Матеріали-носії інформації в CD і DVD оптичних дисках

Міністерство освіти і науки Російської Федерації

Таганрозький технологічний інститут

Південного федерального університету

Реферат з курсу "Матеріалознавство"

На тему "Матеріали-носії інформації в CD і DVD оптичних дисках"

Виконав студент е.-76

Махарінец Олександр

Таганрог 2008р.

Широко поширені два види подання інформації: аналоговий і цифровий.

Аналоговий спосіб запису інформації.

Розглянемо на прикладі аналогової магнітного запису. Це спосіб запису інформації шляхом зміни магнітного стану носія і створення в ньому розподілу намагніченості, відповідного записуваному сигналу. Магнітний носій містить матеріал, здатний намагнічуватися під дією зовнішнього магнітного поля і зберігати набуту намагніченість практично необмежено довгий час. До таких матеріалів відносяться метали - залізо, кобальт і нікель, а також деякі оксиди металів і ферити, наприклад гамма-модифікація оксиді заліза g-Fе2О3 діоксид хрому СгО2, ферит барію.

У процесі магнітної запису носій транспортується з постійною швидкістю відносно магнітної головки запису, яка представляє собою кільцевої електромагніт з зазором.

У процесі відтворення магнітного запису на відтворюючу магнітну головку, що має аналогічний пристрій з головкою запису, впливає магнітний потік Ф, що виходить з намагнічених ділянок рухомого носія.

Сердечник головки відтворення, як і головки запису, виготовлений з матеріалу з високою магнітною проникністю. Тому, коли голівка перебуває у контакті з носієм, що виходить з нього магнітний потік замикається через сердечник, пронизуючи що знаходиться на ньому обмотку. При русі носія магнітний потік в сердечнику змінюється в часі так само, як і залишковий магнітний потік уздовж носія.

При цьому в обмотці наводиться ЕРС індукції, яка і являє собою вихідний сигнал голівки.

Цифровий запис.

Спосіб запису, при якому аналоговий сигнал перетвориться і записується на носій інформації у цифровій формі, тобто у формі імпульсів двійкового коду. Такий запис являє собою комбінацію всього двох станів носія, відповідних 0 і 1, які легко розрізнити і при цьому практично виключити вплив перешкод.

У магнітної цифрового запису двома станами можуть бути незмінність залишкового магнітного потоку носія і, навпаки, зміна напрямку цього потоку на протилежне в межах даної уявної комірки пам'яті. Ці осередки на носії із записом 0 або 1 визначаються тактовим сигналом, який дозволяє відповісти на питання, який знак - 0 або 1 - знаходиться в комірці.

При записі на магнитооптический носій розглядаються два стани - це позитивна і негативна залишкова намагніченість даної осередки носія. Подібна проста пара станів у загальному випадку не може бути використана в магнітного запису, оскільки звичайна магнітна головка відтворення реагує на зміну намагніченості і може розрізнити позитивну і негативну намагніченість тільки на переході від однієї до іншої.

У різних інших різновидах лазерної запису стану носія, що представляють 0 і 1, залежать від конкретних особливостей запису: наявності та відсутності поглиблення в комірці пам'яті на поверхні носія; відмінності кольору, відбивної здатності або оптичної щільності осередків та ін

Основна різниця між аналогової інформацією і цифровий в тому, що аналогова інформація неперервна, а цифрова дискретна.

Недоліки аналогового запису:

1) Незручність роботи зі стрічкою.

3) Неможливість оперативного монтажу, підчисток, обробки записаного сигналу.

4) Погіршення якості запису з часом. Дійсно, при тривалому зберіганні фонограми якість запису погіршується. При боргом (близько року і більше) зберіганні виявляється так званий копір-ефект. Це походить від того, що сигнал з одного витка стрічки копіюється на інший. Навіть якщо не брати це до уваги, слід пам'ятати, що аналогова фонограма втрачає якість при кожному програванні.

5) Висока вартість професійного аналогового обладнання та магнітної стрічки. Стрічка фізично не здатна витримати стільки циклів "запис-стирання", скільки витримує комп'ютерний диск.

