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次世代光碟技術

原理總覽

首先,讓我們先來看看光碟機與光碟片如何能夠讀取、儲存資料的原理。

光學原理

首先,一般燒錄器在雷射讀寫頭上使用雷射光進行燒錄及讀取工作,而靠近雷射讀寫頭上則是使用透鏡協助雷射光的投射與聚焦,此外雷射光線參數的設定也同樣影響了資料儲存的多寡。

也許您已經知道光的波長與呈現色彩的一些關連性。低波長的雷射光趨向於紅色,而高波長的雷射光則趨於接近藍色或紫色(例:目前常用的紅光雷射讀寫頭一般是使用波長在780到850 奈米的紅外線來讀取資料)。然而,孔徑(NA)這一個名詞對於大多數人來說則較為陌生。

當光線經由密度較高的透鏡進入密度較低的介質(空氣)時,會產生折射和反射的現象,因此進入物鏡的光線量必須再乘以折射係數,這就是所謂的孔徑(Numerical Aperture,簡稱NA)。孔徑在燒錄技術的應用上,則是指光線聚焦於特殊定點及特殊長度的能力,而極短的距離就能夠產生極高的孔徑。

越高的孔徑擁有越短的光波長,而且對點的聚焦上也更加精準。當極小的雷射光進行光碟寫入時,透過透鏡折射撞擊資料軌,產生了一小段的雷射刻痕,便是所謂的雷射腰束(laser beam waist)。波長較短的輻射線通過一個大孔徑的透鏡聚焦至其上讀取資料,但是由於輻射線很容易在透鏡上產生反射,所以如果光碟在寫入時,寫入的光碟面沒有跟輻射線垂直的話,將很難聚焦到正確的位置上。

雷射腰束的半徑則是雷射光波長取決於孔徑的影響,這便是為什麼當光波長越小、孔徑(NA)越大,我們所得到的資料刻痕越小的原因。這也解釋了當我們使用燒錄器進行光碟寫入時,資料軌與資料軌之間的距離能夠如此細微,連人眼也難以辨識出來。

在光碟上有許多肉眼無法分辨的訊坑(Pit),原理上,資料的儲存法則是以光碟中心開始,以螺旋狀向外擴散寫入方式進行資料儲存,並在盤邊緣5mm處結束。這些訊坑深被蝕刻螺旋式溝槽裡,沒有訊坑的地方則稱為陸地( Land)。

光碟機在讀取數據的時候,通過雷射讀寫頭發出雷射光,光線經過透鏡的折射照射到光碟表面,從光碟讀回的信息與從鋁層反射回來的低功率激光束有關,光接收器分辨出強反射光和無反射光或散射光的信息。無反射光或散反射光是訊坑(Pit)引起的,而強反射光則表示該點為陸地(land),光接收器收集從光碟表面返回的反射光和散射光,這些經過訊坑(pit)時所產生的光束變化,光碟機便把它解譯並轉譯成為0與1的編碼,並由微處理器將這些光格式轉換成相應的數據或聲音。當訊坑(pit)更短,軌距(track pitch)更窄,並以更高效率的編碼方式時,相同一張光碟能夠儲存資料的空間相對應將變的更多。

光碟製作原理

光碟是以聚碳酸酯材料製成的圓片,直徑為120mm,厚度為1.2mm,中間有一個15mm的圓孔。在圓基片上塗佈了一層金屬薄膜,通常為鋁合金,這層薄膜就是光碟機讀取數據的地方,在鋁薄膜上再覆蓋一層塑料聚碳酸酯,用以保護裡面的數據。

一片光碟可能包含了許多的資料層,並取決於光碟染料層塗佈。 在一般的DVD光碟如單面雙層光碟上,由於光碟的上層染料層為半透明,因此雷射可穿透過上層直達下層,並輪流在兩層間記錄與讀取資料。

以單面雙層光碟為例,光碟片的製程是由半透光性的夾層分隔兩塊極薄的有機染料層,並夾在一起製作而成,燒錄機讀取頭的雷射接觸到染料層時,資料便可永久記錄在染料層上。對於光碟片本身來說,當光碟面塗佈的染料層越厚時,光碟進行燒錄時雷射光寫入的光量則將耗費更大的功率。

更厚實的塗佈層加大了透鏡與資料層之間的距離,也因此孔徑(NA)更小, 而光源對焦的點在資料軌間的距離則加寬。此外,如果防護的塗佈層較稀薄,資料層將更接近表面,而孔徑(NA)相對增大,則能夠容納更多的資料儲存於光碟上。

資料壓縮原理

在資料壓縮部分,也許與光碟或燒錄器本身較無直接的關連,但對於軟體研發而言,光碟本身對於壓縮技術的支援也對資料儲存多寡有一定程度的影響。當壓縮技術越提升時,能夠被儲存到光碟上的資料數據也相對變的更多。(如右圖:MPEG-4 AVC較MPEG-1光碟能夠儲存更多的影音資料)

此外,光碟的資料轉換率也依賴於下列所提的功能,如:極小的訊坑長度,光碟寫入讀取時的旋轉速度等...。當光碟旋轉的越快,資料的燒錄與讀取也就越快。而訊坑(pits)的長度越短,資料燒錄或讀取時所花費的時間也就越短。

燒錄原理

接下來,我們將告訴您燒錄的原理。一般來說,空白的光碟片意旨尚未包含任何資料寫入的光碟,在燒錄過程中,雷射光照在藏於染色層之中資料層並產生了訊坑。底下我們以單面雙層的燒錄示意圖為例來做說明。

一般可單次寫入的光碟並無法重複前述的寫入過程,但可重複寫入的光碟(rewritable)基於製作時採特殊金屬合金塗佈層,而金屬合金塗佈的在寫入時能依據於光碟機所射出雷射光的熱度與強度產生訊坑,當進行抹寫時則能再度透過金屬合金染色層的復原,重新回到原始未寫入的狀態。