Как устроен CD диск

Термин «оптический диск» появился в нашем языке в начале 80-х годов прошлого века. Это понятие включает в себя весь разнохарактерный диапазон носителей информации, устроенных по ниже описаному принципу. Это понятие подразумевает как забытые аналоговые лазерные диски (LV — Laser Vision), уже стареющие компакт-диски (CD), цифровые многоцелевые диски (DVD — Digital Versatile Disc), так и стремительно развивающиеся HD DVD (High Definition), «blu-ray» и VCDHD, a также любые другие носители информации, выполненные в виде дисков, возможно уже появившиеся на свет пока Вы читаете эту статью на нашем сайте.

Для любознательных
Дело в том, что в начале 80-х годов XX века серьёзно рассматривались конструкции лазерных носителей не в виде дисков, а в виде стеклянных трубчатых валиков, подобных восковым, применявшихся в первых попытках звукозаписи. Но если валики сейчас воспринимаются с улыбкой, то оптическая лента очень похожая по принципу устройства на оптический диск, а по внешнему виду — на магнитную ленту, наверное, применяется успешно и сейчас.

Понятно, что диск и воспроизводящее устройство являются звеньями одной системы. Все форматы оптических дисков имеют одну и ту же принципиальную модель, суть которой состоит в следующем.
Нужен источник света — лазер. Нужен приёмник света — фотодиод. И нужна отражающая свет поверхность в виде плоского диска. На эту поверхность укладывается спиральная дорожка, состоящая из последовательности либо ямочек, либо бугорков, либо краски, либо ещё «чего-то». Все эти ямочки или «что-то» должны обладать одним свойством, на котором и зиждется устройство всех оптических дисков. Ямочки (их принято называть питами (от англ. pit-яма)) должны либо поглощать свет, либо отражать его впротивофазе по отношению к плоской поверхности диска (ленду (от англ. land — земля)), либо рассеивать его так, чтобы в результате волновых свойств луч света ни в коем случае не попал на фотодиод приёмника. Тогда фотодиод зарегистрирует отсутствие сигнала в месте нахождения пита и присутствие сигнала на месте ленда.
Луч лазера отражается как от ленда, так и от пита. При глубине (или высоте) пита равной h, длина пути луча света, отражённого от пита, будет отличаться от длины пути луча света, отражённого от ленда, на 2h.

На фотографии с увеличением в 10 тысяч раз видна реальная картина пит

Тогда разность хода для лучей, отражённых от ленда и пита:
∆ = 2h-n,
где n — показатель преломления материала, из которого сделан диск, (для поликарбоната n~1,5).
В случае, если разность хода лучей равна половине длины волны ∆ считывающего лазера
∆= ג/2,
то лучи, отражённые от поверхности пита, будут находиться в противофазе с лучами, отражёнными от поверхности ленда, и они «загасят» друг друга.
Чтобы получить разность хода лучей Л = Л/2, необходимо иметь глубину пита ft:
h= ג /4n.
Таким образом, при попадании луча лазера на ленд получаем максимальный сигнал с выхода фотодиода, а при попадании на пит — минимальный.
Это позволяет записать исходную информацию на оптический диск в виде последовательных «питов» и «лендов», а затем считать его с диска в виде электрических импульсов.
Считывание информации с оптического диска происходит следующим образом.
Диск вращается с определённой скоростью, объектив считывающего устройства перемещается по перпендикуляру к оси вращения от центра диска к периферии по спиральной дорожке (треку), состоящей из после-довательного множества пит. Луч лазера, пробегая по дорожке, то «спотыкается» о питы, то бежит по ленду.
В результате на считывающее устройство поступает последовательность электрических импульсов, характеризующих исходную информацию. Либо в аналоговом, либо в цифровом виде. Упрощённо схема воспроизведения изображена на рисунке.

В порядке гиперболического сравнения, этот бег можно представить как полёт сверхзвукового самолета в близи поверхности земли. При этом самолету приходится бешено отруливать как по горизонтали, так и по вертикали, вписываясь в габариты городских улиц и построек.
Для удержания считывающей оптической головки на треке мудрые конструкторские мужи решили использовать не один фотодиод, а четыре. Для чего?

Для того, чтобы надежно поймать блуждающую дорожку и сравнивая сигналы, приходящие на разные светодиоды, принять решение о векторе перемещения головки, дабы она не свалилась с колеи трека.
Приёмник отраженного луча должен следовать по спиральному треку с отклонением от траектории в 100 нм, не более. Чтобы обеспечить такую точность используют несколько прецизионно настроенных сервосистем, которые поддерживают фокус линзы на питах и лендах, траекторию следования по треку, а также скорость вращения диска. Эти миниатюрные сервомеханизмы должны быть чрезвычайно чувствительными, но, к сожалению, диапазон их влияния всегда будет ограничен. И по этой причине мы вынуждены предъявить ряд требований, как к диску, так и к плееру. Обозначим некоторые из них.

Диск должен иметь очень точную геометрию формы и поверхности, а также равномерное распределение массы, чтобы при его вращении возникающий динамический дисбаланс не разрушил устройство привода.
Ось диска должна совпадать с осью спирали информационной дорожки: если смещение осей превысит возможности автоматической системы регулирования плеера, то мы не узнаем сюжета диска, а если это «болванка», то не сможем её записать.
Отклонения по смещению плоскости вращения диска также не должны превышать возможности фокусировки объектива плеера.
Оптические свойства диска, точнее, его поликарбонатной основы (реплики), должны быть изотропны по всей поверхности, иначе луч, отражённый от ленда, может не попасть в фотоприемник и зафиксируется считывающим устройством как пит, что приведёт к искажению исходной информации.
Лазер — источник когерентного излучения, должен быть монохромным.
Объектив считывающего устройства должен быть очень лёгким и обладать низкой инертностью, чтобы успеть отработать отклонения фокусировки на поверхность диска при его вращении.
Собственный осевой бой шпинделя привода диска не должен превышать 10 нм. Иначе он будет бесполезен как воспроизводящее и тем более записывающее устройство вашего компьютера.

Для примера: если, читая страницу на планшетнике iPad, Вы не можете распознать буквы, то не надо сразу обвинять разработчиков сайта. Попробуйте надеть очки и устранить дрожание рук…