JPH09318439A

JPH09318439A - 焦点検出装置および変位検出装置

Info

Publication number: JPH09318439A
Application number: JP8134838A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Doi; 正明土肥
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】導波路基板の機械的な加工が不要で、簡単な構
成で小型の焦点検出装置を提供する。【解決手段】光源１１からの光を集光レンズ１３により
被検物体１４に照射する。反射光の光スポット１６の両
脇の位置、同じ方向に傾斜した光導波路２、３を配置し
ておく。被検物体１４が集光レンズ１３の焦点位置から
ずれると光スポット１６も焦点位置からずれ、光導波路
２、３の端面１０１、１０２には、波面が曲面の反射光
が到達する。このとき、光導波路２、３が傾斜している
ため、光導波路２に励振される導波光強度と、光導波路
３に励振される導波光強度とに差が生じ、両者の差を求
めることによりフォーカスエラー信号が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検物体が焦点位
置に存在するかどうかを光導波路を用いて検出する焦点
検出装置に関する。また、被検物体の変位を光導波路を
用いて検出する変位検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信や光計測の分野で光導波路
が注目されている。その理由は、光導波路を用いること
により、装置の光学系の小型軽量化を図ることができ、
また、光軸の調整が不要になるという利点を有している
からである。

【０００３】光導波路を応用した装置の一つして、光デ
ィスクのピックアップ等に用いられる焦点検出装置が、
例えば特開平２−４４５５４号公報に記載されている。
この装置は、基板上に少なくとも３本の光導波路を形成
し、基板に機械的な加工を施して、基板の一端面を階段
形状にすることにより、３本の光導波路の端面の位置を
光軸方向の異なる位置にしている。この３本の光導波路
には、光源と光検出器がそれぞれ取り付けられている。

【０００４】光源から出射された光は、それぞれ３本の
光導波路を通り、それぞれの端面から出射された後、集
光レンズによって被検物体上に集光される。被検物体で
反射した光は、再び集光レンズを通って、３本の光導波
路の各端面に戻り、光導波路を通って、光検出器で光量
が検出される構成である。

【０００５】ここで、中央の光導波路からの出射光が、
被検物体上で焦点を結ぶように、基板および集光レンズ
を配置すると、両脇の光導波路からの出射光は、被検物
体１５０の前方および後方にそれぞれ焦点を結ぶ。光導
波路に入射する反射光の光量は、被検物体が光導波路の
合焦点に位置するときに最大になるため、中央の光導波
路からの出射光が焦点を結ぶ位置を基準（０点）とし
て、被検物体が光軸方向に移動したときの、両脇の光導
波路に入射する反射光の光量差を求めることにより、Ｓ
字特性を持つフォーカスエラー信号が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
特開平２−４４５５４号公報記載の焦点検出装置は、導
波路を形成する基板に機械的な加工を施し、基板を階段
形状にして、３本の光導波路の端面位置を光軸方向に異
なる位置にする必要がある。そのため、量産に適してい
るとは言えない。

【０００７】本発明は、光導波路基板の機械的な加工が
不要で、簡単な構成で小型の焦点検出装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、下記の焦点検出装置が提供され
る。

【０００９】すなわち、被検物体に向けて光を照射する
照明手段と、前記被検物体からの反射光を検出するため
の検出手段と、前記照明手段から照射された光を被検物
体に集光するとともに、前記被検物体からの反射光を検
出手段に集光する集光レンズとを有し、前記検出手段
は、前記被検物体からの反射光を端面から入射させて伝
搬するための２本の光導波路と、前記２本の光導波路を
伝搬してきた光の光量を検出する光量検出手段とを備
え、前記２本の光導波路は、前記反射光の光軸が前記２
本の光導波路の端面の間を通るように配置されている焦
点検出装置が提供される。

