DE3342748C2

DE3342748C2 - Optischer Aufzeichnungsträger

Info

Publication number: DE3342748C2
Application number: DE3342748A
Authority: DE
Inventors: Mikio Sugiki; Kenjiro Watanabe
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1982-11-25
Filing date: 1983-11-25
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2003-11-26
Also published as: KR910006650B1; JPS5996546A; DE3342748A1; KR840006714A; GB2131222B; CA1209697A; US4606018A; FR2536895B1; GB2131222A; GB8331363D0; FR2536895A1

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Aufzeichnungsträger gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein solcher ist aus DE 31 42 532 A1 bekannt.

Ein anderer derartiger Aufzeichnungsträger weist zum Beispiel Antimon-Selen (Sb₂Se₃) oder Telluroxid TeO_x (mit x ≈ 1) als Aufzeichnungsmaterial auf. Mit solchen Materialien ist eine hohe Schreibgeschwindigkeit möglich. Der Reflexionskoeffizient dieser Art von Aufzeichnungsmaterial wird durch eine Änderung im Absorptionskoeffizienten erhöht, die bei einem Phasenübergang vom amorphen in den kristallinen Zustand bei Einwirken optischer Energie auftritt.

Ein derartiges Aufzeichnungsmaterial weist jedoch im Vergleich mit Aufzeichnungsmaterialien vom Schmelztyp geringeren Kontrast und damit ein niedriges Signal/Rausch-Verhältnis auf.

Bei einem optischen Aufzeichnungsträger vom Reflexionstyp vom DRAW-(Direct Read After Write) System können Daten als Vertiefungen (Löcher) durch einen Lichtstrahl, wie zum Beispiel dem Strahl eines Halbleiterlasers eingeschrieben oder gelesen werden. Derartige Aufzeichnungsträger sind zum Beispiel optische Aufzeichnungsplatten für analoge oder digitale Video- oder Audiodaten. Bei einer derartigen optischen Aufzeichnungsplatte ist es sehr wichtig, Spurführungsrillen zur Verfügung zu stellen, um während des Einlesens eine gute Spurführung gewährleisten zu können. Ansonsten wird der Einschreibvorgang sehr komplex in seiner Ausführung.

Bei einer optischen Aufzeichnungsplatte vom Schmelztyp werden Daten durch das Einbringen von Vertiefungen (Löchern) in einem dünnen Film auf Tellurbasis auf der Oberfläche, auf der auch Führungsrillen vorhanden sind, eingeschrieben. Die Tiefe der Spurführungsrille entspricht 1/8 der Wellenlänge des Leselichts, welcher Wert optimal für die Spurführungsregelung nach der Hin- und Herschiebemethode ist. Eine optische Aufzeichnungsplatte D₀ weist zum Beispiel den in Fig. 1 dargestellten Aufbau auf. Auf der Oberfläche 1a eines Substrates 1 aus Glas oder Acrylharz ist eine dünne Aufzeichnungsschicht 2 aufgebracht. In das Substrat 1 sind Spurführungsrillen PG₀ eingeformt. Die Aufzeichnungsschicht 2 ist durch eine Harzschicht 3 schützend abgedeckt. Leselicht L₀ fällt durch das Substrat hindurch von dessen einer Oberfläche 1b her auf die Aufzeichnungsschicht 2 an der anderen Oberfläche 1a. Das Leselicht L₀ durchquert also das Substrat 1, bis es zu den Spurführungsrillen PG₀ gelangt. Die effektive Tiefe der Spurführungsrillen PG₀ ist damit 1/n₀ von 1/8 der Wellenlänge des Leselichtes, wobei n₀ der Brechungsindex des Materiales des Substrates 1 ist.

Eine Spurführungsregelung wird auf Grund eines Beugungssignales durchgeführt, das von der Tiefe der Spurführungsrille abhängt. Dadurch folgt ein Lichtstrahl der Spur.

