WO2012029113A1 - 変位検出装置 - Google Patents

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light
objective lens
displacement
limiting element
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渡部　一雄
隆 碓井
岡野　英明
小川　昭人
靖人 上田
真一 立田
裕二 久保田
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株式会社 東芝
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    • G—PHYSICS
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    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
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    • G11B7/08—Disposition or mounting of heads or light sources relatively to record carriers
    • G11B7/09—Disposition or mounting of heads or light sources relatively to record carriers with provision for moving the light beam or focus plane for the purpose of maintaining alignment of the light beam relative to the record carrier during transducing operation, e.g. to compensate for surface irregularities of the latter or for track following
    • G11B7/0908—Disposition or mounting of heads or light sources relatively to record carriers with provision for moving the light beam or focus plane for the purpose of maintaining alignment of the light beam relative to the record carrier during transducing operation, e.g. to compensate for surface irregularities of the latter or for track following for focusing only
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    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1372—Lenses
    • G11B7/1378—Separate aberration correction lenses; Cylindrical lenses to generate astigmatism; Beam expanders

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a displacement detection device.
  • the relative positional relationship between an optical system having an objective lens and a medium for storing information by the action of a light beam condensed by the objective lens changes along the optical axis direction of the objective lens.
  • the displacement detection device is used for monitoring the displacement of such a medium.
  • a method of performing angle multiplex recording by rotating the medium around a rotation axis orthogonal to the optical axis of the objective lens such as an angle multiplex recording method on a holographic recording medium.
  • the recording / reproducing surface of the medium is inclined as viewed from the optical axis. It is desired to provide a displacement detection device that can detect displacement without the influence of the inclination of the medium.
  • the displacement detection device of the embodiment includes a light source that generates light, and an objective lens that condenses the light toward a medium that can rotate around a rotation axis that is orthogonal to the optical axis direction of the irradiated light. .
  • the apparatus includes a beam splitter that separates reflected light reflected from the medium and transmitted through the objective lens.
  • the apparatus includes an aperture limiting element whose aperture is limited to block a part of the reflected light separated by the beam splitter, and an optical axis direction of the objective lens based on the reflected light that has passed through the aperture limiting element.
  • a detecting device for detecting the displacement of the medium is provided.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a displacement detection device according to the embodiment.
  • the light source (LD) 10 is, for example, a semiconductor laser having a wavelength of 650 nm.
  • the wavelength of light from the light source 10 may be in the visible light range or near infrared range, and is not limited to a specific wavelength, but it is necessary that a sufficient amount of light for detecting the displacement of the medium 100 is reflected by the medium 100. is there.
  • the light source 10 emits diffused laser light toward the collimating lens 20.
  • the diffused laser light is converted into parallel laser light by the collimator lens 20 and enters the beam splitter 30.
  • At least part of the laser light passes through the beam splitter 30 as it is and enters the relay lens 40.
  • the relay lens 40 changes the beam diameter of the incident laser light (while maintaining the beam shape of the parallel light) by the lens action, or converts the incident laser light into diffused light or convergent light having a different beam shape. .
  • the laser light emitted from the relay lens 40 enters the objective lens 50.
  • the objective lens 50 condenses the laser light from the relay lens 40 toward the medium 100.
  • the medium 100 can rotate around a rotation axis y orthogonal to the optical axis of the objective lens 50.
  • the laser light emitted from the objective lens 50 is focused on, for example, the surface 110 of such a medium 100.
  • the relay lens 40 changes the laser light incident on the objective lens 50 to one of parallel light, diffused light, and convergent light.
  • the medium 100 is a holographic storage medium, for example, and has a three-layer structure as shown in FIG.
  • the medium 100 includes a recording layer 120 that records user data, and a transparent substrate 125 and a transparent substrate 126 that sandwich the recording layer 120 from above and below.
  • the thicknesses of the recording layer 120 and the transparent substrates 125 and 126 are not limited to specific values.
  • the thickness of the transparent substrate 125 and the transparent substrate 126 is 0.5 mm
  • the thickness of the recording layer 120 is 1. 5 mm.
  • the shape of the medium 100 viewed from above in FIG. 2 is, for example, circular (diameter is 12 cm, for example).
  • the shape of the medium is not limited to a circle, and may be a square, rectangle, ellipse, or other polygonal shape.
  • the medium 100 is controlled to rotate by a mechanism (not shown) that rotates around the y-axis when the orthogonal coordinate system x, y, and z axes with the center of the medium 100 as the origin are defined as shown in FIG.
  • the rotation direction around the y axis coincides with the angle multiplex recording direction in the holographic storage technology.
  • the medium 100 is rotated to an arbitrary position around the y axis within a certain angle range. This constant angle is usually in the range of 1 to 45 degrees, depending on the recording specifications for the holographic storage medium.
  • the light source used for recording information on the holographic storage medium is preferably prepared separately from the light source 10 for displacement detection, and preferably has a wavelength different from that of the light source 10, for example, a wavelength in the vicinity of 405 nm.
