JP2002123953A - 高密度光記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 プローブ先端付近に集光した光の反射光
像を、平行光学系上で、受光面が多面分割された受光素
子（フォトダイオード・アレイまたは電荷結合素子（Ｃ
ＣＤ））により検知し、得られた反射像を相関演算によ
り計算処理することで、焦点深度のズレ量を独立に検出
し、焦点深度をフィードバック制御する。 【効果】 三軸方向の焦点位置ズレによって、反射像の
光分布が非対称性を生じる近接場プローブにおいても、
焦点深度のズレ量を、焦点深度に垂直な方向のズレ量と
は切離して、独立にズレ量を検出することができる。か
つ平行光学系上で焦点ズレが検出できるため、光学的機
構が単純化でき、光検出器の微妙な位置調整も不要とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】光ディスク等の光学的情報記
録装置、光学的情報再生装置、走査光学顕微鏡等の光学
的観察装置、近接場光を利用した微細加工装置等に関係
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光ディスクにおいては、照射
光をレンズによって波長サイズ程度のスポット径にまで
集光し、その小さな光スポットを用いて、ディスク上の
微細な凹凸や光学的な記録マークの読み書きを行ってき
た。この際に、光スポットを安定して小さい径に維持す
るために、焦点の位置を反射光によって検知しフィード
バックする、自動焦点調節（オートフォーカス）の技術
が用いられていた。従来用いられてきた代表的な焦点ズ
レの検出方法としては、ナイフエッジ法や、非点収差法
がある。この方式においては、情報の記録密度は、この
光スポットの大きさが光の波長よりも小さくならないと
いう、回折限界によって制限されていた。

【０００３】しかし、最近、より高密度なディスクの実
現を目指して、回折限界よりさらに小さなスポット径の
光を作ることで、ディスクの記録密度をさらに向上させ
ることが可能になりつつある。この回折限界より小さな
光スポットを実現する一つの手段が、ＳＮＯＭ方式（走
査光学顕微鏡方式）と呼ばれる、近接場光ヘッドを用い
た情報記録／再生技術である。この近接場光方式の情報
記録において、図２のような微小開口１を備えた透明突
起部２を有する、図３のようなプローブスライダ１０を
用いる方法が提案されている。透明突起部２はスライダ
に対して対物レンズ５とは反対側に設けられている。こ
の微小開口を備えた透明突起部２は、近接場光発生の手
段として用いられているもので、回折限界を超える微細
な光を用いて、より微細なディスク上のパターン（凹凸
や結晶構造）を読み書きする、近接場光方式の情報記録
／再生のために用いられる。この方法では、図３のよう
に、照射光４を、対物レンズ５を用いて微小開口１へ集
光して照射する必要がある。この様な突起構造に対す
る、焦点位置ずれ検出については、特開平１１−２６５
５２０に記載されている。この従来手法においては、焦
点深度方向の焦点ズレ検出を除く、焦点深度方向に垂直
な方向のみに対して、反射光像の検知でフィードバック
を行っているが、焦点深度方向の焦点ズレ制御（オート
フォーカス）については、非点収差法により行ってい
た。

【０００４】しかしながら、非点収差法は、反射光分布
の対称性で焦点ずれを検知するため、これをＳＮＯＭ方
式に応用しようとすると、集光構造自体が幾何的な凹凸
に伴う斜面を持っているため、斜面における光の反射が
生じるビームの非対称性が生じて、焦点検知を狂わすた
め、制御が不安定となってしまう。具体的には、ほとん
どの場合、発振を起こす事となる。このため従来方法を
そのまま適用しても、十分な焦点制御ができない事がわ
かった。

【０００５】非点収差法による焦点ズレの検出法の原理
を図７に示す。非点収差法においては、シリンドリカル
・レンズ（円柱状レンズ）７を用いて、９０度異なる方
向に、異なる焦点距離を持たせ、その像の水平／垂直方
向の像の対称性により、元の焦点がイン・フォーカス側
にあるか、アウト・フォーカス側にあるかを判定する。
従って、この非点収差法による検出部以前において、反
射光分布が非対称性となると、加わった非対称性の分だ
け誤判定を起こしてしまう。

