JPS6163931A - 焦点調整装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は１例えばレーザ光学系の焦点を自動的に検出し
て焦点位置を所望位置に自動位置決めする焦点調整装ｆ
ｉＫ関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、レーザ光学系の焦点検出法としては２例えば円柱
レンズ、プリズム等の特殊なレンズを用いて、この特殊
なレンズを通過したレーザ光を光学センナで検出するこ
とＫより行っている。また。

他の方法としては、レーザ光学系の焦点位置近傍にスリ
ットが穿設されたスリット板を配設し、とのスリット板
を光軸に対して直角方向に振動させ。

このときスリットを通過したレーザ光の位相の変化に基
づいて焦点を検出する方法がある。

しかるに、前者の方法は、上記特殊なレンズの位置決め
精度が悪いと、精密な焦点検出ができない難点をもって
いる。一方、後者の方法は、レーザ光の光軸が正確スリ
ットを通過するように位置決めする必要があり、このた
め作業能率が低下することはもとよシ、高い検出精度を
得ることが困難となっている。

〔発明の目的〕

本発明は、上記事情を参酌してなされたもので。

焦点位置の検出及び位置決めを自動的かつ高能率で行う
ととのできる焦点調整装置を提供することを目的とする
。

〔発明の概要〕

光学系から投射された収束光をスリットを有するマスク
板を介して２分割受光センナにて受光し。

この２分割センナから出力された二つの信号に基づいて
これら二つの信号の和を示す和信号及びこれら二つの信
号の差を示す差信号を求め、さらに和信号のピーク値及
び差信号のピーク−ピーク値を求め、これらピーク値及
びピーク−ピーク値に基づいて合焦操作を行うようにし
たものでちる。

〔発明の実施例〕

以下１本発明の一実施例を図面を参照して詳述する。

第１図は、この実施例の焦点調整装置を示している。こ
の焦点調整装置は、レーザ光学系（１）が設置された基
台（２）と、レーザ光学系（１）の焦点位置を検出する
焦点検出部（３）、この焦点検出部（３）の一部をなす
スリット板（４）上にレーザ光学系（１）の焦点がくる
ように位置決めする位置決め部（５）と、上記焦点検出
部（３）及び位置決め部（５）の作動を統御する演算制
御部（６）とからなっている。しかして、上記レーザ光
学系（１）は、第２図に示すように、半導体レーザ（力
と、この半導体レーザ（力から全損されたレーザ光（８
）を平行光束に変換するコリメータレンズ（９）と、こ
のコリメータレンズ（９）を通過したレーザ光（８）を
上方向に反射するビームスプリッタ四と。

このビームスプリッタαＣを通過したレーザ光（８）を
円偏光に変換する１／４波長板αυと、この１／４波長
板（１１）を通過したレーザ光（８）を収束させる対物
レンズαりと、例えば光ディスク（＋３）によシ反射さ
れ同一光路を逆進してビームスプリッタ０１を透過した
レーザ光（１荀を集光する集光レンズ（へ）と、この集
光レンズα９を通過したレーザ光Ｉを真円にする円筒レ
ンズ俣Ｑと、この円筒レンズα６）を通過したレーザ光
α４を受光して光電変換する複数の光電素子が等配され
てなる分割センサαＤとからなっている。つまシ、この
実施例の装置は、対物レンズＵの焦点位置の検出を主目
的としていて、このレーザ光学系（１）はその光軸が上
下方向となるように基台（２）に設置されている。しか
して、位置決め部（５）は、基台（２）上罠立設された
支持柱α棒と、この支持柱部に矢印（１９１）、　（１
９ｂ）方向（上下方向）に摺動自在に装設されたテーブ
ル翰と、このテーブル（イ）に螺着゛された送シねじＩ
２υと、基台（２）に固設され回転軸が送）ねじＣ１１
１）に連結され送りねじ（２１）を回転駆動するステッ
ピングモータ０３と、このステッピングモータ（２）を
制御するモータドライバ（ハ）とから構成されている。

