(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から出射された光束を集光光束にする集光レンズと、前記集光光束を分離して２つの分離光束を形成するスプリット面及び前記スプリット面で分離された一方の分離光束の集光位置に設けられ前記一方の分離光束を反射して光路を逆進させる参照面とを備える光学部材と、を有し、前記参照面で反射された前記一方の分離光束と前記光学部材から出射して前記スプリット面で分離された他方の分離光束の集光位置に設けられた被検物体で反射して戻った他方の分離光束とを前記スプリット面によって合波し、前記合波された合波光束を干渉光束として用いる光干渉装置であって、
前記参照面で反射して光路を逆進した前記一方の分離光束と前記被検物体で反射して戻った前記他方の分離光束とが曲率の等しい球面波として前記スプリット面で合波するように、前記他方の分離光束の集光状態又は発散状態を変更する光学素子を前記他方の分離光束の光路中に配置したことを特徴とする光干渉装置。
【請求項２】
前記光学素子は、前記被検物体への光路中に配置した請求項１に記載の光干渉装置。
【請求項３】
前記光学素子は、凹レンズである請求項１に記載の光干渉装置。
【請求項４】
前記光学素子は、負の屈折力を有するフレネルレンズである請求項１に記載の光干渉装置。
【請求項５】
前記光学素子は、凸面ミラーである請求項１に記載の光干渉装置。
【請求項６】
前記参照面へは、前記スプリット面を透過した光束が集光し、前記被検物体へは前記スプリット面からの反射光束が前記光学素子を介して集光する請求項１に記載の光干渉装置。
【請求項７】
前記スプリット面によって分離された光束の前記参照面までの光路は、前記光学部材の内部に収まっている請求項１に記載の光干渉装置。
【請求項８】
被検物体までの相対距離を検出するための位置検出装置であって、
光源と、前記光源から出射された光束を集光光束にする集光レンズと、前記集光光束を分離して２つの分離光束を形成するスプリット面及び前記スプリット面で分離された一方の分離光束の集光位置に設けられ前記一方の分離光束を反射して光路を逆進させる参照面とを備える光学部材と、を有し、前記参照面で反射された光束と前記スプリット面から出射して前記スプリット面で分離された他方の分離光束の集光位置に設けられた被検物体で反射して戻った他方の分離光束とを前記スプリット面によって合波し、前記合波された合波光束を干渉光束として前記スプリット面から出射するように配置し、前記合波光束を互いに干渉した状態で検出することによって前記被検物体までの相対距離を検出し、光束の集光状態又は発散状態を変更する機能を有する光学素子を前記スプリット面から出射する前記他方の分離光束の光路中に配置し、前記光学素子により前記参照面で反射して光路を逆進した前記一方の分離光束と前記被検物体で反射して戻った前記他方の分離光束とが曲率の等しい球面波として前記スプリット面で合波するようにしたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項９】
前記光学素子は、前記被検物体への光路中に配置した請求項８に記載の位置検出装置。
【請求項１０】
前記光学素子は、凹レンズである請求項８に記載の位置検出装置。
【請求項１１】
前記光学素子は、負の屈折力を有するフレネルレンズである請求項８に記載の位置検出装置。
【請求項１２】
前記光学素子は、凸面ミラーである請求項８に記載の位置検出装置。
【請求項１３】
前記参照面へは、前記スプリット面を透過した光束が集光し、前記被検物体へは、前記スプリット面から出射された反射光束が前記光学素子を介して集光する請求項８に記載の位置検出装置。
【請求項１４】
前記スプリット面によって分離された光束の前記参照面までの光路は、前記スプリット面が形成されている光学部材の内部に収まっている請求項８に記載の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触で物体の位置変動を検出する光干渉装置及び位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来例の半導体レーザー光源を使用した干渉計の構成図を示す。光学ヘッド１には、半導体レーザー光源２及びその光路上に、集光レンズ３、非偏光ビームスプリッタ４、光学ヘッド１から突出しガラスから成るプローブ型偏光部材５が順次に配列されている。プローブ型偏光部材５には、傾斜したスプリット面５ａとその透過方向に参照面５ｂが形成されており、スプリット面５ａの反射方向に被検物体Ｔを位置させるようになっている。また、光学ヘッド１内の非偏光ビームスプリッタ４の反射方向には、偏光板６、センサ７が配列されている。
