Uni tăţi optice

1. Unităţi optice Petre OGUŢAN, noiembrie 2010

2. Istoric Unitatea optică citeşte sau scrie date codificate binar pe un suport circular, numit disc optic. În 1961 David Paul Gregg a înregistrat în SUA patentul unităţii optice. Music Corporation of America (MCA) a cumpărat patentul lui Gregg împreună cu toată compania lui. Acest reper istoric constituie începutul primei etape, etapa CD. În această etapă un CD poate înmagazina 700MB pe o faţă. În 1989 Pioneer a înregistrat un patent pentru unităţi optice care a adus beneficii financiare. După acest an a fost dezvoltată a doua etapă istorică a unităţilor optice, etapa DVD. Un DVD poate înmagazina circa 4,7GB sau 8GB (dual layer) pe o singură faţă. După anul 2000 un grup de firme (Apple, Dell, Hitachi, HP, JVC, LG, Mitsubishi, Panasonic, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Sony, TDK şi Thomson, grupate în asociaţia BDA Blu-ray Disc Association) au dezvoltat tehnologia Blu-ray care constituie etapa a treia în dezvoltarea unităţilor optice.Capacitatea este de 25GB sau 50GB (dual layer) pe o singură faţă. În etapa a patra se prevede atingerea unor capacităţi de ordinul a un terabyte în tehnologii holografice sau cu discuri din materiale speciale.

3. Strat protector şi etichetă comercială Strat reflectorizant (policarbonat) Strat care conţine informaţia Substrat transparent 1,2mm /4 0,12m Raza laser Incident / Reflectat 100% Incident / Reflectat 30% Principiul citirii optice 1,6m Suportul este format dintr-un substrat transparent care protejează stratul care conţine informaţia. Informaţia este codificată prin adâncituri (ridicături) aranjate sub forma unei piste spirale. Ridicăturile au dimensiunea de /4 şi o rază laser incidentă pe o ridicătură este reflectată 30% iar incidentă pe o adâncitură este reflectată 100%. Un strat reflectorizant asigură reflexia razei laser şi este protejat de un strat protector pe care se poate aplica eticheta comercială. Există suporturi de informaţie care pot fi scrise pe ambele părţi, acestea având o structură simetrică. Dimensiunile sunt cele de la CD

4. CD, DVD, Blu-ray Diferenţele constructive între CD, DVD şi Blu-ray constau în: 1.Lungimea de undă a luminii emise de dioda Laser care dă dimensiunea punctului luminos: 780nm la CD, 650nm la DVD şi 405nm la Blu-ray. 2.Dimensiunea punctului are ca şi rezultat dimensiunea diferită a pistei: 1,6m la CD, 0,74 m la DVD şi 0,32 m la Blue-ray. La Blue-ray focalizarea este mai apropiată de suprafaţa discului aşa încât discul este mai susceptibil la zgârieturi. Numele Blue-ray vine de la culoarea albastră a diodei Laser de emisie.

5. Dual Layer O schemă a citirii dual layer în 2D este dată în imaginea de sus şi în 3D în imaginea din dreapta. Raza Laser este focalizată pe unul sau celălalt dintre nivele, separarea dintre nivele fiind realizată cu un strat semitransparent. Schimbarea focalizării de la un nivel la altul durează un timp de ordinul secundelor, ceea ce face ca unităţile dual layer să fie mai lente.

6. Perspective De la dual layer stocarea se extinde la multilayer. Câteva iniţiative sunt stocarea 5D de la universitatea din Melbourne sau iniţiativa Mempile. Aceste realizări tind să asigure o capacitate de stocare de 5TB. Schema iniţiativei Mempile este dată în imaginea din dreapta. Sunt prevăzute 200 de nivele de stocare (layer) nediferenţiate fizic. Nivelele sunt citite cu o diodă Laser care focalizează pe fiecare nivel. Cercetările implică găsirea unor materiale care pot fi scrise şi citite optic.

