专利名称：光波面测定装置、光波面测定方法和光源装置的调整方法
技术领域：
本发明涉及测定从光头装置那样的光源装置射出的光束的波面像差的光波面测定装置、光波面测定方法和光源装置的调整方法。
背景技术：
作为为了在光盘上记录信息或从光盘重放信息而使用的光头装置的光学系统的像散校正方法，有一边用肉眼观察由从光头装置射出的光束形成的干涉环的椭圆度、一边调整光头装置的光学部件的位置以使椭圆度减少的方法。例如，参照特开昭61-281209号公报(第3页的左下栏～右下栏和图2)。
但是，由于上述的现有的校正方法是干涉环的椭圆度那样的判断难且根据在判断中容易产生因人而异的差别的形状来调整光头装置的光学部件的位置的方法，故存在像散的校正精度差、此外调整是很费时间的困难的作业的问题。
发明内容
本发明的目的是提供能准确且容易地进行入射的光束的波面的观察的光波面测定装置和光波面测定方法以及能准确且容易地进行光源装置的调整的光源装置的调整方法。
与本发明有关的光波面测定装置具有分离元件，将入射的光束分离为第1光束和第2光束；第1干涉条纹显示部，配置在上述第1光束中，从上述第1光束形成并显示干涉条纹；第2干涉条纹显示部，具有与上述第1干涉条纹显示部相同的结构，配置在上述第2光束中，从上述第2光束形成并显示干涉条纹；以及波面旋转元件，配置在上述分离元件与上述第1干涉条纹显示部之间或上述分离元件与上述第2干涉条纹显示部之间的至少一方，使上述第1光束的波面或上述第2光束的波面中的至少一方以其光轴为中心旋转。
此外，与本发明有关的光波面测定方法具有将入射的光束分离为第1光束和第2光束的步骤；使上述第1光束的波面或上述第2光束的波面中的至少一方以其光轴为中心旋转的步骤；以及在使上述波面旋转的步骤后在显示上述第1光束的干涉条纹的同时显示上述第2光束的干涉条纹的步骤。
此外，与本发明有关的光源装置的调整方法具有将从光源装置射出了的光束分离为第1光束和第2光束的步骤；使上述第1光束的波面或上述第2光束的波面中的至少一方以其光轴为中心旋转的步骤；在使上述波面旋转的步骤后在显示上述第1光束的干涉条纹的同时显示上述第2光束的干涉条纹的步骤；以及调整上述光源装置的光学部件的位置以使上述第1光束的干涉条纹与上述第2光束的干涉条纹相等的步骤。
附图的简单的说明
图1是示出实施与本发明的实施形态1有关的光波面测定方法的光波面测定装置(在实施与本发明的实施形态1有关的光源装置的调整方法时使用的光波面测定装置)的结构的图，图2是从D2方向看图1的图，图3是概略地示出实施形态1中的第1干涉条纹显示部和第2干涉条纹显示部的立体图，图4是概略地示出在实施形态1中的第1显示部上被显示了的干涉条纹的图，图5是概略地示出在实施形态1中的第2显示部上被显示了的干涉条纹的图，图6是示出实施与本发明的实施形态2有关的光波面测定方法的光波面测定装置(在实施与本发明的实施形态2有关的光源装置的调整方法时使用的光波面测定装置)的结构的图，图7是概略地示出在实施形态2中的第1显示部上被显示了的干涉条纹的图，图8是概略地示出在实施形态2中的第2显示部上被显示了的干涉条纹的图，图9是示出在实施形态2中的第1至第4光检测器的输出信号的波形和相位差的图，图10涉及本发明的实施形态3，是示出由激光二极管射出的光束的图，图11涉及实施形态3，是示出从激光二极管射出并通过物镜(未图示)的焦点的光束的光路的概略的模型的图，图12涉及实施形态3，是示出作为激光二极管与准直器之间的间隔的函数的波面像差系数的曲线图，图13涉及实施形态3，是示出在横方向上偏移了的2条光束重叠的区域中被形成了的干涉条纹的图，图14涉及实施形态3，是干涉计的概略图，图15涉及实施形态3，是决定在干涉计中被生成了的正1次光和负1次光的相位差用的实验用配套装置的结构图，图16是用CCD照相机拍摄了在图15的实验用配套装置中因准直器位置的变更或干涉计的衍射光栅的移动而产生的干涉条纹的变化的照片，图17示出在图15的实验用配套装置中在干涉计中被生成了的正1次光和负1次光的相位差为52.6°、以一定的速度使干涉计的第1级衍射光栅移动时从光检测器阵列的2个元件输出的信号波形，图18示出通过使用图15的实验用配套装置波面分析器的数据(水平轴)和相位的测定值(垂直轴)Δφ2-1，图19涉及实施形态3，是为了光源装置的调整而在制造线上被导入的实用系统的结构图。
用于实施发明的最佳形态实施形态1.
图1是示出实施与本发明的实施形态1有关的光波面测定方法的光波面测定装置(在实施与本发明的实施形态1有关的光源装置的调整方法时使用的光波面测定装置)的结构的图。此外，在图1中也示出了作为光波面测定装置2的被测定物、即光源装置的光头装置1的结构。
如图1中所示，实施形态1的光波面测定装置是测定光头装置1的光学系统具有的像散(或波面像差)用的装置。作为被测定物的光头装置1以半导体激光器等的光源3、准直透镜(以下称为「准直器」)5和光束整形棱镜6为主要的结构。从光源3射出了的光束(即，束)4由准直器5变换为大致平行的光束，入射到光束整形棱镜6上。变换了入射到光束整形棱镜6上的光束的强度分布，作为光束4a被射出。在该强度分布的变换中，在与基准面(是与描画了图1的纸面平行的面，在后述的图2中用符号RP示出。)垂直的V1方向(在后述的图2和图3中示出)上强度分布不变化，扩大与基准面平行且与光轴垂直的P1方向的强度分布。利用该变换，将与光轴垂直地切割的面的强度分布为椭圆形状的光束4变换为与光轴垂直地切割的面的强度分布为圆形形状的光束4a。光头装置1是被安装在对光盘进行信息的记录或重放用的光盘装置等上的光源装置。在被安装在光盘装置等上的情况下，利用物镜(未图示)对光盘使光束聚光。
如图1中所示，实施形态1的光波面测定装置以分离元件7a、作为波面旋转元件的偏转棱镜13、第1干涉条纹显示部21和第2干涉条纹显示部22为主要的结构。
如图1中所示，分离元件7a是使入射的光束4a透过作为第1光束4b、反射入射的光束4a的一部分作为第2光束4c的光学元件。如果分离元件7a能分离入射的光束4a，则也可以是其它的结构。
图2是从D2方向看图1的图。如图1或图2中所示，偏转棱镜13是将2个侧面作成了梯形的柱状光学元件。所谓偏转棱镜，是通过以其轴线(在图1中，在与光轴AX2平行的方向上延伸)为轴线使之旋转可使透过光的波面以其光轴为中心以偏转棱镜的旋转角的2倍的角度旋转的光学元件。如图2中所示，在实施形态1中，将偏转棱镜13的反射内面13a配置成相对于基准面RP(是与描画了图1的纸面平行的面，在图2中的水平方向上扩展的面)构成45°的角度。其结果，偏转棱镜13作为使入射到入射面13b上的第2光束4c的波面以光轴AX2为中心旋转了90°的第2光束4h可从射出面13c使之射出。
图3是概略地示出实施形态1中的第1干涉条纹显示部21和第2干涉条纹显示部22的立体图。如图1或图3中所示，第1干涉条纹显示部21和第2干涉条纹显示部22具有互相相同的结构，在基准面RP(是与描画了图1的纸面平行的面，在图2中的水平方向上扩展的面)上并排地配置了。因此，图1中示出的光束4a的光轴AX、光束4b的光轴AX1、光束4c的光轴AX2和光束4h(被反射镜14反射了后的光束)的光轴AX3都与基准面RP平行。
如图1和图3中所示，第1干涉条纹显示部21具有第1衍射光栅8a、第2衍射光栅9a、聚束透镜10a、具备针孔的针孔板11a和第1显示部12a。第1衍射光栅(第1干涉条纹显示部21中的第1级的衍射光栅)8a的光栅矢量的方向(光栅的排列方向)与第2衍射光栅(第1干涉条纹显示部21中的第2级的衍射光栅)9a的光栅矢量的方向都与基准面RP平行，是与透过的光栅的光轴AX1正交的GV方向。
如图1和图3中所示，第2干涉条纹显示部22具有第3衍射光栅(第2干涉条纹显示部22中的第1级的衍射光栅)8b、第4(第2干涉条纹显示部22中的第2级的衍射光栅)衍射光栅9b、聚束透镜10b、具备针孔的针孔板11b和第2显示部12b。第3衍射光栅8b具有与第1衍射光栅8a相同的结构，第4衍射光栅9b具有与第2衍射光栅9a相同的结构。此外，聚束透镜10b具有与聚束透镜10a相同的结构，针孔板11b具有与针孔板11a相同的结构。第3衍射光栅8b的光栅矢量的方向与第4衍射光栅9b的光栅矢量的方向都与基准面RP平行，是与透过的光栅的光轴AX3正交的GV方向。
其次，说明实施形态1的光波面测定装置的工作(光波面测定方法)。如图1中所示，入射到光波面测定装置上的光束4a由分离元件7a分离为第1光束4b和第2光束4c。如图1中所示，利用第1衍射光栅8a将光束4b主要作为正1次光和负1次光来衍射。利用第2衍射光栅9a分别将这些衍射光再作为正1次光和负1次光来衍射。被第1衍射光栅8a衍射了的正1次光被第2衍射光栅9a衍射，形成作为负1次光的光束4d，被第1衍射光栅8a衍射了的负1次光被第2衍射光栅9a衍射，形成作为正1次光的光束4e。光束4d和光束4e由聚束透镜10a进行聚光，通过透过针孔板11a的针孔来除去不需要的光束，在第1显示部12a上的干涉条纹显示区域(加上了剖面线的区域)4f上形成干涉条纹。
如图1中所示，利用偏转棱镜13使作为利用分离元件7a分离了的另一个光束的第2光束4c的波面以光轴AX2为中心旋转了90°，成为第2光束4h。用反射镜14改变光束4h的方向，利用第3衍射光栅8b将光束4h主要作为正1次光和负1次光来衍射。利用第4衍射光栅9b分别将这些衍射光再作为正1次光和负1次光来衍射。被第3衍射光栅8b衍射了的正1次光被第4衍射光栅9b衍射，形成作为负1次光的光束4j，被第3衍射光栅8b衍射了的负1次光被第4衍射光栅9b衍射，形成作为正1次光的光束4k。光束4j和光束4k由聚束透镜10b进行聚光，通过透过针孔板11b的针孔来除去不需要的光束，在第2显示部12b上的干涉条纹显示区域(加上了剖面线的区域)4m上形成干涉条纹。
