KR920007316B1 - 자동초점 제어방식 - Google Patents

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KR920007316B1
KR920007316B1 KR1019850005883A KR850005883A KR920007316B1 KR 920007316 B1 KR920007316 B1 KR 920007316B1 KR 1019850005883 A KR1019850005883 A KR 1019850005883A KR 850005883 A KR850005883 A KR 850005883A KR 920007316 B1 KR920007316 B1 KR 920007316B1
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시게루 나가무라
요시도 쯔노다
다게시 마에다
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가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼
미쓰다 가쓰시게
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Abstract

내용 없음.

Description

자동초점 제어방식
제1도는 종래의 광디스크의 광헤드의 자동초점 제어방식의 1예를 도시한 도면.
제2도는 제1도의 초점어긋남 검출수단의 출력신호를 설명하는 도면.
제3도는 본 발명의 광디스크의 광헤드에 사용한 1실시예를 도시한 도면.
제4도는 제3도의 반도체레이저의 발진 파장과 초점스포트 위치사이의 관계를 도시한 도면.
제5도는 디스크 어긋남에 대한 재생신호의 강도의 변화를 도시한 도면.
제6도, 제7도, 제8도는 본 발명의 다른 실시예에 따르는 초점맞춤 광학계의 주요부를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 반도체레이저 2 : 조준렌즈
8 : 볼록렌즈 9 : 원주렌즈
10 : 나이프에지 11 : 2분할 광검출기
12 : 차동회로 14 : 검출신호
18 : 전자기 구동수단 20 : 초점맞춤렌즈
21 : 반투명미러 50 : 조합렌즈
53 : 프레넬존 플레이트렌즈
본 발명은 광정보처리장치의 자동초점 제어방식에 관한 것으로, 특히 광디스크장치의 광헤드등에 이용하기에 적절한 자동초점 제어방식에 관한 것이다.
종래의 광디스크장치에서의 광헤드의 자동초점 제어방식은 초점스포트와 디스크의 어긋남을 검출하여 그 어긋남에 따라서 초점맞춤렌즈를 기계적으로 움직이게 하므로써 실행되었다. 그래서 초점어긋남 검출수단의 검출특성과 추초점맞춤렌즈 구동수단의 응답특성은 고정밀도가 요구되었다. 이것을 제1도를 참조해서 설명한다. 제1도는 종래의 광헤드의 자동초점 제어방식의 1예이다.
반도체레이저(1)로 부터 방사된 광을 조준렌즈(2)로 평행광으로 만들고, 평행빔은 조리개 수 NA=0.5의 초점맞춤렌즈(3)에 의해 디스크(5)위의 스포트(4)를 결상시킨디. 그의 반사광은
Figure kpo00001
판(6)의 편광빔 스플리터(7)을 통과하여, 예를들면 볼록렌즈(8), 원주렌즈(9), 나이프에지(10), 2분할 광검출기(11) 및 차동회로(12)로 구성되는 공지의 초점어긋남검출수단에 보내진다. 이 검출수단의 검출원리의 상세한 설명은 본 발명과는 관계가 없으므로 생략한다. 그리고 이 초점어긋남 검출방식은 미국특허 4,450,547호에 개시되어 있다.
디스크(5)가 스포트(4)위 위치에 있을때 검출신호(14)는 제로레벨을 출력하지만, 디스크위치가(5')로 표시한 위치로 어긋나게 되면 반사광은 점선(13)으로 표시한 것과 같이 렌즈(3)을 통과한 후에 평행빔으로 부터 벗어나게 되어 차동회로(12)는 디스크의 어긋나는 방향과 양에 대응하는 정부의 극성을 갖는 전압레벨검출신호(14)를 출력한다. 제2도는 디스크의 어긋나는 양을 가로축(15)로, 차동회로(12)의 출력전압(14)를 세로축(16)으로 하였을때의 관계를 실선(17)로 표시한 것이다. 이 검출수단뿐만 아니라 대부분의 다른 초점어긋남 검출수단은 제2도에 도시한 것과 같은 검출신호를 출력한다. 이 검출신호(14)에 응하여 예를들면 스피커의 보이스코일을 응용한 전자기적 구동수단(18)로 렌즈(3)을 디스크의 어긋남이 생긴 방향으로 움직인다.
