JP2005520272A - 三次元記憶媒体から情報を読み出すための方法および装置 - Google Patents

Abstract

三次元記憶媒体から情報を読み出すための方法および装置であって、同方法、装置は、第１状態および第２の状態を示しうる能動媒質を有する三次元記憶媒体を有し、データユニットが、前記媒体の所与の体積部分における前記第１の状態と第２の状態との密度の間の比によって表され、データ列が、一連の前記データユニットによって表される。前記密度比の特性を示す検出可能な非線形光学応答を、前記体積部分において生じさせるように、前記記憶媒体の一体積部分を通して光束を集中させるように光を前記能動媒質に照射し、該応答を検出してトラッキングに用いる。

Description

本発明は、三次元光学記憶媒体から情報を読み取るための方法および装置に関する。

三次元光学記憶装置に情報を格納することが、当技術分野において提案されてきた。そのようなシステムにおいて解決すべき課題の一つは、特定の場所から、読取用光源と該特定の場所との間に位置する記憶媒体によって読取用光ビームがそらされることがないようにして、いかに情報を読み取るかということである。

本発明の権利者の共有にかかるＷＯ０１／７３７７９では、二光子吸収によって情報を読み取ることが提案されている。この方法では、特定の場所に格納された情報は、ある周波数νにおける吸収係数によって特徴づけられ、読取りは、ν_１＋ν_２＝ν（ν_１−ν_２＝νもまた可能である）となるように、周波数ν_１およびν_２を有する２本の光ビームを用いて行われる。これら２本の光ビームが交差したときにのみ、光は吸収され得て、読取りが行われる。２本の光ビームが交差しないあらゆる場所では、周波数νの光はなく、したがって読取りも行われない。記憶媒体は、周波数ν_１を有する光に対しても、また周波数ν_２を有する光に対しても透明であるべきである。

記憶手段に関しては、ＷＯ０１／７３７７９において、シス異性体の場合に所与の周波数における１つの特性吸収を有し、トランス異性体の場合にまた別の吸収を有する、基材担持スチルベン誘導体を用いることが提案されている。

一般には光学ディスクのような、特にはＤＶＤのような光学記憶媒体においては、データは、光学ディスクの大部分に形成されたトラックに沿って格納され、該トラック上に、半導体ダイオードにより発生させたレーザービームの焦点を合わせると同時に、ディスクをその軸で回転させることによって読み取られる。トラックは、一般に、データがその上に書き込まれ、またデータがそこから読み取られるところの渦巻き状のトラックを構成している。

明らかに、データを正しく読み出すためには、読取ヘッドが、所望のトラックの位置を特定できかつ追跡できることが不可欠である。実際には、これは２つの異なる種類のトラッキングの課題につながる。すなわち、１つのトラックから別のトラックへと跳ぶこと、および、正確に１つのトラックを追跡することである。ここでの議論の目的では、これら２つの異なるトラッキングの課題はそれぞれ異なる解決法を必要とし、トラッキングの方法が本発明に関連する程度では、本発明は２つの課題のうちの２番目にのみ関係があるということに注意を払えばよい。

「三次元光学式データ記憶および読出し（Three-dimensional optical data storage and retrieval）」と題された１９９７年１月７日付けで発行された米国特許第５５９２４６２号（Beldock）では、三次元光学式データ記憶媒体と、該媒体に格納されたデータへのアクセスを可能にするための装置とを有する、三次元光学式データ記憶および読出システムが開示されている。一態様によれば、このデータ記憶媒体は、複数の実質的に平行なデータ・トラックにデータを格納するための、曲線をなすデータ記憶面をそれぞれが有する、複数の同心のシェルを含んでいる。また別の態様によれば、データ記憶媒体は、共通の軸のまわりで回転可能な複数のデータ記憶面を含んでおり、各データ記憶面は、複数の実質的に円形のデータ・トラックにデータを格納するもので、光学的に透明な窓を有しており、この窓は、それぞれのデータ・トラックを横断している。使用に際しては、各シェルまたはデータ記憶面を、共通の軸のまわりで回転させ、トラッキングは、読取ビームを、光学的に透明な窓を通して当該データ・トラック上へと向けることにより実現される。したがって、この参考文献は、データが複数の層に記憶されている中実の光学記憶媒体からのデータの読み出しには応用することができない。

ＣＤやＤＶＤの読取ヘッドが目的のトラックを追跡する方法は、そのトラック上へと読取スポットの焦点を合わせ、位置感度検出器によって反射スポットの強度を測定することに基づいている。これにより、読取スポットの位置の算出と、それに続く、測定された制御偏差に基づく読取ヘッドの位置の調節とが可能となる。

「光学式情報記録再生装置のトラッキング・サーボ装置（Tracking servo apparatus of optical information recording and reproducing apparatus）」と題された、２００１年１１月１５日付けで公開された米国特許出願公開第２００１／００４０８４４（佐藤ら）では、この技術を用いたトラッキング・サーボ装置が開示されている。したがって、レーザービームを光ディスクの記録面上に照射したときに得られる反射光が光電的に変換され、それにより光電変換信号が得られる。あるトラックに対するレーザービームの照射位置の、記録面上でディスクの半径方向における偏差量を示すトラッキングエラー信号は、この光電変換信号によって生成される。光学系において発生する球面収差を検出し、この検出結果に基づいてトラッキングエラー信号のレベルを補正し、レベルが補正されたトラッキングエラー信号に従ってディスクの半径方向にレーザービームの照射位置を動かす。

