JP2000321021A - 干渉装置、変位測定装置、及びそれを用いた情報記録又は／及び再生装置 - Google Patents
干渉装置、変位測定装置、及びそれを用いた情報記録又は／及び再生装置Info
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- Adjustment Of The Magnetic Head Position Track Following On Tapes (AREA)
- Moving Of The Head To Find And Align With The Track (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 干渉信号が安定して得られるような干渉装
置、変位測定装置、及びこれを用いた情報記録又は／及
び再生装置を提供する。 【解決手段】 マルチモード発振している半導体レーザ
からの光束を一光束内で部分的に互いに実質的な光路長
差を与えた後干渉光束として利用する。
置、変位測定装置、及びこれを用いた情報記録又は／及
び再生装置を提供する。 【解決手段】 マルチモード発振している半導体レーザ
からの光束を一光束内で部分的に互いに実質的な光路長
差を与えた後干渉光束として利用する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光の干渉現象を利
用する干渉装置、変位測定装置、及びこれを用いた情報
記録又は／及び再生装置に関するものである。本発明は
特に、光の干渉現象を応用したサブミクロンオーダーの
分解能、精度を有する工業用微小長さ測定装置およびそ
れを利用した工作機械、組立調整装置に好適なものであ
る。
用する干渉装置、変位測定装置、及びこれを用いた情報
記録又は／及び再生装置に関するものである。本発明は
特に、光の干渉現象を応用したサブミクロンオーダーの
分解能、精度を有する工業用微小長さ測定装置およびそ
れを利用した工作機械、組立調整装置に好適なものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】レーザを応用した干渉測長装置は、高精
度長さ測定装置として、各種研究分野から産業用装置ま
で広く利用されてきている。一般的にはこうした装置は
絶対精度が必要とされ、光源に波長の安定したガスレー
ザが使用されている。
度長さ測定装置として、各種研究分野から産業用装置ま
で広く利用されてきている。一般的にはこうした装置は
絶対精度が必要とされ、光源に波長の安定したガスレー
ザが使用されている。
【０００３】しかし最近は簡易な干渉測長装置として半
導体レーザを用いたものが発売され、小型簡便性に特徴
を発揮している。また、これらの干渉測長装置はマイケ
ルソン干渉計を原理として、干渉装置本体からレーザ光
線を外部に放射して被検物体に取り付けられた反射鏡に
照射してもとの光路にレーザ光線を戻して干渉測長装置
本体内で干渉させる構成が一般的であり、測定可能範囲
は、レーザ光線のコヒーレンシーに依存し、コヒーレン
ト長とほぼ同じ量である。一般的にガスレーザやシング
ルモード半導体レーザを用いたものは数m以上のコヒー
レント長がある。
導体レーザを用いたものが発売され、小型簡便性に特徴
を発揮している。また、これらの干渉測長装置はマイケ
ルソン干渉計を原理として、干渉装置本体からレーザ光
線を外部に放射して被検物体に取り付けられた反射鏡に
照射してもとの光路にレーザ光線を戻して干渉測長装置
本体内で干渉させる構成が一般的であり、測定可能範囲
は、レーザ光線のコヒーレンシーに依存し、コヒーレン
ト長とほぼ同じ量である。一般的にガスレーザやシング
ルモード半導体レーザを用いたものは数m以上のコヒー
レント長がある。
【０００４】これらの干渉測長装置は、これまでFA装置
用の各種ステージ等に応用されていたため、ミリオーダ
ーの微小な部分の微小レンジの変位を高分解能に測定す
るのは、装置の大きさの制約のために利用できなかっ
た。これらの分野では、例えば被検対象物体が金属に限
定されれば、静電容量が被検物体とセンサ本体との間の
間隔で変化する現象を利用した「静電容量センサ」が利
用されてきた。
用の各種ステージ等に応用されていたため、ミリオーダ
ーの微小な部分の微小レンジの変位を高分解能に測定す
るのは、装置の大きさの制約のために利用できなかっ
た。これらの分野では、例えば被検対象物体が金属に限
定されれば、静電容量が被検物体とセンサ本体との間の
間隔で変化する現象を利用した「静電容量センサ」が利
用されてきた。
【０００５】しかし被検物体が金属であることや、また
被検物体の大きさ（検出面の面積）が静電容量に関係す
るために高精度、高分解能（高S／N）を得るためには、
小型化には限界があった。また、静電容量センサは完全
に接触させると測定不能だが、すれすれの状態がもっと
も良質の信号が得られるため接触ぎりぎりで調整する必
要がある。これには被測定物体の損傷の可能性があり好
ましくない。さらに停止状態に近い状態でないと正確な
測定ができないなどの利用条件に限定が加わってしま
う。
被検物体の大きさ（検出面の面積）が静電容量に関係す
るために高精度、高分解能（高S／N）を得るためには、
小型化には限界があった。また、静電容量センサは完全
に接触させると測定不能だが、すれすれの状態がもっと
も良質の信号が得られるため接触ぎりぎりで調整する必
要がある。これには被測定物体の損傷の可能性があり好
ましくない。さらに停止状態に近い状態でないと正確な
測定ができないなどの利用条件に限定が加わってしま
う。
【０００６】
【発明が解決しようとしている課題】一方、光源に半導
体レーザを用いた干渉測長装置では、光源自体の大きさ
は、ミリオーダ一が実現できるが、シングルモード半導
体レーザは、使用環境変動等によって発振モードが切り
替わるモードホッブ現象が現れるため、そのまま干渉計
に使用すると干渉位相がモードポップが起こるたぴに不
連続に変化し、干渉位相の変化を計数することが困難に
なる可能性がある。
体レーザを用いた干渉測長装置では、光源自体の大きさ
は、ミリオーダ一が実現できるが、シングルモード半導
体レーザは、使用環境変動等によって発振モードが切り
替わるモードホッブ現象が現れるため、そのまま干渉計
に使用すると干渉位相がモードポップが起こるたぴに不
連続に変化し、干渉位相の変化を計数することが困難に
なる可能性がある。
