JP2594105Y2 - 光学式変位計 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、光学式変位計に係り、
特に、フロッピーディスクドライバーのピックアップの
追従制御や表面粗さ計の測定ヘッドに用いるのに好適
な、広い測定範囲に亘って高分解能で変位を検出するこ
とが可能な光学式変位計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ビームを用いる変位計としては、三角
測量法を利用した装置や、非点収差法、臨界角法、フー
コー法、ピンホール法等の合焦点方式を利用した装置が
ある。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、三角測
量法を利用した変位計においては、分解能を上げようと
すると原理的に測定範囲が狭くなる欠点がある。

【０００４】又、合焦点方式の変位計の場合には、合焦
点状態における対物レンズの位置を変位信号として検出
するが、その多くは対物レンズ駆動手段として用いられ
るボイスコイルに流れる電流の値を変位信号として用い
るもので、変位検出の精度が低かった。そのため、例え
ば１mm以上の広い測定範囲と、０．０１μm 程度の高分
解能を両立するのは困難であった。

【０００５】本考案は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、簡単な構成で、よりシャープなフォ
ーカス信号を得て、広い測定範囲に亘って、高い分解能
で変位を検出することが可能な光学式変位計を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本考案は、レーザ光源か
ら放射される光を測定対象物の表面に照射して光スポッ
トを形成し、その反射光により該光スポットの像を結像
するための、共通の結合レンズ、及び、該結像レンズに
よる結像光路中に配設された、結像光を２方向に分岐さ
せる光分岐手段を含む結像光学系と、該結像光学系を構
成する対物レンズの位置を変化させる駆動手段と、前記
対物レンズの位置を検出するエンコーダと、前記結像位
置が所定の位置に一致したことを検知するための、前記
結像光学系の光分岐手段による２つの結像光路の内、一
方の結像光路中の前ピン位置、及び、他方の結像光路中
の後ピン位置にそれぞれ配設された絞り、及び、該絞り
を通過した光の量をそれぞれ検出する２つの受光素子を
含み、合焦点からのずれの方向を識別可能な、方向性を
有するフォーカスエラー信号を発生する合焦点検知手段
を具備し、前記駆動手段を作動させて合焦点検知手段に
より合焦点が検知されたときの前記エンコーダの出力を
測定対象物の変位信号として出力するようにして、前記
目的を達成したものである。又、前記２つの受光素子に
よってそれぞれ検出される光量の差を、それらの和で除
算することによって、前記フォーカスエラー信号を得る
ようにしたものである。

【０００７】

【作用】本考案においては、レーザ光源から放射される
光を測定対象物の表面に照射して光スポットを形成し、
その反射光により該光スポットの像を結像するための、
共通の結合レンズ、及び、該結像レンズによる結像光路
中に配設された、結像光を２方向に分岐させる光分岐手
段を含む結像光学系と、該結像光学系を構成する対物レ
ンズの位置を変化させる駆動手段と、前記対物レンズの
位置を検出するエンコーダと、前記結像位置が所定の位
置に一致したことを検知するための、前記結像光学系の
光分岐手段による２つの結像光路の内、一方の結像光路
中の前ピン位置、及び、他方の結像光路中の後ピン位置
にそれぞれ配設された絞り、及び、該絞りを通過した光
の量をそれぞれ検出する２つの受光素子を含み、合焦点
からのずれの方向を識別可能な、方向性を有するフォー
カスエラー信号を発生する合焦点検知手段を具備し、前
記駆動手段を作動させて合焦点検知手段により合焦点が
検知されたときの前記エンコーダの出力を測定対象物の
変位信号として出力するようにしている。

【０００８】このように、対物レンズの駆動手段と位置
検出手段（エンコーダ）をそれぞれの目的に適った別々
の手段を採用することができるため、応答性が高く、測
定範囲が広く、精度の高い変位計としての測定が可能と
なる。

