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1、一.基本特点与运用 1）光盘特点容量大5.25 0.65G非接触读写无损伤高的数据传输率永久性或半永久性存储（1050S）信息价位低形成光盘库（活动盘）,第10章 光信息存储技术,2）领域数据存储、图像存储多媒体或多媒体工作站视频节目存储介质,二.发展简史 国外，研究始于70年代荷兰:PHILIPS1972.9.5诞生第一台激光唱机，体积大，很笨重。He-Ne体积大，材料要求1976向美国推销第一代产品1982向西欧推销第二代产品（改进型产品）,日本崛起在70年代中后期 SONY SANYA PANNISONIC.形成两大派势：东芝 都想以自己的企业标准作为 索尼 行业标准（国际标准）世界光盘
2、标准化协会协调工作组,A.光盘技术发展：分为三个里程碑,70年代 里程碑：5.25 光盘90年代中期 里程碑 5.25 光盘 DVD 单面单层 4.7GB 双面双层 19GB95年之后 里程碑 NMD 近场光学 单面容量,B.发展趋势（高密、高效、高速）,高密：短波长LD，NA 衬盘厚度，道间距 高效：记录方法、数据格式 新型 的光学头改进高速：存储技术、记录速度,C.全世界光盘驱动器的发运量3040%每年发展递增,3040%每年发展递增,D.研究与开发,90%力量 高性能光盘及驱动器例如：MO或CD-R/W光盘材料及驱动器的研发,例如：MO磁光型 利用激光加热材料，改变电磁场方向变化，磁介质
3、的磁畴方向的变化，实现信号的写入、擦除,PC相变型 利用激光加热效应，使材料发生 晶状 非晶状的变化 晶状 非晶状 表面的反射率 表面的反射率 其之间反射率的变化之差为10倍左右，因此可以从反射率的,高密度光盘 DVD（Digital Video Disk），能存储动态画面735分钟 DVD制作与CD差不多 关键：螺旋形光道更密 DVD容量=7XCD容量,实现方法：减小LD的波长 780nm 650/635 532nm 增大读出物镜的NA 0.45 0.65,减小信道密度 1.2m0.74 m 减小光盘盘基厚度 1.2mm0.6mm 编码技术、数据格式等,减小信道密度 1.2m0.74 m 减
4、小光盘盘基厚度 1.2mm0.6mm 编码技术、数据格式等,*10%力量：持续光源烧孔和三维光信息存储光斑变色存储技术电子俘获光存储技术全息信息存储技术纳米与自聚焦技术MND近场存储技术,PSHB-三维光信息存储在理论上可以使记录密度提高34量级。*即使光的频率成为新的存储维，使得传统的二维（x,y）光信息存储变成三维（x,y,）光信息存储,原理：目前光存储密度上限 相对应1bit所占空间 个分子，如果一个分子用作1bit的存储文件，这样可以在原有基础上提高记录密度达 倍。,方法 为了实现分子存储 要求稳定性 具备选择或识别每个分子的方法 持续光谱烧孔技术：利用活性分子所处的周围环境的不同而引
5、起对应能量的差别来识别不同分子。,E.国内外发展的差距,实现低价位的有自主产权的DVD及DVD-ROM驱动器规模生产：自主产权 无 DVD与VCD及其驱动器的器件的产业化与国际接轨 几乎全部进口，组装返销 CD、VCD、DVD的生产及检测设备的国产化研究与生产,光盘库及光盘塔，光盘阵列的应用与国外有很大差别 利用自动换盘系统组成光盘库、光盘塔、光盘阵列，实现提高整个系统的容量、数据传输率及数据存储的可靠性。开发新一代的存储产品 近场、自聚焦、光学非辐射场与光学超衍射极限分辨存储等三维存储产品有差距 达到：40100Gbit/盘,三.国内外发展状况 80年代 广电部第一次光盘制式可行性调研单位有
6、：清华、华工、复旦、北航 科学院：上海光机、上海冶金、52所 工厂：南京七一四厂 主要研究始于“七五”规划,“九五”国家科委星火计划 磁光光盘的产业化 牵头单位：成都电子科技大学（天级公司）参加单位：华工、清华 主要完成生产线上的测试设备改造,4X磁光光盘光学特性测试仪-40万 华工4X磁光光盘机械特性测试仪-70万 华工4X磁光光盘动态特性测试仪-70万 清华光强调制型直接重写型磁光材料机理研究-40万 华工 共计 220万 总投资 1000万元,四.光盘标准 对各类光盘的技术规格、盘片的物理尺寸、信息记录的物理格式及逻辑格式、信源/信道编码方法等技术内容作出了详细的规定 由于不同的标准往往
7、用不同颜色的彩页作为封面，因此，人们习惯用彩页颜色的方法来特指某一类光盘的技术标准。,2.激光光盘系统基本原理,1.系统构成（1）分类,例如：内加固：减小由温度或者引起光学系统参数的变化应从设计角度更好的选择材料及元器件的稳定性。军用光盘总体要求：防温、防潮、防震、防霉、防冲击、防电磁波及辐射。分为车载、机载、舰载三类。,光盘（介质）光盘机 光盘存储系统,（2）光盘存储系统的基本要求,关键问题：可靠性、有效性,（3）系统中光学头的基本构成 典型的光盘 构成系统,基本元件：（a）光源LD：激光器 780nm，650nm（b）准直、扩束系统 椭圆，发散 准直，圆形（c）PBS（偏振分光棱镜）（PB
8、S+/4波片）光束 隔离器,（d）/4波片 改变偏振方向（e）聚焦物镜（附执行机构）实现伺服 1m光斑 执行机构图,（f）光电探测器（PD）提供伺服所需的信号：TES，FES 提供探测到的光盘存储的信息信号：RF,2.构成实用系统 例1.CD唱机PD 六象限探测器,注意点：LD光束通过光栅后，生成有0级、1级（衍射光）光束伺服方法：三光点跟踪,光盘运动按恒线速工作的 最外圆 200转/分 最内圆 500转/分 转速逐渐变化，线速不变 技术指标：频率范围：20Hz20KHz 信噪比：90dB 播放时间：74分钟 选取节目：1s左右 道间距：1.6m,例2.WORM型（一次写多次读型）,说明：LD
9、：准直度要求 会聚物镜 PBS 进入光线为P偏振光,斜方棱镜出射的光 临界角棱镜对P偏 振光敏感,整个系统为多个分离棱镜的组合 各个棱镜的胶合面的定位精度要求高整个棱镜是单棱镜整形 把,椭圆 圆形 简单、方便,2.写入/读出原理 各种光盘不一样，此处针对烧凹坑型而言 CD、LD、VCD 信息的写入 数据输入 ECC 编码电路 信号调制 会聚物镜 光盘介质,在高温度的激光束光斑下加热形成一定宽度一定间隔的记录脉冲 LD ECC 调制 会聚 光盘 加热 以有无凹坑“1”和“0”凹坑质量好坏 标志信噪比的高低,信息的读出：保护层（玻璃或DMMD）（1）数据道无凹坑时，入射的光束被反射，大部分返回物镜
10、 光能 强（1）,（2）数据道有凹坑时，入射的光束光程差：凹坑深度故发生干涉相消凹坑的无有情况下：无凹 有凹,3.数据存储格式 格式（a）只读型：比较简单 信息道为螺旋形或同心圆形,（b）磁光盘（严格的格式）信息道、扇区 格式化是硬格式化 出厂之前，厂家已经做好 每个信息道有15个扇区；每个扇区规定如下：扇区 52 1 672字节 字节 字节,（1）扇区头标志（2）偏差检测字段（3）用户区 扇区头标志是模压图样，它使驱动器不依靠锁相电路，就可确认扇区的开始位量。,存储方式 恒角速度，恒线速度 以及改进型恒线速度（a）恒线速度（CD）CLV（1）整个面上线速度恒定，即外侧 半径上道上的信息量大于
11、内侧半径 道上的信息量（2）从内侧 外侧扫描过程中 内侧外侧 保证线速度不变,（b）恒角速度（LD）CAV（1）内侧外侧：不变（2）每条信息道上信息量一致：即：外侧道上信息密度内侧道上 信息密度（3）一道为一幅图像 LD（恒角速度）有利实现各种特技功能*静止 快速查找特定图像画面*随即寻找 控制方便,（c）改进型恒线速度（MO）根据光盘径向位置，每隔一定数量 的信息道改变一次光盘转速：（1）即发挥恒线速的优点（2）又有利于控制,光盘结构（只读型）三部分组成 1）盘基片 2）存储介质 3）保护层,光盘结构采用反射式，为什么？反射式光盘只需从一面接近，从而简化光盘系统结构；反射式只需在信息层一侧有
12、保护层，而透射式则需双面保护层；反射式易于实现聚焦伺服控制 根据反射方法找出经光盘反射光束的发散、会聚的状况，来判断聚焦误差是容易的,4.纠错编码 在光盘系统中，误码的主要来源盘片材料不均匀本身缺陷材料发生变化(2)读取数据时错误,需要检纠错技术或称抗干扰编码。为此：在传输或者存储信息时，按一定的信息相关规则附加一些具有保护信息能力的冗余位而形成 光盘中：读出译码还原时，能自动检测 最多采用的：循环码或线性分组码,差错的控制 在读/写操作或媒体保存期间，都有可能产生差错：即漏码或冒码 漏码：由1变为0 冒码：由0变为1（光盘多为此类）,控制方法：从根本上改善信道性能；发现差错后，重新执行一次；
13、采用抗干扰编码，即检纠错码。基本概念 换取检错和纠错能力所付出的代价是信息冗余，信息冗余量虽没带来新的信息，却对信息起到保护作用。,简单介绍一种方法 线性分组码（n,k）如果每次把k位信息 写入光盘，经线性相关运算后，求出r个检测位的冗余度 共有 k+r=n位一起写入。上述过程为编码,编码后的n位二元码序列称码字码字长度：n=k+r 可以建立起k位信息序列和n位码序列之间的对应关系,n位二元序列计有 种排列，每种排列为n重；其中k位信息组成 个n重。称许用码字。剩余 个n重称为禁用码字。读出时一旦发现就立即发现错误,这样编出的码称为 线性分组码或（n,k）分组码,基本要求可靠性：可靠的检测或纠
14、正全部出现错误；有效性：在一定误码率条件下，附加的检验位越小越好；编码速率 k一定时，r R 成本低 为降低成本，要求编码译码电路及其控制电路应尽量简单。,5.光盘存储系统的主要技术指标 存储容量（n）数据传输率 信噪比 读取时间,1）存储容量（n）以光盘上所有存储的数据位的总和来表征：其中 读出光斑直径在正常读数时所覆盖的数据位的数目。（即在信道上，读数光斑直径长度上所能分辨的位数）A 为光盘信号面的有效记录面积；d 读数光斑的直径；r 为信道间距,显然 光盘上可容纳的最多的光斑数。于是光盘的存储面密度为：或表示为 即面密度为 切向信道密度（位密度）径向信道密度（道密度）面密度=位密度 道密
15、度,结论：为提高面密度 减小写/读光斑直径 de 减小道间隔，提高道密度,采用更有效的编码方式 提高 值 采用CLV方法 一般情况CLV比CAV存储容量大一倍左右,2）数据传输率 定义为：单位时间内通过光盘上某点的数据位数。用公式表示：式中 为信道位密度 为某条信道的线速度,结论：（提高数据传输率）提高光盘转速 提高存储线密度 试验表明 当转速为 1200rpm 3600rpm,但是由于转速 时，LD输出功率受限或成本太高也是划不来的。（转速 写/读时间 t，因此提高LD的功率，否则无法工作）例如1000rpm时 写入功率需8-9mW 考虑损耗：LD：2530mW 如果：30003600rpm
16、时 LD50mW 价格太贵,其它途径：采用多通道并行读/写处理,3）信噪比 信噪比 误码率下降 可靠性提高 几种系统的典型值,主要噪声来源：波光噪声读/写时聚焦、跟踪与转速的误差记录介质的材料及光学不均匀性，表面光洁度等 读/写过程的操作误差,4）读取时间 读取时间从指定的信道上读取信息的速度 为了实现高速度随机存取 缩短粗访问时间 进给电机驱动光头进行“粗访问，将光头移至目标信道附近”缩短精密访问时间 通过光学的跟踪伺服调节机构TAOSH头，使读数光束准确落在目标信道上，实现“精密访问”,4）伺服基本概念 光盘系统是一个十分精密的系统，读/写时聚焦与跟踪要求十分严格，必须有一个良好的伺服系统，否则无法工作。,伺服有：聚焦伺服 FES 轨道伺服 TES 主轴伺服,聚焦焦深：焦面要控制严格，否则无法读取数据 要求11.5m,轨道很精细,
