JPH05258338A

JPH05258338A - 光検出系

Info

Publication number: JPH05258338A
Application number: JP4052233A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shimano; 健島野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-11
Filing date: 1992-03-11
Publication date: 1993-10-08

Abstract

(57)【要約】【構成】半導体レーザ１から光はコリメートレンズ２，
ビームスプリッタ３を透過し、ガルバノミラー４で反射
されて対物レンズ５により被観察物体６上に集光され
る。反射された光はビームスプリッタ３で反射され、集
光レンズ７でディテクタアレイ８に集光される。ディテ
クタアレイの各セルの出力電圧は最大値検出回路９によ
りその最大値のみを出力する。ディテクタアレイの各セ
ルの大きさは集光レンズ７による集光スポットサイズよ
り小さく設定される。【効果】ディテクタセルで検出される光の物体面上での
実効的な点像分布は、集光されている点像分布の２乗と
なるため分解能が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ディスク装置，光学
顕微鏡などの集光検出光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ディスクの記録密度や、光学顕微鏡の
分解能を決めるそれらの対物レンズの最小集光スポット
サイズは光学で言う回折限界によってほとんどの場合、
その上限が決まっている。これは対物レンズの開口数Ｎ
Ａ，光の波長λとすれば、λ／ＮＡでほぼ与えられる。

【０００３】従って、回折限界の性能を向上させるに
は、波長を短くするか、またはレンズの開口数を大きく
する必要がある。前者は光ディスクなどでは非線形光学
結晶による第２高調波発生を用いるなどのアプローチが
行われているが効率や波面精度の点でまだ実用にはなっ
ていない。後者はレンズに非球面を用いることで、面数
の少ない性能のよいレンズが作られるようになっている
が、焦点深度や画角の制限もあり、これ以上の向上は望
めない状況となっている。

【０００４】また回折限界より小さいスポットサイズを
得るアプローチとして、超解像という方法も提案されて
いる。これは中心ピークの小さい回折像の得られるよう
な、瞳関数を選ぶという方法で、簡単な例は瞳の中心を
円形に遮光する方法がある。しかし、これは一般に中心
ピークが小さくなるだけで、サイドローブが大きくなる
などの欠点がある。

【０００５】最近、パリティ１９９０年３月号１２〜２
１ページに述べられているように共焦点光学顕微鏡の概
念が提案されている。これはディテクタへの集光光学系
の焦点位置にピンホールを置くことにより、それを通過
した光の物体面上の実効的な点像分布関数が瞳関数の回
折像の点像分布関数とピンホールを物体面上へ投影した
点像分布関数との積となって幅が狭くなることを利用し
た方法である。これにより実効的な分解能が回折限界よ
りも１.４倍向上することが示されている。しかし、ピ
ンホールの位置に精密な調整が要求される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、第２高調波発生などで使用波長を短くするには効率
の点でまだ問題がある。波長の短いエキシマレーザなど
を用いれば良いが、光学系が大きく、レンズ系も複雑に
なる。レンズのＮＡを向上させるのはもはや限界に近
い。瞳の遮光による超解像はスポットにサイドローブが
現れるのが問題である。共焦点方式ではピンホールの位
置の調整が難しく、光偏向に伴いディテクタ上で光スポ
ットが動く音響光学光偏向器，電気光学光偏向器は適用
できないという問題点があった。

【０００７】本発明の目的は、無調整で高速かつ高効率
に回折限界の性能を越える光検出系を実現することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明では、受光面に２次元的なアレイ状の受光素
子を置くものである。このときそのアレイの１素子はそ
こに集光される光スポットの大きさより小さいものとす
る。また物体面への集光レンズ，アレイ状光検出器への
集光レンズはほとんど無収差である必要がある。ここで
光検出器への集光レンズは、その開口数を、アレイサイ
ズが回折限界スポット径より小さくなるよう、また有効
径が物体面への集光レンズの有効径に比べて大きくなる
ように選択する。さらに各受光セルからの出力電流の最
大値を出力する電気回路を併設し、受光面上で光スポッ
トが動いても常に一つのアレイ素子だけで検出される最
大値を出力するようにする。光源をインコヒーレント光
源でなく、レーザを用いれば点像分布関数はより小さく
なる。さらに半導体レーザを用いれば光学系がコンパク
トにまとめられる。さらに光偏向器に音響光学光偏向器
や電気光学光偏向器を用いることもできる。

【０００９】

【作用】本発明では基本的には共焦点光学系の原理を用
いている。ここでピンホールの役を果たしているのは、
アレイ状受光素子である。アレイ中の１セル素子の大き
さを集光される光スポットより小さくしているため、こ
れが共焦点光学系におけるピンホールに相当する。検出
される光の物体面上での実効的な点像分布はこの１セル
の物体面上への結像における点像分布と実際の点像分布
との積となる。レンズ系がほとんど無収差であればこの
実効的点像分布は実際の点像分布の２乗となり、もとの
瞳による点像分布よりその分布の大きさが小さくなる。
これにより光学的回折限界を越える光検出が可能とな
る。また受光面上で光スポットが動いても、別の受光セ
ル上に移動するだけであるため、各セルからの出力の
内、最大値を検出して出力する電気回路を併設すれば、
光スポットの動きに実質的に不感な共焦点光検出系が実
現できる。従って、従来の共焦点顕微鏡に要求されてい
た、ピンホールの精密な位置決めが不要となる。

【００１０】光スポットを物体上で走査するにあたって
は、ガルバノミラーなどの静電アクチュエータや、ＡＯ
光偏向器などで光スポットだけを高速に走査することが
できる。ガルバノミラーを用いて物体からの反射光を検
出する場合には、反射光をディテクタ光学系へ導くビー
ムスプリッタをガルバノミラーより光源側に配置する
と、反射光はガルバノミラーを往復の２回通るので、デ
ィテクタ上の光スポットは光走査に際しても動かない。
ＡＯ光偏向器やＳＡＷ光偏向器など音響光学光偏向素子
や、電気光学光偏向素子を用いる場合には、一般に、再
び、偏向器に光を入射させるのが難しいので、ディテク
タ上の光スポットは動いてしまうが、この場合にも本発
明では反射光を検出することができる。

【００１１】光源にはインコヒーレント光源でなくレー
ザ光源を用いた方が物体面上での点像分布が小さくな
る。さらに半導体レーザを用いると光学系を小型に構成
することができる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の基本的な全体構成を示す。半
導体レーザ１からのレーザ光はコリメートレンズ２によ
って平行光とされ、ビームスプリッタ３を透過し、ガル
バノミラー４で反射されて対物レンズ５により被観察物
体６上に集光される。反射された光は再び対物レンズ
５，ガルバノミラー４を通ってビームスプリッタ３で反
射され、集光レンズ７でディテクタアレイ８に集光され
る。ディテクタアレイの各セルの出力電流は電圧に変換
されて、最大値検出回路９によりその最大値を出力して
いるセルの出力電圧のみを出力する。ディテクタアレイ
８の各セルの大きさは集光レンズ７による集光スポット
サイズより小さく設定されているため、レンズ系が無収
差であれば最大出力のセルのレンズ系による物体面上で
の仮想的な像は回折限界の点像分布となる。一方、実際
に照射されている光スポット分布も回折限界のスポット
サイズであるから、実効的に検出される光の点像分布は
これらの積となり、回折限界の点像分布の２乗の分布と
なる。これより、実効的スポットサイズが小さくなるた
め分解能が向上する。

【００１３】図２はディテクタアレイ部分の拡大図であ
る。集光された光のビームウェストの位置にディテクタ
アレイ８が置かれている。アレイの１セルの大きさはビ
ーム径よりも小さい。ディテクタアレイの各セルの出力
は最大値検出回路によって最大値セルの出力のみを選択
して出力する。

