Die Physik der Audio-CD

1. Die Physik der Audio-CD Vortrag von Markus Farbmacher in Didaktik der Physik SS2006

2. Inhalt • 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

3. Technische Daten der CD • 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.

4. Der Aufbau einer CD • 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.

5. Allgemeine Funktionsweise • Die Daten liegen in einer von innen nach außen verlaufenden spiralförmigen Spur. • Die Daten befinden sich in Form von Pits (Vertiefung) und Lands (Bereich zwischen den Pits) in dieser Spur. • Wird Licht in so einer Vertiefung reflektiert, interferiert es teilweise destruktiv mit Licht, dass an der Oberfläche reflektiert wird. • Die Länge dieser Vertiefungen und die Bereiche dazwischen übertragen so einen binären Code, mit dem man die Ursprüngliche Information wiederherstellen kann.

6. Die Lichtquelle • 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.

7. Die Linse • 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 denStrahl 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 derStrahl auf einen Durchmesser von 1.05μm fokussiert.

8. Folgen • 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.

9. Die Informationsschicht • 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.

10. Der Detektor • 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.

11. Der Detektor - Astigmatismus • 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-Unterseitekorrekt bildet die Zylinderlinse einen Kreis auf den4-Felddetektor ab. • Ist der Abstand zu groß oder zu klein so verändern sich die Durchmesser und es fällt ein ovalförmigerLichtpunkt auf die Oberfläche der Fotodiode. Dadurchfließen verschiedene Ströme in den Feldern, mit derenHilfe man die Fokussierung nachstellen kann.

12. Der Detektor - Hilfsstrahlen • 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.

13. Der Detektor – Aufgabe der Hilfsstrahlen • 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 inRichtung Zwischenfläche bewegt, reflektiert mehr Licht,der auf einen Pit getroffeneweniger. Dadurch kann mandirekt ein Spurregelsignalerzeugen und die Spurführungkorrigieren.

14. Der Detektor - Zusammenfassung • 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.

15. Die Spieldauer einer Audio CD • 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 = = = 20 625 • Die totale Länge an Informationsspur L ergibt sich aus:L = Anzahl der Spuren N ∙ Durchschnittliche Länge = 20 625 ∙ 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 = = 75 min Breite der beschreibbaren Fläche 33∙10-3 m Abstand zwischen den Spuren 1.6∙10-6 m (25+58)∙10-3 m 2 5.38∙103 m 1.2 m/s

16. Drehgeschwindigkeit der CD • 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.

17. Vor und Nachteile dieser Antriebssysteme • 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 dieVor- und Nachteile genau vertauscht.Man erreicht zwar eine optimale Speicherausnutzung, die CD muss aberimmer beschleunigt und abgebremstwerden, was zu Verzögerungen führt.

18. Das Beschreiben einer CD-R (Brennen) • 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.

19. Unterschiedlichen Brennverfahren • Die AbschmelztechnikBei 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. • AgglomerationstechnikDurch Laserbestrahlung vereinigen sich kleine Inseln zu Größeren, was die optischen Eigenschaften verändert.

20. Unterschiedlichen Brennverfahren • LegierungstechnikDie Speicherschicht besteht aus zwei Schichten die sich durch Laserbestrahlung mischen und so ihre optischen Eigenschaften verändern. • BlasentechnikDurch die Energie des Laser entsteht eine Blase, welche wiederum die optischen Eigenschaften ändert.

21. Unterschiedlichen Brennverfahren • OberflächentechnikEine besonders strukturierte Oberfläche wird mit dem Laser erhitzt, das Material schmilzt und erstarrt in flacher Ausbildung. • PhasenwechselverfahrenDurch Erwärmung ändert das Material seinen Festkörperzustand von kristallin zu amorph. Mehr dazu bei der CD-RW.

22. Die CD-RW (Rewritable) • 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-RWmuss natürlich einschwächere Laserverwendet werden.Die Reflexion an einerCD-RW ist im Gegensatzzu herkömmlichen CDsviel geringer. Eine CD-RWkann ca. 1000 mal beschrieben werden. Sie ist aber auch viel empfindlicher auf Kratzer als eine normale CD.

23. Die DVD • 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 halb-durchlässigen Schichten und voll reflektierendenSchichten, ist es möglich zwei Informations-ebenen übereinander anzuordnen.

24. Die DVD – der entscheidende Unterschied • 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 Spurenist bei der DVD nur mehr 740nm!Daraus folgt das auf einer SingelLayer DVD bereits 12 km Daten-Spur enthalten ist. • Auf einer Doubel-Layer Double-Sided DVD sogar 48 km! • Der Spurabstand bei der DVD istalso 2.16 mal kleiner als bei der CD. Die minimale Pitlänge umdie Hälfte kürzer. Das entspricht ca. 4.5 mal mehr Pits, woher kommt der Rest?

25. ENDE • Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit