Optinių diskų lazerio skaitymas

Kaip mažytis šviesos spindulys skaito informaciją

Kai įdedi kompaktinį diską į grotuvą ir pradedi klausytis muzikos ar žiūrėti filmą, vyksta tikrai įdomus procesas. Lazerio spindulys šmižinėja po disko paviršių ir kažkaip supranta, kur yra tavo mėgstama daina ar filmo scena. Tai nėra jokia magija, nors kartais taip ir atrodo – tai preciziškas fizikos ir inžinerijos derinys, kuris veikia jau kelis dešimtmečius.

Optiniai diskai – CD, DVD ir Blu-ray – saugo informaciją kaip mikroskopines duobutes ir lygias vietas ant disko paviršiaus. Šios duobutės išdėstytos spirale, kuri prasideda nuo disko centro ir vingiuoja link išorės. Jei galėtum ištiesinti šią spiralę, ji būtų kelių kilometrų ilgio! Ir visą šį kelią lazeris turi nuskaityti, kad gautum savo duomenis.

Lazerio skaitymo sistema yra tikslus mechanizmas, kuris turi išlaikyti fokusą ant judančio disko ir tiksliai sekti spiralę. Bet prieš pasinerdami į techninius niuansus, verta suprasti, kodėl apskritai buvo pasirinktas lazeris šiam darbui.

Kodėl būtent lazeris, o ne kas nors kita

Lazeris optiniams diskams buvo pasirinktas ne atsitiktinai. Paprastos šviesos spindulys čia netiktų – jam trūksta dviejų svarbių savybių. Pirma, lazerio šviesa yra monochromatinė, tai reiškia, kad ji turi vieną konkretų bangos ilgį. Antra, lazerio spindulys yra koherentiškas – visos šviesos bangos juda sinchroniškai.

Šios savybės leidžia lazerio spinduliui būti sufokusuotam į neįtikėtinai mažą tašką. Kalbame apie tašką, kurio skersmuo yra maždaug 1 mikrometras – tai maždaug šimtą kartų mažiau už žmogaus plauko storį. Tokia precizija būtina, nes duobutės diske yra itin mažos ir išdėstytos labai tankiai.

CD diskuose naudojamas infraraudonas lazeris su 780 nanometrų bangos ilgiu. DVD diskuose – raudonas lazeris su 650 nanometrų bangos ilgiu. O Blu-ray diskuose – mėlynas-violetinis lazeris su 405 nanometrų bangos ilgiu. Trumpesnis bangos ilgis reiškia, kad spindulys gali būti sufokusuotas į dar mažesnį tašką, todėl duobutės gali būti mažesnės ir tankiau išdėstytos. Štai kodėl Blu-ray telpa daug daugiau informacijos nei CD.

Kaip iš duobučių gimsta muzika ir vaizdas

Pats skaitymo procesas yra gana elegantiškas. Lazerio spindulys nukreipiamas į disko paviršių per sudėtingą optinę sistemą, kuri apima lęšius ir veidrodžius. Kai spindulys pataiko į lygų paviršių tarp duobučių (tai vadinama „land”), jis atspindi atgal į jutiklį beveik visą savo intensyvumą. Kai spindulys pataiko į duobutės kraštą, atsispindėjusi šviesa interferuoja su šviesa, atspindėta nuo lygaus paviršiaus, ir jutiklis gauna silpnesnį signalą.

Čia slypi gudrus triukas: duobutės gylis yra tiksliai apskaičiuotas taip, kad būtų lygus ketvirtadaliui lazerio bangos ilgio. Dėl šio gylio šviesa, atspindėta nuo duobutės dugno, keliauja pusę bangos ilgio ilgesnį kelią nei šviesa, atspindėta nuo lygaus paviršiaus. Kai šios dvi bangos susitinka, jos yra priešingose fazėse ir iš dalies viena kitą panaikina – tai vadinama destruktyvia interferencija.

Taigi jutiklis mato šviesos intensyvumo pokyčius: daug šviesos, mažai šviesos, daug šviesos, mažai šviesos. Šie pokyčiai ir yra informacija. Svarbu suprasti, kad ne pati duobutė ar lygus paviršius reiškia „0” ar „1”, o perėjimas tarp jų. Kiekvieną kartą, kai lazeris pereina nuo duobutės prie lygaus paviršiaus ar atvirkščiai, tai registruojama kaip „1”. Jei perėjimo nėra – tai „0”.

