辅助阅读材料 第五章光存储技术 第五章光存储技术 当今社会的一大特点就是信息资料的飞速增长。大量资料的存储、分析， 检索和传播，迫切需要高密度、大容量的存储介质和管理系统。20世纪70年代， 以光盘为代表的光存储技术应运而生。光存储技术凝聚了现代光电子技术的精 华，有关检测、调制、跟踪、控制等各种光电方法得到的充分发挥。光盘存储。 尤其是可擦写光盘的出现，无疑是给信息处理和存储带来了一次新的革命。现在 一个有相当规模的存储产业己经形成，并且在不断壮大。 5.1存储器概述 5.1.1存储器的发展 常用的信息存储介质有纸张、微缩胶片、磁带、磁盘（软磁盘和硬磁盘）和 光盘。 纸张是具有几千年历史而至今仍被广泛使用的存储媒质，但纸张的存储密度 低、占用体积大，也不易被检索和永久保存。20世纪开始使用微缩胶片技术， 是光存储最早的形式，存储密度高，成本低，经历了较长的时间，成为文档资料 长期保存的主要形式。但其记录的资料不能被修改和补充，也不易自动检索。很 明显，纸张和微缩胶片作为记录和存储信息的媒体，不能满足现代办公自动化和 高度发达的现代文明的需要。 利用磁通变化和磁化电流进行读写的磁记录技术发展起来以后，磁带和磁盘 存储器得到了广泛的应用。由于它们特别适用于和计算机联用，存取信息极为方 便、可靠，因而成为计算机的主要外存储器，并且形成了巨大的产业。 随着信息时代的来临，信息量与日俱增。由于信息的多媒体化，人们需要处 理的不仅是数据、文字、声音、图像，而且是活动图像和高清晰的图像。这些媒 质的信息量特别大，数字化后要占用巨大的存储空间，传统的磁存储技术设备难 以满足这一需求。光学存储技术以其极大的存储容量和低廉的存储价格，给信息 界带来的巨大希望。光盘存储技术是采用磁盘以来最重要的新型数据存储技术， 它综合了高密度磁带的巨大存储容量和磁盘的能快速随即检索的优点，并且具备 了一系列独特的优良功能
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 第五章 光存储技术 当今社会的一大特点就是信息资料的飞速增长。大量资料的存储、分析、 检索和传播，迫切需要高密度、大容量的存储介质和管理系统。20 世纪 70 年代， 以光盘为代表的光存储技术应运而生。光存储技术凝聚了现代光电子技术的精 华，有关检测、调制、跟踪、控制等各种光电方法得到的充分发挥。光盘存储。 尤其是可擦写光盘的出现，无疑是给信息处理和存储带来了一次新的革命。现在 一个有相当规模的存储产业已经形成，并且在不断壮大。 5.1 存储器概述 5.1.1 存储器的发展 常用的信息存储介质有纸张、微缩胶片、磁带、磁盘（软磁盘和硬磁盘）和 光盘。 纸张是具有几千年历史而至今仍被广泛使用的存储媒质，但纸张的存储密度 低、占用体积大，也不易被检索和永久保存。20 世纪开始使用微缩胶片技术， 是光存储最早的形式，存储密度高，成本低，经历了较长的时间，成为文档资料 长期保存的主要形式。但其记录的资料不能被修改和补充，也不易自动检索。很 明显，纸张和微缩胶片作为记录和存储信息的媒体，不能满足现代办公自动化和 高度发达的现代文明的需要。 利用磁通变化和磁化电流进行读写的磁记录技术发展起来以后，磁带和磁盘 存储器得到了广泛的应用。由于它们特别适用于和计算机联用，存取信息极为方 便、可靠，因而成为计算机的主要外存储器，并且形成了巨大的产业。 随着信息时代的来临，信息量与日俱增。由于信息的多媒体化，人们需要处 理的不仅是数据、文字、声音、图像，而且是活动图像和高清晰的图像。这些媒 质的信息量特别大，数字化后要占用巨大的存储空间，传统的磁存储技术设备难 以满足这一需求。光学存储技术以其极大的存储容量和低廉的存储价格，给信息 界带来的巨大希望。光盘存储技术是采用磁盘以来最重要的新型数据存储技术， 它综合了高密度磁带的巨大存储容量和磁盘的能快速随即检索的优点，并且具备 了一系列独特的优良功能。 1
