JP2005018972A - 光ピックアップ用アクチュエータの副共振測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組立てが非常に安価に製作することができ、光ピックアップの生産ラインでアクチュエータの副共振を実時間で測定することができ、小型化を実現することが可能な副共振測定装置を提供する。
【解決手段】本発明の副共振測定装置は、レーザ光源と、該レーザ光源からの光を２本の光ビームに分割し、その１本の光ビームをその内部で一部反射させ一部透過させる基準面、および残りの光ビームを散乱させる拡散面を有する光分割器と、光分割器内で反射された光ビームと基準面を一部透過して測定対象面によって反射された光ビームを検出する光検出器とを含んでなる。さらに、拡散面がすりみがきによって加工され、光分割器が立方体型であり、レーザ光源がＨｅ−Ｎｅレーザであってビームエキスパンダを通過していない直径０．５〜１．５ｍｍのレーザ光を出力する。なお、基準面の光反射率が４％であり、光透過率が９６％であることが好ましい。
【選択図】図３ａ

Description

本発明は、非常に簡単な干渉計を用いて光ピックアップアクチュエータの基本周波数特性と変位を同時に測定することが可能な副共振測定装置に関し、より具体的には、既存のマイケルソン干渉計または高価な付加的な装備を必要とするヘテロダイン干渉計とは異なり、光分割器の一面を基準面として用いるため、整列（組立て）が非常に安価に低価で製作することができ、光ピックアップの生産ラインでアクチュエータの副共振を実時間で測定することができるほど測定速度が速いうえ、小型化も実現することが可能な副共振測定装置に関する。

光ピックアップは、光記録／再生装置に取り付けられ、記録媒体のＣＤまたはＤＶＤのようなディスクの半径方向に移動しながら、非接触式でターンテーブルに搭載されたディスクに対して情報の記録および再生を行う装置である。このような光ピックアップには、ディスクの所望のトラック位置にスポットが照射されるように対物レンズをディスクのトラック方向とフォーカス方向に駆動するアクチュエータがある。

対物レンズの光軸とアクチュエータの駆動中心軸とが異なる場合、あるいはフォーカシングコイルとトラッキングコイルが非対称的に構成されている場合のように、ある構造的に非対称的な問題があれば、アクチュエータに副共振（sub-resonance）が発生することがある。このような副共振によるピッチングモード（pitching mode）やローリングモード（rolling mode）などの回転振動モードは、フォーカシングおよびトラッキング動作の際に基本周波数特性の位相と変位に悪影響を与えることにより、光信号の劣化をもたらす。しかも、高倍速・高密度光記録再生装置では、ピッチングモードとローリングモード現象がさらに激しく発生するので、高倍速化が進んでいる光記録／再生装置に適した光ピックアップアクチュエータを開発するためには、基本周波数特性、位相の変化量および変位量などを正確に測定することが可能な光ピックアックアクチュエータの副共振測定装置が必須である。

従来の技術において、一般に精密な変位センサには、マイケルソン干渉計（Michelson Interferometer）やヘテロダイン干渉計（Heterodyne Interferometer）などの光学的な非接触式方法を主に利用している。干渉計において、変位情報が光の位相に含まれているため、位相検出がどれほどの分解能で検出できるかによって変位測定の分解能が決定される。これまでの位相検出回路に関する研究は多くの進展があった。商業用干渉計の場合には約０．３ｎｍの分解能を得ている。

図１は従来の変位測定装置として使用されるマイケルソン干渉計１００の概略図である。

図１に示すように、ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ光源１０１からの光の直径をビームエキスパンダ（beam expander）１０２で拡大させる。この光は光分割器（beam splitter）１０３で２本の光ビームに分割され、第１ミラー１０４および第２ミラー１０５で反射された後、さらに光分割器１０３で２本の光ビームが結合される。この際、２本の光ビームが互いに干渉し、等間隔の干渉模様が作られる。互いに干渉した光ビームは光検出器（detector）１０６に入射し、光検出器１０６は干渉模様に対する光信号を電気的信号に変換する。

特許文献１ではこのようなマイケルソン干渉計の一例を開示している。

図２は従来の変位測定装置として使用されるヘテロダイン干渉計２００の概略図である。

図２に示すように、ヘテロダイン干渉計２００の基本構成は、前述したマイケルソン干渉計１００と非常に類似している。ただし、ヘテロダイン干渉計において、レーザ光源２０１から生成されたレーザ光をビーム分割器２０２で２本の光ビームに分割し、２本の光ビームはそれぞれＡＯＭ（Acoustic-Optical Modulator）を用いて偏光状態および周波数成分の異なる２本のビームに変換され、２本のビームは結合されて光源となる。結果的に、結合された光源は、偏光状態が異なる２つの周波数成分ω₁、ω₂を有する。

２つの周波数成分ω₁、ω₂を有するレーザ光源を用いてマイケルソン干渉計と類似の構造で干渉計を構成し、動く測定対象キュービックコーナー（corner cube reflector）２０５の位置変化（あるいは速度変化）による周波数変化をドップラー効果を用いて測定し、その変位量を求める。

レーザ光源２０１から生成された２つの周波数成分を有する光ビームは、光分割器２０２によって分割され、一部は偏光器２０６を通過して光検出器２０８を経て信号処理部２１０に送られて基準信号Ｉｒとして用いられる。

分割された光ビームの残りの一部は、偏光ビーム分割器２０３によって、偏光状態に応じてω₁およびω₂の周波数成分を有する第１信号Ａｃｏｓω₁ｔ＋βｃｏｓω₂ｔおよび第２信号Ｂｃｏｓω₂ｔ＋αｃｏｓω₁ｔに分割される。第１信号は停止状態のキュービックコーナー２０４によって反射され、第２信号は変位と周波数−位相シフトが測定対象である動くキュービックコーナー２０５によって反射される。測定対象キュービックコーナー２０５によって反射された光は、ドップラー効果によって周波数成分が変わる。この２本の反射された光を含む信号Ｉｍは、偏光器２０７および光検出器２０９を経て信号処理部２１０に送られる。

信号処理部２１０は、基準信号Ｉｒおよび測定対象信号Ｉｍを分析し、ドップラー効果による周波数成分の変化から測定対象キュービックコーナーの移動速度、変位および周波数−位相シフトを計算する。

このような信号処理部２１０の役割を果たすためにヘテロダイン干渉計を用いたレーザ振動計（laser vibrometer）は、光ピックアップアクチュエータの周波数特性を測定するために、周波数変換装置である高価なＦＦＴ（Fast Fourier Transfer）装置を用いる。ヘテロライン干渉計２００は、マイケルソン干渉計１００とは異なり、光学系の整列が容易で信号対雑音比が良いので、商業用レーザ変位センサとして多く用いられる。ところが、前述したように、付加的な装備によって非常に高価であるという欠点がある。

特許文献２にはこのようなヘテロダイン干渉計を用いる三つの周波数ヘテロダインレーザ干渉計を開示している。

国際特許公開第９１／１６６０６号パンフレット 韓国特許公開第１９９７−０００５５００号公報

本発明の目的は、既存のマイケルソン干渉計または高価の付加的な装備を必要とするヘテロダイン干渉計とは異なり、光分割器の一面を基準面として用いるため、整列（組立て）が非常に容易で低価で製作することができ、光ピックアップの生産ラインでアクチュエータの副共振を実時間で測定することができるほど測定速度が速いうえ、小型化を実現することが可能な副共振測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の副共振測定装置は、レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光を２本の光ビームに分割し、その１本の光ビームをその内部で一部反射させ一部透過させる基準面、および前記残りの光ビームを散乱させる拡散面を有する光分割器と、
前記光分割器内で反射された光ビームと前記基準面を一部透過して測定対象面によって反射された光ビームを検出する光検出器とを含んでなる。