  • the laser light focused on the medium 100 is reflected by, for example, the surface 110 of the medium 100 that is the object of displacement detection, and is incident on and transmitted through the objective lens 50 from the opposite direction to the forward path.
  • the laser beam does not necessarily have to be reflected by the surface 110 of the medium 100 close to the objective lens 50. Reflection may be performed on a surface of the medium 100 far from the objective lens 50 or may be reflected on a single plane inside the medium 100.
  • the laser light emitted from the objective lens 50 is incident on the relay lens 40 from the direction opposite to the outward path, is transmitted therethrough, and further enters the beam splitter 30.
  • the beam splitter 30 reflects at least a part of the laser light and guides it to the aperture limiting element 60.
  • the laser beam reflected from the beam splitter 30 is partly split by the aperture limiting element 60 and enters the knife edge detecting optical element 70.
  • a mode of light beam blocking by the aperture limiting element 60 will be described later.
  • the knife edge detection optical element 70 includes, for example, a deflection element in which two prisms are joined.
  • the knife edge detecting optical element 70 is not limited to a prism, and may be any element that enables displacement detection by the knife edge method.
  • the knife edge detecting optical element 70 may be a diffractive optical element or a light shielding element having a knife edge-shaped end. This point will also be described later.
  • the laser light emitted from the knife edge detecting optical element 70 is condensed on the quadrant photodetector 90 by the condenser lens 80.
  • the knife edge detection optical element 70, the condenser lens 80, and the four-divided photodetector 90 constitute a detection device that detects the displacement of the medium 100 in the optical axis direction of the objective lens 50.
  • the aperture limiting element 60 may be inserted between the knife edge detecting optical element 70 and the condenser lens 80.
  • FIG. 3 shows each divided cell of the quadrant photodetector 90 and the calculation.
  • the four-divided photodetector 90 is a photoelectric conversion element including four divided cells A, B, C, and D having substantially the same shape.
  • a current proportional to the amount of laser light irradiated on each cell is supplied from each cell. Is output.
  • the current output from each cell is converted into a voltage proportional to the current by a current-voltage conversion element (not shown).
  • the voltage generated in this way and proportional to the amount of light applied to each cell is input to the differential amplifier 91.
  • the differential amplifier 91 outputs FES (Focus Error Signal: focus error signal) corresponding to the calculation result of voltage (A + C)-(B + D).
  • This FES is a detection signal indicating the relative displacement in the z direction shown in FIG. 1 between the medium 100 and the objective lens 50.
  • FIG. 4A shows a case where the condensing position of the laser light condensed by the objective lens 50 is coincident with the surface 110 of the medium 100 that is the object of displacement detection, that is, the case of displacement 0 (focusing). .
  • the reflected light from the medium 100 passes through the objective lens 50 and becomes parallel light, and enters the knife edge detecting optical element 70 via the relay lens 40 and the beam splitter 30.
  • the knife-edge detecting optical element 70 is formed by joining two deflecting prisms so as to deflect incident light in directions opposite to each other on the paper surface.
  • the position of the joint surface of the two deflecting prisms is set to a position that substantially divides the light beam of parallel light into two. Therefore, the knife-edge detecting optical element 70 deflects approximately half of the incident light upward in the plane of the paper, and deflects the other half in the downward direction of the plane of the paper.
  • the two light beams deflected in the opposite directions to each other as described above are converged light by the condensing lens 80 and condensed on the quadrant photodetector 90 installed at the focal position of the condensing lens 80.
  • the light beam deflected upward is collected in the middle of the upper two detectors (B, C) of the four-split photodetector 90.
  • the light beam deflected downward is collected in the middle of the lower two detectors (A, D) of the four-split photodetector 90.
  • FIG. 4B shows a case where the surface 110 of the medium 100 that is the object of displacement detection is shifted to the side closer to the objective lens 50 (diffusion) with respect to the condensing position of the laser light collected by the objective lens 50.
  • the reflected light from the medium 100 passes through the objective lens 50 and becomes diffused light, and enters the knife edge detecting optical element 70 through the relay lens 40 and the beam splitter 30.
  • the knife-edge detecting optical element 70 deflects approximately half of the incident light in the upward direction on the paper and deflects the other approximately half in the downward direction on the paper.
  • the two light beams deflected in the opposite directions as described above are converged light by the condensing lens 80 and are condensed on the four-divided photodetector 90.
  • the beam waist of the convergent light is located farther from the condensing lens 80 than the quadrant photodetector 90.
  • the upper two detectors of the four-split photodetector 90 are mainly irradiated with light on the same side as the half beam of the convergent light, that is, the detection cell C.
  • the detection cell A is mainly irradiated with light.
  • the calculation result FES (A + C) ⁇ (B + D) by the four-divided photodetector 90 is a positive value.
  • FIG. 4C shows a case (convergence) where the surface 110 of the medium 100 that is the object of displacement detection is shifted to the far side from the objective lens 50 with respect to the condensing position of the laser beam condensed by the objective lens 50.
  • the reflected light from the medium 100 passes through the objective lens 50 and becomes convergent light and enters the knife edge detecting optical element 70.
