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光盘技术01-2

序论光盘的现状

2盘片存储器的现状

现代被称为信息时代,更可以说是数字信息时代,因此数字信息媒体正在被不断使用和普及。如DAT、CD、LD、OD、ROM卡、RAM卡、ROM/RAM PACK等。

这些数字信息媒体按形态可大致分为带、盘、固件三种形式。所谓固件就是指象IC(半导体)存储器那样的没有可动部分得部件。

这3种媒体根据存取所需部分的方法不同,其存取时间也大不相同。由于带类存储器虽然存取较慢,但每单位信息的成本低,所以目前的现状是三个种类并存。考虑到人们的习性通常是一旦习惯了CD、FD的存取速度,就不会再想回到磁带,因此从长远考虑,从磁带到盘,从盘到2C存储器将是一个大的时代潮流,可以认为盘片存储器作为记录媒体在今后20年左右将占据主流位置,最终将被2C存储器取代。

2光盘的历史

简单回顾一下盘片存储器中光盘的历史。1960年美国科学家T.H.梅曼成功地利用红宝石进行了固体激光的振荡,从此以后,将激光的特异性质应用于光存储器的研究蓬勃展开。其中之一是利用激光的相关性的全息图存储器,另一种是根据激光的聚光性,利用高能量密度的热模型光存储器。

全息图存储器据说可将A4大小的原稿内容压缩记录到1mm2的区域中,是60年代到70年代的光存储器的研究开发中心。但由于记录材料的稳定性可靠性问题及由模拟记录引起的再现性问题等原因,其研究开发渐渐冷了下去。热模拟光存储器当初并不象全息图存储器那样引人注目。1972年菲利浦公司发表了激光视觉(Laser Vision),1980年Pioneer公司成功地将其商品化,以后,随着CD的商品化和半导体激光的实用化。其研究开发的建设进一步加快,现在可写入的光文件系统已进入了实用化阶段。

1982年在世界上首次成功地将光盘商品化的是东芝公司的TOSTILE3100。直径300m的光盘具有巨大的存储容量,平面可存储3万页A4原稿,双面则可存6万页。另外,在世界上首次使用色素记录材料实现商品化的是理光的光盘系统IMAG10 FILE3300。虽说只有直径13cm这样小的尺寸,但却拥有平面0.4GB、双面0.8GB的大容量。

最近,直径13cm的装置(驱动器)的厚度已和半高的FD驱动器一样薄,直径

3.5〞的盘正在开发中。

2光盘的种类与可靠性

光盘有3种类型,一是象CD那样的只读型,二是只可写一次的WO型,三是可重复写入的RW型,只是后者在可靠性和长期耐久性方面存在很大问题。使用金属等一般记录材料的光盘与FD等磁性媒体的耐久性大致相同,约为10年左右,使用色素记录材料那样的不锈材料的光盘,虽说没有象日本纸那样千年的寿命,但也可以具有100年以上的保存寿命。

2光盘的技术范围

光盘最先被实际应用并大范围普及的运用于数字音频的CD和用于动态图像的LD,他们都是只读的,只能写入一次的WO,也作为业务用文件即计算机文件而被实际应用与普及,可读写任意次的RW型光盘还在开发阶段,由于可靠性与耐久性问题,其实际应用还将期待未来。另外,在存储容量方面,正受到磁盘的不断追赶,这也是今后必须面临的技术问题。

由此可见,目前光盘技术可集中在CD、LD、WO技术上,特别是WO,其读取技术与CD、LD相同,又可以写入,所以可作为计算机存储文件使用。为了了解盘片技术,大致上应了解记

录重放装置(驱动器)、记录材料、以及与文件系统有关的技术。

具体地讲,与驱动器有关的技术有光盘的光头、光头的位置控制、记录材料的旋转控制与位置控制、同步信号处理、符号化错误处理。与记录材料有关的技术有金属材料和有机材料技术。在文件系统中,重要的有文件检索、管理、数据压缩等。

