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No. 19 | 4. Quartal 2008
optolines
Fachmagazin für Optomechanik und Optoelektronik
Stark: mag.x™
Spiegelobjektiv von LINOS
Spiegelobjektive – eine sehr gute Alternative,
wenn im optischen Aufbau ein großer Arbeitsabstand, ein breiter Spektralbereich oder eine
hohe Laserleistung erforderlich ist. | Seite 20
Neue
Handliche
Beamexpander
Starter-Sets im Koffer
für
LINOS
denMikrobank
Einsatz im™UV-Bereich
und LINOS Nanobank™
Neue
Alternative
Produkte
zur für
Kaltlichtquelle
Mikrobank
XY-JustierLQ-LED m.lux
und– Magnetaufnahmeplatte
die High Power Lichtquelle
Beleuchtungssysteme
Neue Faraday-Isolatoren
optimieren
TracePro™
Sehr kurze,Software
kompakte
Ergänzung
Bauform
Neue Dienstleistung:
Software und Tools
Schwingungsmessung
LINOS
MachVis
ermittelt
und TracePro
präzise Messdaten
CONTENT
INNOVAS
Alternative zur Kaltlichtquelle –
high Power LED-Lichtquelle
LQ-LED m.lux | Seite 4
CHECK UP
Sehr kompakte Bauform – geringe
Lichtverluste: Faraday-Isolator | Seite 5
Dynamisch messen mit
LDD-Sensor | Seite 6
Liebe Leserin, lieber Leser!
Auf dem Weg vom Design zum Produkt verfügen LINOS und die Qioptiq-Gruppe über
alle technischen Möglichkeiten, um für Sie
neue Produkte inhouse zu entwickeln – das
ist in der Industrie heute nicht mehr selbstverständlich. Dieses umfassende Know-how
setzen wir ein, um Ihnen marktgerechte kundenspezifische Systeme oder OEM-Lösungen
anbieten können – von Automotive bis zur
Mikrolithografie.
Eine wichtige Rolle spielen u.a. neue Entwicklungen im UV-Bereich, bei denen auch
besondere Optikwerkstoffe wie z.B. Calziumfluorid zum Einsatz kommen. Bei den hochpräzisen Oberflächen müssen Rauhigkeiten
im Ångström-Bereich erzielt werden. Weitere
Schwerpunkte stellen spezielle CNC-Technologien, die die Produktion von Asphären bis
Freiformflächen ermöglichen, oder spezielle
Innovationen wie Infrarot-Laser dar.
Neben hochwertiger technologischer Entwicklung und höchster Qualität garantieren wir Flexibilität und schnellstmögliche
Lieferfähigkeit auch für außergewöhnliche
Kundenanfragen. Unsere Innovationen präsentieren wir Ihnen regelmäßig in optolines.
Hervorheben möchte ich an dieser Stelle zwei
Produktneuheiten. Das kompakte Mikro- und
Nanobank-Starterset ist ein handliches Basispaket mit Grund-Komponenten. Überzeugen
Sie sich zu einem attraktiven Einstiegspreis
von der Güte der LINOS Produkte, denn
Qualität entscheidet. Zahlreiche Sonderausstattungen, verlässlich robustes Arbeiten im
Vakuum oder bei Tieftemperatur zeichnen
den neuen M530 Verschiebetisch mit Piezoträgheitsantrieb im Nanobereich aus. Der
M530 ist sowohl für industrielle Anwendungen als auch für die Forschung angelegt.
INNOVAS
Banksysteme – auf hohe Qualität
bauen! – handlich: das LINOS
Mikrobank™ Starter-Set | Seite 10
INNOVAS
Kompakt und bedienerfreundlich:
TRISTAN® USB – eine
Erfolgsgeschichte | Seite 11
INNOVAS
Lichtquellen einfach modellieren –
neues Tool für TracePro „Surface
Source Property Utility“ | Seite 12
SPECIAL
200 W Hochleistungslaser –
LZH Relativitätstheorie und
„Fenster ins All“ | Seite 14
INNOVAS
Wir machen den Blick frei –
MachVis: der einfach Weg zum
passenden Objektiv | Seite 16
INNOVAS
Kompakt und einfach –
Mikro-/Nanopositionierung | Seite 18
BASICS
LINOS reflektiv-refraktive Spiegelobjektive der mag.x™-Serie | Seite 20
Fasergekoppelter THz-Messmodule |
Seite 25
LINOS LIVE
Seminare 2008 |
Literaturtipp: Gauß. Eine Biographie |
Messevorschau 2008/09 | Impressum |
Seite 27
Eine schöne Vorweihnachtszeit
wünscht Ihnen
Robert Vollmers
2
Geschäftsführer
Operations
Optical Systems Division
optolines No. 19 | 4. Quartal 2008
INSIGHT
Bunt gemischte Arbeitsgruppe
Auswärtsseminar Optische Technologien vereint Studenten
und Wissenschaftler
Im historischen Ambiente des Gutshofes Schilbach
bei Schöneck im Vogtland trafen vom 15. bis 17. September Wissenschaftler aus verschiedenen Universitäten, Fachhochschulen, Forschungseinrichtungen
und Firmen mit interessierten Studenten zusammen.
Beim zweiten Auswärtsseminar der AG Optische
Technologien der Westsächsischen Hochschule
Zwickau diskutierten die zahlreichen Anwesenden
über neueste Forschungsergebnisse aus den
Bereichen Optik und Lasertechnik. Das Spektrum der
Vorträge reichte dabei von aktuellen Resultaten der
Grundlagenforschung wie modernen Laserkonzepten
für Weltraumanwendungen bis zu
praxisnahen Themen wie den Chancen
und Perspektiven der Lasertechnik in
der Mikromaterialbearbeitung. Das
kulturelle Rahmenprogramm bot breiten Raum für Kontakte der Studenten
zu den etablierten Wissenschaftlern
und Firmenvertretern, auch über den Tag hinaus.
Unterstützt wurde das Seminar durch die Firmen
LINOS, Layertec GmbH, Fiberware GmbH, Fibotec
GmbH und den Hochschulförderverein Mentor.
Kontakt:
Prof. Peter Hartmann
Institut für Oberflächentechnologien
und Mikrosysteme
Westsächsische Hochschule Zwickau
08012 Zwickau
[email protected]
Historische Gauß-Sternwarte
Restaurierung nahezu abgeschlossen
Mithilfe zahlreicher Sponsoren und der Göttinger
Gauß-Kuppel-Gemeinschaft (GGG) wird die historische Sternwarte in Göttingen restauriert und
auf ihren ursprünglichen Stand zurückgebaut. Die
zwischen 1803 und 1816 errichtete Forschungseinrichtung ist ein wissenschaftshistorisches und architektonisches Kleinod und soll damit wieder erlebbar
gemacht werden.
Insgesamt 1,8 Millionen Euro steckten die GeorgAugust-Universität und Sponsoren in das Projekt.
Eines der Highlights des universitären Gebäudes
ist die Kuppel, die nach dem ersten Direktor der
Sternwarte Carl Friedrich Gauß (1777 bis 1855)
benannt ist. Der berühmte Gelehrte, Mathematiker,
Geophysiker und Astronom wirkte hier rund 60 Jahre.
Er nutzte die Sternwarte von 1807 bis 1855 als
Wohn- und Arbeitsstätte und bereicherte die Göttinger Astrophysik mit seinen genialen Entdeckungen
und Erfindungen. Seit Juli dieses Jahres ist die Kuppel
restauriert. Lehrlinge des Göttinger Messtechnikunternehmens Mahr haben sich in zeitaufwändiger
Arbeit der Kuppel angenommen und sie wieder funktionstüchtig gemacht.
Nachdem im Juni 2005 die wissenschaftliche Einrichtung der Sternwarte in den Neubau der Fakultät
für Physik umgezogen ist, stellt die Sternwarte den
historischen Angelpunkt der Astrophysik dar. Grund
dafür ist auch ihre berühmte historische Sammlung
wissenschaftlicher Instrumente. Die Wiedereröffnung
der Sternwarte erfolgt im November 2008. Dann
wird sie als Sitz der universitären Graduiertenschulen
künftig junge, exzellente Wissenschaftler beherbergen
und außerdem für die Öffentlichkeit zugänglich sein.
www.uni-sw.gwdg.de/Welcome_de.html
Kurz vor der Wiedereröffnung besuchte das LINOS
Redaktionsteam die renovierte Gauß’sche Sternwarte (siehe auch Seite 27).
Mikrobank-Broschüre
Der Klassiker neu aufgelegt
Ab sofort können Sie sich in der Neuauflage der
Mikrobank™-Broschüre über einen ungeschlagenen
Klassiker informieren: die LINOS Mikrobank™ – komplettiert durch Nanobank™, Tubussystem C™, Schienensysteme FLS und dem Profilsystem X 25. Der 48-Seiter
bietet viele Informationen. „Tipps und Tricks“ ermöglichen schnellen Zugriff auf gewünschte Spezifikationen.
Ob Anwender oder Interessent – die Broschüre führt Sie
umfassend in die Welt der LINOS Mikrobank™ -Systeme
ein! Sichern Sie sich jetzt Ihr Exemplar: Senden Sie
uns die beigefügte Postkarte zu oder bestellen Sie per
E-Mail: [email protected].
„Komm mach MINT“
Frauen in Naturwissenschaft
Auf Initiative von Dr. Anette Schawan, Bundesministerin
für Bildung und Forschung, wurde in diesem Jahr der
„Nationale Pakt für Frauen in MINT-Berufen“ in Kraft
gesetzt. Mit ihm sollen Frauen für die Berufsfelder
Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und
Technik kurz MINT – begeistert werden. Mit der Unterstützung von mehr als 40 Partnern aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft will die Ministerin bestehende
Projekte bündeln und mit Hilfe aller Beteiligten publik
machen sowie bereits erfolgreiche Maßnahmen überregional in weitere Institutionen tragen. Ein zentraler
Punkt ist dabei die direkte Unterstützung von Frauen:
Ihnen soll bei der Entscheidungsfindung für das Studium
geholfen, frühzeitige Kontakte geboten und vor allem
ihr Selbstvertrauen in Bezug auf die Auseinandersetzung
mit naturwissenschaftlichen Berufen gestärkt werden.
Ressource Abiturientinnen
Mit dieser Initiative wird die Attraktivität der MINTBerufe vor allem Frauen aufgezeigt, denn „sie können
sich hier genauso beweisen wie sie es bereits in den
Sprach- und Kulturwissenschaften tun“, so Prof. Dr.
Gerd Litfin, Präsident der Deutschen Physikalischen
Gesellschaft. Diese zählt zu den Partnern de Initiative
„Komm, mach MINT.“ „Ein wesentlicher Aspekt meiner
Arbeit als DPG-Präsident ist es, Frauen in der Physik zu
fördern.“ sagt der Göttinger Physiker. Die Zahl dieser
sei eindeutig zu niedrig. Die schlummernde Ressource
hat er erkannt: die deutschen Abiturientinnen. Durch
solche Förderprogramme werden diese Mädchen an die
MINT-Berufe herangeführt.
> Kontakt:
[email protected]
No. 19 | 4. Quartal 2008 optolines
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INNOVAS
High Power LED-Lichtquelle LQ-LED m.lux
Alternative zur Kaltlichtquelle
Basierend auf der neuesten OSRAM LED Technologie hat LINOS sein Faserbeleuchtungsprogramm um eine
Hochleistungs-LED-Lichtquelle erweitert. Diese DC-Lichtquelle für Lichtleiter stellt eine echte Alternative
zu klassischen Halogen Kaltlichtquellen dar.
Die Lichtquelle emittiert flimmerfreies,
weißes Licht mit einer Farbtemperatur
von 6500 K (Tageslichtqualität). Sie eignet
sich somit hervorragend für den Einsatz
in der Bildverarbeitung und Messtechnik,
wo es besonders auf eine farbgetreue
Bildwiedergabe ankommt. Das Gerät liefert bei einer Leistungsaufnahme von nur
15 W eine Beleuchtungsstärke von mehr
als 7 MLux. Die Ausgangsleistung lässt sich
manuell über Taster auf der Frontplatte
oder elektronisch über eine RS232 Schnittstelle in 5%-Schritten einstellen und wird
durch eine LED-Balkenanzeige visualisiert.
