南通大学计算机教研室

第六章 数据的光盘存储技术第六章 数据的光盘存储技术

2

主要内容主要内容1. CD 简介2. CD 的工作原理3. CD 的制作4. DVD 介绍5. CD 的物理格式6. CD 的逻辑格式7. 光存储技术发展趋势——全息光存储

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6.1 6.1 简介－ 简介－ DISC DISC 与 与 DISKDISK

原先意义： 专业上一般用 DISK

Professional

娱乐中一般用 DISC

Entertainment

随着多媒体时代的到来：愿意用 DISC 取代 DISK

4

6.1 6.1 数字光盘在信息社会中的地位数字光盘在信息社会中的地位

信息产业

基础产业

核心产业

信息处理计 算 机

信息传输通信网络

信息存储光磁 / 盘 , 带 ,

卡

软 件 IC 芯片

5

6.1 6.1 数字光盘在信息社会中的地位数字光盘在信息社会中的地位 光盘产业是信息产业群中的基础产业， 也是一种数字化产业。

社会发展：农业社会 工业社会 信息社会

信息是知识经济的“能源”，就像工业经 济以石油，煤为能源一样。

6

6.1 6.1 光存储有以下几种形式光存储有以下几种形式

光盘 磁盘

光卡 磁卡、 IC 卡、闪存卡

光带 磁带

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6.1 6.1 简介— 简介— CDCD 历史历史1972 年， Philips 公司展示了播放电视节目的

光盘播放系统；1978 年，第一台光盘播放机问世；1982 年， Philips 、 Sony 公司制定 Red Book

标准， CD-DA 光盘问世；1985 年， Yellow Book 标准制定， CD-ROM

光盘问世； ‥‥‥等等，一系列标准和产品相继问世。

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6.1 6.1 简介— 光存储历史简介— 光存储历史1. LD &LV ( 模拟存储 )2. CD-DA3. CD-ROM4. CD-I5. CD-R6. VCD7. CD-RW8. DVD

9

6.1 6.1 简介简介 - - LDLD ，， LV LV (Laser Disc;Laser Visi(Laser Disc;Laser Vision)on)

模拟存储，俗称：镭射影碟 直径 × 中孔直径 × 厚度 (mm)

ф300×ф35×1.2 ， ф200×ф35×1.2

CAV （ constant Angular Velocity ）存 30 分 / 面CLV （ constant Linear Velocity ）存 60 分 / 面69 年研究， 72 年 DEMO ， 78 年推向市场荷兰 philips 发明

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6.1.1 6.1.1 CD-DA CD-DA 数字激光唱盘数字激光唱盘 1982 年推向市场，形成了规模化的光盘产业

第 1 台 CD-DA 播放机（ player ）取名为： CDP-101 →

一百年才得一次的发明 荷兰 philips / 日本 sony 发明

CD-DA 行业标准： Red Book 红皮书 国际标准： IEC908 → Compact disc digital audio System

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6.1.2 CD-ROM6.1.2 CD-ROM 计算机用只读光计算机用只读光盘盘

CD-Read Only Memory ，驱动器（ drive ）ф120×ф15×1.2 ， 650MB ， CLV ，1984 年推向市场，形成了多媒体计算机概念Philips/Sony 发明CD-ROM 行业标准： Yellow Book 黄皮书国际标准： ISO/IEC10149

国家标准： GB/T16969-1997

使计算机具有了多媒体的功能

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6.1.3 6.1.3 CD-ICD-I 交互式交互式 CDCD 只读光盘只读光盘

CD-Interactive

1987 年推向市场，提出了“交互性”使用功能

philips/Sony 发明CD-I 行业标准： Green Book 绿皮书无国际标准商业上并不成功

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6.1.4 6.1.4 CD-RCD-R 可录光盘可录光盘 (( 一次写多次一次写多次读读 ))

CD-Recordable• 1990 年推向市场，利用染料（ Dye ）做

记录介质， philips/sony 发明 • CD-R 行业标准： OrangeBook II 橙皮书• 无国际标准• 市场巨大，极好的商业机会（ CD-MO ， Orange Book I ）

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6.1.56.1.5 Video-CD(VCD)Video-CD(VCD) 数字激光视盘数字激光视盘俗称：小影碟1993 年推向市场，形成了中国的规模化光盘产业philips/sony/JVC/Matsushita 发明V-CD 行业标准： WhiteBook 白皮书无国际标准SVCD由中国与上述 4 公司 共同制定

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6.1.6 6.1.6 CD-RWCD-RW 可擦写可擦写 CDCD 光盘光盘CDCD-RREWWRITABLE ，利用相变材料（ phase-chan

ge ）作介质， 1K 次擦写1996 年推向市场，PHILIPS/SONY 发明CD-RW 行业标准： ORANGE BOOK III 橙皮书无国际标准商业价值比预想小得多

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6.1.7 6.1.7

0.74 m

17

0.52 m

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6.1.9 6.1.9 数字光盘特点（优点）数字光盘特点（优点）1. 记录密度高 信道间距 1.6μm->0.74μm->0.54μm

CD DVD HDDVD

2. 保存期长 40至百年不等

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6.1.9 6.1.9 数字光盘特点（优点）数字光盘特点（优点）3. 成本低 兆字节（ MB ）成本点几分至几毛钱4. 数字化 便于传输，处理，存储5. 携带传递方便 可脱机

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6.1.10 6.1.10 小 结小 结CD-Audio

1982

CD-ROM

1984

CD-R

1990

CD-I

1987

V-CD

1993

CD-RW

1996

DVD-Audio

1998

DVD-Video

1996

DVD-ROM

1996

DVD-RAM

1997/98

DVD-R

1997

DVD-RW, DVD+R, DVD+RW

(Pioneer) (Philips)

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主要内容主要内容1. CD 简介2. CD 的工作原理3. CD 的制作4. DVD 介绍5. CD 的物理格式6. CD 的逻辑格式7. 光存储技术发展趋势——全息光存储

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6.2 CD 6.2 CD 工作原理工作原理A. 记录介质

