WO2010053311A2 - 위상지연소자 및 이를 포함하는 광픽업장치 - Google Patents

위상지연소자 및 이를 포함하는 광픽업장치 Download PDF

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WO2010053311A2
WO2010053311A2 PCT/KR2009/006518 KR2009006518W WO2010053311A2 WO 2010053311 A2 WO2010053311 A2 WO 2010053311A2 KR 2009006518 W KR2009006518 W KR 2009006518W WO 2010053311 A2 WO2010053311 A2 WO 2010053311A2
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light
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안정애
장혜진
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주식회사 엘엠에스
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    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
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    • G11B7/1367—Stepped phase plates

Definitions

  • the present invention relates to a phase delay device and an optical pickup device including the same, and more particularly, to implement a phase delay device by stacking first and second phase delay layers, wherein the phase delay value of the second phase delay layer is
  • An object of the present invention is to provide a phase delay device capable of delaying phase delay by 1/4 of a wavelength for two laser beams having different wavelengths by optimizing the ratio of the phase delay values of the first phase delay layer.
  • An optical pickup apparatus including a phase delay element is used to record information on an optical recording medium such as a CD or a DVD or to reproduce information recorded on an optical recording medium.
  • a general optical pickup device 1 includes a light source 10, a beam splitter 11, a collimating lens 12, an objective lens 14, and a photodetector ( 15), and a ⁇ / 4 phase delay element 13 having birefringence is disposed on the optical path.
  • the light source 10 generates laser light used in the optical pickup device 1, and a laser having an output wavelength of about 785 nm is used as the light source 10 for CD, and an output of about 656 nm for DVD. Lasers with wavelengths are commonly used
  • the beam splitter 11 splits the laser light according to the polarization state, so that light of linearly polarized light polarized in one direction is transmitted as it is, but light of linearly polarized light polarized in a direction perpendicular to the one direction is refracted.
  • the laser light emitted from the light source 10 is incident to the collimating lens 12 through the beam splitter 11, and the collimating lens 12 focuses the laser light to generate parallel light.
  • the laser light emitted from the light source 10 has a characteristic of linearly polarized light polarized in one direction and is converted into circularly polarized light while passing through the ⁇ / 4 phase delay element 13.
  • the laser light converted into circularly polarized light is collected through the objective lens 14 and irradiated onto the optical recording medium 16.
  • the laser light is reflected by the optical recording medium 16 and then incident again to the objective lens 14, and then to the ⁇ / 4 phase delay element 13 through the objective lens 14.
  • the polarization state of the laser light is changed while the laser light is reflected from the optical recording medium 16. That is, the laser light reflected from the optical recording medium 16 has the characteristics of circularly polarized light, but its rotation direction is opposite to that of the laser light incident on the optical recording medium 16. Therefore, the laser light reflected by the optical recording medium 16 and converted into linearly polarized light by the ⁇ / 4 phase delay element 13 is perpendicular to the laser light emitted from the light source 10. As a result, the beam splitter 11 does not penetrate and is refracted by the beam splitter 11 to travel toward the photodetector 15. The photodetector 15 converts the received laser light into an electrical signal and outputs the electrical signal.
  • the polarization state of the laser light is converted by using the ⁇ / 4 phase delay element 13, so when the phase delay value in the ⁇ / 4 phase delay element 13 is not accurate, Since the light is not converted into the correct circularly polarized light and as a result, the power of the laser light is reduced in the course of passing through the ⁇ / 4 phase delay element 13, the performance of the optical pickup device 1 is degraded, so that it has an accurate phase delay value.
  • the design of the phase delay element 13 is required.
  • an optical pickup device 1 employing both a CD light source 10 and a DVD light source 10 is being developed for simultaneous use on a CD and a DVD.
  • the phase delay value of ⁇ / 4 is applied to the laser light emitted from the CD light source 10 and the DVD light source 10 using a single phase delay element 13.
  • the device is configured such that the path of the laser light emitted from each light source 10 is different, and a separate ⁇ / 4 phase delay element 13 is employed for each light source 10.
  • the configuration of the bar optical pickup device 1 is complicated, the configuration of the device is large, and the manufacturing cost is increased.
  • the present invention is to solve the above problems, the first and second phase delay layer is laminated to implement a phase delay element, but the phase delay of the first phase delay layer with respect to the phase delay value of the second phase delay layer By optimizing the ratio of the values, it is to provide a phase delay element capable of causing phase delays corresponding to one-quarter of the wavelength with respect to laser light having different wavelengths emitted from the CD light source and the DVD light source.
  • the phase delay element according to the present invention is disposed on an optical path of a laser beam for a CD and a laser beam for a DVD to convert a polarization state of the laser beams.
  • the ratio of the phase delay value of the first phase delay layer to the phase delay value of the second phase delay layer is 1: 3.8 to 1: 7.7.
  • the first and second phase delay layers are preferably formed of a liquid crystal polymer material having birefringence or a polymer stretched film stretched along one direction, and the thickness of each phase delay layer formed of the liquid crystal polymer material is 1 ⁇ m to 20. It is preferred that it is ⁇ m.
  • the first and second phase delay layers may be adhered to each other by an adhesive.
  • the phase delay element may further include a light transmissive substrate, and the light transmissive substrate may be attached to the first and second phase delay layers by an adhesive.
  • the light transmissive substrate is preferably formed of glass or polyethylene telephthalide (PET), and a diffraction grating may be disposed on an outer surface of any one of the stacked first and second phase delay layers.
  • PET polyethylene telephthalide
  • An optical pickup apparatus comprises: a light source for outputting a laser light for CD and a laser light for DVD; A collimating lens for converting the laser light output from the light source into parallel light; An objective lens for condensing laser light passing through the collimating lens on an optical recording medium; A photodetector that receives the laser light reflected from the optical recording medium and converts the laser light into an electrical signal; And a phase delay device having the above characteristics.
