Compact Disc

Achtergrond

Sinds de uitvinding van de fonograaf in 1876 is muziek een populaire bron van home-entertainment geweest. De laatste jaren is de compact disc het favoriete afspeelmedium voor opgenomen muziek geworden.

Een compact disc, of cd, is een optisch opslagmedium waarop digitale gegevens zijn vastgelegd. De digitale gegevens kunnen de vorm hebben van audio-, video- of computerinformatie. Wanneer de cd wordt afgespeeld, wordt de informatie gelezen of gedetecteerd door een sterk gerichte lichtbron, een laser genaamd (vandaar de naam optisch medium). Dit artikel gaat over audio-cd's, die worden gebruikt om opgenomen muziek af te spelen.

De geschiedenis van de compact disc gaat terug tot de ontwikkeling van de elektronische technologie en in het bijzonder de digitale elektronische technologie in de jaren zestig. Hoewel de eerste toepassingen van deze technologie zich niet in het opnamegebied bevonden, vond het steeds meer gebruik in audiocomponenten naarmate de technologie zich ontwikkelde.

In diezelfde periode begonnen veel bedrijven te experimenteren met optische informatieopslag en lasertechnologie. Onder deze bedrijven boekten de elektronische giganten Sony en Philips opmerkelijke vooruitgang op dit gebied.

In de jaren zeventig hadden digitale en optische technologieën een niveau bereikt waarop ze konden worden gecombineerd om één enkel audiosysteem te ontwikkelen. Deze technologieën boden oplossingen voor de drie belangrijkste uitdagingen waarmee de ontwikkelaars van digitale audio worden geconfronteerd.

De eerste uitdaging was het vinden van een geschikte methode voor het opnemen van audiosignalen in digitaal formaat, een proces dat bekend staat als audiocodering. Een praktische methode voor audiocodering is ontwikkeld op basis van de theorieën die in 1948 door C. Shannon zijn gepubliceerd. Deze methode, bekend als pulscodemodulatie (PCM), is een techniek die een geluid samplet gedurende een kort tijdsinterval en het monster omzet in een numerieke waarde die vervolgens wordt gemoduleerd of opgeslagen om later op te halen.

Het opslaan van audiosignalen in digitale vorm vereist een grote hoeveelheid gegevens. Om bijvoorbeeld één seconde muziek op te slaan, zijn één miljoen bits aan gegevens nodig. De volgende uitdaging was dan ook om een ​​geschikt opslagmedium te vinden voor elke significante hoeveelheid geluid. De oplossing voor dit probleem kwam in de vorm van optische schijven. Op een optische schijf kunnen grote hoeveelheden gegevens stevig gecomprimeerd worden opgeslagen. Een miljoen bits aan gegevens op een cd kunnen bijvoorbeeld een gebied innemen dat kleiner is dan een speldenknop. Deze informatie wordt uitgelezen door middel van een laserstraal die in staat is scherp te stellen op een zeer smal gebied zo klein als 1/2500 inch.

De laatste uitdaging van digitale audio was om de dicht opeengepakte informatie op compact discs snel genoeg te verwerken om continue muziek te produceren. De oplossing werd geboden door de ontwikkeling van technologie voor geïntegreerde schakelingen, waarmee miljoenen berekeningen in slechts microseconden kunnen worden verwerkt.

Tegen het einde van de jaren zeventig was een gemeenschappelijke reeks normen voor de optische opslagschijven ontwikkeld door de gezamenlijke inspanningen van Sony en Philips. Een consortium van 35 hardwarefabrikanten stemde ermee in deze standaard in 1981 toe te passen en de eerste compact discs en compact disc-spelers werden in 1982 op de markt geïntroduceerd.

Bij het maken van een compact disc moet eerst een glazen 'disc master' worden gemaakt. Deze master wordt vervolgens gecodeerd met de gewenste informatie en door een reeks elektroformeringsstappen geleid. Bij elektroformeren worden met elektrische stromen metaallagen op de glasmaster afgezet. Wanneer de definitieve masterversie klaar is, wordt de informatie overgebracht op een plastic schijf. Er wordt een reflecterende aluminium laag aangebracht, gevolgd door een heldere acryl beschermlaag en tot slot het label.

Grondstoffen

Een compact disc is een bedrieglijk eenvoudig uitziend apparaat gezien de technologie die nodig is om het te maken. Cd's bestaan ​​uit drie materiaallagen:

• Een basislaag gemaakt van een polycarbonaat kunststof.
• Een dunne laag aluminium coating over het polycarbonaat plastic.
• Een heldere beschermende acrylcoating over de aluminiumlaag.

Sommige fabrikanten gebruiken een zilveren of zelfs gouden laag in plaats van de aluminiumlaag bij de vervaardiging van hun compact discs.