B. 读出原理

C. 记录格式 (Format) 介绍

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6.2.1 6.2.1 光盘记录介质光盘记录介质光盘记录介质分为：1. 一次写记录介质 —— CD-R / DVD-R

染料以及其他一次写记录材料2. 可擦写记录介质 —— CD-RW / DVD-RW 、 DVD+RW 、 DVD-RAM

相变 (PC) 和磁光 (MO) 光盘记录介质 PhaseChange Magnet-Optics

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1. 用酞菁染料 (phthalocyanine) CD-R 光盘呈淡绿的银色，称“银盘”，如用 金做反射层，则呈淡绿的金色，称“金盘”。

2. 用花青染料 (Cyanine) CD-R 光盘呈绿色，称“绿盘”。

3. 用偶氮染料 (azo-dyes) 金属化的偶氮染料 CD-R 光盘呈蓝褐色，目 前较少应用

6.2.1 CD-R / DVD-R 6.2.1 CD-R / DVD-R 记录层的染料 记录层的染料 (Dy(Dye)e)

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不管哪一种染料，其记录薄膜 ( 几十 nm)

的记录点是靠有机染料吸收记录激光束的能量，由于热效应使有机染料分解，由此引起有机染料的漂白和鼓泡（凹坑），从而改变记录薄膜的光透光反射特性。 其记录寿命决定于染料薄膜和记录点结构的稳定性。

6.2.1 CD-R / DVD-R 6.2.1 CD-R / DVD-R 记录原理记录原理

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记录激光束对染料层的贡献：漂白（“白化”）记录激光束对染料层的贡献：漂白（“白化”）

保护漆

聚碳酸脂

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记录激光束对染料层的贡献：鼓泡记录激光束对染料层的贡献：鼓泡（“小丘”）— 凹坑的对应（“小丘”）— 凹坑的对应

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WORM (Write Once Read Many)WORM (Write Once Read Many)一次写多次读记录介质一次写多次读记录介质

应用在档案类存储，往往在大尺寸光盘 (14" 、 356mm ， 12" 、 300mm) 中使用

其记录方式有： a. 烧蚀型 b. 起泡型 c. 纹理型 d. 相变型 e. 光致变色型 等

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b. 起泡型 c. 纹理型

d. 相变型 e. 光致变色型

a. 烧蚀型

6.2.1 6.2.1 WORM WORM 型一次写光盘记录原型一次写光盘记录原理理

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a. a. 烧蚀型 烧蚀型 (Ablation)(Ablation)

烧蚀型记录介质应有较低的熔点，如碲 (Te) 、 铋 (Bi) 和硒 (Se) 基合金，熔点为 450 度左右；

利用激光热效应，使光照微区熔化，在表面 张力作用下产生一个稳定的信息坑 (pit) ；加 上上述材料热扩散能力差，非常适于一次写 光盘；

目前，除 CD-R/DVD-R 外一次写光盘，大多 使用上述一次写记录材料。

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b. b. 起泡型 起泡型 (Bubble)(Bubble)

起泡型一次写记录介质为三层结构； 表面层是熔点较高的金或铂薄膜，把它蒸镀在透明的染料 -聚合物层上面，第三层是反射层；

当金属膜层吸热并传给低熔点染料 -聚合物时，聚焦点部位升温并分解， 产生气体使金属膜凸起，形成气泡；

由起泡处形成的反射率与背景原始反射率形成强烈的读出反差；

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c. c. 纹理型 纹理型 (Texture)(Texture)

利用离子束刻蚀记录介质表面，使之形成 文理状结构，或采用真空沉积方法形成一 种既小又分离的小岛似形状；

激光束照射微区时，其纹理状膜层强烈吸 收光能，致使纹理熔化成镜面状；

形成反射率变化的一次写光记录

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d. d. 相变型 相变型 (phase-change)(phase-change) 相变材料既可一次写也可用作可擦写； 一次写一般采用一种 TeOx 的碲氧化物相变介

质，其初始反射率为百分之十几，当记录光热效应使碲的微晶熔化，在宏观不变形的情况下，碲微粒倾向融合并在冷却后重新结晶，其复合反射率上升至百分之二十几；

为此产生反射率差，完成一次写记录过程

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光致变色介质有无机和有机两大类，并同样具有一次写和可擦写两种功能；

记录特点记录特点：光照微区在记录过程中，将从一种光学状态变化到另一种光学状态，发生光呈色反应，从而实现反射率的变化；

当记录膜层发生不可逆的变化或完全破坏，则为一次写记录；为可逆并形成两种不同反射率的稳定态，则为可擦写记录。

e. e. 光致变色型 光致变色型 (photo chromism)(photo chromism)

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6.2.2 6.2.2 读出原理读出原理条件：讨论只读光盘 CD-DA ， CD-ROM ， V-CD ， DVD-Audio ， DVD-ROM ， DVD-Video 等原理：利用反射光的强度变化的原理： 反射光的强度变化时为 “ 1” 码 反射光的强度不变时为 “ 0” 码

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6.2.2 6.2.2 读出激光光斑大小读出激光光斑大小

(0.5~0.6)λ DIA. = NADIA. 是用光强半峰值宽度的最大值表示 (Full width half Max. ， FWHM)

λ 是光源波长 CD ： 780 nm DVD ： 650 nm

NA 是数值孔径，表示聚焦能力的大小 ( Number Aperture) CD ： 0.45

DVD ： 0.6

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6.2.2 6.2.2 物 镜物 镜Objective Lens

F ： 焦距D ： 通光孔径 ( D = 2R )

数值孔径 NA = sin = R / ( R2+F2 )½

R / F

F

θ

D

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6.2.2 6.2.2 计算计算 CDCD 光盘的读出光斑大光盘的读出光斑大小小

(0.5~0.6)λ DIA. = NA

(0.5~0.6) * 780nm = 0.45

= (0.87~1.04) µm

1 µm

39

6.2.2 6.2.2 CDCD 只读光盘上的信息斑点只读光盘上的信息斑点 (Pi(Pit)t)

0.83µm

1001000100001000000000010000001

3T3.05μm

4T 5T11T

7T

3T 4T 11T

1.6µm

10 0 10 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 10 0 1

读光斑 CLV

3T6T

包括： 信息坑（ groove ） 信息面（ land ）

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6.2.26.2.2CDCD 只读光盘上的信息斑点只读光盘上的信息斑点时间窗口 T 是 1 ( channel ) bit 需要的时间。 T = 1/4.3218 Mbit/s = 231.4 ns

3T = 694.2 ns

11T = 2545.4 ns

•1T 时间走过的距离 = 0.278 µm

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6.2.2 6.2.2 CDCD 只读光盘上的信息斑点只读光盘上的信息斑点

最短信息坑 ( 面 ) ： 3T = 0.834 ( T = 0.278 µ

m )

最长信息坑 ( 面 ) ： 11T = 3.058 µm

信息坑宽： ( 0.5 ~ 0.6 ) µm

信息坑深 :

所以， CD 盘用 3T ， 4T ，…， 11T共 9个数表示了所有数据

λ 780= = 0.13 µm 4n 4 *1.5

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6.2.2 6.2.2 读出光路图读出光路图（了解）（了解）

LD 光源

QP

OBL DM 盘电机

光盘

G

信息面

物镜 NA = 0.45

FC聚焦线圈

TC跟踪线圈

PBS 偏振分束镜

CL 准直镜PD 光电探测器

RF (HF) 读出信号

FES聚焦误差信号

TES 跟踪误差信号

QP1/4 波片

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6.2.2 6.2.2 读出光路图 读出光路图 (( 了解了解 ))关键点： 1/4 波片 ( QP ) 作用 PBS 对 P 线偏振光全透射 对 S 线偏振光全反射

P 光或 S 光二次经过 1/4 波片，其角色相互交换， 即： P 线偏振光通过 QP 转 45 。成圆偏振光，返回 时再次通过 QP 又转 45 。成 S 偏振光。

44

6.2.2 6.2.2 读出光路图 读出光路图 (( 了解了解 ))

同时： 从PD ( photo ditector ) 上不但读出 RF 信号

还读出 FES 和 TES，保证光学头中光斑聚焦，

信道跟踪的稳定性和可靠性（光电闭环数字控制

系统）

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6.2.3 6.2.3 记录格式 记录格式 (Format) (Format) 介绍介绍

光盘上记录方式：

① 脉冲位置调制 — PPM

( Pulse Position Modulation )

② 脉冲宽度调制 — PWM

( Pulse Width Modulation )

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6.2.3 PPM6.2.3 PPM 和和 PWMPWM （理解）（理解）

0100100100001000

0100100100001000

0100100100001000 1 0 0 1 0 0 0 0

PPM

PWM

Recorded pits

Recorded signal

Source signal

Channel bits

CD/DVD 的记录方式 - PWM

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主要内容主要内容1. CD 简介2. CD 的工作原理3. CD 的制作4. DVD 介绍5. CD 的物理格式6. CD 的逻辑格式7. 光存储技术发展趋势——全息光存储

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6.3 CD6.3 CD 盘的制作盘的制作A. 盘片结构

B. 只读光盘制造：母盘、复制

C. 光盘记录介质介绍

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6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - CD- CD

四层结构 ：1. 盘基 (衬底 ) ： PC塑料， PolyCarbon

ate

聚碳酸脂 PMMAL 有机玻璃2. 反射层： 铝 AL

3. 保护层： 丙烯酸脂， Lacquer

4. 盘 标： 印刷面

1. CD-DA ， CD-ROM ， VCD

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6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - CD- CD

1.2mm

印刷层保护层AL信息道PC

Laser Beam

OB

R ≥ 70%

只读 CD 结构示意图

51

6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - CD-R- CD-R

1. 盘基 (衬底 ) ： （ substrate ）2. 记录层：染料 Dye （ recording layer ）3. 反射层：金 Au 或银 Ag （ reflective lay

er ）4. 保护层： 5. 盘 标： （ logo 等）

2. CD-R 五层结构

52

6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - CD-R- CD-R

1.2mm

印刷层保护层反射层记录层伺服道PCR ≥ 65%

注：伺服道：※ Wobble 形，用摆动频率记录时间 ※Tracking

小结： CD-R ， CD-RW采用 Wobble 形的伺服槽

CD-R 结构示意图

53

6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - CD-R- CD-RCD-R 记录层：染料

酞菁染料（酞花青） PhthaloCyanine

花青染料 Cyanine

偶氮染料

另外反射层： Au 或 Ag ，延展性好

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6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - CD-RW- CD-RW

1. 盘 基： PC塑料2. 保护层： SiO2

3. 记录层：相变材料 碲 Te 、锗 Ge 等稀土材料配比而成4. 保护层： SiO2

5. 反射层： AL

6. 保护层：7. 印刷层：

CD-RW 七层结构

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6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - CD-RW- CD-RWCD-RW 结构示意图

1.2mm

印刷层保护层 (SiO2)反射层保护层 (SiO2)rec. (phasechange)保护层 (SiO2)伺服道盘基

R ≥ 65%

R ≥ 15%

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6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - DVD- DVD只读 DVD (Digital Versatile Disc)

(DVD-Video ， DVD-ROM ， DVD-Audio 三种 )0.6mm × 2 = 1.2mm 的双层结构

单面单层 4.7GB 俗称 DVD5

单面双层 8.5GB DVD9

双面单层 9.4GB DVD10

双面双层 17GB DVD18

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6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - DVD5- DVD5DVD5 结构示意图

关键：粘接 (bonding) ，透明 UV树脂胶 0.6mm 盘片防变形

(DVD10 与 DVD5 ×2相同 )

1.2mm

印刷空白盘粘接层 (40 ~ 60) µm工艺同 CD

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6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - DVD9- DVD9DVD9 结构示意图

R0 = 40% (max.)R1 = 30% (max.)

