JP2008525927A

JP2008525927A - 複数のビームの中心開口を相互に相関付けることによるトラッキング

Info

Publication number: JP2008525927A
Application number: JP2007547720A
Authority: JP
Inventors: フリュッテルス，リュート; イン，ビン
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2008-07-17
Also published as: WO2006067654A2; US20100027397A1; KR20070087661A; CN101088121A; EP1831878A2; WO2006067654A3

Abstract

小さいトラックピッチの光ディスクをロバストにトラッキングする方法及び装置が提供され、Blu-rayディスク（5）及び近接場ディスクの更なる高密度化が可能にされる。半径方向の密度を増大させることはレンズの開口数内での半径方向の回折を消失させる。この回折の消失により、例えばプッシュプル方式及び位相差検出（ＤＰＤ）方式などの現行のトラッキング方式は機能しなくなる。本発明は、３つの光スポット（22、24、26）の中心開口（ＣＡ）信号を相互に相関付けることによる方法及び装置を提供する。３つの光スポット（22、24、26）は、１つは中心スポット（24）であり、残りのスポット（22、26）は中心スポット（24）の左側（22）及び右側（26）に位置付けられる。ＣＡ信号を用いることにより、トラックピッチの縮小に殆ど影響を受けない接線方向の回折が使用される。

Description

本発明は光ディスクのトラッキングに関し、より具体的には、非常に小さいトラックピッチを有する光ディスクにおいてトラッキングエラー信号を維持することに関する。

光ディスク記憶システムは、光チャネルの特性に従って伝送性能を改善するためにランレングス限定（ＲＬＬ）変調符号を広く採用している。ランはディスクに記録された同一の型（0又は1）のバイナリービットの連続したシーケンスとして定義されている。レングスはそのシーケンス内のビット数である。例えば、ビット群00100のバイナリーシーケンスは不当であるが、バイナリーシーケンス001100は正当である。ブルーレイ（Blu-ray）ディスクフォーマットにおいては、最短のシーケンスはレングス２を有し、I2と参照されており、最長のシーケンスはレングス９を有しI9と参照されている。なお、データに関してはI8が最大のランレングスであり、I9の最大ランレングスはフレーム同期に関してデータフレームの先頭と末尾とを指し示すために使用されるのみである。

格子構造を有するディスク情報層によって反射されたレーザスポットからの光には回折が発生する。上記の格子構造とは、具体的には、接線方向の情報トラック内に含まれるランド及びピットと、半径方向の周期的なトラックとによる構造である。反射光は、回折次数と呼ばれるバンドル群に分離され、それらは発散するようにして検出器上に伝播される。データ検出のためにトラックに沿ってスポット走査すること、及びトラッキングのためにトラックを横断することの間の光強度の変動は、０次の回折次数と＋１／−１次の回折次数との重なりを必要とする。例えば非常に小さいトラックピッチの場合といった非常に高い空間周波数の場合、半径方向の重なりは全ての実用目的で消失し、半径方向の回折を必要とする如何なるトラッキング方法も失敗する。ＤＰＤトラッキングは接線方向の回折と半径方向の回折とを組み合わせて使用するものであり、ＰＰトラッキングは純粋に半径方向の回折に頼るものである。

光ディスク技術は、光ディスク媒体の記憶容量を増大させ続けて絶えず進化している技術である。光媒体の密度を増大させている発展的な光ディスク技術の一例は、Blu-rayフォーマットである。Blu-rayフォーマットは、更なる短波長化と高開口数（ＮＡ）化とによって光ディスク媒体の記憶容量が増大され得るという概念を例証するものである。そうすることにより、ビット長（接線方向密度）及びトラックピッチ（半径方向密度）は、より小さく集光されたレーザスポットによって、ＣＤ及びＤＶＤフォーマットのそれらと比較して縮小されることが可能である。Blu-rayフォーマットに準拠する光ディスク媒体はトラック群を320nm（ＤＶＤでは740nm）のトラックピッチで互いに近接させて配置している。

