Optyczne metody zapisu informacji - Łukasz Jabłoński, Michał Partyka

Optyczne metody zapisu informacji

Łukasz Jabłoński, Michał Partyka

Instytut Fizyki Politechniki Łódzkiej, ul. Wólczańska 219, 90-924 Łódź

ABSTRAKT

Powszechnie uŜywanymi obecnie metodami optycznego zapisu informacji jest zapis na nośnikach CD, DVD itp.
Technologie te pozwalają na tworzenie tanich nośników o wysokiej trwałości i bezpieczeństwie przechowywa-
nia danych. Znajdują szerokie zastosowanie na rynku rozrywki jako nośniki dla gier, muzyki, filmów. SłuŜą
szerokiej grupie uŜytkowników do archiwizowania i tworzenia kopii zapasowych danych. Przetworniki CCD
oraz CMOS pozwoliły na stworzenie cyfrowych aparatów fotograficznych oraz cyfrowych kamer wideo. Znaj-
dują bardzo szerokie zastosowanie w wielu innych urządzeniach.

Słowa kluczowe: zapis informacji, optyka, nośniki danych, CD, DVD, Blu-ray, BD, HVD, MD, CCD, CMOS

WSTĘP

W dzisiejszym świecie szybki, bezawaryjny i niezawodny zapis informacji odgrywa bardzo waŜną rolę. Rosnące
rozmiary formatów plików muzycznych i filmowych powodują, iŜ niezbędne jest ciągłe poszukiwanie rozwiązań
pozwalających na ich zapis na nośnikach przenośnych. Potrzeby zwiększania prędkości aparatów niezawodności
dysków twardych wymuszają potrzeby szukania nowych technologii. Popularyzacja cyfrowych aparatów foto-
graficznych oraz kamer wideo wymusza stosowanie metod zapisu informacji realizowanych przez przetworniki
cyfrowe. Wszystkie te zadania z powodzeniem realizowane są z wykorzystaniem optycznych metod zapisu in-
formacji.

NOŚNIKI

OPTYCZNE

Rosnąca potrzeba przenoszenia danych doprowadziła do powstania nośnika trwałego, pojemnego i taniego, który
byłby przydatny i dostępny dla przeciętnego uŜytkownika komputera.

Takim rozwiązaniem mógłby okazać się dysk magnetyczny HDD (ang. Hard Disk Drive). Jednak napęd taki,
pomimo wciąŜ rosnącej pojemności i wzrastających prędkości transferu danych, nie oferuje dostatecznej mobil-
ności nawet w formie szuflady lub zewnętrznego dysku twardego z interfejsem USB czy FireWire. Ponadto
dyski HDD ze względu na umieszczenie głowic zapisu-odczytu tuŜ nad talerzami napędu są podatne na uszko-
dzenia mechaniczne w trakcie transportu. TakŜe względy ekonomiczne wykluczają mobilne stosowanie dysków
magnetycznych. Cena za jeden megabajt przestrzeni na przechowywanie danych (stosunek ceny do pojemności)
dla takich dysków jest zbyt wysoki.

NaleŜało zatem zwrócić się w stronę pamięci niemagnetycznych, które zapewniałyby trwałość i znaczną pojem-
ność, a jednocześnie mobilność i komfort obsługi.

Rozwiązaniem takiego problemu stał się nośnik optyczny. Nośnik taki stanowi swoistą ewolucję idei płyty winy-
lowej. Zamiast mechanicznej igły odczytującej dane zapisane w postaci rowków pojawiła się wiązka lasera.
Dzięki osiągnięciom w fizyce, informatyka zyskała nowy rodzaj taniego nośnika danych.

2.1. Płyty CD

Nośniki CD (ang. Compact Disc) moŜna podzielić na dwa rodzaje: tłoczone (dyski CD-ROM fabrycznie przygo-
towane, słuŜące tylko do odczytu) oraz zapisywalne jedno (CD-R) lub wielokrotnie (CD-RW) pozwalające na
zapis danych przez samego uŜytkownika. Wizualnie płyty takie moŜna rozróŜnić po kolorze spodniej warstwy,
która w przypadku płyt ROM jest srebrna. Do płyt tłoczonych moŜna zaliczyć płyty z muzyką (CD-DA,
ang. Compact Disk Digital Audio), filmami (VCD), grami. Pojemność krąŜków CD przeciętnie waha się w gra-
nicach 650-700MB.

KrąŜek CD-ROM ma budowę warstwową. Kolejne warstwy, pełniące róŜne zadania, tworzą spójną całość, dzię-
ki której moŜliwym stało się zapisywanie w sposób trwały, duŜych ilości informacji. Aby zrozumieć zasadę ich
przechowywania na płycie kompaktowej, naleŜy zapoznać się z jej dokładną strukturą oraz tym, w jaki sposób
dane są reprezentowane na jej powierzchni.

Poczynając od spodu płyta CD składa się kolejno z poliwęglanowego dysku, zapobiegającego uszkodzeniom
nośnika właściwego, tworzący niejako kręgosłup płyty, będący zarazem składnikiem systemu optycznego, napy-
lonej na dysku warstwa metalu (aluminium, złoto, srebro lub miedź), na której zapisywane są informacje, war-
stwy lakieru, która zapobiega procesowi utleniania metalu, warstwy nadruku producenta krąŜka (Rys. 1).

Rys. 1. Struktura płyty CD: 1. poliwęglanowy dysk; 2. napylona warstwa metalu; 3. warstwa lakieru; 4. nadruk

(rys. http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/)

Plastik tworzący płytę, stanowi jej zasadniczą mechaniczną część, namacalną dla uŜytkownika i decydującą
niemal całkowicie grubości nośnika. Grubość ta bowiem, wynosi 1,2mm, a jej tolerancja to +0,3mm oraz –
0,1mm. Nie jest on jednak tylko szkieletem płyty. Ma on równieŜ swoją rolę w skupianiu wiązki lasera na re-
fleksyjnej warstwie metalu. Stąd właśnie dość gruba warstwa czynna, w przeciwieństwie do cienkiej warstwy od
strony etykiety. Jako całość, płyta CD, to krąŜek o średnicy 120mm, z 15mm wyciętym po środku otworem
mocowania w czytniku.

