JP3914213B2 - 光ディスクおよび光ディスク装置 - Google Patents

Description

本発明は、情報をピットの形で高密度に記録した光ディスクおよび該光ディスクと少なくとも再生光学系を含む光ディスク装置に関する。

近年、画像のディジタル信号処理技術や、ＭＰＥＧ（ Moving Picture Image Coding Experts Group）と呼ばれる標準化機関などで進められている動画像圧縮技術の進展により、ＶＴＲやレーザディスクに代わって、ＣＤ（コンパクトディスク）と同等のサイズで、映画のような動画像情報を２時間再生可能な光ディスクへの期待が高まっている。２時間の動画像情報をレーザディスクのようにＮＴＳＣなどの標準ＴＶ方式のアナログビデオ信号の形で記録する場合に必要な容量は、音声を含めると８０Ｇバイトにもなるが、例えばＭＰＥＧ−２と呼ばれる標準化方式で規定される動画像圧縮技術を用いれば、Ｓ−ＶＨＳのような高画質ＶＴＲと同程度の画質であっても、必要な容量は４Ｇバイト程度で済むからである。この４Ｇバイトという容量は、φ３００ｍｍの追記型光ディスクで既に実用化されているが、一般家庭向けとして今後の普及を考えると、取扱いの簡単なφ１２０ｍｍというＣＤサイズで同程度の容量を実現することが要求される。

現在、音楽用ＣＤあるいはＣＤ−ＲＯＭなどとして普及しているＣＤフォーマットの容量は、最大で７９０Ｍバイト（線速が１．２ｍ／ｓの場合）であり、この程度の容量ではＭＰＥＧ−２による圧縮動画像情報を２４分のみしか記憶することができない。このため、ＣＤサイズでＭＰＥＧ−２による圧縮動画像情報を２時間分記憶しようとすると、ＣＤに比較して記録密度を５倍にも高めなければならない。ちなみに、現行のＣＤフォーマットでは、基板の厚さが１．２ｍｍ、トラックピッチが１．６μｍであり、ピットピッチは線速（光ビームとディスクの相対速度＝ディスクの周速）が１．２ｍ／ｓのとき１．６６μｍ、ビット長は０．５９μｍ、変調方式はＥＦＭ（eight to fourteen modulation）である。一方、再生光学系においては再生用半導体レーザ（ＬＤ）の波長は７８０ｎｍ、対物レンズのＮＡ（開口数）は０．４５、ビームスポット径はほぼ１．４μｍである。ビームスポット径の値は、主として隣接トラック間のクロストークの影響を避けるという観点から選ばれている。

ところで、光ディスクの記録密度を高めるためには、ディスクに小さなピットを形成する加工技術と、再生光学系において光ディスク上のビームスポットサイズを小さくする技術が必要となる。ピットの加工技術については、例えば波長が３５１ｎｍのＫｒイオンレーザ光（紫外光）を用いた光ディスク原盤記録技術が提案されており（１９９３年秋、応用物理学会全国大会、２８−ＳＦ−２）、従来のＡｒイオンレーザに比べてより小さなピットの加工が可能となっている。再生光学系に関しては、再生用レーザビームの短波長化とＮＡの増大によりビームスポット径をより小さくすることが可能である。しかし実際には、従来のＣＤプレーヤなどの手法では、赤色ＬＤのような短波長光源を用いたとしても、波長による容量の増大効果は高々１．５倍程度であるため、それだけでは２時間分の圧縮動画像情報を記録するのに必要とされる５倍もの容量アップは望めない。
１９９３年秋、応用物理学会全国大会、２８−ＳＦ−２

上述したように、従来の光ディスク技術では隣接トラック間のクロストークの問題を避けるために、再生光ビームのビームスポット径に比較してトラックピッチやピットピッチを大きく設定していたため、再生用光ビームの短波長化と対物レンズのＮＡの増大のみでは、例えばＣＤサイズでＭＰＥＧ２による圧縮動画像情報を２時間分記憶するのに必要な容量が得られる程度まで記録密度を上げることはできないという問題があった。

そこで、本発明は再生用光ビームのビームスポット径に比較してトラックピッチやピットピッチを小さく設定しても隣接トラック間のクロストークを実用上問題ない程度まで小さくでき、従来に比較して飛躍的に高密度・大容量化が可能な光ディスクおよび光ディスク装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明者らは光ディスク上のピット形状をサッカースタジアム形で近似して、トラック幅方向（ディスク半径方向）とトラック方向（接線方向）の最適な形状、つまり隣接トラック間のクロストークを実用可能なレベルまで抑え、かつ再生信号やプッシュプル信号の信号レベルが十分に得られるようなピット形状を見出だした。

すなわち、本発明に係る光ディスクでは、基板上に情報が所定のトラックピッチでピットの列として記録され、対物レンズを介して光ビームが照射されることにより情報の再生が行われる光ディスクにおいて、前記光ビームの波長をλ（μｍ）、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記光ディスクの厚さをｄ（μｍ）、許容ディスク傾斜角をθ_A （ｍｒａｄ）とし、かつα＝２．６２３×１０^-9×（θ_Ａ ｄ／λ）² −１．７０６×１０^-5×（θ_A ｄ／λ）＋０．９３４１なる係数αを定めたとき、前記トラックピッチがα×（０．７２〜０．８）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）の範囲に設定され、前記トラックピッチは、前記光ビームの波長λを０．５５（μｍ）以下として設定されていることを特徴とする。さらに好ましくは、ピットの上部幅がα×（０．３〜０．４５）×λ／ＮＡ／１．１４μｍ、ピットの下部幅がα×（０．２〜０．２５）×λ／ＮＡ／１．１４μｍに設定され、ピットの上部幅および下部幅は、前記光ビームの波長λを０．５５（μｍ）以下として設定されていることを特徴とする。

