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第三章 光记录,3 光 记 录,本节要点提示 光记录的发展历程 光记录的基本原理 光盘的特点 光盘的分类 光盘的格式标准,引 言,相对于利用磁通变化和磁化电流进行读和写的磁盘 人们把利用光学方式读写信息的光学存储介质圆盘称为光盘！,一、光记录的发展历程,20世纪70年代初，荷兰飞利浦(Philips)公司的研究人员开始使用激光光束来进行记录和重放信息的研究 1972年9月，荷兰Philips公司向国际新闻界展示了第一张激光视盘和光盘系统： LD （Laser Vision Disc） 第一次实现了信息存储技术由磁记录方式向光记录方式的转变！ 从而造就了一个新兴的产业 CD生产制造业,光记录从20世纪70年代发展起来，以其极大的存储容量和低廉的存储价格，适应了信息时代信息存储量日益剧增的要求 光记录技术发展到20世纪80年代，在声视领域内广泛应用，包括激光唱盘和激光视盘等 现今，光盘已成为最主要的计算机外部存储设备之一，并广泛应用于电子出版物存储等等,二、光记录的基本原理,光记录技术是一种通过光学方法写入和读出数据的数字存储技术 它利用激光能聚焦成能量高度集中的极小光点的特性，将这种高能量的光点照射到记录介质上，使介质的微小区域发生物理和化学变化，以产生一个标记！ 比磁存储有更高的存储容量！,1. 信息的“写入”,将要存储的信息（模拟量&数字量），通过调制激光聚焦成直径为1m左右的微小光点 能量高度集中到存储介质上，使介质的光照微区发生物理或化学变化 导致该微区的某种光学性质（如折射率、反射率）与四周的介质形成较大的对比，以实现存储,2. 信息的“读出”,用另一束低功率密度的激光扫描信息轨道 其反射光的变化通过光电器件检测、解调，以取出存储的信息 这就是信息的“读出”过程,三、光盘的特点, 存储密度高且容量大 单张CD光盘一般容量都在650MB以上； 单张DVD光盘一般单面容量4.7GB，双面8.5GB； 蓝光DVD单面单层容量可达27GB（相当13小时普通电视节目或2小时高清晰度电视节目），双层则54GB（可以刻录长达8小时的 高清晰电影） 数据保存时间长 光盘的记录介质封在两层保护膜中 激光存、取过程为非接触式，无磨损 因此光盘寿命很长，可达10年以上，甚至50年！, 数据传输的速度高 一般数据传输速率可达几几十兆字节/秒 携带方便，价格低廉等 常见的光盘外径为120mm，中心有一个15mm直径的孔 光盘重量一般为 14g 18g 存储密度高且易于大量复制，价格低廉,附：常见光盘规格,120 型光盘 尺寸：外径 120mm、内径 15mm；厚度：1.2mm 容量：DVD4.7GB；CD650MB/700MB/800MB/890MB 80 型光盘 尺寸：外径 80mm，内径 21mm；厚度：1.2 mm 容量：39-54MB 不等 异型光盘 尺寸： 可定制；厚度： 1.2mm 容量： 50MB/87MB/140MB/200MB,80 型光盘,异形光盘,四、光盘的分类,第一代光盘CD Compact Disc 光盘 第二代光盘DVD 初期指“Digital Video Disc”（数字视频光盘） 目前指“Digital Versatile Disc”（数字多用光盘） DVD是CD/LD/VCD的后继产品，业界公认为新一代的存储技术,1. CD的分类 按功能分, 只读光盘 CD-ROM CD-ROM（Compact Disc-Read Only Memory） 只读型存储器，用户只能读出信息 一次写入式光盘 CD-R CD-R（ Compact Disc-recordable） WORM（Write Once Read Many） 