Compact Disc

Achtergrond

Al sinds de uitvinding van de fonograaf in 1876 is muziek een populaire bron van thuisamusement. De laatste jaren is de compact disc het medium bij uitstek geworden voor het afspelen van opgenomen muziek.

Een compact disc, of CD, is een optisch opslagmedium met digitale gegevens erop opgenomen. 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 gefocuste lichtbron, een laser genaamd (vandaar de naam optisch medium). Dit artikel richt zich op audio-cd’s, die worden gebruikt om opgenomen muziek af te spelen.

De geschiedenis van de compact disc kan worden teruggevoerd tot de ontwikkeling van de elektronische technologie en met name de digitale elektronische technologie in de jaren zestig. Hoewel de eerste toepassingen van deze technologie niet op het gebied van de opname waren, werd zij naarmate de technologie zich ontwikkelde steeds meer toegepast in audio-componenten.

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

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

De eerste uitdaging was het vinden van een geschikte methode om audiosignalen in digitaal formaat op te nemen, een proces dat bekend staat als audio-codering. Op basis van de door C. Shannon in 1948 gepubliceerde theorieën werd een praktische methode voor audio-codering ontwikkeld. Deze methode, bekend als pulse code modulation (PCM), is een techniek waarbij een geluid gedurende een kort tijdsinterval wordt bemonsterd en het monster wordt omgezet in een numerieke waarde die vervolgens wordt gemoduleerd of opgeslagen om later te worden opgehaald.

Het opslaan van geluidssignalen in digitale vorm vereist een grote hoeveelheid gegevens. Om bijvoorbeeld één seconde muziek op te slaan zijn een miljoen bits aan gegevens nodig. De volgende uitdaging was dan ook het vinden van een geschikt opslagmedium om een aanzienlijke hoeveelheid geluid op te slaan. De oplossing voor dit probleem kwam in de vorm van optische schijven. Op een optische schijf kunnen grote hoeveelheden gegevens worden opgeslagen die nauw met elkaar zijn gecomprimeerd. Een miljoen bits aan gegevens op een CD kunnen bijvoorbeeld een oppervlak innemen dat kleiner is dan een speldenknop. Deze informatie wordt gelezen met behulp van een laserstraal die in staat is zich te concentreren op een zeer smal gebied, zo klein als 1/2500e van een inch.

De laatste uitdaging van digitale audio was om de dicht opeengepakte informatie op compact discs snel genoeg te verwerken om ononderbroken muziek te produceren. De oplossing werd geboden door de ontwikkeling van geïntegreerde schakelingen, die de verwerking van miljoenen berekeningen in slechts microseconden mogelijk maken.

Aan het eind van de jaren zeventig was door de gezamenlijke inspanningen van Sony en Philips een gemeenschappelijke reeks normen voor de optische opslagschijven ontwikkeld. Een consortium van 35 hardwarefabrikanten stemde er in 1981 mee in deze standaard over te nemen en de eerste compact discs en compact disc-spelers werden in 1982 op de markt gebracht.

Het maken van een compact disc houdt in dat eerst een glazen “disc master” wordt gemaakt. Deze master wordt vervolgens gecodeerd met de gewenste informatie en door een reeks elektrovormingsstappen geleid. Bij het elektrovormen worden metaallagen met behulp van elektrische stroom op de glazen master aangebracht. Wanneer de definitieve master klaar is, wordt de informatie overgebracht op een plastic disc. Een reflecterende aluminiumlaag wordt aangebracht, gevolgd door een doorzichtige acrylbeschermlaag, en tenslotte het label.

Grondstoffen

Een compact disc is een bedrieglijk eenvoudig ogend apparaat, gezien de technologie die nodig is om hem te maken. Cd’s bestaan uit drie lagen materiaal:

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

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

Ontwerp

De compact disc is strikt ontworpen volgens de door Sony en Philips vastgestelde normen, om universele compatibiliteit te behouden. Een CD heeft een doorsnede van 120 millimeter en een dikte van 1,2 millimeter. Het gaatje in het midden heeft een diameter van 15 millimeter (0,59 inch). Een CD weegt gewoonlijk ongeveer 0,53 ons (15 gram).

Op een standaard-CD kan tot 74 minuten aan gegevens worden opgeslagen. De meeste CD’s bevatten echter maar 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 ononderbroken spiraal die van binnen naar buiten loopt. Deze spiraal of baan bestaat uit een reeks inkepingen die putjes worden genoemd, gescheiden door gedeelten die lands worden genoemd. Een kleine laserstraal die langs het spoor beweegt, weerkaatst het licht naar een fotosensor. De sensor ziet meer licht wanneer hij zich op een 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 weergeven.

Het produktieproces

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

Voorbereiding van de disc-master

• 1 De originele muziek wordt eerst opgenomen op een digitale audio-tape. Vervolgens wordt het audioprogramma overgezet op een videoband van 1,9 cm (3/4 inch), waarna gegevens (subcodes genaamd) die worden gebruikt voor het indexeren en volgen van de muziek worden 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 (ook wel de glas-master genoemd) te maken, een disc die van speciaal geprepareerd glas is gemaakt. Het glas wordt glad gepolijst en voorzien van een laag kleefstof en een laag lichtgevoelig materiaal. De schijf heeft een diameter van ongeveer 240 millimeter en is zes millimeter dik. Nadat de lijm en de lichtgevoelige laag 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 op de pre-master tape af. Daarbij wordt het programma overgebracht naar een apparaat dat een CD-encoder wordt genoemd, die op zijn beurt een elektrisch signaal genereert. Dit signaal voedt een laserstraal, die groeven in de fotoresistlaag op de glazen schijf (de CD-master) blootlegt of “snijdt”.
• 4 De blootgelegde groeven worden vervolgens weg geëtst met chemicaliën; deze geëtste groeven vormen de putjes van het oppervlak van de CD. Een metalen coating, meestal zilver, wordt dan op de disc aangebracht. De disc-master bevat nu de exacte pit-en-land sporen die de afgewerkte CD zal hebben.

Elektrovorming

• 5 Na het etsen ondergaat de disc-master een proces dat elektrovorming wordt genoemd, waarbij een andere metaallaag, zoals nikkel, op het oppervlak van de disc wordt aangebracht. De term “electro” wordt gebruikt omdat het metaal wordt afgezet met behulp van een elektrische stroom. De disc wordt ondergedompeld in een elektrolytische oplossing, zoals nikkelsolfamaat, en wanneer de elektrische stroom wordt aangelegd, vormt zich een metaallaagje op de disc-master. De dikte van deze metaallaag wordt streng gecontroleerd.
• 6 Vervolgens wordt de nieuw aangebrachte metaallaag losgetrokken van de disc-master, die terzijde wordt gelegd. De metaallaag, of pater, bevat een negatieve afdruk van het spoor op de disc master; met andere woorden, het spoor op de metaallaag is een exacte replica, maar dan in omgekeerde richting, van het spoor op de disc master.
• 7 De metalen vader ondergaat vervolgens verdere elektrovorming om een of meer moeders te produceren, die eenvoudigweg metalen lagen zijn die weer positieve indrukken bevatten van de oorspronkelijke disc-master track. Met hetzelfde elektrovormingsproces produceert elke moeder vervolgens een zoon (ook wel stamper genoemd) met een negatieve afdruk van de track. Het is deze zoon die dan wordt gebruikt om de eigenlijke CD te maken.
• 8 Na van de moeder te zijn gescheiden, wordt de metalen zoon gespoeld, gedroogd, gepolijst en in een ponsmachine gestopt die het middengat uitsnijdt en de gewenste buitendiameter vormt.

Replicatie

• 9 De metalen zoon wordt vervolgens in een holle holte – een matrijs – van de juiste schijfvorm in een spuitgietmachine geplaatst. Gesmolten polycarbonaatplastic wordt dan in deze matrijs gegoten om zich rond de metalen zoon te vormen. Eenmaal afgekoeld krijgt het plastic de vorm van de zoon, met de putjes en groeven – opnieuw in een positieve afdruk van het originele spoor van de disk-master – aan één kant gevormd.
• 10 Het middelste gat wordt dan uit de plastic schijf geponst, die transparant is bij
  

  Een voltooide compact disc bevat een reeks sporen of inkepingen die “lands” en “pits” worden genoemd. Een CD-speler gebruikt een laserstraal om deze lagen te lezen en de weerkaatsing eerst in een elektrisch signaal en vervolgens in muziek om te zetten.

  deze fase. Vervolgens wordt de disc gescand op gebreken zoals waterbelletjes, stofdeeltjes en krommingen. Als er een foutje wordt gevonden, moet de disc worden weggegooid.

• 11 Voldoet de disk aan de kwaliteitsnormen, dan wordt hij van een uiterst dunne, reflecterende laag aluminium voorzien. De coating wordt aangebracht door middel van vacuümdepositie. Bij dit proces wordt aluminium in een vacuümkamer gebracht en verhit tot het punt van verdamping, waardoor het gelijkmatig op de plastic schijf kan worden aangebracht.
• 12 Ten slotte wordt een doorzichtige acrylkunststof op de schijf aangebracht om de onderliggende lagen te beschermen tegen fysieke schade zoals krassen. Nadat het etiket is gedrukt, meestal met behulp van een zeefdrukprocédé, is de compact disc compleet en klaar voor verpakking en verzending.

Kwaliteitscontrole

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

De eerste zorg bij de kwaliteitscontrole is ervoor te zorgen dat de clean room-omgeving goed wordt bewaakt, met gecontroleerde temperatuur, vochtigheid en filtersystemen. Daarnaast zijn in het fabricageproces controlepunten voor kwaliteitscontrole ingebouwd. Zo wordt met behulp van laserapparatuur gecontroleerd of de master van de disc glad is en of het oppervlak van de fotolak de juiste dikte heeft. In latere stadia van het proces, zoals voor en na het aanbrengen van de aluminiumcoating en na het aanbrengen van de beschermende acrylcoating, wordt de disc automatisch gecontroleerd op kromtrekken, luchtbellen, stofdeeltjes en coderingsfouten op het spiraalvormige spoor. Deze mechanische controle wordt gecombineerd met menselijke inspectie met behulp van gepolariseerd licht, waardoor het menselijk oog defecte putjes in het spoor kan opsporen.

Naast de controle van de schijven moet ook de apparatuur voor de vervaardiging ervan zorgvuldig worden onderhouden. De lasersnijmachine, bijvoorbeeld, moet zeer stabiel zijn, omdat elke trilling een goed snijden onmogelijk zou maken. Als de kwaliteit niet strikt wordt gecontroleerd, kan het afkeurpercentage van CD’s zeer hoog oplopen.

De toekomst

De enorme opslagcapaciteit, de nauwkeurigheid van de gegevens en de relatieve ongevoeligheid voor slijtage zullen compact discs tot een populair medium voor muziek- en videotoepassingen blijven maken. Het populairste nieuwe produkt dat de belangstelling van het publiek wekt, is CD-Interactive of CD-I, een multimediasysteem dat de gebruikers in staat stelt tot interactie met computers en televisie.

De produktietechnieken zullen verder worden gestroomlijnd en verbeterd, waardoor kleinere installaties en minder menselijke tussenkomst in het proces nodig zijn en minder CD’s zullen worden geweigerd. Reeds in het eerste decennium van de CD-produktie zijn de produktie- en kwaliteitscontrole-processen bijna volledig geautomatiseerd geworden.