JP3415938B2

JP3415938B2 - 変位測定装置および光ピックアップ

Info

Publication number: JP3415938B2
Application number: JP21801494A
Authority: JP
Inventors: 英男前田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-08-19
Filing date: 1994-08-19
Publication date: 2003-06-09
Anticipated expiration: 2018-06-09
Also published as: JPH0861920A

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】本発明は、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することを目的としてい
る。

【０００７】さらに、本発明は、小さな面積の受光手段
を用いることができ、この場合にも、被測定物の変位を
精度良く検出する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。

【０００８】

【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、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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】

【数１】ｓｉｎθ₁＝ｎλ／Λ₁

【００１３】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。

【００１４】

【数２】−ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎθ₁＝ｍλ／Λ₂

【００１５】数１と数２よりθ₂について次式が導かれ
る。

【００１６】

【数３】ｓｉｎθ₂＝λ(ｎ／Λ₁−ｍ／Λ₂)

【００１７】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。

【００１８】

【数４】Λ₀＝λ／(２ｓｉｎθ₂)

【００１９】

【数５】β₀＝β₁

【００２０】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。

【００２１】

【数６】１／(２Λ₀)＝ｎ／Λ₁−ｍ／Λ₂

【００２２】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。

【００２３】

【数７】β₀＝２β₂

【００２４】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。

【００２５】

【数８】(Ｗ₀／Λ₀)／２＝ｎＷ₀／Λ₁−ｍＷ₀／Λ₂

【００２６】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。

【００２７】

【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》

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】以上が二重回折格子６を用いた干渉縞発生
原理である。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】

【数１０】１／ｆ＝１／ｂ₁＋１／ｂ₂ θ＝Ａ／ｂ₂ ｂ₁＝ｆ＋ｄ

【００３６】数１０よりｂ₂は次式で表わされる。

【００３７】

【数１１】ｂ₂＝ｆｂ₁／(ｂ₁−ｆ)

【００３８】数１０，数１１からθは次式で表わされ
る。

【００３９】

【数１２】θ＝Ａ(ｂ₁−ｆ)／ｆｂ₁＝Ａｄ／ｆ(ｆ＋ｄ)
≒Ａｄ／ｆ²

【００４０】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。

【００４１】

【数１３】θ＝ｘｄ／ｆ²

【００４２】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。

【００４３】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)。

【００４４】

【数１４】ｓｉｎθ₁−ｓｉｎθ₃＝λ(１／Λ₂−１／Λ₁)

【００４５】θ₁〜０、θ₃〜０なのでθ₃は次式とな
る。

【００４６】

【数１５】θ₃＝θ₁＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００４７】数１３を数１５に代入すると次式を得る。

【００４８】

【数１６】θ₃＝ｘｄ／ｆ²＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００４９】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。

【００５０】

【数１７】Ｘ＝ｘ−Ｔ

【００５１】数１７を数１６に代入すると次式を得る。

【００５２】

【数１８】 θ₃＝ｄ(Ｘ＋Ｔ)／ｆ²＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００５３】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。

【００５４】

【数１９】 θ₄＝ｄ(Ｘ−Ｔ)／ｆ²＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００５５】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。

【００５６】

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

【００５７】数２０に数１８，数１９を代入すると、次
式が得られる。

【００５８】

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

【００５９】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。

【００６０】

【数２２】Λ₀(ｄ)＝ｆ²／〔｜(ｄ／λ)｜２Ｔ〕

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】

【数２３】Ｆｏ＝(Ａ＋Ｂ)−(Ｃ＋Ｄ)

【００６９】

【数２４】Ｔｒ＝(Ａ＋Ｄ)−(Ｂ＋Ｃ)

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】ところで、二重回折格子６からの光を受光
手段７で全て受光するには、受光手段７の面積として
(すなわち、２分割受光素子全体の面積，あるいは４分
割受光素子全体の面積，…として)、ビーム径よりやや
大きい面積が必要であり、受光手段７の面積が大きくな
ると応答速度がやや遅くなる。これに対応するには高速
対応の受光素子用の材料が必要であり、通常の受光素子
材料に比べて２割程度、コストが上昇する。

【００７３】本発明は、さらにこのような問題を改善す
ることを意図している。すなわち、被測定物の変位(例
えば対物レンズ４の光軸方向への被測定物の移動量)を
検知する際、小さな面積の受光手段を用いることがで
き、従って、高速対応の高価な受光素子用材料を用いる
ことなく、通常の受光素子用材料を用いた受光素子で被
測定物の変位を精度良く検出する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意図してい
る。

