专利名称：聚焦检测和用它的倾斜调整方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学系统中的聚焦检测和用它的倾斜调整方法及装置，特别是，涉及适合用于CD和DVD等光盘的驱动等中使用的激光头的物镜的聚焦检测和它的倾斜调整的方法及装置。
背景技术：
至今，作为光学系统的聚焦检测或光学系统内的光学要素的倾斜调整的方法，我们已经知道了各种方法。例如，我们已经知道通过组合象散法和二维CCD，使用半导体曝光装置的对焦状态检测和角度检测的方法(请参照专利文献1)。在该方法中，通过比较由象散法产生的点径的长径和短径，判定聚焦状态。在该方法中，为了检测倾斜，需要使点的中心与CCD中心一致。又，关于高速处理来自CCD的图象的方法，没有任何揭示。
又，我们已经知道在显微镜中的焦点检测装置中，通过使用被分割成各个2区域的2个光检测器，进行聚焦状态的检测的方法(请参照专利文献2)。
我们已经知道在激光头装置中，调整激光头倾斜的方法(请参照专利文献3)。在该方法中，使设置在光学系统内的准直仪透镜上的指标单元的原点与在摄象机中进行拍摄的光束的光轴一致，而且根据光束点有无圆形性，判定激光头的倾斜。
又，已经揭示了显微镜的焦点检测装置中别的对焦状态检测法(请参照专利文献4)。在该方法中，通过组合使用CCD等的摄象元件和象散法，而且利用作为点的椭圆率的非圆形性，不需要调整光轴中心和感光中心。但是，在该方法中，没有揭示关于来自CCD等的摄象元件的图象的高速处理方法。
进一步我们还知道别的焦点检测法(请参照专利文献5)。在该检测方法中，对焦状态是通过用CCD等的摄象元件检测焦点前后的光强度分布实现的。特别是，进行摄象元件的象素列或象素行的光强度的累加，从焦点前后的光强度分布求得光束直径，而且根据这2个光束直径特定焦点位置。但是，在该方法中，没有揭示关于高速处理来自CCD等的摄象元件的图象的方法。
进一步，我们已经知道显微镜中的物镜的倾角调整法(请参照专利文献6)。在该方法中，对焦状态的检测使用4分割传感器或CCD，而且对焦状态的检测使用象散法，但是在该方法中，要求使光点中心与4分割传感器等的中心一致。又，通过在监视器上显示来自CCD的图象，目视判断光点的0级图象的真圆度、由一级衍射光产生的环状图象的强度均匀性，进行倾斜检测。
日本平成9年公布的9-283423号专利公报[专利文献2]日本平成11年公布的11-142716号专利公报[专利文献3]日本2000年公布的2000-293860号专利公报[专利文献4]日本2001年公布的2001-74446号专利公报[专利文献5]日本2001年公布的2001-166202号专利公报[专利文献6]日本2001年公布的2001-273643号专利公报发明内容所以，本发明的目的是提供能够更高速地判定聚焦状态的聚焦检测方法和装置。
又，本发明的另一个目的是提供能够判定聚焦状态的聚焦检测方法和装置。
本发明的另一个目的是提供能够更低成本地判定聚焦状态的聚焦检测方法和装置。
进一步，本发明的另一个目的是提供能够更高速地调整光学系统的倾斜的倾斜调整方法和装置。
本发明的另一个目的是提供对于振动等的外来干扰抵抗性强的，能够判定聚焦状态的聚焦检测方法和装置。
本发明的另一个目的是提供能够更低成本地调整光学系统的倾斜的倾斜调整方法和装置。
为了达到上述目的，根据本发明的聚焦检测方法由关于基准面上的预定区域内的任意位置上的像，从由该像产生的上述基准面上的二维光能分布，检测出关于上述像整体的至少1个的一维光能分布的步骤、和根据上述至少1个的一维光能分布，判定上述基准面上的上述像的聚焦状态的步骤构成。
如果根据本发明，则上述分布检测步骤能够包含在检测面上接受上述基准面上的上述像的投影像的步骤，上述检测面能够具有与上述基准面上的上述预定区域对应的预定检测区域，该检测区域能够具有相互交叉的第1轴和第2轴。
进一步，如果根据本发明，则上述分布检测步骤能够包含通过象散光学系统接受上述基准面上的上述像的上述投影像的步骤，上述像的象散能够在上述检测区域的上述第1轴和第2轴的方向上产生。
进一步，如果根据本发明，则上述聚焦状态判定步骤能够包含判定在上述第1轴光能分布中的最大值和上述第2轴光能分布中的最大值的步骤、比较上述第1轴的最大值和上述第2轴的最大值的步骤、和根据上述比较结果，判定上述聚焦状态的步骤。或者，上述聚焦状态判定步骤能够包含判定上述第1轴光能分布的分布范围宽度和上述第2轴光能分布的分布范围宽度的步骤、比较上述第1轴的宽度和上述第2轴的宽度的步骤、和根据上述比较结果，判定上述聚焦状态的步骤。
又，如果根据本发明，则上述分布检测步骤能够包含比较来自上述像的1个投影像的直径与基准值。这时，上述基准值能够是来自上述像的对焦状态中的上述1个投影像的直径值。或者，上述基准值能够是来自上述像的别的投影像的直径。
又，为了达到上述目的，根据本发明的用于为了使像成像在基准面上而构成的光学系统的倾斜调整方法由上述聚焦检测方法实施上述基准面上的预定区域内的任意位置中的上述像的聚焦检测的步骤、为了上述像成为对焦状态而调整上述光学系统的步骤、和调整对于上述基准面的上述光学系统的倾斜的步骤构成。
