JPH0829123A

JPH0829123A - 変位測定装置および光ピックアップ

Info

Publication number: JPH0829123A
Application number: JP18093294A
Authority: JP
Inventors: Hideo Maeda; 英男前田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-07-08
Filing date: 1994-07-08
Publication date: 1996-02-02
Anticipated expiration: 2018-07-07
Also published as: JP3423991B2

Abstract

(57)【要約】【目的】小さな面積の受光手段を用いることができ、
この場合にも、被測定物の変位を精度良く検出すること
が可能である。【構成】光源１からの光をコリメ−トするコリメ−ト
レンズ２と、ビームスプリッタ３と、コリメ−トレンズ
２からのコリメ−ト光を被測定物(例えば記録担体)５に
集光照射する対物レンズ４と、被測定物５からの反射光
が対物レンズ４，ビームスプリッタ３を介して入射する
集光手段１０と、集光手段１０によって集光された状態
の反射光が入射する回折手段１６と、回折手段１６から
の２つの回折光の間で干渉によって生ずる干渉縞が投影
され、該干渉縞を受光し、該干渉縞に基づいて、被測定
物５の変位を検出する受光手段７とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ディスク等の記録担
体などの被測定物の変位を測定する変位測定装置および
光ピックアップに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ディスクなどの光学的な記録担
体に記録された情報をその反射光を利用して再生した
り、あるいは情報を記録したりする光ピックアップが知
られている。

【０００３】この種の光ピックアップにはフォーカスサ
ーボ方式が使用されており、フォーカスサーボ方式とし
ては、非点収差法，臨界角法，イフエッジ法などがあ
る。中でも非点収差法(尾上守夫監修光ディスク技術
ラジオ技術社ｐ９９)は磁気ディスク用光学ヘッド
のほか、コンパクトディスク，レーザーディスクを含め
て光ディスク全般にも良く用いられている。

【０００４】その原理は、受光手段(光検出器)が４分割
受光面(各出力をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとする)となっていると
すると、入射光の焦点がディスクに合っているとき、そ
の反射光の像は光検出器の４分割受光面で円形となり、
このとき、フォーカス誤差出力である対角の受光面間の
差動出力(Ａ＋Ｃ)−(Ｂ＋Ｄ)は零となる。一方、ディス
クが対物レンズから遠くなったり近くなったりすると、
光検出器の４分割受光面の像が円形から長円形状にな
る。そのため、フォーカス誤差出力は正(遠い)あるいは
負(近い)になるので、この出力が零になるように対物レ
ンズの位置を調整して焦点を合わせる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、一般に、こ
の種の装置において、アクセスタイムを速めるために
は、光ピックアップの小型軽量化が重要である。しかし
ながら、従来の非点収差法のようなフォーカス検出法で
はビームの形状の変化を検出するため受光手段(受光素
子)までの距離(検出長)をある程度大きく（数ｃｍ）し
検出しなければ十分な感度を得ることができず、従っ
て、小型化には限界がある。また、受光素子上のスポッ
トは数ミクロンから数十ミクロンとかなり小さく、調整
が難しく、環境によってオフセットが生じるので不安定
である。

【０００６】本発明は、小型化等に適した変位測定装置
および光ピックアップを提供することを目的としてい
る。

【０００７】さらに、本発明は、小さな面積の受光手段
を用いることができ、この場合にも、被測定物の変位を
精度良く検出することの可能な変位測定装置および光ピ
ックアップを提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、本願出願人は、例えば図１に示すような
変位測定装置(光ピックアップ)を案出した。図１を参照
すると、この変位測定装置は、光源１からの光をコリメ
ートレンズ２，ビームスプリッタ３を介し対物レンズ４
によって被測定物(例えば光ディスク)５に集光照射し、
該被測定物５からの反射光を対物レンズ４，ビームスプ
リッタ３を介して２つの回折格子６ａ，６ｂからなる二
重回折格子６に平行光として入射させ、二重回折格子６
に平行光を入射させることで、回折光の間での干渉によ
り生ずる干渉縞の位相とピッチをフォトダイオードなど
の受光手段(受光素子)７で受光し、被測定物５の変位，
例えば被測定物５の光軸方向(被測定物への入射光の光
軸方向；対物レンズ４の光軸方向)ｘへの変位(移動量)
を検知するようになっている。

【０００９】ここで、第１の回折格子６ａと第２の回折
格子６ｂとからなる二重回折格子６を用いた干渉縞発生
原理について、図２乃至図４を用いて説明する。いま、
二重回折格子６の第１の回折格子６ａ，第２の回折格子
６ｂが、それぞれピッチΛ₁，Λ₂を有し、第１の回折格
子６ａに波長λの光が垂直に入射するとする。なお、垂
直入射でなくとも本発明の一般性は失われない。

【００１０】この二重回折格子６においては、第１の回
折格子６ａで±ｎ次光(ｎは正とする)を発生させ、第２
の回折格子６ｂではその＋ｎ次光の−ｍ次光(ｍは正と
する)とその−ｎ次光の＋ｍ次光(ｍは正とする)を発生
させる。そして、第２の回折格子６ａにより発生した±
ｍ次光同士を干渉させて干渉縞を発生させる。なお、＋
は入射光に対し進行方向左に回折する場合、−はその反
対の場合を表わす。

