JP2013246841A - 光情報再生装置及び光情報再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溝構造のない光ディスクの記録面からトラックエラー信号を取得する際に、記録マークや記録媒体の特性がばらついても、安定したトラックエラー信号を検出する方法を提供する。
【解決手段】光源１０４からの光束をＰＢＳ１０６により２分割し、ディスク１１２からの反射光（信号光）と、ミラー１１９からの反射光（参照光）を合波させる。さらにホログラム１２１によりディスク１１２の記録マークによる＋１次回折光を含む領域と、−１次回折光を含む領域とを分離し、分離された光束の位相差をトラックエラー信号とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ディスク装置の再生信号の高Ｓ／Ｎ化に関する。

光ディスクは、青色半導体レーザと、高ＮＡ対物レンズを用いるブルーレイディスクの製品化に至って、光学系の分解能としてはほぼ限界に達している。更なる大容量化とデータ転送速度の高速化を同時に実現する方法として、複数の記録層にデータを記録する多層記録が有力であり、３層ディスクまでが既に製品化に至っている。

更なる記録容量の向上のためには記録層数を高めることが望まれるが、記録層数の増大に伴いディスクの製造歩留まりが悪くなり、実現が困難となる。このため、記録層には従来の記録型光ディスクに見られる溝構造を設けずに、別個にトラックサーボ動作のための溝構造を有する反射面を設ける光ディスク（サーボ面サーボ光ディスク、非特許文献１）や、記録層構造を設けない体積型光ディスクが提案され、次世代光ディスクの有力候補となっている。体積型光ディスクには、光の微小な干渉縞によってデータ記録するマイクロホログラム方式（非特許文献２）や、高いピークパワーのレーザを集光する際に生じる多光子吸収過程によってデータ記録するボイド記録方式（非特許文献３）などが知られている。

上記のサーボ面サーボ光ディスクや体積型光ディスクにおいては、データ記録時には溝構造を有する反射面（サーボ面）に集光される光束（サーボ光）を用いてフォーカスサーボ、トラックサーボの動作を行い、同時に記録媒体の所定位置に集光される別の光束（記録光）を用いてデータ記録を行う。データ再生時には、サーボ制御を高精度で行うために、従来の光ディスクと同様に、記録層に集光された光束の反射光を用いてフォーカスサーボ、トラックサーボの動作を行い、同時に再生信号を取得する。トラックサーボ動作の方式としてプッシュプル法やその改良である差動プッシュプル法、アドバンスプッシュプル法などが公知の方法として用いられている。また、差動プッシュプル法の信号を光の干渉によって増強する方法（特許文献１）が知られている。

特開２００９−１５９４４号公報

M. Ogasawara, K. Takahashi, M. Nakano, M. Inoue, A. Kosuda and T. Kikukawa, 16 Layers Write Once Disc with a Separated Guide Layer, ISOM Tech. Dig., ThL07, Taiwan, Oct. 2010. H. Miyamoto, H. Yamatsu, K. Saito, N. Tanabe, T. Horigome, G. Fujita, S. Kobayashi and H. Uchiyama, "Direct Servo Error Signal Detection Method from Recorded Micro-Reflectors," Jpn. J. Appl. Phys. 48, 03A054, Mar. 2009. D. Ueda et al., "Dynamic Recording of 200 Gbytes in Three-Dimensional Optical Disk by a 405 nm Wavelength Picosecond Laser," Jpn. J. Appl. Phys. 50, 032704, 2010.

上記の再生時のトラックサーボ動作は、基本的に反射光の左右（ディスクの動径方向、すなわちラジアル方向に対応）の領域の強度差をトラックエラー信号として用いている。この強度差は、記録層における記録部分（マーク）と未記録部分の反射率・位相の差が周期的に繰り返す構造によって生じる回折光に起因しており、記録・未記録部分の反射率、位相の差や、記録マークの形状によってエラー信号の振幅が異なる。このため、トラックエラー信号の振幅が記録条件や記録媒体の材料組成などのばらつきによって大きく変動し、安定したトラックサーボ動作が難しいという課題がある。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、安定なトラックサーボ制御が可能な光情報再生装置、光情報再生方法を提供することである。

本発明の目的を達成するために以下の手段を用いた。
（１）半導体レーザなどの光源と、光源からの光束を第一の光束と第二の光束とに分割する無偏光ビームスプリッタなどの光分割手段と、第一の光束を記録媒体上の所定の位置に集光する対物レンズなどの集光手段と、集光手段を第一の光束の光軸方向に垂直な方向に駆動する電磁アクチュエータなどの駆動部と、第一の光束の記録媒体からの反射光を第二の光束と合波し、少なくとも第一の光束の＋１次回折光を含む領域Ａと、第一の光束の−１次回折光を含む領域Ｂの２つ領域に対し、それぞれ３種類以上の干渉光を生成する、ホログラム素子や無偏光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、λ／２板、λ／４板などからなる干渉光学系と、干渉光を検出する検出器と、検出器の出力から、少なくとも第一の光束の領域Ａの光束と、第一の光束の領域Ｂの光束の位相差を生成する信号処理部と、位相差をトラックエラー信号として駆動部に入力するサーボ回路と、を有することとした。
これにより、記録マークや記録媒体の特性のばらつきが生じる場合にも安定したトラックサーボ制御が可能となる。

（２）半導体レーザなどの光源と、光源からの光束を第一の光束と第二の光束とに分割する無偏光ビームスプリッタなどの光分割手段と、第一の光束を記録媒体上の所定の位置に集光する対物レンズなどの集光手段と、集光手段を第一の光束の光軸方向に垂直な方向に駆動する電磁アクチュエータなどの駆動部と、第一の光束の記録媒体からの反射光を第二の光束と合波し、２種類以上の干渉光を生成するホログラム素子や偏光ビームスプリッタ、λ／２板、λ／４板などからなる干渉光学系と、第一の光束と第二の光束の光路長差を調整する電磁アクチュエータやピエゾ素子などの光路長差調整手段と、干渉光を検出する検出器と、検出器の出力から、第一の光束のうち＋１次回折光を含む領域Ａの光束と、第一の光束のうち−１次回折光を含む領域Ｂの光束との位相差と、第二の光束の位相を基準にして記録媒体からの反射された第一の光束の位相を生成する信号処理部と、位相差をトラックエラー信号として駆動部に入力するサーボ回路と、第一の光束の位相を位相エラー信号として光路長差調整手段に入力するサーボ回路とを有することとした。
これにより、少ない検出器で（１）と同様のトラックサーボ制御が可能となり、装置の小型化に寄与する。