また、「光学ドライブエラートラッキング方法および装置（Optical drive error tracking method and apparatus）」と題された２００１年５月１５日付けで公開された米国特許第６２３３２１０号では、ＣＤオーディオディスクやＤＶＤに見られる様々なデータフォーマットにわたって一般的な、光学ディスク・プレイヤーのためのトラッキングエラー信号を得るための方法および装置が開示されている。少なくとも４つの能動領域を有する光検出器を用いて、反射されたレーザービームを検出する。差分振幅トラッキングエラー信号が、異なる能動領域における信号強度を比較することにより生成される。

これらの参考文献は、光学ディスクの表面から反射された読取／書込レーザービームの成分を検出するための位置感度検出器として機能する、複数の部分を有する光検出器を用いて、読取／書込ヘッドと所望のトラックとのやりとりを維持するための、既知の解決法を代表するものである。

ＣＤおよびＤＶＤの両方において、軸方向の補償は、読取／書込ビームの焦点合わせの調節となる。
国際公開第０１／７３７７９号パンフレット 米国特許第５，５９２，４６２号明細書 米国特許出願公開第２００１／００４０８４４号明細書 米国特許第６，２３３，２１０号明細書

本発明の目的は、三次元記憶媒体から情報を読み出すための方法および装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、２つの実質的に直交する方向に読取スポットがずれ得るような方法および装置においてトラッキングエラーを補正することにある。

本発明の適用範囲の広い一態様によれば、三次元記憶媒体から情報を読み出すための方法であって、２つの状態になりうる能動媒質を含む三次元記憶媒体であり、データユニットが、前記媒体の所与の体積部分における前記２つの状態のうちの第１の状態と第２の状態との密度の間の比によって表され、データ列が、一連の前記データユニットによって表される、三次元記憶媒体を用いることと、前記密度比の、検出可能な非線形光学応答特性を、前記体積部分において生じさせるように、前記記憶媒体の一体積部分を通して光束を集中させるように光を前記能動媒質に照射することと、前記体積部分に格納された情報を読み出すために、前記非線形光学応答を検出することと、再生できるようにデータ列を読み出すために前記データ列を追跡することと、を含む方法が提供される。

明細書および添付の特許請求の範囲の文脈の範囲内では、「データユニット」という言葉は、１ビットまたは有限のアルファベットシンボルを指している。好ましくは、前記記憶媒体の所定の体積部分に光を位置させるためのトラッキング・フィードバック信号により前記データ列を追跡する。

本発明のさらなる態様によれば、光学記憶媒体の異なる層に配置された複数のトラックを有する該光学記憶媒体におけるトラッキングエラーを補正するための方法であって、
（ａ）前記光学記憶媒体内の一トラック上に、名目上、焦点を合わせられた読取スポットを向け、
（ｂ）軸方向および半径方向に連続的に前記読取スポットを動かし、
（ｃ）半径方向および軸方向における前記トラックからのそれぞれのオフセットに従って変化する振幅を有する信号を受け取り、
（ｄ）前記受け取った信号を用いて、半径方向および軸方向における前記トラックからのそれぞれのオフセットの方向を測定し、
（ｅ）それによって前記読取スポットの位置を変化させること、を前記トラッキングが含む、方法が提供される。

当技術分野で既知のどのような能動媒質も、本発明による用途に適している。能動媒質のいくつかの限定的ではない例は、ＷＯ０１／７３７７９および米国特許第５２６８８６２号（その両方を参照により本明細書に援用する）に記載されたもので、スチルベン誘導体およびアゾベンゼン誘導体である。

能動媒質は、好ましくは、支持基材内に例えばドーパントとして埋め込まれており、または、支持基材がポリマーである場合には、支持基材と共重合させたモノマーとして埋め込まれている。支持基材は、本発明の方法によってその上に照射される光に対して、また非線形光学過程により発生する光に対して透明であるのが望ましい。本発明による用途に適した支持基材の限定的ではない例は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、およびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）である。

通常、データはバイナリ・モードで格納され、１ディジットを表す密度比は１：０であり、他のディジットを表す密度比は０：１である。ここで、１および０は絶対的な値ではなく、むしろ、書込過程中に実現しうる最も高い密度、および最も低い密度として解釈されるべきであり、本明細書中では議論しない。

バイナリ・モードでデータを格納する代わりとして、媒体の２つ以上の状態がある他の仕組みを工夫することができる（例えば、完全に、異性体状態ＡまたはＢにある、熱平衡またはそれに近い状態にある、多くの光定常状態のうちの１つにある、あるいはそれ以上にある等）。符号化−復号化処理において使用されるアルファベットのサイズは、用いられる符号化−復号化方法ならびに装置の信号分離および信号分解能（信号雑音比）に依存する。多くの符号化−復号化方法が当技術分野で既知であり、ＤＣフリーおよびランレングス制限符合化−復号化は、そのような一群の符合の限定的ではない例である。

本発明に従ってデータユニットがそこから読み出されるところの前記体積部分のサイズは、フラックスが検出可能な非線形反応を発生させるのに十分大きいような光スポットのサイズである。一般に、スポットのサイズが小さいほど、弱い光強度を補償することができる。したがって、３０μｍよりも小さい半径を有するスポットを用いて動かすことが得策であり、照射光の波長以下の半径を有するスポットが好ましい。
スポットが小さいほど、安価な光源を用いることが可能となる。しかし、たとえ非線形応答がより低い強度で検出されるとしても、与えられた光源の高い強度で動かすのが有利でありうる。これは、ある強度以上では、飽和効果のために、この応答が光の強度にもはや影響されず、その読取りもまたこの強度に影響されないからである。こうして、ノイズを測定値から減少させることができる。

信号の検出には、環境内に存在しうる他の光信号からそれ自体を分離することが必要とされる。そのような分離は、当技術分野で知られているこの目的のための任意の方法によって実現でき、これは例えば、位相整合条件を満たすことによって、それだけがその周波数の光の源であるような方向に、非線形に生成された信号を向け、フィルター、プリズム、回折格子、偏光子等を通してその光をフィルターし、位相感度検波、ロックイン増幅器、ボックスカー、および／またはゲート平均の方法を用いる、等である。能動媒質を照らすビームが共線でも、そうでなくとも、全ての利用可能な方法が適用可能である。

非線形光学過程は、光のフラックスに非常に感度である。フラックスは、光ビームが物質を通して焦点を合わされた時の体積要素に応じて変化し、焦点に近づいたときに劇的な実効効率の増加が起こる。このことの実際の結果は、適当な光子フラックスによって、最大パワーの位置（すなわち焦点）でのみ非線形光学過程が起こるということである。単一の光源を単一波長で用いる場合、この焦点は、簡単に、ビームのくびれが最小となる位置として定義される。

２つ以上の波長を用いる場合には、同様な高い局在化の効果を得るための最も効率的な方法は、当該過程に関与する全ての光子源の焦点を重ね合わせることによる。別個の焦点が正確に重なり合わない場合は、全ての光源の焦点によって作り出される実効的な体積要素の交差部によって作り出される体積内において、効率は低くとも、同様の過程が起こる。１波長の過程においてさらなる実効効率を得るためには、多波長の場合に対するものと同様の方法を用い、２つ以上の光源を使用することによって、より大きなフラックスを得ることができる。

重ね合わせ原理によって、単一のビームを、それぞれの焦点が当然に同じ位置に置かれている複数のビームとして見なすことができる。したがって、２本以上の交差する光ビームに言及している本発明および添付の特許請求の範囲の文脈の範囲内では、単一の光ビームが、２本以上の単色ビームの重ね合わせに類似した非線形過程を起こしうるものであるということが理解されるべきであり、特許請求の範囲における２本以上の光ビームの交差部への言及によって、これを包含するものである。

本発明による用途に適している非線形光学応答の一群であるのは、限定はされないが例えば二光子蛍光のような、多光子蛍光である。

χ^{（ｎ＞２）}過程に関係する非線形光学応答の限定的ではない例は、例えば誘導ラマン散乱、コヒーレント反ストークス・ラマン散乱（ＣＡＲＳ）、ラマン誘起カー効果、および縮退四光波混合のような、四光波混合過程である。同じようなχ^（５）以上の過程もまた当技術分野において既知であり、本発明により用いることができる。

本発明の別の態様によれば、三次元記憶媒体から、該記憶媒体の非線形光学応答を生じさせ、該非線形光学応答を検出し、それを解析して処理することにより、情報を読み出すための装置が提供される。そのような装置は、非線形光学応答を生じさせて検出するために、ある場合（ＣＡＲＳ等）にはコヒーレントでなければならない少なくとも１つの光源と、該光源によって与えられる光とは少なくとも１つの特性が異なる光を検出するための検出器とを含んでいる。これに関連して、光の特性の例は、光の波長、偏光、および伝播方向である。それからトラッキング手段、すなわち媒体から受け取った信号を処理してトラッキング・フィードバック信号を得て、それにより読取スポットの位置を補正する手段である。本装置はまた、検出信号を解析して処理し、そこから情報を読み出すための、当技術分野で本質的に既知である手段も含みうる。これらには、Ａ／Ｄ変換器のような、検出信号をデジタル化するための手段と、コンピューター上または電子チップ上で走る誤り検出コードのような、アルゴリズムエラー検出手段とが含まれうる。

本発明による光源は、レーザーのような能動光源、またはミラーのような受動光源とすることができる。例えばビームスプリッタが、２つの（受動）光源として考えられる。

本発明の一実施形態によれば、データ列は、媒体内の各層として配置され、それぞれの層は、それぞれのデータ列の１つの渦巻き状のトラックからなり、媒体は、ディスクとして形作られ、本装置によりその軸のまわりで回転させられる。本発明の目的は、ディスクが回転している時に、ｒ座標およびｚ座標において、要求されるデータ列に対応する渦巻き状トラックを追跡することにある。このトラックは、ｒ座標（半径方向の振れ）およびｚ座標（軸方向の振れ）の両方において、限られた量の振れを被るものと仮定する。そのようなひずみは、回転軸がディスクの中心からわずかに外れていて、ディスク面の法線とわずかに非平行である場合に、ディスクが回転している間、データの渦巻き線が読取スポットに対して移動するようにして、起こりうる。本発明は、ｒ位置およびｚ位置を制御するサーボ機構のためのフィードバックとして使用されるトラッキングエラー信号を算出することによって、データの渦巻き線を追跡することを可能とする。

基本的なトラッキングの原理は、名目上の現在位置（２つの直交する時間関数によりｒ−ｚ面を移動する）の周りの周期的な経路内で読取スポットを絶え間なく移動させる（調整する）ことにある。この調整によって、データの渦巻き線に対する読取スポットの位置に依存する読取信号の振幅および位相の変調が引き起こされる。この依存性が、トラッキングエラーを算出するのに利用される。

