JPH06267080A - 光スポット歪測定調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光スポットの１次回折光の分布から微小の非
点／球面収差を判別、調整できる簡単で正確な光スポッ
ト歪測定調整装置を実現する。 【構成】 光ヘッドを出射する光ビームスポットをＣＣ
Ｄ上に結像して、焦点前後の１次回折光の強度分布を４
象現に分けて計算して、非点収差及び球面収差の検出を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ディスクの情報を再
生、記録又は消去を行う光学ヘッドのように微細な光ス
ポットの歪の測定やその歪を調整する技術に関するもの
である。かかる調整を必要とする装置としては他にも、
光スキャナー、光プリンター等がある。

【０００２】そのほか本発明の応用として光学系の評
価、特にアナモフィック光学系の評価、調整等に用いる
ことが出来るものである。

【０００３】

【従来の技術】本発明は光学技術一般に有効であるが、
特に従来からある光ディスク技術で、信号読み取りの為
の光ピックアップの光学系の測定評価、調整に有効であ
るので、以下従来例及び実施例として光ディスクで用い
られた技術を中心に説明をする。

【０００４】光ヘッドは、光源である半導体レーザ、レ
ーザビームを略平行ビームとする光学系、ビームスプリ
ッター、偏向ミラー、対物レンズ及び信号検出光学系と
からなっている。図４に従来用いられた光ヘッド１０及
び光スポットの観測光学系の概略図を示す。半導体レー
ザ１を出射する光ビームはコリメートレンズ２で略平行
光とされビームスプリッター３に入射する。ビームスプ
リッターにはウエッジ状のプリズムがついており、コリ
メートレンズとの組合せで非点収差補正及び楕円分布の
補正が可能である。

【０００５】非点収差の補正にはシリンドリカルレンズ
を１つ又は複数個用いることで補正することも可能であ
る。

【０００６】光ディスクに情報を記録する際の光ビーム
は、偏向ミラー４でディスク方向に偏向され対物レンズ
５に入射する。対物レンズで収束された光ビームは図中
光スポット２１の位置に配置された光ディスク（図４は
光学系測定評価の構成図のため図示せず）に光スポット
として照射される。光ディスクで反射された光ビーム
は、同一光路を戻りビームスプリッター３で反射されデ
ィスク上の記録信号情報や対物レンズ５と光ディスクの
位置制御を行う制御信号を検出するための光検出器６に
入射する。光信号検出の動作は、本発明には関係がない
ので詳細な説明は省略する。

【０００７】測定評価時の際には対物レンズ５を出射す
る光ビームは収束して光スポット２１となる。スポット
の光強度最大点、即ち光分布のエネルギー密度の最大と
なる点を焦点と呼ぶ。この焦点は光学系の収差により光
軸方向及び光軸と垂直な面内での位置が変化する。

【０００８】光ディスク用ヘッドの場合、光学部品とし
てほとんど収差のない部品を用いるため残存する収差の
大部分は光源である半導体レーザ１の持つ非点収差、非
点収差補正のためのビームスプリッタ３として図示した
部材のウエッジプリズム部とコリメートレンズ２の相対
位置の調整不良により発生する非点収差、及び対物レン
ズ光軸に垂直な面と光ディスクのなす角度のずれから生
じるコマ収差等である。これらの収差を補正するために
従来から光ヘッドから出射する光ビームを、光ディスク
とほぼ同じ屈折率でほぼ同じ厚さのダミーディスク２０
を透過させ、できた光スポット２１を顕微鏡で観察して
調整する方法が行われている。しかし従来法では光スポ
ットをＴＶモニター２９に直接表示して、目視で調整が
行われているので収差補正の精度が悪く、又調整者の熟
練度に依存して光スポット品質が決まる等不安定な調整
となっていた。

