WO2015107669A1 - 情報記録装置及び情報記録方法 - Google Patents

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WO2015107669A1
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lens
light spot
recording medium
optical system
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亮 今井
渡辺　康一
学 塩澤
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株式会社日立製作所
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    • G11B7/0033—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the shape or form of the carrier with cards or other card-like flat carriers, e.g. flat sheets of optical film

Definitions

  • the present invention relates to an information recording apparatus and an information recording method for recording information on a medium using light.
  • Patent Document 1 discusses a three-dimensional memory that records information by using a structural change of a recording medium as a recording bit.
  • the laser beam may be divided into a plurality of spots in order to improve the recording speed, and a plurality of bits of information may be recorded simultaneously.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique in which laser light is divided into a plurality of spots by a spatial light modulator and irradiated onto quartz glass, and information of a plurality of bits is recorded collectively in the quartz glass.
  • the recording speed is the product of the amount of information recorded by one light irradiation and the number of recordings per unit time.
  • the number of recordings per unit time is determined by the driving speed of a spatial light modulator that controls the shape of the light spot, a stage that controls the medium position, and the like, and the speed of the apparatus is limited in principle. Therefore, in order to improve the recording speed, it is essential to record a sufficient amount of information by one light irradiation.
  • FIG. 1 is an enlarged view showing a recording state when a checkerboard pattern is recorded in the transparent medium, and the x mark in the figure indicates the position of the optical axis. This is because, as shown in FIG. 2, the light spot used for recording expands with distance from the optical axis, and the light intensity decreases.
  • none of the above-mentioned conventional examples considers the simultaneous recording of multiple bits exceeding several hundred bits used for information recording and the recording quality, and it is impossible to achieve both the recording quality and the recording speed. It was.
  • the present invention has the following configuration.
  • a multi-point light spot corresponding to the hologram pattern displayed on the spatial light modulator is formed on the information recording medium held on the stage through the imaging optical system, and the focal point of the imaging optical system.
  • the structure of the information recording medium is changed by the multipoint light spot using at least a region where the intensity of the light spot used for recording is 80% or less of the intensity of the light spot on the optical axis.
  • An information recording apparatus that records information collectively is generated.
  • a stage that holds an information recording medium, a short pulse laser light source, a spatial light modulator that displays a hologram pattern that modulates laser light emitted from the short pulse laser light source, and a lens having the same focal length are lasers.
  • a short pulse laser beam is modulated with a hologram pattern displayed on the spatial light modulator and irradiated to the information recording medium as a multi-point light spot, thereby causing a structural change in the information recording medium and collectively recording information.
  • Non-Patent Document 2 In the field of optical processing, as disclosed in Non-Patent Document 2, etc., there is a technique for performing optical processing using a lens whose focal length is inversely proportional to the wavelength.
  • Non-Patent Document 2 and the like are only related to processing technology using laser light, and there is no motivation to apply to the information recording field in which improvement in recording speed and recording quality should be compatible in the first place.
  • Non-Patent Document 2 it is essential to use a diffractive lens whose imaging performance is inferior to that of a general refractive lens, and light control with high accuracy can be performed so as not to cause a recording error.
  • the application to the required optical recording apparatus is inappropriate.
  • the present invention it is possible to improve the information recording speed by correcting the intensity of the light spot away from the optical axis and increasing the amount of information that can be recorded by a single light irradiation.
  • FIG. 6 illustrates an operation procedure of the recording apparatus.
  • the schematic diagram which shows the Example of the information recording device by this invention Explanatory drawing which shows the extension of a pulse by chirp being introduce
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an embodiment of an information recording apparatus used in the recording method of the present invention.
  • This apparatus includes a recording optical system, an observation optical system, and a control device 101 that controls the entire apparatus.
  • the short pulse laser 102 emits laser light 103.
  • the short pulse laser 102 is a laser light source that emits laser light having a pulse width on the order of femtoseconds or picoseconds. Examples of the short pulse laser include a titanium sapphire laser, a fiber laser, and a picosecond solid-state laser.
  • the shutter 104 controls the irradiation time of the laser beam 103.
  • the attenuator 105 controls the intensity of the laser beam 103.
  • the shutter 104 and the attenuator 105 may be incorporated in the short pulse laser 102 or may be installed outside the short pulse laser 102 as independent devices. Further, the beam diameter changing optical system 106 changes the beam diameter to an appropriate size at the time of incidence on the spatial light modulator 107 in consideration of the beam diameter of the laser light 103 and the area of the modulation element portion of the spatial light modulator 107. To do.
  • the shutter 104, the attenuator 105, and the beam diameter changing optical system 106 are not necessarily arranged in this order, and their positions may be exchanged.
  • the spatial light modulator 107 is a device that spatially changes the intensity and phase of the laser beam 103.
  • the spatial light modulator 107 can be realized by arranging a plurality of liquid crystal elements in a lattice pattern and changing the alignment direction of the liquid crystal for each liquid crystal element. It is.
  • the laser beam 103 is transmitted through the spatial light modulator 107 here, spatial light modulation may be performed by reflecting the laser beam 103 by the spatial light modulator 107.
  • the laser beam 103 modulated by the spatial light modulator 107 is condensed in the recording medium 111 by the imaging optical system 108 and the objective lens 110.
  • the dichroic mirror 109 reflects the laser beam 103 and transmits observation illumination light 114 described later.
  • the imaging optical system 108 and the objective lens 110 are configured to generate a Fourier image of the laser beam 103 modulated by the hologram pattern displayed on the spatial light modulator 107 in the recording medium 111.
