ประวัติของแผ่นซีดี เทคโนโลยีแสงเลเซอร์ และหลักการทำงานที่ควรรู้

คอมแพ็กดิสก์ (compact disc) หรือสามารถเรียกได้ย่อๆ ว่า แผ่นซีดี คือแผ่นออพติคอลที่สามารถเก็บข้อมูลในรูปแบบของสื่อดิจิทัลต่างๆ ได้ ซึ่งในปัจจุบันได้ถูกนำมาใช้เป็นมาตรฐานสำหรับรูปแบบการบันทึกเสียงทางการค้า

ประวัติของแผ่นซีดี

เริ่มต้นในปี พ.ศ. 2513 นักวิจัยของบริษัทฟิลิปส์ ได้ทำการทดลองสร้างแผ่นออพติคอลขึ้นมา โดยมีคุณสมบัติใช้สำหรับการเก็บเสียงโดยสร้างจากเทคโนโลยีของแผ่นเลเซอร์ดิสก์ ในช่วงแรกนั้นจะใช้วิธีการ แบบwideband FM และแบบ PCM เพื่อเข้ารหัสเสียงในระบบดิจิทัล ในช่วงปลายทศวรรษ บริษัท ฟิลิปส์ โซนี่ รวมไปถึงบริษัทชั้นนำอื่นๆ ได้ทำการแสดงต้นแบบของแผ่นดิสก์ระบบเสียงดิจิตอลดังกล่าวสู่สาธารณะ ต่อมาในปี พ.ศ. 2522 บริษัท ฟิลิปส์ และ โซนี่ ได้ทำการร่วมมือกันเพื่อจัดตั้งกลุ่มวิศวกรสำหรับการออกแบบ และการพัฒนาแผ่นดิสก์ระบบเสียงดิจิตอลในรูปแบบใหม่ขึ้น โดยมีสมาชิกคนสำคัญคือ Toshitada Doi และKees Immink เมื่อได้ทำการทดลองพัฒนาออกแบบและลองผิดลองถูกมาเป็นระยะเวลาหนึ่งปี ทีมงานได้ทำการออกมาตรฐานของคอมแพ็กดิสก์คือ “มาตรฐานเรดบุ๊ค” โดยมีฝ่ายฟิลิปส์เป็นฝ่ายสนับสนุนการผลิตต่างๆ ที่อาศัยเทคโนโลยีการผลิตเลเซอร์ดิสก์ นอกจากนี้ ฟิลิปส์ ยังให้การสนับสนุนวิธีการมอดูเลตแบบ EFM ซึ่งวิธีดังกล่าวมีคุณสมบัติในเรื่องหน่วยความจำที่สามารถจัดเก็บเสียงบันทึกได้มากขึ้น ทนต่อรอยนิ้วมือ และ รอยขีดข่วนต่างๆ ในขณะที่วิธีรหัสแก้ข้อผิดพลาด (error correction) CIRC ในเอกสาร Compact Disc Story นั้นได้รับการสนับสนุนจาก โซนี่ โดยคนหนึ่งในกลุ่มการผลิตได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับการตัดสินใจทางเทคนิคต่างๆ การเลือกความถี่ของการสุ่ม เส้นผ่าศูนย์กลางแผ่นดิสค์ และระยะเวลาในการเล่น ฟิลิปส์กล่าวว่าคอมแพ็กดิสก์นั้น “ถูกประดิษฐ์ขึ้นร่วมกัน โดยกลุ่มคนกลุ่มใหญ่ที่ทำงานร่วมกันเป็นทีม” (“invented collectively by a large group of people working as a team.”)

คอมแพ็กดิสก์ถูกวางขาย ในเอเซียในปลายปี พ.ศ. 2525 และแพร่หลายไปยังที่อื่นๆ ในปีถัดไป เหตุการณ์ดังกล่าวได้กลายเป็นจุดเริ่มต้นของการปฏิวัติวงการเสียงดิจิตอล ซึ่งแผ่นดิสค์เสียงในรูปแบบใหม่นี้ มีคุณภาพเสียงที่ดีขึ้นจนได้รับการชื่นชมและยอมรับอย่างแพร่หลาย ในตอนแรกคอมแพ็กดิสก์ถูกสร้างขึ้นสำหรับการบันทึกเสียงเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่ปัจจุบันได้ถูกนำไปใช้ประโยชน์ด้านอื่นเพิ่มมากขึ้น โดยใน ปีพ.ศ. 2527 ได้มีการวางจำหน่ายแผ่นซีดีรอม ที่สามารถเก็บข้อมูลต่างๆ ทางคอมพิวเตอร์ในจำนวนมากได้ ต่อจากนั้นไม่นาน ในปี พ.ศ. 2533 แผ่นซีดีอาร์ (CD-R) ซึ่งเป็นแผ่นซีดีที่ผู้ใช้สามารถเขียนเองได้ถูกวางขายและได้รับความนิยมอย่างล้นหลาม จนในปัจจุบันแผ่นซีดีอาร์ได้กลายเป็นมาตรฐานสำหรับการจัดเก็บและแลกเปลี่ยนข้อมูลคอมพิวเตอร์ ตลอดทั้งปีพ.ศ. 2547นั้น แผ่นซีดีเพลง ซีดีรอม ซีดีอาร์ และแผ่นซีดีแบบต่างๆ ได้ถูกจำหน่ายทั่วโลกเป็นจำนวนมากกว่าสามหมื่นล้านแผ่น ซึ่งในปีนั้นเป็นปีที่มียอดขายสูงสุดและถือได้ว่าเป็นการประสบความสำเร็จอย่างมากสำหรับเทคโนโลยีดังกล่าว

หลักการทำงานของแผ่นซีดี

โดยทั่วไปสำหรับแผ่นซีดีนั้นมีปริมาณหน่วยความจำ 780 ล้านไบต์ หรือ 780 ล้านตัวอักษรต่อหนึ่งแผ่น สามารถเก็บข้อมูลได้นาน 74  นาที มีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาด 4.8 นิ้ว หรือ 12 เซนติเมตร ทำมาจากแผ่นพลาสติกที่ มีความหนา 0.04 นิ้ว  หรือ 1.2  มิลลิเมตร การผลิตแผ่นซีดีถูกแบ่งออกเป็นหลายประเภท สำหรับผลิตที่บ้านที่ต้องการผลิตแผ่นซีดีขึ้นในปริมาณน้อย สามารถทำได้โดยเครื่องบันทึกแผ่นซีดีที่มีราคาไม่สูงมากและมีหลักการใช้ค่อนข้างง่าย ส่วนการผลิตแผ่นซีดีทางการค้าที่ต้องการผลิตในปริมาณที่มาก แผ่นแม่แบบจะถูกบันทึกโดยเครื่องบันทึก ใช้หลักการจัดเรียงข้อมูลภายในแผ่นเป็นรูปขดวง ซึ่งข้อมูลทางดิจิตอลเฉพาะในแผ่นต้นแบบจะมีลักษณะเป็นเนินขึ้นมา แผ่นต้นแบบจึงถูกสร้างจากวัสดุที่มีความแข็งแรงเช่น พวกโลหะ จากนั้นเมื่อถูกนำไปปั๊มลงบนแผ่นลูก ซึ่งเป็นแผ่นพลาสติก แผ่นลูกก็จะมีลักษณะเป็นหลุมตามลักษณะเนินของแผ่นต้นแบบ ขั้นตอนถัดไปคือ ขั้นตอนของการเคลือบอลูมิเนียมเป็นแผ่นฟิลม์บางๆ ลงบนแผ่นพลาสติก แล้วเคลือบด้วยอะคลิลิกตามอีกชั้นสำหรับป้องกันรอยขีดข่วนต่างๆ

ข้อมูลบนแผ่นซีดีนั้นมีรูปร่างขดเป็นวง โดยข้อมูลจะเริ่มขดจากภายในรอบจุดศูนย์กลางที่ถูกเจาะเป็นรูไว้ออกมาภายนอก  ซึ่งรูที่ถูกเจาะไว้นั้นมีไว้สำหรับมอเตอร์ในการจับแผ่นและหมุนแผ่น จึงทำหน่วยความจำสำหรับข้อมูลมีพื้นที่ลดลง สำหรับการ์ดซีดีที่มีลักษณะเป็นแผ่นสี่เหลี่ยมขนาดเท่ากับบัตรเอทีเอ็มนั้น เนื่องจากลักษณะของมันที่เป็นสี่เหลี่ยมทำให้มีวงได้น้อยกว่าแผ่นซีดีที่มีลักษณะเป็นวงกลม จึงมีปริมาณพื้นที่จัดเก็บข้อมูลเพียง 2 ล้านไบต์ หรือสามารถจัดเก็บเพลงได้เพียงประมาณแผ่นละ 1 เพลงเท่านั้น โดยที่การเล่นการ์ดซีดีดังกล่าวมีหลักการใช้เหมือนกับแผ่นซีดีทุกประการ

เครื่องเล่นคอมแพคดิสก์

เครื่องเล่นแผ่นซีดี ทำหน้าที่สำหรับอ่านข้อมูลภายในขดแผ่นซีดี ซึ่งเนื่องจากแผ่นซีดีนั้นมีขดข้อมูลมีที่ขนาดเล็กมาก เครื่องเล่นแผ่นซีดีจึงต้องมีหัวอ่านที่มีความถูกต้องและแม่นยำสูงเพื่อป้องกันความผิดพลาดในการอ่านข้อมูล

เครื่องเล่นซีดีมีส่วนสำคัญ 3 ส่วนดังนี้

1. มอเตอร์ ทำหน้าที่หมุนแผ่นซีดี โดยใช้ความเร็วประมาณ 200 –  500 รอบต่อนาที สามารถปรับความเร็วตามต้องการได้ โดยขึ้นอยู่กับตำแหน่งของหัวอ่านบนแผ่นซีดี
2. เครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์ ทำหน้าที่ฉายแสงเลเซอร์ลงบนแผ่นซีดี
3. กลไกการอ่านแทรก ทำหน้าที่เคลื่อนหัวอ่านเลเซอร์ไปตามรัศมีแนวแผ่น

เครื่องอ่านแผ่นซีดี มีหน้าที่หลักคือ การโฟกัสแสงเลเซอร์ลงบริเวณขดข้อมูลและแล้วทำการสะท้อนไปยังตัวตรวจจับแสงที่เรียกว่า เซนเซอร์ ซึ่งมีหน้าที่อ่านและแปลงสัญญาณเป็นดิจิตอล โดยมีสัญญาณข้อมูลเป็น 1 แต่ในกรณีที่เลเซอร์ฉายไปเจอหลุม เซนเซอร์จะไม่สามารถตรวจจับสัญญาณได้ทำให้ได้สัญญาณข้อมูลเป็น 0

ส่วนสำคัญที่สุดของเครื่องอ่านแผ่นซีดีคือ ระบบกลไกการอ่านแทรก เนื่องจากขณะที่หัวเลเซอร์ฉายแสงเลื่อนออกจากจุดศูนย์กลาง วงขดของข้อมูลจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น และเพิ่มขึ้นเรื่อยตามระยะห่างในแนวรัศมีที่หัวอ่านเลื่อนออก ทำให้บริเวณที่มีความเร็วมากสุดคือบริเวณขอบแผ่นซีดี ระบบกลไกการอ่านแทรก จึงทำหน้าที่สำคัญคือเป็นตัวลดความเร็วของมอเตอร์ลงในการอ่านขดข้อมูล เมื่อความเร็วของแผ่นซีดีลดลงและข้อมูลที่ผ่านเข้าหัวอ่านมีอัตราคงที่จะทำให้ได้ข้อมูลที่มีความถูกต้องและแม่นยำ อย่างไรก็ตาม ซีดีในราคาปกติในปัจจุบันนั้นมอเตอร์ไม่สามารถปรับความเร็วได้ จึงต้องแก้ไขให้ระบบการอ่านข้อมูลมีความเร็วเพิ่มขึ้นและน่าเชื่อถือมากยิ่งขึ้น ซึ่งวิธีดังกล่าวเป็นวิธีการที่ง่ายและมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่า