JP3952056B2 - 情報再生方法 - Google Patents

Description

本願発明は特に、高記録密度を目的とし、光を用いて情報を再生する方法に関する。

光学的情報記録再生装置の記録高密度化の方法は、従来２次元的な記録媒体平面上の記録面密度を向上させることであった。しかし、装置の小型化からディスクなどの情報記録媒体の大きさは限定され、平面上での高密度化では限界が生じる。

特開昭59-127237号

特開昭60-202545号 特開昭60-202554号 特開昭63-231738号 特開平1-19535号

そこで、さらに高密度化を達成させる方法として、深さ方向を含めた３次元記録再生方法が必須である。３次元記録再生では、公知例「特開昭59−127237号」に示すように、多層膜構造のディスクを設け、各層に光スポットを絞り込み、データの記録再生する手段がある。しかし、この公知例では、具体的ディスク構造，光学定数の規定、さらには、記録条件の設定方法は述べられておらず、信頼性のある記録が困難である。また、データの読みだし方法についても、受光光学系の構成が不明瞭であり、信頼性のある再生が困難である。

一方、公知例「特開昭６０−２０２５４５号」，「特開昭６０−２０２５５４号」では、各層に回折限界の光スポットを形成するためのディスク膜厚，焦点あわせの方法について述べている。しかし、前者については、明瞭な規定が与えられていない。また、後者については、焦点あわせの原理について述べているが、実際に目標の層に焦点を合わせるためのアクセス方法については述べられていない。さらに、ディスク作成法として、トラッキングのための案内溝を公知例では不可能としており、各層ごとにレーザ露光する方法を示しているが、この方法では、生産性がない。

局所的な光照射によって、光学的性質が局所的に変化する記録膜層と、記録膜層の働きの補助として反射防止，多重反射，光吸収，記録膜層の光学的局所変化の転写，断熱，吸熱，発熱または補強を目的とした層、または層の重ねあわせである中間層膜を光学的に透明な基板の上に多層に積み重ねたディスクを有し、各層に絞り込まれた光スポット照射によって各層の局所的光学的性質を２次元的に（独立に）変化させることで、変調後のデータ“１”，“０”に対応した記録を行い、さらに、上記局所的光学的性質の変化を各層への光スポット照射によって反射光量（または透過光量）の変化として検出し、データを再生する３次元記録再生装置において、ディスクの構造を、光学的に透明な基板の屈折率をＮＢ、厚さをｄ０とする。さらに、中間層と記録膜層を一組の層として区切り、上層から順に１からＮまで番号を割り当てる。各層間の距離は隣あう記録膜層ｋ番目と（ｋ−１）番目の膜厚中心間の距離ｄｋで示す。また、各層の平面上での局所的光学的性質の変化の周期をｂ［μｍ］とする。絞り込み光学系は、光源として、例えば波長λ［μｍ］の半導体レーザを用い、コリメートレンズによって、平行光に変換し、偏光ビームスプリッタを介して、絞り込みレンズに入射させる。ここで、絞り込みレンズの開口数をＮＡＦ，有効半径をａ［ｍｍ］，焦点距離をｆＦ（≒ａ／ＮＡＦ）とする。また、ディスクからの反射光は、絞り込みレンズを通り、偏光ビームスプリッタによって受光用の像レンズに導かれる。像レンズの焦点付近に位置する光検出器によって、反射光量の変化を電気信号に変換する。像レンズの開口数をＮＡＩ，焦点距離をｆＩ（≒ａ／ＮＡＩ）とする。光検出器の受光面直径をＤとした場合、ｋ番目の層を目標層とし、焦点を合わせたときの目標層からの反射光は、像レンズの焦点位置に結像され、この焦平面上のスポット径Ｕｋ′は、
Ｕｋ′＝λ／ＮＡＩ＝λ×（ｆＩ／ａ） （数１）
ｍ；受光光学系の横倍率
次に、ｋ番目の目標層から層間距離ｄ離れた隣接層（ｋ±１）番目の層からの焦平面でのスポット径Ｕ（ｋ±１）′は、
Ｕ（ｋ±１）′≒ａ×ｍ²ｄ／ｆＩ
＝ＮＡＩ・ｍ²ｄ （数２）
上式より光検出器の直径Ｄを、Ｄ＝Ｕｋ′＝λ／ＮＡＩとし、検出される他の層からの反射光量は、目標ｋ層と他のｊ層の間の透過率δｊｋ、及び反射率の比αｊｋとして光検出器での、ｎ層からの反射受光量をＩｎとすると