Переваги аналогового запису:

на хорошому устаткуванні з хорошою плівкою перші копії будуть більш точними, ніж вони були б у цифровому варіанті, бо будь-яка дискретизація неминуче тягне за собою втрату інформації між сусідніми вимірами, а при аналогового запису інформація пишеться безперервно. Ось чому класична музика, записана на хорошому котушкові магнітофони на хорошу плівку, буде звучати жвавіше, ніж більш сухий "дискретний" звук на cd.

Переваги цифрового запису:

1) Можливість швидкої і наочної редакції записаного матеріалу.

2) Відсутність спотворень при копіюванні. При правильній комутації можливо необмежену кількість перезаписів цифрового сигналу з одного носія на інший.

3) Тривале зберігання архівних матеріалів на CD без втрати якості.

4) Відносно низька вартість систем цифрового звукозапису.

Тепер же поговоривши про різні способи представлення інформації, зупинимося на цифровому способі і розберемося з компакт-дисками.

Фізичне пристрій CD-ROM Drive.

Розглянемо, з чого складається пристрій для зчитування даних з CD-ROM (Compact Disc - Read Only Memory) - CD-ROM Drive.

Типове пристрій цього пристрою наведено на малюнку. Давайте розглянемо алгоритм роботи CDROM Drive і розберемося, як він працює.

Напівпровідниковий лазер (4) генерує малопотужний лазерний промінь, який потрапляє на відбиває дзеркало. Двигун, керований мікропроцесором CDROM Drive зміщує рухливу каретку (6) з відбиваючим дзеркалом і фокусує лінзою (7) до потрібної доріжці компакт-диска (1). Промінь лазера фокусується на поверхні CDROM за допомогою лінзи, а потім лінза фокусує відбитий від поверхні диска промінь. Цей промінь за допомогою оптичної системи (5) подається на фотоприймач (3), який перетворює прийняті світлові імпульси в електричні, які потім відповідним чином розшифровуються контролером (2) і передаються в комп'ютер у вигляді цифрових даних.

Розсіювання або поглинання променя відбувається в тих місцях, де в процесі запису на диск були нанесені заглиблення (штрихи або піти). Сильне відображення відбувається про тих областей диска, де таких штрихів немає. Фотодатчик сприймає лазерний промінь, відбитий від поверхні диска, потім ці сигнали надходять в мікропроцесор пристрою, що зчитує, там вони перетворюються в двійкові дані. Глибина кожного штриха на диску дорівнює 0,12 мкм, ширина - 0,60 мкм. Штрихи розташовані у вигляді спіральної доріжки, відстань між сусідніми витками якої складає 1,60 мкм, що відповідає щільності 16 тис. витків на дюйм, або 625 витків на мм. Довжина штрихів уздовж доріжки запису може коливатися 0т 0,9 мкм до 3,3 мкм. Доріжка починається на деякій відстані від центрального отвору диска і закінчується приблизно в 5 мм від краю диска.

Якщо на компакт-диску (звуковому чи інформаційному) необхідно відшукати місце запису визначених даних, то його координати попередньо зчитуються з змісту диска, після чого зчитувальний пристрій переміщається до потрібного витка спіралі і чекає появи певної послідовності бітів.

Запис же на компакт-диск штампованого виробництва здійснюється одноразово і полягає в нанесенні на чисту поверхню алюмінієвого шару відповідного малюнка штрихів. Такий запис здійснюється або випалюванням за допомогою лазерного променя, або шляхом штампування. Так як записану поверхню вже неможливо повернути в початковий стан, то і провести перезапис інформації на компакт-диск не можна.

Інформація на звичайному CD штампованого виробництва розподілена таким чином: існує заголовна область lead - in (містить інформацію про адреси доріжок, про помилки і різну службову інформацію), безпосередньо область даних і lead - out (фінальна доріжка, що містить інформацію про закінчення сесії запису). На дисках сесіями запису існують додаткові інформаційні області, відображені на малюнку нижче.

Рис 6. Компакт диск

.