  • a multipoint light spot corresponding to the hologram pattern displayed on the light modulator 106 is formed. Dots are collectively recorded on the surface or inside of the recording medium 111 by the formed multipoint light spot.
  • An arbitrary light spot pattern can be formed in the recording medium 111 by changing the hologram pattern displayed on the spatial light modulator.
  • An example of the recording medium 111 is a medium that is transparent to the laser beam 103, such as quartz glass.
  • the stage 112 controls the position of the recording medium 111 using a piezo element, a stepping motor, or the like.
  • the illumination light source 113 emits illumination light 114.
  • the wavelength of the illumination light 114 is set to a value that transmits the dichroic mirror 109 and the recording medium 111.
  • An LED, a lamp, or the like is used as the illumination light source.
  • the illumination light 114 passes through the recording medium 111 and is imaged on the camera 116 by the objective lens 110 and the imaging lens 115.
  • the recording medium 111 can be observed from the incident side of the laser beam 103 by the camera 116, and the vicinity of the condensing point of the laser beam 103 can be observed. Data of the camera 116 is transmitted to the control device 101.
  • the control device 101 analyzes this data, calculates the size of the recorded bits, the signal intensity, etc., and feeds back to the short pulse laser 102, the attenuator 104, the spatial light modulator 107, etc. if necessary. If the recording optical system operates stably and there are few recording errors, it is not essential to provide an observation optical system. Further, the recording status may be monitored by installing an optical system having a different function for observing plasma emission generated during recording.
  • the electric field of the laser beam 103 at the recording position becomes the Fourier transform of the electric field of the laser beam 103 at the position of the spatial light modulator 107, and is expressed by the following equation.
  • E Rec the electric field of the laser beam 103 at the recording position
  • E SLM is the electric field of the laser beam 103 in the spatial light modulator 107 position
  • k x ⁇ k y each x direction during Fourier transform
  • the y-direction Represents the spatial frequency.
  • the relationship between the spatial frequency k x ⁇ k y and optical parameters are expressed by the following equation.
  • ⁇ is the circular ratio
  • ⁇ is the wavelength of light
  • ⁇ is the magnification of the imaging optical system 108
  • f is the focal length of the objective lens 110
  • x ⁇ y is the coordinates of the recording position.
  • the size of the light spot pattern is proportional to the wavelength ⁇ of the light. Since the short pulse laser beam 103 has a spectrum width that is inversely proportional to the pulse width, the size of the spot pattern corresponding to each wavelength component is different for each wavelength component as shown in FIG. Since the light spot patterns corresponding to the respective wavelength components overlap with each other around the optical axis, the deviation of the light spot pattern increases as the distance from the optical axis increases, resulting in an increase in the light spot size.
  • the light spot shape when the wavelength of light is single is assumed to be Gaussian. It is assumed that the size of the light spot when the wavelength is single is sufficiently larger than the length of the center wavelength of the laser light 103, and the size of the spot does not depend on the wavelength of the light. By calculating and adding the spot size for each wavelength component under the above conditions, it is possible to calculate the actual size of the light spot.
  • the actual size of the light spot is expressed by the following equation.
  • r is the distance from the optical axis
  • l (r) is the actual light spot size
  • l 0 is the light spot size when the light wavelength is single
  • ⁇ 0 is the laser beam 103 Represents the center angular frequency.
  • ⁇ ss (r) represents the spectrum width at the spot center position of the light spot generated at a position r from the optical axis, and is represented by the following equation. Note that ⁇ s is the spectral width of the laser beam 103 displayed as an angular frequency.
  • the intensity of the light spot is proportional to the above spectral width. Further, when each wavelength component is spatially dispersed, the pulse width ⁇ (r) of the laser beam 103 at a position r from the optical axis increases as shown in the following equation.
  • FIG. 5 shows the influence of the increase in the light spot size on the recording speed.
  • a in FIG. 5 shows the dependency of the recording error rate on the recording light power.
  • the allowable light intensity fluctuation is about ⁇ 10%.
  • B in FIG. 5 is a calculation of the intensity of the light spot under the conditions at the time of data acquisition of A using the above formula.
  • the intensity of the light spot on the optical axis is 1. Since the allowable fluctuation range of the light intensity is about 20%, a recording error occurs in an area where the intensity of the light spot is 0.8 or less.
  • the area that can be used for recording is limited to an area where the light spot intensity is 0.8 or more, and the upper limit number of bits that can be collectively recorded is limited. Since the recording speed is proportional to the number of batch recording bits, the recording speed is also limited by limiting the number of batch recording bits.
  • the imaging optical system 108 is configured so that the imaging magnification is inversely proportional to the parameter relating to the wavelength, thereby solving the above problem.
  • the wavelength parameter means the wavelength itself or a function having the wavelength as an argument.
  • the size of the light spot pattern is proportional to the wavelength, but the imaging magnification is inversely proportional to the wavelength, so the two effects are canceled out, and all wavelengths are cancelled.
  • the size of the light spot pattern for the component is kept constant.
  • the imaging magnification is inversely proportional to the wavelength due to restrictions such as the wavelength, pulse width, and device size
  • the above restrictions can be relaxed by adopting parameters other than the wavelength itself as a wavelength-related parameter.
  • the parameter relating to the wavelength is a function of the refractive index n ( ⁇ ) of the glass.
  • the imaging optical system 108 is configured by two lenses, but may be configured by three or more lenses. Glass having a large refractive index dispersion is used as a material constituting this lens, and chromatic aberration is intentionally introduced contrary to the normal correction of chromatic aberration.