Płyta CD jest krąŜkiem wykonanym z włókien poliwęglanowych, wbrew pozorom nie jest naraŜony na najwięk-
sze uszkodzenia od strony spodniej. To metaliczna warstwa wierzchnia, jest nośnikiem informacji. Podatna na
zarysowania, plastikowa część spodnia daje się zregenerować, bądź zetrzeć, co umoŜliwia odzyskanie informacji
z płyty. Gdy zaś fizycznemu uszkodzeniu ulegnie warstwa metalu, moŜliwości takich nie ma, a dane tracone są
bezpowrotnie.

Dane na takiej płycie, podobnie jak i w innych rodzajach płyt optycznych (a nawet analogowych płyt winylo-
wych) zapisywane i odczytywane są spiralnie od wewnętrznej jej części do zewnętrznej. Są one reprezentowane
poprzez ciągi wgłębień i wypukłości, czyli pitów i landów (Rys. 2), dających odpowiednio binarne zero i jedyn-
kę. Wgłębienia te mają mikroskopijne rozmiary.

Rys. 2. Pity i landy na płycie CD (fot. http://wikipedia.org/)

Produkcja płyt CD-ROM nie jest procesem łatwym. Jest on wieloetapowy, ale zarazem interesujący z fizycznego
punktu widzenia.

Najpierw musi powstać szklany wzorzec, określany jako glass master. Jest to szklane koło o średnicy 240

1mm,

bardzo dokładnie wypolerowane i gładzone, pokryte warstwą fotorezystywną. Dane, które mają znaleźć się na
płycie kompaktowej, są zgromadzone bądź to w technologii cyfrowej, bądź teŜ znajdują się na taśmie matce,
takiej samej, na jakiej znajdowały się lata temu materiały dźwiękowe stosowane przy produkcji płyt winylo-
wych. Materiał ten wypalany jest w warstwie. Na tak stworzony szklany wzorzec zostaje naparowany metal. Na
ogół jest to srebro bądź nikiel. Następnie sprawdza się dokładność tego procesu, poprzez odczyt danych
i liczenie sum kontrolnych. Kolejnym etapem jest elektroformatowanie. Jest to elektrochemiczny proces nakła-
dania kolejnej warstwy metalu na juŜ osadzoną warstwę np. srebra. Napylona warstwa metalowa, po osiągnięciu
odpowiedniej grubości, zostaje oddzielona od glass mastera tworząc tym samym jego lustrzane odbicie. Obiekt
ten nazywany jest ojcem. Następnym etapem produkcji płyty CD-ROM jest ponowienie procesu elektroforma-
towania na ojcu. W ten sposób powstają wzorce nazywane matkami. Obecny proces technologiczny pozwala na
wytworzenie od 3 do 6 takich elementów. Kolejne są bezuŜyteczne, gdyŜ kaŜda następna matka powstaje przy
zbyt obniŜonych parametrach ojca. Ostateczna matryca powstaje przez ponowne powtórzenie elektroformatowa-
nia, tym razem na matkach. Wzorzec uzyskany w ten sposób nosi nazwę syna. Z kaŜdej matki moŜna równieŜ
uzyskać od 3 do 6 synów. Jak nietrudno zatem policzyć przy pojedynczym cyklu glass master–syn, moŜemy
uzyskać odpowiednio: 1 glass master, 1 ojca, 6 matek, 36 synów. Dopiero teraz moŜe mieć miejsce proces wła-
ś

ciwego odciskania przez metalowy wzorzec w poliwęglanie gotowej płyty.

Kolejnym etapem umoŜliwiającym odbicie wiązki lasera przemiatającej dysk podczas jego odczytu, jest nanie-
sienie na uformowany juŜ poliwęglan cienkiej warstwy metali odbijającego światło. Optyka dopuszcza tu wyko-
rzystanie aluminium, miedzi, złota, lub srebra. Ich odblaskowy charakter jest dostateczny i akceptowalny dla
urządzeń odczytujących, jednak w procesie produkcyjnym na masową skalę – złoto okazuje się być zbyt drogie.
Miedź natomiast nadaje dość specyficzny wygląd krąŜka, dlatego przyjęło się stosować aluminium bądź srebro.
Na naniesiony metal – ponownie nanosi się cienką warstwę plastiku (od 1 do 30µm). Najczęściej jest to akryl
utwardzany światłem z zakresu ultrafioletu, bądź nitroceluloza.

W ostatnim etapie na wierzchniej stronie krąŜka dokonuje się nadruku, tekstu opisującego zawartość płyty, zdję-
cia lub grafiki przedstawiającą np. okładkę albumu muzycznego.

Płyty CD-R róŜnią się w swojej budowie od płyt CD-ROM. OtóŜ podstawową cechą płyt nadających się do
zapisywania w warunkach domowych, jest warstwa nośna. W przypadku płyt tłoczonych stanowi ją mechanicz-
nie formowana warstwa poliwęglanu i metalu. W przypadku płyt zapisywalnych jest to specjalna substancja
zawierająca róŜne barwniki (Rys. 3), która pod wpływem zadziałania nań laserem zmienia swoje właściwości
optyczne. Wystarczy, aby poszczególne obszary tak zmienionego organicznego polimeru pochłaniały lub rozpra-
szały światło, a inne je odbijały, aby moŜna było w ich przypadku mówić o ciągach pitów i landów. Oczywiście
w przypadku odbicia światła, rolę tę pełni warstwa odblaskowa znajdująca się pod organicznym polimerem,
który nie tyle sam odbija wiązkę lasera, ile na to pozwala lub nie.

Rys. 3. Wpływ barwników uŜytych przy produkcji warstwy nośnej na kolory spodniej warstwy płyt CD-R

(fot. http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/)

Laser zmiennej mocy, działając na warstwę nośnika, włączany jest, aby stworzyć na niej zero i wyłączany, aby
uzyskać jedynkę. Moc takiego lasera (zapisującego dane) jest większa niŜ moc lasera nie zmieniającego właści-
wości optycznych (odczytującego). Oprócz mocy lasera mamy w przypadku zapisu płyty CD-R kolejną róŜnicę
wynikającą z kryterium ciągłości jego pracy. Odczyt jest bowiem ciągły, natomiast zapis przebiega zgodnie
z zasadą naprzemiennego włączania i wyłączania wiązki.

