(57)【要約】【課題】  より高速、あるいは振動や調整時の外乱に強い、あるいはより低コストで、フォーカス検出装置および傾き調整システムを提供する。【解決手段】  フォーカス検出装置は、一次元光エネルギ分布検出部４と、フォーカス状態判定部５とを設ける。分布検出部４は、基準面１上の所定の領域内の任意の位置における像について、その基準面１上における像による二次元の光エネルギ分布から、その像全体についての少なくとも１つの一次元光エネルギ分布を検出する。フォーカス状態判定部５は、その検出した一次元光エネルギ分布に基づき、基準面１における像のフォーカス状態を判定する。【選択図】図１
2005189394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォーカス検出方法であって、
基準面上の所定の領域内の任意の位置における像について、該像による前記基準面上の二次元の光エネルギ分布から、前記像の全体についての少なくとも１つの一次元光エネルギ分布を検出するステップと、
前記少なくとも１つの一次元光エネルギ分布に基づき、前記基準面における前記像のフォーカス状態を判定するステップと、
から成るフォーカス検出方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、前記一次元光エネルギ分布は、前記二次元光エネルギ分布に関して、１つの軸の方向において存在する光エネルギの、その軸に交差する軸に沿った分布であること、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記少なくとも１つの一次元光エネルギ分布は、２つの互いに交差する軸における一次元光エネルギ分布から成ること、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、前記分布検出ステップは、
前記基準面における前記像の投影像を、検出面に受けるステップ、
を含み、
前記検出面は、前記基準面上の前記所定の領域に対応する所定の検出領域を有し、該検出領域が、互いに交差する第１軸と第２軸を有していること、
を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記分布検出ステップは、非点収差法を使用すること、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法において、前記分布検出ステップは、
前記基準面における前記像の前記投影像を、非点収差光学系を通して受けるステップ、
を含み、
前記像の非点収差が、前記検出領域の前記第１軸および第２軸の方向に生ずること、
を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項７】
請求項６記載の方法において、前記分布検出ステップは、
前記検出領域の前記第１軸における光エネルギ分布と、前記第２軸における光エネルギ分布を検出するステップ、
を含み、
前記第１軸における光エネルギ分布は、前記第２軸方向の光エネルギの前記第１軸に沿った分布であり、
前記第２軸における光エネルギ分布は、前記第１軸方向の光エネルギの前記第２軸に沿った分布であること、
を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項８】
請求項６記載の方法において、前記フォーカス状態判定ステップは、
前記第１軸光エネルギ分布における最大値と、前記第２軸光エネルギ分布における最大値を判定するステップと、
前記第１軸の最大値と前記第２軸の最大値を比較するステップと、
前記比較の結果に基づき、前記フォーカス状態を判定するステップと、
を含むこと、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法において、前記最大値判定ステップは、前記第１軸および前記第２軸の各軸に関して、
前記各軸の一端から他端に向かって、より大きい光エネルギ値を記憶するステップと、
前記各軸の他端に至ったときの前記記憶した光エネルギ値を、前記最大値として出力するステップと、
を含むこと、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１０】
請求項８記載の方法において、前記最大値判定ステップは、前記第１軸および前記第２軸の各軸に関して、
前記各軸の光エネルギ分布の分布範囲の中間の位置を求めるステップと、
前記中間位置における前記光エネルギ値を、前記最大値として出力するステップと、
を含むこと、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、前記中間の位置を求めるステップは、前記第１軸および前記第２軸の各軸に関して、
前記各軸の一端から他端に向かって、前記光エネルギ値を記憶し、またその間、前記光エネルギ値が、所定のしきい値に達したときの前記各軸上の第１位置と、前記所定のしきい値に戻ったときの前記各軸上の第２位置とを記憶するステップと、
前記各軸の他端に至ったときに、前記記憶した第１位置および第２位置から、前記第１位置および前記第２位置の中間の位置を求めるステップと、
を含むこと、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１２】
請求項６記載の方法において、前記フォーカス状態判定ステップは、
前記第１軸光エネルギ分布の分布範囲の幅と、前記第２軸光エネルギ分布の分布範囲の幅とを判定するステップと、
前記第１軸の幅と前記第２軸の幅を比較するステップと、
前記比較の結果に基づき、前記フォーカス状態を判定するステップと、
を含むこと、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１３】
請求項１２記載の方法において、前記幅は、前記光エネルギの所定のしきい値以上の範囲の幅であること、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の方法において、前記の分布範囲の幅を判定するステップは、前記第１軸および前記第２軸の各軸に関して、
前記各軸の一端から他端に向かって、前記光エネルギ値が、前記所定のしきい値に達したときの前記各軸上の第１位置と、前記所定のしきい値に戻ったときの前記各軸上の第２位置とを記憶するステップと、
前記各軸の他端に至ったときに、前記記憶した第１位置および第２位置から、前記第１位置および前記第２位置の間の距離を求めて前記分布範囲の幅を得るステップと、
を含むこと、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１５】
請求項４記載の方法において、前記分布検出ステップは、前記像からの１つの投影像の径を基準値と比較すること、を含むことを特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の方法において、前記基準値は、前記像の合焦状態における前記１つの投影像の径の値であること、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１７】
請求項１５記載の方法において、前記基準値は、前記像からの別の投影像の径であること、
を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法において、前記分布検出ステップは、