综上所述,光盘技术是一个涉及范围广、发展迅速的研究领域。

2光盘的未来

如表1所示,光盘的特征是存储容量大,读写速度是磁带的200倍,每单位面的存储容量是IC存储器的50倍。存储容量大的原因在于IC存储器不能实现与线密度相同的信息密度,而光盘中存储密度与信息密度相同。不过,由于IC存储器具有读写线,所以其存取时间比光盘快500

万倍,所以每单位信息的存取时间,IC存储器比光盘快1万倍。

可见光盘的特点在于容量巨大,存取时间可以感受。光盘今后的研究问题是进一步扩大容量,通过将磁和材料的相位变化等技术与光技术同时使用实现安全的可重写。不过在存储容量方面,磁盘的容量也会不断扩大;在磁道密度方面,最终光盘将达到磁盘的20倍左右(1μm);而在存储密度方面,磁盘有可能达到光盘的5倍(0.2μm)。照这样发展,可以认为,未来可重写存储器将属于磁盘、Write once 和Read only型将属于光盘,在要求读写速度的场合,将使用IC存储器。

不论怎样,光盘技术在目前数字技术中占据着相当高的比率,今后这种倾向会进一步加强。可以预测在未来的十年中,存储密度、存取时间、符号效率、数据压缩率、可靠性及耐久性等方面的改善将继续进行,特别是WO型和RW型的实用尚处在初期阶段,今后将会取得更大的进步。

第1章光盘驱动器

121 光盘驱动器概论

12121 特征

图1.1中显示了光盘及在光盘上记录和重放信息的光盘驱动器的概况。使用光驱构成信息处理系统的体系结构时应首先了解其特点及问题所在。光盘的特点如下所列:其最大特长是存储密度大、容量大、随机存取性能好、每位(bit)的价格便宜,其次是由于光盘是非接触性读写,抗表面灰尘与污垢能力强。还有,记录媒体可抽出、交换、可长期保存存储数据等优点。正因为光盘具有这些特点,所以在以往使用磁带的应用领域中大都换成了光盘系统,另外这些特点也带动产生了新的应用领域。

尽管有以上这些优点,但光盘目前仍然存在一些问题,如与磁盘相比,媒体本身的位出错率较高,写入速度、传送速度及存取时间慢,而且系统价格高。不过,光盘媒体的位出错率高的问题可以通过引入高度错误订正等,符号译码技术来确保高可靠的数据,改进光盘中存在问题的新技术也在不断产生。

12122 基本结构及其功能

光盘存储器的结构如图1.2所示,基本构成部分有光盘媒和光驱。光驱用于旋转光盘盘片,并将集光为直径约1μm的激光光点照射到盘片上进行信息的记录与重放。代表性的光盘结构如图1.3所示,在可存储信息的光盘存储器中,为了使激光光点能维持在固定的位置上,设置了如图所示的引导槽。引导槽设置的目的在于,即使当光盘盘片上要读/写的位置随着盘体的旋转而产生偏心运动,也能保证稳定的读写。

光检取器用于将信息稳定地写入光盘及忠实地重放。光检取器具有自动调节的功能,能够检出伴随光盘旋转而产生的面振动和引导槽(以下称为磁道)在盘片半径方向的振动,并可将这些振动限制在一定的误差范围之内。粗动马达用于快速地将光捡取器移动到盘片的目标位置附近,并和光检取器内部的马达合作,使激光追踪盘片上引导槽的振动。

驱动器控制部分是光驱的头脑,其功能是按照驱动器接口传来的指示,协调地管理各控制系统实现目标动作,并将结果报告给驱动器接口。

下面再详细看一下光检取器、信号系统和光检取器控制系统的构造。

光盘存储器的重放方式有透过型(激光透过盘片的方式)和反射型两种。由于反射型具有易于构成光检取器(容易得到高精度)、可实现驱动器小型化、盘片可正反两面使用等特点,目前已占据主流地位。下面我们以反射型记录重放用光检取器为例进行说明,其结构如图1.4所示。

