KR950001073B1 - 홀로그램(Hologram) 소자를 이용한 광 픽업 장치 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

홀로그램(Hologram) 소자를 이용한 광 픽업 장치

제1도는 종래의 광 픽업 장치를 나타낸 단면도.

제2도는 이 발명에 따른 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치를 나타낸 사시도.

제3도는 제2도의 홀로그램 소자를 이용한 회절 현상을 나타낸 상태도.

제4도는 제3도의 홀로그램 소자의 단면도.

제5도는 제2도의 홀로그램 소자의 효율을 나타낸 그래프이다.

이 발명은 레이저 다이오드(Laser Diode)를 이용하여 기록된 신호가 픽업(Pick Up)되는 광 픽업 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 다이오드로부터 방사된 빛이 홀로그램 소자를 통하여 1차광으로 회절됨으로써, 빛의 회절 효율을 높일 수 있는 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치에 관한 것이다.

최근 콤팩트 디스크 플레이어 등에 사용되는 광 픽업 장치는 제1도에 도시된 바와같이 레이저 다이오드(1)를 통하여 방사된 빛이 회절격자(2)를 통하여 회절되고, 이 회절된 빛은 콜리메터렌즈(3)에 의하여 집속된다. 그리고, 상기 콜리메타렌즈(3)로부터 집속된 빛은 빔 스프리터(Beam Spliter)(4)에 인가되어 그대로 통과하고, 상기 통과된 빛은 1/4-파장판(5)을 통과하면서 평향방향이 45°회전되고, 다시 대물렌즈(6)를 통하여 디스크(7)에 주사되어 상기 디스크(7)에 기록된 신호가 검출된다. 상기 디스크(7)에서 반사된 빔은 대물렌즈(6)에 의하여 접속되고, 상기 대물렌즈(6)로부터 입사된 빔은 1/4-파장판(5)을 통과하면서 다시 편향방향이 45°회전된다.

그리고, 상기 90°회전된 빔은 빔 스프리터(4)에 의하여 반사되어 접속렌즈(8)와 원통형 렌즈(9)를 통하여 포토 검출기(10)에 인가된다. 즉, 상기 원통형 렌즈(9)의 사용으로 인하여 상기 포토 검출기(10)에 인가되는 빛의 초점을 다르게 하여 비점수차를 조정할 수 있다.

이때, 상기 포토 검출기(10)에 의하여 디스크(7)상의 피트에 정확하게 빛이 주사되었는지를 판단하는 포커싱 에러 신호와 신호추적을 정확히 하는지를 판단하는 트래킹 에러신호가 검출된다. 상기에서 설명한 바와같이 상기 고전적인 렌즈를 이용한 기존의 광 픽업 장치는 렌즈의 사용으로 인하여 무게가 무겁고, 가격이 비싸며, 따라서 양산성이 좋지 못하였다.

상기 문제점을 해결하기 위한 종래의 해결책으로 홀로그램을 이용한 광 픽업 장치를 사용하였다. 그러나, 기존의 광 픽업 장치에 있어서, 슬리트(Slit)와 표면의 요철에서 빛이 회절되는 현상을 이용한 상기 홀로그램 소자는 빛의 굴절 현상을 이용하는 고전적인 렌즈에 비하여 복합적인 기능을 가지며, 양산성이 우수하고 가격이 저렴하며 크기가 작은 장점이 있으나, 반면에 일반적으로 빛의 회절 효율이 낮은 문제점이 있었다.

이 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이 발명의 목적은 홀로그램 소자에 의하여 회절된 1차광이 디스크에 입사되고, 디스크에 기록된 신호에서 반사된 후 다시 상기 홀로그램 소자에 의하여 회절된 1차광을 포토 검출기로 검출함으로써, 홀로그램 소자에 의하여 회절된 0차광이 디스크에 입사되고 디스크에서 반사된 후 다시 상기 홀로그램 소자에 의하여 회절된 1차광을 포토 검출기로 검출함으로써 빛의 회절 효율을 증가시킬 수 있는 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치를 제공함에 있다.