（３）（１）又は（２）において、干渉光学系は、第一の光束における＋１次回折光を含む領域Ａと、−１次回折光を含む領域Ｂと、０次光のみを含む領域Ｃのそれぞれに３種類以上の干渉光を生成する干渉光学系であって、位相差は、第一の光束の領域Ｃの位相を基準とした位相差であることとした。
これにより、第一の光束と第二の光束の光路長が変動する場合にも安定して（１）又は（２）と同等のトラックエラー信号を取得することが可能となる。

（４）（３）において、位相差は、第一の光束の領域Ｃの位相を０としたときの、領域Ａの電場の虚部と領域Ｂの電場の虚部の差であることとした。
これにより、対物レンズなどの集光手段がラジアル方向に位置シフトを生じた場合にも安定したトラックサーボ制御が可能となる。

（５）（１）において、干渉光学系は、少なくとも第一の光束における＋１次回折光を含む領域Ａと、−１次回折光を含む領域Ｂと、０次光のみを含む領域のうち中心部分の領域Ｃと、周辺部分の領域Ｄの４つの領域に対し、それぞれに３種類以上の干渉光を生成する干渉光学系であって、信号処理部は、領域Ｃと領域Ｄの位相差をフォーカスエラー信号として生成し、フォーカスエラー信号によって集光手段のフォーカス制御を行うサーボ回路を有することとした。
これにより、トラックエラー信号を取得する過程においてフォーカスエラー信号を同時に取得することが可能となり、装置の簡素化、小型化に寄与する。

（６）（１）において、干渉光が生成される、第一の光束の領域は２つであることとした。
これにより、より簡素な構成で（１）と同等のトラックサーボ制御が可能となる。

本発明によると、記録マークや記録媒体の特性によらずにトラックサーボ制御を行うことが可能な、光情報再生装置を提供することができる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明による光情報再生装置の一実施例のブロック図。 電磁アクチュエータの詳細図。 ホログラム素子の領域分割パターンを表す図。 検出器と信号処理回路の概略図。 信号処理回路のブロック図。 光ディスクからの反射光の概略図。 信号光の各領域の電場を表す図。 信号光の各領域の電場を表す図。 本発明のトラックエラー信号の生成原理を説明する図。 本発明のトラックエラー信号の生成原理を説明する図。 トラックエラー信号のシミュレーション結果を示す図。 記録マークとスペースに位相差がない場合に、オントラック時の信号光電場の位相を表す図。 記録マークとスペースに位相差がない場合に、オフトラック時の信号光電場の位相を表す図。 ホログラム素子の別の領域分割パターンの例を示す図。 ホログラム素子の別の領域分割パターンの例を示す図。 ホログラム素子を用いない場合の検出器の受光部の配置パターンの例を示す図。 信号光と参照光の干渉光を検出する別の光学系の構成図。 信号光と参照光の干渉光を検出する別の光学系における検出器の構成図。 ３種類の干渉光を生成する場合の光学系の模式図。 トラックエラー信号のオフセットを除去する場合のホログラム素子の別の領域分割パターンの例を示す図。 トラックエラー信号のオフセットを除去する場合のホログラム素子の別の領域分割パターンに対する検出器と信号処理部回路の概略図。 信号光と参照光の光路長をフィードバック制御する実施形態の構成図。 信号光と参照光の光路長をフィードバック制御する実施形態における検出器と信号処理回路の詳細図。 信号光と参照光の光路長をフィードバック制御する実施形態における信号光の各領域の電場を表す図。 信号光と参照光の光路長をフィードバック制御し、再生信号を信号光と参照光の干渉光から取得する場合の構成図。 信号光と参照光の光路長をフィードバック制御し、再生信号を信号光と参照光の干渉光から取得する場合の、検出器と信号処理回路の詳細図。 信号光と参照光の干渉光からフォーカスエラー信号を取得する実施形態の構成図。 信号光と参照光の干渉光からフォーカスエラー信号を取得する実施形態における、ホログラム素子の領域分割パターンの例を示す図。 信号光と参照光の干渉光からフォーカスエラー信号を取得する実施形態における、信号処理回路のブロック図。 信号光と参照光の干渉光からフォーカスエラー信号を取得する実施形態における、ホログラム素子の別の領域分割パターンの例を示す図。 信号光と参照光の干渉光からフォーカスエラー信号を取得する実施形態における、ホログラム素子の別の領域分割パターンの例を示す図。 別々に検出する領域の数を減らした実施形態における、ホログラム素子の領域分割パターンの例を示す図。 別々に検出する領域の数を減らした実施形態における信号処理回路のブロック図。 別々に検出する領域の数を減らした実施形態における別の信号処理回路のブロック図。

［実施例１］
（動作の概略）
図１は、本発明による光情報再生装置の一実施例のブロック図を示したものである。光ディスク１１２は、サーボ面サーボ光ディスクや体積型光ディスクなど、記録層に溝構造を有さないグルーブレス媒体である。なお、本明細書では、体積型光ディスクのトラックによって構成される仮想的な面も記録層と呼ぶ。

まず、本実施例装置の再生時の動作について説明する。レーザドライバ１０１は、マイクロプロセッサ１０２の指示により、半導体レーザ１０４を発光させる。半導体レーザ１０４から出射した光束は、λ／２板１０５を通過する。ここで半導体レーザ１０４からの光束は垂直偏光（ｓ偏光）であり、λ／２板１０５の光学軸方向は水平方向に対して２２．５度に設定されており、光束の偏光方向が４５度回転させられる。偏光の回転した光は、偏光ビームスプリッタ１０６によって、反射する垂直偏光の光束と透過する水平偏光の光束とに分割される。このうち反射した光束は、第一のコリメートレンズ１０７によって平行光とされたのち、球面収差を補正するリレーレンズ１０８とλ／４板（軸方向：水平偏光方向に対して４５度）１０９を通過し、電磁アクチュエータ１１０に搭載されたＮＡ０．８５の対物レンズ１１１によって光ディスク１１２の内部の記録層に集光される。

