facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Page translation
 

Аналитическое исследование и тенденции развития оптико-лазерной записи-воспроизведения информации

Аналитическое исследование и тенденции развития оптико-лазерной записи-воспроизведения информации
Travnikov Yevgeniy, candidate of technical sciences, associate professor

National Technical University of Ukraine «Kiev Polytechnic Institute», Ukraine

Conference participant

В обзорной исследовательской статье рассматривается самая популярная и перспективная оптико-лазерная запись воспроизведение информации изображений, звука и другого вида для профес-сиональных и бытовых применений, тенденции развития.

Ключевые слова: Оптика, дисковые носители и оптические головки.                  

In a review of research article is considered the most popular and promising optical laser recording-reproduction of images, sound and another for professional and consumer applications, the trend of its development.

Keywords: Optics, disc drives and optical heads.

«Из всех видов-оптико-лазерная регистрация- Эверест и  революция,
И за это  ей от всех применителей  высочайшая хвалы  резолюция»
ЕНИТ,ХХ1 век.

И действительно, если мы произведем  сравнительный анализ по времени (объему) записи (восп-роизведению)  например цветных кинофильмов (рис.1), тоувидишь,что полная видеокассетадля бытовыхвидеомагнитофонов формата VHS  имеет объем информации на 1,5-2 часа, имея  значительные размеры и массу (рис.1,а). А вот оптический диск DVD(рис.1,б) при намного меньших размерах и объему , массе имеет емкость записи информации во много раз большей (4-5 раз) при отличном качестве изображения. То есть, оптико-лазерная регистрации информации действительно подходит под «Эверест» всех видов записи-воспроизведения , является революционным решением и мы только может выразить благодарность пионерам её генерации и внедрения в нашу жизнь, как профессиона-льного применения , так и бытового (смотреть целый день цветное кино  с одного диска фантасти-ка!).  А как это все начиналось, Голландская фирма  Филлипс  предложила в начале 80-х годов боль-шие гибкие диски размером с граммофонную пластинку диски (рис.2). На вращаю-щийся  с большой скоростью   диск с нижней стороны его направлялся сфокусированный до микронного фокального пятна 1 лазерный луч. При этом подобно пластинкам с грамзаписью информация на оптических дисках записывается по спиральной  дорожке с постоянным шагом между ними (спираль Архимеда), что дальше будет подробнее рассмотрено. Лазерный луч начинает «чтение» (воспроизведение) от внутренней дорожки и завершает на внешней. При воспроизведении лазерный луч направляется на впадины и выступы оптического диска и отражается на светочувстви- тельный элемент. Когда лазерный луч  залетает во впадину (пит), то происходит дифракция свет  рассеивание) и в фотоприемник попадает только часть отраженного луча. По интенсивности регист-рируемого  отраженного светового пучка фотоприемнике воссоздает  записанные на диске данные как последовательность импульсов различной  интенсивности, преобразуемых в нули и единицы информации). Благодаря оптической  системе сканирования между лазерным лучом с диаметром фокального пятна около 1 мкм и диском нет механического контакта (аэродинамическая смазка) и механического трения, поэтому диск не изнашивается, как бы часто его не использовали. Проблем пропуска или искажения из- за пыли решается , если к процессу записи добавить чередующийся код Рида-Соломона. Без этого не выпускается ни одна модель  CD- плеера для оптических дисков. Упро -щенная структурная схема  записи-воспроизведения  лазерным способом представлена на рис.3., где видно луч от лазера через  оптическую систему попадает на зеркало и оптический диск, затее отражаясь от  последнего попадает через оптику на зеркало и отраженным светом попадает на пре- образователь и телевизионный приемник (телевизор).