7. Perspective – înregistrarea holografică Înregistrarea holografică se bazează pe interferenţa a 2 surse coerente de lumină care dă naştere unei figuri (model) de puncte negre pe un fond alb. Înregistrarea clasică optică şi magnetică realizează o ridicătură sau o zonă magnetizată pentru un bit iar înregistrarea holografică generează o imagine în volumul suportului. În figura dreapta sus se poate vedea procesul de scriere. O rază Laser este reflectată pentru a obţine a doua sursă de lumină. Una dintre raze este modulată cu informaţia de stocat şi prin interferenţă se stochează imaginea (pattern-ul). La citire, figura dreapta jos este nevoie de o singură rază laser orientată la acelaşi unghi ca şi raza de scriere reflectată. Un sistem de citire CCD preia modelul stocat şi îl interpretează. Se poate ajunge la cantităţi stocate (teoretice) de zeci de TB pe inch pătrat. Încercările actuale au ajuns la 4TB pe un disc (InPhase Technologies, USA). Durata de viaţă a suportului este de 50-100 ani, mai mare decât la discurile clasice. InPhase a dat faliment în 2010.

8. Zone Pentru a permite industriei de filme şi muzică să vândă în condiţii diferite de preţ cititoarele optice pot fi codate cu un cod de zonă care permite citirea discurilor pentru acea zonă. Sunt admisibile un număr limitat de schimbări de zonă, adică citirea discurilor din alte zone. Doar circa 30% din playere sunt astfel codate şi există metode software ilegale postate pe net pentru a elimina această restricţie. La noi nu se cumpără filme ci se descarcă aşa că nu se pune această problemă. Acest lucru se vede însă diferit de cel care a muncit să facă un soft şi acesta este luat gratis în loc să fie cumpărat.

9. Motorul de rotire a discului optic Există două metode de rotire: CAV (constant angular velocity) în care discul se roteşte cu viteză unghiulară constantă, datele fiind aranjate în piste şi sectoare ca şi la HDD. Este uşor de realizat accesul aleator la date, deci regăsirea datelor este simplă. Dezavantajul este densitatea variabilă a datelor pe pistă, mai mare pe pistele cu lungime mică din interiorul CD-ului. Acest mod de rotire se foloseşte la puţine tipuri de CD. CLV (constant linear velocity) în care discul se roteşte cu viteze ungiulare diferite pentru a asigura o viteză liniară constantă. Înregistrarea se face pe o pistă spirală. Accesul aleator este mai dificil, căutarea unui bloc de date constă în deplasarea în zona probabilă, apoi ajustarea vitezei de rotaţie, apoi citirea adresei blocului şi a blocului de date. De exemplu la un CD audio viteza poate varia între 196 rot/min şi 568 rot/min.

10. Viteza de transfer CD Viteza de transfer este dată ca multiplu de 153,6kBps (viteza unui CD audio). Viteze mai mari de transfer se pot obţine mărind viteza de rotaţie a discului. În 1997 viteza a ajuns la 12x dar au început să apară probleme legate de vibraţiile discului în unitate. Unităţile cu antrenarea discului CAV puteau atinge viteze de 30x. În ultimii ani de evoluţie a unităţilor CD viteza de transfer la citire a ajuns la 48x şi 52x (aceasta însemnând 10000 rpm CAV), cu probleme însă de spargere de discuri, zgomot mare la citire sau citiri eronate. La aceste unităţi viteza este automat scăzută de firmware-ul unitîţii dacă apar erori de citire. DVD Viteza este dată ca multiplu de 1350kBps. Viteza de transfer este diferită la citire, la scriere şi la rescriere. Viteze uzuale sunt în prezent 24x, adică 32,4MBps. Blue-ray Viteza este dată ca multiplu de 4,5MBps. În prezent viteza cea mai mare este de 12x, adică 54MBps. La această viteză timpul de scriere teoretic al unui disc single layer este de 7,5 minute. Observaţie: pentru eliminarea zgomotelor generate de rotaţia discului unităţile optice au o carcasă metalică în care mecanismele sunt montate pe garnituri elastice de cauciuc. S-au căutat soluţii pentru prinderea discului pe rotorul motorului care să asigure o centrare cât mai bună.