【０００９】従来、光スポットを定量的に評価するため
には無収差のレンズでコリメート光としフィゾー干渉計
等で測定して、測定結果をゼルニケのサークルポリノミ
ナルに展開演算して各次数の係数を求め、３次の収差を
求めると言う複雑な手続きが必要であった。この為この
計測を実時間で行うことはできず、かつ直接スポットの
評価をすることは出来なかった。

【００１０】従来の計測の第２の例として非点隔差の測
定方法を述べる。非点隔差を測定する場合には、焦点前
後の光軸方向に移動させた時の光スポットの半値全幅を
連続的に計測して光スポットの直交方向（ＸＹ方向）で
の最小値となる位置を各々求め、その間隔を非点隔差と
する方法が用いられている。この方法ではスポットの最
小値を測定するためノイズの影響による測定誤差が出や
すい。ノイズの影響を少なくする為にスムージング等の
処理をするとデータサンプルが多く必要な上に計算の処
理時間がかかる。さらにスポット形状が歪んでいる場合
には測定誤差は大きくなる。測定精度を上げるために測
定サンプル点を多く取ると測定時間がかかりすぎる等の
欠点がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述のように従来用い
られたスポットの評価では、スポットを直接評価する事
が難しい。特に非点収差の測定でビームスポットの半値
全幅の最小値を求める方法では制度も取りにくいがさら
に測定時間がかかると言う欠点がある。

【００１２】本発明では、測定精度を向上させて、かつ
測定時間を短縮する光スポット歪測定調整装置を提供す
ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来方式の０
次のスポット径に注目して測定をする方法でなく、スポ
ットの１次回折光を使って光スポットの歪の測定を行
う。即ち光スポットに歪が存在すると、１次回折光への
光量が鋭敏に変化する。この変化を検出すると従来の検
出法よりも検出精度よく歪の検出をすることが出来る。

【００１４】さらに測定点は、従来例のように連続また
は非常に細かいサンプル点でスポット径を測定する必要
はなく焦点前後の予め定めた２点のデータから十分歪を
判別することができる。

【００１５】

【作用】本発明は、前記の構成により従来例のように連
続または非常に細かいサンプル点でスポット径を測定す
る必要はなく焦点前後の予め定めた２点のデータから収
差を判別できる事である。そのため従来に比較して測定
時間は飛躍的に短縮できる。

【００１６】さらに本発明では、スポットの１次回折光
を測定に使用するために、測定精度が向上する。即ち従
来のように０次光を使用していると収差により多少光量
または分布が変化しても変化の割合が小さいので測定の
Ｓ／Ｎが悪い。これに対して１次回折光を使用すると光
量分布の変化が大きく測定のＳ／Ｎが向上し鋭敏な収差
の測定が出来る。

【００１７】さらにサンプル測定点とＸＹ面内の原点ま
での距離とサンプル測定点での１次回折光の強度との積
である光強度の１次モーメントを使用すると、より測定
Ｓ／Ｎを向上させることが出来る。

【００１８】

【実施例】以下本発明を実施例に基づき説明をする。図
１は本発明によるスポット歪（収差）の測定方式を示す
概略図である。測定対象の例として光ディスク用の光ヘ
ッドを用いる。光ヘッド１０の光学系構成を説明する。

【００１９】半導体レーザ１を出射する光ビームはコリ
メートレンズ２で略平行光とされビームスプリッター３
に入射する。ビームスプリッターにはウエッジ状のプリ
ズムがついており、コリメートレンズとの組合せで非点
収差補正及び楕円分布の補正が可能である。

【００２０】光ディスクに情報を記録する際の光ビーム
は、偏向ミラー４でディスク方向に偏向され対物レンズ
５に入射する。対物レンズで収束された光ビームは図中
光スポット２１の位置に配置された光ディスク（図４は
光学系測定評価の構成図のため図示せず）に光スポット
として照射される。光ディスクで反射された光ビーム
は、同一光路を戻りビームスプリッター３で反射されデ
ィスク上の記録信号情報や対物レンズ５と光ディスクの
位置制御を行う制御信号を検出するための光検出器６に
入射する。光信号検出の動作は、本発明には関係がない
ので詳細な説明は省略する。

