(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを測定面に向けて照射するとともに前記測定面から反射する反射光を受ける対物レンズをこの対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段と、
この移動手段にて移動される対物レンズの位置を検出する位置検出手段と、
前記対物レンズの光軸を対称軸として互いに対向配置され前記対物レンズからの前記反射光の量をそれぞれ検出する複数の受光素子と、
これら複数の受光素子にてそれぞれ検出する前記反射光の量に基づいて焦点位置からの前記対物レンズの位置のずれを示すフォーカスエラー信号を出力する位置ずれ検出手段と、
この位置ずれ検出手段からのフォーカスエラー信号および前記位置検出手段にて検出する前記対物レンズの位置から焦点位置を認識するとともに、前記移動手段を制御して前記対物レンズを焦点位置に移動させる焦点認識手段と、を具備し、
前記焦点認識手段は、前記移動手段にて前記対物レンズを前記測定面に最も近接する位置と前記測定面に最も離間する位置との間で移動させつつ、前記位置検出手段にて前記移動される対物レンズの位置を検出するとともに、前記位置ズレ検出手段でフォーカスエラー信号を検出し、これら検出した前記対物レンズの位置と前記フォーカスエラー信号とを次々に関連付ける処理を継続し、前記検出したフォーカスエラー信号のゼロクロスを認識し、このフォーカスエラー信号のゼロクロスに関連付けられた前記対物レンズの位置を前記焦点位置として認識し、前記移動手段を制御して前記対物レンズを前記認識した焦点位置に移動させるもので、前記対物レンズの位置に次々に関連付けるフォーカスエラー信号の電圧値があらかじめ設定した所定の閾値の負の値と正の値との双方の規定レベルを認識した場合に、前記対物レンズの位置と前記フォーカスエラー信号との次々に関連付ける処理を停止し、フォーカスエラー信号のゼロクロスに関連付けられた前記対物レンズの位置を前記焦点位置として認識し、前記移動手段を制御して前記対物レンズを前記焦点位置に移動させる処理を実施する
ことを特徴としたフォーカシングサーボ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のフォーカシングサーボ装置において、
焦点認識手段は、対物レンズを測定面に最も近接する位置に移動させて位置検出手段で検出する前記対物レンズの位置を前記測定面に最も近接する位置として認識するとともに、前記測定面に最も離隔する位置に移動させて前記位置検出手段で検出する前記対物レンズの位置を前記測定面に最も離間する位置として認識し、前記対物レンズの移動可能範囲が所定の移動範囲か否かのストロークチェックを実施し、
前記ストロークチェックで所定の移動範囲であると認識すると、前記対物レンズを前記測定面に最も離間する位置から前記測定面に最も近接する位置へ移動させつつ、前記位置検出手段にて検出する前記対物レンズの位置と前記位置ズレ検出手段で検出するフォーカスエラー信号とを次々に関連付ける処理を継続し、前記フォーカスエラー信号のゼロクロスに関連付けられた前記対物レンズの位置を前記焦点位置として認識する
ことを特徴としたフォーカシングサーボ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のフォーカシングサーボ装置において、
測定面が変動した場合に前記対物レンズをフォーカスエラー信号のゼロクロスとなる位置に制御をするＰＩＤ制御回路部と、
前記焦点認識手段、および前記ＰＩＤ制御回路部を切り換えるスイッチと、を具備した
ことを特徴としたフォーカシングサーボ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォーカスエラー信号に基づいて対物レンズを移動手段にて焦点位置に移動させるフォーカシングサーボ装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、光学式変位計として、レーザ光の照射により得られた反射光から焦点を検出するフォーカシングサーボ装置を備えた構成が知られている。このフォーカシングサーボ装置としては、例えば特開平７−１０３７１０号公報、特開平７−２９４８００号公報および特開平９−６８４０７号公報などに記載の構成が知られている。
【０００３】
これら特開平７−１０３７１０号公報、特開平７−２９４８００号公報および特開平９−６８４０７号公報などに記載のフォーカシングサーボ装置は、測定面に対して対物レンズを近接離隔させ、この近接離隔により反射光が電気信号に変換されて生成されたＳ字曲線信号いわゆるフォーカスエラー信号の合焦点位置であるゼロクロスポイントを検出する。そして、検出したゼロクロスポイントの位置に、ＣＰＵ(Central Processing Unit)の信号出力によりアクチュエータを駆動させて対物レンズを追従させ、フォーカシングが達成すなわち焦点が合う構成が採られている。
【０００４】
