을 도입한다. 원치 않는 수차를 감소시킬 수 있는 정확한 방법이 상기 논고에서 모두 설명되고 있다. 그러나, 전술한 광학 시스템에 이 방법을 사용하는 것에는 비록 상기 노치형 렌즈 구조가 광학 시스템을 비-색 의존화할 수 있더라도 이 구조가 일반적으로 매우 많은 국소 영역을 야기한다는 중대한 단점이 있다. 이는 상기 구조에 미소의 주기적 영역을 유지하는데 높은 정밀도가 요구되므로, 상기 구조의 제조를 어렵게 할 수 있다.

비-주기적 위상 구조(non-periodic phase structure; NPS)의 사용은 전술한 노치형 렌즈 소자와 관련된 문제 일부를 줄일 수 있다. NPS는 길이가 다른 광로의 비-주기적 패턴을 형성하는 환형 영역을 포함하는 위상 구조를 갖는다. NPS는 통상 이를 통과하는 방사 빔에 파면 편이를 도입하며, 추가의 파면 편이 도입을 통해 방사 빔의 파면 편이를 변형 또는 수정하는데 사용될 수 있다.

국제 특허 출원 공개 WO 01/48745는 일 종류의 광 기록 매체를 주사하기 위한 광학 헤드를 기술하고 있다. 설계 온도에서, 대물 렌즈는 방사 빔이 광 기록 매체 상의 스폿에 집속되도록 배열된다. 설계 온도 이외의 온도에서, 대물 렌즈는 방사 빔 내로 파면 편이를 도입한다. 방사 빔 내로 추가의 파면 편이를 도입하도록 NPS가 배열되어 대물 렌즈에 의해 도입된 파면 편이를 감소시킨다.

국제 특허 출원 공개 WO 02/082437은 각각 제1, 제2, 제3의 파장의 방사 빔으로 제1, 제2, 제3 종류의 광 기록 매체를 주사하기 위한 광 주사 장치를 기술하고 있다. 주사 대상의 소정 광 기록 매체에 방사 빔을 집속하기 위해 대물 렌즈계 가 제공된다. 또한, 방사 빔의 경로에 NPS가 제공된다. 상기 NPS는 평 파면을 제1 방사 빔에 대해, 구면 수차 파면을 제2 방사 빔에, 평 또는 구면 수차 파면을 제3 방사 빔에 근접시킨다.

국제 특허 출원 공개 WO 02/29798은 각각 제1, 제2 방사 빔으로 제1, 제2 종류의 광 기록 매체를 주사하기 위한 광학 장치를 기술하고 있다. 각 방사 빔은 다른 개구수를 가진다. 양자의 장치는 제1 방사 빔에는 영향을 미치지 않지만 제2 방사 빔 내로 구면 수차를 도입하는 NPS를 포함한다. 도입된 구면 수차는 제1, 제2 광 기록 매체의 커버층의 두께 차를 통해 주사시 얻어지는 구면 수차를 보상하기 위한 것이다.

국제 특허 출원 공개 WO 01/48746은 다른 회분(batches)으로부터 레이저 다이오드 간의 미소한 차이에 의해 통상 야기되는 레이저 다이오드에 의해 발산되는 미소한 파장 변화가 단일 NPS의 사용으로 보상되는 광 기록 매체를 주사하기 위한 광학 장치를 기술하고 있다. 광학 장치에 최적화된 파장과 다른 파장의 방사 빔을 사용하는 것은 소정량의 구면색수차, 즉, NPS에 의해 수정될 파장차에 비례하는 소정량의 구면 수차를 통상 일으킬 것이다.

NPS 장치의 결점은 비록 NPS가 주어진 파라미터에서 하나의 변동에 대해 보정할 수 있지만, 렌즈 및 NPS는 다른 파라미터들에서의 변동에 민감해진다는 것이다. 예를 들면, NPS가 대물 렌즈계에서의 열 변화를 보상하는데 사용되는 경우, 광학 장치가 파장 변화에 민감해지도록 할 수 있다. 이들 파장 변화는 광학 시스템에 사용되는 레이저의 파장이 샘플 마다 수 nm 만큼 변화된다는 사실로부터 기인 할 수 있다.

광 기록을 위한 광 픽업시, NPS와 함께 대물 렌즈를 비-열 의존화(athermal)하는 것은 사용된 레이저의 파장에 따라 원치 않는 파면 수차를 야기할 수 있다. 이 파장 의존성은 바람직하지 않으며, 열 보정을 위한 NPS의 적용을 제한할 수 있다.

또한, NPS 장치의 다른 결점은 비록 NPS가 대물 렌즈를 제로 필드 각도에 대해 비-색 의존화시킬 수 있더라도 비-제로 필드 각도에서 보상은 필드 각도에 의존된다는 것이다. 그 결과, 광역 필드 각도에서의 보상은 더 이상 최적이지 않으며, NPS를 사용하여 비-색 의존화된 카메라 렌즈 또는 줌 렌즈는 뷰 시스템(view system)의 광역 필드에 대해 최적이지 않다.

본 발명의 목적은 전술한 제한을 극복하도록 광학 시스템의 대물 렌즈의 성능을 향상시키는 것이다.

본 발명에 따르면, 방사 빔과 상호 작용하는 광학 장치이 제공되며, 이 구성은 광학 시스템과 보상기를 포함하며, 이 보상기는 길이가 다른 광로의 비-주기적 패턴을 형성하는 스텝형 환형 영역을 포함하는 위상 구조를 갖는 제1 광학부재를 구비하며,

상기 보상기는:

보상기와 방사 빔의 상호 작용시 제1 파라미터의 변화에 의해 도입되고, 광학 시스템과 방사 빔의 상호 작용시 제1 파라미터의 변화에 의해 도입되는 파면 편이를 상쇄하도록 배열되는 제1 파면 편이와;

보상기와 방사 빔의 상호 작용시 제2의 다른 파라미터의 변화에 의해 도입되는 제2 파면 편이를;

발생하도록 배열되며,

상기 보상기는, 상기 제2 파면 편이를 감소시키도록 배열되고, 길이가 다른 광로의 비-주기적 패턴을 형성하는 스텝형 환형 영역을 포함하는 위상 구조를 갖는 제2 광학부재를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

제1 및 제2 파면 편이의 효과는 각 경우 방사 빔의 실효치 광로차(root mean square optical path difference: RMS OPD)에 대해 정량화 가능하다는 것이다. RMS OPD와 관련하여 제2 편이를 감소시키는 것에 의해 보상기는 변화하는 조건하에서 스폿에 집속시의 빔의 해상도를 향상시키고, 따라서 시스템의 허용 공차를 증가시키는 효과를 갖는다.

본 발명의 이용에 따라, 보상기에 의해 온도, 입사각, 방사 빔의 편파 및 파장과 같은 파라미터일 수 있는 제1 파라미터의 변화의 효과를 보상하면서도, 상기 열거된 다른 파라미터일 수 있는 제2 파라미터가 변화될 때 (제1 광학부재에 의해 달리 야기될 수 있는) 실질적인 제2 파면 편이를 야기하지 않을 수 있다.

바람직하게는, 상기 보상기는, 보상기가 존재하지 않을 때에 비해, 광학 장치과 방사 빔의 상호 작용시 제2 파라미터의 변화에 의해 도입되는 파면 편이를 증가시키지 않고, 광학 시스템과 방사 빔의 상호 작용시 제1 파라미터의 변화에 의해 도입되는 파면 편이를 실질적으로 보상한다. "실질적인 보상"에 의해, 보상기의 작동 범위 이상에서, 결과적인 파면 편이의 RMS OPD가 회절 한계 이하, 즉 70mλ 이하, 보다 바람직하게는 40mλ 이하로 감소됨을 의미한다.

바람직하게는, 상기 2개의 광학부재는 상이한 재료로 구성되어 있어서, 광학부재의 스텝 높이를 적절한 관계로 형성함으로써 보상기의 여러 가지 바람직한 특성을 실현할 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조로 예시만의 목적으로 주어진 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 분명해질 것이다. 상기 도면에서,

도 1은 본 발명의 일 형태에 따라 광학부재를 포함하는 스캐닝 광학 장치를 도시하며;

도 2는 도 1의 광학부재를 확대 도시한 단면도이다.