又，为了达到上述目的，根据本发明的聚焦检测装置由关于基准面上的预定区域内的任意位置中的像，从由上述基准面上的上述像产生的二维光能分布，检测关于上述整个像的至少1个的一维光能分布的分布检测部件、和根据上述至少1个的一维光能分布，判定上述基准面上的上述像的聚焦状态的聚焦状态判定部件构成。
进一步，如果根据本发明，则上述分布检测部件包括具有与上述基准面上的上述预定区域对应的预定检测区域的检测面部件，上述检测区域能够包含具有相互交叉的第1轴和第2轴，能够在上述检测面部件接受上述基准面上的上述像的投影像。上述检测面部件包括具有与上述第1轴和第2轴对应配置的多个行和多个列的感光元件组，各感光元件由行输出用的元件和列输出用的元件构成；多个行输出端子，各个上述行输出端子输出该行的感光元件组的上述行输出用元件接受的光能之和；和多个列输出端子，各个上述列输出端子输出该列的感光元件组的上述列输出用元件接受的光能之和。
又，如果根据本发明，则上述检测面部件能够由1个二维传感器构成，或者由2个一维直线传感器构成。
又，为了达到上述目的，根据本发明的用于为了使像成像在基准面上而构成的光学系统的倾斜调整装置，由实施上述基准面上的预定区域内的任意位置中的上述像的聚焦检测的上述聚焦检测装置、为了上述像成为对焦状态而调整上述光学系统的部件、和调整对于上述基准面的上述光学系统的倾斜的倾斜调整部件构成。
如果根据以上的本发明，则能够高速地进行聚焦检测。能够通过判定至少1个的一维光能分布进行预定区域内的任意位置中的像的聚焦检测。又，一维光能分布，与使用CCD等的摄象元件的情形比较，要处理的数据量减少，因此可以进行高速处理。又，即便由于外来干扰和位置偏离使光束点位置移动，因为不需要像检测面与光束中心位置重合，所以也能够高速地进行聚焦检测，进一步能够用该聚焦检测高速地进行倾斜调整。
进一步，如果根据本发明，则因为能够高速地进行聚焦检测，所以可以在比外来干扰频率高的频率进行检测工作，因此，聚焦检测工作能够很大地减少由外来干扰产生的影响。
进一步，如果根据本发明，则通过判定一维光能分布，不需要用于使像检测面-光束光轴间的中心位置重合的机构。进一步，因为能够减轻对聚焦检测装置或倾斜调整装置的整体强度和耐震性采取的对策，所以能够降低整个装置的成本。
图1是表示根据本发明的聚焦检测装置的基本构成的图。
图2是表示组合根据本发明的聚焦检测法的激光头的倾斜调整系统X的图。
图3是表示使图2的聚焦检测装置更具体化的1个实施形态的聚焦检测装置C的图。
图4是表示图3的检测面和一维光能分布检测单元的更详细的电路构成的方框图。
图4A是表示图4的感光元件阵列的详细构造的图。
图5是表示图4的感光元件阵列上的光束点与其能量分布的关系的图。
图6是表示图3的聚焦状态判定单元的详细情况的方框图。
图7是表示在图6的计算器中实施的，用于求一维光能分布中的最大值的过程的操作程序图。
图8是表示与图5所示的光能分布图相同的光能分布的图，(a)是表示最佳聚焦即对焦状态的情形的图，图8(b)是表示焦点离基准面近的情形的图，图8(c)是表示焦点离基准面远的情形的图。
图9是表示在图6的计算器中实施的，用于求一维光能分布中的最大值的其它过程的操作程序图。
图10是表示在图6的计算器中实施的，用于求一维光能分布的分布宽度原封不动地作为椭圆的长轴和短轴的过程的操作程序图。
图11是表示用象散法的其它实施形态的聚焦检测装置的图。
图12是表示用比较光束直径的方法的其它实施形态的聚焦检测装置的图。
图13是表示用比较光束直径的其它方法的其它实施形态的聚焦检测装置的图。
图14是表示在图13的实施形态的聚焦检测装置中使用的一维光能分布检测单元和聚焦状态判定单元的电路构成的图。
标号说明1基准面2投影光学系统3检测面4分布检测单元5判定单元24C象散光学系统A、B、C、D、E、F聚焦检测装置X倾斜调整系统具体实施方式
下面，我们参照附图详细说明本发明的种种实施形态。
图1是表示根据本发明的聚焦检测装置的基本构成的图。如图1所示，用该聚焦检测装置A检测的是基准面上的像(在图中例如用圆表示光束点)。该像能够在某个一定的例如矩形的区域内移动。为了检测该可以移动的像的聚焦，本发明的聚焦检测装置A备有通过投影光学系统2接受基准面上的像的检测面3、一维光能分布检测单元4和聚焦状态判定单元5。详细地说，检测面3具有与基准面1的一定区域对应的例如矩形区域，能够接受可以在基准面上的一定区域内移动的像。又，在本发明中，检测面3不需要使像的中心与检测面的中心总是一致的位置重合。分布检测单元4从由该检测面3上接受的像产生的光能的二维分布，检测至少一个的一维光能分布。一维光能分布是存在于检测面的某个轴(例如X轴)方向上的光能的沿与该轴交叉的轴(例如Y轴)的分布。接受该光能分布的聚焦状态判定单元5，从该分布判定基准面1上的像的聚焦状态。该判定单元5，例如，通过使用与象散法或比较光束直径的方法等的种种方法对应的判定方法，从检测面3上的像的光能分布，判定聚焦状态。