Wspomniane wcześniej barwniki, powodują nie tylko róŜnice w wyglądzie. Stosowanie róŜnych kolorów, zmie-
nia nieznacznie właściwości optyczne płyty, a róŜne podłoŜa determinują róŜne strategie postępowania z płytą
przez zapisujący je laser nagrywarki np. nieco inna moc, róŜne czasy działania na podłoŜe. Informacje te, zawar-
te są w sekcji ATIP (ang. Absolute Time In Pergroove), czyli tego o co uzupełniany w fazie produkcji jest kaŜdy

nośnik (informacja o producencie, pojemności płyty, maksymalnej i minimalnej zalecanej szybkości wypalania,
rodzaju podłoŜa itp.).

W przypadku płyt CD-RW, warstwa nośna posiada jeszcze bardziej wyrafinowaną budowę. Nie wystarczy tylko
nanieść dane na płytę. Trzeba jeszcze rozwaŜyć proces usuwania ich z płyty.

Struktura takiej płyty, tak samo jak w przypadku płyty CD-R, zaleŜnie od zastosowanej mocy lasera zmienia
swoje właściwości optyczne. Warstwa czynna w przypadku nośników wielokrotnego zapisu składa się
z mieszaniny srebra, antymonu, telluru i irydu. Właściwości kaŜdego materiału zmieniać moŜna przy pomocy
temperatury. Zatem przy podgrzaniu tej mieszaniny do temperatury topnienia (~600

C) przechodzi ona w stan

ciekły. Gdy mieszanina stygnie w temperaturze (~200

C) przechodzi fazę krystalizacji powracając do stanu

stałego. Ale okazuje się jednak, Ŝe podczas gwałtownego stygnięcia, mieszanina przechodzi w stan amorficzny.
Drugą sytuacją obok szybkiego stygnięcia, jest właśnie utrzymanie mieszaniny przez określony czas
w temperaturze krystalizacji, co pozwala na uzyskanie stanu krystalicznego.

Mamy zatem moŜliwość uzyskania dwóch postaci tej samej warstwy nośnej, które mogą dać pity i landy. Po-
przez umiejętne sterowanie temperaturą, moŜna uzyskać amorficzny obszar nośnika rozpraszający światło, oraz
krystaliczny, który będzie pozwalał na odbicie światła od warstwy odblaskowej.

Warstwa poliwęglanowa w przypadku płyty CD w procesie odczytu danych działa jak soczewka, skupiając pa-
dający na powierzchnię płyty promień lasera na powierzchni odblaskowej (Rys. 4).

Rys. 4. Ogniskowanie lasera przez warstwę poliwenglanu (fot. http://www.cdrinfo.pl/)

NaleŜy przyjąć, Ŝe współczynnik załamania światła w powietrzu w przybliŜeniu wynosi 1,0. Natomiast w poli-
węglanie wartość ta wzrasta do 1,55. Załamujące się na włóknach poliwęglanowych światło lasera, mające po-
czątkowo średnicę wiązki 800µ m po takim zogniskowaniu osiąga rozmiar plamki ogniskowej rzędu 1,7µm,
będąc skupione dokładnie na powierzchni odblaskowej.

W ten sposób pozbyto się równieŜ problemu drobin kurzu, włosów, czy drobnych rys, znajdujących się na po-
wierzchni płyty, gdyŜ są one znacznie mniejsze od średnicy wiązki i przez to niezauwaŜalne.

Zgodnie ze znaną wszystkim zasadą optyczną, dotyczącą rozmiaru moŜliwego do zaobserwowania przedmiotu
w stosunku do długości światła go oświetlającego, moŜna stwierdzić, Ŝe rozmiary pitów, są nie mniejsze, niŜ
połowa długości fali świetlnej słuŜącej do ich detekcji.

Zjawiska fizyczne, dzięki którym moŜliwe jest nagrywanie i odtwarzanie danych zarówno na płytach są głównie
podstawowymi zjawiskami z pogranicza optyki geometrycznej i falowej. Zjawisk tych zatem nie będziemy opi-
sywać w niniejszym artykule.

Typowy laser stosowany w odtwarzaczach CD, to dioda AlGaAs, emitująca światło z zakresu granicy światła
widzialnego, o długości 780nm. W poliwęglanie o współczynniku załamania 1,55 długość ta zmniejsza się do
ok. 500nm. KaŜde wgłębienie oraz wypukłość na powierzchni nośnika mają swoje ściśle określone rozmiary. Jak
się okazuje jest to dokładnie czwarta część długości fali światła (w poliwęglanie) oświetlającego je. Światło
odbite od powierzchni nośnika (landu) będzie opóźnione w stosunku do padającego o 1/4 + 1/4 = 1/2, a zatem
o pół długości fali. Oznacza to dokładnie przeciwfazę w stosunku do światła odbitego od wypukłości (pitu).
Teraz moŜna juŜ wykorzystać wiedzę o interferencji fali świetlnej, aby powiedzieć, Ŝe tak nałoŜone na siebie
fale, ulegną wygaszeniu i światło nie ulegnie odbiciu od powierzchni.

Na schemacie (Rys. 5) przedstawiono róŜnice, jakie następują po odbiciu się fali świetlnej od pitów i landów
znajdujących się na nośnikach optycznych. Ukazuje to mechanizm detekcji wypukłości i wklęsłości na płytach,
oraz zero-jedynkowy charakter sygnału na nich zapisywanego.

Rys. 5. Fala świetlna przed i po odbiciu od wypukłości (po lewej) i wklęsłości (po prawej) (rys. http://www.cdrinfo.pl/)

Standaryzacji podlegają obok wymiarów pitów i landów, równieŜ odległości między poszczególnymi ich ścieŜ-
kami. Światło dając w skutek interferencji taki a nie inny obraz, tworzy maksimum główne natęŜenia na kierun-
ku padającej na powierzchnię płyty wiązki. Szerokość połowy jego pełnej mocy jest punktem o średnicy 1,7µ m
i leŜy dokładnie na górnej powierzchni wypukłości, podąŜając wraz z obrotem płyty, dokładnie środkiem takiej
ś

cieŜki. Jak widać z poniŜszego rysunku, poboczne minima interferencyjne leŜące po obu stronach maksimum,

znajdują się na osiach ścieŜek wypukłości sąsiadujących z odczytywaną. Minimalizuje to moŜliwość powstawa-
nia zakłóceń odczytu pochodzących właśnie z nich.

