JP3300536B2 - 変位測定装置および光ピックアップ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ディスク等の記録担
体などの被測定物の変位を測定する変位測定装置および
光ピックアップに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ディスクなどの光学的な記録担
体に記録された情報をその反射光を利用して再生した
り、あるいは情報を記録したりする光ピックアップが知
られている。

【０００３】この種の光ピックアップにはフォーカスサ
ーボ方式が使用されており、フォーカスサーボ方式とし
ては、非点収差法，臨界角法，イフエッジ法などがあ
る。中でも非点収差法(尾上守夫監修 光ディスク技術
ラジオ技術社 ｐ９９)は磁気ディスク用光学ヘッドの
ほか、コンパクトディスク，レーザーディスクを含めて
光ディスク全般にも良く用いられている。

【０００４】その原理は、受光手段(光検出器)が４分割
受光面(各出力をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとする)となっていると
すると、入射光の焦点がディスクに合っているとき、そ
の反射光の像は光検出器の４分割受光面で円形となり、
このとき、フォーカス誤差出力である対角の受光面間の
差動出力(Ａ＋Ｃ)−(Ｂ＋Ｄ)は零となる。一方、ディス
クが対物レンズから遠くなったり近くなったりすると、
光検出器の４分割受光面の像が円形から長円形状にな
る。そのため、フォーカス誤差出力は正(遠い)あるいは
負(近い)になるので、この出力が零になるように対物レ
ンズの位置を調整して焦点を合わせる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、こ
の種の装置において、アクセスタイムを速めるために
は、光ピックアップの小型軽量化が重要である。しかし
ながら、従来の非点収差法のようなフォーカス検出法で
はビームの形状の変化を検出するため受光手段(受光素
子)までの距離(検出長)をある程度大きく（数ｃｍ）し
検出しなければ十分な感度を得ることができず、従っ
て、小型化には限界がある。また、受光素子上のスポッ
トは数ミクロンから数十ミクロンとかなり小さく、調整
が難しく、環境によってオフセットが生じるので不安定
である。

【０００６】このために、本願出願人は、例えば図１に
示すような変位測定装置(光ピックアップ)を案出した。
図１を参照すると、この変位測定装置は、光源１からの
光をコリメートレンズ２，ビームスプリッタ３を介し対
物レンズ４によって被測定物(例えば光ディスク)５に集
光照射し、該被測定物５からの反射光を対物レンズ４，
ビームスプリッタ３を介して２つの回折格子６ａ，６ｂ
からなる二重回折格子６に平行光として入射させ、二重
回折格子６に平行光を入射させることで、回折光の間で
の干渉により生ずる干渉縞の位相とピッチをフォトダイ
オードなどの受光手段(受光素子)７で受光し、被測定物
５の変位，例えば被測定物５の光軸方向(被測定物への
入射光の光軸方向；対物レンズ４の光軸方向)ｘへの変
位(移動量)を検知するようになっている。

【０００７】ここで、第１の回折格子６ａと第２の回折
格子６ｂとからなる二重回折格子６を用いた干渉縞発生
原理について、図２乃至図４を用いて説明する。いま、
二重回折格子６の第１の回折格子６ａ，第２の回折格子
６ｂが、それぞれピッチΛ₁，Λ₂を有し、第１の回折格
子６ａに波長λの光が垂直に入射するとする。なお、垂
直入射でなくとも本発明の一般性は失われない。

【０００８】この二重回折格子６においては、第１の回
折格子６ａで±ｎ次光(ｎは正とする)を発生させ、第２
の回折格子６ｂではその＋ｎ次光の−ｍ次光(ｍは正と
する)とその−ｎ次光の＋ｍ次光(ｍは正とする)を発生
させる。そして、第２の回折格子６ａにより発生した±
ｍ次光同士を干渉させて干渉縞を発生させる。なお、＋
は入射光に対し進行方向左に回折する場合、−はその反
対の場合を表わす。

【０００９】ここで、＋ｎ次光の第１の回折格子６ａで
の回折条件は次式で表わされる。なお、−ｎ次の場合は
ｎを−ｎに替えれば良いので以下省略する。

【００１０】

【数１】ｓｉｎθ₁＝ｎλ／Λ₁

【００１１】また、第２の回折格子６ｂでの回折条件は
次式で表わされる。

【００１２】

【数２】−ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎθ₁＝ｍλ／Λ₂

【００１３】数１と数２よりθ₂について次式が導かれ
る。

【００１４】

【数３】ｓｉｎθ₂＝λ(ｎ／Λ₁−ｍ／Λ₂)

【００１５】図４(ａ)に示すように、θ₂の入射角の２
つの光(平面波)ＢＭ₁，ＢＭ₂による干渉縞のピッチΛ₀
は数４で表わされ、相対的な位相による干渉縞の位相は
数５で表わされる。

【００１６】

【数４】Λ₀＝λ／(２ｓｉｎθ₂)

【００１７】

【数５】β₀＝β₁

【００１８】ここで、β₀は干渉縞の位相、β₁は平面波
ＢＭ₁，ＢＭ₂間の位相である。従って、干渉縞のピッチ
と二重回折格子のピッチとの関係は数３，数４を用いて
数６で表わされる。

【００１９】

【数６】１／(２Λ₀)＝ｎ／Λ₁−ｍ／Λ₂

【００２０】また、二重回折格子６の場合（図４(ｂ)参
照）の位相関係については、正負の次数の回折光の干渉
についてのみ問題とすると、回折格子直後での位相関係
が逆になることから干渉縞の位相は数７で表わされる。

【００２１】

【数７】β₀＝２β₂

【００２２】これより、干渉縞のピッチは二重回折格子
６のピッチ(すなわち、第１の回折格子６ａのピッチΛ₁
と第２の回折格子６ｂのピッチΛ₂)のみに依存し、入射
光の波長λに全く無関係となることがわかる。光の径を
Ｗ₀とし、式６の右辺と左辺に掛けると数８が得られ
る。

