光盘的结构及其工作原理lvjRWord文档格式.docx

1、出现了一种又一种的科技产品。在这科技时代里，光盘起了重要的作用。不管是信息传播、储存等，都离不开它。它的产生，也是一大奇迹。下面就让我为大家介绍一下这一奇迹吧。光盘历史中国古代四大发明之一造纸术的发明极大地促进了人类文明的进步，它记载了人类文明的发展史，造就了一批新兴的工业。随着时代的进步人类经历了割木记事、竹简记书、以及纸张发明以来的活字印刷，到现代磁存储和光存储的广泛使用。下面我们谈谈光存储技术的发展趋势和关键技术。随着光学技术、激光技术、微电子技术、材料科学、细微加工技术、计算机与自动控制技术的发展，光存储技术在记录密度、容量、数据传输率、寻址时间等关键技术上将有巨大的发展潜力。在下一个

2、世纪初，光盘存储将在功能多样化，操作智能化方面都会有显著的进展。随着光量子数据存储技术、三维体存储技术、近场光学技术、光学集成技术的发展，光存储技术必将在下一世纪成为信息产业中的支柱技术之一。 一、光存储技术的发展趋势以光学、集成光学、光子效应、体全息技术、光感生或磁感生超分辨率等原理为基础的新一代光存储技术将朝着以下几个方向发展：1.实现低价位DVD系列光盘及驱动器的规模生产直径为120mm的DVD光盘单面容量4.7GB，双面容量9.4GB，如果改成双面双层，容量可达到18GB，组成了标称容量为5GB、9GB、10GB、18GB的DVD-5、DVD-9、DVD-10、DVD-18的光盘系列，

3、只要这种光盘及光盘机的生产成本能降低到当今CD-ROM或CD-R光盘及光盘机的价位，就足够满足一般信息系统及家用电器的需求。由于DVD系列产品仍以传统的光盘制造技术为基础，基本工作原理没有改变，只是将信息符坑点的尺寸从原来的0.83m降低到0.4m，信道间距从原来的1.6m降低到0.74m。这种光盘机的结构原理也没有太大的变化，所用的半导体激光器的波长略有缩短，一旦形成规模，成本必将大幅度下降。目前，加工这种高密度光盘母盘及盘片注塑的设备及技术都已完全成熟。2.进一步提高DVD光盘质量、成品率及功能目前，DVD光盘的成品率，无论是母盘制作还是最终产品的成品率都低于普通CD光盘，从而也影响其生产

4、成本。各种生产光盘的专用加工和测试设备还需要进一步更新，将深紫外超分辨率曝光技术、电子束曝光技术、多层光致抗蚀剂技术、无显影曝光技术、4X或更高速的刻录技术等引入母盘制作，以便进一步提高母盘质量和成品率。DVD光盘及光盘机将在功能上进行改进，首先是多功能化，包括光盘机和盘片的多功能化，即一台光盘机可用于只读、一次写入不可擦除及可直接改写等不同盘片，而盘片也可能作成同时具有只读和可擦写功能。此外随着编码技术和集成电路技术的进步，光盘机的编码及控制软件功能还将进一步改进，将分散的视频、音频、编码、解码、调制、解调、通道控制、伺服控制重新整合成少数芯片甚至单一芯片，不仅能降低成本，还会大大提高系统的

5、可靠性。为了使光盘机使用更方便，其另一改进方向是光盘机的智能，使人一机界面更加简单，操作更为简便。3.在记录密度不变的条件下提高系统性能无论是VCD或DVD光盘都可以利用自动换盘系统，组成光盘库、光盘塔、光盘阵列，实现提高整个系统的容量、数据传输率及多数据存储的可靠性。如果将光盘库、光盘塔及光盘阵列与自动换盘系统有机结合，可以大大提高系统容量、数据传输率和显著改善存储数据的可靠性。目前最大的光盘库容量已可达到TB量级（即1012字节）。4.综合利用其它新技术开发下一代新产品高密度数据存储技术始终是信息技术和计算机技术发展中不可缺少的关键研究领域，预计到2005年，新型网络系统和第三代多媒体出现

