JP2007207395A

JP2007207395A - 光情報記録再生装置及び光情報記録再生方法

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Publication number: JP2007207395A
Application number: JP2006028257A
Authority: JP
Inventors: Takuya Tsukagoshi; 拓哉塚越
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】複数の記録層を有する記録媒体を用いる多層光記録において、近接場光による記録、再生が可能な光情報記録装置等を提供すること。
【解決手段】所定波長λの光を供給するレーザーダイオード１０１と、所定波長λよりも小さい径を有する微小開口１０８と、負屈折を示す材料で構成され、微小開口１０８からの光を複数の記録層２０１等のうちのいずれかの記録層へ集光させること、及びいずれかの記録層２０１からの光を微小開口１０８の位置へ集光させることの少なくともいずれか一方を行うための負屈折レンズ１０９と、複数の記録層の各々を識別するためのフォトダイオード１１０、制御・演算部１１２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、近接場光を用いる光情報記録再生装置及び光情報記録再生方法に関するものである。

従来、光情報記録、再生では情報の記録、または再生に用いる光の短波長化や対物レンズの高ＮＡ化によって、記録密度を向上させてきている。最近実用化されつつあるブルーレイディスクにおいては、波長４０５ｎｍのレーザーダイオードとＮＡ（開口数）０．８５の対物レンズが使われている。

そして、さらなる記録容量の向上をめざし、１枚の記録媒体に多数の記録層を積層した多層光記録の技術も提案され、実用段階に入っている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

また、記録層を単に積層するだけでなく、記録層自身を厚くして体積的な記録、再生を行う技術も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。この技術は、ホログラフィックメモリー（例えば、非特許文献３参照）と合わせて体積記録と呼ばれている。光記録における記録密度は、光の回折限界によって制約される。このため、単一の記録層に記録できる情報量には限度がある。そこで、記録層を多層化することによって、記録容量を増大させる試みがなされている。

記録層の多層化により記録容量を向上させる技術が進む一方で、近年では、例えば、特許文献２に記載されているように、近接場光を利用することで回折限界による制約そのものを回避する技術も開発されている。

近接場光記録として代表的な記録方式は、波長より小さな微小開口から漏れ出した近接場光の光スポットを用いて記録、再生を行うものである。そして、放射光が微小開口で近接場光へ変換されるときの変換効率を劇的に増大させる技術が開発されている（例えば、非特許文献４参照）。これにより、実用的な近接場光記録技術が確立されつつある。

本来、近接場光は、波長程度の狭い領域に局在するものとされている。ここで、屈折率が負の値をとる材料を用いると、近接場光を遠方に伝えることが可能である（例えば、非特許文献５参照）。近接場光を遠方に伝えられるということは、光または電磁波の回折限界に制約されないことを示している。負屈折を示す材料による結像効果は、完全結像（効果）、または完全レンズ（効果）と呼ばれている。

特開平８−２９７８６１号公報特開平８−１０６６４６号公報オプトロニクス２００５年７月号１６３ページＭ．Ｎａｋａｎｏｅｔａｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ８５，１７６（２００４）Ｊ．Ａｓｈｌｅｙｅｔａｌ．，ＩＢＭＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ４４，３４１(２０００) Ｘ．Ｓｈｉｅｔａｌ．，ＪａｐａｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ４１，１６３２(２００２) Ｊ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ８５，３９６６（２０００）ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＯｐｔｉｃａｌＭｅｍｏｒｙ２００４，ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ

上述したように、近接場光記録と多層記録（体積記録）とは、それぞれ従来の記録容量を大幅に向上させる技術である。そして、両者を併用することによってさらなる記録容量の増大が期待されることは言うまでもない。

しかしながら、近接場光が波長以下の小さなスポットを形成できるのは微小開口から高々数十ｎｍの領域である。この制約のために、近接場光による記録技術を、多層記録へ適用することができない。適用できない理由を説明する。多層記録において隣接する記録層からの層間クロストークを抑制して良好な記録再生動作を行うためには、隣接する記録層間の距離（以後、適宜「層間距離」という。）を少なくとも数μmより大きくしなければならない（例えば、非特許文献６）。このため、近接場光による記録技術を、多層記録へ適用することができない。

従来の近接場光記録における記録方法と問題点について、図６及び図７を用いて説明する。図６は、近接場光記録を行う際の光メモリヘッド、記録媒体、記録または再生に用いるレーザー光の光路を示している。

一般の光記録において、可視光領域の光源を用いることが多い。特に、記録密度が回折限界によって制約されるタイプの光記録では、光学デバイスや記録媒体の材質上の制約を別にすれば短波長の光源が好ましい。

