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光记录原理及DVD技术

发布时间:2019-06-16 07:42 来源:未知 编辑:admin

  光记录原理及DV 电视工程系)【摘要】 本文介绍了光记录的原理, 分析了和光记录密度有关的因素。着重介绍了 DV 出现的背景及DV 中的一些关键技术。【关键词】 记录标志 记录密度 光迹间距 数值孔径 前言 光记录(op record 技术是利用激光束对信息进行记录或读出的。与磁记录相比,由于光记录中使用的激光束可聚焦在很小的点上, 因此光盘的光迹密度要高于磁盘的磁迹密 度。光盘存取速度虽然比不上硬盘驱动器, 但却远远高于磁带录像机。另外, 由于记录和读出时 激光头与光盘片不接触, 可避免头盘碰撞之类的事故, 对环境条件、灰尘等也不象磁盘那么敏 因此光盘可靠性较高。光盘中记录层的两侧分别覆盖有较厚的保护层和基板,因此光盘不 易损坏, 便于携带。近年来出现的 DV 光盘是一种高密度、大容量、采用先进的数据压缩技术的光盘系统, 它非常适合多媒体时代对存储设备的大容量、高速率的要求。DV 的出现有可能给信息存储领域带来一场革命。 光记录原理光盘可分为只读光盘、一次写入多次读出光盘和可重写光盘三大类型。 只读光盘只读光盘 lyop 的特点是只能读出,不能写入。它利用表面上压制的长 短不等的凹坑来表示“1”和“0”, 因此这种光盘的制作过程就是记录过程。制作时, 首先将感光 树脂以均匀厚度涂布在表面光滑的圆形玻璃基板上, 然后在基板旋转的同时, 用激光束照射感 光树脂, 激光束的强度已由信号调制。照射后在树脂上留下一个个以凹坑形式出现的记录标志 rk)。当激光束在高精度控制机构的控制下, 沿圆盘的半径方向移动时, 就会在盘上留下由 一个个记录标志组成的螺旋形光迹 6。这样,信号就以光迹 北京广播学院学报 (自然科学版) 1998- 49的形式被记录在原始盘上。 记录之后的原始盘要经过显象、镀银等处理, 制成压模。利用压模可以大量复制光盘。另 在记录层的上面还覆盖有反射层和保护层,最上面是商标层。读出时, 读出激光束穿过光盘 底面的透明玻璃基板照射到记录层的光迹上, 光迹以凹坑的形式表示记录的信息, 如图 凹坑处与非凹坑处对光的反射强度不一样,利用这一特点, 再通过光电转换, 即可得到记 录在 盘上的信息。只读光盘加工压模时成本高, 而复制成本低, 因此适合于大批量生产。CD ROM都属于这一类光盘。 一次写入多次读出光盘一次写入多次读出光盘 ceop 允许用户自由写入,但信息一旦写到盘 上就无法再消去, 也不能用新的数据覆盖。这种盘的最大特点是写到盘上的信息可反复读出, 并可长期保存。 这种盘采用一些特殊材料作为记录层的存储介质, 这些材料在激光照射之后, 局部温度升 于是会出现小孔、表面变形或是结晶状态改变。通常使用的材料是染料。记录时,当激光束 聚焦后照射在记录层上时, 染料由于被加热, 会有一部分融解掉, 于是形成了代表信息的凹坑。 重放时, 根据凹坑部分和非凹坑部分对光的反射强度不同, 可检测出信息。重放时使用的激光 束的功率要比记录时低 (1ƒ10 左右)。这类光盘允许用户以较低的价格实现高密度记录, 特别适 合于写入后不必修改或不允许修改的场合。CD 可重写光盘可重写光盘 itable op rasab le op 的特点是记录在盘上的信息可以消去, 消去的部分可以记录新的信息。这是一种功能最灵活的光盘。根据录放原理的不同, 重写光盘可分为两类:磁光盘和相变盘。 磁光盘 是将磁技术和光技术结合起来进行信息的记录和读出的。磁光盘表面涂覆的是磁性介质, 预先在强磁场下磁化到一个方向。记录时, 被信号调制好的激 北京广播学院学报 (自然科学版) 1998- 50光束照射到介质上, 使其局部温度升高到居里点, 这时, 外加的反向小磁场 称偏置磁场)就会 改变该处的磁化方向。由于这种介质在常温下需要强大的磁场才能改变其磁化方向, 所以当没 有激光照射时, 所加的小磁场对磁性介质不起作用。 这种磁光盘在重写时要先将原信息擦除, 然后再写入新的信息。擦除的方式是在激光照射 的同时, 给介质施加一个与记录时方向相反的小磁场, 这样就能使所有磁化单元取向一致。 上述的磁光盘中, 记录的信息被调制在激光束中, 外加的小磁场保持恒定, 因此称为光调 制记录方式。另外, 保持激光束的强度不变, 用信息对偏置磁场的方向进行调制也可实现记录, 这种方式称为磁场调制记录方式。磁场调制记录方式与磁记录很相似, 它与磁盘等装置一样, 可实现盖写。但由于磁头与记录层之间有数十的间隔, 所以对磁头的性能要求较高。 磁光盘在读出时不必再加磁场, 只需用激光束照射光盘, 由于介质上磁化方向不同的区域 对激光产生的反射偏振角不同, 所以可利用反射光偏振角的不同来判别存储的信息是“1”还是 磁光盘的特点是寿命长,耐久性好, 能重复改写 100 万次以上。另外, 利用超析象记录等 可进一步提高记录密度。相变盘 sech 采用一种具有结晶状态的材料作为存储介质,这种介质在强 激光照射下能从晶态变成非晶态, 于是可用介质的结晶状态与非结晶状态来区分“0”和“1”。记 用高功率激光照射介质,使局部温度快速升高到熔点 然后急剧冷却,这样就 会得到非结晶状态; 消去时, 用低功率的激光照射介质, 使介质局部的温度升高到结晶温度 然后冷却,这样, 原来是非结晶状态的地方就会变回到结晶状态, 而原来是结晶状态的 地方仍保持结晶状态不便。结晶状态与非结晶状态对光的反射率不同, 读出时利用这一特性可 检测出记录的信息。读出时激光的强度是记录时的1ƒ10 左右。 由于相变盘的读出方法与只读 光盘及一次写入多次读出光盘一样, 都是检测记录层的反 因而容易实现多功能驱动器;另外, 相变盘读出信号的电平高, 所以重放信号的电路构成 较简单, 而且相变盘可以直接盖写, 十分方便。 影响光记录密度的因素影响光记录密度的因素有以下几点: 首先是光点的大小。光记录之所以可实现高密度化, 其最大理由是记录读出时可使用很小 的光点。如果对波长为 Κ的光使用数值孔径为 ture) 的镜头进行聚焦, 得到 光点的直径 处的距离)大约为018ΚƒN 凹坑)的大小 基本相同。但是,在一次写入多 次读出型光盘及可重写光盘中, 是通过激光照射将记录层加热实现记录的, 因此激光束的直径 一般不相同,通常是 要小。显然读出时光点直径过大会直接影响记录密度的提高。 其次是光迹间距。光迹间距越小, 记录密度就越高。但如果光迹间距过小, 读出时很容易将 北京广播学院学报 (自然科学版) 1998- 51相邻光迹的信息一同读出, 从而发生串扰。为了将串扰限制在- 25dB 以下, 一般将光迹间距设 相同。这样,如果 。由于记录密度与记录中使用的激光波长的平方成反比, 因此采用短波长激光对于提高记录密度是非常有利的。 另外, 记录标志的稳定性也会间接影响记录密度。如果记录标志稳定性不好, 比如发生收 缩现象, 就会造成标志的消失或变形, 所以, 标志宽度不能太小。记录标志的稳定性主要与记录 媒体的材料性能有关。 提高光记录密度的途径除了采用短波长光源可提高记录密度外, 在信号处理方式及记录方式上采取一定措施也 可有效提高记录密度。这里介绍三种针对于光记录的高密度化的方法。 超析象记录利用光的干涉现象可得到比绕射界限小的光点直径, 这种技术称为光的超析象技术。利用 这种技术可将记录密度提高 114 在磁光记录中,利用光点的中心部位可记录比光点直径小得多的光迹。但读出时如果采用 与记录时相同直径的光点, 就会发生严重串扰。为此, 将存储介质做成双层结构, 即记录层和读 所示。记录时利用光点中心可实现高密度记录,读出时, 需要外加一个强度适当 初始化磁场,这个磁场要在激光束照射之前施加到读出层, 使读出层的磁化单元取向一致。这 当读出激光束照射到读出层时,光点中心部位以高温使该部位下面的记录层内的信息转写 到上面的读出层中, 而相邻部分的信息不会被转写到上层, 所以读出时就不会发生串扰, 如图2 所示。