NanoelektronikaNanoelektronika -- Sensory i Sensory i uSystemyuSystemy

Optyczne nośniki Optyczne nośniki informacjiinformacji

Optyczne nośniki informacjiOptyczne nośniki informacji

Przygotowali: Przygotowali: Robert Lasko Robert Lasko

((robertlasko@gmail.comrobertlasko@gmail.com))

Damian NowokDamian Nowok((damian.nowok@gmail.comdamian.nowok@gmail.com))

Plan PrezentacjiPlan Prezentacji

•• CD CD •• CDCD--R, CDR, CD--RWRW•• DVDDVD•• HD DVD (HD DVD (BlueBlue RayRay))•• Dyski i napędy magnetooptyczneDyski i napędy magnetooptyczne

CDCD-- Compact Compact DiscDisc

WprowadzenieWprowadzenie

Płyty CD i DVD spotykamy dzisiaj Płyty CD i DVD spotykamy dzisiaj wszędzie. Są standardowym wszędzie. Są standardowym medium przechowywania dużej medium przechowywania dużej ilości wysokiej jakości informacji, ilości wysokiej jakości informacji, takich jak muzyka, dane takich jak muzyka, dane komputerowe, filmy. komputerowe, filmy.

W kolejnych slajdach postaram się W kolejnych slajdach postaram się przedstawić:przedstawić:

•• Krótki rys historyczny dotyczący Krótki rys historyczny dotyczący CDCD

•• Budowę płyty CDBudowę płyty CD•• Zasadę działania laseraZasadę działania lasera•• Zasadę działania napędu CDZasadę działania napędu CD•• Proces tłoczenia płyt CDProces tłoczenia płyt CD

Rys historycznyRys historyczny•• 1807 1807 –– Thomas Thomas YoungYoung dokonuje pierwszej próby zapisania dźwięku.dokonuje pierwszej próby zapisania dźwięku.•• 1876 1876 –– Alexander Graham Bell buduje pierwszy telefonAlexander Graham Bell buduje pierwszy telefon•• 1877 1877 –– Thomas Thomas AlvaAlva Edison tworzy fonograf.Edison tworzy fonograf.•• 1887 1887 –– Emil Berlinger wynalazcą gramofonu.Emil Berlinger wynalazcą gramofonu.•• 1948 1948 –– Pierwszy tranzystor, długogrająca płyta gramofonowa Pierwszy tranzystor, długogrająca płyta gramofonowa

spełniająca normę hispełniająca normę hi--fi.fi.

•• 1954 1954 –– Wynalezienie Lasera.Wynalezienie Lasera.•• 1970 1970 –– W laboratoriach Philipsa powstaje pierwsza płyta CD.W laboratoriach Philipsa powstaje pierwsza płyta CD.•• 1979 1979 –– Sony i Philips wprowadzają standardy obowiązujące płyty CD Sony i Philips wprowadzają standardy obowiązujące płyty CD

do dzisiaj (wymiary, częstotliwość próbkowania itd.)do dzisiaj (wymiary, częstotliwość próbkowania itd.)

•• 1988 1988 –– Wprowadzenie formatu VideoWprowadzenie formatu Video--CD oraz technologii CDCD oraz technologii CD--R.R.•• 1990 1990 –– Dalsza ewolucja technologii nagrywania płyt CDDalsza ewolucja technologii nagrywania płyt CD--R, CDR, CD--RW.RW.•• 1996 1996 –– Wprowadzenie technologii DVD.Wprowadzenie technologii DVD.