其次，我们参照图2，说明组合根据本发明的聚焦检测法的激光头的倾斜调整系统X。又，在图2中，在与图1对应的要素上在参照标号后加上记号“B”。如图2所示，倾斜调整系统X是用于调整CD等的激光头装置6的光学系统的倾斜的系统。这个调整对象的激光头装置6，如图2所示，备有激光头主体60、物镜62和将该物镜安装在主体上的聚焦调节器64。聚焦调节器64具有为了使来自激光头的激光垂直入射到光盘上，而能够对物镜的透镜轴方向上的位置(即，焦点位置)进行微调整的众所周知的构成。为了进行这种激光头装置6的倾斜调整，倾斜调整系统X备有作为光盘替代物使用的模拟盘7、投影光学系统2B、与图1的聚焦检测装置A对应的聚焦检测装置B和CCD摄象机9。为了使激光束与模拟盘7的底面对焦而调整激光头装置6的物镜62。所以，这时的基准面1B是模拟盘7的底面。这里，在激光头装置的情形中，通常，物镜62与光盘(在调整装置中为模拟盘)之间的距离必须以1微米以内的精度保持恒定。作为该底面的激光束的光束点的像，通过投影光学系统2B的显微镜物镜20B、光束分裂器那样的光分离部件22B和成像透镜26B，投影到判定基准面1B上的像的聚焦状态的聚焦检测装置B和用于从基准面1B上的像检测物镜62的倾斜的CCD摄象机9两者上。这里，显微镜物镜20B的物体一侧焦点与模拟盘7的基准面1B重合，而且成像透镜26B的像一侧焦点与CCD摄象机9的感光面重合。
在图2的倾斜调整系统X中，首先，用聚焦检测装置B，从作为模拟盘7的底面(X-Y平面)的基准面1B上的像的光能分布，判定该像的聚焦状态，而且，当从对焦状态偏离时，通过控制聚焦调节器64，对物镜62的焦点位置(即，与X-Y平面正交的Z方向的位置)进行微调整，实现对焦状态。其次，从用CCD摄象机9拍摄该对焦状态中的基准面1B上的像得到的图象(例如，在监视器上显示的图象)，判断物镜62的倾斜。倾斜的判断是从众所周知方法，例如CCD图象上的0级光图象的真圆度、由一级衍射光产生的环状图象的强度均匀性等进行判断的。根据该判断结果，通过图中未画出的激光头装置6中备有的螺丝等众所周知的构成，调整物镜62的倾斜。在该倾斜调整期间，在模拟盘7的基准面1B上的像的位置在X-Y平面内移动。但是，如果根据本发明，则在基准面1B上的一定区域内，即便像移动，也能够判定像的聚焦状态。最终，物镜62，在模拟盘7的底面，使像处于对焦状态而且与底面垂直地进行对焦。
其次，我们参照图3说明一个更具体化的实施形态的聚焦检测装置C。又，在图3中，在与图1或图2的要素相同或对应的要素上在相同的参照标号后加上记号“C”。图3所示的聚焦检测装置C是使用象散法作为聚焦状态的判定方法的实施形态。如图3所示，聚焦检测装置C备有检测面3C、一维光能分布检测单元4C和聚焦状态判定单元5C。检测面3C通过包含显微镜物镜20C和光分离部件22C的投影光学系统2C而且进一步通过象散光学系统24C接受模拟盘7的基准面1C上的像。象散光学系统24C由接受来自光分离部件22C的投影像的成像透镜240C和圆柱透镜242C构成，因此，在检测面3C上产生基准面1C上的像的投影像。根据该象散光学系统24C和投影光学系统2C的构成与配置，当基准面1C上的像例如光束点处于对焦状态时，检测面3C上的投影像成为圆，而且当在基准面上离焦点位置近时，在检测面上形成X-Y平面的Y轴方向上的长的椭圆。分布检测单元4C从该检测面3C上的像的二维光能分布，检测2个一维光能分布，而且判定单元5C从该2个一维光能分布，判定基准面1C上的像的聚焦状态。
图4是表示图3的检测面3C和一维光能分布检测单元4C的更详细的电路构成的图。如图4所示，检测面3C由具有X轴(图中的水平轴)和Y轴(图中的垂直轴)的二维感光元件阵列30C构成。又，分布检测单元4C备有X轴光能分布检测器40C、Y轴光能分布检测器42C、和定时发生电路44C。
这里，我们首先参照图4A，详细说明感光元件阵列30C。如图所示，该阵列30C是行列配置的多个感光元件(即象素)，例如具有256×256个象素的CMOS面传感器。各象素Pmn，如图所示，包含1对元件，即行输出用元件rmn和列输出用元件cmn。例如，象素P11具有行输出用元件r11和列输出用元件c11。各行中包含的象素内的行输出用元件r全部与对应的行输出端子RO连接，并且各列中包含的象素内的列输出用元件c全部与对应的列输出端子CO连接。例如，行输出用元件r11、r12、r13等与行输出端子RO1连接，而列输出用元件c11、c21、c31等与列输出端子CO1连接。因为这些行输出用元件和列输出用元件中的各个元件产生与接受的光能对应的电荷，所以行输出端子供给与该行中包含的多个行输出用元件接受的光能总和对应的电荷。同样，列输出端子也供给与该列中包含的多个列输出用元件接受的光能总和对应的电荷。这种感光元件阵列30C可以用，例如，滨松ホトニクス股份有限公司制造的剖面传感器S9132来实现。其详细情况记载在2003年1月的商品目录中。又，在本实施形态中，作为感光元件阵列30C，使用CMOS面传感器，但是也可以使用能够与上述同样工作的其它任意的器件。例如，也可以使用在各感光元件中备有开关，能够同时读出行或列的感光元件的电荷或电流的器件。
