TRADUÇÃO A fisica dos cds

Prévia do material em texto

A física dos discos compactos
O disco compacto fornece um excelente exemplo da aplicação de formulações físicas de base, de a derivação do sinal por Intetference ao dependência de resposta de freqüência de áudio e tempo de reprodução no comprimento de onda óptico utilizado.
Discos compactos já estão à venda para o consumidor por dez anos, e durante esse tempo eles tomaram na maior parte do mercado de gravações. Seu sucesso foi em parte devido à maior qualidade de som que eles tornam possível. Tem foi reivindicado pinsdale 1992) que os LPs dão melhor reprodução, mas apenas em equipamentos custando muitos vezes a do CD player. Meu disco compacto jogador me permite desfrutar de música sem o irritação de Tape Hiss ou Record Crackle, que poderia tão facilmente estragar as passagens mais silenciosas, eo ampla faixa dinâmica ea ausência de wow no reprodução são bônus adicionais. Como um amante da música Eu gosto de ouvir meus discos compactos e, como físico, agradeço a contribuição significativa feita pela física aos conceitos e design do componentes do sistema de jogo.
Quando os discos compactos foram produzidos em punho eles estavam na ponta da tecnologia de áudio, envolvendo a combinação das habilidades de um número de disciplinas. Tecnologia laser, geométrica e ótica física, ciência da computação, elm tronic e engenharia mecânica todos contribuíram para o seu desenvolvimento. Não só houve um casamento de todas essas habilidades, mas a produção naquele tempo necessário uma colaboração única entre Sony e Philips. A física é a disciplina fundamental por trás muitas dessas habilidades listadas acima e este artigo descreverá a aplicação dos princípios da física às dimensões e operação dos componentes do Compact Disc Player - exemplos que são útil no ensino de física. Este artigo segue o feixe de luz através do sistema a partir da fonte de luz laser, através do disco os detectores de fotodiodo. 
Princípios básicos
 A música é gravada no disco conforme as etapas são organizadas ao longo de uma pista em espiral para fora do centro do disco. Na presença de um degrau, a luz refletida seu topo irá interferir destrutivamente com a luz refletida da área em torno do degrau. No ausência de um passo sem tal interferência destrutiva ocorre. Assim, a intensidade do sinal recebido varia conforme as etapas passam sob o feixe de laser. o comprimentos das etapas e das lacunas entre eles transmitir um código de tipo binário, que é processado para reconstituir o som original.
A fonte de luz
Como o sistema funciona com a interferência da luz refletido da superfície de jogo é essencial para tem uma fonte coerente de luz monocromática. A fonte de luz deve ser pequena e razoavelmente robusto. Um laser semicondutor é o óbvio dispositivo a empregar; um arsenieto de gálio de alumínio laser dando luz de comprimento de onda 780 nm é comumente usava. Um problema com o semicondutor lasers é que sua saída é sensível à temperatura alterar. Variações na produção são compensadas por um processo de feedback negativo em que um fotodíodo detecta a saída de luz do laser e ajusta a corrente para o laser semicondutor
adequadamente. O recente desenvolvimento de um laser de luz azul (Haase el al 1991) com implicações para o futuro concepção de sistemas de discos compactos e ópticos. o comprimento de onda mais curto que seria usado para ler o dados do disco permitiriam mais estreito e mais faixas gravadas densamente compactadas, permitindo tempos de jogo.
A lente de focagem
Para que o disco contenha informações suficientes por um tempo de reprodução razoavelmente longo, os dados devem ser comprimidos em faixas muito estreitas o disco. Isso requer o feixe, usado para ler a informação, para ser focada em um ponto estreito para que não se sobreponha adjacentes faixas. Isso impõe requisitos rigorosos ao sistema de focagem da lente. Ao contrário do LP, a faixa de música em um CD é 1,2 mm abaixo da superfície do disco. Uma curta lente de comprimento focal é usada para convergir a luz do laser através da superfície do disco para a informação camada (figura I). Isso tem a vantagem que o feixe será relativamente largo à medida que passa através da superfície do disco. Arranhões ou marcas na superfície do disco estará fora de foco e se eles não forem muito largos, permitirá luz suficiente para penetrar na pista gravada para a modulação na luz refletida a ser decodificada.