図２は、電磁アクチュエータ１１０の構成例を示す図である。電磁アクチュエータ１１０は、対物レンズ１１１が搭載された搭載部２９０１、電磁石２９０２、永久磁石２９０３からなり、電磁石２９０２に流す電流により搭載部２９０１の位置が変位する構成となっている。電磁石２９０２は複数設けられており、これらに流す電流の組み合わせにより、対物レンズ１１１を光軸方向及び水平方向に変位させることが可能である。

光ディスク１１２からの反射光（以後、信号光と呼ぶ）は、照射時と逆の光路を辿り、λ／４板１０９を再び通過することにより水平偏光となり、偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。一方、偏光ビームスプリッタ１０６を透過した光束（以後、参照光と呼ぶ）は、コリメートレンズ１１８で平行光束とされた後、ミラー１１９で正反対の方向に反射され、λ／４板１２０（軸方向：水平偏光方向に対して４５度）を往復で通過することにより偏光方向を垂直偏光とされ、偏光ビームスプリッタ１０６に再び入射する。

ここで信号光と参照光ともに特殊偏光ビームスプリッタ１１３が配置されている方向に出射されるため、偏光ビームスプリッタ１０６において信号光と参照光が、偏光が直交した状態で合波される。この合波光束は特殊偏光ビームスプリッタ（水平偏光の光を５０％透過、５０％反射し、垂直偏光の光を１００％透過する）１１３に入射し、信号光成分である水平偏光成分のみが記録時と同様に５０％の割合で反射され、残りは透過する。この反射光はシリンドリカルレンズ１１４を通過して４分割検出器１１５に集光され、検出される。４分割検出器１１５の出力信号から、フォーカスエラー信号が生成され、サーボ回路１１６を介して電磁アクチュエータ１１０の駆動電流としてフィードバックされる。これにより、対物レンズ１１１により集光された光束のスポット１１７が記録面上に形成されるように制御される。本実施例では、フォーカスサーボ制御として非点収差法を用いた。

特殊偏光ビームスプリッタ１１３からの透過光束は、ホログラム素子１２１を通過し、光束内の複数の領域が別々の方向に回折される。ホログラム素子は図３のような３つの領域Ａ，Ｂ，Ｃに分割されており、Ａが光ディスクからの反射光のうち＋１次回折光を、Ｂが−１次回折光を含み、Ｃが０次光のみを含んでいる。これらの回折光は、それぞれ無偏光ビームスプリッタ１２２によって透過光、反射光に２分割される。

透過光は、光学軸が水平方向に対して２２．５度に設定されたλ／２板１２３を通過して偏光が４５度回転し、偏光ビームスプリッタ１２４によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離される。分離された光束はそれぞれ検出器１２５，１２６にそれぞれ入射し、各検出器においてホログラム素子の領域毎に別々の受光部によって検出され、強度に比例した電気信号が出力される。

同様に、無偏光ビームスプリッタ１２２を反射した光束は、光学軸が水平方向に対して４５度に設定されたλ／４板１２７を通過した後に偏光ビームスプリッタ１２８によって分離され、検出器１２９，１３０で検出される。後で述べるように、検出器で受光される光束は、いずれも信号光と参照光とが干渉した干渉光である。

検出器１２５，１２６，１２９，１３０の出力は信号処理回路１３１に送られる。各検出器は上述のように、それぞれ領域Ａ，Ｂ，Ｃからの光束を検出する受光部を有し、図４に示すように各３チャンネルの出力が信号処理回路１３１に入力される。信号処理回路１３１は、入力された信号に基づき、再生信号とトラックエラー信号を出力する。得られた再生信号は、復調回路１３２で復調された後、復号回路１３３に送られてユーザデータに変換され、マイクロプロセッサ１０２を通して上位装置１０３に送られる。トラックエラー信号は、サーボ回路１１６を介して電磁アクチュエータ１１０の駆動電流としてフィードバックされ、スポット１１７のラジアル方向位置が記録トラックの中心となるよう制御される。

（再生の原理）
ここで、上に述べた動作により干渉光が生成され、これによって再生信号、トラックエラー信号を生成する原理について述べる。無偏光ビームスプリッタ１２２に入射する光束は、ｐ偏光成分として再生光を、ｓ偏光成分として参照光を含んでいるため、この偏光状態をジョーンズベクトルで表すと次のようになる。

ここでＥ_sは信号光の電場、Ｅ_r参照光の電場である。但しＥ_s，Ｅ_rはホログラム素子１２１のいずれの領域の電場と考えても良い。また、このベクトルの第一成分はｐ偏光を、第二成分はｓ偏光を表す。

この光束が無偏光ビームスプリッタ１２２を透過し、λ／２板１２３を通過した後のジョーンズベクトルは次のようになる。

偏光ビームスプリッタ１２４によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離されるため、分離された光束の電場はそれぞれ

となり、信号光と参照光の重ね合わせ、すなわち干渉光となっている。一方、無偏光ビームスプリッタ１２２を反射した光がλ／４板１２７を通過した後のジョーンズベクトルは

となる。次に偏光ビームスプリッタ１２８によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離されるため、分離された光束の電場はそれぞれ