【００１４】図３は光偏向器に音響光学光偏向器の一種
である表面弾性波光偏向素子を用いた場合の実施例であ
る。半導体レーザ１は光導波路１０の端面に近接して固
定されており、光導波路に挿入されたレーザ光は光導波
路レンズ１１で平行光とされ、表面弾性波励振トランス
デューサ１２から発生する表面弾性波によってブラッグ
回折される。その回折方向は表面弾性波の周波数によっ
て制御される。光導波路を出射した光はシリンドリカル
レンズ１３によってコリメートされ、ビームスプリッタ
３を通過したのち、固定ミラー１４，対物レンズ５を経
て被検物体６で反射し、再び、同じ経路を戻ってビーム
スプリッタ３を反射して、ディテクタ系に至る。ここで
光は偏向器である表面弾性波には戻らないため、ディテ
クタアレイ８上では集光スポットが光偏向に伴って動
く。従来のピンホールを置いただけの共焦点光学系では
ディテクタ上で光スポット位置が動くことは許されなか
ったため、表面弾性波光偏向素子を用いることはできな
かった。

【００１５】図４は本発明を追記型光ディスク用ピック
アップに応用した例である。半導体レーザ１からの光は
コリメートレンズ２でコリメートされた後、偏光ビーム
スプリッタ１５を通りλ／４板１６，ミラー１４，対物
レンズ５を経て光ディスク１７に集光される。対物レン
ズ５はディスクの面ブレに焦点を追随させるため、ボイ
スコイルアクチュエータなどによって支持する。反射さ
れた光はλ／４板１６で往路と偏光方向が９０゜回転
し、偏光ビームスプリッタでほぼ完全にディテクタ系に
反射される。制御信号はディテクタアレイ上の最大強度
セルの位置を基準セル位置として、必要な範囲内のセル
の出力の総和，差分演算を行うことにより得る。光磁気
ディスクに応用するにはディテクタ前に偏光板を挿入
し、偏光ビームスプリッタを通常のビームスプリッタに
代え、λ／４板を除去する。

【００１６】図５は従来の共焦点光学系である。光源側
ピンホール１８はインコヒーレント光源のコヒーレント
化のために設けたものである。また１９は光検出器であ
る。

【００１７】

【発明の効果】共焦点光学系のディテクタにディテクタ
アレイを導入することにより、ピンホール位置の調整が
不要な共焦点光検出系を提供する。また、ディテクタ面
上で光スポットの動きを伴う音響光学光偏向素子を用い
ることが可能となる。光ディスクに応用すれば記録密度
を向上させることができる。すなわち、従来の光ディス
ク技術では光スポットより小さいピットを記録すること
はできるが読み出すことはできなかった。本発明によれ
ばその読み出しが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ディテクタアレイを用いた共焦点光検出系の説
明図。

【図２】ディテクタアレイ部の斜視図。

【図３】表面弾性波光偏向素子を用いた共焦点光検出系
の説明図。

【図４】光ディスクへの応用例の説明図。

【図５】従来の共焦点顕微鏡の説明図。

【符号の説明】

１…半導体レーザ、２…コリメートレンズ、３…ビーム
スプリッタ、４…ガルバノミラー、５…対物レンズ、６
…被検物体、７…集光レンズ、８…ディテクタアレイ、
９…最大値検出回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの光を物体に集光し
て照射させる第１の光学系と、前記光源に照射されて反
射または透過した光を再び集光する第２の光学系と、前
記第２の光学系による集光面に置かれた光検出器と、前
記物体上に集光された光を前記物体上で走査する光偏向
機構とよりなる光検出系であって、前記光検出器が集光
面内において２次元アレイ状に分割された構造を有し、
その分割された一つの前記光検出器の大きさが前記光検
出器上に集光される光スポットの大きさより小さいこと
を特徴とする光検出系。
【請求項２】請求項１において、前記光検出器の各分割
光検出器からの電流出力の最大値を検出して出力する電
気回路を付加した光検出系。
【請求項３】請求項１において、前記光源がレーザであ
る光検出系。
【請求項４】請求項１において、前記光偏向機構に音響
光学光偏向素子、または電気光学光偏向素子を用いた光
検出系。
【請求項５】請求項１において、前記光源が半導体レー
ザである光検出系。