Odczytu danych z płyty CD przedstawia schemat (Rys. 6). Początkowa wiązka światła emitowana przez laser,
trafia na siatkę dyfrakcyjną. Powstają w ten sposób trzy promienie, które są spolaryzowane i przechodzą przez
kolimator. Następnie ich polaryzacja zmieniana jest na kołową, a same promienie przesłane do obiektywu ogni-
skującego je na płycie CD. Odbite od płyty światło, jest ponownie polaryzowane prostopadle do kierunku, który
miał miejsce na początku całego procesu. Pozwala to na skierowanie tych promieni inną drogą do układu
optycznego złoŜonego z soczewki wklęsłej oraz cylindrycznej, który to układ umoŜliwia utworzenie obrazu na
matrycy fotodetektora odczytującej sygnał.

Rys. 6. Droga optyczna promienia lasera w odtwarzaczu CD (rys. http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/)

Nie ulega wątpliwości, Ŝe podobnie jak w przypadku igły w gramofonie, tak i w przypadku wiązki lasera, musi
ona śledzić ścieŜkę wgłębień i wypukłości, zawierającą dane, w sposób na tyle precyzyjny, aby moŜliwy był ich
odczyt. Płyty winylowe posiadały jednak tę cechę, Ŝe igła je odczytująca, prowadzona była w sposób mecha-
niczny, przy pomocy rowka w powierzchni nośnika z muzyką. W przypadku prowadzenia wiązki lasera dokład-
nie po ścieŜce, paradoksalnie największe znaczenie mają dwie wiązki poboczne. Poruszają się one po landach
znajdujących się po obu stronach czytanej ścieŜki, a kierowane następnie na sensory diodowe, obrazują połoŜe-
nie znajdującej się między nimi wiązki odczytującej naprzemiennie zera i jedynki. Mechanizm korygujący poło-
Ŝ

enie głowicy lasera odczytującego, reaguje na zmiany natęŜenia światła obu promieni kontrolnych („zahacze-

nie” promienia kontrolnego o wypukłość skutkuje bowiem jego wygaszaniem w skutek interferencji).

W przypadku zapisu i odczytu danych mamy do czynienia ze zróŜnicowaniem ze względu na moc stosowanego
lasera, która dla zapisu jest większa niŜ ma to miejsce w przypadku odczytu danych, oraz jest dodatkowo odpo-
wiednio modulowana w celu uzyskania obrazu binarnych jedynek i zer.

2.2. Płyty DVD

Nośnik DVD (ang. Digital Video Disc lub Digital Versatile Disc) jest krokiem naprzód w zakresie archiwizacji
danych na nośnikach optycznych. W Ŝaden znaczny sposób nie odbiega zasadą działania od zwykłej, znanej juŜ
od ponad dwudziestu lat, płyty CD. Modyfikacje płyty DVD w zakresie zastosowanej technologii pozwoliły
niejako rozwinąć i udoskonalić proces zapisu informacji, umoŜliwiając tym samym przechowywanie na krąŜku
tych samych rozmiarów co płyta CD, niemal siedmiokrotnie większej ilości danych.

Płyty DVD występują w kilku standardach wykorzystywanych zaleŜnie od zastosowań. Tak jak w przypadku
płyt CD istnieją tłoczone płyty DVD-ROM będące tak samo jak w przypadku CD-ROM płytami tylko do odczy-
tu. Odpowiadające płytom CD-DA są płyty DVD-Audio, zaś płytom VCD – DVD-Video. Oczywiście róŜnice w
pojemności pomiędzy CD, a DVD pozwalają na wymienionych płytach DVD zapisywać muzykę oraz filmy o
wiele lepszej jakości. Zapisywalne płyty DVD to płyty DVD-R (jednokrotny zapis) oraz płyty DVD-RW i DVD-
RAM (wielokrotny zapis).

Płyty DVD, jak łatwo zatem się domyślić, powstały po to aby, odpowiedzieć na zapotrzebowanie szeroko rozu-
mianego rynku multimediów i rozrywki na nośniki większej pojemności, która waha się od 4,7GB w przypadku
jednowarstwowej, jednostronnej płyty do 17GB dla płyt dwustronnych, dwuwarstwowych.

WdroŜony razem z samym nośnikiem, standard DVD-Video, zakładający rozdzielczość materiału filmowego na
poziomie 720x576 lub 720x480 punktów, z zastosowaniem algorytmu MPEG-2 (o typowym współczynniku
kompresji rzędu 1:40) pozwala zatem na umieszczenie na podstawowym krąŜku: 133 minut filmu znakomitej
jakości. Dodatkowo moŜna na takiej płycie umieścić 8 ścieŜek językowych z dialogami oraz 32 języki napisów.
NaleŜy jeszcze dołoŜyć do tego dźwięk przestrzenny kodowany w systemie Dolby Digital 5.1

aby zobaczyć

duŜą róŜnicę w moŜliwościach obu nośników: DVD i CD.

DVD tłoczone wytwarzane są podobnie jak płyty CD, z tą jednak róŜnicą, Ŝe rozmiary pitów i landów, są w nich
znacznie mniejsze (Rys. 7). Powoduje to zwiększenie upakowania danych. Wzrasta bowiem gęstość zapisu in-
formacji, a nie sama powierzchnia dla nich dostępna. Tak ma się sprawa w przypadku płyt jednowarstwowych.
Dla płyt wielowarstwowych zwiększono równieŜ powierzchnię dostępną dla danych.

Rys. 7. Zestawienie pitów i landów dla płyty CD (po lewej) i DVD (po prawej) (fot. http://www.cdrinfo.pl/)

Tłoczone płyty DVD moŜemy podzielić na cztery podstawowe ich typy. Są to kolejno: DVD5, DVD8, DVD10
oraz DVD18. RóŜnice w ich budowie, w sposób oczywisty wpływają na ich pojemności. Płyta DVD5, to jedno-
stronny, jednowarstwowy dysk o pojemności 4,7GB. DVD8, to równieŜ dysk jednostronny (odczyt danych na-
stępuje jedynie od strony spodniej nośnika). Posiada on jednak dwie warstwy. Pojemność takiej płyty wynosi
8,5GB. Jak łatwo zauwaŜyć jest ona mniejsza niŜ suma pojemności dwóch płyt jednowarstwowych, co wynika
z faktu, iŜ wgłębienie obu warstw w tym przypadku są o około 10% dłuŜsze niŜ dla płyt DVD5 czy DVD10, co
ułatwia napędom odczyt drugiej warstwy z danymi.

