Technikálie: Na jakém principu pracují CD a DVD mechaniky

0

CD disků se prodalo pravděpodobně více než jakýchkoli jiných nosičů v historii, přičemž v dobách největší slávy to byly stovky miliard kusů ročně. Stojí za tím velice jednoduchá metoda, která umožňuje vyrobit disky přímo s daty, a to v ohromných nákladech a za nízké ceny. Například u technologie VHS bylo potřeba kazety vyrobit a následně na individuálně každou nahrát její obsah. Díky CD bylo možné distribuovat levněji hudbu, filmy, software i jakákoli jiná data (např. firemní katalogy) a mnohdy je v podstatě rozdávat.

Prvními optickými médii, jež se dočkala uplatnění, byly takzvané  Laserdisky z roku 1958. Této myšlenky se ujala společnost Phillips, která ve spolupráci s MCA předvedla prototyp v roce 1972, a o šest let později se technologie dostala na trh. Přehrávače byly vyráběny až do roku 2009 a celkem se jich prodalo takřka 17 milionů. Laserdisky měly průměr 30 cm (tedy téměř jako gramofonová deska) a ač používaly ještě analogový záznam obrazu, kvalita byla podstatně vyšší než u VHS kazet.

Současné disky

CD a DVD jsou už dnes pomalu na ústupu, a stejně tak média HD DVD, která nepřežila válku s disky Blu-ray (BD), jejichž prodeje sice rostou, ale pravděpodobně již nikdy nedosáhnou takového rozmachu jako za CD a DVD. Optické disky totiž kapacitou již nestíhají ostatní média a datové nároky doby, navíc s rostoucí hustotou zápisu se problémy jako škrábance a nečistoty stávají stále méně překonatelným problémem.

Všechna tato média jsou rozměrově stejná (průměr 120 mm, výška 1,2 mm), což zaručuje možnost zpětné kompatibility. Také základní princip uchovávání dat na těchto discích je stejný – mikroskopické drážky v záznamové vrstvě. Rozdíl je v tom, že s rostoucí datovou hustotou jsou i drážky menší a blíže u sebe.

CD také měla datovou a reflexní vrstvu na horní straně disku. To však nebylo praktické, protože docházelo ke korozi reflexní vrstvy (ta bývala ze stříbra, později z hliníku nebo ze speciálních intermetalických sloučenin) a někdy dokonce k loupání. DVD přišlo s tím, že záznamová a reflexní vrstva jsou uprostřed mezi dvěma vrstvami polykarbonátu. To sice výrazně snížilo možnost poškození samotných kritických vrstev optického disku, na druhou stranu však může docházet k nežádoucím rozptylům či vzniku dvou světelných paprsků.

 

HD DVD zachovávalo totéž uspořádání, Blu-ray se vrátilo k původnímu uspořádání CD, tedy se záznamovou vrstvou nahoře. Použití nových velmi tvrdých ochranných vrstev však zvýšilo odolnosti vůči poškrábání až na úroveň DVD. Rozložení vrstev u jednotlivých disků ukazuje obrázek.

Struktura optické mechaniky

Kromě nezbytné elektroniky, která zabezpečuje komunikaci s jednotlivými částmi (laser, senzor, motorky apod.) a základní deskou počítače, je nejdůležitější součástí mechaniky optika. Na první pohled člověka obvykle upoutá čočka, u DVD-ROM mechanik obvykle namodralá, u CD-ROM bývala nazelenalá. Barvu určuje tloušťka antireflexní vrstvy nanášené na čočky pro snížení ztrát laserového paprsku odrazem.

Součástí mechaniky jsou obvykle tři až čtyři motorky. Jeden roztáčí samotný disk, druhý (případně ještě další) vysouvá dvířka a zvedá celou vnitřní část jednotky ke stropu. Tam se nachází plastový ložiskový díl s magnetem, který se po přizvednutí vnitřku mechaniky přiblíží k elektromotoru roztáčejícího disk. Disk je tak přitlačován k horní pogumované části elektromotoru a drží na něm (neprokluzuje). Poslední motorek slouží k posunu celé optiky.

Čtení dat CD-ROM mechanikou

Jev interference je velmi důležitý pro CD-ROM. Polarizované laserové světlo, produkované polovodičovou diodou, se pod úhlem 90 stupňů odráží na polopropustném zrcátku, odkud projde čočkou a tím se zaostří. Další zaostření paprsku až na požadovanou tloušťku (o něco málo více než šířka drážky, u CD, tedy asi 125 nm) vzniká díky jevu lámání paprsku na rozhraní vzduchu a polykarbonátu. Paprsek dále projde až na záznamovou vrstvu, na které se část odrazí zpět. Zbývající část světla, která projde, se odrazí až na reflexní vrstvě.

