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【発明の名称】 面形状測定装置および面形状測定方法
【発明者】 【氏名】真鍋 芳宏

【氏名】秋山 義行

【氏名】山崎 剛

【氏名】真能 清志
【要約】 【課題】光ディスクの信号記録面等の円盤体の被測定面に存在する凹凸量やこの凹凸に起因するフォーカスサーボの追従誤差量を正確にかつ効率的に測定することができ、かつ、測定した凹凸量や追従誤差量からの面形状の把握が容易な面形状測定装置および面形状測定方法を提供する。

【解決手段】光ディスクを回転させる回転手段と、光ディスク信号記録面に存在する凹凸によって発生する垂直方向の速度を検出する速度算出部７３と、検出した速度データ、および、回転する光ディスクの信号記録面から垂直な方向の目標位置に対物レンズを追従させるフォーカスサーボ系のゲイン特性に基づいて、フォーカスサーボ系に発生すると予想される信号記録面の凹凸に対して追従できない追従誤差量を算出する追従誤差量算出部７４とを有する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】円盤体を回転させる回転手段と、回転する前記円盤体の被測定面内に存在する凹凸によって発生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出する速度検出手段と、前記検出した速度データ、および、回転する前記円盤体の被測定面から垂直な方向の目標位置に所定の対象物を追従させるサーボ系のゲイン特性に基づいて、前記サーボ系に発生すると予想される前記被測定面の凹凸に対して追従できない追従誤差量を算出する追従誤差量算出手段とを有する面形状測定装置。
【請求項２】前記円盤体は、光学的に情報の記録および再生の少なくとも一方が可能な記録媒体であり、前記被測定面は、前記記録媒体の信号記録面であり、前記対象物は、前記記録媒体の信号記録面への情報の記録および前記信号記録面からの情報の再生の少なくとも一方を行う光学ピックアップあるいは当該光学ピックアップに搭載されたレンズであり、前記サーボ系は、光学ピックアップあるいは当該光学ピックアップに搭載されたレンズのフォーカスを前記信号記録面から垂直な方向の目標位置に追従させるフォーカスサーボ系である請求項１に記載の面形状測定装置。
【請求項３】前記追従誤差量算出手段は、前記サーボ系を近似した伝達関数をもち、前記速度データを入力信号とし、前記追従誤差量を出力信号とするディジタルフィルタを有する請求項１に記載の面形状測定装置。
【請求項４】前記ディジタルフィルタは、ＩＩＲフィルタで構成されている請求項３に記載の面形状測定装置。
【請求項５】前記算出された追従誤差量の前記円盤体内における分布を立体的に把握可能に画面上に表示する表示手段をさらに有する請求項１に記載の面形状測定装置。
【請求項６】前記速度検出手段は、レーザ光を照射するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を前記円盤体の被測定面に導き、かつ、当該レーザ光と前記被測定面からの反射光とを干渉させる干渉光学系と、前記干渉光学系から得られた光を受光する受光手段と、前記受光手段の検出した光強度の周波数を検出し、当該検出した周波数から前記被測定面内に存在する凹凸によって発生する当該被測定面の垂直方向の速度を算出する速度算出手段とを有する請求項１に記載の面形状測定装置。
【請求項７】前記検出した速度データに基づいて、前記被測定面の凹凸量を算出する凹凸量算出手段をさらに有する請求項１に記載の面形状測定装置。
【請求項８】前記凹凸量算出手段は、前記検出した速度データを積分して凹凸量を算出するディジタルフィルタを有する請求項７に記載の面形状測定装置。
【請求項９】前記被測定面は、光を反射する光反射面である請求項１に記載の面形状測定装置。
【請求項１０】前記被測定面には、前記追従誤差量を測定するために光を反射する光反射膜がコーティングされている請求項１に記載の面形状測定装置。
【請求項１１】円盤体を回転させるステップと、回転する前記円盤体の被測定面内に存在する凹凸によって発生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出するステップと、前記検出した速度データ、および、回転する前記円盤体の被測定面から垂直な方向の目標位置に所定の対象物を追従させるサーボ系の周波数特性に基づいて、前記サーボ系に発生すると予想される前記被測定面の凹凸に対して追従できない追従誤差量を算出するステップとを有するの面形状測定方法。
【請求項１２】前記追従誤差量を算出するステップは、前記速度データを入力信号とし、前記追従誤差量を出力信号とする、前記サーボ系を近似した伝達関数をもつデジタルフィルタを用いて行う請求項１１に記載の面形状測定方法。
【請求項１３】前記デジタルフィルタには、ＩＩＲフィルタを用いる請求項１２に記載の面形状測定方法。
【請求項１４】前記追従誤差量を測定すべき前記円盤体の被測定面に反射膜を形成して測定を行う請求項１１に記載の面形状測定方法。
【請求項１５】円盤体を回転させる回転手段と、回転する前記円盤体の被測定面に存在する凹凸によって発生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出する速度検出手段と、前記検出した速度データに基づいて、前記凹凸量あるいは前記凹凸に起因する諸特性量の少なくとも一つを算出する特性量算出手段と、前記特性量算出手段によって算出された算出量の前記円盤体内における分布を立体的に把握可能に画面上に表示する表示手段とを有する面形状測定装置。