【００１１】ここで、＋ｎ次光の第１の回折格子６ａで
の回折条件は次式で表わされる。なお、−ｎ次の場合は
ｎを−ｎに替えれば良いので以下省略する。

【００１２】

【数１】ｓｉｎθ₁＝ｎλ／Λ₁

【００１３】また、第２の回折格子６ｂでの回折条件は
次式で表わされる。

【００１４】

【数２】−ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎθ₁＝ｍλ／Λ₂

【００１５】数１と数２よりθ₂について次式が導かれ
る。

【００１６】

【数３】ｓｉｎθ₂＝λ(ｎ／Λ₁−ｍ／Λ₂)

【００１７】図４(ａ)に示すように、θ₂の入射角の２
つの光(平面波)ＢＭ₁，ＢＭ₂による干渉縞のピッチΛ₀
は数４で表わされ、相対的な位相による干渉縞の位相は
数５で表わされる。

【００１８】

【数４】Λ₀＝λ／(２ｓｉｎθ₂)

【００１９】

【数５】β₀＝β₁

【００２０】ここで、β₀は干渉縞の位相、β₁は平面波
ＢＭ₁，ＢＭ₂間の位相である。従って、干渉縞のピッチ
と二重回折格子のピッチとの関係は数３，数４を用いて
数６で表わされる。

【００２１】

【数６】１／(２Λ₀)＝ｎ／Λ₁−ｍ／Λ₂

【００２２】また、二重回折格子６の場合（図４(ｂ)参
照）の位相関係については、正負の次数の回折光の干渉
についてのみ問題とすると、回折格子直後での位相関係
が逆になることから干渉縞の位相は数７で表わされる。

【００２３】

【数７】β₀＝２β₂

【００２４】これより、干渉縞のピッチは二重回折格子
６のピッチ(すなわち、第１の回折格子６ａのピッチΛ₁
と第２の回折格子６ｂのピッチΛ₂)のみに依存し、入射
光の波長λに全く無関係となることがわかる。光の径を
Ｗ₀とし、式６の右辺と左辺に掛けると数８が得られ
る。

【００２５】

【数８】(Ｗ₀／Λ₀)／２＝ｎＷ₀／Λ₁−ｍＷ₀／Λ₂

【００２６】ここで、Ｗ₀／Λ₀は光径内に生じる干渉縞
の本数であり、ｎＷ₀／Λ₁とｍＷ₀／Λ₂は第１の回折格
子６ａと第２の回折格子６ｂにおける光径内の回折格子
本数にそれぞれの次数を掛けたものである。すなわち、
次式となる。

【００２７】

【数９】《干渉縞の本数》／２＝次数×《第１の回折格
子の本数》−次数×《第２の回折格子の本数》

【００２８】このように干渉縞の本数と第１及び第２の
回折格子６ａ，６ｂの本数、さらにはそれぞれの次数の
関係が明らかになった。どの次数を用いても干渉縞は発
生するが、±１次光は回折効率が高いので、高次回折光
よりも優れている。すなわち、第１の回折格子６ａで発
生する＋１次光であって第２の回折格子６ｂの−１次光
(図３中Ｅ)及び、第１の回折格子６ａで発生する−１次
光であって第２の回折格子６ｂの＋１次光(図３中Ｆ)を
用いる場合が最も効率が良い。

【００２９】干渉縞本数の例としては±１次光のみ用い
た場合、高分解能化を目指し、Λ₁＝０．９４８μｍと
非常に高密度な回折格子を用いるとき、Λ₀＝１ｍｍと
大きくとるためには、Λ₂＝０．９４７６８μｍとな
る。

【００３０】Λ₁とΛ₂の違いは約０．０３％と非常に小
さいものとなるが作成は可能である。コリメート光の光
径を２ｍｍ程度とすると干渉縞が１，２本観測されるこ
ととなる。

【００３１】以上が二重回折格子６を用いた干渉縞発生
原理である。

【００３２】この二重回折格子を用いて被測定物の変位
を測定する仕方を図５に従って以下に述べる。

【００３３】図５を参照すると、被測定物５の面上に略
焦点を結ぶようにしたレンズ１０１を設定し、また、こ
のレンズ１０１の光軸上に二重回折格子６を設定する。

【００３４】なお、図５において、レンズ１０１の焦点
距離をｆ、レンズと被測定物の面までの距離をｂ₁、二
重回折格子側の集光位置をｂ₂、レンズ開口をＡとして
いる。また、レンズ焦点位置と被測定物の面との間の距
離(デフォーカス量)をｄとし、二重回折格子６(６ａ，
６ｂ)へ入射する角をθ(光軸の上の角をθ₁、下の角を
θ ₂)としている。この場合、二重回折格子６の第１，第
２の回折格子６ａ，６ｂ間の間隔をＴとし、ｄ＜＜ｆと
すると、次式が成立する。