ここで、近接場光による情報記録において形成される近接場光スポットの大きさは、微小開口のサイズと形状によってほぼ決まり、波長には依存しない。また、表面プラズモンポラリトンが励起される場合、近接場光スポットの大きさは、微小開口を設けた材料の誘電関数にも依存する。したがって、レーザーダイオード１１は必ずしも短波長である必要はない。

レーザーダイオード１１を射出したレーザー光は、偏光ビームスプリッタ１２によって反射される。反射された光は、コリメートレンズ１３によって平行光に変換される。平行光は、１／４波長板１４を通過する。そして、対物レンズ１５によって収束光に変換される。これにより、レーザー光は、近接場光生成デバイス１６の近傍に集光する。

図７は、図６の一部をさらに拡大して示している。図７に示すように、従来の近接場光記録における近接場光生成デバイス１６は、金属プレート２３に微小開口２４を設けた構造を備えている。対物レンズ１５によって収束光とされたレーザー光は、微小開口２４の近傍に集光する。微小開口２４の大きさは、レーザー光の波長より小さく設計されている。このため、微小開口２４を放射光として通過できる光量はごくわずかであり、高強度の近接場光スポットＳＰが微小開口２４近傍に生成される。

そして、微小開口２４近傍に生成された近接場光を利用して、記録媒体１７への記録、再生を行う。上述したように、近接場光の強度は微小開口２４から離れるにしたがって指数関数的に減衰してしまう。このため、データの記録、再生を行う上で実用的な光量及び集光度を得るためには、微小開口２４と記録層２１との距離を数十ｎｍ程度より小さくしなければならない。

このように、記録媒体１７を記録層が表面に露出した構造とするか、または表面に透明な保護層等を設ける場合でもその厚みは高々数十ｎｍに限定される。いずれの構造としても、記録、再生すべき記録層２１は、記録媒体１７の表面付近に配置された１層に限られてしまう。このため、従来技術の構成では、多層化による記録容量の向上ができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複数の記録層を有する記録媒体を用いる多層光記録、再生において、近接場光による記録、再生が可能な光情報記録装置及び光情報記録方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、所定波長の光を供給する光源と、所定波長よりも小さい径を有する微小開口と、負屈折を示す材料で構成され、微小開口からの光を複数の所定面のうちのいずれかの所定面へ集光させること、及びいずれかの所定面からの光を微小開口の位置へ集光させることの少なくともいずれか一方を行うための光学素子と、複数の所定面の各々を識別するための識別部と、を有することを特徴とする光情報記録再生装置を提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、負屈折を示す材料により構成された光学素子は、微小開口の近傍に配置されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、負屈折を示す材料により構成された光学素子は、スラブ状レンズであることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、負屈折を示す材料により構成された光学素子の厚さは１μｍより大きく、かつ２ｍｍより小さいことが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、負屈折を示す材料により構成された光学素子の厚さは５μｍより大きく、かつ５００μｍより小さいことが望ましい。

また、他の本発明によれば、所定波長の光を供給する光供給ステップと、
所定波長よりも小さい径を有する微小開口に所定波長の光を照射する光照射ステップと、負屈折を示す材料で構成された光学素子により、微小開口からの光を複数の所定面のうちのいずれかの所定面へ集光させること、及びいずれかの所定面からの光を微小開口の位置へ集光させることの少なくともいずれか一方を行うための集光ステップと、
複数の所定面の各々を識別する識別ステップと、を有することを特徴とする光情報記録再生方法を提供できる。

本発明によれば、複数の記録層を有する記録媒体を用いる多層光記録、再生において、近接場光による記録または再生が可能な光情報記録装置を提供できるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る光情報記録再生装置及び光情報記録再生方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る光情報記録再生装置１００の概略構成を示している。レーザーダイオード１０１を射出したレーザー光は、偏光ビームスプリッタ１０２によって反射される。反射された光は、コリメートレンズ１０３によって平行光に変換される。平行光は、１／４波長板１０４と１／２波長板１０５とを通過する。そして、対物レンズ１０６によって収束光に変換される。これにより、レーザー光は、金属プレート１０７の近傍に集光する。ここで、対物レンズ１０６と金属プレート１０７と負屈折レンズ１０９とにより、光メモリヘッド１１３を構成する。

金属プレート１０７は、レーザー光の所定波長よりも小さい径を有する微小開口１０８を備えている。対物レンズ１０６によって収束光とされたレーザー光は、微小開口１０８の近傍に集光する。微小開口１０８の大きさは、レーザー光の波長より小さく設計されている。このため、微小開口１０８を放射光として通過できる光量はごくわずかであり、高強度の近接場光が微小開口１０８近傍に生成される。

