De beeldplaat, andermaal de diepte in met een technisch verhaal van Lieuwe van der Velde
Al in 1969 ontstond bij Philips het idee voor de ontwikkeling van een beeldplaat. Dit diende een reflecterende grote optische schijf te worden, die met een laser diende te worden afgetast. Dus geen gedoe meer met naalden en meer, zoals bij de draaitafel. De eisen destijds waren onder meer dat de plaat zonder slijtage zeer veel keren kon worden gebruikt. Verder diende de beeldplaat stereogeluid te bevatten en een beeldkwaliteit die geschikt was voor omroep doeleinden. Ga er maar aan staan in 1969! Dat zijn nogal wat eisen.
Voor dit optisch reflecterend systeem werd de volgende naam bedacht: Video Long Play. (VLP dus). Al op 5 september 1972 toonde Philips dit systeem voor het eerst. (afbeelding 1)
De platen waren gemaakt van kunststof, met een hoog reflecterend vermogen. Bij deze optische plaat werd het oppervlak met behulp van een laserstraal afgetast. Een video LP bestond uit een gemetalliseerde en vervolgens van een transparante laag voorziene kunststof plaat. Het zich erop bevindende spoor werd van binnen naar buiten door middel van een lasersysteem afgetast. Dat ‘spoor’ werd gevormd door een aantal microscopisch kleine putjes, de zogenaamde ‘pits’.
Het laserlicht werd dus als het ware door de kleine putjes in intensiteit gemoduleerd. De platen werden gemaakt van het zogenaamde PMMA; een soort kunststof waaraan bepaalde eisen werden gesteld. PMMA plaat is een soort plexiglas met een grote doorzichtigheid. Het is helderder dan gewoon glas.
Op de plaat, die werkte met 1 beeld per omwenteling, konden 54.000 beelden worden opgeslagen. De platen hadden destijds een middellijn van 30 cm. Het afspelen gebeurde met het zogenaamde CAV systeem. CAV stond voor Constant Angular Velocity. Bij optische opslag is constante hoeksnelheid een kwalificatie voor de draaisnelheid van elke schijf die informatie bevat. Het kan ook worden toegepast op de schrijfsnelheid van opneembare schijven.
Het voordeel van dit systeem was, dat stilstaande beelden perfect werden weergegeven. Maar ook versneld en langzaam afspelen behoorde tot de (streepvrije) mogelijkheden. De tegenhanger van dit systeem was CLV. Dit stond voor Constant Line Velocity; beide systemen hadden voor en nadelen.
In 1974 sloot Philips een overeenkomst met het Amerikaanse bedrijf MCA. Onderzoekers van dit bedrijf waren ook bezig met de ontwikkeling van een optisch systeem. Het resultaat was dat de beeldplaat op 15 december 1974 in Atlanta werd geïntroduceerd. De belangstelling en verkoop was enorm. De VLP plaat werd afgetast met een Helium/Neon laser. Dus er is geen sprake van slijtage van de plaat. Afbeelding 2 laat het geheel goed zien.
De informatie op de plaat is onder een microscoop te zien als putjes. Voor 1 omwenteling van de plaat ontstond dus 1 hoogwaardig kleurenbeeld. Voor Nederland betekende dat in die tijd 25 beelden per seconde keer 60 is 1500 omwentelingen per minuut. In Amerika en Japan had je het NTSC systeem met 30 beelden per seconde. Dus dan werd het toerental 1800 omwentelingen per minuut. De onderstaande tabel laat dit allemaal nog een keer zien.
De codering: De VLP heeft dus een enkel spoor bestaande uit putjes. Hierin zit alle informatie voor een kleuren tv programma. Het videosignaal bestaat uit een helderheidsignaal, een kleurensignaal en een synchronisatiesignaal. Daarom wordt een dergelijk signaal video composiet genoemd. Dit signaal werd op een draaggolf gezet (FM modulatie). De op deze manier gemoduleerde draaggolf nam een ruimte in beslag van 3.5 tot en met 8 MHz.