Sudėtinga mechanika už paprastos operacijos

Kad visa tai veiktų, reikia neįtikėtinai tikslios mechanikos. Diskas sukasi dideliu greičiu – CD atveju nuo 200 iki 500 apsisukimų per minutę, priklausomai nuo to, kurią disko vietą skaito lazeris. Įdomu tai, kad diskas nesisuka pastoviu greičiu – jis lėtėja, kai lazeris juda link išorės. Tai daroma tam, kad duomenų skaitymo greitis būtų pastovus, nes išorinėje disko dalyje spiralė yra ilgesnė.

Lazerio galvutė turi judėti radialiai – nuo centro link krašto – sekdama spiralę. Bet tai ne viskas. Sistema turi nuolat koreguoti fokusą, nes diskas niekada nėra idealiai plokščias ir gali šiek tiek svyruoti besisukdamas. Fokusavimo mechanizmas koreguoja lęšio padėtį tūkstančius kartų per sekundę, kad lazerio spindulys visada būtų tiksliai sufokusuotas ant disko paviršiaus.

Dar yra sekimo sistema, kuri užtikrina, kad lazeris tiksliai sektų spiralę. Jei diskas turi nedidelį ekscentricitetą (t.y. jo centras šiek tiek pasislinkęs nuo sukimosi ašies), sekimo sistema tai kompensuoja. Visos šios sistemos dirba kartu, naudodamos grįžtamojo ryšio kilpas – jos nuolat stebi atspindėtos šviesos signalą ir atitinkamai koreguoja mechanizmų padėtį.

Kai lazeris ne tik skaito, bet ir rašo

Įrašomieji optiniai diskai – CD-R, DVD-R, BD-R – veikia šiek tiek kitaip. Šiuose diskuose yra specialus dažų sluoksnis, kuris gali būti pakeistas lazerio spindulio. Įrašymo metu naudojamas daug galingesnis lazeris nei skaitymo metu. Šis galingas spindulys pakeičia dažų sluoksnio cheminę struktūrą, sukurdamas tamsias vietas, kurios absorbuoja šviesą vietoj to, kad ją atspindėtų.

Perrašomieji diskai (CD-RW, DVD-RW, BD-RE) naudoja dar sudėtingesnę medžiagą – fazę keičiantį lydinį. Šis lydinys gali būti kristalinės arba amorfines būsenos. Kristalinė būsena atspindi šviesą gerai, amorfinė – prasčiau. Lazeris gali perjungti medžiagą iš vienos būsenos į kitą, keisdamas temperatūrą. Stiprus, trumpas impulsas ištirpdo medžiagą ir greitai atvėsina, palikdamas ją amorfinėje būsenoje. Silpnesnis, ilgesnis impulsas leidžia medžiagai lėtai atvėsti ir suformuoti kristalinę struktūrą.

Įdomu tai, kad įrašymo procesas yra daug sudėtingesnis nei skaitymas. Reikia tiksliai kontroliuoti lazerio galią, impulso trukmę ir disko sukimosi greitį. Be to, prieš įrašant duomenis, jie yra užkoduojami naudojant klaidų korekcijos algoritmus, kad net jei diske atsiras nedidelių defektų, duomenys vis tiek būtų skaitomi teisingai.

Problemos ir jų sprendimai realiame gyvenime

Optinių diskų skaitymas nėra tobulas. Diskai gali būti subraižyti, sutepti, sulenkti ar kitaip pažeisti. Kaip sistema su šiuo susidoroja? Pirma, naudojami sudėtingi klaidų korekcijos kodai. Duomenys diske saugomi su papildoma informacija, kuri leidžia atkurti prarastus bitus. Pavyzdžiui, CD naudoja CIRC (Cross-Interleaved Reed-Solomon Code) sistemą, kuri gali ištaisyti gana didelius klaidų kiekius.

Antra, duomenys diske yra išmėtyti – tai vadinama interleaving. Tai reiškia, kad gretimi bitai logiškai nėra gretimi fiziškai. Jei diske atsiranda ilgas įbrėžimas, jis sugadina bitus, kurie priklauso skirtingoms duomenų dalims, o ne vienai ilgai sekai. Tai leidžia klaidų korekcijos algoritmams veikti efektyviau.