DVD диски

DVD може існувати в декількох модифікаціях. Найпростіша з них схожа на звичайний диск, що відрізняється тільки тим, що відбиває шар розташований не на складовій майже повній товщині (1.2 мм) шарі полікарбонату, а на прошарку половинної товщини (0.6 мм). Другу половину становить плоский верхній шар. При цьому ємність такого диска досягає 4.7 Гбайт, що забезпечує більш двох годин відео телевізійної якості (компресія MPEG-2). При цьому без особливих зусиль на диску можуть додатково зберігатися високоякісний стереозвук (кількома мовами!) І титри (також багатомовні). Якщо обидва шари несуть інформацію (у цьому випадку нижнє покриття, що відбиває напівпрозоре), то сумарна ємність складає 8.5 Гбайт (деяке зменшення ємності кожного шару викликається необхідністю зменшити взаємні перешкоди при зчитуванні далекого шару). Toshiba і Time Warner пропонують використовувати також двосторонній двошаровий диск. У цьому випадку його ємність складе 17 Гбайт!

Щоб зрозуміти, як вдалося досягти такого значного зростання обсягу інформації на DVD диску порівняємо його з CD-ROM. Головна відмінність звичайно в збільшеній щільності запису інформації.

За рахунок перекладу лазера, що зчитує, з інфрачервоного діапазону (довжина хвилі 780 нм) у червоний (з довжиною хвилі 650 нм чи 635 нм) і збільшення числової аппертури об'єктива до 0.6 (проти 0.45 у CD) досягається більш ніж двократне ущільнення доріжок і укорочення довжини пітів ( відображають виступів / западин), що й видно на рис.13.

Рис. 13. Порівняння щільності запису на DVD і CD дисках

З решти ще не названими характеристик варто відзначити номінальну швидкість передачі даних - 1.108 Кбайт / с, підтримувану при постійній лінійній швидкості 4 м / с.

Різноманітність дисків CD і DVD.

Диски CD і DVD складаються з одних і тих же базових матеріалів і верств, але процеси їх виготовлення різні. У реальності DVD нагадує два диски CD, склеєних разом. Запис і читання інформації з поверхні CD провадиться тільки з одного боку, DVD - з одного або двох сторін, залежно від того, як влаштований диск. Записувані диски DVD (DVD-R, DVD-RW, DVD-RAM) можуть виготовлятися з одним шаром запису на кожній стороні, а попередньо записані диски DVD (DVD-ROM) - з одним або двома записаними шарами з кожного боку.

Полікарбонатна підкладка.

Полікарбонатна (полімерна) підкладка займає більшу частину диска, в тому числі і зону, яка зчитується променем лазера. В даний час обидві сторони DVD також виготовляються з полікарбонату (ПК).

Підкладка забезпечує достатню глибину, щоб сфокусувати лазер на металевому та інформаційному шарах. ПК, крім того, надає достатню механічну міцність для збереження площинності диска.

Якщо усередині ПК або зовні будуть знаходитися сторонні речовини, які погіршують фокусування лазера на інформаційному шарі, то це може призвести до неможливості читання даних.

Тому на здатність лазера зчитувати дані впливають такі фактори, як відбитки пальців, плями, подряпини, частинки пилу, бруду, сліди розчинників і надмірна волога (яку ПК буде вбирати). Необхідно уникати контакту будь-якого стороннього матеріалу з шаром ПК підкладки.

Інформація представлена ​​в   вигляді пітів або міток, які або поглинають світловий потік від лазерного джерела, або проводять світло назад до лазерного фотодатчика за допомогою відображає металевого шару.

Шар металу і інформаційний шар в CD розміщені дуже близько до його поверхні з боку етикетки, а в DVD вони знаходяться в середині диска.

Матеріал, який може використовуватися для кожного шару, визначається типом диска (табл. 1).

Шари, до складу яких входить органічний барвник (диски-R) або фазоінверсние речовини (диски-RW) містять дані, і потік світла при проходженні через інформаційний шар або пропускається, або блокується. Зони інформаційного шару, на які діє лазер при записі, абсорбуються «читає» пучком лазера при досягненні останнім шару металу, а потім за рахунок зворотного відображення пучки світла падають на лазерний фотодатчик. Світлі і темні області призводять до ефекту відображення, який подібний ефекту інтерференції в шарі метал / підкладка з «запресованими» і «відлитими» даними дисків типу RОМ. Відображення пучка світла від барвника, плівки або від пресованої точки перетвориться в нулі і одиниці на приводі диска під час читання диска лазером.

