Optická mechanika

Optické mechaniky

Optická mechanika je zariadenie používané v počítači slúžiace na čítanie alebo zápis dát na vymeniteľné optické dátové médium. Údaje sa čítajú z dátového média bezkontaktne – opticky (najčastejšie laserom). Týmto spôsobom je možné dáta aj zapisovať. Podľa typu média poznáme mechaniky pre čítanie a zápis kompaktných diskov (CD), DVD, HD DVD, Blu-Ray a HVD diskov a ich kombinácie. Je to periférne zariadenie počítača.
Optické médiá sa vo výpočtovej technike používajú pre uchovávanie (archivovanie), prenos, a výmenu dát. Dosahujú dobrý pomer nákladov na bajt uloženej informácie. Nahradili magnetické pásky a diskety, nie sú však vhodné pre pružné okamžité uloženie dát. Tu sa viac používajú elektronické flash pamäte.

Technológia

Čítanie

Na čítanie a zápis sa dnes už takmer výhradne ako záznamové médium používa optický disk s priemerom 12 cm (alebo jeho odrody napr. menšia verzia 8 cm ... ). Princíp záznamu dát spočíva v bodových zmenách odrazivosti média. Plocha je osvetlená laserom a odrazené svetlo je snímané svetlocitlivým snímačom. Množstvo odrazeného svetla je interpretované ako logická jednotka alebo logická nula. Dáta na médiu sú uložené v špirálovitej stope začínajúcej v strede disku. Disk je vyrobený z polykarbonátového pružného výlisku, na ktorý je nanesená svetloodrazivá vrstva s obsahom zlata alebo striebra a ochranný lak. Pri tzv. lisovaných médiách (vyrábajú sa lisovaním povrchu matrice do polykarbonátu) je zmena odrazivosti dosiahnutá priehlbeninkami v povrchu odrazivej vrstvy. Pri napaľovaných médiách je zmena odrazivosti dosiahnutá zmenou farby jednotlivého bodu – tmavší bod menej odráža svetlo.

Jednotlivé typy médií (CD, DVD ...) sa líšia hustotou záznamu (počtom stôp a veľkosťou bodu). Menší bod znamená vyššiu hustotu záznamu, avšak na ich čítanie je nutné použiť laser s inou vlnovou dĺžkou. Znížením vlnovej dĺžky môže byť laserový lúč presnejšie zaostrený na povrch disku, čím je možné použiť pre záznam menší bod, čo umožnuje umiestniť viac informácií na danú plochu média. U DVD, HD DVD a Blu-Ray médií je možno využiť aj dvojvrstvový zápis (DL – double layer). Princíp je možný chápať ako „dve médiá“ nad sebou, pričom záznam na druhej vrstve je viditeľný cez semipriehľadnú odrazivú vrstvu prvého média. Preostrením laseru na druhú vrstvu sa dá čítať/zapisovať „druhé médium“. Tým sa dosiahne zdvojnásobenie kapacity. Médiá označené ako DS – double sided sú obojstranné – záznam je na oboch stranách média.

Zápis

Zápis na zapisovateľné (CDR. DVDR, BDR) médium sa docieli obdobne ako pri čítaní. Nad odrazivou vrstvou napaľovacieho média sa nachádza špeciálna chemická vrstva, ktorá vplyvom svetla (tepla) mení svoje odrazové vlastnosti. Pri zápise sa pomocou laserového lúča zahreje bod na teplotu vyše 300 ˚C. Dôjde k nevratnej zmene farby a toto miesto odráža laserový lúč s menšou intenzitou – tmavé miesto. Rozdiel v odrazivosti medzi tmavým a svetlým miestom je však nižší ako pri lisovaných médiách, kde sa rozdiel v odrazivosti dosahuje pomocou priehlbiniek. Z tohto dôvodu nemusia niektoré staršie CD mechaniky vedieť čítať napaľované médiá, ide hlavne o hudobné veže alebo staršie mechaniky v osobných počítačoch.

Zápis na RW médium (CD RW, DVD RW, BD E - ReWritable–prepisovateľné)) umožňuje opätovné uvedenie média do pôvodného stavu – jeho vymazanie. Počet možných prepisov sa uvádza okolo 1000. Na rozdiel od zapisovateľných médií má prepisovateľné médium v sebe chemickú vrstvu ktorá môže byť v amorfnej alebo kryštalickej štruktúre. Amorfná štruktúra rozptyľuje svetelný lúč lasera a kryštalická štruktúra ho prepúšťa. Zápis alebo zmena štruktúry citlivej vrstvy sa vykonáva zvýšenou intenzitou laserového lúča, čím sa vrstva lokálne zahreje a roztaví. Ak je toto žiarenie stále, vytvorí sa kryštalická štruktúra. Ak je striedavé, vytvorí sa amorfná štruktúra. Na zápis sa používa tá istá optická a mechanická sústava, ako pri čítaní disku. Odrazivosť je ešte nižšia ako pri zapisovateľných médiách, preto niektoré mechaniky odmietajú RW médiá, aj keď R médiá čítajú.

Vlnové dĺžky používaných laserov a maximálna kapacita na jednu vrstvu média:

Médium	Laser	Vlnová dĺžka	Kapacita
CD	infračervený	780 nm	0.7 GB
DVD	červený	650 nm	4.7 GB
HD DVD	modrý	405 nm	15 GB
BD (Blu-Ray)	modrý	405 nm	25 GB

Konštrukcia

Pre optické mechaniky sa používa štandardný formát mechaník tzv. 5.25“ formát. Mechanicky je to plechové šasi, ktoré v sebe skrýva mechanizmus na zavedenie média, motory na pohon – rotáciu média a mechanický vozík s optickou sústavou a laserom. Mimo toho sa tu nachádzajú dosky elektroniky, riadiace obvody, radiče, prevodníky a komunikačné rozhranie.

Vozík s optickou sústavou

Detail vozíka s optickou sústavou

Najdôležitejšou časťou optickej mechaniky je optická cesta uložená na hlave, pozostávajúca z polovodičového lasera, šošovky (objektívu) a fotodiódy detegujúcej odrazené svetlo z povrchu média (disku).

Pre pohybovanie hlavou sú použité dve základné servomechanizmy. Menší slúži pre nastavenie vzdialenosti optickej sústavy od povrchu disku – zaostrovanie,a druhý slúži na posun vozíka s optickou sústavou naprieč diskom, držanie špirálovej stopy a posun po nej. Laser osvetľuje jednotlivé body uložené v záznamovej špirále, laserové svetlo sa odrazí a dopadne na fotodiódu. Tá premení intenzitu svetla na elektrický signál.

Rotačný mechanizmus

Detail stredového pohonu

Rotačný mechanizmus pozostáva z krokového motora s tŕňom, na ktorý mechanika nasunie záznamový disk. Ten je na tŕni pridržaný magnetickým držiakom. Úlohou rotačného mechanizmu je otáčať diskom definovanou rýchlosťou a udržiavať konštantnú rýchlosť otáčania..

Rotačný mechanizmus vie pracovať v rôznych režimoch – záleží od druhu použitého média a požiadaviek radiča. Základný režim je CAV (Constant Angular Velocity) – konštantné otáčky. Disk sa otáča stálymi konštantnými otáčkami. Pri čítaní disku pomocou CAV je iná rýchlosť čítania dát pri strede disku, a iná pri jej okraji. Bod na okraji disku musí prejsť väčšiu dráhu, ako bod na vnútornej strane disku a to za rovnaký čas, má teda vyššiu rýchlosť. Tento režim sa používa hlavne pre čítanie dátových súborov.

Ďalším režimom je CLV (Constant Linear Velocity) – konštantná lineárna rýchlosť. Rýchlosť otáčania disku sa mení podľa polohy hlavy. Je nižšia, keď je čítaný bod na okraji disku a vyššia pre čítanie bodu na vnútornej stope. Tým je zabezpečený konštantný dátový tok. To je vyžadované pri prehrávaní audio a video súborov.

Kaźdý z režimov (CLV a CAV) má svoje výhody aj nevýhody. Mnohé mechaniky preto používajú kombinovaný režim PCLV (Partial CLV), pre optimalizáciu rýchlosti a kvality zápisu. Mechanika dodržiava konštantnú rýchlosť otáčania len v určitej oblasti pokiaľ rýchlosť zápisu príliš nestúpne, potom rýchlosť zníži a znova udržiava na konštantnej úrovni. Tento spôsob zápisu „po zónach“ označujeme aj ako Z-CLV (Zoned CLV)

Rýchlosť otáčania disku je spravidla udávaná ako násobok „základnej“ rýchlosti. Je to rýchlosť CD média v audio mechanike (150 kB/s 200 – 500 ot./min). Rýchlosť 4x je teda 600 kB/s čo predstavuje 800 – 2000 ot./min. DVD „základná“ rýchlosť , alebo "1x rýchlosť", je 1.385 MB/s, čo je 9x viac, ako pri CD. Pre HD DVD je „základná“ rýchlosť 4,57 MB/s, pre Blu-ray je to 6,74 MB/s.

Rýchlosť otáčania v mechanike má svoj limit. Ten je daný mechanickou pevnosťou média. Pre CD je hraničná rýchlosť otáčania 10000 ot./min, čo predstavuje rýchlosť 52x. Pri vyššej rýchlosti hrozí roztrhnutie média v mechanike čo môže spôsobiť jej zničenie. Mnohí výrobcovia preto ako hraničnú rýchlosť používajú 48x resp. 40x. DVD disk je vyrábaný lepením z dvoch vrstiev polykarbonátu, je preto odolnejší ako CD médium.

Poznámka z praxe: Pri vyberaní disku z jeho ochranného obalu – krabičky stlačíme stredový tŕň, ktorý disk v krabičke drží. Tým mechanicky namáhame disk v jeho strede. Pri častom vyberaní sa pri stredovom otvore disku vytvorí prasklinka, ktorá spôsobí roztrhnutie disku už pri oveľa nižších rýchlostiach, ako je 52x.

Mechanizmus pre zavedenie média

Detail pohonu :tray-loading

Dnešné optické mechaniky používajú obvykle tray-loading, kedy je disk položený na motorovo, alebo manuálne ovládanú „zásuvku alebo tácku“ (tray) ktorá vtiahne disk do mechaniky, alebo slot-loading alebo tiež štrbinové mechaniky, kedy je disk vložený do štrbiny v mechanike a je vtiahnutý pomocou motoricky ovládaných koliesok. Tento spôsob obvykle neumožňuje použitie iných médií ako štandard 12 cm. Pre externé mechaniky a mechaniky v notebookoch sa používa aj top-loading, kedy je médium mechanicky vložené zhora a nasadené priamo na stredový tŕň osadený zaisťovacími západkami. Ďalším – dnes už veľmi málo používaným spôsobom zavedenia média do mechaniky je caddy-loading kedy je médium – disk najprv uložený do špeciálneho obalu (caddy) a spolu s ním sa založí do optickej mechaniky. Využíva sa hlavne pre média citlivé na poškriabanie (napr. DVD RAM)..

Interface

Detail konektorov interfejsu

Riadiacim systémom je radič optickej mechaniky integrovaný mechanicky do jej vnútra. Navonok má vyvedené konektory pre napájanie (+12V pre pohony, +5V pre napájanie elektroniky) a host konektor IDE, alebo serial ATA. Staršie interné mechaniky používali aj SCSI interfejs – dnes sa už nepoužíva. Externé mechaniky sa pripájajú hlavne pomocou USB, alebo FireWire, staršie využívali paralelný port (Bitronics). Externé mechaniky vzhľadom na svoju spotrebu potrebujú napájanie z externého zdroja.

Kompatibilita

Všetky novo vyrábané optické mechaniky majú spätnú kompatibilitu. Táto skutočnosť je umožnená situáciou, že všetky optické záznamové média sa vyrábajú v rovnakých mechanických rozmeroch. (rovnaký priemer média, veľkosť stredového otvoru ...). Mechanicky sa líšia len hrúbkou, ktorá je pre DVD o čosi väčšia. Mechaniky majú optickú sústavu schopnú čítať (zapisovať) viaceré druhý médií. (DVD rekordér (napaľovačka) číta a zapisuje médiá DVD ale aj CD). Podobne aj u najnovších optických mechaník HVD (pripravovaný holografický záznam) vidíme, že sa toto médium mechanicky opäť prispôsobuje štandardnému 12 cm médiu.

Rozdielom v odrazivosti médií, veľkosti bodu média, potrebnému výkonu lasera pre záznam a čítanie a pod. sa musela samozrejme prispôsobiť aj optická sústava mechaník. Rôzny výrobcovia riešia tento problém rôzne (viac optických sústav, laser s meniteľnou vlnovou dĺžkou, viachlavový laser ...). Optické mechaniky viacerých výrobcov majú rozdielne rýchlosti záznamu a čítania. Prvé mechaniky mali rýchlosti čítania a záznamu okolo 1x- 2x, čo bolo dané hlavne chemickými vlastnosťami záznamovej vrstvy a schopnosťou elektroniky spracúvať veľké množstvo údajov v reálnom čase. Dnešné mechaniky siahajú už na mechanické hranice maximálnych rýchlostí.

Hraničným prielomom vo vývoji zapisovacích mechaník bolo zavedenie tzv. buffer underrun technológie (Burn-Proof, Just-Link, Lossless-Link – každý výrobca si ju označil inak. Technológia umožnila prerušiť napaľovací dátový tok, a tým „počkať“ za „pomalším počítačom“. To umožnilo prekročiť bariéru rýchlosti 16x.

Typy mechaník

Vymenovať všetky typy doteraz vyrábaných optických mechaník je ťažké, pretože sa vyrábali aj mnohé klony a zvláštne kombinácie podľa typu podporovaných médií:

• CD (CD ROM, CD R, CD RW ...)
• DVD (DVD ROM, DVD+R, DVD-R, DVD-RW, DVD+RW, DVD-R DL, DVD+R DL, DVD-RW DL, DVD+RW DL, DVD RAM ...)
• HD DVD (HD DVD ROM, HD DVD R, HD DVD RW, HD DVD R DL, HD DVD RW DL ...)
• BD (BD ROM, BD R, BD RE, BD R DL, BD RE DL ...)

Najčastejšie doteraz používané mechaniky sú:

• CD ROM (číta CD)
• CDRW (číta CD, zapisuje CD)
• DVD (číta DVD)
• CDRW/DVD combo (číta CD a DVD, zapisuje CD)
• DVDRW (číta CD, DVD DL DVD, zapisuje CD a DVD)
• DVDRW DL (číta CD, DVD, DVD DL, zapisuje CD, DVD, DVD DL)

Technológie BD (Blu-Ray) a HD DVD sú "znepriatelené tábory" a preto sa len teraz objavujú mechaniky podporujúce oba formáty (niektoré zpisujú BD, ale HD DVD len čítajú, niektoré opačne, existujú už aj "obojaké" mechaniky. 19. februára 2008 spoločnosť Toshiba oficiálne ukončila podporu tohto formátu v podobe ukončenia výroby HD DVD mechaník, prehrávačov a rekordérov z dôvodu klesajúceho podielu na trhu v porovnaní s konkurenčným formátom Blu-ray. Pretože je Toshiba tvorca a hlavný predstaviteľ HD DVD, znamená tento krok koniec formátu.