Hoe werkt een CD-speler ?

1. Inleiding

CD's en DVD's zijn een standaard geworden om grote hoeveelheden informatie op te slaan: muziek, data, computersoftware,...

In deze reeks zullen we zien hoe CD's en CD-spelers werken.

Geschiedenis van de cd speler

De compactdisk verenigt veel technieken in zich, waarmee veel individuen en bedrijven baanbrekend werk hebben verricht. Aan Sony en Philips komt echter de eer toe van de
primaire ontwikkeling. De combinatie van optische registratie technieken van Philips en de foutcorrectietechnieken van Sony resulteerden in het succesvolle compactdisk-systeem.
In 1974 onderzocht Philips als eerste de mogelijkheid om audio-informatie op een optische disk op te slaan. De analoge methoden voor videoregistratie op een beeldplaat bleken
ongeschikt. Daarom werd de mogelijkheid onderzocht om audiosignalen digitaal te coderen. Voor Philips was het verder een vereiste dat er gebruik zou worden gemaakt van een disk met
een kleine diameter. Sony was ondertussen bezig met een optische audiodisk van grote diameter en verrichtte diepgaand onderzoek naar de foutcorrectiemethode om het systeem te
realiseren. Ook andere producenten waren bezig met de ontwikkeling van een digitale audiodisk. Toen Sony en Philips in 1979 besloten te gaan samenwerken resulteerde hun
gezamenlijk product in een wereldstandaard. In oktober 1982 werd het compact disk-systeem in Japan en Europa geïntroduceerd. Sony kwam toen met de CDP-101 op de markt, Philips met de CD100.

De CD-speler globaal bekeken

De compact disc-speler heeft tot taak de gecodeerde informatie van een compact disc te lezen en te reproduceren. Dit karwei omvat meer dan de reproductie van het analoge audiosignaal. Behalve D/A conversie moeten ook nog demodulatie, foutdetectie en -correctie plaatsvinden. Tevens wordt de geavanceerdheid van de speler verhoogd door de laserleeskop die de data kan lezen dank zij de optische volg- en focusseringssystemen. Een compact disc-speler gebruikt een servomotor om de cd te laten draaien en laseroptica om de data te lezen. De bedienings- en display functies zijn de schakel tussen de speler en de gebruiker. Om deze subsystemen te besturen, zijn de spelers voorzien van microprocessors.

Opbouw van een CD

Een CD is in feite een stuk plastiek, ongeveer 1,2 mm dik. De CD wordt geperst via injectie van vloeibaar polycarbonaat plastiek. Gedurende dat persen worden kleine putjes in dat plastiek gemaakt die een lang spiraalvormig spoor vormen. Eens de geperste plastiek afgekoeld is, wordt de oppervlakte met aluminium gemetaliseerd en wordt er een beschermende acryllaag overheen gespoten. Daarna wordt de CD bedrukt en wordt het centrum cirkelvormig uitgeponst.

Een CD heeft een spiraalvormig spoor vol met informatie. Het begin is in het midden, het einde aan de buitenkant van de CD.

De informatie op een CD staat er onder de vorm van putjes (pits) of lands en bultjes of bumps. De afmetingen van deze pits en bumps zijn zodanig klein dat de sporen op een CD zeer dicht bij elkaar kunnen liggen (ter vergelijking: 60 CD-groeven zijn even breed als 1 LP-groef).

De opbouw en werking van de CD-speler

De CD-speler zat de oorspronkelijke informatie die in de bumps en pits zit terughalen.

Bij het lezen van de CD in een CD-speler wordt gebruik gemaakt van een gefocusseerde laserstraal. Als het focuspunt gelijk ligt met het oppervlak van de schijf, dan zal de laserstraal reflecteren op de vlakke plaatsen (waar géén bultje aanwezig is) en verstrooien of breken waar er wél een bultje aanwezig is. De lands op het CD-oppervlak reflecteren dus bijna al het licht terug in de richting van herkomst, terwijl de bumps ervoor zorgen dat het licht voor het grootste gedeelte verstrooid wordt, zodat het met veel lagere intensiteit wordt gereflecteerd naar de bronrichting.

Door nu een halfdoorlatend optisch systeem te gebruiken, is het mogelijk om het gereflecteerde licht via een zogenaamde fotodiode op te vangen. de uitgang van deze diode stelt dan het gecodeerde digitale signaal voor dat verder kan verwerkt worden tot een analoog audiosignaal in het geval van een audio-CD.

Onderstaande tekening toont het leesmechanisme van een CD-speler:

De bundelingshoek van het op de CD invallend licht is redelijk groot én de beschermingslaag van het CD-oppervlak werkt tevens focusserend. Dit zorgt ervoor dat het laserlicht op het informatiedragend oppervlak slechts een doormeter van 0,9 µm heeft, terwijl het bij het begin van de beschermlaag nog een doormeter van ongeveer 1 mm bezit. Vandaar dat de CD weinig hinder ondervindt van stofdeeltjes of andere vervuiling die zich op het schijfoppervlak kunnen bevinden (tenzij deze vervuilingen ook 1 mm doormeter hebben !). Samen met een effectieve foutcorrectie, zorgt dit voor een redelijk grote immuniteit van de CD tegen stof, vingerafdrukken e.d.

Zoals reeds gezegd, is er op de CD slechts één spoor dat spiraalvormig verloopt (van het centrum naar de buitenzijde). het gedeelte van het spoor dat juist één omwenteling bevat, noemt echter een "track".
Aangezien de afstand tussen naastliggende tracks slechts 1,6 µm bedraagt, zal er een mechanisme moeten ingebouwd worden om de gefocusseerde laserstraal centraal op de tracks te richten. Hiervoor bestaan verschillende principes waar we hier niet dieper op in gaan.

Het optisch blok

De laser

De data wordt van de compact disc teruggelezen door het optisch blok (opnemer) die over het oppervlak van de draaiende disc beweegt. Een disc kan twee miljard putjes bevatten die nauwkeurig volgens een spiraalvormig spoor zijn gerangschikt. De opnemer moet op het dataspoor worden gefocusseerd, dit volgen en de gegevens lezen. Het lenzenstelsel, de laser en de opnemer moeten klein genoeg zijn om parallel aan de disc te kunnen bewegen. In afbeelding is de werking van het optisch blok weergegeven. Een conventionele gaslaser is te groot voor een opnemer. Een cd leeskop werkt met een halfgeleiderlaser met een optisch uitgangsvermogen van ongeveer 5 mW en die een coherente bundel uitstraalt met een golflengte van 790 nm. Het vermogen van halfgeleiders om licht uit te zenden, wordt reeds jaren toegepast; denk hierbij aan LED's (Light Emitting Diodes). Laserlicht wijkt echter aanzienlijk af van gewoon licht, omdat het licht van één golflengte met gelijke fase is (coherent). De laserbundel is afkomstig van de laserdiode. Naast de laserdiode wordt een fotodiode (de monitordiode) geplaatst waarvan de uitgangsstroom wordt gebruikt om het laservermogen te regelen. Indien de uitgangsstroom van de monitordiode laag is ten opzichte van een referentiestroom wordt de stroom naar de stuurtransistoren van de laser versterkt, zodat het laservermogen wordt verhoogd. Zo geldt ook dat bij een te hoge monitor-diode uitgangsstroom de stroomtoevoer naar de laser wordt verkleind.

De halfdoorlatende spiegel

De halfdoorlatende spiegel is een speciale spiegel, en de werking wordt in de figuur duidelijk. Als het laserlicht rechts op de spiegel valt, dan wordt het omhoog gekaatst. Als het licht wordt gereflecteerd door de cd, dan valt het licht recht door de spiegel, op de fotodiodes.

Autofocus

Om een duidelijk onderscheid te kunnen maken tussen het reflecterende licht van vlakjes en putjes moet het systeem afgaan op de interferentie die wordt veroorzaakt door de diepte van de putjes (110 nm). De focussering van de bundel op het disc-oppervlak is dus erg kritisch. Een onjuiste focussering leidt ertoe dat de data onnauwkeurig wordt gelezen. De laser moet binnen een tolerantie van ongeveer 0,5 μm worden gefocusseerd. Natuurlijk vertoont zelfs de vlakste disc afwijkingen. Nauwkeuriger uitgedrukt, disc specificaties vermelden een tolerantie van ±0,5 mm. Daarom moet het objectief de focussering kunnen aanpassen wanneer de disc ronddraait. Dit komt tot stand door een servo gestuurd autofocussysteem dat gebruikt maakt van de vierkwadranten-fotodiode, besturingselektronica en een servomotor om het objectief te kunnen verplaatsen.