6、时，计算机外部存储容量至少应为100GB，数据传输率至少为40Mbps，现有的各种光盘都不能满足要求，即使上面提到的DVD-RAM光盘系统也与此目标相距甚远。需要采用新技术和新材料，研究开发出新一代高密度、高速光存储技术和系统。虽然目前所进行的研究尚处于实验室阶段。许多理论问题、实验技术问题及工程问题还待深入研究，但从所取得的初步成果中能看出其发展方向包括：（1）利用光学非辐射场与光学超衍射极限分辨率的研究成果，进一步减小记录信息符尺寸。因光束照射到物体表面时，无论透射或反射都会形成传播场（传播波）和非辐射（隐失波）。传播波携带着物体结构的低频信息，容易被探测器探测。隐失波携带描述物体精细结构

7、的高频信息，沿物体表面传播。只要把这一部分信息扑捉到，就可提高系统的分辨率。（2）采用近场光学原理设计超分辨率的光学系统，使数值孔径超过1.0，相当于探测器进入介质的辐射场，从而能够得到超精细结构信息，突破衍射极限，获得更高的分辨率，可使经典光学显微镜的分辨率提高两个数量级，面密度提高4个数量级。（3）以光量子效应代替目前的光热效应实现数据的写入与读出，从原理上将存储密度提高到分子量级甚至原子量级，而且由于量子效应没有热学过程，其反应速度可达到皮秒量级（1O-12秒），另外，由于记录介质的反应与其吸收的光子数有关，可以使记录方式从目前的二存储变成多值存储，使存储容量提高许多倍。（4）三维多重体

8、全息存储，利用某些光学晶体的光折变效应记录全息图形图像，包括二值的或有灰阶的图像信息，由于全息图像对空间位置的敏感性，这种方法可以得到极高的存储容量，并基于光栅空间相位的变化，体全息存储器还有可能进行选择性擦除及重写。（5）利用当代物理学的其它成就，包括光子回波时域相干光子存储原理、光子俘获存储原理、共振荧光、超荧光和光学双稳态效应、光子诱发光致变色的光化学效应、双光子三维体相光致变色效应，以及借助许多新的工具和技术，诸如扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、光学集成技术及微光纤阵列技术等，提高存储密度和构成多层、多重、多灰阶、高速、并行读写海量存储系统。实验已证明目前的技术可使光

9、存储密度达到40100Gbitsin2。二、光存储发展的关键技术1.高密、高效、高速的母盘刻录技术采用短波激光和大数值孔径的物镜，可使道间距减小，比特长度减小，从而可提高光盘的刻录密度；采用脉宽调制，可显著提高记录效率。2.DVD单面盘的精密注塑及双盘的封装技术将DVD母盘、模板生产线挑选出的合格模板，用精密注塑机注塑成形，制得的DVD半成品经适当冷却，送入溅射室，根据不同要求，分别溅射金或铅，然后进行粘合剂旋涂、封装、紫外光固化、在线检测、商标印刷等，制成DVD只读光盘3.光盘记录介质DVD-RAM光盘是否稳定可靠，记录介质是关键，而材料设计能否满足高速存储的要求，又取决于记录介质能否在两个

10、稳定态之间实现快速可逆相变。国内外传统相变介质材料设计都是基于激光的热效应，信息写入用液相快淬实现；信息的擦除用晶核形成、晶粒长大来完成。由于热效应是能量积累过程，写入一个比特需较长时间，约几十纳秒，而且介质在经历几十万次的写擦循环后会出现信噪比下降的热疲劳。随着记录激光采用短波长，激光的热效应逐渐减弱，而激光光子的激发作用变得突出；所以新的材料设计基于激光的光效应。对半导体类型介质来讲，写入一个比特只要几十皮秒，使记录速率获得数量级的提高。这种基于非线性光学双稳态变化效应的记录介质称为光双稳态记录介质，它可以是无机材料，也可以是有机材料或无机-有机复合材料。从信息存储的角度看，一张以光形势存

