JPS63168842A - 焦点誤差検出装置及びこれに用いられる光検出器の受光領域幅の選定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、焦点誤差検出装置に関し、特にいわゆる３分
割光検出器を用いた焦点誤差検出装置に関するものであ
る。

背景技術 ビデオディスクやディジタルオーディオディスク等の情
報記録ディスク（以下、単にディスクと称する）の記録
情報を再生する装置には、ディスクの記録面（被検出面
）上に常に正確に情報検出用の光ビームを収束せしめる
いわゆるフォーカスサーボ装置が不可欠である。このフ
ォーカスサーボ装置では、光ビームをディスクの記録面
上に照射せしめる集光レンズの該記録面での焦点誤差が
検出され、この焦点誤差に基づいて集光レンズの光軸方
向における位置制御が行なわれる。

集光レンズの焦点誤差を検出する方法としては、非点収
差法、ビーム径測定法、ナイフェツジ法、臨界角法等の
検出方法が知られている。このうち、非点収差法及びビ
ーム径測定法においては、受光面が１方向において３分
割された帯状の光検出器を用い、この光検出器の３つの
出力に基づいて焦点誤差の検出が行なわれる。

第６図に、例えば非点収差法を用いた場合の光学系が示
されており、レーザダイオード等の光源１から発せられ
た光ビームは、ビームスプリッタ２を経た後集光レンズ
３によってディスク４の記録面上に収束される。ディス
ク４の記録面上で反射された光ビームは集光レンズ３を
経た後ビームスプリッタ２によってシリンドリカルレン
ズ５に導かれ、当該レンズ５によって非点収差が与えら
れる。シリンドリカルレンズ５で非点収差が与えられた
光ビームが合焦状態で生じる２つの焦線Ｌ１、Ｌ２の間
に光束断面が円形となる位置があり、そこに受光面が位
置するように第７図に示すような形状の３分割光検出器
６を配置する。そして、３つの受光面Ａ、Ｂ、Ｃの各受
光出力ＰＡ、ＰＢ。

ｐｃから、加算器７及び差動アンプ８を用いてＰＡ　　
　（Ｐａ＋Ｐｃ）なる演、算式によって焦点誤差ＦＥを
得るのである。

ここで、非点収差法の場合には、集光レンズの位置が合
焦位置からずれると、そのずれ方向に対応して光ビーム
スポットの形状が、第８図（Ａ）及び（Ｃ）に示すよう
に長円形状となり、（Ａ）の状態では（Ｐｓ　＋Ｐｃ　
）が増大し、（Ｃ）の状態ではＰＡが増大する。また、
光ビームのスポット径を測定する方法にあっては、非点
収差法の場合と光学系が多少異なっており、光ビームス
ポット形状が第９図（Ａ）〜（Ｃ）に示すように変化す
る。いずれの方法の場合も、ＰＡ　−（Ｐａ　＋ＰＣ）
なる演算式によって焦点誤差信号ＦＥを得ることができ
るのである。なお、第８図（Ｂ）及び第９図（Ｂ）は合
焦状態のときのスポット形状を示し、この状態ではＰＡ
　−（Ｐｓ　＋Ｐｃ）＝０となる。

上述した従来の焦点誤差検出装置においては、光検出器
６の両側の受光面Ｂ、　Ｃの分割方向（受光面内におけ
る分割線に垂直な方向）の幅す、　　ｃを中央の受光面
Ａの幅ａと等しくするか、又はそれよりも大きく設定し
ていたので、合焦状態において光ビームスポットの中心
が受光面中心から該分割方向に離間した場合に、ＰＡ　
　　（Ｐ８＋Ｐｃ　）−０とはならず、合焦状態にある
にも拘らずその離間量に応じた焦点誤差信号ＦＥが発生
してしまうことになる。

すなわち、光ビームスポットが円形で光強度分布が一様
であるものと仮定すると、第１０図に示す如く光ビーム
スポットの中心が受光面中心から離間すると、その離間
量と検出出力レベルとの関係は第１１図に示すようにな
る。ここに、横軸はビームスポットの半径を１とした場
合のスポット中心の受光面中心からの離間量を示し、横
軸は第７図の各部の出力レベルを示し、全光量を受光し
たときレベルが１となるように設定されている。

