JP2001174249A - 面形状測定装置および面形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光ディスクの信号記録面等の円盤体の被測定面
に存在する凹凸量やこの凹凸に起因するフォーカスサー
ボの追従誤差量を正確にかつ効率的に測定することがで
き、かつ、測定した凹凸量や追従誤差量からの面形状の
把握が容易な面形状測定装置および面形状測定方法を提
供する。 【解決手段】光ディスクを回転させる回転手段と、光デ
ィスク信号記録面に存在する凹凸によって発生する垂直
方向の速度を検出する速度算出部７３と、検出した速度
データ、および、回転する光ディスクの信号記録面から
垂直な方向の目標位置に対物レンズを追従させるフォー
カスサーボ系のゲイン特性に基づいて、フォーカスサー
ボ系に発生すると予想される信号記録面の凹凸に対して
追従できない追従誤差量を算出する追従誤差量算出部７
４とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば、光ディ
スク等の円盤体の被測定面に存在する凹凸、および、こ
の凹凸に起因する諸特性値を測定する面形状測定装置お
よび面形状測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図９に示すように、ディスク状の記録媒
体である光ディスク１は、光学的に透明なプラスチック
製の光ディスク基板３の一面に信号記録面４を備えてお
り、信号記録面４内の所定の領域に信号記録領域２を備
えている。また、この信号記録面４内の信号記録領域２
には、たとえば、図１０（ａ）に示すように、ディスク
基板３の一方の信号記録面４に連続溝状のグルーブ５お
よびこれに隣接するランド６がトラック毎に所定のトラ
ックピッチＰ（１〜２μｍ）でスパイラル状に設けられ
ているものや、図１０（ｂ）に示すように、信号記録面
４にピット８の列が、トラック毎に所定のトラックピッ
チでスパイラル状に設けられているものも知られてい
る。たとえば、情報を記録可能な相変化型あるいは光磁
気型の光ディスクでは、図１０（ａ）に示したグルーブ
５が設けられた信号記録面４上に、相変化膜あるいは磁
性膜、光反射層、および保護膜層（いずれも図示せず）
が順に形成されており、信号記録面４上における、グル
ーブ５およびランド６のいずれか一方を記録エリアと
し、他方をトラッキング用の光反射エリアとして用いる
ものが多数を占めている。また、再生専用の光ディスク
においては、図１０（ｂ）に示したピット８の列を設け
た信号記録面４上に光反射層および保護膜層（いずれも
図示せず）が順に形成されており、信号記録面４上にお
けるピット８の列を記録エリアおよびトラッキング用回
折格子として用いるものが多数を占めている。

【０００３】上記のような構成の光ディスクでは、光デ
ィスクを回転させながら、光ディスク基板３の一方の信
号記録面４とは反対側の無信号面７から、光学ピックア
ップに搭載された対物レンズ（図示せず）で集光したレ
ーザー光を照射する。情報を記録可能な光ディスクで
は、その照射光によって、たとえば、ランド６上の記録
層に光学的に情報が書き込まれ、あるいは、反射光によ
って同記録層への光学的書き込み情報が読み取られる。
さらに、記録または再生用のレーザー光が常に所定のト
ラック上に照射されるように、例えばグルーブ５からの
反射光を検出してトラッキングを行う。再生専用の光デ
ィスクでは、無信号面７から光学ピックアップで照射し
た光に対して、ピット８の列を設けた面４からの反射・
回折光を検出することで、情報の読み取りおよびトラッ
キングを行う。

【０００４】一方、近年開発が進んでいる高密度光ディ
スクでは、図１１に示すように、グルーブ５を設けた信
号記録面４上に、光反射層と相変化膜あるいは磁性膜か
らなる光反射面４および０．１ｍｍ程度の一定の厚みを
持つ透明な層１１の順で形成されるものが知られてい
る。再生専用の光ディスクに関しても同様に、光反射層
からなる光反射面４および０．１ｍｍ程度の一定の厚み
を持つ透明層１１の順で形成されたものが知られてい
る。このように成膜された光ディスクの場合には、光デ
ィスクを回転させながら、光ディスク基板３の面４上に
形成した透明層１１側に、光学ピックアップ（図示せ
ず）を配置し、レーザー光を照射する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光ディスク
基板３は、一般に、プラスチックを射出成形することに
より形成される。この方法により作製された光ディスク
基板３は、成形時の熱ひずみや気温や湿度など環境の変
化に伴い、反りが生じることが知られている。さらに、
成型時の金型の歪みによってディスク表面にうねりが生
じる。光ディスク基板３に反りやうねりの凹凸がある状
態で回転させると、光ディスク基板３の表面に上下の振
れが発生し、信号読み取り用レンズの焦点位置がディス
クの信号記録面から外れたり（デフォーカス）、信号記
録面が信号読みとり用レンズの焦点面から傾いたり（ス
キュー）することになる。この時、光学ピックアップで
集光されたスポットは収差の影響を受けてしまう。この
収差の大きさは、ピックアップレンズの開口数（ＮＡ）
に依存し、デフォーカスによる収差はＮＡの二乗に、ま
た、スキューによる収差は開口数（ＮＡ）の三乗に比例
する。つまり、開口数（ＮＡ）が大きくなればなるほ
ど、許容できるデフォーカスやスキューが小さくなる。
一方、ディスク表面から信号記録面４までの厚みが小さ
いほど、デフォーカスやスキューによる収差は小さくな
る。この理由により、近年の光ディスクの高密度化に伴
い、高開口数（ＮＡ）化と共に、ディスクの厚みの薄肉
化が進んでいる。たとえば、図１１に示したような高密
度光ディスクでは、ディスク基板３のグルーブやランド
またはピット列が形成された信号記録面４の上に、０．
１ｍｍ程度の薄い透明層１１を乗せたディスク構造とな
っているものもある。このように、開口数（ＮＡ）が大
きくなることによって生じる収差の影響を低減するため
に、光学的に薄いディスクの開発が行われている。最近
では、短波長（λ≦４３０ｎｍ）、高開口数（ＮＡ≧
０．７６）の高密度ディスクの提案がなされている。