【０００６】また、もう一つの代表的な焦点位置ズレ検
出法に、ナイフエッジ法があるが、ナイフエッジ法も、
基本的には、対象なビームの分布を仮定した上で、ナイ
フエッジを通過した後のビーム分布の対称性が最も良く
なる点を探して、焦点制御を行う。ナイフエッジ法によ
る焦点ズレの検出法の原理を図６に示す。ナイフエッジ
法は、単焦点レンズにより集光した光を、ナイフエッジ
６により、半分遮断して、ナイフをかすめた光の分布の
方向を見ることで、焦点の位置が、イン・フォーカス側
またはアウト・フォーカス側にあることを検出する方法
である。ただし焦点付近において、十分に精度良く制御
を行うためには、ナイフエッジを若干焦点より遠ざけて
配置せざるを得ない。合焦点付近においては、最終的に
反射光像の微妙な対称性により判定せざるを得ず、やは
りナイフエッジ法による検出部以前において、反射光分
布が非対称となると、加わった非対称性の分だけ誤判定
を起こしてしまう。従って、この方法でも、斜面を持つ
ＳＮＯＭ方式のヘッドに対しては、斜面での反射によっ
て、反射光像の対称性が乱されるため、安定した自動焦
点調節ができず、制御が不安定となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来法で焦点制御が不
安定となる理由としては、以下の要因が挙げられる。
（１）従来方法（ナイフエッジ法・非点収差法）は、光
軸に対して垂直かつ平らな平面を持つ反射面に対して焦
点深度のズレの検知を行うことを前提とした検知方法で
あり、反射光の対称性を用いて焦点ズレを検知してい
る。図４に示すように、従来のディスク媒体に対する焦
点検出では、反射面であるディスク媒体が、光軸に対し
てほぼ垂直である。このような反射面による反射光は、
たとえ焦点が合焦点の状態でなくとも、反射光の対称性
は保たれる。従って、ナイフエッジ法や非点収差法が正
常に適用できる。しかし、ＳＮＯＭ方式のように、突起
構造が斜面で構成されている場合は、図５のように、反
射光の分布は、斜面の反射のみで非対称となってしま
う。このような系に対しては、焦点ズレの検知を誤るこ
とになり、従来法は使用できない。また、（２）透明突
起部２は、場所ごとに異なる傾きの斜面を持った構造で
あるため、各々の斜面の傾きにより、異なった検知量の
誤りが生じるため、単純な補正ができない。例えば、突
起の左側と右側では、斜面の傾きが反対になるために、
反射光の分布の偏りの方向も反対になる。このため、焦
点深度とは垂直な二方向のズレによって、焦点深度方向
の焦点調節が撹乱されてしまうこととなる。ＳＮＯＭ方
式の自動焦点調節では特に、立体的な透明突起部２の頂
上一点に対して三次元的に位置を合わせる必要があるた
めに、従来のように、焦点深度方向と、その垂直方向に
対して、別々にフィードバック制御する方法では、安定
した制御ができない。

【０００８】また、従来法（非点収差法・ナイフエッジ
法）を、ＳＮＯＭ方式を用いない通常の光ディスクの焦
点制御に用いる光ヘッドモジュールを構成する場合で
も、焦点ズレ検出部では、焦点の位置の検出を、光学的
な位置調整によって決めていた。ナイフエッジ法におい
ては、ナイフの刃の位置をミクロン単位で微妙に調節す
る必要がある。また、非点収差法においては、シリンド
リカル・レンズの直交する二焦点の中間の位置に、４分
割フォト・ディテクターの検出面を配置し、かつ、得ら
れる光像の対称点に、４分割フォト・ディテクターの中
心を一致させる必要があった。これを実現させるために
は、共に、１〜１０μｍの非常に繊細な光学系の調節が
必要となるのが一般的である。このような繊細な調節を
行わないで済むようにするためには、わずかな焦点付近
の反射光の位置変化を、受光面上に大きな像の位置変化
として検出する必要がある。前記従来例に示した焦点ズ
レの検出方法においては、レンズを２つ以上用いている
ことと、結像位置に受光素子を配置しているために、受
光素子上で得られる像の位置変化が小さく、また、結像
した反射光像のスポットが光の波長程度にまで小さくな
り、それに伴うディテクターの位置調節に、正確さが要
求された。このため、この調節の善し悪しで、光ヘッド
の品質が決まり、場合によっては歩留りが１割程度と非
常に低く、コストを押し上げる要因となっていた。ま
た、光学系の構成が複雑であるため、光ヘッドモジュー
ルの小型化が制限される一要因となっていた。

【０００９】従って本発明の目的は、突起構造を有する
プローブにより情報を記録・再生する情報記録装置にお
いて、焦点制御を安定化し、安定した情報記録／再生が
可能な情報記録再生装置を提供することである。

【００１０】また、本発明の他の目的は、焦点ずれ検知
のための機構（光軸・レンズ）として、無調整で使える
構成を提供し、装置製造の際の歩留まりを上げ、光ヘッ
ドモジュールの生産コストを低減することである。ま
た、振動や経年変化による光軸のズレに伴う品質の劣化
を抑えた情報記録再生装置を提供することである。

【００１１】さらに、本発明の他の目的は、光学系の機
械的構成を単純化し、光ヘッド・モジュールを小型化す
ることにより、持ち運びに優れた小型・軽量の光学情報
記録再生装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】プローブに対して光を集
光照射する際に、当該突起構造上の斜面および微小開口
にて反射した反射光の光分布を、平行光学系上または非
結像位置において二次元的に検知して、焦点位置ズレ検
出を行う。その際、９分割を超える多分割の光像検出器
（フォト・ダイオード・アレイ）または電荷結合素子
（ＣＣＤ）受像器を用い、得られた反射像を演算処理す
ることで、焦点深度方向に対する位置ズレ量を算出す
る。その位置ズレ検出に基づいて、焦点位置をフィード
バック制御する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１〜図
１５により説明する。

【００１４】（実施例１：光学系の構成）図１は、本発
明による三次元的な自動焦点位置制御を行った光ディス
ク装置（光ヘッド・モジュール）の構成を示す図であ
る。ここでは、焦点ズレを検知するための光学系の構成
例について述べる。