【００２３】

【数８】(Ｗ₀／Λ₀)／２＝ｎＷ₀／Λ₁−ｍＷ₀／Λ₂

【００２４】ここで、Ｗ₀／Λ₀は光径内に生じる干渉縞
の本数であり、ｎＷ₀／Λ₁とｍＷ₀／Λ₂は第１の回折格
子６ａと第２の回折格子６ｂにおける光径内の回折格子
本数にそれぞれの次数を掛けたものである。すなわち、
次式となる。

【００２５】

【数９】《干渉縞の本数》／２＝次数×《第１の回折格
子の本数》−次数×《第２の回折格子の本数》

【００２６】このように干渉縞の本数と第１及び第２の
回折格子６ａ，６ｂの本数、さらにはそれぞれの次数の
関係が明らかになった。どの次数を用いても干渉縞は発
生するが、±１次光は回折効率が高いので、高次回折光
よりも優れている。すなわち、第１の回折格子６ａで発
生する＋１次光であって第２の回折格子６ｂの−１次光
(図３中Ｅ)及び、第１の回折格子６ａで発生する−１次
光であって第２の回折格子６ｂの＋１次光(図３中Ｆ)を
用いる場合が最も効率が良い。

【００２７】干渉縞本数の例としては±１次光のみ用い
た場合、高分解能化を目指し、Λ₁＝０．９４８μｍと
非常に高密度な回折格子を用いるとき、Λ₀＝１ｍｍと
大きくとるためには、Λ₂＝０．９４７６８μｍとな
る。

【００２８】Λ₁とΛ₂の違いは約０．０３％と非常に小
さいものとなるが作成は可能である。コリメート光の光
径を２ｍｍ程度とすると干渉縞が１，２本観測されるこ
ととなる。

【００２９】以上が二重回折格子６を用いた干渉縞発生
原理である。

【００３０】この二重回折格子を用いて被測定物の変位
を測定する仕方を図５に従って以下に述べる。

【００３１】図５を参照すると、被測定物５の面上に略
焦点を結ぶようにしたレンズ１０１を設定し、また、こ
のレンズ１０１の光軸上に二重回折格子６を設定する。

【００３２】なお、図５において、レンズ１０１の焦点
距離をｆ、レンズと被測定物の面までの距離をｂ₁、二
重回折格子側の集光位置をｂ₂、レンズ開口をＡとして
いる。また、レンズ焦点位置と被測定物の面との間の距
離(デフォーカス量)をｄとし、二重回折格子６(６ａ，
６ｂ)へ入射する角をθ(光軸の上の角をθ₁、下の角を
θ₂)としている。この場合、二重回折格子６の第１，第
２の回折格子６ａ，６ｂ間の間隔をＴとし、ｄ＜＜ｆと
すると、次式が成立する。

【００３３】

【数１０】１／ｆ＝１／ｂ₁＋１／ｂ₂ θ＝Ａ／ｂ₂ ｂ₁＝ｆ＋ｄ

【００３４】数１０よりｂ₂は次式で表わされる。

【００３５】

【数１１】ｂ₂＝ｆｂ₁／(ｂ₁−ｆ)

【００３６】数１０，数１１からθは次式で表わされ
る。

【００３７】

【数１２】θ＝Ａ(ｂ₁−ｆ)／ｆｂ₁＝Ａｄ／ｆ(ｆ＋ｄ)
≒Ａｄ／ｆ²

【００３８】ここで、デフォーカス量ｄが微小すなわ
ち、ｄ＜＜ｆであるとした。この場合には、レンズ１０
１からの出射光はコリメート状態に近く、レンズ１０１
と二重回折格子６とが接近しているとすると、図６のよ
うに第１の回折格子６ａに沿ってｘ軸(光軸上でｘ＝０)
をとり、また、第２の回折格子６ｂに沿って、Ｘ軸(光
軸上でＸ＝０)をとるとき、Ａ＝ｘとできるから数１２
は次式となる。

【００３９】

【数１３】θ＝ｘｄ／ｆ²

【００４０】このように、位置(x)によって光線の入射
角が異なる。光軸に対して両側から二重回折格子６に入
射してきた光であって、二重回折格子６を２回とも回折
した光は図５に示すように出射面(干渉縞発生面)で交わ
る。この２つの光ＢＭ₃，ＢＭ₄は出射角が異なるので、
これらの間で干渉が生じ干渉縞が発生する。

【００４１】次に各位置での干渉縞のピッチを求める。
ｙ＝０でｘの所に光軸より上の光が入射してきた光が出
射面で出射する角θ₃は次式で表わされる(図７参照)。

【００４２】

【数１４】 ｓｉｎθ₁−ｓｉｎθ₃＝λ(１／Λ₂−１／Λ₁)

【００４３】θ₁〜０、θ₃〜０なのでθ₃は次式とな
る。

【００４４】

【数１５】θ₃＝θ₁＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００４５】数１３を数１５に代入すると次式を得る。

【００４６】

【数１６】θ₃＝ｘｄ／ｆ²＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００４７】二重回折格子６の第２の回折格子６ｂの出
射面(ｙ＝Ｔ)での光の位置Ｘを規定したいが、簡単のた
め、第１回折光の回折角を４５°とすると、次式が得ら
れる。

【００４８】

【数１７】Ｘ＝ｘ−Ｔ

【００４９】数１７を数１６に代入すると次式を得る。

【００５０】

【数１８】 θ₃＝ｄ(Ｘ＋Ｔ)／ｆ²＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００５１】同様に、ｙ＝０でｘの所に光軸より下の光
が入射してきた光が出射面で出射する角θ₄は次式で表
わされる。

