JP2006216235A - 絞込みレンズ及び光デイスク用ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】球面収差が生じて光スポットがひずまないように、絞り込みレンズの設計仕様を行う。
【解決手段】表面から透明基板を介して複数の記録層が積層された光ディスクに対して、波長λのレーザー光を照射して記録または再生を行う際、前記複数の記録層に対して、球面収差量λ／４以下でレーザー光が集光され、前記複数の記録層のうち、最上層と最下層で、それぞれ最大の球面収差を有するように、構成する
【効果】球面収差が生じて光スポットがひずまないようにし、多層記録再生を実現する。
【選択図】図１

Description

本願発明は光ディスク，光テープ，光カードなどの光学的情報記録装置及び情報再生装置の絞込みレンズ及び光デイスク用ピックアップ装置に係り、特に高記録密度を目的とした情報記録装置及び情報再生装置の絞込みレンズ及び光デイスク用ピックアップ装置に関する。

光学的情報記録再生装置の記録高密度化の方法は、従来２次元的な記録媒体平面上の記録面密度を向上させることであった。しかし、装置の小型化からディスクなどの情報記録媒体の大きさは限定され、平面上での高密度化では限界が生じる。

特開昭59-127237号 特開昭60-202545号 特開昭60-202554号 特開昭63-231738号 特開平1-19535号

そこで、さらに高密度化を達成させる方法として、深さ方向を含めた３次元記録再生方法が必須である。３次元記録再生では、公知例「特開昭59−127237号」に示すように、多層膜構造のディスクを設け、各層に光スポットを絞り込み、データの記録再生する手段がある。しかし、この公知例では、具体的ディスク構造，光学定数の規定、さらには、記録条件の設定方法は述べられておらず、信頼性のある記録が困難である。また、データの読みだし方法についても、受光光学系の構成が不明瞭であり、信頼性のある再生が困難である。

一方、公知例「特開昭６０−２０２５４５号」，「特開昭６０−２０２５５４号」では、各層に回折限界の光スポットを形成するためのディスク膜厚，焦点あわせの方法について述べている。しかし、前者については、明瞭な規定が与えられていない。また、後者については、焦点あわせの原理について述べているが、実際に目標の層に焦点を合わせるためのアクセス方法については述べられていない。さらに、ディスク作成法として、トラッキングのための案内溝を公知例では不可能としており、各層ごとにレーザ露光する方法を示しているが、この方法では、生産性がない。

上記課題を解決するために、表面から透明基板を介して複数の記録層が積層された光ディスクに対して、波長λのレーザー光を照射して記録または再生を行う際、前記複数の記録層に対して、球面収差量λ/4以下でレーザー光が集光され、前記複数の記録層のうち、最上層と最下層で、それぞれ最大の球面収差を有するように、構成する。

本発明によれば、多層膜構造のディスクの各層に光スポットを絞り込み、高い信頼性を持って、データの記録再生できる。

（１）３次元記録再生の基本原理
図１に本発明の３次元記録再生装置の記録再生の原理図を示す。局所的な光照射によって、光学的性質が局所的に変化する記録膜層１と、記録膜層の働きの補助として反射防止，多重反射，光吸収，記録膜層の光学的局所変化の転写，断熱，吸熱，発熱または補強を目的とした層、またはこれらの層の重ねあわせである中間層膜２を光学的に透明な基板３の上に多層に積み重ねたディスク４を有し、各層に絞り込まれた光スポット照射によって各層の局所的光学的性質を２次元的に、かつ各層間で独立に変化させることで、変調後のデータ“１”，“０”に対応した記録を行い、さらに、上記局所的光学的性質の変化を各層への光スポット照射によって反射光量（または透過光量）の変化として検出し、データを再生する。

図１において、ディスク４の構造を、光学的に透明な基板３の屈折率をＮＢ，厚さをｄ０とする。さらに、中間層２と記録膜層１を一組の層として区切り、上層(光入射側)から順に１からＮまで番号を層割り当てる。各層間の距離は隣あう記録膜層ｋ番目と（ｋ−１）番目の膜厚中心間の距離ｄｋで示す。また、任意のｋ番目の記録層と中間層の膜厚をｄＦｋ，ｄＭｋさらに屈折率の実数部をそれぞれ、ＮＦｋ，ＮＭｋとする。また、各層の平面上での局所的光学的性質の変化の周期ｂ［μｍ］とする。絞り込み光学系は、光源として、例えば波長λ［μｍ］の半導体レーザ５を用い、コリメートレンズ６によって、平行光に変換し、偏光ビームスプリッタ７を介して、絞り込みレンズ８に入射させる。ここで、レンズ８の開口数をＮＡＦ、有効半径をａ［mm］、焦点距離をｆＦ（≒ａ／ＮＡＦ）とする。各層に焦点を結ばせることで回折限界の光スポット１１を各層に照射する。

また、受光光学系については、反射受光系を例として示す。ディスク４からの反射光は、レンズ８を通り、ビームスプリッタ７によって受光用の像レンズ９に導かれる。レンズ９の焦点付近に位置する光検出器１０によって、反射光量の変化を電気信号に変換する。像レンズ９の開口数をＮＡＩ、焦点距離をｆＩ（≒ａ／ＮＡＩ）とする。光検出器１０の受光面直径をＤとする。本発明では、光学系として、図２ａに示す平行光学系を例に示したが、図２ｂに示す拡散光学系でも同様に効果を得ることができる。また、受光光学系として、透過光検出系でも本発明と同様の効果を得ることができる。

３次元記録再生において、記録再生を行うための第１の課題は、各層において、光スポットを回折限界まで絞り込むことである。従来の光ディスクでは、一般に記録膜保護のため、基板３越しの１層記録面に光スポットを回折限界で絞り込む。そこで、球面収差が生じて光スポットがひずまないように、基板３の屈折率と膜厚を考慮して、絞り込みレンズ８の設計仕様を行う。ところが、多層ディスク４では、各層の膜厚の影響が無視できず、たとえば公知例「久保田 他：光学、１４（１９８５）、光ディスクにおけるアイパターンのジッタ解析Ｉ〜Ｖ」に示してあるように、層の数が増えるほど球面収差が増加し、回折限界まで絞れない。そこで、本発明では、記録再生に十分な範囲の光スポットが得られるための絞り込みレンズの設計，ディスク構造を示す。設計方法を簡単にするため、記録膜層１の膜厚ｄＦｋは、中間層２の膜厚ｄＭｋに対して十分薄く無視できるとする。すなわち、
ｄｋ＝ｄＦ（ｋ−１）＋ｄＭｋ＋ｄＦｋ≒ｄＭｋ （数１）
かつ、中間層２は各層とも、基板３と同じ屈折率ＮＢであるとする。この場合、多層ディスクのＮ層番目までの厚さｄは

である。

一方、レーレーリミットとして、絞り込みスポットのピーク強度が無収差時の８０％が保証される球面収差量Ｗ４０＝λ／４を許容値として与える。

１番目からＮ番目の層までの膜厚の変化Δｄによって生じる球面収差量Ｗ４０は以下のように表わされる。

Ｗ４０＝｜（１／（８×ＮＢ））×（（１／ＮＢ²）−１）×ＮＡＦ⁴×Δｄ｜
（数３）
そこで、Ｗ４０≦λ／４となるように、絞り込みレンズの設計，ディスク構造を決定する。なお、Ｗ４０の右辺の絶対値の中は通常は負となる（ＮＢ≧１の場合）。一例として、基板３として屈折率ＮＢ＝１.５ のガラス基板を用い、中間層として、ガラスとほぼ屈折率の等しい紫外線硬化樹脂を用い、絞り込みレンズ８のＮＡＦ＝０.５５ とした場合、（数３）式より、Δｄ≦５０μｍである。ここで、
ｄ０＝１.２mm−Δｄ＝（１.１５〜１.２mm），

Δｄ≦５０μｍとなるように、各層の中間層の厚さｄｋ，総数Ｎを組み合わせることで、従来の光ディスクに使用していた基板厚さ１.２mm 用の絞り込みレンズをそのまま適用して、１番目からＮ番目の各層に記録再生に十分な光スポットを形成することができる。一つの組合せ解として、中間層の厚さｄＭｋ＝１０μｍ，記録層の厚さｄＦｋ＝２００Åでは、ｄ０＝１.１５mm，Σｄｋ＝１００.４μｍ≒１００μｍ，総数Ｎ＝１０が可能である。

（数４）では、５層番目で、球面収差はゼロであり、最上層と最下層で許容値内で最大の球面収差が生じる。これをさらに補正することもできる。波動光学によれば、球面収差は焦点位置をずらすことで補正することができる。その条件は、Ｗ４０＝−Ｗ２０＝−０.５×ＮＡＦ²Δｚ，Δｚ＝−２／ＮＡＦ²×Ｗ４０。ここで、Ｗ２０は焦点ずれによる収差、Δｚは焦点ずれである。上記の例では、５層目からの層間距離Δｄｋ＝（ｋ−５）×ｄでのｋ層番目で生じる球面収差Ｗｋ４０は、（数式３）より得られ、この収差を補正する焦点ずれ量Δｚｋは、 Δｚｋ＝−２／ＮＡＦ²×Ｗｋ４０となる。

最下層（ｋ＝１０）では、１.４μｍであり、最上層（ｋ＝１）では−１.４μｍの焦点ずれをオフセットとして与えればよい。

次に、媒体について、参考までに説明する。
（２）３次元ディスクフォーマット，データ管理
図５に、多層ディスク４のフォーマットの一例を示す。光を入射させる基板３から、光の進行方向に向かって、１〜ｎ層とする。ｋ層でのデータフォーマットはディスクを放射線上に区切ったセクタｍ，半径方向のデータ位置を管理するトラックｌ、以上、３個のアドレス（ｌ，ｍ，ｎ）でデータを管理する。ある任意のトラックｌ，セクタｍにおけるフォーマットは、図に示すように、記録再生のタイミングや、アドレス情報をあらかじめ作りつけたプリフォーマット領域と、ユーザデータを記録再生し、さらに、データの有無、読みだしの禁止などを記録し管理するデータ領域からなる。また、各層の役割として、図に示すように、ユーザデータを記録再生する層と共に、ＲＯＭ（Read Only Memory）層またはＷＯＭ（Write Once Memory)を設け、上位コントローラのＯＳ（Operating System）、または、後述するように、各層での記録または再生の条件などを、ディスク作成時にプリフォーマット化しておくか、出荷時に記録することもできる。また、層データの管理層として、各層のデータ状態、例えば、データの有無，エラー管理，有効なデータ領域，書替え（オーバーライト）回数を随時、記録しておくこともできる。また、交替層として、記録誤りを検出した層のかわりに情報を入れ直すこともできる。
（３）装置全体構成
図６に、３次元記録再生装置の全体構成を示す。記録する場合は、ユーザデータ１７を変調回路１８通して、変調後の２値化データ１９を得る。変調後の２値化データは、記録条件設定回路２０を通り、光スポットが位置づけられている位置での最適な記録条件で、強度変調されるように、レーザ駆動回路２１が駆動され、光ヘッド２２内の半導体レーザの光強度が変調され、ディスク４への記録を行う。

一方、再生する場合は、ディスク上の目標の層，トラック位置に光スポットを位置づけ、微弱光を照射し、反射光の強度変化を光検出器１０で電気信号に変換し、再生信号２３，２４を得る。再生信号２３，２４は、再生制御回路２５を通して、層間クロストークを抑制したのち、ＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路２６を通り、データ帯域よりも低周波数の変動を吸収し、後の回路で動作する絶対レベルに信号を合わせる。

その後再生信号は、波形等化器２７を通り、データパターンによる波形歪み（振幅の劣化，位相のずれ）の改善を行い、整形器２８で２値化信号に変換する。整形器２８には、振幅スライスによって２値化するもの、微分によるゼロクロス検出するものがある。

次に２値化信号は、位相同期回路２９に通り、データからのクロック抽出を行う。位相同期回路２９は、位相比較器３０，ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３１，電圧制御発振器３２からなる。位相同期回路２９で生成されたクロックによって、２値化信号から、データの‘１’，‘０’の判定する弁別器３３を通り、復号器３４によって、ユーザデータ１７に変換される。以上の記録再生のため、上位コントローラからの指令で、目標の層及び層面内の目標位置に光スポットを位置づけるためには、光ヘッド２２からの焦点ずれ、トラックずれ信号検出３５を行い、補償回路３６によって、サーボ制御に最適な信号に補償し、駆動回路３７を通して、光スポット位置決め機構を駆動する。

本発明の記録再生方式の原理を示す図（第１の再生方式の原理図）。 本発明に適用する基本光学系構成図でａは平行光学系の例、ｂは拡散光学系の例。 本発明のディスクフォーマットの一例を示す図。 本発明の３次元記録再生装置の全体構成図。

符号の説明

１…記録層、２…中間層、３…基板、４…ディスク、５…半導体レーザ、８…絞り込みレンズ、９…像レンズ、１０…光検出器、１１…光スポット、１２…焦平面、２０…記録条件設定回路、２３，２４…再生信号、２５…再瀬制御回路、２６…ＡＧＣ回路、３５…ＡＦ誤差信号

Claims (2)

1. 表面から透明基板を介して複数の記録層が積層された光ディスクに対して、波長λのレーザー光を照射して記録または再生を行う記録または再生装置に使用される絞込みレンズであって、前記複数の記録層に対して、球面収差量λ/4以下でレーザー光が集光され、前記複数の記録層のうち、最上層と最下層で、それぞれ最大の球面収差を有するように構成されていることを特徴とする絞込みレンズ。
2. 表面から透明基板を介して複数の記録層が積層された光ディスクに、レーザー光源から波長λのレーザー光を絞り込みレンズによって前記記録層に集光し、反射光を光検出器で受光し反射光量の変化を電気信号に変換する光ピックアップ装置であって、前記絞込みレンズは、前記複数の記録層に対して、球面収差量λ/4以下で前記レーザー光が集光され、前記複数の記録層のうち最上層と最下層で、それぞれ最大の球面収差を有することを特徴とする光デイスク用ピックアップ装置。
   

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