コンパクトディスク

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コンパクトディスク
コンパクトディスクwordmark.svg
ODコンパクトディスク.svg
コンパクトディスクの読み取り可能な表面には、光を完全な可視スペクトルに回折させるのに十分なほどしっかりと巻かれたスパイラルトラックが含まれています
メディアタイプ光ディスク
エンコーディング様々
容量通常、最大700 MB(最大80分のオーディオ)
読み取り メカニズム780 nm波長(赤外線および赤色エッジ)半導体レーザー(初期のプレーヤーはヘリウムネオンレーザーを使用)、[1] 1,200 Kbit / s(1×)
書き込み メカニズム記録可能なフォーマットの780nm波長(赤外線および赤エッジ)半導体レーザーCD-RおよびCD-RW、読み取り専用フォーマットのプレスモールド(スタンパー)
標準レインボーブックス
によって開発 されたフィリップスソニー
使用法オーディオおよびデータストレージ
 拡張
リリース済み
  • 1982年10月; 39年前(日本) (1982-10
  • 1983年3月; 38年前(ヨーロッパおよび北アメリカ) (1983-03

コンパクトディスクCD)は、デジタルオーディオ録音を保存および再生するためにフィリップスソニーが共同開発しデジタル 光ディスク データストレージフォーマットです。1982年8月、最初のコンパクトディスクが製造されました。その後、1982年10月にリリースされ、デジタルオーディオコンパクトディスクとしてブランド化されました。

このフォーマットは、後でデータの保存(CD-ROM)に適合しました。これらからさらにいくつかの他のフォーマットが派生しました。これには、ライトワンスオーディオおよびデータストレージ(CD-R)、書き換え可能なメディア(CD-RW)、ビデオCD(VCD)、スーパービデオCD(SVCD)、フォトCDピクチャーCD、コンパクトディスク-インタラクティブ(CD-i)およびエンハンストミュージックCD

標準のCDの直径は120ミリメートル(4.7インチ)で、最大74分の非圧縮ステレオデジタルオーディオまたは約 650MBのデータを保持するように設計されています。同じサイズのディスクにさらに多くのデータを配置することで、容量は通常80分と 700MBに拡張されます。Mini CD直径は、60〜80ミリメートル(2.4〜3.1インチ)の範囲です。CDシングル、最大24分のオーディオの保存、またはデバイスドライバーの配信に使用されることがあります。

1982年にこのテクノロジが導入された時点では、CDには、通常10MBを保持するパーソナルコンピュータ のハードディスクドライブよりもはるかに多くのデータを保存できました。2010年までに、ハードドライブは一般に1,000枚のCDと同じくらいのストレージ容量を提供しましたが、価格は商品レベルまで急落しました。2004年には、オーディオCD、CD-ROM、およびCD-Rの世界的な売上高は約300億枚のディスクに達しました。2007年までに、世界中で2,000億枚のCDが販売されました。[2]

物理的な詳細

CDレイヤーの図
  1. ポリカーボネートディスク層には、バンプを使用してエンコードされたデータがあります。
  2. 光沢のある層がレーザーを反射します。
  3. ラッカーの層が光沢のある層を保護します。
  4. アートワークはディスクの上部にスクリーン印刷されています。
  5. レーザービームがCDを読み取り、センサーに反射されてセンサーが電子データに変換します

CDは、厚さ1.2 mm(0.047インチ)のポリカーボネートプラスチックでできており、重さは14〜33グラムです。[3]中心から外側に向かって、コンポーネントは次のとおりです。中央のスピンドル穴(15 mm)、第1遷移領域(クランプリング)、クランプ領域(スタッキングリング)、第2遷移領域(ミラーバンド)、プログラム(データ)エリア、およびリム。内側のプログラム領域は、25〜58mmの半径を占めます。

アルミニウムまたはまれにの薄層が表面に塗布され、反射性になります。金属は、通常、反射層に直接スピンコーティングされたラッカーのフィルムによって保護されています。ラベルは、通常、スクリーン印刷またはオフセット印刷によってラッカー層に印刷されます

顕微鏡下でのコンパクトディスクのピットランド

CDデータは、ポリカーボネート層の上部に成形されたスパイラルトラックにエンコードされたピットと呼ばれる小さなくぼみとして表されます。ピットの間の領域は土地として知られています。各ピットの深さは約 100nm、幅は500 nmで、長さは850nmから3.5µmまでさまざま です[4]トラック間の距離(ピッチ)は1.6 µmです。[5] [6] [7]

オーディオCDを再生するとき、CDプレーヤー内のモーターがディスクを1.2〜1.4 m / sのスキャン速度(一定線速度、CLV)に回転させます。これは、ディスクの内側で約500 RPM、約200RPMに相当します。外側の端に。CDのトラックは内側から始まり、外側に向かってらせん状になっているため、最初から最後まで再生されるディスクは、再生中の回転速度を遅くします。

さまざまな光ストレージメディアの比較

プログラム領域は86.05cm 2で、記録可能なスパイラルの長さは86.05 cm 2 / 1.6 µm = 5.38km です。スキャン速度が1.2m / sの場合、再生時間は74分、つまりCD-ROMのデータは650MBです。データが少し密にパックされたディスクは、ほとんどのプレーヤーで許容されます(ただし、一部の古いディスクは失敗します)。1.2 m / sの線速度と1.5µmの狭いトラックピッチを使用すると、再生時間が80分に、データ容量が700MBに増加します。

これは、CD-ROMの内側の端にあるピットの顕微鏡写真です。 可視蛍光下での2秒間の露光。
CDのピットは、幅500 nm、長さ830 nm〜3,000 nm、深さ150nmです。

CDは、780 nmの波長近赤外)の半導体レーザーをポリカーボネート層の下部に集束させることによって読み取られます。ピットとランドの間の高さの変化は、光の反射方法に違いをもたらします。ピットはディスクの最上層にインデントされており、透明なポリカーボネートベースを通して読み取られるため、読み取ったときにピットが隆起を形成します。[8]レーザーはディスクに当たり、変調されたスパイラルトラックよりも広い光の輪を投げかけ、部分的に土地から、そして部分的にそれらが存在するバンプの上部から反射します。レーザーがピット(バンプ)を通過するとき、その高さは、そのピークから反射された光の一部が、周囲の土地から反射された光と1/2波長位相がずれていることを意味します。これにより、表面からのレーザーの反射が部分的にキャンセルされます。フォトダイオードで反射強度の変化を測定することにより、変調された信号がディスクから読み戻されます。

データのスパイラルパターンに対応するために、レーザーはCDプレーヤーのディスクトレイ内のモバイルメカニズムに配置されます。このメカニズムは通常、レールに沿って移動するスレッドの形をとります。スレッドは、ウォームギアまたはリニアモーターで駆動できます。ウォームギアが使用されている場合、コイルと磁石の形をした2番目の短焦点リニアモーターは、ディスクの偏心を高速で追跡するために微調整を行います。一部のCDドライブ(特に1980年代から1990年代初頭にフィリップスによって製造されたもの)は、蓄音機で見られるものと同様のスイングアームを使用しています。このメカニズムにより、レーザーはディスク自体の回転を中断することなく、ディスクの中心から端まで情報を読み取ることができます。[さらに説明が必要]

フィリップスCDM210CDドライブ

ピットとランドは、バイナリデータの0と1を直接表すものではありませ代わりに、非ゼロ復帰逆符号化が使用されます。ピットからランドまたはランドからピットへの変更は1を示し、変更がない場合は一連の0を示します。ピットの長さによって定義される、各1の間に少なくとも2つ、100以下の0が必要です。次に、これは、ディスクのマスタリングに使用された8〜14の変調を反転し、次にクロスインターリーブされたリードソロモン符号化を反転することによってデコードされ、最終的にディスクに保存された生データを明らかにします。これらのエンコード技術(レッドブックで定義)は、もともとCDデジタルオーディオ用に設計されました、しかしそれらは後にほとんどすべてのCDフォーマット(CD-ROMなど)の標準になりました。

整合性

CDは、取り扱い中および環境への暴露による損傷を受けやすくなっています。ピットはディスクのラベル側に非常に近く、クリア側の欠陥や汚染物質が再生中に焦点が合わなくなる可能性があります。その結果、CDはディスクのラベル側で損傷を受ける可能性が高くなります。透明な面の傷は、同様の屈折プラスチックを補充するか、注意深く研磨することで修復できます。CDのエッジが不完全にシールされている場合があり、ガスや液体がCDに入り、金属反射層を腐食したり、ピットへのレーザーの焦点を妨害したりします。これはディスク腐敗として知られています。[9]真菌Geotrichumcandidum高温多湿の条件下で、CDに含まれるポリカーボネートプラスチックとアルミニウムを消費することがわかっています。[10] [11]

