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