なお、λ／ＮＡ／１．１４μｍは、λ／ＮＡの比をλ＝６８５ｎｍ、ＮＡ＝０．６で規格化すること意味する。つまり、λ＝６８５ｎｍ、ＮＡ＝０．６であれば、トラックピッチ、ピットの上部幅および下部幅は（ ）内に示した通りの値となるが、λやＮＡの値が変われば、それに応じて最適なトラックピッチ、ピットの上部幅および下部幅も変わることになる。

また、本発明に係る光ディスク装置は、このようなトラックピッチおよびピット形状を有する光ディスクを用い、この光ディスクに対物レンズを介して光ビームを照射し、その反射光を検出して光ディスクに記録されている情報を再生するように構成したことを特徴とする。光ディスクには、好ましくは動画像情報をＭＰＥＧ２に従って圧縮したデータが記録され、光ディスク装置はＭＰＥＧ２に対応したデコーダを備え、圧縮されたデータを伸長して元の動画像情報を再生する機能を有する。

従来の光ディスク、例えばＣＤなどでは、トラックピッチを再生用光ビームのスポット径より大きく選んでいた。これに対し、本発明では光ディスクのより高密度・大容量化のためにトラックピッチをα×（０．７２〜０．８）×λ／ＮＡ／１．１４μｍ、つまり再生用光ビームのスポット径より小さな値とする。そして、この範囲のトラックピッチの下で、ピットの上部幅を（０．３〜０．４５）×λ／ＮＡ／１．１４μｍ、ピットの下部幅を（０．２〜０．２５）×λ／ＮＡ／１．１４μｍの範囲に設定し、より好ましくはピットの上部幅をα×（０．３〜０．４５）×λ／ＮＡ／１．１４μｍ、ピットの下部幅をα×（０．２〜０．２５）×λ／ＮＡ／１．１４μｍの範囲に設定する。

このようにピット形状を選ぶことにより、隣接トラック間のクロストーク量は再生信号から元の情報を再現するのに必要とされているクロストーク量（−２０ｄＢ）以下に抑えられ、しかも再生信号レベルやトラッキングのためのプッシュプル信号のレベルも十分に確保されると共に、システム上要請されるウインドウ占有率（ジッタ（再生信号エッジの変動範囲）の検出窓幅に対する割合）を実現できる許容ディスク傾斜角（チルト）を大きくとることが可能となり、機械精度に対する要求を厳しくすることなく光ディスクの記録密度を飛躍的に高めることが可能となる。

本発明による光ディスクは、トラックピッチを再生用光ビームのスポット径より小さな値に設定しつつ、隣接トラックのクロストークを実用上要求されるレベルまで低減できるような最適なピット形状を有するため、従来のＣＤに比較してトラック密度を約１．５倍も高めることができ、また再生信号やトラッキングに用いられるプッシュプル信号のレベルも十分に確保することができる。

また、本発明によれば特に、比較例で示した光ディスクの記録密度を決定するパラメータであるトラックピッチＰｔの範囲に係数αを乗じ、さらに好ましくはピットの上部幅Ｗｍおよび下部幅Ｗｉの範囲に対しても係数αを乗じることによって、システム上要請されるウインドウ占有率を実現できる許容ディスク傾斜角（チルト）を大きくとることが可能となり、光ディスクの形状精度、スピンドルモータやターンテーブルの精度、およびディスクのチャッキング精度といった光ディスク装置各部の機械精度に対する要求を厳しくすることなく、光ディスクの記録密度を飛躍的に高めることができる。

この結果、本発明によれば前述した実施形態に示されるように例えばＣＤサイズでも従来のＣＤの約５倍の容量を実現することができ、音声も含めて４Ｍｂｐｓに圧縮した高画質ＶＴＲ並みの品質の動画像情報を２時間分以上蓄えることも可能となり、その実用的効果は極めて大きい。

まず、本発明の基本的な考え方を説明する。
光ディスクの高密度化には、再生用光ビームのビームスポット径を小さくすることが必要であり、そのためには再生用ＬＤの短波長化と対物レンズのＮＡの増大が必須である。既に波長が６８５ｎｍ、出力が数ｍＷ程度の低ノイズタイプのＬＤ（セルフパルセーション）が実用化されており、波長６５０ｎｍのＬＤも実用に近いレベルになってきている。

一方、対物レンズのＮＡは、レンズの作り易さと、レンズ・ディスク間のチルト角によって制限を受ける。レンズ負荷（光ディスクの基板が薄いほど小さい）が小さく、かつＮＡが小さいほど対物レンズは作り易いが、ＮＡが０．６程度の対物レンズであれば非球面の単一レンズでも実現できている。しかし、光ディスクの再生光学系に使用する対物レンズでは、光ディスクの傾きや対物レンズの光軸の傾きなどにより生じる光ディスクと再生用光ビームとの間の傾き（チルト）により、コマ収差が生じる。

すなわち、対物レンズのＮＡを大きくして再生用光ビームのスポットサイズを小さくしようとすると、光ディスクと再生用光ビームとのチルトのために対物レンズの収差が急激に大きくなる。対物レンズの収差が大きくなれば、当然、隣接トラック間のクロストークが増大し、また再生分解能が低下する。このチルトの影響は、光ディスクの基板が薄いほど小さい。文献：Jpn. J. Appl. Phsys. Vol. 32(1993), pp. 5402-5405には、波長６９０ｎｍ、ＮＡ＝０．６で、基板の厚さがＣＤと同じ１．２ｍｍのときと、その半分の０．６ｍｍのとき、チルトによって再生用光ビームのビームスポット形状がどの様に変化するかが示されている。それによれば、基板厚が１．２ｍｍの場合には５ｍｒａｄのチルトがあるとビームスポットの中心強度は１０％も低下し、またクロストークの原因となるサイドローブの盛り上がりや収差が生じている。これに対し、基板厚が０．６ｍｍの場合には１０ｍｒａｄまでのチルトに耐えられる。