印刷层

粘接层1.2mm

0.6mm

0.6mm

0 Layer(4.7GB)

1 Layer(3.8GB)

(DVD18需要 “ 2P法” 工艺 )

59

6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - DVD9- DVD9

Stamper 1 Stamper 2

0.6mm 0.6mm

半反射金或硅 全反射铝

透明 UV树脂1.2mm

0.6mm

0.6mm

PCPC

Laser Beam

DVD9 结构示意图

60

6.3.1 6.3.1 盘片结构盘片结构 - SACD- SACDSACD 光盘（ Super Audio CD ）

结构同 DVD9

其中一层为 DVD-Audio ，另一层为 CD-Audi

o

DVD 可得到 5.1 ， 7.1 的剧场效果CD 为立体声（ L 、 R ）

61

包括两部分：1. 母盘制造 (Mastering)

2. 光盘复制 (Replication)

工序：母盘 (mastering) 模板 (stamper)

复制（ Replication ）

工艺过程如下：

6.3.2 6.3.2 光盘的制造－母盘光盘的制造－母盘

1. 母盘 (master)

62

6.3.2 6.3.2 光盘的制造光盘的制造 --玻璃母盘玻璃母盘磁带 (DAT ， DLT)磁盘 HD光盘 CD-R/RW

玻璃基板清洗准备

涂光刻胶（先涂底胶）

信号光刻(LBR)

曝光显影固化

正像主盘（原盘）

in.

63

6.3.2 6.3.2 光盘的制造光盘的制造 --压模盘压模盘正像主盘（原盘） 电铸镍金属化

（镀金）

第一版镍模（负像父盘） Stamper

父盘

in.

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6.3.2 6.3.2 光盘的制造光盘的制造 --父盘母盘父盘母盘

(压模盘 )

子盘

FatherDisc 电铸镍

第二版镍板（正像母盘）

MotherDisc 电铸镍

第三版镍板（负像子盘）

母盘

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6.3.2 6.3.2 光盘的制造－说明光盘的制造－说明 用 Stamper 模板进行盘片复制 1 张 Stamper 可复制 (2 ~ 3) 万片

玻璃基板为光学级基板 Ф 160 × 10mm ，循环使用 20 次 Ф 160 × 1.1mm

光刻胶 —— 光敏电阻（使其曝光）

信号刻录 (LBR) ， Laser Beam Recorder

66

6.3.2 6.3.2 光盘的制造－复制光盘的制造－复制2. 复制 (Replication)

PC 料干燥

溅镀 ALSputtering

注塑Molding

模板Stamper

旋涂Lacquer 印盘标

in.

保护漆反射层

压模

67

6.3.2 6.3.2 光盘的制造－复制光盘的制造－复制1. PC 料干燥至含水量小于 (0.3~0.4)%

2. 模板 — Father Disc 或 Son Disc

3. 注塑 — 油压或全电动注塑机， Cycle time ≤ 3.8sec.

4. 溅镀机 — (30 ~ 60) nm 厚，≤ 2sec.

5. 旋涂保护胶 (5 ~ 20) µm 厚6. 印刷 — LOGO

68

6.3.2 6.3.2 光盘的制造－盘标印刷光盘的制造－盘标印刷 丝网印刷， Screen

柯式印刷 (胶印 ) ， off-set

前者成本低 (设备上 ) ，无过渡色

后者成本高，印出的颜色更趋自然

（设备成本差 4 ~ 6 倍）

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6.3.2 6.3.2 光盘的制造－光盘的制造－线上检测线上检测

• 涂光刻胶 — 检查平度、厚度和有否针眼等• 金属化 — 检查读出信号• 旋涂后 — 在线检查机械、物理缺陷• 有以下几方面：

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6.3.2 6.3.2 光盘的制造－光盘的制造－缺陷检测缺陷检测1. 针孔 (pinhole)

2. 保护胶起泡 (Lacquer Bubble)

3. 反射层 AL 凹痕 (Dent)4. 信息层划伤 (Info. Scratch)

5. 油 (Oil)

6. 黑斑 (污 ) (Black Speck)

7. 表面倾斜 (Flow Line)

8. 空气泡 (Air Bubble)

9. PC 层划伤 (Surface Scratch)

10. 保护层起污 (Lacquer Splash)

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主要内容主要内容1. CD 简介2. CD 的工作原理3. CD 的制作4. DVD 介绍5. CD 的物理格式6. CD 的逻辑格式7. 光存储技术发展趋势——全息光存储

72

6.4 DVD6.4 DVD 介绍介绍1. DVD 概述2. DVD/SVCD/VCD 图像清晰度3. 高密度和超高密度存储

73

1. DVD 介绍

CD DVD (Digital Versatile Disc) LASER ： = 780nm = 650nm

NA = 0.45 NA = 0.60

Thickness ： 1.2mm 0.6mm × 2 = 1.2mm

Codecs ： 8-17调制 8-16调制 (Coding &

CIRC检纠错 RS-PC检纠错 Docoding)

Capacity ： 650MB 4.7GB 17GB

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6.4.1 DVD 6.4.1 DVD 种类种类1. DVD-ROM/Video/Audio

单面单层 4.7GB (DVD 5) 单面双层 8.5GB (DVD 9) 双面单层 9.4GB (DVD 10) 双面双层 17GB (DVD 18)

2. DVD-R/RW/RAM 为单面单层或双面单层 DVD-R 3.9GB ， 4.7GB DVD-RW 4.7GB DVD-RAM 2.6GB ， 4.7GB ， 9.4GB/双面

3. DVD-Video Recording (DVD-RW/RAM) 规定了录制影视频的方法 DVD+RW 3.0GB ， 4.7GB

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6.4.1 DVD 6.4.1 DVD 光盘的兼容性光盘的兼容性CD-ROM drive DVD-ROM drive DVD-RAM drive

CD-ROMCD-R

CD-(RW)

DVD-ROMDVD-R

DVD-(RW)

DVD-RAM （带盒）

（不带盒）

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6.4.2 6.4.2 DVD/SVCD/VCD DVD/SVCD/VCD 图象清晰度图象清晰度关于视频图象 ( 像素 pixel 表示 )

