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1、第三部分 基本技术篇基本技术篇1:光信息的采集和显示技术基本技术篇2:光信息传输技术基本技术篇3:光信息存储技术基本技术篇4:光信息的加工及处理技术I基本技术篇5:光信息的加工及处理技术II基本技术篇3光信息存储技术光信息存储技术6.1光盘的存储原理6.1.1光盘的优点及其种类6.1.2只读存储光盘6.1.3一次性写入光盘6.1.4可擦重写相变光盘6.1.5可擦重写磁光光盘6.2相变光盘的结构及制备6.2.1相变光盘的结构6.2.2相变光盘的制备6.3光盘存储设备中的光学系统6.3.1光盘存储器中的光学系统6.3.2磁光存储器中的光学系统光信息存储技术的发展 随着信息社会的到来，“信息”作为第
2、三资源将对国民经济的发展起到举足轻重的作用，目前在发达国家，几种大容量、高密度的光存储系统，竞相推出：各类信息库及工作站，相继建成。随着各类信息库的需求，大容量、高密度、高稳定性和可靠性的信息存储技术，正沿着下述方向迅猛发展：记录方式：磁记录一磁光记录一全光记录存储器件：磁盘、磁带一磁光光盘一激光热致相变光盘、光致结构变化光盘光存储原理、分类、特点光存储原理、分类、特点光学信息存储的优点光学信息存储的优点存储密度高存储密度高理论估计：面密度为理论估计：面密度为1/2；体密度为；体密度为1/3，按按=500nm计算，存储密度为计算，存储密度为1TB/cm3。并行程度高并行程度高：提供并行输入输出
3、和数据传输。：提供并行输入输出和数据传输。抗电磁干扰抗电磁干扰存储寿命长存储寿命长：磁存储：磁存储23年；光存储年；光存储10年以上。年以上。非接触式读写信息非接触式读写信息信息价格位低信息价格位低：价格可比磁记录低几十倍。：价格可比磁记录低几十倍。光盘存储光盘存储光盘是直径为光盘是直径为120mm厚度为厚度为1.2mm的单面记的单面记录盘片。自录盘片。自60年代末美国年代末美国ECD及及IBM公司共同公司共同研制出第一片光盘以来，光盘存储技术发展之研制出第一片光盘以来，光盘存储技术发展之迅速出人意料。迅速出人意料。激光唱片激光唱片(CompactDisk，CD)激光视盘激光视盘(LaserV
4、ideoDisk，LVD)：LD，VCD，DVD。计算机外存设备计算机外存设备：光盘：光盘CDCD盘与盘与DVDDVD盘盘光盘上的记录材料 光盘上的记录材料是光盘的关键，现在的记录材料一般都是无机记录材料，如铋和碲的合金，它们在激光的作用下可烧蚀（熔融）成孔；铁、钴、镍等掺有稀土金属的合金，在激光作用下可改变磁的性质；有些非结晶的化合物如某些含硫化合物，在激光作用下会发生相变，形成很好的晶体。晶体和非晶体的折光指数和反射率都相差极大，这种相变也可以用来记录信息。这些都是无机记录材料。光盘的存储种类光光存存储储器器简简称称光光盘盘，是是近近年年来来颇颇受受重重视视的的一一种种外外存存设设备备，更
5、更是是多多媒媒体体计计算算机机不不可可缺缺少少的的设设备备。光光盘盘采采用用聚聚焦焦激激光光束束在在盘盘式式介介质质上上非非接接触触地地记记录录高高密密度度信信息息，以以介介质质材材料料的的光光学学性性质质(如如反反射射率率、偏偏振振方方向向)的的变变化化来来表表示所存储信息的示所存储信息的“1”或或“0”。按其功能划分主要有四种按其功能划分主要有四种：(1)只读存储光盘只读存储光盘(ROM)(2)一次写入光盘一次写入光盘(WORM；或称或称DRAW)(3)可擦重写光盘可擦重写光盘(EDAW)：先擦后写先擦后写(4)直接重写光盘：写同时擦除原信息直接重写光盘：写同时擦除原信息只读存储光盘的制作
6、只读存储光盘的制作其工作特点是，采用激光其工作特点是，采用激光调调制方式制方式记录记录信息，将信息以凹坑信息，将信息以凹坑(pits)和凸区和凸区(lands)的形式的形式记录记录在在螺旋形光道螺旋形光道上。光上。光盘盘是由母是由母盘压盘压模制成的，一旦复制成形，永久不模制成的，一旦复制成形，永久不变变，用用户户只能只能读读出信息。出信息。CDCD盘如何批量生产盘如何批量生产 激光唱盘激光唱盘(CD-DA)、数字激光视盘数字激光视盘(V-CD)和和CD-ROM的制作过程都相同。的制作过程都相同。1 1、原版盘预制作、原版盘预制作(Premastering)Premastering)，或者称为母