  • the knife-edge detecting optical element 70 deflects approximately half of the incident light in the upward direction on the paper and deflects the other approximately half in the downward direction on the paper.
  • the two light beams deflected in the opposite directions are converged light by the condenser lens 80 and are collected on the quadrant photodetector 90, respectively.
  • the beam waist of the convergent light is closer to the condenser lens 80 than the quadrant photodetector 90.
  • the upper two detectors of the four-split photodetector 90 are mainly irradiated with light on the side opposite to the half beam of the convergent light, that is, the detection cell B.
  • the opposite side of the convergent light half beam, that is, the detection cell D is mainly irradiated.
  • FIG. 5 is a graph showing the result of calculating the relationship between the displacement of the objective lens 50 in the optical axis direction of the medium 100 and the FES.
  • the horizontal axis indicates the medium displacement (focus error; the unit is ( ⁇ m))
  • the vertical axis indicates the displacement detection signal (focus error signal; FES (au)). According to the graph, it can be seen that FES almost proportional to the medium displacement is obtained in the range of the medium displacement ⁇ 5 ⁇ m.
  • a composite prism is used as the knife-edge detecting optical element 70.
  • the present invention is not limited to this as long as it has an optically similar function.
  • a diffractive optical element may be used. Is possible.
  • FIG. 6 shows a diffractive optical element 75 in place of the knife edge detecting optical element 70 using a composite prism.
  • the diffractive optical element 75 is a plate-like light transmissive element, and has a diffraction pattern for diffracting transmitted light at the center.
  • the diffractive optical element 75 has a diffraction pattern on the left side and a diffraction pattern on the right side that are different from each other with the center as a boundary, and thus has the same function as the optical element 70 for knife edge detection using the above-described composite prism. For example, light transmitted through the left diffraction pattern is diffracted upward, and light transmitted through the right diffraction pattern is diffracted downward.
  • the aperture limiting element 60 is an element for suppressing the influence on the displacement detection signal when the medium 100 that is the object of displacement detection rotates around the y axis shown in FIG.
  • the aperture limiting element 60 is arranged in the optical path connecting the objective lens 50, the relay lens 40, the beam splitter 30, the knife edge detecting optical element 70, and the objective lens 80 shown in FIG. It arrange
  • the aperture limiting element 60 is an element in which the aperture is limited so that a reflected light beam from the medium 100 is reflected by the beam splitter 30 and is incident on the aperture limiting element 60 so as to block a part of the light beam. is there.
  • the opening shape of the opening limiting element 60 may be, for example, a rectangle as shown in FIG. 7A or a circle as shown in FIG. 7B.
  • the opening radius of the objective lens 50 is a
  • the length of one side of the opening of the rectangular aperture limiting element 60a is preferably 2a.
  • the opening radius of the circular opening limiting element 60b is preferably the same as a.
  • FIG. 8 shows the positional relationship between the incident light beam (center Ob) at the position where the aperture limiting element 60 is installed and the aperture limiting element 60 (center Oa).
  • the aperture limiting element 60 is arranged along the x-axis direction with its center Oa shifted by d from the center Ob of the incident light beam.
  • the light beam incident on the aperture limiting element 60 is a light beam of reflected light that is reflected from the medium 100 by the light from the light source 10 and passes through the objective lens 50 and the beam splitter 30.
  • the center Ob coincides with the optical axis of the objective lens 50.
  • the shift amount d is determined according to the maximum rotation angle at which the medium 100 rotates about the y axis. How to determine the shift amount d will be described with reference to FIG.
  • FIG. 9 shows the positional relationship between the reflected light from the medium 100 and the opening of the objective lens 50.
  • FIG. 9B shows that the medium 100 is rotated about the y axis by an angle ⁇ with respect to the optical axis of the objective lens 50.
  • NA the numerical aperture of the objective lens 50
  • the focal length f
  • the aperture radius a
  • ⁇ is an angle formed by the conical surface of the cone formed by the light beam condensed by the objective lens 50 and the optical axis.
  • the center of the reflected light beam is shifted from the center of the aperture of the objective lens 50 by the distance d.
  • the deviation amount of the center Oa of the aperture limiting element 60 from the center Ob of the incident light beam is preferably set to a value equal to d.
  • FIG. 10 shows the beam profile at the position where the aperture limiting element 60 is installed for each rotation angle of the medium.
  • the beam profile is a circular profile similar to the aperture of the objective lens 50 as shown in FIG. 10A.
  • the rotation angle ⁇ of the medium 100 is 20 ° and there is no aperture limiting element, the reflected light from the medium 100 is scattered at the aperture of the objective lens 50, so that the beam profile as shown in FIG. 10B. Is a leaf-shaped tree with a part of it missing.
  • the rotation angle of the medium 100 is in the range of 0 to 20 degrees, it is desirable from the viewpoint of constant displacement detection sensitivity that a beam profile as shown in FIG. 10B is obtained regardless of the rotation angle of the medium 100. .
  • the aperture limiting element 60 is provided.
  • FIG. 10C shows a beam profile when the rectangular aperture limiting element 60a shown in FIG. 7A is installed to shield half of the incident light beam.
  • the rotation angle ⁇ of the medium 100 is 0 °.
  • the reflected light from the medium 100 is not emitted from the aperture of the objective lens 50, but is reflected by the rectangular aperture limiting element 60a, so that such a beam profile is obtained.
  • the beam profile in FIG. 10C is closer to that in FIG. 10B in which the rotation angle ⁇ of the medium 100 is 20 ° than in the case of FIG. 10A in which no aperture limiting element is provided.
  • the rotation angle ⁇ of the medium 100 is 0 °.
  • FIG. 11 shows how the displacement detection sensitivity of the medium 100 changes depending on the inclination angle in accordance with the presence / absence of the opening limiting element and the difference in the opening shape.
  • the horizontal axis indicates the tilt angle (deg) of the medium 100, and the vertical axis indicates normalization sensitivity (displacement detection sensitivity).
  • the solid line indicates the case where the circular aperture limiting element 60b is installed, the alternate long and short dash line indicates the case where the rectangular aperture limiting element 60a is installed, and the broken line indicates the case where no aperture limiting element is installed.
  • the displacement detection sensitivity decreases almost linearly with the inclination of the medium 100, and when the inclination is 20 degrees, the sensitivity is about one third of that when the inclination is 0 degrees.
  • the aperture limiting element is provided, a decrease in detection sensitivity due to the inclination of the medium 100 is suppressed.
  • the detection sensitivity of the medium 100 within the tilt angle range of 0 to 20 degrees is within an error range of ⁇ 10%, and good displacement detection characteristics can be obtained. I understand.
  • the aperture limiting element 60 when the light beam of the reflected light from the medium 100 is reflected and incident on the beam splitter 30, the aperture limiting element 60 whose aperture is limited so as to shield a part of the light beam. Since it is set as the structure provided, the influence on the displacement detection signal by the medium 100 which is a displacement detection object tilting can be suppressed. Therefore, it is possible to detect the displacement with high accuracy with respect to the tilted medium 100 while suppressing the change in the displacement detection sensitivity.