如前所述,光检取器是将半导体激光口发出的激光进行集光后照射到盘片上的目标位置进行信息的存储,同时将反射光变换为电信号进行信息的重放,由光学系统和驱动系统两部分构成。

光学系统用于将激光光点集光到盘片媒体表面,并检出激光光点与盘片媒体上目标位置的相对位置偏差。光学系统由半导体激光器、透镜类(耦合透镜、集光透镜、对物透镜)、棱镜类(光束分光器、支棱(knife edge)棱镜)、1/4波长板、光电二极管构成。光学系统的具体实例如图1.5所示。驱动系统用于进行使对物透镜追踪盘片面的振动的聚焦控制和追踪磁道的振动的跟踪控制,以便盘片上的目标位置与激光光点的相对位置关系能经常保持一定,驱动系统主要由电磁开关、线圈、支撑部分构成。

在盘片上目标磁道中记录和重放系统的基本结构中还包括激光驱动电路、检出激光光点与盘片面的相对位置误差(聚焦模糊)用的聚焦误差检出电路、检出激光光点与磁道的位置误差用的磁道误差检出电路、用于读出磁道中写入信息的信息检出电路,以及根据上述聚焦误差检

出电路的输出信号驱动聚焦控制驱动系统(以下称为聚焦调节器)的聚焦驱动电路和根据磁道误差检出电路的输出信号驱动跟踪控制驱动系统(以下称跟踪调节器)的跟踪驱动电路。注意在信息检出电路中包含对检出信号的波形进行整形的波形补偿电路,将包含了与上述聚焦控制或跟踪控制所有有关部件的系统称为聚焦伺服系统或跟踪伺服系统。

调制电路是一种存储信息变换电路,用于重放盘片中存储信息时,能够与所存信息内容无关地稳定地读出信息或即使盘片上的物理记录密度(信息可细致写入的程度)是一样的情况下,也能够写入更多的信息。

解调电路用于在重放由调制电路变换的信息时,使信息恢复原样。

以上就是光驱的基本结构,各组成部分均有各自不同的方式,我们将在以后的章节中详细讲解。

12123 光盘盘片上的记录形态

在可存储重放光盘系统中,光盘盘片上的引导槽(磁道)中记录的信息的代表性形态,如图1.6所示,这种方式被用于称之为WORM型的只可写一次的光盘系统中,在通常用于信息处理的光盘系统中,信息是以称为块或扇区的一定长度的组的形式与外部交流,这种方式通常称为定长方式。

生产工厂在光盘盘片上事先与引导槽一起,按一定的间隔形成了表示盘片上位置的地址信息,称之为预先格式化。将地址信息进行预先格式化的理由首先是如果由用户在使用新光盘时自己用光驱写入地址信息,则会因为光盘容量大花费时间过多,不能马上使用光盘而带来不便;其次是用户在写入地址信息时,如果发生外部影响(外部振动、尘埃)或引导槽的缺陷,就会使激光光点的位置发生大的偏差,而使写入的地址信息位置产生较大误差,从而引起用户使用时,激光光束很难到达目标位置。因此光盘盘片上的一个块(或扇区)是由写入与外部交流的信息的数据区和被预先格式化的地址区构成。

光盘盘片上还有用于表示某一块是否已写入数据、是否存在缺陷的标志区,用于提高光驱的功能。如果将系统设计成只有发现标志区没有已写入标志时,才向该块写入信息的话,就可以防止重复写入,以及防止以前写入的信息消失。当然在写入数据的同时,就会记录已写入标志,表示是否有缺陷的标志。(缺陷标志)用于表示该块有缺陷,如果该标志被写入,则表示该块已不能使用。缺陷标志是在光盘盘片出厂时经检查写入的,通常在向光盘上记录信息后再读出,检查读出的内容,如果发现存储不正确,则要写入缺陷标记,这种通过重读,检查信息是否能够正确写入的工作称之为检验。