7、盘或者称为母盘预制作。预制作。母盘预制作对于激光唱盘，把制作好母盘预制作对于激光唱盘，把制作好的音乐节目转换成标准的的音乐节目转换成标准的CD-DACD-DA格式，而对于格式，而对于V-V-CDCD盘，把影视节目转换成盘，把影视节目转换成 V-CDV-CD标准记录格式，标准记录格式，这个过程也叫做这个过程也叫做预处理预处理。CD-DACD-DA格式在格式在“红皮书红皮书”中有详细说明，中有详细说明，V-CDV-CD的标准记录格式在的标准记录格式在Video Video CD 2.0CD 2.0标准标准(白皮书白皮书)中有详细说明，这项工作通中有详细说明，这项工作通常是由软件来完成，常是由软件来
8、完成，这种软件称为转换软件，或这种软件称为转换软件，或者称为编码器者称为编码器(Encoder)Encoder)。2 2、原版盘制作原版盘制作(Mastering)Mastering)，或者称为母或者称为母盘制作。原版盘制作包括：盘制作。原版盘制作包括：(1)(1)把符合把符合CD-DACD-DA或者或者V-CDV-CD标准格式标准格式的数据经过一个的数据经过一个EFM(Eight-to-Fourteen EFM(Eight-to-Fourteen Modulation)Modulation)编码器变成串行数据流，也编码器变成串行数据流，也就是就是8 8到到1414调制，意思是把一个调制，意思
9、是把一个8 8比特的比特的数据变成数据变成1414比特的数据，再附加比特的数据，再附加3 3比特用比特用来改善读来改善读/写信号的质量，这样写信号的质量，这样8 8比特的比特的并行数据就转换成物理通道上的并行数据就转换成物理通道上的1717比特比特串行数据。串行数据。(2)把一片涂有光刻胶的玻璃盘在旋转平把一片涂有光刻胶的玻璃盘在旋转平台上进行光刻。激光源发出的激光束通台上进行光刻。激光源发出的激光束通过激光调制器时受到串行数据的控制，过激光调制器时受到串行数据的控制，例如，数据例如，数据“0”就不让激光束通过，光就不让激光束通过，光敏电阻就不曝光；数据敏电阻就不曝光；数据“1”就让激光束就让
10、激光束通过，光敏电阻就曝光，这样在玻璃盘通过，光敏电阻就曝光，这样在玻璃盘上就形成长短不同的曝光区和非曝光区。上就形成长短不同的曝光区和非曝光区。激光调制器犹如一个开关。激光调制器犹如一个开关。(3)对光刻的玻璃盘进行化学对光刻的玻璃盘进行化学处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成处理，盘上曝了光的区域被腐蚀掉形成凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，凹坑，没有曝光的区域就被保留下来，“0”、“1”信号就以凹坑和非凹坑的信号就以凹坑和非凹坑的形式记录在螺旋形光道上，形成主盘。形式记录在螺旋形光道上，形成主盘。(4)对经过化学处理（镀银）的对经过化学处理（镀银）的主主盘盘进行化学电镀生成金属镍盘（负像）
11、，进行化学电镀生成金属镍盘（负像），经过化学处理剥离，称为父盘经过化学处理剥离，称为父盘，通过父通过父盘再制作若干母盘（正像）盘再制作若干母盘（正像），然后由母然后由母盘制作出若干子盘（负像）盘制作出若干子盘（负像），子盘就是子盘就是压模压模。光盘制作的整个过程光盘制作的整个过程有了压模便可大量压有了压模便可大量压制盘片了。盘片原料采用制盘片了。盘片原料采用聚甲基丙烯酸甲酯（有机聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃玻璃PMMAPMMA）或透明的聚酯，或透明的聚酯，压制成压制成1.21.2mmmm的衬盘，把压的衬盘，把压模放在制作机上与一块衬模放在制作机上与一块衬盘平行叠在一起，盘平行叠在一起，2 2P
12、P溶液溶液到金属压模与衬盘之间成到金属压模与衬盘之间成型，待溶液均匀后，用紫型，待溶液均匀后，用紫外光照射，使外光照射，使2 2P P溶液，因溶液，因光聚合作用而固化。将成光聚合作用而固化。将成型的盘片蒸镀上铝银合金型的盘片蒸镀上铝银合金的反射层，最后再用光固的反射层，最后再用光固化涂料加以保护，这样便化涂料加以保护，这样便得到一张单面的光盘。将得到一张单面的光盘。将两张光盘背对背黏合在一两张光盘背对背黏合在一起就成为双面光盘了，一起就成为双面光盘了，一张金属压模可复制出张金属压模可复制出1 1万张万张光盘。光盘。2P（光致聚合作用）复制过程光致聚合作用）复制过程 光存光存储储系系统统的技的技
