JP6482792B2 - 光ピックアップ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、合焦点型変位計等に用いられる光ピックアップ装置に関する。
光ピックアップ技術を利用した合焦点型変位計が知られている。この種の光ピックアップ技術におけるフォーカスエラー検出方式としては、ナイフエッジ法、ダブルエッジ法、ピンホール法、フーコー法、非点収差法等が知られている(例えば特許文献1)。これら方式では、測定対象物の測定面の焦点位置からのずれ量に応じたS字カーブを描くフォーカス信号(フォーカスエラー信号)を、2分割ディテクタや重心位置検出器の出力から生成し、フォーカス信号がS字カーブのゼロクロス点に維持されるように、測定対象物を焦点位置に追従させるようにしている。
しかし、これらフォーカスエラー検出方式には、例えば、焦点位置が上下方向に移動する光ピックアップ装置の場合、測定対象の測定面がフォーカス信号のS字カーブのピーク値を超えて焦点位置よりも上側又は下側に大きく離れると、焦点位置とは異なるゼロクロス点に到達し、測定面が正しい焦点位置に合致したと誤判定してしまう問題がある。そのため、この装置の焦点位置検出範囲は、この誤判定が生じる上下2つの焦点位置とは異なるゼロクロス点に挟まれた範囲に制限されてしまう。
特開平7−129977号公報
本発明は、合焦点位置の検出範囲を拡大させた光ピックアップ装置を提供することを目的とする。
本発明の実施形態に係る光ピックアップ装置は、光源と、前記光源からの光を測定対象に照射する照射光学系と、前記測定対象に照射され前記測定対象から反射された反射光を前記照射光学系の焦点位置と共役関係にある第1位置に結像する結像光学系と、前記第1位置に配置され、前記結像光学系によって結像された前記反射光を受光する第1受光部と、前記測定対象から前記第1受光部までの光路上に配置され、前記測定対象に対する合焦状態によって前記第1受光部での結像形態を変化させる光学手段と、前記第1受光部の受光信号から生成され、前記測定対象が焦点位置にあるとき出力がゼロとなり、前記測定対象が前記焦点位置から離れた所定の位置にあるとき出力がゼロ近傍に収束するフォーカス信号を出力するフォーカス検出回路と、前記第1位置とは共役関係にない第2位置に配置され、前記測定対象からの反射光の一部を受光し、前記測定対象が前記所定の位置又はその近傍にあるときピークの受光量を検出する第2受光部とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、照射光学系の焦点位置と共役関係にある第1位置に配置された第1受光部に加えて、第1位置とは共役関係にない第2位置に配置された第2受光部を有し、この第2受光部が偽の焦点位置又はその近傍にあるときにピークの受光量を検出するようにしている。このため、本発明によれば、第1受光部の受光信号に加えて、第2受光部の受光信号に基づいて真の焦点位置か及びいずれの偽の焦点位置かを判断することができるので、合焦点位置の検出範囲を拡大させた光ピックアップ装置を提供することができる。
第1の実施形態に係る光ピックアップ装置の構成を示す図である。 同実施形態に係る光ピックアップ装置のワークの測定面の位置とフォーカスエラー信号、トータル信号、及び追加検出強度の関係を示すグラフである。 同実施形態に係る光ピックアップ装置の場所毎の信号強度を示す表である。 第2の実施形態に係る光ピックアップ装置の構成を示す図である。 比較例に係る光ピックアップ装置の構成を示す図である。 同比較例に係る光ピックアップ装置の焦点位置毎の光レーザの様子を示す図である。 同比較例に係る光ピックアップ装置のワークの測定面の位置とフォーカスエラー信号及びトータル信号の関係を示すグラフである。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る光ピックアップ装置について説明する。
[比較例]
先ず、第1の実施形態に係る光ピックアップ装置の構成について説明するのに先立ち、比較例に係る光ピックアップ装置の構成について説明する。
図5は、比較例に係る光ピックアップ装置の構成を示す図である。
この光ピックアップ装置100は、オートフォーカス方式を実現する光学手段として、ナイフエッジ法を使用した例を示すものである。光ピックアップ装置100は、光源である半導体レーザ101と、半導体レーザ101及び測定対象であるワーク102の測定面間に設けられた照射光学系を備える。照射光学系は、半導体レーザ101からワーク102に向けて順番に配置されたコリメータレンズ103、ビームスプリッタ104、及び対物レンズ105によって構成されている。この照射光学系によって、半導体レーザ101の出力光ビームは、平行光に変換された後に、対物レンズ105によって測定面に集光される。