微小開口１０８の下側には、侵み出した近接場光による近接場光スポットＳＰ（以下、適宜、「光スポットＳＰ」という。）が形成される。微小開口１０８の近傍には、負屈折を示す材料で構成された負屈折レンズ１０９が配置されている。負屈折レンズ１０９は、スラブ形状、即ち平行平面板形状を有している。そして、微小開口１０８近傍に生成された近接場光の光スポットＳＰを利用して、記録媒体２００への記録、再生を行う。

微小開口１０８により形成された近接場光スポットＳＰの位置を物点とし、多層記録媒体中の記録または再生すべき位置を結像点とするように負屈折レンズ１０９が配置されている。物点に形成された近接場光スポットＳＰは、負屈折レンズ１０９によって結像点に光スポットＳＰ’として伝搬される。

負屈折レンズ１０９と結像点との間の距離であるワーキングディスタンスＷＤは、負屈折レンズ１０９の厚み程度とすることができる。このため、負屈折レンズ１０９の厚みを多層記録媒体の層間距離より大きく設定すれば多層記録が可能となる。多層記録、多層再生の詳細については、後述する。

負屈折を示す材料は、誘電率、透磁率、屈折率のうち少なくとも１つが負の実数部分を有する材料である。負屈折を示す材料は、メタマテリアルなどの構造材料の場合には、材料及び構造の双方に起因する電磁波への応答を合わせた有効誘電率、有効透磁率、有効屈折率の少なくとも１つが負の実数部分を有するものとする。

以後、誘電率、透磁率、屈折率を総称して、適宜「光学パラメータ」と呼ぶ。また、同様に、有効誘電率、有効透磁率、有効屈折率を総称して、適宜「有効光学パラメータ」と呼ぶ。特に断らない限り、光学パラメータには有効光学パラメータを含むものとする。

ここで、「負屈折を示す材料」について、さらに説明する。従来の光学系の解像能力は主に光の回折限界によって制約されている。ここで、屈折率が負の値をとる光学材料（以下、適宜「負屈折材料」と呼ぶ。）が実現されている。上述したように、負屈折材料を利用すれば回折限界を超える超高解像の結像（以下、適宜「完全結像」と呼ぶ。）が可能である。

屈折率が負の値をとる場合以外でも、誘電率または透磁率の実数部が負の値であれば、特定の偏光状態の電磁波に対して負屈折的な現象が観測される。

上記の事情を鑑みて、本明細書では、特定の電磁波に対して負屈折的な応答を示す材料を「負屈折を示す材料」と呼ぶことにする。「負屈折を示す材料」という表現は、負屈折材料よりも広義の概念であることは言うまでもない。

負屈折を示す材料の具体例としては、金属薄膜、カイラル物質、フォトニック結晶、メタマテリアル、左手系物質（ＬｅｆｔＨａｎｄｅｄＭａｔｅｒｉａｌ）、バックワード波材料（ＢａｃｋｗａｒｄＷａｖｅＭａｔｅｒｉａｌ）、負位相速度媒質（ＮｅｇａｔｉｖｅＰｈａｓｅＶｅｌｏｃｉｔｙＭａｔｅｒｉａｌ（Ｍｅｄｉｕｍ））等が知られている。

本実施例における負屈折レンズ１０９は、負屈折を示す材料により構成されている。負屈折レンズ１０９は、比屈折率が約−１となるような均質材料または有効比屈折率が−１となるような構造材料により構成されている。ここで、比屈折率は、空気の屈折率に対するレンズ材料の屈折率の比によって定義される。また、構造材料の場合の有効比屈折率は、空気の屈折率に対する構造材料の有効屈折率によって定義される。

図３に示すように、負屈折レンズ１０９の厚みをｄ、近接場光スポットＳＰと負屈折レンズとの距離をａ、記録媒体２００がないときの結像点ＳＰ’と負屈折レンズ１０９との距離をｂ、ワーキングディスタンス（以下、適宜「ＷＤ」という。）をＷＤと、それぞれする。このとき、これらの長さパラメータの間にはｄ＝ａ＋ｂなる関係が成り立つ。記録媒体２００はその表面から深さｆの位置に第Ｍ記録層３０１を有しており、結像点ＳＰ’がちょうど第Ｍ記録層と一致するように、ＷＤを調整する。このときｂが大きいほどＷＤも大きくなることは、幾何学的に明らかである。このことから、負屈折レンズ１０９の厚みｄが決まっている場合、距離ａを小さくするほどワーキングディスタンスＷＤを大きくできる。このため、光メモリヘッド１１３と記録媒体１０７との衝突が避けられる点で好ましい。