13、术术指指标标光存光存储储系系统统的技的技术术指指标标包括尺寸、容量、平均包括尺寸、容量、平均存取存取时间时间、数据、数据传输传输速率、速率、误码误码率和平均无故率和平均无故障障时间时间等等 1.尺寸尺寸 v光光盘盘的尺寸多种多的尺寸多种多样样。LV（Laser Vision）的直径的直径为为12英寸英寸(300mm)，CD激光唱激光唱盘盘和和CDROM为为4.72英寸英寸(120mm)，WORM一次写光一次写光盘为盘为14.12英寸和英寸和4.7英寸，可擦写光英寸，可擦写光盘盘向小尺寸方向向小尺寸方向发发展，展，主要尺寸主要尺寸为为4.7英寸和英寸和3.14英寸。英寸。光存光存储储系系统统的技
14、的技术术指指标标n3.平均存取平均存取时间时间 v平均存取平均存取时间时间是指从是指从计计算机向光算机向光盘驱动盘驱动器器发发出命令出命令开始，到光开始，到光盘驱动盘驱动器在光器在光盘盘上找到上找到读读写的信息的写的信息的位置并接收位置并接收读读写命令写命令为为止的一段止的一段时间时间。v平均存取平均存取时间时间等于等于平均平均寻寻道道时间时间和和平均等待平均等待时间时间的的和。和。v光学光学头头沿半径移沿半径移动动全程全程13长长度所需的度所需的时间为时间为平均平均寻寻道道时间时间。v盘盘片旋片旋转转半周的半周的时间为时间为平均等待平均等待时间时间。v目前大多数光目前大多数光盘驱动盘驱动器的
15、平均存取器的平均存取时间时间在在200ms到到400ms之之间间 光存光存储储系系统统的技的技术术指指标标n4数据数据传输传输速率速率 n数据数据传输传输速率一般是指速率一般是指单单位位时间时间内光内光盘驱动盘驱动器送出器送出的数据比特数。的数据比特数。n该该数数值值与光与光盘转盘转速和存速和存储储密度有关。密度有关。现现在主要是在主要是针针对对提高数据提高数据传输传输速率和速率和缩缩短平均存取短平均存取时间时间开展技开展技术术研究工作。研究工作。对对于于CDROM，其数据其数据传输传输速率已从速率已从初期的初期的150KBs(单单倍速倍速)提高到提高到6MBs(40倍速)n5.平均无故障平均
16、无故障时间时间 nCD-ROM的平均无故障的平均无故障时间时间要求达到要求达到25000h只读型光盘只读型光盘 只读型光盘是厂商以高成本制作出母盘后大批重压制出只读型光盘是厂商以高成本制作出母盘后大批重压制出来的光盘。这种模压式记录使光盘发来的光盘。这种模压式记录使光盘发生永久性物理变化，生永久性物理变化，记录的信息只能读出，不能被修改。典型的产品有：记录的信息只能读出，不能被修改。典型的产品有：LD俗称影碟，记录模拟视频和音频信息，可放演俗称影碟，记录模拟视频和音频信息，可放演60分分钟全带钟全带宽的宽的PAL制电视。制电视。CD-DA数字唱盘，记录数字化音频信息，可存储数字唱盘，记录数字化
17、音频信息，可存储74分钟分钟数字立体声信息数字立体声信息。VCD俗称小影碟，记录数字化视频和音频信息。可存储俗称小影碟，记录数字化视频和音频信息。可存储74分钟按分钟按MPEG-1标准压缩编码的动态图像信息。标准压缩编码的动态图像信息。DVD数字视盘。单记录层容量为数字视盘。单记录层容量为4.7GB，可存储，可存储135分分钟按钟按MPEG-2标准压缩编码的相当于高清晰度电视的视频标准压缩编码的相当于高清晰度电视的视频图像信息和音频信息。图像信息和音频信息。CD-ROM主要用作计算机外存储器，记录数字数据，也主要用作计算机外存储器，记录数字数据，也可同时记录数字化视频和音频信息。可同时记录数字
18、化视频和音频信息。当激光来照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会当激光来照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起引起反射光的偏振面发生左旋或右旋，从而检测出所记反射光的偏振面发生左旋或右旋，从而检测出所记录的数据录的数据“1”或或“0”。相变盘。利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。相变盘。利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。写入时，强弱不同的激光束对记录点加热再快速冷却后，写入时，强弱不同的激光束对记录点加热再快速冷却后，记录点分别呈现为非晶态和晶态。读出时，用弱激光来记录点分别呈现为非晶态和晶态。读出时，用弱激光来扫描相变盘扫描相变盘，晶态反射率高，非晶态反射率低，根据反，晶态反射