이 발명의 다른 목적은 홀로그램 소자에 의하여 회절된 1차광이 2개의 초점을 가지므로 2개의 초점 차만큼 레이저 다이오드의 비점수차를 보정할 수 있어 레이저 다이오드의 패캐이지를 기울여 레이저 다이오드의 비점수차를 줄이기 위한 노력이 제거되는 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치를 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 특징은, 레이저 다이오드에 의하여 방사된 빛을 포커싱 및 트래킹 에러신호를 측정할 수 있도록 3빔으로 분할시키는 회절격자와, 상기 회절격자를 통하여 주사된 빔을 포토 검출기에 접속시키는 콜리메타렌즈와, 빔의 일부를 통과시키고 일부는 반사시키는 빔스프리터와, 빛의 편광방향을 45°회전시키는 1/4파장판과, 빔의 디스크의 피트에 정확하게 포커싱되도록 제어하는 대물렌즈와, 상기 디스크에서 반사된 빛을 측정하여 디스크상의 신호와 포커싱 및 트래킹 에러신호를 검출하는 포토 검출기와, 비점수차를 주는 원통형렌즈로 이루어진 광 픽업 장치에 있어서 ; 상기 레이저 다이오드로부터 방사된 빛을 0차광의 주빔과 +1차광의 부빔으로 나누어서 디스크상에 주사시키는 반사형 빔스프리터와 ; 상기 반사형 빔스프리터와 상기 대물렌즈 사이에 장착되며, 상기 반사형 비스프리터로부터 주사된 빔을 1차광으로 회절시켜 상기 빔스프리터에 주사시키는 홀로그램 소자로 이루어진 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치에 있다.

이하, 이 발명에 따른 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

제2도는 이 발명에 따른 일실시예인 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치를 나타낸 사시도로서, 그 구성도가 도시되어 있다.

빛이 방사되는 레이저 다이오드(1)의 상측에는 레이저 다이오드(1)에서 방사된 빛이 3개의 빔으로 분할되는 빔 스프리터(100)가 장착되고, 상기 빔 스프리터(100)의 상측에는 빔 스프리트(100)를 통하여 입사된 빔이 1차광으로 회절되어 대물렌즈(6)에 입사되는 홀로그램 소자(200)가 장착된다. 그리고, 상기 홀로그램 소자(200)의 상측에는 입력되는 빔이 디스크(7)의 피트에 정확하게 포커싱되도록 제어하는 대물렌즈(6)가 장착된다. 한편 상기 디스크(7)로부터 반사된 광에 의해 디스크(7)상에 기록된 신호 및 포커싱 에러 신호와 트래킹 에러 신호를 검출하는 포토 검출기(10)가 반사형 빔 스프리트(100)의 하부에 장착된다. 여기서, 상기 홀로그램 소자(200)는 유리 기판의 에칭으로 제작된 표면의 요철구조에 의해 생성된 위상 차에 의하여 빛의 회절이 발생되도록 제작된다. 따라서, 상기 홀로그램 소자(100)의 제작 과정은 패턴을 전사하는 포토공정과, 요철 구조를 만드는 에칭 공정으로 나눌 수 있으며, 상기 이러한 공정은 이미 반도체 소자의 제작 공정으로 잘 확립되어 있다. 한편, 상기 반사형 빔 스프리터(100)는 반사율을 높이기 위하여 금으로 코팅처리하며 기본적인 제작 공정은 홀로그램 소자에 제작공정과 공정과 동일하다. 이와같이 빔 스프리터(100), 홀로그램 소자(200)로 이루어진 광 픽업 장치에 있어서, 레이저 다이오드(1)를 통하여 공급된 빛은 빔 스프리터(100)에 인가되어 픽 업되기 위한 3개의 빔으로 분할되고, 상기 분할된 3개의 빔은 홀로그램 소자(200)에 인가되어 1차광으로 회절된다. 상기 홀로그램 소자(200)에 의해 회절된 빛은 대물렌즈(6)를 통하여 디스크(7)의 피트에 전사되고, 상기 디스크(7)로부터 픽업된 신호를 대물렌즈(6)를 통하여 홀로그램 소자(200)에 인가된다. 그리고, 상기 디스크(7)로부터 반사된 빛은 상기 대물렌즈(6)를 통과하여 홀로그램 소자(200)에 의하여 1차 광으로 회절된다.