トラッキング・アルゴリズムがエラー信号を算出する方法の簡略化された例として、二次元の場合を考えよう。レーザースポットが適当な高さで焦点を合わされ、軸方向の振れがないように、ｚ座標が固定されていると仮定する。読取スポットがトラックに沿って伝わるときに、トラックに対して時間の半分までは内側に（ディスクの中心の方へ）、時間の半分までは外側に（すなわち、半分の時間はｒ＜ｒ_ｏ、半分の時間はｒ＞ｒ_ｏ）スポットがあるようにして、スポットの半径方向の位置は半径方向において調整される。トラックの中央に対するオフセットは、信号を、達成すべき同期またはシンボル検出のような他の機能のために十分高い信号雑音比で依然として検出することを確実にするように小さくなければならないということに注意すべきである。もし、信号が決まった平均を有し、トラッキングが完璧であれば、「内側（ｉｎ）」信号（スポットがトラックに対して「内側」にあるときに検出される信号）の平均は、「外側（ｏｕｔ）」信号と等しい。スポットの位置が、例えばディスクの偏心、渦巻き線の膨張、または何らかの他の原因によって、トラックの位置から逸れ始めたとすると、調整された信号の「ｉｎ」部分と「ｏｕｔ」部分との間の相違（ｏｕｔ−ｉｎ）は、小さな「外側への振れ（ｒｕｎ−ｏｕｔ）」がある場合には負であり、「内側への振れ（ｒｕｎ−ｉｎ）」がある場合には正である。

２つの主要な要因が調整の周波数を決定する。これはトラックとスポットとの相対位置のすばやい変化に応答できるのに十分に高く、信号が格納データに依存しなくなるのに必要なだけのデータユニットを平均化するのに十分に低いべきである。データの平均化は、窓積分(window integration)または他の適当なローパス技術によって達成できる。それぞれの積分窓(integration window)において信号がデータに依存しないことを確実にするためには、ＤＣフリー符合化技術を用いる。

トラッキング機構の別の実施形態においては、エラー信号の算出は、データ包絡線（読取信号）の時間変動に読取スポット調整関数を乗じる（内積）ことによって達成される。この仕組みにおいては、エラー信号は、調整の強さによって重み付けがなされ、言い換えれば、調整の振幅が大きいときに測定された信号がよりエラー信号に寄与する。本発明のさらなる改良点は、信号と調整との間の乗算の前に、遅延補償を含むことにある。

トラッキングエラーは、名目上のスポット位置を制御するサーボ機構のためのフィードバック信号として用いる。

本発明を理解し、それが実際にどのように実施されうるかを見るために、添付の図面を参照して、限定的ではないほんの一例として、具体的な実施形態を次に説明する。

ＰＭＭＡ中１０％シス−４，４’−ジメトキシ−α，α−ジシアノスチルベン（以下、化合物Ａ）の固溶体に、レンズを通して１０μｍより小さいスポットに焦点を合わせた８４４ｎｍおよび１０３７ｎｍの共線レーザービームを照射した。波長７１１ｎｍのＣＡＲＳ信号が検出された。シス異性体の固溶体およびシス−トランス混合物の固溶体から検出された信号のスペクトルを図１に与える。

図２は、情報担持体積部（an information carring volume）（不図示）を有する三次元記憶媒体（以下、「ディスク」と呼ぶ）１０２から情報を取り出すための、本発明による装置１００の図である。装置１００は、それぞれがコヒーレント光（それぞれ１１０および１１２）のビームの源である２つのレーザー１０４および１０６と、レーザー１０４および１０６により与えられる光とは異なる波長のコヒーレント光１１６のビームを検出するための検出器１２０と、を含んでいる。検出器１２０は、コヒーレント光１１６のビームにより作り出された光信号の検出の結果、検出器内で生成される電気信号を、トラッキング装置１２５のロックイン増幅器とすることができる低ノイズ増幅器１２３に送信し、それによりデータ列を正確になぞれるようにし、またＡ／Ｄ変換器１２６に送信し、この変換器の出力はデコーダおよび誤り検出訂正（ＥＣＣ）ユニット１２８（アルゴリズムエラー検出器を構成する）に送り込まれ、それによりデータ列中で符号化された情報を取り出せるようにする。

図２に示す実施形態においては、ディスク１０２をその上に取り付けるディスク取付部２０２もあり、それにより、ディスクは、取り付けられると、モーター２０５によってその中心のまわりで回転させることができる。２つの光源１０４および１０６は、光信号１１０および１１２をダイクロイックミラー２２０の方へ向けるように配置された２本の光ファイバー１０４’および１０６’に接続されている。信号１１２はこのミラーを貫いて伝達され、信号１１０はそれによって反射される。こうして、この光は、ディスク１０２の情報担持体積部内にビームの共通の焦点２２２を置くようにして、ディスク１０２を照らすことができる。

