KR20050065249A

KR20050065249A - 포커스검출 및 이것을 사용한 기울기조정의 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20050065249A
Application number: KR1020040028198A
Authority: KR
Inventors: 가와무라다카시
Original assignee: 리더 덴시 가부시키 가이샤
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2005-06-29
Also published as: TW200534272A; JP4530658B2; CN100419871C; JP2005189394A; KR100966906B1; TWI362660B; CN1637880A

Abstract

본 발명은 보다 고속, 또는 진동이나 조정시의 외란에 강한, 또는 보다 저비용으로 포커스검출장치 및 기울기조정시스템을 제공하는 것이다.

포커스검출장치는, 1차원 광에너지 분포 검출부(4)와, 포커스상태 판정부(5)를 설치한다. 분포 검출부(4)는, 기준면(1)상의 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상에 대하여, 그 기준면(1)상에 있어서의 상에 의한 2차원 광에너지 분포로부터 그 상 전체에 대한 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포를 검출한다. 포커스상태 판정부(5)는 그 검출한 1차원 광에너지 분포에 의거하여 기준면(1)에 있어서의 상의 포커스상태를 판정한다.

Description

포커스검출 및 이것을 사용한 기울기조정의 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FOCUS DETECTION TILT ADJUSTING USING THEREOF}

본 발명은 광학계에 있어서의 포커스검출 및 이것을 사용한 기울기조정의 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 CD나 DVD 등의 광 디스크 등에 있어서 사용되는 광픽업의 대물렌즈의 포커스검출 및 그 기울기조정에 사용하기에 적합한 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래, 광학계의 포커스검출 또는 광학계 내의 광학요소의 기울기조정의 방법으로서, 여러가지의 것이 알려져 있다. 예를 들면 반도체 노광장치의 초점맞춤상태 검출과 각도 검출을, 비점 수차법과 2차원 CCD를 조합시켜 사용하는 방법이 알려져 있다(특허문헌 1 참조). 이 방법에서는 비점 수차법에 의해 생기는 스폿 지름의 긴 지름과 짧은 지름을 비교함으로써, 포커스상태를 판정한다. 이 방법에서는 기울기 검출을 위해 스폿의 중심과 CCD 중심을 일치시킬 필요가 있다. 또 CCD 로부터의 화상을 고속으로 처리하는 것에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다.

또, 현미경에 있어서의 초점 검출장치에 있어서는, 각각 2영역으로 분할된 2개의 광검출기를 사용함으로써 포커스상태의 검출을 행하는 것이 알려져 있다(특허문헌 2 참조).

광픽업장치에 있어서는 광픽업의 기울기조정을 하는 방법이 알려져 있다(특허문헌 3 참조). 이 방법에서는 광학계 내의 콜리메이터 렌즈상에 설치한 지표부의 원점과, 촬상 카메라로 촬상한 광빔의 광축을 일치시키고, 그리고 빔 스폿의 원형성의 유무에 의하여 광픽업의 기울기를 판정하도록 되어 있다.

또, 현미경의 초점 검출장치에 있어서의 또 다른 초점맞춤상태 검출법이 개시되어 있다(특허문헌 4 참조). 이 방법에서는 CCD 등의 촬상 소자와 비점 수차법을 조합시켜 사용하고, 그리고 스폿의 타원율인 비원형성을 이용함으로써, 광축 중심과 수광 중심의 조정을 불필요하게 하고 있다. 그러나 이 방법에서는 CCD 등의 촬상소자로부터의 화상의 고속처리에 대해서는 개시되어 있지 않다.

다시 또 다른 초점 검출법이 알려져 있다(특허문헌 5 참조). 이 검출법에서는 초점맞춤상태는, CCD 등의 촬상소자로 초점의 전과 후의 광강도 분포를 검지함으로써 행한다. 특히, 촬상소자의 화소열 또는 화소행의 광강도의 적산을 행하여, 초점의 전과 후의 광강도 분포로부터 광속 지름을 구하고, 그리고 그들 2개의 광속 지름에 의거하여 초점위치를 특정한다. 그러나 이 방법에서는 CCD 등의 촬상소자로부터의 화상을 고속으로 처리하는 것에 대해서는 개시되어 있지 않다.

또한 현미경에 있어서의 대물렌즈의 경각(傾角) 조정법이 알려져 있다(특허문헌 6 참조). 이 방법에서는 초점맞춤상태 검출은, 4분할 센서 또는 CCD를 사용하고, 또한 초점맞춤상태 검출은 비점 수차법을 사용하나, 이 방법에서는 4분할 센서 등의 중심에 스폿 중심을 일치시키는 것이 요구된다. 또 기울기 검출은, CCD 로부터의 화상을 모니터에 표시시켜 스폿의 0차 화상의 진원도, 1차 회절광에 의한 링형상 화상의 강도 균일성을 육안으로 판단하게 되어 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개평9-283423호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특개평11-142716호 공보

[특허문헌 3]

일본국 특개2000-293860호 공보

[특허문헌 4]

일본국 특개2001-74446호 공보

[특허문헌 5]

일본국 특개2001-166202호 공보

[특허문헌 6]

일본국 특개2001-273643호 공보

따라서, 본 발명의 목적은 보다 고속으로 포커스상태를 판정할 수 있는 포커스검출의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또, 본 발명의 또 다른 목적은 포커스상태를 판정할 수 있는 포커스검출의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 보다 저비용으로 포커스상태를 판정할 수 있는 포커스검출의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 보다 고속으로 광학계의 기울기를 조정할 수 있는 기울기조정의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 진동 등의 외란에 강한 포커스상태를 판정할 수 있는 포커스검출의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 보다 저비용으로 광학계의 기울기를 조정할 수 있는 기울기조정의 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 포커스검출방법은, 기준면상의 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상에 대하여 그 상에 의한 상기 기준면상의 2차원 광에너지 분포로부터, 상기 상의 전체에 대한 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포를 검출하는 단계와, 상기 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포에 의거하여 상기 기준면에 있어서의 상기 상의 포커스상태를 판정하는 단계로 이루어진다.

본 발명에 의하면 상기 분포 검출단계는, 상기 기준면에 있어서의 상기 상의 투영상을 검출면에 받는 단계를 포함하고, 상기 검출면은 상기 기준면상의 상기 소정의 영역에 대응하는 소정의 검출영역을 가지고, 그 검출영역이 서로 교차하는 제 1축과 제 2축을 가지게 할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 분포 검출단계는, 상기 기준면에 있어서의 상기 상의 상기 투영상을 비점 수차 광학계를 통하여 받는 단계를 포함하고, 상기 상의 비점 수차가 상기 검출영역의 상기 제 1축 및 제 2축의 방향에 생기게 할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 포커스상태 판정단계는, 상기 제 1축 광에너지분포에 있어서의 최대값과, 상기 제 2축 광에너지 분포에 있어서의 최대값을 판정하는 단계와, 상기 제 1축의 최대값과 상기 제 2축의 최대값을 비교하는 단계와, 상기비교의 결과에 의거하여 상기 포커스상태를 판정하는 단계를 포함하도록 할 수 있다. 또는 상기 포커스상태 판정단계는, 상기 제 1축 광에너지 분포의 분포범위의 폭과, 상기 제 2축 광에너지 분포의 분포범위의 폭을 판정하는 단계와, 상기 제 1축의 폭과 상기 제 2축의 폭을 비교하는 단계와, 상기 비교의 결과에 의거하여 상기 포커스상태를 판정하는 단계를 포함하도록 할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면 상기 분포 검출단계는, 상기 상으로부터의 하나의 투영상의 지름을 기준값과 비교하는 것을 포함하도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 기준값은 상기 상의 초점맞춤상태에 있어서의 상기 하나의 투영상의 지름의 값으로 할 수도 있다. 또는 상기 기준값은, 상기 상으로부터의 다른 투영상의 지름으로 할 수도 있다.

또, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 상을 기준면에 결상하도록 구성된 광학계를 위한 기울기조정방법은, 상기 기준면상의 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상기 상의 포커스검출을, 상기한 포커스검출방법으로 실행하는 단계와, 상기 상이 초점맞춤상태가 되도록 상기 광학계를 조정하는 단계와, 상기 기준면에 대한 상기 광학계의 기울기를 조정하는 단계로 이루어진다.

또, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 포커스검출장치는 기준면상의 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상에 대하여, 상기 기준면상에 있어서의 상기 상에 의한 2차원 광에너지 분포로부터, 상기 상 전체에 대한 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포를 검출하는 분포 검출수단과, 상기 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포에 의거하여 상기 기준면에 있어서의 상기 상의 포커스상태를 판정하는 포커스상태 판정수단으로 이루어진다.

또한 본 발명에 의하면, 상기 분포 검출수단은, 상기 기준면상의 상기 소정의 영역에 대응하는 소정의 검출영역을 가지는 검출면 수단으로서, 상기 검출영역이 서로 교차하는 제 1축과 제 2축을 가지고 있는 상기한 검출면 수단을 포함하고, 상기 기준면에 있어서의 상기 상의 투영상을 상기 검출면 수단으로 받도록 할 수 있다. 상기 검출면 수단은, 상기 제 1축 및 제 2축에 대응하여 배치한 복수의 행과 복수의 열을 가지는 수광소자군으로서, 각 수광소자가 행출력용 소자와 열출력용 소자로 이루어지는 상기한 수광소자군과, 복수의 행출력 단자로서, 각각이 해당 행의 수광소자군의 상기 행출력용 소자가 받은 광에너지의 합을 출력하는 상기한 복수의 행출력 단자와, 복수의 열출력 단자로서, 각각이 해당 열의 수광소자군의 상기 열출력용 소자가 받은 광에너지의 합을 출력하는, 상기한 복수의 열출력 단자를 구비하도록 할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면 상기 검출면 수단은, 하나의 2차원 센서로 이루어지도록 하거나, 또는 2개의 1차원 라인센서로 이루어지도록 할 수 있다.

또, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 상을 기준면에 결상하도록 구성된 광학계를 위한 기울기조정장치는, 상기 기준면상의 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상기 상의 포커스검출을 행하는 상기한 포커스검출장치와, 상기 상이 초점맞춤상태가 되도록 상기 광학계를 조정하는 수단과, 상기 기준면에 대한 상기 광학계의 기울기를 조정하는 기울기조정수단으로 이루어진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 여러가지 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 포커스검출장치의 기본적 구성을 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이, 이 포커스검출장치(A)로 검출하고자 하는 것은, 기준면상에 있어서의 상(도면에서는 예를 들면 빔 스폿을 표시하는 원으로 나타냄)이다. 이 상은 어떤 일정한 예를 들면 직사각형의 영역 내에서 이동할 수 있는 것이다. 이 이동할 수 있는 상의 포커스검출을 행하기 위하여, 본 발명의 포커스검출장치(A)는 기준면(1)상의 상을 투영 광학계(2)를 통하여 받는 검출면(3)과, 1차원 광에너지 분포검출부(4)와, 포커스상태 판정부(5)를 구비하고 있다. 상세하게는 검출면(3)은 기준면(1)의 일정한 영역에 대응하는 예를 들면 직사각형의 영역을 가지고 있어, 기준면상의 일정한 영역 내에서 이동할 수 있는 상을 받을 수 있다. 또한 본 발명에서는 검출면(3)은, 상의 중심을 검출면의 중심에 항상 일치시킨다는 위치맞춤은 불필요하다. 분포 검출부(4)는, 이 검출면(3)에서 받은 상에 의한 광에너지의 2차원의 분포로부터 적어도 하나의 1차원의 광에너지 분포를 검출한다. 1차원 광에너지 분포란, 검출면이 있는 축(예를 들면 X축)방향에 있어서 존재하는 광에너지의, 그 축과는 교차하는 축(예를 들면 Y축)을 따른 분포이다. 이 광에너지 분포를 받는 다음의 포커스상태 판정부(5)는, 그 분포로부터 기준면(1)상의 포커스상태의 판정을 행한다. 이 판정부 (5)는 예를 들면 비점 수차법 또는 빔 지름을 비교하는 방법 등의 여러가지의 방법에 대응하는 판정방법을 사용함으로써 검출면(3)상의 상의 광에너지 분포로부터 포커스상태 판정을 행한다.

다음에 도 2를 참조하여 본 발명에 의한 포커스검출법을 조립한 광픽업의 기울기조정시스템(X)에 대하여 설명한다. 또한, 도 2에서는 도 1과 대응하는 요소에는 참조번호의 다음에 기호“B"를 붙이고 있다. 도 2의 나타내는 바와 같이 기울기조정시스템(X)은, CD 등의 광픽업장치(6)의 광학계의 기울기를 조정하기 위한 시스템이다. 이 조정 대상의 광픽업장치(6)는, 도시한 바와 같이 픽업 본체(60)와, 대물렌즈 (62)와, 이 대물렌즈를 본체에 대하여 장착하는 포커스 엑츄에이터(64)를 구비하고 있다. 포커스 엑츄에이터(64)는, 광픽업으로부터의 레이저광이 광디스크에 수직으로 입사되도록 하기 위하여 대물렌즈의 렌즈 축방향에 있어서의 위치(즉, 초점위치)의 미세조정을 할 수 있는 공지의 구성의 것이다. 이러한 광픽업장치(6)의 기울기조정을 하기 위하여 기울기조정시스템(X)은, 광디스크 대신으로서 사용하는 유사 디스크(7)와, 투영 광학계(2B)와, 도 1의 포커스검출장치(A)에 대응하는 포커스검출장치(B)와, CCD 카메라(9)를 구비하고 있다. 광픽업장치(6)의 대물렌즈(62)는 레이저 빔을 유사 디스크(7)의 바닥면에 초점을 맞추도록 조정된다. 따라서 이 경우의 기준면(1B)은 유사 디스크(7)의 바닥면이다. 여기서 광픽업장치의 경우, 통상 대물렌즈 (62)와 광디스크(조정장치에서는 유사 디스크) 사이의 거리는, 1 미크론 이내의 정밀도로 일정하게 유지하지 않으면 안된다. 이 바닥면의 레이저빔의 빔 스폿인 상은, 투영 광학계(2B)의 현미경 대물렌즈(20B)와, 빔 스프리터와 같은 광분기부재(22B)와, 결상렌즈(26B)를 통하여 기준면(1B)에 있어서의 상의 포커스상태를 판정하는 포커스검출장치(B)와, 기준면(1B)에 있어서의 상으로부터 대물렌즈(62)의 기울기를 검출하기 위한 CCD 카메라(9)의 쌍방에 투영한다. 여기서 현미경 대물렌즈(20B)의 물체측 초점은 유사 디스크(7)의 기준면(1B)에 맞추고, 그리고 결상렌즈(26B)의 상측 초점은 CCD 카메라(9)의 수광면에 맞춘다.

도 2의 기울기조정시스템(X)에서는, 먼저 포커스검출장치(B)로 유사 디스크(7)의 바닥면(X-Y평면으로 한다)인 기준면(1B)에 있어서의 상의 광에너지 분포로부터, 그 상의 포커스상태의 판정을 행하고, 그리고 초점맞춤상태로부터 어긋나 있는 경우에는 포커스 엑츄에이터(64)를 제어함으로써 대물렌즈(62)의 초점위치(즉, X-Y 평면과 직교하는 Z 방향의 위치)를 미세 조정함으로써 초점맞춤상태를 실현한다. 다음에 이 초점맞춤상태에 있어서의 기준면(1B)상의 상을 CCD 카메라(9)로 촬상한 화상(예를 들면, 모니터에 표시한 화상)으로부터 대물렌즈(62)의 기울기를 판단한다. 기울기의 판단은 공지의 방법, 예를 들면 CCD 화상에 있어서의 0차 광화상의 진원도, 1차 회절광에 의한 링형상 화상의 강도 균일성 등으로부터 판단한다. 이 판단결과에 의거하여 도시 생략한 광픽업장치(6)에 구비된 나사 등 공지의 구성에 의하여 대물렌즈(62)의 기울기를 조정한다. 이 기울기조정 동안은 유사 디스크(7)의 기준면(1B)상에 있어서의 상의 위치가 X-Y 평면 내에서 움직이게 된다. 그러나 본 발명에 의하면 기준면(1B)상의 일정한 영역 내에 있어서는, 상이 이동하여도 상의 포커스상태를 판정할 수 있다. 최종적으로는 대물렌즈(62)는 유사 디스크(7)의 바닥면에 있어서, 상을 초점맞춤상태에서 또한 바닥면에 대하여 수직으로 초점을 맞추게 된다.

