ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Принципы цифровой оптической записи И воспроизведения информации с компакт-дисков Устройство и разновидности компакт-дисков

Компакт-диск представляет собой особый вид носителя аудио - и цифровой информации, при изготовлении которого используются последние достижения науки и технологии. Он пред­ставляет собой круглую пластину диаметром 12 или 8 см, состоящую из нескольких слоев. Основным является очень тонкий металлический светоотражающий слой (обычно алюминие­вый), в котором и записана вся информация. Для защиты от внешних воздействий он закрыт с двух сторон довольно толстыми (до 1мм) слоями прозрачного пластика. С тыльной стороны на диске могут быть расположены красочные наклейки, не влияющие на его параметры.

Прежде всего, эти диски изготовляются со вспомогательной разметкой (pregroove), в ней закодирована временная сетка (Actual Time In Pregroove, ATIP — действительное вре­мя по разметке), одновременно служащая и для разбивки диска на кадры (блоки), и допол­нительная информация о диске — коды, рекомендуемые значения скорости вращения и мощности записывающего лазера. Разметка используется для нахождения служебных и пользовательских областей диска и для облегчения слежения за информационной дорожкой в процессе записи. При считывании слежение производится, как обычно, по записанной ин­формационной дорожке.

Кроме этого, диск содержит две служебные области: область калибровки мощности (Power Calibration Area, РСА) и область памяти программы (Program Memory Area, PMA), расположенные внутри от «официального» радиуса начала записи. Первая используется для выбора оптимальной мощности лазера перед каждой записью, вторая — для временного хранения параметров и адресов дорожек в случае записи одной сессии в несколько приемов.

РСА и РМА представляют собой таблицы фиксированной длины емкостью по 100 эле­ментов каждая, что ограничивает как общее количество случаев записи, так и этапов фор­мирования незакрытых сессий.

Одна или несколько дорожек образуют программную область (Program Area); она мо­жет формироваться в несколько приемов, между которыми адреса и параметры дорожек со­храняются в РМА. На этом этапе доступ к записанным дорожкам имеют только приводы CD-R, так как обычные приводы CD-ROM «не знают» о РМА и требуют, чтобы программная область была обрамлена зонами Lead-In (4500 блоков — 9 Мбайт, время записи 1 мин) и Lead-Out (2250 блоков — 4,5 Мбайт, время записи 30 с), а также наличия ТОС в Lead-In. Структура, состоящая из зон Lead-In, Program Area и Lead-Out, называется сессией, а про­цесс записи Lead-In и Lead-Out вокруг области данных — закрытием сессии.

Минимальной единицей информации, записываемой на CD-R за один прием, является дорожка (track) в формате CD-DA (Compact Disk-Digital Audio) или CD-ROM (Compact Disk-Read Only Memory). Минимальная длина дорожки — 300 блоков (вместимость данных 600 кбайт, время записи 4 с). В начале каждой дорожки формируется служебный зазор (pre­gap), содержащий ее параметры, размером 150 блоков (300 кбайт, время записи 2 с) для од­нотипных дорожек и 225 блоков (450 кбайт, время записи 3 с) для дорожек разных типов.

Маркировка дисков: обозначениями CD-R и CD-RW маркируются однократно исполь­зуемые и перезаписываемые диски. Диски CD-R можно применять для записи в приводах CD-RW, но не наоборот.

На всех дисках указывается максимальное гарантированное время записи (обычно 74 мин, 333 000 блоков). В случае, когда предварительная разметка сделана на большее вре­мя, на диск возможна запись более продолжительной программы, однако в случае недоста­точной длины размеченной дорожки диск будет испорчен. Точное количество доступных для записи блоков зависит от модели диска; его можно получить, запросив свойства диска в записывающей программе. Некоторые диски имеют менее 333 000 доступных блоков.

На большинстве дисков указана их максимальная вместимость (обычно 650 Мбайт при размере блока 2048 байт). На дисках некоторых производителей (например, Maxell) вмести­мость в рекламных целях указывается в миллионах байтов (680), что означает те же 650 Мбайт. Отдельные диски маркируются цифрой 780, что обозначает емкость диска в звуковых секторах (74 мин по 176 кб). При записи в формате mode 2 за счет большей величины блока данных возможна запись более 650 Мб ценой снижения корректирующей способности кода.