适用于为长期保存的数据作不可擦除的一次性写入 可擦写光盘CD-RW CD-RW（Compact Disc-Rewritable） 可反复擦写的光盘，最理想最有前途，但价格较高,CD的分类 按用途分,音频光盘 即CD唱盘和MD唱盘 CD唱盘具有信噪比高，失真小，无抖晃等优点 可以实现高质量的声音记录和重放 视频光盘 包括LD视盘和CD视盘系列 LD 视盘具有图像清晰，音质优良等特点 CD 视盘包括 VCD 和 DVD-Video 数据光盘 以 Photo CD为代表 由柯达和菲利普公司于1992年联合开发成功,2. DVD的分类,DVD有五种格式： DVD-VIDEO DVD-ROM DVD-R DVD-RAM DVD-AUDIO,DVD 归结为三大类,只读式DVD（DVD-ROM） DVD Video 属于只读式DVD，用于观看电影和其他可视娱乐，总容量可达17GB DVD Audio最新的音频格式比标准CD的保真度好一倍 可记录式DVD（DVD-R） 用户使用DVD-R只能写入一次 可擦重写式DVD（DVD-RAM） 这使DVD可以用做虚拟硬盘，能随机存取 可以重写100000次,五、CD光盘的格式标准,光盘格式标准 CD光盘的格式标准包括对数据格式、编码方法、物理尺寸等多方面的说明 名称的由来 由于记载各种光盘标准的规范文本的封面用不同的颜色加以区别，人们也就习惯于将光盘的标准以其文本封面的颜色来划分,名称的由来,CD光盘的信号面呈现灿烂的彩虹色彩，即： 红red；橙orange；黄yellow；绿green； 青indigo；蓝blue；紫violet 有时将青蓝合二为一，分为六色； 但是光盘标准封面未用紫色，而使用白色，理由不得而知,1) 红皮书标准(Red Book),由Philips和Sony公司于1980年联合制定 第一个CD标准，是其他CD标准的基础！ 它是用于数字唱盘CD-DA的标准 描述了CD-DA的信息和编码格式，还定义了CD-DA的尺寸、物理结构、编码和错误校正方法等，以保证CD-DA高保真的声音效果。 遵循红皮书标准的光盘可以在任意激光唱机中播放，绝大多数CD-ROM驱动器也支持该标准,由于扇区边界的额外消耗，光盘上文件占用的实际空间通常大于其原文件的大小； 光盘的容量是用单倍速(150KB/秒)计算的，一张光盘可以存储74分钟音乐或650MB数据; 换算方法： 74分*60秒*150KB 666000KB 650MB,2) 黄皮书标准(Yellow Book),它是由Philips和Sony于1983年制定的CD-ROM数据光盘标准 该标准使得音频、动画、图像和程序混合起来的应用在CD-ROM上得以实现 它定义了3中类型的光道 CD-DA光道：用于存储音频数据； CD-ROM Mode1：用来存储计算机数据 CD-ROM Mode2：用来存储音频数据、静止图像或电视图像数据,3) 黄皮书扩展(Yellow Book Advanced),该标准在CD-ROM的基础上又增加了一种新光道，即CD-ROM/XA(CDROM extended Architecture)光道 它是针对CD-ROM Mode2的扩展，使得能在CD-ROM/XA一条光道上存储计算机数据、音频数据、图像数据、电视图像数据等,黄皮书增强版的最大优势 可以交错地存放数据或音像 保证不同类型的数据能同步读出 避免音像同传时产生的断续现象 CD-ROM/XA存储格式提供了更快的访问速度，能以30帧/秒的速度回放全屏图像和同步声音,4) 绿皮书标准(Green Book),1987年，由Philips和Sony公司制定 针对交互式光盘CD-I(CD-interactive)的标准 CD-I交互式光盘集高质量的图、文、音、视频等于一体 