図１、図２に示すように、記録媒体１０７は、剛性のある基板上に第１記録層２０１、第２記録層２０２、第３記録層２０３、及び第４記録層２０４が積層された構造となっている。記録層は、所定面に対応する。基板は、ポリカーボネイト樹脂などの透明プラスチック材料やガラス材料を用いることができる。また、基板は、光学的な動作、作用を阻害しないものであれば金属や半導体でもよい。

近接場光スポットから発する光は、実質的な波数ベクトルをもった伝搬光と、波数ベクトルの光軸方向の成分が虚数となるエバネッセント波とを含んでいる。説明の便宜のため、図１、図２に示した光路は伝搬光に関するものである。

エバネッセント波には光路という概念は成立しない。しかしながら、本実施例に示している光学系の条件においては、エバネッセント波も伝搬光と同様に第１記録層２０１に結像する。つまり、微小開口１０８に形成された近接場光スポットＳＰと同じ形状、大きさ、強度をもった近接場光スポットＳＰ’が第１記録層２０１上にも再現されることになる。

記録媒体２００の表面ではなく、内部に形成された第３記録層２０３へ記録または再生を行う際には、図２に示すように光メモリヘッド１１３と記録媒体１０７との間隔を所定値となるように相対的に調整する。そして、負屈折レンズ１０９によって収束光とされたレーザー光が、第３記録層２０３上で集光されるようにする。各記録層の認識については、後述する。

このようにして所望の記録層２０３に近接場光スポットＳＰ’を形成させることが可能となる。そして、近接場光スポットＳＰ’により、情報の記録または再生を行うことができる。

ここで、負屈折レンズ１０９や記録媒体２００の材質や設計によっては収差や散乱、吸収が発生する。このとき、第１記録層２０１以外の記録層２０２、２０３、２０４への集光度が低下する。記録媒体２００の表面から記録層までの距離が短いほど、集光度は高く保たれる傾向がある。従って、記録層間距離は短いほど良い。具体的には、記録層間距離は１００μmより小さいことが好ましい。

しかしながら、記録層間の間隔があまり短いと、層間クロストークや層間クロスライト、層間クロス消去などによって記録・再生動作が阻害されてしまう。こうした記録層間の信号干渉を考慮すると、記録層間距離は１μmより大きいことが好ましい。

通常は、記録層間の信号干渉を抑制するために、記録層及び記録層間の材料と構造を慎重に設定する必要がある。なお、記録層間距離が５μmより大きい場合には、記録層及び記録層間の材料と構造の設定は、さほど慎重になる必要がない。従って、設計の自由度や製造コストの面でさらに好ましい。

上述の収差や散乱、吸収の影響が大きく、第１記録層２０１以外の記録層２０２、２０３、２０４における近接場光スポットＳＰ’の集光度が低くなってしまう場合には、第１記録層２０３以外の記録層２０２、２０３は伝搬光のみを用いて記録再生を行ってもよい。この場合には、第１記録層２０１以外の記録層２０２、２０３への記録、再生は、回折限界程度に絞った光スポットＳＰ’により行うことができる。

本発明によれば、単層の近接場光記録及び多層光記録のいずれよりも記録容量の大きな光情報記録を実現できる。例えば、第１記録層２０１を近接場光で、第１記録層２０１以外の記録層２０２、２０３、２０４を伝搬光で記録、再生する構成でも、単層の近接場光記録及び多層光記録のいずれよりも記録容量の大きな光情報記録を実現できることは言うまでもない。

また、記録層２０２、２０３、２０４における近接場光スポットＳＰ’の集光度低下をもたらす原因が主として光線収差である場合がある。この場合、対物レンズ１０５、負屈折レンズ１０９、記録媒体２００などの設計を改良して、所定の記録層における集光度を向上させることができる。従って、第１記録層２０１以外の所定の記録層を近接場光で記録、再生する構成、所定の記録層以外の記録層を伝搬光で記録再生するような構成であってもよい。また、光学系のいずれかの光路に可変形状光学素子を配置することによって、収差を動的に補正することも可能である。その場合には、２層またはそれ以上の記録層を近接場光で記録、再生することができる。

微小開口１０８を通過したレーザー光は、近接場光と伝搬光とが渾然一体となって微小な光スポットＳＰを形成している。近接場光または伝搬光で記録、再生を行うということは、記録層に照射される光スポットＳＰ’において近接場光と伝搬光のいずれが支配的であるかの程度を言っているにすぎない。換言すると、近接場光または伝搬光で記録、再生を行うということは、光スポットＳＰ’の大きさ（径）が回折限界より大きいか小さいか、ということと等価であると言える。

本実施例では、負屈折レンズ１０９により、微小開口１０８により生成された回折限界よりも小さな径の光スポットＳＰ’を所定面まで伝搬できる。そして、複数の記録層２０１、２０２、２０３、２０４のうちの少なくとも１層の記録層に回折限界よりも小さな径の光スポットＳＰ’が再生できる。これにより、従来技術に比較して、より大きな記録容量、再生容量を得ることができる。

