JP2007073147A - 光ディスク装置及びそれに用いられる集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】光ディスク装置の再生高倍速化に伴う再生信号のＳＮＲ劣化、及び高周波重畳の影響除去が困難になる点を解決する。
【解決手段】ＨＦ発振器１１からの高周波信号でパルス駆動されたレーザ光を光ディスク１に照射し、光ディスクから反射されたレーザ光を受光する光検出器の出力を電流アンプ１３によって電気的なパルス再生信号に変換する。そのパルス再生信号を、ピークホールド回路１４によって時間的に連続した再生信号に変換する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ディスク装置に関し、より詳細には光ディスクから情報を再生する回路に関する。

ＤＶＤを初めとする現行の光ディスク装置の多くは、その光源として用いている半導体レーザが発する雑音を抑制するために高周波重畳法を採用している。このことは、当業者間では公知のことであるので、以下の記述に必要な事項のみ述べ、それ以上は詳述しない。

高周波重畳法を用いた場合、レーザはパルス発光している。即ち、発光波形は、図２に示すように発光と消灯を交互に繰り返している。ここで、レーザパルスの間隔（周波数）とそれに対する発光期間の比率（デューティー）は、高周波重畳を行う際に戻り光による雑音が最小になるように調整されるパラメータである。レーザの発光波形が図２のような形状であるので、仮に、再生用のフォトダイオード及び電流電圧変換アンプによる帯域制限が皆無であったとすると、再生信号波形は、図３に示すような形状になる。以後、このような再生パルス列からなる信号をパルス再生信号と呼ぶことにする。ここで、図３中の破線は、仮にレーザを高周波重畳時のレーザパルスのピークと同じ出力で連続発振させた場合に得られる再生信号波形である。つまり、パルス再生信号の上側包絡線の形状は連続光による再生波形となっている。従って、重畳する高周波電流の周波数（ＨＦ周波数）よりも十分に低い遮断周波数を有する低域通過フィルタにパルス再生信号を通すことにより、所望の再生波形を得ることが出来る。現行の光ディスク装置では、フォトディテクターと電流電圧変換アンプからなる系及びアナログ等化器の帯域制限によりこれが実現されている。重畳するＨＦ周波数の一例を挙げると、Blu-lay Disc（以下、ＢＤという）システムの場合、400MHz程度が標準的である。これは、専ら使用するレーザの種類と再生光学系の光路長で決まるので、装置間で大きな差は無いと考えられる。一方、基本再生速度（１Ｘ）における再生信号の占める周波数帯の上限は、最短のマーク又はスペース長が2Ｔ（Ｔ：チャネルクロック周期）であることから16.5MHzである。

図４（ａ）に、ディスク容量２５ＧＢのＢＤシステムの６倍速再生時の再生信号スペクトルの例を示す。また、図４（ｂ）に、ＨＦレーザパルス列のスペクトルの例を示す。周期信号であるので輝線スペクトルからなる。また、ＨＦ周波数は396MHz、即ち、チャネルクロックと等しく設定している。つまり、ＨＦ周波数は、再生信号スペクトル上限の６倍となっている。この例では、レーザパルスのデューティーは25％としている。デューティーによって各次数の輝線スペクトルの強度比は変化する。そして、図４（ｃ）にパルス再生信号のスペクトルを示す。パルス再生信号の波形は、図３中の破線で示した再生波形と周期的なＨＦパルス列との積であるので、そのスペクトルは、再生信号スペクトルとパルス光のスペクトルの畳み込みとなるからである。パルス再生信号スペクトルの特徴は、高次の再生信号スペクトルの強度がベースバンドの再生信号スペクトルの強度に匹敵し、かつ、輝線状のスペクトルを有することである。このために、フォトディテクターと電流電圧変換アンプからなる系及びアナログ等化器の帯域制限により再生信号、即ち、ベースバンドの再生信号スペクトルを取り出そうとすると再生信号の上限周波数とＨＦ周波数を十分に離す必要を生じている。

特開平８−７７６４０号公報 特開平８−２２１７５８号公報 特開２００２−２３０８１４号公報 Ｂ．Ｐ．ラシィ著「詳解ディジタル・アナログ通信方式 上巻」（1985年、ＨＢＪ出版局）第223頁