【００７４】このため、請求項１，請求項３記載の発明
では、光源からの光を被測定物に集光照射し、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、被測定物からの反射光をその光束径
を縮小し、かつ、その少なくとも一部を平行光とする光
束径縮小手段と、光束径縮小手段により光束径が縮小さ
れ、かつその少なくとも一部が平行光となっている光が
入射し、ピッチが等しい２つの回折格子からなる二重回
折格子によって回折光を発生させる回折手段と、回折手
段により発生した回折光の間での干渉により生じた干渉
縞が投影され、被測定物に入射する光の光軸方向への被
測定物の移動に伴なう干渉縞の変化を読み取って光軸方
向への被測定物の変位を検知する受光手段とを有してい
る。これにより、被測定物の変位(例えば対物レンズ４
の光軸方向への被測定物の移動量など)を検知する際、
小さな面積の受光手段を用いることができ、従って、高
速対応の高価な受光素子用材料を用いることなく、通常
の受光素子用材料を用いた受光素子で被測定物の変位を
精度良く検出することができる。

【００７５】また、請求項２記載の発明では、光源から
の光を被測定物に集光照射し、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、被測定物からの反射光が平行光として入射し、ピッ
チが等しい２つの回折格子からなる二重回折格子によっ
て回折光を発生させる回折手段と、回折手段からの回折
光を集束させる集光手段と、回折手段により発生し集光
手段で集束された回折光の間での干渉により生じた干渉
縞が投影され、被測定物に入射する光の光軸方向への被
測定物の移動に伴なう干渉縞の変化を読み取って光軸方
向への被測定物の変位を検知する受光手段とを有してい
る。これにより、被測定物の変位(例えば対物レンズ４
の光軸方向への被測定物の移動量など)を検知する際、
小さな面積の受光手段を用いることができ、従って、高
速対応の高価な受光素子用材料を用いることなく、通常
の受光素子用材料を用いた受光素子で被測定物の変位を
精度良く検出することができる。

【００７６】また、請求項４記載の発明では、請求項３
記載の光ピックアップにおいて、光束径縮小手段には、
反射光の一部を回折して平行光とし、他の一部を透過し
て集束光とするグレーティングレンズが用いられてい
る。これにより、光束径縮小手段からの平行光に基づき
フォーカスエラー信号および／またはをトラックエラー
信号を検出し、光束径縮小手段からの集束光に基づき記
録信号を検出することができる。

【００７７】

【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、被測定物５からの反射光の光束径を小さくする光束
径縮小手段１０と、光束径縮小手段１０によって小さな
光束径となった反射光が入射する回折手段６と、回折手
段６で発生した回折光の間での干渉によって生ずる干渉
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(より正確には、微小変位)に関す
る情報(対物レンズ４の光軸方向への被測定物の変位(デ
フォーカス量)および／または対物レンズの光軸方向と
直交するトラック方向(記録担体の放射方向)への被測定
物の変位）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とを有している。

【００７８】ここで、回折手段６は、前述した装置と同
様、２つの回折格子６ａ，６ｂからなる二重回折格子と
して構成されている。また、図１５の例では、光束径縮
小手段１０は、集光レンズ（凸レンズ）１１と発散レン
ズ（凹レンズ）１２との組合せで構成されており、平行
光が入射するとき、その光束径を縮小して再び平行光と
して出射するようになっている。

【００７９】このような構成の変位測定装置では、光源
１からの光を対物レンズ４によって被測定物５に集光照
射し、該被測定物５からの反射光(平行光)を光束径縮小
手段１０に入射させる。光束径縮小手段１０では、先
ず、凸レンズ（集光レンズ）１１により、平行光である
反射光を集束し、次いで、集束した反射光を発散レンズ
（凹レンズ）１２で再び平行化する。このようにして、
被測定物５からの反射光(平行光)の光束径を縮小して再
び平行光とした後、光束径の縮小されたこの平行光を図
１６に示すように二重回折格子６に入射させる。二重回
折格子６では、光束径の縮小した反射光(平行光)が入射
すると、回折光を生じさせ、発生した回折光の間で前述
したと同様のシャリング（shearing)干渉法により(図１
６を参照)、干渉により干渉縞を発生させる。なお、図
１６には、＋１次光と−１次光との間で干渉を生じさせ
る場合が示されている。発生した干渉縞は、受光手段７
で受光され、受光手段７では、この干渉縞の位相とピッ
チの変化に基づいて被測定物５の変位の測定を行なう。

