Числовая апертура линзыОткуда возникла идея создания Blu-ray диска? Какие требования к емкости записи послужили созданию нового стандарта? Как был оптимизирован защитный слой BD?

В 1982, 1996 и 2002 годах были официально установлены первые версии стандартов для CD, DVD и Blu-ray соответственно. Каждый стандарт решал одну важную проблему – увеличение ёмкости записи, требования к которой росли по мере развития радио- и телевещания, а именно по мере увеличения объёма передаваемых данных. Для CD, например, требованием была возможность записи 74-минутного 2-канального аудиосигнала и ёмкость порядка 800МБ. Потребность в DVD возникла, когда надо было записать фильм длительностью 2ч 15мин в стандартном разрешении (SD) с помощью кодека MPEG-2. При достигнутом балансе качества изображения и объёма данных для этого уже требовалась ёмкость 4.7ГБ.
 

Для чего создавался Blu-ray Disc

 

В случае же с Blu-ray Disc (BD) (см. рис.1) необходима была возможность записи HDTV с эфира длительностью более 2ч, поскольку в 2000 году началось цифровое спутниковое телевещание, а в 2003 году – наземное. И речь уже шла об увеличении потока данных почти в 5 раз. Таким образом, основная цель при создании формата – запись видеоизображения высокой плотности (HD) с разрешением 1920х1080 пикселей (элементов изображения).

 

Эволюция объёма оптических носителей

Рис.1 Эволюция оптических дисков

 

В DVD-рекордерах принятый с эфира и декодированный видеосигнал сжимался с помощью MPEG-кодека и записывался на диск. Для HDTV-вещания потребовался бы HDTV MPEG-2 кодер, но подобные устройства так и не были разработаны. В случае цифрового спутникового вещания сигналы передаются как поток (мультиплекс) программ с постоянной скоростью – 24Мбит/сек для одной программы. 2-часовая запись требует ёмкости 22ГБ и больше. Это примерно в 5 раз больше ёмкости DVD и простым увеличением плотности записи такую ёмкость не получить.

 

Получение ёмкости 25ГБ было обеспечено рядом технических приёмов:
использование сине-фиолетового лазера,
увеличение числовой апертуры линзы объектива,
формирование оптического луча, проходящего через тонкую (0.1мм) равномерную подложку,
улучшение метода модуляции,
расширение возможностей схемы коррекции ошибок без потерь эффективности,
применение метода декодирования Витерби и увеличение отношения сигнал/шум с одновременным уменьшением межсимвольной интерференции,
использование канавочной записи и системы адресации с вобуляцией,
разработка скоростной записи, основанной на изменении фазового состояния вещества, и т.д.

 

Рис.2 показывает смену поколений различных систем записи видео. Например, при переходе с VHS на DVD впервые были представлены цифровая запись и интерактивные функции. Далее предполагается, что BD обеспечит более высокий уровень интерактивности и взаимодействие с широкополосными сервисами, а это соответствует современным требованиям киноиндустрии.

 

Эволюция интерактивности мультимедиа
Рис.2 Эволюция мультимедийных возможностей оптических дисков

 

Совсем недавно началось цифровое вещание, появились большие высококачественные плазменные и ЖК-панели для домашнего использования. Запись HD контента с помощью носителей BD-ROM призвана усилить тенденцию дальнейшего увеличения качества видеоизображения и должна стать решающим фактором в ускоренном распространении HD, в т.ч. и в 3D-формате.

 

Ниже рассмотрим технологические особенности дисков BD, прямо связанные с увеличением ёмкости записи. Первой будет толщина защитного слоя, поскольку от неё зависит, насколько однородным и плоским будет этот слой. А это в свою очередь определяет уровень искажений лазерного пятна и, следовательно, качество записи/чтения.

 

Оптимизация толщины защитного слоя

 

Самый первый лазерный видеодиск (LDV) имел прозрачную основу толщиной 1.2мм, которая обеспечивала достаточную механическую прочность и минимальное ухудшение отношения сигнал/шум (ОСШ) из-за загрязнения поверхности. Такая минимально возможная толщина необходима потому, что чем тоньше защитный слой, тем легче улучшить показатель схождения линзы лазера. Этот показатель выражается числовой апертурой (ЧА), а диаметр сходящегося пучка обратно пропорционален ЧА (рис.3). ЧА определяется как sinθ, где θ – половина угла схождения луча, фокусируемого линзой. Около 80% световой энергии сосредоточено в пятне диаметром λ/ЧА за счёт сферической аберрации, поскольку лучи с краёв линзы собираются немного ближе к линзе, чем лучи, проходящие через центр. Следовательно, для BD требуется наибольшее из допустимых значение ЧА. Однако вследствие неидеальности производства плоскость поверхности диска не всегда перпендикулярна оптической оси линзы, и так же возникает аберрация, величина которой пропорциональна 3-й степени ЧА. Это накладывает ограничения на увеличение ЧА.

