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第六章 数据的光盘存储技术

第六章 数据的光盘存储技术. 主要内容. CD 简介 CD 的工作原理 CD 的制作 DVD 介绍 CD 的物理格式 CD 的逻辑格式 光存储技术发展趋势 —— 全息光存储. 6.1 简介－ DISC 与 DISK.  原先意义： 专业上一般用 DISK Professional 娱乐中一般用 DISC Entertainment  随着多媒体时代的到来： 愿意用 DISC 取代 DISK. 信息产业. 基础产业. 信息传输. 信息存储.

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第六章 数据的光盘存储技术

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  1. 第六章 数据的光盘存储技术

  2. 主要内容 • CD 简介 • CD 的工作原理 • CD 的制作 • DVD介绍 • CD 的物理格式 • CD 的逻辑格式 • 光存储技术发展趋势——全息光存储

  3. 6.1 简介－ DISC 与 DISK  原先意义： 专业上一般用 DISK Professional 娱乐中一般用 DISC Entertainment  随着多媒体时代的到来： 愿意用 DISC 取代 DISK

  4. 信息产业 基础产业 信息传输 信息存储 信息处理 通信网络 光磁/盘,带,卡 计 算 机 核心产业 软 件 IC芯片 6.1 数字光盘在信息社会中的地位

  5. 6.1 数字光盘在信息社会中的地位  光盘产业是信息产业群中的基础产业， 也是一种数字化产业。  社会发展： 农业社会  工业社会  信息社会  信息是知识经济的“能源”，就像工业经 济以石油，煤为能源一样。

  6.  光盘 磁盘  光卡 磁卡、IC卡、闪存卡  光带 磁带 6.1 光存储有以下几种形式

  7. 6.1 简介— CD历史 • 1972年，Philips公司展示了播放电视节目的光盘播放系统； • 1978年，第一台光盘播放机问世； • 1982年， Philips、Sony公司制定Red Book标准，CD-DA光盘问世； • 1985年，Yellow Book标准制定，CD-ROM光盘问世； ‥‥‥等等，一系列标准和产品相继问世。

  8. 6.1 简介—光存储历史 • LD &LV (模拟存储) • CD-DA • CD-ROM • CD-I • CD-R • VCD • CD-RW • DVD

  9. 6.1 简介- LD，LV (Laser Disc;Laser Vision) 模拟存储，俗称：镭射影碟 直径× 中孔直径 × 厚度(mm) ф300×ф35×1.2，ф200×ф35×1.2 CAV（constant Angular Velocity）存30分/面 CLV（constant Linear Velocity）存60分/面 69年研究，72年DEMO，78年推向市场 荷兰philips发明

  10. 6.1.1 CD-DA 数字激光唱盘  1982年推向市场，形成了规模化的光盘产业  第1台 CD-DA 播放机（player）取名为： CDP-101 → 一百年才得一次的发明  荷兰philips / 日本sony发明  CD-DA行业标准：Red Book红皮书 国际标准：IEC908 → Compact disc digital audio System

  11. 6.1.2 CD-ROM计算机用只读光盘 CD-Read Only Memory，驱动器（drive） ф120×ф15×1.2，650MB，CLV， 1984年推向市场，形成了多媒体计算机概念 Philips/Sony发明 CD-ROM行业标准：Yellow Book黄皮书 国际标准：ISO/IEC10149 国家标准：GB/T16969-1997 使计算机具有了多媒体的功能

  12. 6.1.3 CD-I交互式CD只读光盘 CD-Interactive 1987年推向市场，提出了“交互性”使用功能 philips/Sony发明 CD-I行业标准：Green Book绿皮书 无国际标准 商业上并不成功

  13. 6.1.4 CD-R可录光盘(一次写多次读) CD-Recordable • 1990年推向市场，利用染料（Dye）做记录介质， philips/sony发明 • CD-R行业标准：OrangeBook II橙皮书 • 无国际标准 • 市场巨大，极好的商业机会 （CD-MO，Orange Book I）

  14. 6.1.5Video-CD(VCD)数字激光视盘 俗称：小影碟 1993年推向市场，形成了中国的规模化光盘产业 philips/sony/JVC/Matsushita 发明 V-CD行业标准：WhiteBook 白皮书 无国际标准 SVCD由中国与上述4公司 共同制定

  15. 6.1.6 CD-RW可擦写CD光盘 CD-REWRITABLE，利用相变材料（phase-change）作介质，1K次擦写 1996年推向市场， PHILIPS/SONY 发明 CD-RW行业标准：ORANGE BOOK III橙皮书 无国际标准 商业价值比预想小得多

  16. 6.1.7 0.74 m

  17. 0.52 m

  18. 6.1.9 数字光盘特点（优点） 1. 记录密度高 信道间距 1.6μm->0.74μm->0.54μm CD DVD HDDVD 2. 保存期长 40至百年不等

  19. 6.1.9 数字光盘特点（优点） 3. 成本低 兆字节（MB）成本点几分至几毛钱 4. 数字化 便于传输，处理，存储 5. 携带传递方便 可脱机

  20. CD-Audio 1982 CD-ROM 1984 CD-R 1990 CD-RW 1996 CD-I 1987 V-CD 1993 DVD-Audio 1998 DVD-Video 1996 DVD-ROM 1996 DVD-RAM 1997/98 DVD-R 1997 DVD-RW, DVD+R, DVD+RW (Pioneer) (Philips) 6.1.10 小 结

  21. 主要内容 • CD 简介 • CD 的工作原理 • CD 的制作 • DVD介绍 • CD 的物理格式 • CD 的逻辑格式 • 光存储技术发展趋势——全息光存储

  22. 6.2 CD 工作原理 • 记录介质 • 读出原理 C. 记录格式 (Format) 介绍

  23. 6.2.1 光盘记录介质 光盘记录介质分为： 1. 一次写记录介质—— CD-R / DVD-R 染料以及其他一次写记录材料 2. 可擦写记录介质—— CD-RW / DVD-RW、 DVD+RW、DVD-RAM 相变 (PC) 和磁光 (MO) 光盘记录介质 PhaseChange Magnet-Optics

  24. 6.2.1 CD-R / DVD-R 记录层的染料 (Dye) 1. 用酞菁染料 (phthalocyanine) CD-R 光盘呈淡绿的银色，称“银盘”，如用 金做反射层，则呈淡绿的金色，称“金盘”。 2. 用花青染料 (Cyanine) CD-R 光盘呈绿色，称“绿盘”。 3. 用偶氮染料 (azo-dyes) 金属化的偶氮染料 CD-R 光盘呈蓝褐色，目 前较少应用

  25. 6.2.1 CD-R / DVD-R 记录原理 不管哪一种染料，其记录薄膜 (几十 nm) 的记录点是靠有机染料吸收记录激光束的 能量，由于热效应使有机染料分解，由此 引起有机染料的漂白和鼓泡（凹坑），从 而改变记录薄膜的光透光反射特性。 其记录寿命决定于染料薄膜和记录点结 构的稳定性。

  26. 记录激光束对染料层的贡献：漂白（“白化”）记录激光束对染料层的贡献：漂白（“白化”） 保护漆 聚碳酸脂

  27. 记录激光束对染料层的贡献：鼓泡（“小丘”）— 凹坑的对应

  28. WORM (Write Once Read Many)一次写多次读记录介质 应用在档案类存储，往往在大尺寸光盘 (14"、356mm，12"、300mm) 中使用 其记录方式有：a. 烧蚀型 b. 起泡型 c. 纹理型 d. 相变型 e. 光致变色型 等

  29. 6.2.1 WORM 型一次写光盘记录原理 a. 烧蚀型 b. 起泡型 c. 纹理型 d. 相变型 e. 光致变色型

  30. a. 烧蚀型 (Ablation) 烧蚀型记录介质应有较低的熔点，如碲 (Te)、 铋(Bi) 和硒 (Se) 基合金，熔点为450度左右； 利用激光热效应，使光照微区熔化，在表面 张力作用下产生一个稳定的信息坑 (pit)；加 上上述材料热扩散能力差，非常适于一次写 光盘； 目前，除 CD-R/DVD-R 外一次写光盘，大多 使用上述一次写记录材料。

  31. b. 起泡型 (Bubble) • 起泡型一次写记录介质为三层结构； • 表面层是熔点较高的金或铂薄膜，把它蒸镀在透明的染料-聚合物层上面，第三层是反射层； • 当金属膜层吸热并传给低熔点染料-聚合物时，聚焦点部位升温并分解， 产生气体使金属膜凸起，形成气泡； • 由起泡处形成的反射率与背景原始反射率形成强烈的读出反差；

  32. c. 纹理型 (Texture) 利用离子束刻蚀记录介质表面，使之形成 文理状结构，或采用真空沉积方法形成一 种既小又分离的小岛似形状； 激光束照射微区时，其纹理状膜层强烈吸 收光能，致使纹理熔化成镜面状； 形成反射率变化的一次写光记录

  33. d. 相变型 (phase-change) • 相变材料既可一次写也可用作可擦写； • 一次写一般采用一种 TeOx 的碲氧化物相变介质，其初始反射率为百分之十几，当记录光热效应使碲的微晶熔化，在宏观不变形的情况下，碲微粒倾向融合并在冷却后重新结晶，其复合反射率上升至百分之二十几； • 为此产生反射率差，完成一次写记录过程

  34. e. 光致变色型 (photo chromism) 光致变色介质有无机和有机两大类，并同样具有一次写和可擦写两种功能； 记录特点：光照微区在记录过程中，将从一种光学状态变化到另一种光学状态，发生光呈色反应，从而实现反射率的变化； 当记录膜层发生不可逆的变化或完全破坏，则为一次写记录；为可逆并形成两种不同反射率的稳定态，则为可擦写记录。

  35. 条件：讨论只读光盘 CD-DA，CD-ROM，V-CD， DVD-Audio，DVD-ROM， DVD-Video 等 原理：利用反射光的强度变化的原理： 反射光的强度变化时为 “1” 码 反射光的强度不变时为 “0” 码 6.2.2 读出原理

  36. (0.5~0.6)λ DIA. = NA DIA. 是用光强半峰值宽度的最大值表示 (Full width half Max.，FWHM) λ 是光源波长 CD： 780 nm DVD：650 nm NA 是数值孔径，表示聚焦能力的大小 ( Number Aperture) CD： 0.45 DVD：0.6 6.2.2 读出激光光斑大小

  37. Objective Lens θ D F F： 焦距 D： 通光孔径 ( D = 2R ) 数值孔径 NA = sin = R / ( R2+F2 )½ R / F 6.2.2 物 镜

  38. 6.2.2 计算CD光盘的读出光斑大小 (0.5~0.6)λ DIA. = NA (0.5~0.6)* 780nm = 0.45 = (0.87~1.04) µm  1 µm

  39. 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 6.2.2 CD只读光盘上的信息斑点(Pit) 包括： 信息坑（groove） 信息面（land） 3.05μm 0.83µm 3T 4T 5T 7T 11T 读光斑 CLV 1.6µm 3T 4T 11T 6T 3T

  40. 时间窗口 T 是 1 ( channel ) bit 需要的时间。 • T = 1/4.3218 Mbit/s = 231.4 ns • 3T = 694.2 ns • 11T = 2545.4 ns • 1T 时间走过的距离 = 0.278 µm 6.2.2CD只读光盘上的信息斑点

  41. 最短信息坑 (面)：3T = 0.834 ( T = 0.278 µm ) 最长信息坑 (面)：11T = 3.058 µm 信息坑宽： ( 0.5 ~ 0.6 ) µm 信息坑深: 所以，CD盘用3T，4T，…，11T共9个数表示了所有数据 λ 780 ==  0.13 µm 4n 4 *1.5 6.2.2 CD只读光盘上的信息斑点

  42. 6.2.2 读出光路图（了解） 信息面 光盘 FC聚焦线圈 OBL DM盘电机 TC跟踪线圈 QP 物镜 NA = 0.45 RF (HF) 读出信号 QP1/4 波片 G PBS 偏振分束镜 FES聚焦误差信号 TES 跟踪误差信号 PD光电探测器 CL 准直镜 LD光源

  43. 6.2.2 读出光路图 (了解) 关键点：1/4 波片 ( QP ) 作用 PBS 对 P 线偏振光全透射 对 S 线偏振光全反射 P 光或 S 光二次经过1/4 波片，其角色相互交换， 即： P 线偏振光通过 QP 转 45。成圆偏振光，返回 时再次通过 QP 又转 45。成 S 偏振光。

  44. 6.2.2 读出光路图 (了解) 同时：  从PD ( photo ditector ) 上不但读出 RF 信号  还读出 FES 和 TES，保证光学头中光斑聚焦，信道跟踪的稳定性和可靠性（光电闭环数字控制系统）

  45. 6.2.3 记录格式 (Format) 介绍 • 光盘上记录方式： • 脉冲位置调制 — PPM • ( Pulse Position Modulation ) • 脉冲宽度调制 — PWM • ( Pulse Width Modulation )

  46. 6.2.3 PPM和PWM（理解） 1 0 0 1 0 0 0 0 Source signal 0100100100001000 Channel bits PPM 0100100100001000 Recorded signal PWM 0100100100001000 Recorded pits CD/DVD的记录方式 - PWM

  47. 主要内容 • CD 简介 • CD 的工作原理 • CD 的制作 • DVD介绍 • CD 的物理格式 • CD 的逻辑格式 • 光存储技术发展趋势——全息光存储

  48. 6.3 CD盘的制作 A. 盘片结构 B. 只读光盘制造：母盘、复制 C. 光盘记录介质介绍

  49. 6.3.1 盘片结构- CD 四层结构 ： • 盘基 (衬底)： PC塑料，PolyCarbonate 聚碳酸脂 PMMAL 有机玻璃 • 反射层： 铝 AL • 保护层： 丙烯酸脂，Lacquer • 盘 标： 印刷面 1. CD-DA，CD-ROM，VCD

  50. 印刷层 保护层 AL 信息道 PC 1.2mm OB Laser Beam R ≥ 70% 6.3.1 盘片结构- CD 只读 CD 结构示意图

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