(57)【要約】【課題】３次元方向に多層に情報を記録再生する方式において、隣接層からの多重反射による層間クロストークを低減させる。【解決手段】隣接層同士の間隔を等しくせず、微小量互いにずらし、少なくとも一回は反射する面における光スポットが、情報をあらわす局所的な光学的特異領域を分解しないように、ずらし量と光学的特異領域の配置関係を規定する。【効果】層間クロストークを低減した記録再生を行える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の記録層を積層した記録媒体と、上記記録層に局所的な光学的特異領域として記録された情報と、上記複数の記録層のそれぞれに光を収束させる絞り込みレンズと、上記記録媒体からの戻り光を検出する光検出器を有し、光が透過してくる第１の層と第２の層の間隔が等しくなく、情報を再生する３次元記録再生装置において、
ｂｍａｘ≦２ｄｍ×ＮＡＦ/NB
ｂｍａｘ：記録層に存在する特異領域の２次元周期の最大値
ｄｍ    ：複数記録層間の距離のずれ
ＮＡＦ  ：絞り込みレンズの開口数
層間を占める媒質の屈折率：NB
を満足することを特徴とする３次元情報記録再生装置。
【請求項２】
複数の記録層を積層した記録媒体と、上記記録層に局所的な光学的特異領域として記録された情報と、上記複数の記録層のそれぞれに光を収束させる絞り込みレンズと、上記記録媒体からの戻り光を検出する光検出器を有し、情報を再生する３次元記録再生装置において、任意の層に光を収束させた場合に、隣接層に少なくとも一回反射、または透過する層におけるスポット径の領域に含まれる局所的な光学的特異領域の総面積が、略一定であることを特徴とする３次元情報記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的特性変化を用いて媒体に情報を３次元的に記録再生する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
媒体の３次元方向に情報を記録する方法に関して最近のISOM200４の国際学会で１件の発表があった。現在主流の情報をビット毎に一つのマークに対応させて１層の面内に記録する光ディスクの記録方法をディスクの厚さ方向に拡張して、３次元方向に情報を記録する方法である。
【０００３】
【非特許文献１】”Proposal for multi-layer Blu-ray Disc Structure ” Technical Digest of International Symposium on Optical Memory 2004, We-E-02
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記発表ではROM形光ディスクにおいて、６層から８層の多層光ディスクの可能性が示され、層間クロストークを避けるために、各層間隔を変えてているが、情報の記録フォーマットは従来のBlu-ray光ディスクをそのまま用い、多層光ディクスとして最適なフォーマットとなっていない。また、追記形、書き換え形の光ディスクについては考慮されていない。
本発明は、３次元方向に多層レーヤを設け、情報ビットを記録する方法において、好適なフォーマットについて提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明においては、全体構成として、多層ディスクの層間隔を変えて、各層間間隔のズレにより、入射光が多層間で多重反射した時に反射面におけるスポット径が分解できないように情報を記録するフォーマットを設定する。すなわち、層面上の局所的光学的性質の変化（マーク）の周期ｂとディスク構造、及び受光光学系の関係を規定することで、多重反射層間クロストークの信号成分を局所的光学的性質の変化の周期ｂよりも、長くする。すなわち、光ディスクの情報信号、制御信号の信号帯域よりも多重層間クロストークの周波数成分小さくすることで、目標層面上のデータを高いＳＮ比で再生するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、入射光の多層間で多重反射した光が目標層からの反射光と混在して検出しても、正確に目標層からの情報を再生できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の図において、同じ機能部分には同じ符号を付けて説明する。
図１に本発明の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。
【０００８】
