Anders als bei den fotografischen Trägern, die auf der Absorption verschiedener Lichtmengen basieren, arbeiten optische Träger mit lasergesteuerten Veränderungen innerhalb von Spuren/Rillen mikroskopischer Abmessungen, wobei ein audiovisuelles Signal aufgezeichnet und anschießend wiedergewonnen wird.

Der Vorläufer der optischen Platten war die Laser Vision Disc, die Ende der 1970er Jahre für die Aufnahme und Wiedergabe von analogen Videosignalen entwickelt wurde. Ihre Technologie und die dazugehörigen Parameter wurden mit Ausnahme der Abmessungen von der Compact Disc (CD)übernommen, die 1982 als CD-A (CDAudio, Red Book Standard) als vervielfältigtes, gepresstes digitales Audioformat auf den Markt kam. Man erkannte bald, dass CDs ein ideales Medium nicht nur für Audiosignale, sondern auch für andere Signale wie Text, Grafik und/oder Bewegtbilder darstellten, woraus 1985 die CD-ROM (CD-Read Only Memory, Yellow Book Standard) als Wiedergabemedium entstand.¹⁶ 1987 folgten dann die CD-I (CD-Interactive, Green Book Standard) und 1991 die CD-R (CD-Recordable, Orange Book Standard) zusammen mit der CD-RW (CD- Recordable+Writable, ebenfalls Orange Book Standard). Den vorläufigen Abschluss der CD-Familie bildete 1993 die CD-V (CD-Video, White Book Standard), die in Ostasien sehr populär wurde.

Um die Speicherkapazität zu erhöhen, hauptsächlich für die Speicherung von Videofilmen, kam 1995 die DVD (Digital Video Disc oder auch Digital Versatile Disc) auf den Markt. Die Vergrößerung der Speicherkapazität wurde durch einen Laser mit kleinerer Wellenlänge und mit maximal 4 Speicherschichten (dual layer, double sided) mit je 7-facher Speicherkapazität gesteigert. Laser mit noch kürzerer Wellenlänge im UV-Bereich führten schließlich zur BD (Blue Ray Disc), die sich letztlich gegen die konkurrierende DVD HD (DVD High Definition) auf dem Markt durchsetzte. Die BD benützt kurzwelliges blau-violettes Laserlicht und stellt einen weiteren Schritt in Richtung Miniaturisierung der Aufzeichnungs- und Speicherungsdichte dar.

In diesem Zusammenhang ist schließlich die MOD (Magneto-Optical Disc, 2.3.1.4) zu nennen. Konzipiert für die Datenspeicherung im IT-Bereich hat die MOD ihre ursprüngliche Bedeutung durch die dramatische Steigerung der Speicherkapazität der Festplatte bei deren ständig sinkenden Preisen verloren. Im Consumer-Bereich hat sie jedoch einige Beliebtheit in Form der wieder-beschreibbaren MiniDisc (MD, 2.3.1.5) gewonnen.

2.3.1.1 Replizierte (vervielfältigte) CDs, DVDs, und BDs (-ROMs): Die CDs bestehen aus einer transparenten Polycarbonat-Scheibe von 1.2 mm Stärke, die mithilfe einer negativen Metall-Matrize im Einspritzverfahren hergestellt wird. Die obere Fläche der Scheibe trägt die spiralförmige Spur von „Pits“ (Löchern, Vertiefungen) und „Lands“ (flachen Strecken) unterschiedlicher Länge. Diese so strukturierte Oberfläche ist mit einer reflektierenden Schichte aus Aluminium überzogen, die wiederum mit einem Schutzlack überzogen ist, die auch die Information über Inhalt und Label enthält. Der Laserstrahl liest die Platte von unten. Er ist auf die Pits und Lands der Spur fokussiert. Die Tiefe der Pits misst ein Viertel der Wellenlänge des Lasers, was einen Unterschied in der jeweiligen Stärke der Reflexionen bewirkt. Diese Unterschiede repräsentieren digitale „1“er, während kein Unterschied eine digitale „0“ darstellt.