【０００３】
半導体レーザー光源２から射出したレーザー光束Ｌ１は、集光レンズ３、非偏光ビームスプリッタ４を透過して、プローブ型偏光部材５に入射する。この光束は偏光部材５のスプリット面５ａにおいてＰ波とＳ波の分離光に分離され、このスプリット面５ａを透過した光束Ｌ２は、参照光束として参照面５ｂにより反射されて元の光路を戻る。一方、スプリット面５ａにより反射された光束Ｌ３は測定光束として被検物体Ｔ上に集光し、被検物体Ｔの粗面により散乱反射されて散乱光として元の光路を戻る。そして、これらの参照光束Ｌ２及び測定光束Ｌ３は、非偏光ビームスプリッタ４によってセンサ７の方向に反射される。
【０００４】
参照光束Ｌ２及び測定光束Ｌ３はそれぞれ垂直な偏光面を持った直線偏光であるが、被検物体Ｔが光軸方向に相対移動することによって回転する円偏光となる。この回転する円偏光が偏光板６に入射することによって、センサ７上に光の強弱を持った光の干渉信号が得られる。このとき、測定光束Ｌ３の被検物体Ｔ上の集光点と参照光束Ｌ２の参照面５ｂとは波動光学的に等光路となっているために、センサ７上において最大の干渉信号が得られる。
【０００５】
半導体レーザー光源２からのレーザー光の波長をλとすると、被検物体Ｔが移動するに伴いλ／２で１周期の正弦波出力が得られる。具体的には、λ＝７８０ｎｍとすると、センサ７からの出力は７８０／２＝３９０ｎｍの正弦波信号が出力される。この信号を電気分割で１０００分割すると、高分解能の０．３９ｎｍが得られる。
【０００６】
プローブ型偏光部材５は小さい口径で細長い構造をしているために、光学ヘッド１からこのプローブ型偏光部材５だけを突出した形態に構成することができる。従って、仮に被検物体Ｔが機械的に複雑な部所に配設されていても、プローブ型偏光部材５のみを挿入することによって簡便に測定を行うことができる。また、参照光束Ｌ２は偏光部材５の参照面５ｂにより反射されるために、この光路が空気中に露出していないことから環境変化の影響を受け難い構成となっている。更に、可干渉性が最大のところで微小なスポットに集光する光学系となっているために、相当に粗い粗面であっても被検物体Ｔの表面を鏡面として扱うことができ、測定可能な被測定物が制限されることはない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の従来例においては、スプリット面５ａで光束Ｌ１を分離した後に、参照光束Ｌ２はガラス中を通って参照面５ｂで反射され、一方で測定光束Ｌ３はガラスと空気中を通って被検物体Ｔの表面で反射されるために、幾何光学的な光路長と波動光学的な光路長が等しくならない。つまり、参照光束Ｌ２と測定光束Ｌ３の球面波の中心位置までの距離が異なるために、センサ７の位置では図５に示すような同心円状の干渉パターンＰが発生する。
【０００８】
このセンサ７からコントラストが良好な電気信号を得るためには、図５に示される同心円状の光干渉パターンＰの中心を射抜くようなアパーチャ８を設ける必要がある。測定光束Ｌ３は元来被検物体Ｔの散乱面を測定し易いように集光光束としているが、散乱面ではセンサ７方向に反射される採光量が少なく、また同心円状の干渉パターンＰをアパーチャ８で射抜くことによって光量損失が生じてＳＮ比の低下を招き、電気分割して分解能を上げる段階での精度を確保することができないという問題点が生ずる。
【０００９】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、ＳＮ比の高い信号を得ることを可能として、測定精度を向上した光干渉装置及び位置検出装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光干渉装置は、光源と、前記光源から出射された光束を集光光束にする集光レンズと、前記集光光束を分離して２つの分離光束を形成するスプリット面及び前記スプリット面で分離された一方の分離光束の集光位置に設けられ前記一方の分離光束を反射して光路を逆進させる参照面とを備える光学部材と、を有し、前記参照面で反射された前記一方の分離光束と前記光学部材から出射して前記スプリット面で分離された他方の分離光束の集光位置に設けられた被検物体で反射して戻った他方の分離光束とを前記スプリット面によって合波し、前記合波された合波光束を干渉光束として用いる光干渉装置であって、
