Rodzaje, budowa, zasada i działanie napędów

optycznych

Piotr Arbaczewski

Przemek Boreczek

II TI

Spis treści

Napęd optyczny– definicja........................................................................3
Rodzaje napędów optycznych...................................................................4-5
Budowa napędu optyczneg o......................................................................6
Z asada działania napędu optyczneg o.......................................................7-0
Nośniki.........................................................................................................11-12
Bibliog rafia.................................................................................................13

2

Napęd optyczny

Napęd optyczny – jest to urządzenie,

które

za pomocą wiązki lasera odczytuje dane

z

następujących nośników: CD ( -R , -R W),

DVD

( -R , -R W, +R , +R W) lub najnowszych

B lu-

ray Disc. Więcej o nośnikach przeczytać
można od strony 1 1 do 1 2.

P rędkości

P rędkość napędów optycznych podaje

się w

wielokrotnościach

podstawowej

prędkości 1 x , która odpowiada przepustowości 1 5 0 kB /s ( napędy CD), 1 35 0 kB /s
( napędy DVD) lub 5 234 kB /s ( napędy B lu-R ay). N p. maksymalny transfer CD-R O M -u o
prędkości 8x wynosi 1 ,2 M B /s.

N apęd optyczny może znajdować się w komputerze lub może też stanowić odrębne,
zewnętrzne urządzenie podłączane do komputera.

3

Rodzaje napędów optycznych i ich różnice

W yróżniam y następujące rodzaje napędów:

-odczytujące dane z płyt CD
- odczytujące i zapisujące dane na płytach CD pojedynczeg o zapisu
- odczytujące i zapisujące dane na płytach CD jednokrotneg o i wielokrotneg o zapisu
- odczytujące dane z płyt DVD oraz płyt CD
- odczytujące dane z płyt DVD oraz płyt CD i zapisujące dane na płytach DVD
( jednokrotneg o i wielokrotneg o zapisu “+” i “-” oraz “-R A M ”) oraz CD (jednokrotneg o i
wielokrotneg o zapisu
- odczytujące dane z płyt DVD oraz płyt CD i zapisujące dane na płytach DVD
( jednokrotneg o i wielokrotneg o zapisu) oraz CD (jednokrotneg o i wielokrotneg o zapisu),
- odczytujące dane z płyt DVD oraz płyt CD i płyt B lu-R ay i HD DVD i zapisujące dane
na płytach CD (jednokrotneg o i wielokrotneg o zapisu) oraz DVD ( jednokrotneg o i
wielokrotneg o zapisu) oraz B lu-R ay

Różnice między CD-R/RW, DVD, DVD-R,...

CD-R vs. CD-RW

P łyty CD-R /R W mają pojemność od 200 M B ( w wersji mini CD) do 870 M B , najczęściej
produkowane płyty mają pojemność 700 M B . N ośniki CD-R W diametralnie różnią się
budową i zasadą działania

od płyt CD-R . N ośniki CD-R W mog ą być zapisywane z prędkościami od 4x do 32x . Dla
porównania nośniki CD-R mog ą być nag rywane z maksymalną prędkością 5 4x .

DVD+R vs. DVD-R

P łyty różnią się pojemnością: DVD-R ma pojemność 4,489 M B ( 4.38 GB ), a DVD+R -
4,483 M B ( 4.37 GB ). DVD+R są płytami wstępnie sformatowanymi. M ają obszar
przeznaczony na korekcje błędów i dlateg o lepiej nadają się do przechowywania danych
komputerowych. Z kolei DVD-R nie mają takich obszarów. Zaoszczędzona w ten sposób
przestrzeń przeznaczona jest na pliki otwarcia i zamknięcia. DVD-R nie są sformatowane,
więc nadają się do nag rywania filmów i muzyki, ponieważ nie potrzebują korekcji
błędów.

4

BLU-RAY

Ten typ nośnika pozwala na zapisanie 25 GB ( płyty jednowarstwowe) do nawet 400 GB
( 1 6-warstwowe,wymyślone przez P ionnera). Do zapisywania na tym nośniku jest
używany niebieski laser ( w nag rywarkach DVD używany jest laser czerwony). Format
wyg rał walkę o miano nastepcy płyt DVD.