Budowa płyty CD cz.1Budowa płyty CD cz.1

Budowa płyty CD cz.2Budowa płyty CD cz.2•• LeadLead In In AreaArea -- obszar ten zajmuje obszar ten zajmuje

około 2 minut każdej płyty około 2 minut każdej płyty kompaktowej i jest potrzebny do kompaktowej i jest potrzebny do składowania spisu treści (składowania spisu treści (TableTable ofofContensContens -- TOC), który posiada dane TOC), który posiada dane o położeniu i czasie trwania każdej o położeniu i czasie trwania każdej ścieżki na dyskuścieżki na dysku

•• Program Program AreaArea -- każda ścieżka na każda ścieżka na CD jest podzielona na ramki CD jest podzielona na ramki ((framesframes) ) -- każda o długości 1/75 każda o długości 1/75 sekundy i zawierającej 2352 bajty. sekundy i zawierającej 2352 bajty. Każda ramka zawiera dane audio, Każda ramka zawiera dane audio, bity parzystości, słowo bity parzystości, słowo synchronizacyjne oraz 8synchronizacyjne oraz 8--bitowy bitowy obszar zwany bajtem kontrolnym.obszar zwany bajtem kontrolnym.

•• LeadLead Out Out AreaArea -- strefa ta zawiera 90 strefa ta zawiera 90 sekund ciszy (puste sektory) i pełni sekund ciszy (puste sektory) i pełni rolę bufora na wypadek, gdyby rolę bufora na wypadek, gdyby odtwarzacz minął ostatnią ścieżkę odtwarzacz minął ostatnią ścieżkę na płycie.na płycie.

Zapis danych na płycie CD cz.1Zapis danych na płycie CD cz.1

Płyta CD posiada Płyta CD posiada długą spiralną długą spiralną scieżkę danych, scieżkę danych, gdybyśmy chcieli gdybyśmy chcieli ją rozwinąć ją rozwinąć otrzymalibyśmy otrzymalibyśmy linię o szerokości linię o szerokości 0,5 mikrona i 0,5 mikrona i długości 5 km!długości 5 km!

Zapis danych na płycie CD cz.2Zapis danych na płycie CD cz.2Stany logiczne czyli Stany logiczne czyli wartości 0 i 1 wartości 0 i 1 reprezentowane są na reprezentowane są na płycie przez „płycie przez „pitypity” ” oraz „oraz „landylandy”.”.

pitpit –– logiczne „0”logiczne „0”land land –– logiczna „1”logiczna „1”

Odczyt płyty CD cz.1Odczyt płyty CD cz.1

Gdy wiązka lasera Gdy wiązka lasera natrafia na „land”natrafia na „land” jest jest rozpraszana i nie rozpraszana i nie wraca z powrotem do wraca z powrotem do czujnika.czujnika.

Odczyt płyty CD cz.2Odczyt płyty CD cz.2

Gdy wiązka lasera Gdy wiązka lasera natrafia na „natrafia na „pitpit””odbija się całkowicie odbija się całkowicie i wraca z powrotem i wraca z powrotem do czujnika.do czujnika.

Zasada działania lasera cz.1Zasada działania lasera cz.1

Tworzywo płyty Tworzywo płyty -- poliwęglan poliwęglan --stanowi składnik systemu stanowi składnik systemu optycznego. Współczynnik optycznego. Współczynnik załamania światła w powietrzu załamania światła w powietrzu wynosi 1. Natomiast w wynosi 1. Natomiast w poliwęglanie wynosi 1,55. poliwęglanie wynosi 1,55. Światło lasera załamuje się na Światło lasera załamuje się na poliwęglanie i dzięki temu poliwęglanie i dzięki temu promień mający na powierzchni promień mający na powierzchni płyty 800 µm po zogniskowaniu płyty 800 µm po zogniskowaniu osiąga 1,7 µm na powierzchni osiąga 1,7 µm na powierzchni odblaskowej. Dzięki temu nie odblaskowej. Dzięki temu nie przeszkadzają w odczycie kurz, przeszkadzają w odczycie kurz, włosy, drobne rysy czy nawet włosy, drobne rysy czy nawet nitki wełny nitki wełny -- są mniejsze od są mniejsze od plamki światła.plamki światła.