如图1和图3中所示，在实施形态1中，在第1显示部12a的干涉条纹显示区域4f上作为干涉条纹显示从光头装置1射出了的光束4a具有的波面的P1方向(与描画了图1的纸面平行且与光轴AX正交的方向)的相位信息。同时，在第2显示部12b的干涉条纹显示区域4m上作为干涉条纹显示从光头装置1射出了的光束4a具有的波面的V1方向(是与P1方向正交的方向且与光轴AX正交的方向)的相位信息。此外，在实施形态1中，利用反射镜14使第1光束4a的光轴AX1与第2光束4h的光轴AX3变得平行，如图3中所示，并排地配置第1显示部12a的干涉条纹显示区域4f与第2显示部12b的干涉条纹显示区域4m，以便容易比较从光头装置1射出了的光束4a的互相正交的2个方向的相位信息。因此，按照与实施形态1有关的光波面测定装置和光波面测定方法，可对于与光轴垂直的2个方向同时准确地、容易地测定被测定光束的波面(或相位信息)。
根据以上所述，说明了对于与描画了图1的纸面平行的方向和垂直的方向分别在显示部12a、12b上作为干涉条纹显示光束4a具有的波面的相位信息的方法和结构。例如，如果光束4a的与描画了图1的纸面平行的方向的波面是平面波，则在显示部12a上显示几乎看不到干涉条纹的零条纹状态。对于与描画了图1的纸面垂直的方向来说，也是同样的，在关于该方向的波面为平面的情况下，在显示部12b上显示零条纹状态。另一方面，在光束4a的与描画了图1的纸面平行的方向的波面是球面波的情况下，在显示部12a上显示几条干涉条纹。对于与描画了图1的纸面垂直的方向来说，也是同样的，在关于该方向的波面为球面波的情况下，在显示部12b上显示几条干涉条纹。
其次，说明光头装置1的调整方法。图4是概略地示出在实施形态1中的第1显示部12a上被显示了的干涉条纹的图，图5是概略地示出在实施形态1中的第2显示部12b上被显示了的干涉条纹的图。在从光头装置1射出了的光束4a具有像散的情况下，如图4和图5中所示，在第1显示部12a和第2显示部12b上被显示了的各自的干涉条纹的间隔不同。反过来说，如果使在第1显示部12a和第2显示部12b上被显示了的各自的干涉条纹的间隔相对地大致为同等，则就使光束4a的关于该2个方向的波面达到一致，可减少关于该2个方向的像散。作为具体的方法，使作为被测定物的光头装置1的准直器5在其光轴方向上移动进行调整即可。
说明通过以这种方式使准直器5在其光轴方向上移动可减少光束4具有的像散量的原因。
通过使准直器5在其光轴方向上移动，成为透过了准直器5的光束不是平行光束(非准直)的状态。通过利用非准直的光束入射到合成光学系统(在本申请中相当于光束整形棱镜6)上时生成像散这样的合成光学系统的固有的性质来实现像散的校正。
由于入射到合成光学系统上的光束是非准直的，故如果观察与沿光轴的准直器5的移动连动的干涉条纹图形的形状变化，则可使准直器位于给出合成光学系统实质上校正像散的程度的像散的位置上。此外，干涉条纹图形的形状表示入射到干涉计上的光束中的像散的存在及其量。在看到干涉条纹图形为圆形时，合成光学系统提供直接抵消半导体激光器3的像散的像散。即，在光束中没有像散的状态(特开昭61-281209号公报中看到干涉条纹图形为圆形的状态)是在本申请中在显示部12a、12b上被显示了的各自的干涉条纹的间隔大致为同等的情况。
在与本发明的实施形态1有关的光波面测定方法和光波面测定装置中，由于用分离元件将被测定光束分离为2个光束，使其一个光束透过第1衍射光栅8a(第1干涉条纹显示部21中的第1级的衍射光栅)和第2衍射光栅9a(第1干涉条纹显示部21中的第2级的衍射光栅)形成干涉条纹，利用作为波面旋转元件的偏转棱镜使另一个光束的波面旋转90度后，使其透过第3衍射光栅8b(第2干涉条纹显示部22中的第1级的衍射光栅)和第4衍射光栅9b(第2干涉条纹显示部22中的第2级的衍射光栅)形成干涉条纹在显示部12a、12b上显示，故可同时作为干涉条纹的差别观察互相差了90度的方向的波面的相位之差别。
因而，在实施形态1的光波面测定方法和光波面测定装置中，可同时作为干涉条纹显示入射到装置上的光束具有的水平方向和垂直方向的波面的相位信息。于是，如果一边实时地观察这些干涉条纹一边进行减少作为被测定物的光头装置1具有的像散量用的调整，则可准确且迅速地校正光头装置1具有的像散。即，按照本发明的光波面测定装置或光波面测定方法，由于分离从作为被测定系统的光源装置射出了的光束、使被分离了的光束的至少一方旋转，用容易对比的方法显示了关于与光轴正交的多个方向的干涉条纹，故可得到能准确且容易地进行从光源装置射出了的光束的波面像差的测定的效果。
再有，在上述的说明中，说明了只在第2光束中配置了使光束的波面旋转的偏转棱镜的情况，但也可只在第1光束中配置偏转棱镜。此外，也可在第1光束中和第2光束中这两者中配置偏转棱镜。在该情况下，例如也可使第1光束和第2光束的波面在互相相反的方向上各旋转45°。
此外，第1光束或第2光束的波面的旋转角度不限定于90°。
再者，在上述的说明中，说明了将被测定光束分离为2条的情况，但也可构成为通过使用多个分离元件分离为大于等于3条的光束，使已被分离的光束的波面分别旋转不同的角度，可同时显示大于等于3种的干涉条纹。
实施形态2.
图6是示出实施与本发明的实施形态2有关的光波面测定方法的光波面测定装置(在实施与本发明的实施形态2有关的光源装置的调整方法时使用的光波面测定装置)的结构的图。此外，在图6中也示出了实施形态2的光波面测定装置2a的被测定物、即作为光源装置的光头装置1的结构。在图6中，对与图1(实施形态1)中示出的结构为同一或对应的结构附以相同的符号。