（数３）≒Ｉ（ｋ−１）／Ｉｋ
＝δ^２（ｋ−１），ｋ×α（ｋ−１），ｋ×（Ｄ／Ｕ（ｋ−１）′）^２
（数４）
上式が成り立つように、ディスク構造，光学系を設定することによって、他の層からの反射光の漏れ込みを低減する。

本発明によれば、多層膜構造のディスクの各層に光スポットを絞り込み、高い信頼性を持って、データの再生ができる。

（１）３次元記録再生の基本原理
図１に３次元記録再生装置の記録再生の原理図を示す。局所的な光照射によって、光学的性質が局所的に変化する記録膜層１と、記録膜層の働きの補助として反射防止，多重反射，光吸収，記録膜層の光学的局所変化の転写，断熱，吸熱，発熱または補強を目的とした層、またはこれらの層の重ねあわせである中間層膜２を光学的に透明な基板３の上に多層に積み重ねたディスク４を有し、各層に絞り込まれた光スポット照射によって各層の局所的光学的性質を２次元的に、かつ各層間で独立に変化させることで、変調後のデータ“１”，“０”に対応した記録を行い、さらに、上記局所的光学的性質の変化を各層への光スポット照射によって反射光量（または透過光量）の変化として検出し、データを再生する。

図１において、ディスク４の構造を、光学的に透明な基板３の屈折率をＮＢ，厚さをｄ０とする。さらに、中間層２と記録膜層１を一組の層として区切り、上層（光入射側）から順に１からＮまで番号を割り当てる。各層間の距離は隣あう記録膜層ｋ番目と（ｋ−１）番目の膜厚中心間の距離ｄｋで示す。また、各層の平面上での局所的光学的性質の変化を周期ｂ［μｍ］とする。絞り込み光学系は、光源として、例えば波長λ［μｍ］の半導体レーザ５を用い、コリメートレンズ６によって、平行光に変換し、偏光ビームスプリッタ７を介して、絞り込みレンズ８に入射させる。ここで、レンズ８の開口数をＮＡＦ、有効半径をａ［ｍｍ］、焦点距離をｆＦ（≒ａ／ＮＡＦ）とする。各層に焦点を結ばせることで回折限界の光スポット１１を各層に照射する。

また、受光光学系については、反射受光系を例として示す。ディスク４からの反射光は、レンズ８を通り、ビームスプリッタ７によって受光用の像レンズ９に導かれる。レンズ９の焦点付近に位置する光検出器１０によって、反射光量の変化を電気信号に変換する。像レンズ９の開口数をＮＡＩ、焦点距離をｆＩ（≒ａ／ＮＡＩ）とする。光検出器１０の受光面直径をＤとする。本発明は、光学系として、図２ａに示す平行光学系と、受光光学系として、反射型光学系とを組み合わせた構成である。一方、光学系として、図２ｂに示す拡散光学系を採用しても、また、受光光学系として、透過光検出系を採用しても、目標層以外からの反射光量を十分小さくすることで、層間クロストークを低減し、ＳＮ比の大きい再生を行うという点では、同様の効果を得ることができるが、本発明の範囲内ではない。

次に、記録再生を行うための課題は、再生過程にある。再生での規定条件は、ノイズ成分を最小とすることである。ここでは、層間クロストークノイズの低減である。以下に、これを達成するための方法を示す。

図１において、受光光学系を最適化することで、目標層以外からの反射光量を十分小さくすることで、層間クロストークを低減し、ＳＮ比の大きい再生を行うものである。図１において、実線で示すように、再生しようとする層からの反射光量は像レンズ９の焦点上に置かれた光検出器１０によってすべて検出される。一方、隣接層からの反射光は、点線で示すように像レンズの焦平面１２で拡がっている。そこで、光検出器１０の大きさを図１のように制限することで隣接層からの反射光を低減することができる。

