JP3358237B2 - ホログラム素子およびこれを用いた合焦検出機構 - Google Patents

ホログラム素子およびこれを用いた合焦検出機構

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JP3358237B2 JP13866293A JP13866293A JP3358237B2 JP 3358237 B2 JP3358237 B2 JP 3358237B2 JP 13866293 A JP13866293 A JP 13866293A JP 13866293 A JP13866293 A JP 13866293A JP 3358237 B2 JP3358237 B2 JP 3358237B2
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  • Optical Head (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光学式測定装置や光記
憶装置の光ヘッドなどに用いて好適なホログラム素子お
よびこれを用いた合焦検出機構に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光ヘッドなどにおいて、ホログラム素子
を搭載したものが最近特に注目されており、いろいろな
方式が開発されている。しかしながら、ホログラム素子
は決して万能というわけではなく、物理的な原理に係わ
る数多くの制約事項が存在し、これらを把握した上で、
適切な光学設計をしなければならない。
【0003】このような中で、発明者らは、特開平4−
212742号公報や特願平3−293329号出願な
どに記述しているように、ホログラム素子を用いて発生
した非点収斂光束を、光ヘッドの合焦検出に用いること
を提案している。
【0004】これらは、図6に示すようにホログラム素
子1によって、焦点変化に伴って互いに相補的に非点変
化する±1次回折光2,3を発生し、この光束を適切な
形状の光電変換素子4,5で検出して、2つの検出出力
を差動させることで合焦検出するものであり、構成によ
っては光ディスク装置に必要な各種信号をも全て出力さ
せることができる。
【0005】一般に、このような合成されたホログラム
素子では、パターンを適切に設計することが必要である
が、実際の用途には、例えばこのようなホログラム素子
の一種に分類できる回折格子やフレネルゾーンプレート
のように、その平行光束中でのパターン形状が高々二次
曲線に沿うような、簡単なものが主となっている。
【0006】上記のホログラム素子1でも、平行光路中
に置かれる場合では、直線や双曲線が好ましいことが発
明者らによって開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光ディ
スク装置のヘッドなどでは、光学系全体を小型化すべ
く、途中に平行光路を介さないいわゆる有限光学系が求
められることが多い。このような場合、ホログラム素子
は収束/発散する球面波中に配置せざるを得ず、平行光
路中でのパターン形状をそのまま適用したのでは、所望
の回折光束を得ることができない。特に、上記の例のよ
うに、ホログラム素子の複数の回折光を利用する場合に
は、これらは互いに従属関係にあり、パターン形状を任
意に定めても両者をバランス良く最適化するには困難が
伴う。
【0008】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
収束または発散光路中で複数の回折光を利用する場合で
も、パターン形状に適切な補正を加えることにより、補
正前の平行光路中での光束に近似した所望の回折光束が
得られるホログラム素子およびこれを用いた合焦検出機
構を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係るホログラム素子においては、 1. 収束または発散光路中に配置されたホログラム素
子において、前記ホログラム素子上の直交座標系(x,y)
による高々2次の原関数F(x,y)に、座標変数yに関す
る奇関数である高々3次の補正項M(x,y)を加えた曲線 F(x,y)+M(x,y)=一定 に沿ってパターンを形成してなり、前記直交座標系のy
軸に沿って回折光を分離することを特徴とする。
【0010】そして必要に応じ、 2. 上記1において、前記補正項M(x,y)は、定数a
を用いて C(x,y)=a・(x2y+y3) に従うコマ収差補正項C(x,y)を含む。
【0011】3. 上記1ないし2において、前記原関
数F(x,y)は双曲線関数とする。
【0012】また、本発明に係る合焦検出機構において
は、 4. 合焦目標面からの反射光を収斂させる検出光学系
と、直交座標系(x,y)による高々2次の原関数F(x,y)
に、座標変数yに関する奇関数である高々3次の補正項
M(x,y)を加えた曲線「F(x,y)+M(x,y)=一定」に沿
ってパターンを形成してなり、前記直交座標系のy軸に
沿って回折光を分離する、前記検出光学系の収束光路中
に配置されたホログラム素子と、前記検出光学系に関し
て前記合焦目標面と概ね共役な同一の検出平面上に配置
された一対の光検出手段とを備え、前記光検出手段によ
り一対の前記非点収斂光束を検出し、一対の前記光検出
手段の出力を比較することにより、前記合焦目標面への
合焦を検出することを特徴とする。
