JP2001023223A

JP2001023223A - 光情報再生装置

Info

Publication number: JP2001023223A
Application number: JP11190044A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Oki; 裕史大木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-07-05
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2001-01-26

Abstract

(57)【要約】【課題】被検出媒体の材質に依拠せず、簡便な構成で
解像限界を超える光学情報の再生が可能な光情報再生装
置を得る。【解決手段】空間的にコヒーレントな光を射出する光
源２１１と、この光源からの光を複数の集光ビームとし
て被検出媒体２０７上に集光する集光光学系２２と、こ
れら複数の集光ビームに対応して設けられ被検出媒体に
近接して配設される複数の回折格子Ｇ_A〜Ｇ_Eと、被検出
媒体からの反射光を複数の集光ビーム各々について検出
する検出光学系２４と、この検出光学系により検出され
た検出値から被検出媒体の光学情報を再生する処理装置
２５とを備える光情報再生装置において、被検出媒体と
複数の集光ビームとを相対的に２次元走査させる走査手
段２３を有し、処理装置は走査手段により複数の集光ビ
ームを２次元走査させて検出信号を合成することにより
被検出媒体の平面像を再生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を用いて被検出
媒体上の光学情報を再生する光情報再生装置、例えば、
光ディスク等の情報記録媒体に記録された情報を再生す
る再生装置や、微細な被観測物体の平面像を再生表示す
る走査型の光学顕微鏡などの光情報再生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記のような光情報再生装置は既に広く
用いられており、光ディスク等光を用いた情報の記録・
再生装置については記録密度を向上させるため、また走
査型光学顕微鏡では解像度を向上させるため、従来から
超解像技術を応用した種々の提案が成されている。これ
らには、例えば光源の光波長λを短波長化し、あるいは
照射集光光学系を改善する等、光学系に改良を加える方
式や、情報記録媒体の非線形な特性を応用する方式等を
挙げることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、光学系に改良
を加える方式では、光源波長λと光学系の開口数ＮＡで
定まる解像限界(λ／ＮＡ)を超えて微細な信号を再生す
ることができない。そして、解像限界を微細化する手段
としての光源波長λを短波長化する方法は、研究レベル
や大規模な半導体装置では可能であっても、民生用とし
て安定的かつ一般的に使用可能な光波長が半導体レーザ
の発振波長や光学材料から制限されるため現実的でな
い。また、ソリッド・イマージョン・レンズ（Solid Imme
rsion Lens）を使用し、近接場に於けるエバネッセント
光を利用した方法では、実効ＮＡ値を大きくすることが
できるが、その増加割合はレンズの屈折率に比例するた
め、この方法のみでは解像限界を改善する効果に限界が
ある。

【０００４】一方、磁気的超解像など媒体の非線形な特
性を応用する方式は、情報を記録・再生する装置につい
ては利用可能であっても、走査型顕微鏡などの様に被検
出媒体が不特定の媒質である場合には利用することがで
きない。また、記録再生装置として利用する場合におい
ても、解像限界が記録方式に依存すること、記録媒体の
製造コストが従来と比較して増大することなどの問題を
有している。

【０００５】この様に、従来から成されてきた種々の提
案は、解像度を向上させるという目的に対して、それぞ
れ技術的意義を有するものであるが、いずれについても
未だ多くの課題を有するものであった。そこで、本出願
の発明者は被検出媒体たる記録媒体に近接して回折格子
を配設し、記録媒体上の記録情報と回折格子の間に生ず
るモアレ縞の移動変化を検出することにより、解像限界
を超える情報を再生可能な新たな手法を発明し、本出願
人に係る特願平１１−０４８８１１号に開示している。

【０００６】本発明は、前記課題を解決するとともに、
上記発明技術をさらに進展させるべく成されたものであ
り、被検出媒体の材質的な特性に依拠することなく、ま
た、情報の記録方式を変更することなく、簡易な構成に
より解像限界を超える光学情報を再生できる光情報再生
装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の光情報再生装置は、空間的にコヒーレント
な光を射出する光源（例えば実施形態に於けるレーザダ
イオード２０１）と、この光源からの光を複数の集光ビ
ームとして被検出媒体上に集光する集光光学系（例えば
実施形態に於ける回折格子２０３，対物レンズ２０５，
ＳＩレンズ２０６等）と、これら複数の集光ビームに対
応して設けられ前記被検出媒体に近接して配設される複
数の回折格子（例えば実施形態に於けるＧ_A〜Ｇ_E）と、
被検出媒体からの透過光若しくは反射光を複数の集光ビ
ーム各々について検出する検出光学系（例えば実施形態
に於ける結像レンズ２０８，フォトディテクタ２０９）
と、この検出光学系により検出された検出値から被検出
媒体の光学情報を再生する処理装置とを備える光情報再
生装置において、被検出媒体と複数の集光ビームとを相
対的に２次元走査させる走査手段（例えば実施形態に於
けるステージ２３）を有し、処理装置は走査手段により
複数の集光ビームを２次元走査させて被検出媒体の平面
像を再生する。

