JP2009069041A

JP2009069041A - 光ピックアップ用波面測定装置

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Publication number: JP2009069041A
Application number: JP2007238864A
Authority: JP
Inventors: Souto Katsura; 宗涛葛
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-04-02
Also published as: US7719691B2; EP2037244A1; CN101387555A; US20090073459A1

Abstract

【課題】トラッキング用のサブビームが混在した状態で光ピックアップ装置から出力されたメインビームの波面測定を、容易かつ高精度に行うことが可能な光ピックアップ用波面測定装置を得る。
【解決手段】画像処理部３４および波面解析部３５を解析手段３１に設ける。画像処理部３４は、撮像カメラ１９により得られた干渉縞画像をフィルタ処理し、光ビームに含まれるトラッキング用のサブビームに対応した周波数成分が除去されたフィルタ処理後の干渉縞画像を得るように構成され、波面解析部３５は、フィルタ処理後の干渉縞画像に基づき、光ビームに含まれるメインビームの波面解析を行うように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光干渉技術を用いて、測定対象とされる光ビームの波面測定を行う波面測定装置に関し、特に、光ピックアップ装置から出力される、トラッキング用のサブビームが混在した光ビームの波面測定に適した光ピックアップ用波面測定装置に関する。

従来、光干渉技術を用いて光ビームの波面測定を行う装置としては、マッハツェンダ型干渉計の光学系配置を備えたものが一般的であったが、近年、フィゾー型干渉計の光学系配置やマイケルソン型干渉計の光学系配置を備えたものが本願出願人により提案され実用化されている（下記特許文献１、２参照）。

フィゾータイプおよびマイケルソンタイプの波面測定装置は、測定対象の光ビームから基準光束を作成する手段として、反射型波面整形ユニットを用いている点に特徴がある。この反射型波面整形ユニットは、測定対象の光ビームから分岐された基準光束作成用光束の一部を入射方向と逆向きに反射させて波面整形する光学素子（以下「反射回折部」と称する）を備えている。このような反射回折部は、反射型ピンホール等とも称され、ガラス基板上に微小な反射領域を形成したものや、針状部材の先端に微小な反射領域を形成したもの（下記特許文献３参照）、あるいは通常のピンホールの裏面側直近に反射面を配置したもの（下記特許文献４参照）などが知られている。

特開２００５−３４５４４１号公報特開２００６−３４３１２１号公報特開２０００−９７６１２号公報特開昭５８−６０５９０号公報

上述したような波面測定装置は、例えば、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスクの信号読取用の光ピックアップ装置から出力される光ビームの波面測定に用いられる。この光ピックアップ装置においては、光源から出力された光ビームを、ピット列を読み込むためのメインビームと、トラッキング用の２つのサブビームとに分岐して出力する３ビーム法という技術が一般的に用いられている。

このような光ピックアップ装置から出力された光ビームは、メインビームとサブビームが混在したものであるので、それを波面測定装置に取り込みその干渉縞画像を撮像した場合、撮像された干渉縞画像には、サブビームに起因する不要な干渉縞成分が重畳されることになる。このため、干渉縞画像を解析してもメインビームに関する良好な波面測定結果を得ることが困難となる。

そこで、ピンホール板を用いてサブビームを遮光し、メインビームのみを波面測定装置に取り込むようにすることも考えられる。しかしながら、サブビームを遮光しメインビームのみが通過し得る位置にピンホール板を正確に配置することは困難で時間がかかる。特に、光ディスクの規格に応じて互いに異なる複数の波長の光ビームを出力し得るように構成された光ピックアップ装置の場合、測定対象となる光ビームの波長に応じてピンホール径を変える必要があるので、測定に多大な時間を要することになってしまう。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、トラッキング用のサブビームが混在した状態で光ピックアップ装置から出力されたメインビームの波面測定を、容易かつ高精度に行うことが可能な光ピックアップ用波面測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明に係る光ピックアップ用波面測定装置は、光ピックアップ装置から出力された光ビームを被検光束と基準光束作成用光束とに分離する光束分離手段と、前記基準光束作成用光束を波面整形して基準光束に変換する波面整形手段と、前記被検光束と前記基準光束とを互いに合波して干渉光を得る合波手段と、該合波手段により得られた干渉光に基づき前記光ビームの波面情報を担持した干渉縞画像を得る干渉縞画像取得手段と、該干渉縞画像取得手段により得られた干渉縞画像に基づき前記光ビームの波面解析を行う解析手段と、を備えた光ピックアップ用波面測定装置であって、
前記解析手段は、
前記干渉縞画像取得手段により得られた干渉縞画像に対し、前記光ビームに含まれるトラッキング用のサブビームに対応した周波数成分を除去するためのフィルタ処理を行い、該フィルタ処理後の干渉縞画像を得る画像処理部と、
前記フィルタ処理後の干渉縞画像に基づき、前記光ビームに含まれるメインビームの波面解析を行う波面解析部と、を備えてなることを特徴とする。

本発明において、前記画像処理部は、前記干渉縞画像取得手段により得られた干渉縞画像をフーリエ変換し、得られた振幅スペクトルから前記サブビームに対応した周波数成分を除去した後、逆フーリエ変換して前記フィルタ処理後の干渉縞画像を得るように構成されたものとすることができる。

また、前記波面整形手段は、前記基準光束作成用光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、入射された前記基準光束作成用光束の一部を波面整形して前記基準光束に変換し、該基準光束を前記光束分離手段に向けて射出する反射型波面整形ユニットにより構成されたものとすることができる。

上記「微小な反射回折部」とは、該反射回折部に集光（収束）する収束光束の回折限界により大きさが決められ（望ましくは回折限界よりも小さく構成され）、該収束光束の少なくとも一部を波面整形された球面波として反射する機能を有するものをいう。このような反射回折部としては、種々の構成のものを用いることが可能であるが、具体的態様として例えば、基板上に微小な反射領域を形成したもの、針状部材の先端に微小な反射領域を形成したもの、あるいはピンホールの裏面側直近に反射面を配置したものなどを挙げることができる。

本発明の光ピックアップ用波面測定装置によれば、上記構成を備えたことにより、以下のような効果を奏する。

すなわち、光ピックアップ装置から出力された光ビームに含まれるサブビームを、ピンホール板等を用いて光学的に取り除くのではなく、サブビームが混在した状態の光ビームを取り込んで干渉縞画像を撮像した後、その干渉縞画像をフィルタ処理することによりサブビームに対応した周波数成分を干渉縞画像から除去するようにしているので、サブビームに起因する不要な干渉縞成分が重畳されていない干渉縞画像を容易に得ることが可能となる。

また、波面解析は、サブビームに起因する不要な干渉縞成分が重畳されていないフィルタ処理後の干渉縞画像に基づいて行われるので、メインビームに関する良好な波面測定結果を得ることが可能となる。

なお、光ピックアップ装置におけるメインビームとサブビームとは本来互いに同波長のものであるが、メインビームに対してサブビームが傾いた状態で出力されるため、基準光束の波面に対しサブビームの波面が所定角度傾いた状態で干渉することになる。このため、撮像された干渉縞画像においては、サブビームに対応した部分が所定の周波数を有するものとして観察されることとなる。本発明はこのような知見に基づくものである。

以下、本発明に係る光ピックアップ用波面測定装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る光ピックアップ用波面測定装置の概略構成図である。

図１に示す光ピックアップ用波面測定装置１は、光ピックアップ装置５から出力される光ビームの波面測定を行うものであり、まず、この光ピックアップ装置５について説明する。

図１に示す光ピックアップ装置５は、光ビームを出力する半導体レーザ等の光源５１と、該光源５１より出力された光ビームをピット列読取用のメインビームとトラッキング用の２つのサブビームとに分離する回折格子５２と、該回折格子５２からの光ビームをコリメートするコリメータレンズ５３と、該コリメータレンズ５３によりコリメートされた光ビームを図中右方に反射する反射ミラー５４と、該反射ミラー５４からの光ビームを集光させる集光レンズ５５とを備えてなり、測定対象とされる光ビームを図中右方に向けて射出するように構成されている。

次に、光ビーム測定装置１について説明する。図１に示す光ビーム測定装置１は、マイケルソンタイプの光学系配置を採るものであり、光ピックアップ装置５からの光ビームを光学系内に導くコリメータレンズ１１と、導かれた光ビームを被検光束と基準光束作成用光束とに分離する光束分離手段（１２）と、基準光束作成用光束を波面整形して基準光束に変換する波面整形手段（１３）と、被検光束と基準光束とを互いに合波して干渉光を得る合波手段（１２）と、該合波手段により得られた干渉光に基づき光ビームの波面情報を担持した干渉縞画像を得る干渉縞画像取得手段（１８，１９）と、該干渉縞画像取得手段により得られた干渉縞画像に基づき光ビームの波面解析を行う解析手段（３１）と、を備えてなる。