도 1은 광 기록 매체(2)를 주사하기 위한 장치(1)를 도시한다. 광 기록 매체는 일면상에 정보층(4)이 배치된 투명층(3)을 구비한다. 투명층(3)에서 멀어지는 쪽을 향하는 정보층(4)의 측면은 보호층(5)에 의해 환경적 영향으로부터 보호된다. 상기 장치를 향하는 투명층(3)의 측면은 입사면(6)으로 지칭된다. 투명층(3)은 정보층(4)을 기계적으로 지지하는 것에 의해 기록 매체를 위한 기판으로서 작용한다. 또는, 상기 투명층(3)은, 예컨대, 보호층(5), 또는 추가의 정보층과 이 정보층에 연결된 투명층과 같이 정보층(4)의 다른 측면 상에 있는 층으로 기계적 지지를 제공하는 한편, 정보층을 보호하는 기능만을 가질 수 있다. 정보는 도면에 도시되지 않은 실질적으로 평행한 동심적 또는 나선형 트랙에 배열된 선택적으로 검출 가능한 마크의 형태로 기록 매체의 정보층(4)에 저장될 수 있다. 상기 마크는 선택적으로 판독 가능한 형태, 예컨대, 그 주변과는 다른 반사 계수 또는 자화 방향을 갖는 피트 또는 영역의 형태, 또는 이들 형태의 조합일 수 있다.

주사 장치(1)는 방사 빔(7)을 출사시키는 방사원을 구비한다. 도 1에 도시된 방사원은 방사 빔(7)을 내는 반도체 레이저(9)를 구비한다. 방사 빔(7)은 광 기록 매체(2)의 정보층(4)을 주사하기 위해 사용된다. 빔 분리기(13)는 광로상의 발산 방사 빔(12)을 시준 렌즈(14)로 반사키키고, 시준 렌즈는 발산 빔(12)을 시준 빔(15)으로 변환시킨다. 시준 빔(15)은 그 파면을 변형시키는 투명 보상기(16)에 입사된다. 보상기(16)에서 오는 빔(17)은 대물 렌즈계(18)에 입사된다.

대물 렌즈계(18)는 광축(19)을 갖는다. 대물 렌즈계(18)는 빔(17)을, 기록 매체(2)의 입사면(6)에 입사되는 수렴 빔(20)으로 변경시킨다. 대물 렌즈계(18)는 투명층(3)의 두께를 통한 방사 빔의 통과를 위해 맞춰진 구면 수차 보정을 갖는다. 수렴 빔(20)은 정보층(4) 상에 스폿(21)을 형성한다. 정보층에 의해 반사된 방사 빔은, 대물 렌즈계(18)에 의해 실질적으로 평행한 시준 빔(23)으로 전환되고 연속하여 시준 렌즈(14)에 의해 수렴 빔(24)으로 전환되는 발산 빔(22)을 형성한다. 빔 분리기(13)는 수렴 빔(24)의 적어도 일부를 검출계(25)로 보내는 것에 의해 전방 반사 빔을 분리한다.

검출계(25)는 방사 빔을 포획한 후 전기적 출력 신호(26)로 변환시킨다. 신호 처리부(27)는 이들 출력 신호를 각종의 다른 신호로 변환시킨다. 그 신호들 중 하나가 정보 신호(28)이며, 정보 신호의 값은 정보층(4)에서 판독한 정보를 나타낸다. 정보 신호는 에러 보정을 위한 정보-처리부에 의해 처리된다. 신호 처리부(27)로부터의 다른 신호는 집속 에러 신호와 래디얼 에러 신호(30)이다.