【００２１】本発明の測定評価時の際には対物レンズ５
で収束された光ビームは、測定用の光学系１９に入射さ
せる。光ビームは光ディスクとほぼ同じ屈折率でほぼ同
じ厚さの平行平板からなるダミーディスク２０を透過
し、光スポット２１となる。この光スポットを測定用の
対物レンズ２２、拡大用のリレーレンズ２３を通してＣ
ＣＤ２４の上に結像させる。光スポットの０次光の直径
は２ミクロン以下であり、ＣＣＤ上の結像倍率が小さい
とＣＣＤの素子により定まるサンプル点が多く取れな
い。従ってＣＣＤ上の結像倍率はできるだけ大きくする
必要がある。実施例では測定用の対物レンズに１００倍
のものを使用しリレーレンズと組み合わせてＣＣＤ上の
結像倍率を１０００倍とした。従ってＣＣＤ上の光スポ
ットの０次光と１次回折光の境界は約２ｍｍ程度の円形
となり、１次回折光と２次回折光の境界は約４ｍｍ程度
の円形となる。ＣＣＤの１素子の寸法は、およそ２０μ
ｍの正方形状であるので、１次回折光の直径方向のサン
プル測定点の数は、およそ１０００点取る事ができる。

【００２２】測定用の対物レンズ２２の開口数は被測定
光ヘッド１０の対物レンズ５の開口数よりも少なくとも
同じもしくは出来るだけ大きく設定する必要がある。さ
もないと出射光ビームの一部が欠落してＣＣＤ２４上に
形成される光スポットの像が歪測定が不正確となる。実
際の光ディスクでは対物レンズ５の開口数が０．６以下
に設定される場合が多く測定系の対物レンズ２２の開口
数は０．８５〜０．９５程度に設定されることが多い。
光スポット２１の中心光強度が最大となる光軸方向の位
置を焦点位置とする。

【００２３】ＣＣＤより出力する信号はビデオ回路２
６、Ｄ／Ａ変換器２７を経てでサンプリングされる。こ
のサンプリングされた信号をコンピュータに内臓された
計算機ボード２８で演算をさせる。ＣＣＤからは最大強
度となる点の位置の情報と、１次回折光のサンプル測定
点のデータ及びサンプル測定点の位置の情報を取り込み
所定の演算をする。最近の市販のボードにはこのＤ／Ａ
の機能と計算の機能を合わせて持つものもあり高速の処
理には有効である。計算結果はモニター２９上に表示す
る。

【００２４】図２に本発明の光スポットと座標の関係を
示す。焦点位置の中心光強度最大の点をを原点として光
軸方向にＺ軸、光軸と垂直な面内にＸＹ軸を取る。焦点
位置の光スポットをＣＣＤ上に結像した時の０次と１次
光の境界線３１、１次と２次光の境界線３２とし、光源
として半導体レーザを使用する場合Ｘ軸は半導体レーザ
の接合面の投影像３０と約４５度をなすような方向に設
定する。

【００２５】この２つの境界線３１、３２に囲まれた輪
帯（図面の斜線部分）の各象現の光強度分布の積分値を
それぞれ求め、 Ｔ1＝（第１と第３象現の分布の和） Ｔ2＝（第２と第４象現の分布の和） Ａ＝Ｔ1−Ｔ2 を計算出来るようにする。焦点位置でのＡの値をＡOと
する。