  • the magnification of the imaging optical system 108 is a function of the refractive index of the glass. The curved surface of each lens, the type of glass, the number of lenses, etc. are set appropriately, and the magnification of the imaging optical system 108 monotonously decreases with respect to the wavelength. By using the function, it is possible to suppress the decrease in the light spot intensity described above.
  • Fig. 7 shows the operation procedure of the recording device.
  • the data is divided into a plurality of pieces so that the recording quality is sufficiently high when the divided pieces of data are recorded (S11).
  • the data is divided so that the length of all the light spots in the light spot pattern for recording the divided data is within 125% with respect to the length of the light spot on the optical axis. This is because, as described above, data recording fails when the light intensity of the light spot falls below 80%, so the length of the light spot needs to be 125% or less which is the reciprocal thereof.
  • the divided data is sequentially recorded in the recording medium 111 by a plurality of times of recording. After the data division, the recording medium 111 is moved to the recording start position by the stage 112 (S12). Thereafter, based on the divided data, the control device 101 calculates a light modulation pattern to be displayed on the spatial light modulator 107 (S13). After completion of the calculation, the control device 101 controls the spatial light modulator 107 to display the calculated light modulation pattern (S14).
  • the shutter 104 is opened by the control device 101, and data is recorded in the recording medium (S15). After the data recording is completed, the shutter 104 is closed (S16). Thereafter, the control device 101 determines whether there is still data to be recorded (S17), and if there is data, drives the stage 112 to move the recording medium to the next recording position (S18). After the movement is completed, calculation of the light modulation pattern corresponding to the data to be recorded next is started. The process from the calculation of the light modulation pattern to the stage movement is repeated until all data is recorded.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing another embodiment of the information recording apparatus according to the present invention.
  • symbol is attached
  • the configuration until the laser light 103 is emitted from the short pulse laser 102 and the spatial light modulator 107 is irradiated with the laser light 103 is the same as that of the first embodiment.
  • the difference from the first embodiment is that a part of the function of the imaging optical system 108 is realized as a phase pattern on the spatial light modulator 107.
  • the remaining functions of the imaging optical system 108 are realized by the optical system 201.
  • the function of preventing the expansion of the light spot described above is assigned to the spatial light modulator 107, and then the lens is arranged to realize the imaging function.
  • the optical system 107 is not necessarily configured by a single lens, and may be configured by a plurality of lenses or other optical elements.
  • the imaging optical system 108 can be simplified as compared with the form shown in the first embodiment.
  • a phase Fresnel lens is an example of a pattern on the spatial light modulator that realizes a part of the function of the imaging optical system 108.
  • a phase Fresnel lens is added to the spatial light modulator 107 as a phase Fresnel lens by adding a pattern constituting a phase Fresnel lens to the light modulation pattern displayed on the spatial light modulator 107 for forming a light spot. Can be added.
  • the phase Fresnel lens pattern does not need to be changed according to the light modulation pattern used for data recording. When repeatedly recording, only the light modulation pattern representing the recording data is changed, and the same Fresnel lens pattern is added thereto. That's fine.
  • the pattern constituting the Fresnel lens is a pattern in which a phase proportional to the square of the distance r from the optical axis is added to the laser beam 103.
  • the focal length f is expressed by the following equation.
  • a lens having a focal length inversely proportional to the wavelength is configured by the above pattern, and the magnification of the light spot pattern is also inversely proportional to the wavelength.
  • FIG. 10 shows a comparison between the light spot pattern corrected by the configuration of this embodiment and the light spot pattern that has not been corrected.
  • the ratio of the light intensity of the spot closest to the optical axis, that is, the spot having the maximum intensity and the spot farthest from the optical axis is 0.53 when correction is not performed, whereas when the correction is performed. Is 0.8. Therefore, when correction is not performed, the intensity of the light spot that deviates from the allowable change in light intensity is within the range allowed by the correction. That is, the number of bits that can be collectively recorded is improved, and the recording speed is improved accordingly.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing another embodiment of the information recording apparatus according to the present invention.
  • symbol is attached
  • the configuration shown in FIG. 11 is the same as the configuration shown in FIG. 3 except that chirp correction is performed by the chirp correction mechanism 301 before the laser light 103 is applied to the spatial light modulator 107.
  • the imaging optical system 108 In the configuration shown in FIG. 3, depending on the configuration of the imaging optical system 108, there is a case where a pulse extension due to chirp occurs.
  • the imaging optical system 108 when the imaging optical system 108 is composed of a lens 302 whose focal length is inversely proportional to the wavelength and a normal lens 303, a difference occurs in the imaging position between the long wavelength component and the short wavelength component. As a result, chirp is added to the optical pulse, and the pulse width increases. For example, when a laser beam having a central wavelength of 800 nm and a spectral width of 10 nm is imaged with a lens whose focal length is 500 mm with respect to the central wavelength, the imaging position shift is 6 mm.
  • the image formation position shift at the position of the recording medium 111 is 0.12 mm. This is 400 fs in time.
  • the pulse width increases four times or more.
  • the chirp correction mechanism 301 adds a chirp having the same size and the opposite sign as the chirp introduced by the imaging optical system 108 in advance. It was decided to suppress. As a result, even if the image forming position of the image forming optical system 108 is different for each wavelength, the pulse width can be kept constant and the recording quality can be kept constant.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing the principle of another embodiment of light spot intensity correction according to the present invention.
  • a part or all of the imaging optical system 108 is constituted by a lens array in which a plurality of lenses having the same focal length are arranged in a plane perpendicular to the optical axis of the laser light.