Abb. 15: Aufteilung der CD-ROM.

Abb. 16: Schichtstruktur und Auslesen der Daten von einer CD-ROM.

DVDs haben gegenüber CDs engere Rillenabstände und kürzere Pits und Lands, da sie einen Laser mit kürzerer Wellenlänge benutzen (650 nm, rot). Die Basisplatte ist nur 0.6mm dick. Bei einseitigen DVDs ist eine leere zweite Polykarbonat-Scheibe an die informationstragende Scheibe geklebt. Bei doppelseitigen Platten ist eine zweite informationstragende Schicht angeklebt. Zusätzlich ist es möglich, eine zweite semi-transparente Schicht („Dual Layer“) jeder Datenschicht hinzuzufügen. Daraus ergeben sich zwei lesbare Schichten auf jeder Seite, womit die Speicherkapazität vervierfacht wird.

Abb. 17: Schichtstrukturen von DVDs.

Die BD-ROM (Blue-ray Disc) besteht aus zwei verschiedenen, per Laminierung fest verbundenen Polykarbonat-Scheiben verschiedener Dicke (siehe Abb. 18). Die untere dünnere trägt die Pit/Land-Spur auf ihrer oberen Seite mit der Reflexionsschicht. Die Spur ist schmäler als die bei CDs bzw. DVDs. Die obere, dickere Scheibe trägt an seiner ihrer Oberfläche die Labelinformation. Im Unterschied zu DVDs sind doppelseitige Platten nicht vorgesehen, wohl aber BDs mit zwei Informationsschichten.

Abb. 18: Schichtstruktur einer Blu-ray Disc.

 

Abb. 19: Vergleich der Fokusgrößen von CD, DVD und BD.

2.3.1.2 Einmal beschreibbare optische Träger: CD-R, DVD-R, BD-R, „Dye Discs“). Die Informationsschicht besteht aus einer „Spurrille“ (pre-groove), die mit einer dünnen Schicht aus einem organischen Farbstoff gefüllt ist. Das Beschreiben erfolgt mittels eines Lasers mit höherer Energie als beim Auslesen, wodurch der Farbstoff erhitzt wird. Dadurch entsteht eine Reihe von gebrannten und nicht-gebrannten Strecken, die vom lesenden Laserstahl so wie die Pits und Lands von replizierten ROM-Platten erkannt werden. Die reflektierende Metallschicht besteht aus Gold, Silber oder einer Silberlegierung.

Abb. 20: Replizierte (CD-ROM) und gebrannte Pits und Lands (CD-R) im Vergleich (Jean-Marc Fontaine).

2.3.1.3 Mehrfach beschreibbare optische Träger: CD-RW, DVD-RW, BD-RW. Die Informationsschicht besteht aus einer Metall-Legierung, die temperaturabhängig ihre Phase, d.h. ihren Festkörperzustand ändert. Die Aufzeichnung erfolgt im Fokus des schreibenden Laserstrahls, der die Temperatur der Metall-Legierung je nach Laserleistung an diesem Punkt soweit erhitzt, dass er entweder die kristalline oder die amorphe Phase annimmt. Die dielektrischen Schichten wirken abkühlend, sodass die veränderte Phase erhalten bleibt. Bei der Wiedergabe reflektieren amorphe Stellen weniger Laserlicht als kristalline, was zur Erkennung der zwei verschiedenen Informationszustände genügt. Daten können im beschränkten Maß gelöscht und aufgenommen werden (bis zu 1000 Mal).