【００５２】

【数１９】 θ₄＝ｄ(Ｘ−Ｔ)／ｆ²＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００５３】二光束の入射角がそれぞれθ₃とθ₄であっ
て、θ₃〜０、θ₄〜０のときの干渉縞のピッチΛ₀は次
式で表わされる。

【００５４】

【数２０】Λ₀＝λ／(｜ｓｉｎθ₃+ｓｉｎθ₄｜)＝λ／
(｜θ₃＋θ₄｜)

【００５５】数２０に数１８，数１９を代入すると、次
式が得られる。

【００５６】

【数２１】Λ₀(ｄ)＝λ／〔｜２ｄＴ／ｆ²＋２λ(１／
Λ₁−１／Λ₂)｜〕

【００５７】ここで、前述のように、λは波長、Ｔは２
つの回折格子６ａ，６ｂ間の距離、ｆは対物レンズ４の
焦点距離、Λ₁は第１の回折格子６ａのピッチ、Λ₂は第
２の回折格子６ｂのピッチである。この式から、二重回
折格子６によって発生する干渉縞は、位置Ｘに関わら
ず、デフォーカス量ｄに依存する等ピッチΛ₀(ｄ)の干
渉縞であることがわかる。なお、回折格子６ａと回折格
子６ｂのピッチが同じ場合(Λ₁＝Λ₂)には、干渉縞のピ
ッチΛ₀(ｄ)は次式で表される。

【００５８】

【数２２】Λ₀(ｄ)＝ｆ²／〔｜(ｄ／λ)｜２Ｔ〕

【００５９】デフォーカスのないとき(ｄ＝０のとき)
は、数２２よりΛ₀→∞となるが、デフォーカスの生じ
たときに干渉縞が発生する。従って、干渉縞のピッチや
位相のデフォーカスによる変化を読み取って、被測定物
の変位(より正確には、微小変位)ｄを得たり、フォーカ
スエラー信号Ｆｏを得ることができる。

【００６０】例えば、ピッチの同じ２つの回折格子６
ａ，６ｂからなる二重回折格子６に平行光を入射させ
て、第１の回折格子６ａでの＋１次光であって第２の回
折格子６ｂでの−１次光(Ｅ光とよぶ)と、第１の回折格
子６ａでの−１次光であって第２の回折格子での＋１次
光(Ｆ光とよぶ)とを干渉させて、数２２のピッチΛ
₀(ｄ)の干渉縞を発生させることができる。

【００６１】ここで、２つの回折格子６ａ，６ｂの位相
(回折格子の山と山の間隔)を故意にずらす。図８乃至図
１０には、２つの回折格子６ａ，６ｂの位相をずらした
状態が示されている。すなわち、図８乃至図１０には、
第１の回折格子６ａと第２の回折格子６ｂのピッチをΛ
(＝Λ₁＝Λ₂)としたときに、第１の回折格子６ａの山と
第２の回折格子６ｂの谷との位相差がΛ／８となるよう
にし、回折光として±１次光(前述のＥ光とＦ光)を用い
るとした場合が示されており、この場合、第２の回折格
子６ｂからの２つの回折光(Ｅ光，Ｆ光)の位相は９０°
(１／４ピッチ＝λ／４)ずれる。より詳しくは、デフォ
ーカスでないとき、Ｅ光とＦ光は波面が互いに平行であ
り、その等位相面は互いに櫛のように入り込む状態にな
る。なお、このときには、Ｅ光とＦ光の等位相面が交わ
らないので、干渉縞は発生しない。

【００６２】このように、図８は、上述のようにデフォ
ーカスのない場合を示しているが、デフォーカスｄが発
生すると、Ｅ光，Ｆ光の波面は、ミクロ的には図９，図
１０に示すように各々湾曲する。この湾曲によって等位
相面が交わり、数２２で表されるピッチΛ₀(ｄ)の干渉
縞が発生する。干渉縞はＥ光，Ｆ光の波面が交わってで
きるが、その交点は図中ＣＬＳで示すようにデフォーカ
スの正負によって移動する。これは左右の位相が反転す
ることを表す。干渉縞の光量分布は定性的には図１１に
示すようにデフォーカスによって変化し、干渉面内の左
側ＬＴ，右側ＲＴがｄ＝０を境にして反転することとな
る。従って、これを受光手段で読み取ることで、デフォ
ーカスｄを知ることができる。

【００６３】具体的には、干渉面内の左側ＬＴと右側Ｒ
Ｔのところに、それぞれ受光素子(例えばフォトダイオ
ード)を設置して、左側の受光素子の検知光量(出力)
Ａ’と右側の受光素子の検知光量(出力)Ｂ’との差ＤＩ
Ｆ(＝Ａ’−Ｂ’)を検出すると図１２に示すようないわ
ゆるＳ字カーブが得られる。

【００６４】図１３は上記原理を適用した光ピックアッ
プの構成例を示す図である。ここで、光源１には一般に
半導体レーザ(ＬＤ)が用いられる。この光ピックアップ
は、光源からの光を記録担体に集光照射して情報の記録
または再生を行なう光記録再生装置に用いられるもので
あり、図１３の構成では、光源１からの光をコリメート
レンズ２でコリメートしてビームスプリッタ３を介して
対物レンズ４に入射させ、対物レンズ４で集光させて被
測定物５としての記録担体に照射する。記録担体５から
の反射光は再び対物レンズ４，ビームスプリッタ３を介
して二重回折格子６に入射する。二重回折格子６におい
ては、これに入射した反射光により前述の原理で干渉縞
を発生させ、発生した干渉縞を受光手段(例えば図１４
(ａ)に示すような２分割の受光素子)７で受光し、２分
割受光素子の出力差ＤＩＦ（＝Ａ’−Ｂ’）に基づき記
録担体５のデフォーカス量ｄを検出し、検出されたデフ
ォーカス量ｄに基づいてフォーカスエラー信号Ｆｏを得
て、フォーカスサーボを施す。