铺助阅读材料 第五章光存储技术 光学存储的研究开发工作可追潮到很久以前。早在1955年就产生了有关光 盘存储器的设想。由于当时技术水平的限制，特别是光源的限制，这方面的工作 直到20世纪60年代激光发明之后才有了很大的发展。 20世纪60年代，美国、荷兰、日本开始在实验室进行电视录像盘的制作研 究：70年代该技术趋于成熟，70年代末80年代初，光盘存储和播放系统开始进 入市场。如1978年2月菲利浦公司在美国的子公司MAGNAVAX开始出售VH-8000 型播放器，成为最早的激光电视录像盘播放机商品：1981年10月，日本先锋公 司开始出售LD-1000型电视录像盘播放机，采用半导体激光器作为读出光源。从 此，光存储产品开始商品化(Laser Disk,LD) 在开始研制电视录像盘之后不久，一些公司己着手研究如何把光学存储技术 应用于声频记录。1977年日本三菱电机公司在光盘记录上采用了用脉冲编码调 制(PCM)的声频信号，生产了动态范围在90B以上的超高保真度声频唱片系统。 1978年菲利浦公司推出了直径为120m的小型数字声频唱片，之后即成为唱片 的主流：1982年确立了直径为120m、厚度为1.2m的小型数字唱片的标准 (Compact Disk,CD)。随后，开始在市场上销售CD唱片和CD播放机。从此，CD 系列的各种新功能的光盘系统不断推出。 同时，光盘存储技术在计算机外部存储设备应用上也有很快发展，它已向磁 盘存储技术提出挑战，在许多新的应用领域展示了强大的生命力。 20世纪90年代，CD系列光盘(CD-Audio、VCD、CD-ROM、CD-R、CD-RW) 和磁光盘(MO)大量涌现。1996年开始推出DVD系列光盘(DVD-Audio、 DVD-Video、DVD-ROM、DVD-R、DVD-E). 5.1.2光盘存储的类型 光学存储技术和磁存储技术以昂，有一系列的结构，以满足用户的不同需求。 根据性能和用途，光盘存储器大致可分为以下三种形式：只读写、只写一次式、 可擦式。这些类型的系统结构十分相似，反映了光学记录和检测中的主要技术 它们的作用都是使激光在旋转的盘片上聚焦，通过检测从盘面反射的光的强弱， 以读出记录的信息。 只读式光盘系统已实现商品化生产，LD、CD、CD-ROM、VCD、DVD-ROM 等就是最好的应用。它们是用金属母盘模压复制出来的，盘上的数据是用一系列 被压制在透明塑料衬底上的凹坑来表示的。模压复制光盘的优点是生产成本低， 2
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 光学存储的研究开发工作可追溯到很久以前。早在 1955 年就产生了有关光 盘存储器的设想。由于当时技术水平的限制，特别是光源的限制，这方面的工作 直到 20 世纪 60 年代激光发明之后才有了很大的发展。 20 世纪 60 年代，美国、荷兰、日本开始在实验室进行电视录像盘的制作研 究；70 年代该技术趋于成熟，70 年代末 80 年代初，光盘存储和播放系统开始进 入市场。如 1978 年 2 月菲利浦公司在美国的子公司 MAGNAVAX 开始出售 VH-8000 型播放器，成为最早的激光电视录像盘播放机商品；1981 年 10 月，日本先锋公 司开始出售 LD-1000 型电视录像盘播放机，采用半导体激光器作为读出光源。从 此，光存储产品开始商品化（Laser Disk,LD） . 在开始研制电视录像盘之后不久，一些公司已着手研究如何把光学存储技术 应用于声频记录。1977 年日本三菱电机公司在光盘记录上采用了用脉冲编码调 制（PCM）的声频信号，生产了动态范围在 90dB 以上的超高保真度声频唱片系统。 1978 年菲利浦公司推出了直径为 120mm 的小型数字声频唱片，之后即成为唱片 的主流；1982 年确立了直径为 120mm、厚度为 1.2mm 的小型数字唱片的标准 （Compact Disk,CD）。随后，开始在市场上销售 CD 唱片和 CD 播放机。从此，CD 系列的各种新功能的光盘系统不断推出。 同时，光盘存储技术在计算机外部存储设备应用上也有很快发展，它已向磁 盘存储技术提出挑战，在许多新的应用领域展示了强大的生命力。 20 世纪 90 年代，CD 系列光盘（CD-Audio、VCD、CD-ROM、CD-R、CD-RW） 和磁光盘（MO）大量涌现。1996 年开始推出 DVD 系列光盘（DVD-Audio、 DVD-Video、DVD-ROM、DVD-R、DVD-E）。 5.1.2 光盘存储的类型 光学存储技术和磁存储技术以昂，有一系列的结构，以满足用户的不同需求。 根据性能和用途，光盘存储器大致可分为以下三种形式：只读写、只写一次式、 可擦式。这些类型的系统结构十分相似，反映了光学记录和检测中的主要技术。 它们的作用都是使激光在旋转的盘片上聚焦，通过检测从盘面反射的光的强弱， 以读出记录的信息。 只读式光盘系统已实现商品化生产，LD、CD、CD-ROM、VCD、DVD-ROM 等就是最好的应用。它们是用金属母盘模压复制出来的，盘上的数据是用一系列 被压制在透明塑料衬底上的凹坑来表示的。模压复制光盘的优点是生产成本低， 2