此外，图7是概略地示出在实施形态2中的第1显示部12a上被显示了的干涉条纹的图，图8是概略地示出在实施形态2中的第2显示部12b上被显示了的干涉条纹的图。
如图6中所示，实施形态2的光波面测定装置2a具有在第1显示部12a上的干涉条纹显示区域4f内的大致两端隔开第1间隔S21配置了的第1和第2光检测器17a、17b以及在第2显示部12b上的干涉条纹显示区域4m内的大致两端隔开与第1间隔S21相同的第2间隔S22配置了的第3和第4光检测器17c、17d。此外，实施形态2的光波面测定装置2a具有一体地保持第1衍射光栅和第3衍射光栅的固定子15以及沿作为光栅矢量的方向(衍射光栅的排列方向)的GV方向以既定的速度(例如，一定的速度)使固定子15移动的移动机构16。
其次，说明实施形态2的光波面测定装置2a的工作。图9是示出在实施形态2中的第1至第4光检测器17a～17d的输出信号的波形的图。
电信号18a、18b是利用移动装置16在光栅矢量的方向上使衍射光栅8a、8b移动时的来自各自的光检测器17a、17b的输出信号，电信号18c、18d分别是来自光检测器17c、17d的输出信号，示出与干涉条纹的形状对应的波形。在干涉区域4f、4m的两端附近分别配置了光检测器17a、17b和17c、17d的原因是为了提高测定精度。即，在作为实际的光头装置1被使用的半导体激光器中存在几微米的像散差，在调整了准直器5而使得干涉4a没有像散的情况下，由于干涉区域4f、4m成为干涉条纹少的子条纹状态，故在此时用肉眼难以判断干涉区域4f、4m的形状是否相同。因此，打算使用电信号来观察干涉条纹的形状，在干涉区域4f、4m的两端附近配置了光检测器17a、17b，以便能较大地观察电信号18a与18b的相位差。再有，如果相位差显示出到小数点第1位为止的角度(deg.)，则就足够了。此外，虽然光检测器17a、17b的间隔由光学系统的倍率来决定，但至少隔开约几mm来配置。
利用移动机构16使固定子15与第1衍射光栅8a和第3衍射光栅8b一体地在光栅矢量的方向(GV方向)上移动。此时，第1和第2光检测器17a、17b对光束4d、4e进行受光，与这些光束构成的干涉条纹的明暗对应地分别输出电信号18a、18b。此外，第3和第4光检测器17c、17d也同样地对光束4j、4k进行受光，与这些光束构成的干涉条纹的明暗对应地分别输出电信号18c、18d。
第1光检测器17a的输出信号18a与第2光检测器17b的输出信号18b的相位差Δφa以及第3光检测器17c的输出信号18c与第4光检测器17d的输出信号18d的相位差Δφb的每一个与光束的波面的各自的方向上的像差相对应，这些相位差的相对的差别与光束4a具有的像散量成比例。于是，在打算减少像散量的情况下，调整作为被测定物的光头装置1的光学部件的位置以使该相位差Δφa与Δφb相等即可。
图9是以横轴为时间轴、纵轴为振幅显示了电信号18a～18d的输出波形。在此，电信号18a～18d分别与光检测器17a～17d上的干涉条纹的强度变化对应地被输出，但其频率由第1衍射光栅8a、8b的光栅尺寸和移动装置16的移动速度来决定，但如果成为子条纹(零条纹)状态，则不得不用相位差来检测其频率的差。
关于电信号18a和18b以及电信号18c和18d，分别在子条纹的状态下，如果电信号18a与18b的相位差Δφa与电信号18c与18d的相位差Δφb为同一值，则频率也相同，干涉区域4f、4m就具有同一形状的干涉条纹。这一点与光束4a的在与描画了图6的纸面平行的方向和垂直的方向上的波面为同一的是等效的。作为结果，光束4a没有像散。换言之，相位差Δφa与Δφb的差与光束4a具有的像散量成比例，在打算减少像散量的情况下，调整作为被测定物的光学系统以使这些相位差Δφa、Δφb相等即可。再有，对于振幅输出横截零电平的时间示出了各自的相位差Δφa和Δφb，但由于在子条纹状态下全部的光检测器输出了大致相同的频率，故从原理上说，即使用哪个电平测定，在值方面都没有差别。
如图6中所示，在实施形态2中，在第1显示部12a的干涉条纹显示区域(加上了剖面线的区域)4f上作为干涉条纹显示从光头装置1射出了的光束4a具有的波面的P1方向(与描画了图6的纸面平行且与光轴AX正交的方向)的相位信息。同时，在第2显示部12b的干涉条纹显示区域(加上了剖面线的区域)4m上作为干涉条纹显示从光头装置1射出了的光束4a具有的波面的V1方向(是与P1方向正交的方向且与光轴AX正交的方向)的相位信息。此外，在实施形态2中，在第1显示部12a的干涉条纹显示区域4f中隔开间隔S21配置了第1光检测器17a和第2光检测器17b，在第2显示部12b的干涉条纹显示区域4m中隔开间隔S22配置了第3光检测器17c和第4光检测器17d，可定量地测定从光头装置1射出了的光束4a的互相正交的2个方向的相位信息。因此，按照与实施形态2有关的光波面测定方法和光波面测定装置，对于与光轴垂直的2个方向可同时且容易地测定被测定光束的波面(或相位信息)。
因而，使用实施形态2的光波面测定方法或光波面测定装置，如果一边实时地观察电信号的相位差一边进行减少作为被测定物的光头装置1具有的像散量用的调整，则可准确且迅速地校正光头装置1具有的像散。即，在本发明的光波面测定装置或光波面测定方法中，在可定量地测定从光源装置射出了的光束的波面的相位的情况下，能得到可更准确且容易地进行从光源装置射出了的光束的波面像差的测定的效果。
再有，在实施形态2中，除了上述以外的方面与实施形态1相同。
实施形态3.