【００１５】スピンドル・モータ８により媒体であるデ
ィスク９を回転させ、ディスクの表面にＳＮＯＭ方式の
近接場光プローブを備えたプローブスライダ１０を走査
させる。半導体レーザ１１を光源として発生した光を、
コリメートレンズ１４で平行光とし、ビーム整形プリズ
ム１２で正円状に整形した後、ビームスプリッタ１３に
より、ディスク９側に光路を曲げ、対物レンズ５へ当て
る。このレーザ光を対物レンズ５によって、プローブス
ライダ１０の裏面から供給し、透明突起部２の頂上に対
して集光する。プローブスライダ１０は、板ばね１５に
より、適度な加重をもってディスク９上に押し付けられ
ており、ディスクの回転によってディスク上を摺動また
はわずかに浮上できるようになっている。プローブを通
過した光の一部は、ディスク上に供給され、その一部は
ディスク上にあらかじめ形成された光学パターンにより
変調されて、一部はプローブスライダ１０から対物レン
ズに戻る逆経路で反射される。これにより、ディスク上
の光学的パターンを、プローブスライダ１０を用いて、
高分解能で検出する。なお、この際、一部の変調光はデ
ィスクの反対側に透過するので、これを検出して光学パ
ターンの検出を行うことも可能である。一方、プローブ
を通過しなかった一部の光は、透明突起部２の斜面によ
り、集光点周囲のプローブの形状（斜面等）を反映した
光の分布となって反射され、再び対物レンズ５を通過し
て、平行光に近い光となってビームスプリッタ１３に戻
る。さらに、ビームスプリッタを通過した光は、減光フ
ィルタ１６により減光されて、電荷結合素子（ＣＣＤ）
１７により受像され、電気信号に変換される。この電荷
結合素子（ＣＣＤ）１７上の反射光像は、焦点付近にお
ける透明突起部２の斜面の形状を反映した光の分布を含
んでいるため、この電荷結合素子（ＣＣＤ）上の反射像
の光の分布を調べることで、透明突起部２に対する焦点
位置の相対位置の情報を得ることができる。なお、この
反射光の中には、ディスク９上の光学パターンにまで達
して、光学パターンにより変調された光も含まれる。従
って、この反射光像の信号を用いて、ディスク上の光学
パターンを検出することもできる。なお、減光フィルタ
１６は、電荷結合素子（ＣＣＤ）１７の飽和を防ぐため
のものであるので、光量が弱い場合、および信号として
強い光を必要とする場合は必須ではない。

【００１６】次に本実施例にて用いている、プローブス
ライダ１０の構造について、図２と図３を用いて説明す
る。プローブスライダは、透明な石英ウエハ２０の片面
をリソグラフィーを用いて加工したもので、摺動用の４
つスライダパッド１８の中央に、図２に示したようなピ
ラミッド型の透明突起部２よりなるプローブ部を集積し
た構造となっている。プローブである突起構造は、石英
製のピラミッド型の透明突起部２の表面を金属膜２１で
覆ったものであり、その頂上は、金属膜を一部切削する
ことで、光学的な微小開口１を形成してある。この微小
開口に対し、石英ウエハの側から光を集光照射すること
で、スポット径が半波長以下であるような、微細な光を
当該開口部に発生させることができるようになってい
る。この微小スポット径の光を用いて、高分解能で光学
的な情報を検出したり、加工したりすることができる。
透明突起部２の周囲の４つのスライダパッド１８は、本
プローブスライダが、ディスクの表面を摺動する際に、
浮上力を発生するのと、ディスク表面とプローブ先端
（頂上）との距離を一定間隔に保つ役割を持っている。

【００１７】なお、ここでは、具体的に微小開口を頂上
に有した突起構造を持つプローブを用いた例について述
べているが、このような突起構造の代わりに、図１４
（ａ）のように、金属膜中に透明物質を後から埋め込む
ことで、当該突起構造と同様の、光学的なプローブを作
製することが可能である。または、図１４（ｂ）のよう
に、金属膜（タンタル・チタン）の一部を陽極酸化等に
より酸化することで、金属膜の一部に透明窓を作り込む
ことができ、透明突起部２が金属膜中に埋め込まれた構
造を直接的に作製することもできる。また、単結晶半導
体ウエハ２２に、逆メサエッチングを行うことで、金属
膜の代わりに単結晶半導体ウエハ置換えた逆ピラミッド
構造を作製し、わずかに開いた穴を微小開口１として用
いることができる。このような埋め込み型の構造を含め
て、ここではこれを光学的な突起構造を呼ぶことにす
る。

【００１８】次に、この光学的な突起構造により、反射
された光の性質について、図１を用いて説明する。

【００１９】この光学系においては、プローブスライダ
１０上のプローブ部から反射し、対物レンズを経由して
得られる平行光の戻り光分布が、平行光のまま受光素子
（この場合は電荷結合素子（ＣＣＤ）１７）にて検知さ
れることになる。ただし、平行光とは、対物レンズ５の
焦点の位置が、突起構造の頂上に一致した状態で反射し
た場合である。正しい焦点位置からわずかにずれた状態
では、完全な平行光とはならず、プローブの斜面により
光が非対称に散乱されるため、電荷結合素子（ＣＣＤ）
１７上で検知される反射光像が大きく変化する。このよ
うに平行光に近い形で、反射像を受像することにより、
微小な焦点のずれを、大きな位置の変化で検出すること
ができるという利点が生ずる。またこの光学系において
は、微小光プローブから反射した光が、受光素子の受光
面に達するまでに通過するレンズが、対物レンズ５の１
つのみである。このため、２つ以上のレンズを用いた時
に生ずるように、光軸（２つのレンズの中心を結ぶ軸）
が角度的に制限されずに済む。これは、受光素子の受光
面上において、どの位置を光軸中心と設定しても良い、
という自由度を生じることとなる。これにより、受光素
子として、電荷結合素子（ＣＣＤ）のような素子を用い
ている場合は、電荷結合素子（ＣＣＤ）上のどの画素の
位置を、光軸中心として設定してもよいために、電荷結
合素子（ＣＣＤ）の位置を微調整する必要がない。これ
により、受光素子の位置の微調整が不要となり、半導体
レーザのコリメートレンズ１４の調整を除いては、無調
整で光ヘッド・モジュールが作製できることとなり、生
産コストを大幅に下げることができる。

