27158

Производство компакт-дисков

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

На поверхность основы дискаоригинала которая при этом должна быть идеально плоской наносится тонкий слой светочувствительного материала – фоторезиста. Структурная схема установки записи дискаоригинала показана на рисунке. Излучение лазера воздействует на фоторезист покрывающий поверхность вращающегося дискаоригинала и оставляет на нем зоны засветки соответствующие единицам цифрового кода.

Русский

2013-08-19

125.5 KB

10 чел.

Лекция 3

Производство компакт-дисков

Процесс производства компакт-дисков начинается с изготовления диска-оригинала. Основа для него выполняется из тщательно отполированного стекла. На поверхность основы диска-оригинала, которая при этом должна быть идеально плоской, наносится тонкий слой светочувствительного материала – фоторезиста. Толщина слоя фоторезиста определяет глубину будущих пит (0,1…0,13 мкм), поэтому строго контролируется в процессе производства. На всех стадиях изготовления диск-оригинал тщательно проверяют, поскольку все его дефекты в дальнейшем неизбежно будут перенесены на матрицу и растиражированы.

Структурная схема установки записи диска-оригинала показана на рисунке. Поскольку требований к ее миниатюрности не предъявляются, то здесь, как правило, используется либо аргоновый лазер с длиной волны излучения 0,4579 мкм, либо гелий-кадмиевый лазер с длиной волны излучения 0,4416 мкм. Выбор такой длины волны объясняется рядом причин. Во-первых, уменьшенная длина волны излучения позволяет получить световое пятно нужного диаметра с более четкими границами, чем если бы использовался лазер с длиной волны 0,78 мкм, как тот, что применяется для считывания. Во-вторых, такая длина волны лучше согласуется с характеристиками светочувствительности фоторезиста, что позволяет ограничиться при записи сравнительно небольшой мощностью лазера.

Следует отметить, что воздух в помещении, где производится запись, должен быть тщательно очищен от пыли. Это делается с помощью специальных устройств. Допускается не более 100 пылинок на 1 м3 воздуха.

В процессе записи излучение лазера модулируется цифровым сигналом, формируемым аппаратурой кодирования звука в полном соответствии с требованиями стандарта. Излучение лазера воздействует на фоторезист, покрывающий поверхность вращающегося диска-оригинала, и оставляет на нем зоны засветки, соответствующие «единицам» цифрового кода. После окончания записи фоторезистивный слой проявляют в специальном растворе. При этом экспонированные зоны растворяются, и на их месте образуются углубления – питы.

Для модуляции лазерного луча может быть использован электрооптический эффект Поккельса, состоящий в том, что под воздействием электрического поля изменяется коэффициент преломления кристалла, не имеющего внутренней симметрии (например, пьезокристалла). В результате луч, проходя через такой кристалл, то попадает на поверхность диска, формируя пит, то отклоняется в сторону, не вызывая засветки фоторезиста.

Также может использоваться акустооптический эффект, когда упругие деформации, возникающие при прохождении ультразвука через прозрачный акустооптический материал (кристалл PbMoO4, TeO2, LiNbO3, GaP, халькогенидное или теллуровое стекло и пр.), работает как дифракционная решетка, изменяя направление распространения светового луча.

Для того чтобы обеспечить точную фокусировку записывающего луча на фоторезистивном слое диска, используется система контроля расстояния на основе измерения емкости между слоем фоторезиста и электродом, закрепленным на объективе записывающей оптической головки.

Чтобы обеспечить необходимый шаг между дорожками (1,6 мкм), используется система радиальной подачи с поворотным зеркалом в качестве исполнительного механизма.

Для того чтобы обеспечить постоянство линейной скорости перемещения луча относительно записываемой дорожки, используется система регулирования скорости вращения двигателя, где контролируемым параметром является расстояние от центра диска до записывающего пятна.

После проявления экспонированного лучом лазера диска-оригинала, его поверхность металлизируют слоем серебра. Затем на основе этого диска методом гальванопластики формируют другой оригинал – цельнометаллический. После этого рельеф с него переносится на промежуточные копии, а с промежуточных копий – на матрицы. Матицы в дальнейшем используются для тиражирования компакт-дисков.

Тиражирование может осуществляться тремя способами: методом горячего прессования, литьем под давлением и с помощью фотополимеризации.

Метод горячего прессования

Поликарбонат, разогретый до температуры, близкой к температуре плавления, помещается в гидравлический пресс на нижнюю половину пресс-формы, подогреваемой горячим паром (рис.2). Матрица размещается на верхней половине пресс-формы. При сжатии пресса из пластмассы формируется диск с рельефом, повторяющим рельеф матрицы.

Метод литья под давлением

Здесь матрица располагается внутри замкнутой пресс-формы с отверстием для впрыска горячей пластмассы – соплом (рис.3). Когда производится впрыск, расплавленный поликарбонат заполняет пресс-форму, повторяя рельеф на поверхности матрицы. Чтобы компакт-диск получился качественным и на нем не образовывались воздушные пузыри, давление должно быть достаточно высоким.

Фотополимеризационный способ

Здесь размягченный (но не расплавленный) поликарбонат вводится между прозрачным диском (из того же поликарбоната) и матрицей. Диск выполняет роль подвижной части пресса, а матрица – неподвижной (рис.4). Когда диск опускается на матрицу, сжимая размягченную массу поликарбоната, на его поверхности, примыкающей к матрице, формируется рельеф из пит. Чтобы рельеф затвердел, сквозь диск пропускают поток ультрафиолетовых лучей. Затем готовое изделие отделяется от матрицы.

После того как компакт-диск изготовлен по одной из упомянутых технологий, на его поверхность со стороны пит, методом вакуумного напыления наносится отражающий слой из алюминия толщиной 0,1 мкм. Далее алюминиевый слой покрывают защитным слоем из прочной пластмассы. Затем обрабатывают и полируют центральное отверстие и внешнюю кромку диска, а на защитном слое формируют этикетку.

Благодаря хорошо продуманной конструкции компакт-диска, информация, содержащаяся на нем в виде пит, надежно защищена от всякого рода повреждений: с одной стороны - прозрачным материалом самого диска, с другой – слоем прочной пластмассы и этикеткой. Так что добраться до нее, не разрушив сам компакт-диск, невозможно.

Считывание информации осуществляется со стороны прозрачной основы, т.е. сквозь всю толщину диска. Поскольку считывающий луч фокусируется на дорожке, которая находится глубоко внутри компакт-диска, то на его поверхности размеры считывающего пятна еще достаточно велики (около 1 мм) и мелкие пылинки и царапины практически не влияют на величину интенсивности отраженного света. Можно сказать, что считывающий луч их попросту «не видит» (рис.5).

После всего вышесказанного может сложиться впечатление, что информация, записанная на любом компакт-диске, всегда абсолютно достоверна, а сам диск абсолютно неуязвим, и с ним можно делать все что захочется. К сожалению, это не совсем так.

Прежде всего, следует отметить, что абсолютно достоверной информации не бывает даже на очень хороших фирменных дисках, изготовленных с соблюдением всех технологических норм. Какое-то количество дефектов присутствует даже на них. Однако число таких дефектов у доброкачественных фирменных дисков всегда ограничено сверху в соответствии с требованиями Международного Стандарта на систему CD. Если количество дефектов не превышает указанной величины, то система коррекции ошибок любого проигрывателя CD легко восстановит недостающую информацию – как будто никаких дефектов и не было. Если же количество дефектов больше нормы, то результат может быть непредсказуем. Диск может звучать с искажениями, пропаданием звука или может вообще не воспроизводиться – все зависит от числа дефектов и характера их расположения на диске.

Соблюсти требования стандарта на допустимое число дефектов не так-то просто. Это под силу лишь крупному, хорошо оснащенному производству, которое может себе позволить не экономить на средствах контроля за ходом технологического контроля, своевременно заменять износившееся оборудование и безжалостно уничтожать бракованные тиражи. Множество же мелких фирм, выпускающих сейчас пиратские компакт-диски, качеством своей продукции не особенно озабочены, поэтому производят зачастую сплошной брак. В первую очередь это относится к так называемым «мини-заводам», которые пиратским способом тиражируют популярные компакт-диски путем перезаписи их содержимого на диски с однократной записью – CD-R. О каком-то качестве здесь говорить не приходится.

Кроме того, неприхотливость даже хорошего фирменного компакт-диска тоже имеет свои границы. Если обращаться с ним очень уж небрежно, то на его поверхности могут появиться крупные царапины и скопления грязи, которые затруднят или сделают невозможным его воспроизведение.

ПРОИГРЫВАТЕЛЬ КОМПАКТ-ДИСКОВ

После знакомства со всеми этапами преобразования звукового сигнала перед записью не трудно будет разобраться с принципами работы и построением проигрывателя CD или дисковода CD, поскольку здесь все вышеописанные процедуры реализуются в обратном порядке. Структурная схема проигрывателя компакт-дисков показана на рис.5.1. Так устроен любой аппарат независимо от его конструкции, размеров, набора сервисных функций – как стационарный, так и переносной.

Знакомство с CD-проигрывателем логичнее всего начать с элемента, который непосредственно взаимодействует с носителем информации – компакт-диском. Таким элементом является оптическая головка или оптико-механический блок (ОМБ). Иногда, пользуясь терминологией, принятой еще в аналоговой звукозаписи, этот элемент называют лазерным звукоснимателем.

5.1. Оптическая головка

Оптическая головка включает в себя полупроводниковый лазер, оптическую систему и фотоприемник – прибор, преобразующий световую энергию в электрический сигнал. Считывание информации, как известно, здесь осуществляется бесконтактно, т.е. головка никогда не соприкасается с диском, а находится на строго определенном расстоянии от него. Расстояние это таково, что дорожка всегда находится в фокусе оптической системы. При этом отраженный свет, модулированный питами, возвращается назад в ту же оптическую систему и попадает на светочувствительные площадки фотоприемника, который преобразует его в электрический сигнал, содержащий в себе записанную на диск информацию.

Требования к элементам, осуществляющим считывание информации с дорожки и преобразование ее в электрический сигнал, во многом определяются характером и свойствами излучения и конкретными параметрами элемента, его генерирующего – полупроводникового лазерного диода.

Слово «лазер» (LASER) – аббревиатура английского выражения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, которое можно перевести как «усиление света вынужденным излучением». Изначально это слово указывало на способ усиления света, но сегодня оно обозначает оптический квантовый генератор, излучающий свет с определенной длиной волны.

Известно, что атомы любого вещества состоят из ядра и электронов, которые вращаются вокруг ядра по определенным орбитам. Некоторые орбиты находятся ближе к ядру, некоторые – дальше. Чем ближе электроны к ядру, тем с большей скоростью они должны вращаться по орбитам, чтобы не упасть на ядро. Поэтому электроны, движущиеся по разным орбитам, обладают разной энергией. В этом случае говорят, что они находятся на разных энергетических уровнях.

В состоянии теплового равновесия большая часть электронов находится на нижних энергетических уровнях. Свойства вещества, составляющего основу квантовой системы, определяются его энергетическим состоянием. Внутренняя энергия квантовой системы может принимать строго определенные дискретные значения, которые как раз и определяются энергетическими уровнями электронов его атомов. Переход квантовой системы из одного энергетического состояния в другое происходит только скачкообразно и связан с излучением или поглощением энергии, которая может иметь различные формы: электромагнитную, тепловую или звуковую. Переходы, в результате которых поглощается или излучается электромагнитная энергия, называются оптическими.

Если частица (электрон), находящаяся в возбужденном состоянии (на верхнем энергетическом уровне Em), переходит в состояние с меньшей энергией (на нижний энергетический уровень En), то происходит излучение кванта энергии (фотона) с частотой νn,m, которая определяется энергиями начального и конечного состояний:

     (EmEn)

   νn,m =  —————  .

             h

где h = (6,62517±0,00023)·10-34 Дж/с – постоянная Планка.

С некоторой долей вероятности такие переходы могут происходить самопроизвольно (спонтанно). Но путем воздействия каким-либо внешним возбуждающим фактором (например, светом, электрическим разрядом, химической реакцией, электромагнитным полем на частоте перехода и т.п.), число электронов на верхних энергетических уровнях можно увеличить. Такой процесс называется инверсией состояния, а состояние квантовой системы, при которой число возбужденных частиц верхнего энергетического уровня больше числа частиц нижнего энергетического уровня, называется состоянием с инверсной населенностью или инверсным состоянием. Такое состояние вещества является довольно неустойчивым (метастабильным) и вероятность перехода с излучением фотона значительно повышается. Если на возбужденную частицу воздействовать внешним фотоном с энергией (h νn,m)1, равной разности энергий верхнего и нижнего  энергетических уровней, то мгновенно произойдет взаимодействие, которое приведет к вынужденному переходу этой частицы в состояние с меньшей энергией. При этом излучается дополнительный фотон (h νn,m)2, который в точности совпадает с фотоном, стимулировавшим этот переход. Они имеют одинаковую частоту, фазу и направление распространения. В результате излучение как бы усиливается.

Принцип получения вынужденного (стимулированного) излучения и лежит в основе работы лазера.

Среда (вещество), в которой может быть получено состояние с инверсной населенностью, называется активной средой лазера.

Энергия, с помощью которой осуществляется перевод квантовой системы в инверсное состояние, называется энергией накачки.

Однако для получения значительного усиления излучения одной энергии накачки недостаточно. Кроме этого, активную среду нужно поместить в систему двух зеркал – оптический резонатор. Одно из зеркал должно быть непрозрачным, а другое – частично прозрачным для вывода излучения наружу. В резонаторе излучение, распространяясь в направлении его оси, многократно отражается от зеркал и проходит среду, стимулируя по пути переходы все новых и новых частиц с верхнего энергетического уровня на нижний. Тем самым обеспечивается эффект усиления.

Полученное таким путем излучение обладает высокой степенью монохроматичности (колебания только одной частоты), пространственной когерентностью (синфазностью генерируемых колебаний) и направленностью.

В зависимости от типа используемой активной среды, лазеры могут быть твердотельными, газовыми, жидкостными и полупроводниковыми. Поскольку в проигрывателях компакт-дисков используются полупроводниковые лазеры на основе арсенида галлия (GaAs), то будем рассматривать только такие лазеры. Полупроводниковые лазеры – это общее название всех лазеров, созданных на основе полупроводниковых материалов.

Полупроводниковый лазер

Типичная структура полупроводникового лазера показана на рис.1.

Снизу располагается слой арсенида галлия р-типа с дырочной проводимостью толщиной около 2 мкм. Выше – слой арсенида галлия с замещением части атомов галлия (х) на атомы алюминия  AlxGa1-xAs (x ~ 0,3) – тоже р-типа. Толщина его – несколько микрон. Далее расположен активный слой (GaAs) толщиной 0,1…0,2 мкм. Еще выше – слой AlxGa1-xAs n-типа (электронная проводимость), толщиной несколько микрон. И, наконец, пластинка GaAs n-типа, выполняющая роль подложки. Толщина ее 100…150 мкм.

Сверху и снизу такой структуры располагаются электроды, к которым подводится электрическая энергия. Для лучшего рассеяния тепла все это помещается на теплоотвод.

Три слоя с активным слоем в центре называются двойной гетероструктурой.

«Гетеро» означает «другой». Контакт двух различных по химическому составу материалов называют гетеропереходом. Комбинацию гетеропереходов называют гетероструктурой. Гетероструктуры, состоящие из одного гетероперехода, называют простыми, из большего числа переходов – мультигетероструктурами.

Для изготовления гетероперехода на поверхности одного из материалов выращивают слой другого. Чтобы между атомами образовалась прочная связь, подбирают два вещества с близкими кристаллическими решетками.

Если к полупроводниковому лазеру приложить напряжение, то через его структуру потечет ток накачки и возникнет излучение. При небольших значениях тока накачки мощность излучения будет пропорциональна силе тока, и характер его будет некогерентным (естественное излучение), как у обычного светодиода. Но когда ток достигнет некоторого порогового значения Iпор, мощность излучения резко увеличится и начнется лазерная генерация. Пороговый ток обычно составляет несколько десятков миллиампер, а мощность лазерного излучения может быть от нескольких милливатт до нескольких ватт. Для того чтобы излучение было стабильным, ток накачки должен быть несколько больше порогового значения – примерно в 1,3 раза. Длина волны излучения определяется свойствами материалов лазерной структуры. В описываемой структуре – количеством примеси алюминия Al. Чем алюминия больше, тем длина волны меньше.

Когда к р-области лазерной структуры приложен плюс источника тока, а к n-области – минус, то в р-область инжектируются дырки, а в n-область – электроны, идущие по направлению к активному слою. В активном слое почти все электроны и дырки рекомбинируют, излучая свет (фотоны). Из-за высокого показателя преломления активного слоя фотоны не выходят в другие области структуры и усиливаются в нем благодаря вынужденному излучению. При этом роль зеркал оптического резонатора выполняют параллельные друг другу грани полупроводникового кристалла в активной области. Когда сопутствующая этому процессу добавка энергии становится выше потерь, возникает когерентное лазерное излучение.

Нежелательным явлением в работе полупроводникового лазера может быть слишком большая площадь активной области. При этом из-за пространственной неоднородности материала полупроводника генерация может возникать в хаотично расположенных по излучающему торцу каналах. Кроме того, для возбуждения активного слоя в этом случае требуется довольно большой ток, а это приводит к разогреву кристалла, нестабильности работы лазера и быстрому выходу его из строя. Поэтому активную область приходится делать достаточно узкой – порядка нескольких микрон. Это достигается путем формирования изолирующих слоев в месте контакта активного слоя с прилегающими слоями и создания определенной закономерности показателя преломления в материале активного слоя.

Еще одним недостатком полупроводникового лазера является довольно сильная расходимость излучения. Причем в горизонтальной и вертикальной плоскостях она может быть различной. Например, в горизонтальной плоскости (параллельной p-n – переходу) расходимость может быть 10…15 градусов, а в вертикальной плоскости (перпендикулярной p-n – переходу) – 30…50 градусов. Использование таких лазеров сопряжено со значительными потерями мощности излучения и необходимостью применения сложных оптических систем. Поэтому в процессе производства полупроводниковых лазеров стараются хотя бы обеспечить симметричность расходимости луча по горизонтали и вертикали.

И, наконец, последней проблемой, над которой пришлось потрудиться разработчикам и изготовителям полупроводниковых лазеров для проигрывателей компакт-дисков – это его долговечность при достаточно низкой цене. Срок службы лазерного диода, предназначенного для установки в бытовой аппарат, должен составлять, по крайней мере, сотни тысяч часов. Для этого кристалл полупроводника не должен содержать никаких дефектов, и его грани, являющиеся зеркалами резонатора, должны быть строго параллельными. Сейчас этому требованию удовлетворяют, в основном, только арсенид-галлиевые диоды с длиной волны излучения до 0,63 мкм, используемые в проигрывателях CD и DVD и нитрид-галлиевые диоды с длиной волны излучения 0,405 мкм, используемые в проигрывателях BluRay.

Лазер

(He-Cd или Ar)

Оптический модулятор

Источник записываемого сигнала (кодер)

Направление вращения

Механизм радиальной подачи (1,6 мкм/оборот)

Поворотное зеркало

Фокусирующий объектив

Сервопривод

автоматической

фокусировки

Стеклянный диск,

покрытый фоторезистом

Процессор

Детектор положения объектива

Сигнал регулировки частоты

вращения диска

Двигатель

вращения диска

Рис.1. Структурная схема установки записи диска-оригинала

Поликарбонат

Неподвижная часть пресса

Верхняя половина

пресс-формы

Матрица

Нижняя половина

пресс-формы

Подвижная часть пресса

Рис.2. Горячее прессование

Матрица

Сопло

Нагреватель

Пластмассовые шарики

Загрузочный люк

Давление

масла

Трубка с подогревом

Винт

Подвижная часть пресс-формы

Неподвижная часть

пресс-формы

Рис.3. Литье под давлением

Компакт-диск

Матрица

Матрица

Матрица

Давление

Пластмассовый диск

Ультрафиолетовые лучи

Ввод

пластмассы

Разделение

Рис.4.Фотополимеризационный способ тиражирования

Объектив

Считывающий луч

Царапина

Пылинка

Материал диска

(поликарбонат)

Питы

Рис.5. Считывание информации сквозь прозрачный материал компакт-диска

Блок выделения

цифрового сигнала и тактовой синхро-последовательности

Демодулятор.

Выделение кадровой синхрогруппы и

служебной группы

Декодер CIRC

Демульти-

плексор

Блок

ЦАП

L

R

Сервосистемы

(автофокусировка и

автотрекинг)

Блок обработки

служебной

информации

Блок управления

двигателем

вращения диска

Генератор хрони-рующих последо-вательностей

ОЗУ

(буферная

память)

Рис.5.1. Структурная схема проигрывателя компакт-дисков

200…400 мкм

100…150 мкм

300 мкм

Отрицательный электрод (проводник)

nGaAs (подложка)

nAlxGa1-xAs

GaAs (активный слой)

pAlxGa1-xAs

pGaAs

Положительный электрод (проводник)

Направление излучения

Рис.1. Структура полупроводникового лазера


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13766. Пишем сочинение на лингвистическую тему 175.5 KB
  1. Как сформулировано задание С2. Напишите сочинениерассуждение приняв в качестве тезиса слова известного лингвиста Г. Степанова: Словарь языка свидетельствует о чём думают люди а грамматика – как они думают. Аргументируя свой ответ приведите по 1 примеру из проч...
13767. Терминологический словарь к ЕГЄ. Биология 956 KB
  Аберрации. См. Мутации хромосомные. Абиогенез от греч. а частица отрицания bios жизнь и genesis рождение появление процесс возникновения живых организмов из веществ неорганической неживой природы. Автор гипотезы А.И. Опарин 1924. Абиотические экологические факторы о...
13768. Шпаргалка к ЕГЄ. Биология 202.5 KB
  1.Предмет задачи и методы изучения общей биологии. Значение общей биологии. Впервые этот термин был предложен в 1802 г. французким ученым Ж. Б. Ламарком. Для обозначения науки о жизни как особом явлении природы. Современная биология – это комплекс биологических наук изуча...
13769. Шпаргалка к ЕГЄ. Генетика и Биология 187 KB
  1Методы изучения наследственности человека Применимость к человеку классического генетического анализа как основного метода изучения наследственности и изменчивости исключена изза невозможности экспериментальных скрещиваний длительности времени достижения поло...
13770. ОЛИМПИАДЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ ЗАДАЧИ И РЕШЕНИЯ ПАСКАЛЬ 513.5 KB
  ОЛИМПИАДЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ ЗАДАЧИ И РЕШЕНИЯ ЧАСТЬ 1 Задача №1 У продавца и покупателя имеется неограниченное количество монет достоинством к примеру. Покупатель купил товар на сумму n. Нужно найти минимальное количество монет которые будут использованы при рас...
13771. Курс лекций по языку программирования QBASIC 351.5 KB
  Введение Данный курс лекций по языку программирования QBASIC разработан согласно временному региональному компоненту государственного образовательного стандарта и может быть использован для ведения лекций преподавателями школ и лицеев а также учащимися как учебное...
13772. Системы счисления и перевод между ними 233 KB
  Оглавление Системы счисления Двоичная система счисления 8ая система счисления 16ая система счисления Перевод чисел из одной системы счисления в другую Перевод из 2ой системы в 10ую Пер...
13773. Методы решения иррациональных неравенств 61.6 KB
  Методы решения иррациональных неравенств. I Неравенствах вида решаются следующим образом. Если то решений нет. Если то неравенству соответствует равносидьная система II Неравенствах вида решаются следующим образом. Если то решений нет. Если то нераве...
13774. Методы решения иррациональных уравнений 113.5 KB
  Методы решения иррациональных уравнений. I Метод возведения в четные степени неравносильный переход нужна проверка и нечетные степени равносильный переход. II Уравнения вида решаются следующим образом. Уравнению вида соответствует равносильная система ...