电影 / 数字电影： 4096 × 3112 ， 2048 × 1556

高清电视 HDTV ： 1920 × 1080 / 1152 (NTSC/PAL) 1440 × 1080 / 1152

--- ---DVD/ 标清 (SDTV) ： 720 × 480 / 576 (D1)

(704 × 480 / 576) 528 × 480 / 576 (3/4 D1) (544 × 480 / 576)

SVCD 480 × 480 / 576 (2/3 D1)

CVD/MPEG2 352 × 480 / 576 (1/2 D1)

VCD/MPEG1 352 × 240 / 288 (1/4 D1)(SIF)

SIF ： MPEG1 的源输入格式

77

6.4.3 6.4.3 高密度和超高密度存储高密度和超高密度存储

从 DVD 红光 ~ HD.DVD 兰光母盘： = 351nm ， NA=0.9

道距 0.74 ~ 0.4(µm)

播放机、驱动器： = 410nm ， NA=0.8

增大容量为 (650/410)2 = 2.5倍

1. 进一步减短波长 ，增大数值孔径 NA

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改善记录方式、提高编码效率 （ HD.DVD 容量在 (18~22)GB之间） 从 CAV 到 MCAV (ZCAV) 可提高 1.5倍

从 PPM 到 PWM (Marking-edge Recordin

g) 可提高 1.5倍

Groove 和 Land同时记录 (指 R/RW/RAM) 可提高 (1.8~1.9) 倍

2. 改善记录方式

79

高分辨影像只与光孔大小 ( 几十 nm) 光孔至光盘介质距离 ( 几 nm) 有关

与入射光波长无关，无衍射效应

适用于母盘刻录

3. 近场光存储

80

A. 多层◆ 双光子记录

◆ 荧光读出

◆ 已记录到 100层（实验室）

4. 多维光存储－多记录层

81

B. 多波长◆ 不同波长的多色记录

◆ 一种材料只吸收一种波长

◆ 对其他层材料不吸收 — 透明

4. 多维光存储 - 多波长

82

C. 多阶◆ 信息坑 (pit) 产生多层台阶，

获得不同的反射率

◆ 光源能量分阶，获得不同的反射率

4. 多维光存储 - 多阶

83

利用全息原理，通过空间光调制器将信息 加载在物光上，照射晶体 (或聚合物等 )形 成电场产生折射率变化；

再利用另一参考光 ( 与物光成一角度 )照

射 而产生干涉条纹，形成明暗的强弱之分；

特点： 页面存储 (如 1024 × 1024 pixels) 并行读出 (如 DTR > 100MB/S) 存储密度可达 1GB/cm3 等

5. 全息光存储

84

“Data play”外径 32mm 孔 4mm厚 0.6mm 容量 500MB

“应用”music, photo, books, games

6. 小型化微型化

85

主要内容主要内容1. CD 简介2. CD 的工作原理3. CD 的制作4. DVD 介绍5. CD 的物理格式6. CD 的逻辑格式7. 光存储技术发展趋势——全息光存储

86

6.5 CD6.5 CD 的物理格式的物理格式CD 的格式包含：1. 物理格式： 规定数据如何存放到光盘上，这些数据包括：物理扇区的地址。数据的类型、数据块的大小、错误检测和校正码等。

2. 逻辑格式： 规定如何把文件组织到光盘上以及如何指定文件

在光盘上的物理位置。包括文件的结构、文件大小以及所需的盘片数目等

87

6.5.1 CD-DA6.5.1 CD-DA 的物理格式的物理格式一条光道 (track)由许多扇区 (sector)组成一个扇区由 98帧 (frame)(3234 字节 )

帧存放信息的基本数据单元

88

1. SYNC: 每一帧开头都有 24bits同步位 :( 不经 EFM)

2. 子码 (Subcode) ：提供盘地址信息， 8bits ；3. 声音数据： CD-DA 有两个声音通道 (左、右 ) ，分别采用 96bits表示；

4. P 、 Q校验码 (EDC): 分别采用 32bits 来校验右声道和左声道的声音数据。

6.5.1 CD-DA 6.5.1 CD-DA 扇区格式扇区格式

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

10 个 0 10 个 0

89

392 + 392 + 98 = 882 B从格式上相当于 F3 帧，还要进行 EFM 和加 MERGING ， SYNC 形成 Channel bit

用户数据 第一层EDC/ECC 第二层EDC/ECC 控制字节

2352B(24B 98F)

392BQ：98 × 4

392BP：98 × 4

98B

C：98 1

3234B

6.5.1 CD-DA 6.5.1 CD-DA 扇区格式扇区格式

90

6.5.1 CD-DA 6.5.1 CD-DA 一帧数据的通道位一帧数据的通道位

注：加 3bits 是为了增加游程长度，提高 读出数据的可靠性

表 一帧数据的通道位数编号 字段名称 通道位数 合计

(1) 同步位 (SYNC) 24+3 [不参加 EFM] 27(2) 子码 (Subcode) 1×(14＋ 3) 17(3) 数据 (左声道 ) 12×(14＋ 3) 204

(4) Q校验码 4×(14＋ 3) 68(5) 数据 (右声道 ) 12×(14＋ 3) 204

(6) P校验码 4×(14＋ 3) 68合计 588

91

6.5.2 CD-ROM6.5.2 CD-ROM 标准标准 CD-ROM增加两种类型的光道； 共有三种类型光道：1. CD-DA 光道：存储声音数据；2. CD-ROM Mode1 ：存储计算机数据；3. CD-ROM Mode2 ：存储声音数据、静态图像或视频数据。

92

CD-ROM 扇区格式是 CD-DA 的延伸：又加入模式 1 (mode 1) 用于存储计算机数据，模式2

(mode 2) 用于存储压缩的音频视频和图象数据

同步 字头 用户数据 EDC 空位 ECC

12B 4B 2048B 4B 8B 276B

第一、 二层

与控制字

2352B 882B

CD-ROM 模式 1

6.5.2 CD-ROM 6.5.2 CD-ROM 模式 模式 11

93

6.5.2 CD-ROM 6.5.2 CD-ROM 模式 模式 11 －说明－说明同步： 12B ；字头： 4B ，定义扇区地址（时间格式）；用户数据： 2048B ；EDC ： 4B ，检错位，如错，则执行 ECC ；ECC ： 276B ，纠错码。

