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安防视频监控系统光电存储录像设备——光盘存储技术

第一代光盘存储的光源用GaAlAs半导体激光器,波长为0.78μm(近红外),5寸光盘的存储容量为0.76GB,即CD系列光盘;第二代光盘存储的光源用GaAlInP激光器,波长为0.65μm(红光),存储容量为4.7GB,即数字多功能光盘(DVD)系列;第三代光盘存储已经兴起,使用GaN半导体激光器,波长为0.41μm(蓝光),存储容量可达27GB,为高密度数字多功能光盘,即HD-DVD光盘(蓝碟)。20世纪80年代后期出现的磁光盘(MOD)技术和20世纪90年代初期出现的相变光盘(PCD)技术也得到了飞快发展,并且已经进入实用。

一、光盘存储的原理

光盘是一种圆盘状的信息存储器件,它利用受调制的细束激光加热介质表面,使不同位置处的反射率改变,以记录下存储的数据。当有激光束照明介质层时,依靠各信息点处反射率的不同提取出被存信息。在光盘上写入信息的装置称为光盘记录系统,能从光盘上读出数据的装置是光盘重放系统。前者如光盘文件记录器,后者包括视频光盘放像机和光盘文件检索系统等。图1给出了光盘写入读出的原理示意图。

图1 光盘写入读出原理示意图

光盘写入记录状态如图1(a)所示,载有音频、视频或文件信息的调制激光束被聚束透镜缩小成直径1μm左右的光点。细束激光的高能量密度加热记录介质表面,使局部位置发生永久性变形,或者使金属膜的结晶状态发生变化。这些都造成介质表面反射率的二值化改变。经过适当处理之后,在盘面上形成了轨迹为螺旋或同心圆状的一系列长短不同的微小凹坑或其他形式的永久性变形点。这些信息点的不同编码方式就代表了被存储的信息数据。

光盘读出状态如图1(b)所示,将照明激光束聚焦在光盘信息层上。当读出激光束落在光盘信息层的平坦区域时,大部分光束被反射回物镜;当光束落在凹坑边缘时,反射光因衍射作用而向两侧扩散,只有少量反射光能折回物镜;当光束落在凹坑底部时,由于坑深为λ/4,使反射光波相位恰巧与坑上的反射光相反,它们反相叠加的结果使坑内反射光最暗,从而提高了信号的对比度。用光电检测器接收反射回来的被信息点调制的光强,则输出信号的电流ΔI可表示为

ΔI=STEoR(x,y)      (1)

式中,Eo为入射于介质膜上的激光束光强;T为由介质膜到光电检测器的光传输效率;S为光电检测器的灵敏度;R(x,y)是膜面反射率,它是信息点位置的函数,随凹坑的有无呈二值化变化。

式(1)表明,光盘存储是以记录介质表面的反射率R为信息的载体,通过在薄膜介质上高密度的空间调制实现信息存储的。光电信息电流除用做数据信号经解调后变为再现信息之外,还用来实现为光盘正常工作所必需的循迹跟踪和调焦控制。

—种基本的光盘存储系统如图2所示。

图2 基本的光盘系统示意图

光盘是在衬底上淀积了记录介质及其保护膜的盘片,在记录介质表面沿螺旋形轨道,以信息斑的形式写入大量的信息(见图3),其记录轨道的密度达1000道/mm左右。

图3 光盘记录斑示意图

可见,信息斑越小,光盘的存储密度越大。由于物镜衍射极限影响焦点处光汇集的最小直径(约为λ/2NA为物镜的数值孔径),因此光盘的存储密度为(NA/λ)2。例如在采用氣离子激光器(λ=457.9nm)和物镜数值孔径为0.8的系统中,信息斑的最小直径为λ(2NA)=457.9/(2X0.8)≈0.29μm,则存储密度为(NA/λ)2≈3x1012m-2。对于普通尺寸(内径为70mm、外径为145mm)光盘而言,其有效存储面积约为5x10-2m2,则它的最大存储容量为3x1012x5.0x10-2=1.5x1010b。可见,采用更短波长的激光器和高数值孔径的物镜,可以提高光盘的存储密度,如现在发展的蓝光光盘就比红光光盘的存储密度高得多。