  • Each lens constituting the lens array forms an image of only a part of the hologram pattern displayed on the spatial light modulator 107. That is, in FIG. 14, the hologram pattern in the region (1) is imaged by the lens (1), and the light spot (1) is formed in the recording medium 111. Hologram patterns with other numbers are also imaged by corresponding lenses, and corresponding light spot patterns are formed in the recording medium 111.
  • Each lens forms an image only in a region where the light spot intensity used for recording is 80% or more compared to the light spot generated on the central axis of each lens.
  • the hologram pattern is displayed on the spatial light modulator 107 by connecting those calculated for each lens position.
  • the lens array is preferably made of glass from the viewpoint of laser light resistance.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • 101 Control device
  • 102 Short pulse laser
  • 103 Laser light
  • 104 Shutter
  • 105 Attenuator
  • 106 Beam diameter changing optical system
  • 107 Spatial light modulator
  • 108 Imaging optical system
  • 109 Dichroic mirror
  • 110 objective lens
  • 111 recording medium
  • 112 stage
  • 113 illumination light source
  • 114 illumination light for observation
  • 115 imaging lens
  • 116 camera
  • 201 optical system
  • 301 chirp correction mechanism

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
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  • Optical Head (AREA)

Abstract

　超短パルスレーザと空間光変調器を用いて複数の光スポットを形成し、記録媒体内部に複数の記録ビットを一括形成する記録技術では、一括記録可能なビット数に上限があり、記録速度が制限されていた。そこで、光スポットの強度を補正し一括記録可能なビット数を増加させることで、記録速度を向上させることとした。

Description

情報記録装置及び情報記録方法
　本発明は、光を用いて媒体に情報を記録する情報記録装置及び情報記録方法に関する。
　透明な媒体の内部に短パルスレーザを照射すると、非線形光学効果により媒体内部の化学的、物理的構造が変化することが知られている。この構造変化を利用し、透明媒体内部に情報を記録することが可能である。例えば特許文献１には、記録媒体の構造変化を記録ビットとして利用し情報を記録する３次元メモリが検討されている。短パルスレーザにより情報記録を行う際、記録速度を向上させるためレーザビームを複数のスポットに分け、複数ビットの情報を同時に記録する場合がある。具体的には非特許文献１にレーザ光を空間光変調器によって複数個のスポットに分けて石英ガラスに照射し、石英ガラス内部に複数ビットの情報を一括で記録する技術が開示されている。
米国特許第５，６９４，２４９号明細書
M. Shiozawa et. al., "Simulatenous Multi-Bit Recording in Fused Silica for Permanent Storage", Jpn. J. Appl. Phys., Vol.52, pp.09LA01, 1-4 G. Minguez-Vega et. al., "High spatiotemporal resolution in multifocal processing with femtosecond laser pulses", Opt. Lett., Vol.31, pp.2631-2633(2006)
　上記の技術をストレージに適用する場合、記録品質と記録速度の両立が課題となる。複数の光スポットにより同時に情報を記録する場合、記録速度は１回の光照射により記録される情報量と単位時間あたりの記録回数の積となる。このうち、単位時間当たりの記録回数については光スポット形状の制御を行う空間光変調器や媒体位置を制御するステージ等の駆動速度によって決定され、装置の原理上速度には限界がある。したがって記録速度の向上には、十分な情報量を１回の光照射により記録することが不可欠である。
　しかし、一括記録する情報量を増加させた場合、図１に示すように記録マークの欠落が発生し、記録品質が低下することが新たに判明した。図１は、透明媒体内部に市松模様を記録した時の記録状態を示す拡大図であり、図中の×印は光軸の位置を示している。この原因は図２に示すように、記録に用いる光スポットが光軸から離れるにつれて拡大し、光強度が低下することである。しかしながら、上記いずれの従来例でも、情報記録に用いるような数百ビット超の多ビット同時記録とその記録品質の両立については考慮されておらず、記録品質と記録速度の両立は不可能であった。