4字节的扇区地址称为字头（ HEADER ）分 (min.) 秒 (sec.) 分秒 (frac) 方式 (mode)1 字节 1 字节 1 字节 1 字节 0～ 74 0～ 59 0～ 74 01

94

CD-ROM 模式 2

注意：扇区 (Sector) 是光盘上最小寻址单位

6.5.2 CD-ROM 6.5.2 CD-ROM 模式 模式 22

2352B 882B

同步 字头 用户数据

12B 4B 2336B

第一、 二层与控制字

95

CD-ROM/XA 中以 Mode 2 为基础又分为 CD-ROM ， Mode 2 ， Form1 （方式 1 ） 和 CD-ROM ， Mode 2 ， Form2 （方式 2 ）

前者用于 Photo-CD 和电子出版物等光盘后者用于要求不很高的音视频光盘，如 V-CD

CD-ROMCD-ROM/XA /XA 扇区格式是 扇区格式是 CD-ROM CD-ROM 的延的延伸伸

96

CD-ROM 模式 2 方式 2

2352B 882B

同步 字头 副字头 用户数据 EDC

12B 4B 8B 2324B 4B

第一、二层与控制字

CD-ROM 模式 2 方式 1

2352B 882B

同步 字头 副字头 用户数据 EDC ECC

12B 4B 8B 2048B 4B 276B

第一、二层与控制字

方式 2 比方式 1 少了 ECC ，留作用户数据

97

1. 为什么 CD-ROM, Mode1 每扇区用户数据从 CD-DA 的 2352B 降为 2048B ？

思考题思考题

用户数据 第一层EDC/ECC 第二层EDC/ECC 控制字节

2352B(24B × 98F)

392BQ：98 × 4

392BP：98 × 4

98B

C：98 1

3234B

CD-DA扇区格式

同步 字头 用户数据 EDC 空位 ECC

12B 4B 2048B 4B 8B 276B

第一、 二层与控制字

2352B 882B

CD-ROM 模式 1

98

主要内容主要内容1. CD 简介2. CD 的工作原理3. CD 的制作4. DVD 介绍5. CD 的物理格式6. CD 的逻辑格式7. 光存储技术发展趋势——全息光存储

99

6.6 CD 6.6 CD 的逻辑格式的逻辑格式 逻辑格式：

规定如何把文件组织到光盘上以及如何指定文件在光盘上的物理位置。包括文件的结构、文件大小以及所需的盘片数目等

100

6.6.1 6.6.1 逻辑结构的设计思想逻辑结构的设计思想A. CD-ROM文件系统的组成部分；B. 影响逻辑格式定义的因素；C. CD-ROM 的逻辑格式定义

101

A. CD-ROMA. CD-ROM 文件系统的组成部分文件系统的组成部分

1. 逻辑格式：确定盘上的数据应该如何组织，以及该存放在什么地方。即如何构造文件目录、目录如何查找等。

2. 源软件：按逻辑格式把要写到盘上的数据进行装配。

3. 目的软件：把从盘上读出的按逻辑格式装配的数据转换成文件。

102

B.B. 影响逻辑格式定义的因素影响逻辑格式定义的因素1. CD-ROM 不需要添加、删除目录；2. CD-ROM 读出、写入数据是不对称的；3. 寻道时间长，最长 950ms ；4. 存储容量较大。

103

C. CD-ROMC. CD-ROM 的逻辑格式定义的逻辑格式定义1. 卷结构：提供整片盘片的信息。定义一套规则和数据结构表达盘上文件之间的复杂关系。

2. 文件结构：描述和配置盘上的文件。其核心是目录结构。 ①多文件显式分层结构。把子目录当文件处理； ②单文件显式分层结构。把整个目录信息放在一个

(描述根目录和子目录的 )文件中。 ③散列路径名目录。把整个路径名和文件名合并为一个地址放在目录中。是隐式目录结构。

④索引路径名目录。把子目录的全路径名转换成一个整数。也是隐式目录结构。

⑤混合结构。混合以上四种的两种以上。

104

882B

6.6.2 逻辑扇区和逻辑块

同步 字头 用户数据 EDC 空位 ECC

12B 4B 2048B 4B 8B 276B

第一、 二层与控制字

2352B

CD-ROM 模式 1

2352B 882B

CD-ROM 模式 2

同步 字头 用户数据

12B 4B 2336B

第一、 二层与控制字

物理扇区逻辑扇区

105

6.6.2 6.6.2 逻辑扇区和逻辑块逻辑扇区和逻辑块从前面图中可以看出逻辑扇区的大小为 2048B 。我们给每个逻辑扇区编号（ 0开始） LSN0 ， LS

N1 … 等等。LSN0从物理地址 00:02:00开始逻辑扇区可以划分逻辑块，大小为 512B 、 1024B 、 2048B 三种；我们给逻辑块编号： LBN1,LBN2,LBN3.CD-ROM 上所有文件均按照 LBN寻址。

106

6.6.3 6.6.3 文件文件CD-ROM 可以存放任意类型的文件；每个文件可分为一节或者多节；每个文件节可以由多个逻辑块组成；文件命名规则： ={0~9} {A~Z} {“_”} ∪ ∪ 参看教材 P282

107

6.6.4 6.6.4 目录目录CD-ROM限定目录层次 8级；CD-ROM采用隐式分层结构，同时也把目录当文件看待，目录包含在一个或少数几个文件中，包含目录的文件称为目录文件。 (P283)