11、储的CD-ROM完全可以看成一种新型的纸。一张小小的塑料圆盘，其直径不过12厘米（5英寸），重量不过20克，而存储容量却高达600多兆字节。如果单纯存放文字，一张CD-ROM相当于15万张16开的纸，足以容纳数百部大部头的著作。但是，CD-ROM在记录信息原理上却与纸大相径庭，CD-ROM盘上信息的写入和读出都是通过激光来实现的。激光通过聚焦后，可获得直径约为1微米（m）的光束。据此，荷兰飞利浦（Philips）公司的研究人员开始使用激光光束来进行记录和重放信息的研究。1972年，他们的研究获得了成功，1978年投放市场。最初的产品就是大家所熟知的激光视盘（LD,LaserVisionDisc

12、）系统。从LD的诞生至今，光盘有了很大的发展，它经历了三个阶段：（1）LD-激光视盘（2）CD-DA激光唱盘（3）CD-ROM下面简单介绍这三个阶段性的产品特点。1.LD-激光视盘它就是通常所说的LCD，直径较大，为12英寸，两面都可以记录信息，但是它记录的信号是模拟信号。模拟信号的处理机制是指模拟的电视图像信号和模拟的声音信号都要经过FM（FrequencyModulation）频率调制、线性叠加，然后进行限幅放大。限幅后的信号以0.5微米宽的凹坑长短来表示。2.CD-DA激光唱盘LD虽然赢得了成功，但由于事先没有制定统一的标准，使它的开发和制作一开始就陷入昂贵的资金投入中。1982年，由飞

13、利浦公司和索尼（Sony）公司制定了CD-DA激光唱盘的红皮书（RedBook）标准。由此，一种新型的激光唱盘诞生了。CD-DA激光唱盘记录音响的方法与LD系统不同，CD-DA激光唱盘系统首先把模拟的音响信号进行PCM（脉冲编码调制）数字化处理，再经过EFM（8-14位调制）编码之后记录到盘上。数字记录代替模拟记录的好处是：对干扰和噪声不敏感；由于盘本身的缺陷、划伤或沾污而引起的错误可以校正。3.CD-ROMCD-DA系统取得成功以后，这就使飞利浦公司和索尼公司很自然地想到，利用CD-DA作为计算机大容量只读存储器.但要把CD-DA作为计算机的存储器，还必须解决两个重要问题：建立适合于计算机读

14、写的盘的数据结构；CD-DA误码率必须从现有的10-9降低到10-12以下。由此就产生了CD-ROM的黄皮书（Yellow这个标准的核心思想是：盘上的数据以数据块的形式来组织，每块都要有地址。这样做后，盘上的数据就能从几百兆字节的存储空间上迅速找到。为了降低误码率，采用增加一种错误检测和错误校正的方案。错误检测采用了循环冗余检测码，即所谓CRC；错误校正采用里德-索洛蒙（ReedSolomon）码。黄皮书确立了CD-ROM的物理结构，而为了使其能在计算机上完全兼容，后来又制定了CD-ROM的文件系统标准，即ISO9660。有了这两个标准，CD-ROM在全世界范围内得到了迅速推广和愈来愈广泛的应

15、用。在80年代中期，光盘的发展非常快，先后推出了WORM光盘、CD-ROM光盘、磁光盘（MOD）、相变光盘（PCD，PhaseChangeDisk）等新的品种。这些光盘的出现，给信息革命带来了很大的推动。光盘的分类一只读式光盘存储器CD-ROM 自1985年Philips和Sony公布了在光盘上记录计算机数据的黄皮书以来，CD-ROM驱动器便在计算机领域得到了广泛的应用。CD-ROM光盘不仅可交叉存储大容量的文字、声音、图形和图象等多种媒体的数字化信息，而且便于快速检索，因此CD-ROM驱动器已成为多媒体计算机中的标准配置之一。MPC标准已经对CD-ROM的数据传输速率和所支持的数据格式进行了

