El lanzamiento de sistemas de láser digitales en el mercado nacional ha despertado interés en este proceso de grabación, que se espera que a largo plazo sustituya a los sistemas convencionales. Este sistema de grabación utiliza discos con senderos punteados de cavidades microscópicas de alta densidad, combinados con un lector láser, que permite un seguimiento preciso de los senderos de grabación mediante un enfoque minúsculo y bien definido de un haz de luz sobre el sendero. Esto se traduce en una calidad excepcional en la reproducción musical.
Nota: Artículo publicado en la Revista Saber Electrónica 221 de 1991. ART5367
Estamos presenciando el cambio técnico más radical en los sistemas de audio desde su invención en 1877 por Thomas Alva Edison, con la grabación de "Mary had a little lamb".
Ahora es posible capturar y reproducir con claridad y precisión todo un entorno sonoro, desde el repiqueteo de los gongs de bronce hasta el estruendo de los cañones y los truenos, pasando por la percusión de los tambores y el agudo murmullo «pianissimo» de un solo de violín, gracias a un sistema de audio digital en disco compacto. Este sistema utiliza discos de plástico de 12 cm de diámetro capaces de reproducir más de una hora de música grabada en senderos espirales situados en una de las caras del disco. Estos senderos constan de cavidades micrométricas que corresponden a la grabación digital de la información musical. Un haz de láser que incide sobre estas cavidades lee ópticamente la información en forma de bits 0 y 1.
Esta lectura se realiza con el disco girando y sin ningún contacto físico entre el sistema óptico y el propio disco. La figura 1 muestra un esquema de un sistema de reproducción de láser digital.
Las ventajas de un sistema de reproducción de láser digital son realmente asombrosas. Permite grabar una banda dinámica de intensidades de sonido de 90 decibelios, en comparación con los 70 decibelios que se pueden alcanzar con los mejores sistemas de discos convencionales. Esto supone una mejora de al menos diez veces en la definición de las amplitudes de las señales grabadas.
El sonido grabado prácticamente no se ve afectado por la presencia de polvo, arañazos ni huellas dactilares, ya que las microcavidades contienen bits de redundancia que permiten la implementación digital de un potente sistema automático de detección y corrección de errores. En las implementaciones actuales, este sistema es capaz de corregir automáticamente miles de bits de información, consecutivos o no, compensando así los defectos que puedan surgir en el disco, ya sea por fallos de fabricación o de mantenimiento.
Desde el punto de vista mecánico, también presenta numerosas ventajas: se elimina el ruido sordo (retumbo) causado por la excentricidad y la vibración del motor, ya que el acoplamiento óptico está mecánicamente aislado del mecanismo de rotación. La velocidad configurable del plato giradiscos está controlada por servo control, y la sincronización se logra mediante un cristal de cuarzo, lo que garantiza que la velocidad de grabación se mantenga rigurosamente durante la reproducción. Además, el captador óptico, es decir, el haz de láser, controlado por una unidad central de procesamiento, permite un control preciso y el acceso a cualquier material grabado con una precisión microscópica.
Debido a todo esto extremadamente...atractivo el mercado el potencial de los sistemas de discos de láser compactos es enorme. En el extranjero, estos sistemas han estado disponibles para utilización doméstica desde la década de 1980; y hacia 1986 estos Sistemas como este ya existían para automóviles, y un número considerable de estos sistemas portátiles ya estaban disponibles. Hoy en día, varias versiones de estos dispositivos se han lanzado en el extranjero; la idea básica surgió de una investigación conjunta entre NV Philips Gloeilampen-fabrieken de Eindhoven, Holanda y de la Sony Corp. de Tokio, Japón, permitiendo incluso la utilización de esta tecnología para el almacenamiento digital.
También es importante destacar que, debido a sus excepcionales características técnicas, el sistema de disco de láser digital es una tecnología viable para discos de vídeo. En el futuro, lo ideal será la existencia de un sistema compatible de almacenamiento de datos digitales y discos de audio y vídeo, cuya distribución mundial se vería hoy en día obstaculizada principalmente por los diferentes sistemas de televisión utilizados en Estados Unidos, Europa y Brasil.
Las ventajas del disco compacto de láser se deben a la utilización de una serie de características tecnológicas de vanguardia: lentes ópticas avanzados servos sistema de alta precisión utilizados para el enfoque, el bloqueo del haz al sendero y el control de velocidad del motor configurable; utilización de un sistema de codificación para la corrección automática de errores y un potente microprocesador para monitorear todo el sistema.
