[方案]光盘的原理

[]光盘的原理 一.光盤的原理 光盘是如何造出来的,面对这个问题,可能很多人都没有回答出来。我们的台式电脑,可以通过组装的形式来制造,例如把处理器、内存、硬盘、主板等配件,安装在机箱里,就形成了一台电脑。而一块主板则是通过电路板布线、贴片、焊接、插件、再焊接等步骤完成的。然而,一张薄薄的光盘,它又如何才能制造出来呢, 要了解光盘的制造原理,首先就要了解光盘的结构,其结构同制造过程密切相关。大家都知道,光盘只是一个统称,它分成两类,一类是只读型光盘,其中包括CD-Audio、CD-Video、CD-ROM、DVD-Audio、DVD-Video、DVD-ROM等;另一类是可记录型光盘,它包括CD-R、CD-RW、DVD-R、DVD,R、DVD,RW、DVD-RAM、Double layer DVD,R等各种类型。 根据光盘结构,光盘主要分为CD、DVD、蓝光光盘等几种类型,这几种类型的光盘,在结构上有所区别,但主要结构原理是一致的。而只读的CD光盘和可记录的CD光盘在结构上没有区别,它们主要区别在材料的应用和某些制造工序的不同,DVD方面也是同样的道理。现在,我们就以CD光盘为例进行讲解。 我们常见的CD光盘非常薄,它只有1.2mm厚,但却包括了很多内容。从图1中可以看出,CD光盘主要分为五层,其中包括基板、记录层、反射层、保护层、印刷层等。现在,我们分别进行说明。 1.基板 它是各功能性结构(如沟槽等)的载体,其使用的材料是聚碳酸酯(PC),冲击韧性极好、使用温度范围大、尺寸稳定性好、耐候性、无毒性。一般来说,基板是无色透明的聚碳酸酯板,在整个光盘中,它不仅是沟槽等的载体,更是整体个光盘的物理外壳。CD光盘的基板厚度为1.2mm、直径为120mm,中间有孔,呈圆形,它是光盘的外形体现。光盘之所以能够随意取放,主要取决于基板的硬度。 在一般人的眼里,基板可能就是放在最底部的部分。不过,对于光盘而言,却并不相同。如果你把光盘比较光滑的一面(激光头面向的一面)面向你自己,那最表面的一面就是基板。需要说明的是,在基板方面,CD、CD,R、CD,RW之间是没有区别的。 2.记录层(染料层) 这是烧录时刻录信号的地方,其主要的工作原理是在基板上涂抹上专用的有机染料,以供激光记录信息。由于烧录前后的反射率不同,经由激光读取不同长度的信号时,通过反射率的变化形成0与1信号,借以读取信息。目前市场上存在三大类有机染料:花菁(Cyanine)、酞菁 (Phthalocyanine) 及偶氮 (AZO) 。 目前,一次性记录的CD-R光盘主要采用(酞菁)有机染料,当此光盘在进行烧录时,激光就会对在基板上涂的有机染料,进行烧录,直接烧录成一个接一个的"坑",这样有"坑"和没有"坑"的状态就形成了‘0'和‘1'的信号,这一个接一个的"坑"是不能回复的,也就是当烧成"坑"之后,将永久性地保持现状,这也就意味着此光盘不能重复擦写。这一连串的"0"、"1"信息,就组成了二进制代码,从而表示特定的数据。 在这里,需要特别说明的是,对于可重复擦写的CD-RW而言,所涂抹的就不是有机染料,而是某种碳性物质,当激光在烧录时,就不是烧成一个接一个的"坑",而是改变碳性物质的极性,通过改变碳性物质的极性,来形成特定的"0"、"1"代码序列。这种碳性物质的极性是可以重复改变的,这也就表示此光盘可以重复擦写。 3.反射层 这是光盘的第三层,它是反射光驱激光光束的区域,借反射的激光光束读取光盘片中的资料。其材料为纯度为99.99%的纯银金属。 这个比较容易理解,它就如同我们经常用到的镜子一样,此层就代表镜子的银反射层,光线到达此层,就会反射回去。一般来说,我们的光盘可以当作镜子用,就是因为有这一层的缘故。 4.保护层 它是用来保护光盘中的反射层及染料层防止信号被破坏。材料为光固化丙烯酸类物质。另外现在市场使用的DVD+/-R系列还需在以上的工艺上加入胶合部份。 5.印刷层 印刷盘片的客户标识、容量等相关资讯的地方,这就是光盘的背面。其实,它不仅可以标明信息,还可以起到一定的保护光盘的作用。 图1 CD-R光盘各结构层 光盘为何如此薄, 从主要结构来讲,CD、DVD光盘的结构是一致的,只不过,它们的厚度和用料有所不同。