第十三课 光存储技术

第十三课光存储技术第一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五2

光盘概述（定义，历史，分类和特点）只读存储光盘（CD-ROM）系统一次写入光盘（CD-R）可重写型光盘（CD-RW）

DVD光存储系统光盘的保养光存储的未来内容提要第二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五3

光盘的定义高密度光盘(CompactDisk)，是近代发展起来不同于磁性载体的光学存储介质，用聚焦的激光束存储和读取信息，又称激光光盘。概述第三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五4

光盘存储的发展历史1970年，美国物理学家詹姆斯.拉塞尔利用光束及“模拟信号转换成数字信号”方案成功发明了世界上第一个光—数字录制与恢复系统。

1972年荷兰Philips公司和美国MCA公司研制成功激光电视唱片VD；1974年Thomson-CSF和Lenith公司研制成功的透射式激光电视唱片。概述第四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五51979年荷兰Philips公司研制成数字式写后直读DRAW(DirectReadAfterWrite）光盘。1980年，Sony和Philips公司制定了CD-DA（DigitalAudio）的红皮书标准，规定了一张数字音乐光盘的大小（120mm直径），容量和数字编码标准。

第五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五61982年，Sony公司率先推出世界上第一个商用的音乐数字光盘播放器（CDP-101）。1983年，Sony和Philips公司制定了CD-ROM（ReadOnlyMemory）的黄皮书标准，将光盘里存放的内容予以扩充，制订了计算机数据在光盘里面的存放规范。第六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五71985年Philips公司和Sony公司合作推出世界上第一个用于计算机的只读式光盘驱动器。1986年，Philips公司制定了CD-I（Interactive）的绿皮书标准，在CD-ROM规格的基础上补充了音频、视频和计算机程序方面的规定。第七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五81987年Sony和Philips公司发明一次写入多次读出WORM（WriteOnceReadMany）光盘。1990年，光盘进入可记录模式，基于橙皮书标准的CD-R（Recordable）光盘实际上没有记录任何信息，一旦按照某种文件格式并通过刻写程序和设备，可以将需要长期保存的数据写入空白的CD-R盘片上。第八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五91994年制定了保存视频和音频数据的白皮书标准，第一次将74分钟长的动态连续视频数据和声音数据存放在VCD（VideoCompactDisc）光盘中。基于蓝皮书标准的E-CD（Ehanced）光盘，采用多层记录方式，将CD-DA数据和CD-ROM数据分成了两个数据段，第一段记录CD-DA音频数据，第二段记录有关的CD-ROM数据。第九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五101995年，DVD(DigitalVideoDisc，数字视频光盘)采用波长更短（635/650nm）的红色激光（CD为780nm）、更有效的调制方式和更强的纠错方法，具有更高的道密度和位密度，并支持双层双面结构。第十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五11各类CD比较第十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五12

只读存储光盘（readonlymemory，ROM）ROM光盘的内容是在制作光盘时写入的，用户可任意多次从ROM读取信息，而不能往盘上写信息：CD-ROM、VCD、DVD。

一次写入多次读出光盘（writeoncereadmany，WORM）

WORM光盘一次写入内容，以后成为ROM光盘，包括CD-R、DVD-R。光盘的分类第十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五13可擦重写光盘（rewrite，RW）可重写型光盘像磁盘一样具有可擦写性。擦写需要两束激光，两次动作，一束激光先擦除信息，另一束激光再写入信息。直接重写光盘（overwrite，OW）这种光盘同样可以实现可擦写功能，不同的是只用一束激光一次动作，擦掉信息的同时写入信息。目前，ROM和WORM已经得到广泛应用，RW光盘也商业化，OW光盘还处在实验室研发阶段。第十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五1.存储密度高存储密度指记录介质单位长度或单位面积内所能存储的二进制位数B（1Byte=8bit）。前者称线密度，后者称面密度。光盘线密度为103B/mm,面密度为105-106B/mm2

2.数据传输速率高每秒几到几十MB量级，最终希望达到目标每秒GB、TB量级。光盘系统的特点第十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五3.存储寿命长光记录中，记录介质薄膜封入两层保护膜之中，激光读写为无接触过程，因此寿命很长，一般10年以上。4.信息位价格低一张CD光盘650MB，仅需5-10元，每MB仅几分钱，一张DVD容量4.7GB，10元左右，每MB不足1分钱。5.更换容易第十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五16更换容易信息位价格低

存储寿命长数据传输速率高存储密度高光盘线密度为103B/mm面密度为105-106B/mm2几十MB、GB至TB/s10年以上CD:几分钱/MDVD：不足1分钱/M光盘系统的特点第十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五CD-ROM光盘系统结构