Wprowadzono równieŜ pewną modyfikację w odczycie drugiej z warstw. Proces ten nie odbywa się bowiem
w jej przypadku, od wewnętrznej części płyty do zewnątrz (jak ma to miejsce dla warstwy pierwszej), lecz od-
wrotnie. Przyczyniło się to do znacznej redukcji czasu przełączania między warstwami. Głowica odczytująca
dane, kończąc czytać informacje znajdujące się na pierwszej z warstw (umieszczona wówczas najbardziej ze-
wnętrznie w stosunku do osi krąŜka), zaczyna odczytywać je z drugiej warstwy nie zmieniając swojego połoŜe-
nia. Ma to zastosowanie głównie w przypadku płyt DVD-Video z filmami, gdyŜ dane komputerowe mogą być
podczas uŜytkowania płyty wybierane dowolnie, co i tak zmusi napęd do przemieszczania głowicy. W przypad-
ku filmu, łatwo jednak przewidzieć kolejność odczytywanych sekwencji.

DVD10 to krąŜek dwustronny, jednowarstwowy. Sensem takiego rozwiązania, mniej wygodnego od płyty dwu-
warstwowej, jest większa pojemność ,która łącznie dla jednej i drugiej (jednowarstwowej) strony wynosi 9,4GB.
Budowa takiej płyty polega na sklejeniu ze sobą dwóch warstw o grubościach 0.6mm kaŜda. Aby jednak odtwo-
rzyć całą zawartość tak zbudowanego nośnika, naleŜy go wyjąć z napędu i obrócić, podobnie jak robiło się to
z dwustronnymi płytami winylowymi.

Ostatnim typem płyt DVD, jest DVD18. Ta dwustronna i dwuwarstwowa płyta ma pojemność 17,1GB (suma
pojemności dwóch płyt jednostronnych, dwuwarstwowych). Jest to jednak bardzo rzadko spotykany nośnik,
gdyŜ koszty jego produkcji są wysokie. Wymagane są bowiem cztery matryce, z których dwie tłoczą same płyty,
a dwie następne są uŜywane do tworzenia wgłębień w fotopolimerze.

Sposób odczytu i zapisu danych z płyt DVD zasadniczo nie róŜni się od zaprezentowanego powyŜej schematu
dla czytników CD. Oczywistym faktem jest konieczności uŜycia innej długości fali świetlnej dla odczytu danych
z płyty DVD. Ma to związek z tym, Ŝe powierzchnia samego nośnika nie uległa zmianie. W przypadku płyty
DVD zmniejszyły się rozmiary wgłębień i wypukłości. Aby móc je zatem odczytać czy zapisać, jak wynika
z praw optyki, naleŜy uŜyć odpowiedniej długości fali światła. Typowe dla DVD jest światło o długości 635nm
dla płyty jednowarstwowej oraz 650nm dla dwuwarstwowej.

2.3. Płyty Blu-Ray

Nośniki BD (ang. Blu-ray Disc) powstały jako konkurencja dla HD DVD. Ten format zapisu optycznego, został
opracowany przez Blu-ray Disc Association. Ten nowy typ nośnika pozwala na zapisanie 25GB danych na pły-
tach jednowarstwowych. W uŜytku są równieŜ płyty dwuwarstwowe o pojemności 50GB, czterowarstwowe
mieszczące do 100GB oraz ośmiowarstwowe, na których moŜna zapisać 200GB informacji. Firma Pionieer

opatentował płytę szesnastowarstwową, która mieści do 400GB danych. Do zapisywania na tym nośniku jest
uŜywany niebieski laser emitujący falę świetlną o długości tylko 405nm. Mniejsza długość fali pozwala na
zmniejszenie rozmiaru pitów, a co za tym idzie daje to moŜliwość gęstszego zapisywania danych na jednostce
powierzchni nośnika.

Dysk Blu-ray ma dwie warstwy: pierwsza o grubości 1,1mm, druga, zapisywalna, o grubości 0,1mm. Minimalna
długość wgłębienia wynosi 0,15µm. Przerwa między ścieŜkami to 0,32µm, a średnica plamki lasera wynosi
0,48µm.

Tak samo jak w przypadku innych nośników optycznych, takŜe i Blu-ray dzieli się na tłoczone BD-ROM nieza-
pisywalny, BD-R z moŜliwością jednokrotnego zapisu oraz BD-RE wielokrotnego zapisu. BD-ROM wymagają
specjalnej, mocnej warstwy ochronnej dla ścieŜki zapisu, która leŜy na głębokości zaledwie 0,1mm.

Na krąŜkach Blu-ray obraz filmów moŜna zapisywać w trzech formatach kompresji. Tradycyjny, wspomniany
wcześniej i wykorzystywany na płytach DVD format MPEG-2 oferujący niski stopień kompresji, ale zapewnia-
jący bardzo dobrą jakość obrazu. MPEG-4 AVC gwarantuje porównywalną jakość obrazu przy dwukrotnie wyŜ-
szej kompresji. Microsoft promuje format VC-1, znany wcześniej jako Windows Media 9. Dźwięk moŜe zostać
zakodowany z uŜyciem jednego z obowiązkowych kodeków DTS, Dolby Digital i LPCM. Do kodeków opcjo-
nalnych naleŜą: Dolby Digital Plus, DTS-HD High Resolution Audio, Dolby TrueHD i DTS-HD Master Audio.

2.4. Płyty HVD

Nośnik HVD (ang. Holographic Versatile Disc) to nośniki optyczne nowej generacji, mogące teoretycznie po-
mieścić nawet do 10TB danych na płycie jednowarstwowej. Nośniki te pozwalają na zapis danych w przestrzeni
trójwymiarowej dysku wielkości 13cm. W napędach stosuje się dwa rodzaje laserów: zielony oraz czerwony.

Płyta HVD jak wszystkie inne wyŜej opisane nośniki optyczne posiada strukturę warstwową. Jej budowa została
zaprezentowana na schemacie (Rys. 8).