【００１０】被検物体が、集光レンズの焦点位置からず
れた場合には、２本の光導波路の端面における反射光の
波面が傾く。よって、２本の光導波路に励振される導波
光強度を検出手段により検出することで、被検物体が焦
点位置にあるかどうかを検出することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。

【００１２】まず、本発明の第１の実施の形態の焦点検
出装置について図１を用いて説明する。

【００１３】第１の実施の形態の焦点検出装置は、図１
のように、２本の光導波路２、３が形成された基板１
と、基板１と被検物体１４との間の光軸１０３上に順に
配置されたハーフミラー１２および対物レンズ１３とを
有している。ハーフミラー１２により、分岐された光軸
１０４上には、光源１１が配置される。光導波路２、３
は、基板１の側面１５にそれぞれの入射端１０１、１０
２と出射端を露出するように形成されている。また、光
導波路２、３は、それぞれ曲がり部２０１、２０２を有
している。光導波路２、３のうち、曲がり部２０１、２
０２よりも入射端１０１、１０２側の部分は、光の伝搬
方向が光軸１０３に対して角度θだけ傾斜するように形
成されている。傾斜する向きは、光導波路２、３のいず
れも光源１１が配置されている側あるいはその逆側であ
る。また、光導波路２、３のうち、曲がり部２０１、２
０２よりも先の部分は、光軸１０３に平行に形成され、
基板１の反対側の側面に取り付けられた光検出器２２、
２３にそれぞれ光を導く構成である。光検出器２２、２
３は、差動増幅器２０４に接続され、検出した光量の差
が出力される。

【００１４】光導波路２、３は、少なくとも入射端１０
１、１０２の部分がシングルモード導波路となるように
形成する。

【００１５】なお、基板１は、光導波路２の入射端面１
０１と光導波路３の入射端面１０２との間の中点に、光
軸１０３が位置するように配置する。しかも、被検物体
１４が対物レンズ１３の焦点に位置するときに、その反
射光が基板１の側面１５上で焦点を結ぶように、基板１
を配置する。

【００１６】基板１に光導波路２、３を形成する方法と
しては、例えば、基板１としてニオブ酸リチウム基板を
用い、光導波路２、３の領域をプロトン交換する方法や
Ｔｉを熱拡散する方法等を用いることができる。また、
基板１として、半導体基板を用い、光導波路２、３を半
導体材料で構成することもできる。例えば、ＧａＡｓ基
板を用い、ＡｌＧａＡｓをクラッドにしてＧａＡｓによ
り光導波路２、３を形成することができる。この場合、
半導体基板１上に光導波路２、３と光検出器２２、２３
とを集積することができる。

【００１７】このような構成の焦点検出装置では、光源
１１から発せられた光は、ハーフミラー１２で反射した
後、対物レンズ１３によって被検物体１４上に集光され
る。被検物体１４で反射した光は、再び対物レンズ１３
を通り、ハーフミラー１２を透過して基板１の側面１５
に集光され、光スポット１６をつくる。光スポット１６
は、基板１の側面１５上の、光導波路２、３の入射端面
１０１、１０２の間に形成される。光導波路２、３にそ
れぞれ入射した反射光は、光導波路２、３を伝搬して光
検出器２２、２３によって検出され、その光量差が差動
増幅器２０４によって出力される。

【００１８】ここで、光導波路２、３に励振される導波
光の強度について図２を用いて説明する。

【００１９】光導波路２、３を伝搬する導波光の電界分
布４、５は、図２のように、導波路の幅方向に分布して
いる。

【００２０】被検物体１４が対物レンズ１３の焦点位置
にあるときには、図２（ａ）のように、基板１の側面１
５上に集光される光スポット１６は回折限界まで絞られ
ている。このため、光導波路２、３の入射端面１０１、
１０２では、導波光はほとんど励振されない。よって、
光導波路２、３を伝搬する導波光はほとんどない。