Одним из двух главных составляющих пары носитель информации- элемент записи-воспроизведе-ния её является  лазерный источник света с его оптической системой-лазерно -оптическая головка (ЛОГ), которая представляет собой соединение полупроводникового элемента арсенида галлия с мышьяком (рис.4). В полупроводниковом лазере излучает слой между двумя полупроводниками разного сорта. Через этот слой- не толще листа бумаги- пропускают электрический ток, возбуждаю-щий его атомы. Весь лазер вместе с электрическими контактами получается меньше пуговицыЕго инфракрасное излучение имеет мощность до десяти ватт. Из физики известно, что свет представляет собой электромагнитные волны высокой и сверхвысокой частоты с очень малой длиной волны от 0,75мкм (красный свет) до 0,4 мкм (фиолетовый). А всего их основных составляющих семь (см. табли цу) и легко запоминаются по поговорке: каждый (красный), охотник (оранжевый), желает (желтый), знать (зеленый), где (голубой), сидит (синий), фазан (фиолетовый). Естественно, чтобы сфокусиро-вать лазерное излучение, необходимо применить точную оптическую систему, состоящую из объек- тива, линзы расщепляющей призмы , самого лазера  и фотоприемника- прибора зарядовой связи (рис.1). Такая компоновка была характерна для больших механизмов первых устройств оптико-лазе-рной записи, которая потом модернизировалась в очень компактную плоскую конструкцию (рис.4,б). Информация, хранимая на оптических дисках, в отличие от информации, хранимой на магнитных дисках, практически не подвержена разрушительному воздействию электрических и магнитных по-лей и в значительно меньшей степени подвергается стиранию в результате естественного старения материала носителя. ЛОГ размещается на  подвижной платформе и имеет прямолинейное возвратно - поступательное движение от коллекторного электродвигателя  ЭД1 постоянного тока через винто-вой  вал и цилиндрическую и плоскую направляющие. Благодаря  подружиненному контакту к вин-товому валу перемещение каретки с ЛОГ не имеет люфтовых паразитных движений. На общей плос-кой стальной платформе размещается также электродвигатель ЭД2 постоянного тока  бесколлекто-рный с торцевым фланцем для установки и привода  оптического диска, поджимаемого к нему внеш ней системой, обеспечивающей вращение диска  без проскальзываний. Оптико-лазерная запись-вос произведение  (рис.5, рис.6.) выполняется сфокусированным лазерным лучом по спирали Архимеда ( с постоянным шагом между дорожками, равным 1,6 мкм (для дисков CD-ROM) и 0,74 мкм (для дис-ков DVD), см. рис.6. Запись выполняется от минимального диаметра в противоположность известной пластинке с граммофонной записью. Толщин  оптического диска составляет 1,2мм, а диаметр- 120мм. Диск изготавливается из прозрачного поликарбоната (пластмасса), который покрыт с одной стороны тонким металлическим отражающим слоем (алюминия, реже золота) и защитной пленкой  специального лака. Информация на диске записана цифровым кодом в виде чередований углубле-ний в поверхности металлического слоя.  Двоичный нуль представлен на диске в виде углубления, а двоичная единица- в виде выступов между ними (рис. 5, внизу). Для оптических дисков используется метод считывания информации с постоянной линейной (окружной) скоростью, при этом угловая скорость враще-ния диска является величиной переменной, зависящей от места считывания инфо-рмации (уменьшается по мере продвижения ЛОГ от центра к краю диска). Это обеспечивается системой авторегули-рования скорости- САР-С. Скорость вращения диска достигает максимального значения до 7000 об/ мин. или несколько выше. Простейшая оптическая схема с плоской горизонтальной компоновкой ЛОГ  в отличие от вертикального расположения фирмы Филипс (рис.2) приведена на рис.5., где сфокусированный лазерный луч от полупроводникового лазера поступает на коллиматор (создатель пучка параллельных лучей) , потом на расщепитель оптического  поля-ризованного луча (оптический куб), поляризационную четвертьволновую пластину, потом на зеркало и через фокусирующий объе-ктив на оптический вращающийся диск с диаметром пучка 1,2 мкм. Далее отраженный луч от диск попадает на зеркало, отражается проходит через поляризационную пластину, попадает на расщепи-тель и от наклонной его грани поворачивается (отражается) и  через объектив попадает на фото-приемник (прибор зарядовой связи) и далее на электронику воспроиз-ведения.  Существуют несколько систем оптико-лазерной записи информации: CD-ROM, СD-RWи DVD. CDрасшифровывается как компакт диск. Первая-  это одноразовая запись, вторая- много-кратная до 1000раз запись-пере -запись. В первой системе лазерным лучом «прожигаются»  в металлическом слое впадины (углубления) ,выражающие двоичные нули, хорошо рассеивающие отраженный луч. А выступы, хорошо отражающие лучь, части металлического слоя и  выражают двоичную единицу (рис. 5 и рис,6, вверху). Сущность системы  CD-RW,  называемой реверсивной, заключается в том, что в оптическом диске имеется дополнительный ещё один слой- регистриру-ющий. Основа у них не имеет информационного узора, но между основой и отражающим слоем расположен регистрирующий слой. Он может менять прозрачность под воздействием высокой температуры. При записи данных на такие диски лазер разогревает заданные участки регистриру-ющего слоя, создавая информацион-ный узор дорожки диски ( рис.7 , вверху). Участки регистрирую-щего слоя, к которому было применено температурное воздействие , темнеют. Записанная информация на CD-Rи   CD-RWв виде последовательности темных и светлых участков регистрир-ющего слоя дорожки компакт-диска счи- тываются оптико-механическим лазерным блоком диско-вода. В качестве материала для регистри-рующего слоя используются сложные органические соединения. При записи информации на CD-R  и   CD-RWлазер оптико-механического блока дисковода включается на повышенную мощность излучения и перемещается вдоль дорожки. Длина спиральной дорожки CD-ROMпри расстоянии между витками 1,6 мкм имеет  величину при-мерно 5300 м. В дисках CD-R(CompactDiskRecordable) поверх металлического отражающего слоя из золота, серебра или алюминия, расположен органический слой специального легкоплавкого плати-ка. В начале 1997 года появился новый стандарт компакт- дисков под названием DVD(DigitalVideoDisc), предназначенный в основном для записи высококачественных видеопрограмм. В дальнейшем Эта аббревиатура получила следующее значение- DigitalVersatileDisc)- универсальный цифровой диск. Этот диск обеспечивает более высокое качество изображения, чем СD. В них используется лазер с более короткой длиной волны излучения- 0,635-0,66 мкм. и  создать расстояние  между спи- ральными дорожками до 0,74 мкм размеры пит (выступов) сократить до 0,15 мкм. Сегодняшний стандарт позволяет реализовать несколько конструкций дисков как односторонних так и двухсторон-них с одним или с двумя несущими информацию слоями на каждой стороне. Один слой толщиной 0,6 мм может уместить до 4,7 Гб информации, а весь диск- до 17 Гб. При этом есть несколько стан-дартов: DVD-5 (4,7 GB), DVD-9 (8,5 GB), DVD-10 (9,4 GB), DVD-18 (17 GB) (рис.7,б). Первый диск- одно-сторонний, второй двухуровневый односторонний диск с емкостью 8,5 Гбайт. Для производства та-кого диска необходимо создать полупрозрачный слой, который отражает 18-30% лазерного излуче-ния. Этого достаточно, чтобы можно было считывать информацию с верхнего слоя. И в тоже время полупрозрачный слой будет пропускать достаточно излучения, чтобы сигнал от нижнего уровня с высокой отражательной способностью тоже читался. Информационные уровни разделяет высоко-однородный слей толщиной 40-70 мкм, используемый для соединения двух половин диска. Опти-мальным материалом для полупрозрачного слоя является золото, сегодня в качестве альтернативы золоту используется кремниевый и серебряный сплавы. Третий диск DVD-10 –это однослойный дву- хсторонний диск с емкостью 9,4 Гб. По сути это два диска, покрытых металлическими пленками, сое-динены вместе. Чтобы считывать информацию с двух сторон, используется один лазер. И наконец, четвертый диск DVD-18, который может читаться с двух сторон, но емкость его больше в два раза по отноше- нию с предыдущему диску. Конечно, эти диски явились существенным шагом  в объеме информации. Но вдругпоявились устройства Blu-Ray, позволяющие работать лазеру в синей области спектра с длиной волны, равной 450-400 мкм. (рис. 7) и шагом (ошибочно записано на рис. шириной дорожки записи ) 0,32 мкм . Это  достижение явилось революционным и на сегодня Эверестом.

