Płyta CD jest przezroczystym krążkiem o średnicy 12 cm i wadze 14 g, zbudowanym z trzech warstw. Najniżej (od strony lasera oświetlającego płytę) znajduje się uformowana przy pomocy stempla warstwa z przezroczystego tworzywa, najczęściej czystego poliwęglanu (ang. policarbon), która nadaje kształt i sztywność płycie i ma grubość 1,2 mm. Poniżej znajduje się warstwa odbijająca. Warstwa ta wykonana jest najczęściej z aluminium, złota lub srebra. Warstwa aluminium jest tak cienka, że najmniejsze zadrapanie powodowałoby utratę informacji (stąd konieczność stosowania warstwy ochronnej). Warstwa ochronna to powłoka lakierowa o grubości ok. 30 mm. Na tej warstwie producenci płyt mogą umieszczać dowolne nadruki, np. nazwa programu czy logo firmy.

W warstwie poliwęglnowego substratu wytłoczone są zagłębienia nazywane pitami (ang. pit), a pozostałe płaskie obszary nazywane są landami (ang. land).

Na powierzchni poliwęglanowego substratu pity tworzą ciąg układający się w spiralną ścieżkę jak to pokazano na poniższym rysunku.

Początek zapisu znajduje się na wewnętrznej stronie dysku a sam zapis i odczyt podąża w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Całkowita długość ścieżki wynosi ponad 6 km. Pojedynczy dysk CD zawiera w przybliżeniu 2.8 miliarda pitów.

Widziane od strony lasera pity stanowią ciąg wypukłości jak to przedstawiono na rysunku.

Pity mają zawsze tę samą głębokość - 0,12 mm i szerokość - 0,66 mm. Odstęp między pitami oraz długość pitu może się zmieniać w granicach od 0,9 do 3,3 mm.

Laser używany w odtwarzaczach to przeważnie dioda AlAsGa emitująca światło czerwone o długości w powietrzu 780 nm (na granicy widzialności). W poliwęglanie długość światła jest mniejsza o współczynnik 1,55 (współczynnik załamania) i wynosi około 500 nm. Wgłębienie/wypukłość ma ściśle określoną wysokość/głębokość. Jest to dokładnie czwarta część długości fali światła (w poliwęglanie) - czyli około 125 nm. Oznacza to, że fala świetlna lasera będzie opóźnione po odbiciu od powierzchni (land) o 1/4 + 1/4 = 1/2 długości fali, więc będzie dokładnie w przeciw-fazie do fali odbitej od pitu. Te dwa promienie przez interferencję zostają wygaszone powodując spadek sygnału na fotodetektorze. Oprócz zjawisk interferencji część światła padającego na pit ulega po prostu rozproszeniu.

Wymiary płyty CD oraz położenia najważniejszych jej obszarów pokazano na kolejnym rysunku

Obszar programowy jest to obszar zapisu informacji użytkownika (np. nagrania muzycznego).

Obszary wejściowy, wprowadzający (ang. Lead-in) oraz wyjściowy, wyprowadzający (ang. (Lead-out) są dodatkowymi obszarami technicznymi których znaczenie zostanie opisane w dalszej części wykładu.

Podstawowe parametry zapiu na płycie CD zestawiono poniżej

Parametr	Wartość	Komentarz
Średnica dysku	12 cm	Również 8cm
Liczba stron	1	Tylko jednostronne
Długość pitu	1 do 3mm
Głębokość pitu	0,15 mm
Szerokość ścieżki	0,6 mm
Skok ścieżki	1,6 mm	Obecnie stosowane są płyty o pojemności 800MB w których skok ścieżki zmniejszono do 1,5 m>m
Prędkość skanowania CLV	1,2 do 4 m/s	Stała (typ. 1,3 m/s) przy obr. od 200÷500/min
Długość fali	780nm	Podczerwień. (W niektórych odtwarzaczach stosuje się długość fali 670 nm)
Czas odtwarzania	74 min	Możliwe nagrania do 80min
Liczba ścieżek	Max. 99	Plus do 99 indeksów na ścieżkę
Strumień bitów kanałowych	4,3218 Mbit/s	Włączając modulację i korekcję błędów
Liczba kanałów	2	Stereo
Kwantyzacja	16
Modulacja	EFM
Dedekcja i korekcja błędów	CIRC
Apertura numeryczna soczewki	0,45

Znaczenie wielu z podanych parametrów wymaga odwołania się do poprzednich wykładów. Inne omówione zostaną w dalszej części tego wykładu.

