JP2001249003A - 光干渉装置及び位置検出装置 - Google Patents

光干渉装置及び位置検出装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＳＮ比の高い信号を得て測定精度を向上す
る。 【解決手段】 半導体レーザー光源１１からのレーザー
光束Ｌ１は、集光レンズ３、非偏光ビームスプリッタ１
３を透過し、プローブ型偏光部材１４に入射して偏光部
材１４のスプリッタ面１４ａでＰ波とＳ波に分離され
る。この内の参照光束Ｌ２はスプリッタ面１４ｂを通過
して反射面１４ｂで反射され、測定光束Ｌ３はスプリッ
タ面１４ａで反射され、凹レンズ１５を介して被検物体
Ｔに集光する。このとき、測定光束Ｌ３の集光点を参照
光束Ｌ２が反射される反射面１４ｂと波動光学的な等光
路長となるように、凹レンズ１５の屈折力を設定してお
くことにより、参照光束Ｌ２と測定光束Ｌ３はそれぞれ
垂直な偏光面を有する直線偏光として、それぞれ反射面
１４ｂと被検物体Ｔで反射され円偏光となり、元の光路
を戻って非偏光ビームスプリッタ１３で反射され、この
円偏光光束が偏光板１６に入射することにより、センサ
１７上に強弱を有する光の干渉信号が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非接触で物体の位
置変動を検出する光干渉装置及び位置検出装置に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】図４は従来例の半導体レーザー光源を使
用した干渉計の構成図を示す。光学ヘッド１には、半導
体レーザー光源２及びその光路上に、集光レンズ３、非
偏光ビームスプリッタ４、光学ヘッド１から突出しガラ
スから成るプローブ型偏光部材５が順次に配列されてい
る。プローブ型偏光部材５には、傾斜したスプリット面
５ａとその透過方向に反射面５ｂが形成されており、ス
プリット面５ａの反射方向に被検物体Ｔを位置させるよ
うになっている。また、光学ヘッド１内の非偏光ビーム
スプリッタ４の反射方向には、偏光板６、センサ７が配
列されている。
【０００３】半導体レーザー光源２から射出したレーザ
ー光束Ｌ１は、集光レンズ３、非偏光ビームスプリッタ
４を透過して、プローブ型偏光部材５に入射する。この
光束は偏光部材５のスプリット面５ａにおいてＰ波とＳ
波に分離され、このスプリット面５ａを透過した光束Ｌ
２は、参照光束として反射面５ｂにより反射されて元の
光路を戻る。一方、スプリット面５ａにより反射された
光束Ｌ３は測定光束として被検物体Ｔ上に集光し、被検
物体Ｔの粗面により散乱反射されて散乱光として元の光
路を戻る。そして、これらの参照光束Ｌ２及び測定光束
Ｌ３は、非偏光ビームスプリッタ４によってセンサ７の
方向に反射される。
【０００４】参照光束Ｌ２及び測定光束Ｌ３はそれぞれ
垂直な偏光面を持った直線偏光であるが、被検物体Ｔが
光軸方向に相対移動することによって回転する円偏光と
なる。この回転する円偏光が偏光板６に入射することに
よって、センサ７上に光の強弱を持った光の干渉信号が
得られる。このとき、測定光束Ｌ３の被検物体Ｔ上の集
光点と参照光束Ｌ２の反射面６とは波動光学的に等光路
となっているために、センサ７上において最大の干渉信
号が得られる。
【０００５】半導体レーザー光源１からのレーザー光の
波長をλとすると、被検物体Ｔが移動するに伴いλ／２
で１周期の正弦波出力が得られる。具体的には、λ＝７
８０ｎｍとすると、センサ７からの出力は７８０／２＝
３９０ｎｍの正弦波信号が出力される。この信号を電気
分割で１０００分割すると、高分解能の０．３９ｎｍが
得られる。
【０００６】プローブ型偏光部材５は小さい口径で細長
い構造をしているために、光学ヘッド１からこのプロー
ブ型偏光部材５だけを突出した形態に構成することがで