En cuanto a la distribución física de la superficie del disco, cabe destacar que solo 33mm de su radio de 60 mm se utilizan para contener los senderos espirales. Estos 33 mm contienen, en un disco compacto de láser típico, más de 20.000 senderos con sus microcavidades. En este denso sistema de almacenamiento de información, la distancia entre senderos adyacentes es de 1,6 µm. Para hacerse una idea de esta densidad, en un LP, la distancia entre senderos es de aproximadamente 100 µm, con la información grabada de forma analógica. Por lo tanto, el disco compacto de láser permite almacenar mucha más información que un LP típico, incluso teniendo en cuenta que la información se graba digitalmente y que existe una considerable redundancia de bits. A modo de comparación, un disco compacto de láser permite grabar más música en una sola cara, en sus 12 cm de diámetro, que la cantidad de música grabada en las dos caras de un LP de 30 cm de diámetro.caras.
Como se muestra en la figura 1, el haz de láser se aplica desde abajo de los discos compactos y se mantiene en pasos configurables a través de una capa transparente de 1,2 mm de espesor, cuya función es proteger la superficie del disco. Tras atravesar la capa de plástico transparente, el haz de láser se enfoca sobre una película reflectante de aluminio depositada en la superficie del disco. La capa de plástico cubre completamente esta película reflectante metálica. Es precisamente sobre esta película reflectante donde se registra la información de la señal. Las dimensiones del círculo de luz en la superficie de la capa de plástico son de 0,8 mm de diámetro, lo que reduce el diámetro del haz en la superficie de la película de aluminio a tan solo 1,7 km. En esta estructura, las partículas de polvo con un diámetro inferior a 0,5 mm no causan problemas importantes, ya que se encuentran en la superficie del plástico y, por lo tanto, están desenfocadas.
El sistema automático de corrección de errores gestiona y corrige los efectos producidos por los granos de mayor tamaño. Esto elimina la necesidad de un cuidado excesivo al manipular los discos compactos de láser, a diferencia de lo que ocurre con los LPs convencionales. La existencia o ausencia de transiciones entre las cavidades y la superficie de la película representa la presencia o ausencia de información digital, es decir, la presencia o ausencia del bit 0 o del bit 1. Cabe destacar que la profundidad de las cavidades en la película metálica es de 0,11 µm (1100 Å), un valor muy cercano a un cuarto de la longitud de onda de la luz generada por el láser, dividida por el índice de refracción de la capa de plástico transparente. Este índice de refracción es 1,5. En estas condiciones, se produce una diferencia de fase de media longitud de onda entre el haz reflejado en el fondo de la cavidad y el haz reflejado en la superficie de la película metálica. Estos haces interfieren entre sí de tal manera que se anulan mutuamente. La figura 2 ilustra este mecanismo.
La información se muestra ópticamente mediante la reflexión del haz sobre la superficie reflectante metálica de aluminio. La presencia de una cavidad interfiere destructivamente con la señal reflejada por la superficie, debido a la diferencia de media longitud de onda en la trayectoria óptica.
Las fluctuaciones en el haz óptico reflejado son detectadas por un fotodiodo, que transforma estas fluctuaciones en señales eléctricas correspondientes a los valores digitales 0 o 1.
Dado que el sistema funciona mediante interferencia de haces de luz, solo una fuente de luz monocromática (de una sola longitud de onda), coherente y de alta intensidad, como un láser, permite enfocar el haz a un diámetro suficientemente pequeño para leer la información contenida en el disco. Se utiliza como fuente de luz un diodo de láser semiconductor, situado en el foco de una lente colimadora con una distancia focal relativamente grande (17 mm). Una lente objetivo-convexa, con un diámetro similar al de la lente colimadora y una distancia focal de 4 mm, enfoca la luz paralela proveniente del colimador sobre la superficie de la película metálica reflectante del disco. Ambas lentes presentan características ópticas similares a las utilizadas en microscopios avanzados, con un alto brillo y sin aberraciones.
Observando la figura 1, podemos ver que entre el diodo de láser y el colimador hay una placa reticulada. La función de esta placa es producir tres círculos luminosos que se utilizan para controlar la alineación del haz sobre el sendero. Después del colimador, se encuentra el polarizador separador de haz. Este polarizador separador de haz es básicamente un prisma con una membrana dieléctrica que dirige el haz del diodo de láser hacia la superficie de la película metálica del disco y, al recibir el haz reflejado, lo dirige al diodo fotodetector.
Si el haz del diodo de láser está polarizado horizontalmente, puede atravesar el divisor de haz polarizador, llegar a la lámina de cuarto de onda, situada después del divisor, y desde allí alcanzar la fuente del objetivo. Este haz, reflejado por la superficie del disco, regresa a la lámina de cuarto de onda. La atraviesa por segunda vez, convirtiéndo entonces en un haz polarizado verticalmente.