【０００９】

【実施例】以下図面を参照して、出願人が特願平２−１
３０９６１で提案したようなピンホール方式の光学式変
位計に適用した本考案の実施例を詳細に説明する。

【００１０】本実施例は、図１に示す如く、光源として
の半導体レーザ１０と、該半導体レーザ１０から放射さ
れた光を測定面１２に向けて反射するための偏光ビーム
スプリッタ１４と、該偏光ビームスプリッタ１４により
進行方向を変えられた光を平行ビームとするためのコリ
メータレンズ１６と、該コリメータレンズ１６によって
平行光線化された光ビームを測定面１２に集光して光ス
ポット２２を形成するための対物レンズ２０と、測定面
１２による散乱反射光が半導体レーザ１０に戻らないよ
うにすると共に、偏光ビームスプリッタ１４との組合わ
せで、ハーフミラーを用いた場合よりも効率を高めるた
めの１／４波長板２４と、前記偏光ビームスプリッタ１
４を通過した反射光を結像するための結像レンズ２６
と、該結像レンズ２６を通過した光を分割するためのビ
ームスプリッタ２８と、該ビームスプリッタ２８により
分割された各反射光の合焦位置よりも前及び後にそれぞ
れ配置された、２つの絞り（ピンホール）３０Ａ、３０
Ｂと、各絞り３０Ａ、３０Ｂを通過した反射光の光量を
それぞれ検出するための、２つの受光素子（例えばホト
ダイオード）３２Ａ、３２Ｂと、変位計本体８に対して
前記対物レンズ２０を図の上下方向に相対移動自在に保
持するための対物レンズホルダ４０と、該対物レンズホ
ルダ４０を、図の上下方向に駆動するための、前記本体
８に固定されたマグネット４２、及び、前記対物レンズ
ホルダ４０に固定されたコイル４６からなるボイスコイ
ル４２と、前記対物レンズホルダ４０の上下方向位置を
測定するための、該対物レンズホルダ４０に一端（図で
は下端）が固定されたスケール５０、及び、前記本体８
に固定された検出器５２からなるリニヤエンコーダ４８
と、を主に備えている。

【００１１】又、本実施例の信号処理系は、図２に示す
如く、前記各受光素子３２Ａ、３２Ｂの出力電流を電圧
に変換するための電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器６０Ａ、
６０Ｂと、各Ｉ−Ｖ変換器６０Ａ、６０Ｂの出力電圧を
増幅するための増幅器６２Ａ、６２Ｂと、該増幅器６２
Ａと６２Ｂの出力の差を演算する差演算器６４と、前記
増幅器６２Ａと６２Ｂの出力の和を演算する和演算器６
６と、前記差演算器６４の出力を和演算器６６の出力で
割ってＳカーブ状のフォーカスエラー信号とするための
除算器６８とから構成されている。

【００１２】更に、本実施例のフォーカシング制御系
は、図３に示す如く、測定面１２の位置の合焦位置から
のずれを検出するための加算器７０と、該加算器７０出
力の焦点ずれ信号を増幅する増幅回路７２と、該増幅回
路７２の出力に対して検出信号と制御信号間の位相のず
れを補償するための位相補償回路７４と、該位相補償回
路７４の出力により、アクチュエータであるボイスコイ
ル４２のコイル４６に駆動信号を与える駆動アンプ７６
とを備えており、該コイル４６によって駆動される対物
レンズ２０の位置が、測定面１２に対する合焦位置とな
るようにフィードバック制御している。

【００１３】更に、本実施例の変位信号記録・表示系
は、図４に示す如く、前記リニアエンコーダ４８の出力
を測定値とするようにされている。

【００１４】以下、実施例の作用を説明する。

【００１５】今、反射光量をＱ₀ とすると、ビームスプ
リッタ２８の透過側（前ピン側）及び反射側（後ピン
側）には、それぞれ（１／２）Ｑ₀ の光量が向う。図５
に示す如く、前ピン側の絞り３０Ａの位置におけるレー
ザビームの半径をw a 、後ピン側の絞り３０Ｂの位置で
のレーザビームの半径をw b とし（但しレーザビームの
半径は、強度分布の１／e ² とする）、絞りの半径をr
とすると、絞りを通過する光量Ｑa （前ピン側）、Ｑb
（後ピン側）は、それぞれ次式で表わされる。

【００１６】 Ｑa ＝（１／２）Ｑ₀ ×［１− exp｛−２（r ／wa）² ｝］ …（１） Ｑb ＝（１／２）Ｑ₀ ×［１− exp｛−２（r ／wb）² ｝］ …（２）

【００１７】従って、フォーカスエラー信号Ｓは、次式
で表わされる。

【００１８】 Ｓ＝（Ｑb −Ｑa ）／（Ｑb ＋Ｑa ） ＝［ exp｛−２（r ／wa）² ｝− exp｛−２（r ／wb）₂ ｝］ ／［２− exp｛−２（r ／wa）² ｝− exp｛−２（r ／wb）² ）｝］ …（３）

【００１９】この（３）式から明らかなように、フォー
カスエラー信号Ｓは反射光量Ｑ₀ と無関係となる。

【００２０】今、各受光素子３２Ａ、３２Ｂの出力が、
それぞれ図６に示す如くであったとすると、その時に得
られるフォーカスエラー信号Ｓは、図７に示す如く、Ｓ
字状カーブとなり、測定面１２の変位に応じた、方向性
を有するフォーカスエラー信号を得ることができる。

