Шар - основа диска
За своєю будовою диск CD-R (заготівля для запису), також як і його "штампований" побратим, нагадує листковий пиріг (рис.1) і відрізняється тільки наявністю активного (реєструючого) шару.
рис.1
Головною "деталлю" CD-R диска є основа. Від якості виготовлення основи залежить майже половина якості всього диска. Правда, до характеристик матеріалу, з якого виконана основа, особливих вимог не висувають, застосовується той же полікарбонат, який використовується і при виготовленні CD-ROM. Але ось рельєф основи набагато складніше, ніж у записаного диска (CD-ROM). Труднощі починаються з того, що "чиста", незаписані заготовка не містить ніякої інформації і, відповідно, на її поверхні не повинно бути ніяких пітів. Але ж піти - це не тільки зберігається інформація, але і джерело даних для роботи системи, що стежить. Як же на незаписану заготівлі утримати записуючу голівку на уявній спіралі з достатньою точністю? Для цього основа CD-R диска при виготовленні отримує розмітку - суцільну спіральну канавку (Pregroove). Тривимірне зображення поверхні основи CD-R, побудоване за результатами вимірювань у лабораторії атомно-силової мікроскопії Інституту фізики напівпровідників Національної академії наук України, наведено на рис.2.
рис.2
Точні значення ширини, глибини і навіть кута нахилу бічних стінок - це і є найбільше ноу-хау фірми, що випускає CD-R.
Ця напрямна канавка заповнюється органічним барвником. Завдяки барвнику промінь лазера трохи послаблюється, тому від самої канавки в фотоприймачі потрапляє менше світла, ніж від інших ділянок диска. Цього достатньо для надійної роботи стежить системи пристрою запису. Звичайно, барвник не може бути дуже темним. Адже його наявність не має надалі заважати прочитуючим пристроїв, які можуть і не припускати наявність спіральної розмітки. Але стежить система записуючого пристрою спеціально розроблена для відстеження положення щодо слабоконтрастних доріжки.
У CD-ROM піти не тільки містять корисну інформацію і дозволяють стежити за інформаційної доріжкою, але і служать для синхронізації частоти свого тактового генератора з частотою проходження бітів зчитуваного послідовного коду. Відсутність пітів у незаписані CD-R змушує застосовувати досить хитромудрі технічні рішення для синхронізації частоти тактового генератора (в даному випадку зі швидкістю обертання диска). Зокрема, в CD-R канавка виконана не у вигляді рівної спіралі, як її уявляв собі Архімед, а з мікроскопічними відхиленнями - вобуляціей (рис.3).
рис.3
Частота коливань канавки щодо спіральної траєкторії становить 22,05 кГц (для швидкості обертання диска 1х). Відповідно, один період цих коливань займає 60 мкм спіральної траєкторії. Амплітуда коливань всього 0,03 мкм, значно менше ширини самої канавки, але цього достатньо, щоб виділити коливання з частотою 22,05 кГц і синхронізувати цими коливаннями частоту свого тактового генератора.
На жаль, на цьому труднощі з визначенням місця розташування записуючої голівки не закінчуються. Як відомо, інформація на CD-ROM записана окремими порціями - кадрами (секторами, блоками). У заголовку кожного кадру міститься службова інформація, в тому числі і про номер поточного кадру. Номер кадру представляється двійково-десятковим кодом у форматі (хвилина): (секунда): (номер кадру в межах даної секунди). Кожна секунда містить 75 кадрів. Поки на CD-R не записано жодного кадру, інформації про номер кадру не може бути. Але ж вона потрібна!
Насправді ця інформація є і на невинно чистому CD-R. Захована вона також у формі канавки. Це так зване дійсне час по розмітці (ATIP - Actual Time In Pregroove). Вся галактика розмітка розбивається на фрейми, кожен з яких за тривалістю відповідає одному кадру інформації. Інформація про номер фрейму (майбутнього кадру) представлена на розмітці шляхом зсуву частоти вобуляціі на 1 кГц від значення 22,05 кГц, тобто реально частота вобуляціі приймає значення 21,05 кГц або 23,05 кГц. Те чи інше поточне значення частоти вобуляціі відіграє ту ж роль, що і піти та ленд на поверхні CD-ROM. Номер фрейму - це 42 послідовних тимчасових інтервалу, закодованих розглянутим вище кодом EFM. Серія з 42 тимчасових інтервалів декодується в 3 байта, з них один байт (дві десяткові цифри) - це хвилина, один байт (дві десяткові цифри) - секунда і один байт (також дві десяткові цифри) - номер фрейму в поточній секунді.