以下说明与本发明的实施形态3有关的光源装置的调整方法(具体地说，在光轴方向上调整光源装置的准直器位置的方法)。实施形态3的说明由项目〔A〕和项目〔B〕构成。
在项目〔A〕中，进行因激光二极管的点状的光射出源的轴方向非对准产生的像散的说明。
在项目〔B〕中进行一边测定从光源装置射出了的光束(即，束)的波面一边在光轴方向上调整光源装置的准直器位置的方法的说明。
项目〔B〕由项目〔B1〕至项目〔B4〕构成。在项目〔B1〕中，进行从光源装置射出了的光束的波面像差的说明。在项目〔B2〕中，进行为了测定在某个轴方向的波面曲率而在横方向上划分光束的干涉计(横向均分干涉计)的说明。在项目〔B3〕中，说明确认检测精度用的预备实验。在项目〔B4〕中，说明在制造线上被导入的光源装置的调整用装置(实用系统)。
〔A〕因轴方向非对准产生的像散一般来说，激光二极管是具有很小的像散的点状的光射出源。如从图10的概略图可知，赤道平面(即，yz平面)上的光射出点S位于激光二极管33的劈开面33a上，但子午平面(即，xz平面)上的光射出点M位于有源层33b的内部。像散差(像散距离)AS依赖于激光二极管的结构，但处于从2μm至几十μm的范围内。
图11示出了从激光二极管33通过物镜(未图示)的焦点的光路34的概略的模型。图11中示出的光源装置具有具有像散的激光二极管33；准直器35；光束整形用的三角棱镜(光束整形棱镜)36；以及物镜(未图示)。该光束整形棱镜36起到将子午平面(即，xz平面)上的光束宽度放大到m倍的合成光束放大器的功能。
其次，为了得到物镜的聚光点的像散差，进行高斯光线的跟踪。为了处理像散，必须根据1次光线跟踪分别跟踪子午光线和赤道光线。
在图11中，AS示出了激光二极管33的像散差，FF示出了准直器35的前焦点。此外，M示出子午平面(即，xz平面)上的光射出点，S示出赤道平面(即，yz平面)上的光射出点。此外，Δfm示出从点FF到点M为止的距离，Δfs示出从点FF到点S为止的距离。
如果将M1′(未图示)定为准直器35的子午像点，将S1′(未图示)定为准直器35的赤道像点，将fcol定为准直器35的焦点距离，将Pml′(未图示)定为从准直器35到子午像点的距离，将Ps1′(未图示)定为从准直器35到赤道像点的距离，则以下的式(1)和式(2)的关系成立。
1Pm1′=1-fcol+Δfm+1fcol---(1)]]>1Ps1′=1-fcol+Δfs+1fcol---(2)]]>由于Δfm和Δfs与fcol相比是小的值，故从式(1)和式(2)的每一式可得到以下的式(3)和式(4)的关系。
Pm1′≅-fcol2Δfm---(3)]]>
Ps1′≅-fcol2Δfs---(4)]]>此时，光束整形棱镜36的离子午物点的距离Pm2(未图示)可用下式来表示。
Pm2＝-a+Pm1′此外，光束整形棱镜36的离赤道物点的距离Ps2(未图示)可用下式来表示。。
Ps2＝-a+Ps1′如果进行光束整形棱镜36内的像散光线跟踪，则从光束整形棱镜36的射出点到子午像点M3′为止的距离Pm3′可如以下的式(5)那样来表示，从光束整形棱镜36的射出点到赤道像点S3′为止的距离Ps3′可如以下的式(6)那样来表示。
Pm3′=cos2i3′cos2i3(cos2i2′cos2i2pm2-dn)---(5)]]>Ps3′=Ps2-dn---(6)]]>在此，n是光束整形棱镜36的光折射率，d是从对于光束整形棱镜36的中心光线的入射点到射出点为止的距离。此外，i2(未图示)是光束整形棱镜36的入射点中的光的入射角，i2′(未图示)是光束整形棱镜36的入射点中的光的折射角，i3(未图示)是光束整形棱镜36的射出点中的光的入射角，i3′(未图示)是光束整形棱镜36的射出点中的光的折射角。如从图11可理解的那样，由于光束整形棱镜36的射出点中的光的入射角i3和折射角i3′都大致为0°，故通过将i2′设置为α，式(5)可如下式(7)那样来表示。
Pm3′≅cos2αcos2i2Pm2-dn---(7)]]>由于主要在光束整形棱镜36的前面(光束入射面)上进行光束放大，故cosα/cosi2表示光束放大率。因而，式(7)可如下式(8)那样来表示。
Pm3′≅m2·Pm2-dn---(8)]]>其次，为了决定物镜(未图示)的焦点，到子午像点M4′(未图示)的距离Pm4′(未图示)和到赤道像点S4′(未图示)的距离Ps1′(未图示)可使用Pm3′、Ps3′、物镜的倍率obj和从光束整形棱镜36的光束射出面到物镜的距离b(未图示)如以下那样来说明。
(9)Pm4＝Pm3′-b (10)Ps4＝Ps3′-b如果将式(8)代入到式(9)中，则使用Pm1′如式(11)那样来表示Pm4′。此外，如果将式(6)代入到式(10)中，则使用Ps1′如式(12)那样来表示Ps4′。
如果计算式(11)与式(12)的差，代入式(3)和式(4)，则可得到下式(13)。
1Pm4′-1Ps4′≅1m2·Pml′-1Psl′≅1fcol2(Δfs-Δfmm2)---(13)]]>因而，被照射从光源装置射出了的光束的盘上的聚光点的像散差ΔZ可用下式(14)来表示。
ΔZ=Ps4′-Pm4′≅(Δfs-Δfmm2)fobj2fcol2---(14)]]>在此，将Pm4′和Ps4′设定为与物镜的焦点距离fobj相等。
为了消除像散，如式(14)直接示出的那样，应将准直器配置成满足下式(15)。
Δfs=Δfmm2---(15)]]>但是，如果准直器从正确的位置稍微偏离Δf而配置，则光盘上的聚光点还具有附加的像散ΔZ′。在此，附加的像散ΔZ′可用下式(16)来表示。
ΔZ′≅(1-1m2)fobj2fcol2Δf---(16)]]>例如，如果假定作为光盘的通常的值的m＝2.5、fobj＝3mm、fcol＝6mm，则式(16)成为下式(17)。
ΔZ′≅0.21·Δf---(17)]]>其结果，如果必须将ΔZ′调整为0.21μm内，则准直器的前焦点与激光二极管的射出点之间的距离应比1.0μm小。因而，为了一边以亚微米的精度检测位置一边使准直器移动，必须装备具备对于外力的稳定性的准确的装置。这就是开始了共同光路相位偏移干涉计的研究的原因。