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Abstract

　実施形態の変位検出装置は、光を発生する光源と、照射される前記光の光軸方向と直交する回転軸を中心に回転可能な媒体に向けて前記光を集光する対物レンズとを備える。該装置は、前記媒体において反射し、前記対物レンズを透過した反射光を分離するビームスプリッタを備える。該装置は、前記ビームスプリッタにより分離された反射光の一部を遮るように開口が制限された開口制限素子と、前記開口制限素子を経た反射光に基づいて、前記対物レンズの光軸方向についての前記媒体の変位を検出する検出デバイスと、を備える。

Description

変位検出装置
　本発明の実施形態は、変位検出装置に関する。
　対物レンズを有する光学系と、対物レンズにより集光された光束の作用によって情報を記憶する媒体との間の相対的な位置関係が、対物レンズの光軸方向に沿って変化する場合がある。変位検出装置は、このような媒体の変位をモニタするために用いられる。対物レンズの光軸方向の変位をモニタする際には、対物レンズの光路上にサーボ用の光（計測光）を導入し、媒体からの反射光を変位検出装置に導く。変位検出装置により検出された変位の情報に基づいて、フォーカスずれを補償する。
特開平７－２９４２３１号公報
　例えばホログラフィック記録媒体への角度多重記録方式のように、対物レンズの光軸に直交する回転軸により媒体を回転して角度多重記録を行うものがある。この場合、光軸から見て、媒体の記録再生面は傾斜する。このような媒体の傾斜の影響を除いて変位を検出することのできる変位検出装置の提供が望まれている。
　実施形態の変位検出装置は、光を発生する光源と、照射される前記光の光軸方向と直交する回転軸を中心に回転可能な媒体に向けて前記光を集光する対物レンズとを備える。該装置は、前記媒体において反射し、前記対物レンズを透過した反射光を分離するビームスプリッタを備える。該装置は、前記ビームスプリッタにより分離された反射光の一部を遮るように開口が制限された開口制限素子と、前記開口制限素子を経た反射光に基づいて、前記対物レンズの光軸方向についての前記媒体の変位を検出する検出デバイスと、を備える。
実施形態に係る変位検出装置の構成を示す図である。 媒体の断面図である。 光検出器の分割セルと演算を示す図である。 ダブルナイフエッジ法による変位検出を説明するための図である。 ダブルナイフエッジ法による変位検出を説明するための図である。 ダブルナイフエッジ法による変位検出を説明するための図である。 媒体変位と変位検出信号の関係を示すグラフである。 ナイフエッジ検出用光学素子の別の例を示す図である。 開口制限素子が有する開口の形状の例を示す図である。 開口制限素子が有する開口の形状の例を示す図である。 開口制限素子と入射光束との位置関係を示す図である。 媒体からの反射光と対物レンズの開口との位置関係を示す図である。 開口制限素子を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示す図である。 開口制限素子を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示す図である。 開口制限素子を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示す図である。 開口制限素子を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示す図である。 媒体の傾斜角度と変位検出感度の関係を表す図である。
　以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。図１は、実施形態に係る変位検出装置の構成を示す図である。光源（ＬＤ）１０は、例えば、６５０ｎｍの波長を有する半導体レーザーである。光源１０からの光の波長は、可視光域あるいは近赤外域のもので良く、特定の波長に限定されないが、媒体１００の変位の検出に十分な光量が媒体１００において反射されることが必要である。光源１０は、コリメートレンズ２０に向けて拡散レーザ光を出射する。この拡散レーザ光はコリメートレンズ２０によって平行なレーザ光に変換され、ビームスプリッタ３０に入射する。このレーザ光は少なくともその一部がビームスプリッタ３０をそのまま透過し、リレーレンズ４０に入射する。リレーレンズ４０は、そのレンズ作用により、入射したレーザ光のビーム径を（平行光のビーム形状を維持したまま）変化させるか、入射したレーザ光を異なるビーム形状の拡散光または収束光に変換する。リレーレンズ４０を出射したレーザ光は、対物レンズ５０に入射する。
　対物レンズ５０は、リレーレンズ４０からのレーザ光を媒体１００に向けて集光する。後述するように、媒体１００は、対物レンズ５０の光軸に直交する回転軸ｙを中心に回転可能である。対物レンズ５０から出射したレーザ光は、このような媒体１００の例えば表面１１０に集光する。対物レンズ５０に入射するレーザ光を、リレーレンズ４０は、平行光、拡散光あるいは収束光のいずれかに変化させる。これに応じて、対物レンズ５０が集光するレーザ光の焦点位置を調整することが可能である。例えば、レーザ光を拡散光に調整することにより、平行光が入射した場合と比較して対物レンズ５０から遠い位置に焦点位置を移動することができる。また、レーザ光を収束光に調整することにより、平行光が入射した場合と比較して対物レンズ５０から近い位置に焦点位置を移動することができる。