きる。従って、仮に被検物体Ｔが機械的に複雑な部所に
配設されていても、プローブ型偏光部材５のみを挿入す
ることによって簡便に測定を行うことができる。また、
参照光束Ｌ２は偏光部材５の反射面５ｂにより反射され
るために、この光路が空気中に露出していないことから
環境変化の影響を受け難い構成となっている。更に、可
干渉性が最大のところで微小なスポットに集光する光学
系となっているために、相当に粗い粗面であっても被検
物体Ｔの表面を鏡面として扱うことができ、測定可能な
被測定物が制限されることはない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来例においては、スプリット面５ａで光束Ｌ１を分離し
た後に、参照光束Ｌ２はガラス中を通って反射面５ｂで
反射され、一方で測定光束Ｌ３はガラスと空気中を通っ
て被検物体Ｔの表面で反射されるために、幾何光学的な
光路長と波動光学的な光路長が等しくならない。つま
り、参照光束Ｌ２と測定光束Ｌ３の球面波の中心位置ま
での距離が異なるために、センサ７の位置では図５に示
すような同心円状の干渉パターンＰが発生する。
【０００８】このセンサ７からコントラストが良好な電
気信号を得るためには、図５に示される同心円状の光干
渉パターンＰの中心を射抜くようなアパーチャ８を設け
る必要がある。測定光束Ｌ３は元来被検物体Ｔの散乱面
を測定し易いように集光光束としているが、散乱面では
センサ７方向に反射される採光量が少なく、また同心円
状の干渉パターンＰをアパーチャ８で射抜くことによっ
て光量損失が生じてＳＮ比の低下を招き、電気分割して
分解能を上げる段階での精度を確保することができない
という問題点が生ずる。
【０００９】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
ＳＮ比の高い信号を得ることを可能として、測定精度を
向上した光干渉装置及び位置検出装置を提供することに
ある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る光干渉装置は、光源と、該光源からの光
束を分割するビームスプリッタと、該ビームスブリッタ
からの一方の分離光を反射して光路を逆進させる参照面
とを有し、該参照面からの光と前記ビームスブリッタか
ら出射して被検物体上で反射して戻った他方の分離光と
を前記ビームスプリッタによって合波し、該合波した光
を最終的に干渉光として利用するために、前記２分離光
が集光光として前記ビームスプリッタから出射するよう
に配置し、光束の集光又は発散状態を変更する機能を有
する光学素子を前記ビームスプリッタから出射する何れ
か一方の分離光の光路中に配置し、前記光学素子の作用
により前記２分離光の集光位置からの反射光が同一径の
球面波として前記ビームスプリッタで合波するようにし
たことを特徴とする。また、本発明に係る位置検出装置
は、被検物体までの相対位置を検出するための位置検出
装置であって、光源と、該光源からの光束を分割するビ
ームスプリッタと、該ビームスプリッタからの一方の分
離光を反射して光路を逆進させる参照面とを有し、該参
照面からの光と前記ビームスプリッタから出射して被検
物体上で反射して戻った他方の分離光とを前記ビームス
プリッタによって合波し、前記２分離光が集光光として
前記ビームスプリッタから出射するように配置し、前記
合波光を互いに干渉した状態で検出することによって前
記被検物体までの相対位置を検出し、光束の集光又は発
散状態を変更する機能を有する光学素子を前記ビームス
プリッタから出射する一方の分離光の光路中に配置し、
前記光学素子の作用により前記２分離光の集光位置から
の反射光が同一径の球面波として前記ビームスプリッタ
で合波するようにしたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明を図１〜図３に図示の実施
