CD-Technologie: Funktionsweise von Laser-Pickup, Servo-Systemen und Optik

Lineare Geschwindigkeit der Compact Disc

Die lineare Geschwindigkeit der Compact Disc muss sehr präzise sein. Beim Lesen in der Mitte der Scheibe beträgt die anfängliche Winkelgeschwindigkeit 500 U/min. Wenn sich der Lesekopf (Laserbalken) zum äußeren Rand der Scheibe bewegt, sinkt die Drehzahl auf 200 U/min, da die lineare Geschwindigkeit konstant gehalten wird.

3. Die Pickup-Einheit (Leseeinheit)

Die Leseeinheit (Pickup) benötigt optoelektronische Elemente, um das Licht von der Quelle zu übertragen, zu fokussieren und zu bündeln. Dies ermöglicht die Erkennung der Pits (Vertiefungen) und Lands (Ebenen) sowie die Fehlerkorrektur.

Die Pickup-Einheit besteht aus:

• Diodenlaser (1)
• Objektive (2)
• Detektordiode (3)
• Fokussierungssystem (Linsen)
• Monitor-Photodiode (APC) (5)

Das Servo-System im CD-Player

Ein Servosystem ist eine Regelungsschaltung zur Steuerung einer Bewegung. Ein CD-Player verwendet typischerweise fünf Servosysteme:

1. Sled-Servo: Steuert die horizontale (radiale) Verschiebung des Lesekopfes über die Scheibe.
2. Focus-Servo (Fokus): Steuert die vertikale Verschiebung des Laserstrahls, um den Fokus zu halten.
3. Tracking-Servo (Spurführung): Folgt der Spur und verhindert, dass der Laserstrahl von der Datenspur abweicht.
4. Spindle-Servo (Spindel): Überwacht und steuert die Rotation der Scheibe.
5. TRAY-Servo-Motor: Steuert das Laden und Auswerfen des Disc-Trägers.

3.1. Der Diodenlaser und kohärentes Licht

Die Eigenschaften des Laserlichts sind eine Reihe von Wellen gleicher Frequenz und Phase, genannt kohärentes Licht. Die Intensität des Laserlichts ist viel größer, da die gesamte Energie auf einer bestimmten Frequenz konzentriert wird.

Ein kommerzieller Diodenlaser-Chip verfügt über eine Monitor-Photodiode (oft als APC – Automatic Power Control – bezeichnet), die das emittierte Laserlicht steuert. Dies schützt den Chip vor möglichen Temperaturschwankungen oder Stromspitzen, die ihn zerstören könnten.

3.2. Linsen und Optisches System

Das vom Diodenlaser ausgestrahlte Licht muss durch verschiedene Objektive präzise behandelt werden, um die Oberfläche der Disc zu erkennen und die Reflexionen der Lands und Pits perfekt zu erfassen.

Das reflektierte Signal ist das HF-Signal (Hochfrequenzsignal). Es besteht aus neun sinusförmigen Signalen, deren Amplitude zwischen +/- 1,3 Vpp variiert. Diese neun Signale liegen im Frequenzbereich zwischen 196 kHz und 720 kHz. Das HF-Signal wird von der Photodiode der Pickup-Einheit erfasst.

Das von der CD reflektierte Licht wird durch die Fokussierlinse und die Kollimatorlinse geleitet und über ein Prisma zum Photodetektor umgelenkt. Wenn das Licht von einem Land (Ebene) perfekt reflektiert wird, empfängt die Fotozelle die maximale Lichtintensität.

3.3. Das Drei-Strahl-System

Das Drei-Strahl-System besteht aus einem Beugungsgitter, das drei Strahlen erzeugt: einen Hauptstrahl und zwei Nebenstrahlen. Die Kollimatorlinse reduziert die Divergenz des Strahls. Der Hauptstrahl ist der intensivste und wird zum Lesen der Daten verwendet. Die beiden Nebenstrahlen lesen die Pits der gleichen Spur, vor und hinter dem Hauptstrahl.

3.4. Das Einzelstrahl-System

Das Einzelstrahl-System benötigt kein Beugungsgitter und keine Kollimatorlinse, da es keine drei Strahlen erzeugt. Dieses System verwendet einen einzigen Strahl mit einer Sammellinse und nutzt die Schattenlänge der Pits zur Datenerfassung.

4. Funktionsweise des Compact Disc Players

Die Linsen und Photodioden sammeln das reflektierte Licht und wandeln es in digitale elektrische Signale um. Das Signal wird verstärkt und von einem Modulator in digitale Informationen konvertiert.

Die Entschlüsselung und Fehlerkorrektur erfolgt durch einen Mikroprozessor. Dieser trennt die Audioinformationen von den digitalen Lesedaten und wandelt die Informationen anschließend in ein analoges Signal um. Die beiden Stereokanäle werden abwechselnd aufgezeichnet. Die digitale Verarbeitung trennt die Informationen für jeden einzelnen Kanal, sodass der linke Kanal nicht mit dem rechten vermischt wird.

5. Die Magneto-Optische Disc (MO-Disc)

Die Magneto-Optische Disc (MO-Disc) ist wiederbeschreibbar und weist geringen physischen Verschleiß auf. Sie nutzt die gleiche Struktur wie Festplatten (Spuren und Sektoren), ermöglicht jedoch eine höhere Speicherkapazität durch einen sehr feinen Laserstrahl. Der feine Laserstrahl erhöht die Haltbarkeit der Disc.

Die MO-Disc besteht aus Partikeln, die in eine Richtung ausgerichtet sind. Diese Ausrichtung kann durch ein angelegtes Magnetfeld geändert werden, während die Partikel gleichzeitig durch den Laserstrahl auf etwa 200 °C erhitzt werden.

Beim Schreiben wird die Information (1 oder 0) durch die Kombination von Laserhitze und Magnetfeld gespeichert. Das Lesen erfolgt durch den Laser mit geringerer Intensität. Das Löschen der Partikel erfolgt durch Anlegen eines umgekehrten Magnetfelds, während der Laser die Partikel erhitzt, um die ursprüngliche Ausrichtung wiederherzustellen.