【請求項１６】前記表示手段は、前記円盤体の各測定点における算出量を前記画面の当該円盤体と相似形の領域内の全ての画素に対応づけて割り当てる割り当て手段と、 前記各画素に割り当てられた算出量に基づいて、前記円盤体の被測定面に前記算出量に応じた高さの凹凸が存在したと想定した場合に、当該凹凸に対して所定の向きから光を照射することによって発生する仮想的な陰影を画面上で表現する陰影シミュレート手段とを有する請求項１５に記載の面形状測定装置。
【請求項１７】前記陰影シミュレート手段は、一の画素に割り当てられた算出量と当該一の画素に隣接する画素に割り当てられた算出量との差に基づいて前記一の画素の画素値を決定する請求項１６に記載の面形状測定装置。
【請求項１８】前記陰影シミュレート手段は、一の画素に割り当てられた算出量と当該一の画素の前記画面の縦方向および横方向の一方側にそれぞれ隣接する画素に割り当てられた算出量との差をそれぞれΔｘ、Δｙとし、前記光の照射方向をθとし、前記光の仮想的な強度をＩ0 としたとき、前記一の画素の画素値Ｉを次式（１）によって決定する請求項１７に記載の面形状測定装置。
【数１】
Ｉ＝Ｉ0 ・（ｃｏｓθ・Δｘ＋ｓｉｎθ・Δｙ） ・・・（１）
【請求項１９】前記光の仮想的な強度Ｉ0 および前記光の照射方向θは、外部からの信号の入力によって任意に設定可能である請求項１８に記載の面形状測定装置。
【請求項２０】前記算出量は、前記検出した速度データ、および、回転する前記円盤体の被測定面から垂直な方向の目標位置に所定の対象物を追従させるサーボ系のゲイン特性に基づいて算出された、前記サーボ系に発生すると予想される前記被測定面の凹凸に対して追従できない追従誤差量である請求項１５に記載の面形状測定装置。
【請求項２１】前記円盤体は、光学的に情報の記録および再生の少なくとも一方が可能な記録媒体であり、前記被測定面は、前記記録媒体の信号記録面である請求項１５に記載の面形状測定装置。
【請求項２２】前記円盤体は、光学的に情報の記録および再生の少なくとも一方が可能な記録媒体の信号記録面を形成するためのスタンパである請求項１５に記載の面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば、光ディスク等の円盤体の被測定面に存在する凹凸、および、この凹凸に起因する諸特性値を測定する面形状測定装置および面形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図９に示すように、ディスク状の記録媒体である光ディスク１は、光学的に透明なプラスチック製の光ディスク基板３の一面に信号記録面４を備えており、信号記録面４内の所定の領域に信号記録領域２を備えている。また、この信号記録面４内の信号記録領域２には、たとえば、図１０（ａ）に示すように、ディスク基板３の一方の信号記録面４に連続溝状のグルーブ５およびこれに隣接するランド６がトラック毎に所定のトラックピッチＰ（１〜２μｍ）でスパイラル状に設けられているものや、図１０（ｂ）に示すように、信号記録面４にピット８の列が、トラック毎に所定のトラックピッチでスパイラル状に設けられているものも知られている。たとえば、情報を記録可能な相変化型あるいは光磁気型の光ディスクでは、図１０（ａ）に示したグルーブ５が設けられた信号記録面４上に、相変化膜あるいは磁性膜、光反射層、および保護膜層（いずれも図示せず）が順に形成されており、信号記録面４上における、グルーブ５およびランド６のいずれか一方を記録エリアとし、他方をトラッキング用の光反射エリアとして用いるものが多数を占めている。また、再生専用の光ディスクにおいては、図１０（ｂ）に示したピット８の列を設けた信号記録面４上に光反射層および保護膜層（いずれも図示せず）が順に形成されており、信号記録面４上におけるピット８の列を記録エリアおよびトラッキング用回折格子として用いるものが多数を占めている。
【０００３】上記のような構成の光ディスクでは、光ディスクを回転させながら、光ディスク基板３の一方の信号記録面４とは反対側の無信号面７から、光学ピックアップに搭載された対物レンズ（図示せず）で集光したレーザー光を照射する。情報を記録可能な光ディスクでは、その照射光によって、たとえば、ランド６上の記録層に光学的に情報が書き込まれ、あるいは、反射光によって同記録層への光学的書き込み情報が読み取られる。さらに、記録または再生用のレーザー光が常に所定のトラック上に照射されるように、例えばグルーブ５からの反射光を検出してトラッキングを行う。再生専用の光ディスクでは、無信号面７から光学ピックアップで照射した光に対して、ピット８の列を設けた面４からの反射・回折光を検出することで、情報の読み取りおよびトラッキングを行う。
【０００４】一方、近年開発が進んでいる高密度光ディスクでは、図１１に示すように、グルーブ５を設けた信号記録面４上に、光反射層と相変化膜あるいは磁性膜からなる光反射面４および０．１ｍｍ程度の一定の厚みを持つ透明な層１１の順で形成されるものが知られている。再生専用の光ディスクに関しても同様に、光反射層からなる光反射面４および０．１ｍｍ程度の一定の厚みを持つ透明層１１の順で形成されたものが知られている。このように成膜された光ディスクの場合には、光ディスクを回転させながら、光ディスク基板３の面４上に形成した透明層１１側に、光学ピックアップ（図示せず）を配置し、レーザー光を照射する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、光ディスク基板３は、一般に、プラスチックを射出成形することにより形成される。この方法により作製された光ディスク基板３は、成形時の熱ひずみや気温や湿度など環境の変化に伴い、反りが生じることが知られている。