そして、テーブル四は、ステッピング七−タ＠ノ回転に
連動して、矢印（１９ａ）、　（１９ｂ）方向に昇降す
るようになっている。一方、焦点検出部（３）は、テー
ブル（イ）に数段され矢印（ｘ９ａ）、　（１９ｂ）方
向に直交する矢印（２４ａ）、　（２４ｂ）方向に振動
を付与する例えばピエゾアクチュエータなどの加担６　
ｖ４）と、との加振器（２４）の先端にレーザ光学系（
１）の光軸（１ａ）とほぼ同軸となるように連設された
円筒状の保持体頓と、この保持体（至）の下端部間口に
装着されたスリット板（４）と、保持体（ハ）の上端部
開口に装着された２分割受光センサ弼と、この２分割受
光センサ（ハ）Ｋ電気的に接続された焦点演算回路（財
）とからなっている。上記スリット板（４）は、第３図
（Ａ）、　ＣＢ）に示すように１例えばガラス板などの
透明基板（至）と、この透明基板（イ）の片側主面に形
成された厚さ例えば２０００＾のＣｒ蒸着膜からなるマ
スク翰とからなっている。このマスク（イ）Ｋは一定の
ピッチ間隔（例えば１０．５μｍ）で複数本の互に平行
なスリット（至）・・・が形成されている。これらスリ
ット（至）・・・の幅は、集束されたレーザ光の径とほ
ぼ同程度となるようＫ例えば１μｍに設定されている。

また、スリン）　（３（Ｊ・・・の長手方向は、矢印（
ｚ４ａ）、　（２４ｂ）方向に直交するように設定され
ている。そして、加振器（２）は、スリットＣ３０１・
・・のピッチ以上の振幅（例えば。

１５μｍ）でスリット板を振＠きせるように設定されて
いる。また、２分割受光センサ（イ）は、一対の受光素
子Ｇυ、　Ｏａからなっている。そして、２分割受光セ
ンサＱｅ及びスリット板（４）の板面は、光軸（１ａ）
に対して直交するように配設されている。また、スリッ
ト（至）・・・の長手方向と受光素子０１）、Ｃ３Ｂの
直線をなす境界線は、互に平行となるように設定されて
いる。一方、焦点演算回路＠は、受光素子Ｇｌ）、０３
に各別に接続された増幅器ｃ！に３．Ｏａ、＝、これら
増幅器（至）、Ｃｌ４）の出力側に接続された加算器（
至）と、同じく増幅器（至）、０４）の出力側に接続さ
れた減算器（ト）と。

加算器（至）の出力側に接続されたピーク検出器Ｑ７）
と、減算器（至）の出力側に出力されたピーク−ピーク
検出器（至）とからなっている。しかして、演算制御部
（６）　ハ、マイクロコンビ、−夕を主構成要素とする
ものであって、演算、記憶、制御機能を具有している。

そして、この演算制御部（６）は、ピーク検出器（ロ）
及びピーク−ピーク検出器（至）からの検出信号を入力
するとともに、これら各検出器Ｇ７）、（至）を適時に
クリアするようになっている。また、この演算制御部（
６）には、作業プログラムが格納されていて、この作業
プログラムに基づいて、モータドライバ（ハ）及び加振
器（財）に制御信号を出力するようになりている。

つぎに、上記構成の焦点検出装置の作動について述べる
。

まず、レーザ光学系（１）よりレーザ光（８）を出光さ
せる。ついで、加振器１２４）によシ、スリット板（４
）を矢印（２４ａ）、　（２４ｂ）方向に例えば振幅１
５μｍで振動させる。すると、スリット板（４）のスリ
ット（至）・・・を通過したレーザ光（８）は、受光素
子Ｃ３υ、（至）にて受光され光電翌換される。そして
、各受光素子Ｇυ、　ｒ３ａからは、受光量に対応した
大きさの電圧を有する信号ＳＡ、　ＳＢが出力される。

