KR20060134014A - 구면 수차 결정 방법 - Google Patents

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KR20060134014A
KR20060134014A KR1020067013544A KR20067013544A KR20060134014A KR 20060134014 A KR20060134014 A KR 20060134014A KR 1020067013544 A KR1020067013544 A KR 1020067013544A KR 20067013544 A KR20067013544 A KR 20067013544A KR 20060134014 A KR20060134014 A KR 20060134014A
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요아킴 크닛텔
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톰슨 라이센싱
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Abstract

본 발명은 광학 기록 매체로부터 판독 및/또는 광학 기록 매체에의 기입 동안에 일어나는 구면 수차를 결정하는 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 구면 수차를 결정하는 방법은
광 빔(2)을 적어도 2개의 부분 광 빔(20, 21, 22, 23, 24, 25)으로 분할하는 단계,
부분 광 빔(20, 21, 22, 23, 24, 25)을 각 검출기(11, 12, 13, 16, 17, 18) 위에 초점 맞춤하여, 검출기(12, 13, 16, 17, 18)에 의해 생성된 적어도 하나의 신호(A, B, C, D)가 각 부분 광 빔(21, 22, 23, 24, 25)의 위치에 의존하는, 초점 맞춤 단계 및
검출기(12, 13, 16, 17, 18)에 의해 생성된 신호(A, B, C, D)를 사용하여 구면 수차를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

구면 수차 결정 방법{METHOD FOR DETERMINING SPHERICAL ABERRATION}
본 발명은, 광학 기록 매체로부터의 판독 및/또는 광학 기록 매체에의 기입 동안에 일어나는 구면 수차를 결정하는 방법 및 디바이스에 관한 것이고, 그러한 방법 또는 디바이스를 사용하여 광학 기록 매체로부터의 판독 및/또는 광학 기록 매체에의 기입을 위한 장치에 관한 것이다.
구면 수차는, 기록 매체의 덮개층(cover-layer)의 두께가 광학 픽업(optical pickup)의 대물 렌즈에 관해서 최적인 경우가 아닐 때 광학 기록 매체로부터의 판독 및/또는 광학 기록 매체에의 기입 동안의 광학 픽업시 일어난다. 일반적으로, 대물 렌즈는 오직 단일 덮개층 두께에 관해 잘 보정된다. 하지만 기록 매체, 그리고 더 중요한 다층 광학 기록 매체 시스템에서의 제작 공정으로 인해 덮개층의 두께의 변동이 일어난다.
구면 수차를 보정하기 위한 현재 제안된 방법은, 망원경이나 액정 요소이다. 이들 요소를 올바르게 설정하기 위해, 광학 픽업에 의해 하나의 제어 신호가 제공되어야 하고, 이는 구면 수차의 현재 양에 대한 정보를 준다. 그러한 제어 신호를 생성하기 위해서는, 구면 수차의 양이 검출되어야 한다.
미국 특허 출원 US 2002/0057359호는 광 빔을 적절히 분리하여 구면 수차를 검출함으로써, 분리된 광 빔의 최소 스폿 직경의 위치에서의 차이를 확대하는 수차 검출 디바이스를 개시한다. 광 빔은 그것이 최소 빔 직경을 가질 때, 파면(wavefront)을 나타내는 곡선의 극값에 대응하는 경계에 의해 분할된 2개의 구역을 가지는 홀로그램에 의해 분리된다. 분리된 빔은 2개의 검출 디바이스 위에 초점 맞춤(focusing)된다. 한 검출 디바이스는 홀로그램의 5차 회절된 광의 초점 위치보다 홀로그램에 더 가깝게 위치하는데 반해, 제 2 검출 디바이스는 홀로그램으로부터 더 멀리 위치한다. 분리된 빔의 스폿 크기를 측정함으로써, 구면 수차가 검출된다.
본 발명의 목적은 광 빔에서의 구면 수차를 결정하는 또 다른 방법을 제안한다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은
- 광 빔을 적어도 2개의 부분 광 빔으로 분할하는 단계,
- 부분 광 빔을 각 검출기 위에 초점 맞춤하여, 검출기에 의해 생성된 적어도 하나의 신호가 각 부분 광 빔의 위치에 의존하는, 초점 맞춤 단계 및
- 검출기에 의해 생성된 신호를 사용하여 구면 수차를 결정하는 단계를 포함하는 방법에 의해 달성된다.