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まで番号を層割り当てる。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、任意のｋ番目の記録層と中間層の膜厚をｄＦｋ，ｄＭｋさらに屈折率の実数部をそれぞれ、ＮＦｋ，ＮＭｋとする。また、各層の平面上での局所的光学的性質の変化の周期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、偏向ビームスプリッタ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。本発明では、光学系として、図２ａに示す平行光学系を例に示したが、図２ｂに示す拡散光学系でも同様に効果を得ることができる。
【０００９】
ところで、光ディスクでは、回折限界の光スポットを各記録層面に形成するが、図1に示した各光学系では、各層間の距離を一定にすると、図２にk層目に焦点が結ばれ、入射光がｋ−１層を通過するときに、k−１層の上面部４２から反射した光がｋ−２層の下面部４１に反射して、ｋ−１層の上面部４２から反射光した光と同じ光路を戻っていくことになる（ここで説明の都合のため、記録層を上面部ｘｘｘと下面部ｘｘｘの二つに分ける。）。ｋ−２層の下部面４１の反射率が大きいと、もどった光はk層の上面部４８からの光と干渉し合いｋ層からの情報を正確に読めなくなる。
【００１０】
ｋ層から検出される情報への洩れこみには、入射光がk−１層を通過するとき、k−１層上のデータによって引き起こされる層間クロストークがある。ｋ−２層からの多重反射による情報の洩れこみも同様な影響を与える。そこで、各層間隔を等しくせず、ある値dmだけ、ずらしておく必要がでてくる。ここで、多重反射によるクロストークとして一番大きなのはk−２層からの反射によるものであり、これを低減できれば他の多重反射によるクロストークを抑えることができる。以後、区別のために多重反射層間クロストークと称する。
【００１１】
図２のk−２層からの光路を書き直すと、図３のようになり、k−２層の下面部41からの反射光はk層からｄｍだけずれた仮想の反射面からの反射光の光路と同様に考えることができる。ｄｍだけずれた層からの信号の振る舞いはｋ層からｄｍだけ焦点ずれが生じた場合と同じになる。
【００１２】
本実施例では、層面上の局所的光学的性質の変化（マーク）の周期ｂとディスク構造、及び受光光学系の関係を規定することで、多重反射層間クロストークの信号成分を局所的光学的性質の変化の周期ｂよりも、長くする。すなわち、光ディスクの情報信号、制御信号の信号帯域よりも多重層間クロストークの周波数成分小さくすることで、目標層面上のデータを高いＳＮ比で再生するものである。
【００１３】
信号を検出する光学系における、ディスクと検出器の関係を図４に示した。層間隔のズレ量ｄｍは大きな値をとることが望ましいが、大きくすると層間隔も大きくなり、ディスク厚さ内に設けることのできる層の数が制限され、容量が限定される。このため、できる限り小さな量にする必要があり、この場合にはk−２層からの反射光はk層からの反射光とほぼ同様な光路をたどり、光検出器18に達する。光検出器をピンホール状に小さくすれば、分離可能であるが、実用上光検出器をある大きさ以下にはできない。そこで、他の方法を考える必要がでてくる。
【００１４】
目標ｋ層には、回折限界の光スポットが形成されているため、２次元周期ｂがスポット径（λ／ＮＡＦ）程度あれば、十分分解できる。また、隣接ｋ−２層でのスポット径は、焦点がずれているために、層間ずれ距離ｄｍとすると、近似的に（２ｄｍ×ＮＡＦ/NB）となり、光学的分解能が低下する。そこで、この特性を利用して、２次元周期ｂの最大値ｂｍａｘを（2dｍ×ＮＡＦ/NB）よりも小さくすれば、隣接ｋ−２層からの信号成分の漏れ込みすなわち多重反射層間クロストークの周波数成分は、信号帯域（１／ｂｍａｘ〜１／ｂｍｉｎ）よりも小さくなり、フィルタまたはＡＧＣ（オートゲインコントロール）を用いて、取り除くことができる。
【００１５】
ここで、焦点ずれによる光学的分解能の低下すなわち、信号変調度の低下を光学的理論から求めるために、図４に示す光学的伝達関数を計算する。光学的伝達関数（Optical Transfer Function）は、一般的には、結像光学系において、繰り返し周期ｐの格子の分解能を測定するときに使用される。この特性は光ディスクのスポットｘｘｘが周期ｐの格子を通過するときの戻り光の中に含まれる周期ｐの信号の変化量（応答）と等しいということが知られている。
【００１６】
図１に示す受光光学系において，記録再生を行う目標層面内と、距離ｄm［μｍ］離れた隣接層面内のそれぞれの光学的特性関数（ＯＴＦ）Ｈ０（Ｓ），Ｈ１（Ｓ）を図6にそれぞれ、直線l1，直線l2で示す。横軸は、物体の繰返し周波数に対応し、縦軸はその変調度に対応する。ここで、Ｓは規格化空間周波数である。焦点ずれもなく、無収差の場合、光学的特性関数Ｈ０（Ｓ）は、直線l1のようになる。この場合、光学的分解能がゼロとなる遮断周波数は、Ｓ＝２となる。焦点ずれｄmの増加と共に、光学的特性関数Ｈ１（Ｓ）は、矢印１５の方向に変化し、ｂｍａｘも大きくできる。
このように、隣接層からのクロストークの周波数成分はｆｍｉｎ（＝１／ｂｍａｘ）以下であり、図４に示すような追従特性１６を持つオートゲインコントロール回路を用いれば、隣接クロストーク成分を吸収できる。
【００１７】
光学系のNAを０．８５、波長を４０５nmとして、光学的伝達関数を計算した結果を図５にしめす。この例では２ミクロンの焦点ずれがあると、Ｓが０．３のところで遮断周波数となり、このときの図５における格子周期は  ３ｘλ・ＮＡＦ となり、１．４３ミクロンとなる。一方、２ミクロンの焦点ずれが生じたときの幾何光学的なスポット径は  2x NAF x 2 /NB  から ２．２６  ミクロンとなる。従って、近似的にＯＴＦから求めた焦点ずれの遮断周波数の格子周期の２周期分がスポット径に略等しくなることが理論計算からも分かる。
【００１８】
数値例として、焦点ずれｄｍに対する遮断周波数Ｓを求め、ｂｍａｘを求めた。
ｄｍ＝3μｍの場合→ｂｍａｘ＝NAF x3/2 X3 /NB= 3.853μｍ
例えば、スポット走査方向に、可変長の符号である１−７符号を用い、検出窓幅Tw が0.08ミクロン、トラックピッチ０．３２μｍ 一定のディスクについて、ピットエッジ記録方式を用いた場合、再生可能な最小ビットピッチｑ（μｍ）と層間距離のズレｄｍを求めると、図４に示すように、最短パターン繰返し周期は、2ｑ＝ｂｍｉｎ＝４Ｔｗ＝０．３２μｍ、
ここで、最長パターン繰返しは１４ｑであり、１４ｑ＝２．２４μｍ≦ｂｍａｘとなる。
また、ディスク半径方向のマーク周期は、トラックピッチ０．３２μｍ 一定であり、０.３２μｍ≦ｂｍａｘである必要があるが、ｄｍ≧３μｍであれば、いずれの条件も満足している。
【００１９】
次に、多重反射層間クロストークを低減するための実施例を示す。上記実施例では、多重反射層間クロストークの周波数成分は、ｆｍｉｎ以下であるが、変調方式のよっては、局所的光学的性質の変化の粗密によって、目標層からの信号が変動してしまう。上記例で用いた１−７変調符号もそのひとつであり、その変調信号のパワースペクトル特性８６を図７に示す。ｆｍｉｎ以下に、わずかに成分を持つ。これは、先に述べたようにフィルター，ＡＧＣで抑圧できるが、このような回路を用いなくても、粗密の変動をなくし、直流成分一定値にすることで、多重反射層間クロストークを抑圧することができる。別の実施例の原理は、隣接ｋ−２層におけるスポット径（２ｄｍ×ＮＡＦ/ＮＢ）の領域に含まれる局所的光学変化（マーク）の領域の総面積が常に一定値である符号を用いる。このようにすることで、スポットを走査したときの再生信号への多重反射層間クロストーク量は常に直流一定値なる。本実施例と前述した実施例を併用することもできる。図７に示すように低域成分のスペクトルが急激に低下する特徴を持つ。よって、スペクトルの急激に低下する折れ点８８が、層間隔ずれｄｍだけ焦点ずれしたときの光学的特性関数Ｈ１（Ｓ）について、Ｈ１（Ｓ）＝０となる遮断周波数と一致するように層間間隔ずれｄｍを設定すれば良い。
【００２０】
この時、隣接ｋ−２層におけるスポット径（２ｄｍ×ＮＡＦ/NB）に含まれるマークの占有率はほぼ５０％一定であり、検出される再生信号に含まれる隣接層からの反射光量の成分は常に一定値となる。
【００２１】
これまでは層面上に存在するデータ情報信号のみの影響について述べたが、光ディスク記録面上には、図8に示すようなデータ情報を記録再生するための制御情報も存在する。情報トラック50は略一定周期の周期と振幅でトラック半径方向に揺動しており、ウオブリングと称されている。ウオブリング部を光スポット51が通過することにより、反射光が変化し、この変化を用いてデータ情報を制御するためのクロック信号、同期信号を作成している。また、トラックの位置を表すアドレス情報53はウオブリングの揺動位相を波５４に示すように局部的に変化させることにより表現されている。ｋ−２層上に存在するこれらの制御情報もk層からの検出信号に洩れこんでくる。これらの影響をなくすために、前述の実施例を適用できる。即ち、ウオブリング周波数は略単一周波数であることから、この周波数帯域ｆwobを層間隔ずれｄｍだけ焦点ずれしたときのの光学的特性関数Ｈ１（Ｓ）について、Ｈ１（Ｓ）＝０となる遮断周波数ｆｃより高くとればよい。データ情報の帯域はウオブリングとの干渉を避けることが必要と成り、周波数の配置関係は図６のようになる。ウオブリングと層間隔ずれｄｍ面におけるスポットとの関係を表すと図８のようになる。
【００２２】
アドレス情報は従来例ではほぼディスク半径上に並んで集中して配置されていたが、スポットが通過すると、アドレス情報のあるところとないところの反射光が変化し、多重反射層間クロストークが変動する。そこで、アドレス部が光スポット内に存在する個数を少なくすることが望ましい。そこで、アドレス部分は隣接トラック間で少なくとも層間隔ずれｄｍによって生ずるスポット５１の直径分は図９のようにずらす配置とする。