　媒体１００は、例えばホログラフィックストレージ媒体であり、図２に示すような３層構造を有する。媒体１００は、ユーザデータを記録する記録層１２０と、該記録層１２０を上下から挟む透明基板１２５および透明基板１２６とによって構成される。記録層１２０、透明基板１２５および１２６それぞれの厚さは特定の値に限定されないが、例えば、透明基板１２５および透明基板１２６の厚さは０．５ｍｍであり、記録層１２０の厚さは１．５ｍｍである。図２の上方から見た媒体１００の形状は、例えば円形（直径は例えば１２ｃｍ）である。しかしながら、媒体の形状は円形に限らず、正方形、長方形、楕円、その他多角形等の形状であってもよい。
　媒体１００は、図１に示すように媒体１００の中心を原点とする直交座標系ｘ、ｙ、ｚ軸を規定した場合、ｙ軸回りに回転する機構（不図示）により回転制御される。媒体１００がホログラフィックストレージ媒体の場合、ｙ軸回りの回転方向は、ホログラフィックストレージ技術における角度多重記録方向に一致する。ホログラフィックストレージ媒体に情報を読み書きする際には、媒体１００は一定角度範囲内でｙ軸回りの任意の位置に回転されることとなる。この一定角度は、ホログラフィックストレージ媒体への記録仕様によるが、通常、１度以上４５度以内の範囲である。
　なお、ホログラフィックストレージ媒体の情報記録に用いられる光源は、変位検出用の光源１０とは別に用意され、光源１０とは異なる波長、例えば４０５ｎｍ近傍の波長を有することが好ましい。こうすることで、変位検出用の光源１０から媒体１００へのレーザ光の照射による媒体１００のダイナミックレンジの消費が避けられるという利点がある。
　媒体１００に集光されたレーザ光は、変位検出対象である媒体１００の例えば表面１１０で反射し、往路とは逆の方向から対物レンズ５０に入射して透過する。なお、レーザ光は、必ずしも媒体１００の対物レンズ５０に近い表面１１０で反射しなければならないわけではない。媒体１００の対物レンズ５０から遠い表面で反射してもよいし、媒体１００内部の一平面で反射してもよい。対物レンズ５０を出射したレーザ光は、往路とは逆の方向からリレーレンズ４０に入射して透過し、さらにビームスプリッタ３０に入射する。ビームスプリッタ３０はこのレーザ光の少なくとも一部を反射し、開口制限素子６０に導く。
　ビームスプリッタ３０を反射したレーザ光は、開口制限素子６０にて光束の一部がけられ、ナイフエッジ検出用光学素子７０に入射する。開口制限素子６０による光束遮断の態様については後述する。
　ナイフエッジ検出用光学素子７０は、例えば２つのプリズムが接合された偏向素子を含む。しかしながら、ナイフエッジ検出用光学素子７０は、プリズムによるもののみに限定されず、ナイフエッジ法による変位検出を可能とする任意の素子であってもよい。例えば、ナイフエッジ検出用光学素子７０は、回折光学素子、あるいはナイフエッジ状の端部を持つ光遮蔽素子であってもよい。この点についても後述する。ナイフエッジ検出用光学素子７０を出射したレーザ光は、集光レンズ８０により４分割光検出器９０に集光される。本実施形態において、ナイフエッジ検出用光学素子７０、集光レンズ８０、および４分割光検出器９０は、対物レンズ５０の光軸方向についての媒体１００の変位を検出する検出デバイスを構成する。なお、開口制限素子６０をナイフエッジ検出用光学素子７０と集光レンズ８０の間に挿入する構成としてもよい。
　図３は、４分割光検出器９０の各分割セルと演算を示している。４分割光検出器９０は略同一形状を有する４つの分割セルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを含む光電変換素子であり、各セル上に照射されたレーザ光の光量に比例した電流が各セルから出力される。各セルから出力された電流は、図示しない電流－電圧変換素子により、電流に比例した電圧に変換される。こうして発生した、各セルに照射された光量に比例した電圧は、差動増幅器９１に入力される。差動増幅器９１は、電圧（Ａ＋Ｃ）－（Ｂ＋Ｄ）の演算結果に相当するＦＥＳ（Focus Error Signal：フォーカスエラー信号）を出力する。このＦＥＳは、媒体１００と対物レンズ５０との間の、図１に示したｚ方向の相対変位を示す検出信号である。
＜ナイフエッジ法による変位検出＞
　本実施形態に適用されたダブルナイフエッジ法について、図４を参照して説明する。図４に関しては、説明の便宜上、開口制限素子６０の存在を考慮していない。
　図４Ａは、対物レンズ５０により集光されたレーザ光の集光位置が変位検出対象である媒体１００の表面１１０上に一致している場合、すなわち変位０（合焦）の場合を表している。この場合、媒体１００からの反射光は、対物レンズ５０を通って平行光となり、リレーレンズ４０、ビームスプリッタ３０を経てナイフエッジ検出用光学素子７０に入射する。ナイフエッジ検出用光学素子７０は、２つの偏向プリズムが入射光を互いに紙面上下逆方向に偏向させるように接合されたものである。該２つの偏向プリズムの接合面の位置は、平行光の光束をほぼ二分割する位置に設定される。したがってナイフエッジ検出用光学素子７０は、入射光の略半分を紙面上方向に偏向させ、もう一方の略半分を紙面下方向に偏向させる。
　このように互いに逆の方向に偏向された２つの光束は、それぞれ集光レンズ８０により収束光となり、集光レンズ８０の焦点位置に設置された４分割光検出器９０に集光される。上方向に偏向された光束は、４分割光検出器９０の上方２検出器（Ｂ，Ｃ）の中間に集光される。また、下方向に偏向された光束は、４分割光検出器９０の下方２検出器（Ａ，Ｄ）の中間に集光される。このとき、４分割光検出器９０による演算結果ＦＥＳ＝（Ａ＋Ｃ）－（Ｂ＋Ｄ）は、ほぼゼロとなる。
