Lecteur de disque compact : lecture numérique audio précise et sans usure

Contexte historique

Un disque compact, aussi connu simplement sous le nom de CD, est un support de stockage optique avec des données numériques enregistrées sur sa surface. Un lecteur de disque compact est un dispositif qui lit les données enregistrées au moyen d'un faisceau optique et reproduit fidèlement l'information originale (musique, images, ou données). Comme le lecteur lit l'information par des moyens optiques, il n'y a pas d'usure physique sur le disque. La technologie de base utilisée dans tous les lecteurs de disques compacts est essentiellement la même, que le lecteur soit conçu pour l'audio, la vidéo, ou les applications informatiques. Cet article se concentrera sur les lecteurs conçus pour l'audio (spécifiquement, l'audio domestique).

L'histoire du système de disque compact remonte au début des années 1970, quand les avancées rapides en électronique numérique, optique laser, et intégration à grande échelle (LSI) eurent lieu. De nombreuses entreprises commencèrent à explorer la possibilité de stocker des signaux audio sous forme optique en utilisant des moyens numériques plutôt qu'analogiques. Une méthode pratique de modulation des signaux audio fut trouvée en utilisant des théories publiées en 1948 par un scientifique nommé Claude E. Shannon. Cette méthode, connue sous le nom de Modulation de Code d'Impulsions (PCM), échantillonne les signaux audio pendant un court intervalle de temps et convertit ensuite les échantillons en valeurs numériques pour stockage en format numérique.

Le stockage de l'audio en format numérique (connu sous le nom d'encodage audio) requiert de grandes quantités de données. Par exemple, stocker une seconde d'information audio nécessite un million de bits de données. Les disques optiques capables de stocker des milliards de bits dans une zone très petite se révélèrent idéaux pour de telles applications. Un disque optique peut stocker jusqu'à un million de bits de données sur une surface aussi petite qu'une tête d'épingle. Une fois les technologies pour l'enregistrement et le stockage de l'audio numérique trouvées, les fabricants cherchèrent des moyens de lire et traiter les données stockées dans une si petite zone. Les expériences avec des dispositifs laser (un laser émet un faisceau de lumière très étroit capable de se focaliser sur une zone très petite) s'avérèrent très concluantes. Le développement des techniques LSI signifiait que l'énorme quantité de données stockées sur le disque pouvait être traitée assez vite pour fournir de la musique continue. La scène était maintenant prête pour le développement d'un système de disque compact complet.

Bien que de nombreuses entreprises aient participé aux recherches et expérimentations précoces avec les diverses technologies impliquées dans un système de disque compact, deux entreprises — Sony du Japon et Philips des Pays-Bas — sont créditées d'avoir fusionné avec succès ces technologies en un système complet. Les deux entreprises collaborèrent pour développer des standards spécifiques pour le système de disque compact, et un consortium de 35 fabricants accepta d'adopter ces standards en 1981. Les premiers lecteurs de disques compacts furent introduits sur les marchés européen et japonais à la fin 1982 et aux États-Unis au début 1983.

Matières premières

Un lecteur de disque compact est un équipement électronique très sophistiqué. L'extérieur simple contient des mécanismes intérieurs complexes pour lire et traiter les signaux audio en musique très claire et nette. Les divers composants incluent un boîtier cabinet, un assemblage de lecture optique (pick-up), et des circuits imprimés (PCB), qui contiennent des micropuces dirigeant les processus électroniques du système.

Le cabinet qui loge le labyrinthe de composants est généralement en aluminium léger renforcé. Le laser est un petit tube en verre rempli de gaz avec une petite alimentation pour générer un faisceau laser, tandis que la photodiode — une pièce semi-conductrice qui convertit la lumière réfléchie du disque compact en signal électrique — est généralement en silicium ou germanium. Les lentilles et miroirs dans l'assemblage optique sont en verre ou plastique hautement polis. Cet assemblage est logé dans son propre boîtier plastique. La majorité des composants électroniques — résistances, transistors, condensateurs — sont contenus sur des micropuces attachées aux PCB. Le matériau de base de ces composants est généralement le silicium. La quincaillerie connectant les divers sous-ensembles consiste en une variété d'écrous, vis, rondelles, poulies, moteurs, engrenages, courroies, et câbles en métal et plastique.

Conception

Un disque compact est un disque en plastique polycarbonate de 12,065 cm (4,75 pouces) de diamètre contenant environ 74 minutes d'information audio. Toute l'information sur le disque n'est pas de la musique ; une partie sert à la détection d'erreurs, la synchronisation, et l'affichage. L'information sur un CD est encodée sur une piste spirale sous forme d'indentations appelées plats (lands) et cavités (pits) représentant les états binaires haut et bas. Ce sont ces indentations que le laser du lecteur CD « lit ».

Conceptuellement, la conception d'un lecteur CD ressemble à celle d'un phonographe (platine). Comme un disque, le disque compact est rotatif sur un plateau, et l'audio est lu par un dispositif de lecture. Cependant, contrairement à une platine, le moteur ne fait pas tourner le plateau à vitesse constante mais l'ajuste en fonction de la distance de la tête de lecture par rapport au centre du plateau. De plus, le dispositif de lecture dans un lecteur CD n'est pas un stylet mécanique (une aiguille) mais un faisceau laser optique qui ne entre pas en contact physique avec le disque compact. Ce laser focalise son faisceau sur la piste du disque contenant les plats et cavités, et le détecteur du lecteur CD (la photodiode) perçoit la différence entre la lumière réfléchie par les plats et celle réfléchie par les cavités. La photodiode transforme cette lumière réfléchie en signal électrique. Relevé vers la carte de circuit électronique, ce signal est alors converti par le système de décodage de données en signaux audio pour la lecture.

Il y a essentiellement trois sous-ensembles dans un lecteur de disque compact : l'assemblage de mécanisme d'entraînement du disque ; l'assemblage de lecture optique ; et l'assemblage de carte de circuit électronique, qui coordonne les autres systèmes à l'intérieur du lecteur et qui inclut le mécanisme de servo et le circuit de décodage de données. En envoyant des signaux au mécanisme de servo, la carte de circuit ajuste la vitesse du moteur, la mise au point, et le suivi de la lecture optique ; gère le flux de données vers le circuit de décodage ; et fournit l'information d'affichage en réponse aux divers boutons du panneau de commande.

Le mécanisme d'entraînement du disque consiste en un mandrin qui tient le CD et un moteur qui le fait tourner. Le moteur, appelé moteur de mandrin, est monté sous le plateau ou tiroir de chargement en plastique. Un moteur séparé monté sur le châssis (la base ou structure du lecteur CD) déplace le tiroir de chargement dans et hors du lecteur ; ceci est fait au moyen d'un engrenage attaché au moteur et qui actionne aussi un engrenage plus grand pour lever et abaisser un serre-disque maintenant le disque en place.

L'assemblage de lecture optique consiste en un laser, une photodiode, et diverses lentilles et miroirs. Le sous-ensemble entier coulisse d'avant en arrière sur des rails et est contrôlé par le mécanisme de servo qui reçoit les signaux directeurs de la carte de circuit. L'assemblage de lecture optique est généralement situé sous le serre-disque qui positionne le disque, tandis que le moteur qui déplace l'assemblage est monté sur le châssis près des rails. Le mécanisme fonctionne en dirigeant un faisceau laser à travers lentilles et miroirs sur la face inférieure du disque compact. Les lentilles et miroirs maintiennent le faisceau correctement focalisé. Si le faisceau frappe une cavité sur le disque, aucune lumière n'est réfléchie et la photodiode reste inactive. Si le faisceau frappe un plat, la lumière est réfléchie à travers les lentilles et miroirs sur la photodiode, qui génère alors un signal électrique. Ce signal est transféré à l'assemblage de carte de circuit électronique, où il est converti par le système de décodage de données en signaux audio pour la lecture.

L'assemblage de carte de circuit électronique consiste en des circuits imprimés contenant le circuit pour le mécanisme de servo, qui opère le système de lecture optique, le décodage de données, et le système de contrôle. Il y a de nombreuses puces de circuits intégrés, microprocesseurs, et composants à grande échelle intégrée sur l'assemblage de carte.

Un assemblage clé dans un lecteur de disque compact est l'assemblage de lecture optique. Il est situé sur rails pour qu'il puisse se déplacer d'avant en arrière sous le disque compact. Il fonctionne en dirigeant un faisceau laser sur le CD ; si le laser frappe un plat, la lumière réfléchie voyage alors vers la photodiode, qui génère un signal électrique. En retour, le signal se déplace vers la carte de circuit du lecteur CD, qui convertit le signal en musique.

Processus de
fabrication

Dans l'environnement de fabrication d'aujourd'hui, il n'y a pas de méthode unique de fabrication et d'assemblage. Les produits sont de plus en plus faits comme sous-ensembles et réunis en sous-ensembles plus grands ou comme produit final. La robotique et les lignes pilotées par ordinateur permettent d'installer virtuellement n'importe quelle pièce dans n'importe quel état du sous-ensemble à n'importe quel point du processus. La séquence peut être changée en minutes pour permettre modifications ou points de contrôle qualité. Le processus de fabrication détaillé ici suit donc une approche similaire au processus de fabrication réel utilisé dans l'industrie. Le processus est d'abord décrit en termes des divers sous-ensembles, puis la description détaille comment les divers sous-ensembles sont réunis pour faire le produit final.

Sous-ensemble de lecture optique

• 1 Achetés auprès de sous-traitants externes, le laser et la photodiode sont installés sous le serre-disque. Les diverses lentilles et miroirs dans l'assemblage doivent être correctement espacés et alignés pour pouvoir focaliser et diriger la lumière comme nécessaire. L'ensemble de l'assemblage est ensuite logé dans un boîtier plastique. Le boîtier est fait par l'un des procédés habituels de formage plastique comme extrusion ou moulage par injection, tandis que les lentilles et miroirs (généralement silicium) sont découpés à la forme appropriée puis finement polis avec abrasifs. La photodiode semi-conductrice est faite en préparant et polissant une substance comme silicium ou germanium puis en ajoutant des impuretés pour créer des couches. Des contacts électriques sont ensuite ajoutés. Après la mise en place des composants optiques, les engrenages et courroies qui aideront à positionner la lecture optique sont mis en place.

Sous-ensemble d'entraînement du disque

• 2 Ensuite, le moteur qui déplacera la lecture optique est connecté aux engrenages et courroie et placé sur le châssis. Le tiroir de chargement est maintenant centré, et le moteur de mandrin qui fera tourner le disque est installé. Après que le serre-disque auquel la lecture optique a été attachée est positionné adjacent au tiroir de chargement, le tiroir, le serre-disque, et le moteur de lecture sont installés dans le tiroir de chargement, qui est placé dans le cabinet du lecteur CD.

Sous-ensemble de carte de circuit électronique

• 3 Dernier à être assemblés sont les composants électroniques. Conçus par ingénieurs utilisant des packages de CAO (conception assistée par ordinateur), les cartes de circuit consistent en une base cuivrée qui a un motif transféré dessus (masquage) par sérigraphie ou méthode similaire. Après enduction d'un matériau photosensible, les zones du motif sont gravées chimiquement pour créer une carte multicouche — les couches comprenant les divers transistors et condensateurs qui composent les circuits. Les minuscules micropuces (généralement en silicium) montées sur la carte sont faites de la même façon, sauf à une échelle bien plus petite. Selon le fabricant, le lecteur CD peut avoir une grande carte de circuit ou plusieurs plus petites. Après qu'elles ont été attachées au panneau ou panneaux, les circuits sont attachés au panneau de commande frontal du lecteur CD, l'assemblage d'interrupteur, et finalement l'alimentation.

Assemblage final

• 4 Une fois les divers sous-ensembles prêts, ils sont connectés et interfacés ensemble pour compléter l'assemblage final. La plupart du travail à cette étape est fait par des ouvriers humains. Le lecteur CD est maintenant testé et envoyé pour l'emballage.

Contrôle qualité

Comme noté précédemment, un lecteur de disque compact est un dispositif très sophistiqué, et des mesures strictes de contrôle qualité sont adoptées de l'étape initiale à la finale de la fabrication pour assurer le bon fonctionnement du lecteur conformément aux standards industriels.

Parce que tant de composants dans un lecteur de disque compact sont faits par des fournisseurs spécialisés, le fabricant du lecteur doit dépendre de ces fournisseurs pour produire des pièces de qualité. Certains des éléments les plus cruciaux sont ceux dans l'assemblage de lecture optique. Les lentilles et miroirs utilisés dans la lecture laser, par exemple, sont en verre de haute qualité, et le contact humain doit être évité pendant le processus de fabrication pour garder leurs surfaces propres et sans traces. De même, les composants de circuit électronique doivent être faits dans un environnement de « salle blanche » (contenant filtres à air spéciaux et exigences vestimentaires), parce qu'une seule particule de poussière peut causer des dysfonctionnements dans les circuits. Les cartes de circuit et puces sont testées à de nombreux niveaux par machines de diagnostic pour localiser les fautes dans les circuits.

Quant au contrôle qualité par le fabricant du lecteur, l'assemblage d'entraînement du disque est inspecté pour le bon alignement du moteur, mandrin, tiroir de chargement, et divers engrenages. En plus, la lecture optique est vérifiée pour le bon alignement des lentilles et du faisceau laser. Une fois les sous-ensembles liés dans le cabinet, toutes les connexions de câblage sont inspectées pour le bon contact électrique et l'interface correcte avec les autres composants. Les inspections visuelles pour vérifier courroies, poulies, et engrenages sont une partie intégrante du processus de contrôle qualité. L'inspection finale consiste à lire un disque de test qui génère des signaux et motifs spéciaux, permettant aux ouvriers de localiser les pannes dans le système. En plus, les divers interrupteurs et boutons du panneau frontal sont vérifiés pour s'assurer qu'ils exécutent les fonctions indiquées et affichent l'information appropriée sur le panneau.

Perspectives d'avenir

La technologie du système CD a parcouru un long chemin ces dernières années, et de nouvelles applications pour les systèmes de disques compacts sont découvertes chaque jour. Le marché a déjà vu l'introduction de CD-ROM, CD-Vidéo et CD-Interactif. Le dernier produit à attirer l'attention des consommateurs est le Photo-CD de Kodak, qui peut afficher des photographies sur écrans de télévision et d'ordinateur. Ces images peuvent être éditées ou recadrées par l'utilisateur, comme des images clip art.

Les systèmes CD audio verront l'introduction de nombreuses nouvelles fonctionnalités dans les années à venir. Les lecteurs avec fonctions de télécommande avancées sont maintenant en phase de développement. Le boîtier pour un lecteur CD inclut un couvercle supérieur ou « capot » et un panneau de commande frontal. Le disque compact repose sur un tiroir de chargement qui glisse dans et hors du lecteur. Ces fonctions permettront à l'utilisateur d'afficher l'information sur l'unité de télécommande elle-même, comme titres de chansons, noms d'artistes, et les paroles réelles des chansons. Des disques compacts capables à la fois d'enregistrement et de lecture, comme une cassette, sont aussi en développement. Les vastes capacités de stockage du CD s'adaptent aussi à de nombreuses applications multimédias à large base, et il est fort possible que les disques compacts deviennent le support commun d'échange de données pour toutes les applications audio, vidéo, et informatiques.