本発明の光ピックアックアクチュエータの副共振測定装置は、レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光を２本の光ビームに分割し、その１本の光ビームをその内部で一部反射させ一部透過させる基準面、および前記残りの光ビームを散乱させる拡散面を有する光分割器と、
光ピックアップをトラック方向およびフォーカス方向に移動させる光ピックアップアクチュエータと、
前記アクチュエータに取り付けられ、前記基準面を透過した光ビームを一部反射させる対物レンズと、
前記光分割器の基準面で一部反射された光ビームと前記対物レンズによって一部反射された光ビームを検出する光検出器と、
基準周波数を生成して前記アクチュエータに提供し、前記光検出器から前記光分割器内で反射された光ビームと前記対物レンズによって反射された光ビームとを受信して比較する信号処理部とを含んでなる。

また、前記拡散面がすりみがき加工によって加工されたことを特徴とする。

さらに、前記光分割器が立方体型の光分割器であることを特徴とする。

また、前記レーザ光源がＨｅ−Ｎｅレーザ光源であることを特徴とする。

またさらに、前記レーザ光源が、ビームエキスパンダを通過していない直径０．５〜１．５ｍｍのレーザ光を出力することを特徴とする。

なお、前記基準面の光反射率が４％であり、光透過率が９６％であることが好ましい。

本発明の副共振測定装置は、既存のマイケルソン干渉計高価の付加的な装備を必要とするヘテロダイン干渉計とは異なり、光分割器の一面を基準面として用いるため、整列が非常に容易で低価で製作することができ、光ピックアップの生産ラインでアクチュエータの副共振を実時間で測定することができるほど測定速度が速いうえ、小型化を実現することができるという利点がある。

以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

図３ａは本発明に係る光ピックアップアクチュエータの基本周波数特性と変位を同時に測定することが可能な副共振測定装置の概略的構成図、図３ｂは本発明に係る副共振測定装置に採用される立方体型の光分割器（ビームスプリッタ）を示す斜視図である。図３ａにおいて、本発明の一実施の形態にかかわる光ピックアップアクチュエータの副共振測定装置３００は、Ｈｅ−Ｎｅレーザなどからなるレーザ光源３０１を有する。レーザ光源３０１から照射される光ビームは、光分割器３０２によって２つの光ビームに分割される。分割された２つの光ビームの一方は、拡散面３０５によって散乱され、他方の光ビームは基準面３０６によってその一部が反射され、残りの一部が透過される。基準面３０６を透過した光ビームは測定対象面３０４で反射される。測定対象面３０４はトラッキングやフォーカシング動作によって変位し、基準面３０６と測定対象面３０４の光路長が変化する。光分割器３０２の基準面３０６と反対側の面に対向するように、光検出器３０３が設置されている。光検出器３０３は基準面３０６と測定対象面３０４からそれぞれ反射された２つの光を検出する。図３ｂに示すように、副共振測定装置３００は、一面を拡散面として加工した立方体型の光分割器３０２を用いた簡単な干渉計から構成される。拡散面は立方体型の光分割器３０２の一面をすりみがき加工することにより形成される。

レーザ光源３０１からの光は、平行光なので、ビームエキスバンダを通過させず、約０．５〜１．５ｍｍの直径を有するレーザ光の干渉模様を直接検出するために使用することができる。レーザ光源３０１からの光は、まず光分割器３０２で２本の光ビームに分割される。その一本の光ビームは拡散面３０５、他の一本は下の基準面３０６にそれぞれ向かう。拡散面３０５に向かった光ビームはその面で散乱し、基準面３０６に向かった光の一部は内部反射され、一部は透過する。

本発明に係る立方体型の光分割器３０２は、光を散乱させる面３０５をすりみがき加工などの方法で加工して光が反射または透過しないようにする。

光分割器３０２内の基準面３０６で反射された光Ｒ₁は、光分割器３０２を通過して光検出器３０３に向かう。この内部反射光Ｒ₁を基準光線として定める。光分割器を透過した光は、測定しようとする平面３０４に向かう。測定対象面３０４で反射された光Ｒ₂は、さらに光分割器３０２を通過して光検出器３０３に向かう。したがって、光分割器３０２の内部で反射された光Ｒ₁と測定面で反射された光Ｒ₂が互いに干渉を起こす。

次に、図４ａおよび図４ｂを参照して干渉によって干渉模様が作られる原理を説明する。

図４ａにおいて、干渉模様は互いに異なる２つのミラーまたはその反射面で反射された光の経路差によって作られる。すなわち、干渉模様は２つの経路差がレーザ光波長の１／２の整数倍、すなわち
ΔＬ＝λ・ｎ／２
（ここで、ΔＬは特定の位置における互いに異なる２つのミラーによって反射された光の経路差、すなわちΔＬ＝Ｌ₁−Ｌ₂、λはレーザ光波長、ｎは整数を示す）に該当する地点で作られる。もし２つのミラーが平行になれば、干渉模様の間隔は無限大になり、全体が明るくあるいは暗くなる。したがって、干渉模様の変化量（ΔＬ）を測定すると、測定対象となるミラーの相対的な変位を求めることができる。

図４ｂは時間による干渉模様の強度Ｉ（ｔ）を示すもので、正弦波の最大値が現れる時間で干渉模様の明るさが最大になり、正弦波の最小値が現れる時間で干渉模様の明るさが最小になる。

さらに図３ａに戻ると、光分割器３０２の内部で反射された基準光Ｒ₁と測定面３０４で反射された光Ｒ₂の光経路差がレーザ光源の波長λの１／２の整数倍になることによって干渉模様を作る。測定しようとする面を基準面に対してやや傾斜させると、光分割器の内部で反射された基準光Ｒ₁と測定面で反射された光Ｒ₂は互いに干渉して等間隔の干渉模様を作る。このような干渉模様の間隔は２つの光波面（optical wavefront）の傾斜角によって定めることができる。等間隔の干渉模様が作られた後、測定しようとする面に変位が発生すると、図４ａにおいて光検出器の実線で表示された地点から点線で表示された地点へ干渉模様が移動する。

干渉模様の移動方向は、測定面３０４の変位方向によって異なる。測定面３０４が規則的に変わると、図４ｂに示すような干渉模様の変化による信号の強度変化を得ることができる。

測定面３０４が振動すると、その振動数に応じて干渉模様の変化が生ずる。前述したような方式によって干渉模様の変化量を求めると、この変化量から測定面の振動周波数を測定することができる。ある周波数領域で光ピックアックアクチュエータに副共振が起こると、その周波数でアクチュエータの振動振幅が増加し、位相のシフトが生ずる。したがって、光ピックアックアクチュエータの副共振は直ちに干渉模様の変化量で測定することが可能である。

この副共振測定センサは、既存のマイケルソン干渉計１００または高価の精密な付加的装備を必要とするヘテロダイン干渉計２００とは異なり、光分割器３０２の一面を基準面として用いるため、整列（組立て）が非常に容易で小さく製作することができるという利点がある。

図５は本発明の光ピックアップ副共振測定装置を用いて実際に光ピックアップアクチュエータの周波数特性を測定するように実現された装置の概略図である。レーザ光源５０１、光分割器５０２および光検出器５０３は、図３におけるレーザ光源３０１、光分割器３０２および光検出器３０３とそれぞれ機能的に同等である。

Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源５０１からのレーザ光は、光分割器５０２で２本の光ビームに分割される。その１本の光ビームは拡散面５０５によって散乱し、他の光ビームは光分割器５０２内の基準面５０６で約４％が反射され、約９６％が透過してアクチュエータ５０７の支持台５０４上の対物レンズ５０８で反射される。

光分割器５０２の基準面５０６で内部反射された光の一部は、さらに光分割器５０２を透過して光検出器５０３に向かう。光分割器５０２を透過した光は、光ピックアップアクチュエータ５０７の支持台５０４に取り付けられた対物レンズ５０８で一部（約１％）反射されて光分割器を一部透過した後光検出器５０３に向かう。したがって、光分割器５０２の基準面５０６で内部反射された光と、光ピックアップアクチュエータ５０７の対物レンズ５０８で反射された光とは互いに干渉する。ここで、対物レンズ５０８で反射される光は、曲面を有する対物レンズ５０８自体ではなく枠の平面で反射された光を用いる。一般に、光ピックアップに使用される対物レンズ５０８の枠は平面に加工されるため、この光学平面で約１％の反射光を得る。光検出器５０３は検出した光を電気信号に変換して信号処理部５０９へ伝送する。

信号処理部５０９から光ピックアップアクチュエータ５０７に発振周波数を印加すると、光検出器５０３から干渉模様の変化による信号を得る。信号処理部５０９は、光ピックアップアクチュエータ５０７に印加された周波数と光検出器５０３から得た周波数とを比較し、光ピックアップアクチュエータ５０７の周波数特性、位相シフトおよび変位量を測定することができる。したがって、本発明の装置を用いて光ピックアップアクチュエータの副共振による位相シフトを容易に測定することができる。

図６は、本発明の光ピックアップアクチュエータ副共振測定装置を用いて実際に副共振を起こす光ピックアップアクチュエータに対して測定して得た干渉模様変化信号の波形図である。第１信号６０７は光ピックアップアクチュエータに印加された周波数を有する信号を示し、第２信号６０８は本発明の測定装置を直接用いて測定した光ピックアップアクチュエータ５０７の反応信号を示す。すなわち、第１信号６０７は測定の基準となる信号であり、第２信号６０８は測定の対象となる光ピックアップアクチュエータ５０７の反応によって変化した信号である。この測定結果より、光ピックアップアクチュエータ５０７に副共振による位相シフトが存在することを容易に確認することができ、定量的な分析も可能である。

図６に示すように、第１信号６０７の周波数である基準周波数は、公知の値であって、これを第２信号６０８と比較することにより、第２信号の周波数、すなわち測定対象のアクチュエータ５０７の振動周波数特性を測定することができる。

図６においてアクチュエータ５０７の反応によって測定された第２信号６０８をみれば、規則的な周期性を見付けることができる。詳細に考察すると、測定された第２信号６０８は周期の大きい信号６０２、６０４、６０５および６０６とその間の周期の小さい信号とから構成される。ここで、周期の大きい信号６０２、６０４、６０５および６０６は、アクチュエータが周期的な運動を行うときに現われるターニングポイント、すなわち振動するアクチュエータ５０７が移動方向を変える時点を示す。そして、周期の小さい信号は、振動するアクチュエータ５０７が動く振幅を示す。周期の大きい信号６０２、６０４、６０５および６０６をみれば、奇数に該当する信号６０２、６０５と偶数に該当する信号６０４、６０６は類似したパターンを示す。また、周期の小さい信号をみれば、周期の大きい信号６０２、６０４、６０５および６０６の間に同一個数の信号が含まれている。

図６に示すように、横軸上の中央を基準として第１信号６０７の最大値６０１または最小値６０３に該当する位置と、第２信号６０８の周期の大きい信号６０２、６０４、６０５および６０６の中央位置との差によって位相シフトを求めることができる。

また、干渉模様の数からさらに光ピックアップアクチュエータ５０７の振動振幅も得ることができる。第２信号６０８の最大値６０２、６０４、６０５および６０６は、振動するアクチュエータが移動して方向を変える点、すなわちターニングポイントに該当し、最大値６０２、６０４、６０５および６０６の間に存在する周期の小さい信号の極大値の数（ここでは５）がアクチュエータの振動変位、すなわち振動幅に該当する。図６の場合、第２信号の最大値６０２、６０４、６０５および６０６の間に極大値が５つ存在するので、アクチュエータの振動振幅Ａは、
Ａ＝λ／２×５
となり、ここで、λはレーザ光源の波長である。