집속 에러 신호는 스폿(21)과 정보층(4) 사이의 축 방향 높이 차를 나타낸다. 래디얼 에러 신호는 정보층(4)의 평면에서 스폿(21)과 그 스폿(21)에 선행하는 정보층(4)의 트랙의 중심 사이의 거리를 나타낸다. 집속 에러 신호와 래디얼 에러 신호는 이들 신호를 집속 액츄에이터와 래디얼 액츄에이터 각각의 제어를 위한 서보 제어 신호(32)로 변환시키는 서보 회로(31)로 전송된다. 상기 액츄에이터들은 도 1에 도시되어 있지 않다. 집속 액츄에이터는 대물 렌즈계(18)의 위치를 집속 방향(33)으로 제어하여, 스폿(21)의 실제 위치를 정보층(4)의 평면에 실질적으로 일치시키도록 스폿의 실제 위치를 제어한다. 래디얼 액츄에이터는 대물 렌즈계(18)의 위치를 반경 방향으로 제어하여, 스폿(21)의 반경 방향 위치를 정보층(4)에서 선행하는 트랙의 중심선에 일치시키도록 제어한다. 도면에서의 트랙은 도면의 평면에 수직인 방향을 따른다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 배열된 예시의 보상기(16)를 도시한 단면도이다. 보상기(16)는 2개의 상보 NPS 요소인 NPS1 및 NPS2를 구비한다. 각 NPS 요소는 투명판(50, 60)을 포함하며, 투명판의 일면은 광축(19)에 회전 대칭인 위상 구조를 포함한다. 본 실시예에서, NPS1의 위상 구조는 중심 영역(51)과 2개의 동심의 환형 영역(52, 53)을 가진다. 환형 영역(52, 53)은 중심 영역(51)의 높이 보다 작은 높이(hj)를 갖는 링이다. 유사하게, NPS2의 위상 구조는 중심 영역(54)과 2개의 동심의 환형 영역(55, 56)을 가진다. 환형 영역(55, 56)은 중심 영역(54)의 높이 보다 큰 높이(bj)를 갖는 링이다. 도 2의 영역의 높이는 투명판(50, 60)의 두께 및 반경 방향 범위에 대해 과장된 것임을 주의하여야 한다. 또한, 이 특정 예에서는 영역의 수를 3개로 하고 있지만, 통상 영역의 수는 소정의 수를 취할 수 있음을 주의하여야 한다. 보상을 유지하여야 할 영역에 대해, 영역의 수 및 그 각각의 범위는 2개의 NPS 요소 모두 동일한 것이 바람직하다.

도 2의 NPS 구조를 고려할 때, hj(NPS1의 스텝 j의 높이)는 다음과 같게 한다:

이때, mj는 정수, λ는 파장, 및 n1은 NPS 구성 재료의 굴절률이다.

유사하게, bj(NPS2의 스텝 j의 높이)는 다음과 같게 한다:

이때, qj는 정수, λ는 파장, 및 n2은 NPS 구성 재료의 굴절률이다.

제로 입사각을 갖는 평 파면이 NPS를 통과시 각 스텝은 2π의 배수의 진정수(integral number)의 위상 스텝을 발생시킴을 주의하라.

빔 파장이 변경시, NPS 구조의 스텝은 다음과 같은 위상 변화(모듈로 2π)를 발생시킨다:

이때,

은 각 재료의 분산이다.

유사하게, 광학 시스템의 온도 변화시, NPS 구조의 스텝은 다음과 같은 위상 변화(모듈로 2π)를 발생시킨다:

이때, α는 각 재료의 열팽창 계수,

은 각 재료의 굴절률의 온도 계수이다.

하기에 보다 상세히 설명될 본 발명의 실시예에서, 제1 NPS(NPS1)는 PMMA(폴리(메틸 메타크릴레이트))로 구성되고, 제2 NPS(NPS2)는 BK7 Schott^TM 유리로 구성된다. 표 1에서 PMMA와 BK7 Schott 유리의 특성이 405nm 파장에서 표로 만들어져 있다.

표 1

재료	n	dn/dλ	α	dn/dT
PMMA	1.5060	-0.000114nm^-1	62.0 10^-6	-12.5 10^-5
BK7	1.5302	-0.000127nm^-1	7.1 10^-6	0.35 10^-5

하나의 NPS 요소만이 존재하고, 그 요소는 PMMA로 구성된 종래 기술의 경우를 고려하면, 다음을 알 수 있다:

JE de Vries and HP Urbach in Appl. Opt. 40(2001)의 6548-6560 페이지, 섹션 2A에 개재된 BHW Hendriks에 의한 "비주기적 위상 구조의 광학 시스템으로의 적용"의 논고에서, 하나의 NPS 요소를 가지고, 대물 렌즈와 보상기(NPS)로 이루어진 광학 장치의 온도 의존성을 실질적으로 감소시킬 수 있는 방법이 설명되어 있다. 상기 수학식 (5)의 세번째 식으로부터, 이 NPS가 1nm 파장 편이의 경우 14.6℃ 온도 변화의 경우와 동일한 파면 수차를 생성함을 알 수 있다. 그 결과, 열 효과를 보상하는 설명된 NPS는 파면 변화에도 상대적으로 민감하다.