De opname techniek achter de VLP was tamelijk simpel. Je had een FM gemoduleerd videosignaal dat je door een comparator stuurde. Een comparator is een component dat vaak wordt gebruikt om een analoog signaal om te zetten naar digitaal. De comparator heeft de eigenschap om het uitgangssignaal van laag naar hoog te laten gaan. Maar dan moet het ingangsspanning boven een bepaalde vooringestelde spanning komen. Deze referentiespanning kun je met behulp van een variabele spanningsbron instellen. Een comparator heeft dan ook twee ingangen. Een ingang wordt gebruikt voor de signaalbron en de andere ingang is voor de referentiespanning. Een beroemd type in de verband is uiteraard de LM393. Het uitgangssignaal is dus hoog boven een bepaalde waarde; daaronder is de uitgang nul. In het onderstaande afbeelding 3 is dit goed te zien.
Met het uitgangssignaal van de comparator werd het licht van een Argon/Ion laser gemoduleerd. Met dat licht werd de fotolak op een draaiende glasplaat belicht. Afbeelding 4 laat de flinke laser goed zien. Na het ontwikkelen van de fotolak had je een ‘master’ die je kon gebruiken om plastic platen te spuitgieten. Die platen werden vervolgens uitgelezen met een Helium/Neon laser. (afbeelding 2)
De putjes op de plaat konden allerlei lengtes hebben. Eén gemist putje op de plaat betekende een zwarte punt op het televisiescherm.
De laser met plaat
Later kregen de technici bij Philips de opdracht om een ander type videoplaat te maken. Dus een plaat die zonder de tussenkomst van een master direct bruikbaar diende te zijn. Hetzelfde principe dat wij nu bij het branden van een dvd of Blu Ray gebruiken. Ze zochten materialen die je kon uitlezen direct nadat je er met een laser in geschreven had. Bijvoorbeeld door er een gaatje in te branden. Ze noemden dit systeem DRAW; Direct Read After Write. Later is dit optical recording gaan heten. Er werd dus gezocht naar materiaal waarbij je met een zwakke laser een gaatje kon branden. Na veel experimenteren werd op de schijf een laagje Vanadyl Phtalocyanine (VOPc) aangebracht. Dit product werd op een aluminium folie aangebracht.
Met een laser van slechts 5 mW bleek het mogelijk om hier microscopisch kleine gaatjes in te branden. Naar aanleiding hiervan bracht Philips in 1979 de CDR 2400 recorder op de markt. Met dit apparaat kon de consument 700 Mb data, op een plaatje zetten.
Je kon de data schrijven met een snelheid van 2x en uitlezen met een snelheid van 4x, vandaar het ‘2400’ type. Dat snelle schrijven gaf problemen, die buffer underrun genoemd werd. Het EFM encodeer systeem staat niet toe, dat je ergens midden in een logisch blok ophoudt met schrijven. Volgens EFM regels worden de gegevens die moeten worden opgeslagen eerst onderverdeeld in blokken van acht bits (bytes). Elk acht bits blok wordt vertaald in een overeenkomstig veertien bits codewoord. De 14 bits woorden zijn zo gekozen dat binaire enen altijd worden gescheiden door minimaal twee en maximaal tien binaire nullen. Dit heeft te maken met de verandering van een gaatje naar geen gaatje in de schijf. Dit heeft weer te maken met de NRZI -codering.
Zelf een cd maken is niet niks! Hoe het precies zit, staat vast wel op internet. Maar de EMF codering is een bijzonder systeem. Omdat EFM ervoor zorgt dat elke gelezen 1 en een 0, ten minste drie bit klokcycli lang is. Deze eigenschap is erg handig omdat het de eisen die aan de optische pick-up worden gebruikt in het afspeelmechanisme vermindert. Het maximum van tien opeenvolgende nullen zorgt voor het slechtste geval altijd voor een lees herstel in de speler. EFM vereist drie samenvoegbits tussen aangrenzende veertien bits codewoorden. Uiteindelijk zijn er zeventien bits schijfruimte nodig om acht bits aan gegevens op te slaan. Als je een real time audio opname aan het maken was, dan kwam het nogal eens voor dat er even geen data voorhanden was om op de disk te schrijven. Dan was de buffer leeg en dan had je pech, want dan was je plaat mislukt.
Later is dat probleem opgelost door er extra geheugen in te bouwen. Dat werd zelfs een kwaliteitskenmerk want op een gegeven moment ontstond er een commerciële strijd over wie de grootste DRAM had. In het begin verkocht Philips CD recorders aan JVC en aan Ricoh die ze onder hun eigen naam op de markt brachten. Later kwamen daar HP, Dell en Compaq bij om maar eens een paar ‘kleine’ jongens te noemen.