【００２０】（実施例２：焦点ズレ量の検知機構）上記
電荷結合素子（ＣＣＤ）１７により検出された反射光像
から、焦点位置のズレ量を三次元的に求める方法を、図
８〜図１３を用いて説明する。なお、以下はプローブと
して、ピラミッド型の突起構造を用いた場合の例を述べ
るが、後に述べるように、受光素子として電荷結合素子
（ＣＣＤ）を用いている場合は、様々な形状の突起構造
に対して、以下の方法をそのまま適用することができ
る。

【００２１】光スポットと同程度のサイズ（または波長
サイズ）の構造を持つ対象物に対して集光する場合、非
結像位置にて検知した反射光分布は、結像位置にて受光
した場合に得られる像のフーリエ変換成分が混じった像
として記述することができる。すなわち、プローブ頂上
において、焦点が最も鋭く一点に結像した場合に、平行
光学系上の像では、外周部の光の分布が、中心部付近に
比較して最も強くなる。任意の非結像位置においては、
この平行光学系上の像の成分と、結像位置における本来
の像の中間的な像となるが、元の像に対する像の線形性
は保たれている。このように、非結像位置にて得られる
光分布は、集光対象物上での集光状態を物理的に反映し
たパターンとなる。従って、非結像位置における反射光
分布を十分な分解能で二次元的に検知すれば、基本的に
元の像の形を、反射光分布から復元することが可能であ
り、非結像位置における光分布の検知によって、従来の
結像位置での検知と全く同様に焦点ずれ検出を行うこと
が可能である。平行光学系上で反射光分布を検知した場
合についても基本的に同様である。

【００２２】図８は、図１の光学系の実際に作製し、プ
ローブスライダに用いる突起構造として、図２に示した
ようなピラミッド型の突起を用いた場合において、対物
レンズ５により集光された光の焦点が、正確に突起構造
の頂上に結ばれた場合（ジャスト・フォーカス時）の、
典型的な電荷結合素子（ＣＣＤ）上の反射光像を示す図
である。ピラミッドの持つ、４つの斜面に対応して、４
つの明るい光点を持つ、光の分布となっている。この反
射光像の形は、プローブの突起構造の形により異なる。
焦点がこの位置にある時を、ジャスト・フォーカスとし
て述べる。これに対して、焦点位置が、ジャスト・フォ
ーカスの位置から、三次元的にわずかにずれた場合に電
荷結合素子（ＣＣＤ）上で検出される光像の典型的なパ
ターンを示したものが、図９である。図左側の縦３つの
パターンは、焦点深度方向（これをＺ方向とする）に対
して焦点がずれた場合の像である。図右側の十字に並ん
だ５つのパターンは、焦点深度に対して垂直な平面方向
（これをＸ方向、Ｙ方向とする）に焦点がずれた場合の
像の変化を示すものである。

【００２３】Ｘ方向、Ｙ方向に焦点がずれた場合のパタ
ーンは、図９の右側に示すように、各々の方向に対応し
て、像の明暗が一方向へ片寄りを持つようなパターンと
なる。従ってこれは、単純に、像の片寄り方に対応し
て、Ｘ方向・Ｙ方向にずれていることが検知できる。こ
のＸＹ方向のずれ量の検知だけならば、電荷結合素子
（ＣＣＤ）の代わりに４分割のみのフォトディテクタを
用いても実現できる。これをフィードバックするには、
像が最も対称性良くなるよう、Ｘ方向、Ｙ方向にフィー
ドバックをかければよい。

【００２４】Ｚ方向に焦点がずれた場合の像の変化は、
これに対して、やや複雑である。図９の左側に示したも
のが、この焦点深度方向のズレによる変化である。焦点
に対して突起構造の頂上が、イン・フォーカス（焦点距
離よりも近い状態）の側にある場合は、４つの光点が広
がって、一面にぼやけたパターンとなる。逆に、アウト
・フォーカス（焦点距離よりも遠い状態）の側にある場
合は、四つの光点が寄り集まって、一つの小さな光点の
ようになる。

【００２５】これらの像の光強度分布について、ジャス
ト・フォーカスの前後での差分を取ると、Ｘ方向・Ｙ方
向・Ｚ方向の各々に対して、図１０の様なプラスとマイ
ナスを持った像の成分が抽出できる。例えば、Ｘ方向に
ついては、ｘ＋とｘ−の像の差、Ｙ方向ならばｙ＋とｙ
−の像の差、Ｚ方向ならばｚ＋とｚ−の像の差分を求め
たものである。このようにして抽出した像の成分は、ど
の方向に焦点がずれた際に、像にどのような変化が現れ
るかという変化を表しているものとなる。

