JP5492303B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、変位検出装置に関する。

対物レンズを有する光学系と、対物レンズにより集光された光束の作用によって情報を記憶する媒体との間の相対的な位置関係が、対物レンズの光軸方向に沿って変化する場合がある。変位検出装置は、このような媒体の変位をモニタするために用いられる。対物レンズの光軸方向の変位をモニタする際には、対物レンズの光路上にサーボ用の光（計測光）を導入し、媒体からの反射光を変位検出装置に導く。変位検出装置により検出された変位の情報に基づいて、フォーカスずれを補償する。

特開平７−２９４２３１号公報

例えばホログラフィック記録媒体への角度多重記録方式のように、対物レンズの光軸に直交する回転軸により媒体を回転して角度多重記録を行うものがある。この場合、光軸から見て、媒体の記録再生面は傾斜する。このような媒体の傾斜の影響を除いて変位を検出することのできる変位検出装置の提供が望まれている。

実施形態の変位検出装置は、光を発生する光源と、照射される前記光の光軸方向と直交する回転軸を中心に回転可能な媒体に向けて前記光を集光する対物レンズとを備える。該装置は、前記媒体において反射し、前記対物レンズを透過した反射光を分離するビームスプリッタを備える。該装置は、前記ビームスプリッタにより分離された反射光の一部を遮るように開口が制限された開口制限素子と、前記開口制限素子を経た反射光に基づいて、前記対物レンズの光軸方向についての前記媒体の変位を検出する検出デバイスと、を備える。

実施形態に係る変位検出装置の構成を示す図である。 媒体の断面図である。 光検出器の分割セルと演算を示す図である。 ダブルナイフエッジ法による変位検出を説明するための図である。 ダブルナイフエッジ法による変位検出を説明するための図である。 ダブルナイフエッジ法による変位検出を説明するための図である。 媒体変位と変位検出信号の関係を示すグラフである。 ナイフエッジ検出用光学素子の別の例を示す図である。 開口制限素子が有する開口の形状の例を示す図である。 開口制限素子が有する開口の形状の例を示す図である。 開口制限素子と入射光束との位置関係を示す図である。 媒体からの反射光と対物レンズの開口との位置関係を示す図である。 開口制限素子を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示す図である。 開口制限素子を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示す図である。 開口制限素子を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示す図である。 開口制限素子を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示す図である。 媒体の傾斜角度と変位検出感度の関係を表す図である。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。図１は、実施形態に係る変位検出装置の構成を示す図である。光源（ＬＤ）１０は、例えば、６５０ｎｍの波長を有する半導体レーザーである。光源１０からの光の波長は、可視光域あるいは近赤外域のもので良く、特定の波長に限定されないが、媒体１００の変位の検出に十分な光量が媒体１００において反射されることが必要である。光源１０は、コリメートレンズ２０に向けて拡散レーザ光を出射する。この拡散レーザ光はコリメートレンズ２０によって平行なレーザ光に変換され、ビームスプリッタ３０に入射する。このレーザ光は少なくともその一部がビームスプリッタ３０をそのまま透過し、リレーレンズ４０に入射する。リレーレンズ４０は、そのレンズ作用により、入射したレーザ光のビーム径を（平行光のビーム形状を維持したまま）変化させるか、入射したレーザ光を異なるビーム形状の拡散光または収束光に変換する。リレーレンズ４０を出射したレーザ光は、対物レンズ５０に入射する。

対物レンズ５０は、リレーレンズ４０からのレーザ光を媒体１００に向けて集光する。後述するように、媒体１００は、対物レンズ５０の光軸に直交する回転軸ｙを中心に回転可能である。対物レンズ５０から出射したレーザ光は、このような媒体１００の例えば表面１１０に集光する。対物レンズ５０に入射するレーザ光を、リレーレンズ４０は、平行光、拡散光あるいは収束光のいずれかに変化させる。これに応じて、対物レンズ５０が集光するレーザ光の焦点位置を調整することが可能である。例えば、レーザ光を拡散光に調整することにより、平行光が入射した場合と比較して対物レンズ５０から遠い位置に焦点位置を移動することができる。また、レーザ光を収束光に調整することにより、平行光が入射した場合と比較して対物レンズ５０から近い位置に焦点位置を移動することができる。