光検出器６の両側の受光面の幅す、　　ｃは中央の受光
面の幅ａと等しく、０．８０８に設定されている。この
値は、第８図及び第９図の各（Ｂ）に示す合焦状態にお
いて、受光面Ａの受光量と受光面Ｂ、　　Ｃの受光量の
和が等し、くなる幅である。また、第１２図に示すよう
に、光検出器６の両側の受光面の幅す、ｃを２に設定し
た場合において、光ビームスポットの中心が受光面中心
から離間すると、その離間量と検出出力レベルとの関係
は第１３図に示すようになる。

このように、従来装置にあっては、第１１図及び第１３
図から明らかな如く、合焦状態において光ビームスポッ
トの中心が受光面中心から受光面の分割方向に離間した
場合には、合焦状態にあるにも拘らずその離間量に応じ
た焦点誤差信号ＦＥが発生してしまうので、安定した焦
点誤差信号ＦＥが得られないという欠点がある。

発明の概要 本発明は、上記のような従来のものの欠点を除去すべく
なされたもので、合焦状態におけるスポット中心の受光
面中心からの位置ずれをある程度許容し、安定した焦点
誤差信号を得ることが可能な焦点誤差検出装置を提供す
ることを目的とする。

本発明による焦点誤差検出装置は、受光面が少なくとも
３分割された光検出器の各受光面Ａ、　　Ｂ。

Ｃの分割方向における受光領域幅をそれぞれａ。

ｂ、ｃとした場合、合焦状態において受光面上の光ビー
ムスポットの中心が受光面中心から受光面の分割方向に
偏位したときの焦点誤差信号ＦＥの値がスポット偏位許
容最大値ＦＥ、を越えない最大スポット偏位範囲をｄｃ
とし、スポット半径をｒとすると、２ｒ＋ｄｃ　＞ａ＋
ｂ＋ｃとなるように各受光領域幅ａ、ｂ、ｃをそれぞれ
選定した構成となっている。

実施例 以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

一般に、光検出器に光ビームが入射し、その入射面積が
Ｓｌこの各点σにおける光密度がρ（σ）であるとき、
この光検出器の出力Ｐ、は、ｐｏ　−ｆ　　ρ（σ）ｄ
ａ となる。光検出器の受光面が第１図に示すようにＡ、　
Ｂ、　Ｃに３分割され、各受光面の幅がａ、　ｂ。

ｃ１分割線方向の長さは十分にあるものとするとき、各
受光面Ａ、　　Ｂ、　　Ｃの出力ＰＡ、ｐｓ、Ｐｃは、
光検出器の受光面中ノＯ）に対するスポット中心の離間
量をｈｌそれぞれの入射面積を５Ａ（ｈ）、Ｓｅ　（ｈ
）、　Ｓ　ｃ　（ｈ）とすると、ＰＡ−，１’　　　ρ
（σ）ｄａ ５Ａ（ｈ） Ｐｓ　−ｆ　　　ρ（σ）ｄａ ８Ｂ（ｈ） Ｐｃ　＝ｆ　　　ρ（σ）ｄａ Ｓｃ員） となる。ここで、受光面Ａの出力に対する信号増幅率を
１、受光面Ｂ、Ｃの各出力に対する信号増幅率をそれぞ
れβ、γとすると、第１図の回路によって導出される焦
点誤差信号ＦＥは、ＦＥ−ＰＡ−（βＰＢ＋７ＰＣ） −Ｉ　　ρ（σ）ｄａ−（ｆ　　ρ（σ）ｄσＳ＾（ｈ
ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５ｓ（ｈｌ
＋ｆ　　ρ（σ）ｄａ） ＋５ｃ（ｈｌ となる。

本発明においては、例えば信号増幅率β、γが予め設定
されているものとし、合焦状態において受光面上の光ビ
ームスポットの中心が受光面中心から受光面の分割方向
に偏位したときの焦点誤差信号ＦＥの値がスポット偏位
許容最大値ＦＥ、を越えない最大スポット偏位範囲をｄ
ａとし、スポット半径を「とすると、２ｒ＋ｄｃ　＞ａ
＋ｂ＋ｃとなるように各受光面Ａ、Ｂ、Ｃの幅ａ、ｂ、
ｃをそれぞれ選定するものである。信号増幅率α。