〔B〕在光轴方向上调整光源装置(光束整形系统)的准直器位置的方法〔B1〕从光源装置射出了的光束的波面像差的说明首先，从光源装置的光束整形棱镜射出了的光束中残存的像差假定只是散焦(defocusing)和像散。这是因为，散焦和像散是激光二极管和衍射极限准直器的主要的像差。在基准光束是在沿光轴的方向上传播的平面波时，已被射出的光束的波面像差W(x，y)可如下式(18)那样来表示。
W(x，y)＝Wx·x2+Wy·y2(18)在此，x和y是在光束整形棱镜的射出面中被规格化了使得(x2+y2)为小于等于1的坐标。此外，Wx和Wy是以波长为单位的像差系数。Wx是从平面波面起射出瞳的边缘(x＝1，y＝0)中的观察波面的位移量。在上述式(6)和式(8)中，由于得到了Ps3′和Pm3′的位置，故根据Δfm＜＜fcol、Δfm＜＜a、Δfm＜＜d、Δfs＜＜fcol、Δfs＜＜a、Δfs＜＜d那样的条件，可简化这些式子。
Ps3′=Ps2-dn≈-fcol2Δfs---(19)]]>Pm3′=m2·Pm2-dn≈-m2·fcol2Δfm---(20)]]>如果将光束整形棱镜的射出面中的光束直径定为r0，则作为Ps3′和Pm3′的函数，可将示出波面像差的式(18)中的像差系数Wx和Wy如下式(21)和(22)那样来表示。
Wx=-r022λPm3′=Δfm2m2·λNAcol2---(21)]]>Wy=-r022λPs3′=Δfs2λNAcol2---(22)]]>在此，NAcol是准直器的数值孔径，用下式(23)来给出。
NAcol=r0fcol---(23)]]>如图10或图11中所示，由于AS＝Δfs-Δfm，故利用式(21)和式(22)可将像差系数Wx和Wy可作为Δfs的函数来表示。在图12中示出式(21)和(22)的曲线图。
该曲线图在被调整为Δfs＝-AS/(m2-1)时，示出了从光束整形棱镜射出的光束的像散为零的情况。例如，在AS＝5μm且m＝2.5时，为了使像散为零，必须使Δfs为-5(2.52-1)、即大致为-0.95。即，必须使从激光二极管的前面到准直器的前焦点(FF)为止的距离为0.95μm。
〔B2〕为了测定在某个轴方向的波面曲率而在横方向上划分光束的干涉计如果将从光源装置的光束整形棱镜射出的光束的复合振幅定为A(x，y)，将其振幅项定为a(x，y)，则可如下式(24)那样使用波面像差W(x，y)来表示复合振幅A(x，y)。
A(x，y)＝a(x，y)·exp{i·2πW(x，y)}(24)此时，利用下式(25)给出在+x方向上按距离s在横方向上被分配了的波的复合振幅A+(x，y)和在-x方向上按距离s在横方向上被分配了的波的复合振幅A-(x，y)。
A±(x,y)=a(x±s,y)·exp[i·{2πW(x±s,y)±θ2}]---(25)]]>在此，θ是2条光束间的一定的相位差。
如图13中所示，由于2条光束的空间的可干涉性的缘故，存在2个波互相重叠的干涉区域60。可如下式(26)那样来表示该干涉区域60中的强度分布I(x，y)。
I(x，y)＝|A+(x，y)+A-(x，y)|2＝{a(x-s，y)}2+{a(x+s，y)}2+2a(x-s，y)·a(x+s，y)·cos[2π{W(x-s，y)-W(x+s，y}+θ](26)如果将式(18)、(21)、(22)代入到式(26)中，则可得到下式(27)。
I(x，y)＝{a(x-s，y)}2+{a(x+s，y)}2+2a(x-s，y)·a(x+s，y)·cos(2π·4sWx·x-θ)(27)式(27)的右边第3项描述了在重叠的区域中呈现空间频率为4sW的直线干涉条纹，因此，显示出已知的干涉条纹扫描技术可适用于以非常高的精度得到Wx。在得到Wy时也是同样的。
在说明具体地被设计了的干涉条纹扫描式的横方向分配干涉计之前，研究被观察了的相位与由物镜进行了聚光的点的移动量的对应关系。请参照图13中的x轴上的从(s-1)到(1-s)为止存在的空间频率4sWx的干涉条纹。从(s-1)到(1-s)为止的两端间的相位差Δφx由下式(28)来给出。
Δφx＝2π·4sWx(1-s)-2π·4sWx(s-1)＝16π·Wxs(1-s)(28)在s＝0.5时，Δφx成为其最大值4πWx。此外，赤道聚光点的移动量Δzx具有Wx与下式(29)的关系。
Δzx=2λWxNAobj2---(29)]]>因而，根据式(28)和式(29)，在s＝0.5的情况下，Δφx＝12.96(deg.)这一点相当于在λ＝0.78μm且NAobj＝0.53时Δzx＝0.1μm。根据在此进行的简单的研究，由于Δφx＝12.96(deg.)太小以致于无法检测，故达到了使用子条纹分析的已知的干涉条纹扫描技术是非常有效的这样的结论。
〔B3〕确认检测精度用的预备实验如果使用机械的手段在准直器的光轴方向上对准直器的位置进行微调整，则从光源装置射出并入射到光波面测定装置上的光束的传播方向稍微地变化。因此，对光波面测定装置的干涉计(与实施形态2中的第1和第2干涉条纹显示部相对应)要求对抗对于入射的光束的传播方向的角度变化的性质。一个解决对策是，在入射到光波面测定装置上的光束的入射角稍微急剧地变化了时，由于互相干涉的2条光束将传播方向之间的差异维持为恒定，故就使用具备2个衍射光栅的横方向分配干涉计。
图14是示出确认精度用的干涉计的光学系统的结构的概略图。作为具有25μm的间距的relief型的2值相位衍射光栅的第1级的衍射光栅48(与实施形态1和2中的第1衍射光栅8a和第3衍射光栅8b相对应)与通过了小孔47的入射光束的传播方向稍微不同，而且生成作为在互相对称的方向上行进的2个衍射光的正1次光(+1次光)和负1次光(-1次光)。第2级的衍射光栅49(与实施形态1和2中的第2衍射光栅9a和第4衍射光栅9b相对应)与第1级的衍射光栅48相同，使这2个光束朝向与入射光束的方向相同的方向。被重叠了的2个光束通过在遮蔽因照相机透镜50(焦点距离f＝55mm)和2个衍射光栅48、49引起的不必要的衍射次数导致的杂散光光束的钢板51上形成了的圆形针孔51a，被投射到硅光检测器阵列57(滨松ホトニクス公司制制品编号S2311)上。如果使第1级的衍射光栅48在光栅矢量方向(x轴方向)上以直线的方式移动，则在光检测器阵列57上在重叠了的区域中进行干涉条纹的扫描。为了使第1级的衍射光栅48在光栅矢量方向(x轴方向)上以直线的方式移动，可使用具有0.1μm的解像度的定位编码器的准确的直线移动台(后述的图15中的符号55)(MICRO-CONTROL公司制制品编号UT-100)和具有GPIB接口的电机驱动装置(后述的图15中的符号56)(MICRO-CONTROL公司制制品编号IT6D CA2)。