光学ユニット１０１をアーム２１０に取り付けるが、該アーム２１０はアーム軸２３０のまわりで回動可能である。ＣＤプレーヤーに使用される種類のレンズ２４０を、ダイクロイックミラー２２０とディスク１０２との間に配置する。ディスク表面１０２’に平行な方向でのその位置は、アーム軸２３０のまわりのアーム２１０の回動と、ディスク取付部２０２のまわりのディスク１０２の回転との組合せで制御する。ディスク表面１０２’に対して垂直な方向でのその位置は、磁気コイル２４２によって制御され、該磁気コイル２４２はまた、半径方向のレンズの小さな動きを制御するのにも用いられ、こうして、ディスク１０２内での共通の焦点２２２の位置を十分に制御することができる。トラッキングを達成するために、周期的な電気信号を磁気コイル２４２に印加することによりレンズ２４０を動かすことで、共通の焦点の位置を調節する。コヒーレント光源１１０および１１２は、ダイクロイックミラー２２０、レンズ２４０、および磁気コイル２４２と組み合わせて、光学系２４５を構成している。集光ミラー２５０は、非線形に生成された信号１１６を集光し、フィルター１５２を介して、アーム軸２３０の近くに配置された検出器１２０の方に向けるように配置する。レーザー駆動部は図２には示していない。

一方での、光学ユニット１０１の軸２３０のまわりでの動作半径と、トラック半径との間の大きな比と、他方での、スポットのサイズならびに隣接するトラック間および層間の距離によって、光学ユニット１０１の軸のまわりでの回動によって制御される動きは、データ列のトラックに実質的に直交するという近似が可能となる。

追跡するために、本装置には、一般に１２５として示すトラッキング・サーボ・システムが設けられており、該システムは、補正信号を磁気コイル２４２に与え、トラッキングエラー信号の制御下でレンズ２４０を動かし、トラッキングエラー信号がゼロになるように、トラックの中央に、名目上、ビームスポットを置く。スポットの粗い動きは、概して、光学ユニットの動作によって得られる。細かい動きは、磁気コイル２４２を用いてレンズを動かすことにより得られる。

図２に示すトラッキング・システム１２５は、上記のように、特定のディスク１０２上に記録されたデータ列を追跡するように機能するが、注意すべきは、本発明が新規なトラッキング・システムを含むということであり、このトラッキング・システムは、光学的データを取り出す他の装置における使用にも適しているが、図２を参照して上で説明したように、装置１００の使用に好適である。加えて、注意すべきは、他のトラッキング・システムを装置１００において用いてもよいということである。

本発明による改良されたトラッキング・システムを、図面の図４ａ、図４ｂおよび図５を特に参照して以下に説明する。しかし、まず総論として、トラッキング・システムを有する三次元光学記憶媒体１０２用の読取り／書込みシステム３００を、図３を参照して機能的に説明する。読取り／書込みシステム３００が図２に示す装置１００と共通な構成部品を含む限り、同じ符号を用いる。

読取り／書込みシステム３００は、そこにセットされた光学記憶媒体１０２を回転させるための適切な駆動モーター２０５によって駆動される回転軸３０２と、光学記憶媒体１０２の各トラックのうちの１つから情報を読み取るための光学ユニット１０１とを備えている。

光学ユニット１０１は、「スポット」を形成する交差体積部を有する一対の交差する光ビームを放出するための半導体レーザー１０４および１０６を備えている。さらに光学ユニット１０１内に含まれているのは、アクチュエータ３０６によりその位置が制御される焦点スポットを作り出すための光学系２４５であり、アクチュエータ３０６は、図２に示す特定の実施形態においては、磁気コイル２４２によって構成されている。光学ユニット１０１は、上記スポットの、必要とされる粗い動きおよび細かい動きを生じさせるように、モーター３０７によって駆動される。

このシステムはさらに、各レーザービームを放つ半導体レーザー１０４および１０６に通電するためのレーザー駆動回路３０８を備えている。

光学記憶媒体１０２上の所望のトラックから情報を取り出すためには、光学的焦点２２２を所望のトラック上に保たなければならない。このために、このシステムには、一般に１２５として示すトラッキング・サーボ・システムが設けられており、該システムは、補正信号をレンズ・アクチュエータ３０６に送り込み、トラッキングエラー信号の制御下で光学系２４５を動かし、トラッキングエラー信号がゼロになるように、トラックの中央に、名目上、ビームスポットを置く。

図４ａおよび図４ｂは、図２および図３のシステムにおける光学的焦点２２２の位置を正弦波的に調整することの効果を図示している。読取スポットに関する限り、該読取スポットは、連続する線状のデータ・トラック３２１に書き込まれたデータを追跡すると同時に、トラックの一方の側から他方の側に連続的にその位置を移動させる場所的な調整を受ける。データはトラックに格納されているが、本発明は、仮に光学的焦点２２２がわずかに中心から外れていても、データ信号は、それでもやはり、減少した強度ではあっても読み取られるという原理に依っている。それゆえ、光学的焦点２２２が中心を外れて移動していくにつれて、データ信号の大きさは小さくなっていく。

例えば、図４ａを参照して、トラッキングが完全で、読取スポットがデータ・トラック３２１に関して対称であり、正弦曲線３２２によってその位置が示される場合を考えよう。この場合、平均の信号は、データ・トラック３２１の両側で等しくなる。しかし、図４ｂに示すような不完全なトラッキングの場合には、読取スポットは、データ・トラック３２１に関して非対称であり、その実際の対称線を点線中心線３２３で描き、データ・トラック３２１の右側に示す。この信号は、データ・トラック３２１からの正弦曲線３２２の距離に、おそらくは非線形に、反比例する。したがって、正弦曲線３２２がデータ・トラックの右側へと中心からずれている図４ｂにおいては、これによって、正弦曲線３２２が中心線３２３の右側にある時にはサンプルから低い信号が作られることになり、スポットがデータ・トラック３２１の右側へと中心からずれていることを示し、したがってそのオフセットを修正するために左側へとずらさなければならない。