辅助阅读材料 第五章光存储技术 但是其最大的缺点是只能读不能写，使用者无法用来保存自己的内容。由于只读 式光盘的存储容量大、压制成本低，因此它是发行多媒体节目的优选载体。目前， 大量的文献资料、视听教材、图书等都通过它来发行。 只写一次式光盘是用会聚的激光束的热能，使材料的形状发生永久性变化而 进行记录的，所以是记录后不能在原址重新写入的不可逆的记录系统。这种只能 写入一次、主要用于多次读出的技术，与只读式光盘的不同之处在于，可由用 户将数据直接写入光盘，这就消除了母盘的制作过程。 菲利浦公司于1991年制定出只写一次式的CD-R的光盘标准，满足用户自 己制作CD-ROM、CD-DA、VCD光盘的要求。CD-R是CD Recordable的简称， 意为可记录CD,中文简称刻录机。CD-R的外观尺寸和结构与CD-ROM的驱动 器基本相同，唯一的附加功能是可把激光强度调制成比通常用于读出时更大的输 出功率。提高了激光功率后就可在光盘的灵敏层上“写入”可用光学方法读出的 信息，从而实现数据存储。因此刻录机不仅可以刻录CDR光盘，而且还可被当 作CD-ROM的驱动器来使用。CD-R光盘只允许写一次，因此刻好的CD-R光盘 无法被改写，但是可以像CD-ROM盘片一样，在CD-ROM驱动器和CD-R刻录 机上反复的读取。 由于制作材料与普通CD-ROM盘不同，所以CD-R不适合于大量制作的产 品。但在少量制作时，CDR呈现出许多优越性，如成本低，制作一张光盘的费 用基本上就是材料费，省去传统工艺中制作母盘等额外开销：可以不必一次把盘 全部写满：CD-R光盘上的数据无法被修改，具有极高的安全性 可擦式光盘存储是可以写入、擦除、重写的可逆型记录系统。它利用激光照 射引起介质的可逆性的物理变化进行记录。目前主要有磁光(MO)记录和相变 (PCD)记录两种类型。 磁光型是利用激光与磁性材料共同作用的结果来记录信息的，是磁技术和光 技术相结合的产物。它用来记录信息介质和软磁盘相似，但其信息记录密度和容 量却比软磁盘高很多。 相变型光盘仅用光学技术来读/写，所以读写光头可以做到比磁光盘的简单，存 取时间也可以缩短。 5.1.3光存储的特点 与磁存储技术相比，光盘存储技术具有以下特点： 3
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 但是其最大的缺点是只能读不能写，使用者无法用来保存自己的内容。由于只读 式光盘的存储容量大、压制成本低，因此它是发行多媒体节目的优选载体。目前， 大量的文献资料、视听教材、图书等都通过它来发行。 只写一次式光盘是用会聚的激光束的热能，使材料的形状发生永久性变化而 进行记录的，所以是记录后不能在原址重新写入的不可逆的记录系统。这种只能 写入一次、主要用于多次读出的技术， 与只读式光盘的不同之处在于，可由用 户将数据直接写入光盘，这就消除了母盘的制作过程。 菲利浦公司于 1991 年制定出只写一次式的 CD-R 的光盘标准，满足用户自 己制作 CD-ROM、CD-DA、VCD 光盘的要求。CD-R 是 CD Recordable 的简称， 意为可记录 CD，中文简称刻录机。CD-R 的外观尺寸和结构与 CD-ROM 的驱动 器基本相同，唯一的附加功能是可把激光强度调制成比通常用于读出时更大的输 出功率。提高了激光功率后就可在光盘的灵敏层上“写入”可用光学方法读出的 信息，从而实现数据存储。因此刻录机不仅可以刻录 CD-R 光盘，而且还可被当 作 CD-ROM 的驱动器来使用。CD-R 光盘只允许写一次，因此刻好的 CD-R 光盘 无法被改写，但是可以像 CD-ROM 盘片一样，在 CD-ROM 驱动器和 CD-R 刻录 机上反复的读取。 由于制作材料与普通 CD-ROM 盘不同，所以 CD-R 不适合于大量制作的产 品。