CD盘片结构

CD-ROM驱动器构造读盘原理光盘系统的技术指标只读存储光盘（CD-ROM）系统第十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五18CD-ROM盘片是多媒体信息的载体；CD-ROM驱动器通过连线与计算机相连，主要任务是完成对CD-ROM盘片上的数据读取。CD-ROM光盘系统结构第十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五19CD-ROM盘片是用塑料压制成的圆盘，盘片的直径为120mm，中心定位孔15mm，厚度1.2mm。CD-ROM盘片用单面存储数据，另一面用来印刷商标。CD-ROM盘片结构第十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五20

CD-ROM盘片的最上层是涂了漆的保护层，该层上印有商标。第二层是铝反射层，当驱动器读光盘时用来反射激光光束。第三层是用聚碳酸脂压制的透明衬底，同时压制出的预刻槽用来对光道径向定位，信息通常存储在光道上。第二十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五21CD盘光道的结构与磁盘磁道的结构不同，它的光道不是同心环光道，而是螺旋型光道。CD盘转动的角速度在光盘的内外区是不同的，而它的线速度是恒定的，就是光盘的光学读出头相对于盘片运动的线速度是恒定的。第二十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五22CD-ROM光盘的信息是沿着盘面由内向外螺旋形信息轨道(光道)的一系列凹坑的形式存储的。光道上不论内圈还是外圈，各处的存储密度是一样的，光道共22188圈（每毫米约600圈），长度可达5.6km。光道的间距为1.6μm，最小的凹坑长度为0.834μm，光道上凹坑深约为0.12μm。第二十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五23打开光驱激光头的运动CD-ROM驱动器构造第二十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五24激光头：是CD-ROM驱动器的主要部件，功能是利用凹坑上反射的激光强度弱得多这一特性，通过光电转换器，将光盘上的信息转换为电信号;聚焦伺服：自动聚焦伺服系统产生聚焦误差信号，调整光头和光盘之间的距离，保证聚焦点落在光盘的信息面上;道跟踪伺服：采用道跟踪技术，克服光盘的偏心，使聚焦光束落在有凹坑的光道中央.CD-ROM驱动器构造第二十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五激光头是CD系统的核心部件之一，它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器等元件组成。

第二十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五26CD-ROM驱动器的激光器发出的激光束经透镜整形和聚焦后照在螺旋光道上，对光道进行扫描。从光盘上反射回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分离器后反射到光电检测器；由光电检测器把光信号变成电信号，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据。读盘原理第二十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五27由于激光束在凹坑部分反射的光的强度，要比从非凹坑部分反射的光的强度弱得多，因此反射光强在凹坑边沿发生突变，并通过CD-ROM的光电检测器检测出来。光强突变时读出“1”信号，光强不变时读出“0”信号。（凹坑的边缘代表“1”，凹坑和非凹坑的平坦部分代表“0”。）第二十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五(1)存储容量存储容量是指能存储在光盘中的信息容量。目前光盘常用的容量为650MB。(2)数据传输率数据传输率一般是指单位时间内光盘驱动器读取出的数据量。对于CD-ROM，其数据传输率已从初期的150KB／s提高到6000KB／s。光盘系统的技术指标第二十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五(3)平均存取时间平均存取时间是指从计算机向光盘驱动器发出命令开始，到光盘驱动器在光盘上找到需读／写的信息的位置并接受读／写命令为止的一段时间。（4）误码率用来衡量误码出现的频率。CD-ROM采用复杂的纠错编码技术，降低了误码率。存储数字或程序对误码率的要求较高，存储图像或声音数据对误码率的要求较低。CD-ROM要求的误码率为10－12——10－16

。第二十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五CD-R光存储原理CD-R盘片结构CD-R盘片容量一次写入光盘（CD-R)第三十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五31在CD－R盘片上以连续的槽沟(Groove)取代坑，并组成螺旋状的轨道(Track)，而坑就被记录在这些槽沟内。在空白的盘片上，槽沟有几个重要的用途，包括转速控制、寻道控制及时间指示等。在槽沟上面是感光层(有机染料，Organicdyematerial)及反射层(黄金或银)，最后再加上保护层及印刷层。CD-R盘片结构一次写入光盘（CD-R)第三十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五32CD-R的工作原理是利用大功率激光束的热效应使激光焦点照射的有机染料微区产生不可逆的物理化学变化，形成具有与CD-ROM光盘凹坑相同光学反射特性的信息凹坑。CD-R光存储原理一次写入光盘（CD-R)第三十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五33盘片名称金盘绿盘蓝盘反射层颜色金色金色银色基片层颜色金色绿色蓝色染料酞菁染料青蓝染料含氮染料特点1.使用寿命超过100年2.对刻录机的写入激光功率要求较高3.价格较贵

