JP3573367B2 - 微小変位測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
【０００２】
【従来の技術】
従来、光磁気ディスク用の光学ヘッドに使用されているフォーカスエラー信号を用いたフォーカスサーボ方式としては、非点収差法、臨界角法、ナイフエッジ法などが知られている。この中において、非点収差法は光磁気ディスク用として用いられる他、コンパクトディスク、レーザディスクを含む光ディスク全般に用いられている。非点収差法に関する公知技術としては、特公昭５３−３９１２３号公報に「自動焦点調整装置」、特公昭５７−１２１８８号公報に「動いているデータキャリア上に読取光ビームを集束させる装置」、特公昭６０−４８９４９号公報に「光ビームで情報を読み取る装置」、特公昭６１−６１１７８号公報に「自動焦点調節法」としてそれぞれ開示されている。
【０００３】
図１０は、光ピックアップ装置における非点収差法の動作原理を示したものである。半導体レーザ（図示せず）から出射した光は、コリメートレンズ（図示せず）によりコリメートされ、ビームスプリッタ１を透過して対物レンズ２により集光されて光ディスク３の面上に照射され、これにより情報の記録等が行われる。また、光ディスク３からの反射光は、対物レンズ２を透過し、ビームスプリッタ１により今度は反射され、集光レンズ４、円筒レンズ５を順次透過して非点収差が発生したビーム６となり、このビーム６は４分割受光面ａ，ｂ，ｃ，ｄをもつ受光素子７に導かれる。そして、その受光素子７の出力がアンプ８に送られることによりフォーカスエラー信号Ｆｅが検出される。
【０００４】
この場合、光ディスク３の合焦時には、その光ディスク３からの反射光のビーム６の形状は、受光素子７の４分割受光面ａ，ｂ，ｃ，ｄにおいて円形となる。この時、差動出力｛（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）｝の値は零となり、フォーカスエラー信号Ｆｅの値は０となり検出されない。また、光ディスク３が対物レンズ２から遠くなったり近くなったりすると、ビーム６の形状は円形から長円形状となり、差動出力は零とならず、これによりフォーカスエラー信号の値は正（遠い）或いは負（近い）となって、対物レンズの位置調整が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、この種の光ディスク装置においては、アクセスタイムの高速化が要求されており、このような目的を達成するためには、光ピックアップ部の小型化、軽量化が必要不可欠となる。しかし、前述したような非点収差法を用いたフォーカスサーボ方式では、ビームの形状変化を検出するために、受光素子７までの距離（検出長）をある程度大きく（数ｃｍ）しなければ十分な検出感度を得ることができない。従って、従来の光ディスク装置においては小型化におのずと限界がある。また、受光素子７上のスポット径は数ミクロンから数十ミクロンとかなり小さいため、調整が難しく、環境によってはオフセットが生じることになるので、検出された信号が不安定となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ｎ１ 次光とｎ２ 次光との第一回折光を発生する第一回折格子と、前記第一回折光が入射することにより複数の回折された第二回折光を発生する第二回折格子とからなり、互いに干渉し合う前記第二回折光の位相が１／４波長だけずれるような形状に各回折格子が形成された干渉縞発生手段と、この干渉縞発生手段からの光を受光する少なくとも２分割された領域からなる受光素子とを設け、前記干渉縞発生手段により生じた前記第二回折光の間での干渉により干渉縞の位相の変化を前記受光素子に検知することによって前記測定物の光軸方向への移動量を測定するようにした。
【０００７】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、回折格子の４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値、又は、その値にさらに１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定した。
【０００８】
請求項３記載の発明では、請求項１記載の発明において、第一回折格子と第二回折格子とを等ピッチとし、±１次光の第二回折光を用いて干渉縞を発生させる場合、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、回折格子の８分の１ピッチ、又は、８分の５ピッチの値に設定した。
【０００９】
請求項４記載の発明では、請求項１記載の発明において、ピッチがΛ１ の第一回折格子により得られる第一回折光をｎ１ 次光とｎ２ 次光とし、ピッチがΛ２ の第二回折格子により得られる第二回折光をｍ１ 次光とｍ２ 次光としたとき、各回折格子のピッチと回折光の次数とを、
Λ２ ｎ１ ＋Λ１ ｍ１ ＝Λ２ ｎ２ ＋Λ１ ｍ２
の関係式を満たすように設定した。
【００１０】
【作用】
請求項１記載の発明においては、第二回折光の位相が１／４波長だけずれるような形状に干渉縞発生手段の各回折格子を形成したことによって、第二回折光の干渉縞分布から求められるフォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にすることができ、この最大とされたＳ字曲線からデフォーカス量を容易に求めることができる。
【００１１】
請求項２記載の発明においては、４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値か、又は、その４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値に、１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定することによって、互いに干渉し合う第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にずらすことができる。
【００１２】
請求項３記載の発明においては、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、８分の１ピッチ、又は、８分の５ピッチの値に設定したことによって、互いに干渉し合う第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にしかも容易にずらすことができる。また、第一回折格子と第二回折格子とを等ピッチすなわち同一の格子ピッチとし、±１次光の第二回折光を用いて干渉縞を発生させることによって、回折格子の作成を容易に行うことができ、しかも、これにより干渉縞を受光する受光素子側の形状も簡易化させることができる。
