JP2008175925A - 光情報記録再生装置および光記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】ホログラムによる情報記録装置において、記録する光束中の信号領域をできるだけ広く確保するとともに、再生時の光パワ損失を抑える。
【解決手段】光束に対して空間光変調器による信号変調をかける前に光を第1の光分岐素子によって分岐しておき、信号光は空間光変調器の全面を照射させるとともに、参照光は空間光変調器のごく一部の領域に集光させる。これによって参照光に割り当てる領域を減らすことができ、信号光として用いる領域を広く確保することができる。また第1の光分岐素子によって分岐させる参照光束と信号光束の強度比を可変としておくことにより、記録時は参照光束と信号光束をほぼ１対１として記録するホログラムのビジビリティを確保するとともに、再生時には信号光束の強度を０としてすべての光パワを参照光束に割り当てることにより再生時の光パワ損失を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホログラム記録原理を用いて、情報を二次元的により高速に記録再生する光情報記録再生装置、並びに当該光情報記録再生装置で使用することが好適な光記録媒体に関する。

光情報記録再生装置としては、光記録媒体として知られているCDやDVD、Blu-ray Discなどの光ディスクを記録媒体として使用する装置が一般的である。例えば、半導体レーザなどの光源から生成されたスポットをレンズでディスク上に集光させ、ディスク上で反射して再びレンズに戻る光量を検出することによってディスクに記録されている情報ピットの信号を再生する。現在これらの光記録媒体は映画や音楽の大量頒布媒体や、ビデオ記録媒体、パソコンの情報保存媒体として広く普及している。しかし磁気ディスクなどの磁気記録媒体が数１００GBという大容量となり、近年そのバックアップメディアとして用いられる記録メディアとして、光ディスクにも同等の容量が求められている。そのためBlu-ray Discの２５GBの容量から、さらに数１００GBに向けての大容量化が期待されている。

大容量光記録媒体として、特許文献１や特許文献２などにおいてホログラム記録方式が提案されている。これらはともに光束中のたくさんの記録情報について、空間光変調器により二次元的に強度変調された光を、参照光とともに感光媒体に照射し、それらの干渉縞（ホログラム）を感光媒体に記録することによって情報を記録する方式である。再生する時には同じ条件で記録するときに用いた参照光を照射すると、記録媒体中に記録されているホログラムが回折格子のように作用して回折光を生じる。これが、記録した信号光と位相情報を含めてまったく同一の光として再生される。通常の回折格子は平面上に光の波長の数分の１という深さの凹凸形状を格子状に形成するだけであるために、光の進行方向で相互に作用する作用長が短い。このため入射光の角度選択性がなく、広い角度範囲の入射光で回折光が生じる。これに対しホログラム記録では感光材料を波長よりも十分厚くしておくことにより、光の進行方向での作用長が長くなり、たくさんの格子による反射光が相互に作用して、まさに記録時と同一の参照光を照射した場合だけに回折光を生じるようにすることができる（ブラッグ回折）。この選択性を用いて、複数のホログラムを重ねがきすることも可能であり、さらなる大容量化が可能となる。また再生時には、１枚のホログラムに二次元的に記録したたくさんの情報が同時に再生されるため、大容量化とともにより高速な記録再生にも有効である。

特許文献１においては、光記録媒体に対して斜めに、信号光束をレンズで集光するのと同時に、平行光束の参照光を照射して干渉させる方式が開示されている。

特許文献２においては、光記録媒体に対して垂直に、信号光束をレンズで集光するときに、同じレンズで集光する集光光束の周辺の光を参照光とする方式が開示されている。

特開２００４−２７２２６８号公報 国際公開ＷＯ２００４／１０２５４２号公報

特許文献１の方式においては、光記録媒体に対して斜めに集光するとともに、参照光を光軸の異なる別の光学系により照射している。このような二軸の光学系では一般に光学系の局所的な変形や振動に対して、２つの光路で作用のしかたが異なることが多く、これらが異なることによって干渉しあう光相互の位相差が不安定となり、形成される干渉縞にぼけやにじみが生じやすい。逆にこれを避けるために、光路を強固にしたり、除震したりする必要から装置全体が大きく重くなりやすく、現在のDVDなどの延長上として想定する光ディスク装置としては過度に高価となる可能性が高い。