トラックピッチを更に縮小することは更なる大容量をもたらし得る。しかしながら、幾つかの副作用が生じることになる。320nm未満のトラックピッチを採用することは、互いに近接するデータから一層多くのクロストークを生じさせる。クロストークを除去することは、より最近の光ディスク媒体フォーマットにおける主要な焦点となっている。

320nm未満のトラックピッチを採用することはトラッキングエラー信号を大いに低下させ、トラッキング性能及びクロストークの実質的な悪化をもたらす。トラッキングエラー信号の低下は、光ビームが頻繁にトラック外にドリフトする程度までトラッキングを悪化させる。

クロストークは中心開口チャネル（central aperture channel）を生じさせる。ここで使用される中心開口チャネルは、光スポットからの反射光を受光する複数の検出器、典型的には４つの検出器、からの信号の総和として定義される。従来技術により、３スポットクロストーク相殺技術を用いてクロストークが低減可能であることが示されている。残念ながら、これらの従来技術は、やはり320nm未満のトラックピッチを用いることに起因するトラッキングエラー信号の低下を十分に解決するものではない。

単一スポット位相差検出（Differential Phase Detection；ＤＰＤ）信号は接線方向の回折と半径方向の回折との双方を当てにしている。接線方向の回折はトラック内のデータマーク（具体的には、Blu-rayフォーマットでのディスク上に含まれるI2乃至I8マーク）からの回折である。接線方向の回折は、一般的に、ディスク上に書込データが存在している場合にのみ利用可能である。半径方向の回折はトラックの格子構造による回折である。トラックの格子構造は非常に周期的な構造であり、トラックピッチが回折角を決定する。信頼できるＤＰＤ信号を得るためには、双方の型の回折が０次の反射（回折なし）に干渉すべきである。故に、この方法はトラックピッチが狭くされると問題を有する。半径方向の回折のみに基づくプッシュプル（ＰＰ）方式のトラッキングを使用することは更に悪いことになる。

以上の議論から、小さいトラックピッチを有する光ディスクに対してトラッキングエラー信号を維持する方法及び装置に関するニーズが技術的に残されていることは明らかである。

本発明は、従来技術の欠点を解決する、ＤＰＤ方式及びプッシュプル方式のトラッキング方法と比較して効果的に、短いトラックピッチに適用可能なトラッキング方法及び装置を提供することを目的とする。Blu-rayディスクフォーマットは、現段階で23.3GB、25GB及び27GBという３つの容量が存在するように既に規格化されている。これら３つ全ての場合で、トラックピッチは320nmに設定されている。本発明はまた、現行の容量でのニーズを解決するとともに、容量を増大させるようにトラックピッチを更に縮小するために上述の問題を解決する。本発明は複数の光トラッキングスポットを生成する（好ましくは３つの光スポットを使用する）ものであり、それらはレーザの前の格子と、スポット群からの反射を検出する複数（好ましくは３つ）の光検出器とを用いることによって得られる。３つの検出器からトラッキングエラー信号を計算するために単純な公式が用いられる。本発明により用いられる等式は、スポット群の反射から、ＤＰＤ方式及びプッシュプル方式のトラッキング方法と比較して効果的に短トラックピッチに適用されるトラッキングをもたらす接線方向の回折のみを決定する。

上記課題に鑑みて提供される、複数の光スポットからトラッキングエラー信号を生成する方法においては、回転する光ディスク媒体上に半径方向に所定の距離だけ離して光スポット群が投射され、半径方向はディスクの中心からディスクの縁端へと測定され、光スポット群の各々から反射された光が受光され、且つ、トラッキングエラー信号を得るために、半径方向に直交する接線方向における光スポット群のそれぞれの位置が相関付けられる。