但在少量制作时，CD-R 呈现出许多优越性，如成本低，制作一张光盘的费 用基本上就是材料费，省去传统工艺中制作母盘等额外开销；可以不必一次把盘 全部写满；CD-R 光盘上的数据无法被修改，具有极高的安全性。 可擦式光盘存储是可以写入、擦除、重写的可逆型记录系统。它利用激光照 射引起介质的可逆性的物理变化进行记录。目前主要有磁光（MO）记录和相变 （PCD）记录两种类型。 磁光型是利用激光与磁性材料共同作用的结果来记录信息的，是磁技术和光 技术相结合的产物。它用来记录信息介质和软磁盘相似，但其信息记录密度和容 量却比软磁盘高很多。 相变型光盘仅用光学技术来读/写，所以读/写光头可以做到比磁光盘的简单，存 取时间也可以缩短。 5.1.3 光存储的特点 与磁存储技术相比，光盘存储技术具有以下特点： 3
铺助阅读材料 第五章光存储技术 1.存储密度高。 尽管磁记录的面存储密度仍在继续增长，但光盘的记录密度仍比磁盘高。由 于使用相干性好的激光作为光源，可把光聚焦成直径约1m的光点进行记录， 存储一位信息所需的介质面积仅约为1m2,因而记录密度高达10'~10bit/cm2, 是普通磁盘的10100倍，特别是道密度更远非磁盘可比，光盘因而具有更大的 存储容量。 2.非接触式读/写信息。 这是光盘存储器所具有的独特的性能。读写光点是利用透镜将激光束聚焦而成， 透镜、聚焦光点与光盘之间的相互关系如图5.1所示。光盘机中光头与光盘间距 1~2mm,光头不会磨损或划伤盘面，因此光盘可以自由更换：并且光盘外表面上 的灰尘颗粒与划伤对记录信息的影响很小。高密度的磁盘机，由于磁头飞行高度 (几十纳米)的限制，较难更换磁盘。 聚焦透镜 激光束 透明保护层 灰层 上2mm 77 ZX5N9X77K7777)约imm 记录层 的中1mm 光盘基片 图5.1透镜、聚焦光点与光盘的相对位置 3.存储寿命长。 只有光盘存储介质稳定，一般寿命在10年以上，而磁存储的信息一般只能保 存3-5年。 4.信息的信噪比高。 光盘的信噪比一般可达50B以上，而且经过多次读/写不降低。因此，光盘 多次读出的音质和图像的清晰度是磁带和磁盘无法比拟的。 5。信息位价格低， 由于光盘的存储密度高，而且只读式的光盘可以大量复制，所以它的信息位 价格此磁记录低几十倍。 当然，光盘存储技术目前还有它的不足之处。光头无论体积还是重量，都比 磁头大，这影响了光盘的寻址速度，从而影响它的记录速度。一般地，光盘的读
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 1. 存储密度高。 尽管磁记录的面存储密度仍在继续增长，但光盘的记录密度仍比磁盘高。由 于使用相干性好的激光作为光源，可把光聚焦成直径约 1 μm的光点进行记录， 存储一位信息所需的介质面积仅约为 1 ，因而记录密度高达 10 2 μm 7 ~108 bit/cm2 ， 是普通磁盘的 10~100 倍，特别是道密度更远非磁盘可比，光盘因而具有更大的 存储容量。 2. 非接触式读/写信息。 这是光盘存储器所具有的独特的性能。读/写光点是利用透镜将激光束聚焦而成， 透镜、聚焦光点与光盘之间的相互关系如图 5.1 所示。光盘机中光头与光盘间距 1~2mm，光头不会磨损或划伤盘面，因此光盘可以自由更换；并且光盘外表面上 的灰尘颗粒与划伤对记录信息的影响很小。高密度的磁盘机，由于磁头飞行高度 （几十纳米）的限制，较难更换磁盘。 图 5.1 透镜、聚焦光点与光盘的相对位置 3.存储寿命长。 只有光盘存储介质稳定，一般寿命在 10 年以上，而磁存储的信息一般只能保 存 3~5 年。 4. 信息的信噪比高。 光盘的信噪比一般可达 50dB 以上，而且经过多次读/写不降低。因此，光盘 多次读出的音质和图像的清晰度是磁带和磁盘无法比拟的。 5. 信息位价格低。 由于光盘的存储密度高，而且只读式的光盘可以大量复制，所以它的信息位 价格此磁记录低几十倍。 当然，光盘存储技术目前还有它的不足之处。光头无论体积还是重量，都比 磁头大，这影响了光盘的寻址速度，从而影响它的记录速度。一般地，光盘的读 4
铺助阅读材料 第五章光存储技术 写速度比磁盘低。光盘的记录密度如此之高，基本存储单元每位只占约1m2, 盘片上极小的缺陷或针孔也会引起错误，因而光盘的原始误码率高，必须采用强 有力的误码校正措施。 5.1.4光盘的性能参数 用来衡量光盘存储器的特性和性能的主要参数和指标有 1.光盘类型：只读式、只写一次式、可擦式。 2.光盘直径：一定程度上他会相应的决定光盘机的大小、规模和用途。 3.存储密度：指在存储介质的单位长度或单位面积上所能存储的二进制数的位 数。光盘的线密度一般可达100bit/mm,到密度一般为600道/mm,面密度 可达107-10 bit/cm2。 4.存储容量：指可存储在光盘中数据的总量，通常以二进制数的位数或字节数 等数据单位表示。 5.数据传输速率：单位时间内容数据源传送到光盘的二进制数的位数或字节数， 一般可达20-50Mb/s。采用多路传输时，可大大提高数据速率。 6.存取时间：把信息写入光盘或从光盘读出信息所用的时间。 7.信噪比：信号电平与噪声电平之比，以dB表示。 8。误码率：从光盘上读出数据时，出现差错的位数与读出的总位数之比。 9.存储每位信息的价格：即价格位，决定者一种存储器的经济效益和性能价格 比，是竞争中能否取胜的一个重要因素。 从发展的角度看，信息存储正沿着磁存储到磁光存储、全光存储的方向发 展。可以预测，今后几年内，磁存储和光盘存储认为高密度信息外存储的主要手 段。 5.2光盘存储的工作原理 5.2.1光盘驱动器的结构 光盘驱动器将所有光学、电气和机械部件组合在一起，形成一个有机的整体 以完成与写入、读出数据有关的基本功能，并实现自检操作。图5.2所示为光盘 数据存储系统的工作原理图。从中可以看出，系统的功能部件包括以下部分： (1)激光光源和与之相连的形成读、写光点的光学系统，通过它可将数据写人
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 写速度比磁盘低。光盘的记录密度如此之高，基本存储单元每位只占约 1 ， 盘片上极小的缺陷或针孔也会引起错误，因而光盘的原始误码率高，必须采用强 有力的误码校正措施。 2 μm 5.1.4 光盘的性能参数 用来衡量光盘存储器的特性和性能的主要参数和指标有： 1. 光盘类型：只读式、只写一次式、可擦式。 2. 光盘直径：一定程度上他会相应的决定光盘机的大小、规模和用途。 3. 存储密度：指在存储介质的单位长度或单位面积上所能存储的二进制数的位 数。光盘的线密度一般可达 1000bit/mm，到密度一般为 600 道/mm，面密度 可达 107 ~108 bit/cm2 。 4. 存储容量：指可存储在光盘中数据的总量，通常以二进制数的位数或字节数 等数据单位表示。 5. 数据传输速率：单位时间内容数据源传送到光盘的二进制数的位数或字节数， 一般可达 20~50Mb/s。采用多路传输时，可大大提高数据速率。 6. 存取时间：把信息写入光盘或从光盘读出信息所用的时间。 7. 信噪比：信号电平与噪声电平之比，以 dB 表示。 8. 误码率：从光盘上读出数据时，出现差错的位数与读出的总位数之比。 9. 存储每位信息的价格：即价格/位，决定着一种存储器的经济效益和性能价格 比，是竞争中能否取胜的一个重要因素。 从发展的角度看，信息存储正沿着磁存储到磁光存储、全光存储的方向发 展。可以预测，今后几年内，磁存储和光盘存储认为高密度信息外存储的主要手 段。 5.2 光盘存储的工作原理 5.2.1 光盘驱动器的结构 光盘驱动器将所有光学、电气和机械部件组合在一起，形成一个有机的整体， 以完成与写入、读出数据有关的基本功能，并实现自检操作。图 5.2 所示为光盘 数据存储系统的工作原理图。从中可以看出，系统的功能部件包括以下部分： （1）激光光源和与之相连的形成读、写光点的光学系统，通过它可将数据写人 5
辅助阅读材料 第五章光存储技术 光盘或从其中读出数据。 (2)检测和校正读、写光点与数据道之间的定位误差的光电系统。通道光检测 器产生聚焦伺服与跟踪伺服信号，根据这些信号在与光盘垂直的方向上移动聚焦 透镜，在光盘的半径方向上移动聚焦透镜或使跟踪反射镜偏转，即可相应地实现 聚焦控制和跟踪控制，把激光聚焦在光盘的记录层上，使光点中心与信道中心相 吻合。 (3)检测和读出数据的光电系统。通过数据光检测器产生数据信号过程中还产 生对凹坑（或其他信息标志）的监测信号。 上述的激光光源、光学元件和光检测器组成了小巧的光学读/写头头，简称光 头。 (4)移动光头的机构。光头安置在平台或小车上，并与直线电机连接，以便在 径向读/写数据，校正光盘的偏心。 (5)写/读数据通道中的编/译码电路，以及误差检验与校正（即ECC)电路。 (6)光盘，即数据存储媒体。 (7)光盘旋转机构。由直流电机转动光盘，通过旋转编码器产生伺服信号、控 制光盘的转速，以便进行读/写操作。 (8)光盘机的电子线路，包括控制所有运动机构的伺服电路，和把数据传送到 光盘以及从光盘上输出数据的通道电路