디스크의 위에 정보를 안정하게 기록 또는 재생하기 위해 초점맞춤렌즈의 조리개 수 NA=0.5, 파장 1=0.83㎛라고 가정하면, 스포트와 디스크사이의 어긋남을
Figure kpo00002
정도의 범위안에 들어오게 하여야 한다. 종래의 자동초점 제어방식에 의하면, 디스크가 ±1㎛ 정도 어긋났을 경우에 렌즈구동수단(18)이 적절한 속도와 힘으로 렌즈(3)을 이동시키는데 충분한 검출신호를 초점어긋남 검출수단이 출력하지 않으면 안된다. 그리고 디스크(5)가 스포트(4)의 위치의 ±0.2∼0.4㎛ 정도의 범위에 있을때 검출신호가 제로레벨이 되도록 초점어긋남 검출수단의 목표점의 초기 설정조정을 할 필요가 있다.
그리고 전체적으로 렌즈구동수단(18)은 고성능의 응답특성을 가지며, 자동초점 제어방식이 항상 스포트(4)와 디스크(5)사이의 어긋남이 ±1㎛ 이내의 범위로 제한되도록 제어하여야 한다.
이상 설명한 바와 같이 종래의 자동초점 제어방식에서는 스포트(4)와 디스크(5)사이의 어긋남을 보정하기 위해서 초점맞춤렌즈를 기계적으로 이동시키는 방법만으로 실행하고 있었으므로, 초점어긋남 검출수단의 검출감도나 초기 설정조정에 고정밀도가 요구되며, 또 렌즈구동수단에 높은 응답특성이 요구되는 등의 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 초점어긋남 검출수단의 검출감도나 초기 설정조정에 고정밀도가 필요치 않고, 초점어긋남 보정수단에 높은 응답성능을 필요로 하지 않으며, 또한 간단한 구성으로 스포트와 정보 매체면과의 어긋남이 적은 고성능의 자동초점 제어방식을 제공하는데에 있다.
본 발명은 반도체레이저의 정보매체로 부터의 반사광의 일부를 되돌려 줌으로서, 반도체레이저가 멀티모드발진을 하게 되는 것과 색수차가 있는 초점렌즈가 파장의 변화에 의해서 다른 위치에 스포트를 결상하는 것에 착안하여 이것들을 조합시켜서 수 ㎛의 범위이내로 □ 초점스포트의 결상위치를 정보매체의 어긋남에 자동적으로 추종시키는 효과를 발생시켜 종래방식의 결점을 해결하는 것이다.
이하 본 발명의 1실시예를 제3도를 참조해서 설명한다.
제3도는 본 발명을 광디스크장치에 있어서의 광헤드의 자동초점 제어방식에 적용한 예이며, 반도체레이저(1)로 부터 방사된 광을 조준렌즈(2)에서 평행광으로 만들고, NA=0.5인 초점맞춤렌즈(20)에 의해 디스크(5)위에 스포트 S3을 결상시킨다. 디스크(5)로 부터의 반사광은 소정의 투과율과 반사율을 가진 반투명미러(21)에서 일부는 투과하여 반도체레이저(1)로 되돌아가고, 나머지는 반사하여 초점어긋남 검출수단에 인도된다. 그리고 광디스크로 부터의 정보의 재생신호나 레이저빔 스포트를 제어하는 트랙킹신호를 얻기 위해서는 반투명미러(21)과 볼록렌즈(8)사이의 광의 통로에 빔 스플리터를 삽입해서 광디스크로 부터의 반사광을 2개 부분으로 나누고, 그들 중의 한쪽을 예를들면 2분할 광검출기로 검출하는 것에 의해서, 이 2분할 광검출기의 출력의 합으로 부터 재생신호를 출력의 차로 부터 트랙킹신호를 검출하게 되지만 본 발명의 요지와는 관계가 없으므로 도면에서는 생략하였다.
