Лазерные дисководы используют принцип

Обновлено: 06.07.2024

В начале 80-х годов голландская фирма «Philips» объявила о совершенной ею революцией в области звуковоспроизведения. Ее инженеры придумали то, что сейчас пользуется огромной популярностью - Это лазерные диски и проигрыватели.

За последние несколько лет компьютерные устройства для чтения компакт-дисков (CD), называемые CD-ROM, стали практически необходимой частью любого компьютера. Это произошло потому, что разнообразные программные продукты стали занимать значительное количество места, и поставка их на дискетах оказалась чрезмерно дорогостоящей и ненадёжной. Поэтому их стали поставлять на CD (таких же, как и обычные музыкальные).

Лазерные дисководы используют оптический принцип чтения информации. На лазерных дисках CD (CD — Compact Disk, компакт диск) и DVD (DVD — Digital Video Disk, цифровой видеодиск) информация записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося диска, а интенсивность отраженного луча зависит от отражающей способности участка дорожки и приобретает значения 0 или 1.
Для сохранности информации лазерные диски надо предохранять от механических повреждений (царапин), а также от загрязнения.

На лазерных дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна. Производятся такие диски путем штамповки. Существуют CD-R и DVD-R диски информация на которые может быть записана только один раз. На дисках CD-RW и DVD-RW информация может быть записана/перезаписана многократно. Диски разных видов можно отличить не только по маркировки, но и по цвету отражающей поверхности.

Запись на CD и DVD при помощи обычных CD-ROM и DVD-ROM невозможна. Для этого необходимы устройства CD-RW и DVD-RW с помощью которых возможны чтение-однократная запись и чтение-запись-перезапись. Эти устройства обладают достаточно мощным лазером, позволяющем менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска.

Информационная ёмкость CD-ROM достигает 700 Мбайт, а скорость считывания информации (до 7.8 Мбайт/с) зависит от скорости вращения диска. DVD-диски имеют гораздо большую информационную ёмкость (однослойный односторонний диск - 4.7 Гбайт) по сравнению с CD-дисками, т.к. используются лазеры с меньшей длинной волны, что позволяет размещать оптические дорожки более плотно. Так же существуют двухслойные DVD-диски и двухсторонние DVD-диски. В настоящее время скорости считывания 16-скоростных DVD-дисководов достигает 21 Мбайт/с.

Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, речь не о новом супергеройском трио из Вселенной Marvel. Это всё про наши с вами драгоценные цифровые данные. Нам нужно хранить их в надежном и постоянном месте, чтобы была возможность заполучить, либо изменить наши файлы в мгновение ока. Забудьте о Железном Человеке и Торе — сегодняшний рассказ о накопителях!

Это одна из частей цикла статьей по компьютерному железу (подраздел накопителей). Я начал с конца, далее будут HDD и SSD.

Для хранения данных не требуется магнетизм или электрический заряд. Можно воспользоваться светом, если быть точней то его отражением. Хорошо, давайте скажем еще детальнее — это делается с использованием интерференции инфракрасных и видимых электромагнитных волн. Но, давайте не будем сильно переживать об этом!

В отличие от жестких дисков (HDD) и твердотельных накопителей (SSD) данные на оптическом приводе отделены от него (привод не хранит данные, а лишь считывает их с дисков).

Впервые, идея об использовании света и его отражении для хранения цифровых данных была запатентована американским физиком Джеймсом Расселом в 1970 году. Хоть его система уже не похожа на то, чем мы пользуемся сегодня, общая концепция сохранена.

Крупные компании, Sony и Phillips приняли работу Рассела к сведению и спустя долгую череду пререканий они лицензировали данную концепцию. Таким образом появились LaserDisc (1978) и Compact Disc (1982).

Последний, более известный как CD был одноразовым в плане хранения данных. Нельзя было удалить содержимое с диска и записать на него что-то новое. Только в 1987 году на рынке появился первый полностью перезаписываемый компакт-диск.

