JP2007501484A - 3次元記憶媒体において情報をフォーマットしトラッキングする方法および機器 - Google Patents

3次元記憶媒体において情報をフォーマットしトラッキングする方法および機器 Download PDF

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Abstract

3次元半透明光媒体に情報を記録し、そこから情報を取り出すことができるように、この媒体上にマークを記載するフォーマッタは、媒体を保持するクランプ機構と、少なくとも1つの回折限界スポットを、媒体中のそれぞれの深さのところに合焦させるように較正された少なくとも1つの光学ユニットとを備える。少なくとも1つの光源は、マークを記載するように最適化され、少なくとも1つのアクチュエータは、スポットを媒体に対して相対的に移動させる。

Description

本発明は、3次元記憶媒体をフォーマットしトラッキングする方法および機器に関する。
当技術分野では、3次元光記憶機器に情報を記憶させることが提案されている。このようなシステムにおいて解決すべき問題の1つは、光ビームが特定のポイントから情報を読み取る際に、読取り用光源とこの特定のポイントの間に位置する記憶媒体によって読取り光ビームがそれることがないようにする方法である。別の問題は、媒体に記憶される情報をフォーマットして、安定してこの媒体に情報を書き込み、この媒体から情報を取り出すことができるようにする方法である。
2001年10月4日に本譲渡人の名義で公開された「Three−dimensional optical memory」という名称の国際公開WO 01/73779号に対応する米国特許出願第10/240420号は、2光子吸収によって情報を読み取ることを提案している。この方法では、特定のポイントに記憶された情報は、ある種の周波数νにおける吸収係数によって特徴づけられ、読取りは、ν1+ν2=ν(ν1−ν2=νも可能)になるν1およびν2の周波数の2本の光ビームで実施される。これら2本の光ビームが交差するときにのみ、光が吸収され、読取りが行われる。これら2本のビームが交差しないポイントではどこも、周波数νの光は存在せず、したがって読取りは行われない。この記憶媒体は、周波数ν1の光に対して、かつ周波数ν2の光に対しても透明とすべきである。
フォーマッティング
データ記憶媒体のフォーマッティングとは、ブランク媒体を製作した後で、それを日常的に使用してファイルを読み取り記録する前のステップであり、フォーマッティング側(工場にある装置、または記録を行うおそらくは多くの装置のうちの1つである独立した装置)とエンド・ユーザ側(日常的にこの媒体を使用する装置)との間で合意したフォーマットの方法および特別な規格を指す。まず、標準のランダム・アクセス追記型記憶装置の現況を概観する。
光記憶媒体では一般に、特にDVDでは、データは、光ディスクの1つまたは2つの物理的な層上に形成されたトラックに沿って記憶させ、半導体ダイオードによって生成されたレーザ・ビームをこれらのトラック上に合焦させ、ディスクをその軸の周りで回転させ、反射光を収集することによって読み取る。これらのトラックは通常、らせん状のトラックを含み、これらのトラック上にデータを書き込み、これらのトラックからデータを読み取る。
光学式WORM、ならびにDVD−R、CD−R、およびDVD−RAMなどの書換え型媒体では、フォーマッティング情報が、情報用の表面上に印刷(エンボス加工)されている。より高レベルのフォーマッティングでは、例えば、2つ以上のデータ・フォーマットが存在し、それによって、データCDまたは音楽CDとしてWORM CDに読書きを行うことができる。
2次元光媒体をフォーマットする別の方法が、(Monenの)米国特許第5452285号に開示されている。この特許は、均一に分布したピットの2次元アレイを使用する
ことを交換可能に採用して、光学式情報記憶媒体において、タイミング、精密トラッキング、およびアドレスの情報を提供し得ることを論じている。(Getreuerの)米国特許第4914645号は、光反射型の光ディスク記録システムを論じている。このシステムは、記録媒体のヘッダ内に配置された偏心ウォブル区域を利用して、正確なトラック交差回数および正確なトラック追従信号を提供する。第1信号の高周波数成分が、このウォブル区域を利用して生成された第2信号の低周波数成分と合成される。サーボ専用区域にサーボ用ピットが設けられる。3つのピットのうち2つがウォブル・ピットであり、第3ピットは、クロック制御に使用する。
磁気および光磁気による記憶装置の多くは、サンプル・サーボサンプル・サーボ・フォーマッティングまたはトラック位置変調(トラック・ウォブリング)と称するフォーマッティングおよびトラッキングの方式を利用する。(Nazarian他の)米国特許第6122133号は、磁気記憶装置にサンプル・サーボ法を応用することを論じている。本質的に、層内データの2次元構造に対する変調であるサーボ信号方式により、物理層内のトラックに追従することができる。前記特許の例では、これらのトラックは本質的に円形である。この媒体のフォーマッティングの性質により、トラッキング情報、ならびにセクタ番号およびゾーンなどの追加のトラック・データをともに抽出することができる。前記サーボ信号は、径方向部分トラッキング誤差信号を取り出し、部分的なトラック追従を較正し制御することができるマルチ・バースト・パターンで記録される。
磁気媒体では、エンド・ユーザのところで、磁気記憶装置を使用するコンピュータ・システムの制御の下、より高レベルの装置フォーマッティングを実施することが慣行になっている。これにより、コンピュータ・システム固有の要件に応じて、フォーマッティングを最適化するための多くの余地がこのコンピュータ・システムに与えられる。一例は、1つの磁気ハード・ディスクをいくつかのパーティションに分割し得ることである。これらいくつかのパーティションの一部は、1つのオペレーティング・システム(OS)が使用し、他の部分は、別のOSが使用する。これら異なる部分は通常、適切なOSによってしか読み取ることができない。ディスクのフォーマッティングは、異なるフォーマット層に分割することができる。ディスクの低レベルのフォーマッティングは、この例のいずれのOSにも共通のものであるが、高レベルのフォーマッティングを行って整然としたファイル・システムにすることは、各OSに固有の部分である。
フォーマッティングにより、とりわけ、以下のことが可能になる。
・媒体内でデータを取決めに従って整理すること
・基本データ・ユニット(データのブロック、セクタ、ブロック・クラスタ)の論理位置および物理位置を見つけ、読み取ること
・正確にドキュメント化された取出し可能な位置にデータを記録すること
・データをトラッキングし、データを記憶する定義位置に合わせてデータを取り出すこと、トラッキング(例えば、2002年3月13日に本譲渡人の名義で出願された「Method for tracking data in an optical storage medium」という名称の米国特許出願第10/096369号を参照されたい)、適応利得制御および同期ヘッダの記載など
・媒体中に、例えばディスクのタイプおよびモデル、感度、記録密度、製造情報、ならびに個別IDおよびタグなどのシステム情報を含めること
・読取りおよび/または書込み用のデバイス・パラメータを媒体に合わせること、例えば、DVD−Rにおいて、異なる媒体に応じてレーザ出力を変更すること
・ファイル・システムおよびファイルを、(異なるユーザに対して)異なるセキュリティおよび可視性のレベルに含めること
・相互に可視または不可視な異なるユーザおよびシステムが単一の記憶装置を使用する
こと
・セクタの一部が損傷を受けたときに、媒体中のデータの完全性を回復して、データ媒体の堅固さおよび残存能力を保証すること
・フォーマッティング・プロセス中に内容(例えば、ビデオ)を記録すること
トラッキング
データを正しく取り出すには、読取りヘッドが所望のトラックに置かれ、それに追従することが不可欠である。このため実際には、1つのトラックから別のトラックに飛ぶこと、および1つのトラックに忠実に追従することの2つの異なる種類のトラッキング上の問題が生じる。ここでの考察では、これら2つの異なるトラッキング上の問題が、異なる解決策を必要とすることを認識すれば十分であろう。このトラッキング方法が本発明に関係する範囲内では、本発明は、これら2つの問題の第2の問題にのみ関わる。
CDおよびDVDの読取りヘッドが目的トラックをトラッキングするやり方は、そのトラック上に読取りスポットを合焦させ、位置感知検出器によって反射スポットの強度を測定することに基づいている。これにより、誤差測定値に基づいて読取りスポットの位置を計算し、読取りヘッド位置の後続の調整を行うことができる。
(Sato他の)2001年11月15日に公開された「Tracking servo apparatus of optical information recording and reproducing apparatus」という名称の米国特許出願第20010040844号は、この技術を利用したトラッキング・サーボ機器を開示している。これにより、光ディスクの記録表面にレーザ・ビームを照射したときに得られる反射光が光電変換され、それによって光電変換信号が得られる。この光電変換信号によって、あるトラックについてのレーザ・ビームの照射位置の、記録表面上のディスク径方向の偏差量を示すトラッキング誤差信号が生成される。光学系で生じる球面収差が検出され、この検出結果に基づいて、トラッキング誤差信号のレベルが補正され、レーザ・ビームの照射位置が、レベル補正されたトラッキング誤差信号に従ってディスクの径方向に移動する。