Спіральна канавка в CD-R починається трохи ближче до центру диска, ніж у звичайного CD-ROM починається послідовність пітів. На цьому початковому ділянці, недоступному, як правило, для зчитують приводів CD-ROM, розташовані дві службові області: для калібрування потужності лазера перед записом PCA (Power Calibration Area) і для тимчасового зберігання таблиці вмісту диска PMA (Program Memory Area). PCA використовується для вибору оптимальної потужності лазера перед кожним записом, а PMA - для тимчасового зберігання таблиці вмісту диска в процесі запису.
PCA і PMA є таблицями фіксованої довжини ємкістю по 99 елементів кожна, що й обмежує можливу кількість сесій.
На цій ділянці існує також спеціальна таблиця, в якій містяться деякі відомості, що характеризують цей CD-R. Таблиця містить спеціальну інформацію, яка присутня завжди, і додаткову інформацію, яка може бути на диску, а може і не бути. Спеціальна інформація - це, наприклад, відомості про виробника матриці, з якої виготовлена основа даного CD-R, відомості про застосовуваний барвнику та оптимальної потужності лазера, код застосування (наприклад, для побутових аудіорекордер). Додаткова інформація - це, наприклад, максимальна і мінімальна швидкість запису. Таблиця виконана шляхом формування справжнісіньких "пітів" і "ленд", як в CD-ROM, тобто не може бути змінена ніяким способом. Але вона може бути прочитана. Для цього існують різні програми, наприклад, CDR Media Code Identifier (одна з найбільш вдалих і широко поширених).
На жаль, такі програми досить часто марні, особливо для нових CD-R. Справа в тому, що точний зміст таблиці і коди виробників матриці визначаються Orange Forum - організацією, що займається стандартизацією в області CD-R. Раніше вся ця інформація була загальнодоступною. Зараз сайт Orange Forum виглядає не дуже інформативно, а інформація з цих кодами знаходиться в закритому доступі.
Активний шар. Активний шар - насправді це і є той барвник, яким заповнюється напрямна канавка. Так він і задумувався. Але, незважаючи на те, що зараз ми розглядаємо цей шар тільки як заповнення барвником спеціальної канавки, це все ж шар. Чому це так, нам стане гранично зрозуміло після того, як ми розберемося з технологічними особливостями виготовлення CD-R. Зараз же давайте тільки подивимося, яким же чином здійснюється запис інформації на CD-R, або, іншими словами, як канавка перетворюється на піти.
Випалюємо інформацію. У процесі запису на окремих ділянках потужність лазера збільшується від 0,7 мВт (потужність при зчитуванні) до величини близько 8 мВт (для першої швидкості). Енергія лазерного променя поглинається органічним барвником і перетворюється в тепло. Іноді цей процес називається "пропалювання". Термін "пропалювання" не зовсім точний і в деякому сенсі навіть шкідливий. Створюється враження, що в відбиває шарі або десь ще створюються "дірки". Насправді під дією тепла, що виділяється відбуваються різні зміни (Рис.4).
Рис.4. Так канавка перетворюється на піти
У результаті нагрівання барвник обвуглюється і в ньому з'являються мікроскопічні газові бульбашки. У процесі виділення газів збільшується обсяг барвника і деформується відображає шар. Барвник нагрівається до температури, що перевищує температуру плавлення полікарбонату, внаслідок чого і сама основа в даній точці плавиться і деформується.
Для різних дисків і різних режимів записи можуть переважати ті чи інші ефекти. Це не так важливо, в будь-якому випадку прозорість такої ділянки з точки зору лазера значно погіршується, що еквівалентно "піту" у звичайному CD-ROM. Виникає тільки плутанина, як це все назвати. Адже під терміном "ленд" розуміється вся поверхня диска, не зайнята пітамі. Власне, слово-то land і перекладається з англійської як "поверхню". І в дисках CD-R є справжнісінький ленд: це ділянки поверхні між витками направляючої канавки. Тому канавка у незаписані диска CD-R називається просто канавка (groоve), а після запису вся канавка вважається розбитою на ряд пітів. Тільки одні піти позначають піти (pit marks pits), а інші піти позначають Ленди (land marks pits).