光盘存储除了具有密度高、抗电磁干扰、存储寿命长、非接触式读/写信息及信息位价格低廉等优点外,还具有信息载噪比CNB(载噪比是载波电平与噪声电平之比,以分贝dB表示)高的突出优点。其光盘载噪比均在50dB以上,且不受多次读/写的限制。因此,光盘多次读出的图像清晰度和音质是磁带和磁盘所无法比拟的。

二、光盘存储的类型

光盘按读写方式的不同,可分为只读式、写入式和可擦除式三种。

(1)只读式光盘(第一代光盘)存储技术。只读式存储(Read Only Memory,ROM)光盘的记录介质主要是光刻胶,记录方式是先将信息刻录在介质上制成母盘,然后进行模压复制大量子盘。这种光盘只能用来播放已经记录在盘片上的信息,用户不能自行写入。它只能用来再现由专业工厂事先复制的信息,不能由用户自行追加记录,所以也称为专用再现光盘,如激光数字唱盘CD、电视录像盘及在CD唱盘基础上开发的CD-ROM盘。

从信息存储的角度看,一张以光存储的CD-ROM完全可以看成是一种新型的纸。一张小小的塑料圆盘,其直径不过12cm(5英寸),质量不过20g,而存储容量却高达600MB。如果单纯存放文字,一张CD-ROM相当于15万张16开的纸,足以容纳数百部大部头的著作。但是,CD-ROM在记录信息原理上却与纸大相径庭,CD-ROM盘上信息的写入和读出都是通过激光来实现的。激光通过聚焦后,可获得直径约为1μm的光束。

最初的产品就是大家所熟知的激光视盘(Laser vision Disc,LD)。其直径较大(12英寸),两面都可以记录信息,但它记录的信号是模拟信号。1982年,由飞利浦和索尼公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书(Red Book)标准,由此诞生了CD-DA激光唱盘。它把模拟的音响信号进行PCM(脉冲编码调制)数字化处理,再经过EFM(8~14位调制)编码之后记录到盘上。数字记录代替模拟记录的好处是:对干扰和噪声不敏感:由于盘本身的缺陷、划伤或玷污而引起的错误也可以校正。CD-DA系统取得成功以后,很自然地想到利用CD-DA作为计算机大容量只读存储器。由此产生了CD-ROM的黄皮书(Yellow Book)标准,以及CD-ROM的文件系统标准,即ISO 9660。因此,CD-ROM在全世界范围内得到了迅速推广和越来越广泛的应用。东芝公司为MSX个人计算机配备了CD-ROM,它存储图像达9000帧,相当于数据容量13200MB;美国STC公司的7600型盘则达40000MB等。

CD-ROM光盘不仅可交叉存储大容量的文字、声音、图形和图像等多种媒体的数字化信息,而且便于快速检索,因此CD-ROM驱动器已成为多媒体计算机中的标准配置之一。MPC标准已经对CD-ROM的数据传输速率和所支持的数据格式进行了规定。MPC3标准要求CD-ROM驱动器的数据传输率为600kbps(4倍速),并支持CD-ROM、CD-ROM XA、Photo CD、Video CD和CD-I等光盘格式。目前,大量的文献资料、视听材料、教育节目、影视节目、游戏、图书、计算机软件等都通过CD-ROM来传播。