特許文献２の方式においては、これに対して参照光が信号光に対して光軸を共有する形で配置されているため、基本的には光路が共通であり、前記の二軸光学系の場合に懸念される光学系の安定性の問題は大幅に改善される。しかし光束のほぼ半分の面積を参照光に充てる必要から、情報領域が約半分となってしまう。また再生時には信号光束領域の光は変調器によって遮蔽して記録媒体に照射する必要があることから、光パワー損失が大きく、十分な再生信号S/N比を確保するために、信号の再生速度を遅くする必要がある。

以上のことから、本願において解決しようとする課題は、信号光と参照光の光軸を同一とした光学系において、光記録媒体に集光する光束における信号領域を、できるだけ広く確保するとともに、再生時の光パワー損失を抑えることである。

前記課題を解決するために、光束に対して空間光変調器による信号変調をかける前に、第1の光分岐素子によって光を分岐しておき、信号光は空間光変調器の全面を照射させるとともに、参照光は空間光変調器のごく一部の領域に集光させる。これによって参照光に割り当てる領域を減らすことができ、信号光として用いる領域を広く確保することができる。

また第1の光分岐素子によって分岐させる参照光束と信号光束との強度比を可変としておくことにより、記録時は参照光束と信号光束とをほぼ１対１として記録するホログラムのビジビリティを確保するとともに、再生時には信号光束の強度を０として、すべての光パワーを参照光束に割り当てることにより再生時の光パワー損失を抑えることができる。

また空間光変調器としてデジタルミラーデバイス（DMD）などの反射型の変調器を用いる場合には、参照光束を集光する位置に微小ミラーを配置することにより、参照光の反射率を高めて光量損失を防ぐことができるとともに、高い光パワー密度に対して生じる変調器へのダメージを軽減することができる。

また空間光変調器に参照光束を集光する位置を光軸上とすることによって、光軸の共通化が維持され、光学系の変形や振動に対する安定性を確保することができる。

また、ディスクからの参照光の反射光を選択的に検出する光検出器を具備させることによって、この光からディスク上の集光位置の制御信号を得ることができる。従来の光ディスクにおいて用いられる非点収差検出方式や、ビームサイズ検出方式、ナイフエッジ方式などの焦点ずれ検出方式をこの場合にも適用することが可能であり、これによって焦点ずれ信号を得ることができる。さらに光記録媒体上に案内溝と高反射率ピット列を配置しておくことにより、その反射光からトラッキング信号を得ることができる。これらによって記録時の集光位置と再生時の集光位置を同一に制御することが可能となり、高い再生信号品質を得ることができる。

また空間光変調器において、記録情報により記録信号光束を強度変調するとともに、ランダムな位相変調を加えることにより、中心領域で過度に干渉強度が強くなるのを防ぐことができる。これにより感光媒体による露光のダイナミックレンジを有効に活用することができ、多重記録度を向上させることができる。

さらに光情報記録媒体においては、ガラスやプラスチックなどの透明基板の表面に厚さ１ｍｍ程度のフォトポリマーなどの感光材料層を具備して、透明基板の裏面には、ピット深さを約λ／（４ｎ）（λ：光波長、ｎ：基板屈折率）とした低反射率のピット列を具備させる。これによりピット列にトラッキング制御された参照光が、ピット間に位置して高反射率となるときにホログラムが形成されるようにする。ピット深さをλ／（４ｎ）としておくことにより、ピットにおける反射率を抑制するとともに、このピット深さで最も信号振幅が大きくなる位相差法（DPD法）によるトラッキング信号検出が可能となる。

大容量かつ高速なホログラム記録再生システムが、従来の光ディスク装置と同様に簡単な構成で実現できるようになり、大容量の磁気ディスク装置のバックアップ装置として、好適な装置を実現できる。