Ontwerp

De compact disc is strikt ontworpen volgens de normen die zijn vastgesteld door Sony en Philips om universele compatibiliteit te behouden. Een cd heeft een diameter van 4,72 inch (120 millimeter) en een dikte van 0,047 inch (1,2 millimeter). Het positioneringsgat in het midden heeft een diameter van 0,59 inch (15 millimeter). Een cd weegt meestal ongeveer 0,53 ounce (15 gram).

Op een standaard-cd kan maximaal 74 minuten aan gegevens worden opgeslagen. De meeste cd's bevatten echter slechts ongeveer 50 minuten muziek, die allemaal op slechts één kant van de cd (de onderkant) is opgenomen. De opgenomen gegevens op de cd hebben de vorm van een continue spiraal die van binnenuit begint en naar buiten beweegt. Deze spiraal of baan bestaat uit een reeks inkepingen die putten worden genoemd, gescheiden door secties die land worden genoemd. Een kleine laserstraal die langs het spoor beweegt, reflecteert het licht terug naar een fotosensor. De sensor ziet meer licht wanneer hij zich op het land bevindt dan wanneer hij zich op een put bevindt, en deze variaties in lichtintensiteit worden omgezet in elektrische signalen die de oorspronkelijk opgenomen muziek vertegenwoordigen.

Het fabricageproces

Compact discs moeten worden vervaardigd onder zeer schone en stofvrije omstandigheden in een "clean room", die vrij wordt gehouden van vrijwel alle stofdeeltjes. De lucht in de kamer wordt speciaal gefilterd om vuil buiten te houden en de bewoners van de kamer moeten speciale kleding dragen. Omdat een gemiddeld stofdeeltje 100 keer groter is dan de gemiddelde put en op een cd terechtkomt, kan zelfs het kleinste stofdeeltje een schijf onbruikbaar maken.

De schijfmaster voorbereiden

• 1 De originele muziek wordt eerst opgenomen op een digitale geluidsband. Vervolgens wordt het audioprogramma overgebracht naar een 3/4-inch (1,9 centimeter) videoband, en vervolgens worden gegevens (subcodes genaamd) die worden gebruikt voor het indexeren en volgen van de muziek toegevoegd aan de audiogegevens op de band. Op dit punt wordt de band een pre-master genoemd.
• 2 De pre-master tape wordt gebruikt om de disc master te maken (ook wel de glass master genoemd), een schijf gemaakt van speciaal geprepareerd glas. Het glas is glad gepolijst en gecoat met een laag lijm en een laag fotoresistmateriaal. De schijf heeft een diameter van ongeveer 9,45 inch (240 millimeter) en een dikte van 0,24 inch (zes millimeter). Nadat de lijm en fotoresist zijn aangebracht, wordt de schijf in een oven uitgehard.
• 3 Vervolgens worden zowel de pre-master tape als de disc master in een complexe lasersnijmachine geplaatst. De machine speelt het audioprogramma af op de premastertape. Terwijl het dit doet, wordt het programma overgebracht naar een apparaat dat een CD-encoder wordt genoemd, dat op zijn beurt een elektrisch signaal genereert. Dit signaal voedt een laserstraal, die groeven in de fotoresistcoating op de glazen schijf (de schijfmaster) blootlegt of "snijdt".
• 4 De vrijgekomen groeven worden vervolgens met chemicaliën weggeëtst; deze geëtste groeven vormen de putjes van het oppervlak van de cd. Een metalen coating, meestal zilver, wordt vervolgens op de schijf aangebracht. De schijfmaster bevat nu de exacte pit-and-land-track die de voltooide cd zal hebben.

Electroforming

• 5 Na het etsen ondergaat de schijfmaster een proces dat elektroforming wordt genoemd, waarbij een andere metaallaag, zoals nikkel, op het oppervlak van de schijf wordt afgezet. De uitdrukking "elektro" wordt gebruikt omdat het metaal wordt afgezet met behulp van een elektrische stroom. De schijf wordt gebaad in een elektrolytische oplossing, zoals nikkelsolfamaat, en terwijl de elektrische stroom wordt toegepast, vormt zich een laag metaal op de schijfmaster. De dikte van deze metaallaag wordt streng gecontroleerd.
• 6 Vervolgens wordt de nieuw aangebrachte metaallaag losgetrokken van de schijfmaster, die opzij wordt gelegd. De metaallaag, of vader, bevat een negatieve indruk van de schijfmastertrack; met andere woorden, het spoor op de metaallaag is een exacte replica, maar dan omgekeerd, van het spoor op de schijfmaster.
• 7 De metalen vader ondergaat vervolgens verdere elektroformering om een ​​of meer moeders te produceren, dit zijn gewoon metalen lagen die opnieuw een positieve indruk hebben van de originele schijfmastertrack. Met behulp van hetzelfde elektroformeringsproces produceert elke moeder vervolgens een zoon (ook wel een stamper genoemd) met een negatieve indruk van het spoor. Het is de zoon die vervolgens wordt gebruikt om de eigenlijke cd te maken.
• 8 Na gescheiden te zijn van de moeder wordt de metalen zoon gespoeld, gedroogd, gepolijst en in een ponsmachine geplaatst die het middengat uitsnijdt en de gewenste buitendiameter vormt.

Replicatie

• 9 De metalen zoon wordt vervolgens in een holle holte - een matrijs - met de juiste schijfvorm in een spuitgietmachine geplaatst. Gesmolten polycarbonaat plastic wordt vervolgens in deze matrijs gegoten om zich rond de metalen zoon te vormen. Eenmaal afgekoeld, heeft het plastic de vorm van de zoon, met de pits en groeven - wederom in een positieve indruk van de originele disc-mastertrack - in één kant gevormd.
• 10 Het middelste gat wordt vervolgens uit een plastic schijf geponst, die transparant is bij Een voltooide compact disc bevat een reeks sporen of inkepingen die 'landen' en 'putten' worden genoemd. Een cd-speler leest deze lagen met een laserstraal en zet de reflectie eerst om in een elektrisch signaal en daarna in muziek. dit stadium. Vervolgens wordt de schijf gescand op gebreken zoals waterbellen, stofdeeltjes en kromtrekkingen. Als er een fout wordt gevonden, moet de schijf worden weggegooid.
• 11 Voldoet de schijf aan de kwaliteitseisen, dan wordt deze voorzien van een uiterst dunne, reflecterende laag aluminium. De coating wordt aangebracht door middel van vacuümdepositie. Bij dit proces wordt aluminium in een vacuümkamer gedaan en verwarmd tot het verdampt, waardoor het gelijkmatig op de plastic schijf kan worden aangebracht.
• 12 Ten slotte wordt een helder acrylplastic op de schijf aangebracht om de onderliggende lagen te beschermen tegen fysieke schade zoals krassen. Nadat het label is afgedrukt, meestal met behulp van een zeefdrukproces, is de compact disc compleet en klaar voor verpakking en verzending.

Kwaliteitscontrole

Een compact disc is een zeer nauwkeurig en nauwkeurig apparaat. De microscopische grootte van de gegevens laat geen fouten in het productieproces toe. De kleinste stofdeeltjes kunnen een schijf onleesbaar maken.

De eerste zorg voor kwaliteitscontrole is ervoor te zorgen dat de cleanroom-omgeving goed wordt bewaakt, met gecontroleerde temperatuur-, vochtigheids- en filtersystemen. Daarnaast zijn controlepunten voor kwaliteitscontrole ingebouwd in het productieproces. Zo wordt de schijfmaster door middel van laserapparatuur gecontroleerd op gladheid en het fotoresistoppervlak op de juiste dikte. In latere stadia van het proces, zoals voor en nadat de aluminiumcoating is aangebracht en nadat de beschermende acrylcoating is aangebracht, wordt de schijf automatisch gecontroleerd op kromtrekken, bellen, stofdeeltjes en coderingsfouten op de spiraalbaan. Deze mechanische controle wordt gecombineerd met menselijke inspectie met gepolariseerd licht, waardoor het menselijk oog defecte kuilen in het spoor kan detecteren.

Naast het controleren van de schijven, moet de apparatuur die wordt gebruikt om ze te vervaardigen, zorgvuldig worden onderhouden. Zo moet de lasersnijmachine zeer stabiel zijn, omdat elke trilling goed snijden onmogelijk maakt. Als er geen strikte kwaliteitscontrole wordt gehandhaafd, kan het afwijzingspercentage van cd's erg hoog zijn.

De Toekomst

De enorme opslagmogelijkheden, de nauwkeurigheid van de gegevens en de relatieve immuniteit tegen slijtage zullen ervoor zorgen dat compact discs een populair medium blijven voor muziek- en videotoepassingen. Het populairste nieuwe product dat de publieke belangstelling wekt, is CD-Interactive of CD-I, een multimediasysteem waarmee gebruikers kunnen communiceren met computers en televisie.

Productietechnieken zullen verder worden gestroomlijnd en verbeterd, waardoor kleinere faciliteiten en minder menselijke tussenkomst in het proces nodig zijn, wat resulteert in lagere CD-afwijzingspercentages. Al in het eerste decennium van de cd-productie zijn de productie- en kwaliteitscontroleprocessen bijna volledig geautomatiseerd.