連続的にデータを読み取り、同時に、読取ヘッドの位置を連続的に調整することにより、結果として生じる、読み取られる揺れ動く平均の信号強度を、軸方向および半径方向において、読取ヘッドが置かれた側を示すのに使用できるという原理に基づいて、トラッキングは動作する。これを測定したならば、それから、軸方向および半径方向の両方においてトラックに対して対称に配置されたと認められるまで、読取ヘッドを反対方向に移動させることができる。

図５および図６は、光学記録媒体内で各ビームの交差位置を規定する極座標（ｒ，θ，ｚ）で記述される、トラッキング・システム１２５の詳細を機能的に示すブロック図である。トラッキング・システムは、半径方向および軸方向の両方のトラッキングに対して実質的に同様に動作する。調整器３３２は、（ｒ，ｚ）調整信号によって光学的焦点２２２の位置を空間的に調整し、その結果生じた調整を受けたデータ信号を光学記憶媒体１０２に送り込む。調整信号自体が、測定されたデータ信号とともに偏差決定部３３３に送り込まれ、その出力は、光学ユニット１０１にフィードバックされてその軸方向および半径方向のオフセットを補正する、エラー信号である。調整器３３２は、偏差決定部３３３と組み合わせて、トラッキングエラー補正装置を構成している。回転部３３４は、θの連続的な変化をもたらす。

図６は、（ｒ，ｚ）調整信号がその第１の入力に送り込まれ、かつ光学記録媒体１０２内の位置（ｒ，θ，ｚ）で光学ユニット１０１により読み取られるデータ信号がその第２の入力に送り込まれる第１の２入力乗算器３４０を備える、偏差決定部３３３の主要な機能を、簡略化された形で示している。乗算器３４０の出力は、半径および軸方向での複合（ｒ，ｚ）エラー信号をその出力に生成するようにデータ信号と調整信号との積を積分する窓積分器（window integrator）３４１に送り込まれる。

図面の図４ａおよび図４ｂを参照して一例として上に説明したように、調整信号は、ｍ＝（ｓｉｎ（ωｔ），ｃｏｓ（ωｔ））^ｔの形のシヌソイド関数とすることができる。そして、窓積分器の出力は次のように表すことができる。

強度Ｉ（ｔ）は、トラックの中央からの距離に非線形に反比例する。したがって、ヘッドがトラックの中央上方にあるときに調整強度は最も強く、ヘッドがそこから遠くに移動していくとゼロに減衰していく。「Ｔ」は、調整を受けた強度の平均がその間で取られるところの、積分器の時間窓の長さを表している。「Ｔ」は、反応時間に悪影響を与え、歪みを発生させるほど大きくするべきではないが、機械的な走査システムを構成するのが非常に困難であるため、小さくもしすぎるべきではない。

しかし、調整信号は、読取スポットの軸方向および半径方向におけるどちらの側にも光学的焦点２２２を動かす機能を果たす、任意の適当な周期関数でよい。したがって、それは、方形波関数または任意の他の適当な周期関数でもよい。調整信号の周波数は、データが読み取られる周波数よりも非常に低いものとする。したがって、窓積分器３４１はローパス・フィルターとして作用する。

連続的にデータを読み取り、同時に、読取ヘッドの位置を連続的に調整することにより、結果として生じる、読み取られる揺れ動く平均の信号強度を、軸方向および半径方向において、読取ヘッドが置かれた側を示すのに使用できるという原理に基づいてトラッキングは動作する。これを測定したならば、それから、軸方向および半径方向の両方においてトラックに対して対称に配置されたと認められるまで、光学的焦点を反対方向に移動させることができる。

特に、材料の大部分に書き込まれたボクセルにデータが格納されている、三次元光学記憶読出装置と共に用いるトラッキング・システムに関してトラッキング方法を説明してきたが、本発明の原理は、データが準線形のデータ列として格納されている他の種類の光学記憶媒体にも等しく適用可能であることが理解されるであろう。

図２に図示した実施形態は、本発明による装置を設計するときに当業者が利用可能な多くの実施形態のうちのほんの１つである。この実施形態からの変形の、いくつかの限定的ではない例には、次のものが含まれる。すなわち、レンズおよびミラーは、同じ結果に至らせると知られている任意の他の光学手段で置き換えてもよく、光ファイバーは、省略しても、任意の他の導波路で置き換えてもよく、ディスク取付部およびアーム軸の組合せは、ディスク表面１０２’に平行な平面内において共通の焦点の位置を制御する任意の他の手段で置き換えてもよい、等である。

好ましい実施形態はデータの読出しに向けられているが、本発明によるトラッキング・システムは、光学媒体にデータを書き込むときに用いるのにも等しく好適であるということにも注意すべきである。

所与の化合物のシス異性体とトランス異性体との間で２つの異なる密度比率を有する固溶体のＣＡＲＳスペクトルを示すグラフ 本発明による装置の概略図 本発明と共に用いる読取／書込みシステムを機能的に示すブロック図 図２の装置における読取ヘッドの位置を正弦波的に調整することの効果を示す説明図 図２の装置における読取ヘッドの位置を正弦波的に調整することの効果を示す説明図 図２に示した装置と共に用いるトラッキング・システムの詳細を示すブロック図 図２に示した装置と共に用いるトラッキング・システムの詳細を示すブロック図

Claims (52)