  • the first and second phase delay layers are laminated to form a phase delay element, but the CD and the phase delay value of the first phase delay layer are optimized by the phase delay value of the second phase delay layer.
  • the laser light of linearly polarized light emitted from the DVD light source can be easily converted into the laser light of circularly polarized light having an ellipticity of 0.95 or more.
  • the optical pickup device since the polarization state is converted by the same phase delay element while the laser light emitted from the CD light source and the DVD light source travels along the same optical path, a separate phase delay element is employed for each light source.
  • the configuration of the device is simpler than the conventional optical pickup device, and the manufacturing process is simplified to reduce the manufacturing cost.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conventional optical pickup device.
  • FIG. 2 is a block diagram of a phase delay device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a phase delay device according to the present invention.
  • phase delay device 4 is a configuration diagram of a phase delay device including a light transmissive substrate.
  • phase delay device including a light transmissive substrate.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a phase delay device including a gray grating.
  • FIG. 9 is a block diagram of an optical pickup apparatus according to the present invention.
  • phase delay device according to the present invention will be described first, and then the optical pickup apparatus including the phase delay layer will be described.
  • the phase delay element 13 according to the present invention includes a first phase delay layer 17 and a second phase delay layer 18 stacked thereon.
  • the first and second phase delay layers 17 and 18 may be stacked to be in close contact with each other as shown in FIG. 2, but may be stacked while being bonded to each other by an adhesive 19 as shown in FIG. 3. have.
  • phase delay layers 17 and 18 are birefringent so as to be disposed on the optical path of the laser light so as to convert the polarization state of the laser light.
  • the phase delay layers 17 and 18 may be generally used as long as they have a normal refractive index or an abnormal refractive index according to the polarization direction of the incident laser light, but may be a polymer stretched film stretched in one direction or an orientation treatment in one direction. It is preferable to form the phase delay layer with the liquid crystal polymer material. In this case, when the phase delay layers 17 and 18 are formed of the liquid crystal polymer material, the thickness of the optical delay device 1 may be 1 ⁇ m to 20 ⁇ m .
  • the phase delay element 13 may further include a translucent substrate 20 as shown in FIG. 4.
  • the light transmissive substrate 20 is disposed on the outer surfaces of the first and second phase retardation layers 17 and 18 which are stacked to protect the phase delay layers 17 and 18, and is formed of a material of the light transmissive substrate 20. Glass or polyethylene terephthalate (PET) and the like can be used.
  • the transparent substrate 20 has isotropy unlike the first and second phase delay layers 17 and 18, the polarization state of the laser light does not change in the process of passing through the transparent substrate 20.
  • the light transmissive substrate 20 may be arranged to be adhered to the first and second phase layers 17 and 18 by an adhesive 19 as shown in FIG. 5.
  • the phase delay element 13 may further include a polarization diffraction grating 21 as shown in FIG.
  • the polarization diffraction grating 21 is disposed on the outer surface of the phase delay layers 17 and 18 of the first and second phase delay layers 17 and 18 so that light of linearly polarized light polarized in one direction is transmitted.
  • the light of the linearly polarized light polarized in the direction perpendicular to the one direction is for diffraction, which is widely used to improve light utilization efficiency in the optical pickup device 1, and thus, a detailed description thereof will be omitted.
  • the change in the polarization state of the laser light in the process of passing through the phase delay element 13 having the above configuration will be described.
  • the polarization state of the laser light may be described by Equations 1 to 3 below.
  • M ( ⁇ , ⁇ ) in Equation 1 is a Muller Matrix representing the light transmission characteristics of each phase delay layer 17, 18, and ⁇ is light incident on the phase delay element 13 (hereinafter, 'incident light'). Angle between the polarization direction and the transmission optical axis of each of the phase delay layers 17 and 18, and has a value of 0 to 180 degrees, and ⁇ denotes the phase delay value of the phase delay layers 17 and 18. .
  • S in Equation 2 is a Stock's vector representing the polarization state of the laser light and is composed of four parameters as shown in Equation 2.
  • S 0 means the total intensity of the laser light
  • S 1 means the difference between the intensity of the component polarized in the horizontal direction and the intensity of the component polarized in the vertical direction
  • S 2 is based on the horizontal direction
  • S 3 is the intensity of the circularly polarized light component rotating in the right direction and the circularly polarized light component rotating in the left direction. Means a difference in intensity.
  • Table 1 shows the typical polarization state of the laser light by the Stokes vector.
  • the Stokes vector representing the polarization state of the laser light incident to the phase delay element 13 (hereinafter referred to as 'incident light') is S
  • the polarization state of the laser beam passing through the phase delay element 13 is S.
  • the Stokes vector representing S is referred to as S '
  • the Mueller matrix for the first phase delay layer is referred to as M 1
  • the Mueller matrix for the second phase delay layer is referred to as M 2 .
  • S ' is obtained by multiplying S by M 1 and M 2 as shown in Equation 3.
  • the present invention aims to convert linearly polarized light in one direction into circularly polarized light using the first and second phase delay layers 17 and 18.
  • linearly polarized light is converted into circularly polarized light.
  • the degree of circular polarization of the emitted light can also be determined by the " ellipticity ⁇ ".
  • the polarization state of the emitted light is represented using the ellipticity.
  • the ellipticity ( ⁇ ) means the ratio of the intensity of the component polarized in the vertical direction and the intensity of the component polarized in the horizontal direction, which can be obtained using the Stokes parameters described above as shown in Equation 4 below. .
  • a phase delay value ( ⁇ 2) of the delay layer 17, a phase delay value ( ⁇ 1) and a second phase retardation layer 18 is to optimize the. It can be seen that each of the phase delay values ⁇ 1 and the phase delay values ⁇ 2 are affected by the wavelength as shown in Equation 5 below.