光ディスク装置の基本的な性能の一つである再生倍速の向上は、恒常的に求められていて、ＢＤシステムについても同様である。現行（2005年現在）のＢＤシステムの規格では２倍速までが定められている。今後のトレンドとして、当然、更なる高倍速化が要求されることは明らかである。ＢＤシステムの場合、信頼性を十分確保できるディスクの回転速度がＤＶＤと同等の10000rpmであるとすると、１２倍速まで進展する可能性があるということになる。

２倍速再生の規格では、背景技術の項で述べたパルス再生信号から連続した再生信号を得る方式が前提になっている。しかし、今後の更なる高倍速化に際しては、この方式を用いたシステムでは、少なくとも次の二つの問題点に直面することになる。第1は、再生信号帯域の拡大に伴う信号対雑音比（ＳＮＲ）の劣化である。第２は、再生信号帯域の拡大によってＨＦ周波数と再生信号帯域の接近に伴い、ベースバンド帯の再生信号と高次のスペクトルの分離が困難になる点である。これらの内、第1の問題点は、如何なる方式でも高倍速化に際して直面する問題である。第２の問題点は、高周波重畳を採用しているシステムで生じるものである。

第２の問題点について詳述する。背景技術の項でも述べたように、パルス再生信号スペクトルの特徴は、高次の再生信号スペクトルの強度がベースバンドの再生信号スペクトルの強度に匹敵し、かつ、輝線状のスペクトルを有することで、このために、再生信号の上限周波数とＨＦ周波数が接近すると両者の分離が困難になる。ＨＦ周波数を高くすることにより両者の分離を図ることが考えられるが、ＨＦ周波数は戻り光雑音低減のためのパラメータであり、その値には必然性があり、単純に高くした場合、最適な条件からの離反が大きくなるので限界がある。背景技術の項で述べたように、実用的なＨＦ周波数はＢＤシステムの場合、概ね400MHz前後になる。また、ＨＦ周波数を高くすることは消費電力の観点からも得策とは言えない。

以上をまとめると、本発明が解決しようとしている課題は、光ディスク装置の再生高倍速化に伴うＳＮＲ劣化、及び高周波重畳の影響除去が困難になる点である。

上記課題を解決するために、本発明に基づく光ディスク装置においては、パルス再生信号をその振幅を損なうことなく連続信号に変換する手段を有す。また、ＨＦ信号に同期して、その周期毎にパルス再生信号の最大値の捕捉及び保持を行う手段を有する。また、前記保持された値をデジタル変換する手段を有する。また、パルス再生信号のスペクトルに含まれる歪成分中、輝線スペクトルを抑圧する手段を有する。また、レーザ駆動電流に重畳する高周波信号をチャネルクロックと完全に独立して生成する手段を有する。

パルス再生信号を連続信号に変換する手段としては、例えばピークホールド回路を用いることができる。ピークホールドを用いることにより、パルス再生信号の高周波スペクトルにＨＦ信号に由来して現れる輝線、及び輝線以外の歪成分を効果的に抑制することができ、低域通過フィルタを用いた歪成分の除去が容易になる。

本発明により、光ディスク装置の再生信号品質が大幅に向上する。また、レーザ雑音低減のための高周波重畳条件と高速再生の両立が容易になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図1は、本発明による光ディスク装置の一例を示す模式図である。尚、この図では、以下の説明に必須でない部分は省略しているので、主に、ピックアップ部が描かれている。本実施例は、パルス再生信号を連続波形に変換する手段として、ピークホールド回路１４を用いていることを特徴としている。尚、パルス再生信号は、時間的に離散的なパルス列から構成されており、各パルスの時刻とピーク値とに信号の本質がある。それに対し、ここで言う連続信号とは、パルス再生信号のように本質的に時間的に離散的な成分（パルス）からのみ構成されているのではないという意味であり、一般的な意味に於ける連続信号よりも広い意味を有している。よって、ある短い期間に於いて、突然、信号振幅が０になるようなものをも含む。