제3도를 참조하여 홀로그램 소자에 의한 회절 효율을 설명하면, 대물렌즈(6)에서 집속되어 오는 빛은 광축에서 θ만큼 기울어져 있는 홀로그램 소자(200)에 의하여 회절이 일어나게 된다. 여기서 회절 각도 α는 광학적 헤드의 광학적 및 구조적 스펙으로 결정되며, 상기 포토 검출기(10)면상에 주어진 크기의 비점수차(satigmatism)를 형성하기 위하여 상기 홀로그램 소자(200)는 원형 렌즈와 원통형 렌즈의 복합적인 기능이 요구된다. 즉, 광축을 따라 진행한 빛과 광축중심에서 X만큼 벗어난 곳에서 홀로그램 소자(200)를 통과한 빛의 위상차로부터 상기 홀로그램 소자(200)를 통과한 빛 즉, 0차 빔의 위상 함수(Φr(x,y))를 구할 수 있다. 즉, 상기 위상자(δd)는

δd=(x+ddsinθ)²+y²+dd²cos²θ-dd ………………………………(1)

≒(x²+y²)/(2dd)+X·sinθ

가 된다.

여기에서 Z축은 홀로그램 소자(30)의 면(XY평면)과 수직인 축이고, (x²+y²)/dd²2X·sinθ/dd《1이라고 가정하면, 0차 빔의 위상함수(Φr(x,y))는

Φr(x,y)=exp[jk·{(x²+y²)/2dd+X·sinθ}]………………………(2)

가 된다.

여기서, j²=-1이고, K는 웨이브 벡타(wave vector)이며 파장을 λ로 할때

K=2π/λ

한편, 상기 홀로그램 소자(200)에 의하여 θ만큼 회절되어 포토 검출기(10)에 도달되는 빔, 즉, 1차 빔의 위상 함수는 상기 홀로그램 소자(200)의 원형 렌즈의 기능에 의하여 생기는 제1초점까지의 거리(gg)와, 원통형 렌즈의 기능에 의하여 생기는 제2초점까지의 거리(bb)로 주파수(fc)를 다음과 같이 정의하면

1/fc=1/gg-1/bb …………………………………………………………(3)

홀로그램 소자(200)를 바로 지난 면에서의 위상 함수(Φr(x,y))는

Φr(x,y)=exp[jk(x²+y²)/2gg+x²/2fc}]………………………………(4)

이 된다.

여기서, fc＜0이다.

상기 (4)로부터 얻어진 위상 함수는 도면에 도시되지 않은 비선형제한기(Non-Linear Limter)에 의하여 0과 1의 2진수로 변화되는데, 여기서 입력값이 기준값(C) 이상이면 1로, 입력값이 기준값(C)이하이면 0으로 출력되는 비선형 제한기를 거쳐 발생된 출력함수 h(x,y)는

h(x,y)=[{sin(mπq)}/mπ·exp(jm·Φ(x,y)}]……………………(5)

이 된다.

여기서, 출력되는 신호 0을 투과율 100%, 신호를 1을 투과율 0%인 흑백 패턴으로 제작하려면, 상기 0과 1에 대응하는 표면 요철 패턴이 제작되어야 한다. 즉 상기 홀로그램 소자(200)의 패턴의 두께는 상기 기준값(C)에 의하여 결정되며, 상기 상수 q=0.5이면 튜티가 50%, 상수 q=0을 만족하면, 패턴의 폭이 0에 접근해 라인으로 된다.