β、γが変われば、当然のことながら、各幅ａ。

ｂ、ｃの値もそれに応じて変わってくる。また、α、−
１のとき、スポット半径ｒが決まれば、受光面Ａの幅ａ
が決まり、この幅ａに対して受光面Ｂ。

Ｃの幅す、　　ｃ及び信号増幅率β、γがそれぞれ決定
されることになる。

ここで、上記スポット偏位許容最大値ＦＥｏは、合焦状
態において受光面上の光ビームスポットの中心が受光面
中心から受光面の分割方向に偏位したときの焦点誤差信
号ＦＥの変化量がほぼ零である偏位範囲が最大となるよ
うに零に近い値に設定される。これにより、焦点誤差信
号ＦＥの変化量がほぼ零であるスポット偏位範囲が最大
となるように、受光面Ａの幅ａに対して受光面Ｂ、　　
Ｃの幅す、ｃ及び信号増幅率β、γがそれぞれ選定され
ることになる。

すなわち、上記最大スポット偏位範囲ｄｅの下限値をＵ
、上限値をＶと駿、上述したことを積分形で表現すると
、 Ｊ’、７１　ＦＥ　（ａ、　　ｂ、　　ｃ）　　Ｉ　ｄ
ｈ弁０となり、Ｖ−Ｕが最大となるようにす、　　ｃ、
　　β。

γをａに対して設定することにより、安定性に優れた焦
点誤差検出装置を得ることができるのである。

次に、簡単な具体例に基づいて説明する。

以下、説明の簡単化のために合焦状態における光検出器
６の受光面上の光ビームスポットの外形は完全な円であ
り、その円内の光強度分布は一様であると仮定する。光
ビームスポットの半径をｒ１光検出器６の受光面中心に
対するスポット中心の分割方向における距離をＣ１光検
出器６の分割方向幅をＷとし、光検出器６に対して光ビ
ームスポットが第２図（Ａ）〜（Ｄ）に示す位置関係に
あるときのそれぞれの光検出器６の入射光量ＰＯを求め
ると、 （Ａ）の状態は、２ｃｍｗ＞２ｒ又は’；ｌｃ＋ｗく２
「の条件下におけるものであり、 ｏ−ｗＯ （Ｂ）の状態は、２「≧２ｃｍｗ≧−２ｒ又は２ｃ＋ｗ
＞２ｒの条件下におけるものであり、ｐｏ−２Ｘｊ；″
″ｗ／、ｒｗ／、ｒ−−ｘ’）の状態は、２ｃｍｗ＜−
２ｒ又は２ｃ＋ｗ＞２ｒの条件下におけるものであり、
Ｐｏ鱒πｒ２ （Ｄ）の状態は、２ｒ≧２０＋Ｗ≧−２ｒ又は２　ｃ　
−ｗ＜　２　ｒの条件下におけるものであり、ＰＯ５ｗ
２ｘｆ：””　ｒ’　−ｘ’　ｄマとなる。ここに、Ｘ
は積分定数を表わし、光検出器６の受光面の分割方向（
分割線に垂直な方向）にとった座標である。

しかるに、上記の式に基づいて光検出器６の中央の受光
面Ａが光ビームスポットの中心にあるときの幅ａを全受
光量の半分が受光面Ａに入射するように選定した場合、
光ビームスポットの分割方向の移動量に対する焦点誤差
信号の変化、すなわち中央の受光面Ａの入射光量と両側
の受光面Ｂ。

Ｃの入射光量和との差分の変化を、両側の受光面Ｂ、Ｃ
の幅す、ｃに対して、求めると第３図に示すようになる
。ここに、横軸は光ビームスポットの半径を１としたと
きの分割方向のスポット中心位置、縦軸は全受光量を１
としたときの焦点誤差信号ＰＡ　−（Ｐａ　＋Ｐｃ　）
を表わす。

また、第３図における■〜■は第４図に示すような形状
■〜■の光検出器を用いたときの結果であり、■はスポ
ット直径と同一幅（ａ−０，８０８、ｂ−ｃ■０．５９
６）の光検出器を用いた場合、■は両側の受光面Ｂ、　
Ｃの幅す、　　ｃが中央の受光面Ａの幅ａと同一（ａ−
ｂｍｃ−０，８０８）の光検出器を用いた場合、■は両
側の受光面Ｂ。