Zasada działania lasera cz.2Zasada działania lasera cz.2

Wgłębienie ma ściśle Wgłębienie ma ściśle określoną głębokość. Jest to określoną głębokość. Jest to dokładnie czwarta część dokładnie czwarta część długości fali światła (w długości fali światła (w poliwęglanie) poliwęglanie) -- 125 nm. 125 nm. Światło lasera będzie Światło lasera będzie opóźnione po odbiciu od opóźnione po odbiciu od powierzchni (powierzchni (pitpit) o 1/4 + 1/4 ) o 1/4 + 1/4 = 1/2 długości fali, więc = 1/2 długości fali, więc będzie dokładnie w będzie dokładnie w przeciwfazie do światła przeciwfazie do światła odbitego od wypukłości odbitego od wypukłości (land). Te dwa promienie (land). Te dwa promienie przez interferencję zostaną przez interferencję zostaną wygaszone i światło nie wygaszone i światło nie zostanie odbite od zostanie odbite od powierzchni.powierzchni.

Zasada działania lasera cz.3Zasada działania lasera cz.3

Odstępy między sąsiednimi Odstępy między sąsiednimi ścieżkami są również ściśle ścieżkami są również ściśle określone. Na kierunku padającej określone. Na kierunku padającej wiązki leży maksimum główne. wiązki leży maksimum główne. Szerokość połowy jego pełnej Szerokość połowy jego pełnej mocy jest punktem o średnicy 1,7 mocy jest punktem o średnicy 1,7 µm i wypada na górnej µm i wypada na górnej powierzchni wypukłości podążając powierzchni wypukłości podążając dokładnie osią ścieżki. Minima dokładnie osią ścieżki. Minima leżące po obu stronach maksimum leżące po obu stronach maksimum głównego są dokładnie głównego są dokładnie usytuowane na osiach wypukłości usytuowane na osiach wypukłości sąsiednich ścieżek. Dzięki temu sąsiednich ścieżek. Dzięki temu minimalizowane są zakłócenia minimalizowane są zakłócenia pochodzące z sąsiednich ścieżek.pochodzące z sąsiednich ścieżek.

Budowa odtwarzacza CDBudowa odtwarzacza CD

CD R CD R –– WstępWstęp••Nagrywanie na mniejszą skalęNagrywanie na mniejszą skalę

••Mniejsza trwałośćMniejsza trwałość

••Mniejsza odporność na uszkodzeniaMniejsza odporność na uszkodzenia

••Możliwość samodzielnego zapisuMożliwość samodzielnego zapisu

••Tani i szybki sposób archiwizacjiTani i szybki sposób archiwizacji

••MultisessionMultisession

Warstwy CDWarstwy CD--RR

Warstwa odbijająca

Warstwa barwnika

groove (rowek)

Warstwa poliwęglanu

Warstwa lakieru

pit (dane)

Nagrany fragment płyty CD w powiększeniuNagrany fragment płyty CD w powiększeniu

CD R CD R –– W W powiekszeniupowiekszeniu

CD RW CD RW –– W przekrojuW przekroju

„Zwykłe” nośniki a nośniki RW„Zwykłe” nośniki a nośniki RW

Nośnik RWNośnik RW„Zwykły” nośnik„Zwykły” nośnik

Struktury krystaliczne i Struktury krystaliczne i amorficzneamorficzne

•• Obszary amorficzne Obszary amorficzne mają inny mają inny współczynnik współczynnik odbicia niż odbicia niż krystalicznekrystaliczne

•• Przejścia fazowe Przejścia fazowe między obydwoma między obydwoma stanami są stanami są odwracalneodwracalne

Zapis, wymazywanie i odczyt Zapis, wymazywanie i odczyt danychdanych

•• Zmiany fazowe Zmiany fazowe wywoływane są wywoływane są podgrzewaniem podgrzewaniem fragmentu ścieżki fragmentu ścieżki wiązką lasera wiązką lasera

