光盘

背景

自 1876 年发明留声机以来，音乐一直是家庭娱乐的流行来源。近年来，光盘已成为录制音乐的首选播放媒体。

光盘或 CD 是一种光学存储介质，其上记录了数字数据。数字数据可以是音频、视频或计算机信息的形式。播放 CD 时，信息由称为激光（因此称为光学介质）的紧密聚焦光源读取或检测。本文将重点介绍用于播放录制音乐的音频光盘。

光盘的历史可以追溯到1960年代电子技术特别是数字电子技术的发展。尽管这项技术的最初应用不是在录音领域，但随着技术的发展，它在音频组件中的应用越来越多。

同一时期，许多公司开始尝试光信息存储和激光技术。在这些公司中，电子巨头索尼和飞利浦在这方面取得了显着进展。

到 1970 年代，数字和光学技术已达到可以将它们结合起来开发单个音频系统的水平。这些技术为数字音频开发人员面临的三个主要挑战提供了解决方案。

第一个挑战是找到一种合适的方法来记录数字格式的音频信号，这个过程被称为音频编码。一种实用的音频编码方法是根据 C. Shannon 于 1948 年发表的理论发展起来的。这种方法称为脉冲编码调制 (PCM)，是一种在很短的时间间隔内对声音进行采样并将采样转换为数值的技术。然后调制或存储以供以后检索的值。

以数字形式存储音频信号需要大量数据。例如，存储一秒钟的音乐需要一百万位数据。因此，下一个挑战是找到一种合适的存储介质来容纳任何大量的声音。这个问题的解决方案是以光盘的形式出现的。光盘可以存储大量紧密压缩在一起的数据。例如，一张 CD 上一百万位的数据可以占据比针头还小的区域。该信息是通过激光束读取的，该激光束能够聚焦小至 1/2500 英寸的非常狭窄的区域。

数字音频的最后一个挑战是足够快地处理光盘上密密麻麻的信息以产生连续的音乐。该解决方案是由集成电路技术的发展提供的，该技术允许在几微秒内处理数百万次计算。

到 1970 年代后期，索尼和飞利浦共同努力制定了一套通用的光存储盘标准。 1981 年，一个由 35 家硬件制造商组成的联盟同意采用该标准，并且第一批光盘和光盘播放器 于 1982 年投放市场。

制作光盘首先需要准备一个玻璃“光盘母版”。然后用所需的信息对该母版进行编码，并进行一系列电铸步骤。在电铸中，金属层使用电流沉积在玻璃母盘上。当最终的母版准备好时，其信息被转移到塑料盘上。涂上反射铝层，然后是透明的亚克力保护层，最后是标签。

原材料

考虑到制造它所需的技术，光盘是一种看似简单的设备。 CD由三层材料组成：

由聚碳酸酯塑料制成的基层。
在聚碳酸酯塑料上涂上一层薄薄的铝涂层。
铝层上的透明丙烯酸保护涂层。

一些制造商使用银色甚至金色层而不是铝层在制造他们的光盘。

设计

光盘严格按照索尼和飞利浦制定的标准设计，以保持通用兼容性。 CD 的直径为 4.72 英寸（120 毫米），厚度为 0.047 英寸（1.2 毫米）。中间的定位孔直径为 0.59 英寸（15 毫米）。 CD 通常重约 0.53 盎司（15 克）。

标准 CD 最多可存储 74 分钟的数据。但是，大多数 CD 仅包含大约 50 分钟的音乐，所有这些音乐都只录制在 CD 的一面（底面）上。 CD 上记录的数据采用从内部开始向外移动的连续螺旋形式。这个螺旋或轨道由一系列称为凹坑的凹痕组成，由称为凸台的部分隔开。沿着轨道移动的微小激光束将光线反射回光电传感器。传感器在陆地上比在坑上时能看到更多的光，这些光强度的变化被转换成代表最初录制的音乐的电信号。

制造
过程

光盘必须在“洁净室”中非常干净和无尘的条件下制造，几乎没有所有灰尘颗粒。房间内的空气经过特殊过滤以防止灰尘进入，房间内的人必须穿着特殊的衣服。由于平均灰尘颗粒比 CD 上的平均凹坑和着陆点大 100 倍，因此即使是最小的灰尘颗粒也会使光盘变得无用。

准备光盘母版

1 原始音乐首先被录制到数字录音带上。接下来，音频节目被传输到 3/4 英寸（1.9 厘米）的录像带，然后用于索引和跟踪音乐的数据（称为子代码）被添加到磁带上的音频数据中。此时，磁带称为预母带。
2 预母带将用于创建母盘（也称为玻璃母盘），这是一种由特制玻璃制成的光盘。玻璃被抛光到光滑的表面，并涂上一层粘合剂和一层光刻胶材料。该圆盘的直径约为 9.45 英寸（240 毫米），厚度约为 0.24 英寸（6 毫米）。涂上粘合剂和光刻胶后，光盘在烘箱中固化。
3 接下来，将预制母带和母盘放入复杂的激光切割机中。机器播放预母带上的音频节目。在此过程中，程序被传输到一个称为 CD 编码器的设备，该设备又会产生一个电信号。该信号为激光束提供动力，从而在玻璃盘（原盘）上的光刻胶涂层中曝光或“切割”凹槽。
4 暴露出来的凹槽再用化学药品蚀刻掉；这些蚀刻的凹槽将形成 CD 表面的凹坑。然后在光盘上涂上金属涂层，通常是银。光盘母版现在包含完成的 CD 将具有的准确的坑地轨道。

电铸

5 蚀刻后，母盘会经历一个称为电铸的过程，在该过程中，另一个金属层（例如镍）沉积在磁盘表面上。使用短语“electro”是因为金属是使用电流沉积的。将光盘浸泡在电解液中，如溶剂甲酸镍，当施加电流时，在光盘母盘上形成一层金属。该金属层的厚度受到严格控制。
6 接下来，将新应用的金属层从光盘母版上拉开，将其放在一边。金属层，或父亲，包含对光盘母版轨道的负面印象；换句话说，金属层上的轨道是母盘上轨道的精确复制品，但相反。
7 然后，金属父亲经过进一步的电铸以产生一个或多个母亲，这些母亲只是金属层，再次对原始光盘母版轨道具有正面印象。使用相同的电铸工艺，每个母亲然后产生一个对轨道有负面印象的儿子（也称为压模）。然后使用儿子来创建实际的 CD。
8 与母体分离后，金属子经过冲洗、干燥、抛光并放入冲孔机中，冲出中心孔并形成所需的外径。

复制

9 然后将金属子放入注塑机中适当圆盘形状的空腔（模具）中。然后将熔化的聚碳酸酯塑料倒入该模具中以在金属子周围形成。冷却后，塑料的形状就像儿子一样，凹坑和凹槽 - 再次对原始光盘母版轨道的正面印象 - 形成在一侧。
10 然后用塑料圆盘冲出中心孔，圆盘在完成的光盘包含一系列称为“land”和“pits”的轨道或凹痕。 CD 播放器使用激光束读取这些层，然后将反射先转换为电信号，然后再转换为音乐。这个阶段。接下来，将扫描光盘是否存在水泡、灰尘颗粒和扭曲等缺陷。如果发现缺陷，则必须丢弃光盘。
11 如果光盘符合质量标准，则它会涂上一层极薄的铝反射层。使用真空沉积施加涂层。在这个过程中，铝被放入真空室并加热到蒸发点，使其均匀地涂抹在塑料盘上。
12 最后，在光盘上涂上一层透明的丙烯酸塑料，以帮助保护底层免受物理损坏，例如划痕。标签印刷后，一般采用丝网印刷工艺，光盘就完成了，准备包装和装运。

质量控制

光盘是一种非常精确和准确的设备。数据的微观尺寸不允许在制造过程中出现任何错误。最小的灰尘颗粒会使光盘无法读取。

第一个质量控制问题是确保正确监控洁净室环境，并使用受控的温度、湿度和过滤系统。除此之外，质量控制检查点已内置到制造过程中。例如，通过激光设备检查母盘的光滑度和光刻胶表面的适当厚度。在该过程的后期阶段，例如在沉积铝涂层之前和之后以及在施加保护性丙烯酸涂层之后，会自动检查光盘是否存在翘曲、气泡、灰尘颗粒和螺旋轨道上的编码错误。这种机械检查与使用偏振光的人工检查相结合，使人眼能够发现轨道上的缺陷坑。

除了检查光盘外，还必须仔细维护用于制造光盘的设备。例如，激光切割机必须非常稳定，因为任何振动都会使正确切割变得不可能。如果不保持严格的质量控制，CD 的废品率会非常高。