Drážka je v podstatě ztenčení záznamové vrstvy, které je vytvářeno tak, aby prošlé světlo (odrážející se až na reflexní vrstvě) mělo obrácenou fázi a tudíž nastala destruktivní interference. Výsledkem je, že paprsek, který prochází vrstvou plné tloušťky, má téměř plnou intenzitu. Paprsek procházející vrstvou ztenčenou (díky drážce) má naopak intenzitu minimální.

Světlo při odrazu také otočí rovinu polarizace. Polopropustné zrcátko, na kterém se původně odrazilo, je nastaveno tak, aby světlo s otočenou rovinou polarizace propustilo. Paprsek tedy projde skrz a dopadne na senzor. Jednotlivé změny, které díky drážkám na disku nastávají (plná a naopak minimální intenzita) pak jsou převáděny na logické jedničky a nuly – a ty pak reprezentují datový obsah.

Drážky jsou na CD uspořádány za sebou v dlouhé spirále, začínající u středu disku. Optika musí tuto spirálu sledovat a měnit polohu  To se děje s pomocí elektromotoru a takzvané šnekové hřídele. Na drážky je však elektromotor až příliš hrubý, proto je celá optika oddělena od části, která je hřídelí posouvána. Tento menší modul je upevněn na tenkých pružinkách a ze stran má malé cívky, které podle velikosti protékajícího proudu vytváří různě intenzivní magnetické pole, což umožňuje optiku mnohem jemněji vychylovat a přesněji sledovat spirálu.

Jednotlivé vrstvy CD (nahoře) a DVD (dole): 1 – polykarbonát, 2 – záznamová vrstva, 3 – reflexní vrstva, 4 – potisk Jednotlivé vrstvy CD (nahoře) a DVD (dole): 1 – polykarbonát, 2 – záznamová vrstva, 3 – reflexní vrstva, 4 – potisk

Vypalování a přepisování dat

Zapisovatelná média nemají drážky a záznamová vrstva je z výroby zcela propustná. Je proto potřeba speciální laser s vyšším výkonem, který vrstvu zahřeje (na teplotu kolem 700 °C). Vrstva tím změní své vlastnosti a stane se nepropustnou, světlo pohlcuje a rozptyluje. Při čtení tak nenastává interference způsobující pokles intenzity světla, ale světlo se pohltí a rozptýlí poté, co narazí na nepropustnou zónu.

Některé první mechaniky měly skutečně dvě různé optiky, případně dvě různé diody. První kombo mechaniky také obvykle mívají dvě optiky, jednu např. pro čtení CD/DVD a druhou pro BD. Později vždy došlo k vývoji univerzálních laserových diod schopných poskytnout vyšší výkony nebo svítit v různých vlnových délkách.

Pro přepisování (u přepisovatelných RW médií) byly vyvinuty materiály, které jsou schopné měnit fázi a v této konkrétní fázi také případně zůstat. V základní krystalické fázi jsou propustné pro světlo, při zahřátí určitým způsobem se změní na amorfní, tedy nepropustné. Lze je ovšem opět převést na krystalické a daný bit informace tak změnit.

Tyto tři základní principy jsou použity u disků CD, DVD i BD. Postupně se vždy jen zmenšovala vlnová délka, a to ze 780 nm (infračervené světlo) přes 640 nm (červené) až k nynějším 405 nm (modré). Existují také dvouvrstvé disky, které mají první reflexní vrstvu polopropustnou.

 

Slovníček

Polarizace je vlastnost, kdy jednotlivé složky vlnění kmitají v konkrétně dané rovině, nebo náhodně všemi směry

Interference je jev typický pro vlnění, přičemž jde o skládání dvou a více vlnění. V praxi jsou používané dva mezní jevy: konstruktivní interference (např. používaná u brýlí), kdy se potkají dvě vlny se stejnou fází a nově vzniklá vlna má vyšší amplitudy, a destruktivní inteference (např. na čočkách dalekohledů), kdy se potkají dvě vlny s opačnou fází a vlnění může i  zcela zaniknout. V optice se obvykle využívá interference na tenké vrstvě, kdy se dva paprsky nechají proběhnout různě dlouhé trati, tak vzniká fázový rozdíl

Technikálie: Na jakém principu pracují CD a DVD mechaniky

Ohodnoťte tento článek!