【００８０】受光手段７として、例えば、図１７(ａ)に
示すように、２分割の受光素子(例えば２つの受光面を
もつフォトダイオード)７ａ，７ｂを用いるときには、
被測定物５の光軸方向ｘへの移動に伴なって干渉縞の位
相とピッチが変化することを２つの受光素子７ａ，７ｂ
の出力差(Ａ’−Ｂ’)として読み取って、被測定物５の
光軸方向ｘの変位(移動量)を検出することができる。具
体的に、この変位測定装置が光ピックアップ装置であ
り、被測定物５が記録担体（例えば光ディスク）である
とき、上記原理により、記録担体５の光軸方向ｘへの移
動量を検知して、デフォーカス量，すなわちフォーカス
エラーを検出することができる。

【００８１】また、受光手段７として例えば、図１７
(ｂ)に示すように、４分割の受光素子(例えば４つの受
光面をもつフォトダイオード)７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ
を用いるとき、被測定物５の光軸方向Ｘへの移動に伴な
って干渉縞の位相とピッチが変化することを２つの受光
素子７ｃ，７ｄの出力和(Ａ＋Ｂ)と２つの受光素子７
ｅ，７ｆの出力和(Ｃ＋Ｄ)との差〔(Ａ＋Ｂ)−(Ｃ＋
Ｄ)〕として読み取って、被測定物５の光軸方向ｘの変
位(移動量)を検出することができる。これにより、この
変位測定装置が光ピックアップ装置であり、被測定物５
が記録担体（例えば光ディスク）であるとき、上記原理
により、記録担体５の光軸方向ｘへの移動量を検知し
て、デフォーカス量，すなわちフォーカスエラーを検出
することができる。

【００８２】さらに、被測定物５が光ディスクなどのよ
うに、その放射方向(トラック方向)にトラックパターン
を有しているときには、受光手段７には、このトラック
パターン像も投影されるので、受光手段７が図１７(ｂ)
のようになっている場合、このトラックパターン像が変
化することを２つの受光部７ｃ，７ｆの出力和(Ａ＋Ｄ)
と２つの受光部７ｄ，７ｅの出力和(Ｂ＋Ｃ)との差
〔(Ａ＋Ｄ)−(Ｂ＋Ｃ)〕として読み取って、被測定物
(光ディスク)５のトラックエラーを検出することができ
る。特に、本発明によれば、受光手段７への投影像とし
て、回折格子１６からの２つの回折光の干渉縞の変化方
向とトラックパターン像の変化方向とが直交したものと
なるので、これらが干渉し合うという事態をなくし、こ
れらを別個独立に信頼性良く検出できる。すなわち、フ
ォーカスエラーとトラックエラーとを互い独立に精度良
く検出できる。

【００８３】また、受光手段７が例えば図１７(ｂ)の場
合、４つの受光部７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆの出力の総和
(Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ)をとることで、被測定物(光ディスク)
５の記録信号をも検出することができる。

【００８４】ところで、本実施例では、被測定物５から
の反射光(平行光)の光束径を縮小しかつ平行光として二
重回折格子６に入射させるので、受光手段７上に投影さ
れる干渉縞やトラックパターン像の情報を含んだ光の光
束径を小さくさせることができ、図１７(ａ)，(ｂ)に示
したような受光手段７，すなわち受光素子７ａ，７ｂや
７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆに、受光面積の小さいものを用
いることができる。これにより、被測定物の変位(例え
ば対物レンズ４の光軸方向への被測定物の移動量など)
を検知する際、小さな面積の受光手段を用いることがで
き、従って、高速対応の高価な受光素子用材料を用いる
ことなく、通常の受光素子用材料を用いた受光素子で被
測定物の変位を精度良く検出することができる。

【００８５】なお、図１５の例では、光束径縮小手段１
０を凸レンズ１１と凹レンズ１２との組合せで構成した
が、光束径縮小手段１０としては、これ以外にも種々の
変形が可能である。例えば、図１８に示すように、凸レ
ンズ１３と凸レンズ１４との組合せでもよい。

【００８６】また、図１５，図１８の例では、ビームス
プリッタ３は、コリメートレンズ２と対物レンズ４との
間に配置され、従って、ビームスプリッタからの反射光
を平行光として光束径縮小手段１０に入射させている
が、このかわりに、図１９あるいは図２０に示すよう
に、ビームスプリッタ３を光源１とコリメートレンズ２
との間に配置することもできる。この場合には、ビーム
スプリッタ３からの反射光を平行光ではなく集束光とし
て得ることができ、従って、この場合、光束径縮小手段
１０の構成としては、図１５，図１８に示したような凸
レンズ１１，１３を省くことができる。換言すれば、ビ
ームスプリッタ３自体に光束径縮小手段１０の一部の機
能，すなわち集光レンズとしての機能をもたせることが
できる。さらに、図２１，図２２に示すように、コリメ
ートレンズ２を省くことも可能である。

【００８７】また、ビームスプリッタ３と二重回折格子
６との間に光束径縮小手段１０を設けるかわりに、図２
３に示すように、二重回折格子６と受光手段７との間に
集光手段（例えば凸レンズ）３０を設けても良い。

【００８８】図２３のような構成では、被測定物５から
の情報を含んだ反射光は、ビームスプリッタ３を介し
て、二重回折格子６に入射し、二重回折格子６からの出
射光(回折光)は凸レンズ３０によって集束される。な
お、シャリング干渉法では位相情報が保たれる必要があ
るが、図２４に示すように回折光同士の位相は、凸レン
ズ３０によって平行光から集束光になっても保たれてい
る。これにより集束光でも、干渉縞を発生させることが
でき、これにより、フォーカスエラー信号を検知でき
る。すなわち、図２３のような構成でも、図１５，図１
８などに示したような構成の場合と同様に、受光手段７
に入射する光のスポット径を小さくすることができ(受
光手段７として小さな受光面積のものを用いることがで
き)、かつ、記録信号，トラックエラー信号のみなら
ず、フォーカスエラー信号をも検知することができる。

【００８９】また、例えば図１５，図１８，図１９，図
２０，図２１，図２２において、光束径縮小手段１０を
構成する要素にグレーティングレンズを用いることもで
きる。図２５は、図１９の構成において、凹レンズ１２
のかわりにグレーティングレンズ３５を用いた場合を示
す図である。図２６には、グレーティングレンズ３５の
平面図が示されている。グレーティングレンズ３５を用
いる場合には、グレーティングレンズ３５において回折
により凹レンズ作用が生じ、一部の光は光束径の縮小さ
れた平行光となるが、他の一部の光は、グレーティング
レンズ３５を透過して集束光の状態を維持し、受光手段
７上に極めて小さなスポットとして入射する。従って、
受光手段７として、例えば、図２７(ａ)に示すような５
分割受光素子７ｃ〜７ｇを用いるとき、あるいは図２７
(ｂ)に示すような７分割受光素子７ｈ〜７ｎを用いると
き、上記集束光を極めて小さな受光面積の受光素子７ｇ
あるいは７ｎで検知して記録信号を検出することができ
る。また、グレーティングレンズ３５で回折されて、光
束径が縮小されかつ平行光となった光に基づき、前述し
たと同様にして、小さな受光面積の受光素子７ｃ，７
ｄ，７ｅ，７ｆあるいは７ｈ，７ｉ，７ｊ，７ｋ，７
ｌ，７ｍにより、フォーカスエラーおよび／またはトラ
ックエラーを検出することができる。

【００９０】一般に、記録信号の読取りには高速性が要
求されるが、図２５，図２６の構成例では、この記録信
号については、極めて小さな受光面積の受光素子７ｇで
検出できるので、高速対応の高価な受光素子用材料を用
いることなく、通常の受光素子用材料を用いた受光素子
で記録信号を精度良くかつ高速に検出することができ
る。

【００９１】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。

【００９２】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１，請求
項３記載の発明によれば、光源からの光を被測定物に集
光照射し、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、被測定物からの
反射光をその光束径を縮小し、かつ、その少なくとも一
部を平行光とする光束径縮小手段と、光束径縮小手段に
より光束径が縮小され、かつその少なくとも一部が平行
光となっている光が入射し、ピッチが等しい２つの回折
格子からなる二重回折格子によって回折光を発生させる
回折手段と、回折手段により発生した回折光の間での干
渉により生じた干渉縞が投影され、被測定物に入射する
光の光軸方向への被測定物の移動に伴なう干渉縞の変化
を読み取って光軸方向への被測定物の変位を検知する受
光手段とを有しているので、被測定物の変位(例えば対
物レンズ４の光軸方向への被測定物の移動量など)を検
知する際、小さな面積の受光手段を用いることができ、
従って、高速対応の高価な受光素子用材料を用いること
なく、通常の受光素子用材料を用いた受光素子で被測定
物の変位を精度良く検出することができる。