In bepaalde cd-spelers wordt astigmatisme, het creëren van vervormde beelden, benut om de autofocus te realiseren. De cilindrische lens die voor de fotodiode is geplaatst, vervult de essentiële functie die nodig is om een out-of-focus-conditie te detecteren. Wanneer de afstand tussen het objectief en het reflecterende oppervlak van de disc verandert, verandert ook de brandpuntinstelling van het systeem en het beeld dat door de cilindrische lens wordt geprojecteerd verandert van vorm. De beeldverandering op de fotodiode genereert het focuscorrectiesignaal. Wanneer het discoppervlak zich in het brandpunt van het objectief bevindt, wordt er op de fotodiodes een cirkelvormige vlek geprojecteerd. De spanningen die
van de diodes A t/m D afkomen zijn dus alle gelijk. Wanneer de disc zich naar de lens beweegt, komt het brandpunt van het objectief achter de disk te liggen. Op de fotodiodes ontstaat nu een elliptische lichtvlek. De spanningen van de diodes A en C zijn nu groter dan die van B en D, zodat het objectief zich van de disc af beweegt, en het brandpunt zich weer op de disc bevindt. Dit geldt ook wanneer de afstand tussen de disc en het objectief groter wordt en het brandpunt voor de disc komt te liggen. Alleen dan ontstaat er een lichtvlek die 90 graden verdraaid is ten opzichte van eerstgenoemde.

 

Auto-tracking (Automatische spoorvolging)

Bij het aftasten van een compact disc rijst een interessant technisch probleem: hoe moet het spiraalvormige spoor worden gevolgd? De opnemer wordt immers niet op mechanische wijze (zoals bij een grammofoonplaat) bestuurd. Het antwoord op de vraag is: met behulp van het auto-tracking-systeem. De sporen op een cd hebben een onderlinge afstand van 1,6 μm; een niet juist gecentreerde disc kan een spoorexcentriciteit van wel 300 nm vertonen, trillingen stellen de trackingnauwkeurigheid van ±0,1 μm erg op de proef. Allemaal redenen om de spoorvolging (tracking) met behulp van de laserstraal te verzorgen, het is onmogelijk om dit op mechanische wijze te doen. In cd-spelers worden twee soorten autotracking systemen
toegepast:

Het één-bundelsysteem dat voor de tracking gebruik maakt van de bundel die ook voor het aftasten van de data en voor de autofocus wordt gebruikt. Dit systeem wordt onder andere gebruikt door Philips.
Het drie-bundelsysteem dat gebruik maakt van secundaire bundels die uitsluitend voor de tracking zijn bestemd. Dit systeem wordt onder andere gebruikt door Sony en Pioneer.

Beide systemen bereiken hetzelfde doel met gelijksoortige schakelingen. In een opnemer met drie bundels wordt de hoofdbundel door een diffractierooster gesplitst, zodat een serie secundaire bundels met afnemende intensiteit wordt gecreëerd. De twee eerste-ordebundels worden samen met de hoofdbundel op het disc-oppervlak gericht. De hoofdbundel valt op het putjesspoor, terwijl de twee eerste-ordebundels boven en onder aan weerszijde van de hoofdbundel worden gericht.
Bij het spoorvolgen wordt een gedeelte van iedere volgbundel op een putje gefocusseerd; het andere gedeelte bedekt het weerspiegelde vlak tussen de putjes. De hoofdbundel raakt de vierkwadranten-fotodiode en de twee volgbundels raken fotodiodes die daarnaast zijn opgesteld. Terwijl de drie bundels zich over het putjesspoor bewegen, varieert de hoeveelheid licht die door de volgbundels wordt gereflecteerd. Wanneer één van de bundels een groter gedeelte van een putje raakt, leidt dit tot een lagere gereflecteerde lichtintensiteit en wanneer de andere bundel een kleiner gedeelte van een putje raakt, resulteert dit in een hogere gereflecteerde intensiteit. Met behulp van de spanningen die door de twee fotodiodes worden gegenereerd,wordt in een elektronische schakeling het tracking-correctiesignaal samengesteld.

Een auto-tracking-systeem met één bundel volgt een gelijksoortige gesloten lus om de opnemer in het spoor te houden. In plaats van de twee secundaire bundels en de ondersteunende fotodioden worden de hoofdbundel en de vierkwadranten-fotodiode gebruikt. Wanneer de bundel van het spoor afwijkt en dus meer vlakjes belicht, neemt de gemiddelde intensiteit van het licht dat de fotodiode ontvangt toe. De auto-tracking-schakeling detecteert de volgfout, maar kan in eerste instantie de richting van de afwijking niet bepalen. Daarom wordt het objectief bij wijze van proef een bepaalde richting uit bewogen. Afhankelijk van het resultaat wordt de beweging beeïndigd of de richting ervan omgedraaid. Een verdere verlaging van de gemiddelde intensiteit betekent dat de beweging in de verkeerde richting plaatsvond, zodat het objectief naar de andere kant moet worden bewogen. Het spoorvolgen vindt op deze wijze dus met voortdurend vallen en opstaan plaats.
 
Bron: Stereo House (Frans Van Eeckhout)