Die Physik der Audio-CD

Die Physik der Audio-CD
Vortrag von Markus Farbmacher in Didaktik der Physik
SS2006
Inhalt
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Technische Daten der Compact Disk
Der Aufbau einer CD
Allgemeine Funktionsweise
Die Lichtquelle
Die Linse
Die Informationsschicht
Der Detektor
Die Spieldauer einer Audio CD
Drehgeschwindigkeit der CD
Vor und Nachteile dieser Antriebssysteme
Das Beschreiben einer CD-R (Brennen)
Unterschiedlichen Brennverfahren
Die CD-RW (Rewritable)
Die DVD
Technische Daten der CD
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Die Standart CD hat einen
Durchmesser von 12 cm ist 1,2mm
dick und wiegt etwa 18 Gramm.
Der Aufzeichnungsbereich liegt
zwischen 48 mm und 117mm und
teilt sich in Lead-in
(Eingangsbereich), Datenbereich
(50mm – 116mm) und Lead-out
(Ausgangsbereich).
Im Lead-in befindet sich die TOC
(Table of Contents). Das ist das
Inhaltsverzeichnis einer CD, und
beinhaltet Gesamtspieldauer und
Titelanzahl auf der Audio-CD. Das
Lead-out markiert das Ende der
Aufzeichnung.
Der Aufbau einer CD
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Als Trägermaterial dient ein beliebiges durchsichtiges Material mit einem
Lichtbrechungsindex von 1,55. Presswerke verwenden meist Polycarbonat.
Das Trägermaterial macht den größten Teil der Gesamtdicke einer CD aus.
Die Datenspur befindet sich auf einer 0,05 bis 0,1 μm dicken Metallschicht.
Dafür wird in der Regel Aluminium verwendet. Bei manchen CDs kommt auch
Messing zum Einsatz.
Die Metallschicht ist von einer Schutzschicht aus UV-unempfindlichem Lack
bedeckt. Auf die Schutzschicht wird dann das Label gedruckt.
Allgemeine Funktionsweise
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Die Daten liegen in einer von innen nach außen verlaufenden spiralförmigen
Spur.
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Die Daten befinden sich in Form von Pits (Vertiefung) und Lands (Bereich
zwischen den Pits) in dieser Spur.
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Wird Licht in so einer Vertiefung reflektiert, interferiert es teilweise destruktiv
mit Licht, dass an der Oberfläche reflektiert wird.
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Die Länge dieser Vertiefungen und die Bereiche dazwischen übertragen so
einen binären Code, mit dem man die Ursprüngliche Information
wiederherstellen kann.
Die Lichtquelle
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Die Grundidee der CD basiert auf der Interferenz von Licht.
Deshalb ist es unbedingt erforderlich eine monochromatische, kohärente
Lichtquelle zu verwenden.
Nahe liegend ist deshalb die Verwendung eines Halbleiterlasers.
In der Regel ist das ein Aluminium Gallium Arsenide Laser, der das
gewünschte Licht mit einer Wellenlänge von 780nm zur Verfügung stellt.
Die Linse
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Um möglichst viel Information auf der CD speichern zu können, müssen die
einzelnen Spure möglichst schmal sein. Daraus folgt, dass auch der
Laserstrahl möglichst schmal sein muss, um nicht über mehrere Spuren
hinweg reflektiert zu werden.
Man verwendet eine Linse, die den
Strahl mit einem Durchmesser
von 0.73mm auf die Oberfläche
der CD projiziert. Als nächstes
wird die lichtbrechende Eigenschaft
des Trägermaterials ausgenützt.
Durch Brechung an der
Polycarbonatschicht mit einem
Brechungsindex von 1.55 wir der
Strahl auf einen Durchmesser
von 1.05μm fokussiert.
Folgen
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Diese 1.05μm geben jetzt auch den minimalen Abstand zur nächstgelegenen
Spur an, da der fokussierte Strahl ja nur an den Vertiefungen einer Spur
reflektiert werden soll.
Man nimmt aber einen größeren Abstand (1.6μm) als den theoretisch
Kleinstmöglichen. Dafür gibt es zwei Gründe.
1) Es ist nicht immer eine konstante Fokussierung möglich.
2) Der Strahl kann auf seiner Spur leicht „wandern“ (tracking error)
Die Pits sind 0.5μm breit. Das destruktive Interferenz auftreten kann, muss ca.
die Hälfte des Lichts am Pit, und die andere Hälfte daneben reflektiert werden.
Um das zu gewährleisten müssen die Pits eine Mindestlänge von 0.833μm
haben.
In Realität ist das natürlich nicht immer zu 100% gewährleistet. Zur
Übertragung eines Binären Codes jedoch ausreichend gut.
Die Informationsschicht
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Für destruktive Interferenz ist vor allem ein präziser Wegunterschied von
einer halben Wellenlänge der reflektierten Strahlen notwendig.
Da die Wellenlänge im Medium 503μm beträgt (780nm/1.55), müssen die
Strahlen einen Gangunterschied von 250nm haben. Dafür ist eine Pittiefe von
125nm erforderlich.
Wie man sich vorstellen kann ist auch das nicht immer zu gewährleisten. Es
gilt jedoch das gleiche Argument wie vorher. Für die Übertragung eines
digitalen Signals ist keine 100%ige Auslöschung notwendig, es genügt ein
eindeutiges Interferenzmuster.
Der Detektor
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Es gibt mehrere technische Möglichkeiten das einkommende Signal zu
detektieren. (pick up)
Die physikalisch interessanteste und auch am häufigsten verwendete Methode
ist der Drei-Strahl-Laser. Mithilfe dieser Drei-Strahl-Methode kann man zwei
häufig auftretende Fehler detektieren und korrigieren. Diese Fehlerquellen
sind:
1) Der Strahls ist nicht richtig auf der Oberfläche der CD fokussiert
2) Der Strahl liegt nicht genau auf der auszulesenden Spur (Track)
Zur Messung der richtigen Fokussierung macht man sich die Eigenschaft des
Astigmatismus zunutze.
Der Detektor - Astigmatismus
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Bevor der reflektierte Strahl ausgelesen wird, lässt man ihn noch durch eine
Zylinderlinse durchlaufen (vergleiche menschliches Auge,
Astigmatismus – Hornhautkrümmung – Kurzsichtigkeit (Myopie)).
Die Krümmung der Zylinderlinse steht im direkten Verhältnis mit dem
Solldurchmesser des Laserstrahls der auf die Unterseite der CD auftrifft.
Ist der Abstand zwischen Sammellinse und CD-Unterseite
korrekt bildet die Zylinderlinse einen Kreis auf den
4-Felddetektor ab.
Ist der Abstand zu groß oder zu klein so verändern
sich die Durchmesser und es fällt ein ovalförmiger
Lichtpunkt auf die Oberfläche der Fotodiode. Dadurch
fließen verschiedene Ströme in den Feldern, mit deren
Hilfe man die Fokussierung nachstellen kann.
Der Detektor - Hilfsstrahlen
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Um festzustellen ob der Strahl auch genau auf der Spur liegt, verwendet man
jetzt zwei weitere Strahlen (darum Drei-Strahl-Laser).
Diese zwei weiteren Strahlen bekommt man dadurch, dass man den Laser
bevor er auf die CD trifft noch durch ein Beugungsgitter laufen lässt. Der
Strahl 0-ter Ordnung wir für die Fokussierung und Übertragung des Signals
verwendet. Die Nebenstrahlen 1-ter Ordnung werden benutzt um ein
„wandern“ zu detektieren.
Diese Nebenstrahlen werden nachdem sie auf der CD reflektiert wurden auf
zwei Detektoren neben dem 4-Felddetektor fokussiert.