본 발명의 제1 실시예에서, 보상기는 파장 변화에 둔감한 개선된 특징을 갖는다. 이 실시예에서, 보상기는 2개의 요소가 다른 굴절률 및 굴절률의 다른 온도 계수를 갖는 상이한 재료로 구성된 도 2에 도시된 바와 같은 2개의 NPS 요소(NPS1, NPS2)로 구성되어 있다. 일례로서, 제1 요소(NPS1)는 PMMA로, 제2 요소(NPS2)는 BK7 Schott 유리로 구성된다.

보상기가 파장 변화에 실질적으로 의존하지 않도록 하기 위해, 수학식 (3)의 우측항은 실질적으로 제로가 되도록 배열된다. 따라서, 여기에서 K로 나타낸 mj/qj의 비율은 다음 조건을 만족한다:

수학식 (6)의 우측항은 NPS 구조에 개선된 주 동작 모드를 제공하기 위해 일반적으로 실수이기 때문에, K의 값은 바람직하게는 유리수로 반올림되어, 2개 정수의 분리로서 기록되도록 한다. 표 1에 제시된 재료의 경우, K는 대략 -1과 같다. 이는 예컨대, 유리수 -1/1에 의해 근접될 수 있으며, 따라서, K=-1이 선택될 수 있다. NPS 구조는 mj=-qj, 따라서, 비율 K=mj/qj=-1이고, 그에 따라 2개의 NPS 구조의 각 영역 j에 대해 일정하도록 바람직하게 배열된다. 표 1에 제시된 재료의 경우, 다음을 따른다:

이로부터, 2개의 상보 NPS 요소를 포함하는 광학 시스템의 파장 의존성은 단일 NPS의 경우에 비해 상당히 감소(본 실시예에서 200 이상의 인자 만큼)됨을 알 수 있다.

상기 경우가 광학 시스템이 실질적으로 광학 장치의 파장 증가 없이 보상기의 존재에 의해 비-열 의존화(athermal)될 수 있는 경우이더라도, 본 발명을 이용하여 기타의 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에서, 광학 시스템은 시스템의 온도 의존성을 증가시키지 않고 비-색 의존화(achromatic)시킬 수 있다. JE de Vries and HP Urbach in Appl. Opt. 40(2001)의 6548-6560 페이지, 섹션 2B에 개재된 BHW Hendriks에 의한 "비주기적 위상 구조의 광학 시스템으로의 적용"의 논고에서, 하나의 NPS 요소를 가지고, 대물 렌즈와 보상기(NPS)로 이루어진 광학 장치의 색 의존성을 실질적으로 감소시킬 수 있는 방법이 설명되어 있다. 상기 수학식 (5)의 세번째 식으로부터, 이 NPS가 14.6℃ 온도 변화의 경우 1nm 파장 편이의 경우와 동일한 파면 수차를 생성함을 알 수 있다. 그 결과, 색 효과를 보상하는 설명된 NPS는 온도 변화에도 상대적으로 민감하다.

이 실시예에서, 보상기는 2개의 요소가 다른 굴절률과 굴절률의 다른 열팽창 계수 및 다른 온도 계수를 갖는 상이한 재료로 구성된 도 2에 도시된 바와 같은 2개의 NPS 요소(NPS1, NPS2)로 구성되어 있다. 이 실시예에서, 비율 K=mj/qj는 수학식 (4)의 우측항이 실질적으로 제로와 같아지도록 배열된다. 따라서, 이 비율은 아래와 같이 주어진다:

표 1에 제시된 재료의 경우, 수학식 (8)의 우측항은 0.074와 같다. 다시, K의 값은 바람직하게 유리수로 반올림되어, 2개의 정수의 분리로서 기록되어진다. 이 예에서, K는 예컨대, 유리수 1/13에 의해 근접될 수 있으며, 따라서, K=1/13이 선택될 수 있다. NPS 구조는 mj=1, qj=13, 따라서, 비율 K=mj/qj=1/13이고, 그에 따라 2개의 NPS 구조의 각 영역 j에 대해 일정하도록 바람직하게 배열된다.