ところで、上記従来のフォーカシングサーボ装置において、ゼロクロスポイントを検出してから対物レンズをゼロクロスポイントの位置である焦点の位置まで移動させる時間は、反射光から生成されたフォーカスエラー信号の波形がフォーカシング領域の条件を満たし、ＣＰＵの制御にて対物レンズを移動させる制御プロセスの制御系の指令伝達の応答特性に依存する。そして、制御プロセスでは、アクチュエータやアクチュエータの駆動にて対物レンズを移動させる移動機構などの機械部品が介在する。このことにより、制御系の指令伝達に際して、指令信号に対しての対物レンズの移動の遅れや行き過ぎなどが生じないように、従来では対物レンズの現在位置を確認しつつフィードバック制御している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のフォーカシングサーボ装置では、対物レンズの現在位置を確認しつつフィードバック制御しているため、制御系の指令伝達の遅れすなわち指令伝達に要する時間などによりフォーカシングが終了するまでに時間を要する。したがって、作業効率の向上が望めない問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みて、フォーカシングの終了までの時間が短縮するフォーカシングサーボ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、光ビームを測定面に向けて照射するとともに前記測定面から反射する反射光を受ける対物レンズをこの対物レンズの光軸に沿って移動させる移動手段と、この移動手段にて移動される対物レンズの位置を検出する位置検出手段と、前記対物レンズの光軸を対称軸として互いに対向配置され前記対物レンズからの前記反射光の量をそれぞれ検出する複数の受光素子と、これら複数の受光素子にてそれぞれ検出する前記反射光の量に基づいて焦点位置からの前記対物レンズの位置のずれを示すフォーカスエラー信号を出力する位置ずれ検出手段と、この位置ずれ検出手段からのフォーカスエラー信号および前記位置検出手段にて検出する前記対物レンズの位置から焦点位置を認識するとともに、前記移動手段を制御して前記対物レンズを焦点位置に移動させる焦点認識手段と、を具備し、前記焦点認識手段は、前記移動手段にて前記対物レンズを前記測定面に最も近接する位置と前記測定面に最も離間する位置との間で移動させつつ、前記位置検出手段にて前記移動される対物レンズの位置を検出するとともに、前記位置ズレ検出手段でフォーカスエラー信号を検出し、これら検出した前記対物レンズの位置と前記フォーカスエラー信号とを次々に関連付ける処理を継続し、前記検出したフォーカスエラー信号のゼロクロスを認識し、このフォーカスエラー信号のゼロクロスに関連付けられた前記対物レンズの位置を前記焦点位置として認識し、前記移動手段を制御して前記対物レンズを前記認識した焦点位置に移動させるもので、前記対物レンズの位置に次々に関連付けるフォーカスエラー信号の電圧値があらかじめ設定した所定の閾値の負の値と正の値との双方の規定レベルを認識した場合に、前記対物レンズの位置と前記フォーカスエラー信号との次々に関連付ける処理を停止し、フォーカスエラー信号のゼロクロスに関連付けられた前記対物レンズの位置を前記焦点位置として認識し、前記移動手段を制御して前記対物レンズを前記焦点位置に移動させる処理を実施することを特徴としたフォーカシングサーボ装置である。
【０００８】
この発明では、焦点認識手段により、測定面を反射して対物レンズにて受けて複数の受光素子で検出した反射光の量に基づいて焦点位置からの対物レンズの位置のずれを示すフォーカスエラー信号と、位置検出手段にて検出する対物レンズの位置とにて焦点位置を認識し、移動手段を制御して対物レンズを焦点位置に移動させる。すなわち、移動手段にて対物レンズを測定面に最も近接する位置と測定面に最も離間する位置との間で移動させつつ、位置検出手段にて移動される対物レンズの位置を検出するとともに、位置ズレ検出手段でフォーカスエラー信号を検出し、これら検出した対物レンズの位置とフォーカスエラー信号とを次々に関連付ける処理を継続する。そして、対物レンズの位置と次々に関連付けるフォーカスエラー信号の電圧値があらかじめ設定した所定の閾値の負の値と正の値との双方の規定レベルを認識した場合に、対物レンズが既に焦点位置であるゼロクロスの位置を通過したこととなるので、対物レンズの位置とフォーカスエラー信号との次々に関連付ける処理を停止し、フォーカスエラー信号のゼロクロスに関連付けられた対物レンズの位置を焦点位置として認識し、移動手段を制御して対物レンズを認識した焦点位置に移動させる。このことにより、フォーカスエラー信号を検出して焦点位置を認識する動作の際に、移動する対物レンズの位置を次々に認識して対物レンズの位置とフォーカスエラー信号とを次々に関連付け、フォーカスエラー信号のゼロクロスに関連付けられた対物レンズの位置を焦点位置として認識した後は、対物レンズをその焦点位置まで移動させればよく、従来のように、対物レンズを焦点位置に移動する際に対物レンズの位置を確認しつつ移動させるフィードバック制御する必要がなく、焦点位置を認識した後には高速で移動させることが可能となり、対物レンズが短時間で焦点位置まで移動され、作業効率が向上する。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のフォーカシングサーボ装置において、焦点認識手段は、対物レンズを測定面に最も近接する位置に移動させて位置検出手段で検出する前記対物レンズの位置を前記測定面に最も近接する位置として認識するとともに、前記測定面に最も離隔する位置に移動させて前記位置検出手段で検出する前記対物レンズの位置を前記測定面に最も離間する位置として認識し、前記対物レンズの移動可能範囲が所定の移動範囲か否かのストロークチェックを実施し、前記ストロークチェックで所定の移動範囲であると認識すると、前記対物レンズを前記測定面に最も離間する位置から前記測定面に最も近接する位置へ移動させつつ、前記位置検出手段にて検出する前記対物レンズの位置と前記位置ズレ検出手段で検出するフォーカスエラー信号とを次々に関連付ける処理を継続し、前記フォーカスエラー信号のゼロクロスに関連付けられた前記対物レンズの位置を前記焦点位置として認識するものである。
【００１０】
この発明では、焦点認識手段により、対物レンズを測定面に最も近接する位置と最も離隔する位置とに移動して位置検出手段で対物レンズの位置を検出し、対物レンズの移動可能範囲が所定の移動範囲か否かのストロークチェックを実施し、このストロークチェックで所定の移動範囲であると認識すると、対物レンズの位置を検出しつつ位置ずれ検出手段にてフォーカスエラー信号を検出して対物レンズの位置とフォーカスエラー信号とを次々に関連付ける処理を継続して焦点位置を認識する。このことにより、容易に正確な焦点位置が認識される。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のフォーカシングサーボ装置において、測定面が変動した場合に前記対物レンズをフォーカスエラー信号のゼロクロスとなる位置に制御をするＰＩＤ制御回路部と、前記焦点認識手段、および前記ＰＩＤ制御回路部を切り換えるスイッチと、を具備するものである。
【００１２】
この発明では、焦点認識手段によりＰＩＤ制御および位相補償制御にて焦点位置を認識してこの焦点位置に対物レンズを移動させる処理をした後に、ＰＩＤ制御回路部により測定面が変動した場合に対物レンズをフォーカスエラー信号のゼロクロスとなる位置に位置させる制御に、スイッチにて切り替える。このため、焦点位置に対物レンズを移動して焦点合わせが終了した後はフォーカスエラー信号が大きく変化しないので、ＰＩＤ制御により対物レンズが焦点位置となるように追従処理される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るフォーカシングサーボ装置の一実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１において、１は光学式変位計で、この光学式変位計１は、例えば光ディスクドライバのピックアップの追従制御や表面粗さ計の測定ヘッドなどで、図示しない筐体を有している。そして、この筐体内には、光源としての半導体レーザ２が配設されている。また、筐体内には、対物レンズ３を有したピンホール式の光学系機構部４が設けられている。
【００１５】
そして、光学系機構部４には、筐体に配設された偏光ビームスプリッタ５が設けられている。この偏光ビームスプリッタ５は、半導体レーザ２から発光されたレーザ光である光ビームを対物レンズ３に向けて反射させる。
【００１６】
さらに、光学系機構部４には、偏光ビームスプリッタ５と対物レンズ３との間に位置して、筐体に配設された図示しないコリメータレンズが設けられている。このコリメータレンズは、偏光ビームスプリッタ５からの光ビームを平行光線にする。また、偏光ビームスプリッタ５には、コリメータレンズと対向する面に１／４波長板が設けられている。この１／４波長板は、測定面から反射された反射光が半導体レーザ２に戻らないようにするとともに、偏光ビームスプリッタ５との組み合わせによってハーフミラーを用いた場合よりも効率を高めるものである。
【００１７】
また、光学系機構部４には、偏光ビームスプリッタ５の対物レンズ３と反対側に位置して筐体に配設された集光レンズである結像レンズ７が設けられている。この結像レンズ７は、偏光ビームスプリッタ５を通過した反射光を結像する。
【００１８】
そして、この光学系機構部４は、半導体レーザ２から発光されたレーザ光である光ビームを測定面８に向けて照射するとともに測定面８から反射した反射光を対物レンズ３にて受ける構成が採られている。
【００１９】
また、筐体には、光学系機構部４の対物レンズ３を測定面８に対して近接および離隔させる駆動機構部１１が配設されている。この駆動機構部１１は、筐体に移動可能に配設された図示しないホルダを有している。このホルダは、対物レンズ３の光軸すなわち上下方向に沿って対物レンズ３を移動可能に保持する。また、駆動機構部１１は、ホルダを移動させる移動手段としてのアクチュエータ(actuator:作動装置)１２を有している。
【００２０】
また、アクチュエータ１２には、変位検出機構部１４が設けられている。この変位検出機構部１４は、例えばホログラムスケールなどのリニアエンコーダ(linear encorder:光学式位置検出装置)１５を有している。このリニアエンコーダ１５は、アクチュエータ１２の駆動によりホルダの移動に伴って移動されるスケール１６と、筐体に固定されスケール１６を読み取る検出器１７とを備えている。そして、リニアエンコーダ１５は、例えば一対の検出器１７にてスケール１６の目盛を検出し、検出に伴って二相方形波信号を出力する。
【００２１】
さらに、筐体には、対物レンズ３の光軸を中心軸として互いに対向配置された一対の第１の受光素子２１および第２の受光素子２２が配設されている。これら第１の受光素子２１および第２の受光素子２２はフォトダイオードなどにて構成され、光学系機構部４から送られる反射光の光の量を検出する。そして、第１の受光素子２１および第２の受光素子２２は、結像レンズ７の焦点位置に配置される。
【００２２】
そして、駆動機構部１１と第１の受光素子２１および第２の受光素子２２とは、第１の受光素子２１および第２の受光素子２２にて受光した光の量を認識して駆動機構部１１の駆動を制御する制御手段２５に接続されている。
【００２３】
この制御手段２５は、Ｓ字曲線信号であるフォーカスエラー信号Ｓを求める位置ずれ検出手段としての信号発生手段２７を有している。この信号発生手段２７は、第１の受光素子２１および第２の受光素子２２のそれぞれに接続されたオペアンプなどの差演算手段２８および和演算手段２９を備えている。そして、差演算手段２８は、第１の受光素子２１および第２の受光素子２２の出力電流を電圧に変換し、この変換された電圧値の差を演算する。また、和演算手段２９は、第１の受光素子２１および第２の受光素子２２の出力電流を電圧に変換し、この変換された電圧値の和を演算する。
【００２４】
また、信号発生手段２７には、差演算手段２８および和演算手段２９に接続された除算手段３０が設けられている。この除算手段３０は、差演算手段２８の出力電圧を和演算手段２９の出力電圧で割ってフォーカスエラー信号Ｓを出力する。
【００２５】
このフォーカスエラー信号Ｓは、測定面８が対物レンズ３の焦点位置と一致する場合には０となり、測定面８が対物レンズ３の焦点位置に対して近い場合には正の値をとる。これに対して、測定面８が対物レンズ３の焦点位置から遠い場合には、負の値をとる。このように、フォーカスエラー信号Ｓは略Ｓ字曲線状となる
【００２６】
さらに、制御手段２５には、焦点認識手段３５と、ＰＩＤ制御回路部３６と、これら焦点認識手段３５およびＰＩＤ制御回路部３６を切り換えるスイッチ３７と、アクチュエータ１２の駆動を制御する移動制御手段としてのアクチュエータドライバ３８とが設けられている。
【００２７】
そして、焦点認識手段３５は、信号発生手段２７の除算手段３０に接続され、ＣＰＵ(Central Processing Unit)４１を有している。そして、このＣＰＵ４１には、データバス４２が接続されている。さらに、データバス４２には、Ａ／Ｄ(アナログ／デジタル)変換手段４３、カウンタＩＣ(Integrated Circuit)４４およびＤ／Ａ(デジタル／アナログ)変換手段４５が接続されている。
【００２８】
また、Ａ／Ｄ変換手段４３は信号発生手段２７の除算手段３０に接続され、フォーカスエラー信号Ｓをデジタル信号に変換する。さらに、Ｄ／Ａ変換手段４５は、アクチュエータ１２の駆動を制御するアクチュエータドライバ３８に接続されている。また、カウンタＩＣ４４は、変位検出機構部１４のリニアエンコーダ１５の検出器１７に接続されている。そして、カウンタＩＣ４４は、検出器１７から出力される二相方形波信号を認識して計数する。このカウンタＩＣ４４とリニアエンコーダ１５とにて位置検出手段４６が構成される。
【００２９】
そして、制御手段２５の焦点認識手段３５は、図２および図３に示すように、カウンタＩＣ４４にて変位検出機構部１４からの二相方形波信号に基づいて対物レンズ３の位置を認識する。また、焦点認識手段３５は、信号発生手段２７からのフォーカスエラー信号Ｓの大きさ、フォーカスエラー信号Ｓと認識した対物レンズ３との位置関係、および、フォーカスエラー信号Ｓの０となるゼロクロスポイント位置を認識する。
【００３０】
さらに、焦点認識手段３５は、対物レンズ３を認識した位置から、ゼロクロスポイント位置である焦点の位置まで、図４および図５に示す位相補償制御により逐次対物レンズ３とゼロクロスポイントまでの距離とを認識しつつ対物レンズ３を移動させる制御をする。
【００３１】
すなわち、ＣＰＵ４１は、ソフトウェアによる制御偏差に比例した信号を発生する一対のＰ1動作部５０およびＰ2動作部５１の動作をする。また、ＣＰＵ４１は、ソフトウェアによる制御偏差の積分値に比例した信号を発生するＩ動作部５２と、微分値に比例した信号を発生するＤ動作部５３との動作をする。そして、Ｐ1動作部５０、Ｉ動作部５２およびＤ動作部５３は、平行して処理される。また、Ｐ1動作部５０、Ｉ動作部５２およびＤ動作部５３の３つの動作を組み合わせる加算手段５４の動作をする。そして、この加算手段５４で組み合わせた後にＰ2動作部５１の動作をする。また、Ｐ2動作部５１の動作の後、再びＰ1動作部５０、Ｉ動作部５２およびＤ動作部５３の動作、すなわち制御偏差に比例して発生した信号をフィードバック信号として発生させる。このフィードバック信号は、以下に示す式１により発生させる。
【００３２】
【式１】
0003802374.tif 000002
【００３３】
また、ＣＰＵ４１は、図５に示す位相補償制御を以下に示す式に基づいて制御する。
【００３４】
Ｗ＝今回のＸ値−前回のＹ値
Ｗi＝Ｗの積分
今回のＹ＝Ｗi×係数４(１／Ｔ1)
ＷＫ＝Ｗ×係数５(Ｔ2／Ｔ1)
Ｖ＝ＷＫ＋Ｙ×係数６(１／Ｓ→(ΣＷ)Ｔ)
【００３５】
このようにして、焦点認識手段３５のＣＰＵ４１では、ＰＩＤ制御するとともに位相補償制御し、対物レンズ３を焦点位置であるゼロクロスポイント位置まで移動させるようにアクチュエータドライバを制御し、アクチュエータ１２を駆動させ、フォーカシングすなわち焦点合わせする。
【００３６】
また、信号発生手段２７の除算手段３０には、ＰＩＤ制御回路部３６が接続されている。このＰＩＤ制御回路部３６は、例えば移動させるワークの表面である測定面８がワークの移動により変動することにより焦点が合わなくなった場合に、ＰＩＤ制御により対物レンズ３を焦点位置であるゼロクロスポイント位置まで移動させるようにアクチュエータドライバを制御し、アクチュエータ１２を駆動させる。すなわち、制御手段２５は、焦点認識手段３５にてフォーカシングが終了した後にスイッチ３７を焦点認識手段３５側からＰＩＤ制御回路部３６側に切り換え、ワークの移動によるワーク表面である測定面８にＰＩＤ制御回路部３６にて焦点合わせすることにより、ワークの表面の粗さが測定される。このフォーカシングが終了した後はフォーカスエラー信号が大きく変化しないので、ＰＩＤ制御回路部３６によるＰＩＤ制御にて焦点位置となるように追従処理する。
【００３７】
そして、これら半導体レーザ２、光学系機構部４、第１の受光素子２１、第２の受光素子２２、駆動機構部１１および制御手段２５にてフォーカシングサーボ装置５５が構成される。
【００３８】
次に、上記一実施の形態のフォーカシングサーボ装置５５の動作を図面に基づいて説明する。
【００３９】
まず、制御手段２５のスイッチ３７を焦点認識手段３５側に閉成する状態にする。そして、図６に示すソフトウェアサーボサーチである焦点位置であるフォーカスエラー信号Ｓのゼロクロスポイント位置を認識する動作をする。
【００４０】
すなわち、焦点認識手段３５での処理状態が従前に処理をしていない制御番号０か否かを判断する(ステップ１)。そして、焦点認識手段３５での処理状態がまだ処理していない制御番号０であると判断した場合には、対物レンズ３の移動範囲であるストロークチェックをするために、対物レンズ３を下方、すなわち測定面８に近づける方向に移動させる制御であるフェーズ０の制御をする(ステップ２)。
【００４１】
そして、ステップ２でフェーズ０の制御をした後は、ステップ１に戻る。
【００４２】
一方、ステップ１で、焦点認識手段３５で制御番号０ではないと判断した場合には、焦点認識手段３５での処理状態が従前にフェーズ０の処理をした旨の制御番号１か否かを判断する(ステップ３)。そして、焦点認識手段３５での処理状態が制御番号１であると判断した場合には、対物レンズ３の移動範囲であるストロークチェックをするために、対物レンズ３を上方、すなわち測定面８から離隔する方向に移動させる制御であるフェーズ１の制御をする(ステップ４)。
【００４３】
そして、ステップ４でフェーズ１の制御をした後は、ステップ１に戻る。
【００４４】
また、ステップ３で制御番号１ではないと判断した場合には、焦点認識手段３５での処理状態が従前にフェーズ１の処理をした旨の制御番号２か否かを判断する(ステップ５)。そして、焦点認識手段３５での処理状態が制御番号２であると判断した場合には、フォーカスエラー信号Ｓと対物レンズ３の位置とを関連付けて認識するために対物レンズ３を移動させる制御であるフェーズ２の制御をし(ステップ６)、ステップ１に戻る。
【００４５】
さらに、ステップ５で制御番号２ではないと判断した場合には、焦点認識手段３５での処理状態が従前にフェーズ２の処理をした旨の制御番号３か否かを判断する(ステップ７)。そして、焦点認識手段３５での処理状態が制御番号３であると判断した場合には、フォーカスエラー信号Ｓのゼロクロスポイントとなる焦点位置に対物レンズ３を移動させる制御であるフェーズ３の制御をする(ステップ８)。
【００４６】
そして、ステップ８でフェーズ３の制御をした後は、フォーカシング制御であるソフトウェアサーボサーチ制御を終了する。
【００４７】
また、ステップ７で制御番号３ではないと判断した場合には、例えばノイズの影響などと判断し、例えば再びステップ１に戻ってフォーカシング制御であるソフトウェアサーボサーチ制御を繰り返す。なお、ある程度ソフトウェアサーボサーチ制御が繰り返された場合には、構成部材の損傷などと判断し、繰り返し制御を停止して、エラーメッセージなどを表示や発音して異常を報知する。
【００４８】
そして、制御手段２５の焦点認識手段３５におけるソフトウェアサーボサーチ制御に際して、まず、フェーズ０をする。このフェーズ０は、図７に示すように、対物レンズ３を下方に移動させる制御をする(ステップ１１)。この対物レンズ３の下方へ移動させる制御は、アクチュエータ１２を制御するための焦点認識手段３５の図２ないし図５に示すＰＩＤ演算および位相進み補正をしてアクチュエータ１２を駆動制御し、対物レンズ３を下方へ移動させる。
【００４９】
この対物レンズ３の下方への移動の間、カウンタＩＣ４４にて下方へ移動する対物レンズ３の位置を認識し、下端を確認する。そして、ステップ１１で対物レンズ３を下端まで移動させてカウンタＩＣ４４にて下端位置を認識した後、既にフェーズ０を終了した旨の制御番号１を設定し(ステップ１２)、フェーズ０の制御を終了する。
【００５０】
また、フェーズ１の制御では、既にフェーズ０で対物レンズ３が下端に位置する状態に移動制御しているので、図８に示すように、対物レンズ３を上向きに移動させる制御をする(ステップ１３)。この対物レンズ３の上方へ移動させる制御は、フェーズ０と同様に、アクチュエータ１２を制御するための焦点認識手段３５の図２ないし図５に示すＰＩＤ演算および位相進み補正をしてアクチュエータ１２を駆動制御し、対物レンズ３を上方へ移動させる。
【００５１】
この対物レンズ３の上方への移動の際にも、フェーズ０の制御の場合と同様に、上方へ移動する対物レンズ３の位置を認識し、上端を確認する。そして、ステップ１３で対物レンズ３を上端まで移動させてカウンタＩＣ４４にて上端位置を認識した際には、既にフェーズ１を終了した旨の制御番号２を設定し(ステップ１４)、フェーズ１の制御を終了する。
【００５２】
このようにして、フェーズ０およびフェーズ１により、対物レンズ３が一旦下端まで移動された後に上端まで移動され、この移動に伴ってカウンタＩＣ４４にて位置を認識するので、対物レンズ３が移動される範囲の下端および上端が認識される。この上端位置と下端位置との認識により、対物レンズ３の移動範囲が所定の範囲、例えば設計の１ｍｍの移動範囲であったかいなかのストロークチェックがされる。なお、このフェーズ０およびフェーズ１により、所定のストロークチェックができなかった場合には、フェーズ０およびフェーズ１を所定回繰り返し、所定の移動範囲を認識できない場合には、例えばアクチュエータ１２などの構成部材が損傷していると判断し、エラーメッセージなどを表示や発音して異常を報知する。
【００５３】
また、フェーズ２の制御では、既にフェーズ０およびフェーズ１で対物レンズ３が移動される範囲の下端および上端位置を認識してストロークチェックが終了している。この状態で、図９に示すように、再び対物レンズ３を下方に向けて移動させる制御をする(ステップ１５)。この下方への移動、例えば２００μｍ／秒で移動させる際に、カウンタＩＣ４４にて対物レンズ３の位置を認識しつつ、信号発生手段２７から出力されるフォーカスエラー信号Ｓを読み取り、対物レンズ３の位置とフォーカスエラー信号Ｓとを関連付けする。なお、この対物レンズ３の移動の際にも、上述したように、ＰＩＤ制御および位相補償制御にてアクチュエータ１２を駆動させて対物レンズ３を移動させる。
【００５４】
そして、読み取ったフォーカスエラー信号Ｓが規定レベルか否かを判断する(ステップ１６)。すなわち、光学式変位計１の特性毎に、第１の受光素子２１および第２の受光素子２２にて受光した光により信号発生手段２７から出力されるフォーカスエラー信号Ｓの電圧値は所定の値、例えば上限が＋１．０Ｖ、下限が−１．０Ｖの所定のＳ字曲線となる。そして、対物レンズを上端から下方に向けて移動させるため、認識するフォーカスエラー信号Ｓの電圧値は、上述したように負の値からゼロクロス、そして正の値となる。このことにより、ゼロクロスを認識するために、ノイズではなく規定レベル、すなわちまず所定の閾値である所定の大きさの負の値の電圧が認識されるか否かを判断する。なお、閾値となる規定レベルは、あらかじめ焦点認識手段３５に記憶されている。
【００５５】
このステップ１６で対物レンズ３の下方への移動により、規定レベルを認識した場合には、フォーカスエラー信号Ｓが認識されていると判断し、フォーカスエラー信号Ｓの読み取りのための対物レンズ３の移動を継続させる。すなわち、フォーカスエラー信号ＳとカウンタＩＣ４４による対物レンズ３の位置との関連付けをする制御を継続する。なお、ステップ１６で対物レンズ３の下方への移動の際に、規定レベルを認識できず、対物レンズ３が下端まで移動されてしまった場合には、例えばノイズの影響などと判断し、ステップ４のフェーズ１の制御をする。すなわち、フェーズ１で一旦対物レンズ３を上端まで移動させ、再びフェーズ２で規定レベルの認識をする。
【００５６】
また、ステップ１６で規定レベルを認識した場合には、ノイズではなくＭＩＮレベル、すなわち所定の閾値である所定の大きさの正の値の電圧が認識されるか否かを判断する(ステップ１７)。すなわち、既にステップ１６でフォーカスエラー信号Ｓの負の値の電圧を認識しているので、正の値の電圧を認識することにより、その間に焦点位置に対応するゼロクロスが位置することとなる。このため、ステップ１６で規定レベルを認識した後に、フォーカスエラー信号Ｓを読み取り対物レンズ３の位置との関連付けをしつつ、ステップ１７でＭＩＮレベルの認識をする。
【００５７】
そして、ステップ１７でフォーカスエラー信号ＳのＭＩＮレベルを認識した場合には、フォーカスエラー信号Ｓを読み取り対物レンズ３の位置との関連付けをしているので、フォーカスエラー信号ＳのゼロクロスもカウンタＩＣ４４による対物レンズの位置で関連付けられている。このことにより、対物レンズ３を下方に移動させる制御を停止させ、既にフェーズ２を終了した旨の制御番号３を設定し(ステップ１８)、フェーズ２の制御を終了する。すなわち、焦点位置を認識するためのフォーカスエラー信号Ｓと対物レンズ３の位置との関連付けのための制御を終了する。
【００５８】
なお、このステップ１７でフォーカスエラー信号ＳのＭＩＮレベルを認識できず、対物レンズ３が下端まで到達した場合には、例えばノイズの影響などと判断し、ステップ４のフェーズ１の制御をする。すなわち、フェーズ１で一旦対物レンズ３を上端まで移動させ、再びフェーズ２でフォーカスエラー信号ＳとカウンタＩＣ４４による対物レンズ３の位置との関連付けをする制御をする。また、このフェーズ２がある程度繰り返された場合には、アクチュエータ１２や第１の受光素子２１および第２の受光素子２２などの構成部材が損傷していると判断し、エラーメッセージなどを表示や発音して異常を報知する。なお、ステップ４のフェーズ１の制御に戻る場合に限られない。例えば、既にステップ１６で認識している規定レベルの位置まで対物レンズ３を移動させ、フォーカスエラー信号Ｓと対物レンズ３の位置との関連付けをしつつ再びＭＩＮレベルを認識する制御を繰り返すようにするなどしてもよい。
【００５９】
また、フェーズ３の制御では、既にフェーズ２でフォーカスエラー信号Ｓのゼロクロスが対物レンズ３の位置と関連付けられて焦点位置が認識されているので、既に通過した焦点位置へ移動、すなわち上方に向けて移動させる制御をする(ステップ２１)。この上方への移動の場合にも、上述したように、ＰＩＤ制御および位相補償制御しつつアクチュエータドライバ３８を制御してアクチュエータ１２を駆動させ、対物レンズ３を上方へ移動させる。
【００６０】
そして、このＰＩＤ制御および位相補償制御しつつアクチュエータドライバ３８を制御してアクチュエータ１２を駆動させ、対物レンズ３を上方へ移動させつつ、フォーカスエラー信号Ｓのゼロクロスを認識させる。ここで、ゼロクロスを認識せずに上端まで対物レンズ３が移動してしまった場合には、例えばエラーメッセージを表示あるいは発音させて報知し、フォーカシング制御を終了する。
【００６１】
また、ステップ２１による対物レンズ３の上方への移動の制御の際、フォーカスエラー信号Ｓのゼロクロスを認識した場合には(ステップ２２)、対物レンズ３が焦点位置に移動されたと判断して対物レンズ３の移動を停止させ、フェーズ３の制御を終了してフォーカシング制御を終了する。
【００６２】
このように、従来の焦点位置を認識しつつフィードバック制御にて焦点位置に対物レンズ３を移動させた構成では、フォーカスエラー信号Ｓを読み取ってゼロクロスとなるように徐々に対物レンズ３を移動させる必要があり、対物レンズ３を焦点位置まで移動させる時間が長くなる。一方、上記一実施の形態では、対物レンズ３の位置とフォーカスエラー信号Ｓとを関連付けして焦点位置を認識した後に対物レンズ３を移動させるので、従来に比して容易に対物レンズ３を焦点位置まで正確に移動させることができ、時間を短縮でき、作業効率を向上できる。
【００６３】
そして、対物レンズ３を焦点位置まで移動させた後、すなわちフォーカシングが終了した後は、スイッチ３７をＰＩＤ制御回路部３６に切り換え、ＰＩＤ制御しつつ移動するワークの表面との焦点合わせをし、ピックアップの追従制御をする。また、カウンタＩＣ４４にて焦点位置を認識して、ワークの表面の粗さなどを測定する。
【００６４】
上述したように、上記一実施の形態では、以下に示す効果を示す。
【００６５】
(１)焦点認識手段３５により、一対の第１の受光素子２１および第２の受光素子２２が測定面８を反射して対物レンズ３にて受けた反射光の量に基づいて焦点位置からの対物レンズ３の位置のずれを示すフォーカスエラー信号Ｓと、位置検出手段４６にて検出する対物レンズ３の位置とにて焦点位置を認識し、この認識した焦点位置に対物レンズ３を移動させる。このため、フォーカスエラー信号Ｓを検出して焦点位置を認識する動作の際に対物レンズ３の位置を認識し、焦点位置を認識した後は、対物レンズ３をその焦点位置まで移動させればよく、従来のように、フォーカスエラー信号Ｓを読み取りつつ対物レンズ３を徐々に移動させてフォーカスエラー信号Ｓのゼロクロスとなる位置を認識することにより焦点位置と判断して対物レンズ３をその位置で停止させる場合に比し、対物レンズ３を短時間で焦点位置まで容易に移動でき、作業効率を向上できる。さらに、ＰＩＤ制御回路部３６にて焦点位置の追従の際に利用する位置検出手段４６のカウンタＩＣ４４を利用するのみで、別途特別な構成を設ける必要がなく、対物レンズ３を短時間で焦点位置に移動できる。
【００６６】
(２)焦点認識手段３５により、対物レンズ３を測定面に最も近接する位置と最も離隔する位置とに移動して対物レンズ３の移動可能範囲を把握し、対物レンズ３の移動可能範囲内で対物レンズ３の位置を検出しつつ信号発生手段２７にてフォーカスエラー信号Ｓを検出して焦点位置を認識する。このため、正確な焦点位置の認識が容易にできる。
【００６７】
(３)焦点認識手段３５により、ＰＩＤ制御および位相補償制御にて認識した焦点位置に対物レンズ３を移動させる。このため、従来から利用される確立した制御方法を用いて、対物レンズ３の移動の遅れや行き過ぎなどを生じないように正確に焦点位置に移動させることができ、制御構成も簡略化できる。
【００６８】
(４)フェーズ２におけるフォーカスエラー信号Ｓと対物レンズ３との関連付けの際に、測定面８から最も離隔する上端から近接する方向である下方に向けて移動させ、フォーカスエラー信号Ｓを読み取ってカウンタＩＣ４４にて対物レンズ３の位置と関連付けしつつ、まずフォーカスエラー信号Ｓの規定レベルである所定の負の値の電圧を認識してから所定の正の値の電圧を認識する。このことにより、フォーカスエラー信号Ｓのゼロクロスが対物レンズ３の位置と関連付けられ、焦点位置を容易に認識できる。
【００６９】
(５)規定レベルを認識した後にＭＩＮレベルを認識した場合には、既に焦点位置が認識されているので、さらにフォーカスエラー信号Ｓと対物レンズ３の位置とを関連付けする必要がないので、対物レンズ３の移動を停止し、次の制御であるフェーズ３に移行して対物レンズ３を焦点位置まで移動させる制御をする。このため、フォーカスエラー信号Ｓの最小値を認識するということは、既に焦点位置であるゼロクロスの位置を通過したこととなるので、対物レンズ３を下端の位置まで移動させる必要がなく、より短時間で対物レンズ３を焦点位置まで移動させることができる。
【００７０】
(６)対物レンズ３を一旦下方に移動させてから上方に移動させて移動可能範囲を認識してから下方に移動させて焦点位置の認識をするので、焦点位置を認識するために一旦対物レンズ３を移動させる必要がなく、移動可能範囲の認識の制御の後に直ちにフォーカスエラー信号Ｓと対物レンズ３の位置との関連付けにより焦点位置を認識するための制御に移行でき、焦点位置まで対物レンズ３を移動させることが容易に効率よく円滑にでき、より短時間で対物レンズ３を焦点位置まで移動させることができる。
【００７１】
なお、本発明は上記一実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できるものであれば、次に示すような変形形態も適用されるものである。
【００７２】
すなわち、ピンホール式により第１の受光素子２１および第２の受光素子２２にて受光して信号発生手段２７にてフォーカスエラー信号Ｓを認識して説明したが、例えばナイフエッジ法など、いずれの方法によりフォーカスエラー信号Ｓを認識してもできる。すなわち、ナイフエッジ法では、フォーカスエラー信号Ｓは、測定面８が対物レンズ３の焦点位置と一致する場合には０となり、測定面８が対物レンズ３の焦点位置に対して近い場合には正の値をとる。これに対して、測定面８が対物レンズ３の焦点位置から遠い場合には、負の値をとるが、対物レンズ３の焦点位置から測定面８がさらに遠くなる場合には、正負が反転し、正の値をとる。そしてさらに遠くなると、正の値が０に近づく小さな値となる。したがって、フォーカスエラー信号Ｓは正の値をとる領域が２か所で、負の値をとる領域が１か所となる。また、焦点位置が最短となる場合で、再び正の値が０に近づく小さな値となる。なお、焦点位置に対して近い場合の正の値をとる領域は焦点位置から遠くなる場合の正の値をとる領域に比べて最大値が大きい。このように、フォーカスエラー信号Ｓの特性に対応して対物レンズ３の位置と関連付けし、ゼロクロスの位置である焦点位置を認識してもできる。