図１を参照するに、単一の光スポットによる光ディスクからの反射光を検出するために従来技術にて使用される位相差検出（ＤＰＤ）が例示されている。位相差検出は従来技術にて、トラッキングエラー（ＴＥ）信号を生成するために使用されてきた。図１に例示されるようなＤＰＤを用い、４分割された光検出器11、12、13、14の斜めに対向する受光部分の受信信号間の位相差によってＴＥが生成される。光検出器11、12、13、14による受信信号は増幅器15、16へと導かれ、検出器の上側の２つの四分円と下側の２つの四分円との間の差から接線方向の回折が決定され、且つ検出器の左側の２つの四分円と右側の２つの四分円との間の差から半径方向の回折が決定されるようにされている。ＤＰＤを用いるこの手順は技術的に周知である。図１に例示されるように、イコライザ18、19、レベル比較器20、21、位相比較器33、低域通過フィルタ35、36、及び差動増幅器28が、トラッキングエラー信号を決定するように動作する。イコライザ18、19、レベル比較器20、21、位相比較器33、低域通過フィルタ35、36、及び差動増幅器28の機能は技術的に知られている。イコライザH(iω)は、主として例えばI2等の高周波成分のブーストのために、１次の高域通過フィルタリングを行うことによって等化を実行する。信頼できるＤＰＤ信号を得るためには、双方の型の回折が０次の反射（回折なし）に干渉すべきである。故に、ＤＰＤ方式はトラックピッチが狭くされると問題を有する。半径方向の回折のみに基づくプッシュプル方式のトラッキングを使用することは更に悪いことになる。

図２Ａ及び２Ｂは、レーザ10からトラッキングエラー（ＴＥ）信号を得るように３つのスポットを位置付けるという本発明の概念を例示している。レーザ10からの光ビームはディスク5に向けられ、格子9によって３つの光ビームに分割され、且つ複数のスポット22、24、26を形成するように光学系8によってディスク5の所望領域に集光される。格子9の前方に、格子9の後方に、あるいは光学系8に組み込まれて、コリメータレンズがレーザからの光ビームに対して使用され得る。本発明はＴＥ信号を生成するために、好ましくは３つである、複数のトラッキング光スポットを用いる。複数のスポットは、図２Ｃに例示されるように、レーザの前に格子を用いることによって得ることができ、それぞれのスポットによるディスクからの反射光を各光検出器が受光するように３つの光検出器が配置される。この好適な実施形態により使用される光検出器は、複数のスポットのために複数の光検出器が備えられることを除いて、図１に例示されたＤＰＤ方式を容易にするために使用される光検出器と同一である。本発明は、ディスク5を介してスポット22、24、26から反射された光の中心開口信号を生成するのに使用される信号を作り出すために、スポット22、24、26の各々から検出された光を使用する。図２Ａ及び２Ｂの双方において、ＴＥが生成されるべきトラック上に中心スポット24が存在し、中心スポット24から半径方向に隔てられて左側スポット22及び右側スポット26が存在している。図２Ａは、中心トラックと隣接トラックとの間の例えばランド領域である領域上に左側及び右側スポットが位置していることを例示している。図２Ｂは、中心トラックの隣接トラック上に左側及び右側スポット22、26が位置していることを例示している。

この実施形態は、図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃに示されるような構成の３つのスポット、すなわち、左側スポット22、中心スポット24及び右側スポット26を使用している。３つのスポット22、24及び26の各々から、それぞれ、中心開口信号23、25及び27が得られる。３つの中心開口信号23、25及び27の各々は、単一のスポットに関して図１に例示されたＤＰＤ方式と同様にして、スポット22、24及び26の個々の１つの反射光を受光するように委ねられた光検出器の４象限（quadrant）からの和として得られる。従って、この好適な実施形態に係る装置は３つの４象限光検出器を用いることになる。側方のスポットは、最適なトラッキングエラー信号を得るためにトラックピッチに応じて異なるように位置付けられ得る。左側開口信号23と中心開口信号25との相互の相関をとり、これを右側開口信号27と中心開口信号25との相関から引くことにより、トラッキングエラーの影響を受けやすい量が得られる。３つ全てのスポットが中心トラックから左側に移動する例においては、左側スポット22からの左側開口信号23においてよりも右側スポット26からの右側開口信号27において、中心トラック信号との大きい相関が測定される。これらスポット群が動くとき、光スポット群の重なりは同一のままであるが、スポット22、24及び26から反射されるデータパターンは変化する。データパターンの変化がどのように検知されるかは光スポットの微分係数に依存する。ここで使用される微分係数とは、半径方向に沿って観察したときの光スポットプロファイルの傾きの大きさである。スポット22、24及び26を左側又は右側に少量だけ移動させることは、中心トラックのデータパターンに関する中心スポット24の中心開口信号25に有意な差を生じさせない。何故なら、光スポットはその頂部ではほぼ平坦だからである。スポット22、24及び26を左側又は右側に少量だけ移動させることは、左側スポット22及び右側スポットによって反射される中心トラックに関する情報量を増大／減少させることになる。何故なら、それらは光分布の傾きの大きい側部で中心トラックを検知することになるからである。また、３つのスポット22、24及び26の全てが右側に移動するとき、左側スポット22の中心スポット24との相関は強くなり、中心スポット24の右側スポット26との相関は弱くなる。