【００１３】
請求項４記載の発明においては、第一回折格子と第二回折格子とのピッチを異ならせ、各回折格子のピッチと回折光の次数との間で一定の条件式を満足させることによって、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけずらすことができる。
【００１４】
【実施例】
本発明の第一の実施例を図１〜図３に基づいて説明する（請求項１記載の発明に対応する）。まず、微小変位測定装置の全体構成を図２に基づいて述べる。光源としての半導体レーザ９（以下、ＬＤという）からの出射光はコリメートレンズ１０により平行光とされた後、ビームスプリッタ１１により反射され、対物レンズ１２により集光されたビームとなって測定物としての光ディスク１３の面上に照射される。そして、その光ディスク１３からの反射光は、再び対物レンズ１２を通過した後、今度はビームスプリッタ１１を透過し受光素子１４（以下、ＰＤという）に向かう。
【００１５】
そのビームスプリッタ１１とＰＤ１４との間の光路上には、干渉縞発生手段としての二重回折格子１５が配置されている。この二重回折格子１５は、ｎ１ 次光とｎ２ 次光との第一回折光Ｋ１ を発生する第一回折格子１５ａと、第一回折光Ｋ１ が入射することにより複数の回折された第二回折光Ｋ２ を発生する第二回折格子１５ｂとからなっている。そして、光ディスク１３からの反射光がそのような二重回折格子１５を通過することによって第二回折光Ｋ２ の干渉縞が発生し、この干渉縞の位相の変化がＰＤ１４に検出され、光ディスク１３の光軸方向への移動量の測定が行われる。
【００１６】
本実施例では、二重回折格子１５を構成する第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとが、干渉縞となる第二回折光Ｋ2 の位相が１／４波長（λ）だけずれるような格子形状に形成されている。以下、これら２つの回折光Ｋ1 ，Ｋ2 の位相がλ／４だけずれる理由について述べる。図１は、ＰＤ１４面上の中心を座標Ｏとした座標軸ｘ，ｙ，ｚを示す。今、ＰＤ１４面に対して２つの点光源Ｐ1 ，Ｐ2 からの距離をＬ1 ，Ｌ2 とし、これら点光源間のｘ方向の距離をｌ1 とし、点光源Ｐ1 ，Ｐ2 の中心の（ｙ，ｚ）座標を（ｙ0 ，ｚ0 ）とする。このとき、Ｌ1 2，Ｌ2 2の値は、
Ｌ1 2＝（ ｌ1 ／２＋ｘ）2＋ｙ0 2＋ｚ2 …（１）
Ｌ2 2＝（−ｌ1 ／２＋ｘ）2＋ｙ0 2＋ｚ2 …（２）
として表わされる。これにより、二重回折格子１５による位相差を付与していないときの光路長差ｄＬは、
となる。ここで、二重回折格子１５による位相差をπ／２＋δ0 としたとき、光路長の位相差δは、
として表わされる。そして、２つの点光源Ｐ1 ，Ｐ2 による干渉縞の強度Ｉは、
Ｉ∝ｃｏｓ2（δ／２） …（５）
として表わされる。さらに、（４）式を（５）式に代入すると、干渉縞強度分布Ｉ（ｘ）は、
Ｉ（ｘ）∝ｃｏｓ2（πｌ1 ｘ／λｙ0＋π／４＋δ0／２） ＝〔−ｓｉｎ（２πｌ1 ｘ／λｙ0＋δ0）＋１〕／２ …（６）
として表わされる。
【００１７】
次に、光ディスク１３にデフォーカスが生じた場合におけるｙ０ の値を求める。今、対物レンズ１２の焦点距離をｆ０ とし、対物レンズ１２からの反射光の検出光路側の焦点位置をｙ１ とすると、
１／（ｆ０ ＋ｄ）＋１／ｙ１ ＝１／ｆ０ …（７）
の関係が成立する。これにより、ｙ１ は、
ｙ１ ≒ｆ０ ２／ｄ …（８）
として表わされる。そして、ｙ０ ＝ｙ１ −ｙ２ とし、（８）式を（６）式に代入すると、
を得る。このＩ（ｘ，ｄ）が干渉縞分布を示す基本式である。そして、（９）式中、ｙ２ が小さいとし、ｙ２ ＝０を（９）式に代入すると、
Ｉ（ｘ，ｄ）∝−ｓｉｎ〔２πｌ１ ｘｄ／λｆ０ ２＋δ０〕＋１ …（１０）
となる。これにより、干渉縞分布Ｉ（ｘ，ｄ）は、ｘ，ｄに対して対称であり、二重回折格子１５に位相差をもたせた効果を得ることができ、波長変動の影響によりその干渉縞分布も対称的に変化する。なお、デフォーカスがないときは波長に拘らず干渉縞分布は平坦になり、ジャストオンフォーカス時には影響がない。
【００１８】
図３は、その干渉縞分布Ｉ（ｘ，ｄ）をｘ方向に積分することにより得られるデフォーカス量に対するフォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線Ｓ（ｄ）を示す。Ｓ字曲線Ｓ（ｄ）の波形Ａ（実線）は実験値を示し、波形Ｂ（破線）は理論的な計算値を示す。この場合、ＰＤ１４の面をｘ座標にして、−ａから０、そして、０からａの２つの領域に分けられるため、その場の干渉縞分布Ｉ（ｘ，ｄ）を平坦な光量分布を仮定してそれぞれを積分してその差をとると、Ｓ（ｄ）は、
Ｓ（ｄ）∝λｆ0 2・ ｃｏｓδ0〔−１＋ｃｏｓ（２πｌ1 ａｄ／λｆ0 2 ）〕／πｌ1 ｄ …（１１）
として表わすことができる。この（１１）式中には、ｃｏｓδ0の項があり、δ0 ＝０のときには、ｃｏｓδ0＝１となり、δ0 ＝πのときにはｃｏｓδ0＝−１となり、これによりＳ（ｄ）の絶対値は最大となる。
【００１９】
従って、δ０ ＝０のとき、すなわち、干渉する２つの第二回折光Ｋ２ の位相がλ／４だけずれるように、第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとの格子形状を形成することによって、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にすることができ、これにより、デフォーカス量を容易に求めることができ、信号の検出感度を向上させることができる。
【００２０】
次に、本発明の第二の実施例を図４〜図６に基づいて説明する（請求項２，３記載の発明に対応する）。なお、前述した第一の実施例と同一部分についての説明は省略し、その同一部分については同一符号を用いる。
【００２１】
本実施例では、第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとの相対的な位相は、その回折格子の１／４ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値、又は、その値にさらに１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定されている。この場合、特に、第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとの相対的な位相を、その回折格子の１／８ピッチ、又は、５／８ピッチの値に設定するようにしてもよい。
【００２２】