DVD i HD DVDDVD i HD DVD•• Dużo większe upakowanie danych niż na CDDużo większe upakowanie danych niż na CD•• Zachowanie tych samych wymiarów nośnikaZachowanie tych samych wymiarów nośnika•• Dwu stronne, dwu warstwoweDwu stronne, dwu warstwowe•• Dziewięciokrotnie szybszy odczytDziewięciokrotnie szybszy odczyt

DVD DVD -- DigitalDigital VersatileVersatile DiscDisc

•• Średnica ścieżki CD: 0.84um DVD: 0.4umŚrednica ścieżki CD: 0.84um DVD: 0.4um•• Odległość miedzy ścieżkami CD: 1.6um DVD: 0.7umOdległość miedzy ścieżkami CD: 1.6um DVD: 0.7um•• Długość spirali zapisu CD: 5km DVD: 11kmDługość spirali zapisu CD: 5km DVD: 11km

•• Długość fali lasera CD: 780nm DVD: 635Długość fali lasera CD: 780nm DVD: 635--650nm650nm

DVD Double DVD Double LayerLayer

HD HD -- DVDDVD

HD HD -- DVDDVD

•• Dysk o średnicy 12 cm ma pojemność 15 GBDysk o średnicy 12 cm ma pojemność 15 GB•• Idealny nośnik dla filmów HD w rozdzielczości Idealny nośnik dla filmów HD w rozdzielczości

nawet nawet 1920x10801920x1080•• Koszt odtwarzacza 500 euro a Koszt odtwarzacza 500 euro a

nagrywarkinagrywarki 1000 euro1000 euro•• Firmy wspierające: Firmy wspierające: ToshibaToshiba, , FujiFuji, Hitachi, , Hitachi,

KenwoodKenwood, NEC, , NEC, RitekRitek, , SanyoSanyo i i Teac Teac

BluBlu--rayray DiscDisc

•• Dysk o średnicy 12 cm ma Dysk o średnicy 12 cm ma pojemność 25 GBpojemność 25 GB

•• 25 GB pozwala na zapisanie 9 25 GB pozwala na zapisanie 9 godzin filmu w standardzie HD lub godzin filmu w standardzie HD lub 23 godzin filmu w zwykłej 23 godzin filmu w zwykłej rozdzielczościrozdzielczości

•• Firmy wspierające: Firmy wspierające: AppleApple, Dell, , Dell, HP, LG HP, LG ElectronicsElectronics, , PanasonicPanasonic, , Philips, Philips, PioneerPioneer, , SamsungSamsung, , SharpSharp, Sony i Thomson , Sony i Thomson

BluBlu--rayray DiscDisc HD DVDHD DVD DVDDVD

Laser Laser wavelengthwavelength 405 nm (blue-violet laser) 650 nm (red laser)

NumericalNumerical apertureaperture 0.85 0.65 0.6

single single layerlayer 25 GB 15 GB 4.7 GB

dual dual layerlayer 50 GB 30 GB 8.5 GB

SDSD with with MPEGMPEG--22 at 5 at 5 Mbit/sMbit/s 22.2 hours 13.3 hours 3.8 hours

AVCAVC or or VCVC--11 at 13 at 13 Mbit/sMbit/s 8.5 hours 5.1 hours N/A

MPEGMPEG--2 2 atat 20 20 MbitMbit/s/s 5.6 hours 3.3 hours N/A

Video Video codecscodecs MPEG-4 AVC (H.264) / VC-1 / MPEG-2 MPEG-1 / MPEG-2

Raw data transferRaw data transfer 53.95 Mbit/s 36.55 Mbit/s 11.08 Mbit/s

Audio+VideoAudio+Video 48.0 Mbit/s 30.24 Mbit/s 10.08 Mbit/s

VideoVideo 40.0 Mbit/s 29.4 Mbit/s 9.8 Mbit/s

Video Video resolution resolution ((maximummaximum)) 1920×1080 24p or 50/60i HDTV

720×480 60i and 720×576 50i SDTV

Region Region codecode 3 Regions Region free 6 Regions

MaximMaximumumbitratebitrate

HDHD

PlaybackPlaybacktimetime inin

StorageStoragecapacitycapacity

Dyski i napędy magnetooptyczneDyski i napędy magnetooptyczne

WstępWstęp

•• Rok 1989 Rok 1989 –– pierwszy dysk pierwszy dysk magnetooptyczny o magnetooptyczny o pojemności 1 GBpojemności 1 GB

•• Rok 1995 Rok 1995 –– dyski MO mają dyski MO mają pojemność 4,6 (5,25 cala)pojemność 4,6 (5,25 cala)

•• Współczesne dyski MO mają Współczesne dyski MO mają pojemność 9,1 GBpojemność 9,1 GB

Dyski magnetooptyczneDyski magnetooptycznePrzechowywanie Przechowywanie informacji w małych, informacji w małych, magnetycznych magnetycznych znacznikach danych znacznikach danych -- o o takiej samej wielkości takiej samej wielkości jak szczeliny w CD.jak szczeliny w CD.

Nośnikami są domeny Nośnikami są domeny magnetyczne, przed magnetyczne, przed zapisem są prostopadłe zapisem są prostopadłe do powierzchni, a do powierzchni, a przestawiane są przez przestawiane są przez pole magnetyczne.pole magnetyczne.

ZAPISZAPIS

Do zapisu stosuje się Do zapisu stosuje się promień lasera o mocy promień lasera o mocy rzędu 18rzędu 18--20 20 mWmW. . Podgrzewa on Podgrzewa on powierzchnie dysku do powierzchnie dysku do około 300 około 300 ººC zwanej C zwanej temperatury Curie. temperatury Curie. Przy tej temperaturze Przy tej temperaturze zewnętrzne pole zewnętrzne pole magnetyczne może z magnetyczne może z łatwością wpływać na łatwością wpływać na polaryzację nośnika. polaryzację nośnika.

Temperatura Curie Temperatura Curie -- temperatura powyżej której temperatura powyżej której ferromagnetyk traci swoje własności ferromagnetyczne ferromagnetyk traci swoje własności ferromagnetyczne (namagnesowanie w nieobecności zewnętrznego pola (namagnesowanie w nieobecności zewnętrznego pola magnetycznego).magnetycznego).

W temperaturze poniżej punktu Curie, momenty W temperaturze poniżej punktu Curie, momenty magnetyczne są częściowo zrównane z domenami magnetyczne są częściowo zrównane z domenami magnetycznymi.magnetycznymi.

W momencie osiągania punktu Curie, fluktuacje termiczne W momencie osiągania punktu Curie, fluktuacje termiczne niszczą to rozmieszczenie, dotąd aż namagnesowanie niszczą to rozmieszczenie, dotąd aż namagnesowanie sieci wyniesie zero. sieci wyniesie zero.

Powyżej punktu Curie materiał staje się Powyżej punktu Curie materiał staje się paramagnetyczny.paramagnetyczny.

Punkt CuriePunkt Curie

OdczytOdczytDo odczytu stosuje się Do odczytu stosuje się laser o mocy 10x laser o mocy 10x mniejszej niż potrzebny mniejszej niż potrzebny do zapisu. Wykorzystuje do zapisu. Wykorzystuje się tutaj efekt się tutaj efekt KerraKerra. . Wiązka lasera odbija się Wiązka lasera odbija się od powierzchni nośnika. od powierzchni nośnika. Polaryzacja obszarów Polaryzacja obszarów nośnika ( + lub nośnika ( + lub -- ) ) powoduję skręcenie powoduję skręcenie wiązki światła pod wiązki światła pod odpowiednim kątem. Te odpowiednim kątem. Te skręcenia odczytujemy skręcenia odczytujemy jako bity danych.jako bity danych.

Efekt Efekt KerraKerra

Polega na obrocie (o pewien kąt) płaszczyzny Polega na obrocie (o pewien kąt) płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo w czasie przechodzenia światła przez w czasie przechodzenia światła przez ośrodek w którym istnieje pole magnetyczne. ośrodek w którym istnieje pole magnetyczne.