【０００８】上記構成によれば、被検出媒体と複数の集
光ビームとは走査手段により相対的に２次元走査され、
検出光学系はこの２次元走査によって複数の回折格子と
被検出媒体との間で生じる相互作用を各々検出し、処理
装置は検出値と回折格子の定数及び走査位置情報とから
被検出媒体の平面像を再生する。従って、簡易な構成で
解像限界を超えた平面像を再生する光情報再生装置を提
供することができる。

【０００９】なお、前記複数の回折格子は、走査方向に
対して異なる方向に配向されることが望ましい。この様
に回折格子を配設することにより、回折格子の配向され
た方向各々について解像限界を超えた信号を得ることが
でき、これ等を合成することにより方向性のない均一な
平面像を高倍率で再生することができる。

【００１０】また、前記複数の回折格子は各々異なる空
間周波数を有し、処理装置にはこれら複数の回折格子各
々の空間周波数に対応した周波数特性を有するバンドパ
スフィルタを備えることが好ましい。

【００１１】あるいは、空間的にコヒーレントな光を射
出する光源（例えば実施形態に於けるレーザダイオード
１０１）と、この光源からの光を複数の集光ビームとし
て被検出媒体上に集光し走査する集光光学系（例えば実
施形態に於ける回折格子１０３，対物レンズ１０５，Ｓ
Ｉレンズ１０６等）と、これら複数の集光ビームに対応
して設けられ被検出媒体に近接して配設される複数の回
折格子（例えば実施形態に於けるＧ_A〜Ｇ_C）と、被検出
媒体からの透過光若しくは反射光を前記複数の集光ビー
ム各々について検出する検出光学系（例えば実施形態に
於ける結像レンズ１０８，フォトディテクタ１０９）
と、この検出光学系により検出された検出値から被検出
媒体の光学情報を再生する処理装置とを備える光情報再
生装置において、複数の回折格子は各々異なる空間周波
数を有し、処理装置はこれら複数の回折格子各々の空間
周波数に対応した周波数特性を有するバンドパスフィル
タを備えて光情報再生装置を構成することが好ましい。

【００１２】さらに、上記バンドパスフィルタの透過特
性は、各回折格子の基本空間周波数を中心周波数として
各光学系の解像可能な周波数帯域幅内の検出信号を透過
し、この周波数帯域外の検出信号を遮断するよう設定す
ることが好ましい。

【００１３】これ等の構成では、複数の回折格子は各々
異なる空間周波数すなわち異なる格子間隔を有して配設
されている。回折格子との相互作用（例えばモアレ縞の
発現)によって検出され把捉可能となる被検出媒体の大
きさは回折格子の格子間隔によって異なり、格子間隔の
細かいもの（空間周波数の高いもの）ほど小さい像を検
出可能となる。そこで、上記のように空間周波数の異な
る回折格子を複数設けることによって、検出可能な帯域
を高次の倍率まで連続的に高めることができる。また、
処理装置に回折格子の空間周波数に対応したバンドパス
フィルタを備えることにより、各回折格子を透過して検
出される重複帯域の信号や高次の高調波ノイズ等を除去
し、各信号の合成後において不要な強調のない再現性の
高い再生像や再生信号を得ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】具体的実施例の説明に先立ち、ま
ず、回折格子を用いた超解像の原理について簡単に説明
する。この原理は Lukoszらにより発表された超解像技
術（W.Lukoszand M.Marchand, Optica Acta, 10(1963)2
41）を基礎とし、さらに Lukoszらの理論では直接適用
することができなかった走査光学系での格子による超解
像の振る舞いを明らかにするものである。

【００１５】まず、光学顕微鏡などの通常の光学装置で
物体表面を観察するとき、観測する光源の波長(例えば
レーザ波長)をλ、対物レンズの開口数をＮＡとしたと
きに、観測面上の縞のピッチが光学系の回折限界である
λ／２ＮＡより小さい場合には、縞としてのコントラス
トがまったく得られず、従ってこの像(信号)を再生する
ことができない。

【００１６】次に、物体上に回折格子を載置し、この回
折格子を通して物体表面を観察する場合について考え
る。いま、物体の観測面に存在する微細構造の等価的な
周期ピッチをＰ1、この観測面上に載置される回折格子
のピッチをＰaとしたとき、回折格子を通して物体の観
測面を観察すると、次式で示す周期Ｐmのモアレ縞を見
出すことができる。

【００１７】

【数１】Ｐm＝Ｐ1・Ｐa／｜Ｐ1−Ｐa｜・・・・・・・・・・・・（１）

【００１８】上記式(１)は等価ピッチＰ1の微細構造
が、回折格子を重ねてモアレ縞を発生させることによ
り、ピッチＰmに拡大されることを示しており、特にこ
れら両者のピッチが近接した値のときには、極めて大き
な拡大率となることを示している。すなわち、たとえ物
体上の等価ピッチＰ1が回折限界以下の値であっても、
適切なピッチの回折格子を選択することによりこれを拡
大し、充分な余裕を持って検出・再生することができ
る。