具体的には、上記波面整形手段は反射型波面整形ユニット１３からなる。この反射型波面整形ユニット１３は、図中左方から入射した基準光束作成用光束を収束させる収束レンズ１４と、該収束レンズ１４の収束点に配置された微小な反射回折部１５とを有してなり、入射された基準光束作成用光束の一部を波面整形して基準光束に変換し、該基準光束を図中左方に向けて射出するように構成されている。

また、上記反射回折部１５は、例えば、基板１６上に蒸着等により形成された、金，アルミニューム，クロム等の金属膜からなり、その大きさは、収束光束として入射する光ビームの回折限界よりも小さく構成されている。そして、収束光束として入射する基準光束作成用光束の一部を波面整形された理想的な球面波として反射するように構成されている。なお、基板１６の収束レンズ１４と対向する面には、光ビームの波長に対応した反射防止コート処理が施されており、波面整形されていない基準光束作成用光束が収束レンズ１４に戻らないようになっている。

上記光束分離手段および上記合波手段は、光束分離／合波面１２からなる。この光束分離／合波面１２は、キューブプリズム型のビームスプリッタや板状のハーフミラー等により形成され、基準光束作成用光束と分離した被検光束を、図中上方に配された反射板１７の反射面１７ａ（入射した光束の波面を維持し得るように高精度に平滑化されている）に入射せしめるとともに、該反射面１７ａから戻る被検光束を上記反射型波面整形ユニット１３からの基準光束と合波させるように構成されている。

また、上記反射板１７には、該反射板１７を光軸方向（図中上下方向）に移動可能に保持する１軸ステージと、圧電素子等を有してなるフリンジスキャンアダプタとが設けられている（いずれも図示略）。１軸ステージは、測定対象となる光ビームが低可干渉光である場合に、光束分離／合波面１２から反射面１７ａを経て光束分離／合波面１２に戻る第１の光路長と、光束分離／合波面１２から反射型波面整形ユニット１３を経て光束分離／合波面１２に戻る第２の光路長とを互いに略一致させるためのものである。また、フリンジスキャンアダプタは、位相シフト機構を構成するものであり、例えば、位相シフト法を用いたサブフリンジ計測等を行う際に、圧電素子の駆動により反射板１７を光軸方向に微動させるように構成されている。

上記干渉縞画像取得手段は、結像レンズ１８と撮像カメラ１９とからなる。結像レンズ１８は、光束分離／合波面１２からの干渉光より得られる干渉縞を、撮像カメラ１９の撮像面１９ａ（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像面からなる）上に結像させるように構成されており、撮像カメラ１９は、撮像面１９ａ上に結像された干渉縞を撮像し、その画像信号を出力するように構成されている。

上記解析手段は、撮像カメラ１９からの画像信号に基づき各種画像処理および画像解析を行う解析装置３１と、該解析装置３１による解析結果や画像を表示する表示装置３２と、キーボードやマウス等からなる入力装置３３とからなる。

解析装置３１はコンピュータ等で構成され、撮像カメラ１９からの画像信号に基づき、撮像された干渉縞画像をフィルタ処理し、光ビームに含まれるトラッキング用のサブビームに対応した周波数成分が除去されたフィルタ処理後の干渉縞画像を得る画像処理部３４と、フィルタ処理後の干渉縞画像に基づき、光ビームに含まれるメインビームの波面解析を行う波面解析部３５と、を備えている。なお、これら画像処理部３４および波面解析部３５は、具体的には、メモリ等に格納された処理プログラムや該処理プログラムを実行する演算回路等により構成される。

次に、上述した光ピックアップ用波面測定装置１の測定時における作用を説明する。
図１に示すように、上記光ピックアップ装置５から図中右方に射出された、メインビームとサブビームとが混在した状態の光ビームは、コリメータレンズ１１により平行光束に変換された後、光束分離／合波面１２に入射し、該光束分離／合波面１２において、図中上方に反射される被検光束と、該光束分離／合波面１２を透過して反射型波面整形ユニット１３に向かう基準光束作成用光束とに分離される。