同様に、(Schell、David L.の)2001年5月15日公開の「Optical drive error tracking method and apparatus」という名称の米国特許第6233210号は、CDオーディオ・ディスクおよびDVDで見られる様々なデータ・フォーマットの中で一般的なものである光ディスク・プレーヤ用のトラッキング誤差信号を得る方法および機器を開示している。少なくとも4つの活動区域を有する光検出器を使用して、反射レーザ・ビームを感知する。異なる活動区域内での信号の大きさを比較することによって、差動振幅トラッキング誤差信号が生成される。
これらの参照文献は、位置感知検出器として働く複数の区域を有する光検出器を使用して、光ディスクの表面から反射した読取り/書込みレーザ・ビームの成分を検出し、それによって、所望のトラックとやり取りする読取り/書込みヘッドを維持する周知の解決策の典型的なものである。
CDおよびDVDではともに、軸方向の補償が、読取り/書込みビームの焦点調節に変換される。
本発明は、指定かつ制約された3次元スペース内の任意のボクセル/ポイントにアクセスし得る任意の均質な光記憶媒体に適用可能である。そのため、この光媒体は例えば、中
心の周りで回転するディスク、または3次元で直線的に作動させることができる立方体とし得る。本発明は特に、2001年10月4日公開の「Three−dimensional optical memory」という名称の国際公開WO 01/73779号に対応する本出願人の同時係属米国特許出願第10/240420号に記載されているように、単に光媒体または光ディスクと称する3次元光記憶媒体をフォーマットすることを目的とする。WO 01/73779号は、無色半透明ポリマーの単一の一体片から製作された光ディスクを記載している。この文献中に記載されている特定の実施形態では、何百ものスタックされた仮想層データを書き込むことによってディスク内に情報を記憶させる。機能的かつ空間的に、これらの層はそれぞれ、らせんまたは円形のトラック上に情報が記憶される単一のCDまたは光磁気情報層と比較することができる。これらのトラックは、環状のゾーンおよびセクタに分割され、これらはそれぞれ、セクタの制御された取出し可能な場所(例えば、先頭)に記載されたそれぞれのヘッダを利用して標識される。これらの実施形態によれば、読取りスポットとデータ・トラックの相対移動は、ディスクを回転させ、かつ、回折限界スポットを軸方向および径方向に移動させることによって実現される。このような媒体中に回折限界スポットを合焦させることができる光学機械式アセンブリが、2002年10月7日出願の「Method and system for
tight focusing of optical reading or recording beam inside monolithic storage material」という名称の本譲受人が所有する同時係属の米国特許出願第60/416274号に開示されている。この文献を参照により本明細書に含める。
光媒体が読取りスポットに対して相対的に移動するとき、トラックは、限られた量の振れを受けると仮定する。記憶媒体がディスクである場合、この振れは、r(径方向の振れ)およびz(軸方向の振れ)の両方向に存在する。このような歪みは、回転軸が、ディスクの中心からわずかにずれており、ディスク面の法線に対してわずかに傾いており、そのため、データ・トラックが、ディスクの回転中、読取りスポットに対して相対的に移動する場合に生じ得る。
本発明の第1の目的は、物理的に階層化された構造にデータを限定することなく、3次元スペース内の所望かつ所定の場所またはトラックにデータを記録し得るように光媒体をフォーマッティング可能にすることである。
本発明の第2の目的は、3次元光媒体からデータを取り出し、任意選択でこの光媒体にデータを記録することができるようにこの光媒体をフォーマットした後で、その中に記憶されたデータをトラッキングする機構を提供することである。
本発明の第1の態様によれば、3次元半透明光媒体に情報を記録し、それから情報を取り出すことができるように、この媒体上にマークを記載するフォーマッタが提供される。このフォーマッタは、
媒体を保持するクランプ機構と、
少なくとも1つの回折限界スポットを、媒体中のそれぞれの深さのところに合焦させるように較正された少なくとも1つの光学ユニットと、
マークを記載するように最適化された少なくとも1つの光源と、
媒体に対して相対的に前記少なくとも1つのスポットを移動させる少なくとも1つのアクチュエータとを備える。
本発明の第2の態様によれば、フォーマットされた3次元光媒体中に記憶されたデータをトラッキングするトラッキング/フォーマッティング・システムが提供される。前記トラッキング/フォーマッティング・システムは、
前記フォーマットされた3次元光媒体中のフォーマッティング・パターンに適合するトラッキング信号を生成して、前記フォーマッティング・パターンに従って読取りスポットの精確な場所を制御するサーボ機構用のフィードバックとして使用するトラッキング誤差信号を計算することができるトラッキング・ユニットと、
このトラッキング・ユニットに結合された検出ユニットとを備え、この検出ユニットは、トラッキング・ユニットによって生成されたトラッキング信号に応答して、この検出ユニットの空間的な構造に無関係に、前記光媒体中に記憶されたデータ信号を読み取る。
本発明は特に、単一の光検出器を使用して、媒体中に記憶された情報を安定に取り出す(すなわち、トラッキングし復号する)ことができる3次元光媒体をフォーマットしトラッキングすることを対象とする。
当技術分野で周知の3次元光記憶に適した能動的な媒体はいずれも、本発明に従って使用するのに適している。能動的な媒体の非限定的な例が、参照により本明細書に組み込む上記米国特許出願第10/240420号、ならびに1999年12月7日に(Rentzepisに)発行された「Three−dimensional optical memory」という名称の米国特許第5268862号に記載されており、スチルベン誘導体およびアゾベンゼン誘導体である。
以下に説明する実施形態は特に、ディスク形状媒体に関するものであるが、ここで説明するフォーマッティングおよびトラッキングの方法は、ディスク形状媒体に限定されず、任意の形状の媒体および情報トラック(例えば、らせん形状トラック)に適用されることが明らかなはずである。
本発明の第2の態様に関して、トラッキングしフォーマットすることは、様々な手法を利用して実現し得る。そのため、第1の手法によれば、複数のベース層が、ディスク内部に記載される。「工場」であらかじめフォーマットされるこれらのベース層には、極めて高いレベルの精度で書き込みが行われる。このような実施形態では、光媒体は、光媒体内の所望の場所にデータを書き込み、そこからデータを読み取ることができるように相互に既知の量だけ分離したベース層内に配置された位置合わせマークを含むフォーマッティング・パターンでフォーマットされる。読取りおよび書込み用のレーザはともに、必要とされる層間隔に等しい焦点間垂直距離で同時に合焦する。連続した新しい各層には、その前の層を読み取り、トラッキングしている間に書込みが行われ、そのため、確実に新しい各層が正しくフォーマッティングされ、一定間隔で配置される。
フォーマッティングおよびトラッキングを実現する第1の手法によれば、トラッキング/フォーマット・システムは、波長が相互に異なっていてもよい少なくとも2本のレーザ・ビームを、光媒体中の相互に変位するように制御されたそれぞれのポイントで合焦させて、光媒体から読取り信号を取得するのに使用する読取りスポットおよび光媒体にマークを記録するのに使用する書込みスポットを形成するように適合された光学ユニットを備え、
トラッキング・ユニットは読取りスポットに応答して、少なくとも部分的に記録された層内の情報トラックをトラッキングし、それによって書込みスポットが、光媒体の隣接した層内にデータを記録することができる。
詳細な説明で説明する第1の手法の好ましい実施形態は非限定的なものであり、層間距離、ベース層の数、ベース層間の層の暗黙の数などのパラメータ、および他の任意のパラメータは、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく変更し得ることを理解されたい。
トラッキング・ユニットの一実施形態では、書込みレーザは、一定の焦点距離のところで維持され、読取りレーザは、円錐走査を利用したトラッキングが確実に行われるように前の層付近で揺動する。このトラッキング方法は、米国特許出願第10/096369号、および2003年9月18日に(すなわち、本出願の優先日の後で)本譲受人の名義で公開され出願された国際公開第03/077240号に開示されている。例えば、当技術分野では周知の径方向トラッキング用の3スポット機構およびオートフォーカス機構など、他のトラッキング機構が可能である。このようなトラッキング方法は、位置感知検出器を使用することに依存しており、それ自体周知のものである。3次元光記憶を行うためのこのような複数検出器による方法の一例が、Haichuan Zhang他、「Multi−layer Optical Data Storage Based on Two−photon Recordable Fluorescent Disk Media」、Proceedings of the Eighteenth IEEE sym. on Mass Storage Systems、2001年4月17〜20日に記載されている。別のトラッキング方法は、以下で論じる第2の手法に基づくものである。