HD-DVD

HD-DVD to format zapisu optyczneg o danych, opracowany przez firmy Toshiba, N EC i
M emory-Tech zrzeszone w org anizację A O SR A . P odobny do płyt DVD, jednak znacznie
bardziej pojemny, g dyż dzięki zastosowaniu niebieskieg o lasera udało się znacznie
zwiększyć g ęstość upakowania danych. N apędy i nośniki danych HD-DVD przeg rały
walkę o miano następcy powszechnie znanych napędów i płyt DVD.

P ojemności nośników danych HD:

* HD DVD-R O M ( tylko do odczytu):

1 5 GB - 60 GB

* HD DVD-R ( jednokrotny zapis):

1 5 GB - 30 GB

* HD DVD-R W ( wielokrotny zapis):

20 GB - 40 GB

5

Budowa napędu optyczneg o

N apęd CD/DVD ma za
zadanie odnalezienie i
odczytanie

danych

przechowywanych

w

postaci zag łębień na

płycie

CD lub DVD. B iorąc pod
uwag ę fakt, jak małe
zag łębienia używane są

do

zapisu danych, można
śmiało stwierdzić, że

napęd

dysków optycznych jest
bardzo

precyzyjnym

urządzeniem.

N apęd

zawiera 3 zasadnicze
elementy:

silnik napędzający

płytę -

silnik ten precyzyjnie
kontroluje ilość obrotów

płyty

w

ciąg u

minuty,

wahającą się od 200 do

5 00,

zależnie od obszaru, z
jakieg o odczytywane są

dane

( im bliżej środka, tym

płyta

kręci się szybciej)

laser i soczewka

lasera

- odpowiedzialne za
odczyt danych

mechanizm poruszający ramieniem lasera pozwala na podążanie lasera wzdłuż ścieżki

z danymi. Silnik krokowy, użyty do napędzania ramienia umożliwia wykonywanie
bardzo małych ruchów lasera.

6

Z asada działania napędu optyczneg o

Głównym zadaniem napędu jest skupienie strumienia lasera na ścieżce danych na płycie.
Wiązka lasera przechodzi przez poliwęg lową warstwę płyty i odbija się od następnej,
aluminiowej warstwy, po czym trafia na detektor, który wykrywa zmiany w świetle.
Zag łębienia na płycie inaczej odbijają promień lasera niż płaskie powierzchnie bez
zag łębień, toteż detektor może jednoznacznie stwierdzić czy na płycie w danym miejscu
znajduje się zag łębienie, czy też nie. Każde zag łębienie interpretowane jest jako 1 , zaś
brak zag łębienia jako 0. Kolejno odczytane pity tworzą bajty danych, przekształcane w
pliki lub muzykę.

O ptyka
P łyta odczytywana jest od dołu. Więc dla lasera to co było wklęsłe ( pit) jest teraz
wypukłe.

Laser używany w odtwarzaczach to przeważnie dioda A lA sGa dająca światło czerwone o
dług ości w powietrzu 780 nm ( prawie na g ranicy widzialności - spektrum widzialne
kończy się na 720 nm). W poliwęg lanie dług ość światła jest mniejsza o współczynnik
1 ,5 5 ( współczynnik załamania) i wynosi około 5 00 nm. Wg łębienie/wypukłość ma ściśle
określoną wysokość/g łębokość. Jest to dokładnie czwarta część dług ości fali światła ( w
poliwęg lanie) - 1 25 nm. Co to oznacza? Że światło lasera będzie opóźnione po odbiciu od
powierzchni ( land) o 1 /4 + 1 /4 = 1 /2 dług ości fali, więc będzie dokładnie w przeciwfazie
do światła odbiteg o od wypukłości ( pit). Te dwa promienie przez interferencję zostaną
wyg aszone i światło nie zostanie odbite od powierzchni.

O dstępy między sąsiednimi ścieżkami są również ściśle określone. Z optyki pamiętamy,
że światło przechodząc przez bardzo wąską szczelinę tworzy fale elementarne. N a
kierunku padającej wiązki leży maksimum g łówne. Szerokość połowy jeg o pełnej mocy
jest punktem o średnicy 1 ,7 µm i wypada na g órnej powierzchni wypukłości podążając

7

dokładnie osią ścieżki. M inima leżące po obu stronach maksimum g łówneg o są dokładnie
usytuowane na osiach wypukłości sąsiednich ścieżek. Dzięki temu minimalizowane są
zakłócenia pochądzące z sąsiednich ścieżek.