反射型波面整形ユニット１３に入射した基準光束作成用光束は、収束レンズ１４により収束せしめられて反射回折部１５に入射し、その一部が、該反射回折部１５において波面整形された球面波に変換され、収束レンズ１４に向けて反射される。この球面波は、収束レンズ１４において平面波に変換され、基準光束として光束分離／合波面１２に向けて射出される。さらに、この基準光束の一部が光束分離／合波面１２において、図中下方に反射される。

一方、光束分離／合波面１２から図中上方に反射された被検光束は、反射板１７の反射面１７ａにおいて逆向きに反射されて光束分離／合波面１２に戻り、その一部が光束分離／合波面１２を透過して図中下方に出射される。

この被検光束が光束分離／合波面１２で反射された基準光束と合波されることにより干渉光が得られる。この干渉光は、結像レンズ１８を介して撮像カメラ１９内の撮像面１９ａに入射し、該撮像面１９ａ上に光ビームの波面情報を担持した干渉縞画像を形成する。形成された干渉縞画像は撮像カメラ１９により撮像され、その画像信号が解析装置３１に出力される。そして、この画像信号が、解析装置３１の画像処理部３４においてフィルタ処理され、フィルタ処理後の干渉縞画像が波面解析部３５において解析されて、メインビームの波面測定結果が得られる。

以下、画像処理部３４におけるフィルタ処理について、より詳細に説明する。図２はフィルタ処理の手順を示すフローチャートである。

（１）まず、撮像カメラ１９により撮像された干渉縞画像を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して、周波数領域における振幅スペクトルを得る（図２のステップＳ１）。

図３に干渉縞画像の一例を示す。図３に示す干渉縞画像では、被検光束中のサブビームと基準光束との干渉光により形成される高周波数の干渉縞（縞間隔が略一定の細かい格子状の干渉縞）が重畳されていることが分かる。

また、図４に振幅スペクトルの一例を示す。図４は振幅スペクトルの大きさを２次元画像上の画像濃度値で示したもので、画像中心位置を挟んで上下対称の２位置に高い濃度値を持つ部分が観察される。これがサブビームに対応した周波数成分を示している。

（２）次に、得られた振幅スペクトルをフィルタリングし（例えば、振幅スペクトルに所定のフィルタ関数を乗じ）、サブビームに対応した周波数成分を除去する（図２のステップＳ２）。

図５にフィルタリング後の振幅スペクトルの一例を示す。図５はフィルタリング後の振幅スペクトルの大きさを２次元画像上の画像濃度値で示したもので、サブビームに対応した周波数成分がフィルタリングにより削除されている。

なお、フィルタリングに用いるフィルタ関数は、サブビームに対応した周波数成分を良好に除去し得るような任意の形状を持つものを用いることができる。図５に示す例では、遷移域が急峻な角柱状のフィルタ関数を用いているが、ガウス分布のように遷移域が緩やかに変化する形状のフィルタ関数を用いることも可能である。また、振幅スペクトルに対するフィルタ関数の設定は、振幅スペクトルの状態を見てオペレータが行うようにすることが可能であるが、画像処理部３４において振幅スペクトルの状態を自動解析して、好適なフィルタ関数を設定するように構成することも可能である。

（３）次いで、フィルタリング後の振幅スペクトルを高速逆フーリエ変換（ＩＦＦＴ）して、フィルタ処理後の干渉縞画像を得る。

図６にフィルタ処理後の干渉縞画像の一例を示す。図６に示すフィルタリング後の干渉縞画像では、サブビームと基準光束との干渉光により形成される高周波数の干渉縞が除去されていることが分かる。

この後、得られたフィルタ処理後の干渉縞画像に基づき、上記波面解析部３５（図１参照）において縞解析およびアンラップ等の処理が行われ、メインビームの波面形状が得られる。

なお、本実施形態では、位相シフト法を用いて干渉縞画像の取得および解析が行われる。すなわち、上記反射板１７（図１参照）を図示せぬフリンジスキャンアダプタを用いて微動させて基準光束に対する被検光束の位相を所定のステップずつ変化させ、各々のステップ毎に干渉縞画像を撮像する。

上記（１）〜（３）のフィルタ処理は、ステップ毎の各干渉縞画像に対して行われ、得られたフィルタ処理後の各干渉縞画像に基づき、波面解析部３５において位相シフト法による縞解析およびアンラップ等の処理が行われ、メインビームの波面形状が得られることになる。