  • x is the retardation layer number
  • x 1,2
  • ⁇ 0 is the wavelength
  • d is the thickness of the phase delay layer
  • n0 and ne are the normal light refractive index and the ideal light refractive index.
  • phase delay values of the first and second phase delay layers 17 and 18 which retard phase by a quarter of the wavelength with respect to the laser light of about 785 nm used for the CD and the laser light used for the DVD. The simulation results are shown.
  • the phase delay value of the second phase delay layer 18 is in the range of 140 nm to 190 nm, and the phase delay value of the first phase delay layer 17 is in the range of 450 nm to 1300 nm. It can be seen that the angular wavelength is delayed by 1/4.
  • FIG. 7 shows the first and second phase delay layers 17 and 18 in which outgoing light having an ellipticity of 0.89 or more can be obtained for a laser light of about 785 nm used for CD and a laser light of about 656 used for DVD. This is the result of simulating a combination of phase delay values.
  • S ' which is a Stokes vector representing the polarization state of the emitted light
  • S' is used to simulate the ellipticity of the emitted light. do.
  • the phase delay value ⁇ 1 of the first phase delay layer 17 was changed in the range of 0 to 1300 nm
  • the phase delay value ⁇ 2 of the second phase delay layer 18 was 0 to 700 nm. The range was changed.
  • the polarization state of the emitted light is also affected by the angle ⁇ formed between the polarization direction of the incident light and the transmission optical axis of each phase delay layer.
  • the simulation process each phase value of the phase delay of the simulation while changing from the 0 ⁇ ⁇ with respect to the combination of ( ⁇ 1, ⁇ 2) to 180 ⁇ such that the ellipticity of 0.89 or more delay values ( ⁇ 1, ⁇ 2 ) Is simulated.
  • phase delay value ( ⁇ 1, ⁇ 2 ) of each phase delay layer 17, 18 is substituted into the muller matrix M 1, M 2 of each phase delay layer 17, 18.
  • the ellipticity was simulated varying from 0 ° to 180 ° and repeated for the range of phase delay values described above.
  • the first phase delay layer 17 has a phase delay value of approximately 280 nm to 1300 nm. It can be seen that the ellipticity of the emitted light becomes more than 0.99 (by the combination of the optical axis angles ⁇ of the phase delay layer). If the phase delay value of the second phase delay layer 18 is about 180 nm, and the phase delay value of the first phase delay layer 17 has a phase delay value of 300 nm to 1300 nm, the ellipticity of the emitted light is ( It can be seen that the combination of the optical axis angles ⁇ of the phase delay layer is 0.89 or more.
  • the phase delay value of the second phase delay layer 18 is It is about 140nm ⁇ 190nm, it can be seen that the phase delay value of the first phase delay layer 17 should be approximately 450nm ⁇ 1300nm.
  • the ratio of the phase delay values considers the influence of the angle ( ⁇ ) between the polarization direction of the incident light and the transmission optical axis of each phase delay layer (17, 18). Means the condition to obtain the emitted light of 0.89 or more.
  • the phase delay value of each of the phase delay layers 17 and 18 depends on the thickness of the phase delay layers 17 and 18 or the refractive index of the material constituting the phase delay layer.
  • the thickness or the refractive index of the phase delay ratio as described above can be obtained.
  • the first and second phase delay layers 17 and 18 are formed of a material having the same refractive index
  • the ratio of the thickness of the first phase delay layer 17 to the thickness of the second phase delay layer 18 is seen.
  • the ellipticity has a value of 0.95 or more.
  • FIG. 8 for the above case is a result of simulating a combination of phase delay values in the first and second phase delay layers 17 and 18 capable of obtaining output light having an ellipticity of 0.95. Similar to the case of FIG. The combination of the phase delay values in the first and second phase delay layers 17 and 18 capable of obtaining the emitted light having an ellipticity of 0.95 or more by the combination of the optical axes ⁇ of the phase delay layers is simulated.
  • the phase delay value in the second phase delay layer 18 when the phase delay value in the second phase delay layer 18 is 150 nm to 170 nm, the phase delay value in the first phase delay layer 17 is 700 nm to 800 nm in order to obtain the emitted light having an ellipticity of 0.95 or more. Or 1050 to 1150 nm. Accordingly, in order to convert the light of linearly polarized light into light having an ellipticity of 0.95 or more while combining the two phase delay layers 17 and 18 with phase delay of ⁇ / 4, the phase delay value of the second phase delay layer 18 is 150 nm or more.
  • the ratio of the phase delay value of the first phase delay layer 17 to the phase delay value of the second phase delay layer 18 in the region of 170 nm is approximately 1: 3.8 to 1: 5.4 and 1: 5.8 to 1: 7.7. It can be seen that In particular, the ratio of the phase delay value of the first phase delay layer 17 to the second phase delay layer 18 is preferably 1: 3.8 to 1: 5.4 in consideration of the thickness of the phase delay element.
  • FIG. 9 is a block diagram of the optical pickup device 1 including the phase delay element 13 according to the present invention, showing the optical pickup device 1 compatible with the CD and DVD.
  • the optical pickup device 1 includes a light source 10, a beam splitter 11, a collimating lens 12, an objective lens 14, and the like. It includes a photodetector 15, the phase delay element 13 according to the present invention is disposed on the optical path of the laser light.
  • the light source 10 should be configured to output 785nm laser light for recording data on the CD or reading data stored in the CD and 656nm laser light for recording data on the DVD or reading the stored data. It is preferable to use a semiconductor laser capable of outputting these two wavelengths so that the pickup apparatus 1 can be miniaturized. However, it is also possible to employ a separate laser outputting the laser light of the 785nm band and 656nm band, respectively, and to configure the laser light output from each laser to proceed along the same optical path.