광 빔을 부분 광 빔들로 분할하는 것은, 부분 광 빔의 적어도 하나의 위치가 광 빔의 구면 수차의 양에 의존하도록 수행된다. 그러므로 이러한 부분 광 빔의 위치를 결정함으로써, 구면 수차가 측정된다. 바람직하게는 적은 부분의 광 빔만이 구면 수차를 측정하기 위해 검출기 위로 향하고, 주된 부분은 초점 맞춤과 트랙킹을 위해, 그리고 광학 기록 매체로부터의 데이터를 판독하기 위해 사용된다.
유리하게, 검출기에 의해 생성된 신호를 사용하여 구면 수차를 결정하는 단계는, 광 빔의 선택된 구역의 파면의 기울기를 결정하는 단계를 포함한다. 파면의 기울기는 구면 수차에 관한 측정치이다. 또한, 선택된 구역에 대응하는 부분 광 빔의 전파 방향이 파면의 기울기에 수직이므로, 이러한 기울기는 부분 광 빔의 위치에 직접적인 영향을 미친다. 그러므로 부분 광 빔의 위치를 측정하는 것은 부분 광 빔의 파면의 기울기를 결정하는 것을 허용하고, 이는 또한 구면 수차를 결정하는 것을 허용한다. 물론, 파면의 기울기를 결정하는 다른 방법이 또한 이용될 수 있다.
유리하게, 2개의 전환(diverting) 요소를 포함하는 특별한 빔 스플리터가 광 빔을 부분 광 빔으로 분할하기 위해 제공된다. 유리하게, 이러한 2가지 전환 요소는 프리즘이고, 이들은 그것들이 광 빔의 외부 부분의 부분들이 각각의 검출기 위를 향하게 하도록, 유리판에 붙여져 있다. 이러한 식으로, 특별한 빔 스플리터는 저비용으로 실현된다. 대안적으로, 전환 요소는 거울이나 격자이다.
바람직하게 전환 요소와 각각의 검출기는 광 빔의 광학 축에 대칭적으로 배치된다. 이러한 배치의 대칭성은 검출기, 레이저 다이오드, 초점 맞춤 렌즈 등과 같은 광학 구성 성분의 작은 측면 이동을 용인하는 것을 허용한다. 그러므로 시스템은 더 신뢰성이 있게 된다.
유리하게, 각각의 검출기는 위치에 민감한 2개-사분면(2-quadrant) 검출기이다. 이들 검출기는 매우 편리한 방식으로 그리고 저렴한 비용으로 부분 광 빔의 위치를 결정하는 것을 허용한다.
유리하게, 정규화된 차이 신호가 광 빔의 선택된 구역의 기울기를 결정하기 위해 검출기에 의해 생성된 신호로부터 생성된다. 정규화는 기록 매체의 반사도 차이 또는 기록 매체에 저장된 데이터로 인해 야기된 부분 광 빔의 에너지 변동을 고려하는 것을 허용한다. 차이 신호를 결정함으로써, 구면 수차의 존재 또는 부재가 검출될뿐 아니라, 수차의 부호도 결정된다.
본 발명의 추가 양상에 따르면, 광 빔을 부분 광 빔으로 분할하기 위한 홀로그램이 제공된다. 이 홀로그램은, 예컨대 광 빔의 외부 부분의 부분들을 각각의 검출기 위로 향하게 할 수 있다. 대안적으로, 복수의 파면 패턴이 홀로그램에 저장된다. 이러한 식으로, 인입 광 빔의 파면이 복수의 저장된 파면과 비교된다. 이후 광 빔을 복수의 부분 광 빔으로 분할하는 것은, 하나 이상의 저장된 파면과 인입 광 빔의 파면의 유사한 정도의 등급(grade)에 의존한다.
유리하게, 부분 빔들은 광 빔에서의 구면 수차의 양에 의존하여 각각의 검출기 위에 초점 맞춤된다. 예컨대 파면이 양의 구면 수차를 가진다면, 광 빔의 일부는 제 1 검출기 위로 향하게 된다. 파면이 어떠한 구면 수차도 가지지 않는다면, 광 빔의 일부는 제 2 검출기 위로 향하게 된다. 하지만 파면이 음의 구면 수차를 가진다면, 광 빔의 일부는 제 3 검출기 위로 향하게 된다. 실제로는 2개 이상의 검출기가 홀로그램으로부터 부분 광 빔을 수신한다. 구면 수차의 양은 이후 각 부분 광 빔에서의 에너지의 양으로부터 결정된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명의 목적은, 광 빔에서의 구면 수차를 결정하는 디바이스에 의해 달성되는데, 이 디바이스는
- 광 빔을 적어도 2개의 부분 광 빔으로 분할하는 빔 스플리터,
- 부분 광 빔을 각 검출기 위에 초점 맞춤하는 초점 맞춤 수단 및
- 검출기에 의해 생성된 신호를 사용하여 광 빔의 선택된 구역의 기울기를 결정하는 신호 처리기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명의 목적은 광 빔에서의 구면 수차를 결정하는 디바이스에 의해 달성되는데, 이 디바이스는
- 광 빔을 적어도 2개의 부분 광 빔으로 분할하는 홀로그램,
- 부분 광 빔을 각 검출기 위에 초점 맞춤하는 초점 맞춤 수단 및
- 상기 검출기에 의해 생성된 신호를 사용하여 구면 수차를 결정하는 신호 처리기를 포함한다.
