JPH03105202A - 自動焦点制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はレーザを利用する光学測定装置等においてレー
ザの焦点が常に対象物の面上に合うように集光用対物レ
ンズを追従させるように構成された自動焦点制御装置等
に関するものである。

従来の技術 光ディスク装置や光学測定装置等においてレーザ光を反
射面に集光する対物レンズにはフォー力スサーボをかけ
る自動焦点制御装置は、特願昭６０−３９１７８号、特
願昭６２−７６９２７号などで知られている。これは、
対物レンズのフォ一カス位置に対する誤差量に基づいて
フォーカス票差信号を発生させ、この誤差信号がゼロと
なるようにフォーカスサーボをかけるもので、第７図の
ような構成になっている。対象物１の面２で反射したレ
ーザ光が焦点誤差検出用の２つのＰＩＮフォトダイオー
ド２１へ導かれ、それによって各ＰＩＮフォトダイオー
ド２１に流れる電流をそれそれの電流電圧変換回路７５
によって電圧に変換し、それぞれのボリューム８０てオ
フセットを調整した後増幅して、電圧■１及びＶ２を得
る。そのそのＶ及びｖ２は対物レンズ１７と対象物１の
距１ 離の変化に従って第８図のように変化する。その■，と
ｖ２の差電圧Ｖｅは第９図のようになる。第９図の曲線
を以下Ｓ字曲線と呼ぶ。このＳ字曲線の真中のＶｅ一〇
となる点がフォーカス位置であり、この位置にくるよう
にフォーカスサーボがかけられる。この時ＳＷ２　（第
７図）は仮想像で示される位置にある。Ｓ字曲線は第９
図に示すように対物レンズ１７の可動範囲に比べて非常
に狭いためフォーカスサーポをかける前にフォーカス位
置を捜す。すなわちＳ字曲線を捜す必要がある。

したがって最初は、ＳＷ２を実線で示す位置にしておき
ボリューム７７によって対物レンズｌ７をＳ字曲線の近
傍に設定し、ＳＷ１により発振器７６を接続して対物レ
ンズ１７を上下させ、フォーカス引き込み範囲に入ると
ＳＷ２を仮想線の位置に切り替えてフォーカスサーボを
かける。

発明が解決しようとする課題 前記のような焦点制御装置では、Ｓ字曲線から離れた位
置では理想的には２つのＰＩＮフォトダイオードに流れ
る電流はゼロであるがレーザの迷光あるいはＰＩＮフォ
トダイオードのもれ電流などが原因でオフセット電流が
存在する。レーザの迷光とは対象物で反射される正規の
光以外のもので光路の途中で反射されＰＩＮフォトダイ
オードに入射される光などを指し、この迷光を除くこと
は極めて困難である。高精度の焦点制御を行なうにはこ
のオフセット電流の影響が大きいため必ず制御回路の中
で取り除く必要がある。

従来は前記のようにボリュームを手動で回すことによっ
てオフセットの補正を行っていた。従って、一度オフセ
ットの補正を行ったとしてもレーザ発光源やＰＩＮフォ
トダイオードの特性の経年変化によってオフセットの再
補正を行なわなければならないという問題が′ある。

本発明は上記問題点に鑑み、自動的にオフセットずれを
検出しそれを補正する機能をもった自動焦点制御装置を
提供するものである。

課題を解決するための手段 上記問題点を解消するため本発明は、２つのＰＩＮフォ
トダイオードに流れる電流をそれぞれ電圧に変換する回
路と、その各電圧のオフセットを補正する回路と、オフ
セット補正後の各電圧を読み取る回路と、フォーカスサ
ーチ回路とを備え、フォーカスサーチ時にオフセット補
正後の電圧の平衡部分を検出し、その各電圧がゼロにな
るようにそれぞれのオフセットの補正を行なうように構
成したことを特徴とする。

作　　　用 本発明の自動焦点制御装置は、フォーカスサーチ時に自
動的にＰＩＮフォトダイオードに流れるオフセット電流
を補正するので、初期段階において手動によるオフセッ
ト補正の必要がないだけでなく、レーザ発光源やＰＩＮ
フォトダイオードの特性の経年変化によるオフセット電
流の変化の影響を全くうけないという特長をもつ。