【０００６】上記のような高ＮＡ化に伴い焦点深度が浅
くなるため、光ディスク基板３に許される面ぶれ、すな
わち、光ディスク基板３の表面の凹凸の大きさにはいっ
そう厳しい値が要求されるようになっている。このた
め、光ディスク基板３表面の凹凸量を正確に測定する必
要がある。また、光ディスク基板３には、実際にフォー
カスサーボをかけた際に発生する光ディスク基板３表面
の凹凸に対して追従できない追従誤差量が所定の範囲に
収まる精度が要求されるため、この追従誤差量を正確に
かつ効率的に測定する必要がある。さらに、測定した凹
凸量や追従誤差量の値からだけでは、光ディスク基板３
の面形状の状態や、凹凸の分布を把握することが困難で
あり、光ディスク基板３に存在する凹凸の発生原因を究
明等することが難しく、視覚的に光ディスク基板３の面
形状の状態や、凹凸の分布を把握できる必要がある。

【０００７】本発明は、上記の問題に鑑みてなされたも
のであって、光ディスクの信号記録面等の円盤体の被測
定面に存在する凹凸量やこの凹凸に起因するフォーカス
サーボの追従誤差量を正確にかつ効率的に測定すること
ができ、かつ、測定した凹凸量や追従誤差量からの面形
状の把握が容易な面形状測定装置および面形状測定方法
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】本発明の第１の観点の面
形状測定装置は、円盤体を回転させる回転手段と、回転
する前記円盤体の被測定面内に存在する凹凸によって発
生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出する速度検
出手段と、前記検出した速度データ、および、回転する
前記円盤体の被測定面から垂直な方向の目標位置に所定
の対象物を追従させるサーボ系のゲイン特性に基づい
て、前記サーボ系に発生すると予想される前記被測定面
の凹凸に対して追従できない追従誤差量を算出する追従
誤差量算出手段とを有する。

【０００９】前記円盤体は、光学的に情報の記録および
再生の少なくとも一方が可能な記録媒体であり、前記被
測定面は、前記記録媒体の信号記録面であり、前記対象
物は、前記記録媒体の信号記録面への情報の記録および
前記信号記録面からの情報の再生の少なくとも一方を行
う光学ピックアップあるいは当該光学ピックアップに搭
載されたレンズであり、前記サーボ系は、光学ピックア
ップあるいは当該光学ピックアップに搭載されたレンズ
のフォーカスを前記信号記録面から垂直な方向の目標位
置に追従させるフォーカスサーボ系である。

【００１０】好適には、前記追従誤差量算出手段は、前
記サーボ系の周波数特性を近似した伝達関数をもち、前
記速度データを入力信号とし、前記追従誤差量を出力信
号とするデジタルフィルタを有する。

【００１１】さらに好適には、前記ディジタルフィルタ
は、ＩＩＲフィルタで構成されている。

【００１２】本発明の第２の観点の面形状測定装置は、
円盤体を回転させる回転手段と、回転する前記円盤体の
被測定面に存在する凹凸によって発生する当該被測定面
の垂直方向の速度を検出する速度検出手段と、前記検出
した速度データに基づいて、前記凹凸量あるいは前記凹
凸に起因する諸特性量の少なくとも一つを算出する特性
量算出手段と、前記特性量算出手段によって算出された
算出量の前記円盤体内における分布を立体的に把握可能
に画面上に表示する表示手段とを有する。

【００１３】好適には、前記表示手段は、前記記録媒体
の各測定点における算出量を前記画面の当該記録媒体と
相似形の領域内の全ての画素に対応ずけて割り当てる割
り当て手段と、前記各画素に割り当てられた算出量に基
づいて、前記記録媒体の被測定面に前記算出量に応じた
高さの凹凸が存在したと想定した場合に、当該凹凸に対
して所定の向きから光を照射することによって発生する
仮想的な陰影を画面上で表現する陰影シミュレート手段
とを有する。

【００１４】本発明の面形状測定方法は、円盤体を回転
させるステップと、回転する前記円盤体の被測定面内に
存在する凹凸によって発生する当該被測定面の垂直方向
の速度を検出するステップと、前記検出した速度デー
タ、および、回転する前記円盤体の被測定面から垂直な
方向の所定位置に所定の対象物を追従させるサーボ系の
周波数特性に基づいて、前記サーボ系に発生すると予想
される前記被測定面の凹凸に対して追従できない追従誤
差量を算出するステップとを有する。

【００１５】本発明では、円盤体を回転させ、速度検出
手段によって被測定面内に存在する凹凸によって発生す
る被測定面の垂直方向の速度を検出することにより得ら
れた速度データは、被測定面の凹凸量に応じた量とな
り、凹凸量が効率的にかつ正確に測定される。追従誤差
算出手段は、所定の対象物を円盤体の被測定面から所定
の目標位置に追従させるサーボ系に発生すると予想され
る被測定面の凹凸に対して追従できない追従誤差量を、
得られた速度データとサーボ系の周波数特性に基づいて
算出する。サーボ系の追従誤差量を速度データとサーボ
系の周波数特性に基づいて算出するには、たとえば、速
度データを高速フーリエ変換し、得られた速度スペクト
ラムデータにサーボ系のゲイン特性を乗じ、これを逆フ
ーリエ変換することでサーボ系の追従誤差量を算出する
ことができるが、本発明では、サーボ系の周波数特性を
近似した伝達関数をもち、得られた速度データを入力信
号とし、追従誤差量を出力信号とするデジタルフィルタ
によって追従誤差量を算出する。すなわち、得られた速
度データをサーボ系の周波数特性をもつデジタルフィル
タに直接通すことで追従誤差量を得る。したがって、得
られた速度データを周波数領域に変換し、再度時系列デ
ータに戻すといった処理が必要なく、処理時間が短縮さ
れる。

【００１６】ディジタルフィルタにはＩＩＲ(Infinite
Impulse Response) フィルタを用いるのが好ましい。Ｉ
ＩＲフィルタを用いると、たとえば、ＦＩＲ(finite Im
pulse Response) フィルタに比べてディジタルフィルタ
の次数を低減でき、かつ、サーボ系の周波数特性に近い
伝達関数が得られる。