本発明の好適な実施形態に従った相関計算は、サンプル毎を基礎にして、次の等式１に示されるように行われる：
TE(t)＝y₀(t)×［y_＋(t＋Δ)−y₋(t−Δ)]．
TE(t)はサンプルに基づいて計算され、故に、高周波信号である。トラッキングの目的でTE(t)を使用するためには、それは高周波ノイズを除去するために低域通過フィルタリングされることが好ましい。低域通過フィルタリングされたTE(t)は、ここではTE^LPE(t)と参照される直流成分をもたらす。トラッキングエラーとして好ましく使用されるのは、この信号（TE^LPE(t)）の直流成分である。

等式１において、y₀(t)は中心スポット24からの中心開口信号25を意味し、y_＋(t＋Δ)はそれぞれの右側スポット26に関する中心開口信号27を意味し、y₋(t−Δ)はそれぞれの左側スポット22に関する中心開口信号23を意味し、そしてΔは時間のズレを表す。左側及び右側スポット22、26の中心開口信号23、27は、好ましくは、中心スポット24と同調するように電子的にずらされる（遅らされる／進められる）。時間のズレは等式１においてはΔで参照され、Δは好ましくは（トラック方向に沿った）縦方向のスポット間隔をディスク速度で割ったもので与えられる。

上述された本発明の実現可能性を証明するため、スカラー回折に基づくソフトウェアシミュレーションを図３に例示する。図３にて示されたトラッキングエラー信号は、ＢＤのような光学システムにおける４つの異なるトラックピッチに関して、等式１に従って得られたものである。このトラッキングエラー信号は、側方のスポットがトラック間にあるとして完全な帯域幅にて計算されている。

図３においては、17パリティ保存（parity preserved；ＰＰ）変調を用いたランダムに選択された約1000個のチャネルビットにわたって、トラックオフセットに対するトラッキングエラーが計算されている。当業者に明らかなように、図３のトラッキングエラー信号はプッシュプル・チャネルを用いて得られる信号と非常に似ており、故に、プッシュプル方式に基づくトラッキングシステムで使用されているＰＩＤコントローラは本発明でのトラッキングにも依然として使用可能である。ここでは、トラッキングはトラッキングエラーが正の傾きで０を通過する瞬間に開始すべきである。異なるトラックピッチでの曲線から、トラックピッチを縮小することはトラッキングエラー信号を低下させることが見て取れる。例えば、TP=250nmでは、TP=320nmの場合に受信された信号の振幅の半分以上が残存している。これは、ＢＤ条件下ではTP=250nmで完全に消失するプッシュプル方式の場合より遙かに良好である。

図４は、帯域幅を制限するために適用される低域通過フィルタの、中心開口信号への影響を例示するグラフである。図４に示されるように、相互相関に関する上述の計算を行うとともに帯域幅を狭くすることが有利である。一方で、抑制された側方スポットの強度は信号対雑音比、及びそれに従って側方スポットからの受信信号の帯域幅を効果的に制限する。他方で、計算において使用されるクロック周波数が低いほど実施が容易になる。図４は、異なる帯域幅における計算によるトラッキングエラー信号の振幅を例示している。見て取れるように、帯域幅を半分にすること（LPF Wn=0.5）は完全な帯域幅（LPF Wn=1）と比較して、トラッキングエラー信号の振幅に最小限の影響を及ぼすのみである。帯域幅を１／４にすること（LPF Wn=0.25）は完全な帯域幅の場合から、トラッキングエラー信号を40％低下させるのみである。このことは、信頼できるトラッキングエラー信号を維持しながら帯域幅を狭くできることを示している。故に、本発明の好適な実施形態は、帯域幅を半分に制限する低域通過フィルタを使用する。