　上記の課題を解決するために、本発明では下記の構成とすることとした。
（１）情報記録媒体を保持するステージと、短パルスレーザ光源と、短パルスレーザ光源から出射したレーザ光を変調するホログラムパターンを表示する空間光変調器と、焦点距離が波長に関するパラメータに反比例する結像光学系とを有し、空間光変調器に表示されたホログラムパターンに応じた多点光スポットを結像光学系を通してステージに保持された情報記録媒体に形成し、結像光学系の焦点距離が波長に依存しない場合に記録に用いる光スポットの強度が光軸上の光スポットの強度に対して８０％以下となる領域を少なくとも利用して多点光スポットにより情報記録媒体に構造変化を生じさせて情報を一括記録する情報記録装置とする。
（２）情報記録媒体を保持するステージと、短パルスレーザ光源と、短パルスレーザ光源から出射したレーザ光を変調するホログラムパターンを表示する空間光変調器と、同一の焦点距離を持つレンズがレーザ光の光軸に垂直な面内に複数配置されたレンズアレイとを有し、レンズアレイの各レンズは空間光変調器の当該レンズに対応する領域に表示されたホログラムパターンに応じた多点光スポットをステージに保持された情報記録媒体の当該レンズに対応する領域に形成し、レンズアレイにより形成される多点光スポットにより情報記録媒体に構造変化を生じさせて情報を一括記録する情報記録装置とする。
（３）短パルスレーザ光を、空間光変調器に表示されたホログラムパターンで変調して情報記録媒体に多点光スポットとして照射することによって情報記録媒体に構造変化を生じさせて情報を一括記録する情報記録方法であって、情報記録媒体に対する光照射位置を調整するステップと、短パルスレーザ光を、焦点距離が波長に関するパラメータに反比例する結像光学系を介して、記録に用いる光スポットの長さが光軸上の光スポットの長さに対して１２５％以内となるようにして、情報記録媒体に多点光スポットを形成するステップと、を有することを特徴とする情報記録方法とする。
　なお、光加工の分野においては、非特許文献２等で開示されているように、焦点距離が波長に反比例するレンズを用いて、光加工を行う技術が存在する。しかし、非特許文献２等はレーザ光による加工技術に関するものに過ぎず、そもそも記録速度の向上と記録品質を両立すべき情報記録分野に適用する動機付けは存在しない。しかも、光記録分野では、光軸上の光スポット強度に対して光スポット強度が８０％未満の領域は利用せずに８０％以上の領域を利用することが、記録品質を保つためには必須であり、強いて光加工分野における焦点距離が波長に反比例するレンズを、光記録分野に適用する理由は全く存在しない。また、非特許文献２等に開示されている方法では結像性能が一般的な屈折型のレンズに劣る回折型レンズの使用が必須であり、記録エラーが生じないよう高い精度での光制御が求められる光記録装置への適用は不適切である。
　本発明によると、光軸から離れた光スポットの強度を補正し、一回の光照射により記録可能な情報量を増やすことで、情報記録速度を向上させることが可能となる。
　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。
一括記録ビット数を増加させた場合の記録品質低下を示す図。 光スポットの拡大図。 本発明による情報記録装置の実施例を示す模式図。 光スポットの拡大原理を示す模式図。 光スポットの拡大による記録可能領域の制限を示す説明図。 結像光学系の構成例を示す図。 記録装置の動作手順を説明する図。 本発明による情報記録装置の実施例を示す模式図。 結像光学系の一部の機能を空間光変調器上のパターンによって実現する例を示す図。 本発明の構成によりスポットの拡大が抑制されることを示す図。 本発明による情報記録装置の実施例を示す模式図。 結像光学系によってチャープが導入されることによるパルスの伸びを示す説明図。 チャープ補正機構によりパルスの伸びが抑制されることを示す説明図。 レンズアレイを用いる実施例の原理を示す模式図。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
　図３は、本発明の記録方法に用いる情報記録装置の実施例を示す模式図である。本装置は記録光学系、観察光学系、及び装置全体を制御する制御装置１０１から構成されている。まず記録光学系について説明する。短パルスレーザ１０２はレーザ光１０３を出射する。本明細書では、短パルスレーザ１０２はパルス幅がフェムト秒もしくはピコ秒オーダのレーザ光を出射するレーザ光源とする。短パルスレーザとしては、例えばチタンサファイアレーザ、ファイバーレーザ、ピコ秒固体レーザなどがある。シャッタ１０４はレーザ光１０３の照射時間をコントロールする。アッテネータ１０５はレーザ光１０３の強度をコントロールする。なお、上記シャッタ１０４、アッテネータ１０５は短パルスレーザ１０２に内蔵してもよいし、それぞれ独立した装置として短パルスレーザ１０２の外部に設置してもよい。また、ビーム径変更光学系１０６はレーザ光１０３のビーム径と空間光変調器１０７の変調素子部分の面積を勘案し、空間光変調器１０７への入射時点でビーム径を適切な大きさに変更する。なお、シャッタ１０４、アッテネータ１０５、ビーム径変更光学系１０６は必ずしもこの順に並べられている必要はなく、それぞれの位置を交換してもよい。
　空間光変調器１０７はレーザ光１０３の強度や位相を空間的に変化させる装置であり、例えば複数の液晶素子を格子状に配列し、液晶素子ごとに液晶の配向方向を変化させることで実現可能である。なお、ここではレーザ光１０３は空間光変調器１０７を透過するものとしたが、空間光変調器１０７によってレーザ光１０３を反射させることによって空間的な光変調を行ってもよい。空間光変調器１０７によって変調を受けたレーザ光１０３は結像光学系１０８と対物レンズ１１０によって記録媒体１１１中に集光される。なお、ダイクロイックミラー１０９はレーザ光１０３を反射し、後述する観察用照明光１１４を透過する。