Диски ROM. Такі диски продаються вже з записом і є так званими «тиражованими» дисками, їх пресують під тиском на спеціальному устаткуванні. Прикладами дисків CD-ROM є Audio-CD, Video-CD, CD-i і CD + G, а також CD-диски, які застосовуються для запису комп'ютерних програм. До DVD-ROM відносяться диски DVD-Video, DVD-Audio, а також багато інших DVD для запису ігор і комп'ютерних програм. Фактично на CD-ROM або DVD-ROM немає окремого шару з даними. При литті під тиском полімеру, використовуваного в якості основи (підкладки) диска, застосовується особлива форма для отримання пітів (поглиблень) і плоских ділянок - бази інформаційного шару з даними. Потім на підготовлену таким чином поверхню напилюється або осідає шар металу, який утворює відображає шар. Цей відображає металевий шар в дисках RОМ і прийнято вважати інформаційним, оскільки метал поєднується з пітамі і плоскими ділянками полікарбонатного шару (рис. 1). Звичайно як металевого шару в ROM-дисках використовується алюміній, а в якості напівпрозорого шару в двосторонніх дисках DVD-ROM - золото, сплав срібла або кремній.

Під час зчитування інформації промінь лазера не відбивається від ділянки, де метал був випалений або видалений при штампуванні (піт), що відповідає логічному нулю. Там, де метал не був видалений або випалений, промінь лазера відбивається, що відповідає логічній одиниці.

R-диски. Шар для запису даних у одноразово записуваних оптичних дисків (CD-R, DVD-R, DVD + R) розміщується між полікарбонатною основою і металевим шаром (рис. 2). Біти записуються на шарі барвника за рахунок його хімічного перетворення під впливом пучка світла лазера [5]. Але з часом цей барвник розпадається, і вважати дані з диска стає неможливо. Для виготовлення інформаційного шару в дисках типу CD-R використовують різні барвники, які надають диску певний колір (табл. 2.)

Диски RW і RAM. Шар для запису даних на оптичних дисках для багаторазового запису (CD-RW, DVD-RW, DVD + RW, DVD-RAM) розташований між полікарбонатною основою і металевим шаром (мал. 3). Інформаційний шар, який виготовлений з фазоінверсного матеріалу - плівки металевого сплаву (срібло, індій, сурма або телур), укладеної між двома шарами діелектрика, знаходиться між полікарбонатною основою і непрозорим або напівпрозорим шаром металу.

На цей шар при температурі вище температури плавлення фазоінверсного матеріалу лазерний промінь записує біти (мітки), за рахунок діелектричних шарів відбувається швидке охолодження фазоінверсного матеріалу, і зона бітів зберігається в аморфному стані.

При нагріванні цього шару до температури, трохи вище температури кристалізації, але нижче за температуру плавлення, відбувається зворотний перехід речовини шару в кристалічний стан і стирання записаних бітів. Запис і стирання можуть проводитися за один прохід, при перезапису диска.

З точки зору матеріалознавства використання фазоінверсного металу в якості інформаційного шару перезаписуваних дисків можна пояснити наступним чином. Ділянка такого металу, в якому кристалічна решітка ідеальна, відображає кванти світла майже без розсіювання, що відповідає логічній одиниці.

Світло лазера - це електромагнітна хвиля і одночасно кванти, що володіють електричним і магнітним полями. Кванти світла, зустрівшись з великою кількістю електронів ідеальної кристалічної решітки, потрапляють у магнітні поля цих електронів, після чого кванти рухаються у зворотному напрямку.

На тих ділянках фазоінверсного металу, де кристалічна решітка деформована (внаслідок впливу лазерним випромінюванням більш високої потужності, ніж випромінювання лазера при читанні диска), електронів на шляху квантів світла менше і світло розсіюється (це відповідає логічному нулю).

Металевий (відображає) шар

Металевий шар в оптичних дисках відображає падаюче на нього пучок променів від лазера і направляє їх на фоточутливі голівку лазера. Зазвичай для цього шару використовують алюміній, золото або срібло (або сплав срібла). У двошарових дисках DVD для отримання напівпрозорих шарів іноді застосовують кремній.