フォーマッティングおよびトラッキングを実現する第2の手法によれば、トラッキング/フォーマット・システムは、波長が相互に異なっていてもよい少なくとも2本のレーザ・ビームを、光媒体中の相互に変位するように制御されたそれぞれのポイントで合焦させて、光媒体から読取り信号を取得するのに使用する読取りスポットおよび光媒体にマークを記録するのに使用する書込みスポットを形成するように適合された光学ユニットを備え、
トラッキング・ユニットは読取りスポットに応答し、それによって、少なくとも部分的に記録された層内の情報トラックをトラッキングして、光媒体内で書込みスポットがデータを記録することができる。

このようなフォーマッティング/トラッキング・システムの動作は、データ区間およびサーボ区間に分割された線によって表される単一直線トラックに関する簡略化した2次元の例によって説明することができる。サーボ・システムは、例えばデータ区間の終了を指し示す特別な同期ワードによって、これらのデータ区間およびサーボ区間に同期する。サーボ区間内では、トラックの第1の側にわずかにオフセットされた前縁マークがまず現れ、システムが解像可能な遅延後、トラックの他方の側にわずかにオフセットされた第2の後続の後縁サーボ・マークが現れる。このシステムは、前記2つのマークからの信号の振幅を比較し、これら2つの振幅の差に(線形または非線形に)比例した誤差信号を生成する。
読取りスポットと書込みスポットの間の既知の較正済みオフセットに対応するために、バイアスされた部分トラッキング誤差信号が生成される。対称にオフセットされた2組のサンプル・サーボ・バーストの関数としてバイアスされた誤差信号を計算する第1の方法は、この誤差信号の計算に、読取りスポットからの距離の関数としてのサーボ・マークからの信号の線形または非線形な空間的性質ならびにマークおよびスポットのそれぞれの形状を考慮に入れた対称性破れ係数を追加することによるものである。
トラッキング誤差信号の1次式は、以下に示す形式のものである。
(数3)
ただし、S1およびS2は、2つのオフセット・マーク列からのそれぞれの信号の振幅であり、AおよびBは対称性破れ係数、D・(E・S1+S2)は、一般正規化係数である。
読取りスポットと書込みスポットの間の既知のオフセットに対応する第2のファミリの方法は、より高密度のサーボ信号を使用することに基づくものである。ここで、簡略化した2次元の例の場合、このより高い密度は、トラックから外れた軸で行い、サーボ・マークは、多数の離散的または連続したオフセット値でオフセットすることができ、これらの様々なサーボ信号は、特別な符号化によって、またはこれらのタイミングによって識別される。これらより高密度のサーボ・マークを用いて、1対の適切なオフセット・サーボ列を選択することによって、2オフセット信号方式に類似したやり方でトラッキング誤差信号が取得される。トラッキング誤差信号の対称性の破れは、ここでも適用することができる。オフセット・サーボ・マークの組を複合して使用すると、ロックイン範囲をより広くし、より高次のトラッキング誤差信号を抽出することができる。
図9に、対称な2次信号を使用した場合の結果を示す。ここでは、4つのサーボ・マーク列が、対向する2対のトラック・オフセット+X、+Y、−X、および−Y(│Y│>│X│)でそれぞれ記録される。このように、これらのサーボ・オフセット値は、2つの異なる大きさのサーボ・オフセット値を含み、読取りスポットと書込みスポットの間の一定のオフセットの変動は、以下の形式のトラッキング誤差信号によって補正される。
(数4)
ただし、S1、S2、S3、およびS4は、4つのオフセット・マーク列のそれぞれの信号の振幅であり、A、B、C、およびDは対称性破れ係数、I・(E・(S1+F・S2)+G(S1+H・S2))は、一般正規化係数である。
得られたトラッキング誤差信号により、読取りスポットと書込みスポットの間の一定のオフセットを自動追尾することができる。これは、オフセットがトラック・ピッチの約半分である図9に示す場合がそうであるが、読取りスポットと書込みスポットの間にオフセットがある場合に必要になることがある。この特定の実施形態では、2次トラッキング誤差信号により、より広い範囲を自動追尾し得ることにも留意されたい。このファミリの2次信号では、対称性破れ2次トラッキング誤差信号を抽出することもできる。これらの方法を複合して用いると、現在の読取りスポット−書込みスポットのオフセットおよび現在の読取りスポット−トラックのオフセットについて最良の方法を動的に選択することが可能である。必要とされるトラッキング誤差信号に応じて、様々にオフセットされたサーボ・マークからの信号を適切に操作することによって非線形性を組み込むこともできるし、取り除くこともできる。
本発明の最も広い応用例では、本発明により、所定の層内にデータを配置するように制約されることなく、かつ、特定の向きでサーボ・マークを配置するように制約されることなく、3次元光媒体中の任意の場所へのデータ記録を定義するためのフォーマッティングの自由度が提供される。これは、指定かつ制約された3次元スペース内の任意のボクセル/ポイントにアクセスし得る均質な光記憶媒体を使用することによって可能になる。より限定されたサンプル・サーボ技術の応用例では、サーボ区間に沿って、トラックの上下にわずかにオフセットされた軸方向トラッキング・マークが追加される。この軸方向トラッ
キング誤差は、径方向トラッキング情報と並列に抽出される。
機械的なサブ・システムの応答周波数よりも高いサーボ信号方式周波数を使用すると、サンプル・サーボ信号のローパス・フィルタリングを利用することができ、これらの信号中のノイズを抑制することができる。
上記で考察した孤立トラックの例は、第2のトラッキング方法の基礎となる考え方を明確にするためにのみ用いられるものである。実際には、トラック・ピッチは、1つの層内にできるだけ多くのデータを詰め込むために最小限に抑えるべきである。サーボ信号方式の技術分野で周知の方法の1つは、「交番サーボ」の名称で知られているものである。この方式では、前縁マークおよび後続のマークの役割は、トラックらせんまたは同心データ円のある一巻きと別の一巻きとの間で交互に代わる。以下、図面のうち図6bを特に参照して、3次元での実施形態を説明する。
この実施形態によれば、トラッキング/フォーマッティング・システムはさらに、光媒体中の公称トラック上に合焦された読取りスポットのトラッキング誤差を補正する誤差補正ユニットを備える。前記誤差補正ユニットは、
サーボ変調マークから、公称トラック中心からのそれぞれのサーボ変調マークのサーボ・オフセットの大きさに応じて変化するそれぞれのサーボ変調マークの振幅、または、公称トラック軸に対する相対的な異なるそれぞれのサーボ変調マークの角度の傾き、あるいはこれらの任意の組合せを有する信号を受け取るフィードバック・ユニットと、
このフィードバック・ユニットに結合され、受け取った信号に応答して、読取りスポットの、トラックからの径方向および軸方向のそれぞれの部分オフセットの方向および相対振幅を決定するオフセット決定ユニットと、
このオフセット決定ユニットに応答可能に結合され、それに従って読取りスポットの位置を調整するスポット調整ユニットとを含む。
第2のフォーマッティング/トラッキング方法の第2のファミリの実施形態は、光ビームの焦点および位置を制御する光学ユニット内の光学要素の一部を操作することによって、ビーム・プロフィールを操作することに基づくものである。反射型光媒体装置で利用し、「光学的超解像」として知られていることがある操作に関係する一例では、より小さなスポットを生成するために、不透明リングにより対物レンズの一部が遮蔽される。これは、特定の面内で、すなわち焦点面内で、ビーム・プロフィールの対称性は変化させずにビーム・プロフィールを変更することを目的とした操作の例であるが、サーボ・サンプリング方法は、方向情報を抽出することを必要とし、したがって、対称性が減じたビーム・プロフィールを必要とする。光軸に対して斜めの向きのビーム・プロフィールとすることにより、斜めの向きのマークを生成することができる。これは、3次元の性質を有する媒体特有の特徴である。図12に、傾いたマークを使用して、径方向にスポットを誘導するところを絵画的に示す。傾いたマークを生成する操作の特定の実施形態は、記録ビームを合焦させる光学ユニットの透明開口の半分の約2/3を遮蔽する液晶パネルを追加することである。図11では、トラックは、接線方向から見て描いたものである(トラックは紙面内に入る)。2つの部分的に重なり合う楕円は、このトラックに対して相対的に傾いたサーボ・マークの2つの向きを示している。読取りスポット1110が、これらのマークの向きに沿った2つの斜め方向の一方に沿って、動く場合、一方のサーボ・マーク列からの信号は、他方のサーボ・マーク列からの信号よりもはるかに速く弱くなる。この情報は、このマークに沿ったいずれの方向がスポットの相対移動であるかを示さないので完全ではない。変形のしかたが異なるサーボ・マークを追加するか、あるいは、これらの方法を、トラッキングおよびフォーマッティングを実現する第2の手法の第1のファミリなどの他のトラッキング方法と組み合わせることによって、欠けている情報を追加する。図10に、完全な情報を伴うトラッキングの実施形態を示す。この実施形態では、接線方向に傾い