以下、図を用いて本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の基本的な実施形態を示す図である。

半導体レーザ光源101からの光がカップリングレンズ102により集光され、参照光束105として可変光分岐素子103を透過し、複合プリズム106の偏光プリズム反射面107を反射して、λ／４板108を透過して、空間光変調器109の中央に具備された微小ミラー110に収束されている。また可変光分岐素子103は液晶ドライバ回路126からの印加電圧に応じて入射する光束の一部を平行光束に変換して記録光束104として同様の経路で空間光変調器109の全面を照射させる。可変分岐素子103はフレネルゾーンプレート状の透明電極パターンを具備したガラス基板により液晶分子がはさみ込まれた構造となっており、電圧印加によって液晶分子の配向が変化し、配向方向に沿った直線偏光に対して位相差を生じて回折レンズ作用を生じるものである。λ／４板108は入射する参照光束105と記録光束104を円偏光に変換させている。空間光変調器109はデジタルミラーデバイス（DMD）と呼ばれる微小可変MEMS（Micro Electro-Mechanical System）ミラーアレイによって構成されており、空間光変調器ドライバ127により各ピクセルに印加される変調信号に応じて微小可変MEMSミラーを傾斜させることができる。これにより微小可変MEMSミラーが傾斜されると反射光の方向が大きく傾くことによって実質的に反射光強度をON/OFF変調させる。さらにDMD表面には図示しないランダム位相シフトフィルタが具備されており、反射光の位相分布は固定的にランダムに変調される。これによって信号光束が相互に干渉しあって光記録媒体上に極度に強いパワー密度のスポットが形成されるのを避けることができる。局所的に強いパワー密度が集中するとその領域だけで感光材料が完全に感光してしまい、必要な多重露光ができなくなってしまう。それを避けるためにランダム位相シフトは必要である。微小ミラー110を反射した参照光束と、１つの微小可変ミラーを反射した信号光束（代表点として光束111で図示した）は再びλ／４板108を通って入射時と直交する直線偏光に変換され、複合プリズム106の偏光プリズム反射面107を透過し、第2のλ／４板112によって再び円偏光に変換され、集光レンズ113によって、光記録媒体115に集光される。

記録媒体115はフォトポリマー感光材料層116とピット列118を有する透明基板117とによって構成されている。ピット列118はその深さがほぼ波長の１／４の光路長となっており、DVDで用いられている位相差法（Differential Phase Detection: DPD法）によるトラッキング信号が検出できるようにする。さらにこのピットは記録するホログラムの位置を決めるためのアドレスの役割も担っている。すなわちピット上に集光される参照光束のスポットの反射光量が干渉により低下するので、反射参照光束の総光量信号のパルスをカウントすることによってアドレスがわかるのである。図２にピットとスポットの相対的な位置関係を示す。DPD法により参照光束の集光スポット202がピット列205の上をトラッキングしている場合、ピット201上のスポット202の位置では反射率が下がり、ピット201と204との間のスポット203の位置では反射率が高くなることから、スポットが203の位置にあるときに１枚のホログラムを記録するようにする。そしてスポットがピット間にあるときには空間光変調器109で信号光束を反射させるようにする。あるいはそのような信号光束のOn/Off制御は可変分岐素子103で行ってもよい。

図３は参照光束105と、代表点として空間光変調器109上の１つの可変微小ミラーを反射した信号光束111との干渉によるホログラム形成領域を示す図である。ホログラム301はフォトポリマー感光材料層116の中で、参照光束105と信号光束111との重なった領域に形成される。実際上ホログラム301は、反射面302に向かう参照光束105の往路の光と、信号光束111の往路の光との間の第1の干渉縞のみならず、参照光束の復路光と信号光束の復路光とによる第2の干渉縞、参照光束の往路光と信号光束の復路光とによる第3の干渉縞、参照光束の復路光と信号光束の往路光とによる第4の干渉縞、の合計４つの干渉縞の重ね合わせとなる。第1、第2の干渉縞は記録媒体115の底面に略垂直な干渉縞層を形成する透過型のホログラムであり、第3、第4の干渉縞は同略平行な干渉縞層を形成する反射型のホログラムとなる。いずれのホログラムも、再生時の参照光束の照射により再生信号光束を生じるが、透過型ホログラムは参照光束の光軸と信号光束の光軸とのなす角が比較的小さいとき、ピッチが粗く干渉縞数が少なくなる。このため回折効率がやや低く、角度選択性の低い再生光が再生される。一方、反射型ホログラムは波長の１／２のピッチの細かい干渉縞層を形成するため、回折効率が高く、角度選択性が高い再生光が再生される。したがって実際上の再生光は後者が支配的となり、角度選択性が高く、隣接するホログラムをオーバーラップさせて、ある程度多重露光させても、クロストークを低く抑えることができる。