【００２１】被検物体１４が焦点位置から前側（対物レ
ンズ１３に近い側）にずれているときには、光スポット
１６は、その波面２１は、図２（ｂ）のように光軸１０
３を中心とした曲面になる。このとき、波面２１の傾斜
は、導波路２側では、導波光の電界分布４の方向と平行
に近いため、導波路２の入射端面１０１における光スポ
ット１６の波面２１と、導波光の電界分布４との整合性
が良い。よって、導波路２の入射端面１０１では、反射
光によって、導波光が強く励振される。

【００２２】一方、導波路３側では、反射光の波面２１
の傾斜が、導波光の電界分布５の方向から大きくずれて
いるため、導波光３の入射端面１０２における光スポッ
ト１６の波面２１と、導波光の電界分布５との整合性が
良くない。よって、導波路３においては、励振される導
波光の強度は、導波路２よりも小さい。

【００２３】逆に、被検物体１４が焦点位置から後ろ側
（対物レンズ１３から遠い側）にずれているときには、
光スポット１６は広がり、基板１の側面１５における波
面２２は、図２（ｃ）のような曲面になる。曲面の傾斜
は、図２（ｂ）の場合とは逆向きになる。よって、波面
２２の傾斜は、導波路３側では、導波光の電界分布５の
方向と平行に近いため、反射光の光スポット１６の波面
と導波光の電界分布５の整合性が良く、導波路３におい
ては、導波光が強く励振される。

【００２４】一方、導波路２側では、反射光の波面の傾
斜が、導波光の電界分布４の方向から大きくずれている
ため、励振される導波光の強度は、導波路３よりも小さ
い。

【００２５】したがって、被検物体１４が前側（対物レ
ンズ１３側に近い側）および後ろ側（対物レンズ側に遠
い側）にずれているときには、検出器２２の出力Ｉ２
と、検出器２３の出力Ｉ３は、図３（ａ）のようにな
る。よって、差動増幅器２０４によって両者の差をとる
ことにより、図３（ｂ）ようにＳ字特性をもつフォーカ
スエラー信号が得られる。

【００２６】この差動増幅器２０４の出力するフォーカ
スエラー信号が、正か負かを調べ、これが０となるよう
に、被検物体１４を移動させることにより、焦点検出装
置が構成できる。また、差動増幅器２０４の出力と、デ
フォーカス量との関係を予め測定しておき、測定すべき
被検物体１４における差動増幅器２０４の出力に対応す
るデフォーカス量を、この関係から求めることにより、
被検物体１４の変位量を検出する変位検出装置が構成で
きる。

【００２７】このように、本実施の形態の構成により、
基板に機械加工を施す必要がなく、簡単な構成で、量産
に適した焦点検出装置および変位検出装置を得ることが
できる。

【００２８】なお、本実施の形態では、導波路２、３を
シングルモード導波路としたが、マルチモード導波路で
あっても、上述と同様に励振される導波光の強度差が生
じる。よって、同様に焦点検出装置および変位検出装置
が構成できる。

【００２９】また、本実施の形態では、導波路２、３の
端面１０１、１０２の部分の光の伝搬方向を、光源１１
側に傾斜させているが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。例えば、光導波路２、３の光の伝搬方向を反
射光の光軸と平行にする構成や、導波路２、３の光の伝
搬方向がハの字型や逆ハの字型になるような向きに傾斜
させる構成にすることができる。これらの構成の場合に
は、被検物体の焦点からずれると、ある位置をピークと
して導波光の強度が変化する。よって、導波路２、３に
励振される導波光強度そのものを検出することにより、
焦点からのずれを検出することができる。ただし、被検
物体が焦点の前側にずれている場合にも後側にずれてい
る場合にも、同じように導波光強度が変化するため、ず
れている方向は検出することができない。