となり、やはり信号光と参照光の重ね合わせ、すなわち干渉光となっている。

従って４つの干渉光の強度はそれぞれ、次式のようになり、これらに比例する電気信号がそれぞれ検出器１２５，１２６，１２９，１３０から出力される。

実際は各検出器にホログラム素子１２１の領域Ａ，Ｂ，Ｃに対応する３チャンネルの出力が得られ、計１２チャンネルの出力信号が信号処理回路１３１に入力される。領域Ａに対する式(8)、式(9)、式(10)、式(11)の出力をそれぞれＡ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，領域Ｂに対する式(8)、式(9)、式(10)、式(11)の出力をそれぞれＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，領域Ｃに対する式(8)、式(9)、式(10)、式(11)の出力をそれぞれＣ１，Ｃ２，Ｃ３、Ｃ４とする。式(8)、式(9)、式(10)、式(11)はそれぞれ第１項、第２項が信号光、参照光の強度成分を表し、第３項が信号光と参照光の干渉を表す項である。φは参照光の位相を基準とした信号光の位相である。

信号処理回路１３１における信号処理のブロック図を図５に示す。まず、検出器１２５，１２６の出力の差と検出器１２９，１３０の出力の差が演算され、それらがＡＤ変換器によりデジタル信号に変換される。これらは、例えば領域Ａに関する出力について表すと

となり、上記の干渉を表す項に比例した出力となっている。領域Ｂ，Ｃについても同様の信号Ｂ_I，Ｂ_Q，Ｃ_I，Ｃ_Qが得られる。これらの信号から、領域Ａ，Ｂ，Ｃにおける信号光の電場に対応する信号

が得られる。これらの出力が信号光の電場に対応することは、簡単のために参照光電場Ｅ_rを１とすると、例えば領域Ａについて

と表されることから確認できる。再生信号は信号光電場の強度の変調信号のため、これらの電場より

として出力される。トラックエラー信号は、信号光の左右の領域（領域Ａ，Ｂ）の位相差に相当する信号として

が出力される。

ここで、信号光の左右の領域の位相差によりトラックエラー信号が得られる原理について詳細に説明する。光ディスクからの反射光は、記録マークが所定の間隔のトラックとして整列していることから、正反射光である０次光のほかに、左右に変位した＋１次光と−１次光とが含まれる。この反射光は、対物レンズの開口制限により０次光の存在する範囲の外側では光量がゼロとなるため、図６に示すように、円形の０次光の左右に、それぞれ＋１次光と−１次光が重なる領域が存在する形となっている。

ここで、０次光と＋１次光、−１次光の電場をそれぞれＥ₀，Ｅ₊₁，Ｅ_-1と表すと、領域Ａ，Ｂ，Ｃの信号光電場はそれぞれＥ₀＋Ｅ₊₁，Ｅ₀＋Ｅ_-1，Ｅ₀と表される。これを複素平面上に図示すると、図７のようになる。＋１次光と−１次光は、スポット１１７が記録マークで形成されるトラックの中心にあるときは同一であり、図８に示すように領域Ａ，Ｂの電場が等しくなる。スポット１１７がトラック中心からラジアル方向に変位すると、＋１次光と−１次光は互いに逆符号の位相を生じ、結果的に領域Ａ，Ｂの位相差が生じる。本実施例は、領域Ａ，Ｂの位相を反映する値として電場の虚部を扱う。但し位相の値は０次光が基準となるため、Ｅ_A，Ｅ_BをＥ_Cで除算した後に虚部を取る。これらの値はスポットのトラック中心からの変位量（オフトラック）に対して図９のように表され、これらの差である式(19)の出力は図１０のようにオフトラックが０のときに０となり、トラックエラー信号として理想的な出力となっている。

（トラックエラー信号のシミュレーション）
本実施例におけるトラックエラー信号の振幅と、従来のプッシュプル法によるトラックエラー信号の振幅を、さまざまな記録マークに対して比較したシミュレーション結果を図１１に示す。本シミュレーションにおいて、対物レンズのＮＡは０．８５、光源の波長は４０５ｎｍ、トラックピッチは０．３２μｍ、リムインテンシティ（光束の中心部分の強度に対する周縁部分の強度の比）は４０％とし、マーク形状は矩形（マーク幅０．１６μｍ）の連続マークとした。

本結果のうち、マーク、スペースの位相差が０又は半波長（０．５λ）の場合において、従来のプッシュプル法は振幅が０であるのに対し、本実施例では、マークが存在しない場合に相当するマーク相対反射率１００％の場合を除いては、十分な振幅が得られた。このことは、次のようにして説明される。

マーク、スペースの位相差が０又は半波長（０．５λ）の場合、オントラック時の０次光、＋１次光、−１次光の位相が等しくなるため、図１２に示されるように、領域Ａ，Ｂ，Ｃの信号光電場の位相が全て等しくなる。このためオフトラック時の領域Ａ，Ｂの電場は、図１３のように互いに位相が逆向きで大きさ（すなわち強度）が等しくなる。従来のプッシュプル法によるエラー信号は、信号光の左右の領域（本実施例の領域Ａ，Ｂ）の強度差であるため、左右の領域で強度差が生じないこのような状況下ではプッシュプル信号は生じない。一方、本実施例のエラー信号は左右の位相差に相当するため、左右で強度が等しくても位相の符号が逆転していることから、エラー信号を取得することができる。

この性質により、図１１からもわかるように、本実施例のエラー信号は従来のプッシュプル法に比べ、マーク・スペースの位相差や反射率の変動に対し、振幅の変動が小さくなっている。従って、実際の状況下においてエラー信号が安定し、安定したトラックサーボ制御が可能となる。プッシュプル法の改良である差動プッシュプル法やアドバンスプッシュプル法、新アドバンスプッシュプル法などの方式においても、信号光の左右の強度差を取得するという点でプッシュプル法と本質的に同一である。これらの従来の方式に対し、本実施例において信号光の左右の位相差を取得する方式は、本質的に異なる方式であると言える。

なお、特許文献１では、本実施例と同じように信号光と参照光の干渉信号からトラックエラー信号を取得している。しかし、取得する信号は信号光の左右の強度差に対応しており、従来の差動プッシュプル法と本質的に同一の信号であるため、本実施例の方式とは異なる。