の形態に基づいて詳細に説明する。図１は半導体レーザ
ー光源を使った小型干渉計の構成図を示し、光学ヘッド
１０には、半導体レーザー光源１１、及びその光路上に
集光レンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３、光学ヘ
ッド１０から突出したガラス製のプローブ型偏光部材１
４が順次に配列されている。プローブ型偏光部材１４に
は、傾斜して配置されＰ波とＳ波を分離するスプリット
面１４ａと、このスプリット面１４ａを透過した光束を
全反射する反射面１４ｂとが設けられている。そして、
スプリット面１４ａの反射方向の偏光部材１４の入出射
口には凹レンズ１５が貼り付けられ、この凹レンズ１５
に対向して被検物体Ｔを位置されるようになっている。
また、光学プローブ１０内の非偏光ビームスプリット１
３の反射方向の光路上には、偏光板１６、センサ１７が
配置されている。
【００１２】半導体レーザー光源１１から射出されたレ
ーザー光束Ｌ１は集光レンズ３で集光光束とされ、非偏
光ビームスプリッタ１３を透過してプローブ型偏光部材
１４に入射する。光束Ｌ１はその後にスプリット面１４
ａでＰ波とＳ波に分離され、一方の光束は参照光束Ｌ２
となってプローブ型偏光部材１４のスプリット面１４ａ
を透過し反射面１４ｂにより反射される。このとき、参
照光束Ｌ２の集光点は反射面１４ｂ上に設定されてい
る。
【００１３】一方、偏光ビームスプリット面１４ａで反
射された他方の光束は、測定光束Ｌ３として被検物体Ｔ
の反射面に到達する。この測定光束Ｌ３はプローブ型偏
光部材１４から出射した直後に、凹レンズ１５によって
被検物体Ｔの反射面に集光する。この測定光束Ｌ３の集
光点は、参照光束Ｌ２が反射される反射面１４ｂと波動
光学的な等光路長になるように、凹レンズ１５の屈折力
は設定されているので、半導体レーザー光源１１を使用
した干渉計として最大の効果を発揮することができる。
【００１４】参照光束Ｌ２及び測定光束Ｌ３は、それぞ
れ反射面１４ｂ及び被検物体Ｔ上の表面で反射された後
にスプリット面１４ａを介して元の光路を戻り、非偏光
ビームスプリッタ１３で偏光板１６を通ってセンサ１７
の方向に反射される。これらの参照光束Ｌ２及び測定光
束Ｌ３はそれぞれ垂直な偏光面を有する直線偏光である
が、被検物体Ｔが光軸方向に相対移動することによって
回転する円偏光となり、この回転する円偏光が偏光板１
６に入射することによって光の強弱を有する光の干渉信
号が得られる。
【００１５】従来例と同様に、半導体レーザー光源１１
からのレーザー光の波長をλ＝７８０ｎｍとすると、セ
ンサ１７からは７８０／２＝３９０ｎｍの正弦波信号が
出力され、電気分割により１０００分割することにより
分解能は０．３９ｎｍとなる。
【００１６】本実施の形態の場合は従来例の干渉計と異
なり、参照光束Ｌ２及び測定光束Ｌ３の波動光学的な等
光路位置と、幾何光学的な集光点とを凹レンズ１５によ
り同一に設定できる。これにより、被検物体Ｔが測定光
束Ｌ３の集合位置にある場合には、合波後の光束の波面
は曲率の等しい球面波となり、センサ１７上での干渉信
号は縞模様のないワンカラー状態になっている。ここ
で、被検物体の位置が若干集光位置から変位しても、ワ
ンカラー状態は殆ど崩れることはない。
【００１７】従って、従来例のようにアパーチャ等で光
束径を制限する必要がなくなり光量損失を回避すること
ができる。例えば従来例の干渉計において、センサ１７
上に形成される光の干渉パターンＰの直径を２ｍｍと
し、アパーチャの直径を０．５ｍｍとすると光量９３．
７５％の損失になるので、凹レンズ１５を設けることに
より、従来例の干渉計に比べて光量が１６倍に増えるこ
とになる。
【００１８】また、可干渉距離１００μｍの測定範囲で
は、センサ１７上に多少の同心円状の干渉パターンが発