다음에 도 3을 참조하여 보다 구체화한 일 실시형태의 포커스검출장치(C)를 설명한다. 또한 도 3에서는 도 1 또는 도 2의 요소와 동일 또는 대응하는 요소에는 동일한 참조번호나 또는 동일한 참조번호의 뒤에 기호“C"를 붙이고 있다. 도 3에 나타낸 포커스검출장치(C)는 포커스상태의 판정방법으로서 비점 수차법을 사용한 실시형태의 것이다. 도시한 바와 같이, 포커스검출장치(C)는 검출면(3C)과, 1차원 광에너지 분포 검출부(4C)와, 포커스상태 판정부(5C)를 구비하고 있다. 검출면(3C)은 유사 디스크(7)의 기준면(1C)에 있어서의 상을 현미경 대물렌즈(20C) 및 광분기부재 (22C)를 포함하는 투영 광학계(2C), 그리고 다시 비점 수차 광학계(24C)를 거쳐 받는다. 비점 수차 광학계(24C)는 광분기부재(22C)로부터의 투영상을 받는 결상렌즈 (240C)와 그리고 원통렌즈(242C)로 구성되어 있고, 이에 의하여 기준면(1C)상의 상의 투영상을 검출면(3C)상에 생기게 한다. 이 비점 수차 광학계(24C) 및 투영 광학계 (2c)의 구성 및 배치에 의하여 기준면(1C)에 있어서의 상 예를 들면 빔 스폿이 초점맞춤상태일 때에는, 검출면(3C)에 있어서의 투영상은 원이 되고, 그리고 기준면에 있어서 초점위치보다도 가까울 때에는 검출면에 있어서는 X-Y 평면의 Y축 방향으로 긴 타원이 되고, 그리고 기준면에 있어서 초점위치보다도 멀 때에는 검출면에 있어서 X축 방향으로 긴 타원이 되도록 되어 있다. 이 검출면(3C)에 있어서의 상의 2차원 광에너지 분포로부터 분포 검출부(4C)는 2개의 1차원 광에너지 분포를 검출하고, 그리고 판정부(5C)는 이 2개의 1차원 광에너지 분포로부터 기준면(1C)에 있어서의 상의 포커스상태의 판정을 행한다.

도 4는 도 3의 검출면(3C) 및 1차원 광에너지 분포 검출부(4C)의 보다 상세한 회로구성을 나타내는 것이다. 도시한 바와 같이 검출면(3C)은 X축(도면에서는 수평의 축)과 Y축(도면에서는 수직의 축)을 가지는 2차원의 수광소자 어레이(30C)로 구성되어 있다. 또 분포 검출부(4C)는 X축 광에너지 분포 검출기(40C)와, Y축 광에너지분포 검출기(42C)와, 타이밍발생회로(44C)를 구비하고 있다.

여기서, 먼저 도 4a를 참조하여 수광소자 어레이(30C)를 상세하게 설명한다. 도시한 바와 같이 이 어레이(30C)는 행렬에 배치된 다수의 수광소자(즉 화소), 예를 들면 256 × 256의 화소를 가지는 CMOS 어레이센서이다. 각 화소(Pmn)는 도시한 바와 같이 1쌍의 소자, 즉 행출력용 소자(rmn)와 열출력용 소자(cmn)를 포함하고 있다. 예를 들면 화소(P11)는 행출력용 소자(r11)와, 열출력용 소자(c11)를 가지고 있다. 각 행에 포함되는 화소 내의 행출력용 소자(r)는 모두 대응하는 행출력 단자(RO)에 접속됨과 동시에, 각 열에 포함되는 화소 내의 열출력용 소자도 모두 대응하는 열출력 단자(CO)에 접속된다. 예를 들면 행출력용 소자(r11, r12, r13) 등은 행출력 단자(RO1)에 접속되고, 그리고 열출력용 소자(c11, c12, c31) 등은 열출력용 소자(CO1)에 접속된다. 이들 행출력용 소자 및 열출력용 소자의 각각은 받은 광에너지에 대응하는 전하를 발생하기 위하여 행출력 단자는 그 행에 포함되는 다수의 행출력용 소자가 수광한 광에너지 총합에 대응하는 전하를 공급한다. 마찬가지로 열출력 단자도 그 열에 포함되는 다수의 열출력용 소자가 수광한 광에너지의 총합에 대응하는 전하를 공급한다. 이러한 수광소자 어레이(30C)는 예를 들면 하마마쯔포토닉스주식회사제조의 프로파일센서(S9132)로 실현가능하고, 그 상세한 것은 2003년 1월달 카탈로그에 기재되어 있다. 또한 본 실시형태에서는 수광소자 어레이(30C)로서 CMOS 어레이센서를 사용하였으나, 상기와 동일한 동작을 실행할 수 있는 임의의 다른 디바이스를 사용할 수도 있다. 예를 들면 각 수광소자에 스위치를 구비하고, 행 또는 열의 수광소자의 전하 또는 전류를 동시에 판독할 수 있는 것을 사용할 수도 있다.

다음에 도 4로 되돌아가, 1차원 광에너지 분포 검출부(4C)의 설명을 계속하면, X축 광에너지 분포 검출기(40C)는 X축 방향을 따른 1차원의 광에너지 분포를 검출하는 것으로, 아날로그 스위치회로(400)와, 전하 축적기(402)와, 전하 - 전압 변환기(404)와, A/D 변환기(406)를 구비하고 있다. 아날로그 스위치회로(400)는 다수 예를 들면 256개의 병렬로 배치한 아날로그 스위치를 구비하고 있고, 각 아날로그 스위치는 수광소자 어레이(30C)의 도 4a에 나타낸 예를 들면 256개의 열출력 단자 (CO1∼CO256)의 대응하는 하나에 접속되어 있고, 그리고 출력은 전하 축적기(402)의 입력이 접속되는 공통의 1개의 출력단자에 접속되어 있다. 또 각 아날로그 스위치는 이 스위치의 온/오프 제어를 위한 타이밍 발생회로(44C)로부터의 신호를 받는 제어입력도 가지고 있다. 이에 의하여 각 아날로그 스위치는, 온이 되었을 때에는 대응하는 열출력 단자를 전하 축적기(402)의 입력에 접속함으로써 그 열에 포함되는 열출력용 소자 전체의 전하를 판독하여 전하 축적기(402)에 공급한다. 다음에 전하 축적기 (402)는 예를 들면 충전 중의 콘덴서로 구성할 수 있고, 그리고 각 열로부터의 판독 기간 동안은 입력에 받은 전하를 축적한다. 다음에 이 출력전하를 받는 입력을 가지는 전하 - 전압 변환기(404)는 예를 들면 충전으로 구성할 수 있고, 그리고 전하 축적기(402)로 축적된 전하를 대응하는 전압으로 변환하여 출력에 공급한다. 이 전압은 다음의 A/D 변환기(406)의 입력에 공급되고, 그리고 이 변환기로 아날로그형태로부터 디지털신호형태로 변환되고, 그리고 이것이 X축 데이터가 된다. 따라서 X축 데이터는 각 열이 받은 광에너지의 전체를 나타내는 데이터를 열 1, 열 2, 열 3 … 열 256의 순서로 출력한다.

여기서, 도 5를 참조하여 수광소자 어레이(30C)상의 빔 스폿과 그 광에너지분포와의 관계에 대하여 설명한다. 또한 도 5에 있어서는 각 화소는 1개의 원으로 나타내고 있으나, 실제로는 도 4a에 나타내는 바와 같이 1쌍의 수광소자로 구성되어 있는 것에 주의하고 싶다. 도시한 바와 같이, 열 1 내지 열 256의 각 열의 광에너지는 이하의 식으로 나타낸다.

따라서 빔 스폿(BS1)이 도시한 바와 같은 X축 방향이 긴 축이고, Y축 방향이 짧은 축인 가로로 긴 타원의 경우, j열 부근에 피크가 있는 분포가 되나, 비교적 완만하고 분포 폭이 넓으나 피크는 낮다. 한편 빔 스폿이 점선으로 나타내는 위치로 이동한 경우, 즉 빔 스폿(BS2)의 경우, 피크는 1열 부근으로 이동하나, 빔 스폿(BS1)과 동일한 분포를 검출할 수 있다.

