CD の制御機構

左は最近あまり見かけなくなった、レコードの表面です。

レコードには目に見える「溝」があって、そこにピックアップの「針」を下ろして、溝をたどりながら記録されている音を再生するのですから、このしくみは納得できます。

ところが CD の表面はつるっつるで、「溝」も「針」もないのに、どうやって「ピット」をたどっていくのでしょうか。

レーザビームがいつでもピット列（トラック）の真上にくるように制御することを、トラッキング（tracking）といいます。

下図は CD のピットとレーザビームを模式的に描いたものです。
さまざまの長さの長円形の部分がピットで、ピットでない部分はランドといいます。

ピンクの円はレーザビームを表しています。
レーザの光は、回折格子を通すと光の回折現象によって幾つものビームに分かれます。
CD では、このうち 3 本のビームを使用しています。
図の中心にある大きいレーザビームは主ビームで、上下の 2 つは回折によって生じた副ビーム（±1 次回折光）です。
この副ビームの反射光の明るさは、図の下部でピンクのグラフとして表されています。

ランドで反射したレーザビームは明るく見えますが、ピットに当たると光の干渉のため暗くなります（CD 参照）。
最初はどちらの副ビームもランド上にあるので、反射光はいちばん明るい状態になっています。

図の下部中央の

ボタンをクリックすると、 CD が回転します。　ピットは上に向かって動きはじめます。

CD の画面の両端部をマウスでクリックすると、その度にピットがその方向に寄っていきます。
ピットが副ビームに触れるようになると反射光は暗くなるので、レーザービームの位置を移動しないといけないことが分かります。
図では副ビームがピットに触れるたびにグラフが短くなって、ビームを移動させるべき方向に矢印が点滅します。
しばらくするとビームはその方向に移動してゆき、副ビームはピットに触れなくなります。
すなわち、主ビームがピットの真上を通るようになります。

このようにして、CD の回転に伴ってビームの位置がずれてきた場合も、あるいは CD が偏心していて一回転毎にピットがゆらゆら揺れる場合でも、レーザービームは常にピット列の真上をたどっていくことになります。

（上図で、ピットやレーザビームが端に寄ってしまった場合、しばらくたてば中央に戻ってきますが、
画面中央部をクリックすれば瞬時に戻すことができます。）

トラッキングによって、たとえ左図のように CD の中心がずれていても、レーザビームがトラックから外れないようにすることができました。

しかし、 CD ではディスクが毎回、必ずしも水平にセットされるとは限りません。
ディスクがほんの少しでも傾いていたら、やはりディスクの１回転ごとにピットと対物レンズとの距離が変化するので、ビームの焦点を常にピットに合わせることができなくなります。
このような場合でも、ビームの焦点が常にピット上に正しく合うようにコントロールすることをフォーカシング（focusing）といいます。

左図は CD の光学系の略図です。

レーザダイオードで作られたレーザ光は、まず回折格子を通ります。
（ここで副ビームが作られます。）
光はビームスプリッタを素通りしてコリメータレンズを通り、平行光線になります。
ここで平行光線にしておくと、 CD の位置の変動に応じて対物レンズを動かすことができるようになります。

CD で反射された光は、ビームスプリッタによって光検出器に導かれます。

ここで円筒形のレンズを通ります。
円筒レンズは「かまぼこ型」のレンズです。
横（画面と平行）方向にはレンズですが、縦（画面に垂直）方向にはただのガラスです。

左図は円筒形レンズ以下の部分を拡大して模式的に描いたものです。

左図左側は横方向の図です。
この方向では円筒形レンズは凸レンズとして働きますから、光は強く曲げられます。

左図右側は縦方向の図で、円筒形レンズはこの方向ではレンズとして作用しません。

ピンクの水平線は、レーザビームが CD のピット上に正しくピントが合っているときの光センサの位置を表しています。
この位置では、上から見ても横から見ても光のビームの幅が同じですから、センサの中心には円形の光が当たります（下の「光検出器」の図参照）。

CD が対物レンズに近づいて焦点が正しくピットに合わなくなったときは、等価的にはセンサの位置が上にあがったのと同じ状態になります。

ボタンをクリックすると、センサが上方に移動します。
位置が高くなると横方向の光の幅は狭くなり、縦方向の光の幅は広くなりますから、センサ上の光は、左図では縦長の楕円になります。

逆にピットが対物レンズから遠ざかってピントが合っていないときは、等価的にはセンサの位置を下にさげたのと同じ状態になります。

ボタンをクリックするとセンサは下がって、センサ上の光は左図では横長の楕円になります。

光センサは図のように４分割されていますから、 A と C、 B と D に当たった光の量を比較することで、ピントが合っているかどうかを知ることができます。もちろんピントを正しく合わせるために、対物レンズをどちらに動かせばいいかもすぐに分かります。

これはカセットテープです。
カセットテープは、テープを一定の速度で動かして録音、再生します。
そのため、写真のようにテープがたくさん巻かれて太い右側のハブはゆっくり、テープがほとんどない左側のハブは速く回転します。

一方レコードは、例えば１分間に 33.3回転や 45回転などの、一定の回転数で回転します。
そのため、外周ではレコードは速く動きますが、内周になると遅くなります。外周と内周では、録音・再生される音の質に差ができます。

カセットテープのように一定の速度で送られるものを CLV （定線速度： Constant Linear Velocity）、レコードのように一定の速度で回転するものを CAV (定角速度： Constant Angular Velocity) といいます。

CD は、 CLV です。

CD のピットの長さは９種類あります。
内周でも外周でも同じものが使われていて、同じ速さ（線速度）で読み出さなくてはなりません。
したがって CD を、内周では速く、外周では遅く回転させなければなりません。
ピックアップの位置に応じて回転速度を変える…。こんなことまでやっているわけです。

外から CD が見えるプレイヤーがあれば、 1 曲目は速く（内周では約 500rpm）、最後の曲になるとゆっくり（外周では約 200rpm）回転していることが簡単に確認できます。