【００６５】フォーカスエラー信号Ｆｏのみならず、ト
ラックエラー信号Ｔｒをも検知するには、フォーカス検
出法を用いつつ、受光手段７として図１４(ｂ)のように
４分割の受光素子(出力が各々Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)を用いれ
ばよい。こうすると、フォーカスエラー信号Ｆｏは数２
３で求められ、またプッシュプル法を用いてトラックエ
ラー信号Ｔｒは数２４で求められる。

【００６６】

【数２３】Ｆｏ＝(Ａ＋Ｂ)−(Ｃ＋Ｄ)

【００６７】

【数２４】Ｔｒ＝(Ａ＋Ｄ)−(Ｂ＋Ｃ)

【００６８】なお、トラックを検出する必要のないとき
は４分割の受光素子でなく、図１４(ａ)に示したような
２分割の受光素子(出力が各々Ａ’，Ｂ’)で十分であ
り、このときは２つの受光素子の出力差Ａ'−Ｂ’によ
りフォーカスエラーを検出できる。また、トラックをウ
ォブリング法で検出するときは同様に２つの受光素子の
出力差Ａ'−Ｂ’でフォーカスエラーを検出し、２つの
受光素子の出力の総和Ａ'＋Ｂ’でトラックエラーを検
出することができる。

【００６９】また、上述の例では、２つの回折格子６
ａ，６ｂのピッチΛ₁，Λ₂が同じであり、干渉縞が数２
２に従って発生するとし、この場合には、デフォーカス
のないとき、干渉縞が発生せず、デフォーカスのあると
き、干渉縞が発生することを利用して、被測定物５の変
位，デフォーカス量を検出したが、２つの回折格子６
ａ，６ｂのピッチΛ₁，Λ₂を相違させても良い。なお、
この場合には、干渉縞は、数２１に従って発生する。す
なわち、デフォーカスのないときにも、干渉縞が発生
し、従ってデフォーカスのあるときには、その干渉縞の
ピッチが変化することを利用して、被測定物の５の変
位，デフォーカス量を検出することができる。

【００７０】このように、二重回折格子６による干渉縞
を用いることで、小型化等に適した変位測定装置および
光ピックアップを提供できる。

【００７１】しかしながら、回折格子を用いる場合に
は、この変位測定装置(光ピックアップ)用の回折格子を
作製しなければならず、また、回折格子を用いるときに
は、光源１の波長変化による回折角の変化に気を使って
設計する必要があるなどの問題がある。

【００７２】本発明は、回折格子を用いずに、簡単な光
学要素によって自由度の高い設計を行なうことの可能な
変位測定装置および光ピックアップを提供することを目
的としている。

【００７３】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、請求項１，２記載の発明は、回折という
機構を使用せず、反射透過手段を用いている。これによ
り、従来の汎用的な簡単な光学要素を用いることができ
て、作製が極めて容易であり、また、回折格子を用いる
ときに注意すべき光源の波長変化による回折角の変化に
気を使うことなく自由度の高い設計を行なうことができ
る。

【００７４】また、請求項３記載の発明では、反射透過
手段は、１つのプリズムで構成されている。これによ
り、振動などの影響で各光学要素が動いてしまうことも
なく安定した測定を行なうことができる。

【００７５】また、請求項４記載の発明では、反射透過
手段は、一方の面が部分反射部分透過ミラーとして機能
を有し、他方の面が少なくとも一部の光を反射するミラ
ーとしての機能を有する光学要素で構成されており、被
測定物からの反射光を光学素子の一方の面に入射させ
て、第１の反射光と透過光とを生じさせ、透過光を他方
の面に入射させて第２の反射光を生じさせ、第１の反射
光と第２の反射光との干渉によって干渉縞を発生させる
ようになっている。これにより、１つの光学要素の２つ
の面のみの簡単な構成で干渉縞を発生できる。

【００７６】また、請求項５記載の発明では、反射透過
手段は、一方の面がＰ偏光(Ｓ偏光)を選択的に透過しか
つＳ偏光(Ｐ偏光)を選択的に反射する機能を有し、他方
の面が一方の面を透過してきたＰ偏光(Ｓ偏光)の少なく
とも一部の光を反射する機能を有する光学素子を有し、
さらに、一方の面で反射したＳ偏光(Ｐ偏光)と、一方の
面で透過して他方の面で反射しさらに一方の面を透過し
たＰ偏光(Ｓ偏光)の光路が重なるように一方の面と他方
の面の間隔および光の一方の面への入射角を設定し、光
路が重なる部分にＳ偏光(Ｐ偏光)とＰ偏光(Ｓ偏光)が干
渉を起こすような手段が設定されている。また、偏光に
よって選択する手段が設けられているので、多重反射が
生じず、干渉縞のぼやけがなく、検知を正確に行なうこ
とができる。

【００７７】また、請求項６記載の発明では、光を互い
に平行な相直交する二つの偏光に分離する手段を用いて
いる。これにより、簡単な構成の下で、容易に光束の分
離と重ね合わせを達成できる。

【００７８】また、請求項７記載の発明は、請求項１乃
至請求項６のいずれか一項に記載の変位測定装置を適用
して光ピックアップ装置を構成している。これにより、
極めて簡単な構成の光ピックアップを実現できる。

【００７９】また、請求項８記載の発明は、反射透過手
段からの一部の光を利用して、記録信号，トラックエラ
ー信号をも検出する。これにより、光ピックアップにお
いてなされる全ての信号の検知を簡単な構成の下で行な
うことができる。