前記基準面における前記像の第１の投影像を、前記検出面を構成する第１の検出面で受け、そして前記像の第２の投影像をそれとは別の第２の検出面で受けるステップ、
を含み、
前記第１検出面と前記第２検出面とは、前記像の焦点位置の前と後に位置すること、
を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の方法において、前記分布検出ステップは、
前記第１検出面の前記検出領域における第１光エネルギ分布と、前記第２検出面の前記検出領域における第２光エネルギ分布とを検出するステップ、
を含み、
前記第１光エネルギ分布は、所定の軸方向の光エネルギのそれと交差する軸に沿った分布であり、
前記第２光エネルギ分布は、所定の軸方向の光エネルギのそれと交差する軸に沿った分布であること、
を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の方法において、前記フォーカス状態判定ステップは、
前記第１光エネルギ分布の第１の幅を判定するステップと、
前記第２光エネルギ分布の第２の幅を判定するステップと、
前記第１と第２の幅に基づき、前記フォーカス状態を判定するステップと、
を含むこと、を特徴とするフォーカス検出方法。
【請求項２１】
像を基準面に結像するように構成された光学系のための傾き調整方法であって、
前記基準面上の所定の領域内の任意の位置における前記像のフォーカス検出を、請求項１から２０のいずれかに記載のフォーカス検出方法で実行するステップと、
前記像が合焦状態となるように前記光学系を調整するステップと、
前記基準面に対する前記光学系の傾きを調整するステップと、
から成る傾き調整方法。
【請求項２２】
フォーカス検出装置であって、
基準面上の所定の領域内の任意の位置における像について、前記基準面上における前記像による二次元の光エネルギ分布から、前記像全体についての少なくとも１つの一次元光エネルギ分布を検出する分布検出手段と、
前記少なくとも１つの一次元光エネルギ分布に基づき、前記基準面における前記像のフォーカス状態を判定するフォーカス状態判定手段と、
から成るフォーカス検出装置。
【請求項２３】
請求項２２記載の装置において、前記一次元光エネルギ分布は、前記二次元光エネルギ分布に関して、１つの軸の方向において存在する光エネルギの、その軸に交差する軸に沿った分布であること、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項２４】
請求項２２記載の装置において、前記少なくとも１つの一次元光エネルギ分布は、２つの互いに交差する軸における一次元光エネルギ分布から成ること、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項２５】
請求項２２記載の装置において、前記分布検出手段は、
前記基準面上の前記所定の領域に対応する所定の検出領域を有する検出面手段であって、前記検出領域が、互いに交差する第１軸と第２軸を有している、前記の検出面手段、
を含み、
前記基準面における前記像の投影像を、前記検出面手段で受けること、
を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項２６】
請求項２５記載の装置において、前記検出面手段は、
前記第１軸および第２軸に対応して配置した複数の行と複数の列を有する受光素子群であって、各受光素子が、行出力用の素子と列出力用の素子からから成る、前記の受光素子群と、
複数の行出力端子であって、各々が、当該行の受光素子群の前記行出力用素子が受けた光エネルギの和を出力する、前記の複数の行出力端子と、
複数の列出力端子であって、各々が、当該列の受光素子群の前記列出力用素子が受けた光エネルギの和を出力する、前記の複数の列出力端子と、
を備えたこと、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項２７】
請求項２６記載の装置において、前記検出面手段は、１つの二次元センサから成ること、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項２８】
請求項２６記載の装置において、前記検出面手段は、２つの一次元ラインセンサから成ること、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項２９】
請求項２５記載の装置において、前記分布検出手段は、非点収差法を使用すること、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３０】
請求項２９記載の装置において、前記分布検出手段は、非点収差光学系を備え、これにより、前記基準面における前記像の前記投影像を前記非点収差光学系を通して前記検出面手段上で受けて、前記像の非点収差が、前記検出領域の前記第１軸および第２軸の方向に生ずるようにしたこと、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３１】
請求項３０記載の装置において、前記分布検出手段は、
前記検出領域の前記第１軸における一次元光エネルギ分布を検出する第１軸光エネルギ分布検出手段と、
前記検出領域の前記第２軸における一次元光エネルギ分布を検出する第２軸光エネルギ分布検出手段と、
を含み、
前記第１軸における光エネルギ分布は、前記第２軸方向の光エネルギの前記第１軸に沿った分布であり、
前記第２軸における光エネルギ分布は、前記第１軸方向の光エネルギの前記第２軸に沿った分布であること、
を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３２】
請求項３０記載の装置において、前記フォーカス状態判定手段は、
前記第１軸光エネルギ分布における最大値を判定する手段と、
前記第２軸光エネルギ分布における最大値を判定する手段と、
前記第１軸の最大値と前記第２軸の最大値を比較する手段と、
前記比較の結果に基づき、前記フォーカス状態を判定する手段と、
を含むこと、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３３】
請求項３０記載の装置において、前記フォーカス状態判定手段は、
前記第１軸光エネルギ分布の分布範囲の幅を判定する手段と、
前記第２軸光エネルギ分布の分布範囲の幅を判定する手段と、
前記第１軸の幅と前記第２軸の幅を比較する手段と、
前記比較の結果に基づき、前記フォーカス状態を判定する手段と、
を含むこと、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３４】
請求項２５記載の装置において、前記分布検出手段は、前記像からの１つの投影像の径を基準値と比較すること、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３５】
請求項３４記載の装置において、前記基準値は、前記像の合焦状態における前記１つの投影像の径の値であること、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３６】
請求項３５記載の装置において、
前記分布検出手段の前記検出面手段は、単一の検出面手段から成り、
前記分布検出手段は、前記基準面における前記像の第１の投影像を、前記単一検出面手段上で受け、
前記単一検出面手段は、前記像の焦点位置の前または後に位置すること、