Після того, як диск записаний, потреба в канавці з ATIP відпадає. Звичайні приводи CD-ROM навіть не здогадуються про її існування, а просто аналізують темні і світлі ділянки диска. При цьому, коли привід читає записаний диск, то стежити за доріжкою йому навіть легше. Навіть на ділянках, відповідних Ленду на "алюмінієвому" диску, тобто світлих ділянках, сама доріжка трохи темніше решти поверхні. Але ось зчитувати записану інформацію важче, ніж з CD-ROM. Це і менший коефіцієнт відбиття через наявність додаткового шару, це і якість формування пітів лазерним променем. Якість формування пітів залежить, звичайно, в першу чергу від властивостей барвника, тому розглянемо це питання детальніше.
У дійсності взаємодія променя лазера з активним шаром набагато складніше. Але більш суворо ми зможемо розглянути вплив параметрів активного шару на якісні характеристики CD-R тільки після короткого аналізу особливостей технологічного процесу виготовлення CD-R, що і буде зроблено в продовженні цієї статті. Зараз же ми можемо обговорити характеристики барвників тільки як речовини, яка заповнює напрямну канавку і "пропалює" в процесі запису.
Красиві подробиці про барвники. В даний час на ринку представлені першокласні моделі CD-R дисків з різним активним шаром. Звичайно, кожен тип активного шару володіє своїми специфічними характеристиками. І виробники CD-R на цій підставі проводять потужні рекламні акції для доказу того, що застосовуваний даною компанією активний шар найактивніший у світі. Taiyo Yuden пишається тим, що вона перша застосувала активний шар на основі цианинов, і саме він ліг в основу стандарту під назвою "Помаранчева книга", в якому описується, яким повинен бути CD-R. Їй вторить TDK, яка каже що тільки цианинов хороший для Audio CD (мається на увазі, напевно, не просто цианинов, а саме цианинов від TDK). Концерн Mitsubishi Chemical розробив барвник Metal Azo і майже переконав нас у тому, що тільки диски Verbatim, що використовують барвник Metal Azo, придатні для запису. А в цей час Mitsui Advanced Media, Inc. запатентувала принаймні два типи барвників на основі фталоцианина і стверджує, що її диски - це "диски третього тисячоліття". Де ж правда?
Якщо залишити осторонь рекламну галас навколо цього питання, то виявиться, що існує тільки два різновиди барвників: на основі цианинов і на основі фталоцианина.
Цианинов - це барвник, який історично першим почав застосовуватися в CD-R. Свою назву він отримав через колір (cyan - блакитний). Ніякого відношення до отруйних ціаніду він не має, так що не намагайтеся згодувати зіпсований CD-R улюбленій тещі.
У чистому вигляді цианинов ніколи не застосовувався в CD-R. Сам по собі цей барвник дуже чутливий до сонячного світла, тому завжди вимагає застосування стабілізуючих добавок. Цианинов має досить темний колір. Тому напрямна доріжка виявляється дуже контрастною, і будь-записуючий пристрій спочатку з успіхом справлялося із завданням відстеження цієї доріжки. Але з-за темного кольору коефіцієнт відображення світла навіть на тих ділянках, які повинні бути світлими, виходить не дуже високий. Це було основною причиною того, що "золоті диски" погано читалися в звичайному приводі CD-ROM. Звичайно, за час існування CD-ROM і записуючі пристрої, і читають приводи, і сам барвник стали вже не ті, що були 20 років тому. У сучасних заготовках на основі цианинов будь-які проблеми, пов'язані з кольором барвника, практично виключені. Єдиною справжньою проблемою є чутливість цианинов до ультрафіолетових променів. Диск, експлуатований в сонячних приміщеннях, може досить швидко розгубити всі записані на нього бітікі.
Крім того, цианинов ідеально працює при записі на першій швидкості, але при збільшенні швидкості запису якість запису, як правило, залишає бажати кращого. Тому дослідження, спрямовані на поліпшення експлуатаційних характеристик цианинов, тривають і зараз. Найбільш значна розробка в цьому плані - це барвник Metal Azo.
