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次世代光碟技术

原理总览

首先,让我们先来看看光碟机与光碟片如何能够读取、储存资料的原理。

光学原理

首先,一般烧录器在雷射读写头上使用雷射光进行烧录及读取工作,而靠近雷射读写头上则是使用透镜协助雷射光的投射与聚焦,此外雷射光线参数的设定也同样影响了资料储存的多寡。

也许您已经知道光的波长与呈现色彩的一些关连性。低波长的雷射光趋向于红色,而高波长的雷射光则趋于接近蓝色或紫色(例:目前常用的红光雷射读写头一般是使用波长在780到850 奈米的红外线来读取资料)。然而,孔径(NA)这一个名词对于大多数人来说则较为陌生。

当光线经由密度较高的透镜进入密度较低的介质(空气)时,会产生折射和反射的现象,因此进入物镜的光线量必须再乘以折射系数,这就是所谓的孔径(Numerical Aperture,简称NA)。孔径在烧录技术的应用上,则是指光线聚焦于特殊定点及特殊长度的能力,而极短的距离就能够产生极高的孔径。

越高的孔径拥有越短的光波长,而且对点的聚焦上也更加精准。当极小的雷射光进行光碟写入时,透过透镜折射撞击资料轨,产生了一小段的雷射刻痕,便是所谓的雷射腰束(laser beam waist)。波长较短的辐射线通过一个大孔径的透镜聚焦至其上读取资料,但是由于辐射线很容易在透镜上产生反射,所以如果光碟在写入时,写入的光碟面没有跟辐射线垂直的话,将很难聚焦到正确的位置上。

雷射腰束的半径则是雷射光波长取决于孔径的影响,这便是为什么当光波长越小、孔径(NA)越大,我们所得到的资料刻痕越小的原因。这也解释了当我们使用烧录器进行光碟写入时,资料轨与资料轨之间的距离能够如此细微,连人眼也难以辨识出来。

在光碟上有许多肉眼无法分辨的讯坑(Pit),原理上,资料的储存法则是以光碟中心开始,以螺旋状向外扩散写入方式进行资料储存,并在盘边缘5mm处结束。这些讯坑深被蚀刻螺旋式沟槽里,没有讯坑的地方则称为陆地( Land)。

光碟机在读取数据的时候,通过雷射读写头发出雷射光,光线经过透镜的折射照射到光碟表面,从光碟读回的信息与从铝层反射回来的低功率激光束有关,光接收器分辨出强反射光和无反射光或散射光的信息。无反射光或散反射光是讯坑(Pit)引起的,而强反射光则表示该点为陆地(land),光接收器收集从光碟表面返回的反射光和散射光,这些经过讯坑(pit)时所产生的光束变化,光碟机便把它解译并转译成为0与1的编码,并由微处理器将这些光格式转换成相应的数据或声音。当讯坑(pit)更短,轨距(track pitch)更窄,并以更高效率的编码方式时,相同一张光碟能够储存资料的空间相对应将变的更多。

光碟制作原理

光碟是以聚碳酸酯材料制成的圆片,直径为120mm,厚度为1.2mm,中间有一个15mm的圆孔。在圆基片上涂布了一层金属薄膜,通常为铝合金,这层薄膜就是光碟机读取数据的地方,在铝薄膜上再覆盖一层塑料聚碳酸酯,用以保护里面的数据。

一片光碟可能包含了许多的资料层,并取决于光碟染料层涂布。 在一般的DVD光碟如单面双层光碟上,由于光碟的上层染料层为半透明,因此雷射可穿透过上层直达下层,并轮流在两层间记录与读取资料。

以单面双层光碟为例,光碟片的制程是由半透光性的夹层分隔两块极薄的有机染料层,并夹在一起制作而成,烧录机读取头的雷射接触到染料层时,资料便可永久记录在染料层上。对于光碟片本身来说,当光碟面涂布的染料层越厚时,光碟进行烧录时雷射光写入的光量则将耗费更大的功率。

更厚实的涂布层加大了透镜与资料层之间的距离,也因此孔径(NA)更小, 而光源对焦的点在资料轨间的距离则加宽。此外,如果防护的涂布层较稀薄,资料层将更接近表面,而孔径(NA)相对增大,则能够容纳更多的资料储存于光碟上。

资料压缩原理

在资料压缩部分,也许与光碟或烧录器本身较无直接的关连,但对于软体研发而言,光碟本身对于压缩技术的支援也对资料储存多寡有一定程度的影响。当压缩技术越提升时,能够被储存到光碟上的资料数据也相对变的更多。(如右图:MPEG-4 AVC较MPEG-1光碟能够储存更多的影音资料)

此外,光碟的资料转换率也依赖于下列所提的功能,如:极小的讯坑长度,光碟写入读取时的旋转速度等...。当光碟旋转的越快,资料的烧录与读取也就越快。而讯坑(pits)的长度越短,资料烧录或读取时所花费的时间也就越短。

烧录原理

接下来,我们将告诉您烧录的原理。一般来说,空白的光碟片意旨尚未包含任何资料写入的光碟,在烧录过程中,雷射光照在藏于染色层之中资料层并产生了讯坑。底下我们以单面双层的烧录示意图为例来做说明。

一般可单次写入的光碟并无法重复前述的写入过程,但可重复写入的光碟(rewritable)基于制作时采特殊金属合金涂布层,而金属合金涂布的在写入时能依据于光碟机所射出雷射光的热度与强度产生讯坑,当进行抹写时则能再度透过金属合金染色层的复原,重新回到原始未写入的状态。