コンパクトディスク

概要

コンパクトディスクの外見は直径12cmまたは8cm、厚さ1.2mmの円盤状でプラスチックで作られている。プラスチックの材質は一般的なものはポリカーボネートで、ほかにAPO（非晶質ポリオレフィン）やガラスを使用したものもある。
読み取りには780nmの赤外線レーザーが用いられ、照射したレーザー光の反射を読み取る。レーザー光を反射させるためコンパクトディスクは、鏡のような役割を持ち、レーザー光を反射する厚さ約80nmのアルミニウム蒸着膜と厚さ約10μmの保護層、レーベルなどの印字膜の複数の層を重ねた構造になっている。
ディスクには細かいくぼみが彫られており、このパターンによってデジタル情報を表現している。このくぼみ（読み取り面から見れば出っ張りになる）をピットといい、ピットのない部分をランドという。ランドの部分に当ったレーザー光は反射してそのまま戻ってくるが、ピットがある部分に当ったレーザー光はランドからの反射波と1/2波長の位相差をもつため干渉して打ち消しあい暗くなる。
この明暗によりデジタル信号を読み取り、これをアナログ信号に戻して音声として出力する。ピットの幅は0.5μmで長さは0.83μmから0.3μm単位で3.56μmまで9種類、ピットから次のピットまでの距離も同じ9種類である。またピットの列をトラックというが、このトラックは1.6μm間隔で、内側から外側に向かって渦巻状に並んでいる。
CDの虹色のような光沢は、この規則正しく並んだトラックで回折した光が、干渉することによる構造色である。
データをピット列として記録するにはEFM (eight-to-fourteen modulation) という変調方式が用いられる。また誤り訂正はCIRC (cross-interleaved reed-solomon code) による。短いバーストエラーからの誤り訂正を行う符号として「リード・ソロモン符号」を提案したのは、フィリップスのCD開発チーム責任者である。
コンピュータのデータ保管等、1bitの誤りも許されない用途には追加の誤り検出、訂正が行われている。
音楽用途の場合、規格上デジタルのPCM形式で最大79分58秒、99トラックの音楽が記録でき、また1トラック中には99インデックス（位置決め標識）を設けることができる（2000年頃までのプレーヤーは、インデックスサーチできるものが多数存在した）。
現在でも、インデックスが記録されているディスクは多数存在する（特にクラシック）がサーチが出来るCDプレーヤーが殆ど無くなってしまったので、インデックスが記録されたディスクを持っているユーザーは、不便を感じているようである。
記録層にアルミニウムのかわりに金を使用したものもあり、「ゴールドディスク」と呼ばれる。
近年は、インターネットによる音楽配信やストリーミング配信が増えてきている事もあり、次世代オーディオメディアへの置き換えは進んでいない。SACDやDVDオーディオが登場したが、音楽供給媒体としては依然としてCDが主流である。

主な構造

上から印刷層、保護層、反射・記録層、樹脂層で、記録層の部分は印刷面から10μm (0.01mm)、樹脂層から約1.2mmの所にある。そのため、印刷面からの衝撃に弱く鉛筆やボールペン等、フェルト以外の油性マーカーで記入を行うと記録層にダメージが加わり音飛びなどの症状が出ることもある。最悪の場合読み込めなくなる可能性も考えられる。印刷層側に深い傷が入ったり湿度の高い場所に放置すると、記録層をのぞき反射層までがはがれることがある。ちなみにDVDの記録層は印刷面からも樹脂層からも0.6mm、Blu-ray Discでは印刷面から1.1mm、樹脂層から0.1mmである。レーベルのデザインによるが、2012年現在では反射層と印刷層が穴の部分まで拡大されたものが主流となっている。

形状

一般に販売されているCDのほとんどは円形だが、商用音楽CDなど記録済みCDの一部には円形でないCDが存在する（ドリームキャスト版『GUILTY GEAR X』特典CD等）。

タイトル曲・カップリング曲

レコードでは表をA面・裏をB面と呼んでいたが、CDには1面しかないのでポピュラー音楽のCDシングルなどの場合はレコードでのA面曲に相当するものを「タイトル曲」、B面曲に相当するものを「カップリング曲」などと呼び分けている。後者は「… をカップリングしている」を意味する英語の「coupling with …」を短縮した「c/w」と表記されることもある。
ただし、「タイトル（表題）曲」を2曲以上入れたCDシングルはCDであっても「両A面」「トリプルA面」「マルチA面」などという呼び方をすることが多い。