其次，我们回到图4，继续说明一维光能分布检测单元4C，X轴光能分布检测器40C是检测沿X轴方向的一维光能分布的检测单元，备有模拟开关电路400、电荷存储器402、电荷-电压变换器404和A/D变换器406。模拟开关电路400备有多个，例如256个并列配置的模拟开关，各模拟开关与感光元件开关30C的图4A所示的例如256个列输出端子CO1～CO256中对应的1个连接，而且输出端与连接电荷存储器402的输入端的一个共同的输出端子连接。又，各模拟开关也具有接受来自用于控制该开关的接通/断开的定时发生电路44C的信号的控制输入端。因此，各模拟开关，当接通时，通过使对应的列输出端子与电荷存储器402的输入端连接，读出该列中包含的全部列输出用元件的电荷，供给电荷存储器402。其次，电荷存储器402例如能够由充电中的电容构成，而且在从各列读出的期间中，存储在输入端接受的电荷。其次，具有接受该输出电荷的输入端的电荷-电压变换器404例会能够由充电构成，而且将与电荷存储器402中存储的电荷变换成对应的电压，供给输出端。将该电压供给下一个A/D变换器406的输入端，而且由该变换器将它从模拟形态变换成数字信号形态，使它成为X轴数据。所以，X轴数据以列1、列2、列3、........列256的顺序输出表示各列接受的光能整体的数据。
这里，我们参照图5说明感光元件阵列30C上的光束点与其能量分布的关系。又，在图5中，各像素由一个圆表示，但是实际上，如图4A所示，要注意由1对感光元件构成。如图所示，列1～列256的各列的光能由下式表示。
Xj=Σm=1256Pmj]]>所以，光束点BS1，在如图所示的X轴方向为长Y轴方向为短轴的横长的椭圆的情形中，成为在j列附近具有峰值的分布，但是比较平缓地分布宽度增大，峰值降低。另一方面，当光束点移动到虚线所示的位置，即为光束点BS2时，峰值移动到1列附近，但是能够检测出与光束点BS1相同的分布。
Y轴光能分布检测器42C也备有与X轴光能分布检测器40C相同的构成，即备有模拟开关电路420、电荷存储器422、电荷-电压变换器424和A/D变换器426。但是，模拟开关电路420的多个模拟开关中的各个开关与感光元件阵列30C的行输出端子RO1～RO256中对应的1个连接。因此，A/D变换器426在输出端产生的Y轴数据以行1、行2、行3、........行256的顺序输出表示各行接受的光能整体的数据。
再次，在图5中，行1～行256的各行的光能由下式所示。
Yi=Σn=1256Pin]]>所以，当光束点BS1时，成为在i行附近具有峰值的分布，但是与X轴的分布比较分布宽度变窄峰值增高。另一方面，当光束点BS2时，峰值移动到k行附近，但是能够检测出与光束点BS1相同的分布。
如以上那样，通过用一维光能分布，比较X轴和Y轴的一维光能分布，能够检测出光束点的形状、即圆形状、横长的椭圆、纵长的椭圆等。
其次，我们说明定时发生电路44C，该电路，如图所示，具有分别接受时钟和开始测定信号的输入端。又，电路44C，根据这些输入，在输出端产生使模拟开关电路400和模拟开关电路420内的各模拟开关接通/断开的信号。作为一个例子，如使行1的模拟开关和列1的模拟开关两者接通的读出信号，其次使行2的模拟开关和列2的模拟开关两者接通的读出信号等，以行号码和列号码的顺序产生读出信号。这样一来，如上所述，产生表示各行和各列的光能的X轴数据和Y轴数据。又，电路44C与该读出信号的产生同步，产生地址同步信号。能够通过计算地址同步信号的前沿或后沿的次数判别读出中的数据是哪一行/列的数据。又，不仅感光元件阵列30C而且一维光能分布检测单元4C都能够用上述滨松ホトニクス股份有限公司制造的剖面传感器S9132来实现。
通过采用以上那样构成的感光元件阵列30C，不是处理每个象素的数据，而是只处理每列或每行的数据，所以，减少了要处理的数据量，同时能够使图象更新速率提高到例如3kHz。与此相对，在一般的CCD摄象元件的情形中，因为处理每个象素的数据，所以图象更新速率只不过是60Hz。从而，如果根据本发明，则与已有技术比较能够高速地检测光能分布。又，通过用一维光能分布，即便由于外来干扰和位置偏离使光束点位置移动，也能够同样地检测出由光束点产生的光能分布。因此，不需要使检测面的中心与光束点的中心一致。根据这些特征，能够实质上排除由于当比该高的图象更新速率低的振动或调整时的外来干扰产生的影响。
其次，我们参照图6说明聚焦状态判定单元5C。如图6所示，聚焦状态判定单元5C备有X轴数据处理单元50C、Y轴数据处理单元52C、和圆形性判定器54C。详细地说，X轴数据处理单元50C备有计算器500和D/A变换器502。计算器500，例如，能够由处理机和存储器(图中未画出)构成，而且具有接受来自图4的一维光能分布检测单元4C的X轴数据的输入端、接受表示作为X轴数据接受的数据是哪一列的光能分布的地址同步信号的输入端。该计算器从各列的光能数据的沿X轴方向的分布，即X轴方向的一维光能分布，算出作为表示该光能分布的特征的X轴最大值。又，下面我们更详细地说明用计算器500的处理。其次用D/A变换器502将该X轴方向分布的最大值变换成模拟数据，并供给下一个圆形性判定器54C。同样，Y轴数据处理单元52C也具有与X轴数据处理单元50C相同的电路构成，备有计算器520和D/A变换器522。因此，从Y轴方向的一维光能分布，算出作为该光能分布的特征的Y轴最大值，并将该数字数据供给圆形性判定器54C。圆形性判定器54C例如能够由差动放大器540构成，而且它算出X轴最大值与Y轴最大值之差，作为聚焦误差信号进行输出。将该聚焦误差信号用于例如控制图3的聚焦检测装置C的聚焦调节器64。在本形态中，判定用D/A变换器502变换成模拟数据后的圆形性，但是也可以判定原来的数字数据。