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 光盘或从其中读出数据。 （2）检测和校正读、写光点与数据道之间的定位误差的光电系统。通道光检测 器产生聚焦伺服与跟踪伺服信号，根据这些信号在与光盘垂直的方向上移动聚焦 透镜，在光盘的半径方向上移动聚焦透镜或使跟踪反射镜偏转，即可相应地实现 聚焦控制和跟踪控制，把激光聚焦在光盘的记录层上，使光点中心与信道中心相 吻合。 （3）检测和读出数据的光电系统。通过数据光检测器产生数据信号过程中还产 生对凹坑(或其他信息标志)的监测信号。 上述的激光光源、光学元件和光检测器组成了小巧的光学读／写头头，简称光 头。 （4）移动光头的机构。光头安置在平台或小车上，并与直线电机连接，以便在 径向读／写数据，校正光盘的偏心。 （5）写／读数据通道中的编／译码电路，以及误差检验与校正(即 ECC)电路。 （6）光盘，即数据存储媒体。 （7）光盘旋转机构。由直流电机转动光盘，通过旋转编码器产生伺服信号、控 制光盘的转速，以便进行读／写操作。 （8）光盘机的电子线路，包括控制所有运动机构的伺服电路，和把数据传送到 光盘以及从光盘上输出数据的通道电路。 6
辅助阅读材料 第五章光存储技术 数据输入 光滋 数据存储介质 光学读写头 聚焦透镜 EcC 编码 激 器下 /4波长板 光学系统 译码 ECC 定位误差 数据输出 图5.2光盘数据存储系统工作原理图（点划线内部分为光学读写头） 在上述光盘驱动器的结构中，光头是最关键的部件，在性能上占有重要位 置。在光盘技术中，为研制光头投入的力量一般最大。光头虽小，却是集光、机、 电为一体的高科技产品。 光盘光头相当于磁盘驱动器的磁头，是信息逐出和写入的通道。根据用途 和功能，对光头有不同的要求。只读式光盘所用光头追求的重点是小型化和低价 格。一次写入式和可擦式光盘的光头.特别是用于数据存储时，要求能高速传送 读取数据，因此希望光头重量轻、厚度薄。对于可擦式光盘来说，还要求能制成 各种复杂且稳定的光学系统。要满足这些要求可有不同的实现方法，如使光学零 件集成化、全息元件化，以减少零件数量：采用分离型光学系统，争取实现薄膜 整体化光头等。就结构来看，光头可分为如下几种： (1)普通光头 如图5.2所示，光头由半导体激光器、准直物镜、分束棱镜、聚焦物镜和误 差探测光学系统组成。出于光头各部件均由较大的研磨光学元件组成，体积和重 量都较大，所以严重影响寻址速度。这是最初采用的且比较成熟的一种光头。 (2)分离式光头
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 图 5.2 光盘数据存储系统工作原理图（点划线内部分为光学读/写头） 在上述光盘驱动器的结构中，光头是最关键的部件，在性能上占有重要位 置。在光盘技术中，为研制光头投入的力量一般最大。光头虽小，却是集光、机、 电为一体的高科技产品。 光盘光头相当于磁盘驱动器的磁头，是信息逐出和写入的通道。根据用途 和功能，对光头有不同的要求。只读式光盘所用光头追求的重点是小型化和低价 格。一次写入式和可擦式光盘的光头．特别是用于数据存储时，要求能高速传送 读取数据，因此希望光头重量轻、厚度薄。对于可擦式光盘来说，还要求能制成 各种复杂且稳定的光学系统。要满足这些要求可有不同的实现方法，如使光学零 件集成化、全息元件化，以减少零件数量；采用分离型光学系统，争取实现薄膜 整体化光头等。就结构来看，光头可分为如下几种： (1) 普通光头 如图 5.2 所示，光头由半导体激光器、准直物镜、分束棱镜、聚焦物镜和误 差探测光学系统组成。出于光头各部件均由较大的研磨光学元件组成，体积和重 量都较大，所以严重影响寻址速度。这是最初采用的且比较成熟的一种光头。 (2) 分离式光头 7
辅助阅读材料 第五章光存储技术 如图5.3所示，为了减少光头可移动部分的总量、把聚焦物镜和跟踪反射 镜与光头其他部分分离开来。光源、分束系统和探测光路固定不动，两者之间通 过精密导轨实现光能的耦合。这样就可使可动光头的重量减轻，提高光头的飞行 速度，有利于快速存/取的实现。 光盘 反射镜 检测及光源 跟踪 可动部分 控制 周定部分 检测器 图5.3分离式光头 光盘存储系统的数据通路如图5.4所示。用户数据通过接口被送进输入缓冲 器，缓冲器可提供“弹性”存储能力，以适应变化者的输入数据速率。数据从输 入缓冲器以称为子块的字符组形式进入记录格式器。每个子块要通过错误检测与 校正编码器，加入奇偶校验位，以便随后读出时进行错误保护。记录格式器将子 块组成地址块，对其加入地址信息，以便读出时的数据检索。最后，记录格式器 将地址块编组成若干字节的面向用户的数据块，这就是读出时可随机检索的最小 数据单元。 格式化数据从记录格式器被送到光盘机的记录电路，该电路将数据编成记录 代码，并加上特殊的同步符号，以便在读出时识别子块和地址块的起始位置。经 过格式化和编码的数据从记录电路被送往写/读站，完成把数据记录到光盘上或 自其上读出数据的功能。 读出电路检测并解调从光盘上来的反射光，并将信号送至控制部件的读出格 式器。后者校正数据中的任何错误，除去记录时所加的用于识别信道的地址信息】 并重新组织位序列，使之与输入到记录格式器的序列一致。最终的读出数据被送 8
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 如图 5.3 所示，为了减少光头可移动部分的总量、把聚焦物镜和跟踪反射 镜与光头其他部分分离开来。光源、分束系统和探测光路固定不动，两者之间通 过精密导轨实现光能的耦合。这样就可使可动光头的重量减轻，提高光头的飞行 速度，有利于快速存／取的实现。 图 5.3 分离式光头 光盘存储系统的数据通路如图 5.4 所示。用户数据通过接口被送进输入缓冲 器，缓冲器可提供“弹性”存储能力，以适应变化着的输入数据速率。数据从输 入缓冲器以称为子块的字符组形式进入记录格式器。每个子块要通过错误检测与 校正编码器，加入奇偶校验位，以便随后读出时进行错误保护。记录格式器将子 块组成地址块，对其加入地址信息，以便读出时的数据检索。最后，记录格式器 将地址块编组成若干字节的面向用户的数据块，这就是读出时可随机检索的最小 数据单元。 格式化数据从记录格式器被送到光盘机的记录电路，该电路将数据编成记录 代码，并加上特殊的同步符号，以便在读出时识别子块和地址块的起始位置。经 过格式化和编码的数据从记录电路被送往写／读站，完成把数据记录到光盘上或 自其上读出数据的功能。 读出电路检测并解调从光盘上来的反射光，并将信号送至控制部件的读出格 式器。后者校正数据中的任何错误，除去记录时所加的用于识别信道的地址信息， 并重新组织位序列，使之与输入到记录格式器的序列一致。最终的读出数据被送 8
铺助阅材料 第五章光存储技术 到输出缓冲器，缓冲器按要求的数据速率将数据传送给用户。 地址一 动率中的黄 数据可美型译阿降 去除地址。 错误检测与校让 控制器部件 光盘机部件 图5.4数字光盘的数据流 5.2.2光盘的读/写原理 利用激光的单色性和相干性，把光束聚焦成直径为14m数量级的微小光点 使能量高度集中，并在存储介质上产生物理、化学变化，以进行记录：用微小的 光点在介质上扫描，根据反射光的变化读出记录的数据。这就是光盘最基本的动 作。 如图5.2所示，在采用半导体激光器作为光源的情况下，为了记录输入的数 据，信号首先要通过误差检测与校正电路和编码电路，直接调制半导体激光器的 输出。经过调制的高强度激光束经由光学系统会聚、平行校正，通过跟踪反射镜 被导向聚焦于透镜。后者被安装在音圈型制动器内，它在原理上和光学质量上与 高倍数显微镜的物镜相似，数值孔径在0.45-0.65之间。透镜将调制过的待记录 光束聚焦成直径约数量级为1m的光点，且正好落在数据存储介质的平面上。 当高强度写入光点通过存储介质时，有一定宽度和间隔的记录光脉冲就在介质上 形成一连串的物理标志，它们是相对于周围的背景在光学上能显示出反差的微小 区域，如表面上的黑色线状单元或凹坑。若在光盘旋转过程中，载有光头的小车 做匀速直线运动，那么这些物理标志即形成等节距的螺旋线信道。如果在记录数 据时，小车停止不动，那么只有在每一转结束时，写入光束才断开，小车才将光 头定位到下一个信道位置上，然后开始记录新的数据，这时形成的信息道就是同 心圆。在最简单的情况下，存储介质是金属薄膜介质，此时，上述物理标志就是 金属薄膜上被熔化了的或烧蚀掉的微米大小的孔，有孔即代表在数据道上存储了 二进制代码1，无孔则代表0