На диске или коробке сообщается также максимально допустимая скорость записи (1х...6х). Для записи на повышенных скоростях необходим рассчитанный на эти скорости регистрирующий слой. Превышение допустимой скорости записи может привести к смазы­ванию информационных меток и последующей плохой читаемости диска либо к полной его негодности. Отсутствие маркировки скорости или упоминания о ней в сопроводительном тексте говорит о том, что запись на повышенных скоростях не гарантируется.

Надежность дисков CD-R/RW в сравнении со штампованными. Поскольку отра­жающий слой дисков CD-R/RW как правило выполняется из золота и серебра, менее под­верженных окислению, чем алюминий, в большинстве штампованных дисков они тускнеют медленнее обычных. Однако материал регистрирующего слоя CD-R/RW более чувствите­лен к свету и также подвержен окислению и разложению. Кроме того, регистрирующая пленка находится в полужидком состоянии и потому чувствительна к ударам и деформаци­ям диска, например к его перегибу при извлечении из коробки. Наиболее оптимистичная оценка времени жизни дисков на основе фталоцианина — около 100 лет, однако реальные цифры для большинства современных дисков (цианин и другие материалы) гораздо ниже. Примерная оценка долговечности среднего CD-R на основе массовой статистики — около двух-трех лет и более при аккуратном обращении и около года — при интенсивном использо­вании в сочетании с неаккуратным обращением (удары, перегибы, воздействие тепла, влажно­сти, яркого света и т. п.). Для качественно изготовленных и записанных дисков при полном со­блюдении условий хранения и эксплуатации время жизни оценивается минимум в 10 лет.

Изготовление и тиражирование компакт-дисков. Основной способ изготовления дис­ков — прессование с матрицы. Оригинал формируется с исходной цифровой мастер-ленты, содержащей уже подготовленный и закодированный цифровой сигнал, специальным высоко­точным станком на стеклянном диске, покрытом слоем фоторезиста — материала, изменяю­щего свою растворимость под воздействием лазерного луча. При обработке записанного оригинала растворителем на стекле возникает требуемый рельеф, который методом гальва­нопластики переносится на никелевый оригинал (негатив), который может служить матри­цей при мелкосерийном производстве либо основой д ля снятия позитивных копий, с которых, в свою очередь, снимаются негативы для массового тиражирования.

Штамповка выполняется методом литья под давлением: с негативной матрицы прессу­ется поликарбонатная подложка с рельефом, сверху напыляется отражающий слой, который покрывается лаком. Поверх защитного слоя обычно наносятся информационные надписи и изображения.

Диски с возможностью записи (CD-R) изготавливаются таким же методом, но между ос­новой и отражающим слоем располагается слой органического вещества, темнеющего при на­гревании. В исходном состоянии слой прозрачен, при воздействии лазерного луча образуются непрозрачные участки, эквивалентные питам (углублениям). Для облегчения слежения за до­рожкой при записи на диске в процессе изготовления формируется предварительный рельеф (разметка), дорожка которого содержит метки кадров и сигналы синхронизации, записанные со сниженной амплитудой и впоследствии перекрываемые записываемым сигналом.

Записываемые диски за счет наличия органического фиксирующего слоя имеют более низкий коэффициент отражения, чем штампованные, отчего некоторые проигрыватели (Compact Disk Player, CDP), рассчитанные на стандартные алюминиевые диски и не имею­щие запаса по надежности чтения, могут воспроизводить диски CD-R менее надежно, чем обычные.

Хотя запись на так называемый мастер-диск осуществляется с помощью лазера, этот способ не пригоден для производства сотен или тысяч копий. Запись одного мастер-диска длится более полутора часов. Кроме того, в качестве основы для мастер-дисков использу­ются материалы, которые недостаточно прочны и надежны. Если необходимо напечатать небольшой тираж компакт-дисков, с оригинала (мастер-диска) методами химического осаж­дения и последующей гальванопластики снимается металлическая копия (матрица). Ее уже

Можно использовать для печати копий (таким способом штампуются виниловые грампла­стинки). Однако этим методом можно получить лишь небольшое количество экземпляров, поскольку матрица постепенно изнашивается. Процесс массового производства дисков со­стоит их трех этапов:

- с мастер-диска вышеописанным способом снимается первичная матрица;

- с помощью первичной матрицы делают копию мастер-диска, на этот раз из достаточ­но прочного металла;

- эту копию мастер-диска можно многократно использовать для получения вторичных (рабочих) матриц.