再び図１を用いて、引き続き検出光学系を説明する。記録媒体115から反射される再生信号光束と参照光束の残留成分とは、再び集光レンズ113に入射して屈折され、λ／４板112により最初にこのλ／４板に入射した時とは偏光が９０°回転した直線偏光となり、偏光プリズム反射面107を反射する。さらに第2のプリズム反射面119において透過した光は二次元光検出器アレイ120によって受光される。二次元光検出器アレイとしてはCCD素子やCＭOS素子などの撮像素子を用いることができる。二次元光検出器アレイは空間光変調器109の微小可変MEMSミラーアレイ上の光を結像する位置に配置されている。二次元光検出器アレイ120の画素のピッチは少なくとも空間光変調器109の微小可変MEMSミラーアレイのピッチ以下となっている必要がある。これにより空間光変調器109によって変調された記録信号が分解できるようにされている。このとき中心に集光される参照光束は信号検出には用いない。第2のプリズム反射面119を反射する光は、シリンドリカルレンズ121によって非点収差を付与されピンホール122により信号光束を除去し、参照光束だけが光検出器123に集光される。このとき光検出器123は、光記録媒体115上のピット列上に参照光束が集光されているとき、反射された参照光束が最小錯乱円を形成する位置に調整されている。これによって光検出器123の出力信号から、サーボ信号演算回路124により、焦点ずれ信号とトラッキング信号を得る。焦点ずれ信号検出は非点収差法、トラッキング信号検出は位相差法を用いている。ただしサーボ信号検出方法はこれらの方法に限定されるわけではなく、他の検出方法も有り得る。たとえば、焦点ずれ信号であればナイフエッジ法やビームサイズ法、トラッキング信号であればプッシュプル法などでもよい。ただしナイフエッジ法やビームサイズ法ではシリンドリカルレンズの代わりに回折格子などが必要となり、プッシュプル法ではピットによる片道の位相差がλ／４では信号が検出できないので、λ／６程度となるように深さを調整する必要がある。焦点ずれ信号とトラッキング信号などのサーボ信号は、コントローラー125内の図示しないサーボ回路により、焦点ずれ信号はレンズアクチュエータ114の光軸方向、およびトラッキング信号は記録媒体半径方向の駆動信号としてそれぞれアクチュエータドライバ回路130を経由してフィードバックされる。これにより、記録媒体115上のピット列に、常に参照光束の焦点位置を一致させるように照射することができる。これによって、記録時の参照光束とまったく同じ配置で参照光束を照射することが可能となり、ブラッグ反射による信号再生を効率よく行うことができるようになっている。コントローラー125は、ほかにも二次元光検出器ドライバ回路129を介して二次元光検出器120を制御し、空間光変調器ドライバ回路128を介して空間光変調器109を制御し、可変光分岐素子駆動回路127を介して可変光分岐素子103を制御し、半導体レーザドライバ回路126を介して半導体レーザ101を制御する。

図４はサーボ信号検出回路の構成を示す図である。光検出器123は４分割された光検出領域を有し、その対角方向に対して２つの領域の出力信号がそれぞれ加算されて、２組の信号となり、その２組の和信号の差を差動増幅器401により出力することで焦点ずれ信号（Focus Error Signal: FES）を得る。さらに前記２組の和信号の位相検出回路403、404により、ピット列からの信号の時間方向の位相を電圧信号で出力させこれらの差信号からトラッキング誤差信号（Tracking Error Signal: TES）を得る。DVDで用いられる位相差法によるトラキング信号検出においては、トラッキング誤差があるとピットによる光量信号が４分割光検出器における２組の対角方向に対して２領域の和信号に位相差を生じることを利用してトラッキング信号を検出している。本実施形態でもそれを用いている。