コンパクトディスクデータ整合性は、 C1C2CUとして知られるさまざまなタイプのデータエラーおよびE11E12として知られる拡張(細粒度)エラー測定のレートを測定できる表面エラースキャンを使用して測定できます。 E21E22E31、およびE32。これらのレートが高い場合は、データサーフェスが損傷または汚れている可能性があり、メディア品質が低く、メディアが劣化しており、 CDライターの誤動作によって書き込まれた記録可能なメディアを示します。

エラースキャンは、メディアの劣化によって引き起こされるデータ損失を確実に予測できます。エラースキャンのサポートは、光ディスクドライブのベンダーやモデルによって異なり拡張エラースキャン(Nero DiscSpeedでは「高度なエラースキャン」と呼ばれます)は、2020年現在、 Plextorと一部のBenQオプティカルドライブでのみ利用可能です。[12 ] [13]

ディスクの形状と直径

トラックを表示するディスクストレージのいくつかの形式の比較(実寸ではありません)。緑は開始を示し、赤は終了を示します。
*一部のCD-R(W)およびDVD-R(W)/ DVD + R(W)レコーダーは、ZCLV、CAA、またはCAVモードで動作します。

CDのデジタルデータは、ディスクの中央から始まり、端に向かって進みます。これにより、使用可能なさまざまなサイズの形式に適応できます。標準CDには2つのサイズがあります。最も一般的なのは直径120ミリメートル(4.7インチ)で、74分または80分のオーディオ容量と650または700 MB(737,280,000バイト)のデータ容量があります。ディスクの厚さは1.2ミリメートル(0.047インチ)で、中央に15ミリメートル(0.59インチ)の穴があります。穴のサイズはランダムではありませんが、Joop Sinjouによって選択され、オランダの10セント硬貨に基づいています:dubbeltje[14] Philips / Sonyは、著作権を主張するために物理的寸法の特許を取得しました。[要出典]フィリップスは ソニーが選択したディスクの110Hzの機械的共振周波数90Hzこの不一致により、CDウォークマンで後の問題が発生しました。[要出典]

フィリップスの公式の歴史によると、容量は、ベートーベンの第9交響曲全体を1枚のディスクに収めることができるように、ソニーの大賀典雄によって指定されました。[15]

Kees Schouhamer Imminkは、コンパクトディスク、 DVD、およびBlu-rayディスクのコーディング技術への貢献に対して、個人的な技術エミー賞を受賞しました。

これは、Kees Imminkによると、120 mmを採用することが決定された1979年12月にEFMコード形式がまだ決定されていなかったため、神話です。1980年6月のEFMの採用により、再生時間が30%長くなり、直径120 mmの場合は97分、100 mm(3.9インチ)のディスクの場合は74分になります。ただし、代わりに、情報密度を30%下げて、再生時間を74分に維持しました。[16] [17] [18]直径120mmは、Super Audio CDDVDHD DVDBlu-rayなどの後続のフォーマットで採用されています。ディスク。直径80mm(3.1インチ)のディスク(「ミニCD」)は、最大24分の音楽または210MBを保持できます。

物理的なサイズ オーディオ容量 CD-ROMのデータ容量 意味
120mm 74〜80分 650〜700  MB 標準サイズ
80mm 21〜24分 185〜210 MB ミニCDサイズ
80×54mm–80×64mm 〜6分 10〜65 MB 「名刺」サイズ

論理フォーマット

オーディオCD

オーディオCD(正式にはコンパクトディスクデジタルオーディオまたはCD-DA)の論理フォーマットは、フォーマットの共同作成者であるソニーとフィリップスによって1980年に作成されたドキュメントに記述されています。[19]この文書は、表紙の色にちなんで、口語的にRed BookCD -DAとして知られています。フォーマットは、チャネルあたり44.1kHzのサンプリングレートの2チャネル16ビットPCMエンコーディングです。4チャンネルサウンドはRedBookフォーマット内で許容されるオプションでしたが、実装されたことはありません。モノラルオーディオには、レッドブックに既存の標準がありません CD; したがって、モノラルソース素材は通常、標準のRed Bookステレオトラック(つまり、ミラーリングされたモノラル)で2つの同一のチャンネルとして表示されます。ただし、MP3 CDは、モノラルサウンドのオーディオファイル形式にすることができます。

CD-Textは、オーディオCDのRed Book仕様を拡張したもので、標準に準拠したオーディオCDに追加のテキスト情報(アルバム名、曲名、アーティストなど)を保存できます。情報は、約5キロバイトの空き容量があるCDのリードイン領域、または約31メガバイトを保存できるディスク のサブコードチャネルRからWのいずれかに保存されます。

コンパクトディスク+グラフィックスは、ディスク上のオーディオデータに加えてグラフィックスデータを含む特別なオーディオコンパクトディスクです。ディスクは通常のオーディオCDプレーヤーで再生できますが、特別なCD + Gプレーヤーで再生すると、グラフィック信号を出力できます(通常、CD + Gプレーヤーはテレビまたはコンピューターのモニターに接続されています)。これらのグラフィックは、カラオケパフォーマーが一緒に歌うためにテレビに歌詞を表示するためにほぼ独占的に使用されます。CD + G形式は、チャネルRからWを利用します。これらの6ビットは、グラフィック情報を格納します。

CD +拡張グラフィックス(CD + EG、CD + XGとも呼ばれます)は、コンパクトディスク+グラフィックス(CD + G)形式の改良版です。CD + Gと同様に、CD + EGは基本的なCD-ROM機能を使用して、再生中の音楽に加えてテキストおよびビデオ情報を表示します。この追加データは、サブコードチャネルRWに保存されます。CD + EGディスクが発行されている場合はごくわずかです。

スーパーオーディオCD

スーパーオーディオCD(SACD)は、レッドブックよりも忠実度の高いデジタルオーディオ再生を提供するように設計された、高解像度の読み取り専用 オーディオディスクフォーマットです1999年に導入され、 RedBookを作成したのと同じ会社であるSonyとPhilipsによって開発されましたSACDはDVD-Audioとのフォーマット戦争でしたが、どちらもオーディオCDに取って代わりませんでした。SACD規格はScarletBook規格と呼ばれています

SACD形式のタイトルはハイブリッドディスクとして発行できます。これらのディスクには、SACDオーディオストリームと、標準のCDプレーヤーで再生可能な標準のオーディオCDレイヤーが含まれているため、下位互換性があります。

CD-MIDI

CD- MIDIは、音楽演奏データを保存するために使用される形式であり、再生時にオーディオを合成する電子楽器によって実行されます。したがって、元のRed Book CD-DAとは異なり、これらの録音はデジタルサンプリングされたオーディオ録音ではありません。CD-MIDI形式は、元のRedBookの拡張として定義されています

CD-ROM

その存在の最初の数年間、CDは純粋にオーディオに使用される媒体でした。しかし、1988年に、イエローブック CD-ROM規格がソニーとフィリップスによって確立され、CD-ROMを搭載したコンピューターで読み取り可能な、オーディオコンパクトディスクと同じ物理フォーマットを使用する不揮発性光学データコンピューターデータ記憶媒体が定義されました。ドライブ。

ビデオCD

ビデオCD(VCD、View CD、およびコンパクトディスクデジタルビデオ)は、ビデオメディアをCDに保存するための標準のデジタル形式です。VCDは、専用のVCDプレーヤー、最新のDVDビデオプレーヤー、パーソナルコンピューター、および一部のビデオゲームコンソールで再生できます。VCD規格は、1993年にソニー、フィリップス、松下JVCによって作成され、ホワイトブック規格 と呼ばれています。

全体的な画質は、VHSビデオに匹敵することを目的としています。圧縮率の低いVCDビデオは、VHSビデオよりも品質が低い場合がありますが、VCDはアナログノイズではなくブロックアーティファクトを示し、使用するたびに劣化することはありません。NTSCビデオの垂直解像度と水平解像度の半分であるため、352×240(またはSIF )解像度が選択されました。352×288も同様に4分の1のPAL / SECAM解像度です。これは、アナログVHSテープの(全体的な)解像度に近似しています。アナログVHSテープは、(垂直)スキャンラインの数は2倍ですが、水平解像度ははるかに低くなっています。