Para um típico Compact Disc player, a lente produz um cone de luz convergindo para o camada de informação com um semi-ângulo U no seu vértice de cerca de 27 '. O material do disco (geralmente u plástico de policarbonato) tem um típico índice de 1,55. Refração à medida que a luz entra na superfície do disco compacto reduzirá o ângulo do cone de luz dentro do plástico para 17 '. A camada de informação fica 1,2 mm abaixo da superfície do disco e, portanto, o diâmetro de o disco de luz que entra na superfície será 2x 1.2mmxtan lP = 0.73mmnlis é dorders de magnitude maior que a largura do ponto necessário para escanear a pista de gravação. Um arranhão ou um fio de cabelo na superfície ou uma linha desenhada com Caneta de ponta de 0,5 mm não bloquearia passagem do feixe para a faixa de música e seria não afeta a saída da música.
 Efeito difração
Mesmo se a lente não tiver aberrações, difração efeitos ainda impedem a focagem do feixe para um ponto muito pequeno. A distribuição da intensidade da luz sobre o máximo central devido à difração através da abertura circular da lente produz um padrão de difração de anel Airy (Longhurst 1957). Este padrão contém um disco central brilhante aproximadamente 84% da energia total, cercada por anéis de intensidade rapidamente decrescente (Figura 2). O raio R do disco central Airy produzido pela luz de comprimento de onda h em um meio de índice de refração n é dado pela equação
onde, como acima, U é o semi-ângulo da convergência cone de luz no ar, tipicamente 27 ', e U' é o semi-ângulo dentro do material do disco de refração índice 1.55 (= 17 '). Se o comprimento de onda da luz no vácuo, h / n é o comprimento de onda no meio do revestimento do disco. O comprimento de onda 780 nm no ar torna-se SO3 nm no plástico material do disco, O raio do disco Airy em o plástico para o semi-ângulo de 17 'da convergência o cone de luz é às 13:55. É essa dimensão que dita a separação mínima dos dados gravados faixas. Faixas adjacentes são 1,6 pn apart, o que coloca uma faixa além do mínimo no Airy padrão de toque do feixe de varredura do vizinho faixa. A separação de pistas é maior que o mínimo teórico para permitir a ampliação do local devido a aberrações da lente e permitir por algum vagando do local, uma vez que segue a comprimento da pista (erro de rastreamento). O diâmetro do ponto de luz incidente na pista gravada também será afetado pela distância da pista da lente. Idealmente, isso é igual ao comprimento focal de a lente, mas se o disco não for perfeitamente plano ou se não se senta perfeitamente no jogador a distância pode variar. A profundidade do foco é a faixa de distâncias sobre as quais o ponto de luz é aceitavelmente limitar. Variações no tamanho do ponto focal afetam proporção de luz refletida das etapas relativas àquela refletida do fundo. Em um Caso extremo, o local poderia se tornar tão grande no jogando superfície que iria sobrepor dois adjacentes faixas. A superfície do disco da lente é mantida constante a * 2 da tarde por um mecanismo servo. [falta pag 3 lado esquerdo]
A camada de informação
Interferência destrutiva ocorre se a diferença de caminho entre um raio refletido de um passo e um refletido da superfície de fundo circundante é metade do comprimento de onda. O comprimento de onda do luz no meio é 503 nm e, portanto, um caminho É necessária uma diferença de cerca de 250 nm. Este caminho diferença é alcançada no exterior e retorno jornada dos dois raios por um degrau de altura de 125 nm (isto é, um quarto de comprimento de onda). Na preparação de o disco de um formador de vidro é revestido com fotoresistente a uma profundidadeentre 110 nm e 135 nm. Estes variações do comprimento de onda do quarto ideal afetam a profundidade da etapa e, portanto, a integridade do processo de interferência destrutiva, e daí a modulação no sinal refletido. Contudo, as modulações são usadas apenas para transferir código digital para o receptor e é apenas o padrão temporal de picos no sinal não o seu amplitude que é importante. Portanto pequeno variações na altura do passo são aceitáveis. Um laser feixe de comprimento de onda de 350 nm é usado para expor o camada fotorresistente, que quando desenvolvida dá da profundidade necessária. Existem muitos estágios antes o disco do consumidor é pressionado, mas o resultado geral é a produção de um 'mate' para o disco mestre ter degraus correspondentes a vales no original mestre. O disco de plástico tem o padrão de passos pressionado para dentro e toda a superfície é então revestida com uma camada fina de alumínio para torná-lo altamente reflexivo. Uma fina camada de verniz é então aplicada proteção, sobre a qual é impresso o rótulo. o disco é lido na face oposta à etiqueta.