Dabei wird der Kontrast der Schreibvertiefung beim Auslesen dadurch geringfügig erniedrigt, daß eine Differenz zwischen der effektiven Tiefe der Spurführungsrillen PG₀ und 1/8 der Wellenlänge des Leselichtes besteht. Da jedoch der Kontrast des Aufzeichnungsmediums nach dem Ausbilden der Vertiefungen (Löcher) in der dünnen Aufzeichnungsschicht 2 groß ist, ist eine solche Verringerung des Kontrastes während dem Lesen vernachlässigbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufzeichnungsträger der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis für das ausgelesene Signal möglich ist als bisher.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Hauptanspruch gekennzeichnet. Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist Gegenstand eines Unteranspruches.

Beim erfindungsgemäßen Aufzeichnungsträger wird ein Aufzeichnungsmaterial verwendet, das in einem Bereich, in dem eine Aufzeichnung stattgefunden hat, einen höheren Reflexionskoeffizienten aufweist, als in einem nicht beschriebenen Bereich. Die Phasentiefe

Φ₀ = 2 · n · d/λ · 2π

der Spurführungsrillen ist so gewählt, daß sinΦ₀ < 0, wenn R₂-R₁ < 0 und die Phase voreilt, und sinΦ₀ < 0, wenn R₂-R₁ < 0 und die Phase nacheilt. Auf Grund der Verwendung eines solchen Aufzeichnungsmaterials kann die Aufzeichnung mit hoher Geschwindigkeit stattfinden. Die Phase von einer Schreibvertiefung reflektiertem Leselicht liegt nahe derjenigen von Licht, das von anderen Plattenbereich als den Spurführungsrillen reflektiert ist. Auf Grund der Beziehung zwischen Änderungen des Reflexionskoeffizienten des Aufzeichnungsmaterials und der Tiefe der Spurführungsrillen ist der Kontrast einer Schreibvertiefung verbessert und Signale mit einem hohen Signal/Rausch-Verhältnis werden erzielt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht einer optischen Aufzeichnungsplatte;

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein zweidimensionales Beugungsobjekt als Modell zum Erhalten einer Amplitudenverteilung für reflektiertes Licht von einer Objektivlinsenfläche;

Fig. 2B einen Querschnitt entlang der Linie B-B in Fig. 2A;

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Verteilung reflektierten gebeugten Lichts von der Objektivlinsenfläche dargestellt ist,

Fig. 4 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Phasentiefe Φ₀ von Spurführungsrillen und den Spitze-Spitze-Wert (P-P) eines Lesesignals (H. F.) für vorgegebene Phasendifferenzen R von reflektierten Strahlen vor dem Einschreiben von Daten in ein Aufzeichnungsmaterial und danach;

Fig. 5 eine schematische Darstellung geometrischer Verhältnisse zum Erläutern einer Gleichung, die die Phasentiefe Φ₀ der Spurführungsrillen beschreibt;

Fig. 6A und 6B Diagramme, die, abhängig von zwei unterschiedlichen Vorgaben, die Beziehung zwischen der Phasendifferenz R und der Phasentiefe Φ₀ darstellen, für die der Spitze-Spitze-Wert (P-P) maximal wird;

Fig. 7A und 7B schematische Darstellung vertiefter und erhabener Spurführungsrillen mit einer Phasentiefe Φ₀;

Fig. 8 ein Diagramm zum Veranschaulichen von Phasenbeziehungen von Leselicht, das in unterschiedlichen Plattenbereichen reflektiert wird;

Fig. 9 einen Teilschnitt durch eine optische Aufzeichnungsplatte rechtwinklig zu den Spurführungsrillen;

Fig. 10 ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen der Dicke eines dünnen Antimon-Selen-Filmes und Reflexionskoeffizienten |r₁|² und |r₂|² und die Beziehung zwischen der Filmdicke und den Phasen R₁ vor einem Einschreiben und R₂ nach einem Einschreiben aufgetragen sind; und

Fig. 11 ein Diagramm über den Zusammenhang zwischen der Phasentiefe Φ₀ der Spurführungsrillen und dem Spitze-Spitze-Wert (P-P).

Es wird zunächst das dem Anmeldegegenstand zugrundeliegende Prinzip erläutert und dann wird derselbe an Hand eines Ausführungsbeispieles näher dargestellt.