19、率高，非晶态反射率低，根据反射光强弱的变化即可检测出射光强弱的变化即可检测出“1”或或“0”。无论是磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性无论是磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性改变都是可逆变化，因此是可重写的。改变都是可逆变化，因此是可重写的。可擦重写相变光盘是利用记录介质在两个稳定态之可擦重写相变光盘是利用记录介质在两个稳定态之间的可逆相结构变化来实现反复的写和擦。同只读型类间的可逆相结构变化来实现反复的写和擦。同只读型类似，只是在激光束照射光盘时，使光盘表面的磁性膜磁似，只是在激光束照射光盘时，使光盘表面的磁性膜磁化或使介质表面结晶状态发生变化。化或使介质表面结晶状态发生变化。另
20、一种光存方法采用基于光热磁效应的光磁盘装置。另一种光存方法采用基于光热磁效应的光磁盘装置。它的基本设备也和光盘装置相类似，主要的区别在于采它的基本设备也和光盘装置相类似，主要的区别在于采用的是磁性的记录介质。在细束激光的调制作用下，通用的是磁性的记录介质。在细束激光的调制作用下，通过改变磁介质的磁化方向完成信息的存储。在信息读出过改变磁介质的磁化方向完成信息的存储。在信息读出时不是检测光的反射率，而是通过检测反射光的偏振状时不是检测光的反射率，而是通过检测反射光的偏振状态检测信息点处的磁化方向。态检测信息点处的磁化方向。可擦重写光盘可擦重写光盘只读型光盘只读型光盘 1、只读型光盘系统的原理：、
21、只读型光盘系统的原理：所有的只读型光盘系统都基于一个共同原理，即光盘上所有的只读型光盘系统都基于一个共同原理，即光盘上的信息以坑点形式分布，一系列的坑点（信息元）形成纹迹的信息以坑点形式分布，一系列的坑点（信息元）形成纹迹即信息记录道，如图所示。对即信息记录道，如图所示。对LV盘和盘和CD盘来讲，这种坑点盘来讲，这种坑点分布包含着分布包含着编码的视频和音频信息编码的视频和音频信息。对数据存储用的。对数据存储用的CD-ROM盘来讲，这种坑点分布用于盘来讲，这种坑点分布用于读出或写入光点的导引读出或写入光点的导引。由于只读型光盘是生产厂家制造，为了大量复制，所以需要由于只读型光盘是生产厂家制造，为
22、了大量复制，所以需要制作母盘。为此将存储信息以表面坑点形式转录在母盘上。制作母盘。为此将存储信息以表面坑点形式转录在母盘上。母盘是一块平整的圆形玻璃衬底，厚约母盘是一块平整的圆形玻璃衬底，厚约0.5cm，涂有约，涂有约12um厚的光敏材料膜层。用一束待录信息调制光强并聚焦厚的光敏材料膜层。用一束待录信息调制光强并聚焦的激光束照射光敏膜层时，曝光的地方被吸收，局部地改变的激光束照射光敏膜层时，曝光的地方被吸收，局部地改变了光敏薄膜的性能。然后用化学溶液处理光敏膜，曝过光的了光敏薄膜的性能。然后用化学溶液处理光敏膜，曝过光的光敏膜被溶解，从而显示出凹凸结构。光敏膜被溶解，从而显示出凹凸结构。这种过
23、程与集成电路生产中使用的微缩照相技术非常相似，这种过程与集成电路生产中使用的微缩照相技术非常相似，所不同的是，要产生宽度大约所不同的是，要产生宽度大约0.6m的坑点所需的光点不仅尺的坑点所需的光点不仅尺寸要小，而且强度要高，为此必须采用激光作为光源，并采寸要小，而且强度要高，为此必须采用激光作为光源，并采用良好的光学系统才能实现。例如，当用良好的光学系统才能实现。例如，当7MHZ视频载波实时视频载波实时录刻时，母盘上一个信息元或坑点曝光时间为录刻时，母盘上一个信息元或坑点曝光时间为70ns，为此需，为此需要要25mW的激光束缩聚成直径小于的激光束缩聚成直径小于lm的光点。的光点。对只读型光盘来
24、说，各有自己的特征刻录信号，在母盘制对只读型光盘来说，各有自己的特征刻录信号，在母盘制造中信号的准备也是各不相同的。例如数据存储盘（造中信号的准备也是各不相同的。例如数据存储盘（CD-ROM）的录制与视盘、唱盘系统不同，信息以信息道、扇形）的录制与视盘、唱盘系统不同，信息以信息道、扇形区、标题形式录制，完全预先确定，并由电子标题发生器产区、标题形式录制，完全预先确定，并由电子标题发生器产生。生。下图示出了激光录刻设备的光路原理图。波长为下图示出了激光录刻设备的光路原理图。波长为的激光器的激光器通过一个快速光调制器（通常用电光或声光调制器），按照通过一个快速光调制器（通常用电光或声光调制器），按
25、照处理线路的高频信号调制光束强度，在恒角速度方式中，母处理线路的高频信号调制光束强度，在恒角速度方式中，母盘以恒定的角频率转动，记录光点必须随子盘半径的增大而盘以恒定的角频率转动，记录光点必须随子盘半径的增大而增大，以使每单位表面的曝光能量相同。增大，以使每单位表面的曝光能量相同。这种慢速的光强变化可以用同一个快速光调制器完成。分这种慢速的光强变化可以用同一个快速光调制器完成。分光器将部分光束分出来，由检测器测量，再与半径确定的校正光器将部分光束分出来，由检测器测量，再与半径确定的校正点比较。在恒线速度方式中，母盘以恒定线速转动，也就是曝点比较。在恒线速度方式中，母盘以恒定线速转动，也就是曝光
26、程度不变而角速度随半径缩小，用一个负场镜扩束之后，光光程度不变而角速度随半径缩小，用一个负场镜扩束之后，光就可以充满物镜的孔径，然后聚焦在转动的盘上。当物镜组件就可以充满物镜的孔径，然后聚焦在转动的盘上。当物镜组件线性向外运动时，一道纹迹线就曝光出来。由母盘表面反射回线性向外运动时，一道纹迹线就曝光出来。由母盘表面反射回来的光通过物镜在一个摄象机上成象，以检查录制过程中的聚来的光通过物镜在一个摄象机上成象，以检查录制过程中的聚焦情况。当驱动电流流过绕在物镜外的线圈时，物镜则跟踪母焦情况。当驱动电流流过绕在物镜外的线圈时，物镜则跟踪母盘表面的垂直位移，并实现动态聚焦控制。为了确定纹迹的间盘表面的
27、垂直位移，并实现动态聚焦控制。为了确定纹迹的间距，物镜的线性移动和母盘的转动必须加以控制。距，物镜的线性移动和母盘的转动必须加以控制。在一次写入型光盘中，记录数据以直接可读的方式录在一次写入型光盘中，记录数据以直接可读的方式录刻在光盘上。显然这种在线数据存储，正是光学录刻在计刻在光盘上。显然这种在线数据存储，正是光学录刻在计算机存储装置中应用的出发点。算机存储装置中应用的出发点。在这些应用中存储的数据在这些应用中存储的数据往往是专用的，所以一般根据用户的要求进行。一旦录刻往往是专用的，所以一般根据用户的要求进行。一旦录刻完毕，存储数据就不能再行改写，这种情况相当于完毕，存储数据就不能再行改写，
28、这种情况相当于PROM半导体存储器。半导体存储器。本质上讲，一次写入型光盘的信息存储机本质上讲，一次写入型光盘的信息存储机理与前述只读型光盘是一样的。不同之处在于其调制激光理与前述只读型光盘是一样的。不同之处在于其调制激光束输出强度要高得多，即用增加激光光点功率，使光盘的束输出强度要高得多，即用增加激光光点功率，使光盘的光敏层上直接写入光学可读的结果，从而实现数据存储。光敏层上直接写入光学可读的结果，从而实现数据存储。如前图（如前图（b）所示，为了得到机械强度，需要用一块衬底）所示，为了得到机械强度，需要用一块衬底（塑料、玻璃等）来支承非常薄的光敏膜。（塑料、玻璃等）来支承非常薄的光敏膜。光敏
29、膜可以是光敏膜可以是低熔点的薄金属或半金属，也可以是有机物质敏感膜当低熔点的薄金属或半金属，也可以是有机物质敏感膜当用强激光束照射薄膜时，一个人射功率为用强激光束照射薄膜时，一个人射功率为5mW、100ns的的聚焦光脉冲可使薄膜温度上升到聚焦光脉冲可使薄膜温度上升到1000K。在此温度下，可。在此温度下，可以在膜层上烧蚀或蒸发出凹坑点（信息元）。以在膜层上烧蚀或蒸发出凹坑点（信息元）。由于膜层上由于膜层上几何形状的变化引起较大的光学反差，从而可用光学方法几何形状的变化引起较大的光学反差，从而可用光学方法检测这种效益，读出所录制的信息。检测这种效益，读出所录制的信息。2.一次写入型光盘的信息存储
30、机理一次写入型光盘的信息存储机理可重写光盘可重写光盘 目前可重写光盘的记录方式主要有磁光光盘目前可重写光盘的记录方式主要有磁光光盘,相变光盘两类。磁光是依据磁畴的磁极方向对于相变光盘两类。磁光是依据磁畴的磁极方向对于偏振光的旋转角不同实现读写的。因为磁光盘在偏振光的旋转角不同实现读写的。因为磁光盘在读写原理上很难和普通的只读类光盘统一，所以读写原理上很难和普通的只读类光盘统一，所以虽然磁光盘在一定范围内得到了广泛的发展，但虽然磁光盘在一定范围内得到了广泛的发展，但始终无法与始终无法与CDROM驱动器相兼容，此外由于驱动器相兼容，此外由于其在改写时需先擦除再写入，所以速度上难有突其在改写时需先擦
31、除再写入，所以速度上难有突破。基于相变原理的可重写盘，如破。基于相变原理的可重写盘，如PD，虽然在早，虽然在早期发展并不尽如人意，但由于它已完全摆脱了磁期发展并不尽如人意，但由于它已完全摆脱了磁的束缚，且可以和的束缚，且可以和CD类光盘的读写方式相统一，类光盘的读写方式相统一，在在CDRW发展时便以此为存储机理。发展时便以此为存储机理。相相变变光光记录记录 v采用的是一种具有晶体采用的是一种具有晶体/非晶体状非晶体状态可逆可逆转换特性的特性的材料，材料，记录时使用一种温度，而擦除使用一种温度，而擦除时采用另一种温采用另一种温度。度。对可擦写媒可擦写媒质，从晶体到非晶体的，从晶体到非晶体的变化一
32、般用于化一般用于记录数据，其逆数据，其逆变过程用于擦除程用于擦除记录信息。信息。v用激光加用激光加热记录层，使聚焦点的温度略高于它的熔点，使聚焦点的温度略高于它的熔点而冷却凝固而冷却凝固时，就，就变成非晶体。由于非晶体状成非晶体。由于非晶体状态不不稳定，材料易于反定，材料易于反变，因此，当，因此，当该点加点加热到稍低于熔点到稍低于熔点的温度再冷却的温度再冷却时，就返回晶，就返回晶态，数据，数据则被擦除。被擦除。可重写相变光盘原理可重写相变光盘原理物质的分子或原子不仅有三态，而且在同一类物质的分子或原子不仅有三态，而且在同一类固体金属中分子和原子的排列形式也有不同，这种固体金属中分子和原子的排列
33、形式也有不同，这种不同被称之为相。这种微观结构是很重要的，因为不同被称之为相。这种微观结构是很重要的，因为物质本身的宏观特性是由此决定的。当原子是整齐物质本身的宏观特性是由此决定的。当原子是整齐排列并形成有序三维结构时，我们称之为排列并形成有序三维结构时，我们称之为晶相晶相。反。反之，当原子是不规则的聚集在一起时，我们称之为之，当原子是不规则的聚集在一起时，我们称之为非晶相非晶相。物质的晶相是可由提供能量和加热来改变。物质的晶相是可由提供能量和加热来改变的，物质的晶相变化可由两个因素决定：能量的积的，物质的晶相变化可由两个因素决定：能量的积累和冷却的速度。在熔解后急速冷却物质可由晶体累和冷却的
34、速度。在熔解后急速冷却物质可由晶体转变为非晶体，而在退火情况下，物质可由非晶体转变为非晶体，而在退火情况下，物质可由非晶体转化为晶体。这种过程是可逆的。依据这种转换关转化为晶体。这种过程是可逆的。依据这种转换关系，我们可实现二值记录。系，我们可实现二值记录。可重写相变光盘原理可重写相变光盘原理可重写相变光盘原理可重写相变光盘原理 CDRW盘片在初始化后成晶态。写数据时只要将盘片在初始化后成晶态。写数据时只要将温度加至熔点，急剧冷却可成非晶态，在擦数据时，加温度加至熔点，急剧冷却可成非晶态，在擦数据时，加热到结晶温度，在一定时间后可实现晶态。热到结晶温度，在一定时间后可实现晶态。因为盘片结因为盘
35、片结构在设计时就已经确定，因此冷却速度和温度的固定条构在设计时就已经确定，因此冷却速度和温度的固定条件可认为是盘片的特性。为达到非晶相记录，激光器必件可认为是盘片的特性。为达到非晶相记录，激光器必须以脉冲方式工作，短而强的激光投射到记录层上，达须以脉冲方式工作，短而强的激光投射到记录层上，达到熔点。借助于切断激光器，液态区面积很小而且周围到熔点。借助于切断激光器，液态区面积很小而且周围是冷的，实现非晶态，也就是快冷却速度产生非晶态。是冷的，实现非晶态，也就是快冷却速度产生非晶态。只要坑的形状正确，以上的作用是在连续的小区域中，只要坑的形状正确，以上的作用是在连续的小区域中，即可以实现直接重写。
36、即可以实现直接重写。可重写相变光盘原理可重写相变光盘原理可重写相变光盘原理可重写相变光盘原理可重写相变光盘原理可重写相变光盘原理CDRW共有5层：盘基，第1缓冲层，相变层（记录层），第2缓冲层和UV保护层。其中盘基是透明的，在它上面有预刻槽。预刻槽的深度是3570nm，顶部宽度为300nm500nm，角度为1535度。激光束可通过它聚焦在相变层上，同时也是依据其预刻槽实现跟踪和寻道伺服，其它四层都是溅镀上去的。其中缓冲层是透明的，而反射层则是全反射的。可重写相变光盘制作可重写相变光盘制作可重写相变光盘可重写相变光盘 盘基的制基的制备和和压制，制，盘基的材料和其它基的材料和其它CD类盘片一片一样
37、是是PC（聚碳酸聚碳酸酯）材料，在其上用）材料，在其上用CDRW的母板的母板压出出预刻槽。第一刻槽。第一缓冲冲层制制备及及溅镀。第一第一缓冲冲层的材料是的材料是ZnS-SiO2。相相变层的制的制备和和溅镀。相。相变层是是CDRW的的实现读写的关写的关键层，在在这层中相中相变材料材料溅镀在第一在第一缓冲冲层上。第二上。第二缓冲冲层的制的制备和和溅镀。第二。第二缓冲冲层的材料也的材料也为ZnS-SiO2，其其镀层较薄。薄。铝反射反射层的制的制备和和溅镀。铝反射反射层在在CDRW盘片中主要起到散片中主要起到散热的作用，的作用，其要求不如其它其要求不如其它CD类盘片要求高。片要求高。CD-ROMCD-
38、ROM和和WORMWORM读写原理读写原理(1)(1)写入原理写入原理:主机来的数据主机来的数据 写数据写数据1 1 m m的激光束的激光束 加热加热 形成凹坑形成凹坑(1-(1-有坑有坑,0-,0-无坑无坑)(2)(2)读出读出:功率仅为写入光束功率仅为写入光束1/101/10的激光束连续照射到光盘的激光束连续照射到光盘上上.凹坑处凹坑处:反射率低反射率低;无凹坑处无凹坑处:反射光强反射光强.反射光反射光 电信号电信号WORMWORM和和CDROMCDROM的读写原理同的读写原理同,只是前者由用户只是前者由用户,后者由厂家后者由厂家来完成写入来完成写入.可擦写型光盘读写原理可擦写型光盘读写原
39、理:有磁光型有磁光型(热磁反转热磁反转)和相变型和相变型(晶态到非晶态转变晶态到非晶态转变)两种两种.(1)(1)磁光盘读写原理磁光盘读写原理:利用激光在磁性薄膜上产生利用激光在磁性薄膜上产生热磁效应热磁效应来记录信息来记录信息.热磁效应是热磁效应是磁记录材料受热而发生磁性变化磁记录材料受热而发生磁性变化的现象的现象.熔化光检测器磁光盘读写原理磁光盘读写原理写入原理写入原理:激光照射磁性薄膜激光照射磁性薄膜,使使A.A.被照射处被照射处:T T娇顽力娇顽力H HC C ,在外磁场在外磁场HRHR的作用下的作用下,该处该处发生磁通翻转发生磁通翻转,使磁化方向与外磁场使磁化方向与外磁场HRHR一致
40、一致,存存1.1.B.B.不被照射处不被照射处:HR HHR HC C,寄存寄存0.0.读出读出:利用磁光克尔利用磁光克尔(kerr)kerr)效应读出数据效应读出数据,原理是原理是:当激光当激光束照到记录点时束照到记录点时,记录点的磁化方向不同记录点的磁化方向不同,引起反射光的偏引起反射光的偏振而发生左旋或右旋振而发生左旋或右旋,从而检测从而检测11和和0.0.HRHR光源(a)HRHC时,翻转(c)保存信息相变光盘读写原理相变光盘读写原理原理原理:是利用相变材料是利用相变材料(硫族化合物硫族化合物)的晶态和非晶态来记录的晶态和非晶态来记录信息信息,写入前全部是结晶态写入前全部是结晶态.(.
41、(注注:结晶态比非结晶态稳定结晶态比非结晶态稳定).).(1)(1)写写1:1:用短激光脉冲用短激光脉冲 使结晶态的存储介质局部熔使结晶态的存储介质局部熔化化非结晶态非结晶态写写0(0(擦除擦除):):用长激光的弱光脉冲使之复原为结晶态用长激光的弱光脉冲使之复原为结晶态(加热至接近熔点时加热至接近熔点时).).(2)(2)读出读出:根据结晶态根据结晶态(反射率高反射率高)和非结晶态和非结晶态(反射率低反射率低)对对激光反射率不同激光反射率不同,可检测可检测00和和1.1.(3)(3)优缺点优缺点:相变光盘的访问速度比磁光盘稍快相变光盘的访问速度比磁光盘稍快,但擦洗次数但擦洗次数只有只有1000
42、1000次左右次左右,而磁光盘可达而磁光盘可达100100万次万次.骤冷骤冷光盘的扇区数据结构光盘的扇区数据结构信息记录的轨迹称为光道。光道上划分出一个个扇信息记录的轨迹称为光道。光道上划分出一个个扇区，它是光盘的最小可寻址单位。扇区的结构如图：区，它是光盘的最小可寻址单位。扇区的结构如图：光盘扇区分为光盘扇区分为4个区域。个区域。2个全个全0字节和字节和10个全个全1字节字节组成同步组成同步(SYNC)区，标志着扇区的开始。区，标志着扇区的开始。4字节的扇字节的扇区标识区标识(ID)区用于说明此扇区的地址和工作模式。光盘区用于说明此扇区的地址和工作模式。光盘的扇区地址编码不同于磁盘，它是以分
43、的扇区地址编码不同于磁盘，它是以分(MN)，秒，秒(SC)和分数秒和分数秒(FR，1/75s)时间值作为地址。由于光盘的恒时间值作为地址。由于光盘的恒定线速度是每秒钟读出定线速度是每秒钟读出75个扇区，故个扇区，故FR的值实际上就的值实际上就是秒内的扇区号是秒内的扇区号(074)。ID区的区的MD为模式控制，用于控制数据区和校验区的使用。共为模式控制，用于控制数据区和校验区的使用。共有三种模式：模式有三种模式：模式0规定数据区和校验区的全部规定数据区和校验区的全部2336个字节个字节都是都是0，这种扇区不用于记录数据，而是用于光盘的导入区和，这种扇区不用于记录数据，而是用于光盘的导入区和导出区
44、；模式导出区；模式1规定规定288字节的校验区为字节的校验区为4字节的检测码字节的检测码(EDC)、8字节的保留域字节的保留域(未定义未定义)和和276字节的纠错码字节的纠错码(ECC)，这种扇区，这种扇区模式有模式有2048字节的数据并有很强的检测和纠错能力，适合于字节的数据并有很强的检测和纠错能力，适合于保存计算机的程序和数据；模式保存计算机的程序和数据；模式2规定规定288字节的检验区也用字节的检验区也用于存放数据，用于保存声音、图像等对误码率要求不高的数于存放数据，用于保存声音、图像等对误码率要求不高的数据。据。【例例】CD-ROM光盘的外缘有光盘的外缘有5mm宽的范围因记录数据困难，
45、宽的范围因记录数据困难，一般不使用，故标准的播放时一般不使用，故标准的播放时间为间为60分钟。计算模式分钟。计算模式1和模和模式式2情况下光盘存储容量是多少情况下光盘存储容量是多少?【解解】扇区总数扇区总数=606075=270000(扇区扇区)模式模式1存放计算机程序和数据，其存储容量为存放计算机程序和数据，其存储容量为2700002048/1024/1024=527MB模式模式2存放声音、图像等多媒体数据，其存储容量为存放声音、图像等多媒体数据，其存储容量为2700002336/1024/1024=601MB6.3光盘存储设备中的光学系统 各类光盘存储器中的光学系统大体类似，都采用半导体激
46、光器作光源，光学头及光学系统或用一束激光、一套光路进行信息的写、读(如只读及次写入存储器)或用两个独立的光源、配置两套光路、一套用以读、写，另一套实现擦除(如可擦重写存储器）直接重写式相变光盘存储器，在信息写入的问时原有信息自动被擦除，从而也只需要一束激光套光路完成全部读、写、擦功能，因此这种存储器可以和一次写入存储器兼容以便制成多功能相变光盘存储器。光盘存储系统的核心装置是光盘驱动器，它是一种超精光盘存储系统的核心装置是光盘驱动器，它是一种超精密光电子装置。主要包括：光学系统、机械系统、伺服跟密光电子装置。主要包括：光学系统、机械系统、伺服跟踪系统和信号处理系统。光盘驱动器的组成框图如图所示
47、。踪系统和信号处理系统。光盘驱动器的组成框图如图所示。光盘存储系统的关键技术光盘存储系统的关键技术1光学系统光学系统光学系统光学系统(1)激光聚束光路激光聚束光路(2)写入光调制器写入光调制器(3)循迹跟踪反射镜循迹跟踪反射镜(4)光电检测系统光电检测系统2 机械系统机械系统机械系统机械系统(1)转台机构转台机构(2)滑板机构滑板机构(3)光电头机构光电头机构3控制系统控制系统控制系统控制系统(1)转台恒速控制系统转台恒速控制系统(2)滑板位移控制系统滑板位移控制系统(3)调焦控制系统调焦控制系统(4)循迹跟踪系统循迹跟踪系统4信号处理系统信号处理系统信号处理系统信号处理系统(1)写入信号处理
48、器写入信号处理器(2)读出信号处理器读出信号处理器(3)控制器控制器（接收）（发射）光盘激光读写头光盘激光读写头数据是怎样从数据是怎样从CDCD盘读出的盘读出的CDCD盘上的数据要用盘上的数据要用CDCD驱动器来阅读。驱动器来阅读。CDCD驱动器由光学读出头、光学读出头驱动机驱动器由光学读出头、光学读出头驱动机构、构、CDCD盘驱动机构、控制线路以及处理光学盘驱动机构、控制线路以及处理光学读出头读出信号的电子线路等组成。读出头读出信号的电子线路等组成。光学读出头是光学读出头是CDCD系统的核心部件之一，它由系统的核心部件之一，它由光电检测器、透镜、激光束分离器、激光器光电检测器、透镜、激光束分
49、离器、激光器等元件组成，它的结构如图所示。等元件组成，它的结构如图所示。光学读出头的基本结构光学读出头的基本结构 激光器发出的激光经过几个透镜聚激光器发出的激光经过几个透镜聚焦后到达光盘，从光盘上焦后到达光盘，从光盘上反射反射回来的激回来的激光束沿原来的光路返回，到达激光束分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，由光电检测离器后反射到光电检测器，由光电检测器器把光信号变成电信号把光信号变成电信号，再经过电子线，再经过电子线路处理后还原成原来的二进制数据。路处理后还原成原来的二进制数据。CDCD盘的读出原理盘的读出原理 这里需要强调的是，凹坑和非凹坑本身不代这里需要强调的是，
50、凹坑和非凹坑本身不代表和，而是凹坑端部的前沿和后沿代表，表和，而是凹坑端部的前沿和后沿代表，凹坑和非凹的长度代表的个数。这些位就是前凹坑和非凹的长度代表的个数。这些位就是前面介绍的面介绍的“通道位通道位”。利用这种方法比直接用凹。利用这种方法比直接用凹坑和非凹坑代表原始二进制制数据的坑和非凹坑代表原始二进制制数据的“”和和“”更有效。图中个凹坑和非凹坑代表了更有效。图中个凹坑和非凹坑代表了个通道位，这就更充分地利用了光盘表面积，使个通道位，这就更充分地利用了光盘表面积，使得存储容量大大提高。此外，采用这种技术也很得存储容量大大提高。此外，采用这种技术也很容易从读出信号中提取有用的同步脉冲信号。