其次，我们参照图7的操作程序图和图8，说明图6的计算器500和520中的工作。又，因为计算器500和计算器520的工作是相同的，所以以计算器500为主进行说明。首先，在图7的步骤S2，对计算器500内的存储器中的存储值进行初始化。其次，在步骤S4，将n设置在表示列1的1上，而且在步骤S6，接受列1的光能值的输入。在步骤S8，判定该光能输入值是否比存储值(最初为0)大，并且当大时，经过将输入值写在存储值上的步骤S10行进到步骤S12，而当不大时，直接行进到步骤S12，通过使n增加1，设置成表示列2的2。在下一个判断步骤S14，判定n是否达到最大值(在本实施形态中为256)，而且因为没有达到，所以在步骤S4后作为循环，重复步骤S6～S12。从而，进行关于列1～列256的光能输入值的处理。在步骤S14，当达到n＝256时，因为完成了一维光能分布内的全部光能值的处理，所以行进到步骤S16，将存储值输出到下一个D/A变换器502，从而结束处理。这里，该存储值等于一维光能分布内的光能值的峰值。这样一来，因为在完成最后的光能输入值的处理的时刻得到峰值，所以能够进一步提高数据处理的高速性。在Y轴用的计算器520中也同样进行上述处理，因此，能够检测出X轴的峰值和Y轴的峰值，供给圆形性判定器54C。又，在该处理中，利用能量分布的最大值与分布宽度成反比的特性，判断光束点有无圆形性。
这里，我们也参照图8，说明圆形性判定器54C中的聚焦状态判定法。又，图8是关于在最佳聚焦即对焦状态的情形(图8(a))、焦点离基准面近的情形(图8(b))、焦点离基准面远的情形(图8(c))的3种情形，表示与图5所示的光能分布图相同的光能分布图。如从图8(a)可以看到的那样，当对焦状态时，通过象散光学系统产生的检测面3C上的光束点成为圆形。这时，一维光能的X轴峰值X(0)等于Y轴峰值Y(0)。所以，当这些峰值相等，即当峰值间的差为0时，表示对焦状态，所以，聚焦误差信号也表示为0。为了进行比较，用虚线表示的是通过光束点的中心的X轴和Y轴上的光强度分布。这时，因为X轴峰值X(0)等于Y轴峰值Y(0)，所以得到与使用一维光能分布时相同的判定结果。
其次，在图8(b)的情形中，通过象散光学系统产生的检测面3C上的光束点成为长轴在X方向，短轴在Y方向的椭圆。这时，一维光能的X轴峰值X(-)比Y轴峰值Y(-)小。所以，当从Y轴峰值减去X轴峰值的结果为正时，表示焦点位置近，所以根据正的聚焦误差信号使焦点位置移远地进行控制。这里，当观察通过用虚线表示的椭圆的中心的光强度分布时，因为中心的光强度相等，所以X轴峰值X(-)等于Y轴峰值Y(-)保持不变，这表示不能够通过比较通过中心的光强度分布的峰值判定聚焦状态。
其次，在图8(c)的情形中，通过象散光学系统产生的检测面3C上的光束点成为长轴在Y方向，短轴在X方向的椭圆。这时，与图8(b)的情形相反，一维光能的X轴峰值X(+)比Y轴峰值Y(+)大，所以，当从Y轴峰值减去X轴峰值的结果为负时，表示焦点位置远，因此，根据负的聚焦误差信号使焦点位置移近地进行控制。同样，当观察通过用虚线表示的椭圆的中心的光强度分布时，因为中心的光强度还是相同，所以X轴峰值X(+)等于Y轴峰值Y(+)保持不变，这表示不能够通过比较通过中心的光强度分布的峰值判定聚焦状态。
又，在图8中表示光束点的中心与检测面3C的中心一致的状态，但是如与图5关联的说明那样，在本发明中，因为使用一维光能分布中的最大值，所以不需要使这些中心一致。
如果根据以上说明的本发明的聚焦检测装置C，则能够高速地而且几乎不受由振动等的外来干扰产生的影响地检测在基准面1C上的象的聚焦。进一步又，因为能够减少由外来干扰产生的影响，所以能够很大地降低聚焦检测装置C自身或用它的倾斜调整系统X整体的成本。
其次，我们参照图9的操作程序图，说明图6的计算器500和520中的计算处理(如图7所示)的其它实施形态。图9所示的方法表示用别的方法求光能分布的最大值的过程，即求在阈值中间的值作为最大值的方法。详细地说，步骤S20、S22、S24与图7的步骤S2、S4、S6相同。但是在步骤S26，判定输入值是否比阈值大，而且当不大时，在步骤S28，使n增加1后回到步骤S24。这里，阈值是比用于求一维光能分布的分布宽度的某个一定的预想的最大值小的值。在步骤S26，当“是”时，即当输入值比阈值大时，在步骤S30，存储n的值即列的号码作为存储值1。该存储值1决定能量分布的宽度的一端。其次，在步骤S32，再使n增加1，而且在步骤S34，接受第n个输入值，在步骤S36，存储该n值和该第n个(即列n)输入值。其次，在判断步骤S38，判定该输入值是否比与上述相同的阈值小，而且当“否”时，回到步骤S32，重复步骤S32～S38。另一方面，在步骤S38，当“是”时，即，光能在阈值以下时，在下面的步骤S40，存储该n值作为存储值2。最后在步骤S42，求得存储值1与存储值2的中间值，输出n为这个值时的输入值(光能值)。即，能够用分布宽度中间的能量值作为最大值。这种方法对于能量分布具有多个峰值部分或者不是如正态分布那样的光滑的分布的情形是有效的。又，在图9的处理中，也与图7相同，与完成最后的光能值的处理大致同时，得到峰值。进一步，我们参照图10，说明图6的计算器500和520中的计算处理(如图7所示)的其它实施形态。图10所示的过程是求一维光能分布的分布宽度，原封不动地作为椭圆的长轴和短轴的方法。因为该过程与图9的过程大致相同，所以我们只说明它的不同点。即，步骤S50～S64与图9的步骤S20～S34相同。但是，图10中，没有与图9的步骤S36相当的步骤，但是这是因为只求分布宽度的缘故。进一步，步骤S68～S70也与图9的步骤S38～S40相同，但是下一个步骤S72与图9的步骤S42不同，将从存储值2减去存储值1得到的值作为分布宽度进行输出。用这种图10的方法也能够简单地求得椭圆的长轴和短轴等。