Vanaf de 2000 serie hadden ze ook een rewritable versie. Daarmee kon je dezelfde plaat meerdere malen beschrijven. Philips dacht daarmee een opvolger van de floppy disk gevonden te hebben. En dat klopte. Hoewel de software (Mount Rainier packet writing) toestond dat je een optische disk als floppy kon gebruiken, deed niemand dat.
De harddisk werden vrijwel elk jaar groter wat opslag betrof, dus 700 Mb was zomaar voorbij. Maar de floppy verdween wél uit de PC.
Helaas was VLP geen lang leven beschoren. Door de opkomst van de videorecorder viel het al snel af, want zelf iets opnemen kon toen (nog) niet. Wat wel enorm aansloeg dat was de ontwikkeling, op basis van dit systeem, de cd. De introductie van de Compact Disk in 1982 was een wereldwijd succes. Philips heeft flink verdient aan dit systeem.
Er was een voortdurende strijd met de magnetische recording en uiteindelijk heeft deze techniek glansrijk gewonnen. Er kan dan wel meer dan 25 Gb op een Blu Ray schijf, maar op een harddisk past vele malen meer. Cd ’s en dvd ’s zijn voor opslag van foto ’s of andere gegevens al weer verleden tijd. Elke simpele usb stick is al ver boven de capaciteit van cd of dvd. Maar in de tachtiger jaren lag dit uiteraard anders. Er waren enorm veel debatten over wie het zou winnen; wie de hoogste bit dichtheid kon halen. Opnemen met behulp van een harddisk is gemeengoed geworden en een Terabyte harde schijf is tamelijk normaal.
In onze satelliet ontvanger heb ik een schijf geplaatst van 1 Tb. De opnames zijn in kwaliteit niet van de eigenlijke uitzendingen te onderscheiden. De Blu-ray disk gebruikt een blauwe laser waardoor de bit dichtheid een factor 6 groter werd. De nearfield recording zou hier nog een factor 5 in bit dichtheid aan hebben toegevoegd. Maar deze techniek werd niet verder ontwikkeld. Dit is een type opnemen met een laser die nog meer gefocusseerd is. Dus er past nog meer op een dvd. Maar bij proeven bleek dat dan vervuiling een rol gaat spelen; atomisch kleine afwijkingen in de schijf gaven foutmeldingen.
Verder ontwikkelingen: Het Megadoc en Optimen systeem. Gebaseerd op deze techniek verschenen in 1984 twee systemen voor de opslag van gegevens. Het door Philips ontwikkelde Megadoc systeem was een optische geheugenplaat van 12 inch (30 cm) met een geheugencapaciteit van maar liefst 1 Gbyte per kant. Dat was voor die tijd echt enorm groot. Afbeelding 5 laat de advertentie zien van die tijd.
Het MEGADOC systeem omvatte een loopwerk, beeldschermen, een printer, alsmede massa geheugensystemen die uit maximaal 64 geheugen platen kon bestaan. De capaciteit kon daarmee flink worden opgevoerd. Dit massageheugen had volgens Philips de volgende voordelen: extreem hoge geheugencapaciteit bij geringe afmetingen; snelle en eenvoudige archivering van documenten; constante hoge kwaliteit van de weergegeven informatie; gearchiveerde documenten kunnen zeer snel worden teruggevonden. Naast de hardware, werd uiteraard ook een software pakket aangeboden dat de sturing van het optische massageheugen voor zijn rekening kon nemen.
Het systeem was destijds ongetwijfeld interessant voor banken, verzekeringsmaatschappijen, die er een uitgebreid archief op na hielden. De prijs van een dergelijk systeem was vrij fors. (30.000 dollar). In die tijd hielden wij het nog op cassettebandjes. Het optische loopwerk OPTIMEN van Shugart lag destijds wat toepassing betreft ongeveer in dezelfde sfeer. Dit read only systeem was in 1984 te koop voor de prijs van maar liefst 6000 dollar!