반도체레이저(1)은 싱글모드의 반도체레이저가 적합하다. 싱글모드의 반도체레이저는 중심파장 λ에 대해서 Δλ=λ2/nL만큼씩 서로 다른 모드의 파장으로 발진할 수 있다. 여기서, L은 레이저칩양단의 반사면의 간격이고, n은 활성층의 굴절율이다. 반도체레이저 자체에서는 Δλ만큼씩 파장이 다른 모드중에서 레이저칩양단의 반사면으로 구성되는 내부 공진기에 맞는 모드에서 가장 강하게 발진한다. 그러나, 본 실시예와 같이 레이저반사광의 일부를 레이저에 되돌려 보낼 경우, 레이저와 디스크가 외부 공진기로 되고 레이저의 활성층에 가장 되돌아가기 쉬운 파장의 모드에서 가장 강하게 발진한다. 되돌아가는 광의 양은 조준렌즈(2)의 조리개수가 0.25일 경우에 레이저 반사광의 0.5% 이상만 되면 충분하다. 한편 레이저자체에서 멀티모드발진을 하는 레이저에서는 되돌아가는 광을 부여하여도 발진파장의 변화가 거의 없으므로, 본 발명에는 적합하지 않다.
제4b도는 되돌아가는 광을 부여한 경우의 반도체레이저(1)의 스펙트럼을 도시한 것이며, 파장 λ1에서 λ15까지의 범위에 걸쳐 발진하고 있는 것으로 가정한다. λ=0.83㎛, n=3.5, L=300㎛라고 하면, 각 파장사이의 간격 △λ는 0.33㎚ 정도이다. 한편, 초점맞춤렌즈로써 종래에는 색지움렌즈를 사용하고 있었지만, 본 발명에서는 비교적 큰 색수차가 있는 초점맞춤렌즈(20)을 사용하고 있는 것이 특징이다.
제4a도는 색수차를 갖는 초점맞춤렌즈(20)의 스포트위치 S1∼S15를 도시한 것으로써, 파장 λ1의 스포트위치가 S1이고, 2의 스포트위치가 S2,………λ15의 스포트위치가 S15이다. 지금 디스크(5)가 스포트위치 S3근방에 있으면, 렌즈계의 결상의 관계에서 다른 빔중 파장 λ3의 레이저빔이 가장 많이 반도체레이저(1)에 되돌아가기 때문에 반도체레이저(1)은 제4b도와 같이 λ3을 중심으로 집중된 발진 스펙트럼으로 되고, 실질적인 레이저스포트는 S3의 위치, 즉 디스크(5)위에 집중한다. 다음에 디스크가 어긋나서 (5')의 위치에 왔다고 하면, 이번에는 파장 λ6의 스포트위치인 S6의 근방에 있게 되므로, 다른 빔가운데에서 파장 λ6의 레이저빔이 반도체레이저에 많이 되돌아가게 되기 때문에 제4c도와 같이 파장 λ6을 중심으로 집중된 발진 스펙트럼으로 되고, 실질적인 레이저스포트는 S3으로 부터 S6의 위치로 디스크어긋남에 추종하여 이동한다. 초점맞춤렌즈(20)의 조리개수를 NA라고 하면 초점 심도는
Figure kpo00003
다. 파장 λ6으로 발진하고 있는 레이저빔 스포트위치 S6으로 부터 디스크 어긋남이
Figure kpo00004
이내에 있다고 하면, 레이저로 되돌아가는 빔의 파면수차는
Figure kpo00005
이하이고, 결합렌즈로 레이저단면에 집속되는 되돌아가는 광의 에너지밀도는 거의 감소하지 않으므로(약 20%), 레이저는 파장 λ6에서 발진을 계속할 수가 있으며, 또 정보의 기록재생로 안정하게 실행할 수 있다.
