8.10 Принципы цифровой оптической записи и воспроизведения информации с компакт дисков

8.10.1 Устройство компакт-диска

Конструкция диска CD-DA (Compact Disk - Digital Audio, компакт-диск - цифровой звук) и способ записи звука на нем описывается стандартом предложивших его фирм Sony и Philips, изданным в 1980 году под названием Red Book (Красная Книга).

Стандартный компакт-диск (CD) состоит из трех слоев: основы, отражающего и защитного. Основа выполнена из прозрачного поликарбоната, на котором методом прессования сформирован информационный рельеф. Поверх рельефа напыляется металлический отражающий слой (алюминий, золото, серебро, другие металлы и сплавы). Отражающий слой покрывается сверху защитным слоем поликарбоната или нейтрального лака – так, чтобы вся металлическая поверхность была защищена от контакта со внешней средой. Общая толщина диска – 1,2 мм.

Информационный рельеф диска представляет собой непрерывную спиральную дорожку, начинающуюся от центра и состоящую из последовательности углублений – питов (pits). Промежутки между питами носят название lands. Чередованием питов и промежутков различной длины на диске записывается закодированный цифровой сигнал: переход от промежутка к питу и наоборот обозначает единицу, а длина пита или промежутка – длину серии нулей. Расстояние между витками дорожки выбирается от 1,4 до 2 мкм, стандарт определяет расстояние в 1,6 мкм.

8.10.2 Запись на компакт диски

В настоящее время широко используются: система однократной (CD-Recordable – записываемый CD) и многократной (CD-Erasable – стираемый CD, CD-ReWritable – перезаписываемый CD) записи компакт-дисков. CD-RW и CD-E обозначают одно и то же - диск с возможностью стирания и перезаписи, причем название CD-RW практически вытеснило CD-E. Терминами CD-R, CD-E и CD-RW обозначаются как устройства для записи, так и сами диски.

Для однократной записи используются так называемые «болванки», представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки, а между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные питам.

На CD-R организуется та же информационная структура, что и на штампованных дисках - TOC и набор дорожек различных типов. Это позволяет при помощи соответствующего программного обеспечения записывать звуковые, фото- и видеодиски, которые могут затем проигрываться в бытовых звуковых и видеопроигрывателях. Однако отражающая способность зеркального слоя и четкость питов у дисков CD-R ниже обычного, отчего некоторые устройства могут работать с ними неуверенно.

В перезаписываемых дисках используется промежуточный слой из органической пленки, изменяющей под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно, в результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Существующие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже штампованных и однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW формально необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника (Auto Gain Control), хотя некоторые обычные приводы CD-ROM и бытовые проигрыватели способны читать их наравне с обычными дисками.

Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру дорожек и файловую систему, что и CD-R, либо на нем может быть организована специальная файловая система UDF (Universal Disk Format - универсальный дисковый формат), позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске.

Возможности лазерной записи и воспроизведения информации рассмотрим на примере компакт – дисков CD-ROM (Compact Dise Read-Only Memory). CD-ROM – это оптический носитель информации. На покрытом алюминием 5-дюймовом пластмассовом диске может храниться до 650Мбайт данных, что составляет примерно 333000 страницам текста или 74 минутам высококачественного звучания. Термин CD-ROM относится как к самим дискам, так и к дисководам (накопителям), в которых считывается информация.

В1982 году фирмы РPhilips и Sony опубликовали стандарт, в котором определялись методы квантования сигналов, способы их записи, а также размер диска: внешний диаметр 120 мм, диаметр центрального отверстия –15 мм, толщина 1,2 мм. Один диск позволял записать Девятую симфонию Бетховена.

Компьютерные компакт – диски выглядят так же, как и звуковые, но помимо музыки на них может быть записана и другая информация. Дисководы CD-ROM, которые подключаются к компьютерам, напоминают проигрыватели звуковых компакт – дисков.

Компакт – диск сделан из полимерного материала (на основе поликарбонатов) и покрыт слоем металла (обычно одним из сплавов алюминия). Информация считывается именно с этой стороны металлической пленки. Поверх алюминия наносится еще один слой полимерного покрытия (лака), защищающего металл и, соответственно, записанные на диске данные от повреждений. Все этикетки и надписи наносятся на верхнюю сторону диска, а считывание информации осуществляется с нижней поверхности.

С CD-ROM надо обращаться так же аккуратно, как с фотографическими негативами. Для его воспроизведения используются оптические устройства, поэтому, во избежание потерь информации, поверхность CD-ROM должна быть чистой и без царапин. Некоторые накопители могут работать только с дисками, уложенными в специальные подающие устройства (caddy), которые позволяют вообще не касаться руками самих носителей.

Различный цвет рабочей поверхности диска объясняется различным материалом регистрирующего и отражающего слоев. В качестве регистрирующего слоя для дисков CD-R наиболее распространены органические соединения, известные под условными названиями «цианин» (Cyanine) и «фталоцианин» (Phtalocyanine). Цианин имеет голубой (cyan) цвет (от которого и происходит название материала, не имеющее отношения к цианидам - химическим производным циановодорода) и характеризуется средней стойкостью к облучению светом и перепадам температуры. Фталоцианин имеет золотистый цвет и значительно более стоек к внешним воздействиям.

В качестве отражающих материалов используют золото и серебро, реже - алюминий и сплавы. Соответственно, рабочая поверхность диска с отражающим слоем из бесцветного металла имеет цвет своего регистрирующего слоя, а отражающий слой из золота изменяет цвет цианина с голубого на зеленоватый.

Органический слой дисков CD-RW обычно имеет серо-коричневый цвет.