【００２６】次に測定用の対物レンズをＺ軸に沿って＋
方向に所定の値ｄだけずらせ、この点を第１の測定点と
し、この時のＡの値をＡ+1とする。

【００２７】今度は測定用の対物レンズをＺ軸に沿って
原点より−方向に先ほどの＋方向への値とほぼ同じ所定
の値−ｄだけずらせ、この点を第２の測定点とし、この
時のＡの値をＡ-1とする。第１測定点の値と第２測定点
の値との差を光スポットの第１の歪値Ａｓとする。＋方
向と−方向にずらせる値は必ずしも同じ絶対値となる値
でなくても本発明の調整は十分できる。

【００２８】Ａｓ＝（Ａ+1）−（Ａ-1） この光スポットの第１の歪値Ａｓは３次の非点収差に対
応する値である。

【００２９】コリメートレンズ２と半導体レーザ１の距
離を調整することでこの光スポットの第１の歪Ａsが実
質的に０となるようにすることが可能である。

【００３０】上述の計算は専用のハード回路を設計する
ことで数１０ｍｓから数１００ｍｓ以下の計算時間で出
来るので例えばコリメートレズの光軸方向の調整を自動
的に行なう自動化ラインを導入することも可能となる。

【００３１】以上の計算は光分布の積分値に注目して計
算を行ったが、実際に収差が大きくなると、スポットの
輪帯の外周側での光量分布がより大きくなる。従って単
に光量の積分値を取るよりもサンプル測定点の強度にＸ
Ｙ軸の原点からサンプル測定点の距離を乗じた光強度の
１次モーメントを演算をした方がより適切にスポットの
歪を表現できる場合がある。即ち Ｍ1＝（第１と第３象現の光強度１次モーメントの和） Ｍ2＝（第２と第４象現の光強度１次モーメントの和） Ａ＝Ｍ1−Ｍ2 として第１測定点の値Ａ+1と第２測定点の値Ａ-1との差 ＡS＝（Ａ+1）−（Ａ-1） を求め以下上述と同様の方法でこの光スポットの第１の
歪Ａsが実質的に０となるように調整することが可能で
ある。本発明の実施例ではｄ＝１μｍ、コリメートレン
ズの開口率 ＮＡc＝０．３５ 焦点距離ｆC＝７ｍｍ、
対物レンズの開口率 ＮＡO＝０．５３ 焦点距離ｆO＝
３．９ｍｍ、使用光の波長λ＝０．７８μｍとした。

【００３２】この時コリメートレンズの移動量δは、Ａ
sが求まると一義的に求めることが出来る。但し積分値
及び１次モーメントを求める時のサンプル数にも依存す
るのでいずれかの１点で校正してやる必要がある。実際
の調整で、予めコリメートレンズを出射する光ビームを
略平行とした時、本発明の方法によりコリメートレンズ
を補正するための移動量δはおよそ２〜４μｍとなっ
た。

【００３３】図３に本発明の実施例に基づく非点収差の
あるときとないときの各測定点でのＡ+1、ＡO、Ａ-1の
値を示す。図から明らかなように、＋の非点収差（コリ
メートレンズと半導体レーザの近づく方向を＋とする）
のある時と、−の非点収差のある時には傾向が逆でかつ
Ａ+1、Ａ-1、ＡOの値が異なる。非点収差のない場合に
はＡ+1、Ａ-1、ＡOの値がほぼ同じとなる。この光スポ
ットの第１の歪Ａsが実質的に０と調整することで光デ
ィスクの記録再生特性が向上する。即ち光スポットの非
点収差最小に近い状態が実現できるため、光スポットの
トラック方向及び信号方向への拡がりが少なくなりかつ
焦点前後での非対称性が少なくなる。従って再生時の隣
接トラックからのクロストーク信号の混入の減少及び信
号ジッター成分の減少の効果が得られる。さらに非点収
差によるトラック追従のためのプッシュプルトラッキン
グ信号の最大となるフォーカス位置と、再生情報信号の
最大となるフォーカス位置との差の発生を防ぐことが出
来る。