さらに、成型時の金型の歪みによってディスク表面にうねりが生じる。光ディスク基板３に反りやうねりの凹凸がある状態で回転させると、光ディスク基板３の表面に上下の振れが発生し、信号読み取り用レンズの焦点位置がディスクの信号記録面から外れたり（デフォーカス）、信号記録面が信号読みとり用レンズの焦点面から傾いたり（スキュー）することになる。この時、光学ピックアップで集光されたスポットは収差の影響を受けてしまう。この収差の大きさは、ピックアップレンズの開口数（ＮＡ）に依存し、デフォーカスによる収差はＮＡの二乗に、また、スキューによる収差は開口数（ＮＡ）の三乗に比例する。つまり、開口数（ＮＡ）が大きくなればなるほど、許容できるデフォーカスやスキューが小さくなる。一方、ディスク表面から信号記録面４までの厚みが小さいほど、デフォーカスやスキューによる収差は小さくなる。この理由により、近年の光ディスクの高密度化に伴い、高開口数（ＮＡ）化と共に、ディスクの厚みの薄肉化が進んでいる。たとえば、図１１に示したような高密度光ディスクでは、ディスク基板３のグルーブやランドまたはピット列が形成された信号記録面４の上に、０．１ｍｍ程度の薄い透明層１１を乗せたディスク構造となっているものもある。このように、開口数（ＮＡ）が大きくなることによって生じる収差の影響を低減するために、光学的に薄いディスクの開発が行われている。最近では、短波長（λ≦４３０ｎｍ）、高開口数（ＮＡ≧０．７６）の高密度ディスクの提案がなされている。
【０００６】上記のような高ＮＡ化に伴い焦点深度が浅くなるため、光ディスク基板３に許される面ぶれ、すなわち、光ディスク基板３の表面の凹凸の大きさにはいっそう厳しい値が要求されるようになっている。このため、光ディスク基板３表面の凹凸量を正確に測定する必要がある。また、光ディスク基板３には、実際にフォーカスサーボをかけた際に発生する光ディスク基板３表面の凹凸に対して追従できない追従誤差量が所定の範囲に収まる精度が要求されるため、この追従誤差量を正確にかつ効率的に測定する必要がある。さらに、測定した凹凸量や追従誤差量の値からだけでは、光ディスク基板３の面形状の状態や、凹凸の分布を把握することが困難であり、光ディスク基板３に存在する凹凸の発生原因を究明等することが難しく、視覚的に光ディスク基板３の面形状の状態や、凹凸の分布を把握できる必要がある。
【０００７】本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、光ディスクの信号記録面等の円盤体の被測定面に存在する凹凸量やこの凹凸に起因するフォーカスサーボの追従誤差量を正確にかつ効率的に測定することができ、かつ、測定した凹凸量や追従誤差量からの面形状の把握が容易な面形状測定装置および面形状測定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の観点の面形状測定装置は、円盤体を回転させる回転手段と、回転する前記円盤体の被測定面内に存在する凹凸によって発生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出する速度検出手段と、前記検出した速度データ、および、回転する前記円盤体の被測定面から垂直な方向の目標位置に所定の対象物を追従させるサーボ系のゲイン特性に基づいて、前記サーボ系に発生すると予想される前記被測定面の凹凸に対して追従できない追従誤差量を算出する追従誤差量算出手段とを有する。
【０００９】前記円盤体は、光学的に情報の記録および再生の少なくとも一方が可能な記録媒体であり、前記被測定面は、前記記録媒体の信号記録面であり、前記対象物は、前記記録媒体の信号記録面への情報の記録および前記信号記録面からの情報の再生の少なくとも一方を行う光学ピックアップあるいは当該光学ピックアップに搭載されたレンズであり、前記サーボ系は、光学ピックアップあるいは当該光学ピックアップに搭載されたレンズのフォーカスを前記信号記録面から垂直な方向の目標位置に追従させるフォーカスサーボ系である。
【００１０】好適には、前記追従誤差量算出手段は、前記サーボ系の周波数特性を近似した伝達関数をもち、前記速度データを入力信号とし、前記追従誤差量を出力信号とするデジタルフィルタを有する。
【００１１】さらに好適には、前記ディジタルフィルタは、ＩＩＲフィルタで構成されている。
【００１２】本発明の第２の観点の面形状測定装置は、円盤体を回転させる回転手段と、回転する前記円盤体の被測定面に存在する凹凸によって発生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出する速度検出手段と、前記検出した速度データに基づいて、前記凹凸量あるいは前記凹凸に起因する諸特性量の少なくとも一つを算出する特性量算出手段と、前記特性量算出手段によって算出された算出量の前記円盤体内における分布を立体的に把握可能に画面上に表示する表示手段とを有する。
【００１３】好適には、前記表示手段は、前記記録媒体の各測定点における算出量を前記画面の当該記録媒体と相似形の領域内の全ての画素に対応ずけて割り当てる割り当て手段と、前記各画素に割り当てられた算出量に基づいて、前記記録媒体の被測定面に前記算出量に応じた高さの凹凸が存在したと想定した場合に、当該凹凸に対して所定の向きから光を照射することによって発生する仮想的な陰影を画面上で表現する陰影シミュレート手段とを有する。
【００１４】本発明の面形状測定方法は、円盤体を回転させるステップと、回転する前記円盤体の被測定面内に存在する凹凸によって発生する当該被測定面の垂直方向の速度を検出するステップと、前記検出した速度データ、および、回転する前記円盤体の被測定面から垂直な方向の所定位置に所定の対象物を追従させるサーボ系の周波数特性に基づいて、前記サーボ系に発生すると予想される前記被測定面の凹凸に対して追従できない追従誤差量を算出するステップとを有する。