図８および図９に、ＮＡをパラメータとして、基板厚（ｔ）が１．２ｍｍの場合と０．６ｍｍの場合についてチルト特性を計算した結果を示す。横軸にチルトの角度、縦軸に再生信号の正規化したピーク強度をとっている。再生用光ビームの波長（λ）はいずれも６９０ｎｍとした。基板厚０．６ｍｍ、ＮＡ＝０．６の場合、再生信号のピーク強度が１０％低下するのはチルトが９．５ｍｒａｄの時である。これを基板厚が１．２ｍｍについてみると、ＮＡ＝０．４９となる。すなわち、基板厚を従来のＣＤの１．２ｍｍから０．６ｍｍにすることによって、ＮＡを０．４９から０．６に高めることができ、面記録密度を約１．５倍高めることができる。すなわち、スポットサイズはλ／ＮＡに比例し、面記録密度はスポットサイズの２乗に反比例するので、（０．６／０．４９）² より面記録密度は約１．５倍高くなる。

しかし、基板厚を単純に薄くすると、温度や湿度による基板の反りが顕著となる可能性がある。基板の反りはチルトの大きな要因となる。この対策としては、レーザディスクと同様に光ディスクを両面化する、つまり光ディスクを表裏対称構造とすることが最も効果的である。その場合、表裏両面に情報を記録することも可能となる。従来のＣＤのような単板構造の光ディスクでは、基板作製時のインジェクション条件や、基板の一方の面にアルミニウムによる反射膜や保護膜が形成されるため、基板の吸湿が表裏非対称となり、どうしても反りが生じ易い。光ディスクを両面化すると、このような吸湿による基板の歪がキャンセルされ、大きなチルトが生じないようにすることができる。

以上の検討結果から、波長６８５ｎｍのＬＤと、０．６ｍｍ厚の基板と、ＮＡ＝０．６の対物レンズの組み合わせを用いるものとすれば、波長が７８０ｎｍから６８５ｎｍに短くなったことと、ＮＡが０．４５から０．６と大きくなったこととにより、従来のＣＤの設計手法の下でも従来のＣＤフォーマットに比較して約２．３倍の記録密度を達成することができる。すなわち、スポットサイズはλ／ＮＡに比例するので、｛（６８５／０．６）／（７８０／０．４５）｝² より記録密度は約２．３倍に上がる。しかし、前述したようにＣＤサイズでＭＰＥＧ２による圧縮動画像情報を２時間分以上記録するのに必要な容量が得られるようにするには、記録密度（容量）を従来のＣＤフォーマットの約５倍以上に上げる必要があり、これでは不十分である。

本発明は、光ディスクのさらなる高密度・大容量化を達成するため、上記と同じビームスポットサイズの下でピット形状を最適化することにより、低クロストーク特性と、再生信号およびプッシュプル信号などの信号レベルを十分に確保しつつ、トラックピッチをさらに小さくできるようにしたものである。以下、本発明によるピット形状について詳しく説明する。

図１は、本発明に係る光ディスクにおけるピット形状を説明するための図である。同図に示されるように、ピット１０の形状は台形断面のいわゆるサッカースタジアム形で近似している。ピット１０の周縁１１は下り勾配の傾斜部となっており、底部１２はほぼ平坦となっている。１３はピット１０の光ディスク半径方向（トラック幅方向）の断面、１４は光ディスク円周方向（トラック方向）の断面であり、Ｗｍはピット１０の上部のトラック幅方向の寸法（以下、上部幅という）、Ｗｉはピット１０の底部のトラック幅方向の寸法（以下、底部幅という）、ｈｍはピット１０の深さ、Ｚｍはピット１０のトラック方向の長さである。

図２は、解析に用いた光ディスク装置の再生光学系のモデルであり、再生用光ビームの入射光分布２０（Ｖ1(x,y)）、入射光２１、入射光２１と反射光２６を分離する偏光ビームスプリッタ（またはハーフミラー）２２、開口数ＮＡの対物レンズ２３、対物レンズ２３による光ディスク記録面（ピット面）での集束光 （ビームスポット）の分布２４（Ｖ2(x,y)）、複素反射率ｒ2(x,y)を有する光ディスク２５、反射光２６、光検出器上の反射光２６の分布２７（Ｖ3(x,y)）を示している。

図３は、再生信号とプッシュプル信号のレベルを計算するための光ディスク上のピット配列を模式的に示す図であり、トラックピッチ（トラック幅方向におけるピットのピッチ）をＰｔとし、ピットピッチ（トラック方向におけるピットのピッチ）をＰｍｙとしている。３０，３１は再生用光ビームのビームスポットであり、それぞれピットの中央にあるとき（Ａ）と、ピットとピットの中間にあるとき（Ｂ）を示している。再生信号の振幅は、Ｓ（Ａ）−Ｓ（Ｂ）で表される。ただし、Ｓ（Ｘ）はビームスポットがＸの位置にあるときの光検出器の出力信号を表す。また、３２，３３はピットがある領域（Ｃ）とピットがない領域（Ｄ）でのプッシュプル信号（分割光検出器のトラック方向に並んだ少なくとも二つの検出領域の出力信号の差信号）を表す。これらのプッシュプル信号は、それぞれ領域Ｃ，Ｄでの平均のｐ−ｐ値である。

図４に、再生用レーザビーム波長６８５ｎｍ、ＮＡ＝０．６、Ｚｍ＝０．５μｍ、Ｐｍｙ＝１μｍ、Ｐｔ＝０．７２μｍとしたときのピットのトラック幅方向の大きさと、ピットの深さｈｍをパラメータとして、再生信号とプッシュプル信号のレベルを計算した結果を示す。再生用光ビームのトラック幅方向（Ｘ）およびトラック方向（Ｙ）におけるビーム充填率Ａ／Ｗ（ｘ），Ａ／Ｗ（Ｙ）の値は図中に示す通りである。同図に示されるように、再生信号およびプッシュプル信号のレベルは、Ｗｍ＝０．３μｍ、Ｗｉ＝０．２μｍの場合を除いてピットの形状に大きくは依存しない。また、再生信号とプッシュプル信号のレベルを同時に最大の値とするようなピットの深さは存在しないが、プッシュプル信号のレベル低下をできるだけ小さくしつつ、最大の再生信号レベルを得ようとすれば、図４からピットの深さはλ／５前後、すなわちλ／４．５〜λ／６の範囲が適当であることが分かる。

