Физические основы записи - воспроизведения

Под современной цифровой оптической записью звука на дисковых носителях понимается оптическая рельефно-фазовая запись с отражающим покрытием. Такая запись фонограммы осуществляется в виде изменений микрорельефа вдоль спиральной дорожки на прозрачном оптическом диске. Этот микрорельеф представляет собой последовательность микро углублений, называемых питами. У них всех одинаковая ширина и глубина, а цифровая информация записывается в виде дискретных изменений длительности этих питов и расстояний между ними (рис. 6, а).

Именно такая запись используется во всех оптических дисковых системах цифровой записи звука. Практически она реализуется путем тиражирования с использованием матрицы, как это делалось ранее при изготовлении виниловых грампластинок. На рис. 6, 6 приведена схема воспроизведения отражающей рельефно-фазовой записи сфокусированным лазерным излучением.

Для разделения падающего и отраженного пучков света используется полупрозрачное зеркало, которое 50% энергии излучения пропускает и 50% отражает. Фотоприемник расположен в дальней зоне дифракции. На этом рисунке запись представлена в виде разреза вдоль дорожки. Вся поверхность диска с записью покрыта тонкой пленкой хорошо отражающего излучение покрытия из алюминия или серебра. Воспроизведение производится на отражение сквозь достаточно толстую оптически прозрачную основу диска. Со стороны микрорельефа на диск нанесено непрозрачное защитное покрытие.

Глубина питов определяет разность оптического хода световых лучей, отражающихся от дна питов и промежутков между ними. Она приводит к фазовой модуляции отраженного светового пучка. Глубина фазовой модуляции максимальна, когда фазовый сдвиг отраженных лучей ά равен π. Требуемая для этого глубина питов γ рассчитывается по формуле γ = ά χ /4π ε, где ε - коэффициент преломления основы оптического диска, χ - длина волны излучения лазера. Если используется лазер с инфракрасным излучением χ = 800 нм и материал диска имеет коэффициент преломления 1, 5, тогда γ = 135 нм.

Лазерное излучение фокусируется с помощью микро объектива, основным параметром которого является числовая апертура NA (рис. 27, а), равная NA = SinΨ _0, где Ψ ₀ - угол сходимости светового пучка при фокусировке. Сфокусированное излучение лазера имеет распределение интенсивности в поперечном сечении близкое к дифракционной

картине Эйри (рис. 7, б). Диаметр сфокусированного пятна измеряется по первому черному кольцу этой картины и рассчитывается по формуле

ф = χ /NA. Если NA = 0, 45 и χ =800нм, то ф= 1, 78 мкм, что соответствует характеристикам системы «Компакт-диск».

Сфокусированное излучение лазера имеет общий угол (24* ₀) около 60 °, поэтому диаметр светового пятна на поверхности диска равен 0, 8 мм. Благодаря этому возможные дефекты внешней поверхности в виде мелких царапин и пылинок размером до 0, 5 мм находятся далеко вне фокуса объектива, они пространственно фильтруются и не оказывают влияния на качество воспроизведения.

Сфокусированное излучение имеет перетяжку, где диаметр светового пятна почти не меняется (рис. 7). Длина этой перетяжки называется глубиной фокуса, она определяется простым равенством G = χ /(NA)^2. Для приведенных выше данных G = 3, 8 мкм (±1, 9 мкм). Глубина фокуса определяет необходимую точность работы системы автоматической фокусировки.

На глубину ФМ сильное влияние оказывает соотношение диаметра считывающего пятна света и ширины дорожки. Она достигает максимальной величины, когда диаметр пятна примерно втрое больше ширины питов (рис. 6, а). В этом случае энергия лучей, отраженных от дна пита, близка к энергии лучей с нулевым фазовьм сдвигом, отраженных от поверхности вокруг пита. Это связано с неравномерным распределением интенсивности в сфокусированном пятне света (рис. 7). Из этого следует, что если диаметр пятна равен или меньше ширины дорожки, то глубина ФМ будет очень мала, и таким пятном рельефно-фазовую запись нельзя. Дорожка с питами представляет собой нерегулярную фазоотрожающую решетку, на которой происходит дифракция света. При дифракции светового сфокусированного пучка пучка света возникают 2 и более дополнительных световых пучков (рис. 6, б).

Они называются порядками дифракции (0, ± 1, ± 2 и.т.д.) Для фазовой решетки они затухают мед ленно, на скорость затухания сильное влияние оказывает глубина рельефа. Угол отклонения этих пучков Ψ д зависит от пространственного периода решетки η и длины волны лазерного излучения χ.

χ _Д = arcsin (χ /η). Чем меньше период решетки, тем больше угол отклонения. При больших периодах решетки световые пучки всех порядков почти полностью перекрываются. С уменьшением периода решетки зона перекрытия уменьшается и при некотором значении η становится равной нулю (перекрытия нет). В зонах перекрытия возникает интерференция между 0 и более высокими порядками дифракции (рис. 6). Фазовый сдвиг между 0 и ± 1 порядками определяется формулами, где сдвиг π обусловлен глубиной питов γ +i =π + 2π Vt/η, γ +i =π - 2π Vt/η.

Как видно, переменные составляющие фазы в двух зонах перекрытия сдвинуты по фазе на угол π.

В схеме воспроизведения на отражение объектив пропускает только нулевой порядок дифракции, а все высшие порядки фильтруются. Это преобразует фазовую модуляцию света в амплитудную модуляцию тока фотоприемника. Наиболее часто фотоприемник размещается в дальней зоне дифракции, и его размеры совпадают с пятном света нулевого порядка. При этом осуществляется интегрирование светового потока по всей площади фотоприемника. Переменная составляющая тока фотоприемника обусловлена интерференцией световых пучков на его поверхности.

Оптическая передаточная функция (ОПФ) объектива с фотоприемником определяет зависимость глубины амплитудной модуляции от пространственной частоты. Она имеет вид, приведенный на рис. 8. Ее пространственная частота среза f _срп равна

f _срп = 2 NA/χ.

Для системы «Компакт Диск» f _срп = 1125 пер/мм. Электрическая частота среза f _срэ,

где глубина модуляции равна нулю, зависит от линейной скорости записи vt.

f _срэ= f_срп v_t. При v_t= 1, 25 м/с имеем f _срэ = 1, 4МГц.

Ток фотоприемника представляет собой последовательность почти прямоугольных импульсов, совпадающих по фазе с записываемым сигналом. Время нарастания и спада импульсов определяется ОПФ микро объектива, распределением интенсивности в световом пятне и постоянной времени фотоприемника. Прямоугольная форма импульсов восстанавливается с помощью усилителя- ограничителя или компаратора. Обычно ни частотной, ни фазовой коррекции не требуется. Лишь иногда делается частотная коррекция ОПФ, при которой осуществляется подъем в области средних частот. При высокой плотности записи возможна межсимвольная интерференция, которая приводит к кодовым ошибкам. Шумы носителя проявляются в

виде джиттера фронтов импульсов, который также приводит к кодовым ошибкам.