【００８０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１５は本発明に係る変位測定装置(例えば光ピ
ックアップ装置)の一実施例の構成図である。図１５を
参照すると、この変位測定装置は、光源(例えば半導体
レーザ)１と、光源１からの光をコリメ−トするコリメ
−トレンズ２と、ビームスプリッタ３と、コリメ−トレ
ンズ２からのコリメ−ト光を被測定物(例えば記録担体)
５に集光照射する対物レンズ４と、被測定物５からの反
射光が対物レンズ４，ビームスプリッタ３を介して入射
し、干渉縞を発生させる反射透過手段１０と、反射透過
手段１０によって発生した干渉縞が投影され、該干渉縞
を受光し、該干渉縞に基づいて、被測定物５の変位に関
する情報(光軸方向へのデフォーカス量および／または
光軸方向と直交する)トラック方向(記録担体の放射方
向)の変位）を検出する受光手段(例えばフォトダイオー
ドなどの受光素子)７，８とを有している。ここで、反
射透過手段１０としては、被測定物５からの反射光を２
つの光束に分離しつつ光路を重ね合わせて干渉縞を発生
させる機能を有するものが用いられる。

【００８１】図１５の例では、反射透過手段１０は、ビ
ームスプリッタ３からの光の一部を透過し、一部を反射
する第１の部分反射部分透過ミラー(ハーフミラー)１１
と、第１の部分反射部分透過ミラー１１からの透過光Ｔ
Ｒを反射する反射ミラー１２と、第１の部分反射部分透
過ミラー１１からの反射光ＲＦを反射する反射ミラー１
３と、反射ミラー１２，反射ミラー１３からの光がそれ
ぞれ重なった状態で入射する第２の部分反射部分透過ミ
ラー(ハーフミラー)１４とにより構成されている。

【００８２】この際、第２の部分反射部分透過ミラー１
４からは２つの光束ＢＭ₁，ＢＭ₂が出射される。このと
き、光束ＢＭ₁は２つの光束ＢＭ₁₁，ＢＭ₁₂が重なり合
った状態で、また、光束ＢＭ₂は、２つの光束ＢＭ₂₁，
ＢＭ₂₂が重なり合った状態で出射される。この場合、２
つの光束ＢＭ₁，ＢＭ₂の少なくとも一方に干渉縞が発生
するように、ミラー１４に対して各ミラー１１，１２，
１３が設定されている。

【００８３】また、受光手段７には、第２の部分反射部
分透過ミラー１４からの光束ＢＭ₁が入射し、光束ＢＭ₁
に干渉縞が発生しているときには、受光手段７は、被測
定物５が光軸方向(被測定物５への入射光の光軸方向；
対物レンズ４の光軸方向)ｘに移動するときに、この移
動に伴なって変化する光束ＢＭ₁の干渉縞の位相とピッ
チを読み取り、これに基づいて、被測定物５の光軸方向
ｘへの移動量すなわち変位を検出するようになってい
る。

【００８４】同様に、受光手段８には、第２の部分反射
部分透過ミラー１４からの光束ＢＭ₂が入射し、光束Ｂ
Ｍ₂に干渉縞が発生しているときには、受光手段８は、
被測定物５が光軸方向(被測定物５への入射光の光軸方
向；対物レンズ４の光軸方向)ｘに移動するときに、こ
の移動に伴なって変化する光束ＢＭ₂の干渉縞の位相と
ピッチを読み取り、これに基づいて、被測定物５の光軸
方向ｘへの移動量すなわち変位を検出するようになって
いる。

【００８５】次にこのような構成の変位測定装置の動作
について説明する。光源１からの光は、コリメートレン
ズ２によって平行化され、対物レンズ４によって集光さ
れて被測定物５に集光照射する。被測定物５からの反射
光は、対物レンズ４を介してビームスプリッタ３で分離
され第１の部分反射部分透過ミラー１１に入射する。こ
こで、透過光ＴＲと反射光ＲＦとが発生し、透過光ＴＲ
と反射光ＲＦとは、それぞれミラー１２，１３で反射さ
れて第２の部分反射部分透過ミラー１４に光路が重なり
合うように入射する。

【００８６】この際、２つの光ＴＲ，ＲＦが互いに平行
あるいは直交するように、各ミラー１１，１２，１３を
設定することができる。あるいは、２つの光ＴＲ，ＲＦ
のなす角度を０°あるいは９０°以外の角度に設定する
こともできる(すなわち、やや角度が付くようにもでき
る)。

【００８７】２つの光ＴＲ，ＲＦが平行あるいは直交す
るように設定されているときは光ＢＭ₁₁の等位相面と光
ＢＭ₁₂の等位相面の互いの位置、光ＢＭ₂₁の等位相面と
光ＢＭ₂₂の等位相面の互いの位置を制御できるので、前
述の二重回折格子６において２つの回折格子６ａ，６ｂ
のピッチが同じ場合と同様の状態、すなわち、デフォー
カスのないときには、２つの光の等位相面が互い違いに
なる図８に示したと同様の状態(例えば光ＢＭ₁におい
て、ＢＭ₁₁の等位相面とＢＭ₁₂の等位相面とが交叉しな
い平行な状態で干渉縞が発生しない状態)を得ることが
でき、デフォーカスが生じると、それが負であるかまた
は正であるかにより、図９または図１０に示したと同様
の状態(例えば光ＢＭ₁において、ＢＭ₁₁の等位相面とＢ
Ｍ₁₂の等位相面とが交叉して干渉縞が発生する状態)を
得ることができる。従って、受光手段７，８の各々と図
１４(ａ)に示したような２分割受光素子(出力をそれぞ
れＡ’，Ｂ’とする)を用いるとき、その出力差(Ａ’−
Ｂ’）によって、被測定物５の光軸方向ｘの変位，すな
わちデフォーカス量を検出することができる。

【００８８】また、２つの光ＴＲ，ＲＦが平行あるいは
直交しておらず、これらの間の角度が０°あるいは９０
°でないときには、前述の二重回折格子６において２つ
の回折格子６ａ，６ｂのピッチが異なる場合と同様に、
デフォーカスのないときにも干渉縞が発生する状態を得
ることができ、デフォーカスが生じると、その干渉縞の
ピッチが変化することを用いて(例えば図１４(ａ)に示
したような２分割受光素子でその出力差(Ａ’−Ｂ’)の
変化を検知して)、被測定物５の光軸方向ｘの変位，す
なわちデフォーカス量を検出することができる。