【０００７】一般に市販されている半導体レーザを光源
とする干渉測長装置は、波長を安定化してシングルモー
ド発振波長を固定するための種々の対策が講じられる。
一つの方法はペルチエ素子やヒーターによるレーザの温
度制御機能を付加することが挙げられるが、大きさ等が
問題になり易い。また外部ミラー等によって半導体レー
ザにレーザ光を戻すことによるモードの安定化方法もあ
るが、調整組立てが複雑である。また半導体レーザ素子
自体にブラッグ回析格子構造を形成して、素子自体の波
長選択能をあげることが技術としては考えられるが、通
信分野の素子として市販されているにすぎず、干渉計測
装置としてはそのまま利用できない。
とする干渉測長装置は、波長を安定化してシングルモー
ド発振波長を固定するための種々の対策が講じられる。
一つの方法はペルチエ素子やヒーターによるレーザの温
度制御機能を付加することが挙げられるが、大きさ等が
問題になり易い。また外部ミラー等によって半導体レー
ザにレーザ光を戻すことによるモードの安定化方法もあ
るが、調整組立てが複雑である。また半導体レーザ素子
自体にブラッグ回析格子構造を形成して、素子自体の波
長選択能をあげることが技術としては考えられるが、通
信分野の素子として市販されているにすぎず、干渉計測
装置としてはそのまま利用できない。
【０００８】一方、本出願人は、マルチモード半導体レ
ーザを用いた格子干渉を原理とするエンコーダを先に出
願しているが、その採用の理由はモードホップ現象が現
れないことである。マルチモード半導体レーザは、コヒ
ーレンシーが低いゆえに公知の技術として干渉2光束間
の光路長差を0近傍に調整しておく必要はあるが、格子
干渉方式のエンコーダは回折格子を移動させることで波
面の位相を変化させることを原理とするために、一度等
光路長調整すればあとは光路長が変動しないので、マル
チモード半導体レーザを使用してもある程度安定した信
号が得られる。
ーザを用いた格子干渉を原理とするエンコーダを先に出
願しているが、その採用の理由はモードホップ現象が現
れないことである。マルチモード半導体レーザは、コヒ
ーレンシーが低いゆえに公知の技術として干渉2光束間
の光路長差を0近傍に調整しておく必要はあるが、格子
干渉方式のエンコーダは回折格子を移動させることで波
面の位相を変化させることを原理とするために、一度等
光路長調整すればあとは光路長が変動しないので、マル
チモード半導体レーザを使用してもある程度安定した信
号が得られる。
【０００９】しかし、光路長が変化する光学系に適用す
る場合は、測定範囲を増加させ、且つ安定して信号を得
る為にはできるだけ可干渉距離が長いほうが望ましい。
また、格子干渉計やレーザードップラー速度計などの原
理的に光路長が変化しない光学系であっても、可干渉距
離がより長いことは、経時変化等による光路長変化を考
慮すると信号の安定化の為に望ましい方向である。
る場合は、測定範囲を増加させ、且つ安定して信号を得
る為にはできるだけ可干渉距離が長いほうが望ましい。
また、格子干渉計やレーザードップラー速度計などの原
理的に光路長が変化しない光学系であっても、可干渉距
離がより長いことは、経時変化等による光路長変化を考
慮すると信号の安定化の為に望ましい方向である。
【００１０】本発明はこのような従来例に鑑み、干渉信
号が安定して得られるような干渉装置、変位測定装置、
及びこれを用いた情報記録又は／及び再生装置を提供す
ることにある。
号が安定して得られるような干渉装置、変位測定装置、
及びこれを用いた情報記録又は／及び再生装置を提供す
ることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上述目的を達成するため
の第１発明は、マルチモード発振している半導体レーザ
からの光束を一光束内で部分的に互いに実質的な光路長
差を与えた後干渉光束として利用することを特徴とする
干渉装置である。
の第１発明は、マルチモード発振している半導体レーザ
からの光束を一光束内で部分的に互いに実質的な光路長
差を与えた後干渉光束として利用することを特徴とする
干渉装置である。
【００１２】上述目的を達成するための第２発明は、マ
ルチモード発振している半導体レーザからの光束を非一
定ピッチの回折格子にて回折させた後干渉光束として利
用することを特徴とする干渉装置である。
ルチモード発振している半導体レーザからの光束を非一
定ピッチの回折格子にて回折させた後干渉光束として利
用することを特徴とする干渉装置である。
【００１３】上述目的を達成するための第３発明は、マ
ルチモード発振している半導体レーザからの光束をフレ
ネルレンズないし回折レンズによって収束ないし発散さ
せた後干渉光束として利用することを特徴とする干渉装
置である。
ルチモード発振している半導体レーザからの光束をフレ
ネルレンズないし回折レンズによって収束ないし発散さ
せた後干渉光束として利用することを特徴とする干渉装
置である。
【００１４】上述目的を達成するための第４発明は、光
源にマルチモード動作する半導体レーザを用い、該光源
からの光束をビームスプリッタにて分割し、一方を固定
反射面に入射させ、他方を被検面に入射させて、該両面
からの戻り光を前記ビームスプリッタにて合波し、該合
波光束より得られる干渉信号から被検面の相対変位情報
を得る変位測定装置において、光源からの光束をフレネ
ルレンズないし回折レンズによって収束ないし発散させ
た後干渉光束として利用することを特徴とする変位測定
装置である。
源にマルチモード動作する半導体レーザを用い、該光源
からの光束をビームスプリッタにて分割し、一方を固定
反射面に入射させ、他方を被検面に入射させて、該両面
からの戻り光を前記ビームスプリッタにて合波し、該合
波光束より得られる干渉信号から被検面の相対変位情報
を得る変位測定装置において、光源からの光束をフレネ
ルレンズないし回折レンズによって収束ないし発散させ
た後干渉光束として利用することを特徴とする変位測定
装置である。
【００１５】第５発明はさらに、前記フレネルレンズな
いし回折レンズによって収束された光束が前記被検面上
に概略集光するように構成されていることを特徴とす
る。
いし回折レンズによって収束された光束が前記被検面上
に概略集光するように構成されていることを特徴とす
る。
【００１６】上述目的を達成するための第６発明は、上
述のいずれかの変位測定装置を用いて情報記録又は／及
び再生部の変位を検出し、該検出に基づいて前記情報記