Через 8 лет мы получили улучшенную версию данного диска — Digital Versatile Disc (DVD), 4 года спустя они также стали перезаписываемые. В 2003 году появилась современная, оптическая система хранения данных — Blu-ray Disc (BD), а в 2008 году вышел Blu-ray Recordable Erasable (BD-RE).

Всё это конечно прекрасно, но как это работает? Давайте взглянем на перезаписываемый DVD, ниже:

Основным материалом для изготовления двух дисков толщиной 0,024 дюйма (0,6 мм) служит полимер (ПММА). На нижний слой наносится сверхтонкий слой металла (серебро, золото и др.), а на другой материал с фазовым переходом.

Отражательная способность данного вещества зависит от фазы в которой он находится. А она переключается между двумя состояниями за счет маленького лазера. Он нагревает материал, заставляя его тем самым изменить фазу. Рисунок из питов и лендов расположен вдоль спиральной дорожки, прям как на виниловой пластинке.

Пит (англ. pit) — углубление в поликарбонатной основе.

Ленд (англ. land) — промежутки между питами.

Когда диск вращается, этот же лазер работая на другой мощности используется для сканирования дорожки. Там, где луч попадает на пятно из питов и лендов, количество отраженного света определяет в каком состоянии находятся сохраненные данные 0 или 1.

Чем длиннее спиральная дорожка и чем ближе питы расположены друг к другу, тем больше данных вы можете поместить на диск; однако, чем меньше дорожки и питы, тем «меньше» должен быть лазерный луч.

На рисунке показано сравнение CD, DVD, Blu-ray (игнорируем HD-DVD…).

Мы видим тип электромагнитных волн, используемых лазером, ленды в спиральной дорожке и общий рисунок. Если цифры кажутся бессмысленны, то учтите факт, что CD используют инфракрасный лазер, DVD — красный, а для Blu-ray цвет фиолетовый. Не голубой. Очевидно же.

Чтобы максимально увеличить емкость накопителя используются различные ухищрения в сочетании с использованием разных лазеров, так как у всех 3 типов дисков одинаковый размер (с точки зрения диаметра). Например, производители добавляют дорожки с двух сторон и располагают их близко друг к другу (двухслойные диски). Ах и вот еще, куда же без сжатия данных.

В настоящее время максимальный предел данных для каждого типа (при условии, что используется только одна сторона):

CD — 0,84 Гб
DVD — 4,7 Гб
BR — 100 Гб

Потому как, мы сравниваем разные системы по хранению данных, эти значения справедливы лишь для перезаписываемых дисков. И да, они конечно же отличаются от того что можно хранить на HDD и SSD. Зенит славы оптических накопителей уже прошел. USB флешки стали очень дешевыми (128 Гб за менее чем 20 долларов), а цифровые потоковые сервисы в бешенном темпе заменяют нам физические носители для фильмов, музыки и прочему.

Но мы тут, чтобы покопаться во внутренностях данных устройств, так что давайте закончим. Откроем DVD привод со старого ноутбука. Не стоит беспокоиться о подключении, так как используются аналогичные SATA кабели, что и для жестких дисков и твердотельных накопителей.

Кстати, общая компоновка оптического накопителя похожа на то, что мы видели в HDD от Seagate. По центру шпиндельный моторчик вращающий диск, также рычаг привода с головкой для чтения/записи для доступа к данным. Перевернув дисковод, картина станет более ясной.

Если HDD используют электромагнетизм для перемещения рычагов, то оптические приводы применяют шаговый двигатель, прикрепленный к свинцовому винту. На рисунке они расположены в правом нижнем углу, большая часть данной системы скрыта под соединительной полосой медного цвета.

Это рабочий конец устройства.

Здесь мы можем обнаружить пластиковый корпус, в котором находится лазерная система. Рядом с ним находятся два комплекта катушек из медной проволоки, которые используются для создания магнитного поля, чтобы лазерный блок был над поверхностью диска. И поскольку он не такой плоский, как диск в HDD, оптические приводы нуждаются в «подвеске». Это позволяет лазеру оставаться на нужной высоте.