Y축 광에너지 분포 검출기(42C)도, X축 광에너지 분포 검출기(40C)와 동일한 구성을 구비하고 있고, 즉 아날로그 스위치회로(420)와, 전하 축적기(422)와, 전하 - 전압 변환기(424)와, A/D 변환기(426)를 구비하고 있다. 단, 아날로그 스위치회로 (420)의 다수의 아날로그 스위치의 각각은, 수광소자 어레이(30C)의 행출력 단자(RO1∼RO256)의 대응하는 하나에 접속되어 있다. 이에 의하여 A/D 변환기(426)가 출력에 발생하는 Y축 데이터는 각 행이 받은 광에너지의 전체를 나타내는 데이터를 행 1, 행 2, 행 3 … 행 256의 순서로 출력한다.

다시 도 5에 있어서는, 행 1 내지 행 256의 각 행의 광에너지는, 이하의 식으로 나타낸다.

따라서 빔 스폿 BS1일 때, i행 부근에 피크가 있는 분포가 되나, X축 분포와 비교하여 분포 폭은 좁고 피크는 높다. 한편, 빔 스폿 BS2의 경우 피크는 k행 부근으로 이동하나, 빔 스폿 BS1과 동일한 분포를 검출할 수 있다.

이상과 같이 1차원 광에너지 분포를 사용함으로써, 빔 스폿의 형상, 즉 원형형상, 가로로 긴 타원, 세로로 긴 타원 등을 X축 및 Y축의 1차원 광에너지 분포의 비교에 의해 검출할 수 있다.

다음에 타이밍발생회로(44C)에 대하여 설명하면, 이 회로는 도시한 바와 같이 클록과 측정 개시신호를 각각 받는 입력을 가지고 있다. 또 회로(44C)는 이들 입력에 의거하여 아날로그 스위치회로(400)와 아날로그 스위치회로(420) 내의 각 아날로그 스위치를 온/오프하는 신호를 출력에 발생한다. 일례로서 행 1의 아날로그 스위치와 열 1의 아날로그 스위치의 쌍방을 온으로 하는 판독신호, 다음에 행 2의 아날로그 스위치 및 열 2의 아날로그 스위치의 쌍방을 온으로 하는 판독신호, 등과 같이 행번호 및 열번호의 순서대로 판독신호를 발생한다. 이와 같이 하여 상기한 바와 같이 각 행 및 각 열의 광에너지를 나타내는 X축 데이터 및 Y축 데이터를 발생시킨다. 또 회로(44C)는 이 판독신호의 발생과 동기하여 어드레스 동기신호를 발생한다. 판독 중인 데이터가 어느 행/열의 데이터인지는 어드레스 동기신호의 상승, 또는 하강의 횟수를 셈으로써 판별할 수 있다. 또한 수광소자 어레이(30C)뿐만 아니라 1차원 광에너지 분포 검출부(4C)도, 상기한 하마마쯔포토닉스주식회사 제조의 프로파일센서 (S9132)로 실현할 수 있다.

이상과 같은 구성의 수광소자 어레이(30C)를 채용함으로써, 화소마다의 데이터가 아니라, 열마다 또는 행마다의 데이터만이 되고, 따라서 처리해야 할 데이터량이 감소하고, 이것에 수반하여 화상 갱신 레이트를 예를 들면 3 kHz 쯤의 높이로 할 수 있다. 이에 대하여 일반적인 CCD 촬상소자의 경우, 화소마다의 데이터를 처리하기 위하여 화상 갱신 레이트는, 60 Hz에 불과하다. 이것으로부터 본 발명에 의하면 광에너지 분포의 검출을 종래와 비교하여 고속으로 실행할 수 있다. 또 1차원 광에너지 분포를 사용함으로써, 외란이나 위치 어긋남으로 빔 스폿위치가 이동하여도 빔 스폿에 의해 생기는 광에너지 분포를 동일하게 검출할 수 있다. 이 때문에 검출면의 중심과 빔 스폿의 중심을 일치시킬 필요가 없다. 이들 특징으로부터 그 높은 화상 갱신 레이트보다 낮은 진동 또는 조정시의 외란에 의한 영향을 실질상 배제할 수 있다.

다음에 도 6을 참조하여 포커스상태 판정부(5C)를 설명한다. 도시한 바와 같이 포커스상태 판정부(5C)는 X축 데이터처리부(50C)와, Y축 데이터처리부(52C)와, 원형성 판정기(54C)를 구비하고 있다. 상세하게는 X축 데이터처리부(50C)는 연산기 (500)와, D/A 변환기(502)를 구비하고 있다. 연산기(500)는 예를 들면 공정과 메모리(도시 생략)로 구성할 수 있고, 그리고 도 4의 1차원 광에너지 분포 검출부(4C)로부터의 X축 데이터를 받는 입력과, X축 데이터로서 받고 있는 데이터가 어느 열의 광에너지 분포인지를 나타내는 어드레스 동기신호를 받는 입력을 가지고 있다. 이 연산기는 각 열의 광에너지·데이터의 X축 방향을 따른 분포, 즉 X축 방향의 1차원의 광에너지 분포로부터, 이 에너지 분포를 나타내는 특징인 X축 최대값을 산출한다. 또한 연산기(500)에서의 처리는 이하에 더욱 상세하게 설명한다. 이 X축 방향 분포의 최대값은 다음에 D/A 변환기(502)에 의해 아날로그 데이터로 변환하고, 그리고 다음 의 원형성 판정기(54C)에 공급한다. 마찬가지로 Y축 데이터처리부(52C)도 X축 데이터처리부(50C)와 동일한 회로구성을 가지고 있고, 연산기(520)와 D/A 변환기(522)를 구비하고, 이에 의하여 Y축 방향의 1차원 광에너지 분포로부터, 이 에너지 분포의 특징인 Y축 최대값을 산출하고, 그리고 이 디지털 데이터를 원형성 판정기(54C)에 공급한다. 원형성 판정기(54C)는 예를 들면 차동 증폭기(540)로 구성할 수 있고, 그리고이것은 Y축 최대값으로부터 X축 최대값의 차이를 산출하여 포커스 에러신호로서 출력된다. 이 포커스 에러신호는, 예를 들면 도 3의 포커스검출장치(C)의 포커스 엑츄에이터(64)를 제어하는 데 사용한다. 본 실시형태에서는 D/A 변환기(502)로 아날로그 데이터로 변환한 후 원형성의 판정을 하고 있으나, 디지털 데이터 그대로 판정을 하여도 좋다.

다음에 도 7의 플로우차트 및 도 8의 도면을 참조하여 도 6의 연산기(500 및 520)에 있어서의 동작에 대하여 설명한다. 또한 연산기(500)와 연산기(520)의 동작은 동일하기 때문에, 연산기(500)를 주로 설명한다. 먼저 도 7의 단계 S2에서 연산기(500) 내의 메모리 내의 기억값을 초기화한다. 다음에 단계 S4에서 n을 열1을 나타내는 1에 세트하고, 그리고 단계 S6에서 열 1의 광에너지값의 입력을 받는다. 단계 S8에서 이 광에너지 입력값이 기억값(처음에는 0)보다 큰지의 여부를 판정하고, 그리고 큰 경우에는 입력값을 기억값에 덮어 쓰는 단계(S10)를 경유하고, 그리고 그렇지 않은 경우는 단계 S12로 직접 진행하여 n을 1증분함으로써 열 2를 나타내는 2에 세트한다. 다음의 판단단계 S14에서는 n이 최대값(본 실시형태에서는 256)에 도하였는지의 여부를 판정하고, 그리고 도달하고 있지 않기 때문에, 단계 S4의 뒤로 루프하여 단계 S6 내지 단계 S12를 반복한다. 이에 의하여 열 1 내지 열 256의 광에너지 입력값에 관한 처리를 행한다. 단계 S14에서 n = 256에 도달하였을 때에는 1차원 광에너지 분포 내의 모든 광에너지값의 처리가 완료된 것이 되기 때문에, 단계 S16으로 진행하여 기억값을 다음의 D/A 변환기(502)에 출력하고, 이에 의하여 처리가 종료된다. 여기서 이 기억값은 1차원 광에너지 분포 내의 광에너지값의 피크값과 같아지게 되어 있다. 이와 같이 하여 제일 마지막의 광에너지 입력값의 처리가 완료된 시점에서 피크값이 얻어지기 때문에, 데이터처리의 고속성이 더욱 높아진다. 상기한 처리는 Y축용의 연산기(520)에 있어서도 마찬가지로 실행되고, 이에 의하여 X축의 피크값과 Y축의 피크값이 검출되어 원형성 판정기(54C)에 공급된다. 또한 이 공정에서는 에너지분포의 최대값이 분포의 폭에 반비례하고 있는 것을 이용하여 빔 스폿의 원형성의 유무를 판단한다.