ワーク102の測定面からの反射光ビームは、対物レンズ105を通り、ビームスプリッタ104で反射されて結像レンズ106に入る。そして、三角プリズム107で2方向に分割された後、第1受光部の受光面に結像される。ここで、第1受光部としては、2分割ディテクタ、重心位置検出器等を用いることができる。ここでは、第1受光部として2つの2分割フォトダイオード108及び109を用いている。
ここで、三角プリズム107は、測定対象であるワーク102に対する合焦状態によって第1受光部である2分割フォトダイオード108及び109での結像形態を変化させる光学手段である。三角プリズム107は、その1つの頂角部107aが結像レンズ106側を向いてその光軸上に位置するように配置されている。このように頂角部107aが光軸上に配置されていることで、収束光ビームが上下に分割されて2分割フォトダイオード108、109にそれぞれ受光されるようになっている。また、2分割フォトダイオード108及び109は、受光面の位置は、図5の丸印Xで示すように、対物レンズ105の焦点位置と共役関係にある。
なお、図5では、省略されているが、実際の光ピックアップ装置には、対物レンズ105を駆動するためのアクチュエータと、2分割フォトダイオード108及び109の出力信号を処理して得られるフォーカス信号に基づいてアクチュエータを制御するサーボ機構が設けられている。これによって、オートフォーカシングがなされる。また、合焦点型変位計を構成する場合にはアクチュエータにリニアエンコーダが取り付けられる。
次に、比較例の光ピックアップ装置の動作原理について説明する。
図6は、本比較例に係る光ピックアップ装置の焦点位置毎の光レーザの様子を示す図である。図6中のAはワーク102の測定面、図6中のBは2分割フォトダイオード108及び109の受光面をそれぞれ示している。2分割ダイオード108及び109は、それぞれ紙面右側の第1領域A1と紙面左側の第2領域A2に分割されている。また、図6中の上段は測定面が焦点位置よりも上にある場合、図6中の中段は測定面が焦点位置と合っている場合、図6中の下段は測定面が焦点位置よりも下にある場合をそれぞれ示している。
比較例の光ピックアップ装置は、ナイフエッジ法によって、フォーカスエラーを検出する。
始めに、焦点位置がワーク102の測定面よりも上にある場合を考える。この場合、測定面には、図6中の上段Aに示すように、比較的大きな範囲に光ビームが照射される。一方、2分割フォトダイオード108及び109の受光面には、三角プリズム107の頂角部107aがナイフエッジとなり、半分にカットされた収束光ビームがそれぞれ照射される。焦点位置がワーク102の測定面よりも上にある場合、結像レンズ106に入射する反射光ビーム及び出射する収束光ビームが共に拡がるので、図6中の上段Bに示すように、第2領域A2側の収束光ビームがカットされ、第1領域A1に比較的大きな範囲に光ビームが照射される。ここで、第1領域A1、第2領域A2における信号強度を第1検出強度Id1、第2検出強度Id2とした場合、Id1>Id2の関係が成立する。
続いて、焦点位置がワーク102の測定面と合っている場合(以下、この場合を単に「焦点が合う」と表現する)を考える。この場合、測定面には、図6中の中段Aに示すように、小さい範囲に光ビームが照射される。同様に、2分割フォトダイオード108及び109の受光面にも、図6中の中段Bに示すように、小さい範囲に光ビームが照射される。ここでは、第1及び第2検出強度についてId1=Id2の関係が成立する。
最後に、焦点位置がワーク102の測定面よりも下にある場合を考える。この場合、測定面には、図6中の下段Aに示すように、比較的大きな範囲に光ビームが照射される。一方、結像レンズ106に入射する反射光ビーム及び出射する収束光ビームは共に狭まるので、2分割フォトダイオード108及び109の受光面には、図6中の下段Bに示すように、焦点位置が測定面よりも上にある場合とは逆に、第1領域A1側の収束光ビームがカットされ、第2領域A2に比較的大きな範囲に光が照射される。ここでは、第1及び第2検出強度についてId1<Id2の関係が成立する。
ここで、Id2−Id1をフォーカス信号、Id1+Id2をトータル信号とすると、フォーカス信号及びトータル信号は、図7のようになる。
図7は、比較例に係る光ピックアップ装置におけるワークの測定面の位置とフォーカス信号及びトータル信号の関係を示すグラフである。
フォーカス信号は、理想的には、図7の実線で示すように、焦点が合っている場合には絶対値で所定の値である第1参照強度Ir1よりも小さい0になり、焦点位置が測定面よりも下にある場合には第1参照強度Ir1よりも大きい正の一定値、焦点位置が測定面よりも上にある場合には所定の値−Ir1よりも小さい負の一定値となる。しかし、フォーカス信号は、実際には、図7の破線で示すようなS字形のグラフとなる。つまり、測定面の位置が焦点位置とのズレが比較的少ない範囲R1にある場合、2分割フォトダイオード108及び109に照射される半円状の収束光ビームは、受光面内に収まっているため、焦点が合っている場合を除いて、第1検出強度Id1及び第2検出強度Id2には変化は現れない。しかし、測定面の位置が焦点位置とのズレが比較的大きい範囲R2に入ると、2分割フォトダイオード108及び109に照射される半円状の収束光ビームは、その広がりが受光面内に納まり切らなくなる。そのため、第1検出強度Id1及び第2検出強度Id2は、測定面が焦点位置から遠ざかるにつれて低下し、やがては0と区別できないレベルにまで達する。この場合、フォーカス信号も実質0となるため、焦点が合っている場合と区別できなくなる(以下、焦点が合っている場合と区別できない焦点位置を「偽の焦点位置」と呼ぶこともある。また、偽の焦点位置と区別するため本来の焦点位置を「真の焦点位置」と呼ぶこともある)。その結果、光ピックアップ装置100が、偽の焦点位置において、焦点があったものと誤判定してしまう。そのため、フォーカス信号のみを用いる場合、誤判定を避けるためには、測定面の上下にある2つの偽の焦点位置までを合焦点の検出限界とし、これら2つの偽の焦点位置に挟まれた範囲を合焦点の検出範囲とする必要がある。
そこで、偽の焦点位置の問題を解決するため、合焦点検出において、フォーカス信号と合わせて、図7の一点鎖線で示すトータル信号も用いる。
トータル信号は、焦点が合っている場合を含む範囲R1において最大となり、範囲R2に入ると、測定面が焦点位置から遠ざかるにつれて低下し、偽の焦点位置までに達すると実質0になる。このことを利用すると、フォーカス信号の絶対値が第1参照強度Ir1よりも小さく実質0であっても、トータル信号が所定の値である第2参照強度Ir2よりも大きいか否かによって、測定面が真の焦点位置に合ったか、偽の焦点位置にあったかを区別することができる。しかし、フォーカス信号とトータル信号を組み合わせた場合であっても、上側及び下側のいずれの偽の焦点位置に合ったかまでは区別することができず、2つの偽の焦点位置に挟まれた範囲外からは合焦点動作における焦点位置の移動方向を定めることができない。また、測定面が焦点位置から遠ざかると第1及び第2検出強度の低下の問題もある。そのため、これら問題を避けるためには、合焦点の検出範囲は、フォーカス信号のみを用いる場合と同様、やはり2つの偽の焦点位置に挟まれた範囲で制限する必要が出てくる。
[第1の実施形態]
そこで、次に、上記問題を解消する本発明の第1の実施形態に係る光ピックアップ装置について説明する。ここでは、主に比較例に係る光ピックアップ装置と異なる点について説明する。
図1は、本実施形態に係る光ピックアップ装置の構成を示す図である。
本実施形態の光ピックアップ装置200は、比較例の光ピックアップ装置100に対して、更に受光部を追加した構成となっている。この新たに追加する受光部は、その受光面の位置が偽の焦点位置又はその近傍と共役関係になるように配置する。
図1の場合、比較例の光ピックアップ装置100に対して、一点鎖線で囲まれた構成を追加している。つまり、本実施形態の光ピックアップ装置200は、ビームスプリッタ104及び結像レンズ106間の反射光ビームの光路上に配置されたビームスプリッタ201、ビームスプリッタ201で反射された反射光ビームの一部を上側の偽の焦点位置又はその近傍と共役関係にある位置に集光させる結像レンズ202、並びに、結像レンズ202によって集光された反射光ビームの一部を受光する第2受光部としてのフォトダイオード203を備える。ここで、フォトダイオード203の受光面の位置は、図4の丸印Yで示すように、ワーク105の測定面よりも上側の偽の焦点位置近傍と共役関係にある。以下、検出した反射光ビームに基づいて出力されるフォトダイオード203からの信号を「追加検出信号」と呼ぶ。
2分割フォトダイオード108及び109並びにフォトダイオード203の出力は、フォーカス検出回路110に入力されている。フォーカス検出回路110は、2分割フォトダイオード108及び109のそれぞれの差分信号及び加算信号の平均値からフォーカス信号及びトータル信号を生成すると共に、これらフォーカス信号及びトータル信号と、フォトダイオード203からの追加検出信号とに基づいて、真の焦点位置、上下の偽の焦点位置を検出する。
次に、本実施形態の光ピックアップ装置200の動作原理について説明する。
図2は、本実施形態に係る光ピックアップ装置200におけるワーク102の測定面の位置とフォーカス信号、トータル信号、及び追加検出信号の関係を示すグラフである。また、図3は、本実施形態に係る光ピックアップ装置の場所毎の信号強度を示す表である。
本実施形態の場合も、2分割フォトダイオード108及び109の構成については図5の比較例の場合と同様であるため、フォーカス信号及びトータル信号も図7の比較例の場合と変わらない。
但し、本実施形態の場合、新たに追加されたフォトダイオード203の受光面が、上側の偽の焦点位置或いはその近傍と共役関係にあることから、追加検出信号の強度は、測定面が偽の焦点位置或いはその近傍になると最大の値となる。一方、フォトダイオード203の受光面は、真の焦点位置及び下側の偽の焦点位置とはその近傍も含めて共役関係にない。そのため、フォーカス信号及びトータル信号が実質0の場合であっても、フォーカス検出回路110が追加検出信号を併せて参照することで、上側の偽の焦点位置か否かを判定することができる。
つまり、本実施形態によれば、比較例の場合とは異なり、追加検出信号の強度によって上下の偽の焦点位置の区別がつくため、フォーカス動作時の移動方向を容易に定めることが出来る。また、偽の焦点位置よりも遠くにワークがあった場合でも追加検出信号の参照により、フォーカス動作を定めることができる。その結果、本実施形態によれば、偽の焦点位置で制限されることなく、合焦点位置の検出範囲が広い光ピックアップ装置を提供することができる。また、本実施形態では、図5に示した比較例の構成の反射光経路中に光学手段(201〜203)を追加するだけであるため、既存の構成をそのまま使用することができる。
[第2の実施形態]
第2の実施形態は、第1の実施形態の変形例である。
第1の実施形態のように、2つのうちいずれの偽の焦点位置かを検出するためには、第1の実施形態で説明した例に限らず、一方の偽の焦点位置近傍或いはその近傍と共役関係にある位置にフォトダイオード等の受光器を配置すれば良い。そこで、第2の実施形態では、その他の一例について説明する。
図4は、第2の実施形態に係る光ピックアップ装置300の構成を示す図である。
比較例における光ピックアップ装置100及び第1の実施形態の光ピックアップ装置200は、2分割フォトダイオードを2つ備えている。これは、複数の2分割フォトダイオードの検出信号の平均値を取ることで、ワーク102の測定面の傾斜変化に対応可能にするためである。つまり、光ピックアップ装置を測定面の傾斜変化がある程度少ない環境下で使用する場合、必ずしも複数の2分割フォトダイオードを設ける必要はない。そのため、2つある2分割フォトダイオードのうちの一方を、偽の焦点位置検出用の第2受光部として流用或いは変更することもできる。
図4の光ピックアップ装置300では、図1における2分割ダイオード109に代えて、偽の焦点位置検出用のフォトダイオード301を配置している。フォトダイオード301は、図4の丸印Yで示すように、上側の偽の焦点位置又はその近傍と共役関係にある位置に配置している。これによって、第1の実施形態における追加検出信号と同様の信号を、フォトダイオード301によって得ることができる。
なお、図4のように、三角プリズム107及びフォトダイオード301間の収束光ビームの光路上に結像レンズ302を設けることで、三角プリズム107及びフォトダイオード301間の距離を短くすることができる。これによって、光ピックアップ装置300のサイズの増大を抑えることができる。フォーカス検出回路303は、2分割フォトダイオード108とフォトダイオード301の出力を入力して、フォーカス信号、トータル信号及び追加検出信号を生成する。
以上のように、本実施形態によれば、第1の実施形態よりも少ない構成によって、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態によれば、2分割フォトダイオード108に入射する収束光ビームの一部が、第1の実施形態のように追加検出信号用に利用されることがないので、2分割フォトダイオード108に入射される光量を増やすことが出来る。
なお、以上は、フォーカスエラー検出のため、測定対象に対する合焦状態によって第1受光部での結像形態を変化させる光学手段として、ナイフエッジ法を適用した三角プリズムを用いたが、ダブルエッジ法、ピンホール法、フーコー法、非点収差法等、他の方法によりフォーカスエラーを検出するプリズム、ピンホール形成体、レンズ等の光学手段を有する光ピックアップ装置にも適用可能であることは言うまでも無い。
100、200、300・・・光ピックアップ装置、101・・・半導体レーザ、102・・・ワーク、103・・・コリメータレンズ、104、201・・・ビームスプリッタ、105・・・対物レンズ、106、202、302・・・結像レンズ、107・・・三角プリズム、108、109・・・2分割フォトダイオード、110、303・・・フォーカス検出回路、203、301・・・フォトダイオード。

Claims (7)