在上面的介绍中,我们提到CD光盘的厚度为1.2mm,这个厚度是否可以改变,回答是否定的。 、DVD、蓝光光盘的激光是不同的。大家都知道,CD的容量只 在实际应用中,读取和烧录CD 有700MB左右,而DVD则可以达到4.7GB,而蓝光光盘更是可以达到25GB。它们之间的容量差别 ,同其相关的激光光束的波长密切相关。 一般而言,光盘片的记录密度受限于读出的光点大小,即光学的绕射极限(Diffraction Limit) ,其中包括激光波长λ,物镜的数值孔径NA。所以传统光盘技术要提高记录密度,一般可使用短波长激光或提高物镜的数值孔径使光点缩小,例如CD(780nm,NA:0.45)提升至DVD(650nm,NA:0.6),再到Blu-ray Disc盘片(405nm,NA:0.85),如图2所示。 对于CD光盘,其激光波长为780nm,物镜的数值孔径NA为0.45,激光束会集到一点的距离需要1.2mm,这就决定了CD光盘基板的厚度为1.2mm。不管是CD光盘的基板过厚,还是过薄,激光束都不能会集到一点,从而严重影响数据的烧录和读取。 从图2中我们可以看到,DVD光盘的激光波长为650nm,物镜的数值孔径NA为0.6,而激光束会集到一点的距离只需要0.6mm,这决定DVD光盘基板的厚度为0.6mm。不过,0.6mm的厚度太薄,其制造出来的光盘也会因为太薄而容易折断。因此,在DVD的实际制造过程中,会把两片0.6mm厚的基板迭合在一起,共同组成1.2mm的厚度。当然,在这种情况下,只有一片基板在记录数据,而另一片基板则完全起保护的作用。 光盘的发展趋势是向高容量存储(如去年开始面世的DVD+R DL产品),业界的技术研发也以此为导向。 现在,已经出现了单面双层的DVD盘片。单面双层盘片(DVD+R Double Layer)是利用激光(Laser beam)聚焦的位置不同,在同一面上制作两层记录层,单面双层盘片在第一层及第二层的激光功率(Writing Power)相同(激光功率为<30mW),反射率(Reflectivity)也相同(反射率为18%,30%),刻录时,可从第一层连续刻录到第二层,实现资料刻录不间断。 图2 CD 、DVD与Blu-ray Disc盘片规格与光点比较 图3 双层DVD+R 结构 目前酝酿中的新光盘种类很多,包括EVD、FVD、蓝光光盘、HVD、HDV等。其中,EVD拥有22项自有技术专利及5个开发软件,足以建立规格基础。 而FVD(Forward Video Disc)是台湾省工研院结合28家光储存相关大厂而形成的红光高画质激光视盘FVD标准,它于2003年8月完成第一代FVD新规格与样机研发。 FVD标准使用650nm红光激光,单面单层盘片可达5.4,6.0GB,可容纳135 分钟的高画质节目。 蓝光盘片则分为HD-DVD与Blu-ray Disc两种。这两种光标准在互相竞争。其中,Blu-ray Disc以SONY为首,商品化速度较快,已于2003年推出BDZ-S77录放机。而HD-DVD规格,由NEC与Toshiba提出,于2004年6月定案。而HD-DVD规格由于与传统DVD较为相近,为两片0.6mm的透明塑料基板黏合,生产可由原先DVD产线转换,投资成本较低,于2004下半年推出示范商品。 CD、DVD与Blu-ray Disc、FVD规格比较 CD DVD HD-DVD Blue-ray Fvd-1 Fvd-2 Disc 直径 120mm 120mm 120mm 120mm 120mm 120mm 盘片厚度 1.2mm 1.2mm 1.2mm 1.2mm 1.2mm 1.2mm 盘片结构 1.2mm单片 0.6mm两片0.6mm两片0.1mm+1.1mm0.6mm两片0.6mm两片 胶合 胶合 两片 胶合 胶合 激光波长 780nm 650nm 405nm 405nm 650nm 650nm 数值孔径 0.45 0.6 0.65 0.85 0.6,0.65 0.6,0.65 压缩格式 MPEG-1 MPEG-2 MPEG-2 MPEG-2 WMV-9 WMV-9 轨间距 1.6μm 0.74μm 0.34μm 0.32μm 0.64μm 0.64μm 最小轨迹 0.83μm 0.40μm 0.130μm 0.138μm 单0.40μm 0.40μm 单面单层 单面单层 单面单层 面单层 单面单层 单面单层 容量 二.