Барвник Metal Azo розроблений концерном Mitsubishi Chemical і застосовується тільки в дисках з торговою маркою Verbatim. Це теж цианинов, але з унікальними патентованими стабілізуючими добавками. Диски Verbatim мають дуже приємний насичений синій колір. Приємно брати в руки, і ні з якими іншими не сплутаєш. Але головне достоїнство цих дисків, звичайно, не в красі. Завдяки добавкам вдалося значно підвищити стійкість барвника до ультрафіолетових променів і тепла. Крім того, значно розширився діапазон швидкостей запису. Саме тому диски Verbatim користуються заслуженою повагою.
Фталоцианин розроблений одним з найвідоміших виробників CD-R - фірмою Mitsui. Однією з цілей розробки було саме зниження чутливості до ультрафіолетових променів. Фталоцианин сам по собі набагато стабільніше, ніж цианинов, і тому не вимагає ніяких додаткових стабілізуючих добавок. Переважним ефектом при записі диска з активним шаром на основі фталоцианина є виділення газів з утворенням пухирців і супутньої деформацією відбиває шару. Тому фталоцианин вимагає меншої потужності лазера при записі (мал. 5).
Рис.5. Необхідна потужність лазера при записі (за даними Mitsui Toatsu)
Фталоцианин, на противагу цианинов, дуже добре працює на підвищених швидкостях запису й погано - на першій швидкості.
Фталоцианин має золотистий колір і значно світліше цианинов. Більш того, навіть після запису диск залишається майже прозорим. На цій підставі багато хто відчуває упередженість до нескромно-світлим дискам. Але реальних причин для занепокоєння все ж немає. Це ми бачимо, якого кольору барвник в CD-R. Лазер ж за своєю природою дальтонік. Він "не розуміє" цвет.д.ля нього існують лише яскраві ділянки і темні. Більш того, лазерна головка визначає яскравість тільки в інфрачервоній області світла, яку ми не бачимо. Тому ми з лазером ніколи і не зрозуміємо один одного. Залишається покладатися лише на обіцянки розробників барвника, що з точки зору лазера барвник досить темний. Що ж стосується того факту, що диск залишається світлим після запису, то і тут нічого дивного немає. Оскільки основним ефектом при записі для фталоцианина є утворення газових бульбашок і практично відсутній потемніння, то сформовані піти в основному просто розсіюють світло. Ми-то бачимо і розсіяне світло, але лазеру, щоб щось побачити, потрібно дуже точно це світло сфокусувати. Тому лазеру записані на фталоцианин піти все одно здаються абсолютно чорними.
Звичайно, коли перші диски з фталоціанінових активним шаром тільки з'явилися, з ними були реальні проблеми. Але проблеми були пов'язані не з гіршими характеристиками барвника, а з тим, що ці характеристики не такі, як у цианинов. Пристрої запису не були готові до роботи з такими дисками. По-перше, по всій видимості, не тільки для нас, але і для лазера фталоцианин кілька прозоріше цианинов. Деякі записуючі пристрої, схоже, просто втрачали канавку в процесі запису і безнадійно псували заготовки. Але головне, навіть якщо запис і відбувалася успішно, прочитати записаний диск можна було тільки на окремих приводах CD-ROM. Низька якість запису було пов'язано найчастіше з тим, що записуючий привід або не розумів, яку потужність має розвинути його лазер, або просто не міг стабільно підтримувати знижений рівень потужності. Але це був період, коли для кожного приводу доводилося підбирати тип заготовок, на яких запис проходив більш-менш успішно. Ну і що, комп'ютерники зі стажем можуть пригадати період, коли звичайні дискетки добре читалися тільки в тому приводі, на якому були записані. Час то пройшло. Зараз, завдяки активній діяльності Orange Forum, такої проблеми не існує в принципі. І диски з написом Mitsui, що використовують фталоціанінових барвник, вважаються якщо не найкращими, то вже, принаймні, одними з кращих у світі.
Одне з найбільш перспективних напрямків у розвитку барвників на основі фталоцианина - це технологія Supergreen, розроблена концерном CIBA (Швейцарія). Диски з барвником Irgafor, створеному на базі технології Supergreen, випускаються дуже багатьма підприємствами, в тому числі і київським заводом "Росток-СД". Основним напрямком розробки було створення барвника, здатного працювати при будь-якій швидкості запису. Особливо великою проблемою для фталоціанінових барвників була низька якість запису на першій швидкості. Комп'ютерників це питання, звичайно, мало хвилює. Їм хочеться записувати на швидкості не менше 16х. Але у світі існує величезна кількість побутових аудіорекордер, які записують музичні твори прямо на CD-R. По самій суті роботи ці рекордери повинні працювати на першій швидкості. Тому один час серйозно обговорювалася необхідність розділити всі види CD-R на дві великі групи: для швидкостей запису 1х ... 8х і для більш високих швидкостей. Більш того, диски були найкраще оптимізовані для певної швидкості. Якщо на упаковці диска значилося 12х, то на цей диск можна було відмінно записувати саме на швидкості 12х. На більш низьких швидкостях теж можна писати, але вже дещо гірше. На коробках з дисками, виготовленими за технологією Supergreen, Rostok Media заводу "Росток-СД", значиться 1х ... 52х. Такі диски можна записувати на будь-якій швидкості.