상기 출력 함수(h(x,y))가 0을 가지지 않을 조건은

cosΦ(x,y)≤cos(xq)…………………………………………………………(6)

가 되고, 이는

-q/2≤Φ(x,y)/2π+n≤q/2……………………………………………………(7)

가 되며, 여기서, n은 임의의 정수이다. 또한 q값은 패턴 폭을 결정하며, +1차광의 효율을 결정한다.

따라서 상기 2),4),5)를 7)에 대입하면,

-q/2≤(x²+y²)/2π·(1/dd-1/gg)+sinθ·x/λ-x²/(2λfc)+n≤q/2…(8)

이 된다. 즉, X, Y평면에서 8)을 만족하는 영역을 계산하여 그 영역을 홀로그램 소자(200)의 패턴으로 하면 된다.

상기에서 설명한 바와같이 제작된 홀로그램 소자의 효율을 설명하면 다음과 같다. 즉, 상기 제4도에 도시한 바와 같이 d는 요철의 깊이, ∧는 요철의 주기, ζ은 듀티 비로 0＜ζ＜1의 값을 갖는다. 이때, 상기 요철 부분을 레이저 다이오드의 빛이 투과하는 경우, 상기 홀로그램 소자(200)매질의 굴절률을 n, 레이저광의 파장을 λ라고 과정하면, 광경로차(Φ)는

Φ(x)=2πd/λ·(n-1)…(0＜x＜ζ∧)

0…(ζ∧＜x＜∧)…………………………………………………………(9)

가 된다.

또한 위상 홀로그램 소자(200)의 경우 트랜스미턴스 T(x)는 다음과 같다.

T(x)=exp(-jΦ)…………………………………………………………………(10)

여기에서, Φ는 주기 ∧의 주기 함수이므로, T(x)는 ∧의 고주파 성분을 갖는 푸리에 급수(Fourier Series)로 나타낼 수 있다. 따라서, 광 강도는 T에 반비례한다는 점을 고려하여, 0차광의 투과 효율을 n0, 1차광의 회절 효율을 n1라고 하면, 역 푸리에 변환으로부터 각각의 효율을 계산할 수 있으며, 그 결과는 다음과 같다.

n0(x)=[1/∧·T(x)·dx}]²

(1-ζ+ζcosΦ)²·sin²Φ……………………………………………(11)

n1(x)=[1/∧=T(x)·exp(jKx)·dx]²

(1/(π²)·[1-cos(2πζ)]·(1-coxΦ)…………………………(12)

여기서, K=2π/∧이다.

상기(11) 및 (12)로부터 기준의 홀로그램 원리를 이용한 광 픽업 장치에 있어서, 튜티비가 50%(즉 ζ=0.5)일 경우 레이저 과의 파장 λ=0.78㎛이고 홀로그램 소자(200) 매질의 굴절률 n=1.5일때 포토 검출기(10)에 도달하는 광의 최종 효율은 n0×n1으로 되며 최대효율은 약 10%가 된다. 상기 효율은 (11)과 (12)에 의해 얻을 수 있으며 제5도와 같이 도시된다.

그러나, 이 발명에 의한 광 픽업 장치에서는 빔스프리터(100)에서 대물렌즈(6)로 빛이 진행할 때는 상기 홀로그램 소자(200)에 의하여 회절된 1차광을 이용하고, 디스크(7)에서 반사된 후 대물렌즈(6)에서 빔스프리터(100)로 빛이 진행할 때도 상기 홀로그램 소자(200)에 의하여 회절된 1차광을 이용함으로써, 포토 검출기(10)에 도달되는 빛의 최종 효율은 상기 1차광의 회절효율(n1)과 1차광의 회절효율(n1)이 곱이 되고, 상기 최종 효율은 제5도에 도시된 바와 같다. 즉, 듀티비가 50%(즉, ζ=0.5)이고, Φ=π인 경우 최종 효율은 1차광만을 사용하므로 n1×n1=0.16이 되어 종래의 기술로 얻을 수 있는 10%보다 1.6배 향상시킬 수 있다.