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, NPS 요소의 재료 및 K의 값을 적절히 선택하는 것에 의해, 광학 장치을 동시에 비- 색 의존화 및 비-열 의존화시킬 수 있다. 예컨대, 광학 시스템이 비-색 의존적이지만 비- 열 의존적이 아닌 경우, 제1 실시예에 설명된 바와 같은 보상기는 실질적으로 비- 색 의존적 및 비- 열 의존적인 광학 장치을 만들어 내도록 배열될 수 있다.

본 발명의 제4 실시예에서, 보상기는 필드 각도 변화에 둔감한 개선된 특성을 갖는다. 방사 빔의 필드 각도(θ)가 제로가 아닌 경우, NPS 구조의 스텝은 다음과 같은 위상 변화(모듈로 2π)를 발생시킨다:

이때, θ는 필드 각도이다.

수학식 (9)는 다음과 같이 근사화될 수 있다:

하기에 보다 상세히 설명될 본 발명의 실시예에서, 제1 NPS(NPS1)는 PMMA로 구성되고, 제2 NPS(NPS2)는 폴리카보네이트로 구성된다. 표 2에서 PMMA와 폴리카보네이트의 특성이 550nm 파장에서 표로 만들어져 있다.

표 2

재료	n	dn/dλ
PMMA	1.494	-0.0000537nm^-1
폴리카보네이트	1.590	-0.0001226nm^-1

PMMA로 구성된 하나의 NPS 만이 존재하는 종래 기술의 경우를 고려하면 다음과 같다:

JE de Vries and HP Urbach in Appl. Opt. 40(2001)의 6548-6560 페이지, 섹션 2B 및 2C에 개재된 BHW Hendriks에 의한 "비주기적 위상 구조의 광학 시스템으로의 적용"의 논고에서, 하나의 NPS 요소를 가지고, 대물 렌즈와 보상기(NPS)로 이루어진 광학 장치의 색 의존성을 실질적으로 감소시킬 수 있는 방법이 설명되어 있다. 상기 수학식 (11)의 세번째 식으로부터, 색 효과를 보상하는 설명된 NPS는 필드 각도 변화에도 상대적으로 민감하다.

본 발명의 제4 실시예에서, 보상기는 2개의 요소가 다른 굴절률을 갖는 상이한 재료로 구성된 도 2에 도시된 바와 같은 2개의 NPS 요소(NPS1, NPS2)로 구성되 어 있다. 일례로서, NPS1은 PMMA로 구성되고, NPS2는 폴리카보네이트로 구성된다. 보상기를 실질적으로 필드 각도에 의존하지 않게 하기 위해, 수학식 (8)의 우측항은 실질적으로 제로와 같도록 배열된다. 따라서, K=mj/qj는 다음 조건을 만족한다:

표 2에 제시된 재료의 경우, 이 수학식의 우측항은 -0.9396과 같다. 다시, K의 값은 바람직하게 유리수로 반올림되어, 2개의 정수의 분리로서 기록되어진다. 이 예에서, K는 예컨대, 유리수 -15/16에 의해 근접될 수 있다. 따라서, NPS 구조는 16mj=-qj, 따라서, 비율 K=mj/qj=-15/16이고, 그에 따라 2개의 NPS 구조의 각 영역 j에 대해 일정하도록 바람직하게 배열된다. 표 2로부터 다음을 따른다:

이들 수학식으로부터, 2개의 상보 NPS 요소를 포함하는 광학 시스템의 필드 각도 의존성은 단일 NPS의 경우에 비해 상당히 감소(본 실시예에서 50 이상의 인자 만큼)됨을 알 수 있다.