Kodowanie CIRC (ang. Cross Interleaved Read-Solomon Code) daje stopę błędów na poziomie 10^-8 10^-9 i pozwala na skorygowanie do 3500 bitów (zapis długości 2,4 mm). Kompensacja niemożliwych do skorygowania kodem CIRC błędów umożliwia przybliżone odtworzenia do 12000 bitów (zapis długości 8,5mm).

Kod kanałowy EFM zapewnia, że długości pitów i landów nie są krótsze niż 3 bity i nie są dłuższe niż 11 bitów kanałowych. Sposób związania pitów z zastosowanym kodem kanałowym przedstawiono poniżej.

Apretura numeryczna soczewki stanowi sinus kąta zbieżności wiązki laserowej. Im wyższa jest apertura soczewki tym mniejsza plamka, do której zogniskowana jest wiązka. Jednak limitem jest tutaj długość fali światła. Średnica przewężenia wiązki nie może być mniejsza niż długość zastosowanego światła.

Oddzielne obszary zapisu - takie jak utwory muzyczne czy pliki danych.

W napędzie CD do odczytu danych z płyty CD przez głowicę laserową konieczne jest odpowiednie dopasowanie prędkości obrotowej płyty względem prędkości przesuwu ramienia z głowicą laserową. Jest to tzw. metoda CLV (ang. Constant Linear Velocity) - ze stałą prędkością liniową. Polega ona na tym, że głowica, poruszająca się wzdłuż promienia płyty, odczytuje dane z jednakową prędkością, niezależnie od ich położenia na nośniku. Płyta jest obracana ze zmienną prędkością obrotową, zależną od położenia głowicy. Aby dane mogły być czytane z jednakową prędkością liniową, to im bliżej środka płyty tym szybciej musi się ona obracać. Duże obciążenie mechanizmu sterującego prędkością obrotową nośnika i pozycjonowanie układu kierującego promieniem lasera, oraz bezwładność wirującej masy płyty powodują, że czas zmiany miejsca odczytywanej informacji (czas swobodnego dostępu) jest dosyć długi.

Ogólny schemat toru tworzenia płyt CD przedstawiono poniżej.

Przed przystąpieniem do produkcji materiał, który ma być zawarty na płycie nagrywany jest na taśmie DAT (patrz poprzednie wykłady) lub na płycie nagrywanej CD-R (szczegóły zapisu na tym nośniku znajdują się rysunek następnej części wykładów). Materiał ten następnie zapisywany jest na tak zwanym wzorcu CD (CD-master). Jest to szklana płyta pokryta na jednej stronie warstwą materiału światłoczułego (tzw. fotorezystu) o wysokiej rozdzielczości o grubości ok. 0,1 mm. Na powierzchni tej naświetla się wiązką lasera przebieg spiralnej ścieżki z pitami.