なお、本実施例では、比屈折率が−１である負屈折レンズ１０９により近接場光スポットＳＰを伝搬する構成について説明している。しかしながら、本発明は、この構成に限定されるものではなく、例えば空気に対する負屈折レンズの誘電率及び空気に対する負屈折レンズの透磁率のいずれか一方が−１である構成でも良い。

ただし、これらの場合には、負屈折レンズ１０９へ入射するレーザー光の偏光状態を制御して、所望の完全結像（レンズ）効果が得られるようにしておく必要がある。また、空気に対する負屈折レンズの屈折率、誘電率または透磁率の値は、正確に−１となることが最も好ましい。また、これに限られず、空気に対する負屈折レンズの屈折率、誘電率または透磁率の値は、−０．５〜−１．５の範囲にあれば、空間帯域通過フィルタ等を用いて結像性能の劣化を補償することができる。

また、空気に対する負屈折レンズの屈折率、誘電率または透磁率の値が、−０．９〜−１．１の範囲にあれば、結像性能の劣化を補償することなく記録、再生の動作を行うことができるのでさらに好ましい。

本実施例では、４層の記録層２０１、２０２、２０３、２０４からなる記録媒体２００を用いている。ここで、本発明の効果が得られるためには記録層が２層以上であればよいことは言うまでもない。上述したように、記録層間の信号干渉や光線収差等の要因を考慮した上で、光情報記録システムとしてのパフォーマンスに応じて記録層数を決めることができる。

本発明において、記録媒体２００として、集光したレーザー光によって記録、再生を行うタイプのあらゆる方式の媒体を用いることができる。

また、本実施例では、金属プレート１０７に形成される微小開口１０８の特徴として、大きさ（径）が記録、再生に用いるレーザー光の波長より小さいことが最も重要である。また、レーザーダイオード１０１を射出したレーザー光をより高い効率で記録媒体２００まで伝搬させる目的で、微小開口１０８及びその周囲の形状を工夫することは、光メモリヘッド１１３のエネルギー効率という観点から重要である。

このため、例えば、微小開口１０８の形状を、カタカナの「コ」の字形状とする構成、Ｂｏｗ−Ｔｉｅアンテナの形状とする構成、微小開口１０８を形成した周囲の金属プレートに格子状の周期構造を設ける構成等を用いることができる。

これらの構成を施すと、金属プレート１０７中の自由電子の集団運動を量子化した表面プラズモンポラリトンと呼ばれる量子の励起モードを、レーザー光の電磁波としての振動モードに結合させることができる。これにより、レーザー光のエネルギーを金属プレート１０７の反対側（射出側）へ効率良く伝えることができる。従って、微小開口１０８を通過するレーザー光のエネルギー効率を飛躍的に高めることができる。このように、微小開口１０８及びその周辺の形状や材質は、記録、再生に用いるレーザー光の波長と偏光状態、強度分布に応じて最適化することが望ましい。

上述したように、記録媒体１０７は、２層以上の記録層２０１等を有している。記録層間距離は少なくとも１μmである。従って、図１または図２に示した構成から明らかなように、負屈折レンズ１０９の厚みは少なくとも1μmでなければならない。

記録媒体２００の層間距離が５μmより大きい場合には、記録媒体２００をより大きな自由度で、なおかつ低コストで作製することができるのでさらに好ましい。この場合、負屈折レンズ１０９の厚みを５μmより大きくする必要がある。

また、理論上は記録層数に上限はない。しかしながら、記録、再生のためのレーザー光は、記録層自身によって吸収、散乱される。このため、記録層数があまり多いと、記録、再生の動作が阻害されてしまう。

こうした観点から、記録媒体２００の記録層数の上限は２０層程度である。記録層間距離のより好ましい値として５μｍより大きい場合を考え、記録層数を２０層とした場合、最も離れた記録層間の距離は１００μｍとなる。既存の収差補正技術を考慮すると、記録、再生を行う記録層間の距離が１００μｍより大きくなると、ビームスポットＳＰ’の広がりを現実的なサイズに抑えることが難しくなる。

また、本発明は、２層以上の記録層を有する記録媒体２００についても効果が期待できる。このため、記録層間距離は、１００μｍより小さいことが好ましい。

図１または図２の構成からもわかるように、記録層間距離及び記録層数に上限があった場合においても、負屈折レンズ１０９の厚みをなんら制約するものではない。ここで、いかなる光学材料も、光をわずかに吸収することに留意する必要がある。負屈折レンズ１０９が厚くなると、レーザー光を吸収することによって結像性能が低下する。そして、ついには完全結像効果が消失してしまう。このため、具体的には、負屈折レンズ１０９の厚みが２ｍｍより小さいことが好ましい。