容量

1枚のコンパクトディスクは（ディスク全面を使った場合）、CD-ROM形式の場合、12cmディスクは約650-700MiB、8cmディスクは約155-300MBの容量を持つ (1MiB = 1024×1024 Byte)。CD-DA形式での収録時間は約74分–80分である。
コンパクトディスクは650MiBでは約333,000セクタ、700MiBでは約360,000セクタからなる。1セクタは2,352バイトで、1セクタあたりのデータ容量はCD-ROM(MODE1)及びMODE2・FORM1で2,048バイト、MODE2で2336バイト、MODE2/FORM2で2324バイト、CD-DAで2,352バイト、である。CD-ROMはCD-DAより厳密なエラー訂正が必要となるため、2,352バイトのうち304バイトをヘッダやエラー訂正などに割り当てていることからCD-DAより容量が少なくなる。一部では800MiBを超える容量のものもあるが、一部の機器では読み取れない場合がある。これに加えてサブチャンネルが1セクタあたり98バイト(先頭の同期信号を除けば96バイト)存在するので合計最大1セクタ当たり2448バイトとなる。
なお、この650MiBという容量は以下の計算式によって求められる。CD-DA形式では音楽データをサンプリング周波数44.1kHz、ビット深度16bit、チャンネル数2.0chステレオで記録している（1秒分の音楽データを44,100回に分割し、1回あたり16bitを費やして記録している）。このため、1秒分のデータ量は16×44,100×2÷8=176,400バイトである。これが74分だと176,400×60×74=783,216,000バイトとなり、これは約747MiBとなる。全領域に音楽データだけを記録するならこれだけの記録が可能だが、CD-ROMの場合はエラー訂正用データ等が入るため、使用できる容量は783,216,000÷2352×2048=681,984,000バイトとなり、これが約650MiBとなる。

最大収録時間

記録トラックの幅を狭めれば容量は増やせるが、古い音楽CDプレーヤーにはまれに74分記録されたCD-Rは再生できても80分以上のものは再生できないという互換性の問題が存在する。2003年に策定されたガイドラインHigh Capacity Recordable Disc 1.0に対応していないCDプレーヤーでは長時間CDは再生できない。
CD初期の最大収録時間（74分42秒）が決まったいきさつについて、開発元のソニーによれば以下の通りである。開発の過程でカセットテープの対角線と同じでDINに適合する11.5cm（約60分）を主張するフィリップスに対し、当時ソニー副社長で声楽家出身の大賀典雄が「オペラ一幕分、あるいはベートーヴェンの第九が収まる収録時間」（12cm、74分）を主張して調査した結果クラシック音楽の95%が75分あれば1枚に収められることからそれを押し通した。その大きな要因となったのが、指揮者のカラヤンであった。
開発当時、大賀典雄は、親交のあったカラヤンに、11.5cm（60分）と12cm（74分）との二つの規格で二者択一の段階に来ていることを話すと、カラヤンは「ベートーヴェンの交響曲第9番が1枚に収まったほうがいい」と提言した。指揮者によって変わるが、カラヤンの「第九」は約63分–69分であり、ほとんどのヒストリカル指揮者による演奏時間は60分を超えていた。結果的に74分（最大80分も可能）という収録時間は、1951年にライヴ録音されたフルトヴェングラー指揮のいわゆる「バイロイトの第九」（演奏時間およそ74分32秒）や、それに匹敵する長さであるカール・ベームやレナード・バーンスタインの演奏も、コンパクトディスク1枚に収めることが可能になった。
この話は、大賀がフィリップスを説得するためにカラヤンの名を引き合いに出したという見方があるが、カラヤンが音楽媒体のディジタル化を望んでいたことは事実である。最大収録時間の長大化に当初ソニーとフィリップス社が難色を示した結果、近年のCD-BOXは100枚組や200枚組のように横長にかさばりながら販売を続けている。
また、8cmCD (CD SINGLE) の最大収録時間は約22分程度である。これは、CDビデオのオーディオパートとビデオパートを分けてそれぞれ開発した際に由来している。8cmというサイズはケースに収納したときレコードのシングル盤ケースのちょうど半分のサイズとなるため、小売店でレコード用の棚を使いまわせるだろうと考えたためである。
現在の収録時間最長の音楽CDは、マーキュリー・レーベルにザンクト・フローリアン・アルトモンテ管弦楽団/レミ・バロー（指揮）が録音したブルックナー：交響曲第3番（GRML99044）の89分03秒である。Eight-to-fourteen modulationが定めた規格上は97分26秒まで可能であるが、Yamahaほかのメーカーのドライブはすでに99分59秒まで対応し、100分収録を謳うCD-R商品もすでに発売されている。2019年現在までに990MBのCD-Rまで開発されたので、理論上は110分強がコンパクトディスクの最大収容量になるが、商用録音でこの収録時間はまだ出ていない。一時期にはソフトウェアにオーバーバーンモードまで設けて、990MBまで対応することを謳ったCD-Rドライブもあった。現在市販されている最大の音楽用コンパクトディスクは99Min 870MB CD-R Diskであるが、99分を収録した商用録音はまだない。

転送速度

音楽CD（CD-DA形式）の再生時のデータの転送速度は等倍速で1倍速 (約176kB/s、ほかに3%程度時間情報などのサブコードがある) を基準として最大記録時間は640MiBのディスクで約72分強、650MiBのディスクで約74分強、700MiBのディスクで約80分強、最新の800MiBのディスクで約90分強、非公式の900MiBのディスクで約100分強、非公式の990MiBのディスクで約110分強となる。この音楽CDの1倍速を基準として、ディスクのデータ転送速度を表すのに「○倍速」という言い方をする。

マルチメディア媒体

当初から音声・映像記録媒体として開発された。物理フォーマットは先に決まっており、音声記録ディスクの論理仕様が先行して策定された。少し遅れてビデオ記録用としてCDビデオが策定されたが、普及しなかった。後にデータ記録用としてCD-ROM、ビデオ記録用としてビデオCDなどの論理仕様が策定された。これらと対比して音声記録ディスクをCD-DAという。
また音声とデータを両方収録できるようにしたCD EXTRA及びミックスモードCD、CD-ROM XAがある。
さらに記録にピットを用いずに、レーザーによる媒体の物理的変化を利用して同等なデジタルデータの書き込みを行う方式が開発された。CD-Rはエンドユーザがデータの追加記録ができる。また、記録してしまった領域を取り戻し、空き領域として記憶領域を再利用することができないCD-Rに対して、CD-RWはデータの消去を可能にし、書き換えができる。
CDの技術を踏まえて音質の向上、あるいは著作権管理機能の強化を目指したディスク媒体の開発が引き続き行われている。オーディオ分野で実用化されたものとしてはスーパーオーディオCD (SACD)、DVDオーディオなどが開発されたがどれもCD-DAを代替するまでの普及には至っていない。

寿命

CDの寿命としては、蒸着した反射膜の寿命、基板となるポリカーボネートの寿命、そしてCD-Rの場合には色素の寿命の観点がある。全般として直射日光や高温・多湿を嫌う。

反射膜

現在、スパッタリング法によってアルミニウムの反射膜を形成する方法が主流となっているが、アルミニウムを用いるCDは環境にもよるが、20–30年が限度と見積られており、現在長期的な保存を可能とした製品の開発が急務となっている。その一方で、メーカー側などでは80年前後保存が可能とする主張もある。なお反射膜に金を用いた場合、100年前後保存が可能と見積られているが、コストの問題など解決しなければならない課題がある。安価なものは印刷・反射層が端からはがれてきたり、水分が反射膜に浸透してアルミニウムが錆びてしまい反射の機能を失うなど、短寿命のものが多い。

色素

CD-Rでは記録面に真夏の昼間の日差しを当て続けると色素が変化し読み込めなくなったり、質の悪い媒体の場合には蛍光灯に含まれる紫外線で変化するものもある。また高温・多湿の環境に置くと、ごく短時間でも印刷・反射層が端からはがれてくる事がある。

基板

ディスクに用いられるポリカーボネートは湿気にあうと加水分解する欠点があり、徐々に白濁していく。これにより情報を読み取るレーザーが通らなくなり、情報を読めなくなる。ディスクの寿命としては前述の反射膜や色素の寿命がよく取りざたされるが、環境によってはポリカーボネートの透明度で寿命が定まる場合もある。
なお、この欠点を積極的に活かし開封後数週間程度で白濁するように製造された媒体もある。これにより、音楽や映像のソフトウェアを再生できる日数を制限する。
温度や湿度変化の影響が比較的少ないガラス製のCDが開発・発売され、保存性の改善が期待されている。2008年には液晶パネル用のポリカーボネートを使用したスーパー・ハイ・マテリアルCD (SHM-CD) とハイ・クオリティCD (HQCD) が開発・発売。さらにブルーレイディスクの技術を応用したブルースペックCDも開発・発売されている。

名称と寸法のルーツ

この記録メディアに「コンパクト」という言葉が使用された理由は、フィリップス社の意向によるところが大きい。
開発段階でフィリップス社が提示した試作品は、コンパクトカセットの対角線と同じ直径11.5cmで、名称の一貫性が図られていた。ただしその後ソニー側の提案で収録時間を延長したため、実際には直径12cmとなった。
また、レーザーディスクの総本山がフィリップス社であり、そのディスクサイズが30cmだったことにも由来する。これはLPの大きさを参考に設計されたためである。
その後の技術革新で各種記録メディアの小型化・高密度化なども進んだ。しかし、スーパーオーディオCD、DVD、DVDオーディオ、第3世代光ディスク (Blu-ray Disc、HD DVD) などの光ディスクはいずれも直径12cmであり、円盤の大きさはほぼ規格化された。