Rys. 8. Struktura płyty HVD: 1. Zielony laser zapisu/odczytu (532nm); 2. Czerwony laser pozycjonujący/adresujący

(650nm); 3. Hologram niosący informację; 4. Warstwa poliwęglanowa; 5. Warstwa fotopolimerowa (z danymi); 6. Warstwy

dystansujące; 7. Warstwa dichroiczna; 8. Aluminiowa warstwa odbijająca; 9. PodłoŜe przezroczyste; P. PIT

(rys. http://wikipedia.org/)

Informację na dysku HVD moŜna zapisać na kilka sposobów. W jednej z metod w miejscu fotografowanego
przedmiotu mamy umieszczony jest ciekłokrystaliczny, przestrzenny modulator światła SLM (ang. Spatial Light
Modulator), który zamienia dane z komputera na dwuwymiarową matrycę ciemnych i jasnych punktów (Rys. 9).
Wiązka światła laserowego napotyka półprzepuszczające lustro i dzieli się na dwie wiązki: przedmiotową (sy-
gnałową) i referencyjną (odniesienia). Zapamiętany w SLM obraz strony danych nakładany jest na wiązkę
przedmiotową. Matryca SLM ma zazwyczaj wymiar 1024x1024 punkty, przy czym ciemny punkt to logiczna
jedynka, a jasny to logiczne zero. Na powierzchni dysku obie wiązki interferują ze sobą, tworząc hologram.
Fizycznie zapis następuje identycznie jak na dysku CD lub DVD. JednakŜe jest podstawowa róŜnica: jednostką
informacji nie jest pojedynczy bit, a cała macierz 1024x1024 punkty, czyli 1Mb danych.

Rys. 9. Metoda zapisu danych na dysku HVD

(rys. http://pclab.pl/)

Rys. 10. Metoda odczytu danych z dysku HVD

(rys. http://pclab.pl/)

Aby odczytać dane z dysku HVD, naleŜy uŜyć nie jednego detektora, ale matrycy detektorów o wymiarach
1024x1024 punkty (Rys. 10). Zazwyczaj jest to światłoczuły element CCD (ang. Charge Coupled Device).

Zielone lub niebieskie światło lasera stosowane jest do zapisu i odczytu, czerwone zaś słuŜy do pozycjonowania
głowicy napędu, nie zakłóca przy tym odczytu i zapisu danych. Przedstawiony powyŜej dysk HVD wraz z napę-
dem został zaprezentowany przez firmę Optware

we wrześniu 2005 r. Pojemność dysku wynosi 1TB, przy

szybkości zapisu i odczytu 1GB/s oraz średniej gęstości zapisu 100 razy większej niŜ na dysku DVD.

2.5. Ograniczenia nap

dów optycznych

W przypadku optycznych nośników danych waŜnym parametrem jest nie tylko pojemność nośnika, ale takŜe
prędkość zapisu i odczytu.

Aby zwiększyć tempo transferu danych na nośnikach optycznych naleŜy zwiększyć prędkość obrotową nośnika
wewnątrz czytnika. Powstające w ten sposób siły powodują ogromne przeciąŜenia wewnątrz napędu. Niewielkie

niedokładności w wywaŜeniu nośnika powodują wówczas, iŜ róŜnica siły odśrodkowej na przeciwległych krań-
cach nośnika rośnie i moŜe powodować zwiększanie poziomu hałasu napędu, powodować drŜenie urządzenia,
a nawet doprowadzić do rozerwania płyty wewnątrz napędu powodując uszkodzenie nośnika i samego napędu.
Maksymalna prędkość odczytu wynosi x52 i zwiększanie jej poprzez zwiększanie prędkości obrotowej nośnika
nie jest dobrą drogą.

W takiej sytuacji moŜliwym rozwiązaniem jest zastosowanie technologii, która polega na jednoczesnym czyta-
niu przez napęd wielu ścieŜek na płycie, osiągając prędkość x72 (prędkość x1 dla napędów CD to 150KB/s).
Pozwala to jednak na osiągnięcie tak duŜej prędkości odczytu jedynie gdy dane faktycznie czytane są symulta-
tywnie. Jednak większość przypadków odczytu informacji z nośników optycznych taka nie jest. Promień lasera
w takim napędzie rozszczepiany jest na siedem części, z których kaŜda moŜe dokonywać odczytu ścieŜek. Tech-
nologia wielu promieni (TrueX

™

), opracowana przez firmę Kenwood

faktyczne zastosowanie znajduje podczas

wyszukiwania rozproszonych po płycie małych plików. Jednak gdy czytany jest jeden duŜy plik, technika ta
okazuje się być bezuŜyteczną i zbyt drogą. Obok tempa sekwencyjnego odczytu leŜących po sobie plików, Ken-
wood

osiągnął równieŜ znacznie mniejsze wartości dość istotnego dla napędów optycznych parametru, jakim

jest czas dostępu (ang. Access Time). Dla zwykłych napędów CD-ROM, wynosił on w momencie ukazania się
omawianego napędu ok. 120ms. Czytnikowi z zaimplementowaną technologią True-X

™

, jako jednemu z pierw-

szych udało się tę barierę przekroczyć, skracając tempo wyszukiwania danych na powierzchni dysku optycznego
do czasów krótszych niŜ 100ms. Ponadto napędy x72 obracają płytami CD z prędkościami rzędu 4000obr/min,
podczas gdy standardowe napędy x40, aby uzyskać taką prędkość, musiały wirować płytą ok. 8000obr/min.
Uzyskano w ten sposób zmniejszenie przeciąŜeń wewnątrz napędu, mniejszy poziom hałasu wynikający z po-
wyŜszego, oraz mniej szumu i świstu powietrza mającego miejsce podczas szybkiej rotacji krąŜka.

Wśród producentów napędów nagrywających i odczytujących płyty DVD, panuje zgoda, co do faktu, Ŝe pręd-
kość x16 to górny pułap (prędkość x1 dla napędów DVD to 1350KB/s). Dysk w czytniku obraca się wówczas
10000 razy na minutę, co jest granicą fizycznych moŜliwości nagrywarek. Oczywiście moŜliwe jest zastosowa-
nie skomplikowanych systemów mechanicznych w celu stabilizacji płyty, a tym samym redukcji powstających
wibracji, jednak ich koszt byłby zupełnie nieuzasadniony.