1.使用寿命为10年2.对刻录机的兼容性最佳3.价格便宜1.与绿盘性能类似2.使用寿命约100年3.价格适中根据使用基片层的不同，感光层的颜色可以分为金、绿、蓝三种。一次写入光盘（CD-R)第三十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五341个扇区的数据格式CD-R盘片容量一次写入光盘（CD-R)第三十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五35数据CD（即CD-ROM，又称CD-ROMMode1,ISO）、音乐CD（CD-DA，CD-DigitalAudio）、和扩展体系CD（CD-ROMXA，CD-ROMEXtendedArchitecture，又称CD-ROMMode2）。格＝扇区/秒一次写入光盘（CD-R)第三十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五36可重写光盘的存储介质能够在激光辐照下起可逆的物理或化学变化。目前它主要有两类：磁光型和相变型。磁光型光盘利用激光和磁场对光信息进行读、写和擦除；相变型光盘通过调节激光的强弱使记录材料的晶体状态和非晶体状态互相转换，从而进行旧数据的消除和新数据的写入。可擦重写光盘（CD-RW）第三十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五磁光（MO）存储系统-磁光盘

利用激光和磁场进行读、写和擦除的存储系统记录数据时，使用激光和磁场读取数据时，仅使用激光激光和磁场分别位于盘片的两面第三十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五读、写、擦除原理

1—记录介质膜；2—磁场线圈；3—记录和擦除激光束；5—基板写入光盘采用磁性薄膜，当其受聚焦激光照射时温度上升，矫顽力减小，当其温度达到其居里温度时（通常为150ºC到200ºC），该处将产生与外磁场方向相同（与周围各点磁化方向相反）的磁化，此时激光停止照射，此后磁化状态能够保持，相当于在此点写下了一个“1”。第三十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五读取利用低功率激光照射盘片表面分析反射回来的偏振光的方向是顺时针还是逆时针，确定是0或1。探测激光束磁光效应第三十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五擦除擦除时将外磁场反向并用激光照射使达到居里温度，则该点磁化方向回复原状。2—磁场线圈；3—记录和擦除激光束；第四十页，共五十六页，编辑于2023年，星期五DVD的定义DVD的规格DVD的结构DVD的存储容量DVD的存储容量怎样提高DVD光存储系统第四十一页，共五十六页，编辑于2023年，星期五42DVD是DigitalVideoDisc的缩写，意思是“数字视频光盘(系统)”，实际上DVD的应用不仅仅是用来存放视频节目，它同样可以用来存储其他类型的数据，因此又被称为DigitalVersatileDisc，是数字多用途光盘。DVD的定义DVD光存储系统第四十二页，共五十六页，编辑于2023年，星期五43DVD的规格DVD光存储系统

DVD用途广泛，设定了五种规格：第四十三页，共五十六页，编辑于2023年，星期五44DVD盘光道之间间距由CD的1.6m缩小到0.74m，而记录信息的最小凹凸坑长度由CD的0.83m缩小到0.4m。这是DVD盘的存储容量可提高到4.7GB的主要原因，它的容量是CD的7倍。DVD光盘的结构DVD光存储系统第四十四页，共五十六页，编辑于2023年，星期五45参数DVDCD容量增益盘片直径120mm120mm

盘片厚度0.6mm/面1.2mm/面

减小激光波长635/650nm780nm

1.228=780/635加大N.A.(数值孔径)0.60.454.486=(1.6*0.83)/(0.74*0.40)减小光道间距0.74μm1.6μm减小最小凹坑长度0.4μm0.83μm减小纠错码的长度RSPCCIRC

修改信号调制方式(8~14)+2(8~14)+31.0625=17/16加大盘片表面的利用率86.6平方厘米86平方厘米1.019=86.6/86增大每个扇区字节数2048/2060字节/扇区2048/2352字节/扇区1.142=2352/2060DVD光盘存储容量增加的原因DVD光存储系统第四十五页，共五十六页，编辑于2023年，星期五DVD的容量DVD光存储系统第四十六页，共五十六页，编辑于2023年，星期五47为了提高存储容量，出现了另一种规格的DVD盘，称为单面双层光盘，单面双层盘的表层称为第0层，最里层称为第1层。第0层采用了一种新的半透明(semi-transmissive)薄膜涂层，可让激光束透过表层到达第1层。DVD光存储系统单面双层DVD第四十七页，共五十六页，编辑于2023年，星期五开始工作时，激光束首先在第0层上聚焦和光道定位。当从第0层上读出信息过渡到从第1层上读出信息时，激光读出头的激光束立即重新聚焦，电子线路中的缓冲存储器可确保从第0层到第1层的平稳过渡，而不会使信息中断。单面双层DVD盘的容量可达到8.5GB。第四十八页，共五十六页，编辑于2023年，星期五49DVD光存储系统DVD的种类第四十九页，共五十六页，编辑于2023年，星期五50保护光盘不受强光照射，避免将光盘存放在过热、过冷或潮湿的地方。光盘必须放在专用的容器内保存而不能把它们堆放或叠放在一起。当需要把光盘放入计算机光盘驱动器中进行阅读时，要用手指托住光盘的里、外边缘以避免指印，并且使标记面朝上，然后放入到光盘驱动器的托盘中。若光盘变脏，可用一块微湿的柔软棉布从中心向边缘