【００１５】本発明では、円盤体を回転させ、速度検出手段によって被測定面内に存在する凹凸によって発生する被測定面の垂直方向の速度を検出することにより得られた速度データは、被測定面の凹凸量に応じた量となり、凹凸量が効率的にかつ正確に測定される。追従誤差算出手段は、所定の対象物を円盤体の被測定面から所定の目標位置に追従させるサーボ系に発生すると予想される被測定面の凹凸に対して追従できない追従誤差量を、得られた速度データとサーボ系の周波数特性に基づいて算出する。サーボ系の追従誤差量を速度データとサーボ系の周波数特性に基づいて算出するには、たとえば、速度データを高速フーリエ変換し、得られた速度スペクトラムデータにサーボ系のゲイン特性を乗じ、これを逆フーリエ変換することでサーボ系の追従誤差量を算出することができるが、本発明では、サーボ系の周波数特性を近似した伝達関数をもち、得られた速度データを入力信号とし、追従誤差量を出力信号とするデジタルフィルタによって追従誤差量を算出する。すなわち、得られた速度データをサーボ系の周波数特性をもつデジタルフィルタに直接通すことで追従誤差量を得る。したがって、得られた速度データを周波数領域に変換し、再度時系列データに戻すといった処理が必要なく、処理時間が短縮される。
【００１６】ディジタルフィルタにはＩＩＲ(Infinite Impulse Response) フィルタを用いるのが好ましい。ＩＩＲフィルタを用いると、たとえば、ＦＩＲ(finite Impulse Response) フィルタに比べてディジタルフィルタの次数を低減でき、かつ、サーボ系の周波数特性に近い伝達関数が得られる。
【００１７】また、上記のようにして得られた追従誤差量は、円盤体内における分布が立体的に把握可能に画面上に表示される。具体的には、円盤体の各測定点における追従誤差量は、画面の円盤体と相似形の領域内の全ての画素に対応づけて割り当てられる。そして、各画素に割り当てられた追従誤差量に基づいて、円盤体の被測定面に追従誤差量に応じた高さの凹凸が存在したと想定した場合に、当該凹凸に対して所定の向きから光を照射することによって発生する仮想的な陰影が画面上で表現される。この仮想的な陰影を画面上で観察することにより、追従誤差量の分布状態、大きさ等を視覚的に把握することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る面形状測定装置の構成図である。図１において、面形状測定装置１は、円盤体である記録媒体としての光ディスク４６を保持し回転させるスピンドルモータ６１と、レーザビーム４１を出力するレーザ光源４０と、干渉光学系を構成するビームスプリッタ４２、光ファイバ４４、対物レンズ４５、音響光学素子４９および参照ミラー５０と、フォトダイオード５１と、フォトダイオード５１の検出した光強度信号５１ｓが入力され、当該光強度の周波数を検出する周波数カウンタ５２と、周波数カウンタ５２の検出したアナログ信号５２ｓをディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器５３と、Ａ／Ｄ変換器５３から信号５３ｓが入力されるコンピュータ５５と、コンピュータ５５に接続された表示装置５６とを備えている。
【００１９】ここで、スピンドルモータ６１は本発明の回転手段の一具体例に対応しており、コンピュータ５５は本発明の特性量算出手段および表示手段を構成している。また、周波数カウンタ５２およびコンピュータ５５によって本発明の速度算出手段を構成している。
【００２０】スピンドルモータ６１は、光ディスク４６を、対物レンズ４５で集光されたレーザビームの入射位置での線速度が、所定の値、たとえば、１０ｍ／ｓｅｃになるように回転させる。
【００２１】光ディスク４６は、たとえば、信号記録面４７上に０．１ｍｍの光透明層を備えている。光ディスク４６の信号記録面４７は、たとえば、金属膜が蒸着形成された光を反射する光反射面となっている。ただし、光ディスク４６は光反射面上に０．１ｍｍの透明層を持つものに限るわけではなく、その他種々の光ディスクを用いることができる。
【００２２】レーザ光源４０は、振動数ｆ0 のレーザビーム４１をビームスプリッタ４２に向けて出力する。ビームスプリッタ４２は、レーザ光源４０から出力された振動数ｆ0 のレーザビーム４１の一部をレーザビーム４３として通過させ、残りをレーザビーム４８として参照ミラー５０に向けて反射する。さらに、ビームスプリッタ４２は、光ディスク４６の信号記録面４７に対物レンズ４５を通じて入射したレーザビーム４３の戻り光をフォトダイオード５１に向けて反射する。
【００２３】光ファイバ４４は、ビームスプリッタ４２を通過したレーザビーム４３が入力され、このレーザビーム４３を対物レンズ４５に導く。また、この光ファイバ４４は、対物レンズ４５を通じて入力される信号記録面４７からの戻り光をビームスプリッタ４２に導く。
【００２４】対物レンズ４５は、光ファイバ４４から出力されたレーザビーム４３を信号記録面４７に集光する。具体的には、対物レンズ４５は、たとえば、焦点距離が１００ｍｍ程度、開口数（ＮＡ）が０．０１程度のレンズであり、スポット径が１００μｍ程度のスポットになるように光ディスク４６の光反射面４７に垂直にレーザビーム４３照射する。また、対物レンズ４５は、光ディスク４６の光反射面４７で反射した戻り光を再度光ファイバ４４に集光する。なお、対物レンズ４５は矢印Ｒで示す光ディスク４７の半径方向の所望の位置に図示しない駆動装置によって位置決めされ、このとき、光ファイバ４４も対物レンズ４５と一体に移動する。
