2.3.3. Оптический способ записи и воспроизведения звуковой информации
В 1982 году, почти через 100 лет после изобретения фонографа, одновременно в Японии (фирма Sony) и Нидерландах (фирма Philips) была осуществлена цифровая запись звука на оптические диски с помощью лазерного луча.
Оптический диск представляет собой пластинку из поликарбоната диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм. Этот прозрачный пластик обладает высокой теплостойкостью, высокой ударной вязкостью и устойчивостью к деформации под действием влаги. За небольшие размеры и большую емкость информации, которую они могут хранить, оптические диски называют компакт-дисками (Compact Disk или CD).
Рабочий слой на CD представляет собой пленку из легкоплавкого материала (например, теллура и его соединений) тол-
щиной 0,03-0,06 мкм. При записи под воздействием вспышек лазерного луча в рабочем слое происходит локальное расплавление или испарение вещества с образованием микроуглублений (питов).
Перед записью на компакт-диски аналоговые сигналы вначале подвергают цифровому кодированию. Логический "0" во время записи вызывает вспышку лазерного луча и образование пита, логическая "1" на лазер не действует. Чередование питов и промежутков между ними представляет собой сигналограмму, которая несет информацию о звуке.
Питы следуют по спирали которая начинается в центральной части диска, закручивается по часовой стрелке и доходит до края. Шаг спирали равен 1,67 мкм. На поверхности диска размещается 16 000 дорожек, длиной 5,7 км. Информационная емкость диска очень велика и достигает до 1000 Мбайт (1 гигабайт, 1 Гб). Полностью записанный диск звучит 74 мин.
С диска-оригинала обычными методами гальванотехники (напыление серебра, гальванопластика) готовятся никелевые матрицы, на которых питы получаются в виде выступов. Матрицы служат для получения оттисков на дисках. На рис. 2.8 показаны этапы изготовления лазерного диска: 1-П – изготовление матрицы негатива, Ш-1V – изготовление лазерного диска
Рис 2.8. Основные этапы изготовления компакт-диска
Для повышения отражательной способности на пластинку напыляется тонкий слой алюминия толщиной 0,1 мкм, который покрывается слоем прозрачного лака, для защиты записи от повреждений.
Считывание информации с оптического диска осуществляется лучом лазера, диаметр светового пятна которого составляет всего 1,5 мкм. На рис. 2.9. показан ход лучей при считывании информации с компакт диска. Там, где луч попадает на промежуток между выступами, он отражается обратно и светоделительной призмой направляется на фотоприемник, возбуждая в нем цифровой сигнал "1". Если же луч попадает на выступ, он при отражении диффузно рассеивается, при этом сигнал отсутствует – "0".
Рис 2.9. Компакт-диск: увеличенный разрез вдоль дорожки
При перемещении луча вдоль дорожки через фотодиод будет течь ток в виде последовательности импульсов. Вся считанная с диска цифровая запись поступает на цифроаналоговый преобразователь, он расшифровывает цифровой код и создает соответствующий ему аналоговый сигнал. В результате получается электрическая копия того самого звука, который в цифровом виде был записан на диске. В такой форме сигнал можно подавать на усилитель и прослушивать через громкоговоритель.
Кроме считывания самой записи, в CD-плеере решаются и другие важные задачи. Одна из автоматических систем следит за фокусировкой луча, другая – следит за тем, чтобы считывающий луч не смещался со спиральной дорожки, третья – по мере смещения считывающей головки (считывание идет от центра к краю диска) снижает обороты ведущего двигателя. В проигрывателях используется постоянная скорость считывания, поэтому частота вращения диска плавно изменяется от 500 оборотов в минуту до 200 оборотов в минуту.
За фокусировкой луча следят четыре вспомогательных фотодиода (рис. 2.10), расположенных в углах квадрата, в центре которого располагается основной фотодиод – датчик импульсов. Если луч лазера будет сфокусирован на поверхности диска точно, то его отражение в виде круга будет равномерно освещать все датчики. В этом случае токи через каждый из четырех фотодиодов будут равны. Если фокусировка нарушается световое пятно меняет очертание круга на овальное. Освещенность датчиков становится неравномерной, токи фотодиодов изменяются, что и является сигналом обратной связи для восстановления фокуса.
Рис. 2.10. Автоматика CD-плеера, обеспечивающая
захват дорожки на диске
Два другие фотоэлемента предупреждают смещение лазерного луча со светоотражающей дорожки.
Указания автоматов выполняют миниатюрные электромагниты. Одна пара электромагнитов перемещает линзу вверх-вниз, при этом происходит фокусировка, вторая – с одной дорожки (трека) на другую. Эта процедура называется – трекинг.
Компакт-диски (CD) используются только для воспроизведения записанной информации. Стирать и перезаписывать фонограмму на них нельзя.
Для записи в любительских условиях используются реверсивные компакт диски CD-R. Рабочий слой CD-R представляет собой пленку с низкой температурой испарения. При точечном нагреве лучом лазера пленка выделяет газы, которые образуют на месте точки микроскопическое вздутие. После облучения в зоне вздутия коэффициент отражения пленки резко возрастает. Такой диск можно использовать для однократной записи аудиоинформации в бытовых условиях и её многократного воспроизведения. Учитывая колоссальную информационную ёмкость, высокую точность копирования и стойкость записи к электромагнитным воздействиям при хранении, аудиофилы и профессионалы используют CD-R для накопления и длительного хранения ценной аудиоинформации.
В компакт-дисках третьего типа – CD-RW используется свойство некоторых полупроводников переходить под действием лазерного облучения из кристаллического состояния в аморфное. Фазовые переходы в рабочих слоях из таких материалов сопровождаются изменением их оптических свойств, что используется для фиксации фонограммы. Такие фазовые переходы могут осуществляться тысячи раз без потери первоначальных свойств. Оптические диски CD-R и CD-RW нашли широкое применение в современных компьютерных технологиях.