NA=0.5라고 하면, 위에서 설명한 디스크어긋남의 범위는 ±0.83㎛ 이내이다. 디스크어긋남이 이 범위를 넘게 되면, 파장 λ6에서의 발진모드는 불안정하게 된다. 그러나, 스포트위치 S1, S2, S3,……사이의 간격이
Figure kpo00006
이고, 디스크어긋남이 ±0.83㎛를 초과했을 경우에는 파장 λ5또는 λ7의 발진모드로 옮겨 안정된 기록과 재생을 계속 실행한다. 따라서, 스포트위치 S1, S2,……의 간격은
Figure kpo00007
이내가 좋다. 한편, 파장 간격 Δλ는 약 0.33㎚이므로, 초점렌즈의 색수차의 양은 파장변화 1㎚당 초점어긋남이
Figure kpo00008
Figure kpo00009
이하이면 적당하다. 그리고, 레이저는 되돌아가는 광의 양을 0.5%가 되게 하였을 경우, 중심파장 λ에 대해서 Δλ만큼씩 서로 다른 약 15개의 파장모드가 가능하기 때문에 최대 약 ±12㎛의 디스크어긋남의 범위를 걸쳐서 안정된 기록재생을 할 수가 있다.
초점어긋남의 허용 정밀도는 종래에
Figure kpo00010
이었지만, 본 발명에 의해
Figure kpo00011
=2.7㎛ 이상으로 넓히기 위해서는 레이저스포트가
Figure kpo00012
이상 움직이지 않으면 않된다. 반도체레이저(1)에 되돌아가는 광의 양은 0.5∼1% 정도로 하였을 경우에는 Δλ=0.33㎛만큼씩 다른 약 15개의 파장모드가 가능하므로, 초점맞춤렌스(20)의 색수차에 대해, 0.33㎚×15≒5㎚의 파장변화에 대해서 초점위치가
Figure kpo00013
이상 변화할 필요가 있다. 즉
Figure kpo00014
이상의 색수차가 필요하다. 되돌아가는 광의 양을 1∼5% 정도로 하였을 경우에는 약 30개의 모드가 가능하므로, 초점맞춤렌즈의 색수차에 관해 변화 1㎚당의 초점어긋남은
Figure kpo00015
이상이 필요하다. 그리고 되돌아가는 광의 양을 5% 이상으로 하였을 경우에는 약 60개의 모드가 가능하기 때문에, 초점맞춤렌즈가 색수차에 대해 파장변화 1㎚당의 초점어긋남은
Figure kpo00016
이상이 필요하다.
그리고 반사광의 되돌아가는 광의 양은 반투명미러(21)의 투과율과 반사율을 변화시키는 것에 의해서 적절히 설정할 수 있다. 더우기 본 실시예에서는 소정의 되돌아가는 광의 양을 얻기 위해서 반투명미러를 사용하였지만, 반투명프리즘을 사용하여도 되는 것은 물론이다. 그리고 반투명미러 대신에
Figure kpo00017
판과 편광프리즘의 조합을 사용하고,
Figure kpo00018
판을 광학계의 광의 축을 중심으로 해서 회전시키든가 또는 광의 축에 대해서 경사지게 배치하므로써 소정의 되돌아가는 광의 양을 얻을 수도 있다. 한편, 초점맞춤렌즈(20)의 색수차의 양은 그위 초점거리를 f라고 하면
Figure kpo00019
로 추정할 수가 있다. 여기서, ν는 렌즈의 재질에 의해서 정해지는 압베(abbe)수이며, F선과 D선의 파장의 차 0.17㎛에 대해서 대략 ν=30∼60의 광학유리가 자주 사용되고 있다. f=4.5㎜에서 ν=30인 Δ=-150㎚을 파장의 차로 그치면 ｜Δf｜ =0.88㎛로 된다. 초점맞춤렌즈(20)은 여러장의 볼록렌즈와 오목렌즈를 조합시켜서 만들지만, 볼록렌즈에는 ν가 작은 재질로 된 것을 사용하고, 오목렌즈에는 ν가 큰 재질로 된 것을 사용하게 되면, 파장 1㎚의 변화에 대해서 초점위치가 약 1㎛가 다른 렌즈를 만드는 것이 용이하다.