【００１９】ところで、Lukoszらの提案した超解像は結
像光学系を用いているため、像面に得られるのはモアレ
縞の像(拡大変調された像)であり、物体面の微細な周期
パターン像そのもののを再生するためには、モアレ縞の
像側にも回折格子を配設して復調させる必要があった。

【００２０】しかし、本発明では回折格子による超解像
を走査光学系と組み合わせることにより、像側に回折格
子を配置する必要を基本的に排している。以下この原理
について説明する。まず、静止状態の光学系で回折格子
により拡大観測されるモアレ縞は前述のとおりである。
次に走査光学系では回折格子を含む光学系と観測される
物体の被観測面とが相対変位して観測面を走査する。つ
まり回折格子と物体の微細周期パターンとが走査方向に
相対変位する。このときモアレ縞はこの相対変位に伴っ
て移動する。

【００２１】ここで、モアレ縞の空間構造は光学系が解
像可能な信号にまで拡大されたものであり微細な周期パ
ターンそのものではないが、回折格子と物体とが相対変
位したときにモアレ縞の移動する速度も同じ量だけ拡大
されている。このため、物体の微細な周期パターンが１
ピッチ分移動したときには、観測されるモアレ縞も拡大
されたモアレ縞の１ピッチ分移動する。すなわち、走査
光学系では拡大された空間構造を読み取りながらも、検
出される再生信号の周波数は物体の微細な周期パターン
そのものであるという特異な効果を有している。この効
果は走査光学系において回折格子を用いて超解像を行う
場合の大きなメリットであり、従来の超解像の議論では
全く指摘されていなかったものである。

【００２２】この様子を図１(a),(b)を用いて周波数空
間で説明する。まず、光学的に解像可能な空間周波数
(本稿において「解像限界周波数」という。)ｆuは、よ
く知られているように光学系の回折限界から次式(２)で
表される。なお、空間周波数は周期パターンピッチの逆
数である。

【００２３】

【数２】ｆu＝２ＮＡ／λ ・・・・・・・・・・・・・・（２）

【００２４】ここで、図１(a)に示すように、観測面に
おける微細構造の空間周波数ｆ1が解像限界周波数ｆuよ
りも高い場合には、通常ではこの微細構造を検出し再生
することができない。しかし、この微細構造上に空間周
波数ｆ1と近接する空間周波数ｆaの回折格子を重ね、こ
の回折格子を通して微細構造を観察すると、

【００２５】

【数３】ｆ1’＝｜ｆa−ｆ1｜・・・・・・・・・・・・・（３）なる空間周波数のモアレ縞が観測できる。

【００２６】そして、この空間周波数ｆ1’は図１(b)に
示す様に解像限界周波数ｆuよりも充分低い周波数とな
るため、検出光学系はこのモアレ縞を解像することがで
きる。前述したように、光学系が直接観測するのは空間
周波数ｆ1’に拡大(変換)されたモアレ縞であるが、走
査光学系においてはモアレ縞が移動する移動速度も同時
に拡大されている。このため、モアレ縞の移動に伴い一
定位置で検出されるモアレ縞の明暗信号は、空間周波数
ｆ1と同一の周期で明暗を繰り返す。すなわち、走査光
学系では解像可能なピッチの粗い空間周波数ｆ1’の干
渉縞を検出しながら、解像限界以下であるピッチの細か
い空間周波数ｆ1の微細構造を検出したと等価の出力信
号を得られるのである。この様にして、走査光学系に於
ける回折格子を用いた超解像では、極めて単純な構成
で、光学系の解像限界周波数を超えた微細構造を容易に
検出し、再生することができる。

【００２７】ところで、上記のように回折格子を用いて
超解像を行うことにより、解像限界周波数ｆuを超える
領域まで空間周波数帯域を拡大して微細構造を検出する
ことが可能だが、このとき回折格子の配設された光学系
で読み取り可能な空間周波数帯域は、拡大されたモアレ
縞の空間周波数ｆ1’が解像限界周波数ｆu以下である周
波数帯域、換言すれば、前記式(３)における右辺｜ｆa
−ｆ1｜がｆu以下となる空間周波数帯域である。

【００２８】このことは、回折格子が配設された光学系
では、検出可能な空間周波数の上限値が高い周波数側に
上昇するが、このとき検出可能な空間周波数の帯域幅は
変化しないことを意味する。また、このことは同時に、
空間周波数の異なる回折格子を複数配設して個々に検出
系を構成し、これ等を合成することにより、解像限界周
波数を超えて連続的に高い空間周波数領域まで検出・再
生する光情報再生装置を構成可能であることを意味して
いる。

