(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層光ディスクにおける情報の記録／読出しのための装置であって、上記光ディスクの位置決めシステムと、波長λ１の放射源と、光軸が上記多層光ディスクの平坦面に垂直となるように配置された合焦システムと、波長λ２の放射源と、光軸が上記合焦システムの光軸に垂直となるように配置された照明システムと、上記合焦システムの位置決め手段と、波長λ１の上記放射源と上記合焦システムとの間に配置されたスペクトルスプリッタと、上記合焦システムに上記スペクトルスプリッタを介して光学的に結合された光センサと、波長λ１および波長λ２の上記放射源と、上記光センサとに電気的に結合された制御ユニットとを備えており、波長λ２の上記放射源は、光軸が平行でありかつ同じ平面にある複数のレーザーダイオードのストリップとなっており、上記照明システムは、上記光軸に沿って直列に配置された複数の要素を備えており、該要素は、円柱レンズであって、その円柱面の母線が、上記レーザーダイオードのｐｎ接合の配置平面に平行となるように配置された円柱レンズと、集束レンズと、安定化回路とを含んでおり、該安定化回路は、上記集束レンズと上記円柱レンズとの間に設置されたビームスプリッタと、上記集束レンズに上記ビームスプリッタを介して光学的に結合された第２光センサと、上記集束レンズに結合された安定化ユニットとを備えており、該安定化ユニットと第２光センサとは上記制御ユニットに電気的に結合されている、多層光ディスクにおける情報の記録／読出しのための装置。
【請求項２】
上記安定化ユニットは、電磁サスペンションの形態となっている、請求項１に記載の多層光ディスクにおける情報の記録／読出しのための装置。
【請求項３】
第２光センサは、複数の発光ダイオードのストリップの形態となっている、請求項１に記載の多層光ディスクにおける情報の記録／読出しのための装置。
【請求項４】
第２光センサは、上記集束レンズからの光学的距離が、上記集束レンズから上記円柱レンズまでの光学的距離に等しい、請求項１に記載の多層光ディスクにおける情報の記録／読出しのための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元（３Ｄ）光メモリ装置に関するものであり、より具体的には、多層光記録媒体に対しデータを記録し、消去し、かつ、読み出すために用いられる装置に関するものである。本発明に係る装置は、容量の大きな情報ファイルをコンパクトな担体に記録することを必要とする電算処理全般に利用することができる。また、本発明に係る装置は、例えば独立したビデオ観測システムに、ビデオデータを記録し、読み出すために用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
レーザー放射を用いて、３Ｄ媒体（特に多層光ディスク）に、情報を記録する効果的なシステムを設計する者が直面する最も重要な技術的問題の一つは、下記の問題である。すなわち、情報の格納に起因する上記記録媒体の光学的特性の変化が空間的に最も局所化するように、上記レーザービームを上記３Ｄ媒体内の記録エリアに位置決めするという問題である。上記の場合における光学的特性の変化が意味するものは、上記媒体における屈折率、吸収率、散乱係数、その他の光学的特性（例えば蛍光性）の変化である。１ビットのデータを記録することで占有される空間（ピクセル）を最小化し、その結果、データ記録密度を増加し１媒体のデータ記録容量を増加する必要がある。ピクセルのラテラル方向の寸法の最小値は、記録用放射の波長の約半分の値に制限される。これは回折理論から直接導かれ、従って基本的な物理的制限である。短波長の光の放射と、該放射を上記記録媒体内に合焦させる、大きな開口数と補正された球面収差とを有する短焦点の光学系とを利用してデータを記録することで、高容量高密度の記録情報を得ることができる。
【０００３】