【００２１】本実施例においては、増幅器６２Ａのゲイ
ンＫを可変としているので、対物レンズ２０の焦点位置
で簡単にフォーカスエラー信号Ｓを０に調整することが
できる。このようにゲインＫが前ピン側の反射光量Ｑa
に乗ぜられている場合のフォーカスエラー信号Ｓは、次
式に示す如くとなる。

【００２２】 Ｓ＝（Ｑb −Ｋ・Ｑa ）／（Ｑb ＋Ｋ・Ｑa ） …（４）

【００２３】この場合でも、（３）式と同様に、フォー
カスエラー信号Ｓは反射光量Ｑ₀ と無関係である。

【００２４】本実施例においては、前記フォーカシング
制御系により、対物レンズ２０が常に測定面１２に焦点
を結ぶように、ボイスコイル４２を制御し、そのときの
リニヤエンコーダ４８の出力を測定値としている。

【００２５】本実施例においては、対物レンズをボイス
コイルにより駆動しているので、応答性が速い。なお、
対物レンズの駆動方法はこれに限定されず、例えばリニ
ヤモータを用いたり、あるいは送りねじと回転モータを
用いることもできる。

【００２６】なお前記実施例においては、測定面の検出
にピンホール法が用いられていたが、測定面が対物レン
ズの焦点位置に来た時に焦点位置信号を発生する方法は
これに限定されず、例えば非点収差法、臨界角法、フー
コー法等、他の合焦点方式であってもよい。

【００２７】

【００２８】又、偏光ビームスプリッタ１４の代わりに
ハーフミラーを用いてもよい。

【００２９】又、対物レンズの位置を検出するエンコー
ダも、リニヤエンコーダに限定されず、例えばロータリ
エンコーダを用いても良い。

【００３０】

【考案の効果】以上説明したとおり、本考案によれば、
簡単な構成で、よりシャープなフォーカス信号を得て、
広い測定範囲に亘って、高い分解能で変位を測定するこ
とができる。特に、測定範囲が広いため、セッティング
が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本考案に係る光学式変位計の実施例の
構成を示す断面図である。

【図２】図２は、前記実施例の信号処理系を示すブロッ
ク線図である。

【図３】図３は、同じくフォーカシング制御系を示すブ
ロック線図である。

【図４】図４は、同じく変位信号の記録表示系を示すブ
ロック線図である。

【図５】図５は、前記実施例における絞りを通過する光
ビームの光量を示す線図である。

【図６】図６は、同じく受光素子の出力の例を示す線図
である。

【図７】図７は、同じく測定面の変位とフォーカスエラ
ー信号の関係の例を示す線図である。

【符号の説明】

８…変位計本体、 １０…半導体レーザ、 １２…測定面、 １４…偏光ビームスプリッタ、 １６…コリメータレンズ、 ２０…対物レンズ、 ２２…光スポット、 ２６…結像レンズ、 ２８…ビームスプリッタ、 ３０Ａ、３０Ｂ…絞り、 ３２Ａ、３２Ｂ…受光素子、 ４０…対物レンズホルダ、 ４２…ボイスコイル、 ４８…リニヤエンコーダ、 ６４…差演算器、 ６６…和演算器、 ６８…乗算器、 ７０…加算器、 ７６…駆動アンプ。

フロントページの続き (56)参考文献 実開 平２−110813（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−67211（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01C 3/00 - 3/32 G02B 7/32 G03B 3/00

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光源から放射される光を測定対象物
   の表面に照射して光スポットを形成し、その反射光によ
   り該光スポットの像を結像するための、共通の結合レン
   ズ、及び、該結像レンズによる結像光路中に配設され
   た、結像光を２方向に分岐させる光分岐手段を含む結像
   光学系と、 該結像光学系を構成する対物レンズの位置を変化させる
   駆動手段と、 前記対物レンズの位置を検出するエンコーダと、 前記結像位置が所定の位置に一致したことを検知するた
   めの、前記結像光学系の光分岐手段による２つの結像光
   路の内、一方の結像光路中の前ピン位置、及び、他方の
   結像光路中の後ピン位置にそれぞれ配設された絞り、及
   び、該絞りを通過した光の量をそれぞれ検出する２つの
   受光素子を含み、合焦点からのずれの方向を識別可能
   な、方向性を有するフォーカスエラー信号を発生する合
   焦点検知手段を具備し、 前記駆動手段を作動させて合焦点検知手段により合焦点
   が検知されたときの前記エンコーダの出力を測定対象物
   の変位信号として出力することを特徴とする光学式変位
   計。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光学式変位計において、
   前記２つの受光素子によってそれぞれ検出される光量の
   差を、それらの和で除算することによって、前記フォー
   カスエラー信号を得ることを特徴とする光学式変位計。