Compact Disc

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Hintergrund

Seit der Erfindung des Phonographen im Jahr 1876 ist Musik eine beliebte Quelle der Heimunterhaltung. In den letzten Jahren ist die Compact Disc das Wiedergabemedium der Wahl für aufgezeichnete Musik geworden.

Eine Compact Disc oder CD ist ein optisches Speichermedium, auf dem digitale Daten aufgezeichnet sind. Die digitalen Daten können in Form von Audio-, Video- oder Computerinformationen vorliegen. Beim Abspielen der CD werden die Informationen von einer eng fokussierten Lichtquelle, einem sogenannten Laser (daher der Name optisches Medium), gelesen oder erfasst. Dieser Artikel konzentriert sich auf Audio-CDs, die zum Abspielen aufgezeichneter Musik verwendet werden.

Die Geschichte der Compact Disc lässt sich bis in die Entwicklung der Elektronik und insbesondere der Digitalelektronik in den 1960er Jahren zurückverfolgen. Obwohl die ersten Anwendungen dieser Technologie nicht im Aufnahmebereich lagen, fand sie im Zuge der Entwicklung der Technologie zunehmende Verwendung in Audiokomponenten.

Im gleichen Zeitraum begannen viele Unternehmen, mit optischer Informationsspeicherung und Lasertechnologie zu experimentieren. Unter diesen Unternehmen machten die Elektronikgiganten Sony und Philips bemerkenswerte Fortschritte in diesem Bereich.

In den 1970er Jahren hatten digitale und optische Technologien ein Niveau erreicht, auf dem sie zu einem einzigen Audiosystem kombiniert werden konnten. Diese Technologien lieferten Lösungen für die drei Hauptherausforderungen, mit denen die Entwickler von digitalem Audio konfrontiert waren.

Die erste Herausforderung bestand darin, ein geeignetes Verfahren zur Aufzeichnung von Audiosignalen im digitalen Format zu finden, ein Verfahren, das als Audiocodierung bekannt ist. Eine praktische Methode zur Audiocodierung wurde aus den 1948 von C. Shannon veröffentlichten Theorien entwickelt. Diese Methode, bekannt als Pulscodemodulation (PCM), ist eine Technik, die einen Ton während eines kurzen Zeitintervalls abtastet und den Abtastwert in einen numerischen . umwandelt Wert, der dann moduliert oder für einen späteren Abruf gespeichert wird.

Die Speicherung von Audiosignalen in digitaler Form erfordert eine große Datenmenge. Um beispielsweise eine Sekunde Musik zu speichern, sind eine Million Datenbits erforderlich. Die nächste Herausforderung bestand daher darin, ein geeignetes Speichermedium zu finden, um jede signifikante Menge an Ton aufzunehmen. Die Lösung für dieses Problem kam in Form von optischen Platten. Eine optische Disk kann große Datenmengen eng komprimiert speichern. Beispielsweise können eine Million Datenbits auf einer CD eine Fläche kleiner als ein Stecknadelkopf einnehmen. Diese Informationen werden mit einem Laserstrahl gelesen, der auf einen sehr schmalen Bereich von nur 1/2500 Zoll fokussieren kann.

Die letzte Herausforderung bei digitalem Audio bestand darin, die dicht gepackten Informationen auf CDs schnell genug zu verarbeiten, um fortlaufend Musik zu produzieren. Die Lösung lieferte die Entwicklung integrierter Schaltungstechnik, die die Verarbeitung von Millionen von Berechnungen in nur Mikrosekunden ermöglicht.

In den späten 1970er Jahren wurde durch die gemeinsamen Bemühungen von Sony und Philips ein gemeinsamer Satz von Standards für optische Speicherplatten entwickelt. Ein Konsortium von 35 Hardwareherstellern stimmte der Annahme dieses Standards im Jahr 1981 und den ersten CDs und CD-Playern zu wurden 1982 auf den Markt gebracht.

Zur Herstellung einer CD muss zunächst ein gläserner "Disc-Master" vorbereitet werden. Dieser Master wird dann mit den gewünschten Informationen codiert und durchläuft eine Reihe von Galvanoformschritten. Beim Galvanisieren werden Metallschichten auf dem Glasmaster unter Verwendung von elektrischem Strom abgeschieden. Wenn die endgültige Masterversion fertig ist, werden ihre Informationen auf eine Plastikscheibe übertragen. Eine reflektierende Aluminiumschicht wird aufgetragen, gefolgt von einer klaren Acrylschutzschicht und schließlich das Etikett.

Rohstoffe

Eine CD ist ein täuschend einfach aussehendes Gerät, wenn man die Technologie bedenkt, die zu ihrer Herstellung erforderlich ist. CDs bestehen aus drei Materialschichten:

• Eine Basisschicht aus Polycarbonat-Kunststoff.
• Eine dünne Schicht Aluminiumbeschichtung über dem Polycarbonat-Kunststoff.
• Eine klare schützende Acrylbeschichtung über der Aluminiumschicht.

Einige Hersteller verwenden ein Silber oder sogar Gold Schicht anstelle der Aluminiumschicht bei der Herstellung ihrer CDs.