スーパービデオCD

スーパービデオCD(スーパービデオコンパクトディスクまたはSVCD)は、標準のコンパクトディスクにビデオメディアを保存するために使用される形式です。SVCDは、VCDの後継であり、DVDビデオの代替として意図されており、技術的能力と画質の両方の点でその中間に位置します。

SVCDの解像度はDVDの3分の2で、VCDの2.7倍以上です。1枚のCD-Rディスクには、最大60分の標準品質のSVCD形式のビデオを保存できます。仕様ではSVCDビデオの長さに特定の制限は義務付けられていませんが、非常に長いビデオに対応するには、ビデオのビットレートを下げて品質を下げる必要があります。通常、100分をはるかに超えるビデオを1つのSVCDに収めて品質を大幅に低下させることは困難であり、多くのハードウェアプレーヤーは、300〜600キロビット/秒未満の瞬間ビットレートでビデオを再生できません。

フォトCD

フォトCDは、写真をデジタル化してCDに保存するためにコダックが設計したシステムです。1992年に発売されたディスクは、100近くの高品質の画像、スキャンされたプリント、および特別な独自のエンコーディングを使用したスライドを保持するように設計されました。フォトCDはベージュブックで定義されており、CD-ROMXAおよびCD-iブリッジの仕様にも準拠しています。これらは、CD-iプレーヤー、フォトCDプレーヤー、および適切なソフトウェアを備えた任意のコンピューター(オペレーティングシステムに関係なく)で再生することを目的としています。専用のコダック機で印画紙に印刷することもできます。この形式は、CD-ROM形式の消費者向け製品である Kodak PictureCDと混同しないでください。

CD-i

Philips Green Bookは、 CD-iプレーヤー用に設計されたインタラクティブマルチメディアコンパクトディスクの標準を指定しています(1993)。CD-iディスクには、通常のCDプレーヤーで再生できるオーディオトラックを含めることができますが、CD-iディスクはほとんどのCD-ROMドライブおよびソフトウェアと互換性がありません。CD-i Ready仕様は、オーディオCDプレーヤーとの互換性を向上させるために後で作成され、CD-i Bridge仕様は、通常のCD-ROMドライブからアクセスできるCD-i互換ディスクを作成するために追加されました。

CD-i Ready

フィリップスは、CD-iソフトウェアとデータをトラック1のプレギャップに入れるCD -i Readyと呼ばれるCD-iに似たフォーマットを定義しました。このフォーマットは、古いオーディオCDプレーヤーとの互換性が高いと考えられていました。

エンハンストミュージックCD(CD +)

Enhanced Music CDは、CDExtraまたはCDPlusとも呼ばれ、オーディオトラックを最初のセッションに、データを2番目のセッションに配置することにより、オーディオトラックデータトラックを同じディスクに結合する形式です。フィリップスとソニーによって開発され、ブルーブックで定義されています。

VinylDisc

VinylDiscは、標準のオーディオCDとビニールレコードのハイブリッドです。ディスクのラベル側のビニール層は、約3分間の音楽を保持できます。

製造

個々のピットはマイクロメートルスケールで表示されます。

1995年の材料費は、ジュエルケースが30セント、CDが10〜15セントでした。CDの卸売価格は0.75ドルから1.15ドルでしたが、録音済みの音楽CDの通常の小売価格は16.98ドルでした。[20]平均して、ストアは小売価格の35パーセント、レコード会社は27パーセント、アーティストは16パーセント、メーカーは13パーセント、ディストリビューターは9パーセントを受け取りました。[20] 8トラックカートリッジコンパクトカセット、およびCDが導入されたとき、メディアの製造コストは削減されましたが、それぞれが成功したフォーマットよりも高い価格で販売されました。これは、見かけの値が増加したために行われました。これは蓄音機のレコードからCDまで続きましたが、AppleがMP3は0.99ドル、アルバムは9.99ドルで販売されました。ただし、MP3を作成するための増分コストはごくわずかです。[21]