Диски RW, ROM і RAM. У дисках CD-RW, CD-ROM, DVD-RW, DVD + RW, DVD-ROM, DVD-RAM як відбиває шару використовують алюміній, головним чином тому, що це дешевий і технологічний матеріал, який легко наносити. Алюміній окислюється при дії кисню атмосферного повітря або вологи. У деяких CD-дисках, які випускалися раніше, внаслідок низької якості з'єднання дискового пакета молекули кисню проникали всередину нього, окислюючи шар алюмінію і знижуючи його відбивну здатність. Такі диски переставали зчитуватися променем лазера (іноді, характеризуючи дане явище, говорили «диск згнив»). Це найголовніша причина деградації RОМ-дисків під впливом оточуючих факторів. А от у випадку дисків RW і RAM плівка з фазоінверсним речовиною зазвичай руйнується швидше, ніж окислюється алюмінієва плівка.

R-диски. Для виготовлення відбиває шару в дисках CD-R, DVD-R, DVD + R застосовують золото, срібло чи сплав срібла. Срібло має трохи більш високу відбивну здатність, ніж золото, але через корозію або під впливом навколишнього середовища вона знижується. Корозія срібла відбувається в результаті хімічної взаємодії металу з діоксидом сірки (речовиною, що присутні в атмосфері і забруднюють її), який може проникати в диск разом з вологою. Золото є дуже стабільним металом, стійким до корозії, що забезпечує тривалий термін служби диска, але досить дорогим матеріалом. Алюміній у дисках цього типу не застосовують, так як він може взаємодіяти з барвником інформаційного шару. Але й срібло, і золото по стабільності перевершують барвник.

Двошарові диски DVD-ROM. Диски DVD-ROM можуть мати два відображають металевих шару, що забезпечують зчитування даних з двох шарів, але з одного боку диска. У порівнянні з одношаровим DVD, такі двошарові DVD забезпечують чотирикратну місткість контенту (відео, аудіо, прикладних програм). Щоб вважати дані з повністю відбиває шару, лазерний промінь повинен проходити крізь напівпрозорий металевий шар. Зовнішній шар металу (кремній, золото чи сплав срібла) є напівпрозорим; він відображає деяку частину лазерного потоку, дозволяючи решті частини потоку досягти повністю відбиває шару (з алюмінію) і відобразитися у зворотному напрямку. Тому обидві частини лазерного потоку відбиваються від відповідних поверхонь і спрямовуються на фотодатчик, розташований в лазерній головці, а розпізнається і здійснюється фокусування лазера тільки на одному шарі.

На рис. 4 (ліворуч) представлена ​​найбільш поширена конструкція одностороннього двошарового диска DVD, а праворуч - альтернативна. Різниця між ними полягає в тому, що в першому випадку металеві шари з даними розташовані на різних сторонах (половинках) диска, а в другому на одній. Промінь лазера повинен проходити через напівпрозорий шар металу і шар адгезиву (клею), що склеює дві половинки диска, причому адгезив не повинен затримувати потік світла.

DVD-ROM можуть бути і двосторонніми.

На рис. 5 (ліворуч) показаний двосторонній DVD (часто це DVD-Video, на одній стороні якого записано відеозображення в повноекранному форматі для ТВ-приймачів, а з іншого - в широкому форматі. Якщо двосторонній DVD-диск з кожного боку має по два робочих шару, то його ємність у порівнянні з одношаровим і одностороннім диском DVD збільшується майже в 4 рази

Лаковий шар дисків CD

З боку етикетки на диски CD наноситься дуже тонкий шар спеціального лаку. Призначення цього шару - захистити метал від впливу навколишнього середовища (в дисках DVD такого шару немає). Цей шар також забезпечує деякий захист при нанесенні написів або етикетування диска. Однак CD більш чутливі до пошкодження цього боку, ніж з боку полікарбонату. Так як металевий шар знаходиться поблизу поверхні етикетки, гострі місця можуть легко пошкодити CD, деформуючи метал або піддаючи його впливу навколишніх умов. Деякі розчинники можуть взаємодіяти з лаком, оголювати метал і реагувати з ним. Якщо шар металу пошкоджений, то промінь лазера не зможе вважати інформацію з зіпсованих ділянок.

Іноді виробник вводить додатковий шар, призначений для підвищення стійкості проти відбитків пальців або появи подряпин з боку етикетки. Особливо ефективно захищає диск і шар лаку, нанесений на крайки диска. Волога, яка проникає через незахищені крайки диска здатна взаємодіяти з металом, часто це і відбувалося з дисками, які випускалися раніше. Тому захищати кромки CD так само важливо, як поверхні диска.