た1対の追加のサーボ・マーク(1030、1040)を使用する。これらのマークにより、軸方向の誤差信号を導出することができ、それによって実質的に、どのサーボ・マークも2つの軸方向サーボ・マーク、すなわち、フォーマッティングおよびトラッキングを行う第2の手法の第1のファミリの傾いていないサーボ・マークの役割を果たすことになり、そのため、情報が完全になる。接線方向に傾いたマークを使用すると、1つの簡単な配置ですべてのサーボ・マークが得られるという利益が得られるが、トラックの下側(または上側)のマークの第1部分と、反対側の第2部分とを確かに比較するようにするために、接線方向に傾いたマークをより正確なタイミングでサンプリングする必要がある。本発明の詳細な説明では、ビーム・プロフィールを生成する方法を論じる。これらの方法は、対物レンズを部分的かつ非対称に遮蔽すること、または、光学要素の1つを傾けることによって、例えばコマ収差などの収差の生成することを含む。
詳細な説明で説明する第2の手法の好ましい実施形態も非限定的なものであり、そのサンプル・サーボ信号方式は、専用のトラック区間をもつこともできるし、もたなくてもよいことを理解されたい。このサンプル・サーボが専用の区間を有する場合、これらの区間は、一定の線長または一定の角度長とすることもできるし、あるいは、可変長とすることさえできる。径方向および軸方向の隣接するサーボ・トラックからの連続したサーボ情報を用いて連続したデータ列を記録し得る。これらのサーボ信号方式マークは、トラックに沿って場所を変えるか、あるいは、トラックからのオフセットを変えることにより、これらのマークの場所または密度を変化させることによってさらに符号化することができる。符号化は、例えば、これらのサーボ・マークを記載する書込みパルスの振幅または継続時間を変化させることにより、これらのマークからの読取りプロセスによって得られる信号の長さを変え、信号の振幅を変えることによっても実現し得る。サーボ信号マークは、可変サイズのものとすることもできる。この場合、時間領域、周波数領域(異なる周波数成分の異なるサーボ・マーク)、または複合的な方法(例えば、ウェーブレット領域フィルタリング)であろうと、任意の独特な特徴および任意の独特な信号処理方法によって異なるサーボ・パターンを識別し得る。以下の詳細な説明で説明する実施形態の1つは、サーボ・マークがシステムの最小マーク・サイズよりも大きい場合に関係する例であり、これは、情報トラックの詰込みに影響を及ぼすものである。これらのトラックを効率よく詰め込むことは、例えば、円形のトラックを使用し、交互に記載されたサーボ・マークを使用することによって実現される。交番サーボ・マークは、径方向または軸方向のいずれかのみに用いることもできるし、その両方に用いることもできる。サンプル・サーボのこれら追加の変形形態はどれも、サンプル・サーボ・マークからのトラッキング誤差信号の抽出を改善し、これらのマークによる追加の情報を符号化することができる。このような追加の情報の符号化の非限定的な例は、セクタまたは層の識別情報の符号化、あるいは、ディスクのバージョンおよび生産バッチなどのシステム情報の符号化である。
このフォーマッタは、両方のフォーマッティング方法に対して極めて類似したものである。このフォーマッタは、極めて強力なクランプ機構でディスクを保持する極めて安定なスピンドルと、高レベルの再現性で異なる深さのところで回折限界に合焦させることができる、ディスクの上に配置された極めて安定な光学ユニット(OPU)と、異なる径方向位置にOPUを配置して、らせん状のサンプル・サーボ・マークを連続して記載するか、あるいは、サンプル・サーボ・マークを円単位で不連続に記載することができる、OPUに固定された極めて安定なアクチュエータからなる。
国際公開WO 01/73779号およびその中で引用されている参照文献に記載されているものなど、非線形現象に基づく3次元記憶は、低エネルギー高ピーク出力の短いパルスを使用して、媒体中にマークを記載することができる。そのため、このフォーマッタは、(比較的低エネルギー高ピーク出力の)短パルス・レーザを活用して、1つのパルスで複数のマークを同時に記載することができる。(通常、合焦要素の前に置かれる)回折
要素を使用して、複数のマークからなる固定または可変のパターンに合焦ビームを分割し得る。このパターンは、サーボ同期パターンの一部または完全なサーボ同期パターンとすることもできるし、並列に記録されるサーボ同期パターンの2つ以上の部分または2つ以上の完全なサーボ同期パターンとすることもできる。ここで述べるように、このフォーマッティング・プロセスで記録されるマークは、サーボおよび同期用のパターンに限定されるものではなく、他の機能を備えることもできる。適切なレーザの例は、必要とされるサーボ・マーキング周波数よりもはるかに高いパルス発生周波数をも示すチタン−サファイア・レーザである。特定の実施形態では、複数の同期したフォーマッタ間でチタン−サファイア・レーザ(または他の任意の適切なレーザ)を切り替える。
別の実施形態では、例えば電気光学変調器を使用してビーム合焦位置を高速に変調することによって、レーザ周波数とサーボ周波数の間の見かけの冗長性を活用し、ビームの向きをわずかに変調することによって焦点の位置をわずかにずらして、複数のパターンを並列に記録し得る。この見かけの冗長性を利用して内容を記録することもできる。
このフォーマッタの別の実施形態では、シングル・ビーム用OPUの代わりに、マルチ・ビーム用OPUを使用する。多数のビームを伴うOPUを生成する方法の非限定的な例には、いくつかの簡単な光学ユニットを並列に使用すること、複合レンズまたはグレーティングを使用すること、あるいは、ダイオード・レーザ・アレイを使用することが含まれる。光ファイバまたは自由空間伝播を利用し、ビーム・スプリッタ、スイッチ、ミラー、および/またはファイバ・バンドルの任意の組合せを使用して、1つまたは複数の光源を合焦要素に方向づけることができる。多数の満足な品質のビームを生成する当技術分野で周知の任意の方法が適用可能である。これら多数のビームを使用して、層から層へと記載する(逐次記載)こともできるし、いくつかの層に並列に記載することもできる。以下、このような実施形態の細部を説明する。
本発明の別の目的は、光媒体のユーザが必要とし得るセクタ、ゾーン、および層のヘッダ情報、同期情報、および補助的な情報の生成など、他のフォーマッティング要件を満足することである。ゾーン化したらせんを使用すると、ゾーン化角速度(または線速度)一定など、異なるサーボ符号化が可能になる。これらはそれぞれ、ゾーン化一定角度(または直線)サーボ・マーク方式を意味する。異なる理由で、サーボ・レートも疑似ランダムに変えることができる。
さらに、一実施形態では、光媒体は、ディスク中央の両面にトラックを有する両面ディスクになるように設計される。これらのトラックは、ミラー・キラリティを有し、相互に逆回転する。ここでは、キラリティは化学からの借用語であり、最も簡単には「掌性」、すなわち、左右の反対性が存在することを意味することに留意されたい。例えば、人の左手および右手は鏡像であり、したがって「キラル」である。ディスクの両面のトラックは、読取り機構が片面を読み取るときに、反対側のトラックに誤ってアクセスできないように重なり合わないことが重要である。このことは、2つの中央層間のボリュームをデータが空の状態のままにして、読取りヘッドが、ディスクのこの反対方向に回転する片方の部分に誤って入り込まないようにすることによって実現し得る。この両面ディスクのキラリティは、フォーマッティング/記録プロセスおよび読取りプロセスの両方で現れ、空間的かつ時間的なキラリティである。フォーマット中のキラリティは単に、一度に1つの面をフォーマットすることによって解決することができる。
らせんをフォーマットしている間の空間的なキラリティは、一方の側をフォーマットする直線ステージをディスクの内径から外径に移動させ、他方の側の直線ステージを反対方向に移動させることによって制御することもできる。時間的なキラリティは、サーボ・マーク処理の順序を適切に逆にすることによって制御し得る。
トラッキング機構の周波数応答は、サーボ・マークの数が増えることに伴ってトラックの情報容量が必然的に減少する代償を払って、トラックとスポットの相対位置の変化に応答し得るように十分に高くなければならない。トラッキング情報周波数が必要とされるフィードバック周波数よりもはるかに高い場合、ローパス技術を利用して、フィードバック信号の質を高めることができる。
トラックの自動追尾は、当技術分野で周知の、1つまたは2つの層状媒体を自動追尾する方法を拡張することによって、例えば、スポット位置のゆっくりとした制御された変調を行い、それによって徐々に、トラッキング誤差信号がサーボ・ループを制御することよって実現し得る。
本発明を理解し、実際に本発明を実施する方法がわかるように、次に、添付の図面を参照して、単なる非限定的な例として特定の実施形態を説明する。
図1を参照すると、3次元光記憶媒体101用のフォーマッティング・システム100が機能的に示されている。フォーマット・システム100は、(図示しない)適当な駆動モータによって駆動される回転シャフト102を備え、それによって、その上に置かれた光記憶媒体101が回転する。フォーマッティング・システム100はさらに、光記憶媒体101中のトラックの1つに情報を書き込み、それから情報を読み取る光学ヘッド103を備える。特定の実施形態では、光学ユニット103は、半導体レーザ、レーザ駆動回路、および合焦スポットを生成する光学系を含む。本発明を実際に実施する一実施形態では、これらのコンポーネントは、市販のコンポーネントによって実現することができ、そのため、この図には示さない。スポットの位置は、アクチュエータ104によって制御される。
