JP4273241B2 - 光学装置の非点隔差測定方法、スポット径補正方法及びスポット評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ピックアップ装置等の光学装置の非点隔差測定方法に関するものであって、特に、スポット評価装置等の集光性能評価装置自体が有する非点隔差を補正しつつ、光学装置が有する非点隔差を測定する方法に関するものである。

近年、光ピックアップ装置を用いてＣＤ、ＭＤ等の光ディスク装置にデータ（情報）を書き込むことが頻繁に行われており、この光ディスク装置に大容量のデータを貯えられることが期待されている。かかる大容量化には、光ディスク装置媒体上の記録スポットを縮小し、記録密度を上げる必要があり、そのために光ピックアップ装置のレーザ光の短波長化が重要となる。しかしながら、レーザ光は、ビームの縦方向と横方向で発光点位置が異なって見える非点収差を持っていたり、ビームが著しい楕円形状であったため、これらを補正する光学系を用いて装置を設計するのが一般的であり、この補正量を測定するために、光ピックアップ装置を光学的に評価することが行われている。

このように、光ピックアップ装置の集光性能は、スポット評価によって決せられるのが一般的であり、このスポット評価の評価指標としては、例えば、スポット径、焦点深度、或いは球面収差，コマ収差，非点収差といった各収差などがある。そして、かかる評価指標に関するスポット評価は、スポット評価装置によって行われる。例えば、光ピックアップユニットからの集光スポットを、顕微鏡光学系を用いて測定する日商エレクトロニクス（株）製の光ピックアップ評価システムＯＰＴ−Ｗシリーズなどが知られている。

スポット評価装置の基本構成は、顕微鏡光学系を用いていることから顕微鏡の基本構成と同様である。そのため、スポット評価装置自体にも、球面収差、コマ収差、非点収差といった各収差が存在しており、これらが正確な非点隔差測定を妨げる要因となっている。

このようなことから、スポット評価装置を用いて光ピックアップ装置のスポット評価を正確に行うために、スポット評価装置自体に存在する各収差を補正しなければならない。各収差のうち、球面収差については、スポット評価装置のカバーガラスの厚みを変更することによって補正することができる。また、コマ収差については、カバーガラスを傾けることによって補正することができる。

しかしながら、スポット評価装置自体に存在する各収差のうち、非点収差については、スポット評価装置の基本構成が顕微鏡の基本構成と同様である関係上、機械的（機構的）に補正することは困難であり、これを補正するためには、従来は、スポット評価装置の途中に非点収差補正用の光学素子（例えば、斜めガラス等）を組み込まなければならなかった。このように斜めガラス等を組み込むことによって非点収差は補正できるものの、斜めガラスを組み込むことによる新たな非点収差が発生することとなるため、新たに発生した収差の補正が必要となり、補正作業が煩雑となっていた。かかる事態は、光ピックアップ装置の集光性能を評価するにあたって必要な部品点数の増大を招き、ひいては非点隔差測定コストの上昇に繋がっていた。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的は、非点収差補正用の光学素子を使わずに、集光性能評価装置自体に存在する非点収差の補正を行うことが可能であって、光学装置の非点隔差測定に必要な部品点数及びコストの削減に寄与し得る光学装置の非点隔差測定方法、スポット径補正方法及びスポット評価装置を提供することにある。また、本発明は、補正作業が煩雑になることを防止し、補正作業の簡素化を図ることができる光学装置の非点隔差測定方法、スポット径補正方法及びスポット評価装置を提供することにある。

以上のような課題を解決するために、本発明は、ソフトウェアによる情報処理を用いて、非点収差補正用の光学素子を使わずに非点収差を補正した上で、光学装置の非点隔差を測定することを特徴とする。

より具体的には、本発明は、以下のものを提供する。

（１） 被評価装置である光学装置の集光性能を評価する集光性能評価装置が有する非点隔差を補正しつつ、前記集光性能評価装置を用いて、前記光学装置が有する非点隔差を測定する光学装置の非点隔差測定方法であって、光学装置から発せられた光ビームのスポット径を表示するディスプレイ上には、前記光学装置の姿勢の定義が定められているＸ軸及びそれに直行するＹ軸よりなる基本軸に対応関係があり、且つ前記光学装置を前記基本軸に対して角度θだけ回転させるのに対応して前記ディスプレイ上に表示された前記スポット径が角度θだけ回転するように定められた基本軸を有し、前記光学装置から取得した前記スポット径のデータを前記ディスプレイ上に定められた前記基本軸に対して回転させながら一の角度θ_ｎにおける非点隔差Ｒ（θ_ｎ）を取得するステップと、前記非点隔差Ｒ（θ_ｎ）が最大となるときの角度θ_maxと、そのときの最大非点隔差Ｒ（θ_max）とを用いて、前記基本軸と同方向のベクトル係数Ｒ_０と、前記基本軸に対して４５度の角度をなす方向のベクトル係数Ｒ₄₅と、を算出するステップと、フィッティング手法を用いて、前記ベクトル係数Ｒ_０と前記ベクトル係数Ｒ₄₅とから任意の角度θにおける非点隔差Ｒ（θ）を算出するステップと、予め非点隔差がわかっている基準光学装置を前記集光性能評価装置で測定することによって、前記ベクトル係数Ｒ _０ の補正係数α _０ と補正切片β _０ とを算出するとともに、前記ベクトル係数Ｒ ₄₅ の補正係数α ₄₅ と補正切片β ₄₅ とを算出するステップと、前記補正係数α _０ と前記補正切片β _０ とを用いて前記ベクトル係数Ｒ _０ を補正するとともに、前記補正係数α ₄₅ と前記補正切片β ₄₅ とを用いて前記ベクトル係数Ｒ ₄₅ を補正するステップと、補正後のベクトル係数Ｒ_０とＲ₄₅とを用いて、前記光学装置の非点隔差を算出するステップと、からなることを特徴とする光学装置の非点隔差測定方法。

本発明によれば、光学装置から取得したデータを所定の基本軸に対して回転させながら、一の角度θ_ｎ（離散値）における非点隔差Ｒ（θ_ｎ）を取得し、直交分解に必要な２つのベクトル係数Ｒ_０とＲ₄₅とを算出するとともに、それらのベクトル係数を用いて任意の角度θ（連続値）における非点隔差Ｒ（θ）を算出し、非点隔差が既知の基準光学装置をスポット評価装置や干渉計等の集光性能評価装置で測定することによって補正係数及び補正切片を算出し、それらの補正係数及び補正切片を用いて２つのベクトル係数Ｒ_０とＲ₄₅を補正し、補正後の２つのベクトル係数Ｒ_０とＲ₄₅を用いて光学装置の非点隔差を算出することとしたから、非点収差補正にあたって集光性能評価装置の途中に非点収差補正用の光学素子を組み込む必要がない。

従って、集光性能評価装置自体に存在する非点収差を補正し、光学装置の集光性能を評価するにあたって必要な部品点数及びコスト削減に資することができる。

（２） 前記光学装置は光ピックアップ装置であるとともに、前記集光性能評価装置はスポット評価装置であり、前記光ピックアップ装置から取得した前記スポット径を、上述の非点隔差測定方法により算出された非点隔差に基づいて補正することを特徴とするスポット径補正方法。

（３） 上述のスポット径補正方法を用いて、前記スポット径を補正することを特徴とするスポット評価装置。

本発明によれば、上述した非点隔差測定方法により算出された非点隔差に基づき、光ピックアップ装置から取得したスポット径を補正することとしたから、スポット評価装置の途中に非点収差補正用の光学素子を組み込むことなくスポット径を補正することが可能となる。

本発明に係る光学装置の非点隔差測定方法、スポット径補正方法及びスポット評価装置は、以上説明したように、ソフトウェアによる情報処理を用いて非点収差を補正するという構成になっており、非点収差補正用の光学素子を使わずに非点収差の補正を行うことでき、ひいては非点隔差測定に必要な部品点数及びコストの削減に寄与することが可能となる。また、補正作業が煩雑になることを防止して、補正作業の簡素化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

［ハードウェア構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る非点隔差測定方法を実行するハードウェア構成を示す図である。

図１において、本発明の実施の形態に係る非点隔差測定方法は、顕微鏡の基本構成と同様の構成からなるスポット評価装置１と、被検査物となる光ピックアップ装置２と、スポット評価装置１に接続された計算機３と、によって実行される。

スポット評価装置１は、光学要素により伝達された光ビームを光電変換するＣＣＤカメラ１ａと、ＣＣＤカメラ１ａ内の受光素子へ光ビームの集光を行う接眼レンズ１ｂと、フォーカス微動機構に接続され、フォーカス位置の微小調整を行うことが可能な対物レンズ１ｃと、から構成されている。