2.3.1.4 Magneto-optische Träger (MOD, Magneto-Optical Discs) Die Informationsschicht besteht aus einem magnetischen Material; der Schreib- oder Leseprozess erfolgt aber optisch. Die Aufzeichnung wird erreicht durch das Erhitzen der Schicht über der Curie-Temperatur (3.2.1.5) und gleichzeitigem Anlegen eines niedrigen magnetischen Feldes, das zu einer entsprechenden (Neu-)Ausrichtung der magnetischen Partikel in der Schicht führt. Bei der Wiedergabe macht man Gebrauch von dem so genannten Kerr-Effekt (siehe 2.2.1), bei dem die magnetische Orientierung der Informationsschicht verschiedene Reflektionswinkel des lesenden Laserstrahls erzeugt, die zur Erkennung zweier verschiedener Informationszustände ausreichen. MODS sind eigentlich magnetische Träger, aber für ihren Umgang erweist sich die Zuordnung zu optischen Trägern als geeigneter.

Magneto-optische Träger wurden im professionellen Bereich als Backup- und als Transportmedium benutzt. Sie waren, gegen äußere Beschädigung und Fremdpartikel als Kassetten geschützt, in unterschiedlichen Größen (90 und 130 mm) in verschiedener Speicherkapazität verfügbar. Sie verloren mit der Entwicklung von immer preisgünstigeren Festplatten (HDDs, 2.2.2) und deren zunehmenden Speicherkapazitäten an Bedeutung.

2.3.1.5 MiniDisc (MD). Die MiniDisc kam 1992 auf den Markt und war als Ersatz für die bespielte analoge Kassette gedacht. Im Konsumbereich war sie mehr als zehn Jahre populär, bis sie dann ihre Bedeutung verlor. Sie wurde in zwei Versionen hergestellt, einmal als MOD (2.3.1.4) für Eigenaufnahmen und Wiedergabe, und außerdem als eine Art CD-ROM mit Inhalt. Der Durchmesser der MiniDisc beträgt 2.5 Zoll (64 mm); sie ist in einer Kassette untergebracht, wodurch sie wie bei der MOD gegen äußerliche Beschädigung beständig und gegen Fremdpartikel geschützt ist. Zur Wiedergabe siehe IASA-TC 04, 5.6.10.

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16. Bei der Terminologie für optische Platten folgt diese Publikation der letzten Entwicklung: Ursprünglich wurden vervielfältige Platten mit allgemeinen Daten CD-ROMs (ROM= Read Only Memory) genannt. Mit der Einführung aufnehmbarer bzw., wieder-beschreibbaren Platten aber wurde diese Terminologie inkonsistent. Jüngere Publikation unterteilen daher optische Platten in -ROM (repliziert), -R (aufnehmbar) oder -RW bzw. -RAM (wieder-beschreibbar). Alle drei Typen können Audio, Video, oder allgemeine Daten beinhalten.

Das Polykarbonat für optische Träger ist ein transparenter Kunststoff mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Er ist widerstandsfähig gegen Deformationen bis zu 130°C. Es gab anfängliche Probleme mit craquele-artigen Rissen und opaker Verfärbung, speziell bei Laser Vision Discs, die zu Unlesbarkeit der Daten führten. Aus der Erfahrung im Umgang mit CDs seit 1982 kann man erwarten, dass Polykarbonat für mehrere Jahrzehnte stabil bleibt.

Abgesehen von Gold sind alle Metalle und Legierungen, die für die reflektierenden Schichten verwendet werden, anfällig für Oxidation. Die Schutzschicht bei CDs spielt daher eine wichtige Rolle. Sie muss widerstandsfähig gegen das allseitige Eindringen von Feuchtigkeit sein, was in der Einführungsphase oft nicht gelang. Oxidierte Schichten, besonders Aluminium, führen bei CDs dazu, dass die Daten nicht mehr ausgelesen werden können.

Die Haltbarkeit des Bindemittels, das die zwei Polykarbonat-Scheiben von DVDs und BDs zusammenhält, ist nicht bekannt.

