Печать
Опубликовано: 25 августа 2014 25 августа 2014
Просмотров: 2009 2009

  

Музыкальные компакт-диски являются представителем семейства носителей цифровой информации, включающего CD- и DVD-диски для хранения данных. В перезаписываемых вариантах этих продуктов используется несколько другая технология хранения информации. В этой статье мы сконцентрируемся на выборе полимера, особенностях процесса формования и оптических свойствах диска. На рис. 1 показан световой луч, который считывает информацию, хранимую насечками на поверхности диска.

 

 Рис. 1. Луч от лазера фокусируется на серию насечек на компакт-диске. После дифракции луч анализируется серией фотоэлементов.

 Появление на рынке компакт-дисков в 1982 г. потребовало следующих технических решений:

 1.   Разработки твердотельных лазеров, которые достаточно миниатюрны и легки для установки на движущейся головке для съема сигнала в CD-проигрывателе. Фокусированный лазер обеспечивает поляризованный световой пучок требуемой интенсивности. AlGaAl-лазер мощностью 1 мВт работает при длине волны 780 нм. Слои этого материала выращены эпитаксиально на подложках кристаллов GaAs, а затем допированы для обеспечения n- или р-проводимости. Лазерный плоскополяризованный луч создается в тонком слое в центре GaAs-структуры. Масса лазера с длиной менее 1 мм весьма незначительна.

 2.  Разработки сервомеханизма, который обеспечивает фокусировку светового луча на информационной дорожке при движении со скоростью 1,25 м/с. Вертикальное положение светового луча должно поддерживаться в пределах ±2 мкм, чтобы трек был в фокусе, и обеспечивать радиальное положение луча в пределах 0,2 мм от центра трека. Фокусировка требуется в области больше 1 мм, потому что диск не плоский, а радиальное положение трека при вращении диска может меняться на 300 мкм. Фокусное время отклика измеряется в миллисекундах, а резонансная частота подвески составляет 45 Гц в направлении фокусирования и 900 Гц в радиальном направлении.

 3. Решение способа обработки цифрового сигнала для уменьшения шума проигрываемой музыки. Корректирующие коды предотвращают появление помех, вызываемых царапинами или загрязнениями поверхности, которые портят воспроизведение виниловых пластинок. Сигнал, оцифрованный с разрядностью 16 бит, обеспечивает отношение сигнал/шум 90 dBпо сравнению с 60 dBдля сигнала на виниловой пластинке и уровнем 30 dB, необходимым для разделения стереоканалов. Компьютерный буфер сохраняет часть сигнала перед воспроизведением, давая паузу для стабильной работы компьютерного таймера. Это исправляет растягивание нот и флаттер, проявляющиеся при воспроизведении на проигрывателе с плавающей скоростью вращения. Обратная связь осуществляет синхронизацию вращения двигателя CDи определяемого сигнала.

   Оптическая система хранения информации

Запись аналогового музыкального сигнала в стереорежиме проводится по двум каналам. Человеческое ухо нечувствительно к частотам выше 20 кГц, поэтому дискретизация каждого канала производится с частотой 44,1 кГц. Это позволяет убрать нежелательные помехи частотой выше 22 кГц.

 Чтение информации со скоростью 4,3332 Мбит/с означает, что луч считывает биты длиной 0,3 мкм, движущиеся со скоростью 1,25 м/с. На поверхности CD-диска без покрытия в зондовом микроскопе (рис. 2) видны микроямки глубиной около 0,12 мкм, шириной 0,6 мкм и длиной 1,6 мкм в радиальном направлении.

 

 Рис. 2. Растровая микрофотография поверхности CD-диска

 Небольшой размер ямки (так называемого пита), сравнимый с длиной света 0,78 мкм и диаметром сфокусированного луча 1 мкм, используемого для чтения диска, приводит к тому, что свет скорее не отражается, а дифрагирует на диске. Но считать, что световой луч при попадании на пит совсем не отражается, является чрезмерным упрощением. Множество питов, регулярно расположенных в радиальном направлении, действуют как дифракционная решетка, и поэтому когда белый свет отражается от поверхности диска, можно наблюдать цвета побежалости.

 Насечки на CD-диске образуют фазовый объект. Поскольку показатель преломления поликарбоната составляет 1,596, то свет, отраженный от пита глубиной h=0,12 мкм, опережает по фазе исходный луч на угол 0,5 рад.      

 В системе детектирования отраженный свет дважды проходит через фазовый объект. Для проходящего света потребовались бы питы, вдвое более глубокие. Питы с отношением глубины к ширине более 0,2 методом литья под давлением получить сложно, и поэтому диск должен иметь более широкие углубления. За счет фазового сдвига дифракционная картина сдвигается в сторону детекторов. Световой пучок, сфокусированный на защищенной стороне диска, имеет ширину 0,7 мм на незащищенной стороне. Следовательно, не слишком глубокие царапины на диске не вызывают нарушение сигнала.

 

 Рис. 3. Радиальное сечение CD-диска. Показаны ряд впадин, как в дифракционной решетке, положение детекторов у первого дифракционного пика, и пути плоскополяризованного света.