Лазерный диод и датчики для чтения, записи и удаления данных с диска скрыты под линзой. У нас нет микроскопа, чтобы рассмотреть поближе, поэтому вот видео в помощь:

Оптические диски лучше всего использовать по типу «записал один раз, воспроизводишь много раз», но перезаписываемые диски это аналог USB накопителей. Очень медленный аналог. Вот данные с CrystalDiskMark. В нем тестировался перезаписываемый DVD диск с 4-кратной скоростью (максимальная скорость, поддерживаемая диском).

Задержка в чтении действительно ужасна, но запись не так уж и плоха. Не то чтобы мы стали рекомендовать оптические диски в качестве простых и быстрых накопителей — лучше использовать действительно реальные «вещи».

Немного грустно наблюдать за тем, как эта технология перестает эксплуатироваться. В смысле, там же лазеры, ради всего святого! Однако у них все же есть несколько преимуществ перед жесткими дисками и твердотельными накопителями.

Если вы используете оптические диски для однократной записи, то эти данные навсегда заблокированы. Их нельзя отредактировать, будь то случайно или со злым умыслом. И если они хранятся в прохладном, темном месте, то такие диски прослужат вам столько же, сколько и SSD. Сами носители довольно дешевые: упаковка из пятидесяти 25-гигабайтных дисков Blu-ray обойдется вам всего в 30 долларов. Общая емкость хранилища — 1,25 Тб!

Конечно, если у вас несколько терабайт данных, которые нужно сохранить, то поиск места для сотен дисков Blu-ray того не стоит. Вспоминается Windows 95 и дискеты…

Мы еще не изучили 3 типа накопителей для хранения данных: жесткий диск, твердотельный накопитель и оптический. И не разобрали их, посмотрели как они работают и оставили после себя беспорядок, все как обычно. Как и о скромных блоках питания, так и о них забываются сразу, как только они попадают внутрь компьютера, но они гораздо более увлекательны!

Каждый из них ощетинился нанометровыми технологиями, прецизионной инженерией и крутыми фразами вроде «фазового металлического сплава» или «квантово-механического магнетосопротивления». Да, забудьте о Звездном Лорде и Ракете. Накопители — реальные стражи нашей галактики. Оставайтесь с нами для получения дополнительных уроков анатомии.

Разбираем и добираемся до лазерной головки.

Извлекаем лазерную головку.

Наша цель — лазерный модуль.

Перед извлечением самого модуля закоротим все его три вывода тонким медным проводом (мы взяли одну нитку из многожильного). Это нужно для подстраховки от статики.

Теперь можно извлекать лазерный модуль. Он там «сидит» довольно неплохо, поэтому нужно потрудиться и сбалансировать усилия между «раскурочить» и «не сломать».

Вот как-то так должно получиться.

Сборка схемы

Теперь перейдем к схеме. Она необходима для контроля мощности лазера. В противном случае он просто сгорит.

Мы не заморачивались и сделали навесной монтаж.

Питание

Питать нужно от 3,7в. Для переносного лазера отлично подойдут аккумуляторы от мобильных телефонов, соединенные параллельно.

Мы же воспользовались стабилизированным блоком питания.

Предостережение

Следует заранее предупредить о безжалостности лазера к сетчатке глаза. При работе с лазером нужно обязательно пользоваться специальными очками. Вы спросите, зачем я это все пишу, ведь все равно никто этого делать не будет? Ну а вдруг! Вдруг найдется хоть один разумный человек и наденет таки специальные очки при обращении с лазером. И один или даже два глаза эти строки спасут!

У нас же таковых очков не оказалось и мы все делали на свой страх и риск. А вот красные очки, в отличие от очков для безопасности, позволят лучше увидеть сам лазерный луч. Для красоты можно подпустить дыма, как мы сделали в заставке к видео.

Пробный запуск

Подключив питание, видим потребление 200мА и пучок яркого света.

В темноте работает как фонарик.

