JP2008032588A - レンズ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回折格子を用いた光ピックアップやＤＳＣ等のレンズの測定装置において、回折格子の機械的強度を向上させ、さらに装置構成を簡略化することのできる測定装置を提供する。
【解決手段】回折格子８上に屈折率と厚みを調整した保護層２２を形成することにより、回折格子８の機械的強度を向上するとともに、収差測定精度を向上させ、さらに保護層２２の屈折率差を利用した球面収差補正機能を持たせることで、装置構成を大幅に簡略化することを可能とし、精度が安定したレンズ測定が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ディスク方式の情報記録媒体、例えばＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）やＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）に情報を記録・再生するためのレンズ、又はＤＳＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｔｉｌｌ Ｃａｍｅｒａ）の撮像光学系内に搭載されるレンズなどの光学部品の測定装置に関するものである。

光ディスク方式の情報記録媒体の情報を再生し、また、この情報記録媒体に情報を記録するための光学装置として光ピックアップがある。この光ピックアップには、内蔵された光源からの出射光を、情報記録媒体における所定の位置に高精度かつ正確に照射するための光学系が必要である。ところが、この光学系を構成する部品の特性や組立のバラツキにより、製造された光ピックアップの特性が必要な範囲に収まらないことがある。

それらの光学系の中でも、特に対物レンズは使用するレーザ波長（例えばＤＶＤならλ＝６６０ｎｍ）の数百分の一程度の波面収差が必要になるなど、厳格な光学特性が要求されると共に、目的の場所に精度良く調製され固定される必要がある。

そこで、この光ピックアップの製造工程においてはその光学系の状態を計測し、調整することが必要となる。従来の光ピックアップの調整方法として、シェアリング干渉像を用いたレンズの評価方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１のレンズ計測方法を示す図である。

図５において、光ピックアップ１内の光源２から出射した光はレンズ３で平行光にされた後、ミラー４で反射され、ホルダ５に支持されている対物レンズ６に入射する。対物レンズ６から出射された光、つまりは光ピックアップ１から出射された光は、回折格子調整機構７により、対物レンズ６の光軸に対する水平、垂直、傾きなどの位置を調整された回折格子８に入射する。入射した光は回折光を発生し、回折格子８から出射される。出射された０次光と±１次光は、０次光と＋１次光、０次光と−１次光がそれぞれ重なって干渉が発生している。出射された光はカバーガラス調整機構９により水平、垂直、傾きなどの位置を調整されたカバーガラス１０を透過する。

カバーガラス１０を透過した光のうち、０次光と０次光に重なった±１次光を集光レンズ１１で取り込む。ここで、集光レンズ１１は、対物レンズ６の０次光を全て取り込むために対物レンズ６の開口数（ＮＡ）より大きい開口数を有している。さらに、集光レンズ１１は、カバーガラス１０を透過することにより発生する球面収差を考慮に入れたレンズであり、たとえば生物用の顕微鏡対物レンズや光ピックアップの対物レンズなどが用いられる。集光レンズ１１を出射した光は、結像レンズ１２により撮像素子１３に結像される。撮像素子１３に結像された像の干渉縞の模様を、処理装置１４で解析を行い光ピックアップ１および対物レンズ６の光学特性である収差を検出し、表示装置１５に表示する。この検出結果に基づいて、光ピックアップ１内の対物レンズ６の位置を対物レンズ調整機構１６により調整する。

回折格子は、その回折面に塵埃等が付着すると精度が低下してしまうため、回折面を清潔に保つ必要がある。そのために、従来の回折格子では、回折格子の回折面を被膜しているものがある（例えば、特許文献２参照）。

図６は、特許文献２の被覆板を備えた回折格子を示す図である。図６で、図５と同じ符号に関しては、説明を省略する。

図６において、回折格子１７の回折面に所定の間隔をあけて配置された被膜板１８で多い、これら回折格子１７と被膜板１８との間の距離をそれらの間に配置したスペーサ１９で規定する。

図７は、特許文献２の被覆層を備えた回折格子を示す図である。図７で、図５から６と同じ符号に関しては、説明を省略する。

図７において、回折格子２０の回折面を、回折格子２０を構成する材料と異なる屈折率の材料からなる被覆層２１で覆っている。

また、従来の光ピックアップ装置には、装置を小型化するために装置内の回折格子に波長板を取り付けているものがある（例えば、特許文献３参照）。

また、ＢＤ等の次世代メディアにおいては、光ディスクの高密度化に伴う光ピックアップの対物レンズの高ＮＡ化により、回折格子のピッチが微細化すると共に回折格子の厚みを１μｍ以下とＣＤ等の装置に比べ１／１０程度と非常に薄くする必要がある。また、対物レンズと回折格子、回折格子とカバーガラス、カバーガラスと集光レンズの間隔も３００μｍ以下としており、ＣＤ等の装置に比べ１／１０以下と非常に狭い間隔となっている。
特開２０００−３２９６４８号公報 特開２００２−０９０６０５号公報 特開２００３−２１７１６２号公報

しかしながら、前記従来のレンズ測定装置では、以下のような課題を有している。

従来の構成では、回折格子が薄く機械的に脆弱な場合を想定していないので、対物レンズを調整した時に回折格子と対物レンズとが接触して回折格子が損傷を受ける場合がある。また、ＢＤ光学系やＤＶＤ光学系では、レンズと回折格子とのギャップが小さいため、新たに補強板を挿入することも困難である。

また、回折格子を補強板や調整機構へ取り付ける際に接着剤などで貼り付けを行うが、回折格子の薄化による機械的強度低下のため、接着貼り付け時に回折格子に歪み、たわみなどが発生し、回折格子で発生させる干渉縞に変化が生じて光ピックアップの収差検出精度が悪化することがある。

以上のように従来のレンズ検査装置では、ある一定回数以上の計測を行った場合に、回折格子の破損や回折面の汚れが発生して回折格子がその機能を果たせず、計測できなくなることがある。そのため、連続で数百個単位のレンズの計測を行う場合に、回折格子を取り替えることによる時間のロスや、微細な回折面が必要となる回折格子を数多く用意しておく必要がある。

上記目的を達成するために、本発明のレンズ測定装置は、レンズに光を出射する光源と、前記光源から出射され前記レンズを透過した光から異なる次数の回折光を形成する回折格子と、前記回折格子の前記レンズと反対側の回折面に形成された保護層と、互いに干渉した前記異なる次数の回折光を受光する受光装置と、前記受光した干渉像から前記レンズの収差を計測する計測装置と、を有し、前記レンズの光軸上において、前記保護層の前記回折面と反対側の面が平坦であり、且つ前記回折格子の前記レンズ側の面と前記計測装置側の面との光学距離と、前記保護層の前記レンズ側の面と前記計測装置側の面との光学距離とが等しいことを特徴とする。

以上のように、本発明のレンズ測定装置によれば、回折格子の回折面に形成された保護層により、回折格子の破損や汚れを防いでレンズ検査を連続で行う際の時間のロスを防ぎ、かつ、精密にレンズの計測を行うことのできる計測装置を提供することができる。そのため、レンズ検査装置の連続稼動回数を増やすことができる。

それに加え本発明のレンズ測定装置によれば、回折格子に歪みが発生する確率を減少させることができるため、精度が安定したレンズ測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるレンズ測定装置の概略図である。図１で、図５から７と同じ符号については説明を省略する。

図１において、２２は回折格子８の溝面上に形成された保護層である。

以下、本実施の形態のレンズ測定方法ついて説明する。

測定対象である光ピックアップ１の内部の光源２から出射されたレーザ光は、レンズ３で略平行光にされた後、ミラー４で反射され、ホルダ５に支持されている対物レンズ６に入射する。対物レンズ６から出射された光、つまりは光ピックアップ１から出射された光は回折格子調整機構７により水平、垂直、傾きなどの位置を調整された回折格子８に入射する。ここでは特に、傾きが光ピックアップ１の光軸に対して垂直を成すように調整されている。

回折格子８は、光ピックアップ１からの光の入射面に高精度に平面化された平坦面と、その反対側の面に所定ピッチで複数の溝が形成された回折面とを有する構造となっている。

回折格子８の平坦面から入射した光は回折面の溝により、ある所定の角度で回折光を生じ、回折格子８から出射される。

出射された回折光のうち０次光と＋１次光、０次光と−１次光はそれぞれ重なって干渉を生じている。このようにして出射された光は、回折格子８の回折面の全てもしくは一部を覆うように形成された保護層２２に入射する。

保護層２２を透過した光は回折面と対向する面と反対側の平滑な面上に形成されている出射面から出射する。出射面から出射した光のうち、０次光と０次光に重なった±１次光を集光レンズ１１で取り込む。

図２は、実施の形態１における集光レンズに入射する０次光と±１次光の概略図である。図２で、図１、図５から７と同じ符号については説明を省略する。

図２において、２３は０次光で２４は＋１次光、２５は−１次光、２６は集光レンズ１１から出射した光を集光レンズ上方から見た場合の干渉光である。集光レンズ１１は対物レンズ６の０次光２３を全て取り込むために対物レンズ６の開口数（ＮＡ）より大きい開口数を有している。

また、図２のように回折面を覆う保護層２２の領域の大きさは集光レンズ１１に取り込まれる０次光と±１次光の干渉光が保護層２２を透過するような領域の大きさだけでも良いが、機械強度増強のためには回折格子８の全面を覆うことで全面の厚みを増し、均一な機械強度にするほうが好ましい。集光レンズ１１を出射した光は結像レンズ１２により撮像素子１３に結像される。結像された像の干渉縞の模様を処理装置１４で解析を行い光ピックアップ１および対物レンズ６の光学特性である収差を検出し、表示装置１５に表示する。この検出結果に基づいて光ピックアップ１内の対物レンズ６の位置を、対物レンズ調整機構１６により調整する。

図３は、実施の形態１における回折格子と保護層の寸法図である。図３で、図１から２、５から７と同じ符号については、説明を省略する。

図３において、回折格子８の厚みをａ、溝の凸部の幅をｂ、溝の凹部の幅をｃ、溝の高さをｈ、回折格子８のピッチをｄ、対物レンズ６の光軸における保護層２２の厚みをｅ、回折格子８の屈折率をｎ１、保護層２２の屈折率をｎ２とし、光ピックアップからのレーザの波長をλ、光ピックアップの対物レンズの開口数をＮＡとする。ここで、回折格子８のピッチｄは、ｄ＝ｂ＋ｃである。

回折格子８の設計は、干渉縞を解析する際の解析精度の向上という観点より、下記式（１）から式（３）の条件下で行うことが最も好ましい。これは、以下の２点を理由とする。１点目は、大きな領域の干渉縞を用いることで精度の高い解析を行うために、０次光と＋１次光、０次光と−１次光のそれぞれの重なる面積の大きさが最も大きくなるようにするためである。２点目は、保護層２２を透過した光の０次光と＋１次光および−１次光の干渉縞のコントラストを高くすることで、０次光と＋１次光および−１次光のわずかな位相ズレでも、干渉縞によりはっきりとした明暗が発生させることで感度を高くし、精度の高い解析を行うためである。

ただし、ｍは０、１、２・・・の整数である。

回折格子８の溝ピッチｄは、式（１）よりＮＡが大きくなるにつれ小さくなることが分かる。たとえば、ＮＡが０．６程度のＤＶＤではｄ≒１μｍ程度となり、ＮＡ０．８５のＢＤではｄ≒０．４７０μｍ程度の微細形状となる。

回折格子８の溝高さｈは、式（２）より回折格子８の屈折率ｎ１と保護層２２の屈折率ｎ２の差の大きさに依存し、差が大きくなるほど溝深さｈは小さくなる。ＢＤでは溝ピッチが０．４７μｍ程度と非常に微細な形状のため、溝深さが深くなることよって加工が難しくなり加工精度が低下する。そのため、できるだけｎ１、ｎ２の差が大きくなるように屈折率を設定する。保護層２２の球面収差補正は保護層２２の厚みｅに依存するので、従来のカバーガラスと同等の機能を所有させるためには、従来のカバーガラスの屈折率をｎ３、厚みをＨとすると以下の条件のようすることが最も好ましい。

たとえば、回折格子８に石英（屈折率≒１．４５６）を用い、保護層２２に屈折率１．３程度のものを使用すると、溝高さは１．０４μｍ程度になる。回折格子８と保護層２２の構成材料が異なる場合は、対物レンズ６の光軸上において、回折格子８の対物レンズ６側の面と集光レンズ１１側の面との光学距離と、保護層２２の対物レンズ６側の面と集光レンズ１１側の面との光学距離とが等しくなるように保護層２２を形成する。

集光レンズ１１はカバーガラスを透過させて使用する状況下で、球面収差が最も小さくなるなど光学的条件が最良になるように設計されている。そのため、カバーガラスの厚みは集光レンズ１１の光学的条件補正の特性に依存する。集光レンズ１１に生物用の顕微鏡の対物レンズを用い、カバーガラスに一般によく使用される石英製で厚み１７０μｍのものを使用したとすると、保護層２２の厚みは１９０．４μｍ程度になる。厚みの範囲は集光レンズ１１の球面収差補正の光学特性に依存するが、本装置が数ｍλ程度の収差量を検査・調整する点を基準に判断すると、集光レンズ出射後の球面収差量が数ｍλ以内になるように設定することが望ましい。

保護層２２に用いる材料は、たとえば光ディスクの製造工程などでも使用されている光学接着剤であれば屈折率を整合しやすく、硬化後の硬度も高く、製造工程でも扱いやすいので厚み条件なども容易に算出することが可能である。

保護層２２の回折格子８上への形成方法は、回折格子の石英ウエハ上に光学接着剤をのせ、回折格子のウエハを５０００〜８０００ｒｐｍ程度に高速に回転させる事により均一な液膜が形成され、これを硬化させ薄い保護層を形成する、いわゆるスピンコート法を使用することで十分に可能であると考えられる。

以上、説明したように本実施の形態によれば、回折格子８の溝面上に屈折率を調整した保護層２２を形成することにより、回折格子８と保護層２２を組み合わせた回折格子部の基材厚を倍程度に厚くすることが可能となる。その結果、回折格子部の機械的強度は回折格子単体が保有する機械的強度に比較して向上し、回折格子調整機構７への接着貼り付け時に発生する回折格子８の歪みやたわみを防止することができ、収差検出精度の低下を防ぐことができる。それとともに、他の装置構成部品や対物レンズ６などの接触による回折格子８の破損も防止することができる。さらに、保護層の屈折率、厚みを調整した保護層２２を用いることでカバーガラスと同等の球面収差補正を行うことが可能になり、カバーガラス、位置調整機構など省略することができ装置構成を大幅に簡略化することができる。

また、回折格子８の格子溝の凹部に保護層２２を充填させ、回折格子８の凸部表面とその凸部表面と対向する保護層２２の面との距離と、回折格子８の凹部表面とその凹部表面と対向する保護層２２の面との距離を等しくすることで、回折格子８の溝面である回折面を完全に保護層２２で覆う。それにより、ミクロンオーダーの溝に異物が付着することを防止することができるとともに、保護層２２の出射面についた異物はレンズクリーナなどの拭き取り部材などにより軽く接触させるだけで容易に除去することが可能となる。

なお、保護層に使用する材質に入射する光に対して半透過特性を有する材質を用いることにより、回折格子へ入射した光の一部を反射させ、光ピックアップの信号特性を検出できるような機能を持たせることも可能である。

図４は、実施の形態１における回折格子と半反射層と保護層の概略図である。図４で、図１から３、図５から７と同じ符号については説明を省略する。

また、本実施の形態では、保護層を単一の材料で書いたが図４に示すように回折格子８と保護層２２の間に半反射特性を有する薄膜の半反射層２７を形成し、その上に屈折率を調整した保護層を形成した２層構造で機械強度向上、球面収差補正、光ピックアップから出射された光を反射することによる光ピックアップの信号特性検出などの多機能化を測ることも可能であると考えられる。ここで、半反射層２７としては、たとえばアルミニウム、金、白金などの材料を用いることが考えられる。

また、本実施の形態では、保護層２２に用いる材料を光学接着剤としたが、光学接着剤に限らず低屈折率を保有する二酸化ケイ素などの透明金属酸化物薄膜を用いて保護層を形成しても良い。その保護層の形成には、レンズなどの光学部品の表面に光学的薄膜を形成する製造法として知られ、高品質の金属酸化物薄膜が得られるゾルーゲル法など用いれば十分形成できる。金属酸化物薄膜を用いる場合、その厚みにより透過率が低下する可能性があるが、その透過光量の低下を光ピックアップもしくは元のレーザ光源の発光量を調整することにより補正を行えば十分に使用可能である。

本発明のレンズ測定装置は、回折格子上に屈折率と厚さを調整した保護層を形成することによって、光情報記録装置に搭載される光ピックアップの対物レンズやＤＳＣなどのレンズの測定装置として適用できる。

実施の形態１におけるレンズ測定装置の概略図 実施の形態１における集光レンズに入射する０次光と±１次光の概略図 実施の形態１における回折格子と保護層の寸法図 実施の形態１における回折格子と半反射層と保護層の概略図 特許文献１のレンズ計測方法を示す図 特許文献２の被覆板を備えた回折格子を示す図 特許文献２の被覆層を備えた回折格子を示す図

符号の説明

１ 光ピックアップ
２ 光源
３ レンズ
４ ミラー
５ ホルダ
６ 対物レンズ
７ 回折格子調整機構
８ 回折格子
１１ 集光レンズ
１２ 結像レンズ
１３ 撮像素子
１４ 処理装置
１５ 表示装置
１６ 対物レンズ調整機構
２２ 保護層

Claims (3)

1. レンズに光を出射する光源と、
   前記光源から出射され前記レンズを透過した光から異なる次数の回折光を形成する回折格子と、
   前記回折格子の前記レンズと反対側の回折面に形成された保護層と、
   互いに干渉した前記異なる次数の回折光を受光する受光装置と、
   前記受光した干渉像から前記レンズの収差を計測する計測装置と、を有し、
   前記レンズの光軸上において、前記保護層の前記回折面と反対側の面が平坦であり、且つ前記回折格子の前記レンズ側の面と前記計測装置側の面との光学距離と、前記保護層の前記レンズ側の面と前記計測装置側の面との光学距離とが等しいこと
   を特徴とするレンズ測定装置。
2. 回折格子の回折面において、凹部表面と前記凹部表面に対向する保護層の面との距離と、凸部表面と前記凸部表面に対向する保護層の面との距離とが等しいこと
   を特徴とする請求項１記載のレンズ測定装置。
3. 保護層の屈折率が回折格子の屈折率よりも低く、且つレンズの光軸上において前記保護層の厚さが前記回折格子の厚さよりも厚いこと
   を特徴とする請求項１または２記載のレンズ測定装置。

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