 Отражающим слоем является тонкий слой алюминия, полученный вакуумным напылением в стерильно чистых условиях (не более 100 частиц размером крупнее 0,5 мкм на каждый кубометр воздуха). Нанесенное лаковое покрытие отверждается УФ-облучением, затем на него наносится маркировка, дополнительно защищающая находящиеся под ней питы.

 Диски DVD

 Цифровой видеодиск или цифровой универсальный диск (DVD), появившийся в середине 1990-х, позволяет в сжатом формате хранить видеофильмы. Однослойный двухсторонний DVDимеет объем информации 9,4 Г6 по сравнению с 0,64 Гб для CD-диска, при том же диаметре и толщине. Это достигается уменьшением длины одиночного пита от 0,8 до 0,4 мкм и шага трека от 1,6 до 0,74 мкм, с двумя соседними записями на поверхности в средней плоскости диска. Лазер, считывающий информацию, работает в красной части спектра (650 нм), а не в инфракрасной. Поскольку размер пита уменьшен, радиальный наклон краев также снижается. Поверхностная грязь и повреждения, в этом случае всего 0,6 мм от поверхности записи, с большей вероятностью попадают в фокус, чем в случае CD. Однако система коррекции ошибок при чтении DVDмощнее и способна справиться с царапинами длиной до 6 мм.

 Требования к пластику и выбор полимера

 В табл. 1 представлены некоторые требования к материалам для производства CD-дисков. Полистирол имеет слишком низкую стойкость к растрескиванию, а двулучепреломление диска будет слишком высокое, потому что относительно упругий расплав имеет высокий коэффициент фотоупругости. ПВХ имеет слишком низкую теплостойкость, и его недостаточная термостабильносгь осложняет получение методом литья под давлением дисков с точным рисунком на поверхности. Силикатное стекло хрупко и из него тоже нельзя сформовать изделие с достаточно точным рисунком на поверхности.

 Таблица 1. Количественное сравнение (в баллах) стеклообразных материалов для производства компакт-дисков

 

Свойство

Стекло

ПМMA

ПК

ПС

ПВХ

Теплостойкость

5

3

4

3

2

Двулучепреломление

5

4

2

1

3

Прочность

1

3

5

2

4

Стойкостькрастворителям

5

3

3

1

3

Технологичность

1

4

3

4

2

 Диапазон баллов оценки от 5 (превосходная) до 1 (плохая).

 Отмеченные выше факторы делают ПММА и ПК основными кандидатами на материал дисков. Конструкция диска является асимметричной, и на одной его стороне имеется непроницаемое алюминиевое покрытие, так что диффузия воды в полимер может вызывать деформирование диска. ПММА поглощает до 2,1 вес. % воды по сравнению с 0,4 % для ПК. Коэффициент диффузии воды при 23 0С составляет соответственно 0,5×10-6 и 4,8×10-6. Степень коробления поверхности CD должна быть меньше 0,60, чтобы лазерное пятно было сфокусировано. Эти условия исключают возможность использования ПММА в дисках, герметизированных с одной стороны, поскольку диск коробится через 10 дней вследствие односторонней диффузии воды. Однако DVD-диски с симметричной конструкцией не коробятся.

 ПК удовлетворяет требованию пропускать свыше 90 % лучей света с длиной волны 780 мм.

 Переработка поликарбоната

 Основным требованием к процессу является точное воспроизводство формы поверхности матрицы, что обеспечивается низкой вязкостью полимерного расплава и высоким давлением формования при затвердевании поверхности диска. Требования к вязкости обеспечиваются использованием полимера с достаточно низкой молекулярной массой и переработкой при высокой температуре. Однако ударная прочность и стойкость к растрескиванию зависят от молекулярной массы, которая должна превышать 14 000 для достижения достаточно прочной сетки зацепления. Полимер с низкой молекулярной массой не может обеспечить необходимые значения этих показателей. Обычный ПК при 340 0С имеет слишком высокую вязкость расплава для производства CD-дисков. Индекс расплава ПК марки MakrolonCD2005, используемый для CD-дисков, составляет 63 г/10 мин при 300 0С и грузе массой 1,2 кг и 73/10 мин для марки DPI-1265, используемой для производства DVD-дисков. Ударная вязкость по Изоду для обоих марок составляет 55 и 10 кДж/м2 соответственно, что связано с влиянием молекулярной массы на ударную прочность. Для сравнения, ПК, используемый для литья под давлением автомобильных фар, имеет индекс расплава 19 г/10 мин и ударную вязкость по Изоду 70 кДж/м2. Другие свойства, такие как предел текучести и модуль Юнга, при уменьшении молекулярного веса не изменяются. Формование необходимо проводить быстро во избежание появления шероховатостей на поверхности.

 Значение средней поверхностной шероховатости Raдля литья под давлением обычно составляет примерно 1 мкм, и таким образом требование о необходимости достижения для CD-дисков значения Ra меньше 15 нм является очень высоким. При литье под давлением требуется исключительно плоская ровная поверхность пресс-формы, чтобы воспроизвести в деталях узор из множества углублений глубиной 120 нм. Поликарбонат необходимо оберегать от попадания пыли на всех стадиях транспортировки и сушки перед переработкой, а пластикация в литьевой машине проводится специальным гомогенизирующим шнеком с небольшой загрузкой.

 Литература:

 Н. Миллс. Конструкционные пластики – микроструктура, характеристики, применения. 2011. – 512 с.