　結像光学系１０８と対物レンズ１１０は空間光変調器１０７に表示されたホログラムパターンにより変調されたレーザ光１０３のフーリエ像を記録媒体１１１中に生じさせるような構成とし、記録媒体１１１中に空間光変調器１０６に表示されたホログラムパターンに応じた多点光スポットを形成する。形成した多点光スポットにより記録媒体１１１の表面又は内部にドットを一括記録する。空間光変調器に表示するホログラムパターンを変化させることで、記録媒体１１１中に任意の光スポットパターンを形成することができる。なお記録媒体１１１の例としては、石英ガラスなどレーザ光１０３に対して透明な媒体が挙げられる。ステージ１１２は、ピエゾ素子やステッピングモータ等によって記録媒体１１１の位置制御を行う。
　次に、観察光学系について説明する。照明光源１１３は照明光１１４を出射する。照明光１１４の波長はダイクロイックミラー１０９と記録媒体１１１を透過する値に設定する。照明光源としては、ＬＥＤやランプ等が用いられる。照明光１１４は記録媒体１１１を透過して、対物レンズ１１０と結像レンズ１１５によりカメラ１１６上に結像される。カメラ１１６によりレーザ光１０３の入射側から記録媒体１１１を観察可能であり、レーザ光１０３の集光点付近の観察が可能である。カメラ１１６のデータは制御装置１０１に送信される。制御装置１０１はこのデータを解析し、記録されたビットのサイズや信号強度等を算出し、必要であれば短パルスレーザ１０２、アッテネータ１０４、空間光変調器１０７等へフィードバックを行う。なお、記録光学系が安定的に動作し、記録ミスが少ない場合には観察光学系の併設は必須ではない。また、記録の際に生じるプラズマ発光等を観察する別機能の光学系を設置することで記録状況をモニタしてもよい。
　以下では、本発明による光スポット強度補正の原理について述べる。結像光学系１０８と対物レンズ１１０による投影により、記録位置でのレーザ光１０３の電場は空間光変調器１０７位置でのレーザ光１０３の電場のフーリエ変換となり、下記の式で表わされる。
式１
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　ここで、ＥRecは記録位置でのレーザ光１０３の電場、ＥSLMは空間光変調器１０７位置でのレーザ光１０３の電場、ｋx・ｋyはそれぞれフーリエ変換時のｘ方向、ｙ方向の空間周波数を表す。この空間周波数ｋx・ｋyと光学的なパラメータの関係は下記の式で表わされる。
式２
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　ここで、πは円周率、λは光の波長、αは結像光学系１０８の倍率、ｆは対物レンズ１１０の焦点距離、ｘ・ｙは記録位置の座標である。この関係式から、空間光変調器１０７上で特定の空間周波数（ζ，η）を持つ光の成分が集光される位置（ａ，ｂ）は下記の式で表わされる。
式３
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
　上記の式の関係により、光スポットパターンの大きさは光の波長λに比例する。短パルスレーザ光１０３はそのパルス幅に反比例するスペクトル幅を持つため、図４に示すようにそれぞれの波長成分に対応するスポットパターンのサイズは波長成分ごとに異なる。各波長成分に対応する光スポットパターンは光軸を中心に重なりあうため、結果として光軸からの距離が大きくなるに従って光スポットパターンのずれは大きくなり、結果として光スポットサイズが増大する。
　次に、上記の光スポットサイズの増大について数式を用いて定量的に説明する。光の波長が単一である場合の光スポット形状をガウシアンと仮定する。波長が単一の場合の光スポットの大きさはレーザ光１０３の中心波長の長さと比較して十分大きいものとし、スポットの大きさは光の波長にはよらないものとする。上記の条件下で波長成分ごとのスポットサイズを計算し、足し合わせることで、実際の光スポットの大きさを計算することが可能である。実際の光スポットの大きさは下記の式で表わされる。
式４
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
　ここで、ｒは光軸からの距離、ｌ(ｒ)は実際の光スポットの大きさ、ｌ0は光の波長が単一である場合の光スポットの大きさ、ω0はレーザ光１０３の中心角周波数を表す。ωss(ｒ)は光軸から距離ｒの位置に生成される光スポットのスポット中心位置でのスペクトル幅を表し、下記の式で表わされる。なお、ωsはレーザ光１０３のスペクトル幅を角周波数で表示したものである。
式５
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
　光スポットの強度は上記のスペクトル幅に比例する。また、各波長成分が空間的に分散することにより、光軸から距離ｒの位置でのレーザ光１０３のパルス幅τ(ｒ)は下記の式のように増大する。
式６
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006
　上記の光スポットサイズの増大が記録速度に及ぼす影響について図５に示す。図５中のＡは、記録エラーレートの記録光パワーに対する依存性を示した図である。最適な記録パワーを１００％としたとき、エラーのない記録を実現するためには、許容される光強度の変動は±１０％程度である。図５中のＢは、Ａのデータ取得時の条件での光スポットの強度を上記の式を用いて計算したものである。なお、図５中のＢにおいては、光軸上の光スポットの強度を１とした。許容される光強度の変動幅は２０％程度であるため、光スポットの強度が０．８以下となる領域では記録エラーが発生する。したがって記録に利用できる領域は光スポット強度が０．８以上となる領域に限られ、結果一括記録可能な上限ビット数は制限される。記録速度は一括記録ビット数に比例するため、一括記録ビット数が制限されることにより、記録速度も制限を受ける。
