JP6014168B2 - 光記録装置及び光記録方法 - Google Patents

Description

本発明は、光を用いて媒体に情報を記録する装置、光記録方法及び情報記録媒体に関する。

石英ガラス等の透明な媒体の内部に短パルスレーザを集光すると、周囲と屈折率が異なる微小な変性領域が形成されることが知られている。そのような微小な変性領域を媒体内部に３次元的に多数形成して情報の記録に利用することが検討されている。特許文献１、２及び非特許文献１、２は、ガラス等に局所的に周囲のガラスとは屈折率が異なる記録マークを形成した３次元メモリについて記載されている。短パルスレーザによって局所的な変性が形成されるメカニズムについては、例えば非特許文献３に記載されている。特許文献３には、フェムト秒レーザと空間位相変調器を用いて複数の光スポットを形成し、石英ガラスなど透明材料内部に光導波路を形成する技術が開示されている。形成する導波路の形状に応じて光スポットのパターン要素数を変化させることで、導波路の連続性が向上するとされている。また、非特許文献４にはフェムト秒レーザと空間位相変調器を用いた石英ガラスへの多点一括記録技術が開示されており、Ｓ／Ｎを用いて定量評価した結果が示されている。

USP5,694,249 USP5,761,111 特開２０１０−１８４２６５

E. N. Glezer, et. al., "Three-dimensional optical storage inside transparent materials", Opt. Lett., Vol. 21, No. 24, pp. 2023-2025 (1996) E. N. Glezer, et. al., "Ultrafast-laser driven micro-explosions in transparent materials", Appl.Phys. Lett. Vol. 71, No.7, pp. 882-884 (1997) M. Sakakura, et. al., "Improved phase hologram design for generating symmetric light spots and its application for laser writing of waveguides", Opt. Lett., Vol. 36, No. 7, pp. 1065-1067 (2011) M. Shiozawa, et al., "Simultaneous Multi-Bit Recording in Fused Silica for Permanent Storage", Proc. International Symposium on Optical Memory 2012, pp.26-27 (2012)

上記の技術をストレージに適用する場合、記録品質と記録密度の両立が課題となる。複数の光スポットで同時にドットを形成すると、スポット間の接近にともなってドットの潰れやドットの欠落が発生し、記録品質が低下することが、新たに判明した。一方、スポット間の間隔を確保しようとすると、記録ドットの間隔が広がり記録密度が低下してしまう。しかしながら、上記何れの従来例にも、記録品質と記録密度の両立は考慮されておらず、高信頼度と高密度記録を共に達成することは、不可能であった。

そこで、本願では、下記の構成とすることとした。
（１）レーザ光を、２次元のパターンが印加された空間位相変調器を介して、記録媒体内部に照射することによって、周囲と屈折率が異なる所定のドットピッチの複数のドットを一括形成し、続いて、前記形成されたドット間に、次のドットを形成する情報記録方法とする。
（２）レーザ光源と、記録媒体を設置するためのステージと、レーザ光源とステージとの間に、前記記録媒体にドットを記録するための２次元のパターンが印加される空間位相変調器と、記録媒体内部にレーザ光を集光して当該２次元のパターンに対応する複数の光スポットを形成し、所定のドットピッチの複数のドットを形成する集光光学系と、記録したドット間に次のドットを記録するように記録位置を変化させる手段とを有する情報記録装置とする。