【0013】
【作用】上記の構成によれば、補正項M(x,y)は回折分
離方向であるyに関して奇関数である。正負の回折光束
に対してホログラム素子が付与する波面の関数は、互い
に正負が逆転することになるが、奇関数の場合は正負の
逆転はy軸の向きの反転と同じ意味を持つ。すなわち、
正負次の回折光に補正の効果が等しく現れ、yに関する
偶数次の項が含まれないので、バランスの良い補正が実
現される。
【0014】
【実施例】本発明を図1ないし図5に図示の実施例に基
づいて詳細に説明する。
【0015】(実施例1) 図1および図2は、本発明の効果が最も分かりやすい形
で現れる単純回折格子での実施例を示す。図1におい
て、収束レンズ11により収束された光路中に、本発明
のホログラム素子12が配置されており、正負の一次光
13,14を発生している。ここで、ホログラム素子1
2は、回折分離方向にy軸をとった直交座標(x,y)につ
いて、適当な定数αによる原関数 F(x,y)=α・y と、yに関しての奇関数である補正項M(x,y)により、 F(x,y)+M(x,y)=一定 に沿ってパターンを形成してなっている。補正がないと
きの原関数F(x,y)から得られるパターンは F(x,y)=α・y=一定 すなわちy軸に直交する直線であるから、原関数だけか
らなる場合は、ホログラム素子は単純な回折格子であ
り、入射光から正負の一次光を発生し、平行入射光の場
合に限っては、これらは収差のない平行光となる。
【0016】しかしながら、収束球面波が入射したとき
には、正負の一次光は図2(a)のようにいわゆるコマ収
差を含んだスポットを結び、補正のない単純格子では、
収差のない回折光は得られない。
【0017】これに対し、本発明のように奇関数の補正
項M(x,y)を加えた場合は、図2(b)のように例えば+1
次回折光13に対して、光線L1の位置を方向A1に移
動させるような補正が行われたとすると、対応する−1
次回折光14の光線L2も方向A2に対称的に移動し、
正負の回折光に同じ補正が行われる。
【0018】特に、発明者らが行ったところによれば、
適当な定数βを用いて、 M(x,y)=β・(x2y+y3) と定めたとき、上記の収束球面波の回折光は、図2(c)
のようにコマ収差補正が行われて、良好な回折光スポッ
ト15,16となる。
【0019】なお、仮に偶関数の補正項N(x,y)では、
図2(d)のように+1次回折光13に対して光線L1の
位置を方向A1に移動させるような補正を行おうとする
と、対応する−1次回折光14の光線L2は方向A3に
移動してしまうので、両回折光を同時に適正化すること
はできない。したがって、例えば非点収差に代表される
ような偶関数の収差は、本発明によっても複数の回折光
から同時に無くすことはできない。
【0020】以上のように本実施例によれば、収束光を
回折によって複数の光に分離する際に、収差発生を最小
限に抑さえることができるので、例えばホログラム素子
による光の分離を積極的に利用する光ヘッド等で、その
利点を最大限に活用することができる様になる。
【0021】(実施例2)図3ないし図5は、本発明に
係る合焦検出機構の実施例を示している。図3におい
て、合焦操作の対象となる投射光21は、合焦目標面2
2により反射されており、反射光23は、レンズ24を
介して収束され、ホログラム素子25に入射している。
【0022】ホログラム素子25では、反射光23によ
って±1次回折光26,27が発生され、二つの回折光
26,27は同一の検出平面28に置かれた光検出手段
29,30で受光されている。
【0023】ここで、±1次回折光26,27は、互い
に直交する非点収差を付与されており、しかも目標面2
2への合焦時には、これらの最小錯乱円が前記の光検出
手段29,30上に来るように配置されている。
【0024】このような構成を実現するために、ホログ
ラム素子25では、回折方向をy軸に取った直交座標
(x,y)において、双曲線方程式に従う原関数F(x,y)と、
yに関する奇関数の補正項M(x,y)とによって F(x,y)+M(x,y)=一定 で表される曲線群に沿った光変調パターンが設けられて
いる。すなわち、原関数F(x,y)によって上記の二つの
非点収差が発生され、補正項M(x,y)は不要な収差を抑
えるためのものである。これらにより±1次回折光2
6,27は互いに直交方位の非点収差を検出平面28を
挟んで生成されている。
【0025】ここで、前記の光検出手段29,30は水
平方向に長尺な形状とされており、二つの非点回折光2
6,27の前後移動に伴うスポットの変形を検出するこ
とができる。すなわち、合焦目標面22がレンズ24に
近い場合には、反射光23は全体として後方A4に移動
するので、例えば+1次回折光26の検出平面28上で
のスポットは横長となって光検出手段29の出力は増加
し、−1次回折光27のスポットは縦長となって光検出
手段30の出力は減少する。一方、合焦目標面22がレ
ンズ24から遠い場合には、反射光23は全体として前
方A5に移動するので、+1次回折光26のスポットは
縦長となって光検出手段29の出力は減少し、−1次回
折光27のスポットは横長となって光検出手段30の出
力は増加する。
【0026】従って、光検出手段29,30の出力差を
零と比較することにより、実質的に投射光21の目標面
22への合焦を検出することができる。すなわち、光検
出手段29,30どうしの出力差を縦軸にとり、合焦目