ｋ番目の層を目標層とし、焦点を合わせたときの光スポット１１のピーク強度値の１／ｅ²の強度となる直径、すなわちスポット径はＵｋ＝（λ／ＮＡＦ）である。そして、目標層からの反射光は、像レンズ９の焦点位置に結像される。この焦平面１２上のスポット径Ｕｋ′は、
Ｕｋ′＝ｍＵｋ＝ｍ×（λ／ＮＡＦ）＝（ＮＡＦ／ＮＡＩ）×（λ／ＮＡＦ）
＝λ／ＮＡＩ＝λ×（ｆＩ／ａ） （数１）
ｍ；受光光学系の横倍率
次に、ｋ番目の目標層から層間距離ｄ離れた（ｋ±１）番目の層からの焦平面でのスポット径Ｕ（ｋ±１）′を求める。（ｋ±１）層からの反射光が像レンズ９で焦点を結ぶ位置と焦平面との距離ｄ′は、
ｄ′＝Ｙ×ｄ＝ｍ²×ｄ （数５）
Ｙ：縦倍率
Ｕ（ｋ±１）′＝ｄ′×ｔａｎφＩ＝ｄ′×ａ／（ｆＩ＋ｄ′）
＝ｍ²ｄ×ａ／（ｆＩ＋ｍ²ｄ）
ここで、ｆＩ》ｍ²ｄならば
Ｕ（ｋ±１）′≒ａ×ｍ²ｄ／ｆＩ＝ＮＡＩ・ｍ²ｄ （数２）
上式より光検出器の直径Ｄを、Ｄ＝Ｕｋ′＝λ／ＮＡＩとすれば、光検出器の径を制限しない場合と比較して、面積比ε＝（Ｄ／Ｕ（ｋ±１）′）²で、隣接層からの反射光量を低減できるので、目標層からの反射光量の変化を高いＳＮ比で検出できる。

実際に、検出される他の層からの反射光量は、目標ｋ層と他のｊ層の間の透過率δｊｋ、及び反射率の比αｊｋを考慮にいれる。ここで、信頼性の高い信号検出のために必要な層間クロストークノイズ量を−２０ｄＢ（１／１０）とすると、一般に次式が成り立てば良い。

光検出器１０での、ｎ層からの反射受光量をＩｎとすると

ただし、以下では、目標層ｋ層に対する隣接層（ｋ−１）層だけについて考慮する。他の層からの影響も同様に考慮できるがその値は、十分小さい。

（数３）≒Ｉ（ｋ−１）／Ｉｋ
＝δ²（ｋ−１），ｋ×α（ｋ−１），ｋ×（Ｄ／Ｕ（ｋ−１）′）²
（数４）
例えば、λ＝０．７８μｍ，ＮＡＦ＝０．５５，ｆＩ＝３０ｍｍとして（ＮＡＩ＝０．０７５，ｍ＝７．３３，ｍ²＝５３．８）において、Ｄ＝Ｕｋ′≒１０．４μｍとなる。図３を例にとると、δ２３＝１．２５，α２３＝１より、反射光量の抑制率は、ε×δ²２３×α２３となる。

Ｉ２／Ｉ３＝δ²２３×α２３×ε＝δ²２３×α２３×（Ｄ／Ｕ２′）²
＝δ²２３×α２３×（λ／ＮＡＩ）²／（ＮＡＩ×ｍ²ｄ）²
＝δ²２３×α２３×（λ／ＮＡＦ²／ｄ）² （数６）
（Ｉ２／Ｉ３）≦１／１０上式の成り立つｄを求めると、

ここでは、第２層からのクロストークの影響を考慮したが、第１層からのクロストークの影響も同様に計算でき、その値（Ｉ１／Ｉ３）＝０．０２４（＝−３２ｄＢ）と十分小さく無視できる。

以上の例では光検出器の径Ｄ＝Ｕｋ′＝λ／ＮＡＩとしたが、光検出器の位置ずれも含めて、層間のクロストークがある値になるように設計の自由度がある。

次に、媒体について示す。
（２）３次元ディスクフォーマット，データ管理
図４に、多層ディスク４のフォーマットの一例を示す。光を入射させる基板３から、光の進行方向に向かって、１〜ｎ層とする。ｋ層でのデータフォーマットはディスクを放射線上に区切ったセクタｍ，半径方向のデータ位置を管理するトラックｌ、以上、３個のアドレス（ｌ，ｍ，ｎ）でデータを管理する。ある任意のトラックｌ，セクタｍにおけるフォーマットは、図に示すように、記録再生のタイミングや、アドレス情報をあらかじめ作りつけたプリフォーマット領域と、ユーザデータを記録再生し、さらに、データの有無、読みだしの禁止などを記録し管理するデータ領域からなる。また、各層の役割として、図に示すように、ユーザデータを記録再生する層と共に、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）層またはＷＯＭ（Ｗｒｉｔｅ Ｏｎｃｅ Ｍｅｍｏｒｙ）を設け、上位コントローラのＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、または、後述するように、各層での記録または再生の条件などを、ディスク作成時にプリフォーマット化しておくか、出荷時に記録することもできる。また、層データの管理層として、各層のデータ状態、例えば、データの有無，エラー管理，有効なデータ領域，書替え（オーバーライト）回数を随時、記録しておくこともできる。また、交替層として、記録誤りを検出した層のかわりに情報を入れ直すこともできる。

