CD （Compact Disc）

CD は、光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。


CD の原理を理解するために、まず、波について復習してみましょう。

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できます。 「波の干渉」 といい、大きく膨らんだシャボン玉にうっすらと虹色の模様がつくのも、光の干渉の例です。

チューニングがよくできていない２つの楽器で同じ音 (のつもり) を出すと、 「うわぁ〜ん うわぁ〜ん …」 という唸りがおこることがあります。 これも２つの音の波の干渉によるもので、干渉は水面の波、光の波、音の波を問わず、 「波」 について、よく見られる一般的な現象です。

下図の下部中央にある

ボタンをクリックして下さい。

次に、図の左下にある矢印ボタンをクリックしてみて下さい。 (矢印が灰色で表示されているときは、その方向には動きません。)

上下２つの光の 「波」 のうち、下の光が反射する鏡の位置が左右に移動します。

入射光の位相が揃っていても、鏡の位置が変わることによって、反射光の位相が変化することに注意して下さい。

鏡の位置は、光の波長の 1/4 の範囲で調整できます。 右方向いっぱいに動かすと、光の波長の 1/4 だけ、鏡が右に移動したことになります。

位相が揃っているので、反射光は明るい

1/2 波長の位相差があるので、反射光はうち消される

波の山から山まで、谷から谷までなど、波が ある状態から元の状態に戻るまでの長さを 「波長」 といいます。

上図で、左の図は反射光も位相が揃っていますが、 右図では、下の光は 1/4 波長だけ手前に鏡があるため、上の光に比べて、1/2 波長分位相がずれています。 上の光の山は下の光では谷に、上の谷は下では山となっていますので、 この２つの反射光の波は、干渉すると打ち消し合って、見えなくなってしまいます。

上図、左の図の状態だと、強い反射光が観測できますが、右の図の場合は、干渉によって反射光は無くなります。

CD の構造を見てみましょう。

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。左図は断面図ですが、 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。
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。これは光を反射させる鏡の役割を果たします。
更にその上に 20μm ほどの保護層があって、その上に CD のタイトルなどが印刷されています。

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。

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、ポリカーボネート樹脂の中では、このレーザ光の波長は 780nm ÷ 1.55 ≒ 500nm になります。
この波長の 1/4 は 125nm ですが、CD ではピットの深さは 110nm (0.11μm) になっています。
ポリカーボネート樹脂を通って進んできたレーザは、データの記録面に達すると、直径 1.7μm に絞り込まれています。 ランド部に当たったレーザ光は反射して戻ってきますが、ピットに当たったときは、 ピットから反射したレーザ光と、ランドから反射したレーザ光には約 1/2 波長の位相差があるため、 干渉によって暗くなってしまいます。

CD では、このようにして、ピットの検出が行われています。

CD のデータの記録についての説明はこれでおしまいですが、μm や nm という長さの単位はピンときませんから、 すべて 1,000倍にして考えると、分かりやすくなります。

CD は直径 120m、厚さ 1.2m の巨大な円盤になります。
その表面に幅 0.5mm、長さ数 mm の細かいピットがあります。 「シャープペンシルで描いた短い線」 といったところでしょうか。 ピットの深さは 0.11mm、ピットの列は 1.6mm の間隔で並んでいます。

この小さいピットの情報を、1.2m もの厚さの円盤を通して、 レーザ光をレンズで直径 1.7mm まで絞って、読みとろうとしているのです。

もうひとつ余談。

CD の情報はピットにあります。
コンパクトディスク の 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。

ふつう、レーベルとは反対側の、プラスチックの面に埃やキズがつかないように注意して扱いますが、 こちらの面からは、ピットは 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、レーベル面からは、わずか数10μm の保護層しかありません。 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削り取られてしまいます。

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2001.03.28