Az optikai lemezek jellemzői, fajtái

Az előadások a következő témára: "Az optikai lemezek jellemzői, fajtái"— Előadás másolata:

1 Az optikai lemezek jellemzői, fajtái
Wágner Gergő Zsolt 2010.

2 Általános tudnivalók -Kialakulás-
Az optikai adattároló rendszerek fejlesztésének kezdete a hatvanas évek közepére nyúlik vissza. Az alapcél: képek nagy adatsűrűségű eszközön történő rögzítése, amelyről később optikai úton azok leolvashatóak. Az alapkutatásokat - mint az ipar számos más területén - itt is katonai alkalmazások érdekében kezdték, s ebben olyan multinacionális cégek vettek részt. Az első jelentős eredmények közel egy évtizedes kutatómunkát igényeltek re kiadták az úgynevezett színes könyveket, melyek a CD-t technológiát szabványosították /Red Book, Green Book, Yellow Book, Orange Book, Rainbow Book, White Book, Blue Book/ ben létrejött a DVD Konzorcium re bemutatták a DVD szabványt. A DVD szabványokat leíró könyveket betűvel jelölték /A-E-ig/. A DVD nem rövidítés, hanem egy fantázianév. A DVD rendszer felülről kompatibilis a létező CD-vel. A ’90-es évek közepére tehető az MO megjelenése. A hololemez a Blu-Ray illetve a HD lemezek a 2000-es években jelentek meg.

3 Általános tudnivalók -Optikai lemez-
Az optikai lemezek a háttértárak egyik altípusa, amely kapacitásra a floppy-k és a winchester-ek között állnak. Ellentétben a hajlékony illetve a merevlemezekkel azonban nem mágneses adatrögzítési módszert alkalmaznak, hanem lézersugár segítségével írják, illetve olvassák a lemezeket. Az optikai lemezek nagy előnye a floppy-k illetve a winchester-ekkel szemben, hogy lecsökkentették a mozgó alkatrészek számát, bár a lemez felülete könnyebben sérülhet. További előnyös tulajdonság az élettartam; az optikai tárolók élettartamát évtizedekben mérik. Az optikai adathordozó előállítási költsége általában alacsony.

4 Általános tudnivalók -Írástechnológia-
Az optikai tároló rendszerekre jellemző, hogy az írás és olvasás lézersugárral történik. Az optikai tároló felületén az adatok rögzítésekor kisméretű mélyedéseket hozunk létre, amelyeken a leolvasáskor a lézersugár szétszóródik, míg az adathordozó-réteg eredeti felületéről visszaverődik. Az optikai tárolókra nagy tárolási sűrűség jellemző, mivel a fény sokkal kisebb felületre fókuszálható, mint a mágneses tárolók elemi tároló felülete. A floppy-k esetén a lemezen az információ egy vagy mindkét oldalon, koncentrikus sávokon helyezkedik el. Minden sáv azonos számú ívdarabra, szektorra van felosztva. A szektorok után jelentős méretű szabad hely marad fenn, amelyen azonban csak az adatvédelem rovására lehet szektorokat kialakítani speciális formázással. A winchester esetén az adatokat mágnesezhető réteggel bevont lemezeken tárolja, melyet a forgó lemez fölött mozgó író/olvasó fej ír, vagy olvas. A lemezek állandóan forognak, forgási sebességüket rpm-ben adják meg. A fej körülbelül 1 nanométeres légpárnán repül a lemezek felett. Egy winchesterben több lemez is lehet. Mindegyikhez két fej tartozik, egy alul és egy felül. Mivel az azonos fej, és lemezszámú meghajtók kapacitása eltérő lehet, a végleges kapacitást és az adattárolásra használt területeket a gyártás során, úgynevezett szervóírással alakítják ki. A HDD-beli lemezeket azonos központú, különböző sugarú körök tagolják, ezeket sávoknak nevezzük.

5 Compact Disk CD szabványok: CD-A CD-ROM CD-R MD
Photo CD (speciális CD-ROM/XA) Video CD CD-E (CD-RW) CD-I CD+ (CD Plus, CD Extra) CD-DA Text (CD Text)

6 Compact Disk Az optikai lemezek első széleskörű megjelenési formája a CD-ROM volt, amelynek jellemzője volt, hogy gyárilag meg volt írva, így csak olvasni lehetett. Ezt követte az egyszer írható és többször olvasható tároló a CD-WO. Ezt a típust csak CD-R-ként (Compact Disc Recordable) emlegetjük. Végül az újraírható, törölhető, olvasható optikai tároló a CD-RW és a CD-MO. A CD-RW-ék esetén az adattároló réteg ezüst, indium, antimon és tellúr ötvözetét tartalmazza, amelynek lényege, hogy íráskor és törléskor, a lézer a lemez felületét két különböző hőmérsékletre hevíti fel az olvadáspont fölé, vagy hosszabban a kristályosodási hőmérséklet felé. Ez alapján lehűléskor amorf vagy kristályos struktúra keletkezik a polikarbonát rétegben. Míg a CD-R-ek fő része a polikarbonát réteg és ez maga biztosítja, hogy a lézer akadálytalanul jusson el az adathordozásra alkalmas barázdákhoz, amelyek a polikarbonát réteg felső részén helyezkednek el. Ezek a barázdák beíratlan állapotban a következő réteggel, a fényérzékeny szerves színezékkel vannak lefedve. A barázdák vezetik a lézert, amely a festékrétegbe „égeti” az információkat. Így alakulnak ki az ún. bemélyedések és a mezők, amelyek meghatározzák, hogy olvasáskor a lézer visszaverődik vagy elnyelődik-e. Az üregek és a szintek egyetlen folytonos spirálban kerülnek felírásra.

7

8 Compact Disk A CD-k több méretben /8, 12, 20 illetve 30cm-es/ és ebből adódóan különböző méretű tárolókapacitással voltak kaphatóak. A legkisebb 180 Mb-os, míg a ténylegesen elterjedt 12 cm-es CD-k mérete 650 Mb /CD-R/ illetve 700 Mb /CD-RW/. Az optikai lemezeken sokszor nem csak a közönséges adattárolásra használható méretet kapjuk meg, hanem tekintettel a zenei fájlokra is, szerepel az audio CD/DVD esetén használható percmennyiség, mely a 12 cm-es CD-R esetén 74 – 80 perc. Vastagságuk 1,2 mm. A CD-k fejlesztésének a média szempontjából az egyik út az információt hordozó egységek, a pitek méreteinek és a track-ek osztásának csök- kentése.

9 DVD DVD-ROM szabványok: DVD 5 >> 1 rétegű és 1 oldalas 4,7 Gb
DVD 10 >> 2 rétegű 2 oldalas 9,4 Gb DVD 14 >> 3 rétegű 2 oldalas 13,24 Gb DVD 18 >> 4 rétegű 2 oldalas 17,08 Gb DVD írható szabványok: DVD -\+ R DVD -\+ RW DVD-RAM

10 DVD A DVD 1997-ben jelent meg. A DVD külsőre nagyon hasonlít a CD-hez, azonban a nagyobb adatsűrűségnek köszönhetően tárolási kapacitása – az oldalak és tárolási rétegek számától függően – 7-25-szöröse a CD-knél megszokott értékeknek, vagyis kb. a 4,5- 18 GB tartományban van. A DVD kapacitásának ilyen mértékű növelése a hagyományos CD több műszaki jellemzőjének megváltoztatásával érhető el. Az információt hordozó rétegen a váltakozó hosszúságú pitek a szokásos CD esetén 1,6 mm-es menetemelkedésű spirált alkotnak, míg DVD esetén a menet-emelkedés csak 0,74 mm. A sűrűbb barázdáltságú DVD-n a fényelhajlás (diffrakció) erősebb. A jelenséghez az is hozzájárul, hogy DVD esetén a pit-ek átlagos hossza is csak kb. fele a CD-n lévőkének (CD 0,9 – 3,3 mm, DVD 0,4 – 1,3 mm). Az alapvető fizikai különbség a lemezek között, hogy a DVD mindig két, 0,6 mm vastagságú lemezből, összeragasztással készül, és akár mindkét oldalán tárolhat adatokat. A DVD szabványokat is könyvekben rögzítették, melyeket azonban nem színekkel hanem betűkkel /A-E/ jelöltek.

11 DVD A DVD5 egyoldalas, egyrétegű lemez, a kapacitása 4,7 GB.
A kétrétegű egyoldalas lemez, a DVD9 kapacitása 8,54 GB. A két réteg távolsága µm, és tiszta gyanta választja el egymástól. A lemez előállításakor a két réteget egy-egy 0,6 mm vastag lemez felületén alakítják ki, majd a lemezeket átlátszó ragasztóval összeragasztják. A második rétegben lyukak helyett kiemelkedéseket gyártanak, hogy ragasztás után lyukaknak látsszanak. Az alsó rétegre 0,05 µm vastag, féligáteresztő tükörréteg kerül, hogy a lézersugár a felső adathordozó rétegre is tudjon fókuszálni. A kétrétegű lemezek esetén az első réteg beolvasása a forgástengelytől kezdődik, és az olvasófej kifelé halad, addig a második réteg mindkét irányban olvasható, azaz a második réteg kívülről befelé is tartalmazhat adatot. Ez nagyon előnyös /például a mozifilmek esetén/. A kétoldalas, oldalanként egy rétegű DVD lemez, a DVD10 kapacitása 9,4 GB. A gyártása annyiban tér el a DVD5-lemezétől, hogy mindkét 0,6 mm vastagságú lemezben kialakítanak lyukakat összeragasztás előtt. A második oldal olvasásához a lemezt meg kell fordítani a lejátszóban. A kétoldalas, oldalanként kétrétegű DVD lemez, a DVD18 kapacitása 17,08 GB. A működés elve hasonló a DVD9 lemezekéhez, azonban itt a lemez mindkét oldalán kialakítják a két-két adathordozó réteget.

12

13 HD vs. Blu-Ray között zajlott le a formátumháborúnak is nevezett versengés, hogy melyik szabvány lesz a DVD nagyobb felbontású utódja. A HD-DVD, amit olyan nagy elektronikai óriások fejlesztettek ki, mint a Toshiba és a NEC, vagy a Blu-Ray disc. A HD-DVD ugyanolyan formátumot használ, mint a „hagyományos” DVD-k és ezért ugyanolyan előállítási feltételeket is követel meg, de alacsonyabb áron. A HD-DVD nem veheti fel azonban a versenyt a Blu-Ray lemezzel, mivel egyoldalas lemeze csupán 15 GB-os, míg a BD 25 GB-os. A háborút végül a Warner döntötte el elején feladta HD-DVD-vel kapcsolatos terveit és állást foglalt a BD mellett. Utána a NetFlix és a BestBuy is közölte, hogy kivonja HD-DVD-ket. A formátum győzelméhez valószínűleg a Sony új játékkonzoljának, a PS3-nak megjelenése és sikere is hozzájárult. Mivel beépítetten tartalmaz BD meghajtót, míg a Microsoft Xbox 360 konzolja „csak” DVD meghajtót és opcionálisan hozzá vásárolható HD-DVD meghajtót február 19-én végül a Toshiba bejelentette, hogy fokozatosan leállítja a HD-DVD lejátszók fejlesztését és gyártását. Így a formátumháború gyakorlatilag véget ért a BD győzelmével.

14 Blu-Ray A Blu-Ray disc (röviden: BD vagy BR) nagy tároló kapacitású digitális optikai tárolóeszköz-formátum. A BD szabványt az elektronikai termékek felhasználóinak egy csoportja és PC társaságok fektették le 2006-ban. A Blu-Ray névben a „blue” (kék) a lézer színére utal, amit ez a technológia használ, a „ray” pedig az optikai sugárra. A DVD felvevő által fogadott és dekódolt jeleket tömörítik egy MPEG kódolóval és úgy rögzítik a lemezre. A BS digitális adás felvétele esetén a jelek egy program adatfolyamaként („program stream”) érkeznek fixált gyorsasággal, ami 24 Mbps-t jelent HDTV programonként. A felvételi kapacitás az adatforgalom és a felvételi idő függvénye. Eltérően a jelenlegi DVD-ktől, amik vörös lézert használnak az adatok írásához és olvasásához, a BD kék lézert használ, mivel rövidebb hullámhosszon működik (405 nm), mint a vörös lézer (650 nm). A kisebb fénynyalábbal pontosabban lehet fókuszálni, így olyan kis gödröcskéből is kiolvassunk adatokat, amik csak 0,15 mikrométer (μm; 1 mikron = 10−6 méter) hosszúak – ez kevesebb, mint fele a DVD-n található kis gödrök méretének. Mindezen túl a Blu-Ray lecsökkentette a sávok szélességét 0,74 mikronról 0,32-re. A kisebb gödröcskék, a kisebb fénysugár, és a rövidebb sáv-hüvelyk együttesen azt eredményezte, hogy az egyrétegű Blu-Ray lemezen több mint 25 GB információt tudunk tárolni,egy dupla rétegűn pedig mintegy 50 GB-nyi adat tárolható.

15 Blu-Ray A lemezek a digitálisan kódolt videó és audio információt „gödrök”-ben tárolja. Ezek a gödrök a lemezen spirálisan helyezkednek el a központból kiindulva a szélek felé. A lézer a gödrök másik oldalát olvassa, – azaz a dudorokat („bumps”), – hogy lejátssza a filmet, vagy a programokat, amit a lemezen tárolunk. A DVD-n az adat, két 0,6 milliméter vastag polikarbonát réteg között helyezkedik el. A Blu-Ray lemez az adatot egy 1,1 milliméter vastag polikarbonát rétegre helyezi. Amiatt, hogy a tetején van elhelyezve az adat, ezáltal a kettős törés és az olvashatósági problémák nem léphetnek fel. Annak következtében, hogy az olvasó mechanizmusnál az írható réteg közelebb helyezkedik el az objektív lencséhez a „disc tilt” problémáját virtuálisan elimináltuk. Az adat felszínhez közeli elhelyezkedéséből kifolyólag egy kemény védőréteggel van ellátva a lemez, hogy megvédje a karcolásoktól, illetve az ujjlenyomatoktól. Az adatátviteli sebességben a BD a gyorsabb /a DVD 10 Mbps gyorsaságú, míg a Blu-Ray lemez mintegy 36 Mbps sebességű/. Ugyanakkor védelem szempontjából is jobb a Blu-Ray lemez a mai DVD-knél. Egyedi biztonsági titkosító rendszerrel rendelkeznek, ami annyit jelent, hogy van egy egyedi ID-jük, ami védelmet nyújt a film- és szoftverkalózok ellen, illetve a szerzői jogok megsértése ellen.

16 HD-DVD A HD DVD szabvány a Toshiba vezetésével több elektronikai cég által alkotott csoport fejlesztő tevékenységének az eredménye. A szabvány legnagyobb és máig egyetlen konkurense a Sony által fejlesztett Blu-ray lemez, mely szintén a kék lézer technológián alapul március 31-én a Toshiba bemutatta első asztali HD DVD lejátszóját Japánban. Április 18-án a lejátszó forgalmazását az Egyesült Államokban is megkezdték augusztus végén a HD DVD szabványt gondozó DVD Forum jóváhagyta a háromrétegű 51 GB kapacitású lemezeket és bemutatták a DVD és HD DVD réteget is tartalmazó twin lemezt. A HD DVD (High Density Digital Versatile Disc vagy High Definition Digital Video Disc) egy digitális optikai formátum, ami a régebbi DVD szabványt hivatott felváltani. Fő riválisa a Blu-ray optikai eljárás, melyet a Sony fejleszt. Lemezeinek mérete egy szabványos CD lemezével megegyezőek. Az eljárás során nem a megszokott 650 nanométeres hullámhosszú vörös lézert használják, hanem 405 nanométeres ibolyakéket, így jóval több adatot lehet felírni vele egy lemezre. A lemez gyártását március végén befejezték.

17 HD-DVD DVD/HD DVD-ROM Triple layer Twin format
A HD DVD formátum második kiterjesztése, amit bemutattak a DVD Forum konferenciáján. Ez egy oldalas lemez, egy DVD és két HD DVD adathordozó réteggel. A DVD réteg kapacitása 4.7 GB a két HD DVD rétegé pedig összesen 30 GB. A hagyományos DVD réteg lejátszható a jelenleg kapható asztali DVD lejátszókkal, míg a HD DVD réteg értelemszerűen a formátumot támogató lejátszókkal olvasható, így könnyítve meg a váltást a HD DVD formátumra. Támogatók /többsége mára kiszállt/ Toshiba - NEC Sanyo - Microsoft HP - Intel Paramount Pictures - Universal Studios Warner Bros. Pictures - New Line Cinema /WBP leányvállalata/

18 A Magneto Optikai meghajtó és a Thermo MO
A mágneses illetve az optikai technológia ötvözéseként létrejött többször írható és olvasható lemezek. Ez az eljárás ötvözi a mágneses perifériák törölhetőségét az optikai elvű tárolók igen nagy kapacitással. A lemez műanyagába van ágyazva egy viszonylag alacsony olvadáspontú különleges ötvözetréteg. A felíráshoz és a törléshez mágneses térre és lézerfényre egyaránt szükség van, az olvasás azonban csak lézerfénnyel történik. Kiolvasáskor gyenge lézerfény polarizációs síkja vagy jobbra vagy balra fordul az ötvözet mágneses polarizáltságától függően. A lemez nem érzékeny önmagában a mágneses térre (normál, nem melegített  állapotban mágneses mező közelítésére). Új információ felírása előtt az előző információ eltávolítására külön törlési ciklusra van szükség. A technológia alapján nevezik ezt a CD típust TMO-nak, azaz Thermo Magnetic Optic-nak. A TMO-lemezek megbízhatósága jó, a MAXWELL cég MO lemeze 7 millió írási / olvasási ciklus után sem hibásodik meg. Lemezméretek: 3.5, 8, de leginkább 5.25 inch.

19 Az TMO írása illetve törlése
Az 5.25 inch-es lemez

20 A legújabb optikai lemez – a hololemez
A felvétel lényege a tárgyról kiinduló hullámfront rögzítése. Ez úgy történik, hogy a tárgyhullám és egy vele koherens másik síkhullám, az úgynevezett referenciahullám segítségével interfe­renciaképet hozunk létre, ezt a képet pedig egy fényképlemezen vagy filmen rögzítjük. A  tárgysugár a tárgyról, a referenciasugár pedig -más úton vezetve- a tükörről visszaverődve jut ugyanarra a területre. A fényérzékeny hologram­lemezt is itt helyezik el. A fényérzékeny lemez adott pontjába érkező tárgy- és referenciasugarak a köztük lévő úthossz-különbségtől függően erősítik vagy gyengítik egymást, ennek megfelelően az erősítési pontokban feketedés lép fel a  lemezen, a kioltási pontokban nem. Az így kialakult interferenciakép a tárgy- és a referenciahullám közötti fázisviszonyoktól függ.

21 A hologram készítése és rögzítése lemezre

22 A legújabb optikai lemez – a hololemez
A lemezen előhívás után - a tárgy struktúrájának bonyolultságától függően - egyszerűbb vagy összetettebb vonalrendszer látható, ez maga a hologram. Ezen sem a tárgy alakját, sem egyéb jellemzőit nem lehet felfedezni. A reprodukálás a következő módon történik: abból az irányból, ahonnan felvételkor a  referenciasugár a lemezre esett, fényt bocsátunk a hologramra. A megvilágító fényforrás hullámfrontja a hologramon való áthaladáskor "szétroncsolódik". A rögzített interferenciastruktúrán a hullám ugyanúgy halad tovább, mint a felvétel során, hiszen a világos és fekete csíkok megfelelnek a  kioltási és erősítési helyeknek. Így éppen az a hullámfront fog kialakulni, amely a tárgyról kiindult és amelyet a hologramon konzerváltunk.

23 A legújabb optikai lemez – a hololemez
Mivel a valódi tárgyról kiindult és a rekonstruált hullám megegyezik, azt ugyanúgy is látjuk. A látott kép háromdimenziós, érzékelhető a térbeli mélység, és lehetővé válik az oldal- és függőleges irányú rálátás is, a kép "körbejárható". A hologramon a  tárgy képe végtelen sok perspektívából van rögzítve, s ha a megfigyelő mozog, más és más perspektívát érzékel, amelyek folyamatosan mennek át egymásba, így az elrendezéstől függően lehetséges, hogy az egyik irányból takart vagy nem látható részlet valamelyik másik irányból nézve láthatóvá válik. Mivel a hologram felvételekor nem használunk objektívet, nem történik a képnek a hagyományos értelemben vett leképezése. Ez az oka annak a meglepő tulajdonságnak, hogy a  kettétört hologram is előállítja a tárgy teljes képét. Ha ugyanis a  hologram valamilyen módon megsérül (karcolás, folt, törés), csupán azok a perspektívák tűnnek el a  képből, amelyeket a  sérülés érintett, a többi megmarad. Természetesen ez is információ- és intenzitásveszteséggel jár, és ha a hologramnak csak kis darabjával állítjuk elő a képet, a felbontóképesség is csökken.