これら信号ＳＡ、　８Ｂは。

それぞれ増幅器（ト）、（２）にて増幅され、加算器（
至）及び減算器（ハ）Ｋ入力する。そして、加算器（至
）にては、信号ＳＡ、８Ｂが加算され、それらの和を示
す信号ＳＣがピーク検出器Ｃ３７）に出力される。一方
、減算器（至）にては、信号ＳＡ、　ＳＢが減算され、
それらの差を示す信号ＳＤがピーク−ピーク検出器（至
）に出力される。

しかして、ピーク検出器（３７）にては、入力している
信号ＳＣの最大ピーク値が逐次検出され、検出されたピ
ーク値を示す和信号ＳＥが演算制御部（６）に出力され
る。一方、ピーク−ピーク検出器（至）にては。

入力している信号ＳＤの最大ピーク値と最小ピーク値と
の差を示す差信号ＳＦが演算制御部（６）に出力される
。ところで、第４図に示すように、焦点（Ｆ）位置がス
リット板（４）上にあるとき、すなわち焦点（Ｆ）位置
が適正位置にあるときには、和信号ＳＥは、最大となシ
、逆に差信号ＳＦは最小となる。換言すると、焦点（Ｆ
）位置が適正位置にないとき、すなわち焦点ずれを生じ
ているときには、和信号ＳＲは最大値より減少する傾向
を示し、他方、差信号ＳＦは最小値から増加する傾向を
示す。すなわち、和信号ＳＥは１合焦点（Ｆ）位置で最
大値をとる正規分布状の曲線となるのに対して、差信号
８Ｆは、焦点（Ｆ）位置で鞍部つまり最小値となる双丘
状の曲線となる。この点について第５図ないし第１０図
を参照して、さらに詳述する。まず、焦点（Ｆ）がスリ
ット板（４）よシ下側にある場合は、第５図（Ａ）、　
（Ｂ）、　（Ｃ）に示すように、レーザ光の受光位置が
変化する。

すなわち、＠５図（Ａ）にては、受光素子Ｏａにてのみ
レーザ光を受光している。また、第５図（Ｂ）にては１
両方の受光素子Ｇυ、　ｃ３ａにてレーザ光を受光して
いる。また、第５図（Ｃ）にては、レーザ光は。

受光素子０１）Ｋでのみ受光される。したがって、第（
８）図（Ａ）、　（Ｂ）に示すように、和信号８Ｂの時
間変化を示す曲線は、山形となり、差信号８Ｆの時間変
化を示す曲線は山形と谷形が点対称に形成された曲線と
なる。一方、焦点（Ｆ）がスリット板（４）上にある場
合は、第６図（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）に示すように
、レーザ光の受光位置が変化する。すなわち、第６図（
Ａ）　においては、レーザ光は、スリット板（４）によ
シさえぎられ、受光素子ｃｔｎ、ｏａにては受光されな
い。また、第６図ＣＢ）にては、レーザ光は、両方の受
光素子Ｇυ、Ｃ３３にて受光される。このときの受光量
は、ｔ４５図（Ｂ）の場合よりも大きい。また。

第６図（Ｃ）　においては、レーザ光は、スリット板（
４）Ｋよシさえぎられ、受光素子０υ、（至）にては、
受光されない。したがって、第９図（Ａ）、　（Ｂ）に
示すように、和信号ＳＢの時間変化を示す曲線は、ピー
ク値が第８図（Ａ）の場合よシ大きい山形となシ。

一方、差信号ＳＦの時間変化を示す曲線は、そのビーり
値が第８図（Ｂ）よりはるかに小さい微小の双丘状とな
る。さらに、焦点（Ｆ）がスリット板（４）よシ上側に
ある場合は、第７図（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）に示す
ように、レーザ光の受光位置が変化する。すなわち、第
７図（Ａ）においては、レーザ光は、受光素子０１）に
てのみ受光される。また、第７図（Ｂ）にては、レーザ
光は１両方の受光素子６υ、　３３にて受光される。ま
た、第７図（Ｃ）にては、レーザ光は。