【００２５】音響光学変調素子４９は、ビームスプリッタ４２で反射したレーザビーム４８が入力され、入力された所定の振動数ｆ0 のレーザビーム４８の振動数ｆを一定の周波数Δｆだけシフトさせる。参照ミラー５０は、音響光学変調素子４９を通過した振動数ｆが周波数Δｆだけシフトされたレーザビーム４８を反射して再度音響光学変調素子４９に入力させる。音響光学変調素子４９に入力されたレーザビーム４８は振動数ｆがさらに周波数Δｆだけシフトされる。
【００２６】フォトダイオード５１は、ビームスプリッタ４２で反射された信号記録面４７からの戻り光と、参照ミラー５０で反射し音響光学素子４９およびビームスプリッタ４２を通過したレーザビーム４８が入力され、これらの光の強度を検出し、この光強度信号を周波数カウンタ５２に出力する。
【００２７】ここで、光ディスク４６の信号記録面４７が当該信号記録面４７に垂直な方向に速度成分を持てば、信号記録面４７で反射した戻り光はドップラー効果によりその振動数がシフトする。レーザ光源４０から出力されたレーザービーム４１の振動数をｆ0 、光の速度をｃとするとドップラーシフトを受けた戻り光の振動数ｆ1 は次式（２）で表すことができる。
【００２８】
【数２】

【００２９】一方、参照ミラー５０で反射し音響光学素子４９およびビームスプリッタ４２を通過したレーザビーム４８の振動数ｆ2 は、次式（３）で表すことができる。
【００３０】
【数３】

【００３１】上記のドップラーシフトを受けた戻り光とビームスプリッタ４２を通過したレーザビーム４８とは干渉してうねりを起こし、光強度が時間的に振動する状態でフォトダイオード５１に入射する。このうねりの周波数ｆb は、次式（４）で表される。
【００３２】
【数４】

【００３３】周波数カウンタ５２は、フォトダイオード５１からの光強度信号５１ｓが入力され、この光強度信号５１ｓのもつうねり周波数ｆｂを測定し、その測定値に応じた電圧を信号５２ｓとしてＡ／Ｄ変換器５３に出力する。
【００３４】Ａ／Ｄ変換器５３は、周波数カウンタ５２から入力されたうねり周波数ｆｂであるアナログ信号５２ｓを所定のサンプリング周波数、たとえば、１００ｋＨｚでサンプリングし、これをディジタル信号に変換してコンピュータ５５に出力する。
【００３５】図２は、コンピュータ５５内の構成を示す構成図である。コンピュータ５５内には、特性量算出部７１と、表示部８１とを有している。特性量算出部７１は、メモリ７２と、速度算出部７３と、追従誤差量算出部７４と凹凸量算出部７５とを備えている。表示部８１は、割り当て部８２と、陰影シミュレート部８３とを備えている。なお、特性量算出部７１は本発明の特性量算出手段、表示部７２は本発明の表示手段、速度算出部７３は本発明の速度算出手段、追従誤差量算出部７４は本発明の追従誤差量算出手段、凹凸量算出部７５は凹凸量算出手段、割り当て部８２は本発明の割り当て手段、陰影シミュレート部８３は本発明の陰影シミュレート手段のそれぞれ一具体例に対応している。
【００３６】特性量算出部７１の構成メモリ７２は、Ａ／Ｄ変換器５３から入力される所定のサンプリング周期でサンプリングされたうねり周波数ｆｂのデータを記憶保持する。
【００３７】速度算出部７３は、メモリ７２に記憶されたうねり周波数ｆｂのデータから、信号記録面４７内に存在する凹凸によって発生する図１に示す信号記録面４７の垂直方向の速度データＶを算出する。すなわち、光ディスク４６の信号記録面４７に垂直な方向の速度Ｖは、次式（５）で示すように、うねり周波数ｆb 、音響光学変調素子４９の変調周波数Δｆ、および、レーザ光源４０から出力されたレーザビーム４１の振動数ｆ0 に関する関数で表すことができ、速度算出部７３は（５）式に基づいて速度Ｖを算出する。
【００３８】
【数５】

【００３９】追従誤差量算出部７４は、速度算出部７３で算出された速度データＶおよび光ディスク４６の信号記録面４７から垂直な方向の目標位置に信号記録面４７への情報の記録および信号記録面４７からの情報の再生の少なくとも一方を行う光学ピックアップあるいは光学ピックアップの対物レンズのフォーカスを追従させるフォーカスサーボ系のゲイン特性に基づいて、このフォーカスサーボ系に発生すると予想される信号記録面４７に存在する凹凸に対して追従できない対物レンズの追従誤差量を算出する。
【００４０】ここで、上記のフォーカスサーボ系のゲイン特性について説明する。図３はフォーカスサーボ系の一例を示すブロック図である。図３に示すように、フォーカスサーボ系は、低域補償回路９１と、位相進み補償回路９２と、アクチュエータ駆動回路９３と、アクチュエータ９４とを備えており、アクチュエータ９４の位置Ｘが操作量Ｒにフィードバックされ、操作量Ｒと位置Ｘとの偏差、すなわち、追従誤差量Ｅが低域補償回路９１に入力される構成となっている。
【００４１】アクチュエータ９４は、光ディスク４６の信号記録面４７にレーザビームを集光する光学系である対物レンズを信号記録面４７に垂直な方向に駆動するものであり、たとえば、ボイスコイルモータである。
【００４２】低域補償回路９１および位相進み補償回路９２は、フォーカスサーボ系に必要とされる開ループゲインを得るために、低周波数帯域での位相遅れ補償および高周波数帯域での位相進み補償をするための回路である。
【００４３】アクチュエータ駆動回路９３は、低域補償回路９１および位相進み補償回路９２で補償された制御量に基づいて、アクチュエータ９４を駆動する回路である。