【００２９】図２(a)〜(d)は上記概念を模式的に示した
ものであり、空間周波数がｆ_A＝０,ｆ_B＝2ｆu,ｆ_C＝4ｆ
uの３種の回折格子Ｇ_A,Ｇ_B,Ｇ_Cを設けた場合に、各検出
系が検出する空間周波数領域図２(a)〜(c)、および、
これらを合成することにより、この光学系全体で検出可
能な空間周波数領域図２(d)を示している。すなわち、
本例の場合には、被検出媒体の周期パターンのうち、周
波数が−ｆu〜ｆuの周波数成分を有するものについて
は、空間周波数ｆ_A＝０の回折格子(すなわち素通し)Ｇ_A
を備える検出系がその検出を受け持つこととなる。ま
た、周波数がｆu〜3ｆuの周波数成分を有するものにつ
いては空間周波数ｆ_B＝2ｆuの回折格子Ｇ_Bを備える検出
系で、周波数が3ｆu〜5ｆuの周波数成分を有するものに
ついては空間周波数ｆ_C＝4ｆuの回折格子Ｇ_Cを備える検
出系で各々検出を受け持つのである。そして、この様に
回折格子を適宜選択し、各検出系からの検出信号を合成
することにより、光学系全体での検出可能領域を高い空
間周波数領域まで連続的に拡大することができる。な
お、図２ではプラス側の周波数領域のみ示しているが、
マイナス側領域についても対称に存在するので以降の説
明を省略する。また合成方法の最も簡単な例として、単
純に和をとることが考えられる。

【００３０】なお、上記のような空間周波数(格子定数)
を有する回折格子Ｇ_A,Ｇ_B,Ｇ_Cを用いて被検出媒体を観
測するとき、現実に検出される信号中には、各回折格子
によって定まる検出帯域幅以外の周波数成分が含まれて
いる。図３(a),(b),(c)には各回折格子を有する検出系
で現実に検出される信号帯域を模式的に示しており、例
えば回折格子Ｇ_Cを有する検出系の検出信号には、図３
(b)に示す様に本来的な検出領域であるfu〜3ｆuの周波
数成分Ｂ以外に、−ｆu〜ｆuの周波数成分Ｂ’及び高調
波成分Ｂ’’が混合して検出される。

【００３１】これは、本来的な検出領域であるfu〜3ｆu
の周波数成分Ｂが、回折格子と微細周期パターンとの干
渉によるモアレ縞(１次回折光)の移動周波数であるのに
対し、−ｆu〜ｆuの周波数成分Ｂ’は、モアレ縞を透過
して見える直接反射光(０次光)の周波数、すなわち被検
出媒体の周期パターンそのものの移動周波数を検出して
いるからに他ならない。このため、各検出系の信号中に
は、上記本来的な検出領域（以降「モアレ縞検出領域」
という。）のほかに、格子定数によらず上記直接反射光
が検出されることとなり、これらの信号をそのまま合成
(加算)したときには、図３(d)に示す様に−ｆu〜ｆuの
周波数領域が強調された再生信号となる。また、高周波
成分Ｂ’’はモアレ縞の奇数次の高調波成分を検出して
いるものである。この高周波成分は一般的に信号強度が
微弱であり、上記直接反射光のような強い効果は持たな
いが、構成する回折格子の数が増え再生信号として使用
する空間周波数領域が拡大されるにつれノイズとして再
生信号に与える影響が増大する。

【００３２】本発明では、各回折格子の検出系ごとに、
その回折格子の空間周波数に対応した周波数特性を有す
るバンドパスフィルタを挿入し、上記のような再生信号
の歪曲を防止する。さらに、各検出系からの信号の加算
に当たっては、これ等各検出系の検出感度に応じた重み
づけを行い、再生信号のフラット化を図っている。図４
(a)〜(d)は、各回折格子の検出系ごとに設けるバンドパ
スフィルタの透過周波数特性Ｆ_A〜Ｆ_Cと、このようなバ
ンドパスフィルタを設けた場合の効果を、前記図３(a)
〜(d)に対応して示したものである。

【００３３】図示するように、各バンドパスフィルタの
透過周波数特性Ｆ_A〜Ｆ_Cは、前記モアレ縞検出領域の周
波数帯域のみを透過して他の周波数帯域を減衰させる。
従って、図３(d)に見られるような低い周波数帯域の強
調や高周波ノイズ成分混入を防止することができる。さ
らに、加算に当たって各検出系の検出感度に応じた重み
付けを行う（図４(d)中に点線で示す）ことにより再現
性の高いフラットな再生像を得ることができる。

【００３４】以降は、これまでに説明した原理及び概念
に基づいてなされた具体的実施形態について説明を行
う。図５は本発明に係る光情報再生装置の第１の実施形
態である光ディスク再生装置の構成を示したものであ
る。この光ディスク再生装置１は、照射光学系１１，集
光光学系１２，回折格子Ｇ_A〜Ｇ_C，検出光学系１４及び
処理装置１５から構成されており、光ディスク１０７上
に記録された光学情報を読み取り再生する光情報再生装
置である。以下この光ディスク再生装置１について詳細
に説明する。