受光素子（２）にてのみ受光される。したがって、第１
０図（Ａ）、　（Ｂ）に示すように、和信号ＳＥの時間
変化を示す曲線は、第８図（Ａ）とほぼ同じピーク値の
山形となシ、一方、差信号ＳＦの時間変化を示す曲線は
、第８図（Ｂ）と逆対称の曲線となっている。

かくして、第８図ないし第１０図に示すように、和信号
８Ｂのピーク値は、焦点（Ｆ）がスリット板（４）上に
あるとき最大となる。他方、差信号ＳＦのピーク値唸、
焦点（Ｆ）がスリット板（４）上にあるとき最小となる
。そこで、これらの特性を利用して、第１１図のフロー
チャートに示すように１合焦点操作を自動的に行うとと
ができる。つまシ、和信号ＳＥが最大値となシ差信号Ｓ
Ｆが最小値となる点が合焦位置であるので、この条件を
溝たす位置を求めればよい。そこで、まずテーブル（至
）を矢印（１９ａ）方向に上昇させる（ステップＣ３１
）。このとき、演算制御部（６）にては、和信号ＳＢの
電圧値が増加したかどうかの判定を行う（ステップ（４
Ｇ　）。そして、和信号ＳＥの電圧値が増加した場合に
は、再びテーブル（イ）を上昇させる（ステップ（４１
）　）。しかし、和信号８Ｂの゛電圧値が減少した場合
は、テーブル（２υを矢印（１９ｂ）方向に下降させる
（ステップ０２１）。ついで。

いずれの場合においても、演算制御部（６）にては。

和信号ＳＥの電圧値が最大値ＳＥ（ｍａｘ）（第４図参
照）を通過したか否かが判定され、最大値ＳＲ（ｍａｘ
）を通過するまでテーブルＣｊを昇降させる（ステップ
（４３、（４４）　）。ついで、最大値ＳＥ（ｍａｘ）
を通過すルト。

テーブル（１を一定量だけ上昇させる（ステップ卿）。

つぎに、演算制御部（６）にては、差信号ＳＦの゛電圧
値が増加したかどうかの判定を行う（ステップに））。

そして、差信号ＳＦの電圧値が増加した場合には。

テーブル（イ）を下降させる（ステップ（４ｎ　）。し
かし。

差信号ＳＦの電圧値が減少した場合には、テーブル（至
）を上昇させる（ステップ（ハ））。ついで、いずれの
場合においても、演算制御部（６）にては、差信号ＳＦ
の電圧値が減少から増加に変化したか、すなわち差信号
８Ｆの最小値ＳＦ（ｍｉｎ）　（第４図参照）を通過し
たか否かの判定が行なわれ、最小値ＳＦ（ｍｉｎ）を通
過するまでテーブル■を昇降させる（ステップＧ４’Ｊ
　、　５１　）。ついで、最小値ＳＦ（ｍ１ｎ）をａ　
ｉ　スルと、ステップ（ハ）の場合は、テーブル（イ）
を一定量上昇させ（ステップ５１）　）　、差信号ＳＦ
とその最小値ＳＦ（ｍｉｎ）との差があらかじめ設定し
である設定値１以下になるようにする（ステップ６３）
。他方。

ステップ齢の場合は、テーブル四を一定量下降させ（ス
テップＱ）、差信号ＳＦとその最小値ＳＦ（ｍｉｎ）と
の差が設定値ε以下になるようにする（ステップｆ５４
）。かくして１合焦点操作が完予する。

このように、この実施例の焦点調整装置は、レーザ光学
系（１）の焦点の検出及び位置決めを自動的かつ高精度
で行うことができる。とりわけ、スリット板（４）にス
リット（至）・・・が複数本形成されていることＫより
、煩雑な微調整が不要となシ１合焦点能率が向上する。