Der Detektor – Aufgabe der
Hilfsstrahlen
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Ist der Hauptstrahl exakt auf die Pitspur ausgerichtet, trifft ein Teil der beiden
Hilfsstrahlen auf die Pitkanten, der andere Teil bedeckt die ebene Fläche
zwischen den einzelnen Spuren. Sobald die drei Strahlen von ihrer Ideallinie
abweichen, ändert sich die Menge des von den Hilfsstrahlen reflektierten
Lichts.
Der Hilfsstrahl, der sich in
Richtung Zwischenfläche
bewegt, reflektiert mehr Licht,
der auf einen Pit getroffene
weniger. Dadurch kann man
direkt ein Spurregelsignal
erzeugen und die Spurführung
korrigieren.
Der Detektor - Zusammenfassung
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So wird schlussendlich das Signal der sechs Photodioden kombiniert um drei
wesentliche Aufgaben zu erfüllen.
1) Die auf der CD gespeicherte Information wird ausgelesen.
2) Der Fokus wird korrekt eingestellt.
3) Die richtige Spurführung ist gewährleistet.
Die Spieldauer einer Audio CD
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Die Informationsspuren sind Spiralenförmig vom Inneren bis zum Äußeren der
CD angeordnet. Der innere Radius der CD ist 25mm, der äußere 58mm.
Das ergibt eine beschreibbare Fläche von 33mm Breite.
Die Anzahl der Spuren N ergibt sich dadurch aus:
N = Breite der beschreibbaren Fläche
Abstand zwischen den Spuren
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=
33∙10-3 m
1.6∙10-6 m
= 20 625
Die totale Länge an Informationsspur L ergibt sich aus:
L = Anzahl der Spuren N ∙ Durchschnittliche Länge =
20 625 ∙ 2 ∙
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(25+58)∙10-3 m
2
= 5.38 km
Der Read-Out Laser läuft mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1.2 m/s
über die CD. Daraus errechnet sich die maximale Spieldauer T zu:
T=
5.38∙103 m
= 75 min
1.2 m/s
Drehgeschwindigkeit der CD
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Man unterscheidet prinzipiell zwischen zwei Möglichkeiten von
Antriebssystemen einer CD:
1) das CAV-Verfahren (constant angular velocity)
2) das CLV-Verfahren (constant linear velocity)
Beim CAV-Verfahren ist die Drehgeschwindigkeit der CD bleibt immer gleich,
die Datenrate ist somit in den verschiedenen Medienbereichen
unterschiedlich. Die CD wird von Innen nach Außen gelesen, bei gleicher
Drehgeschwindigkeit liest der Laser in der äußeren Medienzone mehr Daten
pro Zeiteinheit - die Datenrate steigt.
Beim CLV-Verfahren ist die Datenrate über die gesamte CD hin gleich
bleibend. Erreicht wird dies durch ein ändern der Drehgeschwindigkeit der CD.
Vor und Nachteile dieser
Antriebssysteme
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Um einen möglicherweise unerwünschten Datenüberschuss zu bekommen,
muss beim CAV-Verfahren die Datendichte mit wachsendem Radius
abnehmen.
Der Vorteil des CAV-Verfahren ist, dass durch die gleich bleibende
Winkelgeschwindigkeit die CD nicht beschleunigt oder gebremst werden
muss, was den Zugriff auf weit entfernte Daten beschleunigt.
Der Nachteil liegt darin, dass weiter außen liegende Bereiche weniger Dicht
beschrieben werden können. Dies führt zu einer nicht optimalen Ausnützung
an Speicherplatz.
Beim CLV-Verfahren sind die
Vor- und Nachteile genau vertauscht.
Man erreicht zwar eine optimale
Speicherausnutzung, die CD muss aber
immer beschleunigt und abgebremst
werden, was zu Verzögerungen führt.
Das Beschreiben einer CD-R
(Brennen)
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Der Aufbau der CD-R ist ähnlich dem Aufbau der gepressten CD aus dem
Werk.