録又は／及び再生部の位置制御を行なって媒体に対する
情報の記録又は／及び再生処理を実行することを特徴と
する情報記録又は／及び再生装置である。
述のいずれかの変位測定装置を用いて情報記録又は／及
び再生部の変位を検出し、該検出に基づいて前記情報記
録又は／及び再生部の位置制御を行なって媒体に対する
情報の記録又は／及び再生処理を実行することを特徴と
する情報記録又は／及び再生装置である。
【００１７】上述目的を達成するための第７発明は、上
述のいずれかの変位測定装置を用いて情報記録用磁気ヘ
ッドアームの変位を検出し、該検出に基づいて前記ヘッ
ドアームの位置制御を行なってハードディスクにサーボ
トラック情報の記録処理を実行することを特徴とするサ
ーボトラックライターである。
述のいずれかの変位測定装置を用いて情報記録用磁気ヘ
ッドアームの変位を検出し、該検出に基づいて前記ヘッ
ドアームの位置制御を行なってハードディスクにサーボ
トラック情報の記録処理を実行することを特徴とするサ
ーボトラックライターである。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１は、マルチモード半導体レー
ザの発振スペクトルを示し、横軸が波長、縦軸が相対強
度でリニアスケールで表記してある。スペクトルの特徴
を示す各パラメータとして、主発振波長をλ0とし、発
振モード間の間隔を△λ、複数の発振モードの頂点を結
ぶ包絡線（点線）の半値全幅を△W、各発振モードの半
値全幅を△wとする。実例として、主発振波長λ0＝780n
m、モード間隔△λ＝0．3nm、包絡線半値全幅△W＝2m
n、モード発振全幅△w＝0．06nmのマルチモード半導体
レーザが市販されている。
ザの発振スペクトルを示し、横軸が波長、縦軸が相対強
度でリニアスケールで表記してある。スペクトルの特徴
を示す各パラメータとして、主発振波長をλ0とし、発
振モード間の間隔を△λ、複数の発振モードの頂点を結
ぶ包絡線（点線）の半値全幅を△W、各発振モードの半
値全幅を△wとする。実例として、主発振波長λ0＝780n
m、モード間隔△λ＝0．3nm、包絡線半値全幅△W＝2m
n、モード発振全幅△w＝0．06nmのマルチモード半導体
レーザが市販されている。
【００１９】図２は、図１のスペクトルの状態における
コヒーレンシーを示したものであり、横軸が光路長差、
縦軸が、コヒーレンシー（干渉度）である。ここで光路
長差が0の場合はどのような光源でもコヒーレンシーが1
になり、最大となる。コヒーレンシーのピークの番号を
中心をN＝0として、光路長差が増大する方向にN＝1，
2，3、…とすると、前記市販のマルチモード半導体レー
ザの場合約2000μmの場所で、N＝1のコヒーレンシーの
ピークが現れる。
コヒーレンシーを示したものであり、横軸が光路長差、
縦軸が、コヒーレンシー（干渉度）である。ここで光路
長差が0の場合はどのような光源でもコヒーレンシーが1
になり、最大となる。コヒーレンシーのピークの番号を
中心をN＝0として、光路長差が増大する方向にN＝1，
2，3、…とすると、前記市販のマルチモード半導体レー
ザの場合約2000μmの場所で、N＝1のコヒーレンシーの
ピークが現れる。
【００２０】一般に発振スペクトルが解ればコヒーレン
シー（干渉度）は、計算によりフーリエ変換として求め
られる。またその逆も可能である。しかし一般に計算が
複雑であり、またスペクトル自体が環境温度や駆動条件
によって変動し、また機差も存在するため、本出願人は
半導体レーザの発振スペクトルの状態をいくつかのパラ
メータであらわし、そのパラメータを用いて光路長差が
0でない場所を半導体レーザのスペクトルのパラメータ
λ0、△λ、△Wおよぴ△wであらわして、各パラメータ
がコヒーレンシーに与える式を導入することを検討し
た。
シー（干渉度）は、計算によりフーリエ変換として求め
られる。またその逆も可能である。しかし一般に計算が
複雑であり、またスペクトル自体が環境温度や駆動条件
によって変動し、また機差も存在するため、本出願人は
半導体レーザの発振スペクトルの状態をいくつかのパラ
メータであらわし、そのパラメータを用いて光路長差が
0でない場所を半導体レーザのスペクトルのパラメータ
λ0、△λ、△Wおよぴ△wであらわして、各パラメータ
がコヒーレンシーに与える式を導入することを検討し
た。
【００２１】その結果、コヒーレンシーのピークN＝1，
2，3，…の位置（光路長差）を決めるパラメータとし
て、｜L1-L2｜≒N／{1／λ0−1／（λ0＋△λ）｝＝N・
λ02／△λで表現されることを見出した。また、各コヒ
ーレンシーのピークの半値全幅（干渉測長装置としての
測定レンジ）を決めるパラメータとして、｜L1-L2｜≒
0．6×λ02／△Wで表現されることを見出した。但し、
0．6の値は各発振モードのピークを結ぶ包絡線の形状が
ガウシアン型の場合であり、形状の変化に依存して多少
変動する。
2，3，…の位置（光路長差）を決めるパラメータとし
て、｜L1-L2｜≒N／{1／λ0−1／（λ0＋△λ）｝＝N・
λ02／△λで表現されることを見出した。また、各コヒ
ーレンシーのピークの半値全幅（干渉測長装置としての
測定レンジ）を決めるパラメータとして、｜L1-L2｜≒
0．6×λ02／△Wで表現されることを見出した。但し、
0．6の値は各発振モードのピークを結ぶ包絡線の形状が
ガウシアン型の場合であり、形状の変化に依存して多少
変動する。
【００２２】後述する実施形態では、このコヒーレンシ
ーのピークのうち特に、光路長差零付近のコヒーレシー
の幅をなるべく広くなだらかにする様に構成されてい
る。
ーのピークのうち特に、光路長差零付近のコヒーレシー
の幅をなるべく広くなだらかにする様に構成されてい
る。
【００２３】図２では、コヒーレント長が約100μmであ
ることを示しているが、これを数倍以上にする原理を以
下に述べる。
ることを示しているが、これを数倍以上にする原理を以
下に述べる。
【００２４】通常の屈折レンズは球面形状等によって、
中心部を通った光束の波面の波動光学的光路長と周辺部
を通った光束の波面の波動光学的光路長が一致している
が、フレネルゾーンプレートに代表される回折レンズ
（屈折の代わりに回折現象によって光の収束／発散状態
の変換を行なう素子）は、中心部を通った光束の波面の
波動光学的位相と周辺部を通った光束の波面の波動光学
的位相が一致しているだけであり、周辺部からの集光光
束の光路が長くなる。