 

C другой стороны, аберрация, вызванная наклоном диска, прямо пропорциональна толщине защитного слоя. Эта аберрация является следствием угловой ошибки преломления в защитном слое, появляющейся из-за наклона диска (т.е. неровностей поверхности). Далее, небольшое размытие светового пятна из-за ошибки угла преломления прямо пропорционально расстоянию между поверхностью диска и точкой фокусировки.

 

Числовая апертура и фокусировка лучаИз этого следует, что для уменьшения размытия пятна нужно уменьшать толщину защитного слоя. Тем не менее, CD диски используют именно эту толщину по причине большой важности взаимозаменяемости линз. Без увеличения значения ЧА диски диаметром меньше 12см при такой же толщине основы, как и у LDV дисков смогли иметь достаточную ёмкость пусть и не для записи полнометражных фильмов в SD качестве, но для использования в  цифровой аудиозаписи.

 

Взаимозаменяемость линз, как правило, не сохраняется при изменении толщины защитного слоя. Это требует более подробного объяснения, т.к. для достижения большой ёмкости BD, повторюсь, необходимо уменьшить размер пита, следовательно, уменьшить длину волны лазера, а значит, увеличить ЧА с одновременным уменьшением толщины защитного слоя, чтобы получить меньшее размытие светового пятна.

 

Линза собирает лазерный луч в точку в идеальных условиях. Луч имеет сферический волновой фронт в защитном слое, но в атмосфере фронт теряет сферичность перед входом в слой. Допустим, что искажения сферичности фронта равны искажениям, которые имеет свет от точечного источника, помещённого в точке сходимости луча. Когда на информационную поверхность лазерного диска направляется точечный источник света, формируется сферическая волна, распространяющаяся в защитном слое. При входе в атмосферу волна будет искажаться. Это происходит потому, что оптическая длина пути от виртуального источника света до поверхности защитного слоя отличается от пути луча, перпендикулярного к поверхности, и рассеянного. Поскольку разница оптических путей пропорциональна толщине защитного слоя, то значит, более толстый слой приводит к бо́льшим искажениям сферичности фронта в атмосфере (рис.4).

Искажение волнового фронтаЛинза излучает этот искажённый волновой фронт. Поскольку величина идеального искажения зависит от толщины защитного слоя, проектирование линзы так же зависит от толщины слоя. Вот почему подходящая толщина защитного слоя, как правило, сохраняется, даже если будет изменён формат.

Получается, что при использовании заданной конкретной толщины трудно достигнуть необходимой ёмкости или почти невозможно. Поэтому разработчики BD пошли по пути максимального снижения толщины защитного слоя. При этом было учтено, что если цифровая запись идёт без ошибок, нет нужды заботиться об ухудшении ОСШ, как в случае аналоговой записи, а также то, что процесс производства 12-сантиметровых дисков полностью отличается от производства дисков диаметром 30см.

 

Уже был отмечен тот факт, что принципиальным преимуществом оптических дисков является ограниченность влияния пыли на поверхности диска, поскольку по отношению к пыли на поверхности лучи расфокусированы. Этот эффект расфокусировки при прохождении света через защитный слой означает, что благодаря увеличению сечения входящего луча на поверхности слоя ослабляется влияние малых частиц пыли по всей большой площади сечения луча. Оказалось, что за счёт принесения в жертву эффекта расфокусировки при уменьшении толщины защитного слоя легче увеличить значение ЧА.

 

Иными словами, хотя влияние пыли распространяется на всю площадь сечения луча, ухудшение сигнала удаётся снизить и тем самым предотвратить ошибки чтения. С другой стороны, используются программные средства устранения ошибок чтения. Во время этой операции к большому блоку данных прикрепляются некоторые избыточные данные для проверки ошибок.

 

После считывания блока контрольные данные пересчитываются для коррекции частных ошибок. Это можно сравнить с процессом улучшения изображения, когда частичный дефект на фотографии корректируется на основе оценки прилегающих к нему элементов изображения. С помощью этого метода ошибки исправляются благодаря ослаблению влияния частичных дефектов сигнала на площади большого масштаба. Можно сказать, что такой способ коррекции ошибок является электронной версией эффекта дефокусировки в защитном слое. Следовательно, логично предположить, что расфокусировка в защитном слое может быть частично заменена коррекцией ошибок (рис.5).

 

Однако существует проблема уменьшения толщины почти до нуля при увеличении эффективности коррекции ошибок. Наименьшая информационная единица при коррекции ошибок – это один байт. И поэтому маленькая ошибка в один бит практически превращается в однобайтовую ошибку. Т.е. по-прежнему желательна расфокусировка для предотвращения однобитовых ошибок из-за пыли. Тогда можно оценить минимальную толщину защитного слоя для этих целей в пределах нескольких десятков микрон.

