CD （Compact Disc）

CD は光の、 「波」 の性質を巧みに利用して、 音声データを記録、再生しています。

波の性質という点では、光の波も水面の波も同じです。
水面に広がった２つの波が出会うと、 重なった部分では特徴のある模様が見られます。

これは 「波の干渉」 の結果で、 膨らんだシャボン玉に虹色の模様がつくのも、 チューニングが狂っている２つの楽器の音が 「うわぁ〜ん うわぁ〜ん …」 と唸って聞こえるのも、 いずれも波の干渉によるものです。
干渉は水面の波、 光の波、 音の波を問わず、 よく見られる一般的な現象です。

下図は CD の断面を拡大したものです。
左がピットや反射層、レーベルの印刷層等がある面で、右は透明な樹脂の円盤です。
右からレーザーの光を当ててデータを読みとります。

下部中央にある ボタンをクリックして下さい。 光の 「波」 が現れて、 左に進んでいきます。
上下の２本の 「波」 は、波の山と山、谷と谷とがぴったり揃っています。
これを、位相 (phase) が 「合っている」 とか、「揃っている」 などといいます。

下図左のグレーの長方形は鏡です。
光は鏡で反射されて、 右に戻ります（入射光は灰色で、反射光は赤で表示されます）。

図の左下にある ボタンをクリックすると、 鏡の一部分の反射面が移動します。
入射光の位相が揃っていても、 鏡面の位置が変わると反射光の位相がずれます。
それらが干渉した光 （黄色で表示） は、 振幅にも位相にも影響が現れます。

波の山から山まで、谷から谷までなど、波の位相が等しい二点間の距離を 「波長」 といいます。

下図左は反射光も位相が揃っているので、 これらは干渉すると振幅が大きくなって明るく見えます。
これに対して右は、 一方の鏡面が 1/4 波長だけ手前にあるため、 反射光の位相が 1/2 波長分ずれています。
この場合、 反射光は干渉すると打ち消し合って、 見えなくなってしまいます。

位相が揃っているので、 干渉光は明るい

1/2 波長の位相差があるので、 干渉光はうち消される

上図右は CD プレーヤーのレーザービームの一部がピットに当たった状態、 左はすべてピットのない部分 （ランド） に当たった状態と考えれば、 ピットの有無を反射光の明暗で検出するしくみが理解できるでしょう。

CD は直径 12cm、 厚さ 1.2mm のポリカーボネート樹脂製の円盤です。
下図左は断面図ですが、 円盤の表面には 0.11μm の凹凸があり、 これにデータが記録されています。
これを 「ピット」、 ピットでない部分を 「ランド」 といいます。
ピットの幅は 0.5μm 、長さは 0.83μm 〜 3.56μm で、0.3μm ずつ長さが違うものが９種類あります。
このようなピットの列が 1.6μm の間隔で螺旋状に刻まれています。

その上には同程度の厚みのアルミニウムの膜があります。
これが光を反射させる鏡の役割を果たします。
その上に 20μm ほどの保護層があって、更にその上のコーティング層に CD のタイトルなどが印刷されています。

コンパクトディスク の 断面図	コンパクトディスク の ピット と レーザビーム

CD のデータを読みとるために、波長 780nm の赤外線レーザが使用されています。
ポリカーボネート樹脂の屈折率は 1.55 ですから、 樹脂の中ではレーザ光の波長は 780nm ÷ 1.55 ≒ 500nm になります。
この波長の 1/4 は 125nm ですが、 CD のピットの深さは 110nm （0.11μm） になっています。

ポリカーボネート樹脂中を進んできたレーザ光は、 データの記録面では直径 1.7μm まで絞り込まれています。 レーザ光がピットに当たると、 ランドで反射したレーザ光とは約 1/2 波長の位相差があるため、 反射光は干渉によって暗くなります。

CD のピットはわずか 0.11μm にすぎませんが、 このように、 光の干渉の性質を利用して検出されています。

以下は余談。

μm や nm という長さは私達にはピンときませんが、 すべて 1,000倍にしてみると想像しやすくなります。

1,000 倍すると、 CD は直径 120m、 厚さ 1.2m の巨大な円盤になります。
東京ドームの外野センターまでの長さが 122m だそうですから、 ほぼあのクラスのサイズです。

その表面に幅 0.5mm、 長さ数 0.8mm から 3.6mm の細かいピットがあります。 「シャープペンシルで描いた太さの、 短い線の列」 といった感じでしょうか。 ピットの深さは 0.11mm です。
ピットの列は 1.6mm の間隔で、 螺旋状にぎっしり （東京ドームにいっぱい）、 並んでいます。

このピットの情報を、 厚さ 1.2m もの円盤の上から、 レーザ光の直径をレンズで 1.7mm にまで絞って読みとっています。

もうひとつ余談。

CD の命はピットです。

断面図で分かるとおり、 ピットの上には 0.1μm 程度の厚さのアルミニウムの膜があり、 その上には 20μm 程度の厚さの保護層があって、 その上にレーベルなどが印刷されています。

取り扱うときにはプラスチックの面にキズや埃がつかないように注意していますが、 実はピットは、 こちらの面からは 1.2mm もあるポリカーボネート樹脂で 「保護」 されています。

ところが、レーベル面の保護層はわずか数 10μm しかありません。
レーベル面に硬いものを落としたりすると、 ピットはひとたまりもありません。

試しに、 不要になった CD-ROM などのレーベル面を、 カッターナイフなどで軽く削ってみて下さい。
あっという間に保護層もアルミの反射層もピットも削り取られて、 回復不能のダメージを与えます。

CD のレーベル面は大切に…。

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update: 2007.08.24