[falta o inicio do texto playing time]
Um tempo de jogo mais longo poderia ser alcançado usando uma velocidade de rastreamento mais lenta, mas isso limitaria a resposta de freqüência do sistema. O comprimento do os passos são determinados pelo sistema de codificação utilizado. Os detalhes são muito longos para entrar aqui, mas o Informação de 8 bits obtida da digitalização do sinal de áudio não é codificado diretamente no disco como série de 1s (passos) e Os (nenhum passo) porque isso poderia levar a um número muito grande de passos com o risco de confusão entre padrões de código semelhantes. O código de 8 bits é transformado em uma palavra de 14 bits (EFM oito a quatorze modulação) (Watkinson 1985) usando um tabela que só permite padrões com um mínimo de 3 zeros consecutivos e um máximo de 11 zeros. Essas seqüências de zeros são então convertidas em passos na pista. Então o passo mais curto correspondente para 3 zeros tem um período igual a 3 x @nod do relógio mestre). A frequência do relógio principal é 4.3218 MHz, dando um período de 231,4 m, e um Passo de '3-zeros' a uma velocidade de digitalização de 1,2 m s- ' dar um comprimento de passo de 1,2m s - x 3 x 231,4 x s = 0,833 pm. Outras informações também devem ser codificadas no faixa para efeitos de sincronização e correção de erros. As palavras de dados de áudio e as palavras de correção de sincronização / erro são combinadas em quadros com 588 bits. Destes 588 bits apenas 192 bits transportam o áudio direto em formação. Então os bits de áudio são lidos em um frequência de Isto dá uma frequência de amostragem de 44,1 kHz por canal estéreo. Teorema de Nyquist (Pohhnann 1989, ver também Baert ef al 1988) afirma que o frequência de amostragem deve ser pelo menos o dobro do freqüência de som a ser gravada. Um menor freqüência de amostragem levaria ao aliasing, ou seja, o produção de falsos componentes de baixa frequência a saída. De acordo com essa teoria, um sistema usando uma frequência de amostragem de 44. I kHz deve ser capaz de reproduzir fielmente frequências até 22 kHz. Isso é mais que suficiente para gravar som desde a freqüência limite superior para a audição humana é de cerca de 20 kHz. Nós precisamos mostrar que a leitura óptica sistema é capaz de lidar com essas aquisições de dados taxas. Por causa do oito a quatorze algoritmo de codificação de modulação o degrau mais curto ciclo é 3 + 3 períodos de relógio longos = 6 x 23 I .4 ns = 1,4 ps, que corresponde a uma frequência de 720 kHz. O disco Airy tem um raio de 1,05 pm e se move a 1,2 m s 'em relação à pista. Dois picos seria apenas distinguível se o máximo de um coincidiu com o primeiro mínimo de o outro. Isso leva a uma freqüência de corte de 1,2 ms - '/ (I.O5x 10-6m) = 1,14 MHz. Nas freqüências acima deste limiar etapas sucessivas em a superfície não seria distinguida, isto é, a a modulação da saída seria zero. Abaixo a frequência limite a saída aumenta aproximadamente linearmente. A frequência máxima encontrada é de 720 kHz, o que permite ao sistema lidar adequadamente.
O captador
O feixe refletido da camada de informação deve ser desviado para o sistema de detecção sem obstruir o feixe incidente. Este refiected feixe não deve apenas levar a informação de áudio mas é usado para detectar e controlar o rastreamento e foco do feixe na faixa de dados. O design do captador varia de um fabricante para outro. Um design de captação chamado de sistema de três pontos, envolvendo o maior número dos princípios da física, serão descritos aqui (Figura 3). Luz do laser semicondutor passa pela primeira vez através de uma grade de difração. A ordem zeroth feixe emergente da grade é o que é usado para ler as informações do registro faixa. Os feixes de ordem ht de cada lado do feixe principal são utilizados para detectar qualquer vagando de a linha da pista. Os três raios do incidente feixe, em seguida, passar por um prisma de polarização, fazendo o plano do feixe polarizado. Este plano polarizado o feixe passa então através de uma placa de quarto de onda, isto é um que introduz uma diferença de fase de 90 'entre os dois componentes do vetor campo elétrico. O feixe está agora polarizado circularmente e permanece Então, até que ele retorne após a reflexão do disco. Passando pela placa de um quarto de onda por segundo time introduz mais 90 'de diferença de fase entre os componentes, o que faz com que o feixe polarizado em um plano de 90 "rodado a partir de que o feixe emergindo do prisma polarizador (figura 4). O plano de polarização é agora tal que o prisma polarizador reflete eficientemente o retorno do feixe para os fotodiodos do receptor ao invés de transmitir o feixe de volta para o laser. Uma lente cilíndrica introduz alguns astigmatismo deliberado no sistema antes da ponto central cai em um fotodiodo de quatro quadrantes (figura 5). Se o disco estiver posicionado corretamente para a lente objetiva o ponto central na matriz de fotodiodo é circular e todos os quadrantes recebem sinais iguais. Se a distância da lente do disco alterações devido a deformações ou outras problemas que o astigmatismo no sistema causará um ponto elíptico para cair no quadrante. o sinal de um par diagonal será mais forte do que do outro par. O sinal de diferença é enviado a um mecanismo servo para ajustar o foco apropriadamente. O mecanismo de ajuste da lente é semelhante ao a estrutura de um alto-falante, que permite a posição da lente a ser ajustada rapidamente (figura 6). Os dois pontos laterais do padrão de difração são trouxe para se concentrar em dois detectores separados flanqueand o fotodíodo do quadrante central. Se o ponto B (figura 7) ler a faixa de música é exatamente centrado nessa pista, os dois pontos laterais A e C cairá na área plana do disco de cada lado do faixa. Nesta situação, o ponto central mostrará maior modulação do que a luz para os dois lados pontos. Se, no entanto, o mecanismo da lente se deslocar para um lado da pista a modulação dos três vigas mudam conforme mostrado no diagrama. A aumento na modulação da luz em qualquer ponto lateral indica um desvio da pista verdadeira, e o sinal dos três detectores pode então ser alimentado a um mecanismo servo para corrigir esse desvio. Assim, os sinais dos seis fotodiodos são combinados de diferentes maneiras para fornecer áudio, correção de foco e rastreamento de sinais de correção(Figura 8)
Conclusão
Quando você está relaxando a música do seu Sistema de Discos Compactos, pense um pouco princípio da física envolvida na operação de seus partes componentes: os princípios de interferência usado para alcançar a modulação no feixe; tanto a óptica geométrica da lente sistema e a óptica física associada com difração através da abertura da lente que determinam a largura do feixe na pista gravada e, portanto, o tempo total de jogo possível; o uso feixe do feixe modulado refletido a partir do faixa gravada. CDs têm sido um sucesso fenomenal. A venda de CDs ultrapassou por algum tempoa dos LPs. O CD oferece uma oportunidade para discutir um grande número de princípios de física em causa com um equipamento que envolve tecnologias de modem que os jovens de todos os gostos podem apreciar.