実施例 本発明の一実施例における光学測定装置を、第１図〜第
６図を参照しながら説明する。

本装置は、ｘ−ｙ−ｚ座標位置を光ヘテログイン法に基
づいて測定するものであり、半導体レーザ光（λ＝７８
０ｎｍ）Ｇを被測定物ｌの被測定面２に集光し、その反
射光に基いてフォーカスサーボをかける共に、測定用Ｈ
ｅ−Ｎｅゼーマンレーザ光（λ＝６３３ｎｍ）Ｆを被測
定面２に垂直に集光し、その反射光に基いて傾き補正サ
ーボをかけながら被測定面２の形状測定を行なうもので
ある。

第２図に示す同装置の全体構戒において、３は本体ベー
スとしての下部石定盤、４はこの下部石定盤３との間に
Ｘテーブル５及びＹテーブル６を介してＸ−Ｙ方向に移
動可能な上部石定盤、７は上部石定盤４の前面に設けら
れＺ方向に移動可能に支持されたＺ移動部、８は被測定
物１を保持するＬ字状の保持台、９はこの保持台８をＹ
方向の軸Ｐ（第１２図参照）まわりに回転させるエアー
スピンドル、８５はこのエアースピンドル９を昇降可能
に支持し且っＺ方向の軸Ｑまわりに旋回可能な旋回台で
ある。

Ｚ移動部７は、第１図に示すように、リニアモータ１０
を介してバネ１１により上部石定盤４に吊持されている
。２移動部７の内部には、第３図に示すように、半導体
レーザ光Ｇを放射する半導体レーザ１２が設置されてい
る。半導体レーザ１２から放射された半導体レーザ光Ｇ
は、レンズ１３、偏光プリズム１４、λ／４波長板１５
を通過してグイクロイックミラ−１６で下向きに全反射
され、対物レンズ１７の開ロー杯に入射して被測定物ｌ
の被測定面２に集光する。半導体レーザ光Ｇの集光位置
は、ゼーマンレーザ光ＦのＺ座標測定に用いられる測定
光ＦＺｌの照射位置と略一致する。被測定面２が傾いて
いれば、半導体レーザ光Ｇの反射光の一郎は前記対物レ
ンズ１７の開口外に向けて反射させられるが、残部は対
物レンズ１７の開口内に向けて反射させられる。対物レ
ンズｌ７に戻った反射光はグイクロイックミラ−ｌ６及
び偏光プリズム１４で全反射され、レンズ１８で集光さ
れてハーフミラー１９で二分割される。分割された各反
射光は、焦点前及び焦点後に設置された夫々のピンホー
ル２０を通過し、夫々のＰＩＮフォトダイオード２１に
照射される。対物レンズ１７の集光位置が被測定面２に
あれば、各ＰＩＮフォトダイオード２１で検出される光
量は等しくなる。

被測定而２と対物レンズ１７との距離（Ｚ方向）が変化
すると、２つのビンホール２０前後の集光位置が光軸方
向にずれるため、各ＰＩＮフォトダイオード２１上への
照射光量に差ができる。

これらＰＩＮフォトダイオード２１の出力の差から第１
図に示すフォーカス誤差信号発生部２２でフォーカス誤
差信号が発生する。第５図に示すように、被測定面２上
の照射位置が傾いていても２つのＰＩＮフォトダイオー
ド２１への光量は低下するが、２つのＰＩＮフォトダイ
オード２■への光量差は発生しないため、フォーカス誤
差は発生しない。

第１図においてスイッチＳＷ２が仮想線で示す位置にあ
るとき、駆動回路２３はこのフォーカス誤差信号がゼロ
となるようにリニアモータ１０を制御し、Ｚ移動部７を
Ｚ方向に移動させる。このようにして、半導体レーザ光
Ｇと次に述べるゼーマンレーザ光Ｆの測定光ＦＺｌの集
光位置が常に被測定面２にあるようにフォーカスサーボ
がかけられる。