Линза для фокуссировки

Луч получился совсем не «лазерный». Нужна линза для регулировки фокусного расстояния. Для начала вполне подойдет линза из того же привода.

Через линзу получается сфокусировать луч, но без жесткого корпуса занятие утомительное.

Изготовление корпуса

В Интернете встречал описание, где люди использовали лазерные указки или фонарик в качестве корпуса. Тем более что и линзы там уже есть. Но, во-первых, у нас не оказалось под рукой лазерной указки нужного размера. А, во-вторых, это увеличило бы бюджет мероприятия. А я уже говорил, что лично у меня это уменьшает удовольствие от полученного результата.
Мы начали пилить алюминиевый профиль.

Обязательно нужно все изолировать.

Линза

Линзу прикрепили на пластилин для регулировки ее положения.

Кстати, эта линза работает лучше, если ее перевернуть выпуклой частью к лазерному диоду.

Регулируем и получаем более-менее собранный луч.

Точно отрегулировать, наверное, можно, но нам и этого хватило, чтобы черный пластик начал плавиться.

Спичка мгновенно загоралась.

Черная изолента разрезалась как ножом по маслу.

Из этого лазера получилась бы отличная пушка для игры в солдатики.

Видео

На видео видна скорость воздействия лазера на некоторые материалы (белый лист, надпись маркером на бумаге, черный пластик и черная изолента, нитка, пластилин).

Подписаться на новые эксперименты HI-TESTING можно Вконтакте или следить за новыми видео сюжетами на сайте канала.

CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) – диск только для чтения.

Размер: 120 мм, толщина 1,2 мм (5”) 640-700 МБ (из них 8 МБ служебная информация)

Структура диска:

________________ поликарбонатная пластмасса (Back layer)

________________ тонкий слой алюминия

________________ защитный слой (лаковое покрытие/лакировка)

________________ этикетка диска (декоративное покрытие)

Информация на диске записывается вдоль одной спиральной дорожки (как на грампластинке), начало дорожки отсчитывается от центра диска к краю, т.е. дорожки диска имеют форму спирали. Лазерный луч определяет цифровую последовательность 0 и 1, записанных на CD, по форме микроскопических ямок (Pit-слой) на его спирали.

Принцип считывания информации c CD-ROM 4 этапа:

структура CD-ROM диска

Лазерный луч, попадая на отражающий свет островок(возвышенность), отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий его как двоичную 1. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается, фотодетектор фиксирует двоичный 0.

луч слабого лазера дисковода двигается через систему линз и фокусируется на спирали диска
луч «считывает», отражаясь от pit-слоя диска с разной интенсивностью
отраженный луч попадает в группу призм, преломляется и отражается на фотодетекторе
фотодетектор определяет интенсивность светового потока и передает микропроцессору дисковода, тот переводит все в цифровую последовательность (0 или 1).

Принцип записи на CD-ROM:

CD-ROM изготавливаются только в заводских условиях на специализированном промышленном оборудовании в 2 этапа:

Информация с лазерного диска считывается с помощью привода (CD-дисковода) Конструкция привода:

Плата электроники (Размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала)
Шпиндельный двигатель (электродвигатель) – служит для вращения диска в дисководе с постоянной или переменной линейной скоростью
Оптическая система считывающей головки состоит из оптической головки и системы ее позиционирования. В головке размещены маломощный лазерный излучатель, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель.

специальный футляр для диска (caddy), вставляемый в приемное отверстие привода (как floppy-disk)
выдвижной лоток подноса (tray-механизм), который выдвигается из накопителя после нажатия кнопки Eject. На него устанавливается диск, задвигается диск повторным нажатием кнопки Eject (задвигать tray-механизм «в ручную» не следует, можно повредить дисковод.