其次，下面，我们参照图11～图13，说明图3～图6的实施形态中的投影光学系统2C、象散光学系统24C或检测面3C的其它实施形态。
首先，图11表示代替图5的二维感光元件阵列30C，作为使用2个一维直线传感器的实施形态的聚焦检测装置D。又，在图11中，与图2或图3对应的要素上在参照标号后加上记号“D”。在这个聚焦检测装置D中，使用与图3的光学系统24C相同的象散光学系统24D，但是此后通过备有光束分裂器等的光分离部件28D，如图所示，将投影像投射在2个分别设置的一维直线传感器3D-1、3D-2上。详细地说，一维直线传感器3D-1是X轴一维光能分布检测用的传感器，而一维直线传感器3D-2是Y轴一维光能分布检测用的传感器。这些直线传感器，例如，能够利用图4A所示构造的二维感光元件阵列30C来实现。即，X轴用的一维直线传感器3D-1能够只使用感光元件阵列30C的列输出端子来实现，而Y轴用的一维直线传感器3D-2能够只使用感光元件阵列30C的行输出端子来实现。或者又，X轴用的一维直线传感器3D-1能够具有在感光元件阵列30C中除去行输出用元件的构造，而Y轴用的一维直线传感器3D-2能够具有在感光元件阵列30C中除去列输出用元件的构造。这时，控制这些直线传感器的定时信号原封不动地使用图4的电路44C产生的信号。
其次，图12表示不用象散法而用比较光束直径的方法进行聚焦检测的实施形态的聚焦检测装置E。又，在图12中，与图2或图3对应的要素上在参照标号后加上记号“E”。在聚焦检测装置E中，代替图3的象散光学系统24C只使用成像透镜240E，而且，与图11的实施形态相同，使用光分离部件28E和2个一维直线传感器3E-1、3E-2。但是，在这个图12的装置E中，通过相互比较在基准面上的像的投影像的焦点前后的光束点直径，判定聚焦状态。详细地说，一维直线传感器3E-1配置在投影像的焦点位置前，而一维直线传感器3E-2配置在投影像的焦点位置后，而且通过相互比较由这些传感器检测出的光束点的光束直径，通过计算求得焦点位置，而且当判定焦点处于焦点位置与应该处于的预定位置偏离的位置上时，产生与偏离的方向和大小对应的聚焦误差信号。又，因为图12的实施形态中使用直线传感器与图11所示的实施形态不同，只比较光束点的直径，所以不一定需要检测X轴和Y轴那样的配置，也能够求得相同轴方向中的直径，或者求得不同轴方向中的直径。又，一维直线传感器3E-1、3E-2能够具有与图11相同的构成。在这个图12的实施形态中，用与图4和图6所示的电路构成相同的电路，也能够检测一维光能分布和判定聚焦状态。但是，在图6的电路中，圆形性判定器54C作为直径比较器起作用。又，在本实施形态中，也能够用从图10所示的分布宽度算出直径的方法或从图7和图9所示的最大值导出该直径的方法。
最后，在图13中，表示了使用比较光束直径的其它方法的实施形态的聚焦检测装置F。又，在图13中，在与图2或图3对应的要素上在参照标号后加上记号“F”。在该聚焦检测装置F中，与图12的实施形态不同之处在于只使用一个配置在投影像的焦点位置前或后任何一方的一维直线传感器3F。又，光分离部件22F、成像透镜240F和成像透镜26F与图3的光分离部件22C、成像透镜240C和成像透镜26C对应。在图13的实施形态中，在从图12中的另一个一维直线传感器求得的直径使用预先算出的基准值。为了求得该基准值，在聚焦检测装置F中，使用与图2所示的CCD摄象机9对应的CCD摄象机9F。即，用CCD摄象机9F通过目视确认基准面上的像处于对焦状态的时刻，而且这时算出用一维直线传感器3F检测出的光束点直径，作为基准值存储起来。其次，在光学系统的倾斜调整期间中，通过比较该基准值与用一维直线传感器3F检测出的直径，判定基准面上的像的聚焦状态。
在图14中，表示在图13的聚焦检测装置F中使用的一维光能分布检测单元4F和聚焦状态判定单元5F的电路构成。与图6所示的不同之处在于一维光能分布检测单元4F只输出来自一维直线传感器3F的Y轴数据，而且将图6的X轴数据处理单元50C置换成由存储器504和D/A变换器502构成的基准值设定单元50F。又，与图12的实施形态中的相同，将图6的圆形性判定器54C作为直径比较器54F这一点。当求基准值时，当在上述基准面上的像处于对焦状态时，用计算器520算出基准值并存储在存储器504中。同时用D/A变换器502将存储的基准值变换成模拟数据，并且供给直径比较器54F。用这样的构成，也能够判定聚焦状态。又，直径的计算，与图12的实施形态相同，能够用图7、图9和图10的种种方法。
在以上详细说明了的本发明的聚焦检测法和倾斜调整系统中，作为激光头在CD和DVD的情形中进行了说明，但是本发明也同样能够适用于任意其它的光盘。进一步又，如对于从业者很明显的那样，本发明也同样能够适用于激光头以外的光学系统。
