数据的光盘存储技术

南通大学计算机教研室第六章数据的光盘存储技术2主要内容1.CD简介2.CD的工作原理3.CD的制作4.DVD介绍5.CD的物理格式6.CD的逻辑格式7.光存储技术发展趋势——全息光存储36.1简介－DISC与DISK原先意义：专业上一般用DISKProfessional娱乐中一般用DISCEntertainment随着多媒体时代的到来：愿意用DISC取代DISK46.1数字光盘在信息社会中的地位信息产业基础产业核心产业信息处理计算机信息传输通信网络信息存储光磁/盘,带,卡软件IC芯片56.1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。66.1光存储有以下几种形式光盘磁盘光卡磁卡、IC卡、闪存卡光带磁带76.1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RedBook标准，CD-DA光盘问世；1985年，YellowBook标准制定，CD-ROM光盘问世；‥‥‥等等，一系列标准和产品相继问世。86.1简介—光存储历史1.LD&LV(模拟存储)2.CD-DA3.CD-ROM4.CD-I5.CD-R6.VCD7.CD-RW8.DVD96.1简介-LD，LV(LaserDisc;LaserVision)模拟存储，俗称：镭射影碟直径×中孔直径×厚度(mm)ф300×ф35×1.2，ф200×ф35×1.2CAV（constantAngularVelocity）存30分/面CLV（constantLinearVelocity）存60分/面69年研究，72年DEMO，78年推向市场荷兰philips发明106.1.1CD-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：RedBook红皮书国际标准：IEC908→CompactdiscdigitalaudioSystem116.1.2CD-ROM计算机用只读光盘CD-ReadOnlyMemory，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：YellowBook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126.1.3CD-I交互式CD只读光盘CD-Interactive1987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：GreenBook绿皮书无国际标准商业上并不成功136.1.4CD-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：OrangeBookII橙皮书•无国际标准•市场巨大，极好的商业机会（CD-MO，OrangeBookI）146.1.5Video-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156.1.6CD-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：ORANGEBOOKIII橙皮书无国际标准商业价值比预想小得多166.1.70.74m170.52m186.1.9数字光盘特点（优点）1.记录密度高信道间距1.6μm-0.74μm-0.54μmCDDVDHDDVD2.保存期长40至百年不等196.1.9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206.1.10小结CD-Audio1982CD-ROM1984CD-R1990CD-I1987V-CD1993CD-RW1996DVD-Audio1998DVD-Video1996DVD-ROM1996DVD-RAM1997/98DVD-R1997DVD-RW,DVD+R,DVD+RW(Pioneer)(Philips)21主要内容1.CD简介2.CD的工作原理3.CD的制作4.DVD介绍5.CD的物理格式6.CD的逻辑格式7.光存储技术发展趋势——全息光存储226.2CD工作原理A.记录介质B.读出原理C.记录格式(Format)介绍236.2.1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PhaseChangeMagnet-Optics241.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6.2.1CD-R/DVD-R记录层的染料(Dye)25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。6.2.1CD-R/DVD-R记录原理26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28WORM(WriteOnceReadMany)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29b.起泡型c.纹理型d.相变型e.光致变色型a.烧蚀型6.2.1WORM型一次写光盘记录原理30a.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。31b.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；32c.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33d.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。e.光致变色型(photochromism)356.2.2读出原理条件：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366.2.2读出激光光斑大小(0.5~0.6)λDIA.=NADIA.是用光强半峰值宽度的最大值表示(FullwidthhalfMax.，FWHM)λ是光源波长CD：780nmDVD：650nmNA是数值孔径，表示聚焦能力的大小(NumberAperture)CD：0.45DVD：0.6376.2.2物镜ObjectiveLensF：焦距D：通光孔径(D=2R)数值孔径NA=sin=R/(R2+F2)½R/FFθD386.2.2计算CD光盘的读出光斑大小(0.5~0.6)λDIA.=NA(0.5~0.6)*780nm=0.45=(0.87~1.04)µm1µm396.2.2CD只读光盘上的信息斑点(Pit)0.83µm10010001000010000000000100000013T3.05μm4T5T11T7T3T4T11T1.6µm1001000100000000001000001001读光斑CLV3T6T包括：信息坑（groove）信息面（land）406.2.2CD只读光盘上的信息斑点时间窗口T是1(channel)bit需要的时间。T=1/4.3218Mbit/s=231.4ns3T=694.2ns11T=2545.4ns•1T时间走过的距离=0.278µm416.2.2CD只读光盘上的信息斑点最短信息坑(面)：3T=0.834(T=0.278µm)最长信息坑(面)：11T=3.058µm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λ780==0.13µm4n4*1.5426.2.2读出光路图（了解）LD光源QPOBLDM盘电机光盘G信息面物镜NA=0.45FC聚焦线圈TC跟踪线圈PBS偏振分束镜CL准直镜PD光电探测器RF(HF)读出信号FES聚焦误差信号TES跟踪误差信号QP1/4波片436.2.2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。446.2.2读出光路图(了解)同时：从PD(photoditector)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）456.2.3记录格式(Format)介绍光盘上记录方式：①脉冲位置调制—PPM(PulsePositionModulation)②脉冲宽度调制—PWM(PulseWidthModulation)466.2.3PPM和PWM（理解）01001001000010000100100100001000010010010000100010010000PPMPWMRecordedpitsRecordedsignalSourcesignalChannelbitsCD/DVD的记录方式-PWM47主要内容1.CD简介2.CD的工作原理3.CD的制作4.DVD介绍5.CD的物理格式6.CD的逻辑格式7.光存储技术发展趋势——全息光存储486.3CD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496.3.1盘片结构-CD四层结构：1.盘基(衬底)：PC塑料，PolyCarbonate聚碳酸脂PMMAL有机玻璃2.反射层