Die Compact Disc – CD

Die Compact Disc – CD
Einleitung:
Schon seit Generationen nutzen Menschen aller Länder ein Speichermedium, um
Musik zu speichern: Die Compact Disk kurz CD.
Die CD hat die Musikwiedergabe revolutioniert.
Der Begriff CD ist seit vielen Jahren alltäglich und doch wissen viele Menschen
nicht wie sie funktioniert.
Geschichtlicher Hintergrund:
Die Geschichte der Compact Disc beginnt im Jahre 1969. Der niederländische
Physiker Klaas Compan entwickelte die erste Idee für die CD. Dies war eine
gepresste Glasplatte, die mit mikroskopisch kleinen Vertiefungen, Hologramme
von Bildern in einer Spur speichern sollte.
Zusammen mit Piet Kramer entwickelte Compaan mit der Firma Philips 1970 den
ersten Prototyp eines Projektionsbildträgers, der dann 1972 mit der Produktion
eines präzisen Lasers gelesen werden konnte.
Daraufhin wollte Philips die Laser- Disc für die Schallaufzeichnung verwenden.
In den folgenden Jahren versuchten Philips, Sony und andere Firmen eine
einheitliche Idealkonstruktion für die CD zu finden.
PolyGram eine Tochterfirma von Philips schlug vor Polykarbonat für die
Herstellung der CD zu verwenden und das die Daten der CD spiralförmig von
innen nach außen gelesen werden sollten.
In Kooperation mit Sony erreichte Philips einen allgemein anerkannten Standard
für die CD, beispielsweise die Dicke der CD welche von diesem Zeitpunkt an
120mm und eine Laufzeit von 74- 75 Minuten hatte.
1981 gelang es schließlich der japanischen Firma Sharp eine Laserabtasteinheit
in Massenproduktion herzustellen.
Im Jahre 1984 wurde dann die zweite Generation von CD Playern geboren, die
eine veränderte Elektronik und auch Portables anboten.
Seither ist die CD ein alltäglicher Gegenstand unserer Gesellschaft geworden.
Digitale Audiosignale:
Die CD der zweiten Generation basieren auf einer neuen Art Schall festzuhalten.
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Und zwar nicht analog, also mit Speichern der Wellen, sondern digital – in Form
von Zahlen. Das hat den Vorteil, dass die Klangqualität wesentlich besser ist, als
bei einer analogen Aufnahme, die viel schneller abnutzt. Eine Zahl nutzt nicht so
schnell ab. Eine verwischte Welle gibt sofort einen falschen Ton, aber eine
verwischte Sieben ist immer noch eine Sieben:
Aber wie kann man denn Musik in Zahlen verwandeln? Dazu braucht man einen
wenn auch kleinen Computer, den sogenannten Analog-Digital-Wandler.
Und alles beginnt wieder mit der Welle:
Der Analog-Digital-Wandler (auch AD-Wandler) tastet nun nach und nach die
Welle ab und merkt sich für jeden Moment eine Zahl, die angibt, wie hoch die
der Wellenberg ist. Die verschiedenen AD-Wandler unterscheiden sich dabei
durch ihre sogenannte Samplingrate, also wie oft pro Sekunde sie abtasten, und
die Samplingpräzision, also wie genau eine Zahl ermittelt wird. Die Welle dort
oben wird folgendermaßen umgewandelt:
Wenn dieser Ton eine Sekunde lang ist, dann hat der AD-Wandler eine
Samplingrate von 10Hertz, also merkt er sich 10 Zahlen in der Sekunde. Und er
hat eine Samplingpräzision von 9, denn er unterscheidet neun verschiedene
Werte.
Diese Zahlen (7, 8, 9, 5, 3,...) kann der AD-Wandler nun an seinen Speicher
weitergeben.
Dieser AD-Wandler ist doppelt so genau, er tastet 20-mal in der Sekunde ab und
unterscheidet 18 Werte. Das bedeutet aber auch, dass sich sein Speicher
doppelt so viele und auch längere Zahlen merken muss.
Noch genauer sieht es so aus:
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Man kann schon sehen, dass der untere AD-Wandler die Welle am besten
nachbilden kann.
Nun kann man sich fragen, wie denn nun diese Zahlen wieder zu Musik werden.