（３）装置全体構成
図５に、３次元記録再生装置の全体構成を示す。記録する場合は、ユーザデータ１７を変調回路１８を介して、変調後の２値化データ１９を得る。変調後の２値化データは、記録条件設定回路２０を通り、光スポットが位置づけられている位置での最適な記録条件で、強度変調されるように、レーザ駆動回路２１が駆動され、光ヘッド２２内の半導体レーザの光強度が変調され、ディスク４への記録を行う。

一方、再生する場合は、ディスク上の目標の層，トラック位置に光スポットを位置づけ、微弱光を照射し、反射光の強度変化を光検出器１０で電気信号に変換し、再生信号２３，２４を得る。再生信号２３，２４は、再生制御回路２５を通して、層間クロストークを抑制したのち、ＡＧＣ（オートゲインコントロール）回路２６を通り、データ帯域よりも低周波数の変動を吸収し、後の回路で動作する絶対レベルに信号を合わせる。

その後再生信号は、波形等化器２７を通り、データパターンによる波形歪み（振幅の劣化，位相のずれ）の改善を行い、整形器２８で２値化信号に変換する。整形器２８には、振幅スライスによって２値化するもの、微分によるゼロクロス検出するものがある。

次に２値化信号は、位相同期回路２９に通り、データからのクロック抽出を行う。位相同期回路２９は、位相比較器３０，ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３１，電圧制御発振器３２からなる。位相同期回路２９で生成されたクロックによって、２値化信号から、データの‘１’，‘０’の判定する弁別器３３を通り、復号器３４によって、ユーザデータ１７に変換される。以上の記録再生のため、上位コントローラからの指令で、目標の層及び層面内の目標位置に光スポットを位置づけるためには、光ヘッド２２からの焦点ずれ、トラックずれ信号検出３５を行い、補償回路３６によって、サーボ制御に最適な信号に補償し、駆動回路３７を通して、光スポット位置決め機構を駆動する。
光スポット位置決め機構としては、絞り込みレンズ８を層方向とディスク半径方向に駆動する２次元アクチュエータ、または、絞り込みレンズ８を層方向だけに駆動する１次元アクチュエータと絞り込みレンズ８に入射させる光束をディスク半径方向に偏向するガルバノミラーを組み合わせたものがある。

記録再生方式の原理を示す図（第１の再生方式の原理図）。 基本光学系構成図でａは平行光学系の例、ｂは拡散光学系の例。 ３層膜構造の一例を示す図。 ディスクフォーマットの一例を示す図。 ３次元記録再生装置の全体構成図。

符号の説明

１…記録層、２…中間層、３…基板、４…ディスク、５…半導体レーザ、８…絞り込みレンズ、９…像レンズ、１０…光検出器、１１…光スポット、１２…焦平面、２０…記録条件設定回路、２３，２４…再生信号、２５…再瀬制御回路、２６…ＡＧＣ回路、３５…ＡＦ誤差信号、４１…アドレス認識、４２…ｋ層までの透過率。

Claims (1)

1. 複数の記録層を積層した情報記録媒体に波長λの光を平行光に変換し、絞込みレンズに入射させ、ｋ番目の層に焦点を合わせて光スポットを照射し、前記情報記録媒体で反射した光を前記絞込みレンズにより平行光に変換し、開口数ＮＡＩの像レンズを介して光検出器で検出し、情報を再生する方法において、
   ｋ番目の層に焦点をあわせて光を照射したとき、
   Ｄ＝Ｕｋ’＝λ／ＮＡＩであり、
   

   

   Ｄ：光検出器の直径
   Ｕｋ’：ｋ番目の層からの反射光の焦平面におけるスポット径
   σｊｋ：ｋ層とｊ層の間の透過率
   αｊｋ：ｋ層とｊ層の反射率の比
   Ｕｊ’：ｊ番目の層からの反射光の焦平面におけるスポット径
   の関係を満たすことを特徴とする情報再生方法。

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