根据该标准生产的CD-I光盘在专用播放器中播放，在播放过程中，可根据用户指令提取图像数据，参加节目剧情的编写等，实现交互操作 主要面向教育、家庭娱乐、电子出版物、卡拉ok和计算机游戏等,5) 橙皮书标准(Orange Book),橙皮书是黄皮书的扩展，于1989年制定 该标准包含两个部分： 第一部分定义了CD-MO格式，如同软盘一样可以随意擦写，但不能在CD-ROM驱动器上重放，这是磁光盘致命的问题 第二部分定义了CD-WO（CD-Write Once）一次性写入光盘，可在现行CD-ROM驱动器上读出 该标准包含了CD-R可刻录光盘的标准 CD-R按不同的数据格式写入不同的信息，即称为不同用途的光盘，如：CD-DA，CD-I等,6) 白皮书标准(Write Book),1993年，由Philips和Sony公司制定 由绿皮书标准演化而来，采用CD-ROM/XA格式，主要应用于全动态音、视频信息的存储 目前，VCD（Video CD，视频CD）均采用白皮书标准格式 一张120mm的VCD光盘，单面可存储长达70min的数字化视频图像和立体声伴音,7) 蓝皮书标准(Blue Book),蓝皮书标准于1996年制定，是关于数字多用视盘DVD的规格标准，包括： DVD-ROM 的 Book A标准； DVD-Video 的 Book B标准； DVD-Audio 的 Book C标准； DVD-R 的 Book D标准 DVD-RAM 的 Book E标准,3-2 CD光盘,本节要点提示 只读式光盘CD-ROM 一次写入式光盘CD-R 可擦式光盘CD-RW,一、只读式光盘CD-ROM,1. CD-ROM的结构,1.CD-ROM的结构,CD-ROM的径向截面结构分为三层：,小常识,注意正确拿起光盘方式！ 把光盘记录面朝向自己， 最表面的就是基板！ 要特别注意保护基板面， 沾上指纹、灰尘或划伤盘片会影响数据的读出 虽然光驱有纠错机制，但是若纠错时间较长，会降低系统的性能！,2.CD-ROM的读取原理,只读式光盘的导入区、信息区和导出区,光盘的凹坑结构,读取原理,从只读式光盘上读取信息时，入射的激光束对光道上模压形成的凹坑进行扫描 当光束扫描到凹坑的边缘时，反射率发生了变化，表示二进制数字“1”； 在凹坑内或非凹坑部分，均表示数字“0”； 通过光电探测器件产生分别代表0和1的电信号，经过处理后输出！,3.CD-ROM的制作,只读式光盘的制作，大致分为四个步骤： 原版盘的预制作 原版盘和压模的制作 复制成盘 质量检测, 原版盘的预制作,对于数据资料 先将存储于不同存储介质上的数据资料，转移到计算机硬盘上； 再将硬盘上的数据转换成符合 ISO 9660 CD-ROM 逻辑格式国际标准的文件！ 对于影音资料 先将“模拟音/视频”转换成“数字音/视频” 将音/视频的数字信号经过MPEG压缩，再经过多重通道混合后存储！, 原版盘和压模的制作,原版盘 把预处理后的数据刻录在玻璃盘上，刻录好的玻璃盘即称为原版盘 原版盘的制作流程 A涂布：在有机玻璃盘上均匀涂布光刻胶，并干燥。 B曝光：在高精度激光刻录机中，被录信息转换为调制激光束照射光刻胶，进行曝光。 C显影：曝光区被腐蚀掉，形成“信息凹坑”，未曝光区保持原状，即为“陆地”，制成原版盘！,D喷镀银层 在原版盘上喷镀银层，一方面为了提高反射率，另一方面为下一工序做电极 E电镀镍层 在原版盘上形成具有一定厚度的金属镍模，制成压模 压模表面留有与原版盘完全相反的印记，即为负像盘 F主副盘分离 经化学处理后，原版盘（主盘）与压模（副盘）分离,工艺流程,副盘：压模,主盘：原版盘, 复制成盘,将光致聚合溶液压注到印模和衬盘之间； 待溶液均匀分布后，用紫外光照射，使聚合物中的单体混合物，在光的聚合作用下，固化在衬盘上； 取出衬盘，在有信息坑的一面镀银或金作为反射层； 从而制成“成品盘”！