El separador-polarizador refleja el haz polarizado verticalmente de vuelta al fotodiodo, separándolo del haz generado originalmente por el diodo láser.
Analicemos los puntos críticos del funcionamiento del sistema. En primer lugar, observamos que un enfoque localizado muy preciso es crucial para el correcto funcionamiento del sistema digital con un disco de láser compacto. La profundidad de foco local de un captador óptico es de tan solo 2 µm. En otras palabras, si la película reflectante de aluminio se desvía de esta banda, se pierde el enfoque, lo que imposibilita que el captador óptico detecte las señales. Además, las irregularidades en la dirección vertical, resultantes del movimiento de rotación del disco, superan los 200 µm y, por lo tanto, son cientos de veces mayores que la profundidad de foco.
Por lo tanto, es necesario contar con un sistema de enfoque que utilice una lente de enfoque y un mecanismo para accionar dicha lente, con el fin de mantener el enfoque del circuito de incidencia sobre la superficie del disco dentro de unas especificaciones bastante estrictas.
El control del enfoque se basa en la separación de las componentes horizontal y vertical de la intensidad del haz la lente cilíndrica se posiciona de forma que no afecte a la componente vertical, que se enfoca en el foco de la lente de enfoque. La componente horizontal, en cambio, se ve afectada por la lente cilíndrica, retractándose y enfocándose a una distancia menor. Con el haz perfectamente enfocado, se forma un círculo luminoso perfectamente circular en el fotodetector, ya que este se encuentra en la intersección de la componente horizontal difusa con la componente vertical. El círculo luminoso fuera del fotodetector se vuelve elipsoidal si cambia la distancia entre la lente objetivo y la superficie reflectante del disco. El método de detección para esta situación se muestra en la figura 3, donde la superficie del fotodetector se divide en cuatro regiones triangulares: A, B, C y D.
La señal de error que actúa sobre el sistema de control se obtiene de la diferencia (A+C) - (B+D). Esta señal, debidamente amplificada, activa un dispositivo de desplazamiento de lente para mantener siempre un enfoque perfecto en la superficie del disco.
Un fotodiodo pino, dividido en 4 sectores triangulares idénticos, y un amplificador diferencial que controla un servoaccionamiento que mueve la lente cilíndrica hacia arriba y hacia abajo para corregir las fluctuaciones en la superficie del disco.
Otro factor esencial en el funcionamiento del sistema es la precisión de fabricación de todos los componentes y la estabilidad del haz, independientemente de las fluctuaciones presentes en el sistema.
La figura 4 ilustra las dimensiones típicas utilizadas en un disco de láser compacto.
a) Forma de las microcavidades y separación entre ellas. La separación entre senderos es de 1,6 µm; el ancho de las microcavidades es de 0,5 µm y su profundidad es de 0,11 µm;
b) Solo 33 mm del disco se utilizan para la grabación. El resto contiene señales de control. Una capa transparente de plástico protege la superficie reflectante que contiene las microcavidades de señal.
Debido a la escasa separación entre senderos, se requiere un posicionamiento extremadamente preciso del orificio central del disco. Por consiguiente, fue necesario desarrollar técnicas de estampado y corte de alta precisión para la producción a gran escala de estos discos. Se incorporó un avanzado sistema servo en la plataforma giratoria para controlar el haz de láser, compensando así cualquier irregularidad o imprecisión en el posicionamiento del orificio central. El componente central de este sistema es la placa reticulada, cuya función es generar tres haces a partir del haz original. Esto da como resultado un haz central y dos haces laterales, separados entre sí por 20 µm. Mientras que el haz central se centra en la sendero, cada uno de los haces laterales se desplaza parcialmente del centro en direcciones opuestas, como se muestra en la figura 5.
Para la fijación del haz de láser, se utilizan dos haces de láser laterales. Los diodos pino fotodetectores de los haces laterales son detectados por los fotodiodos E y F. Las señales generadas por estos fotodiodos se aplican a un amplificador diferencial. Cuando el haz central se centra en el sendero, los fotodiodos que detectan los haces laterales generan señales que, al aplicarse al amplificador diferencial, dan como resultado una señal de error cero. En caso de desequilibrio hacia la izquierda, por ejemplo, la señal F se vuelve menor que la señal E. En este caso, un dispositivo electromagnético análogo a la bobina de un altavoz desplaza la lente objetivo en la dirección que reposiciona el haz central.