標面22の位置を横軸にとると、図4のような合焦エラ
ー信号が得られ、横軸との交差位置が合焦点であること
がわかる。光学式測定装置や光記憶装置に適用する際
は、この合焦エラー信号と制御目標値の差信号を求め、
必要に応じて適当な位相補償を加えてアクチュエータの
駆動信号とし、レンズと目標面の距離を調節すればよ
い。
【0027】このような合焦検出機構では、スポットの
形状を検出することで合焦を検知しており、収差の発生
は正確な検知に支障を来たすことが多いが、本発明では
補正項M(x,y)によって不要な収差の発生が最小限に抑
さえられるので、良好な合焦検出を行うことができる。
【0028】すなわち、たとえば適正な非点収斂光束で
は理想的には焦線がいずれも直線状であるべきが、原関
数F(x,y)のみでは、図5(a)のように不要な収差が焦線
の形状に歪みを生じる。これに対して本実施例のように
補正項M(x,y)を加えると、不要な収差の発生は抑さえ
られることになる。特に上記のように適当な比例定数β
によって M(x,y)=β・(x2y+y3) とした場合にはコマ収差補正ができ、図5(b)のような
理想的な形状に近い焦線が得られることが確かめられ
る。
【0029】なお、本実施例では双曲線群に沿った光変
調パターンのホログラム素子25を用い、同一の検出平
面28上で検出する場合について説明したが、前述した
収差発生の問題は、いかなるホログラム素子でも本質的
に内包している問題であるから、上述の実施例以外の場
合にも適用できる。たとえば、ホログラム素子25の光
変調パターンを直線化して、検出平面28を段違いに設
けるような場合でも適用可能であり、同様な効果を得る
ことができる。
【0030】また、本実施例では±1次回折光を使用す
る場合について説明したが、回折次数はこれに限るもの
ではなく、±2次回折光を使用する場合などでも同様に
実施できる。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るホロ
グラム素子および合焦検出機構においては、収束光を回
折によって複数の光に分離する際に、収差発生を最小限
に抑さえることができるので、ホログラム素子による光
の分離を最大限に活用することができる。特に光ヘッド
などの合焦検出機構などに用いれば、スポットの収差は
最小限に抑さえられ、信頼性が高くバランスの良い、良
好な合焦検出が可能であり、小型で高性能な関連装置を
提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例に係るホログラム素子によ
る回折の説明図。
【図2】 本発明の一実施例に係るホログラム素子の動
作を示す説明図。
【図3】 本発明の他の実施例に係る合焦検出機構の構
成を示す概略斜視図。
【図4】 本発明の他の実施例に係る合焦検出機構によ
る出力信号の説明図。
【図5】 本発明の他の実施例に係る合焦検出機構にお
ける光スポットの説明図。
【図6】 従来の合焦検出機構の構成を示す概略斜視
図。
【符号の説明】
11 収束レンズ 12 ホログラム素子 13,14 ±1次回折光 22 合焦目標面 25 ホログラム素子 26,27 ±1次回折光 28 検出平面 29,30 光検出手段
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 7/28 - 7/40 G02B 5/32

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 収束または発散光路中に配置されたホロ
    グラム素子において、前記ホログラム素子上の直交座標
    系(x,y)による高々2次の原関数F(x,y)に、座標変数y
    に関する奇関数である高々3次の補正項M(x,y)を加え
    た曲線 F(x,y)+M(x,y)=一定 に沿ってパターンを形成してなり、前記直交座標系のy
    軸に沿って回折光を分離することを特徴とするホログラ
    ム素子。
  2. 【請求項2】 前記補正項M(x,y)は、定数aを用いて C(x,y)=a・(x2y+y3) に従うコマ収差補正項C(x,y)を含むことを特徴とする
    請求項1に記載のホログラム素子。
  3. 【請求項3】 前記原関数F(x,y)を双曲線関数とする
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のホロ
    グラム素子。
  4. 【請求項4】 合焦目標面からの反射光を収斂させる検
    出光学系と、 直交座標系(x,y)による高々2次の原関数F(x,y)に、座
    標変数yに関する奇関数である高々3次の補正項M(x,
    y)を加えた曲線「F(x,y)+M(x,y)=一定」に沿ってパ
    ターンを形成してなり、前記直交座標系のy軸に沿って
    回折光を分離する、前記検出光学系の収束光路中に配置
    されたホログラム素子と、 前記検出光学系に関して前記合焦目標面と概ね共役な同
    一の検出平面上に配置された一対の光検出手段とを備
    え、前記光検出手段により一対の前記非点収斂光束を検
    出し、一対の前記光検出手段の出力を比較することによ
    り、前記合焦目標面への合焦を検出することを特徴とす
    る合焦検出機構。
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