在光存储发展的早期，人们曾经花费了大量的时间和精力来了解光存储系统的基本原理。正是在这些不断积累的知识和经验的基础上，第一台光存储系统才得以定型并问世。从今天我们所掌握的知识来看，这些有关盘片规格的最初指标的确显得有些保守。不过，单就把光存储这一新兴产业快速而成功地推向市场而言，这些略显保守的盘片规格确实起到了很大的作用。

从第一台光存储系统问世时起，有关光存储的各种方案就开始迅速发展了起来。但回顾那些曾经被人们所探讨的各种可能方案，却只有CD和DVD及其相关产品在大容量存储的竞技场中立稳了脚跟。许多其它存储方案要不就是在研发的过程中逐渐被淘汰，要不就是最终只在存储领域中实现一些和大容量存储无关的小应用。

基于染料技术的CD R光盘是第一种成功实现商用化的可记录光盘。该产品是在九十年代早期开始研发的。其中，仅染料的生产和相关技术就花费了好几年的时间才开始逐渐变得成熟起来。在这个领域中，基于现有产品的稳定性能而带来的生产和工艺上的自信，则是进一步实现更高倍速光存储所必不可少的。

几年前，低倍速DVD＋R光盘刚刚问世。该产品在市场上之所以能迅速推广，则是受益于当时众多的CDR生产厂商。有关这一点，从当时的一些实际情况就可以看到。即，许多CD R盘片生产厂商也完全可以生产低倍速DVD＋R光盘。和CD R盘片一样，DVD＋R光盘在发展中也存在着速度的竞赛。短短几年中，DVD＋R光盘就从最基本的1～2.4倍速规格发展到了16X的盘片规格。从目前的理论研究可知，16X几乎已经达到了DVD光盘所能达到的最高倍速。

随着16X DVD＋R光盘的问世，盘片规格也将不再保守。对光盘的研发活动也开始进入到一些新的领域，在这些领域中，一般认为机械和力学特性是决定性能的主要因素。其中，对驱动器伺服环节的性能，以及和盘片密切相关的机械、力学特性方面的研究变得越来越迫切。而后者所导致的直接结果就是，高倍速可录光盘盘片的生产特性已经变成了复制产业中人们所密切关注的热点问题。

制造学习曲线

生产48X的CD R盘片和生产1X的CD R盘片是完全不同的概念，同样的，生产高倍速DVD＋R盘片（8X～16X）和生产低倍速DVD＋R盘片厂（1X～2.4X）也是完全不一样的。当然，DVD系统对误差的容许量也比CD系统的要小得多。将制造 IX～2.4X DVD＋R盘片和制造16X（最高倍速）DVD＋R盘片相比，就如同把制造普通的福特T型汽车和制造一级方程式赛车进行比较一样。为了能赢得一级方程式大赛的胜利，赛车引擎、赛车手、赛道以及其他工作人员之间必须达到完美的配合，否则就会极大地影响到赛车速度和比赛成绩。对高倍速盘片的生产制造而言，道理上也是一样。
为了确保光盘在记录、回放和寿命等方面的性能，盘片必须符合DVD＋R标准中所规定的各种格式规范。最新推出的标准书涵盖了所有倍速的盘片（从1X到16X）。在这本新的标准规范中，对所有倍速盘片的要求和定义都是一样的，并没有引入新的物理参数，只是个别一些参数的裕量数值在高倍速条件下变得更小了。参数的裕量值变得更小，将会极大地影响盘片的生产制造工艺。目前，高倍速盘片的生产制造如此困难，主要就是因为一些生产工艺的裕量被大大减小。为了应对这一新的挑战，盘片制造商必须重新考虑其生产工艺，重新审视其原材料供应链、设备以及检测水准。

在一些关于高倍速DVD＋R光盘的介绍中，将有关盘片机械、力学特性方面的内容和盘片记录中的一些问题（例如写策略、MID码和ADIP等等）放在一起。但在本文中，我们将只关注盘片机械、力学特性方面的内容，而有关记录方面的问题将在别的文章中进行探讨。

伺服环节

为了更好地理解高倍速记录中对盘片的机械、力学特性的要求，对驱动器中的伺服环节的基本了解是不可缺少的。伺服环节控制着激光光斑在读出和记录过程中的聚焦和径向位置，它的功能就是要实现光斑位置和理想位置之间的偏差最小。

图2 聚焦伺服环节的示意图

一个扰动可以通过几何坐标来进行描述。例如，我们可以用函数X（t）来对其进行描述，其坐标对应的单位是微米。不过，要就伺服环节对该扰动的响应进行讨论，还必须将这个在几何位置进行描述的函数变换到空间频域中。采用傅里叶变换的方法，函数X（t）可以被转换为一系列正弦函数之和(∑aisin(2πfit)，其中ai是表示幅度值，fi表示对应的空间频率) 。伺服环节将依据频率fi的不同，对扰动的各个正弦分量乘上一个和频率相关的系数，从而减小扰动的各个正弦分量的幅度ai（参见“图3 伺服环节的传递函数：扰动的增益减小度和频率之间的关系”）。对扰动的低频分量，相应的系数会使其幅度衰减地非常厉害；而对于扰动的高频分量，相应的系数会使其幅度衰减地相对小一些。而对频率超过了伺服环节传递函数截止频率（图3中的f0）的分量，伺服环节不会对其产生作用，因此也不会令其幅度有任何衰减。

图3 伺服环节的传递函数：扰动的增益减小度和频率之间的关系

当盘片的速度增大以后，假设速度增大为原先的n倍，这时对扰动的几何状态描述函数x(t)（微米量级）仍将保持不变，但是描述该扰动的空间频域分量却变成了(ai,nxfi)。即，扰动的各个频率分量的频率值都变成了原先的n倍。可是，由于技术上的局限，伺服环节的频域带宽（即图3中的截止频率f0）不可能也相应的变成原来的n倍。举例来说，16X驱动器中伺服环节的截止频率大约是8kHz，而1X驱动器中伺服环节的截止频率大约是2kHz左右；可见，当速度从1X增加到 16X时，伺服环节的截止频率仅仅增大了4倍左右。

从图 4中可见，当速度从1X增加到 4X时，伺服带宽随着速度的增加而线性增大。但当速度增大到4X以上时，伺服带带就不再随着速度增大而线性增大了。

图4 不同速度下的伺服带宽

在速度达到16X时，聚焦伺服的带宽只增大到原来的5.4倍左右，而道跟踪伺服的带宽只增大到原来的4倍左右。

图5 低速和高速条件下盘片扰动对伺服系统的影响

正是由于这种情况，在低倍速情况下的一些变形和失真在高倍速情况可能会变得非常严重。换言之，低倍速情况下可以容忍的扰动，在高倍速情况下可能会变得让人无法接受。

盘片翘曲

盘片翘曲这种缺陷可能和多种不同的工艺因素相关。为了对盘片翘曲进行描述，可选定盘片表面给定半径的轨道，让盘片旋转，则反射层在转动一周内的轴向位置跳动相对于参考平面的关系可以被描述为：

x（t）∝偏转角度（半径）十∑aisin(2πfit) 例如，一般“碗形”的盘片翘曲变形，只需通过上式中和半径位置有关的偏转部分进行描述就可以了，而式中的第二部分描述的则是对偏转分量有影响的一些高频的变化量。

图6 对盘片翘曲进行描述的原理

导致盘片翘曲的工艺因素有很多，归纳起来，主要的有下面几类：

首先是盘基本身的翘曲所导致的。这类翘曲主要来自于注塑成型中的不一致性。注塑成型过程中的不一致性／不均匀性和模具的模腔、注塑压力和温度等因素密切相关。不均匀的注塑温度和压力将在盘基的收缩和凝固过程中导致难以预料的变化和变形。

在完成注塑成型之后，盘基需要进一步冷却到室温，在这个过程中盘基材料—聚碳酸脂（PC料）是非常干燥的。因此，在冷却过程中，无论是垂直放置还是水平放置（这可能会影响到盘基的不平直度），盘基会立刻开始从周围环境中吸收水分，导致盘基膨胀，并可能令盘基的形状发生改变。

另一个会导致盘片翘曲变形的重要工艺因素是两片盘基的粘合工艺。不过，粘合工艺对盘片翘曲的影响受两片盘基各自的加工情况的影响程度非常大。例如，两片盘基材料的湿度是否一样，老化程度是否一样，温度是否一样等等，都会影响到粘合工艺的加工结果。

最后一种情况是夹持力对盘片翘曲的影响。当盘片被放入到驱动器中进行播放的时候，必须先有夹持力作用在盘片的中心区域。如果盘片的夹持区域不均匀，那么作用在盘片上的夹持力也会影响到盘片的形状。而当盘片被放在驱动器里面长时间使用时，由于这时驱动器里面的环境温度可能会超过50℃，所以可能会发生盘片外形发生变化的情况。此外，在高速的情况下（超过3000rpm），由于盘片高速旋转，所以存在着对盘片的拉伸作用，对应到前面对盘片翘曲扰动描述的公式中，这种情况可能会使其中有关偏转角度的部分适当减小，从而使光盘变得“平直”一些，但不会对翘曲扰动中的“高频”分量产生多少影响。

轨道的不圆整度

径向道跟踪伺服环节的性能受轨道的圆整度，以及轨道对旋转轴中心的同心度的影响非常大。在这一小节中，我们将详细谈谈轨道的偏心量和非圆整度。

偏心量是对轨道中心和盘片旋转中心之间的偏差程度进行描述的一个参数。实际上盘片和驱动器的主轴都存在着偏心的问题。当盘片被夹持在驱动器的

图7 偏心和轨道不圆对盘片轨道不圆整度的影响

主轴上时，其转动过程中的总偏心量是盘片和驱动器主轴两者各自偏心量的矢量求和。对驱动器的径向伺服环节而言，偏心量会导致一种正弦波性质的扰动，其频率等于转动频率。在空间频率分布上，偏心扰动位于非常低频的区域（其频率为主轴转动的频率）。通常，总的轨道不圆整度是在由偏心而引起的轨道不圆整度上再加上局部轨道不圆整而导致的变化量。这意味着，要对盘片轨道的总不圆整度进行描述，必须在基本频率等于主轴旋转频率的正弦扰动分量上，再加上更高频率的扰动分量。所以，总的不圆整度可以表达为公式：ecc max sin（2πfrott）＋∑aisin(2πfit)。

对伺服环节而言，径向道跟踪伺服环节的性能依赖于扰动中的频率分量。由于盘片不圆整度而引起的最大径向位置误差取决于（ai,fi），刀，以及径向道跟踪伺服环节的传递函数。

对盘片的偏心量会产生影响的工艺环节主要有：对压模进行中心冲孔，以及压模在注塑模具中的安装和定位。而影响盘片轨道不圆整度的则有多个工艺环节，而且如前所述，这种轨道的不圆整度在高倍速情况下会对盘片性能造成比较严重的影响。这里，我们不对各个工艺环节对盘片轨道的不圆整度的影响加以具体的量化，而只考虑哪些因素会对轨道的不圆整度产生影响。一般而言，下面这些工艺步骤都有可能会导致这种缺陷：首先，在制备母盘的过程中，当采用激光进行刻录时，光点的径向位置可能会产生跳动。不过，考虑到大多数LBRS的设计，这个因素对盘片轨道的不圆整度的影响是最小的。其次，另一个可能的工艺因素是压模的制备。在制备压模的各个独立的步骤中，都有力作用在压模盘的边缘位置，这可能会对局部的轨道形状产生影响，正如在冲中心孔时会对靠近中心区域的轨道形状产生影响一样。最后，注塑成形工艺也会对盘片轨道的不圆整度产生影响。考虑注塑成形工艺过程的原理，可以发现对盘片轨道不圆整度的影响会产生在已注塑完成的盘基被弹出的这一工艺步骤中。这种影响在注塑时问周期比较短的情况下最容易发生，因为在这种情况下，刚注塑完成的盘基还没有得到足够的时间来实现充分的凝固，而在盘基弹出过程中，盘基中心部分已经被顶出模具，但是盘基的外缘部分却还粘在模具上，正是由于这种拉扯作用而导致盘片轨道变得不圆。

图8 注塑工艺过程中可能会造成轨道不圆

结论

综上所述，和其它盘片相比，高倍速盘片的生产在基本原理上也并没有什么不同。就其工艺和工程因素而言，“精密性”依旧是最主要的因素。目前市场上在销售的高倍速光盘就已经证明，这些工艺和工程要求在生产中是完全可以达到的。

对制造商而言，主要的挑战来自于确保盘片品质的不断提高。为了能够确保在工艺控制和生产制造方面的不断进步，具有优秀性能的、商用的检测仪绝对是必不可少的。

总之，生产高倍速可录光盘，要求制造商在原材料、设备采购和供应环节，以及加工工艺等方面需要更上一层楼。这既是挑战，也是机遇。只有努力进取，迎接挑战，抓住机遇，才能够在激烈的市场竞争中立于不败之地。

本文作者：Philips公司 Harry van Doveren
翻译：佘鹏

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