Głowica laserowa

Wiązka światła powstająca w diodzie laserowej trafia najpierw na siatkę dyfrakcyjną.
O puszczają ją trzy promienie, które są polaryzowane i przechodzą przez kolimator.
N astępnie płytka 1 /4 fali zmienia ich polaryzację na kołową i przesyła do obiektywu,
który je og niskuje na płycie. P romienie odbite od płyty przechodzą w drodze powrotnej

8

znowu przez płytkę 1 /4 fali, g dzie uzyskują polaryzację prostopadłą do tej, którą uzyskały
wcześniej w polaryzatorze. Jednak nie przechodzą przez nią jak poprzednio, lecz są
odbijane i kierowane do układu optyczneg o, złożoneg o z soczewki wklęsłej i
cylindrycznej, który służy do tworzenia obrazu na matrycy fotodetekcyjnej.

Śledzenie ścieżki
Laser podczas odczytu musi bezbłędnie śledzić ścieżkę z danymi. N ie ma mowy o jakimś
"mechanicznym" trzymaniu się jej. P rawidłowe prowadzenie zapewniają promienie
prowadzone po powierzchni ( land) płyty po obu stronach ścieżki i sensory diodowe, na
których odwzorowywany jest obraz "sytuacji". O dwrotnie niż przy odczycie tutaj
następuje wyg aszenie światła na wypukłościach ( pit). Jeśli g łowica "zsuwa" się ze ścieżki
do jednej z diod detekcyjnych dociera mniej światła ( bo promień kontrolny zahacza już o
wypukłości, na których jest wyg aszany) powodując uruchomienie mechanizmu
koryg ująceg o.

O g niskowanie
Trzeci, środkowy promień kontrolny ma za zadanie pilnowanie prawidłoweg o
zog niskowania wiązki na ścieżce. Gdy promień jest og niskowany prawidłowo obraz na
fotodetektorze jest idealnie okrąg ły. Gdy płyta odsunie się i og niskowanie następuje za
blisko obraz wydłuża się.

9

Gdy z kolei płyta przysunie się za blisko obraz również się wydłuży, lecz w kierunku
prostopadłym do poprzednieg o.

P rzy idealnie okrąg łym obrazie kontrolnym wszystkie diody fotodetektora są w
równowadze. Gdy og niskowanie jest niepoprawne równowag a zostaje zachwiana
i zależnie od teg o, która para diod została bardziej oświetlona mechanizm korekcyjny
podejmuje odpowiednie działanie.

1 0

Nośniki

P łyta - podstawowe dane

P łyta CD ( compact disc) jest poliwęg lanowym
Krążkiem o średnicy 1 20 mm.
W środku znajduje się otwór o średnicy

1 5 mm.

N ag rywana - i oczywiście odtwarzana -

jest od

środka na zewnątrz.

P owierzchnia czynna zawiera dług i

ciąg

mikroskopijnych wg łębień, które
odpowiadają binarnemu 0. Każde
wg łębienie ma 0,5 µm szerokości i od

0,83

µm do 3,5 6 µm dług ości ( notka:

dług ość

fali zieloneg o światła wynosi około

0,5 µm).

N ag rania są oddzielone od siebie przerwą
szerokości
1 ,6 µm. Wg łębienia są
mechanicznie

1 1

wytłaczane w płycie. Jaka jest ich wielkość można zobaczyć na poniższym rysunku, na
którym z zachowaniem skali można porównać g rubość włosa, który od zawsze był
stosowany do określenia czeg oś bardzo cienkieg o

.

P okrywa je cienka warstwa ( 60-1 00 nm) metalu ( aluminium, złota lub srebra). Dla
porównania - średnica atomu to mniej więcej 0,1 nm, więc ta warstwa jest naprawdę
cienka - kilkaset atomów g rubości. Dodatkowa warstwa polimeru ( 1 0-30 µm) pokrywa
metal. W końcu etykieta jest pokrywana serig rafią. Warto zwrócić uwag ę na fakt, że
wg łębienia są dużo bliżej serig rafii ( 20 µm), niż strony odczytu ( ponad 1 mm). Dlateg o
łatwiej jest o stałe uszkodzenie płyty przez zadrapanie g órnej powierzchni niż dolnej.
P łytę porysowaną od strony czynnej da się jeszcze uratować, zadrapania etykiety

kwalkwikują ją do wyrzucenia

HD-DVD kontra Blu-Ray

Standard HD-DVD (High Density DVD) znany również jako AOD (Advanced Optical Disk)
to jeden z najnowszych projektów firm NEC oraz Toshiba.
Napędy HD-DVD wykorzystują do odczytywania danych niebieski promień lasera. Napędy mają
gabaryty standardowych napędów CD/DVD (41 mm wysokości). Są więc przeznaczone do
montażu w standardowych obudowach pecetów. Także pyty w tym formacie mają rozmiary
standardowych krążków CD i DVD, ale pozwalają na zapisanie nawet do 30 GB danych (na
dwustronnej pycie jednokrotnego zapisu). Pyty AOD-RW mogą pomieścić do 20 GB danych.
Zaletą odtwarzaczy pracujących w tym standardzie jest możliwość odczytywania pyt zapisanych z
wykorzystaniem stosowanego obecnie czerwonego lasera.
Standard HD-DVD ma też konkurenta - jest to stworzony przez firmy Sony i Philips standard Blu-
ray. Pomimo, że oba standardy wykorzystuj ą niebieski laser, nie są ze sobą kompatybilne. Na
jednowarstwowym dysku Blu-ray można zmieścić 27 GB danych. Transfer danych z krążka
odbywa się z prędkością 36 Mb/s. Dyski Blu-ray występują w trzech wersjach: BD-RE
(wielokrotnego zapisu), BD-ROM (tylko do odczytu) oraz BD-R (jednokrotnego zapisu). Zapis
wideo na krążkach BD odbywa się przy użyciu kodowania MPEG-2.

Format FVD wkracza na rynek

Azjatyckie Stowarzyszenie Advanced Optical Storage Research Alliance ogosio wprowadzenie
nowego formatu pyt - FVD (Forward Versatile Disc). Do formatu FVD zostay wączone
algorytmy kompresji Microsoftu - WMV9 i WMA9, które obciążone są stosunkowo niskimi
opatami licencyjnymi (0,10 USD), podczas gdy opata za korzystanie z formatu MPEG-4 lub
H.264 wynosi 0,25 USD, a za MPEG-2 aż 2,5 USD.
Pyty FVD będą mogy pomieścić 5,4 - 6 GB danych (w wersji jednowarstwowej) lub 9,8-11 GB w
wersji dwuwarstwowej. Druga generacja nośników będzie oferowaa maksymalną pojemność rzędu
15-16 GB. Maksymalna rozdzielczość obrazu video to 1280 x 720 pikseli i 1920 x 1080 pikseli dla
rozwiązań drugiej generacji.
Pierwsze modele odtwarzaczy FVD mają kosztować ok. 120-150 USD. Aby wypromować nowy
format poza rynkami azjatyckimi stowarzyszenie Advanced Optical Storage Research Alliance
planuje zaprezentować urządzenia FVD na wystawie Consumer Electronics Show 2005, która
odbędzie się w dniach 6-9 stycznia 2005 r. w Las Vegas.

Napędy optyczne przyszości

Mimo tego, iż standardy HD-DVD i Blue-Ray jeszcze nie zdążyy się na dobre rozpowszechnić i
nadal zdecydowana większość użytkowników korzysta co najwyżej z popularnych nagrywarek
DVD, to producenci ciągle szukają nowych sposobów zapisywania danych na nośnikach
optycznych.
Jednym z takich najnowszych pomysów jest projekt japoński firmy Pioneer, która opracowaa
technologię pozwalającą na skadowanie 500 GB na standardowej pycie optycznej! Do tego celu
zastosowano laser UV, zamiast lasera niebieskiego stosowanego w HD-DVD i Blu-Ray. Laser UV
charakteryzuje się krótszą wiązką fali niż laser niebieski (dugość fali 70 nanometrów). Szacowany
transfer w tego typu napędach jest do 20 razy szybszy niż w przypadku napędów korzystających z
niebieskiego lasera.