図７にフィルタ処理後の干渉縞画像に基づく波面解析結果の一例（３次元画像）を示す。また、比較例として図８にフィルタ処理されていない干渉縞画像に基づく波面解析結果の一例（３次元画像）を示す。図８に示す波面解析結果では、サブビームと基準光束との干渉光が重畳された影響で、波面に細かい格子状の凹凸が見えるのに対し、図７に示す波面解析結果では、そのような細かい凹凸が無く、メインビームの波面形状を良好に再現している。

以上、本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上述した実施形態のものでは、測定する光ビームの波長が変化しないことを前提としているため、反射型波面整形ユニット１３が１種類のみであったが、測定する光ビームが複数あって、それらの波長が互いに異なるような場合に対応し得るように、各波長にそれぞれ対応した複数種類の反射型波面整形ユニットを具備し、測定する光ビームの波長が変化した際に、それらを互いに切り替えて使用するようにしてもよい。なお、このような態様は、特開２００６−３２９７２０号公報に開示されている。

また、上記実施形態では、撮像された干渉縞画像をフーリエ変換し、周波数領域でフィルタリングした後に、空間領域に戻すようにしているが、空間領域で直接フィルタ処理を行うようにすることも可能である。

また、図１に示す態様では、マイケルソンタイプの光学系配置を採用しているが、前掲の特許文献１に開示されたフィゾータイプの光学系配置を採用することも可能であり、さらには、反射型波面整形ユニットを用いないマッハツェンダタイプの光学系配置を採る波面測定装置に対し、本発明を適用することも可能である。

また、波面整形ユニット１３に用いられている反射回折部１５についても、前掲の特許文献３、４に開示された種々の態様のものを用いることが可能である。

本発明の一実施形態に係る光ピックアップ用波面測定装置の概略構成図フィルタ処理の手順を示すフローチャートフィルタ処理前の干渉縞画像の一例を示す図フィルタリング前の振幅スペクトルの一例を示す図フィルタリング後の振幅スペクトルの一例を示す図フィルタ処理後の干渉縞画像の一例を示す図フィルタ処理後の干渉縞画像に基づく波面解析結果の一例を示す図フィルタ処理前の干渉縞画像に基づく波面解析結果の一例を示す図

符号の説明

１光ピックアップ用波面測定装置
５光ピックアップ装置
１１，５３コリメータレンズ
１２光束分離／合波面
１３反射型波面整形ユニット
１４収束レンズ
１５反射回折部
１６基板
１７反射板
１７ａ反射面
１８結像レンズ
１９撮像カメラ
１９ａ撮像面
３１解析装置
３２表示装置
３３入力装置
３４画像処理部
３５波面解析部
５１光源
５２回折格子
５４反射ミラー
５５集光レンズ

Claims

光ピックアップ装置から出力された光ビームを被検光束と基準光束作成用光束とに分離する光束分離手段と、前記基準光束作成用光束を波面整形して基準光束に変換する波面整形手段と、前記被検光束と前記基準光束とを互いに合波して干渉光を得る合波手段と、該合波手段により得られた干渉光に基づき前記光ビームの波面情報を担持した干渉縞画像を得る干渉縞画像取得手段と、該干渉縞画像取得手段により得られた干渉縞画像に基づき前記光ビームの波面解析を行う解析手段と、を備えた光ピックアップ用波面測定装置であって、
前記解析手段は、
前記干渉縞画像取得手段により得られた干渉縞画像に対し、前記光ビームに含まれるトラッキング用のサブビームに対応した周波数成分を除去するためのフィルタ処理を行い、該フィルタ処理後の干渉縞画像を得る画像処理部と、
前記フィルタ処理後の干渉縞画像に基づき、前記光ビームに含まれるメインビームの波面解析を行う波面解析部と、
を備えてなることを特徴とする光ピックアップ用波面測定装置。
前記画像処理部は、前記干渉縞画像取得手段により得られた干渉縞画像をフーリエ変換し、得られた振幅スペクトルから前記サブビームに対応した周波数成分を除去した後、逆フーリエ変換して前記フィルタ処理後の干渉縞画像を得るように構成されていることを特徴とする請求項１記載の光ピックアップ用波面測定装置。
前記波面整形手段は、前記基準光束作成用光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、入射された前記基準光束作成用光束の一部を波面整形して前記基準光束に変換し、該基準光束を前記光束分離手段に向けて射出する反射型波面整形ユニットにより構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光ピックアップ用波面測定装置。