CD-R 可刻录光盘的原理.doc

基本上来说, CD-R的基础科技是建立在空白CD-R光碟片上, 也就是说, 在当时 如果没有成功研发出CD-R光碟片, 也就没有CD-R光碟机的问市. CD-Recordable 光 碟片我们又称为 Media 储存媒体, Blanks 空白片或是有人乾脆依照颜色称为 金 片或绿片等等, 名称很多. 一张 CD-R空白的光碟片上, 最常看到的颜色就是金色, 这是因为在CD-R空白片上是以24K黄金作为光碟片反射层的原料, 然而, 这个反射 层非常非常的薄, 如果想要回收CD-R上的黄金原料, 可能需要收集到好几千片才有 回收的价值. 其实在CD-R空白片上最贵的部份不是黄金而是称为Dye的有机染料层. CD-R空白片的最主要目的是, 在一般应用雷射的范围可将资料烧录於其碟片上, 也 就是我们常见的CD-R光碟烧录机, 然後这片烧好的CD-R光碟片还必须在一般的CD- ROM光碟机上被读取出来, 也就是当成一般的CD-Title来读. 以下在介绍CD-R空白片 的结构前, 我们先来看看一般的CD光碟片. 一般CD光碟片的物理特性 CD, Compact discs, 不管上面放的是音乐 (Audio), 资料 (Data) 还是其他影音视讯 (Video), 这些资料都是经过数位化处理, 变成0与1, 然後再存於 CD 光碟片上, 其对应 的就是碟片上的 pits(凹点)与 lands(平面), 所有的 pits有著相同的深度与宽度, 但是长 度却不同. 一个pits大约只有半微米宽, 大概等於五百粒氢原子的长度. 一片CD光碟片 上总共有约 28 亿个 pits. 在此还有一个数字给大家参考, 那就是在光碟片上的螺旋轨 大约围绕中心2万圈. (以存放满74分钟为例)当 CD 光碟机上的雷射照在光碟片上时, 如果是照在lands(平面)上, 那会有约 70-80% 反射回来, 这样 CD读取头可顺利读取到 反射信号, 如果是照在(pits)凹点上, 则造成雷射光散射 CD 读取头无法接收到反射讯 号, 利用这两种状况就可以解读为数位讯号 (0 与 1), 进而转换成音乐 (Audio) 或资料 (Data).一片CD片的直径是12公分, 厚度为1公厘, 重量为半盎司, 组成部份包括最厚的 合成塑胶 (Polycarbonate) 层, 加上一层薄薄的铝 (Aluminum), 还有一层保护漆层 ( UV- Lacquer). CD-R的物理特性 CD-R光碟片具有与一般CD光碟片相同的外观尺寸. 当一片CD-R光碟片被记录 完成後, 它上面记载资料的方式与一般 CD 光碟片一样, 也是利用雷射的反射与否来 解读资料. 那就是为什麽CD-R光碟片可以放在 CD-ROM 上读取. 但是其间的原理不 同, 以下就让我们来探讨一下.CD-R光碟片上除了原有CD光碟片的合成塑胶层(Poly- carbonate)与保护漆层 (UV-Lacquer) 外, 原来用来反射的铝层改用 24K 的黄金层( 纯 银材质也可以), 另外再加上有机染料层(organic dye)与预先做好的轨道凹槽(pregroove). 有的CD-R光碟片工厂另外加上了一层供书写用的标签层(label). 当 CD-R 光碟片被记录的时候, 光碟烧录器(CD-R)发出高功率的雷射打在 CD-R 光碟片某特定部位上, 其中的有机染料层因此而融化造成化学变化, 这些被破坏掉的 部位无法顺利反射CD 光碟机所发出的雷射光. 而没有被高功率雷射照到的地方可以 靠著黄金层反射雷射光, 还记得一般CD光碟片上的 pits(凹点) 与 lands(平面) 吗? 是不 是同样都以 反射/不反射 来记载资料的. 这就是CD-R与一般CD光碟片有点像又有点 不像的地方, 不同的记录方式, 一样的结果, 一样的目的: 那就是可以通用於所有的CD 光碟机. Optical marks 在此我们将 CD-R 光碟片上被改变的部份称之为光标记 (Optical marks) , 这些光 标记都是被CD-R光碟记录器上的高功率雷射照射後所产生, 此部份无法反射雷射光, 功能类似一般 CD光碟片上的 pits , 而其他部份则可以靠 24K 黄金层反射雷射光而被 CD光碟机侦测到, 类似一般CD光碟片上的 lands, 这样就可以和一般CD光碟片一样的 存放数位资料0或1了. 其实在当初研发 CD-R 时, 是先研发出在 CD-R 光碟片上可以 改变特性的有机材料 (organic dye), 才进而设计出 CD-R 光碟烧录器.CD-R光碟片与一 般 CD 光碟片一样都是以固定线性速率(CLV)方式读出资料, 这也就是说CD-R不管是 读取或是写入资料都是固定的传送速度(Transfer Rate), 所以在光碟片内圈与外圈有著 不同的转速, 外圈转速较慢, 而内圈的转速快, 如此读取或写入一直保持著相同的密度 . 当要将资料写入 CD-R 光碟片时, 是必须保持相同而稳定的速度, 不可任意中断资料 的传送, 否则就会发生buffer under-run这样的错误讯息而报废了一片CD-R. CD-R光碟片的种类 CD-R光碟片使用有机染料(organic dye)作为记录层的主要材质. 这种有机染料是几 百万个相同分子连接在一起而形成的组织结构. 直到最近, 两种基本种类的有机染料才 开放各CD-R光碟片工厂使用, 它们分别为绿色的cyanine与金黄色的phthalocyanine. 而三 菱化学公司(Mitsubishi Chemical Company)与Verbatim公司於近日联合发表了一种新的有 机化学组成材质叫做AZO(蓝色), 它不用一般常见的黄金作为反射层而使用银作为反射 层, 所以你会看到一边是蓝色, 而另一边是银色, 这种新的CD-R光碟片应该不久就会在 市面上看的到. 我们常在市面上常常听到使用者在讨论 CD-R 的光碟片, 到底是金片好 还是绿片好? 其实不管是新发表的蓝片还是市面上常见的金片或绿片, 各有各的优点, 各有各的缺点, 以下就来讨论这个问题. Cyanine (绿片) 在橘皮书(Orange Book / CD-R 标准书)中对CD-R光碟片的规格制定, 原来是参考 由太阳佑电公司(Taiyo Yuden)所提出的cyanine种类的CD-R光碟片材质. Cyanine是由太 阳佑电(Taiyo Yuden)所发明, 它也是其它两种材质的原型材质. 换句话说, 是先有cyanine, 然後phthalocyanine与AZO才根据 cyanine 改良而成. 大多数的 CD-R 光碟烧录器是参考 cyanine的特性而设计, 而现今 CD-R 光碟片的工厂也大多使用cyanine材质, 相性它也会 在市面上出现最久. Cyanine 原始材质非常怕强光, 是属於感光性材料, 在制造时必须 加入合成适当的铁金属以降低对光的感应能力, 一但完成 CD-R 光碟片的制作後, 只 有CD-R光碟烧录器内的高功率雷射才能改变它的性质. 用Cyanine材质做成的CD-R光 碟片有著翡翠绿的颜色, 但是也有些工厂作出蓝绿色的CD-R光碟片, 其实cyanine本 质为青蓝色, 所以才称为 cyanine (青蓝), 但是在制作时, 因为与黄金反射层合并组合, 而成为绿色 (蓝 + 黄 = 绿). 如果是使用银来作为反射层, 结果你会发现此种碟片成为 深蓝色. 使用Cyanine材质的CD-R光碟片制作工厂在全世界一共有四家, 分别是: Richo (理光), Taiyo Yuden(太阳佑电), TDK 与Mitsubishi(三菱), 但是你会看到其它很多不同的 厂牌也在卖这种绿片, 其实这都是这四家公司的 OEM 客户(也就是销售公司), 主要常 见到的有Fuji (富士), Maxell, Kao (花王), DIC Digital, 3M, Sony, Yamaha, Philips (飞利浦), That*s 以及其他再与这些公司签约的下游公司. 许多CD-R相关技术的公司都建议使用 cyanine 绿片, 原因是这种材质可以接受较 广范围的读写雷射, 而可相容於大多数型式的CD-R光碟烧录器. 而且最新的cyanine材 质可以适用於不同的写入速度, 从1x(单倍速)到4x(四倍速)皆可接受, 且可应用於各种 不同雷射强度的机器. 更多数新推出厂牌的CD-R光碟烧录器更以cyanine材质CD-R光 碟片规格来设计测试.前面文章提到过, CD-R记录资料是利用高功率 (高热)雷射照射 在CD-R光碟片上的有机染料层, 使其造成溶化(材质改变)而做成pit的功能. 这种改变 是以独立的分子作为基本的单位, 并不会造成扩散. 烧录完成的光碟片在烧录面可以 明显看出两种不同的颜色深度, 即代表有资料区(从内圈开始)与无资料区(外圈部份), Phthalocyanine(金片) Phthalocyanine 的 CD-R 光碟片呈现金黄的颜色, 这是因为这种有机染料它自己是 接近透明的浅黄色. 制造此种 CD-R 光碟片的工厂只有 Kodak (柯达) 与 Mitsui Toatsu (三井), 其他看到的厂牌源头也是出自这两家公司. Phthalocyanine 碟片的支持者指出, Phthalocyanine材质有更好的抗光性, 能延长存放资料的时间, 可超过100年以上. Phthalo- cyanine材质的CD-R光碟片与Cyanine一样, 也是靠利用高功率雷射改变有机染料层 (溶 化而质变)做成pits来记录资料. Azo(蓝片) Verbatim 公司近来发表了一种叫做 new DataLifePlus 的 CD-R 光碟片, 由 Verbatim 的母公司: 三菱化学公司(Mitsubishi Chemical Company) 负责生产, 这种新的CD-R 碟片 是使用金属化Azo有机染料加上低价银材质作为反射层的光碟片. 这也是三菱化学公 司首次将这种材质的光碟片量产上市, 这种光碟片有著银白色的标签面, 读写面则呈 现深蓝色. 与早期太阳佑电发表cyanine材质的CD-R光碟片一样, 初期的Azo材质只能 使用於单倍速或是双倍速的 CD-R 光碟烧录器, 而无法顺利使用在高速度 (4 x) 的烧 录器机种, 然而当DataLifePlus CD-R光碟片的发表, Verbatim公司正式宣布此种新配方 的 Azo CD-R 光碟片克服了速度上的瓶颈, 已经可以在 4 倍速的光碟烧录器上使用. Verbatim公司在早期研发Azo材质时, 经过很多的测试发现, 此种材质的寿命可达 100年, 并且提供了产品终身保用, 只要记录完成并无错误之光碟片, 在任何时间产生 读取的错误的情况, 可免费更换一片全新的 CD-R 光碟片.其实真正的问题是, 直到今 日, 业界尚未有一个独立公正客观的公司来对这些 CD-R 光碟片产品进行评估, 测试 查证. CD-R光碟片与写入速度的关系 要成功录制一片CD-R光碟片, 光碟记录器内部的温度控制, 雷射功率控制, 写入 作业控制及转速都必须控制在理想的范围, 这样就可以达到即时写入的功能, 这里 所谓的即时是指50分钟的资料, 於 50 分钟就可写入完成, 也就是一倍速的写入. 在 我们还不讨论四倍或六倍的写入速度, 我们先来看看红皮书所定的标准. 红皮书, 代 表 CD-Audio 的格式标准, 每秒钟可播放频率44.1KHz或是44,100个取样资料的音乐. 红皮书规定了 CD 播放的速度为每秒钟 1.2到 1.4公尺磁轨的长度.早期电脑用的CD- ROM光碟机采用这种速度来读取资料, 等於是每秒钟读取 75个磁区 (Sector). 然而因 为CD-ROM资料的读取并不是连续的循序读取, 很可能要常常读取为在不同区域(轨 道)的资料, 因此速度就变成很重要了. 以数位视讯资料 (AVI或是MOV档案)为例, 它 资料存放的方式就像 CD-Audio 一样, 属於循序式存放, 然而因为它是使用高压缩比 来压缩视讯 (Video), 在播放的时候, 如果采用单倍速播放, 会因资料传送的速度不足 而使画面产生不连续 (跳格)的现象.这种现象使得在电脑多媒体的应用上, 必须使用 更快速度的光碟机, 许多 CD-ROM 光碟机的硬体制造商开始发表双倍速光碟机, 三 倍速光碟机, 四倍速, 六倍速, 八倍速, 甚至最近要推出 12 倍速光碟机. 有一个重点, 就是这些光碟机还是必须相容於单倍速的播放CD-Audio片子, 而在其他电脑资料的 光碟片采用全速的播放. 很自然的, CD-R光碟烧录器也摆脱不了对速度的追求, 早期 的CD-R光碟烧录器只是用来烧录 CD-Audio 音乐用的, 单倍速写入速度, 也就是说 60 分钟的音乐需要60分钟来烧录, 另外再加上几分钟时间写 Lead-in与 Lead-out. 当改良 CD-R 硬体的设计後, 加上新配方 CD-R光碟片的配合, 开始出现双倍速的机器, 60 分 钟的资料, 现在半个小时 (30