여기서 도 8을 참조하여 원형성 판정기(54C)에 있어서의 포커스상태 판정법에 대하여 설명한다. 또한 도 8은 도 5에 나타낸 광에너지 분포도와 동일한 것을, 베스트포커스, 즉 초점맞춤상태의 경우[도 8(a)], 초점이 기준면보다도 가까운 경우[도 8(b)], 그리고 초점이 기준면보다도 먼 경우[도 8(c)]의 3가지의 경우에 대하여 나타내고 있다. 도 8(a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 초점맞춤상태일 때는 비점 수차 광학계를 통하여 생기는 검출면(3C)상의 빔 스폿은 원형이 된다. 이 경우, 1차원 광에너지의 X축 피크값[X(0)]은, Y축 피크값[Y(0)]과 같다. 따라서 그들 피크값이 같은, 즉 피크값 사이의 차가 0인 경우, 초점맞춤상태를 나타내고, 따라서 포커스 에러신호도 0을 나타내게 된다. 비교를 위해 점선으로 나타내고 있는 것은 빔 스폿의 중심을 지나는 X축 및 Y축에서의 광강도의 분포를 나타내는 것이다. 이 경우도 X축피크값[x(0)]은 Y축 피크값[y(0)]과 같기 때문에 1차원 광에너지 분포를 사용하는 경우와 동일한 판정결과가 얻어진다.

다음에 도 8(b)의 경우, 비점 수차 광학계를 통하여 생기는 검출면(3C)상의 빔 스폿은, 긴 축이 X축방향이고 짧은 축이 Y축 방향의 타원이 된다. 이 경우, 1차원 광에너지의 X축 피크값[X(-)]은, Y축 피크값[Y(-)]보다도 작다. 따라서 Y축 피크값으로부터 X축 피크값을 감산한 결과가 + 일 때는, 초점위치가 가까운 것을 나타내고 있고, 따라서 + 의 포커스 에러신호에 의해 초점위치를 멀리로 이동시키는 제어를 하게 된다. 여기서 점선으로 나타낸 타원의 중심을 지나는 광강도 분포를 보면, 중심의 광강도는 동일하기 때문에, X축 피크값[x (-)]은, Y축 피크값[y(-)]과 변함없이 동일한 그대로이고, 이것은 중심을 지나는 광강도 분포의 피크값의 비교에서는 포커스상태의 판정을 할 수 없는 것을 나타내고 있다.

다음에 도 8(c)의 경우, 비점 수차 광학계를 통하여 생기는 검출면(3C)상의 빔 스폿은, 긴 축이 Y축 방향이고, 짧은 축이 X축 방향의 타원이 된다. 이 경우, 도 8(b)일 때와 반대가 되어 1차원 광에너지의 X축 피크값[X(+)]은, Y축 피크값[Y(+)]보다도 커지고, 따라서 Y축 피크값으로부터 X축 피크값을 감산한 결과가 - 일 때는 초점위치가 먼 것을 나타내고 있다. 이 때문에 - 의 포커스 에러신호에 의하여 초점위치를 가까이로 이동시키는 제어를 하게 된다. 마찬가지로 점선으로 나타낸 타원의 중심을 지나는 광강도 분포를 보면, 중심의 광강도는 역시 동일하기 때문에 X축 피크값[x(+)]은, Y축 피크값[y(+)]과 변함없이 동일한 그대로이고, 중심을 지나는 광강도 분포의 피크값의 비교에서는 포커스상태의 판정을 할 수 없는 것을 나타내고 있다.

또한, 도 8에서는 빔 스폿의 중심이 검출면(3C)의 중심에 일치하고 있는 상태로 나타내었으나, 도 5에 관련하여 설명한 바와 같이 본 발명에서는 1차원 광에너지 분포에 있어서의 최대값을 사용하기 때문에, 그들 중심을 일치시킬 필요는 없다.

이상으로 설명한 본 발명의 포커스검출장치(C)에 의하면, 기준면(1C)에 있어서의 상의 포커스검출을, 고속으로 또한 진동 등의 외란에 의한 영향을 거의 받는 일 없이 행할 수 있다. 다시 또 외란에 의한 영향을 저감할 수 있기 때문에, 포커스검출장치(C) 자체 또는 이것을 사용한 기울기조정시스템(X) 전체의 비용을 매우 저감할 수도 있다.

다음에 도 9의 플로우 차트를 참조하여 도 6의 연산기(500 및 520)에 있어서의 연산처리(도 7에 나타냄)의 다른 실시형태에 대하여 설명한다. 도 9에 나타내는방법은 광에너지분포의 최대값을 다른 방법으로 구하는 공정, 즉 한계값의 중간에 있어서의 값을 최대값으로서 구하는 방법을 나타내고 있다. 상세하게는 단계 S20, S22, S24는 도 7의 단계 S2, S4, S6과 동일하다. 그러나 단계 S26에서는 입력값이 한계값보다도 큰지의 여부를 판정하고, 그리고 크지 않은 경우는 단계 S28에서 n을 1증분한 후 단계 S24로 되돌아간다. 여기서 한계값이란, 1차원 광에너지 분포의 분포폭을 구하기 위하여 사용하는 어느 일정한 예상되는 최대값보다 작은 값이다. 단계 S26에서 YES가 된 경우, 즉 입력값이 한계값보다 커졌을 때, 단계 S30에서 n의 값, 즉 열의 번호를 기억값 1로서 기억한다. 이 기억값 1은 에너지 분포의 폭의 한쪽 끝을 결정한다. 다음에 단계 S32에서 n을 다시 1증분하고, 그리고 단계 S34에서 n 번째의 입력값을 받고, 단계 S36에서 그 n의 값 및 그 n 번째(즉 열 n)의 입력값을 기억한다. 다음에 판단단계 S38에서 그 입력값이 상기와 동일한 한계값보다도 작은 지의 여부를 판정하고, 그리고 NO인 경우, 단계 S32로 되돌아가서 단계 S32 내지 단계 S38를 반복한다. 한편 단계 S38에서 YES가 된 경우, 즉 광에너지값이 한계값보다밑이 되었을 때, 다음 단계 S40에서 그 n의 값을 기억값 2로서 기억한다. 제일 마지막 단계 S42에서는, 기억값 1과 기억값 2의 중간의 값을 구하여, n이 이 값일 때의 입력값(광에너지값)을 출력한다. 즉, 분포 폭 중간의 에너지값을 최대값으로서 사용할 수 있다. 이 방법은 에너지분포가 복수의 피크부분을 가지거나, 또는 정규분포와 같은 원활한 분포가 아닌 경우에 유효하다. 또 도 9의 처리에 있어서도 도 7과 마찬가지로 제일 마지막의 광에너지값의 처리의 완료와 거의 동시에 피크값이 얻어진다. 또한 도 10을 참조하여 도 6의 연산기(500 및 520)에 있어서의 연산처리(도 7에 나타냄)의 또 다른 실시형태에 대하여 설명한다. 도 10에 나타내는 공정은, 1차원 광에너지분포의 분포 폭을 그대로 타원의 긴 축 및 짧은 축으로서 구하는 방법이다. 이 공정은 도 9의 공정과 거의 동일하기 때문에, 다른 점에 대해서만 설명한다. 즉, 단계 S50 내지 단계 S64는, 도 9의 단계 S20 내지 단계 S34와 동일하다. 단, 도 10에서는 도 9의 단계 36에 상당하는 단계는 없으나, 그것은 분포 폭만을 구하기 때문이다. 또한 단계 S68 내지 단계 S70도, 도 9의 단계 S38 내지 단계 S40와 동일하나, 다음 단계 S72는 도 9의 단계 S42와는 달리, 기억값 2로부터 기억값 1을 감산한 값을 분포 폭으로서 출력한다. 이 도 10의 방법에 의해서도 타원의 긴 축 및 짧은 축 등을 간단하게 구할 수 있다.

다음에 이하에서는 도 11 내지 도 13을 참조하여 도 3 내지 도 6의 실시형태에 있어서의 투영 광학계(2C), 비점 수차 광학계(24C) 또는 검출면(3C)의 다른 실시형태에 대하여 설명한다.

먼저, 도 11은 도 5의 2차원 수광소자 어레이(30C) 대신에, 1차원 라인센서를 2개 사용하는 실시형태인 포커스검출장치(D)를 나타내고 있다. 또한 도 11에서는 도 2 또는 도 3과 대응하는 요소에는 참조번호의 뒤에 기호“D"를 붙이고 있다. 이 포커스검출장치(D)에서는, 도 3의 광학계(24C)와 동일한 비점 수차 광학계(24D)를 사용하나, 그 후에 빔 스프리터 등의 광분기부재(28D)를 구비함으로써 도시하는 바와 같이 2개의 별개로 설치한 1차원 라인센서(3D-1, D3-2)상에 투영상을 투사한다. 상세하게는 1차원 라인센서(3D-1)는 X축 1차원 광에너지 분포 검출용 센서이고, 그리고 1차원 라인센서(3D-2)는, Y축 1차원 광에너지 분포 검출용 센서이다. 이들 라인센서는 예를 들면 도 4a에 나타낸 구조의 2차원의 수광소자 어레이(30C)를 이용하여 실현할 수 있다. 즉 X축용의 1차원 라인센서(3D-1)는, 수광소자 어레이(30C)의 열출력 단자만을 사용함으로서 실현하고, 그리고 Y축용의 1차원 라인센서(3D-2)는 수광소자 어레이(30C)의 행출력 단자만을 사용함으로서 실현할 수 있다. 또는 X축용 1차원 라인센서(3D-1)는, 수광소자 어레이(30C) 중 행출력용 소자를 제거한 구조의 것으로 하고, 그리고 Y축용 1차원 라인센서(3D-2)는, 수광소자 어레이(30C) 중 열출력용 소자를 제거한 구조의 것을 사용할 수 있다. 이 경우 이들 라인센서를 제어하는 타이밍신호는 도 4의 회로(44C)가 발생하는 신호를 그대로 사용할 수 있다.

다음에 도 12는 포커스검출을 비점 수차법이 아니라, 빔 지름을 비교하는 방법을 사용하여 행하는 실시형태의 포커스검출장치(E)를 나타내고 있다. 또한 도 12에서는 도 2 또는 도 3과 대응하는 요소에는 참조번호의 뒤에 기호“E"를 붙이고 있다. 포커스검출장치(E)에서는 도 3의 비점 수차 광학계(24C) 대신에 결상렌즈(240E)만을 사용하고, 그리고 도 11의 실시형태와 마찬가지로 광분기부재(28E)와 2개의 1차원 라인센서(3E-1 및 3E-2)를 사용한다. 단, 도 12의 이 장치(E)에서는 기준면에 있어서의 상의 투영상의 초점의 전과 뒤에 있어서의 빔 스폿 지름을 서로 비교함으로써 포커스상태를 판정한다. 상세하게는 1차원 라인센서(3E-1)는 투영상의 초점위치보다도 앞에 배치하는 한편, 1차원 라인센서(3E-2)는 그 초점위치보다도 뒤에 배치하고, 그리고 이들 센서로 검출한 빔 스폿의 빔 지름을 서로 비교함으로써 초점위치를 계산에 의하여 구하고, 그리고 초점위치가 와야 할 소정의 위치와는 어긋난 위치에 초점이 있다고 판정한 경우에는, 어긋남 방향과 크기에 대응하는 포커스 에러신호를 발생한다. 또한 도 12에 실시형태에서 사용하는 라인센서는, 도 11에서 나타낸 실시형태와는 달리, 단지 빔 스폿 지름의 비교이기 때문에, 반드시 X축과 Y축의 검출을 하는 배치로 할 필요는 없고, 동일한 축방향에서의 지름을 구하거나, 또는 다른 축방향에서의 지름을 구하도록 할 수도 있다. 또한 1차원 라인센서(3E-1, 3E-2)는 도 11의 것과 동일한 구성으로 할 수 있다. 이 도 12의 실시형태의 경우도, 도 4 및 도 6에 나타낸 회로구성과 동일한 회로를 사용하여 1차원 광에너지 분포 검출과 포커스상태 판정을 행할 수 있다. 단, 도 6의 회로에서는 원형성 판정기(54C)는 지름 비교기로서 기능시킨다. 또한 본 실시형태의 경우, 지름의 산출은, 도 10에 나타낸 분포 폭으로부터 구하는 방법, 또는 도 7 및 도 9에 나타낸 최대값로부터 그 지름을 도출할 수도 있다.

제일 마지막으로 도 13에는 빔 지름을 비교하는 다른 방법을 사용한 실시형태의 포커스검출장치(F)를 나타내고 있다. 또한 도 13에서는 도 2 또는 도 3과 대응하는 요소에는 참조번호의 뒤에 기호“F"를 붙이고 있다. 이 포커스검출장치(F)는 도 12의 실시형태와 다른 것은 투영상의 초점위치의 전 또는 후 중 어느 한쪽에 배치한 1차원 라인센서(3F)를 1개만 사용하는 점이다. 또한 광분기부재(22F)와 결상 렌즈(240F)와 결상 렌즈(26F)는, 도 3의 광분기부재(22C), 결상 렌즈(240C), 결상 렌즈 (26C)에 대응한 것이다. 도 12에 있는 다른쪽의 1차원 라인센서로부터 구하는 지름은, 도 13의 실시형태에서는 미리 산출한 기준값을 사용한다. 이 기준값을 구하기 위하여 포커스검출장치(F)에서는 도 2에 나타낸 CCD 카메라(9)에 대응하는 CCD 카메라(9F)를 사용한다. 즉, 기준면상에 있어서의 상이 초점맞춤상태에 있을 때를, CCD 카메라(9F)로 육안으로 확인하고, 그리고 이 때에 1차원 라인센서(3F)로 검출되는 빔 스폿 지름을 산출하여 기준값으로서 저장하여 둔다. 다음에 광학계의 기울기조정의 기간동안, 이 기준값을 1차원 라인센서(3F)로 검출하는 지름과 비교함으로써 기준면상의 상의 포커스상태를 판정한다.

도 14에는 도 13의 포커스검출장치(F)에서 사용하는 1차원 광에너지 분포 검출부(4F) 및 포커스상태 판정부(5F)의 회로구성을 나타내고 있다. 도 6에 나타내는 것과 다른 것은, 1차원 광에너지 분포 검출부(4F)가, 1차원 라인센서(3F)로부터의 Y축 데이터만을 출력하고, 그리고 도 6의 X축 데이터처리부(50C)를 메모리(504)와 D/A 변환기(502)로 구성되는 기준값 설정부(50F)로 치환한 것이다. 또 도 6의 원형성 판정기(54C)를 도 12의 실시형태에 있어서의 것과 마찬가지로 지름 비교기(54F)로 하고 있는 점이다. 기준값을 구할 때는, 상기한 기준면상에 있어서의 상이 초점맞춤상태에 있을 때, 연산기(520)로 기준값을 산출하여 메모리(504)에 저장한다. 동시에 D/A 변환기(502)에서는 저장된 기준값을 아날로그 데이터로 변환하고, 그리고 지름 비교기(54F)에 공급한다. 이러한 구성에 의해서도 포커스상태의 판정을 행할 수 있다. 또 지름의 산출은, 도 12의 실시형태와 마찬가지로 도 7, 도 9 및 도 10의 여러가지 방법을 사용할 수 있다.

이상으로 상세하게 설명한 본 발명의 포커스검출법 및 기울기조정시스템에 있어서는, 광픽업으로서 CD 및 DVD의 경우로 설명하였으나, 본 발명은 임의의 그 밖의 광디스크에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 또한 본 발명은 당업자에는 분명한 바와 같이 광픽업 이외의 광학계에도 마찬가지로 적용할 수 있다.