Design

Die Compact Disc wurde streng nach den von Sony und Philips festgelegten Standards entwickelt, um eine universelle Kompatibilität zu gewährleisten. Eine CD hat einen Durchmesser von 4,72 Zoll (120 Millimeter) und eine Dicke von 0,047 Zoll (1,2 Millimeter). Das Positionierungsloch in der Mitte hat einen Durchmesser von 0,59 Zoll (15 Millimeter). Eine CD wiegt normalerweise etwa 0,53 Unzen (15 Gramm).

Eine Standard-CD kann bis zu 74 Minuten Daten speichern. Die meisten CDs enthalten jedoch nur etwa 50 Minuten Musik, die allesamt nur auf einer Seite der CD (der Unterseite) aufgezeichnet ist. Die aufgezeichneten Daten auf der CD haben die Form einer fortlaufenden Spirale, die von innen nach außen beginnt. Diese Spirale oder Spur besteht aus einer Reihe von Vertiefungen, die als Pits bezeichnet werden und durch Abschnitte, die Lands genannt werden, getrennt sind. Ein winziger Laserstrahl, der sich entlang der Schiene bewegt, reflektiert das Licht zurück zu einem Fotosensor. Der Sensor sieht mehr Licht, wenn er sich auf einem Land befindet, als wenn er sich auf einer Grube befindet, und diese Schwankungen der Lichtintensität werden in elektrische Signale umgewandelt, die die ursprünglich aufgenommene Musik repräsentieren.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Compact Discs müssen unter sehr sauberen und staubfreien Bedingungen in einem "Reinraum" hergestellt werden, der von praktisch allen Staubpartikeln freigehalten wird. Die Raumluft wird speziell gefiltert, um Schmutz fernzuhalten, und die Bewohner des Raumes müssen spezielle Kleidung tragen. Da ein durchschnittlicher Staubpartikel 100-mal größer ist als der durchschnittliche Pit and Land auf einer CD, kann selbst der kleinste Staubpartikel eine Disc unbrauchbar machen.

Vorbereiten des Disc-Masters

• 1 Die Originalmusik wird zuerst auf ein digitales Tonband aufgenommen. Als nächstes wird das Audioprogramm auf ein 3/4-Zoll-Videoband (1,9 cm) übertragen, und dann werden Daten (Subcodes genannt), die zum Indizieren und Verfolgen der Musik verwendet werden, zu den Audiodaten auf dem Band hinzugefügt. An dieser Stelle wird das Band als Pre-Master bezeichnet.
• 2 Das Pre-Master-Band wird verwendet, um den Disc-Master (auch Glasmaster genannt) zu erstellen, bei dem es sich um eine Disc aus speziell präpariertem Glas handelt. Das Glas wird glatt poliert und mit einer Klebstoffschicht und einer Schicht Photoresistmaterial beschichtet. Die Scheibe hat einen Durchmesser von ungefähr 9,45 Zoll (240 Millimeter) und eine Dicke von 0,24 Zoll (sechs Millimeter). Nach dem Auftragen von Klebstoff und Photoresist wird die Scheibe in einem Ofen gehärtet.
• 3 Als nächstes werden sowohl das Pre-Master-Band als auch das Disc-Master in eine komplexe Laserschneidmaschine eingelegt. Das Gerät spielt das Audioprogramm auf dem Pre-Master-Band ab. Dabei wird das Programm an einen sogenannten CD-Encoder übertragen, der wiederum ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses Signal speist einen Laserstrahl, der Rillen in die Photoresistbeschichtung auf der Glasscheibe (dem Disc-Master) freilegt oder "schneidet".
• 4 Die freigelegten Rillen werden dann mit Chemikalien weggeätzt; diese geätzten Rillen bilden die Vertiefungen der CD-Oberfläche. Anschließend wird eine Metallbeschichtung, meist Silber, auf die Scheibe aufgebracht. Der Disc-Master enthält nun genau den Pit-and-Land-Track, den die fertige CD haben wird.

Galvanoformung

• 5 Nach dem Ätzen durchläuft der Disc-Master einen Prozess namens Galvanoforming, bei dem eine weitere Metallschicht, wie z. B. Nickel, auf der Disc-Oberfläche abgeschieden wird. Der Ausdruck "Elektro" wird verwendet, weil das Metall unter Verwendung eines elektrischen Stroms abgeschieden wird. Die Scheibe wird in eine Elektrolytlösung, wie beispielsweise Nickelsolphamat, getaucht, und während der elektrische Strom angelegt wird, bildet sich eine Metallschicht auf dem Scheibenmaster. Die Dicke dieser Metallschicht wird streng kontrolliert.
• 6 Als nächstes wird die neu aufgetragene Metallschicht vom Disc-Master abgezogen, der zur Seite gelegt wird. Die Metallschicht oder der Vater enthält einen negativen Eindruck des Disc-Master-Tracks; mit anderen Worten, die Spur auf der Metallschicht ist eine exakte Kopie der Spur auf dem Disc-Master, jedoch umgekehrt.
• 7 Der Metallvater wird dann einer weiteren Galvanoformung unterzogen, um eine oder mehrere Mütter zu produzieren, die einfach Metallschichten sind, die wiederum einen positiven Eindruck des ursprünglichen Disc-Mastertracks haben. Im gleichen Galvano-Verfahren fertigt jede Mutter dann einen Sohn (auch Stamper genannt) mit einem Negativabdruck der Spur. Es ist der Sohn, der dann verwendet wird, um die eigentliche CD zu erstellen.
• 8 Nach der Trennung von der Mutter wird der Metallsohn gespült, getrocknet, poliert und in eine Stanzmaschine gegeben, die das Mittelloch ausschneidet und den gewünschten Außendurchmesser formt.