【００３５】

【数１０】１／ｆ＝１／ｂ₁＋１／ｂ₂ θ＝Ａ／ｂ₂ ｂ₁＝ｆ＋ｄ

【００３６】数１０よりｂ₂は次式で表わされる。

【００３７】

【数１１】ｂ₂＝ｆｂ₁／(ｂ₁−ｆ)

【００３８】数１０，数１１からθは次式で表わされ
る。

【００３９】

【数１２】θ＝Ａ(ｂ₁−ｆ)／ｆｂ₁＝Ａｄ／ｆ(ｆ＋ｄ)
≒Ａｄ／ｆ²

【００４０】ここで、デフォーカス量ｄが微小すなわ
ち、ｄ＜＜ｆであるとした。この場合には、レンズ１０
１からの出射光はコリメート状態に近く、レンズ１０１
と二重回折格子６とが接近しているとすると、図６のよ
うに第１の回折格子６ａに沿ってｘ軸(光軸上でｘ＝０)
をとり、また、第２の回折格子６ｂに沿って、Ｘ軸(光
軸上でＸ＝０)をとるとき、Ａ＝ｘとできるから数１２
は次式となる。

【００４１】

【数１３】θ＝ｘｄ／ｆ²

【００４２】このように、位置(x)によって光線の入射
角が異なる。光軸に対して両側から二重回折格子６に入
射してきた光であって、二重回折格子６を２回とも回折
した光は図５に示すように出射面(干渉縞発生面)で交わ
る。この２つの光ＢＭ₃，ＢＭ₄は出射角が異なるので、
これらの間で干渉が生じ干渉縞が発生する。

【００４３】次に各位置での干渉縞のピッチを求める。
ｙ＝０でｘの所に光軸より上の光が入射してきた光が出
射面で出射する角θ₃は次式で表わされる(図７参照)。

【００４４】

【数１４】ｓｉｎθ₁−ｓｉｎθ₃＝λ(１／Λ₂−１／Λ₁)

【００４５】θ₁〜０、θ₃〜０なのでθ₃は次式とな
る。

【００４６】

【数１５】θ₃＝θ₁＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００４７】数１３を数１５に代入すると次式を得る。

【００４８】

【数１６】θ₃＝ｘｄ／ｆ²＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００４９】二重回折格子６の第２の回折格子６ｂの出
射面(ｙ＝Ｔ)での光の位置Ｘを規定したいが、簡単のた
め、第１回折光の回折角を４５°とすると、次式が得ら
れる。

【００５０】

【数１７】Ｘ＝ｘ−Ｔ

【００５１】数１７を数１６に代入すると次式を得る。

【００５２】

【数１８】 θ₃＝ｄ(Ｘ＋Ｔ)／ｆ²＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００５３】同様に、ｙ＝０でｘの所に光軸より下の光
が入射してきた光が出射面で出射する角θ₄は次式で表
わされる。

【００５４】

【数１９】 θ₄＝ｄ(Ｘ−Ｔ)／ｆ²＋λ(１／Λ₁−１／Λ₂)

【００５５】二光束の入射角がそれぞれθ₃とθ₄であっ
て、θ₃〜０、θ₄〜０のときの干渉縞のピッチΛ₀は次
式で表わされる。

【００５６】

【数２０】Λ₀＝λ／(｜ｓｉｎθ₃+ｓｉｎθ₄｜)＝λ／
(｜θ₃＋θ₄｜)

【００５７】数２０に数１８，数１９を代入すると、次
式が得られる。

【００５８】

【数２１】Λ₀(ｄ)＝λ／〔｜２ｄＴ／ｆ²＋２λ(１／
Λ₁−１／Λ₂)｜〕

【００５９】ここで、前述のように、λは波長、Ｔは２
つの回折格子６ａ，６ｂ間の距離、ｆは対物レンズ４の
焦点距離、Λ₁は第１の回折格子６ａのピッチ、Λ₂は第
２の回折格子６ｂのピッチである。この式から、二重回
折格子６によって発生する干渉縞は、位置Ｘに関わら
ず、デフォーカス量ｄに依存する等ピッチΛ₀(ｄ)の干
渉縞であることがわかる。なお、回折格子６ａと回折格
子６ｂのピッチが同じ場合(Λ₁＝Λ₂)には、干渉縞のピ
ッチΛ₀(ｄ)は次式で表される。

【００６０】

【数２２】Λ₀(ｄ)＝ｆ²／〔｜(ｄ／λ)｜２Ｔ〕

【００６１】デフォーカスのないとき(ｄ＝０のとき)
は、数２２よりΛ₀→∞となるが、デフォーカスの生じ
たときに干渉縞が発生する。従って、干渉縞のピッチや
位相のデフォーカスによる変化を読み取って、被測定物
の変位(より正確には、微小変位)ｄを得たり、フォーカ
スエラー信号Ｆｏを得ることができる。

【００６２】例えば、ピッチの同じ２つの回折格子６
ａ，６ｂからなる二重回折格子６に平行光を入射させ
て、第１の回折格子６ａでの＋１次光であって第２の回
折格子６ｂでの−１次光(Ｅ光とよぶ)と、第１の回折格
子６ａでの−１次光であって第２の回折格子での＋１次
光(Ｆ光とよぶ)とを干渉させて、数２２のピッチΛ
₀(ｄ)の干渉縞を発生させることができる。

【００６３】ここで、２つの回折格子６ａ，６ｂの位相
(回折格子の山と山の間隔)を故意にずらす。図８乃至図
１０には、２つの回折格子６ａ，６ｂの位相をずらした
状態が示されている。すなわち、図８乃至図１０には、
第１の回折格子６ａと第２の回折格子６ｂのピッチをΛ
(＝Λ₁＝Λ₂)としたときに、第１の回折格子６ａの山と
第２の回折格子６ｂの谷との位相差がΛ／８となるよう
にし、回折光として±１次光(前述のＥ光とＦ光)を用い
るとした場合が示されており、この場合、第２の回折格
子６ｂからの２つの回折光(Ｅ光，Ｆ光)の位相は９０°
(１／４ピッチ＝λ／４)ずれる。より詳しくは、デフォ
ーカスでないとき、Ｅ光とＦ光は波面が互いに平行であ
り、その等位相面は互いに櫛のように入り込む状態にな
る。なお、このときには、Ｅ光とＦ光の等位相面が交わ
らないので、干渉縞は発生しない。

【００６４】このように、図８は、上述のようにデフォ
ーカスのない場合を示しているが、デフォーカスｄが発
生すると、Ｅ光，Ｆ光の波面は、ミクロ的には図９，図
１０に示すように各々湾曲する。この湾曲によって等位
相面が交わり、数２２で表されるピッチΛ₀(ｄ)の干渉
縞が発生する。干渉縞はＥ光，Ｆ光の波面が交わってで
きるが、その交点は図中ＣＬＳで示すようにデフォーカ
スの正負によって移動する。これは左右の位相が反転す
ることを表す。干渉縞の光量分布は定性的には図１１に
示すようにデフォーカスによって変化し、干渉面内の左
側ＬＴ，右側ＲＴがｄ＝０を境にして反転することとな
る。従って、これを受光手段で読み取ることで、デフォ
ーカスｄを知ることができる。

【００６５】具体的には、干渉面内の左側ＬＴと右側Ｒ
Ｔのところに、それぞれ受光素子(例えばフォトダイオ
ード)を設置して、左側の受光素子の検知光量(出力)
Ａ’と右側の受光素子の検知光量(出力)Ｂ’との差ＤＩ
Ｆ(＝Ａ’−Ｂ’)を検出すると図１２に示すようないわ
ゆるＳ字カーブが得られる。

【００６６】図１３は上記原理を適用した光ピックアッ
プの構成例を示す図である。ここで、光源１には一般に
半導体レーザ(ＬＤ)が用いられる。この光ピックアップ
は、光源からの光を記録担体に集光照射して情報の記録
または再生を行なう光記録再生装置に用いられるもので
あり、図１３の構成では、光源１からの光をコリメート
レンズ２でコリメートしてビームスプリッタ３を介して
対物レンズ４に入射させ、対物レンズ４で集光させて被
測定物５としての記録担体に照射する。記録担体５から
の反射光は再び対物レンズ４，ビームスプリッタ３を介
して二重回折格子６に入射する。二重回折格子６におい
ては、これに入射した反射光により前述の原理で干渉縞
を発生させ、発生した干渉縞を受光手段(例えば図１４
(ａ)に示すような２分割の受光素子)７で受光し、２分
割受光素子の出力差ＤＩＦ（＝Ａ’−Ｂ’）に基づき記
録担体５のデフォーカス量ｄを検出し、検出されたデフ
ォーカス量ｄに基づいてフォーカスエラー信号Ｆｏを得
て、フォーカスサーボを施す。

【００６７】フォーカスエラー信号Ｆｏのみならず、ト
ラックエラー信号Ｔｒをも検知するには、フォーカス検
出法を用いつつ、受光手段７として図１４(ｂ)のように
４分割の受光素子(出力が各々Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)を用いれ
ばよい。こうすると、フォーカスエラー信号Ｆｏは数２
３で求められ、またプッシュプル法を用いてトラックエ
ラー信号Ｔｒは数２４で求められる。

【００６８】

【数２３】Ｆｏ＝(Ａ＋Ｂ)−(Ｃ＋Ｄ)

【００６９】

【数２４】Ｔｒ＝(Ａ＋Ｄ)−(Ｂ＋Ｃ)

【００７０】なお、トラックを検出する必要のないとき
は４分割の受光素子でなく、図１４(ａ)に示したような
２分割の受光素子(出力が各々Ａ’，Ｂ’)で十分であ
り、このときは２つの受光素子の出力差Ａ'−Ｂ’によ
りフォーカスエラーを検出できる。また、トラックをウ
ォブリング法で検出するときは同様に２つの受光素子の
出力差Ａ'−Ｂ’でフォーカスエラーを検出し、２つの
受光素子の出力の総和Ａ'＋Ｂ’でトラックエラーを検
出することができる。