1. 三次元記憶媒体から情報を読み出すための方法であって、
   ２つの状態になりうる能動媒質を含む三次元記憶媒体であり、データユニットが、該媒体の所与の体積（volume）部分における前記２つの状態のうちの第１の状態と第２の状態との密度の間の比によって表され、データ列が、一連の前記データユニットによって表される、三次元記憶媒体を用いることと、
   前記密度比の特性を示す検出可能な非線形光学応答を、前記体積部分において生じさせるように、前記記憶媒体の一体積部分を通して光束を集中させるように光を前記能動媒質に照射することと、
   前記体積部分に格納された情報を読み出すために、前記非線形光学応答を検出することと、
   再生できるように、データ列を読み出すために該データ列を追跡することと、を含む方法。
2. 前記非線形光学応答がχ^（ｎ）過程と関係し、ｎは２よりも大きい、請求項１に記載の方法。
3. 前記能動媒質が、スチルベン誘導体、アゾベンゼン誘導体、またはそれらの混合物を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記能動媒質が支持基材内に埋め込まれている、請求項３に記載の方法。
5. 前記能動媒質が前記支持基材内へとドープされる、請求項４に記載の方法。
6. 前記支持基材がポリマーである、請求項４に記載の方法。
7. 前記能動媒質が、前記支持基材と共重合させたモノマーである、請求項６に記載の方法。
8. 前記支持基材が、その上に照射される光と、前記非線形光学過程により発生する光とに対して透明である、請求項４〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記支持基材が、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、および／またはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＴｈｅ）、および／または他の透明なポリマー材料である、請求項４〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記照射光が、該照射光の３０μｍ程度以下の半径を有するスポットに集められる、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記照射光の強度は、発生する信号がその上独立するのに十分なほど大きい、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記非線形的に発生した光が、フィルター、プリズム、モノクロメーター、または当技術分野で既知の任意の他の光学要素によって、環境内に存在しうる他の光信号から分離されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記非線形的に発生した光が、位相整合条件を満たすことによって、環境内に存在しうる他の光信号から分離されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
14. 前記非線形的に発生した光が、位相感度検波、低雑音増幅器、ロックイン増幅器、ボックスカー、ゲート平均の方法、または当技術分野で既知の任意の電子的方法によって、環境内に存在しうる他の光信号から分離されている、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
15. 情報がそこから読み出されるところの前記体積部分における大きなフラックスは、前記体積部分に２本以上の共線光ビームの焦点を合わせることで達成する、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 情報がそこから読み出されるところの前記体積部分における大きなフラックスは、それぞれが単色である２本以上の焦点を合わされた光ビームを交差させることで達成する、請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記非線形光学過程が多光子蛍光過程である、請求項１〜１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記非線形光学過程が二光子蛍光過程である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記非線形過程が、コヒーレント反ストークス・ラマン散乱（ＣＡＲＳ）、縮退四光波混合（ＤＦＷＭ）、ラマン誘起カー効果分光法（ＲＩＫＥＳ）、および／または他の四光波混合過程から選ばれる、請求項１〜１６のいずれかに記載の方法。
20. 前記記憶媒体の所定の体積部分に光スポットを向けるためのトラッキング・フィードバック信号により前記データ列を追跡する、請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。
21. （ａ）前記光学記憶媒体内の一トラック上に、名目上、焦点を合わせられた読取スポットを向け、
    （ｂ）軸方向および半径方向に連続的に前記読取スポットを動かし、
    （ｃ）半径方向および軸方向における前記トラックからのそれぞれのオフセットに従って変化する振幅を有する信号を受け取り、
    （ｄ）前記受け取った信号を用いて、半径方向および軸方向における前記トラックからのそれぞれのオフセットの方向を測定し、
    （ｅ）それによって前記読取スポットの位置を調整することにより、前記光学記憶媒体におけるトラッキングエラーを補正することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記読取スポットを向けることが、その交差体積部が前記読取スポットを構成する少なくとも２つの光源を向けることを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記読取スポットを動かすことが、周期関数に合わせて前記読取スポットの位置を調整することを含む、請求項２１または２２に記載の方法。
24. 前記周期関数が実質的にシヌソイドである、請求項２３に記載の方法。
25. 前記信号を受け取ることが、
    i）前記読取スポットを用いてデータ信号を読み取り、
    ii）前記データ信号に周期的調整信号を乗じて調整データ信号を形成し、
    iii）前記調整データ信号を低域フィルターにかけることを含む、請求項２１〜２４のいずれかに記載の方法。
26. 前記低域フィルターにかけることが、前記調整データ信号を窓積分（window integration）することを含む、請求項２５に記載の方法。
27. さらに、検出された信号を解析して処理することと、そこから情報を読み出すこととを含む、請求項１〜２６のいずれかに記載の方法。