中心部を通った光束の波面の波動光学的光路長と周辺部
を通った光束の波面の波動光学的光路長が一致している
が、フレネルゾーンプレートに代表される回折レンズ
（屈折の代わりに回折現象によって光の収束／発散状態
の変換を行なう素子）は、中心部を通った光束の波面の
波動光学的位相と周辺部を通った光束の波面の波動光学
的位相が一致しているだけであり、周辺部からの集光光
束の光路が長くなる。
【００２５】この現象は屈折作用を利用したレンズであ
るフレネルレンズにも同様に言える。即ちフレネルレン
ズは本来のレンズの機能を同心円状に分割して屈折面が
概略平面状に配列される様にしたものであるので、実際
には中心部から周辺部になるにしたがって光路長が段階
的に大きくなることになる。
るフレネルレンズにも同様に言える。即ちフレネルレン
ズは本来のレンズの機能を同心円状に分割して屈折面が
概略平面状に配列される様にしたものであるので、実際
には中心部から周辺部になるにしたがって光路長が段階
的に大きくなることになる。
【００２６】回折レンズはその階段状構造等によって、
中心部を基準として、光路長差がλ、2λ、3λ、…とず
れている。よって、集光光束が、被検物体に照明された
場所では、回析レンズの中心部を通ってきた光束に対し
て周辺部を通ってきた光束は時間的に遅れて照明される
から、波長の整数倍分異なる光路長の成分が重ね合わさ
れている。結果、分割された２光束を考えた場合、一方
の分割光束中の回折レンズの周辺より数波長分遅れて到
着した光束成分は、その数波長分該光束よりも長い光路
長差をつけられた他方の分割光束中の回折レンズの中央
を通過した光に対して高い可干渉性を示すことになる。
これによって見かけ上可干渉距離がこの数波長分延長さ
れる。
中心部を基準として、光路長差がλ、2λ、3λ、…とず
れている。よって、集光光束が、被検物体に照明された
場所では、回析レンズの中心部を通ってきた光束に対し
て周辺部を通ってきた光束は時間的に遅れて照明される
から、波長の整数倍分異なる光路長の成分が重ね合わさ
れている。結果、分割された２光束を考えた場合、一方
の分割光束中の回折レンズの周辺より数波長分遅れて到
着した光束成分は、その数波長分該光束よりも長い光路
長差をつけられた他方の分割光束中の回折レンズの中央
を通過した光に対して高い可干渉性を示すことになる。
これによって見かけ上可干渉距離がこの数波長分延長さ
れる。
【００２７】なおレーザ光束は断面で強度を見たとき、
一般にガウシアン分布であるから、中央を通る光の強度
が大きく、周辺ほど強度は小さい。図２のような可干渉
性を示す光束を考えた場合、強度分布の影響を加味した
上で、光路長差分だけ横にずらした各コヒーレンシーの
グラフを加算すれば、理論上これが回折レンズから射出
した集光光束のコヒーレンシーになる。但し、当然コヒ
ーレンシーのピークは低下し、干渉させた場合のコント
ラストも低下する。図３は、そうした操作を示す図であ
り、この図においては中央の包絡線の半値全幅として、
800μmを示している。即ちこの場合元の状態に対して、
可干渉距離は見かけ上８倍になっていることになる。
一般にガウシアン分布であるから、中央を通る光の強度
が大きく、周辺ほど強度は小さい。図２のような可干渉
性を示す光束を考えた場合、強度分布の影響を加味した
上で、光路長差分だけ横にずらした各コヒーレンシーの
グラフを加算すれば、理論上これが回折レンズから射出
した集光光束のコヒーレンシーになる。但し、当然コヒ
ーレンシーのピークは低下し、干渉させた場合のコント
ラストも低下する。図３は、そうした操作を示す図であ
り、この図においては中央の包絡線の半値全幅として、
800μmを示している。即ちこの場合元の状態に対して、
可干渉距離は見かけ上８倍になっていることになる。
【００２８】図４は、本発明の第１の実施形態の干渉装
置であるところの、干渉計利用の微小変位測定装置への
適用構成例の概略構成図である。本実施形態では、光源
LDにマルチモード半導体レーザを用い、偏光ビームスブ
リッタプリズムPBSの端面に参照反射面Mを設けたものを
使用している。
置であるところの、干渉計利用の微小変位測定装置への
適用構成例の概略構成図である。本実施形態では、光源
LDにマルチモード半導体レーザを用い、偏光ビームスブ
リッタプリズムPBSの端面に参照反射面Mを設けたものを
使用している。
【００２９】光源LDからのレーザ光束は、回折レンズ
（ここではフレネルゾーンプレート）DLにより緩い集光
光束にされてプローブ状のプリズムNCPに入射し、偏光
ピームスプリッタ面PBSで2分割され、一方は、プリズム
端面の反射膜Mにて反射され、もう一方は、プリズム側
面を射出して、側面から所定の（具体的数値例としては
約1mmの）距離だけ離れた空間に配置した被検物体ARM1
の側面にて反射される。
（ここではフレネルゾーンプレート）DLにより緩い集光
光束にされてプローブ状のプリズムNCPに入射し、偏光
ピームスプリッタ面PBSで2分割され、一方は、プリズム
端面の反射膜Mにて反射され、もう一方は、プリズム側
面を射出して、側面から所定の（具体的数値例としては
約1mmの）距離だけ離れた空間に配置した被検物体ARM1
の側面にて反射される。
【００３０】それぞれの反射光束は元の光路をたどって
偏光ピームスブリッタPBSまで戻され、そこで波面を再
合成される。このとき両者間の波動光学的光路長差は、
光軸上（光束の中心）で零付近になっている。よって図
３に示したように、合成した光束によるコヒーレンシー
による光路長差の範囲にて、広義の干渉現象（波面がベ
クトル的に合成できること：ここでは偏光面が直行して
いるので明暗信号にはなっていない）が生じる。
偏光ピームスブリッタPBSまで戻され、そこで波面を再
合成される。このとき両者間の波動光学的光路長差は、
光軸上（光束の中心）で零付近になっている。よって図
３に示したように、合成した光束によるコヒーレンシー
による光路長差の範囲にて、広義の干渉現象（波面がベ
クトル的に合成できること：ここでは偏光面が直行して
いるので明暗信号にはなっていない）が生じる。
【００３１】非偏光ピームスブリッタNBSにより光源と
異なる側に合成した光束をとりだし、1／4波長板QWPを
透過させることで、合成光束を構成する2光束間の波面
のずれ（位相ずれ）によって直線偏光の向きが回転する
直線偏光光束に変換される。この光束（球面波）を実質
的に同位相部分のみを通過させる為のピンホールAPを通
過させた後、（例えば二次元配列の回折格子等より構成
される）4分割回折格子GBSによって４分割する。この４
分割した光束（それぞれは偏光軸が回転する直線偏光光
束）を、偏光方向を４５度ずつ異ならせた偏光板PP1、P
P2、PP3、PP4を透過させることで、各々の光束において
偏光軸が偏光板と一致したタイミングで最大透過光束が
得られる。この各光束を受光素子PD1〜PD4にて受光検出
する。実際にはフオトダイオード等の光電素子によって
電気信号に変換されて増幅された後に電気信号として出
力される。
異なる側に合成した光束をとりだし、1／4波長板QWPを
透過させることで、合成光束を構成する2光束間の波面
のずれ（位相ずれ）によって直線偏光の向きが回転する
直線偏光光束に変換される。この光束（球面波）を実質
的に同位相部分のみを通過させる為のピンホールAPを通
過させた後、（例えば二次元配列の回折格子等より構成
される）4分割回折格子GBSによって４分割する。この４
分割した光束（それぞれは偏光軸が回転する直線偏光光
束）を、偏光方向を４５度ずつ異ならせた偏光板PP1、P
P2、PP3、PP4を透過させることで、各々の光束において
偏光軸が偏光板と一致したタイミングで最大透過光束が
得られる。この各光束を受光素子PD1〜PD4にて受光検出
する。実際にはフオトダイオード等の光電素子によって
電気信号に変換されて増幅された後に電気信号として出
力される。
【００３２】なお、明暗信号位相（干渉位相）は光路長
差を主波長λ0で割った値に2πをかけたものとなる。ま
た明暗変化の周期は偏光ブリズム出射端との相対距離が
0．5波長分変化すると1周期の明暗変化になる。よっ
て、半導体レーザの主波長λ0を0．78μmとすると、0．
39μm周期の正弦波状明暗信号が得られる。
差を主波長λ0で割った値に2πをかけたものとなる。ま
た明暗変化の周期は偏光ブリズム出射端との相対距離が
0．5波長分変化すると1周期の明暗変化になる。よっ
て、半導体レーザの主波長λ0を0．78μmとすると、0．
39μm周期の正弦波状明暗信号が得られる。
【００３３】偏光板PP1〜PP4は互いに偏光軸を45度ずら
して配置してあるので、受光素子PD1〜PD4に入射する光
束の明暗の位相がそれぞれ９０度ずつずれる。即ち受光
素子PD1，PD2に入射する光束の明暗の位相が180度ず
れ、受光素子PD3，PD4に入射する光束の明暗の位相が18
0度ずれることになる。そこでこれらの組み合わせの信
号光束を不図示の回路によって電気的に差動増幅するこ
とで、オフセットが安定した二相周期信号（A、B）が検
出できる。この際の差動検出後の周期信号A、B間は位相
差が90度である。このオフセットの安定は、被検物体の
移動の量を正弦波信号をもとに電気的に内挿して高分解
能に検出するため重要である。この二相周期信号をもと
に、不図示の信号処理系でパルス信号を形成し、これを
変位方向を加味してカウントすることで測定ユニットNC
PUに対する被検物体ARM1の変位量が測定される。
して配置してあるので、受光素子PD1〜PD4に入射する光
束の明暗の位相がそれぞれ９０度ずつずれる。即ち受光
素子PD1，PD2に入射する光束の明暗の位相が180度ず
れ、受光素子PD3，PD4に入射する光束の明暗の位相が18
0度ずれることになる。そこでこれらの組み合わせの信
号光束を不図示の回路によって電気的に差動増幅するこ
とで、オフセットが安定した二相周期信号（A、B）が検
出できる。この際の差動検出後の周期信号A、B間は位相
差が90度である。このオフセットの安定は、被検物体の
移動の量を正弦波信号をもとに電気的に内挿して高分解
能に検出するため重要である。この二相周期信号をもと
に、不図示の信号処理系でパルス信号を形成し、これを
変位方向を加味してカウントすることで測定ユニットNC
PUに対する被検物体ARM1の変位量が測定される。
【００３４】図５は、図４の微小変位測定装置をコンピ
ュータのハードディスクドライブ装置の製造時に必要な
サーボトラック信号書き込み装置（サーボトラックライ
ター）における磁気へッドアームの変位を高精度に測定
する装置に適用した例である。この場合被検物体ARM1は
磁気ヘッド用のアームである。
ュータのハードディスクドライブ装置の製造時に必要な
サーボトラック信号書き込み装置（サーボトラックライ
ター）における磁気へッドアームの変位を高精度に測定
する装置に適用した例である。この場合被検物体ARM1は
磁気ヘッド用のアームである。
【００３５】ハードディスクドライブ装置HDDは、ハー
ドディスクHD、磁気ヘッドアームARM１、スライダーSLI
D、ボイスコイルVCM等より成る。ハードディスクドライ
ブHDDの筐体内のハードディスクHD表面には磁気記録媒
体が蒸着されていて、ハードディスクHDはスピンドルを
中心に常時高速で回転している。ハードディスクHDの表
面に近接して磁気へッドが配置されている。磁気へッド
は、ハードディスクHDの外側に回転中心Oを持つアームA
RM1の先端に取り付けられたスライダーSLIDと呼ばれる
略直方体の部分に組み込まれていて、ハードディスクHD
上を略半径方向に相対移動できるようになっている。よ
って、回転するハードディスクHDと円弧移動する磁気へ
ッドによって、円盤状のハードディスク表面上の任意の
位置（トラック）に磁気情報を書き込んだり読み取った
りすることができる。
ドディスクHD、磁気ヘッドアームARM１、スライダーSLI
D、ボイスコイルVCM等より成る。ハードディスクドライ
ブHDDの筐体内のハードディスクHD表面には磁気記録媒
体が蒸着されていて、ハードディスクHDはスピンドルを
中心に常時高速で回転している。ハードディスクHDの表
面に近接して磁気へッドが配置されている。磁気へッド
は、ハードディスクHDの外側に回転中心Oを持つアームA
RM1の先端に取り付けられたスライダーSLIDと呼ばれる
略直方体の部分に組み込まれていて、ハードディスクHD
上を略半径方向に相対移動できるようになっている。よ
って、回転するハードディスクHDと円弧移動する磁気へ
ッドによって、円盤状のハードディスク表面上の任意の
位置（トラック）に磁気情報を書き込んだり読み取った
りすることができる。
【００３６】前述のようにハードディスクHDの外側に回
転軸Oをもつ磁気ヘッドアームARM１が取り付けられてい
て、その先端に取り付けられたスライダーSLIDが、ハー
ドディスク面に対向して、数ミクロン（以下）のギャッ
プで配置されていて、磁気ヘッドアームARM1の回転によ
って、円弧状に移動する構成になっている。回転はボイ
スコイルVCMに電流を流すことで行われる。
転軸Oをもつ磁気ヘッドアームARM１が取り付けられてい
て、その先端に取り付けられたスライダーSLIDが、ハー
ドディスク面に対向して、数ミクロン（以下）のギャッ
プで配置されていて、磁気ヘッドアームARM1の回転によ
って、円弧状に移動する構成になっている。回転はボイ
スコイルVCMに電流を流すことで行われる。
【００３７】SGはハードディスクに書き込むサーボトラ
ック信号を発生させるシグナルジェネレータで、このサ
ーボトラック信号がスライダーSLIDの磁気ヘッドを介し
てハードディスクに書き込まれる。
ック信号を発生させるシグナルジェネレータで、このサ
ーボトラック信号がスライダーSLIDの磁気ヘッドを介し
てハードディスクに書き込まれる。
【００３８】本装置においては、アームARM2に前述の測
定ユニットNCPUを設けている。アームARM2は磁気ヘッド
アームARM１の回転軸Oと同じ回転中心を持つ回転軸にて
回転するように配置され、プローブ状のプリズムNCP
は、ハードディスクドライブ装置HDDの内側に配置され
て磁気ヘッドアームARM1に対向する光束出射側面を、磁
気ヘッドアームARM1と同じ回転中心にて回転移動でき
る。測定ユニットNCPUの回転位置は、ARM2の回転軸に取
り付けられた高分解能ロータリーエンコーダREによって
測定される。
定ユニットNCPUを設けている。アームARM2は磁気ヘッド
アームARM１の回転軸Oと同じ回転中心を持つ回転軸にて
回転するように配置され、プローブ状のプリズムNCP
は、ハードディスクドライブ装置HDDの内側に配置され
て磁気ヘッドアームARM1に対向する光束出射側面を、磁
気ヘッドアームARM1と同じ回転中心にて回転移動でき
る。測定ユニットNCPUの回転位置は、ARM2の回転軸に取
り付けられた高分解能ロータリーエンコーダREによって
測定される。
【００３９】これらの装置構成で次の手順で非接触微小
位置決めを行う。
位置決めを行う。
【００４０】まず、シグナルプロセッサーSP1の制御に
より、測定ユニットNCPUをモーターMOおよびモータドラ
イバMDを用いて、サーボトラック信号書込位置を切り替
えるための磁気ヘッドの変位量に対応する微小角度だけ
回転移動させる。モーターMOおよびロータリーエンコー
ダREは回転軸を連結されていて、エンコーダREの検出信
号を用いてシグナルプロセッサーSP1、モーターMOおよ
びモータドライバMDの系で指定角度からのずれなく高精
度回転位置決めができるようなフィードバック制御を実
行する。
より、測定ユニットNCPUをモーターMOおよびモータドラ
イバMDを用いて、サーボトラック信号書込位置を切り替
えるための磁気ヘッドの変位量に対応する微小角度だけ
回転移動させる。モーターMOおよびロータリーエンコー
ダREは回転軸を連結されていて、エンコーダREの検出信
号を用いてシグナルプロセッサーSP1、モーターMOおよ
びモータドライバMDの系で指定角度からのずれなく高精
度回転位置決めができるようなフィードバック制御を実
行する。
【００４１】一方、測定ユニットNCPUから出力される磁
気ヘッドアームARM１の側面に対する相対的間隔の変化
量情報はシグナルプロセッサーSP2に伝達され、シグナ
ルプロセッサーSP2の制御により、両者の間隔をあらか
じめ決定された所定間隔に保つように、ボイスコイルモ
ータVCM及びボイスコイルモータドライバを用いて、磁
気ヘッドアームARM１の回転位置をサーボ制御する。こ
れによってシグナルプロセッサーSP1によって指定され
た微小回転角度だけ磁気ヘッドアームARM１が正確に回
転変位される。
気ヘッドアームARM１の側面に対する相対的間隔の変化
量情報はシグナルプロセッサーSP2に伝達され、シグナ
ルプロセッサーSP2の制御により、両者の間隔をあらか
じめ決定された所定間隔に保つように、ボイスコイルモ
ータVCM及びボイスコイルモータドライバを用いて、磁
気ヘッドアームARM１の回転位置をサーボ制御する。こ
れによってシグナルプロセッサーSP1によって指定され
た微小回転角度だけ磁気ヘッドアームARM１が正確に回
転変位される。
【００４２】このようにして、間接的に磁気ヘッドアー
ムを微小精密位置決めし、停止の都度、繰り返してハー
ドディスク上にサーボトラック信号を記録することで高
密度なサーボトラック信号書込装置が実現できる。
ムを微小精密位置決めし、停止の都度、繰り返してハー
ドディスク上にサーボトラック信号を記録することで高
密度なサーボトラック信号書込装置が実現できる。
【００４３】ハードディスク表面上への磁気記録方式
は、まず、ハードディスク回転中心に対して、同芯円の
半径の異なる複数の円環状トラックに分割し、さらにそ
れぞれの円環状のトラックも複数個の円弧に分割され、
最終的に複数個の円弧状領域に、周方向に沿って時系列
に記録再生されるようになっている。
は、まず、ハードディスク回転中心に対して、同芯円の
半径の異なる複数の円環状トラックに分割し、さらにそ
れぞれの円環状のトラックも複数個の円弧に分割され、
最終的に複数個の円弧状領域に、周方向に沿って時系列
に記録再生されるようになっている。
【００４４】最近の動向として、ハードディスクの記録
容量アッブが求められ、ハードディスクへの記録情報を
高密度化する要望がある。ハードディスクへの記録情報
を高密度化する手段としては、同芯円状に分割したトラ
ック幅を狭くして、半径方向への記録密度を向上させる
ことが有効である。半径方向への記録密度は1インチ長
あたりのトラック密度TPI（track／inch）で表現され、
現在8000TPI程度である。これはトラック間隔が約3．12
5ミクロンであることを意味している。
容量アッブが求められ、ハードディスクへの記録情報を
高密度化する要望がある。ハードディスクへの記録情報
を高密度化する手段としては、同芯円状に分割したトラ
ック幅を狭くして、半径方向への記録密度を向上させる
ことが有効である。半径方向への記録密度は1インチ長
あたりのトラック密度TPI（track／inch）で表現され、
現在8000TPI程度である。これはトラック間隔が約3．12
5ミクロンであることを意味している。
【００４５】こうした微細なトラックピッチを割り出す
ためには、磁気へッド（スライダー）をハードディスク
HDの半径方向にトラック幅の1／50程度の分解能（0．06
ミクロン）で位置決めをして、あらかじめサーボトラッ
ク信号を書き込んでおく必要がある。ここで重要な技術
は、短時間に高分解能な位置決めをしながら、順次サー
ボトラック信号を書き込むことである。本実施例によれ
ば、光学的な手段によって磁気へッドアームの移動を高
精度に測定するために、非常に小型なプローブ状の測定
装置を磁気へッド近傍に配置して、簡単な設置によって
容易に信号が得られる測定装置が実現できる。
ためには、磁気へッド（スライダー）をハードディスク
HDの半径方向にトラック幅の1／50程度の分解能（0．06
ミクロン）で位置決めをして、あらかじめサーボトラッ
ク信号を書き込んでおく必要がある。ここで重要な技術
は、短時間に高分解能な位置決めをしながら、順次サー
ボトラック信号を書き込むことである。本実施例によれ
ば、光学的な手段によって磁気へッドアームの移動を高
精度に測定するために、非常に小型なプローブ状の測定
装置を磁気へッド近傍に配置して、簡単な設置によって
容易に信号が得られる測定装置が実現できる。
【００４６】特に光源として半導体レーザのような光源
を使用した際にこれをマルチモードで使用することで、
モードホップによる波長の変化に起因する測定誤差を防
止し、且つそのようなマルチモードの半導体レーザを使
用する際にこれを見かけ上可干渉距離を延ばす前述の構
成としたことで、作動距離を延ばして使用の利便性、測
定レンジの向上等の更なる効果を得ることができる。ハ
ードディスク製造ラインに組み込まれて繰り返し着脱し
て、測定するためには、測定領域が狭いと操作性、生産
性に影響するので、こうした装置への適用は、高分解
能、小型性と作業性を兼ね備えさせることができるもの
として特に有効である。
を使用した際にこれをマルチモードで使用することで、
モードホップによる波長の変化に起因する測定誤差を防
止し、且つそのようなマルチモードの半導体レーザを使
用する際にこれを見かけ上可干渉距離を延ばす前述の構
成としたことで、作動距離を延ばして使用の利便性、測
定レンジの向上等の更なる効果を得ることができる。ハ
ードディスク製造ラインに組み込まれて繰り返し着脱し
て、測定するためには、測定領域が狭いと操作性、生産
性に影響するので、こうした装置への適用は、高分解
能、小型性と作業性を兼ね備えさせることができるもの
として特に有効である。
【００４７】尚、図５の実施例においては、情報記録装
置としてのサーボトラックライターを例に挙げたが、同
様の構成で情報再生装置、例えばハードディスクの書き
込み情報を読取って検査する装置に使用することも可能
であり、更に両方の機能を有する装置としてもよい。
置としてのサーボトラックライターを例に挙げたが、同
様の構成で情報再生装置、例えばハードディスクの書き
込み情報を読取って検査する装置に使用することも可能
であり、更に両方の機能を有する装置としてもよい。
【００４８】又、上述実施例では回折レンズをフレネル
ゾーンプレートとして説明したが、例えばその他のホロ
グラム素子としても良い。また、レンズとしての使用が
望ましい形態であるが、一光束内で部分的に互いに実質
的な光路長差を発生させる素子であればよく、非一定の
格子ピッチの回折格子によってこれを実現すればレンズ
には限られない。さらに、回折レンズではなく、前述し
たフレネルレンズとしても良い。この場合、各屈折面か
らの光束の波面の位相差を互いにλの整数倍に整合させ
た構成とすれば良い。
ゾーンプレートとして説明したが、例えばその他のホロ
グラム素子としても良い。また、レンズとしての使用が
望ましい形態であるが、一光束内で部分的に互いに実質
的な光路長差を発生させる素子であればよく、非一定の
格子ピッチの回折格子によってこれを実現すればレンズ
には限られない。さらに、回折レンズではなく、前述し
たフレネルレンズとしても良い。この場合、各屈折面か
らの光束の波面の位相差を互いにλの整数倍に整合させ
た構成とすれば良い。
【００４９】更に、干渉装置としてはマイケルソン干渉
計に限られず、フィゾー干渉計や格子干渉計、レーザー
ドップラー速度計等にも応用できるものである。
計に限られず、フィゾー干渉計や格子干渉計、レーザー
ドップラー速度計等にも応用できるものである。
【００５０】
【発明の効果】以上述べてきた本発明よれば、以下の効
果を達成できるものである。1、光を用いた干渉装置で
高分解能、高精度が原理的に非接触で実現できる。2、
光源にマルチモード半導体レーザを用いているので小型
で、且つモードホップによる誤作動がない。3、測定レ
ンジが光源自身の特性以上に広くできるので、測定領域
への引き込み、調整等が簡単である。
果を達成できるものである。1、光を用いた干渉装置で
高分解能、高精度が原理的に非接触で実現できる。2、
光源にマルチモード半導体レーザを用いているので小型
で、且つモードホップによる誤作動がない。3、測定レ
ンジが光源自身の特性以上に広くできるので、測定領域
への引き込み、調整等が簡単である。
【図１】マルチモード半導体レーザの発振スペクトルの
スペックの説明図。
スペックの説明図。
【図２】マルチモード半導体レーザからの光のコヒーレ
ンシーの説明図。
ンシーの説明図。
【図３】本発明の実施形態におけるコヒーレンシーの説
明図。
明図。
【図４】本発明の第１の実施形態の微小変位測定装置の
構成説明図。
構成説明図。
【図５】第1実施形態の適用例の構成説明図。
ＬＤ 光源 Ｍ 参照反射面 ＤＬ 回折レンズ ＮＣＰ プローブ状のプリズム ＰＢＳ 偏光ピームスプリッタ面 ＡＲＭ１ 被検物体 ＮＢＳ 非偏光ピームスブリッタ ＱＷＰ １／４波長板 ＡＰ ピンホール ＧＢＳ ４分割回折格子 ＰＰ１〜ＰＰ４ 偏光板 ＰＤ１〜ＰＤ４ 受光素子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 門脇 秀次郎 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 (72)発明者 門島 孝幸 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 (72)発明者 金田 泰 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 (72)発明者 法隆 榮 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノ ン株式会社内 Ｆターム(参考） 2F064 AA01 BB00 CC10 EE01 FF01 GG33 GG38 GG46 2F065 AA03 CC03 FF52 GG06 HH04 HH08 JJ01 JJ05 JJ18 LL10 LL11 LL36 LL42 PP22 UU07 5D042 LA04 MA02 MA12 5D096 AA02 DD08 JJ01 WW02