【００９３】また、請求項２記載の発明によれば、光源
からの光を被測定物に集光照射し、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、被測定物からの反射光が平行光として入射し、
ピッチが等しい２つの回折格子からなる二重回折格子に
よって回折光を発生させる回折手段と、回折手段からの
回折光を集束させる集光手段と、回折手段により発生し
集光手段で集束された回折光の間での干渉により生じた
干渉縞が投影され、被測定物に入射する光の光軸方向へ
の被測定物の移動に伴なう干渉縞の変化を読み取って光
軸方向への被測定物の変位を検知する受光手段とを有し
ているので、被測定物の変位(例えば対物レンズ４の光
軸方向への被測定物の移動量など)を検知する際、小さ
な面積の受光手段を用いることができ、従って、高速対
応の高価な受光素子用材料を用いることなく、通常の受
光素子用材料を用いた受光素子で被測定物の変位を精度
良く検出することができる。

【００９４】また、請求項４記載の発明によれば、請求
項３記載の光ピックアップにおいて、光束径縮小手段に
は、反射光の一部を回折して平行光とし、他の一部を透
過して集束光とするグレーティングレンズが用いられて
いるので、光束径縮小手段からの平行光に基づきフォー
カスエラー信号および／またはをトラックエラー信号を
検出し、光束径縮小手段からの集束光に基づき記録信号
を検出することができる。

【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】シャリング干渉法を説明するための図であ
る。

【図１７】受光手段の構成例を示す図である。

【図１８】本発明に係る変位測定装置の他の構成例を示
す図である。

【図１９】本発明に係る変位測定装置の他の構成例を示
す図である。

【図２０】本発明に係る変位測定装置の他の構成例を示
す図である。

【図２１】本発明に係る変位測定装置の他の構成例を示
す図である。

【図２２】本発明に係る変位測定装置の他の構成例を示
す図である。

【図２３】本発明に係る変位測定装置の他の構成例を示
す図である。

【図２４】図２３の構成における回折光同士の位相の状
態を示す図である。

【図２５】本発明に係る変位測定装置の他の構成例を示
す図である。

【図２６】グレーティングレンズの平面図である。

【図２７】受光手段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６回折手段７受光手段１０光束径縮小手段３０集光手段３５グレーティングレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G11B 7/09 - 7/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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
射光が入射するときに、該反射光の光束径を縮小し、か
つ、その少なくとも一部を平行光とする光束径縮小手段
と、光束径縮小手段により光束径が縮小され、かつその
少なくとも一部が平行光となっている光が入射し、ピッ
チが等しい２つの回折格子からなる二重回折格子によっ
て回折光を発生させる回折手段と、回折手段により発生
した回折光の間での干渉により生じた干渉縞が投影さ
れ、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。
【請求項２】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
射光が平行光として入射し、ピッチが等しい２つの回折
格子からなる二重回折格子によって回折光を発生させる
回折手段と、回折手段からの回折光を集束させる集光手
段と、回折手段により発生し集光手段で集束された回折
光の間での干渉により生じた干渉縞が投影され、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。
【請求項３】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の光ピッ
クアップにおいて、記録担体からの反射光が入射すると
きに、該反射光の光束径を縮小し、かつ、その少なくと
も一部を平行光とする光束径縮小手段と、光束径縮小手
段により光束径が縮小され、かつその少なくとも一部が
平行光となっている光が入射し、ピッチが等しい２つの
回折格子からなる二重回折格子によって回折光を発生さ
せる回折手段と、回折手段により発生した回折光の間で
の干渉により生じた干渉縞が投影され、前記記録担体に
入射する光の光軸方向への前記記録担体の移動に伴なう
前記干渉縞の変化を読み取って前記記録担体の前記光軸
方向へのデフォーカス量を検知する受光手段とを有して
いることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項４】請求項３記載の光ピックアップにおい
て、前記光束径縮小手段には、前記反射光の一部を回折
して平行光とし、他の一部を透過して集束光とするグレ
ーティングレンズが用いられており、前記受光手段は、
前記光束径縮小手段からの平行光に基づきフォーカスエ
ラー信号および／またはトラックエラー信号を検出し、
前記光束径縮小手段からの集束光に基づき記録信号を検
出することを特徴とする光ピックアップ。