Der Unterschied ist, dass die CD-R eine eingeprägte Spur (Pregroove) enthält,
die den Schreiblaser gewissermaßen führt. Diese Spur enthält bereits im
Leerzustand Zeitinformationen (ATIP: AbsoluTime In Pregroove) die die
Rekorderhardware wissen lässt, wo sich der Schreiblaser gerade auf der CD-R
befindet. Diese Angaben benötigt der Rekorder wegen des CLV-Verfahrens.
Es gibt verschiedenste Verfahren um die Information auf die CD zu brennen.
Unterschiedlichen Brennverfahren
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Die Abschmelztechnik
Bei dieser Technik wir ein Substrat mit dem Brenn-Laser auf eine Temperatur
von bis zu 1700°C erhitzt, wobei dieser erwärmte Punkt verdampft und ein
optisch lesbares Loch zurücklässt.
Agglomerationstechnik
Durch Laserbestrahlung vereinigen sich kleine Inseln zu Größeren, was die
optischen Eigenschaften verändert.
Unterschiedlichen Brennverfahren
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Legierungstechnik
Die Speicherschicht besteht aus zwei Schichten die sich durch
Laserbestrahlung mischen und so ihre optischen Eigenschaften verändern.
Blasentechnik
Durch die Energie des Laser entsteht eine Blase, welche wiederum die
optischen Eigenschaften ändert.
Unterschiedlichen Brennverfahren
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Oberflächentechnik
Eine besonders strukturierte Oberfläche wird mit dem Laser erhitzt, das
Material schmilzt und erstarrt in flacher Ausbildung.
Phasenwechselverfahren
Durch Erwärmung ändert das Material seinen Festkörperzustand von kristallin
zu amorph. Mehr dazu bei der CD-RW.
Die CD-RW (Rewritable)
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Beim der CD-RW wird das Phasenwechselverfahren benutzt. Durch erhitzen
auf 600°C und abkühlen ändert das Material, wie erwähnt, seinen
Festkörperzustand von kristallin zu amorph, was die optischen Eigenschaften
ändert, da der Laser auf eine andere Art reflektiert wird.
Um die beschriebene CD-RW zu löschen, erhitzt man die ganze Disc auf
300°C und lässt sie langsam abkühlen. Dadurch wird das ganze Material
wieder kristallin und kann erneut beschrieben werden.
Zum lesen der CD-RW
muss natürlich ein
schwächere Laser
verwendet werden.
Die Reflexion an einer
CD-RW ist im Gegensatz
zu herkömmlichen CDs
viel geringer. Eine CD-RW
kann ca. 1000 mal beschrieben werden. Sie ist aber auch viel empfindlicher
auf Kratzer als eine normale CD.
Die DVD
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Das Prinzip hinter der DVD ist dasselbe wie bei der CD. Wie wir jedoch wissen
hat eine DVD einen viel größeren Speicher.
Einmal hat man bei der DVD folgendes realisiert:
Durch eine spezielle Anordnung von halbdurchlässigen Schichten und voll reflektierenden
Schichten, ist es möglich zwei Informationsebenen übereinander anzuordnen.
Die DVD – der entscheidende
Unterschied
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Bei der DVD hat man aber vor allem eines besser gemacht als bei der CD.
Nämlich die Datenspuren näher zusammen zu bringen.
Der Abstand zu den einzelnen Spuren
ist bei der DVD nur mehr 740nm!
Daraus folgt das auf einer Singel
Layer DVD bereits 12 km DatenSpur enthalten ist.
Auf einer Doubel-Layer DoubleSided DVD sogar 48 km!
Der Spurabstand bei der DVD ist
also 2.16 mal kleiner als bei der
CD. Die minimale Pitlänge um
die Hälfte kürzer. Das entspricht ca. 4.5 mal mehr Pits, woher kommt der
Rest?
ENDE
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Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit