Ứng dụng laser trong ghi đọc tín hiệu quang

Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN Nhóm Trang Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU Lịch sử lưu trữ liệu 1.1 Bia đá khắc chữ tượng hình 1.2 Giấy 1.3 Máy in Gutenberg 1.4 Bộ nhớ mạch trễ 1.5 Bảng đục lỗ 10 1.6 Cuộn băng giấy 11 1.7 Băng từ 12 1.8 Trống từ 13 1.9 Ổ đĩa cứng 14 Ứng dụng laser bán dẫn ghi đọc đĩa quang 14 2.1 Sơ lược đĩa quang 14 2.2 Nguyên lí hoạt động 17 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 Nhóm Trang Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT CD: Compact Disc DVD: Digital Versatile Disc LASER: Light Amplification by Stimulated Emisson Trang Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang LỜI NÓI ĐẦU Laser loại công nghệ đại mang lại nhiều lợi ích sống Laser ứng dụng nhiều lĩnh vực khác đời sống y học, thông tin cáp quang, quân sự… Một ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Trong tiểu luận này, làm rõ nguyên tắc ghi đọc tín hiệu quang Tiểu luận hoàn thành thời gian ngắn nên tránh khỏi gặp nhiều sai sót Mong nhận góp ý quý thầy cô bạn Xin chân thành cảm ơn TP.HCM, ngày tháng năm 2016 Nhóm Trang Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học NỘI DUNG Lịch sử lưu trữ liệu Từ thời kì sơ khai kỉ nguyên kĩ thuật số ngày nay, người trải qua hàng ngàn năm lịch sử, với đời phát minh, coi bước nhảy vọt văn hóa, khoa học kỹ thuật 1.1 Bia đá khắc chữ tượng hình Chữ tượng hình (hieroglyph) công cụ lưu trữ liệu loài người Khoảng 3300 năm trước Công nguyên, người Sumer phát minh để ghi lại lịch sử phát triển lên vách đá Hệ thống chữ viết sơ khai, bao gồm kí tự đơn giản hình chim muông, tư người Hình 1: Bia đá khắc chữ tượng hình TCN Sau này, người Ai Cập cổ đại tiếp tục phát triển hình thức Họ khắc chữ tượng hình lên bia đá Đây cách lưu giữ thông tin “bền với thời gian”, tất loại ổ cứng người thời Trang Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang 1.2 Giấy Trước kia, người ta thường sử dụng da động vật làm công cụ lưu trữ Nhưng lịch sử loài người thực nhảy vọt phát minh giấy Khoảng 3000 năm trước Công nguyên, vật liệu làm từ chất xơ dày vài mi-li-mét đến vài cen-ti-mét người Ai Cập sử dụng để ghi lại trình phát triển đất nước Hình 2: Giấy người Ai Cập Giấy làm chủ yếu từ thực vật, dễ cháy thiêu hủy Một phát minh từ xa xưa mà 5000 năm mang tính phổ biến, đóng vai trò thiếu sống hàng ngày Hình 3: Giấy tập học sinh ngày Nhóm Trang Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học 1.3 Máy in Gutenberg Johannes Gutenberg (1390–1468), công nhân đồng thời nhà phát minh người Đức Ông trở nên tiếng phát minh phương pháp in dấu vào năm năm 1450 Ông mệnh danh “ông tổ nghề in” phát minh phương pháp in chữ Ông in chữ, gắn nhanh vào khuôn thành trang chữ ngược ván in Gutenberg phát minh quy trình công nghệ in hàng loạt mực in pha dầu, tiện lợi hẳn khắc chữ ván gỗ trước Máy in chữ rời đời phương thức “copy – paste” đại thời kỳ Nó bình chọn sáng chế quan trọng thiên niên kỉ thứ hai, Gutenburg trở thành “nhân vật số một” thiên niên kỉ Hình 4: Máy in Gutenberg 1.4 Bộ nhớ mạch trễ Phương pháp lưu trữ liệu đặc biệt đời Chiến tranh giới lần II, sử dụng hệ thống rađa máy tính thời Bộ nhớ lưu trữ Trang Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang thông tin thành dải xung siêu âm, chuyển từ điểm cuối cột thủy ngân tới cột thủy ngân khác Chúng cho phép lưu trữ khoảng 500 bit liệu Tuy nhiên, khó để điều khiển hệ thống phải bảo quản điều kiện phức tạp Nguyên tắc thiết kế sử dụng để thiết kế nhớ tương tự sử dụng thạch anh, tìm thấy hệ thống tivi màu châu Âu trước năm 1990 Hình 5: Bộ nhớ mạch trễ 1.5 Bảng đục lỗ Đây biểu tượng ngành điện toán thời đầu Tuy có nhiều hạn chế dễ dùng Tận dụng hệ thống lưu trữ từ mô hình cỗ máy dệt tự động từ kỷ 18, IBM có sáng tạo đáng kể Một số sản phẩm hãng Herman Hollerith phát triển sử dụng để điều tra dân số nước Mỹ năm 1890 Về sau, bảng đục lỗ gọi tên nhà phát minh IBM đời từ tảng Công ty Tabulating Machine Hollerith làm chủ Kích cỡ thông thường hầu hết bảng loại lưu trữ 160 ký tự Nhóm Trang 10 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Hình 6: Bảng đục lỗ lưu trữ 160 ký tự 1.6 Cuộn băng giấy Cùng với bảng đục lỗ, cuộn băng giấy coi biểu tượng ngành điện toán kỷ trước Phát triển với tư cách phương tiện lưu trữ cho máy đánh chữ, cuộn băng giấy có độ dài khác với khả lưu trữ liệu riêng biệt Các lỗ có dải băng kích hoạt cảm biến quang biến biểu tượng, mẫu giấy nhựa thành tín hiệu số với mức 5-bit lần Trường hợp tiếng sử dụng phương thức lưu trữ máy điện có khả tự lập trình có tên Colossus, quân Đức sử dụng Thế chiến Chiếc máy có khả tiêu thụ từ băng giấy với tốc độ cao 5.000 ký tự giây Kỹ thuật lưu trữ trở thành lịch sử vi xử lý đời vào năm 1980 Trang 11 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang Hình 7: Cuộn băng giấy lưu trữ liệu 1.7 Băng từ Khi kỹ thuật điện tử phát triển, người ta bắt đầu dùng tới băng từ Đây công nghệ lưu trữ thuộc dạng cổ điển sử dụng giới để… kỷ niệm Đến năm 1980, đĩa mềm (floppy) trở nên phổ biến với giá rẻ, có khả lưu trữ ngang ngửa, băng từ chỗ đứng Nhóm Trang 12 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Hình 8: Băng từ phần mang điện ảnh đến với nhân loại 1.8 Trống từ Trống dài 16-inch (~40 cm), tốc độ quay 12.500 vòng/phút, dùng hệ thống máy tính IBM 650 thời năm 1950, chứa 10.000 ký tự Dữ liệu mã hóa dạng nhiễm từ 40 rãnh quanh trống Đây phát minh đột phá công nghệ lưu trữ, sử dụng máy tính IBM 650 vào năm 1954, lưu trữ 10.000 ký tự trở thành nhớ máy tính Bộ nhớ hình trống có chiều dài 16 inch Hình 9: Trống từ dài khoảng 40 cm Trang 13 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang 1.9 Ổ đĩa cứng Phát minh tiếng IBM năm 1956 tiếp tục cải tiến phục vụ người Kích cỡ ổ đĩa cứng ngày thu gọn, từ tới inch Ngày xưa, ổ cứng inch có khả lưu trữ 5-30 MB, ổ đĩa cứng phổ thông 3,5 inch ngày lưu trữ tới 3,5 TB Tốc độ phát triển ổ đĩa cứng vượt định luật Moore Hình 10: Ổ đĩa cứng lưu trữ liệu máy tính Ứng dụng laser bán dẫn ghi đọc đĩa quang 2.1 Sơ lược đĩa quang Đĩa quang, theo tên gọi đĩa sử dụng tính chất quang học để ghi đọc liệu Đĩa quang phân thành ba loại đĩa laser, CD DVD Đĩa Laser hệ đĩa quang Được hãng Philips giới thiệu thị trường vào năm 1978 Alantic Những năm sau Hoa Kỳ Nhật Bản nhiều người sử dụng chúng đĩa CD với kích thước nhỏ Nhóm Trang 14 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học đời sau khoảng năm Một đặc điểm đáng lưu ý đĩa laser phiên chúng hoàn toàn chứa tín hiệu dạng tương tự, chất lượng âm thanh/video đĩa lasze có chất lượng cao so với số loại đĩa đời sau Ở thị trường Việt Nam đĩa laser thời gian trước đây, người nghe có mua máy phát đĩa lasertừ Nhật Bản với loại đĩa xuất Hoa Kỳ Đến năm 2006 giới bán loại máy phát đĩa laser dành cho người có thú vui sưu tập loại đĩa laser cổ có nhiều tiền Đĩa Laser kết thúc đời vào năm 2001 Nhật Bản, chúng hoàn toàn bị thay loại đĩa có kích thước nhỏ hơn: CD DVD đời trước Đĩa CD chuẩn hoá thông dụng thời gian qua hầu hết máy tính cá nhân, hầu hết máy tính có ổ đọc đĩa CD-ROM, chúng dùng cho việc cài đặt phần mềm, sửa chữa hệ điều hành mục đích khác giải trí số máy tính cá nhân Có hai loại đĩa CD-ROM với dung lượng khác nhau: Ban đầu dung lượng chúng 650 MB, sau cải tiến lên ghi liệu với 700 MB, số phần mềm ứng dụng cho phép ghi dung lượng vượt qua ngưỡng 700 MB Đĩa CD dược biết đến loại đĩa CDROM (Compact Disc Read-Only Memory) có nghĩa đĩa CD đọc liệu, phiên CD-DA (digital audio) dùng để chứa âm Sau đĩa CD mở rộng với khả ghi liệu lần CD-R (CDrecordable) đĩa CD ghi lại nhiều lần CD-RW (CD-rewritable) Ở đĩa CD, rãnh liệu chứa pit có độ rộng 0,6 micro, khoảng cách hai rãnh liền kề tính từ tâm 1,6 micro Đa phần loại đĩa theo chuẩn sử dụng kích thước này, nhiên có vài trường hợp kích thước bị thay đổi chút so với chuẩn chung ghi liệu mức Trang 15 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang Hình 14: Kích thước đĩa CD Trong hình minh hoạ vùng đĩa thì:  Hub clamping area: Vùng sử dụng định vị đĩa ổ đĩa, vùng tất nhiên không chứa liệu  Power calibration area (PCA).Vùng xuất đĩa CD-R CD-RW, chúng dùng để xác định tốc độ ghi lớn (ở X), từ ổ ghi tính toán công suất tia laser cho phù hợp  Program memory area (PMA) Vùng xuất đĩa CDR/RW Vùng để lưu chứa TOC (mục lục) cho phiên ghi liệu, chúng bị chuyển thành vùng Lead-in sau trình ghi đĩa hoàn tất  Lead-in Vùng chứa thông tin TOC đĩa Công dụng mục đĩa quang giúp cho việc truy cập liệu thuận tiện, điều tạo khác biệt hình thức lưu trữ liệu (ví dụ băng từ, đĩa nhựa)  Program (data) area Vùng chứa liệu đĩa, chúng vị trí bán kính 25 mm tính từ tâm đĩa trở Nhóm Trang 16 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học  Lead-out Vùng đánh dấu kết thúc liệu đĩa (Sau đĩa DVD hai lớp có sử dụng vùng vùng đĩa để đánh dấu chuyển dọc liệu từ lớp đĩa thứ sang lớp đĩa thứ hai) Đĩa DVD có số thông số ngoại hình không khác so với đĩa CD, phiên bình thường chúng có đường kính 120 mm, lỗ tâm đường kính 15 mm có độ dày 1,2 mm Tuy nhiên so với đĩa CD đĩa DVD có mật độ xít chặt hẳn để chứa nhiều liệu (4,7 GB so với 700 MB dung lượng đĩa CD) Chính mà tính chất kỹ thuật đĩa DVD gần giống đĩa CD, với mức độ tiên tiến hơn, sử dụng hiệu khoảng không gian track Một khác biệt đĩa DVD có chứa đến hai lớp liệu mặt đĩa, lớp liệu đọc nguồn phát tia laser vị trí khác nhau, dẫn đến chúng có khả lưu trữ lớn Hình 15: Sự khác kích thước CD DVD 2.2 Nguyên lí hoạt động Khi ánh sáng chiếu vào vật bị hấp thụ phản xạ lại (một phần toàn phần hai trường hợp) Nếu có vật chuyển động thay đổi trạng thái hấp thụ phản xạ ánh sáng qua nguồn phát ánh sáng cố định đọc trạng thái phản xạ lại ánh sáng không phản xạ lại ánh sáng theo tình trạng vật chuyển động Đĩa quang vận dụng tính chất phản xạ ánh sáng nêu để chứa liệu bề mặt đĩa thông qua phản xạ/không phản xạ Trang 17 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang Hình 16: Cấu tạo đĩa quang Trên đĩa quang có rãnh theo hình xoắn chôn ốc từ theo track Trên track rãnh (land) pit mà chúng gây phản xạ lại theo hướng vuông góc với chùm tia tới phản xạ theo phương vuông góc với chùm tia Do hệ thống chiếu tia hệ quang học nên loại ổ đĩa quang (hoặc máy phát đĩa quang) quan tâm đến hướng vuông góc chùm tia chiếu tới, tính chất quan trọng hoạt động đĩa quang Để ghi liệu đĩa người ta sử dụng súng laser chiếu lên bề mặt dĩa Cho đĩa quay với tốc độ cao, súng laser chiếu lên bề mặt dĩa điều khiển tắt sáng theo tín hiệu đưa vào Tia laser tắt ứng với đốt cháy bề mặt đĩa thành điểm khả phản xạ ứng với Mạch điều khiển điều khiển tốc độ quay đĩa điều khiển cho tia laser hội tụ đĩa ghi tín hiệu thành đường trắc hình xoắn trôn ốc Nhóm Trang 18 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Hình 17: Mô hình hệ ghi liệu quang Khi đọc liệu đĩa quang, tia tia laser (có công suất thấp) chiếu vào điểm sáng tối đĩa để nhận lại ánh sáng phản xạ Ánh sáng phản xạ quay ngược lại nguồn phát chúng bị đổi hướng hệ lăng kính đến phần đầu đọc kết tín hiệu nhị phân Như hệ thống thiết bị đọc đĩa quang hệ quang học phức tạp nhằm tạo tia laser chiếu vào bề mặt đĩa thu lại tia phản xạ theo phương mà tia laser chiếu đến Tại thiết bị cảm nhận tia laser phản xạ lại, điốt cảm quang tiếp nhận ánh sáng rời rạc để biến chúng thành tín hiệu nhị phân, tức tín hiệu có dạng 1000101001, chúng chứa âm thanh/video liệu phần mềm máy tính Xin lưu ý lý giải đơn giản để bạn hiểu nguyên lý làm việc chúng cách dễ hiểu, thực tế chế chuyển hoá liệu nhị phân chúng phức tạp sửa chữa lỗi phát sinh trình đọc liệu Trang 19 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang Hình 18: Mô hình hệ đọc liệu quang Nhóm Trang 20 Ứng dụng laser ghi đọc tín hiệu quang học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Chí, Trần Tuấn, Vật lý Laser, Nhà Xuất Đại học Quốc gia TP.HCM, Tp Hồ Chí Minh, 2002 [2] Nguyễn Thế Bình, Kĩ thuật Laser, Nhà Xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội, 2004 Tiếng Anh [4] L.V Tarasov, Laser Physic, Mir, Moscow, 1983 Web [5] https://vi.wikipedia.org/wiki/Laser [6] http://voer.edu.vn/m/chat-ban-dan/dfabe650 Trang 21 [...]... xưa, ổ cứng 8 inch chỉ có khả năng lưu trữ 5-30 MB, trong khi ổ đĩa cứng phổ thông 3,5 inch ngày nay có thể lưu trữ tới 3,5 TB Tốc độ phát triển của ổ đĩa cứng còn vượt cả định luật Moore Hình 10: Ổ đĩa cứng lưu trữ dữ liệu trong máy tính 2 Ứng dụng laser bán dẫn trong ghi đọc đĩa quang 2.1 Sơ lược về đĩa quang Đĩa quang, theo đúng như tên gọi của nó là đĩa sử dụng tính chất quang học để ghi và đọc dữ... 0 Mạch điều khiển sẽ điều khiển tốc độ quay đĩa cũng như điều khiển cho tia laser hội tụ trên đĩa và ghi tín hiệu thành các đường trắc hình xoắn trôn ốc Nhóm 4 Trang 18 Ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học Hình 17: Mô hình hệ ghi dữ liệu quang Khi đọc dữ liệu trên đĩa quang, một tia tia laser (có công suất thấp) chiếu vào các điểm sáng và tối của đĩa để nhận lại ánh sáng phản xạ Ánh sáng... chúng ta sẽ đọc được trạng thái phản xạ lại ánh sáng hoặc không phản xạ lại ánh sáng theo đúng tình trạng của vật chuyển động đó Đĩa quang vận dụng tính chất phản xạ ánh sáng nêu trên để chứa các dữ liệu tại bề mặt đĩa thông qua sự phản xạ/không phản xạ Trang 17 Ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang Hình 16: Cấu tạo của đĩa quang Trên đĩa quang có các... ghi và đọc dữ liệu Đĩa quang có thể phân thành ba loại là đĩa laser, CD và DVD Đĩa Laser là những thế hệ đầu tiên của đĩa quang Được hãng Philips giới thiệu ra thị trường vào năm 1978 tại Alantic Những năm sau đó thì tại Hoa Kỳ và Nhật Bản cũng được khá nhiều người sử dụng chúng mặc dù đĩa CD với kích thước nhỏ hơn đã ra Nhóm 4 Trang 14 Ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học đời sau nó khoảng... dụng trong máy tính IBM 650 vào năm 1954, có thể lưu trữ 10.000 ký tự và trở thành bộ nhớ chính của máy tính Bộ nhớ hình trống có chiều dài 16 inch Hình 9: Trống từ dài khoảng 40 cm Trang 13 Ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang 1.9 Ổ đĩa cứng Phát minh nổi tiếng của IBM năm 1956 vẫn đang tiếp tục được cải tiến và phục vụ con người Kích cỡ ổ đĩa cứng... kính đến phần đầu đọc để cho kết quả các tín hiệu nhị phân Như vậy thì hệ thống thiết bị đọc đĩa quang sẽ là một hệ quang học phức tạp nhằm tạo ra tia laser chiếu vào bề mặt đĩa và thu lại tia phản xạ theo phương mà tia laser chiếu đến Tại thiết bị cảm nhận tia laser phản xạ lại, một điốt cảm quang sẽ tiếp nhận những ánh sáng rời rạc để biến chúng thành tín hiệu nhị phân, tức là tín hiệu có dạng 1000101001,... phần mềm máy tính Xin lưu ý rằng đây là những lý giải đơn giản để bạn hiểu được nguyên lý làm việc của chúng một cách dễ hiểu, trên thực tế thì cơ chế chuyển hoá dữ liệu nhị phân của chúng thì phức tạp hơn bởi sự sửa chữa lỗi phát sinh trong quá trình đọc dữ liệu Trang 19 Ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang Hình 18: Mô hình hệ đọc dữ liệu quang Nhóm.. .Ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học Hình 8: Băng từ một phần mang điện ảnh đến với nhân loại 1.8 Trống từ Trống dài 16-inch (~40 cm), tốc độ quay 12.500 vòng/phút, được dùng trong hệ thống máy tính IBM 650 thời giữa những năm 1950, chứa được 10.000 ký tự Dữ liệu được mã hóa dưới dạng nhiễm từ trên 40 rãnh quanh trống Đây là một phát minh đột phá trong công nghệ lưu trữ, được sử dụng. .. Trang 15 Ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học Lê Thị Kim Nhung Nguyễn Thị Thùy Trang Hình 14: Kích thước đĩa CD Trong hình minh hoạ này về các vùng của đĩa thì:  Hub clamping area: Vùng được sử dụng định vị đĩa trong ổ đĩa, tại vùng này thì tất nhiên là không chứa dữ liệu  Power calibration area (PCA).Vùng này chỉ xuất hiện trên các đĩa CD-R hoặc CD-RW, chúng dùng để xác định tốc độ ghi. .. Nhóm 4 Trang 20 Ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Chí, Trần Tuấn, Vật lý Laser, Nhà Xuất bản Đại học Quốc gia TP.HCM, Tp Hồ Chí Minh, 2002 [2] Nguyễn Thế Bình, Kĩ thuật Laser, Nhà Xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội, 2004 Tiếng Anh [4] L.V Tarasov, Laser Physic, Mir, Moscow, 1983 Web [5] https://vi.wikipedia.org/wiki /Laser [6] http://voer.edu.vn/m/chat-ban-dan/dfabe650