На передней панели дисковода имеются:

кнопка Eject для выгрузки и загрузки диска
гнездо для подключения наушников (с электронным или механическим регулятором громкости)
индикатор обращения к приводу
в ряде моделей может быть кнопка Play/Next –для проигрывания звуковых дисков (при этом кнопка Eject используется для остановки проигрывания). Качество воспроизведения музыкальных дисков уступает стационарному проигрывателю, т.к. это вспомогательная функция CD-ROM, а не основная – качество близко к плееру.
небольшое отверстие для аварийного извлечения диска, (например, при выходе из строя лотка дисковода, при аварийном отключении питания). В отверстие нужно вставить шпильку (распрямленную скрепку) и аккуратно нажать, при этом снимается блокировка лотка и его можно выдвинуть вручную и извлечь диск.

На задней панели:

Почти все CD-приводы имеют на задней панели добавочно к обычному аналоговому выходу (в виде импульсов тока) цифровой выход для прямого подключения к звуковой карте, что позволяет обойти звуковую часть привода и использовать соответствующие схемы звуковой карты (звук качественнее).

Характеристики дисковода:

Интерфейс подключения CD-привода к материнской плате:

EIDE (вторым с винчестером на одном шлейфе) или отдельно в IDE
SATA
SCSI (устанавливается в гнездо расширения ПК материнской платы) Вместе с CD-ROM.- поставляется дискета с программным обеспечением для установки CD-ROM под операционную систему- специальный шнур для подключения к звуковой карте- комплект крепежных винтов

Фирмы-производители: NEC, ASUSTEK, Toshiba, Sony, Pioneer, Panasonic Правила эксплуатации дисководов и дисков:

Боятся пыли и грязи на поверхности дисков, это может повредить систему линз и приведет к отказу от чтения (проскакивание дорожек). Недопустимы отметины от рук(отпечатки), царапины, грязь.
Нельзя хватать за поверхность диска пальцами, только за боковые поверхности.
Если диск грязный, существует единственный способ его очистить: диск смочить чистящим составом (на основе изопропилового спирта), провести салфеткой из микрофибры от центра к краю, ни в коем случае по окружности, вдоль дорожек.
Существуют специальные платформы (приводы) для чистки дисков.
Осторожно относится к эксплуатации в дисководе дисков сомнительного производства (случаи разрыва дисков в дисководе при раскручивании и как следствие поломка привода)

Для записи информации на такой диск необходимы: специальный пишущий привод, заготовка диска (болванка или матрица CD-R), специальное ПО. Эти диски используются для создания архива данных, аудио-видео-диски, дистрибутив программного обеспечения Емкость такая же как у CD-ROM. Есть 780-800 МБ для записи звука 74 мин по 176 КБ

Структура диска:

____________ прозрачный защитный слой

____________ краситель (регистрирующий слой – цианин или фталоцианин )

____________ металлическое покрытие (алюминий, серебро, золото и др. сплавы)

____________ защитный слой лака с этикеткой

Принцип записи на CD-R:

Taiyo Yuden Company Limited (Taiyo Yuden,Sony, Philips, Hewlett Packard, TDK, Basf)
Mitsui Chemicals (Hewlett Packard, Mitsui, Philips, Sony)
TDK Corporation (3M, TDK)
SKC Company Limited (SKC)
Multi Media Masters & Machinery SA (Mirex, BASF)
Mitsubishi Chemicals Corporation (Traxdata, Verbatim)
Ritek Co. (Dysan, FujiFilm, Memorex, MMore, Philips, BASF, TDK, Samsung, Targa, Traxdata)
Fuji Photo Film Co, Ltd.(FujiFilm)
Kodak Japan Limited (BASF & Kodak)
Princo Corporation (BTC, Princo & KingTech)
CMC Magnetics Corporation (BASF, MMORE, Imation, Memorex)

Для записи аудиодисков стоит обратить внимание на качественные цианиновые CD-R. При выборе CD-R для записи данных, чтобы информация хранилась на них максимально долгое время, следует отдать предпочтение качественным фталоцианиновым дискам.

