Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

10.5.Запись и воспроизведение на реверсивных оптических дисках

Устройство оптических дисков типаWORM. Существенный не-

достаток систем записи, базирующихся на цифровых компакт-дисках, заключается в отсутствии возможности перезаписи информации. Частичным решением этой проблемы явилась разработка систем однократной записи с высококачественными показателями различных данных с помощью полупроводникового лазера на оптических дисках.

Примером являются диски CD-R, которые, будучи записанными, обладают всеми свойствами обычных цифровых компакт-дисков и могут использоваться в серийно выпускаемых ПКД.

Специализированное устройство записи– воспроизведения оптических дисков типа CD-R имеет кодирующее устройство входной информации и оптический блок, состоящий из узла записи с мощным лазером и узла считывания с маломощным лазером. Оптический диск CD-R конструктивно отличается от обычных компакт-дисков. На них предварительно наносят дорожки, на которые в дальнейшем записывается цифровой информационный поток.

Конструктивно оптические диски типаCD-R состоят из круглой поликарбонатной подложки, на которую нанесены последовательно слой органического красителя, слой золота и защитный слой. Запись на них происходит путем необратимого изменения оптических свойств красителя под действием остросфокусированного лазерного излучения: луч лазера проходит через подложку и«прожигает» слой красителя, за которым находится отражающий слой золота. При воспроизведении информации луч лазера также направлен со стороны подложки, но вследствие своей значительно меньшей мощности, чем при записи, не вызывает изменения свойств красителя.

Принцип магнитооптической записи электрических сигналов.

Работа реверсивных (стираемых) оптических дисков основана на использовании магнитооптических эффектов [6, 7].

Принцип записи информации на магнитооптическом носителе иллюстрируется рис. 10.12. Перед записью магнитный слой диска намагничивается в одном направлении. Затем луч полупроводникового лазера мощностью 10…20 мВт фокусируется на магнитооптическом слое. Одновременно на слой воздействует магнитное полеH S, создаваемое магнитной головкой, или соленоидом. Если направление поля противоположно направлению однородной намагниченности магнитооптического слоя, то в участке слоя, нагретом лучом лазера до точки Кюри, происходят опрокидывание намагниченности и фик-

Рис. 10.12. Принцип магнитооптической записи

1 – записанные биты; 2 – незаписанные биты; 3 – магнитный слой; 4 – подложка диска

сация единицы информации – бита. Сила внешнего магнитного поля, требуемая для перемагничивания, должна быть больше коэрцитивной силы магнитного слоя, которая обычно уменьшается с ростом температуры. При температурах, близких или соответствующих точке Кюри, даже очень слабое внешнее магнитное поле способно произвести перемагничивание. Запись при температурах, близких к точке Кюри, обычно требует нагревания на сотни градусов. Поэтому особый интерес представляют ферромагнитные пленки, у которых коэрцитивная сила значительно снижается задолго до достижения температуры Кюри. В этом случае нагрев может быть меньшим, чем требуется для достижения температуры Кюри. Практически все материалы, предлагаемые для магнитооптической записи, требуют энергии записи не менее 0,1 мДж/бит. После смещения лазерного луча на другие участки магнитного слоя данный элемент остывает и направление намагниченности запоминается. При этом размер участка, в котором заключена такая единица информации, определяется размером фокального пятна лазера. В отсутствие нагрева до точки Кюри намагниченность рабочего слоя не изменяется под воздействием внешнего магнитного поля. Причем скорость лазерной записи в этом случае будет практически определяться только скоростью остывания материала магнитного слоя.

Записанную на магнитооптическом носителе информацию можно стереть. Это осуществляется таким изменением направления внешнего магнитного поля, при котором оно совпадает с направлением первоначальной однородной намагниченности магнитооптического слоя. Стираемые участки также должны подвергаться нагреву.

Воспроизведение магнитооптической записи осуществляется линейно поляризованным лазерным лучом и основано на эффектах Керра и Фарадея. Оба эти эффекта представляют собой вращение плоскости поляризации падающего света под действием намагниченного носителя. Абсолютное значение поворота плоскости линейной поляризации пропорционально намагниченности магнитного слоя. Практически углы вращения очень малы по значению– в реальных системах воспроизведения магнитооптической записи углы вращения плоскости поляризации для эффектов Керра и Фарадея измеряются десятыми долями углового градуса.

Наиболее широко применяется эффект Керра, который состоит во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света при его отражении от поверхности намагниченного материала, например от металлического слоя. Причем направление вращения зависит от направления намагниченности магнитооптического диска.

Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации света, когда свет проходит через намагниченный материал.

К важнейшим достоинствам магнитооптических реверсивных носителей информации относятся неограниченная цикличность и практическое отсутствие старения. По совокупности таких параметров, как чувствительность, оптическая эффективность при считывании, быстродействие и разрешающая способность, они рассматриваются как наиболее перспективные.

Лазерные устройства для магнитооптической записи и вос-

произведения. Для магнитооптической записи обычно применяется лазерный диод на основеAsAlGa, позволяющий создать компактную систему записи– воспроизведения с малыми размерами и стоимостью. Лазер используется в качестве источника оптического излучения в устройстве, структурная схема которого представлена на рис. 10.13. После лазера помещается микрообъектив с достаточно большой числовой апертурой, назначение которого – собрать большую часть излучения лазера. Микрообъектив коллимирует излучение лазера, однако после него требуется дополнительная обработка светового луча из-за асимметричного распределения энергии в горизонтальном и вертикальном направлениях. Формирование луча требуемого сечения осуществляется с помощью двух плосковогнутых - ци линдрических линз 3, каждая из которых расширяет луч в одном направлении. После регулировки и центровки оптической системой получается симметричный луч, заполняющий апертуру фокусирующего объектива, что обеспечивает получение светового пятна диаметром до 0,6 мкм (по уровню половинной мощности) в плоскости оптического диска. На рис. 10.13 показаны также путь световых лучей при считы-

вании и необходимые при этом компоненты оптической системы (следящее зеркало, четвертьволновая пластинка, поляризованный

Рис. 10.13. Структурная схема устройства магнитооптической записи

1 – лазер; 2 – микрообъектив; 3 – цилиндрический расширитель пучка; 4 – поляризационный делитель; 5 – четвертьволновая пластинка; 6 – магнитная катушка; 7 – диск; 8 – фокусирующий объектив; 9 – следящее зеркало; 10 – объектив; 11 – фотодетектор

светоделитель и фотодетектор). С обратной стороны оптического диска устанавливается катушка, создающая небольшое магнитное поле определенного направления. Перед записью магнитный слой намагничивается в одном направлении. При записи лазерный луч фокусируется на его поверхность и нагревает его. Одновременно с этим катушкой создается внешнее магнитное поле с направлением, противоположным направлению исходной намагниченности материала. В местах, где температура нагрева превысит температуру Кюри, локальный участок пленки перемагничивается в направлении внешнего магнитного поля. В результате записи цифрового сигнала на носителе возникает последовательность участков, где расположенные перпендикулярно поверхности домены будут иметь направление намагниченности, противоположное друг другу.

Стирание информации может быть осуществлено двумя способами. Полное стирание достигается с помощью магнитного поля напряженностью, превышающей коэрцитивную силу магнитного слоя. Локальное стирание осуществляется лазерным лучом при одновременном воздействии внешнего магнитного поля небольшой напряженности.

Для считывания информации используется, как правило, магнито-

Рис. 10.14. Структурная схема магнитооптического воспроизведения

1 – лазер; 2 – коллиматор; 3 – направленность векторов поляризации исходного луча; 4 – структура вектора поляризации после поляризационной пластинки; 5 – оптический диск; 6 – объектив; 7 – структура вектора поляризации при отражении от диска; 8, 10 – поляризационные пластинки с противоположной поляризацией; 9 – фотоприемники

ционально углу поворота вектора поляризации. Из этого модулированного сигнала восстанавливается записанная информация.

Примером практической реализации реверсивного лазерного проигрывателя может служить модель фирмыThomson. Структурная схема модели показана на рис. 10.15. В реверсивном проигрывателе компакт-дисков используется принцип работы трех лазеров, имеющих назначением стирание, запись и воспроизведение на реверсивном магнитооптическом диске. Режим воспроизведения не отличается от ранее описанного. Однако электронная часть схемы значительно усложнена, так как необходимо обрабатывать малые различия в сигналах отражения разнополярных доменов. В режиме записи в работе участвуют все три лазера. Лазер 1 имеет стабилизированное излучение без модуляции, работает в магнитном поле H с, создающем условия ориентации доменов в исходное положение. Мощность лазера 1 примерно 6 Вт. Лазер 8 работает в режиме модуляции методом EFM. В соответствии с условиями записи при импульсном нагреве доменов происходит их переориентация, соответствующая наличию пита на обычном компакт-диске. Мощность лазера 8 составляет 5 мВт. В отсутствие импульсного сигнала мощность лазера8 недостаточна для нагрева и, соответственно, переориентации домена под воздействием магнитного поля. Мощность лазера 3 составляет 1,3 мВт. Слеже-

Рис. 10.15. Структурная схема реверсивного лазерного проигрывателя компакт-дисков

1 – система стирания с магнитным полем стирания Hс; 2 – система записи с магнитным полем записиH з; 3 – система считывания (воспроизведения); 4 – отражатель; 5 – поляризационный делитель; 6 – модулятор; 7 – коллиматор;8 – лазер; 9 – делитель систем фокусировки и слежения за дорожкой; 10, 12 – фотодиоды систем фокусировки и слежения за дорожкой; 11, 13, 14 – линзы

ние за дорожкой и фокусировкой записывающего(и воспроизводящего) лазерного луча производится по трехлучевой схеме.

Конструктивные особенности реверсивных магнитооптичес-

ких дисков. Современные магнитооптические диски работают в аппаратуре аудио- и видеозаписи, персональных компьютерах и рабочих станциях по обработке изображений. Конструкция магнитооптического диска представлена на рис. 10.16 [8]. В качестве материала подложки диска применяется поликарбонат или стекло. Расположенный на подложке магнитооптического диска рабочий слой представляет собой аморфную пленку из сплавов редкоземельных металлов, в частности сплава тербия. Он должен обеспечивать значительный магнитооптический эффект, иметь достаточно низкую точку Кюри

ивысокую чувствительность.

Внастоящее время плотность записи на магнитооптических дисках достигает 1,6 Мбит/см2, они допускают не менее 1 млн. циклов перезаписи. Причем стирание как самостоятельная операция выполняется только в том случае, если надо стереть запись и оставить на диске чистое место. Если же требуется записать новую информацию на месте старой, то самостоятельная операция стирания не производится: старая запись стирается под воздействием новой.

Рис. 10.16. Конструкция реверсивного магнитооптического диска

1 – посадочное отверстие; 2 – защитный слой; 3 – магнитооптический рабочий слой; 4 – подложка

Параллельно с работами по магнитооптическим дискам ведутся исследования по созданию реверсивных оптических дисков на основе метода фазового перехода, согласно которому участки рабочего слоя переходят из аморфного состояния в кристаллическое, что приводит к увеличению их отражающей способности. При стирании информации под воздействием лазерного луча в рабочем слое этих оптических дисков происходит обратный процесс. Благодаря большой разнице отражательной способности рабочего слоя в аморфном и кристаллическом состояниях достигается отношение сигнал – шум около 50 дБ.

К настоящему времени разработана новая технология по изготовлению трехмерных (многослойных) люминесцентных (флуоресцентных) оптических дисков. Питы (метки) таких дисков не отражают свет лазера, а сами флуоресцируют при облучении лазерным лучом. Отдельные слои люминесцентных дисков полностью прозрачны, а значит, их может быть много. Экспериментально доказано, что 50 слоев не ухудшают видимость светящихся меток на нижнем слое. В этом случае каждый слой трехмерного диска является как бы самостоятельным видеодиском емкостью 4,7 Гбайт. Следовательно, суммарная емкость одного трехмерного диска составляет около 235 Гбайт.

Главное открытие, позволившее разработать новую технологию, так называемый стабильный фотохром, прозрачное органическое вещество, способное флуоресцировать при облучении лазером и - со хранять это свойство длительное время.

Запись и чтение новых трехмерных люминесцентных дисков полностью соответствуют международному стандарту цифровых видеодисков. Планируется выпускать два типа трехмерных дисков: перезаписываемые и однократной записи. Внешне новые диски будут практически неотличимы от обычных компакт-дисков или цифровых дисков. Диаметр и толщина дисков остаются прежними.

Основные параметры новых дисков как носителей высококачественных видеозаписей и компьютерных данных ставят их вне конкуренции. Эти диски на сегодня единственно возможные массовые носители для записи программ телевидения высокой четкости.

К середине 90-х годов в индустрии создания и распространения коммерческих фильмов для домашнего просмотра практически безраздельно царствовали кассетыVHS, хотя огромные преимущества цифровой записи над традиционными аналоговыми к тому времени уже были доказаны. CD-аудио компакты повсеместно вытеснили виниловые диски: чистый звук, малые размеры, удобство и надежность хранения, долговечность по достоинству были оценены миллионами пользователей. Естественным развитием CD-аудио стало появление новых стандартов для других приложений: CD-ROM для хранения компьютерных данных, Photo-CD для распространения цифровых изображений, Video-CD для видеофильмов. Однако качество фильмов на Video-CD, обусловленное ограничениями компрессии MPEG-1, практически осталось на том же уровне, что и у стандартных видеолент. Пожалуй, единственным преимуществом Video-CD была возможность просмотра записанных фильмов на компьютере. Чтобы удовлетворить повышающиеся запросы потребителей к качеству видео, были созданы 12-дюймовые лазерные видеодиски (LD). Несмотря на аналоговый метод записи, они действительно давали определенный выигрыш в качестве, а, кроме того, также как и Video-CD, обеспечивали некоторую интерактивность просмотра и произвольный доступ к отдельным частям записанного материала. Тем не менее, широкого распространения они не получили. Все осознавали, что не-

обходим принципиально новый стандарт для записи . виде И в 1994 г. специальный комитет (Motion Picture Studio Advisory Committee), созданный по инициативе ведущих голливудских компаний, сформулировал основные требования к фильмам на компакт-дисках:

§разрешение видео выше, чем у лазерных дисков;

§звук качестваCD и объемное звучание;

§не менее 133 мин видео на одной стороне диска;

§звуковое сопровождение на трехпяти языках, возможность выбора языка;

§четыре - шесть вариантов субтитров (на тех же или других языках);

§различные форматы отображения широкоэкранного видео на экране;

§возможность запрета просмотра определенных сцен детьми(функция родительской защиты);

§надежная защита от копирования;

§совместимость в отношении воспроизведения с существующими CD-дисками;

§разделение на части и независимый доступ к каждой из них;

§низкая стоимость производства, сравнимая с достигнутой дляCDдисков.

и вспомогательного защитного (несущего) слоя, придающего им необходимую жесткость. В отражающем слое тем или иным образом формируется своеобразная матрица – в виде закрученной в спираль дорожки с «дырками» (питами). Считывание информации производится лазерным лучом, сканирующим отражающую поверхность. При попадании в дырку луч отражается точно на регистрирующий детектор, его сигнал превышает заданный порог, что и соответствует логической единице. При отсутствии дырки луч рассеивается, сигнал с детектора оказывается ниже заданного порога – фиксируется логический ноль.

CD- и DVD-диски во многом подобны, но их ключевые физические параметры значительно отличаются.

Т а б л и ц а 10.1. Сравнительная характеристика CD- и DVD-дисков