Конструктивно движущие механизмы оптических дисков содержат три функциональных узла: приво- да во вращение оптического диска, привода в возвратно-поступательное движение каретки с оптико лазерной головкой (ОЛГ и механизма установки оптического диска на фланец двигателя привода и его съема и выброса (выдвижения)после работы с механизма диска. Все указанные узлы имеют свой автономный электродвигатель ,т.е. кинематическая схема приводного механизма (иногда именуют привода) выполнена по трехмоторной идеологии построения (рис. 8, вверху, слева).  При этом когда диск размещается на выдвинутой платформе из механизма и потом уходит прямолинейно в зону его размещения на фланце приводного двигателя. Платформа с ОЛГ находится в наклонном положении, (рис.8, вверху справа). давая возможность зайти диску, а далее она поворачивается до горизонталь-ного положения, шпиндель привода диска входит в отверстие оптического диска и прижимается по торцевому кольцу само устанавливающимся стальным фланцем ,расположенным над диском в поперечной планке. На шпинделе фланца размещено кольцо постоянного магнита, которое прижи-мает к себе стальной фланец, обеспечивая необходимый фрикционные контакт вращающегося оптического диска во время работы. Электродвигатель привода оптического диска обычно приме-няют постоянного тока бесколлекторный, что обеспечивает полную бесшумность  и очень большой срок службы (нет изнашивающихся щеток). Электродвигатель привода в прямолинейное перемеще-ние платформы с оптическим диском (установку и изъятие её) применяется малогабаритный посто-янного тока со щетками и системой зубчатых колес. Платформа с ОЛГ содержит непосредственно ОЛГ, механизм её перемещения и приводной электродвигатель ЭД и установлена на общем несу-щем корпусе через резиновые втулки, позволяющие точно ей самоустанавливаться при режиме за- писи-воспроизведения информации относительно оптического диска. Электродвигатель ЭД3- при-вод платформы с оптическим диском вперед и назад, коллекторный постоянного тока.

В бытовых ручных плеерах оптических дисков (рис.9) для уменьшения размеров в плане всего уст-ройства применяют расположение каретки с ОЛГ по диагонали (верхний рисунок) или под некото-рым углом (нижний рисунок). Оптический диск устанавливается сверху вручную, поэтому конструк-ция получает- ся проще и малогабаритнее. Электропитание всего устройства осуществляется от авто-номных аккумуляторов.

Изобретательские новинки в области механизмов дисковых оптических устройств предложила япон ская фирма ТЕАС (Токио электроакустик компании) , которые позволяют работать в условиях вибра-ций и тряски (рис.10), что было невозможно для ранее известных  аппаратов. При этом конструкторы выполнили верхний опорный диск такого же диаметра как и диск с сферической поверхностью боль-шого радиуса с небольшим прогибом порядка 1-1,5 мм. К сферической поверхности гибкий оптичес-кий диск прижимается фланцем шпинделя и создается очень жесткая поверхность диска, не могу-щая отходить от поверхности сферической при воздействии на диск вибрации и тряски. Обычный бы диск без такого прогиба подвергался бы колебаниям. Под оптическим диском устанавливается обычная ЛОГ, но на тоже слегка изогнутых цилиндрических направляющих, так что поверхность ЛОГ , повторяет с постоянным воздушным зазором профиль сферической поверхности и условия бескон-такта её с поверхностью вращающегося диска сохраняются. Также к новинкам относится магнитооп-тическая запись информации, которая иллюстрируется на рис. 11, 12 . Перед записью магнит-ный слой диска намагничивается в одном направлении. Затем луч полупроводникового лазера мощ-ностью 10-20 мВт фокусируется на магнитооптическом слое диска. Одновременно на слой воздейст-вует магнитное поле НS, создаваемое магнитной головкой или соленоидом. Если направление поля противоположно направлению однородной намагниченности магнитооптического слоя, то участки слоя, нагретом лучом лазера до точки Кюри, происходит опрокидывание намагниченности и фикса-ции единицы информации- бита. Сила внешнего магнитного поля, требуемая для перемагничива-ния, должна быть больше коэрцетивной силы магнитного слоя, которая обычно уменьшается с ростом температуры. При температурах , близких или соответствующих точке Кюри, даже слабое внешнее  магнитное поле способно произвести перемагничивание. После смещения лазерного луча на другие участки магнитного слоя данный элемент остывает и направление намагниченности запо-минается. В отсутствие нагрева до точки Кюри намагниченность рабочего слоя не изменяется под воздействием внешнего магнитного поля. Скорость лазерной записи практически определяется только скоростью остывания материала магнитного слоя. Воспроизведение магнитооптической за-писи осуществляется линейно поляризованным лазерным лучом на основе Керра и Фарадея.К  важ-нейшим достоинствам магнитооптических реверсивных носителей информации относятся неограни-ченная цикличность и практическое отсутствие старения. По совокупности таких параметров как чувствительность, оптическая эффективность при считывании, быстродействие и разрешающая способность магнитооптическая запись рассматривается как наиболее перспективная. Структурная схема устройства магнитооптической записи информации представлена на рис.11, а кинематическая схема –на рис. 12. Лазерная головка располагается под оптическим диском, а размагничивающий электромагнит ЭМ-  над верхней поверхностью диска. Обозначение- 1-посадочное отверстие, 2- защитный слой, 3 магнитооптический рабочий слой, 4- подложка. Магнитооптические диски на сегодня единственно возможные массовые носители для записи программ телевидения высокой четкости. Магнитооптические диски допускают не менее 1 млн. циклов перезаписи. Проводятся раз личные исследования, которые должны поднять ещё выше магнитооптические дисковые накопи-тели. Внешний вид механизма и магнито-оптических дисков представлен на рис.13

Выводы:

1. Как уже подчеркивалось, что оптико-лазерная запись –воспроизведение информацииявляется пока Эверестом всех способов регистрации всевозможной информации.            

2.Наиболее востребованной на сегодня является форматы записи DVD. (все диски кинофильмов ).       