【００２３】
次に、図１０では、層面内で２次元記録を用いた多値記録を行う場合について、本発明を適用したものである。多値記録は従来の２値記録に比較して、レベルに情報を持たせるため、限られた帯域を有効に使える方法である。本多層方式では層間クロストークの影響を避けるためには、図４のように情報帯域に割り当てることのできる帯域が狭くなることから多値記録を使うことは有効な解決手段となる。
【００２４】
２次元記録を用いた多値記録再生方式としては、以下のものが知られている。ＲＯＭ形の光ディスクoptical diskにおいて記録容量storage capacityを向上するために、スポット内に複数個のマークmarkを配置し、マークの数によって再生信号readout signalレベルを多値レベルmulti-levelに変化させることが提案されている。例えば、オプティカル・データストレージ  ２００３  テクニカル  ダイジェスト  ＴｕＢ１９０ページから９２ページ「Ｔｗｏ―Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｔｏｒａｇｅ」では、真円形状のピットを真中に一つ、その周囲に６個配列する構造を採用している。ユーザデータをマークの個数に変換して記録し、再生時にはマークの個数と反射光量レベルの対応関係を用いてマーク個数を検出し、ユーザデータに戻す。ＲＯＭ型ディスクは図１０のように６角セルがディスク前面に充填されており、６角セルの中心に真丸形状のピットを配置する。スポットの中には７つのセルが存在し、７つのピットの有無により再生信号のレベルを変えることができる。このＲＯＭディスクにおいては、各ピットの深さは一定であり、信号強度を大きくとるために、反射形では深さが４分の１波長、光学的な位相変化量で表すと、πの大きさを選んでいる。ここで、情報信号の最低周波数成分は６角セルの中心間隔を周期とする信号成分となる。したがって前述実施例で説明したbmaxが６角セルの中心間距離となるように選べばよい。
【００２５】
さらに、ROM型光ディスクの実施例について図１１を用いて説明する。本実施例ではピ
ットはトラックピッチｒのトラック上に周期ｑの格子点lattice状に置かれている。ただし、隣接トラック１４０５、１４０６のピットが置かれている格子点は周期ｑの半分だけ互いにずれている。読み出しスポット１４０６は２つのトラック間の中線１４０１、１４０２、１４０３を移動し、周期ｑの半周期ごとの格子点１４０７、１４０８、１４０９、１４１０、１４１１、１４１２、１４１３、１４１４において信号を読み出す。すると、各読み出し点では読み出しスポット１４０６内に３つのピットが存在する。ここで、各ピットの面積をピット幅を固定して、ピットの長さを変化させることにより変化させ、３つのスポットの面積の変化の組み合わせにより、スポット１４０６が検出する信号を変化させる。前述の実施例ではピットの形状を固定し、スポット内に入る個数により、スポットが検出する信号レベルを変化させたが、本実施例ではピットの個数を固定し、それぞれのピットの面積を変化させる。本実施例では各ピットはエッジごとに３つの長さが変化し、ひとつのピットでは９通りの面積が変わる。３つのピットがあると２７通りのピット面積の組み合わせがあるが、３つのピットを合わせて取りうる多値レベルは重複を考慮すると、９つとなる。この実施例では情報信号の最低周波数成分は格子間隔ｑを周期とする信号成分となる。したがって前述実施例で説明したbmaxが６角セルの中心間距離となるように選べばよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明による３次元多層情報記録再生装置の実施例を示す概略図。
【図２】３次元光ディスクの多層面と入射光、反射光の関係を示す模式図。
【図３】多層面への入射光の反射光光路を書き直した説明図。
【図４】本発明による３次元多層情報記録再生装置の光学系を示す概略図。
【図５】光学的伝達関数の説明図。
【図６】本発明による３次元多層情報記録再生装置の第１の実施例のを示す概略図。
【図７】本発明による３次元多層情報記録再生装置の第２の実施例のを示す概略図。
【図８】本発明のトラックの説明図。
【図９】本発明のアドレス部分の配置の説明図。
【図１０】多値記録用のマーク配置の説明図。
【図１１】別の多値記録用のマーク配置の説明図。
【符号の説明】
【００２７】
１：記録層、２：中間層、３：基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図５】
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