【００１７】また、上記のようにして得られた追従誤差
量は、円盤体内における分布が立体的に把握可能に画面
上に表示される。具体的には、円盤体の各測定点におけ
る追従誤差量は、画面の円盤体と相似形の領域内の全て
の画素に対応づけて割り当てられる。そして、各画素に
割り当てられた追従誤差量に基づいて、円盤体の被測定
面に追従誤差量に応じた高さの凹凸が存在したと想定し
た場合に、当該凹凸に対して所定の向きから光を照射す
ることによって発生する仮想的な陰影が画面上で表現さ
れる。この仮想的な陰影を画面上で観察することによ
り、追従誤差量の分布状態、大きさ等を視覚的に把握す
ることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形
態に係る面形状測定装置の構成図である。図１におい
て、面形状測定装置１は、円盤体である記録媒体として
の光ディスク４６を保持し回転させるスピンドルモータ
６１と、レーザビーム４１を出力するレーザ光源４０
と、干渉光学系を構成するビームスプリッタ４２、光フ
ァイバ４４、対物レンズ４５、音響光学素子４９および
参照ミラー５０と、フォトダイオード５１と、フォトダ
イオード５１の検出した光強度信号５１ｓが入力され、
当該光強度の周波数を検出する周波数カウンタ５２と、
周波数カウンタ５２の検出したアナログ信号５２ｓをデ
ィジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器５３と、Ａ／Ｄ変
換器５３から信号５３ｓが入力されるコンピュータ５５
と、コンピュータ５５に接続された表示装置５６とを備
えている。

【００１９】ここで、スピンドルモータ６１は本発明の
回転手段の一具体例に対応しており、コンピュータ５５
は本発明の特性量算出手段および表示手段を構成してい
る。また、周波数カウンタ５２およびコンピュータ５５
によって本発明の速度算出手段を構成している。

【００２０】スピンドルモータ６１は、光ディスク４６
を、対物レンズ４５で集光されたレーザビームの入射位
置での線速度が、所定の値、たとえば、１０ｍ／ｓｅｃ
になるように回転させる。

【００２１】光ディスク４６は、たとえば、信号記録面
４７上に０．１ｍｍの光透明層を備えている。光ディス
ク４６の信号記録面４７は、たとえば、金属膜が蒸着形
成された光を反射する光反射面となっている。ただし、
光ディスク４６は光反射面上に０．１ｍｍの透明層を持
つものに限るわけではなく、その他種々の光ディスクを
用いることができる。

【００２２】レーザ光源４０は、振動数ｆ₀ のレーザビ
ーム４１をビームスプリッタ４２に向けて出力する。ビ
ームスプリッタ４２は、レーザ光源４０から出力された
振動数ｆ₀ のレーザビーム４１の一部をレーザビーム４
３として通過させ、残りをレーザビーム４８として参照
ミラー５０に向けて反射する。さらに、ビームスプリッ
タ４２は、光ディスク４６の信号記録面４７に対物レン
ズ４５を通じて入射したレーザビーム４３の戻り光をフ
ォトダイオード５１に向けて反射する。

【００２３】光ファイバ４４は、ビームスプリッタ４２
を通過したレーザビーム４３が入力され、このレーザビ
ーム４３を対物レンズ４５に導く。また、この光ファイ
バ４４は、対物レンズ４５を通じて入力される信号記録
面４７からの戻り光をビームスプリッタ４２に導く。

【００２４】対物レンズ４５は、光ファイバ４４から出
力されたレーザビーム４３を信号記録面４７に集光す
る。具体的には、対物レンズ４５は、たとえば、焦点距
離が１００ｍｍ程度、開口数（ＮＡ）が０．０１程度の
レンズであり、スポット径が１００μｍ程度のスポット
になるように光ディスク４６の光反射面４７に垂直にレ
ーザビーム４３照射する。また、対物レンズ４５は、光
ディスク４６の光反射面４７で反射した戻り光を再度光
ファイバ４４に集光する。なお、対物レンズ４５は矢印
Ｒで示す光ディスク４７の半径方向の所望の位置に図示
しない駆動装置によって位置決めされ、このとき、光フ
ァイバ４４も対物レンズ４５と一体に移動する。

【００２５】音響光学変調素子４９は、ビームスプリッ
タ４２で反射したレーザビーム４８が入力され、入力さ
れた所定の振動数ｆ₀ のレーザビーム４８の振動数ｆを
一定の周波数Δｆだけシフトさせる。参照ミラー５０
は、音響光学変調素子４９を通過した振動数ｆが周波数
Δｆだけシフトされたレーザビーム４８を反射して再度
音響光学変調素子４９に入力させる。音響光学変調素子
４９に入力されたレーザビーム４８は振動数ｆがさらに
周波数Δｆだけシフトされる。

【００２６】フォトダイオード５１は、ビームスプリッ
タ４２で反射された信号記録面４７からの戻り光と、参
照ミラー５０で反射し音響光学素子４９およびビームス
プリッタ４２を通過したレーザビーム４８が入力され、
これらの光の強度を検出し、この光強度信号を周波数カ
ウンタ５２に出力する。

【００２７】ここで、光ディスク４６の信号記録面４７
が当該信号記録面４７に垂直な方向に速度成分を持て
ば、信号記録面４７で反射した戻り光はドップラー効果
によりその振動数がシフトする。レーザ光源４０から出
力されたレーザービーム４１の振動数をｆ0 、光の速度
をｃとするとドップラーシフトを受けた戻り光の振動数
ｆ1 は次式（２）で表すことができる。

【００２８】

【数２】

【００２９】一方、参照ミラー５０で反射し音響光学素
子４９およびビームスプリッタ４２を通過したレーザビ
ーム４８の振動数ｆ2 は、次式（３）で表すことができ
る。

【００３０】

【数３】

【００３１】上記のドップラーシフトを受けた戻り光と
ビームスプリッタ４２を通過したレーザビーム４８とは
干渉してうねりを起こし、光強度が時間的に振動する状
態でフォトダイオード５１に入射する。このうねりの周
波数ｆb は、次式（４）で表される。

【００３２】

【数４】

【００３３】周波数カウンタ５２は、フォトダイオード
５１からの光強度信号５１ｓが入力され、この光強度信
号５１ｓのもつうねり周波数ｆｂを測定し、その測定値
に応じた電圧を信号５２ｓとしてＡ／Ｄ変換器５３に出
力する。

【００３４】Ａ／Ｄ変換器５３は、周波数カウンタ５２
から入力されたうねり周波数ｆｂであるアナログ信号５
２ｓを所定のサンプリング周波数、たとえば、１００ｋ
Ｈｚでサンプリングし、これをディジタル信号に変換し
てコンピュータ５５に出力する。

【００３５】図２は、コンピュータ５５内の構成を示す
構成図である。コンピュータ５５内には、特性量算出部
７１と、表示部８１とを有している。特性量算出部７１
は、メモリ７２と、速度算出部７３と、追従誤差量算出
部７４と凹凸量算出部７５とを備えている。表示部８１
は、割り当て部８２と、陰影シミュレート部８３とを備
えている。なお、特性量算出部７１は本発明の特性量算
出手段、表示部７２は本発明の表示手段、速度算出部７
３は本発明の速度算出手段、追従誤差量算出部７４は本
発明の追従誤差量算出手段、凹凸量算出部７５は凹凸量
算出手段、割り当て部８２は本発明の割り当て手段、陰
影シミュレート部８３は本発明の陰影シミュレート手段
のそれぞれ一具体例に対応している。

【００３６】特性量算出部７１の構成 メモリ７２は、Ａ／Ｄ変換器５３から入力される所定の
サンプリング周期でサンプリングされたうねり周波数ｆ
ｂのデータを記憶保持する。

【００３７】速度算出部７３は、メモリ７２に記憶され
たうねり周波数ｆｂのデータから、信号記録面４７内に
存在する凹凸によって発生する図１に示す信号記録面４
７の垂直方向の速度データＶを算出する。すなわち、光
ディスク４６の信号記録面４７に垂直な方向の速度Ｖ
は、次式（５）で示すように、うねり周波数ｆb 、音響
光学変調素子４９の変調周波数Δｆ、および、レーザ光
源４０から出力されたレーザビーム４１の振動数ｆ0 に
関する関数で表すことができ、速度算出部７３は（５）
式に基づいて速度Ｖを算出する。

【００３８】

【数５】

【００３９】追従誤差量算出部７４は、速度算出部７３
で算出された速度データＶおよび光ディスク４６の信号
記録面４７から垂直な方向の目標位置に信号記録面４７
への情報の記録および信号記録面４７からの情報の再生
の少なくとも一方を行う光学ピックアップあるいは光学
ピックアップの対物レンズのフォーカスを追従させるフ
ォーカスサーボ系のゲイン特性に基づいて、このフォー
カスサーボ系に発生すると予想される信号記録面４７に
存在する凹凸に対して追従できない対物レンズの追従誤
差量を算出する。

【００４０】ここで、上記のフォーカスサーボ系のゲイ
ン特性について説明する。図３はフォーカスサーボ系の
一例を示すブロック図である。図３に示すように、フォ
ーカスサーボ系は、低域補償回路９１と、位相進み補償
回路９２と、アクチュエータ駆動回路９３と、アクチュ
エータ９４とを備えており、アクチュエータ９４の位置
Ｘが操作量Ｒにフィードバックされ、操作量Ｒと位置Ｘ
との偏差、すなわち、追従誤差量Ｅが低域補償回路９１
に入力される構成となっている。

【００４１】アクチュエータ９４は、光ディスク４６の
信号記録面４７にレーザビームを集光する光学系である
対物レンズを信号記録面４７に垂直な方向に駆動するも
のであり、たとえば、ボイスコイルモータである。

【００４２】低域補償回路９１および位相進み補償回路
９２は、フォーカスサーボ系に必要とされる開ループゲ
インを得るために、低周波数帯域での位相遅れ補償およ
び高周波数帯域での位相進み補償をするための回路であ
る。

【００４３】アクチュエータ駆動回路９３は、低域補償
回路９１および位相進み補償回路９２で補償された制御
量に基づいて、アクチュエータ９４を駆動する回路であ
る。

【００４４】上記のようなフォーカスサーボ系には、対
物レンズの焦点の光ディスク４６の信号記録面４７に対
する位置を規定する目標位置指令Ｒ₀ が入力されるが、
この目標位置指令Ｒ₀ には光ディスク４６の信号記録面
４７に存在する凹凸量（面振れ量）Ｄが加算部９５で示
すように加算され、目標位置指令Ｒ₀ と凹凸量Ｄとを加
算した操作量Ｒがフォーカスサーボ系に入力されること
になる。なお、光ディスク４６を回転させると、スピン
ドルモータ６１のベースの変位によって光ディスク４６
に面振れが発生するが、この面振れ量については無視し
て説明する。

【００４５】上記のフォーカスサーボ系には、たとえ
ば、図４に示すような開ループゲイン特性が要求され
る。すなわち、フォーカスサーボ系は低域補償回路９
１、位相進み補償回路９２、アクチュエータ駆動回路９
３およびアクチュエータ９４をあわせた伝達関数Ｇ₀ の
ゲイン特性が図４に示すような最小必要ゲインを満たす
ように設計される。

【００４６】上記した追従誤差量算出部７４は、図４に
示したような フォーカスサーボ系の開ループゲイン特
性および速度算出部７３で算出された速度データＶに基
づいて、図３に示した追従誤差量Ｅを算出する。すなわ
ち、追従誤差量算出部７４は、光ディスク４６を実際に
回転させこの光ディスク４６の信号記録面４７に対して
対物レンズ等の光学系のフォーカスサーボをかけた状態
で追従誤差量Ｅを測定するのではなく、図４に示すよう
なフォーカスサーボ系のゲイン特性を用いて追従誤差量
Ｅを算出する。

【００４７】具体的には、追従誤差量算出部７４は、図
４に示すようなフォーカスサーボ系のゲイン特性を近似
した伝達関数をもち、速度データＶを入力信号とし、追
従誤差量Ｅを出力信号とするディジタルフィルタで構成
されている。このディジタルフィルタには、たとえば、
図６に示す構成のＩＩＲ（infiniteImpluse Response
）ディジタルフィルタを用いる。

【００４８】図６に示す構成のＩＩＲディジタルフィル
タ１００において、入力信号ｖn は測定された速度Ｖの
データ列であり、出力信号ｘn は算出された追従誤差量
Ｅのデータ列であり、中間変数ｙn はＩＩＲディジタル
フィルタにおいて計算に用いる一時的な値である。な
お、ｎはサンプル数である。また、ＩＩＲディジタルフ
ィルタ１００は、入力信号ｖn にゲインＨ₀ を乗じる乗
算器１０１と、中間変数ｙn にゲインａを乗じる乗算器
１０３と、乗算器１０１および乗算器１０３の出力値を
加算する加算器１０２と、加算器１０２の出力値をサン
プリング時間分遅延させて中間変数ｙn として出力する
遅延器１０４と、中間変数ｙn にゲイン−１を乗じる乗
算器１０５と、乗算器１０５および加算器１０２の出力
値を加算する加算器１０６とを有する。さらに、出力信
号ｘn をサンプリング時間分遅延させて出力する遅延器
１０９と、遅延器１０９の出力値にゲインａを乗ずる乗
算器１０８と、乗算器１０８および加算器１０６の出力
値を加算して出力信号ｘn として出力する加算器１０７
とを有する。なお、ゲインＨ₀ およびゲインａは、ＩＩ
Ｒデジタルフィルタ１００の特性を決定するパラメータ
である。

【００４９】ＩＩＲデジタルフィルタ１００は、次式
（６）および（７）で表される。

【００５０】

【数６】

【００５１】ＩＩＲデジタルフィルタ１００のゲインＨ
₀ およびゲインａは、たとえば、図５に示すように、図
４に示したフォーカスサーボ系のゲイン特性線図に対し
てカーブフィッティングさせて決定することができ、こ
れにより図４に示したフォーカスサーボ系のゲイン特性
に近似した伝達関数をもつディジタルフィルタが得られ
る。図５から判るように、ＩＩＲデジタルフィルタ１０
０を用いることにより、フォーカスサーボ系のゲイン特
性を比較的正確に近似することができる。

【００５２】凹凸量算出部７５は、速度算出部７３で算
出された速度Ｖに基づいて、光ディスク４６の信号記録
面４７の各測定点の凹凸量Ｇを算出する。具体的には、
凹凸量算出部７５は、速度Ｖを積分して凹凸量Ｇを算出
するディジタルフィルタから構成されている。このディ
ジタルフィルタにもＩＩＲディジタルフィルタを用いる
ことができる。

【００５３】表示部８１の構成 表示部８１の割り当て部８２は、光ディスク４６の信号
記録面４７の各速度測定点について算出した追従誤差量
Ｅあるいは凹凸量Ｇを表示装置５６の画面のうち光ディ
スク４６と相似形の領域内の全ての画素に対応づけて割
り当て、各追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇをメモリに記
憶保持する。すなわち、追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇ
を光ディスク４６と相似形をなすように配置する。表示
装置５６の画面の一画素に対応する光ディスク４６の信
号記録面４７上で、少なくとも一個以上の測定点があれ
ば追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇの測定結果を表示装置
５６の画面に隙間無く配置することができる。具体的に
は、例えば、追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇが０の場合
を１２８とし、凹の場合（０よりも小さい場合）は１２
８よりも小さくなるように追従誤差量Ｅあるいは凹凸量
Ｇに合わせて０から１２７の値を各画素に割り当てる。
凸の場合（０よりも大きい場合）は１２８よりも大きく
なるように１２９から２５５の値を各画素に割り当て
る。

【００５４】陰影シミュレート部８３は、表示装置５６
の画面の各画素に割り当てられた追従誤差量Ｅあるいは
凹凸量Ｇに基づいて、光ディスク４６の信号記録面４７
に追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇに応じた高さの凹凸が
存在したと想定した場合に、当該凹凸に対して所定の向
きから光を照射することによって発生する仮想的な陰影
をもつ画像を表示装置５６の画面上で表現する。

【００５５】陰影シミュレート部８３は、具体的には、
隣接する画素にそれぞれ割り当てられた値の差を算出す
る。例えば、画素が縦横に並んでいる場合、注目してい
る画素に割り当てられた値から右隣の画素に割り当てら
れた値を引いたものを横方向の差Δｘとし、注目してい
る画素に割り当てられた値から上側に隣接する画素の値
を引いた物を縦方向の差Δｙとする。

【００５６】次いで、各画素について算出した差Δｘ，
Δｙに基づいて、各画素の画素値、すなわち、色を決定
する。具体的には、光の照射方向をθとし、光の仮想的
な強度をＩ₀ としたとき、各画素の画素値Ｉを次式
（８）によって決定する。式（８）に画素値Ｉを決定す
ることにより、仮想的な光の強度と方向を独立して調整
することができる。

【００５７】

【数７】

【００５８】例えば、０を黒、２５５を白に割り当てて
いる表示装置においては、画素値Ｉが０の場合に、白と
黒のちょうど中間の灰色である１２８とし、画素値Ｉが
正の場合に１２９から２５５を割り当て、負の場合に０
から１２７を割り当てる。

【００５９】このとき、図２に示すように、ユーザーの
操作に合わせて、光の照射方向θ、光の仮想的な強度Ｉ
₀ をそれぞれ独立に特定する外部信号８３ｓを陰影シミ
ュレート部８３に入力し、この外部信号８３ｓで特定さ
れる光の仮想的な強度Ｉ₀ 0および照射方向θに基づい
て新しく生成した画像を表示する構成とすることができ
る。

【００６０】次に、上記構成の面形状測定装置１を用い
た面形状測定方法について説明する。まず、光ディスク
４６をスピンドルモータ６１に装着し、回転させる。ま
た、レーザ光源４０から振動数ｆ₀ のレーザビームを出
力し、光ディスク４６の信号記録面４７の所望の位置に
レーザビームのスポットを形成する。

【００６１】このとき、光ディスク４６の信号記録面４
７の凹凸によって発生する信号記録面４７に垂直な方向
の速度Ｖのデータのサンプリングは、信号記録面４７に
形成されたレーザビームのスポットが信号記録面４７上
でスポット径だけ移動する間に少なくとも一回行われる
ようにする。

【００６２】このため、スポットの直径は、たとえば、
略１００μｍとなるようにし、また、光ディスク４６の
回転数は、レーザビームのスポットの形成位置での線速
度が、たとえば、１０ｍ／ｓｅｃになるようにし、さら
に、うねり周波数ｆｂをサンプリングするＡ／Ｄ変換器
５３のサンプリング周波数は、たとえば、１００ｋＨｚ
とする。これにより、信号記録面４７にスポットが照射
する領域につき、一回のサンプリングを行うことができ
る。

【００６３】しかしながら、信号記録面４７にスポット
が照射する領域につき、一回のサンプリングを行ったの
では、たとえば、パルス的なノイズが生じた場合に、デ
ィスク上のゴミや傷等によるものか、測定装置の電気的
なノイズによるものなのかを分離することができない。
このため、Ａ／Ｄ変換器５３のサンプリング間隔を小さ
くする必要がある。例えば２ＭＨｚのサンプリング周波
数で測定した場合、スポットが照射される領域を二十点
サンプリングすることができ、上記のような問題の発生
を回避できる。

【００６４】光ディスク４６の信号記録面４７の凹凸が
存在すれば、信号記録面４７に垂直な方向に速度Ｖをも
ち、信号記録面４７で反射した戻り光はドップラー効果
によりその振動数ｆがシフトして振動数ｆ₁ となる。

【００６５】一方、ビームスプリッタ４２で分離したレ
ーザービーム４８は、参照ミラー５０で反射て同経路を
往復するため、音響光学変調素子４９によって周波数Δ
ｆ２のシフトを２回受けて振動数ｆ₂ となる。フォトダ
イオード５１に入射する信号記録面４７で反射した振動
数ｆ₁ の戻り光と振動数ｆ₂ の戻り光とは、干渉してう
ねりを起こし、フォトダイオード５１の検出する光強度
が時間的に振動する。このうねり周波数ｆｂが周波数カ
ウンタ５２によって測定され、うねり周波数ｆｂがＡ／
Ｄ変換器５３でサンプリングされる。

【００６６】Ａ／Ｄ変換器５３でサンプリングされたう
ねり周波数ｆｂは特性量算出部７１のメモリ７２に記憶
保持される。次いで、速度算出部７３は、メモリ７２に
記憶保持されたうねり周波数ｆｂにに基づいて上記した
（２）式にしたがって、速度Ｖを算出する。これによ
り、回転する光ディスク４６の信号記録面４７に存在す
る凹凸によって発生する信号記録面４７の垂直方向の速
度が検出される。

【００６７】追従誤差量算出部７４は、速度算出部７３
で算出された速度Ｖのデータが順次入力され、上記した
（６）式および（７）式で定義されるＩＩＲディジタル
フィルタ１００によって追従誤差量Ｅを算出する。

【００６８】このとき、ＩＩＲディジタルフィルタ１０
０は計算量が比較的少ない。すなわち、ＩＩＲディジタ
ルフィルタ１００はサンプル数ｎに比例した計算量であ
る。一方、たとえば、追従誤差量Ｅを算出するのに、Ｉ
ＩＲディジタルフィルタ１００を用いずに、高速フーリ
エ変換（ＦＦＴ）および高速逆フーリエ変換を用いて算
出すると、計算量がｎｌｏｇ（ｎ）のオーダで増加する
ため、高速な処理ができない。特に、サンプル数ｎが増
加すると、また、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）および高
速逆フーリエ変換を用いて算出するには、測定点を二の
累乗に調整する必要があるが、ＩＩＲディジタルフィル
タ１００では測定点の数に制限を受けない。

【００６９】このため、追従誤差量算出部７４では追従
誤差量Ｅの算出処理を非常に高速に行うことができる。
追従誤差量算出部７４で算出された追従誤差量Ｅは、表
示部８１に順次入力される。

【００７０】凹凸量算出部７５にも同様に、速度算出部
７３で算出された速度Ｖのデータが順次入力される。凹
凸量算出部７５では、入力される速度Ｖのデータから光
ディスク４６の信号記録面４７に存在する凹凸の凹凸量
Ｇを算出し、算出された凹凸量Ｇは、表示部８１に順次
入力される。

【００７１】表示部８１の割り当て部８２では、入力さ
れた追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇが表示装置５６の画
面のうち光ディスク４６と相似形の領域内の全ての画素
に対応づけて割り当てられ、メモリに記憶保持される。

【００７２】陰影シミュレート部８３では、割り当て部
８２に記憶された追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇに基づ
いて、追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇの信号記録面４７
内での分布を立体的に把握可能な画像、すなわち、光デ
ィスク４６の信号記録面４７に追従誤差量Ｅあるいは凹
凸量Ｇに応じた高さの凹凸が存在したと想定した場合
に、当該凹凸に対して所定の向きから光を照射すること
によって発生する仮想的な陰影をもつ画像を表示装置５
６の画面に表示する。このとき、ユーザーは、光の照射
方向θおよび光の仮想的な強度Ｉ₀ を変更する操作をコ
ンピュータ５５のキーボードやマウス等の外部入力機器
を用いて行うことができる。

【００７３】ここで、図７は、陰影シミュレート部８３
で生成された、光ディスク４６の信号記録面４７内にお
ける凹凸量Ｇの分布を示す画像の一例を示す図である。
図７に示す画像では、仮想的に所定の方向から信号記録
面４７の凹凸に光を当てることによってできる陰影をシ
ミュレートしている。なお、図７において矢印で示す方
向が光の照射方向θである。また、図７に示す画像にお
いて、色が淡く（白く）なった部分は、光の照射方向に
向かう凹凸の側面領域であり、色が濃く（黒く）なって
いる部分は、光の照射方向に対して背を向けた凹凸の側
面領域であり、中間の色（灰色）の部分は凹凸が少ない
領域である。したがって、凹凸量が大きい部分ほど陰影
が濃くなり、この画像の色の違いから、凹凸の分布や凹
凸の状態等の面形状の状態を容易に把握することができ
る。また、光の照射方向θおよび光の仮想的な強度Ｉ₀
を適宜変更することにより、信号記録面４７のすべての
領域の凹凸の分布や凹凸の状態等を観察することができ
る。

【００７４】一方、図８は、光ディスク４６の信号記録
面４７の対応する位置での凹凸量に応じて表示装置５６
の画面上の画素の濃淡を決定したモノクロ画像を示す図
である。図８に示す画像では、人間の目にはあたかもそ
れが凹凸に光があたってできた陰影であるかのように間
違って認識されてしまいやすく、信号記録面４７の面形
状や追従誤差量Ｅの分布の状態を容易に把握するのが難
しい。

【００７５】以上のように、本実施形態によれば、追従
誤差量算出部７４をフォーカスサーボ系のゲイン特性を
近似した伝達関数をもち速度データＶを入力信号とし、
追従誤差量Ｅを出力信号とするＩＩＲディジタルフィル
タ１００によって構成することにより、フォーカスサー
ボ系に発生すると予想される信号記録面４７に存在する
凹凸に対して追従できない対物レンズの追従誤差量Ｅを
高速に算出することが可能となる。この結果、光ディス
ク４６の信号記録面４７の凹凸に起因した特性量を効率
的に測定でき、面形状測定装置１を実用的なものとする
ことができる。

【００７６】また、本実施形態によれば、光ディスク４
６の信号記録面４７に存在する凹凸に光が当たった場合
にできる陰影をシミュレートした画像を生成すること
で、光ディスク４６の信号記録面４７の面形状を容易に
認識することができる。

【００７７】本発明は、上述した実施形態に限定されな
い。上述した実施形態においては、本発明の円盤体とし
て光ディスク４６の場合について説明し、被測定面とし
て信号記録面４７の場合を説明したが、本発明は、光デ
ィスクの信号記録面ばかりでなく、たとえば、光ディス
クの信号記録面の面振れ発生の原因になりうる光ディス
クの信号記録面を形成するためのスタンパの面形状を測
定することができる。また、光ディスクではなく磁気デ
ィスク等の円盤体の面形状を測定することができる。な
お、被測定面が光を反射する光反射面となっていない場
合には、この表面を金属膜でコーティングすることによ
り確実な観察を行うことができる。

【００７８】また、上述の実施形態では、特性量算出部
７１の算出する特性量として、信号記録面４７に存在す
る凹凸量およびフォーカスサーボの追従誤差量の場合に
ついて説明したが、たとえば、フォーカスサーボによっ
て位置決め制御される対物レンズにかかる加速度も算出
する構成としてもよい。この場合には、速度算出部７３
で算出された速度Ｖを微分することによって、対物レン
ズにかかる加速度を算出することができる。

【００７９】

【発明の効果】本発明によれば、光ディスクの信号記録
面等の円盤体の被測定面に存在する凹凸量やこの凹凸に
起因するフォーカスサーボの追従誤差量を正確にかつ効
率的に測定することができる。また、本発明によれば、
測定した凹凸量や追従誤差量からの面形状の把握が容易
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る面形状測定装置の構
成図である。

【図２】コンピュータ５５内の構成を示す構成図であ
る。

【図３】フォーカスサーボ系の一例を示すブロック図で
ある。

【図４】フォーカスサーボ系の開ループゲイン特性を示
す図である。

【図５】フォーカスサーボ系の開ループゲイン特性にＩ
ＩＲディジタルフィルタをフィッテイングさせた状態を
示す図である。

【図６】ＩＩＲディジタルフィルタの構成を示す図であ
る。

【図７】陰影シミュレート部８３で生成された、光ディ
スク４６の信号記録面４７内における凹凸量Ｇの分布を
示す画像の一例を示す図である。

【図８】光ディスク４６の信号記録面４７の対応する位
置での凹凸量に応じて表示装置５６の画面上の画素の濃
淡を決定したモノクロ画像を示す図である。

【図９】光ディスクの構成を示す図である。

【図１０】光ディスクの信号記録面の構造例を示す図で
ある。

【図１１】光ディスクの層構造を示す斜視図である。

【符号の説明】

１…面形状測定装置、４６…光ディスク、４７…信号記
録面、５１…フォトダイオード、５２…周波数カウン
タ、５３…Ａ／Ｄ変換器、５５…コンピュータ、５６…
表示装置、６１…スピンドルモータ、７１…特性量算出
部、７２…メモリ、７３…速度算出部、７４…追従誤差
量算出部、７５…凹凸量算出部、８１…表示部、８２…
割り当て部、８３…陰影シミュレート部。

フロントページの続き (72)発明者 山崎 剛 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 真能 清志 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA01 AA49 BB03 CC03 DD03 DD06 FF31 GG04 HH04 HH13 JJ18 KK01 LL02 LL57 MM04 MM16 MM26 PP13 PP21 QQ21 RR05 SS12 UU05 UU06 2F069 AA54 AA57 AA60 BB17 CC07 DD15 DD16 DD19 GG04 GG07 GG15 GG31 GG39 GG52 GG56 HH09 JJ02 JJ17 MM04 MM11 MM23 NN12 PP02 QQ05 5D121 AA02 CB08 DD13 GG02 HH07 HH08 HH15 HH18

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】円盤体を回転させる回転手段と、 回転する前記円盤体の被測定面内に存在する凹凸によっ
   て発生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出する速
   度検出手段と、 前記検出した速度データ、および、回転する前記円盤体
   の被測定面から垂直な方向の目標位置に所定の対象物を
   追従させるサーボ系のゲイン特性に基づいて、前記サー
   ボ系に発生すると予想される前記被測定面の凹凸に対し
   て追従できない追従誤差量を算出する追従誤差量算出手
   段とを有する面形状測定装置。
2. 【請求項２】前記円盤体は、光学的に情報の記録および
   再生の少なくとも一方が可能な記録媒体であり、 前記被測定面は、前記記録媒体の信号記録面であり、 前記対象物は、前記記録媒体の信号記録面への情報の記
   録および前記信号記録面からの情報の再生の少なくとも
   一方を行う光学ピックアップあるいは当該光学ピックア
   ップに搭載されたレンズであり、 前記サーボ系は、光学ピックアップあるいは当該光学ピ
   ックアップに搭載されたレンズのフォーカスを前記信号
   記録面から垂直な方向の目標位置に追従させるフォーカ
   スサーボ系である請求項１に記載の面形状測定装置。
3. 【請求項３】前記追従誤差量算出手段は、前記サーボ系
   を近似した伝達関数をもち、前記速度データを入力信号
   とし、前記追従誤差量を出力信号とするディジタルフィ
   ルタを有する請求項１に記載の面形状測定装置。
4. 【請求項４】前記ディジタルフィルタは、ＩＩＲフィル
   タで構成されている請求項３に記載の面形状測定装置。
5. 【請求項５】前記算出された追従誤差量の前記円盤体内
   における分布を立体的に把握可能に画面上に表示する表
   示手段をさらに有する請求項１に記載の面形状測定装
   置。
6. 【請求項６】前記速度検出手段は、レーザ光を照射する
   レーザ光源と、 前記レーザ光源からのレーザ光を前記円盤体の被測定面
   に導き、かつ、当該レーザ光と前記被測定面からの反射
   光とを干渉させる干渉光学系と、 前記干渉光学系から得られた光を受光する受光手段と、 前記受光手段の検出した光強度の周波数を検出し、当該
   検出した周波数から前記被測定面内に存在する凹凸によ
   って発生する当該被測定面の垂直方向の速度を算出する
   速度算出手段とを有する請求項１に記載の面形状測定装
   置。
7. 【請求項７】前記検出した速度データに基づいて、前記
   被測定面の凹凸量を算出する凹凸量算出手段をさらに有
   する請求項１に記載の面形状測定装置。
8. 【請求項８】前記凹凸量算出手段は、前記検出した速度
   データを積分して凹凸量を算出するディジタルフィルタ
   を有する請求項７に記載の面形状測定装置。
9. 【請求項９】前記被測定面は、光を反射する光反射面で
   ある請求項１に記載の面形状測定装置。
10. 【請求項１０】前記被測定面には、前記追従誤差量を測
    定するために光を反射する光反射膜がコーティングされ
    ている請求項１に記載の面形状測定装置。
11. 【請求項１１】円盤体を回転させるステップと、 回転する前記円盤体の被測定面内に存在する凹凸によっ
    て発生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出するス
    テップと、 前記検出した速度データ、および、回転する前記円盤体
    の被測定面から垂直な方向の目標位置に所定の対象物を
    追従させるサーボ系の周波数特性に基づいて、前記サー
    ボ系に発生すると予想される前記被測定面の凹凸に対し
    て追従できない追従誤差量を算出するステップとを有す
    るの面形状測定方法。
12. 【請求項１２】前記追従誤差量を算出するステップは、
    前記速度データを入力信号とし、前記追従誤差量を出力
    信号とする、前記サーボ系を近似した伝達関数をもつデ
    ジタルフィルタを用いて行う請求項１１に記載の面形状
    測定方法。
13. 【請求項１３】前記デジタルフィルタには、ＩＩＲフィ
    ルタを用いる請求項１２に記載の面形状測定方法。
14. 【請求項１４】前記追従誤差量を測定すべき前記円盤体
    の被測定面に反射膜を形成して測定を行う請求項１１に
    記載の面形状測定方法。
15. 【請求項１５】円盤体を回転させる回転手段と、 回転する前記円盤体の被測定面に存在する凹凸によって
    発生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出する速度
    検出手段と、 前記検出した速度データに基づいて、前記凹凸量あるい
    は前記凹凸に起因する諸特性量の少なくとも一つを算出
    する特性量算出手段と、 前記特性量算出手段によって算出された算出量の前記円
    盤体内における分布を立体的に把握可能に画面上に表示
    する表示手段とを有する面形状測定装置。
16. 【請求項１６】前記表示手段は、前記円盤体の各測定点
    における算出量を前記画面の当該円盤体と相似形の領域
    内の全ての画素に対応づけて割り当てる割り当て手段
    と、 前記各画素に割り当てられた算出量に基づいて、
    前記円盤体の被測定面に前記算出量に応じた高さの凹凸
    が存在したと想定した場合に、当該凹凸に対して所定の
    向きから光を照射することによって発生する仮想的な陰
    影を画面上で表現する陰影シミュレート手段とを有する
    請求項１５に記載の面形状測定装置。
17. 【請求項１７】前記陰影シミュレート手段は、一の画素
    に割り当てられた算出量と当該一の画素に隣接する画素
    に割り当てられた算出量との差に基づいて前記一の画素
    の画素値を決定する請求項１６に記載の面形状測定装
    置。
18. 【請求項１８】前記陰影シミュレート手段は、一の画素
    に割り当てられた算出量と当該一の画素の前記画面の縦
    方向および横方向の一方側にそれぞれ隣接する画素に割
    り当てられた算出量との差をそれぞれΔｘ、Δｙとし、
    前記光の照射方向をθとし、前記光の仮想的な強度をＩ
    ₀ としたとき、前記一の画素の画素値Ｉを次式（１）に
    よって決定する請求項１７に記載の面形状測定装置。 【数１】 Ｉ＝Ｉ₀ ・（ｃｏｓθ・Δｘ＋ｓｉｎθ・Δｙ） ・・・（１）
19. 【請求項１９】前記光の仮想的な強度Ｉ₀ および前記光
    の照射方向θは、外部からの信号の入力によって任意に
    設定可能である請求項１８に記載の面形状測定装置。
20. 【請求項２０】前記算出量は、前記検出した速度デー
    タ、および、回転する前記円盤体の被測定面から垂直な
    方向の目標位置に所定の対象物を追従させるサーボ系の
    ゲイン特性に基づいて算出された、前記サーボ系に発生
    すると予想される前記被測定面の凹凸に対して追従でき
    ない追従誤差量である請求項１５に記載の面形状測定装
    置。
21. 【請求項２１】前記円盤体は、光学的に情報の記録およ
    び再生の少なくとも一方が可能な記録媒体であり、 前記被測定面は、前記記録媒体の信号記録面である請求
    項１５に記載の面形状測定装置。
22. 【請求項２２】前記円盤体は、光学的に情報の記録およ
    び再生の少なくとも一方が可能な記録媒体の信号記録面
    を形成するためのスタンパである請求項１５に記載の面
    形状測定装置。