JP2006209898A - 光学情報記録媒体及び光学情報再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長４００ｎｍ前後レーザ光に対して、特に光吸収層を付加することなく媒体超解像を可能とする光学情報記録媒体を提供する。
【解決手段】 レーザ光照射により情報の再生を行う光ディスク１０において、透明基板１１上に温度上昇とともに光学特性が非線形に変化する超解像層１２を具備する。超解像層１２は波長３８０−４３０ｎｍの光に対して非線形な光学特性を有し、かつ波長３８０−４３０ｎｍにおける消衰係数が常温において０．２以上であることを特徴とする。より具体的にはＧｅを主成分として、Ａｌ又はＣｒ等を含む膜を超解像層として使用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光照射により情報の再生を行う光学情報記録媒体に関し、特に、再生時のレーザパワ増加とともに光学情報記録媒体の光学特性が非線形に変化する、いわゆる超解像媒体等に関する。

レーザ光照射により情報の再生を行う光学情報記録媒体の一例として、光ディスクが知られている。光ディスクは、その機能によって、記録された情報の再生だけを行う再生専用型（ＲＯＭ）と、一回だけ記録可能な追記型と、データの書き換えが可能な書き換え型とに区分される。

このうちＲＯＭは、射出成型という技術を用いることで、廉価にかつ高速に複製ができることから、画像又はパッケージソフト等の配布媒体として広く普及している。ＲＯＭの普及に牽引される形で、追記型及び書き換え型の市場も拡大してきた。今後、画像の高品質化が更に進展することを考慮すると、光ディスクには更なる大容量化が望まれる。

光ディスクの容量は、情報の再生に用いられるレーザ光のビーム径に、基本的に依存している。ビーム径が小さいほど、より高密度な情報を誤り無く再生することが可能となる。ＲＯＭの場合には、基板に形成された幾何学的な凹凸（一般にピットと称される）が情報を表しており、容量を増加させるにはより微少なピットを形成する必要がある。この微少なピットからの情報を正確に読みとることには、基本的にはレーザ光のビーム径を小さくすることが最も有効である。

ところで、レーザダイオードから発生する光は、対物レンズを通じて集束しても回折の影響のために、一点としては集束されず、有限幅を有するビームとして形成される。この現象を一般に回折限界と呼んでおり、レーザ光の波長がλ、対物レンズの開口数がＮＡ（Numerical Aperture）であるとき、λ／(４ＮＡ)が再生分解能の限界となる。例えば、λ＝４０５ｎｍ、ＮＡ＝０．６５の場合には、１５６ｎｍ以下の長さのピットを正確に読み取ることはできない。したがって、例えば１５６ｎｍ以下の長さのピットを正確に読みとるには、レーザ光の波長を４０５ｎｍより短くするか、又は対物レンズのＮＡを０．６５より大きくしなければならない。しかし、現在のレーザ技術としては短波長のレーザを提供することに限界があり、また、開口数の大きい対物レンズを製造するにはコスト的な限界がある。更に、対物レンズの開口数が大きくなるほど、光ピックアップと光ディスクとの間の距離が小さくなるため、光ヘッドと光ディスクとの衝突によってディスク表面が損傷するので、データ損失の恐れが大きくなる。

光ディスクの回折限界を超える技術として、媒体超解像技術が知られている。この媒体超解像技術では、光学特性又は磁気特性等の物性が温度によって非線形に変化する膜が用いられる。例えば、特許文献１に記されているような、一定温度以上になると透過率が減少する膜を用いた場合について説明する。光ディスク上に集光されたレーザ光の強度は一定ではなく、ガウス分布に近い強度分布を持っているので、レーザ光が照射された膜内には温度分布が生じる。その結果、有限の大きさのレーザビーム内に、温度上昇に応じて、透過率が高い領域と透過率が低い領域とが混在することとなる。この場合、透過率が高い領域でのみディスク上に形成された情報を再生することが可能であるので、情報の再生に用いるレーザ光のビーム径を見かけ上小さくでき、回折限界以下の微少なピットからの情報を再生することが可能である。