DYSKI

MAGNETOOPTYCZNE

Dysk magnetooptyczny czy teŜ MD (ang. Mini Disc) to nośnik danych umieszczony w obudowie przypominają-
cej dyskietkę komputerową 3,5” (Rys. 11) lub 5,25” (Rys. 12). Taka kasetka zapewnia wygodę obsługi i odpo-
wiednią ochronę nośnika.

Rys. 11. Nośnik Mini Disc 3,5” (rys. http://wikipediaorg/)

Rys. 12. Nośnik Mini Disc 5,25” (rys. http://wikipediaorg/)

Dyski magnetooptyczne 3,5” cala mają pojemności od 128MB do 2,3GB, dyski magnetooptyczne 5,25” cala
maja pojemność od 650MB do 9,1GB.

Istnieją trzy typy dysków: nagrane fabrycznie (niezapisywalne) i dwa rodzaje, które umoŜliwiają zapis muzyki
przez uŜytkownika. Pierwszy rodzaj dysku jest podobny do dysków CD. Ma aluminiową warstwę odbijającą
i informacje zapisaną w postaci pitów (Rys. 13).

Rys. 13. Pity na dysku magnetooptycznym

(fot. http://www.minidisc.org/)

Rys. 14. Nagrywalna ścieŜka na dysku magnetooptycznym

(fot. http://www.minidisc.org/)

Nagrywalny dysk MD jest wyposaŜony w zapisywalną warstwę magnetyczną (Rys. 14). Trzeci typ, tzw. hybry-
dowy ma zarówno obszar informacji nagranej w formie pitów, jak i zapisywalną warstwę magnetyczną. Ponie-
waŜ zapis i odczyt odbywa się na drodze optyczno-magnetycznej, rekorder/odtwarzacz takich dysków posiada
dwufunkcyjny system optyczno-magnetyczny.

Materiał zapisywalnej warstwy to stop Ŝelaza, kobaltu i terbu. Do zapisu na nagrywalnym dysku MD stosuje się
modulację pola magnetycznego. W systemie tym po jednej stronie dysku znajduje się zapisująca głowica magne-
tyczna, a po drugiej głowica laserowa. Wiązka optyczna lasera o mocy ok. 4,5mW podgrzewa warstwę nośnika
w miejscu ogniskowania do temperatury Curie (jest to temperatura, w której materiał moŜe być magnetyzowany
dość słabym polem magnetycznym - w przypadku dysków MD jest to 180

C). Umieszczona z drugiej strony

głowica magnetyczna jednocześnie magnesuje cząstki według podanego sygnału, zgodnie z kierunkiem nama-
gnesowania N lub S. Kiedy laser minie zapisywany obszar, po jego ostygnięciu warstwa zachowuje nadane jej
właściwości. Procesy kasowania (rozmagnesowania) i zapisu zachodzą jednocześnie.

Do odtwarzania uŜywa się wiązkę lasera o małej mocy, która nie podgrzewa nośnika. Po odbiciu od warstwy
magnetycznej wiązka światła ulega skręceniu lub zmianie polaryzacji (efekt Faraday’a) w zaleŜności od orienta-
cji pola magnetycznego cząstek – N lub S. Głowica optyczna wykrywa polaryzację fali odbitej i przekształca ją
w cyfrowy strumień danych. Te dane są przekazywane do następnych bloków odtwarzacza.

Technologia zapisu magnetooptycznego to najbezpieczniejszy sposób przechowywania danych. Największą jego
zaleta jest odporność na działanie sił pola elektromagnetycznego a gwarancja dostępu do danych określana jest
na kilkadziesiąt lat.

PRZETWORNIKI

OPTYCZNE

Zapis plików na róŜnego rodzaju nośnikach to nie wszystkie informacje, jakie moŜemy zapisywać optycznie.
Digitalizacja naszego Ŝycia jaka ma miejsce na wszystkich polach doprowadziła do postania cyfrowych kamer
wideo oraz cyfrowych aparatów fotograficznych, których działanie bez zastosowania cyfrowych przetworników
optycznych.

4.1. Matryce CCD

Matryca CCD (ang. Charge Coupled Device) jest układem wielu elementów światłoczułych, z których kaŜdy
rejestruje, a następnie pozwala odczytać sygnał elektryczny proporcjonalny do ilości padającego na niego świa-
tła. Detektory CCD są czułe na cały zakres światła widzialnego oraz na podczerwień. Jest ona emitowana m.in.
przez kaŜdy obiekt, który ma temperaturę pokojową. Ma to wykorzystanie w noktowizorach i tam gdzie mamy
bardzo słabe oświetlenie. Podczerwień ta jest jednak bardzo niepoŜądana w aparatach cyfrowych, gdyŜ znacznie
zafałszowuje ona odwzorowanie kolorów. Wycina się więc pewien zakres fal za pomocą odpowiednich filtrów.

Konstrukcja matrycy została przeprowadzona głównie na uŜytek naukowy, zaś jej pierwsze zastosowania obej-
mowały astronomię, gdzie do dziś pozostaje podstawowym narzędziem badawczym, wypierając w zasadzie
klisze fotograficzne. Obecnie masowo wykorzystuje się matryce CCD o coraz wyŜszej rozdzielczości w apara-
tach cyfrowych, gdzie otrzymane dane po przetworzeniu przez jednostkę centralną aparatu mogą zostać zapisane
w postaci plików graficznych (Rys. 15).

Rys. 15. Układ aparatu cyfrowego z widoczną matrycą CCD

(fot. http://wikipedia.org/)

Rys. 16. Matryca CCD teleskopu Sloan Digital

Sky Survey (fot. http://www.sdss.org/)

Obecnie stosowane są powszechnie w aparatach fotograficznych matryce o rozdzielczościach od 6 do 15 mega-
pikseli (Mpx). Największe matryce stosowane w obserwatoriach astronomicznych mają od 65 do ponad 100
megapikseli (Rys. 16).