生するために、このことを考慮に入れてアパーチャで光
束を直径の７０％にカットしても、光量損失は半分に押
さえることができ、従来例の干渉計に比較して８倍の信
号増加が見込める。このことによって、ＳＮ比が相当に
改善されるので、電気分割の精度が向上して高精度な測
定が可能となる。
【００１９】なお、凹レンズ１５の代りに負の屈折力を
有するフレネルレンズを同様の位置に設置しても同様の
効果が得られ、このフレネルレンズは薄型に構成し易い
ために干渉計を小型にするには好適である。
【００２０】図２は本発明の他の実施の形態を示し、凹
レンズ１５ではなく凸面ミラー１８を使用する構成とさ
れ、そのためスプリット面１４ａの反射方向を逆向きと
し、更に往復光路中に１／４波長板１９を加えている点
が図１の実施の形態とは異なっており、その他は図１の
実施の形態と同様である。
【００２１】この異なる点について説明すると、スプリ
ット面１４ａで反射したＳ波は凸面ミラー１８によって
集光位置を先に延ばされ、その反射による光路往復の間
に１／４波長板１９によってＰ波に変更され、スプリッ
ト面１４ａを透過して被検物体Ｔに向かう。被検物体Ｔ
からの反射光は、光路を逆進してスプリット面１４ａで
参照光束Ｌ２と合波される。この際に、被検物体Ｔが測
定光束Ｌ３の集光位置にあるとき、合波後の光束の波面
が曲率の等しい球面波となるのは先の実施の形態と同様
である。
【００２２】本実施の形態では、凹レンズ１５を使用し
た先の実施の形態と比較し、波長によって集光位置が変
化しないので、より波長変動につよいという利点があ
る。なお、光源としては半導体レーザー光源以外に、例
えばＬＥＤ等の可干渉性の低いものに特に有効に適用で
きる。
【００２３】図３は本発明の干渉装置及びそれを用いた
位置検出装置を採用したサーボトラック信号書込装置
（サーボ信号書込装置）の実施の形態の概略構成図であ
る。
【００２４】ハードディスクドライブ装置２１において
は、ハードディスク２２の外側に回転軸Ｏを持つ磁気ヘ
ッドアーム２３が配置されていて、その先端に取り付け
られたスライダ２４が、ハードディスク２２面に対向し
て０．５μｍ以下のギャップで配置され、磁気ヘッドア
ーム２３の回転はボイスコールモータ２５に電流を流す
ことで行われる。
【００２５】ハードディスク２２の表面には磁気記録媒
体が蒸着されており、ハードディスク２２はスピンドル
２６を中心に常時高速で回転しており、磁気ヘッドアー
ム２３がボイスコイルモータ２５により回転駆動するこ
とにより、スライダ２４がハードディスク２２上を略半
径方向に相対移動できるようになっている。これによっ
て、円盤状のハードディスク２２の表面上の任意の位置
つまりトラックに、磁気情報を書き込んだり読取ったり
することができる。
【００２６】シグナルジェネレータ２７はハードディス
ク２２に書き込むサーボトラック信号を発生させ、この
サーボトラック信号がスライダ２４の磁気ヘッドを介し
てハードディスク２２に書き込まれる。
【００２７】位置検出ユニット２８は回転アーム、ポジ
ショナーアームから成り回転軸Ｏを中心に回転する支持
アーム２９の先端に設けられ、光学プローブ３０から成
る先端部品がハードディスクドライブ装置２１のベース
プレートの図示しない長穴状開口に挿入され、磁気ヘッ
ドアーム２３の側面近傍に配置されるようになってい
る。支持アーム２９の動きは、回転軸Ｏに取り付けられ
た高分解能のロータリエンコーダ３１によって検出さ
れ、この検出データを基にシグナルプロセッサ３４がモ
ータドライバ３２を介してモータ３３を回転駆動する。
この形態のフィードバック制御によって、位置検出ユニ
ット２８が回転位置決めされることになる。なお、ロー
タリエンコーダ３１、モータドライバ３２、モータ３
３、そしてシグナルプロセッサ３４はロータリポジショ
ナ３５の１要素を構成している。