上述这种方法称为磁的超析象方法。利用这种方法, 可将记录密度提高数倍。 北京广播学院学报(自然科学版) 1998- 击背凹槽记录为了读出时能很好地跟踪, 一般光盘在记录前都预先刻好螺旋状的槽, 光点沿预刻槽扫描。如果将槽与槽之间的击起部分也利用起来记录信息,则记录密度就可以加 倍。这种方法称为击背凹槽记录或陆沟记录 roove reco rd 但是,采用击背凹槽记录后, 光迹密度加大, 读出时会带来严重串扰。为克服串扰, 可采取 以下办法: 增加两个读出激光束,用来读出相邻两个光迹的信号。读出时对三个光束读出的 信号进行特殊的信号处理, 可消除串扰。( 字形,因此可适当设计光路, 邻光迹上的反射光无法到达光头,从而抑制串扰。(3) 用金属卡代替预刻槽, 读出时利用金属卡 的屏蔽作用可消除串扰。以上方法都需要配合复杂的信号处理技术。另外, 适当选择预刻槽的 深度, 也可降低串扰。若采取上述办法, 再配合 PRM 部分响应最佳解码)信号处理技术, 可能将光迹间距减小到光源波长左右的水平,从而可大大提高光迹密度。 多层记录光记录中使用的会聚透镜的焦点深度最多只有2~ 利用这一特点可将光盘做成多层结构, 从而提高记录密度。例如, 将第一记录层做成半透明层, 然后是30~ 40 的透明中间层, 其后是第二记录层。当读出激光束聚焦在第二记录层读取信息时,第一记录层对它的串扰已 到可忽略的程度。这种多层结构技术已被用在DV 中。目前,实验室中已做到6 层记录结构。 出现的背景 多年以来,人们一直在考虑用盘片代替磁带, 并为此做出了很多努力。L 是一种高质量的光盘系统, 但其30cm 直径的盘片对携带、保存都不方便。V CD 实现了将影视巨片带入家庭 的梦想, CD采用 压缩方式,其画面质量只相当于 录像机的水平,而且 CD盘片容量有限, 一部影片至少要两张盘, 换盘是件麻烦事。人们希望能够在一张与 CD 样大小的5英寸盘上记录一部完整的影片, 而且要有高质量的画面和声音。于是欧美日许多 司纷纷开始了对新一代高密度光盘技术的研究与开发。一部电影的平均时间为 个小时,因此一张光盘应能记录约 135 分钟的节目。另一方面, 的质量,像素数取720480, 并采用 音应采用影院中已普及的511声道方式, 并能同时记录3~ 种语言。这样,图像信号的 平均比特 率为315M 再考虑到字幕,总比特率为41692M 记录135分钟 就需要417GB 的容量。 通过对新技术的开发和对已有先进技术的应用, 一些公司开始推出满足上述要求的高密 度光盘系统。其中最主要的是飞利浦公司和 SON CD格式, 以及以东芝为首, 包括美国的时代- 华纳公司和环球电影公司、日本的先锋、松下、日立、欧姆 龙及法国的汤姆逊公司等日美欧七家公司共同提出的超密度光盘 SD 格式。两种格式在很多 方面是相同的, 例如, 它们都采用 压缩方式,都能提供整个故事影片所需的长度 北京广播学院学报(自然科学版) 1998- 的质量,两者都提供数字多声道环绕声和几种不同语言的选择。但两种格式不能兼容, CD格式盘片采用单面结构, 存储容量为317GB 采用单面双层型结构为 714GB。而 SD 格式盘片是双面结构, 容量为 5GB 若采用双层型则能达到10GB。另 CD相同, 两大格式各抒己见,互不相让, 引起了有关行业人士的关注。归根结底, 高密度光盘是为娱 乐业和电脑业开发的, 因此也必然要迎合这两大行业的需要。在娱乐界及电脑界相继明确表态 只接受一个统一的高密度光盘格式的压力下, 两大格式的主人开始协商统一格式的问题, 并于 1995 12月正式决定了高密度光盘的统 这就是数字多用途光盘DV igita 格式。统一后的 DV 约为现有CD ROM光盘的7 地记录下一部影片。另外,DV 标准允许存储两层数据,一层嵌入在另一层的下面, 这样, 容量可达815GB。如果再采用双面结构, 容量就可达 17GB。