(2)一次写入式光盘(第二代光盘)存储技术。

①一次写入式光盘的基本概念。由于CD-ROM是只读式光盘,因此无法利用CD-ROM对数据进行备份和交换,更不可能制作自己的CD、VCD或CD-ROM节目。CD-R的出现适时地解决了上述问题,CD-R是CD Recordable的英文简称,中文简称刻录机。CD-R的另一英文名称是CD-WO(Write Once),就是只允许写一次,写完以后,记录在盘上的信息无法被改写,但可像CD-ROM一样,在CD-ROM驱动器和CD-R驱动器上被反复地读取多次,所以也称为一写多读式光盘。

CD-R盘与CD-ROM盘相比有许多共同之处,它们的主要差别在于CD-R盘上增加了一层有机染料作为记录层,反射层用金,而不是CD-ROM中的铝。当写入激光束聚焦到记录层上时,染料被加热后烧溶,形成一系列代表信息的凹坑。这些凹坑与CD-ROM盘上的凹坑类似,但CD-ROM盘上的凹坑是用金属压模压出的。CD-R驱动器中使用的光学读/写头与CD-ROM的光学读出头类似,只是其激光功率受写入信号的调制。CD-R驱动器刻录时,在要形成凹坑的地方,半导体激光器的输出功率变大:不形成凹坑的地方,输出功率变小。在读出时,与CD-ROM-样,要输出恒定的小功率。

为使CD-R在DOS或Windows环境下对CD-R驱动器直接进行读写,国际标准化组织下的OSTA(光学存储技术协会)制定了CD-UDF通用磁盘格式。Philips公司推出的第四代CDD2600刻录机首先采用了CD-UDF文件格式,并可在Windows环境下即插即用,使CD-R技术的发展步入了一个新的里程。一写多读式光盘允许用户直接写入信息,并可在写后直接读出(DRAM),但不能擦除。因此,它非常适用于存储需永久保存的图像或资料。目前,这种光盘多使用650nm的红色激光,其记录单元凹槽的最小直径为0.4mm,而使用短波长的蓝光,其最小直径减小到0.14mm=因此,蓝光DVD单面单层盘片的存储容量可达27GB,是红光4.7GB的近6倍。荷兰Philips公司在2002年7月已推出用蓝光DVD的袖珍产品,虽然其盘片直径只有3cm,其存储容量却达1GB,而驱动器非常小(5.6cmx3.4cmx0.75cm),因而可放入数码相机,掌上电脑及手机当中。

②一次写入式光盘的类型。根据用途,写入式光盘可分如下三类。

•图像存储光盘:该光盘记录介质为備碳合金,数据传输率为1Mbps。日本NEC公司的N7921光盘组的容量为48000MB,数据传输率为0.785Mbps。

•编码存储光盘:该光盘记录介质为価硒合金,有较高的数据传输率、较低的误码率。如美国STC公司1984年提供的产品其数据传输率为24Mbps,误码率为10-12,容量为40000MB。日立1986年提供的301子系统,一台计算机可连接4台驱动器,误码率为1012,容量为20800MB,平均存取时间为250ms。

•电视存储光盘:该光盘记录介质是備的氧化物,容量为11200MB,可存储彩色图像3万幅以上,有的产品可存储X光图像。

③一写多读式光盘存储的优点。

•存储密度高,容量大(5.25英寸光盘可存储几万幅彩色的数字图像);

•光盘的可靠性极高;

•录有图像的盘片可以从光驱中取出,并保存到安全的地方;

•光盘的价格比较合理;

•光盘的使用寿命无限,其最小平均无故障时间超过10年。

(3)可擦除式光盘(第三代光盘)存储技术。可擦除式光盘是第三代光盘存储技术,即可多次写入、读取信息,也称为可读写光盘(CD-ReWritable,CD-RW),它主要有磁光盘(Magneto-Optical Disk,MOD)和相变光盘(Phase Change Disk,PCD)两种。

①可擦除式磁光盘。可擦除式磁光盘采用磁光技术来记录数据,其容量为200~600MB,它是指利用激光与磁性共同作用的结果记录信息的光磁盘。

(a)可擦除式磁光盘的工作原理。磁光盘是在光盘技术基础上发展起来的利用光热效应的信息存储系统,其基本设备也和光盘装置相类似。与光盘间的主要区别在于采用了磁性记录介质,在细束激光的调制作用下,通过改变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,而是检测信息点处的磁化方向。

图4给出了磁光盘的写入、擦除和读出原理。

图4 磁光盘存储的写入、擦除和读出原理

在如图4(a)的写入状态下,应先将磁性薄膜相对膜面作取向朝下的垂直磁化。将此磁膜置于取向向上的写入磁场H中,并用细束调制激光使局部加热,于是该信息点处的磁化方向反转为取向向上,记录下被存储的信息。为了擦除掉已记录的信息,如图4(b)所示,可用取向向下的擦除磁场和激光束相互作用实现。常用的磁光盘读出方法有以下两种。

法拉第效应读出法:利用线偏振光照射磁膜上的信息点,由于磁光效应的影响,反射光的偏振方向随磁化方向而异。用检偏器将不同偏振方向转换为输出光强的变化,经光电探测器件即能读出已存储的信息。这种方法一般只用于聚碳酸酯、有机玻璃等透明物质。

克尔效应读出法:此方法可用于各种材料的盘基,用一束偏振光分别照射到磁化区,不同方向的磁化区使反射的偏振光方向分别产生左旋和右旋,如图4(c)所示;然后通过方解石晶体使光束偏转而改变方向;再用光电二极管检测读出。所检测的信号电流ΔI可表示为

ΔI=2STREosin2θ·φ(x,y)      (2)

式中,Eo为入射偏振光强;S为光电检测器灵敏度;T为光路传输效率;R为磁膜反射率;θ为检偏器对入射线偏振光的设定角;φ(x,y)为克尔旋转角,取决于信息点处的磁化方向,是磁光盘位置的函数。

可擦除式磁光盘录像机如图5所示。

图5 可擦除式磁光盘录像机示意图

由图5可见,它的操作方式与硬磁盘完全相同,但其容量比一般硬磁盘要大得多。改写这种光盘数据的方法也非常简单,利用激光束将光盘上的某个点加热到磁记录材料的居里温度,并施加特定方向的磁场,其磁记录单元的磁性就可以改变,这样就修改了数据。要读取数据时,需先用低功率的激光束照射光盘表面,再通过读取记录单元反射的光束来探知该单元的极性。一般,每个单元可以记录一个比特的信息:0或1。磁光盘记录的图像都有各自的编号,采用随机访问的方法,可很容易地读出所需的图像,而查找和读取图像只需要不到1s的时间。一般地,普通光盘的容量约为800MB,它可存储1万幅未压缩的彩色画面。1张5.25英寸光盘的存储量等同于31卷数据磁带。

(b)可擦除式磁光盘的优点。

•像磁盘一样可以重复使用;

•存储容量大;

•便于携带;

•可随机读出,且读取时间不到Is;

•使用寿命长和可靠性高:

•不怕灰尘、磨擦等破坏因素。

MOD虽然比硬盘和软盘便宜和耐用,但与CD-R盘片相比显得比较昂贵。目前,130mm(5.25英寸)磁光盘及90mm(3.5英寸)磁光盘已相继投入市场,其容量分别可达到640MB及128MB。由于它们与硬磁盘相比,具有可随意更换、非接触读写、信息信噪比高、每位信息价格比低等优点,其每片容量及存储密度也很大。因此,可擦写光盘从一问世即呈供不应求之势,世界各大公司都投入巨资大量生产。日本佳能公司的130mm磁光盘驱动器已被选为美国Next计算机的主存储器,而温盘驱动器仅作为任选附件。为实现1GB的主内存的计算机,其外存容量要求4.5~10GB的大容量。这为目前90mm光盘的40~100倍、130mm光盘的8~20倍。因此,制造更大容量的光盘,已为当务之急。

②可擦重写相变光盘。可擦重写相变光盘是用激光技术来记录和读出信息的,其容量为128MB~1GB„与磁光盘相比,由于相变光盘仅利用光学原理来读写数据,所以其光学头可以做得相对简单,它用一束激光,一次动作在完成写入新信息的同时自动擦除原有信息。因为它利用某些材料在激光作用下可实现晶态与非晶态间相互转化的特性,使记录介质在写入激光束的粒子作用下快速晶化,从而实现信息的存储。这种光致晶化的可逆过程非常快,因而可大大缩短了数据的存储时间。又由于相变光盘的读出方式与CD-ROM,WORM相同,所以多功能的光盘驱动器就变得容易实现。这种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的相变光盘,其相结构变化有:

•晶态Ⅰ与晶态Ⅱ之间的可逆相变,这种相变反衬度太小,没有使用价值;

•非晶态Ⅰ与非晶态Ⅱ之间的可逆相变,这种相变的反衬度也太小,也没有使用价值;

•发生玻璃态与晶态之间的可逆相变,这种相变有使用价值。

(a)相变光盘存储原理与过程。当近红外波段的激光作用在介质上时,能加剧介质结构中原子、分子的振动,从而加速相变的进行。近红外激光对介质的作用以热效应为主,其中写、读、擦激光与其相应的相变过程如图6所示。图6(a)所示为用来写入、读出及擦出信息的激光脉冲,图6(b)所示为出在这三种不同的脉冲作用下,在介质内部发生的相应的相变过程。

现将图中写/读擦激光脉冲与其相应的相变过程说明如下。

图6 写/读擦激光脉冲与其相应的相变过程

信息的记录(即信息的写入):即对应介质从静态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、脉宽为儿十至几百ns的激光脉冲,使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点Tm而进入液相,再经过液相快速完成,达到玻璃态的相转变。如介质的熔点Tm=60℃,激光的脉宽τ=100ns,则快淬过程的冷却速率≈6x109℃/S,从而很快就使介质的光照微区进入玻璃态。

信息的读出:用低功率密度、短脉冲的激光,扫描信息道,从反射率的大小辨别写入的信息。一般介质处在玻璃态(即写入态)时反射率小,处在晶态(即擦除态)时反射率大。在读出的过程中,介质的相结构保持不便。

信息的擦除:对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽脉冲的激光,使光斑微区因介质温度升至Tm处,再经过成核-生长完成晶化。在此过程中,光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心。因此,由于激光作用使成核速率大大增加,从而导致激光热晶化比单纯热晶化的速率要高。

总之,激光热致相变中通过成核-生长过程完成晶化:随着温度升高,非晶薄膜中有晶核形成,晶粒随温度升高而长大。激光作用使这一过程速度加快。

(b)激光光致相变。随着激光波长移向短波长,激光的光致相变结构变化效应逐渐明显,相变机制也与热相变的机制不同。研究表明,符合化学计量比的介质不仅可以用单纯加热的方式使之晶化,还可以不加热,通过激光束或电子束的粒子作用,在极端时间内完成晶化的全过程。这一过程中,介质在光激发作用下,通过无原子扩散的直接固态相变,实现从玻璃态到晶态的突发性转变,在晶化突然发生的瞬间,介质中光照微区的温度还来不及生高至晶化温度Tc之上,因而相变速度极快。

光致相变介质内部光吸收过程如图7所示。

图7 光致相变介质内部光吸收过程

由于入射激光束不与非晶网络直接作用,光子能量几乎直接用来激发电子,用N表示任意时刻受激载流子浓度。若激光束的光子能量是hv,介质的吸收功率密度是p,则自由载流子的产生率Re=p/hv。用Rr表示电子与空穴的复合率,Rc表示电子与网络作用时将能量传递给声子的概率。在高功率密度的激光作用下,Re>>Rr,Rc>>Re。可见,这时介质内部的光吸收由带间吸收为主变为以自由载流子浓度猛增,从而使得电子-电子(e-e)碰撞的概率(正比于N2)远远超过电子-网络碰撞的概率(正比于N),自由载流子吸收的光能远比它与网络作用损失的能量为高,形成温度很高的电子-空穴等离子体,但网络的温度变化不大。

激光脉冲结束后,等离子体中的过热电子在与声子相互作用(e-h碰撞)过程中将能量传递给网络,或与空穴复合而释放能量,最终使介质回到自由能最低的晶态。对于组分符合化学计量比的介质,在光晶化的过程中没有长程原子扩散,只有原胞范围内原子位置的重新调整。所以光晶化的机制是一种无扩散的跃迁复合机制,它利用弛豫过程和复合过程释放的能量,促成网络原胞内原子位置的调整,以及键角畸变的消失,从而完成晶化的全过程。

由此可见,光致晶化过程包括光致突发晶化和声子参与的弛豫过程,前者需时在10-12~10-9s量级,后者约几十ns。它与激光热致晶化过程的对比参见表1。

表1 激光热致晶化与光致晶化过程对比
项目 热致晶化 光致晶化
本质 扩散型成核-长大式晶化过程 非扩散型跃迁-符合式晶化过程
条件 符合或不符合化学计量比的组分;所用的亚稳相 符合化学计量比组分;直接固态相变,无须成核
起因 热致起伏 激光束激发或电子束激发
耦合性质 相分离,原子扩散;原子振动;分子振动 无相分离,无扩散;原子位置调整;键角畸变消失
自持效应 不重要 自持晶化,重要
穿透深度 整体效应 激光束:102x10-10~5x103x10-10m(100~5000Å);
电子束:1~2μm
晶化时间 较长的退火过程(0.5~1.0ms) 突发作用(1s~1s)+弛豫过程(10~200ns)
 

(c)可擦重写光盘存储机构。可擦重写光盘在记录信息时一般需要先将信道上原有信息擦除,然后写入新信息。这可以是一束激光的两次动作,也可以是两束激光的一次动作,即用擦除光束之后写入光束的协调动作来完成擦、写功能。

图8是可擦重写光盘存储机构与信息存储过程示意图。

图8 可擦重写光盘存储机构与信息存储过程

图8(a)中的虚线框内是一个双光束光学头,或称为光学读写头。图中1、2和3分别为写入激光光斑、擦除激光光斑和写入的信息道,激光聚焦在盘面上的写入光斑1’、擦除光斑2’和写入的信息3’都在图8(b)中放大示出。读写头的左侧以半导体激光器λ1为光源的光路是写读光路;右侧以λ2为光源的光路是擦除光路。

由于擦信号的脉宽较宽,必然影响光盘数据传输速率提高,并带来光盘驱动器设计与制作上的复杂性。为了能像磁盘那样具有在记录新信息的同时自动擦除旧信息,就必须寻找快速晶化即快速擦除的光存储材料,实现真正的直接重写光盘存储。

(d)相变光盘的优点。

•利用由介质材料的结晶相变化而引起的反射率变化进行记录和擦除,其信号电平比磁光材料高几个数量级,因而信噪比高;

•由于不需要磁场元件,因而所用光学头的结构简单、质量轻、易实现集成化,有利于提高伺服跟踪精度和数据传输速率:

•相变材料的稳定性好,成本较低;

•相变光盘驱动器可以兼容一次写入和可擦重写两种相变光盘。

由于上述优点,相变光盘被认为是未来最有潜力的。

多年来,人们研究了多种体系的相变型光存储记录介质,如金属合金材料具有化学稳定性好和相变速度快的优点,越来越多地引起了人们极大的兴趣。研究表明,Cu-Ag、Cu-Al、Al-Ag等合金材料中,除Cu-Ag薄膜外,其他几种合金薄膜材料都在一定范围内形成非晶态薄膜,它们在晶化过程中普遍有多级亚稳态出现。由于多种亚稳相共存,通过选择合适的激光功率和脉冲宽度,可以实现对晶化相的选择控制,以达到最佳的写/擦效果。目前,相变光盘材料还需研究解决高速擦除与高稳定性之间的矛盾,多次(大于10)重复擦写等。

为使可擦写相变光盘与CD-ROM和CD-R兼容,早在1995年4月,飞利浦公司就提出了与CD-ROM和CD-R兼容的相变型可擦写光盘驱动器CD-E(CD Erasable),CD-E得到了包括IBM、HP、Mitsubishi、Mitsumi、松下电器、Sony、3M及Olympus等公司的支持。1996年10月,Philips>Sony,HP、Mitsubishi和Ricoh五家公司共同宣布了这一新的可擦写CD标准,并将CD-E更名为CD-RW(CD-ReWritable)。CD-RW标准的制定标志着工业界可以开发并向市场提供这种新产品。CD-RW是一个已经得到众多公司和用户普遍支持的可擦写光盘标准。由于CD-RW仍沿用了CD的EFM调制方式和CIR检纠错方法,CD-RW盘与CD-ROM盘具有相同的物理格式和逻辑格式,因此CD-RW驱动器与CD-R驱动器的光学、机械及电子部分类似,一些零部件甚至可以互换,这就降低了CD-RW驱动器的成本,使它能迅速在可擦写光盘产品市场占有一定的份额。

PD是Phsae Change Rewritable Optical Disk的简写,它是松下公司采用相变光方式(Phsae Change)存储的可重复擦写存储设备,是一种比CD-RW性能更好、运行更稳定的光盘介质驱动器。PD驱动器的运行速度较低,可以兼容CD-ROM。使用专门PD光盘,可重复擦写大约50万次。PD的平均寻址时间为89ms,数据传输率为518~1141KBps,相当于8速光驱,写入并效验时的数据传输率为300~600KBps,相当于4速光驱。除了可以读写PD光盘外,也可以当做普通的8速CD-ROM使用。

三、光盘存储器

光盘存储器由光存储盘片及其驱动器组成。驱动器提供高质量的读出光束,引导精密光学头、读出信息,给出检测光盘聚焦误差信号并实现光束高精度伺服跟踪等功能。

(1)光盘存储器的光学系统。光盘存储器的光学系统,一般都采用半导体激光器作为光源,采用一束激光、一套光路进行信息的写/读(如只读存储器及一次写入存储器);或用两个独立的光源、配置两套光路:一套用来读/写,另一套用来擦除(如可擦重写存储器)。直接重写式相变光盘存储器,只需一束激光、一套光路完成全部读、写、擦除功能,可与一次写入存储器兼容。

光盘存储器的光学系统,大致可分为单光束光学系统和双光束光学系统两类。单光束光学系统适合于只读光盘和一次写入光盘,具备信息的写/读功能,而双光束光学系统用于可擦重写光盘。下面以图9所示的双光束光学系统为例做一简介。

图9 光盘存储器的双光束光学系统

图中,器件1~8、10~13构成写/读光路,器件14~19、5~8、20~21构成擦除光路,9是可擦重写的光盘。其中关键器件的作用如下:1为写/读激光器(0.83μm);5为二向色反射镜,它只反射特定波长的入射光;11为刀口,将从光盘反射回来的激光分割为两部分,分别进入探测器12和13,得到读出和聚焦、跟踪误差信息;18、19为一对正、负柱面透镜,改变光束为椭圆截面,以利擦除;17为偏振分束器;14为擦除激光器。

光盘存储技术具有低成本、可大量模压复制等优势,这是其他光存储技术难以替代的。但目前光盘的直接重写性能仍然不及磁盘,所以光盘存储技术是在提高其存储密度优势的同时,正在继续研究新的直接重写技术,以及如何提高数据存储、传输的速率等。随着短波波长激光技术和其他光学存储技术的成熟,以及新存储介质材料的发现,光盘存储技术还将有更大的发展。

只读式、一次写入式、可擦重写式光盘,这三种形式系统的结构十分相似,都使激光在旋转的光盘表面上聚焦,通过检测从盘面上来的反射光的强弱,以读出记录的信息。其中,只读式光盘上已记录的信息只能读出,用户不能修改或写入新的信息;一次写入式即DRAW(Direct Read After Write)光盘,是用会聚的激光束的热能,使盘面材料的形状发生永久性变化而进行记录的,因而是一种记录后不能在原址重新写入信息的不可逆记录系统,它既可用于存储图像,文件和档案资料,也可用于计算机的外存储器;可擦式光盘存储器是可以写入、擦除和重写的可逆型记录系统,它利用激光照射,引起介质的可逆性物理变化而进行记录。这三种光盘存储器的机电结构与主要技术基本相似。其主要区别在于存储介质和记录机理不同,因而写入和读出信息的方法也不尽相同。

(2)光盘存储系统的组成与工作原理。光盘存储系统的组成与工作原理如图10所示。

图10 光盘存储器组成框图

该系统的功能部件包括:

①激光源和与之相连形成读/写光点的光学系统,通过它可以将数据写入光盘或由其中读出。

②检测和校正读/写光点与数据道之间的定位误差的光电系统,通过光电检测器产生聚焦伺服与跟踪伺服信号,根据这些信号在与光盘垂直的方向上移动聚焦透镜,在光盘的半径方向上移动聚焦镜或使跟踪反射镜偏转,即可相应地实现聚焦控制和跟踪控制,把激光聚焦在光盘的记录层上,使光点中心与信道中心吻合。

③检测和读出数据的光电系统。通过数据光电检测器产生数据信号,在记录过程中还产生形成凹坑(或其他信息标志)的监测信号。

以上三部分组成小巧的光学读/写头,简称光头,即图中的点画线框内的部分。

④移动光头的机构。光头安置在平台或小车上,并与直线电机连接,以便在径向读/写数据,校正光盘的偏心。

⑤写/读数据通道中的编/译码,以及误差检验与校正(即ECC)电路。

⑥光盘,即数据存储媒体。

⑦光盘旋转机构。由直流电机转动光盘,通过旋转编码器产生伺服信号,控制光盘转速,以便进行写/读操作。

⑧光盘机的电子线路。包括所有运动机构的伺服电路和把数据传送到光盘,以及从光盘上输出数据的通道电路。

(3)光盘存储系统的数据通道。光盘存储系统的数据通道如图11所示。

图11 光盘存储器的数据通道

由图11可知,用户数据通过接口送进输入缓冲器,缓冲器可提供“弹性”存储能力,以适应变化着的输入数据速率。数据从输入缓冲器以称为子块的字符组形式进入记录格式器。每个子块要通过错误检测与校正编码器,加入奇偶校验位,以便随后读出时进行错误校正。记录格式器将子块组成地址块,在其上加入地址信息,以便读出时的数据检索。最后,记录格式器将地址块编组成若干字节的面向用户的数据块,在读出时可随机检索出最小数据单位。格式化数据从记录格式器送到光盘机的紀录电路,在该处将数据编成记录代码,并加上识别地址的信息,然后送往光学读/写头,把数据记录到光盘上。

读出电路检测并解调从光盘上来的反射光,将信号送至控制部件的读出格式器。它校正数据中的任何错误,除去记录时所加的用于识别信道的地址信息,并重新组织位序列,使之与输入到格式器的序列一致。最终的读出数据,即被送到输出缓冲器。缓冲器再按要求的数据速率,将数据传送给用户。