이상의 본 발명에 의하면, 포커스검출을 고속으로 행할 수 있다. 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상의 포커스검출을, 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포의 판정에 의해 행할 수 있다. 또 1차원 광에너지 분포는, CCD 등의 촬상소자를 사용한 경우와 비교하여 처리해야 할 데이터량이 적고, 이에 따라 고속으로 처리하는 것이 가능해진다. 또 외란이나 위치 어긋남으로 빔 스폿위치가 이동하여도 상 검출면과 빔 중심과의 위치맞춤이 불필요하기 때문에, 포커스검출, 나아가서는 이것을 사용한 기울기조정을 고속으로 행할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 포커스검출을 고속으로 실행할 수 있기 때문에, 외란의 주파수보다도 높은 주파수에서의 검출동작이 가능하게 되고, 이에 의하여 포커스검출동작이 외란에 의한 영향을 매우 저감할 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 1차원 광에너지 분포판정에 의하여 상 검출면 - 빔 광축 사이의 중심위치 맞춤을 위한 기구가 불필요하게 된다. 또한 포커스검출장치 또는 기울기조정장치의 전체의 강도, 내진성 대책을 경감할 수 있기 때문에 장치 전체의 비용을 매우 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 포커스검출장치의 기본적 구성을 나타내는 도,

도 2는 본 발명에 의한 포커스검출법을 조립한 광픽업의 기울기조정시스템 (X)을 나타내는 도,

도 3은 도 2의 포커스검출장치를 보다 구체화한 일 실시형태의 포커스검출장치(C)를 나타내는 도,

도 4는 도 3의 검출면 및 1차원 광에너지 분포 검출부의 보다 상세한 회로구성을 나타내는 블록도,

도 4a는 도 4의 수광소자 어레이의 상세한 구조를 나타내는 도,

도 5는 도 4의 수광소자 어레이상의 빔 스폿과 그 광에너지 분포와의 관계를 나타내는 도,

도 6은 도 3의 포커스상태 판정부의 상세를 나타내는 블록도,

도 7은 도 6의 연산기에 있어서 실행되는 1차원 광에너지 분포에 있어서의 최대값을 구하기 위한 공정을 나타내는 플로우차트,

도 8은 도 5에 나타낸 광에너지 분포도와 동일한 것을 나타내는 도면으로서, (a)베스트 포커스 즉 초점맞춤상태의 경우, (b)는 초점이 기준면보다도 가까운 경우, (c)는 초점이 기준면보다도 먼 경우에 대하여 나타내는 도,

도 9는 도 6의 연산기에 있어서 실행되는 1차원 광에너지 분포에 있어서의 최대값을 구하기 위한 다른 공정을 나타내는 플로우차트,

도 10은 도 6의 연산기에 있어서 실행되는 1차원 광에너지 분포의 분포 폭을 그대로 타원의 긴 축 및 짧은 축으로서 구하는 공정을 나타내는 플로우차트,

도 11은 비점 수차법을 사용하는 다른 실시형태의 포커스검출장치를 나타내는 도,

도 12는 빔 지름을 비교하는 방법을 사용하는 다른 실시형태의 포커스검출장치를 나타내는 도,

도 13은 빔 지름을 비교하는 다른 방법을 사용하는 다른 실시형태의 포커스검출장치를 나타내는 도,

도 14는 도 13의 실시형태의 포커스검출장치에서 사용하는 1차원 광에너지 분포 검출부 및 포커스상태 판정부의 회로구성을 나타내는 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기준면 2 : 투영 광학계

3 : 검출면 4 : 분포 검출부

5 : 판정부 24c : 비점 수차 광학계

A, B, C, D, E, F : 포커스검출장치 X : 기울기조정시스템

Claims

포커스검출방법에 있어서,

기준면상의 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상에 대하여, 상기 상 에 의한 상기 기준면상의 2차원 광에너지 분포로부터, 상기 상의 전체에 대한 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포를 검출하는 단계와,

상기 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포에 의거하여, 상기 기준면에 있어서의 상기 상의 포커스상태를 판정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 1항에 있어서,

상기 1차원 광에너지 분포는, 상기 2차원 광에너지 분포에 대하여 하나의 축방향에 있어서 존재하는 광에너지의, 그 축에 교차하는 축을 따른 분포인 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포는, 2개의 서로 교차하는 축에 있어서의 1차원 광에너지 분포로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 1항에 있어서,

상기 분포 검출단계는,

상기 기준면에 있어서의 상기 상의 투영상을, 검출면에 받는 단계를 포함하고,

상기 검출면은, 상기 기준면상의 상기 소정의 영역에 대응하는 소정의 검출영역을 가지고, 상기 검출영역이 서로 교차하는 제 1축과 제 2축을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 4항에 있어서,

상기 분포 검출단계는,

비점 수차법을 사용하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 5항에 있어서,

상기 분포검출단계는,

상기 기준면에 있어서의 상기 상의 상기 투영상을, 비점 수차 광학계를 통하여 받는 단계를 포함하고,

상기 상의 비점 수차가, 상기 검출영역의 상기 제 1축 및 제 2축의 방향에 생기는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 6항에 있어서,

상기 분포 검출단계는,

상기 검출영역의 상기 제 1축에 있어서의 광에너지 분포와, 상기 제 2축에 있어서의 광에너지 분포를 검출하는 단계를 포함하고,

상기 제 1축에 있어서의 광에너지 분포는, 상기 제 2축 방향의 광에너지의 상기 제 1축을 따른 분포이고,

상기 제 2축에 있어서의 광에너지 분포는, 상기 제 1축 방향의 광에너지의 상기 제 2축을 따른 분포인 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 6항에 있어서,

상기 포커스상태 판정단계는,

상기 제 1축 광에너지 분포에 있어서의 최대값과, 상기 제 2축 광에너지 분포에 있어서의 최대값을 판정하는 단계와,

상기 제 1축의 최대값과 상기 제 2축의 최대값을 비교하는 단계와,

상기 비교의 결과에 의거하여 상기 포커스상태를 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 8항에 있어서,

상기 최대값 판정단계는,

상기 제 1축 및 상기 제 2축의 각 축에 관하여,

상기 각 축의 한쪽 끝으로부터 다른쪽 끝을 향하여, 보다 큰 광에너지값을 기억하는 단계와,

상기 각 축의 다른쪽 끝에 도달하였을 때의 상기 기억한 광에너지값을 상기 최대값으로서 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 8항에 있어서,

상기 최대값 판정단계는,

상기 제 1축 및 상기 제 2축의 각 축에 관하여,

상기 각 축의 광에너지 분포의 분포범위의 중간의 위치를 구하는 단계와,

상기 중간위치에 있어서의 상기 광에너지값을 상기 최대값으로서 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 10항에 있어서,

상기 중간의 위치를 구하는 단계는,

상기 제 1축 및 상기 제2축의 각 축에 관하여,

상기 각 축의 한쪽 끝으로부터 다른쪽 끝을 향하여 상기 광에너지값을 기억하고, 또 그 사이에 상기 광에너지값이, 소정의 한계값에 도달하였을 때의 상기 각 축상의 제 1 위치와, 상기 소정의 한계값으로 되돌아갔을 때의 상기 각 축상의 제 2 위치를 기억하는 단계와,

상기 각 축의 다른쪽 끝에 이르렀을 때에, 상기 기억한 제 1 위치 및 제 2 위치로부터 상기 제 1 위치 및 상기 제 2 위치의 중간의 위치를 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 6항에 있어서,

상기 포커스상태 판정단계는,

상기 제 1축 광에너지 분포의 분포범위의 폭과, 상기 제 2축 광에너지 분포의 분포범위의 폭을 판정하는 단계와,

상기 제 1축의 폭과 상기 제 2축의 폭을 비교하는 단계와,

상기 비교의 결과에 의거하여 상기 포커스상태를 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 12항에 있어서,

상기 폭은, 상기 광에너지의 소정의 한계값 이상의 범위의 폭인 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 13항에 있어서,

상기한 분포범위의 폭을 판정하는 단계는,

상기 제 1축 및 상기 제 2축의 각 축에 관하여,

상기 각 축의 한쪽 끝으로부터 다른쪽 끝을 향하여 상기 광에너지값이, 상기소정의 한계값에 도달하였을 때의 상기 각 축상의 제 1위치와, 상기 소정의 한계값으로 되돌아갔을 때의 상기 각 축상의 제 2위치를 기억하는 단계와,

상기 각 축의 다른쪽 끝에 도달하였을 때에 상기 기억한 제 1위치 및 제 2위치로부터, 상기 제 1위치 및 상기 제 2위치 사이의 거리를 구하여 상기 분포범위의 폭을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 4항에 있어서,