DV 可将声音、图象和各种电脑数据(包括文字) 记录在同一张光盘上, 非常适合多媒体的 中汇聚了很多高新技术,它可以说是迄今发明的产品中最为重大的消费产品, 很可能 给人们的日常生活和工作带来一场革命。 光盘结构 光盘是一个多层结构,其主要的三层是基板、记录层及保护层。一般光盘的基板厚度为 112mm 为了减小光点直径,提高记录密度, 采用了数值孔径 的变大加重了聚光误差对基板倾斜的敏感度,基板的微小倾斜就会带来很大的聚光误差。为了 补偿这一点, DV 光盘采用了薄型基板,其基板厚度只有016mm 。在相同的物镜 及基板倾斜度情况下, 薄型基板的聚光误差比厚型基板的要小。据计算, 在产生相同聚光误差的情况下, 016mm 的基板可使用 016的物镜, 而112mm 的基板只能使用 基板厚度影响聚光误差的原理图。0149 的物镜。图3 基板厚度与聚光误差北京广播学院学报 (自然科学版) 1998- 54DV 盘片的尺寸有直径为8cm 英寸)两种, 根据光盘结构的不 可分为单面单层(SSƒSL )、单面双层 (SSƒDL )、双面单层 四种。单面单层结构是将两个016mm厚的基板粘合在一起, 其中一个基板带有数据, 另一个是 空白的。盘片制作的主要工序及所用的工艺基本与 CD 相同, 只是提高了精密度。不同的是 DV 需要将压模后的基板与另一个空白基板贴合成一个完整的DV 盘片,这是一道关键工 需要新的技术,目前主要采用紫外胶, 这种胶是一种聚合物, 在紫外光照射下会变硬。DV 采用将两个016mm基板贴合在一起的方式虽然在工艺上带来一些困难, 但这种结构有很多优 除了可提高机械强度外,双层基板盘片对由于温度、湿度变化而引起的变形远远小于单层 基板盘片。 双层 DV 盘片是指在盘上存储了两层数据,这两层数据可在光盘的一个面上读取, 这样 可将存储容量提高到单层时的 118 倍。这种盘在制作时, 先在 016mm 基板上模塑第一层数 并在它上面覆盖一层铝反射膜,类似于普通的 CD 盘。然后, 在另一个016mm 的基板上模 第二层数据,并覆盖一层半反射膜。最后将两层衬底面对面贴合在一起。贴合后的盘片从 读出 第二层数据在上面,第一层数据在下面, 读出时只要简单地调整物镜的焦点即可。当 焦点 落在上层时, 光束由半反射膜反射回来, 从而读取这一层的数据, 当焦点落在下层时, 光束 过半反射膜到达铝反射膜,被反射后读出这一层的数据。激光束焦点可在两层之间快速 切换, 而且备有缓冲存储器, 因此人眼难以觉察出切换带来的影响。另外, 在这种结构中, 层数据读出时, 与通常的读出方向相反, 因此下层数据在记录时应做反向处理。 另有一种双层结构, 先在一层基板上模塑一层数据, 然后覆盖一层半透明反射膜, 并涂上 一种半液态的树脂层, 然后将第二层数据用模具压入树脂中, 再用紫外线照射使树脂层固化并 覆盖金属反射层。最后再与另一层基板贴合。这种结构可使两层数据做在一个基板上, 因此容 易实现双面四层结构。 光头技术及激光器 光头(op 装置是信息记录读出过程中的重要组成部分。一般要求激光头能产生很小的光点, 噪声低, 光学系统效率高, 可对光束位置实现高精度控制等。在 DV 除了要满足以上要求外,还有一个重要的问题就是与 CD 016mm的基板贴合而成, 读取时, 光束通过016mm 厚的基板在记录层聚焦, CD是单层基 光束需要通过112mm厚的基板才能在记录层聚焦。为了实现与 CD 的兼容, DV 光学系统的透镜焦点应能分别聚焦在两种距离不同的记录层上。目前开发的兼容系统主要有以下三 第一种是双透镜方式,即备有两个焦距不同的透镜, 分别用于 DV 透镜的转换采用机械方式。 第二种是双焦点透镜方式, 即用一个透镜产生两种焦距。这种方式又分为两种, 一种是在 DV 的透镜上作环状切割,使之也适用于读取 CD 上的数据。另一种是利用全息技术使部分 激光产生折射, 从而使一个透镜具有两种焦距, 如图4 所示。 第三种是快门方式, 也叫孔径控制方式。