  • the wavelength of the laser light output from the light source 10 is not limited to 785nm and 656nm, of course, can be adjusted in the range that can record data on the CD or DVD or read the recorded data.
  • the beam splitter, collimating lens 12, the objective lens 14 and the photodetector 15 included in the optical pickup device 1 according to the present invention are described in the background art of the present specification. As described above, the same reference numerals are used, and detailed description thereof will be omitted.
  • phase delay element 13 has been described with reference to the optical pickup device 1, but is arranged on the optical paths of two different laser lights like the display device to change the polarization state of the laser light. Of course, it can be applied to various fields that are required.
  • the present invention relates to a phase delay device and an optical pickup device including the same, and more particularly, to implement a phase delay device by stacking first and second phase delay layers, wherein the phase delay value of the second phase delay layer is
  • the invention relates to a phase delay device capable of delaying phase delay by 1/4 of the wavelength of two laser beams having different wavelengths by optimizing the ratio of the phase delay values of the first phase delay layer, which is useful for an optical pickup device.
  • Technology that can be used.

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Abstract

본 발명은 위상지연소자 및 이를 포함하는 광픽업장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제1 및 제2 위상지연층을 적층하여 위상지연소자를 구현하되 제2 위상지연층의 위상지연값에 대한 상기 제1 위상지연층의 위상지연값의 비를 최적화함으로써 파장이 상이한 2개의 레이저광에 대하여 각각 파장의 1/4 만큼 위상지연을 시킬 수 있는 위상지연소자를 제공하기 위한 것이다. 이를 위하여 본 발명에 따른 위상지연소자는 CD용 레이저광 및 DVD용 레이저광의 광경로상에 배치되어 상기 레이저광들의 편광상태를 변환시키는 위상지연소자에 있어서, 적층되어 있는 제1 및 제2 위상지연층을 포함하며, 제2위상지연층의 위상지연값이 140nm 내지 190nm이며, 상기 제1위상지연층의 위상지연값이 450nm 내지 1300nm인 것을 특징으로 한다.

Description

위상지연소자 및 이를 포함하는 광픽업장치
본 발명은 위상지연소자 및 이를 포함하는 광픽업장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제1 및 제2 위상지연층을 적층하여 위상지연소자를 구현하되 제2 위상지연층의 위상지연값에 대한 상기 제1 위상지연층의 위상지연값의 비를 최적화함으로써 파장이 상이한 2개의 레이저광에 대하여 각각 파장의 1/4 만큼 위상지연을 시킬 수 있는 위상지연소자를 제공하기 위한 것이다.
CD 또는 DVD 등의 광기록매체에 정보를 기록하거나 광기록매체에 기록된 정보를 재생하기 위해서 위상지연소자를 포함한 광픽업장치가 사용되고 있다.
도 1은 종래의 광픽업장치의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 광픽업장치(1)는 광원(10), 빔스플리터(beam splitter)(11), 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)(12), 대물렌즈(14) 및 광검출기(15)를 포함하며, 광경로상에는 복굴절성을 갖는 λ/4 위상지연소자(13)가 배치된다.
광원(10)은 광픽업장치(1)에서 사용되는 레이저광을 생성하는 것으로서, CD용 광원(10)으로는 약 785nm의 출력파장을 갖는 레이저가 사용이 되며, DVD용으로는 약 656nm의 출력파장을 갖는 레이저가 사용됨이 일반적이다
빔스플리터(11)는 레이저광을 편광상태에 따라 분할하는 것으로서 일방향으로 편광된 선편광의 광은 그대로 투과를 시키지만 상기 일방향과 직각을 이루는 방향으로 편광된 선편광의 광은 굴절을 시키게 된다.
광원(10)에서 출사된 레이저광은 빔스플리터(11)를 거쳐 콜리메이팅 렌즈(12)로 입사되며, 콜리메이팅 렌즈(12)는 레이저광을 집속시켜 평행광을 생성한다. 이때 광원(10)에서 출사된 레이저광은 일방향으로 편광된 선편광의 특성을 갖는데 λ/4 위상지연소자(13)를 통과하면서 원편광의 광으로 변환된다. 원편광으로 변환된 레이저광은 대물렌즈(14)를 통해 집광되어 광기록매체(16)에 조사된다.
이후 레이저광은 광기록매체(16)에서 반사되어 다시 대물렌즈(14)로 입사되고, 대물렌즈(14)를 거쳐 λ/4 위상지연소자(13)로 입사된다. 이때 레이저광은 광기록매체(16)에서 반사되는 과정에서 편광상태가 바뀌게 된다. 즉, 광기록매체(16)에서 반사된 레이저광은 원편광의 특성을 갖지만 그 회전방향은 광기록매체(16)에 입사되는 레이저광과는 반대가 된다. 따라서 광기록매체(16)에서 반사된 후 λ/4 위상지연소자(13)에 의해 선편광으로 변환된 레이저광은 그 편광의 방향이 광원(10)에서 출사된 레이저광과는 직각을 이루게 된다. 그 결과 빔스플리터(11)를 투과하지 못하고 빔스플리터(11)에 의해서 굴절되어 광검출기(15)를 향해 진행하게 된다. 광검출기(15)는 수광된 레이저광을 전기신호로 변환시켜 출력한다.
이와 같은 광픽업장치(1)에서는 λ/4 위상지연소자(13)를 이용하여 레이저광의 편광상태를 변환시키게 되므로 λ/4 위상지연소자(13)에서의 위상지연값이 정확하지 못할 경우 선편광의 광이 정확한 원편광으로 광으로 변환되지 못하고 그 결과 λ/4 위상지연소자(13)를 통과하는 과정에서 레이저광의 파워가 감소되어 광픽업장치(1)의 성능이 저하되므로 정확한 위상지연값을 갖는 위상지연소자(13)의 설계가 요구되고 있다.