Das robuste eloxierte Aluminiumgehäuse
ist als Standgerät konzipiert, kann jedoch
auch mit Hilfe von Nutensteinen an
ein Gestell montiert oder in einen Rack
eingebaut werden. Über den StandardLichtleiteradapter können alle LINOS Glasfaser- und Flüssigkeitslichtleitertypen angeschlossen werden. Somit wird für nahezu
jede Beleuchtungsaufgabe eine optimale
Lösung gefunden.
Fokus auf LQ-LED m.lux
Hauptanwendungsgebiete:
• Mikroskopie
• Endoskopie
• Qualitätssicherung
• Inspektionssysteme
• Bildverarbeitung
• Life Science
• Biologie
• Labor
• Kompakte Bauweise
Technische Daten
LQ-LED m.lux
Leuchtmittel
High Power LED weiss
Beleuchtungsstärke
> 7 Mlux
Arbeitsleistung
> 450‘000 lux/W
Max. optischer Wirkungsgrad
65 lm/W
Abstrahlwinkel 2φ
20°
Farbtemperatur
6500 K
LED-Lebensdauer (Intensitätsabfall auf 50 %)
> 50 000 h
Lichttechnisch maximal nutzbarer Faserbündel-Ø
<= 10 mm
LED Radiation Class
1M LED Product
Betriebsspannung
12 V DC
Stromaufnahme
~ 1250 mA
Schnittstelle
RS232
Gehäuse-Abmessungen (BxLxH))
84 mm x 159 mm x 89 mm
Gewicht
1.1 kg
• Tageslichtähnliches Spektrum
• Rippel- und flimmerfreies Licht
• Minimaler Energiebedarf
• Manuelle und elektronische
Leistungseinstellung
• Lange Lebensdauer der LED
• Hohe Betriebssicherheit
Farbgetreue Bildwiedergabe.
Relative spektrale Verteilung
V(λ) = spektrale Augenempfindlichkeit
Φrel = f (λ), T board = 25° C, IF = 700 mA.
> Kontakt:
[email protected]
4
CHECK UP
Geringe Lichtverluste: neue Faraday-Isolatoren
Sehr kompakte, kurze Bauform
Die Lasertechnik entwickelt sich stetig weiter. Somit wächst der Bedarf an optischen Komponenten, die den
Laserresonator auch vor von außen rückgestreutem Laserlicht schützen. Durch Faraday-Isolatoren können die
herbei geführten Instabilitäten im Laserbetrieb und Intensitätsfluktuationen effizient unterdrückt werden.
werden würfelförmige Polarisationsstrahlteiler verwendet. Die abgeblockte Strahlung wird unter 90° abgelenkt und steht
frei zur Verfügung. Die Faraday-Isolatoren
von LINOS decken einen breiten Bereich
des Spektrums ab und sind in Isolationen
von 30 dB und 60 dB erhältlich. Diese
überzeugen durch:
• Hohe Isolation
• Geringe Einfügedämpfung
• Große Apertur, kurze Bauform
• Universelle Montagemöglichkeit
TGG-Kristalle
Der neue Faraday Isolator FI-1210-3SC im
LINOS Produktportfolio schließt die Lücke
bei 1210 nm. Wie alle Isolatoren der Serie
FI-x-nSC weist der FI-1210-3SC ein kompaktes Design und – dank der Verwendung von TGG-Kristallen mit hoher VerdetKonstante – nur geringe Lichtverluste auf.
Die Dämpfung beträgt 30 dB.
Merkmale
• Apertur 3,5 mm
• Isolation 30 dB
• Transmission > 90 %
Der neue Kompakt-Isolator im LINOS Produktportfolio schließt die Lücke bei 1210 nm.
Der neue Kompakt-Isolator im LINOS
Produktportfolio schließt die Lücke bei
1210 nm. Die LINOS Kompakt-Isolatoren
der Serie FI-x-nSC verwenden einen einstufigen Faraday-Isolator. LINOS setzt die
stärksten verfügbaren Dauermagnete in
optimierter Geometrie ein, wodurch eine
sehr kurze Bauform erzielt wird. Der Austrittspolarisator ist um 360° drehbar. Damit
lässt sich eine maximale Extinktion über
einen breiten Wellenlängenbereich einstellen. Als Aus- und Eintrittspolarisatoren
Typische Einsatzzwecke
• Schutz von Resonatoren in Festkörperlasersystemen und Gaslasern gegen
rückgestreutes Laserlicht
• Vermeidung von parasitären Oszillationen in mehrstufigen FestkörperVerstärkersystemen
• Schutz von Laserdioden gegen Rückstreu- und Fremdlichteinkopplung
> Kontakt:
[email protected]
5
CHECKUP
Hochaufgelöste Distanz- und Formmessung schnell rotierender Körper
Dynamisch messen mit LDD-Sensor
Autoren: Prof. Dr. Jürgen Czarske, Dr. Thorsten Pfister, Dr. Lars Büttner, Technische Universität Dresden,
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik, Professur für Mess- und Prüftechnik
Der optische Doppler-Effekt ist etabliert im Prozess der präzisen, berührungslosen Messung von Geschwindigkeiten mit hoher Zeitauflösung im Mikrosekundenbereich. Gelingt es, diese vorteilhaften Eigenschaften des
optischen Doppler-Effekts auf die Distanzmessung von schnell bewegten Festkörperoberflächen zu übertragen, bedeutet dies einen großen Schritt für die Prozessüberwachung. Im Folgenden erfahren Sie alles über die
Entwicklung des neuartigen Laser-Doppler-Distanz (LDD)-Sensors. Ausgewählte Beispiele, wie die Formvermessung von Werkstücken sowie die in-situ Spaltweitenmessung von Turbomaschinen, zeigen exemplarisch seine
Anwendung. Realisiert wurde der LDD-Sensor mit Mikrobank-Komponenten von LINOS (siehe Abb. 5).
Distanzen und Abmessungen gehören in
der industriellen Fertigungstechnik mit
zu den wichtigsten Messgrößen. Einhergehend mit der Vielzahl der individuellen
Anwendungen existiert ein breites Spektrum von Messprinzipien. Sollen Distanzen
dynamisch erfasst werden, z.B. bei schnell
bewegten Objekten, so ist eine hohe
Messrate erforderlich, die jedoch viele Sensoren prinzipbedingt nicht liefern können.
Als Beispiel sei hier die Messung der Spaltweite zwischen den rotierenden Schaufeln
und dem Gehäuse von Turbomaschinen
angeführt. Damit Leckströmungen reduziert und ein hoher Wirkungsgrad erzielt
werden, sollte der Spalt so schmal wie
möglich gewählt werden. Andererseits
dürfen die Schaufeln auch bei wechselnden Betriebsbedingungen durch Temperatur-, Druck- und Zentrifugalkrafteinfluss
das Gehäuse nicht berühren, da dies zur
Zerstörung der Maschine führen könnte.
Für zukünftige Turbomaschinen werden
Systeme zur aktiven Spaltweitenregelung
verfolgt, die die Spaltweite auf einen optimalen Wert regeln. Voraussetzung dafür
ist ein Sensor, der die Spaltweite online
und mit einer Messunsicherheit von kleiner
als 25 μm erfasst.
Messunsicherheiten
Interferometrische Verfahren, wie die
Laser-Doppler-Vibrometrie, bieten eine
hohe Orts- und Zeitauflösung, jedoch
arbeiten diese meistens inkrementell.
Durch Stufen in der Oberfläche des Messobjektes, die größer als die halbe Lichtwellenlänge sind, oder durch Laserstrahlunterbrechungen wird die Messung der Distanz
mehrdeutig.
Abb. 1: Fächerförmige Interferenzstreifensysteme, deren Überlagerung das Messvolumen des Laser-DopplerDistanz (LDD)-Sensors bildet.
6
Der optische Doppler-Effekt wird ferner für
die Messung der lateralen Geschwindigkeit
von technischen Oberflächen genutzt.
Die Erfassung der auftretenden DopplerFrequenzverschiebung erfolgt für dieses
so genannte „Laser-Doppler-Velozimeter“
ebenfalls mit einem photoelektrischen
Interferenzsignal. Dabei werden zwei
kohärente Laserstrahlen unter einem kleinen Winkel zur Überlagerung gebracht.
In diesem Bereich, dem Messvolumen,
ergibt sich ein Interferenzstreifensystem.
Mit der gemessenen Doppler-Frequenz f
des elektrischen Interferenzsignals und
einem aus dem optischen Aufbau folgenden Kalibrierfaktor d, dem Abstand der
Interferenzstreifen, ergibt sich die laterale
Objektgeschwindigkeit zu v = d·f. Der
Kalibrierfaktor muss vor der Messung
bestimmt werden und sollte konstant sein.
Hierfür sind ebene Wellenfronten der beiden Laserstrahlen vorauszusetzen. Durch
Beugungseffekte von fokussierten Laserstrahlen treten aber Wellenfrontkrümmungen auf, die zu einer Änderung des
Kalibrierfaktors im Messvolumen führen.
Damit wird jedoch die Doppler-Frequenz
nicht nur von der lateralen Geschwindigkeit v, sondern auch von der axialen Position bzw. Distanz z des bewegten Streuobjektes systematisch abhängig. Folglich
resultiert daraus eine vergrößerte Messunsicherheit der Geschwindigkeit.
컄
CHECKUP
Abb. 2: Anwendung des LDD-Sensors für die Distanzmessung von Turbinenschaufeln. Es wird eine nicht-inkrementelle Messung der Position z mittels zweier Interferenzstreifensysteme unterschiedlicher Lichtwellenlängen
vorgenommen. Mit dem bekannten Arbeitsabstand A vom Sensor zum Messvolumen liegt die Distanz D zum
Messobjekt vor: D = A + z. Zur Vereinfachung wird im Beitrag nicht zwischen der Position und der Distanz
unterschieden.
Abb. 3: Statistische Messunsicherheit σz in Abhängigkeit der lateralen Oberflächengeschwindigkeit v.
Der LDD-Sensor weist gegenüber dem Triangulations-Distanzsensor den Vorteil einer geschwindigkeitsunabhängigen Messunsicherheit auf.
Die Innovation
innerhalb des Messvolumens (Abb. 2). Die
neue Kalibrierfunktion q(z) ist vor der Messung als Quotient der Streifenabstandsfunktionen d1(z) / d2(z) zu bestimmen und
muss einen streng monotonen Verlauf
aufweisen. Dann können mit zwei gleichzeitigen Doppler-Frequenzmessungen die
Distanz z und die laterale Geschwindigkeitskomponente v eines Streuobjektes
bestimmt werden [J. Czarske et al., Meas.
컄
Sci. Technol. 13, S. 1979-1989, 2002].
Die Idee ist nun, diesen bisher als Störung
betrachteten Einfluss der Wellenfrontkrümmung realer Laserstrahlen vorteilhaft
zu nutzen: Unter Verwendung von Multiplexverfahren, z.B. mit zwei Laserwellenlängen, werden zwei gleichzeitige Messungen durchgeführt.
Konkav und konvex gekrümmte Wellenfronten von Laserstrahlen führen zu
divergierenden und konvergierenden Interferenzstreifensystemen (Abb. 1). Damit
geht der bisherige Kalibrierfaktor (Interferenzstreifenabstand) in zwei Kalibrierfunktionen di(z) (i= 1, 2) über, die einzeln
betrachtet zu einer großen systematischen
Messunsicherheit für die Geschwindigkeit
führen würden. Aber die kombinierte Auswertung erlaubt eine präzise Messung der
Geschwindigkeit und erstmals der axialen
Position bzw. Distanz des Streuobjekts
Abb. 4: Radialverdichter-Prüfstand des DLR (links) und vergrößerte Ansicht des Verdichters mit dem montierten
LDD-Sensor (rechts) [T. Pfister et al. Meas. Sci. Technol. 17, S. 1693- 1705, 2006].
Abb. 5: Realisierung des LDD-Sensors mit dem Mikrobank-Konzept von LINOS. Die Abmessungen betragen
200 x 82 x 54 mm3.
7
CHECKUP
Der LDD-Sensor zeichnet sich durch eine
geringe Messunsicherheit der Distanz bis
in den Nanometerbereich und eine relative
Messauflösung der Geschwindigkeit von
typisch 5·10-4 sowie eine hohe Messrate
im Megahertz-Bereich aus. In Abb. 3 ist
die statistische Messunsicherheit des LDDSensor im Vergleich zu einem kommerziellen Laser-Triangulation-Distanzsensor
dargestellt. Dabei wurde die bekannte
Struktur eines Zahnrads als Kalibrierreferenz genutzt. Die Messunsicherheit
des LDD-Sensors ist von der lateralen
Geschwindigkeit prinzipiell unabhängig.
Das stellt für das Messverfahren ein Alleinstellungsmerkmal dar!
Anwendung bei Turbomaschinen
Eingangs sind wir auf die Bedeutung der
Überwachung der Spaltweite bei Turbomaschinen eingegangen. Abb. 4 zeigt die
Anwendung des LDD-Sensors bei einem
transsonischen Radialverdichter des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt
(DLR, Institut für Antriebstechnik, Köln,
Herr Dr. R. Schodl). Aufgrund der rauen
Umgebungsbedingungen mit starken
Vibrationen und mit Temperaturen bis zu
300 °C wurde ein faseroptischer Sensor
mit integrierter Wasserkühlung realisiert.
Dabei kam das Mikrobank-System von
LINOS zum Einsatz (Abb. 5). Unter Nutzung von refraktiver und diffraktiver
Optiken sowie einer minimalen Anzahl
von Justageelementen wurde ein robuster
Sensor aufgebaut, der keine elektrischen
Komponenten aufweist und damit auch
bei starken elektromagnetischen Feldern,
z.B. in der Nähe von Motoren (Abb. 4,
links), eingesetzt werden kann.
Die Leitung der Laserwellen und der
an der rauen Oberfläche der Turbinenschaufeln gestreuten Lichtwellen erfolgt
mit Mono- bzw. Multimodeglasfasern
von jeweils 25 m Länge. Das damit vorliegende modulare Messsystem erlaubte die
Turbomaschinenuntersuchung von einem
separaten Raum aus, was aus Sicherheitsgründen erforderlich war. Es wurden
Messungen der Spaltweite bis zu Drehzahlen von 50.000 min-1 und Umfangsgeschwindigkeiten von 586 m/s durchgeführt, wobei durch eine Drosselklappe der
0.75
0.7
Laser−Doppler−Distanzsensorsensor
Kapazitiver Geber
Unsicherheitsband (Kapazitiver Geber)
0.65
Spaltweite / mm
Überraschende Ergebnisse
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
Spaltweite (Kapazitiver Geber) / mm
Abb. 6: Mit dem LDD-Sensor gemessene Spaltweite
der Turbomaschine bei maximaler Drehzahl von
50.000 min-1.
effektive Massendurchfluss variiert werden
konnte. Bei dieser Drehzahl ergibt sich
mit den 26 auf dem Rotor angebrachten
Schaufeln eine Frequenz von 21,7 kHz,
mit der die Schaufeln die Messstelle
passieren, und bei einer Schaufelbreite
von 1,7 mm eine mittlere Messzeit pro
Schaufel von nur 3 μs. Ein herkömmlicher
kapazitiver Spaltweitensensor mit einer
Messunsicherheit von ca. 50 μm diente als
Referenz. Die Messwerte weisen eine gute
Übereinstimmung auf (Abb. 6), wobei
aber der LDD-Sensor mit einer Messunsicherheit von 22 μm eine höhere Präzision
erreicht [L. Büttner et al., Opt. Lett. 31,
Nr. 9, S. 1217-1219, 2006].
컄
Abb. 7: Echtzeit-Formvermessung mit dem LDD-Sensor. Links: Messanordnung. Mitte: Foto des Werkstücks. Rechts: gemessene 3D-Form.
8
CHECKUP
Werkzeugmaschinen
Aus Qualitäts- und Kostengründen werden
in der Fertigungstechnik Formen von
Bauteilen bereits während der Fertigung
im Prozess erfasst („First Part Quality“).
In Kooperation mit dem Produktionstechnischen Zentrum (Leibniz Universität
Hannover, Prof. Hans Kurt Tönshoff) wurden Messungen während des trockenen
Drehprozesses vorgenommen. Die Abb. 7
(links) zeigt die radiale Anordnung des
LDD-Sensors. Mit nur einem optischen
Zugang konnte der Durchmesser des
Werkstücks (Abb. 7, Mitte) aufgrund der
gleichzeitigen Geschwindigkeits- und
Distanzmessung erfasst werden. Die
Abb. 7 (rechts) zeigt das Ergebnis einer
Formvermessung des zylindrischen, rotierenden Werkstücks [T. Pfister et al. Meas.
Sci. Technol. 16, S. 627-641, 2005]. Mit
jeder Umdrehung wurde das Querschnittsprofil an der Messstelle komplett erfasst.
Durch eine automatisierte Traversierung
entlang der Werkstückachse konnte die
vollständige 3D-Form erfasst werden (siehe
auch Abb. 8). Durch den Vergleich mit den
Vorgabedaten kann eine Regelung des
Abtrags bei laufender Produktion vorgenommen werden.
Die Arbeiten werden durch die Deutsche
Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Mit dem internationalen Berthold Leibinger
Innovationspreis 2008 (3. Preis) wurden die
Arbeiten zum LDD-Sensor ausgezeichnet. 앩
Abb. 8: Werkstückformmessung mit dem LDD-Sensor.
Quelle: Berthold Leibinger Stiftung.
Die Autoren
Prof. Dr. Jürgen Czarske studierte Elektrotechnik und Physik und promovierte
1995 mit summa cum laude an der
Universität Hannover. Danach war er am
Laser Zentrum Hannover e.V., zuletzt als
Abteilungsleiter für Messtechnik, tätig.
Nach der Habilitation 2003 zur Messtechnik im Fachbereich Maschinenbau
der Universität Hannover wechselte er im
Dezember 2004 an die TU Dresden, wo
er Ordinarius an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik ist.
Dr. Thorsten Pfister studierte Elektrotechnik an der Universität ErlangenNürnberg. Seit 2003 arbeitete er als
wissenschaftlicher Mitarbeiter zunächst
am Laser Zentrum Hannover e.V. und seit
Februar 2005 an der Professur für Messund Prüftechnik, wo er im Januar 2008
mit summa cum laude promovierte. Seine
Dissertation wurde mit dem Innovationspreis 2007 des Industrieclubs Sachsen e.V.
ausgezeichnet.
Professur Mess- und Prüftechnik
Dr. Lars Büttner studierte Physik an der
Technischen Universität Clausthal und
arbeitete danach als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Laser Zentrum Hannover
e.V. Er promovierte 2004 mit summa cum
laude im Fachbereich Physik der Universität Hannover. Seit Februar 2005 ist er als
Oberassistent an der Professur für Messund Prüftechnik tätig.
Die Professur für Mess- und Prüftechnik
an der TU Dresden forscht und entwickelt
an innovativen Messsystemen unter Nutzung von Laser- und Ultraschalltechniken.
Dabei werden moderne Konzepte der
elektronischen Signalverarbeitungstechnik eingesetzt. Die Anwendungsbereiche
umfassen insbesondere die Strömungund die Oberflächenmesstechnik.
Dr. Lars Büttner, Dr. Thorsten Pfister, Prof. Dr. Jürgen Czarske (v.l.).
Quelle: Berthold Leibinger Stiftung.
> Universität Dresden, Fakultät
Elektrotechnik und Informationstechnik
Helmholtzstrasse 18
D-01069 Dresden
[email protected]
9
INNOVAS
Handlich: das LINOS Mikrobank™ Starter-Set
Banksysteme – auf Qualität bauen!
Hat Sie der vorangegangene Artikel neugierig auf das LINOS Mikrobank™ System gemacht? Haben Sie auch
eine Anwendung, bei der Sie höchste Präzision und Stabilität benötigen? Möchten Sie die Mikrobank™ in Ihrer
Anwendung testen? Hier kommt das handliche Mikrobank™ Starter-Set von LINOS.
Seit Jahren sind unsere Kunden von der
hohen Qualität unseres Mikrobanksystems
begeistert. Um auch Sie auch davon zu
überzeugen, bieten wir eine Auswahl an
Komponenten, Werkzeugen und Schrauben als Starter-Set zum Vorteilspreis an.
In unserem Hauptkatalog oder Webshop
finden Sie zudem eine breite Auswahl an
speziellen Komponenten wie Positionierer,
Anschlussadapter sowie gefasste Optiken.
So können Sie die Mikrobank™ für Ihre
Anwendung individuell konfigurieren.
Mikrobank™ Starter-Set
Nanobank™ Starter-Set
G 06 0030 000
G 05 0030 000
Art. Nr.
Stück- Bezeichnung
zahl
061010000
2
Aufnahmeplatte 25
061042000
2
Aufnahmeplatte 30
061225000
2
Art. Nr.
Stück- Bezeichnung
zahl
051125000
1
Satz Aufnahmeplatten
N 16 (4 Stück)
Halter 30
050156000
4
Halter N 20
051214000
1
Satz Stangen N 75
(4 Stück)
051215000
1
Satz Stangen N 100
(4 Stück)
061209000
4
Stange 75 mm
061210000
4
Stange 150 mm
061081000
1
Würfel 30
061034000
1
Magnetaufnahmeplatte Ø 25
050501000
1
Werkzeugsatz N
061090000
1
Schraubendreher 1.8 mm
051522000
1
061011000
1
Satz Gewindestifte M2.3X3
(200 Stück)
Satz Schrauben für
Würfel N
051520000
1
Es geht noch kleiner
061111000
1
Satz Schrauben M2.3X5
(200 Stück)
Satz Gewindestifte M2.5X3
(25 Stück)
050175000
1
Würfel N
Mit kleineren Abmessungen, aber der gleichen hohen Qualität wie die Mikrobank™,
eignet sich die LINOS Nanobank™ für sehr
kompakte Aufbauten. Im Starter-Set zum
Vorteilspreis sind die wichtigsten Grundkomponenten sowie Schrauben und Werkzeuge vorhanden. Zudem finden Sie eine
große Auswahl an speziellen Komponenten im LINOS Katalog oder Webshop.
061353000
2
Flachschiene FLS 40-150
050556000
1
Spiegelträger 45°
061371000
2
Reiter FLR 40-10
053021000
2
Reiter FLR 25-N
061374000
1
Reiter FLR 40-40
053002000
1
FLS 25-100
Alles griffbereit …
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Mikroba
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bankk™.
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[email protected]
10
Jetzt neu aufgelegt: Die Mikrobank-Broschüre!
Bitte beachten Sie die beigefügte Postkarte.
INNOVAS
TRISTAN® USB – eine Erfolgsgeschichte
Kompakt und bedienerfreundlich
Im Sommer 2007 wurde auf der Laser in München dem Fachpublikum das mobile Spektrometer Tristan® USB vorgestellt. Es stieß sofort auf großes Interesse. LINOS ist, ein Jahr nach der Markteinführung des Tristan® USB, über
die hohe Nachfrage von Seiten der Industrie und Wirtschaft aber auch aus dem Forschungsbereich sehr erfreut.
Dieser Erfolg hat LINOS in seiner Arbeit bestätigt, die Bedürfnisse vieler Spektroskopieanwender zu erkennen und
in eine optimale Lösung umzusetzen.
Um Spektroskopische Analysen in professioneller Qualität durchführen zu können,
ohne selber Spezialist für optische Messtechnik zu sein, war als Hauptziel bei der
Entwicklung dieses neuen Spektrometertyps einfache Bedienbarkeit definiert.
Gleichzeitig sollte der Preis für ein komplett ausgestattetes Zeilenspektrometer
dieser Leistungsklasse, inklusive umfangreichem Softwarepaket, unter 1.500 EUR
liegen.
Messwert automatisch optimiert
Das Ergebnis kann sich sehen lassen.
