JP2584739B2 - 焦点検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は焦点検出装置に関し、特に光デイスク等の記
録媒体に各種情報の記録及び再生を行なう光学的情報記
録再生装置等に用いるのに適した焦点検出装置に関する
ものである。

〔従来技術〕

前述の如き焦点検出装置としては、例えば特開昭56−
57013号に示されるような、所謂非点収差法が知られて
いる。この例を第11図に示す。ここで、半導体レーザ等
の光源41から発した光束42はくさび状板43の第１の面47
で反射され、対物レンズ44によって光デイスク45の情報
トラツク46に集光される。そして、光デイスク45で反射
された戻り光束49は再び対物レンズ44を通ってくさび状
板43に第１の面47から入射し、第２の面48で内面反射さ
れて第１の面から出射し、光検出器50によって検出され
る。この戻り光束49はくさび状板43を透過することによ
って非点収差を生じており、光デイスク45における合焦
状態に応じて、光検出器50上の光束の形状が変化する。
この変化を、光検出器50の４分割された受光面で検知す
ることによって、焦点検出が行なわれる。

しかしながら、上記の如き従来の装置においては、光
源と光検出器とがくさび状板に対して同じ側に配されて
いたので、これらが互いに干渉することなく働く為には
対物レンズの光軸方向（即ち、光デイスクの面に垂直な
方向）にある程度の距離が必要となり、これが装置の薄
型化の傷害となっていた。

更に、上記従来の装置においては、温度変化などによ
って光源の波長が変化した場合に、くさび状板による戻
り光の屈折角が変化し、光検出器上での戻り光の受光位
置が大きくずれてしまう問題点があった。

［発明の概要］ 本発明の目的は、プリズムを光学的に平行平板と等価
に働かせることによって、簡単，薄型の構成で上記従来
技術の問題点を解決した焦点検出装置を提供することに
ある。

本発明の上記目的は、光源と、前記光源から発した光
束を物体上に集光する集光手段と、第１及び第２の面を
有し、前記光源からの光束を第１の面で反射して前記集
光手段に導くとともに、前記物体からの戻り光を第１の
面から入射させ、第２の面から出射せしめ、前記戻り光
に非点収差を生じさせるプリズムと、該プリズムの第２
の面から出射した戻り光を受光し、この戻り光の非点収
差から前記物体への光束の合焦状態を検出する検出手段
とから成る焦点検出装置において、前記第１の面から入
射した戻り光が前記プリズムの内面で反射した後に第２
の面から出射するようにし、前記内面反射する面に映る
第２の面の鏡像が、前記第１の面と略平行となるよう
に、前記プリズムを形成することによって達成される。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の第１参考例を示す概略図である。こ
こで半導体レーザ等の光源１から発した光束２はプリズ
ム３の第１の面3aでその一部が反射し、コリメータレン
ズ４及び対物レンズ５を経て、情報記録担体６に集光さ
れる。次に、情報記録担体６で反射された戻り光束10
は、再び対物レンズ5,コリメータレンズ４を通過して収
束光となり、その一部が第１の面3aからプリズム３内に
入射する。更に、この光束10は第２の面3bに製膜された
反射膜内面反射して、使用波長に対し反射防止処理され
たプリズムの第３の面3cより出射して、プリズム３を挾
んで光源１と対向する位置に配された光検出器７で検出
される。