Claims (7)
- 【請求項１】 マルチモード発振している半導体レーザ
からの光束を一光束内で部分的に互いに実質的な光路長
差を与えた後干渉光束として利用することを特徴とする
干渉装置。 - 【請求項２】 マルチモード発振している半導体レーザ
からの光束を非一定ピッチの回折格子にて回折させた後
干渉光束として利用することを特徴とする干渉装置。 - 【請求項３】 マルチモード発振している半導体レーザ
からの光束をフレネルレンズないし回折レンズによって
収束ないし発散させた後干渉光束として利用することを
特徴とする干渉装置。 - 【請求項４】 光源にマルチモード動作する半導体レー
ザを用い、該光源からの光束をビームスプリッタにて分
割し、一方を固定反射面に入射させ、他方を被検面に入
射させて、該両面からの戻り光を前記ビームスプリッタ
にて合波し、該合波光束より得られる干渉信号から被検
面の相対変位情報を得る変位測定装置において、光源か
らの光束をフレネルレンズないし回折レンズによって収
束ないし発散させた後干渉光束として利用することを特
徴とする変位測定装置。 - 【請求項５】 前記フレネルレンズないし回折レンズに
よって収束された光束が前記被検面上に概略集光するよ
うに構成されていることを特徴とする請求項５に記載の
変位測定装置。 - 【請求項６】 前記請求項４、５のいずれかの変位測定
装置を用いて情報記録又は／及び再生部の変位を検出
し、該検出に基づいて前記情報記録又は／及び再生部の
位置制御を行なって媒体に対する情報の記録又は／及び
再生処理を実行することを特徴とする情報記録又は／及
び再生装置。 - 【請求項７】 前記請求項４、５のいずれかの変位測定
装置を用いて情報記録用磁気ヘッドアームの変位を検出
し、該検出に基づいて前記ヘッドアームの位置制御を行
なってハードディスクにサーボトラック情報の記録処理
を実行することを特徴とするサーボトラックライター。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11128349A JP2000321021A (ja) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | 干渉装置、変位測定装置、及びそれを用いた情報記録又は／及び再生装置 |
| US09/562,434 US6473184B1 (en) | 1999-05-10 | 2000-05-01 | Interferometer which divides light beams into a plurality of beams with different optical paths |
| EP00109795A EP1052475A3 (en) | 1999-05-10 | 2000-05-09 | Interferometer, displacement measuring apparatus, and information recording or/and reproducing apparatus using it |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11128349A JP2000321021A (ja) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | 干渉装置、変位測定装置、及びそれを用いた情報記録又は／及び再生装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000321021A true JP2000321021A (ja) | 2000-11-24 |
Family
ID=14982624
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11128349A Pending JP2000321021A (ja) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | 干渉装置、変位測定装置、及びそれを用いた情報記録又は／及び再生装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6473184B1 (ja) |
| EP (1) | EP1052475A3 (ja) |
| JP (1) | JP2000321021A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005043353A (ja) * | 2003-07-05 | 2005-02-17 | Carl Zeiss Smt Ag | 偏光固有調査方法、光学的結像システムおよび校正方法 |
| WO2016046905A1 (ja) * | 2014-09-24 | 2016-03-31 | パイオニア株式会社 | 測定装置及び測定方法、並びにコンピュータプログラム及び記録媒体 |
| CN106952668A (zh) * | 2017-04-07 | 2017-07-14 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 多功能激光聚变诊断干涉仪 |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6631047B2 (en) * | 1997-09-22 | 2003-10-07 | Canon Kabushiki Kaisha | Interference device, position detecting device, positioning device and information recording apparatus using the same |
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