  1. 光源と、
    前記光源からの光を光軸方向に沿って測定対象に照射する照射光学系と、
    前記測定対象に照射され前記測定対象から反射された反射光を前記照射光学系の焦点位置と共役関係にある第1位置に結像する結像光学系と、
    前記第1位置に配置され、前記結像光学系によって結像された前記反射光を受光する第1受光部と、
    前記測定対象から前記第1受光部までの光路上に配置され、前記測定対象に対する合焦状態によって前記第1受光部での結像形態を変化させる光学手段と、
    前記第1受光部の受光信号から生成され、前記測定対象が前記光軸方向における焦点位置にあるとき出力がゼロとなり、前記測定対象が前記光軸方向において前記焦点位置から離れた所定の位置にあるとき出力がゼロ近傍に収束するフォーカス信号を出力するフォーカス検出回路と、
    前記第1位置とは共役関係にない第2位置に配置され、前記測定対象からの反射光の一部を受光し、前記測定対象が前記所定の位置又はその近傍にあるときピークの受光量を検出する第2受光部と
    を備えたことを特徴とする光ピックアップ装置。
  2. 前記光学手段は、三角プリズム法、ピンホール法、ナイフエッジ法、フーコー法及び非点収差法のいずれかの方法により、前記第1受光部での結像形態を変化させるものである
    ことを特徴とする請求項1記載の光ピックアップ装置。
  3. 前記光学手段は、前記結像光学系からの反射光を2方向に分割する三角プリズムであり、
    前記第1受光部は、前記三角プリズムで反射された反射光を受光する受光面が少なくとも第1及び第2領域に分割された2分割ディテクタであり、
    前記フォーカス検出回路は、
    所定の信号強度を第1参照強度、前記第1参照強度よりも大きい信号強度を第2参照強度とし、前記反射光の受光によって前記第1、第2領域が出力する信号の強度を第1、第2検出強度とした場合、
    前記焦点位置が前記測定対象の測定面にある場合、前記第1及び第2検出強度の差の絶対値が前記第1参照強度よりも小さく、且つ、和が前記第2参照強度よりも大きくなり、
    前記第2受光部は、前記第1及び第2検出強度の差の絶対値が前記第1参照強度よりも小さく、且つ、和が前記第2参照強度よりも小さい場合に、前記焦点位置が前記測定対象の測定面にある場合よりも強度の大きい信号を出力する
    ことを特徴とする請求項1又は2記載の光ピックアップ装置。
  4. 第2受光部は、前記測定対象及び前記結像光学系間の前記反射光の一部を分岐した光路上に配置されている
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の光ピックアップ装置。
  5. 前記光学手段は、前記結像光学系からの反射光を2方向に分割する三角プリズムであり、
    第2受光部は、前記2方向に分割された反射光のうちの一方の光路上に配置されている
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の光ピックアップ装置。
  6. 前記光学手段は、前記結像光学系からの反射光を2方向に分割する三角プリズムであり、
    前記2方向に分割された反射光をそれぞれ受光する2つの前記第1受光部を備える
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の光ピックアップ装置。
  7. 光源と、
    前記光源からの光を測定対象に照射する照射光学系と、
    前記測定対象に照射され前記測定対象から反射された反射光を前記照射光学系の焦点位置と共役関係にある第1位置に結像する結像光学系と、
    前記測定対象から前記第1位置までの光路上に配置され、前記結像光学系からの反射光を2方向に分割する三角プリズムと、
    前記三角プリズムによって2方向に分割されたそれぞれの反射光の光路上の前記第1位置に配置され、前記結像光学系によって結像された前記反射光をそれぞれ受光する、それぞれが第1及び第2領域に分割された2つの2分割ディテクタと、
    前記各2分割ディテクタの受光信号から生成され、前記測定対象が焦点位置にあるとき出力がゼロとなり、前記測定対象が前記焦点位置から離れた所定の位置にあるとき出力がゼロ近傍に収束するフォーカス信号を出力するフォーカス検出回路と、
    前記測定対象から前記三角プリズムまでの光路上から分岐された光路上の前記第1位置とは共役関係にない第2位置に配置され、前記測定対象からの反射光の一部を受光し、前記測定対象が前記所定の位置又はその近傍にあるときピークの受光量を検出する第2受光部と
    を備えたことを特徴とする光ピックアップ装置。
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