Trečia, jei disko paviršius yra nešvarus, atspindėta šviesa bus silpnesnė, bet ne visiškai išnykusi. Moderni elektronika gali prisitaikyti prie skirtingų signalo stiprumų ir vis tiek teisingai interpretuoti duomenis. Tačiau yra riba – jei diskas per daug subraižytas ar suteptas, net pažangiausia sistema nesugebės jo perskaityti.

Praktinis patarimas: jei tavo diskas prastai skaitomas, pirmiausia jį švelniai nuvalyk minkšta šluoste nuo centro link krašto (ne apskritimu!). Dažnai tai išsprendžia problemą. Jei diskas subraižytas, kartais padeda specialūs poliravimo rinkiniai, bet jie veikia tik su paviršiniais įbrėžimais.

Optinių diskų ateitis ir alternatyvos

Šiandien optiniai diskai nebe tokie populiarūs kaip prieš dešimtmetį ar du. Srautinis transliavimas, debesų saugyklos ir USB atmintinės perėmė daugelį funkcijų, kurias anksčiau atliko CD ir DVD. Tačiau optiniai diskai vis dar turi savo nišą.

Archyvavimui optiniai diskai vis dar yra gera pasirinkimas. Tinkamai saugomas kokybiškas diskas gali išlaikyti duomenis 50-100 metų ar net ilgiau. Tai daug ilgiau nei daugelis kitų laikmenų. Be to, diskai yra atsparūs elektromagnetiniams impulsams ir nereikalauja maitinimo, kad išlaikytų duomenis.

Profesionaliame sektoriuje vis dar naudojami optiniai diskai. Blu-ray diskai gali talpinti iki 100 GB duomenų (dviejų sluoksnių versija), o specialūs archyviniai optiniai diskai – dar daugiau. Sony ir Panasonic sukūrė „Archival Disc” formatą, kuris gali talpinti iki 1 TB duomenų.

Mokslinėje srityje kuriamos naujos optinių diskų technologijos. Mokslininkai eksperimentuoja su daugiasluoksniais diskais (ne tik du ar keturi sluoksniai, bet dešimtys ar net šimtai), holografiniais diskais ir netgi 5D duomenų saugojimu, kur informacija koduojama ne tik duobučių išsidėstymu, bet ir jų orientacija bei gylio variacijom.

Nuo kompaktinio disko iki šiuolaikinių technologijų

Optinių diskų kelionė prasidėjo aštuntajame dešimtmetyje, kai Philips ir Sony bendradarbiavo kurdami kompaktinio disko standartą. Pirmasis komercinis CD grotuvas buvo pristatytas 1982 metais, ir tai buvo revoliucija. Žmonės galėjo klausytis muzikos be šniokštimo, traškėjimo ir dėvėjimosi problemų, kurios buvo būdingos vinilinėms plokštelėms ir kasetėms.

CD sėkmė paskatino tolesnę raidą. 1995 metais pasirodė DVD, kuris galėjo talpinti ne tik garsą, bet ir vaizdo turinį – visą filmą vienoje laikmenoje. Tai pakeitė namų kino industriją. Vėliau atsirado Blu-ray, kuris leido žiūrėti filmus aukšta raiška.

Įdomu tai, kad pagrindinė technologija – lazerio skaitymas – išliko ta pati per visus šiuos dešimtmečius. Pasikeitė tik detalės: lazerio bangos ilgis, duobučių dydis, optinės sistemos tikslumas. Tai rodo, kad pagrindinė idėja buvo tikrai gera nuo pat pradžių.

Šiandien optinių diskų technologija yra subrendusi ir gerai suprantama. Ji nebėra nauja ar jaudinanti, bet ji veikia patikimai ir atliepia tam tikrus poreikius. Lazerio skaitymo principai, sukurti prieš keturis dešimtmečius, vis dar naudojami milijonuose įrenginių visame pasaulyje. Tai gražus pavyzdys, kaip gera inžinerija gali išlikti aktuali ilgą laiką, net kai atsiranda naujų technologijų. Optiniai diskai galbūt ir nebe pirmame plane, bet jų įtaka mūsų skaitmeninei kultūrai ir duomenų saugojimo būdams išliks dar ilgai.