最近以日本索尼和东兰为首的两大阵营提出了数字视盘有关的标准。索尼和飞利浦公司宣布共同研制高密度光盘(HDCD),该光盘的基极厚度为1.2mm,与标准的CD盘片相同,但每面可存储3.7G字节数据。东芝联合日立、先锋、松下以及美国数家厂商提出了将两个0.6mm厚光盘粘接在一起,以支持每面5G字节的双面l0G字节容量的标准。目前支持东芝公司单面光盘(SD)标准的公司有三菱、JVC、日本哥伦比亚等。好莱坞电影制作公司都偏向于支持东芝公司的大容量建议,强调需要最大限度提高图像的品质。目前两大集团都计划于1996年秋季将这一建议付诸实施并商品化。上述两种标准的CD盘片的参数比较见附表。

1993年国际上已制订出Video CD标准,该标准采用MPEG-1压缩技术在一张直径120mm的CD盘片上可存储一部74分钟的数字视频图像,新的DVD规格会使Video CD的图像质量进一步提高,并延长播放时间。将来若采用如蓝色激光二极管等技术,其记录密度会进一步提高,届时DVD就有可能进而用于高清晰度电视(HDTV)。
DVD将采用国际MPEG-2标准作为其活动图像的数据压缩标准。MPEG-2以几十分之一的比例压缩视频数据,而DVD的声频数据压缩将采用Dolby AC-3或类似的技术。
根据多数视听设备厂家的看法,认为若要用MPEG-2来获得现有广播电视水平的图像质量,其编码速率的平均值应在3-5Mb/s范围内,而且应随图像变化的快慢,改变其编码速率,使其与视频图像和其它因素相称,即变化较快的图像采用较高的编码速率,变化较慢的图像采用较低的编码速率。
假定平均编码速率为 3Mb/s,则存储一部135分钟的影片所需的记录容量为3M比特/秒×(135分钟×60秒)÷8比特=3G(3000兆)字节左右。此外,由于还需加入声频记录和解说词等数据,DVD的记录容量将会在4G字节左右,约等于现行650M字节CD盘容量的6倍。
索尼和东芝两大阵营的建议均使用下列三项技术,使存储容量提高到6至8倍。①使用一个635nm或650nm波长的红色激光二极管取代现有CD唱机上使用的780nm波长的激光二极管;②增加物镜的数值孔径(NA),使之超过CD唱机的0.45;③通过改进信号处理方法,包括编码(调制方法)和纠错方式来减少数据的冗余度。与此同时还可增加存储数据的表面数。
一、短波长激光二极管
激光二极管波长较短意昧着激光点的直径也随之缩小,可使轨迹间距和最小记录记号长度也减小。记录记号区是随波长的平方减小的。目前波长为635或650nm的红色激光二极管已可生产供应。日本夏普公司已于1995年4月开始批量生产光学拾音器,它是由安装在一个全息光玻璃基板上的635nm激光二极管组成的。此外,日本三洋公司正试制可在-10℃-60℃温度下工作的635nm红色激光二极管样机。
虽然要用一个红色激光二极管,把一部高清晰度视频电影存储在直径为120mm的盘片上仍有一定难度,但使用诸如更短的蓝色(400nm-500nm)或绿色(520nm~560nm)的激光二极管,也是有可能达到此目的的。企业界人士似乎同意,使用蓝色激光二极管就有可能达到10G字节或更大的记录容量,这样就足够把高清晰度视频电影存储在直径为120mm的盘片上。
由于工作寿命和生产效率原因,蓝色或绿色激光二极管在数年内较难生产供应。它们在室温下连续工作不到一小时,就会结束其工作寿命,这与商用产品所需的数千个小时最低寿命相比,还相差甚远。
二、数值孔径(NA)的增大
激光束的光点直径与光束波长成正比,与物镜的数值孔径成反比。因此,在相同波长情况下,可通过增大NA值来提高记录密度。
现行的CD光学系统使用约0.45的数值孔径,而在DVD系统中把它增大到0.52或0.6。通过改变光源波长,从780nm变至635nm,且使用较高的数值孔径,光点直径就可从现行CD的1.6μm降至1μm左右。
不过,增加数值孔径也意味着需要把激光头光轴和垂直于盘片表面轴线之间的容许倾斜角降低下来。这是因为倾角是受盘片厚度和双折射的偏差影响的,而普通盘片因材料重量和特定的生产条件稍有弯曲,过度弯曲则意味着盘片无法播放。
确保稳定读出数据的方法有三种:一是稍增加数值孔径,诸如使用0.52的数值孔径并通过其它方法增加记录容量;二是增加激光头的倾角补偿伺服机构,而不使用NA值超过0.52的物镜;三是使用NA值约为0.6的物镜,同时减少激光束应穿过的盘片基板的厚度。
CD光学系统的容许倾角为13毫弧度,若采用与CD相同的1.2mm厚的盘片基板,则NA值为0.52就意味着容许倾角为7~8毫弧度。对此,索尼公司宣称,无需倾角补偿伺服机构也可实现稳定读出数据,不过有的专家认为,使用0.52的数值孔径可能还需要倾角伺服机构。因为目前市场上还存在非标准CD媒体,若不能播放,其责任也只落在播放机制造商,而不是CD盘片制造商。但数值孔径增至0.6,就会使容许倾角减少到约5毫弧度,这样就必需使用倾角伺服机构。
第三种方法是通过减少盘片基极厚度来实现的,通过缩短总光路行程(从激光二极管出发,在记录层反射并返回读取头),可增加容许倾角。若把基板的厚度降至0.mm,即现行CD盘片厚度的一半,即使使用0.6数值孔径,其容许倾角可能为9毫弧度或更好。不过,生产薄基板并非容易,基极越薄,其生产过程中基板处理难度越大。此外,基板薄的盘片易变形且对其表面的污物更加敏感。
三、确保与CD盘片的兼容性
即使DVD基板厚度小于1.2mm,但DVD播放机还应能播放标准的CD盘片。传统的光学系统,要播放不同厚度盘片是困难的。
东芝公司认为,解决播放不同厚度盘片的办法目前有四五种,最有效的方法之一是采用松下的双聚焦光头,它使用全息光装置来校正因基板厚度差异而造成的像差,因此东芝公司试图用该光头播放0.6mm和1.2mm厚的两种盘片。该公司还考虑一种通过增加两个物镜,可修正用于CD-ROM播放机上滑轴光头的系统。一个物镜支持1.2mm厚基板,另一个则支持0.6mm基板。在滑轴光头内,物镜支架安装在转轴的中轴上,并取决于盘片厚度,物镜支架可在中轴上旋转,以选择所需的物镜。此外,还可采用两个光头的方法,分别用于0.6mm和1.2mm盘片,若按目前CD光头的售价1000日元计算,用此方法制作,其整机成本可能是最低的。
四、增强纠错能力
纠错的信号处理技术已在CD唱机上使用的交错式里德索罗门码(CIRC)得到进一步的改进。该CIRC码使用两级Reedsolomon编码,可校正C1的2个符号(1个符号=1个字节)和C2系列的4个符号。据索尼的报道,CIRC plus是一种增强型CIRC,可校正8个C1符号和14个C2符号。
CIRC的字符串误码校正能力相当于实际盘片上的2.4mm长度的损伤,但东芝公司采用的RS-PC(里德索罗门产品码)技术,其纠错能力已达到4-5mm。
采用这样较强的纠错编码系统,就有可能降低纠错码与用户数据的比例,并降低数据冗余度,即使光头信号有较低的载波/噪声(C/N)比,其错误率仍可保持在同一水平上。因此,轨迹间距和最小记录记号的长度可以缩短,这样就使编码效率增强到超过CD标准,而且其线性记录密度还可以改善。
三菱公司已试制了使用4-9调制方式的DVD样机,该调制方式是一种类型的游程长度受限码(RLL)编码方式,目前已成功存储了每最小记录记号长度为1.7~1.8比特的数据,而CD唱片上使用的8-14调制(EFM)的记录成绩仅为1.4比特。
索尼提出的EFM plus是EFM的改进型。EFM使用3位字符串连接14比特模式,而在EFM plus情况下,减少冗余度可通过诸如模式先读出(pattern read-ahead)的操作来实现。
五、两种记录面
DVD也通过增加记录面数量来扩展每个盘片的记录容量,这可通过在盘片的双面都记录下信号或在盘片单面记录两层信号来实现。
在这两种情况下,其盘片的制作成本均比传统的单面、单层盘片还要高。另一方面,该项新技术可在一张盘片上存储8~10G字节的数据——已大大超过一部135分钟影片所需的容量。
使用双面记录时,可将两片薄薄的基板粘接在一起,确保其机械强度,不过还存在一个问题,即播放时,用户必须使用手动操作将盘片弹出,并将其翻转并装上另一面。
在单面双层记录时,双层之间相距约为4μm,且约需3ms时间进行转换。用于聚焦控制的调节信号由脉冲信号(称为驱动信号)取消,使之移动物镜并把聚焦转换到另一层平面上,此方法也存在一些问题,即上透明层的反射率仅为30%,而CD媒体的反射率为70%,这意味着当播放上层信号时,必须提高激光二极管的输出功率。(陈利才)