Replikation

• 9 Der Metallsohn wird dann in einer Spritzgussmaschine in eine hohle Kavität – eine Matrize – mit der richtigen Scheibenform gebracht. Geschmolzener Polycarbonat-Kunststoff wird dann in diese Matrize gegossen, um den Metallsohn herum zu formen. Nach dem Abkühlen ist der Kunststoff wie der Sohn geformt, wobei die Pits und Grooves – wiederum in positivem Abdruck des Original-Disc-Mastertracks – zu einer Seite geformt sind.
• 10 Das Mittelloch wird dann aus der Kunststoffscheibe gestanzt, die bei . transparent ist Eine fertige CD enthält eine Reihe von Tracks oder Vertiefungen, die als "Lands" und "Pits" bezeichnet werden. Ein CD-Player liest diese Schichten mit einem Laserstrahl aus und wandelt die Reflexion zunächst in ein elektrisches Signal und dann in Musik um. diese Phase. Als nächstes wird die Scheibe auf Fehler wie Wasserblasen, Staubpartikel und Verwerfungen gescannt. Wenn ein Fehler gefunden wird, muss die Disc entsorgt werden.
• 11 Entspricht die Scheibe den Qualitätsansprüchen, I wird sie anschließend mit einer hauchdünnen, reflektierenden Aluminiumschicht überzogen. Die Beschichtung wird durch Vakuumbedampfung aufgebracht. Dabei wird Aluminium in eine Vakuumkammer eingebracht und bis zur Verdampfung erhitzt, wodurch es gleichmäßig auf die Kunststoffscheibe aufgetragen werden kann.
• 12 Schließlich wird ein durchsichtiger Acrylkunststoff auf die Disc aufgetragen, um die darunter liegenden Schichten vor Beschädigungen wie Kratzern zu schützen. Nach dem Drucken des Etiketts, im Allgemeinen unter Verwendung eines Siebdruckverfahrens, ist die CD fertig und bereit für die Verpackung und den Versand.

Qualitätskontrolle

Eine CD ist ein sehr präzises und genaues Gerät. Die mikroskopische Größe der Daten lässt keine Fehler im Herstellungsprozess zu. Die kleinsten Staubpartikel können eine Disc unlesbar machen.

Das erste Anliegen der Qualitätskontrolle besteht darin, sicherzustellen, dass die Reinraumumgebung mit kontrollierten Temperatur-, Feuchtigkeits- und Filtersystemen ordnungsgemäß überwacht wird. Darüber hinaus sind Qualitätskontrollpunkte in den Herstellungsprozess integriert. Der Disc-Master wird beispielsweise auf Glätte und seine Fotolackoberfläche auf die richtige Dicke mit Hilfe von Lasergeräten untersucht. In späteren Prozessschritten, wie vor und nach dem Aufbringen der Aluminiumbeschichtung und nach dem Aufbringen der schützenden Acrylbeschichtung, wird die Scheibe automatisch auf Verwerfungen, Blasen, Staubpartikel und Codierungsfehler auf der Spiralbahn überprüft. Diese mechanische Prüfung wird mit einer menschlichen Inspektion mit polarisiertem Licht kombiniert, die es dem menschlichen Auge ermöglicht, defekte Gruben im Gleis zu erkennen.

Neben der Überprüfung der Discs müssen die zu ihrer Herstellung verwendeten Geräte sorgfältig gewartet werden. Die Laserschneidmaschine muss zum Beispiel sehr stabil sein, da jede Vibration ein einwandfreies Schneiden unmöglich machen würde. Wenn keine strenge Qualitätskontrolle durchgeführt wird, kann die Ausschussrate von CDs sehr hoch sein.

Die Zukunft

Die enormen Speicherkapazitäten, die Genauigkeit der Daten und die relative Unempfindlichkeit gegenüber Abnutzung werden Compact Discs auch weiterhin zu einem beliebten Medium für Musik- und Videoanwendungen machen. Das heißeste neue Produkt, das öffentliches Interesse weckt, ist CD-Interactive oder CD-I, ein Multimediasystem, das Benutzern die Interaktion mit Computern und Fernsehern ermöglicht.

Die Herstellungstechniken werden weiterhin rationalisiert und verbessert, was kleinere Anlagen und weniger menschliche Eingriffe in den Prozess erfordert und zu geringeren CD-Ablehnungsraten führt. Bereits im ersten Jahrzehnt der CD-Herstellung wurden die Herstellungs- und Qualitätskontrollprozesse fast vollständig automatisiert.