媒体１００は、例えばホログラフィックストレージ媒体であり、図２に示すような３層構造を有する。媒体１００は、ユーザデータを記録する記録層１２０と、該記録層１２０を上下から挟む透明基板１２５および透明基板１２６とによって構成される。記録層１２０、透明基板１２５および１２６それぞれの厚さは特定の値に限定されないが、例えば、透明基板１２５および透明基板１２６の厚さは０．５ｍｍであり、記録層１２０の厚さは１．５ｍｍである。図２の上方から見た媒体１００の形状は、例えば円形（直径は例えば１２ｃｍ）である。しかしながら、媒体の形状は円形に限らず、正方形、長方形、楕円、その他多角形等の形状であってもよい。

媒体１００は、図１に示すように媒体１００の中心を原点とする直交座標系ｘ、ｙ、ｚ軸を規定した場合、ｙ軸回りに回転する機構（不図示）により回転制御される。媒体１００がホログラフィックストレージ媒体の場合、ｙ軸回りの回転方向は、ホログラフィックストレージ技術における角度多重記録方向に一致する。ホログラフィックストレージ媒体に情報を読み書きする際には、媒体１００は一定角度範囲内でｙ軸回りの任意の位置に回転されることとなる。この一定角度は、ホログラフィックストレージ媒体への記録仕様によるが、通常、１度以上４５度以内の範囲である。

なお、ホログラフィックストレージ媒体の情報記録に用いられる光源は、変位検出用の光源１０とは別に用意され、光源１０とは異なる波長、例えば４０５ｎｍ近傍の波長を有することが好ましい。こうすることで、変位検出用の光源１０から媒体１００へのレーザ光の照射による媒体１００のダイナミックレンジの消費が避けられるという利点がある。

媒体１００に集光されたレーザ光は、変位検出対象である媒体１００の例えば表面１１０で反射し、往路とは逆の方向から対物レンズ５０に入射して透過する。なお、レーザ光は、必ずしも媒体１００の対物レンズ５０に近い表面１１０で反射しなければならないわけではない。媒体１００の対物レンズ５０から遠い表面で反射してもよいし、媒体１００内部の一平面で反射してもよい。対物レンズ５０を出射したレーザ光は、往路とは逆の方向からリレーレンズ４０に入射して透過し、さらにビームスプリッタ３０に入射する。ビームスプリッタ３０はこのレーザ光の少なくとも一部を反射し、開口制限素子６０に導く。

ビームスプリッタ３０を反射したレーザ光は、開口制限素子６０にて光束の一部がけられ、ナイフエッジ検出用光学素子７０に入射する。開口制限素子６０による光束遮断の態様については後述する。

ナイフエッジ検出用光学素子７０は、例えば２つのプリズムが接合された偏向素子を含む。しかしながら、ナイフエッジ検出用光学素子７０は、プリズムによるもののみに限定されず、ナイフエッジ法による変位検出を可能とする任意の素子であってもよい。例えば、ナイフエッジ検出用光学素子７０は、回折光学素子、あるいはナイフエッジ状の端部を持つ光遮蔽素子であってもよい。この点についても後述する。ナイフエッジ検出用光学素子７０を出射したレーザ光は、集光レンズ８０により４分割光検出器９０に集光される。本実施形態において、ナイフエッジ検出用光学素子７０、集光レンズ８０、および４分割光検出器９０は、対物レンズ５０の光軸方向についての媒体１００の変位を検出する検出デバイスを構成する。なお、開口制限素子６０をナイフエッジ検出用光学素子７０と集光レンズ８０の間に挿入する構成としてもよい。

図３は、４分割光検出器９０の各分割セルと演算を示している。４分割光検出器９０は略同一形状を有する４つの分割セルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを含む光電変換素子であり、各セル上に照射されたレーザ光の光量に比例した電流が各セルから出力される。各セルから出力された電流は、図示しない電流−電圧変換素子により、電流に比例した電圧に変換される。こうして発生した、各セルに照射された光量に比例した電圧は、差動増幅器９１に入力される。差動増幅器９１は、電圧（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）の演算結果に相当するＦＥＳ（Focus Error Signal：フォーカスエラー信号）を出力する。このＦＥＳは、媒体１００と対物レンズ５０との間の、図１に示したｚ方向の相対変位を示す検出信号である。

＜ナイフエッジ法による変位検出＞
本実施形態に適用されたダブルナイフエッジ法について、図４を参照して説明する。図４に関しては、説明の便宜上、開口制限素子６０の存在を考慮していない。

図４Ａは、対物レンズ５０により集光されたレーザ光の集光位置が変位検出対象である媒体１００の表面１１０上に一致している場合、すなわち変位０（合焦）の場合を表している。この場合、媒体１００からの反射光は、対物レンズ５０を通って平行光となり、リレーレンズ４０、ビームスプリッタ３０を経てナイフエッジ検出用光学素子７０に入射する。ナイフエッジ検出用光学素子７０は、２つの偏向プリズムが入射光を互いに紙面上下逆方向に偏向させるように接合されたものである。該２つの偏向プリズムの接合面の位置は、平行光の光束をほぼ二分割する位置に設定される。したがってナイフエッジ検出用光学素子７０は、入射光の略半分を紙面上方向に偏向させ、もう一方の略半分を紙面下方向に偏向させる。

このように互いに逆の方向に偏向された２つの光束は、それぞれ集光レンズ８０により収束光となり、集光レンズ８０の焦点位置に設置された４分割光検出器９０に集光される。上方向に偏向された光束は、４分割光検出器９０の上方２検出器（Ｂ，Ｃ）の中間に集光される。また、下方向に偏向された光束は、４分割光検出器９０の下方２検出器（Ａ，Ｄ）の中間に集光される。このとき、４分割光検出器９０による演算結果ＦＥＳ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）は、ほぼゼロとなる。

図４Ｂは、対物レンズ５０により集光されたレーザ光の集光位置に対して、変位検出対象である媒体１００の表面１１０が対物レンズ５０に近い側にずれている場合（拡散）を示している。この場合、媒体１００からの反射光は、対物レンズ５０を通って拡散光となり、リレーレンズ４０、ビームスプリッタ３０を経てナイフエッジ検出用光学素子７０に入射する。ナイフエッジ検出用光学素子７０は、図４Ａの場合と同様に、入射光の略半分を紙面上方向に偏向させ、もう一方の略半分を紙面下方向に偏向させる。

このように互いに逆の方向に偏向された２つの光束は、それぞれ集光レンズ８０により収束光となり、４分割光検出器９０上に集光される。このとき収束光のビームウエストは、集光レンズ８０から４分割光検出器９０よりも遠い位置となる。したがって、４分割光検出器９０の上方２検出器において、収束光の半光束と同じ側、すなわち検出セルＣが主に光照射される。一方、４分割光検出器９０の下方２検出器においては、収束光の半光束と同じ側、すなわち検出セルＡが主に光照射される。このとき、４分割光検出器９０による演算結果ＦＥＳ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）は、正の値となる。

図４Ｃは、対物レンズ５０により集光されたレーザ光の集光位置に対して、変位検出対象である媒体１００の表面１１０が対物レンズ５０から遠い側にずれている場合（収束）を示している。この場合、媒体１００からの反射光は、対物レンズ５０を通って収束光となり、ナイフエッジ検出用光学素子７０に入射する。ナイフエッジ検出用光学素子７０は、図４Ａの場合と同様に、入射光の略半分を紙面上方向に偏向させ、もう一方の略半分を紙面下方向に偏向させる。

このように互いに逆の方向に偏向された２つの光束は、それぞれ集光レンズ８０により収束光となり４分割光検出器９０上に集光される。このとき収束光のビームウエストは、集光レンズ８０から４分割光検出器９０よりも近い位置となる。したがって、４分割光検出器９０の上方２検出器において、収束光の半光束と反対側、すなわち検出セルＢが主に光照射される。一方、４分割光検出器９０の下方２検出器においては、収束光の半光束と反対側、すなわち検出セルＤが主に光照射される。このとき、４分割光検出器９０による演算結果ＦＥＳ＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）は、負の値となる。

したがって、ナイフエッジ検出用光学素子７０、集光レンズ８０、および４分割光検出器９０を利用し、４分割光検出器９０から出力される演算結果ＦＥＳにより変位検出対象である媒体１００の、対物レンズ５０の光軸方向に対する変位を検出することができる。図５に、媒体１００の、対物レンズ５０の光軸方向に対する変位とＦＥＳの関係を計算した結果のグラフを示す。同グラフにおいて、横軸は媒体変位（フォーカスエラー；単位は（μｍ））を示し、縦軸は変位検出信号（フォーカスエラー信号；ＦＥＳ（ａ．ｕ．））を示している。同グラフによれば、媒体変位±５μｍ程度の範囲において、媒体変位とほぼ比例したＦＥＳが得られていることが分かる。

なお、本例では、ナイフエッジ検出用光学素子７０に複合プリズムを用いたが、光学的に同様の機能を有する素子であれば、これに限ったものではなく、例えば回折光学素子を用いることも可能である。図６に、複合プリズムによるナイフエッジ検出用光学素子７０に代わる回折光学素子７５を示す。回折光学素子７５は、プレート状の光透過性素子であり、中央部に透過光を回折させるための回折パターンが施してある。この回折光学素子７５は、中央を境界として左側の回折パターンと右側の回折パターンが互いに異なっており、これにより上述の複合プリズムによるナイフエッジ検出用光学素子７０と同様な機能を有する。例えば、左側の回折パターンを透過した光は上方に回折し、右側の回折パターンを透過した光は下方に回折する。

＜開口制限素子の機能＞
次に、本実施形態の特徴に係る開口制限素子６０について説明する。開口制限素子６０は、変位検出対象である媒体１００が図１に示したｙ軸回りに回転することによる変位検出信号への影響を抑制するための素子である。本実施形態において、開口制限素子６０は図１に示した対物レンズ５０、リレーレンズ４０、ビームスプリッタ３０、ナイフエッジ検出用光学素子７０、および対物レンズ８０を結ぶ光路において、ビームスプリッタ３０とナイフエッジ検出用光学素子７０の間に配置される。

開口制限素子６０は、媒体１００からの反射光の光束がビームスプリッタ３０において反射し、当該開口制限素子６０に入射する際に、その光束の一部を遮光するように開口が制限された素子である。開口制限素子６０の開口形状は、例えば、図７Ａに示すような矩形や、図７Ｂに示すような円形であってもよい。対物レンズ５０の開口半径をａとした場合、矩形開口制限素子６０ａの開口部の一辺の長さは２ａであることが好ましい。また、円形開口制限素子６０ｂの開口半径はａと同一であることが好ましい。

図８は、開口制限素子６０を設置した位置における入射光束（中心Ｏｂ）と、開口制限素子６０（中心Ｏａ）との位置関係を示している。開口制限素子６０は、ｘ軸方向に沿って、その中心Ｏａを入射光束の中心Ｏｂからｄだけずらして配置される。開口制限素子６０に入射する光束は、光源１０からの光が媒体１００において反射し、対物レンズ５０およびビームスプリッタ３０を経た反射光の光束である。中心Ｏｂは、対物レンズ５０の光軸に一致する。ずれ量ｄは、媒体１００がｙ軸回りに回転する最大回転角度に応じて決定される。ずれ量ｄをどのようにして決定するかについて、図９を参照して説明する。

図９は、媒体１００からの反射光と対物レンズ５０の開口との位置関係を示している。図９Ａは媒体１００が対物レンズ５０に正対している場合（媒体回転角度＝０°）を示し、図９Ｂは媒体１００が対物レンズ５０の光軸に対して角度βだけｙ軸回りに回転した場合（媒体回転角度＝β）を示している。対物レンズ５０の開口数をＮＡ、焦点距離をｆ、開口半径をａとすると、
ＮＡ＝ａ／ｆ＝ｓｉｎθ
という関係が一般に成り立つ。θは対物レンズ５０により集光される光束が作る円錐の円錐面と光軸のなす角である。媒体１００が角度βだけ回転した場合には、媒体１００による反射光が作る円錐状の光束の中心軸１０１は、入射光の光軸である対物レンズ５０の光軸１０２に対して角度α＝２βだけ傾斜する。反射光の光束の中心軸１０１が対物レンズ５０の開口平面に交わる点と対物レンズ５０の開口中心との間の距離ｄは、
ｄ＝ｆ×ｃｏｓθ×ｔａｎα
によって表される。このように反射光の光束はその中心が対物レンズ５０の開口中心から距離ｄだけずれることになる。したがって、媒体１００の回転角度がβであるとき、開口制限素子６０の中心Ｏａの、入射光束の中心Ｏｂに対するずれ量は、このｄに等しい値とすることが好ましい。実施形態においては、最大回転角度に相当するβの値に応じて、上記に従いずれ量ｄを決定することが好ましい。この理由について、以下に詳述する。

図１０は、開口制限素子６０を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示したものである。

媒体１００の回転角度βが０であって、開口制限素子が存在しない場合、図１０Ａに示すようにビームプロファイルは対物レンズ５０の開口に相似な円形プロファイルとなる。次に、媒体１００の回転角度βが２０°であって、開口制限素子が存在しない場合、媒体１００からの反射光が対物レンズ５０の開口でけられることにより、図１０Ｂに示すようにビームプロファイルは、その一部が欠けた木の葉状となる。

仮に、媒体１００の回転角度が０〜２０度の範囲である場合、このような媒体１００の回転角度によらず図１０Ｂのようなビームプロファイルが得られることが、変位検出感度一定の観点から望ましい。媒体１００の回転角度によらず、図１０Ｂのようなビームプロファイルが得られるようにするため、開口制限素子６０は設けられる。

図１０Ｃは、入射光束の半分を遮光するため、図７Ａに示した矩形開口制限素子６０ａを設置した場合のビームプロファイルである。このとき、媒体１００の回転角度βは０°である。媒体１００からの反射光が対物レンズ５０の開口でけられるのではなく、同反射光が矩形開口制限素子６０ａによってけられた結果、このようなビームプロファイルが得られる。この図１０Ｃのビームプロファイルは、開口制限素子を設置しない図１０Ａの場合と比べると、媒体１００の回転角度βが２０°である図１０Ｂの場合に近いビームプロファイルが得られている。

さらに、図１０Ｄは、ずらし量ｄ＝ａとして図７Ｂに示した円形開口制限素子６０ｂを設置した場合のビームプロファイルである。媒体１００の回転角度βは０°である。この場合、媒体１００の回転角度βが２０°である図１０Ｂの場合とほぼ同様のビームプロファイルが得られている。したがって円形開口制限素子６０ｂをずれ量ｄ＝ａとする条件で設置した場合に、変位検出感度の安定化が期待される。

開口制限素子の設置有無および開口形状の違いに応じて、媒体１００の変位検出感度が傾斜角度によってどのように変化するのかを表したのが図１１である。横軸は媒体１００の傾斜角度（ｄｅｇ）を示し、縦軸は正規化感度（変位検出感度）を示している。実線は円形開口制限素子６０ｂを設置する場合であり、一点鎖線は矩形開口制限素子６０ａを設置する場合であり、破線は開口制限素子を設置しない場合である。

開口制限素子６０を設置しない場合、変位検出感度は媒体１００の傾斜と共にほぼ線形に低下し、２０度傾斜時に０度傾斜時の約３分の１の感度となる。一方、開口制限素子を設けた場合は、媒体１００の傾斜による検出感度の低下が抑制される。特に、円形開口制限素子６０ｂを設置した場合には、媒体１００の傾斜角０〜２０度の範囲での検出感度は±１０％の誤差範囲内に収まり、良好な変位検出特性が得られることが分かる。

以上説明した実施形態によれば、媒体１００からの反射光の光束がビームスプリッタ３０において反射して入射する際に、その光束の一部を遮光するように開口が制限された開口制限素子６０を備える構成としていることから、変位検出対象である媒体１００が傾斜することによる変位検出信号への影響を抑制することができる。したがって、傾斜する媒体１００に対して、変位検出感度の変化が抑制された精度のよい変位検出を行なうことが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (8)

1. 光を発生する光源と、
   照射される前記光の光軸方向と直交する回転軸を中心に回転可能な媒体に向けて前記光を集光する対物レンズと、
   前記媒体において反射し、前記対物レンズを透過した反射光を分離するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタにより分離された反射光の一部を遮るように開口が制限された開口制限素子と、
   前記開口制限素子を経た反射光に基づいて、前記対物レンズの光軸方向についての前記媒体の変位を検出する検出デバイスと、を具備し、
   前記光軸方向をｚ軸とし、前記回転軸をy軸とし、前記ｚ軸および前記y軸のいずれとも直交する軸をｘ軸としたとき、前記開口制限素子は、前記光軸から前記ｘ軸に沿って一定量ずれた位置に開口中心を有することを特徴とする変位検出装置。
2. 前記位置が、前記媒体の最大回転角度に応じて定められる請求項１記載の装置。
3. 前記開口は矩形状である請求項１記載の装置。
4. 前記開口は円形状である請求項１記載の装置。
5. 前記位置は、前記媒体の最大回転角度に応じて定められる請求項３記載の装置。
6. 前記検出デバイスは、ナイフエッジ法による変位検出効果を発生する光学素子を具備する請求項１記載の装置。
7. 前記媒体はホログラフィック記録媒体を含み、前記回転方向は角度多重記録方向を含む請求項１記載の装置。
8. 光を発生する光源と、
   照射される前記光の光軸方向と直交する回転軸を中心に回転可能な媒体に向けて前記光を集光する対物レンズと、
   前記媒体において反射し、前記対物レンズを透過した反射光を分離するビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタにより分離された反射光の一部を遮るように開口が制限された開口制限素子と、
   前記開口制限素子を経た反射光に基づいて、前記光軸方向についての前記媒体の変位を検出する検出デバイスと、を具備し、
   前記開口制限素子は、前記光軸から前記光軸方向および回転軸のいずれとも直交する軸に沿って一定量ずれた位置に開口中心を有することを特徴とする変位検出装置。