특히 최근에는 CD와 DVD에 동시에 사용할 수 있도록 CD용 광원(10)과 DVD용 광원(10)을 모두 채용하고 있는 광픽업장치(1)가 개발되고 있는데, λ/4 위상지연소자(13)에서의 위상지연값은 레이저광의 파장에 따라 달라지므로 단일의 위상지연소자(13)를 사용하여 CD용 광원(10)과 DVD용 광원(10)에서 출사되는 레이저광에 대하여 λ/4만큼 위상지연을 시키는데 어려움이 있다. 그 결과 종래의 광픽업장치(1)에서는 각 광원(10)에서 출사되는 레이저광의 경로가 달라지도록 장치를 구성하고 각 광원(10)별로 별도의 λ/4 위상지연소자(13)를 채용하고 있었는바 광픽업장치(1)의 구성이 복잡해지고 장치의 구성이 커지며 제작비용이 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제1 및 제2 위상지연층을 적층하여 위상지연소자를 구현하되 제2 위상지연층의 위상지연값에 대한 상기 제1 위상지연층의 위상지연값의 비를 최적화함으로써 CD용 광원과 DVD용 광원에서 출사되는 상이한 파장의 레이저광에 대하여 각각 파장의 1/4에 해당하는 만큼의 위상지연을 시킬 수 있는 위상지연소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 위상지연소자는 CD용 레이저광 및 DVD용 레이저광의 광경로상에 배치되어 상기 레이저광들의 편광상태를 변환시키는 위상지연소자에 있어서, 적층되어 있는 제1 및 제2 위상지연층을 포함하며, 상기 제2 위상지연층의 위상지연값에 대한 상기 제1 위상지연층의 위상지연값의 비는 1:3.8 내지 1:7.7인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 및 제2 위상지연층은 복굴절성을 갖는 액정고분자 물질 또는 일방향을 따라 연신된 고분자 연신필름으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 액정고분자 물질로 형성된 각 위상지연층의 두께는 1㎛ ~ 20μm인 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 위상지연층은 접착제에 의해 서로 접착될 수도 있다.
상기 위상지연소자는 투광성 기판을 더 포함할 수도 있으며, 상기 투광성 기판은 접착제에 의해 상기 제1 및 제2 위상지연층과 접착될 수도 있다.
상기 투광성 기판은 유리 또는 폴리에틸렌 텔레프탈레이드(PET)로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 적층된 제1 및 제2 위상지연층 가운데 어느 하나의 위상지연층의 외측면 상에는 회절격자가 배치될 수도 있다.
본 발명에 따른 광픽업장치는 CD용 레이저광 및 DVD용 레이저광을 출력하는 광원; 상기 광원에서 출력된 레이저광을 평행광으로 변환시키는 콜리메이팅 렌즈; 상기 콜리메이팅 렌즈를 통과한 레이저광을 광기록매체에 집광시키는 대물렌즈; 상기 광기록매체에서 반사된 레이저광을 수광하여 전기신호로 변환시키는 광검출기 ; 및 상기의 특징을 갖는 위상지연소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 위상지연소자에서는 제1 및 제2 위상지연층을 적층하여 위상지연소자를 형성하되 제2 위상지연층의 위상지연값에 대한 제1 위상지연층의 위상지연값을 최적화함으로써 CD 및 DVD용 광원에서 출사되는 선편광의 레이저광을 타원율이 0.95 이상인 원편광의 레이저광으로 간단하게 변환시킬 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 광픽업장치에서는 CD용 광원 및 DVD용 광원에서출사되는 레이저광이 동일한 광경로를 따라 진행하면서 동일한 위상지연소자에 의해 편광상태가 변환되므로 광원별로 별도의 위상지연소자를 채용하던 종래의 광픽업장치보다 장치의 구성이 간단해지며 제작공정이 간소화되어 제작비용을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 종래의 광픽업장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 위상지연소자의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 위상지연소자의 구성도.
도 4는 투광성 기판을 포함하는 위상지연소자의 구성도.
도 5는 투광성 기판을 포함하는 위상지연소자의 구성도.
도 6은 회결격자를 포함하는 위상지연소자의 구성도.
도 7은 0.89 이상의 타원율을 얻을 수 있는 조건을 나타내는 그래프.
도 8은 0.95 이상의 타원율을 얻을 수 있는 조건을 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 광픽업장치의 구성도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다. 이하에서는 우선 본 발명에 따른 위상지연소자에 대하여 설명하고, 이후 위상지연층을 포함하는 광픽업장치에 대하여 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 위상지연소자(13)의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 위상지연소자(13)는 적층되어 있는 제1 위상지연층(17) 및 제2 위상지연층(18)을 포함한다. 이때, 제1 및 제2 위상지연층(17,18)은 도 2에 도시된 바와 같이 서로 밀착되도록 적층될 수도 있으나, 도 3에 도시된 바와 같이 접착제(19)에 의해 서로 접착되면서 적층될 수도 있다.
각각의 위상지연층(17,18)은 레이저광의 광경로상에 배치되어 레이저광의 편광상태를 변환시킬 수 있도록 복굴절성을 갖는다. 이와 같은 위상지연층(17,18)으로는 입사되는 레이저광의 편광방향에 따라 정상굴절율 또는 이상굴절률을 갖게 되는 소재이면 일반적으로 사용될 수 있으나, 일방향을 따라 연신된 고분자 연신필름 또는 일방향을 따라 배향처리된 액정고분자 물질 등으로 위상지연층을 형성함이 바람직하다. 이때 액정고분자 물질로 위상지연층(17,18)을 형성할 경우에는 광픽업장치(1)의 박막화를 위해 두께가 1μm 내지 20μm이 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 위상지연소자(13)는 도 4에 도시된 바와 같이 투광성 기판(20)을 더 포함할 수 있다. 투광성 기판(20)은 위상지연층(17,18)을 보호하기 위한 것으로서 적층되어 있는 제1 및 제2 위상지연층(17,18)의 외측면에 배치되며, 투광성 기판(20)의 소재로는 유리 또는 폴리에틸렌 텔레프탈레이드(PET) 등이 사용될 수 있다.