目录文件：与普通用户文件相类似，目录文件由一系列可变长度的目录记录组成

目录记录：记载了文件标志符、文件长度、文件域的第一个逻辑块号，以及打开这个文件需要的其它信息。

108

6.6.4 6.6.4 目录文件结构目录文件结构目录文件

文件A

文件B

文件B

文件B

记录1

记录2

记录3

记录4 ••••••目录记录

XAR 文件 A:文件域

XAR 文件 B:文件域3

文件 B:文件域2

文件 B:文件域1

XAR ：扩展属性记录，默认最后一个有效

109

6.6.5 6.6.5 路径表－路径表－ Path TablePath Table一种隐式分层目录结构 (1985 年 )特点：利用索引值来访问所有的目录。

root

A B C

文件

目录

路径表ROOT

A

B

C

目录结构与路径表

记录

110

6.6.5 6.6.5 路径表－记录格式路径表－记录格式路径表记录结构

LEN_DI

1B

XAR

1B

ADDR

4B

FathN

2B

DI

(LEN_DI)B

F

1B

1. LEN_DI: 目录标志符的长度（目录名长度）；2. XAR ：扩展属性记录长度；3. ADDR ：存放目录地址：分 :秒 : 分秒 : 模式 (4

B) ；4. FathN ：父目录号；5. DI ：目录标志符 ( 目录名 )

6. F ：填充域

111

6.6.6 6.6.6 卷卷 卷空间：用来存放信息的区域，分为两个区：1. LSN 0 ~ LSN15 ：系统区；2. LSN16 ~ 最后 ：数据区 .

记录卷描述符、文件目录、路径表、文件数据等内容 LSN16 是卷描述符，结构如下：

卷描述符类型1B

5 种类型

标准卷标识符5B

版本1B

其它信息2041B

与类型相关

112

共五类：1. 主卷描述符；2. 辅卷描述符；3. 卷分割描述符；4. 引导记录；5. 卷描述符系列终止符。

6.6.6 6.6.6 卷描述符的类型卷描述符的类型

规则：前四种可以任意组合但是：类型 1至少出现一次 类型 5只能出现一次， 且在最后出现

113

主要内容主要内容1. CD 简介2. CD 的工作原理3. CD 的制作4. DVD 介绍5. CD 的物理格式6. CD 的逻辑格式7. 光存储技术发展趋势——全息光存储

114

6.7 6.7 全息激光存储全息激光存储全息记录技术使用激光的干涉原理将数据

记录到光盘上。在一样 12cm 光盘上，使用全息记录技术

可以将存储容量提升到 1TB ，这将是目前DVD 标准容量（ 4.7GB ）的 200倍。

而且在数据传输率方面，也将到达 1GB/s ，远高于现有的硬盘水平，是目前 DVD最高速度（ 16X ，约 22MB/s ）的 40倍。

115

使用全息记录技术的光盘简介：使用全息记录技术的光盘简介：

HVD 与现有的 DVD-R 光盘盘面比较

116

全息存储技术的特点全息存储技术的特点　　①信息存储容量大　全息存储是一种高密度、大容量的信息存储技术。利用高解像力的银盐全息记录介质，可将约有 10000

多个汉字的文件资料（相当于一版人民日报）缩小记录在直径仅有 1mm左右的全息图内。其信息存储密度比普通缩微影像的存储密度高几十倍。　②记录速度快　利用全息摄影机，通过使银盐感光介质感光成像的拍摄方法，将普通缩微胶片上的影像摄制成全息图，具有操作简便，记录快速的特点。

117

全息存储技术的特点全息存储技术的特点 (cont.)(cont.)③记录信息不易丢失由于全息图中的每个细部都包含有被记录信息的全部内容，因此，当全息图因擦伤出现划痕，造成全息图局部破坏时，其记录的内容也不会丢失。尽管在还原时全息图再现的影像反差会有所下降，但是全息图所记录的全部内容仍可被显示出来④便于长期保存

记录在全息银盐感光介质上的全息图具有能够长期保存的特点，其保存寿命同普通银盐缩微胶片相当。试验表明，银盐记录载体的保存寿命可达数百年以上。⑤便于拷贝复制

利用全息拷贝机，通过接触拷贝、曝光成像的方法，可方便地复制出多部全息拷贝片。

118

全息存储技术的特点全息存储技术的特点 (cont.)(cont.)⑥其他除上述特点外，全息存储技术还有许多其他特点，例如：利用全息摄影技术可以制出能够表现被摄物立体效果的全息图，也可以通过由全息图组成的全息视听盘进行活动画面的再现等。⑦不足之处

全息存储技术也存在着一些不足之处，例如：对影调连续变化的原件记录效果差，不易表现被摄物的色彩，与计算机联机使用比较复杂，在阅读用单色激光显示的再现影像时视感较差等等。

119

以开发出全息光存储技术而闻名的日本 Optware 公司（位于日本横滨），日前宣布获得了来自 6 家厂商共 3.6亿日元的投资。而这 6 家公司也升任 Optware 公司的主要股东。 这 6 家公司是：

1. 中国台湾中环公司（ CMC Magnetics Corporation ）2. 日本富士胶卷有限公司（ Fuji Photo Film Co., Ltd.

3. 日本丸红株式会社（ Marubeni Corporation ）4. 日本松下电器产生株式会社（ Matsushita Electric Indus

trial Co., Ltd., ）5. 日本帕路斯科技株式会社（ Pulstec Industrial Co., LT

D ）6. 日本东亚合成株式会社（ TOAGOSEI Co.,Ltd., ）

120

OptwareOptware 公司简介公司简介

Optware 公司在 1999 年由风险投资创建，任务就是寻找在高容量光盘存储领域利用全息记录技术的方法。目前， Optware 公司利用自己的同线全息技术，成功地开发出世界上第一个商用化系统。

121

同线全息技术简介同线全息技术简介Optware自有的同线全息技术，以前称之为偏振同线全

息技术（ Polarized Collinear Holography ），是其为了将全息记录技术实用化所做出的关键努力，通过它可以大幅度简化全息记录技术应用难度。

同线全息技术在一个光束中整合了一个参考激光与一个信号激光。它们创建了一个包含数据的干涉三维全息构图。这个图像将通过一个单一物镜在存储介质上显现。借助这个突破性的装置， Optware 可以显著的简化并缩小全息成像系统的设计难度与外形体积。

122

同线全息技术简介（同线全息技术简介（ cont.cont. ））同线全息技术于 2004 年 8月 23 日正式发布，当时 Opt

ware将使用全息记录技术的光盘称为全息通用光盘（ HVD ， Holographic Versatile Disc ），预计最早的HVD将于 2006 年面向企业用户推出，容量高达 200G