11. Scrierea pe suport optic Se utilizează 2 metode de scriere pe suport optic în unităţile optice: 1.Stratul reflexiv se acoperă cu vopsea transparentă termosensibilă care, încălzită de raza Laser devine întunecată, şi astfel nu mai reflectă la citire 2.Stratul reflexiv se acoperă cu substanţe care îşi pot schimba starea din amorfă în cristalină şi invers la încălzire. Metoda este aplicată şi la mediile optice care pot fi rescrise. Se consideră că citirea prin discurilor scrise cu această metodă este mai dificilă, diferenţa între reflexii fiind mai mică. Unităţile au o parte electronică numită OPC Optimum Power Calibration care determină puterea optimă emisivă a diodei laser. Scrierea se poate face: • Disc At Once - se scrie tot discul într-o singură sesiune şi nu se mai pot adăuga date ulterior • Track At Once – folosit la CD-urile audio, în care se scriu melodiile cu pauze între ele • Packet Writing – datele se scriu în pachete.

12. Scriere - poziţionare Pentru a putea scrie cu precizie trebuie să fie îndeplinite: • Raza să fie poziţionată pe pistă • Viteza liniară să fie corectă • Poziţia de scriere să fie corectă Pista este delimitată cu margini sinusoidale astfel că la citire poziţia este corectă dacă amplitudinea sinusoidei este corectă. Viteza este corectă dacă frecvenţa sinusoidei este corectă (140,6kHz). Blocurile de date sunt marcate de ridicături situate între piste. Marginile sinusoidale şi ridicăturile între piste sunt realizate la turnarea discului de înregistrat. Acest sistem este folosit la DVD-R

13. Scriere - poziţionare La DVD+R s-a renunţat la ridicăturile suplimentare, datele pentru scriere fiind incluse în semnalul sinusoidal prin modularea lui în fază. Acest lucru are efecte benefice pentru că se citeşte un semnal şi nu două şi are o imunitate mai bună la perturbaţii. La CD-R semnalul sinusoidal este modulat în frecvenţă şi informaţia pentru scriere se numeşte ATIP (Absolute Time In Pregroove) ADIP- ADdress In Pre-groove ADIP are 1 bit de sincronizare, 31 biţi de adresă şi 20 de biţi de paritate care verifică fiecare bit important de adresă. Why DVD+R(W) is superior to DVD-R(W) Robin van Lieshaut http://club.myce.com/member.php?u=624

14. Durata de viaţă Durata de viaţă a mediilor optice este foarte importantă pentru situaţiile în care informaţii importante se stochează optic pentru un timp îndelungat, în firme unde există obligativitatea păstrării unor informaţii pe perioadă nelimitată sau chiar fotografii şi documente de familie. Datele de catalog are mediilor optice arată că durata de viaţă este de zeci de ani. Studii noi arată că media de viaţă este de aproximativ 10 ani. Modul de depozitare al discurilor este foarte important, praful care zgârie suprafaţa discurilor fiind o cauză pentru erorile de citire. De asemenea mişcarea discurilor produce zgârierea, aşa că discurile dintr-o maşină au o durată de viaţă medie de ordinul a 3 sau 4 ani. Din păcate, dacă firma producătoare a discurilor este o firmă de prestigiu nu înseamnă că durata de viaţă va fi mai mare, deoarece producţia acestor firme este de multe ori realizată de terţi. O cauză des întâlnită de distrugere a discului este faptul că eticheta comercială nu este corect lipită şi discul nu este perfect echilibrat. Vibraţia discului la citire poate produce zgârierea lui sau chiar spargerea. Vopseaua termosensibilă care acoperă stratul reflexiv este sensibilă la razele UV, de aceea expunerea la soare micşorează durata de viaţă. Astfel un disc se distruge după câteva săptămâni de expunere directă la soare.

15. Unitate DVD RW În imagini este prezentată o unitate DVD RW văzută de sus şi de jos şi un detaliu Motor platan Detaliu: capul optic Motor antrenare CD Motor antrenare cap cu angrenare prin şurub fără sfârşit Cap de scriere citire optică Lentila de focalizare Motor antrenare cap citire scriere Colecţia Petre Ogruţan