Wenn komplexe Reflexionskoeffizienten für ein Material vor und nach dem Einschreiben von Daten, die Form einer Spurführungsrille und die Form einer Schreibvertiefung gegeben sind, kann die Amplitude des von einer Objektivlinsenfläche reflektierten Leselichtes gemäß der Theorie von H. H. Hopkins berechnet werden (Journal of Optical Society of America, Bd. 69, Nr. 1, Jan. 1979, Diffraction theory of laser readout systems for optical video discs).

Als Modell wurde ein zweidimensionales Beugungsobjekt O, wie in den Fig. 2A und 2B dargestellt, verwendet. Es weist eine Länge P₀ auf, die einer Lesewellenlänge entspricht (Schreibperiode auf einer Spur). Die Breite des Beugungsobjektes entspricht einer Spurbreite q₀. In Längsrichtung liegt eine Spurführungsrille PG mit einer Breite δ₀ und einer Tiefe expiΦ₀ vor. In der Mitte der Spurführungsrille PG ist eine Schreibvertiefung PT der Länge β₀ und der Breite γ₀ vorhanden. Werte für P₀, q₀, β₀, γ₀ und δ₀ wurden durch Messung erhalten. Φ₀ ist die Phasentiefe der Spurführungsrille PG in Bezug auf die Wellenlänge des Leselichtes.

Es sei angenommen, daß das Leselicht von einem Halbleiterlaser mit der Wellenlänge λ punktförmig durch eine (nicht dargestellte) Objektivlinse auf das zweidimensionale Beugungsobjekt O rechtwinklig zur Papierebene der Zeichnung von Fig. 2A fokussiert ist. Es wird dann ein x-y-Koordinatensystem gewählt, das rechtwinklig zur optischen Achse des reflektierten und gebeugten, auf die Objektivlinsenfläche fallenden Lichtes ist, wobei die x-Achse in Spurrichtung liegt. Es wird dann eine (m, n)te Verteilung gebeugten Lichtes normal zur Linsenpupille gebildet, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.

Die Amplitudenverteilung a(x, y) reflektierten Lichtes auf der Objektivlinsenfläche, d. h. der x-y-Ebene, ist durch folgende Gleichung 1 gegeben:

a(x, y) = (Phasenverschiebungsgröße) × (Fourier-Spektrumsgröße gebeugten Lichts, das von der Form der Schreibvertiefung PT abhängig) × (Pupillenfunktionsgröße)

Wenn angenommen wird, daß die Schreibvertiefung PT Rechteckform aufweist, wie dies in den Fig. 2A und 2B dargestellt ist, und daß auch die Spurführungsrille PG Rechteckform aufweist, gilt:

R(m, n) = r₁ · SINC(m) · SINC (n)
+ r₁ · (expiΦ₀-1) · δ/q · SINC(m) · SINC(n · δ/q) × (r₂-r₁) · expiΦ₀ · β/p · γ/δ · SINC (m · β/p) · SINC (n · γ/δ)

für p = NA/λ · P₀, γ = NA/λ · γ₀, q = NA/λ · q₀, δ = NA/δ · δ₀, und β = NA/λ · β₀

wobei:
r₁ und r₂: komplexe Reflexionskoeffizienten eines Aufzeichnungsmaterials vor bzw. nach dem Einschreiben von Information;
NA: numerische Appertur der Objektivlinse,
u und v: Koordinaten, die die Abweichung eines Leselichtstrahls von einer Schreibvertiefung PT angeben; und
SINC x ≡ SINC πx/x ist eine Synchronisierfunktion.

In der Gleichung (1) wurden vorgegebene Werte eingesetzt. Dadurch wurde ein Betrag des Lesesignals H. F. als Spitze-Spitze-Wert P-P erhalten. In Fig. 4 ist die Beziehung zwischen der Größe H. F. (P-P) und der Phasentiefe Φ₀ der Spurführungsrille PG dargestellt. Es ist zu beachten, daß die Lesesignalgröße H. F. (P-P) dadurch erhalten wurde, daß die Spurführungsrille entlang der Spurrichtung mit einem Leselichtfleck über einen Weg abgetastet wurde, der einer Schreibwellenlänge p₀ entspricht. Die Kurven gemäß Fig. 4 werden nun näher erläutert.