を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３７】
請求項３４記載の装置において、前記基準値は、前記像からの別の投影像の径の値であること、を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３８】
請求項３７記載の装置において、前記分布検出手段の前記検出面手段は、
第１の検出面手段と、
第２の検出面手段と、
を備え、
前記分布検出手段は、
前記基準面における前記像の第１の投影像を、前記第１検出面手段上で受け、そして前記像の第２の投影像を前記第２検出面手段上で受け、
前記第１検出面手段と前記第２検出面手段とは、前記像の焦点位置の前と後に位置すること、
を特徴とするフォーカス検出装置。
【請求項３９】
像を基準面に結像するように構成された光学系のための傾き調整装置であって、
前記基準面上の所定の領域内の任意の位置における前記像のフォーカス検出を行う請求項２２から３８のいずれかに記載のフォーカス検出装置と、
前記像が合焦状態となるように前記光学系を調整する手段と、
前記基準面に対する前記光学系の傾きを調整する傾き調整手段と、
から成る傾き調整装置。
【請求項４０】
請求項３９記載の調整装置において、前記光学系は、
前記基準面に前記像を結像するための対物レンズと、
該対物レンズの前記基準面に対する像のフォーカスを調整するフォーカス調整手段と、
を備えていること、を特徴とする傾き調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系におけるフォーカス検出およびこれを用いた傾き調整の方法および装置に関し、特に、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスクのドライブ等において用いられる光ピックアップの対物レンズのフォーカス検出およびその傾き調整に使用するのに適した方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学系のフォーカス検出または光学系内の光学要素の傾き調整の方法として、各種のものが知られている。例えば、半導体露光装置の合焦状態検出と角度検出を、非点収差法と２次元ＣＣＤとを組み合わせて使用する方法が知られている(特許文献１参照)。この方法では、非点収差法により生ずるスポット径の長径と短径を比較することにより、フォーカス状態を判定する。この方法では、傾き検出のため、スポットの中心とＣＣＤ中心とを一致させる必要がある。また、ＣＣＤからの画像を高速で処理することについては、何ら開示していない。
【０００３】
また、顕微鏡における焦点検出装置においては、各々２領域に分割された２つの光検出器を使用することにより、フォーカス状態の検出を行うものが知られている（特許文献２参照）。
【０００４】
光ピックアップ装置においては、光ピックアップの傾き調整をする方法が知られている(特許文献３参照)。この方法では、光学系内のコリメータレンズ上に設けた指標部の原点と、撮像カメラで撮像した光ビームの光軸とを一致させ、そしてビームスポットの円形性の有無により、光ピックアップの傾き判定するようになっている。
【０００５】
また、顕微鏡の焦点検出装置におけるさらに別の合焦状態検出法が開示されている(特許文献４参照)。この方法では、ＣＣＤ等の撮像素子と非点収差法とを組み合わせて使用し、そしてスポットの楕円率である非円形性を利用することにより、光軸中心と受光中心の調整を不要にしている。しかし、この方法では、ＣＣＤ等の撮像素子からの画像の高速処理については開示されていない。
【０００６】
さらにまた別の焦点検出法が知られている（特許文献５参照）。この検出法では、合焦状態は、ＣＣＤ等の撮像素子で焦点の前と後の光強度分布を検知することにより行う。特に、撮像素子の画素列または画素行の光強度の積算を行い、焦点の前と後の光強度分布から光束径を求め、そしてそれら２つの光束径に基づいて焦点位置を特定する。しかし、この方法では、ＣＣＤ等の撮像素子からの画像を高速で処理することについては開示されていない。
【０００７】
さらに、顕微鏡における対物レンズの傾角調整法が知られている（特許文献６参照）。この方法では、合焦状態検出は、４分割センサあるいはＣＣＤを使用し、しかも合焦状態検出は非点収差法を用いるが、この方法では、４分割センサ等の中心にスポット中心を一致させることが要求される。また、傾き検出は、ＣＣＤからの画像をモニタに表示させて、スポットの０次画像の真円度、一次回折光によるリング状画像の強度均一性を目視判断するようになっている。
【特許文献１】特開平9-283423号公報
【特許文献２】特開平11-142716号公報
【特許文献３】特開2000-293860号公報
【特許文献４】特開2001-74446号公報
【特許文献５】特開2001-166202号公報
【特許文献６】特開2001-273643号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、より高速にフォーカス状態を判定できるフォーカス検出の方法および装置を提供することである。
また、本発明のさらに別の目的は、フォーカス状態を判定できるフォーカス検出の方法および装置を提供することである。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、より低コストで、フォーカス状態を判定できるフォーカス検出の方法および装置を提供することである。
さらに、本発明の別の目的は、より高速に光学系の傾きを調整できる傾き調整の方法および装置を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、振動等の外乱に強い、フォーカス状態を判定できるフォーカス検出の方法および装置を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、より低コストで、光学系の傾きを調整できる傾き調整の方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明によるフォーカス検出方法は、基準面上の所定の領域内の任意の位置における像について、該像による前記基準面上の二次元の光エネルギ分布から、前記像の全体についての少なくとも１つの一次元光エネルギ分布を検出するステップと、前記少なくとも１つの一次元光エネルギ分布に基づき、前記基準面における前記像のフォーカス状態を判定するステップと、から成る。
【００１２】
本発明によれば、前記分布検出ステップは、前記基準面における前記像の投影像を、検出面に受けるステップを含み、前記検出面は、前記基準面上の前記所定の領域に対応する所定の検出領域を有し、該検出領域が、互いに交差する第１軸と第２軸を有するようにできる。
【００１３】
さらに、本発明によれば、前記分布検出ステップは、前記基準面における前記像の前記投影像を、非点収差光学系を通して受けるステップを含み、前記像の非点収差が、前記検出領域の前記第１軸および第２軸の方向に生ずるようにできる。
【００１４】
さらに、本発明によれば、前記フォーカス状態判定ステップは、前記第１軸光エネルギ分布における最大値と、前記第２軸光エネルギ分布における最大値を判定するステップと、前記第１軸の最大値と前記第２軸の最大値を比較するステップと、前記比較の結果に基づき、前記フォーカス状態を判定するステップと、を含むようにできる。あるいは、前記フォーカス状態判定ステップは、前記第１軸光エネルギ分布の分布範囲の幅と、前記第２軸光エネルギ分布の分布範囲の幅とを判定するステップと、前記第１軸の幅と前記第２軸の幅を比較するステップと、前記比較の結果に基づき、前記フォーカス状態を判定するステップと、を含むようにできる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記分布検出ステップは、前記像からの１つの投影像の径を基準値と比較すること、を含むようにできる。この場合、前記基準値は、前記像の合焦状態における前記１つの投影像の径の値とすることもできる。あるいは、前記基準値は、前記像からの別の投影像の径とすることもできる。
【００１６】
また、上記目的を達成するため、本発明による、像を基準面に結像するように構成された光学系のための傾き調整方法は、前記基準面上の所定の領域内の任意の位置における前記像のフォーカス検出を、上述のフォーカス検出方法で実行するステップと、前記像が合焦状態となるように前記光学系を調整するステップと、前記基準面に対する前記光学系の傾きを調整するステップと、から成る。
【００１７】
また、上記目的を達成するため、本発明による、フォーカス検出装置は、基準面上の所定の領域内の任意の位置における像について、前記基準面上における前記像による二次元の光エネルギ分布から、前記像全体についての少なくとも１つの一次元光エネルギ分布を検出する分布検出手段と、前記少なくとも１つの一次元光エネルギ分布に基づき、前記基準面における前記像のフォーカス状態を判定するフォーカス状態判定手段と、から成る。
【００１８】
さらに、本発明によれば、前記分布検出手段は、前記基準面上の前記所定の領域に対応する所定の検出領域を有する検出面手段であって、前記検出領域が、互いに交差する第１軸と第２軸を有している、前記の検出面手段を含み、前記基準面における前記像の投影像を、前記検出面手段で受けるようにすることができる。前記検出面手段は、前記第１軸および第２軸に対応して配置した複数の行と複数の列を有する受光素子群であって、各受光素子が、行出力用の素子と列出力用の素子から成る、前記の受光素子群と、複数の行出力端子であって、各々が、当該行の受光素子群の前記行出力用素子が受けた光エネルギの和を出力する、前記の複数の行出力端子と、複数の列出力端子であって、各々が、当該列の受光素子群の前記列出力用素子が受けた光エネルギの和を出力する、前記の複数の列出力端子と、を備えるようにできる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記検出面手段は、１つの二次元センサから成るようにしたり、あるいは２つの一次元ラインセンサから成るようにすることができる。
また、上記の目的を達成するため、本発明による、像を基準面に結像するように構成された光学系のための傾き調整装置は、前記基準面上の所定の領域内の任意の位置における前記像のフォーカス検出を行う、上述のフォーカス検出装置と、前記像が合焦状態となるように前記光学系を調整する手段と、前記基準面に対する前記光学系の傾きを調整する傾き調整手段と、から成る。
【発明の効果】
【００２０】
以上の本発明によれば、フォーカス検出を高速で行うことができる。所定の領域内の任意の位置における像のフォーカス検出を、少なくとも１つの一次元光エネルギ分布の判定により行うことができる。また、一次元光エネルギ分布は、ＣＣＤ等の撮像素子を使用した場合と比べ、処理すべきデータ量が少なく、これにより高速で処理することが可能となる。また、外乱や位置ずれでビームスポット位置が移動しても、像検出面とビーム中心との位置合わせが不要であるため、フォーカス検出、さらにはこれを用いた傾き調整を高速で行うことができる。
【００２１】
さらに、本発明によれば、フォーカス検出を高速で実行できるために、外乱の周波数よりも高い周波数での検出動作が可能となり、これによりフォーカス検出動作が、外乱による影響をかなり低減することができる。
【００２２】
さらにまた、本発明によれば、一次元光エネルギ分布判定により、像検出面−ビーム光軸間の中心位置合わせのための機構が不要となる。さらに、フォーカス検出装置または傾き調整装置の全体の強度、耐震性対策を軽減することができるため、装置全体のコストをかなり低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の種々の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明によるフォーカス検出装置の基本的構成を示す図である。図示のように、このフォーカス検出装置Ａで検出しようとするものは、基準面上における像（図では、例えばビームスポットを表す丸で示す）である。この像は、ある一定の例えば矩形の領域内で移動し得るものである。この移動し得る像のフォーカス検出を行うため、本発明のフォーカス検出装置Ａは、基準面１上の像を投影光学系２を通して受ける検出面３と、一次元光エネルギ分布検出部４と、フォーカス状態判定部５とを備えている。詳しくは、検出面３は、基準面１の一定の領域に対応する例えば矩形の領域を有していて、基準面上の一定の領域内で移動し得る像を受けることができる。尚、本発明では、検出面３は、像の中心を検出面の中心に常に一致させるという位置合わせは不要である。分布検出部４は、この検出面３で受けた像による光エネルギの二次元の分布から、少なくとも１つの一次元の光エネルギ分布を検出する。一次元光エネルギ分布とは、検出面のある軸（例えばＸ軸）方向において存在する光エネルギの、その軸とは交差する軸（例えばＹ軸）に沿った分布である。この光エネルギ分布を受ける次のフォーカス状態判定部５は、その分布から、基準面１上の像のフォーカス状態の判定を行う。この判定部５は、例えば、非点収差法あるいはビーム径を比較する方法等の種々の方法に対応する判定方法を使用することにより、検出面３上の像の光エネルギ分布から、フォーカス状態判定を行う。
【００２４】
次に、図２を参照して、本発明によるフォーカス検出法を組み込んだ光ピックアップの傾き調整システムＸについて説明する。尚、図２では、図１と対応する要素には、参照番号の後に記号“Ｂ”を付している。図２の示すように、傾き調整システムＸは、ＣＤ等の光ピックアップ装置６の光学系の傾きを調整するためのシステムである。この調整対象の光ピックアップ装置６は、図示のように、ピックアップ本体６０と、対物レンズ６２と、この対物レンズを本体に対し装着するフォーカスアクチュエータ６４とを備えている。フォーカスアクチュエータ６４は、光ピックアップからのレーザ光が光ディスクに垂直に入射するようにするため、対物レンズのレンズ軸方向における位置（すなわち、焦点位置）の微調整をすることができる公知の構成のものである。このような光ピックアップ装置６の傾き調整をするため、傾き調整システムＸは、光ディスクの代わりとして使用する擬似ディスク７と、投影光学系２Ｂと、図１のフォーカス検出装置Ａに対応するフォーカス検出装置Ｂと、ＣＣＤカメラ９とを備えている。光ピックアップ装置６の対物レンズ６２は、レーザビームを擬似ディスク７の底面に合焦させるように調整される。したがって、この場合の基準面１Ｂは、擬似ディスク７の底面である。ここで、光ピックアップ装置の場合、通常、対物レンズ６２と光ディスク（調整装置では擬似ディスク）との間の距離は、１ミクロン以内の精度で一定に保持しなければならない。この底面のレーザビームのビームスポットである像は、投影光学系２Ｂの顕微鏡対物レンズ２０Ｂと、ビームスプリッタのような光分岐部材２２Ｂと、結像レンズ２６Ｂを通して、基準面１Ｂにおける像のフォーカス状態を判定するフォーカス検出装置Ｂと、基準面１Ｂにおける像から対物レンズ６２の傾きを検出するためのＣＣＤカメラ９との双方に投影する。ここで、顕微鏡対物レンズ２０Ｂの物体側焦点は、擬似ディスク７の基準面１Ｂに合わせ、そして結像レンズ２６Ｂの像側焦点は、ＣＣＤカメラ９の受光面に合わせる。
【００２５】
図２の傾き調整システムＸにおいては、先ず、フォーカス検出装置Ｂで、擬似ディスク７の底面（Ｘ−Ｙ平面とする）である基準面１Ｂにおける像の光エネルギ分布から、その像のフォーカス状態の判定を行い、そして、合焦状態からずれている場合には、フォーカスアクチュエータ６４を制御することによって対物レンズ６２の焦点位置（すなわち、Ｘ−Ｙ平面と直交するＺ方向の位置）を微調整することにより、合焦状態を実現する。次に、この合焦状態における基準面１Ｂ上の像をＣＣＤカメラ９で撮像した画像（例えば、モニタに表示した画像）から、対物レンズ６２の傾きを判断する。傾きの判断は、公知の方法、例えば、ＣＣＤ画像における０次光画像の真円度、一次回折光によるリング状画像の強度均一性等から判断する。この判断結果に基づき、図示しない光ピックアップ装置６に備えられたネジ等公知の構成により、対物レンズ６２の傾きを調整する。この傾き調整の間は、擬似ディスク７の基準面１Ｂ上における像の位置がＸ−Ｙ平面内で動くことになる。しかし、本発明によれば、基準面１Ｂ上の一定の領域内においては、像が移動しても像のフォーカス状態を判定することができる。最終的には、対物レンズ６２は、擬似ディスク７の底面において、像を合焦状態でしかも底面に対し垂直に合焦させることになる。
【００２６】
次に、図３を参照して、より具体化した１実施形態のフォーカス検出装置Ｃを説明する。尚、図３では、図１または図２の要素と同じあるいは対応する要素には、同じ参照番号かあるいは同じ参照番号の後に記号“Ｃ”を付してある。図３に示したフォーカス検出装置Ｃは、フォーカス状態の判定方法として非点収差法を使用した実施形態のものである。図示のように、フォーカス検出装置Ｃは、検出面３Ｃと、一次元光エネルギ分布検出部４Ｃと、フォーカス状態判定部５Ｃとを備えている。検出面３Ｃは、擬似ディスク７の基準面１Ｃにおける像を、顕微鏡対物レンズ２０Ｃおよび光分岐部材２２Ｃを含む投影光学系２Ｃ、そしてさらに非点収差光学系２４Ｃを介して受ける。非点収差光学系２４Ｃは、光分岐部材２２Ｃからの投影像を受ける結像レンズ２４０Ｃとそしてシリンドリカルレンズ２４２Ｃとで構成されており、これにより、基準面１Ｃ上の像の投影像を検出面３Ｃ上に生じさせる。この非点収差光学系２４Ｃ並びに投影光学系２ｃの構成および配置により、基準面１Ｃにおける像例えばビームスポットが合焦状態のときには、検出面３Ｃにおける投影像は円となり、そして基準面において焦点位置よりも近いときには、検出面においてはＸ−Ｙ平面のＹ軸方向に長い楕円となり、そして基準面において焦点位置よりも遠いときには、検出面においてＸ軸方向に長い楕円となるようになっている。この検出面３Ｃにおける像の二次元光エネルギ分布から、分布検出部４Ｃは、２つの一次元光エネルギ分布を検出し、そして判定部５Ｃは、この２つの一次元光エネルギ分布から、基準面１Ｃにおける像のフォーカス状態の判定を行う。
【００２７】
図４は、図３の検出面３Ｃおよび一次元光エネルギ分布検出部４Ｃのより詳細な回路構成を示すものである。図示のように、検出面３Ｃは、Ｘ軸（図では水平の軸）とＹ軸（図では垂直の軸）を有する二次元の受光素子アレイ３０Ｃで構成されている。また、分布検出部４Ｃは、Ｘ軸光エネルギ分布検出器４０Ｃと、Ｙ軸光エネルギ分布検出器４２Ｃと、タイミング発生回路４４Ｃとを備えている。
【００２８】
ここで、先ず図４Ａを参照して、受光素子アレイ３０Ｃを詳細に説明する。図示のように、このアレイ３０Ｃは、行列に配置された多数の受光素子（すなわち画素）、例えば２５６×２５６の画素をもつＣＭＯＳエリアセンサである。各画素Ｐｍｎは、図示のように、１対の素子、すなわち行出力用素子ｒｍｎと列出力用素子ｃｍｎを含んでいる。例えば、画素Ｐ１１は、行出力用素子ｒ１１と、列出力用素子ｃ１１を有している。各行に含まれる画素内の行出力用素子ｒは全て、対応する行出力端子ＲＯに接続されるとともに、各列に含まれる画素内の列出力用素子も全て、対応する列出力端子ＣＯに接続される。例えば、行出力用素子ｒ１１，ｒ１２，ｒ１３等は、行出力端子ＲＯ１に接続され、そして列出力用素子ｃ１１，ｃ２１，ｃ３１等は、列出力用素子ＣＯ１に接続される。これら行出力用素子および列出力用素子の各々は、受けた光エネルギに対応する電荷を発生するため、行出力端子は、その行に含まれる多数の行出力用素子が受光した光エネルギ総和に対応する電荷を供給する。同様に、列出力端子も、その列に含まれる多数の列出力用素子が受光した光エネルギの総和に対応する電荷を供給する。このような受光素子アレイ３０Ｃは、例えば、浜松ホトニクス株式会社製造のプロファイルセンサＳ９１３２で実現可能であり、その詳細は、２００３年１月付けカタログに記載されている。尚、本実施形態では、受光素子アレイ３０Ｃとして、ＣＭＯＳエリアセンサを使用したが、上記と同様の動作を実行できる任意の他のデバイスを使用することもできる。例えば、各受光素子にスイッチを備え、行または列の受光素子の電荷あるいは電流を同時に読み出すことのできるものを使用することもできる。
【００２９】
次に、図４に戻って、一次元光エネルギ分布検出部４Ｃの説明を続けると、Ｘ軸光エネルギ分布検出器４０Ｃは、Ｘ軸方向の沿った一次元の光エネルギ分布を検出するものであり、アナログスイッチ回路４００と、電荷蓄積器４０２と、電荷−電圧変換器４０４と、Ａ／Ｄ変換器４０６とを備えている。アナログスイッチ回路４００は、多数、例えば２５６個の並列に配置したアナログスイッチを備えており、各アナログスイッチは、受光素子アレイ３０Ｃの図４Ａに示した例えば２５６本の列出力端子ＣＯ１〜ＣＯ２５６の対応する１つに接続しており、そして出力は、電荷蓄積器４０２の入力が接続する共通の一本の出力端子に接続している。また、各アナログスイッチは、このスイッチのオン／オフ制御のためのタイミング発生回路４４Ｃからの信号を受ける制御入力も有している。これにより、各アナログスイッチは、オンにされたときには、対応する列出力端子を電荷蓄積器４０２の入力に接続することにより、その列に含まれる列出力用素子全体の電荷を読み出して電荷蓄積器４０２に供給する。次に、電荷蓄積器４０２は、例えばチャージアンプ中のコンデンサで構成することができ、そして各列からの読出し期間中は、入力に受けた電荷を蓄積する。次に、この出力電荷を受ける入力を有する電荷−電圧変換器４０４は、例えばチャージアンプで構成することができ、そして電荷蓄積器４０２で蓄積された電荷を対応する電圧に変換して出力に供給する。この電圧は、次のＡ／Ｄ変換器４０６の入力に供給され、そしてこの変換器でアナログ形態からデジタル信号形態に変換され、そしてこれがＸ軸データとなる。したがって、Ｘ軸データは、各列が受けた光エネルギの全体を表すデータを、列１、列２、列３ - - - 列２５６の順番で出力する。
【００３０】
ここで、図５を参照して、受光素子アレイ３０Ｃ上のビームスポットとその光エネルギ分布との関係について説明する。尚、図５においては、各画素は、１つの丸で示しているが、実際には、図４Ａに示すように、１対の受光素子から構成されていることに注意されたい。図示のように、列１〜列２５６の各列の光エネルギは、以下の式で表される。