, 质量检测,CD-ROM 的质量检测包括： 光盘几何尺寸的度量 光盘的光学质量检查 光盘的格式、编码和读出数据误差 经检查合格的光盘，印上商标和标签！,二、一次写入式光盘CD-R,CD-R（CD-Recordable） 只允许写一次，写完之后即不允许擦除再写，因此又叫做Write Once Read Many一次性写入多次读出式光盘 第一个CD-R驱动器 1990年由雅马哈公司推出,1. CD-R光盘的结构,CD-R盘片的结构和CD-ROM基本相同： 上层是保护层，底层是聚碳酸酯PC层 两者的区别仅在中间层： CD-ROM是用 “铝”层 作为反射层 CD-R是用 “金” 层作为反射层 由此，CD-R 盘片又称“金盘”！ 此外，在CD-R盘片的金膜和底层之间还有一层染料层，染料按其结构可将其分为花青、酞菁、偶氮类化合物等,小常识,CD-R、CD-RW光盘按染料层的不同，可以分为： 1) 绿盘 记录层为“花青”；在黄金反射层的反光下，盘面呈绿色； 制造商有TDK、Ricoh(理光)、Mitsubishi(三菱) 2) 蓝盘 记录层为偶氮类化合物，在银反射层反光下盘面呈水蓝色 制造商有Verbatim和Mitsubishi,小常识,3) 金盘 记录层为“酞菁”，接近淡黄色，在金反射层下呈金黄色； 制造商有Mitsui Toatsu、Kodak(柯达) 4) 紫盘 (CD-RW) 采用特殊材料制成，具有类似紫玻璃的颜色,CD-R盘片结构,2.CD-R的工作原理,CD-R记录原理,CD-R增加了一层有机染料作为记录层 如何进行信息记录？ 当写入激光束聚焦后照射到记录层上时，有机染料被加热后，有一部分被熔解掉，形成代表信息的凹坑！,“凹坑”的区别,CD-R盘面的凹坑与CD-ROM的凹坑类似，不同之处在于： CD-ROM盘上的凹坑是用压模压出来的； CD-R盘上的凹坑是利用激光能量在汇聚的微区内，使光盘存储介质产生不可逆的物理化学变化而得到的！,三、可擦式光盘CD-RW,CD-RW简介 Compact Disc-Rewritable 1996年初，Ricoh(理光)、Philips(飞利普)、Sony(索尼)、Yamaha(雅马哈)、Hewlett-Packard(HP,惠普) 以及 Mitsubishi(三菱) 化学公司建立了一个工业论坛，发布了CD-RW格式标准 1996年，Ricoh(理光)公司推出了业界第一款CD-RW驱动器，型号为MP6200S,CD-RW的分类,从存储介质的写、读、擦机理看，主要有磁光盘和相变盘两大类： 1 相变光盘 Phase Change Disk 2 磁光盘 Magneto Optical Disc,1. 相变光盘,相变光盘 Phase Change Disk 1971年，研究人员发现 硫族（硫、硒、碲）半导体合金构成的相变材料具有光存储效应！,（1）光盘结构,相变光盘的盘片包括：保护层、反射层、介电层、记录层、介电层、基层！ 相变关盘结构图：,反射层(AL合金),第二电介质层,第一电介质层,记 录 层,保护层,基板（PC）,（2）工作原理,相变材料 硫族（硫、硒、碲）半导体合金 光存储效应 相变材料在不同功率密度和脉宽的激光作用下，会发生可逆相变： 晶相 非晶相 晶 相：指原子规则排列状态 非晶相：指原子不规则排列状态,可逆的相变导致这类材料的某种物理或化学性质（如：反射率、折射率等）也发生相应的可逆变化！ 相变光盘的信息写入和擦除正是对应于这种可逆的相变来实现的！ 下面来进行具体分析：,工作原理简述,“写入”过程 写入激光：激光功率较高、脉宽较短； 材料相变：晶相 非晶相 “擦除”过程 擦除激光：激光功率较低、脉宽较长； 材料相变：非晶相 晶相 “读出”过程 采用不会引起材料相变的低功率密度激光照射相变材料，通过检测反射率来读取信息！,激光致热相变过程（图）,Tg Tm 温度,热量,A,B,C,D,E,F,Tm：熔点 Tg：玻璃化温度,晶 相,非晶相,液态 固态,液 态,骤 冷, 信息存储过程,信息存储过程，即激光致热相变过程： 对应介质从晶相 A 向非晶相 F 的转变过程： A D ： 功率高、脉宽短的激光照射在晶相A上，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点Tm而进入液相，一直到D D F ： 激光照射后，液相迅速冷却，经过DCE的冷却状态，完成到非晶相的相转变，使介质上的光照微区进入非晶相，形成存储斑痕F； 存储介质的其他部分（非光照区）仍为晶相！,如何表示“0”&“1”,以反射率为例 “1”对应 “非晶相” 反射率 光照区域存储斑痕的反光率是存储介质处于非晶相时的反射率，视为“1”； “0”对应 “晶相” 反射率 非光照区域的反射率是存储介质处于晶相时的反射率，视为“0”, 信息擦除过程,信息擦除 信息擦除是介质从“非晶相晶相”的转变过程 擦除过程原理 选用中等功率密度、较宽脉冲的激光照射在存储斑痕F的光斑微区上 光斑微区的温度升高，经过E，在玻璃化温度Tg以上，通过“成核生长”，原子结构发生重新排列，转变为晶化的状态 存储斑痕消失，即擦除信息！, 信息读出过程,信息的读出 信息的读出是低功率密度、短脉宽的激光扫描信息道，从反射率的大小来读出之前写入的信息 “1”：介质处在非晶相的存储斑痕区域时，反射率小，即为“1”； “0”：介质处在晶相区域时，反射率大，即为“0”！ 在读出过程中，介质的相结构不变,（3）相变光盘的特点,优点： 驱动器结构简单，光头重量轻，易集成化； 易与CD-R兼容，价格便宜； 信号强度大，信号电平比磁光盘高； 缺点： 数据传输速率受晶相转变速度的影响，晶化速度慢，则擦除时间较长； 重写次数有限！,2. 磁光盘,磁光盘（Magneto Optical Disc） 磁光盘是20世纪80年代末发展起来的新一代存储记录媒体 容量包括：230MB、650MB和1.3GB 磁光盘遵从“橙皮书”(Orange Book)标准,（1）磁光盘结构,盘片结构 包括：保护层、反射层、介电层、记录层、介电层、基层,保 护 层,反射层(AL),电介质层,记 录 层,电介质层,PC 基板,（2）存储原理,磁光记录是利用激光与磁场的相互作用来实现信息的写入、读出和擦除功能! 形成记录的磁粒子（小磁铁）相对于记录面成垂直排列（垂直磁记录方式） 在磁光记录中，对信号的记录和抹除都是将激光照射在记录介质上，使其局部温度升高 与此同时，再从外部施加磁场使该处的磁畴取向改变来记录或抹除信息, 信息记录过程,磁光（M-O）存储记录原理： 在一定温度下，如果在磁记录介质的表面上加一强度低于该介质矫顽力的磁场，则不会发生磁通翻转，也就不能记录信息 利用激光照射磁性薄膜，被照射处温度上升，矫顽力下降，在外加磁场HR的作用下发生磁通翻转，使该处的磁场方向与外加磁场HR一致，可视为寄存“1” 而不被照射或HR小于矫顽力处可视为寄存“0”,信 息 记 录 原 理, 信息擦除过程,抹除信息和记录信息的原理一样，外加一个和记录方向相反的磁场 对已记录信息的介质用激光束照射，使照射区反方向磁化，从而恢复到记录前的磁化状态, 信息读出过程,读出信息 磁光记录中利用克尔效应实现光学读出 根据磁化介质的相互作用，这种效应表现为光的偏振态的变化 反射时，克尔效应使偏振光的偏振面发生较小的转动 根据磁化方向不同，转动的方向可正可负 从而代表介质上的记录的“0”、“1”信息,（3）磁光盘特点,反复重写的次数可达100万次，使用灵活方便； 非易失性存储，具有较强的抗震与耐冲击能力，安全性极高； 几乎没有破坏数据和驱动器的可能！ 