上記のように、記録したドット間に次のドットを記録することによって、記録品質と記録密度を両立することが可能となる。

本実施例の記録装置構成の例を示す図。 本実施例の再生光学系の構成例を示す図。 本実施例の再生光学系の別の構成例を示す図。 ドットが内部に記録された記録媒体の顕微鏡像の例。 ドットピッチとドット間隔の定義を示す図。 ドットピッチを変化させて６４ドットを一括記録した媒体の顕微鏡像の例。 ドットピッチとＳ／Ｎの関係の例を示した図。 記録パターンの分割方法の例を示す図。 本実施例の記録手順の例を示す図。 記録パターンの分割数の決定方法を示す図。 本実施例の記録方法のフローチャートを示す図。 本実施例によって記録した媒体の顕微鏡像の例。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の記録方法に用いる装置構成の例を示した図である。本装置は、記録光学系、再生光学系、および装置全体を制御するコントローラ１００から構成されている。まず記録光学系について説明する。レーザ１０１はレーザ光１０２を出射する。レーザ１０１は、例えばチタンサファイアレーザやＱスイッチＹＡＧレーザ、ファイバレーザなど、ピークパワーが高く、非線形光学効果を誘起可能な短パルスレーザが挙げられる。シャッタ１０３およびアッテネータ１０４は、レーザ光１０２の記録媒体１０７への照射制御やパワー制御を行う。なお、シャッタ１０３およびアッテネータ１０４はレーザ１０１に内蔵してもよいし、波長板と偏光板を組み合わせて同様の機能を実現してもよい。空間位相変調器１１３は、コントローラ１００によって印加されるホログラムパターンに基づいて、入射したレーザ光１０２の位相を領域ごとに変化させる。空間位相変調器１１３は、例えば複数の液晶素子を格子状に備え、液晶素子ごとに配向方向を変化させることで実現可能である。なお、ここでは空間位相変調器１１３がレーザ光１０２を透過する例を示したが、レーザ光１０２を空間位相変調器１１３に反射させることで位相変調を行ってもよい。ダイクロイックミラー１０５はレーザ光１０２を反射し、後述する再生光１０９を透過する。レンズ１０６にてレーザ光１０２を記録媒体１０７に集光することにより、空間位相変調器１１３に印加されたホログラムパターンに対応した複数の光スポット１１４からなる多点スポットをｘｙ面内に形成する。形成した多点スポットにより、記録媒体１０７の内部または表面に複数のドットを一括記録する。空間位相変調器に印加するホログラムパターンを変化させることで、任意の位置に任意の数のドットを記録することができる。なお記録媒体１０７の例としては、石英ガラスなどレーザ光１０２に対して透明な媒体が挙げられる。ステージ１０８は例えばピエゾやステッピングモータによって記録媒体１０７の位置制御を行う。

つぎに、再生光学系について説明する。再生用光源１１０は再生光１０９を出射する。再生用光源としては、ＬＥＤや半導体レーザなどが挙げられる。再生光１０９は、記録媒体１０７を透過してカメラ１１２に集光する。カメラ１１２はレーザ光１０２の入射方向(ｚ方向)からの観察により、記録されたドットおよび周囲のモニタが可能である。カメラ１１２はモニタした画像をコントローラ１００に出力する。コントローラ１００は、入力された画像からドットおよび周囲の明るさを測定する。また測定した明るさに基づいて、後述するエラーレートやＳ／Ｎを算出するとともに、信号処理やデコードなどを行い、データを再生する。図１(ｂ)（ｃ）は再生光学系の構成の別例を示す図である。図１(ｂ)（ｃ）に示すように、記録媒体に対して再生用光源１１０とカメラ１１２が同じ側に設置し、記録媒体で反射した再生光１０９によってドットをモニタしてもよい。図１（ｃ）のようにレーザ光１０２と対向するように再生光１０９を照射する場合には、集光レンズ１１４によって記録媒体に再生光１０９を集光すればよい。なお、再生用光源１１０は必須ではなく、外部の自然光などを利用してもよい。また、再生光学系を記録光学系に付随させず、別途同様な構成の再生光学系や光学顕微鏡などを用いてドットをモニタしてもよい。

図２(ａ)は、ドットが内部に記録された記録媒体１０７の顕微鏡像の例である。レーザ光１０２が集光した領域はドット２０１として観察が可能であり、ドット２０１の有無をデータの０と１に対応させることでデジタルデータの記録再生を行うことができる。またモニタした画像から、記録再生品質の評価指標として次のようにエラーレートやＳ／Ｎを算出することが可能である。エラーレートについては、明るさに閾値を設けてデータの０と１を判定し、元データと比較することにより算出する。Ｓ／Ｎについては、ドットとスペース２０２の平均明るさの差を信号振幅とし、ドットとスペースそれぞれの明るさの標準偏差をＲＭＳ加算した値をノイズとして、数１の演算によって算出する。