B ，其最终的发展目标则是存储 1TB 的容量。而目前的 Blu-ray Disc最高容量才 50GB 。

Optware表示，到 2007 年 HVD 成本进一步降低后才有可能真正的向消费者普及。目前， HVD 驱动器的价格在 2万美元左右，而每张光盘的成本则为 100美元。Optware 计划将 HVD 驱动器的成本降低到 2700美元，这与现在的 Blu-ray Disc 影碟机相差不多。

123

练习与思考练习与思考14.3 P26915.2 p29215.815.10

124

论 文论 文 浅析光存储技术的发展1. 发展历史（发展动力、应用场合等）2. 现状（目前已经存在的产品（主流、非

主流）、在研究的产品、存在的一些需求）

3. 趋势

125

附 录：特殊光盘简介附 录：特殊光盘简介

1. 相变光盘 PC （ phase － change ）

2. 磁光盘 MO （ magnet － optics ）

126

应用： CD-RW

DVD-RW (pioneer ） DVD+RW (philips, sony)

DVD-RAM (panasonic)

特点：相变光盘是一种纯光型光盘，它 不含有磁记录的痕迹。

1.1. 相变光盘 相变光盘 (pc, phase-chang(pc, phase-change)e)

127

高反射（擦除态）

写 P1

擦 P2

（ P1

>P2 ） 低反射（写入态）

Amorphous 非晶态 晶态 Crystal

二种稳定态：晶态与非晶态（图示） 晶态 1 与晶态 2

PC PC 光盘写、擦原理光盘写、擦原理

128

利用相变材料的二态（晶态与非晶态）表示 信息记录的二值 ( 0 与 1) ，再用二态的反射 率差读出信息；

记录时， P1 脉冲加热晶态介质，晶态将快

速 转变为具有低反射率的非晶态 ( 称写入态 ) ；

擦除时， P2 脉冲加热非晶态介质，以回复

到 反射率的晶态 ( 称擦除态 ) 。

129

相变材料常用低熔点半导体稀土材料，如 锗碲 (Ge-Te) ，铟锑硒 (In-Sb-Se) 和锑硒 (Sb-Se)

由于相变光盘利用反射率之差读出信息， 它和只读光盘 (CD 和 DVD 等 ) 、可录光盘 盘 (CD-R 等 ) 是同一类读出模式， 所以在 可擦写 DVD 中选用相变记录材料， 但也有 公司使用 MO 材料。

130

相变光盘直接重写和读出原理相变光盘直接重写和读出原理

131

120mm相变盘1.3GB / ISO / IEC15485 俗称 PD

2.6GB / ISO / IEC16824 ， DVD-RAM ，Panasonic 生产

90mm相变盘1.3GB / ISO / IEC14760

相变光盘产品相变光盘产品

132

磁光盘记录层利用铽 (Tb) 、铁 (Fe) 、钆 (Gd) 、 钴 (Co) 等稀土材料组成的磁光薄膜层，产生 磁光效应

磁光效应表现为克尔角旋转 ( Kerr Rotation) ：

Erase

Write

k k (克尔角 )

2. 2. 磁光盘 磁光盘 (MO(MO ，， Magnet-OptiMagnet-Optics)cs)

133

当激光束对光照磁光膜微区加热时，磁光 膜的矫顽力 Hc 下降， 当 Hc 低于磁光膜 的居里温度点 Cp (curie point) 时，磁光膜 中的磁畴与外加磁场方向一致，实现“写” 过程

擦是写的逆过程

SN

(100 - 600 奥斯特 ) 外加磁场

矫顽力 Hc(max 2000 奥斯特 )

OB

Laser Beam

DISK

MO MO 光盘“写”过程光盘“写”过程

134

磁光膜

k

DISK

-k

磁光盘读出原理磁光盘读出原理

135

照在磁光膜上的偏振光 (线偏振光 ) 反射后，激光 束偏振面随反射光旋转 k (设为磁畴方向向上 ) ， 反之则反向旋转记为 -k ；

实际读出检测时，使检偏器的主截面调整到与 -k

对应的偏振方向相垂直的方位，则来自磁畴向下磁 化微斑反射光不能通过检偏器到达光电探测器上；

向上磁化的反射光则可通过 Sin(2k ) 的分量，这 样探测器就能有效地读出记录的磁光信号 ( 向上磁 化的反射光显得明亮 ) 。

MO MO 的“读”过程的“读”过程

136

由于磁光盘工作机理为“写”与“擦”为互逆， 即外加磁场随写、擦而快速反转；

所以这类磁光盘不是直接重写的 (Direct Overwtire) ，必须先擦后写，为此影响了 数据读写速度；

在实际使用的磁光盘中，采用磁场调制 (MFM) 、光强调制 (LIM) 的两种直接重 写方法，即 MFMDOW ， LIMDOW

注 意注 意

137

磁场调制 (Magner Filed Modulation) ： 仿效磁盘技术，只能单面存储，重写时调 制速率受磁场转换速率限制，优点为膜层 少、工艺成熟；

光强调制 (Light Intensity Modulation) ： 可实现双面记录，易于高速调制，弱点是 膜层多，工艺复杂。

注 意注 意

138

130mm 磁光盘 (5.25") 90mm 磁光盘 (3.5")

650MB (1X) /ISO/IEC9171 128MB (1X) /ISO/IEC10090

1.0GB (1.5X) /ISO/IEC13481 230MB (2X) /ISO/IEC13963

1.3GB (2X) /ISO/IEC13549 640MB (5X) /ISO/IEC15041

2.0GB (3X) /ISO/IEC13842 1.3GB (10X) /ISO/IEC

2.6GB (4X) /ISO/IEC14517 2.3GB (18X) /ISO/IEC

5.2GB (8X) /ISO/IEC15286 MD (Mini Disc)

64mm (2.5") /IEC1909

磁光光盘产品磁光光盘产品

南通大学计算机教研室

谢谢大家！！！谢谢大家！！！