以下、回折格子１５ａ，１５ｂの相対的な位相関係を、上記条件に設定することにより、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にすることができる理由について述べる。図４は、単一の回折格子１６に光を入射させ、その回折格子１６が移動するときに回折光の波面も移動することを示す例である。今、回折格子１６が１ピッチ移動し、その移動方向に回折する光をｎ１ 次光とし、反対方向に回折する光をｎ２ 次光とする。この場合、回折格子１６の移動方向に対して同一方向に進む光は波面１７ａも同一方向に進み、次数のｎ１ に対して１ピッチ当たり波長のｎ１ 倍進む。一方、回折格子１６の移動方向に対して反対方向に進む光は波面１７ｂが後退し、次数のｎ２ に対して１ピッチ当たり波長のｎ２ 倍後退する（ｎ２ が負の数とすると、−ｎ２ 倍進む）。また、図５に示すように、２枚の回折格子、例えば第一、第二回折格子１５ａ，１５ｂからなる二重回折格子１５の場合、一方の第一回折格子１５ａを１ピッチ移動させ、他方の第二回折格子１５ｂを固定したとすると、ｎ１ 次光の波面１７ａとｎ２ 次光の波面１７ｂとの進行が逆になるため、（ｎ１ −ｎ２ ）倍×２πの位相変化となり、この変化分だけ波面１７ａ，１７ｂが重なることになる。例として、ｎ１ ＝１、ｎ２ ＝−１とすると、（ｎ１ −（−ｎ２ ））×２π＝（１−（−１））×２π＝２×２πなる位相変化を生じる。
【００２３】
また、図６に示すように、第一、第二回折格子１５ａ，１５ｂの相対的な位相がピッタリ合っていると波面１７ａ，１７ｂも揃う。このような状態から、一方の第一回折格子１５ａが移動して、波面１７ａを波面１７ｂに対してλ／４だけ異ならせるためには、回折格子の４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った距離だけ移動させることによってその目的を達成できる。例として、ｎ１ ＝１、ｎ２ ＝−１の場合は、４分の１ピッチを（１−（−１））＝２で割った１／８ピッチだけ回折格子を相対的に移動させることによって、λ／４だけ波面の位相を異ならせることができる。なお、回折格子を移動させる方向は左右どちらでもよい。
【００２４】
さらに、第一、第二回折格子１５ａ，１５ｂのうちの一方を１ピッチ移動させると、（ｎ１ −ｎ２ ）倍×２πの位相変化となることから、２つの波面１７ａ，１７ｂの位相差は回折格子の１ピッチの移動の間に（ｎ１ −ｎ２ ）回の同じ位相となり、これにより１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った位相分だけ回折格子を移動させることで同一の位相となる。例として、ｎ１ ＝１、ｎ２ ＝−１の場合は、１ピッチを（１−（−１））＝２で割った値、すなわち、１／２ピッチの移動で２つの波面１７ａ，１７ｂの位相関係が同一となる。従って、波面１７ａを波面１７ｂに対してλ／４だけ異ならせるためには、１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値に、回折格子の４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った距離（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を加算又は減算させるようにすればよい。この例では、１／２ピッチと１／８ピッチとを加算して５／８ピッチだけ移動させることによって、λ／４だけ波面の位相を異ならせることができる。
【００２５】
この他の高次数を例にとると、ｎ１ ＝２、ｎ２ ＝−３の場合は、１／４ピッチを（２−（−３））＝５で割って、１／２０ピッチの分だけ回折格子の位相変化をもたせることによって、λ／４だけ波面の位相を異ならせることができる。さらにこのことは、１ピッチを（２−（−３））＝５で割った１／５ピッチの値と、１／２０ピッチとを加算した１／４ピッチだけ移動させることによって、λ／４だけ波面の位相を異ならせることができる。
【００２６】
上述したように、第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとの相対的な位相を、１／４ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値か、又は、その１／４ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値に、１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定したので、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にしかも容易にずらすことができ、これにより、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にして、デフォーカス量を正確に求めることができる。特に、±１次光を用い、１／８ピッチ、５／８ピッチの値に設定することによって、第一，第二回折格子１５ａ，１５ｂや受光素子１４の形状が単純化されて作成が容易となり、生産コストを低減することができる。
【００２７】
次に、本発明の第三の実施例を図７〜図９に基づいて説明する（請求項４記載の発明に対応する）。なお、前記各実施例と同一部分についての説明は省略し、その同一部分については同一符号を用いる。
【００２８】
本実施例では、二重回折格子１５における第一回折格子１５ａのピッチはΛ１ とされ、第二回折格子１５ｂのピッチはΛ２ とされている。そして、第一回折格子１５ａにより回折される第一回折光Ｋ１ はｎ１ 次光とｎ２ 次光とされ、また、第二回折格子１５ｂにより得られる第二回折光Ｋ２ はｍ１ 次光とｍ２ 次光とされている。この場合、各回折格子のピッチと回折光の次数との間は、
Λ２ ｎ１ ＋Λ１ ｍ１ ＝Λ２ ｎ２ ＋Λ１ ｍ２ …（１２）
の関係式に設定されている。
【００２９】
以下、回折格子１５ａ，１５ｂの相対的な位相関係を、上記（１２）式の条件に設定することにより、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にすることができる理由について述べる。図７は、ピッチΛ１ の第一回折格子１５ａとピッチΛ２ の第二回折格子１５ｂとが形成された二重回折格子１５での回折条件を示す。今、光ディスク１３からの反射光が入射角θ０ で二重回折格子１５に入射し、第一回折格子１５ａ側で出射角θ１ のｎ１ 次光，出射角θ３ のｎ２ 次光が発生し、第二回折格子１５ｂ側で出射角θ２ のｍ１ 次光，出射角θ４ のｍ２ 次光が発生するものとする。この場合、第一回折格子１５ａ側では、
ｓｉｎθ０ ＋ｓｉｎθ１ ＝ｎ１ λ／Λ１ …（１３）
ｓｉｎθ０ ＋ｓｉｎθ３ ＝ｎ２ λ／Λ１ …（１４）