前記参照面で反射して光路を逆進した前記一方の分離光束と前記被検物体で反射して戻った前記他方の分離光束とが曲率の等しい球面波として前記スプリット面で合波するように、前記他方の分離光束の集光状態又は発散状態を変更する光学素子を前記他方の分離光束の光路中に配置したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の位置検出装置は、被検物体までの相対距離を検出するための位置検出装置であって、
光源と、前記光源から出射された光束を集光光束にする集光レンズと、前記集光光束を分離して２つの分離光束を形成するスプリット面及び前記スプリット面で分離された一方の分離光束の集光位置に設けられ前記一方の分離光束を反射して光路を逆進させる参照面とを備える光学部材と、を有し、前記参照面で反射された光束と前記スプリット面から出射して前記スプリット面で分離された他方の分離光束の集光位置に設けられた被検物体で反射して戻った他方の分離光束とを前記スプリット面によって合波し、前記合波された合波光束を干渉光束として前記スプリット面から出射するように配置し、前記合波光束を互いに干渉した状態で検出することによって前記被検物体までの相対距離を検出し、光束の集光状態又は発散状態を変更する機能を有する光学素子を前記スプリット面から出射する前記他方の分離光束の光路中に配置し、前記光学素子により前記参照面で反射して光路を逆進した前記一方の分離光束と前記被検物体で反射して戻った前記他方の分離光束とが曲率の等しい球面波として前記スプリット面で合波するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図３に図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は半導体レーザー光源を使った小型干渉計の構成図を示し、光学ヘッド１０には、半導体レーザー光源１１、及びその光路上に集光レンズ１２、非偏光ビームスプリッタ１３、光学ヘッド１０から外方に突出したガラス製のプローブ型偏光部材１４が順次に配列されている。プローブ型偏光部材１４には、傾斜して配置されＰ波とＳ波の分離光に分離するスプリット面１４ａと、このスプリット面１４ａを透過した光束を全反射する反射面である参照面１４ｂとが設けられている。そして、スプリット面１４ａの反射方向の偏光部材１４の入出射口には光学素子として凹レンズ１５が貼り付けられ、この凹レンズ１５に対向して被検物体Ｔを位置されるようになっている。また、光学ヘッド１０内の非偏光ビームスプリッタ１３の反射方向の光路上には、偏光板１６、センサ１７が配置されている。
【００１３】
半導体レーザー光源１１から射出されたレーザー光束Ｌ１は集光レンズ１２で集光光束とされ、非偏光ビームスプリッタ１３を透過してプローブ型偏光部材１４に入射する。光束Ｌ１はその後にスプリット面１４ａでＰ波とＳ波に分離され、一方の光束は参照光束Ｌ２となってプローブ型偏光部材１４の内部のスプリット面１４ａを透過し参照面１４ｂにより反射される。このとき、参照光束Ｌ２の集光点は参照面１４ｂ上に設定されている。
【００１４】
一方、偏光ビームスプリット面１４ａで反射された他方の光束は、測定光束Ｌ３として被検物体Ｔの反射面に到達する。この測定光束Ｌ３はプローブ型偏光部材１４から出射した直後に、凹レンズ１５によって被検物体Ｔの反射面に集光する。この測定光束Ｌ３の集光点は、参照光束Ｌ２が反射される参照面１４ｂと波動光学的な等光路長になるように、凹レンズ１５の屈折力は設定されているので、半導体レーザー光源１１を使用した干渉計として最大の効果を発揮することができる。
【００１５】
参照光束Ｌ２及び測定光束Ｌ３は、それぞれ参照面１４ｂ及び被検物体Ｔ上の表面で反射された後にスプリット面１４ａを介して元の光路を戻り、非偏光ビームスプリッタ１３で偏光板１６を通ってセンサ１７の方向に反射される。これらの参照光束Ｌ２及び測定光束Ｌ３はそれぞれ垂直な偏光面を有する直線偏光であるが、被検物体Ｔが光軸方向に相対移動することによって回転する円偏光となり、この回転する円偏光が偏光板１６に入射することによって光の強弱を有する干渉光による干渉信号が得られる。
【００１６】
従来例と同様に、半導体レーザー光源１１からのレーザー光の波長をλ＝７８０ｎｍとすると、センサ１７からは７８０／２＝３９０ｎｍの正弦波信号が出力され、電気分割により１０００分割することにより分解能は０．３９ｎｍとなる。
【００１７】
本実施の形態の場合は従来例の干渉計と異なり、参照光束Ｌ２及び測定光束Ｌ３の波動光学的な等光路位置と、幾何光学的な集光点とを凹レンズ１５により同一に設定できる。これにより、被検物体Ｔが測定光束Ｌ３の集合位置にある場合には、合波後の合波光の波面は曲率の等しい球面波となり、センサ１７上での干渉信号は縞模様のないワンカラー状態になっている。ここで、被検物体の位置が若干集光位置から変位しても、ワンカラー状態は殆ど崩れることはない。
【００１８】
従って、従来例のようにアパーチャ等で光束径を制限する必要がなくなり光量損失を回避することができる。例えば従来例の干渉計において、センサ１７上に形成される光の干渉パターンＰの直径を２ｍｍとし、アパーチャの直径を０．５ｍｍとすると光量９３．７５％の損失になるので、凹レンズ１５を設けることにより、従来例の干渉計に比べて光量が１６倍に増えることになる。
【００１９】
また、可干渉距離１００μｍの測定範囲では、センサ１７上に多少の同心円状の干渉パターンが発生するために、このことを考慮に入れてアパーチャで光束を直径の７０％にカットしても、光量損失は半分に押さえることができ、従来例の干渉計に比較して８倍の信号増加が見込める。このことによって、ＳＮ比が相当に改善されるので、電気分割の精度が向上して高精度な測定が可能となる。
【００２０】
なお、凹レンズ１５の代りに負の屈折力を有するフレネルレンズを同様の位置に設置しても同様の効果が得られ、このフレネルレンズは薄型に構成し易いために干渉計を小型にするには好適である。
【００２１】
図２は本発明の他の実施の形態を示し、凹レンズ１５ではなく凸面ミラー１８を使用する構成とされ、そのためスプリット面１４ａの反射方向を逆向きとし、更に往復光路中に１／４波長板１９を加えている点が図１の実施の形態とは異なっており、その他は図１の実施の形態と同様である。
【００２２】
この異なる点について説明すると、スプリット面１４ａで反射したＳ波は凸面ミラー１８によって集光位置を先に延ばされ、その反射による光路往復の間に１／４波長板１９によってＰ波に変更され、スプリット面１４ａを透過して被検物体Ｔに向かう。被検物体Ｔからの反射光は、光路を逆進してスプリット面１４ａで参照光束Ｌ２と合波される。この際に、被検物体Ｔが測定光束Ｌ３の集光位置にあるとき、合波後の光束の波面が曲率の等しい球面波となるのは先の実施の形態と同様である。
【００２３】
本実施の形態では、凹レンズ１５を使用した先の実施の形態と比較し、波長によって集光位置が変化しないので、より波長変動につよいという利点がある。なお、光源としては半導体レーザー光源以外に、例えばＬＥＤ等の可干渉性の低いものに特に有効に適用できる。
【００２４】
図３は本発明の干渉装置及びそれを用いた位置検出装置を採用したサーボトラック信号書込装置（サーボ信号書込装置）の実施の形態の概略構成図である。
【００２５】
ハードディスクドライブ装置２１においては、ハードディスク２２の外側に回転軸Ｏを持つ磁気ヘッドアーム２３が配置されていて、その先端に取り付けられたスライダ２４が、ハードディスク２２面に対向して０．５μｍ以下のギャップで配置され、磁気ヘッドアーム２３の磁気ヘッドの位置制御による回転はボイスコイルモータ２５に電流を流すことで行われる。
【００２６】
ハードディスク２２の表面には情報記録のための磁気による情報媒体が蒸着されており、ハードディスク２２はスピンドル２６を中心に常時高速で回転しており、磁気ヘッドアーム２３がボイスコイルモータ２５により回転駆動することにより、スライダ２４がハードディスク２２上を略半径方向に相対移動できるようになっている。これによって、円盤状のハードディスク２２の表面上の任意の位置つまりトラックに磁気ヘッドを制御して、磁気情報を書き込んだり読取ったりすることができる。