【００２６】この抽出した像の変化の成分を用いると、
電荷結合素子（ＣＣＤ）で検出される反射像を元に、そ
の時点の焦点の三次元的なズレ量を演算で求めることが
できる。図１１にその方法を示す。電荷結合素子（ＣＣ
Ｄ）で検出される反射像に対して、図１０に示したよう
な抽出した各像の変化成分との相関をとる。相関をとる
作業は、具体的には、各ピクセル（画素）にて検出され
る輝度の値を、相関をとる二つの像の間で掛け合わせ
て、全てのピクセルについて総和をとるという計算であ
る。ただし、画像の全体的な明るさにより相関値が変化
する影響を取除くため、各々の画像は、先に規格化を行
っておく必要がある。

【００２７】具体的なズレ量の計算方法は、以下のよう
である。例えば、図１１の一番左のような反射像が電荷
結合素子（ＣＣＤ）上で検出されている場合、その焦点
位置の、ジャスト・フォーカス位置に対するズレ量（Ｘ
ＹＺ方向）は、図１０の画像との相関計算によって得ら
れる相関値で、おおよそ求めることができる。定数倍の
係数は、図９の画像の測定を行った時のズレ量を基準と
して、ＸＹＺ各方向について各々求めることができる。
なお、相関計算の前に、各像の規格化を行ってある場合
は、得られた相関値が直接、それらのズレ量に対する比
率として得られる。このように、抽出した像の変化の成
分を基準像成分（図１０）として、それらの像との相関
関数を計算することにより、焦点位置のズレ量を得るこ
とができる。これによって、焦点深度方向（Ｚ方向）お
よび焦点深度と垂直な方向（ＸＹ方向）に対する焦点位
置のズレ量を、同時に求めることができる。この処理
を、図１中では、相関演算手段２４にて行っている。

【００２８】なお、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた場
合、画像に細かなノイズが乗っていると、検知時のノイ
ズ成分によって検出精度が低くなる場合があるため、必
要があれば、画像の平均化やフィルタリング処理を入れ
ることによって、検出精度が向上できる。これらの相関
計算の処理は、ハードウェア的に書換型論理素子アレイ
を用いて実現されるが、ソフトウェア的な計算処理によ
って行うことも可能である。

【００２９】なお、本実施例においては、反射光像の受
光素子として、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた場合に
ついて述べたが、電荷結合素子（ＣＣＤ）は単価が高
く、コスト高となる。また素子自体の応答速度があまり
速くない。従って、実際の製品に用いる場合は、フォト
ダイオード・アレイ、またはパターニングされたした像
の差分成分（ＸＹＺ各軸方向）と同形の分割線を持つパ
ターン構成にすればよいが、最適なパターンはプローブ
の突起構造の形によって異なるため、一概に限定されな
い。一般的な４分割フォトディテクターとの大きな違い
は、受光素子の受光面が、半径方向について中心から近
い側と遠い側に分割されていることと、理想的な形が円
形ではないことである。図１２〜図１３に、その分割フ
ォトディテクターの分割パターン例を示す。図１２は、
９分割の場合の例である。中心部に一極、その周囲の４
方向について、中心に近い側と、遠い側に、各々２分割
されている。このような受光素子を用いると、中心側の
５つの受光部に受けた光量が、外側周囲の４つの受光部
に受けた光より多い場合はアウト・フォーカス、逆の場
合はインフォーカスにあることが検知できる。また、一
般的な４分割フォトディテクターと同様に分割されてい
るため、中心を除く上半分と下半分の４つの受光部の光
量の和を比較することでＸ方向のズレ量、同様に右半分
と左半分を比較することで、Ｙ方向のズレ量が検出でき
る。このように、受光素子の受光面の分割を工夫するこ
とで、焦点深度方向だけでなく、焦点深度方向に対し垂
直な方向の焦点ズレをも同時に検知することができる。

【００３０】図１３は、さらに焦点深度方向についての
検出精度をより向上させた１３分割フォトディテクター
の例である。図１０のＺ方向の変化の抽出成分にて示し
た、四方向の「＋」の広い領域を重点的に検出する領域
を別に設けることで、インフォーカス時に生じる光点の
ぼやけに対する感受性を高くすることができる。基本的
な考え方は図１２と同様である。

【００３１】これらのように、限定された数に分割され
たフォトディテクターを用いれば、コスト的にも有利で
ある。電荷結合素子（ＣＣＤ）のように、受光面がメッ
シュ状に分割されたフォトディテクターを用いた場合、
反射像の光軸の中心となる画素が、分割された画素の内
の任意のものでよいという自由度が生じるため、光学系
の配置に要求される精度の許容量が大きくなるという利
点がある。

【００３２】（実施例３：フィードバック制御系の構
成）これらにより得られた多次元的な焦点位置のズレ量
を、フィードバックして焦点位置を制御すれば、プロー
ブに対する自動焦点調節が実現される。先程より示して
きた図１は、三次元アクチュエータ２３を用いて、対物
レンズ５の位置を三次元的に駆動し、フィードバック制
御することで実現した自動焦点位置調節機構の実施例を
示したものである。受像した反射光の分布の信号を元
に、相関演算手段２４により変位ずれ量が求められ、電
圧増幅器２５にて増幅された後、三次元アクチュエータ
２３に加えられ、対物レンズ５が、検知された変位ズレ
量を打ち消すように駆動される。三次元アクチュエータ
としては、ピエゾ素子を用いたトライポッドの他、コイ
ルを駆動源として用いることもできる。

【００３３】（本発明による焦点調節機構の利点と補
足）本発明による焦点制御機構は、プローブスライダを
挿入することによって、ディスク上の光情報を、より高
い分解能で読み書きする装置において利用する。ディス
ク上のパターン情報ではなく、光プローブに対して焦点
調節を行う制御機構であるため、ディスク上のパターン
に対するトラッキングは、別に読み出されるディスク上
のパターン情報に従って、トラッキングサーボ等を用い
て行う必要がある。その手法については、特開平１１−
２６５５２０にて記載されている。