【００２８】本実施の形態では、支持アーム２９に位置
検出ユニット２８として前述した図１又は図２の干渉計
を配置し、この干渉計からの測定光を磁気ヘッドアーム
２３の側面（被検物体Ｔに相当）に入射し、この側面か
らの光束を照射し、反射光を取り出して他の光束と干渉
させて、磁気ヘッドアーム２３との位置関係をシグナル
プロセッサ３６で測定することで、磁気ヘッドアーム２
３の側面とロータリポジジョナ３１の位置検出ユニット
２８との相対距離を安定に測定し、この測定値が一定に
なるように磁気ヘッドアーム２３を駆動するボイスコイ
ルモータ２５を、ボイスコイルモータドライバ３７によ
り駆動制御している。
【００２９】この構成によって磁気ヘッドアーム２３上
の磁気ヘッドをハードディスク２２上の適正な半径位置
に正確に位置決めでき、正確、精密なサーボトラック書
込みが可能となる。
【００３０】上記装置は信号書込み装置であるが、磁気
ヘッドから信号を読取る読取装置、例えば検査装置及び
その双方の機能を持つ装置にも同様に採用できる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように本発明による光干渉
装置及び位置検出装置は、測定光束及び参照光束を波動
光学的な等光路位置で集光する集光光束とし、特に例え
ばプローブ型偏光部材から射出された直後の位置に屈折
力を有する光学部材を設置して、可干渉性の最大位置と
幾何光学的な集光位置を一致させることができるので、
センサ上で光の干渉信号を縞模様のないワンカラーとす
ることができる。この結果、センサ部分にアパーチャ等
を設ける必要がなくなり、光量損失を生ずることがな
く、ＳＮ比の高い信号を得ることができ、測定精度を向
上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の干渉計の構成図である。
【図２】サーボ信号書込装置の説明図である。
【図３】他の実施の形態の構成図である。
【図４】従来例の干渉計の構成図である。
【図５】同心円状の干渉パターンを制限するアパーチャ
の説明図である。
【符号の説明】
１０ 光学ヘッド １１ 半導体レーザー光源 １２ 集光レンズ １３ 非偏光ビームスプリッタ １４ プローブ型偏光部材 １５ 凹レンズ １６ 偏光板 １７ センサ １８ 曲面ミラー １９ １／４波長板 ２１ ハードディスク装置 ２２ ハードディスク ２３ 磁気ヘッドアーム ２４ スライダ ２５ ボイスコイルモータ ２８ 位置検出ユニット ２９ 支持アーム ３０ 光学プローブ ３１ ロータリエンコーダ ３３ モータ ３５ ロータリポジショナ Ｔ 被検物体

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源と、該光源からの光束を分割するビ
    ームスプリッタと、該ビームスブリッタからの一方の分
    離光を反射して光路を逆進させる参照面とを有し、該参
    照面からの光と前記ビームスブリッタから出射して被検
    物体上で反射して戻った他方の分離光とを前記ビームス
    プリッタによって合波し、該合波した光を最終的に干渉
    光として利用するために、前記２分離光が集光光として
    前記ビームスプリッタから出射するように配置し、光束
    の集光又は発散状態を変更する機能を有する光学素子を
    前記ビームスプリッタから出射する何れか一方の分離光
    の光路中に配置し、前記光学素子の作用により前記２分
    離光の集光位置からの反射光が同一径の球面波として前
    記ビームスプリッタで合波するようにしたことを特徴と
    する光干渉装置。
  2. 【請求項２】 前記光学素子は前記被検物体上への光路
    中に配置した請求項１に記載の光干渉装置。
  3. 【請求項３】 前記光学素子はレンズである請求項１に