帯域幅を半分に制限する低域通過フィルタ66、68は、マルチプレクサ60の出力を受け取る単一のＡ／Ｄ変換器61を用いて実現され得る。デマルチプレクサ64はデジタル化された低域通過フィルタリングされた側方スポットy_＋、y₋を主スポットy₀との相関のために選択することができる。上述の相関は、第１段階で側方スポットy_＋、y₋の第１（例えば、左側のビーム）と中心スポットy₀との相関を取り、第２段階で側方スポットy_＋、y₋の第２（例えば、右側のビーム）と中心スポットy₀との相関を取ることによりy_＋、y₋、y₀を位相整合する同期化ブロック65によって実現され得る。そして、減算器67が側方スポットy_＋、y₋の差を取り、それが乗算器70によって掛け合わされて等式１に記載された完全な相関が得られる。そして、この相関は図５Ａにおいてと同様に、ＬＰＦ69によって低域通過フィルタリングされる。

当業者に容易に理解されるように、図５Ｂにおける相関は、図示されるように最初にy_＋をy₋から引いた後でy₀と掛け合わされるか、最初にy_＋及びy₋それぞれとy₀との相関を取った後で減算を行うかの何れでも実現可能である。完全な帯域幅で実行するためには、側方スポットの中心開口信号に関してゼロ詰め（zero-padding）が行われる必要があり、これは同期化ブロックによって実現される。本発明は、約1000個のチャネルビットを相互相関に用いることによって、信頼できるトラッキングエラー信号が得られることを示してきた。この量が有限であることにより、予期される帯域幅は約66kHz（チャネルビット周波数／1000）となり得るが、これは半径方向のトラッキングサーボに対して十分である。なお、１倍速のＢＤのチャネルビット周波数が66MHzである。

本発明の好適な実施形態は、例えば拡張フォーマットのBlu-rayディスクや近接場ディスク等の、接線方向と半径方向との双方の密度が光スポットの解像度の近くにされる、あるいはそれを超える新世代の光記憶ディスクに使用される。当業者に明らかなように、これら好適な実施形態以外での実施も可能である。故に、本発明の範囲は添付の請求項によって判定されるべきである。

ＤＰＤ信号を得る手法を例示する図である。中心スポットを中心トラック上に、左側及び右側の隣接スポットを中心トラックとその左側及び右側の隣接トラックとの間のランド領域上にさせて、３つのスポットを位置付けることを例示する図である。中心スポットを中心トラック上に、左側及び右側の隣接スポットを左側及び右側の隣接トラック上にさせて、３つのスポットを位置付けることを例示する図である。ディスク上に複数のスポットを形成する格子を具備するレーザを例示する図である。４つの異なるトラックピッチに関するトラッキングエラー信号のシミュレーション結果を例示する図である。図３のトラッキングエラー信号への低域通過フィルタリングの影響を例示する図である。３つの光スポットの相関付けを完全な帯域幅で実現することを示す図である。３つの光スポットの相関付けを半分の帯域幅で実現することを示す図である。