Kiedy foton uderzy w atom, moŜe spowodować przeskoczenie elektronu na wyŜszą powłokę, a w niektórych
przypadkach uwolnienie nośnika ładunku (dziur lub elektronów, w zaleŜności od uŜytego materiału półprzewod-
nikowego) – jest to tzw. efekt fotoelektryczny wewnętrzny. Kiedy powierzchnia matrycy CCD jest oświetlona,
uwolnione zostają nośniki, które gromadzą się w kondensatorach. Nośniki te zostają przesunięte elektrycz-
nych miarowych impulsach elektrycznych oraz zostają „przeliczone” przez obwód, który wyłapuje nośniki
z kaŜdego elementu światłoczułego, przekazuje je do kondensatorów, mierzy, wzmacnia napięcie i ponownie
opróŜnia kondensatory. Ilość nośników zebranych w ten sposób w pewnym przedziale czasu zaleŜy od natęŜenia
ś

wiatła. W efekcie otrzymujemy dla kaŜdego elementu światłoczułego informację o wartości natęŜenia padają-

cego na nie światła, czyli w praktyce informację o jasności obserwowanej w danym punkcie barwy.

Zazwyczaj poszczególne elementy matrycy mierzą ilość światła dla jednej ze składowych RGB (ang. Red Green
Blue), dlatego teŜ na kaŜdy piksel wynikowego obrazu w postaci bitmapy przypada pomiar z kompletu elemen-
tów światłoczułych.

WaŜnym parametrem dla matryc CCD jest ich wydajność kwantowa. Dla obecnych urządzeń ich średnia wydaj-
ność kwantowa jest na poziomie 70%, co znaczy, Ŝe 70% padającego światła jest rejestrowana. Dla tradycyjnej
kliszy, wydajność wynosi ok. 2%.

4.2. Matryce CMOS

Matryca CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor) układ wielu elementów światłoczułych wy-
konany w technologii polegającejna tworzeniu układów tranzystorów MOS zbudowanych z trzech warstw: płyt-
ki wyciętej z monokryształu krzemu, na który napyla się bardzo cienką warstwę krzemionki (izolator), na którą
z kolei napyla się równie cienką warstwę metalu, np. złota (przewodnik). Tranzystory połączone są w taki spo-
sób, Ŝe przy ustalonym stanie logicznym, tylko jeden z nich przewodzi. Dzięki tej własności, gdy tranzystory nie
przewodzą, układ nie pobiera praktycznie Ŝadnego prądu. Jej zaletą jest relatywnie prosty i tani sposób produkcji
oraz moŜliwość gęstego upakowania tranzystorów (nawet poniŜej jednego na mikrometr kwadratowy).

Matryce CMOS występują w wielu urządzeniach takich jak kamery internetowe, kompaktowe aparaty cyfrowe,
lustrzanki cyfrowe (DSLR), elementy kontrolne w automatyzacji produkcji i w wielu innych miejscach. Matryce
CMOS moŜemy spotkać w aparatach róŜnych klas od najprostszych do najbardziej zaawansowanych. UŜywane
są głównie przez firmę Canon

. Znajdują one zastosowanie we wszystkich modelach lustrzanek cyfrowych serii

EOS (Rys. 17). Od 2006 roku matryce tego typu wykorzystywane są w aparatach DSLR takŜe przez firmę Ni-
kon

, a od 2008 roku przez firmę Pentax

(model K20D).

Rys. 17. Matryca CMOS aparatu Cannon

EOS 5D (fot. http://fotopolis.pl/)

Sposób ich działania jest analogiczny jak dla układów CCD, z tą tylko róŜnicą, Ŝe zczytuje się od razu cały sy-
gnał z detektora, a nie poszczególne wiersze. Z początku, jak to zwykle bywa, technologia była trochę zawolna.
Mimo łatwości wytwarzania, zbudowane układy charakteryzowały się sporym szumem własnym. Dzięki uporo-
wi firmy Canon

, z czasem uporano się z tą dolegliwością.

Przewagą CMOS nad CCD, są koszty wytwarzania, szybszy czas sczytywania, mniejszy pobór mocy, a płynący
prąd powoduje wydzielanie się ciepła, a to znowu wytwarza większe szumy na matrycy.

PODSUMOWANIE

W dzisiejszych czasach trudno sobie wyobrazić Ŝycie bez szybkich, bezpiecznych, trwałych, tanich i niezawod-
nych nośników danych o wciąŜ rosnącej, w miarę zapotrzebowania, pojemności. Magnetyczne dyski twarde ze
względu na niską wytrzymałość mechaniczną, łatwość utraty danych oraz rozmiary nie mogą być dobrymi no-
ś

nikami. Trudno zatem dziwić się, iŜ czyni się poszukiwania innych niŜ magnetyczne sposobów na zapisywanie

i przechowywanie informacji. Metody optyczne pozwalają na znaczne obniŜenie kosztów produkcji nośników
stając się tym samym dobra alternatywą dla metod magnetycznych.

Z drugiej strony, nie moŜna zapominać o fizycznych ograniczeniach jakie posiadają nośniki optyczne. Gęstość
upakowania informacji na i tak sporych juŜ rozmiarów płytach CD, DVD itp. powoduje, iŜ moŜliwości zwięk-
szania ich pojemności oraz prędkości transferów są ograniczone, a nawet często niemoŜliwe do zrealizowania.
Fakt ten moŜe powodować, iŜ w przyszłości producenci nośników pamięci będą uciekać się do innych metod,
które pozwolą na poprawienie wspomnianych wyŜej parametrów.

Technologią optycznego zapisu, która obecnie dość dobrze zadomowiła się na rynku jest zapis obrazów przy
uŜyciu cyfrowych przetworników optycznych. Zarówno technologia CCD jak i CMOS są ciągle ulepszane i nie
osiągnęły jeszcze kresu swych moŜliwości.

WYKAZ

CYTOWANYCH

PRAC

A. Rudziński, „Pali się! ”, CHIP, 11/2002, Vogel, Warszawa 2002

N. Gajlewicz, „Nagrywanie – gorące trendy|, PC World Computer, 8/2003, IDG, Warszawa 2003

T. Borukało , „Testy napędów DVD± RW”, Wielka Księga Testów CHIP, 1/2003, Vogel, Waszawa 2003

P. Brągoszewski, „Konkurenci dyskietki i krąŜka”, PC World Komputer 2/2000, IDG, Warszawa 2000

K.Szruga, „CCD vs CMOS”, optyczne.pl, 2006

http://www.cdrinfo.pl/

http://wwwnt.if.pwr.wroc.pl/

http://wikipedia.org/

http://pclab.pl/

10.

http://www.minidisc.org/