ZaletyZalety•• Dyski MO są bardzo odporne na zewnętrzne pola Dyski MO są bardzo odporne na zewnętrzne pola

magnetyczne. Dane nie mogą zostać przypadkowo magnetyczne. Dane nie mogą zostać przypadkowo usunięte.usunięte.

•• Badania wykazały, że cykl zapisanie, usunięcie i Badania wykazały, że cykl zapisanie, usunięcie i nadpisania danych na dysk można przeprowadzić do 10 nadpisania danych na dysk można przeprowadzić do 10 milionów razy bez straty danych.milionów razy bez straty danych.

•• Dyski MO są wysoce odporne na kurz i wilgoć. Dane są Dyski MO są wysoce odporne na kurz i wilgoć. Dane są zapisywane i odczytywane bezkontaktowo. Zapobiega zapisywane i odczytywane bezkontaktowo. Zapobiega to uszkodzeniom napędówto uszkodzeniom napędów

•• Dyskietki MO wykonane są z materiałów Dyskietki MO wykonane są z materiałów poliwęglanowychpoliwęglanowych, tych samych, z których robi się , tych samych, z których robi się osłony kuloodporne. Gwarantuje to ich niezwykłą osłony kuloodporne. Gwarantuje to ich niezwykłą niezawodność mechaniczną niezawodność mechaniczną -- czas życia nośnika czas życia nośnika oceniany jest na 50 lat! oceniany jest na 50 lat!

•• Małe wymiary dyskówMałe wymiary dysków

WadyWady

•• Stosunkowo duże ceny dla zwykłego Stosunkowo duże ceny dla zwykłego użytkownika: dyskietka 5,2 GB kosztuje użytkownika: dyskietka 5,2 GB kosztuje około 55$ (firmy Kodak) a wewnętrzny około 55$ (firmy Kodak) a wewnętrzny napęd MO kosztuje 1600$ (firma SONY)napęd MO kosztuje 1600$ (firma SONY)

•• Mała szybkość odczytu/zapisu danychMała szybkość odczytu/zapisu danych

Proces tłoczenia płytProces tłoczenia płyt

FILMFILM

BibliografiaBibliografia•• http://www.oneoffcd.com/info/historycd.cfmhttp://www.oneoffcd.com/info/historycd.cfm•• http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/computers/compactdiscs/cdhttp://micro.magnet.fsu.edu/electromag/computers/compactdiscs/cd.html.html•• http://www.venco.com.pl/~bartkey/CDRhttp://www.venco.com.pl/~bartkey/CDR•• http://www.howstuffworks.com/cd.htmhttp://www.howstuffworks.com/cd.htm•• http://www.howstuffworks.com/cd.htmhttp://www.howstuffworks.com/cd.htm•• http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/computers/compactdiscs/wrhttp://micro.magnet.fsu.edu/electromag/computers/compactdiscs/writable/itable/

cdwriter.htmlcdwriter.html•• http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/computers/compactdiscs/wrhttp://micro.magnet.fsu.edu/electromag/computers/compactdiscs/writable/cdwriter.hitable/cdwriter.h

tmltml•• http://en.wikipedia.org/wiki/Bluhttp://en.wikipedia.org/wiki/Blu--ray_Discray_Disc•• http://http://wwwwww..pckurierpckurier..plpl/archiwum/art0.asp?ID=3292/archiwum/art0.asp?ID=3292•• http://http://electronicselectronics..howstuffworkshowstuffworks..comcom//dvddvd..htmhtm//printableprintable•• http://www.cdrinfo.pl/software/slownik/slownik_w.php?ID=21762331http://www.cdrinfo.pl/software/slownik/slownik_w.php?ID=217623311919•• http://www.hddvdprg.comhttp://www.hddvdprg.com•• http://www.bluraydisc.comhttp://www.bluraydisc.com