Компакт-диск (CD): история, производственный процесс и будущие тренды

История развития

С дебюта фонографа в 1876 г. музыка пленила домашних слушателей. В последние десятилетия компакт-диск стал предпочтительным носителем для записанной музыки.

Компакт-диск (CD) — оптический носитель, кодирующий цифровые данные — аудио, видео или компьютерную информацию — с помощью сфокусированного лазерного луча. Статья фокусируется на аудио CD.

Корни CD уходят в 1960-е эру цифровой электроники. Хотя ранние применения лежали вне аудио, технология постепенно мигрировала в звукозапись.

В ту же эпоху компании вроде Sony и Philips стали пионерами оптического хранения и лазерных технологий.

К 1970-м цифровые и оптические технологии сошлись для решения трех ключевых задач цифрового аудио.

Первая — жизнеспособный метод оцифровки аудиосигналов — пульс-кодовая модуляция (PCM), основанная на теории Шеннона 1948 г. — был установлен.

Вторая — носитель хранения: оптические диски сжимали большие объемы данных в микроскопические ямки, позволяя миллион бит в секунду поместиться под площадью головки шпильки.

Третья — быстрый поиск данных требовал интегрально-схемной обработки, способной выполнять миллионы операций за микросекунды.

К концу 1970-х Sony и Philips стандартизировали оптическое хранение; в 1981 г. консорциум из 35 производителей принял стандарт, а к 1982 г. первые коммерческие CD и CD-плееры вышли на рынок.

Изготовление компакт-диска начинается с стеклянного «мастер-диска». Мастер кодируют аудио, затем подвергают гальваническому наращиванию. Металлические слои осаждают электрическими токами. Готовый мастер переносят на пластиковый диск, завершают рефлекторным алюминиевым слоем, защитным акрилом и печатной этикеткой.

Сырье

CD состоит из трех слоев: поликарбонатная основа, тонкое алюминиевое (иногда серебряное или золотое) покрытие и прозрачный защитный акриловый слой.

Дизайн

Строгое соблюдение стандартов Sony-Philips обеспечивает универсальную совместимость. CD имеет диаметр 120 мм, толщину 1,2 мм, центральное отверстие 15 мм, вес ~15 г.

Стандартные CD вмещают до 74 минут данных, хотя большинство содержат ~50 минут музыки на одной стороне. Данные закодированы непрерывной спиралью ямок и плоскостей. Лазер считывает эти вариации, преобразуя их в электрические сигналы, воспроизводящие исходное аудио.

Процесс производства

Компакт-диски должны производиться в чистой комнате, свободной от пыли. Даже мельчайшая частица может сделать диск нечитаемым.

Подготовка мастер-диска

1. Оригинальная музыка сначала записывают на цифровую аудиоленту. Затем аудиопрограмму переносят на 3/4-дюймовую (1,9 см) видеоленту, добавляют субкоды для индексации. Результат — пре-мастер лента.
2. Пре-мастер лента используется для создания стеклянного мастера — полированного диска, покрытого адгезивом и фоторезистом. Он измеряет ~240 мм в диаметре и 6 мм толщиной. Диск затем выдерживают в печи.
3. И пре-мастер лента, и стеклянный мастер подают в лазерно-резальный станок. Аудио ленты воспроизводят; CD-энкодер конвертирует его в электрический сигнал, питающий лазер, который экспонирует борозды в фоторезисте.
4. Экспонированные борозды травят, формируя ямки. Металлическое покрытие, обычно серебро, наносят, давая мастер с точной ямко-плоскостной дорожкой.

Гальваническое наращивание (Electroforming)

1. После травления мастер проходит гальваническое наращивание. Металлический слой — обычно никель — осаждают электрическим током в электролитическом растворе. Толщина слоя строго контролируют.
2. Металлический слой затем отделяют, оставляя негативное впечатление дорожки — это «отец» (father).
3. Отца снова подвергают гальваническому наращиванию для производства одной или нескольких «матерей» (mothers) — позитивных копий оригинальной дорожки. Каждая мать затем дает «сына» (son, штампер) с негативным впечатлением. Сына используют для производства финального CD.
4. После отделения от матери сына промывают, сушат, полируют и режут до правильного центрального отверстия и внешнего диаметра.

Репликация

1. Сына помещают в матрицу литейной машины под давлением. Расплавленный поликарбонат литьют вокруг него, формируя пластиковый диск, принимающий позитивное впечатление дорожки.
2. Центральное отверстие выпропавают. Диск сканируют на дефекты — пузыри, пыль, деформации; любой дефект ведет к отбраковке.
3. Если диск проходит инспекцию, тонкий рефлекторный алюминиевый слой вакуумно осаждают на него.
4. Наносят прозрачный акриловый слой, затем печать этикетки — обычно шелкографией. CD готов к упаковке.

Контроль качества

Поскольку ямки с данными микроскопичны, производственный процесс требует экстремальной точности. Контроль качества начинается с контролируемой чистой комнаты и распространяется на каждый производственный этап.

Ключевые контрольные точки включают лазерную инспекцию гладкости стеклянного мастера, толщину фоторезиста и после каждого этапа покрытия для детекции деформаций, пузырей, пыли и ошибок кодирования. Человеческие инспекторы используют поляризованный свет для выявления дефектных ямок.

Оборудование вроде лазерно-резального станка должно оставаться вибрационно-стабильным; иначе точность резки страдает, повышая процент брака.

Будущее

Огромная емкость хранения, точность данных и долговечность компакт-дисков держат их актуальными для музыки и видео. Новые продукты вроде CD-Interactive (CD-I) комбинируют аудио с компьютерной и телевизионной интерактивностью.

Производство все больше автоматизируется, снижая размер объекта, человеческое вмешательство и процент брака. В первом десятилетии производства CD процессы контроля качества стали почти полностью автоматизированными.