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CD-Player Wissen + Service aus 1992

Auf diesen Seiten wird das damalige Wissen des Autors Rodekurth teilweise erst mal original zitiert und jeweils mit aktuellem Wissen kommentiert. Der Autor hatte 1992 entweder noch nicht alle Informationen erhalten, die teilweise noch Firmengeheimnis waren oder irgendwo ganz tief im Text versteckt waren. Auch die beschriebenen Mustergeräte und Komponenten sind nur ein Bruchteil der damals am Mark befindlichen Produkte. Von den Senkrechtladern ist nichts zu lesen und auch SPDIF war scheinbar unbekannt. Weiterhin konzentriert sich der Autor auf die großen älteren Audio-CD-Player. Aber gerade bei der PC-CD-Technik wurden die größten Innovationen eingeführt, die dyynamische Auswuchtung unrunder CDs zum Beispiel und das beschreiben von CDs. Die einführende Seite finden Sie hier.

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(3) Warum wird zum Auslesen der CD-Information ein Laser benötigt?

An Hand der Wellenlänge (alpha) wird die elektromagnetische Strahlung einer Lichtquelle definiert. Hieraus ergibt sich die Frequenz einer elektromagnetischen Wellenlängebv:

f=c/alpha (Anmerkung : Der lateinische Buchstabe " " ist auf dem PC-Bildschirm schwer zu lesen. Darum wird er hier meist ausgeschrieben.

Der optische Bereich liegt zwischen 10nm bis 106m, welcher nochmals unterteilt ist in drei Kategorien:
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  • 1. Ultraviolette Strahlung
  • 2. Sichtbares Licht
  • 3. Infrarotstrahlung

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  • 1. Unter den bereich ultraviolette Strahlung fallen alle Wellenlängen, die unterhalb des sichtbaren Spektrums, aber oberhalb der Röntgenstrahlung liegen, die Wellenlänge der Ultraviolett-Strahlung liegt zwischen 10 ... 370nm.
  • 2. Das sichtbare Licht hat die Wellenlängen zwischen 350 ... 750nm und ist daher für das menschliche Auge sichtbar.
  • 3. Die Wellenlängen bei der Infrarotstrahlung, die oberhalb des sichtbaren Spektrums, aber noch unterhalb der Mikrowellen liegen, liegen zwischen 750 x 10-9m bis 10 x 10-3m.

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Da das Licht im allgemeinen aus mehreren verschiedenen Wellenlängen besteht und sich nach allen Seiten gleichmäßig ausbreitet (z. B. Lampen - oder Sonnenlicht), ist es mit dieser Lichtart nicht möglich, zwischen den Wellenzügen eine feste Beziehung in zeitlicher oder räumlicher Art zu finden, wobei es sich hier um unzusammenhängende inkohärente Wellenzüge handelt.

Dieses unzusammenhängende Licht wird bei einer von innen heraus thermischen Emission erzeugt.

Spezielle Vorgaben für die Optik des CD-Players

Da man aber für die verwendete Optik eines CD-Players ein Licht mit bestimmter Wellenlänge und Phasenlage benötigt, hat man sich auf ein zusammenhängendes Lichtbündel von gleicher Wellenlänge und Schwingungsart festgelegt, d.h. zwei oder mehrere Wellenzüge sind zeitlich zusammenhängend über eine definierte Zeitdauer in einer festen Phasendifferenz zueinander.

Ein solches Lichtbündel erhält man durch induzierte oder angeregte (stimulierte) Emission an einem PN-Übergang bei einer Injektions-Laserdiode (ILD).

Bei einem zusammenhängenden Lichtbündel besteht dann die Möglichkeit, nach einer Reflexion durch eine entsprechende Optik eine Auswertung der Phasenlage bzw. der Polarisationsebene so vorzunehmen, daß der Orginal- und der reflektierte Lichtstrahl voneinander getrennt wird. Dieses geschieht in der Optik des CD-Players.

3.1 Optische Abtastsysteme

Die technologische Verbindung der Optik und der Elektronik bezeichnet man als Optoelektronik, wobei es sich hier um einen äußerst vielseitigen Bereich wie zum Beispiel die optische Strahlung, d.h. die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, und die Eigenschaften der verschiedenen Quellen und ihrer Sensoren handelt.

