CD-ROM-Laufwerke

1. Funktion

1.1. Aufbau einer CD-ROM

Eine Compact Disc - Read Only Memory (CD-ROM) ist eine 1,2mm dicke Scheibe von 12cm Durchmesser. Sie besteht aus mehreren Schichten. Auf eine Trägerschicht aus Polycarbonat ist eine reflektierende Schicht aus Aluminium aufgebracht, die von einer Schutzschicht aus Lack geschützt wird. Die Daten sind in Form von Vertiefungen (Pits) und Erhöhungen (Lands) in der reflektierenden Schicht gespeichert. (vgl. 1.3. Funktionsweise)

Bild 1a: Schichtaufbau einer CD-ROM

Bei einer CD - Recordable (CD-R) oder einer CD - Rewritable (CD-RW) ist der Schichtaufbau ein wenig anders, da eine statische Aluminiumschicht nicht beschreibbar wäre. Deshalb wird sie durch eine Kombination aus einer Farbschicht (Dye) und einer reflektierenden Schicht aus Gold oder Aluminium ersetzt. In den drei unteren Schichten hat die CD-R eine helixförmige Führungsrille, die Groove (Rille, Graben) genannt wird. Beim Lesen und Brennen weist diese Rille dem Laser den Weg über die CD-R. Der Erfolg eines Brennvorgangs hängt erheblich davon ab, wie genau die geometrischen Abmessungen der Rille sind. Bei hochwertigen Rohlingen verläuft die Groove gleichmäßig über die gesamte Scheibe:

Schlechte Rohlinge halten diese Maße nicht ein. Dadurch hat der Laser Orientierungsprobleme beim Lesen und Brennen.

Bild 1b: Schichtaufbau einer CD-R

1.2. Aufbau eines CD-ROM-Laufwerkes

Ein CD-ROM-Laufwerk besteht im wesentlichen aus 4 Komponenten: einem Motor, der die CD in Rotation versetzt, einem Laser, einer Optikeinheit und einem Schrittmotor, der den Laser und die Optikeinheit bewegt.

Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines CD-ROM-Laufwerkes

Beim Lesen einer CD geht der Laser von innen nach außen vor. Eine komplizierte Optik weist ihm dabei den Weg entlang der Spurrille. Der Laserstrahl wird durch ein Beugungsgitter zerlegt. Das Maximum 1. Ordnung wird zum Lesen der Daten und die Maxima 2. Ordnung werden für das Einhalten der Spur verwendet.

1.3. Funktionsweise

Da die CD für kontinuierliche Signale entwickelt wurde, besitzt sie eine Spiralspur mit vielen tausend Windungen. Sie wird von innen nach außen und von der Unterseite gelesen, um Ablagerungen (z.B. Staub) auf der empfindlichen Schicht zu verhindern. Für die Länge der Pits und Lands gibt es maximale und minimale Abmessungen.

Bild 3: Pits und Lands auf einer CD-ROM

Der Laserstrahl folgt beim Abspielen dieser Spiralspur und trifft dabei entweder auf Pits oder Lands. Im Falle einer Vertiefung, wird der größte Teil des Laserlichts gestreut und nur ein geringer Teil wird reflektiert. Bei einem Land wird jedoch fast das gesamte Licht reflektiert. Eine Photodiode kann aus diesen unterschiedlichen Intensitäten die digitale Information in Form von Nullen und Einsen auslesen.

Bild 4: Funktionsweise eines CD-ROM-Laufwerks

Beim Lesen unterscheidet man zwei Möglichkeiten: Constant Angular Velocity (CAV) - konstante Winkelgeschwindigkeit - und Constant Linear Velocity (CLV) - konstante Lineargeschwindigkeit. Bei der CAV-Methode bleibt die Drehgeschwindigkeit der CD immer gleich, die Datenrate ist somit in den verschiedenen Medienbereichen unterschiedlich. Die CD wird von Innen nach Außen gelesen, bei gleicher Geschwindigkeit liest der Laser in der äußeren Medienzone mehr Daten pro Zeiteinheit - die Datenrate steigt. Im Gegensatz dazu ist bei der CLV-Methode die Datenrate über die gesamte CD hin gleich bleibend. Erreicht wird dies durch ein Ändern der Drehgeschwindigkeit der CD.
 

2. Herstellung der CDs

2.1. CD-ROM

Bild 5:Herstellung einer CD-ROMEine CD-ROM wird industriell gefertigt und kann hinterher nicht mehr verändert werden. Dabei werden verschieden Produktionsstufen durchlaufen. Als erstes müssen die Daten, die später von der CD gelesen werden sollen in digitalisierter Form vorliegen. Bei Computer-Daten ist das meistens bereits der Fall, Musik muss aber vorher digitalisiert werden. Dann wird ein so genannter Glasmaster erstellt, von dem dann Kopien erstellt werden, die dann die eigentlichen CDs sind. Der Glasmaster besteht aus einer hochpolierten Glasplatte (1), auf die ein Photolack aufgetragen wird (2). Diese Photoschicht wird dann mit dem Muster der zukünftigen Pits belichtet (3). Nach der Entwicklung können die belichteten Bereiche durch Ätzverfahren entfernt werden (4). Das Pit-Land-Muster ist jetzt schon vorhanden, könnte aber noch nicht weiterverarbeitet werden. Deshalb wird der Glasmaster mit Silber beschichtet (5). Die vorhanden Strukturen sind nun so stabil, dass sie weiterverarbeitet werden können. Vom Glasmaster wird nun durch Pressen ein Negativ-Bild erstellt (6) - d.h. Pits werden zu Lands und umgekehrt. Mit Hilfe dieses Negativs können nun beliebig viele Scheiben aus Polycarbonat gepresst werden (7). Alle haben ein Pit-Muster, das dem des Glasmasters entspricht. Erst jetzt wird die reflektierende Aluminiumschicht aufgedampft (8). Zum Schluss wird noch der Schutzlack aufgetragen um die CD zu schützen (9).

2.2. CD-R und CD-RW

Das Verfahren für die CD-R und CD-RW sieht ein wenig anders aus. Die industrielle Fertigung beschränkt sich hier auf die Fertigung der Scheibe. Die Vorgehensweise ist dabei ähnlich wie bei einer normalen CD-ROM. Der Glasmaster besteht hier lediglich aus der Führungsrille, die das spätere Beschreiben ermöglicht. Die eigentlichen Daten gelangen dann erst beim Brennen auf die CD-R. Dabei brennt der Laser in den Dye. Dadurch schmilzt die Farbe weg und legt die Reflexionsschicht an dieser Stelle frei. Die Freigelegten Stellen entsprechend den Lands und die Stellen, an denen der Dye noch vorhanden ist, den Pits.
 

3. Schreibverfahren

Die CD wurde Anfang der 80er Jahre als digitales Medium für Musik entwickelt. Die Daten auf der Audio-CD werden in Tracks gespeichert. Die einzelnen Tracks werden über ein Inhaltsverzeichnis, dem Table-of-Content (TOC) angesteuert. Diese Technik war gut für die Audio-CD. Für die Nutzung als Daten-CD mussten einige Erweiterungen her: zusätzliche Header und ein Dateisystem zur Verwaltung der Dateien. Die wichtigsten Formate für Daten-CDs sind das ISO-9660 und das Joliet. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der erlaubten Länge der Dateinamen und der Verzeichnisstruktur.

Die Verfahren zum Beschreiben einer CD spielen vor allem bei CD-R und CD-RW eine große Rolle. Am Anfang konnte man eine CD-R genau einmal beschreiben. Eventuell übrig gebliebene Leerkapazitäten konnten hinterher nicht mehr genutzt werden. Heute gibt es jedoch das so genannte Multi-Session-Verfahren, bei dem auch mehrmals auf eine CD-R geschrieben werden kann - jedenfalls dann, wenn noch Platz ist. Es können keine alten Daten überschrieben werden, sondern nur neue angehängt werden.
Beim ersten Brennvorgang werden die Daten ganz normal auf die CD geschrieben. Der einzige Unterschied besteht darin, dass in der TOC ein Verweis (Pointer) auf das Ende des Datenbereichs gespeichert wird. Beim zweiten Brennen wird genau an der Stelle, auf die dieser Pointer zeigt, die TOC für den zweiten Datenbereich erstellt. Beim Auslesen der CD weiß das Laufwerk somit, dass die TOC aus zwei Teilen besteht und fügt beide zu einem Ganzen zusammen. Analog können natürlich beliebig viele weitere Sessions angehangen werden. Voraussetzung ist nur, dass jeweils ein Pointer auf den nächsten Bereich gespeichert wird. Nachteil einer Multisession-CD ist der zusätzliche Speicherplatzbedarf, der für jede neue TOC benötigt wird.
 

4. Kapazität

Bei der Verwendung von CD-ROMs gibt es unterschiedliche Kapazitäten. Die ersten CDs hatten konnten 650MB an Daten oder 74 Minuten Musik speichern. Diese Datenmenge hat sich bis heute auch nicht wesentlich vergrößert. Zur Zeit sind CDs mit 700 MB bzw. 80 Minuten Speicherfähigkeit der Standard. Diese Kapazität wird durch die Abmessungen der CD und durch die Geometrie der Pits bedingt. Eine Vergrößerung der Datenmenge kann bei gleicher Mediumgröße nur durch eine Verkleinerung der Strukturen auf der CD erreicht werden. Das wurde bei der Digital Versatile Disc (DVD) erreicht. Dadurch sind jetzt Speicherkapazitäten bis zu 17GB auf einer Disc möglich.