Структура диска:

________________ защитный прозрачный слой

________________ комбинированный слой

________________ металлическое покрытие (алюминий и др.)

________________ защитный слой

режим (односеансный) DAO (Disk At Once –весь диск за один сеанс) – записывается (нарезается) весь диск за 1 сеанс без перерывов. После записи на такой диск на него невозможно будет дописать новые данные.
режим (многосеансный) TAO (Track At Once – одна дорожка за один сеанс) – данными заполняется за несколько сеансов, информация в виде отдельных томов или пакетов (пакетный режим).

DVD-Диски Digital Video Disk (цифровой видеодиск)

Дисковый DVD-накопитель имеет более коротковолновый лазер, чем CD, поэтому дорожки на диске размещаются ближе к друг другу, а также увеличивается объем информации, хранящейся на участке дорожки данной длины. В результате на одной стороне DVD-диска можно записать до 4,7Гб данных. Существуют двухслойные диски с возможностью записи 8,5Гб данных на одной стороне, а также двухсторонние «перекидные» (Flippy) диски с записью на обеих сторонах емкость 17Гб.

Существуют следующие структурные типы DVD:

1. Single Side/Single Layer (односторонний/однослойный)– самый простой тип дисков емкость 4,7 Гб

Структура одностороннего однослойного DVD-диска

2. Single Side/Dual Layer (односторонний/двухслойный). Диски имеют два слоя данных, один из которых полупрозрачный. Оба слоя считывают с одной стороны и на таком диске можно разместить 8,5 Гб данных, то есть на 3,5 Гб больше, чем на однослойном/одностороннем диске

Структура одностороннего двухслойного DVD-диска

3. Double Side/Single Layer(двухсторонний/однослойный). На таком диске помещается 9,4 Гб данных. Не трудно заметить что на таком диске вдвое больше емкости. Данные располагаются с двух сторон, придется переворачивать диск или использовать устройство, которое может прочитать информацию с обеих сторон диска самостоятельно

4. Double Side/Double/Layer (двухсторонний/двухслойный). Самый сложный вариант. Обеспечивает возможность разместить на диске 17 Гб данных. Понятно, что такой диск по сути представляет собой два сложенных вместе односторонних/двухслойных .

Для защиты от нелегального копирования разработаны две спецификации: DVD-R(A) и DVD-R(G). Две эти версии одной спецификации используют различную длину волны лазера при записи информации. DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW.

Все известные спецификации перезаписываемых DVD дисков используют технологию многократной записи, основанную на физическом принципе смены фазового состояния (кристаллическое /аморфное) информационного слоя под воздействием лазера с длиной волны 650 (635) нм (phase-change recording). Считывание информации осуществляется путем определения оптических характеристик информационного слоя в различных его фазовых состояниях при отражении лучей лазера (того же, что и при записи).

DVD+RW . Этот стандарт без благословения DVD Форума, является конкурирующим перезаписываемым форматом, предлагаемым Philips, Sony, Hewlett-Packard и другими, основана на технологии CD-RW. Дисководы DVD+RW будут читать диски DVD-ROM и CD, но не будут совместимы с DVD-RAM. Диски DVD+RW, способны хранить 2.8 гигабайта (3G) данных, используют технологию изменения фазы. DVD+RW приводы поддерживают запись в несколько сеансов. Благодаря более точному позиционированию лазера в процессе записи привод позволяет перезаписывать любую часть содержимого диска прямо на верх, не стирая старого содержимого. Это же позволяет осуществить и уникальную коррекцию ошибок при записи – плохо записавшийся сектор автоматически перезаписывается заново.

DVD+R. Технология записи DVD+R построена на тех же принципах, что и DVD+RW. Единственное отличие состоит в том, что для отражающего слоя используется материал, сходный с используемым на простых CD-R. По сравнению с DVD+RW недостатком DVD+R является то, что на них не работает коррекция ошибок, основанная на простой перезаписи сбойного сектора. Зато диски DVD+R лучше читаются на стационарных плеерах и простых DVD-ROM за счет более высокой отражающей способности записываемого слоя. Kodak Japan Limited.

Читайте также: