次世代高密度光ディスク用測定機の開発
The Development of the Measurement Instrument for Next-generation High-density Optical Discs

野崎昭

俊＊Nozaki, Akitoshi

夏野靖

幸＊Natsuno, Yasuyuki

In order to satisfy the recent demand for optical storage devices with larger storage capacity and fastertransfer rate, high density optical systems comprising a 405nm wavelength laser diode and a 0.85 NA objective
lens have been proposed. Since the specifications of the high density optical systems are quite different fromthose of CD and DVD systems, new types of measurement systems which can be used for high NA conditions
at 405nm wavelength are needed. We developed "Spot image analyzer KVSA1000A" for evaluating the performance of pick-up systems, and also developed "Interferometer KVSA405A" for evaluating the wavefront aberration of objective lenses. We demonstrated those systems at interOpto®’02, and acquired a good reputation.

１ はじめに現在、光情報記録の大容量化・高速転送化への技術開発は、波長405nmの青紫色半導体レーザと、開口数（NA）0.85の対物レンズを組み合わせることで高密度化する仕様が提案されている。この仕様は、従来の CD や DVD とは大きく異なるため、新たにこの波長帯域で最適化された
高 NA 対応可能で、高精度な評価装置が求められている。
これらのニーズに応えるため、従来から社内用測定機器開発で蓄積した測定・評価技術を用い、青紫波長帯域、高NA対物レンズ搭載光ピックアップの光学性能を評価する『スポット像解析装置 KVSA1000A』と、高 NA 対物レンズの光学特性を評価する『干渉計 KVII405A』を開発し、interOpto® '02 で展示・デモ測定を行い、好評を博した。

Photo.1 KVSA1000A

以下に、これらの測定機の技術ポイントについて解説
し、当社で開発した次世代光ディスク用プラスチック対物レンズ（製品名T588）の測定結果を測定例として紹介する。

２ スポット像解析装置（KVSA1000A）
２．１

概要

スポット像解析装置は、光ピックアップで形成されるスポット像を拡大し、光ピックアップ全体の空間的な光学特性を評価する装置である。Photo. １に装置外観を、Fig. １に本装置の構成図を、Table １に主な仕様を示す。
コリメータから出射した平行光束は、NA0.85 の対物レンズで直径約 0.4 μm のスポット像を形成する。このスポット像は、装置側の100倍拡大レンズで平行光束に戻され、第一のリレーレンズで収束光束となる。収束光束はビームスプリッタで分割され、アライメントカメラに約100 倍、 測定カメラに第二のリレーレンズを介して 1000倍で拡大結像する。

＊ OPT ＆ EM カンパニー

オプト事業部

光学開発センター

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Fig.1 System layout of KVSA100A

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測定カメラから出力された映像信号は、10Bitの量子化

２．２．２

測定時のスポット像安定性向上

精度を持つフレームグラバを経由してパソコンのソフト100倍拡大レンズ測定系の視野は約4.8(H)×3.6(V)μmとウエアで画像処理される。 なお、装置オプションの平行狭く、深度は 0.5 μ m 以下と浅いため、微小な振動やフ光束光源を用いれば、光ピックアップに搭載する対物レレームの弾性変形がスポット像の揺れとして観察される。

ンズの評価も可能である。

また、光ピックアップの調整に用いる事もできるよう、
H 型フレーム構造を採用して、ねじれに強く高剛性であTable1 Specifications of KVSA1000Aりながら、各種調整装置が置ける広い作業スペース 430(W)×490(D)mmを確保した。なお、床からの振動を遮断するため、エアー定盤を使用しているが、それでも除去できない微小なスポット像の揺れを取り除くため、ソフトウェアによる実時間揺れ補正機能を搭載した。
以上の効果により、1000 倍という高倍率でも、スポット像の揺れによる影響を極力少なくした状態で、スポット像の測定が可能である。
２．２．３

自動アライメント機能

本装置は、基本構成で試料移動用 XY 機構と、装置光学ヘッド部を光軸方向に移動するZ機構に自動ステージを装備している。これらのステージは、シーケンサーユ
ニットで駆動され、タッチパネルを用いた操作と、パソコンのソフトウエアからもRS232Cの通信手段を利用して位置制御が可能である。
そこで、ソフトウエアによる画像処理と自動ステージ制御の組み合わせで、スポット像最大強度位置を測定機機軸に移動する自動センタリング機能と、ビームウエスト位置に移動する自動フォーカシング機能を装備している。また、測定カメラへ入射するスポット像最大強度を最適化するオートゲイン機能も備えている。
２．２

特徴

２．２．１

これらの機能を組み合わせて、視野内にスポット像が高精度 100 倍拡大レンズ

一部分でも入っている場合は、拡大レンズの倍率切換え、次世代光ディスク用対物レンズのNAは0.85であり、スアライメント系と測定系カメラの自動切換えを含めた自ポット像解析装置には、 それ以上の NA で高精度な拡大動アライメントが可能である。 また、視野内にスポットレンズが必要である。従来の CD や DVD で使用されてい像が無い場合は、現在の視野を単位面積として5×5の領る顕微鏡対物レンズでは十分な性能が得られ無いと判断域を、拡大レンズを周波数 1Hz で光軸方向にユーザー設し、波長400〜410nmで最適化されたf=1.8mm、NA0.93、定の振幅で正弦波状に走査しながらスポット像を探索す

W.D.=0.1mm で 2 群 3 枚構成（Fig. ２）の専用 100 倍拡大る、対話型アライメントも可能である。

レンズを開発した。 Fig. ３から軸上色収差が良好に補正

２．２．４

測定・解析機能

スポット像は、毎秒 25 フレーム以上の速度でパソコンされていることが判る。

ディスプレイへライブ表示される。 表示は、モノクロとスポット像の暗部が見やすい擬似カラーの表示色切り換え機能、スポット像の細部観察を可能にする２倍拡大表示機能をもつ。 ライブ表示中は、スポット像の半値幅や1/e2 幅等の形状値、ピーク光強度とピーク座標の表示機能、設定時間内のスポット像ピーク強度、スポット径を連続グラフ表示するモニタ表示機能が用意されている。
100倍拡大レンズは光軸方向に微動できるピエゾ素子に取り付けられており、ソフトウェアで位置制御が可能である。この機能を用い、100倍拡大レンズを光軸方向に最Fig.2 Optical layout of
100X magnifier lens

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Fig.3 Longitudinal
spherical aberration

小ステップ25nmで移動しながらスポット像を連続的に取り込むことで、ビームウェスト近傍における光学特性評

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価、非点隔差、焦点深度などの解析に必要な画像データ

プに用いられる対物レンズやコリメータレンズ、プリズが収集される。

ム等の単品の透過波面収差測定を行う装置である。

スポット像の形状解析（半値幅等）、光強度分布解析（エンドサークルエネルギー）、 非点収差解析、コマ収差

Photo. ２に装置外観を、Fig. ４に本装置の構成図を、
Table ２に主な仕様を示す。

解析が、ビームウェスト近傍で収集した全ての画像データに対して解析可能である。さらに収集した全画像デー
タから非点隔差解析、焦点深度解析を行うことで空間的な光学特性を測定評価可能としている。
２．２．５

オートコリメータ機能

光ピックアップの軸上測定の前準備として、取り付け基準面を、装置光軸に対し垂直に調整する必要がある。
本装置では、アライメントカメラ光学系側に、半導体レーザ（LD）とビームスプリッタを配置し、オートコリメータ機能を搭載することで、この調整を可能とした。
ここで、 オートコリメータは二光源化（オプション）が可能である。例えば、青紫系と赤色系の波長の離れたLDを光源に用いれば、青紫波長の反射防止膜を施した光学部品のチルト調整時に、青紫光源では反射像が捉えられない場合でも、他方の赤色系光源では反射防止膜の影響を受けずにオートコリメータが機能する。
また、 無限共役型光ピックアップでは、コリメータレ

Fig.4 System layout of KVII405A

ンズから出射した光束の平行度確認が必要である。本装
置は Fig. １に示す第二リレーレンズと測定用カメラの光

Table2 Specifications of KVII405A

軸方向移動機構を利用することで、光束の平行度確認が可能である。 なお、解析ソフトウェアのスポットサイズ測定機能と併用することで、より高精度な確認が可能である。

３干渉計（KVII405A）

３．１

概要

LDから出射した光束はコリメータレンズで平行光束となり、ビームスプリッタで参照光と測定光に分割される。
測定光路中に配置された測定レンズを透過した光は、集光点に曲率半径位置を一致させた参照凹面を配置することで、同じ光路を戻る。 なお、参照凹面は、前述の次世

Photo.2 KVII405A

代光ディスク用対物レンズの仕様をカバーできるよう、前述のスポット像解析装置が光ピックアップ全体の光NA0.90 とした。次に、参照光路でも参照平面で折り返さ学性能の評価を行うのに対し、本干渉計は光ピックアッれた光は同じ光路を戻り、両光路の光束はビームスプ

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リッタを介して重なり、撮像レンズを通って測定カメラ

い。光源のコヒーレンス長が短く、測定光路長と参照光に結像され、干渉縞画像を形成する。干渉縞の映像信号路長が合致しない場合、干渉縞のコントラストが低下す

は、10Bit の量子化精度を持つフレームグラバを経由しることで信号のダイナミックレンジが狭まり、測定精度パソコンのソフトウエアで画像処理される。と再現性が低下する。

ここで、参照平面をピエゾアクチュエーターを用いてそこで、干渉計をトワイマン・グリーン型とし、 参照光軸方向に微小変位させることで、干渉縞の位相解析が光路長を調整可能な構造とし、両光路長を合致させて干可能となる。

渉縞のコントラストを向上させることとした。

３．２

畳し、LD 発振をマルチモード化して、コヒーレンス長をまた、本装置では、LD に数 100MHz の高周波電流を重特徴

３．２．１

小型化・省スペース化

サブミリオーダーと意図的に短くする事ができる。

測定範囲を光ピックアップ用レンズに必要な光束径即ち、両光路長が合致しない場合は干渉縞が発生しな（φ 6mm）とし、ワーキングディスタンスは 32mm 以下、いので、Fig.５の平行平板のような表裏面の干渉縞が発生

LDの駆動装置や電源を伴ったコントローラーを本体と切する試料では、この重畳機能と光路長調整を用いて、 干り離すことで、本体は B4 サイズの小型化が達成できた。

渉縞を取捨選択する事ができる。

また、 この分離は、メンテナンス性の向上に寄与し、電源や電気基板から発生する熱が本体に伝わることを防いでいる。
３．２．２操作性向上

測定対象を無限共役型の光学部品に絞ることで、装置の操作系はシンプルな構成となった。 本装置では、参照凹面に光軸方向（Z）と、それに垂直な面内方向（X,Y）の三軸ステージを、試料ステージにはチルトと Z の二軸ステージを用いている。カバーガラス（ディスク厚に相当）
ステージは、参照凹面の三軸ステージに従属し、独立でFig.5 Removal of unnecessary interferogram at parallel plate

チルト調整が可能である。なお、高NA下の測定時に、光束がカバーガラスを透過する面積を小さくして、カバーガラスの影響が少なくなるよう、カバーガラスの位置は参照凹面の曲率中心より上方に 0.5mm とした。

３．２．５

二光源化

光源にLDを用い、光源部の構成をシンプルなものとしたため、 装置の大きさを変更すること無く、二光源化がここで、 測定対象としている高 NA 対物レンズは、可能である。本装置では、405nm の波長の他に 410nm のワーキングディスタンスがサブミリオーダーと短く、試光源を搭載し、この二光源の測定から、光学部品の軸上料の着脱時にカバーガラスや装置機構への衝突が起こり色収差が評価できる。また、 同じ構成で、使用する光学やすい。そこで、参照凹面は、アライメント操作とは別部品のコート特性を変更し、光源を 655nm と 785nm のに、瞬時に上方へ約 10mm 退避できる構造として、試料LD に置き換えることで、DVD/CD 系レンズの評価装置の着脱を容易にした。 また、この種のレンズは干渉縞のへの展開も可能である。さらに、光源を 405nm と 655nm

アライメント感度が高いので、ステージの送り機構には、に置き変える構成も考えられる。

サブミクロンの微調整ができる差動マイクロメーターを３．２．６採用した。
３．２．３

コントローラー

LDは突入電流によって破壊されやすく、その波長は注円偏光測定対応入電流と LD 周辺温度により変化する。本装置では、ス記録型の光ピックアップの場合、ディスク上の光強度ロースターター付きの APC（Automatic Power Control）を高めるためと、レーザへの戻り光を少なくする目的でを用いてレーザを安定駆動し、ペルチエ素子とサーミス円偏光光学系が採用されている。

ターを用い温度を± 0.02℃に安定化している。また、LD

本装置では、コリメータレンズとビームスプリッタの点灯中に誤ってメイン電源が切れない、などの安全対策間に1/4波長板を出し入れ可能な構造とし、円偏光入射のを随所に施している。

測定も可能とした。なお、このビームスプリッタは、円偏３．２．７光にも対応できるよう、 無位相無偏光特性としている。
３．２．４

干渉縞コントラスト向上、不要縞除去

ソフトウエア

解析ソフトは、二次元、三次元マップと、Zernikeの多項式展開による収差分類を標準で装備している。

光源に LD を使用しているが、現在この帯域の LD は、

また、 レンズの高スペック化に伴い、基準部品となるDVD や CD で用いられる赤色系 LD と比較し、コヒーレ参照凹面の精度と装置自身の持つ僅かな誤差が問題となンス長（可干渉距離）が短く、その特性はバラツキが多る。 本装置では、これらの誤差をソフトウエアで補正す

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る機能を持っている。 例えば、値付けされた基準レンズ

Fig. ７はスポット強度分布を二次元マップ化したものを測定し、その差を補正値とすることで、装置の持つシスで、スポット像の暗部が見やすいよう擬似カラーの表示

テムエラーや装置間の測定差を低減させることができる。としている。図中のグラフは、各々 X 方向、Y 方向の一断面強度プロファイルを表している。また、この断面位置はユーザーが任意に設定できる。 Fig. ８はスポット強４ 測定例

度分布を三次元化したものである。

T588は、次世代光ディスク用に開発した、2群2枚の非球 面 プ ラ ス チ ッ ク レ ン ズ か ら な る 対 物 レ ン ズ である（Fig.6）。このレンズの特徴は、ワーキングディスタンスが 0.24mm と長く、波長変動による波面収差劣化が少なく、温度変化による球面収差変動が少ないことである。
Table ３に T588 の主な仕様を示す。

Fig.6 Profile of T588
Table3 Specifications of T588

Fig.8 3D analysis of T588 spot

T588 を標準光源ユニットに乗せ、そのスポット像をスポット解析装置 KSA1000A で測定した結果を Fig. ７からFig. ９に示す。

Fig.9 Spot size analysis near beam waist

Fig. ９は、ビームウエスト近傍で、100 倍の拡大レンズを光軸方向に50nmステップで移動しながらスポット像を連続的に取り込み、X 方向、Y 方向の半値幅と 1/e 2 幅を解析したものである。縦軸が光軸方向の相対位置、○、×が実測値で、 それに付随する曲線はフィッティング曲線を表している。このグラフから、ビームウェストにおFig.7 2D analysis of T588 spot

ける1/e2 幅が 0.4μm であることが判る。この解析画面でKONICA TECHNICAL REPORT VOL.16（2003）

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Positionをマウスやカーソルキーにて動かし、その位置におけるスポット径の算出や、 Fig. ７の二次元マップへの展開も可能である。また、X、Yの解析結果から、非点隔差の評価も行える。
次に T588 を干渉計 KVII405A にて測定した結果をFig.10 から Fig.12 に示す。

Fig.12 Zernike polynomial expansion

５ おわりに今回の測定機開発の成功により、次世代光ディスク用対物レンズの評価が可能となった。 また、今までの測定機開発をベースに、 より高精度に、より操作性の良い装置を念頭にして様々な検討を行ったことで、今後の測定機開発の指針となる装置となった。 今後も、このようなFig.10 Interferogram of T588

測定機開発を通じて、光ディスク用レンズの高精度化、Fig.10 は T588 の透過波面干渉縞で、この干渉縞を位相品質向上に貢献していきたい。

解析し二次元マップ化したのが Fig.11 で、下段のグラフは X 方向、Y 方向の波面の断面プロファイルを表していなお、本稿で紹介した測定機は、2002 年度の 10 月から本格的にデモ測定を受付けている。
最後に、スポット測定装置の開発にご協力いただいたる。これらの解析結果から、透過波面の P-V（Peak tovalley）値は約λ /10 と良好であることが判る。
Fig.12は透過波面収差をZernikeの多項式近似を用いて（株）コニカオプトプロダクト甲府技術グループの皆様に感謝いたします。

収差分類したものである。
●参考文献
・

小嶋忠： 光ディスクレンズの発展 、Konica Tech. Rep., Vol.15、p.5 〜 12(2002)

・

森伸芳・木村徹： 青紫 LD、NA0.85 ピックアップレンズ用の新しい光学系

第 26 回光学シンポジウム予稿集、講演番号 2、p.5〜 6(2001)
・

斎藤真一郎、山崎敬之： DVD/CD 互換レンズの最近の進展 、
OPTICS DESIGN、NO.20、p.44 〜 49(2000)

・渡辺俊夫： ビデオ用大容量光ディスク 、光技術コンタクト、Vol39、No.6、p.3 〜 9(2001)

・

B.H.W.Hendriks、 J.Scheleipe、 S.Stallinga、 and H.V.Houten、Optical Pick-up for Blue Optical Recording at NA=0.85"、OPTICAL REVIEW、Vol.8、No.4、p211-213(2001)

・

野崎昭俊、高速自動干渉計の開発 、Konica Tech. Rep., Vol.11、
p.27 〜 30(1998)

Fig.11 2D analasys pf T588

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