図５は、再生光学系のＭＴＦ（変調伝達関数）と隣接トラック間のクロストークの評価のために用いた光ディスク上のピット配列を模式的に示す図である。同図において５０，５１は再生用光ビームのビームスポットであり、それぞれピットの中心（Ａ）と、ピットの中心より距離ｔｄだけ離れた位置（Ｂ）を通過したときを示している。ＭＴＦは、ビームスポットがピットの中心を通過したときに得られる光検出器の出力信号の基本周波数成分のパワーで表される。クロストークは、ビームスポットが位置Ｂを通過したときに得られる光検出器の出力信号の基本周波数成分のパワーで表される。

図６は、トラックピッチＰｔを０．７２μｍ一定とし、ピット形状つまり上部幅Ｗｍ，底部幅Ｗｉを種々変化させた場合のＭＴＦとクロストーク特性の一例を示す図であり、横軸に空間周波数、縦軸にＭＴＦとクロストークをそれぞれとっている。再生用光ビームのトラック幅方向（Ｘ）およびトラック方向（Ｙ）におけるビーム充填率Ａ／Ｗ（ｘ），Ａ／Ｗ（Ｙ）、ピットの深さｈｍの値は図中に示す通りである。同図に示されるように、ＭＴＦはピット形状によって１〜２ｄＢ程度の差は生じるが、あまり大きな値ではない。これに対し、クロストークはピット形状によって大きく変化することが分かる。

ここで、光ディスク上に記録される情報の変調方式としては、ＲＬＬ（Run-Length Rimited）方式を採用するものとする。この方式では、最長ピットを検出したときの低周波成分によるクロストークに注意することが必要となる。図６に示したトラックピッチが０．７２μｍの場合の例では、Ｗｍ＝０．５になると低周波でのクロストークが急激に大きくなる。

なお、図６に示すクロストーク特性はチルトがない場合であるが、実際にはチルトを考慮する必要がある。図７は、チルトを考慮したときのＭＴＦおよびクロストーク特性である。同図に示されるように、チルトを考慮するとＭＴＦはほとんど変化しないが、クロストークは増大し、一層厳しくなることが分かる。

光ディスク装置のシステム設計では、光ディスク自体の反りによるチルトとして５ｍｒａｄ、装置に起因するチルトとして３ｍｒａｄを与えるものとすれば、全体で８ｍｒａｄ程度のチルトを許容できるようにする必要がある。図７のシミュレーションによれば、同じ空間周波数に対して±１０ｍｒａｄのチルトまでクロストークを実用上要求される−２０ｄＢ以下の値に抑えることができる。これから、波長６８５ｎｍ、トラックピッチ０．７２μｍという値は妥当であることが分かる。

以上の結果から、トラック幅方向におけるピット形状は、波長６８５ｎｍ、ＮＡ＝０．６で規格化すると（λ／ＮＡ＝１．１４）、概ね上部幅Ｗｍが（０．３〜０．４５）×λ／ＮＡ／１．１４（μｍ）、下部幅Ｗｉが（０．２〜０．２５）×λ／ＮＡ／１．１４（μｍ）の範囲が望ましいことが分かる。すなわち、トラックピッチＰｔを（０．７２〜０．８）×λ／ＮＡ／１．１４（μｍ）の範囲に選んで、再生用光ビームのビームスポット径に比較してトラックピッチを小さくした場合、ピットの上部幅Ｗｍと下部幅Ｗｉを上記の範囲に選ぶことにより、実際の光ディスク装置で想定される±１０ｍｒａｄのチルトまで、クロストークを−２０ｄＢ以下の値に抑えることができ、記録密度の飛躍的な向上を達成することが可能となる。この結果、これらのトラックピッチおよびピット形状と、前述した例えば波長６８５ｎｍのＬＤと、０．６ｍｍ厚の基板と、ＮＡ＝０．６の対物レンズとの組み合わせにより、ＣＤサイズでＭＰＥＧ２による圧縮動画像情報を２時間分以上記録するという当初の課題を容易に達成することが可能となる。

ところで、上述のトラックピッチＰｔ＝（０．７２〜０．８）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）、ピットの上部幅Ｗｍ＝（０．３〜０．４５）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）、ピットの底部幅Ｗｉ＝（０．２〜０．２５）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）の条件（以下、この条件の光ディスクを比較例という）は、ディスクの傾斜により発生する収差（光ディスク面に対する再生用光ビームの収差）が波長を基準にして等価であるという条件の下で定められたものである。

図１０に、ディスクの傾斜により発生する収差を幾つかの波長について計算した結果を示した。横軸が半径方向のディスク傾斜角（ｍｒａｄ）であり、縦軸は発生した収差のｒｍｓ（root mean square）値を再生用光ビームの波長を単位として示した量である。収差のｒｍｓ値（Ｗｒｍｓという）は、ディスク傾斜角にほぼ比例し、波長に反比例する。ディスク傾斜角が２０ｍｒａｄより小さい領域では、Ｗｒｍｓは近似的に
Ｗｒｍｓ＝３．５８×１０^-3×θ（ｍｒａｄ）／λ（μｍ）
で与えられる。例えば、再生用光ビームの波長が０．６５μｍで、ディスク傾斜角が１０ｍｒａｄのとき、Ｗｒｍｓ＝０．０５５１λとなる。

比較例の条件は、再生用光ビームの波長が０．６５μｍ近辺でディスク傾斜角に対して１０ｍｒａｄの許容度が与えられるようにする条件として求められたものである。従って、この近辺の波長に対しては、１０ｍｒａｄのディスク傾斜角が許容されるものの、より短い波長の再生用光ビームを用いた場合、許容ディスク傾斜角は小さくなる。この関係は、ほぼ
θ（ｍｒａｄ）＝１５．４×λ（μｍ）
で与えられる。