重畳する高周波信号（ＨＦ信号）は、ＨＦ発振器１１で発生させ、レーザドライバ１０へ入力される。レーザドライバは、所望の平均レーザパワー、ピークパワー、デューティーが得られるようなレーザ駆動電流を発生させ、レーザダイオード３へ入力する。また、レーザの平均出力が一定になるようにレーザ駆動電流の制御も行う。レーザダイオードの出力光強度は、図２に示したような時間変化をする。

レーザ光は、コリメータレンズ４で平行光に変換され、偏光ビームスプリッター５と1/4波長板６を通過した後、対物レンズ７によってディスク１の記録膜面上に焦点を結ぶ。記録膜面上でレーザ光は反射され、記録マークとスペースに応じた強度変化が重畳された反射パルスレーザ列となる。そのレーザ光強度の時間変化は、図３に示したパルス再生信号に一致したものである。反射パルスレーザ列は、元の経路を偏光ビームスプリッター５まで戻ると、そこで反射され集束レンズ８によってフォトダイオード９上に集光され電流に変換される。この電流は、電流アンプ１３によって電圧信号に変換された後にピークホールド回路１４に入力される。ピークホールド回路１４には、制御信号としてＨＦ発振器出力が入力される。ただし、ＨＦ信号とパルス再生信号の間には、フォトダイオードやレーザ発光までの過程で生じる遅延のために位相差を生じているので、可変遅延線12を用いてこの位相差を調節している。尚、背景技術の項で述べたように、図３は再生用のフォトダイオード及び電流電圧変換アンプによる帯域制限が皆無である場合であるが、これらによる帯域制限がある場合には、その程度に依存して個々のパルスの広がりとピーク値の低下を生じるものの、一定以上の帯域があれば図３に示した信号とほぼ等しい信号を得ることが出来る。

ピークホールド回路１４の効果とその結果得られる連続信号について詳述する。尚、説明を簡単にするために、ここではピークホールド回路は理想的な動作をするものとして説明する。

図５は、パルス再生信号と図1のピークホールド回路出力の関係を示したもので、破線がパルス再生信号、一点鎖線が再生信号、実線がピークホールド回路出力をそれぞれ示す。図６（ａ）は、図４に示したパルス再生信号スペクトルと同一条件におけるピークホールド回路出力のスペクトルの例を示したものである。図４（ｃ）のパルス再生信号スペクトルと比べると、ピークホールド回路出力のスペクトルには大きな特徴が２つある。一つは、高調波スペクトル（歪成分）に輝線スペクトルを含まないことである。これは、低域通過フィルタで高周波重畳の影響を取り除く際に決定的に有利である。即ち、パルス再生信号ではＨＦ周波数における輝線スペクトルが再生信号スペクトル強度よりも約30dB強いので、その分、低域通過フィルタに対して強い抑圧比が要求されるからである。もう一つは、輝線スペクトル以外の高調波スペクトル（歪成分）がパルス再生信号場合よりも早く減衰することで、特に問題になる２次の成分は基本波に比べると20dB低いのに対し、パルス再生信号の場合は２次の成分強度は基本スペクトルとほぼ同じである。

以上の特長により、低域通過フィルタを用いてピークホールド回路出力から歪成分を除去するのはパルス再生信号の場合よりも遥かに容易である。実際に、図６（ａ）のピークホールド回路出力スペクトルに遮断周波数150MHzの６次ベッセル低域通過フィルタを作用させた信号スペクトルを図６（ｂ）に示す。比較的に緩やかな特性のフィルタであるにもかかわらず歪成分はほぼ完全に除去されている。

一般的なピークホールドを実現する回路方式は複数存在しうる。本発明中で用いているピークホールド回路もそれらのうちの一つである。ただし、パルス再生信号のパルスに同期してリセットを行う点が一般的なものとは異なる。図７に、そのピークホールド回路の構成を示す。コンパレータ２１は、ピークホールド回路出力よりも入力電圧が高い場合に規定電圧を出力し、コンデンサー２４を充電する。ダイオード２２は、ピークホールド回路出力よりも入力電圧が低い場合にコンデンサーの放電を防ぐ。バッファーアンプ２３は、コンデンサーの放電を防ぎつつ、その電圧を外部へ出力する。リセットスイッチ２５を十分な期間閉じるとコンデンサー２４が放電され、ピークホールド回路はリセットされる。そして、リセットスイッチ２５を開放すると、ピークホールド動作を再開する。よって、出力電圧は、次のリセットパルスまでの間で入力された最大電圧にホールドされる。リセットスイッチの開閉は、リセットパルスによって制御される。リセットパルスは、遅延量を補正されたＨＦ信号に同期してリセットパルス発生器２６によって生成される。即ち、ＨＦ信号と同じ周期で、コンデンサーの放電に必要な長さのリセットパルス列を発生させる。尚、この回路においては、パルス再生信号のパルス幅と同等か短い時間で充電が可能なようにコンデンサーの容量を設定することが重要である。

図８は、パルス再生信号、リセットパルス及びピークホールド回路出力の関係を示した図である。下段のグラフに、パルス再生信号とピークホールド回路出力を示す。上段のグラフにリセットパルス信号を示す。リセットパルスは、周期がパルス再生信号のパルスと同じで、リセットパルスがhigh、即ち、リセットスイッチが閉の期間は、パルス再生信号の各パルスの直前に設定されている。このようにすると、ピークホールドされる期間を長く取れるので、ピークホールド回路出力が理想出力により近くなる。尚、コンデンサーの充放電によって生じるピークホールド回路出力の谷は、その幅をピークホールド期間に比べて十分に短くすれば、高周波成分からなるので本発明の効果に重大な影響を与えることはない。

パルス再生信号を連続信号に変換する手段としては、ピークホールド回路以外にもサンプルホールド回路及びこれらに類するものを使用することも可能である。サンプルホールド回路を応用する場合は、ピークホールド回路の場合と同様に再生パルスと同じ周期でリセットをかける必要がある。サンプルホールド回路を応用する場合で注意すべき点は、パルス再生信号の各パルスの頂点でサンプルホールドする必要があることである。しかし、パルスの形状が鋭利であるために、フォトダイオード及び電流アンプで生じる遅延量に対するサンプルタイミングの調整が微妙であるという問題点を有する。尚、パルス再生信号をサンプルホールド回路で受ける構成に関しては、特許文献１に記述がある。しかし、特許文献１では、隣接トラックからの干渉を演算で除去するためにチャネルクロックに同期してサンプルホールドを行う必要があるのに対し、本実施例ではチャネルクロックは全く無関係であり、本質的に異なる。

なお、図１に示した装置構成要素中、破線で囲った部分は集積回路で実現するのが好ましい。破線で囲った部分以外の、フォトダイオード９、レーザドライバ１０などを集積回路に組み込んでもよい。

図９（ａ）は、本発明をＢＤの１２倍速再生に適用した場合のピークホールド回路出力スペクトルである。レーザ雑音の観点からＨＦ周波数が400MHz付近からあまり大きく動かすことが出来ないことを前提にした。よって、チャネルクロック周波数は、792MHzで2T周波数は198MHzであるのに対し、ＨＦ周波数は528MHzに設定している。このように、本発明によれば、ＨＦ周波数をチャネルクロック周波数よりも低く設定することが可能である。後段の低域通過フィルタ特性の実現可能性及び光学カットオフ周波数以下の信号スペクトルの重なりを考慮して、最終段の低域通過フィルタは、高域遮断周波数250MHzの６次ベッセル低域通過フィルタとした。図９（ｂ）に、低域通過フィルタ通過後のスペクトルを示す。これにより、最も再生信号帯域に近接した歪成分スペクトルが再生信号レベルよりも約40dB低くなっている。これは、例えば、信号処理ＬＳＩのＡＤ変換器の分解能が７ビット以下であれば全く感知されないレベル、即ち、歪は十分に取り除かれていると言える。

１２倍速以下におけるＨＦ周波数及び低域通過フィルタの遮断周波数の設定は、１２倍速時と比較して自由度が大きいので、レーザの特性などによって適切な設定を選択可能である。ＨＦ周波数を528MHzよりも低く、400MHz程度にしたほうが有利な場合には、６倍速までは、遮断周波数、ＨＦ周波数とも比例的に下げて行き、６倍速以下ではＨＦを400MHzに固定し、遮断周波数のみ倍速に応じて低減して行く。高周波重畳効果の周波数依存性が小さく、ＨＦ周波数が400MHz以上でも雑音特性に大差がない場合は、全ての倍速において１２倍速時と同じＨＦ周波数と遮断周波数を用いることが出来る。この場合、低域通過フィルタをプログラマブルにする必要が無いというメリットがある。

図１０は、本発明によるディスク装置の他の例を示す模式図である。本実施例では、パルス再生信号の各パルスを直接デジタルデータに変換する。ＨＦレーザパルスが電気信号に変換されるまでの過程は実施例１の説明と同様であるので、説明を省略する。電流アンプ１３の出力は、可変ゲインアンプ３２を通過した後にピークホールド回路１４に入力される。可変ゲインアンプ３２のゲインは、信号処理系で検出された再生信号振幅に基づいて指示される。

通常、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器では、連続信号を対象としているので、まず、サンプルホールド回路で振幅情報を一定期間保持しておき、その間に保持されている値をデジタルデータに変換する。後者の過程を行う機構を狭義のＡＤ変換器と呼ぶことがある。本実施例中では、特に断らない限りＡＤ変換器とは狭義のＡＤ変換器であるものとする。

本実施例の特徴の一つは、ＨＦ周波数がチャネルクロック基準になっていることである。チャネルクロックは、信号処理系のＰＬＬ３３によって再生信号から再生される。このため、実装上、図１０に示した系と物理的に離れているために可変遅延線１２でタイミング調整を行い、タイミング調整後のチャネルクロックを用いてピークホールド回路１４及びＡＤ変換器２７の動作を制御する。また、レーザドライバ１０、フォトディテクター９、電流アンプ１３などが原因で生じるピークホールド回路１４及びＡＤ変換器２７の動作タイミングとレーザのＨＦパルス発光のタイミングのずれは、もう一つの可変遅延線１２を用いて調整する。また、低倍速再生時にはチャネルクロックではＨＦ周波数として低すぎる場合には、逓倍器３１を用いてチャネルクロックを逓倍してＨＦ周波数及びＡＤ変換クロックとして用いる。尚、この場合、ＡＤ変換はチャネルクロックを逓倍した分だけオーバーサンプリングされていることになる。信号処理過程ではオーバーサンプル状態で処理しても差し支えは無いが、消費電力低減の観点からデータを間引いて使用する。

再生信号には直流成分が含まれているので、パルス再生信号の各パルスの振幅をそのままＡＤ変換してしまうと、再生信号を直流成分ごとＡＤ変換したのと同じことでＡＤ変換器の分解能を有効に使用することが出来ない。これを回避するために本実施例では、ＡＤ変換をする前のピークホールド回路出力から減算器３０を用いて直流成分を概ね除去している。減算器３０で差し引く直流成分の振幅は、ピークホールド回路出力を十分に長い期間、積分器２９を用いて積分した結果である。この方式で得られる直流成分の値は、再生信号のアシンメトリなどの影響を受けるものの、再生信号の０レベルをＡＤ変換器のそれとほぼ一致させるのには十分である。直流成分除去後に、ＡＤ変換器２７でデジタル信号に変換している。スライサー２８は、デジタル化された後に短距離の直流成分も含めて再生信号のアイパターンの中心を信号処理系の０レベルに一致させる。これは、デジタル信号処理を行っている現行の光ディスクに使われているものとほぼ同じ仕組みのものである。

本実施例のようにＨＦ周波数をチャネルクロックに同期させ、ピークホールド回路出力をチャネルクロックで直接ＡＤ変換することにより、ＨＦ周波数分離を考慮する必要が無くなる。

チャネルクロックに同期してレーザを発光させる方式に関しては、特許文献１，２，３にそれぞれ記述がある。しかし、本実施例は、ＰＲＭＬなどのデジタル信号処理を前提にしていてパルス再生信号を直接デジタル信号に変換しているという点においてこれらの公知例とは異なる。

本発明によるディスク装置の一例を示す模式図。 高周波重畳時のレーザ発光の様子を説明する図。 パルス再生信号の定義を説明する図。 パルス再生信号のスペクトルを示す図。 パルス再生信号とピークホールド回路出力の関係を示す図。 パルス再生信号及びピークホールド回路出力のスペクトルの関係を示す図。 ピークホールド回路の構成を示す図。 ピークホールド回路の動作ダイヤグラムを示す図。 ＢＤ１２倍速再生時のピークホールド回路出力などのスペクトルを示す図。 本発明によるディスク装置の他の例を示す模式図。

符号の説明

1：ディスク、３：レーザダイオード、４：コリメータレンズ、５：偏光ビームスプリッター、６：1/4波長板、７：対物レンズ、８：集束レンズ、９：フォトダイオード、１０：レーザドライバ、１１：ＨＦ発振器、１２：可変遅延線、１３：電流アンプ、１４：ピークホールド回路、１５：低域通過フィルタ、２１：コンパレータ、２２：ダイオード、２３：バッファーアンプ、２４：コンデンサー、２５：リセットスイッチ、２６：リセットパルス発生器、２７：ＡＤ変換器、２８：スライサー、２９：積分器、３０：減算器、３１：逓倍器、３２：可変ゲインアンプ、３３：ＰＬＬ

Claims (8)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源をパルス駆動する光源駆動部と、
   前記レーザ光源から発生されたレーザ光を光ディスクに照射する光学系と、
   光ディスクから反射されたレーザ光を受光する光検出器と、
   前記光検出器の出力を電気的なパルス再生信号に変換する手段と、
   前記パルス再生信号の各パルスに同期して動作し、前記パルス再生信号を時間的に連続した再生信号に変換する手段と
   を有することを特徴とする光ディスク装置。
2. 請求項１に記載の光ディスク装置において、前記パルス再生信号を時間的に連続した再生信号に変換する手段として、前記パルス再生信号中の各パルスに同期してリセット及びピークホールド動作を行うピークホールド回路と、低域通過フィルタを用いることを特徴とする光ディスク装置。
3. 請求項１に記載の光ディスク装置において、前記パルス駆動の周波数がチャネルクロック周波数の６倍以下であることを特徴とする光ディスク装置。
4. 請求項１に記載の光ディスク装置において、前記パルス駆動の周波数がチャネルクロック周波数以下であることを特徴とする光ディスク装置。
5. レーザ光源と、
   前記レーザ光源をパルス駆動する光源駆動部と、
   前記レーザ光源から発生されたレーザ光を光ディスクに照射する光学系と、
   光ディスクから反射されたレーザ光を受光する光検出器と、
   前記光検出器の出力を電気的なパルス再生信号に変換する手段と、
   前記パルス再生信号中の各パルスに同期してリセット及びピークホールド動作を行うピークホールド回路と、
   前記ピークホールド回路の出力を時間積分する手段と、
   前記積分結果を前記ピークホールド回路の出力から減算する手段と、
   前記減算結果をデジタル再生信号に変換する手段と
   前記デジタル再生信号からチャネルクロックを発生させる手段とを有し、
   前記光源駆動部は前記チャネルクロックに基づいて前記レーザ光源をパルス駆動することを特徴とする光ディスク装置。
6. 請求項５に記載の光ディスク装置において、前記チャネルクロックを逓倍する逓倍器を有することを特徴とする光ディスク装置。
7. 請求項５に記載の光ディスク装置において、前記チャネルクロックを遅延させて前記光源駆動部に入力させる可変遅延線を有することを特徴とする光ディスク装置。
8. 光検出器の出力信号を電圧信号に変換する電流アンプと、
   高周波発振器と、
   前記高周波発振器の出力を遅延させる可変遅延線と、
   前記可変遅延線で遅延された前記高周波発振器の出力に同期してリセット及びピークホールド動作を行い、前記電流アンプの出力をピークホールドするピークホールド回路と、
   前記ピークホールド回路の出力が入力される低域通過フィルタと
   を有することを特徴とする集積回路。

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