　上記の制限を克服するためには本来光強度が８０％を下回るような領域も記録に使用する必要がある。本実施例では結像倍率が波長に関するパラメータに反比例するよう結像光学系１０８を構成することにより、上記の問題を解決する。なお、波長に関するパラメータとは波長そのものもしくは波長を引数とする関数を意味する。一例として波長に関するパラメータに波長そのものを採用した場合、光スポットパターンの大きさは波長に比例するのに対し結像倍率が波長に反比例するため、二つの効果は相殺されることとなり、全ての波長成分に対する光スポットパターンの大きさは一定に保たれる。波長、パルス幅、装置サイズ等の制約により、結像倍率が波長に反比例するような構成の実現が不可能な場合でも、波長に関するパラメータとして波長そのもの以外を採用することにより、上記の制限を緩和することが可能である。例えば、結像光学系１０８を屈折率分散が大きいガラスレンズによって構成した場合、波長に関するパラメータはガラスの屈折率ｎ(λ)の関数となる。
　結像光学系１０８の構成の一例を図６に示した。図６の例ではレンズ２枚で結像光学系を構成しているが、３枚以上のレンズにより構成しても構わない。このレンズを構成する材料として屈折率分散の大きいガラスを使用し、通常行われる色収差補正とは逆に意図的に色収差を導入する。結像光学系１０８の倍率はガラスの屈折率の関数となり、それぞれのレンズの曲面やガラスの種類、レンズの枚数等を適切に設定し、結像光学系１０８の倍率を波長に対して単調減少関数とすることで先に述べた光スポット強度の低下を抑制することが可能となる。
　図７に、記録装置の動作手順を示した。まず、データを複数個に分割し、分割されたそれぞれのデータが記録される際に記録品質が十分高くなるようにする（Ｓ１１）。具体的には、分割されたデータを記録する光スポットパターン中の全ての光スポットの長さが光軸上の光スポットの長さに対して１２５％以内となるよう、データが分割される。上に述べたように光スポットの光強度が８０％を切るとデータ記録に失敗するため、光スポットの長さはその逆数となる１２５％以下である必要があるためである。本実施例の構成をとることで、すなわち結像倍率が波長に関するパラメータに反比例するように結像光学系を構成することで、分割する際のデータ容量を大きく取ることができ、結果記録速度が向上する。分割されたデータは複数回の記録により順に記録媒体１１１中に記録される。データ分割後、ステージ１１２により記録媒体１１１を記録開始位置に移動する（Ｓ１２）。その後、分割されたデータを元に、制御装置１０１が空間光変調器１０７上に表示すべき光変調パターンを計算する（Ｓ１３）。計算終了後、制御装置１０１は空間光変調器１０７を制御し、計算した光変調パターンを表示させる（Ｓ１４）。その後、制御装置１０１によりシャッタ１０４を開け、記録媒体内部にデータの記録を行う（Ｓ１５）。データ記録終了後、シャッタ１０４を閉じる（Ｓ１６）。その後、制御装置１０１はまだ記録すべきデータがあるかどうか判定し（Ｓ１７）、データがあればステージ１１２を駆動し、記録媒体を次の記録位置まで移動させる（Ｓ１８）。移動終了後、次に記録するデータに対応する光変調パターンの計算を開始する。光変調パターンの計算からステージ移動までをすべてのデータが記録されるまで繰り返す。
　図８は、本発明による情報記録装置の別の実施例を示す模式図である。なお、図３に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
　短パルスレーザ１０２からレーザ光１０３が出射され、空間光変調器１０７にレーザ光１０３が照射されるまでの構成は実施例１と同一である。実施例１との差異は結像光学系１０８の機能のうち一部が空間光変調器１０７上の位相パターンとして実現される点である。なお、結像光学系１０８の残りの機能については光学系２０１によって実現される。本実施例では先に述べた光スポットの拡大を防ぐ機能を空間光変調器１０７に割り当て、その後にレンズを配置することで結像機能を実現することとした。なお、光学系１０７は必ずしも１枚のレンズで構成する必要はなく、複数枚のレンズまたはその他の光学素子によって構成してもよい。本実施例に示した形態をとることで、実施例１に示した形態と比べ結像光学系１０８を簡略化することが可能となる。
　結像光学系１０８の一部の機能を実現する空間光変調器上のパターンの一例として、位相フレネルレンズが挙げられる。図９に示すように、光スポット形成の為に空間光変調器１０７上に表示される光変調パターンに位相フレネルレンズを構成するパターンを追加することで、空間光変調器１０７に位相フレネルレンズとしての機能を追加することができる。なお、位相フレネルレンズパターンはデータ記録に使用する光変調パターンに応じて変更する必要はなく、繰り返し記録を行う際には記録データを表す光変調パターンのみ変更し、それに同じフレネルレンズパターンを追加すればよい。フレネルレンズを構成するパターンとはすなわち光軸からの距離ｒの２乗に比例する位相をレーザ光１０３に付加するパターンである。レーザ光１０３に位相Ａｒ2を追加したとき、その焦点距離ｆは下記の式で表わされる。
式７
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　上記のパターンにより波長に反比例する焦点距離を持つレンズが構成され、光スポットパターンの倍率も波長に反比例する。
　本実施例の構成によって補正された光スポットパターンと、補正がなされていない光スポットパターンの比較を図１０に示す。図１０において光軸に最も近いスポット、すなわち強度最大のスポットと最も光軸から遠いスポットの光強度の比は、補正を行わない場合で０．５３であるのに対し、補正を行った場合には０．８である。したがって、補正を行わない場合には許容される光強度変化を逸脱していた光スポットの強度が補正によって許容される範囲内に入っている。すなわち、一括記録が可能なビット数が向上し、これに伴って記録速度が向上している。
　図１１は、本発明による情報記録装置の別の実施例を示す模式図である。なお、図３に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。図１１に示した構成は、レーザ光１０３が空間光変調器１０７に照射される前の段階でチャープ補正機構３０１によってチャープの補正を受ける点以外、図３の構成と同一である。
　図３に示した構成では、結像光学系１０８の構成によってはチャープによるパルスの伸びが生じる場合がある。例えば、図１２に示すように結像光学系１０８を焦点距離が波長に反比例するレンズ３０２と通常のレンズ３０３で構成した場合、長波長成分と短波長成分で結像位置に差が生じる。この結果、光パルスにチャープが加わることとなり、パルス幅が増大する。例えば、中心波長８００ｎｍ、スペクトル幅１０ｎｍのレーザ光を焦点距離が中心波長に対して５００ｍｍとなる焦点距離が波長に反比例するレンズで結像を行う場合、結像位置のずれは６ｍｍとなる。これを倍率５０倍の対物レンズ１１０で投影すると、記録媒体１１１位置での結像位置ずれは０．１２ｍｍとなる。これは時間に直して４００ｆｓである。短パルスレーザ１０２として出射するレーザ光のパルス幅が１００ｆｓを下回るようなものを採用した場合、パルス幅は４倍以上に増大する。
　レーザ光１０２の特性や記録媒体１１１の材質によっては、チャープによるパルスの伸びによって記録品質が低下したり、最適記録パワーが上昇する等の問題が生じる場合がある。このため、本実施例では図１３に示すようにチャープ補正機構３０１によって事前に結像光学系１０８によって導入されるチャープと大きさが同じで符号が逆となるチャープを付加することでパルスの伸びを抑制することとした。これにより結像光学系１０８の結像位置が波長ごとに異なる様な形態を採用してもパルスの幅を一定に保ち、記録品質を一定に保つことが可能となる。
　図１４は、本発明による光スポット強度補正の別の実施例の原理を示す模式図である。本実施例においては、結像光学系１０８の一部又は全部が同一の焦点距離を持つ複数枚のレンズがレーザ光の光軸に垂直な面内に並べられたレンズアレイによって構成される。レンズアレイを構成するそれぞれのレンズは空間光変調器１０７上に表示されるホログラムパターンの一部のみを結像する。すなわち図１４において、（１）の領域のホログラムパターンは（１）のレンズによって結像され、（１）の光スポットを記録媒体１１１中に形成する。その他の番号のホログラムパターンもそれぞれ対応するレンズによって結像され、対応する光スポットパターンを記録媒体１１１中に形成する。各々のレンズは、記録に用いる光スポット強度が各々のレンズの中心軸上に生成される光スポットと比べて８０％以上となる領域のみを結像する。なお、ホログラムパターンはそれぞれのレンズ位置に対して計算したものをつなぎ合わせて空間光変調器１０７上に表示する。また、レンズアレイは、レーザ光耐性の観点からガラス製が望ましい。
　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。
１０１：制御装置、１０２：短パルスレーザ、１０３：レーザ光、１０４：シャッタ、１０５：アッテネータ、１０６：ビーム径変更光学系、１０７：空間光変調器、１０８：結像光学系、１０９：ダイクロイックミラー、１１０：対物レンズ、１１１：記録媒体、１１２：ステージ、１１３：照明光源、１１４：観察用照明光、１１５：結像レンズ、１１６：カメラ、２０１：光学系、３０１：チャープ補正機構

Claims (8)

  1. 　情報記録媒体を保持するステージと、
    　短パルスレーザ光源と、
    　前記短パルスレーザ光源から出射したレーザ光を変調するホログラムパターンを表示する空間光変調器と、
    　焦点距離が波長に関するパラメータに反比例する結像光学系とを有し、
    　前記空間光変調器に表示されたホログラムパターンに応じた多点光スポットを前記結像光学系を通して前記ステージに保持された情報記録媒体に形成し、
    　前記結像光学系の焦点距離が波長に依存しない場合に記録に用いる光スポットの強度が光軸上の光スポットの強度に対して８０％以下となる領域を少なくとも利用して前記多点光スポットにより前記情報記録媒体に構造変化を生じさせて情報を一括記録することを特徴とする情報記録装置。
  2. 　請求項１記載の情報記録装置において、
    　前記結像光学系は前記空間光変調器と前記情報記録媒体との間に設けられたレンズによって構成される結像光学系であることを特徴とする情報記録装置。
  3. 　請求項２記載の情報記録装置において、
    　前記レンズによって構成される結像光学系は複数枚のレンズによって構成されていることを特徴とする情報記録装置。
  4. 　請求項１記載の情報記録装置において、
    　前記結像光学系の機能の一部が前記空間光変調器上に表示されたパターンによって実現されていることを特徴とする情報記録装置。
  5. 　請求項１記載の情報記録装置において、
    　前記短パルスレーザ光源から出射されたレーザ光のチャープを補正するためのチャープ補正器が前記短パルスレーザ光源と前記空間光変調器の間に設けられていることを特徴とする情報記録装置。
  6. 　情報記録媒体を保持するステージと、
    　短パルスレーザ光源と、
    　前記短パルスレーザ光源から出射したレーザ光を変調するホログラムパターンを表示する空間光変調器と、
    　同一の焦点距離を持つレンズが前記レーザ光の光軸に垂直な面内に複数枚配置されたレンズアレイとを有し、
    　前記レンズアレイの各レンズは前記空間光変調器の当該レンズに対応する領域に表示されたホログラムパターンに応じた多点光スポットを前記ステージに保持された情報記録媒体の当該レンズに対応する領域に形成し、前記レンズアレイにより形成される多点光スポットにより前記情報記録媒体に構造変化を生じさせて情報を一括記録することを特徴とする情報記録装置。
  7. 　請求項６記載の情報記録装置において、
    　前記レンズアレイの各レンズは、記録に用いる光スポット強度が各々のレンズの中心軸上に生成される光スポットの強度の８０％以上となる領域のみを結像することを特徴とする情報記録装置。
  8. 　短パルスレーザ光を、空間光変調器に表示されたホログラムパターンで変調して情報記録媒体に多点光スポットとして照射することによって前記情報記録媒体に構造変化を生じさせて情報を一括記録する情報記録方法であって、
    　前記情報記録媒体に対する光照射位置を調整するステップと、
    　前記短パルスレーザ光を、焦点距離が波長に関するパラメータに反比例する結像光学系を介して、記録に用いる光スポットの長さが光軸上の光スポットの長さに対して１２５％以内となるようにして、前記情報記録媒体に多点光スポットを形成するステップと、
    　を有することを特徴とする情報記録方法。
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