数１において、σd 、σsはそれぞれドットとスペースの明るさばらつき、Vd 、Vsはそれぞれドットとスペースの平均明るさを表す。また、根号は(σd2 +σs2)に対する演算、|Vd - Vs|は絶対値を取ることを示している。なお、ここではｘｙ面内にドットを記録し単一の記録層を形成した例を示したが、Ｚ方向に異なる位置に複数の記録層を形成してもよい。記録層の多層化によって、単層に対して記録容量を向上できるためである。複数の記録層を形成する方法としては、例えばステージ１０８の移動や、空間位相変調器１１３に印加するホログラムパターンを変化させる方法が挙げられる。

図２（ｂ）は、ドット間の距離を定量づける指標の定義を示した図である。ドット２０１の中心位置と、隣接するドットの中心位置との距離を「ドットピッチ」と定義する。また、ドット２０１のエッジ位置と、隣接するドットのエッジ位置との距離を「ドット間隔」と呼称する。ここで、エッジ位置とは例えばドットの明るさのプロファイルにおいて、スペースまたは未記録領域の明るさと同一となる位置、あるいはスペースまたは未記録領域に対して明るさが１０％変化した位置などである。また、ドットのエッジ位置から他方のエッジ位置までの距離を「ドットサイズ」と定義する。図３は、ドットピッチを変化させて６４ドットを一括記録した媒体の顕微鏡像の例である。ドットピッチが３．１μｍの場合は、ドットの潰れやドットの連結が発生している。また５．４μｍの場合もドットのサイズや明度が不均一であり、一部のドットが欠落している。これらは記録品質の低下を示しており、多点スポット間の光の干渉によるスポットの強度変化やドット形成時のドット間の相互作用に起因していると考えられる。

図４は、図３に基づいてドットピッチとＳ／Ｎの関係を示した図である。ドットピッチの増加に伴ってＳ／Ｎが増加しており、記録品質を確保するためにはドットピッチを広げる必要があることを示している。なお、図４の関係は記録光学系の構成や記録パワーなどによって変化するため、この限りではない。

図５（ａ）（ｂ）は、本発明にしたがう記録方法の例を示す図である。図５（ａ）に示すように、所望の記録パターンを記録品質が確保可能なドットピッチとなるよう複数のパターンに分割する。つぎに、図５（ｂ）に示すように分割したパターンにて一括記録を行い、記録位置を変化させて再度一括記録を行う。これを複数回繰り返すことで、記録品質を確保すると共に所望の記録密度を達成することができる。記録位置を変化させる手段としては、空間位相変調器によって生成する多点スポットの位置を変化させるのが簡便で好ましいが、ピエゾやステッピングモータによってステージを移動させ、記録媒体の位置を変化させても良い。なお、図５では一面がドットである記録パターンの例を示したが、任意の記録パターンに対して本記録方法を適用することができる。

図６は、図５で説明した記録方法において、記録パターンの分割数の決定方法を示す図である。６０１にて、図３に示したようにドットピッチを変化させて一括記録を行う。記録を行う領域としては、例えば試し書き用に設けられた領域など、ユーザーデータ領域とは異なる領域が望ましい。６０２にて各記録結果に対してＳ／Ｎ評価を行い、図４に示したドットピッチとＳ／Ｎの関係を取得する。６０３にて、記録品質の仕様を満足し、所望のドットピッチの整数倍もしくはドットサイズの整数倍で、かつ分割数が最小となる条件から、一括記録のドットピッチおよび分割数を導出する。図４の例では、Ｓ／Ｎの基準値を例えば１２ｄＢとすると、一括記録で所望の記録品質を確保するためにはドットピッチを５μｍ以上確保する必要がある。この場合ドットの欠落が発生する可能性があるが、エラー訂正処理によってデータの復号が可能である。所望のドットピッチを例えば２．８μｍとすると、その２倍の５．６μｍを一括記録のドットピッチとして、ｘ方向ｙ方向で２回に分割して記録すればよい。また、ドットサイズの整数倍から一括記録のドットピッチを決定する場合には、例えばドットの直径が２μｍとすると、６μｍを一括記録のドットピッチとしてｘ方向ｙ方向で３回に分割して記録すればよい。