【００８９】なお、図１５の例では、２つの受光手段
７，８を配置しているが、いずれか１つの受光手段７ま
たは８だけを配置しても良い。

【００９０】このように、上記実施例の変位測定装置で
は、回折格子を用いず、簡単な光学要素だけによって、
被測定物５の光軸方向ｘへの変位を容易にかつ精度良く
測定できる。

【００９１】図１５の例では、反射透過手段１０とし
て、第１の部分反射部分透過ミラー１１，反射ミラー１
２，１３，第２の部分反射部分透過ミラー１４の各光学
要素を用いているが、振動などの影響でミラーが動いて
しまうことを阻止するため、これらの各光学要素を一体
化することもできる。

【００９２】図１６は、反射透過手段１０として、上記
各光学要素を一体化したプリズムを用いる場合の例を示
す図である。この場合、部分透過部分反射を１個のプリ
ズム２０で実現することができる。また、図中、角φは
約４５°であるので、このプリズム２０の材料がガラス
であってもプラスティックであっても、屈折率は１．３
以上となり、全反射となるので、特に誘電体多層膜や金
属膜等の反射手段を形成する必要もない。従って、この
１つのプリズム２０だけにより、図１５に示した第１の
部分反射部分透過ミラー１１，反射ミラー１２，１３，
第２の部分反射部分透過ミラー１４の光学要素の各機能
を実現できる。

【００９３】また、図１５に示した各光学要素のかわり
に、図１７に示すような一方の面２２が部分反射部分透
過ミラーとして機能し、他方の面２３がミラーとして機
能する光学要素２４を用いることもできる。なお、図１
７の例では、光学要素２４は、平行平板として構成され
ており、部分反射部分透過ミラーとして機能する面２２
とミラーとして機能する面２３とが平行になっている。
反射透過手段１０として、図１７に示すような構成の光
学要素２４を用いる場合、被測定物５からの反射光は、
ビームスプリッタ３を介して一方の面２２の部分反射部
分透過ミラーに入射し、透過光ＴＲと反射光ＲＦとが生
じる。透過光ＴＲは他方の面２３のミラーで反射されて
再び一方の面２２に透過光ＴＲと光路が重なり合うよう
に入射する。これにより、一方の面２２からは、２つの
光束ＢＭ₁₁，ＢＭ₁₂が互いに光路が重なり合って出射さ
れ、この２つのＢＭ₁₁，ＢＭ₁₂を受光手段(例えば２分
割受光素子)２７に入射させて、前述したと同様にし
て、被測定物５の光軸方向ｘへの変位を測定できる。

【００９４】なお、図１７では、光学要素２４に平行平
板のものを用いたが、これのかわりに、図１８に示すよ
うなウエッジ基板を用いることもできる。この場合に
は、被測定物５にデフォーカスがないときにも、２つの
光束ＢＭ₁₁，ＢＭ₁₂は、平行ではなく、所定の角度を有
し、従って、干渉縞が生ずるので、前述のように、デフ
ォーカスが生じるとその干渉縞のピッチが変化すること
を利用して、被測定物５の光軸方向ｘへの変位を測定で
きる。

【００９５】ところで、図１７，図１８のように１つの
光学要素２４の２つの反射面を用いる場合には、図１９
に示すように多重反射が生じ２つ以上の光束が生成され
てしまい、この結果、干渉縞がややぼやけてしまうとい
う場合が生じる。これを解決するため、図２０に示すよ
うに、一方の面２２での透過と反射を偏光により選択さ
せることもできる。すなわち、一方の面２２に、Ｓ偏光
を反射しＰ偏光を透過するように機能する偏光選択膜を
設けることもできる。この場合、被測定物５からの反射
光は、ビームスプリッタ３を介しこの光学要素２４の一
方の面２２に入射すると、先ず、Ｓ偏光は反射しＰ偏光
は透過する。一方の面２２を透過したＰ偏光は、光学要
素２４の他方の面２３で反射し、再び一方の面２２に入
射するが、面２２ではＰ偏光は透過するので多重反射は
生ぜず、従って、干渉縞のぼけを防止することができ
る。なお、上記例では、偏光選択膜として、Ｓ偏光を反
射しＰ偏光を透過するものを用いたが、Ｓ偏光を透過し
Ｐ偏光を反射するものを用いることもできる。すなわ
ち、いずれのものを用いるかは光ピックアップの設計に
応じて適宜選択することができる。

【００９６】このように、上述の各例では、光束を２つ
に分離して重ね合わせる機能をもつ種々の反射透過手段
の例を示したが、上述の各例の他にも、例えば、異方性
結晶やこれを使用したプリズム等の光学要素を用いるこ
とによっても、光束を２つに分離して重ね合わせること
ができる。図２１には、光束を２つに分離して重ね合わ
せることの可能な機能を備えた種々の光学要素の例が示
されている。なお、図２１(ａ)はビームディスプレイシ
ングプリズム、図２１(ｂ)はトムソンプリズム、図２１
(ｃ)はウォラストンプリズムである。これらは市販され
ており容易に入手でき(例えば、メレスグリオ社カタロ
グ参照)、図２１(ａ)のビームディスプレイシングプリ
ズム３１を用いる場合には、これをそのまま用いること
で光束を２つに分離して重ねることができる。また、図
２１(ｂ)，図２１(ｃ)の他の２つのプリズム３２，３３
を用いる場合には、図２２(ａ)，(ｂ)のようにそれぞれ
２つを直列に配置することができる。