如图1.6所示,光盘上一个块内分为地址区、标记区和数据区。需注意的是,各区中信息写入的形态各不相同。地址区是以槽的有无和长短变化来表现信息的。在数据区,盘片上被激光照射的地方会被开洞,以洞的有无和长短来表示信息。在图中的标记区,标记是以洞的有无来表示的,但因为各种标记一般是分别独立地写入的,所以为了独立正确地读写标记区,要加入为确各标记位置而预先格式化的信息,因此标记区通常使用洞的有无和槽的有无两方面的信息表现形式构成。这里所述的信息单位——槽或洞一般被称之为符号(或位)。

在上面的例子中,对数据区或标记区的写入是以通过激光开洞即所谓开孔方式进行的。下面我们还要提出以反射膜金属的相位转移和磁化等各种方式进行写入的方案并加以说明。

12124 信号检出原理

为了读出盘片上微小的符号,必须将光束进行集光后照射到符号上,实用的光盘中使用的光点直径约1μm,符号宽约0.5μm,最小符号长约1μm,磁道间距约1.6μm。众所周知使用激光和显微镜的对物透镜可很容易地得到直径为1μm的微小光点,光盘中也使用了这一原理。即使用相关的激光(相位一致的光)作为光源,通过高性能的集束透镜将光束集光。如果使用不相关的光源,即用分散的点光源的集合作为光源,则各点光源的光即使通过集光透镜进行集光,其聚光点还是有差异,从整体上仅能在焦点位置形成光源的像,但都不能缩小光点直径。

高性能的集光透镜的焦点深度(可容许的焦点偏差)很小,为达到光点直径1μm 左右,焦点深度需为±2μm ,但由于盘片本身的曲翘,光驱旋转轴的倾斜等原因,随着盘片的旋转在盘片的照射位置上将产生比焦点深度大2位以上的面振动,从而产生较大的焦点模糊,不可能进行信息的记录与重放,因此需要使集束透镜跟踪盘片的面振动,控制盘面保持在焦点深度之内。前面所述的聚焦伺服系统就是为此而设置的。

如果遇到了盘片偏心或驱动器的旋转轴的摩擦,则在旋转时会沿盘片的半径方向产生磁道振动,激光光点就会偏离磁道而横扫多个磁道,这样是不可能进行正确读写的,因此就设置了使激光光点正确跟踪磁道的跟踪伺服系统。

通常如果能稳定地使具有一定光点直径的激光束照射到磁道中心,则从磁道中得到的反射光就会仅随符号的变化而变化,通过光电二极管检出随符号变化的激光的强度就能够正确地检出信息信号。激光照射到光盘上的情形如图1.7所示。

图1.7中在光盘表面光点直径约为1mm ,即使光盘上附有小的尘埃,对信号的检出也几乎没有影响,这就是光盘抗尘埃性强的原因。

122 光检取器

要深入了解光盘,当然需要了解光学知识,下面我们将要接触到学习光盘时所必需的几何光学和波动光学的内容,因从激光发射出的光束的强度分布是呈高斯射束(gaussian beam )状,所以我们也将学习这种射束的特性。

12221 光学基础——作为光线的光的性质

光的本质是电磁波,因其波长极短(可见光为0.4~0.7微米),很难出现衍射影响,所以看起来是一直向前的,光通过的线路称为光线,研究光线的传播与成像性质的光学称为几何光学。

(1)折射与反射的法则

(ⅰ)折射的法则:折射法则称为“Snell 法则“,即入射光线的入射角1θ与折射光线的折射

角2θ的正弦之比值固定,与入射角θ无关。如公式(1-1)所示(见图1.8)

1

221sin sin n n =θθ (1-1) 因此通过平行的平板时,

1

331s i n s i n n n =θθ (1-2) 这里1n 、2n 、3n 是各媒体介质的折射率。若1n =3n ,则入射光线与出射光线平行。 (ⅱ)棱镜:光在通过棱镜时,也遵守Snell 法则,没将棱镜的顶角α和入射光线与出射光线