Ook hier werd gebruik gemaakt van een 12 inch geheugenplaat met een capaciteit van 1 Gbyte per kant. In het OPTIMEN loopwerk werd een gallium/aluminium/arsenide laserdiode toegepast. (810 tot 890 nM). Deze produceerde een lichtstraal met een vermogen van 20 mW. Met behulp van een speciale optiek werd die straal gebundeld tot een punt met een doorsnee van ongeveer 1 micro meter. In afbeelding 7 is dit goed te volgen.
Op deze manier werd een geheugendichtheid bereikt van 14.500 bit per inch. Ten opzichte van magnetische banden of schijven bood de OPTIMEN geheugenplaat echter het voordeel. De zoekactie waren supersnel (tenminste voor die tijd….). Bij het schrijven van data op de plaat, focusseerde de schrijfkop (de optiek) het lichtpunt op het gemetalliseerde oppervlak. Het metaal wordt warm en die warmte wordt vervolgens overgedragen op de eronder liggende kunststof laag. Daardoor ontstaat een klein belletje dat op zijn beurt door de laser gelezen werd. (afbeelding 8)
De optische geheugentechniek werd, zoals we weten belangrijk voor de verspreiding van software. Vroeger zat bij vrijwel elk apparaat dat op een pc moest worden aangesloten een cd met bijbehorende drivers. In 1984 lieten Philips en Sony hun gedachten al uitgebreid gaan over het basisformaat van een CD-ROM. Daarbij was het dus de bedoeling om de bekende Compact Disc om te vormen tot een digitale plaat en als ROM te gebruiken. De capaciteit van deze digitale plaat zou dan 550 Mbyte bedragen; het 500- tot 1000-voudige van de capaciteit van een floppy -disk dus! Die ‘CD-ROM’ zou dan kunnen worden afgespeeld op een gemodificeerde Compact Disk speler.
Hierdoor zou een goedkoop massageheugen voor algemeen gebruik worden verkregen.
Maar in 1984 was het nog niet zover. Voor opslag toen waren de floppy disk en de cassetteband zeer bruikbaar. Zeker in de vorm van de bekende tapestreamer, die vrij snel het gewenste kon opzoeken. Een tapestreamer is een back-up apparaat dat al wat vrij lang op de markt is. Deze met tapes of cassettes uitgevoerd apparaat maakte op geplande tijden een back-up van de aangegeven mappen. Deze tapes konden ongeveer 30 jaar bewaard worden en zijn dan nog uit te lezen. Dit is een zeer lange tijd voor een media drager.
Vaak werden deze door het midden en klein bedrijf gebruikt voor back-up. Vaak op even en oneven dagen en werden de tapes mee naar huis genomen om aan de 100 procent veiligheid te kunnen voldoen. In de HP 9825 computer zat ook een soort cassette band, die zeer snel kon zoeken. Ook heb ik voor de Commodore 64 computer een systeem gehad, om software op te slaan op videoband. Dat werkte wel, maar het zoeken om bepaalde software was een langdurig proces.
Conclusie: Inmiddels weten we dat de optische recording de strijd verloren heeft van harddisk en het halfgeleidergeheugen. Er zijn al PC’s waarop je geen optische disc meer kunt afspelen en ook de mechanische harde schijf heeft zijn langste tijd gehad. De nieuwste PC’s hebben een SSD (Solid State Drive) in plaats van een hard disk. Op een tablet kun je al helemaal geen disks meer afspelen en ook een USB stick past er niet in. Want onze gegevens bewaren we tegenwoordig ‘in de cloud’. Wat nog overblijft voor zeer langdurige en veilige opslag van bijvoorbeeld foto ’s is de Blu-ray schijf. Deze schijf wordt gegarandeerd voor ongeveer 100 jaar. Dus voor belangrijke foto’s en documenten is dit de aangewezen opslag methode.
De mechanische harde schijf zal nog wel een tijd blijven, maar zal zeker worden verdrongen door de Solid State schijf. Zo nu en dan maakt ik voor de buren nog wel eens een dvd, maar dit komt steeds minder voor. Een USB stick van 32 Gb is voor een paar euro te koop en hier passen vele, in HD opgenomen programma ’s, op. De optische techniek concentreert zich nu enorm op de glasvezeltechniek.
Met dank aan:
NIEUWE TELECOMMUNICATIEDIENSTEN, DE INFRASTRUCTUUR
Centrale Directie PTT 1988
Philips Optische recording