当該技術分野において、情報の記録および読出しのための３Ｄ装置が知られている（Kawata Y., Nakano M., Lee S-C. Three-dimensional Optical data storage using three-dimensional optics. - Optical Engineering, vol.40(10),p.2247-2254）。この論文には、共焦点顕微鏡法の原理に基づき、情報を記録し、消去し、かつ読み出すための様々な（１光子および２光子の）媒体と様々な種類の装置とが記載されている。上記装置による情報の記録は、記録用波長を用いる放射を上記材料内に合焦し、上記材料に照射することで上記材料の屈折率を変化させることによって行われる。それから、上記記録されたデータの読出しは、上記記録用放射の波長とは異なる波長を有する読出し用光線の位相ひずみの値によって、上記変化後の屈折率を有する領域を登録することにより行われる。上記論文の著者は、上記に示した方法と装置との欠点を下記のように指摘している。すなわち、１光子媒体を用いる場合、層間のクロストークが大きい。一方、２光子媒体の使用は、より強力で波長の短い記録用レーザーパルスを必要とし、レーザー光源の小型化が不可能になる。さらに、位相ひずみの計測方法は極めて繊細であるため、データを記録する媒体は、材料の光学的均一性と光学的表面品質とが極めて高いであることが要求される。
【０００４】
また、当該技術分野において、３Ｄ基材（典型的にはポリマー）内に維持される、フォトクロミック材料（典型的にはスピロベンゾピラン）内に、データを記録し、消去し、読み出すための装置も知られている（米国特許第５２６８８６２号、３次元光学メモリ、１９９３年１２月７日公開）。上記装置は、レーザー放射源と、上記レーザービームの光学的位置決めおよび合焦のためのシステムとを含む。記録用材料は、スピロピランとメロシアニンという２つの安定な形態を有する。第１の形態から他の形態への転換は、５３２ｎｍの波長で発生する２光子吸収により実行される。上記記録用媒体に、相互に直交する２つの方向から、上記特定波長を有する合焦された２つのレーザービームが照射される。上記方法において、２つのレーザービームが３Ｄ空間にて相互作用する領域の空間的な位置決めが実現され、上記フォトクロミック材料の第１形態から他の形態への変換は、上記ビームの焦点領域が交差する場所でのみ発生する。上記フォトクロミック材料の他方の形態は、１０６４ｎｍの波長の光が照射される時に蛍光を示す。上記材料が照射されると、上記蛍光を利用して情報を読み出すことができる。上記媒体を、全体的または部分的に加熱することで、つまり、２．１２μｍの波長を有する光を照射することで、３Ｄ材料に記録された情報は消去できる。本装置の欠点は、前述の装置の欠点とほぼ同様である。記録用材料の或る形態から他の形態への変換の過程が２光子の過程である限り、非常に強いピーク出力を有する放射源を用いる必要がある。上記光線は、潜在的には、ラテラル方向の寸法が数分の１マイクロメートルの領域に焦点を合わせることができる。しかし、上記材料のボリューム内に直交する２つのビームの焦点領域の交差ポイントを位置決めする必要から、上記所与の装置が１ビットの情報を記録するのに要するボリュームの減少の程度は、１マイクロメートルのオーダーおよび１０マイクロメートルのオーダーに制限される。さらに、上記媒体の光学的均一性の程度と、上記フォトクロミック材料を含むボリュームを規定する表面品質とは非常に高い必要がある。ポリマーを結合用基材として用いる場合、３Ｄフォトクロミック材料の継続的製造という条件の下で、要求される光学的品質を取得することは極めて問題が多い。
【０００５】
また、当該技術分野において、多層記録媒体に光学的情報を記録し、読み出すための装置（米国特許第７３４５９６７号、光ピックアップユニット、２００８年３月１８日公開）も知られている。上記装置は、放射源と、ビームスプリッタと、制御された球面収差補正器と、対物レンズと、該対物レンズと上記ビームスプリッタを介して光学的に結合した光センサ（受光器）とを含み、上記各デバイスは全て、上記ビームの方向に連続して配置されている。上記所与の装置は、或る波長の放射によって、情報を記録し、読み出す。上記装置の動作モードの選択は、放射記録用媒体に向けての放射の出力を変化させることによって行われる。上記装置の主要な欠点は、記録された情報を読出し中に喪失する危険性が不可避であることにある。上記従来技術の装置の上記危険性を軽減するため、情報読出し中は放射源の出力を、利用する信号がノイズのレベルを若干だけ超える、許容し得る最小値に下げることが提案されている。
【０００６】
情報読出し中に情報を喪失するという問題は、光と物質との相互作用が１光子構造である材料が上記３Ｄ記録用媒体として使用される場合、特に深刻である。上記媒体の光密度の変化を利用して情報を読み出すために要求される実際の光束において、情報は５〜１０の読出周期で消去される。上記所与の問題を解決するため、上記フォトクロミック材料の光吸収境界に位置する波長の放射を用いて情報を読み出す方法を提案する著者もいる（Satoshi Kawata, Yoshimasa Kawata Three-dimensional optical data storage using photochromic materials. -Chem. Rev. 2000, 100, 1777-1788、を参照）。上記方法の場合、ピクセルのボリュームは、実際には、１０倍に或いは１００倍にも増加する。さらに、特に１光子媒体を用いる場合、記録された情報を保持する層の間の軽微なクロストークを全ての著者が指摘する。
【０００７】
従って、この場合に最も正当と認められる選択肢は、しきい値２光子媒体を用いた情報の記録／消去を含むものであると思料する。上記しきい値２光子媒体では、光の強度が或るしきい値に達した時にのみ、情報は記録され、消去される。しかしながら、そのような媒体は、情報の読出しと消去とに非常に強い放射出力を必要とするけれども、現時点では、小型化された装置でそのような出力を備える現実的な実施形態は不可能である。
【０００８】
現実的な実施形態という観点から、技術的性質が最も類似し、原型として受け入れられる装置は、３Ｄ媒体の情報を読出し／消去するために用いられるものであり、波長の異なる２つの放射源と、球面収差補正ユニットと、光放射の受光器とを備える。上記２つの放射源は、上記３Ｄ媒体内の焦点領域の位置を制御する手段を有する合焦システムに光学的に結合されている。上記光放射は、上記３Ｄ媒体に記録された情報を読み出す間に上記３Ｄ媒体が発するものである（米国特許第６０４５８８８号、Optical volume memory、２０００年４月４日公開）。この装置において、情報が記録される間には、交互に並んだ透明材料層およびフォトクロミック材料層によって構成される記録媒体にて波長λ１の放射が合焦される。上記放射が照射されると、選択された記録層の上記フォトクロミック材料は、光学的特性が変化して、波長λ２の放射が照射されると、波長λ３の蛍光を発するという特性を発揮する。情報を読み出す場合、波長λ２の放射が側面を透過して上記記録媒体に合焦される。上記信号層の位置指定のために音響光学偏向器が用いられる。このとき、波長λ１の光が事前に照射され数ビットの情報を含むピクセルという制限内で、上記フォトクロミック材料は波長λ３の蛍光を発する。上記波長λ３の蛍光は、光センサによって登録される。上記システムは、他のシステムのどれよりも、本発明に係る装置の技術的性質を例示しており、従って、本発明の原型として受け入れられる。
【０００９】
上記原型の主要な欠点は、複雑な設計と、読出し期間における位置指定の精度の低さとである。これらの欠点は、波長λ２の読出用放射の伝搬経路を変化させ、記録された情報のビットのピクセルを含む信号フォトクロミック層へ上記放射を向ける音響光学偏向器の光学的連結体の存在により予め調整されている。原理的には、上記原型は、上記多層記録媒体が静止しているときに、位置指定の許容できる精度を確保するのみである。上記多層ディスクが回転している場合、これは上記装置の実施形態にとって絶対必須であるのだが、上記ディスクの周辺部分における軸方向および径方向の制御不能なうなりにより、位置指定の精度が悪化し、さらには喪失することが不可避である。