유리하게, 광학 기록 매체로부터의 판독 및/또는 광학 기록 매체에의 기입을 위한 장치는, 광 빔에서의 구면 수차를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법을 사용하거나 광 빔에서의 구면 수차를 결정하기 위한 본 발명에 따른 디바이스를 포함한다.
본 발명의 더 나은 이해를 위해, 도면을 참조하여 다음 설명에서 전형적인 실시예가 기술된다. 본 발명은 이러한 전형적인 실시예에 제한되지 않고, 기술된 특징 또한 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 유리하게 결합 및/또는 수정될 수 있다는 점이 이해된다.
도 1은 구면 수차가 존재할 때 되돌아오는 광 빔의 위상 분포를 도시하는 도면.
도 2는 구면 수차를 측정할 수 있는 본 발명에 따른 광학 픽업을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 특별한 빔 스플리터를 더 상세히 도시하는 도면.
도 4는 덮개 층의 두께의 함수로서의 정규화된 차이 신호(SA)를 도시하는 도면.
도 5는 수차 보정을 위해 사용된 액정 렌즈의 초점 길이의 함수로서의 정규화된 차이 신호(SA)를 도시하는 도면.
도 6은 구면 수차를 측정할 수 있는 본 발명의 또 다른 양상에 따른 광학 픽업을 도시하는 도면.
광학 기록 매체로부터의 판독을 위해서는, 일반적으로 하나의 광 빔이 기록 매체의 데이터 층 위에 초점 맞춤된다. 기록 매체로부터 반사된 광 빔은 이후 데이터 층에 저장된 데이터에 의해 변조되고, 이는 저장된 데이터를 복구하는 것을 허용한다. 기록 매체의 기판의 두께가 전체 기록 매체에 대해서 일정할 때는, 기록 매체로부터 반사된 광은 거의 편평한 위상 프로파일을 가진다. 하지만 기판의 두께에는 편차가 존재하는 경우, 이 파면은 공간적으로 변하는 위상 그래디언트를 구비한 도넛 형태의 프로파일을 나타낸다. 그러한 파면의 위상 분포가 도 1에 도시되어 있다. 전파 방향, 즉 광선의 각도는 화살표로 표시된 바와 같이 국부 위상 그래디언트에 수직이다. 이 화살표는 축척대로 그려져 있지 않다. 빔의 선택된 구역으로부터 오는 광의 방향, 즉 화살표 중 하나의 방향을 측정함으로써, 구면 수차의 양에 대한 정보가 얻어진다.
도 2는 구면 수차를 측정할 수 있는 다층 광학 기록 매체에 관한 광학 픽업을 개략적으로 도시한다. 픽업은 크게 표준 픽업에 대응한다. 하지만 구면 수차를 측정하기 위한 추가 요소가 제공된다. 레이저 다이오드(1)는 광학 축을 따라 선형으로 편광된 광 빔(2)을 방출한다. 이 광 빔(2)은 시준기(3)에 의해 시준되고, 편광 빔 스플리터(4)와 1/4파 플레이트(5)를 통과하며 이들은 광 빔(2)의 선형 편광을 원형 편광으로 변환한다. 이후 광 빔(2)은, 초커싱 렌즈(6)에 의해, 덮개층(7a)을 가진 기록 매체(7) 위에 초점 맞춤된다. 광 빔(2)의 일부는 기록 매체(7)로부터 반사되고, 초점 맞춤 렌즈(6)에 의해 시준된다. 반사된 광 빔(2)이 1/4파 플레이트(5)를 통과하면, 그것의 원형 편광이 선형 편광으로 변환된다. 하지만 1/4파 플레이트(5)를 통과한 후, 반사된 광 빔(2)의 편광 방향은 초기 광 빔(2)의 편광 방향에 수직이다. 그러므로 반사된 광 빔(2)은 이제 검출기 장치(11, 12, 13) 쪽으로 편광 빔 스플리터(4)에 의해 반사된다. 또 다른 초점 맞춤 렌즈(8)는 표준 트랙킹과 초점 맞춤 제어를 위해 4사분면 검출기(11) 위에 원통형 렌즈(10)를 통해 광 빔(2)을 초점 맞춤한다. 하지만 특별한 빔 스플리터(9)가 기록 매체로부터 되돌아오는 광 빔(2)을 3개의 빔(20, 21, 22)으로 분할한다. 에너지의 약 90%를 운반하는 메인(main) 빔(20)은 4사분면 검출기(11) 위에 초점 맞춤된다. 2개의 나머지 빔(21, 22)은 위치에 민감한 2개-사분면 검출기(12, 13) 위에 초점 맞춤된다. 제 1의 2개-사분면 검출기(12)는 신호(A, B)를 생성하고, 제 2의 2개-사분면 검출기(13)는 신호(C, D)를 생성한다. 정규화된 차이 신호(SA)를 계산함으로써, 신호 처리기(14)는 빔의 전파 방향을 결정한다. 정규화된 차이 신호(SA)는 다음 공식에 따라 계산된다.