При таком способе можно получить множество рабочих матриц с одной копии мастер - диска, причем его оригинал сохраняется практически в неприкосновенности, а в технологиче­ском процессе используются относительно недорогие материалы. Те компакт-диски, которые приобретаются в магазине, отштампованы на поликарбонатной основе, покрытой алюминием и защитным слоем пластика. Тонкое алюминиевое покрытие повторяет профиль поверхности основы, что позволяет по отражению лазерного луча от поверхности определить, есть ли на ней углубление или нет. Описанная технология используется как при производстве звуковых дисков, так и CD-ROM.

Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивно­сти отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Оно поступает на фо­тодатчик, величина электрического сигнала с которого зависит от того, отразился ли луч от гладкой поверхности или был рассеян на неоднородности. Углубления (штрихи), нанесенные на компакт-диск в процессе записи, представляют собой неоднородности. Более сильный сиг­нал с датчика соответствует ровной поверхности («плато»), более слабый — углублению. При прохождении луча вдоль дорожки записи (а точнее, при движении дорожки записи под лучом, поскольку считывающее устройство перемещается вдоль радиуса диска, а вращается сам диск) формируется последовательность импульсных электрических сигналов, преобразуемых затем специализированным процессором либо в форму двоичных данных, либо в звук.

Глубина каждого штриха на диске — 0,12 мкм, ширина — 0,6 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет

1, 6 мкм. Это означает, что плотность дорожек (а точнее, витков одной дорожки) достигает 16 ООО дорожек на дюйм (Tracks Per’Inch, TPI, единица измерения плотности их располож­ения). Длина штрихов и участков плато вдоль дорожки записи может изменяться от 0,9 до 3,3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия диска и заканчивается примерно в 5 мм от его внешнего края (т. е., наоборот, по сравнению с грам­пластинками, дискетами и т. д.). Общая длина спирали составляет около 5 км.

Если на компакт-диске (звуковом или информационном) необходимо отыскать место записи определенных данных, то его координаты предварительно считываются из оглавле­ния диска, после чего считывающее устройство перемещается к искомому витку спирали и ждет появления определенной последовательности битов.

Запись и воспроизведение данных с компакт-диска происходит с постоянной линейной скоростью перемещения дорожки относительно считывающего устройства. Это означает, что при считывании информации с внутренних витков спирали диск должен вращаться бы­стрее, а с внешних — медленнее. Этот способ воспроизведения достался накопителям на CD-ROM «в наследство» от звуковых проигрывателей, в которых скорость считывания дан­ных должна была быть строго постоянной. По этой же причине все компакт-диски разбива­ются на блоки (секторы), частота следования которых при записи и воспроизведении со­ставляет 75 секторов в секунду, а это означает, что при полном времени «звучания», равном 74 мин, на диске располагается 333 ООО блоков.

На дисках, записанных в формате CD-AD, в каждом блоке содержится 2352 байта дан­ных. На CD-ROM 304 байт из них используются дня синхронизации, идентификации и за­писи кодов коррекции ошибок (Error Correction Code, ЕСС), а оставшиеся 2048 байтов пред­ставляют собой полезную информацию. Поскольку за 1 с считывается 75 блоков, то стан­дартная скорость передачи данных для дисководов CD-ROM составляет 153 600 байт/с, что точно равно 150 кбайт/с. Нетрудно подсчитать, что при общем времени «звучания», равном 74 мин, максимальная емкость CD-ROM составит 650 Мбайт.

Компакт-диски с возможностью записи выпускаются в двух вариантах — на 74 и 63 мин.

Конструкция диска CD-DA (Compact Disk — Digital Audio, компакт-диск — цифровой звук) и способ записи звука на нем описывается стандартом предложивших его фирм Sony и Philips, изданным в 1980 г. под названием Red Book (Красная книга).

Стандартный компакт-диск состоит из трех слоев: основы, отражающего и защитного. Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, на котором методом прессования сформи­рован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака так, чтобы вся металлическая поверх­ность была защищена от контакта со внешней средой. Общая толщина диска — 1,2 мм.

Информационный рельеф диска представляет собой непрерывную спиральную дорож­ку, начинающуюся от центра и состоящую из последовательности углублений — питов (pits). Промежутки между питами носят название lands. Чередованием питов и промежутков различной длины на диске записывается закодированный цифровой сигнал: переход от про­межутка к питу и наоборот означает единицу, а длина пита или промежутка — длину серии нулей. Расстояние между витками дорожки выбирается от 1,4 до 2 мкм, стандарт определя­ет расстояние 1,6 мкм.