 

Оптическое и электронное ослабление ошибок

Рис.5 Схожие функции оптического и электронного ослабления ошибок

 

Влияние частички пыли ослаблено вследствие расфокусировки светового пятна на поверхности диска.  Влияние частичного выпадения сигнала ослаблено из-за значительной протяжённости блока данных для коррекции ошибок.
Для DVD формата толщина защитного слоя составляет всего 0.6мм. Поскольку DVD состоит из двух склеенных половинок по 0.6мм, он имеет такую же механическую прочность, как и CD толщиной 1.2мм. Но для BD с его жёстким условием достижения ёмкости 25ГБ нужна другая толщина защитного слоя. Если использовать те же производственные мощности, что и для DVD, т.е. задействовать толщину 0.6мм, то уменьшение длины волны с 650нм (красная) до 405нм (синяя) обеспечит лишь ёмкость 12ГБ. Плюс ещё рост величины аберрации, обратно пропорциональный длине волны, при наличии неровностей на поверхности диска. Для подавления этой аберрации необходимо уменьшать значение ЧА линзы. Т.е. ёмкость составит тогда всего 10ГБ.

 

Кроме того, не была решена проблема, когда из-за теплопроводности стиралась информация соседней дорожки. Были предложения решить эту проблему использованием двухслойной записи. Однако, поскольку площадь светового пятна при значении ЧА 0.6 почти в два раза больше, чем при значении ЧА 0.85, удельная мощность луча снижается почти наполовину. И было показано, что для двухслойной записи требуется синий лазер мощностью более чем 100мВт. Т.е. чтобы получить двухслойную запись с доступным синим лазером, необходимо увеличивать значение ЧА за счёт дальнейшего уменьшения толщины защитного слоя. Это единственный путь.

 

Чтобы определить толщину защитного слоя для BD, нужно было или уменьшать её, или решить все вышеописанные проблемы для толщины 0.6мм. В конце концов, остался только первый выбор, поскольку означенные проблемы решить не удалось. Как уже отмечалось, требуемая толщина защитного слоя составляет величину примерно несколько десятков микрон. При рассмотрении баланса между лёгкостью производства и возможностью снижения стоимости в будущем в качестве базового значения была выбрана величина 100 микрон. При такой толщине защитного слоя значение ЧА могло быть увеличено до 0.85. Причём для ёмкости 25ГБ был подтверждён такой же предел наклона поверхности, как и для DVD (±0.75 градусов).

 

Проблема совместимости для различных длин волн

 

Как обеспечить совместимость при использовании различных длин волн? Выше было описано, что для достижения требуемой ёмкости каждый раз неизбежно менялась толщина защитного слоя. Поэтому всегда существовала проблема совместимости с прошлыми стандартами. Наиболее приемлемый метод обеспечения заключается в переключении линзы объектива. Фактически это и было осуществлено в DVD оборудовании для совместимости с CD.

 

В то время было представлено множество методов поддержания совместимости с использованием одной линзы. Требуется один инфракрасный лазер с длиной волны 780нм для чтения CD и красный лазер с другой длиной волны (650нм) для совместимости с DVD. Поскольку для CD линзы значение ЧА составляет 0.45, а для DVD линзы ЧА должна быть равна 0.6, было представлено оптическое устройство, которое позволяет лучу с длиной волны 780нм проходить только через часть линзы, соответствующую значению ЧА 0.45, и которое имеет сильную зависимость от длины волны. Это позволило сформировать оптимальные условия для линзы при толщине защитного слоя 1.2мм. С помощью этого метода была поглощена разница 0.6мм в защитном слое в пределах значения ЧА линзы 0.45.

 

В BD оборудовании также должен использоваться красный лазер для совместимости с DVD. В полупрозрачном плёночном слое, который является первым слоем в двухслойном диске, используется золото или кремний. Эти материалы высокоизбирательны по отношению к длине волны; первый предотвращает чтение следующего слоя, поскольку поглощает синий свет, последний предотвращает чтение первого слоя, т.к. он не отражает синий свет. Для реализации совместимости с DVD при использовании одной линзы требуется установка и синего и красного лазера, как это использовалось для совместимости DVD и CD.

 

Чтобы реализовать совместимость BD и DVD разница 0.6мм толщины защитного слоя должна быть поглощена диапазоном 0.6 значения ЧА. Хотя условия для BD/DVD более жестки, чем для DVD/CD, всё зависит от степени жёсткости. Фактически ещё в 2002 году был продемонстрирован однолинзовый прототип, обеспечивающий совместимость BD/DVD. Ещё легче достигнуть совместимости BD/DVD путём использования двух переключающихся линз. Хотя для того, чтобы с помощью одной линзы реагировать на разную толщину защитного слоя, использовались разные длины волн, добиться того же при одной и той же длине волны всё же очень трудно. Для BD сначала был представлен стандарт перезаписываемых дисков (BD-RE). Естественно предположить, что в качестве стандарта дисков только для чтения (BD-ROM) и однократно записываемых дисков (BD-R) должна быть принята толщина защитного слоя 0.1мм. Все эти меры обеспечивают полную обратную совместимость новых устройств чтения/записи BD со старыми форматами DVD и CD.

Это были основные технологические особенности разработки BD. В следующей статье подробнее рассмотрим Blu-ray с точки зрения технического формата.