SA = 0.5*([A-B)/A+B)]+[D-C)/(D+C)])
원칙적으로 이러한 측정 방법은 매우 간단한 쉑-하트만(Shack-Hartmann) 파면 센서에 대응한다. 빔 스플리터(9)의 설계와 검출기(12, 13)의 위치 선정으로 인해, 정규화된 차이 신호(SA)는 구면 수차 없이 시준된 파에 관해 0과 같게 된다. 구면 수차가 존재하는 경우, 2개-사분면 검출기(12, 13) 위의 스폿은 이동하고, 정규화된 차이 신호(SA)의 절대값이 0보다 크게 된다. 정규화된 차이 신호(SA)의 부호가 구면 수차의 부호에 의존하므로, 정규화된 차이 신호(SA)는 구면 수차 보정기(미도시)에 관한 제어 신호로서 사용될 수 있다.
특별한 빔 스플리터(9)는 도 3에 더 상세히 도시되어 있고, 이 경우 도 3의 a) 부분은 측면도를 도시하고, b) 부분은 빔 스플리터(9)의 평면도를 도시한다. 빔 스플리터는 주로 2개의 작은 프리즘(91, 92)으로 이루어져 있는데, 이들은 편평한 유리 기판(93) 위에 고정된다. 바람직하게, 프리즘(91, 92)은 광 빔(2)의 광학 축에 대칭적으로 배치되어 있다. 프리즘(91, 92)의 구역 내에 있는 광은 고정된 각도만큼 벗어나 있다. 나머지 광은 빔 분할 요소(9)를 통해 똑바로 투과된다.
광선 추적 프로그램의 도움으로 얻어진 기록 매체의 덮개층의 두께의 함수로 서의 정규화된 차이 신호(SA)의 시뮬레이션이 도 4에 도시되어 있다. 시뮬레이션을 위해, 0.85의 개구 수치를 가지고 100㎛의 덮개층 두께에 관해 보정되는 초점 맞춤 렌즈(6)가 가정되었다. 정규화된 차이 신호(SA)를 계산하기 전에, 비점수차(astigmatic) 초점 제어 신호가 초점 액추에이터의 위치, 즉 기록 매체로부터의 초점 맞춤 렌즈(6)의 거리를 적응시킴으로써, 0으로 설정되었다. 시뮬레이션은 정규화된 차이 신호(SA)의 부호가 덮개층 두께 편차의 부호에 의존하고, 신호는 구면 수차 보정 요소를 제어하기에 적합하다는 것을 보여준다.
도 5에서, 정규화된 차이 신호(SA)(왼쪽 축, 실선)가 액정 렌즈의 초점 길이의 함수로서 도시되어 있고, 이는 구면 수차의 보정을 위해 사용된다. 도 5는 또한 기록 매체 위의 초점 스폿에서의 파면 에러를 보여준다(오른쪽 축, 점선). 최소 파면 에러의 위치(298㎜에서)에서의 정규화된 차이 신호(SA)의 작은 오프셋은 전자적으로 보정될 수 있다.
구면 수차를 측정하기 위한 또 다른 접근은 도 6에 도시되어 있다. 이 실시예에서는, 특별한 빔 스플리터가 특별한 볼륨 홀로그램(15)으로 대체된다. 또한 2개의 추가 검출기 대신, 신호(A, B, C)를 각각 생성하는 3개의 추가 검출기(16, 17, 18)가 사용된다. 볼륨 홀로그램이 저장된 패턴과 파면을 상관시키는데 사용될 수 있다는 것이 잘 알려져 있다. 다양한 정도의 구면 수차를 가진 파면 패턴을 저장함으로써, 충돌하는 파면의 구면 수차의 양을 결정하는 것이 가능하다. 이 홀로그램은 바람직하게 다음과 같이 설계된다. 대부분의 광(>90%)은 홀로그램을 통해 투과된다. 홀로그램(15)을 통과하는 파면이 양의 구면 수차를 가진다면, 1 내지 2% 의 광이 제 1 검출기(16) 위에 초점 맞춤된다. 홀로그램(15)을 통과하는 파면이 어떠한 구면 수차도 가지지 않는다면, 1 내지 2%의 광이 제 2 검출기(17) 위에 초점 맞춤된다. 홀로그램(15)을 통과하는 파면이 음의 구면 수차를 가진다면, 1 내지 2%의 광이 제 3 검출기(18) 위에 초점 맞춤된다. 3개의 검출기(16, 17, 18)의 신호(A, B, C)를 적합한 알고리즘과 비교함으로써, 구면 수차 보정기에 관한 제어 신호가 생성된다. 유리하게는, 홀로그램(15)이 초점 맞춤 렌즈(6) 위에 직접 위치한다. 이는 심지어 초점 맞춤 렌즈(6)가 초점 맞춤이나 트랙킹을 위해 활성화되는 경우에도 홀로그램(15)이 항상 잘 조정되도록 한다는 장점을 가진다. 이러한 기술의 주된 어려움은 홀로그램(15)의 초기 설계이다. 일단 설계가 이루어지면, 볼륨 홀로그램(15)이 플라스틱으로 복사에 의해 쉽게 대량 생산될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 광학 기록 매체로부터의 판독 및/또는 광학 기록 매체에의 기입 동안에 일어나는 구면 수차를 결정하는 데 이용 가능하다.

Claims (7)

  1. 광 빔(2)에서의 구면 수차를 결정하는 방법으로서,
    - 광 빔(2)을 적어도 2개의 부분 광 빔(20, 21, 22, 23, 24, 25)으로 분할하는 단계,
    - 부분 광 빔(20, 21, 22, 23, 24, 25)을 각 검출기(11, 12, 13, 16, 17, 18) 위에 초점 맞춤하여, 검출기(12, 13, 16, 17, 18)에 의해 생성된 적어도 하나의 신호(A, B, C, D)가 각 부분 광 빔(21, 22, 23, 24, 25)의 위치에 의존하는, 초점 맞춤(focusing) 단계 및
    - 검출기(12, 13, 16, 17, 18)에 의해 생성된 신호(A, B, C, D)를 사용하여 구면 수차를 결정하는 단계를 포함하는 광 빔(2)에서의 구면 수차 결정 방법에 있어서,
    광 빔(2)을 부분 광 빔(20, 23, 24, 25)으로 분할하기 위한 홀로그램(15)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 광 빔에서의 구면 수차 결정 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 복수의 파면 패턴이 홀로그램(15)에 저장되는 것을 특징으로 하는, 광 빔에서의 구면 수차 결정 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 부분 빔(23, 24, 25)은 광 빔(2)에서의 구면 수차의 양에 따라 각 검출기(16, 17, 18) 위에 초점 맞춤되는 것을 특징으로 하는, 광 빔에서의 구면 수차 결정 방법.
  4. 광 빔(2)에서의 구면 수차를 결정하는 디바이스로서,
    - 상기 광 빔(2)을 적어도 2개의 부분 광 빔(20, 23, 24, 25)으로 분할하는 홀로그램(15),
    - 상기 부분 광 빔(20, 23, 24, 25)을 각 검출기(11, 16, 17, 18) 위에 초점 맞춤하는 초점 맞춤 수단(8) 및
    - 상기 검출기(16, 17, 18)에 의해 생성된 신호(A, B, C)를 사용하여 구면 수차를 결정하는 신호 처리기(14)를
    포함하는, 광 빔에서의 구면 수차를 결정하는 디바이스.
  5. 제 4항에 있어서, 복수의 파면(wavefront) 패턴이 홀로그램(15)에 저장되는, 광 빔에서의 구면 수차를 결정하는 디바이스.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 부분 빔(23, 24, 25)은 광 빔(2)에서의 구면 수차의 양에 따라 각 검출기(16, 17, 18) 위에 초점 맞춤되는, 광 빔에서의 구면 수차를 결정하는 디바이스.
  7. 광학 기록 매체로부터 판독 및/또는 광학 기록 매체로 기입하기 위한 장치로서,
    제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 방법을 사용하거나 구면 수차를 결정하기 위해 제 4항 내지 제 6항에 따른 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학 기록 매체로부터 판독 및/또는 광학 기록 매체로 기입하기 위한 장치.
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