16、规定。MPC 3标准要求CD-ROM驱动器的数据传输率为600KB/秒（4倍速），并支持CD-ROM、CD-ROM XA、Photo CD、Video CD和CD-I等光盘格式。 CD-ROM是发行多媒体节目的优选载体。原因是它的存储容量大，制造成本低，大批量生产时每片不到5元人民币。目前，大量的文献资料、视听材料、教育节目、影视节目、游戏、图书、计算机软件等都通过CD-ROM来传播 二一次写光盘存储器CD-R 信息时代的加速到来使得越来越多的数据需要保存，需要交换。由于CD-ROM是只读式光盘，因此用户自己无法利用CD-ROM对数据进行备份和交换。在CD-R刻录机大批量进入市场以前，用户的唯

17、一选择就是采用可擦写光盘机。 可擦写光盘机根据其记录原理的不同，有磁光驱动器MO和相变驱动器PD。虽然这两种产品较早进入市场，但是记录在MO或PD盘片上的数据无法在广泛使用的CD-ROM驱动器上读取，因此难以实现数据交换和数据分发，更不可能制作自己的CD、VCD或CD-ROM节目。 CD-R的出现适时地解决了上述问题，CD-R是英文CD Recordable的简称，中文简称刻录机。CD-R标准（橙皮书）是由Philips公司于1990年制定的，目前已成为工业界广泛认可的标准。CD-R的另一英文名称是CD-WO（Write Once ），顾名思义，就是只允许写一次，写完以后，记录在CD-R盘上的

18、信息无法被改写，但可以象CD-ROM盘片一样，在CD-ROM驱动器和CD-R驱动器上被反复地读取多次。 CD-R盘与CD-ROM盘相比有许多共同之处，它们的主要差别在于CD-R盘上增加了一层有机染料作为记录层，反射层用金，而不是CD-ROM中的铝。当写入激光束聚焦到记录层上时，染料被加热后烧溶，形成一系列代表信息的凹坑。这些凹坑与CD-ROM盘上的凹坑类似，但CD-ROM盘上的凹坑是用金属压模压出的。 CD-R驱动器中使用的光学读/写头与CD-ROM的光学读出头类似，只是其激光功率受写入信号的调制。CD-R驱动器刻录时，在要形成凹坑的地方，半导体激光器的输出功率变大；不形成凹坑的地方，输出功率

19、变小。在读出时，与CD-ROM一样，要输出恒定的小功率。 通常，CD-ROM除了要符合黄皮书以外，还要遵照一个附加的国际标准：ISO9660。这是因为当初Philips和Sony没有定义CD-ROM的文件结构，而且各种计算机操作系统也只规定了该操作系统下的硬盘和软盘文件结构，使得不同厂家生产的CD-ROM具有不同的文件结构，曾经一度引起了混乱。后来，ISO 9660规定了CD-ROM的文件结构，Microsoft公司很快就为CD-ROM开发了设备驱动软件MSCDEX，使得不同生产厂家的CD-ROM在不同的操作系统环境下都能彼此兼容，就象该操作系统下的另外一个逻辑驱动器目录或磁盘。 CD-R的发

20、展已有很多年的历史，但是也还存在上述类似的问题。我们无法在DOS或Windows环境下对CD-R驱动器直接进行读写，而是要依赖于CD-R生产厂家提供的刻录软件。大多数刻录软件的用户界面并不直观，而且系统安装设置也比较繁琐，给用户的使用带来很多麻烦和障碍。 为了改变这一状况，国际标准化组织下的OSTA（光学存储技术协会）最近制定了CD-UDF通用磁盘格式，只要对每一种操作系统开发相应的设备驱动软件或扩展软件，就可使操作系统将CD-R驱动器看作为一个逻辑驱动器。采用CD-UDF的CD-R刻录机会使用户感到，使用CD-R备份文件就如同使用软盘或硬盘一样方便。用户可以直接使用DOS命令对CD-R进行读