【００７１】このように、二重回折格子６による干渉縞
を用いることで、小型化等に適した変位測定装置および
光ピックアップを提供できる。

【００７２】ところで、二重回折格子６からの光を受光
手段７で全て受光するには、受光手段７の面積として
(すなわち、２分割受光素子全体の面積，あるいは４分
割受光素子全体の面積，…として)、ビーム径よりやや
大きい面積が必要であり、受光手段７の面積が大きくな
ると応答速度がやや遅くなる。これに対応するには高速
対応の受光素子用の材料が必要であり、通常の受光素子
材料に比べて２割程度、コストが上昇する。

【００７３】本発明は、さらにこのような問題を改善す
ることを意図している。すなわち、被測定物の変位(例
えば対物レンズ４の光軸方向への被測定物の移動量)を
検知する際、小さな面積の受光手段を用いることがで
き、この場合にも被測定物の変位を精度良く検出するこ
との可能な変位測定装置および光ピックアップを提供す
ることを意図している。

【００７４】このため、請求項１記載の発明は、被測定
物からの反射光を集光させて回折格子に入射させ干渉縞
を発生させるよう構成されており、干渉縞が被測定物の
光軸方向への変位によって変化することを利用して、被
測定物の変位を高精度に測定できる。この際、受光手段
は、面積の小さなもので良い。

【００７５】また、請求項２記載の発明では、小さな受
光面積の受光手段(例えば２つの受光素子からなる受光
手段)で、デフォーカス量，フォーカスエラー信号を検
知できるので、非常に小型の光ピックアップを提供で
き、また、受光手段も高速に応答しかつ低コストのもの
にすることができる。

【００７６】また、請求項３記載の発明では、トラック
エラー検出とフォーカスエラー検出とのそれぞれに用い
る干渉縞が垂直方向に発生するので、例えば４分割の受
光素子をもつ非常に小型の受光手段でフォーカスエラー
信号、およびトラックエラー信号の両方を同時に検出で
きる。

【００７７】また、請求項４記載の発明では、非常に小
型の受光手段で記録信号をも検知することができる。

【００７８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１５は本発明に係る変位測定装置(例えば光ピ
ックアップ装置)の第１の実施例の構成図である。図１
５を参照すると、この変位測定装置は、光源(例えば半
導体レーザ)１と、光源１からの光をコリメ−トするコ
リメ−トレンズ２と、ビームスプリッタ３と、コリメ−
トレンズ２からのコリメ−ト光を被測定物(例えば記録
担体)５に集光照射する対物レンズ４と、被測定物５か
らの反射光が対物レンズ４，ビームスプリッタ３を介し
て入射する集光手段(例えば集光レンズ)１０と、集光手
段１０によって集光された状態の反射光が入射する回折
手段１６と、回折手段１６からの２つの回折光の間で干
渉によって生ずる干渉縞が投影され、該干渉縞を受光
し、該干渉縞に基づいて、被測定物５の変位(より正確
には、微小変位)に関する情報(対物レンズ４の光軸方向
への被測定物の変位(デフォーカス量)および／または対
物レンズの光軸方向と直交するトラック方向(記録担体
の放射方向)への被測定物の変位）を検出する受光手段
(例えばフォトダイオードなどの受光素子)７とを有して
いる。

【００７９】この第１の実施例では、回折手段１６は、
１つの回折格子により構成されている。すなわち、前述
した図１の装置では、回折手段６は、２つの回折格子６
ａ，６ｂからなる二重回折格子として構成され、二重回
折格子には、ビームスプリッタから平行光が入射するよ
うに構成されているが、本発明の第１の実施例では、回
折手段１６として、１つの回折格子だけを用い、この１
つの回折格子に平行光ではなく、集光手段１０からの集
光光を入射するよう構成されている。

【００８０】また、図１６は本発明に係る変位測定装置
の第２の実施例の構成図である。図１５に示した第１の
実施例の変位測定装置は、ビームスプリッタ３をコリメ
ートレンズ２と対物レンズ４との間に配置したが、この
第２の実施例の変位測定装置では、ビームスプリッタ３
を光源１とコリメートレンズ２との間に配置し、従っ
て、ビームスプリッタ３からの反射光を集光させた状態
で、１つの回折格子からなる回折手段１６に入射させる
よう構成されている。換言すれば、第２の実施例では、
ビームスプリッタ３自体が第１の実施例における集光手
段１０の機能を有し、従って、第１の実施例のように集
光レンズなどを別途に設ける必要をなくすことができ
る。

【００８１】第１の実施例，第２の実施例のいずれの変
位測定装置も、動作原理は、基本的には同じであり、光
源１からの光を対物レンズ４によって被測定物５に集光
照射し、該被測定物５からの反射光を集光して１つの回
折格子(回折手段)１６に入射させ、２つの回折光を生ぜ
しめ、２つの回折光の間で干渉により発生した干渉縞を
受光手段７で受光しこの干渉縞の位相とピッチの変化に
基づいて被測定物５の変位を検出するようにしている。