２つの周波数ｆ，、ｆ２で発振するＨｅ−Ｎｅゼーマン
周波数安定化レーザ２４から放射されたレーザ光Ｆの一
部は、第１のハーフミラー２５を透過した後、第２のハ
ーフミラー２６で分離されて測定位置のＸ−Ｙ座標測定
に用いられる。

方、第１のハーフミラー２５で反射されたレーザ光Ｆ２
は、測定位置のＺ座標測定に用いられる。

このレーザ光Ｆ２は偏光プリズム２７で、測定光Ｆ　と
参照光ＦＺ２とに分離される。測定光ＦＺＩＺ１ の周波数ｆ　と参照光Ｆ２。の周波数ｆ２との差は数宣 百ｋＨｚで、互いに垂直な直線偏光となっている。

尚、Ｘ−Ｙ座標測定に使用されるレーザ光Ｆ　、Ｆ　も
、各光路途中て夫々のコーナキューブ４４Ｖ によって測定光Ｆｘｉ、Ｆｙ１と参照光Ｆｘ２、Ｆｙ２
とに分離される。

Ｚ座標測定に用いられる測定光Ｆ　は、第６図に示すよ
うに、Ｐ偏波を全透過しＳ偏波を部分透遇する特殊偏光
プリズム２８と、ファラデー素子２９と、λ／２板３０
とを通過し、Ｓ偏波となって偏光プリズム３１で全反射
される。そしてλ／４板３２、集光レンズ３３を通過し
、ミラー３４上に集光して反射された測定光Ｆ２１は前
記λ／４板３２によってＰ偏波となり、前記偏光プリズ
ム３１を全透過して対物レンズ１７に入射し、被測定面
２に垂直に集光される。被測定面２からの反射光は上記
入射光と同一光路を戻るが、Ｓ偏波となって特殊偏光プ
リズム２８で一部反射された後、偏光プリズム２７で全
反射され、Ｚ軸光検出器３５に達する。被測定面２の形
状測定時は、被測定面２上の測定点のＺ座標の変動速度
に応して前記反射光の周波数がドブラーシフ１・シ、ｆ
，十△となる。尚、反射光の光路が被測定面２の傾きに
応じてズレようとする際は、特殊偏光プリズム２８で一
部反射された反射光を４分割光検出器３Ｇが検知し、集
光レンズ移動千段３７により集光レンズ３３をＸ−Ｙ方
向に移動させて入射光の対物レンズ１７への入射位置を
変化させることにより、常に反射光が同一光路を戻るよ
うに傾き補正サーボがかけられる。

一方、参照光Ｆｚ２は前記偏光プリズム２７で全反射さ
れた後、レンズ３８によってＺ軸ミラー３９上に集光さ
れ、反射されて前記Ｚ軸光検出器３５に達する。反射光
の周波数は、Ｘ，Ｙテーブル５、６の移動真直度などの
誤差により、ｆ２＋δとなる。従ってＺ軸光検出器３５
では、（ｆ，＋△）−（ｆ２＋δ）がビート信号として
検出され、Ｚ座標検出装置３７において被測定面２の測
定位置のＺ座標が正確に得られる。

尚、被測定面２の測定位置のＸ，Ｙ座標は、Ｚ移動部７
に設置したＸ．Ｙ軸ミラー３８、３９に集光されたＦＦ
　　の反射光と、下部石定盤１ｘｌ’　　　　ｙｌ 側に設置したＸ，Ｙ軸ミラー４０、４１に集光された参
照光Ｆｘ２、Ｆｙ２の反肘光との周波数の差によって、
Ｘ，Ｙ軸光検出器４２、４３で検出される。

次に、第１図を用いて、フォーカスサーボ系の詳細な説
明を行なう。

第１図において、７３はＺ移動部７のＺ方向における平
衡位置からの変位量を検出する位置検出器、７４は位置
検出器７３からの出力によって位置信号を発生する位置
信号発生回路、７６は０．３Ｈｚの周波数発振器、７７
はＺ移動部７を２方向に移動させるためのボリューム、
７８はボリューム７７の操作設定電圧に基きバネ１１の
復元力の影響をなくすように位置信号を増幅して駆動回
路２３に信号を送る差動増幅器、７９はゲインコントロ
ール回路である。