图15是实验用配套装置的结构图。为了决定在干涉计42中被生成了的正1次光和负1次光的相位差Δφx，利用在光检测器阵列57上的2个元件处理2个正弦信号(后述的图17中的CH1和CH2)，为此使用了GPIB可编程数字示波器58(Tektronix公司制品编号2440)和安装了GPIB控制器的个人计算机59(HEWLETT-PACKARD公司制制品编号HP-9836A)。
图16示出由从光束整形光学系统(图15中的光源装置31)射出的光束生成了的一系列的干涉条纹。在变动为2μm以内的准直器的3轴位置中的光二极管阵列平面上(即，配置了光检测器阵列57的平面上)观察了图16的干涉条纹。因散焦引起的像差系数Wx的变动(参照图12)，干涉条纹的空间频率在重叠的区域(在图16中，从上到下)从零行变化为2行。
图17示出来自在重叠的区域中配置了的光检测器阵列57的2个元件的信号波形(CH1和CH2)。信号波形的差为直线移动台以一定速度移动间的波幅的90％。如预想那样，正弦波的相位差与波面曲线成比例。
图18示出因使用该实验用配套装置得到的相位的测定值(垂直轴)。将该相位Δφ2-1与波面分析器(Zygo公司制，制品编号WA8100)的数据(水平轴)进行了比较。在该作图中，根据由波面分析器(Zygo公司制，制品编号WA8100)得到了的Zernike计数的第3项(Z3)和第4项(Z4)，利用Wx＝2·Z3+Z4对像差系数Wx进行了计算。理论上的线是没有零偏移的直线(图18中用实线示出的直线)。根据该实验和其后的研究，像散差的测定精度在NA从0.5至1.5的范围内、即物镜的焦点上被保持在0.1μm以内。
〔B4〕在制造线上被导入的光源装置的调整用装置根据理论的研究和2个预备实验，设计了实用系统。在图19中图示实用系统的结构(即，在实施实施形态3的光源装置的调整方法时使用的系统的结构)。图19中示出的实用系统对于图15中示出的实验用配套装置的主要的改良点是通过使用偏转棱镜53等的结构可同时观察/量化像差系数Wx和Wy这两者。如图19中所示，从光头装置31射出并入射到光波面测定装置42上的光束44a被立方体棱镜47a分割为强度为同样的2条光束44b、44c。被分割了的2条光束44b、44c内的一个光束44b行进到第1级衍射光栅48a(与实施形态1和2中的第1衍射光栅8a相对应)。被分割了的2条光束44b、44c内的另一个光束44c入射到使波面以光轴为中心将坐标旋转了90°用的偏转棱镜53上，在利用反射镜54改变了行进方向后，入射到第1级衍射光栅48b(与实施形态1和2中的第3衍射光栅8b相对应)上。
利用第1级衍射光栅48a、第2级衍射光栅49a(与实施形态1和2中的第2衍射光栅9a相对应)和聚光透镜50a，在光二极管阵列57a上形成一个干涉区域。此外，利用第1级衍射光栅48b、第2级衍射光栅49b(与实施形态1和2中的第4衍射光栅9b相对应)和聚光透镜50b，在光二极管阵列57b上形成一个另干涉区域。这样，由于在2个光二极管阵列57a、57b上形成2个干涉区域，故可进行2个正交的方向的干涉条纹的扫描。
利用装备了GPIB控制器的个人计算机59a来控制图19中示出的实用系统。在显示模块中利用C语言记述个人计算机59a的控制软件。显示模块具有在显示器监视器上实时地显示两方向的相位差的功能。由于利用机械的工具31a(例如，利用来自利用手动而使之旋转的调整用旋钮的驱动力或来自电机等的未图示的驱动装置的驱动力)非常准确地在轴方向上调整光头装置3内的准直器(在图19中未示出)的位置，故虽然相当于(Wx-Wy)的相位差具有某种程度的误差，但可使其大致为零。再有，通过具备按照来自个人计算机59a的指令并根据光检测器阵列的检测信号自动地调节准直器位置的结构，也可提高调整作业的效率。
使用图19中示出的实用系统，调整了130mm2.6/5.2千兆(Gbyte)光磁盘用的大量生产了的光学头的光束整形光学系统。其结果，可使聚光点的像散距离为0.5μm以内。将像散距离定义为格式前(接线方法)信号最大点与跟踪误差信号(直径方向信号)最大点之间的距离。其结果，如果使用实施形态3的实用系统，则能以在最初的生产阶段中超过99％的高的成品率且在为了调整所容许的适当的期间内调整了满足使聚光点的像散距离为0.5μm以内这样的基准的光头。
权利要求
1.一种光波面测定装置，其特征在于，具有分离元件，将入射的光束分离为第1光束和第2光束；第1干涉条纹显示部，配置在上述第1光束中，从上述第1光束形成并显示干涉条纹；第2干涉条纹显示部，具有与上述第1干涉条纹显示部相同的结构，配置在上述第2光束中，从上述第2光束形成并显示干涉条纹；以及波面旋转元件，配置在上述分离元件与上述第1干涉条纹显示部之间或上述分离元件与上述第2干涉条纹显示部之间的至少一方，使上述第1光束的波面或上述第2光束的波面中的至少一方以其光轴为中心旋转。
2.如权利要求1中所述的光波面测定装置，其特征在于上述波面旋转元件配置在上述分离元件与上述第1干涉条纹显示部之间或上述分离元件与上述第2干涉条纹显示部之间的一方，使入射的光束的波面以其光轴为中心旋转90°。
3.如权利要求1中所述的光波面测定装置，其特征在于上述波面旋转元件是偏转棱镜。
