ứng dụng laser trong ghi và đọc tín hiệu quang học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ – KỸ THUẬT Y SINH TIỂU LUẬN VẬT LÝ LASER ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Thành Viên 1/ Nguyễn Nhự My 2/ Thái Hòa Thành 3/ Trương Phương Tú ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU I SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH LASER II SƠ LƯỢC VỀ Ổ ĐĨA QUANG III CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG CỦA Ổ ĐĨA QUANG Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC L Ờ I M Ở Đ Ầ U R a đ i v o k h o ả n g Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC I Sơ lược lịch sử Laser Laser (Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation) có nghĩa khuếch đại ánh sáng xạ cưỡng Nguyên lý xạ cưỡng tảng hoạt động laser Nguyên lý xạ cưỡng tảng hoạt động laser Lý thuyết bắt đầu xây dựng vào năm 1900 Max Planck, người chứng minh lượng sóng điện từ không liên tục mà phần tử rời rạc-lượng tử lượng-với mức lượng tương ứng với tần số sóng Vào năm 1916, sau bầu vào Viên Hàn lâm Khoa học Đức, A.Einstein tư trừu tượng cao, đưa định đề lý thuyết xạ cưỡng bức: Nếu chiếu nguyên tử sóng điện từ, xảy xạ “được kích hoạt” trở thành chùm tia hoàn toàn đơn sắc, tất photon phát có bước sóng Năm 1960, laser đời nhà bác học Maiman (Mỹ) chế tạo Đó laser Ruby, laser sử dụng Ruby làm môi trường hoạt chất Ngay sau nhà khoa học nghiên cứu chế tạo nhiều laser khác sử dụng nhiều chất khác làm môi trường hoạt chất Từ công nghệ laser trở nên đa dạng với nhiều lĩnh vực: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn, laser lỏng Ban đầu laser tạo có công suất thấp ứng dụng không nhiều, nhà khoa học nghiên cứu dùng nhiều cách tạo laser công suất cao với nhiều ứng dụng quan trọng thực tế Công nghệ laser phát triển mạnh mẽ sau kỷ 20, công nghệ laser nghiên cứu theo hướng Đặc biệt trào lưu sử dụng đơn nguyên tử vào công nghệ laser Ở lĩnh vực công nghệ, Nhu cầu lưu trữ thông tin trở nên cần thiết Người ta cố tìm nhiều cách thức lưu trữ, truy xuất liệu mà không cần nguồn nuôi mà tín hiệu tồn vĩnh viễn đọc, ghi sửa hay xóa lúc Ngày nay, gần tất thông tin số hóa ghi lại định dạng kỹ thuật số Có nhiều yếu tố để tạo mã nhị phân có có giá trị thương mại : Từ trường, quang học điện tử Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Các khái niệm đĩa quang năm 1961 phòng thí nghiệm nghiên cứu Stanford phát triển đĩa video sử dụng công nghệ chụp ảnh Tuy nhiên, độ sáng thấp nguồn ánh sáng có sẵn mang lại chép hình ảnh chất lượng thấp Columbia Broadcasting System (CBS) công bố hệ thống EVR (điện tử Video Recorder) năm 1967, chi phí khổng lồ cuối buộc họ phải ngừng phát triển Việc phát minh tia laser T.H Maiman et al năm 1960 cung cấp nguồn ánh sáng coi phù hợp cho ổ đĩa quang Laser có đồng thời gian không gian tốt, điều cho phép có giới hạn nhiễu xạ tia nhỏ cần thiết để thu hồi thông tin chất lượng cao từ đĩa quang Sau nhiều phương pháp xem xét, thiết kế đĩa quang phương pháp ghi "bit-by-bit" phát triển năm 1970 Lần hệ thống đĩa video quang học để sử dụng thương mại,nó phát hành vào năm 1973 Philips Hà Lan MCA (Tổng công ty âm nhạc Mỹ) Hoa Kỳ.Những hệ thống đầu tiên, laser He - Ne nguồn ánh sáng ưa thích Ngay sau đó, nhiều hệ thống đĩa quang học đời Đĩa âm kỹ thuật số (DAD) có đường kính 12cm, sau gọi đĩa CD (compact disk) công bố năm 1978 Đến năm 1980 chuẩn đĩa CDDA đời, chúng chuẩn hoá với định dạng Sách đỏ (Red Book) Sản phẩm CD tiêu chuẩn từ số nhà sản xuất bắt đầu có sẵn vào tháng 12 năm 1982 Năm 1983 Sony Philips tiếp tục hợp tác để đưa chuẩn đĩa chung Chuẩn định dạng Sách vàng để phù hợp với liệu máy tính CD ROM Máy nghe đĩa CD sử dụng laser bán dẫn phép thiết kế đầu phát nhỏ trọng lượng nhẹ Năm 1996, đĩa đa kỹ thuật số (DVD) cho đầu phát phát hành Các hệ thống phát lại đánh dấu khởi đầu sản phẩm đĩa quang II Sơ lược đĩa quang Đĩa quang tiếng Anh optical disc thuật ngữ dùng để chung loại đĩa mà liệu ghi/đọc tia ánh sáng hội tụ Tuỳ thuộc vào loại đĩa quang (CD, DVD ) mà chúng có khả chứa liệu với dung lượng khác Đĩa quang hình thức lưu trữ liệu mà ngừng cung cấp điện (non-volatile) không liệu Các nguồn tín hiệu mã hóa dạng số (ADC) sau điều chế ghi đĩa Các tín hiệu số ghi đĩa dạng lỗ trống (pit) mặt phẳng (land) Đĩa quang theo ý nghĩa tên gọi, sử dụng tính chất quang học để lưu trữ liệu Khái niệm track đĩa quang giống ổ đĩa cứng, track vòng tròn, nhiên đĩa quang track vòng tròn hở nối tiếp Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Trên đĩa quang có rãnh theo hình xoắn ốc từ không giống track đồng tâm ổ đĩa cứng Nó chứa chấm sáng (có khả phản xạ tia sáng đến) điểm tối (không phải xạ phản xạ yếu tia sáng chiếu vào) Tia ánh sáng thường tia laser có công suất thấp, chiếu vào bề mặt đĩa quang gặp điểm sáng, tia sáng phản xạ ngược lạ nguồn phát sáng, gặp điểm tối, tia laser không phản xạ ngược lại điểm tối hấp thụ tia sáng chuyển hoá chúng thành nhiệt nên đĩa quang thường nóng lên làm việc Tại ổ đĩa quang, đường chiếu tia sáng có hệ lăng kính để phản xạ tia sáng truyền ngược lại (khi chiếu vào điểm sáng) để không chuyển tia sáng nguồn phát, mà đổi hướng chúng đến cảm biến để nhận tín hiệu (thường điốt cảm quang) Tín hiệu nhận dạng nhị phân, tương ứng với điểm sáng tối cho kết Hình cấu trúc bề mặt đĩa quang Ưu điểm Đĩa quang sử dụng ứng dụng khác nhau, bao gồm thiết bị âm nhớ máy tính, tập tin hình ảnh, tập tin tài liệu tập tin video Những lợi đĩa quang học thiết bị nhớ khác biết đến là: Dung lượng lớn / mật độ thông tin cao Dung lượng thông tin đĩa DVD đường kính 120 mm 4,7 GBytes cho DVDROM/RAM lớp , 8,5 GBytes cho DVD ROM hai lớp Các sản phẩm phát triển Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC cho hệ cho thấy dung lượng thông tin đạt 16 Gbits / in2 cách sử dụng tia laser màu xanh vật kính có độ số cao Truy cập nhanh ngẫu nhiên vào hệ thống thư viện cho phép truy cập vào hàng loạt nhớ lớn Cơ chế thay đổi cung cấp truy cập vài giây đến vài petabyte thông tin Độ tin cậy Bề mặt thông tin đĩa quang học bao phủ lớp bảo vệ, đảm bảo lưu trữ lâu dài Truy vấn thông tin thực mà không cần tiếp xúc vật lý, làm tăng độ tin cậy thông tin lưu trữ Nhân rộng Sản xuất hàng loạt sử dụng khuôn đúc, ép kỹ thuật cao thực Sao chép đĩa quang chi phí thấp cho đĩa từ cứng băng Removability Khả tương thích nhân rộng ghi đĩa ổ đĩa tiêu chuẩn cung cấp khả Những lợi dẫn đến việc sử dụng phổ biến sản phẩm đĩa quang ứng dụng người tiêu dùng máy tính Cấu tạo đĩa quang Một cách chung nhất, đĩa quang có cấu tạo gồm: Lớp nhãn đĩa (chỉ có loại đĩa quang mặt) Lớp phủ chống xước (chỉ có loại đĩa quang mặt) Lớp bảo vệ tia tử ngoại Lớp chứa liệu Lớp polycarbonat suốt (phía bề mặt làm việc) Đối với loại đĩa quang ghi liệu hai mặt, lớp bố trí đối xứng để đảm bảo ghi liệu hai mặt đĩa Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Cấu tạo vật lý Vùng đĩa không chứa liệu, liệu bắt đầu ghi vị trí bán kính 23mm kết thúc đường kính vòng 117mm Vùng bán kính từ 23mm đến 25mm vùng lead-in vùng đường kính từ 116-117mm vùng lead-out Vùng lead-in chứa kênh thông tin phụ để truy xuất liệu nhanh Còn vùng lead-out chứa liệu Vùng cho biết vùng chứa liệu CD kết thúc Độ rộng pit khoảng bước sóng ánh sáng khoảng cách rãnh khoảng gấp lần bước sóng III Cách đĩa quang hoạt động Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Ghi tín hiệu Khi ghi tín hiệu người ta sử dụng diode laser để tạo chùm tia laser qua hệ thống thấu kính để tập trung lượng bề mặt đĩa, cường độ tia laser phụ thuộc vào bit tín hiệu ta có pit plant tương ứng mặt đĩa Các chùm tia laser phát từ vật kính tập trung vào chỗ đĩa Kích thước chỗ tỷ lệ thuận với bước sóng l chùm tia laser tỉ lệ nghịch với độ số (NA) vật kính độ số NA tính (sin u ) góc quang trục tia biên: NA = n*sin (u) n đại diện cho chiết suất môi trường không gian vật thể Ds= k*λ/ NA k đại diện cho số phụ thuộc vào phân bố biên độ ánh sáng đồng tử vật kính Nếu chùm tia tới để vật kính sóng phẳng, giá trị k 0,53 Khi chùm tia tới Gaussian có chứa số quang sai, k trở thành lớn Giả sử k = 0.53, λ= 0,405 µm NA=0.85 Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Chúng ta có điểm có đường kính Ds=0.25µm Có thể lưu trữ nhiều 1.4x1011 bit thông tin mặt đĩa quang học 5.25 in sử dụng tia có kích thước Khẩu độ vật kính hạn chế đáp ứng tần số không gian hệ thống quang học Hình Bước sóng độ số số đĩa quang Với đường kính khoảng 12cm liệu chứa theo hình xoắn ốc từ ngoài, khoảng cách track 1.6µm, kích thước đường liệu 0.5µm Hình ảnh bề mặt đĩa quang Page 10 ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Đọc tín hiệu Đĩa có liệu quay với tốc độ cao, mắt đọc đọc liệu ghi đĩa theo nguyên tắc: * Sử dụng tia laser ( yếu lúc ghi ) chiếu lên bề mặt đĩa dọc theo đường track có liệu, sau hứng lấy tia phản xạ quay lại đổi chúng thành tín hiệu điện - Khi tia laser chiếu qua điểm bề mặt đĩa bị đốt cháy tia phản xạ tín hiệu thu - Khi tia laser chiếu qua điểm bề mặt đĩa không bị đốt cháy có tia phản xạ tín hiệu thu Tia phản xạ đổi thành tín hiệu điện, sau khuếch đại xử lý ta thu tín hiệu ban đầu Đĩa quang chia thành nhiều loại khác Về dạng thức liệu tồn tại: Đĩa quang thường chia thành loại sau: Đĩa ghi liệu: Loại đĩa ca nhạc, phim, phần mềm từ bán thị trường Loại người sử dụng ghi thêm liệu vào (trừ số trường hợp đặc biệt đĩa mua ghi chưa hết dung lượng theo cách ghi cho phép ghi tiếp hay đĩa mua dạng RW) Do đĩa ghi liệu nên giá đĩa cao so với đĩa chưa ghi liệu Đĩa chưa ghi liệu - Loại ghi lần: Đĩa sản xuất chưa ghi liệu cho phép người sử dụng ghi liệu lần Đây khái Page 11 ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC niệm tương đối, người sử dụng có cách thức ghi liệu cho đĩa ghi nhiều lần liên tiếp đĩa ghi hết chỗ trống Loại đĩa thường có ký hiệu “R”, hầu hết đĩa bán thị trường ghi từ loại đĩa mà ra, người ta gọi loại đĩa đĩa trắng chữ R viết tắt Recordable Đĩa chưa ghi liệu - Loại ghi nhiều lần: Đĩa sản xuất chưa ghi liệu cho phép người sử dụng ghi liệu sau xoá để ghi lại liệu khác (hoàn toàn khác nội dung trước đó) Loại thường có ký hiệu “RW”-Read-Write Để ghi xóa loại đĩa này, cần dùng phần mềm chuyên dụng Nero Do có khả lưu trữ USB- nghĩa ghi-xóa-ghi nên giá loại đĩa mắc, cao khoảng lần so với loại ghi lần Với dạng thức: Số mặt chứa liệu, đĩa quang có hai dạng sau: Đĩa có mặt chứa liệu: Là loại đĩa thông dụng nhất: Dữ liệu chứa mặt đĩa, mặt lại thường nhãn đĩa lớp bảo vệ Đĩa có hai mặt chứa liệu: (kiểu tương tự đĩa nhựa máy hát cổ điển) Cả hai mặt đĩa ghi liệu loại đĩa thường lớp nhãn đĩa lớp bảo vệ phần liệu Người sử dụng lật mặt đĩa để đọc liệu mặt lại Dung lượng đĩa hai mặt lớn (tất nhiên) gấp đôi đĩa mặt Phân loại thông số kỹ thuật đĩa quang Đĩa CD (CD-ROM, CD-R, CD-RW) Dung lượng: thông dụng đĩa có đường kính 129mm có dung lượng 605MiB (682MB) 700MiB (737MB) – 1MiB = 220byte Đĩa DVD (DVD-ROM, DVD-RAM, DVD±RW, DVD±R) Dung lượng: Cấu trúc pit land đĩa DVD nhỏ CD có khả ghi nhiều lớp khác DVD-5: 4,7GB mặt, lớp DVD-9: 8,5GB mặt, hai lớp DVD-10: 9,4GB hai mặt, lớp DVD-18: 17.1GB hai mặt, hai lớp Đĩa Blu-ray (BD-ROM, BD-R, BD-RW): Đĩa quang cao cấp phát triển hãng SONY sử dụng tia lazer xanh-tím (405nm) Dung lượng: 25GB đĩa lớp, 50GB đĩa lớp Page 12 ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Đĩa HD-DVD (HD-DVD-R, HD-DVD-RW): đĩa quang cao cấp phát triển hãng Panasonic NEC, dung lượng: 15GB đĩa lớp, 30GB đĩa lớp DVD sử dụng ánh sáng laser diode có bước sóng 650nm, khác với bước sóng 780 nm CD Việc làm cho phép tạo nên điểm nhỏ bề mặt đĩa (1.32 micromet cho DVD 2.11 micromet CD) Tốc độ ghi DVD 1X, 1350 kB/s (1318 KiB/s), ổ đĩa mẫu DVD Các mẫu gần đạt tốc độ 18X 20X, nghĩa 18 20 lần nhanh Lưu ý ổ đĩa Cd, 1X có tốc độ 153.6 kB/s (150 KiB/s), chậm lần Tài liệu tham khảo Bài giảng trường cao đẳng công nghệ thông tin iSPACE Handbook of Optical and Laser Scanning edited byGerald F MarshallConsultant in OpticsNiles, Michigan, U.S.A http://www.howstuffworks.com/cd.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_disc http://en.wikipedia.org/wiki/LaserDisc http://news.softpedia.com/news/Store-your-mind-42894.shtml http://kedaisumberilmu.blogspot.com/2011_11_01_archive.html Page 13 ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Thảo luận 1/ Tại có ghi đọc tín hiệu chùm tia laser mà không dùng ánh sáng khác? Bởi + Bước sóng ngắn mật độ thông tin nhiều, lượng thông tin lưu trữ lớn + Laser có tính đơn sắc cao, tính kết hợp cao, mang lượng lớn + Laser có đồng thời gian không gian tốt, điều cho phép có giới hạn nhiễu xạ tia nhỏ cần thiết để thu hồi thông tin chất lượng cao từ đĩa quang 2/ Bộ phận ghi đọc có nằm ổ đĩa hay không? Phần lớn ổ đĩa sử dụng dùng để đọc Người ta gọi ổ CD-ROM, DVDROM Bộ phận ghi đĩa đắt tiền nên thường không tích hợp kết hợp ghi đọc Các ổ đĩa ghi đọc ổ CD-RW,DVD-RW Hiện nay, chưa có thiết bị ghi đĩa Blu-ray mà có nhà sản xuất đĩa 3/ Các đĩa chép (copy) hay không? Hầu đĩa CD, DVD chép Đó ưu điểm đĩa CD, DVD Nó cho phép sản xuất hàng loạt, chép đĩa quang với chi phí thấp cho đĩa từ cứng băng từ Như nói đĩa Blu-Ray sử dụng bước sóng ngắn, độ số lớn nên hệ thống ghi đọc đĩa đắt tiền Nếu chuyền liệu từ đĩa sang dạng số việc chép thực Tùy vào việc bảo mật đĩa quang mà đĩa chép hay không Page 14 ... ĐĨA QUANG Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC L Ờ I M Ở Đ Ầ U R a đ i v o k h o ả n g Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC I Sơ lược lịch sử Laser Laser... bước sóng III Cách đĩa quang hoạt động Page ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Ghi tín hiệu Khi ghi tín hiệu người ta sử dụng diode laser để tạo chùm tia laser qua hệ thống thấu... đĩa quang Page 10 ỨNG DỤNG LASER TRONG GHI VÀ ĐỌC TÍN HIỆU QUANG HỌC Đọc tín hiệu Đĩa có liệu quay với tốc độ cao, mắt đọc đọc liệu ghi đĩa theo nguyên tắc: * Sử dụng tia laser ( yếu lúc ghi