従来の変位測定装置として使用されるマイケルソン干渉計の概略図である。 従来の変位測定装置として使用されるヘテロダイン干渉計の概略図である。 本発明に係る光ピックアップアクチュエータの基本周波数特性と変位を同時に測定することが可能な副共振測定装置の概略的構成図である。 本発明によって一面を拡散面として加工した立方体型の光分割器を示す斜視図である。 干渉によって干渉模様が作られる原理を説明する図である。 時間による干渉模様の強度Ｉ（ｔ）を示す図である。 本発明の光ピックアップ副共振測定装置を用いて実際に光ピックアップアクチュエータの周波数特性を測定するように実現された装置の概略図である。 本発明の光ピックアップアクチュエータの副共振測定センサを用いて実際に副共振を起こす光ピックアップアクチュエータに対して測定して得た干渉模様の変化信号の波形図である。

符号の説明

３０１、５０１ レーザ光源
３０２、５０２ 立方体型の光分割器
３０３、５０３ 光検出器
３０４ 測定対象面
３０５、５０５ 拡散面
３０６、５０６ 基準面
５０４ 支持台
５０７ 光ピックアップアクチュエータ
５０８ 対物レンズ
５０９ 信号処理部

Claims (12)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源からの光を２本の光ビームに分割し、その１本の光ビームをその内部で一部反射させ一部透過させる基準面、および前記残りの光ビームを散乱させる拡散面を有する光分割器と、
   前記光分割器内で反射された光ビームと前記基準面を一部透過して測定対象面によって反射された光ビームを検出する光検出器とを含む副共振測定装置。
2. 前記拡散面がすりみがき加工によって加工されたことを特徴とする請求項１記載の副共振測定装置。
3. 前記光分割器が立方体型の光分割器であることを特徴とする請求項１記載の副共振測定装置。
4. 前記レーザ光源がＨｅ−Ｎｅレーザ光源であることを特徴とする請求項１記載の副共振測定装置。
5. 前記レーザ光源が、ビームエキスパンダを通過していない直径０．５〜１．５ｍｍのレーザ光を出力することを特徴とする請求項４記載の副共振測定装置。
6. 前記基準面の光反射率が４％であり、光透過率が９６％であることを特徴とする請求項１記載の副共振測定装置。
7. レーザ光源と、
   前記レーザ光源からの光を２本の光ビームに分割し、その１本の光ビームをその内部で一部反射させ一部透過させる基準面、および前記残りの光ビームを散乱させる拡散面を有する光分割器と、
   光ピックアップをトラック方向およびフォーカス方向に移動させる光ピックアップアクチュエータと、
   前記アクチュエータに取り付けられ、前記基準面を透過した光ビームを一部反射させる対物レンズと、
   前記光分割器の基準面で一部反射された光ビームと前記対物レンズによって一部反射された光ビームを検出する光検出器と、
   基準周波数を生成して前記アクチュエータに提供し、前記光検出器から前記光分割器内で反射された光ビームと前記対物レンズによって反射された光ビームとを受信して比較する信号処理部とを含む光ピックアックアクチュエータの副共振測定装置。
8. 前記拡散面がすりみがき加工によって加工されたことを特徴とする請求項７記載の副共振測定装置。
9. 前記光分割器が立方体型の光分割器であることを特徴とする請求項７記載の副共振測定装置。
10. 前記レーザ光源がＨｅ−Ｎｅレーザ光源であることを特徴とする請求項７記載の副共振測定装置。
11. 前記レーザ光源が、ビームエキスパンダを通過していない直径０．５〜１．５ｍｍのレーザ光を出力することを特徴とする請求項１０記載の副共振測定装置。
12. 前記基準面の光反射率が４％であり、光透過率が９６％であることを特徴とする請求項７記載の副共振測定装置。

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