膜の光学特性は波長に依存するので、より容量の大きな光ディスクを実現するには、物理的にビーム径を小さくすることのできる短波長領域で非線形な光学特性（超解像特性）を有する膜を見いだす必要がある。現在市販されている半導体レーザの最も短い波長は４００ｎｍ前後であるので、波長４００ｎｍ前後で超解像特性を有する膜が必要である。

このような特性を有する膜として、ＺｎＯ（酸化亜鉛）が知られている。ただし、ＺｎＯは、温度上昇とともに波長４００ｎｍでの透過率が低下する特性を有するものの、波長４００ｎｍ近傍の光をほとんど吸収しない。そのため、光ディスクに適用した場合、ＺｎＯ単体ではレーザ光を照射しても温度が上昇しないため超解像特性を実現することができない。ＺｎＯを用いる場合には、ＺｎＯに接して光吸収層を設けてＺｎＯの温度を増加させることが、超解像効果の発現に不可欠となる。

特開平７−３２０３０１号公報

しかしながら、超解像層に光吸収層を付加することは、次の問題があった。（１）層構成が複雑になる。（２）超解像層の温度分布は、光吸収層から拡散してきた熱によって決まるため、光吸収層及び超解像層の両方の熱物性に依存する。その結果、超解像層の温度分布の制御が困難となる。

そこで、本発明の目的は、波長４００ｎｍ前後レーザ光に対して、特に光吸収層を付加することなく媒体超解像を可能とする光学情報記録媒体等を提供することにある。

本発明は、レーザ光照射によって情報の再生が行われる光学情報記録媒体である。そして、この光学情報記録媒体は、温度上昇とともに光学特性が変化する超解像層を少なくとも具備した記録層を基板上に有する。この超解像層は、波長３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの光に対して温度変化とともに非線形に光学定数が変化するとともに、波長３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの光における消衰係数が常温において０．２以上である。消衰係数が常温において０．２未満では、光吸収が不十分である。なお、消衰係数が常温において５を越えると光透過率がほぼ零になるので、消衰係数が温度変化とともに変化しても、超解像効果は起こりにくくなる。

また、本発明は、次のように言い換えることもできる。透明基板と超解像層との少なくとも二層を備え、透明基板の超解像層に接する面にピットが形成された、光学情報記録媒体である。超解像層は、Ｇｅを含む材料から成り、光吸収層及び光反射層の機能を有する。この光学情報記録媒体の作用を説明する。レーザ光は、透明基板側から照射され、透明基板を透過してピットの底面に到達し、超解像層で反射する。このとき、超解像層は、レーザ光の見かけ上のスポット径を縮小させる超解像層本来の機能他に、適度な光学特性によって光吸収層及び光反射層としての機能も発揮する。このような機能は、Ｇｅを含む材料で超解像層を構成することによって実現される。

また、超解像層は、Ｇｅを主成分としてもよく、Ａｌ又はＣｒを含んでもよい。Ａｌ又はＣｒは、所望の消衰係数を得るためにＧｅに添加する。超解像層の膜厚は、例えば２０ｎｍ〜８０ｎｍとすることが好ましい。２０ｎｍ以下では光の吸収が少なすぎるため、８０ｎｍ以上では光の吸収が多すぎるため、それぞれ分解能が低下する。更に、再生パワ調整のためのテスト領域を有する、としてもよい。なお、超解像層に占めるＧｅの割合は、６０ｗｔ％以上かつ１００ｗｔ％以下とすることが好ましい。６０ｗｔ％未満では、Ｇｅに起因する超解像効果が発現しにくくなる。

本発明に係る光学情報再生装置は、本発明に係る光学情報記録媒体にレーザ光を照射して情報の再生を行うものである。このとき、再生時のレーザ光のパワを、トラックエラー信号と再生信号振幅とに基づいて決定する、又は、テスト領域において最適化する、としてもよい。

換言すると、上記課題を解決するために、本発明は、レーザ光照射により情報の再生を行う光学情報記録媒体であって、温度上昇とともに光学特性が変化する超解像層を少なくとも具備した記録層を基板上に有し、前記超解像層は波長３８０−４３０ｎｍの光に対して温度上昇とともに光学定数が非線形に変化する特性を有し、かつ波長３８０−４３０ｎｍの光における消衰係数が常温において０．２以上であることを特徴とする。また、前記超解像層がＧｅを主成分とすることを特徴とする。更に、前記超解像層の膜厚が２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明に係る光学情報再生装置は、波長３８０−４３０ｎｍの光に対して温度上昇とともに光学特性が変化する光学情報記録媒体に、レーザ光を照射して情報の再生を行う光学情報再生装置であって、テスト領域において再生パワの最適化を行う機能を有することを特徴とする。

本発明によれば、物理的にビーム径を小さくすることができる波長４００ｎｍ近傍のレーザ光を用いて、回折限界以下の微少なピットからの情報を正確に読みとることができるので、記録容量を大幅に向上させることが可能となる。しかも、光吸収層及び光反射層が不要となるので、構成を簡略化できるとともに、光吸収層又は光反射層を設けることによる不都合も回避できる。

図１は、本発明に係る光学情報記録媒体の一実施形態を示す概略断面図である。以下、この図面に基づき説明する。本実施形態では、「光学情報記録媒体」を具体化して「光ディスク」と呼ぶことにする。

本実施形態の光ディスク１０は、再生専用の光学情報記録媒体であり、透明基板１１、超解像層１２、接着層１３及びダミー基板１４の四層構造となっている。詳しくは、情報を担うピット１５の列が形成された透明基板１１上に、Ｇｅを主成分とする超解像層１２をスパッタリング法などにより形成し、紫外線硬化樹脂などからなる接着層１３を介してダミー基板１４と貼り合わせた構成となっている。光ディスク１０によれば、超解像層１２が光反射層としての機能も有しているので、光反射層を設ける必要が無い。また、超解像層１２がレーザ光Ｌを吸収する性質を有するので、光吸収層を設ける必要も無い。また、光学特性調整のため、又は、耐候性向上のために、保護層を超解像層１２の上下のいずれか一方又は両方に設けても良い。

なお、実際の超解像層１２及び接着層１３ではピット１５の凹凸に沿って凹凸が生ずるが、図面では簡略化して描いている。また、膜厚やピット１５の大きさも、実際の寸法どおりではない。

図２は、本発明に係る光学情報再生装置の一実施形態を示すブロック図である。以下、この図面に基づき説明する。

本発明に係る光学情報再生装置２０は、本発明に係る光ディスク１０にレーザ光Ｌを照射して情報の再生を行うものであり、コントローラ２１、レーザ駆動回路２２、光ヘッド２３、再生回路２４、分解能計測器２５、サーボ回路２６、トラックエラー振幅計測器２７等を備えている。

光ディスク１０に照射されるレーザ光Ｌの強度はレーザ駆動回路２２によって制御され、また、レーザ光Ｌの集光位置はサーボ回路２６によって制御される。光ディスク１０の厚さ方向に対するレーザ光Ｌの制御は通常フォーカスサーボと呼ばれ、ナイフエッジ法や非点収差法などによりサーボをかけるためのエラー信号が生成される。光ディスク１０の半径方向に対するレーザ光Ｌの制御（ディスク回転時にピット列や案内溝に沿ってレーザ光Ｌを追従させる）は通常トラッキングサーボと呼ばれ、ＤＰＤ法、プッシュプル法などによってサーボをかけるためのエラー信号が生成される。

本実施形態の光学情報再生装置２０では、温度上昇とともに光学特性が非線形に変化する超解像層を有する光ディスク１０を用いて情報の再生を行うので、レーザ光Ｌの強度とともに光ディスク１０からの再生信号が非線形に変化することとなる。したがって、予め最適な再生パワを定める必要がある。最適な再生パワは予めコントローラ２１側に設定しておいてもよいが、光ディスク１０の特性のばらつき又は光ヘッド２３のビーム径のばらつき等を考慮すると、個々の光ヘッド２３及び光ディスク１０の組み合わせにおいて最適再生パワを学習することが望ましい。光学情報再生装置２０では、光ディスク１０中に設けられたテストエリアにおいて再生パワの最適化を行う。

なお、テストエリアは光ディスク１０の内周部又は外周部など、ユーザ情報が記録されていない領域に、適宜設けることが可能である。また、テストエリアに形成するパタンは、ランダムパタンでも良いが、長いマークと短いマークとの交互の繰り返しのように、分解能が計測しやすいパタンとすることもできる。

再生パワ最適化の手順は、次の通りである。フォーカスサーボのみをかけた状態で、再生パワを変化させてトラックエラー信号（ＲＯＭの場合であれば例えばＤＰＤ信号）の振幅を計測する。初期の再生パワは、例えば光ディスク１０の一般的な再生パワである０．５ｍＷ程度に設定すればよい。あるパワ範囲では、エラー信号の振幅は再生パワの増加とともに単調に増加する。しかし、あるパワを越えると、基板に熱的な損傷が加わることにより、基板の物理的な溝深さが変化（基板材のプラスチックの一部が溶融して移動する溝深さが減少）するため、トラックエラー信号振幅が減少し始める。このパワをＰ１とする。その後、フォーカスサーボ／トラックサーボともに投入した状態で、再生パワを変化させて、分解能（最長ピットからの再生信号振幅に対する、最短ピットからの再生信号振幅比）を計測する。超解像が起きていない状態では、最短ピットを再生することができないため、分解能は０である。しかし、再生パワがあるしきい値を越えると、超解像効果によりある一定の分解能で最短ピットを再生することが可能となる。このしきい値パワをＰ２とする。再生パワを（Ｐ１＋Ｐ２）／２に設定することで、光ディスク１０に熱的な損傷を与えず、良好な信号品質で回折限界以下のピットからの情報を安定にかつ多数回再生することが可能である。

厚さ０．６ｍｍのポリカーボネート基板（透明基板）に最短１３０ｎｍ、深さ６０ｎｍのピットが形成されたＲＯＭ用基板に超解像層を付加し、波長４０５ｎｍ、ＮＡ＝０．６５の光ヘッドを用いて、線速６．６ｍ／ｓにて評価を行った。基板に形成されているピット列は（１−７）変調で記録されており、最短ピットが１３０ｎｍ、最長ピットが５２０ｎｍであった。超解像層として、Ｇｅ９５Ａｌ５ｗｔ％膜をマグネトロンスパッタリング法により６０ｎｍ成膜した。ＧｅＡｌ膜成膜後、通常の光ディスクと同様に、紫外線硬化樹脂によりダミー基板と貼り合わせを行って最終的なディスク形態とした。

再生パワに対する分解能の変化を調べた結果を図３に示す。図３から、本発明に係る光ディスクは、ＧｅＡｌ単層という単純な構成であるにもかかわらず、波長４０５ｎｍのレーザ光照射に対して、しきい値（ここでは１．０ｍＷ）以下の再生パワでは分解能がほぼ０であり、しきい値以上のパワでは分解能が大きくなるという超解像効果が見られることが分かる。なお、再生パワ３ｍＷ以上では基板の熱損傷が大きく、トラッキングサーボをかけることはできなかった。

波長４０５ｎｍにおけるＧｅＡｌの光学定数は常温では（２．４、１．１）であり、また、４００℃では、（２．３、０．９）であった。ＧｅＡｌは波長４０５ｎｍの光を吸収することから、単層であってもレーザ光照射により温度が上昇し、昇温領域でのみ光学特性が変化し超解像効果が現れたと考えられる。なお、光学定数は（屈折率、消衰係数）である。

Ｇｅ単体でも超解像効果を起こすことは可能であるが、ＡｌやＣｒなどを添加することにより消衰係数が増加するので、吸収率を高めて、より低パワで超解像を起こすことが可能となる。なお、熱吸収層を付加することなく超解像効果を起こすためには、超解像層で一定の吸収率が必要となるため、消衰係数が０．２以上であることが望ましい。

実施例１と同様の光ディスクを作成し、実施例１と同じ光学系を用いて再生評価を行った。実施例１との違いは、ＧｅＡｌの膜厚を１５ｎｍ〜９０ｎｍの範囲で変化させた点である。

表１に、ＧｅＡｌ膜厚と分解能との関係を示す。表１から明らかなように、好適なＧｅＡｌの膜厚範囲は、２０〜８０ｎｍであることが分かる。膜厚が８０ｎｍより厚い場合には、膜厚方向への温度分布が大きくなることにより、光学特性が非線形に変化する領域の大きさについて膜厚方向で不均一になってしまい、超解像性能が低下した。一方、膜厚が２０ｎｍより薄い場合には、膜中の欠陥が増えるために、超解像性能が低下した。

表１：ＧｅＡｌ膜厚と分解能の関係
≪ＧｅＡｌ膜厚≫ １５ｎｍ ２０ｎｍ ６０ｎｍ ８０ｎｍ ９０ｎｍ
≪分解能≫ ０．０３ ０．０８ ０．１ ０．０９ ０．０５

本明細書ではＡｌを添加した場合について説明したが、Ｃｒを添加した場合でも同様に分解能が向上することを確認した。また、Ｇｅ単層の場合であっても、最適な再生パワは増加したものの分解能の向上が確認できた。

本発明に係る光学情報記録媒体の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明に係る光学情報再生装置の一実施形態を示すブロック図である。 実施例１における再生パワと分解能との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 光ディスク（光学情報記録媒体）
１１ 透明基板
１２ 超解像層
１３ 接着層
１４ ダミー基板
１５ ピット
２０ 光学情報再生装置
２１ コントローラ
２２ レーザ駆動回路
２３ 光ヘッド
２４ 再生回路
２５ 分解能計測器
２６ サーボ回路
２７ トラックエラー振幅計測器

Claims (10)

1. レーザ光照射によって情報の再生が行われる光学情報記録媒体において、
   温度上昇とともに光学特性が変化する超解像層を少なくとも具備した記録層を基板上に有し、
   前記超解像層は、３８０ｎｍ以上かつ４３０ｎｍ以下の波長の光に対して温度変化とともに非線形に光学定数が変化するとともに、３８０ｎｍ以上かつ４３０ｎｍ以下の波長の光における消衰係数が常温において０．２以上である、
   ことを特徴とする光学情報記録媒体。
2. 透明基板と超解像層との少なくとも二層を備え、前記透明基板の前記超解像層に接する面にピットが形成された、光学情報記録媒体において、
   前記超解像層は、Ｇｅを含む材料から成り、光吸収層及び光反射層の機能を有する、
   ことを特徴とする光学情報記録媒体。
3. 前記超解像層がＧｅを主成分とする、
   請求項１又は２記載の光学情報記録媒体。
4. 前記超解像層がＡｌ又はＣｒを含む、
   請求項３記載の光学情報記録媒体。
5. 前記超解像層の膜厚が２０ｎｍ以上かつ８０ｎｍ以下である、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の光学情報記録媒体。
6. 前記超解像層は、Ｇｅ９５ｗｔ％及びＡｌ５ｗｔ％から成り、２０ｎｍ以上かつ８０ｎｍ以下の膜厚を有する、
   請求項１又は２記載の光学情報記録媒体。
7. 再生パワ調整のためのテスト領域を有する、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の光学情報記録媒体。
   
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光学情報記録媒体にレーザ光を照射して情報の再生を行うことを特徴とする光学情報再生装置。
9. 前記再生時の前記レーザ光のパワを、トラックエラー信号と再生信号振幅とに基づいて決定する、
   請求項８記載の光学情報再生装置。
10. 請求項７記載の光学情報記録媒体にレーザ光を照射して情報の再生を行うとともに、
    当該再生時の前記レーザ光のパワを、前記テスト領域において最適化する機能を有する、
    ことを特徴とする光学情報再生装置。

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