本発明はホログラム方式を利用した情報記録再生装置であり、ビデオレコーダ、大容量パソコンデータバックアップ装置などとしての利用が考えられる。

本発明の基本的な実施形態。 ピットとスポットの相対的な位置関係を示す図。 ホログラム形成領域を示す図。 サーボ信号検出回路の構成を示す図。

符号の説明

101：半導体レーザ光源、102：カップリングレンズ、103：可変光分岐素子、104：記録光束、105：参照光束、106：複合プリズム、107：偏光プリズム反射面、108：λ／４板、109：空間光変調器、110：微小ミラー、111：信号光束、112：λ／４板、113：集光レンズ、114：レンズアクチュエータ、115：記録媒体、116：フォトポリマー感光材料層、117：透明基板、118：ピット列、119：プリズム反射面、120：２次元光検出器アレイ、121：シリンドリカルレンズ、122：ピンホール、123：光検出器、124：サーボ信号演算回路、125：コントローラー、126：、127：空間光変調器ドライバ、128：空間光変調器ドライバ回路、129：２次元光検出器ドライバ回路、130：アクチュエータドライバ回路、201：ピット、202、203：スポット、204：ピット、205：ピット列、301：ホログラム、302：反射面、401、402：差動増幅器、403、404：位相差検出回路。

Claims (9)

1. レーザ光源と、該レーザ光源からの光を参照光束と記録光束に分岐させる第1の光分岐素子と、前記記録光束を複数領域に分割して記録情報に応じて独立に光強度または位相を変調することにより記録信号光束を生成する空間光変調器と、前記参照光束と前記記録信号光束を光記録媒体に照射する光照射手段と、前記記録媒体に参照光束を照射することによって再生される再生信号光束を前記レーザ光源からの光路から分岐させる第2の光分岐素子と、分岐された前記再生信号光束を受光する二次元光検出器アレイと、を少なくとも有する光情報記録再生装置であって、
   前記第1の光分岐素子は、光束全領域において前記参照光束と前記記録信号光束に強度を配分し、前記参照光束を前記空間光変調器上に局所的に集光し、位相分布を与える機能を有することを特徴とする光情報記録再生装置。
2. 前記位相分布を与える機能が、前記空間光変調器の変調領域全面に渡って前記記録光束を照射することを特徴とする請求項１記載の光情報記録再生装置。
3. 前記第1の光分岐素子は、前記参照光束と前記記録信号光束の強度比を可変とする機能を有することを特徴とする請求項１記載の光情報記録再生装置。
4. 前記空間光変調器は、反射光を変調する空間光変調器であって、その表面に微小ミラーを有し、前記第1の光分岐素子の与える位相分布によって、前記空間光変調器に局所的に集光する参照光束が、前記微小ミラーによって反射されるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の光情報記録再生装置。
5. 前記空間光変調器に参照光束を局所的に集光する位置が、光軸上であることを特徴とする請求項１記載の光情報記録再生装置。
6. 前記光記録媒体から反射される反射参照光束を受光する光検出器、前記光検出器の出力信号から前記光記録媒体上の照射光束位置制御信号を検出する検出手段、をさらに具備したことを特徴とする請求項１記載の光情報記録再生装置。
7. 前記空間光変調器は、照射される記録光束を複数領域に分割して記録情報に応じて独立に光強度を変調することにより記録信号光束を生成するとともに、各分割領域にランダムな位相分布を与える機能を具備することを特徴とする請求項１記載の光情報記録再生装置。
8. 参照光束と記録光束とを受光する光情報記録媒体であって、
   基板表面に感光材料層を具備し、前記基板の裏面に低反射率ピット列パターンを具備することを特徴とする光記録媒体。
9. 前記基板が、透明基板であることを特徴とする請求項８記載の光情報記録媒体。

Images