本実施例のトラックエラー信号は、光ディスクの偏芯などに伴う対物レンズのラジアル方向位置シフトに対してロバストであるという性質を持つ。このことは次のようにして理解される。対物レンズがラジアル方向にシフトした場合、領域Ａ，Ｂにおける０次光の光量が変化する。しかし、本実施例のトラックエラー信号は、再び図７を見れば明らかなように、０次光の大きさには無関係となっている。一方で＋１次光、−１次光の光量は領域Ａ，Ｂをはみ出さなければ一定であるため、結果的に対物レンズのラジアル方向位置シフトが生じてもトラックエラー信号にオフセットや振幅変化が生じない。

本実施例においては、ホログラム素子１２１が図３のように領域分割されていたが各領域の設定はこの例に限らず、＋１次光が全て含まれる領域、−１次光が全て含まれる領域、０次光のみが含まれる領域の３領域が存在すればよい。例えば図１４、図１５のように領域が分割されたホログラム素子を用いてもよい。また、領域ごとに別々に信号出力を得るためにはホログラム素子１２１が必ずしも必要でなく、例えば検出器１２５，１２６，１２９，１３０を信号光・参照光の集光位置から光軸方向にずらした位置に配置し、それぞれの受光部が図１６に示すように３分割されているものを用いても、同様の動作が実現可能である。

本実施例では、信号光と参照光の干渉光を生成する手段として無偏光ビームスプリッタ１２２、偏光ビームスプリッタ１２４，１２８、λ／２板１２３、λ／４板１２７などを用いたが、形態はこれに限られない。たとえばHideharu Mikami et al., “Ultra-Compact Optical Module of Homodyne Detection,” ISOM/ODS Tech. Dig., OMC3, Hawaii, Jun. 2011に述べられているように、図１７のような構成としてもよい。この場合、信号光と参照光が合波された光束はまず無偏光回折格子２６０１で±１次回折光に分岐される（無偏光ビームスプリッタに相当）。次にこれらの回折光は位相板２６０２を通過し、２つの回折光の間の信号光、参照光の位相差がπ／２だけ変化する（λ／２板、λ／４板に対応）、その後これらの光束はウォラストンプリズム２６０３により±４５度偏光成分が分岐され、結果的に領域Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれに対して４つの干渉光が生成される。これらの光束は同一の検出器２６０４で検出され、検出器２６０４は図１８に示すように分岐光束ごとに受光部を設け、別々のチャンネルの信号を出力する。

本実施例では信号光の領域ごとに４種類の干渉光を生成し、これらから再生信号やトラックエラー信号を取得したが、信号光と参照光の干渉光を決めるパラメータは信号光強度、参照光強度、信号光と参照光の位相差、の３つであるため、原理的には３種類以上の干渉光を取得すれば同様の動作が可能である。

図１９は、３種類の干渉光を取得する場合のホログラム素子１２１通過後の光学系の模式図である。信号光と参照光の合波光束に対し、入射光束を無偏光ビームスプリッタ１２０１，１２０２によって３つの光束に分割し、そのうち１つの光束はｓ偏光がｐ偏光に対して１２０度の位相差を生じる位相板１２０３を、別の光束はｓ偏光がｐ偏光に対して２４０度の位相差を生じる位相板１２０４を通過させ、その後、３つの光束のいずれも４５度偏光のみを透過する偏光子１２０５，１２０６，１２０７を透過させて、検出器１２０８，１２０９，１２１０によって検出する。これらの検出器はそれぞれ、領域Ａ，Ｂ，Ｃの光束を検出する３つの検出器が備わっている。領域Ａに対する出力はそれぞれ次のように表される。

これらの出力から、信号光電場に対応する出力は、下記の演算により得られる。

領域Ｂ，Ｃについても同様の出力が得られる。これらの出力から上記実施例と同様に再生信号、トラックエラー信号が得られる。

本実施例ではトラックエラー信号と再生信号を信号光、参照光の干渉光から取得したが、再生信号の取得方法は本実施例の方法に限らない。例えば４分割検出器１１５において４つの受光部からの出力信号の総和（全信号光量に対応）を再生信号としてもよい。この場合、信号処理回路１３１において再生信号を取得する演算は省略される。

本実施例では、信号光の左右の位相差に相当する信号として式(19)をトラックエラー信号としたが、信号の種類はこの限りではない。たとえば、＋１次光と−１次光の位相差を直接計算する次式をトラックエラー信号としてもよい。

ここで、ｋは所定の係数であり、領域Ａ，Ｂ，Ｃに含まれる０次光電場の平均値より、式(24)における除算の分子、分母それぞれにおいて０次光電場が０となるよう算出される。実際には、トラックサーボを駆動した状態における再生信号の品質が最良となるよう最適化される。この場合、arg内の分子が＋１次光の電場、分母が−１次光の電場となっており、これらの除算の偏角は＋１次光と−１次光の位相差となっている。

本実施例では、上に述べたように対物レンズのラジアル方向位置シフトが生じてもトラックエラー信号にオフセットが生じない構成となっているが、トラックエラー信号のオフセットを除去する構成はこの限りではない。たとえば、ホログラム素子１２１を図２０のごとく４分割構成にする。すなわち、領域Ａ，Ｂは本実施例と同一であり、それぞれ＋１次光と−１次光がすべて収まる領域とし、それ以外の領域をさらに左右の領域Ｃ，Ｄに２分割する。そして、これらの各領域が検出器１２５，１２６，１２９，１３０においてそれぞれ図２１のように別々の検出器で受光され、別々の出力信号を生成する構成にする。そして本実施例と同様に領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの電場に相当する信号Ｅ_A，Ｅ_B，Ｅ_C，Ｅ_Dを出力し、以下の演算によりトラックエラー信号を得る。

但し、ｋは所定の係数であり、式(24)の場合と同様、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに含まれる０次光電場の平均値より、式(25)における除算の分子、分母それぞれにおいて０次光電場が０となるよう算出される。実際はトラックサーボを駆動した状態における再生信号の品質が最良となるよう最適化される。この場合、対物レンズのラジアル方向位置シフト発生時にＥ_A，Ｅ_Cの０次光成分が減少し、Ｅ_B，Ｅ_Dの０次光成分が増加する。あるいはそのＥ_A，Ｅ_Cの０次光成分が減少し、Ｅ_B，Ｅ_Dの０次光成分が増加する。いずれの場合も、式(25)の演算の分子と分母において減算を行っていることから、０次光成分の増減がキャンセルされ、結果としてオフセットや振幅の変化を生じにくい構成となっている。