본 발명의 제5 실시예에서, 시스템의 색 특성에 영향을 미치지 않고 시스템의 필드 의존성을 감소시키는 보상기가 제공된다. 보상기를 실질적으로 파장 변화 에 의존하지 않게 하기 위해, 수학식 (3)의 우측항은 실질적으로 제로와 같도록 배열된다. 따라서, 비율 K=mj/qj는 상기 수학식 (6)에 제시된 조건을 만족한다.

또한, 본 발명의 제6 실시예에 따르면, NPS 요소의 재료 및 K의 값을 적절히 선택하는 것에 의해, 광학 장치을 동시에 비-색 의존화 및 감소된 필드의 뷰 의존성을 갖도록 할 수 있다. 예컨대, 광학 시스템이 비-색 의존적이지만 필드 변화에 민감한 경우, 제5 실시예에 설명된 바와 같은 보상기는 실질적으로 비-색 의존적이면서 감소된 필드의 뷰 의존성을 갖는 광학 장치을 만들어 낸다.

본 발명의 제7 실시예에서, 보상기는 하나 이상의 상보 NPS 요소를 포함하고 시스템에서의 편파 변화의 효과를 보상하는데 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 보상기는 2개의 요소가 다른 굴절률과 굴절률의 다른 편파를 갖는 상이한 재료로 구성된 도 2에 도시된 바와 같은 2개의 NPS 요소(NPS1, NPS2)로 구성되어 있다.

빔 편파(p)의 변화는 전형적으로 굴절률 변화를 가져올 것이다. 방사 빔의 편파 변화(Δp)의 경우, NPS 구조의 스텝은 다음과 같은 위상 변화(모듈로 2π)를 발생시킨다:

이때,

은 각 재료의 굴절률의 편파 계수이다.

편파 변화에 실질적으로 독립적으로 동작하도록 배열된 보상기의 경우, 수학 식 (14)의 우측항은 실질적으로 제로와 같도록 배열된다. 따라서, K의 값은 다음과 같이 주어진다:

다시, K의 값은 바람직하게 유리수로 반올림되어, 2개의 정수의 분리로서 기록되어진다.

전술한 실시예들로부터, 방사 빔의 파면이, 스텝 높이(hj, bj)의 비율이 j의 값에 무관하게 실질적으로 일정한 파라미터 K와 같은 하나 이상의 NPS를 사용하는 것에 의해 변형될 수 있는 것으로 추론하는 것이 가능하다. 상수 K의 값은 파면 변경자(modifier)의 광학적 기능에 따라 적절히 선택 가능하다.

복수 NPS 요소의 배열의 적절한 조작에 의해 보상될 수 있는 많은 다른 모드들이 존재한다.

전술한 실시예들은 예시의 목적으로만 주어진 것으로 본 발명은 그 특정 상세에 한정되지 않음을 알 것이다.

주의할 사항으로, 전술한 실시예들과 관련하여 도 1에 도시된 광 픽업의 경우, 제1 NPS(NPS1)는 예컨대, 시준 렌즈(14), 또는 별도의 플레이트 상에 형성될 수 있다. 제2 NPS(NPS2)는 예컨대, 대물 렌즈(18)의 렌즈 중 하나, 또는 별도의 플레이트 위에 형성될 수 있다.

NPS 요소는 전술한 효과중 일부 또는 전부를 보상하는 적절한 특성을 갖는 소정의 적합한 투명 재료로 구성될 수 있음을 알 것이다.

또한, 2개 이상의 NPS의 사용은 광학 장치를 각종 모드로 동작하게 함을 알 것이다. 예를 들면, 제1 모드로 파장 변화 효과를 보상하고 제2 모드로 온도 변화를 보상하기 위한 2가지 이상의 모드를 갖는 광 픽업 또는 기록 장치에 보상기가 포함될 수 있다. 이것은 광학 장치에 사용될 2개의 추가 NPS 요소를 필요로 하게 된다. 다시, 2가지 동작 모드에 의해 파장, 온도, 입사각 및 편파의 변화 효과를 보상하는 다른 조합을 예상할 수 있다.

또한, 연속적으로 추가된 NPS 요소에 의해 각각 보상되는 2가지 이상의 효과가 보상되는 광학 시스템을 상상해 볼 수 있다.

또한, NPS1, NPS2에서, 스텝 높이는 (외부 영역에 대해) 각각 포지티브 및 네가티브이다. NPS1 또는 NPS2의 스텝 높이는 별도의 요소들이 수행하는 기능 또는 보상에 따라 포지티브 또는 네가티브일 수 있다.

어느 하나의 실시예에 관련하여 설명된 어떤 특징은 단독으로, 또는 설명된 다른 특징과 조합하여 이용될 수 있으며, 다른 실시예 또는 다른 실시예의 소정 조합의 하나 이상의 특징과 조합하여 이용될 수도 있다. 또한, 전술되지 않은 등가물 및 변형물들도 첨부한 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 채용될 수 있다.

Claims

방사 빔(7)과 상호 작용하는 광학 장치로서,

이 구성은 광학 시스템과 보상기를 포함하며, 이 보상기는 길이가 다른 광로의 비-주기적 패턴을 형성하는 스텝형 환형 영역(51, 52, 53)을 포함하는 위상 구조를 갖는 제1 광학부재(NPS1)를 구비하며,

상기 보상기는:

보상기와 방사 빔(7)의 상호 작용시 제1 파라미터의 변화에 의해 도입되고, 광학 시스템과 방사 빔(7)의 상호 작용시 제1 파라미터의 변화에 의해 도입되는 파면 편이를 상쇄하도록 배열되는 제1 파면 편이와;

보상기와 방사 빔(7)의 상호 작용시 제2의 다른 파라미터의 변화에 의해 도입되는 제2 파면 편이를 발생하도록 배열되며,

상기 보상기는, 상기 제2 파면 편이를 감소시키도록 배열되고, 길이가 다른 광로의 비-주기적 패턴을 형성하는 스텝형 환형 영역(54, 55, 56)을 포함하는 위상 구조를 갖는 제2 광학부재(NPS2)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 광학부재(NPS1)와 제2 광학부재(NPS2)는 다른 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제1 광학부재(NPS1)의 환형 영역은 스텝 높이(hj)에 의해 스텝이 형성되며, 상기 제2 광학부재(NPS2)의 환형 영역은 스텝 높이(bj)에 의해 스텝이 형성되며, 상기 제1 광학부재(NPS1)는 각각의 상기 환형 영역에 대해 스텝 높이(hj)가 실질적으로 다음 식과 같고:

(mj는 정수, λ는 파장, 및 n1은 제1 광학부재(NPS1)의 구성 재료의 굴절률),

상기 제2 광학부재(NPS2)는 각각의 상기 환형 영역에 대해 스텝 높이(bj)가 실질적으로 다음 식:

(bj는 정수, λ는 파장, 및 n2은 제2 광학부재(NPS1)의 구성 재료의 굴절률)

과 같은 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제3항에 있어서,

상기 제1 광학부재 및 상기 제2 광학부재는 대응하게 배열된 환형 영역을 구비하며, 상기 스텝 높이(hj, bj)는 상호 관련된 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제4항에 있어서,

상기 스텝 높이(hj, bj)는 실질적으로 상수 파라미터(K)에 의해 관련되며, 상수 파라미터(K)의 값은 각 광학부재의 보상 기능에 의존하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제5항에 있어서,

인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,

이며, 제2 파라미터는 방사 빔(7)의 파장인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,

이며,

이때, α1 및 α2는 제1 및 제2 광학부재의 구성 재료의 열 팽창 계수이고,
및
는 제1 및 제2 광학부재의 구성 재료의 굴절률의 온도 계수이며, 제2 파라미터는 광학 장치의 온도인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,

이고,

제2 파라미터는 방사 빔(7)의 입사각인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,

이고, 이때,
와
는 제1 및 제2 광학부재의 구성 재료의 굴절률의 편파 계수이고,

제2 파라미터는 방사 빔(7)의 편파인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
선행하는 청구항 중 어느 항에 따른 광학 장치를 구비하며, 방사원(9)을 사용하여 정보층(2)을 갖는 광 기록 매체를 주사하도록 배열된 것을 특징으로 하는 광 주사 장치.