투광성 기판(20)은 제1 및 제2 위상지연층(17,18)과는 달리 등방성을 가지므로 투광성 기판(20)을 통과하는 과정에서는 레이저광의 편광상태는 변화되지 않는다. 투광성 기판(20)은 도 5에 도시된 바와 같이 접착제(19)에 의해 제1 및 제2 위상층(17,18)과 접착되도록 배치될 수도 있다.
본 발명에 따른 위상지연소자(13)는 도 6에 도시된 바와 같이 편광성 회절격자(21)를 더 포함할 수도 있다. 편광성 회절격자(21)는 제1 및 제2 위상지연층(17,18) 가운데 어느 하나의 위상지연층(17,18)의 외측면 상에 배치되어 일방향으로 편광된 선편광의 광은 투과를 시키되 상기 일방향과 직각을 이루는 방향으로 편광된 선편광의 광은 회절을 시키기 위한 것으로서, 광픽업장치(1)에서 광이용효율을 향상시키기 위해 널리 사용되고 있는바 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 위상지연소자(13)를 통과하는 과정에 있어서의 레이저광의 편광상태의 변화에 대하여 설명하도록 한다. 이때 레이저광의 편광상태는 이하의 수학식 1 내지 수학식 3에 의해 설명될 수 있다.
수학식 1의 M(θ,β)은 각 위상지연층(17,18)의 광전달특성을 나타내는 뮬러행렬(Muller Matrix)로서, θ는 위상지연소자(13)로 입사되는 광(이하 '입사광'이라 함)의 편광방향과 각 위상지연층(17,18)의 투과광축이 이루는 각도로서 0 ~ 180˚의 값을 가지며, β는 위상지연층(17,18)의 위상지연값을 의미한다.
[규칙 제91조에 의한 정정 28.12.2009]　
수학식 1
Figure WO-DOC-38
수학식 2의 S는 레이저광의 편광상태를 나태내는 스톡스 벡터(Stock's vector)로서 수학식 2에 나타난 바와 같이 4개의 파라미터로 구성된다.
수학식 2
Figure PCTKR2009006518-appb-M000002
이때 S0은 레이저광의 총 세기(total intensity)를 의미하며, S1은 수평방향으로 편광된 성분의 세기와 수직 방향으로 편광된 성분의 세기의 차이를 의미하며, S2는 수평방향을 기준으로 +45˚방향으로 편광된 성분의 세기와 -45˚방향으로 편광된 성분의 세기의 차이를 의미하며, S3는 우측 방향으로 회전하는 원편광 성분의 세기와 좌측 방향으로 회전하는 원편광 성분의 세기의 차이를 의미한다. 표 1은 레이저광의 대표적인 편광상태를 스톡스 벡터로 표시한 것이다.
표 1
편광상태 스톡스 벡터[S0 S1 S2 S3]
수평 직선편광 상태 [1 1 0 0]t
수직 직선편광 상태 [1 -1 0 0]t
선편광 각도 +45도 일때 [1 0 1 0]t
선편광 각도 -45도 일때 [1 0 -1 0]t
우회전 원편광 상태 [1 0 0 1]t
좌회전 원편광 상태 [1 0 0 -1]t
이하에서는 설명의 편의를 위하여 위상지연소자(13)로 입사되는 레이저광(이하 '입사광'이라고 함)의 편광상태를 나타내는 스톡스 벡터는 S로, 위상지연소자(13)를 통과한 레이저광의 편광상태를 나타내는 스톡스 벡터는 S'로 칭하도록 하며, 제1 위상지연층에 대한 뮬러 행렬은 M1으로, 제2 위상지연층에 대한 뮬러 행렬은 M2로 칭하도록 한다. 이때 S'는 수학식 3에 나타난 바와 같이 S에 M1 및 M2를 순차적으로 곱하여 얻게 된다.
수학식 3
Figure PCTKR2009006518-appb-M000003
본 발명에서는 일방향으로 편광된 선편광의 광을 제1 및 제2 위상지연층(17,18)을 이용하여 원편광으로 변환시키는 것을 목적으로 하는바, 이하에서는 선편광의 광을 원편광의 광으로 변환시키기 위한 위상지연층(17,18)의 조건을 최적화하도록 한다.
이때, 출사광의 원편광의 정도는 "타원율(ε)"에 의해서도 판단할 수 있는바 이하에서는 출사광의 편광상태를 타원율을 이용해서 나타내도록 한다. 이때, 타원율(ε)이란 수직방향으로 편광된 성분의 세기와 수평방향으로 편광된 성분의 세기의 비율을 의미하는데, 이는 하기 [수학식 4]와 같이 상기에서 설명한 스톡스 파라미터를 이용하여 구할 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2009006518-appb-M000004
레이저광의 편광상태가 완벽한 원편광인 경우에는 수평방향으로 편광된 성분의 세기와 수직방향으로 편광된 성분의 세기가 동일하므로 타원율은 1이 된다. 그러나 타원율이 1인 완벽한 원편광의 출사광을 얻는 것은 많은 노력이 요구되는바, 본 발명에서는 해당 기술분야에서 일반적으로 요구되는 수준인 0.89 이상, 바람직하게는 0.95 이상의 타원율을 얻을 수 있도록 제1 위상지연층(17)의 위상지연값(β1) 및 제2 위상지연층(18)의 위상지연값(β2)을 최적화 하도록 한다. 상기 각 위상지연값(β1) 및 위상지연값(β2)은 하기 [수학식 5]에서 보이는 바와 같이 파장에 의해 영향을 받음을 알 수 있다.