이와 같은 조합렌즈(50)을 제6도와 같이 5개 조합시키게 되면 파장 1㎚의 변화로 초점위치를 5㎛씩 어긋나게 할 수가 있다. 그리고 제3도의 렌즈(20)의 대신에 제7도에 도시한 것과 같은 영역(51)과 (52)에서
Figure kpo00020
씩 위상이 다른 프레넬존 플레이트렌즈(Fresnel zone plate lens)(53)을 사용할 수도 있다. 이 렌즈(53)에서는
Figure kpo00021
에서 파장의 차 Δλ=1㎚에 대해(λ=0.83㎛, f=4.5㎜에 대해) ｜Δf｜≒5㎛로 된다. 마찬가지로 색수차에 큰 홀로그램렌즈(hologram lens)등을 사용할 수도 있다.
또한 프레넬존 플레이트렌즈(53)이나 홀로그램렌즈를 제8도와 같이 사용할 수도 있다. 레이저스포트는 위에서 설명한 것과 같이, 예를들면 되돌아가는 광의 양을 0.5∼1%로 하였을때에 초점맞춤렌즈의 색수차를 5㎛/㎚로 하므로써, 디스크어긋남에 추종해서 ±12㎛ 정도 움직이게 할 수가 있다. 이 범위내에서는 디스크어긋남이 있음에도 불구하고 초점이 맞추어 있는 상태에 있으므로 재생신호의 감소는 없다. 이 범위는 상술한 것과 같이 되돌아가는 광의 양과 초점맞춤렌즈의 색수차의 양을 변화시키므로써 적절히 설정할 수 있다. 제5도는 가로축(30)을 디스크어긋남의 양으로 하고, 세로축(31)을 재생신호의 강도로 한 그래프이며, 실선(32)는 본 실시예의 광헤드인 경우이고, 점성(33)은 종래의 광헤드의 경우이다. 종래의 광헤드에서는 전기적인 초점어긋남 보정수단(18)을 동작시키기 않으면, 디스크어긋남이 ±1㎛에서 재생신호의 감소가 1㏈ 정도 있었지만, 본 발명을 적용한 광헤드에서는 전기적인 초점어긋남 보정수단(18)을 동작시키지 않고도 실선(32)로 표시한 것과 같이 ±12㎛의 디스크어긋남의 범위내에서 재생신호의 감소가 없고, 안정한 신호의 재생을 달성할 수가 있다.
본 실시예가 종래의 방식과 명백하게 다른 점은 이상 설명한 것과 같이 반도체레이저에 되돌아가는 레이저빔을 보내고, 동시에 색수차가 있는 초점맞춤렌즈를 사용하므로써 디스크어긋남을 ±12㎛의 범위이내에서 반도체레이저의 발진파장을 변화시켜 자동적으로 스포트가 디스크에 추종하는 효과를 이용하여, 고정밀도의 자동초점제어를 달성하는데에 있다.
그래서 제3도에 도시한 볼록렌즈(8), 원주렌즈(9), 나이프에지(10), 2분할 광검출기(11) 및 차동회로(12)로 구성되는 공지의 초점어긋남 검출수단과 렌즈(20)을 초점어긋남 검출신호(14)로 움직이는 공지의 구동수단으로 스포트와 디스크사이의 어긋남을 ±12㎛ 정도 이내에 들어오게 하면 된다. 따라서, 초점어긋남 검출수단의 검출감도도 종래예의
Figure kpo00022
정도로 충분하며, 또한 레이저로 되돌아가는 광이 없고, 디스크가 초점위치에 있는 동안에는 검출신호의 제로레벨을 조정하는 목표점의 초기 설정조정을 할 필요가 없다. 그리고 렌즈구동수단(18)의 응답특성도 고성능을 요구할 필요가 없다.
이상 설명한 것과 같이 본 실시예에 의하면 약 ±12㎛ 범위이내의 디스크어긋남을 초점스포트가 자동적으로 추종하기 때문에 초점어긋남 검출수단과 초점조정렌즈 구동수단에 고성능인 것을 사용하지 않고도, 고정밀도의 자동초점제어를 달성할 수가 있다.