なお、図６では、理想的な例として分割数が最小となるように仕様を決定したが、これに限らず、複数回繰り返し照射するようにしても良い。究極には、記録時間がかかるものの、記録領域の端部にドットを一括記録し、そのドット間を埋めるように繰り返し照射することも可能ではある。

図７は、記録を開始してから所望の記録状態となるまでのフローチャートの例である。７０１にてコントローラ１００が記録開始の指令を行う。７０２にて記録パワーや多スポットの集光位置などを調整する。７０３にて、図６で説明した方法に従って記録パターンを複数のパターンに分割する。７０４にて分割したパターンで一括記録を行い、７０５にて記録位置を変化させて７０６にて再度一括記録を行う。７０７にて記録密度や記録パターンなどが所望の状態となっているかを確認し、所望の状態でなければ７０５に戻り、記録を継続する。所望の状態であれば７０８にて記録を終了する。

本記録方法を用いることで、例えばドットサイズが１μｍ以上、ドット間隔を１μｍから２μｍとして記録が可能となる。このような記録条件とすることで、顕微鏡など簡便な光学系によっても高Ｓ／Ｎで再生可能となり、また所定の記録密度を確保できることから実用上有益である。なお、非特許文献２には、ドットの直径を200〜250nm、ドット間隔を１μｍ、２μｍ、３μｍ、とすることが記載されているが、本願のようにパターン分割して照射するものではないため、本願のような記録パターンには、なり得ない。

図８は、本発明にしたがう記録方法によって記録した媒体の顕微鏡像の例である。一括記録するドットピッチを８．４μｍとし、集光位置を変化させて一括記録を９回繰り返すことでドットピッチを２．８μｍとした。この条件では、ドットサイズが約１．５μｍ、ドット間隔が約１．３μｍとなり、本記録方法によって記録密度と記録品質が両立されている。

１００：コントローラ、１０１：レーザ、１０２：レーザ光、１０３：シャッタ、１０４：アッテネータ、１０５：ダイクロイックミラー、１０６：レンズ、１０７：記録媒体、１０８：ステージ、１０９：再生光、１１０：再生用光源、１１２：カメラ、１１３：空間位相変調器、１１４：集光レンズ、２０１：ドット、２０２：スペース

Claims (9)

1. レーザ光を、２次元のパターンが印加された空間位相変調器を介して、記録媒体内部に照射することによって、周囲と屈折率が異なる所定のドットピッチの複数のドットを、一括形成するステップと、
   前記形成されたドット間に、次のドットを形成するステップとを有することを特徴とする光記録方法。
2. 前記次のドットを形成するステップは、前記空間位相変調器のパターンを変化させることにより行われることを特徴とする請求項１記載の光記録方法。
3. 前記次のドットを形成するステップも、複数のドットを一括形成するステップであることを特徴とする請求項１の光記録方法。
4. 前記所定のドットピッチが５μｍ以上であることを特徴とする請求項１の光記録方法。
5. 前記次のドットを形成するステップは、繰り返し行われることを特徴とする請求項１の光記録方法。
6. 前記所定のドットピッチは、下記に基づいて決定されることを特徴とする請求項１記載の光記録方法
   （ａ）テストパターンを、ドットピッチを変化させて記録するステップと、
   （ｂ）前記ドットピッチそれぞれについて、記録品質を評価するステップと、
   （ｃ）前記評価した結果、前記記録品質が所定値以上のドットピッチを決定するステップ。
7. 前記（ｃ）のステップは、更に、分割数が最小であるように、前記ドットピッチを決定することを特徴とする請求項６記載の光記録方法。
8. レーザ光源と、
   記録媒体を設置するためのステージと、
   前記レーザ光源と前記ステージとの間に設けられた、前記記録媒体にドットを記録するための２次元のパターンが印加される空間位相変調器と、
   前記２次元のパターンに対応する複数の光スポットを形成し、前記記録媒体内部に所定のドットピッチの複数のドットを形成する集光光学系と、
   前記形成されたドット間に別のドットを記録するように記録位置を変化させる手段とを有することを特徴とする光記録装置。
9. 前記記録位置を変化させる手段は、前記空間位相変調器のパターンを変化させることにより行われることを特徴とする請求項８記載の光記録装置。

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