　図４Ｂは、対物レンズ５０により集光されたレーザ光の集光位置に対して、変位検出対象である媒体１００の表面１１０が対物レンズ５０に近い側にずれている場合（拡散）を示している。この場合、媒体１００からの反射光は、対物レンズ５０を通って拡散光となり、リレーレンズ４０、ビームスプリッタ３０を経てナイフエッジ検出用光学素子７０に入射する。ナイフエッジ検出用光学素子７０は、図４Ａの場合と同様に、入射光の略半分を紙面上方向に偏向させ、もう一方の略半分を紙面下方向に偏向させる。
　このように互いに逆の方向に偏向された２つの光束は、それぞれ集光レンズ８０により収束光となり、４分割光検出器９０上に集光される。このとき収束光のビームウエストは、集光レンズ８０から４分割光検出器９０よりも遠い位置となる。したがって、４分割光検出器９０の上方２検出器において、収束光の半光束と同じ側、すなわち検出セルＣが主に光照射される。一方、４分割光検出器９０の下方２検出器においては、収束光の半光束と同じ側、すなわち検出セルＡが主に光照射される。このとき、４分割光検出器９０による演算結果ＦＥＳ＝（Ａ＋Ｃ）－（Ｂ＋Ｄ）は、正の値となる。
　図４Ｃは、対物レンズ５０により集光されたレーザ光の集光位置に対して、変位検出対象である媒体１００の表面１１０が対物レンズ５０から遠い側にずれている場合（収束）を示している。この場合、媒体１００からの反射光は、対物レンズ５０を通って収束光となり、ナイフエッジ検出用光学素子７０に入射する。ナイフエッジ検出用光学素子７０は、図４Ａの場合と同様に、入射光の略半分を紙面上方向に偏向させ、もう一方の略半分を紙面下方向に偏向させる。
　このように互いに逆の方向に偏向された２つの光束は、それぞれ集光レンズ８０により収束光となり４分割光検出器９０上に集光される。このとき収束光のビームウエストは、集光レンズ８０から４分割光検出器９０よりも近い位置となる。したがって、４分割光検出器９０の上方２検出器において、収束光の半光束と反対側、すなわち検出セルＢが主に光照射される。一方、４分割光検出器９０の下方２検出器においては、収束光の半光束と反対側、すなわち検出セルＤが主に光照射される。このとき、４分割光検出器９０による演算結果ＦＥＳ＝（Ａ＋Ｃ）－（Ｂ＋Ｄ）は、負の値となる。
　したがって、ナイフエッジ検出用光学素子７０、集光レンズ８０、および４分割光検出器９０を利用し、４分割光検出器９０から出力される演算結果ＦＥＳにより変位検出対象である媒体１００の、対物レンズ５０の光軸方向に対する変位を検出することができる。図５に、媒体１００の、対物レンズ５０の光軸方向に対する変位とＦＥＳの関係を計算した結果のグラフを示す。同グラフにおいて、横軸は媒体変位（フォーカスエラー；単位は（μｍ））を示し、縦軸は変位検出信号（フォーカスエラー信号；ＦＥＳ（ａ．ｕ．））を示している。同グラフによれば、媒体変位±５μｍ程度の範囲において、媒体変位とほぼ比例したＦＥＳが得られていることが分かる。
　なお、本例では、ナイフエッジ検出用光学素子７０に複合プリズムを用いたが、光学的に同様の機能を有する素子であれば、これに限ったものではなく、例えば回折光学素子を用いることも可能である。図６に、複合プリズムによるナイフエッジ検出用光学素子７０に代わる回折光学素子７５を示す。回折光学素子７５は、プレート状の光透過性素子であり、中央部に透過光を回折させるための回折パターンが施してある。この回折光学素子７５は、中央を境界として左側の回折パターンと右側の回折パターンが互いに異なっており、これにより上述の複合プリズムによるナイフエッジ検出用光学素子７０と同様な機能を有する。例えば、左側の回折パターンを透過した光は上方に回折し、右側の回折パターンを透過した光は下方に回折する。
＜開口制限素子の機能＞
　次に、本実施形態の特徴に係る開口制限素子６０について説明する。開口制限素子６０は、変位検出対象である媒体１００が図１に示したｙ軸回りに回転することによる変位検出信号への影響を抑制するための素子である。本実施形態において、開口制限素子６０は図１に示した対物レンズ５０、リレーレンズ４０、ビームスプリッタ３０、ナイフエッジ検出用光学素子７０、および対物レンズ８０を結ぶ光路において、ビームスプリッタ３０とナイフエッジ検出用光学素子７０の間に配置される。
　開口制限素子６０は、媒体１００からの反射光の光束がビームスプリッタ３０において反射し、当該開口制限素子６０に入射する際に、その光束の一部を遮光するように開口が制限された素子である。開口制限素子６０の開口形状は、例えば、図７Ａに示すような矩形や、図７Ｂに示すような円形であってもよい。対物レンズ５０の開口半径をａとした場合、矩形開口制限素子６０ａの開口部の一辺の長さは２ａであることが好ましい。また、円形開口制限素子６０ｂの開口半径はａと同一であることが好ましい。
　図８は、開口制限素子６０を設置した位置における入射光束（中心Ｏｂ）と、開口制限素子６０（中心Ｏａ）との位置関係を示している。開口制限素子６０は、ｘ軸方向に沿って、その中心Ｏａを入射光束の中心Ｏｂからｄだけずらして配置される。開口制限素子６０に入射する光束は、光源１０からの光が媒体１００において反射し、対物レンズ５０およびビームスプリッタ３０を経た反射光の光束である。中心Ｏｂは、対物レンズ５０の光軸に一致する。ずれ量ｄは、媒体１００がｙ軸回りに回転する最大回転角度に応じて決定される。ずれ量ｄをどのようにして決定するかについて、図９を参照して説明する。
　図９は、媒体１００からの反射光と対物レンズ５０の開口との位置関係を示している。図９Ａは媒体１００が対物レンズ５０に正対している場合（媒体回転角度＝０°）を示し、図９Ｂは媒体１００が対物レンズ５０の光軸に対して角度βだけｙ軸回りに回転した場合（媒体回転角度＝β）を示している。対物レンズ５０の開口数をＮＡ、焦点距離をｆ、開口半径をａとすると、
　ＮＡ＝ａ／ｆ＝ｓｉｎθ