【００３４】本実施例にて述べた機構は、回転するディ
スクの記録面に対して直接自動焦点調節を行う機構その
ものではないが、プローブスライダを用いない通常の光
ディスク装置においても、溝（グルーブ）構造、または
窪み（ピット）構造を持つディスクに対して、同様の自
動焦点調節機構として応用し、自動焦点位置調節を実現
することができる。この際、図１に示した機構より、プ
ローブスライダ１０のみを除いた構成により、そのまま
同様の手順を用いて実現できる。トラッキング制御に相
当する機構は、本実施例にてのべた、焦点深度方向とは
垂直の方向に対する焦点位置自動調節の機構により実現
される。この場合は、プローブの突起構造の斜面により
生じる反射光の非対称性が生じることに代えて、ディス
ク記録面上の立体的な光学的パターンにより反射光に非
対称性が生じることで、焦点ズレの検知が実現される。

【００３５】さらに本発明による手法は、より一般的
に、光の波長サイズの幅の立体的な光学的パターンを有
する対象物に対して、光を集光照射する一般的な光学系
における焦点位置ズレ検出機構としても応用できる。こ
の際も、当該集光点から対物レンズを介して得られる平
行光状の反射光像を、平行光状のままで受光素子上に受
像して、その反射光像の光強度分布を検出することによ
り、焦点深度方向の焦点ズレ量、および焦点深度方向に
加えて、それと垂直な方向に対する焦点位置ズレ量をも
同時に検出することが可能である。例えば、ＤＶＤ−Ｒ
ＡＭ（書換え可能型汎用デジタル・ディスク）のような
ディスクにおいては、図１５のように、光学媒体である
ディスクの記録面上に、光の波長サイズとほぼ同じ約
０．６μｍ幅の並べられた溝（グルーブ）構造が立体的
に形成されており、スポット径の範囲において、この溝
に対応した反射光パターンが生じる。本発明による手法
によって、例えば溝の中央に対してトラッキング（溝に
沿って集光点を走査すること）するような自動焦点位置
制御が可能である。これは、溝（グルーブ）に限らず、
二次的な短周期の繰返し構造であるピット構造の場合に
おいても同様である。

【００３６】また、図１６のように、ディスクと異な
り、明確な反射面（平面）を持たず、焦点の位置ズレに
よって非対称な光反射を生じる金属格子の場合でも、反
射光の非対称性に撹乱されることなく、焦点位置のズレ
を検出できるので、格子より生じる反射光分布によっ
て、焦点位置の制御が可能であり、例えば格子の、金属
線の中間に焦点位置を保持する動作が可能である。

【００３７】またこの応用として、図１７のように、金
属線の代わりに、屈折率の異なる誘電性物質で作製した
二次元格子構造や、図１８のように格子の交点部のみに
金属や誘電性物質・相変化材料を配置した格子構造に対
しても、本方式の商店制御が応用可能である。ここで用
いる相変化材料としては、ゲルマニウム・テルルや、ゲ
ルマニウム・アンチモンなどの半金属材料を用いること
ができる。また、この様に点状の格子構造をとると、光
の大半が、点状格子を通過することができるため、これ
を図１９のような三次元的な立体格子構造に拡張するこ
とができる。この構造では、本自動焦点位置制御による
三次元的な制御の長所を最大限に生かした三次元メモリ
を構成することが可能となる。

【００３８】上記図１５〜図１９に示したような格子構
造の応用を、以後まとめて光学的な格子構造を呼ぶこと
にする。

【００３９】また、近接場光プローブとして、光学的な
突起構造の上に作製した微小開口の代わりに、図２０の
ような対向する三角形の金属膜２１をプローブとして用
いることも可能である。三角形の金属膜の間隔（ギャッ
プ幅）は、光の波長に比べてさらに小さく、このギャッ
プ部分に光を照射した際に、このギャップ部に強い光電
場が生ずる。これを微小開口より生じる光の代わりとし
て用いることもできる。この際も、受光素子上に、三角
形の金属膜に対応した反射光像が得られ、上記と同様に
焦点位置制御を行うことができる。このように、光の波
長以下のギャップ幅を持つ金属膜パターンに対しても、
本発明による焦点制御の手法は応用でき、光学的な格子
構造に限らず、光のスポットサイズの中に複数の構造や
パターンが含まれる系において、反射光に、それらの構
造やパターンに対応した反射光像が得られる場合にも、
本手法によるに、自動焦点位置制御を用いることができ
る。

【００４０】これらのように、本発明による自動焦点位
置制御機構においては、焦点位置ズレによって非対称な
光反射を生じうる波長サイズ以下の光学的な微小構造に
対して一般的に、焦点位置制御を行うことが可能であ
り、広範囲の応用が可能である。