3.1.1 Der Weg des Laserlichts durch das optische System

Dieses soll hier anhand einer Querschnittszeichnung gezeigt werden.

Nach dem Austritt aus der Laser-Diode passiert der Strahl die justierbare Kollimator-Linse. (Sie wird dazu benutzt, aus dem ungebündeltem Strahl ein Bündel mit parallelem Raumwinkel zu genreiren).

Das linear polarisierte 780nm-Licht wird also zunächst parallel gebündelt und dann einem Spezialprisma zugeführt. Da seine Polarisationsrichtung senkrecht zur Einfallsebene justiert !!! ist, wird es von einer hier angebrachten Polarisationsschicht reflektiert und umgelenkt (z. B. nach rechts).

Das Polarisationsprisma ist ein optisch transparenter Körper, der zum Brechen, Streuen oder Reflektieren eines Lichtstrahls eingesetzt wird.

Die einfachste Form eines solchen Prismas ist das rechtwinklige Prisma. Ein Lichtstrahl, der mit einem Winkel von 90° auf eine der Stirnflächen (Katheten) des Prismas auftrifft, wird innen an der Hypotenuse vollständig reflektiert (Totalreflexion), um 90° abgelenkt und tritt dann aus der zweiten Stirnfläche wieder aus. Um Lichtverluste zu vermeiden, werden Kathetenflächen entspiegelt. Da der Reflexionswinkel von der Lage des Prismas zur optischen Achse (Abb. 4) abhängig ist, ist eine genaue (werksseitige) Justage Voraussetzung.

Die Wirkung des Polarisationsprismas beruht auf dem Brewsterschen Gesetz. Dieses besagt, daß bei einer Reflexion unter einem bestimmten Winkel, bei dem das reflektierte Licht vollständig linear polarisiert wird, der reflektierte und der gebrochene Strahl senkrecht aufeinander stehen (Abb. 4).
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Was ist ein Polarisationsprisma

Ein Polarisationsprisma besteht im allgemeinen aus zwei rechtwinkligen Prismen (Abb. 5), hergestellt aus unterschiedlichen Materialien. Ein senkrecht auf die Kathetenfläche des oberen Prismas einfallender Lichtstrahl (A) wird an der Brechungskante, die gleichzeitig der optischen Achse (O) entspricht, in zwei Strahlen aufgespalten. Der sogenannte außerordentliche Strahl (a) erfährt fast keine Ablenkung. Der ordentliche Strahl (b) wird seitlich abgelenkt. Der außerordentliche Strahl durchläuft also das Polarisationsprisma nahezu ohne Ablenkung, erfährt jedoch eine lineare Polarisierung.

Nach der Totalreflexion an der Endfläche tritt er aus dem Prisma aus, durchläuft ein alpha/4- Plättchen und gelangt dann zum Fokussier-
Objektiv kurzer Brennweite. (Das alpha/4-Plättchen ist ein spezieller Kristall mit unterschiedlichen Beugungsindizes.)

Zur Drehung der Polarisationsebene des Lichtes um ca. 45° verwendet man einen speziellen Kristall (anisotropic crystal) (Abb. 6) unterschiedlicher Indizes in den elektrischen X- und Y-Feldebenen.

Das an Punkt A eintretende, linear polarisierte Licht durchläuft den anisotropen Kristall mit der Dicke d und tritt an Punkt B mit einer Phasendrehung von 90° aus (alpha/4 = 90°).

Durchläuft der Lichtstrahl je nach Hersteller zweimal die alpha/4-Platte, so wird die Polarisationsebene insgesamt um 2 x 45° = 90° gedreht. Aufgrund dieser Drehung der Polarisationsebene kann am Polarisationsprisma der CD-Optik das vom Laser einfallende und das von der CD reflektierte Laser-Licht aufgeteilt werden.

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes verändert sich aufgrund der unterschiedlichen Beugungsindizes in der elektrischen X- und Y-Ebene.

Wozu braucht man mehrere Objektive

Das Objektiv mit kurzer Brennweite bündelt das Licht, so daß es nach dem Eintreten in den lichtdurchlässigen Kunststoff der CD auf deren Aluminiumschicht zu einem winzigen Brennfleck von nur etwa 1,5um gebündelt (konzentriert) wird. Das Licht wird hier reflektiert und läuft wiederum den gleichen Weg zurück bis zur Polarisationsschicht im Prisma (links).

Da das Licht auf seinem bisherigen Weg das alpah/4-Plättchen zweimal durchlaufen hat, zum einen auf seinem Hin- (45°) und nochmal auf seinem Rückweg (45°), hat das zur Folge,daß die Polarisationsrichtung des jetzt zur Polarisationsschicht zurückgelangenden Lichtes (links) gegenüber dem von der Laserdiode kommenden Licht um 90° gedreht ist und von der Polarisatiosschicht nun nicht zum Laser zurück gespiegelt, sondern durch die Polarisationsschicht durchgelassen wird.

In einem unter kritischem Winkel geschliffenen Prisma erfährt das Laserlicht eine Totalreflexion, die dann durch eine entsprechende Sammellinse (Abb. 7) die von der CD kommenden Laserstrahlen, auf eine Detektoreneinheit oder Fotodioden-Matrix verstärkt, bündelt.

Ein Laserstrahl hat den Nachteil, daß sein Durchmesser nach dem Austritt aus der Laserdiode sehr gering ist und der Strahl in sich eine auseinanderstrebende Tendenz (Divergenz) verliert. Durch zwei bikonvex angeordnete Linsen läßt sich der Strahldurchmesser erhöhen und die Divergenz reduzieren. Diese Linsenanordnung wird auch als Keplersches Fernrohr bezeichnet.

3.1.2 Die Flachoptik (Flat-Optical-Pickup, FOP)

Zum vorausgegangenen Abtastsystem wird in der neuen Flachoptik, kurz FOP genannt, anstelle des Polarisationsprismas und der alpah/4-Scheibe ein halbdurchlässiges Spiegelprisma verwendet. In der schematischen Zeichnung (Abb. 8) der FOP-Optik ist der Weg des Laserlichts dargestellt.

Der von der Laserdiode austretende Strahl passiert das Strahlbeugungselement. Tritt ein Lichtstrahl durch einen schmalen Schlitz, dann erhält man an seiner Austrittsöffnung neben dem Hauptstrahl mindestens 2 Nebenstrahlen. Der sogenannte erste Nebenstrahl besitzt nur noch 25% der Energie des Hauptstrahles und wird zur Spurnachführung verwendet.

Die nun im halbdurchlässigen Spiegelprisma (Abb. 9) (50% Verlust) durchlaufenden Strahlen werden in der nachfolgenden Sammellinseneinheit parallel ausgerichtet, um dann auf einem Spiegelprisma über das Zweiachselement fokussiert auf die Informationsebene der CD zu gelangen.

Jetzt kommt das reflektierte CD-Laserlicht zurück

Das nun so reflektierte CD-Laserlicht durchläuft nun in umgekehrter Reihenfolge die zuvor erwähnten optischen Bauelemente.

Im halbdurchlässigen Spiegelprisma werden 50% des von der CD reflektierten Laserlichtes zur Detektoreinheit abgelenkt. Dabei durchläuft das Licht noch eine konkave und eine zylindrische Linse (Abb. 8), bevor es auf die Detektorfelder (A-D) gelangt.

Die konkave Vorsatzlinse erzeugt einen auseinanderstrebenden Strahl, wodurch schon bei geringem mechanischem Abstand des Detektorfeldes von dem halbdurchlässigen Spiegelprisma eine ausreichende Abbildungsgröße der Strahlen auf den Detektorfeldern (Fotodioden-Matrix, Abb. 11) erreicht wird.

Die konkave Vorsatzlinse ist also mitbestimmend für die kompakte Baugröße der Optik (Abb 10). Die zylindrische Linse dient in Verbindung mit dem vierteiligen (A-D) Hauptdetektorfeld (Fotodioden-Matrix) zur Erkennung des Fokussierabstandes.

Aus der Spannungsaddition der vier Felder (A+B + C+D) wird das HF (Hochfrequenz-) Signal, welches die Digital-Information enthält, ermittelt.

In einem Differenzverstärker wird aus den vier Feldern (A-D) zusätzlich das Fokusfehlersignal gewonnen (A+C)-(B+D).

Die zwei Nebenlichtdetektoren (E+F) dienen in Verbindung mit den beiden am Strahlbeugungselement erzeugten Nebenstrahlen zur Spurfehler- bzw. Tracking-Auswertung (Abb. 13).

Bei optimaler Spurführung wird das vor und hinter dem abgetasteten Pit liegende übernächste Pit am rechten bzw. linken Rand vom Nebenstrahl erfaßt, so daß die von der CD reflektierten Nebenstrahlen an den beiden Nebenstrahldetektorfelder (E+F) die gleiche Ausgangsspannung verursachen.

Da die Auswertung der Ausgangsspannungen über einen Differenzverstärker erfolgt, erhält man bei Spurabweichungen eine Nachregelspannung, deren Polarität proportional zur Richtung und deren Spannungsbetrag proportional zur Größe der Spurabweichung ist.
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3.1.3 Die Pits

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  • Anmerkung : Eigentlich hätte der Autor die Konzeption mit den Pits vorher beschreiben müssen, bevor er die Abtastung mit dem Laser anging.

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Die Pits der Informationsebene erscheinen, da der Laser von unten durch die Transparentschicht die Abtastung vornimmt, von der Optik aus gesehen als Erhöhung (Bumps).

Durch die Pit-Länge und den Abstand zwischen den Pits sind die digitalen Daten definiert. Spiralförmig (von Innen nach Außen) auf der Informationsebene sind die Pits aufgebracht und verlaufen aus des Laserstrahls Sicht gegen den Uhrzeigersinn.

Mit ca. 810 kBits/mm2 ist die Informationsdichte festgelegt. Das ergibt umgerechnet auf einer CD ca. 7 x 10 hoch 9 Bits. Eine Breite von ca. 50um enthält 30 Spuren auf der Programmfläche bei einem Spurabstand von ca. 1,6um.

Eine Pit-Tiefe von 0,11mm (alpha/8), eine Breite von 0,5um (Abb. 14) und eine Länge von 0,83 - 3,56um sind die spezifizierten Abmessungen dieser kleinen Erhöhungen, die der Laser erkennen muß.

Trifft das fokussierte Lichtbündel auf ein solches Pit, dann hat es beim Hin- und Rücklauf einen entsprechend längeren Weg zurückzulegen, als wenn es auf die nicht-vertiefte Aluminium-Oberfläche (Land) trifft.

Diese Wegdifferenz macht sich durch Überlagerung von hin- und rücklaufender Lichtwelle als Intensitätsmodulation bemerkbar, die dann von der Foto-Dioden-Matrix zu einem entsprechenden elektrischen Signal umgewandelt wird.

(4) Die APC-Schaltung und die "ILD"

Zum Betrieb der Laserdiode muß der Stromfluß des extern vom Netzteil angelegten Gleichstromes einen definierten Schwellwert erreichen, bevor ein Laserstrahl abgegeben werden kann.

APC = vermutlich Automatic Power Control

Kurz nach dem Erreichen des Schwellwertes arbeitet der Laser stabil und sendet einen konstanten Lichtstrahl aus. Mit zunehmendem Strom steigt die Lichtausbeute extrem schnell an, wodurch die Gefahr einer schnellen Zerstörung besteht.

Auf Temperatur- und Stromschwankungen reagiert die Injektions-Laser-Diode (ILD), aus diesem Grund muß zur Sicherheit die Lichtemission kontrolliert (Abb. 15) und durch eine Rückkopplungsschleife der extern angelegte Gleichstrom entsprechend nachgeregelt werden (8.2.7).

Leider kommt noch hinzu, daß sich mit zunehmender Betriebsdauer die Lichtemission verringert, die durch die Automatik ausgeglichen wird.

Wird die ILD konstant mit überhöhtem Strom gesteuert, so verringert sich die Lebensdauer daraufhin drastisch. Die APC-Schaltung sorgt über einen längeren Zeitraum für eine konstante Lichtemission (ca. 4.000-5.000 Betriebsstunden).

  • Anmerkung : Solche difizilen Eckdaten über die endliche Lebensdauer wurden uns Kunden geflissentlich verschwiegen. Denn ein moderner Abtastdiamant hat eine mittlere Lebensdauer von mehr als 1.500 Stunden, wen die Auflagespezifikationen eingehalen werden. Dagegen wurde der CD Spieler mit großem Publikums-Spektakel als absolut verschleißfrei und endlos betreibbar hingestellt (ewiges Leben). Das stimmte also nicht.

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4.1 Der Radialfehlerprozessor und Servokreis

In dieser Schaltung werden die Eingangssignale RE1 RE2 zu einem vollständigen Radialfehlersignal RE, mit dessen Hilfe der Laserstrahl in seiner Spur gehalten werden soll. Ein intern erzeugtes 650Hz Wobbelsignal überlagert sich dem Radialfehlersignal, dies läßt den Laserstrahl um die Spurmitte herum oszillieren.

  • Anmerkung : Wobbeln heißt eine Frequenz (in einem definierten Frequenzbereich) kontinuierlich zu verändern, also auch zu erhöhen.


Diese Maßnahme dient der Optimierung des Trackingverhaltens (Tracking = Spurnachführung). Der Radialfehlerprozessor dient der Optimierung des Trackingverhaltens und erzeugt die für die Wiedergabe, Suchen, Pause notwendigen Brems- oder Beschleunigungssignale nach Vorgabe eines vom Servoprozessor bereitgestellten Bit-Wortes (B0, B3).

Die Variablen der Regelschleife (Servokreis) sind die optischen Eigenschaften der CD (Transparenz der Schutzschicht, Reflexionsverhalten, der Transmissionsgrad des optischen Abtastsystems, der Trackingwinkel zwischen Spur- (Nebenfotozellen) (EF) und Fotodiodenzellen (Hauptfotozellen) (A.....D)).

Dieser Winkel variiert zwischen 90° (kleinster Radius) und 45° (größter Radius) der Pit-Geometrie der jeweiligen Disc. Geometrieunterschiede bewirken Amplitudendifferenzen bis zu 100% von Disc zu Disc. Die AGC für niedrige Frequenzen regelt die beiden erstgenannten Parameter aus.

4.2 Die automatische Verstärkungsregelung (AGC)

Beim Starten der Disc sowie in der SEARCH-Funktion muß das Radialfehlersignal (Re1/Re2) konstant gehalten werden. Hierdurch wird verhindert, daß die Verstärkung der AGC in weiten Bereichen hin- und herpendelt. Beim Einstrahl-Abtastsystem wird das Radialfehlersignal aus einem Vergleich der Beleuchtungsstärke der beiden Pupillenhälften erzeugt.

Fehlerursachen in diesem System können sein:

  • 1. Asymmetrie in der Fernfeldstrahlung des Lasers
  • 2. Lichtstrahl ist nicht flächennormal zur Disc
  • 3. Ungenauigkeiten im Strahlteiler


Alle genannten Effekte erzeugen Asymmetrie im Radialfehlersignal. Die Korrekturmöglichkeit besteht darin, dem Radialfehlersignal einen Offsetstrom hinzuzufügen. Dies würde aber beim Auftreten eines Drop-outs zu einem großen Radialfehler in Höhe des Offsets und dann zu Spurfehlern führen.

Eine bessere Möglichkeit ist die, die Verstärkung des Signals einer jeden Pupillenhälfte so zu variieren, daß das Radialfehlersignal nicht mehr durch Dropouts beeinflußt werden kann.

Das Radialfehlersignal setzt sich aus der Summe von Basis-Fehlersignal und einem der Gesamtlichtmenge proportionalen Anteil zusammen, um dann entsprechend der Lichtabhängigkeit des Basis-Radialfehlersignales entgegenzuwirken.

Die hierfür verwendete Wobbelung (Auslenkung des Schwingarms 0,05um) wird auch verwendet, um Asymmetrien des Radialfehlersignals, hervorgerufen durch ungleichmäßige Ausleuchtung der Pupillenhälften (Fotodioden), zu detektieren.

Befindet sich der Laser-Spot rechts von der Spurmitte, so ist der Wobbelanteil im Fotodioden-Gesamtstrom mit dem im Radialfehlersignal enthaltenen Wobbelanteil in Phase. Befindet sich der Spot links der Spurmitte, entsteht hier eine Phasendifferenz von 180°. Bei exakter Führung des Laserstrahls über der Spurmitte heben sich positive und negative Anteile des Wobbeistromes auf. Die Größe und Richtung der Asymmetrie läßt sich aus dem Phasenvergleich zwischen Wobbelsignal und Dioden-Summenstrom messen.
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