【００８２】受光手段７として、例えば、図１７(ａ)に
示すように、２分割の受光素子(例えば２つの受光面を
もつフォトダイオード)７ａ，７ｂを用いるとき、被測
定物５の光軸方向ｘへの移動に伴なって干渉縞の位相と
ピッチが変化することを２つの受光素子７ａ，７ｂの出
力差(Ａ’−Ｂ’)として読み取って、被測定物５の光軸
方向ｘの変位(移動量)を検出することができる。具体的
に、この変位測定装置が光ピックアップ装置であり、被
測定物５が記録担体（例えば光ディスク）であるとき、
上記原理により、記録担体５の光軸方向ｘへの移動量を
検知して、デフォーカス量，すなわちフォーカスエラー
を検出することができる。

【００８３】また、受光手段７として例えば、図１７
(ｂ)に示すように、４分割の受光素子(例えば４つの受
光面をもつフォトダイオード)７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ
を用いるとき、被測定物５の光軸方向Ｘへの移動に伴な
って干渉縞の位相とピッチが変化することを２つの受光
素子７ｃ，７ｄの出力和(Ａ＋Ｂ)と２つの受光素子７
ｅ，７ｆの出力和(Ｃ＋Ｄ)との差〔(Ａ＋Ｂ)−(Ｃ＋
Ｄ)〕として読み取って、被測定物５の光軸方向ｘの変
位(移動量)を検出することができる。これにより、この
変位測定装置が光ピックアップ装置であり、被測定物５
が記録担体（例えば光ディスク）であるとき、上記原理
により、記録担体５の光軸方向ｘへの移動量を検知し
て、デフォーカス量，すなわちフォーカスエラーを検出
することができる。

【００８４】さらに、被測定物５が光ディスクなどのよ
うに、その放射方向(トラック方向)にトラックパターン
を有しているときには、受光手段７には、このトラック
パターン像も投影されるので、受光手段７が図１７(ｂ)
のようになっている場合、このトラックパターン像が変
化することを２つの受光部７ｃ，７ｆの出力和(Ａ＋Ｄ)
と２つの受光部７ｄ，７ｅの出力和(Ｂ＋Ｃ)との差
〔(Ａ＋Ｄ)−(Ｂ＋Ｃ)〕として読み取って、被測定物
(光ディスク)５のトラックエラーを検出することができ
る。特に、本発明によれば、受光手段７への投影像とし
て、回折格子１６からの２つの回折光の干渉縞の変化方
向とトラックパターン像の変化方向とが直交したものと
なるので、これらが干渉し合うという事態をなくし、こ
れらを別個独立に信頼性良く検出できる。すなわち、フ
ォーカスエラーとトラックエラーとを互い独立に精度良
く検出できる。

【００８５】また、受光手段７が図１７(ｂ)のようにな
っている場合、４つの受光部７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆの
出力の総和(Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ)をとることで、被測定物
(光ディスク)５の記録信号をも検出することができる。

【００８６】次に、より詳細な動作原理について説明す
る。図１８には、１つの回折格子１６と、これに集光光
が入射するときに発生する回折光とが示されている。な
お、回折格子の次数は代表的な値として±１次光を示し
たが、これ以外の次数でも良い。

【００８７】本発明における回折光の干渉においては、
図１８に示すように、２つの回折光の等位相面がデフォ
ーカス(光ディスクの記録面と集光スポットとの間のず
れ量)のない状態で、互いに交わらないようにする。こ
れは回折格子１６の位相(回折格子１６に入射する光の
光軸に対する格子の位置)を適切にすることで設定でき
る。この場合には、干渉縞はほとんど発生しない(な
お、対物レンズや他の光学素子における収差の発生がほ
とんど無視できるほど無いことを前提とする)。

【００８８】この状態でデフォーカスが発生するとする
と、図１８の状態は、図１９あるいは図２０のように変
化する。なお、図１９は負のデフォーカス(ｄ＜０)によ
り入射する光の集束度がより大になったときを示してお
り、図２０は正のデフォーカス(ｄ＞０)により入射する
光の集束度が小になったときを示している。デフォーカ
スの正負は適宜定めることができるが、本実施例の場合
はこのようにする。

【００８９】図１９のように、負のデフォーカスのとき
は紙面右側において±１次光の等位相面が交叉するので
干渉縞の明部となり、紙面左側においては等位相面が間
に入るので干渉縞の暗部となる。これに対して、図２０
のように、正のデフォーカスにより集束度が小になった
ときは、紙面左側において±１次光の等位相面が交叉す
るので干渉縞の明部となり、紙面右側においては等位相
面が間に入るので干渉縞の暗部となる。

【００９０】従って、受光手段７が例えば図１７(ａ)に
示したような２分割受光素子７ａ，７ｂ(紙面左側の受
光素子７ａの出力をＡ’とし、右側の受光素子７ｂの出
力をＢ’とする)である場合、２分割受光素子ａ，ｂの
出力の差ＤＩＦ(＝Ａ’−Ｂ’)はデフォーカス量ｄに応
じて図２１のように、Ｓ字状に変化する。すなわち、デ
フォーカスのないときは前述のごとく干渉縞が発生しな
いので、出力の差ＤＩＦは０となる。また、デフォーカ
スがあるときは、出力の差ＤＩＦは０でなくなり、その
値は、デフォーカスが正の場合と負の場合とで逆符号と
なる。

【００９１】なお、図２１において、デフォーカス量ｄ
の絶対値が大きくなると出力差ＤＩＦ(＝Ａ’−Ｂ’)の
絶対値は小さくなる。これは、デフォーカスが甚だしく
なると、図２２に示すように等位相面の交叉するところ
が随所に発生するので干渉縞の発生が多くなり、左右の
アンバランスが検出できないので、Ａ’とＢ’とに差が
なくなるためである。

【００９２】このように、対物レンズ４の光軸方向ｘ
に、被測定物５がデフォーカスしていると、回折格子１
６からの回折光間で干渉縞が発生し、干渉縞が受光手段
７に投影されるが、光ディスクのトラックパターン像
(あるいはトラックパターンによる干渉縞)も受光手段７
に投影される。この場合、デフォーカスによる干渉縞と
トラックパターン像(あるいはトラックパターンによる
干渉縞)とが図２３に示すように互いに直交するよう
に、回折格子の格子方向とトラック方向とを直交させる
ことで、図１７(ｂ)に示したような４分割受光素子７
ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆの出力(Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ)に基づ
き、フォーカスエラー信号Ｆｏを数２５により得ること
ができ、また、トラックエラー信号Ｔｒを数２６により
得ることができる。

【００９３】

【数２５】Ｆｏ＝(Ａ＋Ｂ)−(Ｃ＋Ｄ)

【００９４】

【数２６】Ｔｒ＝(Ａ＋Ｄ)−(Ｂ＋Ｃ)

【００９５】なお、ＣＤ、ＣＤ−Ｒや相変化記録媒体や
ＷＯＲＭなどの記録の有無が反射光の光量で行なわれる
記録の場合は、フォーカスエラー信号やトラックエラー
信号を検出するだけでなく、受光量の総和、すなわち前
述の４分割受光素子や２分割受光素子の出力の総和をと
ることによって、記録信号をも検出することができる。

【００９６】なお、回折格子１６では、回折光の他に透
過光も発生するが、透過光と回折光は大きな角度で交わ
るため、これによって発生する干渉縞は間隔が小さく、
従って、２分割回折格子では判別できないため、Ｓ字カ
ーブに影響はない。

【００９７】また、図２４に示すように、回折格子１６
に垂直に光を入射させるときの回折角θは、回折格子の
ピッチをΛ、波長をλ、次数をｎとすると次式で表され
る。

【００９８】

【数２７】θ＝ｓｉｎ^-1(ｎλ／Λ)

【００９９】これにより、±１次光のみを発生させたい
ときは、±２次光が発生しない条件λ／Λ＞１／２とな
るように、波長とピッチを設定してやればよい。高次光
はエネルギーを分散させるので、これを防ぐことに効果
があるからである。

【０１００】また、次数は±１でなくとも、＋１次と−
２次とか、あるいは、＋２次と−３次とかいうように、
任意のものを選ぶこともできる。要は前述のように互い
の等位相面がデフォーカスがないときに、間に入るよう
にすればよい(交わらないようにすれば良い)のであり、
これは回折格子の位置(位相)を適切化することで可能で
ある。

【０１０１】本発明は、光ピックアップのおけるデフォ
ーカス量の測定のみならず、任意の微小な変位を測定す
ることにも用いることができる。Ｓ字カーブにおけるデ
フォーカス量はまさに微小変位そのものであるからであ
る。この場合、ある微小変位量に対しての干渉縞の分布
は回折光の位相を考慮した回折計算などにより容易に予
測することができ、実際の干渉縞を例えばＣＣＤで読み
取って微小変位を計測できる。なお、光ピックアップで
は、低いコスト化や高速読みだしの要求から受光手段７
としてフォトダイオードを用いるが、微小変位測定のた
めにはＣＣＤを用いるのが良く、ＣＣＤを用いること
で、干渉縞の分布をより正確に読み取ることができて、
より高精度に変位を測定できる。

【０１０２】このように、本発明の変位測定装置は、非
常に小型であり、上述のように高精度に変位を測定でき
るので、将来の小型光ピックアップに対応できる。ま
た、本発明の光ピックアップは、調整を極めてラフに行
なうことができる。すなわち、従来の光ピックアップの
受光素子上でのビーム径は数十ミクロンであるが、本発
明では受光素子上のビーム径はコリメート光径とほぼ同
じでミリ単位であり、従って、調整工程が一桁程度、楽
になる。調整工程がほとんど無いといっても過言ではな
い。また、本発明の光ピックアップはビーム形状が大き
いので、極めて耐環境性能が良い。

【０１０３】さらに、本発明では、集光光を１つの回折
格子に入射させるようにしているので、図１に示した変
位測定装置に比べて、干渉縞発生領域を小さくすること
ができ、これにより、小さな面積の受光手段(受光素子)
ですむ。また、回折格子を２つ用いずに１つだけにする
ことができ、この場合であっても干渉縞が発生し、かつ
被測定物のデフォーカスによって干渉縞の位相が変化す
るので、例えば２分割の受光素子の出力差によりＳ字カ
ーブを得ることができる。