Існують і інші типи барвників. Зокрема, Kodak застосовує свій барвник Formazan, який є гібридною суміш цианинов і фталоцианина.
Якість диску - це здатність без істотних помилок записати інформацію і здатність досить довго її зберігати без збільшення частоти помилок читання записаної інформації.
Інші шари CD-R відображає. Від параметрів відображає шару також у великій мірі залежить якість заготовки. Але тут все ж у виробників CD-R не так багато можливостей для маневру. Перші CD-R випускалися тільки з шаром, що відображає зі справжнього золота. Найбільшою проблемою було забезпечити більш-менш прийнятну відображає здатність, яка залежить як від властивостей відбиває шару, так і від властивостей барвника.
Завдяки дослідженням фахівців компанії Tajyo Yuden було знайдено вдале поєднання: золото за цианинов. І до цих пір багато хто воліє диски саме з таким шаром. Але насправді для покупців це питання має стояти на останньому місці. Це тільки з боку здається, що якщо в конструкції чого-небудь застосовується золото, то це добре. У дійсності ж краще виходить, коли кожному часу свій овоч. Золото застосовувалося змушене, коли і технологія виробництва самих дисків ще не усталилася, і застосовувані барвники не дозволяли використовувати інші метали. По ряду же параметрів срібне покриття для CD-R краще, особливо для заготовок, призначених для запису дисків на високих швидкостях і які використовують "прозорі" барвники. Можуть застосовуватися і спеціальні сплави, що забезпечують у ряді випадків навіть кращу якість (для конкретного барвника, зрозуміло), ніж чисте срібло.
Таким чином, зараз можна зустріти диски з шаром, що відображає з чистого золота, з чистого срібла і з блискучої фольги, склад якої від нас приховують. Причому приховують не тому, що в застосуванні спеціально розробленої для цих цілей фольги є щось нехороше, а з популістських міркувань. Адже нам здається, що краще всього застосовувати золото. Ну, в крайньому випадку, срібло. Як же виробник може голосно сказати, що він застосовує не те, що ми хочемо! Але ж купуємо то ми не золото і не срібло, а весь диск цілком.
Захисний. Захисний шар практично не бере участі в процесі запису. Але при експлуатації якість захисного шару набагато важливіше якості будь-якого навіть самого активного шару. Адже відображає шар дуже тонкий. Та й тримається він, чесно кажучи, більше на чесному слові, ніж на попередньому йому активному шарі. Будь-яке пошкодження відбиває шару призведе до того, що променю лазера не від чого буде відбиватися, і з його точки зору в цьому місці утворився один суцільний піт гігантських розмірів. Для механічного захисту відбиває шару і запроваджено захисний шар. Розуміючи важливість захисного шару для експлуатації, багато виробників CD-R вважає своїм довго написати на своєму диску або хоча б на упаковці щось на кшталт "Scratch resistant". Але захисний шар служить не тільки для механічного захисту. Якщо ми зробимо на поверхні відображає шару напис дуже м'яким фломастером, то шар, може бути, і не пошкодиться. Але хто ж знає, якими чорнилом заправлений фломастер. А для лазера, в общем-то, все одно, зіскоблили ми відображає шар або акуратно розчинили в чому-небудь.
Декоративні шари. Декоративні шари можуть не мати для "живучості" диска ніякого значення. Принаймні, якщо ми записуємо один диск для себе і взагалі не робимо на самому диску пояснювальних написів. Однак, якщо мова йде про виготовлення партії дисків, то покриття повинно дозволяти нанести на його поверхню малюнок і написи, що пояснюють. А то ж і захисний шар може не допомогти. Але ці питання відносяться скоріше до технології нанесення малюнків і написів на поверхню компакт-диска