これを図１０で説明すると、再生用光ビームの波長０．６５μｍの下で１０ｍｒａｄのディスク傾斜がある場合、収差のｒｍｓ値Ｗｒｍｓは０．０５５１λとなっている。一方、再生用光ビームの光源として例えばＹＶＯ_４ とＫＴＰの組み合わせによるＳＨＧ（Second Harmonic Generation）材料を用いたレーザ光源を用いる場合、波長は０．５３２μｍとなる。このとき、収差のｒｍｓ値Ｗｒｍｓを再生用光ビームの波長０．６５μｍの下でのＷｒｍｓ＝０．０５５１λと同等に抑えるためには、許容されるディスク傾斜角は８．２ｍｒａｄとなる。また、例えばＧａＮのようなＳＨＧ材料系を用いたレーザ光源のように、再生用光ビームの波長が０．４２μｍあるいは０．３６μｍと小さくなると、許容ディスク傾斜角はそれぞれ６．５ｍｒａｄ，５．５ｍｒａｄと更に小さくなる。

このように短波長の再生用光ビームを用いて、光ディスクの記録密度を高めようにとすると、それに応じて許容ディスク傾斜角が小さくなるため、光ディスクの形状精度、スピンドルモータやターンテーブルの精度、およびディスクのチャッキング精度などの機械精度に対する要請が厳しくなり、安価な光ディスク装置を提供することが難しくなる。

図１１は、比較例の条件に従って記録密度を定めた光ディスクに記録されている情報を１０ｍｒａｄのディスク傾斜の下で再生した場合のウインドウ占有率と再生用光ビームの波長の関係を示した図である。比較例における各パラメータの典型的な値として、再生用光ビームの波長をλ＝０．６５μｍ、対物レンズの開口数をＮＡ＝０．６、トラックピッチをＰｔ＝０．７２５μｍ、ピットの上部幅をＷｍ＝０．３５μｍ、ピットの底部幅をＷｉ＝０．２μｍとし、さらに検出窓幅はｄ＝２の変調符号系の採用を仮定して０．１３４μｍ、ピット深さは再生用光ビームの波長λを基板屈折率ｎで割った値の１／５とした。

図１１の縦軸のウインドウ占有率は、スカラ回折理論に基づく再生信号の計算を用いて求めたもので、変調符号の制約下で発生する多様なピットパターンによる符号間干渉のほか、隣接トラックからのクロストークについても考慮し、しかも、それぞれの場合に最適な等化回路を用いてジッタの低減を図った場合に達成可能なウインドウ占有率の下限を求めたものである。このような計算はかなり膨大な計算時間を要するものであり、高速のアルゴリズムに基づく計算プログラムを開発して初めて可能になったものである。また、ＮＡが大きいため、光ディスクの基板傾斜に起因する収差の計算においても、通常よく用いられる近似式ではなく、光線追跡に基づくより正確な評価方法を用いている。

図１１から、再生用光ビームの波長が６５０ｎｍの近辺ではウインドウ占有率は８０％程度と妥当な値であり、比較例による設定は妥当といえるが、波長が例えば５５０ｎｍ（０．５μｍ）以下の領域ではウインドウ占有率が９５％を越えてしまい、誤りのない再生が実質的に不可能になってしまうことが分かる。

本発明は、上述した比較例についてさらに改良を加えたものであって、機械精度に対する要請を厳しくすることなく、可能な限り高い記録密度の光ディスク装置を実現しようとするものである。具体的には、本実施形態は許容ディスク傾斜角を例えば１０ｍｒａｄと一定に保ったままで、例えば波長が０．５μｍ以下の再生用光ビームを用いて、高密度の光ディスクの再生を可能とするものである。この場合、各波長において１０ｍｒａｄで発生する収差量は大きくなるので、それだけの収差を許容するためには、トラックピッチや検出窓幅のなどの、光ディスクの記録密度を定めるパラメータの値を大きめに設定しておく必要がある。

図１０によれば、例えば０．５３２μｍ，０．４２μｍ，０．３６μｍと再生用光ビームの波長を小さくしていった場合、１０ｍｒａｄのディスク傾斜で発生する収差量はそれぞれ０．０６７３λ，０．０８５２λ，０．０９９４λと、次第に大きくなる。このように大きな収差を許容するということは、再生用光ビームの波長が０．６５μｍの再生光学系に換算すると、許容ディスク傾斜角をそれぞれ１２．２ｍｒａｄ，１５．５ｍｒａｄ，１８．１ｍｒａｄのように大きな値にすることに対応する。この換算は、上述した収差量とディスク傾斜角の許容値との比例関係に基づいて、
θ_eq（ｍｒａｄ）＝６．５／λ（μｍ）
のように表される。ただし、θ_eqは、それぞれの波長で１０ｍｒａｄのディスク傾斜がある場合に発生する収差と等価な収差が波長０．６５μｍの再生用光ビームを用いた再生光学系において発生する角度を表わし、この角度θ_eqは再生用光ビームの波長に反比例して増大する。

このように大きなディスク傾斜角を許容するには、トラックピッチや検出窓幅のなどの光ディスクの記録密度を定めるパラメータの値、特にトラックピッチを（λ／ＮＡ）に比例して設定するよりも、大きく設定する必要がある。

図１２は、ディスク傾斜角とウインドウ占有率の関係を示した図である。図１２において、図１１に示した比較例と同じ条件の場合のディスク傾斜角とウインドウ占有率の関係は、１．０倍の曲線になる。１．１倍および１．２倍の曲線はトラックピッチＰｔ、ピットの上部幅Ｗｍ、ピットの底部幅Ｗｉおよび検出窓幅を全て１．１倍および１．２倍に拡大した場合の曲線であり、記録密度はそれぞれ１／１．１² および１／１．２² に低下するが、その代わり許容ディスク傾斜角は増大していることが分かる。なお、図１２の縦軸のウインドウ占有率の計算は、図１１の計算と同様のモデルに基づいている。

図１３は、ウインドウ占有率８０％を基準として、許容ディスク傾斜角に対して必要な係数をプロットした図であり、図１２から導かれるものである。
以上をまとめると、再生用光源に短波長光源を用いる場合の設計手順は次のようになる。

まず、図１０を参照して再生用光ビームの波長０．６５μｍでディスク傾斜角１０ｍｒａｄ程度の場合に相当する収差以下に収差が収まるように、許容ディスク傾斜角を小さく設定することが可能かどうかを判断する。これが可能ならば比較例に従ってパラメータを定めてよい。しかしながら、許容ディスク傾斜角をそれほど小さく設定できない場合は、同じく図１０で使用する再生用光ビームの波長と許容する必要のあるディスク傾斜から許容すべき収差量の値を読み取り、波長が０．６５μｍの再生光学系でその収差量となる角度を「０．６５μｍの再生光学系に換算された許容ディスク傾斜角」と考える。そして、図１３からその許容ディスク傾斜角を実現するのに必要な係数を読み取る。最後に、比較例に従って設定する場合の各パラメータ値にその係数を乗じて設定することで、短波長でも実用的な許容ディスク傾斜角を確保することのできるディスクを実現することができる。

なお、上述の説明では光ディスクの基板の厚さを０．６ｍｍとしたが、収差は基板の厚さに比例するので、他の厚さの基板の場合には比例計算によりパラメータを定めればよい。例えば基板厚が０．４ｍｍの場合、収差の値は図１０の２／３倍となるので、そのように読み替えてよい。すなわち、先に収差量が再生用光ビームの波長に反比例することを述べたが、これを用いれば基板厚がｒ倍になることは、収差量の観点から波長が１／ｒになることに相当するので、そのように換算すれば上記の設定手順で同様に係数を定めることが可能である。

基板厚を６００（μｍ）、再生用光ビームの波長をλ（μｍ）とした場合、
θ_eq（ｍｒａｄ）＝６．５／λ（μｍ）
であったが、基板厚の変化が再生用光ビームの波長変化に換算できることを考慮すると、基板厚がｄ（μｍ）、再生用光ビームの波長がλ（μｍ）の場合、
θ_eq（ｍｒａｄ）＝６．５／λ×（ｄ／６００）
＝１．０８３×１０^-2×（ｄ／λ）
となる。この関係に従って、図１２のグラフの上部ではｄ／λで横軸の目盛りを振っている。図１３の作成は波長０．６５μｍの具体例での計算に基づいているが、上記議論により、図１３の上部の目盛りを用いれば、波長０．６５μｍの系を媒介とした換算を意識せず、実際に使用する基板厚と再生用光ビームの波長との比を計算して、必要な係数を読み取ればよい。

さらに、前述したように収差は傾斜角にほぼ比例するため、許容ディスク傾斜角θ_A （ｍｒａｄ）を１０ｍｒａｄ以外の値に拡張することも容易である。すなわち、θ_eqをθ_A に比例させて設定すればよい。従って、先の式は
θ_eq（ｍｒａｄ）＝（６．５／λ）×（θ_Ａ ／１０）
θ_eq（ｍｒａｄ）＝１．０８３×１０^-2×（ｄ／λ）×（θ_Ａ ／１０）
＝１．０８３×１０^-3×（θ_Ａ ｄ／λ）
とすればよい。

なお、図１３のグラフの曲線は、設計等の応用に便利な近似的な数式で表わすと、次のようになる。すなわち、横軸を６５０ｎｍに換算した許容ディスク傾斜角θ_eq（ｍｒａｄ）、縦軸をトラックピッチ、ピットの上部幅及び底部幅等の寸法に対して乗じる係数αとすると、
α＝０．００２２３６×θ_eq ² −０．０１５７５×θ_eq＋０．９３４１
となる。また、基板厚ｄ、波長λを用いると、先のθ_eqとｄ／λとの関係式を用いて、
α＝２．６２３×１０^-7×（ｄ／λ）² −１．７０６×１０^-4×（ｄ／λ）＋０．９３４１
のように表すことができる。この式によれば、基板厚と再生用光ビームの波長の双方を変化させた場合の最適な係数を、基板厚と波長の関数として求めることができる。さらに、許容ディスク傾斜角をθ_Ａ （ｍｒａｄ）とした場合の式は、
α＝２．６２３×１０^-9×（θ_A ｄ／λ）² −１．７０６×１０^-5×（θ_A ｄ／λ）＋０．９３４１
のように表すことができる。この式によれば、基板厚と再生用光ビームの波長と許容ディスク傾斜角の全てを変化させた場合の最適な係数を、基板厚と波長と許容ディスク傾斜角の関数として求めることができる。

図１４は、ＮＡが０．６、基板厚が６００μｍの場合に許容ディスク傾斜角を１０ｍｒａｄと固定した時のトラックピッチの最適範囲を示した図である。図でＡは比較例の範囲であり、Ｂが本実施形態によるトラックピッチの範囲である。基板傾斜角を再生用光ビームの波長に応じて精度よく確保できない場合は、本発明に従った設定をする必要がある。このようにトラックピッチを設定することにより、図１４に示されるように再生用光ビームの波長が０．５５μｍ以下の場合でも許容ディスク傾斜角を１０ｍｒａｄにして、ウインドウ占有率を８０％以下に抑えることが可能となる。

なお、上述ではトラックピッチＰｔの最適範囲について説明したが、ピットの上部幅Ｗｍおよび底部幅Ｗｉについても、比較例の範囲に対してトラックピッチＰｔに対する係数αと同じ係数を乗じることによって、より好ましい範囲が実現される。すなわち、ピットの上部幅Ｗｍおよび底部幅Ｗｉに対しても係数αを乗じることによって、αを乗じない場合と比較して再生信号のレベルが高くなり、それだけウインドウマージン、特にディスク傾斜に対するマージンが確保されることになる。