4.如权利要求1中所述的光波面测定装置，其特征在于上述第1干涉条纹显示部具有第1衍射光栅，配置在上述第1光束中；第2衍射光栅，配置在透过了上述第1衍射光栅的光束中；以及第1显示部，显示由透过了上述第2衍射光栅的光束形成的干涉条纹，上述第2干涉条纹显示部具有第3衍射光栅，具有与上述第1衍射光栅相同的结构，配置在上述第2光束中；第4衍射光栅，具有与上述第2衍射光栅相同的结构，配置在透过了上述第3衍射光栅的光束中；以及第2显示部，显示由透过了上述第4衍射光栅的光束形成的干涉条纹。
5.如权利要求4中所述的光波面测定装置，其特征在于朝向相同的方向且并排地配置了上述第1显示部和上述第2显示部。
6.如权利要求1中所述的光波面测定装置，其特征在于上述第1干涉条纹显示部具有配置在上述第1光束中的第1衍射光栅和配置在透过了上述第1衍射光栅的光束中的第2衍射光栅，上述第2干涉条纹显示部具有具有与上述第1衍射光栅相同的结构且配置在上述第2光束中的第3衍射光栅和具有与上述第2衍射光栅相同的结构且配置在透过了上述第3衍射光栅的光束中的第4衍射光栅，上述光波面测定装置还具有第1和第2光检测器，配置在由透过了上述第2衍射光栅的光束形成干涉条纹的位置上，互相隔开第1间隔；第3和第4光检测器，配置在由透过了上述第4衍射光栅的光束形成干涉条纹的位置上，互相隔开与第1间隔相等的第2间隔；以及移动机构，在使上述第1衍射光栅和上述第3衍射光栅的光栅矢量的方向一致的状态下，沿上述光栅矢量的方向使上述第1衍射光栅和上述第3衍射光栅一体地移动。
7.如权利要求6中所述的光波面测定装置，其特征在于，还具有相位信息显示装置，显示作为上述第1光检测器的输出信号的相位与上述第2光检测器的输出信号的相位之差的第1相位差和作为上述第3光检测器的输出信号的相位与上述第4光检测器的输出信号的相位之差的第2相位差。
8.一种光波面测定方法，其特征在于，具有将入射的光束分离为第1光束和第2光束的步骤；使上述第1光束的波面或上述第2光束的波面中的至少一方以其光轴为中心旋转的步骤；以及在使上述波面旋转的步骤后，在显示上述第1光束的干涉条纹的同时显示上述第2光束的干涉条纹的步骤。
9.如权利要求8中所述的光波面测定方法，其特征在于在使上述波面旋转的步骤中，使上述第1光束的波面或上述第2光束的波面中的一方以其光轴为中心旋转90°。
10.如权利要求8中所述的光波面测定方法，其特征在于，还具有在利用第1干涉条纹显示部进行上述第1光束的干涉条纹的显示，利用第2干涉条纹显示部进行上述第2光束的干涉条纹的显示，且上述第1干涉条纹显示部具有第1衍射光栅和第2衍射光栅、上述第2干涉条纹显示部具有具有与上述第1衍射光栅相同的结构的第3衍射光栅和具有与上述第2衍射光栅相同的结构的第4衍射光栅的情况下，一边在使上述第1衍射光栅和上述第3衍射光栅的光栅矢量的方向一致的状态下沿上述光栅矢量的方向使上述第1衍射光栅和上述第3衍射光栅一体地移动、一边检测配置在由透过了上述第2衍射光栅的光束形成干涉条纹的位置上并互相隔开第1间隔的第1和第2位置的光量的变化和配置在由透过了上述第4衍射光栅的光束形成干涉条纹的位置上并互相隔开与第1间隔相等的第2间隔的第3和第4位置的光量的变化的步骤；以及测定作为表示上述第1位置的光量的变化的波形的相位与表示上述第2位置的光量的变化的波形的相位之差的第1相位差和作为表示上述第3位置的光量的变化的波形的相位与表示上述第4位置的光量的变化的波形的相位之差的第2相位差的步骤。
11.一种光源装置的调整方法，其特征在于，具有将从光源装置射出了的光束分离为第1光束和第2光束的步骤；使上述第1光束的波面或上述第2光束的波面中的至少一方以其光轴为中心旋转的步骤；在使上述波面旋转的步骤后在显示上述第1光束的干涉条纹的同时显示上述第2光束的干涉条纹的步骤；以及调整上述光源装置的光学部件的位置以使上述第1光束的干涉条纹与上述第2光束的干涉条纹相等的步骤。
12.如权利要求11中所述的光源装置的调整方法，其特征在于在使上述波面旋转的步骤中使上述第1光束的波面或上述第2光束的波面中的一方以其光轴为中心旋转90°。
13.如权利要求11中所述的光源装置的调整方法，其特征在于，还具有在利用第1干涉条纹显示部进行上述第1光束的干涉条纹的显示，利用第2干涉条纹显示部进行上述第2光束的干涉条纹的显示，且上述第1干涉条纹显示部具有第1衍射光栅和第2衍射光栅、上述第2干涉条纹显示部具有具有与上述第1衍射光栅相同的结构的第3衍射光栅和具有与上述第2衍射光栅相同的结构的第4衍射光栅的情况下，一边在使上述第1衍射光栅和上述第3衍射光栅的光栅矢量的方向一致的状态下沿上述光栅矢量的方向使上述第1衍射光栅和上述第3衍射光栅一体地移动、一边检测配置在由透过了上述第2衍射光栅的光束形成干涉条纹的位置上并互相隔开第1间隔的第1和第2位置的光量的变化和配置在由透过了上述第4衍射光栅的光束形成干涉条纹的位置上并互相隔开与第1间隔相等的第2间隔的第3和第4位置的光量的变化的步骤；以及测定作为表示上述第1位置的光量的变化的波形的相位与表示上述第2位置的光量的变化的波形的相位之差的第1相位差和作为表示上述第3位置的光量的变化的波形的相位与表示上述第4位置的光量的变化的波形的相位之差的第2相位差的步骤，在调整上述光源装置的光学部件的位置的步骤中，调整上述光源装置的光学部件的位置以使上述第1相位差与上述第2相位差相等。
全文摘要
光波面测定装置(2，2a，42)具有将从光头装置(1，31)射出了的光束分离为第1光束和第2光束的分离元件(7a，47a)、从第1光束形成并显示干涉条纹的第1干涉条纹显示部(21，21a)、使第2光束的波面以光轴(AX2)为中心旋转的偏转棱镜(13，53)和从透过了偏转棱镜的第2光束形成并显示干涉条纹的第2干涉条纹显示部(22，22a)。在光源装置的调整中，在光轴方向上调整光头装置(1，31)的准直器(5)的位置，使得在干涉条纹显示部(21，22，21a，22a)上显示了的干涉条纹的形状变得接近。
文档编号G11B7/22GK1759304SQ200380110208
公开日2006年4月12日 申请日期2003年11月17日 优先权日2003年4月21日
发明者竹下伸夫, 藤田辉雄, 的崎俊哉, 田所通博 申请人:三菱电机株式会社