权利要求
1.一种聚焦检测方法，其特征在于包括关于基准面上的预定区域内的任意位置上的像，从由该像产生的上述基准面上的二维光能分布，检测出关于上述整个像的至少1个一维光能分布的步骤、和根据上述至少1个一维光能分布，判定上述基准面上的上述像的聚焦状态的步骤。
2.根据权利要求1所述的聚焦检测方法，其特征在于上述一维光能分布是关于上述二维光能分布，存在于1个轴方向上的光能的、沿与该轴交叉的轴的分布。
3.根据权利要求1所述的聚焦检测方法，其特征在于上述至少1个一维光能分布是由在2个相互交叉的轴上的一维光能分布构成的。
4.根据权利要求1所述的聚焦检测方法，其特征在于上述分布检测步骤包含在检测面上接受上述基准面上的上述像的投影像的步骤，上述检测面具有与上述基准面上的上述预定区域对应的预定检测区域，该检测区域具有相互交叉的第1轴和第2轴。
5.根据权利要求4所述的聚焦检测方法，其特征在于上述分布检测步骤使用象散法。
6.根据权利要求5所述的聚焦检测方法，其特征在于上述分布检测步骤包含通过象散光学系统接受上述基准面上的上述像的上述投影像的步骤，上述像的象散在上述检测区域的上述第1轴和第2轴的方向上产生。
7.根据权利要求6所述的聚焦检测方法，其特征在于上述分布检测步骤包含检测上述检测区域的上述第1轴上的光能分布和上述第2轴上的光能分布的步骤，上述第1轴上的光能分布是上述第2轴方向的光能分布的沿上述第1轴的分布，上述第2轴上的光能分布是上述第1轴方向的光能分布的沿上述第2轴的分布。
8.根据权利要求6所述的聚焦检测方法，其特征在于上述聚焦状态判定步骤包含判定在上述第1轴光能分布中的最大值和上述第2轴光能分布中的最大值的步骤、比较上述第1轴的最大值和上述第2轴的最大值的步骤、和根据上述比较结果，判定上述聚焦状态的步骤。
9.根据权利要求8所述的聚焦检测方法，其特征在于关于上述第1轴和上述第2轴的各轴，上述最大值判定步骤包含从上述各轴的一端向着另一端，存储更大光能值的步骤、和将当到达上述各轴的另一端时的上述存储的光能值作为上述最大值进行输出的步骤。
10.根据权利要求8所述的聚焦检测方法，其特征在于关于上述第1轴和上述第2轴的各轴，上述最大值判定步骤包含求得上述各轴的光能分布的分布范围的中间位置的步骤、和将上述中间位置中的上述光能值作为上述最大值进行输出的步骤。
11.根据权利要求10所述的聚焦检测方法，其特征在于关于上述第1轴和上述第2轴的各轴，求得上述中间位置的步骤包含从上述各轴的一端向着另一端，存储上述光能值，又其间，存储上述光能值达到预定阈值时的上述各轴上的第1位置和回到上述预定阈值时的上述各轴上的第2位置的步骤、和当到达上述各轴的另一端时，从上述存储的第1位置和第2位置，求得上述第1位置和上述第2位置的中间位置的步骤。
12.根据权利要求6所述的聚焦检测方法，其特征在于上述聚焦状态判定步骤包含判定上述第1轴光能分布的分布范围宽度和上述第2轴光能分布的分布范围宽度的步骤、比较上述第1轴的宽度和上述第2轴的宽度的步骤、和根据上述比较结果，判定上述聚焦状态的步骤。
13.根据权利要求12所述的聚焦检测方法，其特征在于上述宽度是上述光能的大于等于预定阈值的范围的宽度。
14.根据权利要求13所述的聚焦检测方法，其特征在于关于上述第1轴和上述第2轴的各轴，判定上述分布范围宽度的步骤包含从上述各轴的一端向着另一端，存储上述光能值达到上述预定阈值时的上述各轴上的第1位置和回到上述预定阈值时的上述各轴上的第2位置的步骤、和当到达上述各轴的另一端时，从上述存储的第1位置和第2位置，求得上述第1位置和上述第2位置间的距离后得到上述分布范围宽度的步骤。
15.根据权利要求4所述的聚焦检测方法，其特征在于上述分布检测步骤包含比较来自上述像的1个投影像的直径与基准值的步骤。
16.根据权利要求15所述的聚焦检测方法，其特征在于上述基准值是上述像的对焦状态下的上述1个投影像的直径值。
17.根据权利要求15所述的聚焦检测方法，其特征在于上述基准值是来自上述像的别的投影像的直径。
18.根据权利要求17所述的聚焦检测方法，其特征在于上述分布检测步骤包含在构成上述检测面的第1检测面上接受上述基准面上的上述像的第1投影像，而且在与此不同的第2检测面上接受上述像的第2投影像的步骤，上述第1检测面和上述第2检测面位于上述像的焦点位置的前和后。
19.根据权利要求18所述的聚焦检测方法，其特征在于上述分布检测步骤包含检测上述第1检测面的上述检测区域中的第1光能分布和上述第2检测面的上述检测区域中的第2光能分布的步骤，上述第1光能分布是沿与预定轴方向的光能分布交叉的轴的分布，上述第2光能分布是沿与预定轴方向的光能分布交叉的轴的分布。
20.根据权利要求19所述的聚焦检测方法，其特征在于上述聚焦状态判定步骤包含判定上述第1光能分布的第1宽度的步骤、判定上述第2光能分布的第2宽度的步骤、和根据上述第1和第2宽度，判定上述聚焦状态的步骤。
21.一种用于为了使像成像在基准面上而构成的光学系统的倾斜调整方法，其特征在于包括用根据权利要求1到20中任何一项所述的聚焦检测方法实施上述基准面上的预定区域内的任意位置中的上述像的聚焦检测的步骤、为了使上述像成为对焦状态而调整上述光学系统的步骤、和调整相对于上述基准面的上述光学系统的倾斜的步骤。