3.Весьма перспективным форматом является Blu-Ray, где применяется самая короткая длина волны записи (последняя перед..фиолетовой).

4.Многообещающей является магнито-оптическая запись-воспроизведение информации, но пока она ещё не нашла своей мощной дороги во внедрение.

 

Литература:

  1. Цифровая звукозапись. Перевод с 4-го английского издания А.А. Данилова и В.М. Матвеева. М. «Мир», 2004г.
  2. Как работает оптический диск. Интернет.
  3. Накоптели информации на оптических дисках. Интернет.
  4. CD-RW. Интернет
  5. Внешние запоминающие устройства ПЭВМ. Накопители информации. Интернет
  6. DVD- Википедия. Интернет
  7. Термомагнитная запись. Яндекс . Интернет
Comments: 7

Petrushenko Oleg

Работа на наш взгляд очень интересная. Автор предлагает интересное решение для повышения надежности считывания дисков. Может быть полезной для разработки метеопунктов вдоль линий электропередачи для контроля гололедообразования и вибрации проводов и т.д. Накопление таких статистических данных может использоваться для оптимизации конструктивных элементов.

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Спасибо, не знаю как Вас певести на русский язык (я изучал немецкий), за Ваши положительные и одобрительные слова в адрес моей работы. Буду такие исслевования проводить и дальше. Еще раз спасибо, Ваш конструктор квалификаци "гранд". Е. Травников.

Kaida Svetlana

Безумно интересная и наглядная статья. Материал весьма новый и актуальный. Спасибо автору за доклад. Проделана большая исследовательская работа. Статья заслуживает высокой оценки.

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Спасибо уже не раз зоочно знакомая уважаемая Светлана за супервысокую , наверно не очень заслуженную, но приятную мне Рептилии оценку моей новой работы! Такой отзыв подталкивает на новые свершения. Ваш ЕНИТ

Vykhodets Aleksander Mihaylovich

Рассматривается классическая оптико-лазерная запись произведения, подробно описана технология, приведены приборы и инструменты. Работа носит чисто практический, популярный характер, научных разработок нет. Интерес вызывает то, что Многообещающей является магнито-оптическая запись-воспроизведение информации, но пока она ещё не нашла своей мощной дороги во внедрение

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Спасибо неизвестному мне автору отзыва на мою статью Vihodec, но мне приятно получить Ваш положительный отзыв . Желаю творческих успехов в Вашей работе! Ваш ЕНИТ.

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Спасибо неизвестному мне автору отзыва на мою статью Vihodec, но мне приятно получить Ваш положительный отзыв . Желаю творческих успехов в Вашей работе! Ваш ЕНИТ.
Comments: 7

Petrushenko Oleg

Работа на наш взгляд очень интересная. Автор предлагает интересное решение для повышения надежности считывания дисков. Может быть полезной для разработки метеопунктов вдоль линий электропередачи для контроля гололедообразования и вибрации проводов и т.д. Накопление таких статистических данных может использоваться для оптимизации конструктивных элементов.

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Спасибо, не знаю как Вас певести на русский язык (я изучал немецкий), за Ваши положительные и одобрительные слова в адрес моей работы. Буду такие исслевования проводить и дальше. Еще раз спасибо, Ваш конструктор квалификаци "гранд". Е. Травников.

Kaida Svetlana

Безумно интересная и наглядная статья. Материал весьма новый и актуальный. Спасибо автору за доклад. Проделана большая исследовательская работа. Статья заслуживает высокой оценки.

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Спасибо уже не раз зоочно знакомая уважаемая Светлана за супервысокую , наверно не очень заслуженную, но приятную мне Рептилии оценку моей новой работы! Такой отзыв подталкивает на новые свершения. Ваш ЕНИТ

Vykhodets Aleksander Mihaylovich

Рассматривается классическая оптико-лазерная запись произведения, подробно описана технология, приведены приборы и инструменты. Работа носит чисто практический, популярный характер, научных разработок нет. Интерес вызывает то, что Многообещающей является магнито-оптическая запись-воспроизведение информации, но пока она ещё не нашла своей мощной дороги во внедрение

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Спасибо неизвестному мне автору отзыва на мою статью Vihodec, но мне приятно получить Ваш положительный отзыв . Желаю творческих успехов в Вашей работе! Ваш ЕНИТ.

Travnikov Yevgeniy Nikolayevich

Спасибо неизвестному мне автору отзыва на мою статью Vihodec, но мне приятно получить Ваш положительный отзыв . Желаю творческих успехов в Вашей работе! Ваш ЕНИТ.
PARTNERS
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.