Das geht wieder über einen Computer, den Digital-Analog-Wandler. Der
verwandelt die Zahlen wieder in eine elektrische Welle, die fast so aussieht wie
die ursprüngliche. Dazu muss er natürlich wissen, wie der AD-Wandler sie vorher
übersetzt hat. Er muss also die gleiche Samplingrate und die gleiche
Samplingpräzision haben, sonst kommt nur Müll dabei raus. Die Welle, die der
DA-Wandler "zusammenbaut", sieht dann so aus:
Das sieht sehr zackig aus, aber wenn man ein gutes Gerät verwendet (was CDPlayer heute sind), dann sieht die Welle so gut wie exakt so aus wie vorher.
Bei einem CD-Player hat der DA-Wandler eine Samplingrate von 44100 pro
Sekunde und eine Präzision von 65536 Abstufungen.
Wie geht dann das?
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Nun, erst mal sind es nicht wirklich Zahlen, die auf die CD geschrieben werden,
sondern ein Strichcode aus kleinen Hügeln, der die Zahlen darstellt; und zwar
winzig klein. Er muss so klein sein, denn es müssen ja irre viele Zahlen drauf
passen.
Die einzelnen Spuren sind nur einen halben Mikrometer breit (0,0005 mm) und haben einen
Abstand von 1,6 Mikrometer (0,0016mm) - also wirklich winzig. Damit sie nicht
zerstört werden, ist die CD noch mal mit einer durchsichtigen Plastikschicht
lackiert. Würde man diese Spur ausbreiten, wäre sie übrigens über 8km lang.
Die CD sieht dann von der Seite stark vergrößert so aus:
Die Spuren sind so klein, dass man sie natürlich nicht mit einer Nadel abtasten
kann, sondern man benutzt statt dessen einen feinen Laserstrahl, der über die
CD fährt und je nachdem, wie er dort reflektiert wird, kann die Optik des CDPlayers darauf schließen, ob der Laser gerade über einen Hügel oder ein Tal
gefahren ist.
Und daraus werden dann die Zahlen entschlüsselt, die im DA-Wandler in
elektrische Wellen umgewandelt werden, und von der Stereoanlage über die
Lautsprecher wieder in Musik verwandelt werden.
Die Herstellung der CD:
Die Herstellung einer Compact Disc erfordert einen hohen technologischen
Aufwand.
Die Fertigungstoleranzen für die Herstellung dürfen nicht so hoch seine.
Zum Beispiel hat die Plattendicke einen Toleranzbereich von 0,01 mm und die
Exzentrizität (Abweichung vom Mittelpunkt oder Symmetrie) darf die
MikroMarke nicht überschreiten.
Der erste Schritt zur Fertigung der CD ist die Herstellung einer mit Foto lack
beschichteten Glasplatte, dem Glasmaster.
Diese wird mit einem gesteuerten Laser in einer spiralförmigen Spur belichtet.
Die Belichtung erfolgt mit dem entsprechenden digitalen Audiosignal.
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Im nächsten Schritt werden die belichteten Stellen ausgewaschen, wodurch die
Struktur von Vertiefungen (PITS) entsteht. Mit diesem Glasmaster wird mit
Hilfe des galvanischen Verfahrens (elektrochemisches Abscheiden von
metallischen Überzügen) eine Negativkopie aus Nickel hergestellt Diese wird
auch als Vatermatrize bezeichnet. Um diese Vatermatrize zu schonen werden
positiv strukturierte Zwischenkopien angebracht – die Muttermatrizen.
Aus diesen Muttermatrizen werden jetzt die eigentlichen negativen
Pressmatrizen die Sohnmatrizen hergestellt.
Nun kann die Pressung beginnen, geschmolzener Kunststoff (Polykarbonat) wird
nun in die Form gegossen und zusammengepresst. Nach der Pressung wird die CD
an der Pitseite mit einer sehr dünnen Aluminiumschicht verspiegelt, welche nun
40nm dick ist. Diese Seite der CD wird auch als Informationsebene bezeichnet.
Anschließend wird die andere Seit mit einer 6Mikrometer dünnen Schutzschicht
versehen. Später wird darauf das Etikett zu sehen sein. Deshalb heißt diese
Seite auch Labelseite.
Im letzten Schritt wird das Mittelloch mit einem Durchmesser von 15mm in die
CD gestanzt.
Funktionsweise der CD:
Das Auslesen erfolgt mittels eines entsprechenden CD-Players.
Das Phänomen der Interferenz wird angewendet(Überlagerungserscheinungen beim
Zusammentreffen von Wellen).
Interferenz
Interferenz tritt immer dort auf, wo Wellen im Spiel sind und sich überlagern.
Wenn etwa zwei Wellen mit derselben Wellenlänge aufeinander stoßen, können
zwei Extremfällen eintreten:
1.
Die Wellenberge, der einen Welle überlagern sich mit den Wellenbergen
der anderen, was doppelt so hohe Wellenberge ergibt: 1+1=2.
2.
Oder: Die Wellenberge der einen Wellen stoßen auf die Wellentäler der
anderen, was eine völlige Auslöschung der beiden Wellen zur Folge hat: 1+(−1)=0.
Dazwischen gibt es unendlich viele weitere Möglichkeiten von 0 bis 2. Welcher
Fall eintritt, hängt davon ab, wie die beiden Wellen gegeneinander verschoben
sind.
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Interferenz beim CD-Spieler
Das Auslesen einer CD
Um Daten von einer CD zu lesen, wird nun ausgenutzt, dass es zu auslöschenden
Verschiebungen kommen kann, wenn Laserlicht darauf fällt. Eine CD-ROM
besteht aus einer spiegelnden Aluminiumschicht, in der kleine Vertiefungen
eingelassen sind. Die Vertiefungen sind nur ein Viertel bis ein Sechstel der
Wellenlänge des Lichtes tief, mit der die CD-ROM ausgelesen wird. Im Falle
einer konventionellen CD-ROM wird dabei rotes Laserlicht mit einer Wellenlänge
von 780 Milliardstel Metern (Nanometer) verwendet.
Wenn der Laserstrahl nun komplett auf eine Vertiefung oder eine NichtVertiefung fällt, wird der Strahl unter einem bestimmten Auslesewinkel maximal
reflektiert. Anders sieht das aus, wenn der Laserstrahl auf den Rand einer
Vertiefung scheint. Dann wird ein Teil auf der Erhöhung und einer anderer Teil
auf der Vertiefung reflektiert. Dabei kommt es aufgrund der Höhe der
Vertiefung zu einer teilweise auslöschenden Interferenz, welche die Intensität
des reflektierten Lichts vermindert.
Diese Verminderung in der Intensität kann mit einem Lichtsensor gemessen
werden. Auf diese Weise kann ein CD-Spieler die Kanten auf der Oberfläche
registrieren (zwischen normaler Oberfläche und Vertiefung kann er hingegen
nicht unterscheiden). Werden jetzt die Kanten beispielsweise als „0“
interpretiert und der Rest als „1“, so können dieses Werte nachträglich in Musik,
Videos oder andere Daten umgewandelt werden.
Neben den CD-ROMs kommen noch andere Silberscheiben zum Einsatz: Auf der
einmal beschreibbaren CD-R beispielsweise kann ein Brennlaser eingebrachte
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Farbstoffe aktivieren und somit das Reflexionsverhalten der Oberfläche
verändern. Die Information wird dann darüber ausgelesen
Die Rolle der Transparentschicht: Brechung
Die Transparenzschicht spielt bei der Abtastung der Informationsebene eine
wichtige Rolle.
Die Beschaffenheit der Transparentschicht ist so, dass diese eine gleichmäßigen
Brechungsindex von 1,46 hat.
Diese soll folgenden Effekt haben, Fällt ein Lichtstrahl von einem dünnen
Material, wie Luft in ein dichteres Material wie Kunststoff wird das Licht in
einem bestimmten Faktor gebrochen. Das bedeutet, dass der Laser mit einem
relativ hohen Durchmesser in die CD herein strahlen kann, aber durch die
Brechung zu einem fokussierten Punkt auf der Informationsebene gerichtet
wird.
Mit Hilfe einer Linse wird so fokussiert, dass dieser mit einem Durchmesser von
0,8mm auf die Schicht fällt,
Durch den Brechungsindex erreicht der Laserstrahl einen Durchmesser von nur
noch 1,7Mikrometer. So können die Pits auf der Spur abgetastet werden.
Beim Hineinfallen des Lichts verändert sich auch die Wellenlänge von 780nm auf
ungefähr 500nm.
Durch Beschädigung der Transparentschicht – Kratzer, Staub können diese den
Abtaststrahl beeinflussen.
Das PICK UP System:
Das Pick Up System ist das Herzstück des CD Players. Es macht das Lesen der
CD erst möglich.
Abgetastet werden die Daten mit einem Laser, der unterhalb der CD angebracht
ist und dessen Strahl von der Metallschicht reflektiert wird (vgl. Abbildung 4 ).
Da die Pithöhe
beträgt, erfährt der Laserstrahl eine Phasenverschiebung um.
Daher kommt es zwischen dem von einem Pit reflektierten Strahl und einem von
der Oberfläche reflektierten Strahl zu Interferenzen und gegenseitiger
Auslöschung. Die Datendichte der Pitspur ist am Anfang der Spirale die gleiche
wie am Ende. Daher muss die CD mit konstanter Lineargeschwindigkeit von 1.2 -
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1.4 Meter pro Sekunde rotieren und die Geschwindigkeit der CD von innen nach
außen von 500 auf 200 Umdrehungen pro Minute abnehmen.
Optischer Aufbau von Drei-Strahl-Lasern
Obwohl sich einzelne Aspekte bei den verschiedenen Herstellern deutlich
unterscheiden, funktionieren Dreistrahl-Systeme im Prinzip ähnlich, der
optische Pfad ist untenstehend dargestellt. Die Pick-Ups werden heute meist als
Einheit ohne nachträgliche Justiermöglichkeiten geliefert und bei Defekten als
Baugruppe komplett ersetzt.
Die Laserdiode befindet sich im Brennpunkt einer Kollimatorlinse mit langer
Brennweite, deren Aufgabe es ist, die divergierenden Lichtstrahlen parallel zu
richten. In direkter Nähe der Laserdiode sitzt im Halbleiter auch die
Regeldiode, die die Lichtleistung des Lasers überwacht und so eine konstante
Lichtausbeute trotz thermischer und spannungsbedingter Schwankungen sichert.
Für die Spurkontrolle werden beim Dreistrahl-Laser zwei zusätzliche
Lichtbündel benutzt. Zur Erzeugung dieser Strahlen passiert das Licht ein
Beugungsgitter, einen Schirm mit Schlitzen, nur wenige Laser-Wellenlängen
entfernt, einige Hersteller verwenden auch spezielle Blenden. Beim Passieren
des Gitters wird das Licht teilweise gebeugt und daher aufgespalten.
Wird die so erzeugte Strahlengruppe wieder fokussiert, entsteht in der Mitte
ein heller Hauptstrahl mit einer Reihe von schwächer werdenden Strahlen auf
jeder Seite. Dieses Beugungsmuster trifft auf die Oberfläche der CD. Ein
Dreistrahl-Laser liest die Daten und fokussiert mit dem Hauptstrahl, zwei
Sekundärstrahlen sind nur für die Spurnachführung zuständig.
Der nächste Teil des optischen Systems, der Strahlteiler, lässt den Laserstrahl
zur CD durch und lenkt das reflektierte Licht zum Fotosensor. Er besteht aus
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zwei Prismen mit einer gemeinsamen 45°-Fläche, so dass die Anordnung als
Polarisationsprisma wirkt, in einer ausgezeichneten Richtung linear polarisiertes
Licht passiert das Prisma ungehindert während Licht mit auf der
Vorzugsrichtung senkrecht stehender Polarisation an der Grenzfläche im
Biprisma vollständig reflektiert wird. Einige Anordnungen ersetzen das Nicol
auch durch einen halbdurchlässigen Spiegel, bei dem die Lichtenergie
ausschlaggebend für Transmission oder Reflexion ist.
Das Laserlicht läuft weiter durch den als Parallelrichter wirkenden Kollimator
und ein l/4-Plättchen, einen anisotropen Kristall, der die Polarisationsebene des
Lichts zur Unterstützung der späteren Trennung von einlaufendem und
reflektiertem Strahl um 45° dreht. Schließlich werden die drei Lichtbündel von
der im Zwei-Achsen-Element sitzenden Objektivlinse auf die CD fokussiert.
Das von der CD reflektierte Licht durchläuft erneut nach dem Objektiv das l/4Plättchen und hat somit eine insgesamt um 90° gegen die ursprüngliche Richtung
gedrehte Polarisation. Daher werden alle drei zurücklaufenden Strahlen am
Biprisma durch eine zylindrische Linse in den Fotodetektor reflektiert, dessen
Fotostrom somit der Datenstruktur der CD entspricht. Der Detektor besteht
aus einer Matrix von vier rautenförmig angeordneten quadratischen Fotodioden
(4-Feld-Detektor), aus einer ungleichmäßigen Verteilung der Ausleuchtung des
Detektors gewinnen die Servokreise im CD-Player Informationen zur
Spurnachführung und Fokuskontrolle. Als Datensignal der CD nimmt man die
Summe aller vier Diodenströme, um eine maximale Intensitätsverteilung
auswerten zu können.
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