상기 분포 검출단계는,

상기 상으로부터의 하나의 투영상의 지름을 기준값과 비교하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 15항에 있어서,

상기 기준값은,

상기 상의 초점맞춤상태에 있어서의 상기 하나의 투영상의 지름의 값인 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 15항에 있어서,

상기 기준값은,

상기 상으로부터의 다른 투영상의 지름인 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 17항에 있어서,

상기 분포 검출단계는,

상기 기준면에 있어서의 상기 상의 제 1의 투영상을, 상기 검출면을 구성하는 제 1의 검출면에서 받고, 그리고 상기 상의 제 2의 투영상을 그것과는 다른 제 2의 검출면에서 받는 단계를 포함하고,

상기 제 1검출면과 상기 제 2검출면은 상기 상의 초점위치의 전과 뒤에 위치하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 18항에 있어서,

상기 분포 검출단계는,

상기 제 1검출면의 상기 검출영역에 있어서의 제 1 광에너지 분포와, 상기 제 2검출면의 상기 검출영역에 있어서의 제 2 광에너지 분포를 검출하는 단계를 포함하고,

상기 제 1 광에너지 분포는, 소정의 축방향의 광에너지의 그것과 교차하는 축을 따른 분포이고,

상기 제 2 광에너지 분포는, 소정의 축방향의 광에너지의 그것과 교차하는 축을 따른 분포인 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
제 19항에 있어서,

상기 포커스상태 판정단계는,

상기 제 1 광에너지 분포의 제 1의 폭을 판정하는 단계와,

상기 제 2 광에너지 분포의 제 2의 폭을 판정하는 단계와,

상기 제 1과 제 2의 폭에 의거하여, 상기 포커스상태를 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출방법.
상을 기준면에 결상하도록 구성된 광학계를 위한 기울기조정방법에 있어서,

상기 기준면상의 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상기 상의 포커스검출을, 제 1항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 기재된 포커스검출방법으로 실행하는 단계와,

상기 상이 초점맞춤상태가 되도록 상기 광학계를 조정하는 단계와,

상기 기준면에 대한 상기 광학계의 기울기를 조정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기울기조정방법.
포커스검출장치에 있어서,

기준면상의 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상에 대하여, 상기 기준면상에 있어서의 상기 상에 의한 2차원 광에너지 분포로부터, 상기 상 전체에 대한 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포를 검출하는 분포 검출수단과,

상기 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포에 의거하여, 상기 기준면에 있어서의 상기 상의 포커스상태를 판정하는 포커스상태 판정수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 22항에 있어서,

상기 1차원 광에너지 분포는, 상기 2차원 광에너지 분포에 관하여, 하나의 축의 방향에 있어서 존재하는 광에너지의, 그 축에 교차하는 축을 따른 분포인 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 22항에 있어서,

상기 적어도 하나의 1차원 광에너지 분포는, 2개의 서로 교차하는 축에 있어서의 1차원 광에너지 분포로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 22항에 있어서,

상기 분포 검출수단은,

상기 기준면상의 상기 소정의 영역에 대응하는 소정의 검출영역을 가지는 검출면 수단으로서, 상기 검출영역이, 서로 교차하는 제 1축과 제 2축을 가지고 있는 상기한 검출면 수단을 포함하고,

상기 기준면에 있어서의 상기 상의 투영상을, 상기 검출면 수단으로 받는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 25항에 있어서,

상기 검출면 수단은,

상기 제 1축 및 제 2축에 대응하여 배치한 복수의 행과 복수의 열을 가지는 수광소자군으로서, 각 수광소자가, 행출력용 소자와 열출력용 소자로 이루어지는 상기한 수광소자군과,

복수의 행출력 단자로서, 각각이 상기 행의 수광소자군의 상기 행출력용 소자가 받은 광에너지의 합을 출력하는 상기한 복수의 행 출력단자와,

복수의 열출력 단자로서, 각각이 상기 열의 수광소자군의 상기 열출력용 소자가 받은 광에너지의 합을 출력하는 상기한 복수의 열출력 단자를 구비한 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 26항에 있어서,

상기 검출면 수단은, 하나의 2차원 센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 26항에 있어서,

상기 검출면 수단은, 2개의 1차원 라인센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 25항에 있어서,

상기 분포 검출수단은, 비점 수차법을 사용하는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 29항에 있어서,

상기 분포 검출수단은, 비점 수차 광학계를 구비하고, 이에 의하여 상기 기준면에 있어서의 상기 상의 상기 투영상을 상기 비점 수차 광학계를 통하여 상기 검출면 수단상에서 받고, 상기 상의 비점 수차가, 상기 검출영역의 상기 제 1축 및 제 2축의 방향에 생기도록 한 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 30항에 있어서,

상기 분포 검출수단은,

상기 검출영역의 상기 제 1축에 있어서의 1차원 광에너지 분포를 검출하는 제 1축 광에너지 분포 검출수단과,

상기 검출영역의 상기 제 2축에 있어서의 1차원 광에너지 분포를 검출하는 제 2축 광에너지 분포 검출수단을 포함하고,

상기 제 1축에 있어서의 광에너지 분포는, 상기 제 2축 방향의 광에너지의 상기 제 1축을 따른 분포이고,

상기 제 2축에 있어서의 광에너지 분포는, 상기 제 1축 방향의 광에너지의 상기 제 2축을 따른 분포인 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 30항에 있어서,

상기 포커스상태 판정수단은,

상기 제 1축 광에너지 분포에 있어서의 최대값을 판정하는 수단과,

상기 제 2축 광에너지 분포에 있어서의 최대값을 판정하는 수단과,

상기 제 1축의 최대값과 상기 제 2축의 최대값을 비교하는 수단과,

상기 비교의 결과에 의거하여, 상기 포커스상태를 판정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 30항에 있어서,

상기 포커스상태 판정수단은,

상기 제 1축 광에너지 분포의 분포범위의 폭을 판정하는 수단과,

상기 제 2 축 광에너지 분포의 분포범위의 폭을 판정하는 수단과,

상기 제 1축의 폭과 상기 제 2축의 폭을 비교하는 수단과,

상기 비교의 결과에 의거하여, 상기 포커스상태를 판정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 25항에 있어서,

상기 분포 검출수단은, 상기 상으로부터의 하나의 투영상의 지름을 기준값과 비교하는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 34항에 있어서,

상기 기준값은, 상기 상의 초점맞춤상태에 있어서의 상기 하나의 투영상의 지름의 값인 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 35항에 있어서,

상기 분포 검출수단의 상기 검출면 수단은, 단일의 검출면 수단으로 이루어지고,

상기 분포 검출수단은, 상기 기준면에 있어서의 상기 상의 제 1 투영상을, 상기 단일 검출면 수단상에서 받고,

상기 단일 검출면 수단은, 상기 상의 초점위치의 전 또는 후에 위치하는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 34항에 있어서,

상기 기준값은, 상기 상으로부터의 다른 투영상의 지름의 값인 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
제 37항에 있어서,

상기 분포 검출수단의 상기 검출면 수단은,

제 1 검출면 수단과,

제 2 검출면 수단을 구비하고,

상기 분포 검출수단은,

상기 기준면에 있어서의 상기 상의 제 1 투영상을, 상기 제 1 검출면 수단상에서 받고, 그리고 상기 상의 제 2 투영상을 상기 제 2 검출면수단상에서 받고,

상기 제 1 검출면 수단과 상기 제 2 검출면 수단은, 상기 상의 초점위치의 전과 후에 위치하는 것을 특징으로 하는 포커스검출장치.
상을 기준면에 결상하도록 구성된 광학계를 위한 기울기조정장치에 있어서,

상기 기준면상의 소정의 영역 내의 임의의 위치에 있어서의 상기 상의 포커스검출을 행하는 제 22항 내지 제 38항 중 어느 한 항에 기재된 포커스검출장치와,

상기 상이 초점맞춤상태가 되도록 상기 광학계를 조정하는 수단과,

상기 기준면에 대한 상기 광학계의 기울기를 조정하는 기울기조정수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 기울기조정장치.
제 39항에 있어서,

상기 광학계는,

상기 기준면에 상기 상을 결상하기 위한 대물렌즈와,

상기 대물렌즈의 상기 기준면에 대한 상의 포커스를 조정하는 포커스 조정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 기울기조정장치.