Ｃの幅す、ｃの一方と中央の受光面Ａの幅ａとを合わせ
た大きさがスポット直径と同一の幅（ａ　−０，８０８
，ｂ−ｃ＝１．１９２）となる光検出器を用いた場合を
それぞれ表わしている。■、■。

■のいずれの場合も、焦点移動が許容されるスポット中
心位置の受光面中心からの移動量（最大スポット偏位範
囲）は僅かにスポット半径の１０％以下であり、このよ
うな構成によっては著しく分割方向のスポット移動に対
して焦点制御が不安定となる。

ところが、本発明においては、スポット偏位範囲が最大
となるように中央の受光面Ａの幅ａに対する両側の受光
面Ｂ、Ｃの幅す、ｃを設定するものであり、数値計算に
より、ｂ−ｃ−０，７（第４図の■の場合）が両側の受
光面Ｂ、　Ｃの最適幅となる。かかる構成の光検出器を
用いた場合、最大スポット偏位範囲幅はスポット半径の
８６％にも広がり、著しく焦点制御の安定性が向上する
ことになる。このように構成することによって、（Ｐａ
　＋ＰＣ）の変化が中心部において最もＰＡの変化に近
くなるように、幅ａに対する幅す、　　ｃを選定するこ
とができる。幅ａはスポット直径よりも小なる範囲で任
意である。

中央の受光面Ａの幅ａに対する両側の受光面Ｂ。

Ｃの幅す、ｃの値は、ディスクのビット形状、光学系の
性能、レーザ光の性質、スポット内の光強度分布などの
光学的条件を考慮に入れた上で、コンピュータを用いて
数値計算によって求めることができる。また、光ビーム
スポットの半径ｒが決まると、中央の受光面Ａの幅ａが
決まるので、この受光面Ａに対して両側の受光面Ｂ、　
Ｃの幅を十分に大きなものとしかつ信号増幅率β、γを
予め設定しておき、焦点誤差信号ＦＥを監視しつつスポ
ットを受光面の分割方向に偏位させ、焦点誤差信号ＦＥ
が前記スポット偏位許容最大値に達する直前の偏位位置
におけるスポット外径位置を一方の受光領域限界位置と
することによって受光面Ｂ。

Ｃの幅す、　　ｃを決定することができる。このとき、
信号増幅率β、γが変われば、受光面Ｂ、Ｃの幅す、ｃ
の値も変わることは先述した如くである。

なお、上記実施例においては、中央の受光面Ａの幅ａは
中心で全光量の半分を受光するように選定したが、第１
図に示すように、受光面Ｂ、Ｃの各出力に対して増幅器
９．１０を設け、増幅率β。

γで増幅した後加算し、受光面Ａの出力との差分をとる
ように構成することによって、中央の受光面Ａが全光量
の半分を受光しなくても合焦状態で焦点誤差信号を０に
することが可能である。

このようにして、スポット半径を１としたときの幅ａに
対する幅す及びＣを求めると、第５図に示すような関係
となる。すなわち、スポット中心と受光面中心とが一致
した状態において焦点誤差信号ＦＥが０になるように信
号増幅率β、γを決定し、これに対し焦点誤差信号ＦＥ
がほぼ零であるスポット偏位範囲が最大となるように幅
ａに対して幅す、ｃを決定したものである。

上記実施例においては、非点収差の最小錯乱円、すなわ
ち光束外形が円に近い状態で合焦点状態となるように構
成したが、これは光束外形が楕円又は受光部の分割線に
垂直な焦線であっても同様に構成することが可能である
。さらには、非点収差の発生しない光学系によってビー
ム径を測定する方法でも同様に構成が可能である。

なお、上記実施例では、説明の簡単化のためにスポット
形状を円形とし、光強度分布が一様であるものとしたが
、光ビームにコマ収差等があり、スポット形状が円形で
ない場合、又は光強度分布が一様でない場合にも、同様
の計算によって最適な光検出器の形状を定める。ことが
できる。また、ｂ−ｃ、β−γとしたが、ｂ４ｃ、βキ
γであっても同様の効果を発揮するように構成すること
ができる。さらには、受光面Ａの出力に対する信号増幅
率αを１とし、増幅を行なわないように構成した場合に
ついて説明したが、増幅を行なっても良いことは勿論で
ある。

また、上記実施例では、光検出器の受光面を３分割した
場合について説明したが、これに限定されるものではな
く、さらに分割数を増やしても、それらをまとめて上記
のように扱えることは勿論である。さらには、光検出器
の分割線上に感度がない場合や、光の漏れ込みが発生す
る場合には、その量に応じて受光面積が実際上変化する
ので、これに対応して光検出器の形状を同様に決定する
ことができる。

またさらに、上記実施例では、光検出器の各受光面の全
面を光の受光領域とし、各受光面の幅を決定するように
したが、光路中に光ビームの一部を遮蔽する制限手段を
設けて光検出器の受光領域を制限しても良く、この場合
には各受光領域の幅を決定することによって同様の効果
が得られる。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、受光面が少なくと
も３分割された光検出器を用いる焦点誤差検出装置にお
いて、合焦状態において受光面上のスポット中心が受光
面中心から受光面の分割方向に偏位したときの焦点誤差
信号ＦＥの変化量がほぼ零であるスポット偏位範囲が最
大となるように、各受光領域幅及び信号増幅率を決定し
たので、スポットの該分割方向の偏位に対して安定した
焦点誤差信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示すブロック図、第２図は光検
出器の受光面に対して変化する光ビームスポットの４つ
の位置（Ａ）〜（Ｄ）を示す図、第３図は光ビームスポ
ットの移動量に対する焦点誤差信号を両側の受光面の幅
に対して求めた特性図、第４図は中央の受光面の幅に対
して両側の受光面の幅を４通り■〜■に変化させた場合
を示す図、第５図はスポット半径を１としたときの幅ａ
に対する幅す、　　ｃの関係を示す図、第６図は非点収
差法を用いた光学系の一例を示す構成図、第７図は３分
割光検出器の信号処理系を示すブロック図、第８図（Ａ
）〜（Ｃ）は非点収差法による光ビームスポットの受光
面上の形状変化を示す図、第９図（Ａ）〜（Ｃ）はビー
ム径測定法による光ビームスポットの受光面上の形状変
化を示す図、第１０図は受光面Ａ−Ｃの幅が等しい光検
出器と光ビームスポットとの位置関係を示す図、第１１
図は第１０図の光検出器を用いた場合における光ビーム
スポットの離間量に対する第７図の各部の出力レベルの
変化を示す図、第１２図は受光面Ａの幅に対して受光面
Ｂ、　　Ｃの幅が大なる光検出器と光ビームスポットと
の位置関係を示す図、第１３図は第１２図の光検出器を
用いた場合における光ビームスポットの離間量に対する
第７図の各部の出力レベルの変化を示す図である。 主要部分の符号の説明 １・・・・・・光源　　　　　２・・・・・・ビームス
プリッタ３・・・・・・集光レンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １方向において少なくとも３分割された受光面を有し、
   被検出面上に集光レンズを介して照射されかつ前記被検
   出面を経た光ビームを受光する光検出器を備え、中央の
   受光面Ａの受光出力をＰ＿Ａ、その両側の受光面Ｂ、Ｃ
   の各受光出力をＰ＿Ｂ、Ｐ＿Ｃとし、各受光出力Ｐ＿Ａ
   、Ｐ＿Ｂ、Ｐ＿Ｃに対する信号増幅率をそれぞれα、β
   、γとしたとき、αＰ＿Ａ−（βＰ＿Ｂ＋γＰ＿Ｃ）な
   る演算式に基づいて前記集光レンズの被検出面での焦点
   誤差を検出してこれに応じた焦点誤差信号ＦＥを出力す
   る焦点誤差検出装置であって、前記受光面Ａ、Ｂ、Ｃの
   分割方向における受光領域幅をそれぞれａ、ｂ、ｃとし
   た場合、合焦状態において前記光検出器の受光面上の光
   ビームスポットの中心が受光面中心から前記分割方向に
   偏位したときの前記焦点誤差信号ＦＥの値がスポット偏
   位許容最大値ＦＥ＿０を越えない最大スポット偏位範囲
   をｄｃとし、スポット半径をｒとすると、２ｒ＋ｄｃ＞
   ａ＋ｂ＋ｃとなるように各受光領域幅ａ、ｂ、ｃをそれ
   ぞれ選定したことを特徴とする焦点誤差検出装置。