Физические основы оптической записи звуковых сигналов на диски

В упрощенном виде конструкция оптического диска при записи звуковых сигналов представлена на рис.4. На поверхности прозрачного пластмассового диска диаметром 12 см, толщиной 1,2 мм, который играет роль защиты информационного слоя от механических воздействий, формируются маленькие углубления, называемые питами. По спиральной линии последовательно располагаются питы разной длины. При записи используются девять значений длин. Если минимальную длину пита принять за 3 единицы, то размерный ряд будет следующим: 3,4,5,6,7,8,9,10,11. При скорости записи 1,25 м/с длины пит соответственно равны: 0,87;1,16; 1,45; 1,74; 2,02; 2,31; 2,6; 2,89; 3,18 мкм. Выбор такой совокупности длин отдельных пит обусловлен способом модуляции, используемым для записи цифровых звуковых сигналов на компакт-диски

Расположенные в ряд питы образуют дорожку записи. Расстояние между соседними дорожками в оптическом диске равно 1,6 мкм, что соответствует примерно 625 дорожкам на 1 мм. Стандартный компакт-диск с центральным отверстием диаметром 15 мм имеет ограниченную зону записи. Ее внутренний диаметр равен 50 мм, а наружный — 116 мм. Вне этой зоны располагается так называемая зона "ввода и вывода", содержащая информацию, которая позволяет автоматизировать процесс проигрывания. Общее число витков спирали на одной стороне компакт-диска составляет 20 000 при длине дорожки записи, примерно равной 5 км.

Рис. 4. Конструкция цифрового компакт-диска в разрезе 1 - прозрачный пластиковый диск; 2 - отражающая металлическая пленка; 3 - непрозрачный защитный слой.

Благодаря этому и получена возможность проигрывания одной стороны оптического диска более одного часа. Традиционная технология изготовления аудио компакт-дисков предусматривает длительность проигрывания максимум 74 мин при потоке данных около 1,2 Мбит/с

Компакт-диск вращается против часовой стрелки, если смотреть на него со стороны расположения оптической системы, т.е. со стороны прозрачного слоя. Кроме того, начало дорожки записи у аудио компакт-диска располагается около центрального отверстия/

На диск со стороны пит нанесена тонкая металлическая пленка из алюминия, которая затем покрывается непрозрачной защитной пленкой. Защитная пленка используется, кроме того, в качестве этикетки. Таким образом, дорожка записи располагается между твердой защитной пленкой и пластмассовым диском

Цифровой сигнал воспроизводится со стороны прозрачного пластмассового диска лазерным лучом. Луч фокусируется на дорожке записи и отражается металлической пленкой на светочувствительный элемент. При этом долговечность цифрового диска практически бесконечна без ухудшения характеристики воспроизводимых сигналов в процессе эксплуатации.

Диаметр центральной части светового пятна D л, в которой сосредоточено 84 % всей энергии, определяется выражением

Dл = 1,22(λ / NA)

где λ — длина световой волны; NA — числовая апертура фокусирующего объектива. Для определенного диаметра оправы объектива и его фокусного расстояния f числовая апертура определяется как NA = D/f, NA < 1. Из соотношения следует, что для получения при фокусировке светового пятна с наименьшим диаметром необходимо иметь малую длину волны и большее значение NA.

Исследования частотных характеристик оптической системы показали, что на практике следует стремиться к использованию фокусирующего объектива с NA = 0,45. Если уменьшить длину волны λ, то стабильность оптической системы повысится, так как появляется возможность использовать линзы с наименьшим значением NA.

3.1. Принцип считывания информации с компакт-дис­ков.

Структурная схема лазерного проигрывателя приведена на рис.5. Основу проигрывателя составляет оптический звукосниматель, преобразующий информацию, заложенную и питы, в электрический сигнал. Луч лазера 1 мощностью 23 мВт через поляризационный расщепитель 2, четверть-волновую пластину и объектив 4 попадает на оптический диск 5, отражаясь от которого, вторично проходит через объектив и четвертьволновую пластину. Расщепитель отражает луч на фотодиод 6 и препятствует его попаданию на лазер.

Рис. 5. Структурная схема лазерного проигрывателя.

Схема разделения лучей, изображенная на рис.2, работает следующим образом. Кварцевая четвертьволновая пластина преобразует линейно поляризованное излучение в излучение с круговой поляризацией.

Расщепитель представляет собой куб, состоящий из двух прямоугольных призм, соприкасающихся между собой наклонными плоскостями, на одной из которых формируется многослойная пленка. Расщепитель обладает свойством пропускать без затухания составляющую поляризованного излучения, параллельную плоскости падения (Р -составляющая, у которой вектор электрического поля Е лежит в плоскости падения), и отражать наклонными плоскостями призм составляющую, перпендикулярную плоскости падения (S -составляющая, у которой вектор электрического поля Е ортогонален плоскости падения).

Многослойная пленка усиливает эффект расщепления. Таким образом, расщепитель пропускает линейно поляризованный свет, если направление поляризации параллельно плоскости падения.

Далее световое излучение поступает в четвертьволновую пластину, на выходе которой имеем световые лучи с круговой поляризацией. При отражении от компакт-диска световых лучей вид поляризации сохраняется, но направление вращения вектора электрического поля меняется на противоположное. После этого световое излучение вторично проходит четвертьволновую пластину и круговая поляризация вновь преобразуется в линейную. Однако направление поляризации этого светового излучения перпендикулярно направлению поляризации исходного излучения.

Поэтому расщепитель не пропускает отраженный свет, а поворачивает его на 90°, предотвращая его попадание в резонатор лазера. При этом мощность лазерного излучения, попадающего в фотоприемник, который преобразует световую энергию в электрическую, будет пропорциональна коэффициенту отражения светоделительной поверхности для лазерных лучей S-поляризации. В качестве фотоприемника используется фотодиод, действующий на основе внутреннего фотоэффекта.

Компакт-диск устанавливается на устройство вращения информационной поверхностью вниз и фиксируется для обеспечения дальнейшего вращения. Луч лазера сфокусирован на поверхности диска, и при отражении от нее сигнал на фотодиоде оказывается наибольшим. При попадании луча в область пита происходит рассеивание луча, но часть его, отражаясь от пита, попадает на фотодиод.

Различие между интенсивностью лучей, отраженных от пита, и промежутка между питами будет небольшим в том случае, если разность их фаз равна 180°, что возможно при глубине пит λ/4. Если λ = 0,78 мкм, то с учетом коэффициента преломления акрила или поликарбоната, из которых изготовлен компакт-диск, равного 1,5, оптимальная глубина пита составляет (0,78/4)1,5=0,13 мкм. Реально принято значение 0,1 мкм, что мало сказывается на уровне воспроизводимого сигнала и глубине модуляции луча при передаче символов 1 и 0.

На выходе фотодиода образуется электрический сигнал, который поступает в декодер 7, где исправляются ошибки, происходит цифровая обработка и осуществляется цифро-аналоговое преобразование. На выходе декодера формируется аналоговый стереофонический сигнал.