前記戻り光束10はプリズム３を通過することにより、
非点収差を生じており、光検出器７は光束10の子午的収
束点８と球欠的収束点９の間の適当な位置に配置されて
いる。ここで、光学系の縦倍率をγとし、情報記録担体
６と対物レンズ５の間の距離の変化をδとすれば（合焦
時をδ＝０とする）、収束点8,9は略２δ／γだけ移動
し、この移動に伴って、光検出器７における光束のスポ
ツト形状が変化する。光検出器７の受光面は第２図に示
すように受光部11,12,13,14に４分割されており、前述
のスポツト形状の変化から、情報記録担体６への光束２
の合焦状態を検知し得る。例えば、合焦時（δ＝０）に
は、スポツトは15に示すように略円形となり、各受光部
に入射する光量はほぼ等しい。これに対し、対物レンズ
５が情報記録担体６から離れすぎ（δが正）、所謂前ピ
ン状態になった時には、スポツトは16のような形状とな
り、受光部11及び13に入射する光量が受光部12及び14に
入射する光量に比べ相対的に増加する。また、対物レン
ズ５が情報記録担体６に近づきすぎ（δが負）、所謂後
ピン状態では、スポツト形状は17のようになり、受光部
12及び14に入射する光量が、受光部11および13に比べて
相対的に増加する。従って、受光部11及び13の和信号
と、受光部12及び14の和信号との差から、焦点誤差信号
（所謂Ｓ字カーブ）が得られる。光学的情報記録再生装
置では、この焦点誤差信号に基づいて対物レンズ５を光
軸方向に移動し、フオーカス制御を行っている。

第３図は、プリズムによって非点収差が発生すること
を示した原理図である。第３図において、Ｏ点から出た
微小光束が、プリズム面上のP,Q点で屈折することを考
える。Ｑ点で屈折した光束の子午的および球欠的収束の
（虚の）収束点をそれぞれＱ′m,Q′ｓとし▲▼＝P
₁，▲▼＝ｄとおけば、非点隔差ΔＰ′は次の式
（１）で表わせる。

ここで、ｎ′はプリズムの屈折率、i₁，i₁′はＰ点で
の入射角、屈折角、i₂，i₂′はＱ点での入射角、屈折角
である。前述の装置における焦点検出感度は、上記
（１）式と、光学系の倍率によって決定される。

第４図は、前述の第１参考例で用いたプリズム３に入
射する光線の振る舞いを示す概略図である。ここでＯ点
から出た光線はP,R,Q,S点へと進むが、光学系設計上情
報記録担体面へ入射する光軸に略、平行な平面Ｔとその
光線のなす角θが重要である。この角度を略０°とする
ことにより、装置の構成、機械部品等の製作が容易にな
る。式の詳細な導出方法は略すが、θは第４図中に示し
た諸量により次のように表わせる。

θ＝ｉ′₃＋₂ ……（２） ここでｉ′₃は、プリズムの屈折率ｎ′、Ｐ点での入射
角i₁、プリズムの角度₁，₂等にスネルの法則で続ば
れており、簡単に計算できる。以上のようにこの設計手
法を用いれば焦点検出装置をより低コストで小型、薄型
に製作できる。

次に、前記第１参考例中のプリズムによって光検出器
面上にできる像の明るさについて説明する。前記参考例
において、プリズム発散、収束光束が入射することにな
るが、この発散、収束角が大きい場合、プリズム各面に
対する直線偏光成分の透過率、反射率の差が大きくなる
（即ち角度特性を有する）。そこで、光束の入射面に対
してS,P両偏光成分がバランスするように子午面に対し
て光源からの光束の偏光面を略45度傾けて入射させるこ
とにより、S,P両偏光成分の平均透過率、及び反射率を
光束入射角の変化に対してほぼ一定に保つことができ
る。以下にこの例を示す。

第５図第１参考例におけるプリズムの第１面3a（光源
からの光束を反射して、コリメータレンズ４の方向に光
束を折曲げる面）の偏光特性を示す。図中TAは平均透過
率であり、この線より上側にある３本の点線がＰ偏光、
下側の３本の実線がＳ偏光の透過率を示している。ま
た、RAは平均反射率であり、点線がＰ偏光、実線がＳ偏
光の反射率を示している。

図中21a〜d,22a〜d,23a〜ｄで示した各々２組の曲線
は、プリズムの第１面への入射角を各々35度,45度,55度
とした時のP,S偏光成分の透過、反射率を示している。
図より明らかな様に、第１面に対してＰもしくはＳ偏光
成分のみを使用すると、角度特性によりその透過、反射
率が異なる。したがって第１面反射光束を考えると入射
角の大小により光束の球欠的平面の上、下において明る
さが異なることになる。プリズム各面においてこの効果
が起こる為、センサー面上ではプリズムによって不必要
な明暗パターンが発生し、焦点検出に悪影響を及ぼすこ
ととなる。そこで、前述のように光源からの光束の偏光
面を子午面に対して略45度に設定することによってＳ偏
光とＰ偏光がほぼ等量となり、TA,RAの如く角度特性が
なくなって、良好な焦点誤差信号を得ることが出来る。

また、前記実施例中の反射面、透過面に光学薄膜を生
成した場合にも前記例と同様に、光束入射角変化に対し
て透過率、反射率の変化を小さくできることは言うまで
もない。

次に光源へのもどり光量比について説明する。前記例
中に記したプリズム第１面の反射率をＲとし、コリメー
タレンズ、対物レンズ、情報担体を経て光源へもどる光
量比を考える。前記光源からの出射光量を100とし、プ
リズム第１面以外の光学素子の光源から情報担体を経て
光源へもどるまでの透過率をＴとすると、光源へのもど
り光量比率は100・Ｔ・R²（％）となる。光源として半
導体レーザー（LD）を使用すると、前記もどり光量とLD
ノイズの間に相関がある。そこで、前記もどり光量比10
0・Ｔ・R²（％）のプリズム第１面3aの反射率Ｒを適当
に調整することによりLDへのもどり光量比が変化し、LD
ノイズを低減することが出来る。

第６図は、本発明の第２参考例を示す概略図であり、
第１図と同一の部材には、同一の符号を付し、詳細な説
明は省略する。本参考例では、コリメータレンズ４と対
物レンズ５との間に４分の１波長板（以下λ/4板と呼
ぶ）30を配し、プリズム３の第１の面3aに偏光特性を生
ずる光学薄膜を設けている。前記第１の面3aは、第７図
に示すような偏光特性を示し、Ｐ偏光に対してはTPの如
くほぼ100％の透過率を示し、Ｓ偏光はTSの如くほとん
ど透過せずに100％近く反射される。TAは平均透過率を
示す。

第６図において、光源１からの光束２をＳ偏光に設定
しておくと、この光束２は面3aでほとんど反射されて、
λ/4板30で右回り円偏光となり情報記録担体６に入射す
る。また、情報記録担体６で反射された戻り光は左回り
円偏光であり、再びλ/4板30を透過してＰ偏光となり、
プリズムの第１面3aをほとんど透過して光検出器７に導
かれる。本参考例は、このような構成によって、光源１
への戻り光を無くしてアイソレータを構成すると同時
に、光検出器７に入射する光量を増加し、エネルギー効
率を向上させることが出来る。

尚、前述のようにある程度の戻り光を光源に導くこと
によってノイズレベルを低下できる場合には、λ/4板30
の結晶軸方向を適当に回転させることによって、戻り光
量の調整が可能である。

第８図は、本発明の第１実施例を示す概略図である。
本実施例は、第１図示のプリズム３を異なる形状のプリ
ズム33に置き換えた他は、第１参考例と同一で、第１図
と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略
する。

ここで、プリズム33の第１の面33aから入射した戻り
光束10は、第２面33bに製膜された反射膜で反射され、
前記第１面33aで全反射して第３面33cから出射して光検
出器７に導かれる。本実施例では、このように戻り光束
をプリズム内で２回、内面反射させる構成とすることに
よって、プリズム内の光路長を延ばし、第１参考例に比
べてプリズムと光検出器との間隔を短縮して、更に小型
化を図ることが出来る。また、光源からの光束と、プリ
ズムから出射した光束との光軸を略平行に設定すること
も可能で、光学調整が簡単になる上に、装置の薄型化に
も有利である。

第９図は、上記第１実施例で用いたプリズム33に入射
する光線の振る舞いを示す概略図である。ここで入射点
Ｐを含む平面と、出射点Ｑの像Ｑ′を含む平面とを略平
行とすることができる。このように前記両平面を決定す
れば、プリズムという簡単な構成要素により平行平板と
同一効果を上げることができるばかりでなく、光学系の
部品点数を低減できる。前記条件においては、第９図は
i₁＝i₂′，i₁′＝i₂であり、前述の式（１）の右辺がゼ
ロとなって、前述平行平面間隔をd₀とすると、非点隔差
は次の式（３）によって表わされる。