Für die Kurven a-h in Fig. 4 gilt folgendes:
r₁ und r₂: komplexe Reflexionskoeffizienten des Aufzeichnungsmaterials vor bzw. nach dem Einschreiben von Daten, wobei

r₁ = R₁ · expiR₁

r₂ = R₂ · expiR₂

R₁ und R₂: absolute Werte der komplexen Reflexionskoeffizienten des Aufzeichnungsmaterials vor bzw. nach dem Einschreiben von Daten,
R₁ und R₂: Phasen reflektierten Leselichtes vor und nach dem Einschreiben von Daten in das Aufzeichnungsmaterial,

|r₁ |² = 0,1

|r₂ |² = 0,3

|r₁ |² und |r₂ |² = Reflexionskoeffizienten (Energie)

Für die Phasendifferenz R gilt:

R = R₂ - R₁

mit 0° (Kurve a), 45° (Kurve b), 90° (Kurve c), 135° (Kurve d), 180° (Kurve e), 225 (-135)° (Kurve f), 270 (-90)° (Kurve g) und 315 (-45)° (Kurve h).

In jedem dieser Fälle wurde die Phasentiefe

Φ₀ = 2 · n · d/λ · 2π

der Spurführungsrille PG kontinuierlich zwischen +180° und -180° (+λ/2 bis -λ/2) verändert. Dabei ist angenommen, daß Leselicht L mit der Wellenlänge durch ein Medium mit dem Brechungsindex n tritt, das die Spurführungsrille PG abdeckt. Weiter ist angenommen, daß der Lichtfleck auf eine Spurführungsrille PG mit einer Stufenhöhe d fällt, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.

Für weitere angenommene Daten gilt das folgende:

β/p = 0,6
γ/q = 0,4
δ/q = 0,4

Aus diesen Kurven a bis h folgt, daß der Lesesignalwert H. F. (P-P) maximale Werte bei besonderen Werten der Phasentiefe Φ₀ der Spurführungsrillen PG in Übereinstimmung mit Werten der Phasendifferenz R einnimmt.

Das Diagramm gemäß Fig. 6A folgt aus den Kurven des Diagramms gemäß Fig. 4. Es sind diejenigen Punkte, zu denen die Lesesignalgröße H. F. (P-P) maximal wird, aufgetragen, um die Beziehung zwischen der Phasentiefe Φ₀ der Spurführungsrille PG und der Phasendifferenz R darzustellen, für die der Lesesignalwert H. F. (P-P) maximal wird.

Das Diagramm gemäß Fig. 6B zeigt einen entsprechenden Zusammenhang, wobei jedoch gilt:

|r₁ |² = 0,1

|r₂ |² = 0,2

Aus den Diagrammen der Fig. 6A und 6B ist ersichtlich, daß mit den Änderungen in den komplexen Reflexionskoeffizienten r₁ und r₂ vor bzw. nach dem Einschreiben von Daten in das Aufzeichnungsmaterial folgendes gilt:
wenn R₁ < R₂, d. h., wenn der Schreibbereich oder die Schreibvertiefung des Aufzeichnungsmaterials einen erhöhten absoluten Wert (Energiereflexionskoeffizient) des komplexen Reflexionskoeffizienten aufweist und wenn R = R₂ - R₁ < 0 (wenn die Phasendifferenz positiv ist und die Phase voreilt), dann gilt für die optimale Phasentiefe Φ₀ der Spurführungsrille PG Φ₀ < 0.

Wenn R₁ < R₂ und R = R₂ - R₁ < 0 (wenn die Phasendifferenz negativ ist und die Phase nacheilt), gilt für die optimale Tiefe Φ₀ der Spurführungsrille PG Φ₀ < 0.