【００３５】レーザダイオード(半導体レーザ)１０１か
ら射出されたレーザ光Ｌは、コリメータレンズ１０２で
平行ビームにコリメートされた後、ビーム分割用の回折
格子１０３によって０次(直進)及び±１次(屈折)の３本
の平行ビームＬ_A,Ｌ_B,Ｌ_Cに分割される。分割された各
ビームはハーフミラー１０４を透過した後、対物レンズ
１０５及びソリッド・イマージョン・レンズ１０６（以
下「ＳＩレンズ」と表記する。）によって各々集光さ
れ、ＳＩレンズ下端面に３つのビームスポットを形成す
る。

【００３６】ビームスポットの形成されるＳＩレンズ下
端面には、それぞれのビームスポットに対応する領域
に、３種の異なる空間周波数を有する回折格子Ｇ_A,Ｇ_B,
Ｇ_Cが形成されている。図６にはＳＩレンズ１０６に対
するこれ等回折格子Ｇ_A〜Ｇ_Cの形成状態を、図５中に於
けるVI-VI矢視図として例示しており、集光されたビー
ムスポットはこれ等回折格子の形成領域内に照射され
る。なお、３つのビームスポットの間隔は、隣接するレ
ーザビームによって相互に干渉することがないように、
ビームスポットサイズω₀よりも充分大きい間隔を保持
して形成されている。また、ＳＩレンズ１０６の下端面
と光ディスク１０７表面との間隔(ギャップ)は、ＳＩレ
ンズからのエバネッセント光が光ディスク上に充分到達
するように、光源レーザの発振波長以下となるよう構成
されている。

【００３７】このようにして回折格子Ｇ_A,Ｇ_B,Ｇ_C越し
に光ディスク１０７に照射され、この光ディスク上の記
録マークを照明して反射したレーザ光は、再びＳＩレン
ズ１０６、対物レンズ１０５を透過し、ハーフミラー１
０４で折り返されて結像レンズ１０８によりフォトディ
テクタ１０９上に３つの集光像を結像する。フォトディ
テクタ１０９は、これ等集光像に対応した複数の検出領
域を有しており、本実施例においては回折格子Ｇ_A〜Ｇ_C
に対応する３つの検出領域(A,B,C)を有するフォトディ
テクタが用いられている。なお、フォトディテクタ１０
９の受光面と光ディスク１０７の表面とは略共役となる
ように配置されている。

【００３８】ここで、フォトディテクタ１０９から出力
される３つの検出信号間には、レーザビームの走査速度
（光ディスク１０７の回転による記録マークの移動線速
度）と、記録マークを検出する３つのビームスポットの
相互間隔と、によって定まる検出時間遅れτ_A-B,τ
_A-C(τ_B-C)が存在する。そこで、フォトディテクタ１０
９の出力信号は遅延回路１１０(A,B,C)に入力されて、
各々の検出信号間の時間遅れを補正した後、バンドパス
フィルタ１１１に入力される。

【００３９】バンドパスフィルタ１１１(A,B,C)は、既
に図４を用いて説明したように、各回折格子Ｇ_A〜Ｇ_Cの
検出系ごとに、その回折格子の空間周波数に対応した透
過周波数特性Ｆ_A〜Ｆ_Cを有する部分透過型のフィルタで
あり、各検出系の受け持つ「モアレ検出領域」の信号の
みを透過し、他の周波数領域の信号を減衰させる。従っ
て、回折格子を透過して検出される空間周波数２ＮＡ/
λ以下の信号(０次光信号)が重複して加算されることが
なく、また、回折格子による高次高調波成分を減衰させ
てノイズを低減させることができる。

【００４０】バンドパスフィルタ１１１によりフィルタ
リングされた各検出信号は、加算機１１２に入力され、
各検出系ごとの検出感度の差異を補正する重み付け処理
（ゲイン調整）を行った上で加算され、再生信号として
出力される。

【００４１】なお、以上の説明に於ける３つの回折格子
のうち一つ、例えばＧ_Aは空間周波数ゼロ（すなわち素
通し）であり、他の回折格子の空間周波数、及びバンド
パスフィルタの透過周波数特性は図４に示した例によ
る。また、図５に示した走査方向での、遅延回路１１０
に於けるＡchの遅延時間は基本的にゼロであり、他のch
の遅延時間τ_A-B,τ_A-CがこのＡchを基準に定められる
例について説明している。

【００４２】以上説明した光ディスク再生装置１によれ
ば、解像限界を超える微細な記録マークを簡易な構成で
再生することができ、且つ、その再生信号が歪曲されあ
るいは高調波ノイズの重畳されることのない、フラット
な再生特性を有する再生装置を提供することができる。

【００４３】次に、これまで説明した超解像を２次元画
像の再生に応用する場合について説明する。本発明では
回折格子と被検出媒体間で生じるモアレ縞を利用し、こ
のモアレ縞の移動を検出することにより超解像を行う。
従って、この超解像効果は回折格子の形成方向(配向方
向)と直交する１次元方向にのみ有効であり、回折格子
の形成方向と平行な方向には何らの拡大効果をも有して
いない。このため、前述の光ディスク再生装置のよう
に、検出しようとする微細構造が走査方向に対して一定
方向に一定の規則性を持ったピット情報である場合に
は、前述した実施形態の構成で全く問題ないが、このま
まの構成では２次元平面の不規則構造を正確に再生する
ことができない。

【００４４】そこで、本発明では、複数の集光ビームを
２次元走査させるステージを設けるとともに、回折格子
の形成方向が異なる複数の回折格子を配設することによ
り、全方位に対して解像度の向上を図っている。例え
ば、縦、横、斜め±45度、の４種(素通しを合わせて計
５種)の回折格子を配設し、これ等回折格子を有する検
出系を用いて被検出媒体上をスキャンさせることによ
り、２次元平面の全方位に対して解像度を向上させた再
生像を得ることができる。

【００４５】図７は、この状態を空間周波数領域で示し
たものであり、図に於ける縦及び横の座標は当該２方向
の空間周波数を表し、紙面垂直方向に各空間周波数の信
号強度をとっている(不図示)。ここで、図中座標軸交点
部の白ぬきの正方形領域が回折格子を用いない光学系の
解像範囲を示し、図中に縦線及び横線で示す領域はそれ
ぞれの方向に配向された回折格子によって拡大された解
像範囲を示している。なお、このとき各格子の守備範囲
が互いに重ならないように、瞳を矩形にしておくことが
好ましい。また、±45度方向の回折格子は縦・横の拡大
領域を滑らかに斜め領域に拡大するものであり、縦・横
の回折格子より２の平方根倍(√２倍)だけ空間周波数の
高い格子を用いている。そして、以上のような４種の回
折格子を用いる構成によって、縦横方向ともに従来に比
べて３倍の解像力が得られることが理解される。

【００４６】また、上記のような空間周波数の拡大作用
は、既に図２を用いて説明した方法によりさらに高める
ことが可能である。すなわち、縦、横、斜めの各方向に
対して空間周波数の異なる複数の回折格子を配設し、こ
れ等各検出系からの検出情報を加算(合成)することによ
り、全方位に対する分解能をさらに高めた２次元平面像
を得ることができる。この場合、用いる回折格子の方位
及び空間周波数は、図８に示す様な解像範囲マップから
定められる。

【００４７】図９は、以上説明した概念に基づいて成さ
れた本発明に係る光情報再生装置の第２の実施形態であ
る走査型光学顕微鏡の構成を示したものである。この走
査型光学顕微鏡２は、照射光学系２１，集光光学系２
２，回折格子Ｇ_A〜Ｇ_E，ステージ２３，検出光学系２４
及び処理装置２５から構成されており、ステージ上に載
置された物体２０７表面の微細構造を読み取り再生する
光情報再生装置である。以降この走査型光学顕微鏡２に
ついて詳細に説明する。

【００４８】レーザダイオード２０１から射出されたレ
ーザ光Ｌはコリメータレンズ２０２で平行ビームにコリ
メートされた後、ビーム分割用の回折格子２０３によっ
て０次(直進)及び±１次，±２次(屈折)の５本の平行ビ
ームＬ_A,Ｌ_B,Ｌ_C,Ｌ_D,Ｌ_Eに分割される。分割された各
ビームはハーフミラー２０４を透過した後、対物レンズ
２０５及びソリッド・イマージョン・レンズ（ＳＩレン
ズ）２０６によって各々集光され、ＳＩレンズ下端面に
５つのビームスポットを形成する。

【００４９】ビームスポットの形成されるＳＩレンズ下
端面には、それぞれのビームスポットに対応する領域
に、配向方向及び空間周波数の異なる５種の回折格子Ｇ
_A,Ｇ_B,Ｇ_C,Ｇ_D,Ｇ_Eが形成されている。図１０はＳＩレ
ンズ２０６に対するこれら回折格子Ｇ_A〜Ｇ_Eの形成状態
を、図９中に於ける X-X矢視図として例示しており、集
光されたビームスポットはこれら回折格子の各形成領域
に照射される。なお、５つのビームスポットの間隔がビ
ームスポットサイズω₀よりも充分大きい間隔を保持し
て形成されていること、及び、ＳＩレンズ下端面と物体
表面との間隔がレーザ波長以下となるよう構成されてい
ることは前述の実施形態と同様である。

【００５０】回折格子Ｇ_A〜Ｇ_E越しに物体２０７表面上
の構造を照明して反射したレーザ光は、再びＳＩレンズ
２０６、対物レンズ２０５を透過し、ハーフミラー２０
４で折り返されて結像レンズ２０８によりフォトディテ
クタ２０９上に５つの集光像を結像する。本実施例に於
けるフォトディテクタ２０９は、これ等集光像に対応し
た５つの検出領域 A〜E を有するフォトディテクタが用
いられている。また、フォトディテクタの受光面と物体
表面とが略共役となるように配置されている。

