序言

因为之前发过一篇文章，是利用CD的光栅原理制作了便携式的光谱仪用于维生素C的检测中。所以在这里就顺便整理一下关于CD的原理，帮助有兴趣的科普一下~

一、CD光碟读取原理

CD的结构：

分为四层：

A： Polycarbonate（PC）聚碳酸酯层：这一层也就是数据层。那么它是如何记录数据的呢？那就得从它的微观层面说起，附一张别人文章里的SEM图*（ Appl. Phys. Lett. 100, 041116 (2012)）*：

从图片可以看到有很多小的坑（pits），称为数据坑，而数据就是藏在这个里面，每个pit的深度约为100 nm，宽为500 nm，长度从850 nm到3.5 µm不等，不同的长度就代表了不同的数据位（就像是二进制里0和1一样,但不完全等同），pit之间的部分称为land，数据轨道的间距为1.6 µm。 播放CD时，CD播放器中的电机将光盘旋转至1.2-1.4 m/s的扫描速度（恒定线速度），相当于光盘内部约500 RPM，而光盘外部约200 RPM的转速。
B： 反射层： 在表面上涂一层薄薄的铝或金，使其具有反射性。 该金属由通常直接旋涂在反射层上的漆膜（C：保护层）保护。 通常通过丝网印刷或胶版印刷将标签印刷在漆层上（D：印刷层）。

读取的原理：

通过聚焦在CD播放器中的780 nm波长（近红外）半导体激光器（E：激光器）穿过聚碳酸酯层的底部来读取CD。 pit和land之间的高度变化导致光反射方式的差异。 通过使用光电二极管测量强度变化，可以从光盘读取数据。大致的原理如下图所示：

编码原理：

pit和land不直接表示二进制数据的0和1。 取而代之的是，使用不归零的反向编码：从pit到land或从land到pit的变化表示1，而没有变化表示一系列0。 每个1之间必须至少有两个且不超过十个0，这由pit的长度定义。

二、CD-R (CD-Recordable) 的刻录原理

聚碳酸酯光盘包含一个称为“预刻槽”的螺旋凹槽（因为它是在将数据写入光盘之前成型的），用于在写入和读取信息时引导激光束。 预刻槽模制在聚碳酸酯圆盘的顶面，如果是上面提到的CD-ROM只读CD那么该位置处就是pits和lands；面向播放器或驱动器中的激光束的底侧平坦且光滑。聚碳酸酯圆盘在沟槽前侧涂有一层非常薄的有机染料。 然后，在染料的顶部涂覆一层薄的反射银，银合金或金的反射层。 最后，将可光聚合漆的保护层涂在金属反射器的顶部，并用紫外线固化。 空白CD-R不是“空”的。 预制凹槽有一个预制槽绝对时间，可帮助写入激光束保持轨迹并以恒定速率将数据写入磁盘。 保持恒定的速率对于确保燃烧到染料层中的凹坑和凹坑的适当尺寸和间隔至关重要。 当将数据写入CD-R时，预制槽不会被破坏。 空白光盘具有一个预刻槽轨道。 预置轨道也包含定时信息，可确保刻录机遵循与常规CD相同的螺旋路径。 CD刻录机通过脉冲激光以加热有机染料层的区域，从而将数据写入CD-R光盘。书写过程不会产生凹坑（pit）； 相反，热量会永久改变染料的光学特性，从而改变这些区域的反射率。 使用低激光功率，以免进一步改变染料，以与CD-ROM相同的方式回读光盘。 **但是，反射光不是由pits调制的，而是由加热的和未改变的染料的交替区域调制的。**反射的激光辐射强度的变化被转换成电信号，从该电信号恢复数字信息（“解码”）。原理如下图所示：

三、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)、BD(Blue Disc)的区别

这三者的区别主要在pit的长度、轨道间距上，如下图所示：