このような構成と比較すると、本実施例の構成はホログラム素子１２１の分割数や検出器１２５，１２６，１２９，１３０の受光部の数が少ないため有利である。なお、本構成では再生信号は信号光の総光量のため、次式として得られる。

なお、上記シミュレーション結果において、マーク・スペースの相対反射率や位相差のほとんどの組み合わせにおいて本実施例のトラックエラー信号が得られている（トラックエラー信号が得られないのは、マークとスペースの反射率差が無く位相差も波長の整数倍、すなわちマーク・スペース構造が実質的に存在しない場合のみ）ことから、本実施例が適用可能な記録媒体に特に制限はなく、例えば特開２０１１−０７６６９５号公報に示されるような、マイクロホログラム方式において位相多値変調により記録されている場合や、特許第２７０５３３０号のように、記録時の光強度に応じて反射層の界面が変形するものを用いても良い。もちろん、記録型ＢＤやＢＤ−ＲＯＭのような従来の記録媒体に対しても適用可能である。以下の実施例についても、同様の記録媒体に適用することが可能である。

なお、本実施例では、フォーカスサーボ動作とトラックサーボ動作の双方を行うために、電磁アクチュエータ１１０は２つの方向（入射光軸方向とラジアル方向）に可動であるものを用いたが、本実施例のトラックサーボ動作を行うためにはラジアル方向のみ可動である電磁アクチュエータを用いればよいことは言うまでもない。

[実施例２]
本実施例は、信号処理が簡素な別の実施例である。本実施例の光情報再生装置の構成図を図２２に示す。

本実施例においては、参照光がミラー１１９で反射される前後でピエゾ素子１５０１に搭載されたミラー１５０２で反射され、またミラー１１９が電磁アクチュエータ１５０３に搭載されている。また、無偏光ビームスプリッタ１２２とその反射光を検出する光学系が省略されている。本実施例では、フォーカスエラー信号により対物レンズ１１１の光軸方向位置を制御すると同時に、ミラー１１９の光軸方向位置を同一のフォーカスエラー信号により変位させ、信号光と参照光の光路長がおおよそ等しくなるよう制御される。さらにピエゾ素子１５０１が位相エラー信号ＰＥＳにより駆動され、信号光と参照光の位相が一定となるよう制御される。また、再生信号は４分割検出器１１５の総光量として出力され、信号処理回路１３１を介さずに復調回路１３２に入力される。

本実施例の検出器１２５，１２６と、信号処理回路１３１の構成を図２３に示す。検出器１２５，１２６からの出力信号に対し、まず実施例１と同様に差信号Ａ２−Ａ１，Ｂ２−Ｂ１，Ｃ２−Ｃ１が演算され、差信号Ｃ２−Ｃ１は位相エラー信号としてサーボ回路１１６を通してピエゾ素子１５０１の駆動電圧としてフィードバックされる。また、差信号Ａ２−Ａ１とＢ２−Ｂ１の差、すなわちＡ２−Ａ１−Ｂ２＋Ｂ１が演算され、これがトラックエラー信号となり、サーボ回路１１６を介して対物レンズ１１０の駆動信号としてフィードバックされる。

本実施例の動作原理を以下に説明する。位相エラー信号である差信号Ｃ２−Ｃ１は式(12)で表され、信号光の０次光成分と参照光の位相差φの余弦に比例する。従って本信号をエラー信号として信号光と参照光の位相差を制御することで、φが（余弦が０となるよう）π／２もしくは−π／２に保たれる。このことは、参照光を基準としたときの信号光の０次成分（領域Ｃの電場）の実部がゼロとなり、複素平面上で虚軸方向のベクトルで表されることを意味している。この様子を図２４に示す。ここで、参照光信号Ａ２−Ａ１，Ｂ２−Ｂ１はそれぞれ、領域Ａ，Ｂの電場の実部成分を表すため、これらの差信号Ａ２−Ａ１−Ｂ２＋Ｂ１は、図２４と図７を比較すると明らかなように、実施例１におけるトラックエラー信号と同一である。このようにして、簡素な演算により実施例１と同様に信号光の左右の位相差を用いたトラックサーボ制御を行うことが可能となる。

本実施例は、再生信号として信号光の総光量に相当する信号を、直接４分割検出器により生成したが、実施例１と同様に参照光との干渉光から生成することも可能である。この場合の構成を図２５に示す。この場合は無偏光ビームスプリッタ１２２が省略されず、検出器１２９，１３０は領域Ｃの光束のみを受光し、信号を出力する。この場合の信号処理回路は図２６のようになっており、本実施例の構成に加え、検出器１２９，１３０からの信号の差信号Ｃ３−Ｃ４をＡ／Ｄ変換したものが再生信号として出力される。差信号Ｃ３−Ｃ４は、図２４における領域Ｃの電場の虚軸成分、すなわち電場の長さ（強度）に対応するため、このように再生信号として用いることができる。

なお、本実施例では参照光の光路長の制御機構として電磁アクチュエータ１５０３とピエゾ素子１５０１を用いたが、これは光路長制御に必要なストローク（制御範囲）を電磁アクチュエータ１５０３で確保し、ピエゾ素子で波長オーダの精密な光路長制御を行うという目的のために用いている。しかしピエゾ素子のストロークが光ディスクの面ぶれと同程度以上である場合は、電磁アクチュエータ１５０３を省略することも可能である。

本実施例の光情報再生方法を再説すると、光束を第一の光束と第二の光束とに分割し、第一の光束を記録媒体上の所定の位置に集光し、第一の光束の記録媒体からの反射光を第二の光束と合波し、２種類以上の干渉光を生成し、干渉光を検出した検出信号の出力から、第一の光束のうち＋１次回折光を含む領域Ａの光束と、第一の光束のうち−１次回折光を含む領域Ｂの光束との位相差と、第二の光束の位相を基準に記録媒体から反射された第一の光束の位相を生成し、位相差をトラックエラー信号として第一の光束の集光位置をフィードバック制御し、第一の光束の位相を位相エラー信号として第一の光束と第二の光束の光路長差をフィードバック制御する方法である。