【００３４】また収差による光強度のばらつきが少なく
なるので、記録時の記録パワーのばらつきの減少を計る
ことが出来る。

【００３５】本発明の別の特長は球面収差の測定が出来
ることである。２つの境界線３１、３２に囲まれた輪帯
の全象現の光強度分布の積分値を求め、 Ｔ＝（全象現の積分値） を計算出来るようにする。

【００３６】次に測定用の対物レンズをＺ軸に沿って＋
方向に所定の値ｄだけずらせ、この点を第１の測定点と
し、この時のＴの値をＴ+1とする。

【００３７】今度は測定用の対物レンズをＺ軸に沿って
−方向に先ほどの＋方向への値とほぼ同じ所定の値−ｄ
だけずらせ、この点を第２の測定点とし、この時のＴの
値をＴ-1とする。第１の測定点の値と第２の測定点の値
との差 Ｓ＝（Ｔ+1）−（Ｔ-1） を光スポットの第２の歪値とする。この光スポットの第
２の歪値Ｓは光学系の球面収差に対応する値である。球
面収差を調整するためには、収束または発散する光ビー
ム内に厚さｔの透明な平行平板を光軸に垂直に挿入する
ことで可能となる。

【００３８】本発明での実施例として半導体レーザ１と
コリメートレンズ２の間に補正用の厚さｔの平行硝子板
を挿入した。補正の厚さｔはＳの値、ｄの値、硝子の屈
折率ｎ、コリメートレンズの開口率 ＮＡc、対物レン
ズの開口率 ＮＡO、使用光の波長λ等から計算により
求めることが可能である。

【００３９】本発明では測定用の検出器としてＣＣＤを
用いたが、他のビジコンやホトデテクターアレーを用い
ることも可能である。又本発明をわかりやすく説明する
都合上、光ヘッドについての説明だけを実施例として述
べたが、光スポットを直接評価する場合に如何なる装置
であれ本発明の方法が有効なのは言うまでもない。

【００４０】本発明の焦点前後の光スポットの分布を測
定する為に、測定用対物レンズを移動させたが、リレー
レンズ２３又はＣＣＤ２４を光軸方向に移動させても同
様な効果を得ることはできる。ＣＣＤを移動させるとき
には、測定用対物レンズを移動させる時に比べ相当長い
距離を移動させる必要があり装置も大きくなる。さらに
０次光の信号を除去しマスクする方法としては、ＣＣＤ
出力の電気信号から同期信号の位置と０次光の位置関係
を時間関数に置き換え電気的にゲート手段などで除去す
ることも可能であり、位置精度は必要であるが実際にＣ
ＣＤの素子上に遮光性の素子を配置することによっても
実現することができるものである。

【００４１】

【発明の効果】上記したように本発明の光スポット歪測
定調整装置は、光スポットに歪が存在すると、１次回折
光への光量が鋭敏に変化することを利用し、スポットの
焦点位置を中心として光軸方向に所定量離れた位置の１
次回折光分布を４象現に分割して測定し、それぞれの演
算した結果の比を用いて、最も非点収差の少なくなる光
学素子の配置などを高速に調整、決定することを可能に
するものである。

【００４２】さらに測定点は、従来例のように連続また
は非常に細かいサンプル点でスポット径を測定する必要
はなく焦点前後の予め定めた２点のデータから十分歪を
判別することができる。

【００４３】この光スポットの第１の歪Ａsが実質的に
０と調整することで光ディスクの記録再生特性が向上さ
せることができ、その効果は再生時の隣接トラックから
のクロストーク信号の混入の減少及び信号ジッター成分
の減少、記録時の記録パワーのばらつきの減少などがあ
げられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光スポット歪測定調整装置
の概略構成図