【００５１】フォトディテクタ２０９から出力される５
つの検出信号間には、レーザビームの走査速度(ステー
ジ２３の移動による物体２０７の移動方向及び移動速
度)と、物体構造を検出する５つのビームスポットの相
互間隔と、によって定まる検出時間遅れτ_A-B〜τ
_A-E(図中Ｘ方向にステージ移動時)またはτ_E-D〜τ
_E-A(図中−Ｘ方向にステージ移動時)が存在する。そこ
で、フォトディテクタ２０９の出力信号は遅延回路２１
０(A〜E)に入力され、ステージの移動方向に応じて各々
の検出信号間の時間遅れを補正した後、バンドパスフィ
ルタ２１１に入力される。

【００５２】バンドパスフィルタ２１１(A〜E)は、前述
の実施と同様に各検出系の受け持つ「モアレ検出領域」
の信号のみを透過し、他の周波数領域の信号を減衰させ
る。フィルタリングされた各検出信号は、加算機２１２
に入力されて各検出系ごとの検出感度補正処理を行った
上で加算され演算処理装置２５０に出力される。演算処
理装置２５０は、ステージ２３の２次元走査を制御する
とともに、ステージ２３のの移動走査ごとにステージ移
動と同期して加算機２１２から出力されるデータを内部
メモリーに取り込み、これらを合成して１枚の２次画像
として表示モニター２５１上に表示する。

【００５３】なお、５種の回折格子の一つ、例えばＧ_A
は空間周波数ゼロ（すなわち素通し）であり、他の回折
格子の配向方向と空間周波数、及びバンドパスフィルタ
２１１の透過周波数特性等は図７(図８)、及び図４に示
した例によって定められる。また、図９に矢印を付して
示した走査方向での、遅延回路２１０に於けるＡchまた
はＥchの遅延時間は走査方向に対応していずれか一方が
ゼロとなり、他のchの遅延時間はこのＡchまたはＥchを
基準に定められる。

【００５４】以上説明した走査型光学顕微鏡２によれ
ば、解像限界を超える微細な物体表面像を簡易な構成で
再生することができ、且つ、その再生信号が歪曲されあ
るいは高調波ノイズの重畳されることのない、フラット
な再生特性を有する光学顕微鏡を提供することができ
る。

【００５５】なお、以上説明した光情報再生装置の実施
例では、レーザダイオード(１０１,２０１)からの出力
ビームを分割する手段として透過型の回折格子(１０３,
２０３)を用いた例を説明したが、分割手段はビームを
所望の分割数に分割できるものであればよく、例えば、
ビームスプリッタやエタロンを用いて部分反射若しくは
多重反射を利用した分割手段であっても良い。あるい
は、この様な分割手段を用いずに、レーザダイオードに
代えて複数のビームを出力するレーザダイオードアレイ
を用い、または、複数のレーザダイオードの出力光を光
ファイバー等により導入することも可能である。

【００５６】また、実施例ではソリッド・イマージョン
・レンズ(ＳＩレンズ１０６,２０６)を用い、この下端
面に回折格子(Ｇ_A〜Ｇ_E)を形成した例について説明した
が、既に説明した超解像の原理から明らかなように、レ
ーザビームのビームスポット位置に回折格子が配設され
る構成であればよい。従って、例えば図１１に示す様に
ＳＩレンズを用いずに、対物レンズ２６５の形成するビ
ームスポット位置に回折格子(Ｇ_A〜Ｇ_E)を配設する構成
であっても同様の効果を奏することができる。

【００５７】さらに、実施例ではＳＩレンズを含む光学
系を固定配設し、被検出媒体側のみを相対的に移動させ
る例を説明したが、逆の移動形態もしくはともに移動す
る形態であってもよい。また、ＳＩレンズを含む光学系
が０次光の光軸を中心に回転自在に構成されるものであ
っても良い。そして、この場合には例えば斜め方向の回
折格子を有する検出系を設けることなく、あるいは１方
向のみの回折格子を設けることにより、２次元の平面像
を容易に得ることができる。

【００５８】また、以上の実施形態は、被検出媒体から
の反射光を検出する構成としたが、被検出媒体に応じて
透過光を検出する透過検出系の構成とすることができる
のは言うまでもない。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、空間的にコヒーレ
ントな光を射出する光源と、この光源からの光を複数の
集光ビームとして被検出媒体上に集光する集光光学系
と、これら複数の集光ビームに対応して設けられ前記被
検出媒体に近接して配設される複数の回折格子と、被検
出媒体からの透過光若しくは反射光を複数の集光ビーム
各々について検出する検出光学系と、この検出光学系に
より検出された検出値から被検出媒体の光学情報を再生
する処理装置とを備える光情報再生装置において、被検
出媒体と複数の集光ビームとを相対的に２次元走査させ
る走査手段を有し、処理装置は走査手段により複数の集
光ビームを２次元走査させて被検出媒体の平面像を再生
する。従って、被検出媒体の材質等に左右されることな
く、簡易な構成で、解像限界を超えた平面像を再生する
光情報再生装置を提供することができる。