所成的角δ作为偏差角,则下列(1-3)式的关系成立。

αθθδ-+=)'(21 (1-3) (ⅲ)反射的法则

①乱反射与正反射:在具有不规则表面的物体上产生的反射称为乱反射或扩散反射。在规则表面物体上产生的反射称为正反射。

②反射的法则:在入射光线与反射光线处于同一平面的正反射的情况下与入射角的大小

无关,入射角与反射角的大小相等,1θ=2θ的关系成立(图1.10)。这就是反射法则。 ③全反射:在折射法则中,如果光线从折射率大的介质进入折射率小的介质,当入射角

达到某个值时,折射角就是90°,入射角超过这个值后,光就全部在边界面反射,不

产生折射,这种现象称之为“全反射”(图1.11),使折射角达到90°时的入射角称

1-4)决定,

光盘技术01-2

sin

1

光盘技术01-2

2n n )(21n n > (1-4) (2)透镜或像

透镜或像至少需在2个面以上的球面或平面上遵守反射与折射法则,即使是多片透镜组合,也可以看作一片透镜作同样的处理。如图1.12所示,知道物体侧主点H ,像侧主点H ′后,设它们到物点P 、像点P ′的距离为S 、'S ,组合透镜的焦距为F ,则空气中透镜系统的成像公式可由公式(1-5)(1-6)给出,其中β表示倍率,这就是众所周知的基本成像公式。

F

S S 11'1=- (1-5) S S '=β (1-6) 因公式(1-5),(1-6)对薄透镜同样有效,所以如图1.12所示,在包含了物体侧主点H 的物体侧主面和包含了像侧主点H ′的像侧主面上,可将像点象薄透镜一样用作画图时的基准。 图中透镜内的光线仅是作图用的线,实际上透镜中的光线与图是不一样的。当然,物体侧主面、像侧主面、组合透镜的焦距也会随多片透镜的组合而产生变化。

薄透镜的焦距f 可由公式(1-7)给出

???

? ??--=2111)1(1r r n f (1-7) (:,21r r 透镜的曲率) (3)像差

如前所述,光按照折射与反射法则成像,但这种理想的成像条件只在近轴区域(透镜中心轴附近,即光轴附近)成立,在更宽的区域中不成立,这种与理想透镜的偏差称为“像差”。 (ⅰ)萨得尔的5种像差:透镜的像差分为球面像差、彗形像差、非点像差、像面的曲翘、像

的扭曲5种,称为“萨得尔5像差”。如图1.13所示。

如图1.13(a)所示,若出现球面像差,则像点将随光线与光轴的距离而产生变化,不能

很好地成像。彗形像差是指图1.13(b)所示的从点0的像0’开始象彗星一样散开的像差。非点像差是指图1.13(c)所示的通过包含点0与透镜中心联线的平面的光线群所得到的成像位置,因光线群不同而产生的像差。

像面的曲翘如图1.13(d)所示,即与轴垂直的物体所得像与轴不垂直,由此而产生的像

差。像的扭曲如图1.13(e)所示,是由于光源中央部分与周围部分成像时倍率不同而产生的像差。

(ⅱ)色像差:构成透镜的介质的折射率因波长不同而不同,在折射光学系统中,因波长不

同成像也不同,这就是色像差。色像差的特征是只存在于折射光学系统中,在反射光学系统中不存在。

(4)光阑及其作用

(ⅰ)入射光孔与射出光孔:如图1.14所示,若光学系统中存在开孔光阑(A ),则从物体

侧的空间通过开口光阑看到的像A ′称为入射光孔,从像侧空间看到的像A ″称为射出光孔。

(ⅱ)孔径与F 数:开孔光阑决定光束的扩散度,表示扩散度量大小的值有孔径与F 数两种。 如图1.15(a)所示,设从光线上的物点发出的光束的最大倾角为θ,则物体侧的孔径

NA (numerical aperture)为

θsin ?=n NA (1-8)

其中n 的值在空气中为1,θ是物点与入射光孔边缘连线所成的角。如图1.15(b)所示,当物点

无限远时,设最大射出角为θ′,则像侧的孔径NA 同样可用θsin ?=n NA 表示。式(1-9)定义了当物点无限远时,F 数的一值

D f F /= (1-9)