【図２】本発明の一実施例によるＣＣＤ上の光スポット
の座標を示す図

【図３】本発明の一実施例による出力データの例を示す
図

【図４】従来の光スポット歪測定調整装置の概略構成図

【符号の説明】

１ レーザ ２ コリメートレンズ ３ ビームスプリッター ５ 対物レンズ １０ 光ヘッド ２０ ダミーディスク ２１ 光スポット ２２ 測定系の対物レンズ ２３ リレーレンズ ２４ ＣＣＤ ２６ ビデオ回路 ２７ Ｄ／Ａ変換 ２８ 計算ボード ２９ モニター

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放射光源と、放射光源を出射する光ビーム
   を受け収束させる光ビーム収束手段と、前記光ビーム収
   束手段により形成される光スポットの光強度最大となる
   点を原点とする光軸の＋及び−方向に各々所定値離れた
   点での１次回折光の分布を測定する手段と、測定値を演
   算する手段からなる光スポット歪測定調整装置。
2. 【請求項２】前記原点を中心とし光軸方向をＺ軸、光軸
   に垂直な面内をＸＹ座標として、Ｚ軸の＋方向に所定値
   離れた第１測定点と−方向に所定値はなれた第２測定点
   でのＸＹ面内の４象現の１次回折光の分布を求め、（第
   １と第３象現の分布の和）と（第２と第４象現の分布の
   和）との差を演算し、第１の測定点の値と第２の測定点
   の値との差を光スポットの第１の歪値とする請求項１に
   記載の光スポット歪測定調整装置。
3. 【請求項３】前記原点を中心とし光軸方向をＺ軸、光軸
   に垂直な面内をＸＹ座標として、Ｚ軸の＋方向に所定値
   離れた第１測定点と−方向に所定値はなれた第２測定点
   でのＸＹ面内の全象現の１次回折光の分布を求め、第１
   測定点の分布の値と第２測定点の分布の値との差を光ス
   ポットの第２の歪値とする請求項１に記載の光スポット
   歪測定調整装置。
4. 【請求項４】前記１次回折光の分布は、前記第１測定点
   及び第２測定点でのＸＹ軸の原点からサンプル測定点ま
   での距離と１次回折光のサンプル測定点での強度の積を
   各象現の１次光の範囲内で積分した請求項２または請求
   項３に記載の光スポット歪測定調整装置。
5. 【請求項５】放射光源と、放射光源を出射する光ビーム
   を受け収束させる光ビーム収束手段と、前記放射光源と
   前記光ビーム収束手段との間にある非点収差の調整可能
   な光学系と、前記光ビーム収束手段により形成される光
   スポットの光強度最大となる点を原点とする光軸の＋及
   び−方向に各々所定値離れた点での１次回折光の分布を
   測定する手段と、測定値を演算する手段と、前記所定値
   離れた点での各々の演算値がほぼ同じ値となるように前
   記非点収差調整可能な光学系を調整する光スポット歪測
   定調整装置。
6. 【請求項６】前記原点を中心とし光軸方向をＺ軸、光軸
   に垂直な面内をＸＹ座標として、Ｚ軸の＋方向に所定値
   離れた第１測定点と−方向に所定値はなれた第２測定点
   でのＸＹ面内の４象現の１次回折光の分布を求め、（第
   １と第３象現の分布の和）と（第２と第４象現の分布の
   和）との差を演算し、第１測定点の値と第２の測定点の
   値との差を光スポットの第１の歪値として、この第１の
   歪値がほぼ同じ値となるように前記非点収差調整可能な
   光学系を調整する請求項５記載の光スポット歪測定調整
   装置。
7. 【請求項７】前記１次回折光の分布は、前記第１測定点
   及び第２測定点でのＸＹ軸の原点からサンプル測定点ま
   での距離と１次回折光のサンプル測定点での強度の積を
   各象現の１次光の範囲内で積分した請求項６記載の光ス
   ポット歪測定調整装置。
8. 【請求項８】放射光源を半導体レーザーとし、半導体レ
   ーザの接合方向と前記ＸＹの方向とを互いに略４５度方
   向に設置した請求項２、３または６記載の光スポット歪
   測定調整装置。