非接触读/写技术，无磨损，寿命长； 存储密度高，容量大； 平均存取时间和数据传输速率中等！,3-3 DVD,一、DVD概述 DVD 初期指“Digital Video Disc（数字视频光盘） 目前指“Digital Versatile Disc”（数字多用光盘） DVD光盘是CD光盘高密度化的产物 采用MPGE-2视频压缩技术,1.DVD的发展历程,1994年12月，以Philips和Sony为首的，与以Toshiba和Time Warner为首的两大阵营开始了DVD规格之争： 他们分别提出了两个不兼容的HDCD规格 HDCD 高密度光盘 （High Density Compact Disc）,1995年9月，两大阵营终于达成了统一DVD标准的协议： 索尼公司做出了重大的关键性的让步，放弃了自己的光盘结构，同意采取东芝公司独具匠心且较为先进的双盘对接的光盘结构 东芝公司则相应的在数据信号的调制、处理等部分技术向拥有丰富的CD生产和开发经验的索尼妥协,1997年4月，DVD论坛成立，全称为DVD Forum！ 其前身是1995年底成立的DVD联盟（DVD Consortium）由十家DVD主力厂商组成： 日立、松下、三菱、飞利浦、先锋、 索尼、汤姆逊、时代-华纳、东芝和JVC,2、CD与DVD的区别, 规格尺寸方面 从外观和尺寸方面来看，DVD盘与现在广泛使用的CD盘没有什么差别： 直径均为 120 mm 厚度均为 1.2 mm 但是数据记录区域的尺寸却不同：, 光道及凹坑结构,CD 数据轨道相距1.6um； 最小凹坑直径0.83um； DVD 数据轨道相距0.74um 最小凹坑直径0.4um；, 激光光源的选择,CD 常规的CD播放机和CD-ROM驱动器采用波长为780nm的不可见红外光来读出盘上的信息 DVD DVD刻录机和播放机使用波长为635/650nm的激光光源,3.DVD的生产过程,DVD光盘的生产制作过程包括： 刻板、复制、检测和印刷包装四个步骤 在整个光盘的生产制作过程中，对前两步的要求也是最为严格，刻板和复制都必须在无尘环境下进行 下面，我们以著名光盘生产厂商铼德集团为例，了解DVD光盘生产的过程,DVD 生产流程,4.DVD的盘片结构,DVD-5的盘片结构图（单面单层） DVD-10的盘片结构图（双面单层）,盘片结构,DVD-9的盘片结构图（单面双层） DVD-18的盘片结构图（双面双层）,盘片结构,二、蓝光DVD,蓝光（Blu-ray）DVD 又称蓝光光盘（Blu-ray Disc，BD）,Blu-ray = BlueRay,为何叫“蓝光”？,缘何得名？ BD利用波长较短（405nm）的蓝色激光读取和写入数据，因此而得名！ BD是DVD之后的下一代光碟格式之一，用以： 高品质的影音资料 大容量的数据资料 的储存之用！,1.BD的发展历程,1998年，飞利浦与索尼公司率先发表了下一代光盘的技术论文，并着手开发单面单层实现23GB25GB存储的技术方案 2002年2月19日，以索尼、飞利浦、松下为核心，联合日立、先锋、三星、LG、夏普和汤姆逊共同发布了0.9版的Blu-rayDisc（简称BD）技术标准。Blu-ray是BlueRay（蓝光）的意思 因此2002年2月19日正式表明下一代DVD候选人蓝光盘的诞生！,2003年，蓝光激光头达到投产水平； 2006年开始出现投放市场的蓝光产品： 2006年，索尼、先锋、三星等公司都发布了其蓝光技术与蓝光产品，并且都提出了自己的蓝光计划！,BD在中国的发展,2006年7月19日，明基第一个推出了其成型的蓝光产品！ 因此，将2006年视为“蓝光元年”！ 2007年底，索尼公司在中国推出第一款配置蓝光DVD的高清播放器，从而开启了蓝光在中国商业化的运作！ 这款DVD售价高达5000RMB； 同款产品在北