光驅的類型 1.光驅類型 CD-ROM光驱:又称为致密盘只读存储器,是一种只读的光存储介质。它是利用原本用于音频CD的CD-DA(Digital Audio)格式发展起来的。 DVD光驱:是一种可以读取DVD碟片的光驱,除了兼容DVD-ROM,DVD-VIDEO,DVD-R,CD-ROM等常见的格式外,对于CD-R/RW,CD-I,VIDEO-CD,CD-G等都要能很好的支持。 COMBO光驱:“康宝”光驱是人们对COMBO光驱的俗称。而COMBO光驱是一种集合了CD刻录、CD-ROM和DVD-ROM为一体的多功能光存储产品。 刻录光驱:包括了CD-R、CD-RW和DVD刻录机等,其中DVD刻录机又分DVD+R、DVD-R、DVD+RW、DVD-RW(W代表可反复擦写)和DVD-RAM。刻录机的外观和普通光驱差不多,只是其前置面板上通常都清楚地标识着写入、复写和读取三种速度。 2、光驅倍速 CD刻录速度:CD刻录速度是指该光储产品所支持的最大的CD-R刻录倍速。目前市场主流内置式CD-RW产品最大能达到的是52倍速的刻录速度,还有部分40倍速、48倍速的产品,在实际工作中受主机性能等因素的影响,三者刻录速度上的差异并不悬殊。52倍速这基本已经接近CD-RW刻录机的极限,很难再有所提升。外置式的CD-RW刻录机市场上的产品速度差异较大,有8倍速、24倍速、40倍速、48倍速和52倍速等,一般外形尺寸小巧,着重强调便携性的产品刻录速度一般是较低的水帄。而体积相对较为笨重的外置式CD-RW刻录机基本都保持较高的刻录速度,甚至与内置式持帄。 DVD刻录速度:目前市场中的DVD刻录机能达到的最高刻录速度为8倍速,较多的产品还只能达到2,4倍速的刻录速度,每秒数据传输量为2.76M,5.52MB,刻录一张4.7GB的DVD盘片需要大约15,27分钟的时间;而采用8倍速刻录则只需要7到8分钟,只比刻录一张CD-R的速度慢一点,但考虑到其刻录的数据量,8倍速的刻录速度已达到了很高的程度。DVD刻录速度是购买DVD刻录机的首要因素,如果在资金充足的情况下,尽可能选择高倍速的DVD刻录机。 CD读取速度:最大CD读取速度是指光存储产品在读取CD-ROM光盘时,所能达到最大光驱倍速。因为是针对CD-ROM光盘,因此该速度是以CD-ROM倍速来标称,不是采用DVD-ROM的倍速标称。目前CD-ROM所能达到的最大CD读取速度是56倍速;DVD-ROM读取CD-ROM速度方面要略低一点,达到52倍速的产品还比较少,大部分为48倍速;COMBO产品基本都达到了52倍速。 DVD读取速度:最大DVD读取速度是指光存储产品在读取DVD-ROM光盘时,所能达到最大光驱倍速。该速度是以DVD-ROM倍速来定义的。目前DVD-ROM驱动器的所能达到的最大DVD读取速度是16倍速;DVD刻录机所能达到的最大DVD读取速度是12倍速,相信16倍速的产品也不久就会推出;目前商场COMBO中产品所支持的最大DVD读取速度主要有8倍速和16倍速两种。 CD复写速度:CD复写速度是指刻录机在刻录CD-RW光盘,在光盘上存储有数据时,对其进行数据擦除并刻录新数据的最大刻录速度。较快CD-RW刻录机在对CD-RW光盘复写操作时可以达 到32倍速,虽然DVD刻录机也支持对CD-RW光盘的可写,但一般CD复写速度要略低于CD-RW刻录机,只有个别的产品才能达到32倍速的复写速度。COMBO产品在CD-RW复写方面表现也不错,现在市面上的产品基本都能达到24倍速的水帄,部分产品也到到了32倍速。 DVD复写速度:DVD复写速度是指DVD刻录机在刻录相应规格的DVD刻录光盘,在光盘上存储有数据时,对其进行数据擦除并刻录新数据的最大刻录速度。目前各种制式的DVD刻录机中最大能达到的最大DVD复写速度为4倍速,也就是每秒约5.4MB/s的速度。