【００４１】本発明による焦点制御機構の利点は、プロ
ーブ自身の生ずる反射光パターンを元にして、焦点ズレ
の検知を行っているため、いろいろな形のプローブに対
し、ハードウェアの構成を変えずに対応できるという点
である（受光素子が電荷結合素子（ＣＣＤ）の場合）。
プローブの形状が変化した場合でも、基準となる座標の
変化に伴う差分として抽出されるサンプルの像もそれに
応じて変化し、さらに最終的なズレ量の検出に、像間の
相関を取るので、得られるズレ量の値はプローブの形状
に応じて変化させられる。ただし本手法は、受光面の分
割の形状が固定されているの場合には必ずしも常に成立
つものではない。ただし、図１０に示したような、抽出
された像の形状は、突起構造の形状が大まかに同じなら
ば、ほぼ同じである。従って、この抽出した像の形状
は、固定メモリ等に蓄えておいて、プローブスライダ１
０を他のものに交換した場合でも、書き換えることな
く、そのまま使用することが可能である。このようにし
て本検知方法を用いる場合は、機構系およびハードウェ
アの構成を固定することができるため、コストを安いも
のとすることができる。

【００４２】本発明による検知方法においては、光の供
給系と受光系の両方に平行光学系を用いていることがで
き、焦点ズレの検知機構のための受光系も機構的にシン
プルな構成となっている点に特徴がある。即ち、レーザ
光の照射系が平行光学系で構成される以上、反射光も平
行光に近い光として得られるので、反射光の像の位置変
化を大きく得るためには、焦点ズレ検知の為のレンズを
別に設けることなく、平行光の光分布に現れる大きな位
置変化を、そのまま焦点ズレの検出に用いられることが
簡単であるだけでなく、繊細な光学系を必要としないた
め、検出系を無調整で用いることができる。従来法によ
る合焦点位置で調整系を必要とする受像検知に比較して
の大きな利点である。

【００４３】従来発明との比較で本発明を見直すと、そ
の大きな違いは、特開平１１−２６５５２０に記載のよ
うな、受光器として４分割フォト・ディテクタを用いた
ものから、もっと受光面が多分割されたのものに変える
ことで、焦点深度の検知を可能とし、これを含めた多次
元的な焦点ズレ量の検知を、一体の受光素子で実現して
いる点にある。それによって光学系を単純にでき、無調
整となり、経年変化や衝撃に対する安定性が増している
という利点が生じている。

【００４４】これらによって、複雑な焦点制御のための
光学系が、シンプルな構成のものに置換えられるため、
現在の光ヘッドモジュールの大きさを決めている機械的
な光学系とその調節機構部品の点数を減らせるため、ヘ
ッドを大幅に小型化できる。さらに、微妙な光学系の調
節が不要となるため、調整の工程が省かれ、生産におけ
るスループットが上がり、また調整が不要となることで
歩留りを上げられるという効果を奏する。

【００４５】さらに、焦点位置ズレ検出用の多分割フォ
トディテクタを、ディスク上の光学パターンの読出し信
号の受光部として兼用することで、図１に示した光学系
で、基本的にディスクの読書きが全て実現できる。

【００４６】なお、対物レンズとして、回折レンズまた
はフレネルレンズのような平板レンズを用いることも、
光学機構の構成上可能である。また、本発明による機構
では、特に光学的機構がシンプルとなっているので、本
光ヘッドモジュールを単一デバイス化することが可能と
なる。

【００４７】なお、本発明にて用いた各機構は、光ディ
スク装置やその光ヘッドモジュールとして用いるほか、
ディスク以外の光記録装置、走査光学顕微鏡の光モジュ
ール、光学的な微細加工装置や、リソグラフィー装置に
用いることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上示したように、本発明によれば、Ｓ
ＮＯＭ方式の近接場光プローブを用いた光記録装置・光
加工装置・光学観察装置において、自動焦点調節制御を
実現できる。また、一般的な自動焦点制御を行う系にお
いても、シンプルな光学的機構によってそれらの自動焦
点調節制御を実現できる。また、焦点位置のズレの検出
のために、反射像の検知素子の中心と、反射像の光軸中
心が一致する必要がないため、画像検知器の位置の調整
が不要となるという効果を奏する。これにより、光学的
調節が不要となるため、光ヘッドモジュールを安価に小
型化・単一デバイス化することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による自動焦点調節機構の実施例におけ
る光学系の全体構成を示す図である。

【図２】プローブとなる突起構造の構造例を示す図であ
る。

【図３】光学的な突起構造を備えた、プローブスライダ
の構造例と、光の照射方法を示す図である。

【図４】突起構造に対する集光照射において、突起斜面
の外側に焦点がずれた場合の光路を示す図である。

【図５】突起構造に対する集光照射において、焦点深度
方向は合っているが、その垂直方向に焦点がずれている
場合の光路を示す図である。

【図６】従来法である非点収差法による焦点検出の原理
を示す図である。

【図７】従来法であるナイフエッジ法による焦点検出の
原理を示す図である。

【図８】ジャスト・フォーカス時に得られる反射光像の
典型的なパターンの例を示す図である。

【図９】ジャスト・フォーカスの位置から、Ｘ方向、Ｙ
方向、Ｚ方向の各方向に、微小に焦点位置を変位させた
場合に得られる、反射光像のパターンの変化の例を示す
図である。

【図１０】Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に各々変位させた各
像の差分として得られる、像の変化成分を抽出したパタ
ーンの例を示す図である。