【００３０】また、第１の実施の形態では、光軸１０３
に対する導波路２の傾斜角度と導波路３の傾斜角度を同
じ角度にしているが、必ずしも同じ角度でなくともよ
い。また、光スポット１６が、端面１０１と端面１０２
との中点からずれていてもよい。これらの場合には、図
３（ｂ）のフォーカスエラー信号の形状が、正側の最大
振幅の絶対値と、負側の最大振幅の絶対値とが一致しな
い形状になるが、予めフォーカスエラー信号の形状を測
定しておき、それを用いることにより、焦点検出や変位
検出を行うことをができる。また、本発明の第２の実施
の形態の焦点検出装置の構成を図４を用いて説明する。

【００３１】第２の実施の形態では、光源２１１を基板
１の側面に取り付け、光源２１１から出射された光を伝
搬する照明用光導波路４を基板１に形成している。照明
用光導波路４の出射端面４０４は、基板１の側面１５上
に配置される。出射端面４０４の位置は、光導波路２の
入射端面１０１と光導波路３の入射端面１０２との中点
である。

【００３２】このような第２の実施の形態の焦点検出装
置において、光源２１１から発せられた光は、基板１上
の光導波路４を通って出射端面４０４から出射され、対
物レンズ１３によって被検物体１４上に集光される。被
検物体１４で反射された光は、対物レンズ１３を通り、
基板１の側面１５に集光され、光スポット１６を作る。

【００３３】基板１には、第１の実施の形態と同様に、
光軸１０３から所定の角度θ傾いた２本の光導波路２、
３が形成されているため、反射光は、第１の実施の形態
と同様に光導波路２、３の導波光を励振する。これによ
り、第１の実施の形態と同様に焦点検出や変位検出を行
うことができる。

【００３４】第２の実施の形態では、光源２１１を基板
１に取り付けることができるため、ハーフミラーが不要
であり、照明光の光軸と反射光の光軸との光軸調整が不
要である。また、被検物体１４からの反射光の光スポッ
ト１６の位置は、照明用光導波路４の出射端面４０４の
位置に一致するため、光導波路２、３、４を形成する際
に、出射端面４０４の位置が入射端面２、３の中点に位
置するように形成することにより、光スポット１６の位
置と入射端面２、３の位置とを位置合わせすることが不
要になる。また、装置を構成する光学系の部品数を少な
くすることができる。

【００３５】なお、第２の実施の形態の構成では、基板
１として半導体基板を用いることにより、光導波路２、
３、４、光検出器２２、２３、光源２１１を集積するこ
とが可能である。

【００３６】また、第２の実施の形態の構成では、反射
光の光スポット１６が、光導波路４の出射端面４０４上
に形成されるため、反射光が光源２１１への戻り光とな
るのを防止するための構成を加えることが望ましい。例
えば、照明光と反射光の偏光方向を異なる方向にするた
めの１／４波長板を基板１と被検物体１４との間に配置
し、導波路４の途中に反射光を吸収する金属クラッドを
配置する構成用いることができる。

【００３７】つぎに、本発明の第３の実施の形態の焦点
検出装置について、図５を用いて説明する。

【００３８】第３の実施の形態では、基板１の一辺に平
行に２本の直線導波路３０２、３０３を形成したもので
ある。そして、基板１を光軸１０３に対して傾けること
により、直線導波路３０２、３０３を傾斜させる。他の
構成および動作は、第１の実施の形態と同じである。

【００３９】第３の実施の形態の構成では、基板１上に
導波路３０２、３０３を形成する工程が非常に容易であ
る。また、傾斜角度を、容易に任意の角度にすることが
できるという利点もある。

【００４０】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、導波
路基板の機械的な加工が不要で、簡単な構成で小型の焦
点検出装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の焦点検出装置の構
成を示すブロック図。