が成り立つ。一方、第二回折格子１５ｂ側では、
ｓｉｎθ１ ＋ｓｉｎθ２ ＝−ｍ１ λ／Λ２ …（１５）
ｓｉｎθ３ ＋ｓｉｎθ４ ＝−ｍ２ λ／Λ２ …（１６）
が成り立つ。これにより、二重回折格子１５から出射したｍ１ 次光、ｍ２ 次光の２つの回折光を平行にするために、θ２ ＝θ４ とすると、
Λ２ ｎ１ ＋Λ１ ｍ１ ＝Λ２ ｎ２ ＋Λ１ ｍ２ …（１７）
の関係が得られる。
【００３０】
例として、図８に示すように、第一回折格子１５ａのΛ１ ＝１μｍ、第二回折格子１５ｂのΛ２ ＝２μｍ、ｎ１ ＝２、ｎ２ ＝−１として、（１７）式に代入すると、
２・２＋１・ｍ１ ＝２・（−１）＋１・ｍ２
すなわち、
ｍ１ −ｍ２ ＝−６ …（１８）
の関係式を得る。この（１８）式から、例えば、図９に示すように、ｍ１ ＝−２、ｍ２ ＝４とすると、第一回折格子１５ａにより２次光と−１次光が発生し、第二回折格子１５ｂにより−２次光と４次光が発生する。これにより、回折されたｍ１ ，ｍ２ 次光の位相をλ／４だけずらすことが可能となる。
【００３１】
上述したように、（１２）式の関係を満たすように設定することによって、干渉縞となる第二回折光Ｋ２ の位相をλ／４だけずらすことができ、これにより、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にして、デフォーカス量を正確に求めることができる。なお、ここでは、回折格子に入射する光が垂直であることを前提としているが、垂直に入射しない場合にも、２つの回折光の位相がλ／４だけずれるように調整すればよい。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、互いに干渉し合う第二回折光の位相が１／４波長だけずれるように、干渉縞発生手段の各回折格子を形成したので、フォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にしてデフォーカス量を容易に求めることができ、これにより、従来のナイフエッジ法や非点収差法に比べて、信号の検出感度を格段に向上させて微小変位の測定を正確に行うことができる。また、このような干渉縞を用いた測定方式においては、検出光路長を従来よりも短くとることができるため、光ピックアップ部の小型化を図ることができる。さらに、このような干渉縞による検出においてはビーム形状を比較的大きくとれるため、光学素子の位置調整を極めてラフに行うことができ、耐環境性を向上させ、常に安定した信号検出を行うことができる。
【００３３】
請求項２記載の発明は、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値か、又は、その４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値に、１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定したので、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にずらすことができ、これにより、フォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にして、デフォーカス量を正確に求めることができる。
【００３４】
請求項３記載の発明は、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、８分の１ピッチ、又は、８分の５ピッチの値に設定したので、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にしかも容易にずらすことができ、これにより、フォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にして、デフォーカス量を一段と正確に求めることができる。また、第一回折格子と第二回折格子とを等ピッチすなわち同一の格子ピッチとし、±１次光の第二回折光を用いて干渉縞を発生させるようにしたので、回折格子や受光素子の作成が容易となり、生産コストを一段と削減することができる。
【００３５】
請求項４記載の発明は、ピッチがΛ１ の第一回折格子により得られる第一回折光をｎ１ 次光とｎ２ 次光とし、ピッチがΛ２ の第二回折格子により得られる第二回折光をｍ１ 次光とｍ２ 次光としたとき、各回折格子のピッチと回折光の次数とを、
Λ２ ｎ１ ＋Λ１ ｍ１ ＝Λ２ ｎ２ ＋Λ１ ｍ２
の関係式を満たすように設定したので、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけずらし、フォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にしてデフォーカス量を一段と正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例として２つの回折光により１／４波長の位相差が生じた場合の理論的解析の等価光学系を示す模式図である。
【図２】微小変位測定装置の全体構成を示す光路図である。
【図３】デフォーカス量に対するフォーカスエラー信号のＳ字曲線を示す波形図である。
【図４】本発明の第二の実施例として回折格子の移動により回折光の波面も移動することを示す側面図である。
【図５】回折格子を２枚重ねて構成し、回折格子を１ピッチだけ移動した場合における回折光に位相差が生じている様子を示す側面図である。
【図６】回折格子の相対的な位相が一致している場合に回折光の波面も一致する場合の様子を示す側面図である。
【図７】本発明の第三の実施例である回折格子のピッチが異なっている場合の回折光の発生の様子を示す側面図である。
【図８】ピッチが異なっている回折格子を用いた場合に回折光に位相差が生じている様子を示す側面図である。
【図９】高次の回折光が発生した場合の様子を示す側面図である。
【図１０】従来の装置におけるフォーカスエラー信号の検出方式を示す光路図である。
【符号の説明】
９ 光源
１２ 対物レンズ
１３ 測定物
１４ 受光素子
１５ 干渉縞発生手段
１５ａ 第一回折格子
１５ｂ 第二回折格子
Ｋ１ 第一回折光
Ｋ２ 第二回折光
【産業上の利用分野】
【０００２】
【従来の技術】
従来、光磁気ディスク用の光学ヘッドに使用されているフォーカスエラー信号を用いたフォーカスサーボ方式としては、非点収差法、臨界角法、ナイフエッジ法などが知られている。この中において、非点収差法は光磁気ディスク用として用いられる他、コンパクトディスク、レーザディスクを含む光ディスク全般に用いられている。非点収差法に関する公知技術としては、特公昭５３−３９１２３号公報に「自動焦点調整装置」、特公昭５７−１２１８８号公報に「動いているデータキャリア上に読取光ビームを集束させる装置」、特公昭６０−４８９４９号公報に「光ビームで情報を読み取る装置」、特公昭６１−６１１７８号公報に「自動焦点調節法」としてそれぞれ開示されている。
【０００３】
図１０は、光ピックアップ装置における非点収差法の動作原理を示したものである。半導体レーザ（図示せず）から出射した光は、コリメートレンズ（図示せず）によりコリメートされ、ビームスプリッタ１を透過して対物レンズ２により集光されて光ディスク３の面上に照射され、これにより情報の記録等が行われる。また、光ディスク３からの反射光は、対物レンズ２を透過し、ビームスプリッタ１により今度は反射され、集光レンズ４、円筒レンズ５を順次透過して非点収差が発生したビーム６となり、このビーム６は４分割受光面ａ，ｂ，ｃ，ｄをもつ受光素子７に導かれる。そして、その受光素子７の出力がアンプ８に送られることによりフォーカスエラー信号Ｆｅが検出される。
【０００４】
この場合、光ディスク３の合焦時には、その光ディスク３からの反射光のビーム６の形状は、受光素子７の４分割受光面ａ，ｂ，ｃ，ｄにおいて円形となる。この時、差動出力｛（ａ＋ｃ）−（ｂ＋ｄ）｝の値は零となり、フォーカスエラー信号Ｆｅの値は０となり検出されない。また、光ディスク３が対物レンズ２から遠くなったり近くなったりすると、ビーム６の形状は円形から長円形状となり、差動出力は零とならず、これによりフォーカスエラー信号の値は正（遠い）或いは負（近い）となって、対物レンズの位置調整が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、この種の光ディスク装置においては、アクセスタイムの高速化が要求されており、このような目的を達成するためには、光ピックアップ部の小型化、軽量化が必要不可欠となる。しかし、前述したような非点収差法を用いたフォーカスサーボ方式では、ビームの形状変化を検出するために、受光素子７までの距離（検出長）をある程度大きく（数ｃｍ）しなければ十分な検出感度を得ることができない。従って、従来の光ディスク装置においては小型化におのずと限界がある。また、受光素子７上のスポット径は数ミクロンから数十ミクロンとかなり小さいため、調整が難しく、環境によってはオフセットが生じることになるので、検出された信号が不安定となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ｎ１ 次光とｎ２ 次光との第一回折光を発生する第一回折格子と、前記第一回折光が入射することにより複数の回折された第二回折光を発生する第二回折格子とからなり、互いに干渉し合う前記第二回折光の位相が１／４波長だけずれるような形状に各回折格子が形成された干渉縞発生手段と、この干渉縞発生手段からの光を受光する少なくとも２分割された領域からなる受光素子とを設け、前記干渉縞発生手段により生じた前記第二回折光の間での干渉により干渉縞の位相の変化を前記受光素子に検知することによって前記測定物の光軸方向への移動量を測定するようにした。
【０００７】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、回折格子の４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値、又は、その値にさらに１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定した。
【０００８】
請求項３記載の発明では、請求項１記載の発明において、第一回折格子と第二回折格子とを等ピッチとし、±１次光の第二回折光を用いて干渉縞を発生させる場合、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、回折格子の８分の１ピッチ、又は、８分の５ピッチの値に設定した。
【０００９】
請求項４記載の発明では、請求項１記載の発明において、ピッチがΛ１ の第一回折格子により得られる第一回折光をｎ１ 次光とｎ２ 次光とし、ピッチがΛ２ の第二回折格子により得られる第二回折光をｍ１ 次光とｍ２ 次光としたとき、各回折格子のピッチと回折光の次数とを、
Λ２ ｎ１ ＋Λ１ ｍ１ ＝Λ２ ｎ２ ＋Λ１ ｍ２
の関係式を満たすように設定した。
【００１０】
【作用】
請求項１記載の発明においては、第二回折光の位相が１／４波長だけずれるような形状に干渉縞発生手段の各回折格子を形成したことによって、第二回折光の干渉縞分布から求められるフォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にすることができ、この最大とされたＳ字曲線からデフォーカス量を容易に求めることができる。
【００１１】
請求項２記載の発明においては、４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値か、又は、その４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値に、１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定することによって、互いに干渉し合う第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にずらすことができる。
【００１２】
請求項３記載の発明においては、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、８分の１ピッチ、又は、８分の５ピッチの値に設定したことによって、互いに干渉し合う第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にしかも容易にずらすことができる。また、第一回折格子と第二回折格子とを等ピッチすなわち同一の格子ピッチとし、±１次光の第二回折光を用いて干渉縞を発生させることによって、回折格子の作成を容易に行うことができ、しかも、これにより干渉縞を受光する受光素子側の形状も簡易化させることができる。
【００１３】
請求項４記載の発明においては、第一回折格子と第二回折格子とのピッチを異ならせ、各回折格子のピッチと回折光の次数との間で一定の条件式を満足させることによって、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけずらすことができる。
【００１４】
【実施例】
本発明の第一の実施例を図１〜図３に基づいて説明する（請求項１記載の発明に対応する）。まず、微小変位測定装置の全体構成を図２に基づいて述べる。光源としての半導体レーザ９（以下、ＬＤという）からの出射光はコリメートレンズ１０により平行光とされた後、ビームスプリッタ１１により反射され、対物レンズ１２により集光されたビームとなって測定物としての光ディスク１３の面上に照射される。そして、その光ディスク１３からの反射光は、再び対物レンズ１２を通過した後、今度はビームスプリッタ１１を透過し受光素子１４（以下、ＰＤという）に向かう。
【００１５】
そのビームスプリッタ１１とＰＤ１４との間の光路上には、干渉縞発生手段としての二重回折格子１５が配置されている。この二重回折格子１５は、ｎ１ 次光とｎ２ 次光との第一回折光Ｋ１ を発生する第一回折格子１５ａと、第一回折光Ｋ１ が入射することにより複数の回折された第二回折光Ｋ２ を発生する第二回折格子１５ｂとからなっている。そして、光ディスク１３からの反射光がそのような二重回折格子１５を通過することによって第二回折光Ｋ２ の干渉縞が発生し、この干渉縞の位相の変化がＰＤ１４に検出され、光ディスク１３の光軸方向への移動量の測定が行われる。
【００１６】
本実施例では、二重回折格子１５を構成する第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとが、干渉縞となる第二回折光Ｋ2 の位相が１／４波長（λ）だけずれるような格子形状に形成されている。以下、これら２つの回折光Ｋ1 ，Ｋ2 の位相がλ／４だけずれる理由について述べる。図１は、ＰＤ１４面上の中心を座標Ｏとした座標軸ｘ，ｙ，ｚを示す。今、ＰＤ１４面に対して２つの点光源Ｐ1 ，Ｐ2 からの距離をＬ1 ，Ｌ2 とし、これら点光源間のｘ方向の距離をｌ1 とし、点光源Ｐ1 ，Ｐ2 の中心の（ｙ，ｚ）座標を（ｙ0 ，ｚ0 ）とする。このとき、Ｌ1 2，Ｌ2 2の値は、
Ｌ1 2＝（ ｌ1 ／２＋ｘ）2＋ｙ0 2＋ｚ2 …（１）
Ｌ2 2＝（−ｌ1 ／２＋ｘ）2＋ｙ0 2＋ｚ2 …（２）
として表わされる。これにより、二重回折格子１５による位相差を付与していないときの光路長差ｄＬは、
Ｉ∝ｃｏｓ2（δ／２） …（５）
として表わされる。さらに、（４）式を（５）式に代入すると、干渉縞強度分布Ｉ（ｘ）は、
Ｉ（ｘ）∝ｃｏｓ2（πｌ1 ｘ／λｙ0＋π／４＋δ0／２） ＝〔−ｓｉｎ（２πｌ1 ｘ／λｙ0＋δ0）＋１〕／２ …（６）
として表わされる。
【００１７】
次に、光ディスク１３にデフォーカスが生じた場合におけるｙ０ の値を求める。今、対物レンズ１２の焦点距離をｆ０ とし、対物レンズ１２からの反射光の検出光路側の焦点位置をｙ１ とすると、
１／（ｆ０ ＋ｄ）＋１／ｙ１ ＝１／ｆ０ …（７）
の関係が成立する。これにより、ｙ１ は、
ｙ１ ≒ｆ０ ２／ｄ …（８）
として表わされる。そして、ｙ０ ＝ｙ１ −ｙ２ とし、（８）式を（６）式に代入すると、
Ｉ（ｘ，ｄ）∝−ｓｉｎ〔２πｌ１ ｘｄ／λｆ０ ２＋δ０〕＋１ …（１０）
となる。これにより、干渉縞分布Ｉ（ｘ，ｄ）は、ｘ，ｄに対して対称であり、二重回折格子１５に位相差をもたせた効果を得ることができ、波長変動の影響によりその干渉縞分布も対称的に変化する。なお、デフォーカスがないときは波長に拘らず干渉縞分布は平坦になり、ジャストオンフォーカス時には影響がない。
【００１８】
図３は、その干渉縞分布Ｉ（ｘ，ｄ）をｘ方向に積分することにより得られるデフォーカス量に対するフォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線Ｓ（ｄ）を示す。Ｓ字曲線Ｓ（ｄ）の波形Ａ（実線）は実験値を示し、波形Ｂ（破線）は理論的な計算値を示す。この場合、ＰＤ１４の面をｘ座標にして、−ａから０、そして、０からａの２つの領域に分けられるため、その場の干渉縞分布Ｉ（ｘ，ｄ）を平坦な光量分布を仮定してそれぞれを積分してその差をとると、Ｓ（ｄ）は、
Ｓ（ｄ）∝λｆ0 2・ ｃｏｓδ0〔−１＋ｃｏｓ（２πｌ1 ａｄ／λｆ0 2 ）〕／πｌ1 ｄ …（１１）
として表わすことができる。この（１１）式中には、ｃｏｓδ0の項があり、δ0 ＝０のときには、ｃｏｓδ0＝１となり、δ0 ＝πのときにはｃｏｓδ0＝−１となり、これによりＳ（ｄ）の絶対値は最大となる。
【００１９】
従って、δ０ ＝０のとき、すなわち、干渉する２つの第二回折光Ｋ２ の位相がλ／４だけずれるように、第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとの格子形状を形成することによって、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にすることができ、これにより、デフォーカス量を容易に求めることができ、信号の検出感度を向上させることができる。
【００２０】
次に、本発明の第二の実施例を図４〜図６に基づいて説明する（請求項２，３記載の発明に対応する）。なお、前述した第一の実施例と同一部分についての説明は省略し、その同一部分については同一符号を用いる。
【００２１】
本実施例では、第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとの相対的な位相は、その回折格子の１／４ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値、又は、その値にさらに１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定されている。この場合、特に、第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとの相対的な位相を、その回折格子の１／８ピッチ、又は、５／８ピッチの値に設定するようにしてもよい。
【００２２】
以下、回折格子１５ａ，１５ｂの相対的な位相関係を、上記条件に設定することにより、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にすることができる理由について述べる。図４は、単一の回折格子１６に光を入射させ、その回折格子１６が移動するときに回折光の波面も移動することを示す例である。今、回折格子１６が１ピッチ移動し、その移動方向に回折する光をｎ１ 次光とし、反対方向に回折する光をｎ２ 次光とする。この場合、回折格子１６の移動方向に対して同一方向に進む光は波面１７ａも同一方向に進み、次数のｎ１ に対して１ピッチ当たり波長のｎ１ 倍進む。一方、回折格子１６の移動方向に対して反対方向に進む光は波面１７ｂが後退し、次数のｎ２ に対して１ピッチ当たり波長のｎ２ 倍後退する（ｎ２ が負の数とすると、−ｎ２ 倍進む）。また、図５に示すように、２枚の回折格子、例えば第一、第二回折格子１５ａ，１５ｂからなる二重回折格子１５の場合、一方の第一回折格子１５ａを１ピッチ移動させ、他方の第二回折格子１５ｂを固定したとすると、ｎ１ 次光の波面１７ａとｎ２ 次光の波面１７ｂとの進行が逆になるため、（ｎ１ −ｎ２ ）倍×２πの位相変化となり、この変化分だけ波面１７ａ，１７ｂが重なることになる。例として、ｎ１ ＝１、ｎ２ ＝−１とすると、（ｎ１ −（−ｎ２ ））×２π＝（１−（−１））×２π＝２×２πなる位相変化を生じる。
【００２３】
また、図６に示すように、第一、第二回折格子１５ａ，１５ｂの相対的な位相がピッタリ合っていると波面１７ａ，１７ｂも揃う。このような状態から、一方の第一回折格子１５ａが移動して、波面１７ａを波面１７ｂに対してλ／４だけ異ならせるためには、回折格子の４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った距離だけ移動させることによってその目的を達成できる。例として、ｎ１ ＝１、ｎ２ ＝−１の場合は、４分の１ピッチを（１−（−１））＝２で割った１／８ピッチだけ回折格子を相対的に移動させることによって、λ／４だけ波面の位相を異ならせることができる。なお、回折格子を移動させる方向は左右どちらでもよい。
【００２４】
さらに、第一、第二回折格子１５ａ，１５ｂのうちの一方を１ピッチ移動させると、（ｎ１ −ｎ２ ）倍×２πの位相変化となることから、２つの波面１７ａ，１７ｂの位相差は回折格子の１ピッチの移動の間に（ｎ１ −ｎ２ ）回の同じ位相となり、これにより１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った位相分だけ回折格子を移動させることで同一の位相となる。例として、ｎ１ ＝１、ｎ２ ＝−１の場合は、１ピッチを（１−（−１））＝２で割った値、すなわち、１／２ピッチの移動で２つの波面１７ａ，１７ｂの位相関係が同一となる。従って、波面１７ａを波面１７ｂに対してλ／４だけ異ならせるためには、１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値に、回折格子の４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った距離（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を加算又は減算させるようにすればよい。この例では、１／２ピッチと１／８ピッチとを加算して５／８ピッチだけ移動させることによって、λ／４だけ波面の位相を異ならせることができる。
【００２５】
この他の高次数を例にとると、ｎ１ ＝２、ｎ２ ＝−３の場合は、１／４ピッチを（２−（−３））＝５で割って、１／２０ピッチの分だけ回折格子の位相変化をもたせることによって、λ／４だけ波面の位相を異ならせることができる。さらにこのことは、１ピッチを（２−（−３））＝５で割った１／５ピッチの値と、１／２０ピッチとを加算した１／４ピッチだけ移動させることによって、λ／４だけ波面の位相を異ならせることができる。
【００２６】
上述したように、第一回折格子１５ａと第二回折格子１５ｂとの相対的な位相を、１／４ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値か、又は、その１／４ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値に、１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定したので、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にしかも容易にずらすことができ、これにより、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にして、デフォーカス量を正確に求めることができる。特に、±１次光を用い、１／８ピッチ、５／８ピッチの値に設定することによって、第一，第二回折格子１５ａ，１５ｂや受光素子１４の形状が単純化されて作成が容易となり、生産コストを低減することができる。
【００２７】
次に、本発明の第三の実施例を図７〜図９に基づいて説明する（請求項４記載の発明に対応する）。なお、前記各実施例と同一部分についての説明は省略し、その同一部分については同一符号を用いる。
【００２８】
本実施例では、二重回折格子１５における第一回折格子１５ａのピッチはΛ１ とされ、第二回折格子１５ｂのピッチはΛ２ とされている。そして、第一回折格子１５ａにより回折される第一回折光Ｋ１ はｎ１ 次光とｎ２ 次光とされ、また、第二回折格子１５ｂにより得られる第二回折光Ｋ２ はｍ１ 次光とｍ２ 次光とされている。この場合、各回折格子のピッチと回折光の次数との間は、
Λ２ ｎ１ ＋Λ１ ｍ１ ＝Λ２ ｎ２ ＋Λ１ ｍ２ …（１２）
の関係式に設定されている。
【００２９】
以下、回折格子１５ａ，１５ｂの相対的な位相関係を、上記（１２）式の条件に設定することにより、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にすることができる理由について述べる。図７は、ピッチΛ１ の第一回折格子１５ａとピッチΛ２ の第二回折格子１５ｂとが形成された二重回折格子１５での回折条件を示す。今、光ディスク１３からの反射光が入射角θ０ で二重回折格子１５に入射し、第一回折格子１５ａ側で出射角θ１ のｎ１ 次光，出射角θ３ のｎ２ 次光が発生し、第二回折格子１５ｂ側で出射角θ２ のｍ１ 次光，出射角θ４ のｍ２ 次光が発生するものとする。この場合、第一回折格子１５ａ側では、
ｓｉｎθ０ ＋ｓｉｎθ１ ＝ｎ１ λ／Λ１ …（１３）
ｓｉｎθ０ ＋ｓｉｎθ３ ＝ｎ２ λ／Λ１ …（１４）
が成り立つ。一方、第二回折格子１５ｂ側では、
ｓｉｎθ１ ＋ｓｉｎθ２ ＝−ｍ１ λ／Λ２ …（１５）
ｓｉｎθ３ ＋ｓｉｎθ４ ＝−ｍ２ λ／Λ２ …（１６）
が成り立つ。これにより、二重回折格子１５から出射したｍ１ 次光、ｍ２ 次光の２つの回折光を平行にするために、θ２ ＝θ４ とすると、
Λ２ ｎ１ ＋Λ１ ｍ１ ＝Λ２ ｎ２ ＋Λ１ ｍ２ …（１７）
の関係が得られる。
【００３０】
例として、図８に示すように、第一回折格子１５ａのΛ１ ＝１μｍ、第二回折格子１５ｂのΛ２ ＝２μｍ、ｎ１ ＝２、ｎ２ ＝−１として、（１７）式に代入すると、
２・２＋１・ｍ１ ＝２・（−１）＋１・ｍ２
すなわち、
ｍ１ −ｍ２ ＝−６ …（１８）
の関係式を得る。この（１８）式から、例えば、図９に示すように、ｍ１ ＝−２、ｍ２ ＝４とすると、第一回折格子１５ａにより２次光と−１次光が発生し、第二回折格子１５ｂにより−２次光と４次光が発生する。これにより、回折されたｍ１ ，ｍ２ 次光の位相をλ／４だけずらすことが可能となる。
【００３１】
上述したように、（１２）式の関係を満たすように設定することによって、干渉縞となる第二回折光Ｋ２ の位相をλ／４だけずらすことができ、これにより、フォーカスエラー信号ＦｅのＳ字曲線を最大にして、デフォーカス量を正確に求めることができる。なお、ここでは、回折格子に入射する光が垂直であることを前提としているが、垂直に入射しない場合にも、２つの回折光の位相がλ／４だけずれるように調整すればよい。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、互いに干渉し合う第二回折光の位相が１／４波長だけずれるように、干渉縞発生手段の各回折格子を形成したので、フォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にしてデフォーカス量を容易に求めることができ、これにより、従来のナイフエッジ法や非点収差法に比べて、信号の検出感度を格段に向上させて微小変位の測定を正確に行うことができる。また、このような干渉縞を用いた測定方式においては、検出光路長を従来よりも短くとることができるため、光ピックアップ部の小型化を図ることができる。さらに、このような干渉縞による検出においてはビーム形状を比較的大きくとれるため、光学素子の位置調整を極めてラフに行うことができ、耐環境性を向上させ、常に安定した信号検出を行うことができる。
【００３３】
請求項２記載の発明は、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値か、又は、その４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値に、１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定したので、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にずらすことができ、これにより、フォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にして、デフォーカス量を正確に求めることができる。
【００３４】
請求項３記載の発明は、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、８分の１ピッチ、又は、８分の５ピッチの値に設定したので、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけ正確にしかも容易にずらすことができ、これにより、フォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にして、デフォーカス量を一段と正確に求めることができる。また、第一回折格子と第二回折格子とを等ピッチすなわち同一の格子ピッチとし、±１次光の第二回折光を用いて干渉縞を発生させるようにしたので、回折格子や受光素子の作成が容易となり、生産コストを一段と削減することができる。
【００３５】
請求項４記載の発明は、ピッチがΛ１ の第一回折格子により得られる第一回折光をｎ１ 次光とｎ２ 次光とし、ピッチがΛ２ の第二回折格子により得られる第二回折光をｍ１ 次光とｍ２ 次光としたとき、各回折格子のピッチと回折光の次数とを、
Λ２ ｎ１ ＋Λ１ ｍ１ ＝Λ２ ｎ２ ＋Λ１ ｍ２
の関係式を満たすように設定したので、干渉縞となる第二回折光の位相を１／４波長だけずらし、フォーカスエラー信号のＳ字曲線を最大にしてデフォーカス量を一段と正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例として２つの回折光により１／４波長の位相差が生じた場合の理論的解析の等価光学系を示す模式図である。
【図２】微小変位測定装置の全体構成を示す光路図である。
【図３】デフォーカス量に対するフォーカスエラー信号のＳ字曲線を示す波形図である。
【図４】本発明の第二の実施例として回折格子の移動により回折光の波面も移動することを示す側面図である。
【図５】回折格子を２枚重ねて構成し、回折格子を１ピッチだけ移動した場合における回折光に位相差が生じている様子を示す側面図である。
【図６】回折格子の相対的な位相が一致している場合に回折光の波面も一致する場合の様子を示す側面図である。
【図７】本発明の第三の実施例である回折格子のピッチが異なっている場合の回折光の発生の様子を示す側面図である。
【図８】ピッチが異なっている回折格子を用いた場合に回折光に位相差が生じている様子を示す側面図である。
【図９】高次の回折光が発生した場合の様子を示す側面図である。
【図１０】従来の装置におけるフォーカスエラー信号の検出方式を示す光路図である。
【符号の説明】
９ 光源
１２ 対物レンズ
１３ 測定物
１４ 受光素子
１５ 干渉縞発生手段
１５ａ 第一回折格子
１５ｂ 第二回折格子
Ｋ１ 第一回折光
Ｋ２ 第二回折光
Claims (4)
- 光源からの光を対物レンズにより集光して測定物に照射しその測定物により反射され前記対物レンズを再び通過した光が入射することによりｎ１ 次光とｎ２ 次光との第一回折光を発生する第一回折格子と、前記第一回折光が入射することにより複数の回折された第二回折光を発生する第二回折格子とからなり、互いに干渉し合う前記第二回折光の位相が１／４波長だけずれるような形状に各回折格子が形成された干渉縞発生手段と、この干渉縞発生手段からの光を受光する少なくとも２分割された領域からなる受光素子とを設け、前記干渉縞発生手段により生じた前記第二回折光の間での干渉により干渉縞の位相の変化を前記受光素子で検知することによって前記測定物の光軸方向への移動量を測定するようにしたことを特徴とする微小変位測定装置。
- 第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、回折格子の４分の１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値、又は、その値にさらに１ピッチを（ｎ１ −ｎ２ ）で割った値を１個ないしは複数個加算又は減算した値に設定したことを特徴とする請求項１記載の微小変位測定装置。
- ±１次光の干渉縞を発生させる第一回折格子と第二回折格子とを等ピッチとし、第一回折格子と第二回折格子との相対的な位相を、回折格子の８分の１ピッチ、又は、８分の５ピッチの値に設定したことを特徴とする請求項１記載の微小変位測定装置。
- ピッチがΛ１ の第一回折格子により得られる第一回折光をｎ１ 次光とｎ２ 次光とし、ピッチがΛ２ の第二回折格子により得られる第二回折光をｍ１ 次光とｍ２ 次光としたとき、各回折格子のピッチと回折光の次数とを、
Λ２ ｎ１ ＋Λ１ ｍ１ ＝Λ２ ｎ２ ＋Λ１ ｍ２
の関係式を満たすように設定したことを特徴とする請求項１記載の微小変位測定装置。
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