【００９７】図２１(ａ)，(ｂ)，(ｃ)のようなプリズム
を用いる場合、これらから出射される２つの光束は互い
に直交する２つの偏光であるので、このままでは干渉し
ない。従って、このような場合に干渉縞を発生させるた
めに、例えば図２３のように、ＳとＰの両偏光方向に４
５°をなす偏光方向のみ通過させる偏光板３５を設定す
ることができる。すなわち、偏光板３５を設定すること
により、２つの光束は、その偏光方向が同じ方向に揃え
られて同じ偏光となるので、干渉縞を発生させることが
できる。なお、図２３の例では、ビームディスプレイシ
ングプリズム３１を用いた場合を示しているが、このプ
リズム３１のかわりに、図２２(ａ)，(ｂ)のプリズム構
成を用いる場合にも、同様の偏光板３５を設けること
で、干渉縞を発生させることができる。

【００９８】このように、本発明の変位測定装置では、
回折格子を用いずに、回折機構を必要としないミラーや
プリズムなどの簡単な光学要素だけを用いて、被測定物
５の光軸方向ｘへの変位を測定できる。これにより、例
えば、光源の波長変化による回折角の変化等を何ら考慮
する必要がなくなるので、設計が著しく容易となり、ま
た、変位を高精度に信頼性良く測定できる。従って、こ
の変位測定装置を光ピックアップに適用するとき、光ピ
ックアップを容易に設計でき、被測定物５である記録担
体(例えば光ディスク)のフォーカスエラー信号を高精度
にかつ信頼性良く検出することができる。

【００９９】また、例えば上述した図１５，図１７，図
１８，あるいは図２０の例では、光学要素の一部に反射
ミラー１２あるいは２３を用いているが、図２４に示す
ように、反射ミラー１２，１３のかわりに、この部分を
部分反射部分透過ミラー３７とし、このミラー３７から
の一部透過光を利用して、被測定物(記録担体)５の記録
信号やトラック信号を得ることもできる。例えばこのミ
ラー３７からの一部透過光を集光レンズ３８で集光し
て、受光手段３９に入射させることで、受光手段３９に
おいて、記録信号やトラック信号を検出することができ
る。この際、集光レンズ３８で集光することにより、受
光手段３９には、小さなフォトダイオード(ＰＤ)を用い
ることができる。これにより、シェアリング干渉法にお
いてスポットが大きいために受光素子が大径化するとい
う事態(受光素子面積が大きいと高コストとなり、ま
た、高速応答性に欠けるという事態)をなくすことがで
きる。

【０１００】より具体的には、この受光手段(受光素子)
３９を記録信号検知に用いることができるし、受光手段
３９を２分割の受光素子として構成することで、プッシ
ュプル法によりトラック検出に用いることもできる。ま
た、２分割の受光素子のみにしてプッシュプル法を適用
し、その２分割受光素子の各出力の総和を記録信号とし
て検知することもできる。

【０１０１】また、上述の各例において、受光手段７あ
るいは８に、図１４(ｂ)に示したような４分割受光素子
を用いれば、この受光手段７あるいは８により、フォー
カスエラー信号のみならず、トラックエラー信号、さら
には記録信号をも高精度にかつ信頼性良く検出すること
ができる。

【０１０２】なお、上述の実施例では、ビームスプリッ
タ３は、光源１，コリメートレンズ２からの光を透過
し、被測定物５からの反射光を反射するようになってい
るが、これとは逆に、光源１，コリメートレンズ２から
の光を反射して被測定物５に入射させ、被測定物５から
の反射光を透過するように構成されても良い。

【０１０３】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１，２記
載の発明によれば、回折という機構を使用せず、反射透
過手段を用いているので、従来の汎用的な簡単な光学要
素を用いることができて、作製が極めて容易であり、ま
た、回折格子を用いるときに注意すべき光源の波長変化
による回折角の変化に気を使うことなく自由度の高い設
計を行なうことができる。

【０１０４】また、請求項３記載の発明によれば、反射
透過手段は、１つのプリズムで構成されているので、振
動などの影響で各光学要素が動いてしまうこともなく安
定した測定を行なうことができる。

【０１０５】また、請求項４記載の発明によれば、反射
透過手段は、一方の面が部分反射部分透過ミラーとして
機能を有し、他方の面が少なくとも一部の光を反射する
ミラーとしての機能を有する光学要素で構成されてお
り、被測定物からの反射光を光学素子の一方の面に入射
させて、第１の反射光と透過光とを生じさせ、透過光を
他方の面に入射させて第２の反射光を生じさせ、第１の
反射光と第２の反射光との干渉によって干渉縞を発生さ
せるようになっているので、１つの光学要素の２つの面
のみの簡単な構成で干渉縞を発生できる。

【０１０６】また、請求項５記載の発明によれば、反射
透過手段は、一方の面がＰ偏光(Ｓ偏光)を選択的に透過
しかつＳ偏光(Ｐ偏光)を選択的に反射する機能を有し、
他方の面が一方の面を透過してきたＰ偏光(Ｓ偏光)の少
なくとも一部の光を反射する機能を有する光学素子を有
し、さらに、一方の面で反射したＳ偏光(Ｐ偏光)と、一
方の面で透過して他方の面で反射しさらに一方の面を透
過したＰ偏光(Ｓ偏光)の光路が重なるように一方の面と
他方の面の間隔および光の一方の面への入射角を設定
し、光路が重なる部分にＳ偏光(Ｐ偏光)とＰ偏光(Ｓ偏
光)が干渉を起こすような手段が設定されている。ま
た、偏光によって選択する手段が設けられているので、
多重反射が生じず、干渉縞のぼやけがなく、検知を正確
に行なうことができる。

【０１０７】また、請求項６記載の発明によれば、光を
互いに平行な相直交する二つの偏光に分離する手段を用
いているので、簡単な構成の下で、容易に光束の分離と
重ね合わせを達成できる。

【０１０８】また、請求項７記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の変位測定装置
を適用して光ピックアップ装置が構成されるので、極め
て簡単な構成の光ピックアップを実現できる。