상기에서 본 바와같이 상기 레이저 다이오드(1)로부터 방사된 빛은 반사형 빔 스프리터(100)에 인가되어 반사되고, 상기 반사된 빛은 홀로그램 소자(200)에 인가되어 1차광으로 회절되며, 상기 회절된 빛은 대물렌즈(6)를 통하여 디스크(7)의 피트에 집속된다. 그리고, 상기 디스크(7)로부터 반사된 광은 대물렌즈(6)를 통하여 홀로그램 소자(200)에 인가되어 1차광으로 회절되고, 상기 회절된 빛은 반사형 빔 스프리터(100)에 인가되며, 상기 반사형 빔 스프리트(100)를 통과한 빛은 포토 검출기(10)에 의하여 검출된다. 즉, 상기 포토 검출기(10)로부터 디스크(7)상에 기록된 신호 및 포커싱 에러 신호와 트랙킹 에러 신호가 검출된다.

상술한 바와같이, 이 발명에 따른 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치는 상기 레이저 다이오드로부터 방사된 빛을 0차광으로 주빔과 +1차광 및 -1차광의 부빔으로 나누어서 디스크상에 주사시키는 반사형 빔스프리터와 ; 상기 반사형 빔스프리터와 상기 대물렌즈 사이에 장착되며, 상기 반사형 빔스프리터로부터 주사된 빔을 1차광으로 회절시켜 빔스프리터와 상기 대물렌즈 사이에 장착되며, 상기 반사형 빔스프리터로부터 주사된 빔을 1차광으로 회절시켜 상기 대물렌즈에 주사하고, 상기 대물렌즈로부터 주사된 빔도 1차광으로 회절시켜 상기 빔스프리터에 주사시키는 홀로그램 소자로 이루어져서 0차광 또는 1차광중 어느 하나만을 사용하는 종래의 경우에 비하여 1.6배의 빛의 효율을 증가시키고 또한, 포토 검출기면에서 원하는 비점수차를 형성하기에 충분하게 해줌으로써 양산시 양품률이 높고, 기존의 오목 렌즈 및 원통형 렌즈의 대용으로 홀로그램 소자를 사용하여 광 픽업 장치의 단가를 절감시키는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 레이저 다이오드에 의하여 방사된 빛을 포커싱 및 트래킹 에러신호를 측정할 수 있도록 3빔으로 분할시키는 회절격자와, 상기 회절격자를 통하여 주사된 빔을 포토 검출기에 집속시키는 클리메타렌즈와, 빔의 일부를 통과시키고 일부는 반사시키는 빔스프리터와, 빛의 편광방향을 45°회전시키는 1/4파장판과, 빔이 디스의 피트에 정확하게 포커싱되도록 제어하는 대물렌즈와, 상기 디스크에서 반사된 빛을 측정하여 디스크상의 신호와 포커싱 및 트래킹 에러신호를 검출하는 포토 검출기와, 비점수차를 주는 원통렌즈로 이루어진 광 픽업 장치에 있어서 ; 상기 레이저 다이오드로부터 방사된 빛을 0차광의 주빔과 +1차광 및 -1차광의 부빔으로 나누어서 디스크상에 주사시키는 반사형 빔스프리터와 ; 상기 반사형 빔스프리터와 상기 대물렌즈 사이에 장착되며, 상기 반사형 빔스프리터로부터 주사된 빔을 1차광으로 회절시켜 상기 대물렌즈에 주사하고, 상기 대물렌즈로부터 주사된 빔도 1차광으로 회절시켜 상기 빔스프리터에 주사시키는 홀로그램 소자로 이루어진 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사형 빔 스프리터는 금으로 코팅되어 반사율이 증가되는 홀로그램 소자를 이용한 광 픽업 장치.