【００４４】上記のようなフォーカスサーボ系には、対物レンズの焦点の光ディスク４６の信号記録面４７に対する位置を規定する目標位置指令Ｒ0 が入力されるが、この目標位置指令Ｒ0 には光ディスク４６の信号記録面４７に存在する凹凸量（面振れ量）Ｄが加算部９５で示すように加算され、目標位置指令Ｒ0 と凹凸量Ｄとを加算した操作量Ｒがフォーカスサーボ系に入力されることになる。なお、光ディスク４６を回転させると、スピンドルモータ６１のベースの変位によって光ディスク４６に面振れが発生するが、この面振れ量については無視して説明する。
【００４５】上記のフォーカスサーボ系には、たとえば、図４に示すような開ループゲイン特性が要求される。すなわち、フォーカスサーボ系は低域補償回路９１、位相進み補償回路９２、アクチュエータ駆動回路９３およびアクチュエータ９４をあわせた伝達関数Ｇ0 のゲイン特性が図４に示すような最小必要ゲインを満たすように設計される。
【００４６】上記した追従誤差量算出部７４は、図４に示したような フォーカスサーボ系の開ループゲイン特性および速度算出部７３で算出された速度データＶに基づいて、図３に示した追従誤差量Ｅを算出する。すなわち、追従誤差量算出部７４は、光ディスク４６を実際に回転させこの光ディスク４６の信号記録面４７に対して対物レンズ等の光学系のフォーカスサーボをかけた状態で追従誤差量Ｅを測定するのではなく、図４に示すようなフォーカスサーボ系のゲイン特性を用いて追従誤差量Ｅを算出する。
【００４７】具体的には、追従誤差量算出部７４は、図４に示すようなフォーカスサーボ系のゲイン特性を近似した伝達関数をもち、速度データＶを入力信号とし、追従誤差量Ｅを出力信号とするディジタルフィルタで構成されている。このディジタルフィルタには、たとえば、図６に示す構成のＩＩＲ（infiniteImpluse Response ）ディジタルフィルタを用いる。
【００４８】図６に示す構成のＩＩＲディジタルフィルタ１００において、入力信号ｖn は測定された速度Ｖのデータ列であり、出力信号ｘn は算出された追従誤差量Ｅのデータ列であり、中間変数ｙn はＩＩＲディジタルフィルタにおいて計算に用いる一時的な値である。なお、ｎはサンプル数である。また、ＩＩＲディジタルフィルタ１００は、入力信号ｖn にゲインＨ0 を乗じる乗算器１０１と、中間変数ｙn にゲインａを乗じる乗算器１０３と、乗算器１０１および乗算器１０３の出力値を加算する加算器１０２と、加算器１０２の出力値をサンプリング時間分遅延させて中間変数ｙn として出力する遅延器１０４と、中間変数ｙn にゲイン−１を乗じる乗算器１０５と、乗算器１０５および加算器１０２の出力値を加算する加算器１０６とを有する。さらに、出力信号ｘn をサンプリング時間分遅延させて出力する遅延器１０９と、遅延器１０９の出力値にゲインａを乗ずる乗算器１０８と、乗算器１０８および加算器１０６の出力値を加算して出力信号ｘn として出力する加算器１０７とを有する。なお、ゲインＨ0 およびゲインａは、ＩＩＲデジタルフィルタ１００の特性を決定するパラメータである。
【００４９】ＩＩＲデジタルフィルタ１００は、次式（６）および（７）で表される。
【００５０】
【数６】

【００５１】ＩＩＲデジタルフィルタ１００のゲインＨ0 およびゲインａは、たとえば、図５に示すように、図４に示したフォーカスサーボ系のゲイン特性線図に対してカーブフィッティングさせて決定することができ、これにより図４に示したフォーカスサーボ系のゲイン特性に近似した伝達関数をもつディジタルフィルタが得られる。図５から判るように、ＩＩＲデジタルフィルタ１００を用いることにより、フォーカスサーボ系のゲイン特性を比較的正確に近似することができる。
【００５２】凹凸量算出部７５は、速度算出部７３で算出された速度Ｖに基づいて、光ディスク４６の信号記録面４７の各測定点の凹凸量Ｇを算出する。具体的には、凹凸量算出部７５は、速度Ｖを積分して凹凸量Ｇを算出するディジタルフィルタから構成されている。このディジタルフィルタにもＩＩＲディジタルフィルタを用いることができる。
【００５３】表示部８１の構成表示部８１の割り当て部８２は、光ディスク４６の信号記録面４７の各速度測定点について算出した追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇを表示装置５６の画面のうち光ディスク４６と相似形の領域内の全ての画素に対応づけて割り当て、各追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇをメモリに記憶保持する。すなわち、追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇを光ディスク４６と相似形をなすように配置する。表示装置５６の画面の一画素に対応する光ディスク４６の信号記録面４７上で、少なくとも一個以上の測定点があれば追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇの測定結果を表示装置５６の画面に隙間無く配置することができる。具体的には、例えば、追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇが０の場合を１２８とし、凹の場合（０よりも小さい場合）は１２８よりも小さくなるように追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇに合わせて０から１２７の値を各画素に割り当てる。凸の場合（０よりも大きい場合）は１２８よりも大きくなるように１２９から２５５の値を各画素に割り当てる。
【００５４】陰影シミュレート部８３は、表示装置５６の画面の各画素に割り当てられた追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇに基づいて、光ディスク４６の信号記録面４７に追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇに応じた高さの凹凸が存在したと想定した場合に、当該凹凸に対して所定の向きから光を照射することによって発生する仮想的な陰影をもつ画像を表示装置５６の画面上で表現する。