이와 같이 본 발명은 싱글모드의 반도체레이저에 정보매체로 부터의 반사광의 일부를 되돌려 보내므로써 반도체레이저가 멀티모드발진을 하는 것과 색수차에 있는 초점조정렌즈가 파장이 달라짐에 따라 다른 위치에 스포트를 결상하는 것에 의하여 초점스포트의 결상위치를 수 ㎛이상의 범위에서 전기적인 보정수단을 사용하지 않고도 자동적으로 추종할 수 있으므로, 초점어긋남 검출수단의 검출감도가 종래의
Figure kpo00023
이고, 목표점의 초기 설정조정의 범위도 종래의 3배나 넓은 검출수단으로 족하며, 초점조정렌즈의 구동수단등의 초점어긋남 보정수단도 종래에 비해서 요구할 필요가 없으며, 고정밀도의 자동초점제어를 달성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 반도체레이저(1)과 상기 반도체레이저로 부터 방사된 광빔을 정보매체(5)면 위에 스포트(Si)로써 결상시키고, 색수차를 가지며, 다른 레이저파장에 대해서 초점맞춤렌즈의 광축을 따라 다른 위치에 상기 스포트를 결상시키는 초점맞춤렌즈(20)을 포함하며, 상기 반도체레이저가 싱글모드 레이저이고, 상기 정보매체로 부터 반사되는 반사광빔의 적어도 일부를 상기 반도체레이저에 되돌려 보내며, 싱글모드 반도체레이저에의해 방사된 광빔의 파장은 정보매체로 부터 되돌아오는 광빔의 파장에 의존하는 것을 특징으로 하는 자동초점 제어방식.
  2. 특허청구 범위 제1항에 있어서, 또 상기 스포트와 상기 정보매체면 사이의 어긋남을 검출하는 초점어긋남 검출수단(21, 8, 9, 10, 11, 12) 및 상기 초점어긋남 검출수단으로 부터의 출력신호에 따라 상기 스포트와 상기 정보매체면 사이의 큰 어긋남을 보정하는 초점어긋남 보정수단(18)을 포함하는 자동초점 제어방식.
  3. 특허청구의 범위 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초점렌즈(20)은 파장변화 1㎚당 상기 스포트(Si)의 초점위치 어긋남이
    Figure kpo00024
    이며, λ는 상기 반도체레이저의 중심파장, NA는 상기 초점렌즈의 조리개 수를 나타내는 자동초점 제어방식.
  4. 특허청구 범위 제3항에 있어서, 상기 반도체레이저(1)에 되돌아오는 광의 양이 5% 이상이며, 상기 초점맞춤렌즈(20)은 파장변화 1㎚당 상기 스포트(Si)의 초점위치 어긋남이
    Figure kpo00025
    이상인 자동초점 제어방식.
  5. 특허청구 범위 제3항에 있어서, 상기 반도체레이저(1)에 되돌아오는 광의 양이 1∼5% 이내이며, 상기 초점맞춤렌즈(20)은 파장변화 1㎚당 상기 스포트(Si)의 초점위치 어긋남이
    Figure kpo00026
    이상인 자동초점 제어방식.
  6. 특허청구 범위 제3항에 있어서, 상기 반도체레이저(1)에 되돌아오는 광의 양이 0.5∼1% 이내이며, 상기 초점맞춤렌즈(20)은 파장변화 1㎚당 상기 스포트(Si)의 초점위치 어긋남이
    Figure kpo00027
    이상인 자동초점 제어방식.
  7. 특허청구 범위 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초점맞춤렌즈(20)이 여러개의 조합렌즈(50)으로 된 자동초점 제어방식.
  8. 특허청구의 범위 제7항에 있어서, 상기 조합렌즈(50)은 압베수가 작은 재질로 된 볼록렌즈와 압베수가 큰 재질로 된 오목렌즈를 포함하는 자동초점 제어방식.
  9. 특허청구 범위 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초점맞춤렌즈(20)은 프레넬존 플레이트렌즈(53)인 자동초점 제어방식.
  10. 특허청구 범위 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초점맞춤렌즈(20)은 홀로그램렌즈인 자동초점 제어방식.
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