[実施例３]
本実施例は、実施例１のトラックエラー信号に加え、フォーカスエラー信号を信号光と参照光の干渉光から取得する実施例である。本実施例の光情報再生装置の構成図を図２７に示す。

本実施例の構成は、図１で示される実施例１の構成と比較して、フォーカスエラー信号を取得するために用意された特殊偏光ビームスプリッタ１１３、シリンドリカルレンズ１１４、４分割検出器１１５が省略された構成となっており、代わりに信号処理回路１３１からフォーカスエラー信号が出力される構成となっている。また、ホログラム素子は図２８のごとく、実施例１と同様の領域Ａ，Ｂのほかに、光束の中心部分の領域Ｃ、光束の上下部分の領域Ｄに分割されており、各領域が検出器１２５，１２６，１２９，１３０においてそれぞれ別々の受光部で受光され、別々のチャンネルの信号を出力する。信号処理回路１３１の構成を図２９に示す。実施例１の構成に加え、領域Ｄの電場Ｅ_Dが演算され、領域Ｃの電場Ｅ_Cの値と併せてフォーカスエラー信号が以下の演算出力として生成される。

ここで、式(27)がフォーカスエラー信号となる理由について説明する。スポットが記録面上と異なる位置にある場合、信号光はデフォーカス収差を含むため、中心部分と周辺部分とで位相差が生じる。この位相差はスポットが記録面上にある時に０となり、記録面の奥にあるか手前にあるかによって符号が逆転する。すなわち、信号光の中心部分と周辺部分の位相差はフォーカスエラー信号として用いることができる。但し領域Ａ，Ｂは記録トラックによる回折光を含むため、余分な位相が付加される。従って上記回折光を含まない周辺部分である領域Ｄと、中心部分である領域Ｃとの位相差を取得することにより、フォーカスエラー信号とすることができる。

なお、本実施例においても実施例１と同様に、ホログラム素子１２１の領域分割の形状はこの限りではなく、＋１次回折光を含む領域、−１次回折光を含む領域、中心部分を多く含む０次光のみの領域、周辺部分を多く含む０次光のみの領域、の４領域があれば同様の動作が実現可能である。たとえば図３０、図３１のような分割形状であっても構わない。

[実施例４]
本実施例は、別々に検出する光束の領域の数を減らした別の実施形態である。本実施例の光情報再生装置の構成図は、実施例１と同様に図１に示される。但し、ホログラム素子１２１は、図３２に示すように入射光束の左右に２分割されているのみであり、これら左右の領域Ａ，Ｂが検出器１２５，１２６，１２９，１３０で別々の受光部により検出される。信号処理回路１３１の構成を図３３に示す。トラックエラー信号を生成する演算においては、実施例１の領域Ｃの電場Ｅ_Cの代わりに、領域Ａ，Ｂの電場の和Ｅ_A＋Ｅ_Bを用い、

をトラックエラー信号とする。また、再生信号はＥ_Cが省略された

が出力として用いられる。

本実施例は、光ディスク１１２の記録マークとスペース（未記録）部分の位相差が０か非常に小さい場合に有効である。以下に動作原理を説明する。光ディスク１１２の記録マークとスペース（未記録）部分の位相差が０か非常に小さい場合、実施例１で説明したように、左右の領域の電場Ｅ_A，Ｅ_Bは複素平面上で互いに位相が逆向きで大きさが等しいベクトルとして表される。この場合、Ｅ_AとＥ_Bの和は常に０次光の方向を向く。すなわちＥ_A＋Ｅ_Bは０次光と位相が等しくなる。この性質は実施例１において０次光のみを含む電場である領域Ｃの電場Ｅ_Cと同一であり、トラックエラー信号の演算においてＥ_CをＥ_A＋Ｅ_Bで置き換えることが可能となる。本実施例においても、対物レンズのラジアル方向位置シフトに対してトラックエラー信号が変化しないという性質は保たれる。

同様の考え方により、実施例２、３における領域の分割数を減らすことも可能である。たとえば実施例２においてホログラム素子を本実施例と同様に図３２のごとく左右に２分割された構造とし、信号処理回路の演算としては図３４に示すように、位相エラー信号をＡ２−Ａ１とＢ２−Ｂ１の和信号Ａ２−Ａ１＋Ｂ２−Ｂ１として用いることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部や全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリやハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

本発明により、大容量な光情報記録再生装置の提供が可能となり、大容量ビデオレコーダや、ハードディスクデータバックアップ装置、保存情報アーカイブ装置など、幅広い産業応用が期待できる。

１０１：レーザドライバ、１０２：マイクロプロセッサ、１０３：上位装置、１０４：半導体レーザ、１０５：λ／２板、１０６：偏光ビームスプリッタ、１０７：コリメートレンズ、１０８：リレーレンズ、１０９：λ／４板、１１０：電磁アクチュエータ、１１１：対物レンズ、１１２：光ディスク、１１３：特殊偏光ビームスプリッタ、１１４：シリンドリカルレンズ、１１５：４分割検出器、１１６：サーボ回路、１１７：スポット、１１８：コリメートレンズ、１１９：ミラー、１２０：λ／４板、１２１：ホログラム素子、１２２：無偏光ビームスプリッタ、１２３：λ／２板、１２４，１２８：偏光ビームスプリッタ、１２５，１２６，１２９，１３０：検出器、１２７：λ／４板、１３１：信号処理回路、１３２：復調回路、１３３：復号回路、１２０１，１２０２：無偏光ビームスプリッタ、１２０３，１２０４：位相板、１２０５，１２０６，１２０７：偏光子、１２０８，１２０９，１２１０：検出器、１５０１：ピエゾ素子、１５０２：ミラー、１５０３：電磁アクチュエータ、２６０１：回折格子、２６０２：位相板、２６０３：ウォラストンプリズム、２６０４：検出器、２９０１：搭載部、２９０２：電磁石、２９０３：永久磁石