次に、図１５を用いて本実施形態に係る光ディスクの構造について説明する。図１５（ａ）（ｂ）は、両面貼り合わせ構造の光ディスク１００の斜視図と断面図であり、エンボスピットを有するポリカーボネイトやアクリルなどの透光性の樹脂からなる透明基板１０１，１０２の一方の面に、アルミニウムなどの反射膜１０３，１０４が被着され、これらの上に保護膜１０５，１０６が形成されている。透明基板１０１，１０２の厚さは、０．６ｍｍである。そして、透明基板１０１，１０２を保護膜１０５，１０６側を対向させて、熱硬化型の接着剤からなる数１０μｍ厚の接着層１０７により貼り合わせている。光ディスク１００の中央にはクランピングのための穴１０８が開けられており、その周囲にクランピングゾーン１０９が設けられている。そして、図示しないＬＤから出射され再生光学系を経て入射する再生用光ビーム１１０は、対物レンズ１１１を介して光ディスク１００に透明基板１０１，１０２側から入射し、反射膜１０３，１０４上に微小なビームスポットとして集束される。

図１６に、上述した光ディスク１００を用いて圧縮動画像情報の再生を行う光ディスク装置の実施形態を示す。図１６において、光ディスク１００は、０．６ｍｍ厚という薄い基板１０１，１０２を用いていることから、１．２ｍｍ厚の基板を用いいるＣＤに比較して表面に付着したゴミや汚れに弱くなるため、カートリッジ２００に収容されている。光ディスク１００をカートリッジ２００に収容することにより、ＣＤのようにディスクの持ち方や、ゴミ、指紋などに気を使わなくて済むようになるし、ハンドリング、持ち運びの面でも有利となる。ＣＤのようにディスクが露出している場合は、傷などの不測の事態も考えてエラー訂正能力を決める必要があるが、カートリッジ２００を用いればそのような考慮は不要である。従って、録再型の光ディスクで用いているようなセクタ単位で、ＬＤＣリードソロモンエラー訂正方式を用いることができる。これにより、例えば２ｋ〜４ｋバイト単位で光ディスクのフォーマッティングを行った場合、ＣＤに比べ１０％以上、記録効率をアップすることができる。

光ディスク１００に記録する情報の変調方式として、前述したように４／９変調方式を用い、光ディスク１００上のトラックピッチを０．７２μｍ、ピットピッチを０．９６μｍとすれば、従来のＣＤフォーマットに比較してピットの密度比で３．８４倍、変調方式で２０％、フォーマット効率で１０％のアップが期待されるから、トータルで約５．１倍の容量アップが望めることになる。前述のように、映画などの動画像情報をＳ−ＶＨＳ並みの高画質で再生する場合、音声も含めて４．５Ｍｂｐｓのレートとなるので、２時間の再生に必要な容量は４Ｇバイトである。上述した５．１倍の容量アップにより、この４Ｇバイトという容量をディスク片面で実現できることになる。さらに、図１５に示したように光ディスクを両面化すれば、一枚の光ディスクで最大４時間の記録が可能となる。

図１６に説明を戻すと、光ディスク１００はテーパコーン２２０にチャッキングされ、スピンドルモータ２０１により回転される。スピンドルモータ２０１はスピンドルモータ駆動回路２０２により駆動される。一方、再生光学系は次のように構成される。

光ディスク１００に対向して対物レンズ２０３が配置されており、この対物レンズ２０３はフォーカスコイル２０４により光軸方向に、またトラッキングコイル２０５によりトラック幅方向に移動可能となっている。ＬＤドライバ２０６により駆動されるＬＤ（半導体レーザ）２０７の発振波長は６８５ｎｍであり、このＬＤ２０７から出射される光ビームはコリメートレンズ２０８で平行光束とされた後、偏光ビームスプリッタ２０９に入射する。ＬＤ２０７から出射される光ビームは一般に楕円のファーフィールドパターンを有しているので、円形のパターンが必要な場合はコリメートレンズ２０８の後にビーム整形プリズムを配置すればよい。偏光ビームスプリッタ２０９を通過した光ビームは対物レンズ２０３により絞られ、光ディスク１００に入射する。

光ディスク１００の反射膜で反射された光は、対物レンズ２０３を入射光ビームと逆方向に戻り、偏光ビームスプリッタ２０９で反射され、集光レンズ２１０およびシリンドリカルレンズ２１１などの検出光学系を経て光検出器２１２に入射する。光検出器２１２は例えば４分割光検出器であり、その４つの検出出力はアンプと加減算器を含むアンプアレー２１３に入力され、ここでフォーカス誤差信号、トラッキング誤差信号および再生信号が生成される。なお、トラッキング誤差信号は、例えばプッシュプル法と呼ばれる手法により、前述したプッシュプル信号として得られる。フォーカス誤差信号およびトラッキング誤差信号は、サーボコントローラ２１４を経由してフォーカスコイル２０４およびトラッキングコイル２０５にそれぞれ供給される。これにより、対物レンズ２０３が光軸方向およびトラック幅方向に移動され、光ディスク１００の記録面である反射膜の表面に対する光ビームのフォーカシングと、目標トラックに対するトラッキングが行われる。

アンプアレー２１３からの再生信号は信号処理回路２１５に入力され、ここで２値化された後、データパルスの検出が行われる。検出されたデータパルスはディスクコントローラ２１６に入力され、フォーマットの解読、エラー訂正などが行われた後、動画像情報のビットストリームとしてＭＰＥＧ２デコーダ／コントローラ２１７に入力される。光ディスク１００には、ＭＰＥＧ２の規格に従って動画像情報を圧縮（符号化）したデータが記録されている。そこで、ＭＰＥＧ２デコーダ／コントローラ２１７は入力されたビットストリームを伸長（復号化）して、元の動画像情報を再生する。再生された動画像情報はビデオ信号発生回路２１８に入力され、ブランキング信号などが付加されて所定のテレビジョンフォーマットのビデオ信号となる。