22.一种聚焦检测装置，其特征在于包括关于基准面上的预定区域内的任意位置中的像，从由上述基准面上的上述像产生的二维光能分布，检测关于上述整个像的至少1个一维光能分布的分布检测部件、和根据上述至少1个一维光能分布，判定上述基准面上的上述像的聚焦状态的聚焦状态判定部件。
23.根据权利要求22所述的聚焦检测装置，其特征在于上述一维光能分布是关于上述二维光能分布，存在于1个轴方向的光能的、沿与该轴交叉的轴的分布。
24.根据权利要求22所述的聚焦检测装置，其特征在于上述至少1个一维光能分布是由在2个相互交叉的轴上的一维光能分布构成的。
25.根据权利要求22所述的聚焦检测装置，其特征在于上述分布检测部件包含具有与上述基准面上的上述预定区域对应的预定检测区域的检测面部件，上述检测区域具有相互交叉的第1轴和第2轴，在上述检测面部件上接受上述基准面上的上述像的投影像。
26.根据权利要求25所述的聚焦检测装置，其特征在于上述检测面部件包括具有与上述第1轴和第2轴对应配置的多个行和多个列的感光元件组，各感光元件由行输出用的元件和列输出用的元件构成；多个行输出端子，各个上述行输出端子输出该行的感光元件组的上述行输出用元件接受的光能之和；和多个列输出端子，各个上述列输出端子输出该列的感光元件组的上述列输出用元件接受的光能之和。
27.根据权利要求26所述的聚焦检测装置，其特征在于上述检测面部件是由1个二维传感器构成的。
28.根据权利要求26所述的聚焦检测装置，其特征在于上述检测面部件是由2个一维直线传感器构成的。
29.根据权利要求25所述的聚焦检测装置，其特征在于上述分布检测部件使用象散法。
30.根据权利要求29所述的聚焦检测装置，其特征在于上述分布检测部件备有象散光学系统，通过上述象散光学系统在上述检测面部件上接受上述基准面上的上述像的上述投影像，上述像的象散不在上述检测区域的上述第1轴和第2轴的方向上产生。
31.根据权利要求30所述的聚焦检测装置，其特征在于上述分布检测部件包含检测上述检测区域的上述第1轴上的一维光能分布的第1轴光能分布检测部件、和检测上述检测区域的上述第2轴上的一维光能分布的第2轴光能分布检测部件，上述第1轴上的光能分布是上述第2轴方向的光能分布的沿上述第1轴的分布，上述第2轴上的光能分布是上述第1轴方向的光能分布的沿上述第2轴的分布。
32.根据权利要求30所述的聚焦检测装置，其特征在于上述聚焦状态判定部件包含判定在上述第1轴光能分布中的最大值的部件、判定在上述第2轴光能分布中的最大值的部件、比较上述第1轴的最大值和上述第2轴的最大值的部件、和根据上述比较结果，判定上述聚焦状态的部件。
33.根据权利要求30所述的聚焦检测装置，其特征在于上述聚焦状态判定部件包含判定上述第1轴光能分布的分布范围宽度的部件、判定上述第2轴光能分布的分布范围宽度的部件、比较上述第1轴的宽度和上述第2轴的宽度的部件、和根据上述比较结果，判定上述聚焦状态的部件。
34.根据权利要求25所述的聚焦检测装置，其特征在于上述分布检测部件比较来自上述像的1个投影像的直径与基准值。
35.根据权利要求34所述的聚焦检测装置，其特征在于上述基准值是上述像的对焦状态下的上述1个投影像的直径值。
36.根据权利要求35所述的聚焦检测装置，其特征在于上述分布检测部件的上述检测面部件由单一的检测面部件构成，上述分布检测部件在上述单一检测面部件上接受上述基准面中的上述像的第1投影像，上述单一检测面部件位于上述像的焦点位置前或后。
37.根据权利要求34所述的聚焦检测装置，其特征在于上述基准值是来自上述像的别的投影像的直径值。
38.根据权利要求37所述的聚焦检测装置，其特征在于上述分布检测部件的上述检测面部件备有第1检测面部件、和第2检测面部件，上述分布检测部件是在上述第1检测面部件上接受上述基准面上的上述像的第1投影像，而且在上述第2检测面部件上接受上述像的第2投影像，上述第1检测面部件和上述第2检测面部件位于上述像的焦点位置的前和后。
39.一种用于为了使像成像在基准面上而构成的光学系统的倾斜调整装置，其特征在于包括进行上述基准面上的预定区域内的任意位置中的上述像的聚焦检测的根据权利要求22到38中任何一项所述的聚焦检测装置、为了使上述像成为对焦状态而调整上述光学系统的部件、和调整相对于上述基准面的上述光学系统的倾斜的倾斜调整部件。
40.根据权利要求39所述的倾斜调整装置，其特征在于上述光学系统备有用于使上述像成像在上述基准面上的物镜、和调整该物镜对于上述基准面的像的聚焦的聚焦调整部件。
全文摘要
本发明提供一种能够更高速的或者对振动和调整时的外来干扰抵抗性强的或者更低成本的聚焦检测装置和倾斜调整系统。聚焦检测装置设置有一维光能分布检测单元(4)和聚焦状态判定单元(5)。分布检测单元(4)，关于基准面(1)上的预定区域内的任意位置上的像，从由该基准面(1)上的像产生的二维光能分布，检测该像整体的至少一个的一维光能分布。聚焦状态判定单元(5)，根据该检测出的一维光能分布，判定基准面(1)上的像的聚焦状态。
文档编号G02B7/28GK1637880SQ20041003469
公开日2005年7月13日 申请日期2004年4月23日 优先权日2003年12月25日
发明者川村贵史 申请人:利达电子株式会社