また、光メモリヘッド１１３には、小型化することが強く望まれている。光メモリヘッド１１３は、高速回転している記録媒体２００の記録、再生すべきトラックに正確に追従する必要がある。追従制御は、光メモリヘッド１１３自体の重量が大きいほど難しくなる。

さらに好ましくは、負屈折レンズ１０９の厚みが５００μｍより小さくすることで、記録媒体２００へのフォーカシング及びトラッキングの高速制御が可能となる。

図３は、負屈折レンズ１０９及び記録媒体１０７を拡大して示している。次に、記録層間距離ｔ及び負屈折レンズ１０９の厚みｄについて詳しく説明する。記録媒体１０７には、Ｎ層の記録層が積層されている。そのうち、第１記録層２０１、第Ｍ記録層３０１、及び第Ｍ＋１記録層３０２のみを図３に示している。ただし、Ｍ及びＮは自然数であり、Ｎ＞１及びＭ＜Ｎなる関係を満足するものとする。

なお、記録層間の信号干渉を説明するため、伝搬光及び近接場光を区別せず、幾何光学的な光線で表すことにする。収束しながら記録媒体２００へ入射するレーザー光は、その焦点近傍では波動的な性質が顕在化する。一方、レーザー光は、焦点から波長程度以上離れた空間では、幾何光学的な光線で表される光路に従うと考えることができる。

信号の記録または再生のために記録媒体２００へ照射されているレーザー光は、第Ｍ記録層３０１に集光されている。図３には幾何光学的な光線が示されているため、レーザー光が第Ｍ記録層３０１において１点に収束しているかのように見える。実際には、光が回折によって広がって分布しており、第Ｍ記録層におけるビームスポットＳＰ’の径Ｄ(Ｍ)は、Ｄ（Ｍ）＝１．２２λ／ｓｉｎθで表される。ここで、λはレーザー光の波長であり、θは記録媒体２００への入射角である。

一方、記録層間距離ｔが波長λより大きいとすれば、第Ｍ＋１記録層３０２におけるレーザー光の振る舞いは幾何光学的な光線で表されると考えて良い。従って、第Ｍ＋１記録層におけるビームスポットＳＰ’の径は、Ｄ（Ｍ＋１）＝２ｔ・ｔａｎθ’である。ここで、θ’は記録層内での屈折角である。

θ’は、入射角θとスネルの法則ｓｉｎθ＝ｓｉｎθ’よって結ばれている。

即ち、以下の数式（１）が成立する。
Ｄ（Ｍ＋１）＝２ｔ・ｔａｎ（ｓｉｎ^−１（ｓｉｎθ／ｎ））・・・（１）

幾何学的な考察から容易にわかるように、Ｄ(Ｍ−1)についても同様の計算を行えば、Ｄ(Ｍ＋１)に等しいことがわかる。所定の記録層における再生信号の強度は、概ねビームスポットＳＰ’の径の自乗に反比例すると考えて良い。即ち、第Ｍ記録層３０１を信号として再生する際に第Ｍ＋１記録層３０２からの干渉信号をノイズとみなせば、ノイズに対する信号の比ＳＮＲは、以下の式（２）で与えられる。
ＳＮＲ＝（Ｄ（Ｍ＋１）／Ｄ（Ｍ））^２・・・（２）

ただし、第Ｍ−１記録層からの干渉信号も考慮しなければならないので、正確には以下の式（３）となる。
ＳＮＲ＝（Ｄ（Ｍ＋１）／Ｄ（Ｍ））^２／２・・・（３）

第Ｍ−１記録層からの干渉信号は、第Ｍ−１記録層で反射された光ではなく第Ｍ−１記録層を透過した光が信号干渉へ寄与するので、実際のＳＮＲは上の式（３）より大きくなる。

図４は、記録層間距離ｔに対するＳＮＲの大きさの関係を示している。ここで、記録媒体２００の屈折率ｎを１．５、レーザー光の波長λを０．４μｍ、レーザー光の記録媒体２００への入射角θを５８．２°としている。

記録層間距離ｔとともにＳＮＲは増大し、ｔ＝１μｍでＳＮＲ＝２．９となり、信号再生が可能であることを示している。さらに、ｔ＝５μｍのときにＳＮＲは７０を超え、良好な信号再生が可能となる点でさらに好ましい。

図３において、記録媒体２００の表面から第Ｍ記録層３０１までの距離をｆとすると、次式（４）が成立する。
ｂ＝ＷＤ＋ｆ・ｃｏｓθ／（ｎ^２−ｓｉｎ^２θ）^１／２・・・（４）
という関係が成立する。

また、負屈折レンズ１０９を微小開口１０８に接触配置させる構成は可能である（つまりａ＝０の状態）。このため、ｂの最大値は、負屈折レンズ１０９の厚みｄそのものと考えてよい。図５は、式（４）の関係を示している。記録層間距離が最小の場合、つまりｆ＝１μｍの場合、ｂの値が１μｍより大きければ、少なくとも０．３μｍ程度のＷＤを保って良好な記録、再生が可能であることになる。

ただし、記録媒体２００の屈折率ｎは１．５としている。以上のことより、負屈折レンズ１０９の厚みｄは１μｍより大きいことが好ましい。

次に、トラッキング、フォーカシングの手順について説明する。図１に戻って説明を続ける。レーザーダイオード１０１により照明された記録媒体２００からの反射光は、往路と同一の光路を進行して、偏光ビームスプリッタ１０２に入射する。偏光ビームスプリッタ１０２は、例えば、ｐ偏光光を透過し、ｓ偏光光を反射する。そして、２／λ板１０５を光軸ＡＸの周りに回転させることにより、フォトダイオード１１０の方向へ偏光ビームスプリッタ１０２を透過する光量を調整できる。

フォトダイオード１１０からの光量信号は、制御・演算部１１２に入力される。光メモリヘッド１１３は、駆動部１１１により、光軸ＡＸに沿った方向、及び光軸ＡＸに垂直な面内に移動可能に構成されている。そして、制御・演算部１１２は、フォトダイオード１１０からの信号に基づいて、公知の方法により、光メモリヘッド１１３の記録媒体２００に対するフォーカシング、トラッキングを行う。

また、多層記録、再生においては、いずれの記録層に記録するか、またはいずれの記録層から再生するかを認識することが必要となる。本実施例では、例えば、以下の（Ａ）、（Ｂ）のいずれかの方法を採用できる。

（Ａ）記録媒体２００の第１記録層２０１から順番に次の記録層へフォーカシングしていき、フォーカスエラー信号によりフォーカシングを検出・カウントする方法。
（Ｂ）記録媒体２００は、各記録層ごとに異なる信号を反射するように構成する。そして、その反射信号を識別する方法。

フォトダイオード１１０からの信号に基づいて、制御・演算部１１２は、上述の（Ａ）または（Ｂ）の方法により、記録媒体２００の記録層を認識する。フォトダイオード１１０、制御・演算部１１２は、記録層（所定面）の各々を識別するための識別部に対応する。

さらに、情報の再生手順について図１に基づいて説明する。光メモリヘッド１１３により情報を再生する再生システムにおいは、レーザーダイオード１０１に戻される光の強弱によってレーザーダイオード１０１の電極間電圧を監視する。そして、電極間電圧の変化を二値情報に対応させることで記録媒体２００に記録されている情報を読み取ることができる。

具体的には、記録層２０１に記録された情報ビットの有無に応じて、例えば、情報ビットが存在するときには、情報ビットを高い反射率を有する結晶状態としておく。この情報ビットに反射した光が微小開口１０８を通してレーザーダイオード１０１の中に入射する。そして、レーザーダイオード１０１に戻される光の強弱によって電極間電圧を監視する。

これに対して、情報ビットが存在しないときは、情報ビットを低い反射率を有するアモルファス状態としておく。情報ビットが存在しない領域では、レーザーダイオード１０１であるレーザー素子のインピーダンス変化が少ない。このため、情報ビットで反射した光が光源内に入射しても、光源の電極電圧変化分が少なくなる。従って、レーザーダイオード１０１の電極間電圧を監視し、これらを二値情報に対応させることができる。この結果、記録用の光メモリヘッド１１３で記録された情報を読み取ることができる。

再生時には、レーザーダイオード１０１には、常時注入電流を流してレーザーダイオード１０１への戻り光の強弱によって生ずる電極の端子間電圧変化をモニターしている。このようなメカニズムで記録媒体２００に記録された情報ビットを読み取ることが可能となる。なお、記録用光メモリヘッドと再生用光メモリヘッドを個別に構成すること、及び記録と再生とを１つの光メモリヘッドに共有させる構成のいずれも可能である。

次に、光情報記録再生装置１００を用いる光情報記録再生方法について説明する。本方法は、所定波長λの光を供給する光供給ステップと、所定波長λよりも小さい径を有する微小開口１０８に所定波長λの光を照射する光照射ステップと、負屈折を示す材料で構成された負屈折レンズ１０９により、微小開口１０８からの光を複数の記録層のうちのいずれかの記録層へ集光させること、及びいずれかの記録層からの光を微小開口１０８の位置へ集光させることの少なくともいずれか一方を行うための集光ステップと、複数の記録層の各々を識別する識別ステップとを有する。