【発明の概要】
【００１０】
本発明が達成すべき技術的成果は、多層光ディスクに記録された情報の読出しにおいて、位置指定の精度を向上することである。
【００１１】
本発明において、上記技術的成果を達成するために用いられる装置は、多層光ディスクにおける情報の記録および読出しのための装置であって、上記光ディスクの位置決めシステムと、波長λ１の放射源と、光軸が上記多層光ディスクの平坦面に垂直となるように配置された合焦システムと、波長λ２の放射源と、光軸が上記合焦システムの光軸に垂直となるように配置された照明システムと、上記合焦システムの位置決め手段と、波長λ１の上記放射源と上記合焦システムとの間に配置されたスペクトルスプリッタと、上記合焦システムに上記スペクトルスプリッタを介して光学的に結合された光センサと、波長λ１および波長λ２の上記放射源と、上記光センサとに電気的に結合された制御ユニットとを備えている。波長λ２の上記放射源は、光軸が平行でありかつ同じ平面にある複数のレーザーダイオードのストリップとなっている。上記照明システムは、上記光軸に沿って直列に配置された複数の要素を備えている。該要素は、円柱レンズであって、その円柱面の母線は、上記レーザーダイオードのｐｎ接合が設置された平面に平行となるように配置された円柱レンズと、集束レンズと、安定化回路とを含んでいる。該安定化回路は、上記集束レンズと上記円柱レンズとの間に設置されたビームスプリッタと、上記集束レンズに上記ビームスプリッタを介して光学的に結合された第２光センサと、上記集束レンズに結合された安定化ユニットとを備えている。該安定化ユニットと第２光センサとは上記制御ユニットに電気的に結合されている。
【００１２】
なお、上記安定化ユニットは、電磁サスペンションとなっていてもよい。
【００１３】
また、上記第２光センサは、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）のストリップとなっていてもよい。
【００１４】
また、上記第２光センサは、上記集束レンズからの光学的距離が、上記集束レンズから上記円柱レンズまでの光学的距離に等しくてもよい。
【００１５】
本発明の本質は、下記の点にある。すなわち、波長λ２の放射源は、複数のレーザーダイオードのストリップであり、上記ダイオードの個数は多層光ディスクのデータ層の数に等しい。上記装置における上記照明システムは、２つのレンズ、つまり円柱レンズと集束レンズとを少なくとも備える。円柱レンズは、上記レーザーダイオードのｐｎ接合面に垂直な方向へ上記放射が発散することを補正できるように配置されている。集束レンズは、上記レーザーダイオードのストリップの出射開口の実像を、多層光ディスクの側面（円柱面）上に取得できるように配置される。従って、上記照明システムの増幅は、上記ストリップにおける上記レーザーダイオードの空間的周期に対する、多層光ディスクのデータ層の空間的周期の比に等しくなる。
【００１６】
位置指定の精度を向上する一助として、本発明に係る装置は、ビームスプリッタと第２光センサと安定化ユニットとを含む照明システム安定化回路を利用することが提案される。この場合、波長λ２の放射源の光線であって、上記多層光ディスクの側面（円柱面）で反射された光線の振幅および／または空間特性の登録と分析とによって、位置指定の精度が向上する。上記第２光センサで登録された信号が、上記制御ユニットに入力され、上記制御ユニットの出力は上記安定化ユニットに電気的に結合されている。該安定化ユニットは上記集束レンズ上に設置され、上記安定化ユニットにより、上記集束レンズは、長手方向およびラテラル方向の線形変位をかなり狭い範囲で行うことができ、回転する多層光ディスクの変位であって、軸方向と径方向とのうなりによって引き起こされる変位の方向に、上記光軸に対する角運動を行うことができる。その結果、負のフィードバックがもたらされる。
【００１７】
本発明の本質は、関連図面を参照することで、最良に説明することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る装置を示す図である。