これは平行平板による非点隔差を表わす式である。

上記第１実施例は、第１例と全く同様の原理で、焦点
検出が出来る。また、第５図で説明したような偏光方向
の設定に関しても、同様に適用出来る。

第10図は、第８図示の装置に、λ/4板30を加えた本発
明の第２実施例を示す概略図であり、第８図と同一の部
材には、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

プリズム33の第１面33aには、第２参考例と同様に、
第７図に示されるような偏光特性を生ずる光学薄膜が設
けられている。この第１面33aとλ/4板30によるアイソ
レーシヨン機能は、第２参考例と同様であるので詳述し
ないが、本実施例も以上の実施例と同様に焦点検出が行
なえるものである。

本発明は以上説明した実施例に限らず、種々の応用が
可能である。例えば、コリメータレンズと対物レンズを
それぞれモールドレンズ，ホロレンズ，屈折率分布型レ
ンズ，平板マイクロレンズ等によって構成することがで
きる。またこのコリメータレンズと対物レンズを１本の
鏡筒に組み込んだり、前記光学素子により光学系を構成
することも可能である。このようにすれば、通常使用さ
れている鏡筒にレンズを組み込んだタイプのレンズに比
べ、部品点数を低減できるばかりでなく、低コスト、小
型の光学系を構成できる。

また、本発明を光学的情報記録再生装置に適用する場
合には、情報担体上のトラツクに光束を追従させる為、
光源とプリズムの間にグレーテイングを挿入し、公知の
方法（所謂３ビーム法）で、トラツキング制御を行って
も良い。更に本発明は、他のトラツキング方法（例え
ば、瞳面プツシユプル法、ヘテロダイン法等）とも組み
合せ可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明はプリズムによる非点収
差を用いた焦点検出装置において、プリズムの第１の面
から入射した戻り光が内面で反射した後に第２の面から
出射するようにし、内面反射する面に映る第２の面の鏡
像が、第１の面と略平行となるようにしたので、装置を
薄型に構成し、且つ、平行平板と同一の効果を得ること
ができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１参考例を示す概略図、第２図は光
検出器の受光面における戻り光のスポツト形状の変化を
示す図、第３図はプリズムによる非点収差発生の様子を
示す図、第４図はプリズムに入射した光線の振る舞いを
説明する図、第５図はプリズム第１面の透過率、反射率
の特性を示す図、第６図は本発明の第２参考例を示す概
略図、第７図は第２参考例におけるプリズム第１面の偏
光特性を示す図、第８図は本発明の第１実施例を示す概
略図、第９図は第８図のプリズムに入射した光線の振る
舞いを説明する図、第10図は本発明の第２実施例を説明
する図、第11図は従来の焦点検出装置の構成を示す概略
図である。 １……光源,3……プリズム,4……コリメータレンズ,5…
…対物レンズ,6……情報記録担体,7……光検出器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、前記光源から発した光束を物体上
   に集光する集光手段と、第１及び第２の面を有し、前記
   光源からの光束を第１の面で反射して前記集光手段に導
   くとともに、前記物体からの戻り光を第１の面から入射
   させ、第２の面から出射せしめ、前記戻り光に非点収差
   を生じさせるプリズムと、該プリズムの第２の面から出
   射した戻り光を受光し、この戻り光の非点収差から前記
   物体への光束の合焦状態を検出する検出手段とから成る
   焦点検出装置において、 前記第１の面から入射した戻り光が前記プリズムの内面
   で反射した後に第２の面から出射し、前記内面反射する
   面に映る第２の面の鏡像が、前記第１の面と略平行であ
   り、前記プリズムが光学的に平行平板と等価に働くよう
   に形成されたことを特徴とする焦点検出装置。