書き込み可能なコンパクトディスク

記録可能なCD

スケール用シャープペンシルの横にある700MB CD-R

記録可能なコンパクトディスク、CD-Rは、「ブランク」データスパイラルで射出成形されます。次に、感光性染料が塗布され、その後、ディスクが金属化され、ラッカーコーティングされます。CDレコーダーの書き込みレーザーは染料の色を変えて、標準のスタンプディスクの場合と同じように、標準のCDプレーヤーの読み取りレーザーがデータを見ることができるようにします。結果として得られるディスクは、ほとんどのCD-ROMドライブで読み取り、ほとんどのオーディオCDプレーヤーで再生できます。CD-RはOrangeBook標準に準拠しています。

CD-Rの録音は、永続的になるように設計されています。時間の経過とともに、色素の物理的特性が変化し、読み取りデバイスがエラー訂正方法で回復できなくなるまで、読み取りエラーとデータ損失が発生する可能性があります。エラーは、表面エラースキャンを使用して予測できます設計寿命は、ディスクの品質、書き込みドライブの品質、および保管条件に応じて、20〜100年です。[22]ただし、テストでは、通常の保管条件下でわずか18か月で一部のディスクがこのように劣化することが示されています。[23] [24]この障害はディスク腐敗として知られており、いくつかの、主に環境的な理由があります。[25]

録音可能なオーディオCDは、民生用オーディオCDレコーダーで使用するように設計されています。これらの民生用オーディオCDレコーダーは、デジタル著作権管理(DRM)の初期の形式であるSCMS(シリアルコピー管理システム)を使用して、AHRA(オーディオホームレコーディング法)に準拠しています。録音可能なオーディオCDは、通常、CD-Rよりもいくらか高価です。これは、制作量が少なく、音楽業界にコピーの作成を補償するために3%のAHRA使用料が使用されるためです。[26]

大容量の記録可能なCDは、従来のディスクよりも20%多くのデータを保持できる高密度の記録フォーマットです。[27]大容量は、一部のレコーダーおよび録音ソフトウェアと互換性がありません。[28]

書き換え可能なCD

CD-RWは、染料の代わりに金属合金を使用する再記録可能な媒体です。この場合、書き込みレーザーは、合金の特性(アモルファス対結晶)を加熱および変更するために使用され、したがって、その反射率を変更します。CD-RWは、プレスされたCDやCD-Rほど反射率に大きな違いはなく、初期のCDオーディオプレーヤーの多くはCD-RWディスクを読み取ることができませんが、後のCDオーディオプレーヤーやスタンドアロンDVDプレーヤーのほとんどは読み取ることができます。 。CD-RWはOrangeBook標準に準拠しています。

ReWritable Audio CDは、標準のCD-RWディスクを(変更せずに)受け入れない民生用オーディオCDレコーダーで使用するように設計されています。これらの民生用オーディオCDレコーダーは、デジタル著作権管理(DRM)の初期の形式であるシリアルコピー管理システム(SCMS)を使用して、米国の家庭内録音法(AHRA)に準拠しています。ReWritable Audio CDは、通常、CD-Rよりもいくらか高価です。これは、(a)音量が小さく、(b)音楽業界にコピーの作成を補償するために使用される3%のAHRA使用料が原因です。[26]

コピー防止

Red Bookオーディオ仕様には、サブコード内の単純な「コピー防止」ステートメントを除いて、コピー防止メカニズムは含まれていません。少なくとも2001年には知られていましたが[29] 、レコード会社は、ハードドライブにリッピングまたはコピーしたり、他の形式(FLACなど)に簡単に変換したりできない「コピー防止」された非標準のコンパクトディスクを販売しようとしました。MP3またはVorbis)。これらのコピー防止されたディスクの主な欠点の1つは、ほとんどがコンピュータのCD-ROMドライブまたはCD-ROMメカニズムを使用する一部のスタンドアロンCDプレーヤーで再生されないことです。フィリップスは、そのようなディスクに商標を付けることは許可されていないと述べていますコンパクトディスクデジタルオーディオのロゴは、レッドブックの仕様に違反しているためです。多くのコピー防止システムは、すぐに利用できる、多くの場合無料のソフトウェアによって、または単に自動自動再生をオフにしてDRM実行可能プログラムの実行を防ぐことによってさえも対抗されてきました。

も参照してください

参考文献

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さらに読む

外部リンク