図2aおよび図2bに、スポットを多数の焦点に分割して、複数スポットフォーマッタを実現する光学ユニットの側面図および平面図を概略的に示す。複数スポット光学ユニット201は多数のスポットを生成し、それによっていくつかの層に同時に記載し、フォーマッティングをより高速にすることができ、そのためコストが低くなる。この目的で、光学ユニット201は、図2bに示すように複数の対物レンズを含むことがある。これらの対物レンズは、各対物レンズを通して光源をディスク内の1つまたは複数のスポットに合焦する分割機構として動作する。210および211に、合焦要素の2つの異なる可能な構成を概略的に示す。各合焦要素は、ディスク内で限定された深度範囲について補正されるようにあらかじめ設計し得る。この場合には、1つの合焦レンズで十分であろう。別の実施形態では、各合焦要素を使用して、ディスク内のより広い深度範囲をフォーマットすることができる。この場合、合焦要素は、2つ以上の簡単な光学要素からなる。これらの合焦要素は協働することが求められる。第1実施形態では、これは、この系内の各レンズをすべて極めて正確に協働して作動させることによって実現される。この協働は、テスト・ディスク、またはフォーマット済みのディスクのテスト区域に較正パターンを記録し、この較正パターンに較正される合焦要素を順次合焦させることによって実現し得る。較正後、これらの合焦要素は、協働して移動するように剛体的に固定される。第2実施形態では、米国特許出願第60/416274号に記載されているように、主レンズおよび補助レンズは、射出成型されて2つの要素に形成されるか、その他の方法で剛体的に2つの要素に取り付けられる。いずれの場合でも、次いで、これら2つの要素を作動させて、合焦系全体を協働して移動させる。図2bには、ディスクの上下に多数の直線ステージを収容して、より多くの光ビームをディスク内で合焦させ、フォーマッティングをより高速かつより低コストにする方法も示す。
接線方向に3つ以上の合焦スポットを配置する場合(210)、異なる対の合焦要素(例えば、2101および2102)は、異なる密度のトラックを生成することに留意されたい。これは、異なる層が異なる密度を有するように設計する場合に組み込むことができる。
図2dは、多数の合焦要素について球面収差を協働して補正する別の実施形態を概略的に表現したものである。この球面収差補正は、いくつかの合焦要素に共通な1つの比較的大型の光学補正要素によって実現され、以下、これを「球面収差補正用共通光学要素」または略してSACCOEと称する。その要件は、ビームを完全に(回折限界に)合焦させ、あらゆる収差を補正することである。この要件は、主に球面収差補正に使用される第1光学要素によって扱われる第1の部分と、主に合焦およびコマなどの他の収差の補正をつかさどるこの光学系の他の要素によって扱われる第2の部分に分かれる。この特定の実施形態では、SACCOEは、媒体と同じ屈折率を有する様々な厚さの光学材料のスラブを含む光学要素である。SACCOEの動作原理は、特定な深度について合焦要素の球面収差が補正されると、(媒体の屈折率を有する)光学材料内の光路長を一定に保つことによって、球面収差が生じないようにし得ることである。SACCOEの第1実施形態では、2つのプリズム240、241を使用する。これらのプリズムの間には、光学オイル242を配置し得る。これらのプリズムは、全体配置250に示すように、直線状または円形のいずれかとすることができる。この場合には2つの円形プリズム要素であるSACCOE 251は、媒体252と1組の合焦要素253の間に配置される。主な制約は、ビームが入射するところの媒体の表面に対してSACCOEの表面を十分に平行にして、他のタイプの収差を最小限に抑えることである。ある限定された量の収差は、この合焦系の他の部分によって補償することができる。プリズム間の容積が十分に狭い場合には、そこにオイルを充填する必要はなく、SACCOEの平行表面をわずかに傾けることによって、生じる収差を補正することができる。
断面で示すSACCOEの第2実施形態243は、2枚の平行ガラス表面245と246の間で可変量の光学オイル244を使用することによるものである。この図に示す特定の実施形態では、これらのガラス表面は、概略的に247で示す1組のアクチュエータによって平行に保たれる。この光学オイルは、不均一さが生じないように加圧される。環状の可撓性材料248として、加圧要素およびオイル溜めを概略的に示す。SACCOEとディスクの間隔は、収差が生じないように狭く保つべきである。
図2cは、単一の対物レンズによってスポットを多数の焦点に分割する光学ユニットを概略的に表現したものである。
図2eに、空間的に相互に精確に配置されたディスクのスタックを同時にフォーマットすることができるマルチ・アーム・フォーマッタ260を概略的に示す。これらのディスクは、多数の光学ユニットによってアクセスされ、かつ多数のアクチュエータによって作動される。これらのディスクは、図2fに概略的に示すピン261上に配置される。ピン261は、2つの空気スピンドル262の間に設置される。各直線ステージ263は、複数のアームで構築されたそれぞれのブラケット264を担持する。これらのアームは、互いに重ねて装着され、それぞれ(図示しない)結合された合焦要素のユニットを担持し得る。これらのディスクを両面からフォーマットするために、これらの直線ステージは、単一ディスク・フォーマッタ型の直線ステージが行うのと同じように出入りする。各直線ステージは複数のアームを有し、これらのアームは、ディスクの上を移動する群、またはディスクの下を移動する群のいずれかに属する。
図2fに、複数のディスクの装着およびスピンドル・ピン(265)の動作を示す。このスピンドル・ピンは、簡単な手順によって機械から取り外される。ディスク266は、
このフォーマッタの外でこのスピンドル・ピンに載せられる。各ディスクの垂直方向の位置は、機械に対して相対的にディスクの位置を極めてきつい公差(おそらくは数ミクロン)内に保証するスペーサ・リング267によって決まる。各ディスクは、ばね268によってスペーサ・リングに固定される。
図3は、第1のフォーマッティング方法によるベース層の位置を示す側面図であり、この方法で使用されるディスクの実際のフォーマットを示す。図3aに、3次元光ディスクの切片を示す。図3aに(b)および(c)によって示す表示は、それぞれの副図で拡大していることを示す。図3bに、ディスク201の表面に隣接した数百ミクロン以内のフォーマットされたディスクの構造を示す。この特定の実施形態では、ディスク201の表面とd1で示す第1ベース層との距離は100ミクロンであり、d2で示す連続したベース層間の距離は160ミクロンである。図3cに、フォーマットされたディスクの構造を示す。図3cに示す構造は、このディスクの中央部を見たものである。このディスク中央部において、ディスクの最初の半分の第1らせんベース層と、その逆回転対との距離をd3で示す。この図に示す実施形態では、d3は40ミクロンであり、ディスクの厚さの合計は6mmである。好ましい実施形態では、これらのベース層は、ベース層の上書きがないことを検証するテスト区域を含む。
図4に、第1の手法に従って、トラッキングを行い、フォーマットされたディスクに新しい層を書き込むところを概略的に示す。単に説明するために、合焦レンズとしてモデル化された光学ユニットは、異なる波長の2本のビームを、d4だけ分離したディスクの異なる深さのところで合焦させる。読取りスポット401は、一点鎖線402で面を示す層内のある深さのところにすでに記載されているらせんをトラッキングする。このらせんトラックは、マスタとして働く。同時に、書込みスポット403は、他の軸に沿ってマスタと同じ位置にあるが、読取りスポットから垂直方向にd4だけ分離した新しいらせんを記載する。
図5aおよび図5bは、第2のフォーマッティング方法のサンプル・サーボ技術の簡略化した2次元図を概略的に表現したものである。図5aに、単一トラックからトラッキング誤差信号を抽出する方法を示す。データ用に割り当てられたトラックの場所を一点鎖線区間によって示し、点線区間は、サーボ・マーク用に割り当てられた場所を示す。フォーマッティング・ステップで記載されるマークであるサーボ・マークは、公称トラック位置に対してオフセットされ、そのため、読取りスポットがこの公称トラックに沿って通過するときに、これらのサーボ・マークからトラッキング信号が収集される。この信号は、読取りスポットとサーボ・マークが重なる部分に線形または非線形に比例する。読取りスポットが、公称トラック位置の厳密に中心にある場合、トラックの両側にオフセットされたサーボ・マークとの重なり合いは同じであり、一続きのサーボ・マークから得られる信号の差はゼロである。読取りスポットが、トラックに対して公称上オフセットしている場合、第1の一続きのマークからのフィルタリングされた信号は、トラックの反対側に配置された第2の一続きのマークからの信号と異なり、この差が、読取りスポットが移動すべき方向を示すトラッキング誤差信号として働くことになる。
図5bに、10本のトラックt1、...、t10の区域上での簡略化した2次元配置において交番サーボを用いているところを示す。読取りスポットの走査方向は、紙面に沿って左から右であり、奇数トラックのサーボ・マークは、最初に左を示すサーボ・マークを有し、2番目に右を示すサーボ・マークを有する。後者のマークは、偶数トラックについては左を示すマークとして働き、そのため、左を示す信号と右を示す信号の順序が変えられている。
図6aは、第2の手法の第1のファミリによる単一トラックの3次元サンプル・サーボ
を示す概略図である。このトラックは、専用の区間に配置されるサーボ・マークによって規定され、これらのサーボ・マークは、公称トラック600に対して径方向および垂直方向にオフセットされる。この図に示す実施形態では、径方向にオフセットされたマーク601および602は、軸方向にオフセットされたマーク603および604に先行する。
図6bに、サンプル・サーボ示度を提供するのに使用する2対のサンプル・サーボの交番サーボの実施形態を示すが、この交番方式を使用することによって、サーボ・マークのサーボ計数は、各サーボ区間ごとに記録される1つのサーボ・マークのみになる(エッジの影響は無視する)。この図では、621は、(線で示す)トラックおよび(楕円面で示す)サーボ・マークの概略斜視図である。これらのサーボ・マークにより仮想層が規定され、その中にトラックが記録される。数字1および2で示すサーボ・マークはこの層の下にあり、数字3および4で示すサーボ・マークはこの層の上にある。この仮想層を丸で囲み、623で示す。この仮想層を622でも示す。622は、同じサーボ配置のいくつかの仮想層を、トラックに沿った断面で示す概略図であり、そのため、前と同様に楕円面で示されるサーボ・マークを伴った点で示される。概略図622から、これらのサーボ・マークは交番機能を有することが明らかである。これらの、奇数仮想層に対してトラックの上の示度として働くサーボ・マークは、偶数仮想層についてはトラックの下の示度として働く。
図6cに、より複雑な交番配置を利用して、ディスク容量を増やし、必要とされるサーボ・マークの数を減らす方法を示す。631から、サーボ計数は、各トラック区間ごとに1つのサーボ・マークであることが明らかである(この場合も、エッジの影響は無視する)。互い違いのサーボ・マークがどのようにトラッキング用に使用されるかに留意されたい。このことを、配置631では633で示す、丸で囲まれた仮想層と、それぞれのサーボ・マークとの斜視図である632で詳細に示す。数字1および2で示すサーボ・マークはトラックのすぐ下にあり(接線軸に沿って1は2に先行する)、数字3および4で示すマークはトラックの上にあり、かつそれぞれのトラックとトラックの間にある。631から、層633に関して層の偶奇が入れ替わると、これらの役割は入れ替わることが明らかである。すなわち、これらの仮想層に順に番号を付けると、奇数層内のトラック間にあるサーボ・マークは、偶数層内のトラックのすぐ上にあり、偶数層内のトラック間にあるサーボ・マークは、奇数層内のトラックのすぐ上にある。こうすると、隣接する仮想層内のトラックを規定する互い違いのサーボ・マークの配置が得られ、それによって各トラックが、2つのサーボ・マークが1つの層内のトラックにまたがり、第3のサーボ・マークが隣接する層内のトラックに整列するように3重のサーボ・マークによって拘束される。(サーボ・マークによって規定される)トラック間距離および層間距離を変えずに、交互に並んだ層内のトラック間距離が大きくなり、その結果、生じ得る記号間干渉が減るので、データ容量が増える。これが、サンプル・サーボと真の3次元記憶媒体との組合せによる利点の顕在化の別の例である。
区間単位で配置されるサンプル・サーボの特定の実施形態について、図6bおよび図6cに示す交番サーボ配置を説明した。この特定の実施形態は、このような交番サーボ配置の使用を、例示したサーボ計数とともに利用することに限定されず、これらの配置を、区間ごとの何回かの繰返し、いくつかのオフセット、連続サーボ、または本発明の説明から示唆される任意の実施形態に等価に適用し得ることが明らかなはずである。そのため、本発明では、サーボ・マーク配置が3重または4重のサーボ示度に等価になるように、また、示度の計数がトラック区間の数に等しくなるように、隣接する仮想層内のトラックを規定する交番サーボ・マークを任意に配置することが企図されていることを理解されたい。
図7は、データ・マークよりも大きいサーボ・マークを使用するサンプル・サーボを概略的に表現したものである。より高密度を実現するためには、トラック・ピッチはデータ
・マークにより決定されるので、これらのサーボ・マークは、単純な交番方法では詰め込むことができない。単純な交番サーボを利用しようとすると、実質的に公称トラック上にサーボ・マークを配置することとなり、読取りスポットがわずかにオフセットしても、このようなマークからの信号は大きく変化しないことを意味する。このような制約に対応するために、異なるトラックのサーボ・マークをサーボ区間に沿ってそれぞれ異なるように配置する。これらのトラックは、次々に周期的に繰り返されるa、b、c、およびdで示す4つの群に分割され、各トラックには、データ区間の終わりとサーボ・マークの出現との間に特定の遅延が存在する。そのため、単純な交番サーボ・マークに関連する重なり合いの問題がなくなる。
図8a、図8b、および図8cに、3次元光記憶媒体における対応する側面投影図、接線投影図、および上面投影図をそれぞれ示す。図8aは、トラック区域の側面図であり、図に示す4つの層、異なる層内のサーボ・マーク間の時間/空間順序が強調されている。これらのサーボ・マークの相対位置およびそれらの交番特徴は、図8bの接線図によりよく示されている。軸方向サーボ・マーク列、例えば810は、例えば820と830のトラック層間にあり、径方向サーボ列は、例えば840のデータ面内、850の面内、および860の面内にある。これらのサーボ・マークの交番特徴に留意すべきであり、軸方向および径方向の2つのトラック間には、各隣接データ・トラックごとに共通のトラック示度として働くサーボ・マーク列は1つしかない。図8cで、異なる信号の分離を可能にする異なるサーボ・マーク間の時間的な遅延がわかる。
図8a、図8b、および図8cでは、トラックおよびサーボ・マークは、実質的に原寸に比例して描かれている。各楕円面は、マークのサイズを示し、そのサイズは、接線方向および径方向に直径2ミクロン未満であり、軸方向に10ミクロン未満であるはずである。これらの図に示す特定の実施形態では、これらのマークは、径方向および接線方向に直径1ミクロンであり、軸方向に6ミクロンである。データ区間内のデータを符号化する多くの方法が当技術分野で知られており、したがって、これらの図面には示さない。データ・マークによる情報の符号化を過大に簡略化したものは、ある位置におけるマークの見かけによって符号化/復号の2つの状態が定義される単純2値符号化である。他のはるかに効率的な符号化方式が知られている。ヘッダおよびサーボ・バーストとしてサーボ・マークを配置し得ることにも留意されたい。1つの区間の終了と、次のサーボまたはデータ区間の開始とを示す多くの同期方法が当技術分野で知られており、したがって、これらの図面には示さない。
層間隔は10ミクロンであり、トラック間隔は2ミクロンであり、トラックに沿ったマークの最小間隔は2ミクロン未満である。この特定の実施形態での読取りスポットの直径は1.5ミクロンである。
図9は、公称トラック中心からの偏差の関数としてのトラッキング誤差信号をグラフで表現したものであり、異なるフォーマッティング/トラッキング・システムに固有のものである。最初のS曲線901(青の一点鎖線)は、公称トラックに対して均等にオフセットされた1対のサンプル・サーボ・マーク列について計算したものである。このS曲線は、対称差S1−S2を表している。第2のS曲線は、以下の形式の2次式を用いて計算したものである。
(数5)
ただし、S1、S2、S3、およびS4は、4つのオフセット・マーク列のそれぞれの信号振幅であり、A、B、C、およびDは、対称性破れ係数、I・(E・(S1+F・S2)+G(S1+H・S2))は、一般正規化係数である。
図13は、サーボ区間によって分離されたデータ区間を有するインターリーブしたトラックを示す概略図である。
フォーマッティングおよびトラッキングの第2の方法のサーボ・マークの第2のファミリを考慮して、このフォーマッティングおよびトラッキングの仕組みをより詳細に示す。図10〜図12に示し、図10に要約した実施形態を参照すると、サーボ区間は、径方向−軸方向面内で径方向に傾いた1対のマーク1010、1020および接線方向−軸方向面内で傾いた1対のマーク1030、1040の4つのタイプのマークを有する。
サーボ誤差信号を抽出するために、各サーボ・マーク列からの各信号の位相を自動追尾し、ローパス・フィルタにかける。2つのトラッキング誤差信号を計算する。第1のトラッキング誤差信号は、2つの径方向マークから得られた信号間の差であり、それによって、傾いた向きの一方に沿った示度が与えられる。これを、図11に詳細に示す。図11は、トラック軸から見た、径方向−軸方向面内で傾いたマーク1010、1020の投影図である。読取りスポット1110もこの方向から見たものである。図11の場合のように、読取りスポットが軸から外れている場合、マーク1020からの信号は、マーク1010からの信号よりもかなり大きくなる。このスポットが1111で示すように反転しても、この信号は等しくなり、この場合、曖昧さをなくすために第2の示度が必要とされることに留意されたい。