Claims (13)

1. 光源と、
   前記光源からの光束を第一の光束と第二の光束とに分割する光分割手段と、
   前記第一の光束を記録媒体上の所定の位置に集光する集光手段と、
   前記集光手段を、前記第一の光束の光軸方向に垂直な方向に駆動する駆動部と、
   前記第一の光束の記録媒体からの反射光を前記第二の光束と合波し、少なくとも前記第一の光束の＋１次回折光を含む領域Ａと、前記第一の光束の−１次回折光を含む領域Ｂの２つ領域に対し、それぞれ３種類以上の干渉光を生成する干渉光学系と、
   前記干渉光を検出する検出器と、
   前記検出器の出力から、少なくとも前記第一の光束の前記領域Ａの光束と、前記第一の光束の前記領域Ｂの光束との位相差を生成する信号処理部と、
   前記位相差をトラックエラー信号として前記駆動部に入力するサーボ回路と、
   を有することを特徴とする光情報再生装置。
2. 光源と、
   前記光源からの光束を第一の光束と第二の光束とに分割する光分割手段と、
   前記第一の光束を記録媒体上の所定の位置に集光する集光手段と、
   前記集光手段を、前記第一の光束の光軸方向に垂直な方向に駆動する駆動部と、
   前記第一の光束の記録媒体からの反射光を前記第二の光束と合波し、２種類以上の干渉光を生成する干渉光学系と、
   前記第一の光束と前記第二の光束の光路長差を調整する光路長差調整部と、
   前記干渉光を検出する検出器と、
   前記検出器の出力から、前記第一の光束のうち＋１次回折光を含む領域Ａの光束と、前記第一の光束のうち−１次回折光を含む領域Ｂの光束との位相差と、前記第二の光束の位相を基準に前記記録媒体から反射された前記第一の光束の位相とを生成する信号処理部と、
   前記位相差をトラックエラー信号として前記駆動部に入力するサーボ回路と、
   前記第一の光束の位相を位相エラー信号として前記光路長調整部に入力するサーボ回路と、
   を有することを特徴とする光情報再生装置。
3. 請求項１又は２に記載の光情報再生装置において、
   前記干渉光学系は、前記領域Ａと、前記領域Ｂと、前記第一の光束の０次光のみを含む領域Ｃの３つ領域に対し、それぞれ３種類以上の干渉光を生成する干渉光学系であり、
   前記位相差は、前記第一の光束のうち前記領域Ｃの光束の位相を基準とした位相差であることを特徴とする光情報再生装置。
4. 請求項３に記載の光情報再生装置において、
   前記位相差は、前記領域Ｃにおける前記第一の光束の位相を０としたときの、前記領域Ａにおける前記第一の光束の電場の虚部と前記領域Ｂにおける前記第一の光束の電場の虚部との差であることを特徴とする光情報再生装置。
5. 請求項１に記載の光情報再生装置において、
   前記干渉光学系は、少なくとも前記領域Ａと、前記領域Ｂと、前記第一の光束の０次光のみを含む領域のうち中心部分の領域Ｃと、周辺部分の領域Ｄの４つの領域に対し、それぞれ３種類以上の干渉光を生成する干渉光学系であり、
   前記信号処理部は、前記第一の光束のうち前記領域Ｃの光束と前記領域Ｄの光束との位相差をフォーカスエラー信号として生成し、
   前記フォーカスエラー信号によって前記集光手段のフォーカス制御を行うサーボ回路を有することを特徴とする光情報再生装置。
6. 請求項１に記載の光情報再生装置において、干渉光が生成される、前記第一の光束の領域は２つであることを特徴とする光情報再生装置。
7. 請求項１又は２に記載の光情報再生装置において、
   溝構造のない記録面を備える記録媒体を再生することを特徴とする光情報再生装置。
8. 光束を第一の光束と第二の光束とに分割し、
   前記第一の光束を記録媒体上の所定の位置に集光し、
   前記第一の光束の記録媒体からの反射光を前記第二の光束と合波し、少なくとも前記第一の光束の＋１次回折光を含む領域Ａと、前記第一の光束の−１次回折光を含む領域Ｂの２つ領域に対し、それぞれ３種類以上の干渉光を生成し、
   前記干渉光を検出した検出信号の出力から、少なくとも前記第一の光束の前記領域Ａの光束と、前記第一の光束の前記領域Ｂの光束との位相差を生成し、
   前記位相差をトラックエラー信号として前記第一の光束の集光位置をフィードバック制御することを特徴とする光情報再生方法。
9. 請求項８に記載の光情報再生方法において、
   前記領域Ａと、前記領域Ｂと、前記第一の光束の０次光のみを含む領域Ｃに対し、それぞれ３種類以上の干渉光を生成し、
   前記位相差は、前記第一の光束の領域Ｃの位相を基準とした位相差であることを特徴とする光情報再生方法。
10. 請求項９に記載の光情報再生方法において、
    前記位相差は、前記領域Ｃにおける前記第一の光束の位相を０としたときの、前記領域Ａにおける前記第一の光束の電場の虚部と前記領域Ｂにおける前記第一の光束の電場の虚部の差であることを特徴とする光情報再生方法。
11. 請求項８に記載の光情報再生方法において、
    少なくとも前記領域Ａと、前記領域Ｂと、前記第一の光束の０次光のみを含む領域のうち中心部分の領域Ｃと、周辺部分の領域Ｄの４つの領域に対し、それぞれに３種類以上の干渉光を生成し、
    前記第一の光束のうち前記領域Ｃの光束と前記領域Ｄの光束との位相差をフォーカスエラー信号として生成し、
    前記フォーカスエラー信号により前記第一の光束の集光位置をフィードバック制御することを特徴とする光情報再生方法。
12. 請求項８に記載の光情報再生方法において、干渉光が生成される、前記第一の光束の領域は２つであることを特徴とする光情報再生方法。
13. 請求項８に記載の光情報再生方法において、
    前記記録媒体は溝構造のない記録面を備えることを特徴とする光情報再生方法。

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