なお、本実施形態では光ディスクとして両面貼り合わせ構造の光ディスクを示したが、例えば２層の記録層をディスクの片面から読み取り可能に形成した光ディスクにも本発明を適用することができる。

本発明の一実施形態に係る光ディスクのピット形状を説明するための模式図 光ディスク装置における再生光学系の概略を示す模式図 光ディスクから検出される再生信号およびプッシュプル信号レベルを計算するための光ディスク上のピット配列を示す模式図 ピットのトラック幅方向の大きさとピットの深さをパラメータとして再生信号とプッシュプル信号のレベルを計算した結果を示す図 再生光学系のＭＴＦと隣接トラック間のクロストークの評価のために用いた光ディスク上のピット配列を示す模式図 再生光学系のＭＴＦと隣接トラック間のクロストーク特性のピット形状依存性を示す図 再生光学系のＭＴＦと隣接トラック間のクロストーク特性のチルト依存性を示す図 基板厚１．２ｍｍの光ディスクを用いた場合の対物レンズのＮＡによるチルト依存性を示す図 基板厚０．６ｍｍの光ディスクを用いた場合の対物レンズのＮＡによるチルト依存性を示す図 光ディスクの傾斜により発生する収差を再生用光ビームの波長をパラメータとして示した図 比較例に係る光ディスクを１０ｍｒａｄのディスク傾斜の下で再生した場合のウインドウ占有率と再生用光ビームの波長の関係を示す図 ディスク傾斜角とウインドウ占有率の関係を示す図 ウインドウ占有率８０％を基準として許容ディスク傾斜角に対して必要な係数をプロットして示す図 比較例および本実施形態に係る光ディスクにおけるトラックピッチの最適範囲を再生用光ビームの波長に対して示す図 本発明の一実施形態に係る光ディスクの構造を示す斜視図および断面図 本発明の一実施形態に係る光ディスク装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１０…ピット
１１…ピット周縁
１２…ピット底部
Ｗｍ…ピット上部幅
Ｗｉ…ピット下部幅
Ｚｍ…ピット長
ｈｍ…ピット深さ

Claims (4)

1. 基板上に情報が所定のトラックピッチでピットの列として記録され、対物レンズを介して光ビームが照射されることにより情報の再生が行われる光ディスクにおいて、
   前記光ビームの波長をλ（μｍ）、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記光ディスクの厚さをｄ（μｍ）、許容ディスク傾斜角をθ_A （ｍｒａｄ）とし、かつα＝２．６２３×１０^-9×（θ_Ａ ｄ／λ）² −１．７０６×１０^-5×（θ_A ｄ／λ）＋０．９３４１なる係数αを定めたとき、前記トラックピッチがα×（０．７２〜０．８）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）の範囲に設定され、前記トラックピッチは、前記光ビームの波長λを０．５５（μｍ）以下として設定されていることを特徴とする光ディスク。
2. 基板上に情報が所定のトラックピッチでピットの列として記録され、対物レンズを介して光ビームが照射されることにより情報の再生が行われる光ディスクにおいて、
   前記光ビームの波長をλ（μｍ）、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記光ディスクの厚さをｄ（μｍ）、許容ディスク傾斜角をθ_A （ｍｒａｄ）とし、かつα＝２．６２３×１０^-9×（θ_Ａ ｄ／λ）² −１．７０６×１０^-5×（θ_A ｄ／λ）＋０．９３４１なる係数αを定めたとき、前記トラックピッチがα×（０．７２〜０．８）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）、前記ピットの上部幅がα×（０．３〜０．４５）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）、該ピットの底部幅がα×（０．２〜０．２５）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）の範囲に設定され、前記トラックピッチ、前記ピットの上部幅および下部幅は、前記光ビームの波長λを０．５５（μｍ）以下として設定されていることを特徴とする光ディスク。
3. 基板上に情報が所定のトラックピッチでピットの列として記録された光ディスクと、
   この光ディスクに対物レンズを介して光ビームを照射する手段と、
   この手段により前記光ディスクに照射された光ビームの反射光を検出して前記光ディスクに記録されている情報を再生する手段とを具備し、
   前記光ディスクは、前記光ビームの波長をλ（μｍ）、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記光ディスクの厚さをｄ（μｍ）、許容ディスク傾斜角をθ_A （ｍｒａｄ）とし、かつα＝２．６２３×１０^-9×（θ_Ａ ｄ／λ）² −１．７０６×１０^-5×（θ_A ｄ／λ）＋０．９３４１なる係数αを定めたとき、前記トラックピッチがα×（０．７２〜０．８）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）の範囲に設定され、前記トラックピッチは、前記光ビームの波長λを０．５５（μｍ）以下として設定されていることを特徴とする光ディスク装置。
4. 基板上に情報が所定のトラックピッチでピットの列として記録された光ディスクと、
   この光ディスクに対物レンズを介して光ビームを照射する手段と、
   この手段により前記光ディスクに照射された光ビームの反射光を検出して前記光ディスクに記録されている情報を再生する手段とを具備し、
   前記光ディスクは、前記光ビームの波長をλ（μｍ）、前記対物レンズの開口数をＮＡ、前記光ディスクの厚さをｄ（μｍ）、許容ディスク傾斜角をθ_A （ｍｒａｄ）とし、かつα＝２．６２３×１０^-9×（θ_Ａ ｄ／λ）² −１．７０６×１０^-5×（θ_A ｄ／λ）＋０．９３４１なる係数αを定めたとき、前記トラックピッチがα×（０．７２〜０．８）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）、前記ピットの上部幅がα×（０．３〜０．４５）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）、該ピットの底部幅がα×（０．２〜０．２５）×（λ／ＮＡ）／１．１４（μｍ）の範囲に設定され、前記トラックピッチ、前記ピットの上部幅および下部幅は、前記光ビームの波長λを０．５５（μｍ）以下として設定されていることを特徴とする光ディスク装置。

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