LINOS bietet vier verschiedene Geräte, mit
denen der Spektralbereich von 200 nm
bis 1100 nm abgedeckt wird. Für jedes
dieser Modelle wurden die Komponenten
der optischen Zelle so ausgelegt, dass
bei maximaler Lichtausbeute die höchste
Auflösung erreicht wird. Einzigartig für
Spektrometer dieser Preisklasse ist die
automatische Messwertoptimierung. Jedes
Gerät wird vor der Auslieferung vermessen. Die ermittelten Ergebnisse, die von
Gerät zu Gerät variieren können, sind im
Gerät gespeichert und werden nach dem
Start an die auf einem PC bzw. Notebook
installierte Mess-Software TRIWin 3.2
übergeben. Damit werden die Messergebnisse vor der Ausgabe durch eine automatische Amplitudenkorrektur und Dunkelstromkompensation von Geräteeinflüssen
befreit.
Das Spektrometer Tristan® USB trifft die Bedürfnisse vieler Spektroskopieanwender.
Sofort einsatzfähig
Die Spektroskopiesoftware TRIWin 3.2
gehört serienmäßig zum Lieferumfang
aller TRISTAN® Spektrometer. Um Ergebnisse zu verarbeiten, zu archivieren und zu
dokumentieren, ist die Software über die
graphische Oberfläche intuitiv zu bedienen
und bietet eine Fülle an Funktionen. So
ist die mathematisch Funktion für Messwertanalyse und Kurvenglättung in TRIWin
3.2 bereits enthalten. Ergebnisse können
direkt in Excel exportiert oder als Grafikdatei gespeichert werden, was die Dokumentation der Messwerte sehr vereinfacht.
Somit bietet LINOS dem Kunden ein komplett konfiguriertes und sofort einsatzfähiges Geräte, deren Bedienung so einfach
ist wie die eines digitalen Fotoapparates.
Fokus auf Tristan® USB
• Datentransfer und Stromversorgung
über USB-Schnittstelle
• Automatische Messwertoptimierung
• Automatische Belichtungssteuerung
• Bedienerfreundliche Software
• Komplett konfiguriert –
sofort einsatzfähig
> Kontakt:
[email protected]
11
INNOVAS
Neues Tool für TracePro „Surface Source Property Utility“
Lichtquellen einfach modellieren
TracePro „Surface Source Property Utility“ unterstützt den Anwender bei der schnellen und exakten Modellierung von Lichtquellen. Mit diesem Makrotool können Anwender Spektren und Abstrahlcharakteristiken
von Herstellerdatenblättern einlesen. Eine nützliche Programmerweiterung zur vereinfachten Modellierung
jeglicher LED oder sonstiger Lichtquellen.
Surface Sources für LED Modelle
Verfügbare Herstellerangaben
Fallbeispiel
Ist ein LED-Datenblatt die einzig verfügbare Quelle, so sind Surface Sources ein
effizientes Hilfsmittel zur Erstellung von
LED-Modellen in TracePro. Es gibt zwei verschiedene Methoden eine Surface Source
zu erstellen:
LED-Hersteller spezifizieren typischerweise
die relative spektrale Leistungsverteilung
sowie die Abstrahlcharakteristik (Polar
Radiation Pattern). Repräsentativ dafür
sind nachfolgend diese Angaben für die
LED Luxeon™ Rebel von Philips Lumileds
dargestellt.
Modellierung einer LED als TracePro Surface Source:
• die spektrale Verteilung sowie die
Abstrahlcharakteristik („Streukeule“)
sind definiert,
• die dominierende Wellenlänge sowie die
Streukeule sind gegeben.
Im nachfolgenden Beispiel ist eine Strahlquelle durch ihr Spektrum sowie ihre
Streukeule definiert. Mithilfe der „Surface
Source Property Utility“ können die Spezifikationen des Herstellerdatenblattes
direkt in den entsprechenden Editor
importiert werden. Die Setup-Dateien und
Anleitungen für diese Programmergänzung
stehen zum Download bereit (s.u.).
Eine ausführliche Anleitung mit dem Titel
„Model and Predict the Performance of
LEDs for Solid State Lighting – Accurately
and Quickly“ für das „Surface Source Property Utility“ steht zum Download bereit:
http://www.linos.com/pages/mediabase/
original/SurfaceSourcePropertyUtilityTechNote20080512_7447.pdf.
Abb. 1: Startfenster des „Surface Source Generators“: Öffnen des Fensters „Spectrum“ sowie
Angabe der Anzahl der einzulesenden Spektren
im oberen rechten Feld „,“# of spectra in TracePro
model.
Abb. 2: Einfügen der Spektralkurve: Durch Kopieren
und Einfügen können Bilddateien direkt in den „Sur컄
face Source Generator“ geladen werden.
12
INNOVAS
Abb. 3: Festlegung des Koordinatensystems durch
Definition von Referenzpunkten für Wellenlänge und
Intensität.
Abb. 6: Festlegung der Einheiten: Die Daten können
wahlweise in photometrischen Einheiten (cd/m2,
foot-lambert, etc.) oder in radiometrischen Einheiten
(W/m2) abgespeichert werden.
Abb. 9: Öffnen und Kontrolle des neu eingelesenen
Spektrums in „Raytrace Options” in Trace Pro.
Abb. 4: Einlesen der Spektralkurve durch Festlegung
der relevanten Datenpunkte. Durch einfaches Klicken
in der eingelesenen Grafik; Daten werden im zuvor
definierten Koordinatensystem angeordnet.
Abb. 7: Importieren des erstellten Spektrums in
TracePro durch Anwählen eines bereits existierenden
Modells in TracePro und Überschreiben des vorhandenen Spektrums.
Abb. 10: Abstrahlcharakteristiken von Lichtquellen
können nach dem gleichen Prinzip in TracePro eingelesen werden.
Abb. 8: Bestätigung der Änderung des Spektrums.
Abb. 5: Definition des Spektrums durch die Festlegung von Startpunkt, Endpunkt, Anzahl der einzulesenden Datenpunkte sowie maximale und minimale
Intensität. (Wellenlänge wird in TracePro standardmäßig in µm gespeichert).
> Downloads:
Setup-Dateien und Anleitungen für
Programmergänzung:
www.lambdares.com/technical_
support/tracepro/early_access/
13
SPECIAL
LZH Relativitätstheorie und „Fenster ins All“
200 W Hochleistungslaser
Autoren: Maik Frede, Dietmar Kracht, Oliver Puncken, B. Schulz, P. Wessels, Lutz Winkelmann,
Laserzentrum Hannover (LZH)
Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass beschleunigte Massen Energie in Form von Gravitationswellen abgeben. Zu den beobachtbaren Quellen von Gravitationswellen zählen astronomische Objekte wie
z.B. Doppelsterne, die einander umkreisen, und Supernova Explosionen. Der direkte Nachweis von Gravitationswellen ist daher nicht nur eine Bestätigung der allgemeinen Relativitätstheorie, sondern bietet bei kontinuierlicher Beobachtung die Möglichkeit, als zusätzliches Fenster ins All völlig neue Ereignisse der Beobachtung zugänglich zu machen.
Abb.1: Gravitationswellendetektor LIGO in Hanford
(Washington, USA) mit dem Hauptgebäude und
den 4 km langen Interferometerarmen (Quelle:
http://www.ligo.caltech.edu/LIGO_web/PR/bigpics/
lho_aerial01.html).
Für den Nachweis von Gravitationswellen
werden an verschiedenen Standorten
auf der Welt Interferometer eingesetzt.
Diese auf dem Michelson Aufbau basierenden Detektoren arbeiten mit Lasern,
die einfrequente Strahlung im Gauß’schen
Grundmode emittieren und eine hohe
Stabilität besitzen. Das Laser Zentrum
Hannover e.V. hat sich unter anderem auf
die Entwicklung solcher Laserstrahlquellen
spezialisiert. Neben den bereits realisierten
Systemen mittlerer Leistung wird derzeit
ein 200 W Hochleistungs-Lasersystem für
die nächste Generation von Detektoren
entwickelt.
Dreistufiger Aufbau
Um die erforderliche hohe Ausgangsleistung zu erzielen, wird ein dreistufiger
14
Aufbau realisiert. Ein monolithischer Ringoszillator (nichtplanarer Ringoszillator,
NPRO), der einfrequente Laserstrahlung
mit besonders guten Frequenz- und Amplitudeneigenschaften bereitstellt, bildet mit
einem vierstufigen Nd:YVO4 Verstärker
das so genannte Front-End. In diesem
wird ein 2W NPRO von einem vierstufigen
Nd:YVO-Verstärker auf 35 W Ausgangsleistung verstärkt. Um neben einer hohen
Effizienz auch eine gute Kontrolle über die
transversalen Moden zu behalten, wurde
ein longitudinal diodengepumptes Laserdesign gewählt.
tung für die Pumpwellenlänge und HRBeschichtung für die Laserwellenlänge
eingesetzt (Abb. 2). Dieses Lasersystem
emittiert einen annähernd beugungsbegrenzten Strahl mit einem M2 von <
1,1. Dieses kompakte und äußerst stabile
Lasersystem wird in dem Gravitationswellendetektor LIGO (Laser Interferometer
Gravitational Wave Observatory, Abb. 1),
der mit einer Armlänge von bis zu vier
Kilometern das weltweit größte System
ist, als nächste Ausbaustufe („enhanced
컄
LIGO“) eingesetzt werden.
Keine Depolarisation
In Nd:YVO4 tritt kaum
thermisch induzierte
Doppelbrechung auf,
so dass praktisch keine
Depolarisationseffekte
zu beobachten sind.
Jeder Kristall wird
über eine fasergekoppelte Diode mit
einer maximalen Ausgangsleistung von 45
W gepumpt. Um das
Pump- vom Laserlicht
zu trennen, werden
dichroitische 45° Spiegel mit AR-Beschich-
Abb.2: Schematischer Aufbau des Nd:YVO MOPA mit einem nonplanaren
Ringoszillator (NPRO) als Master Oszillator.
SPECIAL
Gefordert: 200 W
Die für „advanced LIGO“ geforderten 200
W im linear polarisierten transversalen
Grundmode werden durch Pound-DreverHall Injektionskopplung des Verstärkers an
einen Hochleistungsringoszillator erzielt.
Dieser setzt sich aus vier wassergekühlten
Nd:YAG Stäben zusammen, die longitudinal von sieben fasergekoppelten Laserdioden mit einer maximalen Ausgangsleistung von 45 W gepumpt werden. Um
die Langlebigkeit des Systems zu gewährleisten, werden die Pumpdioden nur mit
75% ihrer maximalen Leistung betrieben.
Zur Vermeidung von sogenannter „Hot
Spots“ im Laserkristall wird das Pumplicht
aus dem Faserbündel zunächst in einem
Quarzglasstab durch Totalreflexionen an
der Mantelfläche durchmischt, so dass
ein homogener Pumplichtspot entsteht.
Zur Kompensation der thermisch induzierten Doppelbrechung und der damit
verbundenen Depolarisation wird zwischen
jeweils zwei Kristallen ein Abbildungssystem mit 90° Polarisationsdrehung eingesetzt (Abb. 3). Durch Anpassen der Resonatorlängen des Vier-Kopf-Systems und
Variation der thermischen Linsen in den
Abb. 3: Links: schematischer Aufbau des Advanced LIGO Lasersystems. Rechts: Aufbau im Labor. Im Vordergrund
rechts: Frontend mit MOPA, dahinter der high-power Oszillator (aufgebaut mit LINOS Optiken). Vorne links:
Diagnosebreadboard zur Untersuchung von Strahlqualität, Pointing und Rauscheigenschaften.
Festkörperkristallen kann der Stabilitätsbereich des Oszillators eingestellt werden
(Abb. 4).
Mit diesem Setup konnte eine Gesamtausgangsleistung von 181 W mit einem
Grundmodeanteil von >90% demonstriert
werden.
Zusammenfassung
Die Autoren danken der Volkswagen
Stiftung für die finanzielle Unterstützung
dieses Vorhabens. 앩
Der für das Interferometer geforderte
TEM00 Ausgangstrahl kann durch ein
asymmetrisches Resonatordesign erzeugt
werden. Der Stabilitätsbereich des Resonators reißt dann in zwei Regionen auf.
Abbildung 3 zeigt die Grundmode-Strahlradien in den Nd:YAG Kristallen, die zwischen den stabilen Regionen eine Polstelle aufweisen. Der Stabilitätsbereich
für höhere Moden ist aufgrund der thermisch induzierten Aberrationen in
den Kristallen zu höheren
Pumpleistungen verschoben. Dieser Effekt wird
ausgenutzt, indem der
Arbeitspunkt des Systems
an die Flanke des zweiten
Stabilitätsbereiches gelegt
wird, an dem die nächsthöhere Mode noch nicht
anschwingen kann.