수학식 5
Figure PCTKR2009006518-appb-M000005
여기서 x는 지연층 번호, x=1,2 이고, λ0는 파장이고, d는 위상지연층의 두께이며, n0 및 ne는 정상광 굴절률 및 이상광 굴절률이다.
도 7 및 도 8에서는 CD에 사용되는 약 785nm의 레이저광과 DVD에 사용되는 레이저광에 대하여 파장의 1/4만큼 위상 지연시키는 제1 및 제2 위상지연층(17, 18)의 위상지연값을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 것이다.
도 7 및 도 8에서 보이는 바와 같이 제2 위상지연층(18)의 위상지연값의 범위가 140nm 내지 190nm이고, 제1 위상지연층(17)의 위상지연값의 범위가 450nm 내지 1300nm인 범위에서 각파장이 1/4만큼 위상지연됨을 알 수 있다.
도 7은 CD에 사용되는 약 785 nm의 레이저광과 DVD에 사용되는 약 656의 레이저광에 대하여 타원율이 0.89 이상인 출사광을 얻을 수 있는 제1 및 제2 위상지연층(17,18)에서의 위상지연값의 조합을 시뮬레이션한 결과이다.
시뮬레이션 과정에서는 제1 및 제2 위상지연층(17,18)의 위상지연값을 변화시키시면서 출사광의 편광상태를 나타내는 스톡스 벡터인 S'을 연산하고, S'을 이용하여 출사광의 타원율을 시뮬레이션하게 된다. 시뮬레이션에서는 제1 위상지연층(17)의 위상지연값(β1)은 0 ~ 1300nm 의 범위에서 변화를 시켰으며, 제2 위상지연층(18)의 위상지연값(β2)은 0 ~ 700nm의 범위에서 변화시켰다.
한편 출사광의 편광상태는 상기에서 설명한 바와 같이 입사광의 편광방향과 각 위상지연층의 투과광축이 이루는 각도(θ)에 의해도 영향을 받게 된다. 이와 관련하여 본 시뮬레이션 과정에서는 각 위상지연값(β1,β2)의 조합에 대하여 θ를 0˚부터 180˚까지 변화시키면서 시뮬레이션하여 타원율이 0.89 이상이 되도록 하는 위상지연값(β1,β2)의 범위를 시뮬레이션하였다.
즉, 각 위상지연층(17,18)의 뮬러행렬(M1,M2)에 각 위상지연층(17,18)의 위상지연값(β1,β2)을 1개씩 대입한 상태에서 θ를 0˚부터 180˚까지 변화시키면서 타원율을 시뮬레이션하고 이를 상기에서 설명한 위상지연값의 범위에 대하여 반복하였다.
시뮬레이션 결과를 살펴보면, 도 7에 도시된 바와 같이 제2 위상지연층(18)에서의 위상지연값이 약 150nm인 경우 제1 위상지연층(17)이 대략 280nm 내지 1300nm의 위상지연값을 갖는다면 출사광의 타원율은 (위상지연층의 광축각θ들의 조합에 의해)0.89 이상이 됨을 알 수 있다. 만일, 제2 위상지연층(18)에서의 위상지연값이 약 180nm 인 경우에는 제1 위상지연층(17)에서의 위상지연값이 300nm 내지 1300nm의 위상지연값을 갖는 경우 출사광의 타원율이 (위상지연층의 광축각θ들의 조합에 의해) 0.89 이상이 됨을 알 수 있다. 따라서, 서로 다른 위상지연값을 갖는 2개의 위상지연층(17,18)을 조합하여 선편광의 광을 타원율 0.89 이상의 원편광의 광으로 변환시키기 위해서는 제2 위상지연층(18)의 위상지연값이 대략 140nm ~ 190nm이고, 상기 제1 위상지연층(17)의 위상지연값이 대략 450nm ~ 1300nm이 되어야 함을 알 수 있다. 특히, 제2 위상지연층(18)의 위상지연값이 대략 140nm 내지 190nm인 범위에서 제2 위상지연층(18)의 위상지연값에 대한 제1위상지연층(17)의 위상지연값의 비가 1:4.5 와 1:6.5 근처의 조합이 바람직하다.
특히, 이와 같은 위상지연값의 비율은 상기에서 설명한 바와 같이 입사광의 편광방향과 각 위상지연층(17,18)의 투과광축이 이루는 각도(θ)의 영향을 고려한 것으로서 θ들의 조합에 의해 타원율이 0.89 이상인 출사광을 얻을 수 있는 조건을 의미한다.
이때, 각 위상지연층(17,18)의 위상지연값은 위상지연층(17,18)의 두께 또는 위상지연층을 구성하는 물질의 굴절률에 따라 달라지는바, 각 위상지연층(17,18)의 두께 또는 굴절률을 조절함으로써 상기와 같은 위상지연비를 얻을 수 있다. 예를 들어 굴절률이 동일한 물질로서 제1 및 제2 위상지연층(17,18)을 형성하면서 제2 위상지연층(18)의 두께에 대한 제1 위상지연층(17)의 두께의 비를 본 발명에 따른 도 7의 범위 내, 즉 제2위상지연층의 위상지연값이 140nm 내지 190nm인 영역에서 1:4.5 또는 1:6.5로 형성한다면 타원율이 0.95 이상의 값을 갖게 된다.