Claims

トラッキングエラー信号を生成する方法であって：
複数の光スポットを生成する生成段階；
回転する光ディスク媒体上に、前記光スポットを半径方向に所定の距離だけ離して配置する段階であり、前記半径方向は前記ディスクの中心から前記ディスクの縁端へと測定される、配置段階；
前記光スポットの各々から反射された光を受ける受光段階；及び
前記トラッキングエラー信号を得るために、前記半径方向に直交する接線方向における前記光スポットのそれぞれの位置を相関付ける相関段階；
を有する方法。
複数の光スポットを生成する前記生成段階は更に、所定の中心位置が前記複数のスポット内に存在するように前記スポットを生成することを有する、請求項１に記載の方法。
前記相関段階は更に、前記複数のスポットの反射光から受け取った位置の平均を取ることによって前記所定の中心位置を決定することを有する、請求項２に記載の方法。
複数の光スポットを生成する前記生成段階は更に、中心スポットを前記トラッキングエラー信号が生成されるべきトラック上に配置し、前記中心スポット以外の残りのスポットを前記半径方向に前記トラックの何れかの側に隔てて、奇数個のスポットを生成することを有する、請求項１に記載の方法。
前記生成段階は更に、前記残りのスポットを前記トラックに隣接するトラック上に配置することを有する、請求項４に記載の方法。
前記生成段階は更に、前記残りのスポットを前記トラックに隣接するランド領域上に配置することを有する、請求項４に記載の方法。
前記相関段階は更に、TE(t)＝y₀(t)×［y_＋(t＋Δ)−y₋(t−Δ)]という形態の等式を適用することを有し、
ただし、y₀(t)は前記中心スポットから反射される光を表し、y_＋(t＋Δ)は前記中心スポットから前記半径方向に右側に隔てられた前記残りのスポットから反射された光を表し、y₋(t−Δ)は前記中心スポットから前記半径方向に左側に隔てられた前記残りのスポットから反射された光を表し、そしてΔは前記接線方向に平行な縦方向の距離をディスク速度で割った形態でのスポット間隔を表す、
請求項４に記載の方法。
低域通過フィルタリングによって得られる前記等式の直流成分が前記トラッキングエラー信号として使用される、請求項７に記載の方法。
前記相関段階は完全な帯域幅未満で実行される、請求項７に記載の方法。
前記相関段階は少なくとも半分の帯域幅で実行される、請求項７に記載の方法。
トラッキングエラー信号を生成するシステムであって：
空間的に隔てられた複数の光スポットを生成するレーザ系；
回転する光ディスク上の所定の位置に、前記複数の光スポットを並べて集光する光学系；
前記光スポットに対して前記回転する光ディスクから反射された光を受光する複数の検出器；及び
前記回転する光ディスクに接する接線方向における前記光スポットのそれぞれの位置を相関付ける電子処理素子；
を有するシステム。
前記光スポットは前記回転する光ディスク媒体上で半径方向に所定の距離だけ隔てられ、前記半径方向は前記ディスクの中心から前記ディスクの縁端へと測定される、請求項１１に記載のシステム。
前記光スポットは、該複数の光スポットの反射光から受け取った位置の平均を取ることによって決定される中心位置を有する、請求項１２に記載のシステム。
前記複数の光スポットは、中心スポットが前記領域に集光され且つ残りのスポットが半径方向に前記領域の何れかの側に隔てられるような奇数個のスポットである、請求項１１に記載のシステム。
前記領域はトラックであり、且つ前記残りのスポットは前記トラックに隣接する領域に集光される、請求項１４に記載のシステム。
前記残りのスポットは前記トラックに隣接するランド領域に集光される、請求項１５に記載のシステム。
前記電子処理素子は、TE(t)＝y₀(t)×［y_＋(t＋Δ)−y₋(t−Δ)]という形態の等式を適用することによって、前記スポットのそれぞれの位置を相関付け、
ただし、y₀(t)は前記中心スポットから反射される光を表し、y_＋(t＋Δ)は前記中心スポットから前記半径方向に右側に隔てられた前記残りのスポットから反射された光を表し、y₋(t−Δ)は前記中心スポットから前記半径方向に左側に隔てられた前記残りのスポットから反射された光を表し、そしてΔは前記接線方向に平行な距離を前記回転するディスクの速度で割った形態でのスポット間隔を表す、
請求項１４に記載のシステム。
低域通過フィルタリングを介して前記電子処理素子によって得られる前記等式の直流成分が前記トラッキングエラー信号として使用される、請求項１７に記載のシステム。
前記電子処理素子は完全な帯域幅未満で相関付ける、請求項１７に記載のシステム。
前記電子処理素子は完全な帯域幅の少なくとも半分で相関付ける、請求項１７に記載のシステム。