この方法により、上述したように、近接場光による記録、再生が可能な光情報記録方法を提供することができる。

また、記憶媒体２００について説明する。光情報記録再生装置１００により記録、再生する記録媒体２００としては、以下の（Ｃ１）、（Ｃ２）、（Ｃ３）の構成の光情報記録媒体を用いることができる。

（Ｃ１）レーザー光を集光した状態で照射することによりディジタル情報の記録と再生との少なくとも一方を行うことが可能な複数の記録層を有する光情報記録媒体であって、前記記録層の少なくとも１層は、前記レーザー光の回折限界より小さな領域に集光されたレーザー光を用いて記録と再生との少なくとも一方を行うことができる情報記録部（ピット）を有する光情報記録媒体。

（Ｃ２）前記記録層の層間距離が１μｍより大きく、１００μｍより小さいことを特徴とする上記（Ｃ１）に記載の光情報記録媒体。

（Ｃ３）前記記録層の層間距離が５μmより大きく、１００μmより小さいことを特徴とする上記（Ｃ１）に記載の光情報記録媒体。

さらに、上記実施例において、結像を担う放射線に対して「光」という表現を用いているが、本発明の効果は可視光に限定されるものではない。具体的には、電波、ラジオ波、マイクロ波、テラヘルツ波、赤外線、紫外線、Ｘ線、γ線などを含む電磁波一般に対して期待されるものである。実施例においても、結像を担う放射線の波長になんら制約はない。このように、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形例をとることができる。

以上のように、本発明に係る光情報記録再生装置は、近接場光を用いる多層記録、多層再生に有用である。

本発明の実施例１に係る光情報記録再生装置の概略構成を示す図である。実施例１に係る光情報記録再生装置の概略構成を示す他の図である。実施例１における負屈折レンズ近傍を拡大して示す図である。記録層間距離とＳＮＲとの関係を示す図である。パラメータｆとｂとの関係を示す図である。従来技術の情報記録再生装置の概略構成を示す図である。従来技術の情報記録再生装置の概略構成を示す他の図である。

符号の説明

１００光情報記録再生装置
１０１レーザーダイオード
１０２偏光ビームスプリッタ
１０３コリメータレンズ
１０４１／４波長板
１０５１／２波長板
１０６対物レンズ
１０７記録媒体
１０８微小開口
１０９負屈折レンズ
１１０フォトダイオード
１１１駆動部
１１２制御・演算部
１１３光メモリヘッド
２００記録媒体
２０１第１記録層
２０２第２記録層
２０３第３記録層
２０４第４記録層
３０１第Ｍ記録層
３０２第Ｍ＋１記録層
ＳＰ、ＳＰ’ 光スポット
ＡＸ光軸
１０光情報記録再生装置
１１レーザーダイオード
１２偏光ビームスプリッタ
１３コリメータレンズ
１４１／４波長板
１５対物レンズ
１６近接場光生成デバイス
１７記録媒体
１８フォトダイオード
２３金属プレート
２４微小開口
２２近接場光スポット

Claims

所定波長の光を供給する光源と、
前記所定波長よりも小さい径を有する微小開口と、
負屈折を示す材料で構成され、前記微小開口からの光を複数の所定面のうちのいずれかの所定面へ集光させること、及びいずれかの前記所定面からの光を前記微小開口の位置へ集光させることの少なくともいずれか一方を行うための光学素子と、
複数の前記所定面の各々を識別するための識別部と、を有することを特徴とする光情報記録再生装置。
負屈折を示す材料により構成された前記光学素子は、前記微小開口の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光情報記録再生装置。
負屈折を示す材料により構成された前記光学素子は、スラブ状レンズであることを特徴とする請求項１または２に記載の光情報記録再生装置。
負屈折を示す材料により構成された前記光学素子の厚さは１μｍより大きく、かつ２ｍｍより小さいことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置。
負屈折を示す材料により構成された前記光学素子の厚さは５μｍより大きく、かつ５００μｍより小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光情報記録再生装置。
所定波長の光を供給する光供給ステップと、
前記所定波長よりも小さい径を有する微小開口に前記所定波長の光を照射する光照射ステップと、
負屈折を示す材料で構成された光学素子により、前記微小開口からの光を複数の所定面のうちのいずれかの所定面へ集光させること、及びいずれかの前記所定面からの光を前記微小開口の位置へ集光させることの少なくともいずれか一方を行うための集光ステップと、
複数の前記所定面の各々を識別する識別ステップと、を有することを特徴とする光情報記録再生方法。