光ピックアップ装置２には、ｘ軸及びそれに直交するｙ軸よりなる基本軸に対する姿勢の定義が定められている。また、光ピックアップ装置２から発せられた光ビームのスポット径を表示する計算機３のディスプレイ上にも、ｘ軸及びそれに直交するｙ軸よりなる基本軸が定められている。これらの基本軸は対応関係にあり、例えば、光ピックアップ装置２を基本軸に対して角度θだけ回転させると、計算機３のディスプレイ上に表示されたスポット径（データ）も基本軸に対して角度θだけ回転することとなる。

［非点隔差測定方法］
図２は、本発明の実施の形態に係る非点隔差測定方法の流れを示すフローチャートである。

図２において、本発明の実施の形態に係る非点隔差測定方法は、まず、光ビームのスポット径の計測を行う（ステップＳ２１）。より具体的には、光ピックアップ装置２から発せられた光ビームのスポット径を、スポット評価装置１内のＣＣＤカメラ１ａで計測し、これを計算機３内のメモリ（図示せず）に記憶する。

ここで、ＣＣＤカメラ１ａでスポット径の計測を行う際、非点収差を含む点像強度分布をデフォーカスしながら光ビームのスポット径を観察すると、非点隔差の中間では最小錯乱円となってスポット径の断面形状がほぼ円形となり（図３（ｂ）参照）、そこから外れるとスポット径の断面形状が楕円形となる（図３（ａ）又は（ｃ）参照）。また、光ピックアップ装置２の特性によっては楕円が基本軸から傾く場合もあり、例えば、図３（ｄ）〜（ｆ）に示すように、基本軸に対して楕円の傾きが４５度となる場合がある。

次いで、非点隔差（離散値）の取得を行う（ステップＳ２２）。より具体的には、ステップＳ２１で計算機３内に取り込まれたスポット径データから、楕円の双方の軸（長軸と短軸）が最小となるフォーカス位置を検出し、そのときの２つのフォーカス位置の距離が非点隔差Ｒ（θ_ｎ）として算出する。なお、このときの、基本軸に対する楕円の傾きを角度θ_ｎとする。

また、ステップＳ２２においては、光ピックアップ装置２から取得したデータを所定の基本軸に対して回転させながら、非点隔差の取得を行う。より具体的には、上述したとおり、光ピックアップ装置２を基本軸に対して角度θだけ回転させると、スポット径データも基本軸に対して角度θだけ回転することから、光ピックアップ装置２を回転させながら非点隔差の取得を行う。例えば、図４に示すように、基本軸に対するスポット径データの回転角度が０度の場合には（θ_ｎ＝０）、非点隔差Ｒ（０）が算出され（図４（ａ））、基本軸に対するスポット径データの回転角度が２２．５度の場合には（θ_ｎ＝２２．５）、非点隔差Ｒ（２２．５）が算出され（図４（ｂ））、基本軸に対するスポット径データの回転角度が４５度の場合には（θ_ｎ＝４５）、非点隔差Ｒ（４５）が算出されることとなる（図４（ｃ））。なお、図４（ａ）〜（ｃ）によれば、スポット径データの回転角度によって非点隔差量が異なっているが（Ｒ（０）＞Ｒ（２２．５）＞Ｒ（４５））、これは光ピックアップ装置２の特性によるものである。

なお、後述するフィッティングを適切に行うために、０度から４５度以内の範囲で３ポイント以上の点について、ステップＳ２２の処理を行っておくことが好ましい。

次いで、ステップＳ２２によって取得された複数の非点隔差Ｒ（θ_ｎ）のうち、最も大きい値を最大非点隔差量Ｒ（θ_max）として定義し（また、そのときの基本軸に対する楕円の傾きを角度θ_maxと定義する）、非点隔差Ｒ（θ_max）の直交分解を行う（ステップＳ２３）。より具体的には、最大非点隔差量Ｒ（θ_max）と角度θ_maxとを次式に代入することによって、基本軸と同方向の非点隔差０（ベクトル係数Ｒ_０）と、基本軸に対して４５度の角度をなす方向の非点隔差４５（ベクトル係数Ｒ₄₅）とを算出する。

次いで、非点隔差（連続値）の算出を行う（ステップＳ２４）。すなわち、フィッティング手法を用いて、式（１）及び式（２）によって得られた非点隔差０と非点隔差４５とから、任意の角度θにおける非点隔差Ｒ（θ）を算出する。より具体的には、非点隔差０と非点隔差４５とを次式に代入することによって、任意の角度θ（連続値）での非点隔差を最小二乗法等のフィッティング手法により算出する。

なお、フィッティング手法の代表的なものとしては最小二乗法が挙げられるが、本発明はこれに限られず、例えば多公式展開、チェビシェフ法など、フィッティング手法として適当な手法であれば、その種類の如何を問わない。

次いで、補正係数及び補正切片の算出を行う（ステップＳ２５）。より具体的には、予め非点隔差がわかっている基準光ピックアップ装置をスポット評価装置で測定することによって、非点隔差０の補正係数α_０と補正切片β_０とを算出するとともに、非点隔差４５の補正係数α₄₅と補正切片β₄₅とを算出する。なお、ここでは集光性能評価装置としてスポット評価装置を採用することとしたが、干渉計等の評価装置を採用することも可能である。かかる場合には、ステップＳ２５によって算出された補正係数及び補正切片が、スポット評価装置と干渉計という異なる評価装置間の媒介変数としての役割を担うこととなる。

次いで、ステップＳ２５によって算出された補正係数及び補正切片を用いて、非点隔差０及び非点隔差４５の補正を行う（ステップＳ２６）。より具体的には、被測定物の非点隔差０と、被測定物の非点隔差４５とを次式に代入することによって、スポット評価装置自体がもつ非点隔差量を取り除く。

ステップＳ２６によって非点隔差が補正された様子を図５に示す。縦軸は、非点隔差Ｒ（θ）×ｃｏｓθで表しており、横軸は、非点隔差Ｒ（θ）×ｓｉｎθで表している。また、図５中の丸印は、補正前の非点隔差（離散値）を示しており、細線は、ステップＳ２４で算出（フィッティング）された非点隔差（連続値）を示しており、太線は、このステップＳ２６によって補正された非点隔差を示している。図５によれば、確かに、非点隔差量（破線又は実線上の任意の一点と原点との距離）が全体的に小さくなっていることが分かる。

最後に、補正された非点隔差からスポット径を再び算出し、スポット評価機の機体差や非点隔差により変化したスポット径をより真値に近づける補正を行う（ステップＳ２７）。ステップＳ２７によってスポット径が補正される一例を図６に示す。

図６（ａ）において、縦軸は左にスポット径（μｍ），右に最大（相対）輝度を示しており、横軸はＦｏｃｕｓ（フォーカス）量（μｍ）を示している。また、パラメータとして、Ｘ軸方向のスポット径が黒菱形で表され、Ｙ軸方向のスポット径が黒四角で表され、各フォーカス量における光の強度分布のうちの最大輝度が白三角で表され、それぞれのパラメータに対して近似曲線が描かれている。

図６（ａ）によれば、最大輝度が最も大きくなるフォーカス量（０．１６４４μｍ）における補正前のＸ軸方向のスポット径は０．８５６０μｍで、最大輝度が最も大きくなるフォーカス量（０．１６４４μｍ）における補正前のＹ軸方向のスポット径は０．８１００μｍである。ここで、最大輝度が最も大きくなるフォーカス量におけるスポット径を考えるのは、最大輝度が最も大きくなるフォーカス量で実際に記録、再生が行われるからである。

また、補正前の非点隔差は、Ｘ軸方向のスポット径の近似曲線の最小値ｍ１とＹ軸方向のスポット径の近似曲線の最小値ｍ２との横軸方向における距離であり、この一例では、０．２３９μｍとなっている。

一方で、補正された非点隔差に基づいて、図６（ａ）におけるＸ軸方向のスポット径の近似曲線及びＹ軸方向のスポット径の近似曲線を横軸方向にシフトする。具体的には、補正された非点隔差となるようにＸ軸方向のスポット径の近似曲線及びＹ軸方向のスポット径の近似曲線を横軸方向に等量シフトする。この一例では、補正後の非点隔差が０．０８９μｍとなることから、最小値ｍ１と最小値ｍ２との距離が０．０８９μｍとなるように、Ｘ軸方向のスポット径の近似曲線を図示右方向へ０．０７５μｍ、Ｙ軸方向のスポット径の近似曲線を図示左方向へ０．０７５μｍだけシフトする。

このように、横軸方向にシフトさせた図６（ｂ）によれば、最大輝度が最も大きくなるフォーカス量（０．１６４４μｍ）における補正後のＸ軸方向のスポット径は０．８５５７μｍで、最大輝度が最も大きくなるフォーカス量（０．１６４４μｍ）における補正後のＹ軸方向のスポット径は０．８０７５μｍである。

以上説明したように、図６（ａ）及び図６（ｂ）によれば、Ｘ軸方向のスポット径は０．８５６０μｍから０．８５５７μｍに補正され、Ｙ軸方向のスポット径は０．８１００μｍから０．８０７５μｍに補正されることが分かる。

以上説明したような非点隔差測定方法及びスポット径補正方法によれば、非点収差補正用の光学素子を用いることなく簡易に非点収差の補正を行うことが可能となる。

［他の実施の形態］
上述した実施形態における非点隔差測定方法は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形が可能である。例えば、被評価装置である光学装置としてレーザーダイオードを用い、また、集光性能評価装置としてニアフィールド測定装置を用いることで、非点収差補正用の光学素子を用いることなくニアフィールド測定装置自体の持つ非点収差を簡易に補正することが可能になる。すなわち、本発明における非点隔差測定方法は、光ピックアップ装置用のスポット評価装置に対するものには限定されず、その他の光学装置の集光性能を評価する集光性能評価装置に対しても適用が可能である。

本発明に係る非点隔差測定方法、スポット径補正方法及びスポット評価装置は、光学装置の非点隔差測定に必要な部品点数及びコスト削減に寄与し得る方法、装置として有用である。

本発明の実施の形態に係る非点隔差測定方法を実行するハードウェア構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る非点隔差測定方法の流れを示すフローチャートである。 非点隔差の存在するスポットのフォーカス状態による形状を説明するための図である。 角度θによって基本軸の合焦点位置までのフォーカシング量の変化を説明するための図である。 フィッティング非点隔差と補正後の非点隔差とを示す図である。 Ｘ軸方向及びＹ軸方向のスポット径が補正される一例を示す図である。

符号の説明

１ スポット評価装置
２ 光ピックアップ装置
３ 計算機

Claims (3)

1. 被評価装置である光学装置の集光性能を評価する集光性能評価装置が有する非点隔差を補正しつつ、前記集光性能評価装置を用いて、前記光学装置が有する非点隔差を測定する光学装置の非点隔差測定方法であって、
   光学装置から発せられた光ビームのスポット径を表示するディスプレイ上には、前記光学装置の姿勢の定義が定められているＸ軸及びそれに直行するＹ軸よりなる基本軸に対応関係があり、且つ前記光学装置を前記基本軸に対して角度θだけ回転させるのに対応して前記ディスプレイ上に表示された前記スポット径が角度θだけ回転するように定められた基本軸を有し、前記光学装置から取得した前記スポット径のデータを前記ディスプレイ上に定められた前記基本軸に対して回転させながら一の角度θ_ｎにおける非点隔差Ｒ（θ_ｎ）を取得するステップと、
   前記非点隔差Ｒ（θ_ｎ）が最大となるときの角度θ_maxと、そのときの最大非点隔差Ｒ（θ_max）とを用いて、前記基本軸と同方向のベクトル係数Ｒ_０と、前記基本軸に対して４５度の角度をなす方向のベクトル係数Ｒ₄₅と、を算出するステップと、
   フィッティング手法を用いて、前記ベクトル係数Ｒ_０と前記ベクトル係数Ｒ₄₅とから任意の角度θにおける非点隔差Ｒ（θ）を算出するステップと、
   予め非点隔差がわかっている基準光学装置を前記集光性能評価装置で測定することによって、前記ベクトル係数Ｒ _０ の補正係数α _０ と補正切片β _０ とを算出するとともに、前記ベクトル係数Ｒ ₄₅ の補正係数α ₄₅ と補正切片β ₄₅ とを算出するステップと、
   前記補正係数α _０ と前記補正切片β _０ とを用いて前記ベクトル係数Ｒ _０ を補正するとともに、前記補正係数α ₄₅ と前記補正切片β ₄₅ とを用いて前記ベクトル係数Ｒ ₄₅ を補正するステップと、
   補正後のベクトル係数Ｒ_０とＲ₄₅とを用いて、前記光学装置の非点隔差を算出するステップと、からなることを特徴とする光学装置の非点隔差測定方法。
2. 前記光学装置は光ピックアップ装置であるとともに、前記集光性能評価装置はスポット評価装置であり、前記光ピックアップ装置から取得した前記スポット径を、請求項１記載の非点隔差測定方法により算出された非点隔差に基づいて補正することを特徴とするスポット径補正方法。
3. 請求項２記載のスポット径補正方法を用いて、前記スポット径を補正することを特徴とするスポット評価装置。