という関係が一般に成り立つ。θは対物レンズ５０により集光される光束が作る円錐の円錐面と光軸のなす角である。媒体１００が角度βだけ回転した場合には、媒体１００による反射光が作る円錐状の光束の中心軸１０１は、入射光の光軸である対物レンズ５０の光軸１０２に対して角度α＝２βだけ傾斜する。反射光の光束の中心軸１０１が対物レンズ５０の開口平面に交わる点と対物レンズ５０の開口中心との間の距離ｄは、
　ｄ＝ｆ×ｃｏｓθ×ｔａｎα
によって表される。このように反射光の光束はその中心が対物レンズ５０の開口中心から距離ｄだけずれることになる。したがって、媒体１００の回転角度がβであるとき、開口制限素子６０の中心Ｏａの、入射光束の中心Ｏｂに対するずれ量は、このｄに等しい値とすることが好ましい。実施形態においては、最大回転角度に相当するβの値に応じて、上記に従いずれ量ｄを決定することが好ましい。この理由について、以下に詳述する。
　図１０は、開口制限素子６０を設置する位置におけるビームプロファイルを媒体の回転角度ごとに示したものである。
　媒体１００の回転角度βが０であって、開口制限素子が存在しない場合、図１０Ａに示すようにビームプロファイルは対物レンズ５０の開口に相似な円形プロファイルとなる。次に、媒体１００の回転角度βが２０°であって、開口制限素子が存在しない場合、媒体１００からの反射光が対物レンズ５０の開口でけられることにより、図１０Ｂに示すようにビームプロファイルは、その一部が欠けた木の葉状となる。
　仮に、媒体１００の回転角度が０～２０度の範囲である場合、このような媒体１００の回転角度によらず図１０Ｂのようなビームプロファイルが得られることが、変位検出感度一定の観点から望ましい。媒体１００の回転角度によらず、図１０Ｂのようなビームプロファイルが得られるようにするため、開口制限素子６０は設けられる。
　図１０Ｃは、入射光束の半分を遮光するため、図７Ａに示した矩形開口制限素子６０ａを設置した場合のビームプロファイルである。このとき、媒体１００の回転角度βは０°である。媒体１００からの反射光が対物レンズ５０の開口でけられるのではなく、同反射光が矩形開口制限素子６０ａによってけられた結果、このようなビームプロファイルが得られる。この図１０Ｃのビームプロファイルは、開口制限素子を設置しない図１０Ａの場合と比べると、媒体１００の回転角度βが２０°である図１０Ｂの場合に近いビームプロファイルが得られている。
　さらに、図１０Ｄは、ずらし量ｄ＝ａとして図７Ｂに示した円形開口制限素子６０ｂを設置した場合のビームプロファイルである。媒体１００の回転角度βは０°である。この場合、媒体１００の回転角度βが２０°である図１０Ｂの場合とほぼ同様のビームプロファイルが得られている。したがって円形開口制限素子６０ｂをずれ量ｄ＝ａとする条件で設置した場合に、変位検出感度の安定化が期待される。
　開口制限素子の設置有無および開口形状の違いに応じて、媒体１００の変位検出感度が傾斜角度によってどのように変化するのかを表したのが図１１である。横軸は媒体１００の傾斜角度（ｄｅｇ）を示し、縦軸は正規化感度（変位検出感度）を示している。実線は円形開口制限素子６０ｂを設置する場合であり、一点鎖線は矩形開口制限素子６０ａを設置する場合であり、破線は開口制限素子を設置しない場合である。
　開口制限素子６０を設置しない場合、変位検出感度は媒体１００の傾斜と共にほぼ線形に低下し、２０度傾斜時に０度傾斜時の約３分の１の感度となる。一方、開口制限素子を設けた場合は、媒体１００の傾斜による検出感度の低下が抑制される。特に、円形開口制限素子６０ｂを設置した場合には、媒体１００の傾斜角０～２０度の範囲での検出感度は±１０％の誤差範囲内に収まり、良好な変位検出特性が得られることが分かる。
　以上説明した実施形態によれば、媒体１００からの反射光の光束がビームスプリッタ３０において反射して入射する際に、その光束の一部を遮光するように開口が制限された開口制限素子６０を備える構成としていることから、変位検出対象である媒体１００が傾斜することによる変位検出信号への影響を抑制することができる。したがって、傾斜する媒体１００に対して、変位検出感度の変化が抑制された精度のよい変位検出を行なうことが可能となる。
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Claims (7)

  1. 　光を発生する光源と、
    　照射される前記光の光軸方向と直交する回転軸を中心に回転可能な媒体に向けて前記光を集光する対物レンズと、
    　前記媒体において反射し、前記対物レンズを透過した反射光を分離するビームスプリッタと、
    　前記ビームスプリッタにより分離された反射光の一部を遮るように開口が制限された開口制限素子と、
    　前記開口制限素子を経た反射光に基づいて、前記対物レンズの光軸方向についての前記媒体の変位を検出する検出デバイスと、
    を具備する変位検出装置。
  2. 　前記反射光を遮る範囲が、前記媒体の最大回転角度に応じて定められる請求項１記載の装置。
  3. 　前記開口は矩形状であり、前記反射光の光軸から一定量ずれた位置に開口中心を有する請求項１記載の装置。
  4. 　前記開口は円形状であり、前記反射光の光軸から一定量ずれた位置に開口中心を有する請求項１記載の装置。
  5. 　前記位置は、前記媒体の最大回転角度に応じて定められる請求項３記載の装置。
  6. 　前記検出デバイスは、ナイフエッジ法による変位検出効果を発生する光学素子を具備する請求項１記載の装置。
  7. 　前記媒体はホログラフィック記録媒体を含み、前記回転方向は角度多重記録方向を含む請求項１記載の装置。
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