【００６０】なお、上記複数の回折格子を走査方向に対
して異なる方向に配向して光情報再生装置を構成するこ
とが好ましい。この様に回折格子を配設し、これ等の検
出信号を合成することにより方向性のない均一な平面像
を高倍率で再生することができる。

【００６１】また、前記複数の回折格子は各々異なる空
間周波数を有し、処理装置にはこれら複数の回折格子各
々の空間周波数に対応した周波数特性を有するバンドパ
スフィルタを備えることが望ましい。さらに、バンドパ
スフィルタの透過特性は、各回折格子の基本空間周波数
を中心周波数として各光学系の解像可能な周波数帯域幅
内の検出信号を透過し、この周波数帯域外の検出信号を
遮断するよう設定することが好ましい。

【００６２】この様な構成によれば、検出可能な帯域を
高次の倍率まで連続的に高めることができ、また、各回
折格子を透過して検出される重複帯域の信号を除去し、
各信号の合成後において不要な強調のない再現性の高い
再生像や再生信号を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光情報再生装置における検出原理
を説明する説明図である。

【図２】本発明に係る光情報再生装置における解像度を
拡大する原理を説明する説明図である。

【図３】本発明に係る光情報再生装置において、各検出
情報をそのまま加算した場合を説明する説明図である。

【図４】本発明に係る光情報再生装置において、バンド
パスフィルタを設けて各検出情報を加算する場合を説明
する説明図である。

【図５】本発明に係る光情報再生装置（光ディスク再生
装置）の構成を示すブロック図である。

【図６】上記光情報再生装置の回折格子の配設状態を説
明する部分拡大図である。

【図７】本発明に係る光情報再生装置における解像度を
２次元的に拡大する原理を説明する説明図である。

【図８】本発明に係る光情報再生装置における解像度を
２次元的に拡大する原理を説明する他の説明図である。

【図９】本発明に係る光情報再生装置（走査型光学顕微
鏡）の構成を示すブロック図である。

【図１０】上記光情報再生装置の回折格子の配設状態を
説明する部分拡大図である。

【図１１】本発明に係る光情報再生装置（走査型光学顕
微鏡）の他の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

Ｇ_A〜Ｇ_E 回折格子１光ディスク再生装置（光情報再生装置）２走査型光学顕微鏡（光情報再生装置）１２，２２集光光学系１４，２４検出光学系１５，２５処理装置２３ステージ（走査手段）１０１，２０１レーザダイオード（光源）１０５，２０５対物レンズ（集光光学系）１０６，２０６ソリッド・イマージョン・レンズ（集
光光学系）１０７，２０７被検出媒体１０９，２０９フォトディテクタ（検出光学系）１１１，２１１バンドパスフィルタ（処理装置）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】空間的にコヒーレントな光を射出する
光源と、前記光源からの光を複数の集光ビームとして被検出媒体
上に集光する集光光学系と、前記複数の集光ビームに対応して設けられ前記被検出媒
体に近接して配設される複数の回折格子と、前記被検出媒体からの透過光若しくは反射光を前記複数
の集光ビーム各々について検出する検出光学系と、前記検出光学系により検出された検出値から前記被検出
媒体の光学情報を再生する処理装置とを備える光情報再
生装置において、前記被検出媒体と前記複数の集光ビームとを相対的に２
次元走査させる走査手段を有し、前記処理装置は前記走査手段により前記複数の集光ビー
ムを２次元走査させて前記被検出媒体の平面像を再生す
ることを特徴とする光情報再生装置。
【請求項２】前記複数の回折格子は、前記走査方向に
対して異なる方向に配向されることを特徴とする請求項
１に記載の光情報再生装置。
【請求項３】前記複数の回折格子は各々異なる空間周
波数を有し、前記処理装置には、前記複数の回折格子各々の空間周波
数に対応した周波数特性を有するバンドパスフィルタを
備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
の光情報再生装置。
【請求項４】空間的にコヒーレントな光を射出する光
源と、前記光源からの光を複数の集光ビームとして被検出媒体
上に集光し走査する集光光学系と、前記複数の集光ビームに対応して設けられ前記被検出媒
体に近接して配設される複数の回折格子と、前記被検出媒体からの透過光若しくは反射光を前記複数
の集光ビーム各々について検出する検出光学系と、前記検出光学系により検出された検出値から被検出媒体
の光学情報を再生する処理装置とを備える光情報再生装
置において、前記複数の回折格子は各々異なる空間周波数を有し、前記処理装置は、前記複数の回折格子各々の空間周波数
に対応した周波数特性を有するバンドパスフィルタを備
えることを特徴とする光情報再生装置。