読取りスポットのオフセット方向、すなわち、公称トラックの上または下を示す第2信号は、接線方向に傾いたトラックから抽出される。各マークは、連続した時間t1およびt2で2回サンプリングされ、(フェーズ・ロックおよびローパス・フィルタリングの後の)それぞれの信号をS1t1、S1t2、S2t1、S2t2と示す。オフセット方向を計算する式は、(S1t1+S2t2)−(S1t2+S2t1)で与えられる。
原理的には、1つの接線方向に傾いたマークしか必要とされないが、2つの反対方向に傾いたマークからの応答を平均することにより、大部分がジッタ・ノイズであるノイズが減少することに留意されたい。スポットが傾くことにより生じる収差の特徴のために、これらのスポットは回折限界ではないことにも留意されたい。サンプリング・レートは、接線方向に傾いたマークの異なる区域からサンプルを得るのに十分に高くすべきである。
図12に、傾いたマークを使用して、径方向にスポットを誘導するところを絵画的に示す。傾いたマークを生成する操作の特定の実施形態は、記録ビームを合焦させる光学ユニットの透明開口の半分の約2/3を遮蔽する液晶パネルを追加することである。
好ましい実施形態では、傾いたビームのプロフィールは、対物レンズを部分的かつ非対称に遮蔽するか、あるいは、光学要素の1つを傾けることによって、例えばコマ収差などの収差を生成することによって生成される。フィールドの各点ごとに開口区域全体にわたって2次元積分値を求めることによって計算されるビーム・プロフィールをより詳細に考察する。この積分は、波源として波面上のすべての点を考慮するホイヘンスの原理の数学的な表現である。この例では、開口内のフィールドは、レンズの焦点に中心をもつ同心球に適合する一定の強度(大きめに満たされている)および位相を有する(これは、収差のないレンズの定義である)。この2次元積分は、焦点ゾーン内の各点、すなわち、r、zグリッド点ごとに実施される(軸対称性により、焦点ゾーン内で3次元グリッドを使用す
る必要はない)。(Goodman,Joseph W.,「Introduction
to Fourier Optics」、1968年を参照されたい。)
この計算結果を考慮するために、図14、図15、および図16を図の組とする。それぞれの組は、(図14に示す)対称ビーム・プロフィールから、(図15および図16に示す)非対称ビーム・プロフィールを生成するところを示す3つの図を含む。図14a〜図14cに、遮蔽しない対物レンズの対物レンズおよびそのビーム・プロフィールを示す。これらの図は、次の組の図と比較して見るべきである。
図14aに、遮蔽しない対物レンズを示す。図14bに、得られた径方向面内の焦点のビーム・プロフィールを示す。これは、直径1.5ミクロン未満の小さく対称な焦点であることに留意されたい。図14cに、光軸(z)に沿って切り取った面内のビーム・プロフィールを示す。この焦点も小さく対称であり、深度は5ミクロン未満であることに留意されたい。
図15は、この対物レンズを非対称に遮蔽した第1の例である。図15aに、この遮蔽の幾何学的な性質を示す。図15bに、焦点面内のスポットのプロフィールが、わずかな劣化以外は大きく変わっていないことを示す。図15cに、光軸に沿ったプロフィールの大きな変化を示す。1510および1520で示すボリュームからの信号が大きく変化していることが明確に表現されている。
図16a〜図16cに、ビーム・プロフィールと、それぞれのスポットによって生成されたマークとがさらに極端に傾く対物レンズの別の遮蔽の別の例を示す。記録マークまたは読取り部、あるいはその両方に非対称ビーム整形技法を適用し得ることに留意されたい。
特に、バルク材料内に書き込まれるボクセルとしてデータが記憶される3次元光記憶媒体とともに使用するフォーマッティング/トラッキング・システムに関して本発明を説明してきたが、本発明の原理は、幾何学的な示度を必要とする他の種類の3次元技術、あるいは非光学またはハイブリッドの記憶媒体に等しく応用可能であることを理解されたい。
単一スポットのみを使用するフォーマッタの概略図である。 複数のスポットを使用するフォーマッタの概略側面図である。 複数のスポットを使用するフォーマッタの概略上面図である。 スポットを多数の焦点に分割する光学ユニットの概略図である。 多数の合焦要素について、協働して球面収差を補正するところを示す概略図である。 複数のディスクを同時にフォーマットすることができるマルチ・アーム・フォーマッタを示す図である。 第1のフォーマッティング方法によるベース層の位置を示す側面図である。 第1の手法によるトラッキングおよび新しい層の記録を示す図である。 単一トラック用のサンプル・サーボの概略図である。 交番サンプル・サーボを伴う一群の隣接するトラックを示す概略図である。 第2の手法の第1のファミリによる単一トラックの3次元サンプル・サーボを示す概略図である。 3次元記憶において、少数のサンプル・サーボ・マークを使用する可能なサンプル・サーボの実施形態を示す詳細図である。 3次元記憶において、少数のサンプル・サーボ・マークを使用する可能なサンプル・サーボの実施形態を示す詳細図である。 データ・マークよりも大きいサーボ・マークを使用するサンプル・サーボの概略図である。 (a)、(b)および(c)は、データ・トラックと、データ・マークよりも大きい交番サンプル・サーボ・マークをともに含む区域を3次元スペースから投影した概略側面図である。 公称トラック中心からの偏差の関数としてトラッキング誤差信号を示すグラフである。 第2の手法の第2のファミリによる単一トラックの3次元サンプル・サーボを示す概略図である。 図10に示す3次元サンプル・サーボの接線軸に沿った投影図である。 接線軸に沿って傾いたマークと、2つの軸方向にオフセットされたマークの等価性を示す概略図である。 データ区間がサーボ区間によって分離されたインターリーブしたトラックを示す概略図である。 遮蔽がスポット・プロフィールに及ぼす影響を示す図である。 遮蔽がスポット・プロフィールに及ぼす影響を示す図である。 遮蔽がスポット・プロフィールに及ぼす影響を示す図である。

Claims (39)

  1. 3次元半透明光媒体に情報を記録し、前記媒体から情報を取り出すことができるように、前記媒体上にマークを記載するフォーマッタであって、
    前記媒体を保持するクランプ機構と、
    少なくとも1つの回折限界スポットを、前記媒体中のそれぞれの深さのところに合焦させるように較正された少なくとも1つの光学ユニットと、
    マークを記載するように最適化された少なくとも1つの光源と、
    前記少なくとも1つのスポットを前記媒体に対して相対的に移動させる少なくとも1つのアクチュエータとを備える、フォーマッタ。
  2. 周囲の状態の変動を制御して、前記周囲の状態の変動によって生じるフォーマッティングの変化を小さくするコントローラをさらに備える、請求項1に記載のフォーマッタ。
  3. 前記媒体がディスクの形状をしており、前記媒体に対する相対的な前記スポットの移動が、前記ディスクの回転および前記1つの光学ユニットの移動によって行われる、請求項1または2に記載のフォーマッタ。
  4. 前記光学ユニットが、前記ビームを分割するビーム分割機構を含み、そのため、複数のマークが同時に記載される、請求項1から3のいずれか一項に記載のフォーマッタ。
  5. 前記光学ユニットが、それぞれ異なる深さのところで合焦を行う正確に較正された複数の光学ユニットを含むアセンブリであり、前記アセンブリが、多数のトラックが同時に記載されるように前記媒体に対して相対的に移動するように適合される、請求項1に記載のフォーマッタ。
  6. 空間的に相互に精確に配置されたディスクのスタックを保持するクランプ・ユニットをさらに備える前記ディスクが、多数の光学ユニットによってアクセスされ、多数のアクチュエータによって作動される、請求項1から5のいずれか一項に記載のフォーマッタ。
  7. 請求項1から6のいずれか一項に記載のフォーマッタによって生成されるフォーマッティング・パターンを有するフォーマットされた3次元半透明光媒体。
  8. 前記フォーマッティング・パターンが、前記光媒体中の所望の場所にデータを書き込み、前記所望の場所から前記データを読み取ることができるように、制御されたサイズおよび長さの位置合わせマークを含む、請求項7に記載のフォーマットされた光媒体。
  9. 前記位置合わせマークが、相互に既知の量だけ分離したベース層に配置される、請求項7または8に記載のフォーマットされた光媒体。
  10. 前記フォーマットされた光媒体が、厚さ6mmの両面ディスクであり、
    前記ベース層の分離量が160ミクロンであり、
    データを含まない中間ボリュームの深さが80ミクロンであり、
    ベース層と前記ディスクの表面の最小間隔が200ミクロンである、請求項9に記載のフォーマットされた光媒体。
  11. 前記位置合わせマークは、前記データ・トラックの軸に対して径方向または軸方向にオフセットされるか、または角度が傾いたサーボ・マークである、請求項7から10のいずれか一項に記載のフォーマットされた光媒体。
  12. 複数の離散3次元サーボ・オフセット、またはある連続した範囲の3次元サーボ・オフセットを用いて3次元トラッキング誤差信号を取得する、請求項7から11のいずれか一項に記載のフォーマットされた光媒体。
  13. 前記サーボ・オフセットが、公称トラック中心からの空間的なオフセットのそれぞれの大きさであるか、あるいは、公称トラック軸に対する異なるそれぞれの角度の傾きである、請求項7から12のいずれか一項に記載のフォーマットされた光媒体。