Das Vorzeichen der Phasentiefe Φ₀ der Spurführungsrille PG ist so bestimmt, daß sie negativ ist, wenn die Spurführungsrille PG von der Seite des einfallenden Lichtes L eingeschnitten ist, wie dies in Fig. 7A dargestellt ist und daß die Phasentiefe Φ₀ positiv ist, wenn die Spurführungsrille PG aus derselben Blickrichtung gesehen erhaben ist, wie dies in Fig. 7B dargestellt ist. Dies gilt jedoch nur innerhalb der folgenden Bereiche für die Phasendifferenz R und die Φ₀:

-180° ≦ R = R₂ - R₁ ≦ 180°
-180° ≦ Φ₀ ≦ 180°

Wenn |Φ₀ | < 180°, dann ist sinΦ₀ < 0, wenn Φ₀ = R₂ - R₁ < 0 und sinΦ₀ < 0, wenn Φ₀ = R₂ - R₁ < 0. Dies gilt auch, wenn |Φ₀ | ≦ 180°.

Fig. 8 zeigt die Phasenbeziehung für Leselicht, das in unterschiedlichen Bereichen einer optischen Aufzeichnungsplatte reflektiert wird. Wenn für die Phasendifferenz R, also die Phasentiefe Φ₀ der Spurführungsrille PG die oben angegebene Beziehung gilt, liegt die Phase (R₂ + Φ₀) von Leselicht, das von einer Schreibvertiefung PT reflektiert wird, nahe der Phase R₁ von Licht, das von einem anderen Plattenbereich als einer Spurführungsrille PG reflektiert wird. Dadurch ist der Kontrast der Schreibvertiefung PT erhöht.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

In Fig. 9 ist eine optische Aufzeichnungsplatte D als Beispiel eines optischen Aufzeichnungsträgers vom Reflexionstyp dargestellt, der Antimon-Selen SB₂Se₃ verwendet.

Auf einer Oberfläche 11a eines Substrates 11 aus Acrylharz, auf der Spurführungsrillen PG ausgebildet sind, ist eine dünne Aufzeichnungsschicht 12 aus Antimon-Selen Sb₂Se₃ aufgebracht. Eine Wismut-Tellur-Schicht 13 ist als Schutzschicht aufgebracht, um die Aufzeichnungsschicht 12 abzudecken. Leselicht L fällt auf die Aufzeichnungsschicht durch das Substrat 11 hindurch. Das Substrat 11 deckt also die Spurführungsrillen PG ab. Es weist ein Material mit einem Brechungsindex n auf, durch das das Licht einfällt und wieder austritt.

Die Dicke der Aufzeichnungsschicht 12 aus Antimon-Selen Sb₂Se₃ der optischen Aufzeichnungsplatte D dieses Aufbaus wurde variiert und der Brechungsindex und dergleichen wurde vor und nach dem Einschreiben von Daten gemessen. Es wurden also die Brechungsindizes für einen Datenschreibbereich oder eine Schreibvertiefung und für andere Teile der Platte gemessen. Auf Grund der Meßwerte wurden die Energiereflexionskoeffizienten |r₁ |² und |r₂ |² und die Phasen R₁ und R₂ berechnet und im Diagramm gemäß Fig. 10 aufgetragen. Abhängig von der Dickenänderung der Aufzeichnungsschicht 12 aus Antimon-Selen Sb₂Se₃ ändern sich die Energiereflexionskoeffizenten (Kurve I = Energiereflexionskoeffizient |r₁ |² vor dem Einschreiben von Daten; Kurve II = Energiereflexionskoeffizient |r₂ |² nach dem Einschreiben von Daten) und die Phasen (Kurve III = Phase R₁ vor dem Einschreiben von Daten; Kurve IV = Phase R₂ nach dem Einschreiben von Daten), wie dies in Fig. 10 dargestellt ist. Aus Fig. 10 ist ersichtlich, daß die optimale Dicke für die Aufzeichnungsschicht 12 aus Antimon-Selen Sb₂Se₃ vorzugsweise im Bereich zwischen 40 nm (400 Å) und 50 nm liegt.

Wenn die Dicke der Aufzeichnungsschicht 12 in diesem Bereich liegt, gilt für die Energiereflexionskoeffizienten des Aufzeichnungsmaterials vor und nach dem Einschreiben von Daten:

|r₁ |² ≅ 0,1
|r₂ |² ≅ 0,3

und für die Phasendifferenz R vor und nach dem Einschreiben der Daten gilt:

R = R₂ - R₁ ≅ 80°

R ist positiv und die Phase eilt vor.

Die Lesesignalgröße H. F. (P-P) wurde für verschiedene Werte der Phasentiefe Φ₀ der Spurführungsrille PG gemessen, wobei die Dicke der Aufzeichnungsschicht 12 aus Antimon-Selen Sb₂Se₃ 40 nm (Kurve A), 45 nm (Kurve B) und 50 nm (Kurve C) war. Die Ergebnisse sind in Fig. 11 dargestellt.

Aus dem Diagramm gemäß Fig. 11 ist ersichtlich, daß für die optimale Phasentiefe Φ₀ gilt:

Φ₀ ≒ -90°

wenn Antimon-Selen Sb₂Se₃ als Aufzeichnungsmaterial verwendet wird. Die Phasentiefe Φ₀ ist dabei die Phasentiefe der Spurführungsrille PG, bei der eine maximale Lesesignalgröße H. F. (P-P) erhalten wird.

Statt einer optimalen Aufzeichnungsplatte kann als optischer Aufzeichnungsträger vom Reflexionstyp auch eine optische Aufzeichnungskarte oder eine optische Aufzeichnungsfolie oder dergleichen verwendet werden. Darüberhinaus muß das Aufzeichnungsmaterial nicht notwendigerweise auf der gesamten Oberfläche einer Platte aufgebracht sein, in der Spurführungsrillen ausgeformt sind. Das Aufzeichnungsmaterial muß nur in dem Bereich der Oberfläche vorhanden sein, auf den Leselicht auffällt. Leselicht kann auf das Aufzeichnungsmaterial direkt von der Luft oder dergleichen aus auffallen, ohne zunächst durch ein Substrat treten zu müssen.

Der Begriff "vor dem Einschreiben von Daten in das Aufzeichnungsmaterial" bezieht sich auf einen Bereich des Aufzeichnungsmaterials, in dem keine Daten eingeschrieben sind. Der Begriff "nach dem Einschreiben von Daten in das Aufzeichnungsmaterial" bezieht sich auf Bereich, in die Daten eingeschrieben sind, d. h. auf Schreibvertiefungen.

Claims

1. Optischer Aufzeichnungsträger vom Reflexionstyp, der beschreibbar ist und auf dessen einer Oberfläche Spurführungsrillen (PG) ausgebildet sind, mit einer Schicht (12) als Aufzeichnungsmaterial, das in Bereichen (PT) mit eingeschriebener Information einen höheren Reflexionskoeffizienten aufweist als in einem nicht mit einer Aufzeichnung versehenen Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Spurführungsrillen (PG) mit einer solchen Phasentiefe (2 · n · d/λ · 2π) ausgebildet sind, daß gilt: sin (2 · n · d/λ · 2π) < 0 für R₂ - R₁ < 0 undsin (2 · n · d/λ · 2π) < 0 für R₂ - R₁ < 0,wobei:
n: Brechungsindex des Materials (11) des Aufzeichnungsträgers, in dem die Spurführungsrillen (PG) ausgebildet sind und durch das Leselicht (L) ein- und austritt;
d: Dimension einer Spurführungsrille (PG) senkrecht zur Oberfläche des optischen Aufzeichnungsträgers,
λ: Wellenlänge des Leselichts; und
R₁ und R₂: die Phasen des reflektierten Leselichtes vor bzw. nach dem Einschreiben von Daten in das Aufzeichnungsmaterial sind, und wobei sich aus dem Vorzeichen für den Wert der Dimension d der Spurrille in Abhängigkeit von den Werten R₁, R₂, λ und n (d = f(R₁, R₂, λ, n)) ergibt, ob die Spurrille als Erhöhung oder Vertiefung auszubilden ist.

2. Aufzeichnungsträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufzeichnungsmaterial aus Antimon-Selen (Sb₂Se₃) und/oder Telluroxid (TeO_x mit x≈1) besteht.