【図２】(a),(b),(c)本発明の第１の実施の形態の焦点
検出装置において、反射光と導波光との整合性を説明す
るための説明図。

【図３】本発明の第１の実施の形態の焦点検出装置にお
ける(a)導波光の強度、(b)フォーカスエラー信号のグラ
フ。

【図４】本発明の第２の実施の形態の焦点検出装置のブ
ロック図。

【図５】本発明の第３の実施の形態の焦点検出装置のブ
ロック図。

【符号の説明】

１…基板、２、３、３０２、３０３…光導波路、４…照
明用光導波路、１１…光源、１２…ハーフミラー、１３
…対物レンズ、１４…被検物体、２２、２３…光検出
器、１０１、１０２…入射端面、２０４…差動増幅器、
４０４…出射端面。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検物体に向けて光を照射する照明手段
と、前記被検物体からの反射光を検出するための検出手
段と、前記照明手段から照射された光を被検物体に集光
するとともに、前記被検物体からの反射光を検出手段に
集光する集光レンズとを有し、前記検出手段は、前記被検物体からの反射光を端面から
入射させて伝搬するための２本の光導波路と、前記２本
の光導波路を伝搬してきた光の光量を検出する光量検出
手段とを備え、前記２本の光導波路は、前記反射光の光軸が前記２本の
光導波路の端面の間を通るように配置されていることを
特徴とする焦点検出装置。
【請求項２】請求項１において、前記２本の光導波路
は、少なくとも前記端面部分の光の伝搬方向が、前記反
射光の光軸に対して傾いていることを特徴とする焦点検
出装置。
【請求項３】請求項２において、前記２本の光導波路が
傾いている方向は、前記反射光の光軸に対して同じ方向
であり、前記検出手段は、前記２本の光導波路伝搬してきた光の
光量差を検出する手段をさらに備えることを特徴とする
焦点検出装置。
【請求項４】請求項２または３において、前記２本の光
導波路の前記反射光の光軸に対する傾斜角度は、同じ角
度であることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項５】請求項１において、前記２本の光導波路
は、前記集光レンズの反射光の焦点が前記２本の光導波
路の端面を結ぶ面上に位置するように配置されているこ
とを特徴とする焦点検出装置。
【請求項６】請求項２において、前記２本の光導波路
は、途中で曲がった曲がり導波路であることを特徴とす
る焦点検出装置。
【請求項７】請求項１において、前記２本の光導波路
は、基板上に形成され、前記２本の光導波路の端面は、
前記基板の側面上に露出されていることを特徴とする焦
点検出装置。
【請求項８】請求項７において、前記２本の光導波路
は、前記基板の一辺に平行な直線導波路であり、前記基板は、前記２本の光導波路の光の伝搬方向が前記
反射光の光軸から予め定めた角度だけ傾くように、傾け
て配置されることを特徴とする焦点検出装置。
【請求項９】請求項１において、前記２本の光導波路
は、前記反射光の光軸が、前記２本の光導波路の端面の
間の中点を通るように配置されることを特徴とする焦点
検出装置。
【請求項１０】請求項７において、前記照明手段は、光
源と、該光源からの光を伝搬して、端面から前記被検物
体に向けて出射する照明用光導波路とを有し、前記照明用光導波路は、前記基板上に形成され、前記照明用光導波路の端面は、前記基板の側面上の、前
記検出手段の２本の光導波路の端面の間に配置されるこ
とを特徴とする焦点検出装置。
【請求項１１】被検物体に向けて光を照射する照明手段
と、前記照明手段から前記被検物体からの反射光を検出
するための検出手段と、前記照明手段から照射された光
を被検物体に集光するとともに、前記被検物体からの反
射光を検出手段に集光する集光レンズとを有し、前記検出手段は、前記被検物体からの反射光を端面から
入射させて伝搬するための、２本の光導波路と、前記２
本の光導波路を伝搬してきた光の光量差を検出する光量
差検出手段とを備え、前記２本の光導波路は、前記反射光の光軸が前記２本の
光導波路の端面の間を通るように配置され、前記２本の光導波路は、少なくとも前記端面部分の光の
伝搬方向が、前記反射光の光軸に対して同じ方向に傾い
ていることを特徴とする変位検出装置。