なお、上記実施例においては、レーザ光学系（１）を固
定し、スリット板（４）側を矢印（１９ａ）、　（１９
ｂ）方向に動かして焦点の位置決めを行っているが、ス
リット板（４）側を同定し、レーザ光学系（１）側を動
かすようにしてもよい。さらに、不発明の焦点調整装置
は、レーザ光に限ることなく、ビーム径が小さく、かつ
焦点深度が浅い光であれば適用可能である。

〔発明の効果〕

本発明の焦点調整装置は、焦点の検出及び位置決めを自
動的かつ高精度で行うことができる。とυわけ、スリッ
ト板に複数のスリットが複数本形成されていることによ
り、煩雑な微調整が不要とな多能率向上に寄与すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の焦点調整装置の全体構成図
、第２図はレーザ光学系の構成図、第３図（Ａ）、（５
）はヤＡＩμ第１図に示すスリット板の検出出力値との
関係を示すグツ７、第５図ないし第７図は焦点位置と受
光量の関係を示す図、第８図ないし第１０図は焦点位置
と出力電圧値の関係を示すグラフ、第１１図は第１図に
示す焦点調整装置の作動を説明するためのフローチャー
トである。 （１）：レーザ光学系、　　　　＋２）：基台（保持部
）。 （３）：焦点検出部、　　　　　　（４）　ニスリット
板（マスク板）。 （５）：位置決め部、　　　　　（６）　：演算制御部
。 （財）：加振器、　　　　　　弼：２分割受光センナ。 （ｙＪ　：スリ　ッ　ト、　　　　　　０１）　：受光
素子（第１の−→。 （至）：受光素子（第２の−）、（至）；加算器、（至
）：減算器、　　　　　　Ｃ３７）　：ピーク検出器。 Ｏｌ：ピーク−ピーク検出器。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 （ほか１名） 第１図 １０　　　　　・４ 第２図 二”−＋’７ 侶４図 スリット基（力・り乃、−１，乞ａｆｔ！第５図 ９Ｊ６図 第７図 第８図 第９図 第１０１２１ （Ａ）　　　　　　（Ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）下記構成を具備することを特徴とする焦点調整装
   置。 （イ）光を焦点位置に収束させる光学系を保持する保持
   部。 （ロ）上記光の光軸に板面をほぼ直交させて配設され且
   つスリットが形成されたマスク板と、このマスク板をは
   さんで上記光学系とは反対側に上記マスク板と一定位置
   関係を保持して配設され第１の受光素子及び第２の受光
   素子からなる２分割受光センサと、上記マスク板を上記
   スリットの長手方向に交差する方向に振動させる加振器
   と、上記第１の受光素子及び上記第２の受光素子の出力
   側に接続され上記第１の受光素子及び上記第２の受光素
   子から出力された信号の和を求める加算器と、上記第１
   の受光素子及び上記第２の受光素子の出力側に接続され
   上記第１の受光素子及び上記第２の受光素子から出力さ
   れた信号の差を求める減算器と、上記加算器の出力側に
   接続され上記加算器から出力された和信号のピーク値を
   検出して出力するピーク検出器と、上記減算器から出力
   された差信号の最大ピーク値と最小ピーク値との差を検
   出して出力するピーク−ピーク検出器とからなる焦点検
   出部。 （ハ）上記マスク板を上記光学系に対して相対的に進退
   駆動する位置決め部。 （ニ）上記ピーク検出器から出力された第１の検出信号
   及び上記ピーク−ピーク検出器から出力された第２の検
   出信号を入力し、上記位置決め部に制御信号を出力して
   上記第１の検出信号が最大となり且つ上記第２の検出信
   号が最小となる位置に上記マスク板と上記光学系を位置
   決めする演算制御部。
2. （２）マスク板には複数のスリットが平行に配設されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の焦点
   調整装置。