    記載の光干渉装置。
  4. 【請求項４】 前記光学素子はフレネルレンズである請
    求項１に記載の光干渉装置。
  5. 【請求項５】 前記光学素子は曲面ミラーである請求項
    １に記載の光干渉装置。
  6. 【請求項６】 前記参照面へは前記ビームスプリッタか
    らの透過光が進行し、前記被検物体へは前記ビームスプ
    リッタからの反射光が前記光学素子を介して進行する請
    求項１に記載の光干渉装置。
  7. 【請求項７】 前記ビームスプリッタによって分離した
    光の参照面までの光路は、前記ビームスプリッタが形成
    されている前記光学部材内に収まっている請求項１に記
    載の光干渉装置。
  8. 【請求項８】 被検物体までの相対位置を検出するため
    の位置検出装置であって、光源と、該光源からの光束を
    分割するビームスプリッタと、該ビームスプリッタから
    の一方の分離光を反射して光路を逆進させる参照面とを
    有し、該参照面からの光と前記ビームスプリッタから出
    射して被検物体上で反射して戻った他方の分離光とを前
    記ビームスプリッタによって合波し、前記２分離光が集
    光光として前記ビームスプリッタから出射するように配
    置し、前記合波光を互いに干渉した状態で検出すること
    によって前記被検物体までの相対位置を検出し、光束の
    集光又は発散状態を変更する機能を有する光学素子を前
    記ビームスプリッタから出射する一方の分離光の光路中
    に配置し、前記光学素子の作用により前記２分離光の集
    光位置からの反射光が同一径の球面波として前記ビーム
    スプリッタで合波するようにしたことを特徴とする位置
    検出装置。
  9. 【請求項９】 前記光学素子は前記被検物体上への光路
    中に配置した請求項８に記載の位置検出装置。
  10. 【請求項１０】 前記光学素子はレンズである請求項８
    に記載の位置検出装置。
  11. 【請求項１１】 前記光学素子はフレネルレンズである
    請求項８に記載の位置検出装置。
  12. 【請求項１２】前記光学素子は曲面ミラーである請求項
    ８に記載の位置検出装置。
  13. 【請求項１３】 前記参照面へは前記ビームスプリッタ
    からの透過光か進行し、前記被検物体へは前記ビームス
    プリッタからの反射光が前記光学素子を介して進行する
    請求項８に記載の位置検出装置。
  14. 【請求項１４】 前記ビームスプリッタによって分離し
    た光の参照面までの光路は、前記ビームスプリッタが形
    成されている前記光学部材内に収まっている請求項８に
    記載の位置検出装置。
  15. 【請求項１５】 情報媒体に情報の記録及び／又は読取
    りを行うためのヘッドにより情報の記録及び／又は読取
    りを行う信号系と、前記ヘッドを設けた部材の位置を検
    出する請求項８〜１４の何れか１つの請求項に記載の位
    置検出装置と、前記位置検出装置による検出に基づいて
    前記ヘッドの位置を制御するヘッド位置制御系とを有す
    ることを特徴とする情報記録及び／又は読取装置。
  16. 【請求項１６】 情報媒体に情報の記録及び／又は読取
    りを行うためのヘッドにより情報の記録及び／又は読取
    りを行うステップと、前記ヘッドを設けた部材の位置を
    請求項８〜１４の何れか１つの請求項に記載の位置検出
    装置を用いて検出する位置検出ステップと、前記位置検
    出装置の検出に基づいて前記ヘッドの位置を制御するヘ
    ッド位置制御ステップとを有することを特徴とする情報
    媒体の製造方法。
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