Abb.4: Strahlradien in Abhängigkeit von der Pumpleistung für einen
asymmetrischen 4-Stab Ringresonator.
> Kontakt:
www.lzh.de
15
INNOVAS
MachVis: der einfache Weg zum passenden Objektiv
Wir machen den Blick frei
MachVis ist eine neue Software-Entwicklung aus dem Hause LINOS. MachVis vereinfacht die Auswahl eines
passenden Objektivs für Ihre spezifische Anwendung.
Bei der Zusammenstellung eines kompletten
Bildverarbeitungssystems ist die Auswahl
eines passenden Objektivs für eine Bildverarbeitungsanwendung ein zumeist
ungeliebter und schwieriger Prozess. Um
diese Aufgabe soweit wie möglich zu
vereinfachen, hat LINOS nun die Software
MachVis entwickelt. Das Programm steht als
kostenloser Download auf der LINOS Website zur Verfügung.
Schritt eins und zwei
Der Prozess der Objektivauswahl mit
MachVis ist in zwei Schritte geteilt:
1. Eingabe der nötigen Parameter.
MachVis schlägt auf dieser Grundlage
geeignete Objektive aus dem LINOS
Sortiment vor.
2. Aus der Vorschlagsliste kann nun ein
passendes Objektiv herausgesucht werden.
MachVis unterstützt Sie bei diesem Schritt:
Zu jedem vorgeschlagenen Objektiv ist das
Datenblatt für die wichtigsten Objektivparameter aufrufbar. Das Datenblatt
beinhaltet technische Zeichnungen, die
MTF-Kurve sowie Diagramme.
Bedienerfreundliches Menü
Sehen wir uns nun den ersten Schritt genauer an. MachVis benötigt die Eingabe
der folgenden Parameter:
• „Free working distance“ oder „Total
working distance“
• Objektgröße: Es kann entweder die
Höhe, Breite oder die Diagonale des
Objekts angegeben werden.
Bild1: Die Oberfläche von LINOS MachVis.
Die meisten Sensoren sind rechteckig
und haben ein Seitenverhältnis von 4:3.
Bei Objekten mit einem anderen Seitenverhältnis ist es wichtig, die richtige
Dimension zu verwenden.
(siehe Abb. 2 a) und b))
MachVis berechnet aus diesen Angaben
die Parameter eines theoretischen Objektivs, das diese Bedingungen optimal
erfüllen würde und schlägt alle Objektive
des LINOS Sortiments vor, die folgende
Bedingungen erfüllen:
• Sensorgröße: Die Abmessungen des
Sensors können aus einer Liste der gängigen Sensorformate ausgewählt bzw.
direkt eingegeben werden.
• Die Brennweite des Objektivs liegt innerhalb ±10% der berechneten Brennweite.
• Kameraanschluss: Das Bajonett der
Kamera wird aus einer Liste mit den am
weitesten verbreiteten Anschlüssen ausgewählt.
• Der berechnete Abbildungsmaßstab
liegt innerhalb des empfohlenen Maßstabsbereichs des Objektivs.
• Das Objektiv ist an den gewählten
Kameraanschluss adaptierbar.
컄
> Kontakt:
[email protected]
16
INNOVAS
Verzeichnung des jeweiligen Objektivs
bei verschiedenen Maßstäben zeigt,
ist ebenfalls auf der zweiten Seite des
Datenblattes enthalten.
a) Bei einem quadratischen Objekt wurde die
Höhe angegeben: oben und unten wird ein Teil
abgeschnitten.
b) Bei einem rechteckigen Objekt mit einem Seitenverhältnis von 2:1 wurde die Breite angegeben:
rechts und links wird ein Teil abgeschnitten.
Bild2: Das Seitenverhältnis ist wichtig bei der Angabe der Objektgröße.
• Das Auflagemaß des Objektivs für den
jeweiligen Abbildungsmaßstab muss
am jeweiligen Kameraanschluss mit den
verfügbaren mechanischen Adaptern
einstellbar sein.
• Der Bildkreis des Objektivs muss für den
vorgegebenen Sensor groß genug sein.
Durch diese Filterung ist der Benutzer
bereits auf einem guten Weg und die
gröbsten Fehler bei der Objektivauswahl
sind bereits ausgeschlossen. Der erste
große Schritt ist also vollzogen.
Andere Objektive
Um Objektive ohne integrierte Fokussierung verwenden zu können, beispielsweise die bekannten Rodagon Objektive,
ist zudem mechanisches Zubehör nötig.
Für jedes Objektiv in der Ergebnisliste führt
MachVis die möglichen Adaptionsmöglichkeiten auf. In der „Components Drawing“
genannten Ansicht werden alle benötigten
Teile aufgeführt, die für ein komplettes
System nötig sind – vom Objektivadapter
über den Schneckenzug bis zum Kameraadapter.
Weitere Kriterien
Der zweite Schritt lässt sich durch Software
weniger stark vereinfachen. Prinzipiell
erfüllen alle Objektive, die MachVis vorschlägt, diese Voraussetzungen und bilden
das Objekt scharf auf den Sensor ab. Die
Kriterien für die weitere Auswahl des
Objektivs, die ab jetzt gelten, sind:
• Auflösung des Objektivs: Bei Sensoren
mit großen Pixeln (>10 μm) kann jedes
LINOS Objektiv bedenkenlos eingesetzt.
werden. Bei kleinen Pixelgrößen ist
allerdings darauf zu achten, dass das
gewählte Objektiv auch die nötige Auflösung liefert. Für die Berechnung der
nötigen Objektivauflösung gilt die Formel:
Auflösung [lp/mm] =
1000 / (2 * Pixelgröße [μm])
Im Datenblatt des Objektivs, das direkt
über MachVis geöffnet werden kann,
finden Sie auf der zweiten Seite die
MTF-Kurve für das jeweilige Objektiv.
• Farblängsfehler: Dieser Abbildungsfehler
äußert sich bei Farbsensoren in einer
Fokusverschiebung zwischen den unterschiedlichen Farben. Ein Diagramm für
den Farblängsfehler findet sich ebenfalls
auf der zweiten Seite des Objektivdatenblattes.
• Relativer Helligkeitsabfall: Diese auch
als Vignettierung bezeichnete Objektiveigenschaft führt dazu, dass die Ränder
des Bildes dunkler sind als die Mitte. Ein
Diagramm für den relativen Helligkeitsabfall findet sich auf der zweiten Seite
des Datenblattes.
• Abmessungen: Die Abmessungen des
Objektivs entnehmen Sie der ersten
Seite des Objektivdatenblattes.
• Kosten: Um eine Preisauskunft für das
jeweilige System zu erhalten, wenden
Sie sich an LINOS oder an einen unserer
Distributoren.
Telefon +49 (0) 551/69 35-0, www.linos.de
Download kostenlos
Für alle diese Punkte gilt: Jederzeit stehen Ihnen die Mitarbeiter von LINOS zur
Verfügung, um diese Kriterien zu diskutieren und detaillierte Auskünfte sowie
eine Empfehlung zu geben. Sie können
MachVis von der LINOS Webseite kostenlos herunterladen und auf Ihrem Rechner
installieren: www.linos.de/machvis. 앩
• Verzeichnung des Objektivs: In vielen
Anwendungen werden hohe Anforderungen an die Verzeichnungsfreiheit des
Objektivs gestellt. Ein Diagramm, das die
17
INNOVAS
Mikro- und Nanopositionierung
Kompakt und einfach
Präzises Positionieren wird mit piezoelektrischen Trägheitsantrieben so einfach wie nie zuvor. Das schrittweise Antriebsprinzip erschließt Bewegungen im Millimeterbereich bei gleichzeitig hoher Präzision. Die
platzsparende und effiziente Antriebstechnik führt zu äußerst kompakten Lösungen für unterschiedlichste
Positionieraufgaben.
Mikropositioniersysteme werden verbreitet
in Forschung, Entwicklung und Fertigung,
vor allem in Bereichen wie Halbleitertechnik, Optik/Photonik, Mikrosystemtechnik
und Mikrobiologie sowie für Analysemethoden und Messverfahren angewendet.
Neben den elektromagnetischen Antriebstechniken haben im Bereich der Mikround Nanopositionierung insbesondere
piezoelektrische Antriebe stark an Bedeutung gewonnen. Für Präzisionsversteller
mit Bewegungen im Millimeter- oder Zentimeterbereich eignen sich insbesondere
Piezoantriebe, die die schrittweise Fortbewegung eines Läufers ermöglichen.
Die hier vorgestellten Mikropositioniersysteme nutzen dieses Antriebsprinzip
und zeichnen sich insbesondere durch
die Kompaktheit der integrierten Piezoantriebe und durch die netzunabhängige
Steuereinheit aus. Zudem positionieren
die Systeme mit einer großen Antriebskraft von etwa 5 N Objekte im Bereich
von mehreren Millimetern mit Sub-μmGenauigkeit. Diese Eigenschaften ermöglichen eine einfache und flexible Integration
der Positioniereinheiten in komplexe
Systeme. Für fast alle Anwendungsfälle
sind diese Systeme daher hervorragende
Alternativen zu konventionellen Mikrometerschrauben und Schrittmotoren.
Störende manuelle Eingriffe bei der Positionierung und mechanisch überstehende
Antriebskomponenten entfallen, da die
Antriebseinheiten vollständig in die Positionierer integriert sind.
Maßstab 2:1
0
5
10
mm
Abb. 1: MS 30 – linearer piezoelektrischer Positionierer mit ca. 300 nm Schrittweite bei 8 mm Verstellweg.
Piezoantrieb: geringe Abmessungen bei großer Antriebskraft
Kernstück der Antriebseinheiten sind
piezoelektrische Vielschicht-Keramiken,
die eine elektrische Spannung in eine
Längenänderung in der Größenordnung
von typisch 1μm/50V umsetzen. Spezielle
Antriebsnadeln, Klemmungen und ein
sägezahnförmiges elektrisches Ansteuersignal sorgen für eine schrittweise
Bewegung des Läufers nach dem MasseTrägheitsprinzip mit einer Geschwindigkeit
von ca. 1 mm/s bei einer Schrittfrequenz
von 3 kHz. Im stromlosen Haltezustand
bleibt der Läufer geklemmt. Eine Klemmkraft von 5 N deckt breite Anwendungsfelder ab und sorgt für eine hohe Systemstabilität. Eine Umkehrhysterese ist systembedingt nicht vorhanden. Die Lebensdauer
des Antriebs ist für ca. 100 Millionen
Schritte mit etwa 300 nm ausgelegt: Das
entspricht einer integralen Verfahrstrecke
von etwa 3 km. Die typischen Abmessungen des integrierten Antriebs sind
5 mm Durchmesser und 15 mm Länge.
Weite Anwendungsfelder
Vor allem die Kompaktheit des Antriebs
und der Steuerung eröffnen den Mikropositionierern weite Einsatzfelder, wie
auch der netzunabhängige Betrieb, etwa
für mobile Mess- und Analysegeräte, oder
bei schneller Einsatzbereitschaft. Der in
Bild 1 gezeigte Positioniertisch MS 30
ist mit seinen Außenabmessungen von
30 x 30 x 12,5 mm3 extrem kompakt und
dank linearer Kugelführungen sehr robust
> Kontakt:
[email protected]
18
INNOVAS
Genauigkeit mit dem MX25
Abb. 2: Kompakter xyz-Positionierer mit den Außenmaßen 25 x 35 x 18,5 mm3 und 2 mm Verstellbereich
mit 300 nm Schrittweite je Achse.
und belastbar. Er ist mit Verstellwegen
von 8, 18 und 30 mm erhältlich. Da der
Antrieb vollständig in den Positioniertisch
integriert ist, wird die Realisierung kompakter Aufbauten möglich. Zwei oder drei
solcher Mikropositioniertische lassen sich
zu xy- oder xyz- Verstellern montieren.
Eine Anwendung für diese Mikropositioniersysteme ist zum Beispiel die Justage
von optischen Komponenten. Die Systeme
eignen sich hervorragend als Versteller
für Faserkoppler. Die einjustierte Position
ist langzeitstabil, da die Position stromlos
gehalten wird und das System aufgrund
der Konstruktion spielfrei ist. Weitere
Anwendungen sind etwa das Positionieren
von Sensoren, das Justieren von Proben,
der Einsatz als Grobversteller für RasterSonden-Mikroskope und das Steuern von
Mikromanipulatoren zur Mikromontage.
Zudem eignet sich das Mikropositioniersystem für Anwendungen im medizinischen
Bereich wegen der vorteilhaft niedrigen
Betriebsspannung von nur etwa 40 V und
der Möglichkeit, den Antrieb zur Sterilisation auf entsprechende Temperaturen zu
erhitzen.
Noch kompakter geht es nur mit dem
integrierten 3-Achsen Versteller MX25. Mit
Außenmaßen von nur 25 x 35 x 18,5 mm3
(siehe Abb. 2) steht ein konkurrenzlos kleiner 3D-Versteller für gehobene Ansprüche
zur Verfügung. Der Läufer des MX25 kann
in drei Dimensionen in einem Volumen
von 2 x 2 x 2 mm3 mit einer Genauigkeit
besser als 300 nm positioniert und, wie
erwähnt, im stromlosen Zustand gehalten
werden.
verbrauch der Steuereinheit wird durch
den Mikrocontroller auf unter 200 μA bei
Handbetrieb begrenzt, bei Computersteuerung beträgt der Ruhestrom 6 mA.
Der geringe Ruhestromverbrauch im
Handbetrieb ermöglicht eine stand-by-Zeit
im eingeschalteten Modus von mehr als
einem Jahr. Im kontinuierlichen aktiven
Positionierbetrieb ergibt sich eine Standzeit
von rund 40 Stunden. Um die Batterien
zu schonen, schaltet sich die Steuerung
einige Sekunden nach dem Positionieren
von selbst in den Standby-Modus. Falls
die Positioniereinheiten über die USBSchnittstelle angesteuert werden soll,
steht der Controller CU 30 zur Verfügung.
Dieser benötigt nur die Spannung aus
der USB-Schnittstelle des Computers, um
bis zu drei Positionierachsen nicht simultan betätigen zu können. Im Gegensatz
zur Handsteuerung CN 30 arbeitet der
USB-Controller CU 30 im „Mikroschrittbetrieb“, wobei Schrittweiten von ca. 30 nm
erreicht werden. Hierbei wird allerdings
nur jeder sechzehnte Schritt spannungsfrei
gehalten.
Abb. 3: Batteriebetriebene Handsteuerung CN 30 mit
RS 232 – Schnittstelle.
Mit dem 3-Achsen Versteller MX 35
können bei äußerst kompakten Außenabmessungen von 35 x 45 x 36 mm3
Verschiebewege von 10 mm in allen drei
Raumrichtungen realisiert werden.
Kompakte Steuerungen
Zum Betrieb der vorgestellten Positioniereinheiten steht eine autarke, batteriebetriebene Handsteuerung mit integrierter
RS232-Schnittstelle zur Verfügung (4x
Mignon mit 2000 mAh). Der Ruhestrom-
Abb. 4: Die USB – Steuerung CU 30 wird über die
USB–Schnittstelle mit Spannung versorgt.
19
BASICS
LINOS reflektiv-refraktive Spiegelobjektive der mag.x™ Serie
System für breite Spektralbereiche
Autoren: Björn Görtz, Witold Hackemer und Thomas Thöniß, LINOS Göttingen
Bei der Beobachtung kleinster Objekte oder der Fokussierung von Licht zu kleinsten Foki kommen Mikroskopobjektive zum Einsatz. Diese Zeichnen sich in der Regel durch hohe Öffnungen (numerische Aperturen NA) aus,
da die hohe Auflösung bzw. das Fokussiervermögen direkt mit der Öffnung des optischen Systems über das
Beugungsgesetz verknüpft ist.
Um das hohe theoretisch mögliche Auflösungsvermögen ausschöpfen zu können,
kommen aufwändige Linsensysteme bei
der Realisierung von refraktiven Mikroskopobjektiven zum Einsatz. Durch das
sinnvolle Kombinieren von Linsen aus
optischen Gläsern und auch Kristallen
werden so Systeme realisiert, die auch
über breitere Spektralbereiche nah an das
physikalisch mögliche Limit heranreichen.
Bedingt durch die Absorptions- und Dispersionseigenschaften der zur Verfügung
stehenden Materialien sind jedoch den
chromatischen Korrektionsmöglichkeiten
und dem spektralen Einsatzbereich Grenzen gesetzt. Eine Alternative zu refraktiven Mikroskopobjektiven sind reflektive
Spiegelobjektive (katoptrische Systeme)
oder Mischformen, die sowohl aus refraktiven und reflektiven Elementen bestehen
(katadioptrische Systeme). Im Folgenden
werden katoptrische Zweispiegelsysteme
näher betrachtet. Um eine optische Abbildung rein durch Reflektion zu realisieren,
werden im einfachsten Fall zwei sphärische
Spiegel benötigt.
Keine aufwändige Korrekturen
Ein primärer konkaver Spiegel und ein
sekundärer konvexer Spiegel werden dazu
in einem konzentrischen oder nahezu
konzentrischen Aufbau angeordnet
(Abb. 1). Da nur spiegelnde Oberflächen
an der Bildentstehung beteiligt sind, gibt
es bei solchen Objektiven keine materialbedingten Einflüsse auf das spektrale
Verhalten. Das bedeutet, es bedarf auch
bei Anwendungen über einen breiten Wellenlängenbereich keiner aufwändigen Korrektion von dispersionsbedingten Abbildungsfehlern (chromatische Aberrationen).
Überdies ist man unabhängig von der
Materialabsorption, wodurch auch hohe
Strahlungsleistungen übertragen werden
können. Spektral begrenzend wirken nur
die Reflektivität der verwendeten Beschichtung auf dem Spiegel. So lässt sich mit
einem LINOS Spiegelobjektiv der Bereich
vom DUV (190 nm) bis zum NIR (900 nm)
컄
abdecken (Abb. 3).
Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Spiegelobjektivs.
Rechts der primäre Spiegel, links der sekundäre
Spiegel.
Abb. 2: LINOS Spiegelobjektiv mag.x™, f’=10mm,
NA = 0.35.
Abb. 3: Reflektivität der Spiegelbeschichtung im mag.x™.
> Kontakt:
[email protected]
20
BASICS
Als weiterer Vorteil ist der im Vergleich zu
refraktiven Mikroskopobjektiven höhere
Abstand zwischen Objektebene und
Objektiv (Arbeitsabstand) zu nennen.
Das führt bauartbedingt dazu, dass solche Objektive eine größere geometrische
Ausdehnung haben. Ein weiterer Nachteil
ist die Abschattung der vom Objekt einfallenden Strahlen durch den sekundären
Spiegel. Das Verhältnis von abgeschatteter zu optisch wirksamer Fläche ist eine
besondere Kenngröße für Spiegelobjektive
und wird als Zentralabschattung (engl.:
obscuration) bezeichnet. Insbesondere
in der Beugung kommt der Abschattung
durch den Sekundärspiegel und den
notwendigen Haltestege eine wichtige
Rolle zu. Diese Tatsache wird noch näher
betrachtet.
Zur Geschichte
Schon im 19. Jahrhundert war es möglich
Spiegel und Linsen mit größeren Durchmessern in sphärischer Form herzustellen.
Sie wurden zu dieser Zeit unter anderem in
Teleskopen für die Astronomie verwendet.
Die Suche und das Kartografieren von
immer kleineren und immer schwächer
leuchtenden Himmelskörpern führte
Anfang des 20. Jahrhunderts dazu, dass
Teleskope mit höherer Lichtsammelleistung, also kleinerer Blendenzahl, bei
Öffnungsdurchmessern von über einem
Meter benötigt wurden. Dies ist nur mit
Spiegelsystemen technologisch möglich.
Deshalb wurden parabolische Hohlspiegel
für die Teleskope verwendet. Damit ließen
sich auch Himmelskörper kleinerer Magnitude für die Himmelskartographie auf
sensibilisierte Photoplatten belichten. So
konnten die Koordinaten und die scheinbaren Helligkeiten der neuen Himmelskörper nachträglich vermessen und in Karten
eingetragen werden (Astrometrie). Man
fand jedoch heraus, dass in Abhängigkeit
von der Bildregion auf der Photoplatte
Koordinatenfehler vorhanden waren. Der
Isoplanasiefehler (Komafehler) solcher
Teleskope, der mit 1/(16 k2) bei kleineren
Blendenzahlen k ansteigt, war die Ursache.
Die Entwicklung von verbesserten Syste-
men mit kleinen Blendenzahlen und mit
komafreier Abbildung war nötig [1].
Zu dieser Zeit war Karl Schwarzschild
Professor an der Sternwarte Göttingen
(1901–1909). Er beschäftigte sich dort
unter anderem mit himmelsmechanischen
Problemen, der Physik der Sonnenatmosphäre und der Astrometrie. Schon 1905
veröffentlicht Karl Schwarzschild Berechnungen zur optischen Abbildung durch
zwei Spiegel [2]. Diese Veröffentlichung
enthält als ein Ergebnis das erste astronomische Spiegelsystem für große Felder
das keine sphärische Aberration und
keine Koma dritter Ordnung nach Seidel
hatte (aplanatisches Teleskop). Diese Forschung auf dem Gebiet der Theorie der
Abbildungsfehler der Zweispiegelsysteme
erbrachte als Nebenprodukt auch die
Grundlage zu mikroskopischen Spiegelobjektiven. Den prinzipiellen Aufbau und die
Ableitung des Formelwerks zur Berechnung haben das Spiegelteleskop und das
Spiegelobjektiv gemein. Die Benennung
Schwarzschildobjektiv wird daher für die
beiden sehr unterschiedlichen optischen
Instrumente verwendet.
Optische Korrekturmöglichkeiten
Wie auch refraktive Mikroskopobjektive
werden moderne Spiegelobjektive meist
auf eine unendliche Bildweite ausgelegt.
LINOS Spiegelobjektive sind ebenfalls
werkseitig auf eine unendliche Bildweite
abgeglichen und können somit in Kombination mit Tubuslinsensystemen in
mikroskopischen Aufbauten oder auch
direkt zum Fokussieren von kollimiertem
Laserlicht eingesetzt werden. Zur direkten
Abbildung lassen sich die Spiegelobjektive
auf Kundenwunsch, z.B. zur Maskenabbildung, auch auf endliche Abbildung
einstellen.
Trotz der nur zwei sphärischen Flächen lässt
sich ein Spiegelobjektiv im konzentrischen
(Schwarzschild-) Aufbau auf sphärische
Aberration, Koma und Astigmatismus der
dritten Ordnung (Seidelgebiet) vollkommen
korrigieren. Die Bildfeldkrümmung lässt
sich prinzipiell nicht beeinflussen. Sie hat
ihre Ursache in der systemeigenen Petzval-
Abb. 4: Konturplot der sphärischen Aberration in λ bei
266 nm für ein Spiegelobjektiv in Abhängigkeit von
der numerischen Apertur (NA) und Brennweite (f).
Summe. Der paraxiale Radius des Bildfeldes
RPetz lässt sich mit der einfachen Formel
RPetz = -f’Objektiv berechnen.
Bildfehler höherer Ordnung lassen sich
ebenfalls nicht beeinflussen und setzen
einigen Systemparametern Grenzen. So
zum Beispiel begrenzt die sphärische Aberration 5. Ordnung die maximale Öffnung
des Systems. Aus diesem Grund lassen
sich derartige Systeme nur bis zu einer
maximalen numerische Apertur NA = 0.6
sinnvoll ausführen. Die sphärische Aberration 5. Ordnung und andere Restfehler
werden zusätzlich bei größer werdenden
Brennweiten wirksam. Als Beispiel ist in
Abb. 4 das Verhalten der sphärischen
Aberration in Form der Wellenfrontdeformation in Abhängigkeit von Brennweite
und numerischer Apertur dargestellt.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich feststellen,
dass kurze Brennweiten zu kleinen Feldern
und lange Brennweiten zur Einschränkung
der Öffnung führen. Wie bei refraktiven
Mikroskopobjektiven ebenfalls üblich,
wird neben der numerischen Apertur bei
Spiegelobjektiven auch eine Vergrößerung
angegeben. Sie errechnet sich aus dem
Verhältnis von Tubuslinsenbrennweite
(z.B. f’Tubus=200m) zur Objektivbrennweite. 컄
21
BASICS
Daraus folgt, dass Objektive mit großer
Vergrößerung kleine Brennweiten haben
und umgekehrt. Im Falle des LINOS Spiegelobjektives ergibt sich aus der Systembrennweite f’=10 mm eine Vergrößerung
von 20fach. Dies gilt nur bei auf unendliche Bildweite ausgerichteten Objektiven.
Wird das Objektiv auf eine endliche Abbildung eingestellt, ergibt sich eine andere
Vergrößerung, die sich aus dem Verhältnis
von Bildweite zu Objektweite berechnet.
Durch den Einsatz von asphärischen Flächen kann die optische Leistungsfähigkeit
von Spiegelobjektiven verbessert werden.
So lassen sich damit höhere numerische
Aperturen erreichen, da sich die sphärische
Aberration besser korrigieren lässt. Auf die
Bildfeldwölbung und damit auf die Größe
des Objektfeldes hat das jedoch keinen
Einfluss. Nachteile haben Asphären durch
die höhere Empfindlichkeit auf Lagefehler.
Technologisch bedingt ist zudem die Oberflächenrauhigkeit der Asphären höher als
bei sphärischen Flächen. Das erzeugt insbesondere im UV-Bereich starke Streuung
und das verschlechtert das Auflösungsvermögen des Objektivs. Spiegelobjektive
lassen sich auch durch Einstellen des Spiegelabstandes auf mikroskopische Deckgläser korrigieren. Jedoch wird nur die
durch das Deckglas eingeführte sphärische
Aberration kompensiert. Der durch die Dispersion des Glases eingeführte Farbfehler
bleibt. Dies fällt jedoch nur bei größeren
Deckglasdicken und höheren numerischen
Aperturen ins Gewicht.
Optische Abbildungsqualität
Die Zentralabschattung durch den Sekundärspiegel führt beugungsbedingt zum
Absinken des Kontrastes bei niedrigen
Ortsfrequenzen, führt aber im Bereich
hoher Ortsfrequenzen zum Anheben des
Kontrastes. Das lässt sich sehr gut anhand
der Modulations-Transfer-Funktion (MTF)
ersehen. Die MTF zeigt wie kontrastreich
verschiedene Ortsfrequenzen übertragen
werden. Dabei gilt, dass hohe Ortsfrequenzen kleinen Details im Objekt entsprechen. Ein hoher Ordinatenwert der
MTF zeigt einen hohen Detailkontrast. Die
physikalisch erreichbare MTF hängt von
der Größe der numerischen Apertur des
Systems und von ihrer Form ab. Wobei die
numerische Apertur die höchste übertragbare Ortsfrequenz fGrenz nach Gleichung (1)
bestimmt. Die Form der Apertur legt den
maximal möglichen Kontrast.
(GL 1)
(NA-numerische Apertur, λ-Wellenlänge,
k-Blendenzahl)
Abb. 5: Links: Apertur eines Spiegelobjektivs mit
Abschattung; Rechts: eine Faltung der Apertur mit
sich selbst.
Ein einfacher Weg zur Berechnung der
beugungstheoretischen MTF ist die mathematische Faltung der Apertur mit sich
selbst [4]. Abb. 5 zeigt auf der rechten
Seite das Prinzip der Faltung.
Für eine abgeschattete Apertur erhält man
durch diese Methode die in Abb. 6 in Rot
und Blau gezeichneten Verläufe der beugungsbegrenzten MTF. Zum Vergleich ist in
Schwarz die physikalische Grenze für eine
nicht abgeschattete Apertur gezeigt. Deutlich ist in der blauen Kurve der größere
Kontrast bei hohen Ortsfrequenzen zuerkennen. Jedoch ergibt sich ein geringerer
Kontrast bei mittleren Frequenzen.
컄
Wie bereits beschrieben ist die Zentralabschattung ein Nachteil der Spiegelobjektive. Eine Verringerung des Abschattungsverhältnisses kann durch das Abweichen
vom konzentrischen Aufbau der Spiegel
erreicht werden. Das führt jedoch zum
Vergrößern der geometrischen Abmessungen des Objektivs. Außerdem werden
Astigmatismus und Koma erhöht. Das
führt zu einer Einschränkung des Bildfeldes
und zum Verlust von Abbildungsleistung.
Abb. 6: MTF für verschiedene Aperturen. Die Ortsfrequenz ist auf 1 normiert;
Schwarz: Kreisförmige Apertur ohne Abschattung;
Rot: mit 0,2* Aperturradius Abschattung;
Blau: mit 0,4*Aperturradius Abschattung,
Blau gestrichelt: Fehler behaftetes System mit 0,4*Aperturradius Abschattung
22
BASICS
Im Gegensatz zu Linsen muss bei reflektierenden Sphären die Oberflächengenauigkeit sehr viel präziser eingehalten werden.
Betrachtet man eine Formabweichung der
Höhe h, errechnet sich der zu Abbildungsfehlern führende Wellenfrontfehler (engl.:
optical path difference, OPD) vereinfacht
nach Gleichung (2):
OPD = ( n − 1) h
(GL 2)
(n- Brechungsindex, h- Höhe einer Formabweichung)
Abb. 7: Oben links: drei Stege in 120° Anordnung, Oben rechts: vier Stege in 90° Anordnung.
Unten: Bildliche Beugungsfigur, zugehörend zu den oben gezeigten Steganordnungen.
In der Realität wird diese beugungsbedingte Grenze von refraktiven und reflektiven Mikroskopobjektiven nahezu erreicht.
Für derart hochwertige Objektive hat sich
Angabe der Strehlzahl bewährt. Sie gibt
an, wie weit die Optik das physikalisch
mögliche Limit erreicht. Zur Illustration ist
in Abb. 6 ein mit Abbildungsfehlern behaftetes System in gestrichelter Form eingezeichnet. Die Strehlzahl lässt sich bestimmen, indem man die Fläche unter der
gestrichelten blauen Linie und unter der
durchgezogenen blauen Linie bestimmt
und zueinander ins Verhältnis setzt. Aus
der Berechnungsvorschrift ergibt sich, dass
die Strehlzahl maximal eins werden kann.
Das bedeutet, dass das System physikalisch
beugungsbegrenzt ist.
Wie schon erwähnt, wird die Beugung
nicht nur von der Zentralabschattung des
Sekundärspiegels beeinflusst, sondern
auch von der zusätzlichen Abschattung
der Haltestege des Spiegels. Diese
Abschattung führt dazu, dass die Beugungsfigur nicht mehr punktsymmetrisch
ist, sondern mehrere Symmetrieachsen
bekommt.
Die Abb. 7 zeigt die deutlichen Unterschiede des Punktbildes in Abhängigkeit
von verschiedenen Steganordnungen. Zu
beachten ist, dass mehr Stege gleicher
Dicke eine höhere Fläche einnehmen.
Diese geht beim Sammeln von Licht von
der eigentlichen Öffnung verloren. Bei der
Konstruktion derartiger Spiegelobjektive
sind unterschiedliche Steganordnungen
bekannt. Je nach Ausführung in Lage und
Form kann die Abschattung verringert
oder Beugungseigenschaften durch z.B.
gekrümmte Stege minimiert werden [3].
Damit die mechanische Lagestabilität des
sekundären Spiegels gegeben und gleichzeitig die abschattende Fläche minimiert
ist, wurde bei den LINOS Spiegelobjektiven
auf eine Drei-Steg-Anordnung zurückgegriffen.
Mechanische Anforderungen
Um mit einem gebauten Spiegelobjektiv
nahe an die Beugungsgrenze zu gelangen,
werden sehr hohe Anforderungen an
die Spiegeloberflächen hinsichtlich Form
und Mikrorauhigkeit gestellt. Auch die
Fassungsmechanik muss eine genaue Einstellung und Fixierung der Spiegel gewährleisten.
Legt man einen typischen Brechungsindex von n=1.5 für Glas zugrunde, so
geht h mit der Hälfte in die OPD ein. Für
Spiegel gilt dies analog, nur dass durch
die Richtungsumkehr mit einem formalen
Brechungsindex n=-1 gerechnet werden
muss. Danach geht h zweifach in die
OPD ein. Der Vergleich mit den Linsen
zeigt, dass Fehler in Spiegelflächen somit
vierfach stärker in Abbildungsfehler eingehen. Die OPD wirkt sich über folgende
Formel direkt auf die Strehlzahl S aus
(Marechalsche Näherung, [5]):
(GL 3)
(λ-Wellenlänge, σRMS-root mean square
der OPD) (s.o.)
Insbesondere bei Wellenlängen im DUV
Bereich steigen die Anforderungen. Aus
Abb. 8 und Gleichung (3) ist ersichtlich,
wie sich die Strehlzahl bei Skalierung
mit der Wellenlänge verhält. Das Beispiel
zeigt, dass eine bei λ=633 nm ermittelte
Strehlzahl von 0.98 einer Strehlzahl von
0.86 bei λ=266 nm entspricht. Diese Optik
ist als technisch beugungsbegrenzt zu
bezeichnen. Die Definition von technisch
beugungsbegrenzt ist bei einer Strehlzahl
von größer 0.8 festgelegt.
Neben der reinen formgerechten Herstellung der Spiegel ist das Fixieren in die
Fassung wegen der auftretenden Verspannungen eine Herausforderung. Schon
geringe Spannungen führen zu Abwei컄
chungen der Oberfläche von der sphä-
23
BASICS
Detailkontrast gemindert wird. Die Spiegelsubstrate der LINOS Objektive sind aus
diesem Grund mit besonderen Poliertechniken (Superpolishing) mit Mikrorauhigkeiten unter 1 nm versehen.
Streulichtblenden eingebracht
Abb. 8: Strehlzahl in Abhängigkeit von der der
Wellenlänge. Parameter ist die Wellenlänge in [µm].
rischen Form. Bei den LINOS Objektiven
wurden spezielle Fassungstechnik und
Konstruktionsmethoden verwendet, um
die Spiegel extrem langzeitstabil und spannungsarm zu halten und somit ein hohe
Performance der Abbildung zu gewährleisten. Finite Elemente Methoden (FEM) helfen, die optimale Anordnung zu ermitteln.
Die Abb. 9 zeigt ein Simulationsbeispiel
für das Verziehen des primären Spiegels
durch seine Fixierung. Einen weiteren
wesentlichen Einfluss auf die Bildgüte
hat das Streulicht in optischen Systemen.
Insbesondere die Oberflächenrauhigkeit
der Spiegel ist bei kürzer werdenden Wellenlängen zu beachten, da dadurch starke
Streuung verursacht wird [6]. Sie führt zu
einer Verschlechterung der MTF, weil der
Streulicht wird nicht nur von der Oberflächenrauhigkeit der Spiegelflächen,
sondern auch durch Reflektion und Streuung an mechanischen Oberflächen, z.B.
Fassungskanten, verursacht. Werden keine
oder unzureichende Maßnahmen dagegen
ergriffen, führt auch Licht außerhalb des
zu beobachtenden Objektfeldes zu einer
Minderung des Kontrastes und damit zu
einem Abfall des Auflösungsvermögens.
Um dies zu minimieren, werden in LINOS
Spiegelobjektiven Streulichtblenden eingebracht, die verhindern, dass Strahlung,
die von außerhalb des Beobachtungsfeldes
kommt, durch Einfach- oder MehrfachReflektion oder durch Streuung in das
Bildfeld gelangen. Simulationen helfen,
die Geometrien und Platzierung von
Streulichtblenden zu optimieren. Dazu
werden in nicht-sequentiellen Strahlverfolgungsprogrammen wie z.B. Trace Pro
mechanische Modelle des Objektivs inklusive der Oberflächen mit ihren optischen
Eigenschaften simuliert. Eine hohe Anzahl
Strahlen von verschiedensten Orten im
Abb. 9: Finite Elementeberechung von spannungsverursachten
Verformungen des Primärspiegels.
Objektraum werden dann in das Objektiv
hineingerechnet. Abb. 10 zeigt das Prinzip
mit wenigen Strahlen. Anschließend wird
analysiert, ob und wenn ja über welche
Pfade sich die Lichtstrahlen durch das
Objektiv bewegen und welche Energie sie
besitzen. Daraus werden entsprechende
Maßnahmen abgeleitet, die das Streulicht
wirksam vermindern.
Zusammenfassung
Spiegelobjektive vom Schwarzschildtyp
sind im Vergleich zu refraktiven
Mikroskopobjektiven immer dann eine
Alternative, wenn in einem optischen
Aufbau ein vergleichsweise großer Arbeitsabstand, ein breiter Spektralbereich oder
eine hohe Laserleistung erforderlich ist.
Somit erschließen sich derartige Objektive
Anwendungsgebiete in der Mikroinspektion (z.B. Wafer-Inspektion), in der Schichtdickenmesstechnik (Ellipsometrie) oder
aber auch in Laseranwendungen wie z.B.
im Flat Panel Repair-Bereich. Besonders bei
Applikationen im UV-Wellenlängenbereich
unterhalb von 360 nm bieten sich Spiegelsysteme wegen ihrer hohen Transmission
an [8]. LINOS Spiegelobjektive lassen sich
auf Kundenwunsch hinsichtlich des Spektralbereichs oder durch Abstandsänderung
zwischen den beiden Spiegeln auf unterschiedliche Bildweiten anpassen. Durch
컄
Abb. 10: Streulichtsimulation durch nichtsequentielles Raytracing mit TracePro
am mechanischen Modell des LINOS Spiegelobjektivs.
> Kontakt:
[email protected]
24
BASICS
präzise Montagetechnik, eine streulichtoptimierte Fassungskonstruktion und höchste
Güte der optischen Oberflächen wird eine
beugungsbegrenzte optische Performance
gewährleistet. Bedingt durch den verhältnismäßig einfachen grundsätzlichen
Aufbau sind derartige Objektive auch
eine interessante preisliche Alternative zu
vergleichbaren refraktiven Mikroskopobjektiven. 앩
LINOS Mikrobank™-System als Basis
Fasergekoppelte
THz-Messmodule
Die Terahertz (THz)-Messtechnik wird zunehmend für industrielle
Quellen:
[1] „Basic Design Theory and its Historical
Development (Reflecting Telescope
Optics 1)”, Raymond N. Wilson, Vol.1,
Springer, Berlin (2000)
[2] „Untersuchungen zur geometrischen
Optik. II. Theorie der Spiegeltelescope“, Karl Schwarzschild, Berlin
Weidemannsche Buchhandlung, 1905
[3] „Diffraction Patterns produced by
obstructionsin reflecting teleskopes of
modest size“, Everhardt, Kantorski,
Astronomical Journal (64) 1959 S.
455ff
[4] “Handbook of lens design”; Malacara,
Malacara, Dekker Verlag, 1994, S.
299ff
[5] «Influence de faibles aberrations
geometriques sur le maximum central
da la tache de diffraction regles de
correction», A. Marechal, Revue
d’Optique 26, 257 (1947)
[6] “Introduction to surface roughness
and scattering”, Jean Bennett Optical
Society of America, 1989
[7] TRACE PRO, Lambda Research
Corporation, Littleton USA
[8] Laser und Photonics,
Mai 3/2008, S. 18ff
Anwendungen in den Bereichen Sicherheitstechnik sowie zerstörungsfreie und kontaktlose Materialprüfung interessant. Ein Hauptgrund für
das gestiegene Interesse ist die hohe Einsatzflexibilität von THz-Systemen. Erreicht wird sie durch Verwendung der aus der optischen Telekommunikationstechnik bekannten Glasfasertechnik.
Das Fraunhofer-Institut für Physikalische
Messtechnik IPM in Kaiserslautern entwickelt und realisiert industrietaugliche
THz-Messsysteme, die zum Teil faserbasiert
sind. Als Anregungsquellen dienen hier
Femtosekundenlaser mit einer Mittenwellenlänge um 800 nm und Pulslängen von
100 fs - 200 fs. Photoleitende Schalter
werden als THz-Sender sowie auch als
-Empfänger verwendet und zusammen mit
der notwendigen Optik und Mechanik in
entsprechende Messmodule integriert.
Einfacher Aufbau
Um nun die gewünschte Systemflexibilität
zu erreichen, müssen diese Sende- und
Empfängermodule mittels optischer Fasern
so an das Lasersystem gekoppelt werden,
dass sich die Pulslänge am Faserende
nicht wesentlich von der am Laserausgang unterscheidet. Dazu werden die
Laserpulse, bevor sie in die Faser eingekoppelt werden, mit der passenden negativen
Dispersion beaufschlagt, um anschließend
nahezu unverfälscht über bis zu 20 m
lange Glasfasern zu den Messköpfen übertragen werden zu können [1]. Diese spezielle monomodige Glasfaser ist in der Lage,
das eingekoppelte Licht polarisationserhaltend zu übertragen. Das heißt, der
anfangs lineare Polarisationszustand bleibt
entlang der Faser auch gegenüber dynamischen äußeren Störungen erhalten. Das
aus dem Glasfaserende austretende Licht
wird im THz-Messkopf über einen für die
Operationswellenlänge vergüteten Kollimator auf einen Strahldurchmesser von
etwa 1 mm kollimiert. Dieser Kollimator
sowie alle nachfolgenden Komponenten
im THz-Messmodul werden anschließend
mittels des LINOS Mikrobank-Systems
geführt und gehaltert. Dieses garantiert
eine genaue Vorjustage der einzelnen
mechanisch gehalterten optischen Komponenten. So wird das kollimierte Licht
durch eine justageunempfindliche und
frei einstellbare Halbwellenplatte geleitet,
um den linearen Polarisationszustand frei
einstellen zu können. Danach wird der
infrarote Laserstrahl mit Hilfe einer kurzbrennweitigen Linse, welche in der hochpräzisen XY-Messverschiebung (Art. Nr.
컄
> Kontakt:
[email protected]
25
CHECK UP
Das fasergekoppelte Terahertz-Messmodul, basierend auf dem LINOS Mikrobank-System.
G065070000) von LINOS gehaltert wird,
auf die photoleitende THz-Dipolantenne
fokussiert. Wichtig ist hierbei die unabhängige Justagemöglichkeit der beiden
orthogonalen Verschiebeeinheiten, um
den optimalen Auftreffpunkt auf dem
photoleitenden Schalter möglichst genau
einstellen zu können. Dies ist durch den
oben benannten Halter gegeben.
IPM-Produkt
Der photoleitende Schalter ist zusammen mit der passenden Platine ein
Eigenprodukt des Fraunhofer-Instituts für
Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg.
Auf dem bei niedrigen Temperaturen
gewachsenem Gallium-Arsenid-Chip
sind sechs einzelne Antennenstrukturen
mit Dipollängen von 10 μm bis 60 μm
aufgebracht, die wahlweise durch entsprechende Justage der XY-Messverschiebeeinheit beleuchtet werden können.
Das Fraunhofer-Institut für Physikalische
Messtechnik IPM vertreibt diese Antennen
kommerziell [2].
26
Dauerhafter Aufbau
Eine besonders wichtige Komponente
bei der Justage der Fokussierlinse gegenüber dem Halbleiterchip ist der Abstand
in Strahlrichtung. LINOS bietet mit der
Z-Verstellung M (Art. Nr. G061165000)
eine sehr hilfreiche Einstellmöglichkeit an,
um die optimale Entfernung zum photoleitenden Schalter einstellen zu können
und dauerhaft zu fixieren. Auf die Rückseite des photoleitenden Schalters wird
eine Linse aus Silizium angedrückt, welche
in der Zentrieraufnahmeplatte 25 (Art. Nr.
G061025000) von LINOS gehaltert wird.
Da die Siliziumlinse nicht so justage kritisch
wie die Fokussiereinheit ist, genügt hier die
einfachere und räumlich etwas reduziertere
Version der XY-Messverschiebeeinheit. Um
die nun divergent aus der Siliziumlinse
austretende THz-Strahlung zu kollimieren,
wird eine speziell gefertigte Teflon-Linse
eingesetzt. Diese wird ebenfalls in einer
Zentrieraufnahmeplatte 25 gehaltert.
Durch die Verwendung der Mikrobank
Komponenten von LINOS konnte ein hoch-
gradig intuitiv sowie schnell und dauerhaft
justierbarer Aufbau der THz-Sende- und
THz-Empfangseinheiten realisiert werden.
Diese THz-Messmodule stellen Schlüsselkomponenten in den fasergekoppelten
THz Spektroskopie-Systemen des Fraunhofer Instituts für physikalische Messtechnik IPM dar [1]. 앩
Quellen:
[1] F. Ellrich, T. Weinland, M. Theuer, J.
Jonuscheit and R. Beigang: „Fasergekoppeltes Terahertz Spektroskopiesystem.“, tm-Technisches Messen,
Oldenburg, München, 1/2008.
[2] www.menlosystems.com/pdf/Tera8_
web.pdf, 23. Oktober 2008.
LINOS LIVE
Seminare 2008
Literaturtipp
™
WinLens Seminar an der Laser Akademie Hannover
Gauß. Eine Biographie
Bereits zum sechsten Mal veranstaltete die LZH Laser
Akademie Hannover in Kooperation mit LINOS das
Optikdesign-Seminar „Einführung in das computergestützte Optical Design mit WinLens™ Plus“. Im September reisten Thomas Thöniß, Entwicklungsleiter und
Christoph Gerhard, Produktmanager für Optik, beide
LINOS Göttingen, nach Hannover und gaben eine Einführung in die Theorie der Abbildungsfehler und Grundlagen des Optikdesigns. Anschließend wurde anhand
von praktischen Übungen an einem umfangreichen
Übungsbeispiel zum Design eines optischen Systems
das Seminar-Thema vertieft.
Das Seminar „Einführung in das computergestützte
Optical Design mit Win-Lens™ Plus“ findet regelmäßig
an zwei Terminen im Jahr an der LZH Laser Akademie
Hannover statt. Weitere Informationen dazu finden Sie
unter www.lzh-laser-akademie.de.
Hubert Mania
Daniel Kehlmann hatte ihn wiederentdeckt, den bedeutendsten Mathematiker der Neuzeit: Karl Friedrich Gauß
(1777 – 1855). Seine überragenden
wissenschaftlichen Leistungen waren
schon seinen Zeitgenossen bewusst.
Da Gauß jedoch nur einen Bruchteil
seiner Entdeckungen veröffentlichte,
erschloss sich erst der Nachwelt die
Tiefgründigkeit und Reichweite seines
Werks. Hubert Mania schildert in
dieser ersten umfassenden Biographie
die Geschichte eines genialen Wissenschaftlers und
zugleich eine ganze Epoche. Gauß war ein Mann,
der in einer Welt des Aufbruchs völlig zurückgezogen
lebte. Dabei hat er wie kaum ein anderer unsere
Sicht der Welt revolutioniert. Als Erster formulierte er
eine nichteuklidische Geometrie und schuf damit die
unentbehrliche Grundlage zu Einsteins Entwicklung der
allgemeinen Relativitätstheorie. Eine glänzend geschriebene Biographie des weltberühmten und doch noch so
unbekannten Genies Karl Friedrich Gauß.
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Erscheinungsjahr März 2008
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Redaktion optolines
Besuch der Gauß’schen
Sternwarte
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Besuch der Gauß’schen Sternwarte in Göttingen
gewann. Insbesondere die gewölbte, reizvoll bemalte
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war von 1807 bis 1855 Wohn- und Arbeitsstätte
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Renovierung wurde die Sternwarte am 19. November
2008 offiziell eingeweiht. Ein Verein von Göttinger
Geschäftsleuten und Bürgern sorgte dafür, dass auch
die Kuppel vollständig restauriert wurde.
Impressum
Herausgeber: LINOS Photonics GmbH & Co. KG,
Geschäftsbereich Industrial Manufacturing
Königsallee 23, D-37081 Göttingen
FON +49 (0)5 51 / 69 35-0, www.linos.de
> Kontakt: [email protected]
Im Entré der historischen und frisch renovierten
Gauß-Sternwarte, v.l.: Bastian Dzeia, Thomas Thöniß,
Petra Aschenbach und Norbert Henze.
© Konzeption, Layout und Produktion:
BEISERT & HINZ
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