위의 경우에 대한 도 8은 타원율이 0.95인 출사광을 얻을 수 있는 제1 및 제2 위상지연층(17,18)에서의 위상지연값의 조합을 시뮬레이션한 결과로서, 도 7의 경우와 마찬가지로 위상지연층들의 광축θ들의 조합에 의해 타원율이 0.95 이상인 출사광을 얻을 수 있는 제1 및 제2 위상지연층(17,18)에서의 위상지연값의 조합을 시뮬레이션한 것이다.
도 8에 의하면, 제2 위상지연층(18)에서의 위상지연값이 150nm 내지 170nm인 경우 타원율이 0.95 이상인 출사광을 얻기 위해서는 제1 위상지연층(17)에서의 위상지연값이 700nm 내지 800nm 또는 1050 내지 1150nm이어야 함을 알 수 있다. 따라서 2개의 위상지연층(17,18)을 조합하여 광을 λ/4만큼 위상지연하면서 선편광의 광을 타원율 0.95 이상의 광으로 변환시키기 위해서는 제2 위상지연층(18)의 위상지연값이 150nm 내지 170nm인 영역에서 상기 제2 위상지연층(18)의 위상지연값에 대한 상기 제1 위상지연층(17)의 위상지연값의 비가 대략 1:3.8 내지 1:5.4 및 1:5.8 내지 1:7.7이 되어야 함을 알 수 있다. 특히, 제2 위상지연층(18)에 대한 제1 위상지연층(17)의 위상지연값의 비는 위상지연소자의 두께를 고려하여 1:3.8 내지 1:5.4인 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 위상지연소자(13)를 포함하는 광픽업장치(1)의 구성도로서 CD 및 DVD에 호환이 가능한 광픽업장치(1)를 도시한 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광픽업장치(1)는 광원(10), 빔스플리터(beam splitter)(11), 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)(12), 대물렌즈(14) 및 광검출기(15)를 포함하며, 레이저광의 광경로상에는 본 발명에 따른 위상지연소자(13)가 배치된다.
이때, 광원(10)은 CD에 데이터를 기록하거나 CD에 저장된 데이터를 읽기 위한 785nm대의 레이저광 및 DVD에 데이터를 기록하거나 저장된 데이터를 읽기 위한 656nm대의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성되어야 하는데, 광픽업장치(1)의 소형화를 도모할 수 있도록 상기와 같은 2개의 파장을 출력할 수 있는 반도체 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 다만 각각 785nm대 및 656nm대의 레이저광을 출력하는 별개의 레이저를 채용하고 각 레이저에서 출력되는 레이저광이 동일한 광경로를 따라 진행하도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
또한 상기 광원(10)에서 출력되는 레이저광의 파장은 785nm 및 656nm에 국한되는 것은 아니며 CD 또는 DVD에 데이터를 기록하거나 기록된 데이터를 읽어낼 수 있는 범위에서 조절될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 광픽업장치(1)에 포함된 빔스플리터(beam splitter), 콜리메이팅 렌즈(collimating lens)(12), 대물렌즈(14) 및 광검출기(15)에 대하여는 본 명세서의 배경기술에서 상세히 설명하였는바 동일한 도면 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이상에서는 본 발명에 따른 위상지연소자(13)의 용도를 광픽업장치(1)에 국한하여 설명을 하였으나 디스플레이장치와 같이 서로 다른 2개의 레이저광의 광경로상에 배치되어 레이저광의 편광상태를 변화시키는 것이 요구되는 다양한 분야에 응용될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 위상지연소자 및 이를 포함하는 광픽업장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제1 및 제2 위상지연층을 적층하여 위상지연소자를 구현하되 제2 위상지연층의 위상지연값에 대한 상기 제1 위상지연층의 위상지연값의 비를 최적화함으로써 파장이 상이한 2개의 레이저광에 대하여 각각 파장의 1/4 만큼 위상지연을 시킬 수 있는 위상지연소자에 관한 발명으로, 광픽업장치에 있어 유용하게 사용될 수 있는 기술이다.

Claims (7)

  1. 빛의 편광상태를 변환시키는 위상지연소자에 있어서, 적층되어 있는 제1 및 제2 위상지연층을 포함하며,
    제2위상지연층의 위상지연값이 140nm 내지 190nm이며, 상기 제1위상지연층의 위상지연값이 450nm 내지 1300nm인 것을 특징으로 하는 위상지연소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2위상지연층의 위상지연값이 140nm 내지 190nm이고, 상기 제2위상지연층의 위상지연값에 대한 제1위상지연층의 위상지연값의 비가 1:3.8내지 1:7.7이며, 상기 위상지연소자에서 출사되는 광의 타원율이 0.89 이상인 것을 특징으로 하는 위상지연소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2위상지연층의 위상지연값이 140nm 내지 190nm인 범위에서, 상기 제2위상지연층의 위상지연값에 대한 제1위상지연층의 위상지연값의 비가 1:3.8 내지 1:5.4 및 1:5.8 내지 1:7.7 중의 어느 하나이며 상기 타원율이 0.95 이상인 것을 특징으로 하는 위상지연소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 위상지연층은 복굴절성을 갖는 액정고분자 물질 또는 연신된 고분자 연신필름으로 형성된 것을 특징으로 하는 위상지연소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 액정고분자 물질로 형성된 각 위상지연층의 두께는 1 ~ 20μm인 것을 특징으로 하는 위상지연소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    투광성 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상지연소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층된 제1 및 제2 위상지연층 가운데 어느 하나의 위상지연층의 외측면 상에 배치되는 회절격자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상지연소자.
PCT/KR2009/006518 2008-11-06 2009-11-06 위상지연소자 및 이를 포함하는 광픽업장치 WO2010053311A2 (ko)

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KR10-2008-0109866 2008-11-06
KR1020080109866A KR100969659B1 (ko) 2008-11-06 2008-11-06 위상지연소자 및 이를 포함하는 광픽업장치

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