【００３１】
【数１】
2005189394.tif 000003
したがって、ビームスポットＢＳ１が、図示のようなＸ軸方向が長軸でＹ軸方向が短軸の横長の楕円の場合、ｊ列付近にピークがある分布となるが、比較的なだらかで分布幅が広いがピークは低い。一方、ビームスポットが点線で示す位置に移動した場合、すなわちビームスポットＢＳ２の場合、ピークはｌ列付近に移動するが、ビームスポットＢＳ１と同様の分布が検出できる。
【００３２】
Ｙ軸光エネルギ分布検出器４２Ｃも、Ｘ軸光エネルギ分布検出器４０Ｃと同様の構成を備えており、すなわちアナログスイッチ回路４２０と、電荷蓄積器４２２と、電荷−電圧変換器４２４と、Ａ／Ｄ変換器４２６を備えている。但し、アナログスイッチ回路４２０の多数のアナログスイッチの各々は、受光素子アレイ３０Ｃの行出力端子ＲＯ１〜ＲＯ２５６の対応する１つに接続している。これにより、Ａ／Ｄ変換器４２６が出力に発生するＹ軸データは、各行が受けた光エネルギの全体を表すデータを、行１、行２、行３ - - - 行２５６の順番で出力する。
【００３３】
再び、図５においては、行１〜行２５６の各行の光エネルギは、以下の式で表される。
【００３４】
【数２】
2005189394.tif 000004
したがって、ビームスポットＢＳ１のとき、ｉ行付近にピークがある分布となるが、Ｘ軸分布と比べ分布幅は狭くてピークは高い。一方、ビームスポットＢＳ２の場合、ピークはｋ行付近に移動するが、ビームスポットＢＳ１と同様の分布が検出できる。
【００３５】
以上のように、一次元光エネルギ分布を用いることにより、ビームスポットの形状、すなわち、円形状、横長の楕円、縦長の楕円等を、Ｘ軸およびＹ軸の一次元光エネルギ分布の比較により検出することができる。
【００３６】
次に、タイミング発生回路４４Ｃについて説明すると、この回路は、図示のように、クロックと測定開始信号とをそれぞれ受ける入力を有している。また、回路４４Ｃは、これら入力に基づき、アナログスイッチ回路４００とアナログスイッチ回路４２０内の各アナログスイッチをオン／オフする信号を出力に発生する。一例として、行１のアナログスイッチと列１のアナログスイッチの双方をオンにする読出し信号、次に、行２のアナログスイッチおよび列２のアナログスイッチの双方をオンにする読出し信号、等のように、行番号および列番号の順番に読出し信号を発生する。このようにして、上述のように、各行および各列の光エネルギを表すＸ軸データおよびＹ軸データを発生させる。また、回路４４Ｃは、この読出し信号の発生と同期してアドレス同期信号を発生する。読み出し中のデータがどの行／列のデータであるかは、アドレス同期信号の立ち上がり、あるいは立下り回数を数えることで判別することができる。尚、受光素子アレイ３０Ｃだけでなく一次元光エネルギ分布検出部４Ｃも、上記の浜松ホトニクス株式会社製造のプロファイルセンサＳ９１３２で実現することができる。
【００３７】
以上のような構成の受光素子アレイ３０Ｃを採用することにより、画素毎のデータではなく、列毎あるいは行毎のデータのみとなり、したがって、処理すべきデータ量が減少し、これにともなって、画像更新レートを例えば３ｋＨｚもの高さにすることができる。これに対し、一般的なＣＣＤ撮像素子の場合、画素毎のデータを処理するため、画像更新レートは、６０Ｈｚにすぎない。このことから、本発明によれば、光エネルギ分布の検出を従来と比べ高速で実行することができる。また、一次元光エネルギ分布を用いることにより、外乱や位置ずれでビームスポット位置が移動しても、ビームスポットにより生ずる光エネルギ分布を同様に検出することができる。このため、検出面の中心とビームスポットの中心とを一致させる必要がない。これらの特徴から、その高い画像更新レートより低い振動あるいは調整時の外乱による影響を、実質上排除することができる。
【００３８】
次に、図６を参照して、フォーカス状態判定部５Ｃを説明する。図示のように、フォーカス状態判定部５Ｃは、Ｘ軸データ処理部５０Ｃと、Ｙ軸データ処理部５２Ｃと、円形性判定器５４Ｃとを備えている。詳しくは、Ｘ軸データ処理部５０Ｃは、演算器５００と、Ｄ／Ａ変換器５０２とを備えている。演算器５００は、例えば、プロセッサとメモリ（不図示）で構成することができ、そして図４の一次元光エネルギ分布検出部４ＣからのＸ軸データを受ける入力と、Ｘ軸データとして受けているデータがどの列の光エネルギ分布かを示すアドレス同期信号を受ける入力とを有している。この演算器は、各列の光エネルギ・データのＸ軸に方向に沿った分布、すなわちＸ軸方向の一次元の光エネルギ分布から、このエネルギ分布を表す特徴であるＸ軸最大値を算出する。尚、演算器５００での処理は、以下で更に詳細に説明する。このＸ軸方向分布の最大値は、次にＤ／Ａ変換器５０２によりアナログ・データに変換し、そして次の円形性判定器５４Ｃに供給する。同様に、Ｙ軸データ処理部５２Ｃも、Ｘ軸データ処理部５０Ｃと同じ回路構成を有していて、演算器５２０とＤ／Ａ変換器５２２とを備え、これにより、Ｙ軸方向の一次元光エネルギ分布から、このエネルギ分布の特徴であるＹ軸最大値を算出し、そしてこのデジタル・データを円形性判定器５４Ｃに供給する。円形性判定器５４Ｃは、例えば差動増幅器５４０で構成でき、そしてこれは、Ｙ軸最大値からＸ軸最大値の差を算出してフォーカスエラー信号として出力する。このフォーカスエラー信号は、例えば図３のフォーカス検出装置Ｃのフォーカスアクチュエータ６４を制御するのに使用する。本実施の形態ではＤ／Ａ変換器５０２でアナログ・データに変換した後円形性の判定をしているが、デジタル・データのまま判定をしても良い。
【００３９】
次に、図７のフローチャートおよび図８の図を参照して、図６の演算器５００および５２０における動作について説明する。尚、演算器５００と演算器５２０の動作は同じであるため、演算器５００を主として説明する。先ず、図７のステップＳ２で、演算器５００内のメモリ内の記憶値を初期化する。次に、ステップＳ４で、ｎを列１を表す１にセットし、そしてステップＳ６で、列１の光エネルギ値の入力を受ける。ステップＳ８で、この光エネルギ入力値が記憶値（最初は０）より大きいか否か判定し、そして大きい場合には、入力値を記憶値に上書きするステップＳ１０を経由し、そしてそうでない場合は、ステップＳ１２に直接進んで、ｎを１増分することにより、列２を表す２にセットする。次の判断ステップＳ１４では、ｎが最大値（本実施形態では２５６）に達したか否か判定し、そして達していないので、ステップＳ４の後にループして、ステップＳ６〜Ｓ１２を繰り返す。これにより、列１〜列２５６の光エネルギ入力値に関する処理を行う。ステップＳ１４で、ｎ＝２５６に達したときには、一次元光エネルギ分布内の全ての光エネルギ値の処理が完了したことになるので、ステップＳ１６に進んで、記憶値を次のＤ／Ａ変換器５０２に出力し、これにより処理が終了する。ここで、この記憶値は、一次元光エネルギ分布内の光エネルギ値のピーク値に等しくなっている。このようにして、最後の光エネルギ入力値の処理が完了した時点でピーク値が得られるため、データ処理の高速性がさらに高まる。上記の処理は、Ｙ軸用の演算器５２０においても同様に実行され、これによって、Ｘ軸のピーク値とＹ軸のピーク値とが検出され、円形性判定器５４Ｃに供給される。尚、このプロセスでは、エネルギ分布の最大値が、分布の幅に反比例していることを利用して、ビームスポットの円形性の有無を判断する。
【００４０】
ここで、図８も参照して、円形性判定器５４Ｃにおけるフォーカス状態判定法について説明する。尚、図８は、図５に示した光エネルギ分布図と同じものを、ベストフォーカスすなわち合焦状態の場合（図８（ａ））、焦点が基準面よりも近い場合（図８（ｂ））、そして焦点が基準面よりも遠い場合（図８（ｃ））の３つの場合について示している。図８（ａ）から分かるように、合焦状態のときは、非点収差光学系を通して生じる検出面３Ｃ上のビームスポットは、円形となる。この場合、一次元光エネルギのＸ軸ピーク値Ｘ（０）は、Ｙ軸ピーク値Ｙ（０）と等しい。したがって、それらピーク値が等しい、すなわちピーク値間の差が０の場合、合焦状態を示し、したがって、フォーカスエラー信号も０を表すことになる。比較のため、点線で示しているのは、ビームスポットの中心を通るＸ軸およびＹ軸での光強度の分布を示すものである。この場合も、Ｘ軸ピーク値ｘ（０）は、Ｙ軸ピーク値ｙ（０）と等しいため、一次元光エネルギ分布を使用する場合と同じ判定結果が得られる。
【００４１】
次に、図８（ｂ）の場合、非点収差光学系を通して生じる検出面３Ｃ上のビームスポットは、長軸がＸ軸方向で短軸がＹ軸方向の楕円となる。この場合、一次元光エネルギのＸ軸ピーク値Ｘ（−）は、Ｙ軸ピーク値Ｙ（−）よりも小さい。したがって、Ｙ軸ピーク値からＸ軸ピーク値を減算した結果が正のときは、焦点位置が近いことを示しており、したがって正のフォーカスエラー信号によって焦点位置を遠くへと移動させる制御をすることになる。ここで、点線で示した楕円の中心を通る光強度分布を見ると、中心の光強度は同じであるため、Ｘ軸ピーク値ｘ（−）は、Ｙ軸ピーク値ｙ（−）と相変わらず等しいままであり、このことは、中心を通る光強度分布のピーク値の比較ではフォーカス状態の判定ができないことを示している。
【００４２】
次に、図８（ｃ）の場合、非点収差光学系を通して生じる検出面３Ｃ上のビームスポットは、長軸がＹ軸方向で短軸がＸ軸方向の楕円となる。この場合、図８（ｂ）のときと逆になって、一次元光エネルギのＸ軸ピーク値Ｘ（＋）は、Ｙ軸ピーク値Ｙ（＋）よりも大きくなり、したがって、Ｙ軸ピーク値からＸ軸ピーク値を減算した結果が負のときは、焦点位置が遠いことを示している。このため、負のフォーカスエラー信号によって焦点位置を近くへと移動させる制御をすることになる。同様に、点線で示した楕円の中心を通る光強度分布を見ると、中心の光強度はやはり同じであるため、Ｘ軸ピーク値ｘ（＋）は、Ｙ軸ピーク値ｙ（＋）と相変わらず等しいままであり、中心を通る光強度分布のピーク値の比較ではフォーカス状態の判定ができないことを示している。
【００４３】
尚、図８では、ビームスポットの中心が検出面３Ｃの中心に一致している状態で示したが、図５に関連して説明した通り、本発明では、一次元光エネルギ分布における最大値を使用するため、それら中心を一致させる必要はない。
【００４４】
以上に説明した本発明のフォーカス検出装置Ｃによれば、基準面１Ｃにおける像のフォーカス検出を、高速でしかも振動等の外乱による影響をほとんど受けることなく行うことができる。さらにまた、外乱による影響を低減できるため、フォーカス検出装置Ｃ自体あるいはこれを用いた傾き調整システムＸ全体のコストをかなり低減することもできる。
【００４５】
次に、図９のフローチャートを参照して、図６の演算器５００および５２０における演算処理（図７に示す）の他の実施形態について説明する。図９に示す方法は、光エネルギ分布の最大値を別の方法で求めるプロセス、すなわち、しきい値の中間における値を最大値として求める方法を示している。詳細には、ステップＳ２０，Ｓ２２，Ｓ２４は、図７のステップＳ２，Ｓ４，Ｓ６と同じである。しかし、ステップＳ２６では、入力値がしきい値よりも大きいか否か判定し、そして大きくない場合は、ステップＳ２８で、ｎを１増分した後ステップＳ２４に戻る。ここで、しきい値とは、一次元光エネルギ分布の分布幅を求めるために使用するある一定の予想される最大値より小さな値である。ステップＳ２６で、ＹＥＳとなった場合、すなわち入力値がしきい値より大きくなったとき、ステップＳ３０で、ｎの値、すなわち列の番号を記憶値１として記憶する。この記憶値１は、エネルギ分布の幅の一端を定める。次に、ステップＳ３２で、ｎを更に１増分し、そしてステップＳ３４で、ｎ番目の入力値を受け、ステップＳ３６で、そのｎの値およびそのｎ番目（すなわち列ｎ）の入力値を記憶する。次に、判断ステップＳ３８で、その入力値が上記と同じしきい値よりも小さいかどうか判定し、そしてＮＯの場合、ステップＳ３２に戻って、ステップＳ３２〜Ｓ３８を繰り返す。一方、ステップＳ３８で、ＹＥＳとなった場合、すなわち、光エネルギ値がしきい値より下なったとき、次のステップＳ４０で、そのｎの値を記憶値２として記憶する。最後のステップＳ４２では、記憶値１と記憶値２の中間の値を求め、ｎがこの値のときの入力値（光エネルギ値）を出力する。すなわち、分布幅の中間のエネルギ値を最大値として使用することができる。この手法は、エネルギ分布が複数のピーク部分を有するか、あるいは正規分布のような滑らかな分布でない場合に有効である。また、図９の処理においても、図７と同様に、最後の光エネルギ値の処理の完了とほぼ同時に、ピーク値が得られる。  さらに、図１０を参照して、図６の演算器５００および５２０における演算処理（図７に示す）のさらに他の実施形態について説明する。図１０に示すプロセスは、一次元光エネルギ分布の分布幅をそのまま楕円の長軸および短軸として求める方法である。このプロセスは、図９のプロセスとほぼ同じであるため、異なっている点についてのみ説明する。すなわち、ステップＳ５０〜Ｓ６４は、図９のステップＳ２０〜Ｓ３４と同じである。但し、図１０では、図９のステップ３６に相当するステップはないが、それは、分布幅のみを求めるからである。さらに、ステップＳ６８〜Ｓ７０も、図９のステップＳ３８〜Ｓ４０と同じであるが、次のステップＳ７２は、図９のステップＳ４２とは異なり、記憶値２から記憶値１を減算した値を、分布幅として出力する。この図１０の方法によっても、楕円の長軸および短軸等を簡単に求めることができる。
【００４６】
次に、以下では、図１１〜図１３を参照して、図３〜図６の実施形態における投影光学系２Ｃ、非点収差光学系２４Ｃあるいは検出面３Ｃの他の実施形態について説明する。
先ず、図１１は、図５の二次元受光素子アレイ３０Ｃの代わりに、一次元ラインセンサを２つ使用する実施形態であるフォーカス検出装置Ｄを示している。尚、図１１では、図２または図３と対応する要素には、参照番号の後に記号“Ｄ”を付している。このフォーカス検出装置Ｄでは、図３の光学系２４Ｃと同様の非点収差光学系２４Ｄを使用するが、その後にビームスプリッタ等の光分岐部材２８Ｄを備えることによって、図示のように、２つの別個に設けた一次元ラインセンサ３Ｄ−１、Ｄ３−２上に投影像を投射する。詳しくは、一次元ラインセンサ３Ｄ−１は、Ｘ軸一次元光エネルギ分布検出用のセンサであり、そして一次元ラインセンサ３Ｄ―２は、Ｙ軸一次元光エネルギ分布検出用のセンサである。これらラインセンサは、例えば、図４Ａに示した構造の二次元の受光素子アレイ３０Ｃを利用して実現することができる。すなわち、Ｘ軸用の一次元ラインセンサ３Ｄ−１は、受光素子アレイ３０Ｃの列出力端子のみを使用することで実現し、そしてＹ軸用の一次元ラインセンサ３Ｄ−２は、受光素子アレイ３０Ｃの行出力端子のみを使用することで実現することができる。あるいはまた、Ｘ軸用一次元ラインセンサ３Ｄ−１は、受光素子アレイ３０Ｃのうち行出力用素子を除去した構造のものとし、そしてＹ軸用一次元ラインセンサ３Ｄ−２は、受光素子アレイ３０Ｃのうち列出力用素子を除去した構造のものを使用することができる。この場合、これらラインセンサを制御するタイミング信号は、図４の回路４４Ｃが発生する信号をそのまま使用することができる。
【００４７】
次に、図１２は、フォーカス検出を、非点収差法ではなく、ビーム径を比較する方法 を使用して行う実施形態のフォーカス検出装置Ｅを示している。尚、図１２では、図２または図３と対応する要素には、参照番号の後に記号“Ｅ”を付している。フォーカス検出装置Ｅでは、図３の非点収差光学系２４Ｃの代わりに結像レンズ２４０Ｅのみを使用し、そして、図１１の実施形態と同様に、光分岐部材２８Ｅと２つの一次元ラインセンサ３Ｅ−１および３Ｅ−２を使用する。但し、図１２のこの装置Ｅでは、基準面における像の投影像の焦点の前と後におけるビームスポット径を互いに比較することにより、フォーカス状態を判定する。詳しくは、一次元ラインセンサ３Ｅ−１は、投影像の焦点位置よりも前に配置する一方、一次元ラインセンサ３Ｅ−２は、その焦点位置よりも後ろに配置し、そしてこれらセンサで検出したビームスポットのビーム径を互いに比較することにより、焦点位置を計算により求め、そして焦点位置が来るべき所定の位置とはずれた位置に焦点があると判定した場合には、ずれの方向と大きさに対応するフォーカスエラー信号を発生する。尚、図１２に実施形態で使用するラインセンサは、図１１で示した実施形態とは異なり、単にビームスポットの径の比較であるため、必ずしもＸ軸とＹ軸の検出をするような配置とする必要はなく、同じ軸方向での径を求めたり、あるいは異なった軸方向での径を求めるようにすることもできる。尚、一次元ラインセンサ３Ｅ−１，３Ｅ−２は、図１１のものと同様の構成とすることができる。この図１２の実施形態の場合も、図４および図６に示した回路構成と同様の回路を用いて、一次元光エネルギ分布検出とフォーカス状態判定を行うことができる。但し、図６の回路においては、円形性判定器５４Ｃは、径比較器として機能させる。尚、本実施形態の場合、径の算出は、図１０に示した分布幅から求める方法、あるいは図７および図９に示した最大値からその径を導出することもできる。
【００４８】
最後に、図１３には、ビーム径を比較する別の方法を使用した実施形態のフォーカス検出装置Ｆを示している。尚、図１３では、図２または図３と対応する要素には、参照番号の後に記号“Ｆ”を付している。このフォーカス検出装置Ｆは、図１２の実施形態と異なっているのは、投影像の焦点位置の前あるいは後ろのいずれか一方に配置した一次元ラインセンサ３Ｆを１つだけ使用する点である。尚、光分岐部材２２Ｆと結像レンズ２４０Ｆと結像レンズ２６Ｆは、図３の光分岐部材２２Ｃ、結像レンズ２４０Ｃ、結像レンズ２６Ｃに対応したものである。図１２にある他方の一次元ラインセンサから求める径は、図１３の実施形態では、予め算出した基準値を使用する。この基準値を求めるため、フォーカス検出装置Ｆでは、図２に示したＣＣＤカメラ９に対応するＣＣＤカメラ９Ｆを使用する。すなわち、基準面上における像が合焦状態にあるときを、ＣＣＤカメラ９Ｆで目視で確認し、そしてこのときに一次元ラインセンサ３Ｆで検出されるビームスポット径を算出し、基準値として格納しておく。次に、光学系の傾き調整の期間中、この基準値を、一次元ラインセンサ３Ｆで検出する径と比較することにより、基準面上の像のフォーカス状態を判定する。
【００４９】
図１４には、図１３のフォーカス検出装置Ｆで使用する一次元光エネルギ分布検出部４Ｆおよびフォーカス状態判定部５Ｆの回路構成を示している。図６に示したのと異なっているのは、一次元光エネルギ分布検出部４Ｆが、一次元ラインセンサ３ＦからのＹ軸データのみを出力し、そして図６のＸ軸データ処理部５０Ｃを、メモリ５０４とＤ／Ａ変換器５０２で構成される基準値設定部５０Ｆに置き換えたことである。また、図６の円形性判定器５４Ｃを、図１２の実施形態におけるのと同様に径比較器５４Ｆとしている点である。基準値を求める際には、前述の基準面上における像が合焦状態にあるとき、演算器５２０で基準値を算出しメモリ５０４に格納する。同時にＤ／Ａ変換器５０２では、格納された基準値をアナログ・データに変換し、そして径比較器５４Ｆに供給する。このような構成によっても、フォーカス状態の判定を行うことができる。また、径の算出は、図１２の実施形態と同様に、図７、図９および図１０の種々の方法を用いることができる。
【００５０】
以上に詳細に説明した本発明のフォーカス検出法並びに傾き調整システムにおいては、光ピックアップとしてＣＤおよびＤＶＤの場合で説明したが、本発明は、任意のその他の光ディスクにも同様に適用することができる。さらにまた、本発明は、当業者には明らかなように、光ピックアップ以外の光学系にも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明によるフォーカス検出装置の基本的構成を示す図。
【図２】図２は、本発明によるフォーカス検出法を組み込んだ光ピックアップの傾き調整システムＸを示す図。
【図３】図３は、図２のフォーカス検出装置をより具体化した１実施形態のフォーカス検出装置Ｃを示す図。
【図４】図４は、図３の検出面および一次元光エネルギ分布検出部のより詳細な回路構成を示すブロック図。
【図４Ａ】図４Ａは、図４の受光素子アレイの詳細な構造を示す図。
【図５】図５は、図４の受光素子アレイ上のビームスポットとその光エネルギ分布との関係を示す図。
【図６】図６は、図３のフォーカス状態判定部の詳細を示すブロック図。
【図７】図７は、図６の演算器おいて実行される、一次元光エネルギ分布における最大値を求めるためのプロセスを示すフローチャート。
【図８】図８は、図５に示した光エネルギ分布図と同じものを示す図であって、（ａ）は、ベストフォーカスすなわち合焦状態の場合、（ｂ）は焦点が基準面よりも近い場合、そして（ｃ）は焦点が基準面よりも遠い場合について示す図。
【図９】図９は、図６の演算器において実行される、一次元光エネルギ分布における最大値を求めるための別のプロセスを示すフローチャート。
【図１０】図１０は、図６の演算器において実行される、一次元光エネルギ分布の分布幅をそのまま楕円の長軸および短軸として求めるプロセスを示すフローチャート。
【図１１】図１１は、非点収差法を用いる別の実施形態のフォーカス検出装置を示す図である。
【図１２】図１２は、ビーム径を比較する方法を使用する別の実施形態のフォーカス検出装置を示す図。
【図１３】図１３は、ビーム径を比較する別の方法を使用する別の実施形態のフォーカス検出装置を示す図。
【図１４】図１４は、図１３の実施形態のフォーカス検出装置で使用する、一次元光エネルギ分布検出部およびフォーカス状態判定部の回路構成を示す図。
【符号の説明】
【００５２】
１  基準面
２  投影光学系
３  検出面
４  分布検出部
５  判定部
２４Ｃ  非点収差光学系
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ  フォーカス検出装置
Ｘ  傾き調整システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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