【００５５】陰影シミュレート部８３は、具体的には、隣接する画素にそれぞれ割り当てられた値の差を算出する。例えば、画素が縦横に並んでいる場合、注目している画素に割り当てられた値から右隣の画素に割り当てられた値を引いたものを横方向の差Δｘとし、注目している画素に割り当てられた値から上側に隣接する画素の値を引いた物を縦方向の差Δｙとする。
【００５６】次いで、各画素について算出した差Δｘ，Δｙに基づいて、各画素の画素値、すなわち、色を決定する。具体的には、光の照射方向をθとし、光の仮想的な強度をＩ0 としたとき、各画素の画素値Ｉを次式（８）によって決定する。式（８）に画素値Ｉを決定することにより、仮想的な光の強度と方向を独立して調整することができる。
【００５７】
【数７】

【００５８】例えば、０を黒、２５５を白に割り当てている表示装置においては、画素値Ｉが０の場合に、白と黒のちょうど中間の灰色である１２８とし、画素値Ｉが正の場合に１２９から２５５を割り当て、負の場合に０から１２７を割り当てる。
【００５９】このとき、図２に示すように、ユーザーの操作に合わせて、光の照射方向θ、光の仮想的な強度Ｉ0 をそれぞれ独立に特定する外部信号８３ｓを陰影シミュレート部８３に入力し、この外部信号８３ｓで特定される光の仮想的な強度Ｉ0 0および照射方向θに基づいて新しく生成した画像を表示する構成とすることができる。
【００６０】次に、上記構成の面形状測定装置１を用いた面形状測定方法について説明する。まず、光ディスク４６をスピンドルモータ６１に装着し、回転させる。また、レーザ光源４０から振動数ｆ0 のレーザビームを出力し、光ディスク４６の信号記録面４７の所望の位置にレーザビームのスポットを形成する。
【００６１】このとき、光ディスク４６の信号記録面４７の凹凸によって発生する信号記録面４７に垂直な方向の速度Ｖのデータのサンプリングは、信号記録面４７に形成されたレーザビームのスポットが信号記録面４７上でスポット径だけ移動する間に少なくとも一回行われるようにする。
【００６２】このため、スポットの直径は、たとえば、略１００μｍとなるようにし、また、光ディスク４６の回転数は、レーザビームのスポットの形成位置での線速度が、たとえば、１０ｍ／ｓｅｃになるようにし、さらに、うねり周波数ｆｂをサンプリングするＡ／Ｄ変換器５３のサンプリング周波数は、たとえば、１００ｋＨｚとする。これにより、信号記録面４７にスポットが照射する領域につき、一回のサンプリングを行うことができる。
【００６３】しかしながら、信号記録面４７にスポットが照射する領域につき、一回のサンプリングを行ったのでは、たとえば、パルス的なノイズが生じた場合に、ディスク上のゴミや傷等によるものか、測定装置の電気的なノイズによるものなのかを分離することができない。このため、Ａ／Ｄ変換器５３のサンプリング間隔を小さくする必要がある。例えば２ＭＨｚのサンプリング周波数で測定した場合、スポットが照射される領域を二十点サンプリングすることができ、上記のような問題の発生を回避できる。
【００６４】光ディスク４６の信号記録面４７の凹凸が存在すれば、信号記録面４７に垂直な方向に速度Ｖをもち、信号記録面４７で反射した戻り光はドップラー効果によりその振動数ｆがシフトして振動数ｆ1 となる。
【００６５】一方、ビームスプリッタ４２で分離したレーザービーム４８は、参照ミラー５０で反射て同経路を往復するため、音響光学変調素子４９によって周波数Δｆ２のシフトを２回受けて振動数ｆ2 となる。フォトダイオード５１に入射する信号記録面４７で反射した振動数ｆ1 の戻り光と振動数ｆ2 の戻り光とは、干渉してうねりを起こし、フォトダイオード５１の検出する光強度が時間的に振動する。このうねり周波数ｆｂが周波数カウンタ５２によって測定され、うねり周波数ｆｂがＡ／Ｄ変換器５３でサンプリングされる。
【００６６】Ａ／Ｄ変換器５３でサンプリングされたうねり周波数ｆｂは特性量算出部７１のメモリ７２に記憶保持される。次いで、速度算出部７３は、メモリ７２に記憶保持されたうねり周波数ｆｂにに基づいて上記した（２）式にしたがって、速度Ｖを算出する。これにより、回転する光ディスク４６の信号記録面４７に存在する凹凸によって発生する信号記録面４７の垂直方向の速度が検出される。
【００６７】追従誤差量算出部７４は、速度算出部７３で算出された速度Ｖのデータが順次入力され、上記した（６）式および（７）式で定義されるＩＩＲディジタルフィルタ１００によって追従誤差量Ｅを算出する。
【００６８】このとき、ＩＩＲディジタルフィルタ１００は計算量が比較的少ない。すなわち、ＩＩＲディジタルフィルタ１００はサンプル数ｎに比例した計算量である。一方、たとえば、追従誤差量Ｅを算出するのに、ＩＩＲディジタルフィルタ１００を用いずに、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）および高速逆フーリエ変換を用いて算出すると、計算量がｎｌｏｇ（ｎ）のオーダで増加するため、高速な処理ができない。特に、サンプル数ｎが増加すると、また、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）および高速逆フーリエ変換を用いて算出するには、測定点を二の累乗に調整する必要があるが、ＩＩＲディジタルフィルタ１００では測定点の数に制限を受けない。
【００６９】このため、追従誤差量算出部７４では追従誤差量Ｅの算出処理を非常に高速に行うことができる。追従誤差量算出部７４で算出された追従誤差量Ｅは、表示部８１に順次入力される。
【００７０】凹凸量算出部７５にも同様に、速度算出部７３で算出された速度Ｖのデータが順次入力される。凹凸量算出部７５では、入力される速度Ｖのデータから光ディスク４６の信号記録面４７に存在する凹凸の凹凸量Ｇを算出し、算出された凹凸量Ｇは、表示部８１に順次入力される。
【００７１】表示部８１の割り当て部８２では、入力された追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇが表示装置５６の画面のうち光ディスク４６と相似形の領域内の全ての画素に対応づけて割り当てられ、メモリに記憶保持される。
【００７２】陰影シミュレート部８３では、割り当て部８２に記憶された追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇに基づいて、追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇの信号記録面４７内での分布を立体的に把握可能な画像、すなわち、光ディスク４６の信号記録面４７に追従誤差量Ｅあるいは凹凸量Ｇに応じた高さの凹凸が存在したと想定した場合に、当該凹凸に対して所定の向きから光を照射することによって発生する仮想的な陰影をもつ画像を表示装置５６の画面に表示する。このとき、ユーザーは、光の照射方向θおよび光の仮想的な強度Ｉ0 を変更する操作をコンピュータ５５のキーボードやマウス等の外部入力機器を用いて行うことができる。
【００７３】ここで、図７は、陰影シミュレート部８３で生成された、光ディスク４６の信号記録面４７内における凹凸量Ｇの分布を示す画像の一例を示す図である。図７に示す画像では、仮想的に所定の方向から信号記録面４７の凹凸に光を当てることによってできる陰影をシミュレートしている。なお、図７において矢印で示す方向が光の照射方向θである。また、図７に示す画像において、色が淡く（白く）なった部分は、光の照射方向に向かう凹凸の側面領域であり、色が濃く（黒く）なっている部分は、光の照射方向に対して背を向けた凹凸の側面領域であり、中間の色（灰色）の部分は凹凸が少ない領域である。したがって、凹凸量が大きい部分ほど陰影が濃くなり、この画像の色の違いから、凹凸の分布や凹凸の状態等の面形状の状態を容易に把握することができる。また、光の照射方向θおよび光の仮想的な強度Ｉ0 を適宜変更することにより、信号記録面４７のすべての領域の凹凸の分布や凹凸の状態等を観察することができる。
【００７４】一方、図８は、光ディスク４６の信号記録面４７の対応する位置での凹凸量に応じて表示装置５６の画面上の画素の濃淡を決定したモノクロ画像を示す図である。図８に示す画像では、人間の目にはあたかもそれが凹凸に光があたってできた陰影であるかのように間違って認識されてしまいやすく、信号記録面４７の面形状や追従誤差量Ｅの分布の状態を容易に把握するのが難しい。
【００７５】以上のように、本実施形態によれば、追従誤差量算出部７４をフォーカスサーボ系のゲイン特性を近似した伝達関数をもち速度データＶを入力信号とし、追従誤差量Ｅを出力信号とするＩＩＲディジタルフィルタ１００によって構成することにより、フォーカスサーボ系に発生すると予想される信号記録面４７に存在する凹凸に対して追従できない対物レンズの追従誤差量Ｅを高速に算出することが可能となる。この結果、光ディスク４６の信号記録面４７の凹凸に起因した特性量を効率的に測定でき、面形状測定装置１を実用的なものとすることができる。
【００７６】また、本実施形態によれば、光ディスク４６の信号記録面４７に存在する凹凸に光が当たった場合にできる陰影をシミュレートした画像を生成することで、光ディスク４６の信号記録面４７の面形状を容易に認識することができる。
【００７７】本発明は、上述した実施形態に限定されない。上述した実施形態においては、本発明の円盤体として光ディスク４６の場合について説明し、被測定面として信号記録面４７の場合を説明したが、本発明は、光ディスクの信号記録面ばかりでなく、たとえば、光ディスクの信号記録面の面振れ発生の原因になりうる光ディスクの信号記録面を形成するためのスタンパの面形状を測定することができる。また、光ディスクではなく磁気ディスク等の円盤体の面形状を測定することができる。なお、被測定面が光を反射する光反射面となっていない場合には、この表面を金属膜でコーティングすることにより確実な観察を行うことができる。
【００７８】また、上述の実施形態では、特性量算出部７１の算出する特性量として、信号記録面４７に存在する凹凸量およびフォーカスサーボの追従誤差量の場合について説明したが、たとえば、フォーカスサーボによって位置決め制御される対物レンズにかかる加速度も算出する構成としてもよい。この場合には、速度算出部７３で算出された速度Ｖを微分することによって、対物レンズにかかる加速度を算出することができる。
【００７９】
【発明の効果】本発明によれば、光ディスクの信号記録面等の円盤体の被測定面に存在する凹凸量やこの凹凸に起因するフォーカスサーボの追従誤差量を正確にかつ効率的に測定することができる。また、本発明によれば、測定した凹凸量や追従誤差量からの面形状の把握が容易となる。
【出願人】 【識別番号】０００００２１８５
【氏名又は名称】ソニー株式会社
【出願日】 平成１１年１２月１５日（１９９９．１２．１５）
【代理人】 【識別番号】１０００９４０５３
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 隆久
【公開番号】 特開２００１−１７４２４９（Ｐ２００１−１７４２４９Ａ）
【公開日】 平成１３年６月２９日（２００１．６．２９）
【出願番号】 特願平１１−３５６２４４