【０１０９】また、請求項８記載の発明によれば、反射
透過手段からの一部の光を利用して、記録信号，トラッ
クエラー信号をも検出するので、光ピックアップにおい
てなされる全ての信号の検知を簡単な構成の下で行なう
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】変位測定装置の一構成例を示す図である。

【図２】干渉縞の発生を説明するための図である。

【図３】干渉縞の発生を説明するための図である。

【図４】干渉縞の発生を説明するための図である。

【図５】微小変位の測定方法を説明するための図であ
る。

【図６】微小変位の測定方法を説明するための図であ
る。

【図７】微小変位の測定方法を説明するための図であ
る。

【図８】図１の変位測定装置による被測定物のデフォー
カス量の検出を説明するための図である。

【図９】図１の変位測定装置による被測定物のデフォー
カス量の検出を説明するための図である。

【図１０】図１の変位測定装置による被測定物のデフォ
ーカス量の検出を説明するための図である。

【図１１】デフォーカス量による干渉光の光量分布を示
す図である。

【図１２】デフォーカス量の変化に応じた２つの受光素
子の出力差の変化を示す図である。

【図１３】光ピックアップの構成例を示す図である。

【図１４】受光手段の構成例を示す図である。

【図１５】本発明に係る変位測定装置の一実施例の構成
図である。

【図１６】反射透過手段としてプリズムを用いる場合の
例を示す図である。

【図１７】反射透過手段の他の構成例を示す図である。

【図１８】反射透過手段の他の構成例を示す図である。

【図１９】多重反射が生じる様子を示す図である。

【図２０】反射透過手段の他の構成例を示す図である。

【図２１】反射透過手段の他の構成例を示す図である。

【図２２】反射透過手段の他の構成例を示す図である。

【図２３】反射透過手段の他の構成例を示す図である。

【図２４】反射透過手段の他の構成例を示す図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ コリメートレンズ ３ ビームスプリッタ ４ 対物レンズ ５ 被測定物 １０ 反射透過手段 ７，８ 受光手段 １１，１２ 部分反射部分透過ミラー １２，１３ ミラー ２０ プリズム ２４ 光学素子 ２２，２３ 光学素子の面 ３１ ビームディスプレイシングプリズム ３２ トムソンプリズム ３３ ウォラストンプリズム ３５ 偏光板 ３７ ミラー ３８ 集光レンズ ３９ 受光手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−250437（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−128327（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−53031（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−169738（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−263341（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−73481（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−214232（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 G11B 7/09 - 7/10

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を被測定物に集光照射し、
   前記被測定物からの反射光に基づき、被測定物の変位を
   測定する変位測定装置において、前記被測定物からの反
   射光を２つの光束に分離しつつ光路を重ね合わせて干渉
   縞を発生させる反射透過手段と、前記被測定物に入射す
   る光の光軸方向への前記被測定物の移動に伴なう前記干
   渉縞の変化を読み取って前記光軸方向への前記被測定物
   の変位を検知する受光手段とを有していることを特徴と
   する変位測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の変位測定装置において、
   前記反射透過手段は、前記被測定物からの反射光が入射
   することにより、透過光と反射光とを発生する第１の部
   分反射部分透過ミラーと、前記透過光と反射光とをそれ
   ぞれ所定の方向に反射する反射手段と、前記反射手段か
   らの透過光と反射光とが入射し、これらを重ね合わせた
   状態にして干渉縞を発生させる第２の部分反射部分透過
   ミラーとを有していることを特徴とする変位測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の変位測定装置において、
   前記反射透過手段は、１つのプリズムで構成されている
   ことを特徴とする変位測定装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の変位測定装置において、
   前記反射透過手段は、一方の面が部分反射部分透過ミラ
   ーとして機能を有し、他方の面が少なくとも一部の光を
   反射するミラーとしての機能を有する光学要素で構成さ
   れており、前記被測定物からの反射光を前記光学素子の
   一方の面に入射させて、第１の反射光と透過光とを生じ
   させ、前記透過光を前記他方の面に入射させて第２の反
   射光を生じさせ、第１の反射光と第２の反射光との干渉
   によって干渉縞を発生させるようになっていることを特
   徴とする変位測定装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の変位測定装置において、
   前記反射透過手段は、一方の面がＰ偏光(Ｓ偏光)を選択
   的に透過しかつＳ偏光(Ｐ偏光)を選択的に反射する機能
   を有し、他方の面が一方の面を透過してきたＰ偏光(Ｓ
   偏光)の少なくとも一部の光を反射する機能を有する光
   学素子を有し、さらに、前記一方の面で反射したＳ偏光
   (Ｐ偏光)と、前記一方の面で透過して前記他方の面で反
   射しさらに前記一方の面を透過したＰ偏光(Ｓ偏光)の光
   路が重なるように前記一方の面と前記他方の面の間隔お
   よび光の前記一方の面への入射角を設定し、前記光路が
   重なる部分に前記Ｓ偏光(Ｐ偏光)と前記Ｐ偏光(Ｓ偏光)
   との干渉を生じさせるような手段が設定されていること
   を特徴とする変位測定装置。
6. 【請求項６】 請求項１記載の変位測定装置において、
   前記反射透過手段は、被測定物からの反射光を互いに平
   行な相直交する２つの偏光に分離する偏光分離手段と、
   前記相直交する２つの偏光の方向を揃えて干渉縞を発生
   させる偏光方向調整手段とを有していることを特徴とす
   る変位測定装置。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の
   変位測定装置を用いた光ピックアップであって、デフォ
   ーカスによる前記干渉縞の変化を読み取ることでフォー
   カスエラー信号を検出することを特徴とする光ピックア
   ップ。
8. 【請求項８】 請求項７記載の光ピックアップにおい
   て、前記反射透過手段からの一部の光を利用して、記録
   信号，トラックエラー信号をも検出することを特徴とす
   る光ピックアップ。