28. 三次元記憶媒体から情報を読み出すための装置（１００）であって、
    ２つの状態になりうる能動媒質を含む三次元記憶媒体（１０２）であり、データユニットが、前記媒体の所与の体積部分における前記２つの状態のうちの第１の状態と第２の状態との密度の間の比によって表され、データ列が、一連の前記データユニットによって表される三次元記憶媒体を取り付けるための取付部（２０２）と、
    前記密度比の特性を示す検出可能な非線形光学応答を、前記体積部分において生じさせるように、前記記憶媒体の一体積部分を通して光束を集中させるように光を前記能動媒質に照射するための、少なくとも１つのコヒーレント光源（１０４、１０６）と、
    前記体積部分に格納された情報を読み出すために、前記非線形光学応答を検出するための検出器（１２０）と、
    再生できるように、データ列を読み出すために該データ列を追跡するためのトラッキング装置（１２５）と、を備える装置。
29. 前記非線形光学応答の特性が、波長、偏光、および伝播方向から選ばれる、請求項２８に記載の装置。
30. 前記少なくとも１つのコヒーレント光源が能動光源を含む、請求項２８に記載の装置。
31. 前記能動光源がレーザーである、請求項３０に記載の装置。
32. 前記少なくとも１つのコヒーレント光源が受動光源を含む、請求項２８に記載の装置。
33. 検出された信号を解析して処理し、そこから情報を読み出すためのアルゴリズムエラー検出器（１２８）をさらに含む、請求項２８〜３２のいずれかに記載の装置。
34. 前記トラッキング装置（１２５）が、前記記憶媒体の所定の体積部分に光スポットを向けるためのトラッキング・フィードバック信号により前記データ列を追跡するようにされている、請求項２８〜３３のいずれかに記載の装置。
35. 前記トラッキング装置（１２５）が、トラッキングエラーを補正するためのトラッキングエラー補正装置を含み、該トラッキングエラー補正装置が、
    前記読取スポットの位置を調整するための位置調整器（３３２）と、
    半径方向および軸方向におけるトラックからのそれぞれのオフセットに従って変化し、かつ半径方向および軸方向におけるトラックからのそれぞれのオフセットの方向を特定するようにデータ信号に応答する振幅を有する該データ信号を受け取るための制御偏差算出部（３３３）であり、オフセットを前記光学ユニットに送り込み、前記読取スポットの半径方向および軸方向の位置制御偏差を補正することができる、制御偏差算出部（３３３）と、を備える、請求項３４に記載の装置。
36. 前記読取スポットが、前記トラック上に焦点を合わされた少なくとも２つの光源の交差体積部である、請求項３５に記載の装置。
37. 前記位置調整器が、周期関数に合わせて前記読取スポットの位置を調整するようにされている、請求項３５に記載の装置。
38. 前記周期関数が実質的にシヌソイドである、請求項３７に記載の装置。
39. 前記制御偏差算出部が、
    前記データ信号に周期的調整信号を乗じて調整データ信号を形成するための乗算器（３４０）と、
    前記調整データ信号を低域フィルターにかけるためのローパスフィルター（３４１）と、を含む、請求項３５〜３８のいずれかに記載の装置。
40. 前記ローパスフィルターが窓積分器（window integrator）（３４１）である、請求項３９に記載の装置。
41. 光学記憶媒体の異なる層内に配置された複数のトラックを有する該光学記憶媒体においてトラッキングエラーを補正するための方法であって、
    （ａ）前記光学記憶媒体内の一トラック上に、名目上、焦点を合わせられた読取スポットを向けるステップと、
    （ｂ）軸方向および半径方向に連続的に前記読取スポットを動かすステップと、
    （ｃ）半径方向および軸方向における前記トラックからのそれぞれのオフセットに従って変化する振幅を有する信号を受け取るステップと、
    （ｄ）前記受け取った信号を用いて、半径方向および軸方向における前記トラックからのそれぞれのオフセットの方向を測定するステップと、
    （ｅ）それによって前記読取スポットの位置を調整するステップと、を含む方法。
42. 前記ステップ（ａ）が、その交差体積部が前記読取スポットを構成する少なくとも２つの光源を向けるステップを含む、請求項４１に記載の方法。
43. 前記ステップ（ｂ）が、周期関数に合わせて前記読取スポットの位置を調整するステップを含む、請求項４１または４２に記載の方法。
44. 前記周期関数が実質的にシヌソイドである、請求項４３に記載の方法。
45. 前記ステップ（ｃ）が、
    i）前記読取スポットを用いてデータ信号を読み取るステップと、
    ii）前記データ信号に周期的調整信号を乗じて調整データ信号を形成するステップと、
    iii）前記調整データ信号を低域フィルターにかけるステップと、を含む、請求項４１〜４４のいずれかに記載の方法。
46. 前記ステップ（iii）が、前記調整データ信号を窓積分するステップを含む、請求項４５に記載の方法。
47. 光学ヘッドによって光学記憶媒体内のトラックに向けられた焦点を合わされた読取スポットにより読み取られる、該光学記憶媒体の異なる層内に配置された複数のトラックを有する該光学記憶媒体において、トラッキングエラーを補正するためのエラー補正装置であって、
    前記読取スポットの位置を調整するための位置調整器と、
    半径方向および軸方向におけるトラックからのそれぞれのオフセットに従って変化し、かつ半径方向および軸方向におけるトラックからのそれぞれのオフセットの方向を特定するようにデータ信号に応答する振幅を有する該データ信号を受け取るための制御偏差部であり、オフセットを前記光学ヘッドに送り込み、前記読取スポットの半径方向および軸方向の位置制御偏差を補正することができる、制御偏差部と、を備えるエラー補正装置。
48. 前記読取スポットが、前記トラック上に焦点を合わされた少なくとも２つの光源の交差体積部である、請求項４７に記載の装置。
49. 前記位置調整器が、周期関数に合わせて前記読取スポットの位置を調整する、請求項４７または４８に記載の装置。
50. 前記周期関数が実質的にシヌソイドである、請求項４９に記載の装置。
51. 前記制御偏差部が、
    前記データ信号に周期的調整信号を乗じて調整データ信号を形成するための乗算器と、
    前記調整データ信号を低域フィルターにかけるためのローパスフィルターと、を含む、請求項４７〜５０のいずれかに記載の装置。
52. 前記ローパスフィルターが窓積分器である、請求項５１に記載の装置。

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