CDの うらを へやの でんきに かざして、ゆっくり かたむけて みると、にじ色の おびが うごきます。

これは、色が ぬって あるからでは ありません。うらには、とても ほそい みぞが、きれいに ならんで います。みぞで はねかえった 光が たがいに かさなって、色が わかれて 見えるのです［1］。

みぞと みぞの あいだは、1.6μm（マイクロメートル）です。1mmの 千ぶんの 1が 1μmなので、1mmの なかに みぞが 600本 ぐらい ならぶ ほそさです。

ところが、ブルーレイは 正面から 見ても にじ色に なりません［2］。どうしてでしょう。5つめの 章で こたえます。

CDやDVDの裏の虹色は、色素の色ではありません。規則正しく並んだトラック（溝）で光が回折し、それが干渉し合ってできる「構造色」です［1］。

CDのトラックの間隔は1.6μmです。1μmは1mmの1000分の1なので、1mmの幅に600本以上が並んでいる計算になります。

ところが、ブルーレイ（BD）では、白い光を正面から当てても虹色は観察されないと、ある教育センターの測定資料に書かれています［2］。同じ銀色の円盤なのに、なぜBDだけちがうのでしょうか。答えは5章で出てきます。

CDの虹色の光沢は、規則正しく並んだトラックで回折した光が干渉して生じる構造色で、色素の色ではない［1］。CDのトラックピッチ（溝の間隔）は1.6μmで、1mmの幅に625本が並ぶ。可視光の波長は約380〜770nmなので、溝の間隔は波長の約2〜4倍にあたる（1.6÷0.77≒2.1、1.6÷0.38≒4.2、自分の計算）。

富山県総合教育センターの測定資料では、CDやDVDは白色光を鉛直に入射させると記録面で光が回折・干渉して虹色に見えるが、BDでは観察されないと記されている［2］。同じ円盤状の記録媒体で、なぜBDだけが虹色にならないのか。この問いには5章で戻る。

CDの データは、なかから そとへ、うずまきの ように ぐるぐる すすむ 1本の みちに ならんで います［4］。

この みちを まっすぐに のばすと、5.4kmぐらいです。おとなが あるいて、1じかんちょっと かかる ながさです。

みちの 上には、ちいさな でこぼこが ならびます。はばは 0.5μmぐらい、ふかさは 0.1μmぐらいです［3］。かみの 毛の 太さを 0.1mmと すると、ふかさは その 千ぶんの 1です。数字は 本に よって すこしずつ ちがいます。

CDのデータは、中心から外へ渦を巻く1本のトラックに並んでいます［4］。トラックの間隔は1.6μmで、データがある範囲は半径およそ25〜58mmです。この幅33mmを1.6μmで割ると、約2万周になります。

1周ごとの長さを足していくと、全部で約5.4kmです。おとなが歩いて1時間ちょっとの道のりが、1枚の円盤にらせん状に収まっています。CDの規格を解説した論文には、データの渦の長さが5.38kmと書かれていて、この計算とほぼ合います［4］。

トラックの上に並ぶ小さな凹凸が「ピット」です。幅は約0.5μm、深さは約0.1μmとされています［3］。髪の毛の太さを0.1mmとすると、その約1000分の1です。長さは0.9〜3.3μmなど、資料によって少しずつ数字がちがうので、どれも「約」として読んでください。

CDのデータは、螺旋状の1本のトラックに沿ってピットとランドが並ぶ。イミンクの論文は、ピットの長さを0.9〜3.3μm、トラック間隔を1.6μm、データの螺旋の長さを5.38kmとしている［4］。

検算する。プログラム領域を半径25〜58mmとすると、幅は33mm。1.6μm間隔なら約2万600周で、平均半径41.5mmの円周（約261mm）をかけると約5.38kmになる（自分の計算）。論文の値と一致する。

ピットの寸法は、別の資料では幅約0.5μm、長さ0.83〜3.56μm、深さ0.11μmと書かれている［3］。長さは資料によって0.85〜3.5μmなど揺れ、深さも約100nmとする資料がある。この記事では、どれも「約」の値として扱う。髪の毛の太さを0.1mmとすると、深さ約0.1μmはその約1000分の1だ。

CDは、下から じゅんに、とうめいな じゅし、アルミの まく、まもりの ぬりもの、いんさつの 4そうです［1］。レーザーの 光は、とうめいな じゅしを とおって、アルミの まくに あたります。

まくには でこぼこが あります。光の やって くる がわから 見ると、くぼみは でっぱりに なります。この でっぱりを ピット、たいらな ところを ランドと よびます［1］。