21、写操作，如果用户使用如Windows Explorer这样的图形文件管理软件，可将文件拖曳或投入（drag and drop）到CD-R刻录机中，就可将文件课录到CD-R盘上。 CD-UDF也是沟通ISO9660与DVD-UDF文件结构的桥梁，采用CD-UDF文件结构的CD-R盘可在DVD-ROM驱动器上读出。 Philips公司推出的第四代CDD2600刻录机首先采用了CD-UDF文件格式，并可在Windows 环境下即插即用，使CD-R技术的发展步入了一个新的里程。 三可擦写光盘存储器 1MO可擦写光盘存储器 MO是英文Magnet-Optical的缩写，是指利用激光与磁性共同作用的结果记

22、录信息的光磁盘。MO盘用来存储信息的媒体与软磁盘相似，但其信息记录密度和容量却比软磁盘高的多。这是由于记录时在盘的上面施加磁场，而在盘下面用激光照射。磁场作用于盘面上的区域比较大，而激光通过光学系统聚焦于盘面的光点直径只有12微米。在受光区域，激光的光能转化为热能，并使磁性层受热而变的不稳定，即变的易受磁场影响。这样，在直径只有12微米的极小区域内就可记录下一个单位的信息。通常的磁性记录方式存储一个单位的信息时，要占用相当大的区域，因而磁道也相应变宽，盘上记录信息的总量也就很小。 MO盘片虽然比硬盘和软盘便宜和耐用，但是与CD-R盘片相比就显得比较昂贵了。MO的致命缺点是不能用普通CD-ROM

23、驱动器读出，因而不能满足信息社会对计算机数据进行交换和数据分发的要求，在网络技术和网络建设不发达的地方，这一问题日驱突出和严重。 2可擦写光盘存储器CD-RW 为了使可擦写相变光盘与CD-ROM和CD-R兼容，早在1995年4月，飞利浦公司就提出了与CD-ROM和CD-R兼容的相变型可擦写光盘驱动器CD-E（CD Erasable）。CD-E得到了包括IBM、HP、Mitsubishi 、Mitsumi、松下电器、Sony、3M以及Olympus等公司的支持。1996年10月，Philips、Sony、HP、Mitsubishi和Ricoh五家公司共同宣布了这一新的可擦写CD标准，并将CD-E

24、更名为CD-RW（CD-ReWritable）。CD-RW标准的制定标志着工业界可以开发并向市场提供这种新产品。 CD-RW兼容CD-ROM和CD-R，CD-RW驱动器允许用户读取CD-ROM、CD-R和CD-RW盘，刻录CD-R盘，擦除和重写CD-RW盘。由于CD-RW采用CD-UDF文件结构，因此CD-RW可作为一台海量软盘驱动器使用，也可在DVD-ROM驱动器读取，具有更广泛的应用前景。 MO虽然有不少特点，但是它们只能被其它同类驱动器读取，不能在广泛流行的CD-ROM上使用。MO没有市场共享性，购买者只是将它们用于数据备份，因此难以实现数据交换和数据分发，更不可能制作自己的CD、VCD

25、或CD-ROM节目。 因此MO很难在市场上流行起来。 CD-R是可记录光盘市场上的后起之秀，虽然只能刻录一次，但由于它与广泛使用的CD-ROM兼容，并具有较低的记录成本和很高的数据可靠性赢得了众多计算机用户的普遍欢迎。CD-R目前是各种光盘存储产品中发展最迅猛的一种，。CD-R刻录机的价格相对几年前已下跌了很大幅度。在国外，CD-R刻录机正在逐步取代CD-ROM驱动器而成为计算机的一种标准配置。 CD-RW是一个已经得到众多公司和用户普遍支持的可擦写光盘标准。由于CD-RW仍沿用了CD的EFM调制方式和CIR检纠错方法，CD-RW盘与CD-ROM盘具有相同的物理格式和逻辑格式，因此CD-RW驱

26、动器与CD-R驱动器的光学、机械、及电子部分类似，一些零部件甚至可以互换，这将大大节省CD-RW的开发和生产费用，降低CD-RW驱动器的成本，使CD-RW未来就能迅速在可擦写光盘产品市场占有一定的份额。光盘技术的发展与展望-光电技术光盘技术的发展与展望光盘技术的发展 光盘的结构CD光盘的结构尺寸如图所示。CD光盘的直径是12Omm、厚度为1.2mm、重量为15g、光盘的中心孔直径为15mm，节目从内圈5Omm。开始到百径为116mm处结束。播放时间最长为74min。光盘由透明塑料PCC聚碳酸酷基片做成，由衬底层、反射层及保护层和最上面的商标层组成。光盘的信息是通过激光反射原理从信息面通过透明塑

27、料来读取的。在反射层中有四凸坑来表示的信息。当激光头的激光束照射这些凹凸坑时，产生强弱不同的反射光，再将这些反射光变为大小不同的电流，经解码电路还原成信号。光盘的信息坑长为0.93.2m，信息坑宽为0.5m，信息坑深为0.11m，信息纹迹间距为1.6m。DVD光盘结构DVD（Digital Versatile Disk，数字多功能光碟，也称作 Digital Video Disk，数字影像光碟），以其影院级的音像效果，支持多语音、多字幕、多视角及强大的交互功能，将视听享受带到非VCD所能比拟的层次。DVD采用MPEG2的高画质压缩算法，原版DVD的信号源是高达1000多线的电影原始拷贝转成的数

28、字式Beatcam带，所以可以轻易达到520线的解析度。而原版DVD影碟声音部分几乎全部采用5.1声道的数字环绕立体声方式（DOLBY DIGITAL 5.1，俗称AC-3）或者更高档的DTS压缩算法录制，完全不同于以往对两声道立体声进行模拟环绕声的播放方式。均有全频宽大的动态表现（超重低音除外），组成影音双全的影院效果，使用户获得真正家庭影院的享受。一、DVD的格式DVD盘片都是由上下两片片基组成，每片片基上最多可以容纳两层数据，DVD光头能够通过调整焦距来读取这两层数据。在制作过程中，把数据读取面向外，两片片基粘合在一起，就成了一盘完整的DVD盘片。一般市面上出售的DVD碟，包装上都注明了

29、DVD的格式，常见的有D9、D5等。不同的格式除了DVD碟片制造工艺上的差别以外，跟影片的质量也密切相关。1、D5：单面单层（Single Sided / Single Layer）容量约4.7GBD5格式的DVD影碟是把所有资料存放在一面DVD碟片上，另一面印上影片的资料作封面。DVD机的激光头由DVD碟片的圆芯开始，一直向圆周读出去。相比而言，D5格式的DVD（单面单层），存储数据量最少，相应压缩比率较高，其音频、视频效果也受影响。2、D9：单面双层（Single Sided / Dual Layer）容量约8.5GBD9格式采用两层来存放数据。和D5格式不同，D9虽然也只有一面可读，但这

30、一面是两层的（容量大了一倍）。播放时激光头由D9碟片的圆芯开始，一直向外圆周读出去，当读完第一层后，激光头会自动调整焦距穿透第一层，到达第二层后，激光头再由圆周开始向内圆芯读回去，直到读完第二层为止。对于同一部电影来说，D9比起D5格式存储空间变大了，效果自然会有所提升。3、D10：双面单层（Double Sided / Single Layer）容量约9.4GBD10是双面单层，就是两面都同时存放资料，A面存放一层资料，B面同样存放一层资料。观看D10时，要翻转碟片，才能继续观看。4、D14：双面多层（Double Side / Multiple Layer）容量约13GBD14是以两面三层来记录数据的，第一面是双层，而第二面是单层。5、D18：双面双层（Double Sided / Double Layer）容量约17GBD18 合共拥有两面四层的空间去记录数据，能把压缩率减到最低，效果也最为突出。二、DVD区码的限制现行DVD影片的保护措施（区码的限制）是由美国八大影业所提出，将DVD影片分成6区来发行，最主要就是要保护经销商与代理商的权益，杜绝产品的水货及平行输入的问题。DVD区码总共可以区分为六个不同的区域，