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

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。
   

Images