  14. 前記フォーマッティング・パターンが、各データ・トラックに沿った区間を含み、前記各区間が、前記区間に関連するデータの特性を示すそれぞれのタイプを有する、請求項7から12のいずれか一項に記載のフォーマットされた光媒体。
  15. 前記フォーマッティング・パターンが、前記トラックに対してオフセットされた連続サーボ・パターンを含み、それによってデータを連続的に記録することができる、請求項7から12のいずれか一項に記載のフォーマットされた光媒体。
  16. 前記フォーマッティング・パターンが、ゾーン化されたらせんまたは円を含み、その中でセクタおよびヘッダが符号化される、請求項7から15のいずれか一項に記載のフォーマットされた光媒体。
  17. 片面または両面のディスクである、請求項7から16のいずれか一項に記載のフォーマットされた光媒体。
  18. サーボ・マークの配置が、3重または4重のサーボ示度に等価であり、示度の計数がトラック区間の数に等しくなるように、隣接する仮想層内のトラックを規定する交番サーボ・マークを配置する、請求項7から17のいずれか一項に記載のフォーマットされた光媒体。
  19. 請求項7から18のいずれかに記載のフォーマットされた3次元光媒体中に記憶されたデータをトラッキングするトラッキング/フォーマッティング・システムであって、
    前記フォーマットされた3次元光媒体中の前記フォーマッティング・パターンに適合するトラッキング信号を生成して、前記フォーマッティング・パターンに従って読取りスポットの精確な場所を制御するサーボ機構用のフィードバックとして使用するトラッキング誤差信号を計算することができるトラッキング・ユニットと、
    前記トラッキング・ユニットに結合された非位置感知型検出ユニットとを備え、前記検出ユニットが、前記トラッキング・ユニットによって生成された前記トラッキング信号に応答して、前記検出ユニットの空間的な構造に無関係に、前記光媒体のデータ層内に記憶されたデータ信号を読み取る、トラッキング/フォーマッティング・システム。
  20. 前記フォーマッティング・パターンが、前記光媒体中の所望の場所にデータを書き込み、前記所望の場所から前記データを読み取ることができるように相互に既知の量だけ分離したベース層内に配置された位置合わせおよび/またはサーボ用のマークを含み、
    前記トラッキング/フォーマッティング・システムがさらに、波長が相互に異なっていてもよい少なくとも2本のレーザ・ビームを、前記光媒体中の相互に変位するように制御されたそれぞれのポイントで合焦させて、前記光媒体から読取り信号を取得するのに使用する読取りスポットおよび前記光媒体中にマークを記録するのに使用する書込みスポットを形成するように適合された光学ユニットを備え、
    前記トラッキング・ユニットが前記読取りスポットに応答して、少なくとも部分的に記録され、かつ/またはサーボ・マーキングされた層内の情報トラックをトラッキングし、それによって前記書込みスポットが、前記光媒体の隣接した層内にデータを記録すること
    ができる、請求項19に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  21. 前記ベース層が、前記ベース層の上書きがないことを検証するテスト区域を含む、請求項20に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  22. すべてのデータ層が、高精度であらかじめフォーマットされ、データ・トラックの軸に対して径方向、軸方向、または角度的にオフセットされるように各データ・トラックの両側に沿って配設された複数のサーボ変調マークを含み、
    光学ユニットが、波長が相互に異なっていてもよい2本のレーザ・ビームを、制御されてわずかにオフセットされた前記光媒体中のそれぞれのポイントで合焦させて、前記光媒体から読取り信号を取得するのに使用する読取りスポットおよび前記光媒体中にマークを記録するのに使用する書込みスポットを形成するように適合される、請求項19に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  23. 前記サーボ・マークが、複数の離散オフセットまたはある連続した範囲の径方向、軸方向、または角度的なオフセットで配置される、請求項21または22に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  24. サーボ・マークおよび前記データ・マークが、異なるサイズおよび長さのものである、請求項21または23に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  25. 前記読取りスポットと書込みスポットの間の一定のオフセットの変動が、
    (数1)
    の形式のトラッキング誤差信号によって補正され、ただし、S1およびS2は、2つのオフセット・マーク列からのそれぞれの信号の振幅であり、AおよびBは対称性破れ係数、D・(E・S1+S2)は一般正規化係数である、請求項19から24のいずれか一項に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  26. 各軸で2対のサーボ・オフセット・マークを使用してサーボ示度を取得する、請求項19から24のいずれか一項に記載の方法。
  27. 前記サーボ・オフセットが、2つの異なる大きさのサーボ・オフセットを含み、前記読取りスポットと書込みスポットの間の一定のオフセットの変動が、
    (数2)
    の形式のトラッキング誤差信号によって補正され、ただし、S1、S2、S3、およびS4は、4つのオフセット・マーク列のそれぞれの信号の振幅であり、A、B、C、およびDは対称性破れ係数、I・(E・(S1+F・S2)+G(S1+H・S2))は一般正規化係数である、請求項26に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  28. 前記フォーマッティング・パターンが、各データ・トラックに沿った多数の区間を含み、前記各区間が、前記区間に関連するデータの特性を示すそれぞれのタイプを有する、請求項19から24のいずれか一項に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム
  29. 前記区間が、それぞれユーザ・データならびにサーボおよびシステムの情報に関係する2つのタイプを含む、請求項28に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  30. 前記区間が、それぞれのゾーン化一定線長を有する2つのタイプの区間を含み、第1のタイプは主にユーザ・データ専用であり、第2のタイプは主にサーボおよびシステムの情報専用である、請求項28に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  31. 前記間隔が、それぞれのゾーン化一定角度長を有する2つのタイプの間隔を含み、第1のタイプが主にユーザ・データ専用であり、第2のタイプが主にサーボおよびシステム情報専用である、請求項28に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  32. 前記区間の長さが疑似ランダムに変化する、請求項29から31のいずれか一項に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  33. 前記フォーマッティング・パターンが、ゾーン化されたらせんまたは円を含み、その中でセクタおよびヘッダが符号化される、請求項19から32のいずれか一項に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  34. サーボ・マークの配置が、3重または4重のサーボ示度に等価になり、示度の計数がトラック区間の数に等しくなるように、隣接する仮想層内のトラックを規定する交番サーボ・マークを配置する、請求項19から33のいずれか一項に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  35. 前記フォーマッティング・パターンが、公称トラック中心に加えて補助情報を符号化する、請求項19から34のいずれか一項に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  36. 内容を記録するように適合される、請求項19から35のいずれか一項に記載のトラッキング/フォーマッティング・システム。
  37. 複数の合焦要素を有する光学系の球面収差を補正する方法であって、補正要素を配設することを含み、前記補正要素は、いくつかの前記合焦要素に共通な光学要素を備え、前記補正要素の主要寸法は、前記合焦要素のそれぞれの主要寸法よりも大きく、前記補正要素の回折限界に合焦させる目標は、主に球面収差を補正する第1部分と、主に合焦させ、他の収差を補正する第2部分とに分離される、方法。
  38. 前記補正要素が、光学オイルの層によって分離された2つのガラス表面を含み、前記方法がさらに、前記ガラスを作動させ、前記オイルを加圧することによって前記補正要素の厚さを制御することを含む、請求項37に記載の方法。
  39. 前記補正要素が、公称上平行な表面を有する1対の光学要素を含み、前記方法がさらに、前記平行表面を傾けることによって収差を低減することを含む、請求項37に記載の方法。
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