Realizowane to jest w urządzeniu, którego przybliżony schemat przedstawia poniższy rysunek. Wiązka lasera ogniskowana jest na powierzchni światłoczułej do plamki o średnicy 0,5 mikrometra. Mechanizm przesuwu prowadzi promień światła lasera o wzdłuż promienia obracającej się płyty od środka płyty do jej krawędzi. Równocześnie płyta wiruje ze zmienną prędkością zależną od współrzędnej promieniowej położenia głowicy naświetlającej, tak by uzyskać stałą prędkość liniową zapisu. Zmodyfikowany kompleksowy sygnał cyfrowy w kodzie kanałowym EFM o strumieniu ok. 4,32Mb/s steruje poprzez odpowiedni wzmacniacz modulatorem światła, który przerywa emisję światła w miejscach gdzie ma powstać land, czyli obszar nie zapisany. W ten sposób naświetlane są obszary przyszłych pitów. Długość poszczególnych odcinków jest zależna od czasu trwania impulsów naświetlających. W wyniku otrzymujemy na powierzchni światłoczułej wzorca spiralnie zapisaną ścieżkę z materiałem informacyjnym, w postaci naświetlonych pitów. W następnym etapie poprzez umieszczenie wzorca w odpowiedniej kąpieli następuje wywołanie i w końcowym efekcie wypłukanie naświetlonych obszarów fotorezystu, czyli wytworzenie niewielkich zagłębień na wzorcu (głębokość zagłębień równa się grubości warstwy fotorezystu).

Kolejne etapy nazywane procesem metalizacji zmierzają do wykonania metalowego stempla. Szczegóły procedury metalizacji oraz ostatecznego tłoczenia płyt przedstawia kolejny rysunek.

Po wypłukaniu pitów w fotorezyście powierzchnię wzorca pokrywa się delikatna warstwą srebra, która po zdjęciu tworzy pierwszy negatyw. W procesach galwanoplastycznych wykonuje się niklową odbitkę metalowego negatywu, czyli pierwszy pozytyw. Z pozytywu tego poprzez kolejne nałożenie warstwy niklu, tworzony jest niklowy negatyw 2. W ten sam sposób, w kolejnych procesach galwanoplastycznych z niklowego pozytywu wytwarza się dowolną liczbę metalowych matryc, czyli duplikatów pierwszego negatywu. Dopiero te matryce służą do wytwarzania plastykowych płyt CD. Płyty CD wykonuje się poprzez wstrzyknięcie rozgrzanego materiału plastycznego, np. poliwęglanu lub polichlorku winylu pod bardzo dużym ciśnieniem do formy w kształcie płyty CD. Z jednej strony tej formy zostaje odciśnięta wykonana wcześniej matryca, a druga strona pozostaje gładka (będzie to czynna strona płyty). Po ostudzeniu masy otrzymuje się przezroczysty krążek o średnicy 12cm. Zapisana strona krążka zostaje pokryta cienką warstwą aluminium, a następnie dodatkową warstwą ochronną o grubości ok. 0,1mm. Po kontroli jakości tłoczenia na tej stronie krążka są umieszczane dane informacyjne, np. tytuły utworów, producent itd. Ostatni z wymienionych etapów przedstawia kolejny schemat.

Uproszczony schemat głowicy odczytowej CD pokazuje poniższy rysunek.

Światło emitowane przez diodę laserową małej mocy (ok. 5mW) kształtowane jest do wiązki równoległej soczewką kolidującą a następnie przy pomocy drugiej soczewki ogniskowane na powierzchni nośnika. Po drodze przechodzi przez element światłodzielący (kostkę). Po odbiciu od powierzchni nośnika światło zbierane jest soczewką ogniskującą, a następnie kierowane kostką światłodzielącą do fotodetektora.

Odczyt płyty CD polega na śledzeniu poziomu mocy światła odbitego wzdłuż zapisanej pitami ścieżki. Jeżeli wiązka pada na landy to poziom sygnału jest wysoki. W momencie trafienia na pit, część światła ulega rozproszeniu, a cześć wygaszającej interferencji ze światłem sąsiedniego landu, powodując istotny spadek mocy odbieranej przez fotodetektor. Związana z przejściem pit-land lub land-pit zmiana poziomu sygnału oznacza logiczną jedynkę. W przybliżeniu stały (wysoki lub niski) poziom sygnału oznacza ciąg logicznych zer.

Odczyt płyty CD wymaga zogniskowania wiązki światła laserowego do wymiaru zbliżonego do szerokości pitu a więc do około 0,6 mm. System odczytu musi jednocześnie zapewniać niewrażliwość na zanieczyszczenia i uszkodzenia na powierzchni płyty. Aby uzmysłowić sobie ten problem poniżej pokazano porównanie wielkości pitu i przykładowych zanieczyszczeń.

Niewrażliwość układu odczytowego na pity uzyskiwane jest przez odpowiednio ukształtowany rozkład energetyczny wiązki światła oraz dobraną do niego odległość od powierzchni czynnej dysku dio warstwy informacyjnej (czyli grubość substratu). Proporcje te w przybliżeniu pokazuje poniższy rysunek.

Istota rozwiązania polega na tym, że średnica wiązki lasera na powierzchni dysku wynosi od 0,8 do 1 mm. Wszelkie zanieczyszczenia, które wystarczy, że są np. dziesięciokrotnie mniejsze powodują tylko nieznaczną stratę mocy wiązki nie zaburzając plamki penetrującej powierzchnię nośnika.

Obszar wzdłuż osi wiązki lasera, w którym średnica wiązki jest porównywalna z rozmiarem pitu ze względu na silną rozbieżność wiązki jest niewielki i wynosi ok. 2-3 mm. Zapewnienie takie stabilności położenia powierzchni nośnika w trakcie wirowania dysku byłoby niezwykle trudne i kosztowne w realizacji technicznej, dlatego też wprowadzono system ciągłego ogniskowania wiązki na płycie, czyli nadążania jej ogniska za odsuwającą lub przysuwającą się powierzchnia nośnika. Wykorzystywana jest do tego tzw. metoda rozogniskowania. Ideę tej metody wyjaśnia poniższy rysunek.

Załóżmy, że wiązka światła z diody laserowej ogniskowana jest na powierzchni refleksyjnej (powierzchnia odbijająca nośnika). Światło odbite kierowane jest przez element światłodzielący do elementu astygmatycznego np. w postaci soczewki cylindrycznej. Element ten zniekształca rozkład energetyczny światła w ten sposób, że w płaszczyźnie przed ogniskiem (oznaczonej P1 na rysunku) ma on przekrój eliptyczny z dłuższą osią pionową a w płaszczyźnie za ogniskiem (P2 na rysunku) ma on przekrój eliptyczny z dłuższą osią poziomą. Stosunek długości osi elipsy rozkładu poprzecznego intensywności wiązki zmienia się wzdłuż jej osi. Jest on równy jedności (plamka kołowa) w płaszczyźnie ogniska (płaszczyzna P0) a rośnie lub maleje w wraz z oddalaniem się od ogniska. Można udowodnić metodami optyki geometrycznej, że jeżeli oświetlana powierzchnia refleksyjna będzie przemieszczać się w kierunku lasera to przewężenie energetyczne (ognisko) wiązki odbitej również będzie się przemieszczać wzdłuż osi tej wiązki w kierunku od elementu swiatłodzielącego. Tak, więc jeżeli w ustalonej pozycji powierzchni refleksyjnej w płaszczyznę P0 wstawimy fotodetektor, to na jego powierzchni będzie plamka kołowa. Po przemieszczeniu powierzchni refleksyjnej do góry lub do dołu plamka na fotodetektorze zmieni się na eliptyczną o osi dłuższej pionowej lub poziomej w zależności od kierunku przemieszczenia powierzchni (tzw. rozogniskowania). Automatyczne ogniskowanie wiązki na przemieszczającej się góra dół powierzchni nośnika polega, więc na ciągłym doprowadzaniu do stanu, w którym na powierzchni fotodetektora pozostaje kołowa plamka. Realizowane jest to poprzez przesuw soczewki ogniskującej nadążający za przemieszczającą się powierzchnią nośnika. Do otrzymania sygnału sterującego tym przesuwem stosuje się czterosegmentowy fotodetektor, którego schemat pokazano poniżej.

Sygnał sterujący układem ogniskowania powstaje z różnic w oświetleniu segmentów A, B, C i D. Gdy plamka oświetlająca fotodetektor ma kształt koła i wszystkie segmenty są jednakowo oświetlone to znaczy, że strumień świetlny padający na powierzchnię płyty jest dobrze zogniskowany. Jeśli natomiast plamka ma kształt elipsy to segmenty są oświetlone nierównomiernie, dając sygnał korekcyjny do przesuwu soczewki według zależności:

Przemieszczenia soczewki nadążające za powierzchnią płyty realizowane są przy pomocy cewki elektromagnesu. Ruch soczewki jest wywołany oddziaływaniem prądu płynącego przez nieruchomą cewkę na pierścień magnesu trwałego stanowiącego uchwyt soczewki.

Innym problemem związanym z działaniem głowicy laserowej napędu CD jest tzw ścieżkowanie, czyli prowadzenie wiązki lasera wzdłuż spiralnej osi ścieżki. Może być do tego wykorzystany ten sam układ fotodiod który daje sygnał ogniskowania. Tym razem jednak wykorzystywany jest następujący sygnał.

Jak pokazano wcześniej sygnał z reprezentujący moc wiązki odbitej jest w przybliżeniu sinusoidalnie zmienny. Amplituda tych zmian jest najwyższa, gdy plamka śledząca pity znajduje się dokładnie wzdłuż osi ścieżki. Jeżeli plamka przesuwa się poza oś ścieżki np. w prawo to jej obraz w płaszczyźnie fotodetektora przesuwa się w lewo w kierunku fotodiody D. Jej sygnał wtedy będzie bardziej modulowany niż sygnał fotodiody C. Ostatecznie sygnał korekcyjny położenia plamki względem ścieżki jest następujący:

Korekcja położenia plamki względem ścieżki odbywa się poprzez nieznaczne pochylenia soczewki przy pomocy cewki elektromagnesu. Pochylenia soczewki są wywołane poprzez oddziaływanie prądu płynącego przez nieruchomą cewkę na pierścień magnesu trwałego stanowiącego uchwyt soczewki.

Sposób połączeń segmentów fotodetektora generujący sygnały: informacyjny, ogniskowania i ścieżkowania pokazano poniżej.

Lepsze rezultaty, (co jest szczególnie istotne w urządzeniach narażonych drgania) daje śledzenie wiązki w układzie trójwiązkowym. W bieg wiązki laserowej wprowadzana jest siatka dyfrakcyjna, która powoduje ugięcie się światła i powstanie obok głównej plamki odczytującej dwóch dodatkowych plamek ścieżkowania (rzędów dyfrakcyjnych: +1 i -1). Ich usytuowanie względem ścieżki pokazano na poniższym rysunku.

Plamki te analizowane są przez dwa dodatkowe fotodiody jak to pokazano poniżej.

Jeżeli plamka główna znajduje się w osi ścieżki to plamki boczne, których obraz pada na fotodiody E i F dają jednakowy sygnał wyjściowy reprezentujący poziom sygnału odbitego od landu. W momencie, gdy głowica laserowa schodzi ze ścieżki jeden z fotodetektorów bocznych otrzymuje coraz silniejszy sygnał zmodulowany pojawiającymi się pitami. W ten sposób różnica sygnałów fotodetektorów bocznych stanowi sygnał ścieżkowania.

Przykładowy sposób realizacji konstrukcyjnej układu ogniskowania i ścieżkowania przy pomocy cewek elektromagnetycznych pokazano poniżej.

Jeżeli plamka główna znajduje się w osi ścieżki to plamki boczne, których obraz pada na fotodiody E i F dają jednakowy sygnał wyjściowy reprezentujący poziom sygnału odbitego od landu. W mFormat CD-DA (angomencie, gdy głowica laserowa schodzi ze ścieżki Jeden z fotodetektorów bocznych otrzymuje coraz silniejszy sygnał zmodulowany pojawiającymi się pitami. W ten sposób różnica sygnałów fotodetektorów bocznych stanowi sygnał ścieżkowania.

Dodatkowe szczegóły budowy głowicy laserowej napędu CD pokazuje poniższy rysunek:

Zwrócimy uwagę na to, że aby cała wiązka odbita od warstwy nośnika kierowana była do fotodetektora wykorzystuje się efekty polaryzacyjne i dodatkowy element jakim jest tzw. ćwierćfalówka.