Die Stabilität der organischen Farbstoffe ist bei den einmal bespielbaren Trägern, also CD-Rs, DVD-Rs und BD-Rs, mit einem großen Fragezeichen zu versehen. Es gibt drei verschiedene Typen: Cyanin, Phthalo-Cyanin und Azo. Alle drei sind lichtempfindlich, besonders gegenüber UV-Licht: setzt man einmal bespielte optische Träger mehrere Wochen lang dem Tageslicht aus, führt das zu Unlesbarkeit der Daten. Ein weiterer Unsicherheitsfaktor ist die geringer werdende Menge der organischen Farbstoffe bei höheren Aufnahme- Geschwindigkeiten.

Die Aussagen zur Haltbarkeit der organischen Farbstoffe bewegen sich zwischen fünf und hundert Jahren, was von geringem praktischen Nutzen ist. Gleiches gilt für die semitransparenten Informationsschichten bei DVD-R und BD-R. Und schließlich ist auch die Haltbarkeit der Informationsschicht von wieder beschreibbaren Trägern im Vergleich zu einmal-beschreibbaren unklar.

Es gibt keine messbaren Qualitätsverluste beim Abspielen optischer Träger.

CD-, DVD- und BD-Player sind Massenprodukte ohne besondere Abgleich- oder Einstellungsmöglichkeiten, was einen Teil des unten (2.3.5) beschriebenen Problems
darstellt. Eine Wartung beschränkt sich auf die gelegentliche Anwendung einer Cleaning Disc zur Reinigung der Objektivlinse und die Reinigung der Ladevorrichtung.

Einmal bespielbare optische Träger (CD-R, DVD-R und BD-R) haben sich als sehr populäre Medien zur Aufzeichnung von Audio-, Videound IT-Daten erwiesen. Ihre Zuverlässigkeit hängt wie bei vielen anderen digitalen Trägern von einem komplexen Fehlerkorrektursystem in den Abspielgeräten ab, das fehlerhafte Daten auf dem Träger wegen Beschädigung, chemischen Reaktionen innerhalb der organischen Schichten oder wegen Alterungseffekten wieder vollständig wiederherstellt. Die Kapazität des Korrektursystems ist jedoch beschränkt. Eine fehlerfreie Aufnahme beansprucht weniger Korrekturkapazität wegen der gerade genannten Fehlerursachen und verbessert daher die Lebenserwartung des Trägers. Wenn hingegen ein optischer Träger des R-Typs bereits mit einer hohen Fehlerrate startet, bleibt weniger Korrekturkapazität für den Ausgleich weiterer Fehler. Die Lebenserwartung solcher Träger ist kürzer (siehe IASA-Empfehlung für maximal hinnehmbare Fehler bei optischen Trägern bei IASA-TC 04, Abs. 8.1.9).

Ein wesentliches Problem beim Brennen von einmal bespielbaren optischen Trägern ist das Zusammenwirken von noch nicht bespielten Trägern (sogenannten blanks) und dem Brenner. Es sind keinerlei Standards vereinbart und der automatische Abgleich funktioniert nicht immer genügend. Tests mit zufälliger Kombination von CD-R und Brenner haben lediglich 50% akzeptable Ergebnisse geliefert. Um ein zuverlässiges Brennen einmal aufnehmbarer Trägern zu erreichen, müsste man jedes Mal solche Kombinationen ausführlich und in regelmäßigen Abständen testen. Solche Tests sind arbeitsintensiv und das erforderliche Equipment ist teuer. Für die professionelle Datenspeicherung werden deswegen zuverlässigere und kostengünstigere Speichersysteme eingesetzt.¹⁷

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17. J.-M. Fontaine 2000.

Analoge LaserVision Platten wurden produziert mit 200 mm und 300 mm Durchmesser, meistens doppelseitig. Für die digitalen optischen Träger gilt für alle Typen ein Durchmesser von 120 mm, ausgenommen einige wenige CD und BD mit 80 mm Durchmesser.