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 到输出缓冲器，缓冲器按要求的数据速率将数据传送给用户。 图 5.4 数字光盘的数据流 5.2.2 光盘的读/写原理 利用激光的单色性和相干性，把光束聚焦成直径为 1 μm数量级的微小光点， 使能量高度集中，并在存储介质上产生物理、化学变化，以进行记录；用微小的 光点在介质上扫描，根据反射光的变化读出记录的数据。这就是光盘最基本的动 作。 如图 5.2 所示，在采用半导体激光器作为光源的情况下，为了记录输入的数 据，信号首先要通过误差检测与校正电路和编码电路，直接调制半导体激光器的 输出。经过调制的高强度激光束经由光学系统会聚、平行校正，通过跟踪反射镜 被导向聚焦于透镜。后者被安装在音圈型制动器内，它在原理上和光学质量上与 高倍数显微镜的物镜相似，数值孔径在 0.45~0.65 之间。透镜将调制过的待记录 光束聚焦成直径约数量级为 1 μm的光点，且正好落在数据存储介质的平面上。 当高强度写入光点通过存储介质时，有一定宽度和间隔的记录光脉冲就在介质上 形成一连串的物理标志，它们是相对于周围的背景在光学上能显示出反差的微小 区域，如表面上的黑色线状单元或凹坑。若在光盘旋转过程中，载有光头的小车 做匀速直线运动，那么这些物理标志即形成等节距的螺旋线信道。如果在记录数 据时，小车停止不动，那么只有在每一转结束时，写入光束才断开，小车才将光 头定位到下一个信道位置上，然后开始记录新的数据，这时形成的信息道就是同 心圆。在最简单的情况下，存储介质是金属薄膜介质，此时，上述物理标志就是 金属薄膜上被熔化了的或烧蚀掉的微米大小的孔，有孔即代表在数据道上存储了 二进制代码 1，无孔则代表 0。 9
辅助阅读材料 第五章光存储技术 ,铝反射层 28222 约0.1μm 物镜光盘 凹坑 6) 凹坑 1664m 光器 0.6u (a) 光点 (c) 图55光盘上的凹坑与读出光点 (a)光点形成在光盘后部的反射面上：(b)表面上的凹坑：（）凹坑形成的信息道) 记录的凹坑如图5.5所示。好的”凹坑具有清晰的、界限分明的边缘，其长 度等于光脉冲宽度乘以介质的扫描速度。但不管凹坑的长度如何，其宽度皆均匀 一致。好的凹坑在读出时能产生高的信噪比。而当凹坑具有模糊的前沿或后沿， 或其长、宽明显失真时，读出时就会产生噪声或误码。写入时如记录光点散焦， 就会产生这样的问题。如果是数字记录，凹坑的有无相应地代表1和0：如果是 模拟记录，凹坑的长度和间隔则代表视频信息。凹坑的深度约为激光波长的14。 肌读出信号 光学头 记录信息符 0.8uD 1.6μm 光盘 图5.6光盘的读取原理 如图5.2和图5.6所示，为了读出存储的数据，在半导体激光器上施加一较 低的直流电压，产生相应的小功率的连续波输出。读出光束的功率要经过慎重选 择，必须小于存储介质的记录阈值，以免破坏盘面上原已写入的信息。读出光束 同样要经过光学系统，最后在存储介质面上聚集成微米大小的光点。根据数据道
辅助阅读材料 第五章 光存储技术 图 5.5 光盘上的凹坑与读出光点 ((a) 光点形成在光盘后部的反射面上；(b) 表面上的凹坑；(c) 凹坑形成的信息道) 记录的凹坑如图 5.5 所示。好的”凹坑具有清晰的、界限分明的边缘，其长 度等于光脉冲宽度乘以介质的扫描速度。但不管凹坑的长度如何，其宽度皆均匀 一致。好的凹坑在读出时能产生高的信噪比。而当凹坑具有模糊的前沿或后沿， 或其长、宽明显失真时，读出时就会产生噪声或误码。写入时如记录光点散焦， 就会产生这样的问题。如果是数字记录，凹坑的有无相应地代表 1 和 0；如果是 模拟记录，凹坑的长度和间隔则代表视频信息。凹坑的深度约为激光波长的 1/4。 图 5.6 光盘的读取原理 如图 5.2 和图 5.6 所示，为了读出存储的数据，在半导体激光器上施加一较 低的直流电压，产生相应的小功率的连续波输出。读出光束的功率要经过慎重选 择，必须小于存储介质的记录阈值，以免破坏盘面上原已写入的信息。读出光束 同样要经过光学系统，最后在存储介质面上聚集成微米大小的光点。根据数据道 10