フォーカス誤差検出用の２つのＰＩＮフォトダイオード
２１に流れる電流をそれぞれ電流電圧変換回路７５によ
って電圧に変換し、その電圧をＣＰＵ８４からＤ／Ａ変
換器８２を通して出力されるオフセット補正用の電圧と
演算増幅器８１によって加算しフォーカス誤差信号発生
部２２へ導く。

第９図に示すようにフォーカス引き込み範囲は対物レン
ズ１７の可動範囲に比べて非常に狭いためフォーカスサ
ーボをかける前にフォーカス引き込み範囲を捜す必要が
ある。したがって最初はＳＷ２を実線で示す位置にして
おき、ボリューム７７によって対物レンズ１７をＳ字曲
線の近傍に設定し、ＳＷ１によりＤ／Ａ変換器８２ｂを
接続し、ＣＰＵ８４から出力される信号に基づいて対物
レンズ１７を上下させＳ字曲線を捜す。Ｓ字曲線のピー
クを検出するとＣＰＵ８４からＤ／Ａ変換器８２ｂを通
してＳ字曲線の平衡点すなわちＳ字曲線から離れた点ま
で対物レンズ１７を戻し、その位置で演算増幅器８■の
出力電圧をＡ／Ｄ変換器８３を通してＣＰＵ８４に入力
し、各電圧が共にゼロになるようにそれぞれＤ／Ａ変換
器８２を通してオフセットの補正量を変化させる。演算
増幅器８１の出力電圧が共にゼロになるとオフセットの
補正値を保持し、再びＤ／Ａ変換器８２ｂへの指令値を
変えてＳ字曲線を捜し、フォーカス引き込み範囲に入る
と、ＳＷ２を仮想線の位置に切り替えてフォーカスサー
ボをかける。

発明の効果 本発明はレーザの迷光やＰＩＮフォトダイオードのもれ
電流の変化によるＰＩＮフォトダイオードのオフセット
電流の変化の影響を全く受けずに焦点制御が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における光学測定装置におけ
るフォーカスサーボ系のブロック図、第２図は同装置の
全体構戒を示す概略斜視図、第３図は同装置におけるフ
ォーカスサーボ系の光路図、第４図は対物レンズがフォ
ーカス位置にあるときの光路図、第５図は対象物の面が
傾いたときの光路図、第６図は同装置における傾きサー
ボ系の光路図、第７図は従来のフォーカスサーボ系のブ
ロック図、第８図は２つのＰＩＮフォトダイオードで検
出される信号の対物レンズと対象物の距離に対するグラ
フ、第９図は第８図の２つの信号を差動増幅して得られ
るフォーカス誤差信号のグラフである。 １・・・・・・被測定物、２・・・・・・被測定面、１
７・・・・・・対物レンズ、２２・・・・・・フォーカ
ス誤差信号発生部、７５・・・・・・電流電圧変換回路
、８１・・・・・・演算増幅器、８２，８２ｂ・・・・
・・Ｄ／Ａ変換器、８４・・・・・・ＣＰＵ．イ７ 灯物しシス゜ 第 ４ 図 第 ５ 図 第 ６ 図 第 ７ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザの焦点が常に対象物の面上に合うように集光用対
   物レンズを追従させるように構成された自動焦点制御装
   置において、焦点誤差検出用の２つのＰＩＮフォトダイ
   オードに流れる電流をそれぞれ電圧に変換する回路と、
   その各電圧のオフセットを補正する回路と、オフセット
   補正後の各電圧を読み取る回路と、フォーカスサーチ回
   路とを備え、フォーカスサーチ時にオフセット補正後の
   電圧の平衡部分を検出し、その各電圧がゼロになるよう
   にそれぞれのオフセットの補正を行なうように構成した
   ことを特徴とする自動焦点制御装置。