【図２】波長λ２の放源と照明システムとを含む光学的連結体を示し、多層光ディスクの断面の詳細を示す図である。
【図３】安定化回路を有する照明システムの実施例を示す図であり、上記ストリップ内のレーザーダイオードの配置の一変形例を示す図である。
【図４】安定化回路を備えた照明システムの実施例を示す図であり、上記ストリップ内のレーザーダイオードの配置の他の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、多層光ディスク１と、光ディスク位置決めシステム２と、波長λ１の放射源３と、合焦システム４と、レーザーダイオード１０のストリップとなっている波長λ２の放射源５と、合焦システム４の位置決め手段６と、波長λ１の放射を反射し、波長λ３の放射を透過することのできるスペクトルスプリッタ７と、波長λ３の放射を登録できるようになっている光センサ８と、制御ユニット９と、円柱レンズ１１および集束レンズ１２を含む照明システムと、第２光センサ１３とビームスプリッタ１４と安定化ユニット１５とを含む照明システム安定化回路とを含む。
【００２０】
図２は、上記照明システムの光学的連結体の図であり、複数の構成要素の相互配置を示している。集束レンズ１２は円柱レンズ１１から距離Ｌの位置にあり、円柱レンズ１１の出射面は、本質的には、レーザーダイオード１０のストリップの出射開口である。距離Ｌは条件Ｌ＞Ｆを満たす。ここで、Ｆは上記集束レンズの焦点距離である。この事実により、対象の実像は上記像空間内に配置される。上記集束レンズと多層光ディスク１の側面（円柱面）との距離はＳに等しく、Ｓ／Ｌ＝ｄ／Ｄを満たす。ここで、ｄは多層光ディスク１のデータ層の空間的周期であり、Ｄは上記スリップにおけるレーザーダイオード１０の空間的周期である。
【００２１】
図３と図４とは、波長λ２の放射源５の構成の変形例を示しており、各変形例は、安定化回路を有する照明システム内に円柱レンズ１１を配置したものである。図３を参照すると、上記ストリップにおけるレーザーダイオード１０は、ｐｎ接合が同じ平面に存在するように配置されている。一方、図４では、ｐｎ接合が平行な平面に存在するように示されている。どちらの変形例においても、円柱レンズ１１の円柱面の母線は、任意のレーザーダイオード１０のｐｎ接合が配置される面に平行になっている。
【００２２】
本発明に係る装置の最良の実施形態を示す例では、下記のように、交互に並んだ透明材料層とフォトクロミック材料層とから成る多層光ディスク１を利用することを提案する。すなわち、上記透明材料は例えばポリカーボネートであり、各上記透明材料層の厚みは約１００マイクロメートルである。上記フォトクロミック材料は、例えば、フォトクロミックフルギド化合物、スピロピランとメロシアニンという２つの安定な構造を有するスピロベンゾピランを備えるポリカーボネートであり、各上記フォトクロミック材料層の厚みは約５マイクロメートルである。２つの波長λ１・λ２を有する放射源３として提案されるものは、ＮｄＹＶＯ４の結晶に基づく固体レーザーであり、放射が第３高調波（λ１＝０．３５５μｍ）に変換される。波長λ２の放射源として、グレードＦＳＤＬ−５５６−００１−２００ｔのレーザーダイオード１０のストリップを用いることが提案される（λ２＝０．５５６μｍ）。ストリップにおけるレーザーダイオード１０の個数は、多層光ディスク１のフォトクロミック材料層の数に等しいことが望ましい。開口数が大きく、球面収差の制御および監視の手段を備えたレンズモジュールが、合焦システム４として用いられることが提案される。合焦システム４を位置決めするための手段６は、情報の記録または読出しに用いられる、多層ディスク１の信号フォトクロミック層を選択するために、合焦システム４における１または複数の光学要素を、光軸に沿って長手方向に変位できる、制御可能な電磁サスペンションとなっていることが提案される。上記照明システム安定化回路の安定化ユニット１５を、制御可能な電磁サスペンションとして作成することも妥当であろう。ダイクロイックミラーをスペクトルスプリッタ７として利用することが提案される。さらに、第２光センサ１３が、上記集束レンズから光学的距離Ｌに位置するＬＥＤストリップの形態で作成されることが提案される。ストリップにおけるＬＥＤの個数は、多層光ディスク１のフォトクロミック材料層の数に等しいことが望ましい。従って、波長λ２の放射源５の各レーザーダイオード１０は、多層光ディスクの各フォトクロミック材料層に光学的に結合され、第２光センサ１３のストリップの各ＬＥＤに光学的に結合される。
【００２３】
本発明に係る装置は、下記の方法で動作する。すなわち、多層光ディスク１は、位置決めシステム２を用いて、情報の記録または読出しに要求されるであろう位置に配置される。記録モードにおいて、波長λ１の放射源３の放射は、スペクトルスプリッタ７を介して合焦システム４へ向けられる。合焦システム４の位置は位置決め手段６によって配置される。上記手段６は、波長λ１の光線の焦点位置を多層光ディスク１内に位置決めし、球面収差を補正するように合焦システム４を調整することができる。記録用に選択された上記フォトクロミック層におけるフォトクロミック材料の光学特性を変化させることによって、情報が記録される。記録された情報の読出しは、波長λ３の蛍光放射を登録することで実行される。上記蛍光放射は、波長λ１で事前に照射されていたフォトクロミック層のピクセルに、波長λ２の照射を行うことにより誘導される。上記ピクセルの発する蛍光放射の一部は、合焦システム４の開口に入り、そこからスペクトルスプリッタ７を経由して、光センサ８の入力に進む。光センサ８の出力から、信号が制御ユニット９に進み、これにより１ビットの情報が無事に読み出されたことが示される。読出しモードにおいて、波長λ２の放射源５の放射は、円柱レンズ１１と、ビームスプリッタ１４と、集束レンズ１５とを経由して、多層光ディスクの側面（円柱面）へ向けられる。この場合、レーザーダイオードのストリップにおいて、ストリップ上の位置が、多層光ディスク１の位置指定可能なフォトクロミック層の位置に相当する放射源のみが活動化される。波長λ２の放射は、上記所定のフォトクロミック層内の側面を透過し、そこで拡散して、光特性の変化した上記領域へ到達する。波長λ２の放射の一部は多層光ディスクの上記側面で反射され、集束レンズ１２の開口に入り、ビームスプリッタ１４を介して第２光センサ１３の入力へ進む。第２光センサ１３の出力から、信号が制御ユニット９に進み、これにより読出用ビームが無事に位置指定されたことが示される。上記位置決め中に、多層光ディスク１の制御不能な変位によって引き起こされる、第２光センサ１３の出力からの信号の振幅の変化（例えば減少）は、照明システム安定化回路の活動化のための命令信号である。上記活動化により、制御ユニット９からの信号は安定化ユニット１５に到り、安定化ユニット１５は多層光ディスク１の変位方向に集束レンズ１２の位置を変化させる。
【００２４】
本発明に係る発明は、上記原型よりも著しく有効である。これは、上記照明システムの光学的連結体に音響光学変調器が無いことと、負のフィードバックを行う安定化回路を含む読出用ビームの位置指定装置が信頼できる構成であることとによる。
【００２５】
産業への適用に関する本発明の重要性を検討すると、下記の要因を指摘すべきである。すなわち、（ａ）本発明に係る装置は、既存のＤＶＤドライブに既に用いられている層毎の記録／読出の原理を利用しており、従って、本発明の実施例は、上記既存のドライブシステムの設計変更を必要とせず、改良のみで済む。肯定的な効果は、単色の放射源を、異なる波長を用いる放射源または複数の放射源の組合せに変更し、かつ、放射の安定化回路を有する照明システムを追加することにより、達成することができる。従って、記録／読出し制御システムの基本的な設計原理は全て変更されないままである一方、本発明に係る装置の製造は、その類似物とは異なり、上記媒体の製造するための精密技術を必要としない。
【図１】
0005476480.tif 000002
【図２】
0005476480.tif 000003
【図３】
0005476480.tif 000004
【図４】
0005476480.tif 000005