【図１１】抽出した像の変化の成分を用いて、受光像よ
り焦点ズレの量を求める計算方法の例を示す図である。

【図１２】三次元的な焦点ズレを検出できるよう受光面
が分割された、９分割フォトディテクターの分割パター
ンの例を示す図である。

【図１３】焦点深度方向の感度が向上するよう受光面が
分割された、１３分割フォトディテクターの分割パター
ンの例を示す図である。

【図１４】本発明において用いることができる光学的な
突起構造の別の例を示す図である。

【図１５】ＤＶＤ−ＲＡＭ（書換え可能型汎用デジタル
・ディスク）に代表される、光ディスク媒体の溝（グル
ーブ）構造の例を示す図である。

【図１６】金属線を用いて作製した一軸方向の格子構造
の例を示す図である。

【図１７】屈折率の異なる誘電物質を用いて作製した二
次元格子構造の例を示す図である。

【図１８】相変化材料を用いた平面状格子点配列の例を
示す図である。

【図１９】誘電性物質または金属・相変化材料を用いた
立体的な格子点配列の例を示す図である。

【図２０】本発明において用いることができる光プロー
ブ構造の一つ（対向する三角形型の金属膜）の例を示す
図である。

【符号の説明】

１． 微小開口 ２． 透明突起部 ４． 照射光 ５． 対物レンズ ６． ナイフエッジ ７． シリンドリカル・レンズ ８． スピンドル・モータ ９． ディスク １０． プローブスライダ １１． 半導体レーザ １２． ビーム整形プリズム １３． ビームスプリッタ １４． コリメート・レンズ １５． 板ばね １６． 減光フィルタ １７． 電荷結合素子（ＣＣＤ） １８． スライダパッド ２０． 石英ウエハ ２１． 金属膜 ２２． 単結晶半導体ウエハ ２３． 三次元アクチュエータ ２４． 相関演算手段 ２５． 電圧増幅器 ２６． 金属線 ２７． 誘電性物質 ２８． 相変化材料 ２９． ディスク記録膜面。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１１月９日（２０００．１１．
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松本 拓也 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 島野 健 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 2H051 AA14 CB17 CB20 CB22 CC03 CC04 CC13 CE16 5D118 AA01 AA06 AA14 CA11 CC12 CD02 CD03 CF15 CF20 CG01 DA11 DA40 DC03 EA08 5D119 AA01 AA28 AA38 BB11 EA02 EA03 EC15 JA70 KA02 KA03 KA06 KA20 KA22 KA24 MA06

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】焦点位置ズレによって非対称な光反射を生
   じうる波長サイズ以下の光学的な微小構造に対して、光
   を集光照射する光学系を有し、該集光点から対物レンズ
   を介して得られる反射光分布を、平行光学系上または非
   結像位置にて受光素子上に受像して、その光強度分布を
   検出することにより、焦点深度ズレを検出する自動焦点
   調節機構を有することを特徴とする高密度光記録装置。 【請求項２】微小開口を頂上に有した光学的な突起構造
   に対して光を集光照射する光学系を有し、該集光点から
   対物レンズを介して得られる反射光分布を、平行光学系
   上または非結像位置にて受光素子上に受像して、その光
   強度分布を検出することにより、焦点深度ズレを検出す
   る自動焦点調節機構を有することを特徴とする高密度光
   記録装置。 【請求項３】光の波長以下のギャップ幅を持つ金属膜パ
   ターンの間隙に対して光を集光照射する光学系を有し、
   該集光点から対物レンズを介して得られる反射光分布
   を、平行光学系上または非結像位置にて受光素子上に受
   像して、その光強度分布を検出することにより、焦点深
   度ズレを検出する自動焦点調節機構を有することを特徴
   とする高密度光記録装置。 【請求項４】光の波長サイズの幅の立体的な溝構造また
   はピット構造を持つ光学媒体に対して光を集光照射する
   光学系を有し、該集光点から対物レンズを介して得られ
   る反射光分布を、平行光学系上または非結像位置にて受
   光素子上に受像して、その光強度分布を検出することに
   より、焦点深度ズレを検出する自動焦点調節機構を有す
   ることを特徴とする高密度光記録装置。 【請求項５】光の波長サイズの格子幅をもつ光学的な格
   子構造に対して光を集光照射する光学系を有し、該集光
   点から対物レンズを介して得られる反射光分布を、平行
   光学系上または非結像位置にて受光素子上に受像して、
   その光強度分布を検出することにより、焦点位置ズレを
   検出する自動焦点調節機構を有することを特徴とする高
   密度光記録装置。 【請求項６】請求項１〜５に記載の高密度光記録装置に
   おいて、該受光素子として格子状のフォトダイオード・
   アレイを用いたことを特徴とする高密度光記録装置。 【請求項７】請求項１〜５に記載の高密度光記録装置に
   おいて、該受光素子として電荷結合素子（ＣＣＤ）を用
   いたことを特徴とする高密度光記録装置。 【請求項８】請求項１〜７に記載の高密度光記録装置に
   おいて、該受光素子にて検知された反射光像を、相関演
   算により、焦点深度ズレ量を算出する演算手段を有する
   ことを特徴とする高密度光記録装置。 【請求項９】請求項１〜８に記載の高密度光記録装置に
   おいて、該対物レンズを、直交する三軸方向に電気的に
   微動できるよう、機械的に構成されたことを特徴とする
   高密度光記録装置。 【請求項１０】請求項１〜９に記載の自動焦点調節機構
   を用いた、光ヘッドモジュール。 【請求項１１】請求項１〜１０に記載の自動焦点調節機
   構を用いた、光ディスク装置。 【請求項１２】請求項１〜１０に記載の自動焦点調節機
   構を用いた、走査型光学顕微鏡。 【請求項１４】請求項１〜１０に記載の自動焦点調節機
   構を用いた光加工装置。