Додатковий поверхневий шар

На поверхню CD і DVD може бути завдано додатковий етикетировочні шар, який дозволяє створити поверхню для нанесення термодруку, струменевого і трафаретного друку, а також таку, яка може сприймати декілька типів друку.

Цей шар наносяться на лаковий шар CD, а у разі односторонніх DVD на полікарбонатну підкладку. У деяких дисках використовують ще й додаткове покриття для нанесення текстової інформації або логотипів. Часто здається, що текст завдано за допомогою трафарету і не є частиною покриття або що він нанесений на поверхню, що відбиває металу, а не друкарським способом зверху. При перегляді диска на світ він здається напівпрозорим, тому що світло проходить не тільки крізь шар друку, але і через шар металу.

Шар з печаткою має підвищеним ступенем чутливості до руйнування, на нього не можна наносити написи і слід оберігати його від подряпин. Єдиними місцями на диску, на які можна наносити додаткові написи, є прозорі ділянки біля проходу, або «дзеркальна стрічка», тому що в цих місцях дані не записуються.

Трохи про голографічного запису інформації.

Розглянемо процес запису і зчитування голограм на прикладі схеми, зображеної на рис. 6 і отримала широке розповсюдження завдяки наочності і простоті, а в основному завдяки тому, що в руках дослідників з'явився унікальний інструмент - лазер.

При висвітленні будь-якого як завгодно складного предмета випромінюванням кожна точка предмета є джерелом вторинних (відображених) хвиль, і на досить великих відстанях від предмета, значно більших, ніж розміри фотопластинки, ці хвилі добре можуть бути представлені у вигляді плоских хвиль. При цьому кожній точці на предмет буде відповідати МПЕВ зі своїм кутом падіння Q 'на платівку. Якщо площину фотопластинки висвітлити частиною випромінювання, яке використовувалося для освітлення предмета (опорний пучок), то на ній утворюється система смуг інтерференції опорного пучка і пучків, випущених кожною точкою предмета.

Тепер досить експонувати (засвітити) фотопластинку і обробити хімічно (проявити і закріпити), для того щоб одержати голограму нашого предмета. Голограма ця не має нічого спільного з фотографією, отриманої звичайним способом. Ми не зможемо в звичайному світлі розглянути на ній нічого, крім безладної на перший погляд картини чергування областей з різним пропусканням. Для читання голограми потрібен опорний пучок 2, точно такий же, як і той, що використовувався і при записі. При висвітленні опорним пучком на кожній із сукупності записаних дифракційних решіток відновлюється своя предметна хвиля, відповідна певній точці предмета. Тому, розміщуючи око в будь-якій точці простору за голограмою, можна спостерігати сукупність зображень всіх цих точок. При цьому предмет сприймається як об'ємне утворення, тому що, переміщуючи очей у площині, паралельній голограмі, можна бачити його зображення, яке ми змогли б бачити розглядаючи НЕ голограму, а оригінал.

Необхідно відзначити кілька дуже важливих властивостей голографічного способу запису інформації.

1. Голографічний спосіб запису зображення чутливий до фаз предметних хвиль, тому в голограмі міститься інформація про відстань будь-якої точки предмета до фотопластинки. Це дозволяє передавати об'ємність предмету. На платівці з розмірами, близькими до розмірів звичайної фотографії, міститься інформація про незліченній кількості зображень предмета, відповідних його спостереженню з різних точок.

2. Чутливість методу до фаз предметної хвилі зумовлена ​​насамперед тим, що записується картина інтерференції цієї хвилі з опорною, фаза якої відома.

3. Відновлення предметної хвилі можливо з будь-якого малого ділянки голограми. Можливо на невеликій ділянці матеріалу записати неймовірно велику кількість інформації. При цьому, чим більше розмір ділянки, тим більша чіткість зображення можлива.

Однак голографічний спосіб запису не знаходить такого широкого застосування як CD-диски через дорожнечу такого способу запису і зберігання інформації. Також інформацію, записану голографією незручно обробляти і змінювати, а на перезаписуваних CD-дисках це робити можна багато разів.