【０１０４】なお、例えば第１の実施例では、ビームス
プリッタ３は、光源１，コリメートレンズ２からの光を
透過し、被測定物５からの反射光を反射するようになっ
ているが、これとは逆に、光源１，コリメートレンズ２
からの光を反射して被測定物５に入射させ、被測定物５
からの反射光を透過するように構成されても良い。

【０１０５】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１記載の
発明によれば、被測定物からの反射光を集光させて回折
格子に入射させ干渉縞を発生させるよう構成されてお
り、干渉縞が被測定物の光軸方向への変位によって変化
することを利用して、被測定物の変位を高精度に測定で
きる。この際、受光手段は、面積の小さなもので良い。

【０１０６】また、請求項２記載の発明によれば、小さ
な受光面積の受光手段(例えば２つの受光素子からなる
受光手段)で、デフォーカス量，フォーカスエラー信号
を検知できるので、非常に小型の光ピックアップを提供
でき、また、受光手段も高速に応答しかつ低コストのも
のにすることができる。

【０１０７】また、請求項３記載の発明によれば、トラ
ックエラー検出とフォーカスエラー検出とのそれぞれに
用いる干渉縞が垂直方向に発生するので、例えば４分割
の受光素子をもつ非常に小型の受光手段でフォーカスエ
ラー信号、およびトラックエラー信号の両方を同時に検
出できる。

【０１０８】また、請求項４記載の発明によれば、非常
に小型の受光手段で記録信号をも検知することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】変位測定装置の一構成例を示す図である。

【図２】干渉縞の発生を説明するための図である。

【図３】干渉縞の発生を説明するための図である。

【図４】干渉縞の発生を説明するための図である。

【図５】微小変位の測定方法を説明するための図であ
る。

【図６】微小変位の測定方法を説明するための図であ
る。

【図７】微小変位の測定方法を説明するための図であ
る。

【図８】図１の変位測定装置による被測定物のデフォー
カス量の検出を説明するための図である。

【図９】図１の変位測定装置による被測定物のデフォー
カス量の検出を説明するための図である。

【図１０】図１の変位測定装置による被測定物のデフォ
ーカス量の検出を説明するための図である。

【図１１】デフォーカス量による干渉光の光量分布を示
す図である。

【図１２】デフォーカス量の変化に応じた２つの受光素
子の出力差の変化を示す図である。

【図１３】光ピックアップの構成例を示す図である。

【図１４】受光手段の構成例を示す図である。

【図１５】本発明に係る変位測定装置の第１の実施例の
構成図である。

【図１６】本発明に係る変位測定装置の第２の実施例の
構成図である。

【図１７】受光手段の構成例を示す図である。

【図１８】本発明に係る変位測定装置の動作原理を説明
するための図である。

【図１９】本発明に係る変位測定装置の動作原理を説明
するための図である。

【図２０】本発明に係る変位測定装置の動作原理を説明
するための図である。

【図２１】デフォーカス量の変化に応じた２つの受光素
子の出力差の変化を示す図である。

【図２２】デフォーカス量の絶対値が大きいときの状態
を説明するための図である。

【図２３】干渉縞を示す図である。

【図２４】回折格子に光を垂直に入射させたときの状態
を示す図である。

【符号の説明】

１光源２コリメートレンズ３ビームスプリッタ４対物レンズ５被測定物６，１６回折手段７受光手段１０集光手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を被測定物に集光照射し、
前記被測定物からの反射光に基づき、被測定物の変位を
測定する変位測定装置において、前記被測定物からの反
射光を集光する集光手段と、集光手段により集光させた
光が入射することで２つの回折光を生じさせ、２つの回
折光の間で干渉により干渉縞を発生させる回折格子と、
前記被測定物に入射する光の光軸方向への前記被測定物
の移動に伴なう前記干渉縞の変化を読み取って前記光軸
方向への前記被測定物の変位を検知する受光手段とを有
していることを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】光源からの光を記録担体に集光照射して
情報の記録または再生を行なう光記録再生装置の光ピッ
クアップにおいて、記録担体からの反射光を集光する集
光手段と、集光手段により集光された光が入射すること
で２つの回折光を生じさせ、２つの回折光の間で干渉に
より干渉縞を発生させる回折格子と、前記記録担体に入
射する光の光軸方向への前記記録担体の移動に伴なう前
記干渉縞の変化を読み取って前記記録担体の前記光軸方
向へのデフォーカス量を検知する受光手段とを有してい
ることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項３】請求項２記載の光ピックアップにおい
て、前記受光手段は、デフォーカスによる干渉縞の分布
を読み取ることでフォーカスエラー信号を検出し、記録
担体上のトラックパターンによる干渉縞を読み取ること
でトラックエラー信号を得ることを特徴とする光ピック
アップ。
【請求項４】請求項２記載の光ピックアップにおい
て、前記受光手段は、前記記録担体に記録された情報を
も記録信号として検知可能に構成されていることを特徴
とする光ピックアップ。