【００７３】
そして、ピンホール式やナイフエッジ法により読み取るフォーカスエラー信号Ｓは、上記実施の形態に限らず、正負が逆の場合などでも同様に適用できる。
【００７４】
また、位置ずれ検出手段としては、差演算手段２８、和演算手段２９および除算手段３０を用いて算出する構成について説明したが、フォーカスエラー信号Ｓをいずれの構成で求めてもできる。
【００７５】
さらに、一対の第１の受光素子２１および第２の受光素子２２からの出力によりフォーカスエラー信号Ｓを求めたが、一対に限らず、３つ以上でもできる。
【００７６】
そして、移動手段としては、アクチュエータ１２に限らず、対物レンズ３を光軸に沿って移動可能ないずれの構成でもできる。
【００７７】
また、移動する対物レンズ３の位置を検出する方法として、リニアエンコーダ１５からの二相方形波信号をカウンタＩＣ４４で計数して対物レンズ３の位置を検出して説明したが、他のいずれの方法でもできる。
【００７８】
さらに、焦点認識手段３５にて認識した焦点位置に対物レンズ３を移動させる方法としては、ＰＩＤ制御および位相補償制御に限られるのものではなく、例えば対物レンズ３の位置を認識せずにフィードバック制御しないで直接的に認識した焦点位置に移動させるなどいずれの方法で移動させてもできる。
【００７９】
また、スイッチ３７としては、トランジスタなどの電気部品による電子的な切換の他、機械的に切り換える構成でもできる。
【００８０】
そして、光ディスクドライバのピックアップの追従制御や表面粗さ計の測定ヘッドなどに限らず、いずれの光学式変位計に利用できる。
【００８１】
また、焦点位置を認識するために、規定レベルおよびＭＩＮレベルを認識し、認識できない場合には適宜制御を繰り返して説明したが、この構成に限らず、例えば認識できない場合には制御を中断してエラーメッセージを報知するなどしてもよい。また、焦点位置の認識の際、測定面８から最も離隔する位置から近接する方向に移動させて、規定レベルおよびＭＩＮレベルを順次認識する制御について説明したが、この制御に限らず、いずれの方法、例えば最も近接する位置から離隔する方向に移動させてＭＩＮレベルおよび規定レベルを順次認識する逆の制御などでも対応できる。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、焦点認識手段により、複数の受光素子で検出した反射光の量に基づくフォーカスエラー信号と、位置検出手段で検出した対物レンズの位置とにて焦点位置を認識して、対物レンズを焦点位置に移動させる制御をするため、従来のように、対物レンズを焦点位置に移動する際にフォーカスエラー信号を認識しつつ対物レンズを移動させるフィードバック制御する必要がなく、まず焦点位置を認識してから対物レンズを焦点位置まで移動させるので、対物レンズを短時間で焦点位置まで移動でき、作業効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態に係るフォーカシングサーボ装置を用いた光学式変位計を示すブロック図である。
【図２】  同上焦点認識手段のハードウェアを示すブロック図である。
【図３】  同上焦点認識手段の制御工程のソフトフェアによる処理を示すブロック図である。
【図４】  同上焦点認識手段のＰＩＤ制御のソフトウェアによる処理を示すブロック図である。
【図５】  同上焦点認識手段のＰＩＤ制御による位相補償制御のためのソフトウェアによる処理を示すブロック図である。
【図６】  同上フォーカシングサーボ装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】  同上フォーカシングサーボ装置の動作における移動下限を認識する動作を示すフローチャートである。
【図８】  同上フォーカシングサーボ装置の動作における移動上限を認識する動作を示すフローチャートである。
【図９】  同上フォーカシングサーボ装置の動作におけるフォーカスエラー信号を認識する動作を示すフローチャートである。
【図１０】  同上フォーカシングサーボ装置の動作における対物レンズを焦点位置に移動させる動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
３    対物レンズ
８    測定面
９    駆動機構部
１２    移動手段としてのアクチュエータ
２７    位置ずれ検出手段としての信号発生手段
２１    第１の受光素子
２２    第２の受光素子
２５    焦点認識手段
３９    移動制御手段
４６    位置検出手段
５５    フォーカシングサーボ装置
Ｓ    フォーカスエラー信号
【図１】
0003802374.tif 000003
【図２】
0003802374.tif 000004
【図３】
0003802374.tif 000005
【図４】
0003802374.tif 000006
【図５】
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【図６】
0003802374.tif 000008
【図７】
0003802374.tif 000009
【図８】
0003802374.tif 000010
【図９】
0003802374.tif 000011
【図１０】
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