【００２７】
シグナルジェネレータ２７はハードディスク２２に書き込むサーボトラック信号を発生させ、このサーボトラック信号がスライダ２４の磁気ヘッドを介してハードディスク２２に書き込まれる。
【００２８】
位置検出ユニット２８は回転アーム、ポジショナーアームから成り回転軸Ｏを中心に回転する支持アーム２９の先端に設けられ、光学プローブ３０から成る先端部品がハードディスクドライブ装置２１のベースプレートの図示しない長穴状開口に挿入され、磁気ヘッドアーム２３の側面近傍に配置されるようになっている。支持アーム２９の動きは、回転軸Ｏに取り付けられた高分解能のロータリエンコーダ３１によって検出され、この検出データを基にシグナルプロセッサ３４がモータドライバ３２を介してモータ３３を回転駆動する。この形態のフィードバック制御によって、位置検出ユニット２８が回転位置決めされることになる。なお、ロータリエンコーダ３１、モータドライバ３２、モータ３３、そしてシグナルプロセッサ３４はロータリポジショナ３５の１要素を構成している。
【００２９】
本実施の形態では、支持アーム２９に位置検出ユニット２８として前述した図１又は図２の干渉計を配置し、この干渉計からの測定光を磁気ヘッドアーム２３の側面（被検物体Ｔに相当）に入射し、この側面からの光束を照射し、反射光を取り出して他の光束と干渉させて、磁気ヘッドアーム２３との位置関係をシグナルプロセッサ３６で測定することで、磁気ヘッドアーム２３の側面とロータリポジショナ３５の位置検出ユニット２８との相対距離を安定に測定し、この測定値が一定になるように磁気ヘッドアーム２３を駆動するボイスコイルモータ２５を、ボイスコイルモータドライバ３７により駆動制御している。
【００３０】
この構成によって磁気ヘッドアーム２３上の磁気ヘッドをハードディスク２２上の適正な半径位置に正確に位置決めでき、正確、精密なサーボトラック書込みが可能となる。
【００３１】
上記装置は信号書込み装置であるが、磁気ヘッドから信号を読取る読取装置、例えば検査装置及びその双方の機能を持つ装置にも同様に採用できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による光干渉装置及び位置検出装置は、測定光束及び参照光束を波動光学的な等光路位置で集光する集光光束とし、特に例えばプローブ型偏光部材から射出された直後の位置に屈折力を有する光学部材を設置して、可干渉性の最大位置と幾何光学的な集光位置を一致させることができるので、センサ上で光の干渉信号を縞模様のないワンカラーとすることができる。この結果、センサ部分にアパーチャ等を設ける必要がなくなり、光量損失を生ずることがなく、ＳＮ比の高い信号を得ることができ、測定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の干渉計の構成図である。
【図２】サーボ信号書込装置の説明図である。
【図３】他の実施の形態の構成図である。
【図４】従来例の干渉計の構成図である。
【図５】同心円状の干渉パターンを制限するアパーチャの説明図である。
【符号の説明】
１０  光学ヘッド
１１  半導体レーザー光源
１２  集光レンズ
１３  非偏光ビームスプリッタ
１４  プローブ型偏光部材
１５  凹レンズ
１６  偏光板
１７  センサ
１８  凸面ミラー
１９  １／４波長板
２１  ハードディスクドライブ装置
２２  ハードディスク
２３  磁気ヘッドアーム
２４  スライダ
２５  ボイスコイルモータ
２８  位置検出ユニット
２９  支持アーム
３０  光学プローブ
３１  ロータリエンコーダ
３３  モータ
３５  ロータリポジショナ
Ｔ  被検物体
【図１】
0004593768.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004593768.tif 000004
【図４】
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【図５】
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