De CD-speler is de afgelopen decennia uitgegroeid tot een technologisch en commercieel succes. Samenwerking en standaardisatie legden daar de basis voor. Bij de DVD-recorders die nu op de markt verschijnen is standaardisatie voorlopig ver te zoeken.
Dat Philips de wereld de compact disc heeft geschonken, daarover hoor je in Nederland bijna nooit iemand hoog opgeven. De koetjes-en-kalfjes gesprekken over de lampenfabrikant gaan altijd over de prachtige technologie en de slechte marketing. Maar als er een top tien van commercieel succesvolle producten uit de twintigste eeuw zou zijn, dan hoort de CD daar zeker in thuis, naast televisie, turbine, microprocessor, computer en de laser.
Voor wie nog niet was doordrongen van de aaibaarheid van de CD kon het op oudejaarsavond van Youp van ’t Hek horen. "Deze eeuw is alles uitgevonden", zei hij tijdens zijn conference. "Deze eeuw zijn we naar de maan geweest, de raket, het vliegtuig, …, de telefoon, de CD, alles." Dat de telefoon uit de 19e eeuw stamt zal niemand Van ’t Hek kwalijk nemen. Dat hij de CD in dit illustere rijtje plaatst zegt genoeg.
Misschien is de compact disc-technologie wel de belangrijkste Nederlandse ontwikkeling uit de vorige eeuw. Buiten onze grenzen bestaat er in ieder geval een mateloze bewondering voor de uitvinders van de zilverkleurige plaatjes. Op het Natuurkundig Laboratorium in Eindhoven ontvangen ze gemiddeld één maal per week vragen over de geschiedenis van de CD of een verzoek om een interview met de uitvinder. Reden voor Philips Research om daar op een speciaal gedeelte van zijn researchsite (http://www.research.philips.com) uitgebreid over te vertellen.
In feite is de CD meer een ontwikkeling dan een uitvinding. Het is een uitgekiende samenballing van talrijke andere vindingen – polycarbonaat, de halfgeleiderlaser, microprocessoren, fotodiodes – waaraan cruciale elementen zoals codeertechnieken zijn toegevoegd. Ook zou de CD niet in deze vorm op de markt zijn gekomen als ingenieurs van Sony en Philips er vanaf 1979 niet gezamenlijk de schouders onder hadden gezet. De codering voor foutcorrectie werd bijvoorbeeld voornamelijk door de Japanners geleverd.
Analoog naast digitaal
Er was een groot aantal onderzoekers nodig om dat allemaal te integreren tot een contactloos leessysteem dat ongevoelig is voor krasjes en deukjes. Valdemar Poulsen en Emil Berliner mogen de magnetische opnametechniek en de grammofoon in hun eentje hebben bedacht, de vele elementen die samen de digitale compact disc vormden zijn over een periode van ruim twintig jaar door vele wetenschappers en ingenieurs bij elkaar gezocht. "We hadden alle vaardigheden nodig die we konden vinden in een groot lab", zegt Piet Kramer die destijds als hoofd van de groep Optische Opnametechniek mede aan de wieg stond van de CD.
Een andere wetenschapper die samenwerkte met Kramer werd onlangs nog door de Amerikaanse vereniging van elektrotechnici (de IEEE) gelauwerd. Kees Schouhamer Immink, tegenwoordig hoogleraar op het Instituut voor Experimentele Wiskunde aan de universiteit van Essen, ontving van de IEEE de Edison-medaille voor zijn bijdrage aan de technologie voor het opnemen van digitale video en audio. Eerdere prijswinnaars in deze categorie zijn Robert Millikan, Nikola Tesla en Alexander Graham Bell. "Het maakt je klein, ik hoop niet dat die beroemdheden zich in hun graf omdraaien nu ik er ook op sta", zei Schouhamer Immink daarover in De Volkskrant.
Toen Schouhamer Immink in 1971 op Philips NatLab ging werken deed hij daar de eerste experimenten met de opnametechniek voor de optische beeldplaat, de voorloper van de CD. Later ontwikkelde hij codeertechnieken waarmee de putjes op een CD met een laser foutloos konden worden uitgelezen, ongevoelig voor krassen en vlekken. "Tijdens de introductietijd van de CD hadden we de gewoonte om bezoekers een CD te tonen waarin zogenaamd willekeurig gaten waren geboord, terwijl de weergave toch even sprankelend bleef", zei Schouhamer Immink in 1995 tegen NRC Handelsblad. "In werkelijkheid waren die gaten nauwkeurig aangebracht; als je er braampjes aan liet zitten kon hij wel eens uit het spoor schieten."
Ook Schouhamer Immink bouwde met zijn onderzoek voort op eerdere vindingen. In 1957 demonstreerde de Italiaan Rubbiani al een primitieve beeldplaat op de Salone Internazionale della Tecnica. Ook technici van het Amerikaanse CBS en het bedrijf 3M ontwikkelden versies van de videodisc. De Laservision-videospeler die Philips uiteindelijk op de markt bracht, sloeg de beelden op in de vorm van putjes. De opnames waren analoog: de lengte van de putjes kwamen overeen met de kleur en intensiteit van een pixel op het tv-scherm, net zoals de plaats van de gaten in het draaiboek van een draaiorgel correspondeert met de toonhoogte van blaaspijpen en trommels.
De basistechniek van de audio compact disc verschilt niet wezenlijk van die voor de videoplaten. CD- en DVD-spelers (digital video disc) lezen hun bits nog steeds op dezelfde manier. Bij Laservision correspondeerden de lengte van de putjes met de intensiteit van de beeldelementen. Bij de CD worden deze analoge signalen eerst omgezet in een digitaal signaal. In de digitale CD-speler corresponderen daarvoor 256 verschillende groepjes van twee of drie putten met 256 verschillende series van 8 bits – een techniek die door Philips werd bedacht.
Van analoog naar digitaal
Fysiek gaat het contactloos uitlezen van de CD hetzelfde. Zowel in de Laservision als in de CD-speler wordt het spiegelende oppervlak met putjes door een laser afgetast. Als de laser op een effen stuk valt, dan is er gewoon terugkaatsing. Valt de laserfocus (diameter 0,9 micron bij Laservision) op een putje (0,6 micron breed) dat wordt het licht gedeeltelijk gedoofd. Dat komt omdat de putjes een kwart golflengte diep zijn. Het licht valt gedeeltelijk in de put en gedeeltelijk erbuiten en door het verschil van een halve golflengte doven de twee delen elkaar gedeeltelijk (vanwege de coherente eigenschappen van laserlicht). Het resultaat is een morsecode van heldere en gedoofde signalen die met een fotodiode is om te zetten in een elektrisch signaal.
Het probleem bij de ontwikkeling van de videospeler was de laserbron. De enige die compact genoeg was voor een consumentenproduct was de rode helium/neon-laser. Dat waren gaslasers zo groot als de koker van een keukenrol. Om de wereld ervan te overtuigen dat Philips ver gevorderd was met de beeldplaat werd in de herfst van 1972 een prototype gedemonstreerd aan de pers. Journalisten kregen de een jazzballet van Toppops Penny de Jager te zien. Philips slaagde er uiteindelijk in om een helium/neon-laser te produceren voor 100 gulden, maar toch werden de videospelers geen succes. Videocassettes hadden een langere speelduur, zelfs al was de beeldkwaliteit slechter en was het goedkoper om een plaat te drukken, met de doorsnee van een lp.
Juist het hoofd van de optische groep Piet Kramer was er sceptisch over of de productiekosten nog verder omlaag konden. De eerste pogingen om een laser uit halfgeleidermaterialen te maken dateerden uit het begin van de jaren zeventig en die waren niet succesvol. Lou Ottens, technisch directeur van de Audio Divisie geloofde echter rotsvast in miniaturisatie. Hij was ook degene die voorstelde om geen plaatjes te maken met de grootte van een videoplaat (met daarop bijna een hele dag muziek), maar kleinere schijfjes.
Als we het maar klein genoeg kunnen maken, dan hebben we weinig materiaal nodig, redeneerde Ottens. En weinig materiaal betekent lage kosten bij massaproductie. Toen de CD-speler in de herfst van 1978 aan Philips’ Raad van Bestuur werd gedemonstreerd was de elektronica – ter grootte van een wasmachine – weggestopt onder een zwarte doek. Integratie met chiptechnologie zou dit nog flink verkleinen, maar Ottens geloofde er ook in dat de halfgeleiderlaser er uiteindelijk zou komen. Dit onderdeel is slechts een paar suikerkorrels groot en kost tegenwoordig nog maar een paar kwartjes. Vooral Ottens berekening dat de productiekosten van de CD-speler in de toekomst nog maar 150 gulden zouden bedragen, creëerde nogal wat enthousiasme bij het hoger management. Tegenwoordig is dat nog slechts enkele tientjes. Bij de Makro kun je voor een paar honderd gulden al een stereotoren met CD-speler van Chinese makkelijk halen.
Na de introductie in november 1982 werden de nieuwe muziekspelers een doorslaand succes. "Soms leek het erop dat het de consument niet kon schelen wat er voor muziek op de CD stond", schreven de analisten John M. Ketteringham en P. Ranganath Nayak van marktonderzoekbureau Arthur D. Little in een boek over commerciële successen. De conservatieve schatting van Philips en PolyGram was dat er in 1985 wereldwijd 10,6 miljoen CD’s zouden worden verkocht. Wellicht zouden er in 1986 vier miljoen spelers over de toonbank gaan, dachten de bedrijven. In feite bereikten de verkopen van CD-spelers in 1986 negen miljoen stuks en er werden dat jaar 136 miljoen CD’s verkocht.
In twee fasen
Nieuwe combinaties van halfgeleidermaterialen hebben de laatste jaren diodelasers met een kortere golflengte opgeleverd. De diodelaser uit een CD-speler geeft infrarood licht van 780 nanometer (0,78 miljoenste meter). Met de rode 650 nm laser uit DVD-spelers is de laserbundel tot een kleinere spot te focusseren, waardoor kleinere putjes mogelijk zijn. Met behulp van Mpeg-compressiemethodes gaan er ruim twee uur digitale televisie op één kant van een digitaal beeldplaatje.
Het zijn materiaaltechnologieën en sterkere diodelasers die herschrijfbare schijfjes (CD-RW) mogelijk hebben gemaakt. Met halfgeleiderlasers van enkele tientallen milliwatt is in de laserspot op de schijf een hitte op te wekken van zo’n 500 tot 700 graden Celsius. Die warmte is nauwkeurig te doseren en kan worden gebruikt om het materiaal van de informatielaag in twee verschillende fasen om te zetten. Met behulp van deze twee fasen, een amorfe en een polykristallijne, wordt de informatie gecodeerd. De techniek staat bekend als phase change.
Bij deze zogenaamde ‘phase-change’ techniek verandert een laser de fasetoestand van de opnamelaag (een legering van zilver, indium, antimoon en telluur). Twee fasen zijn mogelijk. Een amorf ‘donker’ vlekje ontstaat wanneer de laser het opnamemateriaal snel tot boven het smeltpunt (500° tot 700° C) verhit bij zeer snelle afkoeling. Bij wat langere verwarming bij lagere temperatuur ontstaat een polykristallijn-vlekje.
Doordat beide materialen een laserstraal verschillend reflecteren is weer een licht/duister-patroon vast te leggen. Het nadeel van de warmtebehandeling is dat de CD-RW (en de eerste herschrijfbare DVD’s die dit jaar op de markt komen) maar zo’n duizend keer opnieuw zijn te beschrijven. Ter vergelijking: de magneto-optische lagen van (zeer robuuste) MO-discs zijn miljoenen malen overschrijfbaar (in deze technologie gaat het schrijven ook gepaard met een warmtebehandeling, maar het materiaal smelt niet).
Oude CD- en CD-rom-spelers zijn echter niet in staat een beschreven ‘phase-change’ compact disc te lezen. Dat heeft alles te maken met de strenge specificaties die Philips en Sony aan het begin van de jaren tachtig opstelden voor de ‘reflectiviteit’, de reflectiecoëfficiënt, van compact discs. De lichtgevoelige sensoren van het detectiesysteem stonden toen nog in de kinderschoenen. Men stelde toen vast dat de reflectiecoëfficiënt van een CD minstens 70 procent moest zijn. Putjes mochten maximaal 28 procent laserlicht weerkaatsen.
Beschrijfbaar en herschrijfbaar
Met deze specificaties opnamemateriaal ontwerpen bleek lange tijd een bijna onmogelijke opgave. Want als een verbinding in zijn spiegelende toestand 70 procent van het licht weerkaatst, dan is slechts 30 procent van de laser-energie te gebruiken om de faseverandering te bewerkstelligen. Daarvoor zou een heel sterke (en dure) laser nodig zijn.
Wel slaagde de Japanse firma Taiyo Yuden er in 1987 in om éénmalig beschrijfbare CD’s volgens deze specificaties te vervaardigen. Dat leidde tot de CD-R (recordable), de inmiddels zeer goedkope schijfjes die nu veel worden gebruikt als backup en het kopiëren van CD’s. Op deze schijfjes wordt met een laser een organische kleurstof ontleed. Het is een onomkeerbaar proces waarbij de optische eigenschappen drastisch veranderen.
De huidige CD-rewritable (CD-RW) voldoet niet aan de specificaties die Philips en Sony voor de CD opstelden. De beste reflectie van ‘phase-change’-schijfjes is 20 procent. De amorfe fase spiegelt slechts 4 tot 5 procent. De herschrijfbare (RW-) schijfjes kunnen daarom niet in oude muziek- en CD-rom-spelers worden gelezen. Nieuwe CD-spelers hebben meestal aangepaste elektronica waarmee ze zowel de gewone CD’s als de RW- en rom-versies kunnen lezen.
Digitale beeldplaatversies
De digitale beeldplaat (DVD) lijkt net zo’n succes te worden als de compact disc. Marktanalisten van In-Stat uit Scottsdale, Arizona, verwachten dat de verkoop van DVD-spelers dit jaar zal verdubbelen. Bij DVD-rom-spelers gaat de omzetstijging minder hard, wat volgens In-Stat vooral te danken is aan de grote concurrentie. "In 2000 zullen de prijzen van spelers onder de 150 dollar zakken", zegt Michelle Abraham, hoofdanalist bij dit marktonderzoeksbureau. De verwachting is dat DVD-rom-spelers pas in 2002 de omzet in CD-roms zullen evenaren.
Afgelopen december bracht Pionier de eerste DVD-RW-recorder in Japan op de markt. Dit bedrijf speelde indertijd ook een leidende rol op de markt voor analoge laserdisc videospelers. Bij de introductie van de DVD-RW zei Pioneers topman Kaneo Ito dat het bedrijf niet opnieuw dezelfde frustratie wilde ondergaan. "Klanten van laserdisc wilden een systeem waarmee ze ook video konden opnemen, maar dat konden we ze door technologische barrières niet leveren", aldus Ito. Pioneers DVD-recorder kost ruim 5000 gulden en zal dit jaar ook buiten Japan beschikbaar komen. Verschillende andere bedrijven ondersteunen Pioneers DVD-oplossing, waaronder Hitachi, Kenwood, Sharp en JVC.
Het was ook Pioneer dat afgelopen oktober al een DVD-recorder van de komende generatie demonstreerde met een violette diodelaser op een golflengte van 405 nm. Het systeem kon 27,4 gigabyte op twee zijdes wegschrijven, ongeveer gelijk aan vier uur televisie van ‘hoge definitie’ kwaliteit.
Zeven initiatieven
Behalve de grote belangstelling van klanten is er nog een reden voor deze vroege introducties en demonstraties. In de consumentenelektronica worden standaarden steeds vaker bepaald door de fabrikanten die als eerste op de markt komen met nieuwe snufjes. De DVD-recorder van Pionier is niet compatibel met bestaande DVD-systemen en ook is het systeem nog niet uitgerust met technieken die ongebreideld kopiëren kunnen tegengaan.
Hoewel compatibiliteit altijd het hoogste goed is geweest binnen de CD- en DVD-industrie zijn er momenteel zeven verschillende initiatieven voor de 120 millimeter grote, beschrijfbare optische schijven met opslagcapaciteiten die variëren van 2,6 Gbyte tot 5,2 Gbyte. Gebrek aan standaardisatie en hoge prijzen zullen de groei van deze markt voorlopig belemmeren, voorspellen analisten. De eerste spelers hebben bovendien een kwaliteitshandicap. De DVD-RW recorder van Pioneer, Giga-Station van Nec en DVD-ram van Hitachi, Matsushita en Toshiba hebben geen digitale ingang. Steeds als er informatie op de schijf wordt geschreven, is er een conversieslag van analoog naar digitaal. Het ruisniveau is echter minder hoog als in analoge opnames, volgens Pioneer. Op digitale opnamen van hoge kwaliteit moeten we nog even wachten. Om die markt een flinke zet te geven zijn wereldwijd afspraken nodig.
Rene Raaijmakers, freelance medewerker