光は、波のように ゆれて います。ランドで はねかえった 光は、そのまま もどります。ピットで はねかえった 光は、波の はんぶんだけ ずれて、山と 谷が かさなり、けしあいます［3］。だから ピットの ところだけ、もどる 光が くらく なります。

この 明るい くらいの ちがいを 読みとって、データに して います。ピットは 「あな」と いうより、光を けす ための ちいさな でっぱりです。

CDは下から順に、ポリカーボネートの樹脂層（厚さ1.1mm）、アルミの反射層、ラッカーの保護層、印刷層の4層でできています。レーザーは透明な樹脂層を通って、反射層のピットとランドに当たります。読み取り面から見ると、くぼみはでっぱりになります［1］。

ランドで反射した光は、そのまま戻ります。ピットで反射した光は、ランドの反射光と約1/2波長ずれていて、干渉して打ち消し合い、暗くなります。この明暗の変化から、ピットを検出します［3］。

このずれをつくるのが、ピットの深さです。CDの読み取り光は波長780nmで、樹脂の中では約500nmの波長になります。その1/4は約125nmで、CDのピットの深さ110nmは、およそ1/4波長にあたります。光は段差を行きと帰りで2回通るので、光路の差は約1/2波長になります［3］。

ここではCDの段差を例に説明します。

CDは下から、ポリカーボネートの基板（厚さ1.1mm）、アルミの反射膜、ラッカーの保護層、印刷層の4層。レーザーは基板を通して反射膜に当たり、読み取り面から見るとピットは出っ張りになる［1］。

ランドで反射した光と、ピットで反射した光には、約1/2波長の位相差がある。そのため干渉して打ち消し合い、ピットで戻る光は暗くなる［3］。

この位相差の出どころが、ピットの深さだ。780nmの光は、屈折率1.55のポリカーボネート中で波長が約500nmになる（780÷1.55≒500）。その1/4は約125nmで、CDのピットの深さ110nmは、およそ1/4波長にあたる［3］。光は段差を往復で2回通るので、光路差は約1/2波長になる。「ちょうど1/4」ではなく「約1/4」（110nm対125nm）である点と、「往復で約1/2」が説明の筋道である点は分けて読んでほしい。

ここではCDの段差を例に説明する。

レンズで 光を あつめると、ちいさな 光の 点に なります。この 点を スポットと よびます。でも、どんなに じょうずに しぼっても、光は ある 大きさより ほそくは できません［5］。

CDでは、スポットの 大きさは 1.7μmぐらいです。ピットの はば0.5μmや、みちと みちの ま 1.6μmより、むしろ 大きいのです［3］。

それでも 読めるのは、細かい ところの かたちを 見て いるのでは なく、もどる 光が 明るいか くらいかを 見て いるからだと 説明せつめいされて います［3］。

では、スポットを 小さく できたら、どうなるでしょう。もっと 細かい ピットを ならべられるはずです。

レーザー光をレンズで集めても、光の波の性質のせいで、いくらでも小さくはできません。これを回折による限界といい、点の大きさは、波長に比例し、レンズの開口数（NA）に反比例します［5］。NAは、レンズがどれだけ強く光を集められるかを表す数です。

目安として、波長÷NAを計算すると、CDは780nm÷0.45で約1.7μmです［6］。実際に、CDの記録面での光の直径は約1.7μmに絞り込まれていると説明されています［3］。

この1.7μmは、ピットの幅0.5μmやトラック間隔1.6μmより太い数字です。「ピットより細い光で読んでいる」のではありません。光を絞る限界より細かいものを、干渉による明暗の差で読んでいる、という説明が資料にあります［3］。

集光スポットの最小の大きさは回折で限界があり、光の波長と対物レンズの開口数（NA）に依存する［5］。ほぼ「波長÷NA」に比例すると見てよい。ただし実際の定義は係数（1.22λ/2NAなど）で変わるので、以下は目安として読む。

レーザー波長とNAは、パイオニアの技術解説の比較表で、CDが780nm・NA0.45、DVDが650nm・NA0.6、BDが405nm・NA0.85である［6］。波長÷NAを計算すると、CDは約1.7μm、DVDは約1.1μm、BDは約0.48μmになる（自分の計算）。

CDでは、記録面での光の直径が実際に約1.7μmに絞られると説明されている［3］。この値は、ピット幅約0.5μmやトラック間隔1.6μmより太い。CDは、光を絞る限界より細かい構造を、光の点の大きさで分けているのではなく、干渉による明暗の差で読んでいる。

ペンの ペン先が 細いほど、おなじ ノートに 細かい 字を たくさん 書けます。光の 点も おなじです。小さく しぼれるほど、細かい ピットを たくさん ならべられます。ただし ほんとうは、光は インクを 出しません。もどって くる 明るさを 読みとるのが しごとです。

光の 点を 小さく する 方ほうは 2つ あります。

• 光の 波を みじかく する。CDは 目に 見えない 赤外線、DVDは 赤い 光、ブルーレイは 青むらさきの 光を 使います［6］。
• レンズを つよくして、光を せまい 一点に あつめる。

この 2つで、ブルーレイは DVDより、光の 点の 面せきを 5ぶんの 1ぐらいに しました。その けっか、DVDの 4.7GBに くらべて、5ばいぐらいの 25GBが 入ります［7］。日亜化学にちあかがくは 1996年に、青むらさきの レーザーを、へやの おんどで ずっと 動かす ことに せいこうしました。2003年に ブルーレイが 売りだされました［8］。

さて、1章の なぞです。ブルーレイの みぞの あいだは 0.32μmです。目に 見える 光の 波の ながさは 0.4〜0.8μmぐらいで、それより ほそいので、正面からは にじ色に なりません。ななめから 見ると、青、みどり、だいだい色の じゅんに 色が 見えます［2］。

ブルーレイは、DVDより2つの点を変えて、光の点を小さくしました。

• 波長を短くする。DVDの赤色650nmから、青紫色の405nmへ［6］。
• NAを大きくする。DVDの0.6から、0.85へ［6］。

ソニーの解説では、これで光の点の面積がDVDの約1/5になり、トラックの間隔もDVDの半分以下（0.74μmから0.32μm）になりました。その結果、容量はDVDの4.7GBに対して約5倍の25GBになった、とあります［7］。面積の変化を自分で計算すると、波長の効果が約2.6倍、NAの効果が約2倍で、合わせて約5倍になり、資料の数字と合います。

この青紫色の半導体レーザーは、日亜化学が1996年に室温での連続動作に成功し、2003年にはこれを使ったブルーレイが発売されました［8］。

DVDの容量は、CDの約7倍（0.65〜0.7GBと4.7GB）ですが、光の点の面積の差は約2.6倍でした。残りの差の理由は、今回読んだ資料では確かめられませんでした。

1章の疑問に戻ります。BDのトラックの間隔0.32μmは、目に見える光の波長（約380〜770nm）より小さく、光を正面から当てても、虹色になる条件を満たしません。斜めから見ると、青、緑、橙の順に色が見えると報告されています［2］。虹色は「溝が細かく並んでいる」しるしですが、BDでは溝が細かすぎて、目に見える光では正面の虹が出ません。

BDはDVDに比べ、波長を短く（650→405nm）、NAを大きく（0.6→0.85）して、光スポットの面積をDVDの約1/5にし、トラックピッチをDVDの半分以下にした。その結果、容量がDVDの約5倍（25GB）になったとソニーは説明する［7］。

面積は波長の2乗に比例し、NAの2乗に反比例するので、面積比を計算してみる。波長の効果は(650÷405)²≒2.6倍、NAの効果は(0.85÷0.6)²≒2.0倍で、掛け合わせると約5.2倍（自分の計算）。ソニーの「約1/5」と一致する。

波長・NA・トラックピッチ・容量は、パイオニアの比較表による［6］。表は記録型ディスクの値で、CDの容量は資料により0.65GBと0.7GBに揺れる。スポット径は自分の計算だ。

キヤノンの解説は、青色のレーザーは波長が赤色のほぼ半分でスポット径を500nm程度にでき、単純計算で同じディスクに4倍のデータを詰め込めると書く［9］。ただしBDの青紫色（405nm）は、DVDの赤（650nm）の約1/2ではなく、実際の容量差もこの単純計算のとおりではない。

青紫色の半導体レーザーは、日亜化学が1996年に、波長410nmの窒化ガリウム系レーザーの室温連続動作に成功し、2003年にこれを使ったBDが発売された［8］。

DVDの容量はCDの約7倍（4.7÷0.65≒7.2）だが、スポット面積の比は約2.6倍（(1.7÷1.1)²）にとどまる。残りの差が何によるかは、独立した出典では確認できなかった。断定しない。

1章の問いに答える。BDのトラックピッチ0.32μmは、可視光の波長（約380〜770nm）より小さく、正面から入射した光が回折する条件（間隔d≧mλ、mは次数）を満たさないため、正面からは虹色が観察されない。斜めから見ると、青→緑→橙の順に色が見える［2］。

ブルーレイの 記録きろくそうは、たった 0.1mmの うすい カバーの すぐ 下に あります［7］。

ソニーは、記録きろくそうが レンズに ちかいほうが、円ばんの かたむきや そりが あっても、読み書きの まちがいが 少ないからだと 説明せつめいして います［7］。

でも カバーが うすいと、きずに 弱くなります。はじめのころは、ディスクを カートリッジに 入れて まもりました。その あと、いろいろな 会社が きずに 強い かたい ぬりものを 開発して、カートリッジは いらなく なりました［5］。

CDは ぎゃくで、記録きろくそうが ラベルの ある がわの ちかくに あります。CD-Rの ラベルに 書くとき、さきの とがった ペンを 使わないよう 注意書きが あるのは、この ためだと ソニーは 説明せつめいします［7］。

ブルーレイは、0.1mmの保護層の下に記録層があり、その下に1.1mmの基板があります。DVDは、両側が0.6mmです［5］。

ソニーの解説では、ディスクに傾きや反りがあったとき、記録層がレンズに近いほうが、読み書きのエラーが少ないため、と理由を説明しています［7］。

ただし、保護層を薄くしたので、傷に弱くなりました。初期のBDは、傷から守るカートリッジに入っていました。各社が傷に強いハードコートを開発し、カートリッジは不要になって廃止されたそうです［5］。

CDの側では、記録層がレーベル面に近い位置にあります。CD-Rのレーベル面に、先のとがったペンで書かないよう注意書きがあるのはこのためだと、ソニーは説明しています［7］。CDのレーベル側の保護層の厚さは、資料により約20μmから約0.1mmまで数字がちがうので、「とても薄い」と読んでください。

BDは、0.1mmの保護層の上に記録層があり、その下に1.1mmの基板がある。DVDは、記録層の両側が0.6mmだ［5］。ソニーは、ディスクの傾きや反りに対して、記録層がレンズから近いほうが読み書きのエラーが少ないため、この設計にしたと説明する［7］。

保護層を薄くしたBDは、傷に弱くなった。初期のBDにはカートリッジがあったが、各社がハードコート技術を開発し、カートリッジは不要となって廃止された［5］。

CDはこの逆の構造で、記録層はレーベル面に近い0.1mmの位置にある。CD-Rなどのレーベル面に書くとき、先のとがったペンを使わないよう注意書きがあるのはこのため、とソニーは説明する［7］。ただしCDのレーベル側の保護層の厚さは、別の資料では約20μmとされ、約0.1mmとするソニーの説明とは数字が異なる［3］。厚さは断定せず、「非常に薄い」とだけ読むのがよい。

おうちに CDか DVDが あれば、ためして みたい ことが あります。

1. ディスクを へやの でんきに かざして、ゆっくり かたむけます。にじ色の おびが どちらへ うごくか、見て ください。
2. CDと DVDを 見くらべます。色の ならび方や 広がり方は、おなじでしょうか。
3. もし ブルーレイが あれば、正面から 見て、にじ色が 出るか どうかを 見ます。ななめから だと、色が 見えるでしょうか［2］。

やくそくが あります。太陽を ディスクに うつして、人や 自分の 目に むけては いけません。プレーヤーの 中の レーザー光も、のぞいては いけません。ヒビの 入った ディスクは、もう 使わないで ください。

家にディスクがあれば、次のように観察してみてください。

1. 部屋の明かりにディスクを傾け、虹色の帯がどちらへ動くか見る。三波長型の蛍光灯のほうが、色の分かれ方が分かりやすいといわれます［10］。
2. CDとDVDを見比べ、色の出方に差があるかどうかを見る。
3. ブルーレイがあれば、正面と斜めで色の見え方を比べる［2］。

注意：光源によっては紫外線が強いものがあるので、目を痛めないようにします［10］。太陽の光をディスクで反射させて人の目に向けたり、プレーヤーの中のレーザー光をのぞいたりしてはいけません。

読み物は、ソニーの「ブルーレイディスクのしくみ」［7］とパイオニアの技術解説［6］が日本語で読めます。ディスクの形や歴史は記録メディアの形のメモにあります。

このメモで扱ったことは、自分で確かめられる。

1. ディスクを部屋の明かりに傾けて虹色を観察し、CD・DVD・BDで色の出方を比べる。三波長型蛍光灯のほうがスペクトルが分かりやすいとされ、紫外線の強い光源もあるので目を痛めないよう注意する［10］。太陽光をディスクで反射して人の目に向けない。プレーヤー内のレーザー光をのぞかない。
2. 表の波長とNAから、スポット径（波長÷NA）を自分で計算し、トラックピッチと比べる。BDのスポット径は、トラックピッチ0.32μmより太いのか、細いのか。
3. パイオニアの比較表［6］とソニーの解説［7］で、CD・DVD・BDの数字を突き合わせる。BDのトラックピッチを測る手順は、富山県総合教育センターの資料［2］にある。
4. CDの規格を数学の面から解説した英語の論文［4］が、原典として読める。

ディスクの形や歴史の話は記録メディアの形のメモに書いた。