采用液态快门等控制透镜的孔径, 以获得两种焦 北京广播学院学报 (自然科学版) 1998- 55距。当播放 DV 液态快门处于全孔径状态,而在播放 CD 液态快门孔径收缩,以减少通 全息图方式的双焦点透镜DV 的记录密度很高,记录标志的长度仅为 0140Λm (CD 光迹间距为0174Λm (CD 中为116Λm 因此DV 在读取时要求有更小的光点。光点的直径与激光波长成正比, 长越短,光点越小。为此, DV 中使用了短波长激光器,波长为650nm 和635nm 这个波长已到 了红光范围, 因此称为红色激光器。在此之前, 用于光盘的激光都处于红外线范围, 例如, CD 使用的激光波长为780nm 目前,人们正在寄希望于蓝- 绿激光器的实用化。蓝- 绿激光器的激光波长更短, 焦点面 积更小, 可读出光盘上更加密集的信息标志, 从而可进一步增大 DV 中的信号处理DV 的存储容量虽然比CD 提高不少, 但要在单面光盘上记录一部完整的电影, 还需要 对数据进行压缩。DV 格式中规定,视频数据的压缩采用 标准,音频数据的压缩 SC制节目为主, 制节目为主。DV 方式,而是在此基础上开发的一种可变 速率 压缩编码方式。采用这种方式对图像信号进行压缩时通常要经过两个过程,第一 个过程是预览节目的内容, 并根据各帧图像的复杂程度相应地分配比特率。第二个过程是根据 所分配的比特率来实时压缩。压缩后视频压缩人员要仔细检查压缩结果, 对不满意的片段可以 调整比特率, 进行再次压缩。 DV 中通道编码采用了8ƒ16变换码, FM的8ƒ17 变换相比, 效率提高了6% 。DV 记录声音、图象、计算机数据等多媒体信息,单面容量达417GB 因此它对误码校正能力的要求 ROM一样, 甚至高于 CD ROM。DV 采用了GF (182,172) (208,192)。为提高编码效率及对随机误码的校正能力, 误码校正数据块 北京广播学院学报 (自然科学版) 1998- 56很大, 为32KB。在标准误码率为0101 误码校正数据 块的构成。 分类DV 按应用可分为几种:重放视频 DV 重放音频DV ROM的规格请看表1。 DV 采用染料作为记录材料,生产制造时可采用旋涂方式, 目前成本较高, 将来有可 能减低成本。由于染料对某些波长的光会吸收, 因此对使用的激光的波长要有所选择, 读出时, 波长在635~ 690nm 范围时可正常读出, 但若使用蓝色激光就无法读出。另外, DV ROM不同, 为319GB 其它规格请参看表2。DV RAM采用相变方式。相变方式与磁光方式相比, 容易与 DV ROM兼容, 而且 可直接盖写, 输出信号的振幅也大。DV RAM的容量为216GB 北京广播学院学报(自然科学版) 1998- 的规格ROM RAM的规格 记录方式 相变型 光盘尺寸 直径120mm 双面)扇区大小 2KB 激光波长 650 或680nm 数据传送率 11. 08M 光盘尺寸直径120mm ROM存储容量 9GB读出激光波长 635~ 685nm 记录材料 染料 磁迹间距 光盘尺寸直径: 120mm 80mm厚度: 016mm 中心孔径15mm 记录区域内径 48mm 记录区域外径 116mm 120mm光盘) 76mm 80mm光盘) 激光波长 650nm 物镜 87Λm通道编码 8ƒ16 变换 扫描速度 数据传送率11. 08M 扇区大小2KB 误码校正 PCECC 数据块大小 32KB 北京广播学院学报 (自然科学版) 1998- 58参考文献 陆达编著1《多媒体技术与CD 清华大学出版社,1995 林咏编译1“线 张永辉编译,“非线性编辑技术讲座”《中国新闻科技》, 199713、4、5 中村庆久等编著1《画像のz 记录》1Ohm sh 一中编著1“高密度数字视盘格式及评论”1《世界广播电视》,199612 严国荣编著1“DV 产品及其关键技术”《世界广播电视》,199715

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